KR20240089620A

KR20240089620A - 전기화학 셀 및 스택형 장치의 프레임

Info

Publication number: KR20240089620A
Application number: KR1020247015698A
Authority: KR
Inventors: 칼-하인츠 렌츠; 엘레나 보르가르트
Original assignee: 아이가스 에너지 게엠베하
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-06-20
Also published as: CA3233832A1; EP4399351A2; WO2023062088A3; WO2023062088A2

Abstract

본 발명은 전기화학 셀 및 스택형 장치를 위한 새로운 프레임에 관한 것이다. 본 발명은 프레임, 전기화학 셀, 사전 조립식 모듈, 및 본 발명에 따른 프레임을 포함하는 스택형 장치 및 사전 조립식 모듈, 전기화학 셀, 및 본 발명에 따른 프레임을 포함하는 스택형 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 프레임, 전기화학 셀 및 스택형 장치는 가압 하에서 기체 및 액체의 변환 또는 생성에 적합하다. 본 발명은 새로운 프레임 및 시일 개념에 기초한다. 본 발명은 또한 스택형 장치의 커버에 관한 것이다.

Description

전기화학 셀 및 스택형 장치의 프레임

본 발명은 가압 하에서 기체와 액체를 전기화학적으로 변환 또는 생성하기 위한 전기화학 셀 및 스택형 장치용 프레임에 관한 것이다. 전기화학 셀용 새로운 프레임, 스택형 장치 및 본 발명에 따른 프레임을 포함하는 사전 조립식 모듈, 사전 조립식 모듈을 제조하는 방법, 및 스택형 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 프레임, 본 발명에 따른 전기화학 셀 및 본 발명에 따른 스택형 장치는 전해 셀, 연료 전지 또는 전기화학 압축용 셀과 같이 가압 하에서 기체 및 액체를 전기화학적으로 변환 또는 생성하는 데 적합하다. 본 발명은 새로운 프레임 및 시일 개념에 기초한다. 본 발명은 또한 스택형 장치용 뚜껑에 관한 것이다.

전기화학 셀은 물질을 변환하여 전기를 생성하거나 전기를 가하여 다른 물질을 형성할 수 있다. 전기화학 셀은 전자 전도체로서 작용하는 2개의 전극 및 이온 전도체로서 작용하는 전해질을 갖는다. 여기서 개발된 셀에 바람직한 전해질은, 예를 들면, 이온 전도 막과 같은 고체 전해질이다.

고체 전해질을 사용하는 고전적인 전기화학 셀은 이온 전도 막으로 구성되고, 이 막은 촉매로 코팅될 수 있고 이곳에서 반응이 일어난다. 애노드 측 및 캐소드 측에서, 다공질 전극(애노드 및 캐소드)은 전해질을 향해 또는 전해질로부터 기체 또는 액체를 수송한다. 압력 하에서 기체 및 액체의 유입 또는 유출은 종래의 금속 또는 고강도 플라스틱(PEEK)으로 제조된 프레임에 의해 보장될 수 있다. 이 프레임 내에는 전극(애노드 또는 캐소드)이 삽입된다. 프레임은 기체 또는 액체가 전기화학 셀로부터 누출하는 것을 방지하기 위해 O링, 및 평탄 개스킷 또는 주입 시일 등의 기타 시일에 의해 횡방향으로 실링된다. 생산량을 증대시키기 위해 전기화학 셀은 직렬로 연결하여 셀 스택을 형성할 수 있다. 그런 다음 각각의 전기화학 셀은 양극 플레이트로 서로 분리된다. 이러한 배열을 포함하는 장치를 스택형 장치(23)라고 한다.

프레임을 포함하는 전기화학 셀 및 스택형 장치는 종래 기술에 공지되어 있다.

EP 3 699 323 A1은, 예를 들면, 전해조의 전극 스택의 전극의 공급에 관한 것이다.

DE 25 33 728 A1은 나란히 배치된 제2 전극과 전해 셀의 적어도 하나의 체임버를 둘러싸는 외부 프레임을 구비한 전해 셀에 관한 것이다.

EP 3 770 303 A1은 양극 플레이트, 2개의 전극 플레이트 및 양극 플레이트와 전극 플레이트 사이에 배치된 2개의 전류 전달 구조를 구비한 전기화학 반응기의 스택 구조용 전극 패킹 유닛에 관한 것이다.

고전적인 전기화학 셀을 가압 하에서 작동할 때 전형적으로 발생하는 어려움은 다음과 같다:

1. 셀 스택, 즉, 스택형 장치에서는 많은 전기화학 셀의 프레임이 서로 적층되어 있고 프레임 및 기타 컴포넌트에서 사용되는 각각의 재료에는 제조 공차가 있으므로 누출 기밀성에 문제가 있다. 이로 인해 프레임의 일부 부품에서 사용되는 O링 또는 기타 시일의 접촉 압력이 불충분할 수 있다. 특히 기체 또는 액체가 가압 하에 있는 경우, 공지의 시일로는 기밀성을 확보하기가 어렵거나 불가능하다.

2. 프레임의 기계적 안정성: 기체 및 액체가 가압 하에서 변환 또는 생성되는 경우, 플라스틱 프레임이 변형된다(도 2).

3. 전극과 프레임(1) 사이에 작은 간극(17)이 잔존한다. 차압 작동 중에 이 간극(17) 내로 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 압입된다. 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 간극(17) 내로 압입되거나 크롤링(crawling; 24)된다. 이 효과는 프레임(1)이 낮은 기계적 안정성으로 인해 변형되는 경우(지점 2를 참조할 것)에 강화되어 간극(17)을 더 커지게 한다(도 2).

4. 프레임은 액체 및 기체를 공급 및 제거하기 위한 채널을 포함하는 경우가 많다. 최신 기술에서, 채널은 프레임으로부터, 즉 금속 또는 플라스틱 부품으로부터 밀링 가공되므로 고비용을 유발하는 것으로 알려져 있다.

전기화학 셀을 통해 산업적 목적으로 고압의 기체 또는 액체를 생성하거나 고압의 기체 또는 액체를 전기화학 셀에 도입하기 위해서는 고압에서 작동할 수 있고 위에서 언급한 단점이 없는 개선된 전기화학 셀이 필요하다.

상기 문제는 청구항 1 내지 청구항 21에 따른 본 발명에 의해 해결된다.

도 1: 최신 기술의 프레임(1), 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13), 양극 플레이트(BPP)(16), 애노드(7), 프레임(1)과 애노드(7) 사이 및 프레임(1)과 캐소드(10) 사이에 간극(17)을 가진 캐소드(10)를 가진 전기화학 셀의 고전적 구조. 도시된 프레임(1)은 물 및 가스의 공급 및 제거를 위한 I형 채널(14)을 포함한다.
도 2: 도 1에 따른 프레임(1)에서, 프레임(1)이 변형되고, 프레임(1)과 애노드(7) 사이 및 프레임(1)과 캐소드(10) 사이에 더 큰 간극(17)이 형성되고, 프레임(1)과 애노드(7) 사이 및 프레임(1)과 캐소드(10) 사이에 확대된 간극(17) 내로 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 크롤링(24)하는 것을 도시한다.
도 3a: 본 발명에 따른 프레임(1)의 일부가 도시되어 있고, 이 것은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된 코어(21)를 포함하고 또한 실링 재료로 제조된 코팅(22) 내에 II형 채널(15)을 포함한다.
도 3b: 본 발명에 따른 프레임(1)의 일부가 도시되어 있다. 프레임(1)은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된 코어(21), 및 실링 재료로 제조된 코팅(22) 내의 II형 채널(15)을 포함한다.
도 4: 본 명세서에 도시된 본 발명에 따른 캐소드 프레임(11)은 이 캐소드 프레임(11)의 제1 측면(27'), 제2 측면(28'), 제3 측면(29') 및 제4 측면(30')에 의해 둘러싸인 제2 개구부(9)를 갖는다. 캐소드 프레임(11)은 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 연결 요소로서 2개의 구멍(18) 및 20개의 I형 채널(14)을 포함한다. 캐소드 프레임(11)은 제2 측면(5)에 복수의 II형 채널(15)을 포함하며, 이것은 제2 개구부(9)를 10개의 I형 채널(14)에 연결하고 각각의 I형 채널(14)은 복수의 II형 채널(15)을 통해 제2 개구부(9)에 연결된다. 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')에는 I형 채널(14)을 제2 개구부(9)와 연결하는 II형 채널(15)이 없다.
도 5: 본 명세서에 도시된 본 발명에 따른 애노드 프레임(8)은 이 애노드 프레임(8)의 제1 측면(27), 제2 측면(28), 제3 측면(29) 및 제4 측면(30)에 의해 둘러싸인 제2 개구부(6)를 갖는다. 애노드 프레임(8)은 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 연결 요소로서 2개의 핀(19) 및 이 특정의 실시례에서 I형 채널(14)을 포함하며, 이 I형 채널(14)은, 애노드 프레임(8)과 캐소드 프레임(11)이 연결될 때, 액체 및 기체의 공급 및 제거를 위해 캐소드 프레임(11)의 20개의 I형 채널(14)과 상호작용할 수 있도록 배치된다. 애노드 프레임(8)은 제1 측면(4)에 II형 채널(15)을 포함하며, 이것은 제1 개구부(6)를 10개의 I형 채널(14)과 연결한다. 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')에는 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)와 연결하는 II형 채널(15)이 없다. 애노드 프레임(8)은 실링 재료로 제조된 코팅(22), 바람직하게는 고무제 코팅을 포함한다. 이 애노드 프레임(8)은 실링 재료로 제조된 립, 바람직하게는 고무 립(25)을 포함한다.
도 6은 다음의 프로세스 단계를 갖는 사전 조립식 모듈(20)을 제조하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다: a) 초기 위치: 애노드(7) 및 BPP(16)가 연결된다(BPP/애노드(36)); b) 제1 단계: 애노드 프레임(8)의 핀(19)이 BPP/애노드(36)의 구멍(18) 내에 삽입된다; c) 제2 단계: b)의 배열을 반전시키면 BPP/애노드(36)의 BPP(16)측이 보인다; d) 제3 단계: 캐소드 프레임(11)이 배열 내에 삽입된다; e) 제4 단계: 캐소드(10)가 제2 개구부(9) 내에 삽입된다.
도 7: 사전 조립식 모듈(20)의 분해도를 도시한다. 사전 조립식 모듈(20)에 포함된 부품들, 즉 캐소드 프레임(11), 애노드 프레임(8), BPP/애노드(36), 캐소드(10) 및 사전 조립식 모듈(20) 내의 캐소드 프레임(11), 애노드 프레임(8), BPP/애노드(36), 및 캐소드(10)의 배열을 볼 수 있다. 또한 개별 부품들이 바람직하게 조립되는 시퀀스도 보인다. 캐소드 프레임(11) 내의 II형 채널(15)은 캐소드 프레임(11)의 보이는 측의 반대측에 배치된다. 이것은 프레임의 제2 측면(5)이다. 본 관점에서는 이것이 보이지 않는다. 프레임의 제2 측면(5)에서의 이들 배열은 캐소드 프레임의 제2 측면의 반대측면(5'')에 밝은 회색으로 도시되어 있다.
도 7a: 사전 조립식 모듈(20)의 평면도를 도시한다. 사전 조립식 모듈(20)에 속하는 4개의 부품을 볼 수 있다: 캐소드 프레임(11), 애노드 프레임(8), BPP/애노드(36) 및 캐소드(10). II형 채널(15)은 모두 BPP/애노드(36)를 향하는 방향으로 배치되어 있고, 따라서 사전 조립식 컴포넌트(20)의 내측에 배치되어 있으므로 사전 조립식 컴포넌트(20)에서는 보이지 않는다. 모듈(20) 내측의 II형 채널(15)의 배열은 캐소드 프레임(11)의 보이는 측(캐소드 프레임(11)의 제2 측면의 반대측면(5''))에서 밝은 회색으로 도시되어 있다.
도 7b: 사전 조립식 모듈(20)의 측면도를 도시한다. 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)이 연결되어 있다. 애노드(7)는 애노드 프레임(8) 내에 삽입되고, 캐소드(10)는 캐소드 프레임(11) 내에 삽입된다. BPP(16)는 애노드 프레임(8)과 캐소드 프레임(11) 사이에 배치된다. 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 제1 개구부(6)가 제2 개구부(9)보다 크므로 단차부(12)를 형성한다. BPP(16)는 캐소드(10), 단차부(12) 및 캐소드 프레임(11) 상에 배치되고, BPP(16)의 다른 측면은 애노드(7) 및 애노드 프레임(8) 상에 놓인다.
도 7c: 도 7b의 사전 조립식 모듈(20)의 일부의 확대 단면을 도시한 것으로, 단차부(12)를 명확하게 보여준다.
도 8: 본 발명에 따른 스택형 장치(23), 즉 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 개략 구조의 단면도를 도시한다. 이 배열은 3개의 전기화학 셀(2)을 가진 스택을 보여준다. 화살표는 40 bar의 차압 하에서 실행되는 고압 액체 전해 중에 기체 압력의 방향을 도시한다.
도 8a: 단차부(12)를 가진 전기화학 셀(2)의 일부의 확대 단부이다. 화살표는 차압에서 증가된 압력이 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 작용하는 방향을 나타낸다.
도 9a: 캐소드 프레임(11)의 예시적 치수. II형 채널(15)은 제2 개구부의 제2 측면(28')을 따라 그리고 제2 개구부의 제4 측면(30')을 따라 배치되는 I형 채널(14)에 제2 개구부(9)를 연결한다. 각각의 경우에, 복수의 II형 채널(15)이 제2 개구부(9)를 I형 채널(14)에 연결한다. 개개의 II형 채널(15)은 융기부(26)에 의해 서로 분리된다.
도 9b: 도 9a에 도시된 캐소드 프레임(11)과 일치하는 애노드 프레임(8)의 예시적 치수. II형 채널(15)은 제1 개구부의 제1 측면(27)을 따라 그리고 제1 개구부의 제3 측면(29)을 따라 배치되는 I형 채널(14)에 제1 개구부(6)를 연결한다. 각각의 경우에, 복수의 II형 채널(15)이 제1 개구부(6)를 I형 채널(14)에 연결한다. 개개의 II형 채널(15)은 융기부(26)에 의해 서로 분리된다.
도 10a: 애노드 프레임(8)의 실시형태가 도시되어 있다. 애노드 프레임(8)은 I형 채널(14) 및 II형 채널(15)을 포함하며, II형 채널(14)은 프레임의 제1 측면(4)에 부채꼴로 배치되어 있다. 이 실시형태에서, 애노드 프레임(8)은 사각형이며, 사각형의 제1 개구부(6) 및 20개의 I형 채널(14)을 포함하고, I형 채널(14) 중 5 개는 애노드 프레임의 4개의 측면에 각각 배치되고, 즉, 제1 개구부의 제1 측면(27)은 5개의 I형 채널(14)을 포함하고, 제1 개구부의 제2 측면(28)은 5개의 I형 채널(14)을 포함하고, 제1 개구부의 제3 측면(29)은 5개의 I형 채널(14)을 포함하고, 제1 개구부의 제제1 개구부의 제4 측면(30)(30)은 5개의 I형 채널(14)을 포함한다. 애노드 프레임(8)의 2개의 대향하는 측면에서, 5개의 II형 채널(14)이 8개의 II형 채널(15)에 각각 연결된다. 각각의 II형 채널(15)은 I형 채널(14) 및 제1 개구부(6)에 연결된다. II형 채널(15)은 프레임의 제1 측면(4)에 부채꼴로 배치되며, 제1 개구부의 제1 측면(27) 및 제1 개구부의 제3 측면(29)을 따라 등간격으로 배치되어 있다.
도 10b: 애노드 프레임(8)이 도시되어 있다 애노드 프레임(8)은 I형 채널(14)을 포함하고, I형 채널(14)의 일부는 원형이고, I형 채널(14)의 일부는 난형이다. 애노드 프레임(8)은 애노드 프레임(8)의 코어(21)(이 코어는 도시되지 않음)에 배치된 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함한다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 층 두께를 가지며, 경계 영역으로서 도시되어 있다. 경계 영역을 둘러싸는 선은 활성 영역(26'')의 주위의 실링 효과를 증가시키는 둘레방향의 융기부이다(26). I형 채널(14)과 II형 채널(15)과 제1 개구부(6)를 둘러싸는 애노드 프레임(8)의 영역은 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅되어 있다. 애노드 프레임(6)의 코어(21)의 나머지 부분(경계부 외측의 22'로 표시된 부분)은 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 획정된 두께에 비해 감소된 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 갖는다.
도 10c: 애노드 프레임(8)을 경사 측면도로 도시한다. 이것은 애노드 프레임(8)의 이 영역에서 정의된 층 두께를 갖는 실링 재료로 제조된 코팅(22) 내의 함몰부로서 설계된 II형 채널(15)을 도시한다. 각각의 인접한 II형 채널(15)은 융기부(= 정의된 층 두께를 갖는 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 갖는 영역)에 의해 분리된다.
도 10d는 도 10c의 애노드 프레임(8)의 단면을 도시한다.
도 10e: 캐소드 프레임(11)이 도시되어 있다. 캐소드 프레임(11)은 I형 채널(14)을 포함하고, I형 채널(14) 중 일부는 원형이며, I형 채널(14)의 일부는 난형이다. 난형 I형 채널(14)은 II형 채널(15)을 통해 제2 개구부(9)에 연결된다. 캐소드 프레임(11)은 단일 전압 측정을 격리하기 위한 고무 립(25)을 포함한다. 애노드 프레임(8)은 유사한 배열을 가질 수 있다.
도 11은 캐소드 프레임(11) 및 애노드 프레임(8)을 포함하는 사전 조립식 모듈(20)(캐소드(10) 및 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13) 없이 도시됨)의 일 실시형태를 도시한다. 단차부(12)는 제1 개구부(6)와 제2 개구부(9)의 상이한 크기에 의해 형성된다. 단차부(12)의 일부에는 II형 채널(15)이 배치되고, 이것은 캐소드 프레임(11)에 의해 덮여 있어서 부분적으로만 볼 수 있다.
도 12는 전기화학 셀(2)의 스택, 절연 플레이트(32), 단부 플레이트(33), 타이 로드(34) 및 집전 플레이트(35)를 갖는 본 발명에 따른 스택형 장치(23)를 도시한다.
도 13은 애노드(7)의 바람직한 실시형태를 도시하며, 여기서 BPP(16)는 애노드(7)에 연결되어 BPP/애노드(36)를 형성한다.
도 14는 도 10b에 도시된 바와 같은 애노드 프레임(8)을 갖는 전기화학 셀(2) 내의 압력 분포를 보여준다. 10 내지 15 MPa의 최고 압력은 코어(21)가 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 정의된 층 두께로 코팅된 애노드 프레임(8)의 영역, 즉, 예를 들면, 제1 개구부의 제1 측면(27)을 따르는 영역, 제1 개구부의 제2 측면(29)을 따르는 영역, 그리고 I형 채널(14)을 따르는 영역에 있다. 제1 개구부(6)를 I형 채널(14)에 연결하는 II형 채널(15) 및 융기부(26)가 배치되는 영역은 여기서 제외된다. 이 영역에서, 압력은 1 내지 2 MPa에 지나지 않는다. 코어(21)가 코팅되는 애노드 프레임(8)의 외연부에는 층 두께가 감소된 획정된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22)(= 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22''))에 비해 더 낮은 압력인 0.1 내지 0.5 MPa의 영역을 갖는다.
도 15a는 스택형 장치(23)를 위한 본 발명에 따른 뚜껑(37)을 도시한다. 뚜껑(37)은 2개의 분배 커버(41)에 연결된 단부 플레이트(33), 예를 들면, 상단부 플레이트(38)를 포함하며, 1개의 분배 커버(41)는 액체 도입용 연결부(30)를 포함하고, 다른 분배 커버(41)는 액체 배출용 연결부(40)를 포함한다.
도 15b는 분배 커버(41)가 제거되어 단부 플레이트(42) 내의 액체 분배 공간 및 단부 플레이트(33) 내의 액체 분배 공간에 연결된 I형 채널(14)이 단부 플레이트(33)에서 보이도록 한 상태에서 스택형 장치(23)의 뚜껑(37)을 도시한다.
도 15c는 스택형 장치(23)용의 본 발명에 따른 뚜껑(37)용 분배 커버(41)를 도시하고, 여기서 분배 커버(41) 내의 물 분배 공간을 볼 수 있다.
도 15d는, 예를 들면, 본 발명에 따른 뚜껑(37) 내에서 물이 어떻게 분배되는지를 시뮬레이션한 다이어그램을 도시한다. 이 다이어그램은 또한 뚜껑(37)의 다른 지점 및 I형 채널(14)로 전환되는 영역에서 상이한 유속을 보여준다.
도 16a 내지 16c는 도 16의 애노드 프레임의 일부의 확대도를 도시한다.
도 17은 I형 채널(14)과 II형 채널(15) 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 가진 영역과 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 가진 영역을 가진 캐소드 프레임(11)을 도시하고 있다. II형 채널(15)은 I형 채널(14)의 일부를 제2 개구부(9)와 연결한다. 이들은 제2 개구부의 제2 측면(28')을 따라 그리고 제2 개구부의 제제1 개구부의 제4 측면(30)(30')을 따라 일정한 간격으로 배치되어 각각의 II형 채널(15)은 제1 개구부(6)의 동일한 영역이나 활성 영역으로 물을 도입하거나 물 및 가스를 배출하게 된다.

본 발명의 대상은 스택형 장치(23)용 전기화학 셀(2)용 프레임(1)이며, 이 프레임(1)은 평면의 제1 표면을 갖는 프레임의 제1 측면(4), 프레임의 제1 측면(4)의 반대측의 평면의 제2 표면을 갖는 프레임의 제2 측면(5), 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)을 포함하고,

애노드 프레임은 애노드 프레임의 제1 측면(4), 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'') 및 애노드(7)를 수용하기 위한 제1 개구부(6)를 포함하며, 제1 개구부(6)는 프레임의 제1 측면(4)으로부터 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')까지 연장하고,

캐소드 프레임(11)은 캐소드 프레임의 제2 측면(5), 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'') 및 캐소드(10)를 수용하기 위한 제2 개구부(9)를 포함하며, 제2 개구부(9)는 캐소드 프레임의 제2 측면(5)으로부터 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')까지 연장하고,

애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')과 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')은 서로 인접하여 배치되고,

애노드 프레임(8)과 캐소드 프레임(11)은 서로 연결되고,

제1 개구부(6)와 제2 개구부(9)는 서로 연결되고,

제1 개구부(6)는 제2 개구부(9)보다 크고, 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')과 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')이 애노드 프레임(8)로부터 캐소드 프레임(11)로의 전이부에서 단차부(12)를 형성하도록 배치된다.

본 발명에 따른 프레임(1)에서, 단차부(12)는 바람직하게는 캐소드 프레임(11)의 일부이다. 본 발명에 따른 프레임(1)에서, 단차부(12)는, 바람직하게는, 제2 개구부(9)에 인접한다. 본 발명에 따른 프레임(1)에서, 단차부(12)는, 바람직하게는, 제2 개구부(9)를 둘러싼다. 본 발명에 따른 프레임(1)에서, 단차부(12)는, 바람직하게는, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 위한 지지면으로서 평면의 제3 표면을 형성한다. 본 발명에 따른 프레임(1)에서, 단차부(12)는, 바람직하게는, 캐소드 프레임(11)의 일부이고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 위한 지지면으로서 평면의 제3 표면을 형성한다. 본 발명에 따른 프레임(1)에서, 단차부(12)는, 바람직하게는, 캐소드 프레임(11)의 일부이고, 제2 개구부(9)에 인접하고, 제2 개구부(9)를 둘러싸고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 위한 지지면으로서 평면의 제3 표면을 형성한다.

본 발명에 따른 막(13)으로서, 바람직하게는, 이온 전도 막을 사용할 수 있다.

애노드 프레임(8)은 코어(21), 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함한다. 바람직하게는, 애노드 프레임(8)은 금속제 또는 다른 적절한 재료 제조된 코어(21)를 포함하며, 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 애노드 프레임(8)의 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 완전히 또는 부분적으로 코팅된다. 캐소드 프레임(11)은 코어(21), 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함한다. 바람직하게는, 캐소드 프레임(11)은 바람직하게는 금속제 또는 다른 적절한 재료 제조된 코어(21)를 포함하며, 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 완전히 또는 부분적으로 코팅된다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로서는 임의의 실링 재료, 예를 들면, 고무, 특히 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)가 적합하다. 예를 들면, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 EPDM을 포함할 수 있거나 EPDM으로 구성될 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 바람직하게는, 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에서 시일이거나 시일로서 기능하다. 본 발명의 주제는, 바람직하게는, 금속제 코어(21)를 가진 전기화학 셀(2)용 프레임이며, 코어(21)는 실링 재료, 바람직하게는, 고무, 예를 들면, EPDM(도 3a 및 도 3b)으로 코팅된다. 애노드 프레임(8)의 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22), 특히 시일로 완전히 또는 부분적으로 코팅된다. 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22), 특히 시일로 완전히 또는 부분적으로 코팅된다. 시일로서는 임의의 실링 재료, 예를 들면, 고무, 특히 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)가 적합하다. 예를 들면, 시일은 EPDM을 포함하거나 EPDM으로 구성될 수 있다.

애노드 프레임(8)의 코어(21)는, 바람직하게는, 금속을 포함하거나 금속으로 구성된다. 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는, 바람직하게는, 금속을 포함하거나 금속으로 구성된다. 금속제 코어(21)는 양호한 기계적 안정성을 제공한다. 대안적으로, 유사한 기계적 특성을 가진 다른 재료가 코어(21)에 사용될 수 있다. 예를 들면, 고강도 플라스틱(PEEK), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 특히 강화 PTFE 또는 분자 강화 PTFE이다. 실링 재료(22), 바람직하게는 고무, 예를 들면, 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)제의 코팅은 실링 효과를 생성하며, 즉 이 실링 재료는 시일로서 기능한다.

바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 코어(21)의 전체 표면은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 추가의 바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 코어(21)의 표면의 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 95% 이상이 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 바람직한 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 전체 표면은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 추가의 바람직한 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 95% 이상이 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 이들 실시형태에서, 실링 표면은 매우 넓다.

대안적인 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 코어(21)의 표면의 90% 미만이 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 추가의 대안적인 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 90% 미만이 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 그러나, 이들 대안적인 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 코어(21) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 영역은 전기해 셀(2)의 완전한 시일을 가능하게 하는데 필요한 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 바람직하게는, 이들 대안적인 실시형태에서, 적어도 애노드 프레임(8)의 코어(21) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 적어도 제1 개구부(6) 및/또는 제2 개구부(9)를 둘러싸는 영역은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다. 예를 들면, 애노드 프레임(8)의 코어(21)의 표면의 제1 개구부(6)를 직접 둘러싸는 0.5 cm 내지 2.5 cm, 바람직하게는 1 cm 내지 2 cm, 예를 들면, 1.5 cm의 영역. 예를 들면, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 제2 개구부(9)를 직접 둘러싸는 0.5 cm 내지 2.5 cm, 바람직하게는 1 cm 내지 2 cm, 예를 들면, 1.5 cm의 영역.

금속은 양호한 기계적 안정성을 제공하는 반면 실링 재료(22), 바람직하게는 고무, 예를 들면, EPDM제의 코팅은 실링 효과를 생성한다. 애노드 프레임(8)의 금속제 코어(21)의 표면의 바람직하게는 전부 또는 적어도 90%, 예를 들면, 적어도 95% 이상, 또는 캐소드 프레임(11)의 금속제 코어(21)의 표면의 바람직하게는 전부 또는 적어도 90%, 예를 들면, 적어도 95% 이상이 실링 재료, 바람직하게는 고무, 예를 들면, EPDM로 코팅된다는 사실은 실링 표면이 매우 넓다는 것을 의미한다.

예를 들면, 금속제의 안정한 코어(21) 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 추가의 장점은 애노드(7) 및 캐소드(10)와 같은 컴포넌트를 프레임(1) 내에, 특히 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11) 내에 압입(억지끼워맞춤)할 수 있다는 것이다. 이로 인해, 전기를 생성하기 위한 물질의 변환 중에 또는 고압 또는 차압 하에서 전기를 사용하는 물질의 변환, 예를 들면, 최대 40 bar의 차압에서 실시되는 전해 중에 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23) 내의 하나 이상의 프레임(1)의 변형이 방지된다. 전기화학 셀(2) 내의 프레임(1) 또는 스택형 장치(23)를 구성하는 프레임(1) 내의 개개의 컴포넌트들 사이 및 개개의 컴포넌트와 하나 이상의 프레임(1) 사이에 보다 큰 간극(17)이 형성된다. 예를 들면, 캐소드(10)와 프레임(1) 사이 및/또는 애노드(7)와 프레임(1)(도 8) 사이에는 보다 큰 간극(17)이 형성되지 않는다.

애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)의 코어(21)용으로 사용되는 금속은 스테인리스강, 예를 들면, 0.01 내지 1 mm, 바람직하게는 0.5 mm 두께의 스테인리스강일 수 있다. 애노드 프레임(8)의 코팅된 코어(21), 즉, 코어(21)와 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 합체한 것 및/또는 캐소드 프레임(11)의 코팅된 코어(21), 즉, 코어(21)와 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 합체한 것의 두께는, 예를 들면, 1 내지 5 mm, 바람직하게는 2 내지 3 mm, 예를 들면, 2.2 mm일 수 있다. 예를 들면, 고강도 플라스틱, 예를 들면, PTFE, 분자 강화 PTFE 등의 동등한 특성을 갖는 재료도 코어(21)에 적합하다.

실링 재료로 제조된 코팅(22)은 층 두께를 갖는다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께는, 예를 들면, 1 내지 4.5 mm, 예를 들면, 2 내지 3 mm이다. 바람직하게는, 애노드 프레임(8)의 코어(21)를 둘러싸는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께는 모든 곳에서 동일하다. 바람직하게는, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)를 둘러싸는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께는 모든 곳에서 동일하다. 특정 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 코어(21)에는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 가진 영역이 있다(도 10b 내지 도 10d, 도14, 도 16 및 17). 특정 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)에는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 감소된 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께를 가진 영역이 있다. 예를 들면, 실링 재료로 제조된 코팅(22'')의 층 두께는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 1 mm 만큼 감소된다. 예를 들면, 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께는 4 mm이고, 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')은 3 mm이다. 예를 들면, 실링 재료(22)의 코팅의 층 두께는 10 mm 이하, 바람직하게는 5 mm, 3 mm, 2 mm 이하, 1.5 mm, 1 mm 이하이다. 예를 들면, 감소된 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께는 9 mm 이하, 바람직하게는 4 mm, 2. 8 mm, 1.9 mm 이하, 1.45 mm, 0.95 mm 이하이다. 예를 들면, 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께와 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'') 사이의 층 두께 차이는 1 mm, 0.7 mm, 0.5 mm 이하, 예를 들면, 0.3 mm, 0.2 mm, 0.1 mm, 0.05 mm 이하이다.

예를 들면, 제1 개구부(6)는 제2 개구부(9)보다 적어도 0.5 mm 또는 1 mm, 예를 들면, 2 mm 이상, 0.5 cm, 바람직하게는 1 cm, 특히 바람직하게는 1.5 cm 이상 더 크다. 바람직하게는, 더 큰 제1 개구부(6)와 더 작은 제2 개구부(9)에 의해 캐소드 프레임(11)의 내측에 형성되는 단차부(12)의 폭은 모든 부분에서 동일하다(도 7b). 대안적으로, 단차부(12)는 다양한 위치에서 상이한 폭을 가질 수 있다. 단차부(12)의 폭, 따라서 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 고정하기 위한 평면의 제3 표면의 폭은 다양한 위치에서 동일하거나 상이한 폭을 가질 수 있다.

애노드 프레임(8)의 외부 치수는, 예를 들면, 20 내지 70 cm x 20 내지 70 cm, 예를 들면, 50 cm x 50 cm 또는 35 cm x 35 cm이다. 제1 개구부(6)의 치수는, 예를 들면, 11 내지 51 cm x 11 내지 51 cm, 예를 들면, 21 cm x 21 cm 또는 15 x 15 cm(도 9b)일 수 있다. 캐소드 프레임(11)의 외부 치수는, 예를 들면, 20 내지 70 cm x 20 내지 70 cm, 예를 들면, 50 cm x 50 cm 또는 35 cm x 35 cm일 수 있다. 제2 개구부(9)의 치수는 10 내지 50 cm x 10 내지 50 cm, 예를 들면, 20 cm x 20 cm 또는 14 cm x 14 cm(도 9a)일 수 있다. 바람직하게는, 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)에 대해 동일한 외부 치수가 선택된다. 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9)의 치수는 제1 개구부(6)가 제2 개구부(9)보다 커서, 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)이 프레임(1)으로서 상호작용할 때, 단차부(12)가 형성되도록 선택된다.

다양한 프레임 형상이 당업자에게 알려져 있고, 프레임(1), 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은, 예를 들면, 정사각형, 직사각형, 원형으로 설계될 수 있다. 프레임(1)의 형상을 자유롭게 선택할 수 있다는 사실로 인해, 프레임(1) 내의 특정 영역의 접촉 압력은 프레임의 두께를 증가 또는 감소시킴으로써, 바람직하게는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께를 감소시킴으로써 조정할 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께는 증가될 수 있다. 이로 인해 코어(21) 상의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께가 애노드 프레임(8) 또는 캐소드 프레임(11)의 다른 영역보다 두꺼운 영역을 형성할 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께는 감소될 수 있다. 그 결과, 코어(21) 상의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께가 애노드 프레임(8) 또는 캐소드 프레임(11)의 다른 영역보다 얇은 영역을 형성할 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께가 상이한 영역들은 본 발명에 따른 프레임(1)의 기능을 대신한다.

횡방향 누출을 피하기 위해, 활성 영역의 압력은, 예를 들면, 둘레방향의 고무 융기부와 같은 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께의 둘레방향 융기부(26'')에 의해 증가시킬 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에서 둘레방향 융기부(26'')의 폭은, 예를 들면, 1 mm일 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)과 둘레방향 융기부(26'') 사이의 층 두께 차이는, 예를 들면, 1 mm, 0.5 mm, 0.1 mm, 0.05 mm일 수 있다.

본 발명의 주제는 애노드 프레임(8)의 특정 영역 및/또는 캐소드 프레임(11)의 특정 영역에서 실링 재료로 제조된 코팅(22)이, 예를 들면, 접촉 압력을 감소시키기 위해 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 갖는다.

본 발명의 주제는 프레임(1)이고, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 애노드 프레임(8)의 특정 영역에서, 예를 들면, 실링 효과를 증가시키기 위해, 제1 개구부(6)를 둘러싸는 둘레방향 융기부(26'')를 갖는다. 본 발명의 주제는 프레임(1)이고, 캐소드 프레임(11)의 특정 영역에서 실링 재료로 제조된 코팅(22)이 제2 개구부(9)를 둘러싸는 둘레방향 융기부(26'')를 구비하여 실링 효과를 증가시킨다.

정사각형 애노드 프레임(8)에서, 제1 개구부(6)는 제1 측면(27), 제2 측면(28), 제3 측면(29) 및 제4 측면(30)에 의해 형성될 수 있다. 정사각형 캐소드 프레임(11)에서, 제2 개구부(9)는 제1 측면(27''), 제2 측면(28''), 제3 측면(29'') 및 제4 측면(30'')에 의해 형성될 수 있다.

프레임(1), 애노드 프레임(8), 캐소드 프레임(11), 특히 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)의 코어(21)를 코팅하는 실링 재료로 제조된 코팅(22)에서 구조체로서의 컴포넌트를 설치함으로써, 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)의 일부인 추가의 컴포넌트를 절약할 수 있다. 예를 들면, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 고무제 코팅일 수 있고, 예를 들면, 개별 전압 측정을 위한 연결부의 영역에 배치되는 고무 립(25)을 포함할 수 있다. 이렇게 하여 절연 포일을 절약할 수 있다. 본 발명은 애노드 프레임(8)의 실링 재료로 제조된 코팅(22) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 실링 재료로 제조된 코팅(22)이 실링 기능에 더하여 다른 기능을 대신하는 프레임(1)에 관한 것이다. 이 목적을 위해, 애노드 프레임(8) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 대응하는 실시형태, 예를 들면, 고무 립(25)을 포함한다.

다른 필요한 부품들은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로부터 직접 제조될 수 있으므로 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)를 제조하는 데 필요한 개별 부품의 수는 줄어든다. 이로 인해 스택형 장치(23)의 조립에 수반되는 노력이 훨씬 줄어든다. 마찬가지로, 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)을 연결하기 위한 수단을 삽입함으로써 추가의 조립 보조구가 불필요해진다.

바람직한 실시형태에서, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함한다. II형 채널(15)은 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 갖는 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 영역으로서 설계된다. 따라서 II형 채널(15)은 실링 효과에 기여하지 않는 실링 재료로 제조된 코팅(22) 내의 함몰부 또는 리세스이다. 인접한 개개의 II형 채널(15)은 융기부(26)에 의해 분리된다. 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 융기부(26)는, 예를 들면, 코어(21)가 감소되지 않은 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 갖는 영역이다. 개개의 II형 채널(15)이 배치된 영역에서 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')은 코어(21)를 둘러싼 코팅의 다른 영역에서 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')과 독립적으로 선택될 수 있으며, 코팅의 감소된 층 두께를 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 코어(21)는 하나 이상의 II형 채널(15)을 표시하는 하나 이상의 영역에서 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 갖지 않는다.

바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸인 제1 개구부(6) 및 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸인 제2 개구부(9)는 상이한 크기를 갖는다(도 7b, 도 8, 도 9a 및 도 9b). 예를 들면, 캐소드 프레임(11)이 더 작고, 애노드 프레임(8)은 더 크다. 이는 차압, 예를 들면, 40 bar의 차압에서, 즉 전기화학 셀(2)의 캐소드 측만이 가압 하에서 작동되는 경우, 또는 스택형 장치(23)의 캐소드 측만이 가압 하에서 작동되는 경우, 액체 압력 또는 기체 압력(가압 하의 매체가 기체인지 액체인지에 따라 다름)은 애노드 프레임(8)과 애노드(7) 사이의 간극(17)을 가압하지 않는다는 것을 의미한다. 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 애노드(7)에 대해서만 가압되고 애노드(7) 상에 기계적으로 지지된다. 이러한 방식으로 프레임(1)(예를 들면, 애노드 프레임(8))과 전극(예를 들면, 애노드(7)) 사이의 간극(17) 내로 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 압입되거나 크롤링(crawling; 24)되는 것을 방지할 수 있다.

프레임(1)의 대안적인 실시형태에서, 전기화학 셀(2), 스택형 장치(23), 및 애노드 프레임(8)은 더 작고, 캐소드 프레임(11)은 더 크다. 이들 대안적인 실시형태에서, 단차부(12)는 애노드 프레임(8)에 의해 형성된다. 그 결과, 차압, 예를 들면, 40 bar의 차압에서, 즉, 전기화학 셀(2)의 애노드 측만이 가압 하에서 작동되는 경우, 또는 스택형 장치(23)의 애노드 측만이 가압 하에서 작동되는 경우, 매체의 압력은 캐소드 프레임(11)과 캐소드(10) 사이의 간극(17)을 가압하지 않는다. 그러면, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 캐소드(10)에 대해서만 가압되고 캐소드(10) 상에 기계적으로 지지된다. 이러한 방식으로 프레임(1)(예를 들면, 캐소드 프레임(11))과 전극(예를 들면, 캐소드(10)) 사이의 간극(17) 내로 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 압입 또는 크롤링(24)을 방지할 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 프레임(1)은 물 및 가스의 공급 및 제거를 위한 2개의 상이한 유형의 채널을 포함한다.

바람직하게는, 프레임(1)은 프레임(1) 내로 그리고 프레임(1) 외로 각각 액체 및 기체의 공급 및 제거를 위한 하나 이상의 I형 채널(14)을 포함한다. 바람직하게는, I형 채널(14)은 애노드 프레임(8) 내의 제1 개구부(6) 또는 캐소드 프레임(11) 내의 제2 개구부(9)에 직접 연결되지 않는다. 바람직하게는, 애노드 프레임(8)의 코어(21)는 하나 이상의 I형 채널(14)을 포함한다. 바람직하게는, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 하나 이상의 I형 채널(14)을 포함한다. 바람직하게는, I형 채널(14)은 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 코팅된다.

또한, 프레임(1)은, 바람직하게는, 제1 개구부(6) 내로 액체 및 기체의 공급을 위해, 제1 개구부(6) 외로 액체 및 기체의 제거를 위해, 제2 개구부(9) 내로 액체 및 기체의 공급을 위해, 제2 개구부(9) 외로 액체 및 기체의 제거를 위해 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함한다. 바람직하게는, II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)와 연결한다. 바람직하게는, II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 제2 개구부(9)와 연결한다.

공급 및 제거되는 액체 및 기체는 용도에 따라 다르다.

바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 전부 또는 일부를 코팅하는 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함한다. 다른 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 코어(21)는 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 전부 또는 일부를 코팅하는 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함한다. 다른 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함한다. 이 실시형태의 장점은 제조 비용이다. 바람직한 실시형태에서, II형 채널(15)은 각각의 애노드 프레임(8) 및 각각의 캐소드 프레임(11)로부터 밀링가공되지 않고, 공구로 일단 전사(transferring)된다. 적절한 공구는, 예를 들면, 애노드 프레임(8)의 네거티브(negative) 또는 캐소드 프레임(11)의 네거티브이다. 예를 들면, II형 채널(15)의 배열, 직경, 길이 및 필요에 따라 기타 파라미터가 공구에 전사된다. 공구는, 예를 들면, 스탬프(stamp)를 사용하여 실링 재료, 바람직하게는 고무, 예를 들면, EPDM에 스탬핑하는 것처럼 II형 채널(15)을 시일(22) 내에 전사하는 데 사용될 수 있다. 이 공구에 의해 애노드 프레임(8)의 코어(21) 또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 가황에 의해 봉입된다.

프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)은 프레임의 제1 측면(4)의 표면 상에 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 이 II형 채널(15)은 I형 채널(14)에 연결되고 또한 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)에 연결하고 또한, 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16)의 방향으로 배치되고, 애노드 프레임의 제1 측면의 반대측면(4'')은 II형 채널(15)을 포함하지 않는다.

프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)은 프레임의 제2 측면(5)의 표면 상에 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 이 II형 채널(15)은 I형 채널(14)에 연결되고 또한 I형 채널(14)을 제2 개구부(9)에 연결하고 또한, 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16)의 방향으로 배치되고, 캐소드 프레임의 제2 측면의 반대측면(5'')은 II형 채널(15)을 포함하지 않는다.

바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 프레임(1)은 물 및 기체의 공급 및 제거를 위한 하나 이상의 I형 채널(14), 및 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 하나 이상의 I형 채널(14)은 애노드 프레임(8) 내의 제1 개구부(6)에 또는 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)에 연결되지 않는다. 프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)은 제1 측면(4)의 표면 상에 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 이 II형 채널(15)은 하나 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 하나 이상의 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)에 연결하고 또한, 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16)를 향하는 방향으로 배치되고, 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')은 어떤 II형 채널(15)도 포함하지 않는다. 프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)은 제2 측면(5)의 표면 상에 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 이 II형 채널(15)은 하나 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 하나 이상의 I형 채널(14)을 제2 개구부(9)에 연결하고 또한, 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16)를 향하는 방향으로 배치되고, 애노드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')은 어떤 II형 채널(15)도 포함하지 않는다.

바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 프레임(1)은 액체 및 기체를 공급 및 제거하기 위한 적어도 2개의 I형 채널(14), 및 적어도 2개의 II형 채널(15)을 포함하고, I형 채널(14)은 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6) 또는 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)에 연결되지 않는다. 프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)은 프레임의 제1 측면(4)의 표면 상에 적어도 2개의 II형 채널(15)을 포함하고, 이 II형 채널(15)은 적어도 2개의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)에 연결하고 또한, 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16)를 향하는 방향으로 배치되고, 애노드 프레임의 제1 측면의 반대측면(4'')은 II형 채널(15)을 포함하지 않는다. 바람직하게는, 프레임의 제1 측면(4)에 배치된 복수의 II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)에 연결한다. 프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)은 프레임의 제2 측면(5)의 표면 상에 적어도 2개의 II형 채널(15)을 포함하고, 이 II형 채널(15)은 적어도 2개의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 I형 채널(14)을 제3 개구부(9)에 연결하고 또한, 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16)를 향하는 방향으로 배치되고, 캐소드 프레임의 제2 측면의 반대측면(5'')은 II형 채널(15)을 포함하지 않는다. 바람직하게는, 프레임의 제2 측면(5)에 배치된 복수의 II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 제2 개구부(9)에 연결한다.

I형 채널(14)을 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9)와 연결하는, 즉 액체 및 기체의 공급 및 제거를 위해 애노드(7) 및 캐소드(10)를 I형 채널(14)과 연결하는 II형 채널(15)은, BPP(16)의 방향으로 지향하도록 그리고 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 방향을 향하지 않도록, 애노드 프레임(8) 및/또는 캐소드 프레임(11)에 배치된다. 기체 또는 액체가 I형 채널(14)을 통해 흐르는 경우, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 이것의 영향을 받지 않는데, 이는 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 놓여 있는 애노드 프레임(8)의 일측면 및 캐소드 프레임(11)의 일측면에 어떤 II형 채널(15)도 포함하지 않고, 즉, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 배치된 영역의 제1 개구부(6) 또는 제2 개구부(9)의 바로 부근에 II형 채널(15)을 포함하지 않고, 전해 중에 최대 40 bar의 차압에 노출되지 않기 때문이다. 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 채널이 없는 매끈한 평탄 표면 상에 놓이므로 최대 40 bar의 차압에서도 잘 지지된다. 동시에, 애노드 격실(애노드 격실은 애노드 프레임(8), 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13) 및 BPP(16)에 의해 형성됨), 캐소드 격실(캐소드 격실은 캐소드 프레임(11), 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13) 및 BPP(16)에 의해 형성됨) 및 전체 전기화학 셀(2)은 최대 40 bar의 차압에서도 완전히 실링되므로 기체 또는 액체는 누출될 수 없다.

예시적인 실시형태에서, 프레임(1)은 2개 내지 100개 이상의 II형 채널(15), 예를 들면, 적어도 100개의 II형 채널(15), 바람직하게는 적어도 200개의 II형 채널(15), 또는 그 이상 또는 그 이하, 예를 들면, 50개 이하를 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 프레임(1)은 2개 내지 100개 이상의 II형 채널(15), 예를 들면, 적어도 100개의 II형 채널(15), 바람직하게는 적어도 200개의 II형 채널(15), 또는 그 이상 또는 그 이하, 예를 들면, 50개 이하를 포함한다. 바람직하게는, 적어도 2개의 이상, 예를 들면, 4개, 10개 이상의 II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)에 연결한다. 바람직하게는, 적어도 2개의 이상, 예를 들면, 4개, 10개 이상의 II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 제2 개구부(9)에 연결한다.

예를 들면, 제1 개구부(6)에 연결된 II형 채널(15)은 프레임의 제1 측면(4)에서 서로 인접하여 배치된다. 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 거리는, 예를 들면, 5 mm 이하, 3 mm 이하, 바람직하게는 2 mm 이하이다. 예를 들면, I형 채널(14)과 제1 개구부(6) 사이의 II형 채널(15)은 프레임의 제1 측면(4)에서 부채꼴로 배치된다.

예를 들면, 제2 개구부(9)에 연결되는 II형 채널(15)은 프레임의 제2 측면(5)에서 서로 인접하여 배치된다. 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 거리는, 예를 들면, 5 mm 이하, 3 mm 이하, 바람직하게는 2 mm 이하이다. 예를 들면, I형 채널(14)과 제2 개구부(9) 사이의 II형 채널(15)은 프레임의 제2 측면(5)에서 부채꼴로 배치된다.

프레임(1)의 채널은 액체가 스택형 장치(23) 내의 I형 채널(14)을 통해 분배되고 이 액체가 II형 채널(15)을 통해 각각의 개별 전기화학 셀(2)에 도달하도록 설계된다. I형 채널(14)은, 바람직하게는, 애노드 프레임(8) 내에서 제1 개구부(6)를 따라 또는 제1 개구부(6)와 평행하게 일정한 간격으로 배치된다. I형 채널(14)은, 바람직하게는, 캐소드 프레임(11) 내에서 제2 개구부(9)를 따라 또는 제2 개구부(9)와 평행하게 일정한 간격으로 배치된다. 예를 들면, 정사각형의 제1 개구부(6)의 각각의 측면에 또는 정사각형의 제2 개구부(9)의 각각의 측면에 20 이상 또는 그 미만의, 예를 들면, 5개의 I형 채널(14)이 있다.

특히 바람직한 실시형태에서, I형 채널(14)은 전기화학 셀(2)의 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9) 또는 스택형 장치(23)의 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9)의 동일한 부분 및 이에 따라 동일한 영역에 유입하는 액체를 공급하도록 배치된다.

특히 바람직한 실시형태에서, 바람직하게는 5 mm 이하, 특히 바람직하게는 2 mm 미만의 바람직하게는 일정한 개구부 직경을 가진 연속적 II형 채널(15)은 각각의 I형 채널(14) 또는 I형 채널(14)의 일부로부터 제1 개구부(6) 또는 제2 개구부(9)로 이어진다. 이들 II형 채널(15)은 이 II형 채널(15)이 제1 개구부(6) 또는 제2 개구부(9)에 균일하게 분포되도록, 예를 들면, 부채꼴로 배치된다. 제1 개구부(6) 또는 제2 개구부와 II형 채널(15)을 통과하는 I형 채널(14) 사이의 영역에서 II형 채널(15)의 다른 배열도 가능하다. II형 채널(15)의 폭을 5 mm 이하, 바람직하게는 2 mm 이하로 제한함으로써 II형 채널(15)의 영역에서 충분한 접촉 압력이 대향하는 프레임(1)으로 전달된다.

제1 개구부(6) 또는 제2 개구부(9)를 따라, 예를 들면, 제1 개구부의 제1 측면(27)의 전체 폭 및 제1 개구부의 제3 측면(29)의 전체 폭(도 10a)을 따라 프레임(1)의 전체 폭에 걸친 I형 채널(14) 및 II형 채널(15)의 균일한 분포는 전기화학 셀(2)의 전체 활성 셀 영역(= 제1 개구부(6) + 제2 개구부(9))에 걸쳐 액체의 특히 양호한 분포를 유발한다. 액체는 전기화학 셀(2)을 통해 균일하게 흐른다. 유입되는 액체의 많은 부분이 냉각용으로 사용되므로 II형 채널(15)의 균일한 분포는 균일한 열 방산으로 이어진다. II형 채널(15)의 이러한 배열로 인해 전기화학 반응 중에 생성되는 열은 균일하게 방산될 수 있다. 반응열의 방산은 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에서 중요한 파라미터이다.

본 발명에 따르면, 상이한 설계 및 구조를 가진 스택형 장치(23)가 포함된다.

프레임(1), 전기화학 셀(2), 사전 조립식 모듈(20) 및 스택형 장치(23)가 포함되며, 개개의 II형 채널(15)은 각각의 프레임(1), 각각의 전기화학 셀(2), 각각의 스택형 장치(23)의 다른 II형 채널(15)에 비해 유체의 흐름 중에 더 높거나 더 낮은 압력 강하를 제공하도록 조정된다. 예를 들면, 외부 II형 채널(15)은 이에 따라 조정되며, 즉, 예를 들면, 프레임의 제1 측면(4) 상의 II형 채널(15)의 배열의 에지에 배치된 II형 채널(15), 예를 들면, 제1 개구부의 제1 측면(4)에 대하여 II형 채널(15)의 배열의 에지에 배치된 II형 채널(15)은 프레임(1), 전기화학 셀(2), 사전 조립식 모듈(20), 스택형 장치(23)의 다른 II형 채널(15)에 비해 흐르는 물의 압력 손실이 더 높거나 더 낮도록 조정된다. 이것은, 예를 들면, II형 채널(15)의 개방 단면을 줄임으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, I형 채널(14) 내의 압력 손실이 균일하지 않고, II형 채널(15)이 균일한 경우, 활성 셀 영역의 특정 영역(= 제1 개구부(6) + 제2 개구부(9))에 더 많은 양의 액체가 흐르는 II형 채널(15)을 통해 흐르는 액체가 압력이 더 높은 I형 채널(14)에 연결되는 경우 이러한 조정이 필요합니다. II형 채널(15)을 조정하기 않으면 활성 셀 영역 내의 냉각은, 예를 들면, 액체가 흐르는 것에 기인하여 보다 불균일해질 수 있다. 이것은 II형 채널(15)을 조정함으로써 보상될 수 있다. 관련된 II형 채널(15)의 단면을 조정함으로써, 예를 들면, 줄임으로써 I형 채널(14) 내의 유체 압력차를 보상할 수 있다. 바람직하게는, 전체 활성 셀 영역에 걸쳐 균일한 또는 균질의 유체 압력이 생성된다. 예를 들면, 개별적으로 조정되고, 예를 들면, 상이한 개구부 단면을 갖는 II형 채널(15)을 사용하면, I형 채널(14) 내의 상이한 압력 손실이 보상될 수 있고, II형 채널(15)을 통한 흐름이 균질화될 수 있다.

본 발명에 따르면, 프레임(1), 전기화학 셀(2), 사전 조립식 모듈(20) 및 스택형 장치(23)가 포함되며, 각각의 프레임(1), 각각의 전기화학 셀(2), 각각의 사전 조립식 모듈(20), 각각의 스택형 장치(23)의 개별 II형 채널(15)은 각각의 II형 채널(15)이 활성 셀 영역의 동일 크기의 영역에 액체를 공급하도록 배치된다.

본 발명에 따르면, 프레임(1), 전기화학 셀(2), 사전 조립식 모듈(20) 및 스택형 장치(23)가 포함되고, 각각의 프레임(1), 각각의 전기화학 셀(2), 각각의 사전 조립식 모듈(20), 각각의 스택형 장치(23)의 II형 채널(15)은 모든 II형 채널(15)이 동일량의 액체 또는 기체를 동시에 수송할 수 있도록, 즉 모든 II형 채널(15)이 동일하도록 설계된다. 이는, 예를 들면, 모든 II형 채널(15)이 액체 또는 기체가 흐를 수 있는 동일한 단면을 갖는다는 사실에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, II형 채널(15)은 각각의 II형 채널(15)이 활성 셀 영역의 동일한 크기의 영역에 액체 또는 기체를 공급하도록 배치된다. 특히 바람직하게는, II형 채널(15)은 각각의 II형 채널(15)이 활성 셀 영역의 동일한 크기의 영역에 액체 또는 기체를 공급하도록 그리고 모든 II형 채널(15)이 동일하도록 배치된다. 이렇게 하여, 전체 활성 셀 영역은 균일하게 액체 또는 기체를 공급받을 수 있다.

I형 채널(14)의 수, 형상, 배열 및 기타 파라미터 그리고 II형 채널(15)의 수, 형상, 배열 및 기타 파라미터는 필요에 따라, 예를 들면, 사용되는 프레임의 형상에 따라 조정될 수 있다.

본 발명에 따른 프레임(1)에서, 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 연결 요소를 통해 서로 연결된다. 대응하는 연결 요소는 당업자에게 공지되어 있다. 프레임(1)의 바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)은 하나 이상의 연결 요소, 예를 들면, 핀(19)을 포함하고, 캐소드 프레임(11)은 하나 이상의 연결 요소, 예를 들면, 구멍(18)을 포함하고, 핀 또는 복수의 핀(19) 및 구멍 또는 복수의 구멍(18)은 캐소드 프레임(11) 내의 구멍 또는 복수의 구멍(18)이 애노드 프레임(8) 내의 핀 또는 복수의 핀(19)에 플러깅(plugging)됨으로써 애노드 프레임(8)과 캐소드 프레임(11)이 서로 연결될 수 있도록 배치된다.

본 발명의 주제는 최대 40 bar 하에서 작동하여 고압 기체 및 액체를 생성하기 위한 전기화학 셀(2)이며, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13), 애노드(7), 캐소드(10)를 포함하고, 전기화학 셀(2)은 본 발명에 따른 프레임(1)을 포함하고, 애노드 프레임(8) 내의 제1 개구부(6)는 애노드(7)를 포함하고, 캐소드 프레임(11) 내의 제2 개구부(9)는 캐소드(10)를 포함하고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 애노드 프레임의 제1 측면의 반대측면(4'')과 캐소드 프레임의 제2 측면의 반대측면(5'') 사이에 배치되고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 일측면은 애노드(7) 상에 놓이고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 타측면은 단차부(12) 및 캐소드(10) 상에 놓인다(도 7b 및 도 7c). 전해 셀(2)이 차압 하에서 작동되는 경우, 차압은 애노드 프레임(8)과 애노드(7) 사이의 간극(17)의 영역에서 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13) 상에 작용하지 않는다. 이로 인해 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 간극(17) 내로 압입되거나 크롤링(24)되는 것이 저지된다.

바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 전기화학 셀(2)은 80 μm 미만의 막(13) 두께, 예를 들면, 50 μm 이하의 막(13) 두께, 특히 바람직하게는 20 μm 미만의 막(13) 두께, 예를 들면, 15 μm 이하의 막(13) 두께를 갖는 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 포함한다. 특히 바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 전기화학 셀(2)은 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13), 바람직하게는 80 μm 미만, 예를 들면, 50 μm 이하, 특히 바람직하게는 20 μm 미만, 예를 들면, 15 μm 이하의 두께를 가진 이온 전도 막(13)을 포함한다.

본 발명에 따른 전기화학 셀(2)에서, 실링 재료로 제조된 코팅(22), 예를 들면, 고무제 코팅, 바람직하게는 애노드 프레임(8)의 코어(21)의 EPDM제 코팅, 실링 재료로 제조된 코팅(22), 예를 들면, 고무제 코팅, 바람직하게는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 EPDM제 코팅 및 단차부(12)는 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)(도 7c 및 도 8a)과 상호작용하고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 애노드 프레임(8) 및 애노드(7) 사이의 간극(17) 내로 압입 또는 크롤링(24)을 수반하지 않고 전기화학 셀(2), 애노드 격실 및 캐소드 격실을 완전히 실링한다. II형 채널(15)의 특수한 배열은 액체 및 기체의 공급 및 제거뿐만 아니라 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 안정성 및 전기화학 셀(2)의 완전한 실링을 완전히 보장한다. 따라서 본 발명에 따른 프레임(1)은 두께가 80 μm 미만인, 예를 들면, 두께가 50 μm인, 바람직하게는 두께가 20 μm 미만인, 예를 들면, 15 μm 이하인 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 사용을 가능하게 한다. 이들 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 얇은 고체 상태 전해질 또는 박막(13)이라고 한다. 본 발명에 따른 프레임(1)을 사용하면, 선행 기술보다 더 얇은 고체 상태 전해질, 예를 들면, 더 얇은 막(13)을 사용하여 전기화학 셀(2)을 제조할 수 있다. 또한, 이들 전기화학 셀(2)은 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 손상시키거나 전기화학 셀(2)을 누출시키기 않고 최대 40 bar의 압력에서 셀의 일측면 상에 액체 또는 기체가 축적되는 방식으로 작동될 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 애노드(7)는 BPP(16)가 애노드(7)에 연결되도록 설계되며, 이것은 본 발명에 따라 BPP/애노드(36)로 지칭된다. BPP/애노드(36)를 사용하면 조립이 용이해질뿐만 아니라 개별 부품들 사이의 접촉 저항도 줄어든다.

바람직한 실시형태에서, 애노드(7)는 프로세스 매체, 특히 액체를 위한 적어도 하나의 거친 분배기 및 적어도 하나의 미세 분배기를 포함한다. 거친 분배기는 전체 셀 영역(즉, 제2 개구부(9) + 제2 개구부(9))에 걸쳐 액체를 효율적으로 분배한다. 미세 분배기는 액체를 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)으로 이송하고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)과의 양호한 전기적 접촉을 가능하게 하고, 동시에 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 기계적으로 지지한다. 예를 들면, 팽창 금속을 애노드(7)용 거친 분배기로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 소결 분말로 제조된 플레이트를 애노드(7)용 미세 분배기로서 사용할 수 있다. 거친 분배기 및 미세 분배기, 예를 들면, 팽창 금속 및 소결 금속은 애노드(7)를 제조하기 위해, 예를 들면, 저항 용접에 의해 함께 접합될 수 있다. 대안적으로, 분말은 애노드(7)를 제조하기 위해 팽창 금속에 직접 소결될 수 있다. 애노드(7)는 BPP(16)에 연결될 수 있다. 바람직하게는, BPP(16)는 애노드(7)와 동일한 재료로 제조된다. 특히 바람직한 실시형태에서, BPP(16)와 애노드(7)는 타이타늄으로 제조된다. 대안적인 바람직한 실시형태에서, BPP(16) 및 애노드(7)는 적어도(80)%의 동일한 재료, 예를 들면, 타이타늄을 포함한다. BPP(16)와 애노드(7) 사이의 연결은, 예를 들면, 바람직하게는 복수의 지점에서의 저항 용접에 의해 실현될 수 있다. BPP/애노드(36)에서, BPP(16)의 표면은 프레임(1)의 외부 표면에 대응하고, 또는 BPP/애노드(36)의 표면은 본질적으로 프레임(1)의 외부 표면에 대응한다. BPP/애노드(36)에서 애노드(7)의 표면은 제1 개구부(6)를 채우도록 또는 제1 개구부(6) 내에 끼워맞춤되도록 조정된다. 조립을 위해서는, 2개의 부품(BPP(16) 및 애노드(7)) 대신 1개의 부품, 즉 BPP/애노드(36)만이 필요하다. 즉, 1개의 부품이 절약된다.

액체 또는 기체가 전극을 통해 이송되는지 여부에 따라 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6)를 따른 1개의 측면 또는 2개의 측면 상의 I형 채널(14)은 애노드 프레임(8)의 제1 개구부를 따른 타측면 상의 I형 채널(14)보다 훨씬 더 작을 수 있다(도 10b 참조). 예를 들면, 캐소드 측 상의 I형 채널(14)은 애노드 측 상의 것보다 훨씬 더 작을 수 있다(도 10b 내지 도 10d 참조). 공간을 절약하고 프레임(1)의 기계적 안정성을 확보하기 위해, I형 채널(14)은, 예를 들면, 원형 구멍 대신 슬롯으로서 설계될 수 있다. I형 채널(14)에 대해 상이한 형상 및 대응하는 조정이 가능하다.

본 발명의 주제는 본 발명에 따른 프레임(1)을 포함하는 스택형 장치(23)를 제조하기 위한 사전 조립식 모듈(20)이다. 예를 들면, 본 발명의 주제는 애노드 프레임(8), 캐소드 프레임(11), BPP(16), 애노드(7) 및 캐소드(10)를 포함하는 스택형 장치(23)를 제조하기 위한 사전 조립식 모듈(20)이고,

애노드 프레임(8)은 평면의 제1 표면을 가진 프레임의 제1 측면(4), 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4''), 및 애노드(7)를 수용하기 위한 제1 개구부(6)를 포함하며, 제1 개구부(6)는 애노드 프레임의 제1 측면(4)으로부터 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')까지 연장하고, 제1 개구부(6)는 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸이고, 애노드 프레임(8)은 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 예를 들면, 핀(19)을 포함하고,

캐소드 프레임(11)은 평면의 제2 표면을 가진 프레임의 제2 측면(5), 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5''), 및 캐소드(10)를 수용하기 위한 제2 개구부(9)를 포함하며, 제2 개구부(9)는 캐소드 프레임의 제2 측면(5)으로부터 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')까지 연장하고 또한 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸이고, 캐소드 프레임(11)은 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 예를 들면, 애노드 프레임(8)의 핀(19)을 수용하기 위한 구멍(18)을 포함하고,

BPP(16)는 프레임의 제1 측면(4)과 프레임의 제2 측면(5) 사이에 배치되고, BPP(16)는 BPP/애노드(36)의 일부일 수 있고,

애노드 프레임(8)은 코어(21) 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함하고, 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 완전히 또는 부분적으로 코팅되고, 예를 들면, 코어(21)는 금속을 포함하거나 금속으로 구성되고, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 예를 들면, 실링 재료를 포함하거나 실링 재료, 예를 들면, 고무, 바람직하게는 EPDM으로 구성되고, 바람직하게는 BPP(16)는 애노드(7)에 연결되어 BPP/애노드(36)를 형성하고, 애노드(7) 또는 BPP/애노드(36)는 제1 개구부(6) 내에 삽입 또는 압입되고, 애노드(7)는 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸이고,

캐소드 프레임(10)은 코어(21) 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함하고, 코어(21)는 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 완전히 또는 부분적으로 코팅되고, 예를 들면, 코어(21)는 금속을 포함하거나 금속으로 구성되고, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 예를 들면, 실링 재료를 포함하거나 실링 재료, 예를 들면, 고무, 바람직하게는 EPDM으로 구성되고, 캐소드(10)는 제2 개구부(9) 내에 삽입 또는 압입되고 또한 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸이고,

애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)의 연결 요소를 통해 연결되고, 예를 들면, 애노드 프레임(8)의 삽입 또는 압입은 캐소드 프레임(11)의 구멍(18) 내에 삽입되고, 이로 인해 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)이 함께 연결되고,

제1 개구부(6)는 제2 개구부(9)보다 크고, 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 프레임의 제1 측면(4)과 프레임의 제2 측면(5)이 애노드 프레임(8)으로부터 캐소드 프레임(11)으로의 전이부에서 단차부(12)를 형성하도록 배치되고, 바람직하게는 단차부(12)는 제2 개구부(9)에 인접하여 제2 개구부(9)를 둘러싸는 것이 바람직한 캐소드 프레임(11)의 일부이고, 단차부(12)는 바람직하게는 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 위한 지지면으로서 평면의 제3 표면을 형성하고, BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)의 BPP(16)는 애노드(7) 및 애노드 프레임(8)의 일측면 상에 놓이고, 캐소드(10), 캐소드 프레임(11) 및 단차부(12)의 타측면 상에 놓인다. 사전 조립식 모듈(20)은 바람직하게는 액체 및 기체의 공급 및 제거를 위한 본원에서 설명하는 I형 채널(14) 및 II형 채널(15)을 포함하고, 이들은 전술한 바와 같이 배치될 수 있다.

본 발명의 주제는 본 발명에 따른 프레임(1)을 포함하는 사전 조립식 모듈(20)을 제조하기 위한 방법이다. 본 발명의 주제는, 예를 들면, 이하의 방법 단계를 포함하는 사전 조립식 모듈(20)을 제조하기 위한 방법이다.

a) 애노드 프레임(8)을 위한, 바람직하게는, 금속제 코어(21)가 제조되는 단계 - 코어(21)는 평면의 제1 표면을 가진 애노드 프레임의 제1 측면(4) 및 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')을 포함하고, 애노드 프레임의 제1 측면(4) 및 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')은 애노드 프레임의 제1 측면(4)으로부터 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')까지 연장하는 제1 개구부(6)를 포함하고, 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸이고, 액체 및 기체를 공급 및 제거하기 위한 1개, 2개, 또는 그 이상의 I형 채널(14)을 포함하고, 하나 이상의 I형 채널(14)은 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6)에 연결되지 않고, 애노드 프레임(8)은 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 예를 들면, 핀(19)을 포함함 -,

b) a)에 따라 제조된 코어(21)의 표면, 애노드 프레임(8)용으로 a)에 따라 제조된 코어(21)의 표면의 전부 또는 일부, 예를 들면, 적어도 90%가 가황에 의해 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 고무제 코팅을 생성하기 위해 천연 고무 또는 합성 고무로 코팅되고, 이후 가황됨으로써 고무제 코팅, 바람직하게는 EPDM제 코팅이 코어(21) 표면의 전체 또는 일부에 생성되는 단계 - 고무제 코팅에서 1개, 2개, 또는 그 이상의 II형 채널(15)이 프레임의 제1 측면(4)의 표면 상에 생성되고, 이것은 1개, 2개, 또는 그 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 하나 이상의 I형 채널(14)을 제1 개구부(6)와 연결하고 또한, 애노드 프레임(8)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)의 BPP측을 향하여 배치되고, 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')의 표면 상에는 II형 채널(15)이 형성되지 않음 -

c) 애노드(7) 및 BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)를 a) 및 b)에 따라 제조된 애노드 프레임(8) 내에 설치 또는 압입하는 단계,

d) 캐소드 프레임(11)을 위해, 바람직하게는, 금속제 코어(21)가 제조되는 단계 - 코어(21)는 평면의 제2 표면을 가진 캐소드 프레임의 제2 측면(5) 및 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')을 포함하고, 캐소드 프레임의 제2 측면(5) 및 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')은 캐소드 프레임의 제2 측면(5)으로부터 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')까지 연장하고 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸이는 제2 개구부(9)를 포함하고, 액체 및 기체의 공급 및 제거를 위한 1개, 2개 또는 그 이상의 I형 채널(14)을 포함하고, 상기 하나 이상의 I형 채널(14)은 캐소드 프레임(11) 내의 제2 개구부(9)에 연결되지 않고, 캐소드 프레임(11)은 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 예를 들면, 구멍(18)을 포함함 -,

f) 예를 들면, 캐소드 프레임(11)이 애노드 프레임(8) 상에 플러깅되고, BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)의 BPP가 프레임의 제1 측면(4)과 프레임의 제2 측면(5) 사이에 배치되고, 다음에 캐소드(10)가 캐소드 프레임(11) 내에 삽입 또는 압입됨으로써 d) 및 e)에 따라 제조된 캐소드 프레임(11)이 애노드 프레임(8)에 연결되는 단계.

본 발명의 주제는 본 발명에 따른 프레임(1), 본 발명에 따른 사전 조립식 모듈(20), 전기화학 셀(2)를 포함하는, 가압 하에서 기체 및 액체를 변환 또는 생성하기 위한 스택형 장치(23)를 제조하는 방법이다. 본 발명의 주제는, 예를 들면, 차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체의 변환 또는 생성을 위한 스택형 장치(23)를 제조하는 방법으로서, 다음의 방법 단계를 포함한다:

a) 본 발명에 따른 적어도 x개의 사전 조립식 모듈(20) 및 적어도 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 적어도 x+1개의 막(13)을 서로 교대로 적층하여 사전 조립식 모듈의 스택(3)을 제조하는 단계 - 사전 조립식 모듈의 스택(3)에서 1개의 사전 조립식 모듈(20) 및 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 서로 교대로 적층되고, 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 상면 및 저면에 배치되고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 인접한 2개의 사전 조립식 모듈(20) 사이에 배치됨 -,

b) 다음에 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 일측면 상에 단일 애노드(7')가 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 평행하게 배치되고, 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 타측면 상에 단일 캐소드(10)가 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 평행하게 배치되는 단계,

c) 단부 플레이트(33)가 단일 애노드(7')에 평행하게 그리고 단일 캐소드(10')에 평행하게 배치되고, 생성된 스택이 2개의 단부 플레이트(33) 사이에서 압축되어 스택형 장치(23)를 형성하는 단계,

여기서 x는 정수이고 2 이상이다.

본 발명에 따른 스택형 장치(23)의 제조 방법의 바람직한 실시형태에서, 스택형 장치(23) 내의 하나 이상의, 바람직하게는 각각의 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 각각의 x+1개의 막(13)의 두께는 80 μm 미만, 바람직하게는 50 μm 미만, 더 바람직하게는 20 μm 미만, 예를 들면, 15 μm 이하이고, x는 정수이고 2 이상이다.

본 발명의 주제는 본 발명에 따른 하나 이상의 프레임(1)을 포함하는 차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체를 변환 또는 생성하기 위한 스택형 장치(23)이다. 본 발명의 주제는 본 발명에 따른 하나 이상의 사전 조립식 모듈(20)을 포함하는 스택형 장치(23)이다. 본 발명의 주제는 본 발명에 따른 하나 이상의 전기화학 셀(2)을 포함하는 스택형 장치(23)이다.

본 발명의 주제는, 예를 들면, 차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체의 변환 또는 생성을 위한 스택형 장치(23)로서, 본 발명에 따른 x개의 사전 조립식 모듈(20), x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 각각의 x+1개의 막(13), 단일 애노드(7'), 단일 캐소드(10') 및 2개의 단부 플레이트(33)를 포함하고, x개의 사전 조립식 모듈(20)과 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면,the x+1개의 막(13)은 서로 교대로 적층되어 사전 조립식 모듈의 스택(3)을 형성하고, 사전 조립식 모듈의 스택(3)에서, 각각의 경우, 1개의 사전 조립식 모듈(20)과 x+1개의 막(13)이 서로 교대로 적층되어 사전 조립식 모듈의 스택(3)을 형성하고, 1개의 사전 조립식 모듈(20)과 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 사전 조립식 모듈의 스택(3)에서 교대로 적층되고, 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 상면 및 저면에 배치되고, 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 인접한 2개의 사전 조립식 모듈(20) 사이에 배치되고, 단일 애노드(7')가 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 일측면 상에서 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 평행하게 배치되고, 단일 캐소드(10')가 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 타측면 상에서 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 평행하게 배치되고, 1개의 단부 플레이트(33)가 단일 애노드(7')에 평행하게 배치되고, 1개의 단부 플레이트(33)가 단일 캐소드(10')에 평행하게 배치되고, 생성된 스택은 2개의 단부 플레이트(33) 사이에서 압축되어 스택형 장치(23)를 형성하고,

여기서 x는 정수이고 2 이상이다.

본 발명에 따른 스택형 장치(23)의 바람직한 실시형태에서, 스택형 장치(23) 내의 하나 이상의, 바람직하게는 각각의 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 각각의 x+1개의 막(13)의 두께는 80 μm 미만, 바람직하게는 50 μm 미만, 더 바람직하게는 20 μm 미만, 예를 들면, 15 μm 이하이고, x는 정수이고 2 이상이다.

요구에 따라 스택형 장치(23) 내의 적절한 위치에 추가의 컴포넌트가 설치될 수 있고, 예를 들면, 절연 플레이트(32)가 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)과 단부 플레이트(33) 사이에 설치될 수 있다. 이들 위치에 있는 절연 플레이트(32)는, 예를 들면, 나사가 사용될 때 단부 플레이트(33)가 단락되는 것을 방지한다. 대응하는 컴포넌트는 당업자에게 공지되어 있다. 당업자는 이에 따라 제조 방법 조정할 수 있다.

본 발명의 다른 주제는 차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체를 변환 또는 생성하기 위한 스택형 장치(23)이고, 본 발명에 따른 x개의 사전 조립식 모듈(20), x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13), 단일 애노드(7), 단일 캐소드(10') 및 2개의 단부 플레이트(33)를 포함하고, x개의 사전 조립식 모듈(20)과 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 서로 교대로 적층되어 사전 조립식 모듈의 스택(3)을 형성하고, 사전 조립식 모듈의 스택(3) 내에서, 각각의 경우에, 1개의 사전 조립식 모듈(20)과 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 서로 교대로 적층되고, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 상면과 하면에 배치되고, 각각의 경우에, 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 인접한 2개의 사전 조립식 모듈(20) 사이에 배치되고, 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 일측면 상에 하프 셀 애노드가 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 평행하게 배치되고, 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 타측면 상에 하프 셀 캐소드가 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)에 평행하게 배치되고,

단부 플레이트(33)가 하프 셀 애노드에 평행하게 그리고 하프 셀 캐소드에 평행하게 배치되고, 제조된 스택은 2개의 단부 플레이트(33) 사이에서 압축되어 스택형 장치(23)를 형성하고,

여기서 x는 정수이고 2 이상이다.

하프 셀 애노드는 전기화학 셀(2)의 애노드 측만 포함하고, 전기화학 셀(2)의 캐소드 측은 포함하지 않는다. 바람직한 실시형태에서, 하프 셀 애노드는 단일 애노드(7') 및 애노드 프레임(8)을 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 하프 셀 애노드는 단일 애노드(7') 및 애노드 프레임(8)으로 구성된다. 하프 셀 애노드는 사전 조립식 모듈(20) 또는 사전 조립식 모듈의 스택(3)에서 전기화학 셀(2)에서 전기화학 셀(2)을 완성한다.

하프 셀 캐소드는 전기화학 셀(2)의 캐소드 측만 포함하고, 전기화학 셀(2)의 애노드 측은 포함하지 않는다. 바람직한 실시형태에서, 하프 셀 캐소드는 단일 캐소드(10') 및 캐소드 프레임(11)을 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 하프 셀 캐소드는 단일 캐소드(10') 및 캐소드 프레임(8)으로 구성된다. 하프 셀 캐소드는 사전 조립식 모듈(20) 또는 사전 조립식 모듈의 스택(3)에서 전기화학 셀(2)에서 전기화학 셀(2)을 완성한다.

바람직한 실시형태에서, 스택형 장치(23)는 본 발명에 따른 적어도 2개 또는 3개 또는 5개 또는 그 이상, 예를 들면, 10, 50, 100, 500, 1000개 또는 그 이상의 본 발명에 따른 사전 조립식 모듈(20)을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 다수의 x(x는 정수이고 2 이상임)개의 사전 조립식 모듈(20)에 더하여 본 발명에 따른 스택형 장치(23)는 캐소드 프레임(11), 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13), 애노드 프레임(8) 및 2개의 단부 플레이트(33)를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 스택형 장치(23)에서, 첫 번째 전기화학 셀(2)과 마지막 전기화학 셀(2)은 이들 사이에 위치하는 것들과는 다르다. 예를 들면, 스택형 장치(23)를 제조하기 위해, 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 캐소드 프레임(11) 상에 배치되고, x개의 사전 조립식 모듈(20)과 x개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13) 상에서 교대로 적층되고, 그 위에 애노드 프레임(8)이 적층된다. 스택은 단부 플레이트(33) 사이에서 압축되어 스택형 장치(23)를 형성하며, 여기서 x는 정수이고 2 이상이다.

스택형 장치(23)에서, 바람직하게는 2개의 단부 플레이트(33) 중 1개는 상단부 플레이트(38)이고, 이것은, 예를 들면, 스택형 장치(23)의 상부에 배치된다. 스택형 장치(23)에서, 바람직하게는 2개의 단부 플레이트(33) 중 1개는 하단부 플레이트(44)이고, 이것은, 예를 들면, 스택형 장치(23)의 저부에 배치된다.

스택형 장치(23)는, 바람직하게는, 흐름 반응기로서 작동된다. 액체 및/또는 기체가 지속적으로 스택형 장치(23) 내에 공급되고 또한 액체 및/또는 기체가 스택형 장치(23)로부터 지속적으로 배출된다. 액체는 스택형 장치(23)의 액체 도입용 연결부(= 액체 연결 입구)(39)로부터 I형 채널(14)로 분배되어야 한다. 동시에, 액체는 I형 채널(14)로부터 액체 배출용 연결부(=액체 연결 출구)(40)으로 유도되어야 한다. 이는 단부 플레이트(33)에서 이용할 수 없는 공간을 필요로 하는데, 이는, 예를 들면, 단부 플레이트(33)가 너무 두꺼워지고, 단부 플레이트(33)가 너무 두꺼워지면 스택형 장치(23)가 너무 무거워지기 때문이다.

본 발명의 주제는 스택형 장치(23)용 뚜껑(37)이다. 본 발명에 따른 뚜껑(37)은 전체 단부 플레이트(33)를 불필요하게 두껍게 만들지 않고 액체용 공간을 가능한 많이 형성하는 구조를 갖는다.

본 발명의 주제는 스택형 장치(23)의 뚜껑(37)이고, 단부 플레이트(33), 예를 들면, 상단부 플레이트(38)는 액체 도입용 적어도 하나의 연결부(39), 액체 배출용 적어도 하나의 연결부(40) 및 적어도 2개의 분배 커버(41)를 포함하고, 액체용 공간을 생성하는 상단부 플레이트(38)는 상단부 플레이트(42)에 액체 분배용의 적어도 2개의 공간을 가지며, 적어도 2개의 분배 커버(41)의 각각은 분배 커버(41)는 분배 커버(43) 내에 액체 분배용 공간을 가지며, 스택형 장치(23) 내로 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 분배 커버(43)는 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 연결부(39) 및 단부 플레이트(42) 내의 액체 분배용 공간에 연결되고, 스택형 장치(23)로부터 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 추가의 분배 커버(43)는 적어도 하나의 액체 배출용 연결부(40) 및 단부 플레이트(42) 내의 액체 분배용 공간에 연결된다.

본 발명의 주제는 본 발명에 따른 뚜껑(37)을 포함하는 스택형 장치(23)이다. 본발명의 대상은 본 발명에 따른 뚜껑(37)을 포함하는 본 발명에 따른 스택형 장치(23)이다.

전기화학 셀(2)의 개별 프레임(1) 및 스택형 장치(23)의 개별 프레임(1)을 특히 고압 또는 높은 차압에서 완전히 실링하기 위해, 단부 플레이트(33)는 충분한 볼트 힘 또는 접촉 압력으로 텐셔닝(tensioning)되어야 한다. 그러면 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 시일로서 기능하여 개별 프레임(1), 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)을 완전히 실링한다. 큰 프레임 표면을 가진 프레임(1)이 사용되는 경우, 단부 플레이트(33)를 완전히 실링하도록 단부 플레이트(33)를 클램핑하는 데 필요한 접촉 압력은 훨씬 더 높아진다. 큰 프레임 면적을 가진 프레임(1)의 경우, 애노드 프레임의 코어(21) 및 캐소드 프레임의 코어(21)가 실링 재료로 제조된 코팅(22)으로 완전히 코팅된 경우, 즉, 애노드 프레임(8)의 제1 측면(4) 상의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 면적이 크고, 제1 개구부(6)가 크고, 즉 제1 개구부(6)의 제1 측면이 길고, 경우에 따라 제1 개구부(6)의 제2 측면이 긴 경우, 접촉 압력은 특히 높다. 큰 프레임 면적은, 예를 들면, 1600 cm² 이상이다. 바람직한 실시형태에서, 애노드 프레임(8)의 전체 프레임 표면을 실링할 필요는 없다. 특정 실시형태에서, 캐소드 프레임(11)의 전체 프레임 표면을 실링할 필요는 없다. 접촉 압력을 줄이기 위해서는 실링이 불필요한 코어(21)의 표면의 영역의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께를 감소시킬 수 있다. 대응하는 애노드 프레임(8) 또는 캐소드 프레임(11)은 실링 재료로 제조된 코팅(22)이 층 두께를 갖는 코어(21)의 영역 및 실링 재료로 제조된 코팅(22'')이 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께(도 10b, 도 14)에 비해 감소된 층 두께를 갖는 영역을 포함하며, 예를 들면, 실링이 불필요한 코어(21)의 표면의 영역에서 실링 재료로 제조된 코팅(22'')의 층 두께는 활성 영역(활성 영역 = 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9)) 및 I형 채널(14) 및 II형 채널(15)을 실링하는 데 필요한 코어(21)의 표면의 영역의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께보다 0.05 mm 이상, 예를 들면, 0. 1 mm, 바람직하게는 0. 2 mm 이상 더 작다. 접촉 압력을 줄이기 위해서, 실링이 불필요한 캐소드 프레임(11) 또는 애노드 프레임(8)의 코어(21)의 표면의 영역에서 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께를 줄일 수 있으며, 예를 들면, 실링이 불필요한 코어(21)의 표면의 영역은, 예를 들면, 활성 영역(제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9)) 및 I형 채널(14) 및 II형 채널(15)을 실링하는 것이 불필요한 코어(21)의 표면의 영역에서 0.05 mm 이상, 예를 들면, 0. 1 mm, 바람직하게는 0. 2 mm 이상 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 갖는다.

실링 재료로 제조된 코팅(22)의 두께가 감소되지 않은 애노드 프레임(8) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 영역은, 스택형 장치(23)가 클램핑되었을 때(도 1, 10 내지 15 MPa), 주로 압력을 받는다. 코어(21)의 표면 상의 실링 재료로 제조된 코팅(22)이 감소되지 않은 층 두께를 갖는 실링 영역은, 예를 들면, 제1 내측 개구부(6) 또는 제2 내측 개구부(9) 주위 및 I형 채널(14) 및 II형 채널(15)(도 10b, 도 14) 주위에서 0. 2 mm 이상, 예를 들면, 0.5 mm 또는 1 mm 이상, 바람직하게는 1.5 mm 또는 2 mm 이상의 거리에 배치되는 코어(21)의 표면의 영역과 같이 정의된다. 이 거리는 다양할 수 있다. 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께가 감소되지 않는 제1 내부 개구부(6), 제2 내부 개구부(9), I형 채널(14)의 배열, II형 채널(15)까지의 거리는 동일하거나 상이할 수 있다. 특정 실시형태에서, 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 실링 재료로 제조된 코팅(22'')이 감소된 층 두께를 갖는 애노드 프레임(8) 또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 영역 또는 그 일부에서, 즉 특정 실시형태에서 실링 재료로 제조된 코팅(22'')으로 코팅되지 않은 코어(21)의 표면의 영역에서, 0의 층 두께를 가질 수 있다. 애노드 프레임(8) 또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)의 표면의 특정 영역에서 실링 재료로 제조된 코팅(22'')의 층 두께를 감소시킴으로써, 압축되어야 할 영역은, 예를 들면, 동일한 층 두께로 코어(21)의 표면을 완전히 코팅한 실링 재료로 제조된 코팅(22)에 비해 50% 만큼 감소될 수 있다. 이는 또한 스택형 장치(23)에서 프레임(1)을 압축하는 데 필요한 접촉 압력을 최대 50%까지 감소시킨다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 스택형 장치(23)는 10 내지 95℃의 온도 범위, 바람직하게는 40 내지 80℃의 온도 범위, 특히 바람직하게는 68 내지 72℃에서액체의 전해에 사용된다. 본 발명에 따른 스택형 장치(23)는 또한 스택의 일측면과 타측면 사이의 온도차가 바람직하게는 최대 0 내지 10 ℃, 바람직하게는 최대 3 내지 7 ℃, 특히 최대 4 ℃라는 장점을 갖는다.

본 발명의 유리한 실시형태의 추가의 장점은 제조 비용이다. 바람직한 실시형태에서, II형 채널(15)은 각각의 애노드 프레임(8) 및 각각의 캐소드 프레임(11)로부터 밀링가공되지 않고, 공구로 일단 전사(transferring)된다. 적절한 공구, 예를 들면, 애노드 프레임(8)의 네거티브(negative)이고, 다른 공구는 캐소드 프레임(11)의 네거티브이다. 예를 들면, II형 채널(15)의 배열, 직경, 길이 및 필요에 따라 기타 파라미터가 공구에 전사된다. 공구를 사용하여, 예를 들면, 스탬프(stamp)를 사용하여 실링 재료, 바람직하게는 고무, 예를 들면, EPDM에 스탬핑하는 것처럼 II형 채널(15)을 실링(22) 내에 전사할 수 있다. 공구를 사용하여, 애노드 프레임(8)의 코어(21) 또는 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 가황에 의해 실링(22)으로 코팅되고, 동시에 원하는 구조, 예를 들면, 프레임의 제1 측면(4) 또는 프레임의 제2 측면(5) 상의 II형 채널(15) 등이 실링(22) 내에 생성된다. 이러한 프레임(1)의 제조 방법에는 고무제의, 예를 들면, EPDM제의 실링(22)이 사용된다. 이 실시형태에서, 코어(21)는 실링(22)으로 코팅되고, 이로 인해 II형 채널(15)은 본 발명에 따른 애노드 프레임(8) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 원하는 영역 내에 동시에 생성될 수 있다. 애노드 프레임(8) 및/또는 캐소드 프레임(11)의 가황에 의해 제조된 성형 부품 또는 고무 성형 부품은 직접 사용될 수 있고, 저비용으로 대량 생산될 수 있다. 예를 들면, 사출 성형 또는 3D 인쇄와 같은 대안적 프로세스가 공지되어 있다.

스택형 장치(23)는, 바람직하게는, 모든 컴포넌트가 평활하고 균질인 표면을 가짐으로써 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13) 상에서 전압 피크가 발생하지 않도록 설계된다. 중간 압력에서 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 애노드(7) 및/또는 캐소드(10)의 기공 내로 압입되거나 크롤링(24)되는 것을 방지하기 위해, 예를 들면, 기공 직경이 0.1 미만인 애노드(7) 및/또는 캐소드(10)가 사용된다.

애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 실링(22)과 애노드 프레임(8) 또는 실링(22)과 캐소드 프레임(11)의 각각이 하나의 컴포넌트로 구성되므로 사전 조립식 모듈(20)을 형성하기 위해 쉽게 결합될 수 있다. 바람직하게는, 사전 조립식 모듈(20)을 제조하기 위해, 애노드(7)에 연결된 BPP(16), 즉 BPP/애노드(36)가 사용된다. 예를 들면, BPP(16)와 애노드(7)는 이 BPP(16)와 애노드(7)가 1개의 컴포넌트인 BPP/애노드(36)로서 존재하도록 용접된다. 사전 조립식 모듈(20)을 제조하기 위해, 먼저 애노드 프레임(8)이 BPP/애노드(36)의 애노드(7) 또는 애노드(7) 상에 삽입 또는 압입된다. 예를 들면, 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 수단으로서 제 1 핀(19)에 더하여, 애노드 프레임(8)은 또한 BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)에 연결하기 위한 수단으로서 BPP(16) 내에 삽입될 수 있는 제2 핀(19)을 가질 수 있다. 이 목적을 위해, BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)의 BPP(16)는 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 대응하는 수단, 바람직하게는 구멍(18)을 포함한다. 다음에 애노드(7) 및 BPP(16) 또는 BPP/애노드(36)에 삽입 또는 압입된 애노드 프레임(8)은 뒤집어지고, 캐소드 프레임(11)이 또한 애노드 프레임에 연결하기 위한 수단, 바람직하게는 구멍(18)을 사용하여 애노드 프레임(8)의 타측면에 삽입되어 애노드 프레임(8)에 연결된다. 다음에 캐소드(10)이 캐소드 프레임(11)에 삽입 또는 압입된다(도 6) 사전 조립식 모듈(20)이 얻어진다. 다음에 사전 조립식 모듈(20)이, 예를 들면, 센터링 핀을 통해 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)과 교대로 적층되어 사전 조립식 모듈의 스택(3) 또는 스택형 장치(23)를 제조할 수 있다.

1 프레임
2 전기화학 셀
3 사전 조립식 모듈(20)의 스택
4 프레임(1)의 제1 측면
4'' 애노드 프레임(8)의 제1 측면(4)의 반대측면
5 프레임(1)의 제2 측면
5'' 캐소드 프레임(11)의 제2 측면(5)의 반대측면
6 제1 개구부
7 애노드
7' 단일 애노드
8 애노드 프레임
9 제2 개구부
10 캐소드
10' 단일 캐소드
11 캐소드 프레임
12 단계
13 막
14 I형 채널
15 II형 채널
16 양극 플레이트(BPP)
17 간극
18 구멍
19 핀
20 사전 조립식 모듈
21 코어
22 실링 재료로 제조된 코팅
22'' 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22)
23 스택형 장치
24 크롤링
25 고무 립
26 2개의 II형 채널(15) 사이의 융기부
26'' 활성 영역 주위의 실링 효과를 증가시키기 위한 둘레방향 융기부(26)
27 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6)의 제1 측면
27' 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)의 제1 측면
28 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6)의 제2 측면
28' 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)의 제2 측면
29 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6)의 제3 측면
29' 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)의 제3 측면
30 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6)의 제4 측면
30' 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)의 제4 측면
31 I형 채널(14)의 에지
32 절연 패널
33 단부 플레이트
34 타이 로드
35 집전 플레이트
36 BPP(16)와 애노드(7)가 연결됨(= BPP/애노드)
37 스택형 장치(23)용 뚜껑
38 상단부 플레이트
39 액체 도입용 연결부(= 액체 연결 입구)
40 액체 배출용 연결부(= 액체 연결 출구)
41 분배 커버
42 상단부 플레이트(38)에서 액체 분배용 공간
43 분배 커버에서 액체 분배용 공간
44 하단부 플레이트

Claims

스택형 장치(23)를 위한 전기화학 셀(2)용 프레임(1)으로서,
상기 프레임(1)은 평면의 제1 표면을 갖는 프레임의 제1 측면(4) 및 상기 제1 측면(4)의 반대측의 평면의 제2 표면을 갖는 상기 프레임의 제2 측면(5), 및 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)을 포함하고,
상기 애노드 프레임은 상기 프레임의 제1 측면(4), 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'') 및 상기 애노드(7)를 수용하기 위한 제1 개구부(6)를 포함하며, 상기 제1 개구부(6)는 상기 프레임의 제1 측면(4)으로부터 상기 애노드 프레임의 반대측면(4'')까지 연장하고,
상기 캐소드 프레임(11)은 상기 프레임의 제2 측면(5), 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'') 및 상기 캐소드(10)를 수용하기 위한 제2 개구부(9)를 포함하며, 상기 제2 개구부(9)는 상기 프레임의 제2 측면(5)으로부터 상기 캐소드의 반대측면(5'')까지 연장하고,
상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'') 및 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')은 서로 인접하여 배치되고,
상기 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 서로 연결되고,
상기 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(11)는 서로 연결되고,
상기 제1 개구부(6)는 상기 제2 개구부(9)보다 크고, 상기 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')과 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')이 상기 애노드 프레임(8)으로부터 상기 캐소드 프레임(11)으로의 전이부에 단차부(12)를 형성하도록 배치되고, 상기 단차부(12)는 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 위한 지지면으로서 평면의 제3 표면을 형성하고, 상기 애노드 프레임(8)은 코어(21), 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함하고, 상기 캐소드 프레임(11)은 코어(21), 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함하는, 스택형 장치(23)용 전기화학 셀(2)용 프레임(1).
제1항에 있어서,
액체 및 기체를 출입시키기 위한 하나 이상의 I형 채널(14) 및 액체 및 기체를 출입시키기 위한 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 상기 I형 채널(14)은 상기 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6) 또는 상기 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)에 연결되지 않고, 상기 II형 채널(15)은 상기 I형 채널(14)을 상기 제1 개구부(6) 및 제2 개구부(9)와 연결하고, 상기 애노드 프레임(8)은 상기 프레임의 제1 측면(4)의 표면에 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 상기 II형 채널(15)은 하나 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 상기 하나 이상의 I형 채널(14)을 상기 제1 개구부(6)와 연결하고 또한 상기 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, 상기 양극 플레이트(BPP)(16)의 방향으로 배치되고, 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')은 II형 채널(15)을 포함하지 않는,스택형 장치(23)용 전기화학 셀(2)용 프레임(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
액체 및 기체를 출입시키기 위한 하나 이상의 I형 채널(14) 및 액체 및 기체를 출입시키기 위한 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 상기 I형 채널(14)은 상기 애노드 프레임(8)의 제1 개구부(6) 또는 상기 캐소드 프레임(11)의 제2 개구부(9)에 연결되지 않고, 상기 II형 채널(15)은 I형 채널(14)을 상기 제2 개구부(9) 및 제1 개구부(6)와 연결하고, 상기 캐소드 프레임(11)은 상기 프레임의 제2 측면(5)의 표면에 하나 이상의 II형 채널(15)을 포함하고, 상기 II형 채널(15)은 하나 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 상기 I형 채널(14)을 상기 제2 개구부(9)에 연결하고 또한 상기 프레임(1)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, 상기 극 플레이트(BPP)(16)의 방향으로 배치되고, 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')은 II형 채널(15)을 포함하지 않는, 프레임(1).
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 개구부(6)는 제1 측면(27), 제2 측면(28), 제3 측면(29) 및 제4 측면(30)에 의해 형성되고, 상기 제1 개구부(6)를 통한 액체의 균일한 흐름을 위해 그리고 상기 제1 개구부(6)로부터 반응열의 일정한 제거를 위해, 상기 제1 개구부(6)에 연결되는 각각의 I형 채널(14)은 적어도 2개의 II형 채널(15)에 의해 상기 제1 개구부(6)에 연결되고,
상기 II형 채널(15)은 상기 프레임의 제1 측면(4)에 서로 인접하여 배치되고, 상기 제1 개구부의 제1 측면(27) 상의 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 거리는 3 mm 이하이고, 상기 제1 개구부의 제3 측면(29) 상의 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 거리는 3 mm 이하인, 프레임(1).
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 개구부(9)는 제1 측면(27'), 제2 측면(28'), 제3 측면(29'), 및 제4 측면(30')에 의해 형성되고, 상기 제2 개구부(9)를 통한 물의 균일한 흐름을 위해 그리고 상기 제2 개구부(9)로부터 반응열의 일정한 제거를 위해, 상기 제2 개구부(9)에 연결되는 각각의 I형 채널(14)은 적어도 2개의 II형 채널(15)에 의해 상기 제2 개구부(9)에 연결되고,
상기 II형 채널(15)은 상기 프레임의 제2 측면(5)에 서로 인접하여 배치되고, 상기 제2 개구부의 제2 측면(28') 상의 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 거리는 3 mm 이하이고, 상기 제2 개구부의 제4 측면(30') 상의 인접한 2개의 II형 채널(15) 사이의 거리는 3 mm 이하인, 프레임(1).
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 제1 개구부의 제1 측면(27)과 상기 제1 개구부의 제3 측면(29)의 인접한 II형 채널(15) 사이의 거리는 동등하고, 선택적으로 상기 제2 개구부의 제2 측면(28')과 제2 개구부의 제4 측면(30')의 인접한 II형 채널(15) 사이의 거리는 동등한, 프레임(1).
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 II형 채널(15)은 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)에 의해 상기 제1 개구부(6)에 연결되는 상기 I형 채널(14)과 상기 제1 개구부의 제1 측면(27) 사이에서 부채꼴로 배치되고, 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)은 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)에 의해 상기 제1 개구부(6)에 연결되는 상기 I형 채널(14)과 상기 제1 개구부의 제3 측면(29) 사이에서 부채꼴로 배치되고, 선택적으로 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)에 의해 상기 제2 개구부(9)에 연결되는 상기 I형 채널(14)과 제2 개구부의 제2 측면(28') 사이의 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)은 부채꼴로 배치되고, 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)에 의해 상기 제2 개구부(9)에 연결되는 상기 I형 채널(14)과 상기 제2 개구부의 제4 측면(30') 사이의 상기 적어도 2개의 II형 채널(15)은 부채꼴로 배치되는, 프레임(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 프레임(8)의 코어(21)는 금속으로 제조되고, 상기 캐소드 프레임(11)의 코어(21)는 금속으로 제조되고, 상기 애노드 프레임(8)이 포함하는 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 고무제 코팅이고, 상기 캐소드 프레임(11)이 포함하는 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 고무제 코팅인, 프레임(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 프레임(8)의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 일부는, 상기 접촉 압력을 감소시키기 위해, 상기 애노드 프레임(8)의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 가지며, 및/또는 상기 캐소드 프레임(11)의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 일부는, 상기 접촉 압력을 감소시키기 위해, 상기 캐소드 프레임(11)의 실링 재료로 제조된 코팅(22)의 층 두께에 비해 감소된 층 두께의 실링 재료로 제조된 코팅(22'')을 갖는, 프레임(1).
제9항에 있어서,
상기 애노드 프레임(8)의 일부에서 상기 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 실링 효과를 증가시키기 위해, 둘레방향 융기부(26'')를 가지며, 상기 둘레방향 융기부(26'')는 상기 제1 개구부(6)를 둘러싸고, 및/또는 상기 캐소드 프레임(11)의 일부에서 상기 실링 재료로 제조된 코팅(22)은, 실링 효과를 증가시키기 위해, 상기 제2 개구부(9)를 둘러싸는 둘레방향 융기부(26'')를 갖는, 프레임(1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 프레임(8)은 상기 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 하나 이상의 연결 요소, 예를 들면, 하나 이상의 핀(19)을 포함하고, 상기 캐소드 프레임(11)은 상기 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 하나 이상의 연결 요소, 예를 들면, 하나 이상의 구멍(18)을 포함하고, 상기 연결 요소는 상기 애노드 프레임(8) 및 상기 캐소드 프레임(11)이 서로 연결될 수 있도록 배치되고, 예를 들면, 상기 핀(19) 및 상기 구멍(18)은 상기 캐소드 프레임(11) 내의 하나 이상의 구멍(18)이 상기 애노드 프레임(8) 내의 하나 이상의 핀(19) 상에 플러깅(plugging)되도록 배치되고, 이로 인해 상기 애노드 프레임(8)과 캐소드 프레임(11)은 서로 연결될 수 있는, 프레임(1).
최대 40 bar의 차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체를 변환 또는 생성하기 위한 전기화학 셀(2)로서,
고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13), 애노드(7), 캐소드(10)를 포함하고, 상기 전기화학 셀(2)은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 프레임(1)을 포함하고, 상기 애노드 프레임(8) 내의 제1 개구부(6)는 상기 애노드(7)를 포함하고, 상기 캐소드 프레임(11) 내의 제2 개구부(9)는 상기 캐소드(10)를 포함하고, 상기 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 상기 애노드 프레임의 제1 측면의 반대측면(4'')과 상기 캐소드 프레임의 제2 측면의 반대측면(5'') 사이에 배치되고, 상기 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 일측면은 상기 애노드(7) 상에 놓이고, 상기 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 타측면은 상기 단차부(12) 및 캐소드(10) 상에 놓이는, 전기화학 셀(2).
제12항에 있어서,
상기 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)의 두께는 80 μm 미만, 예를 들면, 50 μm 미만, 바람직하게는 20 μm 미만인, 전기화학 셀(2).
가압 하에서 기체 및 액체의 전기화학적 변환 또는 생성을 위한 스택형 장치(23)를 제조하기 위한 사전 조립식 모듈(20)로서,
애노드 프레임(8), 캐소드 프레임(11), BPP(16), 애노드(7) 및 캐소드(10)를 포함하고,
상기 애노드 프레임(8)은 평면의 제1 표면을 갖는 프레임의 제1 측면(4), 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'') 및 상기 애노드(7)를 수용하기 위한 제1 개구부(6)를 포함하고,
상기 제1 개구부(6)는 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)으로부터 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')까지 연장하고, 상기 제1 개구부(6)는 상기 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸이고, 상기 애노드 프레임(8)은 상기 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 바람직하게는 핀(19)을 포함하고,
상기 캐소드 프레임(11)은 평면의 제2 표면을 갖는 프레임의 제2 측면(5), 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'') 및 상기 캐소드(10)를 수용하기 위한 제2 개구부(9)를 포함하고,
상기 제2 개구부(9)는 상기 프레임의 제2 측면(5)으로부터 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')까지 연장하고 또한 상기 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸이고, 상기 캐소드 프레임(11)은 상기 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 바람직하게는 상기 핀(19)을 수용하기 위한 구멍(18)을 포함하고,
상기 BPP(16)는 상기 프레임의 제1 측면(4)과 상기 프레임의 제2 측면(5) 사이에 배치되고,
상기 애노드 프레임(8)은 바람직하게는 금속 또는 플라스틱제의 코어(21) 및 실링 재료로 제조된 코팅(22)을 포함하고, 상기 실링 재료로 제조된 코팅(22)은 바람직하게는 고무제 코팅이고,
상기 BPP(16)는 상기 애노드(7)에 연결되어 BPP/애노드(36)를 형성하고, 상기 BPP/애노드(36)는 상기 제1 개구부(6) 내에 삽입 또는 압입되고 또한 상기 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸이고,
상기 캐소드 프레임(10)은 바람직하게는 금속 또는 플라스틱제의 코어(21) 및 실링 재료로 제조된 코팅(22), 바람직하게는 고무제 코팅을 포함하고, 상기 캐소드(10)는 상기 제2 개구부(9) 내에 삽입 또는 압입되고 또한 상기 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸이고, 상기 애노드 프레임(8)의 연결 요소는 상기 캐소드 프레임(11)의 연결 요소에 연결되고, 바람직하게는 상기 적어도 하나의 핀(19)은 상기 적어도 하나의 구멍(18) 내에 삽입되고, 이로 인해 상기 애노드 프레임(8)과 캐소드 프레임(11)은 서로 연결되고,
상기 제1 개구부(6)는 상기 제2 개구부(9)보다 크고, 상기 애노드 프레임(8) 및 캐소드 프레임(11)은 상기 프레임의 제1 측면(4)과 상기 프레임의 제2 측면(5)이 상기 애노드 프레임(8)으로부터 상기 캐소드 프레임(11)으로의 전이부에 단차부(12)를 형성하도록 배치되고, 상기 단차부(12)는 상기 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)을 위한 지지면으로서 평면의 제3 표면을 형성하고, 상기 BPP(16)는 상기 애노드(7)와 애노드 프레임(8)의 일측면 상에 놓이고 또한 상기 캐소드(10), 상기 캐소드 프레임(11) 및 상기 단차부(12)의 타측면 상에 놓이는, 사전 조립식 모듈(20).
가압 하에서 기체 및 액체를 전기화학적으로 변환 또는 생성하기 위한 스택형 장치(23)용 사전 조립식 모듈(20)의 제조 방법으로서,
a) 애노드 프레임(8)을 위해 금속제 코어(21)가 제조되는 단계 - 상기 코어(21)는 평면의 제1 표면을 갖는 프레임의 제1 측면(4) 및 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')을 포함하고, 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4) 및 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')은 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)으로부터 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'')까지 연장하는 제1 개구부(6)를 포함하고, 상기 제1 개구부(6)는 상기 애노드 프레임(8)에 의해 둘러싸이고, 상기 애노드 프레임(8) 내에는 액체 및 기체를 공급 및 제거하기 위한 하나 이상의 I형 채널(14)이 생성되고, 상기 I형 채널(14)은 상기 애노드 프레임(8) 내의 제1 개구부(6)에 연결되지 않고, 상기 애노드 프레임(8)은 상기 캐소드 프레임(11)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 바람직하게는 적어도 하나의 핀(19)을 포함함 -,
b) a)에 따라 제조된 애노드 프레임(8)용 금속제 코어(21)의 표면의 전부 또는 일부, 바람직하게는 가황에 의해 고무제 코팅의 생성을 위해 a)에 따라 제조된 코어(21)의 표면의 적어도 90%가 천연 고무 또는 합성 고무로 완전히 또는 부분적으로 코팅되고, 이후 가황됨으로써 고무제 코팅이 실링 재료(22)로서 금속제 코어(21) 상에 생성되는 단계 - 상기 고무제 코팅에서 하나 이상의 II형 채널(15)이 상기 제1 측면(4) 의 표면 상에 생성되고 또한 하나 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 상기 I형 채널(14)을 상기 제1 개구부(6)와 연결하고 또한, 상기 애노드 프레임(8)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, 상기 BPP(16)의 방향으로 배치되고, 상기 애노드 프레임의 제1 측면(4)의 반대측면(4'') 상의 고무제 코팅 내에는 II형 채널(15)이 생성되지 않음 -
c) 애노드(7), 바람직하게는 BPP(16)에 연결되어 BPP/애노드(36)를 형성하는 애노드(7)를 a) 및 b)에 따라 제조된 애노드 프레임(8) 내에 설치 또는 압입하는 단계,
d) 상기 캐소드 프레임(11)용의 금속제 코어(21)가 제조되는 단계 - 상기 코어(21)는 상기 평면의 제2 표면을 갖는 캐소드 프레임의 제2 측면(5) 및 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'')을 포함하고, 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5) 및 제2 측면(5)의 반대측면(5'')은 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)으로부터 캐소드 프레임의 반대측면(5'')까지 연장하는 제2 개구부(9)를 포함하고, 상기 제2 개구부(9)는 상기 캐소드 프레임(11)에 의해 둘러싸이고, 상기 캐소드 프레임(11) 내에는 액체 및 기체의 공급 및 제거를 위한 하나 이상의 I형 채널(14)이 생성되고, 상기 I형 채널(14)은 상기 캐소드 프레임(11) 내의 제2 개구부(9)에 연결되지 않고, 상기 캐소드 프레임(11)은 상기 애노드 프레임(8)에 연결하기 위한 적어도 하나의 연결 요소, 예를 들면, 적어도 하나의 구멍(18)을 포함함 -,
e) d)에 따라 제조된 캐소드 프레임(11)용 금속제 코어(21)의 표면의 전부 또는 일부, 바람직하게는 가황에 의해 고무제 코팅의 생성을 위해 d)에 따라 제조된 코어(21)의 표면의 적어도 90%가 천연 고무 또는 합성 고무로 완전히 또는 부분적으로 코팅되고, 이후 가황됨으로써 고무제 코팅이 실링 재료(22)로서 금속제 코어(21) 상에 생성되는 단계 - 상기 고무제 코팅에서 하나 이상의 II형 채널(15)이 상기 제2 측면(5) 의 표면 상에 생성되고 또한 하나 이상의 I형 채널(14)에 연결되고 또한 상기 I형 채널(14)을 상기 제2 개구부(9)와 연결하고 또한, 상기 캐소드 프레임(11)이 전기화학 셀(2) 또는 스택형 장치(23)에 설치될 때, 상기 BPP(16)의 방향으로 배치되고, 상기 캐소드 프레임의 제2 측면(5)의 반대측면(5'') 상의 고무제 코팅 내에는 II형 채널(15)이 생성되지 않음 - 및
f) d) 및 e)에 따라 제조된 캐소드 프레임(11)을 상기 캐소드 프레임(11)의 적어도 하나의 연결 요소, 바람직하게는 적어도 하나의 구멍(19)에 의해 a) 내지 c)에 따라 제조된 상기 애노드 프레임(8)에 상기 애노드 프레임(8)의 적어도 하나의 연결 요소에 의해, 바람직하게는 적어도 하나의 핀(18)에 의해 연결하는 단계 - 바람직하게는 상기 적어도 하나의 구멍(19)은 상기 적어도 하나의 핀(18) 상에 플러깅(plugging)되고, 이로 인해 상기 캐소드 프레임(11)은 상기 애노드 프레임(8)에 연결되고, 상기 BPP(16)는 상기 프레임의 제1 측면(4)과 프레임의 제2 측면(5) 사이에 배치되고, 상기 캐소드(10)는 상기 캐소드 프레임(11) 내에 삽입 또는 압입됨 - 를 포함하는, 사전 조립식 모듈(20)의 제조 방법.
차압 하에서 작동하여 고압의 액체 또는 기체를 변환 또는 생성하기 위한 스택형 장치(23)의 제조 방법으로서,
a) 제14항에 따른 또는 제15항에 따라 얻을 수 있는 적어도 x개의 사전 조립식 모듈(20) 및 적어도 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 적어도 x+1개의 막(13)을 서로 교대로 적층하여 사전 조립식 모듈의 스택(3)을 제조하는 단계 - 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)에서 1개의 사전 조립식 모듈(20) 및 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 서로 교대로 적층되고, 상기 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 상면과 저면에 배치되고, 상기 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)이 인접한 2개의 사전 조립식 모듈(20) 사이에 배치됨 -,
b) 하프-셀 애노드, 바람직하게는 단일 애노드(7') 및 애노드 프레임(8)이 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 일측면 상에서 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 외부 막(13)에 평행하게 배치되고, 하프-셀 캐소드, 바람직하게는 단일 캐소드(10') 및 캐소드 프레임(11)이 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 타측면 상에서 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 외부 막(13)에 평행하게 배치되는 단계, 및
c) 단부 플레이트(33)가 상기 하프 셀 애노드에 평행하게 그리고 상기 하프 셀 캐소드에 평행하게 배치되고, 그 후 제조된 스택은 상기 2개의 단부 플레이트(33) 사이에서 압축되어 스택형 장치(2)를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 x는 정수이고 2 이상인, 스택형 장치(23)의 제조 방법.
차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체를 변환 또는 생성하기 위한 스택형 장치(23)로서,
제14항에 따른 또는 제15항에 따라 얻을 수 있는 x개의 사전 조립식 모듈(20), x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, x+1개의 막(13), 단일 애노드(7') 또는 하프-셀 애노드, 단일 캐소드(10') 또는 하프-셀 캐소드 및 2개의 단부 플레이트(33)를 포함하고, 상기 x개의 사전 조립식 모듈(20) 및 x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, x+1개의 막(13)은 서로 교대로 적층되어 사전 조립식 모듈의 스택(3)을 형성하고, 1개의 사전 조립식 모듈(20) 및 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3) 내에서 서로 교대로 적층되고,
1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 상면에 그리고 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 저면에 배치되고, 1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, 막(13)은 인접한 2개의 사전 조립식 모듈(20) 사이에 배치되고,
단일 애노드(7') 또는 하프-셀 애노드가 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 일측면 상에서 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 외부 막(13)에 평행하게 배치되고, 단일 캐소드(10') 또는 하프-셀 캐소드가 상기 사전 조립식 모듈의 스택(3)의 타측면 상에서 외부 고체 상태 전해질, 예를 들면, 외부 막(13)에 평행하게 배치되고,
단부 플레이트(33)가 개별 애노드(7') 또는 하프 셀 애노드에 대해 평행하게 그리고 개별 캐소드(10') 또는 하프 셀 캐소드에 평행하게 각각 배치되고, 생성된 스택은 상기 2개의 단부 플레이트(33) 사이에서 압축되어 스택형 장치(23)를 형성하고,
여기서 x는 정수이고 2 이상인, 스택형 장치(23).
차압 하에서 작동하여 고압 액체 또는 고압 기체를 생성하기 위한 스택형 장치(23)로서,
제12항 또는 제13항에 따른 x+1개의 전기화학 셀(2), x+1개의 고체 상태 전해질, 예를 들면, x+1개의 막(13) 및 x-1개의 BPP(16), 상단부 플레이트(38) 및 하단부 플레이트(44)를 포함하고,
상기 x+1개의 전기화학 셀(2) 및 x-1개의 BPP(16)는 서로 교대로 적층되고, 상기 스택 내에서 1개의 전기화학 셀(2) 및 1개의 BPP(16)는 서로 교대로 적층되고, 1개의 BPP(16)는 상기 스택의 상면에 그리고 하면에 배치되고, 1개의 BPP(16)는 인접한 2개의 전기화학 셀(2) 사이에 배치되고,
상단부 플레이트(38)는 상기 스택의 상면에서 상기 BPP(16)에 평행하게 배치되고, 하단부 플레이트(44)는 상기 스택의 하면에서 상기 BPP(16)에 평행하게 배치되고, 생성된 스택은 상기 상단부 플레이트(38)와 하단부 플레이트(44) 사이에서 압축되어 스택형 장치(23)를 형성하고,
여기서 x는 정수이고 2 이상인, 스택형 장치(23).
제17항 또는 제18항에 따른 또는 제16항에 따라 얻을 수 있는 스택형 장치(23)로서,
상기 스택형 장치(23)에서 x+1개의 고체 상태 전해질의 각각의 두께, 예를 들면, 상기 x+1개의 막(13)의 각각의 두께는 50 μm 미만, 바람직하게는 20 μm 이하인, 스택형 장치(23)
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 또는 제16항에 따라 얻을 수 있는 스택형 장치(23)로서,
2개의 단부 플레이트(33)를 포함하고, 바람직하게는 상기 스택의 상면에 상단부 플레이트(38)가 배치되고, 상기 스택의 하면에 하단부 플레이트(44)가 배치되고, 적어도 하나의 단부 플레이트(33), 바람직하게는 상기 상단부 플레이트(38)는 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 연결부(39), 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 연결부(40) 및 적어도 2개의 분배 커버(41)를 포함하고, 상기 액체용 공간을 제공하는 상기 적어도 하나의 단부 플레이트(33)는 상기 적어도 하나의 단부 플레이트(33)에서 액체의 분배를 위한 적어도 2개의 공간을 가지며, 상기 적어도 2개의 분배 커버(41)의 각각은 상기 분배 커버(43) 내의 액체의 분배를 위한 공간을 가지며, 상기 스택형 장치(23) 내로 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 분배 커버(43)는 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 연결부(39) 및 단부 플레이트(33) 내의 액체의 분배를 위한 공간에 연결되고, 상기 스택형 장치(23)로부터 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 추가의 분배 커버(43)는 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 연결부(40) 및 단부 플레이트(42) 내의 분배를 위한 공간에 연결되는, 스택형 장치(23)
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 스택형 장치(23)용 뚜껑(37)으로서,
단부 플레이트(33), 예를 들면, 상단부 플레이트(38)는 상기 스택형 장치(23) 내로 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 연결부(39), 상기 스택형 장치(23)로부터 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 연결부(40) 및 적어도 2개의 분배 커버(41)를 포함하며, 상기 단부 플레이트(33)는 액체용 공간을 제공하기 위해 상기 단부 플레이트(33) 내의 액체의 분배를 위한 적어도 2개의 공간을 가지며, 상기 적어도 2개의 분배기 커버(41)의 각각은 상기 분배기 커버(43) 내에서 액체 분배를 위한 공간을 가지며, 적어도 하나의 분배 커버(43)는 상기 스택형 장치(23) 내로 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 연결부(39) 및 상기 단부 플레이트(33) 내의 액체의 분배를 위한 공간에 연결되고, 적어도 하나의 추가의 분배 커버(43)는 상기 스택형 장치(23)로부터 액체의 배출을 위한 적어도 하나의 연결부(40) 및 상기 단부 플레이트(33) 내의 액체의 분배를 위한 공간에 연결되는, 스택형 장치(23)용 뚜껑(37).