KR100476632B1 - 새로운 알칼리 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 즉시 기동할 수 있고, 전해조로서 역구동함으로써 회생 제동과 같은 리캡쳐 에너지를 수용할 수 있는 연료 전지(7)에 관한 것이다. 순간 기동 연료 전지(7)는 증가된 효율 및 파워 효용(보다 높은 전압 및 전류)과, 대략 -20 내지 150℃의 작동 온도 범위의 극적인 향상을 갖는다.

Description

새로운 알칼리 연료 전지{NOVEL ALKALINE FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 오보닉(Ovonic) 순간 기동 알칼리 연료에 관한 것이다. 본 연료 전지는 고가의 귀금속을 포함하지 않고, 실온에서 동작하는 물질을 사용하여 현대 연료 전지 기술에서 나타나는 주요한 장애를 해결한 전극을 이용한다. 특히, 본 발명의 순간 기동 연료 전지는 수소 저장 물질로부터 형성되는 양극을 포함한다. 수소 저장 물질은 수소를 저장할 뿐만 아니라 분자 수소로부터 원자 수소 원자를 형성하는데 뛰어난 촉매 활성을 가지며, 또한 수소 이온과 수산화 이온으로부터 물을 형성하는데 우수한 촉매 활성을 갖는다. 뛰어난 촉매 능력을 갖는 것 외에, 수소 저장 물질은 연료 전지의 알칼리 전해질에 대해 우수한 내식성을 또한 갖는다. 이 특징들은 본 연료 전지가 즉시 기동되고, 광범위의 온도(-20 내지 150℃)에서 사용되며, 전해조로서 역구동하여 리캡쳐 에너지(recaptured energy)를 수용할 수 있게 함으로써, 외부 가열 소자 또는 배터리의 필요성이 제거된다. 이와 같이, 본 발명자들은 시초에서부터 기술상으로 어려웠던 문제점들을 개선하는 새로운 세대의 연료 전지를 제공하였다.

본 출원은 처음으로 주요한 장애를 극복하여 이와 같은 연료 전지를 광범위하게 이용하는 연료 전지를 개시한다. 즉, 본 발명자들은 전극에 고가의 귀금속을 포함하지 않는 물질을 사용하여 현대 연료 전지 기술에서 나타나는 주요 장애를 해결하였다. 이들 장애는 수소 저장 능력, 필요한 촉매 활성, 이온 전도도, 내식성, 및 다른 가스의 중독 효과에 대한 증가된 저항력을 포함한다. 더욱이, 이들 물질은 저가이고, 귀금속을 포함하지 않아, 연료 전지가 광범위하게 이용될 수 있다. 연료 전지에 존재하는 양극은 귀금속을 포함하지 않는 활성 물질을 사용하여 고유 촉매 특성과 (즉시 기동을 가능하게 하는) 수소 저장 용량을 갖는다. 연료 전지는 즉시 기동할 수 있고, 회생 제동과 같은 공정으로부터 리캡쳐 에너지를 저장할 수 있다. 이 물질은 견고하고 중독에 저항력이 있다. 전극은 현재 오보닉 Ni-MH 배터리를 제조하는데 이용하고 있는 바와 같이, 증명된 저가의 제조 기술에 의해 쉽게 제조된다. 종래 기술에서는 카본이 이산화탄소로 산화되는 경향이 있어, 카본을 양극으로부터 제거함으로써 연료 전지 전해질의 탄산염 중독을 제거하는데 도움이 된다. 양극의 수소 저장 물질은 이산화탄소가 수소 연료 흐름을 통해 전해질로 유입되는 것을 막을 만큼 충분히 밀집되어 있지만, 수소 펌프로서 동작하여 수소가 전달될 수 있게 한다. 본 연료 전지는 증가된 효율 및 파워 효용(보다 높은 전압 및 전류)을 가지며, 극적으로 향상된 동작 온도 범위(-20 내지 150℃)를 갖는다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 에너지 제조/소비 시장의 모든 분야에서 연료 전지를 광범위하게 이용할 수 있게 함으로써, 수소 기반 경제의 실현을 더 조성한다. 이와 같은 수소 기반 경제를 위한 인프라스트럭처(infrastructure)는 본 명세서에 인용예로서 포함되고 있고, 옵신스키(Ovshinsky) 등에 의해 1999년 11월 22일에 출원된 "수소 기반 생태계" 명칭의 미합중국 출원 번호 제 09/444,810호('810 출원)에 개시되어 있다. 이 인프라스트럭처는 지금까지 해결할 수 없었던 것으로 간주된 화학, 물리, 전자 및 촉매 장애를 극복한 수소 저장 합금에 의해 차례로 가능하게 된다.

이들 합금은 본 명세서에 인용예로서 포함되어 있고, 옵신스키 등에 의해 1999년 11월 6일에 출원되고 같이 계류중인 "수소 기반 생태계를 가능하게 한 높은 저장 용량 합금" 명칭의 미합중국 특허 출원 번호 제 09/435,497호('497 출원)에 모두 설명되어 있다.

세계 인구가 늘어나고 그 경제가 증가됨에 따라, 이산화탄소의 대기 농축이 지구를 따뜻하게 하여 기후 변화를 야기시킨다. 그러나, 세계 에너지 시스템은 연소시에 유해 가스를 만드는 카본 리치(carbon-rich) 연료로부터 점차 벗어나고 있다. 다음 세기의 말기에는 이산화탄소의 대기 레벨이 산업화 이전 시대의 2배가 될 것이라고 전문가들은 말하고 있지만, 100년 이상 동안 계속되어온 보다 낮은 카본 연료를 지향하는 추세에도 불구하고 이산화탄소의 대기 레벨이 보다 높게 될 것이라고 전문가들은 또한 말하고 있다. 더욱이, 화석 연료는 공해를 유발하고, 국가들 사이의 전략적인 전쟁의 원인이 되는 요인이다. 더욱이, 변동이 심한 에너지 가격은 전세계적으로 경제적 불안정의 요인이다.

미국에서는 에너지 효율은 더 높고 카본 성분은 더 낮은 연료를 지향하는 추세로 인하여 1950 이후 경제 제품의 각 유닛이 배출하는 카본의 양이 대략 절반으로 감소된 것으로 추정된다. 따라서, 에너지 시스템의 탈카본화는 시스템의 최근 20년의 분석 결과에서 나오는 하나의 가장 중요한 사실이다. 이러한 발전으로 인하여 21^st 세기의 말기에 무카본 에너지 시스템을 제조하는 것이 예기되었다. 본 발명은 수년의 과제에 대하여 그 기간을 짧게 하는데 필수적인 또 다른 제품이다. 가까운 미래에 수소는 이미 궤도를 선회하는 우주선에 파워를 제공하는 것과 마찬가지로 자동차, 트럭 및 산업 설비용 연료 전지에 사용될 것이다. 그러나, 저장 및 인프라스트럭처의 문제점('810 및 '497 출원들 참조)이 해결됨에 따라, 수소는 모든 연료 수요에 적용되는 일반적인 무카본 연료를 또한 제공할 것이다.

지구 온난화와 기후 변화의 문제점이 이제 인식되고 이 문제점들을 해결하고자 하는 노력이 이루어지고 있는 가운데, 극적인 전환이 이제 발생하였다. 따라서, 어떤 세계 최대 석유 회사들이 스스로 이러한 문제점들을 해결하기를 원한다고 말하고 있다는 것은 매우 고무적인 일이다. 다수의 미국 시설들은 그들의 발전소가 대기에 가한 폐해를 감소시키기 위한 방법을 찾으려고 한다. 세계 최대 화학 회사인 듀폰조차도 10년내에 온실 효과 가스의 배출을 1990년의 35% 레벨로 자발적으로 감소할 것을 발표하였다. (차량적인 조치로 배출을 감소하였음에도 불구하고) 온실 효과 가스와 다른 오염 물질을 배출하는데 상당히 기여하는 자동차 회사는 전기 및 하이브리드 차량에 의해 증명된 바와 같이 변화가 필요하다는 것을 이제 인식하였다.

수소는 "최후 연료"이다. 실제로, 수소는 미래형 연료 "바로 그것"으로 생각된다. 수소는 세계에서 가장 풍부한 원소(95% 이상)이다. 수소는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있는 지구에서 무진장한 청정원 에너지를 제공한다. 본 발명을 이용하면, 수소는 고체 상태의 형태로 트럭, 트레인, 보트, 바지(barge) 등('810 및 '497 출원들 참조)에 저장 및 운송될 수 있다.

연료 전지는 공급된 가스의 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 에너지 변환 장치이다. 연구원들은 연료 전지의 잠재적인 고에너지 생성 효율을 이용하는 연료 전지를 활발히 연구하였다. 연료 전지의 기본 유닛은 음극, 양극 및 적합한 전해질을 갖는 전지이다. 연료 전지는 운송 차량용 전원 공급, 스트림 터빈의 대체 및 모든 종류의 전원 공급 응용과 같은 많은 잠재적 응용을 갖는다. 연료 전지의 외관 단순화에도 불구하고, 다수의 문제점으로 인해 연료 전지를 광범위하게 사용할 수 없었다.

현재 대부분의 연료 전지 R & D 초점은 P.E.M(고분자 교환막(Proton Exchange membrane)) 연료 전지이다. P.E.M. 연료 전지는 상대적으로 변환 효율이 낮고, 다수의 다른 단점을 갖는다. 예를 들면, 시스템용 전해질은 산성이다. 따라서, 귀금속 촉매는 시스템의 전극용으로만 이용 가능한 활성 물질이다. 불행하게도, 귀금속은 고가일 뿐만 아니라, 다수의 가스, 특히 일산화탄소(CO)에 의해 중독되기 쉽다. 또한, P.E.M. 연료 전지의 산성 특성 때문에, 연료 전지를 구성하는 물질의 나머지는 다시 비용을 상승시키는 이와 같은 환경과 양립해야 한다. 고분자 교환막은 매우 고가이고, 80℃ 이하의 온도에서 낮은 도전성 때문에, 본질적으로 P.E.M. 연료 전지의 파워 성능과 동작 온도 범위를 제한한다(PEM은 본 발명의 연료 전지와 달리 낮은 온도에서 거의 작동하지 않는다). 또한, 교환막은 높은 온도에 민감하고, 120℃에서 유연해지기 시작한다. 교환막의 도전성은 물에 의존되고, 보다 높은 온도에서 건조되며, 따라서 전지 고장을 유발한다. 따라서, P.E.M. 연료 전지는 많은 단점이 있어서 상업상/소비자용으로는 다소 바람직하지 않다.

종래의 알칼리 연료 전지는 보다 높은 동작 효율을 가지고, 보다 고가의 구조 물질을 이용하며, 고가의 막(membrane)이 필요로 되지 않는 점에서 P.E.M. 연료 전지에 비하여 약간의 장점을 갖는다. 또한, 알칼리 연료 전지는 전해질에서 상대적으로 보다 높은 이온 도전성을 가지며, 따라서 보다 높은 파워 능력을 갖는다. 종래의 알칼리 연료 전지는 PEM 연료 전지보다 온도에 덜 민감하지만, 종래의 알칼리 연료 전지의 백금 활성 물질은 낮은 온도에서 매우 비효율적으로 된다. 불행하게도, 종래의 알칼리 연료 전지는 여전히 어떤 단점을 갖고 있다. 예를 들면, 종래의 알칼리 연료 전지는 P.E.M. 연료 전지에서와 같이 가스에 오염 중독되기 쉬운 귀금속 촉매를 2개의 전극에 여전히 사용한다. 또한, 종래의 알칼리 연료 전지는 양극 카본 기판의 산화에 의해 만들어진, 또는 전극에 사용된 연료 및 공기의 불순물을 통해 삽입된 CO₂로부터 탄산염을 형성하기 쉽다. 이 탄산염 형성은 전해질/전극 표면을 막아, 활성화를 감소/제거한다. 본 명세서에 설명된 발명은 이 문제점을 양극에서 제거한다.

배터리와 같은 연료 전지는 전기화학 반응을 이용하여 동작된다. 화학 에너지가 전지내에 저장되는 배터리와 달리, 연료 전지는 일반적으로 전지 외부로부터 반응물이 공급된다. 전극 고장을 제외하고는 연료, 바람직하게는 수소와 산화제 통상적으로는 공기 또는 산소가 공급되고 반응 생성물이 제거되고 있는 한, 전지가 계속 작동하게 된다.

연료 전지는 내부 연소 엔진 또는 발생기 시스템에 비하여 많은 중요한 장점을 제공한다. 연료 전지는 상대적으로 높은 효율, 수소를 연료로서 이용하는 경우의 특별히 환경적으로 청결한 작동, 높은 신뢰성, 소수의 가동부 및 조용한 작동을 포함한다. 연료 전지는 카르노 사이클에 근거된 다른 종래 전원보다 잠재적으로 더 효과적이다.

통상적인 연료 전지의 주요 요소는 수소 산화용 양극과 산소 환원용 음극이고, 이들 모두는 (알칼리 전해질 용액과 같은) 전해질을 포함하는 전지에 위치된다. 일반적으로, 수소 및 산소와 같은 반응물은 다공질 양극 및 음극을 통해 각각 공급되고, 전해질 용액과의 표면 접촉속으로 들어간다. 음극과 양극에 이용되는 특정 물질은 발생되는 화학 반응을 위해 효율적인 촉매로서 동작해야 하기 때문에 중요하다.

알칼리 연료 전지에서는 전해질에 존재하는 수소 연료와 수산화 이온(OH^-) 사이의 반응이 양극에서 발생하여 물을 형성하고 전자를 방출한다.

H₂ + 2OH^- → 2H₂0 + 2e^-

음극에서는 산소, 물 및 전자가 음극 촉매의 면전에서 반응하여 산소를 환원하고 수산화 이온(OH^-)을 형성한다.

O₂ + 2H₂O + 4e^- →4OH^-

전자의 흐름은 전기 에너지를 양극 및 음극에 외부적으로 접속된 부하에 제공하는데 이용된다.

알칼리 연료 전지의 양극 촉매는 물을 만드는 H⁺ 이온과 OH^- 이온의 화학 반응에 촉매 작용하는 것 이상으로 일을 할 것이 요구됨을 유념해야 한다. 최초에, 양극은 H₂로부터 H⁺ 와 e^-의 형성에 촉매 작용하고 촉진해야 한다. 이것은 분자 수소로부터 원자 수소의 형성을 통해 발생된다. 전체 화학 반응은 M + H₂ → 2MH → M + 2H⁺ + 2e^-(여기서, M은 촉매)와 같이 될 수 있다. 따라서, 양극 촉매는 전해질 경계면에서 물 형성에 촉매 작용해야 할 뿐만 아니라 분자 수소를 이온 수소로 효과적으로 해리해야 한다. 종래의 양극 물질을 사용하면, 해리된 수소는 과도기적인 상태에 있으므로, 수소 원자가 산화 반응에 매우 빠르게 사용되지 않으면, 수소 원자가 쉽게 재결합하여 수소를 형성한다. 본 발명의 순간 기동 연료 전지의 수소 저장 양극 물질을 사용하면, 상기 물질이 생성된 후 필요시에 파워를 제공하는데 필요한 것으로서 사용되자마자 수소가 수산화물의 형태에 갇혀지게 된다.

양쪽 경계면에서 효과적으로 촉매 작용하는 것 외에, 촉매 물질은 알칼리 전해질에 대하여 내식성이 있어야 한다. 이와 같은 내식성이 없으면, 전극은 가혹한 환경에 빠르게 압도당하게 되고, 전지는 빠르게 효율을 잃게 되어 수명이 다하게 된다.

하나의 종래 기술의 연료 전지 양극 촉매는 백금이다. 양호한 촉매 특성에도 불구하고, 백금은 매우 고가이기 때문에 연료 전지 양극용 촉매로서 넓은 범위의 상업적 사용에 매우 적합하지는 않다. 또한, 백금과 같은 귀금속 촉매는 수소 연료 흐름에 일반적으로 포함된 불순물에 의해 오염물에 대한 내성이 없다. 이러한 불순물들은 일산화탄소를 포함할 수 있는데, 이 일산화탄소는 칼슘, 마그네슘, 철 및 구리를 포함하여 처리되지 않은 물에 일반적으로 포함된 불순물과 같은 전해질에 포함된 수소 연료 또는 오염물에 존재할 수 있다.

상기 오염물은 "중독" 효과로서 일반적으로 불려지는 것을 야기시킬 수 있다. 물질의 촉매 작용 활성점이 연료 전지에 일정하게 포함된 유독한 종에 의해 검게 되고 비활성화되는 경우에 중독이 발생된다. 일단 촉매 작용 활성점이 비활성화되면, 양극에서 효과적인 수소 산화 반응을 위한 촉매로서 동작하는데 더 이상 이용할 수 없다. 따라서, 이용 가능한 촉매 작용 활성점의 전체 수가 중독에 의해 상당히 저하되기 때문에 양극의 촉매 효율은 감소된다. 더욱이, 촉매 활성화의 감소는 양극에 증가된 과전압을 초래하고, 따라서 작동 비용을 상당히 부가하여 전지가 보다 덜 효과적으로 된다. 과전압은 전극 전위와 그 평형값 간의 차이이고, 물리적 의미의 과전압은 양극 표면에서 전류 통과에 대한 저항(전하 전달 저항)을 극복하는데 요구된 전압이다. 과전압은 연료 전지의 작동 비용에 부가되는 바람직하지 않은 에너지 손실을 나타낸다.

본 명세서에 인용예로서 포함되어 있는 미합중국 특허 번호 제 4,623,597호("'597 특허")와 그 계통에서의 다른 것들의 관련 작업에서, 본 발명자들중 한명인 스텐포드 알. 옵신스키(Stanford R. Ovshinsky)는 처음으로 전기 화학 전지에서 음전극으로 사용하기 위한 무질서 다중 성분 수소 저장 물질(disordered multi-component hydrogen storage material)을 설명하였다. 본 특허에서, 옵신스키는 무질서 물질이 어떻게 수소 저장과 가역 특성을 크게 증가시키게 되기에 적합하게 될 수 있는지(즉, 원자적으로 조작될 수 있는지)를 설명하였다. 이와 같은 무질서 물질은 비결정, 미세결정, 중간 영역 질서 및/또는 (긴 영역 조성적 질서가 결핍된) 다결정이고, 여기서 다결정 물질은 위상적, 조성적, 천이적 및 위치적 변경과 무질서를 포함한다. 이러한 무질서 물질들의 활성 물질의 구조(framework)는 하나 이상의 요소의 호스트 매트릭스(host matrix)와 이 호스트 매트릭스에 결합된 변형자(modifier)로 구성된다. 변형자는 파생 물질의 무질서를 높이고, 따라서 더 많은 숫자와 스펙트럼의 촉매 작용 활성점과 수소 저장점을 생성한다.

'597 특허의 무질서 전극 물질은 다수의 기술에 의해 경량, 저가의 요소로 형성되고, 이는 높은 에너지 및 파워 밀도와 저가를 달성하는 주로 비평형 준안정 위상의 형성을 보증하였다. 그 결과, 저가이면서 높은 에너지 밀도의 무질서 물질은 배터리가 2차적인 배터리로서, 그러나 또한 주 배터리로서 매우 유리하게 이용될 수 있게 한다.

'597 특허의 물질의 국부적인 구조적 및 화학적 질서를 맞추어 만드는 것(tailoring)은 원하는 특성을 달성하는데 매우 중요하였다. '597 특허의 양극의 향상된 특성은 국부적인 화학적 질서를 조작함으로써, 그리고 나서 원하는 무질서 물질을 만들기 위해 호스트 매트릭스에 선택된 변형자 원소를 결합하는 것에 의한 국부적인 구조적 질서를 조작함으로써 달성되었다. 무질서는 종래의 물질에서는 불가능한, 형태 및 숫자 모두에 있어 자유도를 물질내에 허용한다. 이 자유도는 물리적, 구조적, 화학적 및 전자적 환경을 극적으로 변경한다. '597 특허의 무질서 물질은 다수의 활성점을 달성하는 전자 구성을 원하였다. 저장점의 특성과 수는 촉매 작용 활성점과 관계없이 설계되었다.

전이 원소와 같은 다중 궤도 변형자는 가능한 다양한 결합 구성으로 인해 매우 증가된 수의 저장점을 제공하였고, 따라서 에너지 밀도의 증가를 달성하였다. 변형 기술은 무질서의 변화도를 갖는 비평형 물질을 특히 제공하는데, 이것에는 유일한 결합 구성, 궤도 중첩과 이에 따른 결합점의 스펙트럼이 제공된다. 궤도 중첩과 무질서 구조의 상이한 정도 때문에, 사소한 양의 구조적 재배열이 충전/방전 사이클 또는 사이클간의 휴지 기간동안 발생되고, 이로써 긴 사이클과 저장 수명이 달성된다.

'597 특허의 개량된 배터리는 높은 전기화학 충방전 효율과 높은 전하 출력을 발생시키도록 설계된 맞춤 제작의 국부적인 화학적 환경을 갖는 전극 물질을 포함하였다. 물질의 국부적인 화학적 환경의 조작은 '597 특허에 따라서 매우 증가된 밀도의 전자 촉매 작용 활성점과 수소 저장점을 만들기 위해 화학적으로 다른 원소로 변경될 수 있는 호스트 매트릭스를 이용함으로써 가능하게 되었다.

'597 특허의 무질서 물질은 구성 원자와 다양한 궤도의 변화하는 3차원 상호작용으로부터 기인하는 이상한 전자 구성을 갖도록 설계되었다. 무질서는 원자의 구조적, 위치적 및 천이적 관계에서 나왔다. 원하는 국부적인 화학적 환경을 만들기 위하여, 이들 궤도와의 상호 작용에 의해 무질서를 더 변경하는데 선택된 원소가 이용되었다.

또한, 이러한 구성에 의해 만들어진 내부 위상은 원자 및 이온의 선택적 확산을 가능하게 하였다. '597 특허에 설명된 발명은 촉매 활성점 및 저장점의 형태 또는 수를 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 특정한 사용용으로 이 물질들이 이상적인 것이 되도록 하였다. 상기 특성 모두는 단지 중요한 양적 차이가 아니라, 유일한 새로운 물질이 후에 만들어지도록 물질을 정성적(定性的)으로 변경하였다.

무질서는 물질의 벌크에 걸쳐 또는 물질의 다수의 영역내에 제공된 조성적 또는 구성적 무질서의 형태의 원자 특성일 수 있다. 또한, 무질서는 하나의 위상과 또 다른 위상의 관계에 의하여 원자 레벨에서 조성적 또는 구성적 무질서와 흡사한 물질내에 미시적 위상을 만듬으로써 도입될 수 있다. 예를 들면, 무질서 물질은 다른 종류 또는 종류들의 결정 위상의 미시적 영역을 도입함으로써, 또는 결정 위상 또는 위상들의 영역에 추가하여 비결정 위상 또는 위상들의 영역을 도입함으로써 만들어질 수 있다. 이와 같은 다양한 위상들 사이의 경계면은 전기화학 수소 저장에 다수의 원하는 점들을 제공하는 국부적인 화학적 환경이 풍부한 표면을 제공할 수 있다.

이러한 동일 원리들이 단일 구조적 위상내에 적용될 수 있다. 예를 들면, 조성적 무질서는 원자 또는 미시적 스케일로 옵신스키의 무질서 원리를 사용하여 중요한 개선 및 유일 결과를 달성하기 위한 계획된 방법으로 물질을 급진적으로 변경할 수 있는 물질에 도입된다.

(본 명세서에 인용예로서 포함되어 있는 미합중국 특허 제 4,487,818호의) 옵신스키를 제외하고 어느 누구도 연료 전지 기술을 유일하고 극적으로 향상시키는 물질을 만들기 위하여 원자 공학의 옵신스키 원리를 이용하지 않았다. 특히, 소비자가 일상적으로 연료 전지를 사용하면서 노출되는 광범위의 온도에서 연료 전지가 작동할 수 있게 하는 물질이 필요하다. 또한, 이와 같은 연료 전지가 리캡쳐 에너지를 이용/저장하기 위해 전해조로서 역구동될 수 있게 하는 물질이 필요하다. 마지막으로, 연료 전지가 내부 원천의 연료를 제공함으로써 즉시 기동할 수 있게 하는 물질이 기술상 필요하다. 필요한 물질중의 하나는 저가의 수소 저장 양극 물질인데, 분자 수소의 해리와, 수소 및 수산화 이온으로부터의 물 형성을 크게 촉매 작용할 뿐만 아니라, 전해질에 대해 내식성이 있고, 반응 흐름으로부터 오염 중독에 저항력이 있으며, 넓은 온도 범위에서 동작할 수 있어야 한다. 또한, 수소의 해리와 수소의 산화를 높이기 위해 비귀금속 촉매 물질이 본 발명의 수소 저장 물질과 결합되어 사용될 필요가 있다.

도 1은 본 발명의 연료 전지에 사용된 연료 전지 양극을 개략적으로 설명하는 도면.

도 2는 본 발명의 순간 기동 알칼리 연료 전지를 개략적으로 설명하는 도면.

도 3은 수소 저장 활성 물질을 사용하는 연료 전지의 전압 강하(ΔV) 대 전류를 보여주는 도면이고, 특히 수소가 흐르지 않는(곡선 a) 순간 기동 모드에서, 그리고 수소가 흐르고 있을 때(곡선 b)의 정상 작동 모드에서의 성능을 보여주는 도면.

도 4는 본 발명의 순간 기동 연료 전지를 결합한 에너지 공급 시스템을 개략적으로 설명하는 도면.

본 발명의 목적은 즉시 기동할 수 있고, 전해조로서 가역 구동함으로써 회생 제동(regenerative braking) 에너지와 같은 리캡쳐 에너지를 수용할 수 있는 연료 전지이다. 순간 기동 연료 전지는 증가된 효율 및 파워 효용(보다 높은 전압 및 전류)과, 매우 효과적으로 향상된 작동 온도 범위(-20 내지 150℃)를 갖는다. 연료 전지는 수소 저장 용량을 갖는 양극 활성 물질을 이용한다. 양극 활성 물질은 수소 분자로부터 수소 원자를 형성하는데 우수한 촉매 활성과, 수소 이온과 수산화 이온으로부터 물을 형성하는데 뛰어난 촉매 활성을 가지며, 알칼리 연료 전지의 알칼리 전해질에 대해 예외적인 내식성을 갖는 수소 저장 합금이다. 또한, 양극 활성 물질은 저가이며, 귀금속을 포함하지 않는다. 이 물질은 견고하고 중독에 저항력이 있다. 전극은 증명된 저가의 제조 기술에 의해 쉽게 제조된다. 양극에 카본을 사용하지 않음으로써, 연료 전지의 탄산염 중독을 제거하는데 도움이 된다.

순간 기동 연료 전지에 유용한 양극 활성 수소 저장 합금은 수소를 가역으로 흡수 및 방출하며, 빠른 수소화 반응율과 긴 저장 수명을 갖는다. 바람직하게는, 수소 저장 합금은 희토류/미시 금속 합금, 지르코늄 합금, 티타늄 합금, 및 이들의 혼합물 또는 합금으로부터 선택된다. 바람직한 수소 저장 합금은 미립자의 산화 표면에 걸쳐 분포된 농축된(enriched) 촉매 니켈 영역을 포함한다. 촉매 니켈 영역은 직경 50 내지 70 옴스트롱이고, 대략 2 내지 300 옴스트롱(바람직하게는, 50 내지 100 옴스토릉)으로 변화한다. 이와 같은 합금의 예는 다음 조성을 갖는다.

(베이스 합금)_aCo_bMn_cFe_dSn_e

여기서, 베이스 합금은 0.1 내지 60 원자 퍼센트 Ti, 0.1 내지 40 원자 퍼센트 Zr, 0 내지 60 원자 퍼센트 V, 0.1 내지 57 원자 퍼센트 Ni, 및 0 내지 56 원자 퍼센트 Cr을 포함하며, b는 0 내지 7.5 원자 퍼센트, c는 13 내지 17 원자 퍼센트, d는 0 내지 3.5 원자 퍼센트, e는 0 내지 1.5 원자 퍼센트이고, a + b + c + d + e = 100 원자 퍼센트이다.

본 발명은 일반적으로 순간 기동 연료에 관한 것이며, 보다 상세하게는 오보닉 순간 기동 알칼리 연료 전지에 관한 것이다. 연료 전지는 (하기에서 설명되는) 순간 기동용으로 내장된 (저장 양극내에 있는) 예비 수소를 갖고 있으며, (하기에서 설명되는) 전해조로서 동작함으로써 회생 제동 에너지를 수용할 수 있다. 연료 전지는 종래의 연료 전지와 비교하여 효율을 증가시켰고, 파워 능력도 증가시켰으며, 연료 전지의 온도 범위를 크게 증가시켰다(-20 내지 150℃). 연료 전지는 쉽게 조립될 수 있고, 증명된 저가의 제조 기술을 이용하는 장점을 갖는다.

또한, 본 발명은 연료 전지 양극 및 음극과, 본 연료 전지를 결합한 에너지 공급 시스템에 관한 것이다. 연료 전지 양극은 수소 저장 용량뿐만 아니라 고유 촉매 활성을 갖는 물질을 포함한다. 음극 및 양극 물질은 어떠한 귀금속도 포함하지 않아, 본질적으로 저가이다. 음극 및 양극 물질은 견고하고 수명이 길며, 중독에 저항력이 있다. 양극은 종래의 카본 기판을 이용하지 않는다. 알칼리 연료 전지에서의 본 전극과 본 전극의 이용에 대한 상세한 설명이 하기에 설명되지만, 본 발명의 개념은 다른 형태의 연료 전지에도 적용될 수 있는 것에 유념해야 한다.

도 1은 연료 전지 저장 양극(1)을 개략적으로 설명하는 도면이다. 양극 본체는 (폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은) 소수성(hydrophobic) 성분(2)과 수소 저장 양극 활성 물질 성분(3)을 포함한다. 도 1에서는 소수 성분(2)과 활성 전극 물질 성분(3)을 양극(1)내의 이격층의 물질로서 나타내었지만, 이들은 또한 단일 물질로 직접 혼합될 수 있다. 또한, 양극(1)은 집전 장치로서 최소한 동작하는 기판 성분(4)을 포함하지만, 지지 기능을 또한 제공할 수 있다. 이 기판 성분은 하기에서 보다 상세하게 설명된다.

양극(1)은 2개의 표면(5, 6)을 갖는다. 하나의 표면(5)은 연료 전지에 결합될 때 반응물(즉, 수소 또는 산소) 주입구 매커니즘에 인접하게 되지만, 나머지 표면(6)은 수성 알칼리 전극에 인접하게 된다. 상기에서 설명된 바와 같이, 소수(PTFE) 성분(2)은 양극내에 있는 층이거나, 양극 물질(3)과 직접 혼합된다. 어느 경우에서도 소수(PTFE) 물질의 목적은 물이 연료 전지의 수성 알칼리 전해질로부터 피하는 것을 방지하면서, 한편 이와 동시에 수소가 원천으로부터 전극 물질로 통과할 수 있게 하기 위한 물 방벽(water barrier)으로서 동작하는 것이다. 따라서, 양극 어느 부분인 표면(6)(및, 표면으로부터 약간 안쪽에)은 전해질과 접촉되어, (전자를 제공하는) 수소를 산화하도록 동작하지만, (표면(5)를 포함하는) 양극 물질의 나머지는 분자 수소의 해리와, 표면(6)에서의 보다 늦은 산화 동안 해리된 수소의 저장을 제공한다.

본 발명의 양극 활성 물질(3)은 수소 저장 물질과 추가 촉매 물질을 혼합한 것이 독창적이다. 바람직한 수소 저장 합금은 수소 저장 용량에 관계없이 수소를 가역으로 흡수 및 배출할 수 있고, 빠른 수소화 반응율, 전해질에서의 양호한 안정성, 및 긴 저장 수명의 특성을 갖는 것이다. 수소 저장 용량에 의해, 상기 물질은 극소량보다 높은 다소 영이 아닌 양으로 안정한 형태의 수소를 저장하는 것을 의미하는 것을 유념해야 한다. 바람직한 물질은 대략 0.1 중량% 수소 또는 그 이상을 저장할 것이다. 바람직하게는, 합금은 예를 들어 희토류/미시 금속 합금, 지르코늄 및/또는 티타늄 합금 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 전해질 경계면(6)상의 물질이 수소 및 수소화 이온으로부터의 물 형성에 크게 촉매 작용하도록 설계되어 있는 반면, 분자 수소가 원자 수소로 해리하는 것에 크게 촉매 작용하게 특별히 설계된 물질로부터 수소 유입 표면(5)상의 물질이 형성되도록 양극 물질은 층으로 만들어질 수 있다.

본 발명자들은 어떤 수소 저장 물질이 알칼리 연료 전지 양극 물질로서 예외적으로 유용하다는 것을 발견하였다. 유용한 수소 저장 합금은 분자 수소로부터 수소 이온을 형성하는데 뛰어난 촉매 활성을 가지며, 또한 수소 이온과 수소화 이온으로부터 물을 형성하는데 탁월한 촉매 활성을 갖는다. 예외적인 촉매 능력을 갖는 것 외에, 또한 상기 물질은 연료 전지의 알칼리 전해질에 대한 우수한 내식성을 갖는다. 사용에 있어서, 합금 물질은 1) 양극의 벌크에 걸친 분자 수소 분해 촉매; 2) 양극의 표면(6)에서 (수성 알칼리 전해질로부터) 수소 및 수소화 이온으로부터 물을 형성하는 물 형성 촉매; 3) 수소 이온이 표면(6)에서 항상 신속하게 공급될 수 있는 것을 보증하기 위한 내부 수소 저장 버퍼(이 능력은 하기에서 설명되는 바와 같이, 연료 전지 기동 및 회생 에너지 리캡쳐와 같은 상황에서 유용)로서 동작한다.

양극 물질로서 유용한 특정 합금은 영역에 따라서 대략 2 내지 300 옴스트롱, 바람직하게는 50 내지 100 옴스트롱으로 변화하는 산화 경계면에 걸쳐 분포된 직경 50 내지 70 옴스트롱의 농축된 촉매 니켈 영역을 포함하는 합금이다. 이들 니켈 영역의 결과로서, 상기 물질들은 상당한 촉매 반응과 도전성을 나타낸다. '591 특허의 합금에서 Ni 영역의 밀도는 농축된 Ni 표면을 갖는 파우더 입자를 제공한다. 농축된 Ni 영역을 갖는 가장 바람직한 합금은 다음 조성을 갖는 합금이다.

(베이스 합금)_aCo_bMn_cFe_dSn_e

여기서, 베이스 합금은 0.1 내지 60 원자 퍼센트 Ti, 0.1 내지 40 원자 퍼센트 Zr, 0 내지 60 원자 퍼센트 V, 0.1 내지 57 원자 퍼센트 Ni, 및 0 내지 56 원자 퍼센트 Cr을 포함하며, b는 0 내지 7.5 원자 퍼센트, c는 13 내지 17 원자 퍼센트, d는 0 내지 3.5원자 퍼센트, e는 0 내지 1.5 원자 퍼센트이고, a + b + c + d + e = 100 원자 퍼센트이다.

기판 성분(4)은 도전체로서 동작하고, 또한 지지 수단으로서 동작할 수 있다. 예를 들면, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금 또는 카본과 같은 분말 전기 도전성 물질이 활성 물질(3)에 혼합되면, 상기 물질은 도전성 물질로서 동작하지만, 그 자체로 전극 물질을 지지하지 않는다.

기판 성분은 도전체 및 지지 기판 모두로서 동작하는 것이 바람직하다. 전극은 활성 물질을 다공질 금속 기판에 가압함으로써 형성될 수 있다. 전극의 도전성은 전극의 다공질 금속 기판의 도전성을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 일반적으로, 다공질 금속 기판은 메시(mesh), 그리드(grid), 매트(matte), 포일(foil), 폼(foam), 플레이트(plate) 및 강망(expanded metal)을 포함하지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 전극용으로 사용된 다공질 금속 기판은 메시, 그리드, 폼 또는 강망이다. 기판은 도전성이 있고 전해질에 의한 부식 또는 화학 침식에 저항력이 있는 모든 물질로부터 형성될 수 있다. 니켈 또는 니켈 합금은 매우 양호한 물질이지만, 높은 파워 응용에는 너무 저항력이 있다. 따라서, 높은 파워가 요구되는 경우, 기판은 본 명세서에 인용예로서 포함되고 있는 미합중 특허 제 5,856,047호(벤카테산 등) 및 제 5,851,698호(라이크먼 등)가 가르친 바와 같이, 구리, 구리 도금 니켈 또는 구리 니켈 합금으로부터 형성된다. 본 명세서에서 사용된 "구리"는 순수 구리 또는 구리 합금중 어느 하나를 가리키는 것이며, "니켈"은 순수 니켈 또는 니켈 합금중 어느 하나를 가리킨다. 전극의 다공질 금속 기판을 형성하기 위해 구리를 사용하는 것은 몇 가지 중요한 장점을 갖는다. 구리는 우수한 도전체이다. 따라서, 기판 물질로서 구리를 사용하는 것은 양극의 저항을 감소시킨다. 이것은 내부 소산으로 인해 소비된 연료 전지 파워의 양을 감소시키고, 따라서 증가된 출력 파워를 갖는 연료 전지를 제공한다. 또한, 구리는 단련 가능한 금속이다. 증가된 기판 가단성은 기판이 기판 표면에 압축되는 활성 수소 저장 물질을 보다 확실히 유지할 수 있게 한다. 이것은 활성 물질이 기판에 압축된 후에 전극을 소결(sinter)시킬 필요성을 감소시키고, 따라서 양극 제조 공정 비용을 감소시킨다.

음극은 산소 분자에서 산소 원자로의 분해에 촉매 작용하고, 물과 산소 이온으로부터 수소화 이온(OH^-)의 형성에 촉매 작용하며, 전해질에 대한 내식성이 있고, 중독에 저항력이 있는 활성 물질 성분을 포함한다. 음극에서 활성 물질로서 유용한 물질은 적어도 하나의 변형자 원소의 결합에 의해 구조적으로 변경되는 적어도 하나의 전이 금속 원소를 포함하는 호스트 매트릭스가 그 촉매 특성을 높이는 것이다. 이와 같은 물질은 본 명세서에 인용예로서 포함되어 있고, 옵신스키 등에게 1984년 2월 7일에 등록된 미합중국 특허 제 4,430,391호('391)에 개시되어 있다. 이와 같은 촉매 본체는 고밀도의 촉매 활성점, 중독에 대한 저항력 및 긴 작동 수명을 갖도록 설계된 무질서 비평형 물질에 근거한다. La, Al, K, Cs, Na, Li, C 및 O와 같은 변형자 원소는 음극의 촉매 물질을 형성하기 위해 Mn, Co 및 Ni와 같은 하나 이상의 전이 원소를 포함하는 호스트 매트릭스의 국부적인 화학적 환경을 구조적으로 변형한다. 이러한 낮은 과전압 촉매 물질은 연료 전지의 작동 효율을 증가시키는 바, 이 촉매 물질은 연료 전지에서 사용된다.

음극은 백금 촉매를 사용하는 종래의 음극과 동일하게 형성되지만, 상기에서 설명된 비귀금속 촉매는 백금을 대체한다. 비귀금속 촉매는 다공질 카본 매트 유사 물질에 걸쳐 미세하게 분할되어 분포된다. 상기 물질은 필요에 따라 도전성 기판을 가질 수 있거나 가질 수 없다. 만약 사용되면, 기판은 상기에서 설명된 바와 같이 될 수 있다.

본 연료 전지가 회생 제동과 같은 에너지 리캡쳐 공정 동안 전해조로서 가역 구동하는 경우, 물은 수소 및 산소로 전해된다. 즉, 전력 차량이 도심에서 정지 및 진행 모드로 사용되는 경우, 회생 제동 시스템은 운동 에너지를 리캡쳐하고, 이를 전기 에너지로 변환한다. 이 모드에서, 전기 모터는 이들의 역할을 반전하여, 진행의 운동 에너지까지 사용하는 발생기가 된다. 이것은 대략 정상 동작 부하의 10%에 해당되는 전류 스파이크를 일으킨다. 종래의 연료 전지(알칼리 또는 PEM)는 이와 같은 서지를 수용할 수 없다. 이러한 에너지 피드백은 촉매가 완전성(integrity)과 점착력(adhesion)을 잃게 하는 급격한 수소 및 산소 방출을 일으키고, 그 결과 전체 시스템 성능을 손상시킨다.

본 발명의 연료 전지에서는 수소 저장 양극이 서지 전류를 취하고 만들어진 수소로 충전되기 때문에, 이것은 문제가 되지 않는다. 그러나, 산소 환원 전극은 산소를 방출한다. 이것은 오보닉 비귀금속 촉매 전극을 사용하여 문제점이 보다 적게 되지만, 그럼에도 불구하고 문제점은 여전히 남아 있다. 이 문제점에 대한 2가지 대안적인 해결책은 이 문제점을 완화하는데 이용될 수 있다. 첫번째는, 음극과 병행하여, 무해하게 산소를 방출하면서 전류 서지를 취하는 제 3 전극을 제공하는 것이다. 이 전극은 높은 표면 영역으로 되어야 하지만, 반드시 다공질일 필요는 없다. 상기 제 3 전극은 산소를 방출하는 것이기 때문에, 더 이상 연료 전지의 산소 전극에서의 카본 매트를 산화하는 것에 대한 우려를 하지 않아도 된다. 두번째는 음극의 집전자 또는 기판의 에지 또는 프레임에 오보닉 산소 방출 촉매 코팅을 제공하는 것이다. 이 촉매는 산소 방출용으로 사용된 카본 기판을 포함하는 비귀금속과 비교할 때, 보다 유리한 산소 과전압을 가질 것이다. 그 결과, 전류 서지가 존재하는 경우, 산소 방출은 촉매가 코팅된 프레임에서 우선적으로 발생되고, 따라서 산소 방출로부터 산소 환원(음극) 전극을 절약한다. 또한, 산소 환원 촉매는 산소 방출 촉매가 안 되도록 맞추어 만들 수 있다.

본 발명의 양극 및 음극 활성 물질은 중독에 저항력이 매우 높은 것에 유념해야 한다. 원하는 촉매 반응을 제공하도록 다수의 비중독점은 여전히 활성화되지만, 본 발명의 물질과 어떤 수의 촉매 작용점은 유독한 종의 영향으로 인하여 희생될 수 있기 때문에, 이들 물질의 증가된 수의 촉매 활성점이 촉매 활성을 증가할 뿐만 아니라 물질이 중독에 보다 저항력이 있도록 하기 때문에, 이것은 사실이다. 또한, 어떤 독은 활성점을 달성하지 않고도 다른 점에 접착됨으로써 비활성화된다.

도 2는 본 발명의 전극(1)("a"는 양극을 나타내고, "c"는 음극을 나타낸다)을 결합한 알칼리 연료 전지(7)를 개략적으로 보여주는 도면이다. 연료 전지(7)는 1) 양극(1a)과 수소 공급 구획(8)을 포함하는 양극 부분; 2) 전해질 구획(11); 및 3) 음극(1c)과 산소(에어) 공급 구획(10)을 포함하는 음극 부분의 3개의 일반적인 부분으로 구성된다.

양극 부분에서는 수소 또는 수소 포함 가스 혼합물이 가압되어 수소 주입구(12)를 통해 수소 공급 구획(8)으로 공급된다. 그 후, 수소는 표면(5a)을 통해 양극(1a)으로 흡수된다. 흡수된 수소는 양극 활성 물질에 의해 수소화물로서 수소 저장 물질에 저장되는 원자 수소에 촉매 작용으로 화학 변화가 발생된 후, 물을 형성하기 위해 표면(6a)에서 수산화 이온과 최종적으로 화학 반응한다. 수산화물 형성의 열은 연료 전지를 최적 작동 온도로 따뜻하게 되도록 조성하는 것을 유념해야 한다. 수소 공급에 있어서 어떤 흡수되지 않은 수소 및 다른 오염 가스 또는 수증기는 배출구(13)를 통해 배출된다. 회수가 보장되는 충분한 수소가 존재하면, 배출된 가스는 재순환될 수 있다. 그렇지 않으면, 수산화물 층 수소 저장 탱크와 같은 다른 구성요소가 필요하면, 수소는 열 에너지의 원천을 제공하는데 사용될 수 있다.

전해질 구획(11)은 (본 특별한 예에서는) 양극(1a) 및 음극(1c)과 직접 접촉하는 수성 알칼리 전해질을 보유한다. 알칼리 용액은 종래 기술에서 잘 알려져 있고, 통상 수산화칼륨 용액이다. 전해질은 양극(1a)의 표면(6a)에서 수소 이온과 화학 반응하는 수산화 이온과, 음극(1c)의 표면(6c)에서 산소 이온과 화학 반응하는 물 분자를 제공한다. 전해질은 주입구(14)와 배출구(15)를 경유하여 구획(11)을 통해 순환된다(대안적 실시예에서는 전해질이 젤리화 등에 의해서와 같이 고의로 고정될 수 있다). 순환된 전해질은 필요에 따라 외부적으로 가열 또는 냉각되고, 전극의 농도는 전지에서 만들어진 물과, 전극을 통해 물의 증발로 인한 모든 손실을 보충해야 하도록 (위킹(wicking) 등을 통해서와 같이) 조절될 수 있다. 연료 전지 전해질을 조절하기 위한 시스템은 종래 기술에 잘 알려져 있어, 본 명세서에서는 보다 상세하게 설명하지 않는다.

음극 부분에서는 산소, 공기 또는 일부 다른 산소 포함 가스 혼합물이 산소 주입구(18)를 통해 산소 공급 구획(10)으로 공급된다. 그 후, 산소는 표면(5c)을 통해 음극(1c)으로 흡수된다. 흡수된 산소는 음극 활성 물질에 의해 이온 산소에 촉매 작용으로 화학 변화가 발생된 후, 수산화 이온을 형성하기 위해 표면(6a)에서 물 분자와 최종적으로 화학 반응한다. 어떤 흡수되지 않은 산소와 공급에서의 다른 가스(예를 들어, 질소, 이산화탄소 등) 또는 산소 공급에서의 수증기는 배출구(19)를 통해 배출된다.

예

알칼리 연료 전지에서 금속수산화물 저장 물질을 양극 활성 물질로서 사용하는 것을 기본으로 한 개념을 증명하기 위해 실험이 행해졌다. 본 실험은 정량 데이터를 획득하고자 하는 것이 아니라 상기 물질이 예시된 바와 같이 작동하는 것을 나타내는 것이다. 간단한 실험실 규모 설정이 본 목적을 위해 사용되었다. 연료 전지는 시판되는 Pt 베이스 공기 전극과 미리 에칭된 음전극(니켈, 강망 기판)을 MF139.12 합금(명목상의 조성 9.0 원자 퍼센트 Ti, 5.0 원자 퍼센트 V, 26.2 원자 퍼센트 Zr, 38.0 원자 퍼센트 Ni, 3.5 원자 퍼센트 Cr, 15.6 원자 퍼센트 Mn, 0.8 원자 퍼센트 Sn, 1.5 원자 퍼센트 Co 및 0.4 원자 퍼센트 Al)과 함께 이용하여 조립되었다. 양극 및 음극은 세퍼레이터(부직포의 폴리프로필렌 매트, 친수성 물질로 이식된 표면, 밀도 30g/㎡)에 의해 이격되고, KOH 전해질(30 wt% KOH, 1.5 wt% LiOH의 수용성 용액)에 침지되며, 최종적으로 테스트 전지에 설치된다.

테스트는 양극으로의 추가 수소 흐름이 있는 상태 및 없는 상태에서 행해졌다. 양극(금속수산화물 전극)은 우선 수소로 충전되고, 공기는 음극에 수용되었다. 일단 정상 상태 개회로 전위가 도달되면, 전지는 전원을 이용하여 고정 전류에서 강제적으로 방전되었다. 양극 및 음극의 전지 전위와 반전지 전위는 표준 Hg/HgO 기준 전극을 이용하여 측정되었다. 일단 정상 전위가 각 경우에 도달되면, 방전 전류가 변경되어, 다시 한번 측정이 계속되었다. 방전 전류는 광범위에 걸쳐 변경되었고, 공정이 반복되었다.

이러한 측정들은 우선 추가 수소의 흐름없이 행해진 후, 추가 수소 흐름이 있는 상태에서 행해졌다. 전압 강하(ΔV) 또는 분극이 모든 전류 변동(ΔI)에 대해 측정되고, 그 값들이 좌표로 나타났다. 이 전위 강하는 관련된 모든 분극 계수의 총합이다. 대부분의 파라미터를 일정하게 유지함으로써, 추가 산소 흐름이 있는 상태 및 없는 상태의 전극 반응의 상대적 차이가 평가될 수 있었다.

도 3은 전압 강하(ΔV) 대 전류를 도시한다. 수소 흐름(곡선 a)이 없어도, 수산화물 전극은 이미 충전되어 있기 때문에, 상당한 방전 전류를 지속할 수 있다. 이 모드에서, 연료 전지는 그 고유 수소 저장 용량을 나타내고, 따라서 순간 기동 연료 전지를 제공한다. 방전 전류가 증가됨에 따라, 수산화물 전극은 수소가 소모되기 시작하기 때문에 분극이 증가된다. 대조적으로, 수소가 흐르고 있을 때(곡선 b), 연료 전지에 파워를 공급하기 위해 금속수산화물로 전환되는 수소 가스를 계속 공급하기 때문에, 분극은 저하된다. 또한, 전기화학 수소 소비율이 가스상(즉, 정상 연료 전지 동작 모드)으로부터의 수소 가스 해리율에 의해 필적되기 때문에, 분극 값이 정상 상태값에 도달한다.

도 4는 본 발명의 알칼리 연료 전지(7)를 결합한 에너지 공급 시스템을 개략적으로 설명하는 도면이다. 또한, 에너지 공급 장치는 수소원(20)을 포함한다. 수소원은 수산화물 층 저장 시스템, 압축 수소 저장 탱크, 액체 수소 저장 탱크 또는 탄화수소 연료 개량기(reformer)와 같은 어떤 알려진 형태일 수 있다. 바람직한 수소원은 금속수산화물 저장 시스템이다. 수소원(20)으로부터의 수소는 입력 라인(21)을 통해 연료 전지(7)로 전달되고, 과잉 가스는 출력 라인(22)을 통해 배출된다. 출력 라인(22)으로부터의 가스 일부는 순환 라인(32)을 통해 입력 라인(21)으로 순환될 수 있다. 또한, 에너지 공급 시스템은 산소원을 포함하고, 여기서 산소원은 경제적인 이유로 인해 공기가 바람직하다. 공기는 라인(33)으로 유입된 후, 이산화탄소 세척기(23)를 통과할 수 있다. 그 후, 공기는 입력 라인(24)을 통해 연료 전지(7)로 전달된다. 과잉 공기 및 사용되지 않은 가스는 출력 라인(25)을 통해 배출된다. 이 가스 흐름은 유해한 가스를 포함하지 않기 때문에, 주변으로 직접 배출될 수 있다.

또한, 에너지 공급 시스템은 전해질 재순환 시스템을 포함한다. 연료 전지(7)로부터의 전해질은 출력 라인(28)을 통해 이동되어 전해질 조절기(26)로 전달된다. 전해질 조절기(26)는 필요에 따라 전해질을 가열 또는 냉각하고, 필요에 따라 물을 제거/추가한다. 그 후, 조절된 전해질이 입력 라인(27)을 통해 연료 전지(7)로 되돌아간다.

마지막으로, 에너지 공급 시스템은 전기를 연료 전지(7)로부터 부하(31)로 인가하는 전기 리드(29 및 30)를 포함한다. 부하는 파워를 요구하는 모든 장치일 수 있지만, 자동차의 파워 및 구동 시스템이 특별히 고려된다.

본 연료 전지와 이를 결합한 에너지 공급 시스템은 자동차 구동에서와 같이순간 기동과 에너지 리캡션이 요구되는 응용에 특히 유용하다. 예를 들면, 소비자 차량에 사용하는데 있어서는 본 발명의 내장된 수소 저장을 갖는 연료 전지가 그 전극에 저장된 수소로부터 즉시 에너지를 만들어 기동할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 수소가 외부 원천으로부터 공급되기를 대기하는 지연 시간이 없게 된다. 더욱이, 수소는 연료 전지의 양극 물질에 흡수 및 저장될 수 있기 때문에, 에너지 리캡쳐가 또한 달성될 수 있다. 따라서, 연료 전지를 역구동함으로써 만들어진 모든 수소가 연료 전지의 전극에 저장될 것이기 때문에, 회생 제동 등과 같은 활성화는 연료 전지에 대한 외부 배터리를 필요로 하지 않고 수행될 수 있다. 따라서, 본 수소 저장 물질을 이용하는 연료 전지는 본질적으로 배터리와 병합된 연료 전지의 균등물이다.

본 명세서에서의 도면, 논의, 설명 및 예들은 단지 본 발명의 특정한 실시예를 나타내고, 실시하는데 제한으로 생각되지 않는다. 본 발명의 범위를 정의하는 것은 균등물을 포함한 별첨 청구항들이다.

Claims (39)

1. 양극을 갖는 연료 전지로서,

   기체 수소 접촉 표면, 전해질 접촉 표면 및 상기 기체 수소 접촉 표면과 상기 전해질 접촉 표면 사이에 배치되는 양극 활성 물질의 벌크를 가지고, 수소 저장 용량을 갖는 양극 활성 물질을 포함하며,

   상기 기체 수소 접촉 표면은 상기 기체 수소를 해리하여 흡수하고,

   상기 양극 활성 물질의 벌크는 상기 흡수된 수소를 저장하며,

   상기 전해질 접촉 표면은 상기 저장된 수소와 전해질 용액을 반응시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 양극 활성 물질은 귀금속 촉매를 포함하지 않는 수소 저장 합금인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
6. 삭제
7. 제 5항에 있어서, 상기 수소 저장 합금은 희토류/미시 금속 합금, 지르코늄 합금, 티타늄 합금 및 이들의 혼합 또는 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
8. 제 7항에 있어서, 상기 수소 저장 합금은 (베이스 합금)_aCo_bMn_cFe_d Sn_e 조성을 가지며, 상기 베이스 합금은 0.1 내지 60 원자 퍼센트 Ti, 0.1 내지 40 원자 퍼센트 Zr, 0 내지 60 원자 퍼센트 V, 0.1 내지 57 원자 퍼센트 Ni, 및 0 내지 56 원자 퍼센트 Cr을 포함하고, b는 0 내지 7.5 원자 퍼센트, c는 13 내지 17 원자 퍼센트, d는 0 내지 3.5 원자 퍼센트, e는 0내지 1.5 원자 퍼센트이며, a + b + c + d + e = 100 원자 퍼센트인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
9. 제 1항에 있어서, 상기 연료 전지는 소수성 성분을 포함하는 양극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
10. 제 9항에 있어서, 상기 소수성 성분은 폴리플루오로에틸렌(PTFE)인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 1항에 있어서, 상기 양극은,

    도전성을 제공하고, 상기 수소 저장 물질과 직접 혼합된 도전성 분말을 포함하는 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
14. 제 13항에 있어서, 상기 도전성 분말은 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금 및 카본으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
15. 제 1항에 있어서, 상기 양극은,

    도전성 및 기계적 지지 모두를 제공하고, 도전성 메시, 그리드, 폼, 매트, 포일, 플레이트 또는 강망을 포함하는 기판 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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17. 제 15항에 있어서, 상기 메시, 그리드, 폼 또는 강망은 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 도금 니켈 또는 구리 니켈 합금으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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