KR100509573B1 - 마이크로 연료전지 전원팩용 표면 모사 연료전지 - Google Patents

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Abstract

소형 연료 전지 시스템은 연료 전지의 기재로서 다공성 플라스틱막을 사용한다. 이온으로서 수소에만 투과할 수 있는 구멍이 없는 전극이나 내측 전해질 포일은 가격적인 면에서 매우 우수하다. 신규의 전극은 알코올 연료 전지를 효율적으로 만들 수 있다. 이 전극은 전해질을 통해 유해한 알코올 확산을 차단한다. 화합물 전극은 진공증착법 및 슬러리법에 의해 형성되는바, 이는 배터리에 의해 계속적으로 전원을 공급받는 전원 응용기기에 충전지와 전원 전자기기가 일체화된 소형의 연료전지 시스템의 인쇄회로 설계를 가능하게 한다. 알코올 연료를 직접적으로 이용함으로써 신규 연료전지는 단위 질량당 높은 에너지와 단위 체적당 높은 에너지를 갖는다. 연료전지는 에너지 사용자에게 편리함을 제공하며 환경에 악영향을 주지 않을 뿐만 아니라 종래의 배터리에 비해 저렴하다.

Description

마이크로 연료전지 전원팩용 표면 모사 연료전지{SURFACE REPLICA FUEL CELL FOR MICRO FUEL CELL ELECTRICAL POWER PACK}
본 발명은 전해질, 전극 및 촉매에 존재하는 가스나 액체를 반응시킴으로써 화학적 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 전해질, 전극 및 촉매에 존재하는 가스나 액체를 반응시킴으로써 화학적 에너지를 전기에너지로 변환한다. 종래의 미국 특허 제4,673,624호 및 모사연료전지에 관한 미국 특허출원 제08/531,378호에는 고가의 촉매를 효율적으로 사용하여 대량 생산이 용이하도록 한 연료전지의 형성 방법이 개시되어 있다. 전기 촉매에서의 최근 발전은 알코올 전지로서 직접적이면서도 효율적으로 작동하는 촉매를 생산하였다. 소형의 연료 전지 시스템 설계가 경제적으로 실현되고 있는 실정이다.
미국 특허 제5,364,711호 및 제5,432,023호에는 "OA(사무 자동화)기기, 음향기기, 및 무선기기"를 가동시키기 위한 축소형 연료 전지가 개시되어 있는바, 그러한 특허들은 축소형 연료전지를 사용하는 장점 및 연료전지를 설계하기 위한 기술의 집적을 개시하고 있다. 특히, 상기의 특허들은 액체 연료 및 전해질을 연료전지에 도입하여 연료로부터 과도한 물을 제거하기 위해서 심지를 사용하지만 저전력 연료전지에서 연료와 물을 넣는 데 4가지의 근본적인 문제점들이 있다. 첫째의 문제점은 황산과 메탄올 용액이 단일 막형 연료전지에서 2극이 아닌 전지를 단락 시킬 위험성이 있음으로써 메탄올 연료를 연료전지에 전하는 것이며, 두 번째의 문제점은 단위 면적당 작동 및 낮은 습도 환경에서 물 제거보다는 물 유지 및 연료전지에서의 재사용에 있다.
비록 물 제거 심지 시스템이 연료전지 전극들 주위에서 물 용량을 안정화시키는데 유용할지라도, 물이 과도할 경우에만 과도한 물을 제거한다. 저전력응용 분야에 있어서 물을 보유하고 전해질에 있어서 물의 균형을 유지하는 것이 문제이지, 이를 제거하지 못하는 것이 문제는 아니다. 더욱이, 다공성 가스 전극으로부터 심지까지 응축된 물을 이동시키기 위한 기구가 전혀 개시되지 않았다. 연료전지의 미세구조로부터 수증기를 심지 표면까지 이송하는 다른 구조나 물과의 물리적인 접촉이 없이는 심지 시스템 자체로서는 물을 끌어당길 수는 없다. 통상적인 가스 확산 전극들은 소수성 재료로 전극들을 감싼다.
특허출원 제08/531,378호에는 가스 다기관의 친수성 외측면에 대한 증기상 전달이 개시되어 있다. 또한, 특허출원 제08/531,378호에 있어서, 표면장력 경도는 소망하는 위치로 이주하기 위해 응축된 물을 이용한다. 세 번째의 문제점은 미국 특허 제5,364,711호 및 제5,432,023호에 개시된 조립체들이 많은 별도의 부품들이 기계적으로 상호 결합되는 시스템을 도시한 것이다. 복잡한 조립체는 대량생산이 불가능하다. 네 번째의 문제점은 양자 전도성 전해질을 가로지르는 메탄올 연료가 동종의 전해질과 다공성 전극으로서 저전력 작동을 위해 합당한 연료 효율에 도달하기 위해 적당치 않다는 것이다.
미국 특허 제4,931,168호에 있어서, 가스 투과성 전극은 메탄올 연료와 접촉한다. 그의 목적은 연료전지 전극 상에 이산화탄소 버블(Bubble)이 생기는 것을 방지하기 위함이다. 가스 투과성 수지 및 촉매 입자 전극은 환원제 및 이온이 전극에 출입토록 한다. 가스 투과성 막은 메탄올 연료 교차를 차단하는 수단을 제공하지 못한다.
소형의 응용 분야에서는 연료전지를 사용하는 것이 바람직하다. H-파워 코포레이션은 애널리틱 파워 코포레이션으로 작업하여 25와트 전력 연료 전지를 발생하여 비디오 레코더를 구동시킨다. 압축된 금속 수소 화합물 실린더나 분해된 수소 화합물들은 연료를 공급으로서 이용되어지도록 예상된다.
그러나 그러한 연료전지들은 2극 적층 전지이고, 연료 공급이 불편하다는 단점이 있다. 2극 연료전지 적재는 조립 비용이 고가이고 전기적인 전도성 다공 가스전지 분리기를 필요로 한다. 전지들을 적재하는 것은 별도의 노동력을 필요로 한다. 모든 전지를 위한 적어도 4가지의 가스 밀봉 및 2개의 가스 체적을 직렬 적재하기 위한 것이 있다. 휴대폰과 같은 소형의 응용을 위해서 6볼트의 출력이 필요로하고, 각각의 연료전지는 평균 0.5볼트일수도 있다. 그것은 비유사한 재료들 사이의 48 가스 밀봉체 안으로 전이된다. 전지의 습도 환경에서의 기계적 접촉을 통한 전기 접촉은 심각한 부식 및 마모 문제점을 야기한다. 부품의 가격은 전지를 형성하기 위해 필요로 하는 다량의 고가 재료에 의존한다.
새로운 매개변수는 실온에서 메탄올의 직접 전기 촉매반응을 위해 백금/루테늄과 같은 신규의 이원 촉매의 출현으로 연료전지를 개발한다. 높은 에너지 밀도를 수용하는 연료를 가동하는, 직접적으로 연료를 충전하는 연료전지가 가능하다. 연료전지가 실온 및 압력에서 가동될 수 있다면, 연료전지의 크기가 전력을 압박하는 열적 또는 복합성 크기 인자는 전혀 없다. 개발에 있어서의 다음 단계는 촉매의 비용을 경감시키고 연료전지 조립체를 간단히 하여 가격을 효율적으로 하는데 있다.
도1a 및 도1b는 충전기를 구비한 핸드폰에 전력을 공급하는 연료전지의 정면도 및 측면도로서, 도1a는 휴대폰의 내부를 도시한 것이고, 도1b는 도1a의 중앙선을 따라 절개한 단면도,
도2는 도1b에 도시된 전지의 바늘-연료 접속부의 확대 단면도,
도3a는 연료전지의 외부 가스 다기관 및 도1a에 도시된 연료전지의 전기 접속부를 도시한 도면,
도3b는 도3a에서의 3B-3B선을 따른 외측 가스 다기관 층의 확대 단면도,
도4a는 도1a 및 도1b의 연료전지의 공기 전극층 적층패턴을 도시한 도면,
도4b는 도4a에서의 4B-4B선을 따른 적층전극의 확대 단면도,
도5a는 도4a의 공기 전극 밑에 있는 전해질 매트릭스 층을 도시한 도면,
도5b는 도5a에서의 5B-5B선을 따른 관통 접속부의 확대 단면도,
도5c는 에칭된 핵입자 트랙막 기판의 확대 정면도,
도6a는 도4a의 공기 전극의 반대측에 있는 연료 전극 층 적층패턴을 도시한 도면,
도6b는 도6a에서의 6B-6B선을 따른 전극 적층의 확대 단면도,
도7a는 도1a 및 도1b의 연료전지 적층의 중심에서의 연료 다기관을 도시한 도면,
도7b는 도7a에서의 7B-7B선 확대 단면도,
도8은 도1a 및 도1b에 도시된 휴대폰 전원공급장치에 이용되는 연료전지 조립체의 분해 사시도,
도9는 파우더 지지 촉매, 메탄올 연료, 구멍이 없는 전극 및 표면 모사 연료전지를 이용한 본 발명의 확대 단면도,
도10a는 폴더형 연료 조립체용 전극 적층 패턴을 도시한 도면,
도10b는 도10a에 도시된 적층의 측단면도,
도11은 내측 전해질 막을 구비한 폴더형 연료전지 조립체의 분해 사시도,
도12는 폴더형 연료전지 조립체 주위에 적재되는 가스 다기관의 분해 사시도,
도13은 D-전지 배터리의 외형 내에 액체 연료 앰풀이 조립된 폴더형 연료전지의 분해 시시도.
도14a, 14b 및 14c는 D-전지 구조의 외측 수직 및 수평 단면도,
도15는 물 및 열 역류 교환기를 구비한 본 발명에 따른 신규의 연료전지를 도시한 도면이다.
본 발명은 충전지와 같은 전기 저장장치를 구비하거나 구비하지 않는 소형의 전원 공급 장치를 형성하기 위하여 미국 특허 제4,673,624호 및 계류 중인 표면 모사 연료전지에 관한 특허출원 제08/531,378호에 개시된 연료전지를 이용하며 휴대형 전자기기의 전원을 공급하는데 그 목적이 있다. 출력 조절 장치가 연료전지에 결합되어 전지가 소망하는 전력을 공급받을 수도 있다. 전자 제어는 DC 전압 출력을 조절하고, 높은 전류를 위한 연료전지에서 전압을 강하하는 한편 정전압을 받거나, 임의의 AC파형 전류를 받으며 연료전지 촉매를 주기적이면서 전기적으로 활성화시키는 전자 절환을 사용한다. 그 조립체는 콘테이너에 패키지되어 보호되고 그 상태로 응용 분야에 조립된다. 연료전지에 대한 연료 및 전기 연결은 2개의 연결로 감소될 수도 있다. 다음의 조립에 있어서, 전기 연결들은 전극 패턴을 간단화시키고 전지 내의 고전압 장력 부위를 회피하도록 분리된다. 가스 연결은 압압조립(리벳, 라체트, 또는 너트 및 보울트 연결)된다. 이는 연료전지가 대량생산으로 용이하게 조립되어지도록 한다.
2극 적재가 아닌 새로운 연료전지는 상기와 같은 연료전지의 문제점을 해소하고 전체의 밀봉 수를 2또는 3정도 적게 한다. 기계적인 접촉의 수는 2-3이고, 이들은 습도 환경과 무관하다. 소규모의 응용 분야에 있어서 신규의 연료전지 설계는 전지가 신속하게 조립되고 반복적으로 수행되어지도록 하는 것은 필연적이다.
본 발명의 다른 특징은 표면 모사 연료전지가 가요성 막 패키지이기 때문에 전지들은 보호 용기 내에 감싸져 있다는 것이다. 연료전지는 소형의 체적으로 전지를 포장하도록 주름져 있을 수 있고, 공기 흐름 채널을 유지하는 것은 물론이다. 연료전지는 표준 건전지 물리적 외형으로 포장되어 건전지를 위해 설계된 많은 응용 분야에 적용될 수도 있다.
고전력 응용 분야에 있어서, 전지는 공통 전력 및 가스공급관과 함께 적재될수도 있다. 소형의 전지에 있어서 전기 및 연료 접속은 공통일 수도 있다.
고전력 응용에 있어서, 연료전지를 고온에서 가동시키고 산화 공기를 활성적으로 흐르도록 하는 것이 바람직할 경우 신규의 발명은 물과 열역류 교환기를 사용하여 연료전지의 온도와 높은 습도를 유지하고, 냉각 연료나 산화 가스 공급원으로부터 가스를 교환하도록 한다. 열과 물은 열교환기 내의 막을 지나 교환된다. 막은 고체 중합체 전해질이나 이와 유사한 투수성 막이 함침된 다공성 막일 수도 있다. 전형적으로 낮은 기계 강도를 갖는 투수성 재료에 비해 기계적으로 강한 다공성 막을 함침함으로써, 투수성 재료의 강도 및 이용도는 투수성 재료의 동질 막을 간단하게 사용하여 향상된다. 연료전지의 미세구조에 있어서, 새로운 많은 변화가 있다. 즉, 연료전지 전극은 층들로서 제조될 수 있고, 현저한 내측의 전극 층은 전해질을 분리하고 전해질-교차 환원제나 제품 확산을 방지하는데 이용될 수도 있다. 구멍이 없는 수소만의 투수성 금속 막은 가소성 기판의 작은 구멍들을 박막 적층 금속으로 막음으로써 형성될 수도 있다. 그러한 막은 전극으로서 연료전지에 결합될 수도 있거나, 전해질에 별도로 이용될 수도 있다.
간단화된 조립체는 패턴들이 적층될 때 전극 패턴을 마스킹 함으로써 형성될수도 있으며, 이온 밀링은 연료전지들 간의 갭을 제거하는데 이용될 수도 있다. 연료전지의 어레이는 전지 연결 루트, 전지 차단 및 연료 사이에 있는 연료전지의 어레이를 접음으로써 조립될 수도 있고, 산화 전극들은 막의 일측에 만들어진다.
연료전지는 독특한 특성을 가진 구멍이 없는 막 전극을 사용하여 농축된 메탄올 및 공기에서 가동한다. 확산성을 위해 시험되어진 구멍이 없는 막전극은 수소로 수화될 경우 산소 및 불활성 가스에 대해 자체 밀봉되는 매우 독특한 특성을 갖는다. 얇은 Pd 막은 스퍼터링 막적층 조직에 기인하여 자체적으로 작은 공극을 갖는다. 수화가 팔라듐 팽창을 발생시켜 작은 공극을 충전하는 경우를 가정한다. 또한, 그러한 밀봉 특성은 팔라듐/백금/팔라듐 막이 막의 반대측에서 아르곤으로 21시간 동안 수화될 경우를 관찰하였다. 또한 수소 확산은 초기 확산율의 17%로 떨어졌다. 원래의 높은 확산율은 공기 및 산소에 노출된 후 회수되었다. 공극밀폐와 더불어 시스템 내의 관으로부터의 탄화수소는 팔라듐 촉매 위치를 조절한다.
반투수성 막 전극의 특징은 다른 연료 전지와 상당한 차이점을 가지고 있다.
소형 연료전지 시스템은 연료전지의 기판으로서 다공성 플라스틱 막을 사용한다. 비용 면에서 효율적인 구멍이 없는 전극이나 내부 전해질 포일은 이온으로서 수소에 대해서만 투수성이다. 신규의 전극은 직접 알코올 연료전지 효율을 얻는다. 전해질을 통한 위치 조절 알코올 확산을 차단한다. 합성 전극(compound electrodes)들은 진공적층방법 및 슬러리법에 의해 형성된다. 이는 배터리에 의해 계속적으로 전원을 공급받는 전원 응용장치에 대해 충전용 배터리 및 전력 전자기기에 일체화된 소형 연료전지 시스템의 인쇄회로 설계를 가능하게 한다. 알코올 연료를 직접적으로 이용함으로써 신규의 연료전지는 단위 질량당 높은 에너지와 단위 체적당 높은 에너지를 갖는다. 이러한 연료전지는 에너지 사용자에게 보다 편리함을 제공하고 환경에 악영향을 주지 않으며 종래의 배터리보다 매우 저렴하다.
본 발명의 주제는 모사 연료전지에서 발생되었던 개발에 덧붙이고 모사 연료전지의 많은 신규 응용을 설명하는데 있다. 새로운 개발은 이온으로서 수소에 대해서만 투수 가능한 가격이 효율적인 구멍이 없는 전극을 좀더 개발하는 것이다. 이것은 전해질을 통해 위치 알코올 확산을 차단하기 때문에 알코올 연료전지의 효율 및 실용성을 향상시킨다. 알코올 전력 연료전지를 소형화할 수 있게 된다.
소형 연료전지의 대부분의 응용은 배터리 특히 충전지에 의해 널리 전력을 공급받는다. 알코올 연료를 직접적으로 이용함으로써 연료전지는 단위 질량당 높은 에너지와 단위 체적당 높은 에너지를 가져 에너지 사용자에게 보다 편리함을 제공하고 환경에 악영향을 주지 않으며 종래의 배터리보다 매우 저렴하다.
본 발명의 이러한 목적, 특징 및 기타의 목적은 상기 및 하기의 명세서와, 특허청구범위 및 도면을 포함한 기재 사항으로부터 명백해진다.
본 발명의 전형적인 2가지의 실시예가 도면에 도시되어 있는바, 도1내지 도8은 휴대폰에 전원을 공급하기 위한 구조이고, 도9는 연료전지와 모사 연료전지 전극간의 미세구조의 차이점을 도시한 것이고, 도10내지 도14는 폴딩방식으로 형성되어 표준 D-전지의 형상으로 형성된 연료전지 전원 팩키지를 도시한 것이며, 도15는 연료전지의 공기 입력이 물 및 열 교환기를 어떻게 사용하여 연료전지가 높은 습도및 온도 조건에서 어떻게 작동되는가를 도시하였다.
도1A 및 1B는 휴대폰에 전원을 공급하기 위한 충전지(11)와 함께 플라스틱 케이스(3)내에 들어 있는 표면 모사 연료전지(12)를 도시하였다. 이 연료전지는 리벳(1)과 연료 바늘(6) 및 고무 밀봉체(9)를 통해 위치 정렬된다. 전기 접속은 연료전극 상의 전기접속부(10)를 통해 이루어져 산소 전극 상의 리벳(1)과 접속한다. 연료전지 팩키지에 있어서 연료전지(12)는 충전지(11) 주위에 감싸여져 있고, 연료(5)는 연료 탱크병(4)에 담겨져 있다. 연료(5)는 연료 바늘(6)을 경유하여 연료전지(12)에 전달된다. 연료의 충전 동작은 케이스(3)를 열고 나서 병캡(7)에 의해 지지되는 고무막(8)에 구멍을 뚫은 후 연료병(4)내에 잠그면 된다. 연료병(4)은 지지 스프링(2)에 의해 위치 정렬된다. 또한 지지 스프링은 스냅-인 범프(159)를 구비하여 휴대폰에 걸리도록 한다. 이 실시예에 있어서 지지 스프링(2)과 양(+)전극(14)은 절단된 1개의 시트 금속이다. 음(-)전극(13) 역시 1개의 구조로 되어 있다. 이러한 특별한 실시예를 위해서 양 및 음전극(14,13)은 모토로라의 마이크로택(MicroTAC)(등록상표)휴대폰 및 충전 요크로 짝을 이루는 구조로 되어 있다. 전원장치는 연료가 충전됨으로써 전기적으로 충전될 수 있다.
도2는 연료 바늘 접속부의 확대 단면도인바, 이 도면에 있어서 연료가 들어있는 연료병(4)에는 연료 바늘(6)이 뾰족하게 찔러져 있다. 작동시 연료(5)는 바늘의 모세관(15)을 통해 연료 바늘(6)안으로 유입되고, 모세관(15)은 연료 심지로서 작용하여 연료가 제어 방식으로 연료전지로 이동되도록 충전되거나 그러한 크기를 갖는다. 일단 연료가 연료 바늘(6)의 바닥에 도달되면 바늘의 측면에 있는 연료 흐름 포트(27)는 연료를 연료 다기관(22)안으로 심지 방식으로 빨아내거나 증발되도록 하여 연료전극(21)에 전달되도록 한다. 연료 다기관(22)을 통한 전달은 증발 및 액화에 의해 이루어 질 수 있거나, 연료 다기관(22)의 중심을 통한 액체의 심지방식에 의해 이루어 질 수도 있다. 2개의 연료전지(12)의 전해질(20)이 도시되어 있다. 2개의 연료전지(12)의 시스템은 배면 적재로 이루어진다. 연료병(4)을 연료전지(12)에 밀봉하기 위해서는 3개의 가스켓이 있는바, 첫 번째는 병캡(7)을 연료병(4)과 연료 바늘(6)에 밀봉하는 고무막(8)이다. 두 번째는 리벳 절첩부(16)로서 하측에 유지되는 상부 링 가스켓이다. 가스켓은 연료 바늘(6) 및 연료전지(12)에 밀봉되어 종이형 연료전지(12)의 부드러운 기계적 클램프로서 작용 한다. 세 번째 가스켓은 연료전지(12)와 연료전극 접속부(26)에 대한 부드러운 기계적 클램프 및 밀봉의 다른 측면을 형성하는 하부 가스켓(25)이다. 전기 접속은 연료 접속 전극(26)과 접속와셔(28)에 의해 연료전지에서 이루어진다. 공기전극(19)을 따라 있는 공기 다기관(18)은 전기 접속의 뾰족한 점 주위에서 끝나게 된다. 음극판 금속 접속 전극(13)은 도면에서는 끊어져 있다.
도3A 및 도3B는 연료전지(12)가 어떻게 펼쳐지는 가를 나타낸 외관도이다. 양극 공기 전기 리벳 접속부(14)는 연료전지(12)의 양단을 연료전지 부위(30)와 테두리 밀봉부(32)외측에 파지 하도록 도시되어 있다. 이러한 원리는 공기 전극 접속부(29)를 전해질(20)로부터 멀리 떨어지게 하는 것이다. 연료 리벳(31)은 그의 연료와 전기 접속을 연료전지(12)의 중심에 있도록 한다. 연료전지로부터의 전류는 판 금속 접속부(13,14)를 통해 외부 건실한 전기 접속부로 전달한다. 이러한 접속에 있어서 한가지의 공학적 도전은 연료전지(12)의 구조를 망가트리지 않고서 두꺼운 금속 시스템으로부터 얇은 기계적 및 전기적 연료 전지 구조까지 접속을 하는 것이다. 테두리 밀봉부(32)는 열에 의해 용접되거나 또는 아교에 의해 접착된 밀봉부이다. 도3a에 있어서 공기 다기관(30)은 연료전지를 덮는 것으로 도시되어 있다. 도3b에서 다기관의 현미경으로 확대한 단면도는 테플론(Teflon)섬유(34)의 외측 면을 적시는 나피온(Nafion)(등록상표)(35)을 구비한 연장된 테플론(Teflon) 구조(34)를 도식적으로 도시하였다. 나피온(Nafion)(등록상표)(35)의 외측 면에는 수증기는 투과하지 못하지만 산소는 투과하는 막(157)이 코팅되어 있다. 이 코팅막(157)은 나피온(Nafion)(등록상표)(35)이 고습도 함량에 의해 팽창될 때 열리고 저습도 함량일 때 닫히는 균열 및 구멍(158)이 구비되어 있다. 이는 연료전지 주위의 습도 함량을 조절하는 메커니즘을 제공한다. 또한 이러한 구조는 물이 공기 다기관의 외측 면에서 응축되는 동안 전극의 표면에 물이 생성되는 것을 응축하도록 한다. 응축된 물은 공기 다기관의 외측 면을 통해 외측 공기(36)까지 심지로 빨아내거나 증발된다. 외측 부위(35)는 연료전지를 위한 습도 조절원을 제공한다.
도4a에 있어서, 접속리벳(14,31)과 공기 다기관(30)은 제거되며 공기 전극 패턴만이 도시되어 있다. 공기 전극 패턴(38)은 다공성 플라스틱 기판(43)의 상부에 있는 마스크를 통해 적층되어 있다. 도4b에 도시한 바와 같이 제1층은 알코올 용제(Solution Technology Inc., P.O. Box171, Mendenhall, Pennsylvania 19357)에서의 5% 나피온(Nafion)(등록상표)의 용제 적층으로 만든 전해질(20)이다. 그것은 건조되고, 표면이 거칠도록 이온 밀링되며 백금과 같은 촉매막(46)의 스퍼터 적층을 가진 진공 실내에서 코팅된다. 금과 같은 도전체막(47)은 스퍼터 적층된다. 플라즈마가 중합된 테플론(Teflon)과 같은 소수성막(44)이 전극의 외측 면에 적층된다. 본 시스템에 있어서, 전해질(20)은 소수성층(44)에 의해 농축된 물이 전혀 없으며, 공기(49) 전해질 인터페이스(48)는 연료전지 전극 구멍(45)내에 유지된다. 공기(49)확산 경로는 미크론 이하의 구멍 직경(45)을 사용하여 단축된다. 도1b에 도시된 연료 전기 접속부(10)는 연료 접속부(40)로부터 이격되게 산소 전극(47,46,44)을 마스킹 함으로써 제공된다. 양극 전기접속부(14)는 전해질(20)과 소수성 막(44)을 마스킹 제거하고 금 접속 부위(37)를 남겨 둠으로써 제공된다. 전해질(20)은 또한 이온 밀링에 의해 제거될 수도 있다. 연료전지간의 분리부(42)는 촉매막(46)과 전도체막(47)의 적층시 마스크 제거될 수도 있다. 연료전지간의 분리부(42)에 있어서 전해질은 이온 밀링에 의해 제거되고 소수성막(44)이 적층된다. 연료전지 시스템은 연료 접속부(40)로부터 이격되는 2세트의 연료전지(39,41)를 갖는다.
도5a에는 하부 전해질 매트릭스 층이 도시되어 있다. 출발 재료는 도5b 및 5c에 도시한 바와 같이, 에칭된 핵입자 트랙 플라스틱 막인 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)(59)와 같은 다공막이다. 관통 접속부(51,52,57)는 다공막(59)을 통해 전도체를 스퍼터 적층함으로써 얻어진다. 전해질(20)이 적층되기 전에 관통 적층은 전도체 적층 후 이온 밀링을 하여 막의 구멍(58)을 통해 적층을 함으로써 생기게 된다. 이는 관통 접속부(51,52,57)를 완성하기 위해서 막의 양측 면에 대해 수행한다. 전해질(58)은 침전 및 건조법에 의해 알코올 용제에 5% 나피온(Nafion)(등록상표)용제로서 적층된다. 연료 전지갭(50)은 이온 밀링법에 의해 전해질(20,58)로부터 제거된다. 관통 접속부(51,52)의 표면 역시 이온 밀링법에 의해 전해질(20,58)로부터 제거된다. 연료전지 부위(53,54)는 도4a에 도시된 바와 같이 연료전지전극(38)을 위해 전해질로 덮힌 상태로 남겨 둔다.
도6a 및 6b에는 연료전극 적층이 도시되어 있는바, 연료전지 전극부(60)는 전지분리갭(42)과 함께 마스크 제거된다. 전기 접속부(55)는 금속 관통 접속부이다. 전극의 현미경 사진이 단면도로서 도시되었다. 연료전극을 형성하기 위하여 적층의 동일한 연속 과정 즉, 다공성 플라스틱막 기판(59)의 반대 측면을 위해 계속되는 과정이 이용되었다. 나피온(Nafion)(등록상표)전해질(58)이 다공성 기판(59)상에 적층되고, 연료전극 패턴(60)이 다공성 플라스틱 기판(59)의 상부에서 마스크를 통해 적층되었다. 내려놓는 제1층은 알코올 용제(Solution Technology Inc., P.O. Box171, Mendenhall, Pennsylvania 19357)에서의 5% 나피온(Nafion)(등록상표)의 용제 적층으로 만든 전극(20,58)이다. 그 층은 건조되고, 표면이 거칠도록 이온 밀링되며 백금과 같은 촉매막(63)의 스퍼터 적층을 가진 진공실 내에서 코팅된다. 금과 같은 도전체막(62)은 스퍼터 적층된다. 플라즈마가 중합된 테플론(Teflon)과 같은 소수성막(61)이 전극의 외측 면에 적층된다. 본 시스템에 있어서, 전해질(58)은 소수성층(61)에 의해 농축된 물이 전혀 없으며, 연료 가스(150) 전해질 인터페이스(64)는 연료전지 전극 구멍(45)내에 유지된다. 연료전극 적층은 도5에 이미 도시된 전해질 매트릭스 위에 코팅되어 관통 접속부(51)를 형성한다.
도7a 및 7b에는 연료 다기관이 도시되어 있다. 이는 연료전지(12)의 중심 층이며 다기관(22)은 2세트의 연료전지(12)에 대해 압압한다. 두 번째 세트의 연료전지는 복사 본이다. 현미경으로 확대한 단면도에 있어서 다기관 재료는 연장된 테플론(Teflon)섬유(34)와 같은 소수성 재료이다. 다기관의 중앙부(65)는 나피온(Nafion)(등록상표)과 같은 피복제를 갖는 친수성 재질로 만든다. 다기관의 외측 면(66)은 소수성이다. 구멍(67)은 연료 유입을 위해 제공된다.
도8에는 연료전지 조립체의 분해 사시도가 도시되어 있는바, 공기 전극 접속리벳(1)은 공기 전극(19)들을 상호 파지하여 전기 접속부를 형성하는 리벳 절첩 출구(16)와 함께 도시되었다. 연료 바늘(6)은 연료전극(21)과 연료 다기관(22)의 중앙을 관통하여 접속 와셔(28)를 관통하는 전기 접속부를 형성한다. 파지 압력 및 밀봉은 하부 가스켓링(24)과 상부 가스켓링(25)을 통해 이루어진다. 관통 접속부(51)는 공기 전극 패턴(19)의 후단변부에 도시되어 있는바, 이는 연료전극(21)의 선단변부에 올려져 있다. 이러한 접속부의 패턴은 단일막(59)을 통한 소정의 직렬 전지 연결부 전류 경로 "바느질 형상" 을 형성한다. 공기다기관(23)은 제1세트의 연료전지(68), 연료 다기관(22) 및 제2세트의 연료전지(69)를 샌드위치 시킨다. 막의 적재는 공기 다기관(23)의 변부에 밀봉된 테두리(32)에서 가열되거나 아교로 밀봉된다. 연료전지 조립체(12)는 도1에 도시된 전원장치 내에 위치된다.
도9는 분말 촉매 및 반 투수성 전극을 구비한 표면 모사 연료전지 전극의 하이브리드 설계의 확대도를 도시하고 있다. 본 발명 설계의 현저한 제1특징은 3개의 층으로 된 반 투과성 전극이다. 제1막은 다공성 재료(81)의 구멍(82)내에 플러그(80)를 형성하기 위해 광각 스퍼터 원으로 적층되거나 고체 전해질(83)에 직접 코팅되는 수소 투과성 금속막(79)이다. 이러한 예로서는 15nm(nanometers) 직경의 구멍을 갖는 Nuclepore(등록상표) 필터막 상에 형성된 20nm두께의 팔라듐막(palladium film)이 있다. 백금과 같은 제2구조 금속막(78)은 수소 투수성 금속막(79)상에 적층되어 팔라듐과 같은 많은 고투수성 금속에서 발생하는 수화 유기 크랙을 경감시키도록 한다. 팔라듐과 같은 제3수소 투과성 금속막(77)은 구조적인 금속막(78)위에 적층된다. 백금/루테늄/팔라듐의 혼합물과 같은 금속의 제3층은 수소이온을 수용할 수 있으며 알코올 연료에 촉매적으로 활성일 필요가 있다.
층구조의 운동학은 2개의 외측 금속막(77,79)이 높은 수소 투과성, 높은 수소 이온농도 및 높은 수소이온 표면 수용율을 갖는다. 이들은 구조적 금속막(78)의 양측에서의 이동 이온화된 수소의 저장조로서 작용한다. 구조적인 금속막(78)은 낮은 수소이온 표면 수용율을 자체적으로 가지며, 낮은 수소이온 평형 농도를 갖지만 표면 코팅부(77,79)는 수소이온의 효율적인 도관으로서 작용하지만 이는 수화에 기인한 분열이 아니다. 반 투과성 전극을 형성하는 다른 방법은 수소이온에 대한 높은 투과성과 다른 이온에 대한 낮은 투과성을 나타내지만 수소의 수화에 기인한 분열이 아닌 금속 합금의 적층이며 그의 표면은 수소 및 알코올을 위해 촉매적으로 작용한다.
수소이온의 표면에서 백금/루테늄이 피복된 활성탄(400 W. Cummings Park, Woburn, Ma 01801에 소재하는 Electrochem Inc. 제품인 VULCAN X-72R 탄소에서의 백금 20% 중량비, 루테늄 10% 중량비)과 같은 투과성 전극(77,78,79) 분말 촉매 입자(76)만이 알코올에 용해된 5% 전해질 나피온(Nafion)(등록상표)의 수용액(P.O. Box171, Mendenhall, Pennsylvania 19357에 소재하는 Solution Technology Inc. 제품)을 가진 슬러리 잉크로서 적층된다. 적층된 슬러리(76)는 건조되고, 이온 밀링된 후 30nm의 백금/루테늄(Pt/Ru)막(74)으로 피복되어 외측 투수성막(77)에 대한 촉매 입자(76)의 전기 접속부(75)를 향상시키도록 한다. 30nm의 백금/루테늄(75)은 수화될 경우 전해질(72)의 팽창과 입자(76)의 새도우에 기인하여 알코올 연료(71)의 투과를 위해 구멍(73)을 구비하였다.
메탄올 및 물(96)의 1:1 혼합물로서 도시된 알코올 연료(71)는 연료전해질(72)안으로 확산된 뒤 수소이온(151)의 순 생산으로 촉매 표면(76,77)에서 촉매적으로 균열된다. 수소이온(151)은 입자를 통해 확산시키거나 연료 전해질(72)안으로 진행되어 투수성막(77)안으로 진행됨으로써 촉매 입자(76)로부터 외측 투수성막(77)안으로 이동된다. 메탄올 및 물(96)의 균열로부터 외측막(77)에 형성된 수소이온은 투수성막(77)안으로 확산된다. 연료(96)로부터 수소이온을 형성하는 과정에서 제거된 전자(152)는 전극(76,77,78)을 통해 외부 전기 부하까지 이동한 뒤 산소 전극(86,87,88,89)에 도달한다.
연료전극(75,76,78,79)에 연료를 전달하기 위해서 다공성 소수성 연료 다기관(70)이 연료 증기만을 전극 표면에 도달시키기 위해 이용된다. 연료 다기관(70)은 확장형 테플론(Teflon)이나 마이크로포로우스(Microporous)(등록상표) 폴리프로필렌(3M Corporation 제품)과 같은 재료로 제조된다.
수소이온(151)은 외측 투수성 금속(77)안으로 흡수된 후 구조적 금속(78)을 통해 막힌구멍(80)과 전해질(83)의 전해질 인터페이스에 확산된다. 전해질은 수용액 적층 나피온(Nafion)(등록상표)일 수도 있고 이는 수소이온에 의해 투과성 전극(77,78,79)만을 분리하기 때문에 연료 전해질(72)과는 화학적으로 상이할 수도 있다. 막힌 구멍(80)과 전해질(83)의 인터페이스에서 수소이온이 전해질(83)안으로 들어가는 경우이다. 이때 수소 이온은 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터와 같은 다공성 기판 플라스틱 층의 전해질이 충전된 구멍(82,84)을 통해 이동한다. 내측 다공성 막(84)내의 구멍(84)은 다공성을 최적화하고, 전도성, 확산율 및 시스템 가격을 최적화 하기 위해 선택된다.수소이온(151)이 산소 전극(86,87,88,89,154,155)에 도달될 경우 이들은 산소 전극(86,88,89,154)의 촉매 표면 근처의 산소 이온(153)과 결합한다.
산소이온(153)은 전해질(83)내의 용해된 산소 가스(91)에서의 촉매(86,88,89,155)의 촉매작용에 의해 발생된다. 수소이온(151)과 산소 이온(153)의 결합의 최종 제품은 물(94)이다. 최종 산물(94)은 전해질(83)내에서 용해된 뒤 최종 수증기(94)로서 확산된다. 다공성 소수성 코팅은 촉매 입자(89) 및 전해질(83)의 표면 위에 적층되어 물이 산소 전극(89,83)의 외측 면에서 응축되지 못하도록 한다.
산소 전극(153,154)은 금과 같은 금속성 전도체(154)의 막을 다공성기판(81)위에 스퍼터 적층 한 뒤 백금과 같은 촉매막(155)을 금속성 전도체(154)위에 스퍼터 적층함으로써 형성된다. 전극(154,155) 및 다공성 기판(81)은 나피온(Nafion)(등록상표)과 같은 전해질(83)로 용질 코팅된다.
산소 전극(86,87,88)은 백금과 같은 촉매막(86)을 나피온(Nafion)(등록상표)이 코팅된 다공성 기판 플라스틱(81)위에 스퍼터 적층함으로써 형성된 다음, 금과 같은 제2전도체 금속막(87)이 스퍼터 적층된다. 외측 촉매 표면막(88)은 전도체막(87)위에 스퍼터 적층된다. 내측 다공성 막(84)과 더불어 연료 전극막(81,77,78,79) 및 산소 전극(81,83,86,87,88)의 샌드위치는 5% 나피온(Nafion)(등록상표)수용액으로 조립된 뒤 건조된다. 분말 촉매 입자(89)는 5% Nafion(등록상표)수용액의 잉크 슬러리로서 첨가된다. 소수성 코팅(90)은 PTFE단량체의 진공 플라즈마 중합체에 의해 적층된다. 이 막은 액체 생성 수가 공기 전극(89)의 표면에서 응축되지 못하도록 첨가된다. 이온 밀링단계는 전해질(83)의 면대 공기 접속(91)을 향상시키도록 첨가되어질 수도 있다.
PTFE의 표면 요구(93)를 음각 및 양각 적층하거나 다공성 막 적층을 간단하게 적층함으로써 외측 전극면(89,93)은 공기에 대해 투과할 수가 있다. 연료전지 전극(90)에 대해 압압되는 것은 팽창형 PTFE와 같은 소수성 다공성 가스 다기관막(92)이다. 연료전지의 수분 함량을 조절하는 2개의 막이 연료전지 위에 설정된다. 첫 번째로는 산소에 대해 우선적으로 투과할 수 있으며 산소 전극(89,83)의 표면에 위치된 물에 대해 덜 투과할 수 있는 막(90)이다. 이 막은 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터와 같은 다공성 기판(161)의 표면 위에 폴리클로로플루로에틸렌막(polychloro fluroethylene film)(157)의 플라즈마(plasma)중합에 의해 형성된다. 연료전지의 출력은 전자(152)를 통해 전기 부하(160)에 전달된다.
도10은 폴딩 조립체 연료전지를 형성하기 위하여 다공성 플라스틱 기판에서의 적층 패턴을 도시하였다. 이 실시예에 있어서 연료전극(107)과 공기 전극(103)은 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터 막과 같은 다공성 플라스틱막(97)의 단일시트와 도9에 도시된 바와 같은 재료로 된 층을 코팅함으로써 형성된다.
연료전지를 형성하기 위해서는 4가지의 일반적인 적층이 있다. 첫째는 연료전극 부위(107), 랩 주위 전극(106), 공기 전극 부위(103), 마스크를 관통하는 양(+)주름 접속부(104) 및 음(-)주름 접속부(101) 모두에 적층되는 금과 같은 전극 금속 적층이다. 주름 접속부(104,101)는 금속단부 캡과 더불어 손가락형 접속부를 형성하기 위해 세로줄(98)이 형성되어 있다. 이들 전기 도전 전극들은 전도성 및 비용을 최적화 시키기 위해 두께적으로 경사져 있는데, 전극 폴드(electrode fold)(105)에 평행한 연료전지 막(97)의 변부에서 가장 얇으며, 랩(wrap) 주위 전극(106)에서 가장 두껍다. 연료탭(100)은 금속 전도체로 코팅되어져 있음으로써 연료에 대한 불투수성을 향상시키도록 한다. 연료탭(100), 전지 브레이크(102), 및 주름 접속부는 방사 후에 뉴클포어(Nuclepore) 재료 기판(97)을 에칭하기 전에 열처리함으로써 생긴 막의 불 투수성 부위일 수도 있다.
연료전지 전극(107)의 두 번째 코팅은 전술한 바와 같이 마스크를 통해 전극부위에 스퍼터 되거나, 증발 또는 스프레이 방식으로 뿌려진다.
세 번째의 전극, 공기 전극(103)은 마스크를 통해 전극 부위에 스퍼터 되거나, 증발 또는 스프레이 방식으로 뿌려진다. 4번째 층은 수용액이 적층된 나피온(Nafion)(등록상표)과 같은 전해질로서 일반적으로 에칭된 핵입자 트랙막(97)의 내부 다공성 부위를 통해 함침된다. 전해질은 연료전지 전극(107,103)위에 적층 되는바 도9에는 전해질 적층에 관해 상세하게 도시되어 있다. 전해질은 주름 접속부(103,101), 연료탭(100) 및 전지 전기 분리부(102)로부터 이온 밀링에 의해 제거되지 않거나 적층되지 않는다. 전지가 중심선(105)에서 접힐 경우 연료전지(99)의 테두리 밀봉 부위는 연료탭(100)의 테두리와 연료전극(107)주위에 있게 된다.
도11은 내측막 및 폴딩조립체의 삽입을 도시하였다. 나피온(Nafion)(등록상표)이 함침된 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터와 같은 내측 다공성 막(109)은 절첩된(105) 연료전극(107)과 공기 전극(103)사이에 삽입된다. 5% 나피온(Nafion)(등록상표)용액과 같은 전해질 용액(108)이 연료전극(107)과 공기 전극(103) 사이에 첨가된다. 나피온(Nafion)(등록상표)을 가진 조립체는 80-110℃사이에서 건조 및 경화된다. 랩주위 전극(106)은 전극폴드(105)주위에 있게 된다. 주름 접속부(110,104,101)는 막에서 세로줄(98)로 도시하였다. 테두리 밀봉은 연료전극(107)과 전지 브레이크(102)주위에 위치된다. 연료 유입탭(100)이 도시되었다.
도12는 공기 다기관(113)과 연료 다기관(111)과 함께 조립된 폴더형 연료전지(112)의 분해 사시도를 도시하였다. 공기 다기관(113)은 연료막(112)에 압압된 팽창형 PTFE와 같은 소수성 공기 투수성 시트 금속이다. 연료 다기관은 팽창형 PTFE와 같은 내측 다공성 소수성 면과 도7에 도시된 바와 같은 연료를 빨아내는 내측부(65)를 갖는다. 연료 다기관의 외측 면은 폴리클로로플루오로에틸렌(Kel-F(등록상표)3M corporation)과 같이 연료 및 물에는 불 투수성이지만 이산화탄소에는 투수성인 막이다. 연료 다기관의 외측 면 이산화탄소의 투수성은 메탄올 및 기타의 탄화수소의 균열에 의해 발생된 이산화탄소 생성물을 위한 출구를 제공한다. 충분히 높은 이산화탄소 투수성 및 가격의 효율성을 위해 연료 다기관의 외측 면은 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)막이 진공 적층된 폴리클로로플루오로에틸렌과 셀룰로즈(cellulose nitrate)염과 같은 보호 가스 투수성 락커 코팅의 접합일 수도 있다. 연료 다기관(111)은 연료전지 막(112)에 압압되고, 시스템은 테두리 밀봉면(114)을 따라 가열 밀봉되거나 폴리에스테르 에폭시(polyester epoxy)로 접착된다.
도13은 표준 D-전지 배터리의 외형을 맞추기 위해 원통형으로 된 폴드형 연료전지 조립체를 도시하였다. 연료전지 조립체(117)는 공기 다기관면(113)의 주위를 감싼다. 연료탭(100)은 연료 바늘 및 단자캡(115)에 의해 구멍이 뚫어지도록 만곡 되어 있다. 연료 가스켓(116)은 연료탭(100)위에 위치되고, 연료 가스(118)는 연료탭(100)의 하측에 위치된다. 음(-)주름탭(101)은 만곡되어 음단자캡(115)의 내측 면에 대해 캔틸레버 스프링 접속부를 형성한다. 양(+) 주름탭(104)은 만곡되어 음단자캡(122)의 내측 면에 대해 캔틸레버 스프링 접속부를 형성한다. 메탄올과 물이 충전되어 밀봉된 폴리에틸렌 실린더와 같은 연료 탱크(119)는 연료전지 조립체(117)의 내측에서 슬라이드 된다. 연료전지에 대한 연료 접속은 연료 탱크(119)벽이 연료 바늘 단자캡(115)에 의해 구멍이 뚫릴 때 이루어진다. 단자캡(115,122)은 캡과 유전체관을 바느질하는 것과 같이 유전체관(121)을 상호 부착하여 유전체관을 단부캡에 접착하거나 가열하여 녹여 붙임으로써 상호 유지된다. 연료전지 조립체(117)에서의 갭(130)이 있게 되고, 유전체관(121)은 투명으로하여 연료 레벨이 시각적으로 점검되도록 하였다. 유전체관(121)에는 방출공(120)이 형성되어 공기가 그 안으로 들어가고 생성된 가스와 증기가 방출되도록 하였다. 다수의 방출공 및 그의 크기는 산소 확산 유입 및 물 확산 제거율을 조절하는데 이용된다.
도14a,14b 및 14c는 표준D-전지 외형으로 조립된 연료전지를 도시하였는바, 도14a에는 사시도, 도14b에는 중심선을 따른 측단면도, 도14c에는 그의 수직 단면도가 도시되어 있다. 사시도에는 길이 5.8cm, 직경 3.3cm인 표준D-전지 배터리(162)의 주요 제원이 도시되었다. 수직단면도에 있어서 양극 단자캡(122)은 주름 접속부(104)를 통해 연료전지(126)에 전기적으로 접속되었다. 연료 탱크 벽(124)은 단부정렬범프(123)를 갖도록 설계되어 연료 탱크(124)에서의 중심 및 양극 압력 점을 제공토록 한다. 정렬범프(123)는 또한 연료 탱크를 충전한 후에 열 밀봉 점일 수도 있다. 연료 바늘(127)이 꽂혀있는 연료 탱크(124)의 타단부에는 중심 정렬이 있다. 음극단자캡(115)은 음극 주름 접속부(101)를 통해 연료전지(126)에 전기적으로 연결되어 있다. 연료 바늘(127)은 연료 탱크 벽(124)을 관통하며 연료(125)에 가라앉아 연료 가스(118,116)에 의해 밀봉된다. 바늘을 관통하여 연료전지탭(100)까지의 연료 경로는 음극 접속이 연료 접속 대신에 주름 접속부(104)를 통해 이루어지기 때문에 접속와셔(28)와 리벳폴드(16)가 사용되지 않는다는 것을 제외하고는 도2에서와 동일하다. 수평 단면도에 있어서, 연료창 갭(130)은 연료 레벨을 시각적으로 편리하게 점검하도록 도시되어 있다. 연료 탱크 벽(124)과 유전체관(121)은 연료 점검을 위해 창갭(window gap)(130)에서 투명일 필요가 있다. 공기 흐름 갭(128)은 연료 탱크와 연료전지(126)의 내측면 사이에 위치되어 이산화탄소가 확산에 의해 제거되도록 하였다. 공기 흐름 갭(129)은 유전체관(121)과 연료전지 외측 면(126)사이에 위치되어 산소가 확산되고 물이 연료전지(126)로부터 방출공(120)을 통해 제거되도록 하였다. 도15도에는 연료전지가 물 및 열 역류 교환기에 어떻게 연결되는가를 동적으로 나타내었다. 연료전지의 전원 레벨이 공기 흐름을 활성화하는데 충분히 높거나 작동의 이점을 필요로 할 경우 연료전지는 80℃와 같은 주위 온도보다 높여야 한다. 열전달막(139)으로 역류 열 교환기를 사용하는 것이 도시되어 있다. 열전달막(139)은 유입 공기(131)와 유출 공기(144)간의 열과 습도를 조절한다. 물 투수성막(139)은 나피온(Nafion)(등록상표)에 기인하여 습도를 투과할 수 있고 다공성 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)기판으로부터 그의 구조적 강도를 얻는 나피온(Nafion)(등록상표)이 함침된 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터와 같은 복합 구조일 수도 있다. 작동시 유입 공기(131)는 유입선(140)을 따라 팬(156)에 의해 불어넣어진다. 공기가 방출 공기(144)에 의해 가열됨으로써 공기는 교환막(139)의 가로 막힘부(143)를 지나 확산하는 습도를 흡수한다. 열 및 습도는 유입 공기(140), 방출 흐름 공기(142) 및 반대의 평행한 가스 흐름(141)사이에서 교환된다. 유입 공기(131)는 가열되어 습도가 많은 공기 전극(138)에 도달한다. 연료전지(136), 공기 전극(138), 전해질(137), 연료전극(134), 연료(135) 및 열 교환 시스템은 열적으로 132에서 절연된다.
상기의 설명은 본 발명의 범주에서 한정되는 것이 아니라 바람직한 실시예의 표본에 지나지 않는다. 나피온(Nafion)(등록상표)전해질 및 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터 재료는 이들의 성질이 잘 알려졌기 때문에 선택되었다.
미세구조
종래의 특허출원에 부가되어지는 신규의 많은 개념은 탄화수소 연료 사용상의 문제점을 해결하거나 연료전지를 통해 확산될 수도 있는 불순물을 가진 오염된 연료를 간단하게 사용하고자 한 것이다. 메탄올이나 에탄올과 같은 탄화수소가 산소 전극으로 확산될 경우 산소 전극의 성능을 경감시킬 뿐만 아니라 연료전지에 의해 사용되지 않은 연료의 누출을 간단화 시킨다. 이러한 손실을 방지하기 위한 종래의 연료전지 기술은 두꺼운 전해질을 사용하고 ,연료전지를 고출력 밀도에서 가동시켜 산소 전극에 도달되기 전에 연료를 모두 사용하여 연료의 농도가 매우 낮도록 시도하는 것이었다. 그러나 이러한 기술들은 다른 성능 매개변수의 경비에 있어서 알코올이나 불순물 확산 속도에 대한 저항을 간단히 증가시키는 문제점이 있었다. 이를 해소하기 위한 전형적인 해결책은 전극에서의 탄화수소를 전기 화학적으로 촉매화시킨 뒤 수소이온을 수소에 대해 투과성이지만 탄화수소에 대해서는 불투수성인 전극을 통해 이동하는 것이다. 수소이온은 전극으로부터 제2전해질 안으로 다시 빠져나와 산소 전극으로 이동한다 이러한 계획은 2개의 외측 전극으로 형성되고, 제3내측 분리 확산 전극 또는 확산 전극은 연료나 산화 전극의 하부 층일 수도 있다. 탄화수소 전극을 위한 특별한 케이스의 이점은 팔라듐/탄탈륨/팔라듐 또는 팔라듐/백금/팔라듐 수소 투수성 전극 위에 분산된 백금/루테늄 합금이다. 탄탈륨 또는 백금과 동등한 내측 지지 금속은 해리 수소에 투과할 수 있는 전이 금속과 같은 여러 가지 수소 투수성 재료 일수도 있다. 팔라듐/은 77%:23% 원자 합금(바람직하기로는 산화 수소 전해질)과 같은 것일 수 있다. 또한 재료의 선택은 전해질의 적합성에 의존한다. 전극의 백금/루테늄 측은 알코올과 황산 전해질에 함침된다. 산소 전극은 백금/루테늄 전극 또는 기타의 적당한 산소 전기 촉매 금속이다. 산소 전극은 고체 중합체 전해질을 이용한다.
전해질 최적화
3가지의 특징이 다공성 기판과 전해질의 소형 구멍 기하학으로부터 도출된다. 첫째는 연료전지에 의해 예상되는 성능 범위를 위한 확산 속도에 대한 전해질의 전도성의 단순한 최적화이다. 연료전지를 최적화시키기 위해서 소망하는 전류 밀도를 평가한 뒤 산화제 확산에 대한 저항 손실을 최적화 하였다. 최적화의 실예는 산화제가 확산에 의해 전극에 전달되도록 한 연료전지이다. 2.9mm의 내부 공기갭에 냉각되는 주위 공기에 의해 제거된 열과 80℃ 이상 상승하는 연료전지 온도를 유지하는 표본은 약 50mA/cm2 이하의 전류 밀도 제한이다. 전류 밀도는 최신식 고체중합체 연료 전지(미국 특허 제5,234,777호)의 약 1/50이다. 따라서, 지지 막의 전해질 충전 구멍은 확산 및 이온 전도 흐름을 억압하여 최적의 이온 전도성 및 산화제 확산 저항 값으로 연료전지를 유지하는데 이용된다. 구조가 최적의 성능을 유지하도록 얇음으로써 전해질을 포함하고 다공성을 줄이는 메커니즘을 이용함으로써 다공성 기판의 두께의 제곱에 반비례하는 전해질 크기의 전체 이용도에 기여하게 된다. 이는 나피온(Nafion)(등록상표)과 같은 고가의 전해질의 사용을 줄일 수 있으므로 결과적으로는 연료전지의 값을 줄일 수 있게 된다.
두 번째의 특징은 에칭된 핵입자 트랙 막이나 이와 유사 구조를 가진 유전체의 높은 평행 표면적에 의해 조직되어지는 나피온(Nafion)(등록상표)과 같은 고체중합체 전해질의 분자 정렬로부터 얻어진다. 전해질의 전도성은 20배정도 향상되는 것이 예상된다. 분자 종류에 대한 확산 투수성은 일정하므로 확산율은 순수하게 20배정도로 향상된다.
세 번째의 효과는 분자 확산 종류(수소가스와 같은)간의 평균 자유 경로가 다공성 구조에서의 측면 통로의 크기보다 크거나 이와 유사할 경우 단순 경도 단면적 모델에 걸쳐 확산 속도가 감소된다는 것이다. 확산 특성은 주름진 파이프와 같은 벽주름이 파이프의 전도성에 효율적일 수도 있는 경우 진공 시스템에서의 분자흐름 확산 체제 안으로 빠지게 된다. 그러한 효과는 이온을 위한 평행 전도 경로와 분자 종류를 위한 측방향 데드(dead) 및 포켓을 제공함으로써 실현된다. 특정의 실시예는 분자 종류 평균 자유 경로보다 작은 구멍을 가진 2개 이상의 막의 적층인바, 여기에서 내부막 갭은 측통로로서 작용한다. 또는 분자들간의 분자 종류 평균 자유 경로의 크기에 있어서 시스템의 주된 이온 경로에 측통로를 간단히 구비한다. 본 발명의 확산 저항 메커니즘은 광전지, 열전기 및 열 이온 시스템과 같은 기타의 혼합 이온 및 비 이온 확산 시스템에 이용될 수도 있다.
절첩 설계
연료전지의 모든 전극을 가요성의 단일 기판 시트에 형성하는 매우 간단한 방법은 절첩설계이다. 이러한 설계에 있어서 전지 연결 루트, 전지 전기 분리, 및 연료 및 산화 전극은 막의 일 측면에 형성된 다음, 연료전지는 막을 절첩함으로써 조립된다. 이러한 설계는 소정 개수의 내측 전해질 층이 삽입되는 경우 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)필터와 같은 불 균일한 다공성 기판을 형성하도록 한다. 연료전지 설계에 있어서는 다공성을 엄격하게 함으로써 연료전지를 최적화할 수 있다. 전해질의 미세구조를 조절함으로써 연료전지의 성능에 이익을 준다. 내측막은 기하학적 설계나 화학적 성질에 의해 이온 전달을 상이한 분자 종류에 따라 바람직하게 차단하는데 이용된다.
전극층
연료전지의 원리적인 2가지 기능이 있다. 첫째는 연료나 산화제를 촉매화시키는 것이고 둘째는 전자를 연료전지로부터 전기 부하까지 전기적으로 도전시키는 것이다. 이들 2가지 기능과 성질은 단일 보상 재료에서 종종 실현되는 것이 아니다. 즉, 구조를 통한 꼬불꼬불한 전기 경로로 인한 저전기 전도성을 갖는 고표면적 촉매 구조와, 최소 면적을 갖는 평활 면을 갖는 고전기 전도성 구조가 있다. 최선의 양 재료를 갖기 위한 방법은 활성 숯가루에 의해 지지되는 촉매로 덮인 스퍼터 적층된 금막 전극과 같은 고표면적 촉매와 결합되는 평활 전극 층을 구비하는 것이다.
간단한 마스킹
연료전지 전극의 어레이를 다공성 유전체 기판 상에 형성하는 간단한 방법은 마스크 패턴을 통한 스퍼터, 진공 증착이나 스프레이 금속 및 전해질 용액인 것이다. 직접 적층형 잉크젯 인쇄나 분자비임 적층이 이용될 수도 있다. 이온밀링 및 레이저 탈격과 같은 직접 제거 방법이 전극을 형성하도록 이용된다. 종래의 미국 특허 출원 제08/531,378호는 자체 마스킹 기판을 생성하는 방법을 개시하고 있다. 뉴클포어Nuclepore(등록상표)필터와 같이 상업적으로 이용 가능한 균일한 다공성 플라스틱 기판을 위해서, 마스크를 통해 전극 패턴을 형성하는 것은 간단하게 실현된다. 그밖에 다른 인쇄 및 석판 인쇄 기술이 이용되어 연료전지와 회로들을 다공성 플라스틱 기판 위에 위치시키도록 할 수도 있다. 잉크젯 인쇄는 전극 패턴과 촉매 슬러리로서 형성된 연료전지 전극과 전도성 입자 및 또는 전해질 상에 분사시키는데 이용될 수도 있다. 또한 패턴되는 재료 즉, 촉매성, 전도성, 전해질이나 절연 입자가 연료전지 기판의 표면에 정전기적으로 부착되는 경우에는 복사기에 의한 복사 기술이 이용될 수도 있다. 진공 증기가 적층된 전극 패턴을 전기 도금이나 흡착전하 입자에 의해 두껍게 하는 기술이 이용되어 기존의 적층과는 다른 패턴을 설정할 수도 있다. 감광법 및/또는 전자 화학 방법이 이용되어 전극 패턴을 한정하거나 형성하도록 할 수 있다.
콜리메이트(Collimated) 전해질
콜리메이트 유전체에 잠기는 전해질을 사용하는 독특한 특징은 측방향 전도성을 갖지 않는다는 것이다. 산화제의 확산은 콜리메이트 구멍의 방향으로 근본적으로 제한된다. 이러한 2가지 성질은 단일 막에서의 인접 연료 적재의 연료전지 시스템에 대한 장점을 갖게 되는 것이다. 전해질이 인접 연료전지간의 전기 분리 부위에 있는 표면 기판으로부터 줄어들 경우 단락 루트가 차단된다. 다른 변화는 전극 및 전해질이 첨가되기 전에 전지 분리 부위가 기판 플라스틱의 비 구멍 부위를 간단화 시킬 수도 있다는 것이다. 에칭된 핵입자 트랙 막으로 수행하는 간단한 방법은 방사 후 에칭 전에 이들 부위를 방사하지 않거나 열적으로 열처리하는 것이다. 콜리메이트의 다른 특징은 구멍이 없는 전극에서의 핀홀 결함 누수가 있을 경우 연료 누수의 측방향 분산이 콜리메이션에 기인하여 전해질을 통해 연료전지 전극에 직접 형성된다는 것이다. 이는 산화제 전극 오염도를 제한한다.
열 및 물 교환
연료전지를 지지하는 물의 특별한 문제점은 만약 연료전지가 온도 및 산화제습도에서 작동될 경우 전해질의 물 함량이 변화한다는 것이다. 이는 전극을 건조 또는 넘침으로써 전해질의 최적 성능을 저하시킬 수도 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 열 및 물 역류 교환기가 이용된다. 열 및 물 역류 교환기의 설계는 열 교환 소자로서 얇은 물 투수성막을 사용하는 것이다. 고속의 열 및 물 전달을 위해서 이들 막은 얇을 필요가 있다. 막은 구조적인 집적을 위해 고강도 매트릭스를 사용하는 복합재료로 만든다. 이 매트릭스는 나피온(Nafion)(등록상표)나 셀룰로즈 니트레이트와 같은 습도 교환 재료로 함침된다.
비활성 흐름 연료전지 시스템을 위해서 습도 유지 막이 이용되어 공기에 직접적으로 노출될 때 전해질이 수화되는 곳보다 높은 온도에서 작동되도록 한다. 그막은 산소에서는 투수성이지만 물에 대해서는 덜 투수성인 공기 다기관이나 필름으로 산소 전극을 코팅함으로써 형성된다. 그 막은 구멍이 없거나 주기적인 구멍을 갖는다. 주기적인 구멍은 과도한 액체 물을 느슨하게 하는 메커니즘이다.
경사 전극
전극의 두께가 도전을 위해서 최소 두께로부터, 전극이 연료전지를 떠나 다음 인접 전지에 대한 접속을 형성하는 곳까지 경사질 경우, 본 발명의 박막 연료전지에서 전기적인 전도성 전극 내의 금속 량은 최적화된다.
증발 연료 전달
이동 부품이 없는 소형 연료전지 내에서 메탄올 연료를 전달하는 2가지의 원리적인 수단이 있다. 첫째는 연료전지 전극에 대해 연료의 심지 방식을 사용하는 것이다. 그러나 액체 심지 방식은 연료와 연료전지 전극과의 액체 접속이 있음을 필요로 한다. 이는 전술한 바와 같은 문제점을 야기한다. 연료가 연료전지 전극에 도달하기 전에 증발될 경우 물리적인 접속의 문제점은 줄어든다. 이용되는 것으로는 연료병으로부터 액체 연료를 빨아내어 연료를 연료전지 근처의 층 안으로 빨아들인 다음 연료전극의 표면에 도달시키기 위하여 소수성 매트릭스를 통해 증기를 전달하는 것이다. 공기 전극이 주변적으로 냉각되고 확산을 통해서만 산소로 공급되는 저전력 밀도 연료 존재를 위해서 연료 증발 확산 속도는 0.1mm∼20mm 이상으로 충분히 빨라야 한다.
구멍이 없는 전극
매우 얇은 가용성 금속포일이 본 발명의 플라스틱 기판에 의해 지지되어 있다. 이러한 포일 막의 실질적인 사용은 이온 전류를 효율적으로 전도시키는 동안 전해질을 통한 메탄올 확산을 차단하기 위해서 직접 연료가 공급되는 알코올 연료전지에서의 욕구를 충족하기 위한 것이다. 금속성 포일은 만약 포일이 필요한 생산속도 및 경제성을 만족시키기 위하여 충분히 얇을 경우의 문제점을 해결한다. 박막전극을 형성하기 위해서 수소 화학적 흡수를 나타내는 광범위한 금속 소자가 다공성 기판이나 고체 전해질에 직접 적층된다. 구멍의 막힘은 기판의 구멍 직경보다 두꺼운 광각 수소 투수성 금속 스퍼터 적층으로 수행된다. 또한 금속포일이 여러 가지 성질을 제공하기 위해 층 내에 설정될 수도 있다. 200℃이하에서 금속포일을 통고한 가스의 대부분의 확산 속도다 포일(Vielstich,1965)의 표면에서의 화학 흡수 속도에 의해 지배됨은 문헌상에 나타나 있다. 순수한 수소 연료 전지를 위해서 포일의 양측 면에서의 백금과 같은 촉매 표면 층은 전극을 통한 수소의 생산 속도를 증가시킨다. 메탄올 및 탄화수소 연료 전지로서 막의 탄화수소 연료 측은 오염을 피하도록 탄화수소 분자 및 그들의 생성물에 감염되지 않도록 하거나 촉매화될수 있는 촉매를 결합하는 것이다. 탄화수소 연료의 반대측에 있는 포일 막 측에서 표면 촉매는 수소를 위해 최적화될 수도 있다. 매우 높은 수소 투수성을 갖는 팔라듐과 같은 적당한 투수성을 갖는 많은 전이 소자가 수화되어 결국 균열될 시 팽창되는 단점을 갖는 다는 것을 포일의 설계시 고려하여야 한다. 이러한 성질은 금속수소 화합물 중에서는 공통된 사항이다. 따라서, 변형 및 균열의 문제점을 방지하기 위해서는 박막포일은 수소 정제에 현재 이용되는 (77:23) 팔라듐 합금과 같은 합금이 되어야 한다. 다른 선택은 층 내에 포일 막을 형성하는 것이다. 층 설계에 있어서 내층은 균열되지 않는 수소의 낮은 평형 농도를 가지며 이는 구조적인 장벽이다. 한편 외측 층은 신속한 표면 교환 반응속도 및 표면적을 제공한다. 층을 형성하는 다른 특징은 적층된 제1층이 수소이온을 위해 높은 투수 속도를 가지며 제2구조 층이 낮은 투수성을 가질 경우 제1층은 확산 막으로서 이용되는 전체 구조 막을 효과적으로 야기하는 기판 구멍에 대한 측방향 확산 루트를 제공한다.
예컨대, 전류 시험은 15nm 직경의 구멍을 갖는 뉴클포어(Nuclepore)(등록상표)에서 이루어졌다. 이들 막은 제1의 3.7nm의 팔라듐 필름과, 제2의 15nm 백금 필름 및 제3의 7.5nm팔라듐 필름이 스퍼터 코팅되었다. 이들 두께만 기하학적 구조에 있어서, 막은 23℃에서 10-20ma/cm2와 동등한 실내 온도에서 수소 확산 속도를 갖는다. 이것은 조금 냉각되고 확산 산화제가 공급된 연료전지를 위해 바람직한 전류 밀도 범위 내에 있는 것이다. 또한 이러한 막은 1/800정도의 두께로 재료를 사용하기 때문에 전술한 12㎛두께의 막에 비해 매우 저렴하다. 이러한 조립체는 막의 연료 측에 있는 전해질을 갖는 메탄올을 전기 촉매적으로 균열시켜 수소이온이나 수소가스를 여과하고 다른 전해질에 있는 필터 막의 타측에서 연료전지를 형성하는 메탄올 연료전지를 구성한다. 메탄올 균열 전자촉매법은 물을 추가할 필요가 있다. 따라서, 두 개의 전해질을 가질 필요성이 있는바, 한 개는 구멍이 없는 금속포일의 연료 측에, 다른 한 개는 산소 측에 있게 된다. 이것은 메탄올과 물이 산소 연료전지 전극 위로 교차되지 못하도록 한다.
상이한 전해질
전해질을 분리하는 연료전지에서의 구멍이 없는 금속 포일 장벽은 2개의 상이한 전해질이 구멍이 없는 금속 포일 장벽의 양측에 위치될 수도 있는 가능성을 허용한다. 한가지의 배열은 메탄올 연료전극을 나피온(Nafion)(등록상표)을 사용한 구멍이 없는 전극에서의 수소, 연료 측에서의 황산, 구멍이 없는 전극의 산소 측에서의 KOH전해질로 만든다. 산소 운동은 KOH전해질에서 보다 바람직하며 산성 전해질은 연료 측에서 이용되는 경우 탄산염을 형성하기 때문에 연료 측으로 이용된다.
스토우어치오미터식 연료 전달
전지 내에 있는 구멍이 없는 전극이나 장벽은 물의 이온 당김 및 메탄올 연료를 차단한다. 탄화수소가 수소 및 이산화탄소로 재형성되는 경우 수소 연료를 위해서 공정을 위한 산소원은 전형적으로 물이다. 종래의 연료전지에 있어서 물은 전해질에서 재 순환되거나 배출물로부터 회수된다. 연료전지를 통한 물의 이온 당김이 차단될 경우 연료와 물의 스토우어치오미터식 혼합물을 간단하게 추가하여 연료 재형성 균형을 유지하도록 한다. 예컨대 메탄올 연료를 전자촉매적으로 이용하는 연료전지에 있어서는 메탄올의 매 분자당 물의 1분자를 갖는 스토우어치오미터식 연료 혼합물을 가져 메탄올이 촉매적으로 산화하여 이산화탄소 및 수소를 형성하도록 한다. 따라서 메탄올과 물 연료 혼합물의 1:1 몰 혼합물은 배출되는 연료전지로부터 물을 회수하도록 할 필요가 없다. 물 회수나 순환이 없으므로 메탄올 연료전지는 매우 간단하게 된다. 산소 전극만이 수화되거나 그의 성능을 감소시키는 것을 회피하기 위하여 충분히 생성된 물을 유지할 필요가 있다. 연료전극은 동일한 비율의 물과 연료를 사용한다. 따라서, 연료전지가 물로부터 빠져 나올 때 연료로 부터도 빠져나오게 된다.
전지 접속
이들 연료전지의 특징 중 하나는 최적의 전기적 전류 매개체가 금이라는 것이다. 금속성 전도체의 장점은 단위 질량당 밀도 및 가격으로 나눈 높은 전도율(cm2/ohm*s)을 갖는 것이다. 연료전지의 전형적인 부식 환경, 금값, 고전도성 및 불활성까지 견딜 수 있는 가격면에서 가장 효율적인 전기전도체를 조사할 경우에는 백금의 거의 4배의 장점을 제공하여야 한다. 백금 금속 군에서의 여러 가지 다른 전도체로서는 루테늄2600, 팔라듐1900, 금1500, 이리듐900 및 백금390(cm2/ohm*s)이 있다. 루테늄은 원소의 백금 군중 가장 우수한 장점을 갖지만 유연성과 표면 산화 가능성이 낮음으로 금보다는 좋지 않다. 수화에 기인한 균열을 회피하기 위하여 다른 재료와의 결합시 팔라듐은 효율적인 금속 전도체로서 연구되었다. 팔라듐은 또한 수소 투수성 전극 및 전도체로서 유리하게 이용된다. 금의 고전도성은 연료전지 코팅을 전극의 활성 표면적의 손실이 거의 없이 매우 얇게 하도록 한다. 금막은 수소에 대한 저 투수성 때문에 수소 확산 장벽으로서 이용된다. 이러한 성질은 연료 확산 누출이 대부분 에너지 손실 메커니즘인 경우 낮은 방전 속도 전지 효율을 향상시키는데 이용된다. 연료전지 전극이 전지로부터 전지 단락까지의 평균 전기 통로를 유지하기 위해서 소형의 크기를 유지할 경우 전지를 형성하는데 필요한 금막이 표면에서 양호한 전도체가 되는 전이점 근처이다. 전이는 5nm 두께의 금 주위에서 발생한다 장점을 위한 기타의 내화 금속은 몰리브덴 654,000, 바나듐463,000, 텅스텐328,000, 티탄늄100,000, 탄탈륨65,000 및 탄소16,000(cm2/ohm*s)이다. Mo2Si3 및 WC와 같은 합금이 고려되었다. 높은 장점을 갖지만 적층이 어려운 이러한 많은 내화 재료는 연료전지 환경에서 붕괴될 수도 있으며 막의 두께가 두껍거나 표면 산화에 의해 접속이 잘되지 않게 된다.
연료전지/배터리 및 또는 전자기기
전원 팩의 전기 시스템은 연료전지에 전기적으로 병렬로 연결되거나 전류 및 전압 조절 장치를 통해 연결된 배터리를 갖도록 배치된다. 배터리 및 연료전지는 전기 전압 및 전류 원에 연결되어 배터리를 충전하고 연료전지의 연료 소비를 줄이거나 가요성 에너지원을 간단히 갖도록 한다. 연료전지의 버전은 제품을 위한 저장 능력과 함께 에너지를 저장하기 위해 연료전지에서의 전기분해를 이용한다. 또한 충전 전압의 외부 응용은 연료전지 촉매 표면을 깨끗하게 유지한다. 최종 제품은 연료나 전기 충전 또는 이들로부터 그의 에너지를 유도하는 전원 장치이다. 충전 원은 DC전원이나 펄스 원일 수도 있다. 광전지는 또한 에너지의 전원으로 이용된다. 다른 개념은 연료전지를 임의의 파형 발생기와 결합하여 유저가 필요로 하는 교류 전류 출력을 발생하도록 하는 것이다. 또 다른 하이브리드 전원 구상은 연료전지의 낮은 연속 출력으로서 플라이휘일에 배력(energize)하여 수요를 충족시키기 위해 전력을 인출하는 것이다. 이것은 가속 및 언덕의 주행시 고출력 요동을 요하는 자동차와 같은 장치에서 잘 작동하지만 요구되는 평균 전력은 요구되는 요동의 일부분에 지나지 않는다.
본 발명의 연료전지 전력 팩의 응용 분야는 무궁무진하다. 전술한 바와 같이 도시되고 설명된 독특한 설계는 휴대폰과 휴대용 무선 송수신기를 위한 전원을 제공하기 위한 것이다. 이들 응용은 니켈 카드늄 배터리를 능가하는 메탄올과 같은 탄화수소 연료의 단위 질량당 높은 비에너지에 의해 10-100배정도로 충전용 배터리를 능가하는 실질적인 향상을 실현한다. 인간에게 안락한 상태에서 동작되는 거의 대부분의 휴대형 전원공급응용기기는 이론적으로 신규의 연료전지 팩키지 내에 일체화된다. 연료전지의 가격과 최대 전력 출력에는 제한이 뒤따르며 산소나 기타의 산화제원을 필요로 한다. 그들이 필요로 할 때까지 연료전지를 보존하기 위해서는 연료전지를 공기 밀봉용기내에 밀봉하는 것을 간단히 함으로써 연료전지로부터 산소를 빼내도록 한다. 본 발명에 따른 신규의 연료전지는 산화 수소 연료전지에 관해 설명되었을지라도 염화 수소 연료전지와 같은 기타의 연료 및 산화제원이 가능함은 물론이다. 구멍이 없는 전극은 염화가스의 확산을 차단하는데 상당한 도움을 준다.
비록 본 발명이 특정의 실시예를 참조하여 기술되었을지라도 본 발명은 하기의 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 수정이 가능함은 물론이다.

Claims (53)

  1. 연료전지장치를 구성함에 있어,
    산소 측 및 연료 측을 구비한 중앙막;
    상기 중앙막의 연료 측 및 산소 측에 각각 위치되며, 중앙막에 적층된 제1연료 촉매막층과, 상기 촉매막층위에 적층된 금속막층, 및 상기 금속막층에 위치된 소수성막층을 갖는 전극들과;
    상기 촉매막층과 중앙막 사이의 공극에 적층된 전해질과;
    상기 전극들 사이에 위치된 수소 투수성의 구멍이 없는 금속막과;
    상기 중앙막은 상기 연료 측에 있는 전극위에 위치된 제1물순환, 연료순환 및 조절막과, 상기 제1물 순환 및 조절막 위에 위치되어 연료 측에 있는 전극에 밀봉된 연료 통로흐름 다기관과, 연료를 상기 연료 다기관과 제1물 순환 및 조절막 사이의 영역으로 전달하기 위해 상기 연료 다기관에 연결된 연료 유압구와, 산소측에 있는 전극의 하측에 위치된 제2물 순환 및 조절막과, 상기 제2물 순환 및 조절막 하측에 위치되어 산소 측에 있는 전극에 밀봉된 산화가스 다기관, 및 산화가스를 상기 산화가스 다기관과 제2물 순환 및 조절막 사이의 영역으로 전달하기 위해 상기 산화가스 다기관에 연결된 산화가스 유입구를 포함하고;
    상기 수소 전극에 연결된 제1전기 접속부와;
    상기 산소 전극에 연결된 제2전기 접속부; 및
    연료전지의 외측 주위로 연장되어 연결된 밀봉 테두리부로 구성됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중앙막은 다공성 유전체막임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료전지에 부착된 연료병을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료전지를 닫기 위한 하우징을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극에 부착되어 전기 에너지를 공급하기위한 에너지원을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 에너지원은 전압 조절 전자기기임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 에너지원은 배터리임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중앙막은 섬유가 보강됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 중앙막은 적어도 2개의 막을 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  10. 제3항에 있어서, 상기 연료병은 연료전지에 연료를 연결하기 위한 바늘삽입체를 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  11. 제3항에 있어서, 상기 연료병으로부터 증발 다기관까지 연료를 빨아내기 위한 증발 다기관을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  12. 제4항에 있어서, 막의 일 측에 형성된 전극을 더 포함하고, 막의 절첩은 연료 측과 산소 측을 형성하며 상기의 전극들이 상호 반대로 위치되어 연료전지를 형성함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 막의 절첩부 사이에 위치된 전해질 및 막을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 막의 절첩부 사이에 위치된 전해질을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 막의 절첩부 내에 위치된 막을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  16. 제2항에 있어서, 전해질 성능을 향상시키기 위하여 상기 다공성 유전체 기판막에는 미시적 기하구조를 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  17. 제1항에 있어서, 분자 종류의 화학적 성질이나 기하학적 설계를 기초하여 이온 전달 부위에 걸쳐 상이한 분자 종류를 선택적으로 차단하기 위해서 상기 전해질에 위치된 추가 부재를 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 연료는 수소를 지니고 있는 화합물임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 연료는 상기 연료 전지 전극에 의해 전자촉매적으로 이용되는 수소를 지니고 있는 화합물임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 연료는 상기 연료 전지 전극에 도달하기 전에 재형성됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 연료 및 산소 전극 사이에 위치된 수소 투수성 구멍이 없는 금속막은 상기 연료전극에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 연료 및 산소 전극 사이에 위치된 수소 투수성 구멍이 없는 금속막은 상기 산화제 전극에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 다공성 기판에는 다중 전극 및 전해질 층을 갖는 전극을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  24. 제1항에 있어서, 전지의 전기 분리부를 위해 상기 막의 표면에 형성된 적층을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 적층은 잉크젯 인쇄 적층을 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 적층은 페인트를 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 적층은 화학적 증착, 감광법, 진공증착 또는 전자화학 증착을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나의 방법에 의해 적층된 증기를 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  28. 제1항에 있어서, 상기 전극의 펄스선명도를 위해 상기 연료전지에 전기적으로 연결되어 연료전지의 성능을 유지하며, 연료전지의 동일 또는 반대 극성으로 전압을 변화시키기 위한 전압 조절 전자기기를 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  29. 제1항에 있어서, 배터리에 결합되도록 한 외형을 가지며 종래에 사용하는 배터리와 일치하기 위한 전기적인 외형을 갖는 연료전지를 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  30. 제1항에 있어서, 상기 연료전지는 내측에 연료가 들어 있고 외측에는 공기가 들어 있는 박형 가방(Thin Bag)임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 가방에는 후면 막을 더 포함하여 배출 가스를 외부로 확산시키고 연료 가스를 유지토록 함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  32. 제1항에 있어서, 상기 연료전지는 적어도 2개의 연료전지 조립체가 뒷면 붙임됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  33. 제2항에 있어서, 상기 연료병은 연료를 교환할 수 있도록 밀봉된 앰풀임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  34. 제2항에 있어서, 상기 연료전지의 전압 및 전류 출력을 조절하여 교류, 임의의 파동함수 및 정전압을 포함한 소정의 전압 및 전류 특성을 발생시키기 위한 전자기기를 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  35. 제1항에 있어서, 상기 구멍이 없는 금속막에 의해 분리된 적어도 2개의 상이한 전해질을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  36. 제1항에 있어서, 상기 구멍이 없는 금속막은 상기 기판의 구멍을 막기 위해 다공성 기판에 적층된 적어도 1개의 재료 막을 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  37. 제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 막은 전이 소자의 주기율표로부터 적어도 1개의 전이 소자를 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  38. 제1항에 있어서 상기 연료전극을 형성하는 적어도 2개의 전극을 더 포함하되, 각각의 전극은 기저 전극과 표면 모사 전극을 포함하고, 상기 전극은 스퍼터링, 진공증착, 분말 잉크 분사, 복사, 저압 가스 증착, 화학 증착, 전기 도금, 사진평판(photolithography)이나 공증착재료의 증착 기술로 형성됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  39. 제1항에 있어서, 상기 연료전지는 전자 제품을 구동하는데 이용됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 전자 제품은 휴대폰, 휴대용 라디오, 휴대용컴퓨터(노트북), 페이져, 휴대용 음향 기기, 보청기, 의료기기나 휴대용 전자 제품으로 군에서 선택됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  41. 제36항에 있어서, 상기 다공성 기판 재료는 측방향 압지(Boltting) 대신에 수직적으로 잉크와 용제를 재료 내에 인출하여 사용함으로써 재료의 평면에 대해 수직적으로 향하는 다공성을 가짐을 특징으로 하는 연료전지장치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 잉크를 가진 재료는 용제로서 분말임을 특징으로 하는 연료전지장치.
  43. 제41항에 있어서, 상기 재료는 기판에 전달된 후 전극막으로 변화되는 물질을 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  44. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 전해질을 통해 측방향 전도를 방지하고 전기단락을 방지하기 위해 정렬됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  45. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 상이한 전위를 갖는 단일 막에서 양옆으로 나란하게 2극이 아닌 연료전지를 직렬 연결한 전지를 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  46. 제45항에 있어서, 상기 전해질은 측방향으로부터의 연료 전지 전극 성능에 영향을 주는 구멍이 없는 막 핀홀 결함을 한정하기 위해 정렬됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  47. 제1항에 있어서, 상기 연료전지로 유입되는 공기의 습도를 조절하고 가열하기 위한 물 및 열역류 열 교환을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  48. 제1항에 있어서 상기 전극은 전도체 금속을 최적으로 사용하기 위해 경사진 두께를 가짐을 특징으로 하는 연료전지장치.
  49. 제1항에 있어서, 상기 연료 탱크로부터 액체 연료를 빨아내고 심지로부터 연료를 증발시키며 연료전지의 연료를 응축하기 위한 심지를 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  50. 제1항에 있어서, 상기 연료는 탄화수소 전기 촉매 산화 및 연료전지에 대한 수소의 방출을 위해 물과 탄화수소의 스토우어치오미터식(stoichiometric)혼합물을 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  51. 제31항에 있어서, 상기 연료는 메탄올과 물의 1:1 몰 혼합물을 포함하고, 배출되는 이산화탄소 생성물은, 이산화탄소에 대해서는 투수성이며 메탄올과 물에 대해서는 불 투수성인 막을 통해 가스로서 배출됨을 특징으로 하는 연료전지장치.
  52. 제1항에 있어서, 선택된 분자 종류를 제외하고 다른 분자 종류들은 통과시키기 위해 연료 전지 전극에 인접한 선택적인 투수성막을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
  53. 제1항에 있어서, 선택된 분자 종류를 제외하고 다른 분자 종류들은 통과시키기 위해 가스 다기관의 일부로서 형성된 선택적인 투수성막을 더 포함함을 특징으로 하는 연료전지장치.
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