KR100746519B1

KR100746519B1 - 층 흐름 유도 역학 전도 인터페이스를 포함하는 전기화학전지, 이 전기화학 전지를 포함하는 전자 장치, 및 그이용 방법

Info

Publication number: KR100746519B1
Application number: KR1020047010946A
Authority: KR
Inventors: 마르코스키래리제이; 무어제프리에스; 리딩조셉더블유
Original assignee: 더 보드 오브 트러스티즈 오브 더 유니버시티 오브 일리노이
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2007-08-07
Also published as: US6713206B2; AU2003202885A1; EP1466378A2; AU2003202885A8; WO2003061037A3; JP2005515602A; US20030134163A1; KR20040101206A; WO2003061037A2; CA2472590A1

Abstract

본원에는 (a) 제1 전극, (b) 제2 전극 및 (c) 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분과 접촉하는 채널을 포함하는 전기화학 전지가 기재되어 있다. 제1 액체가 제1 전극과 접촉하고 제2 액체가 제2 전극과 접촉하여 제1 및 제2 액체가 채널을 통해 흐를 때, 제1 액체와 제2 액체 간에 평행 층 흐름이 형성된다. 또한 이러한 전기화학 전지를 포함하는 전자 장치와 이들의 이용 방법도 기재되어 있다.

Description

층 흐름 유도 역학 전도 인터페이스를 포함하는 전기화학 전지, 이 전기화학 전지를 포함하는 전자 장치, 및 그 이용 방법{ELECTROCHEMICAL CELLS COMPRISING LAMINAR FLOW INDUCED DYNAMIC CONDUCTING INTERFACES, ELECTRONIC DEVICES COMPRISING SUCH CELLS, AND METHODS EMPLOYING SAME}

본 발명은 유도 역학 전도 인터페이스 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 마이크로유체 배터리(micro-fluidic battery), 연료 전지(fuel cell) 및 광전지(photoelectric cell)에 이용하는 층 흐름 유도 역학 전도 인터페이스에 관한 것이다.

대부분의 전기화학 전지의 주성분은 반투과막(semi-permeable membrane) 또는 염다리(salt bridge)이다. 이들 성분의 주기능 중 하나는 상이한 화학 전위를 갖는 용액들 또는 고체들을 물리적으로 분리시키는 것이다. 예컨대, 연료 전지는 일반적으로 반투과막(예컨대, 폴리머 전해질막 또는 PEM)을 포함하는데, 이 반투과막은 이온을 투과시키면서도 애노드 영역과 캐소드 영역을 물리적으로 분리시킨다. 그러나, 이온과 달리, 애노드에서 생성된 전자는 이 반투과막을 투과하지 못하며, 그 대신에 외부 회로를 통해 반투과막을 우회한다. 일반적으로, 반투과막은 사실상 폴리머이며, 그 고유의 화학적 및 열적 불안정성으로 인해 유한 수명을 갖는다. 게 다가, 그러한 반투과막은 일반적으로 고온 고압에서 비교적 열악한 특성을 보이는데, 이 때문에 그 사용 범위가 제한된다.

연료 전지 기술은 수많은 용례의 대체 에너지원으로서 매우 유망하다. 몇몇 종류의 연료 전지가 개발되었는데, 그 예로는 폴리머 전해질막 연료 전지, 직접 메탄올 연료 전지, 알칼리 연료 전지, 인산 연료 전지, 몰텐 카보네이트 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지 등이 있다. 몇몇 연료 전지를 비교해 보려면, Sharon Thomas와 Marcia Zalbowitz의 "Fuel Cells: Green Power"라는 제목의 Los Alamos National Laboratory의 전공 논문 LA-UR-99-3231을 참조하라. 그 전체 내용은 본원과 일치하지 않는 개시 또는 정의가 있는 경우에 그 개시 또는 정의를 보편적인 것으로 간주하는 것 외에는 본원에 참조용으로 편입한다.

비록 모든 연료 전지가 유사한 원리로 동작하지만, 그 물리적인 성분, 화학적 성질, 동작 온도는 매우 다르다. 예컨대, 동작 온도는 실내 온도에서부터 대략 1000 ℃까지 다르다. 모바일 용례(예컨대, 차량 및/또는 휴대형 마이크로전자 장치의 전원)의 경우에는, 시동이 빠르고, 경량이고, 저가이면서, 전력 밀도가 높은 연료 전지가 요구된다. 현재까지는, 그러한 용례에는 동작 온도가 낮고(예컨대 60-120 ℃) 시동이 빠르다는 고유의 능력을 가진 폴리머 전해질 연료 전지(PEFC)가 최선책이었다.

도 1은 폴리머 전해질 연료 전지(2)의 단면 개략도이다. PEFC(2)는 전도체로서의 역할을 하는 표면적이 큰 애노드(4)와, 애노드 촉매(6)(일반적으로 백금 합금)와, 전도체로서의 역할을 하는 표면적이 큰 캐소드(8)와, 캐소드 촉매(10)(일반 적으로 백금)와, 폴리머 전해질 연료 전지의 고체 전해질로서의 역할을 하는 폴리머 전해질막(PEM)(12)을 포함한다. PEM(12)은 애노드(4)와 캐소드(8)를 물리적으로 분리시킨다. 기체 및/또는 액체 연료(일반적으로 수소 또는 알코올)는 애노드 촉매(6)로 이끌려 산화됨으로써, 연료가 수소인 경우에는 양자 및 전자가 생성되고, 연료가 알코올인 경우에는 양자, 전자 및 이산화탄소가 생성된다. 전자는 외부 회로(16)를 통해 캐소드(8)로 흐르는데, 이 때 공기, 산소 또는 수성 산화체(예컨대 과산화물)가 계속해서 공급된다. 애노드(4)에서 생성된 양자는 PEM(12)을 통해 캐소드(8)로 선택적으로 확산되는데, 이 때 캐소드 촉매(10)에 양자 및 전자가 존재할 때에 산소가 환원되어 물이 생성된다.

종래의 PEFC에 이용되는 PEM은 일반적으로 듀퐁(DuPont)(미국 노스 캘리포니아주 패예트빌 소재)에서 개발한 NAFION™이라는 재료와 같이, 술폰산 측쇄기를 갖는 퍼플루오르화된 폴리머로 구성된다(참조: Fuel Cell Handbook, Fifth Edition by J. Hirschenhofer, D. Stauffer, R. Engleman, and M. Klett, 2000, Department of Energy-FETL, Morgantown, WV; and L. Carrette, K. A. Friedrich, and U. Stimming in Fuel Cells, 2001, 1(1), 5). PEM은 촉매 지지 재료, 양자 전도층, 그리고 연료 스트림과 산화체 스트림 간의 혼합을 방지하는 물리적인 장벽으로서의 역할을 한다. 이들 두 공급체가 혼합된다면, 전자가 직접 이동하여 효율이 저하되는데, 그 이유는 원하는 전기 에너지에 반하여 혼합된 전위 및/또는 열 에너지가 생성되기 때문이다.

연료 전지를 저온에서 동작시키는 것은 반드시 이로운 것만은 아니다. 예컨 대, 연료에 불순물로서 또는 알코올의 불완전한 산화 생성물로서 존재할 수 있는 일산화탄소(CO)는 대략 150 ℃ 이하의 온도에서 백금 촉매와 강하게 결합하여 그 백금 촉매의 기능을 저하시킨다. 그러므로, 연료 스트림에서 CO 레벨을 낮게 유지하거나 제거하여야 하며, 또는 연료가 애노드에서 이산화탄소로 완전히 산화되어야 한다. 현재까지 그 방책으로는 (예컨대 추가의 정화 단계를 통해) 불순물을 제거하거나, CO에 내성이 강한 전극(예컨대 백금 합금)을 제조하는 것이었다. 수소 기체의 안전한 저장 및 이송이 어렵고, 수소 기체의 체적 당 에너지 밀도가 액체 연료에 비해 낮을 뿐만 아니라, CO에 내성이 강한 애노드 마련에 있어서 기술이 향상된 점에서, 액체 연료가 모바일 전원에는 최선책이었다.

수많은 액체 연료가 이용 가능하지만, 그럼에도 불구하고, 메탄올이 연료 전지 용례에 각별히 중요한 것으로서 대두되었다. 도 2는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)를 나타내는 단면 개략도이다. DMFC의 전기화학적 반쪽 반응은 다음과 같다:

도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지는 메탄올 연료를 직접 이용함으로써, 예비 변환 단계를 필요로 하지 않는다. 모바일 전원(저에너지) 용례에서의 전기 에너지의 생성에 있어서 DMFC에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나, 현재에는 몇 가 지 기본적인 제한 사항이 DMFC의 개발과 상용화를 저해하고 있다.

DMFC와 관련된 주된 문제점 중 하나는 연료 공급체(즉, 메탄올)와 산화체 공급체(즉, 산소)를 분리시키는 반투과막이 일반적으로 기체 수소 연료 공급체와 함께 이용하도록 개발된 종류의 폴리머 전해질막(PEM)이라는 점이다. 일반적으로, 이러한 PEM은 메탄올에 대한 불침투성이 충분하지 못하다. 그 결과, "메탄올 크로스오버"로서 알려진 원하지 않는 일이 발생되어, 메탄올이 애노드로부터 반투과막을 통해 캐소드로 이동하게 된다. 고유의 연료 낭비 이외에도, 메탄올 크로스오버는 캐소드에서의 탈분극 손실(혼합 전위)을 유발하여, 일반적으로 전지 성능 저하를 초래한다.

그러므로, 상용 가능한 휴대형 전원으로서 DMFC의 유망한 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는, 메탄올 크로스오버의 문제점을 해결해야만 한다. 게다가, 전지 효율 증가, 제조 비용 절감, 전지 수명 연장, 전지 크기/무게 감소 등의 개선도 요구된다. 상당한 연구 노력에 불구하고, 이들 문제점은 계속 남아 DMFC 기술의 개발 및 상용화를 저해하고 있다.

전술한 메탄올 크로스오버의 문제점을 해결하기 위한 연구가 이미 상당히 이루어지고 있다. 일반적으로 애노드에서의 메탄올 소비율을 증가시키고, 캐소드로의 메탄올 확산률을 감소시키려는 것에 해결책을 집중시키고 있다(참조: A. Heinzel, and V. M. Barragan in J. Power Sources, 1999, 84, 70, 본원에 참조). 애노드에서의 메탄올 소비율을 증가시키는 방책으로는 촉매 부가를 증가시키는 것(즉, 더 넓은 표면적 제공), 촉매 활성도를 증가시키는 것(즉, 효율 증가), 동작 압력 및/ 또는 온도를 올리는 것 등이 있다. 캐소드로의 메탄올 확산률을 감소시키는 방책으로는 메탄올 농도를 감소시키는 것, 더 두꺼운 NAFION막을 제조하는 것, 메탄올에 대한 투과성이 낮은 새로운 양자 전도 재료를 합성하는 것, 전지 동작 온도를 낮추는 것, 메탄올에 내성이 강한 캐소드를 제조하는 것 등이 있다. 그러나, 현재까지는 DMFC 기술에 있어서 상당한 제조 비용 절감, 전지 효율 증가, 전지 수명 연장, 전지 크기/무게 감소 등이 요구된다.

본 발명의 범위는 첨부한 청구 범위에 의해서만 규정되며, 이 개요 부분에 의해서는 전혀 영향을 받지 않는다.

제1 형태에 있어서, 본 발명은 (a) 제1 전극과; (b) 제2 전극과; (c) 상기 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분과 접촉하는 채널을 포함하며, 제1 액체가 상기 제1 전극과 접촉하고 제2 액체가 상기 제2 전극과 접촉하여 상기 제1 및 제2 액체가 상기 채널을 통해 흐를 때, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체 간에 평행 층 흐름이 형성되고 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 전기화학 전지를 제공한다.

제2 형태에 따르면, 본 발명은 전술한 전기화학 전지를 포함하는 장치를 제공한다.

제3 형태에 따르면, 본 발명은 전술한 전기화학 전지를 포함하는 휴대형 전자 장치를 제공한다.

제4 형태에 따르면, 본 발명은 전술한 전기화학 전지를 동작시키는 것을 포함하는 전류 발생 방법을 제공한다.

제5 형태에 따르면, 본 발명은 전술한 전기화학 전지를 동작시키는 것을 포함하는 물 생성 방법을 제공한다.

제6 형태에 따르면, 본 발명은 제1 액체와 제2 액체를 평행 층 흐름으로 채널을 통해 흐르게 하는데, 상기 제1 액체가 제1 전극과 접촉하고 상기 제2 액체가 제2 전극과 접촉하며, 상기 제1 및 제2 전극에서 각각 상보성 반쪽 전지 반응이 일어나고, 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 전기 발생 방법을 제공한다.

제7 형태에 따르면, 본 발명은 제1 전극과 제2 전극을 포함하며, 막 투과 없이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 이온이 이동하고, 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 연료 전지를 제공한다.

제8 형태에 따르면, 본 발명은 제1 전극과 접촉하는 연료를 포함하는 제1 액체와, 제2 전극과 접촉하는 산화체를 포함하는 제2 액체와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리시키는 막을 포함하는 연료 전지에 있어서, 상기 막을 상기 제1 및 제2 액체의 평행 층 흐름으로 대체하고, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체에 각각 공통 전해질을 제공한 것인 연료 전지를 제공한다.

제9 형태에 따르면, 본 발명은 (a) 표면을 갖는 서포트와; (b) 상기 서포트의 표면에 접속되는 제1 전극과; (c) 상기 서포트의 표면에 접속되고 상기 제1 전극에 전기 결합되는 제2 전극과; (d) 상기 서포트의 표면에 접속되고 상기 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분의 주위에 부분적인 엔클로져를 형성하는 스페이서와; (e) 상기 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분과 접촉하고, 상기 서포트의 표면과 상기 스페이서에 의해 규정되는 마이크로채널을 포함하며, 제1 액체가 상기 제1 전극과 접촉하고 제2 액체가 상기 제2 전극과 접촉할 때, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체 간에 평행 층 흐름이 형성되고 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 전기화학 전지를 제공한다.

본원에 기재한 바람직한 실시예는 다른 장치 및 방법에 비해 다음과 같은 하나 이상의 이점을 갖는다(이것으로 한정하지 않음): 비용 절감; 전지의 수명 증가; 전지의 내부 저항 감소; 메탄올 크로스오버 또는 캐소드 오염의 감소 또는 제거; 산화체 스트림으로 크로스오버되는 나머지 메탄올을 연료 스트림으로 재순환시킬 수 있는 능력; 막의 무결성을 손상시키지 않고 온도 및/또는 압력에 비례하여 반응 운동을 증가시킬 수 있는 능력; 고효율이고 저비용이며 경량인 전지를 제조할 수 있는 능력.

도 1은 폴리머 전해질 연료 전지를 나타내는 단면 개략도.

도 2는 직접 메탄올 연료 전지를 나타내는 단면 개략도.

도 3은 유체 흐름 형태를 나타내는 개략도.

도 4는 입력 스트림 기하 구조와 유체 흐름 형태 간의 관계를 나타내는 개략도.

도 5는 마이크로유체 흐름 채널 기하 구조와 유체 흐름 형태 간의 관계를 나타내는 개략도.

도 6은 확산 기반 마이크로추출기를 나타내는 개략도.

도 7은 층 흐름 유도 역학 인터페이스를 포함하는 직접 메탄올 연료 전지를 나타내는 개략도.

도 8은 나란한 마이크로유체 채널 구성과 직면 마이크로유체 채널 구성을 나타내는 개략도.

도 9는 본 발명에 따른 층 흐름 연료 전지를 나타내는 투시도.

도 10은 도 9에 도시한 연료 전지의 확대 투시도.

도 11은 구리-아연 층 흐름 연료 전지의 전류 대 전압 플롯.

도 12는 백금-백금 층 흐름 연료 전지의 전류 대 전압 플롯.

전술한 다수의 문제점들을 해결하는 혁명적인 전지 설계 패러다임을 발견하였는데, 이것은 PEM을 완전히 제거하는 것이다. 본 발명에 따른 전기화학 전지는 막을 필요로 하지 않음으로써, 종래의 막에 고유한 제한 사항들에 속박되지 않는다. 그 대신에, 이온을 막을 투과하지 않고 어느 한 전극으로부터 다른 전극으로 이동시킬 수 있는 매커니즘을 개발하였는데, 이것은 연료 스트림과 산화체 스트림의 혼합을 방지하면서도 양자의 전도를 가능하게 한다. 이러한 매커니즘은 이하 더 상세하게 설명하겠지만, 층 흐름 유도 역학 전도 인터페이스의 형성을 필요로 한다.

본원 명세서 및 청구 범위 내에서, 용어 " 전기화학 전지"는 기전력의 위치에서 매우 일반적인 의미로 이해되어야 한다(다음의 문헌에서 정의됨: Fundamentals of Physics, Extended Third Edition by David Halliday and Robert Resnick, John Wiley & Sons, New York, 1988, 662 ff.). 용어 "전기화학 전지"는 갈바니 전지(galvanic cell)(즉, 볼타 전지(voltaic cell))와 전해질 전지 모두를 나타내며, 배터리, 연료 전지, 광전지(photovoltaic cell), 열전대(thermopile), 전기 발전기, 정전기 발전기, 태양 전지 등의 의미를 포함한다. 또한, 본원 명세서 및 청구 범위 내에서, 용어 "상보성 반쪽 전지 반응(complementary half cell reaction)"은 전기화학 전지에서 일어나는 산화 및 환원 반응의 매우 일반적인 의미로 이해되어야 한다.

이상적으로, DMFC의 구조적인 구성 요소들은 다음과 같은 특징을 갖는다. 막은 (1) 거친 산화/환원 환경에 대한 내성을 가져야 하고, (2) 기계적인 인성(toughness)을 가져야 하며, (3) 고온 및 고압(예컨대, 0-160 ℃ 및 1-10 atm)에 대한 내성을 가져야 하고, (4) 모든 동작 조건하에서 메탄올에 대한 불침투성을 가져야 하며, (5) 최소 옴 저항과 질량 수송 손실로 양자를 전도해야 하고, (6) 경량의 저렴한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 애노드와 캐소드는 모두 바람직하게는 (1) 높은 촉매 활성도를 보여야 하고, (2) 표면적이 커야 하며, (3) 최소량의 귀금속을 필요로 해야 하고, (4) 제조가 용이해야 한다. 게다가, 애노드는 일산화탄소에 대한 내성을 가져야 하고, 캐소드는 필요하다면 메탄올에 대한 내성을 갖는 것이 바람직하다. 통합 연료 전지 어셈블리는 바람직하게는 그 자체가 (1) 이동 부품이 적어야 하고, (2) 외부 냉각 시스템을 필요로 하지 않아야 하며, (3) 연료 변환기나 정화기를 필요로 하지 않아야 하고, (4) 내구성의 저렴한 부품들로 구성되어야 하며, (5) 제조가 용이해야 하고, (6) 연료 전지 스택으로의 통합이 용이해야 하며, (7) 에너지 변환 효율이 높아야 한다.

현재까지는 전술한 특성들을 모두 잘 갖춘 단일 연료 전지 설계는 없었다. 그러나, DMFC로부터 PEM을 완전히 제거하고, 시스템을 마이크로유체 규모의 기능으로 재설계함으로써, 전술한 특성들 중 하나 이상을 달성할 수 있다는 것을 발견하였다. PEM을 제거할 경우에는, 연료 스트림과 산화체 스트림의 혼합을 방지하면서도 양자의 전도를 가능하게 하는 매커니즘이 요구된다. 이러한 매커니즘은 이하 더 상세하게 설명하겠지만, "평행 층 흐름"으로서 알려진 현상에 의한 마이크로유체 흐름 채널에 형성될 수 있는데, 이로써 두 액체 스트림은 물리적인 장벽 또는 막 없이도 혼합되지 않고, 물리적으로 접촉하여 나란히 흐르게 된다(이로써 양자의 전도가 가능하게 된다). 이들 두 액체는 혼합될 수 있는 것이거나 혼합될 수 없는 것일 수 있다. 스트림 분리 및 양자 수송을 위한 물리적인 막을 연료 전지로부터 제거함으로써, 제조 비용이 상당히 절감되고 연료 전지의 효율 및 다기능이 증가된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 유체 흐름은 층 흐름(laminar flow)과 난 흐름(turbulent flow)으로 분류될 수 있다. 안정된 또는 층 흐름(도 3의 (a))의 경우, 소정의 지점에서 유체의 속도는 시간에 따라 변하지 않는다(즉, 뚜렷한 흐름선들이 있다). 난 흐름(도 3의 (b))의 경우, 소정의 지점에서 유체의 속도는 시간에 따라 변한다. 층 흐름과 난 흐름은 모두 자연계에서 일어나는데, 난 흐름은 일반적으로 매크로 규모에서 두드러지고, 반면에 층 흐름은 일반적으로 마이크로유체 규모에서 두드러진다.

유동하는 유체의 유동 스트림의 상대적 난성(turbulence)의 지표는 레이놀즈 수(R_e)로서 알려진 무차원 수로서 표현될 수 있다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비로서 정의되며, 다음과 같이 표현될 수 있다:

여기서 L은 대표적 길이(meter)를, ρ는 유체 밀도(gram/㎤)를, v는 선속도(meter/sec)를, μ는 유체의 점성률(gram/(sec)(cm))이다.

소정의 기하 구조에서 변천하는 R_e의 임계값이 있는데, 그 값을 초과하면 난 흐름이 되고 그 값의 미만인 경우에는 층 흐름이 된다. 일반적인 유체 장치에 있어서, 층 흐름에서 난 흐름으로의 변천은 실험적으로 R_e = 2,300 정도에서 일어나는 것으로 판정된다. 특정 기하 구조에서 R_e를 계산하는 공식은 잘 알려져 있다(참조: Micromachined Transducers: Sourcebook by G. T. A. Kovacs, McGraw-Hill, Boston, 1998). 어떤 마이크로채널 기하 구조의 경우에는, 흐름이 엄격히 층을 이루어, 혼합 가능한 두 스트림이 혼합되지 않는다. 그러나, 도 4에 도시한 바와 같이, 입력 스트림의 기하 구조는 난성과 혼합에 커다란 영향을 미칠 수 있다. T 접합(도 4의 (a))은 혼합 가능한 두 스트림이 서로 층 흐름을 이루어, 난 흐름의 혼합 없이 유지된다. 이와 달리, 화살형 접합(도 4의 (b))에서 두 스트림이 유입되면 난 흐름이 형성되고 따라서 서로 혼합된다.

입력 스트림 기하 구조가 유체 흐름의 형태에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 마이크로유체 채널의 기하 구조 또한 영향을 미칠 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 각종 채널 형태의 혼합률을 조사하였다(참조: J. Branebjerg, B. Fabius, and P. Gravesen, "Application of Miniature Analyzers from Microfluidic Components to μTAS," in Proceedings of Micro Total Analysis Systems Conference, Twente, Netherlands, Nov. 21-22, 1994, edited by A. van den Berg and P. Bergveld, pp 141-151). (누른 빛을 띤) 브로시몰 블루(brothymol blue)를 어느 한 입력 포트에 주입하고 NaOH를 다른 입력 포트에 주입하였다. 그 혼합은 암청색 생성물의 형성으로 알 수 있다. 그 결과, 모난 돌출부에서 난 흐름이 일어나고, 유체가 지그재그형 채널의 3분의 1 정도를 통과했을 때에는 완전히 혼합된다(도 5의 (b)). 그러나, 직선 채널에서 가능한 유일한 혼합 형태는 확산인데, 동일한 유량에서는 혼합이 관찰되지 않았다(도 5의 (a)).

혼합률에 영향을 미치는 것은 단지 기하 구조만이 아니다. 용액의 체류 시간 또는 유량 또한 영향을 미칠 수 있다. 입자가 소정의 거리를 확산하는 평균 시간은 그 거리의 제곱에 비례한다. 확산 시간 스케일(T_d)은 다음과 같이 표현될 수 있다:

여기서 L은 관련 혼합 길이(micrometer)를, D는 확산 계수를 나타낸다. 소정의 분자의 확산률은 일반적으로 그 크기에 따라 결정된다. 일부 공통의 분자들에 대한 확산 계수의 표를 아래 표 1에 나타내었다(참조: J. P. Brody, and P. Yager, "Diffusion-Based Extraction in a Microfabricated Device," Sensors and Actuators, Jan., 1997, A58, no. 1, pp. 13-18). 이 표로부터 알 수 있는 바와 같 이, 양자(H⁺)는 실온의 물에서 확산 계수가 가장 크다.

수용액 분자	분자량 (AMU)	실온의 물에서 확산 계수 (μ㎡/sec)
H⁺	1	9,000
Na⁺	23	2,000
O₂	32	1,000
글리신	75	1,000
헤모글로빈	6X10⁴	70
미오신	4x10⁵	10
담배 모자이크 바이러스	4x10⁷	5

분자의 농도 또는 구성이 다른 두 유체를 단일 채널에서 서로 평행하게 흐르게 한 경우에, 확산 계수의 차에 기초하여 분자를 추출할 수 있다. 예컨대, 도 6에 도시한 바와 같이, 채널 치수, 유량, 그리고 두 스트림 접촉 지속 시간을 제어하여 혈액 플라즈마로부터 Na⁺을 추출할 수 있고, 이와 같이 하여 연속적인 마이크로추출기를 생성한다(참조: Brody reference, vide supra).

혼합 가능한 두 액체 스트림 간의 평행한 층 흐름이 종래의 장치의 PEM 또는 염다리를 완전히 대체하는 초박 역학 전도("반투과성") 인터페이스(이하 "유도 역학 전도 인터페이스" 또는 "IDCI")를 유도한다는 것을 발견하였다. IDCI는 용해된 종과 흐름 채널의 치수에 따라 상당한 흐름 거리 및 체류 시간 이상을 농도 기울기를 유지할 수 있다.

본 발명의 특징을 구현한 전기화학 전지는 (a) 제1 전극, (b) 제2 전극 및 (c) 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분과 접촉하는 채널을 포함한다. 제1 액체가 제1 전극과 접촉하고 제2 액체가 제2 전극과 접촉하여 제1 및 제2 액체가 채널을 통 해 흐를 때, 제1 액체와 제2 액체 간에 평행 층 흐름이 형성되고 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성된다.

본 발명의 특징을 구현한 흐름 전지 설계는 일반적으로 전기화학 전지, 특히 연료 전지(특히 DMFC)에 새로운 패러다임을 도입하였다. 도 7에는 PEM을 필요로 하지 않아 종래의 PEM에 의한 몇 가지 제한 사항에 속박되지 않는 본 발명의 특징을 구현한 연료 전지(20)가 도시되어 있다. 이러한 설계에서는, 연료 입력(22)(예컨대 MeOH 및 양자원을 함유한 수용액)과 산화체 입력(24)(예컨대 용해된 산소 또는 과산화수소 및 양자원을 함유한 용액)이 모두 액체 상태로 존재한다. 두 용액을 마이크로채널(26)에 주입함으로써, 평행 층 흐름이 유체가 유동하는 동안 유지되는 역학 양자 전도 인터페이스(28)를 유도한다. 두 유체의 유량이 일정하게 유지되고 채널의 하면 및/또는 상면에 전극이 적절히 퇴적되면, 애노드(30)와 캐소드(32) 간에 IDCI가 형성된다. 애노드(30)에서 양자가 생성되어 캐소드(32)에서 소모될 때 두 스트림 간에 양자 기울기가 형성되어 빠른 양자 확산이 전지의 회로를 완성한다. 이 경우, IDCI는 두 용액의 혼합을 방지하고 확산에 의한 빠른 양자 전도를 가능하게 하여 회로를 완성한다.

바람직하게는, 연료를 함유한 액체와 산화체를 함유한 액체는 각각 공통 전해질, 바람직게는 양자원(예컨대 브뢴스테드 산)을 함유한다. 이들 외부로부터 공급된 양자 중 일부는 캐소드에서 일어나는 반쪽 전지 반응에서 소모될 수 있다. 이와 같이, 연료 스트림으로부터 산화체 스트림으로 양자를 수송하는 순수 확산에 대한 의존을 피할 수 있고, 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도를 달성할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 특징을 구현한 전기화학 전지는 적어도 0.1 ㎃/㎠, 바람직하게는 적어도 1 ㎃/㎠, 더 바람직하게는 적어도 2 ㎃/㎠의 전류 밀도를 생성한다. 현재 양호한 실시예에 따르면 27 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성된다. 본 발명의 특징을 구현한 전기화학 전지에 의해 생성되는 전류 밀도를 한정하는 것은 바람직하진 않지만, 전지에 의해 생성되는 전류 밀도는 특정 용례의 요구 사항에 실질적으로 부합되는 것이 바람직하다. 예컨대, 본 발명의 특징을 구현한 전기화학 전지를 약 10 ㎃/㎠의 전류 밀도를 요구하는 셀룰러폰에 이용하는 경우에, 그 전기화학 전지는 적어도 이 요구에 부합하기에 충분한 전류 밀도를 생성하는 것이 바람직하다.

도 7에 도시한 설계의 이점은 다음과 같다(이것으로 한정하지 않음): PEM 제거로 인한 비용 절감; 계속적인 IDCI 재생(마멸되거나 없어지지 않음)으로 인한 전지의 수명 증가; IDCI의 무한 가늚으로 인한 전지의 내부 저항 감소; 적절한 설계시 캐소드의 다운스트림에서만 확산이 일어나므로 메탄올 크로스오버 또는 캐소드 오염의 감소 또는 제거; 산화체 스트림으로 크로스오버되는 나머지 메탄올을 연료 스트림으로 재순환시킬 수 있는 능력; IDCI의 무결성을 손상시키지 않고 온도 및/또는 압력에 비례하여 반응 운동을 증가시킬 수 있는 능력; 전지 치수, 유량, 연료(농도 및 구성), 산화체(농도 및 구성), 그리고 전극(표면적, 활성도 및 화학적 구성)을 최적화하여 고효율이고 저비용이며 경량인 전지를 제조할 수 있는 능력.

최적 전지 설계시, 메탄올은 산화체 스트림으로 확산되기 전에 완전히 소모된다. 이것은 연료 주입기나 유량 감시기에 연결한 메탄올 센서로 메탄올의 농도를 제어함으로써 가능하다. 대안으로, 메탄올에 대해서는 매우 낮은 친화력을 갖고 산소 및 이산화탄소에 대해서는 높은 친화력을 갖는 물과 혼합되지 않는 산화체 유체 스트림을 도 7에 도시한 층 흐름형 전지에 사용할 수 있다. 이러한 유체군 중 적어도 하나(즉, 영국 프레스턴에 소재한 F2 Chemicals Ltd.로부터 입수 가능한 퍼플루오로데카린(Perfluorodecalin)과 같은 퍼플루오르화된 유체)가 의약 용례의 호흡형 유체에 성공적으로 이용되었다. 이들 유체는 산소에 대해서는 매우 높은 친화력을, 메탄올 및 물에 대해서는 매우 낮은 친화력을 보인다. 이들 유체는 화학적으로 불활성이고 열적으로 안정성이다. 이들 유체를 NAFION이나 다른 양자원으로 도핑하면, 양자가 전도된다. 이와 같이, 메탄올이 수성 연료 스트림에만 용해되기 때문에, 물과 혼합되지 않는 산화체 유체 스트림으로 메탄올이 크로스오버되는 원하지 않는 문제가 제거된다. 게다가, 두 액체가 모두 우수한 열 교환기의 역할을 하기 때문에, 외부 냉각 시스템을 필요로 하지 않는다.

전지 및 전극 치수와 전극 배치는 전지 효율에 영향을 미친다. 도 8은 다른 두 전지 설계를 보여준다. 도 8의 (a)에 있어서, 애노드와 캐소드는 도 7에 도시한 배치와 유사하게 나란히 배치되어 있다. 도 8의 (b)에 있어서는, 애노드와 캐소드가 직면 배치되어 있다. 전지 치수의 최적화는 최적의 층 흐름 조건과 제조가 용이한 채널 치수 및 기하 구조를 상관시키는 컴퓨터 모델링(예컨대 유체 흐름 모델링 프로그램, 마이크로소프트사의 엑셀 소프트웨어 등을 이용)을 통해 달성될 수 있다. 레이놀즈 수의 임계값은 채널 폭, 깊이, 길이, 유량 및 계면 표면적의 관점에서 일련의 전지 설계를 통해 계산될 수 있다. 이와 같이, 최대 전력 출력과 최대 연료 변환을 제공하는 채널 설계를 결정할 수 있다.

전술한 바와 같이 적절한 전극 치수와 전극 배치를 결정하고 나면, 다음에는 서포트(예컨대 소다 석회나 파이렉스 글래스 슬라이드)에 전극을 패터닝한다. 전극은 희생 전극(즉, 전기화학 전지의 동작 중에 소모)이거나, 비희생 전극(즉, 전기화학 전지의 동작 중에 소모되지 않음)일 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서는 비희생 전극으로 한다. 어느 경우든지, 본 발명에 따라 이용되는 전극의 종류는 제한되지 않는다. 메탄올 또는 산소를 산화 또는 환원시키는 촉매와 결합된 전도체가 바람직하다. 적합한 전극은 탄소 전극, 백금 전극, 팔라듐 전극, 금 전극, 전도성 폴리머, 금속, 세라믹 등이 있으며, 이것들에 한정되지 않는다.

전극 패턴은 글래스 슬라이드 및 마스크를 유기 또는 수성 캐리어에 분산되어 있는 금속(바람직하게는 백금) 입자로 스프레이 코팅함으로써 생성될 수 있다. 유기 캐리어에 분산되어 있는 백금 입자로는 바람직하게는 웨일 어패러터스(Wale Apparatus)(미국 펜실베이니아주 헬러타운에 소재)가 LIQUID BRIGHT PLATINUM이라는 상품명으로 판매하는 저렴한 페인트 제품이다. 다음에는 패터닝된 전극을 산소 또는 공기가 존재하는 고온의 오븐에서 베이킹하여 순수 백금의 얇은 전도층을 생성한다. 이러한 기술은 글래스 슬라이드에 얇고, 표면적이 크며, 기계적으로 튼튼하고, 저항이 낮은 백금 전극을 생성할 수 있도록 해준다. 이러한 전극의 일산화탄소에 대한 내성을 높이기 위해서, 화학 기상 증착, 스퍼터링 또는 spontaneous electroless deposition으로서 알려진 기술(참조: A. Wieckowski et al. J. Catalysis, 2001, in press)을 이용하여 루테늄으로 도포할 수 있다.

서포트에 전극을 패터닝한 후에, B. Zhao, J. S. Moore, and D. J. Beebe in Science, 2001, 291, 1023-1026에 개시된 기술을 이용하여 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 평탄하고 저렴하며 정밀한 개시 재료로부터 용이하게 마이크로채널을 구성할 수 있다. 마이크로채널(34)은 상용 가능한 글래스 슬라이드(36)와 커버 슬립(38)으로 구성될 수 있다. 마이크로채널(34)은 자외선 기반의 화학적 내성을 가진 접착제로 밀봉될 수 있다. 자외선 기반의 화학적 내성을 가진 접착제로는 바람직하게는 Norland Products, Inc.(미국 뉴저지주 크랜베리에 소재)가 판매하는 제품인데, 이것은 대부분의 물과 혼합되는 용매에 대해 화학적 내성을 갖는다. 이와 같이 생성된 전지는 화학적 내성을 가지며 단일 채널 층 흐름 DMFC로서 사용될 수 있다.

단일 채널 층 흐름 DMFC를 조립한 후에는, 메탄올의 농도, 양자의 농도, 산화체 구성, 유량 및 온도의 관점에서 전지의 효율을 평가하는 최적의 실험을 수행할 수 있다. 전지 성능의 평가는 전지 전위, 전류 밀도, 피크 전력 및 전력 출력에 기초하여 결정된다. 단일 채널 층 흐름 DMFC는 재사용 가능하므로, 동일한 전지에 대해 다수의 실험을 수행할 수 있다.

연료 및 산화체는 하나 이상의 펌프, 바람직하게는 하나 이상의 고압 액체 크로마토그래피(HPLC) 유체 펌프의 도움으로 흐름 채널에 주입된다. 예컨대, 연료 및 산화체 스트림의 유량은 0.01 mL/min에서 10 mL/min까지 정밀한 유량 변동을 가능하게 하는 2개의 HPLC 펌프로 제어될 수 있다. 이러한 방법은 필요에 따라 불활성 대기, 공기 또는 산소 하에서 일정 온도로 가열되어 유지될 수 있는 연료 및 산화체용 대형 저장기의 사용을 가능하게 한다. 화학적 변환, 전지 효율 및 메탄올 크로스오버를 측정하기 위해서, 유출 스트림을 샘플링하여 기체 크로마토그래피 분석을 행함으로써, 유출 스트림에 대해서 메탄올 존재를 감시할 수 있다. 이와 같이, 단일 채널 층 흐름 DMFC의 최적의 동작 조건을 결정할 수 있다.

전술한 제조 기술을 쉽게 확장하여, 전력 요구가 큰 장치용으로 다채널 층 흐름 DMFC 스택을 구성할 수 있다는 것을 알아야 한다. 마찬가지로, 단일 채널 층 흐름 DMFC의 효율을 최적화하고 측정하는 전술한 방법을 이용하여, 어레이형 다채널 전지 설계의 효율을 최적화하고 측정할 수 있다. 이러한 다채널 전지 설계의 전극들은 최대 전지 전압 및 전류의 파라미터를 조사하기 위해서 직렬 구성과 병렬 구성으로 접속될 수 있다.

단일 채널 층 흐름 DMFC는 충분한 구조적 무결성을 갖는 재료를 이용하여 고온 및/또는 고압에도 견딜 수 있도록 구성될 수 있다. 경량, 기계적 무결성, 고온 안정성, 부식 내성 및 저비용의 관점에서, 그래파이트 복합 재료(Manhattan Scientific에서 DMFC에 이용한 것과 유사)나 세라믹 재료(Los Alamos Nationa Laboratory에서 DMFC에 이용한 것과 유사)를 이용할 수 있다. 또한, 사출 금형 제조에 이용되는 EDM(Electric Discharge Machine) 이용, 마이크로 몰딩, 마이크로 밀링을 포함한 다양한 제조 기술을 이용하여 마이크로채널을 생성할 수 있다. 전극은 전술한 바와 같이 증착될 수 있고, 화학적 불활성 개스킷을 이용하여 전지를 밀봉할 수 있다. 이 개스킷은 예컨대 듀퐁(DuPont)(미국 델라웨어주 윌밍톤 소재)이 TEFLON이라는 상품명으로 판매하는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 플루오로폴리머로 이루어질 수 있다. Manhattan Scientific에서 이용하는 밀봉 기술도 채용 가 능하다. 이러한 단일 채널 층 흐름 DMFC의 효율을 최적화하고 측정하는 것도 전술한 기술을 이용하여 행할 수 있다.

본 발명에 따른 유도 역학 전도 인터페이스를 형성 및 이용하는 방법을 주로 DMFC를 예로 하여 설명하였지만, 본원에 기재한 개념 및 원리는 다른 종류의 연료 전지, 배터리, 광전지 등을 포함한 모든 종류의 전기화학 전지에 대해 일반적인 것임을 알아야 한다.

본 발명의 특징을 구현한 장치를 제조하는 방법과 이러한 장치가 이용되는 프로세스는 전술한 설명과 다음의 대표적인 절차에 의하면 당업자에게는 매우 명확할 것이다. 당업자라면 본원에 기재된 바람직한 실시예를 변형할 수 있고 그것은 첨부한 청구 범위와 그 균등물의 범위 내에 포함된다는 것을 알아야 한다.

예

희생 전극을 이용한 층 흐름 전지

채널을 마이크로 기계 가공하고 이 채널에 평탄한 구리 및 아연 전극(ca. 0.125 x 20 x 3 mm)을 부착한 후 평탄한 표면을 형성함으로써, 이들 전극을 폴리카보네이트 블록에 넣었다. 이들 전극은 크기가 같고 또한 대략 5 mm의 갭을 두고 서로 평행하게 배치하였다. 이 전극 어셈블리의 상부에는 도 11에 도시한 바와 같이 현미경 커버글래스로 구성된 흐름 채널을 조립하였다. 전지는 UV 아교(미국 뉴저지주 크랜베리에 소재한 Norland Products, Inc.)로 밀봉하였고, 입력 어댑터는 상용 가능한 에폭시(미국 코네티컷주 록키 힐에 소재한 Loctite Quick Set Epoxy)로 고착하였다. 전지를 조립한 후에, 2M의 황산구리 및 황산아연의 수용액을 준비하였 다. 먼저 황산아연 용액을 수동 펌프를 이용하여 아연 전극 위에 채널에 주입하였다(이것은 전체 채널을 액체로 채워 기포를 모두 제거함). 다음에 황산구리 용액을 구리 전극 위에 주입하였다. 두 전극 간에 층 흐름이 형성되고, 도 11에 도시한 바와 같이 전류 전압 플롯이 전개되었다. 두 용액의 유량은 두 전극 사이에 유도 역학 전도 인터페이스가 존재하도록 일정하고 서로 동일하게(예컨대 0.1 mL/min) 유지하였다. 유량이 상이하고 반대 스트림이 반대 전극과 접촉한다면, 전지는 쇼트되어 전류를 생성하지 못한다. 이와 같이, 본 발명에 따라, 두 용액의 유량을 유사하게(즉, 약 15 퍼센트 미만의 차, 바람직하게는 약 10 퍼센트 미만의 차, 더 바람직하게는 약 5 퍼센트 미만의 차로) 하는 것이 바람직하다.

비희생 전극을 이용한 층 흐름 전지

채널을 마이크로 기계 가공하고 이 채널에 2개의 백금 전극(ca. 0.125 x 20 x 3 mm)을 부착한 후 전극 표면이 노출된 평탄한 기판을 형성함으로써, 이들 전극을 폴리카보네이트 블록에 넣었다. 이들 전극은 크기가 같고 또한 대략 5 mm의 갭을 두고 서로 평행하게 배치하였다. 이 전극 어셈블리의 상부에는 도 11에 도시한 바와 같이 이중 스틱 테이프와 현미경 커버글래스로 구성된 흐름 채널을 조립하였다. 전지는 밀봉하였고, 입력 어댑터는 상용 가능한 에폭시(미국 코네티컷주 록키 힐에 소재한 Loctite Quick Set Epoxy)로 고착하였다. 다음에, 10% H₂SO₄에 염화철(II)이 용해된 용액(0.6M)과 10% H₂SO₄에 과망간산칼륨이 용해된 용액(0.076M)을 준비하였다. 먼저 염화철(II) 용액을 수동 펌프를 이용하여 백금 전극 위에 채널에 주입하였다(이것은 전체 채널을 액체로 채워 기포를 모두 제거함). 다음에 과망간산칼륨 용액을 주입하여, 두 전극 간에 명백히 층 흐름이 형성되었다. 두 용액의 유량은 두 전극 사이에 유도 역학 전도 인터페이스가 존재하도록 일정하고 서로 동일하게 유지하였다. 가변 저항 및 전위차계를 이용하여 전류 흐름(I)과 전지 전위(V)를 측정하였다. 도 12에 도시한 바와 같이 전류 대 전압 플롯이 전개되었고, 따라서 이 장치가 전기화학 전지로서 기능하고 있다는 것을 확인하였다. 유량은 0.05 mL/min로 유지하였고, 재생률은 양호하였다. 이 데이터에 대한 전력 플롯도 도 12로부터 알 수 있다. 이 전지의 전기화학적 반쪽 반응은 다음과 같다:

모든 생성물 및 반응물이 용액에 남고 공통 전해질을 이용하는 반응의 가능성을 증명하기 위해서 이 특정 화학 반응을 선택하였다. 반응에 있어 전극이 필요하지 않기 때문에, 전극의 수명이 연장되고, 산화체 및 환원체가 공급되는 한은 계속해서 전지가 동작한다. IDCI는 유동하는 중에 끊임없이 재생되기 때문에 수명이 무한하다. 이 특정 반응에 있어서, 어두운 자줏빛의 과망간산염 용액은 고전류 조건 하에서 캐소드에서 무색으로 변하게 되는데, 이것은 전류 흐름을 측정하는 가시적인 수단을 제공한다. 유출 스트림이 자줏빛을 띠면, 산화체가 완전히 소모되지 않았다는 것을 의미한다. 이러한 색 변화는 캐소드 표면(인터페이스 제외)에서만 일어나고, 이온이 전도되는 진정한 층 흐름을 나타낸다. 이러한 기술은 DMFC를 필요로 하는 용례에 직접 적용 가능하다.

본원에 기재한 층 흐름 유도 역학 전도 인터페이스 기술은 배터리, 연료 전지, 광전지 등을 포함한 수많은 전지 시스템에 적용 가능하다. 이러한 기술은 셀룰러폰, 랩톱 컴퓨터, DVD 플레이어, 텔레비전, 팜 파일럿, 계산기, 페이저, 휴대형 비디오 게임기, 리모콘, 데이프 카세트, CD 플레이어, AM/FM 라디오, 오디오 레코더, 비디오 레코더, 카메라, 디지털 카메라, 네비게이션 시스템, 손목 시계 등 휴대형 모바일 연료 전지 시스템에 특히 유용하다. 또한, 이러한 기술은 항공 우주선 등에 이용되는 시스템을 포함하여 자동차 및 항공기 시스템에도 유용하다.

본원의 상세한 설명과 첨부한 청구 범위에 있어서, 단수형으로 나타낸 구성 요소(예컨대, 마이크로채널, 연료 전지, 스페이서, 연료 입력, 산화체 입력 등)는 적용되는 시제에 상관없이 그 하나 또는 복수의 구성 요소를 나타낸다.

분명히, 상기 교시의 견지에서 본 발명에 대한 다양한 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 첨부한 청구 범위의 범위 내에서 본 발명을 본원에 구체적으로 기재한 것과 다르게 구현할 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims

제1 전극과;

제2 전극과;

상기 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분과 접촉하는 채널

을 포함하며,

제1 액체가 상기 제1 전극과 접촉하고 제2 액체가 상기 제2 전극과 접촉하여 상기 제1 및 제2 액체가 상기 채널을 통해 흐를 때, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체 간에 평행 층 흐름(parallel laminar flow)이 형성되고 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 채널은 상기 제1 전극에 인접한 제1 입력과, 상기 제2 전극에 인접한 제2 입력을 포함하는 것인 전기화학 전지.
제2항에 있어서, 상기 제1 액체는 상기 제1 입력을 통해 유입되고, 상기 제2 액체는 상기 제2 입력을 통해 유입되는 것인 전기화학 전지.
제3항에 있어서, 상기 제1 액체는 제1 펌프를 이용하여 상기 제1 입력을 통해 유입되고, 상기 제2 액체는 제2 펌프를 이용하여 상기 제2 입력을 통해 유입되는 것인 전기화학 전지.
제3항에 있어서, 상기 제1 액체는 제1 유량으로 상기 제1 입력을 통해 유입되고, 상기 제2 액체는 제2 유량으로 상기 제2 입력을 통해 유입되며, 상기 제1 유량과 상기 제2 유량은 유사한 것인 전기화학 전지.
제2항에 있어서, 상기 채널은 상기 제1 전극에 인접한 제1 출구와, 상기 제2 전극에 인접한 제2 출구를 더 포함하는 것인 전기화학 전지.
제2항에 있어서, 상기 제1 입력과 상기 제2 입력은 상기 제1 입력을 통해 유입되는 제1 액체와 상기 제2 입력을 통해 유입되는 제2 액체가 평행 층 흐름으로 인터페이스를 따라 물리적으로 접촉하도록 구성되는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체는 메탄올을 포함하고, 상기 제2 액체는 산소를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체 간의 인터페이스의 적어도 일부분을 따라 양자 기울기가 형성되는 것인 전기화학 전지.
제9항에 있어서, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로의 양자의 확산은 주로 상기 제2 전극의 다운스트림에서 일어나는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체는 메탄올을 포함하고, 상기 제2 액체는 과산화수소를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 채널은 직선 흐름 채널 기하 구조(straight flow channel geometry)를 갖는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 오목부를 갖는 표면을 갖는 서포트를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 전극은 각각 상기 제1 및 제2 오목부를 차지하고, 상기 제1 전극의 상부 표면 및 상기 제2 전극의 상부 표면은 상기 서포트의 표면과 평면인 것인 전기화학 전지.
제13항에 있어서, 상기 서포트는 폴리카보네이트를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제13항에 있어서, 상기 서포트는 글래스 슬라이드를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체는 혼합되는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체는 혼합되지 않는 것인 전기 화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서포트 위에 스프레이 코팅되는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 백금을 포함하는 것인 전기화학 전지.
제19항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 루테늄을 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 전기적으로 결합되는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체는 연료를 포함하고, 상기 제2 액체는 산화체를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 액체는 연료를 포함하는데, 그 연료의 농도는 연료 주입기, 유량 감시기, 연료 재순환기, 기체 교환기 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 장치에 결합되는 연료 센서에 의해 제어되는 것인 전기화학 전지.
제23항에 있어서, 상기 연료는 메탄올을 포함하고, 상기 연료 센서는 메탄올 센서를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제2 액체는 산화체를 포함하고, 기체 교환기, 산화체 주입기, 산화체 저장기 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 장치에 기계적으로 결합되는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드를 포함하고, 상기 제2 전극은 캐소드를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 있어서, 상기 전지는 연료 전지를 구성하는 것인 전기화학 전지.
제27항에 있어서, 상기 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지를 포함하는 것인 전기화학 전지.
제1항에 기재된 전기화학 전지를 포함하는 장치.
제1항에 기재된 전기화학 전지를 포함하는 휴대형 전자 장치.
제1항에 기재된 전기화학 전지를 동작시키는 것을 포함하는 전류 발생 방법.
제1항에 기재된 전기화학 전지를 동작시키는 것을 포함하는 물 생성 방법.
제1 액체와 제2 액체를 평행 층 흐름(parallel laminar flow)으로 채널을 통해 흐르게 하는 단계를 포함하고, 상기 제1 액체가 제1 전극과 접촉하고 상기 제2 액체가 제2 전극과 접촉하며, 상기 제1 및 제2 전극에서 각각 상보성 반쪽 전지 반응이 일어나고, 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 것인 전기 발생 방법.
제1 전극과 제2 전극을 포함하며, 막 투과 없이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 이온이 이동하고, 적어도 1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 것인 연료 전지.
제1 전극과 접촉하는 연료를 포함하는 제1 액체와, 제2 전극과 접촉하는 산화체를 포함하는 제2 액체와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리시키는 막을 포함하는 연료 전지에 있어서,

상기 막을 상기 제1 및 제2 액체의 평행 층 흐름(parallel laminar flow)으로 대체하고, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체에 각각 공통 전해질을 제공한 것인 연료 전지.
표면을 갖는 서포트와;

상기 서포트의 표면에 접속되는 제1 전극과;

상기 서포트의 표면에 접속되고 상기 제1 전극에 전기 결합되는 제2 전극과;

상기 서포트의 표면에 접속되는 스페이서와;

상기 제1 및 제2 전극의 적어도 일부분과 접촉하고, 상기 서포트의 표면과 상기 스페이서에 의해 규정되는 마이크로채널

을 포함하며,

제1 액체가 상기 제1 전극과 접촉하고 제2 액체가 상기 제2 전극과 접촉할 때, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체 간에 평행 층 흐름(parallel laminar flow)이 형성되고 적어도 0.1 ㎃/㎠의 전류 밀도가 생성되는 것인 전기화학 전지.