KR100853021B1 - 직접 액체 연료 전지 및 직접 액체 연료 전지에서의 연료분해 방지 방법 - Google Patents

직접 액체 연료 전지 및 직접 액체 연료 전지에서의 연료분해 방지 방법 Download PDF

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Abstract

직접 액체 연료 전지(1)는 캐소드(4), 애노드(3), 연료 챔버(2), 애노드(3)와 연료 챔버(2) 사이에 배치된 적어도 하나의 멤브레인(8)을 포함한다. 상기 멤브레인(8)은, 연료 챔버(2)를 향하는 애노드(3) 표면에서 또는 그 근처에서 형성된 기체가 애노드(3) 부근에 축적되도록 구성되거나 배열된다. 여기서, 상기 기체는 애노드(3)와 액체 연료 사이의 직접적 접촉을 실질적으로 저지하는 정도까지 축적된다. 또한, 연료 전저에서 연료 분해를 저지 또는 감소시키는 방법이 개시된다.
액체 연료 전지, 애노드, 캐소드, 멤브레인, 모세관 바늘

Description

직접 액체 연료 전지 및 직접 액체 연료 전지에서의 연료 분해 방지 방법{DIRECT LIQUID FUEL CELL AND METHOD OF PREVENTING FUEL DECOMPOSITION IN A DIRECT LIQUID FUEL CELL}
본 출원은 2004년 9월 15일자에 제출된 U.S 출원번호 10/941,020의 부분 계속 출원(CIP 출원)으로서, 이 부분 계속 출원의 개시 내용이 본 출원에 그대로 참조로서 명백하게 통합된다.
본 발명은 수소화물 연료를 사용하는 직접 연료 전지(Direct Liquid Fuel Cell; DLFC)에 관한 것이며, 또한 상기 DLFC에 부하가 걸리지 않거나 단지 저부하 만이 걸려있을 때, 연료 전지의 애노드(anode)에서 수소화물 연료의 분해에 의해 야기되는 수소 발생을 저지하거나 적어도 실질적으로 감소시키는 것과 관계된다.
연료 전지에 부하가 걸리지 않거나 단지 저부하에 걸려 있는 기간 동안, 수소화물 연료 분해 반응은 연료 전지의 애노드에서 수소를 발생시킨다. 따라서, 본 발명은 애노드와 연료 전지 사이에 격리층을 제공하기 위하여, 발생된 수소를 이용하는 방법을 제공한다. 이런 방식으로 연료가 애노드와 접촉하는 것을 실질적으로 저지함으로써, 연료 분해가 적어도 상당한 정도까지 저지된다.
이것이 달성될 수 있는 한 가지 방법은, 연료 챔버를 향하는 애노드 표면에 근접하거나 접촉하는 특수 멤브레인(special membrane)을 배치하는 것이다. 초기에 발생된 수소는 멤브레인과 애노드 사이에 축적되고, 애노드와 멤브레인 사이의 공간으로부터 액체 연료를 밀어내거나 축출한다. 이것은 액체 연료가 애노드로부터 분리되도록 한다.
DLFC를 위해 가장 흔하게 사용되는 액체 연료는 메탄올이다. 이러한 직접 메탄올 연료 전지(DMFCs)의 주된 단점으로는 메탄올 중독과 실온에서의 매우 나쁜 방전 특성이 있다.
(금속) 수소화물과 수소화 붕소 나트륨과 같은 붕소수소화물에 기반한 연료는 매우 높은 화학적·전기화학적 활성을 가진다. 결국, 그러한 연료를 사용하는 DLFCs는 실온에서조차 극도로 높은 방전 특성들(전류 밀도, 특정 에너지 등)을 가진다.
예컨대, 붕소수소화물 연료의 전자-산화는 연료 전지의 애노드 표면에서 다음 식에 따라 일어난다.
BH4 - + 8OH- = BO2 - + 6H2O +8e- (1)
수소화물 및 붕소수소화물 연료와 관련된 주요 문제는, 수소 발생이 동반되는 애노드 표면(의 활성층)에서의 연료의 자발적 분해이다. 상기 수소는 보통 약 0.01에서 약 2㎜ 크기의 기포와 같은 미세기포 형태이다. 이러한 프로세스는 DLFC 개방 회로 형태와 스탠바이(stand-by)(낮은 전류) 회로 형태에서 특히 중요하다.
수소화붕소화물의 분해는 다음 식에 따라 일어난다.
BH4 - + 2H2O = BO2 - + 4H2↑ (2)
DLFC의 애노드에서 수소화물과 붕소수소화물 분해는 여러 가지 기술적 문제, 특히, 에너지 손실, 애노드 활성층의 파괴, 및 안전 특성 감소와 같은 문제를 초래한다. 결국, DLFC에 부하가 걸리지 않거나 실질적으로 부하가 걸리지 않는 동안에도 연료가 분해되는 것을 실질적으로 방지할 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 애노드 표면에서 분해되기 쉬우며 이 분해 과정에서 기체를 발생시키는 액체 연료를 사용하는 액체 연료 전지를 제공한다. 상기 액체 연료 전지는, 캐소드(cathode), 애노드(anode), 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치된 전해질 챔버(electrolyte chamber), 상기 전해질 챔버를 향하는 측과 반대되는 상기 애노드의 측면상에 배치된 연료 챔버(fuel chamber); 및 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드측상에 배치된 적어도 하나의 멤브레인(membrane)을 포함한다. 상기 적어도 하나의 멤브레인은, 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 표면에서 또는 상기 애노드 표면의 부근에서 형성되는 기체가 상기 애노드 근처에 축적되도록 구성 및 배치되며, 여기서 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 연료 챔버로부터의 액체 연료 사이의 직접적인 접촉을 실질적으로 저지하는 지점까지 축적된다.
본 발명의 연료 전지의 다른 양상에 따르면, 상기 연료는 금속 수소화물 및 금속 붕소수소화물 중 하나 이상을 포함하고, 상기 기체는 수소를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 단일층 물질을 포함한다. 상기 적어도 하나의 멤브레인은 친수성 물질을 포함할 수 있다. 상기 친수성 물질은 금속 및 금속 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 비제한적 예로서, 상기 친수성 물질은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 소수성 물질, 예를 들면 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴과 같은 유기 중합체를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 부직포 물질(non-woven material), 합성물(cimposite material), 적층 물질(laminate material), 합성물/적층물질, 발포체 물질(foam material), 다공지 물질(porous paper material), 모직 물질(cloth material), 탄소 물질(예컨대, 흑연), 소결된 금속 물질, 세라믹 물질 및 중합체 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 또 다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 메쉬(mesh) 및/또는 발포체(foam), 예를 들면 스테인레스 스틸 미세메쉬를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 미세메쉬는 약 0.5㎜에 이르는, 예컨대 약 0.06㎛에서 약 0.05㎜까지의 크기를 갖는 셀들을 포함할 수 있다. 또 다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인 (메쉬)은 약 0.01㎜에서 약 5㎜, 예를 들면 약 0.03㎜에서 약 3㎜, 약0.05㎜에서 약 0.3㎜까지의 두께를 가질 수 있다.
또 다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 중합체 메쉬와 다공성 중합체층 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 중합체 메쉬 또는 상기 다공성 중합체층은 약 0.02㎜에서 약 2㎜까지의 두께 및/또는 약 0.01㎜에서 약 0.1㎜까지의 셀 크기 또는 약 0.01㎛에서 약 0.1㎜까지의 기공 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 표면과 접촉할 수 있다. 예를 들면, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 상기 애노드 표면에 부착 또는 고정(예컨대, 상기 애노드 상에 롤링됨)될 수 있다.
다른 양상에서, 연료 전지는 자유 공간과, 상기 적어도 하나의 멤브레인과 상기 애노드 사이에 배치된 스페이서 구조부 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 비제한적 예로서, 상기 스페이서 구조부는 거기에 자유 공간을 갖는 스페이서 물질(spacer material)을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 상기 스페이서 구조부는 약 3㎜ 및/또는 적어도 약 0.1㎜에 이르는 두께를 갖는 스페이서 물질층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 스페이서 물질층은 약 0.5㎜에서 약 1.5㎜까지의 두께를 가질 수 있다.
다른 양상에서, 상기 스페이서 물질은 예컨대 중합체 물질과 같은 소수성 물질(예컨대, 친수성 물질을 포함하는 멤브레인과의 조합으로)을 포함할 수 있다. 비제한적 예로서, 상기 소수성 물질은 올레핀 호모중합체 (예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌), 올레핀 공중합체, ABS, 폴리메틸메탄아크릴레이트, 폴리비닐클로라이드 및 폴리설폰 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 상기 스페이서 구조부는 왓틀형 네트(wattled net)와 같은 네트를 포함할 수 있다. 상기 네트는, 예를 들면, 약 1㎜에서 약 50㎜까지의 개구부(openings)를 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 자유 공간을 갖는 스페이서 물질 대신 또는 이에 추가하여, 상기 스페이서 구조부 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 표면에 구비된 프레임 씰(frame seal)을 포함할 수 있다. 상기 프레임 씰은 소수성 물질, 예컨대 불소화 중합체(fluorinated polymer)(예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌)와 같은 중합체를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 프레임 씰은 바람직하게는 약 0.1㎜에 이르는 두께, 예컨대 약 0.02㎜에서 약 0.05㎜까지의 두께를 가진다.
특히, 상기 적어도 하나의 멤브레인이 애노드 표면에 부착되지 않거나 접촉하지 않는 경우, 본 발명의 연료 전지는 상기 애노드와 상기 적어도 하나의 멤브레인 사이의 공간으로 상기 기체가 빠져나가도록 배치된 압력 해제 디바이스(pressure relief device)를 더 포함할 수 있다. 일 양상에서, 상기 압력 해제 디바이스는 상기 기체가 상기 연료 챔버로 빠져나가도록 배치될 수 있다. 다른 양상에서, 상기 압력 해제 디바이스는 작은 직경의 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 다른 양상에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인과 상기 스페이스 구조부는 일체형 구조(integral structure)를 형성할 수 있다.
또 다른 양상에서, 연료 전지는 적어도 상기 애노드에 인접한 제 1멤브레인(first membrane)과, 상기 연료 챔버를 향하는 상기 제 1멤브레인 측면상의 제 2멤브레인(second membrane)을 포함할 수 있다. 적어도 상기 제 1멤브레인은, 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 표면상에 또는 애노드 표면 근처에 형성되는 기체가 상기 애노드 근처에 축적되도록 구성 및 배치되며, 여기서 상기 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 직접적인 접촉을 실질적으로 저지하는 정도까지 축적될 수 있다.
다른 양상에서, 상기 제 2멤브레인은 상기 액체 연료로부터 고체를 여과시키거나 상기 제 1멤브레인을 보호하도록 구성 및 배치된다. 다른 양상에서, 상기 제 1멤브레인과 상기 제 2멤브레인은 일체형 구조(integral structure)를 형성할 수 있다.
또 다른 양상에서, 상기 제 2멤브레인은, 상기 제 1멤브레인과 상이한 재질, 상기 제 1멤브레인과 상이한 두께, 및 상기 제 1멤브레인과 상이한 기공 크기 또는 셀 크기로 구성될 수 있다.
또 다른 양상에서, 상기 제 2멤브레인은, 상기 제 1멤브레인과 실질적으로 같은 재질, 상기 제 1멤브레인과 실질적으로 같은 두께, 그리고 상기 제 1멤브레인과 실질적으로 같은 기공 크기 또는 셀 크기로 구성될 수 있다.
적어도 두 개의 멤브레인의 존재를 제외하고는, 연료 전지는 상기에서 설명한, (적어도) 하나의 멤브레인을 갖는 연료 전지와 동일할 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 적어도 제 1멤브레인은 약 0.02㎜에서 2㎜ 사이의 두께와, 약 0.01㎜에서 약 0.1㎜까지의 셀 크기 또는 약 0.01㎛에서 약 0.1㎜까지의 기공 크기를 갖는 중합체 메쉬 또는 다공성 중합체층을 포함할 수 있고, 상기 적어도 제 1멤브레인은 약 0.01㎜에서 약 5㎜까지의 두께를 갖는 스테인레스 스틸 메쉬를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 제 1멤브레인은 상기 연료 챔버를 향하는 애노드 표면에 고정되거나 접촉될 수 있다. 또한, 연료 전지는 상기 제 1멤브레인과 상기 애노드 사이의 자유 공간 및/또는 스페이서 구조부를 포함할 수 있다. 상기 스페이서 구조부는 그에 대한 다양한 양상을 포함하여, 상기에서 설명된 스페이서 구조부와 동일할 것이다.
본 발명의 연료 전지의 다른 양상에서, 상기 애노드는 상기 연료 전지 (케이스) 내에 고정되거나/되고 상기 연료 전지 (케이스)를 갖는 밀봉 인게이지먼트(sealing engagement)에 고정될 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 다른 양상에서, 연료 챔버는 적어도 하나의 멤브레인에 인접하는 적어도 제 1부분과 액체 통로에 의해 제 1부분에 연결되는 적어도 하나의 제 2부분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 챔버의 적어도 하나의 제 2부분은 (선택적으로 처분 가능한) 액체 연료 카트리지를 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 본 발명의 연료 전지는 적어도 하나의 애노드를 수용하는 케이스를 포함할 수 있으며, 상기 연료 챔버의 적어도 일부는 상기 케이스 외부에 배치되며, 상기 케이스는 하나 이상의 액체 통로를 통해 상기 케이스 외부에 배치된 상기 연료 챔버의 적어도 하나의 부분에 연결될 수 있다. 케이스 외부에 배치된 연료 챔버의 적어도 하나의 부분은 (선택적으로 처분 가능한) 카트리지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 다음 위치들 중 하나 이상에 배치될 수 있다: (a) 상기 케이스 외부에 배치된 상기 연료 챔버의 적어도 일부로부터 상기 케이스로 액체 연료가 들어갈 수 있는 상기 케이스의 한 군데 이상의 위치들 또는 그 근처, (b) 상기 액체 연료가 상기 케이스 외부에 배치된 상기 연료 챔버의 적어도 하나의 부분을 떠날 수 있는 상기 케이스 외부에 배치된 상기 연료 챔버의 적어도 하나의 부분의 한 군데 이상의 위치들 또는 그 근처, 그리고 (c) 하나 이상의 액체 통로 내부의 한 군데 이상의 위치들.
본 발명은 연료 전지에 실질적으로 어떤 부하도 걸리지 아니할 때, 연료 전지의 애노드에서 직접 액체 연료 전지 내 연료의 분해를 감소시키거나 실질적으로 저지하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 초기 연료 분해에 의해 생성된 기체가, 상기 연료와 상기 애노드 사이의 추가적 접촉을 제한하거나 실질적으로 저지하는 장벽을 형성하도록 하는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 상기 장벽은, 상기 연료 전지의 연료 챔버를 향하는 상기 애노드의 전체 표면을 실질적으로 가로지르는 실질적 연속 기체층을 포함한다.
다른 양상에서, 상기 기체는 수소를 포함할 수 있고/있거나 상기 연료는 적어도 하나의 수소화 화합물과 붕소수소화 화합물, 예컨대 캐리어(liquid carrier)에 용해되거나(dissolved) 부유하는(suspended) 알칼리 금속 붕소수소화물(alkali metal borohydride)을 포함할 수 있다.
본 방법의 또 다른 양상에서, 연료 전지가 실질적으로 어떤 부하도 걸리지 않도록 놓여진 후, 상기 연료 분해는 약 5분 이내에, 예컨대 약 3분 이내에 실질적으로 중단될 것이다.
또 다른 양상에서, 상기 방법은 초기 연료 분해에 의해 발생된 기체가 애노드로부터 벗어나서 흐르는 능력을 제한하거나 실질적으로 저지하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 예컨대, 연료 전지의 연료 챔버를 향하는 애노드의 측면 상에 배열된 적어도 하나의 멤브레인에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명은 분해시 기체를 발생시키는 연료를 사용하는 직접 연료 전지의 애노드에서 연료 분해를 감소시키거나 실질적으로 저지하는 방법을 더 제공한다. 이 방법은 상기 연료 전지의 연료 챔버와 상기 애노드 사이에, 적어도 하나의 다공성 구조부, 적어도 하나의 메쉬 구조부, 및 적어도 하나의 멤브레인(membrane) 중 하나 이상을 배치하는 단계와, 상기 연료 전지에서 연료의 초기 분해 동안 기체를 생성하는 단계를 포함하여 구성되며, 상기 기체는 상기 연료와 상기 애노드 사이의 접촉을 제한하거나 실질적으로 저지한다.
일 양상에서, 상기 기체 생성단계는, 상기 기체로 상기 연료가 상기 애노드와 접촉하는 것을 실질적으로 저지하는 것을 포함한다. 다른 양상에서, 상기 기체 생성단계는 상기 연료 전지의 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 전체 표면을 실질적으로 가로지르는 실질적 연속 기체층을 형성하는 것을 포함한다. 또 다른 양상에서, 상기 기체 생성단계는, 상기 적어도 하나의 다공성 구조부, 상기 적어도 하나의 메쉬 구조부 및/또는 상기 적어도 하나의 멤브레인과, 상기 애노드 사이에 상기 기체를 실질적으로 한정하는 것을 포함한다.
본 방법의 다른 양상에서, 기체는 수소를 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 본 방법은 연료 분해를 유발하도록 연료 전지가 실질적으로 어떤 부하도 걸리지 않도록 하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양상에서, 본 방법은 약 3분을 넘지 않는 시간 내에서 초기 연료 분해를 실질적으로 중단하는 단계를 더 포함한다.
다른 양상에서, 본 방법은 상기 적어도 하나의 다공성 구조부, 상기 적어도 하나의 메쉬 구조부, 및/또는 상기 적어도 하나의 멤브레인과 상기 애노드 사이에 공간(space)을 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 공간은 실질적으로 기체로 채워질 수 있다.
본 발명은 또한, 다양한 양상들을 포함하여 상기에서 설명한 연료 전지에서 연료 분해를 저지 또는 감소시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 연료 전지로 전기 에너지를 생성하는 단계와, 상기 연료 전지가 전기 에너지를 추가적으로 생성하는 것을 실질적으로 저지하는 단계와, 이로써 연료 분해가 기체 생성과 함께 연료 전지의 애노드에서 발생하며, (a) 적어도 하나의 멤브레인을 구비하여, 상기 애노드 근처에, 상기 애노드에서 발생된 기체의 축적을 촉진시키는 단계와, 상기 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 접촉을 실질적으로 저지하는 지점까지 축적되며; 또는 (b) 상기 애노드에서 생성된 기체가 적어도 상기 축적된 기체가 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 접촉을 실질적으로 저지하는 지점까지 상기 애노드에 인접하여 축적되도록 하는 단계와; 또는 (c) 상기 애노드에서 발생된 기체가, 상기 적어도 하나의 멤브레인과 상기 애노드 사이에 축적되는 단계를 구성하여 포함하며, 여기서 상기 기체는 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 접촉을 실질적으로 저지하는 지점까지 축적된다.
본 발명은 또한 캐소드, 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이에 배치된 전해질 챔버를 포함하는 연료 전지를 제공한다. 연료 챔버를 포함하는 카트리지는 캐소드, 애노드 및 전해질 챔버를 갖는 연료 전지 하우징 (케이스)에 연결되거나/되고 제거가능하게 연결될 수 있다. 카트리지가 하우징에 연결되는 경우, 연료 챔버는 전해질 챔버를 향햐는 측에 반대되는 애노드의 측면 상에 배치된다. 적어도 하나의 멤브레인 (및 가능하게는 스페이서 물질도)은 애노드 부근의 기체 축적 공간과 연료 챔버 사이에 배치될 수 있다. 상기 적어도 하나의 멤브레인은, 연료 분해의 결과, 연료 챔버를 향하는 애노드 표면상에 형성되거나 또는 그 근처에 형성된 기체가 애노드 부근에 축적되도록 구성 및 배열된다. 여기서, 상기 기체는 애노드와 액체 연료 사이의 직접적 접촉을 실질적으로 저지하는 지점까지 축적된다.
본 발명의 다른 예시적 실시예들과 장점들은 상세한 설명과 첨부되는 도면을 검토함으로써 확인되어질 수 있다.
본 발명은 다음의 상세한 설명에서 특별히 언급된 복수의 도면을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예들의 비제한적 예들에 의해 더 설명된다. 복수의 도면들에서, 같은 참조 번호들은 여러 도면들을 통해 유사한 파트(부분)를 나타낸다.
도 1은 선행 기술의 연료 전지에 대한 개략적 횡단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 횡단면을 나타낸다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 도 1에 도시된 유형의 연료 전지에서의 수소 생성을 나타낸 챠트이다.
도 5는 도 2에 도시된 유형의 연료 전지에서의 수소 산출량을 나타낸 챠트이다.
도 6은 왓틀형 스페이서 물질(wattled spacer material)에 대한 하나의 비제한적 직조 패턴(weave pattern)의 부분도를 나타낸다.
도 7은 직조 스페이서 물질에 대한 다른 비제한적 직조 패턴의 부분도를 나 타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지의 횡단면을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지의 횡단면을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전저의 횡단면을 나타탠다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지의 횡단면을 나타낸다. 이러한 실시예는 연료 전지의 하우징에 연결되거나/연결되고 제거가능하게 탑재될 수 있는 연료 챔버( 또는 적어도 그 일부)를 포함하는 카트리지(cartridge)를 이용한다.
도 12는 도 11에 도시된 실시예의 확대도를 나타태며, 멤브레인(membrane) 및/또는 스페이서 물질이 소형 스크린 필터 부재의 형태를 가질 수 있는 방법을 나타낸다. 이 도면은 또한 카트리지의 튜브들이 오-링(o-ring)을 통해 하우징 벽의 개구부에 대해 밀봉되는 방법을 나타낸다.
도 13은 연료 전지 하우징과 분리되고/되거나 연결되지 않은 카트리지를 갖는 도 11의 실시예에 따른 연료 전지의 횡단면을 나타낸다.
여기에 나타낸 상세한 설명들은 예로서 그리고 본 발명의 실시예에 대한 예시적 검토의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 원리와 개념적 양상들에 대해 가장 유용하고 가장 잘 이해될 수 있는 기술이라고 믿어지는 것을 제공하기 위해 제공된다. 이에 대해 본 발명의 기본적 이해를 위해 필요한 것 이상으로 더 자세하게 본 발명의 구조적 상세를 나타내기 위한 어떤 시도도 없으며, 도면과 이에 대한 설명 명은 본 기술 분야에서의 당업자에게 본 발명의 여러 형태들이 실제로 어떻게 실시될 수 있는지는 명백하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 DLFC는 내부에 연료 챔버(2)와 전해질 챔버(5)를 포함하는 케이스 또는 수용체(1)를 이용한다. 케이스(1)는 전형적으로 예컨대, 플라스틱 물질로 형성된다. 연료 챔버(2)는 예컨대, 수소화물 또는 붕소수소화물 연료 형태의 액체 연료를 포함한다. 전해질 챔버(5)는 예컨대, 수용성 알칼리 금속 수산화물(aqueous alkali metal hydroxide) 형태의 액체 전해질을 포함한다. 애노드(3)는 케이스 내에 배치되며, 두 챔버들(2, 5)을 분리시킨다. 애노드(3)는 보통 기체 또는 액체 물질을 투과시키는 다공성 물질을 포함할 것이다. 케이스(1) 내에는 또한 캐소드(4)가 배치되며, 상기 캐소드(4)는 애노드(3)와 함께 전해질 챔버(5)를 정의한다. 애노드(3)에서 액체 연료의 산화가 발생한다. 캐소드(4)에서, 전형적으로 대기 중의 산소인 물질이 환원된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 적어도 하나의 비제한적 실시예에 따르면, DLFC는 도 1에 도시된 연료 전지와 상이한데, 적어도 상기 DLFC는 케이스(1) 내부에 구비된 프레임 씰(frame seal)(6), 특수 멤브레인(special membrane)(8), 스페이서 물질(spacer material)(9), 및 예컨대 모세관 바늘(7) 형태를 갖는 선택적 누압 장치(pressure bleeding device)를 추가적으로 포함한다는 점에서 상이하다.
본 발명에 따른 DLFC에서, 발생된 기체-상기 기체는 보통 수소이며, 일반적으로 약 0.01 내지 약 2 ㎜ 크기의 미세-기포 형태임-는 애노드(3) 표면과 특수 멤 브레인(8) 사이의 공간에 축적된다. 상기 기포는 보통 기체층을 형성하기 위해 합체 및/또는 결합할 것이다. 상기 기체층은 본질적으로 애노드(3)와 특수 멤브레인(8) 사이의 모든 체적을 채우게 된다. 순차적으로, 상기 기체층은 연료가 애노드(3)로부터 분리되도록 한다. 특수 멤브레인(8)은 실질적으로 액체 연료와 애노드(3) 간의 어떤 추가적 접촉을 저지한다. 애노드(3)와 멤브레인(8) 사이의 공간은 보통 약 0.1㎜에서 약 3.0 ㎜의 두께, 바람직하게는 약 0.5 ㎜에서 약 1.5㎜, 가장 바람직하게는 약 0.5 ㎜일 것이다.
상기 애노드(3)와 상기 특수 멤브레인(8) 사이의 공간 체적을 초과하는 여분의 기체는 배출되거나 임의적 모세관 바늘(7)을 통해 연료 챔버(2)로 흘러 들어간다. 애노드(3)와 특수 멤브레인(8) 사이 체적에서의 압력이 연료 챔버(2)에서의 압력과 같을 때, 기체가 흘러들어가는 상기 공정이 필수적, 자동적으로 중단된다.
프레임 씰(6)은 애노드(3) 주변 둘레로 연장되고 애노드(3)와 특수 멤브레인(8) 사이에 배치된다. 상기 프레임 씰(6)은 바람직하게는 (비다공성의) 박막 형태를 가지며, 이는 연료가 애노드 주변의 경계나 외부 가장자리 영역에서 새는 것을 저지하기 위해 사용된다. 예컨대, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 같은 올레핀 중합체와 같은 다른 소수성 물질이 또한, 상기 목적을 위해 사용될 수도 있지만, 상기 프레임 씰(6)의 재질은 보통 (적어도 연료 챔버를 향하는 표면상에서) 소수성일 것이며, 이는 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 물질로 형성될 수 있다. 일반적으로, 프레임 씰(6)은 예컨대, 불소화 또는 과불소화 폴리올레핀과 같은 불소화 중합체로 제조되거나 적어도 이를 포함한다. 프레임 씰(6) 또한 소수성은 아니지만 예컨대, 소수성 물질로 코팅하거나 소수성을 제공하는 어떤 다른 절차에 의해 그 표면이 소수성이 되게 하는 그러한 물질로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 프레임 씰(6)은 약 0.1 ㎜보다 크지 않은 두께를 가진다. 프레임 씰(6)은 일반적으로 적어도 약 0.02 ㎜의 두께를 가질 것이다. 특히, 본 발명용 프레임 씰(6)에 대해서는 약 0.05 ㎜의 두께가 바람직하다. 프레임 씰(6)은, 예컨대 압력을 적용하여 그리고/또는 접착제를 사용하는 등 여러 가지 방법으로 애노드(3) 상에 탑재될 수 있다. 상기 프레임 씰(6)을 탑재하는 바람직한 방법은 삽입 주형(insert molding)을 포함한다. 상기 프레임 씰(6)은 예컨대, 마찰 용접에 의해 애노드(3) 주변 프레임을 애노드(3)에 고정 및/또는 밀봉되게 부착함으로써 대체될 수 있다.
스페이서 물질(spacer material)(9)이 애노드와 특수 멤브레인(8) 사이에 배열된다. 상기 스페이서 물질(9)은 또한 주변 영역에서 케이스(1)의 내부 주변으로 연장됨과 아울러 또한 프레임 씰(6)과 특수 멤브레인(8) 사이에 배열된다. 상기 스페이서 물질(9)의 목적은 특수 멤브레인(8)과 애노드(3) 표면 사이에 이격 거리를 생성하는 것이 다. 이러한 이격 거리는 기체층을 위한 공간 또는 체적을 형성한다. 기체가 생성될 때, 상기 기체는 상기 공간 내에 축적되어 채워진다. 상기 스페이서 물질(9)은 본질적으로 기체가 애노드(30) 표면을 가로질러 자유롭게 유동하는 것을 허용하며, 이는 예컨대, 왓틀형 네트(wattled net)와 같은 네트 형태일 수 있다. 상기 스페이서 물질(9)은 액체 연료 성분에 의한 화학적 공격에 저항할 수 있어야 하며, 일반적으로 소수성이거나, 적어도 그 외부 표면이 수소성일 수 있다. 즉, 상기 스페이서 물질(9)은, 예컨대 소수성 물질로 코팅하는 것처럼 상기 목적을 위해 적합한 어떤 공정에 의해 그 다른 표면이 소수성으로 되는 친수성 물질일수도 있다. 바람직한 본 발명용 스페이서 물질은 예컨대, 올레핀 호모중합체 및 올레핀 공중합체와 같은 유기 중합체를 포함한다. 그 특정 예는 예컨대, 에틸렌과 프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 등과 같은 호모- 및 공중합체와 같은 프레임 씰에 대해 사용될 수도 있는 재질을 포함한다. 상기 스페이서 물질(9)은 예컨대, ABS, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐 염화물, 폴리설폰 및 유사 유기 중합체와 같은 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 상기 스페이서 물질(9)은 보통 약 5 ㎜, 바람직하게는 3 ㎜ 보다 크지 않은 두께를 가지며, 보다 일반적으로 약 1.5 ㎜보다 크지 않은 두께를 갖는다. 상기 스페이서 물질(9)은 보통, 약 0.1 ㎜, 바람직하게는 적어도 약 0.5 ㎜의 두께를 가질 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 스페이서 물질(9)은 약 0.5 ㎜의 두께를 갖는다. 물론, 아래에서 설명되는 다른 실시예의 경우에 있어서와 같이, 상기 스페이서 물질(9)은 (그 기능이 다른 구조 및/또는 특수 멤브레인(8) 그 자체에 의해 수행되는 데 있어서) 필수적일 수도 있다. 프레임 씰(6)에 대해 상기 설명한 것이 동일하게 적용된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 특수 멤브레인(8)은 애노드 표면에 형성되는 기체층을 연료 챔버(2) 내의 액체 연료로부터 분리시킨다. 상기 특수 멤브레인(8)은 액체 연료 성분에 의한 화학적 공격에 견딜 수 있는 물질로 이루어지며, 감지할 수 있을 정도로 연료 또는 연료의 성분 분해를 촉진시키지는 않을 것이다. 이러한 물질은 친수성 또는 소수성일 수 있다. 친수성 물질은, 코팅이나 표면 처리(예컨대, 산화) 등과 같은 어떤 적절한 공정에 의해 그 외부 표면이 친수성이 되도록 하는 소수성 물질일 수도 있다. 특수 멤브레인(8)을 위한 적절한 친수성 물질의 바람직한 비제한적 실시예들은 합금과 같은 또는 합금 형태의 금속을 포함한다. 특히 바람직한 물질은 내식성 금속(예컨대, 니켈)과 강철(steel), 특히 스테인레스 스틸 등과 같은 내식성 합금을 포함한다.
특수 멤브레인(8)을 위한 적절한 소수성 물질의 바람직한 비제한적 실시예들은 예컨대, 폴리올레핀(polyolefin)(예를 들어, 에틸렌 또는 프로필렌의 호모 중합체 및 공중합체), 폴리아미드(polyamide) 및 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)과 같은 유기 중합체들을 포함한다. 바람직하게는, 친수성 또는 소수성 물질은 발포체(foam), 메쉬 등과 같은 형태로 존재할 것이다.
비제한적 예로서, 특수 멤브레인(8)은 예컨대, 스테인레스 스틸 미세메쉬와 같은 금속 메쉬이거나 적어도 이를 포함할 수 있다. 메쉬 셀들은, 예를 들어, 약 0.5 ㎜, 약 0.1 ㎜, 또는 약 0.06 ㎜에 이르는 크기를 가진다. 바람직한 메쉬 셀 크기는 약 0.05 ㎛에서 약 0.06 ㎛까지이며, 특히 바람직하게는 약 0.05 ㎛의 크기이다. 바람직하게는, 금속 메쉬는 예컨대, 약 0.03 ㎜에서 약 3 ㎜까지의 두께 또는 약 0.01 ㎜에서 약 5 ㎜까지의 두께를 갖는다.
특수 멤브레인(8)의 다른 비제한적 실시예들은 중합체 메쉬 또는 다공성 중합체층을 포함한다. 바람직하게는, 중합체 메쉬 또는 다공성 중합체층은 약 0.02 ㎜에서 약 2 ㎜까지의 두께를 가질 것이다. 바람직하게는, 중합체의 셀 크기는 약 0.01 ㎜에서 약 0.1 ㎜까지이며, 다공성 중합체층의 기공 크기는 약 0.01 ㎛에서 약 0.1 ㎜까지일 것이다.
멤브레인(8)은 다른 친수성 및/또는 소수성 물질, 예컨대, 친수성 물질, 소수성 물질, 및 친수성과 소수성 물질의 화합물로 된 혼합물 및/또는 적층물을 포함할 수도 있다. 멤브레인(8)은 또한 예컨대, 부직포 물질, (중합의 또는 금속성의) 발포체 물질, 및 다공지(porous papers)와 모직물(cloths)과 (예컨대, 흑연 형태의) 카본과 소결된 금속(sintered metals)과 세라믹 물질 같은 다른 다공성 물질을 포함한다.
모세관 바늘(7)이 특수 멤브레인(8)에 고정되어 있는데, 특수 멤브레인(8) 상의 편리한 위치 예컨대, 중심에 (그리고, 바람직하게는 실질적으로 특수 멤브레인(8)에 수직으로) 위치하도록 배치될 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 바늘(7)은 기체층과 연료 챔버(2) 내 액체 연료 사이의 압력 균형을 맞추는 것을 그 목적으로 한다. 평형 압력 범위는 보통 (절대 압력) 약 1atm에서 1.5 atm일 것이다. 바늘(7)은 액체 연료의 성분에 의한 화학적 공격을 견딜 수 있고, 어떤 감지 범위까지는 액체 연료의 분해를 촉진시키지 않는 재질로 이루어진다. 이러한 물질은 보통 특수 멤브레인(8)을 제조하기에 적합한 물질로부터 선택되지만, 다른 물질, 예컨대 중합체 물질로 이루어질 수도 있다. 중합 물질의 비제한적 예들은 폴리테트라플루오로에틸렌과 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀을 포함한다. 바람직하게는, 바늘(7)은 스테인레스 스틸 바늘이다. 바늘(7)의 적절한 길이는 (스페이서(9)와 멤브레인(8) 등의 크기에 부분적으로 의존하면서) 넓은 범위에 걸쳐 변화하는 반면, 바늘(7)은 종종 약 2 ㎝까지, 또는 이보다 훨씬 긴 길이를 가질 것이다. 바늘(7)의 내경은 보통 약 2 ㎜, 바람직하게는 1 ㎜ 또는 5㎜를 초과하지 않을 것이 다. 바늘(7)은 어떤 적절한 방법, 예컨대 열접착(thermoadhesive), 용접(welding) 및 기계적 부착 (후자가 보다 바람직한 방법임)을 이용함으로써 멤브레인(8)에 부착될 수 있다. 물론, 본 발명의 연료 전지의 동작을 위해 바늘(7)이 필수적인 것은 아니지만, 바늘(7)은 하기에서 설명될 다른 실시예의 경우에서와 같이 필수적일수도 있다.
도 8은 본 발명의 연료 전지의 다른 비제한적 실시예를 나타낸다. 도 8의 연료 전지는, 적어도 케이스(1) 내부에 배치된 프레임을 갖는 애노드(3), 특수 멤브레인(8a), 임의적 제 2멤브레인(8b) 및 임의적 스페이서 물질(9)을 포함한다는 점에서, 도 1에 도시된 연료전지와 상이하다. 이러한 실시예는 프레임 씰(6)에 대한 필요성을 제거하고, 또한 모세관 바늘(7)을 포함하지 않는다. 애노드(3)의 주변 프레임은, 예컨대 마찰 용접에 의해 애노드(3)에 고정될 수 있다. 상기 디바이스들(3, 4, 9, 8a 및 8b)의 재질 및 두께는 도 2에서 나타낸 실시예에 관하여 상기에서 설명한 대응 디바이스들과 동일할 수 있다. 멤브레인들(8a 및 8b)은 상기에서 설명하는 것과 동일한 물질, 형태 및/또는 두께이거나 이러한 것들 중 어느 하나 이상에 있어서 상이할 수 있다.
도 9는 본 발명의 연료 전지의 다른 비제한적 실시예를 나타낸다. 도 9의 연료 전지는, 적어도 케이스(1) 내부에 배치된 애노드(3), 특수 멤브레인(8a), 임의적 제 2멤브레인(8b), 임의적 스페이서 물질(9) 및 임의적 프레임 씰(6)을 포함한다는 점에서, 도 1에 도시된 연료전지와 상이하다. 이러한 실시예는 또한 모세관 바늘(7)을 포함하지 않는다. 상기 디바이스들(3, 4, 6, 9, 8a 및 8b)의 물질 또는 두께는 도 2에 도시된 실시예에 관하여 상기에서 설명한 대응 디바이스들과 동일할 수 있다. 멤브레인들(8a 및 8b)은 상기에서 설명한 것과 동일한 물질, 유형 및/또는 두께이거나 이러한 것들 중 어떤 하나 이상에 있어서 상이할 수 있다.
도 10은 본 발명의 연료 전지의 다른 비제한적 실시에를 나타낸다. 도 10의 연료 전지는, 적어도 케이스(1) 내부에 배치된 애노드(3), 특수 멤브레인(8a), 및 임시적 제 2멤브레인(8b)를 포함한다는 점에서 도 1에 도시된 연료 전지와 상이하다. 이러한 실시예는 스페이서 물질(9)와 프레임 씰(6)에 대한 필요성을 제거하고, 또한 모세관 바늘(7)을 포함하지 않는다. 상기 디바이스들(3, 4, 8a 및 8b)의 물질과 두께는 도 2에서 나타낸 실시예에 관하여 이미 설명한 대응 디바이스들과 동일할 수 있다. 멤브레인들(8a 및 8b)은 이미 설명한 것과 동일한 물질, 유형 및/또는 두께이거나 이러한 것들 중 어느 하나 이상에 있어서 상이할 수 있다. 이러한 실시예에서, 멤브레인(8a)은 바람직하게는 애노드(3)와 접촉 상태에 있다. 비제한적 예로서, 멤브레인(8a)은 롤링되어 있거나(rolled) 그렇지 않으면 애노드(3) 표면에 부착 또는 고정될 수 있다. 이 경우, 보이드(void) 및/또는 멤브레인(8a)에 있는 자유 공간은 발생된 기체에 의해 점유될 수 있는 빈 공간을 제공하며, 이로써 연료가 애노드와 접촉하는 것을 실질적으로 저지할 수 있는 장벽을 형성한다.
특히, 하나 이상의 특수 멤브레인, 예컨대 두 개의 멤브레인들(8a 및 8b)을 사용하는 실시예들에서, 제 1멤브레인(8a)은 공간 및/또는 스페이서 물질에 관하여 이미 설명한 방식으로 기능할 수 있다. 반면, 제 2멤브레인(8b)은 예컨대, 제 1멤브레인(8a)을 보호하고/하거나 실질적으로 클로깅(clogging)을 방지하기 위해, 연 료 챔버(2) 내의 연료로부터 고체 등을 걸러낸 것과 같은 상이한 기능을 제공할 수 있다.
본 기술분야의 당업자는 본 발명의 연료 전지의 다양한 성분들 각각이 단일 성분으로 존재해야만 하는 것은 아니며, 또한 완전하게 단일 케이스 내부에 배치되어야 하는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 비제한적 예로서, 연료 챔버(2)는 (예컨대 멤브레인(8b)에 인접한) 적어도 하나의 멤브레인(8)에 인접해 있는 일 부분과, 하우징의 외부 또는 연료 전지 케이스 외부에 배치됨과 아울러 하나 이상의 액체 통로를 통해 케이스에 연결되어 있는 하나 이상의 다른 부분들(예컨대, 하나 이상의 카트리지)을 포함할 것이다. 가능하다면, 케이스 내에 배치되는 연료 챔버 부분의 용적은 케이스 외부에 배치된 하나 이상의 부분들의 용적에 비해 적을 것이다(예컨대, 후자 체적의 약 20% 이하, 약 10%이하, 약 5% 이하 또는 약 2% 이하일 것임). 나아가, (예컨대, 작은 직경의 튜브 등과 같은 형태로 된) 연료 챔버(2)는 케이스 외부에 실질적으로 완전하게 구비될 것이며, 하나 이상의 액체 통로에 의해 케이스에 연결될 것이다. 비제한적 실시예로서, 연료 챔버는 케이스에 연결되어 있는 (선택적으로 처분가능한) 카트리지 형태일 것이다. 카트리지를 케이스에 연결하는 예시적 방법들은 예컨대 함께 계류중인 U.S 출원번호 10/824,443 및 10/849,503에 개시되어 있다.
이 경우, 적어도 하나의 멤브레인(8)은 케이스(예컨대, 액체 연료가 케이스로 들어갈 수 있는 하나 이상의 지점에서 또는 그 근처에서)에 의해 포함되고/되거나 연료 챔버(2)(예컨대, 카트리지)(예컨대, 액체 연료가 연료 챔버(2)를 떠날수 있는 하나 이상의 지점에서 또는 그 근처에서)에 의해 포함되고/포함되거나 케이스와 연료 챔버(2) 사이의 어떤 곳(예컨대, 연료 챔버와 케이스를 연결하는 하나 이상의 액체 통로 내)에 구비될 것이다. 물론, 이 경우, 연료 챔버의 다양한 구성 요소들에 관한 상세는 이미 설명한 것과 같을 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 멤브레인(8)은 적어도 제 1멤브레인(8a)과 제 2멤브레인(8b)을 포함할 수 있다.
도 11 내지 13은 캐소드(4), 애노드(3), 캐소드(4)와 애노드(3) 사이에 배치된 전해질 챔버(5)를 갖는 연료 전지(1)의 비제한적 일 실시예를 나타낸다. 연료 챔버(2)를 갖는 카트리지 CA는 캐소드(4), 애노드(3) 및 전해질 챔버(5)를 구비한 연료 전지 하우징에 연결되고/연결되거나 제거가능하게 연결된다. 카트리지 CA가 하우징(도 11)에 연결되는 경우, 전해질 챔버(5)를 향하는 측면에 반대되는 애노드(3) 측면에 연료 챔버(2)가 배치된다. 적어도 하나의 멤브레인(8)은 애노드 근처의 기체 축적 공간과 연료 챔버(2) 사이에 구비된다. 비제한적 예로서, 이러한 공간의 폭은 대략 1㎜일 수 있지만, 이보다 상당히 크거나 작을수 있다. 적어도 하나의 멤브레인(8)은, 연료 챔버를 향하는 애노드(3) 표면 또는 그 근처에서 연료 분해 결과 발생된 기체가 애노드(3)와 연료 챔버 내의 액체 연료 사이의 직접적 접촉을 실질적으로 저지하는 지점까지 애노드 근처에 축적되도록 구성되고 배열된다. 도 12에서 볼 수 있듯이, (스페이서 물질(9)의 추가층을 포함할 수도 있는) 멤브레인(8)은 하우징 벽의 내부 표면에 고정되는 작은 스크린 필터 부재 형태를 가질 수 있다. 물론, 필터 요소는, 본 발명의 범위 내에서, 카트리지 CA에 배치되도록 튜브들의 반대 말단에 구비될 수도 있다. 또한, 필터 요소는 튜브들의 양 측에 구비될 수 있다. 또한, 튜브들의 내부는 충분한 길이의 담배 필터 형태를 가질 수 있는 멤브레인/스페이서 물질을 포함할 수 있다. 도 13에서 볼 수 있듯이, 카트리지 CA의 튜브들(튜브들의 갯수와 크기는 원하는대로 변화시킬 수 있고, 이들은 튜브(7)에 관하여 설명되었던 것과 유사할 수도 있다)은 하나 이상의 오-링(o-ring)으로 하우징 벽에 있는 개구부들에 대해 밀봉된다. 물론, 많은 밀봉 기술 또는 방법들이 튜브들과 하우징 벽의 개구부들 사이를 밀봉하도록 제공되는데 채용될 수도 있다. 또한, 카트리지(CA) 벽에 개구부가 구비되는 반면, 튜브들은 대신 연료 전지 하우징에 결합될 수 있다. 도 13은 카트리지(CA)가 연료 전지(1)의 하우징으로부터 분리되고/분리되거나 연결해제되는 것을 나타낸다. 비록 도시되지는 않았지만, 카트리지(CA)와 연료 전지 하우징으로부터/으로의 흐름(flow)을 정지 및/또는 조정하기 위하여 밸브들이 사용될 수 있다.
비제한적 예로서, 연료 전지에 부하가 걸리지 않거나 실적으로 부하가 걸리지 않는 상태에 놓일 때, 액체 연료가 초기에 분해되어 애노드(3) 부근에서 기체(예컨대 수소)를 생성함으로써, 액체 연료는 애노드로부터 멀어지도록 푸시되어 이 연료가 애노드(3)와 접촉하는 것을 더욱 더 저지할 수 있는바, 이에 따라 기체 생성이 종료된다. 이후, 연료 전지가 부하가 걸리면(폐쇄된 전기 회로), 애노드 표면에서 산화에 의해 기체가 소모되며, 그럼으로써 액체 연료를 흡입하여 이 액체 연료가 애노드(3) 표면과 직접 접촉되게 하는 진공상태가 생성되는바, 여기서 기체는 산화되어 전기 에너지를 생성하게 된다. 회로가 다시 개방될 때(부하가 걸리지 않을 때), 초기에 액체 연료의 분해를 통해 기체가 생성되며, 이미 설명한 공정이 처 음부터 시작될 것이다.
실시예 1
다음의 파라미터들을 갖는 도 1에 도시된 유형의 종래 DLFC가 실험을 위해 채용되었다:
애노드와 캐소드 면적 = 각각 45㎠ (62㎜×73㎜ );
전해질 챔버의 두께 또는 폭 = 4㎜;
전해질 챔버 내 전해질의 부피 = 18㎤;
연료 챔버의 두께 또는 폭= 20㎜; 그리고,
연료 챔버 내 연료의 부피=90㎤
DLFC는 붕소수소화물 연료로 채워졌고, 아래 조건 하에서 실험되었다:
전체 실험 시간 = 20시간;
언로딩 형태(unloading regime) = 개방 회로.
이 실험에서, 최대 기체 생산량은 15㎤/min 이였다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 수소의 발생이 약 60분 후에 감소하기 시작하지만, 실험 전체 시간인 20시간에 걸쳐 수소가 계속 발생한다.
실시예 2
다음의 파라미터들을 갖는 도 2에 도시된 유형의 본 발명에 따른 DLFC는 테스트를 위해 채용되었다;
애노드와 캐소드의 면적= 각각 45㎠ (62㎜×73㎜);
전해질 챔버의 두께 또는 폭 = 4㎜;
전해질 챔버 내 전해질의 부피 = 18㎤;
연료 챔버의 두께 또는 폭= 20㎜;
연료 챔버 내 연료의 부피=90㎤.
박멤브레인 테플론 프레임-씰 두께=50㎛;
스테인레스 스틸 모세관 바늘 길이 = 7㎜, 내부 직경= 320㎛;
셀들 = 53㎛를 갖는 스테인레스스틸 미세메쉬 특수 멤브레인; 그리고
2㎜×3㎜의 셀들과 두께=1㎜ 를 갖는 폴리프로필렌 왓틀링 네트 스페이서 물질(watteled net spacer material).
DLFC는 붕소수소화물 연료로 채워졌고 다음 조건 하에서 실험하였다;
전체 실험 시간 = 20시간;
언로딩 형태 = 개방 회로.
이 실험에서, 애노드(3)와 특수 멤브레인(8) 사이의 공간이 채워지기까지 45초가 소요되었다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 수소 발생은 약 45초 후에 감소하기 시작했고, 약 3분 후에 연료 분해가 중단되었다.
상기에서 설명된 DLFC의 다양한 요소들의 예시적 그리고 바람직한 치수들은특히, 휴대 디바이스용 연료 전지들, 예컨대 휴대 디바이스들(예컨대, 랩탑들, 셀 폰들 등)에 적절한 크기의 치수를 갖는 연료 전지들을 위해 적용된다는 것에 주목해야 한다. 대응 치수들에 대한 예들은 여기에 예들로 주어진다. 휴대용 디바이스 들에 적합한 연료 전지들보다 상당히 작거나 큰 연료 전지들에 대해, 여기에 주어진 바람직한 치수들이 항상 가장 최대로 가능한 정도까지 바람직한 결과를 제공하는 것은 아닐 것이다. 본 기술분야에서 당업자 중 한 사람은, 하지만 주어진 어떤 연료 전지의 크기에 대한 가장 적절한 치수들을 확실히 알 수 있을 것이다.
본 명세서에서 사용된 "친수성"물질은 물에 대하여 친화성을 갖는 물질이다. 이 용어는 적셔질 수 있고, 높은 표면 장력값을 가지며, 물과 수소 결합을 형성하는 경향을 가지는 물질들을 포함한다. 또한, 그것은 높은 수증기 투과성을 갖는 물질을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "소수성"물질은 물에 반발하는 물질이다. 이 용어는 물 및 유사한 양성자성 및/또는 극성 액체가 통과하는 것을 허용하지만, 이들을 통한 유동을 실질적으로 저지하는 물질들을 포함한다.
앞서 언급한 예들은 단지 설명할 목적으로 제공되었으며, 결코 본 발명의 제한으로써 해석되지 않을 것이라는 것에 주의해야 한다. 본 발명이 예시적 실시예를 참고하여 설명되는 동안 사용된 용어들은 제한하기 위한 용어라기 보다는 설명과 예증를 위한 용어들임을 이해해야 할 것이다. 첨부된 청구항들의 범위내에서, 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고, 현재 설명되고 보정된 것처럼, 변화가 가해질 수 있다. 비록 특별한 수단, 물질 및 실시예들을 참고하여 본 출원에서 본 발명이 설명되기는 하였지만, 본 발명이 본 출원에 개시된 특이 사항들로 제한되도록 의도되는 것은 아니다. 대신, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위내에 있어서와 같이, 모든 기능적으로 동등한 구조들, 방법들 및 용도들로 확장된다.

Claims (85)

  1. 기체 발생으로 분해되기 쉬운 액체 연료를 사용하는 직접 액체 연료 전지로서,
    캐소드(cathode);
    애노드(anode);
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치된 전해질 챔버(electrolyte chamber);
    상기 전해질 챔버를 향하는 측면의 반대편인 상기 애노드의 측면 상에 배치된 연료 챔버(fuel chamber); 및
    상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드측 상에 배치된 적어도 하나의 멤브레인(membrane)을 포함하여 구성되며,
    상기 적어도 하나의 멤브레인은, 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 표면에서 형성되거나 상기 애노드 표면의 부근에서 형성되는 기체가 상기 애노드 근처에 축적되도록 구성 및 배치되며, 여기서 상기 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 연료 챔버로부터의 액체 연료 사이의 직접적인 접촉을 저지하는 지점까지 축적되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인은 스테인레스 스틸과 유기 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인은 스테인레스 스틸 미세메쉬(stainless steel micromesh)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 액체 연료 전지.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료 전지는 하나 이상의 자유 공간(free space) 및 스페이서 구조부를 더 포함하며, 여기서 상기 스페이스 구조부는 상기 적어도 하나의 멤브레인과 상기 애노드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스페이서 구조는 왓틀형 네트(wattled net)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 연료 전지는 프레임 씰(frame seal)로 이루어진 스페이서 구조부를 포함하며, 여기서 상기 프레임 씰은 상기 연료 챔버를 향하는 애노드의 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료 전지는, 적어도 상기 애노드에 인접한 제 1멤브레인과, 상기 연료 챔버를 향하는 상기 제 1멤브레인 측면상의 제 2멤브레인을 포함하여 구성되며,
    적어도 상기 제 1멤브레인은 상기 연료 챔버를 향하는 상기 애노드 표면에서 형성되거나 상기 애노드 표면의 부근에서 형성되는 기체가 상기 애노드 근처에 축적되도록 구성 및 배치되며, 여기서 상기 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 직접적인 접촉을 저지하는 지점까지 축적되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료 전지는 적어도 상기 애노드를 수용하는 케이스를 포함하여 구성되며,
    상기 연료 챔버의 적어도 일 부분은 상기 케이스의 외부에 배치되고,
    상기 케이스는 하나 이상의 액체 통로를 통해 상기 케이스 외부에 배치되는 상기 연료 챔버의 적어도 일 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 제 1항 또는 제 2항의 연료 전지에서 연료의 분해를 저지 또는 감소시키는 방법으로서,
    상기 연료 전지로 전기 에너지를 생성하는 단계;
    상기 연료 전지가 전기 에너지를 추가적으로 생성하는 것을 저지하는 단계와, 이로써 기체 발생과 함께 연료 전지의 애노드에서 연료가 분해되며; 그리고
    하기 단계들:
    (a) 적어도 하나의 멤브레인을 구비하여, 상기 애노드 부근에서 발생된 기체가 상기 애노드 부근에 축적되는 것을 촉진시키는 단계와, 여기서 상기 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 접촉을 제한하거나 저지하는 지점까지 축적되며; 및
    (b) 상기 애노드에서 발생된 기체가 상기 애노드 부근에 축적되도록 하거나 축적되는 것을 허용하는 단계와, 여기서 상기 기체는 적어도 상기 애노드와 상기 액체 연료 사이의 접촉을 저지하는 지점까지 축적되며; 중 하나 이상의 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 연료 분해 저지 또는 감소 방법.
  10. 연료 전지에 어떤 부하도 걸리지 아니할 때, 상기 연료 전지의 애노드에서, 직접 액체 연료 전지에 있는 연료의 분해를 감소시키거나 저지하는 방법으로서, 여기서 상기 연료 분해는 기체를 발생시키며,
    초기 연료 분해에 의해 발생된 기체가, 상기 연료와 상기 애노드 사이의 추가적 접촉을 제한하거나 저지하는 장벽을 형성하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 연료 분해 저지 또는 감소 방법.
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