KR101061395B1 - 증발에 의해 냉각과 가습을 하는 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 전기적인 직렬로 연결되고 바이폴러 형성에 따라 조립된 다수의 반응 셀(201)에 의해 형성되는 멤브레인 전기화학 발전기(200)에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 상기 멤브레인 전기화학 발전기(200)의 열 유지와 멤브레인(204)의 가습은 가스 반응물 공급에서 냉각 유체, 양호하게는 액상의 물의 주입에 의해서 보장된다. 상기 주입은 반응 파일(201)의 한계를 정하는 전도성 바이폴러 플레이트(203)에 의해 얻게되는 다수의 측정된 유체 주입 홀(230)을 통해서 발생한다. 상기 냉각 유체는 냉각 셀(202)에 위치한 수집기/배전기 구조(206)를 통해서 통과함으로써 예열될 수 있다.
연료 전지, 멤브레인, 냉각 유체, 반응 셀, 전기화학 발전기

Description

증발에 의해 냉각과 가습을 하는 연료 전지{FUEL CELL WITH EVAPORATIVE COOLING AND HUMIDIFICATION}
본 발명은 가스 반응물 내로 액상의 물의 직접 주입을 사용하는 멤브레인 전기화학 발전기에 관한 것이다.
멤브레인 전기화학 발전기(membrane electrochemical generator)에 기초한 화학 에너지를 전기 에너지로의 변환 과정은 종래 기술에서 공지되었다.
일반적으로, 멤브레인 전기화학 발전기는 전기적인 직렬로 서로 연결된 다수의 반응 셀(reaction cell)로 구성되며, 바이폴러(bipolar) 형상에 따라서 조립된다.
각각의 반응 셀은 옥시던트(oxidant)와 연료의 반응 동안에 발생되는 화학적 에너지를 약화시키지 않고 따라서 카르노 사이클(Carnot's cycle)의 제한에 노출되지 않고 완전히 열 에너지로 변환시킨다. 보다 명확하게는, 상기 연료는 반응 셀의 양극 챔버(anodic chamber)에 의해 공급되며, 예를 들어 수소-리치(hydrogen-rich) 가스 혼합물이나 메탄올 또는 에탄올과 같은 라이트(light) 알콜 용액으로 구성되는 반면에, 상기 옥시던트는 동일 셀의 음극 챔버(cathodic chamber)에 의해 공급되며 예를 들어 공기나 산소로 구성된다.
상기 연료는 물의 생성으로 옥시던트 전자-감소(electro-reduction)의 촉매 반응을 통해서 음극 챔버 안에서 배출하는 양자(protons) H+ 와 전자(electrons) e- 를 인식하는 양극 챔버 안에서 촉매에 의해 전자-산화(electro-oxidised)된다. 상기 양극과 음극 챔버로 분리되는 상기 양자-교환 멤브레인(membrane)은 외부의 전자 회로를 통해서 반대로 발생하는 전자 e- 의 통로를 동시에 방해하는 반면에, 양극 챔버에서 음극 챔버까지 양자 H+ 의 연속적인 유동을 허용한다. 이러한 방법에서, 반응 셀의 전극에서 정해지게 되는 전위(electric potential)의 차이는 최대화된다.
상기 양자-교환 멤브레인은 화학적으로 작용을 일으키지 않는 폴리머(a chemically inert polymer)로 구성되는 멤브레인 전기화학 발전기에서 일반적으로 사용되며, 전자 전하의 연속적인 분리로써, 액상의 물의 존재에서 산-베이스의(acid-base) 가수분해(hydrolysis)를 견디는 능력이 있는 그룹을 부분적으로 기능적인 것으로 만든다. 보다 정확하게는, 상기 가수분해는 양성 이온(positive ions)(양이온:cation)의 배출과, 폴리머 위에 고정된 음성 전하의 형성으로 구성된다.
가수 분해를 허용하고 따라서 양자의 전도가 발생하는 것을 허용하는 전자 전하의 분리가 분리될 수 있도록 양자-교환 멤브레인이 일정하게 수산화되도록 하기 위하여, 상기 가스 반응물(연료와 옥시던트)은 상기 전기화학 발전기 자체 외곽에 위치한 비싸고 복잡한 포화 장치에 의하여 반응 셀에 인접한 수증기와 온도로 포화 상태가 되는 전기화학 발전기에 공급된다.
상기 공지된 상기 전기화학 발전기는 순환하는 유체(예를 들어 이온이 제거된 물)와 열 교환을 통해서 발전기 자체의 작동 동안에 발생하는 열의 회수를 이루게하는 적합한 냉각 장치를 구비한다. 상기 열은 열 유지를 허용하기 위해서 전기화학 발전기로 부터 효과적으로 회수해야만 하며, 그것으로부터 100°C 이상의 온도로 작동하는 것이 일반적으로 적합하지 않는 양자-교환 멤브레인의 제한된 열 안정성 때문에, 뿐만 아니라 전자-제거 반응의 과정에서 생성된 물의 증발을 가능한 한 크게 제한하기 때문에 화학 작용을 일으키지 않는 유동에 의해 결과적으로 제거되야만 하며, 멤브레인 건조(dry-out) 위험의 결과로, 발전기에서 나오는 반응물은 변하지 않아야 한다.
그럼에도 불구하고, 상기 냉각 장치의 존재는 공지된 전기화학 발전기를 보다 복잡하고 비싸게 한다.
상기의 불편함을 방지하기 위한 공지된 용액은 본 출원인과 동일 출원자의 국제 특허 출원 WO 00/63992에 기재되어 있고, 이는 상기 양극과 음극 챔버 안에 위치한 미국 특허 제 5,482,792호에 기재된 형태의 그물 모양의 물질을 보유하는 반응 셀로 구성되는 멤브레인 전기화학 발전기 내에서 액상의 물의 측정된 유동(calibrated flow)의 직접 주입을 제공한다. 상승된 표면 향상의 이점을 갖는 그물 모양의 요소내에서 부분적으로 증발하는 액상의 물의 측정된 유동은, 2개의 구별된 장치의 사용없이 전기화학 발전기를 열로 제어하고 그로 인해 발전기 자체의 비용과 복잡성을 제한하면서 동시에 가스 반응물을 가습하는 것을 제공한다.
상술된 용액은, 하기의 많은 점에서 이점이 있지만, 그럼에도 불구하고 몇가지 불편함이 나타난다.
특히, 상기 액상의 물의 측정된 유동의 직접 주입은 각각의 반응 셀의 활동 영역 주변에서 발생하고, 가스 반응물의 유동에서 횡단으로 발생한다. 후자의 감소된 모멘텀(momentum)과 실링 개스킷(sealing gaskets)의 벽에서 부착 현상 때문에, 상기 액상의 물의 직접 주입용 모드(mode)는 뜨겁고 초기에 건조하는 영역인 수분이 없는 형성의 결과로, 각각의 셀의 활동 영역내에서 물의 비균일한 분배가 결정될 수 있다. 이는 멤브레인을 건조시키는 것과 그로 인한 작동 수명의 단축과, 상기 전기화학 발전기의 열 유지에 필요한 액상의 물 유동률의 증가의 결과로 수증기의 메카니즘을 방해하는 결과를 가져온다.
본 발명의 목적은 상술된 결점이 없는 멤브레인 전기화학 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 멤브레인 전기화학 발전기는 청구항 1에서 정의되는 것과 같이 실현된다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해서, 실시예는 단지 제한되지 않는 예로서 그리고 첨부된 도면을 참조로 하기에 의해 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 전기화학 발전기의 제 1 실시예의 전개된 측면도.
도 2는 도 1의 멤브레인 전기화학 발전기의 요소의 정면도.
도 3a, 3b, 3c는 도 1의 멤브레인 전기화학 발전기의 부가의 요소의 실시예를 도시하는 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 전기화학 발전기의 제 2 실시예의 전개된 측면도.
도 5a, 5b는 도 4의 전기화학 발전기의 요소의 서로 다른 두가지 실시예의 정면도.
도 6은 본 발명에 따라 멤브레인 전기화학 발전기의 제 3 실시예의 부분 측면도.
도 7a, 7b는 도 6의 전기화학 발전기의 요소의 정면도.
도 8a, 8b는 도 6의 전기화학 발전기의 부가의 요소의 정면도.
도 9a, 9b는 도 8a, 8b에서 도시된 요소의 서로 다른 실시예의 정면도.
도 10a, 10b는 도 7a, 7b에서 도시된 요소의 서로 다른 실시예의 정면도.
도 11a, 11b는 도 8a, 8b에서 도시된 요소의 서로 다른 실시예의 정면도.
도 12a, 12b는 도 9a, 9b에서 도시된 요소의 서로 다른 실시예의 정면도.
도 1은 본 발명을 따른 멤브레인 전기화학 발전기(membrane electrochemical generator)의 제 1 실시예를 도시한다. 상기 전기화학 발전기(1)는 서로 직렬로 연결되고 필터-프레스 타입(filter-press type) 형상을 따라 조립된 다수의 반응 셀(cell)(2)을 포함한다.
더 상세하게, 상기 각각의 반응 셀(2)은 바깥쪽으로 진행하는 양자-교환(proton-exchange) 멤브레인(4)을 포함하고 평면을 가지는 한쌍의 전도성 바이폴러 플레이트(conductive bipolar plates)(3)와; 한쌍의 다공 전극(porous electrodes)(5)과; 상기 멤브레인(4)과 각각의 다공 전극(5) 사이의 경계면에서 적층되는 한쌍의 촉매 층(6)과; 가스 반응물을 동시에 분배하는 동안에 상기 다공 전극(5)에 상기 전도성 바이폴러 플레이트(3)를 전기적으로 연결하는 형태의 미국 특허 5,482,792에 기재된 그물 모양으로 만들어진 금속성 요소에 의하여 실현되는 한쌍의 전류 수집기/배전기(collectors/distributors)(7)와; 양극 실링 개스킷(anodic sealing gasket)(8a)과 음극(cathodic) 실링 개스킷(8b)으로 구성되는 실링 개스킷 쌍(8a, 8b)에 의하여 제한된다. 상기 양극 실링 개스킷(8a)은 연료(특히 수소)의 누출을 피하기 위해서 반응 셀(2)의 양극 챔버(chamber)(9)의 주변을 밀봉하도록 되어 있으며, 반면에 상기 음극 실링 개스킷(8b)은 옥시던트(oxidant)(특히 공기)의 누출을 피하기 위해서 반응 셀(2)의 음극 챔버(10)의 주변을 밀봉하도록 되어 있다. 또한, 상기 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)은 전류 수집기/배전기(7)의 시트(seat)를 실현하도록 되어 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 전도성 바이폴러 플레이트(3)는 대체로 직사각형의 형태를 갖고 있으며, 그것들의 각자는 각각 연료와 옥시던트인 가스 반응물 통로용인 제 1 및 제 2 상부 개구(openings)(12, 13)와; 선택적인 잔여 반응물과 혼합되는 반응 생성물의 배출용인 제 1 및 제 2 하부 개구(14, 15)와; 특히 액체가 물인, 냉각 유체의 통로용인 측면 개구(16)를 구비하는 주변 부분 (perimetrical portion)(11)을 나타낸다. 상기 주변 부분(11)은 또한 전기화학 발전기의 타이트닝(tightening)이 이루어지는 것에 의하여 타이-로드(tie-rods)를 둘러싸기 위한 다수의 홀(holes)(17)을 구비한다.
상기 전기화학 발전기(1)의 조립 동안에, 상기 모든 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 제 1 및 제 2 상부 개구들(12, 13) 사이의 커플링(coupling)은 2개의 상부 세로방향 덕트(ducts)(18)의 형성을 결정하고, 반면에 상기 전체 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 제 1 및 제 2 하부 개구들(14, 15) 사이의 커플링은 2개의 하부 세로방향 덕트(19)의 형성을 결정한다. 단지 하나만이 도 1에서 도시되는 상기 2개의 상부 세로방향 덕트(18)는 가스 반응물의 공급 매니폴드(feeding manifolds)를 형성하고, 반면에 단지 하나만이 도 1에서 도시된는 상기 2개의 하부 세로방향 덕트(19)는 선택적인 잔여 반응물과 혼합되는 반응 생성물의 배출 매니폴드(discharge manifolds)를 형성한다. 또한, 상기 하부 세로방향 덕트(19)는 공급 매니폴드로서 사용될 수 있으며, 상기 상부 세로방향 덕트(18)는 배기 매니폴드로서 사용될 수 있다. 2개의 가스 반응물들 중 하나가 배출을 위한 대응하는 하부 세로방향 덕트(19)를 사용하는 상부 세로방향 덕트들(18) 중 하나를 통해서 공급되는 것이 가능하고, 다른 가스 반응물은 배출을 위한 대응하는 하부 세로방향 덕트(18)를 사용하는 다른 하부 세로방향 덕트(19)를 통해서 공급한다.
또한, 모든 바이폴러 플레이트(3)의 측면 개구들(16) 사이의 커플링은, 도 1에 나타나지 않는 액상의 물 통로용 측면 덕트의 형성을 결정한다.
상기 각각의 전도성 바이폴러 플레이트(3)는 다수의 유체 주입 홀들(fluid injection holes)(20)을 구비하는데, 상기 홀은 전부가 동일한 직경(예를 들어 0.2mm 내지 1mm에 포함된)을 가지며, 상기 홀을 통하여 전기화학 발전기(1)의 측면 덕트 내로 흐르는 액상의 물가 하기에서 설명되는 것이 더 좋을 것같은 반응 셀(2)로 주입(inject)된다. 상기 유체 주입 홀들(20)은 액상의 물의 동일한 분배를 보장하도록 서로 정렬되게 위치되며, 상기 제 1 및 제 2 상부 개구들(12, 13) 아래에 위치하게 된다.
도 3a, 3b, 3c에서 보여지듯이, 각각의 반응 셀(2)의 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)은 대체로 직사각형의 형태를 갖고 있으며, 가스 반응물 통로용인 각각의 제 1 및 제 2 상부 개구(8a1, 8a2, 8b1, 8b2)와; 선택적인 잔여 반응물과 혼합되는 반응 생성물의 배출용인 각각의 제 1 및 제 2 하부 개구(8a3, 8a4, 8b3, 8b4)와; 액상의 물의 통로용인 각각의 측면 개구(8a5, 8b5)를 나타낸다.
더 상세한 설명으로, 상기 양극 개스킷(8a)의 제 1 상부 개구(8a1)(연료가 통과하여 지나가는)와, 제 2 하부 개구(8a4)는 각각 분배 채널(21a)과 배출 채널(21b)를 통해서 양극 챔버(9)에 연결되고, 동일 양극 실링 개스킷의 두께 내로 얻어진다(도 3a). 다음으로, 상기 음극 실링 개스킷(8b)의 제 2 상부 개구(8b2)(옥시던트가 통과하여 지나가는)와, 제 1 하부 개구(8b3)는, 각각 공급 채널(23a)과 배출 채널(23b)을 통해서 음극 챔버(10)에 연결되며, 동일 음극 실링 개스킷의 두께 내로 얻어진다(도 3b). 분배와 배출 채널(21a, 21b, 23a 및 23b)은 빗형상(comb- like) 구조를 가지는데, 이것은 각각의 반응 셀(2) 내에서 가스 반응물과 반응 생성물을 분배하고 수집하도록 허용하며, 상기 반응 생성물은 균일한 형태로 상기 선택적인 잔류 반응물과 혼합된다. 상기 양극 실링 개스킷(8a)은 측면 개구(8a5)와 연결된 유체 수집 채널(22)을 구비한다. 선택적으로, 상기 수집 채널(22)은 분배 채널(21a)과 또한 연결될 수 있다(도 3c).
상기 필터-프레스 형상에서, 양극과 음극의 실링 개스킷(8a, 8b)의 제 1 및 제 2 상부 개구(8a1, 8a2, 8b1, 8b2)는, 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 제 1 및 제 2 상부 개구(12, 13)와 관련되어서, 2개의 상부 세로방향 덕트(18)를 형성하며; 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)의 제 1 및 제 2 하부 개구(8a3, 8a4, 8b3, 8b4)는 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 제 1 및 제 2 하부 개구(14, 15)와 관련되어서, 2개의 하부 세로방향 덕트(19)를 형성하며; 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)의 측면 개구(8a5, 8b5)는 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 측면 개구(16)와 관련되어서, 액상의 물 공급용 측면 덕트를 형성한다.
또한, 상기 필터-프레스 형상에서, 양극 실링 개스킷(8a)을 구비한 유체 수집 채널(22)은 음극 실링 개스킷(8b)의 분배 채널(23a)에 대응하여서 교대로 위치되는 유체 주입 홀(20)에 대응하여 위치하게 된다.
상기 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)은, 또한 전기화학 발전기(1)의 타이트닝(tightening)이 이루어지는 것에 의하여 타이-로드를 둘러싸기 위한 다수의 홀(24)을 구비한다.
이것과 반대로, 상기 전기화학 발전기(1)는 2개의 전도성 터미널(terminal) 플레이트(25)(도 1)에 의해 한계가 정해지며, 이중 하나는 상부 및 하부 세로방향 덕트(18, 19)와 측면 덕트의 수력(hydraulic) 연결을 위하여 도 1에 도시되지 않은 노즐을 구비한다. 또한, 상기 전도성 터미널 플레이트(25) 모두는 타이-로드를 둘러싸기 위한 적절한 홀(역시 도 1에 도시되지 않음)을 구비한다.
작동적으로는, 상기 전기화학 발전기(1)의 측면 덕트를 통해 공급되는 액상의 물의 유동은 양극 실링 개스킷(8a)의 유체 수집 채널(22)내로 흐르며, 이곳으로 부터 유체 주입 홀(20)을 통해서, 인접한 반응 셀(2) 내로 흘러 들어가는 음극의 반응성 스트림(sstream)으로 주입된다.
또 다른 방법에 있어서, 만일 양극 실링 개스킷(8a)가 도 3b에서 도시되는 것과 같은 구조를 갖고 있고, 음극 실링 개스킷(8b)이 도 3a에서 도시되는 것과 같은 구조를 갖고 있다면, 이러한 경우 액상의 물의 스트림은 음극 실링 개스킷(8b) 안에서 얻게되는 유체 수집 채널(22)내로 흐르며, 여기에서 부터, 유체 수집 측정 홀(20)을 통해서 인접한 반응 셀(2)로 유입되는 양극의 반응 스트림 내로 주입된다.
상기의 모든 경우에서, 전기화학 발전기(1)의 열 유지(thermal management)와 멤브레인(4)의 가습(humidification)은 전류 수집기/배전기(7)를 실현하는 그물 모양의 금속성 요소를 교차하여 흐르는 액상의 물 유동의 증발에 의해 실행된다.
도 4에서, 도 1, 2 및 3을 참조로 하여 이미 설명한 것과 동일한 부분들은 동일한 참조 부호로 제공되며, 본 발명을 따르는 상기 멤브레인 전기화학 발전기의 제 2 실시예가 도시된다. 상기 전기화학 발전기(100)는 1:1 비율로 반응 셀(2) 사이에 놓여있는 다수의 추가적인 반응 셀(101)을 포함하는 것을 제외하고는, 상기 전기화학 발전기(1)와 전체적으로 거의 비슷하다.
도 5a를 참조로 하면, 상기 냉각 셀(101)은 대체로 직사각형의 형태로서 반응 셀(2)의 크기와 같은 크기를 가지며 2개의 가스 반응물용 분리 표면으로서 작용하는 주변 부분(102a)과, 상기 전류 수집기/배전기(7)의 시트를 실현하기 위한 중공의 중심부(102b)를 포함한다. 상기 주변 부분(102a)은 제 1 및 제 2 상부 개구(103a1, 103a2), 제 1 및 제 2 하부 개구(103b1, 103b2)와 제 1 및 제 2 상부 개구(103a1, 103a2)에 대응하여 위치되는 측면 개구(104)를 구비한다.
상기 필터-프레스 형상에서, 상기 냉각 셀(101)의 제 1 및 제 2 상부 개구(103a1, 103a2)는, 상기 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)의 제 1 및 제 2 상부 개구(8a1, 8a2, 8b1, 8b1)와 관련하여서, 상기 경우에 도 3b에 도시되는 것과 동일한 구조와, 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 제 1 및 제 2 상부 개구(12, 13)와 관련하여서, 2개의 상부 세로방향 덕트(18)를 형성하고; 상기 냉각 셀(101)의 제 1 및 제 2 하부 개구(103b1, 103ba2)는 상기 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)의 제 1 및 제 2 하부 개구(8a3, 8a4, 8b3, 8b4)와, 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 제 1 및 제 2 하부 개구(12, 13)와 관련하여서, 2개의 하부 세로방향 덕트(18)를 형성한다. 이와는 반대로, 상기 냉각 셀(101)의 측면 개구(104)는 상기 양극과 음극 실링 개스킷(8a, 8b)의 측면 개구(8a5, 8a5)와 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 측면 개구(16)와 관련하여서, 액상의 물의 측면 공급 덕트를 형성한다. 상기 주변 부분(102a)은, 또한 타이-로드를 둘러싸기 위한 다수의 홀(105)을 구비한다.
또한, 상기 주변 부분(102a)의 2개의 면 위에서, 유체 수집 채널(106)은 측면 개구(104)와 연결되고 제 1 및 제 2 상부 개구(103a1, 103a2) 아래에 위치되게 존재한다. 상기 필터-프레스 형상에서, 상기 유체 수집 채널(106)은 전도성 바이폴러 플레이트(3)의 유체 주입 홀(20)과 대응하게 된다.
작동적으로는, 상기 전기화학 발전기(100)의 측면 덕트를 통해서 공급되는 액상의 물의 스트림은 유체 수집 채널(106)내로 흐르게 되고, 이곳으로 부터, 유체 주입 홀(20)을 통해서 인접된 반응 셀(2)로 유입되는 반응물 스트림에 의해 주입된다.
또 다른 방법으로는, 상기 유체 수집 채널(106)은 측면 개구(104)와 연결된 2개의 측면부(107, 108)에 의해 형성될 수 있는데, 상기 측면 개구는 제 1 및 제 2 하부 개구(103b1, 103ba2)에 대응하여 얻어지게 된다(도 5b).
이러한 경우에서, 상기 유체 주입 홀(20)에 도달하는 것과 상기 반응 셀(2) 내로 주입되기 이전의 액상의 물의 유동은 유체 수집 채널(106)의 2개의 측면부(107. 108)에 들어가고, 계속하여 반응 셀(2)로 유입되는 적어도 하나의 반응물 유동에 대하여 역방향(counter-currently) 또는 순방향(concurrently) 흐름으로 예열되는 상기 냉각 셀(101)의 전류 수집기/배전기(7)의 전체 표면을 교차하게 된다. 이러한 방법에서, 상기 냉각 셀(101)은 상기 전기화학 발전기(100)의 냉각 셀로서 작동한다.
도 6은 본 발명에 따르는 멤브레인 전기화학 발전기의 제 3 실시예의 단면도를 도시한다. 도 6에서 도시되는 단지 일부인 상기 전기화학 발전기(200)는 서로 직렬로 연결된 다수의 반응 셀(201)과 냉각 셀(202)에 의해 형성되며, 필터-프레스 타입 형태를 따라서 조립되며; 상기 각각의 냉각 셀(202)은 한쌍의 반응 셀(201)의 사이에 놓여지게 된다.
보다 상세하게는, 각각의 반응 셀(201)은 이들 사이에서 바깥쪽으로 진행되는 양자-교환(proton-exchange) 멤브레인(4)을 포함하는 한쌍의 전도성 평면 바이폴러 플레이트(203)와; 한쌍의 다공 전극(porous electrodes)(205)과; 상기 전도성 바이폴러 플레이트(203)를 상기 다공 전극(205)에 전기적으로 연결하는 한쌍의 전류 수집기/배전기(206)와; 가스 반응물의 누출을 피하기 위해서 반응 셀(201)의 주변을 밀봉하기 위한 한쌍의 실링 개스킷(207)에 의해 한계가 정해진다.
도 7a, 7b에 도시된 상기 전도성 바이폴러 플레이트(203)는 대체로 직사각형 형태를 가지며, 통상적으로 0.1mm 내지 0.4 mm의 두께를 가진다. 이들은 제 1 및 제 2 상부 개구(103a1, 103a2)와, 제 1 및 제 2 하부 개구(103b1, 103b2) 및 측면 개구(209)를 구비하는 주변 부분(208)을 나타낸다. 상기 주변 부분(208)은 전기화학 발전기(200)의 타이트닝이 이루어지는 타이-로드를 둘러싸기 위한 다수의 홀(210)을 구비한다.
상기 전기화학 발전기(200)의 조립 동안에, 상기 모든 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 제 1 및 제 2 상부 개구(208a1, 208a2) 사이의 커플링은 2개의 상부 세로방향 덕트(211)의 형성을 결정하고, 반면에 상기 모든 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 제 1 및 제 2 하부 개구(103b1, 103b2) 사이의 커플링은 2개의 하부 세로방향 덕트(212)의 형성을 결정한다. 단지 하나만 도 6에 도시되는 2개의 상부 세로방향 덕트(211)는 가스 반응물(연료와 옥시던트)의 공급 매니폴드(manifolds)를 형성하고, 반면에 단지 하나만 도시되는 2개의 하부 세로방향 덕트(212)는 선택적인 잔여 반응물과 혼합되는 반응 생성물의 배출 매니폴드를 형성한다. 또 다른 방법으로는, 상기 하부 세로방향 덕트(212)는 공급 매니폴드로서 사용될 수 있고, 상기 상부 세로방향 덕트(211)는 배출 매니폴드로서 사용될 수 있다. 또한 배출을 위한 하부 세로방향 덕트(212)에 대응하는 것을 사용하여서 상부 세로방향 덕트들(211) 중 하나를 통해서 2개의 가스 반응물들 중에 하나를 공급되는 것이 가능하고, 배출을 위한 상부 세로방향 덕트(211)에 대응하는 것을 사용하여 다른 하부 세로방향 덕트(212)를 통해서 다른 가스 반응물을 공급하는 것이 가능하다.
또한, 모든 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 측면 개구들(209) 사이의 커플링은 도 6에서 도시되지 않은 액상의 물 통로용 측면 덕트의 형성을 결정한다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 실링 개스킷(207)은 (주입 또는 압축)모듈링(moduling), 기계적인 앵커링(anchoring) 또는 접착(gluing)에 의해서 각각의 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 단지 한 면에 놓이게된다. 이들은 반응 셀(201) 활동 영역을 제한하는 것 외에도 전류 수집기/배전기(206)의 시트를 실현한다.
특별하게는, 상기 실링 개스킷(207)은 예를 들어 실리콘(silicone), 엘라스토머(elastomer) 등의 부드러운 물질로 얻게되고, 수십 밀리미터에서 수 밀리미터까지 범위를 정할 수 있는 최종 두께를 나타낸다.
상기 각각의 전도성 바이폴러 플레이트(203)는, 또한 0.1mm 내지 0.5 mm 사이로 포함되는 지름의 다수의 상부 측정 홀(213a)과, 다수의 하부 측정 홀(213b)을 구비한다. 상기 인접된 상기 냉각 셀(202)로부터 나오는 가스 반응물은 다수의 상부 측정 홀(213a)을 통해서 흐르고, 반면에 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 반응 생성물과 잔여 반응물은 다수의 하부 측정 홀(213b)을 통해서 반응 셀(201)을 나가게 된다. 상기 상부 측정 홀(213a)은 가스 반응물의 균일한 분배를 보장하도록 상호 정렬하여 위치되며, 제 1 및 제 2 상부 개구(208a1, 208a2) 아래에 위치하게 된다. 이와는 반대로, 상기 하부 측정 홀(213b)은 상호 정렬하여 위치 하게되고, 제 1 및 제 2 하부 개구(208b1, 208b2)위에 위치된다. 상기 상부(213a)와 하부(213b)의 측정 홀 모두는, 반응 셀(201)의 활동 영역을 보다 양호하게 이용하기 위해서 실링 개스킷(207)으로부터 약 1mm 이격되게 위치하게 된다.
또한, 상기 각각의 전도성 바이폴러 플레이트(203)는 모두 같은 지름(예를 들어 0.2mm 내지 1mm 사이에 포함되는)을 갖는 다수의 유체 주입 홀들(230)을 구비하는데, 이 유체 주입 홀들(230)을 통해서 인접한 냉각 셀(202)로부터 나오는 액상의 물이 반응 셀(201) 내로 주입한다. 상기 유체 주입 홀들(230)은 액상의 물의 균일한 분배를 보장하도록 서로 정렬하여 위치되며, 상기 상부 측정 홀(213a) 아래에 위치하게 된다.
다음은 도 8a, 8b를 참조하면, 상기 각각의 냉각 셀(202)은 대체로 직사각형 형태를 가지며, 반응 셀(201)과 같은 치수를 갖는다. 상기 각각의 냉각 셀(202)은 2개의 가스 반응물을 위한 분리 표면과 전류 수집기/배전기(206)의 시트를 실현하기 위하여 중공의 중심부로서 작동하는 플라스틱이나 금속으로 제조되는 강성의(rigid) 주변 부분(202a)을 포함한다. 상기 강성의 주변 부분(202a)은 제 1 및 제 2 상부 개구(214a1, 214a2)와, 제 1 및 제 2 하부 개구(214b1, 208b2) 및 측면 개구(215)를 구비한다. 상기 필터-프레스 형상에서, 상기 냉각 셀(101)의 제 1 및 제 2 상부 개구(214a1, 214a2)는 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 제 1 및 제 2 상부 개구(208a1, 208a2)와 관련하여서, 2개의 상부 세로방향 덕트(211)를 형성하며, 반면에 냉각 셀(202)의 제 1 및 제 2 하부 개구(214b1, 214b2)는 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 제 1 및 제 2 하부 개구(208b1, 214b2)와 관련하여서, 2개의 하부 세로방향 덕트(212)를 형성한다. 이와는 반대로, 상기 냉각 셀(202)의 측면 개구(209)는 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 측면 개구(209)와 관련하여서, 액상의 물의 공급 덕트를 형성한다. 상기 강성의 주변 부분(202a)은 또한 타이-로드를 둘러싸기 위한 상기 다수의 홀(216)을 구비한다.
또한, 상기 각각의 냉각 셀(202)은 상기 강성의 주변 부분(202a)의 양쪽 면 위에 놓이는 개스킷(217)을 포함하는데, 이들은 상기 주변 부분(202a) 자체의 각각의 면위에서, 상기 제 1 및 제 2 상부 개구(214a1, 214a2) 아래에 위치되는 가스 반응물(218a)의 수집 채널과; 제 1 및 제 2 하부 개구(214b1, 214b2) 위에 위치되는 반응 생성물과 잔여 반응물(218b)의 수집 채널과; 상기 상부 개구(214a1, 214a2) 중의 하나를 가스 반응물(218a)의 수집 채널에 연결하기 위한 공급 채널(219)과; 잔여 반응물(218b)과 반응 생성물의 수집 채널을 상기 하부 개구(214b1, 214b2) 중의 하나에 연결하기 위한 배출 채널(220)과; 상기 가스 반응물(218a)의 수집 채널 아래에 위치되고 상기 측면 개구(209)를 연결하는 유체 수집 채널(221)을 형성한다. 필터-프레스 형상에서, 상기 가스 반응물의 수집 채널(218a)은 상부 측정 홀(213a)에 대응하여 위치되며, 반응 생성물과 잔여 반응물의 수집 채널(218b)은 하부 측정 홀(213b)에 대응하여 위치되며, 반면에 상기 유체 수집 채널(221)은 유체 주입 홀(230)에 대응하여 위치하게 된다. 상기 개스킷(217)은 가스 반응물의 수집 채널(218a)과, 반응 생성물과 잔여 반응물의 수집 채널(218b) 및, 유체 수집 채널(221)을 밀봉하고, 가스 반응물의 통로, 반응 생성물 및 잔여 반응물의 통로 및 냉각 셀(202) 내의 액상의 물의 통로를 방해하게 된다.
또한, 상기 개스킷(217)은 반응 셀(201)의 실링 개스킷(207)에 의해 부과되는 밀착 조임/조립 하중에 적합한 부드러운 물질(실리콘, 엘라스토머 등)로 구성되며, (주입 또는 압축)모듈링(moduling), 기계적인 앵커링(mechanical anchoring) 또는 접착(gluing)에 의해 강성의 주변 부분(202a) 위에 놓이게 된다.
상기 전기화학 발전기(200)는 하기와 같이 작동한다. 상부 세로방향 덕트(211)를 통해서 전기화학 발전기(200)에 공급되는 가스 반응물(연료와 옥시던트)은 공급 채널(219)을 통해서 가스 반응물의 수집 채널(218a)내로 유입된다. 여기에서부터, 가스 반응물의 수집 채널(218)이 개스킷(217)에 의해 밀봉되기 때문에 추가의 셀(202)내로 가스 반응물이 유입될 수가 없고, 인접한 반응 셀(201)의 전도성 바이폴러 플레이트(203) 위에 위치된 다수의 상부 홀(213a)을 통과하게 된다. 상기 방법에서, 상기 가스 반응물은 효과적인 반응이 일어나는 반응 셀(201)에 활동적으로 도달하게 된다.
이와는 반대로, 상기 반응 셀(201)에서 발생되는 반응 생성물과 잔여 반응물은 인접한 냉각 셀(202)의 배출 생성물의 수집 채널(218b)에 도달하는 동일한 반응 셀의 전도성 바이폴러 플레이트(203)위에 위치하게 되는 다수의 하부 측정 홀(213b)을 통과한다. 여기에서부터, 이들은 배출 채널(220)을 통해서 전기화학 발전기(200)로 나간다.
또한, 본 발명에 따라서, 상기 전기화학 발전기(200)의 측면 덕트를 통해서 공급되는 액상의 물의 스트림은 유체 수집 채널(221) 내로 흐르며, 여기에서 부터 상기 유체 주입 홀(230)을 통해서, 멤브레인(204)의 가습과 전기화학 발전기(200)의 열 유지용으로 제공되는 인접한 반응 셀(201)로 들어가는 반응물 스트림 내로 주입된다.
또 다른 상기 유체 수집 채널(221)에서와 같이, 상기 냉각 셀(202)은 측면 개구(215)에 연결된 2개의 측면 유체 수집 채널(222, 223)을 포함할 수 있으며, 배출 생성물의 수집 채널(218b) 아래에 위치하게 된다(도 9a, 9b).
상기 경우에서, 상기 유체 주입 홀(230)에 도달하는 것과 상기 반응 셀(201)내로 주입되기 이전의 액상의 물의 유동은, 반응 셀(201)로 유입되는 적어도 하나의 반응물 유동에 대하여 역방향 또는 순방향 흐름으로 예열되는 냉각 셀(202)의 전류 수집기/배전기(206)의 전체 표면을 연속적으로 교차하기 위하여 두개의 측면 유체 수집 채널(222,223)을 통해서 들어간다. 이러한 방법에서, 상기 냉각 셀(202)은 전기화학 발전기(200)의 냉각 셀으로서 작동한다.
또한, 도 10a, 10b에 도시되는 것과 같이, 상기 각각의 전도성 바이폴러 플레이트(203)의 유체 주입 홀(230)은 상부 측정 홀(213a) (아래 보다는 오히려)위에 위치될 수 있다. 상기의 경우에, 상기 유체 수집 채널(221)은 가스 반응물의 수집 채널(218a) 위에 위치하게 된다.(도 11a, 11b).
다른 방법으로서, 상기 유체 수집 채널(221) 외에, 상기 냉각 셀(202)은 배출 생성물의 수집 채널(218b)위에 위치하게 되는 제 1 및 제 2 측면 채널(224, 225)을 포함할 수 있으며, 가스 반응물의 수집 채널(218a) 아래에 위치하게 되는 제 3 및 제 4 측면 채널(226, 227)을 포함할 수 있다(도 12a, 12b).
상기 경우에서, 상기 유체 주입 홀(230)에 도달하는 것과 상기 반응 셀(201) 내로 주입되기 이전의 액상의 물의 유동은, 제 1 및 제 2 측면 채널(224, 225)로 들어가고, 냉각 셀(202)의 전류 수집기/배전기(206)를 교차하는 제 3 및 제 4 측면 채널(226, 227)에서 나오게 됨으로써, 이것은 반응 셀(201)에 공급되는 반응 스트림의 적어도 하나에 대하여 역방향 또는 순방향으로 예열된다.
상술된 전기화학 발전기로 얻을 수 있는 이점은 다음과 같다.
먼저, 상기 유체 주입 홀(20, 230)은 반응 셀(2, 201) 내의 액상의 물의 측정된 유동의 균일한 분배를 얻는 것을 허용한다. 이러한 방법에서, 양자-교환 멤브레인(4, 204)의 수화(hydration)로서 전기화학 발전기(1, 100, 200)의 냉각은 멤브레인의 작동 수명이 증가하는 효과에 더하여 액상의 물 증발 메카니즘을 향상하는 보다 균일한 결과를 발생시키며, 따라서 상기 발전기의 열 유지를 위하여 요구되는 유동률(flow-rate)을 감소시킨다.
또한, 도 5b, 도 9a, 9b 및 도 12a, 12b에 도시되는 상기 냉각 셀의 사용으로 성취하는 액상의 물 유동의 예열은 상술된 이점을 증폭시키는데, 왜냐하면 전기화학 발전기(1, 100, 200)의 시동에서 정상-상태(steady-state) 컨디션에 도달하기 위한 시간의 추가적인 감소를 허용하는 액상의 물 증발 메카니즘을 추가로 향상시키기 때문이다.
변경과 변화는 본 발명의 도메인(domain)에서 벗어나지 않는 상술된 전기화학 발전기에 의해 만들어 질 수 있다는 것이 마지막으로 분명히 나타난다.

Claims (28)

  1. 다수의 반응 셀들을 포함하는 멤브레인 전기화학 발전기로서,
    각각의 상기 반응 셀은 양자-교환 멤브레인에 의해 분리되는 양극 챔버와 음극 챔버를 포함하고,
    각각의 상기 반응 셀은 한 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트에 의해 한계가 정해지므로, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 하나는 상기 양극 챔버에 인접하고, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 다른 하나는 상기 음극 챔버에 인접하며,
    각각의 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들은 제 1 평면 측면과 상기 제 1 평면 측면의 반대 측면 상에 있는 제 2 평면 측면을 포함하고,
    상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들 중 하나 이상은 다수의 유체 주입 홀들을 포함하며, 상기 유체 주입 홀의 일 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 1 평면 측면 상의 물의 소스로 개구하고, 상기 유체 주입 홀의 다른 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 2 평면 측면 상의 인접 챔버로 개구하므로, 상기 물은 상기 바이폴러 플레이트의 제 1 평면 측면으로부터 상기 유체 주입 홀을 통하여 상기 인접 챔버까지 유동하며,
    상기 양극 챔버와 음극 챔버는 각각 전기 전도성의 그물 모양의 요소를 포함하고,
    상기 그물 모양의 요소는 상기 전도성 바이폴러 플레이트들을 상기 전극에 전기적으로 연결하고 상기 그물 모양의 물질이 잔류하는 상기 음극 챔버 또는 양극 챔버에서 가스 반응물들의 유동을 분배하는 3차원 네트워크 와이어들이며,
    상기 전기화학 발전기는 다수의 냉각 셀들을 부가로 포함하고, 각각의 상기 냉각 셀들은 2개의 반응 셀들 사이에 개재되며,
    상기 냉각 셀은, 중공의 중심부와, 상기 냉각 유체 통로를 위한 측면 개구들과, 상기 측면 개구들에 연결된 하나 이상의 유체 수집 채널과, 상기 가스 반응물의 통로를 위한 공급 개구들, 및 상기 반응 생성물과 잔여 반응물을 배출하기 위한 배출 개구들을 갖는 주변 부분(perimetrical portion); 및 상기 중공의 중심부에 잔류하는 전기 전도성 그물 모양의 요소를 부가로 포함하며,
    측면 채널이 상기 측면 개구를 상기 중공의 중심부와 유동적으로 연결하고,
    상기 냉각 유체는 하나 이상의 인접한 반응 셀 내로 상기 유체 주입 홀들을 횡단하기 이전에 상기 냉각 셀을 횡단하며, 상기 반응 셀들로 유입하는 하나 이상의 가스 유동에 대하여 역방향 또는 순방향 흐름으로 예열하는, 멤브레인 전기화학 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 상기 반응 셀의 내측에서 부분적으로 증발되어, 상기 반응 셀의 내측에서 상기 가스 반응물들의 유동을 적시며, 상기 멤브레인 전기화학 발전기로부터 상기 반응에서 발생된 열을 제거하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 바이폴러 플레이트들은 상부 반부와 하부 반부를 갖고, 상기 유체 주입 홀들은 서로 정렬되어 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 상부 반부에 위치되며, 상기 가스 반응물들의 유동의 통로를 위한 상기 공급 개구는 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 상부 반부에 위치되고, 상기 측면 개구들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 주변 부분에 있는 멤브레인 전기화학 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 주입 홀들은 0.2mm 내지 1mm 사이의 동일 지름을 갖는 멤브레인 전기화학 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 바이폴러 플레이트들은는 2개의 인접한 반응 셀들로부터 양극 실링 개스킷과 음극 실링 개스킷 사이에 개재되며,
    상기 실링 개스킷들은,
    전기 전도성 그물 모양의 요소가 잔류하는 중공의 중심부;
    상기 가스 반응물들의 유동의 통로를 위한 공급 개구들;
    상기 냉각 유체의 통로를 위한 측면 개구들; 및
    상기 전기 전도성 그물 모양의 요소에 상기 공급 개구들을 유동적으로 연결하기 위한 분배 채널을 포함하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 실링 개스킷들 중 하나 이상은 상기 측면 개구들에 연결된 유체 수집 채널들을 포함하고, 상기 유체 수집 채널들은 상기 냉각 유체를 수집하도록 상기 공급 개구들과 상기 분배 채널들 사이에 개재되는 멤브레인 전기화학 발전기.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 실링 개스킷들 중 하나 이상은 상기 측면 개구들과 상기 분배 채널들에 연결되는 유체 수집 채널들을 포함하고, 상기 유체 수집 채널들은 상기 공급 개구들과 상기 분배 채널들 사이에 위치되는 멤브레인 전기화학 발전기.
  8. 제 6 항에 있어서, 필터-프레스(filter-press) 형상에서, 상기 하나 이상의 실링 개스킷들 상에 존재하는 상기 유체 수집 채널들은 상기 유체 주입 홀들에 겹쳐지고, 상기 각각의 유체 주입 홀들은 상기 다른 실링 개스킷 상에서 얻어진 분배 채널에 대응하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 수집 채널은 상기 공급 개구들과 상기 중공의 중심부 사이에 위치되는 멤브레인 전기화학 발전기.
  11. 제 1 항에 있어서, 필터-프레스 형상에서, 상기 유체 수집 채널은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 유체 주입 홀들에 겹쳐치는 멤브레인 전기화학 발전기.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 다수의 반응 셀들을 포함하는 멤브레인 전기화학 발전기로서,
    각각의 상기 반응 셀은 양자-교환 멤브레인에 의해 분리되는 양극 챔버와 음극 챔버를 포함하고,
    각각의 상기 반응 셀은 한 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트에 의해 한계가 정해지므로, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 하나는 상기 양극 챔버에 인접하고, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 다른 하나는 상기 음극 챔버에 인접하며,
    각각의 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들은 제 1 평면 측면과 상기 제 1 평면 측면의 반대 측면 상에 있는 제 2 평면 측면을 포함하고,
    상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들 중 하나 이상은 다수의 유체 주입 홀들을 포함하며, 상기 유체 주입 홀의 일 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 1 평면 측면 상의 물의 소스로 개구하고, 상기 유체 주입 홀의 다른 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 2 평면 측면 상의 인접 챔버로 개구하므로, 상기 물은 상기 바이폴러 플레이트의 제 1 평면 측면으로부터 상기 유체 주입 홀을 통하여 상기 인접 챔버까지 유동하며,
    상기 양극 챔버와 음극 챔버는 각각 전기 전도성의 그물 모양의 요소를 포함하고,
    상기 그물 모양의 요소는 상기 전도성 바이폴러 플레이트들을 상기 전극에 전기적으로 연결하고 상기 그물 모양의 물질이 잔류하는 상기 음극 챔버 또는 양극 챔버에서 가스 반응물들의 유동을 분배하는 3차원 네트워크 와이어들이며,
    상기 전도성 바이폴러 플레이트들은 상부 반부와 하부 반부를 갖고, 상기 가스 반응물들의 유동의 통로를 위한 다수의 제 1 홀들과, 반응 생성물들과 선택적인 잔여 반응물들의 배출을 위한 다수의 제 2 홀들을 포함하며,
    상기 다수의 유체 주입 홀들과 상기 다수의 제 1 홀들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상부 반부에 위치되고,
    상기 멤브레인 전기화학 발전기는 다수의 냉각 셀들을 부가로 포함하며, 상기 냉각 셀들 각각은 2개의 반응 셀들 사이에 개재되고 그리고 강성의 주변 부분과 중공의 중심부를 포함하며, 상기 강성의 주변 부분은 전기 전도성 그물 모양의 요소가 잔류하는 상기 중공의 중심부로부터 상기 가스 반응물들의 유동을 분리하고,
    상기 강성의 주변 부분은 개스킷에 의해 각각의 면 상에서 커버되고, 상기 개스킷은 상기 강성의 주변 부분의 각각의 면 상에, 공급 채널을 통하여 상기 강성의 주변 부분의 상기 공급 개구들과 유동적으로 연결하는 가스 반응물들의 유동을 수집하는 존(zone), 및 배출 채널을 통하여 상기 강성의 주변 부분의 상기 배출 개구들과 유동적으로 연결하는 반응 생성물들과 잔여 반응물들을 수집하는 존을 형성하며,
    상기 유체 주입 홀들은 상기 바이폴러 플레이트들의 상기 공급 개구들과 상기 제 1 홀들 사이에 위치되고,
    상기 개스킷은 상기 강성의 주변 부분의 각각의 면 상에, 상기 냉각 셀의 상기 공급 개구들과 상기 가스 반응물들의 유동을 수집하기 위한 상기 존 사이에 위치된 유체 수집 채널을 형성하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 홀들은 서로 정렬되며, 상기 공급 개구들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 상부 반부에 위치되고,
    상기 제 2 홀들은 상기 바이폴러 플레이트들의 상기 하부 반부에서 서로 정렬되며, 배출 개구들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 하부 반부에서 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 주변 부분상에 위치되는 멤브레인 전기화학 발전기.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 반응 셀들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 주변 부분의 한 면만을 커버하는 실링 개스킷을 포함하며, 상기 실링 개스킷은 전기 전도성 그물 모양의 요소가 잔류하는 중공의 중심부를 가지는 멤브레인 전기화학 발전기.
  17. 삭제
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 강성의 주변 부분은 상기 가스 반응물들의 유동을 공급하기 위한 공급 개구들과, 상기 반응 생성물과 잔여 반응물들을 배출하기 위한 배출 개구들과, 상기 냉각 유체의 통로를 위한 측면 개구들을 가지는 멤브레인 전기화학 발전기.
  19. 삭제
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 개스킷은 상기 냉각 셀 내의 상기 가스 반응물들의 유동과 상기 반응 생성물들 및 선택적인 잔여 반응물들의 통로를 막도록, 상기 가스 반응물들의 유동을 수집하는 상기 존과 상기 반응 생성물들 및 잔여 반응물들을 수집하는 상기 존을 밀봉하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  21. 제 14 항에 있어서, 필터-프레스 형상에서, 상기 가스 반응물들의 유동을 수집하는 상기 존은 상기 제 1 홀들과 겹치고, 상기 반응 생성물들 및 잔여 반응물들을 수집하는 상기 존은 상기 제 2 홀들과 겹치는 멤브레인 전기화학 발전기.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 유체 주입 홀들은 상기 제 1 홀들 아래에 위치되고, 상기 개스킷은 상기 강성의 주변 부분의 각각의 면 상에, 상기 냉각 셀들의 상기 공급 개구들 아래에 위치된 유체 수집 채널을 형성하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  23. 삭제
  24. 제 22 항에 있어서, 필터-프레스 형상에서, 상기 유체 수집 채널은 상기 유체 수집 홀들과 겹치는 멤브레인 전기화학 발전기.
  25. 다수의 반응 셀들을 포함하는 멤브레인 전기화학 발전기로서,
    각각의 상기 반응 셀은 양자-교환 멤브레인에 의해 분리되는 양극 챔버와 음극 챔버를 포함하고,
    각각의 상기 반응 셀은 한 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트에 의해 한계가 정해지므로, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 하나는 상기 양극 챔버에 인접하고, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 다른 하나는 상기 음극 챔버에 인접하며,
    각각의 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들은 제 1 평면 측면과 상기 제 1 평면 측면의 반대 측면 상에 있는 제 2 평면 측면을 포함하고,
    상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들 중 하나 이상은 다수의 유체 주입 홀들을 포함하며, 상기 유체 주입 홀의 일 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 1 평면 측면 상의 물의 소스로 개구하고, 상기 유체 주입 홀의 다른 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 2 평면 측면 상의 인접 챔버로 개구하므로, 상기 물은 상기 바이폴러 플레이트의 제 1 평면 측면으로부터 상기 유체 주입 홀을 통하여 상기 인접 챔버까지 유동하며,
    상기 양극 챔버와 음극 챔버는 각각 전기 전도성의 그물 모양의 요소를 포함하고,
    상기 그물 모양의 요소는 상기 전도성 바이폴러 플레이트들을 상기 전극에 전기적으로 연결하고 상기 그물 모양의 물질이 잔류하는 상기 음극 챔버 또는 양극 챔버에서 가스 반응물들의 유동을 분배하는 3차원 네트워크 와이어들이며,
    상기 전도성 바이폴러 플레이트들은 상부 반부와 하부 반부를 갖고, 상기 가스 반응물들의 유동의 통로를 위한 다수의 제 1 홀들과, 반응 생성물들과 선택적인 잔여 반응물들의 배출을 위한 다수의 제 2 홀들을 포함하며,
    상기 다수의 유체 주입 홀들과 상기 다수의 제 1 홀들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 상부 반부에 위치되고,
    상기 멤브레인 전기화학 발전기는 다수의 냉각 셀들을 부가로 포함하며, 상기 냉각 셀들 각각은 2개의 반응 셀들 사이에 개재되고 그리고 강성의 주변 부분과 중공의 중심부를 포함하며, 상기 강성의 주변 부분은 전기 전도성 그물 모양의 요소가 잔류하는 상기 중공의 중심부로부터 상기 가스 반응물들의 유동을 분리하고,
    상기 강성의 주변 부분은 개스킷에 의해 각각의 면 상에서 커버되고, 상기 개스킷은 상기 강성의 주변 부분의 각각의 면 상에, 공급 채널을 통하여 상기 강성의 주변 부분의 상기 공급 개구들과 유동적으로 연결하는 가스 반응물들의 유동을 수집하는 존(zone), 및 배출 채널을 통하여 상기 강성의 주변 부분의 상기 배출 개구들과 유동적으로 연결하는 반응 생성물들과 잔여 반응물들을 수집하는 존을 형성하며,
    상기 냉각 셀들은 상기 냉각 셀들의 측면 개구들에 연결되고 상기 냉각 셀들의 상기 배출 개구들 위에 위치되는 제 1 및 제 2 유체 수집 측면 채널을 포함하고,
    상기 냉각 유체는, 상기 유체 주입 홀들에 도달하기 전에, 상기 전기 전도성 그물 모양의 요소의 전체 표면을 계속해서 교차하도록 상기 제 1 및 제 2 유체 수집 측면 채널들을 통과하며, 상기 반응 셀로 유입되는 하나 이상의 가스 유동에 대하여 역방향 또는 순방향 흐름으로 예열하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  26. 다수의 반응 셀들을 포함하는 멤브레인 전기화학 발전기로서,
    각각의 상기 반응 셀은 양자-교환 멤브레인에 의해 분리되는 양극 챔버와 음극 챔버를 포함하고,
    각각의 상기 반응 셀은 한 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트에 의해 한계가 정해지므로, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 하나는 상기 양극 챔버에 인접하고, 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트 중 다른 하나는 상기 음극 챔버에 인접하며,
    각각의 상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들은 제 1 평면 측면과 상기 제 1 평면 측면의 반대 측면 상에 있는 제 2 평면 측면을 포함하고,
    상기 쌍의 전도성 바이폴러 플레이트들 중 하나 이상은 다수의 유체 주입 홀들을 포함하며, 상기 유체 주입 홀의 일 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 1 평면 측면 상의 물의 소스로 개구하고, 상기 유체 주입 홀의 다른 단부는 상기 전도성 바이폴러 플레이트의 상기 제 2 평면 측면 상의 인접 챔버로 개구하므로, 상기 물은 상기 바이폴러 플레이트의 제 1 평면 측면으로부터 상기 유체 주입 홀을 통하여 상기 인접 챔버까지 유동하며,
    상기 양극 챔버와 음극 챔버는 각각 전기 전도성의 그물 모양의 요소를 포함하고,
    상기 그물 모양의 요소는 상기 전도성 바이폴러 플레이트들을 상기 전극에 전기적으로 연결하고 상기 그물 모양의 물질이 잔류하는 상기 음극 챔버 또는 양극 챔버에서 가스 반응물들의 유동을 분배하는 3차원 네트워크 와이어들이며,
    상기 전도성 바이폴러 플레이트들은 상부 반부와 하부 반부를 갖고, 상기 가스 반응물들의 유동의 통로를 위한 다수의 제 1 홀들과, 반응 생성물들과 선택적인 잔여 반응물들의 배출을 위한 다수의 제 2 홀들을 포함하며,
    상기 다수의 유체 주입 홀들과 상기 다수의 제 1 홀들은 상기 전도성 바이폴러 플레이트들의 상기 상부 반부에 위치되고,
    상기 멤브레인 전기화학 발전기는 다수의 냉각 셀들을 부가로 포함하며, 상기 냉각 셀들 각각은 2개의 반응 셀들 사이에 개재되고 그리고 강성의 주변 부분과 중공의 중심부를 포함하며, 상기 강성의 주변 부분은 전기 전도성 그물 모양의 요소가 잔류하는 상기 중공의 중심부로부터 상기 가스 반응물들의 유동을 분리하고,
    상기 강성의 주변 부분은 개스킷에 의해 각각의 면 상에서 커버되고, 상기 개스킷은 상기 강성의 주변 부분의 각각의 면 상에, 공급 채널을 통하여 상기 강성의 주변 부분의 상기 공급 개구들과 유동적으로 연결하는 가스 반응물들의 유동을 수집하는 존(zone), 및 배출 채널을 통하여 상기 강성의 주변 부분의 상기 배출 개구들과 유동적으로 연결하는 반응 생성물들과 잔여 반응물들을 수집하는 존을 형성하며,
    상기 냉각 셀들은:
    상기 냉각 셀들의 측면 개구들에 연결되고 상기 냉각 셀들의 상기 배출 개구들 위에 위치되는 제 1 및 제 2 유체 수집 측면 채널들과;
    상기 냉각 셀들의 상기 측면 개구들에 연결되고 상기 냉각 셀들의 상기 공급 개구들 아래에 위치되는 제 3 및 제 4 유체 수집 측면 채널과;
    상기 냉각 셀들의 상기 공급 개구들과 상기 가스 반응물들의 유동을 수집하는 상기 존 사이에 위치되고 상기 냉각 셀들의 상기 측면 개구들에 연결되는 유체 수집 채널을 포함하고;
    상기 냉각 유체는, 상기 유체 주입 홀들에 도달하기 전에, 상기 전기 전도성 그물 모양의 요소의 전체 표면을 계속해서 교차하도록 상기 제 1 및 제 2 유체 수집 측면 채널을 통해서 들어가서, 상기 반응 셀들에 들어가는 하나 이상의 가스 유동에 대하여 역방향 또는 순방향 흐름으로 예열하고, 상기 냉각 유체는 상기 제 3 및 제 4 유체 수집 측면 채널로부터 계속해서 나오며;
    필터-프레스 형상에서, 상기 유체 수집 채널은 상기 유체 주입 홀들에 겹치는 멤브레인 전기화학 발전기.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 액상의 물인 멤브레인 전기화학 발전기.
  28. 삭제
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