KR101165433B1 - 전기화학 반응 레이어 아래에 통전 구조부를 갖는 화학전지 - Google Patents

전기화학 반응 레이어 아래에 통전 구조부를 갖는 화학전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 화학 전지 구조는, 적어도 부분적으로, 전기화학 반응 레이어 아래에 전기적 통전 구조부를 가진다. 이 전지는, 각 측면에 하나의 촉매 레이어(catalyst layer)를 갖는 하나의 이온 교환 멤브레인(ion exchange membrane)을 포함하여 구성된다. 이온 교환 멤브레인은, 예를 들어, 하나의 양자 교환 멤브레인(proton exchange membrane)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 상당수의 실시예들은, 하나의 이온 교환 멤브레인 물질 시트에 형성된 복수의 개별 단위 전지들을 갖는 화학 전지 레이어들을 제공한다.

Description

전기화학 반응 레이어 아래에 통전 구조부를 갖는 화학 전지{Electrochemical cells having current-carrying structures underlying electrochemical reaction layers}
관련 출원들에 관한 상호참조사항
본 출원은 2004년 5월 4일자로 출원된 미국 특허출원 60/567648호, 2004년 9월 13일자로 출원된 미국 특허출원 60/608879호, 및 2005년 2월 2일자로 출원된 미국 특허출원 11/047560호의 우선권을 주장하며, 위의 모든 미국 특허출원들은 본 명세서의 참고문헌을 이룬다.
기술 분야
본 발명은 화학 전지에 관한 것이다. 본 발명은 연료 전지, 전해 전지 및 그 밖의 유형의 화학 전지로 구현될(embodied) 수 있다.
종래의 화학 전지(10)가 도 1에 도시되어 있다. 이 전지(10)는, 예를 들어, 하나의 PEM (proton exchange membrane; 양자 교환 멤브레인) 연료 전지를 포함하 여 구성될 수 있다. 이 전지(10)는, 수소 가스와 같은 연료가 거쳐서 도입되는 하나의 매니폴드(manifold)(12)를 가진다. 연료는 하나의 다공성 도전 레이어(porous current-carrying layer)(13A)를 통과하여, 자유 전자와 양으로 대전된 이온들(일반적으로 양자들)을 만들기 위해 연료가 화학 반응을 겪게 되는 하나의 애노드 촉매 레이어(anode catalyst layer)(14A)를 지나간다. 자유 전자들은 도전 레이어(13A)에 의해 모아지고(collected), 이온들은 전기-절연 이온 교환 멤브레인(electrically-insulating ion exchange membrane)(15)을 통과한다. 이온 교환 멤브레인(15)은 애노드 촉매 레이어(14A)와 하나의 캐소드 촉매 레이어(cathode catalyst layer)(14B) 사이에 놓여있다. 이 전지(10)는 하나의 산화제(예를 들어, 공기 또는 산소)를 가지는(carrying) 하나의 매니폴드(16)를 가진다. 산화제는 애노드 촉매 레이어(14B)에 접근하기 위해 하나의 다공성 도전 레이어(13B)를 통과할 수 있다.
도 1A에 도시되어 있는 바와 같이, 전자들은 애노드 촉매 레이어(14A)내의 화학 반응의 사이트(sites)에서 도전 레이어(13A)로 이동한다. 양자들(또는 다른 양으로 대전된 전하들)은, 전자 흐름 방향과 반대인 방향으로 이온 교환 멤브레인(15)을 통과하여 이동한다. 도전 레이어(13A)에 모아진 전자들은, 전지(10)의 캐소드 측에서 하나의 외부 회로(18)를 통해 다공성 도전 레이어(13B)로 이동한다. 그러한 전지에서, 전자 흐름과 이온 흐름은 일반적으로 반대 방향으로 발생하고, 이온 교환 멤브레인(15)의 평면에 대해 둘다 대체로 수직이다.
촉매 레이어(14A 및 14B)는 "이종 전도성(dual species conductive)"이어야 한다[즉, 전자들과 이온들 모두의 흐름을 위한 전도성 통로들을 제공하여야 함]. 이온 교환 멤브레인(15)은 단일종 전도성이어야 한다[즉, 전지(10)의 내부 단락(internal short-circuiting)을 피하기 위해 전기 절연을 제공하면서 이온이 흐를 수 있도록 허용되어야만 함].
많은 전기화학적 장치들은, 전류를 촉매 레이어로부터 멀리 운반하기(carry away) 위한 여러 형태의 다공성 전도 반응물질 확산 매체(porous conductive reactant diffusion media)를 포함한다. 이것은, 반응물질들을 촉매 사이트로 이동시키기 위한 능력을, 손상시키고, 어려운 재료 문제(a difficult material challenge)를 야기한다. 또한, 반응물질 확산 레이어(reactant diffusion layers)를 포함시키는 것과 제조 및 비용 문제가 있다. 고성능 화학 전지를 설계하는데 있어서의 주된 문제는, 반응물질들을 전지로 들어가게 하고, 반응물질들의 생성물들이 전지로부터 제거되게 하면서, 전류를 전지로 통과시키거나 전지로부터 빼내는(withdrawn) 통전 레이어들(current-carrying layers)을 형성하는 것이다.
지난 수십년간에 걸처 행해진 방대한 양의 연료 전지 연구와 개발에도 불구하고, 비용 효율적으로 생산될 수 있고, 반응물질들의 전기화학 반응 사이트에 대한 개선된 접근을 제공하는, 보다 효율적인 화학 전지들에 대한 필요성이 남아있다.
발명의 요약
본 발명은 연료 전지와 같은 화학 전지 또는 전해조(electrolyzers)와 같은 화학 전지에 관한 것이다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 염소-알칼리 처리(chlor-alkali processing)를 위해 사용되는 것들과 같은 다른 유형의 화학 전지에 응용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 개별적 또는 "단위(unit)" 전지의 어레이들(arrays)을 포함하여 구성되는 화학 전지 레이어들을 제공한다.
본 발명의 하나의 양상(aspect)은, 각 측면에 하나의 전기화학 반응 레이어를 갖는 하나의 이온 교환 멤브레인을 포함하여 구성되는 하나의 박막 레이어(thin layer) 전지 구조를 제공한다. 이온 교환 멤브레인은 단일 구조의 하나의 레이어를 포함하여 구성될 수 있거나 하나보다 많은 물질로 만들어진 하나의 복합 레이어를 포함하여 구성될 수 있다. 이온 교환 멤브레인은, 예를 들어, 하나의 양자 교환 멤브레인을 포함하여 구성될 수 있다. 적어도 부분적으로 통전 구조부(electrical current-carrying structure)가 전기화학 반응 레이어들의 하나의 아래에 있다.
본 발명의 다른 양상은, 화학 전지를 위한 코어 어셈블리들(core assemblies)을 제공한다. 하나의 코어 어셈블리는, 하나의 이온 교환 멤브레인; 상기 이온 교환 멤브레인의 적어도 첫번째 측면상의 하나의 전도성 전기화학 반응 레이어(electrically conducting electrochemical reaction layer); 및 상기 전기화학 반응 레이어와 전기적으로 접촉된 하나의 전도성 통전 구조부(electrically-conductive current-carrying structure)를 포함하여 구성된다. 전기화학 반응 레이어의 외부표면은 통전 구조부의 적어도 일부의 위에 위치한다.
본 발명의 다른 양상은, 하나의 화학 전지를 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 그러한 방법은, 하나의 외부표면과 하나의 내부표면을 갖는 하나의 촉매-함유 전기화학 반응 레이어; 적어도 부분적으로 상기 전기화학 반응 레이어의 아래에 위치한 하나의 통전 구조부; 및 상기 전기화학 반응 레이어의 내부표면과 접촉하는 하나의 이온-전도 레이어(ion-conducting layer)를 갖는 하나의 화학 전지를 준비하는 단계와; 하나의 반응물질로 하여금 상기 전기화학 반응 레이어내로 확산되도록 하는 단계와; 상기 전기화학 반응 레이어의 표면과 전도 레이어 사이의 전기화학 반응 레이어의 한 위치에 하나의 이온을 만들기 위해 그 반응물질로 하여금 반응촉진 전기화학 반응(catalysed electrochemical reaction)을 거치게(undergo) 하는 단계와; 그리고, 그 이온을, 상기 통전 구조부를 비켜가는(avoid) 하나의 통로를 따라, 이온-전도성 레이어로 이동하게 하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 비-제한적 실시예들을 나타내는 첨부도면들에 있어서:
도 1은, 선행 기술의 화학 전지의 단면 개략도이고;
도 1A는 도 1의 전지의 일부분의 확대 개략도이며;
도 2A 내지 도 2D는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 전지 구조의 개략도이고;
도 3은, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하나의 전극의 개략도이며;
도 4는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전자 및 양자 전도성 통로들(electron and proton conduction paths)을 나타낸 개락도이고;
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하나의 단위 전지 구조의 개략도이며;
도 6은, 단위 전지가 직렬로 연결된, 본 발명의 또 다른 실시예의 하나의 멤브레인 전극 어셈블리의 단면을 나타낸 도면이고;
도 6A는, 도 6의 멤브레인 전극 어셈블리의 전류 흐름과 양자 흐름을 나타낸 개략도이며;
도 6B는, 기판(substrate)에 매입된(embedded) 전류 도체들(current conductors)에 의해 단위 전지들이 상호연결된, 멤브레인 전극 어셈블리의 단면도이고;
도 7은, 6각형 단위 전지들(hexagonal unit cells)의 하나의 어레이를 갖는 화학 전지 레이어의 부분 평면도이며;
도 8A, 8B 및 8C는, 병렬로, 직렬로 그리고 직-병렬로(in series-parallel) 연결된 복수의 단위 전지들을 갖는 화학 전지 레이어들을 각각 나타낸 개략도들이고;
도 9는, 본 발명에 따른 단위 전지들이 배열될 수 있는 주름 구조(pleated structure)의 측면도이며;
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 연료 전지 장치의 분해도이고;
도 10A는, 조립된 형태의, 도 10의 연료 전지 장치를 나타낸 도면이며;
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하나의 연료 전지 장치를 나타낸 도면이고;
도 12는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 레이어 뭉치(stack)를 나타낸 도면이며; 그리고
도 13은, 하나의 촉매 레이어(catalyst layer) 위에 놓여 있는 하나의 필터 레이어(filter layer)를 갖는 하나의 연료 전지의 단면도이다.
발명의 상세한 설명
아래의 상세한 설명을 통해, 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위해, 구체적인 세부사항들을 설명한다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 사항과 관계없이 실시될 수도 있다. 다른 경우에는, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 요소들은 도시되거나 설명되지 않았다. 따라서, 상세한 설명과 첨부도면은, 제한적이라기 보다는 설명적인 의미로 간주되어야 한다.
본 발명은 연료 전지 또는 전해조와 같은 화학 전지에 관한 것이며, 염소-알칼리 처리를 위해 사용되는 것들과 같은, 다른 유형의 화학 전지에서의 용도도 또한 가질 수 있다. 본 발명의 상당수의 실시예는, 개별적 또는 "단위" 전지들의 어레이들을 포함하여 구성되는 화학 전지 레이어들을 제공한다.
본 발명의 상당수의 실시예들에 따른 화학 전지들은, 통전 구조부가 적어도 부분적으로 전기화학 반응 레이어[이하, "촉매 레이어"라 함] 아래에 위치한, 하나의 박막 전지 구조를 가진다. 각 전지들은 각 측면에 하나의 촉매 레이어를 갖는 하나의 이온 교환 멤브레인을 포함하여 구성된다. 이온 교환 멤브레인은, 예를 들 어, 하나의 양자 교환 멤브레인을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들은, 하나의 이온 교환 멤브레인 물질 시트(sheet)에 형성된 복수의 개별적인 단위 전지들을 포함하여 구성되는 하나의 화학 전지 레이어의 구성(construction)을 가능하게 한다.
이온 교환 멤브레인은, 단일 구성(unitary construction)의 하나의 멤브레인을 포함하여 구성될 수 있거나 하나 이상의 물질로 만들어진 하나의 복합 레이어를 포함하여 구성될 수 있다. 복합체 구조의 몇몇 예들이, 본 명세서의 참고문헌을 이루고, 본 출원과 동시에 출원된 "미세-구조 멤브레인과 그러한 멤브레인과 결합된 화학 전지(MICRO-STRUCTURED MEMBRANES AND ELECTROCHEMICAL CELLS INCORPORATING SUCH MEMBRANES)"라는 명칭의 공동출원인(commonly-owned) 미국 특허출원에 기술되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 통전 구조부의 구성(configuration)은, 반응물질들에게 촉매 레이어에 대한 개선된 접근을 제공하고, 촉매 레이어의 외부표면에 위치된 통전 레이어를 갖는 유형의 유사 선행 기술의 화학적 전지들보다 더 얇은 화학 전지의 구성을 가능하게 한다. 이 상세한 설명 전반에 걸쳐, 용어 "외부(outer)" 및 "내부(inner)"는, 이온 교환 멤브레인의 중심으로부터 더 가깝고 더 먼 방향을, 각각, 의미한다.
도 2A와 도 2B는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 단위 전지 구조들(20A 및 20B)을 나타낸다. 이 구조(20A 및 20B)들은 서로 유사하며, 하나의 이온 교환 멤브레인(25)의 마주보는 양측면에 위치된 통전 구조부(23A 및 23B)를 각각 포함하여 구성된다. 전기화학 반응 레이어들(24A 및 24B)은 통전 구조부(23A 및 23B)와 이온 교환 멤브레인(25)의 양측에 위치된다. 구조(20A)와 구조(20B) 사이의 차이는, 구조(20A)에서는 통전 구조부(23A 및 23B)가 이온 교환 멤브레인(25)의 외부표면에 위치되는 반면, 구조(20B)에서는 통전 구조부(23A 및 23B)가 이온 교환 멤브레인(25)의 외부표면에 매입된다는(embedded) 것이다.
도 2C와 도 2D는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 단위 전지 구조들(20C 및 20D)을 나타낸다. 구조(20C)에서, 통전 구조부(23A 및 23B)는 하나의 기판(30)에 형성된다. 기판(30)은 부도체(non-conducting material)로 구성된다.
기판(30)은 하나의 개구부(opening)(32)에 의해 관통된다. 이 개구부(32)는 이온-전도체(ion-conducting material)로 채워진다. 이온-전도체는 용도에 적합한 이오노머(ionomer) 또는 전해물질(electrolyte)을 포함하여 구성될 수 있다. 이온-전도체는, 단위 전지 구조(20C)의 이온 교환 멤브레인(25)을 형성하기 위하여 통전 구조부(23A 및 23B)의 외측 가장자리를 향해 외측으로 뻗어있을 수 있다. 도시된 실시예에서는 개구부(32)가 원형이나, 이것이 필수적인 것은 아니다. 개구부(32)는 여하한 적절한 형상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 개구부(32)는 기다랗고 폭이 좁다. 몇몇 실시예에서, 각 단위 전지는 복수의 개구부들(32)을 가진다.
몇몇 실시예에 있어서, 개구부(32)는, 예를 들어, 위에서 언급한, "미세-구조 멤브레인과 그러한 멤브레인과 결합된 화학 전지"라는 명칭의 발명의 특허출원에 기술되어 있는 바와 같이, 미세구조 개구부일 수 있는, 하나의 패턴의 개구부들을 포함하여 구성된다.
특정 용도의 기판(30)에 적합할 수 있는 물질들의 예는 다음을 포함한다:
* 인쇄 회로 기판(PCB) 물질,
* 폴리아미드 필름;
* KaptonTM 과 같은 폴리이미드 필름,
* 폴리에틸렌 필름,
* TeflonTM 필름,
* 다른 폴리머 필름,
* 유리섬유(fibreglass)와 같은 보강 복합 물질,
* 실리콘이나 유리와 같은 적합한 비-폴리머 물질
몇몇 용도에 있어서, 기판(30)이 탄력적인 것이 좋다. 그러한 용도에 있어서, 기판(30)이 탄력성 물질로 만들어지는 것이 바람직하다.
구조(20D)에 있어서, 통전 구조부(23A 및 23B)는 양자 전도성 멤브레인(25)위에 형성되며, 이 경우에는 기판(30)이 없다. 구조(20D)는, 통전 구조부(23A 및 23B)가 촉매 레이어(24A 및 24B)의 외부측면을 통해 제각기 돌출되어 있다는 점에서 구조(20A)와는 다르다. 구조(20D)와 같은 구조는, 통전 구조부들(23A 및 23B)에 의해 고립된 구역으로 분할된 그 촉매 레이어(24A 및 24B)를 가질 수 있다. 구조(20D)는, 촉매 영역(24A 및 24B)의 노출 표면 구역이 구조들(20A, 20B 및 20C)과 비교해 보면 약간 축소된다는 단점을 가진다.
각 단위 전지 구조들(20A 내지 20D)에 있어서, 통전 구조부(23A 및 23B)는 촉매 레이어(24A 및 24B)의 일부의 아래에 각각 놓여있다. 도 2A 내지 2C의 실시예에 있어서, 통전 구조부(23A) 위에 있는 반응 사이트에 유리된(liberated) 이온들은, 아주 짧은 직선 통로에 의해 이온 교환 멤브레인(25)으로 직접 통과하여 흐르는 것이 차단된다. 그러한 반응 사이트에 유리된 이온들은 촉매 레이어(24B)에 도달하기 위해 더 긴 통로들을 취해야만 한다. 그러나, 통전 구조부(23A 및 23B), 여러 레이어들의 두께 및 [도 2C의 개구부(32)의 너비(D)와 같은] 다른 치수들을 적절하게 배치함으로써, 이온들과 전자들에 의해 취해진 통로들의 길이가, 유사한 선행 기술의 전해전지들(electrolytic cells)에 있어서의 상응하는 통로 길이보다 크게 길지는 않은 상태를 얻을 수 있다.
도 2C의 실시예는, 기판(30)의 존재에 기인한 증가된 기계적 견고성(ruggedness)에 의해 양자 전도를 위한 통로 길이의 증가가 상쇄된다.
구조(20A) 내지 구조(20C)의 특성은, 통전 구조부들(23A 및 23B)이 다공성일 필요가 없다는 점이며, 이는, 반응물질들이 이 구조들을 통과할 필요가 없기 때문이다.
인접한 단위 연료 전지들은, 인접한 단위 전지들에 공통인(common) 통전 구조부들(23A 및 23B)을 제공함으로써, 또는 인접한 전지들의 통전 구조부(23A)와 통전 구조부(23B)를 전기적으로 상호연결함으로써 병렬로 연결될 수 있다. 인접한 단위 전지들은, 전기적으로 서로 격리될 수도 있는데, 이 경우, 도 6 및 도 6B에 관하여 아래에 설명하는 바와 같이, 직렬로 연결될 수 있다. 촉매 레이어의 일부를 전기적으로 비-전도성이 되게 함으로써, 단위 전지들 사이의 부분들에 하나의 촉매 레이어를 불연속적으로 만듦으로써 그리고/또는 단위 전지 구조들 사이에 전기적 절연 장벽들(barriers)을 형성함으로써, 단위 전지 구조들의 전기적 격리가 제공될 수 있다.
반응을 촉진시키기 위한 촉매 레이어(24A)의 최적화가 촉매 레이어(24A)에 가장 높은 전도성을 항상 가져오는 것은 아니다. 촉매 레이어에 사용되는 물질은 아주 우수한 전도체가 아닐 수도 있다. 그러나, 촉매 레이어(24A)의 어느 한 점(any point)과 통전 구조부(23A)의 가장 근접한 부분 사이의 거리가 작게 되도록 하는 각 단위 전지들의 배치설계(laying out)에 의해, 촉매 레이어(24A)의 전기 저항으로 인한 손실이 최소화될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 몇몇 실시예에 있어서, 어느 하나의 촉매 레이어(24A, 24B)내의 어느 한 점으로부터 상응하는 통전 구조부(23A, 23B)까지의 가장 긴 통로 길이는 5mm이다. 다른 실시예에 있어서, 어느 하나의 촉매 레이어(24A, 24B)내의 어느 한 점으로부터 상응하는 통전 구조부(23A, 23B)까지의 가장 긴 통로 길이는 0.5mm이다. 더 작은 직경들도 또한 가능하다. 직경을 줄이는 것은 촉매 레이어내의 전류 전도와 관련된 저항 손실(ohmic losses)을 감소시키는 것이 일반적이다. 그러나, 구조가 더 작아짐에 따라, 통전 구조부들(23A, 23B)이 차지하는 부피가 전체 구조의 부피에 비례하여 증가하며, 구조의 공간-효율이 나빠질 수 있다.
도 3은, [하나의 애노드 또는 캐소드일 수 있는] 하나의 전극(34)의 전위 강하(potential drop)의 근사치를 구하기 위해 사용될 수 있는 구조(geometry)를 나타낸다. 전극(34)은, 그안에 이온 교환 물질(25A)의 하나의 외피부(skin)를 가지는 하나의 통전 구조부(23A)와 그 외측에 위치된 촉매 레이어(24A)를 포함하여 구성된다. 통전 구조부(23A)위에 있는 촉매 레이어(24A)의 일부만이 도 3에 나타나 있다. 전극(34)은, 거기에 매입된 기판(30)을 갖는 하나의 복합체 멤브레인(composite membrane)일 수 있거나 아닐 수 있는, 하나의 이온 교환 멤브레인(도 3에 도시되지 않음)의 하나의 외부표면의 하나의 상응하는 전극(도 3에 도시되지 않음)의 반대편에 위치된다. 도 3의 실시예에 있어서, 통전 구조부(23A)는 하나의 고리형 트레이스(annular trace)를 포함하여 구성되며, 여기서, D T 는 원형 트레이스의 외경이고, T CL 및 T T 는 각각 촉매 레이어(24A)과 원형 트레이스의 두께들이며, W T 는 원형 트레이스의 너비이다. 상당수의 실시예에 있어서, 트레이스 너비에 대한 트레이스 직경의 비율(D T /W T )은 적어도 10 이다.
통전 구조부들(23A 및 23B)은, 전도체들로 구성된다. 다음의 표에는 통전 구조부들(23A 및 23B)에 적합한 물질들과 그들의 전도성이 열거되어 있다:
물 질 전도성 107 (S/m)
순수한 구리 5.88
순수한 금 4.55
순수한 니켈 1.43
순수한 백금 0.96
산화주석 (CO2 레이저가 가해진 SnO2) 0.003125
전도체들이 통전 구조부들(23A 및 23B)을 구성하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 통전 구조부들(23A 및 23B)은, 부식을 막기 위해, 원래부터 부식되지 않거나, [INEOS ChlorTM Americas Inc.(델라웨어주, 윌밍톤)의 PEMCoatTM 과 같 은] 적합한 물질로 코팅된 금속들로 구성된다. 금속 도체들이 화학 전지들, 그리고 특히 연료 전지들에 사용될 때, 부식이 문제가 될 수 있다. 통전 구조부들(23A 및 23B)의 단면 치수들은, 전도되어야 할 전체 전류와 이 설계에 적합한 것으로 생각되는 전기적 손실을 기초로 하여 선택될 수 있다.
통전 구조부들(23A 및 23B)은, 예를 들어, 5 내지 75 ㎛ 범위내의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 통전 구조부들(23A 및 23B)의 두께는 25 내지 50 ㎛의 범위내에 있다. 통전 구조부들(23A 및 23B)은 동일한 두께를 가질 필요가 없다. 통전 구조부들(23A 및 23B)이 고리형 트레이스를 포함하여 구성되는 경우, 이 트레이스는 5 내지 200 ㎛의 너비를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 이 트레이스는 5 ㎛까지의 크기의 두께와 25 ㎛ 까지의 크기의 너비를 가질 수 있다. 통전 구조부들(23A 및 23B)은 여하한 적합한 기술을 사용하여 만들어질 수 있다. 예를 들어, 여러 가지의 인쇄 회로 기판 제조 기술들이 통전 구조부들(23A 및 23B)을 만들기 위해 사용될 수 있다. 라미네이팅(laminating), PVD, 스퍼터링(sputtering) 및 플레이팅(plating)이, 트레이스들을 만들기 위해 단독으로 또는 함께 사용될 수 있는 기술들의 예이다.
촉매 레이어들(24A 및 24B)은, 그들이 채택된 전지에서 발생하는 반응에서 형성된 전자들과 이온들 모두를 전도하는 물질로 구성될 수 있다. [이온들은 수소-연료 PEM 연료 전지(hydrogen-fuelled PEM fuel cells)에서 양자들이다]. 촉매 레이어들(24A 및 24B)은 용도에 적합한 여하한 형태의 전기촉매(electrocatalyst)를 포함하여 구성될 수 있다. 촉매 레이어들(24A 및 24B)은, 예를 들어, 전도성 다공 소결 분말 물질(electrically-conductive porous sintered powder materials)을 포함하여 구성될 수 있다. 연료 전지들을 위한 촉매 레이어들은, 예를 들어, 탄소위의 백금(platinum on carbon)을 포함하여 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 촉매 레이어들(24A 및/또는 24B)은 카본 블랙(carbon black)과 하나 또는 그보다 많은 PTFE 분말, KynarTM 분말과 같은 PVDF 분말, 및 산화 규소 분말의 혼합물을 포함하여 구성된다. 카본 블랙은 하나 또는 그보다 많은 아세틸렌 블랙 카본(acetylene black carbon), 탄소 섬유, 탄소 니들(carbon needles), 탄소 나노튜브((carbon nanotubes), 탄소 나노입자(carbon nanoparticles)와 같이 미세하게 분할된(divided), 여하한 적합한 탄소 물질들을 포함하여 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 촉매 레이어들(24A 및 24B)은 50 - 200 S/m의 범위의 전도성을 갖는 물질들로 형성된다. 각 촉매 레이어(24A, 24B)는 상이한 성분들의 여러 레이어로 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 촉매 레이어들(24A 및 24B)은 250 ㎛ 또는 그보다 얇은 두께를 가진다. 몇몇 실시예에 있어서, 촉매 레이어들(24A 및 24B)의 두께는 약 10-25 ㎛ 이다. 촉매 레이어들(24A 및 24B)의 두께는, 예를 들어 약 20 ㎛ 일 수 있다. 촉매 레이어들(24A 및 24B)가 동일한 두께를 가질 필요는 없다.
이온 교환 멤브레인(25)이 하나의 기판(30)을 포함하는 구조와 같은 복합체 구조를 가질 경우, 기판(30)은 이온 교환 멤브레인(25)에 기계적 강도를 제공한다. 기판(30)의 존재는 멤브레인(25)이 일반적인 양자 전도성 멤브레인보다 더 얇게 되 는 것을 가능하게 한다. 이러한 감소된 두께는, 기판(30)의 구멍(apertures)에 바로 근접하지 않은 위치에 유리된 양자들에 의해 취해진 더 비뚤어진 통로들(the more tortuous paths)을 적어도 어느 정도 보상할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 멤브레인(25)의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 250 ㎛의 범위내에 있다. 멤브레인(25)의 두께는, 예를 들어, 약 25 ㎛ 일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 전지 구조(20E)의 일부를 나타낸 도면이다. 단위 전지 구조(20E)는 복수의 개구부들(32)을 갖는 기판(30)을 구비한 PEM 연료 전지를 구성한다. 양자 교환 물질이 이온 교환 멤브레인(25)을 형성하기 위해 개구부(32)를 채우고 기판(30)을 둘러싼다. 도 4는, 구조(20E)의 촉매 레이어(24)내의 세 개의 예시 반응 사이트들(33A, 33B 및 33C)에서, 이온 교환 멤브레인(25)을 거쳐서, 그리고 촉매 레이어(24B)내로 들어가서 세 개의 예시 반응 사이트들(33D, 33E 및 33F)까지의, 양자(H+)에 의해 취해진 통로들을 나타낸다. 도 4는, 반응 사이트들(33A, 33B, 및 33C)에서 통전 구조부(23A)로, 그리고 통전 구조부(23B)에서 반응 사이트들(33D, 33E 및 33F)로 전자들(e-)에 의해 취해진 통로들을 또한 나타낸다.
반응 사이트(33A 및 33B)로부터 촉매 레이어(24A)를 거친 전자 및 양자 통로들은 대략적으로 길이가 동일한 것을 알 수 있다. 통전 구조부(23A)위에 있는 반응 사이트(33A)로부터, 촉매 레이어(24A)를 거쳐 전자들에 의해 취해진 통로는 통전 구조부(23A) 주위를 우회하여야만 하는 양자들에 의해 취해진 것보다 더 짧다. 반 응 사이트(33C)로부터 양자들에 의해 촉매 레이어(24A)를 거쳐 취해진 통로는 전자들에 의해 취해진 것보다 상당히 더 짧다. 도시된 실시예에 있어서, 반응 사이트들(33D, 33E 및 33F)에 도달하기 위해 촉매 레이어(24B)의 전자들과 양자들에 의해 취해진 통로들은 촉매 레이어(24A)에서 취해진 통로들의 길이와 유사한 길이를 가진다.
기판(30)의 존재로 인해, 이온 교환 멤브레인(25)을 거쳐 양자들에 의해 취해진 통로들은 동일하지 않다. 양자들은 개구부(32)를 거쳐 우회하여야만 한다. 도시된 실시예에 있어서, 반응 사이트(33B)에서 반응 사이트(33E)로 이동하는 전자들에 의해 취해진 통로는 이온 교환 멤브레인(25)을 통과하는 가장 짧은 거리를 가지는 반면, 반응 사이트(33C)에서 반응 사이트(33F)로 이동하는 양자에 의해 취해진 통로는 이온 교환 멤브레인(25)을 통과하는 가장 긴 거리를 가진다.
촉매 레이어(24A)에 발생된 전도성 종들(conductive species)(양자와 전자)은 모두, 그들이 유리되는 반응 사이트로부터 그들을 전도할(carry) 전도체에 도달하기 위해 대체로 동일한 방향(예를 들어 도 4에서 아래 방향)으로 흐른다는 것을 도 4에서 알 수 있다. 마찬가지로, 촉매 레이어(24B)의 반응에 사용된 전도성 종들은 둘다 전도체로부터 반응 사이트에 도달하기 위해 일반적으로 동일한 방향(예를 들어 도 4에서 아래 방향)으로 흐른다.
도 5는 두 개의 단위 전지 구조들(20F)을 포함하여 구성되는 하나의 화학 전지 레이어(36)를 나타낸다. 도 5의 실시예에 있어서, 전지 레이어(36)는, 두 개의 이온-전도성 영역(27)을 형성하기 위해 처리된(treated) 하나의 비전도성 시트(26) 로 형성된다. 시트(26)는, 예를 들어, 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 및 퍼플루오로(perfluoro)-3, 6-디옥사-4-메틸-7-옥텐술포닐 플루오라이드(octenesulfonyl fluoride) [NafionTM 의 수지 전구체(resin precursor)임]의 공중합체로 구성될 수 있고, 예를 들어, 위에 언급한 "미세-구조 멤브레인과 그러한 멤브레인과 결합된 화학 전지"라는 명칭의 발명의 출원에 기술된 바와 같이, 비-전도성 영역(27)을 형성하기 위해 선택적으로 가수분해 공정(hydrolyzation process)에 의해 처리될 수 있다.
통전 구조부(23A 및 23B)는, 각 이온-전도성 영역(27) 외부표면 주위의 시트(26)의 양편에 놓인다. 통전 구조부들(23A 및 23B)은 고리-형상일 수 있거나, 상이한 형상들을 가질 수 있다. 이온-전도성 외피부들(ion-conducting skins)(25A 및 25B)은, 도전 구조부들(23A 및 23B)내의 각 이온-전도성 영역(27)의 외부표면에 각각 선택적으로 놓일 수 있다. 이온-전도성 외피부들(25A 및 25B)과 이온-전도성 영역(27)은 각 구조(20F)에 대한 이온-전도성 멤브레인(25)을 함께 형성할 수 있다. 촉매 레이어들(24A 및 24B)은, 각 전지 구조들(20F)에 대해 통전 구조부들(23A 및 23B)과 이온-전도성 외피부들(25A 및 25B)의 외부표면에 형성된다. 도시된 실시예에 있어서, 각 전지 구조(20F)에 대한 촉매 레이어들(24A 및 24B)은 분리되어 형성된다. 그러나, 전지 구조들(20F)이 병렬로 연결된다면, 하나의 단일 촉매 레이어(24A)는 두 구조들(20F)의 하나의 측면을 커버할 수 있으며, 다른 단일 촉매 레이어(24B)는 두 구조들(20F)의 다른 측면을 커버할 수 있다.
인접한 단위 전지들은 서로 전기적으로 절연될(isolated) 수 있다. 이 경우에, 병렬 배열이 아닌 배열의 단위 전지들을 전기적으로 상호연결하는 것이 가능하다. 바이어들(vias)이 인접한 단위 전지들을 직렬로 상호연결하기 위해 사용될 수 있다. 단위 전지들이 직렬로 연결된 실시예에 있어서, 직렬로 연결된 전지들의 촉매 레이어들(24A)은 서로 전기적으로 절연된다. 도 6은, 복수의 단위 전지들(42)이 직렬로 연결된 화학 전지 레이어(40)의 일부의 단면도를 나타낸다. 도 6A는 도 6의 어셈블리에서 양자들과 전자들에 의해 취해진 통로들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6의 실시예에 있어서, 영역들(44)은 전기적으로 절연된다. 영역(44)은 유전체, 에어 갭(air gap) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 영역(44)은 인접한 화학 단위 전지들을 서로 전기적으로 절연시킨다.
각 단위 전지(42)의 통전 구조부(23A)는, 기판(30)의 바이어(via)를 관통하는 전도성 통로(23C)에 의해 인접 단위 전지(42)의 통전 구조부(23B)에 연결된다.
도 6B는, 단위 전지들이 기판(30)에 매입된 전도성 통로(46)에 의해 상호연결된 하나의 화학 전지 레이어(40A)를 나타낸다. 전도성 통로들(46)은, 기판(30)에 형성된 전도성 바이어들(47)에 의해 통전 구조부(23A) 및/또는 통전 구조부(23B)에 연결될 수 있다. 전도성 통로들은 단위 전지들을 직렬로 그리고/또는 병렬로 상호연결하기 위해 사용될 수 있다. 전도성 통로들(46)의 복수의 독립 세트들이 기판(30)내에 또는 그 위에 형성될 수 있다.
도 6B의 화학 전지 레이어(40A)는 플랙스 회로(flex circuit)와 같은 다층 회로 기판을 사용하여 구성될 수 있다. 이것은, 촉매 레이어들(24A 및 24B)의 전지 반응에 사용될 수 있는 표면적을 감소시키지 않으면서 전체 전류 수집 시스템(overall current collection system)을 위한 증가된 통전 능력(current-carrying capacity)을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 단위 전지들은 적합한 형상을 가질 수 있으며, 적합한 방식으로 배열될(arranged) 수 있다. 도 7은, 단위 전지들이 6각형 배열을 갖는 복수의 단위 전지 구조들(20D)을 포함하여 구성되는 하나의 화학 전지 레이어의 하나의 예시를 나타낸다. 구조들(20D)의 전체 표면은, 원한다면, 촉매 레이어(24A)로 덮여질 수 있다. 다른 실시예에서, 단위 전지들은, 주축(principle axis)을 따르는 치수가 교축 치수(a transverse dimension)보다 상당히 더 긴, 기다란 형상을 가진다. 예를 들어, 그러한 단위 전지들은 길이가 긴 타원, 길이가 긴 직사각형, 길이가 긴 장박형(obround)과 같은 형태로 만들어질 수 있다. 그러한 단위 전지들의 길이가 긴 치수는, 예를 들어, 교축의 짧은 치수보다 적어도 2, 5 또는 10 배 더 길 수 있다.
상술한 본 발명의 여러 실시예들(예를 들어, 20D 및 40 또는 40A 구조들)은 원하는 만큼의 복잡성(complexity)을 갖는 직-병렬 배열로 전기적으로 상호연결되는, 단위 전지들의 어셈블리들을 제공하기 위해 결합될(combined) 수 있다. (적절한 금속들과 같은) 일반적으로 구득수 있는 전도체들은 전자들의 흐름에 대해, 일반적으로 이용할 수 있는 양자 전도체들이 양자들의 흐름에 대해 가지는 것 보다, 훨씬 더 적은 저항을 가진다. 따라서, 전자들을 운반하는(carry) 전도체들은, 양자 들을 운반하는 통로보다 상당히 더 작은 단면적을 가질 수 있다. 기판(30)은, [예를 들어, 다층 회로 기판과 같은] 하나의 다층 구조부를 포함하여 구성될 수 있으며, 이러한 경우, 전류를 운반하기 위한 전도체들이 기판(30)에 매입될 수 있다.
도 8A, 8B 및 8C는, 하나의 작은 어레이[이 실시예에서는, 16개의 단위 전지들만을 갖는 매우 작은 어레이]의 단위 전지들이 상호연결될 수 있는 여러 가지 가능한 방법들을 나타낸 것이다. 도 8A에서, 단위 전지들(42)은 병렬로 연결된다. 출력 전압은 1 [1은 하나의 단일 단위 전지의 출력 전압임]이고, 출력 전류는 N [이 경우 하나의 단위 전지의 최대 전류의 16배]이다. 어느 하나 또는 그보다 많은 단위 전지들(42)의 하나의 개방 회로 고장(open circuit failure)은 이 어레이가 정격 전압(rated voltage)[1 단위(unit)]으로 [감소된 출력 전류로] 동작하는 것을 방해하지 않을 것이다. 그러나, 어느 하나의 단위 전지의 단락-회로 고장은 전체 어레이가 작용하는 것을 방해할 수 있다.
도 8B에서, 단위 전지들(42)은 직렬 구성으로 배열된다. 전압 출력은 N 이다[이 경우에 하나의 단일 단위 전지의 전압의 16 배임]. 최대 전류 출력은 1 이다. 어느 하나 또는 그보다 많은 단위 전지들의 하나의 개방 회로 고장은 어레이가 동작하는 것을 방해할 것이다. 어느 하나 또는 그보다 많은 단위 전지들의 단락-회로 고장은 어레이가 (감소된) 최대 출력 전압으로 전류를 제공하는 것을 방해하지 않을 것이다.
도 8C는 직-병렬 구성으로 배열된 복수의 단위 전지들(42)을 나타낸다. 이 경우에, 어레이는 직렬로 연결된 단위 전지들의 4개의 군이 형성되도록 상호연결된 다. 각 군의 단위 전지들은 병렬로 연결된 4개의 단위 전지들을 포함하여 구성된다. 각 단위 전지가 비스듬하게 인접한 하나의 이웃전지(neighbor)에 연결된 것을 볼 수 있다. 병렬로 연결된 단위 전지들의 군들 중의 하나가, 어레이의 공간적으로 분리된 영역들에 위치된 두 개의 파트(parts)로 분리되는 것을 알 수 있다. 상당수의 실시예에 있어서, 단위 전지들의 하나의 군의 단위 전지들은 공간적으로 분산되어 있다(spatially distributed). 이것은, 어레이의 한 구역에 대한 충격(trauma)에 기인한 고장이 하나의 군의 모든 단위 전지들로 하여금 고장을 일으키게 할 가능성을 감소시킬 것이다.
도 8C의 실시예에서, 출력 전압은 하나의 단위 전지의 전류용량(current capacity)의 4 배의 전류에서 4 단위(units)이다. 단락-회로 모드(short-circuit mode) 또는 개방 회로 모드(open circuit mode)인 어느 단위 전지의 고장은, 최대 유효 출력 전압 또는 전류가 감소될 수 있기는 하나 어레이가 전류를 제공하는 것을 방해하지 않을 것이다.
단위 전지들의 큰 어레이들은, 전체 전기화학적 구조가 레이어내에 포함되는 대 전력-발생 화학 전지 레이어들(power-generating electrochemical cell layers)을 형성하도록 구성될 수 있다. 이것은, 전류를 모으기 위한 플레이트 등과 같은 추가적인 구성요소들(components)이 제거되거나 상이한 기능을 하는 구조들로 대체될 수 있음을 의미한다. 본 명세서에 기술된 것과 같은 구조들은 연속 공정(continuous processes)에 의해 제조되기에 완전히 적합하다. 그러한 구조들은 개별적인 부분들의 기계적 어셈블리를 필요로 하지 않는 방식으로 설계될 수 있다. "가장자리 집중(edge collected)" 전지들과는 달리, 이 구조 내의 전도성 통로 길이들은, 촉매 레이어에서의 저항 손실이 최소화되도록, 매우 짧게 유지될 수 있다.
복수의 단위 전지들을 포함하여 구성되는 화학 전지 레이어가, 복수의 이온 전도 영역을 포함하여 구성되는 하나의 기판을 제공함으로써, 구성될 수 있다. 그러한 기판은, 예를 들어, 위에서 언급한, "미세-구조 멤브레인과 그러한 멤브레인과 결합된 화학 전지"라는 명칭의 발명의 특허출원에 기술되어 있는 바와 같이, 이온 전도 영역을 형성하기 위해 부도체 또는 부분-도체 시트를 선택적으로 처리함으로써 또는 비-전도성 영역을 형성하기 위해 하나의 이온 전도체 시트를 선택적으로 처리함으로써 형성될 수 있다. 통전 구조부들은, 라미네이팅, PVD, 스퍼터링(sputtering), 플레이팅(plating) 또는 다른 적합한 기술에 의해 각 이온 전도성 영역의 주위의 기판의 각 측면에 형성될 수 있다. 하나의 촉매를 포함하여 구성될 수 있는 전기화학 반응 레이어가 이온 전도성 영역의 각 측면에, 통전 구조부들과 적어도 부분적으로 접촉하도록, 디포짓될(deposited) 수 있다.
개별적인 단위 전지들은 매우 작을 수 있다. 양자들과 전자들을 위한 전도성 통로들은 큰 단위 전지들 보다는 작은 단위 전지들에서 더 짧을 수 있기 때문에, 다른 요인들이 동일하다면, 작은 단위 전자들이 개선된 효율로 동작할 수 있다. 단위 전지들은, 매우 작을 수 있는데, 예를 들어 직경이 1 mm 이거나 그보다 작고 또는 500 ㎛ 이거나 그보다 작을 수 있다. 본 발명의 상당수의 실시예에서, 단위 전지들은 예를 들어 약 0.01 ㎠의 활성 구역들(active areas)을 가진다. 1 mm 직경의 하나의 단위 전지를 포함하여 구성되는 일반적인 공기 브레씽 연료 전지(air breathing fuel cell)는, 약 1과 3 mW 전력 사이로 생산할 수 있다. 300～1000 개의 그러한 전지들을 포함하여 구성되는 하나의 연료 전지 레이어는 1W의 전력을 생산할 수 있다.
본 발명에 따른 화학 전지는, 하나의 기판에 형성된 단위 전지들을, 1 단위 전지만큼 적게 가지거나 매우 큰 수의, 수천 또는 심지어 수백만의 단위 전지들을 가질 수 있다. 본 발명의 상당수의 바람직한 실시예들에 따라 만들어진 화학 전지 구조들은, 예를 들어 500 이상의 단위 전지들을 가진다.
지금까지, 기판(30)과 멤브레인 전극 어셈블리들은 평면인 것으로 설명되어 왔다. 이것은 필수적인 것이 아니다. 본 발명에 따른 단위 전지들은, 예를 들어, 도 9에 나타낸 바와 같은, 주름진 형상이거나 물결 형상인 화학 전지 레이어에 사용될 수 있다. 그러한 레이어들은 매우 컴팩트하다(compact). 대체로 전체 파상 영역(undulating area)은 활성으로 만들어질 수 있다. 또한, 다공성 레이어가 촉매 레이어를 넘어(beyond the calatyst layer) 있을 필요는 없으며, 지지되지 않은 표면 씨일(unsupported face seals)은 필수적이지 않다. 따라서, 단위 전지들의 노출된 촉매 레이어들에 대한 연료와 산화제의 확산을 방해하는(interfere) 플리트(pleats) 사이의 다공성 매체가 없기 때문에, 파상 영역은 촘촘하게 주름질(tightly pleated) 수 있다. 본 발명에 따른 단위 전지들은, 예를 들어, 본 출원과 동시에 출원되고, 본 명세서의 참고문헌을 이루는, "주름잡힌 기판들에 형성된 화학 전지(ELECTROCHEMICAL CELLS FORMED ON PLEATED SUBSTRATES)"라는 명칭의 발명의 특허출원에 기술되어 있는 바와 같은, 주름진 레이어 구조(pleated layer structure)에 결합될(incorporated) 수 있다.
도 10과 도 10A는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료 전지 장치(50)를 나타낸다. 연료 전지 장치(50)는, 복수의 단위 전지들(54)을 포함하여 구성되는 하나의 연료 전지 레이어(52)를 포함하여 구성된다. 연료 전지 레이어(52)는, 하나의 외부 회로(도시되지 않음)에 연결될 수 있는 하나의 양극 단자(53)과 하나의 음극 단자(55)를 포함하여 구성된다. 단위 전지들(54)은 양극 단자(53)와 음극 단자(55) 사이에 연결될 수 있다. 연료 전지 레이어(52)는 하나의 스페이서(spacer)(56)에 밀봉되고, 그것은 이어서 하나의 베이스(58)에 밀봉된다. 연료 전지 레이어(52), 스페이서(56) 및 베이스(58)는, 연료 인입구(62)를 통해 도입될 수 있는 연료를 보유하기(hold) 위한 하나의 물질충만공간(plenum)(60)을 구획한다. 연료 흐름이 필요하거나 연료의 재순환이 필요하면, 하나의 선택적 연료 인출구(64)가 구비될 수 있다. 베이스(58)는, 레이어(52)에 마주보게 배향된 다른 연료 레이어로 선택적으로 대체될 수 있다. 또한, 두 개의 그러한 레이어들이 두 개의 연료 전지 레이어를 가지는 하나의 연료 전지 장치를 형성하기 위해 맞대어(back to back) 결합될 수 있게, 스페이서(56)가 레이어(52)내에 만들어질(built) 수 있다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비-평면 연료 전지 장치(66)를 나타낸다. 이 장치(66)는, 연료 전지 레이어(68), 스페이서(70) 및 베이스(72)가 구부러진 것을 제외하고는, 앞의 장치(50)와 동일하다. 도 11에 도시된 예에서, 레이어(68), 스페이서(70) 및 베이스(72)는 하나의 실린더의 벽에 합치하는 형상으로 형성되나, 다른 비-평면 구성들이 똑같이 가능함을 알아야 한다.
도 12는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 레이어들(52) 및 스페이서들(56)의 하나의 뭉치(stack)를 나타낸다. 스페이서들(56)에 의해 구획된 물질충만공간은, 레이어들(52)에 반응물질들을 제공하기 위해 연료와 산화제로 교대로(in alternating fashion) 채워질 수 있다.
본 발명의 상당수의 실시예들은, 촉매 레이어에서의 반응에 의해 유리된 이온들이 그것을 통해 전지를 통과할 수 있는 하나의 이온-전도성 레이어의 단면구역보다 촉매 레이어의 노출된 면적이 더 큰, 단위 전지들을 제공한다. 이것은, 예를 들어, 촉매 레이어(24A)에 발생된 이온들(예를 들어 양자들)이 반대편 촉매 레이어(24B)로 관통하여 지나가는 이온-전도성 레이어(25)의 일부분(125)의 단면적보다 더 큰 표면적을 촉매 레이어(24A)의 하나의 표면(124)이 가지는, 도 2D에서 알 수 있다.
본 발명은 또한 화학 전지들을 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 그러한 방법의 하나는 다음을 포함하여 구성된다:
* 하나의 외부표면과 하나의 내부표면을 갖는 하나의 촉매-함유 전기화학 반응 레이어; 적어도 부분적으로 상기 전기화학 반응 레이어 아래에 위치한 하나의 통전 구조부; 및 상기 전기화학 반응 레이어의 내부표면과 접촉하는 하나의 이온-전도성 레이어를 갖는 하나의 화학 전지를 준비하는 단계;
* 반응물질로 하여금 상기 전기화학 반응 레이어로 확산가능하게 하는 단계;
* 상기 전기화학적 레이어의 하나의 표면과 통전성 레이어의 사이의 전기화학 반응 레이어의 하나의 위치에 하나의 이온을 생성하기 위해, 상기 반응물질이 반응촉진 전기화학 반응을 겪게 하는 단계; 및,
* 통전 구조부를 피해가는 하나의 통로를 따라 이온을 이온-전도성 레이어로 이동시키는 단계.
이온에 의해 취해진 통로는, 전류에 의해 위치 및 통전 구조부 사이에 전류에 의해 취해진 통로에 대해 대체로 역평행이 아니다(is not substantially anti-parallel).
하나의 구성요소(예를 들어, 멤브레인, 레이어, 장치, 회로 등)가 위에서 언급된 경우, 달리 표시되지 않는 한, 그러한 구성요소에 대한 언급("수단"에 대한 언급 포함)은, 그 설명된, 구성요소의 기능을 수행하는(즉, 기능적으로 균등한) 구성요소를 어느 것이든, 그 구성요소의 균등물로서 포함하는 것으로 해석되어야 하며, 이 때 설명된 구조와 구조적으로 동일하지 않으나, 예를 들어 설명한 본 발명의 실시예들에서의 기능을 수행하는 구성요소들을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 하나의 필터 레이어가 촉매 레이어들(24A, 24B)의 하나 또는 모두의 외부표면에 구비될 수 있다. 이 필터 레이어는, 반응물질들이 촉매 레이어(24A 또는 24B)에 도달하기 전에 원하지 않는 물질들을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 촉매 레이어 위에 놓인 하나의 필터 레이어는, 물이 단위 전지에 도달하는 것을 막으면서 단위 전지의 캐소드에 공기가 도달하는 것을 가능하게 하기 위해, 물이 침투하지 않을 수 있으나, 공기가 침투할 수 있다. 도 13은, 하나의 필터 레이어(200)가 촉매 레이어(24B)의 외부표면에 구비된 구조(20A)의 예를 도시한 것이다.
상술한 다수의 실시예들에서, 촉매에서 일어나는 전기화학 반응들로부터의 전류는 촉매 레이어의 평면(plane)에 모아진다(collected).
이 분야에 통상의 지식을 가진 사람들은, 전술한 설명들에 비추어 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고서 본 발명의 실시에서 많은 변경과 변형이 가능함을 알 것이다. 예를 들면:
* 본 발명은 염소-알칼리 반응 전지들과 전해 전지들과 같은 다른 유형의 화학 전지들뿐만 아니라 연료 전지들에 대한 용도도 가진다.
* 본 발명은 기체 연료에 한정되지 않는다. 액체 연료도 또한 적절한 선택(appropriate material selections)에 의해 사용될 수 있다.
* 단위 전지들의 애노드 및 캐소드는 동일한 크기일 필요가 없다. 애노드는, 예를 들어, 캐소드보다 다소 작을 수 있다. 어떤 노출된 트레이스(exposed traces)는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assemblies)의 애노드 측에 위치될 수 있다.
* 촉매 레이어들은 전기화학 반응이 일어나는 레이어들이다. 몇몇 실시예들에서, 이 레이어들은 용어의 엄밀한 의미에서의 촉매(catalysts in the strict sense of the term)를 포함하여 구성되지 않을 수 있다.
* 몇몇 실시예에서, 통전 구조부들은 이온 교환 멤브레인과 직접 접촉하게 되는 것으로 설명되어 있으나, 이것이 필수적이지는 않다. 통전 구조부들은 촉매 레이어의 일부분과 같은 다른 물질에 의해 이온 교환 멤브레인으로부터 분리될 수 있음을 알아야 한다.
따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 정의된 본질(substance)에 따라 해석되어야 한다.

Claims (53)

  1. 하나의 이온 교환 멤브레인;
    상기 이온 교환 멤브레인의 마주보는 측면들에 위치하며, 상기 이온 교환 멤브레인과 적어도 부분적으로 접촉하는 내부표면 및 내부표면과 마주보는 외부표면을 각기 가지며, 그 중 적어도 하나가 반응물질에 대해 침투성(permeable)이며 촉매를 포함하여 구성되는 두 개의 전기화학 반응 레이어들; 및
    상기 이온 교환 멤브레인의 마주보는 측면들에 위치하며, 전기화학 반응 레이어들 중의 관련된 하나와 전기적으로 접촉하는 접촉 부분들을 각기 가지며, 그 중 적어도 하나의 상기 접촉 부분들이 상기 관련된 전기화학 반응 레이어(the associated electrochemical reaction layer)의 외부표면으로부터 내측으로, 적어도 부분적으로라도, 위치하는 두 개의 통전 구조부들(current-carrying structures);을 포함하여 구성되고;
    상기 이온 교환 멤브레인이 기판의 개구부에 디포짓된(deposited) 이온-전도체(ion-conducting material)를 포함하여 구성되는; 화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들 모두의 접촉 부분들이 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들의 외부표면들로부터 내측으로 위치하는, 화학 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들 중 적어도 하나가 상기 이온 교환 멤브레인과 접촉된 상태에 있는, 화학 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각 통전 구조부가 상기 이온 교환 멤브레인의 하나의 표면에 위치된, 화학 전지.
  5. 제3항에 있어서, 상기 각 통전 구조부가 상기 이온 교환 멤브레인의 하나의 표면내에 매입된, 화학 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들중의 적어도 하나가 관련 전기화학 반응 레이어의 외부표면으로부터 완전히 내측으로 위치된, 화학 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들중의 적어도 하나의 일부분이 관련 전기화학 반응 레이어의 외부표면을 지나 외측으로 뻗어있는, 화학 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이온 교환 멤브레인이 기판의 표면에 디포짓된 적어도 하나의 이온-전도성 외피부(ion-conducting skin)를 포함하여 구성되는, 화학 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들이 각각 개구부의 주위로 뻗어있는, 화학 전지.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 통전 구조부들이 각각 기판 위에 위치하는, 화학 전지.
  11. 제1항에 있어서, 기판에 매입된 전기-전도성 통로를 포함하여 구성되며, 전기-전도성 통로가 상기 통전 구조부들 중의 하나에 전기적으로 연결된, 화학 전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들이 각각 상기 이온 교환 멤브레인의 표면 위의 영역 주위에 폐쇄 통로(closed path)를 형성하는, 화학 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 통전 구조부들이 각각 원형, 타원형, 직사각형, 육각형 및 다각형 형상 중의 하나를 갖는 트레이스(trace)를 포함하여 구성되는, 화학 전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 통전 구조부들이 상기 이온 교환 멤브레인에 대하여 대칭으로 위치하는, 화학 전지.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 반응 레이어들 중의 적어도 하나의 외부표면에 위치하는 필터(filter)를 더 포함하여 구성되는, 화학 전지.
  16. 복수의 제1항의 화학 전지들을 포함하여 구성되는, 화학 전지 레이어(electrochemical cell layer).
  17. 제16항에 있어서, 상기 복수의 화학 전지들이 규칙적인 배열(regular array)로 배치된, 화학 전지 레이어.
  18. 제16항에 있어서, 상기 복수의 화학 전지들이 병렬로 연결된, 화학 전지 레이어.
  19. 제16항에 있어서, 상기 복수의 화학 전지들이 직렬로 연결된, 화학 전지 레이어.
  20. 제19항에 있어서, 상기 복수의 화학 전지들이 직-병렬로(in series-parallel) 연결된, 화학 전지 레이어.
  21. 제20항에 있어서, 상기 복수의 화학 전지들이 직렬로 연결된 전지들의 많은 군들을 포함하여 구성되며, 그 군들이 병렬로 연결된, 화학 전지 레이어.
  22. 복수의 제11항의 화학 전지들을 포함하여 구성되며, 복수의 화학 전지들이 상기 기판에 매입된 전기-전도성 통로들에 의해 직렬로 연결된, 화학 전지 레이어.
  23. 제1항에 있어서, 상기 각 통전 구조부들 각각의 전기-전도성 부분의 적어도 일부가, 상기 관련된 전기화학 반응 레이어의 내부표면으로부터 내측으로 위치하는, 화학 전지.
  24. 제1항에 있어서, 상기 통전 구조부들 중 적어도 하나가 상기 관련된 전기화학 반응 레이어의 내부표면으로부터 완전히 내측으로 위치하는, 화학 전지.
  25. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 반응 레이어들 중 제1 레이어가, 제1 반응 물질에 대해 침투성이며, 제1 반응 물질이 참여하는 전기화학 반응을 위한 촉매를 포함하여 구성되고, 상기 전기화학 반응 레이어들 중 제2 레이어가, 제2 반응 물질에 침투성이며, 제2 반응 물질이 참여하는 전기화학 반응을 위한 촉매를 포함하여 구성되는, 화학 전지.
  26. 복수의 화학 전지들을 포함하여 구성되는 화학 전지 레이어를 포함하여 구성되는 장치로서, 각 화학 전지가:
    하나의 이온 교환 멤브레인;
    상기 이온 교환 멤브레인의 마주보는 측면들에 위치하며, 상기 이온 교환 멤브레인과 적어도 부분적으로 접촉하는 내부표면 및 내부표면과 마주보는 외부표면을 각기 가지는 두 개의 전기화학 반응 레이어들; 및
    상기 이온 교환 멤브레인의 마주보는 측면들에 위치하며, 상기 전기화학 반응 레이어들 중의 관련된 하나와 접촉하는 전기-전도성 부분을 각기 가지며, 그 중 적어도 하나의 전기-전도성 부분이 상기 관련된 전기화학 반응 레이어의 외부표면으로부터 내측으로 위치하는 두 개의 통전 구조부들;을 포함하여 구성되고,
    상기 이온 교환 멤브레인이 기판의 개구부에 디포짓된 이온-전도체를 포함하여 구성되고, 그리고
    상기 화학 전지 레이어가 스페이서(spacer)에 밀봉되며, 다시 스페이서가 베이스(base)에 밀봉되며, 상기 화학 전지 레이어, 상기 스페이서 및 상기 베이스가 하나의 물질충만공간(plenum)을 구획하는, 화학 전지 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 화학 전지 장치가 연료 전지 장치를 포함하여 구성되며, 상기 물질충만공간이 연료를 보유하도록(hold) 형성된, 화학 전지 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 스페이서가, 물질들을 상기 물질충만공간으로 도입시키고 제거하도록 형성된 인입구 및 인출구를 포함하여 구성되는, 화학 전지 장치.
  29. 촉매를 포함하여 구성되는 다공성 전기화학 반응 레이어의 아래에 놓여있으며, 이온 교환 멤브레인과 인접한 통전 구조부를 가지며, 상기 다공성 전기화학 반응 레이어가 반응물질을 반응 레이어로 이동시키도록 형성되고;
    상기 이온 교환 멤브레인이 기판의 개구부에 디포짓된 이온-전도체를 포함하여 구성되는, 화학 전지.
  30. 제29항에 있어서, 상기 통전 구조부가 상기 이온 교환 멤브레인과 접촉하는, 화학 전지.
  31. 제29항에 있어서, 상기 통전 구조부가 상기 다공성 전기화학 반응 레이어의 내부표면의 아래에 놓여있는, 화학 전지.
  32. 두 개 이상의 기판 구성요소들(components);
    적어도 두 개의 가장자리들(edges)을 가지며, 상기 가장자리들 중 적어도 둘이 기판 구성요소들 중 하나의 적어도 일부분과 접촉하는 하나의 이온 교환 멤브레인;
    상기 이온 교환 멤브레인의 마주보는 측면들에 위치하며, 상기 이온 교환 멤브레인과 적어도 부분적으로 접촉하는 내부표면 및 내부표면과 마주보는 외부표면을 각기 가지는 두 개의 전기화학 반응 레이어들;
    상기 전기화학 반응 레이어들 중 관련된 하나와 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 접촉 부분 및 상기 관련 전기화학 레이어의 내부표면으로부터 내측으로 위치하는 전기-전도성 부분 각각의 적어도 일부를 각기 가지며, 적어도 하나의 기판 구성요소들에 실질적으로 각기 매입된 두 개 이상의 통전 구조부들;을 포함하여 구성되는, 연료 전지.
  33. 제32항에 있어서, 상기 통전 구조부들의 적어도 하나의 접촉 부분이 상기 관련된 전기화학 반응 레이어와 직접 전기적으로 접촉하는, 연료 전지.
  34. 제32항에 있어서, 상기 통전 구조부들 중 적어도 하나가 상기 관련된 전기화학 반응 레이어의 내부표면으로부터 완전히 내측으로 위치하는, 연료 전지.
  35. 제32항에 있어서, 상기 전기화학 반응 레이어들 중 적어도 하나가 반응물질에 대하여 침투성이며, 촉매를 포함하여 구성되는, 연료 전지.
  36. 제32항에 있어서, 상기 이온 교환 멤브레인이 기판 구성요소들 중 인접한 것들 사이에 디포짓된 이온 전도체를 포함하여 구성되는, 연료 전지.
  37. 제32항에 있어서,
    적어도 두 개의 전기 절연 구역들(electrically insulating areas)을 포함하여 구성되고;
    각 전기화학 반응 레이어가 적어도 두 개의 가장자리들을 가지며, 가장자리들 중 적어도 두개가 상기 적어도 두 개의 전기 절연 구역들 중 하나와 접촉하는, 연료 전지.
  38. 복수의 기판 구성요소들;
    적어도 두 개의 가장자리들을 각기 가지며, 상기 가장자리들 중 적어도 두 개는 인접한 기판 구성요소와 접촉하는 복수의 이온 교환 멤브레인 구성요소들;
    상기 이온 교환 멤브레인 구성요소들 중 관련된 하나와 적어도 부분적으로 접촉하는 내부표면 및 내부표면과 마주보는 외부표면을 각기 가지며, 상기 이온 교환 멤브레인 구성요소들의 제1 측면에 위치하는 복수의 제1 전기화학 반응 레이어들 및 상기 이온 교환 멤브레인 구성요소들의 제2 측면에 위치하는 복수의 제2 전기화학 반응 레이어들;
    인접한 제1 전기화학 반응 레이어들 사이에 또는 인접한 제2 전기화학 반응 레이어들 사이에 또는 이들 사이에 각기 디포짓된, 복수의 절연 구역들; 및
    제1 이온 교환 멤브레인 구성요소와 관련된 전기화학 반응 레이어들 중 하나와 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 접촉 부분 및 제2 이온 교환 멤브레인 구성요소와 관련된 전기화학 반응 레이어들 중 하나와 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 접촉 부분을 각기 가지며, 상기 전기화학 반응 레이어들로부터 실질적으로 내측으로 각기 위치하며, 적어도 하나의 기판 구성요소에 적어도 부분적으로 각기 매입된, 복수의 통전 구조부들;을 포함하여 구성되고,
    전기적으로 연결된 복수의 단위(unit) 연료 전지들을 형성하기에 충분한, 연료 전지 레이어.
  39. 제38항에 있어서, 각 통전 구조부의 접촉 부분들이 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들과 직접 전기적으로 접촉된, 연료 전지 레이어.
  40. 제38항에 있어서, 각 통전 구조부의 접촉 부분들이 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들과 직접 물리적으로 접촉된, 연료 전지 레이어.
  41. 제38항에 있어서, 각 통전 구조부가 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들의 외부표면으로부터 완전히 내측으로 위치하는, 연료 전지 레이어.
  42. 제32항에 있어서, 각 통전 구조부가 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들의 내부표면으로부터 완전히 내측으로 위치하는, 연료 전지.
  43. 제38항에 있어서, 상기 전기화학 반응 레이어들이 반응물질에 침투성이며, 촉매를 포함하여 구성되는, 연료 전지 레이어.
  44. 제38항에 있어서, 각 이온 교환 멤브레인 구성요소가 인접한 기판 구성요소들 사이의 개구부에 디포짓된 이온 전도체를 포함하여 구성되는, 연료 전지 레이어.
  45. 제38항에 있어서, 상기 이온 교환 멤브레인 구성요소들이 이온-전도성 영역들을 형성하도록 선택적으로 처리된(treated) 비-이온 전도성 물질의 시트를 포함하여 구성되는, 연료 전지 레이어.
  46. 제38항에 있어서, 상기 제1 전기화학 반응 레이어들의 외부표면 또는 제2 전기화학 반응 레이어들의 외부표면에 위치하는 하나 이상의 필터들을 포함하여 구성되는, 연료 전지 레이어.
  47. 제38항에 있어서, 상기 복수의 단위 연료 전지들이 규칙적인 배열(regular array)로 배치된, 연료 전지 레이어.
  48. 제38항에 있어서, 상기 복수의 단위 연료 전지들이 병렬로 전기적으로 연결된, 연료 전지 레이어.
  49. 제38항에 있어서, 상기 복수의 단위 연료 전지들이 직렬로 전기적으로 연결된, 연료 전지 레이어.
  50. 제38항에 있어서, 상기 복수의 단위 연료 전지들이 직렬로 전기적으로 연결된 단위 연료 전지들의 둘 이상의 군들을 포함하여 구성되며, 이 군들이 병렬로 전기적으로 연결된, 연료 전지 레이어.
  51. 전기적으로 연결된 둘 이상의 연료 전지 단위들을 포함하여 구성되고, 각 단위가:
    하나 이상의 기판 구성요소들;
    적어도 두 개의 가장자리들을 가지며, 적어도 두 개의 가장자리들 각각이 인접한 기판 구성요소와 접촉하는, 하나의 이온 교환 멤브레인 구성요소;
    상기 이온 교환 멤브레인 구성요소의 마주보는 측면들에 각기 위치하며, 상기 이온 교환 멤브레인 구성요소들과 적어도 부분적으로 접촉하는 내부표면 및 내부표면과 마주보는 외부표면을 각기 가지는, 하나의 애노드 촉매 레이어(anode catalyst layer) 및 캐소드 촉매 레이어(cathode catalyst layer);
    상이한 전지 단위들의 인접한 애노드 또는 캐소드 촉매 레이어들 사이에 각기 디포짓되며, 인접한 반응 레이어들을 전기적으로 절연시키기에 충분한, 복수의 절연 구역들; 및
    하나의 전지 단위의 애노드 또는 캐소드 촉매 레이어 및 상이하지만 인접한 전지 단위의 애노드 또는 캐소드 촉매 레이어와 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 접촉 부분을 각기 가지는, 복수의 통전 구조부들;을 포함하고, 그리고
    각 통전 구조부가 관련된 촉매 레이어들로부터 내측으로 위치하며, 적어도 하나의 기판 구성요소에 적어도 부분적으로 매입된, 연료 전지 레이어.
  52. 제32항에 있어서, 각 통전 구조부가 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들의 외부표면으로부터 완전히 내측으로 위치하는, 연료 전지.
  53. 제38항에 있어서, 각 통전 구조부가 상기 관련된 전기화학 반응 레이어들의 내부표면으로부터 완전히 내측으로 위치하는, 연료 전지 레이어.
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