KR20020074451A - 높은 압력 차이 전기화학 전지 - Google Patents

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쉬프제이슨케이.
드라이스티마크이.
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Abstract

다공성 전극을 사용하여, 약 2000 psi를 초과하는 압력 차이에서 작동할 수 있는 전기화학 전지를 개시한다. 다공성 전극은 다공성 지지체 안 또는 위에 흡착된 촉매를 포함하며, 전해질 멤브레인과 긴밀히 접촉되어 유체를 교환하도록 배치된다.

Description

높은 압력 차이 전기화학 전지{High differential pressure electrochemical cell}
전기화학 전지는 에너지 변환 장치이고, 대개 전해 전지(electrolysis cell) 또는 연료 전지(fuel cell)로 분류된다. 양성자 교환 멤브레인 전해 전지는 물을 전기분해하여 수소와 산소 가스를 발생시킴으로써 수소 제너레이터로서 기능하고, 수소와 산소를 전기화학 반응시켜 전기를 발생시킴으로써 연료 전지로서 기능한다.
도 1을 참조하면, 전형적인 연료 전지(10)의 부분 단면이 도시되어 있다. 연료 전지(10)에서, 수소 가스(12)와 반응수(reactant water, 14)는 수소 전극(양극, 16)으로 도입되고, 산소 가스(18)는 산소 전극(음극, 20)으로 도입된다. 연료 전지 작동을 위한 수소 가스(12)는 순수한 수소 원료, 메탄올 또는 다른 수소 원료로부터 출발할 수 있다. 수소 가스는 양극(16)에서 전기화학 반응하여 수소 이온(양성자)과 전자를 발생시킨다. 전자는 양극(16)으로부터 전기적으로 연결된 외부 부하(load, 21)를 통해서, 양성자는 멤브레인(22)을 지나서 음극(20)으로 이동한다. 음극(20)에서, 양성자와 전자가 산소 가스와 반응하여 생성수(resultantwater, 14')를 만든다. 이것은 추가적으로 멤브레인(22)을 통해 음극(20)까지 끌어당겨진 반응수(14)를 포함한다. 양극(16)과 음극(20)을 가로지르는 전위는 외부 부하를 동력화하는 데에 이용될 수 있다.
연료 전지에 대하여 도 1에 도시한 것과 동일한 형태가 일반적으로 전해 전지에도 적용된다. 전형적인 양극 공급 물 전해 전지(미도시)에서, 공정수(process water)가 전지의 산소 전극(전해 전지에서의 양극)에 공급되어 산소 가스, 전자, 양성자를 생성한다. 파워 소스의 양극단자는 양극에 전기적으로 연결되고 음극단자는 수소 전극(전해 전지에서의 음극)에 연결되어 전기분해 반응이 촉진된다. 산소 가스와 공정수의 일부는 전지를 빠져나가고, 양성자와 물은 양성자 교환 멤브레인을 가로질러 음극으로 이동하여 수소 가스를 만든다. 음극 공급 전해 전지(미도시)에서는, 공정수가 수소 전극에 공급되고, 물의 일부는 음극으로부터 멤브레인을 가로질러 양극으로 이동하여 양성자와 산소 가스를 만든다. 공정수의 일부는 멤브레인을 거치지 않고 음극 쪽에서 전지를 빠져나간다. 양성자는 멤브레인을 가로질러 음극으로 이동하여 수소 가스를 만든다.
어떤 장치에서는, 전기화학 전지가 필요에 따라 전기를 수소로, 수소를 다시 전기로 변환하도록 사용될 수 있다. 이러한 시스템을 통상 재생(regenerative) 연료 전지 시스템이라고 부른다.
전형적인 전기화학 전지는 스택으로 배열된 여러 개의 개별 전지들을 포함한다. 작업 유체(working fluid)는 스택 구조 안에 형성된 입력 및 출력 도관(conduit)을 통해 전지를 지난다. 스택 안의 전지는 연속적으로 배열되고, 각각은 음극, 양성자 교환 멤브레인과 양극을 포함한다. 일반적으로 양극, 음극 또는 둘 다는 멤브레인으로의 가스 확산을 촉진하는 가스 확산 전극이다. 각 음극/멤브레인/양극 조립체(이하, "멤브레인 전극 조립체(membrane electrode assembly)", 또는 "MEA")는 전형적으로 스크린 팩(screen pack) 또는 양극 판(bipolar plate)과 같은 지지부재에 의해 양쪽이 지지되며, 흐름 필드(flow field)를 형성한다. 전지 안에는 흔히 압력 차이가 있게 되므로, 전지 활성 영역, 즉 전극에서의 균일한 압축을 구현하기 위해 압축 패드 또는 다른 압축 수단이 자주 사용된다. 이것에 의해 흐름 필드와 전지 전극이 장시간의 긴밀한 접촉을 유지한다.
MEA를 기계적으로 지지하는 것과 더불어, 스크린 팩 또는 양극 판과 같은 흐름 필드는 바람직하게 유체 운동과 멤브레인 수화를 촉진시킨다. 이러한 다공성 지지부재는 산소와 수소 가스의 적절한 운송을 수행할 가스 확산 매질로서도 기능한다. 전기화학 전지를 통틀어 (액체인 물, 수소와 수소 가스를 포함하는 )유체 분배의 균일성과 운송율을 높이면 작동 효율이 증가된다.
스크린 팩이 지지할 때에, 전형적인 전기화학 전지는 약 400 psi(pounds per square inch)까지의 압력 차이에서 작동할 수 있다. 의도하는 목적에는 부합할지 모르나, 이러한 지지부재는 추가적인 재료 가공과 단계를 필요로 하여, 약 400 psi보다 큰 압력 차이에서 작동하는 전지에는 비효율적일 수 있다. 전기분해 전지에서는, 예를 들어, 전지를 약 1000 psi 이상에서 작동하는 것이 바람직하다. 약 400 psi를 초과하는 압력, 특히 600 psi를 초과하는 압력에서는 스크린 구조에 물리적 한계, 말하자면 스크린 구멍이 매우 작을 것이 요구되는 점이 그것을 통한 유체의운송을 방해하게 되며, 따라서 유용성이 제한된다.
약 2000 psi까지의 압력에서 작동할 수 있도록 하기 위하여 다공판 기술이 개발되었다. 다공판의 예는 1994년에 칼슨(Carlson) 등에게 허여된 미국특허 제 5,296,109호와 제 5,372,689호에 개시되어 있다. 도 2에 도시된 것처럼, 다공성 시트(sheet, 213)가 양극 전극(211)과 흐름 필드(스크린 팩, 203) 사이에 배치되어, 멤브레인(209)에 추가적으로 구조적 완결을 제공한다. 칼슨에 따르면, 다공성 시트(213)는 나아가 양방향으로 물과 산소를 흐르게 한다고 한다.
다공판은 "Membrane and Ionic and Electronic Conducting Polymer"에 관하여 케이스 웨스턴 심포지엄(The Case Western Symposium, Cleveland, Ohio May 17-19, 1982)에서 발표된 논문에도 개시되어 있다. 다시 도 2에 도시된 대로, 이 논문은 멤브레인과 전극 조립체가 흐름 필드로 변형되지 않도록 하려면 다공성의 견고한 지지 시트(213)가 전극(211)과 흐름 필드 분배 요소(203) 사이에 도입되어야 한다고 개시한다. 설명된 특정 장치는 양극 전극 위에 놓여지는 다공성의 티타늄 지지 시트, 음극 전극 위에 놓여지는 탄소 섬유지와 다공성의 견고한 지지 시트를 사용한다(제14쪽). 이 논문은 제2쪽에서, 이와 같은 전지가 500 psi 이상에 달하는 압력 차이에서 작동할 수 있었다고 주장한다.
다공판을 사용하는 것은 "Solid Polymer Electrolyte Water Electrolysis Technology Development for Large-Scale Hydrogen Production"에도 개시되어 있다. 이것은 제너럴 일렉트릭사(General Electric Company)의 1977년 10월부터 1981년 11월까지 기간 동안의 마지막 보고서이다. NTIS 오더 번호 DE82010876이고, 고체 폴리머 전해질 물 전기분해 기술에 관한 것이다. 다공성 티타늄 판을 사용하는 특정 전해조(electrolyzer)가 설명되어 있고, 도 2에 도시된 것처럼 양극 전극(211), 몰드된 그루브(molded groove)로 이루어진 양극 전극 흐름 필드(203), 음극 전극(207), 몰드된 그루브로 이루어진 음극 전극 흐름 필드(205), 그리고 양극(211)과 음극(207) 사이에 긴밀하게 접촉되어 배치된 이온 교환 멤브레인(209)을 포함한다. 다공성 시트(213)는 이온 교환 멤브레인(209)을 지지하며, 양극 흐름 필드(203)와 양극(211) 사이에 개재되어 있다. 보고서의 제10쪽에 따르면, 이전의 개발에서는 멤브레인이 흐름 영역으로 열화되는 것을 방지하기 위해서 멤브레인과 전극 조립체의 지지대가 양극과 음극 모두에 필요했다고 한다. 양극 지지대(다공성 시트, 213)는 물을 흐름 필드에서 촉매로 흐르게 하고 산소 가스를 유출시키도록 다수의 미세한 홀을 식각한 얇은 티타늄 호일(foil)로 되어 있었다. 물의 유속을 개선하기 위해서, 이러한 얇은 호일 양극 지지대가 다공성 티타늄 판으로 대체되었다고 한다(제66쪽).
다공판 기술의 중대한 단점은 이 요소가 전지 조립체에 부가하는 추가적인 재료, 공정과 조립 비용이다. 따라서, 기술분야에서는 높은 압력, 예를 들어 약 1000 psi를 넘는 압력에서 작동할 수 있는 비용 절감적인 전기화학 전지가 요구되고 있다.
본 발명은 전기화학 전지에 관한 것으로, 특히 높은 압력 차이에서 작동할 수 있는 전기화학 전지에 관한 것이다.
다음의 도면들은 비제한적이고 예시적인 목적으로 제공되는 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 전형적인 연료 전지 반응을 보여주는 종래 전기화학 전지의 개략적인 도면이다.
도 2는 다공판을 가지는 종래 전기화학 전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전해 전지 스택에서 시간에 대해 측정한 전압 그래프이다.
위에서 설명한 결함과 단점들은 다공성 전극, 다른 전극, 상기 전극들 사이에 배치된 멤브레인을 포함하는 전기화학 전지; 전기화학 전지 사용방법; 다공성전극 제조방법; 및 전력 생산방법에 의해 경감된다.
전기화학 전지는 도전성 다공성 지지체의 표면에 물리적 접촉되게 배치된 촉매를 포함하는 제1 다공성 전극, 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 멤브레인; 상기 제2 전극과 유체를 교환하는 흐름 필드; 상기 제1 전극과 유체를 교환하는 제1 유체 포트(port); 및 상기 제2 전극과 유체를 교환하는 제2 유체 포트를 포함한다. 따라서, 제1 다공성 전극은 다공성 촉매 구조를 포함하며, 이것은 촉매를 구조적으로 지지하고 보전하며, 물을 전기분해하여 수소와 산소를 형성하는 반응 장소를 제공하고, 작업 가스와 유체를 위해 흐름 필드를 제공하며, 멤브레인을 지지한다.
전기화학 전지를 사용하는 하나의 방법은, 도전성 다공성 전극에 물리적 접촉되게 배치된 촉매를 포함하는 산소 전극에 물을 도입하는 단계; 물을 분해하여 수소 이온, 산소 및 전자를 형성하는 단계; 외부 부하를 이용하여 상기 전자를 수소 전극으로 운반하는 단계; 전해질 멤브레인을 통해 상기 수소 이온을 상기 수소 전극으로 이동시키는 단계; 및 상기 수소 전극에서 수소 가스를 발생시키는 단계를 포함한다.
다공성 전극을 제조하는 하나의 방법은, 도전성 물질층을 소결하여 소결된 다공성 지지체를 형성하는 단계; 상기 다공성 지지체에 촉매와 용매로 된 용액을 흡수시키는 단계; 및 용매를 제거하여 다공성 전극을 제조하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 다공성 전극은 부피로 약 20%보다 큰 기공율을 갖는 것이 바람직하다.
다공성 전극을 제조하는 대안적인 방법은, 도전성 물질에 촉매와 용매로 된용액을 도포하는 단계; 상기 도포된 도전성 물질의 층을 형성하는 단계; 필요한 경우 상기 층으로부터 용매를 제거하는 단계; 및 상기 층을 소결하여 다공성 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 다공성 전극은 부피로 약 20%보다 큰 기공율을 갖는 것이 바람직하다.
다공성 전극을 제조하는 또 다른 방법은, 도전성 다공성 지지체에 촉매 전구체와 용매로 된 용액을 도포하는 단계; 및 상기 촉매 전구체를 촉매로 변환시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 다공성 전극은 부피로 약 20%보다 큰 기공율을 갖는 것이 바람직하다.
전력을 생산하는 방법은, 제1 전기를 생산하는 단계; 도전성 다공성 흐름 필드에 배치된 촉매를 포함하는 산소 전극, 수소 전극, 그 사이에 배치된 전해질 멤브레인, 및 상기 산소 전극 및 수소 전극과 전기를 교환하는 전기 로드를 포함하는 전기화학 전지에 상기 제1 전기의 적어도 일부를 도입하는 단계; 상기 산소 전극에 물을 도입하는 단계; 물을 분해하여 수소 이온, 전자 및 산소를 형성하는 단계; 상기 전해질 멤브레인을 통해 상기 수소 이온을 상기 수소 전극으로 이동시키는 단계; 상기 전기 로드를 이용하여 상기 전자를 상기 수소 전극으로 운반하는 단계; 상기 수소 전극에서 수소 가스를 생산하는 단계; 및 상기 제1 전기가 가능하지 않거나 불충분할 때에 상기 수소 가스를 사용하여 추가적인 전기를 생산하는 단계를 포함한다.
위에서 논의한 본 발명의 특징과 장점들, 다른 특징과 장점들은 후술하는 상세한 설명과 도면으로부터 기술분야의 숙련된 자에게 이해되어질 것이다.
비록 수소, 산소 및 물을 이용하는 양성자 교환 멤브레인 전해 전지에 관련하여 설명하지만, 본 발명은 고체 산화물과 같은 고체 전해질, 양성자 교환 멤브레인, 및 수소, 브롬, 염소, 산소, 요오드, 불소, 메탄올, 및 다른 유체를 포함하지만 여기에 한정되지는 않는 다양한 반응물을 이용하는 모든 종류의 전기화학 전지에 적용될 수 있다. 다른 반응물 및/또는 다른 전기화학 전지 스택을 이용하려면, 전기화학 전지의 특정한 종류에 따라 통상적으로 이해되듯이, 흐름, 반응, 및 바람직한 물질들( 예를 들어, 촉매 및 멤브레인의 종류)도 따라서 변경되어야 함을 이해할 수 있을 것이다.
이 전기화학 전지, 전지 스택, 전극, 및 이러한 것들을 작동하는 방법은 높은 압력 차이, 예를 들어 약 1000 psi를 초과하는, 바람직하게는 약 2000 psi를 초과하고, 가장 바람직하게는 약 4000 psi까지이거나 이를 초과하는, 압력 차이에서의 작동을 가능하게 한다. 전기화학 전지 스택은 적어도 하나, 바람직하게는 다수개의 전기화학 전지를 포함한다. 각각의 전지는 양극 전극과 음극 전극과 그 사이에 배치된 전해질 멤브레인, 및 전극들과 유체를 교환하는 유체 흐름 필드를 포함한다. 전극들 중 적어도 하나, 바람직하게는 전해 전지의 산소 전극(양극)은, 촉매에 구조적인 지지와 보전을 제공하고, 물을 전기분해하여 수소와 산소를 형성하는 반응 장소를 제공하고, 유체, 예를 들어 물과 산소의 흐름 필드를 제공하는 다공성 촉매 구조를 포함한다.
전해 전지와 연료 전지의 전해질 멤브레인은 전기화학 전지의 멤브레인을 형성하는 데에 통상적으로 사용되는 어떠한 물질이라도 사용될 수 있다. 전해질은 전기화학 전지의 작동 조건 하에서 고체이거나 젤(gel)인 것이 바람직하다. 유용한 물질은 양성자 전도성 이오노머(ionomer)와 이온 교환 수지를 포함한다. 유용한 양성자 전도성 이오노머는 알칼리 금속, 알칼리 토금속염, 또는 양성자산(protonic acid)과 하나 이상의 극성 폴리머의 착물(complex)일 수 있다. 극성 폴리머는 폴리에테르, 폴리에스테르, 또는 폴리이미드 등이다. 아니면, 알칼리 금속, 알칼리 토금속염, 또는 양성자산과 위에서 언급한 극성 폴리머를 세그먼트(segment)로 가지는 네트워크 또는 가교된 폴리머의 착물일 수 있다. 유용한 폴리에테르는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 모노에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디에테르, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜 모노에테르 및 폴리프로필렌 글리콜 디에테르와 같은 폴리옥시알킬렌; 폴리(옥시에틸렌-코-옥시프로필렌) 글리콜,폴리(옥시에틸렌-코-옥시프로필렌) 글리콜 모노에테르, 및 폴리(옥시에틸렌-코-옥시프로필렌) 글리콜 디에테르와 같이 이들 폴리에테르 중 적어도 하나의 코폴리머(copolymers); 앞에서 언급한 폴리옥시알킬렌과 에틸렌디아민의 축합 산물; 인산 에스테르, 지방족 카르복시산 에스테르 또는 앞에서 언급한 폴리옥시알킬렌의 방향족 카르복시산 에스테르와 같은 에스테르이다. 코폴리머, 예를 들어 폴리에틸렌 글리콜과 디알킬실록산(dialkylsiloxane), 폴리에틸렌 글리콜과 무수말레산(maleic anhydride), 또는 폴리에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르와 메타아크릴산의 코폴리머는 기술분야에서 유용하게 충분한 이온 전도성을 보이는 것으로 알려져 있다. 유용한 복합체-형성 시약(reagent)은 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염, 및 양성자산과 양성자산염을 포함한다. 이상의 염들에서 유용한 반대 이온은 할로겐 이온, 퍼클로릭 이온, 티오시아네이트 이온, 트리플루오르메탄 술포닉 이온, 보로플루오릭 이온 등이다. 이러한 염의 비제한적이지만 대표적인 예로는 리튬 플루오라이드, 소듐 아이오다이드, 리튬 퍼클로레이트, 소듐 티오시아네이트, 리튬 트리플루오로메탄 술포네이트, 리튬 보로플루오라이드, 리튬 헥사플루오로포스페이트, 인산, 황산, 트리플루오로메탄 술폰산, 테트라플루오로에틸렌 술폰산, 헥사플루오로부탄 술폰산 등이 있다.
양성자 전도성 물질로 유용한 이온 교환 수지는 탄화수소 및 플루오로카본 타입의 수지를 포함한다. 탄화수소 타입 이온 교환 수지는 페놀산 또는 술폰산 타입의 수지; 페놀포름알데히드, 폴리스티렌, 스티렌-디비닐벤젠 코폴리머, 스티렌-부타디엔 코폴리머, 스티렌-디비닐벤젠-비닐클로라이드 터폴리머(terpolymers) 등,술폰화로 음이온 교환 능력이 가능해지거나, 클로로메틸레이션된 다음 해당되는 4급 아민으로 변환되어 양이온 능력이 가능해진, 축합 수지를 포함한다.
플루오로카본 타입 이온 교환 수지는 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로술포닐 에톡시비닐 에테르 또는 테트라플루오로에틸렌-하이드록실레이티드(퍼플루오로 비닐 에테르) 코폴리머의 수화물을 포함한다. 예를 들어, 연료 전지의 음극에 내산화성 및/또는 내산성이 필요하다면, 술폰산기, 카르복시산기 및/또는 인산기를 가진 플루오로카본 타입 수지가 선호된다. 플루오로카본 타입 수지는 일반적으로 할로겐, 강산 및 염기에 대해 내산화성이 뛰어나다. 술폰산 그룹기를 가진 플루오로카본타입 수지는 E. I. DuPont de Numours Inc., Wilmington, Del.로부터 입수할 수 있는 NAFIONⓡ수지이다.
다공성 전극에 인접하여 배치되고 유체를 교환하는 멤브레인은, 다공성 지지체 위에, 바람직하게는 다공성 지지체를 통틀어 흡착된 촉매를 포함한다. 가능한 촉매로는 전기화학 전지 시스템에 일반적으로 사용되는 전극 촉매를 포함한다. 이러한 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 등과, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물, 산화물, 합금 또는 조합을 포함한다. 부가적으로 가능한 촉매로서 단독으로 사용되거나 위에 언급한 것들과 조합하여 사용할 수 있는 촉매로는 흑연과, 프탈로시아닌, 포르피린과 같은 유기금속 및 앞에서 언급한 촉매들의 조합을 포함한다. 적절한 촉매들은 미국특허 제 3,992,271호, 제 4,039,409호, 제 4,209,591호, 제 4,272,353호, 제 4,707,229호와 제 4,457,824호에도 개시되어 있는데, 이들은 참조로써 여기에 결합된다. 촉매들은 분리된 촉매 입자들일 수 있고 나아가 수화된 이오노머 고체, 플루오로카본, 다른 결합 물질, 일반적으로 전기화학 전지 촉매와 같이 쓰이는 다른 물질, 및 위에서 언급한 촉매들 중 적어도 하나를 포함하는 조합일 수 있다. 이오노머 고체는 어떠한 부푼(예를 들어, 부분적으로 분해된 중합체의 물질) 양성자 및 물 전도성 물질일 수 있다. 가능한 이오노머 고체는 탄화수소 골격을 가진 것, 및 (퍼플루오로카본 골격을 가진 )퍼플루오로술포네이트 이오노머와 같은 퍼플루오로이오노머를 포함할 수 있다. 이오노머 고체 및 촉매는 몰터(Molter) 등에 허여된 미국특허 제 5,470,448호에 더 개시되어 있으며 여기에 참조로써 통합된다.
촉매는 다음에 상세하게 설명하는 다공성 지지체 위나 안에 흡착된다. 다공성 지지체는 전기화학 전지의 환경(예컨대, 약 4000 psi까지 또는 그 이상으로 원하는 압력 차이, 약 250℃까지의 온도, 수소, 산소 및 물에의 노출)과 양립할 수 있는 임의의 도전성 물질을 포함할 수 있다. 가능한 물질은 탄소, 니켈 및 니켈 합금(예를 들어, Haynes International, Kokomo, Indiana에서 상업적으로 입수할 수 있는 Hastelloyⓡ, INCO Alloys International Inc., Huntington, West Virginia에서 상업적으로 입수할 수 있는 Inconelⓡ), 코발트 및 코발트 합금(예를 들어, Maryland Specialty Wire, Inc., Rye, NY에서 상업적으로 입수할 수 있는 MP35Nⓡ, Haynes International에서 상업적으로 입수할 수 있는 Haynes 25ⓡ, ElgiloyⓡLimited Partnership, Elgin, Illinois에서 상업적으로 입수할 수 있는 Elgiloyⓡ),티타늄, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 탄소, 하프늄, 철 및 철 합금(예를 들어, 스테인리스 스틸과 같은 스틸 등), 및 앞에서 언급한 물질을 적어도 하나 포함하는 산화물, 혼합물, 및 합금을 포함한다. 다공성 지지체의 특별한 형상은 예를 들어 (랜덤, 직조, 비직조, 다져진, 연속적인 등의 )섬유, 그래뉼, 입자상 분말, 프리폼(preform) 등으로, 이하에서 다공성 전극의 제조에 관하여 설명할 때 보다 상세하게 다루기로 한다.
다공성 전극을 제조하는 데에 여러 가지 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 임의적 형상의 입자상 물질이 원하는 촉매로 침투될 수 있다. 예를 들어 잉크의 형태로 페인팅, 분무, 침지, 흡수, 증착 등의 방법으로 침투될 수 있다. 침투된 입자들은 압력에 의해 압축되고 진공에서 소결(예를 들어, 동시소결)되어 다공성 전극이 형성된다. 압축되기 전의 입자들은 치밀한 것이거나 다공성일 수 있다.
대신에, 다공성 지지체는, 예를 들어 섬유 펠트의 형태로서, 직조되거나 비직조된 스크린, 다공층, 또는 이들의 조합이고, 촉매가 침투된다. 다공성 지지체의 표면 일부에라도 촉매가 흡착되면, 용매가 제거되고 촉매 물질만 남겨진다. 여기서 "흡착"이라는 것은 예를 들어 어떤 도전성 폴리머에서 일어날 수 있듯이, 다공성 지지체를 포함하는 물질 안에 흡착되는 것뿐만 아니라, (어떤 표면이 외부이든 내부이든 )다공성 지지체의 표면에 흡착되는 것을 포괄하는 의미로 사용된다. 섬유 또는 다른 형태들은 치밀한 것이거나 다공성일 수 있다. 다공성 지지체의 적당한 기공율은 일반적으로 부피로 약 10 % 이상이고, 바람직하게는 약 20 %보다 크며, 가장 바람직하게는 약 40 내지 90 %이다.
다공성 전극을 제조하는 또 다른 방법은, 도전성 다공성 지지체에 촉매 전구체와 용매로 된 용액을 도포하는 단계; 및 상기 촉매 전구체를 촉매로 변환시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 임의의 형상을 가진 입자상 또는 섬유상 물질이 프리폼을 만드는 데에 사용된다. 이 방법은 따라서, 도전성 물질층을 소결하여 소결된 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체에 촉매와 용매로 된 용액을 침투시키는 단계; 및 용매를 제거하여 다공성 전극을 제조하는 단계를 포함한다. 다공성 지지체의 적당한 기공율은 일반적으로 약 10 부피% 이상이고, 바람직하게는 약 20 부피%보다 크며, 가장 바람직하게는 약 40 내지 90 부피%이다.
다공성 전극은 그것을 지나서 적절한 유체들이 이동할 수 있고 양방향 흐름이 가능하기에 효과적인 기공율과 기공 크기를 갖는다. 이러한 기공율은 기술분야의 숙련자에 의하여 쉽게 결정될 것인데, 유체, 가스, 압력 등에 의존한다. 다공성 전극의 적정한 기공율은 일반적으로 약 20 부피% 이상이고, 바람직하게는 약 40 부피%보다 크며, 더 바람직하게는 약 20 내지 약 80 부피%이고, 가장 바람직하게는 약 40 내지 약 70 부피%이다. 일반적으로 약 20 ㎛까지 또는 그보다 큰 평균 기공 크기가 이용될 수 있으나, 약 15 ㎛까지의 크기가 선호되며, 약 2 내지 약 13 ㎛가 특히 바람직하다.
다공성 지지체의 3차원적 성질 때문에, 전극은 실질적으로 동일한 반응성을 가지는 종래의 전극에 비하여 촉매 로딩이 더 낮다. 예를 들어, 약 10 mg/cm2을 넘는 촉매 로딩이 사용될 수 있으나, 2 mg/cm2보다 작은 촉매 로딩이 선호되며, 약 0.01 mg/cm2내지 약 1 mg/cm2의 촉매 로딩이 가장 바람직하다. 대조적으로, 유사한 반응성을 얻기 위하여 종래의 전극은 약 5 mg/cm2이상의 촉매 로딩을 필요로 하였다.
다공성 전극의 크기와 형상은 특정한 작동 조건과 응용에 따라 달라진다. 예를 들어, 다공성 전극이 종래 전지의 전극과 스크린 팩을 대체하는 경우, 다공성 전극의 두께는 스크린 팩을 포함하는 시스템에서보다 클 것이다. 다공성 전극의 두께는 양극 판의 사용 여부, 스크린 팩의 사용 여부, 스크린 팩 안의 구멍 크기와, 멤브레인에 걸리는 압력, 작동 조건, 물질의 조성과 형태(예를 들어, (랜덤, 직조, 비직조, 다져진, 연속적인 등의)섬유, 그래뉼, 입자, 프리폼, 분말, 이들의 조합 또는 다른 것 등), 및 다공성 전극의 기공율과 강도에 따라 달라진다. 전형적으로, 약 2000 psi까지의 압력, 소결된 입자상 전극과 3/0 스크린 지지체를 사용하는 경우, 다공성 전극은 약 40 mil까지 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있으며, 약 5 mil 내지 약 20 mil의 두께를 가지는 것이 바람직하고, 약 8 mil 내지 약 12 mil의 두께를 가지는 것이 가장 바람직하다.
제2 전극은 멤브레인과 긴밀하게 접촉되게 배치된 촉매층과 같은 종래의 전극이거나, 위에서 언급한 것과 같이 제2의 지지된 다공성 전극일 수 있다. 촉매의 일반적인 조성은 바람직하게는 위에서 다공성 전극 촉매와 관련하여 설명한 것과 같다. 여기서 멤브레인의 양면에 도입되는 촉매들은 실질적으로 동일한 조성을 가진 것이거나 다른 조성을 가진 것일 수 있다.
전기화학 전지의 흐름 필드는 스크린 팩을 포함할 수 있으며, 다공성 전극, 그루브 또는 다른 흐름 형태를 가진 양극 판, 아니면 다른 지지체 타입에 의하여 형성될 수 있다. 적당한 스크린 팩은 직조된 금속, 팽창된 금속, 천공되거나 다공성인 판, (직조된 또는 비직조된 )직물, 세라믹( 예를 들어, 입자로 충진된 세라믹), 폴리머 또는 다른 물질, 또는 이들의 조합과 같은 도전성 물질이고, 다양한 유체를 위한 적절한 흐름 필드를 형성하고 전극으로 또는 전극으로부터 전자 운송을 확립하는 한편, 멤브레인 조립체에 구조적 완결을 제공한다. 전형적으로 스크린 팩은 니오븀, 지르코늄, 탄탈륨, 티타늄, 스테인리스 스틸과 같은 스틸, 니켈, 코발트, 이들의 혼합물, 산화물 및 합금을 포함한다. 스크린 안의 구멍들 형상은 타원형, 원형, 육각형 내지 다이아몬드, 다른 신장된 모양 및 다면 모양일 수 있다. 사용되는 특정한 다공성 도전성 물질은 멤브레인 조립체의 작동 조건에 따라 달라진다. 스크린 팩의 적절한 물질의 예로는 공동 양도된 미국특허 출원 번호 09/464,143 (대리인 도켓 번호 98-1796)에 개시되어 있고, 여기에 참조로써 통합된다.
전기화학 전지에서 목적하는 압력을 얻기 위하여, 적어도 다공성 전극을 멤브레인의 저압 쪽에 스크린 팩과 함께 두는 것이 좋다. 비록 다공성 전극이 적당한 흐름 필드를 형성하고 약 2500 psi까지의 압력에 견딜 수 있는 구조적 결합을 멤브레인에 제공하지만, 스크린 팩은 공정 열을 보다 잘 제거할 수 있도록 높은 흐름량을 제공한다.
전자를 운반하기 위하여, 전극들은 전기적으로 전기 로드 및/또는 파워 소스에 연결되어 있다. 전기 연결은 전선, 트러스/버스 로드(truss/buss rod), 버스 바(bus bar)와 같은 전통적인 전기 커넥터, 이러한 커넥터의 조합 또는 다른 전기 커넥터를 포함할 수 있다.
이렇게 발생된 수소는 고압 가스 또는 고상으로 저장된다. 고상으로 저장되는 예는 수화물, 탄소계 저장물(예를 들어, 입자, 나노파이버, 나노튜브 등과 같은) 또는 앞서 언급한 고체 저장 형태의 조합 등이다.
도 3은 전기화학 전지(301)의 일 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 다공성 전극(311)은 수소 흐름 필드(303)와 멤브레인(309) 사이에서 이들과 유체 및 전기를 교환하도록 배치되어 있다. 멤브레인(309)의 반대편에는 산소 전극(307)이 멤브레인(309)과 산소 흐름 필드(305) 사이에서 이들과 유체 및 전기를 교환하도록 배치되어 있다.
다른 실시예에서, 다공성 전극은 산소 흐름 필드를 형성할 수 있고, 멤브레인과 유체 및 전기를 교환하도록 배치될 수 있다. 한편, 수소 전극은 멤브레인의 반대편과 수소 흐름 필드와 유체 및 전기를 교환할 수 있다.
다공성 전극은 전해질의 한쪽 또는 양쪽에 이용될 수 있다. 단독으로 또는 흐름 필드와 조합하여, 특별히 선택된 디자인에 따라서는 종래의 다양한 전기화학 전지 스택 요소와 함께 사용될 수 있다. 선택될 수 있는 가능한 요소로는, 보호 립(들), 개스킷(들), 분리판(들), 압력 패드(들), 스프링 세척기(들) 등이다.
후술하는 실험예들은 본 발명의 설명을 위한 것이지 제한하기 위한 것은 아니다.
실험예 1
두께가 0.010 인치이고 기공율이 약 50%인 소결된 티타늄 판, 촉매 잉크와 바인더를 사용함으로써 다공성 산소 전극을 제조하였다. 촉매 잉크와 바인더는 3.7 중량%의 산소 촉매( 소멸된 미국특허 제 3,992,271호에 개시된 것과 같이, 50% Pt-50% Ir), 5 중량%의 Nafionⓡ용액 12.1 중량%, 탈이온수 84.2 중량%를 포함하는 것이었다. 다공성 판은 아세톤으로 적셔진 후 100℃로 끓고 있는 잉크 용액 안에 놓여졌다. 아세톤은 용액 안에서 증발되고 촉매와 바인더는 남아서 다공성 티타늄 안으로 흡수되어 다공성 전극이 되었다. 다공성 전극을 오븐 안에서 180℃로 가열하여 촉매 바인더를 활성화시키고, 촉매를 다공성 전극 내부의 기공 벽으로 흡착시켰다. 이러한 과정은 0.8 mg/cm2의 촉매 로딩이 얻어질 때까지 반복되었다.
위의 실험예에 따라 제조된 전극은 31.6 in2의 총면적에 63,200 lbs의 힘이 가해진 전해 전지 스택 안에서 테스트되었다. 이 형태는 분리판, 스크린 팩(미국특허 출원번호 09/464,143, 대리인 도켓 번호 98-1796에 따름), 다공성 전극, Nafionⓡ멤브레인(일반적인 촉매가 반대편에 흡착됨), 제2 스크린 팩(미국특허 출원번호 09/464,143, 대리인 도켓 번호 98-1796에 따름), 쐐기(shim), 압력 패드(미국특허 출원번호 09/413,782, 대리인 도켓 번호 97-1797에 따름), 다른 분리판을 포함하였다. 스테인리스 스틸 링이 전지 프레임 주변에 조여져 고압 작동을 위한 측면 강도를 제공하였다. 이러한 전지는 오버로드 또는 크로스오버 전지 누설없이 2500 psig(pounds per square inch gauge)까지 정역학적으로 테스트되었다.
작동 테스트는 위에서 설명한 형태를 가지고 2000 psi 수소, 본질적으로 대기 산소 압력 하에서 실시하였다. 온도는 50 ℃( 테스트동안 변화량이 ±10℃)로 보정되었다. 전류밀도는 1000 A/cm2이었다. 물은 전지의 산소 쪽으로 통과하였다. 도 4에 도시한 데이터로부터 알 수 있듯이, 전지는 시간당 1 마이크로볼트보다 작게 전압 강하되었다. 이것은 본 발명의 다공성 전극 구조가 산소와 물을 효율적으로 흐르게 하고, 지지체로도 작용한다는 것을 의미한다.
실험예 2
0.03 ft2(27.87 cm2)의 다공성 티타늄 판을 1g의 이리듐 트리클로라이드와 1g의 헥사클로로플라티닉산을 포함하며 적어도 1시간 동안 저은 20 mL의 6M HCl 수용액에 담가 다공성 산소 전극을 제조하였다. 담근 후에, 코팅된 판은 오븐(151℉, 61℃)에서 약 20분 동안 건조되었다. 담금/건조 사이클은 다섯 번 반복되고, 건조되고 코팅된 판을 500℃ 까지 약 30분 동안 가열하여 클로라이드를 해당하는 금속 산화물(들)로 변환시켰다.
이어서 금속 산화물들은 케미컬(예를 들어 보론 하이드라이드) 또는 다른 수단에 의해 금속으로 환원되었다. 이리하여, 가열된 판을 3M의 황산 수용액에 담가 파워 서플라이의 음극단자를 연결하여 그것을 음극으로 만들고, 백금화된 티타늄 반대 전극에 파워 서플라이의 양극단자를 연결하여 그것을 양극으로 만들었다. 전류는 15분 동안 2 볼트로 유지된 다음, 15분 동안 5 볼트로 유지되어, 금속 산화물을 해당하는 금속으로 환원되게 하였다. 1.5 볼트에서, 다공성 전극(음극)에서 수소가 발생되는 것이 관찰되었다.
전기화학 전지와 사용방법은 위에 설명한 많은 장점을 갖는 전극을 이용한다. 예를 들어, 수소가 고압( 예를 들어, 400 psi를 넘는 압력)에서 저장될 수 있기 때문에, 전극과 전기화학 전지 스택은 운송수단에 동력을 공급하는 데에, 보조적인 파워 소스로서, 또는 간헐적인 파워를 지속적인 파워로 변환하는 데와 같이 다양한 분야에 응용될 수 있다. 운송수단에 동력을 공급하는 데에 전기화학 전지는 운송 수단과 예를 들어, 내부 연소 엔진, 연료 전지와 유체 및/또는 전기를 교환할 수 있고/있거나 재생 연료 전지로 작동할 수 있다. 예를 들어, 전해 전지 스택은 수소를 발생시킬 수 있는데, 이것은 저장되고 운송수단으로 공급되어, 운송수단에서 동력을 발생시키는 데에 사용된다.
간헐적인 파워는 다양한 방법으로 제공될 수 있다. 밤(태양이 없는) 노출 때문에 간헐적인 광볼타 전지, 풍속이 낮거나 실질적으로 없을 때에 간헐적인 풍력 장치(예컨대 풍차), 가뭄 조건에서 간헐적인 수력 발전(예를 들어, 전형적으로 댐을 이용하여 터빈을 향하는 물); 정전동안 간헐적인 그리드 파워(예를 들어, 번개 때문에 다운된 전선); 이들의 조합 등이다. 전기화학 전지 스택은 이러한 간헐적 파워 소스가 전기를 제공하는 동안 수소를 발생하고 저장하도록 하나 이상의 파워 소스와 함께 그리드 안으로 합쳐질 수 있다. 간헐적인 파워 소스가 가능하지 않거나 추가적인 전력이 필요해질 경우(예를 들어 피크 사용 시간대 동안), 저장된 수소는 전기를 생산하는 데에 사용될 수 있다.
전기화학 전지는 높은 압력 차이 예를 들어 약 2000 psi를 초과하는 압력, 바람직하게는 약 6000 psi를 초과하는 압력, 가능하다면 약 10000 psi를 초과하는 압력에서 작동할 수 있는 적어도 하나의 다공성 전극을 포함한다. 이러한 고압 작동은 압축기 등과 같은 부가적인 장비의 사용없이, 고압의 수소 및/또는 산소 탱크(실린더 등)를 곧바로 채울 수 있게 한다. 이렇게 전기화학 전지의 효율적이고 효과적인 활용은 축소된 크기로 고압 출력을 요구하는 응용분야에 널리 사용될 수 있다. 예컨대, 자동차 산업, (미개발된, 미접근 지역과 같은 )원격지 연료 및/또는 전기 발전 등이다. 예를 들어, 다공성 전극을 하나 이상 포함하는 전기화학 전지는 동력을 발생시키는 데에 수소를 사용할 수 있도록 운송수단을 재충전할 수 있게 운송수단에 연결되어 사용될 수 있다.
다른 장점들은 촉매의 개선된 능률이다. 종래의 전극에서, 전극은 매우 얇고(전형적으로 약 0.1 mil보다 얇음) 반응 물질에 대해 비교적 투과성이 나쁘다. 결과적으로, 반응은 실질적으로 전극의 표면에서만 일어난다. 따라서, 반응 면적이 제한되고 많은 부분의 촉매( 다시 말해 표면 안쪽의 촉매)는 거의 사용되지 않은 채 남아 있다. 이와는 대조적으로, 다공성 전극은 3차원적이고 반응 물질이 잘 투과된다. 따라서, 모든 촉매에의 접근이 가능하다. 이러한 3차원적 구조의 높은 효율 때문에, 종래와 동일한 정도의 촉매 활성을 얻기 위하여 필요로 하는 촉매의 양이 훨씬 감소된다. 예를 들어 3 자릿수만큼이나 감소된다( 이를테면, 약 10 mg/cm2가 종래에는 필요하였으나, 다공성 전극을 이용하면 약 0.01 mg/cm2까지 감소된다.) 이러한 다공성 전극에 의하여 제공되는 구조적 완결로, 부가적인 흐름 필드(예를 들어, 하나 이상의 스크린 팩 또는 흐름 채널 모양을 가진 판)와 함께 또는 단독으로 사용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (32)

  1. 도전성 다공성 지지체의 표면에 흡착된 촉매를 포함하는 제1 다공성 전극, 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 멤브레인;
    상기 제2 전극과 유체를 교환하는 흐름 필드(flow field);
    상기 제1 전극과 유체를 교환하는 제1 유체 포트(port); 및
    상기 제2 전극과 유체를 교환하는 제2 유체 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극 또는 상기 제2 전극과 흐름 필드는 도전성 다공성 지지체의 표면에 흡착된 촉매를 포함하는 제2 다공성 전극인 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 다공성 전극과 유체 및 전기를 교환하도록 배치된 추가적인 흐름 필드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 연료 전지, 전해 전지 또는 재생 연료 전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공성 흐름 필드는 부피로 약 20 % 내지 약 80 %의기공율을 가진 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  6. 제8항에 있어서, 상기 다공성 전극은 약 5 mil 내지 약 20 mil의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 운송수단(vehicle)과 유체 및/또는 전기를 교환하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다공성 흐름 필드는 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 텅스텐, 탄소, 철, 이들의 혼합물 및 합금을 포함하는 도전성 다공성 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 약 0.01 mg/cm2내지 약 10 mg/cm2의 촉매 로딩을 가진 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간, 흑연, 이들의 유기금속, 혼합물, 산화물, 또는 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 이오노머 고체, 플루오로카본, 또는 이들 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다공성 전극은 약 2 내지 약 13 ㎛의 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  13. 도전성 다공성 흐름 필드에 배치된 촉매를 포함하는 산소 전극에 물을 도입하는 단계;
    상기 물을 분해하여 수소 이온, 산소 및 전자를 형성하는 단계;
    전기공급원을 이용하여 상기 전자를 수소 전극으로 운반하는 단계;
    전해질 멤브레인을 통해 상기 수소 이온을 상기 수소 전극으로 이동시키는 단계; 및
    상기 수소 전극에서 수소 가스를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  14. 제20항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 수소 전극으로부터 상기 산소 전극으로 약 2000 psi 이상의 압력 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  15. 제20항에 있어서, 상기 수소를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  16. 제23항에 있어서, 상기 수소는 액체 상태로, 고압 저장탱크 안에, 금속 수화물로, 탄소계 저장물 안에, 또는 이들 조합으로 저장되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  17. 제25항에 있어서, 상기 산소의 압력은 상기 수소의 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  18. 제20항에 있어서, 전기를 생산하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기를 생산하는 단계는,
    상기 수소를 연료 전지 수소 전극에 도입하는 단계;
    수소 이온과 전자를 생산하는 단계;
    상기 수소 이온과 전자를 연료 전지 산소 전극으로 이동시키는 단계;
    산소를 상기 연료 전지 산소 전극에 도입하는 단계; 및
    상기 수소 이온과 상기 산소를 반응시켜 생성수와 전기를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  19. 제27항에 있어서, 상기 전기는 운송수단의 동력 시스템과 전기를 교환하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  20. 제20항에 있어서, 전기를 생산하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기를 생산하는 단계는,
    상기 수소를 상기 수소 전극에 도입하는 단계;
    수소 이온과 전자를 생산하는 단계;
    상기 수소 이온과 전자를 상기 산소 전극으로 이동시키는 단계;
    산소를 상기 산소 전극에 도입하는 단계; 및
    상기 수소 이온과 상기 산소를 반응시켜 생성수와 전기를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  21. 제30항에 있어서, 상기 생성수를 상기 산소 전극에 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지 사용방법.
  22. 도전성 물질층을 소결하여 약 10%보다 큰 기공율을 갖는 소결된 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및
    상기 다공성 지지체에 촉매를 침투시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전극 제조방법.
  23. 도전성 물질에 촉매를 도포하는 단계;
    상기 도포된 물질의 층을 형성하는 단계; 및
    상기 층을 소결하여 약 20%보다 큰 기공율을 갖는 다공성 전극을 형성하는단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전극 제조방법.
  24. 도전성 다공성 지지체에 촉매 전구체 용액을 도포하는 단계; 및
    상기 촉매 전구체를 촉매로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전극 제조방법.
  25. 제32항에 있어서, 상기 다공성 전극은 약 2 내지 약 13 ㎛의 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 전극 제조방법.
  26. 제32항에 있어서, 상기 물질은 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 텅스텐, 탄소, 철, 또는 이들의 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 다공성 전극 제조방법.
  27. 제1 전기를 생산하는 단계;
    도전성 다공성 흐름 필드에 배치된 촉매를 포함하는 산소 전극, 수소 전극, 상기 산소 전극과 수소 전극 사이에 배치된 전해질 멤브레인, 및 상기 산소 전극 및 수소 전극과 전기를 교환하는 전기 로드를 포함하는 전기화학 전지에 상기 제1 전기의 적어도 일부를 도입하는 단계;
    상기 산소 전극에 물을 도입하는 단계;
    상기 물을 분해하여 수소 이온, 전자 및 산소를 형성하는 단계;
    상기 전해질 멤브레인을 통해 상기 수소 이온을 상기 수소 전극으로 이동시키는 단계;
    상기 전기 로드를 이용하여 상기 전자를 상기 수소 전극으로 운반하는 단계;
    상기 수소 전극에서 수소 가스를 생산하는 단계; 및
    상기 제1 전기가 가능하지 않거나 불충분할 때에 상기 수소 가스를 사용하여 추가적인 전기를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생산방법.
  28. 제45항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 수소 전극으로부터 상기 산소 전극으로 약 2000 psi 이상의 압력 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 생산방법.
  29. 제45항에 있어서, 상기 제1 전기는 수력 발전, 태양 에너지, 풍력, 그리드(grid) 파워 또는 이들의 조합을 사용하여 생산하는 것을 특징으로 하는 전력 생산방법.
  30. 제49항에 있어서, 상기 제1 전기는 태양 에너지에 노출된 하나 이상의 광볼타 전지를 사용하여 생산하고, 상기 추가적인 전기는 상기 광볼타 전지가 태양 에너지에 노출되지 않을 때 생산되는 것을 특징으로 하는 전력 생산방법.
  31. 제50항에 있어서, 상기 제1 전기는 풍차를 이용하여 생산하는 것을 특징으로 하는 전력 생산방법.
  32. 제50항에 있어서, 상기 제1 전기는 물과 터빈을 이용하여 생산하는 것을 특징으로 하는 전력 생산방법.
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