KR20030038678A - 마이크로셀 전기화학 장치, 조립체 및 이들의 제조 및사용 방법 - Google Patents

마이크로셀 전기화학 장치, 조립체 및 이들의 제조 및사용 방법 Download PDF

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KR20030038678A
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Abstract

마이크로셀 구조체 및 조립체는 에너지의 전기화학적 발생/전환에 효율적으로 이용된다. 본 발명의 마이크로셀 구조체는 분리된 파이버 마이크로셀 소자로 용이하게 구성되며, 이 마이크로셀 소자는 시트 형태(60, 62, 64, 66)로 제조되고 층 구조, 서브 번들 구조 및 번들 구조로 조립되어, 연료 전지 및 배터리 시스템 등과 같은 용례에서 고전압 출력, 고전력 밀도 출력를 발생시킨다.

Description

마이크로셀 전기 화학 장치, 조립체 및 이들의 제조 및 사용 방법{MICROCELL ELECTROCHEMICAL DEVICES AND ASSEMBLIES, AND METHOD OF MAKING AND USING THE SAME}
에너지 공급 장치 및 에너지 전환 장치 분야, 특히 연료 전지 및 배터리 개발에 있어서, 상당한 전력 출력(높은 전류 및/또는 전압), 높은 전력 밀도, 단위 체적당의 높은 에너지 출력을 갖는 장치를 개발하려는 노력이 지속되어 왔다.
배터리 및 연료 전지와 같은 전기 화학 전지는 구조적으로 비교적 간단하여, 내부 회로 쇼트를 회피하도록 분리되어 있는 개별적인 양극 전극 및 음극 전극을 이용하고 있으며, 전극들은 전해질과 접촉 상태로 배치된다. 전극들의 화학적 반응에 의하여, 이 반응에 의한 화학적 에너지는 전극 회로가 외부 부하와 접속될 때 전자 흐름을 갖는 전기 에너지로 전환되어 전력을 공급한다.
배터리 전지는 개별적인 전극 사이에 분리기 판(separator plate)을 사용할 수 있으며, 이에 따라 일련의 면과 면이 대향하고 있는 조립체에는 복수의 시트 요소(sheet elements)가 배치되고, 및/또는 그러한 시트들이 (나선형) 롤 구조로 함께 권취될 수 있다.
연료 전지는 오늘날 분산형 발전 용도는 물론 전력으로 구동되는 자동차용 전원으로 상당한 관심을 끌고 있다.
연료 전지에 있어서, 연료는 전극(애노드)와 접촉하게 주입되고, 산화제는 다른 전극(캐소드)과 접촉됨으로써, 이들 연료 전지에 외부 부하가 접속되면 양이온과 음이온의 흐름을 유발하여 전자 흐름을 발생시킨다. 전류 출력은 전극에 함침되는 촉매(예컨대, 수소 연료 전지의 경우의 백금) 및 특정 연료/산화제의 전기 화학 반응의 동력학(kinetics)을 비롯한 복수의 인자에 의하여 제어된다.
오늘날, 대부분의 연료 전지의 단일 전지 전압은 약 0.6-0.8 볼트 범위이다. 작동 전압은 전류에 종속되어, 전류 밀도가 상승하면 전압 및 전지 효율은 저하한다. 보다 높은 전류 밀도에서, 상당한 전위 에너지가 열로 전환되어 전지의 전기 에너지를 감소시킨다.
연료 전지는 또한 수소 발생 장치(reformers)와 합체되어, 수소 발생 장치가 천연 가스, 메탄올, 기타 다른 공급 원료로부터 수소와 같은 연료를 발생시키는 장치를 제공한다. 수소 발생 장치로부터의 최종 연료 생성물은 그 후 연료 전지 내에서 사용되어 전기 에너지를 발생시킨다.
당해 기술 분야에서는 수많은 타입의 연료 전지가 제안되어 왔다. 제안된 연료 전지는 다음과 같은 것을 포함한다.
전해질이 불화 슬폰산 폴리머 또는 유사한 폴리머 물질인 폴리머 전해질 연료 전지.
KOH와 같은 전해질을 사용하고, 이 KOH 전해질은 니켈, 은, 금속 산화물, 첨정석, 귀금속과 같은 촉매를 함유하는 전극 사이의 매트릭스(matrix)에 담지되어 있는 알칼라인 연료 전지.
고온 작동시의 전해질로서 농축된 인산을 사용하는 인산 연료 전지.
리튬 알루미네이트로 이루어진 세라믹 매트릭스 내에 알칼리 카보네이트 또는 나트륨/칼륨의 전해질을 사용하고 600-700℃ 범위의 온도에서 작동하며, 알칼리 전해질이 고전도성 용융염(molten salt)을 형성하는 용융염 연료 전지.
전해질로서 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)와 같은 금속 산화물을 사용하고 코발트 지르코니아 또는 니켈 지르코니아 애노드와 스트론튬 도핑 란탄 망간산염(strontium-doped lanthanum manganate) 캐소드 사이의 산소의 이온 전도를 촉진하기 위하여 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료 전지.
연료 전지는 비교적 높은 효율을 나타내고, 단지 낮은 수준의 기상/고체 방출물을 생성한다. 이들 특성 때문에, 오늘날 이들 전지에 대하여 에너지 전환 장치로서의 관심이 상당히 크다. 종래의 연료 전지 플랜트는 사용되는 연료의 저위 발열양(lower heating value: LHV)을 기초로 전형적으로는 40-55 퍼센트 범위 내의 효율을 갖는다.
낮은 환경적 방출(environmental emission)에 추가하여, 연료 전지는 일정한 온도로 작동하고, 전기 화학 반응에서 발생한 열은 코제너레이션용(cogeneration applications)으로 사용 가능하여 전체 효율을 향상시킨다. 연료 전지의 효율은실질적으로 치수와는 무관하며, 따라서 연료 전지의 설계는 와트 급에서 메가와트 급의 범위에 걸친 광범위한 전기 출력의 범위에 걸쳐 치수를 조정할 수 있다.
최근의 전기 화학 에너지 분야의 기술 혁신은 마이크로셀, 즉 배터리용의 소형 치수의 전기 화학 전지, 연료 전지 및 전기 화학 장치 적용례의 개발이다. 마이크로셀 기술은 레이 알. 에쉬라기(Ray R. Eshraghi) 명의의 미국 특허 제5,916,514호, 제5,928,808호 및 제6,004,691호에 개시되어 있다.
전술한 에쉬라기 명의의 특허는 단일 전지가 전극 또는 그것의 활성 물질, 다공성 박막 분리기(membrane separator), 전해질 및 제2 전극 또는 그것의 활성 물질을 포함하는 파이버로 형성되는 전기 화학 전지 구조를 개시하고 있다. 에쉬라기 명의의 특허에 개시되어 있는 전지 구조는 단일한 파이버들이 인접하여 사용되며, 이들 파이버 중 제1 파이버는 전극 또는 그것의 활성 물질, 분리기 및 전해질을 포함하고, 제2 파이버는 제 2 전극을 포함하며, 이에 따라 인접한 파이버들은 전지의 음극과 양극을 구성한다.
본 발명은 마이크로셀 전기 화학 장치 및 조립체, 그리고 이들을 여러 가지 기술로 제조하는 방법 및 이러한 전기 화학 장치 및 조립체를 사용하는 방법에 관한 것이다.
도 1 내지 4는 마이크로셀 조립체의 제조를 예시하는 파이버 요소 구조체의 사시도이다.
도 5는 마이크로셀 파이버 조립체의 전류 집전체 또는 전극 요소들을 결합하기 위한 커넥터의 사시도이다.
도 6은 조립체의 일단에 단자가 있는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 마이크로셀 조립체이다.
도 7은 직렬로 연결된 마이크로셀 시트를 보여주는 마이크로셀 조립체의 분해 사시도이다.
도 8은 직렬 관계로 결합된 마이크로셀 시트의 층상 구조의 모식도이다.
도 9는 마이크로셀 층의 직렬 접속 구조의 3차원적인 사시도이다.
도 10은 마이크로셀 시트의 포팅(potting)된 배치를 보여주는 도면이다.
도 11은 전기 화학 전지의 이중 스택 번들의 제조를 위하여 상면이, 그리고 선택적으로는 하면이 천공되는 덕트의 사시도이다.
도 12는 베셀 내에 포트된 마이크로셀 파이버 번들의 횡단면도이다.
도 13은 도 12의 베셀의 측면도이다.
도 14는 이중 스택의 마이크로셀 시트의 횡단면도이다.
도 15는 시트내에 배열된 이중 스택의 마이크로셀 장치로서, 천공된 덕트의 각 측부에 스택을 포함하는 마이크로셀 장치의 측면도이다.
도 16은 천공된 공급 덕트의 일측부상의 포팅된 파이버의 사시도이다.
도 17은 파이버가 천공된 공급 덕트의 양측부에 배치된 베셀을 보여주는 도면이다.
도 18은 마이크로셀 조립체를 구비하는 전기화학적 전지 장치의 측면도이다.
도 19는 마이크로셀 구조체를 형성함에 있어서 맨드렐로 사용되는 천공된 공급 튜브를 보여주는 도면이다.
도 20은 도 19의 천공 튜브의 둘레에 감기거나 권취될 수 있는 파이버 마이크로셀와 쉘측 전류 집전체 시트를 보여주는 도면이며, 이들 시트는, 도 21에는 감기는 도중에, 그리고 도 22에는 최종 형상으로 권취된 상태에서 도시되어 있다.
도 23은 파이버 마이크로셀 요소 및 쉘측 전류 집전체의 시트와 절연 시트(예컨대, 유리 파이버 또는 다공성 플라스틱 재료)를 보여주고 있다.
도 24는 파이버 마이크로셀 요소 및 쉘측 전류 집전체의 2매의 시트를 포함하는 시트 조립체의 사시도이다.
도 25는 오프셋 파이버층 시트를 구비한 마이크로셀 조립체의 측면도이다.
도 26은 마이크로셀 번들의 횡단면도이다.
도 27은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 직렬로 접속된 마이크로셀 서브 번들(sub-bundle)의 측면도이다.
도 28은 마이크로셀 서브 번들 구성품을 직렬로 접속하는 데 사용되는 커넥터의 사시도이다.
도 29는 각 번들이 관련된 대응 공급 튜브를 구비하는 다중 번들 조립체(multibundle assembly)의 횡단면도이다.
도 30은 각 번들이 직렬로 연결되어 있는 다중 번들 조립체의 횡단면도이다.
도 31은 블랭크 시일 요소(blank seal elements)가 모듈 엔클로저의 페이스 시트(face sheet)에 폐쇄 부재를 제공하는 다중 서브 번들을 구비한 연료 전지 모듈의 횡단면도이다.
도 32는 매니폴드 구조 내의 공급 튜브와 함께, 마이크로셀 요소의 다중 서브 번들을 구비한 연료 전지 모듈의 측면도이다.
도 33은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 마이크로셀 서브 번들을 포함하는 모듈의 하우징의 내부 용적 내로 공급 튜브가 뚫고 들어가는 것을 보여주는 측단면도이다.
도 34는 열교환 파이버 또는 튜브가 마이크로셀 번들에 산재된 관계로 마련되어 있는 마이크로셀 조립체의 횡단면도이다.
도 35는 서브 번들 사이에 산재된 공기/연료 통로 및 열교환 통로를 보여주는 연료 전지 모듈의 횡단면도이다.
도 36은 중공 파이버가 외측 전극 요소로서 작용하고 열교환을 가능하게 하는 마이크로셀 번들의 횡단면도이다.
도 37은 열교환/전류 집전체 중공 파이버를 구비한 연료 전지의 횡단면도이다.
도 38은 전도에 의하여 전류 집전체로부터 열 교환이 이루어지는 연료 전지 모듈의 횡단면도이다.
도 39는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 모식도이다.
도 40은 마이크로셀의 애노드 또는 캐소드 요소상에 있는 전도성의 선택 투과성 박막을 구비한 이중 박막 구조의 횡단면도이다.
도 41은 마이크로셀의 애노드 또는 캐소드 요소를 보호하는 선택적 투과성의 박막을 구비한 이중 분리기 구조의 횡단면도이다.
도 42는 마이크로셀의 애노드 및 캐소드 요소 모두를 덮는 선택적 투과성 박막을 구비한 이중 분리기 구조의 횡단면도이다.
도 43은 마이크로셀의 애노드 및 캐소드 요소 모두를 덮는 선택적 투과성 박막을 구비하고, 다공성 및 전도성의 내측 분리기를 구비한 이중 분리기 구조의 횡단면도이다.
도 44는 마이크로셀의 애노드 및 캐소드 요소 모두를 덮는 선택적 투과성 박막을 구비하고 내측 분리기의 내측 벽에 있는 수소 발생 촉매를 구비하는 이중 분리기 구조의 횡단면도이다.
도 45는 내피온(Nafion) 또는 전극 촉매를 박막 파이버에 함침시키기 위한 용매 함침 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 46은 외면에 폴리머 화합물이 있는 금속 파이버의 입면도이다.
도 47은 외면에 열분해 탄소 코팅이 있는, 열분해 후의 도 46에 대응하는 파이버를 보여주는 도면이다.
도 48은 코팅된 금속 파이버를 따라 배치된 파이버 탄소 전류 집전체를 보여주는 도면이다.
도 49는 코팅된 금속 파이버의 분리 파단 후의 도 48의 파이버 조립체를 보여주는 도면이다.
도 50은 평면형 중공 파이버 요소가 조립체로부터 통수(通水)시키는 데 사용되는 중공 파이버 및 마이크로셀 튜브 번들의 횡단면도이다.
도 51은 모듈로부터의 물이 하부의 제거용 플리넘 공간(plenum space)으로 배수되도록 배치되어 있는 연직 상방으로 연장하는 마이크로셀 번들을 보여주는 도면이다.
본 발명은 에쉬라기의 마이크로셀 기술의 추가적인 향상을 구체화한다.
Eshraghi의 미국 특허 제5,916,514호, 제5,928,808호, 제5,989,300호 및 제6,004,691호에 개시된 내용은 그 각각의 전체 내용이 본 명세서에 참고로서 포함된다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 마이크로셀는 전기화학적 전지 에너지 발생 또는 변환 구조를 가리키는 것이며, 다공 속에 전해질이 배치되어 있는 다공성 박막 분리기를 포함한다. 다공성 박막 분리기는 전기 전도성 파이버와 접촉하며, 이 전기 전도성 파이버는 전기화학적 전지를 위한 양극 및 음극을 형성하는 전극 촉매와 접촉하거나 이러한 전극 촉매로 도포된다.
본 명세서의 상세한 설명은 본 발명의 연료 전지 실시예에 주로 관련된 것이지만, 본 명세서의 상세한 설명은 본 발명에 따르는 상응하는 배터리 전지 및 기타 형태의 전기 화학적 전지 장치에도 유사하게 적용될 수 있는 것이라고 이해될 것이다.
물론, 배터리 전지는, 전기화학적 작용이 요구될 때 구조에 (전극) 활성 물질이 외부로부터 제공되는 것과 상반되게, 배터리에서는 (전극) 활성 물질이 전지 내에 존재하고 저장된다는 점에서, 연료 전지와 상이하다.
따라서, 배터리 전지에 사용될 때, 마이크로셀는 파이버의 중앙에 루멘(lumen)을 필요로 하지 않으며, 이에 의해 배터리 전지 분야에서의 모듈식 조립체에서 파이버의 번들 묶음(bundling)이 간단해진다. 따라서, 배터리 전지 분야에서의 마이크로셀는 연료 전지에 사용되는 마이크로셀와 구조상 및 작동상 상이하다.
특정 형태에서, 마이크로셀는 내부 전극 활성 물질과, 이 내부 전극 활성 요소와 접촉하는 미세 다공성 박막 분리기와, 이 미세 다공성 박막 분리기의 다공 속에 있는 전해질과, 외부 전극 활성 요소를 구비하며, 내부 전극 활성 요소 및 외부 전극 활성 요소는 각각, 전극 부품, 전류 집전체 부품 및 전극 촉매 부품 중 하나 이상을 구비한다.
다른 특정 형태에서, 마이크로셀는 미세 다공성 박막 분리기로 둘러싸인 파이버 내부 전극을 포함할 수 있는데, 이 미세 다공성 박막 분리기는 미세 다공성 박막 분리기의 다공 속에 배치된 전해질과, 전기 전도성 물질과 함께 (내부 전극 또는 외부 전극을 각각 형성하도록) 파이버의 구멍측 또는 쉘측에 함침된 또는 도포된 전극 촉매를 구비한다.
연료 전지 분야에서, 마이크로셀 중공 파이버의 구멍은 가스 또는 액체 공급(예를 들어, 연료 또는 산화체) 부품이 통과할 수 있는 루멘을 형성한다. 적용되는 특정 분야에 따라서, 매우 다양한 전해질 유형이 마이크로 연료 전지에 사용될 수 있다.
바람직한 형태에서, 마이크로셀의 모든 부품은 단일의 파이버 조립체에서 제조된다. 마이크로셀는 대체로 1보다 훨씬 큰 직경비를 갖도록 임의의 예정된 길이를 갖는 것일 수 있으며, 번들 형태를 포함하는 마이크로 셀 조립체로 쉽게 형성될 수 있는데, 이에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명한다. 이러한 마이크로셀 조립체, 또는 이러한 조립체의 수집은 쉘-튜브 열교환기와 대체로 구조가 유사한 연료 전지 모듈을 형성하도록 합쳐질 수 있다.
마이크로셀 요소가 단일의 전용적인 구조에서 번들형 다전지 모듈로 제조될 때, 얻어지는 콤팩트한 단일 구조는 고밀도 에너지 출력을 제공하며, 연료 전지 또는 이러한 번들로부터 제조되는 기타 전기화학적 전지 장치의 용적[ 및 "풋프린트"(footprint)]의 최소화를 가능하게 한다.
본 발명의 한 실시예에서 마이크로셀 장치는 미세 다공성 박막 분리기에 의해 둘러싸인 내부 전극(또는 다양한 전류 집전체 파이버)을 갖도록 제조된다. 이러한 실시예에서 내부 전극의 전극 촉매는 박막 분리기의 내벽 상에 도포 또는 함침된다(또는 내부 전류 집전체 파이버 상에 도포된다).
한 실시예에서, 전극 촉매는 촉매 용액으로부터 박막 분리기 벽 상에 함침된다. 다른 대안적인 실시예에서, 촉매의 묽은 잉크 제제가 박막 스피닝 공정 동안에 박막 분리기의 구멍을 통해 펌핑된다.
다공성 분리기 박막-전극 조립체를 형성하는 한가지 기술은 전극 촉매 제제로 전류 집전체 파이버를 도포하는 것을 포함한다. 한 실시예에서, 이러한 도포는 압출 공정에서 행해진다. 다른 실시예에서, 전류 집전체 파이버는 도금 용액으로부터 도포된다. 다른 실시예에서, 전류 집전체 파이버는 금속 촉매의 플라즈마 침착에 의해 도포된다.
연료 전지 스택 또는 모듈을 형성함에 있어서, 마이크로셀 파이버는 전지의 구멍측과 쉘측을 격리 및 밀봉하기 위해 번들로 묶이고 포팅(potting)된다. 대형 연료 전지 구조의 경우, 마이크로셀는 맨드릴이 전지의 쉘측을 위한 가스 유입 구조가 되도록, 천공된 맨드릴 둘레에 번들로 묶일 수 있다.
본 발명의 연료 전지 실시예 및 기타 전기화학적 전지 실시예에서 사용될 때의 미세 다공성 박막 분리기 요소와 관련하여, 전해질 함침 또는 합체를 위한 수단 및 방법은 임의의 것이 유용하게 사용될 수 있다. 전해질의 함침을 위한 예시적인 바람직한 기술은 용액 함침이다.
다공성 박막 분리기 요소는 그 자체로, 매우 다양한 유형 및 구조의 것일 수있으며, 특별한 유형의 연료 전지 또는 기타 전기화학적 전지용으로 제조될 수 있다. 폴리머 전해질 연료 전지의 경우, 전극 촉매층에 인접한 이온 교환 폴리머의 연속적인 상을 제공하기 위해 예를 들어 비대칭 채널형 다공성 구조가 바람직하다. 산 또는 알칼리 연료 전지의 경우, 다공성 박막 요소의 발포형 구조가 바람직하다. 박막 분리기의 조직 및 형태의 선택은 과도한 실험 없이 쉽게 결정될 수 있으며, 이는 당업자에 의해 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 태양을 따라 마이크로셀로부터 제조된 연료 전지는 단극형이며, 양극형 유동장 플레이트를 필요로 하지 않는다. 전지 및 전류 집전체는 파이버 형태이므로, 높은 수준의 전극 표면 영역이 매우 작은 용적에서 콤팩트화될 수 있다. 전류가 누적되는 개개의 번들 전지의 병렬 접속시, 단위 용적당 매우 높은 전류 밀도를 얻을 수 있으며, 이로써 마이크로셀 조립체는 높은 전압 및 높은 효율로 작동할 수 있게 된다.
한 실시예에서, 각각의 마이크로셀의 내부 전극이 마이크로셀 조립체의 제1 단자를 형성하도록 연결되며, 파이버 요소의 외측 쉘 또는 이러한 마이크로셀 번들의 외측 쉘 상에 있는 전류 집전체들이 제2 단자를 형성한다. 이러한 조립체가 구성되고 연료 전지 사용을 위해 배열되면, 연료 및 산화체는 대응하는 각각의 쉘 상의 전극과 전지 번들의 구멍측을 지나게 된다. 이 연료 전지의 개개의 마이크로셀 요소에서, 미세 다공성 박막은 적합한 전해질로 함침되고, 배리어 또는 분리기 요소를 형성한다. 전해질의 유형에 따라, 미세 다공성 매트릭스와 전해질은 고체 매트릭스 또는 액체-고체 매트릭스의 형태로 새로운 구조를 형성하도록 결합될 수 있다.
단일 파이버 내부 전극 요소를 포함하는 마이크로셀 장치를 사용하는 연료 전지 분야에서, 내부 전극 요소의 크기는 전극을 포함하는 박막 분리기의 구멍측에 있는 적합한 크기의 루멘을 제공하도록 선택된다. 중공 파이버 내에 루멘을 형성하는 간극 공간을 제공하기 위해 중공 파이버 박막 분리기의 구멍에 다수의 파이버가 배치될 수도 있다. 루멘은 연료 전지의 작동시 (액체 또는 기체) 연료 또는 산화체가 내부 전극에 도달할 수 있게 하므로, 루멘의 형성이 중요하다.
바람직한 형태에서, 전극 촉매 및 제2 전극의 전기 전도성 물질이 미세 다공성 박막 분리기의 외부 쉘에 도포, 압출 또는 함침되고, 박막 분리기의 미세 다공에 전해질이 배치되어 마이크로셀 구조가 완성된다.
미세 다공성 박막 분리기는 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있다. 한 실시예에서, 미세 다공성 박막 분리기는 반투과성 이온 교환 박막과, 선택 투과성 또는 이온 교환 폴리머로 쉘측 또는 구멍측이 도포되어 있는 다공성 박막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 제조된다.
마이크로셀 구조에서, 내부 전극 또는 전류 집전체는 분리기의 구멍에서 기밀하게 유지되는 방식으로 유지되며, 전해질 또는 전해질/전극 촉매층과 계면 접촉하도록 파이버의 내벽에 연속적이다. 또한, 외부 전극 또는 전류 집전체는, 파이버 마이크로셀 구조가 서로 밀도 있게 번들로 묶일 때, 쉘측 전해질 또는 인접한 전지의 전해질/전극 촉매층과 긴밀한 접촉을 이룬다.
따라서, 연료 전지 분야에서 마이크로셀 구조의 루멘은 통상의 작동중에 루멘을 통해 가스 공급 (연료 또는 산화체) 통로를 허용하기 위해 충분히 "개방"되어 있어야 한다. 이러한 목적을 위해, 연료 전지 장치는 바람직하게는 펌프, 팬, 송풍기, 압축기, 석출기 등을 포함한다. 연료 전지 작동에 요구되는 유속은 상대적으로 낮은 압력차를 요구하므로, (마이크로셀 중공 파이버의 루멘을 통한 가스 공급 유동을 위한) 펌핑 요구는 상기 유형의 상업적으로 입수 가능한 유체 드라이버 장치에 의해 쉽게 충족된다.
마이크로셀 구조 및 조립체의 직렬 접속
단일 마이크로셀 전압 수준에서 높은 전류 밀도를 얻기 위해서, 다수의 마이크로셀가 서로 병렬로 접속된다. 이러한 목적을 위한 마이크로셀의 병렬 접속은 마이크로셀를 서로에 대해 병렬 관계가 되도록 번들로 묶는 것과, 얻어지는 마이크로셀 조립체의 각 말단에서 전류 집전체의 단부들을 연결시키는 것에 의해, 쉽게 영향을 받는다.
그러나, 단일 마이크로셀에 의해 제공될 수 있는 전압보다 높은 전압을 얻기 위해, 마이크로셀를 직렬로 접속하는 것이 필요하다. 보다 상세하게 이하에서 설명하듯이, 요구되는 마이크로셀 조립체의 기하학적 형상에 따라, 직렬 접속을 구현하기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 장방형 구조 또는 원통형 구조가 바람직할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 원하는 전류를 얻기 위해서 병렬 파이버 마이크로셀의 서브 번들(sub-bundle)이 먼저 구성된다. 다음에, 서브 번들은 원하는 전압을 얻기 위해 직렬로 접속된다.
서브 번들 마이크로셀 조립체를 형성하기 위한 한 가지 바람직한 방법은 대체로 병렬로 정렬된 마이크로셀 요소의 시트 구조를 형성하는 것인데, 이때 마이크로셀들은 서로에 대해 나란하고, 전류 집전체는 서로에 대해 나란히 잘 정렬된 채로 대체로 평면형 시트의 일측 단부로부터 연장된다(즉, 전류 집전체 단부는 대체로 서로에 대해 단일 평면에 배열되거나, 또는 마이크로셀로부터 돌출된 전류 집전체는 이들 전류 집전체가 돌출되어 나오는 곳인 마이크로셀 시트 조립체의 면에 대해 길이 방향으로 대체로 공통되게 연장된다). 다음에, 마이크로셀 요소의 제1층은 외부 전류 집전체 요소를 구비하는 제2층에 의해 덮이는데, 이 제2층은 얹혀 있는 시트의 내부 전류 집전체 돌출측 반대측으로부터 외부 전류 집전체가 연장되도록 배치된다. 마찬가지로, 외부 전류 집전체는 대체로 동일한 길이로 외향 연장되는데, 외부 전류 집전체 단부는 서로 정렬되며, 시트 조립체의 평평하고 수평인 평면에 대해 단일의 수직 평면에 대체로 존재한다.
상기 시트 조립체를 형성하기 위해, 제1층을 구성하는 파이버 마이크로셀 요소는 이러한 요소의 단일 웨브 또는 시트 형태를 제공하기 위해 서로 고정될 수 있다. 유사한 방식으로, 파이버 마이크로셀 요소 상에 덮인 외부 전류 집전체는, 예를 들어 내부 접속망 또는 직물 구조, 횡으로 놓인 접착 테이프, 또는 전류 집전체 요소의 병렬 조립체를 제공하는 기타 수단에 의해, 시트 또는 웨브 구조가 되도록 서로 고정될 수 있다.
이러한 마이크로셀 조립체의 각각의 시트형 층을 형성하기 위해 임의의 적합한 수단 및 방법이 사용될 수 있다. 이러한 층은, 예를 들어 마이크로셀 또는 전류집전체 파이버를 시트가 되도록 직조하거나 수지 매트릭스에 매설하거나 기타 임의의 적합한 수단에 의해 미리 형성될 수 있다.
마이크로셀 요소의 층과 외부 전류 집전체 요소의 층이 서로 겹쳐져 놓이는 방식으로 접촉하면, 이러한 복합 구조를 원통형이 되도록 말아서 각각의 대향 단부에서 포팅하여, 다양한 마이크로셀를 구성하는 서브 번들 조립체를 형성할 수 있다.
이러한 조립체의 포팅은, 예를 들어 중공 파이버 여과 모듈의 제조시, 중공 파이버 박막을 포팅하기 위해 일반적으로 채택되는 방법을 사용하여, 임의의 적합한 방식으로 행해질 수 있다. 이렇게 얻어진 포팅된 각각의 서브 번들은 각 단부에서 양극 및 음극 단자를 가지며, 이들 단자 중 하나는 제1층의 마이크로셀 요소로부터 돌출된 내부 전류 집전체 요소에 의해 형성되고, 다른 하나의 단자는 서브 번들의 대향측 단부로부터 돌출된 외부 전류 집전체 요소에 의해 형성된다.
다음에, 서브 번들은 제1 서브 번들의 양극 단자를 제2 서브 번들의 음극 단자에 접속시킴으로써 직렬 접속되며, 동일한 방식으로 계속 접속된다. 얻어지는 연결된 서브 번들의 긴 스트랜드는 다음에, 각각의 연속하는 마이크로셀 사이의 연결부에서 각 단부에서 엇갈리게 각 번들을 접음으로써, 원통형이 되도록 다시 번들로 묶인다. 서로 병렬 배열로 접힌, 얻어지는 서브 번들의 조립체는 다음에, 각 단부에서 다시 포팅되어 다양한 서브 번들을 포함하는 복합 구조로서 번들을 형성한다.
연속된 번들은 병렬 접속과 직렬 접속 양방식으로 접속된 파이버 마이크로셀를 구비하며, 이 파이버 전지는 쉘-튜브 열교환 조립체의 방식으로 케이스 내에 배치될 수 있는 단일 구조로 구성되며, 이하에서 더 상세하게 설명한다.
서브 번들 사이의 단락 회로의 회피는 각 서브 번들이 다공성 전기 절연 재료로 덮이거나 수납될 것을 요구한다는 것은 상기 설명으로부터 분명하다. 따라서, 각 서브 번들은 유리파이버 또는 폴리머 재료 케이스 부재 내에서 둘러싸이거나 포위될 수 있고, 이 속으로 서브 번들이 삽입될 수도 있고 그 둘레에 케이스 재료가 둘러쳐질 수도 있다.
서브 번들은 대안적으로, 서브 번들의 양극 단자 단부가 다른 서브 번들의 음극 단자에 인접하게 되도록, 각 단부를 교대시킴으로써 번들로 형성되고 패킹된다. 이 대안적 방법에서, 서브 번들은 먼저 포팅되고 나서 직렬로 접속될 수 있으며, 이때 접속은 제1 서브 번들의 양극 단자를 다음 인접 서브 번들의 음극 단자에 접속함으로써 이루어진다. 서브 번들은 각 마이크로셀 사이의 전기적 접속을 형성함으로써 간단히 접속될 수 있다. 대안적으로, 정면에 서브 번들 접속 노드(모든 마이크로셀 파이버가 서브 번들에서 병렬로 연결된 곳)의 위치의 거울상을 갖는 단부 플레이트와, 플레이트가 되도록 설계되고 형성된 단자의 직렬 접속 임프린트가 사용될 수 있으며, 이에 의해 번들의 각 노드와 플레이트의 전기적 접속은 자동적으로 직렬 접속이 될 것이다.
서브 번들 포팅에 대한 대안으로서, 각 서브 번들은 각 단부에서 밀봉 튜브 시트 부재로 제조될 수 있다. 그러면, 각 서브 번들은 각 단부에 개구를 가지는 케이스에 삽입될 수 있고, 이 개구는 서브 번들의 매개 변수(그 외부 둘레)와 동일한 크기이다. 이러한 제조시, 각 서브 번들은 하우징의 각 단부에서, 예를 들어 O링밀봉 또는 기타 밀봉 수단에 의해, 다시 서브 번들을 포팅할 필요 없이 밀봉될 수 있다. 이러한 구조에서, 각 서브 번들은 간단하고 쉽게 영향을 받는 방식으로 하우징에 진입되고 하우징으로부터 제거될 수 있으며, 이에 의해 전체 마이크로셀 장치의 발전 용량에 있어서의 증감이 가능해진다.
대안적으로, 서브 번들 물품은 원하는 높이와 장방형 단면을 얻기 위해, 마이크로셀의 층과 외부 전류 집전체의 층을 서로의 위에, 교대로 반복하는 순서로 배치함으로써 장방형 구조로 제조될 수 있다. 마이크로셀 파이버 요소를 구성하는 층과 외부 전류 집전체를 구성하는 층은 앞서 설명한 바와 같이 시트형으로 미리 형성될 수 있다.
각 층에서, 각각의 파이버 마이크로셀 요소의 하위층과 외부 전류 집전체의 하위층의 직렬 접속을 형성함에 있어서, 전류 집전체 요소는 대체로 파이버 마이크로셀 요소에 유사한 길이 특성을 가지며, 각각의 파이버 마이크로셀 요소층 및 외부 전류 집전체층은 종방향으로 서로 오프셋되어 있다. 이러한 구조에서, 외부 전류 집전체 요소는 파이버 마이크로셀 요소층의 한 단부를 지나고 반대쪽 단부에서 그에 상응하게 더 짧도록 종방향으로 배치되며, 이에 의해 파이버 마이크로셀 요소의 제1층(아래층)은 외부 전류 집전체층의 단부 층을 지나 연장된다.
따라서, 층형 조립체의 각 단부에서, 상층 또는 하층의 "짧은 단부"의 라인이 존재하고, 이 짧은 단부에서 포팅 부재는 전체 조립체의 단부 각각에 형성된다.
이 하위 조립체 상에서, 다공성 전기 절연 시트 재료의 층이 배치되고, 이 다공성 전기 절연 시트 상에 제2 하위층 조립체가 형성된다. 제2 하위층 조립체에서, 바닥층이 다공성 전기 절연 시트 상에 직접 배치되고, 외부 전류 집전체층으로 덮이고, 서로에 대해 오프셋되고, 새로운 하위층의 양극 단자가 제1 하위층의 음극 단자로서 전체 조립체의 동일측에 있도록 배열된다. 이 제조 패턴은 원하는 하위층 높이가 얻어지고 원하는 전압이 얻어질 때까지 계속된다. 각 단부로부터의 각 양극 및 음극 전류 집전체의 단부는 다음에, 예를 들어 전기 전도성 로드 또는 스트립 부재를 사용하여 서로 접속되며, 이에 대해서는 이하에서 설명한다.
대안적으로, 층형 조립체는 각 하위층의 적재 전에, 처음에 인접한 하위층으로부터 양극 및 음극 단부와 파이버 시트가 전기적으로 접속하는 상태로 제조될 수 있다. 다음에, 하위층의 최종 스택은 쉘측으로부터 하위층 조립체의 구멍을 격리 및 밀봉하기 위해, 조립체의 양단부에서 포팅된다. 다음에, 파이버 스택의 포팅된 번들은 천공 덕트 상에 배치될 수 있고, 이 천공 덕트는 조립체에서 중공 파이버의 쉘측으로의 공급 유입구로서의 역할을 할 것이다. 파이버 마이크로셀 요소 및 외부 전류 집전체는 대안적으로, 각 층이 적층될 때 예를 들어 양단부에 에폭시 또는 기타 포팅 성분의 라인 또는 비드를 배치함으로써, 파이버가 적층될 때 포팅될 수 있다. 포팅 재료의 점성은 최종 튜브 시트의 누설 기밀성을 보장하기 위해, 파이버 마이크로셀 요소의 완전한 젖음이 일어나도록 적합하게 선택된다.
일단 포팅되면, 공급이 어느 한 쪽(쉘측 또는 구멍측)으로 진입될 때, 마이크로셀 요소의 쉘 또는 구멍이 밀봉 및 격리되도록, 마이크로셀층의 번들 또는 스택은 하우징 내에서 행해진다. 최종 유닛은 장방형 쉘-튜브 열교환기의 구조를 가지며, 이러한 유닛은 이롭게도, 구멍측으로 공급을 진입시키기 위해 하우징 내로의하나 이상의 유입구와, 구멍측으로부터 소모된 공급을 제거하기 위해 하우징 내에 배치된 하나 이상의 배출구를 갖도록 제조된다.
마이크로셀 요소가 스택형 층으로 제공되는 경우, 이러한 스택은 각 단부에서 포팅 부재 사이에 천공된 덕트 상에 배치된다. 덕트의 비(非)천공부는 앞에서 설명한 바와 같이, 예를 들어 마이크로셀 요소의 구멍측 상에 공급 유입구 또는 배출구를 갖도록, 하우징의 한 단부를 통해 연장되며, 덕트는 마이크로셀 전지의 쉘측에 공급 유입구를 제공하기 위해 하우징을 통해 밀봉식으로 연장된다. 층형 마이크로셀 스택은 대칭형 이중 스택을 형성하도록 천공 공급 덕트의 양측에 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 이하에서 더 상세하게 설명한다.
본 발명의 한 태양에 따르면, 마이크로셀 조립체의 작은 서브 번들은 동일한 전지 하우징 내에서 직렬로 전기적으로 접속될 수도 있고, 또는 보다 작은 연료 전지 모듈이 전체 전지 전압을 증가시키기 위해 직렬로 전기적으로 접속될 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예를 따라, 높은 전압 수준을 얻기 위한 한 가지 방법은 연료 전지 스택을 가스 공급부에 병렬로 다원 공급하는 것(각각이 복수의 마이크로셀 장치를 포함함)이며, 이때 스택 자체는 마이크로셀 번들의 직렬 접속된 조립체이다.
한 실시예에서, 전기 전도성 파이버는 마이크로셀 장치로 번들 묶음되고, 전기 전도성 파이버는 파이버의 쉘측 상의 전류 집전체로서 작용한다. 쉘측 전류 집전체 또는 대안적으로 적당한 전극 촉매로 도포된 외부 전류 집전체는 번들형 조립체를 위한 제1 단자를 구성하도록 공통의 플레이트에 접속된다. 상응하게, 마이크로셀 파이버의 구멍을 통해 연장된 내부 전극은 조립체를 위한 제2 단자를 형성하는 플레이트에 접속된다.
이러한 연료 전지 조립체에서, 연료 또는 산화체는 파이버의 대응하는 각 구멍측 또는 쉘측 상에서 전극을 거쳐 지나가고, 전해질 합체 박막 분리기는 기타 전극으로의 연료 또는 산화체 유입을 방지한다.
본 발명에 따르면, 마이크로셀 파이버 구조는 보다 큰 궁극적인 번들 구조의 하우 번들을 형성하기 위해 유용하게 포팅되며, 이 서브 번들은 직렬 또는 병렬로 접속된다(또는, 이하에서 설명하는 바와 같이, 일부 구조 또는 서브 번들은 마이크로셀 요소의 병렬 접속된 조립체를 갖도록 병렬로 접속되고 나서 다른 서브 번들에 직렬 접속될 수 있으며, 직렬 접속된 마이크로셀 요소가 서로 병렬 접속된 서브 번들을 형성하는 역구조도 어떤 경우에는 유용하게 사용된다).
한 바람직한 실시예에서, 마이크로셀 파이버 구조의 서브 번들이 제조되고 나서, 서브 번들이 다른 서브 번들과 합쳐지고, 연료 전지 모듈을 형성하도록 다시 포팅된다. 마이크로셀 파이버 구조 또는 서브 번들의 이러한 구조적 고정을 위해 유리하게 사용되는 포팅 매체는 에폭시, 우레탄, 실리콘, EPDM 고무, 또는 기타 싸개 매체와 같은 임의의 적합한 포팅 매체 또는 싸개 매체이다.
서브 번들은 최종 모듈 조립체에 사용되는 공정과 유사하게 각 단부에 O링 밀봉을 갖는 튜브 시트로 제조되며, 이 서브 번들은 구멍이 형성되어 있는 금속 또는 폴리머 시트 재료에 삽입된다. 다음에, 연료 전지 케이스는 각 단부에 하나씩 두 개의 면을 가지게 되며, 서브 번들 튜브 시트의 외경의 크기로 절단된 구멍을갖는다.
이 구조에서, 서브 번들은 (예를 들어, 고정된 장치 또는 대안적으로 전기 차량과 같은 동력 운송 장치의 전원에서 조절 가능한 차량 동력을 제공하기 위해)전력을 증감시키기 위해 전체 모듈에 추가 또는 전체 모듈로부터 제거될 수 있다. 상기 면에 있는 구멍은, 서브 번들이 모듈로부터 제거되면, 구멍과 동일한 크기의 블랭크 시트로 밀봉될 수 있다. 이 특징은 또한, 손상된 서브 번들을 제거하고 새로운 서브 번들로 교체함으로써, 개개의 서브 번들을 점검 수리할 수 있는 가능성을 제공한다. 서브 번들은 그 자체로 보다 소형의 서브 번들을 구비하는 포팅된 유닛일 수 있다.
도 1 내지 4는 마이크로셀 조립체의 제조를 설명하는 파이버 요소 구조의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 파이버 마이크로셀 소자 시트(10)는 평행하게 정렬된 상태로 서로 나란히 배치된 복수개의 파이버 마이크로셀 소자(12)로 형성되어있다. 각각의 파이버 마이크로셀 소자(12)는 단일의 파이버 마이크로셀 소자 시트를 제조하기 위해 도시된 바와 같이 복수개의 봉합선(16)에 의해, 혹은 테이프, 접착제의 접합 또는 다른 덧붙임 방법을 이용하여 통합될 수 있다.
도시된 시트(10)는 그 소자(12)의 제1의 단부(18)를 다른 하나와 함께 횡단 레지스터 내에 있도록, 즉 단부들이 다른 하나와 함께 축방향으로 일반적으로 동일한 공간에 있게 되도록 정렬되기 때문에, 상기 단부(18)는 내측 전류 집전체(14)가 돌출하게 되는 시트의 표면을 가로질러 연장하는 공통의 수직면에 놓이게 된다.
이와 유사한 방법으로, 파이버 마이크로셀 소자(12)의 다른 쪽 단부(20)는 다른 하나와 함께 횡단 레지스터 내에 있게 되고, 그 단부는 일반적으로 파이버 마이크로셀 소자(12)의 반대면에서 횡단방향으로 연장하는 수직면에 다른 하나와 함께 정렬된다.
이러한 방식에 있어서, 파이버는 서로에 대해 평탄하고 인접하게 배치되어 파이버 시트를 형성하도록 웹 구조체 내에서 통합된다.
복수개의 외측 전류 집전체(24)는 이와 유사하게 봉합선(26) 혹은 테이프, 아교 스트립, 혹은 다른 통합용 수단에 의해 나란한 구조로 서로 평행하게 정렬되도록 체결되어 도 2에 도시된 바와 같은 시트(22)를 형성한다. 상기 시트(22)에 있어서, 구성 요소인 전류 집전체(24)의 각각의 단부(28, 30)는 다른 하나와 함께 레지스터 내에 있게 되어 각각의 웹의 극단에 있는 파이버 전류 집전체의 모든 단부들은 이러한 말단에서 횡방향으로 연장하는 수직면에 놓이게 된다.
그 다음, 파이버 마이크로셀 소자(12)의 시트(10)와 파이버 전류 집전체 소자(24)의 시트(22)는, 전류 집전체 시트(22)가 파이버 마이크로셀 소자 시트(10)의 상단에 적층되어 도 3에 도시된 바와 같이 결합 구조체(32)를 형성한다.
이러한 결합 구조체(32)에 있어서, 각각의 시트(10, 22)는 서로에 대해 종방향으로 오프셋되어 있기 때문에 시트(10)의 내측 전류 집전체 요소(14)는 도시된 바와 같이 시트(22)의 외측 전류 집전체의 단부를 너머 연장하고, 이에 따라 시트(22)의 외측 전류 집전체는 결합 구조체의 양단부에서 시트(10)의 내측 전류 집전체(14)의 단부를 너머 연장한다. 따라서, 중첩되어 있는 시트(22)의 각각의 외측 전류 집전체는 아래에 놓인 시트(10)의 관련된 파이버 마이크로셀 소자와 접촉 상태로 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도 3의 결합 구조체(32)는, 해당 시트를 형성하는 평행하게 정렬된 구조의 파이버 마이크로셀 소자(38)를 포함하는 제2의 층(36)에 하부층을 중첩시켜 형성되고, 도시된 바와 같이 봉합선(40)에 의해 서로 체결된 외측 전류 집전체(48)를 포함하는 시트에 의해 상기 제2의 층에 중첩되어 있는 조립체의 하부층이다.
상기 제2의 층에 있어서, 파이버 마이크로셀 소자(38)는 이것의 각 단부(42, 44)에서 다른 하나와 함께 레지스터에 있고, 외측 전류 집전체(48)의 시트는 파이버 마이크로셀 소자(38)의 시트로부터 종방향으로 바꾸어 놓여 있다. 이러한 구조에 따르면, 외측 전류 집전체(48)는 파이버 마이크로셀 소자(38)의 단부(42)를 너머 연장하고, 파이버 마이크로셀 소자(38)의 내측 전류 집전체(46)는 외측 전류 집전체(48)의 단부를 너머 연장한다.
이와 동시에, 상기 조립체의 각 단부에서 각각의 제 1 및 제2의 층으로부터 종방향으로 돌출하는 전류 집전체는 서로에 대해 축방향으로 동일한 공간에 걸쳐 있다. 중합체 혹은 파이버 유리 시트(50)의 다공성의 절연층이 도 4에 도시된 바와 같이 층(32)과 층(38) 사이에 배치된다.
도 5는 마이크로셀 파이버 조립체의 전류 집전체 혹은 전극 소자를 연결하기 위한 커넥터(52)를 도시한 사시도이다. 커넥터(52)는 서로에 대해 90°의 각을 이루는 2개의 판(54, 56)을 구비하며, 이들 판은 서로를 향해 주름질 수 있다. 전류 집전체 혹은 전극 소자의 그룹이 커넥터의 판들 사이에 배치되어 그 판이 서로 주름질 때, 전류 집전체 혹은 전극 소자는 그 다음 서로 전기적으로 접촉 상태로 체결된다.
도 6은 도 4의 마이크로셀 조립체를 도시한 것으로, 도면의 우측에 도시한 전류 집전체 소자는 커넥터(52)에 체결되기 때문에 이 전류 집전체 소자는 서로에 대해 전기적으로 접촉 상태로 연결된다.
도 7은 직렬로 연결된 마이크로셀 시트층(60, 62, 64, 66)을 도시한 마이크로셀 조립체(70)의 확대 사시도이다. 하부 시트층(60)은 커넥터(72)에 의해 연결되어 있는 내측 전류 집전체 소자를 포함하며, 이 층의 외측 전류 집전체의 중첩 시트는 교대로 커넥터(74)에 연결되어 있다.
상기 조립체의 후속 상부층은 커넥터(78)에 의해 연결된 내측 전류 집전체를 포함하며, 이 커넥터는 상호 연결부(76)에 의해 커넥터(74)에 연결되고, 외측 전류 집전체는 커넥터(80)에 연결된다.
커넥터(80)는 중간 연결부(82)에 의해 상기 조립체의 후속 상부층의 커넥터(84)에 연결되어 있다. 커넥터(84)는 이러한 후속 상부층의 내측 전류 커넥터를 연결하고, 상기 층의 양단부에 있는 커넥터(86)는 상호 연결부(88)를 매개로 조립체 내의 상부층의 커넥터(90)에 상기 층의 외측 전류 커넥터를 연결한다.
커넥터(90)는 상기 조립체의 상부층의 내부 전류 커넥터를 연결하며, 조립체의 상부층의 양단부에 있는 외측 전류 집전체는 커넥터(92)에 의해 연결된다.
상기 조립체 내의 각각의 구성 층들은 해당하는 다공성의 절연 시트(94, 96, 98)에 의해 각각 인접하는 층으로부터 분리되어 있다.
전술한 구조에 의해, 도 7에 도시된 조립체 내의 각각의 구성 층들은 도면에서 각각의 커넥터의 극성의 표시로부터 알 수 있듯이 선단 대 말단으로 직렬 관계로 후속하는 인접한 층에 연결되어 있다.
도 8은 다공성의 절연 시트(110)에 의해 분리된 층(102, 104)과, 다공성의 절연 시트(112)에 의해 분리된 층(104, 106)과, 다공성의 절연 시트(114)에 의해 분리된 층(106, 108)을 포함하고, 직렬로 연결된 마이크로셀 층의 층간 구조를 갖는 조립체(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 직렬로 연결된 마이크로셀 층의 구조(130)를 3차원으로 도시한 사시도이다. 최저층이 도시되어 있고, 이는 내측 전류 집전체 소자(124)가 층의 좌측에서 돌출하게 되는 파이버 마이크로셀 소자(122)의 시트를 포함하며, 외측 전류 집전체 소자(126)의 중첩 시트가 마이크로셀 층을 마감한다. 최하층은 개략적으로 도시된 바와 같이 다공성의 절연층(128)에 의해 후속하는 상부층으로부터 전기적으로 격리된 것으로 도시되어 있다. 다른 층들은 이와 유사하게 구성된다. 최상층(130)은 도시한 바와 같이 나란한 관계로 배열된 3개의 파이버 마이크로셀 소자를 포함하며, 상기 조립체의 파이버 마이크로셀 소자의 다른 시트는 이와 대응하도록 형성되어 있다. 이러한 방법으로, 번들로 된 마이크로셀 구조체가 형성된다.
도 10은 마이크로셀의 서브 번들(138)의 포팅(potting)된 구조체(136)를 도시한 것으로, 서브 번들의 구성 요소들은 이들 각각의 반대 전류 집전체 소자(140, 142)의 직렬 연결부에 의해 연결되어 있으며, 인접한 서브 번들들은 다공성의 절연 시트(147)에 의해 전기 접촉 및 전위 단락으로 분리되어 있다. 도시한 바와 같이, 서브 번들(138)은 포팅 부재(144, 146)에 의해 각 단부에 포팅되어 있다.
도 11은 마이크로셀 층의 이중 적층 번들을 위해 상부 표면(152) 상에, 선택적으로 하부 표면(도 11에는 도시 생략) 상에 개구(154)가 천공되어 있는 덕트(150)를 도시한 사시도이다. 파이버 시트를 정위치에 구속하기 위해 2개의 구속용 벽(156, 158)이 각 측면 상에 설치되어 있다. 파이버는 소망의 전압이 얻어질 때까지 천공된 덕트 상에서 서로 상부에 적층된다. 유체 유입/유출 도관(160)은 도시한 바와 같이 덕트(150)의 내측 플레넘 챔버(plenum chamber)에 연결된다.
파이버 시트들은 이들이 배치될 때 에폭시와 포팅될 수 있다. 그 대안으로, 파이버 시트는 공정을 마무리하기 위해 용기 내에서 묶여 포팅될 수 있다. 파이버는 개방 단부가 개방된 상태로 유지되도록 각각의 단부에서 포팅된다.
도 12는 용기(150) 내에 포팅된 파이버 번들(162)을 도시한 단면도이다. 이파이버 번들은 외측 전류 집전체 소자의 개재된 시트(168)와, 인접한 전류 집전체와 파이버 마이크로셀 소자 시트 사이의 다공성의 절연 재료의 분리체 시트(170)를 갖는 파이버 마이크로셀 소자의 층(164, 166)을 포함한다. 상기 번들은 포팅 부재(163)에 의해 포팅된다.
도 13은 도 12에 도시된 용기의 측면도로서, 구속용 벽(156), 하우징의 유체 유입/유출 도관(160), 번들의 각각의 면(180, 182)에 설치된 단자 연결부를 도시하고 있다.
도 14는 입구(198)를 경유하는 공급 가스를 수용하는 공급 도관(196)의 양측 상에 2개의 서브 번들(188, 190) 내의 파이버 마이크로셀 소자 시트의 포팅된 구조체(186)를 도시한 것이다. 이 공급 도관은 상부 및 하부 표면 양자 상의 천공부를 구비하며, 구성 요소인 서브 번들 각각은, 상부 서브 번들이 포팅 부재(192)에 의해 포팅되고 하부 서브 번들이 포팅 부재(194)에 의해 포팅되도록 포팅되어 있다.
도 15는 천공된 덕트의 어느 한 측면 상의 마이크로셀 소자 더미를 포함하는 이중 적층 구조체(200)의 측면도이다. 도면에 가스 공급 장치(198)가 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 구조체는 대응하는 전류 집전체 소자를 연결하는 커넥터/단자 소자(202, 204, 206)를 포함한다.
도 16은 가스 입구(224)와 구속용 벽(216)을 포함하는 천공된 공급 덕트의 일측면 상에 포팅된 파이버 마이크로셀 소자의 조립체(210)를 도시한 사시도이다. 마이크로파이버의 포팅된 직사각형의 번들은 그 대응하는 단부가 포팅 부재(218, 220)에 의해 포팅되도록 배열되어 있다.
도 17은 천공된 공급 도관(238)의 양측 상에 파이버가 배치될 때, 이에 대응하는 용기(230)를 도시한 것이다. 상기 용기는 마이크로셀 조립체의 쉘측으로부터 배출하는 가스를 위한 출구(242)를 구비하는 중앙 구역(232)과, 보어측의 소모 가스를 배기하기 위한 출구(248) 역할을 하는 단부 구역(234)과, 보어측의 가스를 하우징으로 도입하기 위한 입구(246)를 갖는 단부 구역(236)을 포함한다. 천공된 공급 도관은 공급 가스를 하우징의 중앙 구역(232)으로 도입하여 그 도관의 쉘측 위로 흐르도록 배열되어 있다.
도 18은 O형 링 요소(270, 272)에 의해 하우징(252)의 내면에 기밀하게 고정되어 있는 포팅 부재(266, 268)에 의해 각각의 단부에 포팅된 마이크로셀 번들(280)을 포함하는 시스템(250)을 도시한 단면도이다.
상기 하우징(252)은 하우징의 단부 구역(258)을 중앙 구역과 연결하는 플랜지 요소(256)를 구비한다. 하우징의 중앙 구역은 포팅 부재(268)에 의해 단부 용적부(278)로부터 분리되고 포팅 부재(266)에 의해 단부 용적부(282)로부터 분리되어 있는 내부 용적부(252)를 포함한다. 공급 재료의 입구(276)는 단부 용적부(278)와 연통하며, 단부 용적부(282)는 소모 가스 출구(284)와 연통한다.
소모 가스 출구(264)는 내부 용적부(262)와 연통한다. 공급 튜브(260)는 내부 용적부(262)에서 마이크로셀 번들(280)의 중앙으로 연장하며, 내부 용적부 내에 마이크로셀 번들(280)의 쉘측에 공급 가스를 도입하기 위해 그 전장을 따라 천공되어 있고, 소모 가스는 출구(264)로 배출된다. 입구(276)로부터 단부 용적부(278)로 도입된 공급 재료는 번들(280) 내의 마이크로셀 소자의 보어측을 통해 유동하고, 단부 용적부(282) 속으로 번들 밖으로 유동한 다음 출구(284) 내의 하우징(252)으로부터 배출된다.
전류 집전체는 단부 용적부(282) 내의 단자(292)에 연결되며, 단자 구조체는 하우징(252)의 말단으로 연장한다. 반대편 단부 용적부(278)에서, 내측 및 외측 전류 집전체의 다른 것들이 하우징의 말단으로 연장하는 단자(290)에 연결되어 있다.
도 19는 그 길이의 중간 부분(306)을 따라 천공부가 형성되어 있고, 개방단(302)을 갖는 천공된 공급 튜브(300)를 도시한 것이다.
도 20은 도 19에 도시한 천공된 튜브(300) 둘레에 감기거나 또는 말릴 수 있는 파이버 마이크로셀 및 쉘측 전류 집전체 시트(312, 314)를 도시한 것이며, 도 21에는 롤링 중인 시트를, 그리고 도 22에는 롤링을 완료하였을 때의 형상이 도시되어 있다.
상기 시트들은, 파이버 마이크로셀 시트(312)의 단부가 한 쪽에서 쉘측의 전류 집전체 시트(314)보다 더 멀리 연장하고 다른 쪽에서 쉘측의 전류 집전체 시트(314)가 더 연장하도록 서로 상부에 배치될 것이다. 그 다음 시트(312, 314)를 천공된 튜브(300)의 둘레에 단단히 감은 다음 포팅 부재(322, 324)에 의해 포팅한다.
도 23은 파이버 마이크로셀의 시트(332, 334)와 쉘측 전류 집전체 및 절연 시트(330)(예컨대, 파이버 유리 혹은 다공성 플라스틱 재료의 절연 시트)를 도시한 것이다. 도 24는 파이버 마이크로셀의 2개의 시트와 쉘측의 전류 집전체를 포함하는 시트 조립체(338, 340, 342, 346)을 도시한 사시도이다.
도 25는 오프셋 파이버층을 지닌 마이크로셀 조립체(338, 340, 342, 346)를 도시한 측면도이다. 셀을 형성하는 2개의 파이버층들 사이에 전기적 절연 시트가 배치되어 있다. 절연체의 어느 측면 상의 시트가 도 25에 도시된 바와 같이 절연체의 가장자리를 너머 연장할 경우, 파이버층들은 직렬로 서로 연결될 수 있다.
도 26은 번들 형상의 음의 전극(352)으로 산재된 양의 전극(354)을 포함하는 마이크로셀 번들(350)을 도시한 단면도이다.
도 27은 커넥터(364, 368, 372)에 의해 각각 서로 연결된 서브 번들(362, 366, 370, 374)을 포함하는 직렬로 연결된 마이크로셀 서브 번들(360)을 도시한 측면도이다. 커넥터는 가요성이 매우 높을수록 바람직하며, 선행하는 서브 번들에 반하여 후방을 접힐 때 혹은 후속하는 서브 번들에 반하여 전방으로 접힐 때, 서브 번들 체인의 아코디언식 접힘을 수용하도록 다방향으로 구부러질 수 있는 것이 가장 바람직하다.
도 28은 구성 요소인 마이크로셀의 서브 번들을 직렬로 연결하기 위해 사용할 수 있는 커넥터(376)를 도시한 사시도이다. 커넥터(376)는 공간을 두고 주름질 수 있는 판(378, 380)의 쌍을 포함하며, 이들 각각은 서브 번들의 전류 집전체의 돌출한 그룹을 압축 가능하게 파지하기 위해 플라이어 혹은 이와 유사한 공구에 의해 주름질 수 있다. 상기 판들은 전기적으로 도전성이 있고, 판(378, 380)과 함께 결합될 각각의 서브 번들을 전기적으로 상호 연결하는 역할을 하는 와이어 혹은 금속 필라멘트 등을 포함할 수 있는 가요성의 요크 부재(382)에 의해 자체적으로 상호 연결된다.
도 29는 여러 번들의 조립체(390)를 도시한 단면도로서, 각각의 번들(391)은 이와 관련되어 대응하는 공급 튜브(394)를 구비하며, 튜브시트(393) 내에 장착되어 O형 링 밀봉제 요소(392)와 함께 그 내부에 기밀하게 밀봉되어 있다.
도 30은 도 29에 도시된 여러 번들의 조립체의 단면도로서, 각각의 번들을 직렬로 연결되어 있고 도 29와 일치하게 도면 부호가 병기되어 있다. 각각의 인접한 번들들은 결합용 와이어(398)에 의해 직렬의 구조로 서로 연결된 단자 요소(396, 400)에 의해 상호 연결되어 있다.
도 31은 다수의 서브 번들을 갖는 연료 전지 모듈을 도시한 단면도로서, 도 29와 동일하게 도면 부호가 병기되어 있으며, 블랭크 밀봉 요소(402, 404)는 서브 번들이 제거될 때, 모듈형 폐쇄체의 튜브 시트(393)를 위한 폐쇄 부재를 제공한다.
도 32는 마이크로셀 요소의 다중 서브 번들(460, 462, 464)과, 매니폴드식 구성의 공급 튜브(450)를 구비하는 연료 전지 모듈(410)의 측면도이다. 연료 전지 모듈은 튜브시트(472)와 모듈의 하우징 벽에 의해 구획되는 중앙 내부 용적(424)을 포위하는 하우징(422)을 포함하는데, 서브 번들은 O링 요소(438, 474, 434)에 의해 기밀식으로 상기 튜브시트에 고정된다.
하우징의 단부 섹션은 각 단부 용적(426, 428)을 포위한다. 단부 용적(426)에는 각 서브 번들에 커플링된 브랜치 라인(454, 456)과 연통하는 매니폴드 라인(452)에 의해 각 3개의 서브 번들(460, 462, 464)에 공급 가스를 주입하기 위해, 공급 튜브(450)가 가스 유체 연통식으로 결합된 매니폴드가 내장되어 있다.
서브 번들은 서브 번들(460, 462)을 상호 연결하는 연결 라인(440)과 서브 번들(462, 464)을 상호 연결하는 연결라인(442)에 의해, 서로에 대해 연속적으로 직렬 관계로 결합되어 있다. 이어서, 그러한 직렬식의 외측 서브 라인은 도시되어 있는 바와 같이 각각 단자(444, 446)에 결합되어 있다.
하우징의 우측 단부 섹션은 플랜지(430)에 의해 하우징의 메인 중앙 섹션에 플랜지식으로 연결되어 있는데, 이러한 플랜지에 의해 기계식 파스너 수단이 서로 하우징 구성 섹션을 기밀식으로 고정하도록 커플링될 수 있다.
하우징에는 그것의 보어 측의 서브 번들을 통한 흐름을 위해 연료 및 산화제 스트림 중 하나를 단부 용적(426)으로 주입하는 공급 입구(466)가 마련되어 있다.
좌측 섹션에 도시되어 있는 바와 같이, 소모된 공급 가스를 하우징의 단부 용적으로부터 방출하기 위한 출구(468)가 하우징(422)에 결합되어 있다.
하우징 내부 용적(424)의 서브 번들의 쉘측으로부터 소모된 공급 가스를 방출하기 위해, 하우징의 메인 중앙 섹션에는 소모 가스 출구(470)가 마련되어 있다.
도 33은 마이크로셀 서브 번들(494, 496, 489, 498)이 내장되어 있는 모듈(480) 하우징(515)의 내부 용적(506)으로 공급 튜브(514)가 관통하는 것을 보여주는 부분 측입면도이다. 이러한 구조에 있어서, 서브 번들은 튜브시트(500, 502)의 대응 크기의 수용 개구에 장착되어 있고, O링 밀봉 요소(492)에 의해 하우징에 기밀식으로 고정되어 있다. 이러한 방식으로, 하우징의 내부 용적은 중앙 용적(506)과 단부 용적(526, 528)으로 분할되어 있다.
하우징에는 공급 가스 입구(510)와, 소모 가스 출구(508, 512)가 마련되어있다. 서브 번들의 쉘측 상의 소모 가스는 하우징으로부터 출구(508)로 방출되고, 입구(510)로 주입된 공급 가스는 서버 번들의 보어 측을 통해 흘러, 단부 용적(528)으로 방출된다. 단부 용적(528)으로부터 보어 측 소모 가스는 하우징으로부터 출구(512)로 방출된다.
하우징(515) 내부 용적의 서브 번들은 직렬식 연결 라인(516, 518, 520)에 의해 서로 직렬 관계로 결합되어 있고, 직렬식 구조의 외측 서브 번들은 이어서 단자(522, 524)에 결합되어 있다.
하우징(515)은 우측 단부 섹션을 제거하기 위해 플랜지(443)에서 개방될 수 있고, 그 후 각 서브 번들에 수리 및 대체를 위해 접근할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마이크로셀 부품은 서로 직렬식으로 용이하게 연결될 수 있고, 연속적인 인접 부품(파이버 마이크로셀 시트층, 서브 번들)은 다공성 전기 절연 비전도 재료의 외장 또는 시트에 의해, 또는 이러한 인접 마이크로셀 부품 사이의 전기적 간섭이 없게 보장하는 다른 방식으로 서로로부터 절연되어 있다. 당업자라면 도 32 및 도 33에 도시되어 있는 서브 번들의 개수는 단지 예시적인 것이고, 본 발명에서 제시된 용례의 서브 번들의 개수는 특정 실시예의 시스템의 기타 구조 및 작동 계수와 에너지 발생 요건에 따라 다양하게 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 마이크로셀 부품을 사용하는 고압 전기화학 셀의 제조에 있어서, 번들 또는 시트 형태의 마이크로셀 조립체가 제조된다. 예를 들어, 200 암페어의 설계 전류가 요구된다면, 필요한 전류를 생성하기 위해 다수의 파이버 마이크로셀부품이 직렬로 연결된다. 그 후, 최종 마이크로셀 구조는 원통형으로 번들로 만들어지거나, 다중층 조립체를 형성하는 데에 사용된다. 번들에 있어서, 포지티브 및 네거티브 파이버 요소는 전기적으로 절연되어야 하지만 서로 긴밀하게 접촉되어야 한다. 고압을 달성하기 위해, 시트 또는 번들은 직렬로, 즉 하나의 셀의 양극은 인접 셀의 음극에 연결되어 있다. 이어서, 서로 직렬로 연결되어 있는 셀, 번들, 또는 시트는 동일한 하우징에 수용되고 밀봉되어 원하는 고압 전기화학 셀 모듈을 제공한다.
열관리
마이크로셀 요소는 모듈형 전기화학 셀 조립체를 형성하기 위해 컴팩트한 구조적 구성으로 번들지어지거나 집적되면, 최종 전기화학적 에너지 발생 장치 또는 에너지 변환 장치는 작동 시에 상당한 열을 발생시킨다.
본 발명에 따라 다양한 방법을 사용하여 마이크로셀 조립체로부터 열을 제거할 수 있다.
본 발명의 한 가지 양태에 있어서, 마이크로셀 번들, 서브 번들, 또는 기타 집적 마이크로셀 조립체에는 열교환 튜브가 분배되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 이러한 열교환 튜브는 마이크로셀 조립체의 파이버 마이크로셀 요소와 평행하게 정렬되어 있다.
다른 실시예에 있어서, 열교환 튜브는 조립체의 서브 번들 사이에 배치되어, 열교환 튜브는 적어도 튜브시트 면의 한쪽 단부로부터(여기에 서브 번들의 외측부 또는 단자가 장착되어 있다) 대향 단부로 연장한다. 열교환 튜브의 개수, 크기,재료는 회수되어야 하는 열량, 연료 전지 작동 온도, 사용된 열교환 유체의 종류, 및 펌핑 요건 또는 유체의 유속에 근거하여 쉽게 결정될 수 있는데, 이는 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
연료 전지 모듈의 마이크로셀 파이버의 보어 측으로 흐르는 공급 가스로부터 열교환 유체를 분리하기 위해서, 열교환 튜브의 길이는 열교환 튜브가 쉘 측으로부터 마이크로셀 중공형 파이버의 보어 측을 밀봉하는 튜브 시트 너머로 연장하도록 선택될 수 있다. 연장된 열교환 튜브는 포팅되어 다시 마이크로셀 중공형 파이버의 보어와 열교환 튜브의 보어 사이에서 장벽을 형성한다.
열교환 튜브를 구비하는 연료 전지 모듈의 최종 조립체에는 한쪽 단부로 열교환 유체를 주입하기 위한 입구가 마련되어 있는 제1 하우징 형성체와, 마이크로셀의 보어 측으로 공급 가스를 주입하기 위한 입구가 마련되어 있는 2개의 포팅된 섹션, 즉 포팅된 열교환 튜브 및 포팅된 마이크로셀 요소 사이의 제2 하우징을 포함하고, 하우징의 구조는 소모된 공급 가스와 열교환 유체의 방출을 위한 각 대응 출구를 제공하기 위해 대향 단부와 대응되게 구성되어 있다.
본 발명에 따른 마이크로셀 전기화학 셀 모듈의 다른 열관리 구조에서는 마이크로셀 구조체의 보어 측 또는 쉘 측, 또는 보어 측과 쉘 측 모두에 대한 전류 집전체로서 중공형, 비다공성, 전기적 및 열적 전도성 튜브를 채용한다. 전류 집전체는 각 튜브 시트의 대향 단부에서 종료되기 때문에, 열교환 전류 집전체 튜브는 전술한 바와 같이 포팅되어, 한쪽 단부에만 공급하고 열교환 유체 하우징을 보어 측으로부터 분리한다. 대향 단부에서, 열교환 튜브는 튜브 시트에서 종료된다.
이러한 구조는 열교환 유체와 보어로의 공급 가스가 출구에서 혼합되게 한다. 이러한 시스템 설계에 있어서, 열교환 유체는 촉매 또는 전해질과 접촉하기 위해 마이크로셀 보어로 들어가지 못한다. 예를 들어, 보어로의 공급 가스와 열교환 유체는 동일한 방향으로 모듈에 공급될 수 있어서, 열교환 유체와 보어로의 공급 가스는 마이크로셀로부터의 공급 출구에서만 혼합될 수 있다.
그 후, 열교환 유체는 분리 유닛에서 회수되고, 재생용 열교환 유체를 수집하기 위해 하우징의 플레넘(plenum)이 제공될 수 있다. 공급 가스로부터 열교환 유체를 분리하는 것은 예를 들어 공급 가스가 공기 또는 수소 가스인 경우에 쉽게 달성될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 열교환 유체 및 보어로의 공급 가스가 동일한 경우에(예를 들어 공기), 열교환 유체와 공급 가스는 추가로 분리될 필요없이 혼합될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 마이크로셀 요소의 보어 측 또는 쉘 측 상의 전류 집전체로부터의 열전도에 의해 마이크로셀 모듈로부터 열이 제거된다. 이러한 접근 방식으로, 전류 집전체의 단부는 파이버 보어로부터의 출구 또는 공급 입구에서, 마이크로셀 모듈이 내장되어 있는 하우징 내부에 플레넘되어 있는 열교환 유체에, 또는 하우징 내에 위치하는 열교환 통로로 연장하여 잠긴다. 후자의 경우에, 열교환 통로의 입구 및 출구는 마이크로셀 모듈의 내부 용적으로부터 기밀식으로 격리되어 있다.
도면을 참조하면, 도 34는 열교환 파이버 또는 튜브(538)가 도시되어 있는바와 같이 마이크로셀 번들(532)과 산재(분배)식 관계로 마련되어 있는 마이크로셀 조립체(530)의 단면도이다.
도시되어 있는 마이크로셀 조립체에 있어서, 각 마이크로셀 번들은 튜브시트(536)에 대응하는 크기를 가진 개구에 장착되고, 마이크로셀 번들은 O링 밀봉 요소에 의해 그 개구에 기밀식으로 밀봉되어 있다. 대안으로서, 마이크로셀 번들(532) 및 열교환 튜브(538)는 튜브 시트(536)를 형성하도록 포팅되어 있다.
도 35는 그것의 공기/연료 통로와 열교환 통로를 보여주는 연료 전지 모듈의 부분 입면도이다.
연료 전지 모듈(540)은 포팅 부재(552, 554)에 의해 마이크로셀 조립체(550)가 장착되어 있는 하우징(541)을 포함하는데, 상기 포팅 부재는 O링 밀봉 요소(556, 558)에 의해 하우징의 내벽에 외주부 밀봉식으로 맞물려 있다. 이러한 방식으로, 포팅 부재(552, 554)에 의해 구획되는 하우징 내부 용적(560)이 형성된다. 하우징의 메인 중앙부에는 조립체(550) 마이크로셀 요소의 쉘 측과 가스 유체 연통하는 가스 방출 출구(586)가 마련되어 있다.
도 35의 연료 전지 모듈은 O링 밀봉 요소에 의해 하우징(541)의 내벽에 밀봉식으로 맞물려 있는 각 튜브시트(562)와, O링 밀봉 요소(580)에 의해 하우징의 내벽에 맞물려 있는 튜브시트(578)를 특징으로 한다.
이러한 구조에 의해, 포팅 부재(552)와 튜브 시트(578) 사이에는 중간 용적(568)이 마련되어 있을 뿐 아니라, 도면의 좌측에서 하우징의 단부에는 단부 용적이 마련되어 있다.
대응하게, 포팅 부재(554)와 튜브시트(562) 사이에는 중간 용적(568)이 형성되어 있고, 도 35의 하우징 우측 단부에는 단부 용적이 형성되어 있다.
연료 전지 모듈 하우징의 우측 단부 용적부에는 냉매 입구(582)가 마련되어 있고, 이 하우징의 좌측 단부에는 냉매 출구(590)가 마련되어 있다.
공급 입구(584)가 모듈의 중간 용적(568)과 연통식으로 마련되어 있고, 소모 공급 출구(588)가 모듈의 대향 단부에 중간 용적(576)과 유체 연통식으로 마련되어 있다.
복수 개의 중공형 파이버 열교환 통로(604)가 마이크로셀 조립체(550)의 단면에 걸쳐(종축선과 교차하여) 분배되어 있는데, 이 중공형 파이버 열교환 튜브는 마이크로셀 조립체와 중간 용적의 전체 길이에 걸쳐 튜브시트(562)를 통해 단부 용적(566, 565)으로 각각 연장한다.
중앙 공급 튜브(592)는 그것의 우측으로부터 용기로 들어가고, 마이크로셀 조립체(550)의 중앙으로 연장한다. 이 마이크로셀 조립체 내에서, 공급 튜브는 마이크로셀 조립체 파이버 마이크로셀 요소의 쉘 측에 공급 가스를 제공하기 위해 천공되어 있는 것이 특징이다.
각 중간 용적(568, 576)의 전류 집전체 요소는 하우징(541)의 외부로 연장하는 각 단자(600, 602)와 맞물린다.
하우징(541)에는 적절한 기계식 파스너에 의해 고정되는 플랜지(570) 연결부가 마련되어 있는데, 이에 의해 하우징의 단부 용적과 우측 중간 용적은 연료 전지 모듈의 내부 요소에 접근할 수 있도록 제거될 수 있다.
작동 시에, 냉각 매체(도 35에 도시되어 있지 않은 외부 소스)가 단부 용적(566)으로 흐르고, 단부가 개방되어 있는 열교환 튜브(604)를 통해 통과하며, 이러한 튜브를 통해 축방향으로 대향 단부 용적(565)으로 흐르는데, 단부 용적으로부터 냉각제는 출구(590)를 통해 방출되고, 예를 들어 연속적인 루프 방식으로 입구(582)로의 냉각제의 재순환을 위한 열 회수가 있을 수 있다. 그와 동시에, 공급 가스(산화제와 연료)는 마이크로셀 조립체(550)의 마이크로셀 요소의 쉘 측과 보어 측 각각에 주입되어, 각 단자(600, 602)를 통해 외측 로드에 전달되는 전력을 발생시키는 전기화학 반응에 영향을 주는데, 이것은 이러한 목적으로 적절한 회로 및 외부 로드 구성 요소에 결합된다.
도 36은 파이버 마이크로셀 요소(612)가 산재되어 있는 중공형 파이버(614)가 개재되어 있는 마이크로셀 번들(610)의 단면도이다. 이러한 번들에 있어서, 중공형 파이버는 외부 전극 요소의 기능을 할 뿐 아니라, 열교환도 가능하게 해 준다. 따라서, 중공형 파이버는 전극 촉매 재료로 압출되거나, 침투되거나, 코팅될 수 있고, 또는 그렇지 않으면 전극 요소로서 기능적으로 사용하기 위해 구성될 수 있으며, 이에 추가하여 그것의 루멘에 관통보어 통로를 제공하여 열전달 매체 예를 들어, 공기가 거기를 통해 흘러, 마이크로셀 조립체의 작동 시 전기화학 반응열 발생에 부수하는 번들로부터의 열 제거에 영향을 준다.
도 37은 중공형 파이버 열교환 요소를 사용하는 연료 전지 모듈의 측입면도이다.
도 37의 연료 전지 모듈(620)은 플랜지 구조체(624)로 플랜지되어 있는 하우징(625)을 포함하는데, 이로 의해 메인 중앙부로부터 제거되는 하우징의 우측부가 분리될 수 있고, 그리고 모듈의 내부 구조에 접근할 수 있다. 하우징(625)에는 마이크로셀 번들(626)이 내장되어 있는데, 이 마이크로셀 번들은 포팅 부재(628, 630)에 의해 포팅되어 있고, O링 밀봉 요소 (632,634)에 의해 하우징(625)의 내벽면에 대해 기밀식으로 밀봉되어, 각 포팅 부재(628, 630)와 내벽에 의해 구획되는 하우징 내의 내부 용적(636)을 형성한다.
튜브시트(640)가 포팅 부재(630)와 축방향으로 이격된 관계에 있고, 이에 의해 하우징의 내벽에 대해 O링에 의해 밀봉되는 중간 용적(660)을 형성한다.
전류 집전체를 구성하는 열교환 튜브는 튜브 시트에서 종료되고, 열교환/전류 집전체는 하우징(622)의 단부 용적(662)과 연통한다.
하우징 내의 튜브시트(640) 외부에는 단부 용적(658)이 있다.
중앙 공급 튜브(641)가 하우징의 단부벽(622)을 통해 연장하고, 마이크로셀 조립체(626) 내의 중앙으로 연장한다. 이러한 중앙 공급 튜브는 조립체의 쉘 측으로 연료를 공급하기 위해 마이크로셀 내에서 천공되어 있다.
상기 하우징의 우측부는 플랜지(624)에서 분리 가능하여, 상기 모듈의 내부 부재로의 접근이 가능하다.
상기 중간 용적부(660)에는 조립체(626)를 통해 용적부(662)로 흐르는 유체를 도입하기 위한 유입구(646)가 있으며, 상기 용적부(662)에는 소비된 유체를 그로부터 배출하기 위한 유출구(648)가 있다.
상기 하우징의 중간 용적부(636)에는 쉘측의 소비된 공급물을 배출하기 위한유출구(638)가 마련되어 있다.
상기 모듈의 단부 용적부(658)에는 내부로 연장되는 중공의 파이버 부재를 통해 그 용적부로 흐르고, 상기 중공의 파이버 전극 부재를 통해 반대쪽 단부 용적부(662)로 흐르는 냉매를 도입하기 위한 유입구(644)가 있다.
상기 실시 형태에서 중공의 파이버 열교환기 통로는 중공의 파이버 전극에 의해 형성되고, 이러한 전극은 도시된 바와 같이, 각각의 단부 용적부에서 대응 단자(652, 656)에 연결되어 있다.
도 38은 전도에 의해 전류 집전체로부터 열교환을 하는 연료 전지 모듈의 단면도이다. 상기 모듈(700)은 마이크로셀 조립체(704)를 내장하고 있는 하우징(702)을 포함하고 있는데, 각 포팅 넘버(706)가 포팅되어 O링 밀봉 부재(710)에 의해 밀봉되고, 포팅 넘버(708)가 포팅되어 O링 밀봉 부재(712)로 밀봉되어 있다. 이로 인해 내부 용적부(720)가 형성되어, 내부 용적부(720)로부터 소비된 공급물을 배출하기 위한 유출구(740)와 연통한다.
중앙 공급 튜브(714)가 중앙에서 마이크로셀 조립체(704)로 연장되고, 마이크로셀 조립체 내부에서 그 길이에 걸쳐 천공되어 상기 조립체의 쉘측으로의 공급을 제공한다.
상기 하우징(702)의 단부 용적부(724)에는 공급물을 도입하기 위한 유입구(742)가 있는데, 상기 공급물은 마이크로셀 조립체(704)의 보어 통로를 통해 단부 용적부(722)로 유동하며, 상기 단부 용적부로터는 소비된 공급물이 유출구(732)로부터 배출될 수 있다.
상기 모듈에서, 열교환기(746)가 단부 용적부(724)에 내장되어 있고, 상기 마이크로셀 조립체의 전류 집전체 부재와 열교환 접촉하게 결합되어 있다. (도 38에서는 도시하지 않은 공급원으로부터) 열교환 유체가 열교환기 또는 유입구(748)로 도입되고 순환되어 유출구(750)로부터 배출된다.
유사한 방식으로, 반대쪽의 단부 용적부(722)에는 열교환기(780)가 내장되어 있고, 이 열교환기에는 열교환 유체를 수용하기 위한 유입구(728)가 있으며, 상기 유체는 열교환기를 통해 유동하여 유출구(730)를 통해 제2 열교환기(780)로부터 배출된다.
상기 각 단부에 마련된 전류 집전체 부재는 전기 전도성 관계로 단자(738,736)에 연결되어 있다. 하우징(702)의 좌측부는 플랜지(726)에 의해 플랜지되어 있어서, 그 하우징은 하우징의 내부 부재에 접근하기 위해 쉽게 개방될 수 있다.
도 39는 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
연료 전지 시스템(780)은 마이크로셀 모듈(782)을 포함하고 있으며, 이 모듈은 냉매 매체 유입구(810), 냉매 매체 유출구(792), 연료 유입구(794), 산화제 유입구(799), 소비된 연료의 유출구(786), 소비된 산화제의 유출구(804)가 연결되어 있는 하우징(784)을 포함한다. 공급물 유출구(786)는 배압 조절 밸브(788)가 들어 있는 배출 라인에 연결되어 있다. 유사하게, 소비된 산화제의 유출구(804)는 배압 조절 밸브(808)가 들어 있는 배출 라인(806)에 연결되어 있다. 상기 각각의 배압조절 밸브(788, 808)는 연료와 산화제 종(種)을 포함하는 전기 화학적 반응의 속도와 정도를 제어하도록 조절될 수 있다.
상기 시스템은 연료 공급 라인(796)에 의해 공급물 유입구 튜브(794)에 연결되어 있는 연료 공급 탱크(798)를 포함하고 있다. 대응하여, 산화제 유입구(799)에 접속된 산화제 공급 라인(800)에 연결되어 있는 산화제 탱크(802)가 제공되어 있다.
상기 시스템은 냉매 재순환 구조를 포함하고 있는데, 이 구조는 냉매 유출구(792)에 연결되어 있고 펌프(818)와 열교환기(820)가 배치되어 있는 재순환 라인(816)을 포함한다.
따라서, 도 39에 도시된 시스템을 동작시키면, 냉매 매체는 상기 하우징 내에서 중공의 파이버 열교환기 튜브를 통해 흐르고, 빠른 속도의 전기 화학적 산화를 위한 냉매의 홀드업 인벤토리(hold-up inventory)를 제공하는 서지 탱크(surge tank)로 계속 재순환된다.
이중막 마이크로셀 구조 및 조립체
마이크로셀 구조는 본 발명의 특별한 용례에서 이중막 구조에 유용하게 채용된다.
한 가지 실시 형태에서, 이러한 종류의 마이크로셀 시스템은 내부의 전류 집전체, 쉘측에 내부 전극의 전극 촉매(electrocatalyst)를 갖고 있는 내부의 중공 파이버 세퍼레이터를 사용하여 쉽게 형성된다. 이러한 내부의 중공 파이버 세퍼레이터는 외부의 중공 파이버 막에 의해 싸여 있다. 외부의 중공 파이버 막의 기공은 전해질로 함침되어 있고, 상기 외부 전극의 전극 촉매는 외부의 중공 파이버막의 쉘측에서 코팅되어 이중막 마이크로셀 구조를 형성한다.
상기 이중막 마이크로셀 구조는 상기 내부의 중공 파이버 세퍼레이터를 원하는 바에 따라 공급물(예컨대, 수소 또는 산소)을 선택적으로 투과시키는 막으로서 사용할 수 있도록 해준다는 점에서 유리하다. 이것은 예컨대, 우선적으로, 원하는 가스를 전극을 투과할 수 있도록 해주는 투과-선택성 재료(perm-selective material)를 사용하여 상기 내부 세퍼레이터의 내벽 또는 외측 쉘을 코팅함으로써 이루어질 수도 있다. 따라서, 상기 이중막 구조는 상기 전극 촉매 또는 전해질이 공급물 중의 잠재적으로 유해한 불순물에 노출되는 것을 감소 또는 제거하는 데에 유리하다. 상기 투과-선택성 막에 사용될 수도 있는 재료로는 셀룰로오스 에스테르, 폴리이미드, 폴리술폰 및 팔라듐이 있다.
이중막 세퍼레이터를 포함하는 다른 마이크로셀 구조에 있어서, 상기 내부 세퍼레이터의 내벽은 CO-H20 시프트 저온 개질 촉매(shift low temperature reforming catalyst)로 함침 또는 코팅될 수도 있다. 이러한 구조에서, 상기 내부 세퍼레이터의 쉘측은 애노드 또는 캐소드 공급물-선택성 재료로 코팅된다.
다른 이중막 구조는 수소 또는 산소 선택성 재료로 애노드와 캐소드를 코팅한 것을 포함한다. 이러한 경우에 있어서, 외부의 중공 파이버막의 쉘측에 마련된 보호용 투과-선택성 재료는 외부 전극의 전류 집전체와 쉘측의 전극 촉매 사이에 전기적 접촉이 이루어지도록 전기적으로 전도성이 있어야 한다. 팔라듐과 같은 투과-선택성 재료를 이러한 목적을 위해 사용할 수 있다. 별법으로서, 전기 전도성의 투과-선택성 재료는 원한다면, 캐소드 부품 및 애노드 부품 중 어느 하나에만 적용할 수도 있다.
이중막 제작을 이용하는 다른 구조는 전기 전도성의 내부 중공 파이버 세퍼레이터를 채용한다. 이러한 전기 전도성 중공 파이버 세퍼레이터는 소결 금속, 카본 또는 그래파이트로 성형할 수도 있다. 이러한 이중막 구조의 몇몇 실시 형태에 있어서, 상기 내부의 중공 파이버 세퍼레이터의 전기 전도율에 따라 내부 전류 집전체는 필요하지 않을 수도 있다.
상기 내부 및 외부의 중공 파이버막은 상업적으로 이용 가능한 임의의 막 재료, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리술폰, 폴리아크릴로니트릴 등으로 구성되는 임의의 것일 수 있다. 한 가지 실시 형태에 있어서, 상기 막은 투과-선택성 특징을 부여하도록, 예컨대 존재할 수도 있는 다른 가스 및 성분(예컨대, 연료 불순물)에 대해서는 불투과성으로 남아 있으면서 공급 가스(연료, 산화제)에 대해서는 선택적으로 투과시킬 수 있게 처리된다. 특별한 예를 들면, 용액 적층(solution deposition), 전해 코팅 등에 의해 보호용 수소-투과성 배리어층을 적층하여, 수소는 통과시키지만 질소 및 산소는 차단하는 팔라듐막을 상기 막 표면에 제공할 수 있다. 예컨대, Gryaznov 등의 "수소-다공성 막에 의한 촉매 중의 선택성(Selectivity in Catalyst by Hydrogen-Porous Membranes)"(Discussion of the Faraday Society, No. 72(1982), pp. 73-78), Gryaznov의 "수소 투과성 팔라듐 막 촉매(Hydrogen Permeable Palladium Membrane Catalyst)"(Platinum Metals Review, 1986, 30(2),pp.68-72), Armor의 "투과-선택성 무기 막을 구비한 촉매(Catalyst with Permselective Inorganic Membranes)"(Applied Catalysis, 49(1989), pp.1-25)를 참조하라.
도 40은 마이크로셀(900)의 애노드 또는 캐소드 부재에 전기 전도성의 투과-선택성 막을 구비하고 있는 마이크로셀(900)의 이중막 구조의 단면도이다. 마이크로셀(900)은 전극 촉매 외층(912), 미세 다공성/전해질 매트릭스(910), 전극 촉매(908), 수소 또는 산소 선택성의 내부 막(906), 내부 보어(904) 내의 전류 집전체 또는 전극 부재(902)를 포함하고 있다.
도 41은 마이크로셀(914)의 애노드 또는 캐소드 부재를 보호하는 투과-선택성 막이 마련된 마이크로셀(914)의 이중 세퍼레이터 구조의 단면도이다. 마이크로셀(914)은 전극 촉매 외층(930), 미세 다공성 막/전해질 매트릭스(928), 전극 촉매(926), 전류 집전체 또는 전극 부재(922), 내부의 다공성 세퍼레이터(920), 수소 또는 산소 선택성의 내부 막(918) 및 내부 보어(916)를 포함하고 있다.
도 42는 마이크로셀(932)의 애노드 부재 및 캐소드 부재를 덮는 투과-선택성의 막이 구비된 마이크로셀(932)의 이중 세퍼레이터 구조의 단면도이다. 마이크로셀(932)은 수소 또는 산소에 대해 선택적인 전기 전도성의 외부 막(948), 전극 촉매층(946), 미세 다공성 막/전해질 매트릭스(944), 전극 촉매(942), 전류 집전체 또는 전극 부재(940), 다공성의 내부 세퍼레이터(938), 수소 또는 산소 선택성의 내부 막(936) 및 내부 보어(934)를 포함하고 있다.
도 43은 마이크로셀(950)의 애노드 부재 및 캐소드 부재를 덮는 투과-선택성의 막과, 전기 전도성의 내부 세퍼레이터가 구비된 마이크로셀(950)의 이중 세퍼레이터 구조의 단면도이다. 마이크로셀(950)은 수소 또는 산소에 대해 선택적인 전기 전도성의 외부 막(966), 전극 촉매층(964), 미세 다공성 막/전해질 매트릭스(962), 전극 촉매(960), 전기 전도성 및 다공성의 전류 집전체 또는 전극 부재(958), 수소 또는 산소 선택성의 내부 막(956) 및 내부 보어(952)를 포함하고 있다.
도 44는 마이크로셀(970)의 애노드 부재 및 캐소드 부재를 덮는 투과-선택성의 막과, 내부 세퍼레이터의 내벽에 개질 촉매가 구비된 마이크로셀(970)의 이중 세퍼레이터 구조의 단면도이다. 마이크로셀(970)은 전극 촉매 외층(986), 미세 다공성 막/전해질 매트릭스(984), 전극 촉매(982), 전류 집전체 또는 전극 부재(980), 수소 또는 산소 선택성의 내부 막(978), 다공성의 내부 세퍼레이터(976), CO 물 시프트/개질 촉매(974) 및 내부 보어(972)를 포함하고 있다.
마이크로셀 구조 및 이를 포함하는 조립체의 제조
상업적으로 대량 생산하기 위하여, 대부분의 구성품을 구비하고 있는 마이크로셀 소자는 빠른 속도로 단일 압출 단계로 제작하는 것이 바람직하다. 대량 제작 과정의 중요한 한 가지 양태는 내부 전극을 미세 다공성의 막 세퍼레이터로 에워싸는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 전기 전도성 파이버의 스트랜드(strand) 또는 토우(tow)를 압출 주형(스피너리트(spinnerette))의 보어 형성 튜브의 중앙을 통해통과시킬 수 있다. 미세 다공성 막 세퍼레이터의 근간(backbone)을 형성하는 재료("도프(dope)"라고 부른다)는 연속적으로 보어 형성 튜브 둘레에서 전기 전도성 파이버의 스트랜드 또는 토우 위에 압출된다. 내부의 응고 유체, 예컨대 질소와 같은 가스 또는 물과 같은 액체를 내부 전극 파이버 또는 파이버성 전류 집전체와 함께 보어 형성 튜브를 통과시킨다.
상기 작업시, 마이크로셀 파이버의 크기는 압출 주형의 오리피스 치수에 의해정해진다. 이러한 오리피스의 치수는, 예컨대 100 미크론 또는 그 미만과 같이 작게 변형시킬 수 있고, 대응하여 상기 막은 두께가 수 미크론 정도로 얇다.
마이크로셀 제작 방법에서 잉크 페이스트가 이용되는 경우 전극 촉매 페이스트가 동시에 상기 보어를 통해 압출된다. 압출된 파이버는 급냉욕(quenching bath) 또는 물과 같은 외부의 응고 매체에 담군다. 압출된 파이버가 응고/급냉 작업을 통과할 때, 상기 미세 다공성 막 구조는, 수용성 기공 형성 화합물이 상기 응고/급냉 매체에서 추출되어 나옴에 따라, 순간적으로 상기 내부 전극 둘레에 형성된다.
상기 막 세퍼레이터의 기공 구조, 기공도 및 기공 크기는 막 도프 배합, 사용되는 응고제의 종류, 스핀 작업의 온도 등과 같은 매개 변수의 선택 및 이에 대응하여 그러한 변수의 제어에 의해 정확하게 제어된다. 당업자라면, 과도한 노력 없이, 간단한 실험을 통해 상기 과정을 위한 특정의 조건을 쉽게 결정할 수 있다.
상기 미세 다공성 막 세퍼레이터를 형성하기 위하여, 폴리술폰, 폴리아크릴로니트릴, 다른 고온 폴리머, 유리 및 세라믹 재료를 비롯한 각종의 재료를 이용할수 있는데, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 스핀 공정에 의해서, 마이크로셀 제품을 연속적으로 고속으로 제작할 수 있다.
상기 미세 다공성 막 세퍼레이터-에워싸인 내부 전극 구조를 형성한 후에, 이와 같이 에워싸인 구조는 외측(쉘측)에서 폴리머 전해질 연료 전지의 경우에 이온 교환 폴리머, 및/또는 외부 전극의 전극 촉매로 코팅 또는 함침된다. 이러한 외부 코팅은 유사한 압출 공정에 의해 유리하게 수행할 수 있다.
도 45는 막 파이버(992)를 나피온(Nafion) 또는 전극 촉매로 막을 함침시키기 위한 용액 함침 시스템(988)을 나타내는 개략 흐름도이다. 상기 막 파이버(992)는 파이버 스풀(990)로부터 분배되고, 롤러(994)의 작용에 의해 용액욕(996)을 통과하는데, 상기 파이버는 상기 용액욕에서 함침된다. 다음에, 함침된 파이버는 가이드 롤(998)을 통과하고 가열 부재(999)의 뱅크를 통과하여 최종적으로 권취 와인더(1000)에서 집속된다.
본 발명의 전기 화학 전지의 추가 용례로는 화학 물질의 제조가 있다. 화학 합성 용례는 본 발명에 따라 성형된 마이크로셀을 이용하여 유리하게 실행되는데, 화학 합성을 위해 필요에 따라 단위 체적당 고전류 밀도, 최소의 전극 막 거리(두께)로 인한 낮은 내부 저항, 낮은 질량 전달 저항으로 인한 고효율을 제공한다.
또한, 본 발명에 따라 제작된 마이크로셀은 다른 형태의 전력이 사용 가능한 곳에서 수소 및 산소를 발생시키는 데에 이용될 수도 있다. 이러한 용례에서, 상기 마이크로셀에 의해 발생된 수소(또는 다른 연료 가스)는 전기 생성을 위해 저장되어 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 다공성 폴리머 막을 마이크로셀 파이버 구조의 전류 집전체 둘레에 형성한 후에, 그 구조를 나피온(물 및 알코올 중 5% 고체) 중합체 전해질의 용액과 같은 수성의 중합체 전해질 용액에 직접 통과시켜, 그 다공성 중합체 막의 기공을 중합체 전해질로 함침시킬 수 있다. 상기 함침된 중합체 전해질의 양은 다공성 중합체 막이 전해질 함침제 조성물에 잔류하는 시간, 상기 과정 중에 상기 구조를 반복적으로 상기 조성물에 노출시키는 횟수(즉, 한 번 통과시키거나 여러 번 통과)에 따라 선택적으로 변화시킬 수 있다.
상기 전해질이 함침되는 동일한 처리 라인에서, 또는 별법으로서 상기 제작 과정의 후속 단계에서, 한 가지 처리 실시 형태의 마이크로셀 파이버는 건조되고 H2[PtCl6]을 함유하는 도금욕을 사용하여 전극 촉매 재료로서 플라티늄으로 함침되며, 이어서 상기 파이버는 소디움 보로하이드라이드(NaBH4)와 같은 환원제 욕을 통과하여 플라티늄 조성물을 원소 플라티늄 금속으로 환원시킨다.
본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 상기 연속 기법은 상기 막의 외측 쉘만을 플라티늄으로 함침시키는 데에 이용된다. 상기 막의 내벽은 플라티늄 도금욕을 파이버의 기공을 통해 펌핑하여 그 파이버를 포팅한 후에 함침된다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 파이버의 쉘과 보어측은 그 파이버를 포팅한 후에 함침된다.
상기 이온 교환 나피온 전해질 용액이 상기 막의 기공에 함침된 후에, 상기전극 촉매는 본 발명의 다른 양태에 따라, 적당한 입도의 활성화된 카본에 적재된 플라티늄을 이용하여 코팅된다. 상기 활성화된 카본 입자에 적재되는 플라티늄은 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 범위에 있다. 주성분으로, 플라티늄이 적재된 활성화된 카본, 접합제로서의 나피온 이오노머, 테프론(등록 상표) 폴리테트라플루오로에틸렌 에멀션으로 구성되는 페이스트를 준비한다. 다음에, 상기 페이스트를 파이버의 쉘측에 코팅하거나 별법으로서 압출한다.
상기 파이버 벽 내부에 페이스트를 코팅하는 것은 여러 가지 방식으로 달성할 수 있다. 한 가지 접근법에 있어서, 상기 페이스트는 상기 다공성 막 세퍼레이터 부재가 전류 집전체 둘레에서 스핀되는 동안에 공압출된다. 제2 접근법은 상기 전류 집전체를 막 파이버에 삽입하기 전에 전류 집전체 둘레에 페이스트를 미리 압출(pre-extrude)하는 것이다. 제3 접근법으로서, 상기 셀 조립 및 포팅을 완료한 후에, 상기 다공성 막 세퍼레이터 부재의 기공 내로 얇은 페이스트를 펌핑할 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 전해질은 다공성 막 세퍼레이터 부재 내에 적층되고, 플라티늄 이온 함유 용액으로부터의 전해 도금에 의해, 전해 도금 용액 과정에 의해 또는 무전해 도금 용액 과정에 의해 상기 촉매를 적용한다.
마이크로셀 조립체의 부식 관리
종래의 연료 전지 기술의 적용에 있어서, 전류 집전체는 일반적으로 흑연 형태의 재료를 사용하는데 한정되어 있었다. 알루미늄이나 티타늄으로 형성된 전류 집전체는 금과 같은 내부식성 코팅재로 코팅될 수 있지만, 그러한 코팅재는 연료전지의 작동 특성을 나타내는 가혹한 부식 조건 및 열적 사이클 하에서 전류 집전체 요소로부터 벗겨지거나 박리될 염려가 있다.
마이크로셀 요소를 사용하는 것은 흑연 재료 이외의 전류 집전체의 구성 재료를 채용할 수 있게 한다. 전기 화학적 셀 모듈에서의 마이크로셀 구조체에 사용되는 금속 파이버는 다양한 기법으로 코팅되어, 내부식성을 오래 지속할 수 있다. 그러한 목적으로 사용되는 유용한 코팅 기법으로는, 그 제한은 없지만, 내부식성의 금속 화합물 또는 폴리아날린과 같은 폴리머 재료를 사용하는 전기 화학적 증착, 무전해 코팅(electroless coat), 딥코팅(dipcoating), 압출 등을 포함한다.
전류 집전체로 사용하기 위해 금속 기재를 코팅하는 바람직한 접근법은 플라즈마 코팅 기법에 의해 증착된 비결정질 금속 화합물의 사용을 포함한다. 일반적으로, 보다 양호한 내부식성은 코팅 구조체의 비결정질적 성질에 기인한다. 또한, 다양한 비결정질 금속 화합물은 매우 큰 표면 영역을 생성한다. 그러한 큰 표면 영역의 금속 화합물의 예로서 니켈 금속 수소화물 전극 촉매 물질을 포함한다. 파이버 형상의 마이크로셀의 고유의 큰 표면 영역과 결부되는 그러한 큰 표면의 금속 화합물을 사용하는 것은 연료 전지에서의 수소 저장 능력에 효과적으로 소용되어, 잠재적으로는 중요한 구조적 및 작동적 이점을 갖게 한다.
금속 파이버 기재의 내부식성을 향상시키기 위한 다른 접근법으로, 금속 파이버는 폴리머 전구체(precursor) 또는 기타 유기물 코팅재로 코팅되고, 이어서 그 코팅재는 탄화될 수 있다. 금속 파이버 상에 흑연 물질을 형성하도록 폴리머를 탄화시킴으로써, 내부식성을 가지면서, 오로지 탄소 또는 흑연만이 있는 경우 보다더 큰 전기 전도도를 갖는 코팅을 생성한다.
임의의 코팅 용례에서, 핀홀의 존재는 부식을 야기하며, 마이크로셀의 다른 섹션으로부터 하나의 섹션을 전기적으로 단절시키고, 이는 이어서 셀의 유용한 파워 밀도를 감소시키게 된다. 다른 접근법에서, 그러한 전기적 단절 결함은 탄소 파이버가 미이크로셀의 관련 전류 집전체와 직접 접촉하도록 마이크로셀의 쉘 측에 또는 보어 내에 탄소 파이버를 동시 배치하는 것을 포함하는 제조 방법에 의해 방지된다. 그러한 구성에 있어서, 전기 화학적 셀의 작동시에 전류 집전체가 부식 공격을 받게 되면, 탄소 또는 흑연 파이버가 이어서 이를 통한 전류의 흐름을 계속 유지하여, 부식에 의해 야기된 전류 집전체 요소의 전체적인 파괴 또는 열화에도 불구하고 전기적 연속성을 제공한다.
연료 전지의 부식 환경에서 금속 전류 집전체 파이버의 사용 수명을 향상시키기 위해, 금속 파이버는 유리하게도 폴리머 재료와 같은 복합물로 코팅되고, 이어서 코팅된 파이버는 폴리머 재료를 위한 열 분해 상태에 놓이게 된다. 파이버 코팅 재료는, 탄소 파이버 자체를 제조하기 위해 통상적으로 채용되는 기법을 이용하여, 열 분해되어 탄소로 전환된다.
(임의의 크기의) 금속 전류 집전체 파이버 상에 탄소의 연속적인 층을 형성함으로써, 반경 방향 및 길이 방향으로 전기적 전도성이 있는 동시에, 그 하층의 금속을 부식 공격으로부터 보호하는 파이버를 생성한다.
도 46은 외면에 폴리머 복합물 코팅(1006)이 있는 금속 파이버(1004)를 포함하는 전도체 요소(1002)의 입면도이다. 그 파이버는, 예를 들면 용사(spraying),딥코팅, 롤러 코팅과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 코팅된다.
도 47은 열 분해 단계 후의 도 46의 대응하는 파이버(1002)를 도시하는 것으로, 그 파이버의 외면에 열 분해된 탄소 코팅(1008)을 구비하고 있다.
전류 집전체 및 전극의 제조에 있어서, 본 발명에 일실시예에 따른 마이크로 셀의 전기 전도성 금속 파이버는, 약 100 내지 10,000 미크론 범위의 직경을 가지며 금 또는 백금과 같은 내부식성 재료를 적절한 두께로 코팅한, 구리, 알루미늄 또는 티타늄 파이버를 포함한다.
대안으로, 약 100 내지 10,000 미크론 범위의 직경을 가지며 양호한 전기 전도 특성을 갖는 탄소/흑연 파이버를 채용하여, 예를 들면 백금과 같은 전극 촉매로 금속화될 수 있다. 유리하게는, 이러한 백금 금속화는 H2[PtCl6]을 함유한 도금 용액과 파이버를 접촉시키고, 이어서 나트륨 보로하이드리드(NaBH4)와의 접촉을 통해 백금 복합물을 백금 원소의 금속으로 환원시킴으로써 이루어진다.
전류 집전체에 있어서, 핀홀 또는 코팅 결함의 존재는 금속성 전류 집전체의 부식을 가속화한다. 이러한 부식의 결과로, 파이버 셀은 절단(그 결과, 전도체의 연속성이 손상됨)되어 작동할 수 없게 된다. 마이크로셀의 전압 및 전류에서의 부분 단절을 피하기 위해, 파이버 탄소의 전류 집전체는 코팅된 금속 파이버를 따라 놓이는 게 유리하다. 도 48은 코팅된 금속 파이버(1012)를 따라 놓인 파이버 탄소의 전류 집전체(1014)가 포함된 전도체(1010)를 도시한다. 그 탄소 파이버(1014)는 도 48에 도시되어 있는 바와 같이, 코팅된 파이버(1012)와 직접 접촉할 것이다.
도 49는 코팅된 금속 파이버(1012)가 파괴되어 절단된 후의 도 48의 파이버 조립체를 도시한다. 코팅된 금속 파이버의 연속성이 부식 지점에서 단절된 결과로, 부식된 금속 파이버(1012)의 양 섹션과 접촉하는 탄소 파이버(1014)는 탄소 파이버/금속 파이버의 구조체의 길이를 따라 일측에서 다른 측으로 전류가 이동할 수 있게 하는 연속성을 제공한다.
마이크로셀 조립체에서의 물 관리
물이 반응 부산물인 마이크로셀의 전기 화학적 반응에서, 박막의 건조를 방지하기 위해 공급물에 수분을 제공할 수 있으며, 마이크로셀 조립체는 과잉의 물을 마이크로셀 조립체에 추가 및 그로부터 제거하는 물 관리 시스템을 포함하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 마이크로셀 구조체의 큰 표면 영역과 낮은 물질 이동 저항은, 마이크로셀 모듈로부터의 물의 제거가 종래의 평면 연료 전지 구조체에서보다 문제가 되지 않는다는 것을 의미한다.
다양한 대안이 마이크로셀 연료 전지 모듈의 물 관리 능력을 더 향상시키도록 채용될 수 있다. 예를 들면, 나피온(Nafion), 또는 기타 이온 교환 폴리머, 또는 물의 투과를 선택적으로 허용하는 재료로 코팅된 중공 파이버 박막을 포함하는 열교환 튜브가 연료 전지 조립체에 채용되고, 그 열 교환 액체가 물인 경우, 열 교환 튜브는 연료 전지로 물을 공급하고 그 연료 전지로부터 열을 제거하는 데에 사용될 수 있다.
연료 전지로부터 물을 제거하기 위한 하나의 접근법은, 마이크로셀의 묶음에다공질의 평평한 중공 파이버 박막을 분포된 상태로 마련하는 것이다. 이러한 구조적 구성에 있어, 물은 연료 전지의 작동 중에 심지 작용(wicking action)에 의해 박막의 벽을 통해 투과되어, 중공 파이버의 보어 아래로, 그리고 활성 표면으로부터 멀리 보내질 것이다. 그 결과, 보내어진 물은 상기 모듈을 수용하는 하우징에 마련된 플레넘(plenum)에 모여, 시스템으로부터 배출될 수 있다.
연료 전지로부터 물을 제거하는 것과 관련하여, 본 발명에 의한 다양한 접근법을 예상할 수 있다. 파이버 셀 또는 마이크로셀로 된 연료 전지에서 생성된 물을 제거하기 위해, 친수성 복합물로 처리된 중공 파이버 박막은 전극 또는 전류 집전체를 수용하는 연료 전지로 단속적으로 포장될 수 있다. 이러한 중공 파이버 박막이 상기 셀의 쉘측과 직접 접촉하고 보어측에서 개방되기 때문에, 연료 전지에서 생성된 물은 심지 작용에 의해 흡수되어, 전극을 수용한 셀로부터 멀리 중공 파이버 박막의 보어의 아래로 보내지며, 이에 의해 셀 내에 채워진 물이 제거된다.
모듈이 수직으로 장착되는 경우, 물은 셀 바닥에서의 중력 포집에 의해 모이며, 이로부터 배출될 수 있다.
도 50은 중공 파이버 및 마이크로셀 튜브의 묶음(1020)의 단면을 도시하는 것으로, 평평한 중공 파이버 요소(1026)에 마이크로셀 파이버 요소(1022) 및 쉘측의 전극(1024)이 산재되어 있으며, 그러한 중공 파이버 요소가 상기 조립체로부터 물을 배수하는 데에 사용되고 있다. 도 51은 도시한 바와 같이 수직으로 배치된 마이크로셀 조립체(1036)를 수용하는 하우징(1032)을 포함하는 마이크로셀 연료 전지 모듈(1030)의 단면도이다. 하우징(1032)은 플랜지(1034)를 구비하며, 이에 의해 하우징의 상단부는 마이크로셀 조립체 및 모듈의 기타 내부 구성 요소에 접근하도록 제거될 수 있다.
마이크로셀 조립체(1036)는, O링 밀봉 요소(1042)에 의해 하우징의 내벽에 대해 누출이 방지되게 단단히 밀봉된 부재(1040)를 포팅(potting)함으로써 그 상단부에서 포팅되어 있다. 마찬가지로, 마이크로셀 조립체(1036)는, O링 밀봉 요소(1046)에 의해 하우징의 내벽에 대해 누출이 방지되게 단단히 밀봉된 부재(1044)를 포팅함으로써 그 하단부에서 포팅되어 있다.
마이크로셀 조립체(1036)는 중앙의 공급물 튜브(1080)와 맞물리며, 이는 마이크로셀 조립체의 내부 용적 내에 구멍을 낸다. 추가로, 공급물 유입구(1060)가 상단 용적(1050)으로부터 상기 조립체 내의 마이크로셀 요소의 보어측으로 공급물을 제공한다. 하단부에서 중공 파이버 요소로부터 배출된 공급물은 하단 용적(105)으로 유입되어, 배출구(1072) 또는 배출구(1070)로부터 하우징에서 배출된다.
소비된 공급물을 내부 용적(쉘측)으로부터 배출하도록 배출구(1078)가 하우징의 내부 용적(1038)에 마련되어 있다.
하우징(1032)의 하단부는, 이 하우징 하단부로 중력에 의해 흘러들며 배출구(1072) 또는 배출구(1070)를 통해 흘러 넘쳐 배출되는 과잉의 물(응축액)을 수용하는 플레넘 챔버(1076)를 구성한다.
마이크로셀 조립체의 각 단부에서의 전류 집전체 요소는 도시되어 있는 바와 같이 해당 단자(1082, 1084)에 연결된다.
따라서, 마이크로셀 조립체에 채용된 중공 파이버의 관형 요소는 그러한 중공 파이버의 보어 통로로 과잉의 물이 스며들게 하고 그 물을 플레넘 챔버로 배수하여, 전기 화학적 연료 전지 모듈로부터 과잉의 물을 용이하게 제거할 수 있게 한다.
마이크로셀 묶음으로부터 포집 용기 또는 장소로의 물의 채널화된 유동을 꾀하기 위해 표면 장력 또는 모세관 효과를 이용하는 요소 또는 구조체를 비롯하여, 임의의 다른 적절한 수단 또는 방법이 마이크로셀 조립체로부터 물을 배수하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 1981년 3월 3일자로 허여된 레슬리 씨. 쿤(Leslie C. Kun) 및 엘리스 지. 라기(Elias G. Ragi) 명의의 미국 특허 제4,253,519호에 기재된 필름 응축 장치용 보강 구조체가, 연료 전지 모듈로부터 액체의 배출 및 회수를 위해 액체의 채널화된 유동을 생성하도록, 마이크로셀 파이버 또는 묶음, 또는 이를 포함하는 보조 묶음 상에 중첩 구조체로 유용하게 채용된다.
전술한 각 접근법에서, 전해/촉매 주입(catalyst-impregnated) 코팅된 파이버는 선택적으로는 박막/전극 조립체에 소수성을 부여하도록, 폴리테트라플루오르 에멀젼인 테프론(등록 상표)이 코팅될 수 있다. 이러한 방법으로, 셀 내에 도입되거나 그 내에서 형성된 물은 촉매 표면으로부터 반발되어, 연료 또는 산화제(예를 들면, 수소 또는 산소)에 대한 촉매 자리의 이용 가능성을 향상시킨다.
본 명세서에서는 특성 실시예, 특징 및 양태를 참조로 본 발명이 기재되어 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니라 기타 다른 수정, 변형, 적용, 실시예로 확장되며, 따라서, 그러한 모든 수정, 변형, 적용, 실시예는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 간주하여 한다는 것을 인식할 것이다.

Claims (247)

  1. 마이크로셀(microcell) 조립체로서, 각 마이크로셀는
    내부 전극과,
    상기 내부 전극과 접촉하는 미소공 박막 분리기와,
    상기 미소공 박막 분리기의 기공 내의 전해질과,
    외부 전극을 포함하는 것으로,
    상기 조립체는 실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결되고 평행하게 배치되는 복수 개의 마이크로셀 파이버를 포함하고 상기 마이크로셀 파이버의 내부 전류 집전체는 제1 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제1 마이크로셀 시트 부재와, 상기 제1 시트 부재 위에 배치되고 각 전류 집전체는 이 제1 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하며 상기 제1 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제2 시트 부재를 포함하는 제1 전지과,
    절연 시트로서, 이 절연 시트 위에 배치되는 또 하나의 전지로부터 상기 제1 전지의 전기 절연을 위한 절연 시트와,
    실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결되고 평행하게 배치되는 복수 개의 마이크로셀 파이버를 구비하고 상기 마이크로셀 파이버의 내부 전류 집전체는 상기 제2 시트 부재의 한 연부로부터 상기 제1 시트 부재의 제2 연부 근처로 축방향으로 연장되는 제1 마이크로셀 시트 부재와, 상기 제1 시트 부재 위에 배치되고각 전류 집전체는 이 제1 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하며 상기 제1 시트 부재의 대향하는 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제2 시트 부재를 포함하는 제2 전지
    을 구비하고, 상기 제1 전지의 내부 전류 집전체는 상기 제2 전지의 외부 전류 집전체와 정렬 및 전기적으로 연결되어 일련의 연결부를 형성하는 것인 마이크로셀 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터는 솔더링(soldering), 브레이징(brazing), 용접, 전도성 접착 본딩(bonding) 또는 용융 본딩에 의하여 상호 연결되는 것인 마이크로셀 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전지와 제2 전지를 복수 개 포함하고, 교번하는 방식으로 배치되며, 근처의 각 전지들은 이에 대응하여 연속적으로 연결되는 멀티 전지 구조를 포함하는 것인 마이크로셀 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 연속되는 상기 전지들은 대향하는 각 단부에 포팅(potting)되어 마이크로셀의 쉘 면과 보어 면을 밀봉하는 것인 마이크로셀 조립체.
  5. 다공성(perforate) 판 부재를 포함하는 가스 공급 격실을 포함하는 마이크로셀 모듈로서,
    제1항에 기재된 마이크로셀 조립체가 상기 다공성 판 부재 위에 배치되고, 각 밀봉 면들을 형성하는 포팅 부재들에 의하여 이들의 각 단부에서 포팅되며, 이들 둘레에 있는 밀봉 면들이 하우징 내에 인접 배치될 때 이들은 원통 다관형(shell and tube) 구조 배치를 형성하고, 상기 다공성 판 부재는 상기 포팅 부재들 사이에 개재(介在)하여 위치하는 것인 마이크로셀 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 원통 다관형 구조 배치 내에 둘러싸이는 것인 마이크로셀 모듈.
  7. 마이크로셀 서브 번들(sub-bundle) 물품(article)으로서,
    실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결되고 평행하게 배치되는 복수 개의 마이크로셀 파이버를 포함하고 상기 마이크로셀 파이버의 내부 전류 집전체는 제1 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제1 마이크로셀 시트 부재와, 상기 제1 시트 부재 위에 배치되고 각 전류 집전체는 이 제1 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하며 상기 제1 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제2 시트 부재를 포함하는 시트 조립체를 구비하는 것으로,
    상기 서브 번들은 상기 시트 조립체를 축방향으로 롤링하여 원통형 예비체(pre-form)가 되게 하고, 투과성(porous) 및 전기적 절연 랩(wrap)을 이 원통형 예비체의 외부 원통면에 도포하며, 이 원통형 예비체의 각 단부에 포팅하여상기 서브 번들을 생산함으로써 형성되고,
    상기 제1 및 제2 시트 부재는 전지를 형성하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품.
  8. 제7항에 있어서, 상기 포팅된 단부들 사이의 길이에 걸쳐서는 다공성이지만 상기 포팅된 단부들의 외부에서는 다공성이 아닌 중앙 관형 부재를 더 포함하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품.
  9. 제7항에 있어서, 상기 시트 조립체는 상기 제2 시트 부재 위에 배치되는 투과성의 전기적 절연 시트 부재와, 실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결 및 평행하게 배치되는 복수 개의 마이크로셀 파이버를 포함하고 상기 마이크로셀 파이버의 내부 전류 집전체는 제3 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제3 시트 부재와, 상기 제3 시트 부재 위에 배치되고 상기 제3 시트 부재의 각 전류 집전체는 이 제3 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하며 제4 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제4 시트 부재를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제3 시트 부재의 전류 집전체들은 이들의 단부에서 서로에 대하여 일반적으로 길이 면에서 동일한 공간에 있고, 상기 제2 및 제4 시트 부재의 전류 집전체는 이들의 단부에서 서로에 대하여 일반적으로 길이 면에서 동일한 공간에 있으며, 상기 제2 및 제3 시트 부재의 전류 집전체들의 단부들은 이들의 단부에서 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제3 및 제4 시트 부재는 제2 전지를 형성하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품.
  10. 제7항에 있어서, 멀티 전지를 형성하는 복수 개의 마이크로셀 파이버 시트를 구비하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품.
  11. 제7항에 있어서, 상기 물품은 멀티 전지를 형성하고 순서가 반복되는 제1 및 제2 시트 부재를 포함하며, 각 전지는 투과성의 전기적 절연 시트 부재에 의하여 인접하는 전지로부터 분리되어 있는 것인 마이크로셀 번들 물품.
  12. 제7항에 기재된 바와 같은 적어도 두 개의 서브 번들의 일렬로 연결되는 조립체.
  13. 제11항에 기재된 바와 같은 일련의 마이크로셀 서브 번들 물품을 포함하는 마이크로셀 물품으로, 양극 대 음극(positive-to-negative)의 배치 순서로 연결되며, 세장 특성을 가지는 것인 마이크로셀 물품.
  14. 제13항에 있어서, 상기 연결은 활성(living)의 힌지 부재로 이루어지는 것인 마이크로셀 물품.
  15. 제13항에 있어서, 상기 연결은 용접, 브레이징, 솔더링, 전도성 접착 본딩 또는 용융 본딩으로 이루어지는 것인 마이크로셀 물품.
  16. 제11항에 기재된 바와 같은 일련의 마이크로셀 서브 번들 물품을 포함하는 마이크로셀 물품으로, 요소 서브 번들 물품은 연속되는 서브 번들 물품의 나란한 관계에서 서로에 대하여 평행하게 정렬되는 번들에 있어서 양극 대 음극의 배치 순서로 연결되며, 이 번들은 이 번들 내의 각 서브 번들 물품의 축방향 치수와 축방향 치수가 실질적으로 동일한 것인 마이크로셀 물품.
  17. 제16항에 있어서, 상기 번들은 각 단부들에서 포팅되는 것인 마이크로셀 물품.
  18. 제11항에 기재된 바와 같은 복수 개의 마이크로셀 서브 번들 물품을 포함하는 마이크로셀 물품으로, 상기 서브 번들 물품의 인접하는 것들의 전극은 양극 대 음극의 관계로 전기적으로 서로 연결되고, 상기 마이크로셀 물품은 이들의 각 단부에서 포팅되는 것인 마이크로셀 물품.
  19. 제18항에 있어서, 각 서브 번들은 상기 포팅된 단부들 사이의 길이에 걸쳐서는 다공성이지만 상기 포팅된 단부들의 외부에서는 다공성이 아닌 중앙 관형 부재를 포함하는 것인 마이크로셀 물품.
  20. 제19항에 있어서, 각각의 복수 개의 서브 번들의 중앙 관형 부재와 공급 관계로 결합되는 공급 분배 매니폴드(manifold)을 더 포함하는 것인 마이크로셀 물품.
  21. 제11항에 있어서, 상기 포팅된 단부들은 개개의 튜브 시트를 형성하고, 각 튜브 시트는 밀봉 가능한 외주부(外周部)를 구비하는 것인 마이크로셀 서브 번들.
  22. 제21항에 기재된 바와 같은 복수 개의 마이크로셀 서브 번들이 내부에 장착된 하우징을 포함하는 마이크로셀 모듈로서,
    상기 하우징은 개개의 단부 판에 의하여 내부 용적이 정해지고, 각 단부 판은 내부에 개구가 있으며, 이들 개구는 각각 대응하는 서브 번들의 튜브 시트와 매타블(matable)하고 밀봉되게 결합 가능하고, 개개의 단부 판들의 대응하는 단부 판 개구들은 서로에 대하여 동축으로 배치되며, 상기 하우징은 이 하우징의 일단부에 있는 단부 판에 의하여 정해지는 제1 단부 용적과 이 하우징의 타단부에 있는 단부 판에 의하여 정해지는 제2 단부 용적과 이 내부 용적으로부터 용진된(depleted) 공급을 배출하기 위한 출구를 포함하고, 상기 하우징은 선택적으로 개방 가능하여 서브 번들의 제거 및 교체 설치하기 위해 상기 단부 판 내에 장착되는 서브 번들에 접근하기 위한 상기 단부 용적 중의 적어도 하나의 단부 용적에서 단부 판을 노출시키며, 상기 하우징 내의 상기 서브 번들은 서로에 대하여 일렬로 연결되어 있고 하우징의 외부로 연장되는 종단부의 누출 방지부로 연결되는 것인 마이크로셀 모듈.
  23. 제22항에 있어서, 상기 공급 튜브와 연결되고 각각의 복수 개의 서브 번들의 중앙 관형 부재와 공급 관계로 결합되는 공급 분배 매니폴드을 더 포함하는 것인 마이크로셀 모듈.
  24. 제22항에 있어서, 상기 공급 튜브는 상기 단부 용적 중의 하나를 통하여 연장되고, 내부 용적과의 폐쇄된 가스 유동 연통에 결합되는 것인 마이크로셀 모듈.
  25. 제22항에 있어서, 상기 각 단부 판들은 내부에 충분한 보충보다 작은 서브 번들을 장착하고, 내부에 장착되는 서브 번들이 없는 단부 판 개구는 각 단부 판들 내의 대응하는 개구에서 폐쇄 판과 누출 방지되게 밀봉되는 것인 마이크로셀 모듈.
  26. 전기화학적 전지 장치의 제조 방법으로,
    제1 시트로서 평행하게 나란히 배치되는 파이버 마이크로셀 요소의 제1 시트와, 제2 시트에 외부 전류 집전체 요소의 평행하게 정렬되어 이격되는 배치되어 구성되는 제2 시트를 포함하는 층 구조의 시트를 형성하는 단계와,
    서로에 대하여 종방향으로 옵셋 관계에 있는 제1 및 제2 시트를 결합시키는것으로, 상기 외부 전류 집전체는 상기 제1 시트의 연부를 너머 연장되고, 상기 파이버 마이크로셀 요소의 내부 전류 집전체는 상기 제2 시트의 대향하는 연부 너머로 연장되는 단계와,
    해당하는 제1 및 제2 시트들의 대응하는 층들을 제1 및 제2 시트의 초기 층에 더하고, 개개의 각 층들 사이에 투과성 절연 시트를 배치하여 다층 구조를 형성하는 단계와,
    상기 다층 구조를 예정된 서브 번들 형태로 성형하고, 그것을 포팅하여 이것에 영구적인 형태를 부여하는 것으로, 이 영구적인 형태는 내부 및 외부 전류 집전체의 국부화된 일치를 제공하는 단계와,
    해당하는 방식으로 복수 개의 서브 번들을 제조하는 단계와,
    상기 서브 번들을 순서대로 연결하여 서브 번들의 일렬 배치를 형성하는 단계와,
    일렬로 연결되는 서브 번들을 성형하여 번들 조립체를 형성하는 단계
    를 포함하는 전기화학적 전지 장치의 제조 방법.
  27. 마이크로셀 조립체의 제조 방법으로,
    실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결되고 평행하게 배치되는 복수 개의 파이버 마이크로셀 요소를 포함하고 상기 파이버 마이크로셀 요소의 내부 전류 집전체는 제1 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제1 마이크로셀 시트 부재와, 상기 제1 시트 부재 위에 배치되고 각 전류 집전체는 이 제1 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하도록 배치되며 상기 제1 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제2 시트 부재를 포함하는 제1 층을 형성하는 단계와,
    상기 제1 층 위에 절연 시트를 배치하는 단계와,
    실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결되고 평행하게 배치되는 복수 개의 파이버 마이크로셀 요소를 구비하고 상기 파이버 마이크로셀 요소의 내부 전류 집전체는 제1 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제1 마이크로셀 시트 부재와, 상기 제1 시트 부재 위에 배치되고 각 전류 집전체는 이 제1 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하도록 배치되며 상기 제1 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제2 시트 부재를 포함하는 제2 층을 형성하는 단계와,
    상기 제1 층의 내부 전류 집전체를 상기 제2 층의 외부 전류 집전체와 전기적으로 연결시켜 일련의 연결부를 형성하는 단계
    를 포함하는 것인 마이크로셀 조립체의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 전류 집전체들은 솔더링, 브레이징, 용접, 전도성 접착 본딩 또는 용융 본딩에 의하여 서로 연결되는 것인 마이크로셀 조립체의 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서, 교번하는 순서로 복수 개의 상기 제1 및 제2 층을 포함하는 조립체를 형성하는 단계와, 서로에 대하여 연속하는 관계에 있는 계속하는 층들을 전기적으로 서로 연결시키는 단계를 포함하는 것인 마이크로셀 조립체의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서, 마이크로셀 조립체를 포팅하여 서로로부터 파이버 마이크로셀 요소의 쉘 면과 보어 면을 밀봉하는 단계를 더 포함하는 것인 마이크로셀 조립체의 제조 방법.
  31. 마이크로셀 모듈의 제조 방법으로,
    다공성 판 부재를 포함하는 가스 공급 격실을 제공하는 단계와,
    복수 개의 파이버 마이크로셀 요소 및 이와 관련된 외부 전류 집전체를 포함하여 복수 개의 마이크로셀를 형성하는 마이크로셀 조립체가 상기 다공성 판 부재 위에 배치하고, 각 밀봉 면들을 형성하는 포팅 부재들에 의하여 이들의 각 단부에서 포팅되며, 이들 외주부에 있는 밀봉 면들이 하우징 내에 인접 배치될 때 이들은 원통 다관형 구조 배치를 형성하고, 상기 다공성 판 부재는 상기 포팅 부재들 사이에 개재(介在)하여 위치하는 단계
    를 포함하는 마이크로셀 모듈의 제조 방법.
  32. 제31항에 있어서, 하우징 내에 상기 마이크로셀 모듈을 둘러싸서 상기 원통 다공형 배치를 형성하는 단계를 포함하는 것인 마이크로셀 모듈의 제조 방법.
  33. 마이크로셀 서브 번들 물품의 제조 방법으로,
    실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결되고 평행하게 배치되는 복수 개의 마이크로셀 파이버를 포함하고 상기 마이크로셀 파이버의 내부 전류 집전체는 제1 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제1 마이크로셀 시트 부재와, 상기 제1 시트 부재 위에 배치되고 각 전류 집전체는 이 제1 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하며 상기 제1 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제2 시트 부재를 포함하는 시트 조립체를 형성하는 단계와,
    상기 시트 조립체를 축방향으로 롤링하여 원통형 예비체가 되게 하고, 투과성(porous) 및 전기적 절연 랩을 이 원통형 예비체의 외부 원통면에 도포하는 단계와, 이 원통형 예비체의 각 단부를 포팅하여 상기 서브 번들을 생산하는 단계
    를 포함하는 것으로, 상기 제1 및 제2 시트 부재는 전지를 형성하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품의 제조 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 시트 조립체는 상기 포팅된 단부들 사이의 길이에 걸쳐서는 다공성이지만 상기 포팅된 단부들의 외부에서는 다공성이 아닌 중앙 관형 부재 상에서 롤링되는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품의 제조 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제2 시트 부재 위에 배치되는 투과성의 전기적 절연시트 부재와, 실질적으로 평면상으로 일치하도록 서로 연결 및 평행하게 배치되는 복수 개의 마이크로셀 파이버를 포함하고 상기 마이크로셀 파이버의 내부 전류 집전체는 제3 시트 부재의 제1 연부로부터 축방향으로 연장되는 제3 시트 부재와, 상기 제3 시트 부재 위에 배치되고 상기 제3 시트 부재의 각 전류 집전체는 이 제3 시트 부재의 적어도 하나의 마이크로셀 파이버와 접촉하며 제4 시트 부재의 대향하는 제2 연부 너머로 연장되는 외부 전류 집전체의 제4 시트 부재를 더 포함하는 시트 조립체를 제조하는 단계를 더 포함하는 것으로,
    상기 제1 및 제3 시트 부재의 전류 집전체들은 이들의 단부에서 서로에 대하여 일반적으로 길이 면에서 동일한 공간에 있고, 상기 제2 및 제4 시트 부재의 전류 집전체는 이들의 단부에서 서로에 대하여 일반적으로 길이 면에서 동일한 공간에 있으며, 상기 제2 및 제3 시트 부재의 전류 집전체들의 단부들은 이들의 단부에서 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제3 및 제4 시트 부재는 제2 전지를 형성하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품의 제조 방법.
  36. 제34항에 있어서, 복수 개의 마이크로셀 파이버 시트가 멀티 전지를 형성하는 것인 마이크로셀 서브 번들 물품의 제조 방법.
  37. 제34항에 있어서, 복수 개의 셀을 형성하는 반복하는 일련의 제1 및 제2 시트 부재를 제조하는 단계와, 연속적인 셀 사이에 다공성의 전기 절연 시트를 배치하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  38. 제34항에 있어서, 2개 이상의 서브 번들(sub-bundle)을 직렬로 전기 접속하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 2개 이상의 서브 번들은 가늘고 긴 특성을 갖는 양극과 음극간 구조로 순차 접속되는 것인 방법.
  40. 제38항에 있어서, 상기 2개 이상의 서브 번들을 직렬로 전기 접속하는 단계는 연속적인 서브 번들을 현행 힌지 부재를 구비하는 커넥터와 상호 접속시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  41. 제38항에 있어서, 상기 2개 이상의 서브 번들을 직렬로 전기 접속하는 단계는 용접, 브레이징, 솔더링, 전도성 접착제 접착 또는 멜트 접착을 포함하는 것인 방법.
  42. 일련의 마이크로셀 서브 번들 물품을 구비하는 마이크로셀 물품을 제조하는 방법으로서,
    양극과 음극 구조를 갖는 복수 개의 마이크로셀 서브 번들 물품을 제조하는 단계와,
    연속적인 서브 번들 물품을 서로 병렬 관계로 평행하게 정렬시킴으로써, 사기 서브 번들 물품의 번들을 형성하는 단계와,
    상기 서브 번들 물품을 직렬로 전기적으로 상호 접속하는 단계
    를 포함하는 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 번들을 각 단부에서 포팅(potting)하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  44. 제1항에 있어서, 상기 박막 분리기는 반투과성 이온 교환 박막과, 셸 또는 보어측에서 선택 투과성 또는 이온 교환 폴리머로 코팅된 다공성 박막으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 제조되는 것인 마이크로셀 조립체.
  45. 제27항에 있어서, 상기 섬유 마이크로셀 요소는 각각 다공성 박막 분리기를 구비하며, 상기 다공성 박막 분리기는 반투과성 이온 교환 박막과, 셸 또는 보어측에서 선택 투과성 또는 이온 교환 폴리머로 코팅된 다공성 박막으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 제조되는 것인 방법.
  46. 전기 전도성의 수소 또는 산소 선택 투과성 박막이 상부에 있는 제1 전극 촉매층이 내측면에 코팅, 주입 또는 압출된 다공성 박막 분리기에 의해 제한되는 하나 이상의 전기 전도성 섬유 요소를 구비하며, 다공성 박막 분리기의 구멍 내에 배치된 전해질을 갖고, 하나 이상의 전기 전도성 섬유 요소를 갖는 중앙 루멘과 이루멘을 통해 공급률을 조정하는 간질 용적을 포함하고, 상기 다공성 박막 분리기는 외측면에서 전극 촉매 및 하나 이상의 전도성 섬유와 접촉하는 섬유 마이크로셀 구조체.
  47. 제46항에 있어서, 상기 다공성 박막 분리기의 외측면 위에는 제2 전극 촉매층이 코팅, 주입 또는 압출되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  48. 제46항에 있어서, 상기 전극 촉매층은 전기 전도성 재료와 소수성 첨가 재료 중 적어도 하나와 조합하는 전극 촉매를 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  49. 제46항에 있어서, 외경이 약 100 미크론 내지 약 10 mm인 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  50. 제46항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 무전해 도금, 전기 화학적 증착, 압출, 증기 증착, 용액 증착으로 이루어지는 군에서 선택된 방법에 의해 다공성 박막 분리기에 부착되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  51. 제46항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 금속 및 전기 전도성 폴리머 재료로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  52. 제46항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 팔라듐으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  53. 제46항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 불소 폴리머로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  54. 제53항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  55. 중앙 루멘을 한정하고 내측면에서 수소 또는 산소 선택 투과성 박막이 코팅, 주입 또는 압출되고 제1 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유가 그 외측면과 접촉함으로써 내부 구조를 형성하는 것인 내측 다공성 박막 분리기와, 상기 내부 구조를 밀봉하고 제2 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유는 외측 다공성 박막 분리기의 외측면과 접촉하며 전해질은 외측 다공성 박막 분리기의 구멍 내에 배치되는 외측 다공성 박막 분리기를 구비하는 섬유 마이크로셀 구조체.
  56. 제55항에 있어서, 상기 수소 또는 산소 선택 투과성 박막은 셀룰로오스 에스테르, 폴리이미드, 폴리설폰 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  57. 제55항에 있어서, 상기 제1 전극 촉매 재료는 내측 다공성 박막 분리기의 외측면에 코팅, 주입 또는 압출되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  58. 제55항에 있어서, 상기 제2 전극 촉매 재료는 외측 다공성 박막 분리기의 외측면에 코팅, 주입 또는 압출되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  59. 제55항에 있어서, 제1 및 제2 전극 촉매층 중 적어도 하나는 전기 전도성 재료와 소수성 첨가 재료 중 적어도 하나와 조합하는 전극 촉매를 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  60. 제55항에 있어서, 외경이 약 100 미크론 내지 약 10 mm인 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  61. 제55항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 무전해 도금, 전기 화학적 증착, 압출, 증기 증착, 용액 증착으로 이루어지는 군에서 선택된 방법에 의해 내측 다공성 박막 분리기에 부착되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  62. 제55항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 금속 및 전기 전도성 폴리머 재료로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  63. 제55항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 팔라듐으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  64. 제59항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 불소 폴리머로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  65. 제64항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  66. 제58항에 있어서, 상기 제2 전극 촉매 재료 상에 전기 전도성의 수소 또는 산소 선택 투과성 박막을 구비하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  67. 제66항에 있어서, 상기 내측 박막 분리기는 전기 전도성을 갖는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  68. 제67항에 있어서, 전류 집전체 섬유가 없는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  69. 중앙 루멘을 한정하고 내측면에 개질 촉매가 코팅, 주입 또는 압출되며 수소또는 산소 선택 투과성 박막이 그 외측면에 있고, 제1 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유가 그 외측면과 접촉함으로써 내부 구조를 형성하는 것인 내측 다공성 박막 분리기와, 상기 내부 구조를 밀봉하고 제2 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유는 외측 다공성 박막 분리기의 외측면과 접촉하고, 전해질은 외측 다공성 박막 분리기의 구멍 내에 배치되는 외측 다공성 박막 분리기를 구비하는 섬유 마이크로셀 구조체.
  70. 제69항에 있어서, 상기 개질 촉매는 금속 산화물로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  71. 제69항에 있어서, 상기 개질 촉매는 산화 구리, 산화 아연 및 그 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된 금속 산화물로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  72. 제69항에 있어서, 상기 개질 촉매는 CO를 CO2로 전환시키는 데 촉매로서 효과적인 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  73. 제69항에 있어서, 상기 다공성 박막 분리기는 유리, 세라믹 및 폴리머 재료로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  74. 제46항에 따른 섬유 마이크로셀 구조체를 하나 이상 구비하는 전기 화학 장치.
  75. 제55항에 따른 섬유 마이크로셀 구조체를 하나 이상 구비하는 전기 화학 장치.
  76. 제56항에 따른 섬유 마이크로셀 구조체를 하나 이상 구비하는 전기 화학 장치.
  77. 제57항에 따른 섬유 마이크로셀 구조체를 하나 이상 구비하는 전기 화학 장치.
  78. 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법으로서,
    하나 이상의 전기 전도성 섬유 요소를 다공성 박막 분리기로 제한하는 단계와, 상기 다공성 박막 분리기의 내측면에서 제1 전극 촉매층을 코팅, 주입 또는 압출하는 단계와, 전기 전도성의 수소 또는 산소 선택 투과성 박막을 제1 전극 촉매층 상에 형성하는 단계와, 다공성 박막 분리기의 구멍 내에 전해질을 배치하는 단계를 포함하고, 이들 단계는 상기 섬유 마이크로셀 구조체가 상기 하나 이상의 전기 전도성 섬유 요소를 갖는 중앙 루멘과, 루멘을 통해 공급률을 조절하는 간질 용적을 포함하도록 수행되며, 다공성 박막 분리기의 외측면을 전극 촉매 및 하나 이상의 전기 전도성 섬유와 접촉하게 배치하는 단계를 더 포함하는 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  79. 제78항에 있어서, 상기 다공성 박막 분리기의 외측면 상에 제2 전극 촉매층을 코팅, 주입 또는 압출하는 단계를 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  80. 제78항에 있어서, 상기 전극 촉매층은 전기 전도성 재료와 소수성 첨가 재료 중 적어도 하나와 조합하는 전극 촉매를 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  81. 제78항에 있어서, 상기 섬유 마이크로셀 구조체의 외경은 약 100 미크론 내지 약 10 mm인 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  82. 제78항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 무전해 도금, 전기 화학적 증착, 압출, 증기 증착, 용액 증착으로 이루어지는 군에서 선택된 방법에 의해 다공성 박막 분리기에 부착되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  83. 제78항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 금속 및 전기 전도성 폴리머 재료로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의제조 방법.
  84. 제87항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 팔라듐으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  85. 제80항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 불소 폴리머로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  86. 제80항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  87. 파이버 마이크로셀 구조체의 제조 방법으로서,
    중앙 루멘을 한정하는 내측 다공성 박막 분리기를 제공하는 단계와, 그 내측면에 수소 또는 산소 선택 투과성 박막을 코팅, 주입 또는 압출하는 단계와, 제1 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유를 그 외측면과 접촉하게 배치함으로써 내부 구조를 형성하는 단계와, 상기 내부 구조를 외측 다공성 박막 분리기로 밀봉하는 단계와, 제2 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유를 외측 다공성 박막 분리기의 외측면과 접촉하게 배치하는 단계와, 전해질을 외측 다공성 박막 분리기의 구멍 내에 배치하는 단계를 포함하는 섬유 마이크로셀 구조체의 제조방법.
  88. 제87항에 있어서, 상기 수소 또는 산소 선택 투과성 박막은 셀룰로오스 에스테르, 폴리이미드, 폴리설폰 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  89. 제87항에 있어서, 상기 제1 전극 촉매 재료는 내측 다공성 박막 분리기의 외측면에 코팅, 주입 또는 압출되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  90. 제87항에 있어서, 상기 제2 전극 촉매 재료는 외측 다공성 박막 분리기의 외측면에 코팅, 주입 또는 압출되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  91. 제87항에 있어서, 제1 및 제2 전극 촉매층 중 적어도 하나는 전기 전도성 재료와 소수성 첨가 재료 중 적어도 하나와 조합하는 전극 촉매를 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  92. 제87항에 있어서, 상기 섬유 마이크로셀 구조체의 외경은 약 100 미크론 내지 약 10 mm인 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  93. 제87항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 무전해 도금, 전기 화학적 증착,압출, 증기 증착, 용액 증착으로 이루어지는 군에서 선택된 방법에 의해 내부 다공성 박막 분리기에 부착되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  94. 제87항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 금속 및 전기 전도성 폴리머 재료로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  95. 제87항에 있어서, 상기 선택 투과성 박막은 팔라듐으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  96. 제91항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 불소 폴리머로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  97. 제91항에 있어서, 상기 소수성 첨가 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  98. 제90항에 있어서, 상기 제2 전극 촉매 재료 상에 전기 전도성의 수소 또는 산소 선택 투과성 박막을 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  99. 제98항에 있어서, 상기 내측 박막 분리기는 전기 전도성을 갖는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  100. 제99항에 있어서, 전류 집전체 섬유가 없는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  101. 파이버 마이크로셀 구조체의 제조 방법으로서,
    중앙 루멘을 한정하는 내측 다공성 박막 분리기를 제공하는 단계와, 그 내측면에 개질 촉매를 코팅, 주입 또는 압출하는 단계와, 그 외측면에 수소 또는 산소 선택 투과성 박막을 형성하는 단계와, 제1 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유를 그 외측면과 접촉하게 배치함으로써 내부 구조를 형성하는 단계와, 상기 내부 구조를 외측 다공성 박막 분리기로 밀봉하는 단계와, 제2 전극 촉매 재료와 하나 이상의 전기 전도성 섬유를 외측 다공성 박막 분리기의 외측면과 접촉하게 배치하는 단계와, 전해질을 외측 다공성 박막 분리기의 구멍 내에 배치하는 단계를 포함하는 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  102. 제101항에 있어서, 상기 개질 촉매는 금속 산화물로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  103. 제101항에 있어서, 상기 개질 촉매는 산화 구리, 산화 아연 및 그 혼합물로이루어지는 군에서 선택된 금속 산화물로 구성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  104. 제101항에 있어서, 상기 개질 촉매는 CO를 CO2로 전환시키는 데 촉매로서 효과적인 것인 섬유 마이크로셀 구조체의 제조 방법.
  105. 제101항에 있어서, 상기 다공성 박막 분리기는 유리, 세라믹 및 폴리머 재료로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 구조체.
  106. 분배 관계로 배치된 다공성 박막 분리기 내에 하나 이상의 전류 집전체를 구비하는 마이크로셀 전구체의 공급원과,
    상기 공급원으로부터 마이크로셀 전구체를 수용하도록 배치된 액체 접촉 유닛으로서, 분배된 마이크로셀 전구체는 전해질, 전극 촉매, 전극 촉매 환원제 및 소수성 첨가 재료 중 적어도 하나와 접촉되는 것인 액체 접촉 유닛과,
    상기 마이크로셀 전구체를 건조시키기 위해 상기 액체 접촉 유닛으로부터 마이크로셀 전구체를 수용하도록 배치된 선택적인 건조 유닛과,
    마이크로셀 전구체의 액체 접촉과 선택적인 건조 후에 전구체를 수집하는 수집 수단
    을 구비하는 처리 시스템.
  107. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 이온 교환 폴리머 용액과 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  108. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 전극 촉매 용액과 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  109. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 전극 촉매 환원 용액과 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  110. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 백금산 용액을 포함하는 전극 촉매 용액과 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  111. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 수소화보론 나트륨을 포함하는 전극 촉매 환원제와 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  112. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 PTFE 유제를 포함하는 소수성 첨가 재료와 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  113. 제106항에 있어서, 상기 액체 접촉 유닛은 상기 전구체를 전극 촉매, 탄소분말, 이온 교환 폴리머 및 소수성 첨가 재료를 포함하는 잉크 용액과 접촉시키는 액체욕을 구비하는 것인 처리 시스템.
  114. 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법으로서,
    전해질 재료를 마이크로셀 전구체 물품의 구멍 내에 배치하는 단계와,
    상기 마이크로셀 전구체 물품을 건조시키는 단계와,
    용액 또는 잉크 슬러리 형태의 전극 촉매 재료를 상기 전구체에 부착하는 단계와,
    상기 전극 촉매 재료를 촉매 활성 형태로 환원시키는 단계
    를 포함하는 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  115. 제114항에 있어서, 상기 전극 촉매 재료는 잉크 슬러리를 포함하고, 상기 슬러리는 압출에 의해 전구체 물품에 부착되는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  116. 제114항에 있어서, 상기 마이크로셀 전구체 물품은 기체 또는 액체 응고제가 있는 중공의 섬유 압출 몰드의 구멍 성형관을 통해 섬유 전류 집전체의 띠 또는 토우을 통과시켜 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  117. 제114항에 있어서, 상기 마이크로셀 전구체 물품은,
    전류 집전체의 섬유 또는 토우을 마련하는 단계와,
    상기 섬유 또는 토우에 다공성 박막 성형 재료를 부착하는 단계와,
    상기 다공성 박막 성형 재료가 위에 있는 섬유 또는 토우을 처리하여 그 내부에 다수의 구멍을 형성하는 단계
    에 의해 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  118. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막 성형 재료는 한외여과(ultrafiltration), 마이크로여과 및 역삼투로 이루어지는 군에서 선택된 용례에 적합한 범위의 다공성을 갖는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  119. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막 성형 재료는 폴리머 재료, 유리, 세라믹 및 그 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 형성되는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  120. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막 성형 재료는 습식 스피닝(spinning)과 용융 스피닝으로 이루어지는 군에서 선택된 방법에 의해 부착되는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  121. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막 성형 재료는 제거시 침출시킴으로써 다공성 박막의 다수의 구멍을 구성하는 공백(voids)을 만드는 침출 가능한 성분과 백본(backbone) 성분이 있는 도프(dope)를 포함하는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  122. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막 성형 재료는 도프를 포함하고, 도포되는 도프의 내측면 및 외측면 중 적어도 하나에서 도프에 응고제가 도포되는 것인 섬유 마이크로셀 물품의 제조 방법.
  123. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막형성 재료는 용융 스피닝(melt-spinning)에 의해 도포되고, 그 용융 스피닝 재료가 도포된 파이버 또는 토우(tow)는 퀸치 매체와 접촉되는 것인 공정.
  124. 제122항에 있어서, 전극 촉매 잉크 페이스트가 상기 내부면 상의 응고제와 동시 압출되는 것인 공정.
  125. 제117항에 있어서, 상기 다공성 박막 분리기를 펌실렉티브(perm-selective) 박막 재료와 이온 교환 폴리머 중 하나로 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  126. 제117항에 있어서, 서로 정렬된 선구체 물품과 쉘 앤드 튜브(shell-and-tube) 정합체를 형성하기 위해 포팅(potting) 및 밀봉되는 선구체 물품을 복수 개 포함하는 마이크로셀 모듈을 제작하는 것과, 상기 쉘 앤드 튜브 정합체의 쉘측과튜브측 중 적어도 하나를 통해 전극 촉매 용액, 전극 촉매 잉크 또는 환원제가 흐르게 하는 것을 더 포함하는 것인 공정.
  127. 제117항에 있어서, 서로 정렬된 선구체 물품과 쉘 앤드 튜브 정합체를 형성하기 위해 포팅 및 밀봉되는 선구체 물품을 복수 개 포함하는 마이크로셀 모듈을 제작하는 것을 더 포함하고, 상기 쉘 앤드 튜브 정합체의 쉘측과 튜브측 중 적어도 하나에 전극 촉매 재료가 원위치에서 도포되는 것인 공정.
  128. 제127항에 있어서, 상기 전극 촉매 재료는 무전해 도금, 전기화학적 증착, 압출, 증기 증착, 용액 증착으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 상기 쉘 앤드 튜브 정합체에 도포되는 것인 공정.
  129. 제117항에 있어서, 상기 박막 분리기는 반투과성 박막 및 이온 교환박막으로 이루어진 군으로부터 선택된 박막을 포함하는 것인 공정.
  130. 전기화학적 셀 모듈로서,
    내부 전극을 각각 포함하며 조립체를 이루고 있는 다수의 마이크로셀과,
    상기 내부 전극과 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극을 포함하고,
    상기 마이크로셀 조립체는 냉매가 중앙 루멘을 통해 흐르도록 구성된 복수 개의 중공관 열교환 요소를 포함하고, 이들 중공관 열교환 요소는 상기 전기화학적 셀 모듈의 작동시 전기화학적 반응 중에 상기 마이크로셀 조립체로부터 열을 제거하도록 상기 마이크로셀 조립체 내에 분포되어 있으며,
    상기 냉매의 공급원과,
    상기 냉매의 공급원과 상기 중공관 열교환 요소를 서로 연결하는 흐름 회로
    를 포함하는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  131. 제130항에 있어서, 상기 냉매는 액체 냉각제인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  132. 제130항에 있어서, 상기 냉매는 기체인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  133. 제130항에 있어서, 상기 흐름 회로는 상기 마이크로셀 조립체의 양단에 각각 위치하는 매니폴드를 포함하고, 상기 중공관 열교환 요소는 그 양단부에서 상응하는 매니폴드와 흐름 연통 상태로 연결되어 있으며, 상기 마이크로셀 내의 전기화학적 반응에 의해 상기 마이크로셀 조립체에서 발생하는 열을 제거하기 위해, 상기 냉매가 상기 전기화학적 셀 모듈 내의 중공관 열교환 요소를 통해 흐르게 하는 펌프가 상기 흐름 회로에 결합되어 있는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  134. 제130항에 있어서, 상기 마이크로셀 조립체는 하우징 내에 장착되어 그 하우징의 축선을 따라 배향되고, 제1 단부가 제1 포팅 부재 내에 포팅되어 있으며, 그 제1 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 개방단이 노출되어 유체가 그 개방단을 통해 흐르고, 상기 제1 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시키며, 전류 집전체가 상기 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되고, 상기 중공관 열교환 요소는 또한 상기 제1 포팅 부재와 간격을 두고 제2 포팅 부재 내에 포팅되어 있어, 상기 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재 사이에 하우징의 폐쇄 용적을 형성하며, 하우징 유입구가 상기 폐쇄 용적과 연통하여 그 폐쇄 용적 내로 공급물을 도입하고, 상기 마이크로셀 파이버의 보어측 상에서 상기 마이크로셀 조립체를 통해 흐름이 일어나게 하며, 상기 제2 포팅 부재는 상기 하우징과 함께 폐쇄 단부 용적을 형성하고, 상기 중공관 열교환 요소는 상기 제2 포팅 부재를 통해 연장되어 상기 열교환 요소의 개방단에서 상기 폐쇄 단부 용적 내로 종결되며, 냉매 유입구가 상기 폐쇄 단부 용적과 연통하여 냉매를 상기 폐쇄 단부 용적 내로 도입시켜 냉매가 상기 마이크로셀 조립체 내의 중공관 열교환 요소를 통해 축방향으로 흐르며,
    상기 마이크로셀 조립체의 제2 단부는 제1 대향 포팅 부재 내에 포팅되어 있고, 그 제1 대향 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 대향 개방단이 노출되어 유체가 그 대향 개방단을 통해 흐르며, 상기 제1 대향 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시키고, 전류 집전체가 상기 제1 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되며, 상기 중공관 열교환 요소는 또한 상기 제1 대향 포팅 부재와 간격을 두고 제2 대향 포팅 부재 내에 포팅되어 상기 제1 대향 포팅부재와 제2 대향 포팅 부재 사이에 상기 하우징의 폐쇄 대향 용적이 형성되고, 하우징 유출구가 상기 폐쇄 대향 용적과 연통하여 고갈된 연료를 상기 폐쇄 대향 용적으로부터 배출하며, 상기 제2 대향 포팅 부재는 상기 하우징과 함께 폐쇄 대향 단부 용적을 형성하고, 상기 중공관 열교환 요소는 상기 제2 대향 포팅 부재를 통해 연장되어 상기 중공관 열교환 요소의 개방단에서 상기 폐쇄 대향 단부 용적 내로 종결되며, 냉매 유출구가 상기 폐쇄 대향 단부 용적과 연통하여 냉매를 상기 폐쇄 대향 단부 용적으로부터 배출시켜 상기 마이크로셀 조립체로부터 전기화학적 반응열을 제거하고,
    상기 전류 집전체는 그 단부에서 서로 직결 또는 병렬로 연결되어, 누설 없는 긴밀한 상태로 상기 하우징으로부터 연장되는 단자를 형성하며,
    공급관이 상기 마이크로셀 조립체 내의 마이크로셀의 쉘측과 누설 없이 긴밀하게 공급물 연통 상태로 연결되는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  135. 제133항에 있어서, 상기 공급관은 상기 제1 포팅 부재 및 제2 포팅 부재를 통해 상기 하우징 내로 축방향으로 연장되는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  136. 제133항에 있어서, 상기 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 전류 집전체는 보어측 전류 집전체 또는 쉘측 전류 집전체이고, 상기 제1 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 전류 집전체는, 상기 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 전류 집전체와 반대쪽인 쉘측 전류 집전체 또는 보어측 전류 집전체인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  137. 제133항에 있어서, 각 전류 집전체는 그 양단에서 (a) 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재 사이의 상응하는 폐쇄 용적 내로 종결되고 상기 중공관 열교환 요소와 상이한 것이거나, (b) 단부 용적 내로 종결되고 상기 중공관 열교환 소자와 동일한 것이며,
    각 전류 집전체는 그 양단에서 다른 전류 집전체의 단부와 직렬 또는 병렬로 연결되어, 누설 없는 긴밀한 상태로 상기 하우징으로부터 연장되는 단자를 형성하는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  138. 제133항에 있어서, (ⅰ) 상기 하우징 내의 마이크로셀 조립체와 연통하여, 산화제가 상기 마이크로셀 조립체 내의 마이크로셀 파이버의 쉘측과 보어측 중 하나 상에서, 공급물을 받고 있는 측과는 반대 방향으로 흐르게 하는 산화제 유입구와, (ⅱ) 상기 하우징 내의 마이크로셀 조립체와 연통하여 소비된 산화제가 하우징으로부터 흘러나오게 하는 소비된 산화제 유출구를 더 포함하는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  139. 제133항에 있어서, 상기 전기화학적 셀 모듈의 내부 공간 및 구성품에 접근하기 위해 상기 하우징은 그것의 분리 가능한 부분의 제거를 가능하게 하는 분리 가능한 조립체를 포함하는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  140. 제133항에 있어서, 상기 열교환 요소는 횡단면 직경이 대략 100㎛ 내지 대략 10cm인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  141. 제133항에 있어서, 상기 열교환 요소 및 전류 집전체는 분리된 별도의 요소인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  142. 전기화학적 셀 모듈로서,
    내부 전극을 각각 포함하며 조립체를 이루고 있는 다수의 마이크로셀과,
    상기 내부 전극과 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극을 포함하고,
    상기 마이크로셀 조립체는 하우징 내에 장착되어 그 하우징의 축선을 따라 배향되고, 제1 단부가 제1 포팅 부재 내에 포팅되어 있으며, 그 제1 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 개방단이 노출되어 유체가 그 개방단을 통해 흐르고, 상기 제1 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시키며, 열교환 요소를 구성하는 전류 집전체가 상기 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되고, 상기 제1 포팅 부재와 간격을 두고 제2 포팅 부재 내에 포팅되어 있어, 상기 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재 사이에 상기 하우징의 폐쇄 용적을 형성하며, 하우징 유입구가 상기 폐쇄 용적과 연통하여 그 폐쇄 용적 내로 공급물을 도입하고, 상기 마이크로셀 파이버의 보어측 상에서 상기 마이크로셀 조립체를 통해 흐름이 일어나게 하며, 상기 제2 포팅 부재는 상기 하우징과 함께 폐쇄 단부 용적을 형성하고, 열교환 요소를 구성하는 상기 전류 집전체는 상기 제2 포팅 부재를 통해 연장되어 상기 열교환 요소의 개방단에서 상기 폐쇄 단부 용적 내로 종결되며, 냉매 유입구가 상기 폐쇄 단부 용적과 연통하여 냉매를 상기 폐쇄 단부 용적 내로 도입시켜 열교환 요소를 구성하는 상기 전류 집전체를 통해 흐르게 함으로써 상기 마이크로셀 조립체로부터의 전기화학적 반응열을 제거하고,
    상기 마이크로셀 조립체의 제2 단부는 대향 포팅 부재 내에 포팅되어 있고, 그 대향 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 대향 개방단이 노출되어 유체가 그 대향 개방단을 통해 흐르며, 상기 대향 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시키고, 대향 전류 집전체가 상기 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되며, 열교환 요소를 구성하는 전류 집전체는 상기 대향 포팅 부재에서 종결되고, 하우징 유출구가 상기 폐쇄 용적과 연통하여 고갈된 연료와 냉매를 상기 폐쇄 용적으로부터 배출하고 상기 마이크로셀 조립체로부터 전기화학적 반응열을 제거하며,
    상기 전류 집전체는 그 단부에서 서로 직결 또는 병렬로 연결되어, 누설 없는 긴밀한 상태로 상기 하우징으로부터 연장되는 단자를 형성하는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  143. 전기화학적 셀 모듈로서,
    내부 전극을 각각 포함하며 조립체를 이루고 있는 다수의 마이크로셀과,
    상기 내부 전극과 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극을 포함하고,
    상기 마이크로셀 조립체는 하우징 내에 장착되어 그 하우징의 축선을 따라 배향되고, 제1 단부가 포팅 부재 내에 포팅되어 있으며, 그 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 개방단이 노출되어 유체가 그 개방단을 통해 흐르고, 상기 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시켜 폐쇄 단부 용적을 형성하며, 열교환 요소를 구성하는 전류 집전체가 상기 포팅 부재의 축방향을 따라 상기 폐쇄 단부 용적 내로 연장되어 상기 하우징 내의 적어도 하나의 열교환 통로와 연결되고, 적어도 하나의 상기 열교환 통로는 냉매가 그것을 통해 흐르도록 구성되며, 하우징 유입구가 상기 폐쇄 단부 용적과 연통하여 그 폐쇄 단부 용적 내로 공급물을 도입하고, 상기 마이크로셀 파이버의 보어측 상에서 상기 마이크로셀 조립체를 통해 흐르게 하며,
    상기 마이크로셀 조립체의 제2 단부는 대향 포팅 부재 내에 포팅되어 있고, 그 대향 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 대향 개방단이 노출되어 유체가 그 대향 개방단을 통해 흐르며, 상기 대향 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시켜, 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리하는 폐쇄 단부 용적을 형성하고, 열교환 요소를 구성하는 전류 집전체가 상기 대향 포팅 부재의 축방향을 따라 상기 폐쇄 단부 용적 내로 연장되어 상기 하우징 내의 적어도 하나의 제2 열교환 통로와 연결되며, 이 적어도 하나의 제2 열교환 통로는 냉매가 그것을 통해 흐르도록 구성되고, 하우징 유출구가 상기 폐쇄 단부 용적과 연통하여 고갈된 연료를 상기 폐쇄 단부 용적으로부터 배출하며,
    상기 전류 집전체는 그 단부에서 서로 직결 또는 병렬로 연결되어, 누설 없는 긴밀한 상태로 상기 하우징으로부터 연장되는 단자를 형성하는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  144. 제142항에 있어서, 상기 제1 열교환 통로와 제2 열교환 통로는 서로 연결되어 있는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  145. 제142항에 있어서, 상기 마이크로셀 조립체는 다수의 컴포넌트 마이크로셀 서브번들(component microcell sub-bundle)을 포함하며, 이들 서브번들은 상기 어레이 내에서 서로 직렬로 연결되어 있는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  146. 제130항에 있어서, 상기 중공관 열교환 요소는 서브번들간 열교환 요소로서 마이크로셀 서브번들 사이에 분포되어 있는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  147. 전기화학적 셀 모듈로서,
    내부 전극 활성 재료를 각각 포함하며 조립체를 이루고 있는 다수의 마이크로셀과,
    상기 내부 전극 활성 요소와 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극 활성 요소를 포함하고,
    상기 내부 전극 활성 요소와 외부 전극 활성 요소는 적어도 하나의 전극, 전류 집전체 및 전극 촉매 성분을 각각 포함하며, 상기 마이크로셀 조립체는 그 조립체의 단부까지 그 조립체의 외부에서 연장되는 전극 또는 전류 집전체 성분을 포함하고,
    상기 마이크로셀 조립체는 냉각제 저장 용기를 포함하는 하우징 내에 수용되어 있으며,
    상기 냉각제 저장 용기 내에는 냉각제가 위치하고,
    상기 전극 또는 전류 집전체 요소의 단부는 상기 냉각제와 고체 열전도 관계로 연결되어, 상기 마이크로셀 조립체로부터 상기 전극 또는 전류 집전체 요소를 통해 냉각제로 고체 전도 열전달이 이루어질 수 있게 함으로써, 상기 전기화학적 셀 모듈의 작동 중에 상기 마이크로셀 내의 전기화학적 반응으로 발생하는 열이 제거되는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  148. 제142항에 있어서, 상기 열교환 요소는 금속, 내식성 재료로 코팅된 금속, 흑연 및 폴리머 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성 재료로 형성되는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  149. 제142항에 있어서, 상기 마이크로셀은 크기가 대략 100㎛ 내지 대략 10mm인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  150. 제142항에 있어서, 상기 마이크로셀은 크기가 대략 100㎛ 내지 대략 10mm인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  151. 제142항에 있어서, 상기 냉매는 기체 또는 액체인 것인 전기화학적 셀 모듈.
  152. 제142항에 있어서, 상기 포팅 부재는 에폭시, 폴리우레탄, 비스말레이미드, 고무 및 탄성 중합체 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성 재료로 형성되는 것인 전기화학적 셀 모듈.
  153. 마이크로셀의 조립체를 포함하는 마이크로셀 모듈로서, 각 마이크로셀은
    내부 전극 활성 재료와,
    상기 내부 전극 활성 요소와 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극 활성 요소를 포함하고,
    상기 내부 전극 활성 요소와 외부 전극 활성 요소는 적어도 하나의 전극, 전류 집전체 및 전극 촉매 성분을 각각 포함하며, 상기 마이크로셀은 가늘고 긴 전극 또는 전류 집전체를 포함하고,
    각 마이크로셀은 또한,
    (a) 상기 마이크로셀의 조립체를 통해 연장되며, 전류 집전체를 구성하지 않는 중공관 열교환 요소와,
    (b) 상기 마이크로셀의 조립체를 통해 연장되며, 전류 집전체를 구성하는 중공관 열교환 요소와,
    (c) 상기 마이크로셀의 조립체로부터 연장되며 냉매와 열교환 관계로 연결된 고체 전류 집전체
    로 이루어진 군으로부터 선택되는, 상기 조립체로부터 열을 추출하기 위한 수단을 포함하는 것인 마이크로셀 모듈.
  154. (A) 내부 전극을 각각 포함하며 조립체를 이루고 있는 다수의 마이크로셀과,
    상기 내부 전극과 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극를 포함하며,
    상기 마이크로셀 조립체는 냉매가 중앙 루멘을 통해 흐르도록 구성된 복수 개의 중공관 열교환 요소를 포함하고, 이들 중공관 열교환 요소는 전기화학적 셀 모듈의 작동시 전기화학적 반응 중에 상기 마이크로셀 조립체로부터 열을 제거하도록 상기 마이크로셀 조립체 내에 분포되어 있으며,
    상기 냉매의 공급원과,
    상기 냉매의 공급원과 상기 중공관 열교환 요소를 서로 연결하는 흐름 회로를 포함하는
    전기화학적 셀 모듈을 마련하는 단계와,
    (B) 상기 조립체 내의 마이크로셀의 쉘측과 보어측 중 하나로 상기 전기화학적 셀 모듈에 연료를 공급하는 단계와,
    (C) 상기 조립체 내의 마이크로셀의 쉘측과 보어측 중 연료를 공급받는 것의 반대쪽으로 상기 전기화학적 셀 모듈에 산화제를 동시에 공급함으로써 전기화학적 반응을 일으켜 전기적 에너지와 열을 발생시키는 단계와,
    (D) 상기 전기화학적 셀 모듈로부터 고갈된 공급물을 배출하는 단계와,
    (E) 냉매가 그 공급원으로부터 상기 흐름 회로와 중공관 열교환 요소를 통해 흐르게 하여 상기 전기화학적 셀 모듈로부터 열을 제거하는 단계와,
    (F) 상기 전기화학적 셀 모듈로부터 냉매를 제거하는 단계
    를 포함하는 전기화학적 에너지 발생 공정.
  155. 제154항에 있어서,
    (G) 배출된 냉매가 열교환기를 통해 흐르게 해서 감지 가능한 열을 제거하여 냉매의 온도를 낮추는 단계와,
    (H) 온도가 낮아진 냉매를 상기 전기화학적 셀 모듈로 재순환시켜 상기 중공관 열교환 요소를 통해 흐르게 하는 단계
    를 더 포함하는 것인 전기화학적 에너지 발생 공정.
  156. 제154항에 있어서, 상기 냉매는 물을 포함하는 것인 전기화학적 에너지 발생 공정.
  157. 제154항에 있어서, 상기 냉매는 수성 글리콜 용액을 포함하는 것인 전기화학적 에너지 발생 공정.
  158. 제154항에 있어서, 쉘측과 튜브측 중 적어도 하나는 초대기압 상태에 있는 것인 전기화학적 에너지 발생 공정.
  159. 내부 전극을 각각 포함하며 조립체를 이루고 있는 다수의 마이크로셀과,
    상기 내부 전극과 접촉하는 세공성 박막 분리기와,
    상기 세공성 박막 분리기의 세공 내에 위치하는 전해질과,
    외부 전극를 포함하는 전기화학적 셀 모듈의 열 관리 방법으로서,
    냉매가 중앙 루멘을 통해 흐르도록 구성된 복수 개의 중공 파이버 열교환 요소를 상기 마이크로셀 조립체 내에 배치하고, 상기 중공 파이버 열교환 요소가 상기 모듈의 작동시 전기화학적 반응 중에 상기 조립체로부터 열을 제거하도록 상기 중공 파이버 열교환 요소를 상기 조립체 내에 분포시키는 단계와,
    상기 마이크로셀 조립체 내에서의 전기화학적 반응 중에 상기 중공 파이버 열교환 요소를 통해 냉매가 흐르게 하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  160. 제159항에 있어서, 상기 냉매는 액체 냉매인 것인 방법.
  161. 제159항에 있어서, 상기 냉매는 기체인 것인 방법.
  162. 제159항에 있어서, 상기 마이크로셀 조립체는 하우징 내에 장착되어 그 하우징의 축선을 따라 배향되고, 제1 단부가 제1 포팅 부재 내에 포팅되어 있으며, 그 제1 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 파이버의 개방단이 노출되어 유체가 그 개방단을 통해 흐르고, 상기 제1 포팅 부재는 상기 마이크로셀 파이버의 쉘측을 보어측으로부터 격리시키며, 전류 집전체가 상기 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되고, 제2 포팅 부재는 그 제1 포팅 부재와 이격된 관계이며, 상기 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재 사이에 하우징의 폐쇄 용적을 형성하고, 하우징 유입구가 상기 폐쇄 용적과 연통하여 그 폐쇄 용적 내로 공급물을 도입하고, 상기 마이크로셀 파이버의 보어측 상에서 상기 마이크로셀 조립체를 통해 흐름이 일어나게 하며, 상기 제2 포팅 부재는 상기 하우징과 함께 폐쇄 단부 용적을 형성하고, 상기 열교환 요소는 상기 제2 포팅 부재를 통해 연장되어 상기 열교환 요소의 개방단에서 상기 폐쇄 단부 용적 내로 종결되며, 냉매 유입구가 상기 폐쇄 단부 용적과 연통하여 냉매를 상기 폐쇄 단부 용적 내로 도입시켜 냉매가 상기 마이크로셀 조립체 내의 열교환 요소를 통해 축방향으로 흐르며,
    상기 마이크로셀 조립체의 제2 단부는 제1 대향 포팅 부재 내에 포팅되어 있고, 그 제1 대향 포팅 부재를 통해 상기 마이크로셀 소자의 대향 개방단이 노출되어 유체가 그 대향 개방단을 통해 흐르며, 상기 제1 대향 포팅 부재는 상기 마이크로셀 소자의 쉘측을 보어측으로부터 격리시키고, 전류 집전체가 상기 제1 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되고 제2 대향 포팅 부재는 그 제1 대향 포팅 부재와 이격되는 관계이며, 상기 제1 대향 포팅 부재와 제2 대향 포팅 부재 사이에 상기 하우징의 폐쇄 대향 용적이 형성되고, 하우징 유출구가 상기 폐쇄 용적과 연통하여 고갈된 연료를 상기 폐쇄 용적으로부터 배출하며, 상기 제2 대향 포팅 부재는 상기 하우징과 함께 폐쇄 대향 단부 용적을 형성하고, 상기 열교환 요소는 상기 제2 대향 포팅 부재를 통해 연장되어 상기 열교환 요소의 개방단에서 상기 폐쇄 대향 단부 용적 내로 종결되며, 냉매 유출구가 상기 폐쇄 대향 단부 용적과 연통하여 냉매를 상기 폐쇄 대향 단부 용적으로부터 배출시켜 상기 마이크로셀 조립체로부터 전기화학적 반응열을 제거하고,
    상기 전류 집전체는 그 단부에서 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어, 누설 없는 긴밀한 상태로 상기 하우징으로부터 연장되는 단자를 형성하며,
    공급관이 상기 마이크로셀 조립체 내의 마이크로셀의 쉘측과 누설 없는 긴밀한 상태 및 공급물 연통 상태로 연결되는 것인 방법.
  163. 제162항에 있어서, 상기 공급 튜브는 축방향으로 하우징 내로, 제1 포팅 부재 및 제2 포팅 부재를 통하여 연장되는 것인 방법.
  164. 제162항에 있어서, 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 전류 집전체는 보어측 전류 집전체 또는 쉘측 전류 집전체이고, 제1 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 전류 집전체는 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 전류 집전체의 것에 대향하는 쉘측 전류 집전체 또는 보어측 전류 집전체인 것인 방법.
  165. 제162항에 있어서, 상기 각각의 전류 집전체는 그 외측 단부가 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재 사이의 상응하는 폐쇄 용적에서 종결되고, 상기 외측 단부에서 직렬 또는 병렬로 다른 전류 집전체의 단부에 연결되어, 하우징의 외측으로 누설을 방지하게 연장되는 단자을 형성하는 것인 방법.
  166. 제162항에 있어서, (i) 측면 수용 공급부에 대향하게, 조립체 내의 마이크로셀 요소의 쉘측 및 보어측 중 하나에서 산화제가 흐를 수 있게 하우징 내의 조립체와 연통하는 산화제 입구와, (ⅱ) 소비된 산화제가 하우징의 외측으로 흐를 수 있게 하우징 내의 조립체와 연통하는 소비된 산화제 출구를 더 포함하는 것인 방법.
  167. 제162항에 있어서, 내부 용적과 모듈의 구성 요소에 접근할 수 있게 분리 가능한 부분의 제거를 허용하는 분리 가능한 조립체로서 하우징을 제조하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  168. 제162항에 있어서, 상기 열교환 요소는 조립체용 전류 집전체를 포함하는 것인 방법.
  169. 제162항에 있어서, 상기 열교환 요소의 횡단면 직경은 약 100 마이크론 내지 약 10 센티미터인 것인 방법.
  170. 제162항에 있어서, 상기 열교환 요소와 전류 집전체는 분리된 별개의 요소인 것인 방법.
  171. 전기 화학 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    상기 마이크로셀 요소로부터 외측으로 연장되는 내부 및 외부 전류 집전체를 포함하는 조립체 내에 복수의 파이버 마이크로셀 요소를 구비하는 전기 화학 셀 모듈을 제조하는 단계와,
    전기 화학 에너지를 발생시키도록 상기 전기 화학 셀 모듈을 작동시키는 작동 단계와,
    상기 작동 단계 중에 상기 내부 및 외부 전류 집전체 중 적어도 하나로부터 열을 추출하여, 상기 전기 화학 셀 모듈로부터 전기 화학 반응으로 인한 열을 제거하는 단계
    를 포함하는 방법.
  172. 제171항에 있어서, 전류 집전체가 하나 이상의 열교환 통로에 결합되어 있으며, 냉각 매체를 상기 열교환 통로를 통하여 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.
  173. 제171항에 있어서, 상기 조립체는 직렬 배치식 마이크로셀을 포함하는 것인 방법.
  174. 전기 화학 셀 모듈에서 전기 화학 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    상기 전기 화학 셀 모듈은 조립체 내에서 복수의 마이크로셀로 구성되고, 각각의 마이크로셀은 내부 전극 활성 요소와, 이 내부 전극 활성 요소에 접촉하는 미세 다공질 박막 분리기와, 미세 다공질 박막 분리기의 구멍 내의 전해질과, 외부 전극 활성 요소를 구비하며, 상기 각각의 내부 및 외부 전극 활성 요소는 전극, 전류 집전체 및 전극 촉매 요소 중 하나 이상을 구비하고, 상기 조립체는 조립체의 외측으로 그것의 단부로 연장되는 전극 또는 전류 집전체 부품을 구비하며,
    상기 방법은
    상기 전극 또는 전류 집전체 부품의 단부가 저장조에 배치되는 상태로 있게 냉각제 저장조를 포함하는 하우징에 조립체를 장착하는 장착 단계와,
    냉각제에 전극 또는 전류 집전체 요소의 단부를 침지하도록 냉각제 저장조의 냉각제를 공급하여, 마이크로셀의 상기 조립체로부터 상기 전극 또는 전류 집전체 요소를 통하여 냉각제로 고체 열 전도 전달할 수 있으며, 이에 의하여 모듈의 작동 중에 상기 마이크로셀 내에서의 전기 화학 반응에 의해 발생된 열을 제거하는 단계
    를 포함하는 방법.
  175. 마이크로셀의 조립체를 포함하는 마이크로셀 모듈의 열 관리 방법으로서,
    상기 마이크로셀은 내부 전극 활성 요소와, 이 내부 전극 활성 요소에 접촉하는 미세 다공질 박막 분리기와, 미세 다공질 박막 분리기의 구멍 내의 전해질과, 외부 전극 활성 요소를 구비하며, 각각의 내부 및 외부 전극 활성 요소는 전극, 전류 집전체 및 전극 촉매 요소 중 하나 이상을 구비하고, 상기 마이크로셀은 긴 전극 또는 전류 집전체를 구비하며,
    상기 방법은
    (d) 마이크로셀의 조립체를 통하여 연장되며, 전류 집전체를 구성하지 않는 것인 중공의 관형 열교환 요소와, (e) 마이크로셀의 조립체를 통하여 연장되며, 전류 집전체를 구성하는 것인 중공의 관형 열교환 요소
    로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 수단을 사용함으로써 조립체로부터 열을 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 전류 집전체는 마이크로셀의 조립체로부터 연장되고 냉각 매체와 열교환 관계로 결합되는 것인 방법.
  176. 조립체의 각각의 단부에 포팅되고 하우징 내에 배치되어 있는 복수의 마이크로셀을 구비한 조립체에 분배되어 있는 투수성(透水性) 박막의 중공 파이버를 포함하는 전기 화학 장치로서, 포팅된 각 단부가 그들 사이의 내부 용적에 구속되어 있고, 중공 파이버는 조립체의 마이크로셀과 병렬로 정렬되어 있고, 각각의 중공 파이버는 내부 용적 외측의 튜브 시트를 통하여 연장되는 제1 개방 단부와, 대향 포팅 부재에서 또는 그 전에 종결되는 타단부를 구비하고, 이로써 중공 파이버는, 위킹(wicking) 작용과, 중공 파이버의 벽을 통한 투과와 중공 파이버의 보어를 통한 물의 흐름에 의하여 물을 전기 화학 반응 장소로부터 멀어지게 내부 용적 외측의 하우징에 있는 수집 장소로 안내함으로써 전기 화학 반응에서 발생된 물을 흡수하도록 배치되어 있는 것인 전기 화학 장치.
  177. 제176항에 있어서, 하우징은 마이크로셀 요소와 중공 파이버가 수직으로 배열되도록 정향되어 있어서, 하우징 내의 수집 장소는 하우징의 하단에 있고, 중공 파이버의 보어에 있는 물이 중력 작용에 의해 수집 장소로 하향으로 흐르는 것인 전기 화학 장치.
  178. 제176항에 있어서, 각각의 중공 파이버는 그 외면이 친수성의 첨가제로 코팅되어 있는 것인 전기 화학 장치.
  179. 제176항에 있어서, 각각의 중공 파이버는 중합체 물질, 유리 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 형성되는 것인 전기 화학 장치.
  180. 제176항에 있어서, 중공 파이버는 한외여과, 마이크로여과 및 역삼투로 이루어지는 군으로부터 선택된 용례에 적합한 범위의 다공성을 갖는 것인 전기 화학 장치.
  181. 제176항에 있어서, 중공 파이버의 외경은 약 100 마이크로미터 내지 약 10 밀리미터 범위 내에 있는 것인 전기 화학 장치.
  182. 제176항에 있어서, 각 중공 파이버는 친수성 물질로 형성되는 것인 전기 화학 장치.
  183. 전기 화학 셀 모듈로서,
    복수 부품의 마이크로셀 서브 번들을 포함하는 조립체 내의 복수의 마이크로셀로서, 각 마이크로셀은 내부 전극과, 이 내부 전극에 접촉하는 미세 다공질 박막 분리기와, 미세 다공질 박막 분리기의 구멍 내의 전해질과, 외부 전극을 구비하며,
    마이크로셀 조립체는 중앙의 루멘을 통하여 수용성 냉각 매체가 흐르게 하도록 배치되어 있는 복수의 중공 파이버 열교환 요소를 구비하고, 중공 파이버 열교환 요소는 모듈 작동 시의 전기 화학 반응 중에 조립체로부터 열을 제거하도록 상기 조립체에 분배되어 있으며,
    상기 수용성 냉각 매체의 공급원과,
    상기 수용성 냉각 매체의 공급원과 상기 중공 파이버 열교환 요소를 상호 연결하는 흐름 회로
    를 포함하며,
    상기 중공 파이버 열교환 요소는 투수성의 다공질 박막 분리기를 구비하여, 수용성 냉각 매체로부터 야기되는 물이 보어로부터 박막 분리기의 벽을 통하여 공급 스트림(feed stream)으로 침투하여, 전기 화학 반응 환경을 축축하게 하는 것인 전기 화학 셀 모듈.
  184. 제183항에 있어서, 조립체가 하우징에 장착되어 있고 하우징의 축을 따라 정향되어 있으며,
    제1 단부가 제1 포팅 부재에 포팅되어 있고, 이 단부를 통하여 마이크로셀 파이버의 개방 단부가 그 단부를 통한 유체 흐름에 대해 노출되어 있으며, 제1 포팅 부재가 마이크로 파이버의 셀측을 그 파이버의 보어측으로부터 격리시키고, 전류 집전체가 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되며, 상기 열교환 요소가 상기 제1 포팅 부재에 대해 간격을 두고 있는 관계로 제2 포팅 부재에 더 포팅되어 있어서, 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재의 사이에 하우징의 페쇄 용적을 형성하고, 하우징의 입구는, 폐쇄 용적 내로 공급부를 도입하고, 마이크로셀 파이버의 보어측 상의 조립체를 통하여 흐르게 하도록 폐쇄 용적과 연통하며, 상기 제2 포팅 부재는 하우징과 함께 폐쇄 단부 용적을 형성하며, 상기 열교환 요소는 제2 포팅 부재를 통하여 연장되고 열교환 요소의 개방 단부에 있는 폐쇄 단부 용적에서 종결되며, 냉각 매체 입구가 폐쇄 단부 용적과 연통하여, 수용성 냉각 매체를 폐쇄 단부 용적 내로 도입하고, 냉각제가 조립체 내의 열교환 요소를 통하여 축방향으로 흐르게 하며,
    조립체의 제2 단부가 제1 대향 포팅 부재에 포팅되어 있고, 이 단부를 통하여 마이크로셀 파이버의 개방 대향 단부가 그 단부를 통한 유체 흐름에 노출되어 있으며, 제1 대향 포팅 부재가 마이크로셀 파이버의 쉘측을 그것의 보어측으로부터 격리시키고, 전류 집전체가 제1 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되며, 상기 열교환 요소가 제1 대향 포팅 부재에 대해 간격을 두고 있는 관계로 제2 대향 포팅 부재에 더 포팅되어 있어서, 제1 대향 포팅 부재와 제2 대향 포팅 부재의 사이에 하우징의 폐쇄 대향 용적을 형성하고, 하우징 출구는 소비된 연료를 폐쇄 용적으로부터 방출하도록 폐쇄 용적과 연통하며, 상기 제2 대향 포팅 부재는 하우징과 함께 폐쇄 대향 단부 용적을 형성하고, 상기 열교환 요소는 제2 대향 포팅 부재를 통하여 연장되고 열교환 요소의 개방 단부에 있는 폐쇄 대향 단부 용적에서 종결되며, 냉각 매체 출구가 폐쇄 대향 단부 용적과 연통하여, 냉각 매체를 폐쇄 대향 단부 용적으로부터 방출하고, 조립체로부터 전기 화학 반응의 열을 제거하며,
    상기 전류 집전체는 그들 단부에서 서로 직렬 또는 병렬로 접합되어 하우징의 외측으로 누설을 방지하게 연장되는 단자을 형성하고,
    상기 조립체 내의 마이크로셀의 셀측과 공급 연통하도록 누설 방지식으로 접합된 공급 튜브를 더 포함하는 전기 화학 셀 모듈.
  185. 제183항에 있어서, 각각의 중공 파이버 열교환 요소는 선택적 투수성의 시약을 포함한 물질로 형성되는 것인 전기 화학 셀 모듈.
  186. 제183항에 있어서, 선택적 투수성의 시약은 이온 교환 플루오로폴리머를 포함하는 것인 전기 화학 셀 모듈.
  187. 제183항에 있어서, 중공 파이버는 한외여과, 마이크로여과 및 역삼투로 이루어지는 군으로부터 선택된 용례에 적합한 범위의 다공성을 갖는 것인 전기 화학 장치.
  188. 제183항에 있어서, 중공 파이버의 외경은 약 100 마이크로미터 내지 약 10 밀리미터 범위 내에 있는 것인 전기 화학 장치.
  189. 각 단부에서 포팅되고 하우징 내에 배치되어 있는 복수의 마이크로셀을 포함하는 전기 화학 장치에서의 물 관리 방법으로서, 포팅된 각 단부가 그들 사이의 내부 용적에 구속되어 있으며,
    상기 방법은, 위킹 작용과, 중공 파이버의 벽을 통한 투과와 중공 파이버의 보어를 통한 물의 흐름에 의하여 물을 전기 화학 반응의 장소로부터 멀어지게 내부 용적 외측의 하우징에 있는 수집 장소로 안내함으로써 전기 화학 반응에서 발생된 물을 흡수하도록 중공 파이버를 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  190. 제189항에 있어서, 마이크로셀 요소와 중공 파이버가 수직으로 배열되어 있어서, 하우징 내의 수집 장소가 하우징의 하단에 있고, 중공 파이버의 보어에 있는물이 중력 작용에 의해 수집 장소로 하향으로 흐르는 것인 방법.
  191. 제189항에 있어서, 각각의 중공 파이버는 그 외면이 친수성의 첨가제로 코팅되어 있는 것인 방법.
  192. 제189항에 있어서, 각 중공 파이버는 폴리머 물질, 유리 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 형성되는 것인 방법.
  193. 제189항에 있어서, 중공 파이버는 한외여과, 마이크로여과 및 역삼투로 이루어지는 군으로부터 선택된 용례에 적합한 범위의 다공성을 갖는 것인 방법.
  194. 제189항에 있어서, 중공 파이버의 외경은 약 100 마이크로미터 내지 약 10 밀리미터 범위 내에 있는 것인 방법.
  195. 제189항에 있어서, 각 중공 파이버는 친수성 물질로 형성되는 것인 방법.
  196. 복수 부품의 마이크로셀 서브 번들을 포함하는 조립체 내의 복수의 마이크로셀을 포함하고, 각 마이크로셀이 내부 전극과, 이 내부 전극에 접촉하는 미세 다공질 박막 분리기와, 미세 다공질 박막 분리기의 구멍 내의 전해질과, 외부 전극을 구비하는 것인 전기 화학 셀 모듈을 제조하는 방법으로서,
    중앙의 루멘을 통하여 수용성 냉각 매체가 흐르게 하도록 배치되어 있는 복수의 중공 파이버 열교환 요소를 구비하는 마이크로셀 조립체를 조립하는 단계를 포함하고, 상기 중공 파이버 열교환 요소는 모듈 작동 시의 전기 화학 반응 중에 조립체로부터 열을 제거하도록 상기 조립체에 분배되어 있으며,
    상기 중공 파이버 열교환 요소는 투수성의 다공질 박막 분리기를 구비하여, 수용성 냉각 매체로부터 야기되는 물이 보어로부터 박막 분리기의 벽을 통하여 공급 스트림(feed stream)으로 침투하여, 전기 화학 반응 환경을 축축하게 하는 것인 방법.
  197. 제196항에 있어서,
    조립체를 하우징에 장착하고, 그 조립체를 하우징의 축을 따라 정향시키는 단계와,
    제1 단부를 제1 포팅 부재에 포팅하는 단계로서, 이 단부를 통하여 마이크로셀 파이버의 개방 단부가 그 단부를 통한 유체 흐름에 대해 노출되어 있으며, 제1 포팅 부재가 마이크로셀 파이버의 셀측을 그 파이버의 보어측으로부터 격리시키고, 전류 집전체가 제1 포팅 부재의 축방향으로 연장되는 것인 단계와,
    상기 열교환 요소를 상기 제1 포팅 부재에 대해 간격을 두고 있는 관계로 제2 포팅 부재에 더 포팅하여, 제1 포팅 부재와 제2 포팅 부재의 사이에 하우징의 페쇄 용적을 형성하는 단계와,
    폐쇄 용적 내로 공급부를 도입하고, 마이크로셀 파이버의 보어측 상의 조립체를 통하여 흐르게 하도록 폐쇄 용적과 연통하게 하우징의 입구를 제공하는 단계로서, 상기 제2 포팅 부재가 하우징과 함께 폐쇄 단부 용적을 형성하는 것인 단계와,
    제2 포팅 부재를 통하여 연장되고 열교환 요소의 개방 단부에 있는 폐쇄 단부 용적에서 종결되게 상기 열교환 요소를 제공하는 단계와,
    폐쇄 단부 용적과 연통하게 냉각 매체 입구를 제공하여, 수용성 냉각 매체를 폐쇄 단부 용적 내로 도입하고, 냉각제가 조립체 내의 열교환 요소를 통하여 축방향으로 흐르게 하는 단계와,
    조립체의 제2 단부를 제1 대향 포팅 부재에 포팅하는 단계로서, 이 단부를 통하여 마이크로셀 파이버의 개방 대향 단부가 그 단부를 통한 유체 흐름에 노출되어 있으며, 제1 대향 포팅 부재가 마이크로셀 파이버의 쉘측을 그것의 보어측으로부터 격리시키고, 전류 집전체가 제1 대향 포팅 부재의 축방향으로 연장되며, 상기 열교환 요소가 제1 대향 포팅 부재에 대해 간격을 두고 있는 관계로 제2 대향 포팅 부재에 더 포팅되어 있어서, 제1 대향 포팅 부재와 제2 대향 포팅 부재의 사이에 하우징의 폐쇄 대향 용적을 형성하고, 하우징 출구가 소비된 연료를 폐쇄 용적으로부터 방출하도록 폐쇄 용적과 연통하며, 상기 제2 대향 포팅 부재가 하우징과 함께 폐쇄 대향 단부 용적을 형성하고, 상기 열교환 요소가 제2 대향 포팅 부재를 통하여 연장되고 열교환 요소의 개방 단부에 있는 폐쇄 대향 단부 용적에서 종결되는 것인 단계와,
    폐쇄 대향 단부 용적과 연통하게 냉각 매체 출구를 제공하여, 냉각 매체를폐쇄 대향 단부 용적으로부터 방출하고, 조립체로부터 전기 화학 반응의 열을 제거하는 단계와,
    상기 전류 집전체를 그들 단부에서 서로 직렬 또는 병렬로 접합시켜 하우징의 외측으로 누설을 방지하게 연장되는 단자을 형성하는 단계와,
    상기 조립체 내의 마이크로셀의 셀측과 공급 연통하도록 누설 방지식으로 공급 튜브를 접합시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  198. 제197항에 있어서, 각각의 중공 파이버 열교환 요소는 선택적 투수성의 시약을 포함한 물질로 형성되는 것인 방법.
  199. 제197항에 있어서, 선택적 투수성의 시약은 이온 교환 플루오로폴리머를 포함하는 것인 방법.
  200. 제197항에 있어서, 중공 파이버는 한외여과, 마이크로여과 및 역삼투로 이루어지는 군으로부터 선택된 용례에 적합한 범위의 다공성을 갖는 것인 방법.
  201. 제197항에 있어서, 상기 중공 파이버의 외경은 약 100 ㎛ 내지 10 ㎜ 인 것인 장치.
  202. 본래 부식되기 쉬운 물질로 형성된 금속 파이버와, 이 금속 파이버 위에 소정의 두께로 마련되어 금속 파이버에 내식성을 부여하는 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅을 포함하는 것인 코팅 파이버.
  203. 제202항에 있어서, 상기 열분해 유기물의 연속 코팅은 비결정성 특징을 갖는 것인 코팅 파이버.
  204. 제202항에 있어서, 상기 열분해 유기물의 연속 코팅은 결정성 특징을 갖는 것인 코팅 파이버.
  205. 제202항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 그 외표면에 미세다공구조를 갖는 것인 코팅 파이버.
  206. 제202항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅의 표면적은 BET 등온 다공도 측정에 의하면 코팅 물질 1g 당 10 ㎡ 이상인 것인 코팅 파이버.
  207. 제202항에 있어서, 직경이 약 50 ㎛ 내지 10 ㎜인 것인 코팅 파이버.
  208. 제202항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 유리질 탄소 물질을 포함하는 것인 코팅 파이버.
  209. 제202항에 있어서, 상기 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅 상에 전극 촉매를 더 포함하는 것인 코팅 파이버.
  210. 파이버 마이크로셀 구조체로서,
    내부 전극과,
    이 내부 전극과 접촉하는 미세다공성 박막 분리기와,
    이 미세다공성 박막 분리기의 미세공에 있는 전해질과,
    외부 전극
    을 포함하고, 내부 전극과 외부 전극 중 하나 이상은 전류 집전체를 구비하며, 이 전류 집전체는 본래 부식되기 쉬운 물질로 형성된 금속 파이버와, 이 금속 파이버 위에 소정의 두께로 마련되어 금속 파이버에 내식성을 부여하는 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅을 포함하는 코팅 파이버를 포함하는 것인 파이버 마이크로셀 구조체.
  211. 제210항의 파이버 마이크로셀 구조체를 복수 개 포함하는 것인 전기화학 셀소자.
  212. 제211항에 있어서, 연료 셀을 구성하는 것인 전기화학 셀 소자.
  213. 제211항에 있어서, 배터리 셀을 구성하는 것인 전기화학 셀 소자.
  214. 부식되기 쉬운 금속으로 형성된 전류 집전체를 포함하는 전기화학 소자로서, 상기 부식되기 쉬운 금속 위에는 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅이 소정의 두께로 마련되어 금속 전류 집전체에 내식성을 부여하는 것인 전기화학 소자.
  215. 제214항에 있어서, 연료 셀을 구성하는 것인 전기화학 소자.
  216. 제214항에 있어서, 배터리 셀을 구성하는 것인 전기화학 소자.
  217. 제214항에 있어서, 상기 전류 집전체는 판 형상을 갖는 것인 전기화학 소자.
  218. 제214항에 있어서, 상기 전류 집전체는 파이버 형상을 갖는 것인 전기화학 소자.
  219. 제214항에 있어서, 상기 전류 집전체는 시트 또는 웹 형태인 것인 전기화학 소자.
  220. 제214항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 비결정성 특징을 갖는 것인 전기화학 소자.
  221. 제214항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 결정성 특징을 갖는 것인 전기화학 소자.
  222. 제214항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 유리질 탄소의 특징을 갖는 것인 전기화학 소자.
  223. 전류 집전체 또는 비결정성 금속 조성물로 코팅된 전극이 마련된 파이버 마이크로셀 소자를 포함하는 것인 연료 셀.
  224. 전류 집전체 또는 수소 저장 능력을 갖는 금속 조성물로 코팅된 전극이 마련된 파이버 마이크로셀 소자를 포함하는 것인 연료 셀.
  225. 마이크로셀 구조체로서,
    내부 전극과,
    이 내부 전극과 접촉하는 미세다공성 박막 분리기와,
    이 미세다공성 박막 분리기의 미세공에 있는 전해질과,
    외부 전극
    을 포함하고, 내부 전극과 외부 전극 중 하나 이상은 탄소질 또는 흑연질 전류 집전체를 구비하며, 이 전류 집전체는, 분해되어 전기적 불연속부를 형성하기쉬운 비탄소질 또는 비흑연질 전류 집전체와 밀접하게 접촉하는 것인 마이크로셀 구조체.
  226. 제225항의 마이크로셀 구조체를 복수 개 포함하는 전기화학 셀.
  227. 본래 부식되기 쉬운 물질로 형성된 금속 파이버를 제공하는 단계와;
    이 금속 파이버에 소정 두께의 유기물 코팅을 도포하여, 금속 파이버에 내식성을 부여하는 열분해 생성물을 제공하는 단계와;
    상기 금속 파이버 상의 유기물을 열분해시켜, 금속 파이버 상에 탄소질 연속 코팅을 형성하는 단계
    를 포함하는 내식성 파이버 제조 방법.
  228. 제227항에 있어서, 상기 열분해 유기물의 연속 코팅은 비결정성 특징을 갖는 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  229. 제227항에 있어서, 상기 열분해 유기물의 연속 코팅은 결정성 특징을 갖는 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  230. 제227항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 그 외표면에 미세다공구조를 갖는 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  231. 제227항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅의 표면적은 BET 등온 다공도 측정에 의하면 코팅 물질 1g 당 10 ㎡ 이상인 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  232. 제227항에 있어서, 상기 코팅된 금속 파이버의 직경이 약 50 ㎛ 내지 10 ㎜인 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  233. 제227항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 유리질 탄소 물질을 포함하는 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  234. 제227항에 있어서, 상기 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅 상에 전극 촉매를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 내식성 파이버 제조 방법.
  235. 내부 전극과, 이 내부 전극과 접촉하는 미세다공성 박막 분리기와, 이 미세다공성 박막 분리기의 미세공에 있는 전해질과, 외부 전극을 포함하는 파이버 마이크로셀 구조체 제조 방법으로서,
    내부 전극과 외부 전극 중 하나 이상은 전류 집전체를 구비하며,
    본래 부식되기 쉬운 물질로 형성된 금속 파이버와, 이 금속 파이버 위에 소정의 두께로 마련되어 금속 파이버에 내식성을 부여하는 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅을 포함하는 코팅 파이버로서 상기 전류 집전체를 형성하는 것을 포함하는 파이버 마이크로셀 구조체 제조 방법.
  236. 부식되기 쉬운 금속으로 전류 집전체를 형성하는 단계와, 이 금속 위에 열분해 유기물의 탄소질 연속 코팅을 소정 두께로 코팅하여 금속 전류 집전체에 내식성을 부여하는 단계를 포함하는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  237. 제236항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 연료 셀을 구성하는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  238. 제236항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 배터리 셀을 구성하는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  239. 제236항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 판 형상을 갖는 전류 집전체를 구성하는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  240. 제236항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 파이버 형상을 갖는 전류 집전체를 구성하는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  241. 제240항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 시트 또는 웹 형태를 갖는 전류 집전체를 구성하는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  242. 제236항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 비결정성 특징을 갖는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  243. 제236항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 결정성 특징을 갖는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  244. 제236항에 있어서, 상기 탄소질 연속 코팅은 유리질 탄소의 특징을 갖는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  245. 제236항에 있어서, 상기 전류 집전체 또는 전극이 비결정성 금속 조성물로 코팅되는 것인 전기화학 소자 제조 방법.
  246. 전류 집전체 또는 수소 저장 능력을 갖는 금속 조성물로 코팅된 전극이 마련된 파이버 마이크로셀 소자를 포함하는 연료 셀의 제조 방법.
  247. 내부 전극과, 이 내부 전극과 접촉하는 미세다공성 박막 분리기와, 이 미세다공성 박막 분리기의 미세공에 있는 전해질과, 외부 전극을 포함하는 마이크로셀 구조체 제조 방법으로서,
    분해되어 전기적 불연속부를 형성하기 쉬운 비탄소질 또는 비흑연질 전류 집전체와 밀접하게 접촉하는 탄소질 또는 흑연질 전류 집전체를 상기 내부 전극과 외부 전극 중 하나 이상으로서 제공하는 것을 포함하는 마이크로셀 구조 제조 방법.
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