KR20050046746A - 전해 전지, 전해조 장치 및 전극 - Google Patents

전해 전지, 전해조 장치 및 전극 Download PDF

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KR20050046746A
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조아킴 헬름케
한스-조아킴 코흔케
가비 발란
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하이-드라이브 테크놀로지스 엘티디.
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Abstract

본 발명에 따른 전해 전지는 다수의 다공성 양극판 및 음극판과 그 사이의 격리판을 포함하는 내부 챔버를 포함한다. 전해질은 내부 챔버 내의 다공성 양극 및 음극을 통해 순환하여 수소 및 산소 기체를 생성한다. 복수의 전해 전지는 함께 탑재되어 전해조 장치를 형성한다.

Description

전해 전지, 전해조 장치 및 전극{ELECTROLYZER}
본 발명은 전해조에 관한 것으로서, 특히 물에서 수소 기체를 생성하기 위한 전해조에 관한 것이다.
일반적으로 전해질 용액 형태의 물에서 수소 기체를 생성하는 전해조는 공지되어 있다. 이러한 전해조는 차량에서 수소 및 산소 기체를 생성하는데 특히 유용한데, 이들 기체는 차량의 엔진에 연료 공급을 보충하고 향상시키는데 사용된다.
차량 내장용으로 사용되는 기존의 전해조는 많은 단점을 갖고 있다. 이 전해조는 원시적이고, 크고 무거우며, 수년 동안 스테인레스 강판(stainless steel plate) 및 오픈 컨테이너에 적합한 기술을 이용하고 있었다. 또한, 전해질은 자주 판을 벗기는(come off) 금속 이온에 의해 오염되며 자주 고갈된다. 이들 문제는 안전성 문제를 가지며 결국 장치의 효율 및 신뢰성을 떨어뜨린다.
많은 기존의 전지(cell)는 기체를 분리시키지 않고 수소 기체와 산소 기체를 함께 생성하였다. 따라서, 이들 기체가 함께 있으면 높은 폭발성이 있기 때문에, 많은 안전 요소가 전해조 시스템 내에 포함되어 있어야 했다. 이 때문에 많은 기존의 시스템은 복잡도가 증가하였으며, 따라서 이들의 비용 및 고장 확률이 높아졌다.
도 1은 본 발명에 따른 전해 전지의 종단부 입면도.
도 2는 도 1의 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따른 개략적인 단면도.
도 3은 도 1의 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따른 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 전해조 장치의 개략적인 단면도로서 전해 입구 도관(inlet conduit)을 따른 단면도.
도 5a는 본 발명에 따른 양극의 평면도.
도 5b는 도 5의 라인 VI-VI을 따른 단면도.
도 6a는 본 발명에 사용되는 접힌 전극(folded electrode)의 사시도.
도 6b는 본 발명에 사용되는 접힌 전극의 측면 입면도.
도 7은 전해질의 흐름을 나타내는 전지의 개략적인 단면도.
도 8은 제거된 전지 내에 소자를 구비한 전해조의 단면도.
도 9는 본 발명에 사용되는 전해질 분배 어셈블리의 확대도.
도 10은 전기 접속부를 나타내는 전해조 장치의 개략도.
도 11은 차량 내의 전해 장치의 단면도.
본 발명은 전력 밀도(power density)를 증가시키고, 기존의 전해 전지에 비해 크기 및 무게를 감소시킨 전해 전지(electrolysis cell)를 제공한다. 수소 및 산소는 모두 전지 내에서 생성되지만, 별도로 관리되어 폭발의 위험이 감소되거나 제거된다. 전해조 장치는 하나 이상의 전해 전지를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 농축 액체 전해질로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해 전지(electrolysis cell)에 있어서, 하우징과, 복수의 다공성 음극판과, 음극판들 사이에 배치된 복수의 다공성 양극판과, 음극판들과 하우징 상의 수소 기체 출구 포트 사이에서 유체를 전달하는 수소 기체 도관(conduit)과, 상기 양극판들과 상기 하우징 상의 산소 기체 출구 포트 사이에서 유체를 전달하는 산소 기체 도관과, 상기 양극판과 상기 음극판 및 각각의 인접한 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 통해 전해질이 흐르도록 구성되는 전해질 입구 및 전해질 출구와, 각각의 상기 전해질 입구 및 상기 전해질 출구에 인접하게 배치되어 있고 전해질을 투과시키고 수소 기체 및 산소 기체는 투과시키지 않도록 선택되는 종단 격리판을 포함하는 전해 전지가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 농축 액체 전해질로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해조 장치에 있어서, 하우징과, 상기 하우징 내의 두 개의 전해 전지로서, 각각의 전해 전지가 내부 챔버와 그 내부에 배치된 복수의 다공성 음극판과 복수의 다공성 양극판 및 각각의 인접한 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 포함하고, 상기 다공성 음극판은 상기 양극판들 사이에 교대로 배치되고, 상기 격리판은 전해질은 투과시키고 수소 기체 및 산소 기체 기포는 투과시키지 않도록 선택되며; 상기 음극판과 상기 하우징 상의 수소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 수소 기체 도관과, 상기 양극판과 상기 하우징 상의 산소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 산소 기체 도관과, 전해질이 상기 양극판 및 상기 음극판을 통해 흐르도록 구성된 제 2 전해질 입구 및 제 2 전해질 출구와, 각각의 상기 제 2 전해질 입구 및 상기 제 2 전해질 출구에 인접하게 배치된 격리판을 포함하는 상기 두 개의 전해 전지와, 전해질을 상기 전지에 공급하고, 상기 두 개의 전해 전지의 상기 제 2 전해질 입구 사이에서 연장되는 주 전해질 입구 도관과, 상기 전지로부터 전해질을 배출하고, 상기 두 개의 전지의 제 2 전해질 출구 사이에서 연장되는 주 전해질 출구 도관을 포함하고, 상기 주 전해질 입구 도관 및 상기 제 2 전해질 입구는 함께 상기 두 개의 전지 사이에서 적어도 95%의 갈바닉 분리를 유지하도록 형성되고, 상기 주 전해질 출구 도관 및 상기 제 2 전해질 출구는 함께 상기 두 개의 전지 사이에서 적어도 95%의 갈바닉 분리(galvanic separation)를 유지하도록 형성되는 전해조 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 농축 액체 전해질로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해조 장치에 있어서, 하우징과, 상기 하우징 내의 제 1 전해 전지와 상기 하우징 내의 제 2 전해 전지로서, 각각의 전해 전지가 복수의 다공성 음극판과, 상기 음극판 사이에 배치된 복수의 다공성 양극판과, 상기 음극판과 상기 하우징 상의 수소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 수소 기체 도관과, 상기 양극판과 상기 하우징 상의 산소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 산소 기체 도관과, 전해질이 상기 양극판과 상기 음극판 및 각각의 인접한 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 통해 흐르도록 구성된 제 1 및 제 2 전해질 입구와 제 1 및 제 2 전해질 출구와, 각각의 상기 전해질 입구와 상기 전해질 출구에 인접하게 배치되어 전해질은 투과시키고 수소 기체 및 산소 기체 기포는 투과시키지 않도록 선택되는 격리판을 포함하는 상기 제 1 및 제 2 전해 전지와, 전해질을 상기 전지에 공급하고, 상기 제 1 및 제 2 전해 전지의 상기 전해질 입구 사이에서 연장되는 전해질 입구 도관과, 상기 전지로부터 전해질을 배출하고, 상기 제 1 및 제 2 전해 전지의 상기 전해질 출구 사이에서 연장되는 전해질 출구 도관과, 상기 제 1 및 제 2 전지 사이에 위치하고, 그 사이에 벽을 형성하고, 상기 제 1 전해 전지의 상기 제 1 전해질 입구와 상기 제 1 전해질 출구 및 상기 제 2 전해 전지의 상기 제 2 전해질 입구와 상기 제 2 전해질 출구를 규정하는 전해질 확산 어셈블리를 포함하는 전해조 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해 전지에 사용하기 위한 전극으로서, 외부 표면을 갖는 다공성 도체와, 상기 다공성 도체의 상기 외부 표면 상의 활성층 재료와, 상기 활성층 재료 내에 살포된 촉매와, 몰딩되어(molded) 상기 다공성 도체와 접촉하는 전원 접속용 컨택트를 포함하는 전극이 제공된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 전해 전지를 도시하고 있다. 전지는 복수의 양극(4) 및 음극(6)을 포함하고, 3 내지 7 몰의 수산화칼륨(potassium hydroxide)과 같은 농축 액체 전해질을 사용하여 동작한다. 높은 농도의 전해질을 사용하면, 동결없이 전지를 낮은 온도에서 동작시킬 수 있다. 각각의 인접한 양극 및 음극은 그 사이에 전해질은 침투 가능하지만 기체는 침투 불가능한 격리판(8)을 구비한다. 전극 및 격리판은 얇은 판으로 형성되며 스택(stack)으로 정렬된다. 격리판(8)은 또한 스택의 각 단부에 배치된다. 전해 전지는 도 2 및 3에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 각 전극 및 각 격리판의 두께는 과장되고 균형이 맞지않게 도시되어 있다. 일반적으로, 전극 및 격리판의 두께는 각각 1mm 이하이지만, 평면은 훨씬 더 크다(즉, 예를 들면 폭이 10 내지 20cm이고, 길이는 20 내지 40cm). 따라서, 전지는 실제로는 도면에 도시된 것보다 훨씬 더 얇고 조밀하다.
외부 하우징(10)은 양극(4), 음극(6) 및 격리판(8)의 스택 주위에 배치된다. 하우징은 내부 챔버(11)를 규정하며, 그 내부에 양극, 음극 및 격리판이 배치된다. 하우징은 전극 및 격리판 주위 가까이에 정렬된다. 특히, 도시된 실시예에서는, 전지는 전극 및 격리판이 하우징의 재료로 구현되도록 형성된다. 이것은 몰드(mold) 내에 전극 및 격리판을 배치하고, 배치된 부품 주위에 액체 하우징 재료를 주입하여 하우징을 형성하는 것에 의해 달성되는데, 이에 대해서는 이하에 보다 자세히 설명한다.
하우징(10)은 서로 통하는 입구(inlet) 및 출구(outlet) 포트를 포함한다. 구체적으로는, 하우징은 전해질을 위한 입구 포트(12)와, 전해질을 위한 출구 포트(14)와, 생성된 수소를 위한 출구 포트(16) 및 생성된 산소를 위한 출구 포트(18)를 포함한다. 포트(12 내지 18)는 탭(tab)될 수 있거나 또는 유체 라인(fluid line)에 연결하기 위한 커넥터(19)를 수용하도록 마련될 수 있다.
포트(12, 14, 16, 18)는 전지를 통해 연장되는 도관(conduit)과 유체를 주고받는다. 구체적으로는, 포트(16, 18)는 수소 도관(20)과 산소 도관(22)과 유체를 각각 주고받고, 포트(12, 14)는 전해질 입구 및 출구 도관(24, 26)과 유체를 각각 주고받는다. 각각의 전해질 도관(24, 26)은 전극과 격리판이 배치되어 있는 내부 챔버(11) 쪽에 개구(24a, 26a)를 갖는다. 전해질 분배 어셈블리(electrolyte distribution assembly)(27)는 도관 개구(24a, 26a)와 종단 격리판(8) 사이의 스택의 각 종단에 배치된다. 전해질 분배 어셈블리(27)는 도관(24, 26)의 종단을 형성하는 판(27a)을 포함하고, 개구(24a, 26a) 및 확산 부재(70)를 형성한다.
전기 컨택트(28, 30)는 각각의 양극 및 음극에 각각 접속된다. 이들은 하우징을 통해 외부로 연장되어 전원에 접속한다. 바람직하게는, 모든 양극 컨택트(28)는 하우징 상에 한 라인으로 배치되고 모든 음극 컨택트(30)는 하우징 상에 한 라인으로 배치되고 양극 컨택트(28)와 다른 라인에 배치된다. 이것은 전원에 대한 접속을 용이하게 한다. 전원에 대한 접속을 보다 양호하게 하기 위해, 동일한 유형의 모든 컨택트는 함께 몰딩되어 전지의 모든 음극을 위한 단일 컨택트(31) 및 모든 양극을 위한 또다른 단일 컨택트를 형성할 수 있다. 따라서 각각의 전지는 8 개의 판에 전류를 공급하기 위한 단 두 개의 단자(terminal)만 가질 것이다.
전지가 작동하는 동안, 전해질은 도관(24)을 통해 내부 챔버(11)로 흐르고, 출구 도관(26)을 통해 전지 밖으로 흐른다. 전해질 흐름 파라미터와 특히 입구 유체의 압력과 출구 유체의 압력과 전지의 입구 및 출구의 상대적인 위치가 선택되어, 출구 도관(26)으로 전달되기 전에, 적어도 전해질의 일부가 전극과 격리판의 면(plane)을 통해 흐른다. 두개의 전해질 도관(24, 26)이 각각 전지 내에 도시되어 있지만, 임의의 수의 전해질 입구 및 출구가 사용될 수 있다. 만약 하나씩의 입구 및 출구 도관이 각각 사용되면, 이들은 전지의 대향 종단에 위치되어, 전해질은 입구로부터 출구로 진행할 때 전극을 통해 흐른다.
전력은 컨택트(28)에 공급되고, 컨택트(30)는 접지된다. 전지를 통해 전기 에너지가 전달되면, 양극(4)에서 산소가 생성되고 음극(6)에서 수소가 생성된다. 생성된 기체는 인접한 양극과 음극 사이에 침투 불가능한 격리판(8)이 존재하기 때문에 혼합될 수 없다. 도관(20)은 음극(6)과만 유체를 주고받으며, 도관(22)은 양극(4)과만 유체를 주고받는다. 따라서, 전극에서 발생한 기체는 혼합되지 않고 도관들(20, 22) 중 하나를 통해서만 흐른다.
전지는 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 그러나, 한가지 바람직한 제조 공정에서는, 전극 및 격리판의 폭 및 길이가 일반적으로 유사하며, 전극 및 격리판이 이들의 면과 실질적으로 평행하게 선택되어 정렬된 구성으로 적층(stack)된다. 그 다음에 이 스택이 몰드 내에 위치하며, 몰드 내에서 이 적층된 구성으로 유지되며, 액체 형태의 하우징 재료가 스택에 대해 주입되어, 액체가 응고할 때, 이 스택은 하우징 재료 내에서 주조된다. 특히, 전극 및 확산기와 같은 임의의 다공성 부재의 에지는 하우징 재료가 스며드는 반면에, 이들 부재의 중앙부는 개방된 채로 유지되며 하우징 재료가 닿지 않는다.
하우징 재료는 스택을 둘러싸며 양극 및 음극과 같은 임의의 다공성 부재의 에지에 스며든다. 따라서 내부 챔버는 실제로는 도시된 바와 같이 개개의 판 부재의 에지의 내부에 형성된다. 하우징 재료가 원하는 범위를 넘어 스며드는 것을 방지하기 위해, 다공성 부재의 에지 주위에 밀봉제(sealant)가 도포될 수 있으며, 또는 에지들이 이러한 침투를 억제하도록 형성될 수 있다. 이에 대해서는 도 5a 및 5b를 참조하여 더 논의할 것이다. 또한, 전해조의 구성 요소들은 함께 가압되어 액체가 단지 원하는 부피만 채우도록 적절한 재료의 기계적인 장벽을 제공할 수 있다.
도관(20 내지 26)은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 일실시예에서, 도관(20, 22)은 전극, 격리판 및 전극 분배 판 상에 구멍을 형성하고, 스택을 배열할 때 이들 구멍을 정렬하여 만들어진다. 그 다음에 액체 하우징 재료가 스택 주위에 주입되고, 형성된 구멍 주위에 침투하도록 선택된다. 하우징 재료가 배치되면, 이 하우징 재료는 고체 장벽을 형성하여 선택된 구멍을 전지의 내부 챔버로부터 격리시킨다. 이것은 나중에 보다 상세히 설명할 것이다.
안전을 위해, 기체가 기체 도관으로 진행하지 않는 장소에서 발생된 기체를 갖지 않는 것이 유용하다. 물론, 기체가 한 쌍의 격리판 사이에서 생성되면, 기포는 격리판을 통과할 수 없으므로, 기체는 기체 도관으로 진행하게 된다. 기체가 전해질 도관과 같은 격리판 외부에서 생성되는 것을 회피하기 위해, 격리판 외부의 전해질 경로 내의, 예를 들어 펌프 부품, 전극 또는 부속품과 같은 임의의 노출된 도관 부분들 사이의 전위차는 1.2 볼트, 바람직하게는 1.4 볼트보다 커서는 안된다. 1.2 볼트보다 큰 전위차는 일반적으로 양극 또는 양극과 음극이 모두 도관에서 노출될 때 발생한다. 따라서, 도관(24, 26)은 그 내부에서 노출된 반응성 전극 표면을 갖지 않는다. 따라서, 이 제조 공정은 반응성 전극 표면이 격리판 외부의 도관(24, 26)의 노출된 표면으로부터 함몰되도록 한다.
몰드는 컨택트(28, 30)의 일부가 하우징으로부터 외부로 연장되어 전원에 접속되도록 선택된다.
하우징 재료는 -45℃ 내지 100℃ 범위의 조건에서 열적으로 안정되고 전지 내에 존재하는 화학적 및 전기적 조건에 견디도록 선택된다. 하우징 재료는 또한 액체 형태의 몰딩에 유용해야 한다. 한가지 유용한 하우징 재료로는 에폭시가 있다.
도 1 내지 도 13에 도시된 전해질 전지는 각각 사용할 수 있도록 구성된다. 그러나, 도 4를 참조하면, 약간 변형이 가해진 전지(2)는 다른 전지(2a, 2b)와 직렬로 결합되어 임의의 특정한 응용을 위해 충분한 생성 기체를 제공하는 전해조 장치(32)를 형성할 수 있다. 복수의 전지가 하나의 장치에 설치되는 경우, 전해질 입구 도관(24), 전해질 출구 도관(이 단면도에는 도시되어 있지 않음) 및 기체 도관(20, 22)은 전체 장치 내의 각 전지와 교류할 수 있다. 하우징(10)은 전체 장치 주위에서 연장되고, 인접 전지로부터 각 전지를 격리시키기 위한 내벽(10b)을 포함한다. 전해조 장치는 전극, 음극, 격리판 및 각 전지에 대한 전해질 분배 어셈블리의 스택을 그들 사이에 있는 내벽(10b)을 갖는 종단간(end-to-end) 구성으로 정렬하고, 그 다음에 스택 주위에 하우징을 주조함으로써 각 전지와 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 전체 장치를 안정화시키기 위해, 각 종단에 종단 판(34)을 두는 것이 바람직하다.
도 5a 및 5b를 참고하면, 본 발명에 따른 양극이 도시되어 있다. 도시된 양극은 전지를 형성하기 위한 어셈블리를 위해 마련된 것이다. 유용한 양극으로는 독일의 Gaskatel GmbH 사 제품 NiH33TM이 있다. 앞에서 지적한 바와 같이, 산소는 전지의 양극에서 생성된다. 양극은 촉매를 함유한 보조제(support)를 포함하는 활성층(42)에 접착되어 있는 다공성 도체(40)를 포함한다. 촉매는 미세하게 분할되어 활성층(42) 전역에 분산되기 때문에 도면에서 볼 수 없다. 도체(40)는 컨택트(28)에 전기 접속된다.
활성층(42)은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)(polytetrafluoraethylene) 혼합물로 형성된 소수성(hydrophobic) 및 친수성(hydrophilic) 영역을 포함하는 보조제를 포함한다. 이 보조제는 소수성 영역 및 친수성 구멍을 갖는 활성층을 제공한다. 따라서, 활성층(42)은 전해질과 별개로 소수성 영역을 통해 기체가 지나가도록 하며, 이 기체는 친수성 구멍을 통과한다. 활성층(42)은 도체 쪽으로 가압되어 도체와 단단히 결합된다.
촉매는 전기 분해 반응으로 전자의 이동이 일어나는 표면이다. 예를 들어 니켈, 페로브스카이트(perovskit)(LaO.6Ca.4CoO3), 탄소 또는 산화 티타늄과 같은 촉매가 산소의 생성에 사용하기에 적합하다. 일실시예에서, 이것은 비용 측면에서 바람직한 촉매는 레이니-니켈(Raney-nickle)이다. 다른 실시예에서, 비용 및 성능 측면에서 바람직한 촉매는 페로브스카이트(perovskit)이다.
도체(40)는 전기 컨택트(28)로부터 전자를 전송하며, 다공성으로 유체를 통과시킨다. 전해질과 접촉시에 화학 변화를 일으키지 않는 어떠한 도전 재료도 사용될 수 있다. 니켈 또는 스테인레스 강이 바람직한데, 니켈은 부식에 강하기 때문에 가장 바람직한 재료이다. 구멍을 제공하기 위해, 도체(40)는 메시(mesh), 스크린 또는 스폰지로서 형성되는 것이 바람직하다.
활성층(42)은 도체(40)의 한쪽 면에만 도포되면 된다. 전극의 양면에 활성층을 추가해도 아무런 이점이 없다. 활성층은 다양한 방법으로 도체에 고정될 수 있다. 도시된 실시예에서, 활성층은 대각선으로 도시된 바와 같이, 가압에 의해 도체와 결합된다.
컨택트(28)는 주석, 니켈 또는 구리와 같은 도전 재료로 이루어질 수 있다. 다공성 도체의 에지에 컨택트를 용접 또는 바람직하게는 몰딩함으로써 전기 접속이 이루어질 수 있다. 몰딩은 바람직하게는 몰드에 포함된 용융된 컨택트 재료에 도체를 침지시킴으로써 행해진다. 몰딩은 도체(40)와 컨택트(28) 사이에 전하가 집중되는 효과를 감소시키기 때문에, 용접보다 바람직하다. 주석은 컨택트가 도체에 몰딩되는 경우에 사용하기 위한 바람직한 컨택트 재료이다.
양극이 하우징 내에 몰딩될 때, 기체 생성을 위해 개방되어 있는 중앙 반응 영역(53)이 존재하며, 기체 생성을 위해 개방되지 않는 에지부(53a)가 하우징의 재료에 삽입된다. 도체 표면의 일부가 하우징의 재료 내에 삽입되어 기능하지 않는다 하더라도, 활성층(42)은 영역(53)에만 도포될 수 있거나 또는 전체 도체 표면에 도포될 수 있다.
양극은 다공성이므로, 바람직한 공정을 이용하여 전지를 구성하는데 있어서, 에폭시와 같은 액체 하우징 재료가 양극의 중앙, 예를 들면 영역(53)으로 이동할 수 있다. 그러나, 영역(53)의 경계선 너머 액체 하우징 재료가 재료 이동이 바람직하지 않은 전극의 다른 영역으로 이동하는 것을 억제하기 위해 온도, 시간 및 압력의 몰딩 파라미터가 활성층(42)에 대해 고려하여 선택된다.
양극(4)은 그 내부를 관통하여 형성된 구멍(46)을 가지며, 이 구멍은 다른 전극, 격리판 등의 유사한 구멍과 정렬될 때 산소 도관(22)을 규정한다. 이와 마찬가지로, 구멍(48)은 수소 기체 도관(20)을 규정하고, 구멍(52)은 전해질 출구 도관(26) 중 하나를 규정한다. 최종 전지에서, 구멍(46)이 양극의 중앙 반응 영역(53)에 대해 개방되는 동안에, 하우징 재료와 같은 기체 및 액체 불침투 블록이 양극 상의 구멍(48, 52) 주위에 제공되며, 따라서 도관(20, 26)은 양극 상에서 발생된 기체로부터 격리된다. 반응 영역(53)과 구멍(48, 52) 사이에서의 하우징 재료의 이동을 용이하게 하기 위해, 하우징 재료가 이 채널로 쉽게 주입될 수 있도록 활성층(42)이 도체로부터 제거되어 채널(55)을 형성한다. 활성층 재료와 같은 밀봉제는 구멍 주위에 하우징 재료의 주입을 제어하도록 도포될 수 있다. 구멍(52)은 전해질 도관의 적절한 형성을 위해 제공될 필요는 없지만, 도체가 컨택트(28)와 최대로 접촉하는 도관을 통해 유효 전류가 이동하기 위해 필요하다. 따라서, 도체를 도관(26) 중 하나의 위치를 통해 상향으로 연장시키고 전해질 도관을 위한 구멍(52)을 마련하는 것이 바람직하다. 원한다면, 전하 집중을 줄이기 위해 도체는 훨씬 더 넓게 연장될 수 있다. 그러나, 앞에서 지적한 바와 같이, 바람직하게는 전극 반응 표면이 최종 전해질 도관에서 노출되지 않아 그 내부에서 아무런 기체도 형성되지 않을 것이다. 따라서, 도체가 구멍 주위에 존재할 필요가 있지만, 바람직하게는 구멍(52) 주위에 아무런 활성층(42)이 존재하지 않는다. 바람직하게는, 또한 도체 개구가 도관 내에 존재하지 않는다. 따라서, 구멍은 도관의 바람직한 최종 직경보다 더 큰 직경을 가지며, 몰딩 동안에 하우징 재료가 구멍으로 이동한 후 도체를 개공하지는 않고 구멍의 중심 축을 따라서 개공함으로써 구멍이 하우징 재료와 정렬된다.
양극의 영역(53)에서 생성된 산소 기체는 PTFE 활성층(42)의 소수성 영역에 의해 생성된 네트워크를 통과하여 생성된 기체의 압력에 의해 구멍(46)으로 이동한다. 생성된 기체의 배출을 용이하게 하기 위해, 하나 이상의 기체 통로(56)가 활성층(42)을 통해 양극에 형성되어 구멍(46)에 대해 개방 통로를 생성한다. 기체 통로는 활성층(42) 내의 개구이며, 그 영역에서 도체로부터 촉매를 함유하는 활성층을 제거하거나 활성층의 도포 동안에 그 영역을 회피함으로써 형성된다.
기체 통로(56)는 구멍(46)에 대한 산소 기체의 유출 저항을 감소시키고, 따라서 기체 생성 표면 상의 임의의 지점으로부터 통로(56)로의 유통 경로의 길이를 감소시키도록 위치하여야 한다. 일실시예에서, 기체 통로는 영역(53)의 에지를 따라서 연장되고, 다른 실시에에서는, 이들이 기체 생성 영역을 통해 보다 중심적으로, 예를 들면 구멍(46)으로부터 대각의 내부 방향으로 연장된다.
수소 기체는 음극(6)에서 생성된다. 도 5a 및 도 5b와 관련하여 설명한 바와 같이 바람직한 음극은 일반적으로 양극과 유사하다. 유사한 도체, 촉매 및 보조제가 사용될 수 있지만, 재료는 산화 문제를 지나치게 염려하지 않고 선택될 수 있다. 따라서, 바람직하게는 구리 메시와 같은 보다 양호한 도체가 사용될 수 있다. 또한, 음극의 반응 영역이 수소 기체 구멍(48) 및 도관(20)과 유체를 주고받고, 산소 기체 구멍(46)으로의 통로는 그 주위에 하우징 재료를 주입하는 것에 의해 밀봉된다.
도 6a 및 6b와 관련하여, 전극의 제조 및 조립을 용이하게 하기 위해, 동일한 유형의 두 개의 인접한 전극의 음극이 하나의 단일 부재로서 형성될 수 있다. 단일 컨택트가 두 전극 사이에 접속되고 접혀져서 전극이 각각의 에지에서 컨택트와 나란한 관계로 배치되게 할 수 있다. 일실시예에서, 접혀져서 접힌 에지부(43)를 생성하는 한 조각의 도체(40)로부터 인접한 전극이 형성되고, 각 면 상에는 두 개의 전극판이 존재한다. 활성층(42)은 각 전극판의 반응 면에 도포된다. 컨택트(28a)는 접힌 에지부(43)를 따라서 형성된다. 컨택트(28a)는 도체 재료의 접힌 에지부를 용융된 컨택트 재료에 침지시켜 형성할 수 있다.
격리판(8)은 인접한 양극과 음극 사이 및 전극들로 이루어진 각 스택의 종단에 제공된다. 격리판은 비 전기 전도성이며, 전해질이 통과하도록 허용하는 동안에 생성된 수소 기체 및 산소 기체를 별도로 유지한다. 격리판은 전해질 이온과 물 분자가 통과하지만 산소 또는 수소 기체 기포는 통과시키지 않도록 형성된 크기의 통로를 포함한다. 일반적으로, 이 통로는 1 마이크로미터보다 작고 바람직하게는 0.03 내지 0.05 마이크로미터의 직경을 갖는 경향이 있다. 격리판은 전극들 사이에서 숏컨(shortcut)의 생성을 회피하도록 충분히 두꺼워야 한다. 그러나, 격리판의 두께를 증가시키면, 전극들 사이의 효율적인 거리가 증가되어 효율이 떨어지게 된다. 격리판이 약 0.4mm 두께를 갖는 것이 바람직하다.
격리판(8)은 전해질에서 화학적으로 안정하며, -45℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 열적으로 안정한, 예를 들어 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 미공성(microporous)의 친수성 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다. 석면이 또한 사용될 수 있지만, 건강 및 그 공정과 관련된 환경 관계를 고려하면 바람직하지는 않다.
앞에서 지적한 바와 같이, 전해질은 전지를 통해 흐르며, 적어도 그 일부는 전극(4,6) 및 격리판(8)의 면을 통과한다. 이 전해질의 흐름은 기체 출구 쪽으로 기포의 이동을 증가함으로써 기체 블라인딩(blinding)을 감소시키고, 전극 주위의 전해질을 리프레시하여 냉각을 향상시킨다.
전해질은 입구 개구(24a)로부터 출구 개구(26a)로 흐른다. 적절한 생성을 위해, 적어도 일부 전해질은 전체 전지를 통해 흘러야 한다. 전지는 하나 이상의 입구 및 하나 이상의 출구를 가지고 동작할 수 있지만, 두 개의 이격된 입구 및 두 개의 이격된 출구가 존재하는 것이 바람직하다. 상당한 양의 열이 시스템 내에서 발생할 수 있기 때문에, 출구는 전체 전지를 통해 열을 전달하지 않고 가열된 전해질을 배출하도록 위치하는 것이 바람직하다. 따라서, 출구 포트는 무게를 고려하여 전지의 상단부 근처에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 전해질로 전지를 채워서 공기 지대가 존재하지 않도록 하는 것을 용이하게 하기 위해, 출구는 가능한 한 내부 챔버의 상한 가까이에 배치하는 것이 바람직하다. 입구 및 출구는 챔버의 측면에서 개방되며 따라서 유체는 평면에 평행하지 않고 전극의 평면을 통과하는 방향으로 진행한다.
전해질이 전지를 통과하여 흐르도록 하기 위해, 입구와 출구 사이에 압력 차가 발생될 수 있다. 또한, 전지 내의 흐름을 최적화하기 위해 두 개의 입력(24a) 사이에 압력 차가 발생할 수 있으며, 따라서 전해질이 전지를 통해 흐르게 된다. 압력 차는, 비록 입구에서의 압력 차보다 작기는 하지만 출구에서도 발생한다. 이것은 도 7과 관련하여 설명되는데, 여기서는 전지(2)의 두 입구가 24a' 및 24"으로 표시되어 있고, 두 개의 출구가 26a' 및 26a"으로 표시되어 있다. 입구(24a')를 통해 들어오는 각 전해질의 흐름은 실선 화살표로 표시되어 있고, 입구(24a")를 통해 들어오는 각 전해질의 흐름은 윤곽 화살표로 표시되어 있다.
전극 및 격리판에 의해 발생된 전해질 흐름에 대한 저항 때문에, 입구(24a")를 통해 들어오는 전해질의 주 부분은 제 1 격리판에 인접하게 통과하여 출구(26a")를 통해 배출되며, 입구(26a')를 통해 들어오는 전해질의 주 부분은 출구(26a')를 통해 배출된다. 전극의 스택의 어느 한 면 상에서의 전해질 흐름은 냉각을 제공한다. 그러나, 입구(24a')를 통한 전해질 흐름보다 더 큰 압력으로 입구(24a")를 통해 전해질을 공급하고 확산시킴으로써, 다량의 전해질이 입구(24a")로부터 출구(26a')로 흐른다. 따라서, 전해질은 전지의 내부 챔버의 모든 영역을 통해 효율적으로 흘러 기체 블라인딩을 방해하고 전극 주위에서 전해질을 리프레시하는 작용을 한다. 입구에서의 압력 차는 압력 조절기에 의해 또는 전해질 입구 도관을 따른 입구를 이격시키고 입구 및 출구 도관의 크기를 달리 하는 등의 임의의 바람직한 방법으로 설정될 수 있다. 최고 압력 입구(도 7에서 24a") 및 최저 압력 출구(도 7에서 26a') 사이의 차는 약 200 내지 300 mBar로 유지되는 것이 바람직하다.
복수의 전지(2, 2a 등)에서의 입구들 사이의 압력 차 및 출구들 사이의 압력 차를 제공하는 것을 용이하게 하기 위해, 전해질을 공급하기 위한 두 개의 도관(24L, 24H) 및 전해질을 전지로부터 배출하는 두 개의 도관(26L, 26H)이 존재하는 것이 바람직하다. 도관(24L)을 통해 공급된 전해질의 압력은 도관(24H)을 통해 공급된 전해질의 압력보다 더 낮고, 마찬가지로 도관(26L)으로의 개구에서 발생한 압력은 도관(26H)으로의 개구 내의 전해질에서 발생된 압력보다 더 낮다.
전해질 도관의 개구(24a, 26a)는 이것을 통과하는 흐름이 확산되어 큰 표면 영역 상에서 퍼지는 방법으로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 바람직하게는 개구(24a, 26a)는 내부 챔버(11)의 폭을 적어도 2/3만큼 연장되며 내부 챔버의 상부와 하부에 각각 인접하게 위치한다.
전해질 분배 어셈블리(27)는 각 전지(2)의 종단에 배치된다. 각각의 어셈블리(27)는 다양한 방법으로 형성될 수 있고, 전지의 원하는 구조 및 하나의 전해조 장치에 함께 설치되는 전지의 수에 따라서 다양한 부품을 갖는다. 어떠한 경우에도, 각 전해질 분배 어셈블리는 전지로 들어가는 전해질을 효율적으로 확산시키고 균일하게 하기 위해, 개구(24a)에 인접하게 위치하는 확산 부재(70)를 포함한다.
일실시예에서, 확산 부재는 복수의 꼬인 흐름 통로(tortuous flow passage)를 포함한다. 확산 부재는 스테인레스 강, 니켈 또는 전지의 상태 저하에 견디는 중합 재료와 같은 재료로 형성된다. 바람직한 실시예에서, 확산 부재는 스테인레스 강, 압축된 스폰지이다. 스폰지는 롤링 전에 두께가 약 2.5mm이고, 롤링 후에 약 0.8mm이다. 적절한 확산 부재의 예로는 독일의 Gaskatel GmbH로부터 획득 가능하다.
확산 부재는 프레임 내에 탑재될 수 있거나 그 자체로 사용될 수 있다. 일실시예에서, 확산 부재는 하우징 재료의 주입 전에 전극 및 격리판의 스택의 종단에서 배열함으로써 하우징에 직접 몰딩된다. 하우징에 몰딩함으로써 확산 부재가 전지에 탑재될 때, 에폭시 침투를 방지하기 위해 폴리프로필렌 라인과 같은 밀봉 재료가 확산 부재의 주변에 도포되어야 한다. 폴리프로필렌 밀봉재의 라인은 확산 부재를 통해 통로를 밀봉하고, 오링(O-ring)과 같이 작용하며, 여기서 고체 표면에 대해 압축되어 그 사이에 밀봉부를 형성한다.
도 8에 도시된 실시예에서, 두 개의 전지가 전해질 장치에서 종단간 구성으로 정렬된다. 도시된 장치에서는, 이해를 쉽게 하기 위해 전극, 격리판 및 확산 부재가 제거되었다.
이 실시예에서, 전해질 분배 어셈블리는 전해질 입구 도관(24') 및 전해질 출구 도관(26')을 하우징한다. 이들 도관(24', 26')은 주 도관(24, 26)에 각각 접속되어 전지를 통해 연장된다. 하나 이상의 전지가 전해조 장치 내에 설치되는 경우에, 전해질 도관은 도시된 바와 같이 전지 사이에서 예를 들어 약 95%의 필요한 갈바닉 분리(galvanic seperation)를 제공한다. 인접한 전지의 적절한 기능을 위해, 하나의 전해조 장치 내에서 하나의 전지 내의 양극과 음극 사이의 저항 손실은 전해조 장치 내의 임의의 두 전지 사이의 저항 손실보다 더 작아야 한다. 전지 사이의 충분한 갈바닉 분리는 하나의 전지 내의 인접한 전극들 사이의 거리 보다 적어도 20배, 바람직하게는 100배가 되는, 예를 들어 도관(24'), 도관(24") 및 도관(24)의 길이를 포함하는 인접한 전지들 사이에 전체 도관을 형성함으로써 제공될 수 있다. 바람직한 전지에서, 전극들 사이의 거리는 약 1mm 까지이며, 따라서 전지들 사이의 도관의 길이는 약 20mm 이상이다. 일실시예에서, 바람직한 길이는 적어도 한번의 굽힘으로 긴 흐름 경로를 생성하는 경로로서(도면에는 점선으로 도시되어 있음) 출구 및/또는 입구 도관(24', 26')을 형성함으로써 달성된다. 도관은 과도하게 흐름을 억제하지 않고 유압 손실을 생성하지 않고 갈바닉 분리를 제공하도록 형성되어야 한다. 구체적으로는, 이들의 단면적, 급격한 턴의 횟수 및 표면 평탄성은 전해질을 순환시키는데 필요한 펌프의 크기를 축소시키고 갈바닉 분리를 유지하면서 전해질의 압력을 최소로 유지하도록 선택되어야 한다.
제조를 쉽게 하기 위해, 두 인접한 전지(2, 2a)의 전해질 입구 및 출구는 전지의 격리를 유지하면서 하나의 어셈블리 내에서 형성될 수 있다. 도 9를 참조하면, 전해질 분배 어셈블리(27a)는 복수의 층을 라미네이트 구성으로 함께 부착함으로써 형성될 수 있다. 전해질 분배 어셈블리(27a)는 확산 부재(70)를 지지하기 위한 프레임(72)과 인접한 전지 사이에 장벽을 형성하는 중앙 판(10b)을 포함한다. 세 개의 판(74, 76, 78)이 중앙 판(10b)과 프레임(72) 사이에 배치되어 있다. 판(10b, 74, 76, 78)은 각각 그 내부를 통하는 슬롯(80a, 80b, 80c, 24a, 81a, 81b, 81c, 26a)을 포함하고, 슬롯이 정렬되어 복잡한 도관(24', 26')을 형성하도록 구성된다. 판(74, 76, 78) 및 프레임(72)은 함께 부착되고 중앙 판(10b)의 제 1 면(84)에 대해 부착되어 하나의 어셈블리를 형성한다. 판(74, 76, 78)과 유사한 그룹(85)으로 표시된 또다른 판들의 집합 및 프레임(72)과 유사한 프레임이 중앙 판의 대향 면(86)에 부착되어 인접한 전지에 대한 도관을 형성한다.
각각의 판(10b 내지 78) 및 프레임(72)은, 판들 및 프레임이 서로 부착될 때 산소 도관, 수소 도관, 두 개의 전해질 입구 도관(즉, 도 7을 참조하면, 하나는 고압 입구(24a")를 위한 것이고 다른 하나는 저압 도관(24a')을 위한 것임) 및 두 개의 전해질 출구 도관(즉, 하나는 고압 출구(26a")를 통한 흐름을 배출하기 위한 것이고 다른 하나는 저압 출구(26a')로부터의 흐름을 배출하기 위한 것임) 부분을 각각 형성하도록 정렬되는 구멍(46, 48, 50, 52)을 포함한다. 구멍(50, 52)은 슬롯이 전해질 입구 또는 전해질 출구를 형성하는 지에 따라서 판(10b) 상의 슬롯들(80a, 81a) 중 하나를 선택하도록 개방된다.
전체적으로, 도 9의 전해질 분배 어셈블리(27a) 상에는 네 개의 분리된 도관이 있다. 이들 도관은 하나의 전지를 위한 하나의 입구 및 하나의 출구와 인접한 전지를 위한 하나의 입구와 하나의 출구이다. 판 상의 슬롯은 어셈블리 상의 임의의 도관(24', 26') 사이에 흐름이 없고, 각 도관을 통한 모든 흐름이 전해질 구멍으로부터 입구(24a, 26a)로 직접 이루어지는 것이 아니라 미로(labyrinth)를 통과하도록 구성된다. 두 그룹의 슬롯을 통한 전형적인 전해질 흐름이 화살표로 표시되어 있다.
전해조 장치의 제조 동안에 하우징 재료의 주입을 돕기 위해 노치(87, 88)가 판과 프레임 내에 형성되며, 따라서 장벽이 기체 채널 주위에 형성된다.
판 및 프레임(72)은 전지 조건에서 열적 및 화학적으로 안정한 비전도성 재료로 형성된다. 특히 유용한 중합 재료는 폴리설폰(polysulphone)이다.
도 10을 참조하면, 복수의 전지(2, 2a, 2b, 2c)가 결합되어 전해조 장치(32)를 형성할 때, 전지는 전원(89)에 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 전지 또는 전해조 장치가 차량에 사용될 때, 전원(89)은 차량의 배터리 또는 교류발전기이고, 전력 조절기(도시되어 있지 않음)에 의해 조절된다.
직렬 접속을 이용하면 전원에 편리하게 접속할 수 있다. 예를 들면, 직렬 연결된 두 개 내지 다섯 개의 전지를 갖는 전해조 장치는 차량 배터리 또는 교류발전기로부터 편리하게 작동할 수 있다. 직렬 접속을 단순화하기 위해, 바람직하게는 전극이, 하나의 전지를 위한 모든 양극 컨택트(28)가 하우징 상에 정렬되거나 일체화되고 이들 컨택트가 전해조 장치 내의 인접한 전지로부터 음극 컨택트(30)와 정렬되도록 구성된다.
특정 전지 내에는 임의의 수의 양극 및 음극이 있을 수 있다. 그러나, 9 볼트 전원을 사용하는 차량 시스템 내에서의 최적의 동작을 위해, 바람직하게는 각 전지가 종단 음극, 양극 쌍, 음극 쌍, 양극 쌍 및 종단 음극과 같이 직렬로 구성된 8 개의 전극을 포함한다.
도 11을 참조하면, 전해 전지 또는 전해조 장치(32)에 의해 발생된 기체는 기체 배급 시스템(90)을 통과하여 엔진 연료 라인으로의 주입, 공기 흡입 또는 배기관에서의 후처리를 위해 차량 엔진으로 진행한다. 바람직하게는, 생성된 수소 기체 및 산소 기체는 별개의 라인(91, 92) 내에서 전송되고, 엔진에 주입될 때까지 분리된 채로 유지된다. 기체 배급 시스템은 각각의 수소 및 산소 라인을 위한 압력 조절기(94)를 포함한다. 압력 조절기(94)는 장치(32) 내의 기체의 압력이 장치 내의 전해질의 압력보다 더 큰 선택된 압력 이상으로 유지되는 것을 보장한다. 이것은 전해질이 기체 포트를 통해 나오지 못하도록 막는다.
기체 배급 시스템은 또한 각 라인(91, 92)에 습도 제거기(96)를 포함한다. 습도 제거기(96)는 예를 들어 실리카 겔(silica gel)과 같은 화학적 방법, Gore-TexTM 멤브레인을 사용하는 기계적인 방법 또는 펠티에 효과 콘덴서(Peltier effect condenser)를 사용하는 전기적인 방법에 기초할 수 있다. 라인(98)은 각각의 습도 제거기로부터 전해질 저장소(100)로 연장된다.
전해질은 장치(32)와 전해질 저장소(100) 사이에서 회로(101)를 통해 흐른다. 저장소(100)는 전해질의 온도가 약 80℃의 선택된 값 이하가 되게 하는 제어부(102)와, 전해질의 적절한 부피가 장치에 공급하는 데 이용 가능하도록 하는 레벨 검출기(104)를 포함한다. 전해질 균질성을 유지하기 위해 혼합기(106)가 또한 제공된다.
본 발명의 범주를 벗어나지 않고 많은 다른 변화들이 도시된 실시예에 이루어질 수 있음은 명백하며, 이러한 모든 변화들은 첨부된 청구범위에 의해 커버된다.

Claims (40)

  1. 농축 액체 전해질로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해 전지(electrolysis cell)에 있어서,
    하우징과, 복수의 다공성 음극판과, 상기 음극판들 사이에 배치된 복수의 다공성 양극판과, 상기 음극판들과 상기 하우징 상의 수소 기체 출구 포트 사이에서 유체를 전달하는 수소 기체 도관(conduit)과, 상기 양극판들과 상기 하우징 상의 산소 기체 출구 포트 사이에서 유체를 전달하는 산소 기체 도관과, 상기 양극판과 상기 음극판 및 각각의 인접한 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 통해 전해질이 흐르도록 구성되는 전해질 입구 및 전해질 출구와, 각각의 상기 전해질 입구 및 상기 전해질 출구에 인접하게 배치되어 있고 전해질을 투과시키나 수소 기체 및 산소 기체는 투과시키지 않도록 선택되는 종단 격리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    네 개의 양극판과 네 개의 음극판을 구비하며, 이들이 음극, 양극, 양극, 음극, 음극, 양극, 양극, 음극으로 종단부터 종단까지 정렬되는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 입구 및 상기 전해질 출구 사이에 압력 차가 존재하여 이들 간에 흐름(flow)이 발생하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 2 전해질 입구를 더 포함하며, 상기 입구들 사이에 압력 차가 존재하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제 2 전해질 출구를 더 포함하며, 상기 출구들 사이에 압력 차가 존재하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 입구 및 상기 전해질 출구는 전해질 흐름 경로의 일부를 형성하고, 임의의 전극과 상기 종단 격리판의 상기 전해질 흐름 경로 내의 임의의 노출된 도전성 표면 사이의 전위 차가 1.2V 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구 또는 상기 출구 중 적어도 하나는 효과적으로 자신의 길이를 증가시키기 위해 그 내부에 적어도 하나의 굴곡부(bend)를 갖는 미로(labyrinth)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    고압 전해질 입구, 저압 전해질 입구, 고압 전해질 출구 및 저압 전해질 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구를 통과하는 상기 전해질의 흐름을 확산시키기 위해 상기 전해질 입구에 인접하게 위치하고 전해질 확산 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전해질 입구는 확산 부재의 한 면을 통과하는 흐름 경로 내에 전해질을 공급하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 격리판은 전해질은 통과시키지만 수소 기체 및 산소 기체 기포는 통과시키지 않는 크기의 통로를 그 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 격리판은 미공성(microporous)의 친수성(hydrophilic) 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극판 및 상기 음극판은 기체의 이동을 위한 소수성(hydrophobic) 통로와 전해질의 이동을 위한 친수성 통로를 포함하는 기체 확산 전극인 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극판은 어셈블리를 형성하기 위해 상기 양극을 접어서 접혀진 에지부를 생성하고 상기 접혀진 에지부에 양극 컨택트 표면을 형성함으로써, 하나의 장치로서 일체로 형성된 적어도 일부 인접한 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 양극 컨택트는 상기 접혀진 에지부를 용융된 컨택트 재료에 침지(dipping)시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전해 전지.
  16. 농축 액체 전해질로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해조 장치에 있어서,
    하우징과,
    상기 하우징 내의 두 개의 전해 전지로서, 각각의 전해 전지가 내부 챔버와 그 내부에 배치된 복수의 다공성 음극판과 복수의 다공성 양극판 및 각각의 인접한 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 포함하고, 상기 다공성 음극판이 상기 양극판들 사이에 교대로 배치되고, 상기 격리판이 전해질은 투과시키고 수소 기체 및 산소 기체 기포는 투과시키지 않도록 선택되며; 상기 음극판과 상기 하우징 상의 수소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 수소 기체 도관과, 상기 양극판과 상기 하우징 상의 산소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 산소 기체 도관과, 전해질이 상기 양극판 및 상기 음극판을 통해 흐르도록 구성된 제 2 전해질 입구 및 제 2 전해질 출구와, 각각의 상기 제 2 전해질 입구 및 상기 제 2 전해질 출구에 인접하게 배치된 격리판을 포함하는, 상기 두 개의 전해 전지와,
    전해질을 상기 전지에 공급하고, 상기 두 개의 전해 전지의 상기 제 2 전해질 입구 사이에서 연장되는 주 전해질 입구 도관과,
    상기 전지로부터 전해질을 배출하고, 상기 두 개의 전지의 제 2 전해질 출구 사이에서 연장되는 주 전해질 출구 도관을 포함하고,
    상기 주 전해질 입구 도관 및 상기 제 2 전해질 입구는 상기 두 개의 전지 사이에서 적어도 95%의 갈바닉 분리(galvanic separation)를 유지하도록 함께 형성되고,
    상기 주 전해질 출구 도관 및 상기 제 2 전해질 출구는 상기 두 개의 전지 사이에서 적어도 95%의 갈바닉 분리를 유지하도록 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 95%의 갈바닉 분리는, 상기 전지 내의 인접한 양극판과 음극판 사이의 유효 거리보다 적어도 20 배 큰 결합 길이(combined length)를 갖도록 상기 주 전해질 입구 도관 및 상기 제 2 전해질 입구를 형성함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제 2 전해질 입구는 효과적으로 자체의 길이를 증가시키기 위해 그 내부에 적어도 하나의 굴곡부를 갖는 미로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질 출구는 효과적으로 자체의 길이를 증가시키기 위해 그 내부에 적어도 하나의 굴곡부를 각각 갖는 미로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질 입구는 상기 전해 전지의 내부 챔버에 대해 개방되어 있는 포트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 포트는 상기 전해 전지의 내부 챔버의 폭의 적어도 2/3 연장되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질 출구는 상기 전해 전지의 내부 챔버에 대해 개방되어 있는 포트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 포트는 상기 전해 전지의 내부 챔버의 폭의 적어도 2/3 연장되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질 출구 포트는, 중력에 의해 결정되어, 상기 제 2 전해질 입구 포트 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 전해질 입구와 상기 제 2 전해질 출구 사이의 각 전지 내에 압력 차가 존재하여 이들 간에 흐름(flow)이 발생하는 전해조 장치.
  24. 제 16 항에 있어서,
    각 전지 내의 상기 제 2 전해질 출구 사이에 압력 차가 존재하여 보다 낮은 압력 출구와 보다 높은 압력 출구가 존재하고 상기 보다 높은 압력 출구보다 상기 보다 낮은 압력 출구를 통해 더 큰 흐름이 통과하는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 주 전해질 출구 도관이 존재하고, 상기 제 1 주 전해질 출구 도관은 상기 두 개의 전지의 상기 보다 높은 압력 출구 사이에서 연장되고, 상기 제 2 주 전해질 출구 도관은 상기 두 개의 전지의 상기 보다 낮은 압력 출구 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  26. 제 16 항에 있어서,
    각각의 상기 적어도 두 개의 전지 내에 제 2의 2차 전해질 입구를 더 포함하고, 각 전지 내의 상기 두 개의 2차 입구 사이에 압력 차가 존재하는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 주 전해질 입구 도관이 존재하고, 상기 제 1 주 전해질 입구 도관은 상기 두 개의 전지의 상기 제 1의 2차 전해질 입구 사이에서 연장되고, 상기 제 2 주 전해질 입구 도관은 상기 두 개의 전지의 상기 제 2의 2차 전해질 입구 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  28. 제 16 항에 있어서,
    임의의 전극과 상기 격리판 외부의 상기 전해질 흐름 경로 내의 임의의 노출된 전도성 표면 사이의 전위 차가 1.2V 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  29. 제 16 항에 있어서,
    임의의 양극판 또는 음극판의 무반응 표면이 전해질 도관, 입구 또는 출구 내에서 노출되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  30. 제 16 항에 있어서,
    상기 전지는 상기 양극판, 음극판 및 격리판을 적층하여 정렬하고 여기에 하우징 재료를 주입함으로써 형성되고, 상기 주 전해질 입구 도관 및 상기 주 전해질 출구 도관은 양극 또는 음극 기체 생성 표면이 상기 주 도관 내에서 노출되지 않도록 선택된 상기 전지를 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  31. 농축 액체 전해질로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해조 장치에 있어서,
    하우징과,
    상기 하우징 내의 제 1 전해 전지와 상기 하우징 내의 제 2 전해 전지로서, 각각의 전해 전지가 복수의 다공성 음극판과, 상기 음극판 사이에 배치된 복수의 다공성 양극판과, 상기 음극판과 상기 하우징 상의 수소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 수소 기체 도관과, 상기 양극판과 상기 하우징 상의 산소 기체 출구 포트에 유체를 전달하는 산소 기체 도관과, 전해질이 상기 양극판과 상기 음극판 및 각각의 인접한 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 통해 흐르도록 배열된 제 1 및 제 2 전해질 입구와 제 1 및 제 2 전해질 출구와, 각각의 상기 전해질 입구와 상기 전해질 출구에 인접하게 배치되어 전해질은 투과시키고 수소 기체 및 산소 기체 기포는 투과시키지 않도록 선택되는 격리판을 포함하는, 상기 제 1 및 제 2 전해 전지와,
    전해질을 상기 전지에 공급하고, 상기 제 1 및 제 2 전해 전지의 상기 전해질 입구 사이에서 연장되는 전해질 입구 도관과,
    상기 전지로부터 전해질을 배출하고, 상기 제 1 및 제 2 전해 전지의 상기 전해질 출구 사이에서 연장되는 전해질 출구 도관과,
    상기 제 1 및 제 2 전지 사이에 위치하고, 그 사이에 벽을 형성하고, 상기 제 1 전해 전지의 상기 제 1 전해질 입구와 상기 제 1 전해질 출구 및 상기 제 2 전해 전지의 상기 제 2 전해질 입구와 상기 제 2 전해질 출구를 규정하는 전해질 확산 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 전해질 입구 도관 및 상기 전해질 출구 도관은 각각 상기 전지 사이에서 적어도 95%의 갈바닉 분리를 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 95%의 갈바닉 분리는, 상기 제 1 전지 내의 전극과 상기 제 2 전지 내의 전극 사이의 최단 전해질 경로의 길이가 하나의 전지 내의 인접한 양극판과 음극판 사이의 유효 거리보다 적어도 20 배 크도록, 상기 전해질 입구 도관 및 상기 전해질 출구 도관을 형성함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 전해질 입구 도관은 상기 전해질 확산 어셈블리를 통과하는 부분을 포함하고, 효과적으로 자체의 길이를 증가시키기 위해 그 내부에 적어도 하나의 굴곡부를 갖는 미로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 전해질 입구 도관은 상기 전해질 확산 어셈블리를 통과하는 부분을 포함하고, 효과적으로 자체의 길이를 증가시키 위해 그 내부에 적어도 하나의 굴곡부를 각각 갖는 미로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조 장치.
  36. 전해 전지에 사용하기 위한 전극으로서,
    외부 표면을 갖는 다공성 도체와, 상기 다공성 도체의 상기 외부 표면 상의 활성층 재료와, 상기 활성층 재료 내에 살포된 촉매와, 몰딩되어(molded) 상기 다공성 도체와 접촉하는 전원 접속용 컨택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 컨택트는 주석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 컨택트는 상기 전해 전지 내에 동일한 유형의 다른 전극의 컨택트에 몰딩(molding)함으로써 접속되는 것을 특징으로 하는 전극.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 도체는 제 2 전극과 나란하게 되도록 접혀진 상기 제 2 전극과 일체화되는 것을 특징으로 하는 전극.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 도체는 상기 전극과 상기 제 2 전극 사이에 접혀진 에지를 형성하고, 상기 컨택트는 상기 접혀진 에지에 접속되는 것을 특징으로 하는 전극.
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