KR20070024626A - 전기화학적 전원 소스의 설계 및 컴포넌트 - Google Patents

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Abstract

특히, 제공되는 이온-전도성 막 어셈블리는, 다공성 코어 및 그 사이에서 상기 다공성 코어를 샌드위칭하는 두 개의 이온-전도성 막들을 포함하며, 여기서, 상기 다공성 코어는 이온-전도성 액체를 수용하도록 구성된다.

Description

전기화학적 전원 소스의 설계 및 컴포넌트{ELECTROCHEMICAL POWER SOURCE DESIGNS AND COMPONENTS}
본 발명은 특히, 적층된 연료 전지 어셈블리들을 포함하는 연료 전지들 및 다른 전기화학적 전원 소스들 및 연료 전지들에 사용되는 소자들에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가역 연료 전지(reversible fuel cell)들 및 유동 배터리(flow battery)와 같은 다른 전기화학적 시스템들에도 적용될 수 있다.
적층된 연료 전지 어셈블리 FCS가 도 1a에 도시된다. 기본적인 부재는 막-전극 어셈블리(1)로 구성된 연료 전지(5), 막 전극 어셈블리(10)의 한쪽 측면상의 캐소드 챔버 및 다른 한쪽 측면상의 애노드 챔버이다. 이러한 챔버들은 도시된 밀봉부(2) 내에 제공된다. 이러한 연료 전지(5) 부재들 사이에는 양극 플레이트(bipolar plate)들(3)이 존재한다. 양극 플레이트들은 상기 적층된 연료 전지들(5)에 전기적으로 연결된다. 종종 부가적인 냉각 플레이트들(6)은 열 소실을 개선하기 위하여 통합된다. 상기 도면에서, 적층물은 2개의 단부에서 단부 플레이트들(4)에 의하여 밀폐된다. 연료 전지는 도 1b에서 따로 분리하여 도시된다. 막 전극 어셈블리는 일반적으로 전해물(16)(폴리머 전해질 막 또는 알카라인 전해질과 같은) 및 전극들(17) 및 확산층들(7)을 포함한다. 전극들은 일반적으로 지지 재료 (supporting matrial) 및 귀금속, 전이 금속 또는 이들의 합금과 같은 촉매를 포함한다.
연료 전지들에 사용되는 이온-전도성 막들은 일반적으로 95 ℃ 이하의 온도에서 작동하며, 연료로서 순수한(clean) 수소를 사용한다. 몇몇 막들은 메탄올 연료를 이용하여 작동하지만, 막들을 통한 만족하지 않은 메탄올의 침투를 가지며(메탄올 크로스-오버(cross-over)), 이것은 에너지 효율을 떨어뜨린다. 따라서, 수소 연료 전지에 대하여 더 높은 온도에서(120~200℃) 작동하거나, 또는 직접 메탄올 연료 전지들에 대하여 낮은 메탄올 크로스오버 비율을 갖는 새로운 막들이 요구된다. 본 발명은 특히, 상기 문제점들을 처리하는 이온-전도성 막들을 위한 설계를 제공한다.
촉매-지지 재료들은 일반적으로 촉매 입자들을 지지하고, 촉매 입자들로부터 가스 확산층, 양극 플레이트, 상기 적층물의 다음 전지로 전자들을 전도하기 위하여 사용된다. 카본 블랙(Carbon black)은 보통은 지지 재료로서 사용되나, 일관적으로 카본 블랙을 처리하는 것은 어려우며, 카본 블랙의 전자 전도성은 충분치 않다. 본 발명은 특히, 전기적 결합을 개선하는 촉매 지지층들에 대한 설계 및 처리 방법을 제공한다.
상기 양극 플레이트들은 전기적으로 전도성이어야 하지만 분리된 연료 전지들로부터의 반응물의 이동을 허용해서는 안 된다. 종종 흑연 플레이트들이 사용되나, 그러한 플레이트들은 고가이며, 그것들의 기계적인 강도는 희망하는 것보다 낮다. 금속들이 사용될 수 있으나, 금속 플레이트들은 대개 부식되기 쉽다. 금 및 개발된 신종 금속성 재료들은 더 나은 화학적 저항성을 가지나, 부식 저항적 금속 재료들의 비용은 비싸다. 또한, 양극 플레이트들의 표면 특성 및 전기적 유동 필드는 연료 전지들, 유동 배터리들 및 기타 같은 종류의 것의 성능에 중요하다. 본 발명은, 특히, (ⅰ)이러한 문제점들을 처리하는 양극 플레이트들을 위한 설계 및 (ⅱ)새로운 양극 플레이트들을 위한 가스 확산층들의 설계를 제공한다.
확산층들은 다공성 구조를 가지고 전기적으로 전도성이어야 한다. 또한, 내부 전원 손실을 감소시키기 위하여 확산층들과 전극들 사이의 또는 확산층들과 양극 플레이트들 사이의 전기 접촉 저항은 최소화되어야 한다. 본 발명은, 특히, 낮은 접촉 저항력을 허용하는 확산층들을 제공한다.
차, 트럭, 트랙터 및 기타 같은 종류의 것 또는 라디오, 핸드폰, 미디어 플레이어 및 기타 같은 종류의 것과 같은 이동성 및 휴대용 애플리케이션들에서 수소 연료 전지들의 사용을 위하여, 높은 연료 농도를 갖는 수소 연료의 소스가 유용할 것이다. 본 발명은, 특히, 고 농도 수소 소스를 제공하기 위한 설계 및 완전한 연료 전지 전원 시스템으로 수소 소스를 통합하기 위한 설계를 제공한다.
상기 개시된 설계들은 제작 비용을 줄이고, 연료 전지 효율을 증가시키며, 연료 전지 무게 또는 체적을 감소시키는 것으로 여겨진다.
일 실시예에서 제공되는 이온-전도성 막 어셈블리는, 다공성 코어; 및 상기 다공성 코어를 샌드위칭하는 두 개의 이온-전도성 막들을 포함하며, 여기서, 상기 다공성 코어는 이온-전도성 액체를 수용하도록 구성된다. 이온-전도성 막은 예를 들어, 30℃ 내지 200℃ 또는 110℃ 내지 200℃에서 동작하는 전기화학적 전원 소스에 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서 제공되는 다공성 전극은, 다공성의 전도성 매트릭스; 상기 다공성의 전도성 매트릭스에 의해 지지되는 탄소 나노-튜브(nano-tube); 및 상기 탄소 나노-튜브들 상에 증착된 전극 촉매를 포함한다.
또 다른 실시예에서 제공되는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리는: 두 개 이상의 전기화학적 전지들; (ⅰ)금속층 및 전도성 비아들을 포함하는 하나 이상의 저항층들 -상기 비아들은 상기 저항층(들)을 관통함- 을 포함하거나, (ⅱ)본질적으로 (1)전도성 비아들을 포함하는 저항층 -상기 비아들은 상기 저항층을 관통함- 을 포함하는 코어 및 (2)상기 저항층의 두 개의 기본 표면(primary surface)들 상의 금속 코팅으로 구성된, 두 개의 전기화학적 전지들 사이의 양극 플레이트를 포함한다. "본질적으로 구성된다"는 것은 아이템(1) 및 (2)에 적용되나, 아이템(1)은 예를 들어 그것의 특징들을 포함한다. 그것이 표면층일 경우, "저항성"층은 적층된 전기화학적 전원 소스에 대하여 적당한 수명을 허용할 수 있는 통합된 전기화학적 전지와의 접촉으로 인한 부식에 충분히 저항적이다. 내부에서, "저항성"층은 충분한 전기 전도성을 갖지 못하여 비아들이 전원 소스로서의 기능을 개선한다. 이러한 저항성 층들은 유전체로 여겨지는 재료로 만들어질 수 있으나, 필수적이지는 않다.
또 다른 실시예에서 제공되는 전기화학적 전원 소스 어셈블리는: 두 개 이상의 전기화학적 전원 전지들; 상기 두 개의 전기화학적 전원 전지들 사이의 양극 플레이트; 및 상기 하나 이상의 전기화학적 전원 전지들에 대하여, 상기 전기화학적 전원 전지의 이온-전도성 막과 상기 양극 플레이트 사이에 위치한 확산층을 포함하고, 여기서 상기 확산층은: 적어도 하나의 주요 표면상에 카본 블랭킷보다 큰 전도성 용량을 갖는 전도성 영역들의 패턴을 갖는 상기 다공성 탄소 블랭킷(blanket)을 포함하며, 상기 영역은 상기 양극 플레이트에 전기적으로 접촉하도록 구성된다. 상기 양극 플레이트는 상기 확산층의 전도성 영역들과 접촉하고 정렬되도록 구성된 전기 접촉부를 포함한다.
또 다른 실시예에서 제공되는 고체 수소 소스는: 착수소화물(complex hydride) 및 활성 금속(active metal)의 혼합물, 입구(inlet) 채널 및 배출구(outlet) 채널을 포함하는 용기(vessel); 및 착수소화물/금속 혼합물을 가열하기 위한 전기 히터를 포함한다. 이러한 고체 수소 소스들은 요구가 있는 즉시 수소를 생성하기 위하여 물의 소스 사이에 하나 이상의 밸브(valve)들을 갖는 도관(conduit)과 함께 사용될 수 있다.
도 1a 및 1b는 연료 전지 적층의 기초적인 부재들을 도시한다.
도 2 및 3은 하이브리드(hybrid) 이온-전도성 막들의 부재들을 도시한다.
도 4 및 5는 전극 구조들을 도시한다.
도 6a 및 6b는 양극 플레이트들을 도시한다.
도 7a 7b, 8, 9, 및 10은 양극 플레이트들을 도시한다.
도 11a 및 11b는 확산층을 도시한다.
도 12는 고체 수소 소스를 도시한다.
도 2는 다공성 코어(112)를 샌드위칭하는 이온-전도성 막(111)의 층들을 갖는 하이브리드 이온-전도성 막 어셈블리(100)를 도시한다. 하나의 샌드위칭된 다공성 코어가 많은 실시예들에 적합한 것으로 여겨지지만, 그 이상도 가능하다. 작동에 있어서, 다공성 코어(112)는 산성 수용액(acid aqueous solution)과 같은 전해질 용액에 적셔진다. 이온-전도성 막(111)은 예를 들어, 나피온(Nafion, 두폰사로부터 제공 가능함) 또는 기타 같은 종류의 것일 수 있다.
상기 다공성 재료는 예를 들어, 석영, 유리, 세라믹 또는 금속일 수 있다. 유리 또는 석영이라면, 이것은 동공(pore)들을 제공하기 위하여 에칭될 수 있으며, 또는 이것은 유리 섬유 블랭킷, 옷감 또는 종이일 수 있다. 다공성 코어의 두께는 예를 들어 10 내지 2000 미크론이다. 특정 실시예들에서, 상기 두께는 다음의 하위 엔드포인트(endpoint)들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 10, 20, 50, 100, 200, 400, 800, 1,200, 1,600 및 2,000 미크론이다. 상위 엔드포인트들은 20, 50, 100, 200, 400, 800, 1,200, 1,600, 2,000 및 5,000 미크론이다. 예를 들어, 상기 두께는 50 내지 200 미크론일 수 있다. 특정 실시예들에서, 상기 동공 크기는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 5, 10, 20, 50, 100, 200, 400 및 800nm 및 1, 5, 10, 20, 30, 50 및 100 미크론이다. 상위 엔드포인트들은 10, 20, 50, 100, 200, 400 및 800nm 및 1, 5, 10, 20, 30, 50, 100 및 200 미크론이다.
도 3은 하이브리드 이온-전도성 막 어셈블리의 일 실시예의 단면의 확대도를 도시한다. 관찰을 위하여 확대된 단면은 도 2에 나타난다(도면의 이러한 목적을 위하여 단지 상기 실시예는 도 2에 도시된 이온-전도성 막 어셈블리에 사용되는 것으로 가정한다). 본 실시예는 기본 동공들(214) 및 중앙 동공들(215)을 갖는다. 기본 및 중앙 동공들은 전체 코어 영역을 포함할 수 있고, 또는 거기에는 구조적 또는 충전 컴포넌트(213)가 있을 수 있다. 특정 실시예들에서, 중앙 동공 크기는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 5, 10, 20, 50, 100, 200, 300 및 400nm이다. 상위 엔드포인트들은 20, 50, 100, 200, 300, 400 및 500nm이다. 특정 실시예들에서, 보다 큰 동공들(예컨대, 기본 동공들(214))을 위하여, 상기 동공 크기는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 100, 200, 400 및 800nm 및 1, 5, 10, 20 및 30 미크론이다. 상위 엔드포인트들은 200, 400 및 800nm 및 1, 5, 10, 20, 30, 50, 100 및 200 미크론이다.
특정 실시예들에서, 하이브리드 막에서 폴리머층들의 두께는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 및 10 미크론이다. 상위 엔드포인트들은 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20 미크론이다. 예를 들어, 상기 두께는 0.5 내지 2 미크론일 수 있다. 특정 실시예들에서, 하이브리드 이온-전도 성 막 어셈블리의 전체 두께는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 1, 5, 10, 20, 50, 100 및 200 미크론이다. 상위 엔드포인트들은 25, 50, 100, 200, 500 및 1,000 미크론이다. 예를 들어, 상기 두께는 25 내지 100 미크론일 수 있다.
액체 전해질이 폴리머 전해질보다 매우 높은 전도성을 갖기 때문에, 도 2 및 도 3의 하이브리드 이온-전도성 막 어셈블리 실시예들은 높은 전해질 전도성을 제공한다. 또한, 다공성 코어 기판에서 액체 전해질을 갖는 박막 폴리머 전해질의 직접 접촉은 막을 젖은 상태로 유지하기 위하여 물의 폴리머 막으로의 이동을 개선하고, 물의 처리를 단순화한다. 막 폴리머가 가늘어질 수 있기 때문에, 그것의 전기적 저항력은 감소되고, 따라서 높은 온도에서의 작동을 위해 설계된 막들의 낮은 전도성을 이용하여 문제점을 극복한다. 유사하게, 메탄올 또는 전통적으로 낮은 양자 전도(transmission)를 갖는 다른 유기화합물의 낮은 전도성을 이용하여 막들은 유용한 낮은 유기화합물 전도를 유지하기 위하여 얇아질 수 있는 것으로 믿어진다.
특정 실시예들에서, 하이브리드 이온-전도성 막 어셈블리는 상대적으로 높은 온도에서 작동된다. 예를 들어, 상기 온도는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 10, 25, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140 및 150 ℃이다. 상위 엔드포인트들은 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 180 및 200℃이다. 예를 들어, 상기 온도는 110 내지 180℃ 또는 110 내지 200℃일 수 있다.
일 실시예에서, 하이브리드 이온-전도성 막 어셈블리는 수소-할로겐 배터리와 같은 가역 연료 전지에서 사용된다. 낮은 할로겐 크로스오버 비(crossover rate) 폴리머 막은 높은 양자 전도성 및 낮은 할로겐 크로스오버를 달성하기 위하여 하이브리드 막에서 사용된다.
일 실시예에서, 하이브리드 막 어셈블리는 폴리황화물 나트륨(sodium polysulfide) 및 바나듐계 레독스(vanadium redox) 유동 배터리 애플리케이션에서 사용된다. 황 및 브로민 이온들의 낮은 크로스오버와 같이 전해질 용액에서 컴포넌트들의 낮은 크로스오버를 갖는 폴리머 막은 높은 활성화 이온(나트륨 이온 또는 양자와 같은) 전도도 및 다른 컴포넌트들의 낮은 크로스오버를 달성하기 위하여 하이브리드 막에서 사용된다.
전기화학적 전원 소스 전극 성능을 개선하기 위하여, 탄소 나노-튜브 함유 전극은 도 4에 도시된 바와 같이, 가스 확산층(171)과 같은 다공성 지지 매트릭스의 표면상에 첨부되는 탄소 나노-튜브들(173) 상에 전극 촉매를 증착시키는 단계에 의하여 구성된다. 이러한 나노-튜브 함유 전극을 만들기 위하여, 예를 들어, 제1 탄소 나노-튜브 형성 촉매가 지지 매트릭스(171)상에 증착될 수 있다. 그 후 탄소 나노-튜브들(173)은 예를 들어 미국 특허 6,692,717호에 기재된 조건들을 사용한 탄소-함유 분위기 및 높여진 온도를 사용하여 매트릭스상에 성장된다. 전극 촉매는 그 후 탄소 나노-튜브들상에 증착될 수 있다. 탄소 나노-튜브들의 높은 표면 영역 및 높은 전자 전도성은 전극 성능을 현저히 개선하는 것으로 믿어진다.
나노-튜브 형성 촉매는, 예를 들어, Ni, Co, Fe, Cr, V, Mn과 같은 전이 금속 또는 Pt, Cd, Ag, Ru와 같은 귀금속 또는 그 합금들이다. 촉매는 예를 들어 진공 증착 및 다른 물리적 프로세스들 또는 졸-겔(sol-gel) 및 다른 습성 화학 프로세스들에 의하여 증착될 수 있다. 나노-튜브 형성 촉매는 또한 실리콘의 촉매 입자들(1998년 10월 29일 Nature Vol.395, pp.878-881에 의해 기술된 프로세스와 같은) 또는 SiC일 수 있다. Si 및 SiC 입자들은 화학 기상 증착에 의해, 또는 높여진 온도에서 증착된 실리콘과 지지 매트릭스(171)에서의 흑연과의 반응에 의해 증착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 나노-튜브 함유 전극은 유동 배터리 및 가역 연료 전지들에 사용된다.
몇몇 실시예들에서, 나노-튜브 함유 전극은 유동 전극 또는 가역 연료 전지에 사용된다. 특히 이러한 실시예들에서, 나노-튜브들(217-2)을 지지하는 전극 촉매는 매트릭스 섬유(matrix fiber)들(217-1)로부터의 지지를 이용하여 매트릭스 지지 매트릭스(217) 내에 그리고 지지 매트릭스(217) 상에 순조롭게 정착될 수 있다(도 5에 도시된 바와 같은 3-차원 복합 구조). 이러한 3-D 복합 전극 구조는 촉매 지지를 위한 높은 표면 영역 및 다공성 지지 매트릭스를 통한 액체 전해질 용액의 대량 이동을 위한 큰 동공들 모두를 제공할 것이다.
일 실시예에서, 양극 플레이트(30)는 금속성 코어(31), 양극 플레이트를 관통하는 전기적 결합을 위한 전도성 비아들(32) 및 저항층(33)(도 6a)을 갖는다. 금속성 코어층은 예를 들어, 고밀도의, 다공성일 수 있으며, 또는 조밀한 내부 코어를 갖는 다공성 표면을 가질 수 있다. 저항층은 부식에 대항하는 금속 코어의 강도 및/또는 보호를 제공할 수 있다. 전도성 비아들의 외부 단부(32)는 금과 같은 부식-저항성 금속 재료로 선택적으로 코팅된다(미도시).
또는, 도 6b의 실시예에서와 같이, 양극 플레이트의 표면은 양극 플레이트의 표면 전도성을 개선하기 위하여 부식-저항성 전도성 재료의 층(134)으로 균일하게 코팅될 수 있다. 부식 저항성은 양극 플레이트에 대해 예상되는 작업 환경에서 저항성이다. 부식-저항성 전도성 재료는 예를 들어, 백금, 금, 적합한 합금들, 탄소(흑연) 및 기타 같은 종류의 것들일 수 있다.
금속 코어의 두께 범위(상기 표면 스케일 이하의)는, 예를 들어, 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 20, 50, 100, 200 및 500 미크론(㎛)이다. 상위 엔드포인트들은 200, 500, 1000, 2000 및 3000 미크론(㎛)이다. 예를 들어, 상기 두께는 100 내지 300 미크론일 수 있다.
상기 전도성 비아(32)는 예를 들어, 원형의, 정사각형의 또는 예컨대 10 내지 10,000 미크론(㎛)에 대한 횡단면 치수를 갖는(보다 큰 치수에서) 다른 횡단면 형태를 가질 수 있다. 상기 횡단면 치수는, 예를 들어 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 10, 25, 50, 100, 200, 500 및 1,000 미크론(㎛)이다. 상위 엔드포인트들은 50, 100, 200, 500, 1,000, 2,000, 3,000 및 4,000 미크론(㎛)이다. 예를 들어, 상기 횡단면 치수는 25 내지 500 미크론 또는 100 내지 500 미크론일 수 있다. 전도성 비아(32)의 높이는 저항층의 두께와 동일하거나 더 높을 수 있다. 저항층의 표면상으로 연장하는 비아는 상기 적응에서 낮은 전기 함유 저항을 제공할 수 있다. 비아는 상부에 부식 저항 재료(외부 단부들과 인접한) 또는 금속성 코어와의 접촉을 용이하기 하기 위한 본딩층과 같이 상이한 구획에서 상이한 재료들을 사용할 수 있다. 비아들의 양은 전지 작동 전류 밀도에 의하여 결정된다. 유동 배터리들과 같은 낮은 작동 전류 밀도에서, 수 제곱 센티미터의 하나의 비아가 있을 수 있다. 고 전력 전기화학적 전원 소스들과 같은 높은 작동 전류 밀도에서, 제곱 센티미터인 수 백개의 비아들이 있을 수 있다.
특정 실시예들에서, 비아들은 그것이 관통하는 저항층의 체적의 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 0.5% 이하이다.
상기 저항층 두께는 저항성 코팅의 애플리케이션 프로세스에 의해 결정된다. 상기 저항층 두께는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 0.1, 1, 10 및 50 미크론(㎛)이다. 상위 엔드포인트들은 10, 20, 50, 100, 500 및 2000 미크론(㎛)이다. 예를 들어, 상기 두께는 5 내지 50 미크론(㎛)일 수 있다.
상기 양극 플레이트 전체 두께의 범위는, 예를 들어 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 10, 50, 100, 200 및 500 미크론(㎛)이다. 상위 엔드포인트들은 200, 500, 1000, 2000 및 5000 미크론(㎛)이다. 예를 들어, 상기 두께는 100 내지 300 미크론일 수 있다.
상기 저항층은 본 발명이 속하는 기술분야에서 인지되는 조건하에서 금속층의 반응에 의하여 조밀한 박막 표면 스케일로 형성될 수 있다. 적합하게 조밀한 표면 스케일을 형성하는 금속들은 예를 들어, 스테인레스 강, 또는 티타늄을 포함한다. 이러한 경우에, 전도성 비아들은 표면 스케일 코팅을 형성하기에 앞서 전도성 비아 재료의 스팟-증착(spot-depositing)에 의하여 형성될 수 있다. 스팟-증착 프로세스는 프린팅(printing), 전기 도금, 스퍼팅(spurting) 및 기타 같은 종류의 단계일 수 있다. 조밀한 표면 스케일을 형성하기 위하여, 금속 코어는 예를 들어, 산소 또는 질소 분위기에서 100℃ 내지 1300℃와 같은 적당한 온도로 가열될 수 있다.
대안적으로, 저항층은 두꺼운 필름 프로세서에 의해 형성될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 저항 테이프(tape)이 형성되고 작은 홀(hole)들이 전도성 비아들을 위하여 테이프 상에 펀칭(punch)된다. 그 후, 저항성 테이프는 금속 코어 플레이트상에 적층된다. 전도성 비아들은 적층 전 또는 후에 저항성 테이프상에 홀들로 인가될 수 있다. 전도성 비아 재료를 적용하기 위한 프로세스는 스크린 프린팅, 충전 및 기타 같은 종류의 단계일 수 있다. 저항성 재료는 예를 들어, 폴리머 또는 세라믹(유리 세라믹을 포함하는)일 수 있다. 세라믹 저항성 재료의 경우에, 세라믹층은 녹색 테이프로서 적층되고, 그 후 저항층을 획득하는 녹색 테이프의 밀도를 높이기 위하여 고온에서 금속 코어와 함께 열처리될 수 있다. 세라믹 저항층을 금속 코어 플레이트상에 인가하기 위한 하나의 방법은 미국 특허 제 5,581,876호, 제5,725,808호, 제5,747,931호, 제6,140,795호에 개시된 것과 같은 저온 소성 세라믹 금속 기판(LTCC-M: Low-Temperature Co-fired Ceramic-on Metal) 기술을 이용한다.
일 실시예에서, 금속 코어층은 다공성(조밀한 내부 코어를 갖는 다공성 표면을 포함하는)이며, 저항층은 박막이다. 저항층은 부식에 대항하는 금속을 보호하기 위하여 전체 표면(상기 다공성 금속층의 내부 표면을 포함하는)을 코팅할 수 있다.
일 실시예에서, 양극 플레이트는 물결 모양으로 주름 잡힐 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 전도성 비아들(432)은 양극 플레이트(431)의 높은 포인트들에 있고(또는 하부 측면상의 낮은 포인트들), 따라서 전극들 또는 연료 전지들, 배터리들 및 기타 같은 종류의 것들의 확산층과의 접촉을 용이하게 한다. 상기 물결 모양으로 주름 잡힌 양극 플레이트들은 유동성(연료 전지들을 위한 가스 및 유동 배터리들을 위한 액체를 포함하는) 수송을 위한 채널들을 제겅하기 위하여 모양 지어진 물결 주름들을 가질 수 있다. 물결 주름의 형태 및 치수는 연료 전지들, 유동 배터리들 및 기타 같은 조율의 것을 위해 최적화될 수 있다.
상기 물결 주름의 형태는 모나거나(직선 또는 구부러진 구획들을 갖는) 또는 구부러지거나 또는 섬(또는 반도형의 돌기물) 형태를 가질 수 있다. 특정 실시예들에서, 양극 플레이트의 지정된 측면, 또는 양쪽 측면들상에서, 범프-투-범프(bump-to-bump) 거리는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 및 4.5 mm이다. 상위 엔드포인트들은 0.04, 0.06, 0.08, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5 및 5.0 mm이다. 예를 들어, 상기 거리는 0.02 내지 5 mm 또는 0.1 내지 2 mm일 수 있다. "물결 주름"은 양극 플레이트로서 사용하기에 적합한 전반적인 형태상에 높고 낮은 스팟들의 임의의 패턴을 의미한다.
일 실시예에서, 도 7a의 삽입도에서 도시된 바와 같이, 물결 모양 영역의 표면상에 내장된 마이크로-채널들 또는 구멍(pit)들(437)이 있을 수 있다. 마이크로-채널들 또는 구멍들(437)은 상기 물결 주름 상에 물 응결이 전개되도록 구성되고 맞추어 만들어진다. 마이크로-채널들 또는 구멍들은 물결 주름들을 따라 가스를 차단하는데 효과적인 크기의 물방울들의 형성을 감소시킬 수 있다(즉, 물결 주름들에 의해 형성된 채널들에서). 마이크로-채널들 또는 구멍들(437)의 형태는 예를 들어, 원형의, 정사각형의 또는 예커대 1 내지 500 마이크론(㎛)의 치수들(더 큰 치수에서)을 갖는 다른 횡단면 형태를 가질 수 있다. 상기 횡단면 치수(폭)은 예를 들어, 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 1, 5, 50 및 100 미크론(㎛)이다. 상위 엔드포인트들은 50, 100, 200 및 500 미크론(㎛)이다. 예를 들어, 상기 횡단면 치수는 25 내지 100 미크론 또는 50 내지 200 미크론일 수 있다. 일반적으로, 이러한 마이크로 채널들은 도 9에 도시된 채널들보다 작다.
일 실시예에서, 금속 시트의 두 개 이상의 조각들은 도 8에 도시된 바와 같이 할로우 코어(hollow core)(739)를 형성하기 위하여 용접될 수 있으며 또는 그 반대로 본딩되거나(bonded) 함께 결합(joined)될 수 있다. 할로우 코어의 채널들은 양극 플레이트를 위한 열 교환 채널들로서 사용될 수 있다. 물과 같은 열 교환 매체는 연료 전지, 유동 배터리 적층 또는 그런 종류의 다른 것의 온도를 제어하기 위하여 할로우 코어를 통해 흐를 수 있다. 도 8에 도시된 두 개의 조각들에 의해 도시된 바와 같이, 금속성 코어를 형성하는 본딩된 금속 서브파트(subpart)들은 "금속층"일 수 있다.
두꺼운 필름 저항 표면 코팅을 사용하는 일 실시예에서, 양극 플레이트는 도 9(확산층(270)을 포함하는)에 도시된 바와 같이 기체 또는 다른 유동체의 수송을 용이하게 하기 위하여(예를 들어, 매니폴드(manifold)로서 동작하는) 저항층(233)의 채널들(235)을 통합할 수 있다. 채널들(235)은 저항성 테이프가 금속 코어층에 적층되기 전 또는 후에 양각(embossing) 또는 그런 종류의 다른 것에 의하여 형성될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 본 실시예의 양극 플레이트의 표면은 도 6b에 도시된 덮개와 유사하게 도체로 덮일 수 있고, 도체 표면은 채널-형성 윤곽(contour)을 따른다.
두꺼운 필름 저항성 표면층을 사용한 일 실시예에서, 양극 플레이트는 도 10 및 7b에 도시된 바와 같이, 저항층(231 또는 535)과 금속 코어층(331 또는 534) 사이에 열 교환 채널들(336 또는 536)을 동봉할 수 있다. 물과 같은 열 교환 매체는 연료 전지, 유동 배터리 적층 또는 그런 종류의 다른 것의 온도를 조절하기 위하여 이러한 동봉된 채널들을 통해 흐를 수 있다.
열 교환 채널들(336)은 예를 들어, 저항성 재료를 인가하기에 앞서 금속성 코어를 형상화하는 단계, 그 후 동시에 채널들을 형성하도록 저항층을 인가하는 단계에 의하여 형성될 수 있다. 열 교환 채널(536)은 예를 들어, 도관(536)을 유지하기 위하여 금속상에 저항성 테이프(535)의 제어된 적층에 의하여, 또는 흑연 또는 폴리머 파우더와 같은 가연성 재료를 도관들(536)의 위치로 인가하는 단계, 저항성 테이프(535)를 적층하는 단계(세라믹 테이프를 이용하는 것과 같이) 및 도관들(536)을 깨끗이 하기 위하여 적층을 열처리하는 단계에 의하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 양극 플레이트는 저항층(633)을 갖고, 그것의 코어는 양쪽 측면들 상에 얇은 금속 포일(foil)을 가지며, 전도성 비아들(632)이 저항성 코어층(633)을 관통하여, 양극 플레이트를 통하여 전기적 결합을 개설한다. 표면 금속 포일(634)은 균일한 덮개일 수 있으며, 또는 다양한 전도성 비아들(632)을 결합하기 위하여 표면상에 패터닝될 수 있다. 이러한 실시예는 물결 모양의 양극 플레이트로 도시되는 반면, 평평한 양극 플레이트들 또한 이러한 방법으로 설계될 수 있다. 특정 실시예들에서, 세라믹 코어(633)의 두께의 범위는 다음의 하위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인) 또는 다음의 상위 엔드포인트들 중 하나(포괄적인)일 수 있다. 하위 엔드포인트들은 50, 100, 200, 500 미크론(㎛)이다. 상위 엔드포인트들은 50, 100, 200, 500 및 1000 미크론(㎛)이다. 예를 들어, 상기 두께는 10 내지 50 미크론 또는 100 내지 500 미크론일 수 있다. 표면 금속 포일(634)은 특정 전기화학적 전원 소스의 부식을 억제하기 위해 선택된 것일 수 있다. 이러한 금속성 재료들은 금, 백금, 적합한 합금들 및 기타 같은 종류의 것을 포함한다. 양극 플레이트의 다른 컴포넌트들과의 조합에 있어서, 금속 포일 (634)은 캐소드 및 애노드 챔버들의 반응물 및 생성물을 분리하기에 충분한 두께이다.
도 11a 및 11b는 다공성 탄소 매트릭스 시트(71) 및 접촉 영역들(72)로 이루어진 확산층(17)을 도시한다. 이러한 접촉 영역들(72)은 매트릭스 시트보다 높은 전기 전도성을 갖는다. 연료 전지 및 유동 배터리 어셈블리에 있어서, 이러한 접촉 영역들은 전체 시스템의 전기적 완전성(integrity)을 확보하기 위하여 전기 전도성 비아들들과 정렬될 수 있다.
상기 접촉 영역들(72)은 원형, 정사각형 또는 다른 형태를 갖는 도트(dot)들일 수 있다. 이것은 또한 양극 플레이트들의 전체 접촉 영역을 매칭하기 위하여 연속적인 라인 또는 스트립(도면에 미도시)일 수 있다. 이러한 낮은 접촉 저항 확산층은 연료 전지들, 유동 배터리들 및 기타 같은 종류의 것의 종래 흑연 기반 양극 플레이트들과 함께 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 접촉 영역들에 의해 사용된 확산층의 겉면의 표면 영역은 50% 이하, 40% 이하, 40% 이하, 20% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하이다.
상기 확산층의 주 표면 치수들은 대응하는 전극 및 양극 플레이트의 그것과 동일할 수 있다. 특정 실시예들에서, 이러한 확산층들은 더 작은 스트립들일 수 있으며, 양극 플레이트들 상에 정렬되고 부착될 수 있다.
이러한 접촉 영역들(72)은 매트릭스의 그것보다 조밀한 구조(낮은 다공성)를 갖는 동일한 재료를 사용하거나, 높은 전도성, 화학적 안정성, 강한 접착력 또는 그런 종류의 다른 것과 같은 더 나은 성능을 갖는 다른 재료들을 사용할 수 있다. 이러한 전도성 영역들은 예를 들어, 전도성 잉크를 인가하는 단계 및 전도성 잉크를 유효한 도체로 소결시키기 위하여 전도성 잉크를 가열하는 단계에 의하여 만들어질 수 있다. 인가 프로세스는 프린팅, 진공 증착, 전기 도금 및 기타 같은 종류의 것일 수 있다. 접촉 영역들의 질량 및 높이를 증가시키기 위하여 필수적이라면, 상기 애플리케이션들은 필요한 횟수만큼 반복될 수 있다. 전극 또는 양극 플레이트는 상기 접촉 영역들(71)과의 접촉을 위하여 양극 스팟(spot)들과 같은 완벽하게 매칭되는 스팟들을 가지거나 가지지 못할 수 있다.
기체 수소의 낮은 에너지 농도는 이동성 소자들에의 그것의 사용에 장애물이 된다. 액체 수소를 다루는 복잡성이 그것의 사용에 장애물로 작용하는 반면, 수소화물이 전기화학적 전원 소스용 수소의 고농도 소스 소스로서 작용할 수 있다.
모든 수소화물들 중에서, 착수소화물들은 조밀한 에너지 소스들로 가장 가능성이 높으며, 제공되는 이러한 수소화물들은 적절히 처리된다. 이러한 착수소화물들은 예를 들어, 수소화붕소(borohydrides) 및 알루미늄 수소화물들을 포함한다. 이러한 수소화물들은 M(BH4) 및 M(AlH4)를 포함하며, 여기서 M은 Li, Na, K, NH3 또는 NH4이다.
상기 수소화물들 외에 수소를 얻는 가장 간단한 방법은 다음에 도시되는 것과 같은 열분해 반응을 통하는 것이다:
2NaBH4 → 2NaH+2B+3H2, (Ⅰ)
수소를 얻는 또 다른 방법은 다음에 도시되는 것과 같은 물을 이용한 그것의 반응을 통하는 것이다:
NaBH4+2H2O → NaBO2+4H2, (Ⅱ)
반응 Ⅱ는 더 많은 수소를 제공한다. 전기화학적 전원 소스 시스템에서, ANFDS 전기화학적 전원 소스 작동으로부터 생성되고, 배기 가스로부터 수집될 수 있다. 그러나 반응 Ⅱ의 생성물은 다음과 같이 수화물을 형성하기 위하여 물을 흡수하는 경향이 있다:
NaBO2+2H2O → NaBO2·2H2O (Ⅲ)
상기 수화물은 수소화물의 완전 반응을 방해할 수 있는 반응-방해 수화물 쉘(shell)을 형성할 것이다. 상기 문제점을 피할 수 있는 효과적인 방법은 120~200 ℃와 같은 높여진 온도에서 상기 반응을 실행하는 것이다.
도 12a 및 12b의 고체 수소 소스(800)는 수소를 추출하고 저장하기 위한 유용하고, 에너지 효율적인 방법을 제공한다. 상기 고체 수소 소스는 물 공급 채널들(881), 가열 부재(882)(전기 리드들(882-1)에 의해 전원 공급된), 수소-생성 조성물 및 수소 배출 채널(884)을 갖는 컨테이너로 구성된다. 상기 수소-생성 조성물은 수소화물들 또는 수소화물 및 반응성 금속의 혼합물일 수 있다. 상기 반응성 금속들은 예를 들어, Fe, Ni, Mn, Co, Zn, Mg, Na, Li, Ca 및 Mg를 포함한다. 금속은 분말 형태로 존재할 수 있다. 반응성 금속은 다음에 도시되는 것과 같이 수소 및 열을 배출하기 위해 물과 반응하는 것이다:
Mg+MH2O → Mg(OH2)+H2+열. (Ⅳ)
상기 반응성 금속은 가열 부재(882)에 의해 개시되는 반응 후에 열의 기본 소스를 제공할 수 있고, 수화물 형성을 방지하기 위하여 높여진 온도에서 전지를 유지시킨다. 상기 반응은 가열 부재(882)에 의해 개시될 수 있다.
가열 부재는 상기 수소-배출 반응을 발화시키기 위하여, 또는 상기 반응을 가속시키기 위하여 수행될 수 있다. 가열 부재는 상기 수소화물 전지들(880)에서 발생하는 프로세스에서 소모될 수 있다. 예를 들어, 가열 부재들은 반응성 금속으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 수소화물 전지들이 반응성 금속을 수용할 때, 배출 프로세스의 초기 단계에서만이 가열 부재를 필요로 한다.
일 실시예에서, 반응 Ⅱ의 물은 전원 시스템에서 연료 전지 적층으로부터 제공될 수 있다. 또한, 적층에서 생성된 과잉의 물은 배기 가스들로부터 제거되고, 반응 Ⅲ에 의하여 고갈된 고체 수소 소스들의 고갈된 수소화물에서 흡수될 수 있다.
정의들
본 특허를 위하여, 다음의 용어들은 아래와 같이 설명된 각각의 의미들을 가질 것이다.
·전기화학적 전원 소스
전기화학적 전원 소스는 연료 전지, 유동 배터리 또는 그런 종류의 다른 것이다.
·이온-전도성 막
이온-전도성 막은 양자들 또는 금속 이온들을 전도하기 위하여 충분히 선택 적이고, 전기화학적 전원 소스의 작동을 허용하기 위하여 전기화학적 전원 소스의 하나 이상의 반응물의 수송을 차단한다. 실시예들은 양자-전도성 막들 및 나트륨 이온-전도성 막들을 포함한다.
·금속 코팅
양극 플레이트상의 금속 코팅은 관련된 표면의 대부분상에 도체를 제공하는 코팅이다.
·피크(peak)
물결 무늬 형태의 피크들은 연료 전지 적층의 다음 층에 가장 인접한 포인트들이다(확산층, 전극 어셈블리 또는 열 전도체와 같은).
·비아들
비아는 저항층의 두께와 관계없는, 저항층을 통한 전도성 통로이다.
제한되지는 않지만, 특허들 및 특허 출원들을 포함하는, 본 명세서에 인용된 간행물들 및 참조문들은, 각각 개별적인 간행물 또는 참조문이 명확하게 그리고 개별적으로 본 명세서에서 완벽하게 설명되어 참조로 통합되는 것처럼, 인용된 전체 부분들의 그 모든 내용이 여기서 참조로 통합된다. 본 특허가 우선권을 청구하는 임의의 특허 애플리케이션은 또한 간행물들 및 참조문들을 위해 상기 기재된 방식으로 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 강조하여 기재되었으나, 본 발명이 속하는 분야의 당업자라면, 바람직한 소자들 및 방법들에서의 변경들이 사용될 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에 명확하게 기재된 것과 다르게 실행될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 다음의 청구항들에 의해 정의되는 바에 따라 본 발명의 정신 및 원칙 내에 포함되는 모든 변형을 포함한다.

Claims (21)

  1. 이온-전도성 막 어셈블리로서,
    다공성 코어; 및
    상기 다공성 코어를 샌드위칭하는 두 개의 이온-전도성 막들
    을 포함하고, 상기 다공성 코어는 이온-전도성 액체를 수용하도록 구성되는 이온-전도성 막 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 코어는 200 미크론 이하의 평균 직경을 갖는 큰 동공(pore)들 및 500 nm 이하의 평균 직경의 작은 동공들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온-전도성 막 어셈블리.
  3. 전기화학적 전원 소스의 작동 방법으로서,
    제1항에 따른 이온-전도성 막을 포함하는 전기화학적 전원 소스를 제공하는 단계; 및
    10℃ 내지 200℃의 온도에서 상기 전기화학적 전원 소스를 작동시키는 단계
    를 포함하는 전기화학적 전원 소스의 작동 방법.
  4. 다공성 전극으로서,
    다공성의 전도성 매트릭스;
    상기 다공성의 전도성 매트릭스에 의해 지지되는 탄소 나노-튜브들; 및
    상기 탄소 나노-튜브들상에 증착된 전극 촉매
    를 포함하는 다공성 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 나노-튜브들은 상기 다공성의 전도성 매트릭스의 표면상에 존재하는 것을 특징으로 하는 다공성 전극.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 나노-튜브들은 상기 다공성의 전도성 매트릭스에 통합되는 것을 특징으로 하는 다공성 전극.
  7. 전기화학적 전원 소스로서,
    제6항에 따른 다공성 전극; 및
    상기 다공성 전극에 인접한 이온-전도성 막
    을 포함하는 전기화학적 전원 소스.
  8. 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리로서,
    두 개 이상의 전기화학적 전지들; 및
    (ⅰ)금속층 및 전도성 비아들을 포함하는 하나 이상의 저항층들 -상기 전도성 비아들은 상기 저항층(들)을 관통함- 을 포함하거나, (ⅱ)본질적으로 (1)상기 저항층을 관통하는 전도성 비아들를 포함하는 저항층을 포함하는 코어 및 (2)상기 저항층의 두 개의 기본 표면(primary surface)들 상의 금속 코팅으로 구성된, 두 개의 전기화학적 전지들 사이의 양극 플레이트
    를 포함하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비아들은 상기 저항층의 체적의 50% 이하는 도체가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  10. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 양극 플레이트는 두 개의 상기 비아-포함 저항층들 사이에 샌드위칭된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속층은 다공성이거나 또는 다공성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  12. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 양극 플레이트는 열 교환 유동체를 운반하도록 구성된 내부 채널들과 통합되는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양극 플레이트는 두 개의 상기 비아-포함 저항층들 사이에 샌드위칭된 금속층을 포함하며, 상기 내부 채널들은 상기 금속층 내에 있는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  14. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 양극 플레이트는 물결 모양인 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 양극 플레이트의 두 개의 주요 외부 표면들 중 적어도 하나는 상기 주요 외부 표면(들)상으로 응결된 물이 분산되도록 구성된 마이크로-채널들 또는 구멍(pit)들을 갖는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  16. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 양극 플레이트의 외부 표면은 전기화학적 전원 소스 반응물들 의 흐름용 채널들을 제공하도록 형상화되는 것을 특징으로 하는 적층된 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  17. 두 개 이상의 전기화학적 전지들 사이에 사용되는 양극 플레이트로서,
    상기 양극 플레이트는, (ⅰ)금속층 및 전도성 비아들을 포함하는 하나 이상의 저항층들 -상기 전도성 비아들은 상기 저항층(들)을 관통함- 을 포함하거나, (ⅱ)본질적으로 상기 저항층을 관통하는 전도성 비아들을 포함하는 저항층 및 코팅된 상기 저항층의 두 개의 기본 표면(primary surface)들 상의 금속 코팅으로 구성되며,
    상기 양극 플레이트는 상기 두 개의 비아 포함 저항층들 사이에 샌드위칭된 금속층을 포함하거나;
    상기 양극 플레이트는 (ⅱ)에 따르거나;
    상기 양극 플레이트는 열 교환 유동체를 운반하도록 구성된 내부 채널들과 통합되거나;
    상기 양극 플레이트는 열 교환 유동체를 운반하도록 구성된 내부 채널들과 통합되고 상기 내부 채널들은 금속층 내에 존재하거나;
    상기 양극 플레이트는 열 교환 유동체를 운반하도록 구성된 내부 채널들과 통합되고 상기 내부 채널들은 금속층과 저항층 사이에 존재하거나;
    상기 양극 플레이트의 두 개의 주요 외부 표면(들) 중 적어도 하나는 상기 주요 외부 표면(들)상에 응결된 물을 분산시키도록 구성된 마이크로-채널들 또는 구멍(pit)들을 가지거나;
    상기 양극 플레이트는 물결 모양이 되거나;
    적어도 하나의 양극 플레이트의 외부 표면은 전기화학적 전원 소스 반응물들의 흐름용 채널들을 제공하도록 형상화되는, 구성 중 하나 이상의 구성을 따르는 양극 플레이트.
  18. 전기화학적 전원 소스 어셈블리로서,
    두 개 이상의 전기화학적 전원 전지들;
    상기 두 개의 전기화학적 전원 전지들 사이의 양극 플레이트; 및
    상기 하나 이상의 전기화학적 전원 전지들에 대하여, 상기 전기화학적 전원 소스 전지의 이온-전도성 막과 상기 양극 플레이트 사이에 위치한 확산층
    을 포함하며, 상기 확산층은 적어도 하나의 주 표면상에 카본 블랭킷보다 큰 전도성 용량을 갖는 전도성 영역들의 패턴을 갖는 상기 다공성 탄소 블랭킷(blanket)을 포함하고, 상기 영역은 상기 양극 플레이트와 전기적으로 접촉하도록 구성되는, 전기화학적 전원 소스 어셈블리.
  19. 고체 수소 소스로서,
    착수소화물 및 반응성 금속의 혼합물, 입구 채널 및 배출 채널을 포함하는 용기(vessel); 및
    상기 착수소화물을 가열하는 전기 히터
    를 포함하는 고체 수소 소스.
  20. 전원 시스템으로서,
    수소를 소비하고 물을 배출하는 전기화학적 전원 소스;
    제19항에 따른 두 개 이상의 고체 수소 소스들; 및
    배출된 물이 상기 수소 소스들로 선택적으로 보내지도록 하는데 효과적인 플러밍(plumbing) 및 밸브들
    을 포함하는 전원 시스템.
  21. 제27항에 따른 전원 시스템의 작동 방법으로서,
    상기 수소 소스들로부터 수소를 생산하기 위해 필요한 양 이상의 과잉으로 배출된 물의 적어도 일부는 소비된 상기 수소 소스들에 의하여 흡수되는 전원 시스템 작동 방법.
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