KR20100110872A - 전기화학 전지를 위한 커버 및 관련 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 전기화학 전지 어레이로 흐르는 반응물에 영향을 미치는 커버를 포함하는 전기화학 전지 시스템에 관한 것이다.

Description

전기화학 전지를 위한 커버 및 관련 방법{COVERS FOR ELECTROCHEMICAL CELLS AND RELATED METHODS}
연료 전지 시스템과 같은 전기화학 전지 시스템은 응용 분야가 넓은 전원 장치로서 인식되어 왔다. 이러한 시스템을 에워싸면서 시스템의 중심부에 가까운 환경 조건은 전기화학 전지의 동작 및 성능에 영향을 미칠 수 있다. 전기화학 전지에 가까운 우호적인 환경은 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지 내에 존재하는 습도, 온도, 반응물의 대량 수송(mass-transport of reactants), 및 오염 물질의 수준은 전지의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
현재, 전기화학 전지의 동작 파라미터를 제어하고 전기화학 전지 내의 원하는 조건을 제공하기 위해 전기화학 전지 시스템과 서브시스템을 통합할 수 있다. 예를 들어, 일부의 연료 전지 시스템에서는, 외부 가습 시스템(external humidification system), 히터 및 냉각 루프, 반응물 전달 펌프 및 유동장(flow fields)이 연료 전지의 내부 조건을 조정하기 위해 존재한다. 대안으로, 연료 전지 시스템은 내부 조건의 수동 제어를 위한 특징들(features)을 통합함으로써 보조 성분의 사용을 최소화하도록 설계되어 왔다. 예를 들어, 연료 전지를 위한 평면 아키텍처(planar architecture)를 가지는 연료 전지는 반응물을 수용하기 위한 수동 브레씽 표면(passive breathing surface)을 제공하도록 개발되어 왔다. 종래부터, 보수 장벽(water retention barriers)은 활성 영역(active areas)에 분산된 다공성 재료 및 연료 전지의 주변을 밀봉하는 불침투성 프레임(impermeable frame)을 포함한다.
능동 제어 시스템은 기생 전력 손실이 상당하고 전체적인 풋프린트(footprint)가 더 크게 된다. 또한, 내부 조건을 수동으로 제어하려는 기존의 기술에는 멤브레인 탈수(membrane dehydration) 및 상당한 성능 손실이 있다. 유동장을 사용하는 연료 전지에 있어서는, 순수 자가 가습 환경(net self-humidifying environment)이 가능하더라도 불규칙한 물의 양 및 연료 전지를 횡단하는 로컬라이즈된 핫 스폿(localized hot spot)으로 인해 전체적인 성능이 떨어질 우려가 있다. 평면 연료 전지 아키텍처에 있어서는, 수동 호흡 표면으로부터의 물의 증발로 인해 멤브레인 탈수가 일어나고, 멤브레인 내에 물의 양이 불충분하여 성능이 제한적으로 유지된다.
본 발명의 실시예는 전기화학 전지 시스템에 관한 것이다. 시스템은 반응 표면을 포함하는 전기화학 전지의 어레이를 포함하며, 이 반응 표면은 하나 이상의 활성 영역 및 이 하나 이상의 활성 영역과 접촉하는 하나 이상의 적은 활성 영역(less-active regions)으로 이루어져 있다. 시스템은 또한 커버를 포함하며, 이 커버는 하나 이상의 수송 장벽 영역 및 하나 이상의 개방 영역으로 이루어지는 수송층을 포함한다. 수송 장벽 영역은 활성 영역 근처에 있으며 개방 영역은 적은 활성 영역 근처에 있다.
실시예는 또한 하나 이상의 수송 장벽 영역 및 하나 이상의 개방 영역으로 이루어져 있는 수송층을 포함하는 전기화학 전지 어레이 커버에 관한 것이다. 수송 장벽 어레이는 전기 화학 어레이의 하나 이상의 전기 화학 전지의 하나 이상의 활성 영역 위를 덮고 있다.
실시예는 또한 커버 내에서 개방 영역을 이용하여 반응 액체로 전기화학 전지 어레이의 활성 영역을 전기화학 전지 어레이를 동작시키고, 생성된 유동액(product fluid)이 커버를 사용하는 중에 로컬 환경으로부터 제거되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.
도면에서는, 반드시 축척대로 도시되어 있지 않으며, 동일한 도면 부호는 실질적으로 동일한 구성요소를 나타낸다. 첨자가 붙은 동일한 도면 부호는 실질적으로 동일한 구성요소의 다른 예를 나타낸다. 도면은 일반적으로 예시적인 것이지만 이에 제한되지 않으며, 본 명세서에서 논의되는 다양한 실시예를 설명한다.
도 1은 종래 기술의 전기화학 전지 시스템의 단면도를 도시한다.
도 2는 일부의 실시예에 따라, 오프-셋 커버를 포함한, 전기화학 전지 시스템의 단면도를 도시한다.
도 3은 일부의 실시예에 따라, 선택적 다공성 층을 가지는 오프-셋 커버를 포함한, 전기화학 전지 시스템의 단면도를 도시한다.
도 4는 일부의 실시예에 따라, 선택적 다공성 층을 가지는 오프-셋 커버를 포함한, 전기화학 전지 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 일부의 실시예에 따라, 오프-셋 커버를 이용하는 전기화학 전지에 의해 전력을 공급받는 전자 장치의 단면도를 도시한다.
도 6은 일부의 실시예에 따라, 오프-셋 커버를 이용하는 전기화학 전지에 의해 전력을 공급받는 전자 장치의 단면도를 도시한다.
도 7은 일부의 실시예에 따라, 전기화학 전지 어레이에 반응물을 전달하기 위한 방법에 대한 블록 흐름도를 도시한다.
도 8은 일부의 실시예에 따라, 계산된 확산 길이 대 갭 높이의 모델링 결과에 대한 그래프이다.
상세한 설명은 첨부된 도면에 대한 참조를 포함하며, 이 도면에 대한 참조는 상세한 설명의 일부이다. 도면에는, 도해를 이용해서, 본 발명이 실행될 수 있는 특정한 실시예들이 도시되어 있다. 이러한 실시예들은 또한 여기서 "예"라고도 칭해진다. 본 명세서에서 언급하는 모든 공보, 특허, 및 특허 문헌은 본 명세서에서 개별적으로 원용되기는 하여도 그 모든 내용이 원용된다. 본 명세서와 이러한 문헌들 간의 일관적이지 않은 사용의 경우에는, 원용된 문헌(들)의 사용이 본 명세서의 사용에 대해 보조인 것으로 고려되어야 하며, 일관성이 타협이 되지 않는 경우에는, 본 명세서에서의 사용이 우선이다.
본 명세서에서, "또는"은 비제한적인 것을 나타내는 데 사용되는 데, 예를 들어 "A 또는 B"은 다른 의미를 포함하지 않을 때는 "A 그러나 B", "B 그러나 A", "A 및 B"를 포함한다.
첨부된 청구의 범위에서, "포함한다"는 말은 "구비한다"는 말의 평이한 표현이다. 또한, 청구의 범위에서, "포함하는" 및 "구비하는"이란 말은 청구의 범위에서 이러한 용어가 그 청구의 범위의 범주 내에 속해 있은 후에 열거된 것 외의 소자를 포함하는 시스템, 장치, 물품, 또는 프로세스를 나타낸다. 또한, 청구의 범위에서, "제1", "제2", 및 "제3" 등은 단순히 라벨을 붙인 것에 지나지 않으며, 대상에 수치적 요건을 부과하려는 것이 아니다.
본 발명의 실시예는 전기화학 전지 어레이의 커버 및 관련 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 전기화학 전지 어레이의 활성 영역과 커버에 일체화된 수송 장벽층 간의 새로운 구조적 관계에 관한 것이며, 이것은 예측하지 못한 성능의 향상을 가져온다. 구체적으로, 커버의 수송 장벽층은 전기화학 전지의 활성 영역 근처에 배치되어 활성 영역과 외부 환경 간에 수송 차폐(transport shield)를 제공한다. 수송 장벽층은 활성 영역 전부 또는 일부를 차폐할 수 있다. 일부의 실시예에서는, 전기화학 전지가 연료 전지일 수 있다.
종래부터, 연료 전지와 같은 전기화학 전지의 동작은 높은 전류 밀도에서 활성 영역 근처에서 영역들을 개방 또는 확장시킴으로써 활성 영역으로의 대량-수송을 통상적으로 증가시킨다. 그렇지만, 본 발명의 실시예에 의하면, 활성 영역을 에워싸는 적은 활성 영역(less-active regions)을 통해 간접 흐름 경로(indirect flow pathway)를 활성 영역에 제공하는 대신, 활성 영역과 외부 환경 간의 수송 장벽을 가지는 재료를 사용하면, 반응물을 충분히 활성 영역으로 전달할 수 있다.
이러한 간접 흐름 경로는 활성 영역에 걸쳐 더욱 우호적인 조건을 제공하는 미기상(microclimate) 또는 로컬 환경을 용이하게 하여 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 간접 흐름 경로는 반응 표면에 수직인 활성 영역으로의 수송을 효과적으로 감소시키며 반응 표면과 동일 평면에 있는 활성 영역으로의 수송을 증가시킬 수 있고 다공성 층을 통한 비틀린 경로를 더 포함할 수 있다. 간접 흐름 경로는 전기화학 전지의 활성 영역의 주변의 전부 또는 일부에만 접촉한다.
커버는 휴대형 장치의 하우징과 일체화될 수 있는데, 이러한 휴대형 장치는, 예를 들어, 발명의 명칭이 "Devices powered by conformable fuel cells"인 공동 소유권을 가진 미국 특허 출원 공보 No. 2007/0090786 및 발명의 명칭인 "Flexible fuel cells having external support"인 공동 소유권을 가진 미국 특허 출원 공보 No. 2006/0127734에 기재되어 있고, 이러한 문헌들은 그 전체 내용은 본 명세서에 원용된다. 커버는 연료 전지의 수동 반응 전달 표면 위에 설치될 수 있다. 커버가 어떠한 적절한 아키텍처에도 일치될 수 있을지라도 연료 전지의 아키텍처는 평면이어도 된다. 이러한 연료 전지의 예는 발명의 명칭이 ""인 공동 소유권을 가진 미국 특허 출원 공보 No. 2005/0250004 및 발명의 명칭인 "Fuel cell systems including space-saving fluid plenum and related methods"이고, 2008년 8월 25일에 출원되어 공동 소유권을 가진 미국 특허 출원 공보 No. 12/238,241에 기재되어 있고, 이러한 문헌들은 그 전체 내용은 본 명세서에 원용된다. 커버 내에 포함된 재료는 전도성 및 비전도성 재료의 조합을 포함할 수 있다.
정의
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "반응 표면"이란 전기화학 반응물의 전부 또는 일부가 지지되거나 수행되는 전기화학 전지 어레이의 표면을 말하는 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "활성 영역"이란 전기화학 전지 또는 전지 어레이의 반응 표면과 접촉하거나 일체화되어 있는 반응 영역을 말하는 것이다. 활성 영역은 전기화학 반응의 전부 또는 일부를 지지한다. 활성 영역은 예로서 하나 이상의 촉매, 전도성 또는 비전도성 재료 또는 가스-확산 층을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "적은 활성 영역(less-active regions)"이란 전기화학적 반응이 발생하지 않거나 지지되지 않거나 무시할 수 있는 양만이 발생하거나 지지되는 전기화학 전지 또는 전지 어레이의 반응 표면과 접촉하거나 일체화되어 있는 반응 영역을 말하는 것이다. 적은 활성 영역은 전류 콜렉터, 구조적 지지 부재 또는 절연 갭을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "수송층"이란 반응 흐름을 위한 흐름 경로를 제공하는 전기화학 전지 커버 내의 영역을 말한다. 반응 흐름은 흐름 경로를 통해 능동적으로 또는 수동적으로 이동될 수 있다. 수송층은 예를 들어 수송 장벽 영역 및 개방 영역을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "수송 장벽 영역"이란 수송 메커니즘을 지연시키거나 영향을 주거나 차단하는 재료 또는 성분을 말한다. 수송 장벽 영역은 기계적 커버가 될 수도 있고 예를 들어 공기 또는 물 또는 연료 전지 반응물(예를 들어, 연료)에 대한 실질적으로 또는 완전하게 불침투성일 수 있다. 예를 들어, 지연되거나 영향을 받거나 차단된 메커니즘은, (예를 들어, 활성 영역에 걸쳐 감소된 대류 액체 흐름으로 인한) 활성 영역으로부터 수증기, 완전하게 또는 부분적으로 해제된 수증기(demobilized water vapor), 활성 영역과 외부 환경 간의 열 전달(독립 방향), 오염물(예를 들어, CO, NH3, NOX, 휘발성 유기 성분, 소금)의 감소된 유입, 활성 영역으로부터의 전류 전달(또는 전류 전달의 부족)을 포함하는 수송 메커니즘들의 임의의 조합일 수 있다. 이러한 수송 메커니즘은, 전기화학 전지 내에서의 증가된 상대적 습도, 멤브레인 수화, 높은 동작 압력, 높은 제한 전류 밀도, 향상된 동일 평면 전도성 등과 같은, 다른 이로운 조건을 제공할 수 있다. 수송 장벽 영역은 전도성 영역일 수도 있고 비전도성 영역일 수도 있으며 또는 전도성 영역 및 비전도성 영역을 포함하는 복합적 영역일 수도 있다. 전도성은 전기적 전도성일 수도 있고 또는 열적 전도성일 수도 있다. 전기적 전도성일 때, 수송 장벽 영역은 활성 영역으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 하나 이상의 수송 장벽 영역의 일부는 예를 들어 전기적으로 전도성일 수도 있고 열적으로 전도성일 수도 있고 또는 이것들의 조합일 수도 있다. 수송 장벽 영역은 전기적으로 절연일 수 있고 열적으로 절연일 수 있고 또는 이것들의 조합일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "개방 영역(opened region)"이란 반응물이 흐를 수 있는 경로를 말한다. 개방 영역은 홀(hole), 벤트(vent), 슬롯, 패널, 통기공(pore) 또는 다공성 재료 또는 층일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전기화학 어레이"는 전기화학 전지들이 순차적으로 그룹화되어 있는 것을 말한다. 어레이는 예를 들어 평면일 수도 있고 원통형일 수도 있다. 전기화학 전지는 에지-집속 연료 전지(edge-collected fuel cell)를 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 배터리를 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 갈바니 전지(galvanic cell), 전해조(electrolyzer), 전해 전지(electrolyrtic cell) 또는 이것들의 조합일 수 있다. 연료 전지의 예로는, 양성자 교환 멤브레인 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell), 직접 메탄올 연료 전지(direct methanol fuel cell), 알카라인 연료 전지, 인산 연료 전지(phosphoric acid fuel cell), 용융 탄산 연료 전지(molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell) 또는 이것들의 조합을 들 수 있다. 전기화학 전지는 아연 공기 연료 전지, 아연 공기 배터리 또는 이것들의 조합과 같은 메탈-에어 전지(metal-air cell)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "이차원(2-D) 연료 전지 어레이"는 일차원에서는 박형이고 일련의 연료 전지를 지지하는 시트(sheet)를 말한다. 이차원 연료 전지 어레이는 연성의 연료 전지 층일 수 있다. 연성의 연료 전지 층은 하나 이상의 단단한 성분이 하나 이상의 연성 성분과 통합되어 있는 전기화학 층을 에워싸기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 연성일 수 있다. 연료 전지는 한 가지 타입의 활성 구역 또는 활성 영역(예를 들어, 캐소드)이 시트의 한 면으로부터 액세스될 수 있고 다른 타입의 활성 구역 또는 활성 영역(예를 들어, 애노드)이 시트의 반대 면으로부터 액세스될 수 있는 구조로 되어 있다. 활성 구역은 시트의 각각의 면 위의 영역 내에 놓이도록 배치될 수 있다(예를 들어, 전체적인 시트가 활성 구역으로 덮이는 것이 필수 사항은 아니지만 연료 전지의 성능은 그 활성 구역을 증가시킴으로써 향상될 수 있다).
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "외부 환경" 또는 "외부 조건" 또는 "환경적 조건"은 커버 근처에서의 대기(atmosphere)를 말하며, 그 환경은 장치 또는 하우징의 내부 또는 외부에 존재한다. 외부 조건은 예를 들어 온도, 습도, 오염 물질 수준을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "로컬 환경(local environment)" 또는 "미기상(microclimate)" 또는 "로컬 조건"은 전기화학 전지 어레이의 활성 영역(들) 근처에서의 대기를 말한다. 이러한 미기상은 반응 용액이 전기화학 전지의 활성 영역과 상호작용하는 환경일 수 있다. 예를 들어, 로컬 환경은 활성 영역과 커버의 수송 장벽 영역 간의 용적 내의 대기를 말할 수 있다. 로컬 조건은 예를 들어 온도, 습도, 오염 물질 수준을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "메탈-에어 전지"란 아연 공기 연료 전지, 아연 공기 배터리 또는 이것들의 조합을 말한다.
도 1을 참조하면, 종래의 전기화학 전지 시스템의 단면도(100)가 도시되어 있다. 전기화학 전지 시스템은, 반응 표면(104) 위에 배치되는 동시에 적은 활성 영역(108)들의 사이에 배치된 활성 영역(106)의 조합을 포함할 수 있다. 평면형 전기화학 전지 층에서, 애노드 및 캐소드는 이러한 평면형 전기화학 전지 층의 양쪽 측면 상에 배치될 수 있다. 연료 전지에서, 연료(예를 들어, 수소, 메탄올, 부탄, 포름산(formic acid) 등)는 연료 전지 층(102)의 애노드(도시되지 않음)에 제공되는 반면, 산화제(116)(예를 들어, 공기)는 반응 표면(104) 상의 활성 영역(106)(예를 들어, 캐소드)에 제공된다. 연료 및 산화제는 반응하여 전기 및 반응 생성물(reaction product)(예를 들어, 연료 합성에 따라 수증기, CO2, 등)을 형성한다. 연료 전지는 지지, 압력 등을 제공하여 적절한 동작을 확보하기 위해 어떤 형태의 외부 구조체가 종종 필요하다. 전기화학 반응은 활성 영역을 횡단하는 반응물에 따라 다르기 때문에, 종래의 로직은 임의의 이러한 지지 시스템의 비다공성(non-porous) 영역이 위치하는 것을 지시하고 연료 전지의 활성 영역으로부터 떨어져서 덮을 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 비다공성 영역 또는 수송 장벽(112)은 연료 전지 어레이의 적은 활성 영역(108) 근처에 위치하는 반면, 개방 영역(114)은 어레이의 활성 영역(106) 근처에 위치한다. 이러한 구성에서, 어레이의 활성 영역(106)에 최대 공기 액세스(116)가 제공된다. 또한, 반응 생성물(118)은 반응 장소로부터 용이하게 제거된다.
양성자 교환 멤브레인(PEM)을 사용하는 연료 전지 어레이와 같은 전기화학 전지 어레이의 동작에 대해 추가적으로 고려해야 할 것은 물의 균형이다. 양성자 교환 멤브레인은 양성자 전도성이 멤브레인의 물의 양에 의해 영향을 받기 때문에 양성자 수송을 용이하게 하기 위해서는 상당한 양의 수소를 필요로 한다. 그렇지만, 전해질 플러드(electrolyte flood)에 결합되어 있는 전극들이 나중에 전극 내의 포어(pore) 또는 가스 확산을 차단할 정도로 많은 물이 있어서는 안 된다. 그러므로 멤브레인의 충분한 습도와 캐소드로부터의 물의 충분한 증발 사이에는 균형이 필요하다. 이 균형은 달성하기가 어려운 데, 수동 연료 전지에 있어서 특히 그러하다.
도 2를 참조하면, 일부의 실시예에 따라, 오프셋 커버를 포함하는 전기화학 전지 시스템의 단면도(200)가 도시되어 있다. 전기화학 전지 어레이(202)는 반응 표면(204) 상에 배치되어 있는, 하나 이상의 활성 영역(206) 및 하나 이상의 적은 활성 영역(208)을 포함할 수 있다. 적은 활성 영역(208)은 활성 영역(206)과 접촉하거나 에워쌀 수 있으며, 또는 활성 영역(206) 사이에 개재할 수 있고 이웃하는 활성 영역(206)들을 선택적으로 분리할 수 있다. 활성 영역(206)은 적은 활성 영역(208)과 교대로 배치될 수 있는 데, 예를 들어, 각각의 활성 영역(206)이 자신의 각각의 측면 상에서 적은 활성 영역(208)에 인접한다. 활성 영역(206)은 폭(w)(220)을 가질 수 있다. 수송층(210)은 '커버'라고도 칭할 수 있는데, 개방 영역(214) 및 수송 장벽 영역(212)을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 수송 장벽 영역(212)은 전기화학 전지 어레이의 활성 영역(206)과 실질적으로 정렬될 수 있는 반면, 개방 영역(214)은 전기화학 전지 어레이의 적은 활성 영역(208)과 실질적으로 정렬될 수 있다. 이러한 구성에서, (도 1에 도시된 바와 같이) 활성 영역(106)에 대한 직접적인 액세스를 가지는 반응 흐름(116)보다는, (도 2에 도시된 바와 같이) 활성 영역(206)에 간접적으로 반응 흐름(216)이 대신 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 반응 흐름은 활성 영역과 직접적으로 접촉하기보다는 활성 영역(206)의 주변으로부터 활성 영역(206)의 평면을 따라 활성 영역(206)의 반응 장소로 향할 수도 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 활성 영역에 대한 공기 액세스는 활성 영역의 (페이지로의) 길이 및 에어 갭 δ(222)의 치수에 비례하고 활성 영역의 폭 w(220)에 반비례한다. 대조적으로, 도 1에 도시된 어레이의 활성 영역에 대한 공기 액세스는 활성 영역(106)의 (페이지로의) 길이 및 활성 영역(106)의 폭(120)에 비례할 수 있다. 활성 영역의 치수 및 에어 갭에 따라, 도 2에 도시된 활성 영역에 대한 공기 액세스는 (예를 들어, 도 1에 도시된 어레이와 관련해서) 감소될 수 있다. 또한, 활성 영역(206)의 반응 장소로의 산화제의 수송은 산화제의 대류 수송보다는 확산에 의해 일어날 수 있다. 어레이가 정확하게 동작하기 위해서는, 산화제의 적어도 화학량론의 양이 활성 영역의 반응 장소에 대한 액세스를 필요로 하지만, 멤브레인의 건조를 방지하기 위해 화학량론의 양을 넘어서는 액세스를 제한하는 것이 이로울 수 있다.
모델링 결과는 도 2에 도시된 구성이 실제 크기가 제한될 수 있음을 보여준다. 전기화학 전지 어레이가 에어-브레씽 연료 전지 어레이이고 오프셋 커버가 어레이의 캐소드 근처에 배치되어 있는 실시예에서, 연료 전지가 동작에 충분한 산소를 얻기 위해서는,
Figure pct00001
을 사용하여 산소 확산 거리를 계산할 수 있고 여기서 D02는 산소 확산성이고, hf는 δ222이고, F는 패러데이 상수(96485 C)이고, C0 02는 수송 장벽 영역의 에지에서의 산소 농도이며, I는 산소 소비율(전류 밀도)이다. 전류 밀도 및 산소 소비율은 또한 산소 이용 가능성에 영향을 미치며, 소비가 높을수록 더 많은 산소 액세스가 장치 동작을 지지하는 데 필요할 수 있다.
도 8은 고체 커버 대 플레늄의 높이(도 2에서 δ - 222) 하에서 최대 거리 산소가 측면으로 확산하는 것을 나타내는 데, 산소가 (다공성 층을 통해 확산하는 것과는 반대로) 공기가 채워진 공간을 통해 확산하고, 전류 밀도 I는 125 mA/cm2이고 수송 장벽 영역의 에지에서의 산소 농도는 co o2는 0.1인 것으로 한다.
도 3을 참조하면, 수송층(310)과 어레이(302) 사이에 선택적 다공성 중간층(350)이 배치될 수 있다. 어레이(302)는 활성 영역(306) 및 적은 활성 영역(308)이 지지받거나 통합되어 있는 반응 표면(304)을 포함할 수 있다. 다공성 중간 층(350)은 반응 표면(304)과 수송층(310) 사이에 위치할 수 있다. 다공성 층은 어레이(302)의 반응 표면(304)에 배치된, 그 소유의 이산 엔터티(discrete entity)일 수 있고, 반응 표면(304)의 전부 또는 일부에 통합될 수 있거나, 수송층(310)에 통합될 수 있다. 다공성 층이 어레이와 커버 사이에 배치되면, 모델링 결과는 개방 공간과 관련해서 다공성 층을 통한 유동액의 상이한 (예를 들어 낮은) 확산에 의해 영향을 받게 될 것이다. 결론적으로, 다공성 층의 부가는 활성 영역의 최대 허용 가능한 폭 w(322)에 충격을 가할 것이다. 예를 들어, 다공성 매질에서의 유동액의 확산이 개방 공간 내의 유동액의 확산보다 낮은 경우, 최대 확산 길이 (및 이에 따른 활성 영역의 최대 폭)는 커버와 전지 간의 다공성 매질이 없는 실시예에서보다 낮게 될 것이다.
전기화학 전지에 반응물 공급하는 것에 영향을 주는 것 외에, 수송 장벽 영역 배치 및 크기 및 개방 영역 배치 및 크기를 포함하는 전지, 및 선택적 다공성 층은 어레이 근처의 로컬 환경으로부터 반응 생성 유동액의 제거에 또한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 에어-브레씽 연료 전지 어레이에서, 커버는 어레이의 캐소드에 대한 산소의 액세스에 영향을 미칠 수 있지만, 로컬 환경으로부터 생성 수증기를 강제로 제거할 수도 있다. 다공성 층은 로컬 환경에서의 확산에 영향을 미침으로써, 충분한 산소가 캐소드에 제공되어 전기화학 반응을 지지하도록 하되, 생성 물의 확산은 반응을 지지하기 위한 이온 교환 멤브레인에서의 적절한 양성자 전도성을 제공하도록 충분히 금지되도록 하며, 또한 연료 전지 어레이의 캐소드가 너무 많은 물로 넘치게 되는 포인트로의 확산을 금지하게 하는 이점을 제공할 수 있다.
다른 예에서, 커버는 연료 전지 어레이의 애노드 근처에 배치될 수 있고 이 애노드에 제공되는 연료의 속도 및 양에 영향을 미칠 수 있다.
다공성 층은 변경이 용이한 재료(adaptable material)로 제조될 수 있다. 다공성 층은 열-응답 고분자(themal-responsive polymer)로 제조될 수 있다. 고분자는 복수의 흡수공(pore)을 포함할 수 있다. 커버 내에 포함되어 있는 변화가 용이한 재료는 커버에 대한 외부 조건, 연료 전지 또는 근처의 조건, 활성 제어 메커니즘, 다른 자극(stimuli), 또는 이것들의 조합에 응답할 수 있다. 조건에 대한 이러한 예로는, 온도, 습도, 전기 흐름 등을 들 수 있다. 열-응답 적응성 재료에 대한 일례는 2001년 5월 29일에 출원되고 발명의 명칭이 "FUEL CELL HAVING A THERMO-RESPONSIVE POLYMER INOCRPORATED THEREIN"인 미국특허 No. 6,699,611에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에 원용된다.
커버는 복수의 구성성분 또는 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 커버는 수송층(수송 장벽 영역과 개방 영역으로 이루어짐)과 전기화학 전지 간에 배치된 다공성 층을 포함할 수 있다. 커버, 외부층, 다공성 층, 다른 적절한 층 또는 이것들의 조합은 제거 가능하고 및/또는 자극에 응답하는 적응성 재료를 포함할 수 있다. 제거 가능한 특징물 및 변화가 용이한 재료를 가지는 커버의 예는 2008년 9월 25일에 출원되고 발명의 명칭이 ""이며 공동 소유로서 계류 중인 미국특허출원 No. 12/238,040에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에 원용된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 커버 또는 수송층은 전기화학 전기의 활성 영역(206, 306) 근처에 수송 장벽 영역(212, 312)을 포함하고 적은 활성 영역(208, 308) 근처에 개방 영역(214, 314)을 포함한다. 수송 장벽 영역(212, 312)은 활성 영역(206, 306)에 실질적으로 정렬되도록 배치되거나, 활성 영역의 폭(w)(220, 320)보다 약간 작게 또는 활성 영역의 폭(220, 320)보다 약간 크게 이루어질 수 있다. 이러한 실시예에서, 수송 장벽 영역(212, 312)은 적은 활성 영역(208, 308)과 중첩될 수 있다. 비례해서, 활성 영역(206, 306) 위에 배치된 수송 장벽 영역(212, 312)의 일부는 적은 활성 영역(208, 308) 위의 일부보다 클 수도 있다. 개방 영역(214, 314)은 반응물이 전기화학 전지 어레이와 접촉할 수 있게 하며 - 개방 영역의 크기는 반응물이 어레이를 다소 횡단할 수 있도록 변화할 수 있다. 일부의 실시예에서, 커버를 사용하여 하나 이상의 연료 전지의 캐소드 영역으로 산화제를 수송하는 것에 영향을 줄 수 있다. 수송 장벽 영역(212, 312)은 활성 영역(206, 306)과 완전하게 정렬하거나 활성 영역(206, 306)과 중첩될 수 있다. 개방 영역(214, 314)은 적은 활성 영역(208, 308)과 실질적으로 정렬될 수 있거나, 적은 활성 영역(208, 308)보다 폭이 크거나 작을 수 있다. 수송 장벽 영역(212, 312)이 전기적으로 전도성이면, 부분적으로 또는 완전하게 활성 영역(206, 306)과 전기적으로 절연될 수 있다. 이것은 예를 들어 수송 장벽 영역(212, 312)을 활성 영역(206, 306)과 실질적으로 절연시키고, 수송 장벽 영역(212, 312)을 적은 활성 영역(208)과 절연시키거나, 또는 수송 장벽 영역(212, 312)을 이것들 중 하나의 적어도 일부와 절연시킴으로써 달성될 수 있다. 수송 장벽 영역(212, 312)을 선택된 활성 영역 및 적은 활성 영역과 절연시켜 어레이에서 이웃하는 전지 간의 단락(short-circuit)을 피할 수 있다. 가능한 전기 구성(예를 들어, 병렬, 직렬, 이것들의 조합)에서의 다양한 변형이 있고 전기 절연은 이에 따라 결정될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
도 4를 참조하면, 전기화학 전지 어레이(402)의 전체에 걸쳐 다공성 중간 층(452)이 확장하지 않는 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 이 단면도는 도해를 위한 것일 뿐이며 다공성 중간 층(452)은 도시된 것보다 클 수도 있고 작을 수도 있으며, 또는 대안으로 다공성 층은 활성 영역(406)의 폭(422)을 횡단하여 확장할 수 있지만, 적은 활성 영역(408)을 불연속으로 횡단할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 위에서의 논의는 전기화학 전지 어레이의 캐소드에 산화제를 접촉하는 것에 대해 참조하는 동안, 전기화학 전지 어레이의 애노드와 반응제(예를 들어, 연료)를 접촉하는 것에도 동일한 원리를 적용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일부의 실시예에 따라, 오프셋 커버를 사용하는 전기화학 전지에 의해 전력을 공급받는 전자 장치의 사시도(300)가 도시되어 있다. 오프셋 커버(340)는 전자 장치(302)에 부착되어 있거나 접촉할 수 있다. 커버(304)는 벤트, 슬롯 또는 패널과 같은 개구(306, 308)를 포함할 수 있다. 커버(304)는 복수의 통기공 또는 홀(402)(도 6 참조)을 포함할 수 있다.
패널은 개방 영역 또는 개구(306, 308)의 치수를 가변시키도록 커버에 구성될 수 있다. 커버(304)는 또한 예를 들어 다공성 재료를 포함할 수 있다. 패널은 개방 영역 또는 개구(306, 308)의 구경(aperture)을 수정하여 활성 영역과 외부 환경 간의 반응물 흐름을 변화시키기 위해 제공될 수 있다. 패널의 위치는 노출된 활성 영역을 가지는 다양한 전기화학 전지에 채택되도록 가변될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지의 활성 영역의 일부를 선택적으로 노출시키거나 전기화학 전지 어레이의 일부를 선택적으로 노출시키도록 패널을 위치시킬 수 있다. 패널의 위치는 수동적 또는 전자적 메커니즘으로 액추에이트되거나 검출된 조건에 기초하여 액추에이트될 수 있다. 패널의 위치를 가변시키기 위한 조건에 대한 일부의 예로는, 휴대형 응용 장치의 외부 환경 조건, 시스템의 성능, 및 정지 모드 또는 전력 전달 모드와 같은 모드를 들 수 있다.
전자 장치(302)는 연료 전지로 전력을 공급받는 장치일 수 있다. 장치(302)는 휴대 전화, 위성 전화, PDA, 스마트폰, 랩톱 컴퓨터, 컴퓨터 액세서리, 울트라 모바일 퍼스컴(UMPC), 디스플레이, 퍼스널 오디오 또는 비디오 플레이어, 의료 장비, 텔레비전, 송신기, 수신기, 발광 장치, 플래시라이트 또는 전자 장난감일 수 있다. 장치(302)는 전기 분해 장치(electrolyser)와 같이, 예를 들어 연료 전지로 전력을 공급받는 전자 장치용 리퓰러(refueler)일 수 있다. 연료 전지용 연료는 메탄올, 암모니아 보란(ammonia borane), 히드라진(hydrazine), 에탄올, 포름산, 부탄, 보로하이드라이드(borohydride) 화합물 등과 같은 어떠한 적절한 연료도 사용될 수 있지만, 예를 들어 수소일 수 있다.
커버(304)는 장치(302)의 하우징에 탈착 가능하다. 커버(304)의 하나 이상의 수송 장벽 영역은 예를 들어 장치(302)의 하우징에 통합될 수 있다.
도 7을 참조하면, 일부의 실시예에 따라, 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법에 대한 블록 흐름도(700)가 도시되어 있다. 전기화학 전지 어레이는 하나 이상의 활성 영역 및 상기 하나 이상의 활성 영역과 접촉하고 있는 하나 이상의 적은 활성 영역을 가지는 반응 표면을 포함할 수 있다. 활성 영역은 촉매 및 이온-교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 커버는 연료가 통과할 수 있는 개방 영역 및 연료에 대해 부분적으로 또는 실질적으로 불침투성인 수송 장벽 영역을 포함할 수 있다. 커버의 수송 장벽 영역은 어레이의 활성 영역 근처에 있을 수 있고 커버의 개방 영역은 어레이의 적은 활성 영역 근처에 있을 수 있다. 전기화학 전지 어레이의 커버 및 반응 표면은 어레이의 활성 영역 근처에 로컬 환경을 구성할 수 있다.
전기화학 전지 어레이의 활성 영역은 커버 내에서 개방 영역을 통해 반응 유동액과 접촉할 수 있다. 또한, 생성된 유동액은 커버를 사용함으로써 전기화학 전지 근처의 로컬 환경으로부터 제거되지 않도록 할 수 있다.
이온 교환 멤브레인을 가지는 연료 전지의 경우, 생성된 유동액이 제거되는 것을 방지함으로써 이온 교환 멤브레인이 수화되거나 축축하게 되며, 이것은 어레이의 동작에 이점이 될 수 있다.
접촉시키는 것(702) 및 금지시키는 것(704)은 예를 들어 확산에 의해 수동적일 수 있다. 반응물은 (커버 내의 개방 영역을 통해) 활성 영역에 대한 간접 경로를 따를 수 있으며, 이것은 반응물의 속도보다 느릴 수 있다. 이러한 반응 흐름은 예를 들어 대류보다 더 확산적일 수 있다.
반응물 흐름을 활성 영역과 접촉시키는 것(702) 및 생성된 유동액의 제거를 금지시키는 것(704)은 영향을 받거나, 제한되거나 방해받을 수 있다. 영향을 받는 것은 예를 들어 개방 영역의 치수를 가변시키는 것 또는 다공성 층을 통한 반응물의 흐름을 지향하게 하는 것을 포함한다. 다공성 층이 변경이 용이한 재료(adaptable material)를 포함하는 경우, 영향을 주는 것은 상기 변경이 용이한 재료의 속성을 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 변경이 용이한 재료의 속성은 예를 들어 그 유공성(porosity)일 수 있다. 접촉시키는 것(702) 및 금지시키는 것(704)은 어레이의 전기화학 전지 근처에서 환경 조건에 응답해서 변할 수 있다. 환경 조건은 온도, 습도, 또는 환경 오염 수준 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
접촉시키는 것(702) 및 금지시키는 것(704)은 예를 들어 신호에 응답하여 변할 수도 있다. 예를 들어, 변화가 용이한 재료를 신호에 응답하여 가열할 수도 있다. 변화가 용이한 재료를 가열함으로써, 변화가 용이한 재료의 속성 중 하나 이상을 변화시킬 수 있다. 다른 예에서, 개방 영역의 구경은 신호에 응답하여 확장 또는 감소될 수 있다.
전기화학 전지의 성능은 주기적으로 판정될 수 있고 또는 지속적으로 모니터링될 수도 있다.
전술한 바는 설명을 위한 것이지 제한하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 전술한 예는 서로 조합해서 사용될 수도 있다. 당업자에 의해 전술한 바를 검토한 후, 다른 실시예가 사용될 수 있다. 또한 전술한 상세한 설명에서, 다양한 특징들이 함께 그룹화되어 설명을 간소할 수도 있다. 이것은 청구하지 않은 설명 상의 특징이 어떠한 청구의 범위에도 본질인 것으로 의도하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 요지를 특정하게 개시된 실시예의 모든 특징보다 작게 할 수도 있다. 그러므로 이하의 청구의 범위는 본 명세서에서 상세한 설명과 통합되며, 각각의 청구의 범위는 별개의 실시예로서 그 자체가 유지된다. 본 발명의 범주는 이러한 청구의 범위에 권리가 부여되는 등가물의 전체 범주와 함께 첨부된 청구의 범위를 참조하여 결정되어야 한다.
독자가 기술적 설명의 속성 및 요지를 신속하게 파악할 수 있도록 37 C.F.R.§1.72(b)를 따르는 요약서가 제공된다. 요약서는 청구의 범위의 범주 및 의미를 해석 또는 제한하려는 데 사용되는 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (35)

  1. 전기화학 전지 시스템에 있어서,
    하나 이상의 활성 영역(active surface) 및 상기 하나 이상의 반응 영역과 접촉하는 하나 이상의 적은 활성 영역(less-active surface)을 가지는 반응 표면을 포함하는 전기화학 전지의 어레이;
    하나 이상의 수송 장벽 영역(transport barrier region) 및 하나 이상의 개방 영역(opened region)을 가지는 수송층을 포함하는 커버
    를 포함하며,
    상기 수송 장벽 영역은 상기 활성 영역 근처에 있고 상기 개방 영역은 상기 적은 활성 영역 근처에 있는, 전기화학 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수송 장벽 영역은 상기 활성 영역과 실질적으로 정렬되어 있는, 전기화학 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개방 영역은 상기 적은 활성 영역과 실질적으로 정렬되어 있는, 전기화학 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는 연료 전지를 포함하는, 전기화학 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 적은 활성 영역은 인접하는 활성 영역들을 분리하는, 전기화학 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는, 갈바니 전지(galvanic cell), 전해 전지(electrolyrtic cell), 전해조(electrolyzer), 또는 이것들의 조합을 포함하는, 전기화학 전지 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지는, 양성자 교환 멤브레인 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell), 직접 메탄올 연료 전지(direct methanol fuel cell), 알카라인 연료 전지, 인산 연료 전지(phosphoric acid fuel cell), 용융 탄산 연료 전지(molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell) 또는 이것들의 조합을 포함하는, 전기화학 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는 메탈-에어 전지(metal-air cell)를 포함하는, 전기화학 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 활성 영역은 하나 이상의 촉매를 포함하는, 전기화학 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 커버는 제거 가능한, 전기화학 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 커버는 휴대형 장치의 하우징에 통합될 수 있는, 전기화학 전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수송 장벽 영역은 물에 대해 실질적으로 불침투성인, 전기화학 전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수송 장벽 영역은 공기에 대해 실질적으로 불침투성인, 전기화학 전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수송 장벽 영역의 적어도 일부는 전기적으로 전도성이거나, 열적으로 전도성이거나 또는 이것들의 조합인, 전기화학 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수송 장벽 영역의 전도성 부분은 상기 반응 표면의 적어도 일부와 전기적으로 절연되어 있는, 전기화학 전지 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수송 장벽 영역은 전기적으로 절연되어 있거나, 열적으로 절연되어 있거나 또는 이것들의 조합인, 전기화학 전지 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    다공성 층을 더 포함하는 전기화학 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다공성 층은 상기 전기화학 전지의 커버 및 어레이 사이에 배치되어 있는, 전기화학 전지 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 다공성 층은 상기 전기화학 전지의 어레이의 상기 반응 표면 상에 배치되어 있는, 전기화학 전지 시스템.
  20. 전기화학 전지 어레이 커버에 있어서,
    하나 이상의 수송 장벽 영역 및 하나 이상의 개방 영역을 포함하는 수송 층을 포함하며,
    상기 수송 장벽 영역은 전기화학 전지 어레이의 하나 이상의 전기화학 전지의 하나 이상의 활성 영역과 중첩하는, 전기화학 전지 어레이 커버.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 커버는 제거 가능한, 전기화학 전지 어레이 커버.
  22. 제20항에 있어서,
    하나 이상의 개방 영역의 치수를 변화시키도록 구성된 패널을 더 포함하는 전기화학 전지 어레이 커버.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수송 장벽 영역은 전기적으로 전도성이거나, 열적으로 전도성이거나 또는 이것들의 조합인, 전기화학 전지 어레이 커버.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 개방 영역은 슬롯, 벤트(vent), 홀(hole), 다공성 재료 또는 이것들의 조합을 포함하는, 전기화학 전지 어레이 커버.
  25. 제20항에 있어서,
    다공성 층을 더 포함하는 전기화학 전지 어레이 커버.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 다공성 층은 변경이 용이한 재료(adaptable material)를 포함하는, 전기화학 전지 어레이 커버.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 다공성 층은 열-응답 고분자(thermal-responsive polymer)를 포함하는, 전기화학 전지 어레이 커버.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 열-응답 고분자는 복수의 통기공(pore)을 포함하는, 전기화학 전지 어레이 커버.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 통기공은 고온에서 감소되는, 전기화학 전지 어레이 커버.
  30. 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법에 있어서,
    커버의 개방 영역을 통해 전기화학 전지 어레이의 활성 영역과 반응 유동액(reactant fluid)을 접촉시키는 단계; 및
    생성된 유동액(product fluid)이 상기 커버를 사용 중에 로컬 환경(local environment)으로부터 제거되는 것을 금지시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 전기화학 전지 어레이는 하나 이상의 활성 영역 및 상기 하나 이상의 활성 영역 사이에 개재된 하나 이상의 적은 활성 영역을 가지는 반응 표면을 포함하며,
    상기 커버는, 유동액이 통과할 수 있는 개방 영역 및 유동액에 대해 실질적으로 불침투성인 수송 장벽 영역을 포함하며,
    상기 커버의 상기 수송 장벽 영역은 상기 전기화학 전지 어레이의 활성 영역 근처에 있고,
    상기 커버의 상기 개방 영역은 상기 전기화학 전지 어레이의 적은 활성 영역 근처에 있는, 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 활성 영역은 촉매 및 이온-교환 멤브레인을 포함하며,
    상기 이온 교환 멤브레인을 상기 생성된 유동액으로 수화시키는(hydrating) 단계를 더 포함하는 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 활성 영역과 반응 용액이 접촉하는 속도를 가변시키는 단계 및 생성된 유동액을 제거하는 것을 금지하는 것을 가변시키는 단계를 더 포함하는 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 속도를 가변시키는 단계는 상기 커버의 개방 영역의 치수를 변화시키는 단계를 포함하는 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 속도를 가변시키는 단계는 다공성 층을 통해 유동액을 지향시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 다공성 층은 변화가 용이한 재료(adaptive material)를 포함하는, 전기화학 전지 어레이를 동작시키는 방법.
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