KR20100137489A - 전기화학 전지 및 관련 멤브레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 전기화학 전지 및 전기적으로 전도성의 영역과 유전체 영역을 번갈아 포함하는 멤브레인에 관한 것이다. 일 실시예는 전기화학 전지의 이온 전도성의 복합층을 기술하며, 복합층은 각각이 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로를 갖는 둘 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소 및 각각이 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 갖는 유전체 구성요소를 포함한다. 전기적으로 전도성의 구성요소 및 유전체 구성요소는 인접하게 배치되어 유체적으로 불투과성의 복합층을 제공한다.

Description

전기화학 전지 및 관련 멤브레인 {ELECTROCHEMICAL CELL AND MEMBRANES RELATED THERETO}
본 발명은 전기화학 전지(electrochemical cell) 및 관련 멤브레인에 관한 것이다.
전기화학 전지를 구비한 시스템은 휴대 가능한 또는 대규모 애플리케이션에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 공간 절약형 아키텍처(space saving architecture)를 갖는 전기화학 전지는 전체 시스템에 대한 전원공급장치가 차지하는 공간(footprint)을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 이와 같은 애플리케이션을 위한 배터리들이 존재한다. 그러나, 기존의 배터리 아키텍처는 스트레스 상태 하의 안전성 우려(safety concern)를 내포하고 있고, 고체 산화물 세라믹 전해질(solid oxide ceramic electrolyte)과 같은 강성의 전해질(rigid electrolyte) 상에 침적된(deposited) 박막 구조체를 갖는 연료 전지는 제한된 구조적 유연성(flexibility)을 보인다. 고체 폴리머 전해질은 좀 더 유연성을 제공하지만, 그러한 아키텍터는 보통 추가의 구조적 구성요소에 의존하여 강건성(robustness)을 제공한다. 그러나, 기판 및 구조적 부재는 전력 전달을 위한 에너지에 기여하지 않으면서 부피를 차지한다.
본 발명의 실시예들은 전기화학 전지의 이온 전도성의 복합층(ion-conducting composite layer)에 관한 것이다. 상기 복합층은 각각이 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로를 갖는 둘 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소(electrically conductive component) 및 각각이 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 갖는 유전체 구성요소를 포함한다. 상기 전기적으로 전도성의 구성요소 및 상기 유전체 구성요소는 인접하게 배치되어 유체적으로 불투과성(fluidically impermeable)의 복합층을 제공한다.
실시예들은 제1 면과 제2 면을 갖는 복합층을 포함하는 전기화학 전지 어레이에 관한 것이기도 하다. 상기 복합층은 둘 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소를 포함하고, 전기적으로 전도성의 구성요소 각각은 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로, 및 하나 이상의 유전체 구성요소를 가지며, 상기 유전체 구성요소 각각은 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 갖는다. 상기 전기적으로 전도성의 구성요소 및 상기 유전체 구성요소는 인접하여 배치된다. 상기 전기화학 전지 어레이는 또한 상기 복합층의 제1 측과 접촉하는 하나 이상의 제1 코팅(first coating)과 상기 복합층의 제2 측과 접촉하는 하나 이상의 제2 코팅(second coating)을 포함한다. 제1 코팅 각각은 제1 유전체 구성요소의 이온 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하고 또한 제1 전기적으로 전도성의 구성요소의 전기적으로 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉한다. 제2 코팅 각각은 제2 유전체 구성요소의 이온 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하고 또한 제1 전기적으로 전도성의 구성요소의 전기적으로 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하여 어레이 내의 인접하는 전기화학 전지들 사이에서 상기 복합층의 제1 측에서 상기 복합층의 제2 측으로 전기적으로 전도성의 통로를 제공하기에 충분하다.
본 발명의 실시예들은 전기화학 전지 어레이에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지 어레이는 제1 측과 제2 측을 갖는 복합층을 포함한다. 상기 복합층은 복수의 유전체 구성요소를 포함하고, 상기 유전체 구성요소 각각은 하나 이상의 이온 전도성의 통로와 하나 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소를 가지며, 상기 전기적으로 전도성의 구성요소 각각은 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로를 갖는다. 상기 전기적으로 전도성의 구성요소는 하나 이상의 유전체 구성요소와 인접하여 배치된다. 상기 전기화학 전지 어레이는 또한 상기 복합층을 따라 어레이를 형성하도록 배치된 둘 이상의 전기화학 전지를 포함한다. 각각의 전기화학 전지는 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치된 하나의 유전체 구성요소, 상기 하나의 유전체 구성요소의 제1 면에 배치된 애노드층, 및 상기 하나의 유전체 구성요소의 제2 면에 배치된 캐소드층을 포함한다. 상기 하나의 유전체 구성요소의 이온 전도성의 통로는 상기 애노드층과 상기 캐소드층을 이온적으로 연결하고, 상기 전기화학 전지 어레이 내의 인접하는 전기화학 전지의 쌍들은 공통의 전기적으로 전도성의 구성요소에 결합되어 있다.
실시예들은 또한 전기화학 전지 어레이 및 하나 이상의 유체 플리넘(fluidic plenum)을 포함한다. 상기 하나 이상의 유체 플리넘은 상기 전기화학 전지 어레이에 의해 적어도 부분적으로 규정된다.
실시예들은 또한 하나 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소를 형성하는 단계 및 각각의 전기적으로 전도성의 구성요소의 표면에 하나 이상의 계면 영역(interface region)을 접착하는 단계를 포함하는 전기화학층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 또한 대응하는 계면 영역에 근접하여 상기 계면 영역과 접촉하여 이오노머 분산제(ionomer dispersion)를 캐스팅(casting)하는 단계, 상기 이오노머 분산제를 충분히 경화(curing)시켜 유체적으로 불투과성의 복합층을 형성하는 단계 및 상기 복합층의 제1 면 상에 하나 이상의 코팅을 배치하는 단계를 포함한다. 상기 코팅은 하나의 유전체 구성요소, 인접한 전기적으로 전도성의 구성요소, 및 계면 영역에 접촉하고 있다.
반드시 비율에 따라 그린 것은 아닌 도면에서, 유사한 도면부호는 수 개의 도면에서 상당히 유사한 구성요소를 나타낸다. 상이한 접미사가 붙은 유사한 도면부호는 상당히 유사한 구성요소의 상이한 예들을 나타낸다. 도면은 일반적으로 본 출원에서 논의된 각종 실시예를 한정이 아닌 예로서 나타낸 것이다.
도 1은 일부 실시예에 따른 이온 전도성의 복합층의 단면도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 이온 전도성의 복합층의 사시도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 복합층의 수직도이다.
도 4는 일부 실시예에 따른 복합층의 수직도이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 복합층의 수직도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 전기화학 전지층의 단면도이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 기체 확산층(gas diffusion layer)을 포함하는 전기화학 전지층의 단면도이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 유연성이 있는 플리넘(flexible plenum)을 포함하는 전기화학 전지층의 단면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 일부 실시예에 따른 복합층을 만들 때의 제조 단계의 단면도이다.
이하의 상세한 설명은, 상세한 설명의 일부를 구성하는 첨부도면을 참조한다. 도면들은 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예들을 예로서 나타낸다. 여기서 "예"라고도 하는 이들 실시예는 해당 기술분야의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있을 정도로 충분히 상세하게 설명한다. 실시예들을은 결합될 수 있고, 다른 실시예들이 활용되 수 있고, 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 구조적 및 논리적 변화를 가할 수 도 있다. 따라서 이하의 상세한 설명은 한정의 의미로 받아들여서는 안되며 본 발명의 범위는 첨부된 청구항 및 그 등가물에 의해 정해진다.
본 실시예에서, 용어 "~나, 또는(or)"은 달리 언급이 없으면 비배타적인 "~나, 또는"을 가리킨다. 또, 여기에서 사용된 어법(phraseology) 또는 전문용어(phraseology)는 특별히 정의하지 않는 한 설명을 위한 것일 뿐이며 한정하기 위한 것은 아니라는 것을 알아야 한다. 또, 본 출원에 참조되는 모든 간행물, 특허, 및 특허 문헌은, 원용에 의해 개별적으로 포함되는 것 처럼, 그 내용 전부는 원용에 의해 본 출원에 포함된다. 본 출원과 상기 참조 문헌들 간에 용법이 불일치하는 경우, 상기 포함되는 참조문헌의 용법은 본 출원의 용법에 보충적인 것으로 생각되어야 하고; 양립할 수 없는 불일치의 경우, 본 출원의 용법이 지배한다.
본 발명의 실시예들은 연료 전지, 전해기(electrolyzer), 및 배터리와 같은 전기화학 전지에 관한 것이며, 염소 알칼리 처리(chlor alkali processing)에 사용된 것과 같은, 다른 유형의 전기화학 전지에서의 애플리케이션을 가질 수도 있다. 본 발명의 일부 실시예는 개별 전지 또는 "단위(unit)" 전지의 어레이를 포함하는 전기화학 전지층을 제공한다. 어레이는 예를 들어 실질적으로 평면이거나 원통형일 수 있다.
본 발명에 따라 임의의 적당한 유형의 연료 전지와 적합한 재료를 사용할 수 있다. 전해질은 예를 들면 양자 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 본 발명의 어떤 실시예들은 전해질 상에 형성된 복수의 개별 단위 전지를 포함하는 전기화학 전지층의 구성을 허용한다.
복수의 단위 전지를 포함하는 전기화학 전지층은 복수의 이온 전도성의 영역을 포함하는 기판을 제공함으로써 구성될 수 있다. 상기한 기판은, 예를 들면 2005년 2월 2일에 공동출원된 미국출원 제2005/0249994호(발명의 명칭: "MEMBRANES AND ELECTROCHEMICAL CELLS INCORPORATING SUCH MEMBRANES")에 기재된 바와 같이, 비전도성 또는 부분적으로 전도성의 재료 시트를 선택적으로 처리하여 이온 전도성의 영역을 형성하거나 이온 전도성의 재료 시트를 선택적으로 처리하여 비전도성의 영역을 형성함으로써 제공될 수 있으며, 상기 문헌의 개시내용은 원용에 의해 본 출원에 포함된다. 본 발명에 따른 단위 전지는 공동소유의 미국특허 제7,474,075호(발명의 명칭: "DEVICES POWERED BY CONFORMABLE FUEL CELLS" 및 2008년 9월 25일에 공동출원된 미국 특허출원 제12/238,241호(발명의 명칭 "FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE SAVING FLUID PLENUM AND RELATED METHODS")에 기재된 것과 같은, 다른 형상에 준거하는 평면 전기화학 전지층에 사용될 수 있으며, 상기 문헌들은 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
단위 전지의 어레이를 구성하여 층 내에 전기화학 구조체(electrochemical structure) 전부가 포함된, 다양한 전기(varied-power)을 생성하는 전기화학 전지층을 제공할 수 있다. 이것은 전류 등을 수집하기 위한 플레이트(plate)와 같은 추가적인 구성요소를 제거하거나 다른 기능을 제공하는 구조로 바꿀 수 있다는 것을 의한다. 여기에 기술된 것과 같은 구조는 연속 공정으로 제조하기에 아주 적합한다. 이러한 구조는 개별 부품의 기계적 조립이 필요 없도록 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 구조 내의 전도성의 경로 길이는 극도로 짧아서 촉매층(catalyst layer)에서의 저항 손실(ohmic loss)을 최소화할 수 있다.
어레이는 복수의 개별 단위 전지를 가지킬 수 있다. 이 복수의 전지는 양자 교환 멤브레인 재료의 시트, 기판 상에 형성될 수 있거나, 또는 특정한 방식으로 다수의 구성요소를 조립함으로써 형성될 수 있다. 어레이는 임의의 적당한 형상으로 구성될 수 있다. 연료 전지의 평면 어레이의 예는 앞서 언급한 2005년 2월 2일에 공동출원된 미국출원 제2005/0250004호(발명의 명칭: "ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT CARRYING STRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS")에 기재되어 있다. 어레이 내의 연료 전지들은 원통형의 연료 전지에서 발견되는 것처럼 튜브와 같은, 다른 평면의 표면을 따를 수 있다. 대안 또는 추가로, 어레이는 다른 형상을 따를 수 있는 유연성있는 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전기화학적으로 불활성(inactive)의 구조적인 구성요소를 의존하지 않으면서 구조적인 유연성을 제공하는 전기화학 전지에 관한 것이다. 본 발명은 강건성 및 향상된 형태 인자(form factor) 유연성을 갖는 전기화학 전지를 제공하도록 조정될 수 있는 활성의 기능성 부재(active functional member)를 포함하는 이온 전도성의 멤브레인을 제공한다. 이 기능성은 회로 기판과 같은, 각종 전기적 구조적인 구성요소와 유연하게 결합할 수 있도록 해준다. 본 발명의 실시예들은 예를 들면 자동차, 보트 및 지게차와 같은 대규모의 전력을 필요로 하는 애플리케이션 뿐 아니라 휴대형 전자 애플리케이션(portable electronic application)에 관한 것이기도 하다.
정의
여기에 사용된 바와 같이, "전기화학 전지"는 화학 에너지를 전기 에너지로 변화하거나 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 디바이스를 가리킨다. 전기화학 전지의 예는 갈바니 전지(galvanic cell), 전해 전지(electrolytic cell), 전해기, 연료 전지, 배터리 및 아연 공기 연료 전지 또는 배터리와 같은 금속 공기 전지(metal-air cell)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 연료 전지 및 적절한 재료를 포함하는 임의의 적당한 유형의 전기화학 전지가 사용될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "유연성이 있는 2D 전기화학 전지 어레이"는 다수의 전기화학 전지를 지지하는 일차원의 얇은 유연성이 있는 시트를 가리킨다. 연료 전지는 시트의 한면으로부터 접근 가능한 한 유형(예컨대, 캐소드)의 활성 영역과 시트의 반대면으로부터 접근 가능한 다른 유형(예컨대, 애노드)의 활성 영역을 가진다. 활성 영역들은 시트의 그들 각각의 면 상의 영역 내에 놓이도록 배치될 수 있다(예컨대, 시트 전체가 활성 영역으로 덮히는 것이 필수적인 것은 아니지만, 활성 영역을 증가시킴으로써 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다). 유연성이 있는 2D 전기화학 전지 어레이를 만드는 데 사용될 수 있는 구성은 다양하다. 유연성이 있는 2D 전기화학 전지 어레이의 예는, 원용에 의해 개시 내용이 본 출원에 포함되는, 공동출원된 미국 특허출원 제12/341,294호(발명의 명칭: "ELECTROCHEMICAL CELL ASSMBLIES INCLUDING A REGION OF DISCONTINUITY") 및 앞서 언급한 미국 특허출원 제12/238,241호(발명의 명칭: "FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE SAVING FLUID PLENUM AND RELATED METHODS")에서 찾을 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "유연성이 있는 전기화학적인 층"은 예를 들면, 하나 이상의 유연성이 있는 구성요소와 통합된 하나 이상의 강성 구성요소를 갖는 전기화학적인 층을 포함하도록, 전체 또는 부분적으로 유연성이 있는 전기화학적인 층을 가리킨다. 본 발명에 사용하도록 적응될 수 있는 유연성이 있는 층과 전기화학적인 층의 예는, 맥린(McLean) 등이 공동출원한 미국 특허출원 제2006/0127734호(발명의 명칭: "FLEXIBLE FUEL CELL STRUCTURES HAVING EXTERNAL SUPPORT")에서 발견할 수 있으며, 상기 문헌의 개시 내용 전부는 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
여기에 사용된 바와 같이, "전기화학 전지 어레이"는 어레이를 형성하도록 구성된 하나 이상의 전기화학 전지를 가리키며, 어레이는 임의의 각종 적합한 방식으로 어레이로 덮히는 영역 상에 이차원으로 배열된 개별 전기화학 전지들을 포함한다. 예를 들면, 개별 전기화학 전지의 활성 영역은 실질적으로 평행한 스트립(strip), 또는 예를 들면 직사각형, 정사각형, 삼각형 또는 육각형의 격자일 수 있고, 완전히 규칙적일 필요는 없는, 이차원 격자 형태의 노드에 분포된 형태의 컬럼(column)을 제공하도록 배열될 수 있다. 예를 들면, 격자형 패턴보다는 덜 규칙적인 패턴일 수 있는, 어레이로 덮힌 영역의 폭 및 길이 차원으로 분포된 형태의 패턴이 제공될 수 있다. 연료 전지와 같은 박층(thin layer) 전기화학 전지는 매우 얇은 층들로 구성된 어레이로 배열될 수 있다. 이러한 어레이 내의 개별 단위 연료 전지는 직렬 또는 직렬-병렬(series-parallel) 방식으로 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 방식으로 전기적으로 결합하는 연료 전지는 증대된 전압과 감소된 전류로 연료 전지의 어레이로부터의 전력을 전달할 수 있다. 결과적으로 이것은 전류를 수집하는 데 사용되는 단면적이 보다 작은 전기 도체를 가능하게 해줄 것이다.
여기에 사용된 바와 같이, "기체 확산층" 또는 "기체 투과성(gas permeable)의 층 또는 재료"는 하나 이상의 다공성의 전도성 또는 유전체 부재를 가리킬 수 있다. 예를 들면, 기체 확산층은 코팅 위에 배치될 수 있거나 코팅 내에 통합될 수 있다. 기체 확산층은 또한 이 기체 확산층을 통해 기체가 촉매층으로 통과할 수 있게 해줄 것이다. 적당한 기체 확산층은 예를 들면 탄소 블랙 분말(carbon black powder), 탄소 직물 재료(carbon cloth material) 또는 탄소 섬유 종이 재료(carbon fiber paper material)를 사용하여 제조될 수 있다. 기체 확산층은 비탄소 재료일 수도 상이한 특성을 가질 수 있는 다수의 층으로 이루어진 복합 재료일 수도 있다. 기체 확산층은 또한, 2008년 9월 25일에 공동출원된 미국 특허출원 제12/238,040호(발명의 명칭: "FUEL CELL COVER") 및 2009년 1월 16일에 공동출원된 미국 특허출원 제12/355,564호(발명의 명칭: "COVERS FOR ELECTROCHEMICAL CELLS AND RELATED METHODS")에 기재된 바와 같은, 연료 전지 커버를 포함할 수 있으며, 상기 문헌들의 개시내용은 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
여기에 사용된 바와 같이, "유연성이 있는(flexible)"은 변형되거나 휘어지거나 구부러지거나 겹쳐질(plied) 수 있는 층 또는 구성요소를 가리킨다. 전기화학 전지층, 어레이, 복합층, 구성요소 또는 코팅은 하나의 이상의 방향에서 부분적으로 또는 상당히 유연성이 있을 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "유전체 재료" 또는 "이온 전도성의 재료"는 무시해도 될 정도의 전기 전도도(electrical conductivity)를 보이는 물질을 가리킨다. 유전체 재료는 이온 전도성의 재료, 비이온 전도성(non-ion-conducting)의 재료, 및 이들의 결합을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 이온 전도성의 재료의 예는 이온 교환 폴리머, 염기성 용액, 및 인산과 같은 임의의 이오노머 또는 전해질을 포함한다. 비이온 전도성의 재료의 예는, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 플루오르폴리머 및 기타 폴리머 필름과 같은, 폴리머를 포함할 수 있다. 폴리 이미드의 예는 KaptonTM 필름을 포함한다. 플루오르폴리머의 예는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 또는 TeflonTM 필름이다. 다른 플루오르폴리머는 PFSA(perfluorosulfonic acid), FEP(fluorinated ethylene propylene), PEEK(poly ethylene ether ketones) 및 PFA(perfluoroalkoxyethylene)를 포함한다. 유전체 재료는 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레탄, 및 실리콘과 같은 열경화성(thermoset) 폴리머을 포함할 수 있다. 유전체 재료는 또한 섬유유리(fiberglass), 실리콘이나 유리와 같은 임의의 적당한 비폴리머 재료, 및 이들의 조합과 같은 강화된 복합 재료(reinforced composite material)를 포함할 수 있다. 유전체 재료는 예를 들면 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 고체 전해질 멤브레인(solid electrolyte membrane)일 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "복합층"은, 두께가 있는 적어도 두 개의 면을 포함하고 그 면들 사이에 하나 이상의 이온 전도성의 통로가 형성되고 또 그 면들 사이에 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로가 형성되어 있는 층을 가리킨다. 복합층의 이온 전도 특성(ion conducting property) 및 전기 전도 특성(electrical conducting property)은, 크기, 형태, 밀도 및/또는 배치가 변화하는 이온 전도성의 통로 및 전기적으로 전도성의 통로를 규정함으로써 복합층의 상이한 영역들에서 변화할 수 있다. 여기에 기술된 복합층은 복합층의 공간 규모에 관한 설계자의 재량권에 따라 변화될 수 있는 원하는 전기 전도도, 이온 전도도(ionic conductivity), 기체 투과성(gas permeability) 및 기계적 강도 특성을 제공할 수 있다. 이것은 보다 큰 설계 유연성을 제공하고 연료 전지 또는 유사한 시스템 내에서의 이온 전도도와 기계적 강도의 경쟁하는 요구(competing need)를 가장 충족하는 기계 및 전기 파라미터의 국부적인 세부조정을 가능하게 한다. 예로서,복합층은, 원하는 전기 전도도를 제공하기 위한 전지 배선(cell interconnect), 원하는 이온 전도도를 제공하기 위한 전해질과 같은 이온적으로 전도성의 구성요소, 및 기체 투과성의 감소 및/또는 기계적 강도를 증가시키기 위한 기타 비이온적으로 전도성의 유전체 구성요소(이하에 설명함)와 같은, 하나 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소를 포함할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "유전체 구성요소"는 적어도 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 포함하는 복합층의 구성요소를 가리킨다. 유전체 구성요소는 또한 하나 이상의 유전체 재료를 포함한다. 복합 멤브레인의 유전체 구성요소는 이온 도전성의 재료, 이온 도전성의 통로, 유전체 보호층, 유전체 외피(dielectric skin), 유전체 지지지 구조체 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 유전체 구성요소는 예를 들면 양자 교환 멤브레인 구성요소를 포함할 수 있고, 이온적으로 도전성의 재료의 시트일 수 있거나, 또는 예를 들면 이오노머 분산제(ionomer dispersion)를 경화시켜 형성될 수 있다. 유전체 구성요소는 산(H+) 형태의 PFSA(perfluorosulfonic acid) 또는 PFSA/PTFE(polytetrafluoroetyhlene) 코폴리머와 같은 플루오르폴리머계 이온 도전성의 재료 또는 분산제를 포함할 수 있거나, 또는
산화수소계 이온 전도성의 재료 또는 분산제를 포함할 수 있다. 유전체 구성요소는 또한 탄성제(elasticizing agent), 가교제(cross-linking agent), 광 개시제(photoinitiator), 열 경화성 개시제(thermally curable initiator) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 탄성제는 아크릴로니트릴일 수 있다. 광 개시제는 벤질 케탈, 아세토페논, 잔톤(zanthone), 또는 이들을 조합을 포함할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "도전성의 구성요소"는 전기적으로 전도성인 복합층의 구성요소 또는 영역을 가리킨다. 전도성의 구성요소는 복합층의 표면의 영역일 수 있고 복합층에 통합되거나 복합층 상에 배치된 면(aspect)들을 포함할 수 있다. 전도성의 구성요소는 예를 들면인접한 전지 사이에 전기적 연결을 제공하고 전기화학적인 층으로부터 전기가 인출되게 할 수 있는 "전지 배선"을 형성할 수 있다. 전도성의 구성요소는 또한 전기화학 전지의 "전도성의 영역"과 접촉하여 있을 수 있다. 전도성의 영역은 촉매층, 도전성의 기체 확산층, 기타 적당한 도전성의 멤브레인, 또는 이들의 일부 조합과 같은 코팅 아래의 전지 배선의 노출된 면을 포함할 수 있다. 전도성의 구성요소 및 전도성의 영역은 귀금속 또는 PEMCoatTM(INEOS ChlorTM Americas Inc., Wilmington, DE)와 같은 부식 방지층(corrosion resistant layer)으로 코팅된 금속인 금속으로 제조될 수 있거나, 또는 금속, 금속 폼(metal foam), 탄소질의 재료(carbonaceous material), 그라파이트 복합물(graphite composite), 전도성의 에폭시, 탄소, 그라파이트, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 전기적으로 전도성의 세라믹, 전기적의 전도성의 폴리머 또는 이들의 조합과 같은 전도성의 비금속으로 제조될 수 있다. 또, 전도성의 영역 중 일부는 이온적으로 전도성일 수도 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "불연속 영역(discontinuity region)" 또는 "단절된 영역(insular break)"은 전도성의 영역들 사이에 전기적인 분리를 제공하는 복합층의 표면 상의 영역을 가리킬 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "코팅(coating)"은 복합층의 표면 상에 배치된 전도성의 박층을 가리킨다. 예를 들면, 코팅은 촉매층 또는 애노드와 캐소드 같은 전극일 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "촉매(catalyst)"는 자신이 변경되거나 소비되지 않으면서 반응의 개시 또는 반응의 속도를 증가시키는 것을 도와주는 재료 또는 물질을 가리킨다. 촉매층은 당면한 애플리케이션에 적합한 임의의 유형의 전기촉매(electrocatalyst)를포함할 수 있다. 촉매 또는 촉매층은 순백금, 탄소로 지지되는(arbon supported) 백금, 백금 블랙(platinum black), 백금 루테늄, 동, 주석 산화물, 니켈, 금, 탄소 블랙과 하나 이상의 결합제로 이루어진 혼합물을 포함할 수 있다. 결합제는 이오노머, 폴리프로필렌, 폴리에틸넨, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 플루오로폴리머 및 기타 폴리머 재료를 포함할 수 있고, 필름, 분말 또는 분산제일 수 있다. 폴리이미드의 예는 KaptonTM을 포함한다. 플루오로폴리머의 예는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 또는 TeflonTM이다. 기타 플루오로폴리머는 PFSA(perfluorosulfonic acid), FEP(fluorinated ethylene propylene), PEEK(poly ethylene ether ketones) 및 PFA(perfluoroalkoxyethylene)를 포함한다. 결합제는 또한 PVDF(polyvinylidene difluoride) 분말(예컨대, KynarTM)과 실리콘 이산화물 분말을 포함할 수 있다. 탄소 블랙은 하나 이상의 아세틸렌 블랙 탄소, 탄소 입자, 탄소 플레이크, 탄소 섬유, 탄소침(carbon needle), 탄소 나노튜부, 및 탄소 나노입자와 같은 임의의 적당한 미세하게 쪼개진 탄소를 포함할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "전류 수집 영역(current collecting area)" 또는 "전류 콜렉터(current collector)"는 복합층의 전기적으로 전도성의 구성요소와 접촉하고 있는 코팅, 층 또는 촉매층의 영역을 가리킨다.
여기에 사용된 바와 같이, "전지 배선(cell interconnect)"은 둘 이상의 연료 전지 유닛의 전극과 전기적으로 연결되는 전기적으로 전도성의 부재를 가리킨다. 전지 배선은 복합층의 전기적으로 전도성의 경로 및 또는 어레이를 외부 회로와 연결하기 위한 단자 전류 콜렉터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "전극 영역" 또는 "전극"은 전기화학 반응 시에 애노드, 캐소드, 또는 이 둘 다로 작용하는 재료 또는 구성요소를 가리킨다. 전극 영역 또는 전극은 전도성의 구성요소나 복합층, 코팅, 또는 둘 다의 일부일 수 있다. 전극은 촉매층, 기체 투과성의 재료, 또는 이 둘다를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일부 실시예에 따른 이온 전도성의 복합층 또는 멤브레인의 단면도가 도시되어 있다. 복합층(102)은 전기적으로 전도성의 구성요소 및 유전체 규성요소를 포함할 수 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 전기화학적인 조립을 위해 전지 배선을 포함할 수 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 복합층(102)을 통해 연장되는 전기적으로 전도성의 통로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 전기화학적 어레이 또는 단자 전류 콜렉터, 또는 이 둘 다의 전지 배선을 을 포함할 수 있다. 유전체 구성요소(108)는 복합층(102)을 관통하는 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 유전체 구성요소(108)는 전해질 재료와 같은 이온 전도성의 재료를 포함할 수 있다. 구성요소(108, 110)들은 인접하여 배치될 수 있다. 복합층(102)의 표면은 의도된 애플리케이션에 적응될 수 있다. 예를 들면, 층이 연료 전지의 일부를 형성하는 실시예들에서, 대량의 전력을 필요로 하는 애플레이션에서 표면은 매우 클 수 있거나, 또는 그다지 많은 전력을 필요로 하지 않는(예컨대, 휴태형 전자 디바이스) 애플리케이션에서 표면은 매우 작을 수 있다. 층의 표면은 수 제곱미터를 넘을 수 있거나, 또는 약 200 제곱 센티미터, 약 100 제곱 센티미터, 약 50 제곱 센티미터 또는 약 25 제곱 센티미터 이하일 수 있다. 또 층의 크기, 형태, 및 애플리케이션에 대한 예는 앞서 언급한, 공동소유의 미국특허 제7,474,075호(발명의 명칭: "DEVICES POWERED BY CONFOR-MABLE FUEL CELLS")에서 발견할 수 있다.
복합층(102)은 또한 복합층(102)의 표면의 일부분을 따라 또는 그 표면 전체에 배치될 수 있는 코팅(104, 106)을 포함할 수 있다. 코팅(104, 106)은 불연속적일 수 있다. 또, 이온 전도성의 복합층은 복합층(102)을 둘러싸는 경계부(perimeter)(112)를 포함할 수 있다. 경계부(112)는 복합층(102)의 제1 면 상의 반응 물질을 밀봉하는 기능을 할 수 있고, 전기적으로 전도성 및/또는 유전체이다. 일례에서, 경계부(112)는 하나 이상의 단자 전류 콜렉터를 포함할 수 있다. 이와 같이, 예를 들면 단자 전류 콜렉터와 같은 전지 배선은 전기 전도 및 밀봉을 제공할 수 있다.
복합층(102)은 제1 면과 제2 면을 포함할 수 있고, 제2 면은 제1 면의 반대쪽에 있다. 복합층(102)의 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 복합층(102)의 제1 측에서 복합층(102)의 제2 측으로 연장되는 전기적으로 전도성의 통로를 포함할 수 있다. 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로 및 하나 이상의 이온 전도성의 통로는 복합층(102)의 하나 이상의 차원(dimension)을 실질적으로 관통하여 연장된다. 상기 차원은 높이, 폭 또는 길이 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전기적으로 전도성의 통로는 전기적으로 전도성의 재료를 포함할 수 있다. 복합층(102)의 유전체 구성요소(108)는 복합층(102)의 제1 측에서 복합층(102)의 제2 측으로 연장되는 이온 전도성의 통로를 포함할 수 있다. 이온 전도성의 통로는 전기적으로 전도성의 부분들의 이온 전도도보다 큰 이온 전도도를 갖는 이온 전도성의 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 이온 전도성의 재료는 이오노머 재료이다. 선택적인 코팅(104, 106)은 또한 이온 전도성의 재료를 포함할 수 있다. 복합층(102)의 두께는 예를 들면, 약 5 mm 미만, 약 2 mm 미만, 약 500 미크론 미만, 약 200 미크론 미난 또는 약 50 미크론 미만일 수 있다.
복합층(102)은 실질적으로 불투과성, 예를 들면 유체적으로 불투과성일 수 있다. 복합층(102)은 실질적으로 약 5 psi 이하, 약 15 psi 이하, 또는 약 30 psi 이하의 압력 차에서 실질적으로 불투과성일 수 있다. 복합층(102)의 투과성은 약 0.08 그램/시간 이하, 약 0.016 그램/시간 이하 또는 약 0.0032 그램/시간 일 수 있다.
복합층(102)은 유연성이 있는 전기화학 전지층일 수 있다. 구성요소(108, 110)는 예를 들면 각기 개별적으로 또는 모두 함께 유연성이 있을 수 있다. 예를 들면, 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 유연성이 있을 수 있거나, 또는 이와는 달리 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 실질적으로 강성이고 유전체 구성요소(108)가 유연성이 있을 수 있거나, 전기적으로 전도성의 구성요소(100) 및 유전체 구성요소(108) 모두가 하나 이상의 차원에서 유연성이 있을 수 있다. 유전체 구성요소(108) 및 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 복합층(102) 전체의 유체 수송을 감소시키기 위해 충전제 재료(filler material)를 포함할 수 있다. 충전 재료는 층의 밀봉을 증진 또는 강화시키기 위해 유전체 구성요소(108)와 전기적으로 전도성의 구성요소(110) 사이에 계면 영역을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 에폭시 충전제가 전기적으로 전도성의 재료 내에 배치될 수 있다. 충전체의 예는 밀폐제(sealant), 실리콘 재료, 예폭시, 접착성의 재료, 결합제 재료, 충전제 재료, 폴리머 또는 이들의 조합을 포함한다. 또, 이온 전도성의 구성요소(108)와 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 유전체 구성요소(108)와 전기적으로 전도성의 구성요소(110) 사이의 계면에서 상호작용하여 기밀봉지(氣密封止, hermetic seal)을 제공할 수 있다.
유전체 구성요소(108)의 이온 전도성의 재료는 화학적으로, 물리적으로, 또는 물리화학적으로 전기적으로 전도성의 재료와 결합할 수 있다. 이 결합은 화학적 수단과 물리적 수단의 조합일 수 있다. 유전체 및 전기적으로 전도성 부분에 포함된 재료는 결합을 향상시킬 수 있는 특성을 보일 수 있다. 구성요소(108, 110)들 사이의 계면에서 만족스러운 결합을 얻는다는 것은 도전일 수 있다. 이 결합은 강도, 투과성, 유연성, 내식성(corrosion resistance) 등에 대해 여러 기계, 화학적 요건을 충족시킬 필요가 있다. 또, 이 결합은 신뢰성 및 내구성이 있어야 한다. 그러나, 유전체 재료와 전기적으로 전도성의 재료 사이(예컨대, 이오노머 재료와 탄소 재료 사이)에 적당한 결합을 달성하는 것이 곤란할 수 있다. 이 점에서, 유전체 구성요소(108)와 전기적으로 전도성의 구성요소(110) 사이의 결합을 증지 시키기 위해 계면 영역을 활용하는 것이 유익할 수 있다.
전기적으로 전도성의 구성요소(110)은 인장 강도, 내구성, 또는 인성(toughness)을 증가시키기 위해, 전기적으로 전도성의 구성요소(110)의 다공성(porosity)을 감소시키기 위해, 아니면 전기적으로 전도성의 구성요소(110)의 하나 이상의 특성을 변경시키기 위해 첨가제(additive material)를 더 포함할 수 있다. 코팅(104, 106)들과 복합층(102) 사이의 결합이 또한 복합층(102)에 대한 인장 강도를 더 할 수 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 복합층(102)의 제1 면에서 복합층(102)의 제2 면으로 연장되는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 구성요소(110)는 복합층(102)의 표면에 평행하게 연장되는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 구성요소(110)는 예를 들면, 금속, 금속 폼, 탄소질의 재료(carbonaceous material), 그라파이트 복합물(graphite composite), 전도성의 에폭시, 전도성의 폴리머(예컨대, 폴리아닐린), 전도성의 세라믹, 펄트루디드 복합물(pultruded composite), 탄소 섬유, 팽창 그라파이트(expanded graphite), 직물 탄소(woven carbon cloth), 그라파이트, 유리질의 탄소(vitreous carbon), 탄소, 에폭시, 그라파이트 충전 에폭시, 그라파이트 충전 폴리머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구성요소(110)는 예를 들면, 에폭시로 함침된(impregnated) 직물 탄소와 같은, 탄소와 에폭시를 포함하는 복합 구조체를 포함할 수 있다.
복합층(102)의 유전체 구성요소(108)는 미소 구조체(micro-structure)를 포함한다. "미소 구조체"는 5배 이상의 배율을 갖는 현미경에 의해 드러나 보일 수 있는 구조체이다. 이 미소 구조체는 전기적으로 전도성 또는 유전체일 수 있고 유전체 구성요소(108)와 전기적으로 전도성의 구성요소(110) 사이의 더 넓은 면적의 계면을 제공할 수 있다. 미소 구조체는 폴리머 매트릭스를 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스의 예는 폴리벤지미다졸, 및 실리콘 카바이드를 포함한다. 복합층(102)은 이온 전도성의 통로와 전기적으로 전도성의 통로를 포함할 수 있고, 이 중 하나 또는 둘 다는 전구체(precursor)와 같은 재료의 단일 시트로부터 생성될 수 있다. 예를 들면, 복합층(102)은 수지 전구체 내에 형성된 이온 전도성의 통로를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 통로 각각은 복합층(102)의 두께(Lcore)와 같은 경로 길이를 갖는다. 다시 말해, 통로는 1의 굴곡 인자(tortuosity factor)를 가질 수 있으며, 굴곡성은 입자가 복합층(102)을 관통하여 이동하여야 하는 거리를 임의의 기판의 두께(Lscore)로 나눈것과 같다.
전기적으로 전도성의 구성요소(110)은 복합층(102)의 표면 상의 영역 주변부 주위에서 폐경로, 또는 실질적으로 폐경로를 형성할 수 있다. 실질적인 폐 경로의 경우, 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 유전체 구성요소(108)를 둘러싸지만 연속적이기보다는 불연속일 수 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 원형, 타원형, 직사각형, 육각형 또는 다각형 형상의 트레이스(trace)를 구성할 수 있다. 구성요소(110)는 규칙적인 어레이로 배치될 수 있다. 유전체 구성요소(108)와 전기적으로 전도성의 구성요소(110)는 동심 구성(concentric arrangement)으로 배치될 수 있다. 구성요소(108, 110)는 교대의 스트립(alternating strip)과 같은, 스트립으로 배치될 수 있다. 각 트립은 예를 들면, 폭이 약 2 밀리미터 미만일 수 있다. 복합층(102)은 10개 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소(110)를 포함할 수 있다. 복합층(102)은 20개 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소(110) 또는 50개 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소(110) 또는 수 백개 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소(110)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학 어레이 또는 복합층의 사시도(200)가 도시되어 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(208)는 유전체 구성요소(202)에 대해 여러 방식으로 배치될 수 있다. 유전체 구성요소(202)와 전기적으로 전도성의 구성요소(208)는 임의의 적당한 패턴으로 배치될 수 있다. 또 평면층(204, 206)이 복합층 또는 전기화학 전지를 형성하도록 접촉될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학 어레이 또는 복합층의 수직도(300)가 도시되어 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(304)는 무수히 많은 배향 또는 형상으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 전기적으로 전도성의 구성요소(304)는 유전체 구성요소(302)와 교대로 스트립으로 배치될 수 있다. 다른 예는 정사각형이나 직사각형 어레이, 삼가형 어레이, 또는 육각형 어레이의 노드들에 배치되는 유전체 구성요소(302) 및 전기적으로 전도성의 구성요소(304)를 포함할 수 있다. 이온 전도성의 구성요소 및 전기적으로 전도성의 구성요소는 도 2에 나타낸 바와 같이 둥근 형태일 수 있거나, 또는 십자 형태(cross shape), 헤링본(herringbone) 패턴(도 4 참조), 육각형(도 5 참조), 벌집 형태, 동심원, 계란형(oval shape), 타원형, 별형(star shape) 또는 이들의 조합과 같은 기타 형태 또는 패턴일 수 있다. 이들은 예를 들면 실질적으로 평행하게 기하학적으로 배치될 수 있다. 이 구성요소들은 불규칙한 형태일 수 있고 비대칭 패턴을 가질 수도 있다.
전기적으로 전도성의 통로는 전기적으로 전도성의 구성요소 또는 구성요소들 내에 통합될 수 있으며 이온 전도성의 통로는 유전체 구성요소 또는 구성요소들에 통합될 수 있다. 인접한 구성요소들은 결합되거나 상호작용할 수 있다. 이 구성요소들은 기밀하게(hermetically) 결합될 수 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(304)는 제1 재료를 포함할 수 있고 유전체 구성요소(302)는 제2 재료를 포함할 수 있다. 제1 재료와 제2 재료는 상호작용할 수 있다. 이 재료들은 예를 들면 화학적으로 또는 물리적으로 상호작용할 수 있다. 제1 재료는 예를 들면 탄소질(carbonaceous)일 수 있다. 제2 재료는 예를 들면 아이노머 또는 용제(solvent)일 수 있다.
도 6을 참조하면, 일부 실시예에 따른 복합층의 단면도(600)가 도시되어 있다. 코팅(602, 604, 606, 608)들은 복합층(616)과 접촉하고 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅(602, 604, 606, 608)들은 전기적으로 전도성, 이온적으로 전도성, 및 촉매적으로 활성(ative)일 수 있다. 불연속 영역(614)은 복합층(616)의 양 측의 표면을 따라 인접한 전도성의 코팅(602, 604, 606, 608)들을 분리하고 전기적으로 절연시킬 수 있다. 복합층(616)은 전기적으로 전도성의 구성요소와 유전체 구성요소를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에서, 복합층(616)은 또한 전기적으로 전도성의 구성요소(또는 전지 배선)(610)과 이오노머 전해질(612) 사이에 계면 영역(618)을 포함한다. 계면 영역(618)은 전기적으로 비전도성이고 이온적으로 비전도성의 유전체 재료(예컨대, 폴리에스테르, 에폭시, 석탄산, 우레탄, 실리콘)로 만들어질 수 있으며, 코팅(602, 604, 606, 608)들의 에지는 이 계면 영역(618)(예컨대, 도 6에서 위치 620)의 폭 내에 위치될 수 있다. 계면 영역(618)은, 일정한 허용오차(tolerance), 예를 들면 제조 공정을 가능하게 하기 위해 요구되는 허용오차 내에서 코팅의 에지가 위치될 수 있을 정도로 충분히 넓을 수 있다. 이렇게 하여, 계면 영역(618)은 잘못된 전지 배선(610)과의 의도하지 않은 전기적 접촉으로부터 코팅(602, 604, 606, 608)을 전기적으로 절연시켜, 연관된 전기화학 전지가 원치않게 단락되는 것을 방지한다. 계면 영역(618)의 두께는 약 15 마이크로미터 정도로 작을 수 있다. 또는, 계면 영역(618)의 두께는 약 100 마이크로미터 또는 약 200 마이크로 이상일 수 있다. 계면 영역(618)의 두께는 일정한 반경의 도구 또는 기계가 인접한 전기화학 전지들의 코팅들 사이에 전기적인 불연속성을 형성할 수 있도록 선택될 수 있다. 허용오차는 인접한 코팅들 사이에 전기적인 절연을 형성하고 유지하는 데 필요한 최소 거리를 포함할 수 있다. 이 구성의 사용은 제조를 가능하게 하기 위해 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid)과 같은, 어떤 특정한 이오노머 전해질을 사용할 때 특히 중요할 수 있다. 또, 이 구성을 사용하면, 코팅(602, 604, 606, 608)은 여전히 전해질(612)의 전체 표면을 덮을 수 있어 전해질(612)의 이용 가능한 표면적, 이용 가능한 전기화학 반응 장소(electrochemical reaction site)를 최대로 사용할 수 있으므로, 어레이 전체의 단위 면적당 잠재 전력(potential power)을 증가시킬 수 있다.
코팅(602, 604)과 전지 배선(610) 사이를 실질적으로 중첩 또는 접촉시킴으로써, 전기화학 반응 장소(예컨대, 코팅 내 또는 코팅과 복합층의 계면)으로부터 전지 배선에 전류를 더욱 효율적으로 전달 할 수 있다.
코팅(602, 604, 606, 608)은 복합층(616)의 제1 면 상의 제1 코팅 및 복합층(616)의 제2 면 상의 제2 코팅을 포함할 수 있다. 코팅(602, 604, 606, 608)은 전기적으로 전도성의 재료, 이온 전도성의 재료 또는 이 둘 다를 포함할 수 있다. 제1 코팅은 애노드층일 수 있고 제2 코팅을 캐소드층을 포함할 수 있다. 애노드층 및 캐소드층은 전기적으로 전도성일 수 있으며 전기적으로 전도성의 구성요소를 포할 수 있다. 애노드층 및 캐소드층은 촉매적으로 활성의 재료 또는 이온 전도성의 재료를 포함할 수 있다. 애노드층 및 캐소드층은 전기적으로 전도성의 재료, 촉매적으로 활성의 재료, 및 이온 전도성의 재료(유전체)의 어떤 조합을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 코팅(602, 604, 606, 608)은 전도성의 구성요소 및 계면 영역에 대해 다양한 위치에 배치될 수 있다. 인접한 코팅들의 에지는 인접한 전지들 사이에 전기적 절연이 유지되는 한, 유전체 구성요소(612) 상에, 계면 영역(618) 상에, 전기적으로 전도성의 구성요소(610) 상에, 또는 이들의 조합 상에 위치될 수 있다. 예를 들면, 코팅들은 인접하는 코팅들의 에지가 모두 계면 영역(618) 상에 위치되도록 배치될 수 있다. 다르게는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 코팅(예컨대, 602)의 에지는 계면 영역(618) 상에 위치될 수 있고, 한편 인접한 코팅(예컨대 606)의 에지는 전기적으로 전도성의 구성요소(610) 상에 위치될 수 있다.
나아가, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 코팅(예컨대, 602)의 에지는 유전체 구성요소(612) 상에 위치될 수 있고, 한편 제2 코팅(예컨대 606)의 에지는 계면 영역(도시되지 않음) 상에, 전기적으로 전도성의 구성요소(610)(도시됨)의 에지에서, 또는 전기적으로 전도성의 구성요소(예컨대 도 7에서 코팅 604와 608의 배치로 나타낸 바와 같음)의 에지로부터 안쪽에 위치될 수 있다. 병렬 전기 연결(도시되지 않음)의 경우, 일면 상의 코팅(예컨대, 602)은, 반대쪽 면 상의 대응하는 유전체 구성요소(612)와 접촉하는 코팅(예컨대, 604, 608)이 개재된 전기적으로 전도성의 구성요소(610)와 전기적으로 격리되는 한, 인접한 유전체 구성요소(612)와 개재된(interposed) 전기적으로 전도성의 구성요소(610)를 가로질러 연장될 수 있다. 선택적인 기체 확산층 또는 기체 투과성의 층이나 재료(702)(도 7 참조)는 코팅(602, 604, 606, 608)과 접촉할 수 있다. 기체 투과성의 재료(702)는 전기적으로 전도성 또는 유전체일 수 잇다. 유전체 기체 투과성의 재료(702)는, 예를 들면 복합층(616)의 한면 또는 양면에 결합될 수 있다.
기체 확산층(702)의 존재를 제외하고는, 도 7의 실시예가 도 6의 실시예와 다른 점은 복합층(616)에 실질적인 계면 영역(618)을 채용하지 않는다는 것이다. 대신에, 불연속 영역(614)이 복합층(616)의 양 측의 면을 따라 인접한 전도성의 코팅(602, 604, 606, 608)을 분리하고 전기적으로 절연시킨다. 이러한 실시예에서, 유전체 구성요소와 전도성의 구성요소 사이의 결합을 증진시키 위해 계면 영역이 여전히 사용되지만; 이 계면 영역은 매우 좁거나, 예를 들면 전도성 구성요소의 표면 상의 얇은 코팅일 수 있다.
또, 인접한 연로 전지 유닛의 전기적 단락이 방지되어야 하고, 코팅(602, 604, 606, 608)들 사이의 전기적인 전달(electrical communication)이 완화되도록 코팅들이 배치되어야 한다. 이러한 좁은 불연속 영역(614)을 제조하는 공정의 능력은 성능에 상당히 영향을 미친다. 그러나, 이 실시예 및 다른 실시예들은 제조 시에 어떤 불명확함이 존재할 수 있어 어쩌면 도 7에 도시된 실시예와는 다른 성능을 가지긴 해도, 여전히 동작하는 전지를 얻을 수 있다.
예를 들면, 복합층 또는 어레이 전체는 유연성이 있을 수 있다. 복합층 또는 어레이 전체는 하나 이상의 방향으로 또는 부분적으로 만곡되는 유연성이 있을 수 있다. 복합층은 롤형 구성(rolled configuration)과 같이, 원통형의 층이나 나선형 묶음을 형성하도록 만곡될 수 있다.
유체 플리넘, 예를 들면 연료 또는 산회제(oxidant) 플리넘은 코팅(602, 604, 606, 608)들 중 하나 이상, 전해질(612), 기체 확산층(702)들 중 하나 이상, 전지 배선(610)들 중 하나 이상, 또는 이들의 조합과 접촉할 수 있다. 연료 또는 유체는 메탄올, 암모니아, 암모니아 보란, 하이드라진, 에탄올, 포름산, 부탄, 보로하이드라이드 합성물 등과 같은 임의의 전당한 연료를 활용할 수 있긴 하지만, 수소일 수 있다.
제1 플리넘은 제2 반응 물질을 포함하는, 층의 제2 표면과 결합될 수 있다. 예를 들면, 유체 플리넘은 연료 플리넘 및 산화제 플리넘을 포함할 수 있다. 임의의 인접하는 복합층들이 그 사이의 유체 플리넘을 공유하는 다수의 실질적으로 유체적으로 투과성의 복합층이 적층될 수 있다. 유체 플리넘은 하나 이상의 복합층, 코팅, 전기적으로 전도성의 구성요소, 유전체 구성요소, 기체 투과성의 재료, 촉매층, 애노드층, 캐소드층, 내부의 지지 구조체, 유체 매니폴드, 전류 콜렉터, 밀봉부(seal) 등의 일부 또는 전부화 접촉함으로써 형성될 수 있다. 전류 콜렉터의 예는 중간 전류 콜렉터 및 단자 전류 콜렉터를 포함한다. 밀봉부는 중간 밀봉부, 주변 밀봉부(perimeter seal), 단부 밀봉부(end seal) 또는 이들의 조합을 포함한다. 내부의 지지 구조체는 구조적인 구성요소 또는 구조적인 지지체 기능도 하는 전기적으로 전도성의 구성요소일 수 있다.
단위전지는 전지의 어레이를 만들기 위해 여러 가능한 방식으로 배선될 수 있으므로, 잠재 전압, 전류 출력 또는 이들의 조합을 증가시킴으로써 층의 잠재적인 전력 출력을 증가시킨다. 개별 단위 전지는, 앞서 언급한 2005년 2월 2일에 출원된 미국 특허출원 제2005/0250004호(발명의 명칭: "ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT CARRYING STRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS")에 기재된 바와 같이, 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 전기화학 전지 어레이는 또한 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
도 8을 참조하면, 일부 실시예에 따른, 유연성이 있는 플리넘을포함하는 전기화학 전지층의 단면도(800)가 도시되어 있다. 유연성이 있는 전기화학 전지층(802)은 전지 배선 또는 내부의 지지 구조체(804)에 의해 분리된 개별 영역(808)을 포함할 수 있다. 연료가 시스템 내로 도입될 때, 유연성이 있는 전기화학 전지층(802)은 변형되어 연료 플리넘(806) 또는 밀폐 영역(enclosed region)을 만든다(도 8에 점선으로 도시됨). 예에서, 복합층은 유연성이 있는 전기화학 전지에 통합될 수 있고, 플리넘은 앞서 언급한 공동출원된 미국 가출원 제12/238,241호에 설명된 것 처럼, 플리넘에 필요한 공간을 최소화하도록 구성될 수 있다. 이러한 예에서, 하나 이상의 연료 전지가 유연성이 있는 전기화학 전지층 내에 통합된다. 유연성이 있는 전기화학 전지층은 선택적으로 하나 이상의 강성의 구성요소를 포함할 수 있으므로 그 전체가 유연성이 있는 것은 아닐 수 있다.
시스템은 실질적으로 부피가 없는 밀폐 영역으로부터 변형 가능한 공간 절약형의 유체 플리넘을 포함할 수 있고, 이렇게 하여, 기존의 전자 디바이스 내에 맞도록 구성 가능한 더욱 소형이고 더욱 콤팩트한 전기화학 전지 시스템을 만들 수 있게 한다. 밀폐 영역은 유체 매니폴더 또는 유체 압력 조정 디바이스(들) 중 하나 또는 둘 다를 포하는 유체 제어 시스템(812)과, 적어도 하나의 연료 전지 사이에 위치된다. 예에서, 밀폐 영역은 유체 제어 시스템(812)의 출구 측과 하나 이상의 연료 전지 사이의 결합 부재(bond member)(810)에 의한 주변형(peripheral-type)의 결합에 의해 형성된다. 변형예에서, 유체 제어 시스템(812)을 빠져나가는 유체가 밀페 영역에 압박을 가하여 적어도 하나의 전기화학 전지의 하나 이상의 부분이 유체 제어 시스템(812)의 출구 측에 인접한 위치로부터 멀어지게 변형을 일으킬 때, 밀폐 영역은 유체 플리넘(816)으로 변형된다. 공간 절약형의 유체 플리넘은 유체 저장소, 유체 압력 조정 디바이스(들), 유체 매니폴드, 내부의 지지 구조체를 갖는 전기화학 전지층과 같은 다른 연료 전지 구성요소와 함께 사용되어 컴팩트한 연료 전지 시스템을 만든다.
유연성이 있는 층 내의 적어도 하나의 연료 전지는 결합 부재(810)를 통해 유체 매니폴드의 일부분과 결합될 수 있고, 이렇게 하여 그 사이에 하나 이상의 폐쇄 영역을 형성한다. 결합 부재(810)는 접착 부재, 용접 부재, 땜납 부재, 브레이즈 부재(braze member), 또는 기계적인 패스너(fastener)나 돌출부(protrusion)와 같은, 임의의 물리적 또는 화학적 수단을 포함할 수 있다. 예에서, 밀폐 영역의 두께는, 약 0.05 mm 이하와 같이, 결합 부재의 단면 두께도 대략 동일하다. 다른 예에서, 유체 매니폴더 및 적어도 하나의 연료 전지는 약 5 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 약 0.6 mm 이하의 결합된 단면 두께를 가진다.
유체 매니폴드는 그것을 통해서 연장되는 적어도 하나의 재료 지향성의 리세스(material directing recess)(814)를 포함한다. 각 재료 지향성의 리세스(814)는 입력에서 유체 저장소로부터의 유체 흐름을, 출력에서 밀폐 영역(816)으로의 연료 흐름을 수용한다. 예에서, 유체 흐름은
수소, 메탄올, 포름산, 부탄, 보로하이드라이드 합성물(나트륨과 칼륨 보로하이드 포함) 또는 액체 유기 수소 운반체(liquid organic hydrogen carrier) 중 적어도 하나를 포함한다. 밀폐 영역(816)으로 유체가 계속하여 유입됨으로써 적어도 하나의 연료 전지의 부분들이 유체 매니폴드에 인접한 위치로부터 멀어지게 변형되어, 유체 플리넘(806)을 형성한다. 동작 시에, 유체 저장소는 충전 포트(charge port)에 압력을 가함으로써 연료로 충전될 수 있다.
유체 압력 조정기 디바이스의 어레이를 포함하는 유체 압력 조정기 어셈블리는 플리넘(806)의 압력을 적어도 하나의 연료 전지가 동작하여 점선으로 나타낸 위치로 이동하기에 충분한 레벨로 감소 또는 유지시키 위해 사용될 수 있다. 예에서, 유체 매니폴더와 적어도 하나의 연료 전지 사이의 거리는 압력이 가해진 플리넘 상태에서 약 5 mm 이다.
예를 들면, 유체 매니폴드의 제1 측은 전기화학 전지층의 제1 측에 연결될 수 있고 유체 매니폴드의 제2 측은 다른 전기화학 전지층의 제1 측에 연결될 수 있다. 예를 들면, 매니폴드 또는 유체 제어 시스템은 어레이에 직렬 또는 병렬로 결합될 수 있다. 예를 들면, 매니폴드는 병렬 또는 직렬로 연결된 다스위 어레이 또는 다수의 단위 전지에 접촉하는 연료 플리넘을 제공할 수 있다.
일부 실시예에 따른, 전기화학 전지 어레이를 사용하는 방법을 개시한다. 제1 반응 물질은 적어도 하나의 전지 배선을 갖는 전기화학 전지 어레이의 제1 측에 결합된 유체 플리넘에 제공될 수 있다. 전류는 적어도 제1 반응 물질로부터 생성될 수 있다. 전류는 복합층의 제 1측으로부터 수집될 수 있다.
제1 반응 물질을 제공하는 단계는 유체 플리넘의 압력을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 제공하는 단계는 전기화학 전지 어레이의 제 1측에 결합된 유체 매니폴드로부터 제1 반응 물질을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 제공하는 단계는 또한 전기화학 전지 어레이의 제1 측의 적어도 일부분이 유체 매니폴드로부터 멀어져 이동하는 단게를 포함한다.
복합층의 제1 측은 애노드 측일 수 있다. 예를 들면, 복합층의 제2 측은 캐소드 측일 수 있다. 제1 반응 물질은 수소일 수 있다. 복합층의 제2 측은, 산화제와 같은 제2 반응 물질과 접촉될 수 있다. 제2 반응 물질은 수동적으로 또는 능동적으로 접촉될 수 있다. 생성은 제1 반응 물질을 소비하여 유체 플리넘의 압력을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
수집은 직렬 전기 구성, 병렬 구성, 또는 이들의 조합으로 이루어진 복수의 전기화학 전지로부터 전류의 수집을 포함할 수 있다. 수집은 또한 단자 전류 콜렉터 또는 어레이 내의 인접한 전지들 사이의 적어도 하나의 배선으로부터의 전류 수집을 포함할 수 있다.
여기에 기재된 복합층은 임의의 개수의 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 복합층은 롤 단위의 제조(roll to roll manufacturing)와 같은, 대량 제조에 좋은 방식으로 형성될 수 있다. 도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 일부 실시예에서, 복합층은 전지 배선 역할을 할 수 있는 적어도 두 개의 전기적으로 전도성의 구성요소(910, 911)을 형성함으로써 형성될 수 있다(도 9a 참조). 전기적으로 전도성의 구성요소(910, 911)는 예를 들면 다수의 구성요소를 함께 라미네이팅(laminating)함으로써 형성될 수 있다. 전기적으로 전도성의 구성요소(910, 911)은 예를 들면 탄소로 이루어진 하나 이상의 형태를 포함할 수 있고, 예를 들면 에폭시와 같은 비전기적으로 전도성의 구성요소를 더 포함할 수 있다.
계면 영역(918)이 그후 각각의 전기적으로 전도성의 구성요소(910, 911)의 적어도 한 면에 접착될 수 있다(도 9b 포함). 계면 영역(918)은 전도성의 구성요소에 부착되는 개별 구성요소일 수 있거나, 또는 전도성 구성요소의 표면에 도포되는 재료일 수 있다. 예를 들면, 계면 영역(918)은 액체 형태로 전기적으로 전도성의 구성요소(910, 911)의 표면에 도포된 후에 전도성의 구성요소와 계면 영역 둘 다를 포함하는 복합 고체 구성요소를 형성하도록 경화될 수 있다. 계면 영역(918)의 두께는 제조 공정의 허용오차에 따라 조정될 수 있으며; 예를 들면, 계면 영역(918)은 제조 공정에서 요구된 허용오차를 포함하는, 전기적 불연속성이 인접하는 셀들 사이에 형성될 수 있도록 보장하기에 충분한 두께일 수 있다. 예를 들면, 계면 영역(918)의 두께는 약 15 마이크로미터로 작을 수 있다. 또는, 계면 영역(918)의 두께는 약 100 마이크로미터 또는 약 200 마이크로미터 이상일 수 있다. 계면 영역(918)의 두께는 일정한 반경의 도구 또는 기계가 인접한 전기화학 전지들의 코팅들 사이에 전기적인 불연속성을 형성할 수 있도록 선택될 수 있다. 또, 계면 영역(918)은 유전체 구성요소(912)와 전기적으로 전도성의 구성요소(910, 911) 사이의 결합을 증진 또는 강화시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 결합은 기계적, 및 화학적 결합 매커니즘의 조합을 통해 달성될 수 있다.
적어도 하나의 유전체 구성요소(912)가 그후 계면 영역(918)에 근접하여 계면 영역(918)과 접촉하여 이오노머 분산제를 캐스팅하고 유체적으로 불투과성의 층을 형성하기에 충분한 정도를 이오노머 분산제를 경화시킴으로써 형성될 수 있다(도 9c 참조). 이오노머 분산제는 열, 압력 또는 이들의 조합을 사용하여 경화될 수 있다. 예를 들면, 이오노머 분산제는 PFSA 코폴리머일 수 있다.
그후 코팅(902, 904, 906, 908)이 층의 표면 상에 배치될 수 있다(도 9d 참조). 예를 들면, 코팅(902, 904, 906, 908)은 촉매층일 수 있다. 도시된 실시예에서, 코팅(906)은 유전체 구성요소(912)와 접촉하고, 또 전기적으로 전도성의 구성요소(911)와 전기적으로 접촉하지만, 전기적으로 전도성의 구성요소(910)와는 전기적으로 격리되어, 인접하는 전기화학 전지들을 전기적으로 격리시키도록 배치된다. 유사하게, 코팅(904)은 유전체 구성요소(912)와 접촉하고, 또 전기적으로 전도성의 구성요소(910)와 전기적으로 접촉하지만, 전기적으로 전도성의 구성요소(911)와는 전기적으로 격리된다.
도 9a 내지 도 9d에서 완전하게 도시하진 않았지만, 코팅(902)은 전기적으로 전도성의 구성요소(910)와 전기적으로 접촉할 수 있고, 또 인접한 유전체 구성요소(도시되지 않음)과 접촉할 수 있으며, 또 제3의 전도성의 구성요소(도시되지 않음)과는 전기적으로 격리될 수 있다. 유사하게, 코팅(908)은 전기적으로 전도성의 구성요소(911)와 전기적으로 접촉할 수 있고, 또 다른 인접한 유전체 구성요소(도시되지 않음)과 접촉할 수 있으며, 또 제4의 전도성의 구성요소(도시되지 않음)과는 전기적으로 격리될 수 있다
코팅(902, 904) 사이의 단절된 영역(insular break)의 폭 d(920)는 인접한 전지들 간의 전기적인 격리를 제공한다. 도시된 실시예에서, 계면 영역의 두께는 폭 d(920)보다 크고, 또 전기적 격리를 보장하기 위해 코팅(902, 904, 906, 908)을 배치하는 데 사용되는 제조 공정이 필요로하는 모든 허용오차가 항상 유지된다.
이상의 설명은 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 예를 들면, 이상에서 설명한 예(또는 그 하나 이상의 특징)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 해당 기술분야의 당업자가 이상의 설명을 재검토할 때 처럼, 다른 실시예들이 사용될 수 있다. 또한, 이상의 상세한 설명에서, 개시 내용을 간략화하기 위해 여러 특징이 함께 그룹화될 수 있다. 미청구(uncalimed)의 개시된 특징은 임의의 청구항에 필수적인 것이라는 의도로 해석해서는 안된다. 오히려, 발명 주제는 결코 특정한 개시된 실시예의 모든 특징이 아니다. 또, 본 출원의 대부분은 유체 애플리케이션 기초한 연료 또는 반응 물질을 논의하였지만, 본 시스템 및 방법은 여기에서 설명한 것과 유사한 방식으로 다른 유체 전달 애플리케이션에 사용될 수 있다. 따라서, 이하의 특허청구범위는 각자의 개별 실시예에 의거하는 각각의 청구항과 함께 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함된다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여, 이러한 특허청구범위가 권리를 갖는 등가물의 전 범위와 함께 결정되어야 한다.

Claims (30)

  1. 전기화학 전지의 이온 전도성의 복합층으로서,
    각각이 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로를 갖는 둘 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소; 및
    각각이 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 갖는 하나 이상의 유전체 구성요소
    를 포함하며,
    상기 전기적으로 전도성의 구성요소 및 상기 유전체 구성요소는 인접하게 배치되어 유체적으로 불투과성의 복합층을 제공하는,
    이온 전도성의 복합층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합층은 유연성이 있는, 이온 전도성의 복합층.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 전기적으로 전도성의 구성요소는 제1 재료를 포함하고,
    각각의 유전체 구성요소는 제2 재료를 포함하며,
    상기 제1 재료와 상기 제2 재료가 상호작용하는, 이온 전도성의 복합층.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 재료와 상기 제2 재료는 화학적으로 상호작용하는, 이온 전도성의 복합층.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전기적으로 전도성의 구성요소 및 상기 이온 전도성의 구성요소는 물리적으로 상호작용하는, 이온 전도성의 복합층.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적으로 전도성의 구성요소는 금속, 금속 폼, 탄소질의 재료, 그라파이트 복합물, 전도성의 에폭시, 전도성의 폴리머, 전도성의 세라믹, 탄소 섬유, 직물 탄소, 펄트루디드 복합물, 팽창 그라파이트, 그라파이트, 유리질의 탄소, 탄소, 에폭시, 그라파이트 충전 에폭시, 그라파이트 충전 폴리머, 또는 이들의 조합을 포함하는, 이온 전도성의 복합층.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적으로 전도성의 통로는 상기 복합층의 제1 면으로부터 상기 복합층의 제2면으로 연장되는, 이온 전도성의 복합층.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 유전체 구성요소들과 전도성의 구성요소들 사이에 배치된 계면 영역을 더 포함하는 이온 전도성의 복합층.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 계면 영역은 상기 유전체 구성요소들과 상기 전도성의 구성요소들 사이에 접착력을 증기시키기 위한 결합 계면(bonding interface)를 제공하도록 구성되는, 이온 전도성의 복합층.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 계면 영역의 폭은 약 15 마이크로미터 이상인, 이온 전도성의 복합층.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 계면 영역의 폭은 약 200 마이크로미터 이상인, 이온 전도성의 복합층.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적으로 전도성의 구성요소 및 상기 유전체 구성요소는 실질적으로 평행한 스트립으로 배치되어 있는, 이온 전도성의 복합층.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유전체 구성요소 및 상기 전도성의 구성요소의 폭은 약 2 밀리미터 이하인, 이온 전도성의 복합층.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합층은 15 psi 이하의 압력 차에서 실질적으로 유체적으로 불투과성인, 이온 전도성의 복합층.
  15. 제1 측과 제2 측을 갖는 복합층;
    상기 복합층의 제1 측과 접촉하는 하나 이상의 제1 코팅; 및
    상기 복합층의 제2 측과 접촉하는 하나 이상의 제2 코팅
    을 포함하며,
    상기 복합층은,
    각각이 하나 이상의 전기적으로 전도성의 통로를 갖는 둘 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소; 및
    각각이 하나 이상의 이온 전도성의 통로를 갖는 유전체 구성요소
    를 포함하고,
    상기 전기적으로 전도성의 구성요소 및 상기 유전체 구성요소는 인접하게 배치되며;
    상기 제1 코팅 각각은, 제1 유전체 구성요소의 이온 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하고, 제1 전기적으로 전도성의 구성요소의 전기적으로 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하며;
    상기 제2 코팅 각각은, 제2 유전체 구성요소의 이온 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하고, 상기 제1 전기적으로 전도성의 구성요소의 전기적으로 전도성의 통로들 중 적어도 하나와 접촉하여, 어레이 내의 인접하는 전기화학 전지들 사이에서 상기 복합층의 제1 측에서 상기 복합층의 제2 측으로 전기적으로 전도성의 통로를 제공하기에 충분한,
    전기화학 전지 어레이.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 코팅과 상기 제2 코팅 중 하나 또는 둘 다가 촉매적으로 활성의 재료(atalytically active material)를 포함하는, 전기화학 전지 어레이.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    인접한 유전체 구성요소들과 전도성의 구성요소들 사이에 배치된 계면 영역을 더 포함하는 전기화학 전지 어레이.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 계면 영역은 상기 유전체 구성요소들과 상기 전도성의 구성요소들 사이에 접착력을 증기시키기 위한 결합 계면를 제공하도록 구성되는, 전기화학 전지 어레이.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 계면 영역의 폭은 인접한 전기화학 전지들의 코팅 사이에 전기적인 불연속성이 형성되게 하기에 충분한, 전기화학 전지 어레이.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지는 연료 전지를 포함하는, 전기화학 전지 어레이.
  21. 제15항의 전기화학 전지 어레이; 및
    하나 이상의 유체 플리넘
    을 포함하고,
    상기 하나 이상의 유체 플리넘이 상기 전기화학 전지 어레이에 의해 적어도 부분적으로 규정되는,
    전기화학 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 유체 플리넘은 하나 이상의 연료 플리넘, 하나 이상의 산회제 플리넘, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기화학 시스템
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 복합층에 결합된 유체 매니폴드를 더 포함하는 전기화학 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 유체 플리넘 중 적어도 하나가 상기 복합층, 상기 유체 매니폴드, 및 하나 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소에 의해 규정되는, 전기화학 시스템.
  25. 둘 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소를 형성하는 단계;
    상기 전기적으로 전도성의 구성요소 각각의 표면에 하나 이상의 계면 영역을 접착하는 단계;
    대응하는 계면 영역에 근접하여 상기 계면 영역과 접촉하여 이오노머 분산제를 캐스팅하여 하나 이상의 유전체 구성요소를 형성하는 단계;
    상기 이오노머 분산제를 충분히 경화시켜 유체적으로 불투과성의 복합층을 형성하는 단계; 및
    상기 복합층의 제1 면 상에 하나 이상의 코팅을 배치하는 단계
    를 포함하고,
    상기 코팅은 하나의 유전체 구성요소, 제1의 인접한 전기적으로 전도성의 구성요소, 및 계면 영역에 접촉하고 있는,
    전기화학 전지 어레이를 형성하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기적으로 전도성의 구성요소는 탄소와 에폭시를 포함하는 복합물을 포함하는, 전기화학 전지 어레이를 형성하는 방법.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 계면 영역은 열경화성 폴리머를 포함하는, 전기화학 전지 어레이를 형성하는 방법.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이오노머 분산제는 퍼플루오로슬폰산 코폴리머를 포함하는, 전기화학 전지 어레이를 형성하는 방법.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계면 영역의 폭은 인접한 전기화학 전지들의 코팅 사이에 전기적인 불연속성을 제공하기에 충분한, 전기화학 전지 어레이를 형성하는 방법.
  30. 제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 제2의 인접한 전기적으로 전도성의 구성요소와 전기적으로 격리되어 있는, 전기화학 전지 어레이를 형성하는 방법.

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