KR20150038199A - 높은 차압의 전기 화학 전지에서의 사용을 위한 유동 구조체들의 배열 - Google Patents

높은 차압의 전기 화학 전지에서의 사용을 위한 유동 구조체들의 배열 Download PDF

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Abstract

본 개시물은 높은 차압 작동들에서의 사용을 위한 전기 화학 전지들 내의 유동 구조체들의 디자인 및 배열에 관한 것이다. 전지(20)의 저압측 상의 유동 구조체(28)는 유동 구조체-MEA 인터페이스에서 전지(20)의 고압측 상의 유동 구조체(22)보다 더 넓은 표면적을 갖는다. 고압 유동 구조체의 경계는 또한 저압 유동 구조체의 경계 내에 포함된다. 고압 유동 구조체 주위의 밀봉부(25)는 또한 저압 유동 구조체(28)의 경계 내에 포함된다. 이러한 배열에서, 전지(20)의 고압측(22)으로부터 전해질 막(40)에 작용하는 높은 유압은 막(40)의 저압측 상의 유동 구조체(28)에 의해 완전히 그리고 연속으로 균형이 맞춰지고, 상기 저압측 유동 구조체(28)는 압축된 다공성 금속 기판을 포함한다. 저압 유동 구조체(28)의 사용은 막 지지부로서 높은 응력 하에서 막의 파열 또는 변형을 방지한다.

Description

높은 차압의 전기 화학 전지에서의 사용을 위한 유동 구조체들의 배열{ARRANGEMENT OF FLOW STRUCTURES FOR USE IN HIGH DIFFERENTIAL PRESSURE ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 출원은 전체가 참조로써 여기에 통합된, 2012년 7월 24일에 출원된 미국 특허 가출원 제 61/674,976호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 전기 화학 전지, 더 구체적으로, 높은 차압의 전기 화학 전지에서의 사용을 위한 유동 구조체들의 디자인 및 배열에 관한 것이다.
보통 연료 전지 또는 전기 분해 전지로 분류되는 전기 화학 전지들은 화학 반응으로부터 전류를 생성하거나 또는 전류의 유동을 사용하여 화학 반응을 유발하기 위해 사용되는 장치들이다. 연료 전지는 연료(예를 들어, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학 에너지를 전기 및 열과 물의 폐기물들로 전환한다. 기본적인 연료 전지는 음으로 대전된 애노드, 양으로 대전된 캐소드, 및 전해질로 불리는 전도 물질을 포함한다.
다른 연료 전지 기술들이 다른 전해질 물질들을 이용한다. PEM(Proton Exchange Membrane) 연료 전지는 예를 들어, 전해질로서 폴리머 이온-전도 막을 이용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자는 전기 화학적으로 애노드에서 전자 및 양자(수소 이온들)로 분리된다. 전자는 회로를 통해 캐소드로 유동하고 전기를 생성하며, 양자는 전해질 막을 통해 캐소드로 확산한다. 캐소드에서, 수소 양자는 물과 열을 생성하도록 전자 및 산소(캐소드에 공급됨)와 결합한다.
전기 분해 전지는 역으로 작동되는 연료 전지를 나타낸다. 기본적인 연료 전지는 외부 전위가 인가될 때 물을 수소와 산소 가스로 분해함으로써 수소 생성기로서 기능을 한다. 수소 연료 전지 또는 전기 분해 전지의 기본적인 기술은 전기 화학적 수소 압축, 정화, 또는 팽창과 같은 전기 화학적 수소 조작에 적용될 수 있다. 전기 화학적 수소 조작은 수소 관리를 위해 종래에 사용된 기계 시스템들에 대한 실행 가능한 대안으로서 알려져 왔다. "수소 경제"의 장기간 지속 가능성 및 에너지 운반자로서 수소의 성공적인 상업화는 연료 전지, 전기 분해 전지, 및 다른 수소 조작/관리 시스템들의 효율성 및 비용 효율성에 크게 의존한다.
작동시에, 단일 연료 전지는 일반적으로 약 1v를 생성할 수 있다. 원하는 양의 전력을 얻기 위해서, 각각의 연료 전지들은 연료 전지 스택을 형성하기 위해 결합된다. 연료 전지는 연속하여 함께 적층되고, 각각의 전지는 캐소드, 전해질 막, 및 애노드를 포함한다. 각각의 캐소드/막/애노드 조립체는 일반적으로 분리판들에 의해 양측들 상에서 지지되는, "막 전극 조립체" 또는 "MEA"를 구성한다. 가스(수소 및 공기)는 유동 필드들로서 알려진 판들 내에 형성된 채널들을 통해 MEA의 전극들에 공급된다. 기계적 지지 외에, 분리판들(또한 유동 필드 판들로서 알려짐)은 전기적으로 분리판들을 연결하는 동안 스택 내의 각각의 전지들을 물리적으로 분리시킨다.
도 1은 종래 기술의 PEM 연료 전지(10)의 다양한 구성 요소들을 나타낸 분해된 개략도이다. 도시된 바와 같이, 분리판들(2)은 애노드(7A), 캐소드(7C), 및 전해질 막(8)을 포함하는 "막 전극 조립체"의 측면에 위치한다. 애노드(7A)에 공급된 수소 원자는 전기 화학적으로 전자 및 양자(수소 이온)로 분리된다. 전자는 전기 회로를 통해 캐소드(7C)로 유동하고 프로세스에서 전기를 생성하고, 양자는 전해질 막(8)을 통해 캐소드(7C)로 이동한다. 캐소드에서, 양자는 물 및 열을 생성하도록 전자 및 산소(캐소드에 공급됨)와 결합한다.
또한, 종래 기술의 PEM 연료 전지(10)는 MEA의 각각의 측면 상의 전지 내에 전기 전도성 가스 확산층들(GDL들)을 포함한다. 가스 확산층들(5)은 전지에서 가스와 액체의 운송을 가능하게 하는 확산 매체의 역할을 하고, 분리판들(2) 및 전해질 막(8) 사이에 전기 전도를 제공하고, 열의 제거를 돕고 전지로부터 물을 처리하고, 일부 경우들에서, 전해질 막(8)에 대한 기계적 지지를 제공한다. 가스 확산층들(5)은 전해 막을 마주보는 측면들 상에 코팅된 전극들(7A 및 7C)을 갖는 직조되거나 또는 직조되지 않은 탄소 클로즈(carbon cloth)를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 전극들(7A 및 7C)은 인접한 GDL(5) 또는 전해질 막(8) 중 하나 상에 코팅된 전기 화학적 촉매 물질을 포함한다. 일반적으로, 탄소 섬유 기반 가스 확산층들은 특히, 이 물질들의 제한된 구조적 성질들 때문에, 높은 차압의 전지의 실행 필요 조건들을 충족하지 못한다. 따라서, 일부 고압의 전기 화학 전지들은 분리판들(2)에 형성된 종래의, 랜드-채널 유동 필드들(4)과 결합하여 MEA에 대한 구조적 지지를 제공하도록 종래의 GDL들에 대한 대체로서 또는 종래의 GDL들과 결합하여 "프리트(frit)"-형태의 고밀도로 소결된 금속들, 스크린 팩들, 또는 팽창된 금속들을 사용한다. 층을 이룬 구조체들(즉, 스크린 팩들 및 팽창된 금속들)은 높은 차압의 작동들에 적합한 비교적 두꺼운 구조들을 제공한다. 그러나, 구조체들은 다른 성능 손실, 예를 들어, 높은 접촉 저항, 높은 유동 저항, 큰 전지 피치(pitch) 등을 초래한다. 이 층을 이룬 구조체들의 물리적 한계를 극복하기 위해서, 3차원 다공성 금속 기판들이 높은 차압의 전기 화학 전지들에서 종래의 랜드-채널 유동 필드들(4) 및 GDL들(5)에 대한 대체물로서 사용될 수 있다. 다공성 금속 유동 필드들을 사용하는 전기 화학 전지에서, 전해질 막의 각각의 측면 상의 반응 가스는 3차원 다공성 유동 필드들을 통해 유동하고 전해질 막에 도달하도록 다공성 GDL을 통해 확산한다.
높은 차압의 전지들은 작동 동안 전해질 막(8)의 완전성을 유지하는데 있어서 추가의 어려움에 직면한다. 막은 전지 조립체에서 다른 구성 요소들보다 원래 더 약하고, 따라서, 추가의 기계적 지지 및/또는 다른 디자인 고려 사항들이 높은 차압의 작동들 중에 막의 변형 또는 고장을 방지하도록 요구된다. 막 보강은 고압에서 막의 이동 또는 굽힘을 제한할 수 있지만; 보강 구조체들은 막을 통한 유체 교환을 방해할 수 있고 전지의 전체 크기/무게를 증가시킬 수 있다. 따라서, 전지에 추가의 구성 요소들을 추가하지 않고 또한 막을 통한 적절한 유체 교환을 허용하여, 전해질 막이 높은 압력차와 연관된 힘들을 견디게 하기 위해 전기 화학 전지들의 디자인을 향상시키기 위한 과제가 여전히 남아 있다.
본 개시물은 높은 차압 하에 작동하는 동안 전해질 막을 지지하기 위한 유동 필드들 및 GDL들의 디자인 및 배열에 관한 것이다. 특히, 본 개시물은 연료 전지, 전기 분해 전지, 수소 정화 장치, 수소 익스팬더, 및 수소 압축기를 제한하지 않고 포함하는 높은 차압의 전기 화학 전지의 사용을 위한 3차원, 다공성 금속 유동 필드들 및 GDL들의 배열에 관한 것이다. 본 개시물의 실례가 되는 실시예에서, 다공성 금속 유동 필드들은 GDL들에 일반적으로 요구되는 기능들을 수행할 수 있고, 따라서 전기 화학 전지 조립체로부터 GDL들을 제거할 가능성이 있다. 대안적인 실시예에서, 다른 평균 구멍 크기들(예를 들어, 유동 필드를 구성하는 큰 구멍들 및 GDL을 대체하는 작은 구멍들)을 갖는 2개의 별개의 층들로 구성된 다공성 금속 기판은 전해질 막과 접촉하여 배치될 수 있다. 따라서, 유동 필드 및 GDL은 달리 언급되지 않는한, 이후에 "유동 구조체"로서 총체적으로 지칭된다. 종래의 GDL들의 사용을 위해 다공성 금속 유동 필드들을 사용하는 것 또는 종래의 채널 유형 유동 필드들과 결합하여 사용하기 위한 다공성 금속 GDL들을 제작하는 것이 본 개시물의 범위 내에 있다.
본 개시물의 제 1 실시예는 높은 차압의 작동들에서의 사용을 위한 전기 화학 전지이고, 전기 화학 전지는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 전극들 사이에 배치된 전해질 막을 포함한다. 전지는 상기 제 1 전극에 인접하고, 또한 상기 전해질 막을 마주보는 측면을 따라 제 1 평면을 포함하는 제 1 유동 구조체를 포함한다. 전지는 상기 제 2 전극에 인접하고, 또한 상기 전해질 막을 마주보는 측면을 따라 제 2 평면을 포함하는 제 2 유동 구조체를 추가로 포함한다. 전기 화학 전지 내의 제 2 유동 구조체는 제 1 유동 구조체보다 더 큰 구조적 힘을 견디도록 구성된다. 또한, 제 1 평면의 영역은 전기 화학 전지에서 제 2 평면의 영역보다 좁다.
본 개시물의 또 다른 실시예는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 전극들 사이에 배치된 전해질 막을 포함하는 전기 화학 전지이다. 전지는 전해질 막의 맞은편들에 제 1 및 제 2 분리판들을 포함한다. 전지는 제 1 분리판과 제 1 전극 사이에 있고, 또한 전해질 막을 마주보는 측면을 따라 제 1 면을 포함하는 제 1 유동 구조체, 및 제 2 분리판과 제 2 전극 사이에 있고, 또한 전해질 막을 마주보는 측면을 따라 제 2 면을 포함하는 제 2 유동 구조체를 추가로 포함한다. 전기 화학 전지 내의 제 2 유동 구조체는 제 1 유동 구조체보다 큰 구조적 힘을 견디도록 구성된다. 추가로, 제 1 면의 주변부는 제 2 면의 주변부보다 좁고, 또한, 제 1 면의 주변부는 완전히 제 2 면의 주변부 내에 있다.
이 명세서의 일부에 포함되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 실시예들을 설명과 함께 설명하고, 본 발명의 다양한 양태들의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 종래 기술의 PEM 연료 전지의 다양한 구성 요소들을 도시한 분해된 개략도.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른, 높은 차압의 작동들에서의 사용을 위한 전기 화학 전지의 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른, 다양한 전기 화학 전지의 기하학적 구조들에 대한 고압 및 저압 유동 구조체들의 평면도들.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 전기 화학 전지의 일부분의 확대도.
상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 다가 예시적이고 오직 설명을 위한 것이고 청구된 바와 같이, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님이 이해되어야 한다.
이제 본 개시물과 일치하는 특정한 실시예들이 참조될 것이고, 그 예들은 첨부된 도면들에서 설명된다. 가능하다면, 동일한 도면 부호들이 동일하거나 또는 유사한 부분들을 나타내도록 도면 전반에 걸쳐 사용된다. 본 개시물이 높은 차압의 전기 화학 전지와 연관되어 설명될지라도, 본 개시물의 장치들 및 방법들이 높은 차압에서 작동하는 전기 화학 전지들을 제한하지 않고 포함하는, 다양한 유형들의 전기 화학 전지들로 이용될 수 있다는 것이 이해된다.
본 개시물은 높은 차압의 작동들에서의 사용을 위한 전기 화학 전지들 내의 3차원 다공성 유동 구조체들의 배열에 관한 것이다. 실례가 되는 실시예들에서, 전기 화학 전지 내의 유동 구조체들 중 하나는 작동 동안 전해질 막의 다른 측면 상의 유동 구조체보다 더 높은 유압에 노출된다. 예를 들어, 전기 화학 전지가 수소 압축기로서 구성될 때, 막의 캐소드 측면 상의 유동 구조체는 애노드 측면 상의 유동 구조체보다 높은 압력에 노출된다. 이후에, 작동 동안 높은 유압에 노출되는 유동 구조체는 "고압 유동 구조체"로 지칭되고 비교적 낮은 유압에 노출되는 유동 구조체는 "저압 유동 구조체"로 지칭된다. 예시적인 실시예들에서, 저압 유동 구조체는 막에 평행한 측면들을 따라 고압 유동 구조체보다 더 큰 표면적을 갖는다. 이러한 배열에서, 전해질 막에서 작용하는 높은 유압은 막의 낮은 압력 측면 상의 3차원 다공성 기판(즉, 유동 구조체)으로부터 구조적 지지에 의해 완전히 그리고 연속으로 균형이 맞춰진다. 막 지지부로서 저압 유동 구조체의 사용은 높은 응력에 대해 막을 지지하기 위한 추가의 막 보강 구조체들에 대한 필요를 제거한다. 저압 유동 구조체에 의해 막에 제공된 연속 지지부는 막 변형 또는 고장을 초래하지 않고서 높은 차압 작동들에서 종래의, 얇은 전해질 막들(예를 들어, <30μm인 두께를 갖는 PFSA(perflurosulfonic acid) 막들)의 사용을 가능하게 한다.
도 2는 높은 차압 작동들에서의 사용을 위한 전기 화학 전지(20)의 단면도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전지(20)는 하나의 측면 상의 고압 유동 구조체(22) 및 다른 측면 상의 저압 유동 구조체(28)의 측면에 위치되는 전해질 막(40)을 포함한다. 고압 유동 구조체(22) 및 저압 유동 구조체(28)는 각각 분리판들(30 및 31)에 의해 둘러싸이고, 분리판들은 스택 내의 이웃한 전지들로부터 전기 화학 전지(20)를 분리시킨다. 분리판(30)은 전지(20)의 고압측 상에 위치되고 분리판(31)은 전지의 저압측 상에 위치된다. 밀봉부(25)는 고압 가스의 누출을 방지하기 위해 분리판(30) 및 막(40) 사이에 제공된다. 여기서 또한 고압측 밀봉부로서 지칭되는 밀봉부(25)는 저압 유동 구조체(28)에 대해 막을 끼워서 조인다. 예시적인 실시예들에서, 밀봉부(25)는 엘라스토머 또는 폴리머 봉인 물질, 예를 들어, 실리콘, EPDM(에틸렌프로필렌-디엔-모노머), 플루오로엘라스토머, 니트릴 러버(부나-N), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), 폴리설폰, 폴리테리마이드, 폴리케닐렌 설파이드, PEEK(폴리에테르 에테르 케톤), 폴리아미드, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), 폴리우레탄, 네오프렌, 아세탈, 나일론, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, NBR(아크릴로니트릴-부타디엔 러버) 등을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고압 유동 구조체(22)는 유동 구조체-MEA 인터페이스, 즉, 전해질 막(40)을 마주보는 측면들 상에서 저압 유동 구조체(28)보다 작은 표면적을 갖는다. 예시적인 실시예들에서, 유동 구조체-MEA 인터페이스에서 고압 필드(22)의 경계는 저압 유동 구조체(28)의 경계에 의해 완전히 포함된다. 저압 유동 구조체(28)가 고압 유동 구조체(22)보다 큰 표면적을 갖는 이러한 배열에서, 고압 유동 구조체로부터 전해질 막(40) 상에 작용하는 높은 유압은 막의 다른 측면 상에 위치된 저압 유동 구조체에 의해 제공된 구조적 지지에 의해 연속으로 균형이 맞춰진다. 이러한 배열은 높은 유압에 노출되는 막(40)의 각각의 부분이 저압 유동 구조체(28)에 의해 지지된다는 것을 보장한다. 저압 유동 구조체(28)에 의해 제공되는 균일하고 연속적인 지지는 막 고장을 야기한다고 알려진 막(40) 상의 높은 응력 지점들에 대해 보호한다. 저압 유동 구조체(28)에 의해 제공된 보강은 막(40)이 또한 높은 압력에서 과하게 구부러지지 않는다는 것을 보장하고, 이에 따라 파열을 방지한다. 수소 압축을 위해 사용되는 예시적인 전기 화학 전지에서, 전지는 막을 파열하지 않고서 입구 수소 압력(약 -10psi 내지 약 0psi, 또는 약 0psi 내지 약 25psi 범위, 또는 약 100psi, 약 500psi, 약 1000psi, 또는 약 6000psi) 및 압축된 수소 압력(입구 수소 압력의 낮은 바운드로부터 약 12,000psi 초과까지의 범위일 수 있는) 사이의 차이로서 측정되는 차압으로 약 12,000psi보다 높은 차압에서 작동할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 다양한 가능한 전기 화학 전지 기하학적 구조들에 대한 고압 유동 구조체(22) 및 저압 유동 구조체(28)의 평면도들을 도시한다. 도 3a는 전기 화학 전지의 유동 구조체들이 원형 틀에 있는 배열을 나타내고; 도 3b는 유동 구조체들이 직사각형 틀에 있는 배열을 나타내고; 및 도 3c는 유동 구조체들이 타원형 틀에 있는 배열을 나타낸다. 다양한 다른 유동 구조체의 기하학적 구조들이 전기 화학 전지의 디자인에 따라 가능하다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 막(40)을 마주보는 측면 상의 고압 유동 구조체의 주변부는 막을 마주보는 측면 상의 저압 유동 구조체의 주변부 내에 완전히 포함된다. 도 3a 내지 도 3c는 또한 고압측 밀봉부가 인접한 저압 유동 구조체에 대해 설치되도록, 밀봉부(25)가 막을 마주보는 측면 상의 저압 필드의 주변부 내에 포함된다는 것을 보여준다. 저압 유동 구조체가 고압 필드 이하인 디자인에서, 분리판 및 저압 유동 구조체(예를 들어, 저압 유동 구조체의 말단들에서) 사이의 임의의 전위 갭은 막-전극-조립체에 대해 파괴점을 생성할 수 있다. 저압 유동 구조체의 경계에서 고압측 밀봉부를 둘러쌈으로써, 분리판(31) 및 저압 필드(28) 사이의 임의의 갭들이 고압 필드(22)에 노출되지 않는다. 이러한 배열은 또한 저압측에서의 단절(예를 들어, 저압 유동 구조체에 의해 지지되지 않는 막의 임의의 지점)이 고압에 노출되지 않는다는 것을 보장한다. 예시적인 실시예들에서, 전체 전지 스택 내의 모든 고압측 밀봉부들은 각각의 저압 유동 구조체들의 주변부들 내에 있다.
실례가 되는 실시예들에서, 유동 구조체들(22, 28)은 금속 폼 또는 다른 다공성 금속 기판들을 사용하여 제작된다. 하나의 이러한 실시예에서, 개방, 셀룰러 유동 구조체는 금속 폼, 소결된 금속 프리트, 또는 임의의 다른 다공성 금속과 같은 매우 다공성인 금속 물질을 압축하여 형성된다. 다공성 금속 물질은 스테인리스 강, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 철 등과 같은 금속, 또는 니켈 크롬 합금, 니켈-주석 합금 등과 같은 금속 합금을 포함할 수 있다. 몇몇의 실례가 되는 실시예들에서, 금속 물질의 구멍들의 크기는 약 10 내지 약 1000μm 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 금속 물질의 구멍 크기는 약 20μm 내지 약 1000μm, 약 50μm 내지 약 1000μm, 약 20μm 내지 약 900μm 등, 약 30μm 내지 약 800μm, 약 40μm 내지 약 700μm, 약 50μm 내지 약 600μm, 약 60μm 내지 약 500μm, 약 70μm 내지 약 500μm, 약 100μm 내지 약 450μm, 약 200μm 내지 약 450μm, 및 약 350μm 내지 약 450μm 범위에 있을 수 있다. 특정한 실시예들에서, 금속 물질의 평균 구멍 크기는 약 400μm, 약 500μm, 또는 약 800μm이다. 일부 실시예들에서, 금속 물질의 허공 용적(void volume)은 약 75% 초과, 약 80% 초과, 약 85% 초과, 약 90% 초과, 약 95% 초과, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 또는 약 95%일 수 있다. 압축 프로세스는 다공성 금속 물질의 전체 강도를 증가시킨다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 다공성 금속 물질의 항복 강도는 압축 전에 30psi이고, 압축 후에 강도는 14,000psi로 증가한다.
특정한 실시예들에서, 저압 유동 구조체(28)는 고압 유동 구조체(22)의 밀도 레벨보다 높은 밀도 레벨로 압축된다. 일부 실시예들에서, 저압력 유동 구조체(28)를 형성하도록 의도되는 다공성 금속 물질은 전기 화학 전지의 의도된 작동 압력("Poperation") 이상인 노출된 축 응력 레벨("Pexposed")로 압축된다. 일부 실시예들에서, 노출 응력 및 작동 압력의 비(Pexposed/Poperation)는 약 1 내지 약 1.5의 값의 범위 내에 있다. 예를 들어, 전기 화학 전지가 약 4,000psi의 차압에서 작동되도록 의도된다면, 저압 유동 구조체(28)를 형성하는 다공성 금속 물질은 약 4,000psi 이상인 응력 레벨로 압축된다.
일부 실시예들에서, 압축된 다공성 금속 매트릭스는 유동 구조체를 형성하기 위해 마이크로-다공성 물질층(MPL)으로 하나의 측면에 적층된다. 예를 들어, 다공성 금속 매트릭스는 압축 프로세스 전에 MPL으로 적층될 수 있거나 또는 다공성 금속 매트릭스가 압축 프로세스 후에 MPL으로 적층될 수 있다. 라미네이션(lamination)은 캘린더링, 프레싱, 또는 다공성 물질 상의 MPL 코팅을 포함할 수 있다. 평평하고, 부드러운 적층된 표면은 전기 화학 전지의 전해질 막에 인접하여 배치될 수 있다. 실례가 되는 실시예들에서, 적층된 MPL의 평균 구멍 크기는 압축된 층의 평균 구멍 크기 미만이고, 이는 금속 유동 구조체를 통한 다공성 변화를 생성할 수 있고 전해질 막에 대한 기계적 지지의 분포를 용이하게 할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, MPL들은 약 0.5μm 내지 10μm 범위에 있는 평균 구멍 크기를 갖는다.
추가의 실시예들에서, MPL은 전기 화학적 촉매가 막 전극 조립체에서 필수적이지 않다면 전기 화학적 촉매 층으로 코팅된다. 결과로 초래된 적층된 구조체는 막에 인접하여 배치된 전기 화학적 촉매 층을 갖는 전기 화학 전지 내에 배열될 수 있다. MPL이 사용되지 않는 일부 실시예에서, 전기 화학적 촉매 층은 전해질 막을 마주보는 측면 상의 압축된 다공성 금속 매트릭스 기판 상에 직접 코팅될 수 있다.
도 4는 유동 구조체-MEA 인터페이스에서 전기 화학 전지(20)의 예시적인 실시예의 다양한 구성 요소들을 추가로 도시하는 도 2의 영역(50)의 확대도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 고압 유동 구조체(22) 및 저압 유동 구조체(28)는 전해질 막(40)을 마주보는 측면들 상에서 각각 MPL들(52A 및 52C)로 적층된다. 예시적인 실시예들에서, 전극들(54A 및 54C)은 각각 유동 구조체들(22 및 28)에 인접하여 배치되고, 결합되고, 적층되고, 직접 주조되거나 또는 그 위에 코팅된다. 일부 실시예들에서, 전기 화학 전지(20)는 분리판(30) 및 전해질 막(40) 사이의 고압 필드(22)의 주변 주위에 보강 보더(56)를 포함한다. 특정한 실시예들에서, 보강 보더(56)는 고압 및 저압 유동 구조체들의 경계들 사이의 영역을 따라 위치된다. 이러한 실시예들에서, 밀봉부(25)는 밀봉부(25)가 고압 및 저압 유동 구조체들(22)의 경계들 사이의 영역 내에 위치되기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이, 보강층(56) 및 분리판(30) 사이에 배치된다. 예시적인 실시예들에서, 보강층(56)은 폴리머 물질, 예를 들어, 실리콘, EPDM(에틸렌프로필렌-디엔-모노머), 플루오로엘라스토머, 니트릴 러버(부나-N), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), 폴리설폰, 폴리테리마이드, 폴리케닐렌 설파이드, PEEK(폴리에테르 에테르 케톤), 폴리아미드, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), 폴리우레탄, 네오프렌, 아세탈, 나일론, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, NBR(아크릴로니트릴-부타디엔 러버) 등을 포함한다. 일부 실시예들에서, 보강 보더(56)는 전지 제작 및 조립체 단계 동안 프로세싱 단계들의 수를 감소시키도록 통합된 "유동 구조체-전극-막-보더" 조립체를 생성하기 위해 전해질 막(40)에 결합된다.
본 발명의 다른 실시예들은 여기에 개시된 발명의 실행 및 명세서의 고려 사항으로부터 기술 분야의 숙련자들에게 분명해질 것이다. 명세서 및 예들이 다음의 청구항들에 의해 나타낸 본 발명의 참된 범위 및 정신을 갖고, 오직 예시적인 것으로서 간주된다고 이해되어야한다.

Claims (20)

  1. 전기 화학 전지로서,
    제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 전극들 사이에 배치된 전해질 막과;
    상기 제 1 전극에 인접하고, 또한 상기 전극을 마주보는 측면을 따라 제 1 평면을 포함하는 제 1 유동 구조체; 및
    상기 제 2 전극에 인접하고, 또한 상기 전극을 마주보는 측면을 따라 제 2 평면을 포함하는 제 2 유동 구조체를 포함하고,
    상기 제 1 유동 구조체는 상기 제 2 유동 구조체보다 더 높은 구조적 힘을 견디도록 구성되고,
    상기 제 1 평면의 영역은 상기 제 2 평면의 영역보다 큰 전기 화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 평면의 경계는 상기 제 1 평면의 경계 내에 있는 전기 화학 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유동 구조체 주위의 밀봉부는 상기 제 1 평면의 상기 경계 내에 위치되는 전기 화학 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉부는 폴리머 개스킷을 포함하는 전기 화학 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유동 구조체는 압축된 다공성 금속 기판을 포함하는 전기 화학 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 유동 구조체는 상기 제 2 유동 구조체의 밀도 레벨보다 높은 밀도 레벨로 압축되는 전기 화학 전지.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 유동 구조체는 상기 압축된 다공성 금속 기판 상에 적층된 적어도 하나의 미소공성 물질층을 포함하는 전기 화학 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유동 구조체는 다공성 금속 기판을 포함하는 전기 화학 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 유동 구조체는 상기 다공성 금속 기판 상에 적층된 적어도 하나의 미소공성 물질층을 포함하는 전기 화학 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유동 구조체에 인접하여 배치된 분리판(bipolar plate)을 추가로 포함하는 전기 화학 전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 분리판과 상기 전해질 막 사이에 보강층을 추가로 포함하는 전기 화학 전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 보강층은 상기 전해질 막 상에 결합되는 전기 화학 전지.
  13. 전기 화학 전지로서,
    제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 전극들 사이에 배치된 전해질 막과;
    상기 전해질 막의 맞은편들에 있는 제 1 분리판 및 제 2 분리판과;
    상기 제 1 분리판과 상기 제 1 전극 사이에 있고, 또한 상기 제 1 전극을 마주보는 측면을 따라 제 1 면을 포함하는 제 1 유동 구조체; 및
    상기 제 2 분리판과 상기 제 2 전극 사이에 있고, 또한 상기 제 2 전극을 마주보는 측면을 따라 제 2 면을 포함하는 제 2 유동 구조체를 포함하고,
    상기 제 1 면의 주변부는 상기 제 2 면의 주변부보다 넓고,
    또한, 상기 제 2 면의 주변부는 완전히 상기 제 1 면의 주변부 내에 있는 전기 화학 전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 유동 구조체의 주변 주위에 밀봉부를 추가로 포함하고, 상기 밀봉부는 상기 제 2 분리판과 상기 전해질 막 사이에 위치되는 전기 화학 전지.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 유동 구조체의 주변부 및 상기 제 2 유동 구조체의 주변부 사이의 영역에서 상기 제 2 분리판 및 상기 전해질 막 사이에 보강층을 추가로 포함하는 전기 화학 전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 유동 구조체의 주변 주위에 밀봉부를 추가로 포함하고, 상기 밀봉부는 상기 제 2 분리판과 상기 보강층 사이에 위치되는 전기 화학 전지.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 보강층은 상기 전해질 막에 결합되는 전기 화학 전지.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유동 구조체들은 다공성 금속 기판들을 포함하는 전기 화학 전지.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 유동 구조체는 상기 제 2 유동 구조체의 밀도 레벨보다 높은 밀도 레벨로 압축되는 전기 화학 전지.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유동 구조체들 중 적어도 하나는 미소공성 물질층으로 적층되는 전기 화학 전지.
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