KR20160026694A - 무-개질기 연료전지 관련 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무-개질기 연료전지용 전해질막이 제공된다. 전해질막은 연료 및 공기 매니폴드들과 조립되어 연료전지를 형성한다. 연료 매니폴드는 연료 공급부로부터 기체, 액체, 또는 슬러리 형태의 산화 가능한 연료를 수용한다. 공기 매니폴드는 공기 공급부로부터 공기를 수용한다. 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출되어 전기화학적으로 산소 및 연료를 결합하여 전기를 생산할 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 수송한다. 전해질막은 다공성 비-도전성 기재, 기재의 연료 매니폴드 측을 따라 적층되는 음극 촉매층, 기재의 공기 매니폴드 측을 따라 적층되는 양극 촉매층, 및 음극 및 양극 촉매층들 사이에서 기재를 충전하는 이온성 액체를 포함한다. 또한 전해질막 제조 및 운전 방법들이 제공된다.

Description

무-개질기 연료전지 관련 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD ASSOCIATED WITH REFORMER-LESS FUEL CELL}
본 발명은 무-개질기 연료전지용 다양한 전해질막 실시태양들을 제시한다.
연료전지는 연료 매니폴드에 있는 연료 공급부로부터 산화 가능한 연료 (예를들면, 수소 또는 탄소계 연료, 예컨대 메탄) 및 공기 매니폴드에 있는 공기 공급부로부터 공기를 수용한다. 연료전지가 물의 비점 이상 및 500℃ 이하의 작동 온도에 노출되어 전기화학적으로 산소 및 연료를 결합하여 전기를 생산할 때 전해질막은 이온성 초과산화물 (ionic superoxide) 형태로 산소를 전도한다. 다양한 실시태양들에서, 전해질막은 다공성 기재 및 이온성 액체를 포함한다.
연료전지는 분산 발전에 대한 상당한 기대를 가진다. 연료전지는 단순한 사이클 터빈보다 더 높은 열역학적 효율로 작동되므로, 온실가스 감소에 크게 기여한다. 연료전지에 의한 지역 ＆ 분산 발전은 집중화 발전에서 관찰되는 7-10% 전달 손실이 없다. 또한, 분산 발전은 집중화 발전소를 무력화하고 대규모 시민을 속수무책하게 만드는 자연 재난, 사이버-공격 및 테러리스트 공격에 대한 사회 탄력성을 제공한다.
가변성 에너지 자원들 (VER), 예컨대 풍역 및 태양에너지가 비예측성으로 인하여 전체 부하 중 소정 부분을 넘어 주요 그리드에 대하여 일체화될 수 있는지에 대한 상당한 논의가 있다. 이미 많은 에너지 운전자들은 이러한 비예측성에 대한 불만을 가지고 이들의 그리드로 더 많은 VER을 통합시킬 수 있는지에 대하여 의문을 가진다. 분산 발전기로서 연료전지는 이러한 문제들에 대한 우수한 대안을 제공한다. 분산 발전기로서 연료전지는 지역 전력을 제공하지만, 또한 에너지를 요구에 따라 그리드로 전송할 수 있고, 또한, 더 많은 VER을 그리드로 통합 가능하게 할 수 있다.
거의 모든 연료전지는 연료로서 수소를 이용하지만, 수소 자체는 천연 연료가 아니다. 통상 수소는 탄화수소의 수증기 개질에 의해 얻어진다. 개질에는 상당한 에너지가 소비되고, 따라서 열역학적 순효율이 낮아지고 시스템 비용이 증가한다. 미국에서 천연가스가 성공적으로 개발되고 있고 미래 수십년 동안 상업 연료가 될 것이다. 따라서 연료전지가 개질화 수소와는 반대로 천연가스, 즉 메탄으로 직접 운전되는 것이 바람직하다.
상업적으로 생산되는 두 종의 주요 연료전지 분류, 양성자-교환막 연료전지 (PEMFC) 및 고체산화물 연료전지 (SOFC)가 존재한다. 양쪽 모두 상당히 성숙된 기술이지만 널리 사용되기에는 단점들이 존재한다. 이들은 각각 25-100℃ 및 700-1000℃에서 작동된다.
PEMFC는 양성자 (수소-이온) 전도성 연료전지이고, SOFC는 산소-전도성 연료전지이다. 따라서, PEMFC는 천연가스에서 운전하기 위하여 개질기를 사용하여야 하고, 산소-전도성 연료전지, 예컨대 SOFC는 수소 및 탄화수소, 즉 메탄 모두에서 운전할 가능성이 있다. 도 1을 참조하면, 수소-전도성 막 대 산소-전도성 막에서의 이온수송이 도시된다.
PEMFC는, 개질기가 필요하므로, 경제적 및 에너지적으로 비효율적이다. PEM 막은 수화 형태에서 작동되므로, 반응 결과 엄청난 양의 물이 생산되고, 전지 양측에서 수 처리는 어려운 문제이다. 다른 문제점들 예컨대 촉매 침수 (drowning) 및 물 결핍으로 인한 탄소 지지체 파괴가 발생된다. 또한, 연료 또는 공기 스트림에 존재하는 COx, NOx 및 SOx 는 촉매를 피독화시킨다. 따라서 이러한 불순물을 줄이거나 제거하기 위한 추가적인 기반 설비, 예컨대 화학적 세정이 요구되고, 따라서 경제적 및 에너지 효율적 이점들이 줄어든다.
SOFC는 매우 높은 온도에서 작동되고 산소를 운반하므로 천연가스를 직접 사용할 수 있다. 그러나, 대부분의 실제 상업적 SOFC는 수증기 개질기를 사용하여 수행된다. 전형적으로 도핑된 이트리아-안정화-지르코니아 (YSZ)를 산소 전도성 막으로 사용한다. 고온에서 (평균 800℃), 심각한 문제들이 생기는데, 예컨대 (a) 촉매, 예를들면 Ni 및 NiO는 열팽창계수 (CTE) 차이로 인하여 여러 열적 사이클들에 걸쳐 막에 부착될 수 없고; (b) 상업적 플라스틱 및 상업적 금속들, 예컨대 알루미늄 및 일반적인 강철은 사용될 수 없고, 고가의 금속 및 세라믹 구조 요소들이 필요하고; (c) 고온에서 운전되는 가스 피팅 및 제어는 과도하게 고가이다. 이러한 고온에서 운전하는 것은 재료 신뢰성 및 안정성 문제를 포함한다.
많은 연료전지는 연료로서 수소로 작동되지만, 수소는 천연에서 풍부하게 생기지 않는다. 통상 비효율적이고 고가인 탄화수소 수증기 개질에 의해 얻어진다. 따라서 연료전지는 개질화 수소가 아닌 천연가스 (주로 메탄)을 직접 이용하는 것이 바람직하다. 새로운 유형의 염기성, 산성 및 용융염 전해질이 연구되고 있다. 그러나, 이러한 기술에서, 연구는 수소 이온 (양성자) 전도성 전해질에 관한 것이고 ITFC에 공급되는 연료는 수소이고, 메탄 또는 기타 탄소계 연료들에서 수소를 얻기 위한 개질기가 필요하다.
일 양태에서, 무-개질기 연료전지와 연관된 장치가 제공된다. 일 실시태양에서, 장치는 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드와 조립되어 무-개질기 연료전지를 형성하는 전해질막을 포함하고, 연료 매니폴드는 연료 공급부로부터 적어도 하나의 가스 형태, 액체 형태, 및 슬러리 형태로 산화 가능한 연료를 수용하고, 공기 매니폴드는 공기 공급부로부터 적어도 산소를 포함하는 공기를 수용하고, 전해질막은 무-개질기 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출되어 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합하여 전기를 생성할 때 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도한다. 본 실시태양에서, 전해질막은: 다공성 비-도전성 기재; 다공성 기재의 연료 매니폴드 측을 따라 적층되는 음극 (anode) 촉매층; 다공성 기재의 공기 매니폴드 측을 따라 적층되는 양극 (cathode) 촉매층; 및 음극 및 양극 촉매층들 사이에서 다공성 기재를 충전하여 전해질막을 형성하는 이온성 액체를 포함한다.
또 다른 양태에서, 무-개질기 연료전지와 연관된 장치 제조방법이 제공된다. 일 실시태양에서, 본 방법은: 비-도전성 입자들로부터 다공성 기재를 형성하는 단계; 다공성 기재 제1 측을 따라 음극 촉매층을 적층하는 단계; 다공성 기재 제2 측을 따라 양극 촉매층을 적층하는 단계; 및 음극 및 양극 촉매층들 사이에 이온성 액체로 다공성 기재를 충전하여 전해질막을 형성하는 단계를 포함하고 막은 전해질막 제1 측과 관련하여 연료 매니폴드와 및 전해질막 제2 측과 관련하여 공기 매니폴드와 조립되어 무-개질기 연료전지를 형성한다. 본 실시태양에서, 연료 매니폴드는 연료 공급부로부터 적어도 하나의 가스 형태, 액체 형태, 및 슬러리 형태로 산화 가능한 연료를 수용하도록 구성된다. 기술되는 실시태양에서, 공기 매니폴드는 공기 공급부로부터 적어도 산소를 포함하는 공기를 수용하도록 구성된다. 본 실시태양에서, 무-개질기 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출되어 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합되어 전기를 생산할 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도한다.
또 다른 양태에서, 무-개질기 연료전지와 연관되는 장치 운전방법이 제공된다. 일 실시태양에서, 본 방법은: 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드와 조립되는 전해질막을 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출시켜 무-개질기 연료전지를 형성하는 단계; 연료 공급부로부터 적어도 하나의 가스 형태, 액체 형태, 및 슬러리 형태로 산화 가능한 연료를 연료 매니폴드로 공급하는 단계; 공기 공급부로부터 적어도 산소를 포함하는 공기를 공기 매니폴드에 공급하는 단계; 및 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합되어 전기를 생산하도록 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전해질막을 통과시키는 단계를 포함한다. 본 실시태양에서, 전해질막은 비-도전성 입자들로 형성되는 다공성 기재, 다공성 기재의 연료 매니폴드 측을 따라 적층되는 음극 촉매층, 다공성 기재의 공기 매니폴드 측을 따라 적층되는 양극 촉매층 및 음극 및 양극 촉매층들 사이에서 다공성 기재를 충전하는 이온성 액체를 포함한다.
도 1은 수소-전도성 막 대 산소-전도성 막의 이온수송을 도시한 것이다;
도 2는 복합 이온성 액체/세라믹 막 시스템을 가지는 연료전지 구조를 보인다;
도 3은 다공성 세라믹 기재의 SEM 현미경 사진이다;
도 4는 기재에 적층되는 촉매 재료들을 도시한 것이다;
도 5는 이온성 액체의 화학 구조이다;
도 6은 음이온 및 양이온을 가지는 불소화 이온성 액체이다;
도 7은 소규모 연료전지이다;
도 8은 다중-전지 시스템을 도시한 것이다;
도 9는 활성 매니폴드 및 주요 매니폴드 간의 관계를 도시한 것이다;
도 10은 연료전지에서 사용되는 다른 연료들에 대한 전류밀도 대 온도 도표이다;
도 11은 연료전지에서 사용되는 메탄에 대한 분극화 도표이다;
도 12는 무-개질기 연료전지와 연관된 전해질막의 예시적 실시태양의 블록도이다;
도 13은 무-개질기 연료전지와 연관된 전해질막 제조 공정의 예시적 실시태양의 흐름도이다;
도 14는 무-개질기 연료전지와 연관된 전해질막 운전 공정의 예시적 실시태양의 흐름도이다.
본 발명은 직접 산소 수송 및 수소에 제한되지 않는 다양한 연료들과의 반응으로 이어지는 초과 산화물 형태의 산소 이온을 전도하는 전해질/막 시스템을 제공한다. 본 기술로 제조되는 연료전지는 메탄-대-수소 개질기를 필요로 하지 않고 중간 온도 범위들에서 작동된다. 중간-온도 연료전지는 다양한 탄소계 투입 연료들을 이용할 수 있다. 전해질막 시스템은 거의 임의의 연료와 직접 반응할 수 있는 형태로 산소를 수송한다. 이러한 막은 별도의 연료 처리 시스템이 필요하지 않고, 전체 비용을 절감할 수 있다. 연료전지는 상대적으로 낮은 온도, 500℃ 이하 및 바람직하게는 100 내지 300℃에서 작동되어, 기존 고온 연료전지와 연관된 장기적 내구성 문제를 피할 수 있다.
본 발명은 무-개질기 연료전지의 다양한 실시태양들을 제시한다. PEMFC 및 SOFC 열적 범위들 사이에서 작동될 수 있는 연료전지를 포괄적으로 중온형 연료전지 (ITFC)라고 부른다. ITFC는 100 - 500℃에서 작동된다. 본원은 상기 온도 범위 하단 (100 - 300℃)에서 작동되는 연료전지에 관한 것으로, 추가적인 비용 및 신뢰성의 이점들을 가진다.
ITFC는 작동 온도가 물의 비점보다 높으므로 PEMFC의 물 관련 문제들을 해결할 수 있다. 이러한 더욱 낮은 온도에서, (a) 열팽창계수 (CTE) 차이는 더욱 관리될 수 있고; (b) 가스 취급 요소들은 액체보다 더 저렴하고; (c) 저가 재료들 예컨대 알루미늄, 강재, 및 플라스틱이 구조 요소들로 시용될 수 있으므로 ITFC는 또한 SOFC와 연관된 대부분의 열적 문제들을 해결한다.
새로운 유형의 염기성, 산성 및 용융염 전해질이 연구되고 있다. 그러나, 이러한 기술에서, 연구는 수소 이온 (양성자) 전도성 전해질에 관한 것이고 ITFC에 공급되는 연료는 수소이어야 하고, 메탄에서 수소를 발생시키기 위하여 개질기가 필요할 것이다.
본원은 초과 산화물 형태의 산소 이온을 전도하여, 직접 산소 수송 및 수소에 한정되지 않는 다양한 연료들과의 반응이 가능한 전해질/막 시스템을 제공한다. 이러한 기술로 제작되는 연료전지는 메탄-대-수소 개질기가 필요하지 않다.
본원은 전기화학적으로 다양한 복합 연료들 예컨대 메탄, 부탄, 프로판 및 석탄을 소비할 수 있는 무-개질기 산소-전도성 다중-연료 중온형 연료전지 (RONIN)에 관한 것으다. 본원은 중온형 연료전지 (ITFC) 범주에 속하지만, 수소 개질이 불요하다. 이러한 기술의 주요 장점은 상대적으로 낮은 작동 온도 (100 - 300℃)이고, 이로써 고분자 및 금속 구조 및 밀봉 요소들을 이용할 수 있고, 따라서 연료전지 시스템 비용을 줄이고 신뢰성 및 수명을 늘릴 수 있다.
이온성 액체 (IL)는 다양한 전기화학적 및 유체 특성들을 보이도록 조정되는 새로운 재료 범주이다. 이온성 액체는 소정의 가스들에 대한 이온 용해도 및 전도성을 보인다. 미세 다공성 세라믹에 고정되는 특정 이온성 액체 기반의 막은 연료전지에서 산소 전도에 사용될 수 있다. 다공성 세라믹이 촉매화되면, 이러한 IL은 전기화학적으로 산소 및 탄소계 가스들, 예컨대 천연가스 메탄을 결합하여 전기를 생산한다.
도 2를 참조하면, 연료전지 (200)는 복합 IL/세라믹 막 시스템 (204)을 수용하는 매니폴드 (202)를 가진다. 매니폴드 (202)는 플라스틱 구조체 및 가스켓을 포함한다.
복합 IL/세라믹 막 시스템 (204)은 매니폴드 (202) 내부에 도시된다. 막 시스템 (204)은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 수송하여 연료와 직접 산소 반응을 일으킨다. 이온수송은 박스 (206)에 도시된다. 막 시스템 (204) 및 연료전지 (200)는 메탄-대-수소 개질기를 포함하지 않는다.
막 시스템 (204)은 다공성 세라믹 기재 및 기재에 걸쳐 고착되는 이온성 액체를 포함한다. 도 3을 참조하면, 다공성 세라믹 기재 (300)의 주사전자현미경 (SEM) 사진이 도시된다. 기재 (300)는 2-15 마이크로미터 (㎛) 크기의 알루미나 세라믹 입자들 판 형태로 융합하여 생성된다. 일 실시태양에서, 기재 (300)의 형성된 공극 크기는 약 1-5 ㎛이고 다공도는 대략 35%이다. 또 다른 실시태양에서, 기재 (300)는 1 밀리미터 (mm) 두께이고 크기는 30 센티미터 (cm) x 30 cm 정도일 수 있다. 기재 (300)에 촉매 및 이온성 액체 전해질이 부가된다.
다공성 세라믹 기재 (300)는 양측에 촉매 물질이 얇게 스퍼터링 또는 도포된다. 도 4를 참조하면, 상이한 촉매 물질 층들이 도시된다. 일 실시태양에서, 촉매층 (402)은 기재 양측에 0.1 mg/cm2 Pt 및 1 mg/cm2 의 또 다른 금속, 예컨대 Ni, Au, Ag로 스퍼터링 된다. 또 다른 실시태양에서, 이어 백금흑 분말 도포층 (404)이 400 - 1350℃에서 소결되어 기재 (300)의 알루미나 세라믹 입자들에 백금을 영구적으로 부착시킨다. 이는 PGM 순 로딩은 감소하지만, 촉매 순 표면적은 돌출 표면적 20X 이상일 것이다.
다공성 세라믹 기재 (300) 촉매화 후, 공극들을 산소-전도성 이온성 액체로 채우고 고착시킨다. 이온성 액체 유형은 연료전지 (200)에서 사용되는 연료에 따라 달라진다. 일 실시태양에서, 천연가스 형태의 메탄 및 공기 형태의 산소를 막 (204) 양측에 공급한다. 산소는 산소 측 표면에서 촉매화되고 공극들에 있는 이온성 액체에 음전하 초과-산화물로서 진입한다. 산소는 산소-측 전극에서 전자들을 회수하여 초과-산화물이 된다. 산소 측 반응은 다음과 같다:
산소 측: 2O2 (IL에 용해) + 2e- → O2*- (초과-산화물)
음전하 초과-산화물은 이온성 액체에 의해 막 (204)을 통과하여 막 (204)의 타측으로 이동한다. 초과-산화물은 연료-측 촉매 표면에서 메탄 연료와 직접 반응하여 이산화탄소 (CO2) 및 물 (H2O)을 만든다. 연료 측 반응은 다음과 같다:
연료 측: CH4 + 2 O2*-→ CO2 + 2H2O + 2e-
소규모 시험용 연료전지에 대하여 200℃에서 본 반응에 대한 개방 회로 전위는 대략 0.8V이다. 400℃ 이하에서, CH4 및 O2 의 전기화학적 반응은 극소량의 CO를 생산한다. CH4에서 거의 모든 탄소는 CO2로 전환된다. 더욱 낮은 연료 측 반응 온도로 인하여, 연료전지는 CO - CO2 촉매 전환이 불요하다. 이는 선행 SOFC와는 차별되고 여기에서는 600℃ 이상에서 작동되고 상당량의 CO가 생성될 때 촉매 개질기가 필요하므로, 촉매 전환 부시스템을 구현하여야 하고 이로써 비용이 추가되고 효율은 떨어진다.
일 실시태양에서, 연료로서 천연가스가 사용될 때, 천연가스 전기화학적 산화물은 이온성 액체 [Emim]+ [OTf2]-와 반응한다. 도 5를 참조하면, 이온성 액체의 화학 구조식이 도시된다. 일 실시태양에서, 이온성 액체는 일정량의 CH4 및 O2를 용해시키고, 이는 산화 및 환원이 단 하나의 상 즉 액체 상에서 일어나므로 반응을 더욱 효율적으로 진행시킨다.
도 6을 참조하면, 불소화 이온성 액체는 거대 양이온 및 거대 음이온으로 이루어진다. 음이온, 즉 음전하는, 이온성 액체의 전기화학적 및 화학적 특성을 결정하고, 양이온, 즉 양전하는, 물리적 특성 예컨대 레올로지 및 가스 용해성을 결정한다. 본 실시태양에서, 이온성 액체는 음이온 [OTf2]-을 가지고 이는 불소화 이온성 액체의 특성인 산소 용해를 조력하고, 산소가 초과산화물로 전환될 때, 음이온은 이를 안정화시키는 것을 조력한다. C-F 결합의 거대 쌍극자 모멘트는 공명 상태의 초과-산화물 유지를 조력하고 이온성 액체가 파괴되는 반응으로 유도하지 않는다고 판단된다. 양이온 [Emim]+ 은 메탄 용해성을 조력한다. 또한 양이온은 반응 생성물인 CO2를 용해시킨다. 이러한 화학 반응에서, 불소화 이온성 액체에 용해된 CO2는 CH4 및 O2 양측의 용해도를 증가시키고, 반응을 촉진한다.
도 7을 참조하면, 기술된 막 (702)을 이용한 소규모 연료전지 (700)가 도시된다. 연료전지는 매니폴드 (704)를 포함한다. 일 실시태양에서, 매니폴드 (704)는 흑연 펠트를 이용하여 제조된다. 펠트는 고 도전성, 압축성 및 고도의 다공성 흑연섬유 재료이다. 펠트는 95% 다공성이고, 이 온도에서 산화되지 않고, 가혹한 화학적 환경에서 견딘다. 이러한 펠트는 연료전지 및 상업적 흐름 전지들에서 흐름 전지 환경에서 사용되었다.
연료전지는 연료전지 부품들을 수용하는 분리판 (bipolar plate)의 구조 재료를 더욱 포함한다. 일 실시태양에서, 분리판은 유연하고 상업적 연료전지 및 흐름 전지에서 사용되는 불소-탄소/흑연 복합 판이다. 부동태 구조 재료는 400℃까지 작동되는 고온의 플라스틱으로 제조된다. 고온 플라스틱의 일 군은 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 즉 Dupont에서 생산되는 테프론에서 유도된다., 적합한 충전 재료, 예컨대 유리섬유를 가지는 소정의 PTFE 변형들은 작동 온도 330℃에서 견딘다. 이러한 플라스틱은 임의의 열화 없이 270℃까지의 연료전지에서 성공적이다. 또 다른 고온 플라스틱 군은 에스테르 또는 케톤 사슬의 실리콘 유도체에서 유도된다. 이러한 구조의 상업적 재료, UHT는 400℃까지 사용된다.
연료전지는 연료전지 요소들을 함께 끼우는 가스켓을 포함한다. 가스켓 재료들은 개질화 비닐리덴-플루오라이드-헥사플루오로-프로필렌 (FFKM)로 제조되는 플루오로카본 탄성체들, 예컨대 DuPont에서 제조되는 Kalrez 일 수 있다. 327℃까지 작동된다. 관심 온도 범위에서 동작하는 또 다른 가스켓 재료 군은 실리콘 로딩된 섬유로서 450℃까지 작동된다.
연료전지는 또한 구조 마감에 필요한 다른 부품들을 포함한다. 볼트, 압축스프링, 및 가스 피팅들은 강재로 제조될 수 있다. 최종 집전체들은 구리로 제조된다. 가스 피팅들 (706)은 사용처 온도에 따라 구리 및 고품질의 폴리올레핀-탄성체 하이브리드, 예컨대 Santoprene으로 제조된다. 압력 판들은 알루미늄으로 제조된다.
또 다른 실시태양에서, 연료전지들은 함께 적층되고 일렬로 상호 접속되어 합산 전력을 생산한다. 도 8을 참조하면, 다중-전지 시스템 (800)이 도시된다. 본 실시예에서 다중-전지 시스템 (800)은 7개의 전지들이 일렬로 연결되지만, 본 실시예에서 개수는 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
촉매화 표면을 가지고 이온성 액체가 매몰된 세라믹 막 (802)은 일 측에 있는 전도성 가스 매니폴드들 (804) 사이에 놓인다. 세라믹 막 (802)의 촉매화 표면은 막 (802)의 음극 및 양극 측에 배치된다. 일 실시태양에서, 촉매 물질은 백금족 금속, 즉 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 또는 백금이다. 또 다른 실시태양에서, 촉매 물질은 비-백금족 금속 예컨대 니켈, 산화니켈 은 또는 금이거나 또는 니켈, 산화니켈 은 또는 금이 로딩되는 백금족 금속이다. 일 실시태양에서, 매몰되는 이온성 액체는 부틸-메틸-이미다졸륨-트리플루오로-메탄-술포네이트 ([C4C1Im]+ [Otf]-)이다. 음이온 [Otf]- 은 초과-산화물 이온의 활성화 및 전도성과 관련된다. 일 실시태양에서, 이온성 액체의 양이온에 따라 산소 용해도를 증가시킨다. 또 다른 실시태양에서, 양이온, 예컨대 포스포늄이 사용되어, 사용 가능한 온도 범위를 증가시킨다. 일 실시태양에서, 다공성 세라믹 막 (802)은 두께 1.0 mm, 그레인 및 공극 크기 1-5 ㎛, 및 다공도 35%인 소결 알루미나로 제조된다. 또 다른 실시태양에서, 전지의 전기 저항을 감소시키기 위하여 막 (802)은 약 0.25 mm이고, 다공도는 50% 이상이다.
일 실시태양에서, 전도성 가스 매니폴드들 (804)은 압축성 흑연 펠트로 제조된다. 분리판들 (806)은 매니폴드들/막 조립체 (802, 804) 어느 일 측에 놓인다. 일 실시태양에서, 분리판들 (806)은 복합 흑연으로 제조된다. 분리판/매니폴드/막 조립체 (802, 804, 806)가 반복되어 총 7개의 전지들을 만들고 이들은 일렬로 상호 접속된다 (808). 집전체 (810)와 함께 어느 일단에 있는 전극들은 배치된다. 하나의 실시태양에서, 집전체 (810)는 구리 판이다. 압력 판들 (812)은 일측에서 가스-밀봉 가스켓 (814)과 함께 배치된다. 일 실시태양에서, 압력 판들 (812)은 두께가 약 0.5 인치로 알루미늄으로 제조된다. 압력 판들 (812)은 산소 및 연료용 가스 인/아웃 피팅들(816)을 포함한다. 7개의 전지들이 본원에 제시되지만, 전지 개수는 실질적 적용에 있어서 제한되는 인자가 아니다.
다중-전지 시스템 (800) 작동 중, 반응 속도는 150 내지 220℃에서 선형성 보다 더욱 빠르게 증가한다. 막 (802)에 적용되는 이온성 액체에 따라 달라지지만 온도는 400℃까지 상승된다. 배플 또는 채널을 통과하는 막의 활성 영역에서 연료 및 산소의 흐름 분포는 균일하다. 적당한 연료 및 산소 분포는 연료전지 성능 및 수명 연장에 영향을 준다. 흑연 펠트 흐름 경로들이 연료전지 (800)에 적용되고, 여기에서 흑연 펠트의 압축 두께는 1mm 내지 5mm이고 압축률은 20% 내지 80%이다.
다중-전지 스택 구조체는 전체 압력 및 유속으로 연료 및 산소를 스택 중 다른 전지들에 분포시킨다. 전지들은 공압으로 스택에서 평행하여 각각의 전지에서 연료 및 산소 유속은 균형이 잘 이루어져야 한다. 가스 분포가 균일하도록 각각의 전지에서 주요 매니폴드는 주 활성 매니폴드보다 더욱 낮은 저항을 제공하도록 설계된다. 도 9를 참조하면, 주요 및 활성 매니폴드 사이 관계식이 도시된다. 활성 매니폴드 (900)의 폭은 주요 매니폴드 (902)의 폭보다 10-50 배이다. 일 실시태양에서, 펠트-유사 활성 매니폴드 대신, 다른 재료들 예컨대 망상 펠트 ＆ 팽창 흑연의 사행 활성 매니폴드 ＆ 경로들, 압인 니켈-도금 강재 채널들이 사용된다.
상이한 연료들을 연료전지에서 이용할 수 있다. 도 10을 참조하면, 연료전지에 사용되는 상이한 연료들에 대한 전류밀도 대 온도 그래프가 도시된다. 유효 전류밀도는 총 전류 (마이크로-암페어)를 막 돌출 면적 (cm2)으로 나누어 측정한다. 다중-전지 스택은 온도 제어 환경에서 400도까지 놓인다. 연료들은 수소, 부탄, 프로판, 또는 석탄이다. 각각의 연료에 대하여, 상이한 이온성 액체는 연료전지 내부에서 상이한 수준의 반응성으로 작동된다. 예를들면, 이온성 액체인 에틸-메틸-이미다졸륨-디시안아미드(약칭 [Emim]+[Dicyanamide]-)는 아역청탄에서 잘 작동되고, 메탄 연료는 이온성 액체 에틸-메틸-피롤리니듐-보론-테트라플루오라이드 (약칭 [EmPyr]+[BF4]- 또는 [Emim]+[OTf2]-)에서 잘 동작된다.
도 11을 참조하면, 2cm2 단면적을 가지는 연료전지에 대하여 220℃ 및 [Emim]+[OTf2]- 에서 메탄에 대한 분극화 도표가 도시된다. y-축은 비-선형적 LOG 척도이고 상기된 바와 같이 반응 속도는 선형성인 것보다 더욱 신속하게 증가되는 것을 보인다. 개방 회로 전압 (OCV)는 이러한 조건에서 0.8V이다. 단락 전류는 15 mA이고, 70% OCV (=0.56V)에서 전류는 약 9.5 mA이다. 전지 면적 2 cm2에서, 전류밀도는 대략 5 mA/cm2로 계산된다.
본원은 실험적 연료전지 크기에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 연료전지 및/또는 다중-저지 스택은 더욱 큰 전류 및 전압 출력에 대하여 확장될 수 있다.
도 12를 참조하면, 예시적 실시태양의 전해질막 (1200)은 연료 매니폴드 (1202) 및 공기 매니폴드 (1204)와 조립되어 무-개질기 연료전지 (1206)를 형성한다. 연료 매니폴드 (1202)는 연료 공급부 (1210)로부터 기체 형태, 액체 형태, 슬러리 형태, 또는 임의의 적합한 형태로 산화 가능한 연료 (1208) (예를들면, 수소 또는 탄소계 연료, 예컨대 메탄)를 수용하도록 구성된다. 공기 매니폴드 (1204)는 공기 공급부 (1214)로부터 공기 (1212)를 수용하도록 구성된다. 공기 (1212)는 적어도 산소를 포함한다. 무-개질기 연료전지 (1206)가 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출되고 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료 (1208)를 결합하여 전기 (1216)를 생산할 때 전해질막 (1200)은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도하도록 구성된다.
전해질막 (1200)은 다공성 기재 (1218), 음극 촉매층 (1220), 양극 촉매층 (1222), 및 이온성 액체 (1224)를 포함한다. 다공성 기재 (1218)는 비-도전성 입자들, 예컨대 알루미나 (Al2O3)로 형성된다. 음극 촉매층 (1220)은 다공성 기재 (1218)의 연료 매니폴드 측을 따라 적층된다. 양극 촉매층 (1222)은 다공성 기재 (1218)의 공기 매니폴드 측을 따라 적층된다. 이온성 액체 (1224)는 음극 및 양극 촉매층들 (1220, 1222) 사이에서 다공성 기재 (1218)를 충전시켜 전해질막 (1200)을 형성한다.
또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 다공성 기재 (1218)는 비-도전성 입자들을 융합하여 형성된다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 다공성 기재 (1218)는 소정 두께를 가지는 다공성 판으로 형성된다. 다공성 판은 다공성 기재 (1218)의 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드 측들을 형성하고 소정 두께는 음극 및 양극 촉매층들 (1220, 1222) 사이 공간을 형성한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 비-도전성 입자들은 세라믹 입자들, 유리 입자들, 알루미나 세라믹 입자들, 또는 임의의 적합한 유형의 입자들을 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 비-도전성 입자들의 크기는 2 내지 15 ㎛이다.
또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 이온성 액체 (1224)는 액체 형태, 1000 Ohm/cm 이하의 임피던스, 및 작동 온도 40º 내지 200℃에서 0.1 psi 이하의 증기압을 유지한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 이온성 액체 (1224)는 적어도 하나의 탄소 원자를 가지는 분자들을 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200)실시태양에서, 이온성 액체 (1224)는 불소화 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 이온성 액체 (1224)는 [Emim]+[OTf2]-; [C4C1Im]+[Otf]-; [포스포늄]+[Otf]-; [Emim]+[Dicyanamide]-; [EmPyr]+[BF4]-; 또는 임의의 적합한 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 이온성 액체 (1224)는 양이온 및 음이온을 포함한다. 본 실시태양에서, 양이온은 [Emim]+, [C4C1Im]+, [포스포늄]+, [EmPyr]+, 또는 임의의 적합한 양이온을 포함한다. 기술된 실시태양에서, 음이온은 [OTf2]-, [Otf]-, [Dicyanamide]-, [BF4]-, 또는 임의의 적합한 음이온을 포함한다.
또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 음극 촉매층 (1220)은 백금족 금속, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 포함한다.
또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 양극 촉매층 (1222)은 백금족 금속, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 포함한다.
또 다른 실시태양에서, 전해질막 (1200)은 무-개질기 연료전지 (1206)에서 음극 촉매층 (1220)에 적층되는 음극 전극 (1226) 및 양극 촉매층 (1222)에 적층되는 양극 전극 (1228)과 조립되어 무-개질기 연료전지 (1206)가 물의 비점 이상의 작동 온도에 노출되고 산화 가능한 연료 (1208)가 연료 매니폴드 (1202)에 공급되고 공기 (1212)가 공기 매니폴드 (1204)에 공급된 후 전기화학적 전위 (1216)는 음극 및 양극 전극들 (1226, 1228)에 걸쳐 발생되고 해당 전류가 음극 및 양극 전극들 (1226, 1228)을 통해 흐른다. 추가 실시태양에서, 전도성 산소와 관련하여, 전해질막 (1200)은 양극 촉매층 (1222)에서 초과산화물을 촉매하여 전자가 양극 전극 (1228)에서 회수됨으로써 초과산화물의 음전하 이온 형태는 이온성 액체 (1224)로 들어간다. 추가 실시태양에서, 전도성 산소와 관련하여, 전해질막 (1200)은 이온성 액체 (1224)를 통해 초과산화물의 음전하 이온 형태를 음극 촉매층 (1220)로 전도하고 여기에서 산화 가능한 연료 (1208)와 반응하여 이산화탄소 및 물 (1230)을 만든다.
또 다른 실시태양에서, 무-개질기 연료전지 (1206)가 작동 온도 500℃ 이하로 노출될 때 전해질막 (1200)은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 운반한다.
또 다른 실시태양에서, 무-개질기 연료전지 (1206)가 작동 온도 300℃ 이하로 노출될 때 전해질막 (1200)은 산소 이온성 초과산화물 형태로 수송하도록 구성된다. 또 다른 실시태양에서, 무-개질기 연료전지 (1206)가 작동 온도 200º 내지 300℃로 노출될 때 전해질막 (1200)은 산소 이온성 초과산화물 형태로 이동하도록 구성된다.
또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 기체 형태의 산화 가능한 연료 (1208)는 수소 가스, 메탄 가스, 부탄 가스, 프로판 가스, 천연가스, 기체 탄화수소, 또는 임의의 기타 적합한 산화 가능한 가스를 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 액체 형태의 산화 가능한 연료 (1208)는 올레핀, 알코올, 유기산, 에스테르, 알데히드, 석유, 액체 탄화수소, 또는 임의의 기타 적합한 산화 가능한 액체를 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 슬러리 형태의 산화 가능한 연료 (1208)는 석탄 분말, 해당 분말을 형성하는 미분화 고체 탄화수소, 또는 임의의 기타 적합한 산화 가능한 분말을 포함한다. 또 다른 전해질막 (1200) 실시태양에서, 슬러리 형태의 산화 가능한 연료 (1208)는 이온성 액체 (1224)와 혼합될 수 있는 해당 분말을 형성하는 미분화 고체 탄화수소이다.
도 13을 참조하면, 무-개질기 연료전지와 연관된 전해질막 제조 공정 (1300)의 예시적 실시태양은 다공성 기재가 비-도전성 입자들로 형성되는 단계 (1302)에서 개시된다. 1304에서, 음극 촉매층은 다공성 기재의 제1 측에 적층된다. 다음, 양극 촉매층은 다공성 기재 (1306)의 제2 측에 적층된다. 1308에서, 음극 및 양극 촉매층들 사이의 다공성 기재는 이온성 액체로 충전되어 전해질막을 형성한다. 전해질막은 전해질막 제1 측에서 연료 매니폴드 및 전해질막 제2 측에서 공기 매니폴드와 조립되어 무-개질기 연료전지를 형성한다. 연료 매니폴드는 연료 공급부로부터 기체 형태, 액체 형태, 슬러리 형태, 또는 임의의 적합한 형태의 산화 가능한 연료 (예를들면, 수소 또는 탄소계 연료, 예컨대 메탄)를 수용하도록 구성된다. 공기 매니폴드는 공기 공급부로부터 공기를 수용하도록 구성된다. 공기는 적어도 산소를 포함한다. 무-개질기 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도에 노출되어 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합되어 전기를 생산할 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 이송한다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 다공성 기재를 형성하기 위하여 비-도전성 입자들을 융합하는 단계를 포함한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 공극들 범위가 1 나노미터 (nm) 내지 10㎛가 되도록 다공성 기재가 형성된다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 공극들 범위가 1 내지 5 ㎛가 되도록 다공성 기재가 형성된다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 다공성 기재의 다공도가 약 35%가 되도록 다공성 기재가 형성된다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 다공성 기재의 다공도 범위가 약 35 내지 50 % 이상이 되도록 다공성 기재가 형성된다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 다공성 기재를 소정 두께를 가지고, 제1 및 제2 측들을 형성하고 소정 두께는 음극 및 양극 촉매층들 사이 공간을 형성하는 다공성 판으로 형성하는 단계를 포함한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 비-도전성 입자들은 세라믹 입자들, 유리 입자들, 알루미나 세라믹 입자들, 또는 임의의 적합한 유형의 입자들을 포함한다.
또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 비-도전성 입자들 크기 범위는 2 내지 15 ㎛이다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 이온성 액체는 적어도 하나의 탄소 원자를 가지는 분자들을 포함한다. 또 다른 공정 (1300)의 실시태양에서, 이온성 액체는 불소화 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 이온성 액체는 [Emim]+[OTf2]-; [C4C1Im]+[Otf]-; [포스포늄]+[Otf]-; [Emim]+[Dicyanamide]-; [EmPyr]+[BF4]-; 또는 임의의 적합한 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 이온성 액체는 양이온 및 음이온을 포함한다. 본 실시태양에서, 양이온은 [Emim]+, [C4C1Im]+, [포스포늄]+, [EmPyr]+, 또는 임의의 적합한 양이온을 포함한다. 기재된 실시태양에서, 음이온은 [OTf2]-, [Otf]-, [Dicyanamide]-, [BF4]-, 또는 임의의 적합한 음이온 중 하나를 포함한다.
또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 음극 촉매층은 백금족 금속, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 포함한다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 다공성 기재 제1 측에서 음극 촉매층의 소결, 스퍼터링, 또는 박층 금속 스퍼터링 단계를 포함한다. 다음, 음극 촉매층은 전기화학적으로 도금된다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 0.1 mg/cm2의 백금족 금속 및 1.0 mg/cm2의 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 다공성 기재의 제1 측에 스퍼터링 하여 음극 촉매층을 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 다공성 기재의 제1 측에서 부착층을 스퍼터링 하는 단계를 포함한다. 다음, 백금흑 분말 코팅물을 부착층에 소결하여 음극 촉매층을 형성한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 양극 촉매층은 백금족 금속 중 하나, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 포함한다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 다공성 기재의 제2 측에 양극 촉매층을 소결, 스퍼터링, 또는 박층 금속 스퍼터링 하는 단계를 포함한다. 이후, 양극 촉매층은 전기화학적으로 도금된다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 0.1 mg/cm2의 백금족 금속 및 1.0 mg/cm2의 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 다공성 기재의 제2 측에 스퍼터링 하여 양극 촉매층을 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1300)은 또한 다공성 기재의 제2 측에서 부착층을 스퍼터링 하는 단계를 포함한다. 다음, 백금흑 분말 코팅물을 부착층에 소결하여 양극 촉매층을 형성한다.
또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 무-개질기 연료전지가 작동 온도 500℃ 이하로 노출될 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도하도록 구성된다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 무-개질기 연료전지가 작동 온도 300℃ 이하로 노출될 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도하도록 구성된다. 또 다른 공정 (1300)의 실시태양에서, 무-개질기 연료전지가 작동 온도 200º 내지 300℃로 노출될 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도하도록 구성된다.
또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 기체 형태의 산화 가능한 연료는 적어도 하나의 수소 가스, 메탄 가스, 부탄 가스, 프로판 가스, 천연가스, 및 가스 탄화수소를 포함한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 액체 형태의 산화 가능한 연료는 적어도 하나의 올레핀, 알코올, 유기산, 에스테르, 알데히드, 석유, 및 액체 탄화수소를 포함한다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 슬러리 형태의 산화 가능한 연료는 적어도 하나의 석탄 분말 및 해당 분말로 미분화되는 고체 탄화수소를 포함하다. 또 다른 공정 (1300) 실시태양에서, 슬러리 형태의 산화 가능한 연료는 해당 분말로 미분화되는 고체 탄화수소를 포함하고 이는 이온성 액체와 혼합된다.
도 14를 참조하면, 무-개질기 연료전지와 연관된 전해질막 운전 공정 (1400)의 예시적 실시태양은 1402에서 개시되고 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드와 조립되어 무-개질기 연료전지를 형성하는 전해질막은 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출된다. 1404에서, 산화 가능한 연료 (예를들면, 수소 또는 탄소계 연료, 예컨대 메탄)는 기체 형태, 액체 형태, 슬러리 형태, 또는 임의의 적합한 형태로 연료 공급부에서 연료 매니폴드로 공급된다. 다음, 공기는 공기 공급부에서 공기 매니폴드로 공급된다 (1406). 공기는 적어도 산소를 포함한다. 1408에서, 이온성 초과산화물 형태로 산소는 전해질막을 통과하여 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합되어 전기를 생산한다. 전해질막은 비-도전성 입자들로 형성되는 다공성 기재, 다공성 기재의 연료 매니폴드 측을 따라 증착되는 음극 촉매층, 다공성 기재의 공기 매니폴드 측을 따라 증착되는 양극 촉매층; 및 음극 및 양극 촉매층들 사이에서 다공성 기재를 충전하는 이온성 액체를 포함한다.
또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 다공성 기재는 비-도전성 입자들 융합으로 형성된다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 다공성 기재는 소정 두께를 가지는 다공성 판으로 형성된다. 다공성 판은 다공성 기재의 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드 측들을 형성하고 소정 두께는 음극 및 양극 촉매층들 사이 공간을 형성한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 비-도전성 입자들은 세라믹 입자들, 유리 입자들, 알루미나 세라믹 입자들, 또는 임의의 적합한 유형의 입자들을 포함한다.
또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 이온성 액체는 액체 형태, 1000 Ohm/cm 이하의 임피던스, 및 작동 온도 40℃ 내지 200℃에서 0.1 psi 이하의 증기압을 유지한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 이온성 액체는 적어도 하나의 탄소 원자를 가지는 분자들을 포함한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 이온성 액체는 불소화 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 이온성 액체는 [Emim]+[OTf2]-; [C4C1Im]+[Otf]-; [포스포늄]+[Otf]-; [Emim]+[Dicyanamide]-; [EmPyr]+[BF4]-; 또는 임의의 적합한 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 이온성 액체는 양이온 및 음이온을 포함한다. 본 실시태양에서, 양이온은 [Emim]+, [C4C1Im]+, [포스포늄]+, [EmPyr]+, 또는 임의의 적합한 양이온을 포함한다. 기재된 실시태양에서, 음이온은 [OTf2]-, [Otf]-, [Dicyanamide]-, [BF4]-, 또는 임의의 적합한 음이온 중 하나를 포함한다.
또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 음극 촉매층은 백금족 금속, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 포함한다.
또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 양극 촉매층은 백금족 금속, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 니켈, 니켈-산화 화합물, 금, 은, 또는 임의의 적합한 촉매 원소 또는 화합물을 포함한다.
또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 무-개질기 연료전지에서 전해질막은 음극 촉매층에 적층되는 음극 전극 및 양극 촉매층에 적층되는 양극 전극과 조립된다. 본 실시태양에서, 또한 공정 (1400)은 음극 및 양극 전극들 간에 전기화학적 전위 및 음극 및 양극 전극들을 통과하는 상응 전류를 발생하는 단계를 포함한다. 추가 실시태양에서, 또한 공정 (1400)은 양극 전극으로부터 전자를 회수함으로써 초과산화물의 음전하 이온 형태가 이온성 액체로 진입하도록 양극 촉매층에서 초과산화물을 촉매하는 단계를 포함한다. 추가 실시태양에서, 또한 공정 (1400)은 초과산화물의 음전하 이온 형태가 이온성 액체를 통해 음극 촉매층으로 수송되고 여기에서 산화 가능한 연료와 반응하여 이산화탄소 및 물을 생성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시태양에서, 공정 (1400)은 또한 무-개질기 연료전지가 500℃ 이하의 작동 온도에 노출될 때 이온성 초과산화물 형태로 산소를 이동하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시태양에서, 공정 (1400)은 또한 무-개질기 연료전지가 300℃ 이하의 작동 온도에 노출될 때 이온성 초과산화물 형태로 산소를 이동하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시태양에서, 공정 (1400)은 또한 무-개질기 연료전지가 200º 내지 300℃의 작동 온도에 노출될 때 이온성 초과산화물 형태로 산소를 이동하는 단계를 포함한다.
또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 기체 형태의 산화 가능한 연료는 수소 가스, 메탄 가스, 부탄 가스, 프로판 가스, 천연가스, 가스 탄화수소, 또는 임의의 적합한 산화 가능한 가스를 포함한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 액체 형태의 산화 가능한 연료는 올레핀, 알코올, 유기산, 에스테르, 알데히드, 석유, 액체 탄화수소, 또는 임의의 적합한 산화 가능한 액체를 포함한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 슬러리 형태의 산화 가능한 연료는 석탄 분말, 해당 분말로 미분화되는 고체 탄화수소, 또는 임의의 적합한 산화 가능한 분말 중 적어도 하나를 포함한다. 또 다른 공정 (1400)의 실시태양에서, 슬러리 형태의 산화 가능한 연료는 해당 분말로 미분화되는 고체 탄화수소를 포함하고 이는 이온성 액체와 혼합된다.

Claims (10)

  1. 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드와 조립되도록 구성되어 무-개질기 연료전지를 형성하는 전해질막을 포함하는, 무-개질기 연료전지와 연관된 장치로서, 상기 연료 매니폴드는 연료 공급부로부터 가스 형태, 액체 형태, 및 슬러리 형태 중 적어도 하나의 형태로 산화 가능한 연료를 수용하도록 구성되고, 상기 공기 매니폴드는 공기 공급부로부터 적어도 산소를 포함하는 공기를 수용하도록 구성되고, 상기 전해질막은 무-개질기 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출되어 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합하여 전기를 생성할 때, 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도하도록 구성되며,
    상기 전해질막은,
    다공성 비-도전성 기재;
    다공성 기재의 연료 매니폴드 측을 따라 적층되는 음극 촉매층;
    다공성 기재의 공기 매니폴드 측을 따라 적층되는 양극 촉매층; 및
    음극 및 양극 촉매층들 사이에서 다공성 기재를 충전하여 전해질막을 형성하는 이온성 액체를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온성 액체는 적어도 하나의 탄소 원자를 가지는 분자들을 포함하는, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이온성 액체는 불소화 이온성 액체를 포함하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이온성 액체는 양이온 및 음이온을 포함하고, 상기 양이온은 [Emim]+, [C4C1Im]+, [포스포늄]+, 및 [EmPyr]+ 중 하나를 포함하고, 상기 음이온은 [OTf2]-, [Otf]-, [Dicyanamide]-, 및 [BF4]- 중 하나를 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음극 촉매층은 백금족 금속, 루테늄 원소, 로듐 원소, 팔라듐 원소, 오스뮴 원소, 이리듐 원소, 백금 원소, 니켈 원소, 니켈-산화 화합물, 금 원소, 및 은 원소 중 적어도 하나를 포함하고;
    상기 양극 촉매층은 백금족 금속, 루테늄 원소, 로듐 원소, 팔라듐 원소, 오스뮴 원소, 이리듐 원소, 백금 원소, 니켈 원소, 니켈-산화물 화합물, 금 원소, 및 은 원소 중 하나를 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전해질막은 무-개질기 연료전지에서 음극 촉매층과 관련하여 배치된 음극 전극 및 양극 촉매층과 관련하여 배치된 양극 전극과 조립되도록 구성되고, 이로써 전기화학적 전위는, 무-개질기 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도에 노출되고 산화 가능한 연료가 연료 매니폴드에 공급되고 공기가 공기 매니폴드에 공급된 후, 음극 및 양극 전극들에 걸쳐 발생되고 상응하는 전류가 음극 및 양극 전극들을 통해 흐르는, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 무-개질기 연료전지가 500℃ 이하의 작동 온도에 노출될 때 전해질막은 이온성 초과산화물 형태로 산소를 수송하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기체 형태의 산화 가능한 연료는 수소 가스, 메탄 가스, 부탄 가스, 프로판 가스, 천연가스, 및 기체 탄화수소 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  9. 무-개질기 연료전지와 연관된 장치 제조방법에 있어서, 상기 방법은,
    비-도전성 입자들로부터 다공성 기재를 형성하는 단계;
    상기 다공성 기재의 제1 측을 따라 음극 촉매층을 적층하는 단계;
    다공성 기재의 제2 측을 따라 양극 촉매층을 적층하는 단계; 및
    음극 및 양극 촉매층들 사이에 이온성 액체로 다공성 기재를 충전하여 전해질막을 형성하는 단계로서, 상기 전해질막은 전해질막의 제1 측과 관련하여 연료 매니폴드 및 전해질막의 제2 측과 관련하여 공기 매니폴드와 조립되어 무-개질기 연료전지를 형성하도록 구성된 단계를 포함하고,
    상기 연료 매니폴드는 연료 공급부로부터 가스 형태, 액체 형태, 및 슬러리 형태 중 적어도 하나의 형태로 산화 가능한 연료를 수용하도록 구성되고, 상기 공기 매니폴드는 공기 공급부로부터 적어도 산소를 포함하는 공기를 수용하도록 구성되고, 상기 전해질막은, 무-개질기 연료전지가 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출되어 전기화학적으로 산소 및 산화 가능한 연료가 결합되어 전기를 생산할 때 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전도하는, 방법.
  10. 무-개질기 연료전지와 연관되는 장치 운전방법에 있어서, 상기 방법은,
    무-개질기 연료전지를 형성하기 위하여 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드와 조립되는 전해질막을 물의 비점 이상의 작동 온도로 노출시키는 단계;
    연료 공급부로부터 가스 형태, 액체 형태, 및 슬러리 형태 중 적어도 하나의 형태로 산화 가능한 연료를 연료 매니폴드로 공급하는 단계;
    공기 공급부로부터 적어도 산소를 포함하는 공기를 공기 매니폴드에 공급하는 단계; 및
    산소 및 산화 가능한 연료가 전기화학적으로 결합되어 전기를 생산하도록 이온성 초과산화물 형태로 산소를 전해질막을 통과시키는 단계를 포함하고,
    상기 전해질막은 비-도전성 입자들로 형성되는 다공성 기재, 다공성 기재의 연료 매니폴드 측을 따라 적층되는 음극 촉매층, 다공성 기재의 공기 매니폴드 측을 따라 적층되는 양극 촉매층 및 음극 및 양극 촉매층들 사이에서 다공성 기재를 충전하는 이온성 액체를 포함하는, 방법.
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