KR20160038029A - 형태를 갖는 전기화학 셀 - Google Patents

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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

본 개시의 실시예들은 전기화학 셀 시스템을 포함한다. 상기 전기화학 셀 시스템은 직렬로 배열된 복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 스택을 포함할 수 있다. 상기 전기화학 셀 스택의 제 1 측은 제 1 길이를 갖고, 상기 전기화학 셀 스택의 제 2 측은 제 2 길이를 가지며, 상기 제 1 길이는 상기 제 2 길이와 상이하다.

Description

형태를 갖는 전기화학 셀{SHAPED ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 2013년 7월 30일 출원된 미국 가 출원 번호 61/860,118에 대한 35 U.S.C. 120조에 따라 우선권의 이득을 청구하며, 그 전체가 본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들은 전기화학 셀들에 관한 것이며, 특히 효율을 촉진하기 위한 특정의 형태들을 갖는 전기화학 셀들에 관한 것이다.
전기화학 셀들은 통상 화학 반응으로부터 전류를 발생하거나 또는 전류 흐름을 사용하여 화학 반응을 유도하는 디바이스들이다. 연료 셀들 및 수소 압축기들과 같은 전기화학 셀의 기술은, 예를 들면 운송 차량들, 휴대용 전원 공급 장치들, 고정된 전력 생산을 포함하는 다양한 기술들에 대한 화석 연료와 같은 전통적인 전력 자원들에 대한 촉망되는 대안을 제공한다. "수소 경제"의 장기간 지속 가능성 및 에너지 운반체로서의 수소의 성공적인 상업화는 전기화학 셀의 효율, 출력 능력, 및 비용 효율에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다.
전기화학 셀은 화학 반응들로부터 전류를 발생하는데 사용된다. 전기화학 셀은 연료(수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린 등과 같은 양성자 소스)의 화학 에너지를 산소 또는 다른 산화제와의 화학 반응을 통해 전기로 변환한다. 상기 화학 반응은 통상 전기, 열, 및 물을 발생시킨다. 이러한 것을 달성하기 위해, 기본적인 전기화학 셀은 음으로 대전된 애노드(negatively charged anode), 양으로 대전된 캐소드(positively charged cathode), 및 전해질(electrolyte)이라 불리는 이온 전도 물질을 구비한다. 상이한 전기화학 셀 기술들이 상이한 전해 물질들을 활용한다. 예를 들면, 양성자 교환 막(Proton Exchange Membrane: PEM) 셀은 상기 전해질로서 폴리메트릭 이온 전도 막을 활용한다.
전기를 발생시키기 위해서, 수소와 같은 연료가 예를 들면 전기화학 셀의 애노드 측에 전달될 수 있다. 여기서, 수소는 양으로 대전된 양성자들 및 음으로 대전된 전자들로 분리될 수 있다. 상기 애노드에서의 전기화학 반응은 다음과 같다: 2H2 → 4H+ + 4e- . 양성자들은 이때 PEM과 같은 전해질 막을 통해 상기 셀의 캐소드 측으로 흐를 수 있다. 상기 PEM은 양으로 대전된 양성자들만이 상기 셀의 캐소드 측으로 통과할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 음으로 대전된 전자들은 상기 셀의 캐소드 측에 도달하기 위해 외부 전기 부하 회로를 통과하게끔 될 수 있으며, 그와 같은 동작을 통해, 유용한 전류를 발생할 수 있다. 산소는 상기 셀의 캐소드 측으로 전달될 수 있으며, 여기서 상기 양성자들 및 전자들과 반응하여 폐기물로서 물 분자들 및 열을 형성할 수 있다. 상기 캐소드 측에서의 발열성 반응은 다음과 같다: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O.
개별 전기화학 셀의 캐소드, 전해질 막, 및 애노드는 집합적으로 "막 전극 어셈블리(MEA)"를 형성하며, 이는 양극판들(bipolar plates)에 의해 양 측면상에서 지지될 수 있다. 수소 및 산소와 같은 가스들은 상기 양극판들 내에 형성된 채널들 또는 그루브들을 통해 상기 MEA의 전극들에 공급될 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 일반적 용어들 '공기' 및 '가스'가 수소와 산소 양쪽 모두를 기술하는데 사용될 수 있다.
동작에서, 단일 셀은 전류에 따라 약 0.2-1 볼트의 비교적 적은 전위를 일반적으로 발생할 수 있다. 전체 전압 출력을 증가하기 위해, 산업 전기화학 셀들은 통상적으로는 직렬로 함께 적층될 수 있어 전기화학 셀 스택을 형성한다. 스택 내에 포함되는 개별 셀들의 수는 어플리케이션 및 상기 어플리케이션에 대해 상기 스택으로부터 요구된 출력량에 의존할 수 있다.
상기 전기화학 셀 스택은 수소 및 산소의 흐름을 받아들일 수 있으며, 이는 상기 개별 셀들로 분배될 수 있다. 상기 셀 스택의 적절한 동작은 수소 및 산소와 같은 반응물들을 상기 셀 및 셀 구성요소들로 효과적으로 전달하는 것을 요구할 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 전기화학 셀들의 상이한 구성요소들 또는 상기 전기화학 셀 스택의 부분들이, 예를 들면 더 늦은 또는 더 빠른 공기 흐름과 같은, 상이한 조건들 하에서 최상으로 동작할 수 있다.
예를 들면, 전기화학 셀에 의해 발생되는 전압량 및 효율은 공기의 화학량론적 유동률에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 공기의 화학량론은 수소 연료와 반응하는데 필요한 상기 전기화학 셀에 공급되는 공기의 비율이다. 화학량론이 낮은 값은 반응 측들에서의 반응물들의 부족에 기인하여 상기 전기화학 셀의 성능을 낮출 수 있다. 이에 반해, 화학량론이 높은 값은 열악한 습도 제어 및 과도한 압축 에너지를 일으킬 수 있다. 이러한 방식에서, 공기 유동률은 또한 전기화학 셀 시스템 내에 물의 양에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 상기 전기화학 셀을 통한 가스의 흐름을 제어 및 관리하는 것이 바람직하다.
본 개시는 전기화학 셀 스택들의 디자인에 관련하고 있다. 특히, 본 개시는 상기 스택에 걸친 효과적인 공기 분배, 흐름, 및 이용을 진척시키기 위해 전기화학 셀 스택들의 기하학적 형태에 관련하고 있다. 그러한 기하학 구조 및 구성들은, 이에 제한되지는 않지만, 수소 압축기, 연료 셀, 전해 셀, 수소 정제기, 및 수소 확장기를 포함하는 높은 차 압력들에 따라 전기화학 셀들에서 사용될 수 있다.
본 개시의 한 실시예에 따라, 전기화학 셀 시스템은 직렬로 배열된 복수의 전기화학 셀들을 갖는 전기화학 셀 스택을 포함할 수 있다. 상기 전기화학 셀 스택의 제 1 측은 제 1 길이를 가질 수 있고, 상기 전기화학 셀 스택의 제 2 측은 제 2 길이를 가질 수 있으며, 여기서 상기 제 1 길이는 상기 제 2 길이와는 다를 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들은 하나 이상의 다음과 같은 양태들을 포함할 수 있다: 상기 제 1 측은 상기 전기화학 셀 스택의 가스 입력 측이 될 수 있으며, 상기 제 2 측은 상기 전기화학 셀 스택의 가스 출력 측이 될 수 있다; 상기 제 1 측은 상기 제 2 측보다 길게 될 수 있다; 상기 전기화학 셀 스택은 실질적으로 사다리꼴(trapezoidal) 형태가 될 수 있다; 다량의 가스가 상기 제 1 측으로 주입되어, 상기 전기화학 셀 스택의 말단 판(end plate)을 통과하고, 상기 제 2 측에서 배출될 수 있다; 상기 제 1 측으로 주입되는 가스가 상기 제 2 측에서 배출되는 가스보다 저속으로 이동할 수 있다; 상기 전기화학 셀 스택의 형태는 상기 제 1 측에서 물의 보유(retention)를 진척시킬 수 있고, 상기 제 2 측에서 물의 손실(loss)을 진척시킬 수 있다; 복수의 전기화학 셀들의 각각은 실질적인 사다리꼴 형태를 가질 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 전기화학 셀 시스템은 직렬로 배열된 복수의 전기화학 셀들로 이루어진 전기화학 셀 스택을 구비할 수 있으며, 여기에서 상기 전기화학 셀 스택은 애노드 단(anode end), 캐소드 단, 제 1 측, 및 상기 제 1 측과 대향하는 제 2 측을 갖는다. 상기 시스템은 또한 상기 애노드 단에 위치된 제 1 말단 판 및 상기 캐소드 단에 위치된 제 2 말단 판을 포함할 수 있어, 상기 제 1 말단 판 및 상기 제 2 말단 판이 상기 전기화학 셀 스택을 샌드위치하며, 상기 제 1 측의 길이는 상기 제 2 측의 길이보다 길 수 있다. 가스는 상기 제 1 말단 판의 제 1 측으로 주입되어, 상기 제 1 말단 판을 따라 이동하고, 상기 제 1 말단 판의 제 2 측에서 배출될 수 있으며, 가스는 상기 제 2 말단 판의 제 1 측으로 주입되어, 상기 제 2 말단 판을 따라 이동하고, 상기 제 2 말단 판의 제 2 측에서 배출될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들은 하나 이상의 다음과 같은 양태들을 포함할 수 있다: 상기 제 1 측으로 주입되는 가스는 상기 제 2 측에서 배출되는 가스보다 느리게 이동할 수 있다; 상기 제 1 측에서 가스의 보다 느린 이동은 물 보유를 진척시킬 수 있으며, 상기 제 2 측에서 가스의 보다 빠른 이동은 물 손실을 진척시킬 수 있다; 상기 전기화학 셀 스택은 실질적으로 사다리꼴 형태가 될 수 있다; 상기 전기화학 셀 스택은 연료 셀 스택이 될 수 있다; 상기 제 1 말단 판으로 주입되는 가스는 상기 제 2 말단 판으로 주입되는 가스와는 다를 수 있다; 상기 제 1 말단 판으로 주입되는 가스는 수소를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 말단 판으로 주입되는 가스는 산소를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 전기화학 셀 시스템은 복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 스택, 상기 전기화학 셀 스택의 애노드 단, 및 상기 전기화학 셀 스택의 캐소드 단을 구비할 수 있으며, 여기서 상기 전기화학 셀 스택은 실질적으로 사다리꼴 기하학 구조를 갖는다.
본 개시의 다양한 실시예들은 하나 이상의 다음과 같은 양태들을 포함할 수 있다: 상기 전기화학 셀 스택의 제 1 측은 상기 전기화학 셀 스택의 제 2 측보다 길 수 있으며, 상기 제 1 측은 상기 제 2 측과 대향하여 위치될 수 있다; 공기는 제 1 속도에서 상기 제 1 측으로 주입되어 제 2 속도로 상기 제 2 측에서 배출될 수 있고, 여기서 상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도와는 다르다; 상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도보다 느리게 될 수 있다; 상기 전기화학 셀 스택은 등변 사다리꼴(isosceles trapezoid) 형태가 될 수 있다.
본 실시예들의 추가적인 목적들 및 이점들이 이어지는 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 부분적인 것은 상세한 설명으로부터 명백할 수 있거나 상세한 설명의 실행에 의해 학습될 수 있을 것이다. 본 실시예들의 목적들 및 이점들은 첨부된 청구범위에서 특히 지적하고 있는 요소들과 그 조합들에 의해 실현되고 얻어질 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것일 뿐이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에 포함되고, 그 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 실시예들을 설명하고, 본 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 기여할 것이다.
도 1a는 본 개시의 실시예에 따라 예시적인 전기화학 셀의 분해 측면을 도시하는 도면.
도 1b는 본 개시의 실시예에 따른 도 1a에 도시된 예시적인 전기화학 셀의 분해 사시도.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 전기화학 셀 시스템의 사시도.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 도 2에 도시된 예시적인 전기화학 셀 시스템의 도식적 도면.
도 4는 종래의 전기화학 셀 시스템과 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전기화학 셀 시스템의 캐소드에서의 속도들의 차를 비교하는 그래프.
이제, 하기에 기술되는 본 개시의 예시적 실시예와 첨부된 도면이 상세히 참조될 것이다. 가능한 한 동일한 참조 번호들은 동일한 또는 유사한 부분들을 참조하도록 도면 전반에 걸쳐 사용될 것이다.
여기에서 본 개시는 연료 셀 스택에 대해 사다리꼴 기하학 구조와 같은 특정 어플리케이션들에 대한 구체적인 실시예들을 참조하여 기술되고 있지만, 여기에 개시된 실시예들은 그에 제한되는 것이 아님을 이해해야 한다. 여기에서 제공된 설명들에 접근하거나 당 기술 분야에 숙련된 사람들은 본 발명의 범위 내에 모두가 포함되는 추가적인 수정들, 어플리케이션들, 실시예들, 및 등가의 대체를 인정할 것이다. 예를 들면, 여기에 기술된 원리들은, 이에 제한되지는 않지만, 수소 압축기, 전해 셀, 수소 정제기, 및 수소 확장기를 포함하는 어떠한 적절한 전기화학 셀들로도 사용될 수 있다. 더욱이, 본 원리들은 어떠한 적절한 어플리케이션(예를 들면, 자동차, 휴대용 또는 산업용 연료 셀 어플리케이션들)에 대해 어떠한 적절한 유형의 연료 셀(예를 들면, 직접 메탄올, 알칼리, 인산, 용융 탄산염, 고체 산화물, 및 재생 연료 셀들)로도 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명 또는 다음의 설명들에 의해 제한되는 것으로 여겨져서는 안 된다.
본 개시의 다른 특징들 및 이점들 및 잠재적인 사용들은 도면을 참조한 본 개시의 다음의 설명으로부터 본 기술 분야에 숙련된 누구에게든 명백할 것이다.
도 1a는 본 개시의 실시예에 따라 개별 전기화학 셀(10)을 도시한다. 도 1에 도시된 분해된 측면도에서, 셀(10)은 중앙의 전해질 막(8)을 포함한다. 전해질 막(8)은 애노드(7A)와 캐소드(7B) 사이에 위치될 수 있다. 전해질 막(8), 애노드(7A), 및 캐소드(7B)는 함께 MEA(3)를 형성할 수 있다. 애노드(7A)에 공급되는 수소 원자들은 전자들과 양성자들로 전기화학적으로 분리될 수 있다. 상기 전자들은 전기 회로(도시되지 않음)를 통해 캐소드(7B)로 흐를 수 있고 이러한 공정에서 전기를 발생하며, 이에 반해 상기 양성자들은 전해질 막(8)을 통해 캐소드(7B)로 넘어간다. 캐소드(7B)에서, 양성자들은 캐소드(7B)로 공급된 전자들 및 산소들과 반응하여 물과 열을 생성할 수 있다.
전해질 막(8)은 캐소드(7B)로부터 애노드(7A)를 전기적으로 절연할 수 있다. 전해질 막(8)은 예를 들면 PEM 막을 포함하는 어떠한 적절한 막이 될 수 있다. 전해질 막(8)은 순수 중합체 막 또는 복합 막으로 구성될 수 있으며, 이는 예를 들면 고분자 매트릭스에 포함된 실리카 헤테로 다중산, 적층된 금속 인산염, 인산염, 및 지르코늄 인산염을 포함할 수 있다. 전해질 막(8)은 양성자들에 대해서는 투과성이 있을 수 있지만, 전자들을 전도하지 않을 수 있다. 애노드(7A) 및 캐소드(7B)는 촉매를 함유하는 다공성 탄소 전극을 포함할 수 있다. 예를 들면 백금 또는 어떠한 다른 적절한 물질이 되는 촉매 물질은 산소와 연료의 반응을 가속시킬 수 있다.
MEA(3)의 크기 및 형태는 셀(10)의 어플리케이션 또는 주어진 부하 요구들에 따라서 증가되거나 또는 감소될 수 있다. 예를 들면, MEA(3) 두께, 길이, 또는 폭이 상기 주어진 어플리케이션 및 요구들에 따라 조절될 수 있다. 또한, 애노드(7A)와 캐소드(7B) 내의 촉매 물질의 농도는 주어진 어플리케이션에 따라 조절될 수 있다. 애노드(7A)와 캐소드(7B) 내의 촉매 물질의 농도 및 전해질 막(8)의 두께는 각각 MEA(3)의 전체 두께에 영향을 줄 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기화학 셀(10)은 MEA(3)의 각 측 상에 하나 이상의 전기 전도성 흐름 구조들(5)을 선택적으로 포함할 수 있다. 흐름 구조(5)는 셀(10) 내의 가스들과 액체들의 이동을 가능하게 하는 확산 매체로서의 역할을 한다. 흐름 구조(5)는 또한 전기 전도를 촉진할 수 있고, 전기화학 셀(10)로부터 열과 물을 제거하는데 조력할 수 있고, 전해질 막(8)에 기계적 지지를 제공할 수 있다. 흐름 구조(5)는 예를 들면 흐름 필드들(flow fields), 가스 확산층들(GDL), 또는 어떠한 적절한 그들의 조합을 포함할 수 있다. 흐름 구조(5)는 "프릿"-형의 소결된 금속들("frit"-type sintered metals), 예를 들면 스크린 팩들과 익스팬디드 메탈들(expanded metals)과 같은 적층된 구조들, 및 3차원 다공성 기판들로 형성될 수 있다. 예시적인 다공성 금속 기판은 상이한 평균 구멍 크기들을 갖는 두 개의 별개의 층들로 이루어질 수 있다. 그러한 흐름 구조들(5)은 예를 들면, 예컨대 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 철, 및 니켈-크롬 합금, 또는 어떠한 그들의 조합과 같은 금속들 또는 금속 합금들을 포함하는 어떠한 적절한 물질로 형성될 수 있다. 또한, 흐름 구조들(5)은 탄소, 금, 또는 질화 티탄 등의 부식-방지 코딩과 같은 적절한 코딩을 포함할 수 있다.
셀(10)은 흐름 구조들(5)과 MEA(3) 측면에 두 개의 양극판들(bipolar plates)(2A, 2B)을 포함할 수 있다. 양극판들(2A, 2B)은 스택 내의 인접하는 전기화학 셀들(도시되지 않음)로부터 셀(10)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 셀 스택 내의 두 개의 인접하는 셀들은 공동 양극판을 공유할 수 있다.
양극판들(2A, 2B)은 전류 컬렉터들로서 작용할 수 있으며, 연료와 산화제를 각각의 전극 표면들에 도달시키기 위한 액세스 채널들을 제공할 수 있으며, 배기 가스에 의해 전기화학 셀(10)의 동작 동안 형성된 물을 제거하기 위한 채널들을 제공할 수 있다. 양극판들(2A, 2B)은 또한 예를 들면 물, 글리콜, 또는 그 조합과 같은 냉각용 유체를 위한 액세스 채널들을 제공할 수 있다. 양극판들(2A, 2B)은 알루미늄, 강철, 스테인리스 스틸, 티타늄, 구리, 니켈-크롬 합금, 그래파이트, 또는 어떠한 다른 적절한 전기 전도 물질 또는 그러한 물질들의 조합으로 만들어질 수 있다.
도 1b는 MEA(3)와 말단 판들(end plates)(2A, 2B)을 포함하는 전기화학 셀(10)의 분해된 사시도를 도시한다. 도 1b에서 확인된 바와 같이, 셀(10)은 사다리꼴 기하학 구조를 갖는다. 따라서, 말단 판들(2A, 2B), 애노드(7A), 캐소드(7B), 및 전해질 막(8)의 각각은 실질적으로 사다리꼴 형태를 갖는다. 이러한 형태의 세부사항 및 전통적인 직사각형 전기화학 셀과 비교한 전기화학 셀(10)의 효과는 하기에 상세히 기술한다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 전기화학 셀 시스템(20)을 도시한다. 개별 셀들(10)이 직렬로 적층되어 전기화학 셀 스택(11)을 형성할 수 있다. 스택(11)은 어떠한 적절한 수의 셀들(10)로 구성될 수 있다. 스택(11)은 스택(11)의 각각의 끝에 위치될 수 있는 말단 판들(12A, 12B) 사이에 위치될 수 있다. 말단 판들(12A, 12B)은 예를 들면 알루미늄, 강철, 스테인리스 스틸, 주철, 티타늄, 폴리 염화 비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에텔에텔 케톤(polyether ether ketone), 알루미나, 또는 어떠한 그들의 조합과 같은 충분한 압축 강도를 갖는 어떠한 적절한 금속, 플라스틱, 또는 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스택(11) 및 말단 판들(12A, 12B)은 예를 들면 압축 프레임과 같은 적절한 압축 시스템 내에 또는 압축 로드들(rods) 또는 밴드들(bands) 사이에 하우징될 수 있다.
시스템(20) 및 전기화학 셀 스택(11)의 형태는 전기화학 셀 효율을 촉진하도록 선택될 수 있다. 상술한 바와 같이, 전기화학 셀에 의해 생성되는 전압량 및 효율은 공기의 화학량론적 유동률에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들면, 화학량론이 낮은 값은 반응 측들에서의 시약(reagents)의 부족에 기인하여 상기 전기화학 셀의 성능을 낮출 수 있다. 이에 반해, 화학량론이 높은 값은 열악한 습도 제어 및 과도한 압축 에너지를 일으킬 수 있다. 따라서, 상기 전기화학 셀을 통한 가스의 흐름을 제어 및 관리하는 것이 바람직하며, 미리 결정된 속도로 전기화학 셀 시스템으로 전달 및 통과될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 속도는, 예를 들면 캐소드와 애노드 또는 공기 주입구와 공기 배출구인, 전기화학 셀 시스템(20)의 구역들 내에서의 상이한 요구들을 반영하도록 전기화학 셀 스택(11)의 부분들에 걸쳐 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면 상기 공기 배출구가 상기 공기 주입구보다 공기를 빠르게 이동하도록 처리하는 것이 더 적합하게 될 수 있거나, 전기화학 셀 스택(11)의 캐소드 측이 상기 애노드 측보다 공기를 빠르게 이동하도록 처리하는 것이 더 적합하게 될 수 있다. 또한, 시스템(20)의 상이한 전력 요구들을 수용하도록 시간에 걸쳐 상기 전기화학 셀의 상이한 부분들에 상이한 양의 공기 및 공기 흐름 속도를 공급하는 것이 바람직할 수 있다.
도 2의 예시적인 실시예에서, 시스템(20)은 실질적으로 사다리꼴 형태를 갖는다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 각각의 개별 셀(10)은 실질적인 사다리꼴 형태를 가지며, 상기 개별적인 사다리꼴 셀들(10)이 직렬로 적층되어 시스템(20)을 형성한다. 시스템(20)의 스택(11)은 예를 들면 두 개 또는 세 개의 셀들(10)로부터 수 백개까지 어떠한 적절한 수의 셀들(10)을 포함할 수 있다. 또한, 전기화학 셀 시스템(20)이 이등변 사다리꼴로 도시되어 있지만, 당업자는 상기 시스템(20)은, 예를 들면 긴 변과 짧은 변이 서로에 대해 중심에 있지 않고 이들이 그 대신에 오프셋될 수 있는 것과 같이, 동일하지 않은 길이의 변들을 갖는 어떠한 형태도 취할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
사다리꼴 셀 스택(11)은 애노드 측(25) 및 캐소드 측(26)을 포함할 수 있다. 수소 가스 또는 공기는 애노드 측(25)으로 유입될 수 있으며, 여기서 화학 반응을 받게 된다. 수소 양성자들은 전기화학 셀 스택(11)을 통해 캐소드 측(26)으로 도달한다. 또한, 산소가 상기 수소 양성자들과 반응하도록 캐소드(26)에 유입되어 물과 열을 형성할 수 있다.
수소 및/또는 산소를 포함하는 가스들은 말단 판들(12A, 12B)을 통해 애노드 측(25)과 캐소드 측(26)으로 유입될 수 있다. 예를 들면, 가스들은 말단 판들(12A, 12B) 내의 개구들로 유입될 수 있다. 가스들은, 스택(11)의 셀들(10)에 실질적으로 수직인 각으로 말단 판들(12A, 12B) 내의 개구들로 들어올 수 있으며, 대략 90도로 돌아 셀들(10)의 길이를 따라 평행하게 이동하고, 이어서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 다시 실질적으로 90도로 돌아 말단 판들(12A, 12B) 내의 다른 개구들에서 나갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 말단 판들(12A, 12B)은 가스들의 흐름을 안내하도록 그루브들, 리지들(ridges), 개구들, 또는 다른 기하학 구조들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 말단 판들(12A, 12B)의 기하학 구조는 가스들을 실질적으로 선형 방식으로, 구불구불한 방향으로 흐르게 할 수 있으며, 또는 요동치게 또는 평활하게 또는 어떠한 다른 적절한 방식으로 흐르게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 수소는 애노드(25)에 인접하는 말단 판(12A)에 유입될 수 있고 산소는 캐소드(26)에 인접하는 말단 판(12B)에 유입될 수 있으며, 또는 그 역으로도 가능하다. 일부 실시예들에서, 예를 들면 상이한 가스들이 말단 판들(12A, 12B)의 상이한 개구들에 유입될 수 있다. 다양한 가스들의 유입 및 유출 위치들은 양극판들을 따라 또는 시스템(20) 둘레에 가스의 반응 물질들을 분배할 수 있는 매니폴드(manifold)의 구성에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다.
질량 보존에 따라 물질(matter)이 생성되거나 파괴되지 않음으로, 시스템에 들어가는 공기 질량은 상기 시스템을 떠나거나 또는 누적되거나, 또는 상기 시스템 내에서 사용되어야 한다. 이러한 것은 종종 질량 평형(mass balance)이라 언급한다. 따라서, 시스템(20)에서 나가는 공기의 양은 들어오는 공기의 량에서 시스템(20)에서 일어나는 모든 반응들에서 소비되는 양을 뺀 것과 동일하다. 이러한 사실과 유체 동력학의 원리들에 적어도 부분적으로 기초하여, 시스템(20)의 사다리꼴 형태는 시스템(20)의 보다 긴 측으로 들어오는 공기를 낮은 속도로 이동하게 하고, 시스템(20)의 더 짧은 측으로 들어오는 공기를 높은 속도로 이동하게 한다.
공기의 유동 속도는 예를 들면 적절한 수화(hydration)를 촉진하거나 또는 상기 전기화학 셀로부터 생성된 물의 제거를 촉진하는 데 있어, 상기 전기화학 셀 시스템(20) 내의 물의 양에 영향을 미칠 수 있다. 상기 사다리꼴의 보다 긴 측과 결과적인 낮은 공기 속도는 상기 측면이 막의 축임(humidification)을 촉진하게 할 수 있다. 공기를 더 빠르게 이동시키는 것은 증발의 속도를 증가시키기 때문에, 상기 보다 긴 측에 유입되는 건조 반응물들의 속도를 늦추는 것은 PEM으로부터 수분 손실의 양을 감소시킬 수 있다. PEM(8)의 적절한 습도를 유지하는 것은 PEM(8)이 건조해져 손상되거나, 및/또는 이온 이동에 대한 불충분한 전도와 그로 인해 전기화학 셀에 의해 발생되는 전력의 강하를 방지할 수 있다. 따라서, 시스템(20)의 보다 긴 측은 전기화학 셀 효율을 개선할 수 있다.
반대로, 상기한 바와 같이, 수소 양성자들은 상기 캐소드 측에서 산소와 반응하여 폐기물로서 물을 형성하고, 액체 또는 수증기가 시스템(20) 내에 쌓이게 한다. 따라서, 시스템(20)의 보다 짧은 측 및 결과적인 보다 빠른 공기 속도는 상기 보다 짧은 측으로부터 과도한 물의 제거를 촉진할 수 있다. 상기 보다 짧은 측으로부터 물을 제거하는 것은 바람직할 수 있는데, 이는 PEM(8)의 범람(flooding)이 이온 이동의 부적절한 전도를 다시 일으킬 수 있고, 산소가 상기 캐소드에 도달하는 것을 방해할 수 있으며, 또한 전기전도 셀 성능을 감소시키기 때문이다. 따라서, 시스템(20)의 보다 짧은 측도 역시 배기 가스 수분의 형태로 물을 제거함으로써 전기화학 셀 효율을 개선할 수 있다.
따라서, 시스템(20)의 보다 긴 측을 따라 가스들을 유입하는 것은 가스가 들어오는 지역에서 물의 유지를 촉진하고, 짧은 측을 따라 가스들을 나가게 하는 것은 말단 판들(12A, 12B)의 가스 배출 지역에서 물의 제거를 촉진할 수 있다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 공기 흐름은 상기 전기화학 셀 내의 온도 또는 압력의 제어를 진척시키는 사용될 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에서 공기가 전기화학 셀 시스템(20)으로 주입 및 배출됨에 따른 공기 흐름의 구성을 묘사한 것이다. V1로 라벨된 화살표는 제 1 길이(L1)를 갖는 상기 시스템의 보다 긴 측으로 주입되는 공기의 속도를 나타낸다. V2로 라벨된 화살표는 제 1 길이(L1)보다 짧은 제 2 길이(L2)를 갖는 상기 시스템의 보다 짧은 측에서 배출되는 공기의 속도를 나타낸다. V2의 속도는 V1의 속도보다 높을 수 있다. 일부 실시예들에서, 보다 긴 측의 길이(L1), 보다 짧은 측의 길이(L2), 보다 긴 측의 공기 속도(V1), 및 보다 짧은 측의 공기 속도(V2) 사이의 관계는 다음과 같다:
Figure pct00001
도 4는 종래의 직사각형 셀과, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 사다리꼴 셀의 캐소드에서의 속도들의 차를 비교하는 예시적 모델을 그래프로 도시한다. 산출하는데 있어서, 직사각형 전기화학 셀의 가스 주입 및 배출 측들은 모두 220mm로 추정한다. 또한, 상기 사다리꼴 전기화학 셀은 300mm 길이의 가스 주입 측과 140mm 길이의 가스 배출 측을 갖는 것으로 추정한다.
전기화학 셀 시스템(20)은 하나 이상의 압축기들을 선택적으로 포함할 수 있다. 압축기는 전기화학 셀(10)에 대한 위험을 방지하도록 스택(11)으로 이동하는 공기의 흐름 및 공기 압력의 조정 및 제어를 증가시키며, 이러한 것은 시스템(20)의 기하학적 형태의 이득을 보충할 수 있다. 시스템(20)은 예를 들면 왕복(reciprocating), 회전 나사(rotary screw), 단일 스테이지, 또는 다중 스테이지와 같은 어떠한 적절한 수 또는 유형의 공기 압축기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 압축기는 시스템(20) 외부의 소스로부터 공기를 받아 압축할 수 있다. 예를 들면, 압축기는 공기를 상기 압축기로 전달하도록 구성된 반응물 소스(도시되지 않음)에 동작 가능하게 연결될 수 있으며, 또는 주변 환경으로부터 공기를 끌어들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 압축기는 스택(11)에서 배출되는 공기를 재활용하도록 구성될 수 있어, 시스템(20)으로 재 전달되도록 한다. 일부 실시예들에서, 압축기는 하나 이상의 상기한 소스들로부터 공기를 받아들이도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 압축기가 공기를 얻어내는 소스는 예를 들면 유용성, 온도, 압력, 또는 습도와 같은 하나 이상의 인자들에 따라 달라질 수 있다.
전기화학 셀 시스템(20)의 실질적인 사다리꼴 구성은 표준의 직사각형 전기화학 셀들에 의해 일반적으로 얻어진 값들에 비해 반응물의 화학량론을 줄일 수 있다. 공기 화학량론을 줄이는 것은 차례로 수소 재순환 디바이스들의 디자인을 용이하게 할 수 있다. 예를 들면, 공기 화학량론을 줄이는 것은 전기화학 셀 효율을 진척시키고, 다른 기하학 형태들에 비해 기술적 이득을 제공할 수 있다. 예를 들면, 하기의 테이블은 본 개시의 실시예에 따른 예시적 사다리꼴 전기화학 셀 시스템의 효율를 샘플 직사각형 전기화학 셀 시스템과 비교한 것이다.
Figure pct00002
스택(11)의 전기화학 셀들(10) 내의 막들(8)의 습도를 더 조정하기 위해, 시스템(20)은 또한 하나 이상의 가습기들을 포함할 수 있다. 스택(11)에 전달된 공기의 일부 또는 공기의 전부는 먼저 전기화학 스택(11)에 주입되기 전에 가습기를 통과한다. 압축기들과 가습기들을 모두 포함하는 일부 실시예들에서, 공기의 일부는 스택(11)에 도달하기 전에 먼저 압축기로부터 가습기로 통과할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 공기의 일부 또는 공기의 전부는 스택(11)으로부터 배출되고, 이어서 스택(11)에 재주입되기 전에 가습기 및/또는 압축기를 통과할 수 있다. 예를 들면, 젖은 공기가 스택(11)으로부터 배출되어 가습기로 방출될 수 있으며, 압축기로부터의 건조한 공기가 상기 가습기로 주입될 수 있다.
이러한 방법에 있어서, 하나 이상의 가습기들 또는 압축기들, 또는 어떠한 적절한 디바이스가 공기 관리와 전기화학 셀 효율을 더욱 진척시키도록 실질적인 사다리꼴 전기화학 셀 시스템(20)과 함께 사용될 수 있다. 또한, 시스템(20)은 공기의 압력, 습도, 유동 속도, 또는 온도와 같은 어떠한 적절한 파라미터를 측정하기 위해 어떠한 적절한 측정 디바이스를 포함할 수 있다. 더욱이, 시스템(20)은 전기화학 셀 스택(11)을 통한 공기의 흐름을 수동으로 또는 자동으로 모니터하거나 및/또는 제어하도록 구성된 하나 이상의 제어기들을 포함할 수 있다.
본 개시의 많은 특징들 및 이점들은 본 상세한 설명으로부터 명백하며, 따라서 본 첨부된 청구범위는 본 개시의 진정한 정신 및 범위 내에 들어가는 본 개시의 상기한 모든 특징들 및 이점들을 포함시키도록 의도되었다. 또한, 다양한 수정들과 변경들이 당업자들에 의해 일어날 수 있으므로, 설명되고 기술된 바의 정확한 구성과 동작에 본 개시를 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서, 모든 적절한 수정들과 등가물들은 본 개시의 범위로 분류될 수 있고, 그에 포함될 것이다.
또한, 당업자는 본 개시가 기초하는 개념은 본 개시의 몇몇의 목적들을 실행하기 위한 다른 구조들, 방법들, 및 시스템들을 디자인하는데 그 근간으로서 사용될 수 있다는 것을 인정할 것이다. 따라서, 본 청구범위는 전술한 기재에 의해 제한되는 것으로 여겨져서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 전기화학 셀 시스템에 있어서:
    직렬로 배열된 복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 스택;
    제 1 길이를 갖는 상기 전기화학 셀 스택의 제 1 측(side); 및
    상기 제 1 길이와는 다른 제 2 길이를 갖는 상기 전기화학 셀 스택의 제 2 측을 구비하는, 전기화학 셀 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측은 상기 전기화학 셀 스택의 가스 입력 측이고, 상기 제 2 측은 상기 전기화학 셀 스택의 가스 출력 측인, 전기화학 셀 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 측은 상기 제 2 측보다 긴, 전기화학 셀 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 스택은 실질적으로 사다리꼴(trapezoidal) 형태인, 전기화학 셀 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    말단 판(end plate)을 더 구비하며,
    다량의 가스가 상기 제 1 측으로 입력되어 상기 전기화학 셀 스택의 말단 판을 통과하고 상기 제 2 측에서 배출되도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 측으로 주입되는 가스가 상기 제 2 측에서 배출되는 가스보다 저속으로 이동하도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 스택의 형태는 상기 제 1 측에서 물의 보유(water retention)를 진척시키고, 상기 제 2 측에서 물의 손실(water loss)을 진척시키는, 전기화학 셀 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    복수의 전기화학 셀들의 각각은 실질적인 사다리꼴 형태를 갖는, 전기화학 셀 시스템.
  9. 전기화학 셀 시스템에 있어서:
    직렬로 배열된 복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 스택으로서, 애노드 단(anode end), 캐소드 단(cathode end), 제 1 측, 및 상기 제 1 측과 대향하는 제 2 측을 갖는, 상기 전기화학 셀 스택;
    상기 애노드 단에 위치된 제 1 말단 판; 및
    상기 캐소드 단에 위치된 제 2 말단 판으로서, 상기 전기화학 셀 스택이 상기 제 1 말단 판 및 상기 제 2 말단 판 사이에 샌드위치되는, 상기 제 2 말단 판을 구비하며,
    상기 제 1 측의 길이는 상기 제 2 측의 길이보다 길고,
    가스가 상기 제 1 말단 판의 제 1 측으로 주입되어 상기 제 1 말단 판을 따라 이동하고 상기 제 1 말단 판의 제 2 측에서 배출되도록 구성되고,
    가스가 상기 제 2 말단 판의 제 1 측으로 주입되어 상기 제 2 말단 판을 따라 이동하고 상기 제 2 말단 판의 제 2 측에서 배출되도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 측으로 주입되는 가스는 상기 제 2 측으로 배출되는 가스보다 느리게 이동하도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 측에서의 가스의 느린 이동은 물의 보유를 진척시키고, 상기 제 2 측에서의 가스의 더 빠른 이동은 물의 손실을 진척시키도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 스택은 실질적인 사다리꼴 형태를 갖는, 전기화학 셀 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 스택은 연료 셀 스택인, 전기화학 셀 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 말단 판은 상기 제 2 말단 판이 받아들이는 가스와는 다른 가스를 받아들이도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 말단 판은 수소를 포함하는 가스를 받아들이도록 구성되고, 상기 제 2 말단 판은 산소를 포함하는 가스를 받아들이도록 구성되는, 전기화학 셀 시스템.
  16. 전기화학 셀 시스템에 있어서:
    복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 스택;
    상기 전기화학 셀 스택의 애노드 단; 및
    상기 전기화학 셀 스택의 캐소드 단을 구비하고,
    상기 전기화학 셀 스택은 실질적인 사다리꼴 기하학 구조를 갖는, 전기화학 셀 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 스택의 제 1 측은 상기 전기화학 셀 스택의 제 2 측보다 길고, 상기 제 1 측은 상기 제 2 측과 대향하여 위치되는, 전기화학 셀 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    공기가 제 1 속도로 상기 제 1 측으로 주입되고 제 2 속도로 상기 제 2 측에서 배출되도록 구성되고, 상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도와는 다른, 전기화학 셀 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도보다 느린, 전기화학 셀 시스템.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀 스택은 등변 사다리꼴(isosceles trapezoid) 형태인, 전기화학 셀 시스템.
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