KR20180132127A - 설계된 유동장을 갖는 전기화학 셀 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전기화학 셀은 전해액을 전극 또는 이온 전도성 분리막에 보다 효율적으로 제공하도록 설계된 유동 채널을 포함할 수 있다. 이러한 전기화학 셀은 제1 반쪽-셀과 제2 반쪽-셀 사이에 배치된 이온 전도성 분리막, 제1 반쪽-셀 내의 제1 이극판, 및 제2 반쪽-셀 내의 제2 이극판을 포함할 수 있다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 전도성 물질과 차단재를 함유하는 복합체이다. 차단재는, 서로 이격되어 있으며 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정한다. 복수의 유동 채널들은 또한 복합체 내에서 서로 유체 연통한다. 이러한 전기화학 셀은 전기화학 스택에 혼입될 수 있고/있거나 유체 유입 매니폴드 및 유체 유출 매니폴드에 유체 연결될 수 있다.

Description

설계된 유동장을 갖는 전기화학 셀 및 이의 제조 방법
관련 출원의 상호 참조
적용 가능하지 않음.
연방 지원 연구 또는 개발에 관한 소명
적용 가능하지 않음.
기술분야
본 발명은 일반적으로 전기화학 셀(electrochemical cell)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 설계된 유동장(flow field) 아키텍쳐를 갖는 전기화학 셀 및 이러한 전기화학 셀의 제조 방법에 관한 것이다.
배터리, 수퍼커패시터 등과 같은 전기화학적 에너지 저장 시스템이 대규모 에너지 저장 적용을 위해 광범위하게 제안되어 왔다. 유동 배터리를 포함하는 다양한 배터리 설계들이 이러한 목적을 위해 고려되었다. 다른 유형의 전기화학적 에너지 저장 시스템에 비해, 전력 밀도 및 에너지 밀도의 파라미터를 서로 분리하는 능력으로 인해, 특히 대규모 적용을 위해서는 유동 배터리(flow battery)가 유리할 수 있다.
유동 배터리는 일반적으로 상응하는 전해액 중에 음극 활물질과 양극 활물질을 포함하며, 이들은 음극(negative electrode)과 양극(positive electrode)을 함유하는 전기화학 셀 내의 멤브레인(membrane) 또는 분리막(separator)의 대향면을 가로질러 개별적으로 유동한다. 유동 배터리는 2개의 반쪽-셀(half-cell) 내부에서 발생하는 활물질들의 전기화학적 반응을 통해 충전되거나 방전된다. 본원에서 사용된 용어 "활물질(active material)", "전기활물질(electroactive material)", "산화환원 활물질(redox-active material)" 또는 이들의 변이체는, 동의어로, 유동 배터리 또는 유사한 전기화학적 에너지 저장 시스템의 작동 과정에서(즉, 충전 또는 방전 과정에서) 산화 상태에서 변화되는 물질을 지칭할 것이다. 완전(full) 전기화학 셀은 분리막 물질에 의해 분리되는 2개의 반쪽-셀(즉, 양의 반쪽-셀 및 음의 반쪽-셀)을 함유한다.
유동 배터리에 의해 저장 및 방출될 수 있는 에너지의 양을 증가시키기 위해, 복수의 개별 전기화학 셀들이 서로 전기 접속하도록 배치될 수 있다. 개별 전기화학 셀들을 서로 전기 접속하도록 배치하면 전형적으로 개별 전기화학 셀을 인접한 전기화학 셀들 사이에 전기 접속을 확립하는 이극판(bipolar plate) 또는 유사한 물질과 함께 "셀 스택(cell stack)" 또는 "전기화학 스택(electrochemical stack)"에 위치시킴을 포함한다. 이극판은 전기 전도성이지만 유체 전달에 있어서는 실질적으로 비전도성이다. 따라서, 이극판은 인접한 전기화학 셀들 사이에서 전해액을 교환하지 않고도 이들 사이의 전기 연통(electrical communication)을 확립한다.
전기화학 셀 내에서, 이극판은 분리막 또는 멤브레인에 인접 배치될 때 전극 자체로서 직접 작용할 수 있거나, 이극판은 분리막 또는 멤브레인에 인접한 개별 전극 물질에 인접할 수 있다. 주어진 전기화학 셀에 어떠한 구성이 존재하는지에 관계없이, 분리막에 근접하여 원하는 전기화학 반응을 촉진시키기 위해서는 전해액을 분리막에 효율적으로 분배하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 전해액의 비효율적인 분포는 작동 효율을 감소시키고/시키거나 분리막으로부터 제거된 위치에서 기생 반응(parasitic reaction)의 발생을 증가시킬 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "기생 반응"은 전해액에서 활물질의 원하는 산화-환원 주기와는 상이한 임의의 전기화학적 부반응을 지칭할 것이다.
전기화학 셀의 분리막에 대한 전해액의 분배는 이극판을 사용하여 달성될 수 있다. 경우에 따라, 이후에 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 원하는 방식으로 유동 동역학을 제어하기 위해 설계된 유동장이 이극판에 혼입될 수 있다. 전해액의 유동 동역학이 크게 조절되지 않는 개방형 유동장을 혼입한 유동장 아키텍쳐 또한 가능하다. 개질되지 않은 다공성 카본 클로쓰 또는 펠트는 전기화학 셀에서 개방형 유동장을 제공할 수 있는 예시적인 물질을 나타낸다.
적어도 하나의 좌표축에서 방향 변화를 제공하는 설계된 유동장은 종종 개방형 유동장보다 더 효율적인 셀 작동을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상호맞물린(interdigitated) 유동장은 셀 전압을 바람직한 낮은 수준으로 유지하면서 높은 전류 밀도 값을 제공할 수 있다. 개방형 유동장은 전기화학 셀의 제조시 특별한 우려 사항이 거의 없다. 반면, 설계된 유동장은 전도성 물질에서 복수의 유동 채널들을 성형 및/또는 기계가공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 설계된 유동장의 정의는 제조 비용을 상당히 증가시킬 수 있고 속도 제한 제조 단계를 나타낼 수 있다. 상호맞물린 유동장을 이극판 내에서 제조하는 것은 특히 연속 생산 라인에서 시기 적절하고 비용 효과적인 방식으로 실현하기가 특히 어려울 수 있다.
상기한 바를 고려하여, 그 안에 용이하게 혼입되는 유동장을 설계할 수 있고 이의 제조를 용이하게할 수 있는 전기화학 셀 구성이 당업계에서 매우 바람직할 것이다. 본 발명은 상기한 필요성을 충족시키고 관련된 장점도 제공한다.
일부 양태에서, 본 발명은 제1 반쪽-셀과 제2 반쪽-셀 사이에 배치된 이온 전도성 분리막, 제1 반쪽-셀 내의 제1 이극판, 및 제2 반쪽-셀 내의 제2 이극판을 함유하는 전기화학 셀을 제공한다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 전도성 물질과 차단재(blocking material)를 포함하는 복합체이다. 차단재는, 서로 이격되어 있으며 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정한다. 복수의 유동 채널들은 복합체 내에서 서로 유체 연통(fluid communication)한다. 전기화학 스택은 서로 함께 인접된 복수의 전기화학 셀들을 함유할 수 있다.
기타 다양한 양태에서, 전기화학 셀의 형성 방법은 차단재를 전도성 물질의 일부에 함침시켜 복합체를 형성하는 단계, 및 제1 반쪽-셀 중의 제1 이극판 및 제2 반쪽-셀 중의 제2 이극판을 함유하는 전기화학 셀을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 반쪽-셀 및 제2 반쪽-셀은 이온 전도성 분리막에 의해 분리된다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 복합체를 함유한다. 차단재는, 서로 이격되어 있으며 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정한다. 복수의 유동 채널들은 복합체 내에서 서로 유체 연통한다.
기타 다양한 양태에서, 전기화학 셀의 형성 방법은 차단재를 전도성 물질 상의 층에 배치하여 복합체를 형성하는 단계, 차단재의 일부를 층으로부터 제거하여 서로 이격되어 있는 복수의 유동 채널들을 한정하는 단계, 및 제1 반쪽-셀 중의 제1 이극판 및 제2 반쪽-셀 중의 제2 이극판을 함유하는 전기화학 셀을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 반쪽-셀 및 제2 반쪽-셀은 이온 전도성 분리막에 의해 분리된다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 복합체를 함유한다. 복수의 유동 채널들은 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장된다. 복수의 유동 채널들은 복합체 내에서 서로 유체 연통한다.
전술한 내용은 하기 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징을 다소 광범위하게 설명하였다. 본 발명의 추가의 특징 및 이점이 이하 기재된다. 이들 및 다른 이점 및 특징은 하기 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명 및 이의 이점을 보다 완전하기 이해하기 위해, 본 발명의 특정 양태를 기재하는 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 참조한다.
도 1은 단일 전기화학 셀을 포함하는 예시적인 유동 배터리의 개략도를 도시한다.
도 2는 이극판을 함유하는 예시적인 전기화학 스택의 일반적인 개략도를 도시한다.
도 3은 도 2의 전기화학 셀을 함유하는 예시적인 전기화학 스택의 일반적인 개략도를 도시한다.
도 4는 인접한 전기화학 셀들 사이에 공유된 이극판들을 갖는 예시적인 전기화학 스택의 일반적인 개략도를 도시한다.
도 5는 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는, 인접한 반쪽-셀들 사이에 프레임 층 및 압축성 밀봉부를 갖는 예시적인 전기화학 셀 구성의 전개도를 도시한다.
도 6a는 도 5의 전기화학 유닛 셀의 캐소드 측면의 상세도를 도시한다.
도 6b는 도 5의 전기화학 유닛 셀의 애노드 측면의 상세도를 도시한다.
도 7은 서로 함께 완전히 인접된 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 5의 전기화학 셀의 단면도를 도시한다.
도 8은 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는 또 다른 예시적인 전기화학 셀 구성의 전개도를 도시한다.
도 9는 서로 함께 완전히 인접된 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 8의 전기화학 셀의 단면도를 도시한다.
도 10은 내부에 한정된 복수의 유동 채널들을 함유하는 예시적인 전기화학 셀의 개략도의 상면도를 도시한다.
도 11은 내부에 함침되어 있는 차단재를 갖는 이극판을 함유하는 예시적인 전기화학 반쪽-셀의 개략도의 측면도를 도시한다.
도 12는 그 위의 층으로서 배치되어 있는 차단재를 갖는 이극판을 함유하는 예시적인 전기화학 반쪽-셀의 개략도의 측면도를 도시한다.
도 13은 차단재가 존재하는 이극판을 함유하는 완전(complete) 전기화학 셀의 개략도의 측면도를 도시한다.
도 14 및 도 15는 열가소성 중합체가 이극판의 전도성 물질 내에 함침될 수 있는 예시적인 공정의 2가지 상이한 도면을 도시한다.
도 16은 분무기를 사용하는 예시적인 액체 침착 공정을 도시한다.
도 17 및 도 18은 열가소성 중합체가 이극판의 전도성 물질 상에서 층을 이룰 수 있고 이어서 삭마(ablation)되어 유동 채널을 한정할 수 있는 예시적인 공정의 2가지 상이한 도면을 도시한다.
도 19 및 도 20은 이극판 내의 유동 채널을 한정하고 이로부터 전기화학 셀을 조립하는데 사용될 수 있는 예시적인 연속 생산 라인의 일반적인 개략도를 도시한다.
본 발명은, 부분적으로는, 이극판 내에 설계된 유동장을 갖는 전기화학 셀에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 부분적으로는, 이극판 내에 설계된 유동장을 갖는 전기화학 셀의 제조 공정에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 부분적으로는, 이극판 내에 설계된 유동장을 갖는 전기화학 셀을 제조하기 위한 생산 라인 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 모두가 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면 및 실시예와 관련하여 취해진 다음의 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다. 본 발명은 특정 제품에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 본원에 기재되고/되거나 도시된 특정 생성물, 방법, 조건 또는 파라미터에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어는 특정 양태를 단지 예로써 기술하기 위한 것이고, 달리 특정되지 않는 한 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 유사하게, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 조성물에 관한 본원의 임의의 설명은 조성물을 함유하는 용액 및 전해질을 포함하는 조성물의 고체 및 액체 버전 둘 다, 및 전기화학 셀, 유동 배터리, 및 이러한 용액 및 전해질을 함유하는 다른 에너지 저장 시스템을 지칭하고자 한다. 또한, 본원의 개시내용이 전기화학 셀, 유동 배터리 또는 다른 에너지 저장 시스템을 기재하는 경우, 전기화학 셀, 유동 배터리 또는 다른 에너지 저장 시스템을 작동시키기 위한 방법들 또한 암시적으로 기재된다는 것이 인식되어야 한다.
또한, 본 발명의 특정한 특징은 명료화를 위해 별도의 양태의 맥락에서 본원에 기재될 수 있지만, 단일 양태에서 서로 조합하여 제공될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명백하게 호환 불가능하거나 또는 구체적으로 배제되지 않는 한, 각각의 개별 양태는 임의의 다른 양태(들)와 결합가능한 것으로 간주되고, 상기 조합은 다른 별개의 양태를 나타내는 것으로 간주된다. 역으로, 간결함을 위해 단일 양태의 맥락에서 기재된 본 발명의 다양한 특징들이 또한 개별적으로 또는 임의의 하위조합으로 제공될 수 있다. 마지막으로, 특정 양태가 일련의 단계의 일부 또는 더 일반적인 구조의 일부로서 기재될 수 있고, 각 단계 또는 하위-구조는 또한 그 자체로 독립적인 양태로서 간주될 수 있다.
달리 언급되지 않는 한, 리스트 내의 각각의 개별 요소 및 해당 리스트 내의 개별 요소의 모든 조합은 별개의 양태로서 해석되어야 하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, "A, B 또는 C"로 제시된 양태의 리스트는 양태 "A", "B", "C", "A 또는 B", "A 또는 C", "B 또는 C" 또는 "A, B 또는 C"를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에서, 관사 "a", "an" 및 "the"의 단수 형태는 또한 상응하는 복수의 지시대상을 포함하고, 특정 수치 값에 대한 참조는 문맥상 명백히 다르게 지시되지 않는 한 적어도 그 특정 값을 포함한다. 따라서, 예를 들면 "물질"에 대한 참조는 이러한 물질 및 이의 등가물 중 적어도 하나에 대한 참조이다.
일반적으로, 용어 "약"의 사용은 개시된 주제에 의해 수득될 수 있는 목적하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사값을 나타내고, 기능성에 기초하는 문맥 의존 방식으로 해석되어야 한다. 따라서, 당업자는 상황에 따라 분산 정도를 해석할 수 있을 것이다. 일부 경우에, 특정 값을 표현할 때 사용되는 유효 숫자의 수는 용어 "약"에 의해 허용되는 분산을 결정하는 대표적인 기술일 수 있다. 다른 경우에, 일련의 값의 계조를 사용하여 용어 "약"에 의해 허용되는 분산의 범위를 결정할 수 있다. 또한, 본 발명에서 모든 범위는 포괄적이며 조합가능하고, 범위 내에 기재된 값의 참조는 그 범위 내의 모든 값을 포함한다.
전술된 바와 같이, 고효율 값을 유지하면서 대규모로 작동가능한 에너지 저장 시스템이 매우 바람직할 수 있다. 이와 관련하여 유동 배터리가 상당히 관심을 끌고 있지만, 실제로 상업적으로 실현 가능한 유동 배터리 기술은 아직 개발되지 않았다. 유동 배터리에 이용되는 것들을 포함하는 전기화학 셀의 한 가지 바람직한 특징은 전해액의 효율적인 분배를 위한 구조이다. 전해액의 적절한 분배가 일어나지 않으면, 비효율적인 셀 작동이 발생할 수 있고/있거나 기생 반응의 발생이 증가할 수 있다.
설계된 유동장은 내부에 수용된 이극판을 통해 전기화학 셀로 도입될 수 있지만, 그렇게 하는 현재의 기술은 일반적으로 힘들고 고비용이며 시간 소모적이다. 보다 구체적으로는, 설계된 유동장을 이극판에 도입하기 위한 현재의 기술은 전도성 물질에 복수의 유동 채널들을 성형 또는 기계가공하는 것을 수반한다. 성형 및 기계가공 작동은 본질적으로 느려서 이러한 공정을 연속 생산 라인 내에 혼입하는 것은 불가능할 수 있다. 상호맞물린 유동장 아키텍쳐는 전기화학 셀에 도입하는데 바람직할 수 있는 한 가지 유형의 설계된 유동장을 대표한다. 그러나, 이용 가능한 기술을 사용하여 특히 고처리량(high-throughput) 방식으로 이를 수행하는 것은 현재 어렵다.
본 발명자들은 내부의 이극판이 복수의 준-상호맞물린(quasi-interdigitated) 유동 채널을 한정하도록 용이하게 변형될 수 있는 전기화학 셀 구성을 밝혀내었다. 종래의 상호맞물린 유동 채널이 전도성 물질을 기계가공 또는 성형함으로써 생성되는 반면, 본 발명자들은 전도성 물질 내에 또는 그 위에 차단재를 선택적으로 배치함으로써 준-상호맞물린 유동 채널이 제조될 수 있음을 밝혀내었다. 본원에서 사용된 용어 "차단재"는 전도성 물질에서 공극(pore space)의 일부를 채우고 전해액이 이동할 수 없는 불침투성 영역을 형성할 수 있는 임의의 물질을 지칭할 것이다. 전도성 물질 내부 및/또는 위의 특정 위치에 차단재를 배치함으로써, 잔여 전도성 물질은 상호맞물린 유동장에 의해 제공되는 것과 유사한 유동 분배 특성을 제공할 수 있다. 이에 대한 추가의 개시가 아래에 있다.
본원에 개시된 방식으로 차단재를 사용하면 부분 폐쇄형 유동 채널 및 개방형 유동 채널 모두를 생성할 수 있다. 부분 폐쇄형 유동 채널 구성에서, 전도성 물질은 유동 채널의 내부를 채우고 차단재는 유동 채널의 외부 경계를 한정한다. 전도성 물질의 상호연결된 기공(pore)은 유체 유동이 유동 채널을 통해 여전히 일어날 수 있게할 수 있다. 즉, 전도성 물질은 차단재보다 유체 유동에 대한 장애를 덜 제공한다. 개방형 유동 채널 구성에서, 차단재는 유동 채널의 외부 경계를 다시 한정하지만, 유동 채널의 내부는 이 경우 이극판의 전도성 물질로 채워지지 않는다. 경우에 따라, 유동 채널의 내부는 전극 물질로 채워질 수 있다. 각각의 구성은 아래에서 더 논의된다.
유리하게는, 적합한 차단재가, 유동 채널이 용이하게 한정될 수 있게 하는 다양한 방식으로 전도성 물질 상에 또는 내에 혼입될 수 있다. 보다 구체적으로는, 유동 채널은 부가(additive) 또는 삭감(subtractive) 공정에 의해 전도성 물질로 한정될 수 있다. 부가 공정은 유동 채널이 부가 공정 과정에서 직접 한정되는 방식으로 차단재를 선택적으로 도입한다. 반면, 삭감 공정은 차단재를 균일하게(즉, 비선택적으로) 도입하고, 차단재의 일부를 선택적으로 제거하여 전도성 물질 내에 또는 그 위에 유동 채널을 한정할 수 있다. 전도성 물질에서 유동 채널을 한정하기 위한 부가 및 삭감 공정 모두 다양한 고처리량 제조 기술과 호환될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전기화학 셀 구성은 롤상 원료(rolled source)로부터 생산 라인으로 공급되는 물질로 전적으로 또는 실질적으로 제조될 수 있다. 이에 대한 추가의 개시가 아래에 있다.
준-상호맞물린 유동장이 이극판으로 도입될 수 있는 전기화학 셀 구성 및 공정을 추가로 논의하기 전에, 유동 배터리 및 이들의 다양한 구성요소의 간략한 개요가 먼저 제공될 것이다. 도 1은 단일 전기화학 셀을 포함하는 예시적인 유동 배터리의 개략도를 도시한다. 활물질 및 다른 구성요소가 단일 조립체에 수용된 전형적인 배터리 기술(예를 들면 Li-이온, Ni-금속 수소화물, 납-산 등)과는 달리, 유동 배터리는 전기화학 스택을 통해 저장 탱크로부터 산화환원 활성 에너지 저장 물질을 (예를 들면 펌핑을 통해) 전달한다. 이러한 설계 특징은 에너지 저장 용량으로부터 전기 에너지 저장 시스템 전력을 분리하고, 이에 의해 상당한 설계 유연성 및 비용 최적화를 가능하게 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유동 배터리 시스템(1)은 전기화학 셀의 2개 전극(10 및 10')을 분리하는 분리막(20)(예를 들면 멤브레인)을 특징으로 하는 전기화학 셀을 포함한다. 전극(10 및 10')은 금속, 탄소, 흑연 등과 같은 적절한 전도성 물질로 형성된다. 탱크(50)는 산화 상태와 환원 상태 사이에서 순환될 수 있는 제1 활물질(30)을 포함한다.
펌프(60)는 탱크(50)로부터 전기화학 셀로의 제1 활물질(30)의 전달에 영향을 미친다. 또한, 유동 배터리는 제2 활물질(40)을 포함하는 제2 탱크(50')를 적절하게 포함한다. 제2 활물질(40)는 활물질(30)과 동일한 물질일 수 있거나, 이는 상이할 수 있다. 제2 펌프(60')는 전기화학 셀로의 제2 활물질(40)의 전달에 영향을 미칠 수 있다. 펌프를 또한 사용하여 전기화학 셀로부터 탱크(50 및 50')(도 1에 도시되지 않음)로의 활물질의 역 전달에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 사이펀(siphon)과 같은 유체 전달에 영향을 미치는 다른 방법은 또한 제1 및 제2 활물질(30 및 40)을 전기화학 셀 내부 및 외부로 적절하게 전달할 수 있다. 전기화학 셀의 회로를 완성하고, 사용자가 이의 작동 동안 전기를 수집하거나 저장하도록 하는 전력원 또는 부하(70)가 도 1에 도시되어 있다.
도 1은 유동 배터리의 특정한 비제한적인 구성을 도시한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 취지에 부합하는 유동 배터리 및 전기화학 셀은 도 1의 구성과 관련하여 여러 측면에서 상이하다. 일례로서, 유동 배터리 시스템은 고체 및/또는 기체 및/또는 액체 용해된 기체인 하나 이상의 활물질을 포함할 수 있다. 활물질은 탱크 내에 또는 대기에 개방된 용기에 저장되거나, 대기로 간단히 배기될 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "분리막" 및 "멤브레인"은 전기화학 셀의 양극 및 음극 사이(즉, 음의 반쪽-셀과 양의 반쪽-셀 사이)에 배치된 이온 전도성이고 전기 절연성인 물질을 지칭할 것이다. 분리막은 일부 양태에서는 다공성 멤브레인일 수 있고/있거나 다른 다양한 양태에서는 이오노머 멤브레인일 수 있다. 일부 양태에서, 분리막은 이온 전도성 중합체로부터 형성될 수 있다.
중합체 멤브레인은 음이온-전도성 또는 양이온-전도성 전해질일 수 있다. "이오노머"로서 기재된 경우, 상기 용어는 전기적 중성 반복 단위 및 이온화 반복 단위를 모두 함유하는 중합체 멤브레인을 의미하며, 여기서 이온화 반복 단위는 펜던트(pendant)이고, 중합체 골격에 공유 결합된다. 일반적으로, 이온화 반복 단위의 분획은 약 1mol% 내지 약 90mol%의 범위일 수 있다. 이오노머의 이온화 반복 단위는 설포네이트, 카복실레이트 등과 같은 음이온성 작용성 그룹을 포함할 수 있다. 이러한 작용성 그룹은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 같은 1가, 2가 또는 고가 양이온에 의해 전하 균형될 수 있다. 이오노머는 부착되거나 매립된 4급 암모늄, 설포늄, 포스파제늄 및 구아니디늄 잔기 또는 염을 함유하는 중합체 조성물을 또한 포함할 수 있다. 적합한 예는 당업자에게 친숙할 것이다.
일부 양태에서, 분리막으로서 유용한 중합체는 고도로 플루오르화된 또는 퍼플루오르화된 중합체 골격을 포함할 수 있다. 본 발명에 유용한 특정 중합체는 DuPont으로부터 NAFION™ 퍼플루오르화 중합체 전해질로서 시판되는 하나 이상의 플루오르화된 산-작용성 공단량체와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체를 포함한다. 다른 유용한 퍼플루오르화 중합체는 테트라플루오로에틸렌의 공중합체 및 FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF=CF2, FLEMION™ 및 SELEMION™을 포함할 수 있다.
또한, 설폰산 그룹(또는 양이온 교환된 설포네이트 그룹)으로 변형된 실질적으로 비플루오르화된 멤브레인이 사용될 수도 있다. 이러한 멤브레인은, 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 비페닐렌 설폰(BPSH), 또는 폴리에테르케톤 및 폴리에테르설폰과 같은 열가소성 물질과 같은 실질적으로 방향족 골격을 갖는 것들을 포함할 수 있다.
배터리-분리막 스타일의 다공성 멤브레인 또한 분리막으로서 사용될 수 있다. 이들은 고유의 이온 전도 능력을 포함하지 않기 때문에, 통상 이러한 멤브레인은 기능하기 위해 첨가제로 함침된다. 이러한 멤브레인은 전형적으로 중합체 및 무기 충전제의 혼합물, 및 개방 다공도를 함유한다. 적합한 중합체는, 예를 들면, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 포함할 수 있다. 적합한 무기 충전제는 탄화규소 매트릭스 물질, 이산화티탄, 이산화규소, 인화아연 및 세리아를 포함할 수 있다.
분리막은 또한 폴리에스테르, 폴리에테르케톤, 폴리(비닐 클로라이드), 비닐 중합체 및 치환된 비닐 중합체로 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 임의의 이전에 기재된 중합체와 조합하여 사용될 수 있다.
다공성 분리막은 전해질로 충전된 개방 채널을 통해 두 전극 사이의 전하 전달을 가능하게 하는 비전도성 멤브레인이다. 다공성 분리막의 기공 크기 분포는 2개의 전해액 사이의 활물질의 크로스오버(crossover)를 실질적으로 방지하기에 충분할 수 있다. 적합한 다공성 멤브레인은 약 0.001nm 내지 20㎛, 보다 전형적으로 약 0.001nm 내지 100nm의 평균 기공 크기 분포를 가질 수 있다. 다공성 멤브레인의 기공의 크기 분포는 광범위할 수 있다. 즉, 다공성 멤브레인은 매우 작은 직경(약 1nm 미만)을 갖는 제1 복수의 기공 및 매우 큰 직경(약 10㎛ 초과)을 갖는 제2 복수의 기공을 함유할 수 있다. 보다 큰 기공 크기는 보다 많은 양의 활물질 크로스오버를 초래할 수 있다. 다공성 멤브레인이 활물질의 크로스오버를 실질적으로 방지하는 능력은 평균 기공 크기 및 활물질 사이의 크기의 상대적 차이에 의존할 수 있다. 예를 들면, 활물질이 배위 착물 내의 금속 중심일 때, 배위 착물의 평균 직경은 다공성 멤브레인의 평균 기공 크기보다 약 50% 더 클 수 있다. 한편, 다공성 멤브레인이 실질적으로 균일한 기공 크기를 갖는 경우, 배위 착물의 평균 직경은 다공성 멤브레인의 평균 기공 크기보다 약 20% 더 클 수 있다. 마찬가지로, 배위 착물의 평균 직경은 적어도 하나의 물 분자와 추가로 배위될 때 커진다. 적어도 하나의 물 분자의 배위 착물의 직경은 일반적으로 유체역학적 직경인 것으로 간주된다. 이러한 양태에서, 유체역학적 직경은 일반적으로 평균 기공 크기보다 적어도 약 35% 더 크다. 평균 기공 크기가 실질적으로 균일할 때 유체역학적 반경은 평균 기공 크기보다 약 10% 더 클 수 있다.
일부 양태에서, 분리막은 또한 더 큰 안정성을 위한 보강 물질을 포함할 수 있다. 적합한 보강 물질은 예를 들면 나일론, 면, 폴리에스테르, 결정성 실리카, 결정성 티타니아, 무정형 실리카, 무정형 티타니아, 고무, 석면, 목재 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다른 적합한 보강 물질이 당업자에 의해 예상될 수 있다.
내부의 분리막은 약 500㎛ 미만, 또는 약 300㎛ 미만, 또는 약 250㎛ 미만, 또는 약 200㎛ 미만, 또는 약 100㎛ 미만, 또는 약 75㎛ 미만, 또는 약 50㎛ 미만, 또는 약 30㎛ 미만, 또는 약 25㎛ 미만, 또는 약 20㎛ 미만, 또는 약 15㎛ 미만, 또는 약 10㎛ 미만의 멤브레인 두께를 가질 수 있다. 적합한 분리막은 분리막이 100㎛의 두께를 가질 때 유동 배터리가 100mA/㎠의 전류 밀도에 의해 약 85% 초과의 전류 효율로 작동할 수 있는 것들을 포함할 수 있다. 추가의 양태에서, 유동 배터리는 분리막이 약 50㎛ 미만의 두께를 갖는 경우 99.5% 초과의 전류 효율, 분리막이 약 25㎛ 미만의 두께를 갖는 경우 99% 초과의 전류 효율, 분리막이 약 10㎛ 미만의 두께를 갖는 경우 98% 초과의 전류 효율에서 작동할 수 있다. 따라서, 적합한 분리막은 유동 배터리가 100mA/㎠의 전류 밀도에 의해 60% 초과의 전압 효율에서 작동할 수 있는 것들을 포함한다. 추가의 양태에서, 적합한 분리막은 유동 배터리가 70% 초과, 80% 초과 또는 심지어 90% 초과의 전압 효율에서 작동할 수 있는 것들을 포함할 수 있다.
유동 배터리는 또한 제1 및 제2 전극과 전기 연통하는 외부 전기 회로를 포함할 수 있다. 회로는 작동 과정에서 유동 배터리를 충전 및 방전시킬 수 있다. 제1 활물질, 제2 활물질, 또는 둘 다의 순 이온 전하의 부호의 참조는 유동 배터리의 작동 조건하에 산화환원-활물질의 산화 및 환원 형태의 순 이온 전하의 부호에 관한 것이다. 유동 배터리의 추가의 예시적 양태는 (a) 제1 활물질은 관련된 순 양 또는 음전하(net positive or negative charge)를 가지며, 생성되는 제1 활물질의 산화 또는 환원 형태가 제1 활물질과 동일한 전하 부호(양성 또는 음성)를 갖고, 이오노머 멤브레인이 동일한 부호의 순 이온 전하를 또한 갖도록, 시스템의 음성 작동 전위 범위 내의 전기적 전위에 걸쳐 산화 또는 환원 형태를 제공할 수 있고; (b) 제2 활물질은 관련된 순 양 또는 음전하를 가지며, 생성되는 제2 활물질의 산화 또는 환원 형태가 제2 활물질과 동일한 전하 부호(양성 또는 음성)를 갖고, 이오노머 멤브레인이 동일한 부호의 순 이온 전하를 또한 갖도록, 시스템의 양성 작동 전위 범위 내의 전기적 전위에 걸쳐 산화 또는 환원 형태를 제공할 수 있거나, (a) 및 (b) 둘 다를 제공한다. 제1 및/또는 제2 활물질 및 이오노머 멤브레인의 정합 전하(matching charge)는 높은 선택도를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 전하 정합은 제1 또는 제2 활물질에 기인하는 이오노머 멤브레인을 통과하는 이온의 몰 유동의 약 3% 미만, 약 2% 미만, 약 1% 미만, 약 0.5% 미만, 약 0.2% 미만, 또는 약 0.1% 미만을 제공할 수 있다. 용어 "이온의 몰 유동(molar flux of ions)"은 외부 전기/전자의 유동과 관련된 전하를 균형화하는 이오노머 멤브레인을 통과하는 이온의 양을 지칭할 것이다.
전극 물질은 예를 들면 탄소 및 다양한 금속을 포함할 수 있다. 비전도성 플라스틱 물질은 또한 전극 물질의 일부를 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 전극은 그 위에 침착된 촉매를 가질 수 있다. 다른 타입의 층들 또한 전극 물질 상에 존재할 수 있다. 임의의 층의 기능은, 예를 들면, 셀 조립체를 보조하고/하거나 접촉 저항을 개선시키고/시키거나 분리막에 대한 보호를 제공함을 포함한다.
도 1에 도시되지는 않았지만, 전기화학 셀은 각각의 반쪽-셀 내에 배치된 이극판을 또한 포함할 수 있다. 이극판은 복수의 전기화학 셀들이 직렬로 서로 연결되게할 수 있으며, 이때 이극판은 서로 함께 인접해 있는 인접한 전기화학 셀들 사이의 전기 연통을 확립하는데 사용된다. 따라서, 이극판은, 전해액이 이의 의도된 반쪽-셀을 벗어나는 것을 방지하기 위해, 전해액을 향해 실질적으로 불침투성인 임의의 적합한 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 이극판 형성을 위한 적합한 전도성 물질은 예를 들면 부직 카본지, 직조 카본 클로쓰, 카본 펠트, 및 탄소 발포체를 포함할 수 있다. 전술된 물질은 본 발명에 따라 준-상호맞물린 유동 채널을 형성할 수 있기 때문에 특히 적합할 수 있다. 전술된 바와 같이, 이들 특징은 전해액을 전기화학 셀의 분리막 및/또는 전극의 표면에 균일하게 분배하는 것을 도울 수 있다. 다른 경우에, 가요성 흑연 호일, 익스팬디드 흑연 호일(expanded graphite foil), 또는 금속 필름, 호일, 또는 시트가 이극판을 형성하는데 사용될 수 있다.
도 2는 이극판을 함유하는 예시적인 전기화학 셀의 일반적인 개략도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(80)은 분리막(20)의 대향면 상에 배치된 전극(10 및 10')을 함유한다. 각각의 반쪽-셀에서 이극판(82 및 82')은 전극(10 및 10')에 접촉한다. (도 2에 도시되지 않은) 다른 구성에서, 전극(10 및 10')은 선택적일 수 있고, 이극판(82 및 82')은 분리막(20)에 직접 접촉할 수 있으며, 이 경우 이극판(82 및 82')은 전기화학 스택에서 인접한 전기화학 셀들 사이의 전기 연통을 촉진하기 위한 전극으로서도 작용한다.
도 3은 도 2의 전기화학 셀을 함유하는 예시적인 전기화학 스택의 일반적인 개략도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(80a, 80b 및 80c)은 전기화학 스택(84)에서 서로에 대해 인접하여, 이의 인접한 이극판에 걸쳐 전기 연통이 확립된다. 대안적인 구성에서, 전기화학 스택은 인접한 전기화학 셀들 사이에서 이극판을 공유하도록 형성될 수 있다. 도 4는 인접한 전기화학 셀들(92a, 92b 및 92c) 사이에 공유된 이극판을 갖는 예시적인 전기화학 스택(90)의 일반적인 개략도를 도시한다. 단위 셀 구조가 도 4에서 다소 상이함에도 불구하고, 당업자는 셀들의 다양한 구성요소들을 서로에 대해 순차적으로 위치시킴으로써 이와 같은 전기화학 스택이 어떻게 제조될 수 있는지를 예측할 수 있다. 경우에 따라, 불침투성 및 전기 전도성 장벽이 인접한 전기화학 유닛 셀들 사이에 배치되어 전해액의 원치 않는 전달을 방지할 수 있다.
전기화학 셀은 또한 각각의 반쪽-셀 내에 분리막 및 이극판 및 임의의 전극 이외에도 하나 이상의 프레임 층을 포함할 수 있다. 일반적으로, 프레임 층은 이극판, 전극 및 분리막과 결합되어 각각의 반쪽-셀에 유체 밀봉(fluidic seal)을 제공하여 반쪽-셀의 구성성분들을 함께 유지할 수 있다. 보다 구체적으로는, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이 유체 밀봉은 전해액이 각각의 반쪽-셀에 걸쳐 순환되게할 수 있다. 추가로, 프레임 층은 이극판 및/또는 전극을 각각의 반쪽-셀에서 분리막에 대해 유지할 수 있으며, 이에 따라 전기화학 셀에 구조적 완결성(structural integrity)을 제공한다. 추가로, 프레임 층들 중 하나 이상은, 전해액이 유체 유입 매니폴드 및 유출 매니폴드를 통해 이극판으로 전달되고 이극판으로부터 회수될 수 있는 도관(conduit)을 제공할 수 있다.
도 5는 인접한 반쪽-셀들 사이에 프레임 층 및 압축성 밀봉부를 갖는 예시적인 전기화학 셀 구성의 전개도를 도시하며, 여기서, 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있다. 실제로, 다양한 셀 구성요소들은 예를 들면 도 7에 도시된 바와 같이 서로 접촉한다. 전기화학 셀(100)은 중앙에 배치된 분리막(102)을 포함한다. 캐소드(104) 및 애노드(106)는 분리막(102)의 대향면에 인접한다. 전술된 바와 같이, 캐소드(104) 및 애노드(106)는 선택적일 수 있고, 대신 전기 전도성 표면은 이극판(160 및 160')에 의해 제공될 수 있다. 압축성 밀봉부(110 및 110')는 분리막(102)의 주변부 둘레에 배치된다(압축성 밀봉부(110')는 도 5에 도시되지 않음). 도 6a는 압축성 밀봉부(110)의 배치를 보다 명백하게 볼 수 있는 전기화학 셀(102)의 캐소드 측면의 상세도를 도시한다. 도 6b는 애노드 측면의 상응하는 도면을 도시한다.
다양한 프레임 층들은 분리막(102), 캐소드(104) 및 애노드(106)를 함유할 수 있다. 또한, 프레임 층은 밀봉된 챔버를 제공할 수 있으며, 이 챔버를 통해 전해액이 주어진 반쪽-셀에 걸쳐 순환될 수 있다. 프레임 층(120 및 120')은 각각의 윈도우(122 및 122')를 포함한다. 윈도우(122 및 122')는 프레임 층(120 및 120')이 도 6a 및 도 6b에 보다 상세하게 도시된 바와 같이 압축성 밀봉부(110 및 110')의 외부 주위 주변에 적합하도록 치수화된다. 도 6a 및 도 6b가 각각 압축성 밀봉부(110 및 110')와 접촉되는 프레임 층(120 및 120')을 도시하지만, 일부 개방 공간이 윈도우(122 및 122')의 크기에 따라 둘 사이에 존재할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 개방 공간은 또한 압축시 얼마나 많은 압축성 밀봉부(110 및 110')가 외측으로 팽창될 수 있는지를 나타낼 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 프레임 층(130 및 130')은 또한 각각 압축성 밀봉부(110 및 110')와 접촉하면서 각각 프레임 층(120 및 120')과 접촉한다. 윈도우(132 및 132')는 각각 프레임 층(130 및 130')에 한정된다. 윈도우(132 및 132')는 윈도우(122 및 122')보다 크기가 더 작아 프레임 층(130 및 130')이 압축성 밀봉부(110 및 110')에 접촉하는 것을 가능하게 한다. 압축성 밀봉부(110 및 110')가 압축될 수 있는 정도를 나타내는 것 이외에, 프레임 층(120 및 120')은 프레임 층(130 및 130')이 압축력을 제공할 수 있는 안정한 구조를 제공한다. 프레임 층(140 및 140')은 각각 프레임 층(130 및 130')과 접촉하고, 또한 내부에 각각 한정된 윈도우(142 및 142')를 갖는다. 또한, 프레임 층(140 및 140')은 윈도우(142 및 142')에 의해 한정된 내부 공간으로 연장되는 내부에 각각 한정된 유동 분배 채널(144 및 144')을 함유한다. 유동 분배 채널(144 및 144')은 전해액이 전기화학 셀(100)의 2개의 반쪽-셀에 독립적으로 (예를 들면, 유체 분배 매니폴드로부터) 제공될 수 있게 한다. 유사한 유동 분배 채널이 다른 프레임 층에서도 한정될 수 있다.
전해액은 프레임 층(150 및 150') 내에 배치된 개구부로부터 유동 분배 채널(144 및 144')에 별도로 제공될 수 있어, 이에 따라 상응하는 반쪽-셀로의 그리고 반쪽-셀로부터의 전해액의 도입 및 배출 위치를 제공한다. 예를 들면, 프레임 층(150 및 150')의 개구부는 유체 분배 매니폴드에 연결되어 2개 반쪽-셀에 별도로 전해액을 제공할 수 있다. 각각의 프레임 층은 전해액이 전기화학 스택에서 셀로부터 셀로 통과할 수 있게 하는 상응하는 개구부를 갖는다. 개구부 및 임의의 관련 유동 분배 채널은 각각의 전해액을 유동 배터리의 오직 하나의 반쪽-셀에만 제공한다.
도 5를 다시 참조하면, 전기화학 셀(100)은 또한 내부에 각각 한정된 윈도우(152 및 152')를 갖는 프레임 층(150 및 150')을 포함한다. 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 셀들 사이의 유체 단리를 제공하기 위해, 이극판(160 및 160')은 상응하는 프레임 층(150 및 150')의 윈도우(152 및 152')를 충전한다. 각각의 프레임 층(150 및 150')에 이극판(160 및 160')을 부착시키는 것은 완성된 셀에서 이극판(160 및 160') 주위의 전해액 누출을 배제한다. 이극판(160)은 또한 윈도우(122, 132 및 142)를 통해 연장되어 캐소드(104)와 접촉한다. 대안적으로, 이극판(160)은 분리막(102)에 직접 접촉할 수 있다. 유사하게, 이극판(160')은 윈도우(122', 132' 및 142')를 통해 추가로 연장되어 애노드(106) 또는 분리막(102)의 대향면과 접촉한다. 예시적 양태에서, 각각의 프레임 층은 특히 폴리에틸렌 또는 기타 폴리올레핀 물질과 같은 열가소성 물질로부터 형성될 수 있다.
도 7은 서로 함께 완전히 인접된 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 5의 전기화학 셀의 단면도를 도시한다. 프레임 층(120, 130, 140, 150, 120', 130', 140' 및 150')은 전해액이 순환될 수 있는 분리막(102)의 대향면 상의 챔버를 집합적으로 한정할 수 있다. 즉, 프레임 층(120, 130 및 140)은 분리막(102), 압축성 밀봉부(110) 및 이극판(160)과 함께 제1 전해액이 캐소드(104) 주위를 유동할 수 있는 폐쇄된 챔버를 집합적으로 한정한다. 유사하게, 프레임 층(120', 130', 140'), 분리막(102), 압축성 밀봉부(110) 및 이극판(160)은 제2 전해액이 애노드(106) 주위를 유동할 수 있는 폐쇄된 챔버를 한정한다. 각 챔버의 용적은, 예를 들면, 다양한 프레임 층의 두께 및 상응하는 윈도우의 크기에 의해 결정된다.
도 8은 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는 또 다른 예시적인 전기화학 셀 구성의 전개도를 도시한다. 도 8의 전기화학 셀(200)은 압축성 밀봉부(110 및 110')가 전기화학 셀(200)에서 생략된다는 점에서 주로 도 5, 도 6a, 도 6b 및 도 7의 전기화학 셀(100)과는 상이하다. 그렇지 않으면, 도 8의 전기화학 셀 구성의 요소는 선행하는 도면들의 것과 유사하여, 유사한 참조 부호가 결과로서 사용될 것이다. 유사하게, 도 8의 공통적인 요소는 이들의 배치가 대안적인 셀 구성에 있어서 상이하지 않는 한, 다시 상세하게 기재되지 않을 것이다.
도 8의 셀 구성에서, 프레임 층(120 및 120')은 분리막(102)의 대향면과 직접 접촉하여 이에 결합된다. 이러한 유형의 직접 결합은 도 5의 셀 구성에서 압축성 밀봉부(110 및 110')에 의해 제공되는 것과 유사한 방식으로 밀봉을 촉진할 수 있다. 따라서, 여전히 유체 밀봉부가 형성되도록 하면서, 도 8의 전기화학 셀 구성에서 압축성 밀봉부(110 및 110')가 생략될 수 있다. 도 5의 셀 구성과 도 8의 셀 구성 사이에서 생성되는 차이는, 후자에서, 2개의 반쪽-셀이 분리막(102)에서 서로 연결되는 반면, 전자에서는, 전기화학 셀이 압축성 밀봉부(110 및 110') 상에서 프레임 층(120 및 120')의 구속 압력(confinement pressure)을 완화시킴으로써 분해될 수 있다는 점이다. 도 9는 서로 함께 충분히 인접하는 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 8의 전기화학 셀의 단면도를 도시한다.
준-상호맞물린 유동 채널을 갖는 이극판 및 전기화학 셀의 다양한 구성이 이하 더 상세하게 기재된다. 다양한 양태에서, 본 발명의 전기화학 셀은 제1 반쪽-셀과 제2 반쪽-셀 사이에 배치된 이온 전도성 분리막, 제1 반쪽-셀 내의 제1 이극판, 및 제2 반쪽-셀 내의 제2 이극판을 포함할 수 있다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 각각 전도성 물질과 차단재를 함유하는 복합체이다. 차단재는, 서로 이격되어 있으며 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정하여, 복수의 유동 채널들은 복합체 내에서 서로 유체 연통한다. 보다 구체적인 세부사항은 이하에 그리고 첨부된 도면들에 제공된다.
전술된 바와 같이, 전극은 각각의 반쪽-셀에 존재할 수 있거나, 제1 이극판 및 제2 이극판은 이온 전도성 분리막의 대향면에 접촉할 수 있다. 따라서, 일부 양태에서, 본 발명의 전기화학 셀은 제1 반쪽-셀 내의 제1 전극 및 제2 반쪽-셀 내의 제2 전극을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서, 제1 전극은 제1 이극판과 이온 전도성 분리막 사이에 개재하고 제2 전극은 제2 이극판과 이온 전도성 분리막 사이에 개재한다. 제1 및 제2 전극이 존재하는 양태에서, 제1 이극판은 제1 전극에 접촉할 수 있고 제2 이극판은 제2 전극에 접촉할 수 있다. 제1 및 제2 전극이 부재한 양태에서, 제1 이극판과 제2 이극판은 이온 전도성 분리막의 대향면에 접촉할 수 있다.
전술된 바와 같이, 적합한 차단재는 전해액에 실질적으로 불침투성인 임의의 물질을 포함할 수 있다. 적합한 차단재는 예를 들면 다양한 중합체성 물질을 포함할 수 있다. 보다 특정한 양태에서, 적합한 차단재는 다양한 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 열가소성 중합체는, 선택적으로 전도성 물질에 함침되거나 전도성 물질에 적층될 수 있는 것이 비교적 용이하기 때문에 특히 적합할 수 있다. 차단재의 모든 배치는 하기 논의되는 바와 같이 이극판 상에 유동 채널을 한정하는데 사용될 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명의 전기화학 셀은 제1 전해액을 제1 이극판에 제공하고 제2 전해액을 제2 이극판에 제공하도록 구성된 유체 유입 매니폴드, 및 제1 전해액을 제1 이극판으로부터 회수하고 제2 전해액을 제2 이극판으로부터 회수하도록 구성된 유체 유출 매니폴드를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 유체 유입 매니폴드와 유체 유출 매니폴드는 제1 전해액과 제2 전해액을 복합체 내의 교호 유동 채널들로부터 제공하고 회수하기 위해 구성될 수 있다. 그렇지 않으면, 유체 유입 매니폴드와 유체 유출 매니폴드의 구조는 특정하게 제한되는 것으로 간주되지 않는다.
보다 특정한 양태에서, 유체 유입 매니폴드와 유체 유출 매니폴드는 제1 전해액과 제2 전해액을 제1 이극판과 제2 이극판의 대향 측면들 상에 제공하고 회수하기 위해 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 제1 전해액과 제2 전해액을 도입 및 회수하는 것은, 확립되어야 하는 상호맞물린 유동 채널에 의해 제공되는 것과 유사한 유동장을 허용할 수 있다.
준-상호맞물린 유동 채널을 함유하는 이극판은 이제 도 10 내지 도 17을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 유동 채널에서의 유동 동역학이 보다 잘 이해될 수 있게 하기 위해, 도 10은 전술된 방식으로 유체 유입 매니폴드와 유체 유출 매니폴드에 대한 이극판의 연결을 도시한다.
도 10은 내부에 한정된 복수의 유동 채널들을 갖는 이극판을 함유하는 예시적인 전기화학 셀의 개략도의 상면도를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(300)은 함께 통합된 차단재(310)를 갖는 이극판(150)을 함유한다. 차단재(310)의 배치는 유동 채널(320a 내지 320f)을 이극판(150) 내에 한정시킨다. 차단재(310)를 이극판(150)과 어떻게 통합되는 지에 관한 추가의 논의가 도 11 내지 도 16에 제공되어 있으며 이는 이하 보다 상세하게 기재된다.
전기화학 셀(300)은 전해액을 제1 복수의 유동 채널(320a 내지 320f)에 제공하도록 구성된 유체 유입 매니폴드(330), 및 전해액을 제2 복수의 유동 채널(320a 내지 320f)로부터 회수하도록 구성된 유체 유출 매니폴드(340)를 추가로 함유한다. 전해액의 도입 및 회수는 도 10에 도시된 바와 같이 이극판(150)의 대향 측면들에서 발생한다. 보다 구체적으로는, 제1 복수의 유동 채널(320a 내지 320f) 및 제2 복수의 유동 채널(320a 내지 320f)은 교대로 배치된다. 유동 채널(320a 내지 320f)은 이극판(150) 내에서 서로 유체 연통하기 때문에, 전해액은 인접 유동 채널들 사이에서 교차할 수 있다. 따라서, 전해액은 제1 유동 채널을 통해 도입되어 제1 유동 채널에 인접한 제2 유동 채널을 통해 회수될 수 있다.
일부 양태에서, 하나 이상의 프레임 층은 전해액이 교호 유동 채널들에 제공되어 교호 유동 채널들로부터 회수되도록 구성될 수 있다
도 11 내지 도 17을 논의하기 전에, 도 10의 유동 채널(320a 내지 320f)의 개수 및 폭은 예시일 뿐이며 특정 적용의 요건을 충족하기 위해 변화될 수 있음을 알아야 한다. 또한, 도 10은 유동 채널(320a 내지 320f)이 실질적으로 선형이고 서로에 대해 평행한 것으로 묘사하였지만, 평행하지 않거나 심지어 무작위 배치된 유동 채널(320a 내지 320f)이 대안적인 양태에서 가능하며, 단, 인접 유동 채널들간의 유체 연통은 여전히 실행 가능하다. 일부 양태에서, 유동 채널은 교차하지 않을 수 있다.
보다 특정한 양태에서, 이극판 내에 한정된 유동 채널의 개수는 약 5 내지 약 500개, 또는 약 4 내지 약 10개, 또는 약 10 내지 약 100개 범위일 수 있다. 일부 또는 기타 양태에서, 이극판 내에 한정된 유동 채널의 폭은 100㎛ 내지 약 10mm, 또는 약 100㎛ 내지 약 1mm, 또는 약 1mm 내지 약 10mm 범위일 수 있다. 이극판 내의 유동 채널은 본 발명의 다양한 양태와 일치하는 충전된 유동 채널 또는 개방형 유동 채널의 임의의 조합일 수 있다.
전술된 바와 같이, 이극판에 관련하여 차단재의 다양한 배치는 내부의 복수의 유동 채널들을 한정시키기 위해 가능하다. 일부 양태에서, 차단재는 도 11에 도시된 바와 같이 이극판을 한정하는 전도성 물질로 함침될 수 있다. 기타 양태에서, 차단재는 도 12에 도시된 바와 같이 전도성 물질 상의 층을 구성할 수 있다. 차단재의 적어도 부분적인 함침이 적층된 양태에서 발생할 수 있다. 각각의 이들 구성은 이제 아래 보다 상세하게 기재된다. 차단재 구성은 도 11 및 도 12에서 서로에 대해 몇몇 유사점들을 갖지만, 이들이 제조되는 방법은 아래 보다 상세하게 논의되는 바와 같이 상당히 변하게될 것이다.
도 11은 내부에 함침된 차단재를 갖는 이극판을 함유한 예시적인 전기화학 반쪽-셀의 개략도의 측면도를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 차단재(310)는 이극판(150)의 내부 내에서 전체 함침되어, 이에 의해 내부의 유동 채널(320a 내지 320f)을 한정한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 유동 채널(320a 내지 320f)은 점선 위에 있으며 전도성 물질로 충전된 이극판(150)의 일부를 구성한다. 따라서, 유동 채널(320a 내지 320f)의 길이를 따른 유체 유동은 전도성 물질 내의 기존의 공극에 걸쳐 발생한다. 유동 채널(320a 내지 320f)은 이극판(150)의 나머지(즉, 점선 아래 있는 이극판(150)의 일부)에 대해 서로에 대해 유체 연통한다.
이극판(150) 내의 유체 유동 동역학은 도 11에도 도시되어 있다. 전해액은 유동 채널(320a, 320c 및 320e)로 도입되기 때문에(도 10 참조), 이의 각각은 유입(즉,유체 유입 매니폴드(330)에 의해 제공됨)를 갖고 이의 길이를 따라서는 유출을 갖지 않고, 전해액이 유체 유입으로부터 멀리 진행함에 따라 유체 유동 동역학은 전해액을 인접 유동 채널(320b, 3290d, 320f)로 이동시킨다. 반면, 유동 채널(320b, 3290d, 320f)은 유출(즉, 유체 유출 매니폴드(340)에 의해 제공됨)을 갖지만 유체 유입은 갖지 않는다. 유동 채널(320a)은 유동 채널(320b)하고만 인접하기 때문에, 이의 전해액은 주로 대류를 통해 이의 유동 채널로 진행한다. 유사하게, 유동 채널(320f)은 오직 유동 채널(320e)로부터 전해액을 실질적으로 수용한다. 이극판(150)의 내부 상에 있는 유동 채널(320b 내지 320e)은, 전해액을 2개 인접 유동 채널로 그리고 이들 채널로부터 제공하거나 수용한다. 다시, 도 11의 유동 채널(320a 내지 320f)의 개수, 폭 및 기타 파라미터는 예시적인 것일 뿐임이 강조된다. 또한, 도 11은 이극판(150) 내에 전적으로 함침된 차단재(310)를 도시할지라도, 함침은 일부 양태에서 부분적일 수 있고, 이 경우 유동 채널(320a 내지 320f)의 일부는 이극판(150)을 한정하는 전도성 물질 외부에 남아 있을 수 있음을 알아햐 한다. 따라서, 유동 채널(320a 내지 320f)은 일부 양태에서 부분적으로 개방될 수 있다. 이와 유사한 차단재 배치는 도 12의 대안적인 구성에 도시되어 있으며, 이는 아래 추가로 논의된다. 도 11은 이극판(150)의 엣지에 한정된 유동 채널(320a 및 320f)을 도시함에도 불구하고, 이들 채널은 추가의 차단재(310)를 이극판(150)의 엣지를 따라 배치함으로써 내부에 한정될 수 있음을 알아야 한다.
도 12는 그 위에 층으로서 배치된 차단재를 갖는 이극판을 함유한 예시적인 전기화학 반쪽-셀의 개략도의 측면도를 도시한다. 도 12는 이극판의 전도성 물질(150) 내에 함침되지 않은 것으로서 층 내의 차단재(310)를 도시하였지만, 도 11에 관해 상기 간단히 논의된 바와 같이, 내부의 차단재(150)를 부분적으로 또는 전적으로 함침시킴으로써 유사한 구성이 실현될 수 있음을 알아야 한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 차단재(310)는 이극판(150) 상에 부분 층으로서 배치되어, 그 사이에 유동 채널(320a 내지 320f)을 한정한다. 도 11의 구성과는 대조적으로, 유동 채널(320a 내지 320f)은 도 12에서 개방형이다. 그러나, 일부 양태에서, 유동 채널(320a 내지 320f)은 이극판(150)과 접촉한 전극 물질로 충전될 수 있다. 도 11의 구성과 마찬가지로, 유동 채널(320a 내지 320f)은 이극판(150)을 통해 서로 유체 연통하고, 유체 유동 동역학 또한 유사하다.
도 13은 차단재가 존재하는 이극판을 함유한 완전 전기화학 셀의 개략도의 측면도를 도시한다. 도 13은 도 11의 차단재 구성을 보여줌에도 불구하고, 도 12의 차단재 구성은 완전 전기화학 셀 내에 유사하게 혼입될 수 있음을 알아야 한다. 명확성을 위해, 완전한 유체 유입 매니폴드(320) 및 유체 유출 매니폴드(330)는 도 13에서 생략될 수 있다. 대신, 유입 위치(340a,a', 340c,c' 및 340e,e')가 도 13에 상상으로 도시되며 유출 위치(340b,b', 340d,d' 및 340f,f')가 상응하는 반쪽-셀에서 실선으로 도시된다. 따라서, 전해액의 도입 및 회수는 도 10에 대해 전술된 것과 유사한 방식으로 실행될 수 있다. 이의 각각의 반쪽-셀 중의 각각의 전해액의 보유를 촉진하기 위해, 불침투성 및 전기 전도성 층은 이극판(150 및 150')을 캡핑할 수 있다. 불침투성 층 및 전기 전도성 층은 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 셀들 사이의 전해액의 누출을 추가로 방지할 수 있다.
추가의 양태에서, 직렬로 연결된 복수의 전기화학 셀들을 함유하는 전기화학 스택이 본원에서 논의된다. 예시적인 구성이 도 3 및 도 4에 관해 상기 기재되며 보다 상세하게 다시 기재되지는 않는다. 보다 특정한 양태에서, 전기화학 스택은, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 함께 인접한 인접 전기화학 셀들을 가질 수 있다.
추가의 양태에서, 추가의 전도성 층은 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 셀들 사이에 배치될 수 있다. 예시적 양태에서, 이극판을 한정하는 전도성 물질이 인접 셀로부터의 유체 단리시 전기화학 셀을 유지하지 못하는 경우, 추가의 전도성 층은 인접한 전기화학 셀들 사이에 놓일 수 있다.
또한, 도면들은 제1 및 제2 이극판을 별도의 개체들인 것으로 묘사하였지만, 이극판은 전기화학 스택 중의 인접한 전기화학 셀들을 공유할 수 있음을 알아야 한다. 즉, 일부 양태에서, 제1 전기화학 셀의 이극판은 제2 전기화학 셀의 제2 이극판으로서 공유될 수 있다. 상기 논의된 기타 양태에서, 인접한 전기화학 셀들로부터의 이극판은 서로 함께 인접할 수 있다.
일부 또는 기타 양태에서, 본원에 기재된 전기화학 셀 및 전기화학 스택은 유동 배터리 또는 유사한 전기화학 시스템에 혼입될 수 있다. 예시적인 유동 배터리 구성이 보다 상세하게 전술되어 있다. 본 발명의 전기화학 셀과 전기화학 스택이 적용가능할 수 있는 기타 전기화학 시스템은, 예를 들면, 전해조 및 연료 셀 시스템이다.
본 발명의 전기화학 셀을 도입한 유동 배터리는 일부 양태에서 몇 시간 지속 기간의 지속된 충전 또는 방전 사이클에 적합하다. 이와 같이, 이들은 에너지 공급/수요 프로파일을 원활하게 하고 간헐적 발전 자산(예를 들면, 태양 및 풍력 에너지와 같은 재생가능한 에너지 공급원으로부터)을 안정화하기 위한 메커니즘을 제공하는데 사용될 수 있다. 이어서, 본 발명의 다양한 양태는 이러한 장기간 충전 또는 방전 기간이 바람직한 에너지 저장 적용을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 비제한적인 예에서, 유동 배터리는 전기 그리드(electrical grid)에 접속하여 재생가능한 통합(renewables integration), 피크 부하 시프팅(peak load shifting), 그리드 견고화(grid firming), 기초 하중 발전 및 소비(baseload power generation and comsumption), 에너지 중재(energy arbitrage), 전송 및 분배 자산 지연(transmission and distribution asset deferral), 약한 그리드 지지(weak grid support), 주파수 조절(frequency regulation), 또는 이들의 임의의 조합을 가능하게 할 수 있다. 전기 그리드에 접속되지 않을 때, 유동 배터리는 원격 캠프(remote camp), 전방 작동 기점(forward operating base), 오프-그리드 전기연통(off-grid telecommunication), 원격 센서(remote sensor) 등 및 이들의 임의의 조합을 위한 전력원으로서 사용될 수 있다. 또한, 유동 배터리 이외의 전기화학 에너지 저장 매체는 고정형 전해액을 이용하는 것을 포함하여 본원에 개시된 전기화학 셀을 도입할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
추가의 양태에서, 본 발명의 전기화학 셀, 전기화학 스택, 및 유동 배터리는 대용량 유닛의 작동에 유용한 배관 및 제어 장치를 적절하게 포함하는 대규모 에너지 저장 시스템으로 통합될 수 있다. 이러한 시스템에 적합한 배관, 제어 및 기타 장치는 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들면, 각각의 챔버와 유체 연통하는 전해액을 셀 안팎으로 이동시키기 위한 배관 및 펌프, 및 충전 및 방전 전해질을 보유하기 위한 저장 탱크를 포함할 수 있다. 작동 관리 시스템이 존재할 수도 있다. 작동 관리 시스템은 컴퓨터 또는 마이크로프로세서와 같은 임의의 적합한 제어기 장치일 수 있으며, 임의의 밸브, 펌프, 순환 루프 등의 작동을 설정하는 논리 회로를 포함할 수 있다.
이극판을 함유하는 전기화학 셀을 여기에 혼입된 차단재에 의해 제조하는 방법이 이제 보다 상세하게 기재된다. 본원에서 이러한 방법은 차단재를 전도성 물질에 부가하기만 하여 유동 채널을 한정하는지(부가) 또는 전도성 물질에 부가하고 이후 이의 일부를 후속 제거하는지(삭감)에 따라 "부가" 또는 "삭감"으로 지칭될 수 있다.
보다 특정한 양태에서, 유동 채널을 전도성 물질 내에서 한정하고 전기화학 셀을 형성하기 위한 부가법은, 차단재를 전도성 물질의 일부에 함침시켜 복합체를 형성하는 단계, 및 제1 반쪽-셀 중의 제1 이극판 및 제2 반쪽-셀 중의 제2 이극판을 함유하는 전기화학 셀을 제조하는 단계로서, 이들 판은 이온 전도성 분리막에 의해 분리되는 단계를 포함할 수 있다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 복합체를 함유한다. 복합체는, 차단재가, 서로 이격되어 있으며 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정하도록 구성된다. 전술된 바와 같이, 복수의 유동 채널들은 복합체 내에서 서로 유체 연통하여, 차단재를 함유하지 않는 이극판의 일부에 걸쳐 추가의 양태에서, 방법은, 전술된 바와 같이 복수의 전기화학 셀들을 서로 함께 인접시켜 전기화학 스택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 차단재의 함침은 열가소성 중합체를 전도성 물질 내에 열적으로 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 이와 관련하여 적합할 수 있는 예시적인 열가소성 중합체가 전술된다. 실질적으로 응고된 형태와 유동 형태 사이에 빠르게 전환하는 능력으로 인해, 열가소성 중합체는 특히 유용할 수 있으며, 이때 이는 전도성 물질의 내부 내에 적어도 부분적으로 침투할 수 있다. 예시적인 열 함침 기술은 예를 들면 열간-압연(hot-rolling), 레이저 용접, 초음파 용접 등을 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 전도성 물질로의 열가소성 중합체의 열 함침은 열가소성 중합체의 복수의 이격된 스트립들을 전도성 물질의 표면에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 적어도 부분적으로 전도성 물질의 내부로 인해, 열가소성 중합체 및/또는 전도성 물질은 가열되어 열가소성 중합체에 침투할 수 있다 전술된 바와 같이, 열가소성 중합체의 합침은 전적으로 또는 부분적으로일 수 있으며, 열 함침이 실행을 허용한 시간의 양에 의존할 수 있다.
도 14 및 도 15는 열가소성 중합체가 이극판의 전도성 물질 내에 함침될 수 있는 예시적인 공정의 2가지 상이한 도면을 도시한다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 열가소성 스트립(350)은 이극판(150)이 되어야 하는 전도성 물질의 표면에 적용된다. 이후, 열가소성 스트립(350) 및/또는 이극판(150)은 가열되어 열가소성 물질을 연화시키고 이를 이극판(150)으로 침투시킬 수 있다. 적합한 가열 기술이 특히 제한되는 것으로 간주되지는 않으며, 예를 들면, 복사 가열, 저항 가열, 열풍 순환, 오토클레이브 가열, 레이저 가열, 핫 라미네이션 롤러(hot lamination roller) 등을 포함할 수 있다. 이극판(150)에서의 열가소성 스트립(350)의 분포는 수동 레이업(manual layup)에 의해 또는 임의의 자동 또는 반자동 방식으로 발생할 수 있다. 예를 들면, 일부 양태에서, 열가소성 스트립(350)은 하기 논의되는 바와 같이 연속 생산 라인에서 롤상 원료로부터 공급될 수 있다. 기타 양태에서, 열가소성 스트립(350)은 이극판(150)에 액체 형태로 공급될 수 있어, 열가소성 중합체의 멜트 또는 용액은 프린트 헤드(print head), 분무기(sprayer) 또는 유사한 정밀 침착 장비로부터 적용된다. 에폭시와 같은 기타 차단재의 액체 형태가 대안적인 양태에서 유사하게 적용될 수 있다. 액체 상 침착 동안, 차단재의 함침은 별도의 침투 단계 보다는 침착과 동시에 발생할 수 있다. 도 16은 예를 들면 분무기(359)를 사용하는 예시적인 액체 침착 공정을 도시한다.
기타 보다 특정한 양태에서, 유동 채널들을 전도성 물질 내에서 한정하고 전기화학 셀을 형성하는 삭감법은, 차단재를 전도성 물질 상의 층에 배치하여 복합체를 형성하는 단계, 차단재의 일부를 층으로부터 제거하여 서로 이격되어 있는 복수의 유동 채널들을 한정하는 단계, 및 제1 반쪽-셀 중의 제1 이극판 및 제2 반쪽-셀 중의 제2 이극판을 함유하는 전기화학 셀을 제조하는 단계로서, 이들은 이온 전도성 분리막에 의해 분리되는, 단계를 포함할 수 있다. 제1 이극판 및 제2 이극판 중 적어도 하나는 복합체를 함유한다. 복합체는, 복수의 유동 채널들이 이온 전도성 분리막에 대해 복합체를 통해 측방향으로 연장되도록 구성된다. 전술된 바와 같이, 복수의 유동 채널들은 복합체 내에서 서로, 예를 들면 차단재를 함유하지 않는 이극판의 일부를 통해, 유체 연통한다. 추가의 양태에서, 방법은, 전술될 바와 같이, 복수의 전기화학 셀들을 서로 함께 인접시켜 전기화학 스택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 삭감법에서, 차단재는 전도성 물질의 표면 상에 실질적인 연속 층으로서 침착될 수 있으며, 차단재의 일부는 이어서 선택적인 삭마를 통해 제거되어 유동 채널을 불연속 층으로서 한정할 수 있다. 적합한 삭마 기술은, 예를 들면 레이저 삭마, 화학적 에칭, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 차폐 기술이 화학적 에칭과 함께 사용되어, 원하는 비의 차단재가 제거되어 유동 채널을 한정할 수 있게 된다. 레이저 삭마는, 제거와 관련하여 차폐 기술을 사용하지 않고 이상적으로 유동 채널을 한정할 수 있는 정밀도로 인해 특히 바람직할 수 있다. 일부 양태에서, 차단재의 삭마는, 생성된 이극판의 작업능을 손상시키지 않으면서 전도성 물질의 일부를 제거할 수 있다.
보다 특정한 양태에서, 전도성 물질 상에 층으로서 침착되는 차단재는 열가소성 중합체일 수 있다. 적합한 열가소성 중합체는 보다 상세히 전술된 것을 포함할 수 있다. 추가의 양태에서, 유동 채널을 형성하기 위한 삭감법은 열 함침에 의해 차단재를 전도성 물질로 적어도 부분적으로 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 열 함침 작업을 수행하기 위한 가열 기술은 전술된 것을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 열 함침은, 열가소성 중합체가 전도성 물질 내로 매우 약간만 침투하고 삭마 전에 실질적으로 연속적인 표면 층으로 잔류하도록 수행될 수 있다.
도 17 및 도 18은 열가소성 중합체가 이극판의 전도성 물질 상에서 층을 이룰 수 있고 이어서 삭마되어 유동 채널을 한정할 수 있는 예시적인 공정의 2가지 상이한 도면을 도시한다. 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이,열가소성 중합체는 이극판(150)이 될 전도성 물질의 표면 상에 실질적인 연속 층(360)으로서 적용된다. 이어서 열가소성 중합체는 적어도 부분적으로 열 함침시켜 열가소성 중합체를전도성 물질에 부착시킬 수 있다. 이후, 실질적인 연속 층(360)은 삭마되어 불연속 층(370)을 한정할 수 있다. 불연속 층(370)은 이극판에서 개방형 유동 채널을 한정하는 스트립으로 차단재(310)를 포함할 수 있다. 실질적인 연속 층(360) 내의 열가소성 중합체의 배치는 수동으로 또는 임의의 자동 또는 반자동 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 일부 양태에서, 열가소성 중합체는 연속 생산 라인에서 롤상 원료로부터 공급될 수 있다. 기타 양태에서, 열가소성 중합체는 프린트 헤드, 분무기 또는 유사한 침착 원료로부터 적용된 열가소성 중합체의 용융물 또는 용액과 같은 액체 형태의 이극판(150) 상에 적층될 수 있다. 에폭시와 같은 액체 형태의 다른 차단재의 액체 형태도 유사하게 적용 및 삭마될 수 있다.
이극판에서 유동 채널을 한정하기 위한 부가 및 삭감법은 둘 다 전기화학 셀을 생산하기 위한 연속 생산 라인에서의 혼입과 양립할 수 있다. 보다 특정한 양태에서, 전기화학 셀은 연속 생산 라인에서 롤상 원료 물질로부터 제조될 수있다. 일부 양태에서, 그 내부의 복합체 및 유동 채널은 전기화학 셀의 제조 전에 연속 생산 라인에서 형성될 수도 있다. 기타 양태에서, 그 내부의 복합체 및 유동 채널은 전기화학 셀을 형성하는 생산 라인에 도입되기 전에 다시 감겨질(respooling) 수 있는 별도의 생산 라인에서 형성될 수 있다.
도 19 및 도 20은 이극판에서 유동 채널을 한정하고 이로부터 전기화학 셀을 조립하는데 사용될 수 있는 예시적인 연속 생산 라인의 일반적인 개략도를 도시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 분리막 물질은 릴(reel)(400)로부터 제공되어 스테이션(411)으로 공급된다. 릴(420)은 스테이션(431)에 전도성 물질을 공급하고, 릴(422)은 스트립 형태의 열가소성 중합체를 스테이션(431)에 공급한다. 스테이션(431)은 롤러(432)를 함유하고, 열가소성 중합체의 전도성 물질로의 열 함침이 발생한다. 생성된 복합체는 스테이션(411)에 공급되어 릴(412)을 통과하여, 이극판과 분리막의 적층이 이루어진다. 이어서, 생성된 라미네이트는 스테이션(411)을 빠져 나와, 롤러(440, 450 및 460)를 각각 함유하는 스테이션(441, 451 및 461)에 순차적으로 공급되며, 여기서, 다양한 프레임 층이 적용되어 전기화학 셀을 형성한다. 다양한 프레임 층을 형성하기 위한 물질은 릴(438, 448 및 458)로부터 공급된다. 상기 개략도는 일반적인 성질을 가지며 간결하게 하기 위해 생략된 여기서 수행되는 다양한 추가의 공정 작업이 있을 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 공정 조작은 예를 들면 다이-절단(die-cutting), 레이저 절단(laser cutting), 스탬핑(stamping) 등을 포함할 수 있다.
도 20은 주로 도 20이 유동 채널을 한정하기 위한 열가소성 물질의 삭마가 발생하는 스테이션(471)도 포함한다는 점에서 도 19와는 상이하다. 도 20에 도시된 바와 같이, 삭마는 상기 분리막에 이극판이 적층되기 전에 발생한다.
상기와 다르게 정의되거나 당업자에 의해 이해되는 경우, 다음 단락의 정의는 본 발명에 적용가능하다.
본원에서 사용된 용어 "에너지 밀도"는 활물질에 단위 용적 당 저장될 수 있는 에너지의 양을 지칭할 것이다. 에너지 밀도는 에너지 저장의 이론적인 에너지 밀도를 지칭하며 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
에너지 밀도 = (26.8 A-h/mol) × OCV × [e-1]
상기 식에서,
OCV는 50% 충전 상태에서의 개방 회로 전위(open circuit potential)이고,
(26.8 A-h/mol)은 패러데이 상수(Faraday's constant)이고,
[e-1]는 99% 충전 상태에서 활물질에 저장된 전자의 농도이다.
활물질이 주로 양성 및 음성 전해질 모두를 위한 원자 또는 분자 화학종인 경우 [e-1]는 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 2]
[e-1] = [활물질] × N/2
상기 식에서,
[활물질]은 음성 또는 양성 전해질 중 낮은 쪽의 활물질의 몰 농도이고,
N은 활물질의 분자 당 전달되는 전자의 수이다.
관련 용어 "전하 밀도"는 각각의 전해질이 함유하는 총 전하량을 지칭할 것이다. 소정의 전해질에 대해, 전하 밀도는 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 3]
전하 밀도 = (26.8 A-h/mol) × [활물질] × N
상기 식에서,
[활물질] 및 N은 상기 정의된 바와 같다.
본원에 사용된 바와 같이, "전류 밀도"는 셀의 기하학적 면적으로 나누어진 전기화학 셀에 통과된 총 전류를 지칭할 것이며 통상 mA/㎠ 단위로 기록된다.
본원에 사용된 용어 "전류 효율"(Ieff)은 셀의 방전시 생성된 총 전하 대 충전 동안 통과된 총 전하의 비로서 기재될 수 있다. 전류 효율은 유동 배터리의 충전 상태의 함수일 수 있다. 일부 비제한적인 양태에서, 전류 효율은 약 35% 내지 약 60%의 충전 상태 범위에 대해 평가될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "전압 효율"은 소정의 전류 밀도에서 관찰된 전극 전위대 해당 전극의 반쪽-셀 전위의 비(×100%)로서 기재될 수 있다. 전압 효율은 배터리 충전 단계, 방전 단계 또는 "왕복 전압 효율(round trip voltage efficiency)"에 대해 기재될 수 있다. 소정의 전류 밀도에서 "왕복 전압 효율(Veff,RT)"은 수학식 4를 사용하여 방전시 셀 전압(V방전) 및 충전시 셀 전압(V충전)으로부터 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Veff,RT = V방전/V충전 × 100%
본원에 사용된 용어 "음극" 및 "양극"은, 음극이 작동하거나, 충전 및 방전 사이클 모두에서 이들이 작동하는 실제 전위와 독립적으로, 양극보다 더 음성인 전위에서 작동하도록 설계되거나 의도되도록 (그리고 그 반대로 되도록) 서로에 대해 정의된 전극들이다. 음극은 가역적 수소 전극에 비해 음전위에서 실제로 작동하거나 작동하지 않을 수 있거나, 작동하도록 설계 또는 의도될 수 있거나 되지 않을 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 음극은 제1 전해액과 관련되고 양극은 제2 전해액과 관련된다. 음극 및 양극과 관련된 전해액은 각각 음극액(negolyte) 및 양극액(posolyte)으로서 기재될 수 있다.
본 발명은 개시된 양태를 참조로 기재되었지만, 당업자는 이들이 본 발명의 예시일 뿐임을 쉽게 이해할 것이다. 다양한 변형이 본 발명의 취지로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명은 지금까지 기재되지 않은 임의의 수의 변형, 변경, 치환 또는 등가의 배열을 포함하도록 변형될 수 있지만, 이는 본 발명의 취지 및 범위에 상응한다. 추가로, 본 발명의 다양한 양태가 기재되었지만, 본 발명의 측면은 기재된 양태의 일부만을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 상기한 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되지 않는다.

Claims (29)

  1. 전기화학 셀(electrochemical cell)로서,
    제1 반쪽-셀(half-cell)과 제2 반쪽-셀 사이에 배치된 이온 전도성 분리막(separator); 및
    상기 제1 반쪽-셀 내의 제1 이극판(bipolar plate) 및 상기 제2 반쪽-셀 내의 제2 이극판으로서, 상기 제1 이극판 및 상기 제2 이극판 중 적어도 하나는 전도성 물질과 차단재(blocking material)를 포함하는 복합체인, 상기 제1 이극판 및 상기 제2 이극판
    을 포함하고, 여기서, 상기 차단재는, 서로 이격되어 있으며 상기 이온 전도성 분리막에 대해 상기 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정하고; 상기 복수의 유동 채널들은 상기 복합체 내에서 서로 유체 연통하는, 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 물질이 부직 카본지, 직조 카본 클로쓰, 카본 펠트, 또는 탄소 발포체를 포함하는, 전기화학 셀.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 유동 채널들이 상기 복합체 내에서 실질적으로 서로 평행인, 전기화학 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반쪽-셀 내의 제1 전극 및 상기 제2 반쪽-셀 내의 제2 전극
    을 추가로 포함하고, 여기서, 상기 제1 전극은 상기 제1 이극판 및 상기 이온 전도성 분리막 사이에 개재하고 상기 제2 전극은 상기 제2 이극판 및 상기 이온 전도성 분리막 사이에 개재하는, 전기화학 셀.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 이극판은 상기 제1 전극과 접촉하고 상기 제2 이극판은 상기 제2 전극과 접촉하는, 전기화학 셀.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 이극판과 상기 제2 이극판이 상기 이온 전도성 분리막의 대향면과 접촉하는, 전기화학 셀.
  7. 제1항에 있어서, 상기 차단재가 중합체성 물질을 포함하는, 전기화학 셀.
  8. 제7항에 있어서, 상기 중합체성 물질이 열가소성 중합체를 포함하는, 전기화학 셀.
  9. 제1항에 있어서, 상기 차단재가 상기 전도성 물질로 함침되는, 전기화학 셀.
  10. 제1항에 있어서, 상기 차단재가 상기 전도성 물질 상의 층을 포함하는, 전기화학 셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이극판에 제1 전해액을 제공하고 상기 제2 이극판에 제2 전해액을 제공하도록 구성된 유체 유입 매니폴드(fluid inlet manifold); 및
    상기 제1 이극판으로부터 상기 제1 전해액을 회수하고 상기 제2 이극판으로부터 상기 제2 전해액을 회수하도록 구성된 유체 유출 매니폴드(fluid outlet manifold)
    를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 유체 유입 매니폴드와 상기 유체 유출 매니폴드는 상기 복합체 내의 교호 유동 채널들로부터 상기 제1 전해액 및 상기 제2 전해액을 제공하고 회수하도록 구성되는, 전기화학 셀.
  12. 제11항에 있어서, 상기 유체 유입 매니폴드와 상기 유체 유출 매니폴드가, 상기 제1 이극판 및 상기 제2 이극판의 대향 측면들 상에서 상기 제1 전해액 및 상기 제2 전해액을 제공하고 회수하도록 구성되는, 전기화학 셀.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반쪽-셀에 상기 제1 이극판을 고정시키고 그 안에 유체 밀봉을 제공하도록 구성된 하나 이상의 프레임 층, 및 상기 제2 반쪽-셀에 상기 제2 이극 판을 고정시키고 그 안에 유체 밀봉을 제공하도록 구성된, 하나 이상의 프레임 층
    을 추가로 포함하고, 여기서, 상기 제1 반쪽-셀 내의 상기 프레임 층들 중 적어도 하나는 상기 제1 전해액을 상기 제1 이극판에 제공하도록 구성되고, 상기 제2 반쪽-셀 내의 상기 프레임 층들 중 적어도 하나는 상기 제2 전해액을 상기 제2 이극판에 제공하도록 구성되는, 전기화학 셀.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 반쪽-셀에 상기 제1 이극판을 고정시키고 그 안에 유체 밀봉을 제공하도록 구성된 하나 이상의 프레임 층, 및 상기 제2 반쪽-셀에 상기 제2 이극 판을 고정시키고 그 안에 유체 밀봉을 제공하도록 구성된 하나 이상의 프레임 층을 추가로 포함하는, 전기화학 셀.
  15. 서로 함께 인접된 복수의 제1항에 따른 상기 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 스택(electrochemical stack).
  16. 제15항에 있어서, 인접한 전기화학 셀들 사이에 배치된 추가의 전도성 층을 추가로 포함하는, 전기화학 스택.
  17. 제15항에 있어서, 상기 전기화학 스택이 유동 배터리(flow battery) 내에 존재하는, 전기화학 스택.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전해액을 상기 제1 이극판에 제공하고 제2 전해액을 상기 제2 이극판에 제공하도록 구성된 유체 유입 매니폴드; 및
    상기 제1 이극판으로부터 상기 제1 전해액을 회수하고 상기 제2 이극판으로부터 상기 제2 전해액을 회수하도록 구성된 유체 유출 매니폴드
    를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 유체 유입 매니폴드와 상기 유체 유출 매니폴드는 상기 복합체 내의 교호 유동 채널들로부터 상기 제1 전해액 및 상기 제2 전해액을 제공하고 회수하도록 구성되는, 전기화학 스택.
  19. 방법으로서,
    차단재를 전도성 물질의 일부에 함침시켜 복합체를 형성하는 단계; 및
    제1 반쪽-셀 내의 제1 이극판과 제2 반쪽-셀 내의 제2 이극판을 포함하는 전기화학 셀을 제조하는 단계로서, 상기 제1 반쪽-셀과 상기 제2 반쪽-셀이 이온 전도성 분리막에 의해 분리되는, 단계
    를 포함하고, 여기서, 상기 제1 이극판 및 상기 제2 이극판 중 적어도 하나는 상기 복합체를 포함하고; 상기 차단재는, 서로 이격되어 있으며 상기 이온 전도성 분리막에 대해 상기 복합체를 통해 측방향으로 연장되는 복수의 유동 채널들을 한정하고; 상기 복수의 유동 채널들은 상기 복합체 내에서 서로 유체 연통하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전기화학 셀이 연속 생산 라인에서 롤상 원료 물질(rolled source material)로부터 제조되는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전기화학 셀의 제조 전에 상기 복합체 및 내부의 상기 복수의 유동 채널들도 연속 생산 라인에서 형성되는, 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 차단재의 함침 단계가 열가소성 중합체를 상기 전도성 물질 내에 열적으로 함침시키는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제19항에 있어서, 복수의 상기 전기화학 셀들을 서로 함께 인접시켜 전기화학 스택을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 방법으로서,
    차단재를 전도성 물질 상의 층에 배치하여 복합체를 형성하는 단계;
    상기 차단재의 일부를 상기 층으로부터 제거하여 서로 이격되어 있는 복수의 유동 채널들을 한정하는 단계; 및
    제1 반쪽-셀 내의 제1 이극판과 제2 반쪽-셀 내의 제2 이극판을 포함하는 전기화학 셀을 제조하는 단계로서, 상기 제1 반쪽-셀과 상기 제2 반쪽-셀이 이온 전도성 분리막에 의해 분리되는, 단계
    를 포함하고, 여기서, 상기 제1 이극판 및 상기 제2 이극판 중 적어도 하나는 상기 복합체를 포함하고; 상기 복수의 유동 채널들은 상기 이온 전도성 분리막에 대해 상기 복합체를 통해 측방향으로 연장되고; 상기 복수의 유동 채널들은 상기 복합체 내에서 서로 유체 연통하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 전기화학 셀이 연속 생산 라인에서 롤상 원료 물질로부터 제조되는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 전기화학 셀의 제조 전에 상기 복합체 및 내부의 상기 복수의 유동 채널들도 연속 생산 라인에서 형성되는, 방법.
  27. 제24항에 있어서, 열 함침에 의해 상기 차단재를 상기 전도성 물질로 적어도 부분적으로 함침시키는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 차단재는 열가소성 중합체를 포함하는, 방법.
  28. 제24항에 있어서, 복수의 상기 전기화학 셀들을 서로 함께 인접시켜 전기화학 스택을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 제24항에 있어서, 상기 차단재의 일부를 제거하는 단계가 상기 차단재의 레이저 삭마를 포함하는, 방법.
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