KR20180132139A - 전기 에너지를 생산하기 위한 충전가능한 전기화학 디바이스 - Google Patents

전기 에너지를 생산하기 위한 충전가능한 전기화학 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 개별 전기화학 전지 내에 전해조, 수소 축압기 및 연료 전지의 기능을 통합하는 혁신적인 디바이스에 관한 것이다. 이러한 디바이스는 일반적인 배터리 충전기에 접속함으로써 전기적으로, 그리고 기체 수소를 직접 주입함으로써 충전될 수 있다. 본 디바이스는 매우 조밀하고 감소된 중량을 특징으로 하며, 결과적으로 소형 휴대용 전자 장치로의 전력 공급 및 전기 자동차의 모터로의 전력 공급 모두에 유리하게 사용될 수 있다.

Description

전기 에너지를 생산하기 위한 충전가능한 전기화학 디바이스
본 발명은 특히 전기 자동차에 전력을 공급하도록 사용되는 에너지를 생산 및 축적하기 위한 전기화학 디바이스 분야에 관한 것이다.
특히, 본 발명의 범주는 에너지원으로서 산소와 결합된 수소를 이용함으로써 에너지를 생산할 뿐만 아니라, 그것을 축적할 수 있는 디바이스에 관한 것이다.
전기화학 디바이스는 전기 에너지 및 수소 기체의 직접 주입 모두에 의해 충전될 수 있다.
화학 에너지의 형태로 전기 에너지를 저장할 수 있는 전기화학 디바이스가 공지되어 있으며; 이러한 장치는 에너지가 저장되는 위치에 따라 배터리, 또는 전기화학 전지 및 연료 전지로 분류된다. 배터리에서, 에너지는 배터리 자체에 저장되고, 연료 전지에서 에너지는 연료 전지 자체의 외부에 있는 연료에 저장되는 반면, 조연제는 전형적으로 주변 공기가 함유하는 산소이다. 따라서, 연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 디바이스이지만, 후자는 연료 전지 내부에 저장될 수 없다.
배터리에서, 또는 전기화학 전지에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로의 변환은 제 1 물질이 전자를 잃음으로서 산화 과정을 거치는 반면, 제 2 물질은 해당 전자를 획득함으로써 환원 과정을 거치는 산화-환원 반응으로 인해 발생한다.
모든 배터리는 캐소드(cathode)로 지칭되는 양극 및 애노드(anode)로 지칭되는 음극을 가지고, 애노드는 캐소드보다 낮은 전위 레벨을 가진다.
배터리가 외부 회로와 접속되어 있으면, 전자는 음극으로부터 흘러 연속 전류를 생성하고; 전류를 생성하는 전위차는 산화 및 환원 반응의 함수이며 전기 에너지의 생산은 이러한 화학적 반응기 평형 상태에 도달하는 즉시 중단된다.
배터리는 일반적으로 배터리 충전기로 지칭되는 전력 공급 장치를 통해 전기 에너지의 형태로 에너지가 충전되며; 전기 에너지를 전기화학적 에너지로 변형하는 데에 필요한 시간은 전력 공급 장치뿐 아니라 배터리의 특성에 따라서도 달라진다.
충전 시간을 단축하기 위해 보다 강력한 전력 공급 장치가 구축될 수 있지만, 알려진 임의의 종류의 배터리에 있어서는 사용되는 기술의 전형적인 한계가 식별되며, 이를 넘어서면 배터리의 빠른 물리적 저하가 촉발되고 가능한 충전-방전 사이클의 수가 급격하게 급소된다.
상기 한계를 초과하지 않기 위해, 충전 시간이 너무 많이 감소될 수는 없다.
모든 알려진 배터리에 대해 일반적인 다른 문제점은 수송가능한 에너지의 양에 비교한 실질적인 중량 및 충전 및 방전 사이클의 과정에서 에너지 저장 용량의 점진적인 손실을 포함한다.
연료 전지에서, 전기 에너지는 전형적으로 수소 및 산소인 일부 물질로부터 출발하여 생산되고, 이것이 열 연소 기계에 의해 동작되는 발전기에서 발생하기 때문에 연료 전지의 동작 원리가 에너지 변환 과정 대신 전기 배터리에서와 같이 예로서 수소 및 산소과 같은 반응 물질로부터 출발하는 전기화학적 반응에 의한 기전력의 직접 생성에 있다는 점에서 열 연소 과정이 발생하지 않는다.
전기화학적 반응은 가연성 수소 또는 조연제 산소의 분자를 양의 이온 및 전자로 분리하는 개념에 기초하며; 후자는 외부 회로를 교차함으로써 화학적 반응의 속도에 비례하는 전류를 제공하고, 상기 전류는 따라서 임의의 목적을 위해 사용 가능하다.
연료 전지의 매우 흥미로운 측면은 대기 중에 수증기만을 방출하는 동안 수소 전원이 공급되는 가능성과 관련되지만, 수소는 자연에서 자유롭게 존재하지 않으며 결과적으로 이는 제조되어야만 한다. 수소 제조 방법은 CO2를 대기로 방출하여 결과적으로 환경에 유해한 과정에 의존하지 않고 전해조, 즉 전기 분해에 의해 물을 수소와 산소로 분리할 수 있는 장치를 사용한다.
현재에, 연료 전지의 주요 한계는 압력 용기가 필요한 수소 저장의 어려움ㅇ에 있으며, 충전 단계 및 연료 전지의 동작 모두에서 발생하는 열 변형에 있다.
본 연료 전지 시스템의 작동 사이클은 각각이 특정 장치를 사용하는 세 개의 주요 단계들로 구성된다: 첫 번째 단계는 물로부터 수소를 생성하고 특정 전해조를 필요로 하고, 두 번째 단계는 특별한 압력 탱크(압력은 일반적으로 300 내지 700 bar)를 필요로 하는, 연료 전지에 전력을 공급하도록 사용되는 수소의 운송 및 저장이며, 마지막으로 세 번째 단계는 연료 전지 자체 내에서 전기 에너지를 생산하는 것이다.
수소로 작동되는 현재의 자동차에는 결과적으로 연료 전지가 충전되는 수소 탱크가 장착되는 반면에, 동작을 위해서 주전원에 접속될 수 있는 수소를 생산하기 위해 사용되는 전해조는 이동가능한 수단에 절대 설치되지 않는다.
자동차에 있어서 가장 광범위한 시스템은 현재 탱크를 사용하지만, 수소는 높은 인화성 물질이며, 이는 중요한 안전 문제를 포함하며 이것의 사용은 중요한 위험도 및 임계를 특징으로 한다.
이러한 문제를 미연에 방지하기 위하여, 일부 금속 분말, 특히 수소화물 금속 분말의 특성을 이용하여 수소를 흡수 및 방출하는 공정보다 많은 공정이 개발되었으며, 상기 탱크 내부에 위치된 금속 분말은 1 내지 10 bar의 범위를 갖는 매우 낮은 압력에서 다량의 수소를 작은 공간 내에 저장할 수 있지만,(고압 탱크보다 훨씬 긴) 긴 시간 동안 연료 전지에 전력을 동시에 공급할 수 있다.
그러나, 이러한 기술적 솔루션은 기본적으로 두 가지 요인으로 묶이는 다수의 중요한 한계를 나타낸다: 하나는 수소가 들어가는 동안의 온도의 증가 및 수소가 나오는 동안의 온도의 감소와 관련된 물리적인 요인인 반면, 다른 하나는 동작상의 요인으로 수소를 채우기 위해 필요한 인프라구조가 드물다는 점과 관련된다.
빠른 충전 단계 중에 기포, 즉 내부에 수소화 금속 분말이 있는 용기가 화재 및 연소의 위험이 있는 100-150℃에 이르는 고온에 도달할 때까지 가열되며, 또한 증가된 온도는 30%에 이르는 효율적을 감소시킬 수 있는 에너지 소실을 수반한다.
반대로, 수소가 탱크로부터 연료 전지에 공급되는 동안 기체의 팽창에 의해 발생되는 온도의 감소는 탱크 및 배관 상에 대기 습기의 응축 및 결과적인 얼음의 형성을 발새시키며, 그 후에 얼음이 녹아서 형성된 물은 적절히 수집 및 배출될 것이다.
"재생성가능한" 연료 전지로도 지칭되는 결합된 유형의 시스템이 오랫동안 공지되었으며, 여기에서 표준 연료 전지는 전해조에 전류를 공급함으로써 전해조에 의해 보충되고, 그에 따라 충전 단계 동안 연료 전지에 의해 소비되는 수소를 "재생성"하는 것이 가능하다.
이러한 유형의 시스템은 미국 특허 US3839091A에 개시되었고, 여기에서 연료 전지 및 전해조의 형태인 장치를 개시하며: 전해조는 전기분해에 의해서 수소 및 산소를 생산하고 이들은 두 개의 분리된 컴파트먼트에 저장되어 전기 에너지를 생성하도록 연료 전지에 의해 사용된다.
마찬가지로, 특허 출원 US2002017463A1은 전해조와 연료 전지를 연결하는 장치를 개시하고; 전해조 디바이스에 의해 전기분해식으로 생산된 수소는 전류를 생성하도록 방전 단계 동안 이를 사용하는 연료 전지에 접속된 적절한 탱크 내에 저장된다.
국제 특허 출원 WO2005008824A2는 서로 연결된 두 개의 별개의 디바이스의 형태인 결합된 시스템의 다른 예시, 즉 수소를 생성 및 저장하는 전기분해 전지 및 연료 전지를 개시하며; WO2005008824A2에 개시된 솔루션에서, 두 장치는 두 전극 및 하나의 분리기의 형태로 각각 형성되고; 만약 필요하다면, 두 개의 디바이스가 공통의 전극을 가질 가능성 또한 고려된다. 지금까지 기술된 모든 장치에서, 연료 전지, 수소를 저장하도록 사용되는 탱크 및 전해조는 결합된 시스템을 구성하기 위해 함께 연결된 독립적인 디바이스이며, 이는 전해조, 연료 전지, 수소 탱크, 물과 산소 탱크 및 적절한 상호접속 채널을 제공하기 위한 필요성을 고려하였을 때 전체 치수, 중량 및 구성요소 부품의 수를 증가시킨다.
이러한 이유로, 당업계에서 현재 알려진 전술된 유형의 시스템은 컴퓨터, 태블릿 및 휴대전화와 같은 휴대용 전자 디바이스의 배터리로 사용하기에 적합한 소형의 충전가능한 연료 전지를 구현하는 것이 사용가능하지 않을 뿐만 아니라, 자동차 및 오토바이용 연료 전지로 사용하기에도 적합하지 않다.
최근에 이중 배터리가 개발되었으며, 여기에서 방전 단계 동안 수소의 소비 및 충전 단계 동안 수소의 생성은 오직 두 개의 전극을 사용함으로써 하나의 동일한 전지 내에서 내부적으로 발생한다.
상기 유형의 시스템의 예는 미국 특허 출원 US20060003203A1에 개시되었고, 여기에서 배터리는 전기분해적으로 수소를 생성할 수 있고 전기 에너지를 생성하기 위해서 충전 단계 동안에 상기 수소를 소비할 수 있다고 주장하였지만; 외부로부터 수소의 직접 주입 방식으로 장치를 충전하는 것이 가능하지 않으며 오직 전기 에너지의 형태로만 충전할 수 있다는 점에서 US20060003203A1에 기술된 장치는 실제 연료 전지가 아닌 수소화물/공기 배터리이다.
전기적으로만 충전가능한 "재생성가능한" 연료 전지의 잘 알려진 단점은 충전 단계의 기간이며, 사실 수소를 재생산하는 데에 필요한 전기분해 과정은 일반적으로 몇 시간인 긴 기간을 필요로 하고, 그 동안 장치는 주전원에 접속된 채로 유지될 것이다. 따라서, 이러한 솔루션은 다수의 애플리케이션에 대해 구현하기 어려우며 일반적으로 밤새 충전되는 배터리를 가진 자동차와 같은 경우 이후에 사용할 수 있도록 언제 배터리가 충전되어야 할지 사전에 계획해야 하기 때문에 매우 실용성이 낮다.
반대로, 단지 수소의 직접 주입 방식에 의해서만 충전가능한 연료 전지는 일반적으로 약 수 분의 매우 짧은 충전 시간을 제공하지만, 현재 수소 충전소는 소수이다.
알려진 유형의 전해 전지의 다른 예가 미국 특허 출원 US 2001/033959 A1에 개시되었으며, 연료 전지를 위한 캐소드 및 이러한 캐소드를 포함하는 알칼리성 연료 전지가 개시되었고 상기 연료 전지는 매우 빠르게 시작할 수 있다.
US 2001/033959 A1에 개시되어 있는 전해조는 특히 수소를 저장할 수 있는 귀하지 않은 금속 합금으로 형성된 애노드 및 적어도 부분적으로 순수한 산소를 저장할 수 있는 금속 합금으로 형성된 캐소드를 포함하지만; 수소 축적된 두께는 애노드의 얇은 표면 층 아래까지 제한되며, 이는 단지 디바이스의 빠른 시작을 보장하도록 필요한 수소만을 저장하도록 허용하는 반면, 수소가 전기 에너지를 생성하도록 점진적으로 산화되는 길게 이어지는 방전 단계를 제공하기 위한 양의 수소를 축적하는 것은 허용하지 않는다.
또한, US 2001/033959 A1에 따른 애노드 전극은 귀한 금속이 아닌 저렴한 금속 합금으로 형성되고, 그러므로 이것은 산성 환경에서 내성을 갖지 않고 이산화탄소의 존재하에서 사용될 수도 없으며, 이는 상기 애노드 전극에 인접한 전해질의 유해한 탄산화 반응을 발생시킬 것이며; 이러한 이유로 대기 공기 대신 캐소드 전극에 전력을 공급하도록 순수한 산소를 사용하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 일반적인 배터리 충전기에 의해 공급되는 전기 에너지를 아용하여, 그리고 수소의 직접 공급에 의해서 충전될 수 있는 에너지 축적 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 휴대전화를 위한 고속 충전 장치부터 자동차에 전력을 공급하기 위한 디바이스에 이르기까지 다양한 유형의 응용에 또는 감소된 전체 치수 및 무게가 요구되는 임의의 다른 응용에서 유용하게 사용될 수 있는, 매우 가볍고 콤팩트하며 경제적이며 신뢰성이 있으며 설치가 용이한 디바이스를 제공하는 것이다.
이들 목적 및 다른 목적이 수소를 생성하기 위한 전해조의 기능, 수소를 축적하기 위한 수소화물 금속 탱크 및 상기 수소로부터 전력을 수용하는 연료 전지를 통합하는 하나의 그리고 동일한 디바이스를 형성하기 위한, 놀랄만한 요소들의 통합으로 인해 획득된다.
알려진 솔루션과는 다르게, 본 특허 출원에 따른 디바이스는 수소화물 금속 내에 흡수된 수소가 저장되고 수소로부터 시작하여 전기 에너지를 생산하는 데 필요한 반응 및 주전원에 전지가 접속되었을 때 수소를 생산하기 위해 필요한 전기분해 반응이 내부적으로 발생하는 동시에 외부로부터 기체 수소의 직접 공급에 의해서도 수소를 충전하는 것을 허용하는 오직 하나의 전지만을 포함한다.
본 발명의 디바이스는 감소된 전체 치수 및 중량 그리고 주전원에 접속될 때 이전에 소비된 수소를 재생성하도록 하는 "재생성가능한" 연료 전지의 장점과 수소의 직접 주입에 의해 충전가능한 연료 전지의 장점을 놀랍게도 결합하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은:
- 전도성 기판 및 내부에서 운반되는 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 환원할 수 있는 촉매로 주로 구성된 캐소드 전극;
- 전기 절연성 세퍼레이터로서, 수소에 불투과성이고 이온 교환기로 작용화되는 것으로 특징지어지는 전기 절연성 세퍼레이터;
- 전도성 기판과 수소를 전기 화학적으로 산화할 수있는 촉매로 주로 구성된 양극 전극;
- 음의 전극에 인접하여, 다량의 기체 수소(2-3 중량% 이하)를 신속하게 흡수 할 수 있는 수소화물 금속 분말을 주로 함유하고, 수요에 따라 서서히 방출할 수 있는 지지체;
- 배터리의 캐소드로 이송되기 전에 가습되기 위해 필요한 경우 공기가 통과하는 외부 물 탱크; 전기 에너지를 공급할 때 수소와 산소의 재조합으로 형성된 물을 모으는 폐쇄된 유압 회로에 속하는 이러한 탱크를 포함한다.
매우 바람직하게는, 본 장치에서 소비되는 수소의 복귀 장치의 두 개의 다른 충전 모드에서 발생할 수 있다.
제 1 모드에서, 장치는 장치의 극에 연결된 배터리 충전기를 통해 전기 에너지에 의해 충전되고, 이로써 후자는 캐소드에서의 산소 및 애노드에서의 수소로 캐소드 컴파트먼트 내로 흐르는 공기와 함께 도입되는 물 분자를 분리하도록 공급되는 전류를 이용하는 전해기로서 행동하며; 수소 분자는 수소 저장실에 존재하는 수소화물 금속 분말에 의해 흡착되어 약 8 bar의 최대 압력에서 수소로 장치를 채운다. 이 모드에 따른 장치의 충전 시간은 일반 배터리의 충전 시간과 비슷하다.
제 2 모드에서, 수소의 직접 분사에 의해 충전이 이루어지며, 이 모드는 금속 수소화물에 의해 빠르게 흡착되는 저압(1-8 bar) 기체 수소를 애노드 컴파트먼트에 직접 주입하는 방식으로 구성된다. 바람직하게는, 이러한 제 2 모드는 제 1 모드에 따라 재충전하는데 필요한 것보다 훨씬 짧은 시간에 완전 재충전을 수행하는 것을 가능하게 한다.
제 2 모드에 따른, 즉 수소 주입에 의한 전하는 발열 과정이며, 이는 다소 높은 온도를 생성한다는 것을 강조할 가치가 있다; 본 발명에서, 배출 단계 동안 시약으로서 필요한 산소를 가져오기 위해 캐소드 컴파트먼트를 통해 공기를 운반하는 것 이외에도, 충전 단계 동안 주입에 의해 활성 상태로 유지되는 공기 컨베이어를 이용하는 것이 매우 편리하다고 간주된다. 수소를 발생시켜 그 내부에서 발생하는 열을 제거하여 흡착 분말을 냉각시키는 것이 가능하다.
이와 관련하여, 장치의 배치와 치수 특성(특히 너비와 길이가 두께보다 훨씬 큼) 덕분에 보다 효율적인 방법으로 수소를 저장할 수 있다는 점도 주목할 가치가 있다. 이 혁신적인 시스템에서 수소의 직접 분사에 의한 충전 발열 과정에서 필요한 냉각이 훨씬 빨라질 수 있기 때문에 동일한 양의 금속 분말을 내부적으로 압력 탱크에 삽입함으로써 가능하다. 더욱 큰 열교환 표면적 덕분에 보다 효과적인 방법을 제공한다.
유리하게는, 전기 에너지에 의한 재충전 단계 동안 이산화탄소로의 이산화탄소로의 열화를 방지하기 위해, 통상의 연료 전지의 캐소드와 달리, 본 특허 출원에 따른 장치의 캐소드 전극은 실질적으로 탄소가 함유되지 않는다.
배출 단계는 수소화물 금속 흡수제에 의해 방출된 수소에 대한 전기 화학적 산화 공정(전자 전달)과 동시에 대기 중에 존재하는 산소의 환원 과정(전자의 획득)으로 구성된다. 산화환원 반응의 생성물에는 전기 에너지 외에 열에너지와 물이 포함되어 독성 또는 오염 물질이 전혀 생성되지 않는다. 이러한 배출 단계는 수소 탈착과 관련된 흡열 공정과, 전류 보상 산화환원 반응과 관련된 발열 과정의 흡열 과정으로 이루어져 서로 보상하고 지나치게 낮거나 너무 높은 온도에 도달하는 것을 방지하므로 전반적인 에너지 효율성이 향상된다.
도 1은 본 특허 출원에 따른 전기화학 전지의 가능한 실시예의 수직 단면을 도시하며; 이 도면은 양의 전류 수집기(1), 음의 전류 수집기(2), 캐소드 전극(3), 애노드 전극(4), 기체 불투과성 중합체 분리막(5), 기체 확산 층으로서 동작하는 다공성 지지체(6), 수소화물 금속 분말을 함유하는 다공성 지지체(7), 가습된 공기 유입 채널(8) 및 공기가 상기 다공성 지지체를 떠날 수있게 하는 공기 배출 채널(9), 그리고 상기 다공성 지지체(7)에 수소가 진입하게 하는 기체 수소 유입 채널(10)을 나타낸다.
도 2는 서로 직렬 접속된, 도 1에 도시된 유형의 3개의 전기화학 셀로 형성된 배터리의 수직 단면을 도시하며; 도시된 실시예에서는 기체 수소 유입 채널(10)과 같이 서로 연통하는 공기 확산 채널(8, 9)이 제공된다.
특히 완전한 실시예에서, 본 특허 출원에 따른 충전가능한 전기화학적 전지는 다음을 포함한다:
각각이 시약(특히 산소 및 수소)에 불투과성인 높은 전기 및 열 전도성 물질의 시트로 형성되고 높은 기계적 힘을 특징으로 하는 양의 전류 수집기(1) 및 음의 전류 수집기(2). 상기 수집기(1, 2)는 예를 들어 스테인레스 스틸, 흑연, 티타늄 또는 니켈로 제조될 수 있다;
- (촉매가 정착되고 전류 수집기로부터 촉매 자체로의 전자 이동을 가능하게하는) 전도성 기판으로 실질적으로 형성되는 캐소드 전극(3) 및 애노드 전극(4), 중합체 바인더(바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌의 물 분산액으로 이루어짐) 및 촉매. 촉매는 전기화학 전지가 방전 단계에 있는지 또는 전류에 의해 충전 단계에 있는지에 따라 두 가지 상이한 기능을 수행한다: 캐소드 전극의 경우, 방전 단계 동안 촉매는 전기 화학적으로 공기 중의 산소를 환원시키는 반면, 전기 에너지에 의한 충전 단계에서 촉매는 공기 흐름과 함께 캐소드 컴파트먼트로 도입된 물 분자를 분할함으로써 산소를 얻으며; 아노드 전극의 경우, 방전 단계에서 촉매는 애노드 컴파트먼트에 존재하는 수소를 전기 화학적으로 산화시키는 반면, 전기 에너지에 의한 충전 단계에서는 중합체 막(5)을 통해 캐소드로부터 전기-침투된 물 분자를 분리하여 수소를 발생시킨다. 바람직하게는, 전극의 폭과 길이는 그 두께보다 훨씬 크며, 후자는 바람직하게는 대략 최대 수십만 밀리미터 정도이다;
- 캐소드 전극(3)과 애노드 전극(4) 사이에 삽입되어 상기 두 개의 전극(3, 4)을 전기적으로 절연시킬 수 있는 이온 교환 중합체 막(5); 상기 막(5)은 기체(특히 수소 및 산소)에 이온 전도성 및 불투과성을 제공하고 높은 열적 안정성을 특징으로 한다;
- 양의 전류 수집기(1) 및 캐소드 전극(3) 사이에 삽입되어 기체 확산층으로서 작용하는 전기적으로 도전성인 다공성 층(6);
- 애노드 전극(4)과 음의 전류 수집기(2) 사이에 삽입된 전기적으로 전도성인 다공성 층(7), 상기 다공성 층(7)은 (2-3 중량%에 이르는) 많은 양의 기체 수소를 빠르게 흡수할 수 있는 (실질적으로 란탄, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 금속 합금으로 형성된) 촉매 분말로 함침되고, 바람직하게는 8 bar의 최대 압력에 도달하며 실제 필요에 따라 이를 점진적으로 배출한다. 상기 다공성 층(7)은 바람직하게 애노드 전극(4)과 동일한 폭과 길이를 가지지만, 그 두께는 후자보다 20-30 배 크므로, 전기화학적 전지의 수요에 비례하는 수소의 양을 저장하도록 충분한 흡착 합금 재료를 함유할 수 있다;
- (예로서, 천연 또는 섬유 유리 강화 PPO, PPS, PEEK와 같은) 플라스틱 재료로부터 제조된, 기체 불투과성이며 전기 절연성을 제공할 수 있는 전기화학적 전지의 구성요소 부품을 수용하기에 적합한 프레임;
- 전기화학적 전지의 개별 구성 부품을 함께 결합하여 견고하게 유지하면서 프레임의 구성 부품을 서로 접속하기에 적합한, 전기적으로 절연성인 고정 나사;
- 애노드 컴파트먼트와 캐소드 컴파트먼트의 밀봉을 제공하는 (예로서, 실리콘, EPDM, NBR, Viton과 같은) 시약을 통과하지 못하는 재료로 만든 "O- 링" 유형의 플랫 또는 링 개스킷(gasket); 특히, 하나는 음의 전류 수집기(2)와 접촉하고 다른 하나는 가압 수소가 저장되는 애노드 컴파트먼트 내의 수소 밀봉을 제공하는 중합체 분리기 막(5)과 접촉하는 두 개의 개스킷이 제공되며; 제 3 개스킷은 양의 전류 수집기(1)와 접촉하여 캐소드 컴파트먼트 내의 기밀성을 제공한다;
- 전기화학적 전지의 컴파트먼트 내부의 시약 확산 채널, 특히 캐소드 전극(3)은 가습 공기 입구 채널(8) 및 공기 출구 채널(9)에 연결되며; 반대로, 애노드 컴파트먼트에는 하나의 유입구만 존재하며, 이를 통해 수소 충전 단계 동안 기체 상태의 수소가 다공성 지지체(7)에 직접 주입 될 수 있고; 그러한 유입구는 약 8 bar의 최대 압력 값에 도달한 후에 닫힌다;
- 필요한 경우 배터리(3)의 캐소드으로 이송되기 전에 캐소드 컴파트먼트로 유입된 공기가 통과하는 물 탱크 (11); 매우 유리하게는 이 탱크(11)는 전기 에너지 공급 단계에서 수소와 산소의 재결합으로부터 형성되는 물을 수집하는 폐쇄 회로의 부분이다.
본 발명에 따른 전기화학 전지의 가능한 실시예에 따르면, 상기 이온 교환 막(5)은 양이온 유형이고 산 작용기를 갖는 중합체 매트릭스로 형성된다. 이 경우, 캐소드 전극(3)에서 기판은 백금 또는 백금으로 도금된 티타늄 망으로 형성되고 촉매는 백금 및 이리듐 나노 입자로 형성되는 반면, 애노드 전극(4)에서 기판은 탄소 질 물질(예로서, 탄소 천 또는 탄소 종이)이고 촉매는 백금 나노 입자로 형성되며; 다공성 층(6)은 탄소질 재료, 예를 들어 탄소 종이의 층으로 형성된다.
대안적인 실시예에서, 상기 막 (5)은 음이온 유형이며 기본 작용기를 갖는 중합체 매트릭스로 형성된다. 이 경우, 캐소드 전극(3)에서 기판은 니켈 망 또는 발포체로 형성되고, 촉매는 코발트, 란타늄, 망간, 니켈, 철과 같은 금속의 산화물, 페로브스카이트 또는 스피넬로 형성되며, 반면에 애노드 전극(4)은 니켈 또는 코발트 망 또는 발포체 또는 탄소 재료(예를 들어, 탄소 천 또는 탄소 종이)로 형성되고, 촉매는 팔라듐으로 형성되거나 상표명 "nichel raney ®"로 알려진 니켈 및 알루미늄 금속 스폰지로 형성되며; 다공성 지지체(6)는 니켈 폼의 하나 또는 수 개의 층으로 형성된다.
본 발명에 따른 전기화학적 전지의 작동은 두 가지 주요 작동 단계, 즉 충전 단계 및 방전 단계로 구성된다. 충전 단계는 방전 단계 동안 소모된 수소를 재통합 할 수 있게 하며, 두 가지 다른 방식으로, 즉 주전기에 연결하거나 기체 수소의 직접 분사에 의해 유리하게 수행될 수 있다.
제 1 충전 모드에서, 수집기(1, 2)는 주전기에 연결되며, 이 경우 전지는 공기 흐름과 함께 도입된 물 분자를 캐소드 컴파트먼트로 분할하기 때문에 전해조로서 작용하고; 상기 공기 분자는 애노드(4)에서 수소로, 캐소드(3)에서 산소로 분리된다. 그에 따라 수득된 수소는 다공성 지지체(7)에 존재하는 수소화물 금속 분말에 의해 흡착되고, 바람직하게는 8 bar의 최대값을 초과하지 않는 압력에서 저장된다. 이러한 첫 번째 모드에서 충전 시간은 일반적인 전기 배터리의 충전 시간과 비슷하다.
제 2 전기화학적 전지 충전 모드에서, 기체 수소는 다공성 지지체(7)에 직접적으로 낮은 압력(일반적으로 1 내지 8 bar)으로 주입되며, 금속 다공성 지지체 (7)는 금속 수소화물에 의해 신속하게 흡착된다.
방출 단계는 다공성 지지체(7)에 의해 방출된 수소의 전기화학적 산화 과정 (전자의 전달) 및 캐소드(3)에 유입되는 공기 중의 산소의 환원 과정(전자의 획득)을 포함한다.
더 큰 전기 에너지 저장 용량이 요구된다면, 전술된 유형의 두 개 이상의 전기화학 전지가 함께 연결되어 직렬을 형성할 수 있다. 특히 효율적인 실시예에서, 전지의 대향하는 단부에는 음의 주 전류 수집기 및 양의 주 전류 수집기가 배치되는 반면에, 인접하는 전지의 모든 쌍은 하나의 전류 수집기에 의해 분리되고, 그 두께는 상기 주 수집기의 두께보다 작다.
전체 시스템은 전기 절연 나사를 사용하여 조여지고, 개스킷을 사용하여 구조물 자체의 기밀 밀봉을 제공함으로써 조립된다. 구조물은 최대 8-10 bar의 수소 압력에 견딜 수 있어야한다.
시약을 프레임 내부로 확산시키기 위한 채널이 모든 셀에 제공되며, 특히 캐소드 컴파트먼트로의/로부터의 공기 유입구 및 공기 배출구와 애노드 컴파트먼트로의/로부터의 수소 유입구가 제공되고; 특별한 실시예는 수소 뿐만 아니라 프레임 내부적으로 서로 연통하는 공기 확산 채널을 또한 포함할 수 있다.

Claims (15)

  1. 통합된 충전가능한 전기화학 전지로서,
    - 높은 열 및 전기 전도성 재료로 형성된 양의 전류 수집기(1);
    - 높은 열 및 전기 전도성 재료로 형성된 음의 전류 수집기(2);
    - 전도성 기판, 중합체 바인더 및 충전 단계 동안 전류에 의해 자신의 내부로 운반되는 공기의 물 분자를 분리함으로써 산소를 얻을 수 있는 반면 방전 단계에서 자신의 내부로 운반되는 공기의 산소를 전기화학적으로 환원시킬 수 있는 촉매로 형성된 캐소드 전극(3);
    - 전도성 기판, 중합체 바인더 및 충전 단계 동안 전류에 의해 분리기(5)를 통해서 상기 캐소드(3)로부터 전기-침투원 물 분자를 분리함으로써 수소를 얻을 수 있는 반면 방전 단계 동안 애노드 컴파트먼트(anodic compartment) 내에 존재하는 수소를 전기화학적으로 산화시킬 수 있는 촉매로 형성된 애노드 전극(4);
    - 상기 전극(3, 4) 사이에 배치되고 이온 교환기가 풍부한 중합체 막으로 형성되며 이온 전도성을 보장할 수 있는 기체 불투과성이고 전기적으로 절연성인 분리기(5);
    - 상기 양의 전극(3)과 상기 양의 전류 수집기(1) 사이에 배치되어 기체 확산 층의 기능을 수행하는 전기적으로 전도성인 다공성 지지체(6);
    - 상기 음의 전극(4)와 상기 음의 전류 수집기(2) 사이에 배치되어 (2-3 중량%에 이르는) 기체 수소를 신속하게 흡수하고 이를 점진적으로 배출할 수 있는 수소화물 금속 분말을 함유하는, 전기적으로 전도성인 다공성 지지체(7);
    - 상기 다공성 지지체(6) 내로 공기를 운반하기에 적합한 유입 채널(8);
    - 상기 다공성 지지체(6)로부터 공기를 추출하기 위한 배출 채널(9)을 포함하며,
    상기 캐소드 전극(3) 및 상기 다공성 지지체(6)는 양의 전류 수집기(1)와 분리기(5) 사이에 기체 불투과성이고 밀폐된 캐소드 컴파트먼트(cathodic compartment)를 형성하는 반면, 상기 애노드 전극(4) 및 상기 다공성 지지체(7)는 음의 전류 수집기(2)와 분리기(5) 사이에 기체 불투과성이고 밀폐된 애노드 컴파트먼트를 형성하며, 상기 애노드 컴파트먼트는 수소가 흡착되는 상기 다공성 지지체(7) 내에 기체 수소를 직접 주입하는 것을 가능하게 하는 유입 채널(10)을 특징으로 하고, 상기 다공성 지지체(7)는 상기 애노드 전극(4)과 동일한 폭과 길이를 갖지만 20 내지 30배 더 큰 두께를 갖는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 유입 채널(8)은 수소와 산소의 재결합으로부터 전력 공급 단계 동안 형성된 물을 수집하는 외부 탱크(11)에 연결되며; 필요한 경우, 가습을 위해서 상기 채널(8)로부터의 공기 유입이 배터리(3)의 캐소드로 이송되기 전에 상기 탱크를 통과하게 되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 분리기(5)는 실질적으로 산성 작용기를 갖는 중합체 매트릭스로 형성된 양이온 유형의 이온 교환 막인 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극(3)에서 기판은 백금 또는 백금 코팅된 티타늄 망(net)으로 형성되고 촉매는 백금 및 이리듐 나노입자로 형성되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 애노드 전극(4)에서 기판은 탄소질 재료로 형성되고 촉매는 백금 나노입자로 형성되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 다공성 지지체(6)는 탄소질 재료로 형성되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 분리기(5)는 실질적으로 염기성 작용기를 갖는 중합체 매트릭스로 형성된 이온 교환 막인 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극(3)에서 기판은 니켈 망 또는 폼(foam)으로 형성되고, 촉매는 코발트, 란타늄, 망간, 니켈, 철 또는 이들 금속의 조합과 같은 금속의 산화물, 페로브스카이트(perovskite) 또는 스피넬(spinel)로 형성되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 애노드 전극(4)에서 기판은 니켈 또는 코발트 폼 또는 망으로 형성되거나 또는 탄소질 재료로 형성되고, 촉매는 팔라듐 또는 니켈 및 알루미늄 금속성 스폰지로 형성되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 다공성 지지체(6)는 니켈 폼으로 형성되는 것으로 특징지어지는, 전기화학 전지.
  11. 충전가능한 전기화학 디바이스로서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 하나 이상의 항에 따른 복수의 전기화학 전지로 구성된 배터리를 포함하는 것으로 특징지어지는, 충전가능한 전기화학 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지들은 직렬 접속되는 것으로 특징지어지는, 충전가능한 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전지의 양의 전류 수집기가 바로 인접한 전지의 음의 전류 수집기를 구성하는 것으로 특징지어지는, 전기화학 디바이스.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    다양한 공기 유입 채널(8) 및 배출 채널(9)이 개별 전지를 위해 분기하는 하나 이상의 수집기를 포함하는 것으로 특징지어지는, 전기화학 디바이스.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    개별 전지의 애노드 컴파트먼트 내로의 기체 수소의 다양한 유입 채널(10)이 분기하는 하나 이상의 수집기를 포함하는 것으로 특징지어지는, 전기화학 디바이스.
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