KR20190121369A - 신규 모듈식 전기화학 전지 및 스택 설계 - Google Patents

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KR20190121369A
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아마드 디. 하마드
스타마티오스 소우엔티에
이삼 티. 암
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

전기화학 전지, 전기화학 전지 조립체 및 전기화학 전지 조립체를 형성하는 방법. 전지는 함께 이어질 때 전극 조립체의 양극과 음극 사이에 배치되는 이온 교환막과 3차원 전극 조립체를 형성하는 집전체들의 쌍을 포함한다. 집전체들은 집전체들 중 하나의 3차원 반응물 챔버 체적이 다른 집전체의 3차원 반응물 챔버 체적의 적어도 일부의 내포되는 배치를 수용하도록 크기 및 형상이 정해진다. 이는 용이하고 모듈식 방식으로 전지들의 스택에서 전지들의 직접적인 추가, 제거 또는 교체 를 가능하게 한다. 또한, 전지들의 반응물 매니폴드들 상의 장착 및 탈착의 용이함은 2차원 또는 3차원 스택 구조들의 조립의 용이함을 촉진시킨다.

Description

신규 모듈식 전기화학 전지 및 스택 설계
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2017년 3월 2일에 출원된, 미국 가 출원 번호 15/447,536에 대한 우선권을 주장한다. 전체 내용이 본 개시 내용에 참고로 통합된다.
본 개시 내용은 일반적으로 전기화학 전지, 더 구체적으로는 개선된 서비스 가능성 및 확장성 속성들로 구성된 전기화학 전지에 관한 것이다.
연료 전지들과 같은 전기화학 전지들은 연료를 연소가 아닌 전기화학 반응을 통해 사용 가능한 에너지로 전환시킨다. 그에 따라―그리고 고장이 나기 쉬운 기계 부품들을 갖는 것에 더하여―전기화학 전지들은 내연 기관들(ICE들) 및 관련 발전원들에 비해 여러 환경과 관련된 이점들을 갖는다. 하나의 공통적인 형태로는, 연료 전지로서 구성될 때―이를테면 양성자 교환막(proton exchange membrane) 또는 폴리머 이온 교환막(polymer ion-exchange membrane)(어느 경우든, PEM)―막 전극 조립체(MEA, membrane electrode assembly)로 통칭되는 대체로 평평한 이온 전도 매체(이를테면 퍼플루오로술폰(이의 상용 버전은 Nafion™)으로 만들어지는 것)에 의해 분리되는 대체로 평평한 촉매화된 전극들의 쌍을 포함하는 대체로 얇은 2차원 구조를 획정한다. 하나의 또는 둘 모두의 대향하는 주요 표면상에 형성되는 구불구불한 반응물 유동 채널들을 갖는 대체로 평평한 판들이 전극들에 맞닿아 배치된다; 이러한 방식으로, 기체 환원제(이를테면 수소, H2) 형태의 제1 반응물이 채널들을 통해 도입되어 양극에서 이온화된 다음 양성자 전극들 및 이온 전도 매체를 통과하게 되어 그것이 다른 전극(음극)에 대면하여 인접하게 배치된 다른 판의 채널을 통해 도입된 기체 산화제(이를테면 산소, O2) 형태의 제2 반응물과 결합하게 될 때 전기화학 반응이 일어난다; 반응물들의 이러한 결합은 부산물로서 물을 형성한다. 수소의 이온화시 유리된 전자들은 직류(DC) 형태로 유용한 작업이 수행될 수 있는 부하(이를테면 전기 모터)를 통상적으로 포함하는 외부 회로를 통해 음극으로 진행한다. 이러한 DC 전기 흐름에 의해 나타나는 발전은 통상적으로 많은 상기한 전지를 더 큰 전류 생성 조립체로 결합시킴으로써 증가된다. 하나의 그러한 구성에서, 연료 전지들은 조립체에서의 공통 적층 치수를 따라 직렬로 연결되어―카드 한 질과 매우 유사하게―연료 전지 스택을 형성한다. 그러한 스택들은 필요한 전력 출력에 따르는 수(보통 약 200 내지 300)로 적층된 개별적인 전지들을 포함할 수 있다.
유사하게, 흐름 배터리들에서, 배터리 충전 동안 화학종들이 전기화학적으로 생성되고 저장되는 한편, 방전 동안 저장된 화학 에너지가 전력으로 변환된다. 탱크들을 사용하여 탱크들과 전기화학 전지 사이를 순환하도록 펌핑되는 전해질 용액들, 즉, 양극액 및 음극액을 저장한다. 배터리 방전 동안, 양극액은 그것의 탱크와 그것이 전기화학 산화되는 전기화학 전지 양극 사이에서 펌핑되는 한편 음극액은 그것의 탱크와 그것이 전기화학 환원되는 음극 사이에서 펌핑된다. 전지의 두 개의 전극은 이온 교환막에 의해 분리되며 이는 양성자들 또는 수산화 이온들과 같은 특정 이온 종들의 선택적 확산을 가능하게 한다. 흐름 배터리에서의 스택은 연료 전지의 경우에서와 같이, 전기적으로는 직렬로 연결되고(예를 들어, 이극성 판들을 통해) 유동적으로는 병렬로 연결되는 다수의 기본 단위(즉, 전기화학 전지)를 포함한다.
그러한 연료 전지들 또는 흐름 배터리들의 스택은 보통 압축을 받아 조립체로 되어 전지들 또는 배터리들을 밀봉하고 반응 판들, 기체 확산 매체 및 촉매화된 전극들 사이의 낮은 계면 전기 접촉 저항을 확보 및 유지한다. 연료 전지 스택상의 바람직한 압축 하중은 통상적으로 약 50 psi에서 약 200 psi에 이르는(때로는 그 이상) 범위이고, 연료 전지 스택을 하우징하는 압축 유지 인클로저에 의해 유지된다. 하나의 공통적인 형태에서, 인클로저는 전지들을 압축된 상태로 유지하기 위해 종판들을 통해 또는 그것들 주위로 연장되는 타이 로드들(tie rods)을 포함한다.
이러한 접근 방식의 문제점은 조립체로 된 상태의 스택의 전력 출력이 스택 내 전지들의 수 그리고 이러한 전지들이 압축 및 유지되는 비교적 정확하고 규정된 방식에 의해 고정된다는 점이다. 그에 따라, 단일 스택이 제공할 수 있는 것보다 더 큰 전력의 점진적인 증가가 필요하나, 추가 스택의 포함에 의해 제공되는 것보다 훨씬 더 적을 경우 사용 대 공급 불일치가 일어난다; 그러한 상황은 가용 전력을 비효율적으로 사용하게 한다. 또한, 스택 내 전지들 중 하나를 보수 또는 교체해야 할 경우, 분해는 그러한 분해 그리고 각각의 전지 분리 동안 스택의 실질적인 전체에 걸치는 다양한 구조 연결이 주의 깊게 분리되어야 비교적 얇은 측면상을 갖는 전지들이 손상을 입지 않게 할 수 있기 때문에 다루기 힘든 프로세스가 된다. 그러한 서비스 가능성 우려들은 전지 내 각각의 전극 조립체들에 반응물을 전달하기 위해 사용되는 얇은 이극성 판 구조들에서 특히 우세하다.
적어도 하나의 씨일을 비롯하여 많은 개스킷 또는 관련 씨일을 사용하여 반응 판들의 각각의 노출된 표면에 대해 뿐만 아니라 MEA 안 그리고 주위 다른 위치들에 추가 밀봉이 이루어질 수 있다. 이는 또한 많은 수의 씨일이 전지 조립을 더 어렵고 비용이 많이 들게 만드는 문제들을 야기한다. 뿐만 아니라, 조립된 전지상에 놓이는 압축 하중의 사용은 이러한 씨일들 또는 개스킷들이 어긋나거나 과하게 압축되게 하는 경향을 가지며, 어느 것이든 씨일 무결성을 위태롭게 할 수 있다.
본 개시 내용의 일 실시 예에 따르면, 전기화학 전지가 개시된다. 전지는 함께 이어질 때 전극 조립체, 및 전극 조립체의 전극들 사이에 배치되는 이온 교환막을 형성하는 집전체들의 쌍을 포함한다. 또한, 전극 조립체 및 이온 교환막에 각각의 반응물을 전달하기 위한 반응물 유로들이 포함된다. 집전체들 중 내측(즉, 제1) 집전체의 구성은 전극 구조가 제1 집전체에 의해 획정되는 체적을 제2 집전체에 형성되는 개구를 통해 삽입함으로써 외측(즉, 제2) 집전체 내에 형성되는 양립될 수 있는 크기 및 형상의 체적 내에 내포될 수 있는 3차원 체적 형태를 갖도록 한다. 이러한 방식으로, 두 개의 집전체가 내포 방식으로 이어질 때, 각각의 3차원 체적은 이온 교환막이 그것들 사이에 배치되는 전극 조립체를 형성한다. 이어진 집전체들의 대면하여 인접한 장착 표면들은 개구의 둘레 주위 밀봉된 접촉을 조성한다. 이온 교환막은 반응물들 중 하나가 집전체들 중 하나와 연관된 전극에서 이온화될 때, 그것이 다른 하나의 집전체의 전극에서 이온화되는 다른 하나의 반응물에 전기화학적으로 결합되기 전에 막을 통해 흐르도록 구성된다.
현재 상황에서, 본 개시 내용의 많은 내용은 내측 집전체가 산화되는 반응물(예를 들어, 수소, H2)을 수용하기 위한 양극으로서 기능하는 것으로 그리고 외측 집전체가 환원되는 반응물(예를 들어, 산소, O2)을 수용하기 위한 음극으로서 기능하는 것으로 설명되는 것으로 해석될 수 있지만, 산화되는 반응물이 외측 집전체에 전달되는 한편 환원되는 반응물이 내측 집전체에 전달되는 반대로 구성된 전기화학 전지가 또한 고려된다는 것이 이해될 것이다. 마찬가지로, 전기화학 전지에 전달되는 반응물들이 연료 및 산소 공급에 대응하거나 반대로 산소 및 연료 공급에 대응하는지(연료 전지에 대해), 또는 제1 전해질 및 제2 전해질에 대한 것인지(흐름 배터리의 경우)는 전극 구성들의 문제이고, 어느 반응물 또는 전해질이 어느 전극 및 대응하는 집전체와 서로 연관성이 있는지는 그 상황으로부터 이해될 것이다. 그에 따라, 변형 예들 양자는 본 개시 내용의 범위 내인 것으로 간주된다.
또한 현재 상황 내에서, 내외측 집전체들의 3차원 체적 속성들은 전지 치수들 중 하나가 종래 데카르트 좌표계에서 다른 두 개의 것보다 실질적으로 더 작은 전지 구성들과 구별되는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 그렇지 않으면 평평한 속성들을 가질 전지의 두께 관통 치수가 길이 또는 너비 치수보다 한 자릿수를 초과하여 더 얇을 때(이를테면 종래 PEM 연료 전지와 연관된 것), 그것은 실질적으로 2차원 구조를 획정하는 것으로 간주되는 한편, 개시된 전지들의 내외측 집전체들의 그것은 실질적으로 3차원 구조를 획정한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 전기화학 전지 집합체는 반응물 전달 도관 및 복수의 전기화학 전지로 구성된다. 반응물 전달 도관은 각각이 다른 것과 상이한 반응물을 전달하도록 구성되는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 한편, 전기화학 전지들의 유로들은 이전 실시 예에 제시된 방식으로 전극들로 그리고 그것들로부터 각각의 반응물들을 전달하기 위한 전달 도관에 유체 커플링된다.
본 개시 내용의 또 다른 실시 예에 따르면, 전기화학 전지 조립체를 조립하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 각각이 내측 집전체, 외측 집전체 및 이온 교환막을 포함하는 많은 전기화학 전지를 제공하는 단계를 포함한다. 각각의 집전체들은 각각의 3차원 체적을 이루기 위한 치수로 구성된 하나 이상의 전극을 포함한다. 이러한 방식으로, 내측 집전체에 대응하는 전극은 내외측 집전체들의 전극들 간 이온 교환막의 배치시, 내측 집전체의 내부 3차원 체적의 적어도 일부가 외측 집전체의 3차원 체적 내에 내포되도록 외측 집전체에 형성되는 개구를 통과하게 만들어질 수 있다. 또한, 조립체 내 각각의 전기화학 전지의 내외측 집전체들을 서로 고정시킴으로써, 각각의 집전체로부터의 대향하는 장착면들이 개구의 둘레 주위에 풀릴 수 있는 씨일을 형성한다. 뿐만 아니라, 내측 반응물 챔버와 유체 연통하는 내측 반응물 배출구 및 내측 반응물 유입구를 포함하는 내측 반응물 유로를 통해 조립체 내 각각의 전기화학 전지의 내측 집전체 내지 반응물 전달 도관의 제1 부분 간에 유체 커플링이 수립된다. 마찬가지로, 외측 전극들 주위에 형성되는 간극 공간과 유체 연통하는 외측 반응물 배출구 및 외측 반응물 유입구를 포함하는 외측 반응물 유로를 통해 조립체 내 각각의 전기화학 전지의 외측 집전체 내지 반응물 전달 도관의 제2 부분 간에 유체 커플링이 수립된다.
비교할 만한 방식으로, 그러한 조립된 전기화학 전지는 제1 및 제2 반응물들 중 하나의 적어도 일부를 반응물 전달 도관의 제1 부분 및 제1 유로로부터 내측 집전체 안으로 도입시키는 한편, 제1 및 제2 반응물들 중 다른 하나의 적어도 일부를 반응물 전달 도관의 제2 부분 및 제2 유로로부터 외측 집전체 안으로 도입시킴으로써 동작될 수 있다. 그 후, 반응물들은 도입된 제1 또는 제2 반응물들 중 하나의 이온화된 부분의 적어도 일부가 이온 교환막을 통과한 이후 도입된 제1 또는 제2 반응물들 중 다른 하나의 이온화된 부분과 전기화학적으로 결합되도록 전극들에서 이온화된다. 그 다음 도입된 제1 또는 제2 반응물의 이온화에 의해 발생되는 전류가 유용한 작업을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 특정 실시 예들에 대한 이하의 구체적인 내용은 다음의 도면들과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 여기서 유사한 구조는 유사한 참조 부호들로 표시되고 여기서:
도 1은 종래 기술에 따른 주변 이극성 판들과 평평한 연료 전지의 일부의 간략화된 부분 분해 조립 단면도를 도시한다;
도 2a는 본원에 도시 또는 설명되는 하나 이상의 실시 예에 따른 연료 전지로서 구성되는 전기화학 전지의 간략화된 분해 조립 등축도를 도시한다;
도 2b는 도 2a의 연료 전지의 상이한 간략화된 분해 조립 등축도를 도시한다;
도 3은 본원에 도시 또는 설명되는 하나 이상의 실시 예에 따른 반응물 전달 도관에 유체 연결되는 도 2a 및 도 2b의 연료 전지들의 쌍을 도시한다; 그리고
도 4a 및 도 4b는 관념상 2차원 전지 어레이 및 선형 전지 어레이의 각각 평면도 및 수평 에지 도면들을 도시한다.
본원에 개시되는 실시 예들은 전력 출력 확장성 및 개별적인 전지 유지보수의 편의성이 개선되는 것과 같은 방식으로 일반적으로 3차원인 전기 화학 전지들의 반복 어레이를 사용하는 전력원을 포함한다. 그러한 전지는 전지가 3차원 구조를 획정하도록 각각의 하우징 내에 포함되는 한 쌍의 전극을 포함한다. 이러한 방식으로, 후속하는 이온화 및 전기화학적 결합을 위해 반응물들을 전지 안으로 도입하는데 사용되는 유로는 단일의 평평한 표면으로 제한되는 것이 아니라, 3차원 체적 영역을 획정할 수 있다. 예를 들어, 전극들이 입방형의 박스와 같은 구조의 부분일 경우, 전지당 다섯 개의 그러한 대체로 평평한 표면이 모두 공급 반응물과 유체 연통한다. 일 형태에서, 많은 그러한 전지로 만들어지는 조립체는 발전, 열 및 전력 조합(CHP, combined heat and power) 등을 위한 지상의(즉, 고정된) 동력 장치들로 사용될 수 있다.
먼저 도 1을 참조하면, 종래 연료 전지 스택의 단일 연료 전지 스택(10)이 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 연료 전지(10)는 실질적으로 평평한 PEM(12), PEM(12)의 한 표면과 대면 접촉하는 양극 촉매층(14) 및 다른 한 표면과 대면 접촉하는 음극 촉매층(16)을 포함한다. PEM(12) 및 촉매층들(14 및 16)은 총괄하여 MEA(18)로 지칭된다. 양극 확산층(20)은 양극 촉매층(14)과 대면 접촉하게 배열되는 한편, 음극 확산층(22)은 음극 촉매층(16)과 대면 접촉하게 배열된다. 확산층들(20 및 22)의 각각은 기체 반응물들의 촉매층들(14 및 16)로의 통과를 가능하게 하기 위해 대체로 다공성인 구성으로 만들어진다. 양극 촉매층(14) 및 음극 촉매층(16)은 총괄하여 전극들로 지칭되고, 도시된 바와 같이 분리된 별개의 층으로, 또는 대안적으로는(상술한 바와 같이) 각각 확산층들에 적어도 부분적으로 내장되는 것으로, 뿐만 아니라 PEM(12)의 대향 면들에 부분적으로 내장되는 것으로 형성될 수 있다; 모든 그러한 변형 예가 본 개시 내용의 범위 내인 것이 이해될 것이다.
확산층들(20 및 22)은 반응 기체들에 폴리머 이온 교환막(12)의 적절한 측에 이르기 위한 실질적으로 다공성 유로를 제공하는 것에 더하여, 전극 촉매층들(14, 16)과 전기 전도성 판들(24, 26) 간 전기 접촉을 이루는데 사용될 수 있으며 이는 결과적으로 전류가 외측 회로로 흐를 수 있게 하는데 사용될 수 있다. 또한, 확산층들(20 및 22)은 그것의 대체로 다공성인 성질에 의해, 또한 촉매층들(14, 16)에서 발생되는 생성물 기체들의 제거를 위한 도관을 형성한다. 뿐만 아니라, 음극 확산층(22)은 그것의 표면 안 또는 위 중 어느 하나에서 일어나는 이온화된 수소 및 이온화된 산소의 전기화학 결합에 기인하여 상당량의 수증기를 발생시킨다; 현재 상황에서, 그러한 표면이 또한 대면하여 인접한 음극 촉매층(16)을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러한 수분 발생 특징이 PEM(12)을 적절하게 수화되게 유지하는데 유용할 수 있는 한편, 전지(10) 안 그리고 그 주위 수위가 과도하지 않을 수 있게 하기 위해 물 관리 장치―이를테면 소수성 코팅들, 도관, 밸브들, 펌프들 등(어느 것도 도시되지 않음)―가 또한 사용될 수 있다.
도 1은 시각화의 용이함을 위해 두꺼운 벽으로 된 구조를 갖는 것으로 관념상 도시되었지만, 도 1을 사용하여 비교적 평평한 종래 연료 전지(10)가 전지(10)의 데카르트 좌표들의 Y 축에 따른 두께 관통 치수가 각각의 X 또는 Z 축들의 길이 또는 너비 치수들의 것과 동일한 자릿수일 때와 같은 상당한 3차원 구조를 갖는 것으로 유추해서는 안 된다. 실제로, 면내 치수들은 비교적 큰 경향이 있지만(예를 들어, 약 100 제곱 인치의 전체 전지 표면적에 대해 너비 및 높이 치수들 양자에 따라 수 인치 측정), 두께 관통 치수는 비교적 작은 경향이 있다(예를 들어, 약 1/100 인치 이하). 주요 표면 대 주요 표면 두께가 있는 범위에서, 그것은 반응물 채널들(24A, 26B) 및 그러한 채널들을 획정하는 대응하는 판 구조(24, 26)의 의미 있는 결과이며, 이때 그러한 두께는 길이 및 너비 치수들의 자릿수보다 훨씬 더 적다. 현재 상황에서, 그러한 얇고 평평한 전지들(10)은 2차원 구조를 갖는 것으로 간주된다. 일 형태에서, 판들(24, 26)은 금속 시트 또는 호일로부터 각 판의 대향하는 주요 표면들 상에 채널들(24A, 26A)이 획정되는 이극성 판들로 스탬핑 또는 그 외 다르게 형성된다. 판들(24, 26)이 이극성 속성들을 갖게 구성되는지 여부에 관계없이, 그것들은 대면하여 인접한 MEA들(18)과 수반하는 확산층들(20, 22) 사이를 스택에서의 인접한 MEA들 및 층들(어느 것도 도시되지 않음)과 분리시킬 수 있다. 하나의 판(24)은 양극 확산층(20)과 맞물리는 한편 두 번째 판(26)은 음극 확산층(22)과 맞물린다. 채널들(24A, 26A)은 각각의 확산층들(20, 22)을 향해 돌출되고 그것들과 직접 접촉하여 반응 기체 흐름 채널들(화살표들로 도시됨)의 인접한 섹션들을 분리시킨다. 또한, 현재 판들(24, 26)은 완전히 직사각형 반응 기체 흐름 채널들(24A, 26A) 및 관련 구조를 획정하는 것으로 도시되지만(양식화를 위해), 해당 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 더 정확한 실시 예가 해당 기술분야에 알려져 있는 바와 같이 대체로 구불구불한 형상의 채널들을 획정하는 것들임이 이해될 것이다.
동작시, 제1 기체 반응물, 이를테면 수소(H2)가 판(24)으로부터 채널(24A)을 통해 MEA(18)의 양극 촉매층(14) 측으로 전달되는 한편, 제2 기체 반응물, 이를테면 산소(O2, 통상적으로 대기 형태)가 판(26)으로부터 채널들(26A)을 통해 MEA(18)의 음극 촉매층(16) 측으로 전달된다. 양극 촉매층(14) 및 음극 촉매층(16) 각각에서 촉매 반응들이 일어나, 양성자 전도 PEM(12)을 통해 이동하는 양성자들 및 채널들(24A, 26A)과 각각의 층들(20 및 22) 사이 면들 간 접촉에 의해 확산층들(20 및 22)과 이극성 판들(24, 26)을 통해 전송될 수 있는 전류가 되는 전자들을 생성한다. 음극 촉매층(16)에서, 전자들 및 양전하로 대전된 수소 이온들이 산소와 결합하여 물을 형성하며, 이는 전지(10) 밖으로 흐른다. 이러한 반응들은 화학식으로 다음과 같이 나타내진다:
2H2 → 4H+ + 4e- (1)
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (2)
이때 PEM 연료 전지에서는 전지당 약 1.2 볼트의 이론적인 전압이 실제(즉, "현실") 상황들에서는 약 0.7 볼트로 감소되며, 이때 손실(이를테면 활성화 손실, 오옴 손실, 연료 교차 손실 및 이른바 Nerstian 손실)이 강하의 이유가 된다.
다음으로 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학 전지(100)는 대체로 평평한 연료 전지들(10)의 스택을 사용하는 대신, 두 부분이 내포되는 구성의 단순 단위 전지들을 채용한다. 전지(100)는 입방형 구조를 갖는 것으로 도시되지만, 전극들에 의해 형성되는 표면 또는 표면들이 3차원 체적의 반응물 챔버를 제공하는 한, 그러한 표면이 몇 개인지에 따라 그 외 다른 형상들을 획정할 수도 있다. 그에 따라, 본 발명에 따른 전기화학 전지(100)의 일 실시 예에서, 각각의 반전지가 각각 프레임(240) 및 하우징(340) 형태의 주요 구조들을 갖는 내측 집전체(200) 및 외측 집전체(300)로 구성된다. 종래의 연로 전지 구성들―각각 양극, 음극 및 중간 전해질을 갖는 많은 얇은 개별적인 평면 전지가 더 높은 전력 출력을 내기 위해 스택 또는 관련 구성으로 배열되는―과 달리, 본 발명의 상황 내 완전한 전기화학 전지(100)는 모든 세 개의 데카르트 좌표를 따라 유의한 방향으로 연장되어 3차원 구조를 획정하는 전극(210)을 갖는 내측 집전체(200)의 조합으로 형성된다. 그러한 전극(210)은 주요 표면들(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E)로 만들어진다. 프레임(240)과 연관된 제6 표면이 이러한 주요 표면들(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E)과 더불어 반응물들 중 하나의 도입을 위한 인클로저로서의 역할을 하는 내측 반응물 챔버(530)에 대응하는 내부 3차원 체적(220)을 획정한다. 제6 표면은 반응물을 함유한 유입구 및 배출구 유로들(510, 520)이 지날 뿐만 아니라, 전원 연결 및 그 외 다른 보조 인프라스트럭처를 위한 벽을 제공하는 기능을 한다. 마찬가지로, 비교할 만한 전극(310)이 또한 모든 세 개의 데카르프 좌표 축을 따라 유의한 방향으로 연장되는 외측 집전체(300)의 주요 표면들(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)에 의해 형성된다. 전극(310)에 의해 획정되는 체적(310)은 적어도 부분적으로 중공인 간극 체적(도시되지 않음)이 하우징(340)의 대체로 입방형인 전극(310)과 내측 표면 사이에 형성되는 것과 같은 방식으로 주변 하우징(340) 내에 위치된다. 도시된 바와 같이, 양 전극(210, 310)은 각각의 집전체(200, 300)와 연관된 다양한 전극 표면 전부가 서로에 관해 직각 구성의 실질적으로 동일한 길이 및 너비 치수들의 대체로 연접하는 부재들로 구성되는 대체로 입방형인 구조를 획정한다. 상술한 바에 따라, 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 그 외 다른 3차원 형상들이 전지(100)의 3차원 구성, 뿐만 아니라 제1과 외측 집전체들(200, 300) 사이에 비교적 방해받지 않는 삽입 및 제거를 조성하는 한 그것들 또한 채용될 수 있음을 이해할 것이다. 유의하게, 내측 집전체(200) 내 전극(210)에 의해 획정되는 내부 3차원 체적(220)은 개구(330)를 통해 외측 집전체(300) 내 전극(310)에 의해 획정되는 체적 안으로 삽입 가능하도록 크기 및 형상이 정해진다.
전극(210)을 이루는 표면들은 반응물들 중 하나의 수용을 위해 실질적으로 연속적인 3차원 유체 바운더리를 형성한다; 이러한 방식으로, 프레임(205) 상에 획정되는 장착 표면(250) 상에 밀봉하여 고정될 때, 전극(210) 및 그것의 각각의 표면들(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E)은 단지 그 안에 함유된 이온화되지 않은 반응물에 대한 실질적인 진입 및 진출만이 유로(500) 및 그것의 각각의 유입구(510) 및 배출구(520)를 통하도록 유밀한 용기를 형성한다. 유사한 방식으로, 전극(310)의 다양한 표면(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)의 연접하는 모서리가 닿도록 하는 연결은 그것들이 반응물들 중 다른 하나의 수용을 위해 실질적으로 연속적인 3차원 유체 바운더리를 형성하게 한다; 이러한 방식으로, 하우징(340) 내에 밀봉하여 고정될 때, 이러한 표면들(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)은 단지 그 안에 함유된 이온화되지 않은 반응물에 대한 실질적인 진입 및 진출 경로만이 유로(600) 및 그것의 각각의 유입구(610) 및 배출구(620)를 통하도록 유밀한 용기를 형성한다.
일 형태에서, 각각의 내외측 집전체들(200, 300)의 연접하는 전극 표면들(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E 또는 310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)은 도입된 상태의 반응물에 노출되는 유동적으로 다공성이고 전기적으로 전도성인 매체상에 전해질(이를테면 플래티넘 등)이 배치되는 것을 통해 그것들의 전극 상태를 이룬다. 예를 들어, 촉매가 이온 교환막(400) 상에 직접 분산되고 이온 교환막(400)이 PEM 형태라면, 그 조합은 촉매 코팅 막(CCM, catalyst coated membrane)으로 지칭될 수 있다. 해당 기술분야에 알려져 있는 임의의 적합한 다공성 매체―이를테면 엮이거나 세밀하게 분포된 파우더 형태의 탄소―가 전기 촉매에 대한 지지체로서 사용될 수 있다.
이온 교환막(400)은 전극들(210, 310) 사이에 배치된다. 이온 교환막(400)은 많은 연접하는 전극 표면들(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E 또는 310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)에서 제1 반응물이 이온화될 때(집전체들(200, 300) 중 어느 것이 산화된 반응물을 수용하도록 구성되는지에 따라), 그것이 집전체들(300, 200) 중 다른 하나의 복수의 연접하는 전극 표면(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E 또는 210A, 210B, 210C, 210D 및 210E)에서 이온화되는 제2 반응물에 전기화학적으로 결합되기 전에 이온 교환막(400)을 통과해 흐르도록 구성된다.
일 형태에서, 내측 집전체(200)의 프레임(240)은 전극 표면들(210A, 210B, 210C 및 210D)의 모서리들의 안정된 부착을 위해 평평한 장착 표면(250)을 제공하기 위한 대체로 직사각형 형상을 획정한다. 유사하게, 외측 집전체(300)의 하우징(340)은 내측 집전체(200)의 프레임(240)의 평평한 장착 표면(250) 상에 안착될 수 있는 일단에서 노출된 평평한 장착 표면(350)과의 강한 부착을 형성한다. 평평한 장착 표면들(250, 350) 중 하나 또는 다른 하나 상에는 개스킷들(700)이 고정되거나 그 외 다르게 장착될 수 있다. 일 형태에서, 개스킷들(700) 중 단지 하나만이 평평한 짝을 이루는 표면들(250, 350) 중 대응하는 표면 상에 형성되는 한편, 다른 형태에서는, 그것들이 각각의 평평한 장착 표면들(250, 350) 상에 형성될 수도 있다. 단일 개스킷(700)의 사용은 전극(210)의 내측 체적(220)으로 도입되는 반응물이 전극(310)에 도입되는 반응물과 너무 이르게 또는 의도치 않게 조합하지 않게 한다.
유의하게, 제안된 개스킷(700) 구성은 단일 주변 개스킷을 가능하게 함으로써, 도 1과 함께 논의된 평평한 연료 전지 설계의 씰링 구성에 비해 그것을 유의하게 간략화시킨다. 이는 반응물 또는 부산물 누설의 가능성을 감소시킬 뿐만 아니라, 그렇지 않으면 각각의 평평한 연료 전지 내 많은 개스킷이 필요했을 전지(100) 구성들을 더 쉽게(그리고 덜 비싸게) 한다. 뿐만 아니라, 나사 타입 볼트들 또는 그 외 다른 파스닝 부재들(360)이 개스킷들(700)을 압축하여 짝을 이루는 평평한 장착 표면들(250, 350) 사이에 기밀하고 안정된 부착을 제공하기 위한 방식으로 내측 집전체(200)에 형성되는 애퍼처들(260) 안에 맞추기 위해 외측 집전체(300)의 평평한 짝을 이루는 표면(350)으로부터 밖으로 향하여 돌출하도록 만들어질 수 있다. 유사하게, 산 전해질들이 사용되는 상황들에서(이를테면 물의 전기 분해 또는 H2 및 O2의 물로의 역방향 재결합을 위해), 개스킷들이 내산성―그리고 그에 따라 값이 훨씬 더 비싼―물질로 만들어져야 하는 상황들에서 훨씬 더 적은 수의 필요한 개스킷이 더 큰 의의를 띰에 따라, 전체 비용이 유의하게 감소될 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이 산성 전해질을 사용할 수 있는 조립체의 일례는 각각의 전지들(100)이 인산형 연료 전지들(PAFC들, phosphoric acid fuel cells)로서 구성된다. 전해질이 상이하지만, H2 및 O2 양자에 대한 의존은 식 (1) 및 식(2)에 묘사된 그것들의 전극 반응들이 동일함을 의미한다. 마찬가지로, 전극들 및 촉매들의 구성은 PEM과 PAFC 구성들 간 매우 유사한 경향을 있다. 본원에서 논의된 조립체가 PAFC(PEM이 아니라) 전지들(100)로 만들어지는 상황들에서, 전해질은 다공성 층(예를 들어, 실리콘 카바이드 등으로 만들어진 것)에서 분산될 수 있다. PEM 기반 구성들과 같이, 물 관리 도관의 사용이 유익하게 채용될 수 있다.
유로(500)가 내측 집전체(200)에의 유동 접근을 제공하기 위해 형성된다. 제1 및 제2 반응물들 중 하나는 유입구 유로(510)를 통해 내측 집전체(200)의 내측 반응물 챔버(530)로 도입되는 한편, 잉여분은 배출 유로(520)를 통해 빠져 나간다. 유입구 유로(610) 및 배출 유로(620)를 갖는 비교할 만한 유로(600)가 외측 집전체(300)의 하우징(340)과 전극(310) 사이에 존재하는 간극 체적(V)을 통해 제1 및 제2 반응물 중 다른 하나를 전달하기 위해 사용된다. 유로들(500, 600)의 밖으로 향하는 종단들 상에는 빠른 연결 유체 커플링(도시되지 않음)이 반응물 전달 도관(800)으로부터 각 전지(100)의 연결 및 분리를 편의성을 촉진하기 위해 형성될 수 있으며 이는 아래에서 더 상세하게 논의될 것이다. 그러한 커플링들 또는 관련 유체 부품들은 렌치 또는 관련 기구 필요 없이 손으로 조작되어 도구가 필요 없는 연결 및 분리를 제공할 수 있다. 또한, 그러한 커플링들에는 잔류 반응물에 대한 유출을 최소화하기 위한 방식으로 자동 밀봉 밸브들이 구비될 수 있다. 도 2a, 도 2b 및 도 3에 도시된 각각의 내외측 집전체들(200, 300) 상의 유로들(500, 600)의 배치는 단지 시각화 편의를 위해 도시된 것이고, 그것들의 바람직한 배치는 본 발명과 일치하는 방식으로 제조, 조립 또는 분해의 편의성을 촉진하는 전지(100) 상의 위치라는 것이 이해될 것이다..
특히 3차원 기하학적 피처들에 관해, 내측 집전체(200)를 이루는 돌출 중공 큐브가 데카르트 Y 축을 따르는 삽입(또는 내포) 방향을 따라 돌출하며 측면 돌출부들은 대응하는 X 축 및 Z 축을 따른다. 이러한 중공 큐브는 다섯 개의 대체로 평평한 노출된 표면(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E)으로 전극들(210) 중 하나를 형성하면서, 외측 집전체(300)를 이루는 수용 중공 큐브는 또한 다섯 개의 대체로 평평한 노출된 표면(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)으로 다른 하나의 전극(310)을 형성한다. 이러한 방식으로, 각 전지(100)는 도 1의 다섯 개의 유사한 크기의 전통적인 평평한 연료 전지(10)의 전기 전환 기능을 형성한다. 제1과 외측 집전체들(200, 300) 간 빠른 연결 유체 커플링 및 압축되고 안정된 연결로 커플링되는 단순 기하학적 형상들을 가짐으로써, 각 전지(100)의 자율성이 조성된다. 이는 각 전지(100)가 그것의 전류 발생 기능을 수행하게 하기 위해 각 전지(100)의 조립 및 유체 연결을 임의의 인접한 전지들(100)의 조립 및 유체 커플링에 의존하지 않게 함으로써 발전된다. 마찬가지로, 각 전지(100)의 쉬운 분해, 분리, 보수, 재조립 및 반응물 전달 도관(800)에의 재연결(도 3에 도시되고 후술됨)은 도 1의 압축된 스택 전지들에서 이용 가능하지 않게 향상된 정도의 서비스 가능성을 제공하는 한편, 각 전지(100)의 다중 표면 전극 구성은 완전히 분리된 스택에 부착할 필요 없이 전류 및 관련 전력 출력의 점진적인 증가를 가능하게 한다. 또한, 유로들(500, 600)과 대응하는 집전체들(200, 300) 내 각각의 체적들(220, 320) 간 유체 연통은 복수의 연접하는 전극 표면(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E 또는 310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)의 각각이 모든 그 외 다른 표면과 실질적으로 동시에 그리고 실질적으로 동등하게 각각의 제1 또는 제2 반응물을 수용함으로써, 그것이 상술된 반응물 전달 도관(800)으로부터 이온 교환막(400)을 향해 흐를 때 반응물의 최소 압력 강하를 조성하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 도 2a 및 도 2b는 내측 집전체(200)가 이를테면 H2 또는 산화되는 관련 반응물을 수용하기 위한 양극으로서의 역할을 하고 외측 집전체(300)가 이를테면 O2 또는 환원되는 관련 반응물을 수용하기 위한 음극으로서의 역할을 하는 전기화학 전지(100)를 개시하지만, 집전체들(200, 300)에 대한 양극 대 음극의 선택은 임의적이고, 각각의 그러한 집전체들(200, 300)을 적절하게 변형하여, 외측 집전체(300)가 이를테면 산화되는 반응물을 수용하기 위한 양극으로서의 역할을 하고 내측 집전체(200)가 이를테면 환원되는 반응물을 수용하기 위한 음극으로서의 역할을 하는 반대로 구성되는 전지(100)가 또한 본 개시 내용의 범위 내라는 것이 이해될 것이다.
특히 명확성을 위해 이온 교환막(400) 및 도 2a의 개스킷(700)이 생략된 도 2b를 참조하면, 제1 반응물 유로(500)가 외측 집전체(300)에 구조 및 밀폐를 제공하는 하우징(340)의 대응하는 짝을 이루는 표면(350)에 대고 고정될 때 폐쇄 표면으로서의 역할을 하는 짝을 이루는 표면(250)을 갖는 프레임(240)의 벽을 통해 연장되는 유입구(510) 및 배출구(520) 형태로 도시된다. 유로들(500, 600)(및 그것들의 관련 빠른 연결 커플링들) 전부가 전지(100)의 하나의 표면 상에 위치되게 하는 것은 도 3과 함께 도시되고 후술될 바와 같은 반응물 전달 유체 도관의 공통 쌍을 따라 전지(100)의 직접 플러깅 및 언플러깅을 가능하게 함으로써 확장 및 유지 보수의 편의성을 촉진한다.
전극 조립체 및 이온 교환막(400)이 현재 입방형 또는 관련 3차원 속성들을 갖는 것으로 구성되는 상황들에서, 그 결과로 초래된 MEA 및 주변 집전체들(200, 300)은 균형 잡힌 수위로부터 이익을 얻어 적절히 동작하게 할 수 있다. 특히, 물 관리 도관(도시되지 않음)은 촉매화된 전극들 사이에 배치되는 이온 전도 이온 교환막(400)의 전도성을 촉진하기 위해 적절한 수화 수준이 존재하게 하기 위해 각 전지(100)에 유체 연결될 수 있다. 이는 특히 이온 교환막(400)일 때, 그러한 전지 내 선택적 위치들이 반응물 유로들(500, 600)의 범람 또는 관련 폐색을 회피하기 위해 과잉수 제거를 필요로 함에 따라 유용하다. 이온 교환막(400)이 그것을 통하는 양성자 이동 경로를 갖도록 구성되는 구성들에서 과잉수를 제거하기 위해 사용될 때, 그러한 물 관리 도관은 바람직하게는 O2가 도입되고 있는 MEA의 유체 측에 연결된다는 것이 이해될 것이다. 전지(100) 내 그 외 다른 위치들에서, 추가 수화를 제공하는 것이 유익할 것이다. 일 형태에서, 물 관리 도관은 바람직하게는 두 개의 이온화된 반응물의 결합이 일어나는 위치에 유동적으로 인접하게 배치되고, 모든 그러한 변형 예가 본 개시 내용의 범위 내인 것으로 간주된다. 그러한 물 관리 도관은 하나 이상의 수증기 전달(WVT, water vapor transfer) 장치 또는 기기(음극 가습기 장치, 멤브레인 가습기, 연료 전지 가습기 등으로도 지칭됨)와 함께 사용될 수 있다. 그러한 WVT 장치 구성에서, 습한 측 및 건조한 측 반응물 유로들(예를 들어, 음극 배기구 및 음극 유입구)은 음극 배기구를 나가는 과잉 수분이 매체를 통해 음극 유입구상의 건조기 유로로 확산할 수 있도록 WVT 장치의 막 매체를 통해 서로 수분 교환 연통하게 배치될 수 있다.
도 4a 및 도 4b와 함께 다시 도 3을 참조하면, 조립체는 제1 및 제2 부분들(810, 820)로 나뉘는 반응물 전달 도관(800)을 따라 정렬되는 많은 전지(100)(현재 이 중 두 개가 도시됨)로 구성된다. 일례에서, 제1 반응물(R1)(이를테면 H2 또는 관련 연료)은 그것이 유입구 유로(510)를 통해 내측 집전체(200)의 3차원 내측 표면 측면상으로 도입될 수 있도록 제1 반응물 전달 도관 부분(810)을 통해 전달될 수 있는 한편 잉여분은 배출구 유로(520)를 통해 동일한 곳으로부터 제거될 수 있다. 마찬가지로, 제2 반응물(R2)(이를테면 대기 또는 관련 O2 공급)은 그것이 유입구 유로(610)를 통해 외측 집전체(300)의 3차원 전극과 하우징(340) 사이 간극 공간으로 도입될 수 있도록 제2 반응물 전달 도관 부분(820)을 통해 전달될 수 있는 한편 잉여분은 배출구 유로(620)를 통해 동일한 곳으로부터 제거될 수 있다. 현재 제1과 외측 집전체들(200, 300) 간 분할이 수직(즉, Y 축) 방향을 따라 일어나는 것으로 도시되지만, 전지들(100) 및 그것들의 대응하는 이동 방향은 집전체들(200, 300)을 서로 효과적으로 연결 및 분리하기 위해―뿐만 아니라 각 전지(100)를 반응물 전달 도관(500)에서 유체 커플링 해제하기 위해―서비스 가능 및 확장의 편의성을 고려하는 설계 선택의 문제일 수 있고, 그러한 모든 변형이 본 개시 내용의 범위 내인 것으로 간주되는 것이 이해될 것이다.
교차 상호 연결부(900)는 인접한 전지들(100) 사이에 그것들 간 직렬 및 병렬 전기 연결 중 하나 또는 다른 하나를 제공하기 위해 배치될 수 있으며, 여기서 직렬 연결은 전압 출력을 증가시키기 위해 사용될 수 있고 병렬 연결은 전류 출력을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 많은 전지(100)의 조립체로부터의 목적하는 전압 및 전류 출력이 전력을 공급 받는 부하의 요구를 충족하도록 조정될 수 있다. 볼 수 있듯이, 일 형태에서, 작은 양의 간격이 인접한 전지들(100) 사이에서 역전된다; 교차 상호 연결부(900)에 대한 공간을 생성하는 것에 더하여, 그러한 간격은 그것이 서비씽을 위해 분해되고 있을 때, 뿐만 아니라 조립을 위해 새로운 것이 추가되고 있을 때 인접한 전지(100)를 교란시키는 것을 회피하는 것을 돕는다. 개별적인 전지들(100)의 각각에 의해 향유되는 상대 자율성은 전통적인 스택 기반 설계들과 연관된 어려움들―전지들의 사전 조립 압축 및 정렬, 뿐만 아니라 하나 이상의 그러한 전지를 제거 또는 교체하려고 할 때 필요한 후속 역전 단계들을 포함함―이 감소되거나 제거됨을 의미한다.
동작 시, 제1 반응물(R1)은 제1 반응물 전달 도관 부분(810)의 축 방향을 따라 길이 방향으로 전달된다. 각 전지(100)에 대해, 제1 유로(510)―빠른 연결 커플링(도시되지 않음)을 통해 제1 반응물 전달 도관 부분(810)에 유체 연결될 수 있는―는 제1 반응물 전달 도관 부분(810)에서 측-분기(815)와 같이 동작하여 일반적으로 전지(100)로의 유입구 그리고 특히 3차원 내측 체적(220)에 의해 획정되는 대체로 중공인 체적 공간으로서의 역할을 한다. 3차원 내측 체적(220)의 전극(210)에 도입되는 반응물(R1)의 다중 표면 노출 및 후속 촉매 반응(이를테면 상기한 식 (1)에 묘사된 것과 같은)은 이온화된 반응물(R1)이 전도성 이온 교환막(400)을 통과하게 한다. 일 형태에서, 이온 교환막(400)은 주요 표면들(210A, 210B, 210C, 210D 및 210E)로 구성되는 전극(210)의 감싸는 글로브와 같은(또는 백과 같은) 주변을 형성하는 한편, 다른 형태에서는, 이온 교환막(400)이 주요 표면들(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)로 구성되는 전극(310)의 벽지와 같은 커버링을 형성한다. 그 곳으로부터, 이온화된 제1 반응물(R1)이 유사한 빠른 연결 커플링을 통해 제2 반응물 전달 도관 부분(820)에 유체 연결될 수 있는 유입구 유로(610)로부터 전달되는 이혼화된 제2 반응물(R2)과 결합될 수 있다. 제1 반응물(R1)의 방식과 유사한 방식으로, 전극(310)으로 도입되는 반응물(R2)의 노출 및 후속 촉매 반응(이를테면 상기한 식 (2)에 묘사된 것과 같은)은 이온화된 제2 반응물(R2)(반응물(R1)과 동일한 방식으로 전도성 이온 교환막(400)을 통과할 수 없는)이 전극(310)의 주요 표면들(310A, 310B, 310C, 310D 및 310E)에서 반응물(R1)과 결합하게 한다. 상술한 바와 같이, 제1 반응물(R1)이 H2이고 제2 반응물(R2)이 O2인 상황들에서, 이러한 두 반응물의 결합에 의해 발생되는 물은 물 관리 도관에 의해 관리될 수 있다(요구될 때 제거 및 수화 양자를 포함하여). 반응물들(R1, R2)의 임의의 소모되지 않은 잉여분은 대응하는 배출구 유로들(520, 620)을 통해 각각의 제1 및 외측 집전체들(200, 300)로부터 떨어져 그리고 다시 제1 및 제2 반응물 전달 도관 부분들(810, 820) 내에 흐르는 각각의 스트림들로 전달될 수 있다. 유입구 유로들(510, 610)과 같이, 배출구 유로들(520, 620)에도 빠른 연결 커플링들이 구비될 수 있다.
특히 도 4a에 도시된 바와 같이, 개별적인 전지들(100)은 그것들이 더 큰 조립체를 형성하도록 모듈식 2차원 어레이 또는 매트릭스로 배열될 수 있다. 그러한 구성에서, 두 개의 반응물 전달 도관 부분(810, 820)은 다양한 전지(100)가 도시된 매트릭스와 같은 방식으로 배열될 수 있도록 많은 측 분기(815, 825)가 각각의 매니폴드로부터 연장될 수 있도록 매니폴드들로서의 역할을 할 수 있다. 마찬가지로, 다양한 교차 상호 연결부(900)가 사용되어 모든 개별적인 전지(100) 중 일부 간 목적하는 수준의 직렬 및 병렬 전기 커플링을 수립할 수 있다. 대표적인 방식에서 인접한 로우에서의 제1 전지(100)에 연결되는 각 로우에서의 마지막 전지(100)가 다음으로 나오는 음 대 양 직렬로 전기 연결되는 각 로우 내 17개의 전지(100)의 각각에 의해 고전압 출력(예를 들어, 약 300 볼트)을 발생시킬 수 있어야 하는 350 전지들의 17x18 어레이를 갖는 것으로 도시되지만, 교차 상호 연결부들(900)의 그 외 다른 어레이들 및 그 외 다른 형태들이 요구될 때 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
특히 도 4b에 도시된 바와 같이, 개별적인 전지들(100)은 개별적인 전지들(100)의 모듈식 선형 어레이의 부분으로 배열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 다양한 전지(100)는 가늘고 긴 반응물 전달 도관들(810, 820)을 가로지를 수 있다. 도 4a에 도시된 2차원 어레이 또는 매트릭스와 같이, 두 개의 반응물 전달 도관 부분(810, 820)은 많은 측 분기(815, 825)(도 4에 도시된 것과 같은)가 유체 연결 및 분리의 편의성을 위해 다양한 전지(100)를 향해 연장될 수 있도록 매니폴드들로서의 역할을 할 수 있다. 또한 도 4a에 도시된 2차원 어레이 또는 매트릭스와 같이, 자율적인 각각의 전지들(100)에 의해 가능하게 만들어지는 모듈식 구성은 단지 반응물 전달 도관 부분들(810, 820)에 전지들(100) 중 하나 이상을 추가하거나 그것들로부터 제거함으로써, 선형 어레이의 전력 출력이 필요에 따라 크게 또는 작게 만들어질 수 있음을 의미한다. 또한 도 4a 및 도 4b의 실시 예들의 조합이 조립체에 두 개의 깊은 구성을 제공하기 위해 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러한 경우, 구조는 3차원 스택까지 더 확장될 수 있다.
본 개시 내용이 특히 연료 전지들에 적합하지만, 또한 흐름 배터리(본원에서 2차 배터리로도 지칭됨, 미도시)에서의 전원으로서도 유용하다. 연료 전지에 대해 본원에서 논의된 MEA 기반 구조와 연관된 환원-산화 반응들을 통해 전기 에너지를 발생시키는 대신, 흐름 배터리는 화학적 에너지를 편리하게 저장되고 그 후 전류의 생성을 위한 음의 전극 반응 및 양의 전극 반응 방전 프로세스의 부분으로 사용될 수 있는 전기활성 물질들 형태로 저장한다. 전기활성 물질들을 저장하기 위해 탱크들의 쌍이 사용될 수 있다. 이러한 활성 물질들은 내외측 집전체들(200, 300) 중 하나 또는 다른 하나로의 전달을 위해 대응하는 펌프들에 의해 탱크들의 각각으로부터 이온 교환막(400)의 균등물(액체 형태이기는 하나)을 형성한다. 일 형태에서, 전해질 용액들은 산화 또는 환원될 수 있는 하나 이상의 전이 금속을 포함하며, 이는 결과적으로 대응하는 기전력을 발생시키게 된다. 그에 따라, 본 개시 내용과 함께 만들어지는 배터리는 전해질의 저장이 외부 탱크들 내에 이루어진다는 점에서 전통적인 배터리들과 상이하다. 이러한 방식으로, 저장된 에너지는 배터리 동작과 연관된 대용량 전극 물질들 및 부수적인 기계적 및 열적 응력 내에 있어야 할 필요가 없다. 이는 전제 조립체 모듈성 및 그것의 관련 서비스 가능성 및 확장성 속성들을 촉진하도록 돕는다. 배터리로서 구성될 때, 탱크들 내에 포함되고 펌프들로부터 전지(100)로 펌핑되는 전해질은 PEM 기반 구성들과 연관된 막 형태 대신 액체 형태이더라도, 그러한 전해질이 여전이 이온 수성을 위해 사용된다는 점에서, 여전히 전지(100)로 도입되면 두 개의 전극 조립체(이를테면 전극들(210, 310)과 연관된 것들) 사이에 배치되는 것으로 여겨진다.
도시되지 않았지만, 본 개시 내용은 또한 그렇지 않으면 비자발적일 화학 반응을 촉진하기 위해 전기 및 촉매 활성 전극들을 사용하는 전해조로서 구성될 수도 있다. 하나의 대표적인 형태에서, 전해조는 물(H2O)을 H2 및 산소(O2)로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 대표적인 형태에서, 그러한 전해조 전지는 그것이 양극 및 음극과 함께 본원에서 논의된 MEA를 형성하도록 PEM을 사용할 수 있다. 그에 따라, H2를 얻기 위해, 전해조로서 구성된 전지(100)는 전극이 고전류 밀도 및 고전압을 견딜 수 있는 물질로 만들어지도록 종래 수원(이를테면 해수 등)을 사용할 수 있다. 일 형태에서, 공급되는 물은 산성 또는 염기성인 한편, 다른 형텡서, 물은 비교적 염분, 산성도 또는 알칼리도가 없어 순도가 비교적 높다. 그러한 전해조는 또한 전기화학 기계 가공, 녹 제거, 전기 도금, 금속성 화합물들로 금속들의 생성, 뿐만 아니라 염소, 수산화나트륨, 전해수 등의 생성을 위해 사용될 수 있다.
본 개시 내용에서 논의된 특징들을 설명 및 정의하기 위해, 본원에서 파라미터의 함수인 변수 또는 다른 변수에 대한 언급은 변수가 배타적으로 나열된 파라미터의 함수 또는 변수인 것을 표기하려는 것이 아니다. 그보다, 오히려, 본원에서 나열된 파라미터의 함수인 변수에 대한 언급은 변수가 단일 파라미터 또는 다수의 파라미터의 함수일 수 있도록 개방형으로 의도된다. 마찬가지로, 특정 방식으로 특정 속성 또는 기능을 구현하기 위해 특정 방식으로 구성 또는 프로그래밍되는 본원에서 본 개시 내용의 구성요소의 열거는 사용 목적의 열거와는 대조적으로 구조적 열거이다. 더 구체적으로, 본원에서 구성요소가 프로그래밍되거나 구성되는 방식에 대한 언급은 구성요소의 기존의 물리적 상태를 나타내고, 그에 따라 구성요소의 구조적 특성들의 분명한 열거로 취해져야 한다.
이하의 청구항들 중 하나 이상은 "~하되, ~로서"라는 용어를 전이 문구로서 이용한다. 본 개시 내용에서 논의된 특징들을 정의하기 위해, 이러한 용어는 청구범위에서 구조의 일련의 특성의 열거를 도입하기 위해 사용되는 개방형 전이 문구로서 도입되고 더 통상적으로 사용되는 개방형 전문 용어 "포함하는"과 유사한 방식으로 해석되어야 한다.
"바람직하게", "일반적으로" 그리고 "통상적으로"와 같은 용어들은 본원에서 청구항들의 범위를 제한하거나 특정 특징들이 본원에 개시된 구조들 또는 기능들에 임계적이거나, 본질적이거나 또는 심지어 중요하다는 것을 시사하기 위해 이용되지 않는다는 것이 주의된다. 그보다, 이러한 용어들은 단지 개시된 주제의 특정 실시 예에서 이용될 수도 있고 이용되지 않을 수도 있는 대안적인 또는 추가적인 특징들을 강조하기 위한 것일 뿐이다. 마찬가지로, "실질적으로" 그리고 "대략적으로"라는 용어들 및 이들의 어미 변화는 본원에서 임의의 정량적 비교, 값, 측정 또는 그 외 다른 표현에 기인할 수 있는 내재되는 불확실성의 정도를 나타내기 위해 이용된다는 것이 주의된다. 그에 따라, 이러한 용어들의 사용은 쟁점이 되는 주제의 기본적 기능을 변화시키지 않으면서 정량적 표현이 언급된 기준과 다를 수 있는 정도를 나타낸다.
청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 설명 된 실시 예들에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명할 것이다. 따라서, 본 명세서는 본원에 설명된 다양한 실시 예의 수정 및 변형을 커버하고, 제공되는 그러한 수정 및 변형이 첨부된 청구항들 및 그 등가물들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (26)

  1. 전기화학 전지로서,
    내측 집전체;
    내측 반응물 유로;
    외측 집전체;
    외측 반응물 유로; 및
    이온 교환막을 포함하되,
    상기 내측 반응물 유로는 내측 반응물 유입구, 내측 반응물 배출구, 및 상기 내측 반응물 유입구 및 상기 내측 반응물 배출구와 유체 연통하는 내측 반응물 챔버를 포함하고,
    상기 내측 집전체는 상기 내측 반응물 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 내부 3차원 체적을 만들기 위한 치수로 구성되는 하나 이상의 내측 전극을 포함하고,
    상기 외측 집전체는 개구를 안에 형성하는 내부 3차원 체적을 만들기 위한 치수로 구성되는 하나 이상의 외측 전극을 포함하고,
    상기 내측 집전체 및 상기 내측 집전체의 내부 3차원 체적은 상기 내측 집전체의 내부 3차원 체적이 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체 양자 내에 있도록 상기 외측 집전체의 3차원 체적 내에 상기 개구를 통해 내포되고,
    상기 내측 집전체의 상기 내측 전극들은 상기 이온 교환막을 가로질러 상기 외측 집전체의 상기 외측 전극들과 대향하고,
    상기 외측 반응물 유로는 상기 외측 전극들에 의해 상기 이온 교환막과 분리되며,
    상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체는 상기 개구의 둘레 주위에 풀릴 수 있는 씨일을 형성하는 대향 장착면들을 포함하는, 전기화학 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 각각의 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극은 단일의 연속 표면을 포함하는, 전기화학 전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 각각의 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극은 복수의 별개 전극 표면을 포함하는, 전기화학 전지.
  4. 청구항 3에 있어서, 각각의 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극은 적어도 세 개의 별개 전극 표면을 포함하는, 전기화학 전지.
  5. 청구항 3에 있어서, 각각의 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극은 적어도 네 개의 별개 전극 표면을 포함하는, 전기화학 전지.
  6. 청구항 3에 있어서, 각각의 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극은 실질적으로 입방형 구조를 획정하는 적어도 다섯 개의 별개 전극 표면을 포함하는, 전기화학 전지.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 내측 집전체의 상기 복수의 별개 전극 표면의 각각은 상기 내측 집전체의 상기 복수의 별개 전극 표면의 다른 표면들 전부와 실질적으로 동시에 그리고 실질적으로 동등하게 반응물을 수용하면서, 상기 외측 집전체의 상기 복수의 별개 전극 표면의 각각은 상기 외측 집전체의 상기 복수의 별개 전극 표면의 다른 표면들 전부와 실질적으로 동시에 그리고 실질적으로 동등하게 반응물을 수용하는, 전기화학 전지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 각각의 상기 전극들은 유동적으로 다공성이고 전기적으로 전도성인 매체상에 배치되는 전기화학적 촉매를 포함하는, 전기화학 전지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 교환막은 상기 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극들과 함께 막 전극 조립체를 형성하도록 폴리머 이온 교환막을 포함하는, 전기화학 전지.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 이온 교환막은 상기 내측 반응물 챔버를 실질적으로 감싸는, 전기화학 전지.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 이온 교환막은 상기 외측 집전체의 내부 3차원 체적의 실질적인 전체를 커버하는, 전기화학 전지.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 이온 교환막은 상기 장착면들 중 적어도 하나의 적어도 일부분 위에 측면으로 연장되는, 전기화학 전지.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 전기화학 전지는 배터리를 포함하는, 전기화학 전지.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 전기화학 전지는 연료 전지를 포함하는, 전기화학 전지.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체의 상기 전극들 및 상기 이온 교환막에 의해 형성되는 막 전극 조립체와 유체 연통하는 물 관리 도관을 더 포함하는, 전기화학 전지.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 장착면들 중 적어도 하나상에 배치되는 개스킷을 더 포함하는, 전기화학 전지.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 내측 반응물 유입구 및 상기 내측 반응물 배출구 양자가 상기 내측 집전체의 하나의 표면에 위치되는, 전기화학 전지.
  18. 전기화학 전지 조립체로서,
    각각이 다른 것과 상이한 반응물을 전달하도록 구성되는 제1 부분 및 제2 부분을 획정하는 반응물 전달 도관; 및
    복수의 전기화학 전지로서, 각각:
    내측 집전체;
    내측 반응물 유로;
    외측 집전체;
    외측 반응물 유로; 및
    이온 교환막을 포함하되,
    상기 내측 반응물 유로는 내측 반응물 유입구, 내측 반응물 배출구, 및 상기 내측 반응물 유입구 및 상기 내측 반응물 배출구와 유체 연통하는 내측 반응물 챔버를 포함하고,
    상기 내측 집전체는 상기 내측 반응물 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 내부 3차원 체적을 만들기 위한 치수로 구성되는 하나 이상의 내측 전극을 포함하고,
    상기 외측 집전체는 개구를 안에 형성하는 내부 3차원 체적을 만들기 위한 치수로 구성되는 하나 이상의 외측 전극을 포함하고,
    상기 내측 집전체 및 상기 내측 집전체의 내부 3차원 체적은 상기 내측 집전체의 내부 3차원 체적이 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체 양자 내에 있도록 상기 외측 집전체의 상기 3차원 체적 내에 상기 개구를 통해 내포되고,
    상기 내측 집전체의 상기 내측 전극들은 상기 이온 교환막을 가로질러 상기 외측 집전체의 상기 외측 전극들과 대향하고,
    상기 외측 반응물 유로는 상기 외측 전극들에 의해 상기 이온 교환막과 분리되며,
    상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체는 상기 개구의 둘레 주위에 풀릴 수 있는 씨일을 형성하는 대향 장착면들을 포함하는, 상기 복수의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 전지 조립체.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 반응물 전달 도관의 상기 부분들의 각각은 서로 실질적으로 평행하게 그리고 매니폴드 내에 함유되는 반응물의 흐름과는 실질적으로 직교하게 연장되는 복수의 분기를 갖는 상기 매니폴드를 포함하는, 전기화학 전지 조립체.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 복수의 전기화학 전지는 그것들이 실질적으로 2차원 전지 어레이를 획정하는 것과 같은 방식으로 상기 반응물 전달 도관의 평행하게 연장되는 상기 분기들에 커플링되는, 전기화학 전지 조립체.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 반응물 전달 도관의 상기 매니폴드들은 상기 2차원 전지 어레이의 실질적으로 대향하는 에지들 상에 서로 평행한 방식으로 떨어져 이격되는, 전기화학 전지 조립체.
  22. 청구항 18에 있어서, 인접한 전기화학 전지들 사이에 직렬 및 병렬 전기 연결의 하나 또는 다른 하나를 제공하기 위한 교차 상호 연결부를 더 포함하는, 전기화학 전지 조립체.
  23. 전기화학 전지 조립체를 형성하는 방법으로서,
    복수의 전기화학 전지를 제공하는 단계로서, 각각의 상기 복수의 전기화학 전지는:
    내측 반응물 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 내부 3차원 체적을 만들기 위한 치수로 구성되는 하나 이상의 내측 전극을 갖는 내측 집전체;
    개구를 안에 형성하는 내부 3차원 체적을 만들기 위한 치수로 구성되는 하나 이상의 외측 전극을 갖는 외측 집전체;
    상기 내측 집전체와 상기 외측 집전체 사이에 배치되는 이온 교환막을 포함하는, 상기 복수의 전기화학 전지를 제공하는 단계;
    상기 내측 집전체의 내부 3차원 체적의 적어도 일부가 상기 외측 집전체의 내부 3차원 체적 내에 내포되도록 상기 조립체 내 각각의 전기화학 전지에 대해 상기 내측 집전체를 상기 외측 집전체의 상기 개구를 통해 삽입시키는 단계;
    상기 조립체 내 각각의 전기화학 전지의 상기 내측 집전체 및 상기 외측 집전체를 각각의 집전체로부터의 대향하는 장착면들이 상기 개구의 둘레 주위에 풀릴 수 있는 씨일을 형성하도록 서로 고정시키는 단계;
    상기 내측 반응물 챔버와 유체 연통하는 내측 반응물 배출구 및 내측 반응물 유입구를 포함하는 내측 반응물 유로를 통해 상기 조립체 내 각각의 전기화학 전지의 상기 내측 집전체를 반응물 전달 도관의 제1 부분에 유체 커플링시키는 단계; 및
    상기 외측 전극들 주위에 형성되는 간극 공간과 유체 연통하는 외측 반응물 배출구 및 외측 반응물 유입구를 포함하는 외측 반응물 유로를 통해 상기 조립체 내 각각의 전기화학 전지의 상기 외측 집전체를 반응물 전달 도관의 제2 부분에 유체 커플링시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 전기화학 전지들 중 하나를 상기 조립체 내 상기 전기화학 전지들의 임의의 다른 것을 교란시키지 않고 상기 조립체에서 제거함으로써 상기 조립체를 서비씽하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 청구항 23에 있어서, 상기 전기화학 전지들 중 하나를 상기 조립체 내 상기 전기화학 전지들의 임의의 다른 것을 교란시키지 않고 상기 조립체에 추가함으로써 상기 조립체의 파워 아웃(power out) 성능을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 청구항 25에 있어서, 인접한 전기화학 전지들 사이에 직렬 및 병렬 전기 연결의 하나 또는 다른 하나를 제공하도록 교차 상호 연결부를 배치시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
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