KR20230002540A

KR20230002540A - 기체 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20230002540A
Application number: KR1020227037990A
Authority: KR
Inventors: 몬지드 함단; 코트니 미텔스테트; 매튜 위버; 로버트 스톤
Original assignee: 플러그 파워 인코포레이티드
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2023-01-05
Also published as: EP4127271A1; AU2021246606A1; CA3179166A1; CN115485418A; US20210305598A1; BR112022019801A2; US11883779B2; WO2021201962A1; US20240123398A1

Abstract

수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 방법 및 시스템. 하나의 실시형태에서, 시스템은 폴리머 전해질막(PEM), 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 조립체(MEA)를 포함한다. 제1 및 제2 기체 확산 매체는 캐소드와 애노드 각각과 인접하게 배치된다. 가습막은 애노드 반대편의 측면의 제2 기체 확산 매체 옆에 배치된다. 물 공급부는 가습막에 연결되고, 수소 기체 공급부는 제2 기체 확산 매체에 연결된다. 배압 조절기를 포함하는 수소 기체 수집기는 제1 기체 확산 매체에 연결된다. MEA의 반대측에 배치된 분리기는 전력원에 연결된다. 사용 시, 수소는 MEA에 걸쳐 전기화학적으로 펌핑되고 수소 기체 수집기에 수집된다. PEM은 가습막에 의해 적절하게 가습되고, 가습막은 물을 제2 기체 확산 매체로 배출한다.

Description

기체 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 방법 및 시스템

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 미국 가출원 제63/002,614호(출원일: 2020년 3월 31일)의 우선권을 주장하고, 이는 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

연방 후원 연구 또는 개발

본 발명은 미국 에너지부가 수여하는 "진보된 전기화학적 수소 압축기"라는 명칭의 DOE DE-EE0007647 협력 협정하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명의 특정한 권한을 갖는다.

본 발명은 일반적으로 기체 수소를 압축시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이고 더 구체적으로 기체 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 또한 새로운 전기화학 전지 및 이러한 전기화학 전지를 제작하기 위한 방법뿐만 아니라 이러한 전기화학 전지의 컴포넌트 및 이들의 제작을 위한 방법에 관한 것이다.

증가하는 환경 문제를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 이유로, 화석 연료에 대한 허용 가능한 에너지 대안을 제공하려는 노력은 지난 수년 동안 상당한 관심을 받았다. 그동안 많은 노력을 기울인 분야 중 하나가 수소 연료 전지의 개발이다. 수소 연료 전지가 간단히 수소와 산소 기체를 반응물질로서 사용함으로써 전기를 생산할 수 있고 물이 연료 전지 작동의 부산물이기 때문에 수소 연료 전지는 화석 연료의 연소에 대한 매력적인 대안을 제시한다. 산소가 자연적으로 공기 중에 풍부하게 존재하기 때문에, 연료 전지에 산소를 제공하는 것은 연료 전지에 공기를 공급하는 것만큼 간단할 수도 있다. 반면에, 수소는 자연적으로 공기 중에 풍부하게 존재하지 않는다; 결과적으로, 대부분의 연료 전지는 다량의 수소 기체가 연료 전지에 의한 사용을 위해 저장되는 일종의 수소 공급 탱크에 결합된다.

특정한 적용에서 수소 연료 전지의 사용을 제한하는 하나의 요인은 수소 저장 탱크를 단기간에 충전하거나 또는 재충전하는 것의 어려움이다. 예를 들어, 미국 자동차 회사는 수소 연료 전지 전기 자동차(electric vehicle: FCEV)의 연구 개발에 상당한 자원을 투자했다. 그러나, FCEV의 광범위한 사용을 가능하게 하기 위해, 효율적인 수소 연료 보급소의 인프라가 필요하다. 연료 보급소에서 FCEV 탱크로 수소 기체를 신속하게 분배하기 위해, 수소는 연료 보급소에서 매우 높은 압력, 예를 들어, 적어도 875bar로 압축되어야 한다.

기체 수소를 압축시키기 위한 하나의 기법은 기계식 기체 압축기를 사용하는 것이다. 그러나, 불행하게도, 기계식 기체 압축기는 자본 비용이 높고, 유지 보수 비용이 높으며, 신뢰성이 떨어지는 경향이 있다. 또한 기계식 기체 압축기는 상당한 소음과 열을 생성하는 경향이 있다. 게다가, 기계식 기체 압축기에 의해 생성되는 압축된 수소는 종종 압축기에서 나오는 소량의 펌프 오일 및 다른 오염물질을 포함한다. 압축된 수소 내 이러한 오일 및 다른 오염물질의 존재는 오염된 수소를 수용하는 연료 전지의 성능을 저하시키기 때문에 불리하다. 가장 중요하게, 압축기가 위치되는 연료 보급소가 수리되어야 하기 때문에 기계식 수소 압축기 한 대라도 고장 비용이 매우 높다는 점이다.

기체 수소를 압축시키기 위한 또 다른 기법은 전기화학적 수소 압축기를 사용하는 것이다. 전기화학적 수소 압축기의 실시예는 미국 특허 출원 공보 제US 2004/0211679 A1호(발명자 Wong 등, 2004년 10월 28일 공개되었음, 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용됨)에 개시된다. 더 구체적으로, 이 공개된 출원에 따르면, 수소의 전기화학적 압축을 위한 장치 및 공정이 개시된다. 장치는 막 전해질 전지 조립체(membrane electrolyte cell assembly: MEA)를 개재한 평면인 기체 분배판을 포함하는 MEA를 포함한다고 일컬어지고, 조립체가 단부판에 의해 함께 유지되고, 단부판이 단부판과 MEA 사이에 중간 밀봉부를 놓기 위한 상보형 주변 홈을 갖고, 애노드측의 단부판이 수소 공급 유입부를 더 포함하고 캐소드측의 단부판이 압축된 수소 유출부를 더 포함한다. 단일 전지 조립체와 다중 전지 조립체 둘 다가 개시된다. 다중 전지 조립체가 병렬인 기체 포팅과 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 이러한 단일 전지를 포함하여, 각각의 개별적인 전지의 유출부로부터 압축된 수소가 연결되고, 각각의 전지는 시리즈인 인접한 전지로부터 전기 절연된다.

전기화학적 수소 압축기의 부가적인 예 및/또는 전기화학적 수소 압축기와 관련된 정보가 다음의 문서에서 발견될 수도 있고, 이들 전부는 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다: 미국 특허 제10,109,880 B2호(발명자 Blanchet 등, 발행일: 2018년 10월 23일); 미국 특허 제6,994,929 B2호(발명자 Barbir 등, 발행일: 2006년 2월 7일); 유럽 특허 출원 공보 제EP 3 254 747 A1호(공개일: 2017년 12월 13일); 및 Nordio 등의 ["Experimental and modelling study of an electrochemical hydrogen compressor", Chemical Engineering Journal, 369: 432-442 (2019)].

막 전극 조립체의 부분으로서 양자 교환막(proton exchange membrane: PEM)을 사용하는 유형의 전기화학적 수소 압축기에 대해, 처리되어야 하는 하나의 문제는 양자 교환막의 적절한 가습이다. 즉, 양자 교환막이 이의 작동 동안 적절하게 가습된 상태로 유지되지 않는다면, 양자 교환막은 적절하게 기능하지 못할 것이다. 불행하게도, 전기화학적 수소 압축기의 양자 교환막의 적절한 가습의 유지는 압축기가 작동될 때, 양자 교환막에 걸쳐 이동되는 수소 이온(즉, 양자)뿐만 아니라 물 분자가 있다는 사실에 의해 더 어렵게 된다. 게다가, PEM-기반 전기화학적 수소 압축기에서의 물 관리는, 고압 캐소드로부터 저압 애노드로 물의 유압 투과가 차압에 비례하여, 필요한 물이 MEA에서 나오게 하기 때문에 높은 차등 작동 압력에서 유지되는 것이 특히 어렵다. 결과적으로, 양자 교환막으로부터 전술한 물 손실을 보상하기 위해, 물이 양자 교환막으로 연속적으로 추가되어 이의 가습을 유지해야 한다. 일반적으로, 이것은 전기화학적 수소 압축기로의 수소 기체의 전달 전에 수소 기체의 공급을 가습함으로써(예를 들어, 전기화학적 수소 압축기로의 물의 전달 전에 다량의 물을 통해 수소 기체를 버블링함으로써) 달성된다. 그러나, 이러한 방식은 비용을 추가할 뿐만 아니라 특정한 압력, 온도 및 흐름에서 가습과 연관된 복잡성을 수반하고 일반적으로 실제로 요망되는 유형의 압력에 대한 압축을 가능하게 하기 위해 충분한 가습을 발생시키지 못한다.

관심을 끌 수도 있는 다른 문서가 다음의 것을 포함할 수도 있고, 이들 전부는 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다: 미국 특허 제10,557,691 B2호(발명자: Stone 등, 발행일: 2020년 2월 11일); 미국 특허 제9,595,727 B2호(발명자: Mittelsteadt 등, 발행일: 2017년 3월 14일); 미국 특허 제9,728,802 B2호(발명자: Mittelsteadt 등, 발행일: 2017년 8월 8일); 미국 특허 제8,551,670 B2호(발명자: Mittelsteadt 등, 발행일: 2013년 10월 8일); 미국 특허 제7,947,405 B2호(발명자: Mittelsteadt 등, 발행일: 2011년 5월 24일); 미국 특허 제6,811,905호(발명자: Cropley 등, 발행일: 2004년 11월 2일); 및 미국 특허 제6,500,319호(발명자: LaConti 등, 발행일: 2002년 12월 31일).

본 발명의 하나의 양상에 따르면, 전기화학 디바이스가 제공되고, 전기화학 디바이스는 (a) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막; (b) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드; (c) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드; 및 (d) 애노드 또는 캐소드에 결합되어 이들로 물을 전달할 때 사용되는 물 관리 디바이스(water management device)로서, 상기 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성, 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 애노드 또는 상기 캐소드는 물 관리 디바이스와 폴리머 전해질막 사이에 배치되는, 물 관리 디바이스를 포함한다. 대안적으로, 또 다른 실시형태에서, 물 관리 디바이스는 전기전도성일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기화학 디바이스는 애노드 기체 확산 매체를 더 포함할 수도 있고, 상기 애노드 기체 확산 매체는 애노드 챔버를 획정할 수도 있고, 상기 애노드 챔버는 상기 애노드와 유체 연통할 수도 있고, 상기 애노드 기체 확산 매체는 상기 물 관리 디바이스의 적어도 일부와 상기 애노드 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스 전체는 상기 애노드로부터 이격될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 평면 형상을 가질 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 비-평면 형상을 가질 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 단일의 모놀리식 물질로 구성될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 고체 폴리머 전해질막일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 복수의 층 및/또는 물질을 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 복수의 구멍을 가진 지지부를 포함할 수도 있고, 고체 폴리머 전해질은 지지부의 구멍 내에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 고체 폴리머 전해질을 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 고체 폴리머 전해질은 폴리에틸렌, 코폴리머를 가진 폴리에틸렌- 폴리스타이렌 블록, 폴리스타이렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리(아릴렌), 폴리(아릴렌 피에리디늄), 폴리(다이알리피페리디늄 하이드록사이드), 폴리(다이메틸암모늄 하이드록사이드), 설폰화 폴리스타이렌, 설폰화 폴리설폰, 설폰화 폴리(에터 에터 케톤), 설폰화 폴리(벤조페논), 설폰화 폴리(아릴렌 에터 설폰), 설폰화 폴리(아릴렌 에터 케톤), 설폰화 폴리(아릴렌 티오에터), 설폰화 폴리(에터 아마이드), 설폰화 폴리벤즈이미다졸, 설폰화 폴리(프탈라지논 에터), 퍼플루오로설폰산 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 포함하지만 이로 제한되지 않는 상이한 이오노머 중 하나 또는 조합물일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기화학 디바이스는 애노드 기체 확산 매체를 더 포함할 수도 있고, 상기 애노드 기체 확산 매체는 애노드 챔버를 획정할 수도 있고, 상기 애노드 챔버는 대향하는 제1 면과 제2 면을 가질 수도 있고, 상기 제1 면은 상기 애노드와 접촉할 수도 있고, 상기 제2 면은 상기 물 관리 디바이스와 접촉할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 애노드 기체 확산 매체는 전기전도성, 다공성 물질의 단일의 층으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 애노드 기체 확산 매체는 복수의 층을 포함할 수도 있고, 복수의 층의 각각은 하나 이상의 전기전도성, 다공성 물질을 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 폴리머 전해질막, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성할 수도 있고, 전기화학 디바이스는 환형 밀봉부를 더 포함할 수도 있고, 상기 환형 밀봉부는 막 전극 조립체 주위에 장착될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 폴리머 전해질막, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성할 수도 있고, 전기화학 디바이스는 제1 분리기 및 제2 분리기를 더 포함할 수도 있고, 상기 제1 분리기와 상기 제2 분리기의 각각은 전기전도성일 수도 있고, 상기 제1 분리기와 상기 제2 분리기는 상기 막 전극 조립체의 대향면에 배치될 수도 있고, 상기 제2 분리기는 상기 막 전극 조립체와 상기 물 관리 디바이스 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기화학 디바이스는 전기화학적 수소 압축기일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 애노드에 결합되어 물을 애노드로 전달할 때 사용될 수도 있고, 애노드는 물 관리 디바이스와 폴리머 전해질막 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 캐소드에 결합되어 물을 캐소드로 전달할 때 사용될 수도 있고, 캐소드는 물 관리 디바이스와 폴리머 전해질막 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 전기화학 디바이스가 제공되고, 전기화학 디바이스는 (a) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막; (b) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드; (c) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드; 및 (d) 애노드에 결합되어 애노드로 물을 전달할 때 사용되는 제1 물 관리 디바이스로서, 상기 제1 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성, 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 애노드는 제1 물 관리 디바이스와 폴리머 전해질막 사이에 배치되는, 제1 물 관리 디바이스; 및 (e) 캐소드에 결합되어 캐소드로 물을 전달할 때 사용되는 제2 물 관리 디바이스로서, 상기 제2 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성, 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 캐소드는 제2 물 관리 디바이스와 폴리머 전해질막 사이에 배치되는, 제2 물 관리 디바이스를 포함한다. 대안적으로, 또 다른 실시형태에서, 제1 물 관리 디바이스 및/또는 제2 물 관리 디바이스는 전기전도성일 수도 있다.

본 발명의 추가의 또 다른 양상에 따르면, 전기화학 디바이스가 제공되고, 전기화학 디바이스는 (a) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막; (b) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드; (c) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드; 및 (d) 애노드 또는 캐소드에 결합되어 이들로 물을 전달할 때 사용되는 물 관리 디바이스로서, 상기 물 관리 디바이스는 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 물 관리 디바이스는 대향하는 제1 면과 제2 면을 포함하고, 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제1 부분은 상기 애노드 또는 상기 캐소드와 직접적으로 접촉하고, 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제2 부분은 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면으로부터 이격되는, 물 관리 디바이스를 포함한다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 전기전도성일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 하나 이상의 유형의 전기전도성 물질이 분산될 수도 있는 고체 폴리머 전해질을 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기전도성 물질은 하나 이상의 유형의 전기전도성 입자를 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기전도성 물질은 하나 이상의 유형의 비-미립자 전기전도성 물질을 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기화학 디바이스는 애노드 기체 확산 매체를 더 포함할 수도 있고, 상기 애노드 기체 확산 매체는 애노드 기체 챔버를 획정할 수도 있고, 상기 애노드 기체 챔버는 상기 애노드와 유체 연통할 수도 있고, 상기 애노드 기체 확산 매체는 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 상기 제2 부분과 상기 애노드 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 전기화학 디바이스는 애노드 유체 확산 매체를 더 포함할 수도 있고, 상기 애노드 유체 확산 매체는 애노드 액체 챔버를 획정할 수도 있고, 상기 애노드 액체 챔버는 대향하는 제1 면과 제2 면을 가질 수도 있고, 상기 애노드 액체 챔버의 상기 제1 면은 상기 물 관리 디바이스의 상기 제2 면과 접촉할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 복수의 피크 및 밸리를 가진 물결형 형상을 가질 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 단일의 층으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 복수의 층을 포함할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 애노드에 결합되어 물을 애노드로 전달할 때 사용될 수도 있고, 물 관리 디바이스의 제1 면의 제1 부분은 애노드와 직접적으로 접촉할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 캐소드에 결합되어 물을 캐소드로 전달할 때 사용될 수도 있고, 물 관리 디바이스의 제1 면의 제1 부분은 캐소드와 직접적으로 접촉할 수도 있다.

본 발명의 추가의 또 다른 양상에 따르면, 전기화학 디바이스가 제공되고, 전기화학 디바이스는 (a) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막; (b) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드; (c) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드; 및 (d) 애노드에 결합되어 애노드로 물을 전달할 때 사용되는 제1 물 관리 디바이스로서, 상기 제1 물 관리 디바이스는 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 제1 물 관리 디바이스는 대향하는 제1 면과 제2 면을 포함하고, 상기 제1 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제1 부분은 상기 애노드와 직접적으로 접촉하고, 상기 제1 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제2 부분은 상기 제1 물 관리 디바이스의 상기 제1 면으로부터 이격되는, 제1 물 관리 디바이스; 및 (e) 캐소드에 결합되어 캐소드로 물을 전달할 때 사용되는 제2 물 관리 디바이스로서, 상기 제2 물 관리 디바이스는 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 제2 물 관리 디바이스는 대향하는 제1 면과 제2 면을 포함하고, 상기 제2 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제1 부분은 상기 캐소드와 직접적으로 접촉하고, 상기 제2 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제2 부분은 상기 제2 물 관리 디바이스의 상기 제1 면으로부터 이격되는, 제2 물 관리 디바이스를 포함한다.

본 발명의 추가의 또 다른 양상에 따르면, 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 시스템이 제공되고, 시스템은 (a) 전기화학적 수소 압축기로서, (i) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막, (ii) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드, (iii) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드로서, 폴리머 전해질막, 애노드 및 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성하는, 캐소드, (iv) 상기 애노드와 유체 연통하는 애노드 챔버를 획정하는 애노드 기체 확산 매체로서, 상기 애노드 기체 확산 매체는 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖고, 상기 제1 면은 상기 애노드를 향하는, 애노드 기체 확산 매체, (v) 상기 캐소드와 유체 연통하는 캐소드 챔버를 획정하는 캐소드 기체 확산 매체로서, 상기 캐소드 기체 확산 매체는 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖고, 상기 제1 면은 상기 캐소드를 향하는, 캐소드 기체 확산 매체, (vi) 물 관리 디바이스로서, 상기 물 관리 디바이스는 액체에 대해 투과성이고, 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 애노드 기체 확산 매체의 상기 제2 면과 접촉하는, 상기 물 관리 디바이스, 및 (vii) 제1 및 제2 전기전도성 분리기로서, 막 전극 조립체의 대향면에 위치되고 막 전극 조립체에 전기적으로 결합되는, 제1 및 제2 전기전도성 분리기를 포함하는, 전기화학적 수소 압축기; (b) 저압 수소 공급부로서, 저압 수소 공급부는 비교적 저압에서 수소를 포함하도록 구성되고, 애노드 기체 확산 매체에 결합되어 수소를 애노드 기체 확산 매체로 전달하는, 저압 수소 공급부; (c) 고압 수소 수집기로서, 고압 수소 수집기는 비교적 고압에서 수소를 포함하도록 구성되고, 캐소드 기체 확산 매체에 결합되어 캐소드 기체 확산 매체로부터 수소를 수용하는, 고압 수소 수집기; (d) 물 공급부로서, 물 공급부는 다량의 물을 포함하도록 구성되고, 물 관리 디바이스에 결합되어 물을 물 관리 디바이스로 전달하는, 물 공급부; 및 (e) 전력원으로서, 제1 및 제2 분리기에 전기적으로 결합되도록 구성되는, 전력원을 포함한다. 대안적으로, 또 다른 실시형태에서, 물 관리 디바이스는 캐소드 기체 확산 매체의 제2 면과 접촉할 수도 있거나, 또는 2개의 물 관리 디바이스가 있을 수도 있고, 2개의 물 관리 디바이스 중 하나는 애노드 기체 확산 매체의 제2 면과 접촉할 수도 있고 2개의 물 관리 디바이스 중 다른 하나는 캐소드 기체 확산 매체의 제2 면과 접촉할 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 전기전도성일 수도 있다.

본 발명의 추가의 양상에 따르면, 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 시스템이 제공되고, 시스템은 (a) 전기화학적 수소 압축기로서, (i) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막, (ii) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드, (iii) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드로서, 폴리머 전해질막, 애노드 및 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성하는, 캐소드, (iv) 상기 캐소드와 유체 연통하는 캐소드 챔버를 획정하는 캐소드 기체 확산 매체로서, 상기 캐소드 기체 확산 매체는 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖고, 상기 제1 면은 상기 캐소드를 향하는, 캐소드 기체 확산 매체, (v) 애노드에 결합되어 물을 애노드로 전달할 때 사용되는 물 관리 디바이스로서, 상기 물 관리 디바이스는 액체에 대해 투과성이고, 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 물 관리 디바이스의 적어도 일부는 상기 애노드로부터 이격되고, 적어도 부분적으로 애노드를 향하는 물 관리 디바이스의 측면에 제1 공간 그리고 애노드로부터 멀어지는 물 관리 디바이스의 또 다른 측면에 제2 공간을 획정하는, 상기 물 관리 디바이스, 및 (vi) 제1 및 제2 전기전도성 분리기로서, 막 전극 조립체의 대향면에 위치되고 막 전극 조립체에 전기적으로 결합되는, 제1 및 제2 전기전도성 분리기를 포함하는, 전기화학적 수소 압축기; (b) 저압 수소 공급부로서, 저압 수소 공급부는 비교적 저압에서 수소를 포함하도록 구성되고, 제1 공간에 결합되어 수소를 제1 공간으로 전달하는, 저압 수소 공급부; (c) 고압 수소 수집기로서, 고압 수소 수집기는 비교적 고압에서 수소를 포함하도록 구성되고, 캐소드 기체 확산 매체에 결합되어 캐소드 기체 확산 매체로부터 수소를 수용하는, 고압 수소 수집기; (d) 물 공급부로서, 물 공급부는 다량의 물을 포함하도록 구성되고, 제2 공간에 결합되어 물을 제2 공간으로 전달하는, 물 공급부; 및 (e) 전력원으로서, 제1 및 제2 분리기에 전기적으로 결합되도록 구성되는, 전력원을 포함한다. 대안적으로, 또 다른 실시형태에서, 물 관리 디바이스는 캐소드에 결합될 수도 있거나, 또는 2개의 물 관리 디바이스가 있을 수도 있고, 2개의 물 관리 디바이스 중 하나는 애노드에 결합될 수도 있고 2개의 물 관리 디바이스 중 다른 하나는 캐소드에 결합될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 상기 물 관리 디바이스의 제1 부분이 상기 애노드와 접촉할 수도 있고 상기 물 관리 디바이스의 제2 부분이 애노드로부터 이격될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 모든 상기 물 관리 디바이스는 상기 애노드로부터 이격될 수도 있다.

본 발명의 추가의 양상에 따르면, 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 시스템이 제공되고, 시스템은 (a) 전기화학적 수소 압축기로서, (i) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막, (ii) 상기 폴리머 전해질막의 제1 면에 결합된 애노드, (iii) 상기 폴리머 전해질막의 제2 면에 결합된 캐소드로서, 폴리머 전해질막, 애노드 및 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성하는, 캐소드, (iv) 상기 캐소드와 유체 연통하는 캐소드 챔버를 획정하는 캐소드 기체 확산 매체로서, 상기 캐소드 기체 확산 매체는 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖고, 상기 제1 면은 상기 캐소드를 향하는, 캐소드 기체 확산 매체, (v) 물 관리 디바이스로서, 상기 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성이고, 액체에 대해 투과성이고, 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 애노드와 유체 연통하게 배열되는, 상기 물 관리 디바이스, 및 (vi) 제1 및 제2 전기전도성 분리기로서, 막 전극 조립체의 대향면에 위치되고 막 전극 조립체에 전기적으로 결합되는, 제1 및 제2 전기전도성 분리기를 포함하는, 전기화학적 수소 압축기; (b) 저압 수소 공급부로서, 저압 수소 공급부는 비교적 저압에서 수소를 포함하도록 구성되고, 애노드에 결합되어 수소를 애노드로 전달하는, 저압 수소 공급부; (c) 고압 수소 수집기로서, 고압 수소 수집기는 비교적 고압에서 수소를 포함하도록 구성되고, 캐소드 기체 확산 매체에 결합되어 캐소드 기체 확산 매체로부터 수소를 수용하는, 고압 수소 수집기; (d) 물 공급부로서, 물 공급부는 다량의 물을 포함하도록 구성되고, 물 관리 디바이스에 결합되어 물을 물 관리 디바이스로 전달하는, 물 공급부; 및 (e) 전력원으로서, 제1 및 제2 분리기에 전기적으로 결합되도록 구성되는, 전력원을 포함한다. 대안적으로, 또 다른 실시형태에서, 물 관리 디바이스는 캐소드와 유체 연통하게 배치될 수도 있거나, 또는 2개의 물 관리 디바이스가 있을 수도 있고, 2개의 물 관리 디바이스 중 하나는 애노드와 유체 연통하게 배치될 수도 있고 2개의 물 관리 디바이스 중 다른 하나는 캐소드와 유체 연통하게 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 시스템은 애노드 기체 확산 매체를 더 포함할 수도 있고, 애노드 기체 확산 매체는 애노드와 물 관리 디바이스 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 평면일 수도 있다.

본 발명의 더 상세한 특징에서, 물 관리 디바이스는 비평면일 수도 있다.

본 발명의 또 추가의 양상에 따르면, 수소를 압축시키기 위한 방법이 제공되고, 방법은 (a) 위에서 설명된 시스템 중 임의의 시스템을 제공하는 단계 및 (b) 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 추가의 양상에 따르면, 막 전극 조립체를 제작하는 방법이 제공되고, 방법은 (a) 폴리머 전해질막의 평면 피스를 제공하는 단계; (b) 이어서, 폴리머 전해질막의 평면 피스의 2개의 주면의 각각 상에 백금-탄소를 스프레이-코팅하는 단계; (c) 이어서, 스프레이-코팅된 폴리머 전해질막의 2개의 노출된 표면의 각각에 기체 확산 매체를 적용하는 단계; 및 (d) 이어서, 기체 확산 매체/코팅된 폴리머 전해질막에 폴리이미드/열가소성 개스킷을 적용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 부가적인 목적뿐만 아니라 양상, 특징 및 이점은 다음의 설명에 부분적으로 제시될 것이고, 설명으로부터 부분적으로 분명해질 것이고 또는 본 발명의 실행에 의해 학습될 수도 있다. 설명에서, 본 발명의 부분을 형성하고 본 발명을 실행하기 위한 예시 다양한 실시형태로서 도시되는 첨부 도면을 참조한다. 실시형태는 당업자가 본 발명을 실행하게 하도록 충분히 상세하게 설명될 것이고, 다른 실시형태가 활용될 수도 있고 구조적 변화가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 이루어질 수도 있다는 것을 이해한다. 따라서, 다음의 상세한 설명은 제한적 의미로 이루어지지 않고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 최상으로 규정된다.

본 명세서에 포함되고 이 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 다양한 실시형태를 예시하고, 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 이 도면은 반드시 축척대로 도시되는 것이 아니고, 특정한 컴포넌트는 설명의 목적을 위해 작은 크기 그리고/또는 큰 크기의 치수를 가질 수도 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 시스템의 제1 실시형태의, 부분적으로 단면의, 간략화된 개략도; 및
도 2는 도 1의 시스템에 도시된 전기화학적 수소 압축기에 대한 대안적인 전기화학적 수소 압축기의 간략화된 개략도.

본 발명은 PEM으로의 수동 물 공급을 유지하기 위해 물 관리(또는 가습)막을 사용하는 폴리머 전해질막(PEM)-기반 전기화학적 수소 압축기(electrochemical hydrogen compressor: EHC) 스택 설계의 개발에 관한 것이다. PEM의 물 관리는, 수소를 주위 압력에서 1bar 내지 2000bar 초과 범위의 압력으로 전기화학적으로 압축시킬 때 안정적인 무정전 EHC 성능을 유지하는 데 필수적이다.

이제 도 1을 참조하면, 기체 수소를 전기화학적으로 압축시키기 위한 시스템의 제1 실시형태의, 부분적으로 단면의, 간략화된 개략도가 도시되고, 시스템은 본 발명에 따라 구성되고 일반적으로 참조 부호(11)로 표현된다. 본 발명의 이해에 중요하지 않은 시스템(11)의 상세사항은 도 1에서 또는 본 명세서의 첨부된 설명에서 생략될 수도 있거나 또는 간략화된 방식으로 본 명세서에서 설명되거나 또는 도 1에 도시될 수도 있다.

시스템(11)은 전기화학적 수소 압축기(13)를 포함할 수도 있다. 전기화학적 수소 압축기(13)는 결국 고체 폴리머 전해질막(PEM)(15)(또한 양자 교환막으로서 기술에 알려짐)을 포함할 수도 있다. 폴리머 전해질막(15)은 바람직하게는 비다공성, 이온-전도성, 전기적으로-비전도성, 액체-투과성 및 실질적으로 기체-비투과성 막이다. 폴리머 전해질막(15)은 균질한 퍼플루오로설폰산(PFSA) 폴리머로 이루어지거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 상기 PFSA 폴리머는 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로비닐에터 설폰산의 공중합에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들어, 미국 특허 제3,282,875호(발명자: Connolly 등, 발행일: 1966년 11월 1일); 미국 특허 제4,470,889호(발명자: Ezzell 등, 발행일: 1984년 9월 11일); 미국 특허 제4,478,695호(발명자: Ezzell 등, 발행일: 1984년 10월 23일); 미국 특허 제6,492,431호(발명자: Cisar, 발행일: 2002년 12월 10일)를 참조하고, 이들 전부는 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. PFSA 폴리머 전해질막의 상업적 실시형태는 NAFION^® 압출 주조된 PFSA 폴리머막으로서 The Chemours Company FC, LLC(Fayetteville, NC)에 의해 제작된다.

폴리머 전해질막(15)은 연속적인 막 또는 시트의 형태의 일반적으로 평면인 단일의 구조체일 수도 있다. 본 실시형태에서, 위에서 또는 아래에서 볼 때, 폴리머 전해질막(15)은 일반적으로 원형 또는 디스크 형상을 가질 수도 있다. 게다가, 위에서 또는 아래에서 볼 때, 전기화학적 수소 압축기(13)의 전체 형상은 일반적으로 폴리머 전해질막(15)의 형상에 대응할 수도 있다. 그러나, 폴리머 전해질막(15)뿐만 아니라 전기화학적 수소 압축기(13)가 전반적으로 일반적으로 원형 또는 디스크 형상으로 제한되지 않고 예를 들어, 직사각형 형상 또는 임의의 다른 적합한 형상을 가질 수도 있다는 것을 이해한다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 애노드(17) 및 캐소드(19)를 더 포함할 수도 있다. 애노드(17)와 캐소드(19)는 폴리머 전해질막(15)의 2개의 대향 주면을 따라 배치될 수도 있다. 본 실시형태에서, 폴리머 전해질막(15)의 하단면을 따라 배치된 애노드(17)가 도시되고, 폴리머 전해질막(15)의 상단면을 따라 배치된 캐소드(19)가 도시되지만; 애노드(17)와 캐소드(19)의 위치가 반전되어 캐소드(19)가 폴리머 전해질막(15)의 하단면을 따라 배치되고 애노드(17)가 폴리머 전해질막(15)의 상단면을 따라 배치될 수 있다는 것을 이해한다. 도 1에 도시되지 않지만, 애노드(17)는 애노드 전기 촉매층 및 애노드 지지부를 포함할 수도 있고, 캐소드(19)는 캐소드 전기 촉매층 및 캐소드 지지부를 포함할 수도 있다. 애노드(17)와 캐소드(19)는 PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 애노드와 캐소드의 유형과 유사하거나 또는 동일할 수도 있고, 특히, 참조에 의해 본 명세서에 원용되는 다양한 문서에 개시된 유형의 애노드와 캐소드로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다.

폴리머 전해질막(15), 애노드(17) 및 캐소드(19)의 조합은 집합적으로 막-전극 조립체(membrane electrode assembly: MEA)(20)로 간주될 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 MEA 밀봉부(21)를 더 포함할 수도 있다. 유체-기밀 방식으로 MEA(20)의 주변부 주위에 장착되고 이 주변부와 약간 중첩되는 일반적으로 환형 또는 프레임-유사 구조체일 수도 있는 MEA 밀봉부(21)는 이온-비전도성, 전기적으로-비전도성, 비다공성 그리고 실질적으로 유체-비투과성인 물질로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 일부 경우에, MEA(20)와 MEA 밀봉부(21)는 단일화된 조립체를 형성할 수도 있고, MEA 밀봉부(21)는 MEA(20)가 수백 이상의 킬로뉴턴(예를 들어, 400kN)의 높은 클램핑 하중을 견디게 할 수도 있어서, 압력 및 열 사이클링에 대한 저항을 제공한다. MEA(20)와 MEA 밀봉부(21)의 단일화된 조립체를 제작하는 하나의 방식은 (i) 폴리머 전해질막(예를 들어, NAFION^® 압출 주조된 PFSA 폴리머 막)의 평면 피스를 제공하고; (ii) 이어서, 폴리머 전해질막의 평면 피스의 2개의 주면의 각각 상에 백금-탄소를 스프레이-코팅하고; (iii) 이어서, 스프레이-코팅된 폴리머 전해질막의 2개의 노출된 표면의 각각에 기체 확산 매체를 적용하고; 그리고 (iv) 이어서, 전술한 기체 확산 매체/코팅된 폴리머 전해질막에 폴리이미드/열가소성 개스킷을 (예를 들어, 고온 프레스를 통해) 적용하는 것이다. 전술한 기체 확산 매체는 예를 들어, 아래에서 설명되는 바와 같은 다공성 소결물 또는 다른 적합한 기체 확산 매체를 포함할 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 기체 확산 매체(31 및 33)를 더 포함할 수도 있다. 캐소드(19)와 유체 연통하는 캐소드 챔버를 획정할 수도 있는 기체 확산 매체(31)는 캐소드(19)와 접촉하는 제1 면(32-1)을 포함할 수도 있고 또한 캐소드(19)로부터 멀어지는 대향면(32-2)을 포함할 수도 있다. 애노드(17)와 유체 연통하는 애노드 챔버를 획정할 수도 있는 기체 확산 매체(33)는 애노드(17)와 접촉하는 제1 면(34-1)을 포함할 수도 있고 또한 애노드(17)로부터 멀어지는 대향면(34-2)을 포함할 수도 있다. 아래에서 더 논의될 바와 같이, 오목한 영역(35)은 전기전도성 분리기를 수용하기 위해 기체 확산 매체(33)의 제1 면(34-1)에 제공될 수도 있다.

기체 확산 매체(31 및 33)는 다량의 기체를 수용하고 분포시킬 수 있는 치수적으로 안정한, 전기전도성, 화학적으로-비활성, 다공성 물질의 임의의 하나 이상의 유형으로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체(31 및 33)는 PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 유형의 기체 확산 매체 및/또는 참조에 의해 본 명세서에 원용되는 문서에 개시된 기체 확산 매체, 예컨대, 탄소 섬유 페이퍼, 탄소 의복, 금속 메시, 금속 스크린, 금속-코팅된 폴리머 메시, 천공된 금속 시트 및 소결된 금속 입자 시트를 포함하지만 이로 제한되지 않는 기체 확산 매체로 구성되거나, 이를 포함하거나, 또는 이와 유사할 수도 있다. 물질 관점에서, 기체 확산 매체(31 및 33)는 탄소, 몰리브덴, 니오븀, 오시뮴, 레늄, 스테인리스 강, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐 및 지르코늄을 포함하지만 이로 제한되지 않는 물질로 이루어지거나 또는 이를 포함할 수도 있다.

하나의 실시형태에서, 기체 확산 매체(31 및 33)의 각각은 탄소 섬유 페이퍼, 탄소 의복, 금속 메시, 금속 스크린, 금속-코팅된 폴리머 메시, 천공된 금속 시트, 소결된 금속 입자 시트, 또는 전술한 것의 조합 중 하나 이상으로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체(31 및 33)의 각각이 단일의 층으로서 도 1에 도시되지만, 기체 확산 매체(31 및 33) 중 하나 또는 둘 다가 복수의 층 및/또는 물질을 포함할 수도 있고 복수의 층 중 구성층이 서로 치수적으로, 조성적으로 또는 다른 방식으로 유사하거나 또는 다를 수도 있다는 것을 이해한다. 기체 확산 매체(31)와 기체 확산 매체(33)는 치수적으로 및/또는 조성적으로 서로 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 하나의 실시형태에서, 기체 확산 매체(31)는 탄소 섬유 페이퍼 및 소결된 금속 입자 시트와 같은, 기체 확산 매체의 2개의 상이한 유형의 적층 조합, 또는 탄소 섬유 페이퍼, 탄소 의복, 금속 메시, 금속 스크린, 금속-코팅된 폴리머 메시, 천공된 금속 시트, 소결된 금속 입자 시트 중 2개 이상의 일부 다른 조합을 포함할 수도 있다. 대조적으로, 기체 확산 매체(33)는 소결된 금속 입자 시트의 하나 이상의 층을 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체(33)의 하나 이상의 부분은 애노드(17)와의 계면에서 물의 풀링을 최소화하기 위해, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 소수성 물질로 처리될 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 기체 확산 매체 프레임(41)을 더 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체 프레임(41)은 유체-기밀 방식으로 기체 확산 매체(31)의 주변부 주위에 장착된 일반적으로 환형 또는 프레임-유사 구조체일 수도 있다. PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 유형의 프레임과 유사하거나 또는 동일할 수도 있는 프레임(41)은 하나 이상의 치수적으로 안정한, 화학적으로 비활성, 이온-비전도성 그리고 전기적으로-비전도성 물질로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 프레임(41)이 프레임(41)의 내부 주변부(45-1)에서 프레임(41)의 외부 주변부(45-2)까지 방사상 외향으로 연장되는 유체 포트(43)를 포함할 수도 있다는 것을 제외하고, 프레임(41)은 비다공성이고 실질적으로 유체-비투과성일 수도 있다. 대안적으로, 유체 포트(43)는 프레임(41)으로부터 축방향으로 연장될 수도 있다. 아래에서 더 논의될 바와 같이, 특정 길이의 배관(47)이 유체 포트(43)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있어서 캐소드(19)에서 생성될 수도 있는 수소 기체가 기체 확산 매체(31)로부터 유체 포트(43)를 통해 배관(47)으로 흐를 수도 있다. 전기화학적 수소 압축기(13)는 기체 확산 매체 프레임(51)을 더 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체 프레임(51)은 유체-기밀 방식으로 기체 확산 매체(33)의 주변부 주위에 장착된 일반적으로 환형 또는 프레임-유사 구조체일 수도 있다. PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 유형의 프레임과 유사하거나 또는 동일할 수도 있는 프레임(51)은 하나 이상의 치수적으로 안정한, 화학적으로 비활성, 이온-비전도성 그리고 전기적으로-비전도성 물질로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 프레임(51)이 프레임(51)의 내부 주변부(55-1)에서 프레임(51)의 외부 주변부(55-2)까지 방사상 외향으로 연장되는 유체 포트(53)를 포함할 수도 있다는 것을 제외하고, 프레임(51)은 비다공성이고 실질적으로 유체-비투과성일 수도 있다. 대안적으로, 유체 포트(53)는 프레임(51)으로부터 축방향으로 연장될 수도 있다. 아래에서 더 논의될 바와 같이, 특정 길이의 배관(57)이 유체 포트(53)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있어서 수소 기체가 기체 확산 매체(33)로부터 유체 포트(53)를 통해 배관(57)으로 전달될 수도 있다. 프레임(51)은 또한 전기전도성 분리기를 수용하기 위한 오목한 영역(59)을 포함하도록 성형될 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 분리기(61)를 더 포함할 수도 있다. PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 유형의 분리기와 유사하거나 또는 동일할 수도 있는 분리기(61)는 유체-기밀 방식으로 기체 확산 매체(31) 및 프레임(41)의 상단부에 장착된 전기전도성, 치수적으로 안정한, 화학적으로 비활성 구조체일 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 분리기(71)를 더 포함할 수도 있다. PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 유형의 분리기와 유사하거나 또는 동일할 수도 있는 분리기(71)는 유체-기밀 방식으로 기체 확산 매체 프레임(51)의 영역(59) 내에 그리고 기체 확산 매체(33)의 영역(35) 내에 배치된 전기전도성, 치수적으로 안정한, 화학적으로 비활성 구조체일 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 물 관리 또는 가습막(81)을 더 포함할 수도 있다. 아래에서 더 논의될 바와 같이, 가습막(81)은 기체 확산 매체(33) 내에 존재하는 수소 기체로 수증기를 공급하도록 사용될 수도 있다. 비다공성, 액체-투과성, 실질적으로 기체- 비투과성 구조체일 수도 있는 가습막(81)은 제1 면(82-1) 및 제2 면(82-2)을 포함할 수도 있다. 제1 면(82-1)은 기체 확산 매체(33)의 면(34-2)과 직접적으로 접촉할 수도 있다.

하나의 실시형태에 따르면, 가습막(81)은 미국 특허 제9,595,727호의 막(31) 및/또는 미국 특허 제8,551,670호의 막(31)과 유사하거나 또는 동일할 수도 있다. 이와 같이, 가습막(81)은 전기전도성 물질, 미립자 또는 비-미립자가 분산되는 고체 폴리머 전해질로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 고체 폴리머 전해질로서 사용을 위해 적합한 물질의 예는 예컨대, 설폰화 방향족, 음이온 교환 막, 또는 상당한 물 흡수 그리고 따라서 높은 물 투과성을 가질 수도 있는 임의의 친수성막으로 제한되지 않는 모든 이오노머를 포함할 수도 있다. 대안적으로 말하자면, 적합한 물질은 (i) 금속염을 포함하는 폴리머 조성물; (ii) 전해질을 포함하는 폴리머 겔; 및 (iii) 이온 교환 수지를 포함할 수도 있다. 더 구체적으로, 고체 폴리머 전해질은 양이온 교환 군이 -SO₃ ^-, -SO₂NH⁺, -PO₃ ^2- 또는 -CO₂ ^-일 수도 있지만 이로 제한되지 않는 예를 들어, 양이온 교환 이오노머 막일 수도 있거나 또는 음이온 교환 군이 -NH₂ ⁺일 수도 있지만 이로 제한되지 않는 예를 들어, 음이온 교환 이오노머 막일 수도 있다. 구체적인 예는 폴리에틸렌, 코폴리머를 가진 폴리에틸렌-폴리스타이렌 블록, 폴리스타이렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리(아릴렌), 폴리(아릴렌 피에리디늄), 폴리(다이알리피페리디늄 하이드록사이드), 폴리(다이메틸암모늄 하이드록사이드), 설폰화 폴리스타이렌, 설폰화 폴리설폰, 설폰화 폴리(에터 에터 케톤), 설폰화 폴리(벤조페논), 설폰화 폴리(아릴렌 에터 설폰), 설폰화 폴리(아릴렌 에터 케톤), 설폰화 폴리(아릴렌 티오에터), 설폰화 폴리(에터 아마이드), 설폰화 폴리벤즈이미다졸, 설폰화 폴리(프탈라지논 에터), 퍼플루오로설폰산, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 및 이들의 혼합물 또는 조합물을 포함할 수도 있지만, 이로 제한되지 않는다. 고체 폴리머 전해질로서 사용을 위해 선호되는 물질은 NAFION⁷PFSA 폴리머로서 상업적으로 입수 가능한 바와 같은 퍼플루오로설폰산(PFSA)막이다. NAFION⁷PFSA 대신에 사용될 수도 있는 물질의 예는 2006년 8월 17일에 공개되었고 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용되는, 미국 특허 출원 공보 제US 2006/0183011 A1호(발명자: Mittelsteadt 등)에 개시된다.

가습막(81)의 분산형, 전기전도성 입자로서 사용을 위해 적합한 물질의 예는 카본 블랙, 금속 입자(예를 들어, 니오븀 입자, 백금 입자, 티타늄 입자 또는 조합물), 지지형 금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함할 수도 있지만 이로 제한되지 않는다. 가습막(81)의 분산형, 비-미립자, 전기전도성 물질로서 사용을 위해 적합한 물질의 예는 고종횡비, 전기전도성 물질, 예컨대, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 금속 나노와이어, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 가습막(81)에서 사용을 위해 특히 잘 적합한 탄소 나노튜브는 약 0.20㎚ 내지 약 100㎚, 바람직하게는 약 0.4㎚ 내지 약 80㎚, 더 바람직하게는 약 0.5㎚ 내지 60㎚, 및 더욱 더 바람직하게는 약 0.50㎚ 내지 50㎚의 직경을 가질 수도 있다. 또한, 가습막(81)에서 사용을 위해 특히 잘 적합한 탄소 나노튜브는 약 0.50㎛ 내지 약 200㎛의 길이를 가질 수도 있고 약 5 내지 약 1,000,000의 범위 내 종횡비(즉, 길이/직경)를 가질 수도 있다. 부가적으로, 가습막(81)에서 사용을 위해 특히 잘 적합한 탄소 나노튜브는 비-작용화될 수도 있거나 또는 예컨대, -COOH, -PO₄ ^-, -SO₃H, -SH, -NH₂, 3차 아민, 4차 아민, -CHO, -OH, -NO₂, 및 - PO₃ ^2-와 같은 하나 이상의 작용기를 포함할 수도 있다. 게다가, 가습막(81)에서 사용을 위해 특히 잘 적합한 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 가습막(81)에서 사용을 위해 특히 잘 적합한 탄소 나노튜브는 비-작용화될 수도 있거나 또는 예컨대, -COOH, -PO₄ ^-, -SO₃H, -SH, -NH₂, 3차 아민, 4차 아민, -CHO, -OH, -NO₂ 및 -PO₃ ^2-로 제한되지 않는 하나 이상의 작용기를 포함할 수도 있다. 가습막(81)은 이오노머가 부유 형태로 있는 동안 전기전도성 물질을 이오노머에 추가함으로써 그리고 이어서 부유물을 건조시킴으로써 제조될 수도 있다.

또 다른 실시형태에 따르면, 가습막(81)은 위에서 설명된 전기전도성 입자 또는 전기전도성 비-미립자 물질이 없을 수도 있고 전기전도성이 아닐 수도 있다. 이것은 가습막(81)이 일반적으로 분리기(61 및 71) 간에 위치되지 않는 본 실시형태에서 바람직할 수도 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 가습막(81)은 바람직하게는 실질적으로 기체-비투과성 그리고 액체-투과성이다. 그 결과, 가습막(81)은 기체 확산 매체(33) 내에 존재하는 수소 기체가 가습막(33)을 통해 하향으로 이동함으로써 기체 확산 매체(33)에서 탈출하는 것을 실질적으로 방지할 수도 있다. 동시에 그리고 아마도 더 중요하게, 가습막(81)은 가습막(81)으로 전달되는 액상의 물이 막(81)을 통해 상향으로 이동하게 하고 기체 확산 매체(33)로 배출되게 함으로써 기체 확산 매체(33) 내에 존재하는 수소 기체를 가습하는 역할을 할 수도 있고, 그래서 가습막은 기체 확산 매체(33) 내에 존재하는 수소 기체를 가습할 수도 있다. (기체 확산 매체(33) 내 풍부한 물로 인해, 애노드(17)의 구멍으로의 수소 기체의 접근이 높은 농도의 물에 의해 지연될 수도 있다. 이것은 수소와 물 둘 다가 애노드(17)의 구멍에 접근하게 하는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 소수성 물질로 애노드(17)를 처리함으로써 완화될 수도 있다.)

가습막(81)이 단일의 모놀로식층으로서 도 1에 도시되지만, 가습막(81)이 복수의 층 및/또는 물질을 포함할 수도 있고 복수의 층 중 구성층이 서로 치수적으로, 조성적으로 또는 다른 방식으로 유사하거나 또는 다를 수도 있다는 것을 이해한다. 예를 들어, 가습막(81)은 위에서 설명된 물질에 더하여, 치수 안정성이 개선된 가습막(81)을 제공하도록 설계된 다공성 지지부를 포함할 수도 있고, 가습막(81)은 다공성 지지부의 구멍으로 고온 프레싱된다. 이 목적에 적합한 다공성 지지부의 예가 관습적으로 알려져 있고/있거나 참조에 의해 본 명세서에 원용된 문서 중 하나 이상의 문서에 포함된다. 대안적으로, 가습막(81)은 MEA(20) 및 MEA 밀봉부(21)에 대해 위에서 논의되는 방식과 유사한 방식으로 밀봉 물질에 결합될 수도 있다. 이러한 배열은 매우 높은 차압(예를 들어, 적어도 5000psi)이 획득될 수도 있는 시스템을 위해 바람직할 수도 있지만 더 낮은 차압(예를 들어, 5000psi 미만)이 획득되는 시스템을 위해 필요하지 않을 수도 있다. 대안적으로, 가습막(81)은 NAFION⁷PFSA 폴리머와 같은 물질로 침지된 탄소 필터 페이퍼와 같은 물질을 포함할 수 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 가습막 프레임(85)을 더 포함할 수도 있다. 가습막 프레임(85)은 유체-기밀 방식으로 가습막(81)의 주변부 주위에 장착된 일반적으로 환형 또는 프레임-유사 구조체일 수도 있다. PEM-기반 전기화학 전지에서 관습적으로 사용되는 유형의 프레임과 유사하거나 또는 동일할 수도 있는 프레임(85)은 하나 이상의 치수적으로 안정한, 화학적으로 비활성, 이온-비전도성 그리고 전기적으로-비전도성 물질로 구성되거나 또는 이를 포함할 수도 있다. 프레임(85)이 프레임(85)의 내부 주변부(88-1)에서 프레임(85)의 외부 주변부(88-2)까지 방사상 외향으로 연장되는 유체 포트(87)를 포함할 수도 있다는 것을 제외하고, 프레임(85)은 비다공성이고 실질적으로 유체-비투과성일 수도 있다. 대안적으로, 유체 포트(87)는 프레임(85)으로부터 축방향으로 연장될 수도 있다. 아래에서 더 논의될 바와 같이, 특정 길이의 배관(89)이 유체 포트(87)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있어서 물이 배관(89)으로부터 포트(87)를 통해 가습막(81)으로 전달될 수도 있다. 또 다른 실시형태(미도시)에서, 프레임(85)으로 가습막(81)을 둘러싸는 대신에, 프레임(85)은 다공성 매체를 둘러쌀 수도 있고, 가습막(81)은 다공성 매체와 기체 확산 매체(33) 사이에 배치될 수도 있다. 결과적으로, 프레임(85)을 통해 전달되는 물은 다공성 매체를 지나갈 것이고 이어서 다공성 매체에서 가습막(81)으로 지나갈 것이다. 다공성 매체는 기체 확산 매체(31 및 33)와 구성 및 조성이 유사할 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 밀봉부(91)를 더 포함할 수도 있다. 화학적으로 비활성, 전기적으로 그리고 이온 전도성 또는 비전도성, 비다공성, 액체-비투과성 그리고 기체-비투과성 물질일 수도 있는 밀봉부(91)는 가습막(81)의 면(82-2)을 따라 배치될 수도 있다. 이 방식으로, 밀봉부(91)는 물이 가습막(81)으로부터 면(82-2)을 통해 탈출하는 것을 방지하는 역할을 할 수도 있다.

시스템(11)은 저압 수소 기체 공급부(101)를 부가적으로 포함할 수도 있다. 저압 수소 기체 공급부(101)는 결국 비교적 저압에서 다량의 수소 기체를 수용하기 위한 컨테이너(102)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 비교적 저압은 대기(또는 대기 미만의) 압력 내지 1000bar 이상, 바람직하게는 3bar 내지 200bar, 더 바람직하게는 10bar 내지 150bar일 수도 있다. 특정 길이의 배관(103)이 하나의 단부에서 컨테이너(102)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있고 대향 단부에서 온/오프 기체 밸브(105)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있다. 온/오프 기체 밸브(105)는 결국 배관(57)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있다. 이 방식으로, 온/오프 기체 밸브(105)가 개방될 때, 수소 기체가 컨테이너(102)로부터 기체 확산 매체(33)로 흐를 수도 있다.

시스템(11)은 고압 수소 기체 수집기(111)를 부가적으로 포함할 수도 있다. 고압 수소 기체 수집기(111)는 결국 비교적 고압에서 다량의 수소 기체를 수용하기 위한 컨테이너(112)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 비교적 고압은 대기압에서, 1bar 내지 2000bar 이상, 바람직하게는 10bar 내지 1000bar, 더 바람직하게는 40bar 내지 875bar 범위의 압력까지일 수도 있다. 특정 길이의 배관(113)이 하나의 단부에서 컨테이너(112)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있고 대향 단부에서 배압 조절 밸브(115)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있다. 배압 조절 밸브(115)는 결국 배관(47)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있다. 이 방식으로, 수소 기체는 기체 확산 매체(31)로부터 컨테이너(112)로 흐를 수도 있고 큰 압력에서 컨테이너(112)에 수용될 수도 있다.

시스템(11)은 물 공급부(121)를 더 포함할 수도 있다. 물 공급부(121)는 결국 컨테이너(122) 내에 배치된 다량의 물을 포함할 수도 있다. 특정 길이의 배관(123)이 하나의 단부에서 물 공급부(121)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있고 대향 단부에서 펌프(125)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있다. 펌프(125)는 결국 배관(89)에 유체 흐름 가능하게 결합될 수도 있다. 이 방식으로, 물은 컨테이너(122)로부터 가습막(81)로 공급될 수도 있다.

시스템(11)은 전력원(131)을 더 포함할 수도 있다. 배터리 또는 다른 전기원일 수도 있는 전력원(131)은 분리기(71)에 전기적으로 결합된 양의 단자(133)를 가질 수도 있고 분리기(61)에 전기적으로 결합된 음의 단자(135)를 가질 수도 있다. 온/오프 스위치(137)는 전기 회로가 선택적으로 개방되고 폐쇄되게 하도록 제공될 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 시스템(11)은 3VDC 이하에서 그리고 5A/㎠ 이상에서 실행될 수도 있다.

사용 시, 온/오프 스위치(137)가 폐쇄될 수도 있고, 온/오프 기체 밸브(105)가 개방될 수도 있고, 펌프(125)가 작동될 수도 있다. 전술한 내용은 수소 기체가 컨테이너(102)로부터 기체 확산 매체(33)로 흐르게 하고 물이 컨테이너(122)로부터 가습막(81)으로 전달되게 한다. 이어서 기체 확산 매체(33) 내에 존재하는 수소는 MEA(20)에 걸쳐 기체 확산 매체(31)로 전기화학적으로 펌핑될 수도 있고, 여기서 수소는 이어서 고압에서의 저장을 위해 기체 확산 매체(31)로부터 컨테이너(112)로 흐를 수도 있다. 위와 동시에, 물은 가습막(81)으로부터 기체 확산 매체(33)로 연속적으로 배출될 수도 있고 기체 확산 매체(33) 내에 존재하는 수소를 가습하는 역할을 할 수도 있어서, 폴리머 전해질막(15)을 이것이 작동할 때 적절히 수화되게 유지한다.

전기화학적 수소 압축기(13)는 대략 0℃ 내지 150℃의 범위, 바람직하게는 대략 40℃ 내지 100℃의 범위, 그리고 더 바람직하게는 대략 60℃ 내지 95℃의 범위 내 온도로 작동될 수도 있다. 전기화학적 수소 압축기(13)는 약 1㎠ 내지 약 2000㎠이상, 바람직하게는 약 50㎠ 내지 약 1500㎠, 그리고 더 바람직하게는 약 300㎠ 내지 1250㎠의 활성 영역을 가질 수도 있다.

시스템(11)이 단일의 전기화학적 수소 압축기(13)를 갖는 것으로 도 1에 도시되지만, 시스템(11)이 직렬로 또는 다른 방식으로 연결될 수 있는 복수의 전기화학적 수소 압축기(13)를 포함할 수 있다는 것을 이해한다.

또한, 시스템(11)이 폴리머 전해질막(13)의 애노드측에 위치된 가습막(81)을 갖는 것으로 도 1에 도시되지만, 폴리머 전해질막(13)의 캐소드측에 가습막을 배치함으로써 또는 폴리머 전해질막(13)의 애노드측에 제1 가습막 그리고 폴리머 전해질막(13)의 캐소드측에 제2 가습막을 배치함으로써 시스템(11)을 변경할 수 있다는 것을 이해한다. 또한, 시스템(11)이 MEA(20)로부터 이격된 가습막(81)을 갖는 것으로 도 1에 도시되지만, 가습막(81)이 MEA(20)와 직접적으로 접촉하도록 시스템(11)을 변경할 수 있다. 부가적으로, 캐소드 수소 기체가 내장형 또는 관통 흐름형으로서 간주될 수 있다는 것을 이해한다. 게다가, 애노드와 캐소드는 에지 수집부가 있거나 또는 없이 설계될 수도 있다.

이제 도 2를 참조하면, 전기화학적 수소 압축기(13)에 대한 대안적인 전기화학적 수소 압축기의 간략화된 개략도가 도시되고, 대안적인 전기화학적 수소 압축기는 본 발명에 따라 구성되고 일반적으로 참조 부호(213)로 표현된다. 본 발명의 이해에 중요하지 않은 전기화학적 수소 압축기(213)의 상세사항은 도 2에서 또는 본 명세서의 첨부된 설명에서 생략될 수도 있거나 또는 간략화된 방식으로 본 명세서에서 설명되거나 또는 도 2에 도시될 수도 있다. 예를 들어, 명료성을 위해, 예컨대, 프레임, 분리기, 밀봉부 등이지만 이로 제한되지 않는 전기화학적 수소 압축기(213)에 포함되는 많은 구조적 구성요소가 도 2에 도시되지 않고/않거나 본 명세서에서 논의되지 않거나 또는 간략화된 방식으로 본 명세서에서 논의된다.

전기화학적 수소 압축기(213)는 MEA(215)를 포함할 수도 있다. MEA(215)는 전기화학적 수소 압축기(13)의 MEA(20)와 유사하거나 또는 동일할 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(213)는 가습막(217)을 더 포함할 수도 있다. 가습막(217)은 전기화학적 수소 압축기(13)의 가습막(81)과 조성이 유사할 수도 있지만; 전기화학적 수소 압축기(13)의 가습막(81)은 일반적으로 평면일 수도 있고, 전기화학적 수소 압축기(213)의 가습막(217)은 파형 또는 물결형 형상을 가질 수도 있고 복수의 피크와 밸리를 포함하도록 성형될 수도 있다. 예를 들어, 가습막(217)의 하나 이상의 부분, 예컨대, 부분(219-1, 219-2, 219-3 및 219-4)이 MEA(215)와 직접적으로 접촉할 수도 있고 반면에 가습막(217)의 하나 이상의 다른 부분, 예컨대, 부분(221-1, 221-2, 221-3, 221-4 및 221-5)은 MEA(215)로부터 이격되고 직접적으로 접촉하지 않을 수도 있다. (또 다른 실시형태(미도시)에서, 가습막(217) 전체가 MEA(215)로부터 이격될 수도 있다.) 가습막(217)의 작동의 임의의 특정한 이론으로 제한되도록 바라지 않으면서, 본 발명자는 가습막(217)의 파형 또는 물결형 형상이, MEA(215)와 직접적으로 접촉하는 가습막의 부분이 비교적 다량의 물을 MEA(215)에 공급할 수 있고 반면에 MEA(215)로부터 이격되는 가습막의 부분이 물에 의한 MEA(215)의 범람을 최소화하는 역할을 할 수 있다는 점에서 유리할 수도 있다고 여긴다.

가습막(217)의 부분이 MEA(215)와 직접적으로 접촉하기 때문에 그리고 가습막(217)이 바람직하게는 전력원(미도시)에 전기적으로 결합된 분리기(미도시) 사이에 위치되기 때문에, 가습막(217)은 바람직하게는 가습막(81)과 연관되어 위에서 논의된 유형의 전기전도성 입자 및/또는 전기전도성 비-미립자 물질을 포함한다.

가습막의 물결형 형상으로 인해, 가습막(217)은 적어도 부분적으로 가습막 위의 하나 이상의 공간 및 가습막 아래의 하나 이상의 공간을 획정할 수도 있다. 바람직하게는, 가습막(217) 위의 공간의 결합된 용적이 가습막(217) 아래의 공간의 결합된 용적과 대략 동일하도록 가습막(217)이 성형되지만; 가습막(217)이 이렇게 성형될 필요는 없다.

전기화학적 수소 압축기(213)는 기체 확산 매체(231)를 더 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체(31)와 조성적으로 그리고/또는 치수적으로 유사하거나 또는 동일할 수도 있는 기체 확산 매체(231)는 MEA(215) 바로 위에 배치될 수도 있고 MEA(215)의 캐소드측(본 실시형태에서, 상부측임)에서 생성되는 수소를 수용하도록 사용될 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(213)는 복수의 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)를 더 포함할 수도 있다. 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)는 서로 조성적으로 유사하거나 또는 동일할 수도 있고 기체 확산 매체(33)와 조성적으로 유사하거나 또는 동일할 수도 있다. 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)는 가습막(217)과 MEA(215) 사이에 위치된 대응하여 성형된 공간 내에 배치될 수도 있고 저압 수소 기체 공급부로부터 공급되는 수소를 수용하도록 사용될 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(213)는 복수의 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4)를 더 포함할 수도 있다. 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4)는 서로 조성적으로 유사하거나 또는 동일할 수도 있고 기체 확산 매체(33)와 조성적으로 유사하거나 또는 동일할 수도 있다. 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4)는 가습막(217)아래의 대응하여 성형된 공간 내에 배치될 수도 있고 물 공급부로부터 공급되는 물을 수용하도록 사용될 수도 있다.

이해될 수 있는 바와 같이, 본 실시형태에서, 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)가 서로 다르게 유체 흐름 가능한 것으로 도시되기 때문에, 저압 수소 기체 공급부로부터의 수소 기체는 바람직하게는 일부 부류의 매니폴드 구조체를 통해 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)의 각각으로 공급된다. 유사한 방식으로, 본 실시형태에서, 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4)가 서로 다르게 유체 흐름 가능한 것으로 도시되기 때문에, 물 공급부로부터의 물은 바람직하게는 일부 부류의 매니폴드 구조체를 통해 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4)의 각각으로 공급된다.

전기화학적 수소 압축기(213)는 전기화학적 수소 압축기(13)에 대해 위에서 설명된 방식과 많은 점에서 유사한 방식으로 사용될 수도 있다. 더 구체적으로, 비교적 저압의 수소 기체는 수소 기체 공급부로부터 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)로 전달될 수도 있고, 물은 물 공급부로부터 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4)로 전달될 수도 있다. 이어서 유체 확산 매체(235-1 내지 235-4) 내 물은 가습막(217)에 의해 흡수될 수도 있고 이어서 가습막(217)에 의해 기체 확산 매체(233-1 내지 233-5)로 배출될 수도 있으며, 가습막은 내부에 존재하는 수소 기체를 가습하도록 사용될 수도 있다. 이어서 가습된 수소 기체는 MEA(215)에서 전기화학적으로 반응될 수도 있고, MEA(215)로부터 출력된 수소 기체는 기체 확산 매체(231)를 통해 전달될 수도 있고 이어서 배압 조절기에 의해 수소 기체 수집기에 수집될 수도 있다.

전기화학적 수소 압축기(213)가 MEA(215)의 애노드측에 위치된 가습막(217)을 갖는 것으로 도 2에 도시되지만, MEA(215)의 캐소드측에 가습막을 배치함으로써 또는 MEA(215)의 애노드측에 제1 가습막 그리고 MEA(215)의 캐소드측에 제2 가습막을 배치함으로써 전기화학적 수소 압축기(213)를 변경할 수 있다는 것을 이해한다.

본 발명의 하나 이상의 실시형태에 적용될 수도 있는 일부 이득, 특징 및 이점은 다음의 것을 포함할 수도 있다:

본 발명은 기계식 압축기의 필요성을 제거하는, 연속적인 전기화학적 수소 압축을 허용한다. 출원인은 높은 전류 밀도에서 작동하고 진보된 PEM 및 내장형 물 관리 막을 활용하는 전기화학적 수소 압축기 스택의 사용을 통해 높은 효율을 나타냈다. 본 발명은 875bar 초과에서 수소를 연속적으로 전달하는 능력을 가진 PEM-기반 스택을 제공할 것이다.

본 발명의 전기화학적 수소 압축기는 저비용, 더 높은 효율 및 개선된 내구성의 상업화에 대한 장애를 처리하는 선택적 투과성 물 관리 막(water management membrane: "WaMM")을 갖게 설계되었다.

전기화학적 수소 압축기(EHC)는 이동부가 없는 고체-상태 디바이스이다. 고체-상태 디바이스는 강력한 그리고 유지 자유 작동을 제공하여, 다운타임을 최소화한다.

WaMM은 연속적인 전기화학적 수소 압축을 위해 필요한 물을 제공하는 EHC 내 고정된 아이템이다. WaMM은 폴리머 전해질막 그리고 전기전도성 또는 비전도성 선택적 투과성 막이다.

WaMM은 이 시스템이 최적의 압력, 온도 및 전류 밀도에서 연속적으로 실행되게 하는 전기화학적 공정을 위해 필요한 물을 제공한다. 일부 경우에, WaMM은 외부 가습(예를 들어, 다량의 물을 통한 기체의 버블링)에 의해 공급될 수 있는 것보다 6배 큰 가습을 제공한다.

선택적 투과성 WaMM은 막 저하 및 고장의 주 요인을 제거하는 방식으로 작동된다. WaMM은 라디칼종이 폴리머기 및 설폰산기를 공격하는 것을 방지하도록 산소 없는 환경에서 작동된다.

WaMM은 저비용 방향족 막을 포함하는 수많은 폴리머의 전기화학적 작동을 위해 충분한 물을 공급한다.

교차-절단 기술: WaMM은 다수의 전기화학적 공정에 필요한 정확한 가습을 제공하는, 실제 교차-절단 기술이다.

본 발명은 다음의 것을 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 상이한 설정에서 사용될 수 있다: (i) 연료 전지; (ii) 전해조 - 1-스키드 생성 및 압축 해결책을 제공하는, 전기분해 또는 다른 수단에 의한 수소 생성 직후 수소 압축을 위해 필요한 물을 제공할 수 있음; (iii) 홈/로드사이드 - 급유기 - 특정 압력의 H₂는 가정이 홈 급유기를 접근 가능하게 함으로써 이들의 화석 연료 소비를 감소시키는 능력을 제공함; (iv) 수소 정화/분리 - WaMM은 충분한 수분 함량이 없는 기체에서 수소 분리 및 정화를 가능하게 함(예를 들어, 저장/천연 기체 적용); (v) 수소 순환(냉동); (vi) H₂센서 적용 - WaMM은 공정을 위해 필요한 수분을 제공함으로써 구성 기체 내 수소의 검출을 허용함; 및 (vii) 전력 생성(가역적).

폐쇄 시스템에서 물 관리는 매우 어렵다. WaMM은 가변 작동 매개변수⁽P_i,P_o, T_i, A, H₂O _d )하에서 완전한 물 관리 해결책이다.

현 기술의 사용은 촉매 범람 또는 막 탈수를 초래하고, 이들 둘 다는 전기화학적 공정의 효율을 감소시킨다. WaMM은 반응 위치에서 필요한 정확한 물의 양을 제공한다.

대부분의 종래의 막은 가습에 의해 공급될 수 있는 것보다 6배 더 빨리 물을 운반하는 높은 전기-삼투 드래그(electro-osmotic drag: EOD)를 겪는다. WaMM은 전기화학적 공정 및 전기-삼투 드래그에 의해 필요한 수분을 공급함으로써 막의 건조를 방지한다.

현재의 막 기술은 작동 전류 밀도에 제한이 있다. WaMM은 시스템이 증가된 대량 이동 및 열 관리 제어를 위해 필요한 물을 제공함으로써 더 높은 전류 밀도로 작동하게 한다.

하나의 실시형태에서, WaMM은 전기화학적 공정으로부터의 폐열을 제거하도록 필요할 때 개별적인 전지 냉각을 위해 사용될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 전체 스택 냉각은 WaMM에 의해 관리될 수도 있다.

WaMM은 높은 차압하에서 작동하도록 내구성 및 강도를 제공하는 반강성 구조체이다.

하나의 실시형태에서, WaMM은 전기화학적 수소 압축기의 가변적 방사상 및 축방향 로딩하에서 작동하는 데 충분히 강한 막이다.

WaMM의 활성 영역이 개별적인 전지 내에 밀봉되어, 안전하고 제어된 전기화학적 공정을 허용한다.

본 발명이 수소 기체의 전기화학적 압축의 맥락에서 설명되었지만, 본 발명은 또한 수소 기체를 포함하는 기체의 혼합물로부터 수소를 분리하고 수소를 압축시키기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 본 발명은 산소, 암모니아, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다른 성분을 전기화학적으로 압축시키거나 또는 분리하기 위해 사용될 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 실시형태가 단지 예시적인 것으로 의도되고 당업자는 본 발명의 정신으로부터 벗어나는 일 없이 본 발명에 대한 수많은 변형 및 변경을 수행할 수 있을 것이다. 모든 이러한 변형 및 변경은 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims

전기화학 디바이스로서,
(a) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막;
(b) 상기 폴리머 전해질막의 상기 제1 면에 결합된 애노드;
(c) 상기 폴리머 전해질막의 상기 제2 면에 결합된 캐소드; 및
(d) 상기 애노드 또는 상기 캐소드에 결합되어 이들로 물을 전달할 때 사용되는 물 관리 디바이스(water management device)로서, 상기 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성, 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 애노드 또는 상기 캐소드는 상기 물 관리 디바이스와 상기 폴리머 전해질막 사이에 배치되는, 상기 물 관리 디바이스
를 포함하는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 애노드 기체 확산 매체를 더 포함하되, 상기 애노드 기체 확산 매체는 애노드 챔버를 획정하고, 상기 애노드 챔버는 상기 애노드와 유체 연통하고, 상기 애노드 기체 확산 매체는 상기 물 관리 디바이스의 적어도 일부와 상기 애노드 사이에 배치되는, 전기화학 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스 전체는 상기 애노드로부터 이격되는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 평면 형상을 갖는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 비-평면 형상을 갖는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 단일의 모놀리식 물질로 구성되는, 전기화학 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 고체 폴리머 전해질막인, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 복수의 층 및/또는 물질을 포함하는, 전기화학 디바이스.
제8항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 복수의 구멍을 가진 지지부 및 상기 지지부의 상기 구멍 내에 배치된 고체 폴리머 전해질을 포함하는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 고체 폴리머 전해질을 포함하는, 전기화학 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 고체 폴리머 전해질은 폴리에틸렌, 코폴리머를 가진 폴리에틸렌-폴리스타이렌 블록, 폴리스타이렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리(아릴렌), 폴리(아릴렌 피에리디늄), 폴리(다이알리피페리디늄 하이드록사이드), 폴리(다이메틸암모늄 하이드록사이드), 설폰화 폴리스타이렌, 설폰화 폴리설폰, 설폰화 폴리(에터 에터 케톤), 설폰화 폴리(벤조페논), 설폰화 폴리(아릴렌 에터 설폰), 설폰화 폴리(아릴렌 에터 케톤), 설폰화 폴리(아릴렌 티오에터), 설폰화 폴리(에터 아마이드), 설폰화 폴리벤즈이미다졸, 설폰화 폴리(프탈라지논 에터), 퍼플루오로설폰산, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 및 이들의 조합물 또는 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 포함하는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 애노드 기체 확산 매체를 더 포함하되, 상기 애노드 기체 확산 매체는 애노드 챔버를 획정하고, 상기 애노드 챔버는 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖고, 상기 제1 면은 상기 애노드와 접촉하고, 상기 제2 면은 상기 물 관리 디바이스와 접촉하는, 전기화학 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 애노드 기체 확산 매체는 전기전도성, 다공성 물질의 단일의 층으로 구성되는, 전기화학 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 애노드 기체 확산 매체는 복수의 층을 포함하고, 상기 복수의 층의 각각은 하나 이상의 전기전도성, 다공성 물질을 포함하는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 폴리머 전해질막, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성하고 상기 전기화학 디바이스는 환형 밀봉부를 더 포함하고, 상기 환형 밀봉부는 상기 막 전극 조립체 주위에 장착되는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 폴리머 전해질막, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 집합적으로 막 전극 조립체를 형성하고, 상기 전기화학 디바이스는 제1 분리기 및 제2 분리기를 더 포함하고, 상기 제1 분리기와 상기 제2 분리기의 각각은 전기전도성이고 상기 제1 분리기와 상기 제2 분리기는 상기 막 전극 조립체의 대향면에 배치되고, 상기 제2 분리기는 상기 막 전극 조립체와 상기 물 관리 디바이스 사이에 배치되는, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 전기화학 디바이스는 전기화학적 수소 압축기인, 전기화학 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 제1 물 관리 디바이스 및 제2 물 관리 디바이스를 포함하고, 상기 제1 물 관리 디바이스는 상기 애노드에 결합되어 상기 애노드로 물을 전달할 때 사용되고, 상기 제1 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성, 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 애노드는 상기 제1 물 관리 디바이스와 상기 폴리머 전해질막 사이에 배치되고, 상기 제2 물 관리 디바이스는 상기 캐소드에 결합되어 상기 캐소드로 물을 전달할 때 사용되고, 상기 제2 물 관리 디바이스는 전기적으로 비전도성, 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 캐소드는 상기 제2 물 관리 디바이스와 상기 폴리머 전해질막 사이에 배치되는, 전기화학 디바이스.
전기화학 디바이스로서,
(a) 폴리머 전해질막으로서, 대향하는 제1 면과 제2 면을 가진, 상기 폴리머 전해질막;
(b) 상기 폴리머 전해질막의 상기 제1 면에 결합된 애노드;
(c) 상기 폴리머 전해질막의 상기 제2 면에 결합된 캐소드; 및
(d) 상기 애노드 또는 상기 캐소드에 결합되어 이들로 물을 전달할 때 사용되는 물 관리 디바이스로서, 상기 물 관리 디바이스는 액체에 대해 투과성 그리고 기체에 대해 실질적으로 비투과성이고, 상기 물 관리 디바이스는 대향하는 제1 면과 제2 면을 포함하고, 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제1 부분은 상기 애노드 또는 상기 캐소드와 직접적으로 접촉하고, 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면의 제2 부분은 상기 물 관리 디바이스의 상기 제1 면으로부터 이격되는, 상기 물 관리 디바이스
를 포함하는, 전기화학 디바이스.
제19항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 전기전도성인, 전기화학 디바이스.
제20항에 있어서, 상기 물 관리 디바이스는 하나 이상의 유형의 전기전도성 물질이 분산되는 고체 폴리머 전해질을 포함하는, 전기화학 디바이스.