KR20230054712A - 조밀성 금속 전극을 갖는 열전기화학 변환기 - Google Patents

조밀성 금속 전극을 갖는 열전기화학 변환기 Download PDF

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로니 쥐. 존슨
데이비드 케테마 존슨
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제이텍 에너지 인코포레이티드
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Abstract

작동 유체 및 한 쌍의 막전극 조립체(membrane electrode assembly, MEA)를 포함하는 열전기 변환기가 제공된다. 각각의 MEA는 전자 전도성이 있고 작동 유체에 투과성인 한 쌍의 전극과 전극 사이에 개재된 박막 전해질막을 포함한다. 막은 작동 유체의 이온 전도성을 가지며 0.03㎛ 내지 10㎛의 두께를 가진다. 각각의 MEA의 적어도 하나의 전극은 비다공성 및 조밀성 금속을 포함한다. 각각의 MEA의 하나의 전극은 제1 고압에서 작동 유체와 접촉하고, 다른 전극은 제2 저압에서 작동 유체와 접촉한다. 제1 MEA는 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 압축하도록 구성되고, 제2 MEA는 작동 유체를 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창시키도록 구성된다.

Description

조밀성 금속 전극을 갖는 열전기화학 변환기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 8월 24일에 출원된 미국 예비특허출원 63/069,380호의 우선권을 주장하며, 그 전체 개시 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
2개의 전극 사이에 개재된 이온 전도성 막을 갖는 막전극 조립체(Membrane Electrode Assemblies, MEA)는 다수의 전기화학적 응용 분야에 사용된다. 가장 일반적인 응용 분야는 배터리, 연료 셀 및 수소 또는 산소 분리와 같은 가스 분리 공정이다. 일반적으로 이온화 가능한 작동 유체는 유입측에서 산화되어 MEA를 통과하면서 전자와 원자가 분리된다. 생성된 이온은 막을 통해 반대편(출구측이라고도 함) 전극으로 전도된다. 반면에 전자는 외부 회로를 통해 반대편 전극으로 전도된다. 이온은 출구측의 전극에서 전자와 재결합하면서 환원된다.
이온화 가능한 작동 유체가 가능한 효율적으로 MEA를 통과하도록 하는 것이 일반적으로 바람직하다. 막을 통한 이온화 가능한 작동 유체의 통과에 대한 저항은 관심 있는 모든 응용 분야에서 본질적으로 문제가 된다. 예를 들어, 수소 또는 산소 가스 분리 응용 분야에서, 작동 유체가 막을 통과할 때 막을 가로지르는 압력 강하가 커지면, 증가된 압력에서 소스 가스를 공급하는 데 더 많은 양의 에너지와 따라서 더 높은 비용이 필요함을 의미한다.
유사한 상황이 연료 전지에도 발생한다. 가장 일반적인 유형의 연료 셀은 양성자 전도막(proton conductive membrane, PCM)을 갖는 MEA를 사용하는 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cells)이다. 이러한 종류의 연료 전지는 전극 중 하나에 수소를 공급하고 다른 전극에는 산소를 공급한다. 수소 이온은 수소와 산소의 화학 반응 전위 하에서 PCM을 통해 연료 전지의 산소 측으로 전도된다. 화학 반응에 관여하는 전자는 외부 부하를 통해 수소 전극에서 산소 전극으로 전도된다. 전자와 수소 이온은 수소를 재구성하고, 전지의 산소 측에서 산소와 반응을 완료하여, 연료 전지 시스템에서 배출되는 물을 생성한다. 연료 전지에 수소와 산소를 지속적으로 공급하면 연속적인 전류가 유지된다.
알칼리 금속 열전기화학 변환(Alkali Metal Thermo-Electrochemical Conversion, AMTEC) 셀은 열전기화학 열 엔진으로 설계된다. AMTEC 열 엔진은 고온에서 전기 화학 셀을 통해 나트륨과 같은 이온화 가능한 작동 유체를 강제하여 전압 전위와 전류를 생성하기 위해 압력을 사용한다. 전극은 전류를 외부 부하에 연결한다. 전해질 분리기를 가로지르는 압력 차이가 전해질을 통해 용융된 나트륨 원자를 강제함에 따라 전기 작업이 수행된다. 나트륨은 전해질에 들어갈 때 이온화되어 전자를 외부 회로로 방출한다. 나트륨 이온은 전해질을 떠날 때 전해질의 다른 측에서 전자와 재결합하여 나트륨을 재구성하는데, 이는 배터리 및 연료 셀 유형의 전기 화학 셀에서 발생하는 과정과 거의 동일하다. 압력이 낮고 온도가 높은 재구성된 나트륨은 팽창된 가스로 전기화학 셀에서 방출된다.
(2003년 4월 28일 출원된 미국 특허 제7,160,639호에 개시된) 존슨 열-전기화학 변환기(Johnson Thermo-Electrochemical Converter, JTEC) 시스템은 또한 MEA를 사용하여 열을 전기 에너지로 변환하는 열전기화학 열 엔진이다. JTEC는 한 쌍의 MEA 스택, 특히 하나는 상대적으로 높은 온도에서 다른 하나는 상대적으로 낮은 온도에서 백투백(back-to-back) 구성으로 연결된 수소 농축 셀을 사용한다. 수소는 엔진 내에서 2개의 MEA 스택 사이에서 역류 열교환기를 통해 순환한다. 히트싱크에 연결된 저온 MEA 스택은 엔진의 "전기화학적 압축기" 단계로 기능하는 반면, 열원에 연결된 고온 MEA는 엔진의 "전기화학적 팽창" 단계로 기능한다. 모든 열역학 엔진과 마찬가지로, 고온에서 발생하는 팽창 프로세스는 저온에서 발생하는 압축 프로세스를 구동하기에 충분한 전력을 생성할 뿐만 아니라 외부 부하에 순 출력 전력을 공급한다.
그러나, 이러한 종래의 엔진 설계는 실제적인 출력 전압 레벨을 달성하기 위해 막 대 전극 표면적의 비율이 커야 하고 상당한 수의 셀이 직렬로 전기적으로 연결되어야 함에 따라 종종 복잡해진다. 구체적으로 개방회로 전압이 1V 이상일 수 있는 기존 연료 셀과 달리, 열전기화학 열 엔진에서는 수소 압력 비율로부터 고온과 저온 MEA 사이의 Nernst 전압 차이에 의해 생성되는 순 출력 전압이 적당한 고압 및 저압 작동 조건에서 약 0.1볼트 범위에 있다. 이와 같이, 유용한 출력 전압 레벨을 얻기 위해서는 일반적으로 다수의 셀을 직렬로 연결해야 한다. 또한 MEA 쌍의 내부 임피던스는 출력 전력 용량에 상당한 영향을 미친다.
MEA와 관련된 주요 효율 손실은 다공성 전극으로 들어오고 나가는 가스 압력 흐름 손실, 전극/막 계면에서 작동 유체를 산화 및 환원시키는 데 필요한 활성화 에너지 및 막을 통한 이온 전도에 대한 임피던스이다. 가스 흐름과 관련된 압력 손실은 전극의 두께, 기공 크기 및 기공 분포를 최적화하여 해결된다. 활성화 손실은 일반적으로 고정된 재료 특성이다. 활성화 에너지 손실을 최소화하기 위한 노력은 일반적으로 사용되는 촉매 유형뿐만 아니라 촉매 적재 및 분포를 최적화하는 데 중점을 둔다.
응용 분야에 따라, 막을 통한 이온 전도에 대한 임피던스는 재료의 특성이다. 효율적인 에너지 변환을 달성하기 위해, 막이 높은 가스 확산 장벽 특성을 갖는 것이 바람직하며, 이는 막을 가로지르는 압력 차이 하에서 작동 유체(예를 들어, 수소 가스)의 확산이 전기 출력 및 효율을 감소시키기 때문이다. 사용되는 막 또한 우수한 이온 전도도를 가져야 한다. 그러나, DuPont사에 의해 제조된 Nafion과 같이 우수한 이온 전도성을 갖는 많은 알려지고 이용 가능한 막 재료는 일반적으로 분자 확산 장벽 특성이 매우 불량하다. 낮은 분자 장벽 특성으로 인해 확산을 억제하기 위해 더 두꺼운 막을 사용할 필요가 있으며, 이는 결국 더 높은 전도성 저항을 초래하고 따라서 자기 파괴적이다. 반대로, 높은 분자 확산 장벽 특성을 갖는다고 알려진 이용 가능한 막 재료는 일반적으로 상대적으로 낮은 이온 전도성을 가지며, 이러한 재료의 사용은 높은 시스템 임피던스 및 관련된 높은 분극 손실을 초래할 것이다. 따라서 실제 전력 밀도를 달성하려면 얇은 막이 필요하고, 내부 저항 분극 손실을 최소화하면서 실제 전력 수준을 달성하려면 넓은 막 영역이 필요하다.
따라서, 광범위한 열원 온도에 걸쳐 작동할 수 있는 카르노 등가 사이클에 근접할 수 있는 열-전기화학적 열 엔진을 제공하기 위해 이용가능한 높은 장벽, 낮은 전도도 막 재료를 사용하는 실용적인 방법이 필요하고, 이는 기계 엔진과 관련된 신뢰성 및 비효율성 문제를 제거한다. 본 발명의 고체 열 엔진은 이러한 필요성을 충족시킨다.
일 실시예에서, 본 발명은 이온화 가능한 작동 유체, 및 서로 전기적으로 연결된 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체를 포함하는 열전기 변환기에 관한 것이다. 각각의 막전극 조립체는 전자 전도성이고 이온화 가능한 작동 유체에 대해 투과성인 제1 전극, 전자 전도성이고 이온화 가능한 작동 유체에 대해 투과성인 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 박막 전해질막을 포함한다. 박막 전해질막은 이온화 가능한 작동 유체의 이온 전도성을 가지고, 0.03㎛ 내지 10㎛의 두께를 가진다. 각각의 막전극 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 비다공성 및 조밀성 금속을 포함한다. 각각의 막전극 조립체에 걸쳐 적용된 작동 유체의 압력 차이로 인해, 각각의 막전극 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 제1 압력에서 작동 유체와 접촉하고, 각각의 막전극 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 다른 하나는 제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 작동 유체와 접촉한다. 제1 막전극 조립체는 작동 유체를 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창하도록 구성되고, 제2 막전극 조립체는 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 압축하도록 구성된다.
전술한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 막전극 조립체는 서로 다른 온도에서 작동한다. 제2 막전극 조립체에 전력이 가해져, 작동 유체를 더 높은 압력으로 펌핑하여, 열이 제거됨에 따라 차압이 유지되고, 따라서 제2 막전극 조립체가 제1 전압으로 작동한다. 제1 막전극 조립체도 차압을 받고 작동 유체는 열을 공급받아 낮은 압력으로 팽창하여, 제1 전압과 다른 제2 전압에서 작동한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 비다공성 및 조밀성 금속은 다공성 기재 상에 적층되거나 장착된다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 제1 및 제2 MFA 중 적어도 하나의 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는, 작동 유체가 각각의 박막 전해질막을 통과함에 따라, 작동 유체의 산화 및 환원을 촉진하도록 구성된 촉매를 포함한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 제1 및 제2 MFA 중 적어도 하나의 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 팔라듐 또는 팔라듐 합금을 포함한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 열전기 변환기는 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 사이의 제1 압력 및 제2 압력에서 작동 유체의 흐름을 연결하는 복열식 열 교환기를 추가로 포함한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 열전기 변환기는 관형 구성을 가진다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 제1 및 제2 MEA 각각은 관형 구성을 가진다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 제1 및 제2 MEA 각각의 내부는 제1 압력에서 작동 유체의 흐름을 위한 제1 도관을 구성한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 열전기 변환기는 제1 및 제2 MEA를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 추가로 포함하고, 제1 및 제2 MEA와 하우징 사이의 공간은 제2 압력에서 작동 유체의 흐름을 위한 제2 도관을 구성한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 제1 및 제2 MEA 모두에 전기적으로 공통이다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 열전기 변환기는 제1 및 제2 MEA를 전기적으로 연결하기 위한 외부 회로를 추가로 포함한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 본 발명은 전술한 복수의 변환기를 포함하는 열전기 변환기 시스템에 관한 것이며, 복수의 변환기는 제1 온도에서의 작동 유체의 제1 스트림과 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서의 작동 유체의 제2 스트림 사이에 연결된다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 본 발명은 전술한 열전기 변환기를 열펌프로 사용하는 전기의 생성 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제1 막전극 조립체를 제1 온도에서 열원에 연결하고 제2 막전극 조립체를 제2 온도에서 히트싱크에 연결하되, 제1 온도는 제2 온도보다 낮은 단계, 제2 막전극 조립체에 전력을 인가하여, 제2 온도 및 제1 전압에서 제거되는 열로 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 펌핑하는 단계, 및 제1 온도 및 제2 전압에서 공급되는 열로 작동 유체를 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창함에 따라, 제1 막전극 조립체로부터 전력을 추출하되, 제1 전압은 제2 전압보다 높은 단계를 포함한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 상기 방법은 제1 막전극 조립체에 외부 전원을 직렬로 연결하는 단계를 추가로 포함한다.
선행 실시예 중 임의의 실시예와 결합될 수 있는 일 실시예에서, 본 발명은 전술한 열전기 변환기를 열 엔진으로 사용하는 전기의 생성 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제1 막전극 조립체를 제1 온도에서 열원에 연결하고 제2 막전극 조립체를 제2 온도에서 히트싱크에 연결하되, 제1 온도는 제2 온도보다 높은 단계, 제2 막전극 조립체에 전력을 인가하여, 제2 온도 및 제1 전압에서 제거되는 열로 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 펌핑하는 단계, 및 제1 온도 및 제2 전압에서 공급되는 열로 작동 유체를 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창함에 따라, 제1 막전극 조립체로부터 전력을 추출하되, 제2 전압은 제1 전압보다 높은 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 해석될 때 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시하기 위해, 현재 바람직한 실시예가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 배열 및 수단에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 박막 전극 조립체를 포함하는 열전기화학 변환기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변환기의 박막 전극 조립체의 전극으로 사용하기에 적합한 여러 금속의 수소 투과도를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 상업적으로 이용 가능한 여러 수소 투과성 금속 합금을 식별하는 표이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 개의 박막 전극 조립체를 포함하는 열전기화학 변환기의 단면도이다.
도 5a는 도 1에 도시된 변환기의 평면도이다.
도 5b는 도 1에 도시된 변환기의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 및 저온 작동 유체 흐름 스트림 사이에서 작동하는 복수의 열-전기 변환기 튜브를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 막을 형성하기 위한 전해질 물질로서 사용하기에 적합한 몇몇 예시적인 양성자 전도성 물질의 그래프이다.
특정 용어는 단지 편의상 다음 설명에서 사용되며 제한적이지 않는다. "근위", "원위", "상향", "하향", "하부" 및 "상부"라는 단어는 도면에서 참조되는 방향을 나타낸다. "내부로" 및 "외부로"라는 단어는 각각 본 발명에 따른 디바이스의 기하학적 중심 및 그 지정된 부분을 향하는 방향 및 멀어지는 방향을 지칭한다. 본 명세서에서 특별히 언급하지 않는 한, 용어 "하나(a)", "하나(an)" 및 "그(the)"는 하나의 요소에 한정되지 않고 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 용어에는 위에서 언급한 단어, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어가 포함된다. 또한 "제1", "제2" 등과 같은 용어는 명확성을 목적으로만 제공된다는 것을 이해할 것이다. 이러한 용어로 식별되는 요소 또는 구성 요소 및 그 작동은 쉽게 전환될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 특히 열-전기화학 변환기에 사용하기 위한 개선된 박막 전극 조립체에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 이온화 가능한 작업 유체와 박막 전해질층과 적어도 하나의 전극, 보다 바람직하게는 박막 전해질 층이 사이에 개재된 한 쌍의 전극으로 구성된 MEA를 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 농축 셀을 포함하는 열전기화학 변환기에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)가 도시되어 있다. 컨버터(100)는 제1 전기화학 셀(9) 및 제2 전기화학 셀(11)을 포함한다. 각각의 셀(9, 11)은 2개의 전극 사이에 개재된 이온 전도성 막을 포함하는 이온 전도성 MEA를 포함한다. 보다 구체적으로, 제1 전기화학 셀(9)은 제1 MEA(40)를 포함하고 제2 전기화학 셀(11)은 제1 MEA(42)를 포함한다. 제1 및 제2 MEA(40, 42)는 모두 일반적으로 관형 구조를 가지며, 이는 본 명세서에서 더 상세히 설명될 이의 전극 및 막이 관형 구성을 갖는다는 것을 의미한다. 각 셀이 하나 이상의 MEA를 포함할 수 있고, MEA(들)가 관형 구성을 가질 필요가 없다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 도 1의 컨버터(100)에서, 제1 전기화학 셀(9)은 히트싱크(QL)에 연결되고 제2 전기화학 셀(11)은 열원(QH)에 연결된다. 히트싱크(QL)와 열원(QH)은 여기에서 더 자세히 논의되는 바와 같이 서로 다른 온도이다.
제1 전기화학 셀(9)의 제1 MEA(40)는 제1 전극(5)과 제2 전극(10) 사이에 위치한 막(6)을 포함한다. 제2 전기화학 셀(11)의 제1 MEA(42)는 제1 전극(5)과 제2 전극(10) 사이에 위치한 멤브레인(8)을 포함한다. 막(6, 8) 및 전극(5, 10, 14)은 모두 관형 구성을 갖는다(단면도는 도 1에 도시됨).
각각의 막(6, 8)은 이온 전도성 막이다. 보다 바람직하게는, 각각의 막(6, 8)은 박막 전해질층의 형태이고, 가장 바람직하게는 치밀성 박막 전해질층의 형태이다. 바람직하게는 각각의 박막 전해질막(6, 8)은 10㎛ 미만, 보다 바람직하게는 0.03㎛ 내지 10㎛의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 각각의 박막 전해질막(6, 8)은 작동 유체의 이온을 전도한다. 보다 구체적으로, 조밀성 박막 전해질층(6, 8)은 바람직하게는 작동 유체의 이온에 대해 비다공성 및 전도성인 반면, 작동 유체의 비이온화 성분에 대해서는 실질적으로 불투과성이다. 따라서 이온 전도성막(6, 8)은 이온화되지 않은 작동 유체의 확산을 제한한다. 각각의 MEA(40, 42)의 박막 전해질 구조는 상대적으로 낮은 이온 전도성을 갖는 전해질 물질을 사용하는 경우에도 열전기화학 변환기(100)가 높은 전력 밀도를 달성할 수 있게 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명에서 이온 전도성 막을 형성하기 위한 전해질 물질로서 사용하기에 적합한 다양한 예시적인 양성자 전도성 물질이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 이들 재료는 특히 수소가 작동 유체로 사용되는 경우에 사용하기에 적합하다. 도 7에 제공된 데이터를 기반으로, 주로 막의 목표 작동 온도에 대한 전도도 최대화를 기반으로 주어진 응용 분야에 대해 최적의 재료를 선택할 수 있다. 도 7의 몇몇 바람직한 막/전해질 물질은 산화물이다. 도 7의 바람직한 막/전해질 물질은 스퍼터링 또는 다른 물리적 도포 방법에 의한 적용에 적합하다. 폴리벤즈이미다졸(PBI)은 바람직한 중합체이므로 압출 또는 다른 중합체 코팅 기술에 의해 적용될 수 있다.
제1 전극(5) 및 제2 전극(10, 14)은 바람직하게는 전자 전도성이고 이온화 가능한 작동 유체에 투과성이다. 전극(5, 10, 14)의 투과성은 비다공성 전극 물질을 통한 원자 또는 분자 확산에 의한 것일 수 있거나, 전극(5, 10, 14)은 다공성으로 인해 투과성일 수 있다. 일 실시예에서, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나는 하나 이상의 첨가제를 포함하여 전자의 전도성을 촉진하거나 및/또는 하나 이상의 촉매를 포함하여 원하는 전기화학 반응을 촉진할 수 있다.
바람직하게는 MEA(40)의 제1 전극(5) 및 제2 전극(10) 중 적어도 하나와 MEA(42)의 제1 전극(5) 및 제2 전극(14) 중 적어도 하나는 비다공성 금속을 포함하고, 더욱 바람직하게는 비다공성 조밀성 금속을 포함한다. 더 바람직하게는, 두 MEA(40, 42)의 두 전극(5, 10 및 5, 14)은 비다공성 금속을 포함하고, 더 바람직하게는 비다공성 조밀성 금속을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나, 보다 바람직하게는 모든 전극(5, 10, 14)은 박막 전해질층 (6, 8)을 위한 지지체로서 고체 비다공성 금속 또는 나노다공성 물질을 포함한다.
보다 구체적으로, 일 실시예에서, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나는 나노 다공성 물질에 기계적 지지를 제공하는 기판 상에 장착되거나 코팅된 나노 다공성 물질을 포함하여, 나노 다공성 물질에 직접 지지되는 박막 전해질이 있는 전극을 갖는 나노 다공성 물질을 형성한다. 일 실시예에서, 기재는 다공성 기재이다. 나노 다공성 전극은 바람직하게는 두께 0.03㎛ 내지 10㎛의 박막 전해질 코팅을 위한 기판으로서 기능하기에 충분한 표면 평활도를 갖는다. 이러한 전극은 예를 들어 미세다공성 탄소 또는 나노다공성 탄소로 구성될 수 있다. 이러한 미세다공성 또는 나노다공성 탄소 전극의 예 및 이들이 형성되는 방법은 Wang 등의 미국 특허 제9,046,784호, Yao 등의 미국 특허 제6,632,849호 및 Kondyurin 등의 제목 "Nanostructured Carbonized Thin Films Produced by Plasma Immersion Ion Implantation of Block-Copolymer Assemblies,"(pages 155-160)의 간행물, 온라인 기록 버전: 2007년 10월 29일 | DOI: 10.1002/ppap.200700111에 개시되어 있다.
다른 실시예에서, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나는 기재에 장착된 비다공성 물질을 포함하여, 비다공성 물질에 기계적 지지를 제공함으로써, 비다공성 물질에 지지된 박막 전해질을 갖는 비다공성 전극을 형성한다. 일 실시예에서, 기재는 다공성 기재이다. 바람직하게는, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나는 다공성 전극 기판에 실장된 비다공성 금속 재료를 포함하여, 비다공성 금속 재료 상에 박막 전해질이 지지된 비다공성 금속 전극을 형성한다. 보다 구체적으로, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나는 다공성 기재 상에 지지된 작동 유체에 투과성인 얇은 비다공성 금속 필름을 포함할 수 있다.
대안적으로, 전극(5, 10, 14) 중 적어도 하나는 작동 유체에 투과성인 조밀성 자립형 금속 시트 또는 포일을 포함한다.
일 실시예에서, 각각의 다공성 전극(5, 10, 14)은 선택적으로 전해질 막(6, 8)과의 계면에서 금속 기재의 표면 상에 작동 유체 투과성 및 조밀성 금속 코팅을 포함할 수 있다. 조밀성 금속 코팅은 촉매를 포함하여 작동 유체가 전해질 막(6, 8)으로 들어가고 나갈 때 산화 및 환원을 촉진한다. 또한, 금속 코팅은 다공성 양극 산화 알루미늄(미국 SigmaAldrich로부터 이용 가능한 Whatman AnodiscTM)과 같은 전자 전도성 또는 니켈 폼과 같은 비전도성 다공성 기재에 의해 지지될 수 있다.
특히 작동 유체에 투과성인 금속 합금 및 라미네이트가 전극(5, 10, 14)을 형성하는 데 바람직하다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 전극(5, 10, 14)에 사용하기 적합한 여러 상이한 금속이 도시된다. 보다 구체적으로, 도 2는 몇몇 금속의 수소 투과성을 나타낸다. 특히 수소가 작동 유체인 경우 팔라듐 및 팔라듐 합금이 바람직하다. 팔라듐보다 투광성이 높은 금속이 많이 있지만 이러한 다른 물질은 수소 환경에 놓일 때 취성으로 인해 파손되는 경향이 있다. 반면에 팔라듐은 안정적으로 유지되며 수소 반응을 촉진하는 촉매 특성을 갖는다. 팔라듐은 또한 얇은 전해질 코팅을 위한 적합한 촉매 지지 기재로 확립되어 왔다. 그러나 애노드를 포함하고 들어가는 수소 분자를 촉매하는 것 외에도, 팔라듐은 또한 전해질 계면에서 전해질의 환원 반응을 촉매한다. 따라서, 팔라듐과 전해질 사이에 덜 반응성인 계면층을 포함하는 것이 유익한 것으로 확인되었다.
예를 들어, 600nm 두께의 Ni 층을 갖는 Ni/Pd 호일은 400℃에서 약 5x10-9 mol s-1 m-1 Pa-0.5의 수소 투과도를 나타내며, 순수한 Pd 호일의 투과도의 절반 비율이다. 이 값은 연료 셀에서 최소 2Acm2의 외부 전류를 제공하기에 충분하다(참조: "Nanometer-Thick Membrane of Nanometer-Thick Membrane of Amorphous Zirconium Phosphate Electrolyte" (Journal of The Electrochemical Society, 158 (8) B866-B870 (2011) 0013-4651/2011/158(8)/B866/5, 전기화학학회)).
연료 셀의 응용 분야용 고체 금속 전극의 사용에 대한 노력은 수소 분리/생산 응용 분야를 위한 막의 개발을 위해 수행된 광범위한 작업에 비해 매우 제한적이었다. 도 3은 원래 Yin 등의 "A Review on the Production and Purification of Biomass-Derived Hydrogen Using Emerging Membrane Technologies", Catalyst(2017년 10월 6일)에 제공된 몇 가지 상업적으로 이용 가능한 수소 투과성 금속 합금을 나열한다. 은 및/또는 기타 합금 금속을 추가하면 팔라듐 기반 막의 기계적 강도와 안정성이 향상된다. 예를 들어 은을 팔라듐에 합금하면 순수한 Pd 막에 비해 막의 투과도를 최대 5배까지 향상시킬 수 있다. Tanaka 등이 수행한 한 연구. "Preparation And Characterization Of Ceramic Supported Ultra-Thin (approximately 1㎛) Pd-Ag Membranes", D.A.P. J. Membr. Sci. 2017, 528, 12-23)는 동시 ELP 방법으로 생산된 초박형(약 1㎛) Pd-Ag 막을 분석하였고, 막이 400℃에서 9.0 내지 9.4 x 10-6 mol.m-2 s-1 Pa-1의 H2 투과도와 3300 및 2000 사이의 H2/N2 선택도를 가짐을 발견하였다.
각각의 MEA(40, 42)는 전해질 물질의 박막 코팅을 작동 유체에 투과성인 전극 상에 적용함으로써 구성될 수 있다. 예를 들어, 박막 전해질 층 또는 막(6, 8)은 스퍼터 증착, 레이저 융삭, 화학 기상 증착 또는 임의의 다른 공지된 박막 증착 기술에 의해 제1 전극 상에 코팅될 수 있다. 박막 전해질 층 또는 막(6, 8)은 또한 전해질 물질의 나노입자 슬러리를 사용하는 스핀 코팅, 졸 겔 또는 원자층 증착 기술에 의해서도 제1 전극 상에 도포될 수 있다. 폴리머계 전해질 필름의 경우, 잉크젯 프린팅, 솔벤트 캐스팅 또는 스핀 코팅이 박막 전해질막(6, 8)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 공지된 응용 기술 중 일부이다. 전극(5, 10, 14) 중 하나에 박막 전해질 막(6, 8)을 형성한 후 다른 전극(5, 10, 14)이 박막 전해질 막(6, 8)의 상부에 도포되어 MEA(40, 42)를 완성한다. 일 실시예에서, MEA(40, 42)의 전극(5, 10, 14) 중 하나 또는 모두는 촉매 물질을 포함하여 전극-전해질 계면에서 작동 유체의 산화 및 환원을 촉진하거나, 대안적으로 전극(들)의 물질 자체가 촉매여서, 이들 반응을 촉진할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 전극이 박막 전해질 막(6, 8)의 상부에 적용된 후에, 조립된 구조는 폴딩되거나 롤링되어, 관형 구성의 MEA(40, 42)를 형성할 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 작동 유체는 기체 형태이다. 바람직한 일 실시예에서, 작동 유체는 수소이다. 이와 같이, 각각의 농축 셀(9, 11)은 전자 전도성이고 수소 투과성인 2개의 전극 사이에 삽입된 양성자 전도성 전해질 물질로 구성된 MEA(40, 42)를 포함한다. 수소가 작동 유체인 변환기의 경우, 각 MEA의 전극에 적합한 고투과성 금속은 팔라듐, 니오븀, 이트륨, 탄탈륨 및 은 및/또는 구리와의 합금을 포함한 이들의 합금을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 각 MEA의 양성자 전도성 전해질 물질은 0.03㎛ 내지 10㎛ 두께의 박막 형태로 2개의 수소 투과성 전극 사이에 개재된다.
본 명세서에 제공된 개시내용은 주로 작동 유체의 예로서 수소를 사용한다. 그러나, 본 발명이 작동 유체로서 수소에 제한되는 것으로 의도되지 않는다는 것은 당업자에게 이해될 것이다. 실제로, 본 명세서에 설명된 원리는 다른 이온화 가능한 작동 유체에도 적용될 것이다.
도 1의 실시예에서, 변환기(100)는 관형 구조를 가지므로, 변환기(100)의 MEA도 일반적으로 관형 구조를 갖는다. 그러나, 본 발명은 MEA가 그와 같이 구성될 것을 요구하지 않는다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, MEA는 편평한 층 구조를 가질 수 있고/있거나 적층 구성으로 배열될 수 있다. 그러나 본 명세서에 제공된 설명은 관형 구성의 변환기에 초점을 맞춘다.
도 1의 실시예에서, 제1 전극(5)은 제1 전기화학 셀(9)의 MEA(40)로부터 제2 전기화학 셀(11)의 MEA(42)까지 연장된다. 이와 같이, 도 1의 실시예에서, 제1 전극(5)은 제1 및 제2 전기화학 셀(9, 11) 모두의 MEA(40, 42)에 공통적이며, 특히 전기적으로 공통적이다. 위에서 언급한 바와 같이, MEA(40, 42)의 제1 전극(5)은 관형 형태를 가지며, 통로 또는 도관(50)은 관형 전극(5)의 내부에 형성되고 제1 및 제2 전기화학 셀(9, 11) 사이로 연장된다. 이 도관(50)의 원위 단부는 플러그(7)에 의해 폐쇄된다. 보다 구체적으로, MEA(40, 42)의 제1 전극(5) 및 플러그(7)는 제1 및 제2 전기화학 셀(9, 11) 사이의 작동 유체 흐름을 연결하는 폐쇄 도관(50)을 집합적으로 정의한다.
MEA(40, 42)는 외부 하우징, 바람직하게는 외부 관형 하우징(24)에 적어도 부분적으로 폐쇄되거나 둘러싸여 있다. 밀봉 링(12)은 선택적으로 제공되어, MEA(40, 42)와 외부 하우징 (24) 사이의 기밀(airtight) 또는 기밀에 가까운(near-airtight) 밀봉을 보장할 수 있다. 도관(50)은 외부 인클로저(24) 내에 위치하고 그 길이를 가로지른다. 이와 같이, 외부 하우징(24)은 별도의 챔버, 도관(50) 내의 제1 또는 내부 챔버 및 도관(50)을 둘러싸는 제2 또는 외부 챔버로 분할된다. 이와 같이, 외부 챔버는 본질적으로 제2 도관(52)이다. 제1 도관(50)은 제1 전극(5)과 직접 접촉하는 반면에, 제2 도관(52)은 제1 셀(9)의 MEA(40)의 제2 전극(10) 및 제2 셀(11)의 MEA(42)의 제2 전극(14)과 직접 접촉한다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 도관(50, 52)은 동심 배열을 가지며, 제1 도관(50)은 제2 도관(52) 내에 포함된다. 제2 도관(52)은 또한 제1 및 제2 전기화학 셀(9) 사이의 작동 유체 흐름을 연결한다. 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전기화학 전지(9, 11) 및 실제로 전체 변환기(100)는 특히 동심 관형 도관(50, 52)을 갖는 동심 관형 구조로서 구성될 수 있다. 동심 관형 구조는 격납 압력 응력(containment pressures stress)이 주로 인장 및 압축이므로 최소한의 벽 두께를 사용할 수 있다는 점에서 유리하다.
변환기(100)는 각각의 MEA(40, 42)의 하나의 전극이 상대적으로 낮은 압력 상태로 유지되고 각각의 MEA(40, 42)의 다른 하나의 전극이 상대적으로 높은 압력 상태로 유지되도록 구성된다. 본 명세서에서 "고압" 및 "고농도"라는 용어는 작동 유체와 관련하여 상호교환적으로 사용된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, "저압" 및 "저농도"라는 용어가 작동 유체와 관련하여 상호교환적으로 사용된다는 것도 당업자에 의해 이해될 것이다. 바람직하게는, 2개의 전기화학농축셀(9, 11)의 고농도(즉, 고압)측은 고압 도관(즉, 상대적으로 고압으로 유지되는 도관)과 서로 연결되고, 2개의 전기화학농축셀(9, 11)의 저농도(즉, 저압)측은 저압 도관(즉, 상대적으로 저압으로 유지되는 도관)과 서로 연결된다.
보다 구체적으로, 도 1의 변환기(100)에서 MEA(40, 42)의 제1 전극(5)은 상대적으로 고압 상태로 유지되어 변환기(100)의 고압측을 구성한다. 따라서, 제1 도관(50)은 제1 전기화학 셀(9)과 제2 전기화학 셀(11) 사이의 작동 유체 흐름을 고압 상태에서 연결한다. MEA(40, 42)의 제2 전극(10, 14)은 상대적으로 저압 상태로 유지되어, 변환기(100)의 저압측을 구성한다. 따라서, 제2 도관(52)은 제1 전기화학 셀(9)과 제2 전기화학 셀(11) 사이의 작동 유체 흐름을 저압 상태에서 연결한다.
도 1을 참조하면, 변환기(100)의 중앙부(28)는 2개의 전기화학 셀(9, 11) 사이의 작동 유체 흐름을 연결하는 복열식 열 교환기로서 기능한다. 도 1의 실시예의 변환기(100)의 중앙부(28)에서, 차단층 또는 코팅(26)이 중앙부(28)(즉, 제1 및 제2 셀(9, 11) 사이의 영역)에 걸쳐 있는 전극(5)의 외부 길이에 걸쳐 제공된다. 차단 코팅(26)은 중앙부(28) 영역에서 전극(5)의 수소 투과성 물질을 통한 수소 투과를 방지한다.
대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀(9, 11)은 전기적으로 공통 전극(5)을 가질 필요가 없다. 도 4의 변환기(100') 및 그 작동은 다음 측면을 제외하고 도 1의 변환기(100)와 동일하다. 각각의 MEA(40, 42)는 별개의 전극을 포함한다. 따라서, 제1 전기화학 셀(9)의 MEA(40)는 제1 전극(55)과 제2 전극(10) 사이에 개재된 막(6)을 포함하고, 제2 전기화학 셀(11)의 MEA(42)는 제1 전극(65)과 제2 전극(14) 사이에 개재된 막(8)을 포함하며, 제1 전극(55, 65)은 서로 분리되고 구별되는 전극(14)이다. 중앙부(28)에서 관형 부재(27)가 제공되고 제1 전극(55, 65) 사이에서 연장된다. 관형 부재(27)는 바람직하게는 작동 유체에 투과성이 없는 물질로 제조된다. 보다 구체적으로, 관형 부재(27)는 바람직하게는 전기화학 반응을 거치지 않고 고압 상태에서 저압 상태로의 작동 유체 수동 확산을 방지하면서 열 전달을 수용한다. 따라서, 도 4의 실시예에서, 도관(50)은 관형 부재(27), 제1 셀(9)의 MEA(40)의 제1 전극(55) 및 제2 셀(11)의 MEA(42)의 제1 전극(65)의 집합적 내부 내에 형성된다.
도 1을 참조하면, 전기화학적 농축 셀(9, 11) 중 하나는 예를 들어 열원(QH)에 연결함으로써 상승된 온도에서 열 입력을 받고, 이온화 가능한 작동 유체를 고농도 또는 압력에서 저농도 또는 압력으로 팽창시킴으로써, 열을 전력으로 변환하도록 작동하며, 팽창은 셀의 Nernst 전위 하에서 수행된다. 이 셀은 본 명세서에서 "고온 셀" 또는 "고온 MEA"로 지칭된다. 다른 전기화학적 농축 셀(9, 11)은 바람직하게는 히트싱크(QL)에 연결되고 이온화 가능한 작동 유체를 저농도 또는 압력에서 다시 고농도 또는 압력으로 펌프 및 압축하기 위한 전력 입력으로 작동하며, 압축은 셀의 Nernst 전위를 초과하는 인가 전압 하에서 수행된다. 압축 과정에서 전력이 소비되고 압축 열이 제거된다. 이 셀은 본 명세서에서 "저온 셀" 또는 "저온 MEA"로 지칭된다.
보다 구체적으로, MEA(40, 42)가 열 엔진의 일부로서 작동하는 일 실시예에서, 제2 셀(11)의 MEA(42)가 연결되는 열원(QH)은 바람직하게는 제1 셀(9)의 MEA(40)가 연결되는 히트싱크(QL)의 온도에 비해 상승된 온도에 있다. 이와 같이 고온 MEA(42)는 저온 MEA(40)보다 높은 Nernst 전압을 갖는다. 엔진(100)의 작동은 작동 유체가 저온 농축 셀(9)의 MEA(40)의 저압 전극(10)으로부터 고압 전극(5)으로 압축되도록 한다. 압축된 작동 유체는 고압 도관(50)에 의해 고온 농축 셀(11)의 MEA(42)의 고압 전극(5)으로 공급된다. 작동 유체는 고압 전극(5)에서 저압 전극(14)으로 박막 전해질막(8)을 통과함에 따라, 고온 셀(11)의 MEA(42)를 통해 팽창한다. 이어서, 작동 유체는 저압 도관(52)에 의해 다시 저온 농축 셀(9)의 저압 전극(10)으로 공급된다. 고온 MEA(42)에 의해 생성된 전압은 충분히 높아서, 저온 MEA(40)의 Nernst 전압을 극복하고 직렬로 연결된 외부 부하(34)에 전력을 공급하기에 충분한 전압을 갖는다.
보다 구체적으로, 도 1 및 도 4의 변환기(100, 100')는 다음과 같이 열 엔진으로 작동한다. 저온, 저압 상태(1)에서 시작하여, 전기 에너지는 저온 MEA(40)에 공급되어 저압, 저온 상태(1)에서 고압, 저온 상태(2)로 MEA(40)를 가로지르는 작동 유체 흐름(16)을 펌핑한다. 압축 과정에서 양성자 전도막(6)의 열(QL)을 제거하여 작동 유체의 온도를 거의 일정하게 유지한다. 바람직하게는 두께가 10㎛ 미만인 얇은 막(6)은 상당한 온도 구배를 지지하지 않을 것이며, 적절한 열이 막(6) 및 그 기재로 전달된다면 공정에 대한 거의 등온 가정이 유효하다. 고압, 저온 상태(2)에서 작동 유체는 열교환기 역류 열교환기(즉, 중앙부(28))를 흐름(18)으로 통과하며, 대략 일정한 압력 하에서 고온, 고압 상태(3)로 가열되어, 고온 MEA(42)로 흐른다. 고압, 저온 상태(2)에서 고압, 고온 상태(3)로 작동 유체의 온도를 상승시키는데 필요한 열(30)은 열교환기에서 반대 방향으로 흐르는 작동 유체(20)로부터 전달된다. 보다 구체적으로, 중앙부(28)는 고온 MEA(42)를 떠나 도관(52) 내에서 흐르는 작동 유체 흐름(20)으로부터 도관(50) 내의 고온 MEA(42)로 이동하는 작동 유체 흐름(18)에 열(30)을 연결하는 역할을 한다. 고온 MEA(42)에서, 작동 유체 흐름(22)이 MEA(42)를 가로질러 이동하고 고압 고온 상태(3)에서 저압, 고온 상태(4)로 팽창함에 따라 전력이 생성된다. 열(QH)은 작동 유체가 팽창함에 따라 MEA(42)에 공급되어 거의 일정한 온도를 유지한다. 저압 고온 상태(4)에서 다시 저압 저온 상태(1)로 전환하기 위해, 작동 유체(20)는 고압 저온 상태(2)로부터 고압 고온(3)으로 통과하는 작동 유체(18)로의 열 전달에 의해 일정 압력 공정에서 온도가 내려가는 열교환기(즉, 중앙부(28))를 통해 흐른다. 작동 유체가 저온 MEA(40)에 의해 저압에서 고압으로 펌핑됨에 따라 사이클이 계속된다.
변환기(100, 100')의 작동 중에, 작동 유체는 Nernst 전위를 극복하기에 충분한 전압으로 전류를 공급함으로써 저온 전기화학 셀(9)에서 압축되고, 그에 의해 작동 유체는 막(6)의 저압측에서 고압측으로 구동된다. 한편, 작동 유체는 Nernst 전위 하에서 전류(전력)가 추출됨에 따라 고온 전기화학 셀(11)에서 팽창된다. 고온 전기화학 셀(11)에서 작동 유체가 막(8)의 고압측에서 저압측으로 팽창함에 따라 전류 흐름이 생성된다. 작동 유체를 사용하고 압축성 가스의 특성과 일치하는 모든 열역학 엔진에서와 같이, 변환기(100)에서는 저온 압축에 필요한 일(전기) 입력보다 고온 팽창 중에 더 많은 양의 일(전기)이 추출된다. 고온 팽창시 일정한 온도를 유지하기 위해 변환기(100)에 투입되는 열에너지와 저온 압축시 일정한 온도를 유지하기 위해 제거되는 열에너지의 차이는 고온 팽창 과정에서 나오는 전기 에너지와 저온 압축 과정에서 소비되는 전기 에너지의 차이로 제공된다.
Nernst 방정식과 일치하여, 고온 전기화학 셀(11)은 저온 전기화학 셀(9)보다 더 높은 전압을 가질 것이다. 전류(I)가 두 셀을 통해 동일하기 때문에, 전압차는 고온 전기화학 셀(11)에서 작동 유체의 팽창을 통해 발생하는 전력이 저온 전기화학 셀(9)보다 높다는 것을 의미한다. 고온 전기화학 셀(11)에 의해 출력되는 전력(VHT*I)은 저온 전기화학 셀(9)에서의 압축을 구동하기에 충분할 뿐만 아니라 외부 부하(34)((VHT*I)-(VLT*I))에 순 전력 출력을 공급한다. 이 전압 차이는 변환기(100)의 동작을 위한 기초를 제공한다.
MEA(40, 42)가 히트 펌프 응용 분야의 일부로서 작동하는 다른 실시예에서, 제2 셀(11)의 MEA(42)가 연결되는 열원(QH)은 제1 셀(9)의 MEA(40)가 연결되는 히트싱크(QL)에 비해 감소된 온도이다. 따라서, 저온 열원(QH)으로부터 팽창열이 추출됨에 따라, 열원(QH)에 연결된 MEA(42)에서 작동 유체가 저온에서 팽창된다. 히트싱크(QL)에 연결된 MEA(40)에서 작동 유체는 고온에서 압축되고 압축열은 고온에서 방출된다. 동작 온도가 낮기 때문에, 저온 팽창 MEA(42)는 고온 압축 MEA(40)보다 낮은 Nernst 전압을 생성한다. 따라서 외부 전원은 저온 MEA(42)와 직렬로 연결되어, 고온 MEA(40)의 Nernst 전위를 극복하기에 충분히 높은 연결된 전압을 제공함으로써, 그 내부에서 압축 공정을 구동한다.
도 5a 내지 도 5b는 관형 구조로 구성된 변환기(100)의 단부도를 도시한다. 관형 구조의 변환기(100)는 열 전달을 위한 능동형 열 파이프로서 발전기 또는 히트 펌프로서 기능한다는 점에서 장점이 있다. 이와 같이 변환기(100)는 상대적으로 직경이 작은 튜브형 구조로 구성될 수 있으며, 도 6과 같이 열원과 히트싱크 사이에서 열을 전달하는 데 사용되는 "열 파이프" 둑(bank)과 유사한 구조를 형성하도록 여러 개의 튜브를 배열할 수 있다.
특히, 도 6을 참조하면, 고온 작동 유체 흐름 스트림(32)(즉, 열원)과 저온 작동 유체 흐름 스트림(30)(즉, 히트싱크)사이에 연결된 열-전기 변환기 튜브의 둑이 도시된다. 작동 유체의 팽창을 위한 고온 MEA(4211)은 고온 작동 유체 흐름(32)에 노출되어 가열되고, 작동 유체의 압축을 위한 저온 MEA(40)는 저온 유체 스트림(30)에 노출되어 냉각된다. 각각의 변환기 튜브 커플의 개별 열 교환기(28) 내의 작동 유체 흐름이 각각의 저온 MEA(40)와 각각의 고온 MEA(42) 사이의 동심 튜브 내에서 흐름으로서, 고온 및 저온 작동 유체 스트림(32, 30)은 복열식 열 교환기 섹션(38)에 의해 서로 격리된다.
당업자라면 전술한 실시예에 대해 넓은 발명적 개념을 벗어나지 않고 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범위 내에서 수정을 포함하도록 의도된다는 것이 이해된다.

Claims (15)

  1. 이온화 가능한 작동 유체;
    서로 전기적으로 연결된 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체를 포함하는 열전기 변환기로서, 각각의 막전극 조립체는:
    전자 전도성이고 이온화 가능한 작동 유체에 대해 투과성인 제1 전극,
    전자 전도성이고 이온화 가능한 작동 유체에 대해 투과성인 제2 전극, 및
    제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되고, 이온화 가능한 작동 유체의 이온 전도성을 가지며, 0.03㎛ 내지 10㎛의 두께를 가지는 박막 전해질막을 포함하며,
    각각의 막전극 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 비다공성 및 조밀성 금속을 포함하고,
    각각의 막전극 조립체에 걸쳐 적용된 작동 유체의 압력 차이로 인해, 각각의 막전극 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 제1 압력에서 작동 유체와 접촉하고, 각각의 막전극 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 다른 하나는 제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 작동 유체와 접촉하며,
    제1 막전극 조립체는 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 압축하도록 구성되고, 및
    제2 막전극 조립체는 작동 유체를 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창시키도록 구성되는 열전기 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 비다공성 및 조밀성 금속은 다공성 기재 상에 적층되거나 장착되는 열전기 변환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 중 적어도 하나의 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는, 작동 유체가 각각의 박막 전해질막을 통과함에 따라, 작동 유체의 산화 및 환원을 촉진하도록 구성된 촉매를 포함하는 열전기 변환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 중 적어도 하나의 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 팔라듐 또는 팔라듐 합금을 포함하는 열전기 변환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 사이의 제1 압력 및 제2 압력에서 작동 유체의 흐름을 연결하는 복열식 열 교환기를 추가로 포함하는 열전기 변환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기는 관형 구성을 갖는 열전기 변환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 각각은 관형 구성을 갖는 열전기 변환기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 각각의 내부는 제1 압력에서 작동 유체의 흐름을 위한 제1 도관을 구성하는 열전기 변환기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징 및 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체와 하우징 사이에서 제2 압력에서 작동 유체의 흐름을 위한 제2 도관을 구성하는 공간을 추가로 포함하는 열전기 변환기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체 모두에 전기적으로 공통인 열전기 변환기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 막전극 조립체 및 제2 막전극 조립체를 전기적으로 연결하기 위한 외부 회로를 추가로 포함하는 열전기 변환기.
  12. 제1 온도에서의 작동 유체의 제1 스트림과 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서의 작동 유체의 제2 스트림 사이에 연결된 제6항에 따른 복수의 변환기를 포함하는 열전기 변환기 시스템.
  13. 제1항에 따른 열전기 변환기를 열펌프로 사용하는 전기의 생성 방법으로서,
    제1 막전극 조립체를 제1 온도에서 히트싱크에 연결하고 제2 막전극 조립체를 제2 온도에서 열원에 연결하되, 제1 온도는 제2 온도보다 높은 단계;
    제1 막전극 조립체에 전력을 인가하여, 제1 온도 및 제1 전압에서 제거되는 열로 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 펌핑하는 단계; 및
    제2 온도 및 제2 전압에서 공급되는 열로 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창함에 따라, 제2 막전극 조립체로부터 전력을 추출하되, 제1 전압은 제2 전압보다 높은 단계;를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 제2 막전극 조립체에 외부 전원을 직렬로 연결하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제1항에 따른 열전기 변환기를 열 엔진으로 사용하는 전기의 생성 방법으로서,
    제1 막전극 조립체를 제1 온도에서 히트싱크에 연결하고 제2 막전극 조립체를 제2 온도에서 열원에 연결하되, 제1 온도는 제2 온도보다 낮은 단계;
    제1 막전극 조립체에 전력을 인가하여, 제1 온도 및 제1 전압에서 제거되는 열로 작동 유체를 제2 압력으로부터 제1 압력으로 펌핑하는 단계; 및
    제2 온도 및 제2 전압에서 공급되는 열로 작동 유체가 제1 압력으로부터 제2 압력으로 팽창함에 따라, 제2 막전극 조립체로부터 전력을 추출하되, 제2 전압은 제1 전압보다 높은 단계;를 포함하는 방법.
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