KR20230073290A - 모세관-기반 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시키는 방법 - Google Patents

모세관-기반 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시키는 방법 Download PDF

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KR20230073290A
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게르하르트 프레데릭 스위거스
애런 호지스
클라우디아 카타지나 바그너
안린 호앙
총 용 리
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하이사타 피티와이 엘티디
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Abstract

전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 개시된다. 액체 전해질을 수용하는 저장소, 제1 기체 확산 전극, 및 제2 전극을 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 또한 개시된다. 다공성 모세관 스페이서가 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는, 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉하는 단부를 갖는다. 이 방법은 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 액체 전해질과 접촉시키는 단계, 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하거나 생성하는 단계를 포함한다.

Description

모세관-기반 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시키는 방법
본 발명은 광범위하게는, 예를 들어 전기-합성 전지 또는 전기-에너지 전지로서 사용되는, 전기화학 전지에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명의 예시적인 실시 형태는, 본질적으로 에너지 효율적이며 분자 수준 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 효과를 이용하여 전기화학 전지의 거시적 수준의 외부 관리에 대한 필요성을 최소화하는 제로-갭 전기화학 전지 구조에 관한 것이다.
전기-에너지 전지는 전지의 외부에서 사용하기 위해, 무기한의 기간에 걸쳐, 전력을 계속적으로 또는 연속적으로 생성하는 전기화학 전지이다. 전기-에너지 전지는 작동 중에 반응물의 지속적인 외부 공급이 필요할 수 있다는 점에서 갈바니 전지와 구별된다. 전기화학 반응의 생성물은 일반적으로 또한 작동 중에 이러한 전지로부터 지속적으로 제거된다. 배터리와는 달리, 전기-에너지 전지는 그 내부에 화학 에너지 또는 전기 에너지를 저장하지 않는다.
유사하게 전기-합성 전지는 전지의 외부에서 사용하기 위해, 무기한의 기간에 걸쳐, 하나 이상의 화학 물질을 계속적으로 또는 연속적으로 제조하는 전기화학 전지인 것으로 간주될 수 있다. 화학 물질은 기체, 액체 또는 고체의 형태일 수 있다. 전기-에너지 전지와 마찬가지로, 전기-합성 전지도 작동 중에 반응물을 지속적으로 공급하고 생성물을 지속적으로 제거해야 한다. 전기-합성 전지는 일반적으로 전기 에너지의 지속적인 투입을 추가로 필요로 한다.
전기-에너지 전지 및 전기-합성 전지의 작동에 수반되는 다량의 전기 에너지로 인해, 개발의 핵심 과제는 작동 중에 가능한 한 에너지 효율적으로 만드는 것이다. 이것은 부분적으로는 전기 임피던스를 최소화함으로써 달성될 수 있다. 임피던스는 전압이 적용될 때 전지 회로가 전류에 부여하는 저항이다. 임피던스를 최소화하는 한 가지 방법은 전지의 애노드 전극과 캐소드 전극이 접촉하지 않고(이는 단락을 일으킬 수 있음) 가능한 한 가깝게 서로 마주보도록 배치된 전지 구조를 이용하는 것이다. 두 전극 사이의 갭은 또한 가능한 가장 높은 이온 컨덕턴스를 갖는 전해질이 차지해야 한다.
이를 위해, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 위한 다양한 '제로-갭' 전지 구조가 개발되었다. 이러한 구조에서, 2개의 전극은, 본질적으로 높은 이온 컨덕턴스를 가질 수 있거나 높은 이온 컨덕턴스를 갖는 액체 전해질로 채워질 수 있는 얇은 막의 서로 반대편에 있는 면에 대해 단단히 끼워져 있다. 이러한 유형의 제로-갭 막은 일반적으로 제로-갭 전지에서 두께가 2 mm 미만이다. 제로-갭 전지 구조의 일부 예는 과학 논문 [R. Phillips and C. W. Dunnill, “Zero gap alkaline electrolysis cell design for renewable energy storage as hydrogen gas” in RSC Advances (2016), Vol 6, pages 100643-100651]에 제공되어 있다.
전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 또 다른 특징은 다량의 반응물 및 생성물이 전형적으로 작동에 수반된다는 것이다. 작동 중에, 이러한 전지에는 상당한 양의 반응물이 지속적으로 공급될 수 있는 한편, 동시에 상당한 양의 생성물이 전지로부터 지속적으로 제거될 수 있다. 이상적으로는, 반응물 공급과 생성물 제거가 완전히 별개의 공정이어서, 이러한 공정들이 서로 방해하지 않고서, 전지로부터 제거되는 생성물과는 독립적으로 반응물이 전지에 공급될 수 있어야 한다. 더욱이, 전지로의 반응물의 공급과 전지로부터의 생성물의 제거는 전기화학 반응을 방해하거나 제한하지 않아야 한다.
예를 들어, 가장 잘 알려진 제로-갭 전지 중 하나는 수소-산소 고분자 전해질 막(PEM) 연료 전지이다. 이러한 전지는 전형적으로 2개의 기체-다공성 전극('기체 확산 전극'으로도 공지됨) 사이에 끼워진, Chemours 사에 의해 공급되는 Nafion® 막과 같은 술폰화 테트라플루오로에틸렌계 플루오로중합체-공중합체로 형성된 얇은 양성자(H+)-전도성 막을 이용한다. Nafion® 막은 전형적으로 두께가 약 0.183 mm일 수 있거나(예컨대 Nafion® 117 막을 사용하는 경우), 또는 두께가 약 0.125 mm일 수 있다(예컨대 Nafion® 115 막을 사용하는 경우). 이러한 전지에서, 반응물 수소(H2) 기체는 기체 확산 전극('수소 전극')(여기서 수소 기체가 양성자로 변환됨) 중 하나를 통해 도입된다. 양성자는 Nafion® 막을 통해 다른 전극('산소 전극')으로 수송된다. 기체 확산 '산소' 전극을 통해 도입된 산소(O2) 기체는 Nafion® 막을 통과한 양성자와 반응하여 물(H2O)을 생성한다. 산소 전극에서 형성된 물은 전형적으로 중력 또는 증발에 의해 전지로부터 제거된다. 전지의 전기화학 반응은 부착된 외부 회로에서 전류 또는 전압을 생성한다.
이 전지의 작동의 핵심은 수소 전극에서 산소 전극으로의 양성자(H+) 전도를 촉진하는 Nafion® 막의 능력이다. 이 기능을 수행하기 위해, Nafion® 막은 물로 부분적으로 또는 완전히 포화(즉, 수화)되어야 한다. 그러나, 물은 산소 전극에서 생성되는 반응 생성물이기도 하기 때문에 필요한 수화 수준을 유지하는 것은 어려울 수 있다. 가장 일반적으로 PEM 연료 전지에서 Nafion® 막 수화 수준은 투입(반응물) 수소 기체를 가습함으로써 관리된다. 이는 주의 깊게 제어되어야 하는데, 그 이유는 과도한 습도로 인해 기체 확산 전극 중 하나에서 물이 응결되고 고여서 투입 기체를 차단하고 반응을 중단시킬 수 있기 때문이다. 이 현상은 '플러딩'(flooding)으로 알려져 있으며, 반응 생성물인 물이 또한 형성되는 산소 전극에서 특히 위험하다. 그러나, 불충분한 가습은 Nafion® 막의 부분적 건조를 가져와서, 양성자 컨덕턴스가 감소되고 반응이 느려질 수 있다. 이는 수소 전극에서 특히 위험한데, 작동 중에 전기 영동 드리프트로 인해 물 분자가 수소 전극으로부터 Nafion® 막을 거쳐 산소 전극으로 이동하기 때문이다. 따라서, 반응물(수소)을 공급하는 공정이 생성물(물)을 제거하는 공정과 얽혀 있기 때문에, 이러한 유형의 연료 전지는 보통 반응형, 모니터링형, 실시간 전자 피드백 시스템에 의한 투입 기체의 습기 함량 변화를 수반하는 능동적인 관리를 필요로 한다.
다수의 전기-에너지 및 전기-합성 전지는 반응물 공급과 관련된 공정이 생성물 제거 공정과 얽혀 있고 독립적이지 않기 때문에, 능동적 관리를 비롯하여, 작동 중에 어떠한 형태의 관리가 필요하다. 이는 전지 자체 내에서, 반응물을 공급하고/하거나 전기화학 반응의 활성 부위에서 생성물을 제거하는 분자 수준 공정이 개별적이거나 독립적이지 않기 때문에 발생한다. 더욱이, 이는 전기화학 반응에 의해 제어되지 않는다. 이러한 분자 수준 결함은: (i) 전극에 반응물을 공급하고/하거나, (ii) 전극으로부터 생성물을 제거하고/하거나, (iii) 전극들 사이의 중요한 중간체 또는 중요 공정을 제어하기 위해, 간접적인 프록시 제어 공정의 거시적 규모의 관리에 의해 다루어져야 한다.
이러한 문제는 사안을 명확히 하기 위해 더 개념적인 방식으로 언급될 수 있다. 본질적으로 모든 제로-갭 전기-에너지 및 전기-합성 전지 내부에서, 반응 및 분자 운동은 전기화학 반응의 제어 하에, 주로 전극간 막 내에서, 전극들에서 그리고 전극들 사이에서, '교차-평면' 축에서 분자 수준으로 발생한다. 반응물은 일반적으로 전기화학 반응의 제어 하에 있지 않을 수 있는 공정에서 막 외부로부터 이러한 교차-평면 축 내로 이동해야 한다. 유사하게, 전기화학적 반응의 생성물은 전형적으로 전기화학 반응에 의해 제어되지 않을 수 있는 공정에서 교차-평면 축 밖으로 이동해야 한다. 다른 모든 중요한 공정 및 그와 관련된 특정 물질에 대해서도 마찬가지일 수 있다. 이들 공정은 덜 제어된 방식으로 발생하기 때문에, 전지 자체 내에서 분자 수준에서, 반응 부위(들)로의 반응물 공급/반응 부위(들)로부터의 생성물 제거와 전기화학 반응 자체의 속도 사이에 단절이 있을 수 있다. 일반적으로 능동적 관리를 비롯하여 어려운 외부적 거시적 규모의 관리의 필요성을 생성하는 것은 이러한 분자 규모의 단절이다. 즉, 전지 자체 내에서 전기화학 반응에 공급되거나 그로부터 제거되어야 하는 대량의 물질과 전기화학 반응 사이의 단절로 인해 관리가 필요할 수 있다. 이러한 모든 이동이 더 잘 제어된다면, 전지를 관리할 필요성, 특히 세포를 능동적으로 관리해야 할 필요성이 줄어들 수 있다.
기체에서 액체로 또는 액체에서 기체로의 변환을 포함하는 일부 전기-합성 또는 전기-에너지 제로-갭 전지에서, 문제가 되는 것은 액체상 물질의 교차-평면 축 안팎으로의 분자 수준 이동이다. 예를 들어, 상기에 언급된 바와 같이, 제로-갭 PEM 연료 전지에서, 교차-평면 축 안팎으로의 물 이동은 기체상 반응물이 전극에 접근하는 것을 방해할 수 있어서 능동적인 관리가 필요하다. 그러나, 다른 전지에서, 까다로울 수 있으며 능동적인 관리가 필요할 수 있는 것은 교차-평면 축 안팎으로 기체상 물질의 분자 수준 이동이다. 예를 들어, 제로-갭 수전해 전지에서 생성된 기포는 보통 물 반응물이 전극 표면에 접근할 수 있도록 전극 위로 액체 전해질을 연속적으로 펌핑하여 전극에서 능동적으로 제거해야 한다. 이것은 (압력 관리 장비를 포함한, 추가 배관, 탱크 및 기타 장비로 인해) 전지의 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 한 전극에서 다른 전극으로 기체의 '크로스오버'를 증가시키며, 이는 전지의 전기화학적 효율을 크게 감소시키고 안전상의 위험을 초래할 수 있다.
이러한 전지에서, 문제는 전기화학 전지 내부의 분자 수준 유동과 관련된 것으로 요약될 수 있으며, 여기서, 물질의 하나의 상(예컨대 액체)을 갖는 화학종은 물질의 다른 상(예컨대 기체)을 갖는 다른 화학종의 유동에 반대하여 거스르는 방향 및 위치로 유동한다. 이러한 유형의 유동은 '역다상류'(counter multiphase flow)로 칭할 수 있다. 서로 간섭하고 방해하는 데 있어서, 이러한 상쇄(countervailing) 다상류는, 전지의 성능을 감소시키며 극복하기 위해 에너지를 필요로 할 수 있는 비효율성을 야기할 수 있다.
전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 이러한 역다상류의 존재는 잘 알려져 있다. 그러나, 이를 제거하거나 최소화하는 것은 보통 해결해야 하는 다른 중요한 고려 사항이 있기 때문에 간단하지 않다. 예를 들어, 상기에 언급된 바와 같이, 다수의 수전해 전지에서, 전극을 향한 액체상 반응물(예컨대 물 분자 및 이온)의 유동은 전극으로부터의 기체상 생성물(예컨대 기포)의 유동을 거스른다. 이것은 보통 전극간 막에 의해 증폭된다. 전극간 막의 주요 기능은 전극들 사이의 기체의 크로스오버를 차단하는 것이다. 이를 위해, 전극간 막은 전형적으로 비다공성이어야 할 것이고 Nafion® 115 막의 두께가 0.125 mm 이상이어야 할 것이다. 전극간 막이 다공성인 경우, 기포가 전극간 막으로 들어가서 통과하는 것을 방지하기 위해 기공은 가능한 한 작아야 할 것이다. 이러한 특성은 물 분자와 같은 다량의 액체상 반응물을 연속적으로 공급하는 데 적합하지 않다. 실제로, 공지된 전극간 막의 이러한 특성은 전극간 막 내부의 액체상 물의 이동성을 억제 또는 최소화하거나 심지어 방지할 수 있다. 이는 막을 통한 기체 크로스오버를 최소화하기 위해 필요하다.
요약하면, 예를 들어 전기-합성 전지 또는 전기-에너지 전지로서 사용되는 새롭고 개선된 전기화학 전지 또는 제로-갭 전기화학 전지가 필요하다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 새롭고 개선된 제로-갭 전기-에너지 및/또는 전기-합성 전지가 필요하다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 관리가 필요할 수 있는 예에서, 제로-갭 전기-에너지 및/또는 전기-합성 전지의 작동을 관리하기 위한 새롭고 개선된 수단이 또한 필요하다. 새롭고 개선된 전기화학 전지 또는 제로-갭 전기화학 전지는 기체에서 액체로 또는 액체에서 기체로의 변환을 용이하게 하는 전기-에너지 및 전기-합성 전지에 특히 필요하다.
본 명세서에서 임의의 이전 간행물 (또는 그로부터 파생된 정보), 또는 임의의 공지된 사항에 대한 참조는, 이전 간행물 (또는 그로부터 파생된 정보) 또는 공지된 사항이 본 명세서와 관련된 노력의 분야에서 일반 상식의 일부를 형성한다는 인정이나 승인 또는 어떤 형태의 제안이 아니며, 그러한 것으로 간주되어서는 안된다.
본 '발명의 내용'은 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'에서 추가로 후술되는 단순화된 형태의 개념 중 선별된 것을 소개하기 위해 제공된다. 본 '발명의 내용'은 청구된 주제의 모든 핵심 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위해 의도된 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용하기 위해 의도된 것도 아니다.
다양한 예시적인 양태에서, 실시 형태들은 전지 내에서 분자 수준 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 효과를 이용하여 전지의 거시적 수준의 외부 관리에 대한 필요성을 최소화하는 전기화학 전지 구조, 특히 제로-갭 전기화학 전지 구조에 관한 것이다. 바람직하게는, 이러한 분자 수준 공정은 전지 내 전기화학 반응에 본질적으로 반응하여 자가-조절되게 만든다. 바람직하게는, 이러한 분자 수준 공정은 전지의 다양한 액체상 및 기체상 반응물 및/또는 생성물에 대해 개별적이고 독립적이다. 바람직하게는, 각각의 이러한 분자 수준 공정은 전지 내에 액체 또는 기체의 별개의 거시적 본체를 포함한다. 바람직하게는, 새로운 반응물 또는 과잉 생성물은 전지의 작동 중에 이러한 액체 및 기체 본체에 개별적으로 공급되거나 그로부터 제거된다. 바람직하게는, 이러한 공급 또는 제거는 전지 내의 각각의 액체 또는 기체 본체를 외부 저장 및 공급/제거 시스템에 개별적으로 연결하는 기체/액체-밀폐 도관을 통해 이루어진다.
예시적인 실시 형태는 특히 기체에서 액체로의 또는 액체에서 기체로의 공정을 용이하게 하는 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지와 관련이 있다. 이러한 전지는 무기한의 기간에 걸쳐 계속적으로 또는 연속적으로 작동하여, 반응물을 소비하고 생성물을 생성하는데, 생성물은 전지 내에 수용하기에는 너무 부피가 커서, 대신에 외부 저장 및 공급/제거 시스템에 의해 공급되거나 제거될 수 있다. 바람직하게는, 예시적인 실시 형태는 본질적으로 에너지 효율적이다.
한 가지 예시적인 양태에서 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공된다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내의 액체 전해질과 액체 접촉할 때 액체 전해질로 그 자체가 충전될 수 있다. 바람직하게는, 제1 기체 확산 전극은 저장소의 외부에 위치한다. 바람직하게는, 제2 전극도 저장소의 외부에 위치한다. 선택적으로, 전지는 전기-합성 수전해 전지이다.
한 가지 예시적인 형태에서, 제1 기체 확산 전극은 제1 기체 본체와 직접 접촉한다. 또 다른 예시적인 형태에서, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전된다. 또 다른 예시적인 형태에서, 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과이다. 또 다른 예시적인 형태에서, 제1 기체 확산 전극은 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접한다. 또 다른 예시적인 형태에서, 제2 전극은 제2 기체 확산 전극이고 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 저장소 외부에 위치한 제1 기체 확산 전극; 저장소 외부에 위치한 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하며, 저장소 내로 연장되는 단부를 갖는 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공되며; 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내의 액체 전해질과 액체 접촉할 때 액체 전해질로 그 자체가 충전될 수 있다.
또 다른 예시적인 양태에서, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 액체 전해질로 충전되도록 구성되고 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 수전해 전지가 제공되며; 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과이다.
또 다른 예시적인 양태에서, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 기체를 생성하고, 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제2 기체 확산 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공되며, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전되고 모세관 효과에 의해 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 내에 국한시켜 액체 전해질이 0.4 cm 초과의 최대 컬럼 높이를 갖도록 구성된다.
또 다른 예시적인 양태에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지; 및 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에 전기적으로 연결된 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공되며; 여기서, 각각의 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 본원에 개시된 바와 같은 예시적인 전지이다.
또 다른 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 전지는 본원에 개시된 바와 같은 예시적인 전지이고, 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계 또는 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 생성하는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택을 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 단계가 제공되며, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택은 본원에 개시된 바와 같은 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이고, 방법은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택 각각에서 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계 또는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택 각각에서 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 생성하는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하고, 다공성 모세관 스페이서는 단부가 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉한다. 이 방법은 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 액체 전해질과 접촉시키는 단계; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하거나 생성하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시 형태가 이제 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예에 의해서만 기술될 것이다. 다양한 예시적 실시 형태는 첨부된 도면과 관련하여 기술된 적어도 하나의 바람직하지만 비제한적인 실시 형태의 단지 예로서 주어진 다음 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 어떠한 전극과도 직접 접촉하지 않는 별도의 액체 저장소를 갖는 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 단면도를 개략적인 형태로 도시한다.
도 2는 저장소 내의 액체가 적어도 하나의 전극과 직접 접촉하는 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 3은 저장소가 다공성 모세관 스페이서에 통합된 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 4는 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 전극-스페이서-전극 조립체의 중앙 부분의 단면 확대도를 개략적인 형태로 도시한다.
도 5는 6 M KOH 액체 전해질로 충전된, 평균 기공 직경이 다음과 같은 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터로 구성된 다공성 모세관 스페이서에 대해 측정된 유량(흑색 점) 및 모델링된 유량(빈 사각형)의 그래프를 도시한다: (a) 0.45 μm, (b) 1.2 μm, (c) 5 μm, 및 (d) 8 μm.
도 6은 대안적인 예시적인 저장소 구성을 도시한다.
도 7은 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 구현하는 데 사용될 수 있는 전극-스페이서-전극 조립체를 도시한다.
도 8은 도 7에 도시된 유형의 전극-스페이서-전극 조립체를 통합하는 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 도시한다.
도 9는 사용될 수 있는 저장소 구조 및 도 8에 도시된 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 예시적인 스택을 도시한다.
도 10은 사용될 수 있는 4개의 개별 전지의 전지 스택에서 4개의 삼투 저장소를 사용하는, 저장소 구조 및 도 8에 도시된 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 예시적인 스택을 도시한다.
도 11은 다음의 80℃에서의 분극 곡선을 도시한다: (a) 산소-생성 전극에 통합된 기체 취급 구조를 갖는, 도 1의 구조를 갖는 예시적인 실시 형태의 수전해 전지; (b) 상기 (a)에서와 동일하지만 산소-생성 전극에 통합된 기체 취급 구조가 없는 예시적인 실시 형태의 수전해 전지; (c) (a) 및 (b)에서와 동일한 전극 및 다공성 모세관 스페이서를 사용하지만, 전지가 액체 전해질로 완전히 충전되고 기체가 액체 전해질 내에 기포 형태로 생성되는, 비교용 수전해 전지; (d) 데이터가 공개적으로 이용가능한, 가장 에너지 효율적인 시판 알칼리 수전해 전지, (d) 데이터가 공개적으로 이용가능한, 가장 에너지 효율적인 시판 PEM 수전해 전지.
도 12는 전지 전압을 80℃에서 1.47 V (이는 수소의 고위 발열량(HHV)에 따라 100% 에너지 효율과 동일함)로 고정하였을 때 분극 곡선 (a)에 대한 도 11의 전지에 의해 생성된 전류를 도시한다.
도 13은 다음을 도시한다: (a) 분극 곡선 (a)에 대한 도 11의 산소 전극의 전위; 및 (b) 전극의 표면을 따라 표면 위에서 6 M KOH 액체 전해질의 박막의 모세관-유도 이동을 촉진하는 동일한 촉매의 얇은 친수성 층으로 코팅된 산소 전극의 비교용 전위.
도 14는 기체 본체가 없는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 15는 액체 전해질이 기체 본체를 통한 비-간섭 증기상 경로에 의해 보충/유지되는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 16은 헤드스페이스가 하나의 전극 위에서 액체 전해질에 의해 그리고 다른 전극 위에서 기체에 의해 점유되는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 17은 헤드스페이스가 하나의 전극 위에서 기체에 의해 그리고 다른 전극 위에서 기체에 의해 점유되는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 18은 액체 전해질이 기체 본체를 통한 비-간섭 증기상 경로에 의해 보충/유지되는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 19는 다공성 모세관 스페이서 내에 유지된 액체 전해질이 기체 본체들 사이의 기체 크로스오버를 차단하는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 20은 하나의 전극이 (헤드스페이스에서) 전극의 상부에서만 제1 기체 본체와 접촉하고 다른 전극이 (헤드스페이스에서) 전극의 상부에서만 제2 기체 본체와 접촉하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 21은 다공성 모세관 스페이서 내에 유지된 액체 전해질이 제1 기체 본체와 제2 기체 본체 사이의 기체 크로스오버를 차단하는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다. 하나의 전극은 (헤드스페이스에서) 전극의 상부에서만 제1 기체 본체와 접촉하고 다른 전극은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 취급 구조(집합적으로 제2 기체 본체를 형성함)를 통합한다.
도 22는 제1 전극이 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 취급 구조(집합적으로 제1 기체 본체를 형성함)를 통합하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 23은 하나의 전극이 (헤드스페이스에서) 전극의 상부에서만 제1 기체 본체와 접촉하고 다른 전극이 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 모세관 구조(집합적으로 제2 기체 본체를 형성함)에 인접한, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 24는 하나의 전극이 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 모세관 구조(집합적으로 제1 기체 본체를 형성함)에 인접한, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다. 다른 전극은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 다른 기체 모세관 구조(집합적으로 제2 기체 본체를 형성함)에 인접한다.
도 25는 하나의 전극이 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 전극 위의 액체 전해질을 통해 헤드스페이스로 연장되는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 26은 기체 모세관 또는 기체 취급 구조가 헤드스페이스 기체와 근접한 기체로 충전되고 (집합적으로 제1 기체 본체를 형성함) 다른 전극이 (헤드스페이스에서) 전극의 상부에서만 제2 기체 본체와 접촉하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 27은 다른 전극이 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 상기 다른 전극 위의 액체 전해질을 통해 헤드스페이스로 연장되는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조는 헤드스페이스 기체와 근접한 기체로 충전된다 (집합적으로 제2 기체 본체를 형성함).
도 28은, 하나의 전극이 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 방출하며, 다른 전극은 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 방출하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 29는, 하나의 전극이 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 방출하며, 다른 전극은 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 방출하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 30은, 제1 기체 본체가 외부 도관 및 외부 기체 저장 시스템과 기체 연통하고, 제2 기체 본체가 외부 도관 및 외부 기체 저장 시스템과 기체 연통하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 31은, 기체 모세관 또는 기체 취급 구조가 외부 기체 도관으로부터 제1 경로를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 수용하고, 또 다른 기체 모세관 또는 기체 취급 구조가 외부 기체 도관으로부터 제2 경로를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 수용하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 32는, 기체 모세관 또는 기체 취급 구조가 외부 기체 도관으로부터 제1 경로를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 수용하고, 또 다른 기체 모세관 또는 기체 취급 구조가 외부 기체 도관으로부터 제2 경로를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 수용하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 33은, 하나의 전극이 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 외부 도관 및 외부 기체 저장 시스템과 기체 연통하는 제1 기체 본체(125)를 내부에 수용하고, 다른 전극이 부착 또는 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조를 갖고, 이는 외부 도관 및 외부 기체 저장 시스템과 기체 연통하는 제2 기체 본체를 내부에 수용하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 34는, 전극에 의한 기체 생성은 각각의 전극과 관련된 기체 본체를 동적으로 생성하고, 이러한 기체 본체의 각각은 외부 도관 및 외부 기체 저장 시스템과 개별적으로 기체 연통하는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
도 35는, '독립 경로 전지'의 특징인 일련의 물리적 속성 중 하나 이상을 나타내는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 개략 단면도를 도시한다.
단지 예로서 주어진 다음의 모드, 특징 또는 양태는 바람직한 실시 형태 또는 실시 형태들의 주제에 대한 더 정확한 이해를 제공하기 위해 기술된다.
정의
'저장소'는 액체가 수용되는 장치의 일부이다. '반응물'은 전기화학 반응 중에 소비되는 화학 물질이다. '생성물'은 전기화학 반응 중에 생성되는 화학 물질이다. '액체 전해질'은 전기를 전도할 수 있는 능력을 갖는, 용액 중에 이온을 포함하는 액체이다. '도관'은 유체를 운반하기 위한 채널, 튜브, 챔버 또는 트로프이다. '매니폴드'는 유체를 운반하기 위한, 다수의 개구를 갖는 하나 이상의 파이프, 하나 이상의 튜브, 하나 이상의 챔버 또는 하나 이상의 채널이다. '실온'은 21℃로서 정의된다.
'액체-기체' 전지는 적어도 하나의 액체상 반응물 또는 생성물, 및 적어도 하나의 기체상 반응물 또는 생성물을 갖는 전기화학 전지로서 정의된다.
'전기-에너지 전지'는 전지의 외부에서 사용하기 위해, 무기한의 기간에 걸쳐, 전력을 계속적으로 또는 연속적으로 생성하는 전기화학 전지이다. 전기-에너지 전지는 작동 중에 반응물의 지속적인 외부 공급을 필요로 할 수 있다. 전기화학 반응의 생성물은 또한 작동 중에 이러한 전지로부터 지속적으로 제거될 수 있다. 전기-에너지 전지는 액체-기체 전지일 수 있다. 전기-에너지 전지의 예는 수소-산소 연료 전지이다. 이러한 예는 또한 액체-기체 전지이다.
'전기-합성 전지'는 전지의 외부에서 사용하기 위해, 무기한의 기간에 걸쳐, 하나 이상의 화학 물질을 계속적으로 또는 연속적으로 제조하는 전기화학 전지이다. 화학 물질은 기체, 액체 또는 고체의 형태일 수 있다. 전기-에너지 전지와 마찬가지로, 전기-합성 전지도 작동 중에 반응물을 지속적으로 공급하고 생성물을 지속적으로 제거하는 것을 필요로 할 수 있다. 전기-합성 전지는 작동 중에 일반적으로 전기 에너지의 지속적인 투입을 추가로 필요로 할 수 있다. 전기-합성 전지는 액체-기체 전지일 수 있다. 전기-합성 전지의 예는 수전해 전지이다. 이러한 예는 또한 액체-기체 전지이다.
전기-에너지 및 전기-합성 전지는 작동에 필요한 반응물의 전부/일부도, 작동 중에 생성되는 생성물의 전부/일부도 전지 본체 내에 통합되지 않는다는 점에서 다른 유형의 전기화학 전지, 예컨대 배터리, 센서 등과 상이하다. 이들은 대신에 작동 중에 지속적으로 전지의 외부로부터 반입되거나 전지의 외부로 제거될 수 있다. 예를 들어, 갈바니 전지는 전지 본체 내에 반응물 및 생성물을 저장한다는 점에서, 전기-에너지 전지는 갈바니 전지와 구별된다. 배터리와는 달리, 전기-에너지 전지는 그 내부에 화학 에너지 또는 전기 에너지를 저장하지 않는다. 유사하게, 일부 전기화학 센서는 감지 작업 중에 반응물을 소비하고 제한된 양의 생성물을 생성할 수 있지만, 이들 중 전부/일부는 전지 본체 자체 내에 저장된다.
'제로-갭' 전기화학 전지는 전극과 전극간 스페이서 사이에 갭이 없는 전지이다. 즉, '제로-갭' 전지에서, 전극은 전극간 스페이서의 서로 반대편에 있는 면에 대해 단단히 끼워지거나 접해 있다.
'다공성 물질'은 고체의 구조를 구성하는 원자 또는 분자의 주요 골격이 차지하지 않는 개방 공간('공극' 공간)을 포함하는 고체 물질이다.
다공성 물질의 '다공도'는 다공성 물질의 총 부피로 나눈 공극 공간의 부피의 비로서 정의되며 백분율로 표시된다.
'모세관' 또는 '기공'은 액체 또는 기체가 통과할 수 있는 다공성 물질 내의 미세한 구조이다.
다공성 물질 내의 기공의 '기공 직경'은 기공의 이상적 직경이다.
다공성 물질 내의 기공의 '평균 기공 직경'은 기체 기공측정기(gas porometer)를 사용하여 측정할 때, 개수 기준으로, 다공성 물질에 존재하는 기공의 평균 이상적 직경이다.
'모세관 작용'은 중력과 같은 외부 힘의 도움 없이 또는 심지어 그와 반대로, 액체가 좁은 공간 내로 끌어당겨지고 그 안에 유지되고 유동하도록 유도되는 것을 수반한다. 이는 페인트 브러시의 털 사이에, 얇은 튜브 내에, 또는 종이나 석고와 같은 다공성 물질 내에 액체를 끌어올리고 유지하는 것에서 볼 수 있다. 이러한 모세관-유도 작용은 전형적으로 액체와 주변 고체 표면 사이의 분자간 힘에 의해 구동된다. 다공성 물질 내에서, 모세관 작용은 액체와 용기 벽 사이의 인력과 표면 장력(이는 액체 내의 응집력에 의해 생성됨)의 조합으로 인해 발생한다. 일단 끌어올려지면, 액체는 전형적으로 최대 컬럼 높이로 알려진 높은 높이까지 무한정 유지될 수 있다.
모세관 압력은 모세관 작용을 완전히 상쇄하기 위해 적용해야 하는 외부 압력이다. 즉, 이는 모세관 작용에 의해 끌어올려진 액체에 가해지는 경우, 모세관 작용이 일어나지 않았다면 액체가 차지했을 위치로 액체가 되돌아가게 하는 압력이다. 모세관 압력은 그러한 액체가 모세관 작용을 발휘하는 물질의 모세관 또는 기공 내에 유지되는 압력으로 또한 간주될 수 있다.
액체를 함유하는 다공성 물질의 '모세관 압력'은, 기체 기공측정기를 사용하여 측정할 때 다공성 물질 내의 평균 직경 모세관 밖으로 액체를 밀어내는 데 필요한 기체 압력으로 정의된다.
액체를 함유하는 다공성 물질의 '기포점'은, 기체 기공측정기를 사용하여 측정할 때 다공성 물질 내의 가장 큰 모세관 밖으로 액체를 밀어내는 데 필요한 기체 압력으로 정의된다.
예시적인 실시 형태의 '다공성 모세관 스페이서'는 모세관 작용을 사용하여 다공성 모세관 스페이서 자체 내에서 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지하는 다공성 물질이며, 여기서 컬럼 높이를 형성하는 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 부피 내에 국한되며 모세관 압력을 표시한다. 대안적으로 '다공성 모세관 스페이서'는 다음과 같이 기술될 수 있음을 이해해야 한다: '다공성 스페이서', '다공성 전극 스페이서', '다공성 모세관 전극 스페이서', '유체 경로를 갖는 다공성 스페이서', '유체 경로를 갖는 다공성 전극 스페이서', '다공성 모세관 분리막', '다공성 분리막', '다공성 전극 분리막', '다공성 모세관 전극 분리막', '유체 경로를 갖는 다공성 분리막', 또는 '유체 경로를 갖는 다공성 전극 분리막'.
'컬럼 높이'는, 예시적인 실시 형태의 전지의 작동 중을 포함하여, 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내에 국한된 액체의 컬럼의 '높이'로서 정의된다. 용어 '높이'는 다공성 모세관 스페이서가 침지된 액체의 저장소의 표면 위로의 높이로서 정의된다. 다공성 모세관 스페이서가 액체의 저장소에 침지되지 않은 경우, 이는 다공성 모세관 스페이서의 하부 단부(원위 단부) 위로의 높이로서 정의된다.
'최대 컬럼 높이'는 다공성 모세관 스페이서 자체가 가상적으로 무한한 높이를 가질 때 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내에 유지될 수 있는 액체의 컬럼의 가장 높은 '높이'로서 정의된다. 용어 '높이'는 다공성 모세관 스페이서가 침지된 액체의 저장소의 표면 위로의 높이로서 정의된다. 다공성 모세관 스페이서가 액체의 저장소에 침지되지 않은 경우, 이는 다공성 모세관 스페이서의 하부 단부(원위 단부) 위로의 높이로서 정의된다.
다공성 모세관 물질 내의 액체의 실제 '컬럼 높이'는 예시적인 실시 형태의 전지의 상부에 도달하는 다공성 모세관 스페이서의 높이에 의해 제한될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 즉, 다공성 모세관 물질 자체의 높이가 '최대 컬럼 높이'보다 작은 경우 '컬럼 높이'는 '최대 컬럼 높이'보다 작을 수 있다. 예시적인 실시 형태의 전지에서 '최대 컬럼 높이'가 전지의 높이를 초과하는 것이 중요할 수 있다. 이는 다공성 모세관 스페이서가 전지 내의 모든 지점에서 액체로 완전히 충전되도록 보장하기 위해 필요할 수 있다. 이는 결국 케이스에서 기체 크로스오버를 방지하기 위해 필요할 수 있다('기체 크로스오버'에 대한 하기 정의 참조).
'유량'은, 오직 모세관 현상의 영향 하에서, 액체로 완전히 채워진 다공성 모세관 스페이서의 1 cm 폭 스트립을 통해 유동하는 단위 시간당 액체의 질량으로 정의된다. 중력 때문에, '유량'은 전형적으로 다공성 모세관 스페이서의 높이가 증가함에 따라 감소한다. 특정 '높이'에서의 '유량'은 도 5에서 측정 데이터를 수집하기 위해 사용된 기술을 사용하여 측정할 때, 다공성 모세관 스페이서가 침지된 액체의 저장소의 표면 위로의 해당 높이에서의 유량으로서 정의된다. 다공성 모세관 스페이서가 액체의 저장소에 침지되지 않은 경우, 이는 다공성 모세관 스페이서의 하부 단부(원위 단부) 위로의 해당 높이에서의 '유량'으로서 정의된다.
'확산'은 고농도 영역에서 저농도 영역으로의 액체상 또는 기체상 분자의 자발적인 순이동이며, 두 영역의 농도를 동등화하는 경향이 있다.
'삼투'는, 전형적으로 용질 자체가 반대 방향으로 자유롭게 이동할 수 없는 상황에서(예컨대 두 영역 사이에 용질이 투과되지 않거나 잘 투과되지 않는 막이 있는 경우), 용질 농도가 낮은 영역에서 용질 농도가 높은 영역으로의 물 분자의 자발적 이동이다.
전기화학 전지는 반응물의 공급 속도 및/또는 전극의 반응 영역으로부터 생성물의 제거 속도가 본질적으로 전기화학 반응 속도에 따라 그에 반응하여 자체적으로 조정될 때 '자가-조절'된다. 즉, 더 빠른 전기화학 반응 속도는 자발적으로 더 빠른 반응물 공급 및 생성물 제거를 초래하는 반면, 더 느린 전기화학 반응 속도는 반응 구역으로/으로부터의 더 느린 반응물 공급 및 생성물 제거를 초래한다.
용어 '역다상류'는 물질의 하나의 상(예컨대 액체)을 갖는 화학종이, 물질의 다른 상(예컨대 기체)을 갖는 다른 화학종의 이동(유동)에 반대하여 거스르는 방향 및 위치로 이동(유동)하는, 전기화학 전지 내부의 분자 수준 유동을 지칭한다. 서로 간섭하고 방해하는 데 있어서, 이러한 상쇄 다상류는, 극복하기 위해 에너지를 필요로 할 수 있는 비효율성을 야기할 수 있다.
'독립 경로 전지'는 전지 내에서 각각의 개별 액체상 및 기체상 반응물 및 생성물의 이동(유동)에 대해 개별적이고 독립적인 적어도 하나의 경로를 제공하는 기체-액체 전기화학 전지로서 정의되며, 여기서 이러한 경로들은 서로 간섭하거나 방해하지 않는다.
본원에서 '전극 압축' 또는 '전극 압력'은 개재된 다공성 모세관 스페이서의 서로 반대편에 있는 면에 대해 2개의 전극을 압축하는 압력을 의미한다. 이러한 압축은 전지 또는 전지 스택을 압축하는 타이 로드(tie rod) 상의 스프링 또는 와셔에 의해, 또는 전지 내에 장착된 스프링에 의해 전달될 수 있다.
'기체 모세관 구조'는, 모세관 효과를 이용하여 액체로부터 기체를 자발적으로 끌어당기고 기체 흡수와 관련된 측정 가능한 모세관 압력을 나타내는 구조이다. 기체 모세관 구조 내의 모세관 압력은, 반복 측정 및 계산이 10 mbar 초과의 모세관 압력을 재현 가능하게 생성하는 경우, '측정 가능한' 것으로 본원에서 정의된다.
'기체 취급 구조'는 기체 모세관 효과를 활용하지 않고도 기체의 이동을 촉진하는 물리적 특성을 가진 구조이다.
기체 확산 층 및 다공성 수송 층은, 전기공학의 다른 분야에서 사용될 수 있는 용어이다. '기체 확산 층' 및/또는 '다공성 수송 층' 및/또는 이러한 유형의 구조는, 액체로부터 기체를 자발적으로 끌어당기고 기체 흡수와 관련된 측정 가능한 모세관 압력을 나타내는 경우, '기체 모세관 구조'일 수 있음을 이해해야 한다. 이들은 전극으로 또는 전극으로부터 기체를 이동/수송하지는 않지만 이를 지원하는 경우, '기체 취급 구조'일 수 있다.
작동 중에, 인간의 눈을 사용하여 전극 표면의 적어도 일부에서 기포가 형성되는 것을 식별할 수 없는 경우에, 전극은 '무기포'(bubble-free)로 본원에서 정의된다.
전기-합성 전지의 '에너지 효율'은 화학 생성물의 단일 단위 산출량에 존재하는 순 에너지를, 화학 생성물의 그러한 동일한 단위 산출량을 생성하기 위해 전지에 의해 소비되는 순 에너지로 나눈 값으로서 본원에서 정의되며, 백분율로 표시된다. 전기-에너지 전지의 '에너지 효율'은 단위 시간당 전지에 의해 생성되는 에너지를, 단위 시간당 전지에 의해 생성될 수 있는 최대 이론적 에너지로 나눈 값으로 본원에서 정의되며, 백분율로 표시된다.
'기체 크로스오버'는 액체 전해질을 함유하는 다공성 모세관 스페이서의 제1 면 상의 제1 기체 본체의 일부가 다공성 모세관 스페이서를 통해 다공성 모세관 스페이서의 다른 면 상의 제2 기체 본체 내로 이동하는 현상이다. '벤치마크 기체 크로스오버'는, 전지가 실온 및 대기압에서 고정된 150 mA/cm2로 작동하는 조건 하에서 30분 후에, 제2 기체 본체에 존재하는 제1 기체의 부피를 제2 기체 본체의 부피로 나눈 값으로서 정의되며, 백분율로 표시된다.
바람직한 실시 형태의 전기-합성 또는 전기-에너지 전지
어떠한 전극과도 접촉하지 않는 별도의 저장소를 갖는 예시적인 전지
도 1은 바람직한 실시 형태의 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(10)의 구조를 개략적으로 도시한다. 바람직하게는, 전지(10)는 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지이다. 바람직하게는, 전지(10)는 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소(140); 저장소 외부에 위치한 제1 기체 확산 전극(120); 저장소 외부에 위치한 제2 전극(130); 및 제1 기체 확산 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에 위치하며, 저장소 내로 연장되는 단부를 갖는 다공성 모세관 스페이서(110)를 가지며; 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서(150)의 단부가 저장소(140) 내의 액체 전해질(100)과 액체 접촉할 때 액체 전해질(100)로 그 자체가 충전될 수 있다. 제1 전극(120), 다공성 모세관 스페이서(110), 및 제2 전극(130)의 조립체는 전지(10)의 '전극-스페이서-전극' 조립체(139)를 구성한다.
다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용을 사용하여 그 자체 내에서 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지할 수 있는 다공성 물질을 포함하며, 여기서 컬럼 높이를 형성하는 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 부피 내에 국한되며 모세관 압력을 표시한다. 대안적으로 '다공성 모세관 스페이서'는 다음과 같이 기술될 수 있음을 이해해야 한다: '다공성 스페이서', '다공성 전극 스페이서', '다공성 모세관 전극 스페이서', '유체 경로를 갖는 다공성 스페이서', '유체 경로를 갖는 다공성 전극 스페이서', '다공성 모세관 분리막', '다공성 분리막', '다공성 전극 분리막', '다공성 모세관 전극 분리막', '유체 경로를 갖는 다공성 분리막', 또는 '유체 경로를 갖는 다공성 전극 분리막'.
바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 단부는 저장소 내에 위치한다. 바람직하게는, 액체 전해질(100)을 수용하거나 수용할 수 있는 저장소(140)가 제공되며, 전해질-충전된 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150), 예컨대 원위 단부 (또는 동등하게 단부 부분 또는 원위 부분)는, 액체 전해질(100)을 수용할 수 있는 저장소(140) 내에 위치하며, 즉, 침지된다. 바람직하게는, 저장소는 액체 전해질로 충전되도록 구성되며 다공성 모세관 스페이서의 단부는 액체 전해질과 접촉하도록 구성된다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지한다. 바람직하게는, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 크다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 적어도 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서를 따라 액체 전해질을 수송하도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 적어도 모세관 작용에 의해 저장소로부터의 액체 전해질로 다공성 모세관 스페이서를 충전하는 것을 포함하도록 구성된다. 선택적으로, 전지는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내에 위치하기 전에 다공성 모세관 스페이서를 액체 전해질로 충전하는 것을 포함하도록 구성된다.
바람직하게는, 전지(10)는 저장소(140)가 액체 전해질을 수용할 때, 제1 기체 확산 전극(120)이 저장소(140) 내의 액체 전해질(100)로부터 분리되도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 전지(10)는 저장소(140)가 액체 전해질(100)을 수용할 때, 제2 전극(130)이 저장소(140) 내의 액체 전해질(100)과 분리되도록 추가로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 제1 기체 확산 전극(120) 및 제2 전극(130)은 저장소(140)로부터 이격된다. 즉, 바람직하게는 저장소(140) 내에 수용된 액체 전해질(100)은 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130) 중 어느 것과도 직접 접촉하지 않는다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서(110)와 제1 기체 확산 전극(120) 사이의 직접 접촉 영역이 저장소(140) 외부에 있고, 다공성 모세관 스페이서(110)와 제2 전극(130) 사이의 직접 접촉 영역이 저장소(140) 외부에 있다. 바람직하게는, 전지는 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송된 후의 액체 전해질과 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극의 접촉을 포함한다.
선택적으로, 그러나 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 넘어서 연장된다. 이러한 예에서, 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150)는 제1 전극(120)의 단부 (예컨대 제1 전극(120)의 원위 단부)를 지나서 그리고 제2 전극(130)의 단부 (예컨대 제2 전극(130)의 원위 단부)를 지나서 길이 방향으로 연장될 수 있어서, 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150)가 저장소(140)의 액체 전해질(100) 내로 연장된다. 저장소(140)는 액체 전해질(100)을 수용하기에 적합한 본체, 챔버, 탱크, 하우징, 파이프, 도관 등 내의 공동일 수 있다. 하나 이상의 저장소가 사용될 수 있으며 일례로 동일한 다공성 모세관 스페이서에 액체 전해질을 공급할 수 있다.
바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 제1 기체 확산 전극, 제2 전극 및 저장소 사이에 유체 경로를 제공하는 복수의 기공을 포함한다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 저장소에 유체적으로 연결된다. 바람직하게는, 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전된 상태로 유지된다.
선택적으로, 다공성 모세관 스페이서(110)는 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150)가 저장소(140) 내로 연장되기 전에 액체 전해질(100)로 충전된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 액체 전해질(100)이 저장소(140)로부터 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 먼저 수송된 후에만 제1 기체 확산 전극(120) 및 제2 전극(130)과 접촉하도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에 의해 덮이는 표면적이 다공성 모세관 스페이스에 면하는 제1 기체 확산 전극의 표면적과 적어도 동일하거나 그보다 크도록 구성된다. 바람직하게는, 제1 기체 확산 전극은 제1 기체를 생성하여 제1 기체 본체를 형성하도록 구성되고, 다공성 모세관 스페이서의 제1 면은 제1 기체 확산 전극의 제1 면에 인접하고, 다공성 모세관 스페이서의 제2 면은 제2 전극의 제1 면에 인접하고, 제1 기체 확산 전극의 제2 면은 제1 기체 본체에 인접한다.
전지, 예를 들어 전지(10)의 작동 중에, 분자 수준에서, 전기화학 반응에 의해 생성되거나 소비되는 액체상 물질은 전극의 반응 구역으로 또는 반응 구역으로부터, 액체 전해질 중에서, 전극간 스페이서 내부에서, 전극간 스페이서의 길이를 따라, 저장소로 또는 저장소로부터 자발적으로 이동한다. 즉, 액체상 반응물 및 생성물은 액체 전해질에서, 전극간 스페이서의 길이를 따라 저장소로 또는 저장소로부터 '평면 내'(in-plane) 이동을 수행한다. 액체상 물질은 액체 전해질에 존재하는 농도 차이에 의해 '자가-조절'되는 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 제어 하에서 그렇게 한다. 이러한 자가-조절된 이동의 결과로, 새로운 액체상 반응물을 저장소에 추가하여 액체상 반응물을 전지에 보충할 수 있고, 액체상 생성물을 저장소로부터 제거하여 전지로부터 제거할 수 있다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 전지 내 전기화학 반응의 액체상 반응물 또는 생성물이 다공성 모세관 스페이서 내부의 액체 전해질 내의 액체상 경로를 따르도록 구성된다. 바람직하게는, 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동을 촉진한다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서를 따라 액체 전해질을 수송하도록 구성된다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동은 액체상 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용의 제어 하에 있다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 전지가 다공성 모세관 스페이서 내에서 일어나는 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 자가-조절되도록 구성된다. 바람직하게는, 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절된다. 바람직하게는, 교차-평면 축 밖으로의 액체상 물질의 이동은 저장소 내의 액체 전해질의 조성에 의해 자가-조절된다. 바람직하게는, 액체상 모세관, 확산 및/또는 삼투 작용은 다공성 모세관 스페이서 내에서 작용하여:
(i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나; 또는
(ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거한다.
전지(10)는 선택적으로 액체-불투과성 및 기체-불투과성 외부 하우징(151)에 둘러싸일 수 있다. 외부 하우징(151)은 저장소(140)를 위한 입구/출구 또는 별도의 입구(들) 및 출구(들)(도시되지 않음)를 형성하는 액체 도관(152), 또는 하나 초과의 액체 도관(즉 적어도 하나의 외부 액체 도관(152)을 제공하는 외부 하우징(151))을 통합할 수 있어서, 전지 외부로부터의 보충 또는 과량의 액체상 반응물 및/또는 생성물, 및/또는 액체 전해질(100)의 유입 또는 유출을 가능하게 한다. 즉, 액체 전해질은, 반응의 관련 액체상 반응물 및/또는 생성물과 함께, 적어도 하나의 외부 액체 도관(152)을 통해 저장소(140) 안팎으로 수송된다. 액체 도관(152)은 보충 또는 과량의 액체상 반응물 및/또는 생성물, 또는 액체 전해질(100)을 함유할 수 있는 액체 저장 시스템(153), 바람직하게는 외부 액체 저장 시스템(153)에 직접 연결될 수 있거나 그와 직접 또는 간접 유체 연통할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 외부 액체 도관(152)은 액체 전해질(100) 및/또는 액체상 반응물 또는 생성물을 외부적으로 저장/공급/제거하기 위해 외부 액체 저장 시스템(153)과 직접 또는 간접 유체 연통한다. 바람직하게는, 전지는 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공한다. 바람직하게는, 전지는 전지를 위한 외부 하우징을 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하고, 액체 전해질이 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 저장소 안팎으로 수송된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 액체 전해질, 전지 내 전기화학 반응의 액체상 반응물 및/또는 생성물이 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 전지 안팎으로 수송되고 적어도 하나의 외부 액체 도관이 외부 액체 저장 시스템과 유체 연통하도록 구성된다.
저장소(140)는 다공성 모세관 스페이서(110)가 통과하는 개구(145)를 추가로 포함할 수 있다. 개구(145)는 슬릿, 갭, 오리피스 등일 수 있다. 저장소(140)는 함께 맞닿아 저장소(140)를 형성하는 2개의 반부, 예컨대 상이한 본체 내의 2개의 공동으로 형성될 수 있으며, 각각의 본체는 다공성 모세관 스페이서(110)가 통과하고 저장소(140) 내의 액체 전해질(100)과 액체 접촉하게 배치될 수 있는 오목부 또는 컷-아웃을 포함한다. 저장소(140)의 하우징 또는 벽은 저장소(140) 내의 액체 전해질(100)이 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)과 직접 접촉하는 것을 방지한다. 따라서, 상기에 언급된 바와 같이, 액체 전해질(100)은 액체 전해질(100)이 저장소(140)로부터 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 먼저 수송된 후에만 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 접촉할 수 있다. 다공성 모세관 스페이서(110)와 제1 전극(120) 사이의 직접 접촉 영역은 저장소(140) 외부에 있을 수 있다. 마찬가지로, 다공성 모세관 스페이서(110)와 제2 전극(130) 사이의 직접 접촉 영역은 저장소(140) 외부에 있을 수 있다. 일 양태에서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 저장소(140)로부터 이격된다. 일 양태에서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 저장소(140)로부터 물리적으로 분리된다. 일 양태에서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 저장소(140)에 대해 멀리 위치한다. 일 양태에서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 저장소(140)의 완전히 외부에 위치한다.
일례로, 저장소(140) 내의 액체 전해질(100)이 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 직접 접촉하는 것을 방지하는 데 도움을 주기 위해 선택적으로 추가 배리어 층(155)이 제공될 수 있다. 배리어 층(155)은 다공성 모세관 스페이서(110)가 통과하는 갭 또는 개구(145)를 포함한다. 배리어 층(155)은 저장소(140)의 일부로서 통합될 수 있거나 별개의 분리 층으로서 제공될 수 있다. 배리어 층(155)은 액체 전해질(100)에 불투과성인 물질로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 저장소는 다공성 모세관 스페이서가 통과하는 개구를 포함한다.
(i) 단일 개구, 슬릿, 갭 또는 오리피스(145) 등, 및/또는 (ii) 다공성 모세관 스페이서(110)로 완전히 충전된, 단일 개구만 포함하는 추가 배리어 층(155)의 존재의 결과로, 전지는 배향 효과에 영향을 받지 않거나 부분적으로 영향을 받지 않을 있을 수 있다. 즉, 전극에 가장 가까운 저장소의 단부에만 단일 개구가 존재하고 이러한 개구가 다공성 모세관 스페이서(110)로 충전되고, 저장소는 액체 전해질(100)로 대부분 충전된 경우, 예를 들어, 전지의 상부에 저장소를 두는 것을 포함하여 임의의 배향으로 전지를 성공적으로 작동시키는 것이 가능할 수 있다.
선택적으로, 제2 전극은 제2 기체 확산 전극이다. 바람직하게는, 제2 기체 확산 전극은 제2 기체를 생성하여 제2 기체 본체를 형성하도록 구성되고, 제2 기체 확산 전극의 제2 면은 제2 기체 본체에 인접한다. 바람직하게는, 제2 전극은, 제2 기체를 생성하고 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성된다. 따라서, 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 둘 모두가 기체 확산 전극인 예에서, 2가지 기체 본체, 즉, (제1 전극(120)과 관련된) 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체(125) 및 (제2 전극(130)과 관련된) 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체(135)는 바람직하게는 전해질-충전된 다공성 모세관 스페이서(110)의 서로 반대편에 있는 면 상에 존재한다. 다공성 모세관 스페이서(110)의 제1 면은 제1 전극(120)의 제1 면에 인접한다. 다공성 모세관 스페이서(110)의 제2 면은 제1 전극(130)의 제2 면에 인접한다. 제1 전극(120)의 제2 면은 제1 기체 본체(125)에 인접한다. 제2 전극(130)의 제2 면은 제2 기체 본체(135)에 인접한다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 제1 기체 확산 전극의 제2 면의 적어도 일부가 제1 기체 본체와 직접 기체상 접촉하고; 제2 기체 확산 전극의 제2 면의 적어도 일부가 제2 기체 본체와 직접 기체상 접촉하도록 구성된다. 즉, 제1 전극(120)의 제2 면의 적어도 일부는 제1 기체 본체(125)와 직접 기체상 접촉한다. 제2 전극(130)의 제2 면의 적어도 일부는 제2 기체 본체(135)와 직접 기체상 접촉한다.
분자 수준에서, 전기화학 반응에 의해 생성되거나 소비되는 기체상 물질은, 액체상 경로와 분리되며 그를 방해하지 않는 연속적인 기체상 경로를 따라 액체상 물질에 직각(90o) 방향으로 이동한다. 즉, 기체 분자 또는 원자는 각각의 거시적 기체 본체로/로부터 관련 계면(들)을 따라 기체 확산 전극(들) 및 전극간 스페이서로/로부터, 즉, 전극간 스페이서 내부의 또는 주변의 반응 구역 안팎으로 이동한다. 이들 계면은, 추가적으로, 기체 이동 속도를 조절하도록 엔지니어링될 수 있다 (예컨대 기체 모세관 또는 기체 취급 구조의 통합에 의해). 그러한 이동은 바람직하게는 각각의 전극을 각각의 기체 본체에 연결하는 연속적인 기체상 경로를 따라 모세관 및/또는 확산 제어 하에 발생한다. 이러한 이유로, 기체상 물질(반응물 또는 생성물)은 또한 자가-조절을 나타낸다. 각 기체의 이동 경로는 다른 기체의 이동 경로 또는 액체의 이동 경로와 겹치거나 그를 방해하지 않기 때문에, 기체 이동은 액체 이동의 자가-조절과는 별개로 독립적으로 자가-조절된다. 즉, 상이한 기체상 및 액체상 반응물 및 생성물은 각각 다른 반응물 및 생성물의 이동을 방해하지 않는 자체적인 자가-조절을 거친다.
바람직하게는, 기체 모세관 구조는 기체상 모세관 현상의 영향 하에 교차-평면 축 안팎으로의 기체의 이동을 촉진한다. 기체 모세관 구조의 예에는
i. 다공성 탈기 플레이트,
ii. 다공성 소수성 막, 및/또는
iii. 다공성 또는 좁은 기공 소수성 구조체 및/또는 다른 기체 모세관 구조가 포함되지만 이로 한정되지 않으며,
이들은 액체로부터 자발적으로 기체를 끌어당기고 기체 흡수와 관련된 측정 가능한 모세관 압력을 나타낸다.
바람직하게는, 기체 취급 구조는 교차-평면 축 안팎으로의 기체의 이동을 촉진한다. 기체 취급 구조의 예에는
(a) 예를 들어 다음을 함유하거나 포함하는, 표면 에너지가 낮은 표면 영역을 갖는 것들과 같이, 기체가 선택적으로 응집 및 이동하는 데 선호되는 물질 또는 구조:
1. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화 중합체, Nafion® 등과 같이 낮은 표면 에너지를 갖는 물질; 또는
2. 나노 규모 초소수성 구조 등과 같이 낮은 표면 에너지를 갖는 표면 구조;
또는
(b) 초친수성 또는 '초습윤' 물질 또는 구조와 같이, 합체된 기체의 분리를 조장하는 강한 혐기성 표면 영역을 갖는 물질 또는 구조를 포함하지만 이로 한정되지 않으며,
이들은 측정 가능한 모세관 압력을 갖는 기체 모세관 효과를 수반하지 않고 기체의 이동을 촉진하거나 가속화한다.
바람직하게는, 이러한 기체 모세관 구조 또는 기체 취급 구조 내에 존재하는 기체 본체들은 제1 기체 본체 또는 제2 기체 본체와 같은 인접한 기체 본체들이거나 그들과 근접하게 된다. 선택적으로, 이러한 기체 취급 구조 내에 존재하는 기체 본체들은 외부 기체 도관 및/또는 외부 기체 저장 시스템과 독립적으로 기체 연통한다.
바람직하게는, 전지는 적어도 부분적으로 제1 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한 기체 모세관 구조를 포함한다. 바람직하게는, 전지는 적어도 부분적으로 제1 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한 기체 취급 구조를 포함한다. 바람직하게는, 전지는 적어도 부분적으로 제2 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한 제2 기체 모세관 구조를 포함한다. 바람직하게는, 전지는 적어도 부분적으로 제2 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한 제2 기체 취급 구조를 포함한다. 바람직하게는, 전지는 제1 기체 확산 전극과 다공성 모세관 스페이서 사이에, 제1 기체 확산 전극 내에, 제1 기체 확산 전극에 또는 그 근처에, 및/또는 제1 기체 확산 전극의 일부에 위치하는 기체 취급 구조를 포함한다. 바람직하게는, 전지는 제2 기체 확산 전극과 다공성 모세관 스페이서 사이에, 제2 기체 확산 전극 내에, 제2 기체 확산 전극에 또는 그 근처에, 및/또는 제2 기체 확산 전극의 일부에 위치하는 제2 기체 취급 구조를 포함한다.
바람직하게는, 전지는, 작동 중에 제1 기체 본체의 제1 기체가 제1 기체 확산 전극으로의 제1 기체상 경로를 따르고 제1 기체상 경로가 액체상 경로와 분리되도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는, 작동 중에 제2 기체 본체의 제2 기체가 제2 기체 확산 전극으로의 제2 기체상 경로를 따르고 제2 기체상 경로가 액체상 경로와 분리되도록 구성된다. 바람직하게는, 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 물질 및 기체상 물질의 이동 경로는 상이하게 배향된다. 바람직하게는, 전지는, 작동 중에 근접한 기체상 경로가 교차-평면 축에서 제1 기체 확산 전극의 활성 표면과 제1 기체 본체 사이에 존재하여, 제1 기체 확산 전극의 활성 표면의 적어도 일부 상에서 제1 기체의 가시적인 기포가 생성되지 않도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 제1 기체 확산 전극의 적어도 일부 상에서 또는 제2 기체 확산 전극의 적어도 일부 상에서 기체의 기포가 보이지 않도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 두께가 0.125 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.11 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.10 mm 미만인 액체 전해질의 막으로 제1 기체 확산 전극이 덮이도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는, 작동 중에 근접한 기체상 경로가 교차-평면 축에서 제2 기체 확산 전극의 활성 표면과 제2 기체 본체 사이에 존재하여, 제2 기체 확산 전극의 활성 표면의 적어도 일부 상에서 제2 기체의 가시적인 기포가 생성되지 않도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 두께가 0.125 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.11 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.10 mm 미만인 액체 전해질의 막으로 제2 기체 확산 전극이 덮이도록 구성된다.
따라서, (제1 전극(120)과 관련된) 제1 기체는 제1 전극(120)에서 소비되는 반응물 또는 제1 전극(120)에 의해 생성되는 생성물일 수 있다. 전지의 작동 중에, 제1 기체 본체(125)는 제1 기체로 재충전될 필요가 있거나(반응물인 경우), 제1 기체는 제1 기체 본체(125)로부터 제거될 필요가 있을 것이다(생성물인 경우). (제2 전극(130)과 관련된) 제2 기체는 제2 전극(130)에서 소비되는 반응물 또는 제2 전극(130)에 의해 생성되는 생성물일 수 있다. 전지의 작동 중에, 제2 기체 본체(135)는 제2 기체로 재충전될 필요가 있거나(반응물인 경우), 제2 기체는 제2 기체 본체(135)로부터 제거될 필요가 있을 것이다(생성물인 경우).
제1 기체 본체(125) 내의 제1 기체는, 다양한 예에서, 외부 하우징(151)을 통과하는 하나 이상의 파이프, 하나 이상의 도관, 일반 기체 매니폴드, 챔버 등일 수 있는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관(127)에 의해 전지에 연결되고 기체 연통되거나, 전지 내에 수용되거나, 또는 전지 안팎으로 수송될 수 있다. 제2 기체 본체(135) 내의 제2 기체는, 다양한 예에서, 외부 하우징(151)을 통과하는 하나 이상의 파이프, 하나 이상의 도관, 일반 기체 매니폴드, 챔버 등일 수 있는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관(137)에 의해 전지에 연결되고 기체 연통되거나, 전지 내에 수용되거나, 또는 수송될 수 있다. 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관(127) 및/또는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관(137)은 적어도 하나의 외부 액체 도관(152)에 더하여 제공될 수 있거나, 적어도 하나의 외부 액체 도관(152) 없이 제공될 수 있거나, 포함되지 않을 수 있으며, 전지(10)는 적어도 하나의 외부 액체 도관(152)만을 포함할 수 있다. 외부 제1 기체 도관(127)은 제1 기체 저장 시스템(128), 바람직하게는 외부 제1 기체 저장 시스템(128)에 연결되거나 그와 기체 연통할 수 있다. 외부 제2 기체 도관(137)은 제2 기체 저장 시스템(138), 바람직하게는 외부 제2 기체 저장 시스템(138)에 연결되거나 그와 기체 연통할 수 있다. 외부 제1 기체 저장 시스템(128) 및 외부 제1 기체 도관(127), 즉 관련된 파이프, 도관, 매니폴드, 챔버는 제1 기체 본체(125) 내의 제1 기체가 제1 전극(120)에 인접한 영역으로 공급되거나 그로부터 제거되게 할 수 있다. 외부 제2 기체 저장 시스템(138) 및 외부 제2 기체 도관(137), 즉 관련된 파이프, 도관, 매니폴드, 챔버는 제2 기체 본체(135) 내의 제2 기체가 제2 전극(130)에 인접한 영역으로 공급되거나 그로부터 제거되게 할 수 있다. 즉, 외부 하우징(151)은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관(127)을 제공할 수 있고/있거나, 외부 하우징(151)은 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관(137)을 제공할 수 있다. 제1 기체(존재하는 경우)는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관(127)을 통해 제1 기체 본체(125) 안팎으로 수송될 수 있고/있거나, 제2 기체(존재하는 경우)는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관(137)을 통해 제2 기체 본체(135) 안팎으로 수송될 수 있다. 다시 말해, 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관(127)은 제1 기체를 외부적으로 저장하기 위해 외부 제1 기체 저장 시스템(128)과 기체 연통하고/하거나, 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관(137)은 제2 기체를 외부적으로 저장하기 위해 외부 제2 기체 저장 시스템(138)과 기체 연통한다.
일반적으로, 별도의 공급 시스템 및 별도의 제거 시스템이 외부적으로 전지(10)에 연결되어, 작동 중에 독립적으로 각각의 반응물을 전지에 공급하고 각각의 생성물을 전지(10)로부터 제거한다. 각각의 이러한 시스템은 바람직하게는 전지 내의 별도의 기체 본체 또는 액체 저장소로 반응물을 공급하거나 그로부터 생성물을 제거하며, 이는 결국 전지 내의 관련 전극으로 반응물을 공급하거나 그로부터 생성물을 제거한다.
바람직하게는, 전지는 외부 하우징을 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하고, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송된다. 바람직하게는, 외부 하우징은 제1 기체 본체와 기체 연통하는 적어도 하나의 외부 기체 도관을 제공한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관은 외부 제1 기체 저장 시스템과 기체 연통한다. 바람직하게는, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 추가로 제공하며, 작동 중에 제1 기체가 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되도록 구성된다. 바람직하게는, 전지를 위한 외부 하우징이 추가로 포함되며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하고, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송된다. 따라서, 예를 들어, 외부 제1 반응물 공급원(전지(10) 외부에 있음)은 하나 이상의 제1 반응물 파이프 또는 도관을 통해 제1 반응물을 제1 전극(120)에 공급한다. 선택적으로, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 추가로 제공하며, 작동 중에 제2 기체가 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송되도록 구성된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관은 외부 제2 기체 저장 시스템과 기체 연통한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 제공하는 외부 하우징이 추가로 포함되며, 제2 기체는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송된다. 선택적으로, 외부 제2 반응물 공급원은 하나 이상의 제2 반응물 파이프 또는 도관을 통해 제2 반응물을 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에 공급한다. 또한, 선택적으로, 외부 추가 반응물 공급원은 하나 이상의 추가 반응물 파이프 또는 도관을 통해 추가 반응물을 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에 공급한다. 또한, 예를 들어, 외부 제1 생성물 저장소 또는 스토어(전지(10)의 외부에 있음)는 하나 이상의 제1 생성물 또는 도관을 통해 제1 전극(120)에서 생성된 제1 생성물을 수용한다. 선택적으로, 외부 제2 생성물 저장소 또는 스토어는 하나 이상의 제2 생성물 파이프 또는 도관을 통해 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에서 생성된 제2 생성물을 수용한다. 또한, 선택적으로, 외부 추가 생성물 저장소 또는 스토어는 하나 이상의 추가 생성물 파이프 또는 도관을 통해 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에서 생성된 추가 생성물을 수용한다.
바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100) 및 액체 전해질(100)이 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지되게 하는 모세관 압력은 제1 기체 본체(125) 및 제2 기체 본체(135)를 분리하고, 제1 기체 본체(125) 및 제2 기체 본체(135)가 서로 물리적으로 접촉하는 것을 방지하거나, 적어도, 각각이 다른 것을 오염시키는 정도를 최소화한다. 일례로, 다공성 모세관 스페이서(110)는 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150)가 저장소(140) 내에 위치하기 전에 액체 전해질(100)로 충전된다. 또 다른 예에서, 액체 전해질(100)은 저장소(140)로부터 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 먼저 수송된 후에 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 접촉한다. 바람직하게는, 전지(10)의 작동 중에, 제1 전극(120)의 전부에 인접한 다공성 모세관 스페이서(110)의 적어도 일부 및 제2 전극(130)의 전부에 인접한 다공성 모세관 스페이서(110)의 적어도 일부는 액체 전해질(100)로 충전된 상태로 유지된다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서가 액체 전해질로 충전되는 경우, 다공성 모세관 스페이서는 제1 기체 본체가 제2 기체 본체와 혼합되는 것을 차단 또는 방해하도록 구성되고 2% 미만의 벤치마크 기체 크로스오버를 유지한다.
2개의 기체 본체(125 및 135)의 압력 및 액체 전해질(100)의 압력을 동등화하거나 가능한 한 가깝게 유지하기 위해, 파이프, 도관, 웰, 또는 챔버(149)가 저장소(140)의 상부 내에 통합될 수 있다. 이러한 파이프, 도관, 웰, 또는 챔버(149)는 각각의 기체 본체(125 및 135)와 저장소(140) 내의 액체 전해질 사이에 직접적인 계면을 제공하여, 압력이 동일하도록 보장할 수 있다. 바람직하게는, 파이프, 도관, 웰, 또는 챔버(149)는 저장소의 상부로부터 기체 본체(125 및 135) 내로 위로 어느 정도 상향으로 연장된다. 이것은 일시적인 압력 차이에 의해 저장소로부터 일시적으로 변위된 액체 전해질이 기체 본체(125 및 135)에 의해 점유된 기체 챔버 내로 넘칠 가능성을 최소화한다. 또한, 일부 액체 전해질이 기체 챔버 내로 넘치면, 이것은 저장소의 나머지 부분에 있는 액체 전해질로부터 물리적으로 연결이 끊기고 분리된다.
배타적이지는 않지만 바람직하게는, 전지는 작동 중에 제1 기체 본체가 3 bar 게이지 초과, 바람직하게는 4 bar 게이지 초과, 더 바람직하게는 5 bar 게이지 초과의 압력을 갖도록 구성된다. 배타적이지는 않지만 바람직하게는, 전지는 작동 중에 제2 기체 본체가 3 bar 게이지 초과의 압력을 갖도록 구성된다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 중 오직 하나만 기체 확산 전극인 예시적인 경우에, 제1 기체 본체(125) (제1 전극(120)이 GDE인 경우)이거나 제2 기체 본체(135) (제2 전극(130)이 GDE인 경우)인 오직 하나의 기체 본체만 존재할 수 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 각각 제1 전기 연결부(160) 및 제2 전기 연결부(170)에 의해 외부 전기 회로(180)에 연결된다. 제1 전기 연결부(160) 또는 제2 전기 연결부(170) 또는 외부 전기 회로(180) 자체는, 바람직하게는 기체- 및 액체-불투과성 속성을 손상시키지 않고서 외부 하우징(151)을 관통한다. 외부 전기 회로(180)는 전지(10)에 전기 에너지를 공급할 수 있다 (예컨대 전기-합성 전지의 경우에). 대안적으로, 전지(10)에 의해 생성된 전기 에너지는 외부 전기 회로(180)에 공급될 수 있다 (예컨대 전기-에너지 전지의 경우에).
예를 들어, 외부 회로는 작동 시, 제1 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. 전원 공급 장치의 많은 예가 구매가능하며, 이들 모두는 제1 전극과 제2 전극에 각각 개별적으로 연결될 수 있는 2개의 단자에 전압을 인가하는 데 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 외부 회로는 예를 들어 전기-에너지 전지의 전극에 부착될 때 수신된 전력을 조절하고 외부 전압을 생성하는 DC-AC 변환기와 같은 전력 수신 및 변조 장치를 포함할 수 있다. 전력 수신 장치의 많은 예가 구매가능하며, 이들 모두는 전기-에너지 전지의 제1 전극과 제2 전극에 개별적으로 단자가 연결될 때 외부 전압을 생성하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어 0.5 V 초과, 2 V 초과, 5 V 초과, 10 V 초과, 20 V 초과, 50 V 초과, 100 V 초과, 250 V 초과, 500 V 초과, 1000 V 초과, 5000 V 초과, 또는 10,000 V 초과의 전압 범위가 이러한 전원 공급 장치에 의해 인가되거나 이러한 전력 수신 장치에 의해 수신될 수 있다.
바람직하게는, 외부 회로는 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가 또는 생성할 수 있는 전원 공급 장치 또는 전력 수신 장치를 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태는 얇은, 다공성 모세관 스페이서(110) (두께 0.45 mm 미만)를 전극간 스페이서로서 이용하는 전기-합성 전지 또는 전기-에너지 전지를 포함한다. 바람직하게는, 전지는 제로-갭 전지이며, 다공성 모세관 스페이서는 두께가 0.45 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.30 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.13 mm 미만이다. 이러한 얇은, 다공성 모세관 스페이서(110)의 비제한적인 예는 Pall Corporation에 의해 공급되는, 평균 기공 직경이 8 μm인 얇은, 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터이다. 얇은, 다공성 물질은 모세관 효과를 이용하여 액체 전해질을 전극간 스페이서 내로 끌어당기고 유지한다. 2개의 전극이 전극간 스페이서의 서로 반대편에 있는 면에 대해 끼워진다. 적어도 하나 또는 둘 모두의 전극이 기체에 대해 다공성일 수 있으며, 즉 기체 확산 전극일 수 있다. 전극간 스페이서의 하부 단부는, 선택적으로, 전극으로부터 멀리 있을 수 있는 액체 전해질의 저장소에 침지될 수 있거나, 저장소는 2개의 전극 중 어느 하나 또는 둘 모두와 접촉할 수 있거나, 저장소는 다공성 모세관 스페이서에 완전히 통합될 수 있다. 2개의 전극이 모두 기체 확산 전극인 경우, 기체 확산 전극은 전극-스페이서-전극 조립체의 한쪽 또는 양쪽 면에서 기체 본체와 유체 접촉한다. 기체 본체 및/또는 저장소에 개별적으로 연결된, 밀봉된 (액체- 및/또는 기체-밀폐) 외부 도관 및 저장 부피는 전지의 작동 중에 반응물을 공급하고 생성물을 제거한다. 다른 예에서, 다공성 모세관 스페이서(110)는 두께가 0.35 mm 미만, 두께가 0.2 mm 미만, 두께가 0.1 mm 미만, 두께가 0.05 mm 미만, 또는 두께가 0.025 mm 미만이다.
바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과 및 400 μm 미만이다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 4 μm 초과 및 400 μm 미만, 6 μm 초과 및 400 μm 미만, 8 μm 초과 및 400 μm 미만, 10 μm 초과 및 400 μm 미만, 20 μm 초과 및 400 μm 미만, 또는 30 μm 초과 및 400 μm 미만이다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 또는 약 10 μm이다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 400 μm 미만이다. 선택적으로, 다공성 모세관 스페이서는 60% 초과 다공성, 바람직하게는 70% 초과 다공성, 가장 바람직하게는 80% 초과 다공성이다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는, 액체 전해질로 충전되고 이온 저항이 실온에서 140 mΩ cm2 미만이 되도록 구성된다. 바람직하게는, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극은 다공성 모세관 스페이서에 대해 2 bar 초과, 바람직하게는 3 bar 초과, 더 바람직하게는 4 bar 초과만큼 압축된다. 바람직하게는, 제1 기체 확산 전극 및 제2 기체 확산 전극은 다공성 모세관 스페이서에 대해 2 bar 초과, 바람직하게는 3 bar 초과, 더 바람직하게는 4 bar 초과만큼 압축된다. 바람직하게는, 액체 전해질은 수성이며, 다공성 모세관 스페이서가 액체 전해질로 충전될 때, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 8 cm 초과의 높이에서 분당 0.0014 g 초과의 물의 유량으로 유동한다.
바람직하게는, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극 각각은 기하학적 표면적이 10 cm2 이상인 면을 갖는다. 바람직하게는, 제1 기체 확산 전극은 금속 메시(metallic mesh), 금속 폼(metallic foam) 및/또는 금속 천공판을 포함한다. 바람직하게는, 제2 기체 확산 전극은 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함한다. 바람직하게는, 전지는 1 Amp 이상, 바람직하게는 1.5 Amp 이상, 더 바람직하게는 2 Amp 이상, 더 바람직하게는 2.5 Amp 이상의, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 통한 전류를 사용하여 작동한다. 바람직하게는, 전지는 적어도 24시간 동안 연속적으로 작동된다.
이러한 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 무기한의 시간 동안 계속적으로 또는 연속적으로 작동하기 위해서, 얇은 다공성 모세관 스페이서(110)는 바람직하게는 다른 요인들 중에서도,
i) 액체 전해질을 끌어당기고 액체 전해질로 완전히 충전된 상태로 유지하여, 전지의 상부까지 연장되는 다공성 모세관 스페이서 내에서 액체 전해질의 컬럼 높이를 유지할 수 있고;
ii) 바람직하게는 항상 그리고 모든 작동 조건 하에서 전기화학 반응을 지속하기에 충분한 유량의 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 내에 제공할 수 있고;
iii) 모든 작동 조건 하에서 반응을 위해 전극을 적절하게 적시기에 충분한 충분한 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서와 전극의 계면에서 방출할 수 있다.
바람직하게는, 전지는 전기-합성 전지이고 전기화학 반응은 전기-합성 전지의 외부로 수송되는 화학 생성물을 생성한다. 바람직하게는, 전지는 전기-에너지 전지이고 전기화학 반응은 전기-에너지 전지의 외부로 수송되는 에너지를 생성한다.
액체상 및 기체상 이동 경로 둘 모두가 자가-조절되기 때문에, 전지는 외부 관리 없이 연속적으로 작동할 수 있다. 이는 전형적으로 능동적 관리가 필요할 수 있는 많은 통상적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에 비해 중요한 이점을 구성한다.
저장소 액체가 전극과 직접 접촉하는 예시적인 전지
또 다른 실시 형태의 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(20)가 도 2에 개략적으로 도시된다. 전지(20)는 전극에 가장 가까운 저장소의 벽이 존재하지 않을 수 있고 저장소와 전극 사이에 배리어(155)가 없을 수 있는 한 전지(10)와 상이하다. 따라서 저장소 내의 액체(100)는 하나 또는 둘 모두의 전극(120 또는 130)과 직접 접촉할 수 있다. 접촉의 정도는 비교적 작을 수 있거나(예컨대, 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 전극 외부면 면적의 5 내지 10%) 비교적 클 수 있다(예컨대, 도 2의 B에 도시된 바와 같이, 전극 외부면 면적의 50 내지 70%). 그러나, 액체 전해질과 전극 사이의 접촉의 정도는 고정될 수 있거나, 전지의 작동 중에 빠르거나 느리게, 일시적으로, 또는 영구적으로 변할 수 있으며, A 및 B의 특정 값은 0% 내지 100%(종점 포함) 사이의 어느 것일 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
선택적으로, A 및/또는 B의 값은 작다. 바람직하게는, 저장소가 액체 전해질을 수용할 때, 제1 기체 확산 전극이 저장소의 에지에서 액체 전해질과 접촉하도록 전지가 구성된다. 바람직하게는, 저장소가 액체 전해질을 수용할 때, 제2 전극이 저장소의 에지에서 액체 전해질과 접촉하도록 구성된다. 다른 측면에서, 전지(20)는 도 1의 전지(10)와 동일한 특성 및 특징을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 전지(20)는 도 1의 전지(10)의 구성요소와 동일한 특성 및 특징을 갖는 하나 이상의 동일한 구성요소를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 예시적인 실시 형태의 전지에서, 기체 본체(125 및 135)는 도 2에 도시된 실시 형태보다, 각각, 전극(120, 130)의 외부면 면적의 작은 비율에 인접하고 접촉할 수 있다. 예를 들어, 접촉의 정도는 비교적 작을 수 있거나(예컨대, 도 2의 기체 본체(135)에 대해 도시된 바와 같이, 전극 외부면 면적의 30 내지 50%) 비교적 클 수 있다(예컨대, 도 2의 기체 본체(125)에 대해 도시된 바와 같이, 전극 외부면 면적의 90 내지 95%). 그러나, 이러한 값은 고정될 수 있거나, 전지의 작동 중에 빠르거나 느리게, 일시적으로, 또는 영구적으로 변할 수 있으며, 특정 값은 0% 내지 100%(종점 포함) 사이의 어느 것일 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
전극(120 또는 130)과 그의 기체 본체(125 및 135) 사이의 더 낮은 접촉 비율에도 불구하고, 바람직한 실시 형태의 많은 특징 및 이점이 여전히 완전히 또는 부분적으로 적용될 수 있다.
더욱이, 이러한 부류의 예시적인 실시 형태의 전지(즉, 전지(20))는 덜 일반적이거나 다른 바람직한 실시 형태의 전지에서는 관찰되지 않는 특징 및 이점을 제공할 수 있다. 이들은 예를 들어 전지(20) 내의 상대적인 액체 수준의 물리적 변동; 즉, A와 B의 상대적인 값의 변동을 위한 능력을 포함한다. 전지 내의 상대적인 액체 수준의 이러한 변화는 다음을 허용할 수 있다:
(i) 새로운 A 및/또는 B 값으로의 액체의 보상 이동에 의한 기체 본체(125 및 135) 내의 기체 압력의 빠르고 자발적인 동등화(이에 의해 125와 135 사이의 임의의 압력 차이를 제거함);
(ii) 항상 액체 전해질로 완전히 충전된 다공성 모세관 스페이서(110)의 개선된 유지 보수; 및/또는
(iii)작동 중에 완전히 젖은 전극의 개선된 유지 관리.
또한, 전극이 액체 전해질과 물리적으로 접촉할 수 있다는 사실은 다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관 현상을 돕기 위해 전극에서의 모세관 현상이 사용될 수 있음을 의미한다. 즉, 전극에서의 모세관 현상을 활용하여 액체 전해질을 전극에 또는 전극들 사이에 있는 반응 구역까지 이동시킬 수 있다. 실제로, 액체 전해질은 전극의 모세관을 따라 다공성 모세관 스페이서(110) 또는 전극(120 또는 130)으로 위로 이동하도록 유도되어 다음을 유지하는 데 도움이 될 수 있다:
(i) 전지의 높은 위치를 포함하여 항상 그리고 모든 위치에서 액체 전해질로 충전된 다공성 모세관 스페이서(110); 및/또는
(ii) 전지의 높은 위치를 포함하여 항상 그리고 모든 위치에서 작동 중에 완전히 젖은 전극.
물론, 전극 상에서 및 전극 위로 액체 전해질의 모세관-유도 이동은 전형적으로 전극(120 또는 130) 및 기체 본체(125 또는 135) 사이의 기체 이동을 방해하고 심지어 차단할 수 있다. 이것은 전지(20)의 에너지 효율을 감소시킬 수 있다. 그러나 그러한 이동이 전극의 표면을 따라 이동하는 액체 전해질의 매우 얇은 층만을 포함하도록 구성되는 경우, 기체 이동을 방해하지 않을 수 있음이 발견되었다. 즉, 액체 전해질의 모세관-유도 수송이 전극과 그의 기공의 플러딩을 방지하도록 엔지니어링될 수 있는 경우, 액체 전해질을 반응 구역으로 수송하는 유익하고 간섭 없는 대안적 방법을 제공할 수 있으며, 이는 또한 자가-조절된다.
바람직하게는, 전지는 작동 중에 두께가 0.125 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.11 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.10 mm 미만인 액체 전해질의 막으로 제1 기체 확산 전극이 덮이도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 작동 중에 두께가 0.125 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.11 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.10 mm 미만인 액체 전해질의 막으로 제2 기체 확산 전극이 덮이도록 구성된다.
다공성 모세관 스페이서 내에 통합된 저장소를 갖는 예시적인 전지
도 3은 저장소가 다공성 모세관 스페이서(110) 자체 내에 통합되어 다공성 모세관 스페이서로부터 뚜렷하게 분리된 액체 저장소가 식별 불가능한 대안적인 실시 형태의 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(30)를 도시한다.
전지(30)는, 예를 들어, 반응물 및 생성물이 순수하게 기체상 물질이고 액체 전해질이 소비되거나 생성되지 않는 경우에, 또는 전기화학 반응에 의해 어떠한 식으로든 영향을 받지 않는 경우에 사용될 수 있다. 예를 들어, "이온성 액체"와 같이, 예를 들어, 희소하거나 고가이거나 이국적이며 쉽게 증발하지 않는 액체 전해질이 사용될 수 있다. 그러한 경우에 저장소의 크기를 최소화하고 저장소를 다공성 모세관 스페이서(110)에 통합함으로써, 존재하는 액체 전해질의 양을 최소화하는 것이 가장 실행 가능할 수 있다.
생성된 전지(30)는 현재 산업 규모에서 수행할 수 없는 새로운 전기화학 반응을 실행 가능하게 촉진할 수 있다. 극소량의 희소하거나 고가이거나 이국적인 액체 전해질을 사용하여 전기-에너지 또는 전기-합성 변환을 용이하게 하는 능력은 현재 그러한 전해질을 사용해서만 수행될 수 있는 새로운 전기화학 반응인 산업 생산에 이용될 수 있다. 기체상 반응물 및/또는 생성물은 외부 파이프(127, 137a 및/또는 137b)를 통해, 제1 기체 저장 시스템(128), 제2 기체 저장 시스템(138a) 및/또는 제3 기체 저장 시스템(138b)으로/으로부터, 기체 본체(125 및/또는 135)로 제공되거나 그로부터 제거될 수 있다. 반응물을 도입하고/하거나 생성물을 전지로부터 제거하기 위해 기체 본체(이러한 예시된 경우에 135)를 통해 기체가 순환되는 경우를 예시하는 도 3에는 2개의 기체 저장 시스템(제2 기체 저장 시스템(138a) 및 제3 기체 저장 시스템(138b))이 도시되어 있다.
희소하거나 고가이거나 이색적이며 쉽게 증발하지 않는, 예를 들어 "이온성 액체"의 사용은 도 3에 도시된 전지 구조에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 그러한 전해질은 임의의 예시적인 실시 형태의 전지에 사용될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시 형태에서, 다공성 모세관 스페이서(110)는 수성 액체 전해질로 충전되고 저장소는 그 안에 완전히 통합된다. 이 경우에, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 수성 전해질은 기체 본체(125 및/또는 135)로/로부터 수증기를 도입하거나 제거함으로써 보충되거나 유지될 수 있으며, 이러한 수증기의 일부는 다공성 모세관 스페이서(110)에서 응축되거나 그로부터 증발한다.
앞서 언급된 바와 같이, 액체상 물질을 보충하거나 유지하기 위해 전극간 분리막 내에서 물과 같은 기체상 증기를 사용하는 것은 전형적으로 각각 전극(120 또는 130)과 기체 본체(125 또는 135) 사이의 기체상 반응물 또는 생성물의 이동을 방해하거나 심지어 차단한다. 이것은 전지의 에너지 효율을 감소시킬 수 있다.
그러나, 모세관력에 의해 스페이서 내에 유지되는 액체 전해질로 충전된 다공성 모세관 스페이서(110)가 전극간 분리막으로서 이용되는 경우에는, 상황이 다를 수 있음이 발견되었다. (전극으로/로부터 기체 반응물 또는 생성물의) 존재하는 다른 기체상 경로를 방해하지 않고서 하나 또는 둘 모두의 기체 본체(즉 제1 기체 본체(125) 및/또는 제2 기체 본체(135))로부터 수증기를 도입하거나 제거함으로써 액체 전해질을 보충하거나 유지하는 것이 가능할 수 있다. 작동 시, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 가로질러 전압이 인가될 수 있거나, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 가로질러 전압이 생성될 수 있다.
즉, 일부 상황에서는 전극으로/으로부터의 기체 반응물 또는 생성물의 기체상 경로를 간섭하거나 방해하지 않는 기체상 경로가 액체상 전해질을 보충하거나 유지하기 위해 생성될 수 있다.
이는 특히 다공성 모세관 스페이서(110)를 전극간 분리막으로 사용하는 경우, 액체 전해질의 근접한 본체가 다공성 모세관 스페이서 내에 국한될 수 있기 때문에 가능할 수 있다. 액체 전해질의 이러한 근접한 국한된 본체는 다른 전극간 분리막에는 존재하지 않을 수 있다. 수증기는 바람직하게는 이러한 액체의 이러한 근접한 본체에서 응축되거나 그로부터 증발할 수 있다. 더욱이, 그러한 액체의 본체는 모세관력에 의해 스페이서 내에 유지되어, 액체의 본체에서 응축되는 임의의 수증기가 모세관력에 의해 스페이서(110)에 국한되게 하여, 수증기가 플러딩하거나 기체 반응물/생성물이 전극에 접근하지 못하게 차단하지 않도록 보장한다.
바람직하게는, 전지는 작동 중에 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질이 전지 내의 액체 전해질의 유일한 근접한 본체를 포함하도록 구성된다. 바람직하게는, 전지는 외부 액체 도관을 포함하지 않으며, 액체 전해질 및/또는 액체상 반응물 및/또는 생성물이, 기체 스트림 내의 증기의 형태로 전지 안팎으로 수송되도록 구성되고, 증기는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에서 응축되거나 그로부터 증발한다. 바람직하게는, 전지는 외부 액체 도관이 존재하지 않으며 액체 전해질 및/또는 액체상 반응물 및/또는 생성물은 기체 스트림 내의 증기의 형태로 전지 안팎으로 수송되는 것을 추가로 포함한다. 바람직하게는, 저장소는 다공성 모세관 스페이서의 일부로서 통합되고 증기는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에서 응축되거나 그로부터 증발한다.
다른 측면에서, 전지(30)는 도 1의 전지(10) 또는 도 2의 전지(20)와 동일한 특성 및 특징을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 전지(30)는 도 1의 전지(10) 또는 도 2의 전지(20)의 구성요소와 동일한 특성 및 특징을 갖는 하나 이상의 동일한 구성요소를 가질 수 있다.
추가의 예시적인 실시 형태
상기 예시적인 실시 형태를 넘어, 전지 구조의 다양한 다른 예시적인 실시 형태가 이용될 수 있다. 여기에는 본 명세서에 설명된 다른 구조가 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지; 및 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에 전기적으로 연결된 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공된다. 각각의 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 저장소 외부에 위치한 제1 기체 확산 전극; 저장소 외부에 위치한 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하며, 저장소 내로 연장되는 단부를 갖는 다공성 모세관 스페이서를 포함하며; 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내의 액체 전해질과 액체 접촉할 때 액체 전해질로 그 자체가 충전될 수 있다.
바람직하게는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택 내에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 본원에 기술된 바와 같은 예시적인 실시 형태의 전지이고, 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 본원에 기술된 바와 같은 예시적인 실시 형태의 전지이다. 바람직하게는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 전술한 스택 내에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 직렬로 연결된다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 여기서, 전지는 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 저장소 외부에 위치한 제1 기체 확산 전극; 저장소 외부에 위치한 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하며, 저장소 내로 연장되는 단부를 갖는 다공성 모세관 스페이서를 포함하며; 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내의 액체 전해질과 액체 접촉할 때 액체 전해질로 그 자체가 충전될 수 있고, 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택을 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은 각각의 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 액체 전해질로 충전되도록 구성되고 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 수전해 전지가 제공되며; 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과이다.
추가의 예에서, 복수의 전술한 전지를 포함하여 복수의 전지가 전기적으로 연결된 수전해 다중-전지 스택이 제공된다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 제1 전기-합성 수전해 전지; 및 제1 전기-합성 수전해 전지에 전기적으로 연결된 제2 전기-합성 수전해 전지를 포함하는 전기-합성 수전해 전지의 스택이 제공된다. 각각의 전기-합성 수전해 전지는, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 액체 전해질로 충전되도록 구성되고 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 다공성 모세관 스페이서를 포함하며; 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과이다.
바람직하게는, 전기-합성 수전해 전지의 스택 내에서, 제1 전기-합성 수전해 전지는 본원에 기술된 바와 같은 예시적인 실시 형태의 전지이고, 제2 전기-합성 수전해 전지는 본원에 기술된 바와 같은 예시적인 실시 형태의 전지이다. 바람직하게는, 전기-합성 수전해 전지의 스택 내에서, 제1 전기-합성 수전해 전지 및 제2 전기-합성 수전해 전지는 직렬로 연결된다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 수전해 전지를 작동시켜 수전해를 수행하는 방법이 제공되며, 여기서, 전지는, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 액체 전해질로 충전되도록 구성되고 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 다공성 모세관 스페이서를 포함하며; 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과이고, 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 수전해 전지를 작동시켜 수전해를 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 수전해 전지의 스택을 작동시켜 수전해를 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은 각각의 제1 전기-합성 수전해 전지 및 제2 전기-합성 수전해 전지의 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 실시 형태에서, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 기체를 생성하고, 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제2 기체 확산 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공되며, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전되고 모세관 효과에 의해 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 내에 국한시켜 액체 전해질이 0.4 cm 초과의 최대 컬럼 높이를 갖도록 구성된다.
선택적으로, 전지는 액체 전해질을 수용하고 작동 중에 다공성 모세관 스페이서 아래에 있도록 구성된 저장소를 포함할 수 있으며, 다공성 모세관 스페이서의 적어도 원위 단부는 저장소 내의 액체 전해질과 접촉한다. 바람직하게는, 액체 전해질은 최대 컬럼 높이가 0.4 cm 초과이다.
추가의 예에서, 복수의 전지를 포함하여 복수의 전지가 전기적으로 연결된 전기-합성 또는 전기-에너지 다중-전지 스택이 제공된다.
추가의 예에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지; 및 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에 전기적으로 연결된 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공된다. 각각의 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제1 기체를 생성하고, 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제2 기체 확산 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하며, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전되고 모세관 효과에 의해 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 내에 국한시켜 액체 전해질이 0.4 cm 초과의 최대 컬럼 높이를 갖도록 구성된다.
추가의 예에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 본원에 기술된 바와 같은 예시적인 실시 형태의 전지이고, 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 본원에 기술된 바와 같은 예시적인 실시 형태의 전지인, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공된다.
추가의 예에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 직렬로 연결된, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공된다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 전지는, 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 기체를 생성하고, 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제2 기체 확산 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하고; 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전되고 모세관 효과에 의해 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 내에 국한시켜 액체 전해질이 0.4 cm 초과의 최대 컬럼 높이를 갖도록 구성되고, 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극을 가로질러 전압을 생성하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택을 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은 각각의 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공된다. 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하고, 다공성 모세관 스페이서는 단부가 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉한다. 이 방법은 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 액체 전해질과 접촉시키는 단계; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하거나 생성하는 단계를 포함한다.
추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 질소 및 수소로부터 암모니아를 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 암모니아 및 산소로부터 전기를 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 암모니아로부터 수소 및 질소를 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 NOX를 반응물로서 사용한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 염수로부터 염소, 수소 및 가성 물질(Caustic)을 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 염수로부터 염소 및 가성 물질을 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 염산으로부터 염소 및 수소를 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 물로부터 수소 및 산소를 생성한다. 추가의 예시적인 양태에서, 전기화학 반응은 수소를 함유하는 기체 혼합물로부터 순수한 수소를 추출한다.
추가의 예에서, 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공되며, 다공성 모세관 스페이서는 단부가 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉하고, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 본원에 기술된 바와 같은 임의의 예시적인 방법에 따라 작동하도록 구성된다.
추가의 예에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지; 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공된다.
추가의 예시적인 양태에서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 직렬로 연결된, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택이 제공된다.
추가의 예시적인 양태에서, 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지가 제공된다. 배타적이지는 않지만 바람직하게는, 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서(바람직하게는 이들 각각은 두께가 0.45 mm 미만임)를 포함하는 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 각각의 다공성 모세관 스페이서의 단부가 침지되는 액체 전해질(들)의 2개 이상의 저장소로부터 모세관력에 의해 액체 전해질이 연속적으로 끌어당겨지고 유지된다.
추가의 예시적인 양태에서, 액체 전해질을 수용하도록 구성된 2개 이상의 저장소를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공되며, 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서 각각의 원위 단부는 2개 이상의 저장소 중 하나에 위치한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 저장소는 삼투 효과를 생성하거나 이용하거나 활용하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 삼투 효과는 전기화학 반응 동안 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 최대 컬럼 높이를 증폭시키고/시키거나 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 성분들의 유량을 증폭시킨다.
바람직하게는, 저장소는 제1 액체를 수용하도록 구성된 제1 부피, 제2 액체를 수용하도록 구성된 제2 부피, 및 제1 부피와 제2 부피를 분리하는 반투과성 막을 포함한다. 선택적으로, 다공성 모세관 스페이서의 원위 단부는 작동 중에 제1 액체가 액체 전해질이고 제2 액체가 제1 액체와 상이하도록 구성된 제1 부피 내에 위치한다.
또 다른 예시적인 양태에서, 작동 중에 복수의 전지 각각의 제2 액체가 복수의 전지 각각의 제2 부피에 연결된 공통 공급 또는 제거 파이프를 통해 액체 연통하도록 구성된, 복수의 전지를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 다중-전지 스택이 제공된다.
추가의 예시적인 양태에서, 다공성 모세관 스페이서가 적어도 부분적으로 다음을 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 구성된 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공된다: PVDF, PTFE, 테트라플루오로에틸렌, 플루오르화 중합체, 폴리이미드, 폴리아미드, 나일론, 질소-함유 물질, 유리 섬유, 규소-함유 물질, 폴리비닐 클로라이드, 클로라이드-함유 중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트, 셀로판, 에틸-셀룰로오스, 셀룰로오스-함유 물질, 폴리카르보네이트, 카르보네이트-함유 물질, 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리페닐술폰, 술폰-함유 물질, 폴리페닐렌 술피드, 술피드-함유 물질, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리올레핀, 올레핀-함유 물질, 석면, 티타늄-기반 세라믹, 지르코늄-기반 세라믹, 세라믹 물질, 폴리비닐 클로라이드, 비닐-기반 물질, 고무, 다공성 배터리 분리막, 및 점토.
추가적인 실시 형태
또 다른 예시적인 양태에서, 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공되며, 전지는 다음 요소들을 포함한다:
(1) 두께가 0.45 mm 미만(다른 예에서, 두께가 0.30 mm 미만, 또는 두께가 0.13 mm 미만)인 다공성 모세관 스페이서의 서로 반대편에 있는 면에 대해 끼워진, 2개의 전극 (이들 중 적어도 하나는 기체에 다공성(즉 기체 확산 전극)임)
(2) 다공성 모세관 스페이서 내로 끌어당겨지고 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내에 연속적으로 유지되는 액체 전해질을 함유하는 다공성 모세관 스페이서;
(3) 선택적으로, 상기 (1) 및 (2)에 기술된 전극-스페이서-전극 조립체로부터 선택적으로 분리되거나 이격된 다공성 모세관 스페이서의 단부는 액체 전해질의 저장소에 침지되거나 그렇지 않으면 그와 액체 접촉한다. 선택적으로, 다공성 모세관 스페이서는 자체가 저장소이거나, 저장소를 통합한다;
(4) 전극-스페이서-전극 조립체의 한쪽 또는 양쪽 면 상의 하나 이상의 기체 본체 (선택적으로 하나 이상의 기체 본체는 액체 전해질의 저장소로부터 분리되고, 하나 이상의 기체 본체는 각각의 전극과 기체 연통한다);
(5) 전지의 작동 중에 반응물을 공급하고 생성물을 제거하기 위한, 제1 기체 본체 및/또는 제2 기체 본체 및/또는 저장소에 개별적으로 연결된, 밀봉된 (액체- 및/또는 기체-밀폐) 외부 도관 및 저장 부피.
바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서는 다공성 물질로 형성되거나 그를 포함한다. 바람직하게는, 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지한다. 바람직하게는, 최대 컬럼 높이는 다공성 모세관 스페이서에 대해 끼워진 전극들 중 하나 또는 둘 모두의 높이를 초과한다. 바람직하게는, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 크다. 바람직하게는, 최대 컬럼 높이는 전지의 상부의 높이를 초과한다. 바람직하게는, 컬럼 높이를 형성하는 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 부피 내에 국한된다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 전지의 전체 에지까지 연장된다. 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 제1 기체 본체가 제2 기체 본체와 혼합되는 것을 차단하거나 방해한다.
바람직하게는, 전지 내 전기화학 반응의 액체상 반응물 또는 생성물은 다공성 모세관 스페이서 내부의 액체 전해질 내의 액체상 경로를 따른다. 바람직하게는, 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 액체상 모세관 작용 및/또는 확산 및/또는 삼투 작용의 영향 및 제어 하에, 액체 전해질의 저장소로 또는 그로부터, 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따라 '평면내(in-plane)' 이동에 의해 액체상 물질의 이동을 촉진한다. 선택적으로, 적어도 하나의 전극은 액체상 모세관 작용의 영향 및 제어 하에 전극 표면을 따라 및/또는 그 위로 액체 전해질의 박막의 이동을 촉진한다. 바람직하게는, 제1 기체 본체의 제1 기체는 제1 기체 확산 전극으로의 제1 기체상 경로를 따르고 제1 기체상 경로는 액체상 경로와 분리된다. 바람직하게는, 제2 기체 본체의 제2 기체는 제2 기체 확산 전극으로의 제2 기체상 경로를 따르고 제2 기체상 경로는 액체상 경로와 분리된다.
바람직하게는, 전기화학 반응 동안, 액체상 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 작용은 전해질-충전된 다공성 모세관 스페이서 내에서 작용하여: (i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나, 또는 (ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거하거나, 또는 (iii) 그렇지 않으면 직접적으로 또는 지엽적으로 전기화학 반응과 관여하는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 도입/제거한다. 즉, 바람직하게는, 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절된다. 선택적으로, 전기화학 반응 동안, 액체 전해질의 박막이 전극의 표면 상에서 이동하는 것과 관련된 액체상 모세관 작용이 작용하여: (i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나, 또는 (ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거하거나, 또는 (iii) 그렇지 않으면 직접적으로 또는 지엽적으로 전기화학 반응과 관여하는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 도입/제거한다. 즉, 바람직하게는, 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절된다.
바람직하게는, 전기화학 반응 동안, 전술한 액체상 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내에서 유도되는 유량은 전기화학 반응을 지속하기에 충분하다. 선택적으로, 전기화학 반응 동안, 액체 전해질의 박막이 전극의 표면 상에서 이동하는 것과 관련된 액체상 모세관 작용의 유량은 전기화학 반응을 지속하기에 충분하다.
또 다른 비제한적인 예시적인 양태는 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 사용한 화학 생성물 또는 전력의 전기-생산 방법을 제공하며, 이 방법은 다음을 포함한다:
(1) 2개의 전극(이들 중 적어도 하나는 기체에 다공성(즉 기체 확산 전극)임)을 끼우는 단계를 포함하며,
(2) 2개의 전극은 (두께가 0.45 mm 미만인) 다공성 모세관 스페이서의 서로 반대편에 있는 면에 대해 끼워지고,
(3) 다공성 모세관 스페이서는 모세관력에 의해 연속적으로 끌어당겨지고 유지되는 액체 전해질을 내부에 수용하고,
(4) 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 단부가 침지된 액체 전해질의 저장소로부터 끌어당겨지고 유지되거나, 또는, 대안적으로,
다공성 모세관 스페이서는 저장소를 통합하거나, 저장소가 없고 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질이 전지 내의 유일한 근접한 액체를 포함하고,
여기서,
(5) 기체 본체는 전극-스페이서-전극 조립체의 한쪽 또는 양쪽 면에 존재하고,
(6) 전기화학 반응에 관여하는 액체상 물질은 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투력의 영향 및 제어 하에 저장소/본체로 또는 그로부터, 다공성 모세관 스페이서 내에서, 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따라 '평면내' 이동에 의해 이동하고/하거나,
전기화학 반응에 관여하는 액체상 물질은 모세관의 영향 및 제어 하에, 저장소/본체로 또는 그로부터, 적어도 하나의 전극의 표면 상의 박막에서 이동하고,
(7) 전지의 작동 중에, 제1 기체 본체 및/또는 제2 기체 본체 및/또는 저장소에 개별적으로 연결되는 외부 도관 및 저장 부피를 통해 반응물은 전지의 외부로부터 지속적으로 공급/보충되고 생성물은 전지의 외부로 지속적으로 제거된다.
특징들의 조합
다양한 비제한적인 예시적인 실시 형태에 따르면, 다음의 요점들은 다양한 예시적인 전지, 다중-전지 스택, 시스템 및/또는 예시적인 작동 방법을 제공하는 특징들의 조합을 개시한다.
1. 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지.
2. 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내의 액체 전해질과 액체 접촉할 때 액체 전해질로 그 자체가 충전될 수 있는, 요점 1의 전지.
3. 제1 기체 확산 전극은 저장소 외부에 위치하는, 임의의 선행 요점의 전지.
4. 제2 전극은 저장소 외부에 위치하는, 임의의 선행 요점의 전지.
5. 전지는 전기-합성 수전해 전지인, 임의의 선행 요점의 전지.
6. 제1 기체 확산 전극은 제1 기체 본체와 직접 접촉하는, 임의의 선행 요점의 전지.
7. 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전되는, 임의의 선행 요점의 전지.
8. 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과인, 임의의 선행 요점의 전지.
9. 제1 기체 확산 전극은 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접한, 임의의 선행 요점의 전지.
10. 제2 기체 확산 전극은 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접한, 임의의 선행 요점의 전지.
11. 액체 전해질은 모세관 효과에 의해 다공성 모세관 스페이서 내에 국한되고 액체 전해질은 최대 컬럼 높이가 0.4 cm 초과인, 임의의 선행 요점의 전지.
12. 액체 전해질을 수용하기 위한 저장소; 저장소 외부에 위치한 제1 기체 확산 전극; 저장소 외부에 위치한 제2 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하며, 저장소 내로 연장되는 단부를 갖는 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지로서, 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내의 액체 전해질과 액체 접촉할 때 액체 전해질로 그 자체가 충전될 수 있는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지.
13. 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 전극; 및 액체 전해질로 충전되도록 구성되고 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 수전해 전지로서; 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과인, 전기-합성 수전해 전지.
14. 제1 기체를 생성하고, 제1 기체를 포함하는 제1 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제1 기체 확산 전극; 제2 기체를 생성하고, 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 접촉하며 그에 인접하도록 구성된 제2 기체 확산 전극; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 기체 확산 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지로서, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전되고 모세관 효과에 의해 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 내에 국한시켜 액체 전해질이 0.4 cm 초과의 최대 컬럼 높이를 갖도록 구성되는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지.
15. 임의의 선행 요점의 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법으로서, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 액체 전해질과 접촉시키는 단계; 및 제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하거나 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
16. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
17. 저장소가 액체 전해질을 수용할 때, 제1 기체 확산 전극이 저장소 내의 액체 전해질로부터 분리되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
18. 저장소가 액체 전해질을 수용할 때, 제1 기체 확산 전극이 저장소의 에지에서 액체 전해질과 접촉하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
19. 저장소가 액체 전해질을 수용할 때, 제2 전극이 저장소 내의 액체 전해질로부터 분리되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
20. 저장소가 액체 전해질을 수용할 때, 제2 전극이 저장소의 에지에서 액체 전해질과 접촉하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
21. 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내에서 연장되기 전에 액체 전해질로 충전되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
22. 작동 중에 액체 전해질이 저장소로부터 다공성 모세관 스페이서를 따라 먼저 수송된 후에만 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극과 접촉하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
23. 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극은 저장소로부터 이격되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
24. 다공성 모세관 스페이서와 제1 기체 확산 전극 사이의 직접 접촉 영역이 저장소 외부에 있고, 다공성 모세관 스페이서와 제2 전극 사이의 직접 접촉 영역이 저장소 외부에 있는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
25. 저장소는 다공성 모세관 스페이서가 통과하는 개구를 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
26. 작동 중에 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에 의해 덮이는 표면적이 다공성 모세관 스페이서에 면하는 제1 기체 확산 전극의 표면적과 적어도 동일하거나 그보다 크도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
27. 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극 각각은 기하학적 표면적이 10 cm2 이상인 면을 갖는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
28. 제1 기체 확산 전극은 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
29. 제1 기체 확산 전극은 제1 기체를 생성하여 제1 기체 본체를 형성하도록 구성되고, 다공성 모세관 스페이서의 제1 면은 제1 기체 확산 전극의 제1 면에 인접하고, 다공성 모세관 스페이서의 제2 면은 제2 전극의 제1 면에 인접하고, 제1 기체 확산 전극의 제2 면은 제1 기체 본체에 인접한, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
30. 제2 전극은 제2 기체 확산 전극인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
31. 제2 기체 확산 전극은 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
32. 제2 기체 확산 전극은 제2 기체를 생성하여 제2 기체 본체를 형성하도록 구성되고, 제2 기체 확산 전극의 제2 면은 제2 기체 본체에 인접한, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
33. 작동 중에 제1 기체 확산 전극의 제2 면의 적어도 일부가 제1 기체 본체와 직접 기체상 접촉하고; 제2 기체 확산 전극의 제2 면의 적어도 일부가 제2 기체 본체와 직접 기체상 접촉하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
34. 적어도 부분적으로 제1 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한 기체 모세관 구조를 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
35. 적어도 부분적으로 제2 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한 제2 기체 모세관 구조를 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
36. 전지는 제로-갭 전지이며, 다공성 모세관 스페이서는 두께가 0.45 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.30 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.13 mm 미만인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
37. 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 2 μm 초과 및 400 μm 미만인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
38. 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 4 μm 초과 및 400 μm 미만, 6 μm 초과 및 400 μm 미만, 8 μm 초과 및 400 μm 미만, 10 μm 초과 및 400 μm 미만, 20 μm 초과 및 400 μm 미만, 또는 30 μm 초과 및 400 μm 미만인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
39. 다공성 모세관 스페이서는 제1 기체 확산 전극, 제2 전극 및 저장소 사이에 유체 경로를 제공하는 복수의 기공을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
40. 다공성 모세관 스페이서는 저장소에 유체적으로 연결되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
41. 다공성 모세관 스페이서는 PVDF, PTFE, 테트라플루오로에틸렌, 플루오르화 중합체, 폴리이미드, 폴리아미드, 나일론, 질소-함유 물질, 유리 섬유, 규소-함유 물질, 폴리비닐 클로라이드, 클로라이드-함유 중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트, 셀로판, 에틸-셀룰로오스, 셀룰로오스-함유 물질, 폴리카르보네이트, 카르보네이트-함유 물질, 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리페닐술폰, 술폰-함유 물질, 폴리페닐렌 술피드, 술피드-함유 물질, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리올레핀, 올레핀-함유 물질, 석면, 티타늄-기반 세라믹, 지르코늄-기반 세라믹, 세라믹 물질, 폴리비닐 클로라이드, 비닐-기반 물질, 고무, 다공성 배터리 분리막, 및 점토를 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 적어도 부분적으로 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
42. 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 전지로 및/또는 그로부터 액체를 도입 및/또는 제거하기 위한 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
43. 제1 기체 본체와 기체 연통하는 적어도 하나의 외부 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
44. 액체 전해질은 수성이며, 다공성 모세관 스페이서가 액체 전해질로 충전될 때, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 8 cm 초과의 높이에서 분당 0.0014 g 초과의 물의 유량으로 유동하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
45. 작동 중에 제1 기체 본체가 3 bar 게이지 초과, 바람직하게는 4 bar 게이지 초과, 더 바람직하게는 5 bar 게이지 초과의 압력을 갖도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
46. 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극은 다공성 모세관 스페이서에 대해 2 bar 초과, 바람직하게는 3 bar 초과, 더 바람직하게는 4 bar 초과만큼 압축되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
47. 다공성 모세관 스페이서는 60% 초과 다공성, 바람직하게는 70% 초과 다공성, 가장 바람직하게는 80% 초과 다공성인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
48. 작동 중에 근접한 기체상 경로가 교차-평면 축에서 제1 기체 확산 전극의 활성 표면과 제1 기체 본체 사이에 존재하여, 제1 기체 확산 전극의 활성 표면의 적어도 일부 상에서 제1 기체의 가시적인 기포가 생성되지 않도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
49.
제1 기체 확산 전극과 다공성 모세관 스페이서 사이에,
제1 기체 확산 전극 내에,
제1 기체 확산 전극에 또는 그 근처에, 및/또는
제1 기체 확산 전극의 일부에 위치하는, 기체 취급 구조를 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
50. 제2 전극은, 제2 기체를 생성하고 제2 기체를 포함하는 제2 기체 본체와 직접 접촉하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
51. 다공성 모세관 스페이서가 액체 전해질로 충전되는 경우, 다공성 모세관 스페이서는 제1 기체 본체가 제2 기체 본체와 혼합되는 것을 차단 또는 방해하도록 구성되고 2% 미만의 벤치마크 기체 크로스오버를 유지하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
52.
제2 기체 확산 전극과 다공성 모세관 스페이서 사이에,
제2 기체 확산 전극 내에,
제2 기체 확산 전극에 또는 그 근처에, 및/또는
제2 기체 확산 전극의 일부에 위치하는, 제2 기체 취급 구조를 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
53. 작동 중에 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질이 전지 내의 액체 전해질의 유일한 근접한 본체를 포함하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
54. 전지는 외부 액체 도관을 포함하지 않으며, 액체 전해질 및/또는 액체상 반응물 및/또는 생성물이, 기체 스트림 내의 증기의 형태로 전지 안팎으로 수송되도록 구성되고, 증기는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에서 응축되거나 그로부터 증발하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
55. 다공성 모세관 스페이서의 단부는 저장소 내에 위치하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
56. 저장소는 액체 전해질로 충전되도록 구성되며 다공성 모세관 스페이서의 단부는 액체 전해질과 접촉하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
57. 다공성 모세관 스페이서는 적어도 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서를 따라 액체 전해질을 수송하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
58. 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서를 따라 액체 전해질을 수송하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
59. 작동 중에 전지가 다공성 모세관 스페이서 내에서 일어나는 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 자가-조절되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
60. 다공성 모세관 스페이서는, 액체 전해질로 충전되고 이온 저항이 실온에서 140 mΩ cm2 미만이 되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
61. 작동 중에 두께가 0.125 mm 미만, 바람직하게는 두께가 0.11 mm 미만, 더 바람직하게는 두께가 0.10 mm 미만인 액체 전해질의 막으로 제1 기체 확산 전극이 덮이도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
62. 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 400 μm 미만인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
63. 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 또는 약 10 μm인, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
64. 임의의 선행 요점의 복수의 전지를 포함하여, 복수의 전지가 전기적으로 연결되는, 바람직하게는 직렬로 전기적으로 연결되는, 수전해 다중-전지 스택.
65. 액체 전해질을 수용하고 작동 중에 다공성 모세관 스페이서 아래에 있도록 구성된 저장소를 추가로 포함하며, 다공성 모세관 스페이서의 적어도 원위 단부는 저장소 내의 액체 전해질과 접촉하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
66. 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
67. 작동 중에 액체 전해질, 전지 내 전기화학 반응의 액체상 반응물 및/또는 생성물이 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 전지 안팎으로 수송되고 적어도 하나의 외부 액체 도관이 외부 액체 저장 시스템과 유체 연통하도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
68. 작동 중에 전지 내 전기화학 반응의 액체상 반응물 또는 생성물이 다공성 모세관 스페이서 내부의 액체 전해질 내의 액체상 경로를 따르도록 구성된, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
69. 작동 중에 제1 기체 본체의 제1 기체가 제1 기체 확산 전극으로의 제1 기체상 경로를 따르고 제1 기체상 경로가 액체상 경로와 분리되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
70. 작동 중에 제2 기체 본체의 제2 기체가 제2 기체 확산 전극으로의 제2 기체상 경로를 따르고 제2 기체상 경로가 액체상 경로와 분리되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
71. 다공성 모세관 스페이서가 액체 전해질로 충전되는 경우, 다공성 모세관 스페이서는 제1 기체 본체가 제2 기체 본체와 혼합되는 것을 차단 또는 방해하도록 구성되고 2% 미만의 벤치마크 기체 크로스오버를 유지하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
72. 작동 중에 제1 기체 확산 전극의 적어도 일부 상에서 또는 제2 기체 확산 전극의 적어도 일부 상에서 기포가 보이지 않도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
73. 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 추가로 제공하며, 작동 중에 제1 기체가 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
74. 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관은 외부 제1 기체 저장 시스템과 기체 연통하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
75. 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 추가로 제공하며, 작동 중에 제2 기체가 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송되도록 구성되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
76. 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관은 외부 제2 기체 저장 시스템과 기체 연통하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
77. 저장소는 제1 액체를 수용하도록 구성된 제1 부피, 제2 액체를 수용하도록 구성된 제2 부피, 및 제1 부피와 제2 부피를 분리하는 반투과성 막을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
78. 다공성 모세관 스페이서의 원위 단부는 작동 중에 제1 액체가 액체 전해질이고 제2 액체가 제1 액체와 상이하도록 구성된 제1 부피 내에 위치하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
79. 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서를 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
80. 액체 전해질을 수용하도록 구성된 2개 이상의 저장소를 포함하며, 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서 각각의 원위 단부는 2개 이상의 저장소 중 하나에 위치하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
81. 작동 중에 복수의 전지 각각의 제2 액체가 복수의 전지 각각의 제2 부피에 연결된 공통 공급 또는 제거 파이프를 통해 액체 연통하도록 구성된, 임의의 선행 요점의 복수의 전지를 포함하는, 전기-합성 또는 전기-에너지 다중-전지 스택.
82. 적어도 모세관 작용에 의해 저장소로부터의 액체 전해질로 다공성 모세관 스페이서를 충전하는 것을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
83. 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내에 위치하기 전에 다공성 모세관 스페이서를 액체 전해질로 충전하는 것을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
84. 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송된 후의 액체 전해질과 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극의 접촉을 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
85. 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전된 상태로 유지되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
86. 전지는 전기-합성 전지이고 전기화학 반응은 전기-합성 전지의 외부로 수송되는 화학 생성물을 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
87. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하고, 액체 전해질이 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 저장소 안팎으로 수송되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
88. 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하며, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
89. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하고, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
90. 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하며, 제2 기체는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
91. 외부 액체 도관이 존재하지 않으며 액체 전해질 및/또는 액체상 반응물 및/또는 생성물은 기체 스트림 내의 증기의 형태로 전지 안팎으로 수송되는 것을 추가로 포함하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
92. 저장소는 다공성 모세관 스페이서의 일부로서 통합되고 증기는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에서 응축되거나 그로부터 증발하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
93. 전지는 1 Amp 이상, 바람직하게는 1.5 Amp 이상, 더 바람직하게는 2 Amp 이상, 더 바람직하게는 2.5 Amp 이상의, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 통한 전류를 사용하여 작동하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
94. 전지는 적어도 24시간 동안 연속적으로 작동하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
95. 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
96. 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 큰, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
97. 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동을 촉진하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
98. 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동은 액체상 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용의 제어 하에 있는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
99. 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
100. 교차-평면 축 밖으로의 액체상 물질의 이동은 저장소 내의 액체 전해질의 조성에 의해 자가-조절되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
101. 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 물질 및 기체상 물질의 이동 경로는 상이하게 배향되는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
102. 액체상 모세관, 확산 및/또는 삼투 작용은 다공성 모세관 스페이서 내에서 작용하여:
(i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나; 또는
(ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
103. 전기화학 반응은 질소 및 수소로부터 암모니아를 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
104. 전기화학 반응은 암모니아 및 산소로부터 전기를 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
105. 전기화학 반응은 암모니아로부터 수소 및 질소를 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
106. 전기화학 반응은 NOX를 반응물로서 사용하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
107. 전기화학 반응은 염수로부터 염소, 수소 및 가성 물질을 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
108. 전기화학 반응은 염수로부터 염소 및 가성 물질을 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
109. 전기화학 반응은 염산으로부터 염소 및 수소를 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
110. 전기화학 반응은 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
111. 전기화학 반응은 물로부터 수소 및 산소를 생성하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
112. 전기화학 반응은 수소를 함유하는 기체 혼합물로부터 순수한 수소를 추출하는, 임의의 선행 요점의 전지 또는 방법.
예시적인 전지는 다음을 포함하는 다수의 주요 산업 공정에 사용될 수 있다: (1) 암모니아 생산, (2) 클로르-알칼리 공정 및 그 변형에 의한 염소 생산 (예컨대 산소-탈분극 클로르-알칼리 공정 및 HCl 재순환 반응 포함), (3) 전기의 연료 전지 생산, (4) 수전해에 의한 수소 생산, 및 (5) 수소 정제.
전기-합성 또는 전기-에너지 전지로서 산업적으로 유용하기 위해, 예시적인 전지의 전극(125 및 135)은 전지의 작동 중에 1 암페어 이상의 전류를 전달할 수 있다. 이러한 전류를 달성하기 위해, 전극(125 및 135)은 10 cm2 이상의 기하학적 표면적을 가질 수 있다. 작동 중에 낮은 전기 저항을 유지하고 에너지 효율적이기 위해, 전극(125 및 135)은 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판과 같이, 낮은 전기 저항으로 고전류를 전도할 수 있는 전류 캐리어를 포함할 수 있다. 즉, 제1 기체 확산 전극(120)이 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함할 수 있고/있거나, 제2 기체 확산 전극(130)이 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함할 수 있다. 산업적으로 유용하기 위해, 이러한 전지는 한 번에 적어도 24시간 동안 연속적으로 또는 계속적으로 작동할 수 있다.
바람직한 실시 형태 전지에 존재할 수 있는 특징
반응 구역/교차-평면 축 안팎으로의 개별적인 액체상 및 기체상 분자 수준 이동
도 4는 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지, 예컨대 전지(10) 내의 전극-스페이서-전극 조립체(139)의 일부분의 확대도를 도시한다. 전지(10) 내 전기화학 반응은 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에서 또는 그 사이에서 일어난다. 도 4의 예에서, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 둘 다 기체 확산 전극이며, 즉, 다공성이어서, 기체가 이들을 통과할 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)에 인접하게 위치하거나, 맞닿거나, 끼워지거나 라미네이팅된 전극 표면을 따른 각 위치에서, 전극에서 전기화학 반응이 발생하여 액체상 이온, 중간체 또는 분자가 전극에 의해 교환되어, 전극을 따라 또는 그 내부에서 이동하거나, 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이의 경로(180)에 대부분 국한된다. 다수의 이러한 경로(180)가 2개의 전극(120, 130)의 전체 길이를 따라 존재한다. 명확성을 위해, 도 4는 다수의 경로(180) 중 단지 소수만 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 이들 경로(180)는 '교차-평면' 방향을 따른다. 즉, 이들은 다공성 모세관 스페이서(110)의 평면에 수직이며, 대부분 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 있다. 이러한 이유로, 전지에 존재하는 모든 경로(180)의 누적 조합이 '교차-평면' 축('반응 구역'이라고도 함)을 구성한다고 한다.
전기화학 반응은 전형적으로 교차-평면 축에서 반응물을 소비하고 생성물을 생성한다. 즉, 일반으로 누적 경로(180) 내에서 반응물이 소비되고 생성물이 생성된다. 전기화학 반응을 지속하기 위해 반응물은 일단 소비되면 보충되어야 한다. 이를 위해, 새로운 반응물이 교차-평면 축 외부로부터 교차-평면 축 내부로 이동해야 한다. 전기화학적 반응이 지속되려면 이러한 이동이 지속적으로 일어나야 한다. 동일한 방식으로, 전기화학 반응이 지속되기 위해서는, 교차-평면 축에서 생성된 생성물이 그로부터 멀리 이동해야 한다. 교차 평면 축에 생성물이 축적되면, 전기화학 반응이 방해를 받거나 완전히 중단될 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 액체상 반응물 또는 생성물 (또는 동일한 방식으로 전기화학 반응에 관여하는 다른 액체상 물질)은 경로(190)를 따라, 다공성 모세관 스페이서(110)에 존재하는 액체 전해질(100) 내의 이동에 의해 교차-평면 축 안팎으로 이동할 수 있다. 그러한 이동은 저장소(140)로 또는 그로부터 이루어질 수 있다. 즉, 액체상 반응물 또는 생성물은 '평면내' 방향으로 경로(190)를 따를 수 있으며, 여기서 경로(190)는 다공성 모세관 스페이서(110) 내부의 액체 전해질(100) 내에 있다.
이러한 이동은 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 작용의 영향 및 제어 하에서, 자발적으로 일어날 수 있다. 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 작용은 전형적으로 저장소(140) 내의 액체 전해질을 주로 포함할 수 있는 전해질의 나머지 부분에 대한 교차-평면 축에서의 전해질의 농도 및 조성의 차이에 의해 구동될 것이다. 저장소(140)는 시스템에서 액체 전해질의 압도적인 벌크를 구성할 수 있으므로, 바람직한 실시 형태에서, 그의 조성 및 농도는 효과적으로 다음을 수행할 수 있다:
(i) 모세관 및/또는 확산 및/또는 삼투 작용이 전기화학 반응에 의해 야기되는 교차-평면 축에서의 전해질의 농도 및 조성의 변화에 대응하는 속도를 제어하고,
(ii) 일단 전기화학 반응이 중지되면, 교차-평면 축을 비롯한 전지 전체에 걸쳐 액체 전해질의 최종 평형 상태를 결정한다.
실제로, 저장소(140)에서 액체 전해질(100)의 존재 및 교차-평면 축에 대한 (다공성 모세관 스페이서(110)를 통한) 그의 연속적인 액체 연결은 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 물질의 이동을 제어 및 조절할 수 있다.
확산 및 삼투에 관한 중요 참고 사항: 본 명세서에서, 용어 '확산' 및 '삼투'는 다공성 모세관 스페이서, 예를 들어 다공성 모세관 스페이서(110) 내에서 액체상 물질의 순 이동(net motion)을 생성하는 공정을 설명하기 위해 상호교환적으로 사용되었다. 이러한 등치의 이유는 다공성 물질인 일부 예시적인 다공성 모세관 스페이서 내에서 용질의 확산이 물의 확산보다 덜 자유로울 수 있기 때문이다. 즉, 일부 예시적인 다공성 모세관 스페이서에서는 용질 이동보다 물 이동이 선호될 수 있으며, 이는 잠재적으로 확산 효과라기보다는 삼투 효과이다. 이러한 가능성을 다루고 설명적으로 포괄적이기 위해, 다공성 모세관 스페이서 내에서 액체상 물질의 이동을 생성하는 확산 및/또는 삼투 작용 사이에 구별이 이루어지지 않았다. 대조적으로, 액체 전해질의 저장소에서는 용질 및 물의 이동이 일반적으로 항상 동등하게 자유로울 것이다.
예를 들어, 예시적인 실시 형태에 따른 수소-산소 연료 전지에서, 물은 교차-평면 축에서 생성물로서 생성될 수 있다. 물이 형성됨에 따라 일반적으로 교차-평면 축에서 전해질을 점진적으로 희석하며, 이는 결국 이온 저항을 증가시켜 전지의 에너지 효율을 감소시킨다. 그러나, 교차-평면 축을, 예를 들어 저장소(140)와 연결하는 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 연속적인 본체가 존재하기 때문에, 모세관 현상, 확산 및/또는 삼투가 자발적으로 희석 효과를 상쇄할 수 있다. 즉, 모세관 현상, 확산 및/또는 삼투로 인해, 교차-평면 축에서의 과도한 물은 다공성 모세관 스페이서(110) 아래로 저장소(140)를 향해 그리고 그 내부로 자발적으로 이동할 수 있는 한편, 다공성 모세관 스페이서(110) 및 저장소(140)에서의 용질은 위로 교차-평면 축을 향해 그 내부로 이동할 수 있다. 이러한 작용은 저장소(140) 내의 액체 전해질을 대부분 포함하는 전해질의 나머지 부분에 대한 교차-평면 축 내의 전해질 농도 및 조성의 차이에 의해 구동될 수 있다. 교차-평면 축에서 발생하는 희석이 클수록 상기 작용이 더 빠르게 진행될 수 있다. 이러한 방식으로, 교차 평면 축 밖으로의 액체상 생성물의 이동이 다공성 모세관 스페이서(110) 및 임의의 관련 저장소(140) 내의 액체 전해질의 농도 및/또는 조성에 의해 '자가-조절'될 수 있다.
동일한 방식으로, 모세관 현상, 확산 및 삼투는 전기화학 반응으로 인해 교차-평면 축에서 발생하는 전해질의 조성 및 농도의 임의의 다른 변화를 자가-조절 방식으로 상쇄할 수 있다. 여기에는 예를 들어 액체상 물질의 소비 및/또는 교차-평면 축에서 전해질 내의 액체상 물질에 대한 화학적 변화가 포함된다.
대조적으로, 기체상 이동은 액체 이동과 직교 방향으로 발생할 수 있다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이 둘 다 다공성 기체 확산 전극인 경우, 기체상 반응물 또는 생성물 (또는 전기화학 반응에 관여하는 다른 기체상 물질)은 기체 본체(125 및 135)와 다공성 모세관 스페이서(110) 사이에서, 각각 제1 계면(126) 및 제2 계면(136)을 가로질러, 각각 근접한 기체 본체(125 및 135)로 또는 그로부터의 이동에 의해, 교차-평면 축 안팎으로 이동할 수 있다. 이러한 이동은 경로(200)를 따른다. 전극(120, 130)의 길이를 따라 다수의 그러한 경로(200)가 있을 수 있다. 이러한 이동은 각각 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 통해, 기체 본체(125, 135)로 및 그로부터 모세관력 및/또는 확산의 영향 및 제어 하에 자발적으로 발생할 수 있다.
기체는 분압이 높은 영역에서 분압이 낮은 영역으로 자발적으로 확산되며 확산 속도는 분압 차이에 의한 것으로 잘 알려져 있다. 확산 과정은 전형적으로 분압이 두 위치에서 균등화될 때까지 계속되며 그 속도는 분압 차이에 따라 달라진다. 따라서, 전극 반응 구역으로의 기체 반응물의 공급 또는 그로부터의 기체 생성물의 제거는 액체상 반응물 또는 생성물의 이동과 별도로 발생할 수 있으며 독립적으로 '자가-조절'될 수 있다. 더욱이, 하나의 전극과 관련된 반응 구역으로의 기체 반응물의 공급 또는 그로부터의 기체 생성물의 제거는 다른 전극과 관련된 반응 구역으로의 기체 반응물의 공급 또는 그로부터의 기체 생성물의 제거와 별도로 발생할 수 있으며, 또한 독립적으로 '자가-조절'될 수 있다.
기체상 및 액체상 반응물 및 생성물이 서로 분리되고 방해하지 않는 경로를 제공함에 있어서, 바람직한 실시 형태의 전지는 다수의 전기화학 전지에서 발생하는 '역다상류' 현상을 또한 피하거나 최소화할 수 있다. 역다상류는 전지 내에서 기체상 종의 유동에 반대이고 거스르는 액체상 종의 분자 수준 이동을 포함한다. 예를 들어, 다수의 수전해 전지에서, 전극 표면으로의 액체상 반응물(물)의 이동은 전극 표면으로부터의 기체상 생성물(예컨대 수소 또는 산소)의 이동에 반대이고 거스를 수 있다. 생성되는 역다상류는 전지 작동에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 이것은 혼합 기체-액체 거품 또는 폼을 생성할 수 있으며, 두 가지 상의 물질이 기체-액체 분리막 탱크에서 분리되어야 한다. 이러한 유형의 역다상류는, 예를 들어 상쇄 유동의 강도로 인해, 전극에 반응물이 부족해질 수 있거나 생성물이 전극에 과도하게 축적될 수 있는 한, 물질 수송 제한을 또한 유발할 수 있다. 이러한 유형의 비효율성은 비효율적인 전지 작동을 초래할 수 있으며 이를 극복하기 위해 에너지가 필요하다.
전지 내의 각각의 기체상 및 액체상 반응물 및 생성물의 분자 수준 이동(유동)을 위한 적어도 하나의 분리 독립된 비-간섭 경로가 존재하는 기체-액체 전지는 '독립 경로 전지'로 불릴 수 있다. 역다상류를 피하거나 최소화하는 데 있어서, 독립 경로 전지는 또한 역다상류가 일으키는 비효율성을 피하거나 최소화할 수 있다. 예시적인 실시 형태의 전지는 독립 경로 전지일 수 있다.
전지 작동은 ' 자가-조절 '될 수 있다
따라서, 전극(120 또는 130)에서 소비되거나 생성된 기체는, 경로(200)를 따라, 각각 기체 본체(125 및 135)와 직접 기체상 접촉할 수 있다. 기체 본체(125 및 135)는 시스템에서 각각의 기체의 대부분을 함유하기 때문에, 기체 본체(125 및 135)의 조성 및 압력은 각각의 전극(120 및 130)으로 및 그로부터의 기체 수송 속도를 제어하고 조절할 것이다. 모세관 현상 및 확산은 자가-조절 방식으로 작동하여, 전기화학 반응으로 인해 전극 및 교차-평면 축에서의 기체의 조성 및 농도에서 일어나는 변화를 상쇄할 수 있다.
대조적으로, 액상 물질은 기체상 물질이 교차-평면 축 안팎으로 이동할 수 있는 경로(200)와 분리되고 직교하는(즉, 90o 각도인) 경로(190)를 따라 교차-평면 축 안팎으로 이동할 수 있다.
더욱이, 경로(190)는 액체상 물질의 제어된 이동을 위한 최적의 상인 연속적인 액체상을 수반할 수 있는 반면, 경로(200)는 기체상 물질의 제어된 이동을 위한 최적의 상인 연속적인 기체상을 수반할 수 있다.
따라서 예시적인 실시 형태의 중요한 특징은 교차-평면 축 안팎으로의 액상 및 기체상 물질의 이동 경로가 분리되고, 상이하게 위치하며, 독립적일 수 있다는 것이다. 그들은 또한 이동을 제어하고 조절하기 위한 최적의 물질 상을 수반할 수 있다. 그렇게 함으로써 그들은 서로 방해하는 것을 피할 수 있고 결과적으로 독립적으로 조절될 수 있다.
또 다른 중요한 특징은 각각 경로(190 및 200)를 따른 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 및 기체상 물질의 이동이, 전지 내 조건의 변화를 비롯한, 전지 내 조건에 본질적으로 반응하는 공정에 의해 제어될 수 있다는 것이다. 즉, 모세관, 확산 및 삼투 과정은 존재하는 농도 또는 분압 차이에 반응하여 속도를 자발적으로 변경할 수 있다는 공통 속성을 갖는다. 따라서, 이러한 과정은 '자가-조절'될 수 있으며 이로 인해 전지가 전체적으로 자가-조절이 될 수 있다.
예를 들어, 전기화학 반응 동안 소비되어야 하는 반응물의 부족함이 발생하는 경우, 이는 더 높은 농도 또는 분압 차이로 나타나서, 이러한 과정에 의해 필요한 반응물의 공급이 자동으로 증가될 것이다. 반대로, 충분한 반응물이 존재하는 경우, 농도 또는 분압 차이가 감소하여 반응물 공급이 감소될 수 있다.
전해질의 모세관-유도 이동은 전극을 따라 또는 그 위로 촉진될 수 있다.
잘 분리된, 비-간섭 액체상 및 기체상 경로가 바람직한 실시 형태의 특징이지만, 이러한 경로는 전술한 다공성 모세관 스페이서(110) 내에(액체상) 그리고 기체 본체(125 및 135)와 상응하는 전극(각각 120 및 130) 사이의 계면에(기체상) 엄격하게 놓여 있어야 하는 것은 아님을 이해해야 한다. 분리되고 방해하지 않는 임의의 액체상 또는 기체상 경로가 바람직한 실시 형태에 속하며 유리하게 이용될 수 있다. 그러한 경로는 분리되고 방해하지 않는다면, 여전히 자가-조절될 수 있다.
따라서, 예를 들어, 상기에 언급된 바와 같이, 도 2에 도시된 구조를 갖는 바람직한 실시 형태에서, 저장소 내의 액체 전해질은 전극과 물리적으로 접촉할 수 있고 전극을 따라 위로 반응 구역까지 이동하도록 유도될 수 있다.
상기 유형의 모세관 작용은 일반적으로 전극 및 그의 기공을 충전하고 플러딩하여, 전극으로의 또는 전극으로부터의 기체 이동을 방해/간섭하여, 종종 실질적으로, 전지의 에너지 효율을 감소시킨다.
그러나, 놀랍게도 비교적 개방된 구조/큰 기공을 갖는 다공성 전극(예컨대 기체 확산 전극)은 전극 표면의 액체 전해질의 얇은 층만의 상향 모세관-유도 이동을 촉진할 수 있음이 발견되었다. 이러한 층은 (반응에 따라) 기체 이동에 지장을 주기에 충분히 얇을 수 있다. 즉, 그러한 이동은 예를 들어 전극의 습윤화를 개선하고 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 액체 전해질을 유지하는 데 도움이 되는 유익한 효과를 갖는 비-간섭 액체상 경로를 구성할 수 있다.
더욱이, 액체 전해질의 이러한 얇은 층의 상향으로의 모세관-유도 이동을 촉진하는 얇은 친수성 또는 초친수성 층으로 코팅함으로써 전극 표면이 개질될 수 있음이 발견되었다. 일부 경우에, 이례적으로 빠른 상향 유량 및 최대 컬럼 높이를 달성할 수 있음이 입증되었다. 이것은 전극 습윤화를 개선하고 전지의 높은 위치에서 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 액체 전해질을 유지하는 데 도움이 되는 데 특히 유익할 수 있다.
더욱이, 그러한 친수성 또는 초친수성 층은 촉매로부터 제조될 수 있다. 즉, 친수성 또는 초친수성 층은 또한 전극의 촉매 층일 수 있다. 액체 전해질의 얇은 층으로만 덮여 있는 경우, 이러한 촉매 층은 몇 가지 유익한 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 기포를 생성하지 않고서 촉매 층에 의해 기체가 생성될 수 있다. 이것은 '무기포' 기체 생성으로 알려져 있으며 아래에서 더 상세히 설명된다.
또한, 이러한 유형의 친수성 또는 초친수성 층은 독립적인 비-간섭 경로를 통한 반응 구역 안팎으로의 기체의 이동을 촉진하는 '기체 취급 구조'를 통합하도록 제작될 수 있다. 기체 취급 구조는 하기에 더 상세하게 설명된다.
따라서, 다공성 모세관 스페이서(110) 또는 전극(120 또는 130)으로, 박막으로서 전극의 모세관을 따라 위로 이동하도록 유도된 액체 전해질은 다음을 유지하는 데 도움이 되는 비-간섭 액체상 경로를 구성할 수 있다:
(i) 전지의 높은 위치를 포함하여 항상 그리고 모든 위치에서 액체 전해질로 충전된 다공성 모세관 스페이서(110); 및/또는
(ii) 전지의 높은 위치를 포함하여 항상 그리고 모든 위치에서 작동 중에 완전히 젖은 전극.
바람직한 실시 형태에서, 액체의 '얇은 층'은 두께가 0.125 mm 미만일 수 있다. 다른 예에서 이것은 두께가 1.5 mm 미만, 두께가 1.0 mm 미만, 두께가 0.7 mm 미만, 두께가 0.5 mm 미만, 두께가 0.3 mm 미만, 또는 두께가 0.2 mm 미만일 수 있다. 다른 예에서 이것은 두께가 0.1 mm 미만, 두께가 0.05 mm 미만, 두께가 0.025 mm 미만, 두께가 0.01 mm 미만, 두께가 0.005 mm 미만, 두께가 0.001 mm 미만, 두께가 0.00001 mm 미만, 또는 두께가 0.000001 mm 미만일 수 있다.
따라서, 바람직하게는 0.5 cm 초과/분의 속도로, 모세관 작용에 의한 표면 위의 액체 전해질(100)의 이동을 촉진하는 전극(120 또는 130)이 제공된다. 다른 예에서, 이동 속도는 1 cm/분 초과, 1.5 cm/분 초과, 2 cm/분 초과, 2.5 cm/분 초과, 3 cm/분 초과, 3.5 cm/분 초과, 4 cm/분 초과, 또는 5 cm/분 초과일 수 있다.
액체 보충/유지를 위한 비-간섭 기체상 경로가 다공성 모세관 스페이서(110)에 의해 가능할 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, 액체 전해질의 보충/유지를 위한 기체상 경로는 일반적으로 존재하는 다른 기체상 경로를 방해하지만, 놀랍게도 다공성 모세관 스페이서(110)가 사용되는 경우에는 그렇지 않을 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 전지(30)의 유형의 실시 형태에 대해, 다공성 모세관 스페이서(110)가 전극간 분리막으로서 사용될 때, 하나 또는 둘 모두의 기체 본체(125 또는 135)로부터 수증기를 도입 또는 제거함으로써 개별적인 비-간섭 방식으로 액체 전해질을 보충 또는 유지하는 것이 가능할 수 있음이 발견되었다.
이는 다공성 모세관 스페이서(110)가 다공성 모세관 스페이서 내에 국한된 액체 전해질의 근접한 본체를 함유하기 때문일 수 있다. 다른 전극간 분리막은 존재하는 액체 전해질의 그러한 근접한 국한된 본체를 갖지 않을 수 있다. 수증기는 액체의 이러한 근접한 본체에서 우선적으로 응축되거나 그로부터 증발할 수 있다. 더욱이, 수성 전해질의 근접한 본체에서 응축되는 임의의 수증기는 모세관력에 의해 스페이서(110)에 한정될 수 있어서, 수증기가 플러딩하거나 기체 반응물/생성물이 전극에 접근하지 못하게 차단하지 않도록 보장한다.
따라서, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질은 수증기가 기체 본체(125 또는 135)로 도입/그로부터 제거되는 개별적인 비-간섭 경로를 통해 보충/유지되는 것이 또한 가능하다. 생성되는 경로가 진정으로 개별적이고 다른 액체상 또는 기체상 경로를 방해하지 않는다면 여전히 자가-조절될 것이다.
전극 습윤화는 전극 모세관 현상 및 다공성 모세관 스페이서에 대한 전극의 압축을 수반할 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 실시 형태의 전지의 바람직한 특징은 충분한 액체 전해질(100)이 다공성 모세관 스페이서(110)로부터, 각각 전극(120 또는 130)과의 계면(126a 또는 136a)에서 방출되어, 반응을 위해 해당 전극(120 또는 130)을 습윤화한다는 점이다. 이를 위해, 전극(120 또는 130)은 액체 전해질(100)을 향한 다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관 작용보다 더 강한 계면(126a 또는 136a)에서 액체 전해질(100)을 향한 모세관 작용을 나타낼 필요가 있을 수 있다. 즉, 다공성 모세관 스페이서(110)는 모세관 작용을 이용하여 액체 전해질(100)을 끌어당기고 그로 충전된다. 다공성 모세관 스페이서(110)에 대해 끼워진 전극(120 또는 130)은 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지되는 액체 전해질(100)을 끌어당기고 그로 습윤화되도록, 계면(126a 또는 136a)에서 더 강한 모세관 작용을 필요로 할 수 있다.
따라서, 전극(120 또는 130)은 또한 액체 전해질(100)을 향한 모세관 작용을 나타낼 수 있다. 모세관 작용은 계면(126a 또는 136a)에서 액체 전해질로 충전된 다공성 모세관 스페이서(100)의 모세관 압력보다 더 높은 모세관 압력을 수반할 수 있다. 바람직하게는, 전극(120 또는 130)의 모세관 압력은 각각 계면(126a 또는 136a)에서 다공성 모세관 스페이서(100)의 모세관 압력보다 적어도 10 mbar 더 크다. 다른 예에서, 이것은 20 mbar 초과, 50 mbar 초과, 75 mbar 초과, 100 mbar 초과, 200 mbar 초과, 500 mbar 초과, 1 bar 초과, 2 bar 초과로 더 크다.
다공성 모세관 스페이서(110)에 대해 전극(120 및 130)을 압축함으로써 전극 습윤화가 촉진될 수 있다는 것이 추가로 발견되었다. 이러한 유형의 전극 압축은 각각 계면(126a 또는 136a)에서 전극(120 또는 130)과 다공성 모세관 스페이서(110) 사이에 단단하고 친밀한 접촉이 있음을 보장함으로써 전극 습윤화의 생성 및 유지를 도울 수 있다. 즉, 액체상 종이 다공성 모세관 스페이서(110)로부터 각각 전극(120, 130)으로 이동하는 액체상 경로에서의 전위(dislocation)를 피할 수 있다. 감압 필름을 사용한 실험은 이러한 유형의 전극 압축이 바람직하게는 8 내지 20 bar의 범위임을 나타낸다. 다른 예에서, 전극 압축은 6 내지 8 bar, 4 내지 6 bar, 또는 2 내지 6 bar의 범위일 수 있다. 다른 예에서, 전극 압축은 20 내지 25 bar, 25 내지 30 bar, 30 내지 35 bar, 또는 35 내지 50 bar의 범위일 수 있다.
전극 내에서, 전극에서 또는 전극 근처에서 기체 모세관- 또는 기체 취급 구조
잘 알려지지는 않았지만, 기체상 물질에서도 모세관 현상이 관찰될 수 있다. 이러한 경우에, 일반적으로 액체로 충전될 것으로 예상되는 좁은 공간 내로 기체가 자발적으로 유동하도록 유도될 수 있다. 예를 들어, 모세관을 수은 웅덩이에 침지하면 이런 현상을 볼 수 있다. 관 내부의 액체 수은의 메니스커스는 일반적으로 튜브 외부의 수은의 수준보다 낮은 수준으로 이동할 것이다. 더 실용적인 응용 분야에서는, 예를 들어 탈기 플레이트 또는 다공성 소수성 막에 의해 액체 용액으로부터 기체를 자발적으로 추출하는 경우에도 볼 수 있다. 액체로부터 자발적으로 기체를 끌어당기고 기체 흡수와 관련된 측정 가능한 모세관 압력을 나타내는 임의의 구조가 기체 모세관 구조로 지칭될 수 있다.
기체 모세관 구조는 전지 내 다른, 분자 수준의 액체상 및 기체상 이동을 방해하지 않고 독립적인 경로를 따라 교차-평면 축 안팎으로의 기체 이동을 촉진할 수 있다. 교차-평면 축 안팎으로의 기체 이동을 촉진하는 기체 모세관 구조는 제1 전극(120) 내에 또는 적어도 부분적으로 제1 전극(120)에, 및/또는 제2 전극(130) 내에 또는 적어도 부분적으로 제2 전극(130)에, 또는 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에 인접하여/부근에서, 또는 그에서, 또는 그로, 예를 들어, 전극-기체(액체-기체) 경계(126b 또는 136b), 또는 전극-스페이서 경계(126a 또는 136a)에서 또는 그 근처에서 통합될 수 있다. 전지는 제1 기체 확산 전극 내에 또는 제1 기체 확산 전극에 위치하는 기체 모세관 구조를 선택적으로 포함할 수 있고, 제2 기체 확산 전극 내에 또는 제2 기체 확산 전극에 위치하는 제2 기체 모세관 구조를 선택적으로 포함할 수 있다. 기체 모세관 구조는 기체 흡수를 위한 모세관 압력을 표시한다면 다음 중 임의의 것을 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다:
- 좁은 간격의 소수성 표면,
- 좁은 기공의 소수성 본체,
- 탈기 플레이트, 또는
- 다공성 소수성 막.
예에는 본 명세서에 참고로 포함된 과학 간행물[‘The prospects of developing a highly energy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubble effects’, published in Sustainable Energy and Fuels, 2021, Volume 5, page 1280]에서 '통기성(무기포) 전극(Breathable (bubble-free) electrodes)'이라는 제목의 섹션에 기술된 것들을 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
기체 모세관 구조의 특징은 기체에 대한 친화력 덕분에 내부에 하나 이상의 기체 본체를 포함할 수 있다는 것이다. 이러한 기체는 기체 모세관 구조가 액체 전해질에 완전히 침지되더라도 별도의 벌크 기체 본체로서 지속될 수 있다.
예시적인 실시 형태에서, 기체 모세관 구조 내부의 이러한 기체 본체는 인접한 기체 본체와 근접할 수 있거나 근접하게 될 수 있다. 예를 들어, 전극(120) 내의, 적어도 부분적으로 그에서의, 그에 인접한, 그에서의, 또는 그 근처의 기체 모세관 구조는 기체 본체(125)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 본체를 함유할 수 있다. 유사하게, 전극(130) 내의, 적어도 부분적으로 그에서의, 그에 인접한, 그에서의, 또는 그 근처의 기체 모세관 구조는 기체 본체(135)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 본체를 함유할 수 있다. 이러한 경우에, 기체 모세관 구조 내의 기체 본체는 더 큰 기체 본체의 일부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 기체 본체(125)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 모세관 구조 내의 기체 본체는 기체 본체(125)의 일부를 형성할 수 있다. 기체 본체(125)는 외부 기체 도관(예컨대 127) 및/또는 기체 저장 시스템(128)과 기체 연통할 수 있다. 유사하게, 기체 본체(135)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 모세관 구조 내의 기체 본체는 기체 본체(135)의 일부를 형성할 수 있다. 기체 본체(135)는 외부 기체 도관(예컨대 137) 및/또는 기체 저장 시스템(138)과 기체 연통할 수 있다. 예를 들어, 다공성 모세관 스페이서의 제1 면은 제1 기체 확산 전극의 제1 면에 인접하고, 다공성 모세관 스페이서의 제2 면은 제2 기체 확산 전극의 제1 면에 인접하고, 제1 기체 확산 전극의 제2 면은 제1 기체 본체에 인접하고, 제2 기체 확산 전극의 제2 면은 제2 기체 본체에 인접한다. 기체 모세관 구조는 적어도 부분적으로 제1 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치한다. 제2 기체 모세관 구조는 적어도 부분적으로 제2 기체 확산 전극의 제2 면 내에 또는 제2 면에 위치할 수 있다.
대안적으로, 기체 모세관 구조 내부의 기체 본체는 그 자체로 벌크 기체 본체일 수 있으며, 외부 기체 도관 또는 저장 시스템과 독립적으로 기체 연통한다. 예를 들어, 전극(120) 내의, 전극(120)에 인접한, 또는 전극(120) 근처의 기체 모세관 구조는 기체 본체(125)인 내부 기체 본체를 함유할 수 있고, 이는 외부 기체 도관(예컨대 127) 또는 저장 시스템(예컨대 128)과 직접 기체 연통한다. 유사하게, 전극(130) 내의, 전극(130)에 인접한, 또는 전극(130) 근처의 기체 모세관 구조는 기체 본체(135)인 내부 기체 본체를 함유할 수 있고, 이는 외부 기체 도관(예컨대 137) 또는 저장 시스템(예컨대 138)과 직접 기체 연통한다.
전극 내부 또는 전극 근처의 기체 모세관 구조를 사용하는 데 대한 대안은 기체 모세관 효과를 반드시 활용하지 않고도 기체의 이동을 촉진하는 물리적 특성을 갖는 '기체 취급' 구조를 통합하는 것이다. 기체 취급 구조에서 기체 이동 경로는 전지의 다른 분자 수준 액체상 및 기체상 이동을 방해하지 않고 독립적일 수 있다.
선택적으로, 제1 기체 확산 전극(120)은 그 내에, 그에, 또는 그 근처에, 예를 들어, 경계(126a 또는 126b)에 또는 그 근처에 위치된 기체 취급 구조를 포함할 수 있다. 또한 선택적으로, 제2 기체 확산 전극(130)은 그 내에, 또는 경계(136a 또는 136b)에 또는 그 근처에 위치된 기체 취급 구조를 포함할 수 있다. 기체 취급 구조의 예에는
(a) 예를 들어 다음을 함유하거나 포함하는, 표면 에너지가 낮은 표면 영역을 갖는 것들과 같이, 기체가 선택적으로 응집 및 이동하는 데 선호되는 물질 또는 구조:
1. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화 중합체, Nafion® 등과 같이 낮은 표면 에너지를 갖는 물질; 또는
2. 나노 규모 초소수성 구조 등과 같이 낮은 표면 에너지를 갖는 표면 구조가 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
예에는 본 명세서에 참고로 포함된 과학 간행물[‘The prospects of developing a highly energy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubble effects’, published in Sustainable Energy and Fuels, 2021, Volume 5, page 1280]에서 '소수성 섬'(Hydrophobic islands)이라는 제목의 섹션에 기술된 것들;
또는
(b) 초친수성 또는 '초습윤' 물질 또는 구조와 같이, 합체된 기체의 분리를 조장하는 강한 혐기성 표면 영역을 갖는 물질 또는 구조를 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
예에는 본 명세서에 참고로 포함된 과학 간행물[‘The prospects of developing a highly energy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubble effects’, published in Sustainable Energy and Fuels, 2021, Volume 5, page 1280]에서 '초습윤화 전극'(Superwetting electrodes)이라는 제목의 섹션에 기술된 것들이 포함될 수 있다.
기체 취급 구조의 특징은 기체에 대한 친화력 덕분에 내부에 하나 이상의 기체 본체를 포함할 수 있다는 것이다. 이러한 기체는 기체 취급 구조가 액체 전해질에 완전히 침지되더라도 별도의 벌크 기체 본체로서 지속될 수 있다.
예시적인 실시 형태에서, 기체 취급 구조 내부의 이러한 기체 본체는 인접한 기체 본체와 근접할 수 있거나 근접하게 될 수 있다. 예를 들어, 전극(120) 내의, 그에 인접한, 또는 그 근처의 기체 취급 구조는 기체 본체(125)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 본체를 함유할 수 있다. 유사하게, 전극(130) 내의, 전극(130)에 인접한, 또는 전극(130) 근처의 기체 취급 구조는 기체 본체(135)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 본체를 함유할 수 있다. 이러한 경우에, 기체 취급 구조 내의 기체 본체는 더 큰 기체 본체의 일부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 기체 본체(125)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 취급 구조 내의 기체 본체는 기체 본체(125)의 일부를 형성할 수 있다. 기체 본체(125)는 외부 기체 도관(예컨대 127) 및/또는 기체 저장 시스템(128)과 기체 연통할 수 있다. 유사하게, 기체 본체(135)와 근접하거나 근접하게 되는 기체 취급 구조 내의 기체 본체는 기체 본체(135)의 일부를 형성할 수 있다. 기체 본체(135)는 외부 기체 도관(예컨대 137) 및/또는 기체 저장 시스템(138)과 기체 연통할 수 있다.
대안적으로, 기체 취급 구조 내부의 기체 본체는 그 자체로 벌크 기체 본체일 수 있으며, 외부 기체 도관 또는 저장 시스템과 독립적으로 기체 연통한다. 예를 들어, 전극(120) 내의, 전극(120)에 인접한, 또는 전극(120) 근처의 기체 취급 구조는 기체 본체(125)인 내부 기체 본체를 함유할 수 있고, 이는 외부 기체 도관(예컨대 외부 기체 도관(127)) 또는 저장 시스템(예컨대 저장 시스템(128))과 직접 기체 연통한다. 유사하게, 전극(130) 내의, 전극(130)에 인접한, 또는 전극(130) 근처의 기체 취급 구조는 기체 본체(135)인 내부 기체 본체를 함유할 수 있고, 이는 외부 기체 도관(예컨대 외부 기체 도관(137)) 또는 저장 시스템(예컨대 저장 시스템(138))과 직접 기체 연통한다.
' 무기포' 전극
하나 이상의 전극에서 기체를 생성하는 예시적인 전지의 특징은 전해질에서 가시적인 기포의 형성 없이 액체 전해질로부터 벌크 기포를 직접 생성할 수 있다는 것이다. 이러한 '무기포' 기체 생성은 액체 전해질 내에서 기포 형태로 기체를 생성하는 통상적인 기체-생성 전지에 비해 중요한 이점을 제공할 수 있다. 이러한 이점에는 기포를 형성하는 데 에너지가 필요 없음으로 인한 더 높은 에너지 효율, 및 전극 표면이 기포 없이 유지되어 전기화학 반응에 이용가능하다는 사실이 포함될 수 있다. 특히, 일반적으로 가장 활성이 높은 촉매 부위인 표면의 틈, 균열 및 결함이 자유롭게 유지되어 촉매 작용에 이용가능하지만, 이들은 전형적으로 기포가 가장 먼저 형성되고 가장 끈질기게 달라붙는 곳이다. 전극 활성 표면의 기포 커버리지는 이러한 장애로 인해 기체 생성 전지의 에너지 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 예를 들어 수전해 전지에서, 액체 물은 캐소드 전극의 활성 표면에서 수소 기체로, 그리고 애노드 전극의 활성 표면에서 산소 기체로 전기화학적으로 변환된다. 통상적인 전해 전지에서, 이러한 기체는 액체 전해질로 둘러싸인 기포의 형태로 생성된다. 그러나, 바람직한 실시 형태의 수전해 전지에서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이 둘 다 기체 확산 전극인 경우, 기체는 가시적인 기포의 형성 없이 각각 관련 기체 본체(125 및 135)에 직접 합류할 수 있다. 즉, 근접한 기체상 경로가 각각 교차-평면 축에서 전극(120 및 130)의 활성 표면과 기체 본체(125 및 135) 사이에 존재할 수 있다. 전극 활성 표면에 새로 형성된 기체는 기포를 전혀 형성하지 않고 이러한 연속적인 기체상 경로에 합류할 수 있다.
역사적으로, 전극에서 무기포 기체 발생을 달성하는 것은 다공성 소수성 막과 같은 기체 모세관 구조를 사용하는 경우에만 가능하였다.
그러나 예시적인 실시 형태의 특징은 무기포 기체 생성이, 기체 모세관 구조의 마이크로 및 나노 구조의 존재에 의존하거나 그러한 존재를 필요로 하지 않는 다른 방식으로 일어날 수 있다는 점이다. 예를 들어, 예시적인 실시 형태의 전지의 구조는 전극에 의한 무기포 기체 생성을 야기할 수 있다. 이것은 여러 방식으로 발생할 수 있다.
일부 예에서, 기체 확산 전극(예컨대 기체 확산 전극(120) 또는 제2 기체 확산 전극(130))의 표면은 전지 작동 중에 액체 전해질의 얇은 층으로만 덮일 수 있다. 전극 표면에서 생성된 기체는 전해질에 용해될 수 있고 얇은 층을 통해 그 표면으로 이동할 수 있으며, 여기서 인접한 기체 본체(제1 기체 본체(125) 또는 제2 기체 본체(135))와 접한다. 이어서 기체는 기체 본체(제1 기체 본체(125) 또는 제2 기체 본체(135))를 통과하여 기포 형성을 피할 수 있다.
그렇게 함으로써, 기체는 전극 표면에서 물 및 액체상 이온의 이동을 방해하지 않는 방식으로 전극으로부터 멀리 이동할 수 있다. 즉, 기포 형성을 방지함에 있어서, 물은 항상 전극 표면에 대한 방해받지 않는 접근 및 경로를 가질 수 있다. 전극에서 멀리 이동하는 기포가 전극으로의 물의 이동에 반대이고 거스르는 역다상류가 없을 수 있다.
기체는 또한 기포의 핵을 형성하는 데 필요한 것보다 실질적으로 더 낮은 분압으로 배출될 수 있으므로 여분의 분압을 생성하는 데 필요한 더 높은 전압을 피할 수 있다.
전극에서 또는 전극 근처에서의 기체 취급 구조의 통합은 전극 활성 표면으로부터 각각의 기체 본체(125 및/또는 135)로의 직접적인 무기포 기체상 경로를 생성하는 데 또한 도움이 될 수 있다. 이들 경로는 개별적이고 독립적일 수 있으며 전극 표면에서 물 및 액체상 이온의 이동을 방해하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 새로 형성된 기체는 전해질에 용해된 다음, 기체 취급 구조의 저에너지 표면에서 합체되어 제거될 수 있다. 이러한 기체는 또한 기포 형성 없이 전해질로부터 이러한 저에너지 표면을 따라 각각의 기체 본체(125 및 135) 내로 이동할 수 있다. 이러한 유형의 무기포 작동은 다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관 압력에 의해 촉진될 수 있으며, 이는 용해된 기체로부터 기포의 핵을 형성하는 데 필요한 높은 분압을 증가시킴으로써 기포 형성을 억제할 수 있다. 즉, 다공성 모세관 스페이서(110)에서, 핵 형성 기포는 자체를 밀어 올릴 뿐만 아니라 상당한 모세관 압력으로 유지되는 모세관 내의 액체를 밀어내야 한다.
물론, 무기포 기체 생성은 다공성 소수성 막과 같은 기체 모세관 구조를 전극에서 또는 전극 근처에서 통합함으로써 또한 달성될 수 있다. 이러한 경우, 새로 형성된 기체는 기포가 형성되기 전에 기체 모세관 작용에 의해 기체 모세관 구조를 통해 액체 전해질로부터 자발적으로 인출될 수 있다. 이에 따라 기체상 이동이 생성될 수 있으며, 이는 개별적이고 독립적이며 전극 표면의 물 및 액체상 이온의 이동을 방해하지 않는다.
효과적이지만, 전극에서 또는 전극 근처에서 기체 모세관 구조를 사용하는 것은 이러한 구조가 일반적으로 전기 전도성이 아니라는 단점이 있다. 따라서 전극에 대한 전기 연결은 기체 모세관 구조를 우회해야 한다. 더 긴 전기 연결 경로에 대한 필요성으로 인해 전지들이 상업적 구성으로 적층될 때 부가적으로 축적되는 추가 전기 저항이 생성된다. 추가적인 저항은 전형적으로 무기포 작동의 이점을 상쇄하고 무효화할 수 있다. 이 문제는 본원에 참고로 포함된 과학 간행물[‘The prospects of developing a highly energy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubble effects’, published in Sustainable Energy and Fuels, 2021, Volume 5, page 1280]에서 도 17과 관련된 섹션에 기술되어 있다.
대조적으로, 기체 모세관 구조를 사용하지 않고서 무기포 작동을 달성하는 예시적인 실시 형태의 전지에는 이러한 문제가 존재하지 않는다. 그러한 예에서, 직접적으로 전극의 (전체) 면에 대해, 가능한 가장 짧은 경로에 의해 전기 연결이 이루어질 수 있다. 이렇게 하면 무기포 작동의 이점을 상쇄하는 추가적인 저항의 제한이 해제되어 무기포 작동의 이점을 최대한 활용할 수 있다. 생성된 전지는 훨씬 더 에너지 효율적일 수 있다.
무기포인 예시적인 실시 형태는 바람직하게는 기포가 있는 유사한 것보다 0.5% 초과로 더 높은 에너지 효율을 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 에너지 효율의 개선은 1% 초과, 2% 초과, 5% 초과, 10% 초과, 15% 초과 또는 20% 초과일 수 있다.
바람직한 실시 형태의 전지는 증가된 에너지 효율을 나타내는 '독립 경로 전지'를 구성할 수 있다
바람직한 실시 형태의 전지에서 다수의 특징은 전지 내의 기체상 및 액체상 종의 이동(유동)을 위한 개별적이고 독립적인 비-간섭 분자 수준 경로를 제공한다는 것을 이해할 것이다. 그렇게 함에 있어서, 바람직한 실시 형태의 전지는 '독립 경로 전지'일 수 있다.
'독립 경로 전지'는 전지 내에서 각각의 개별 액체상 및 기체상 반응물 및 생성물의 이동(유동)에 대해 개별적이고 독립적인 적어도 하나의 경로를 제공하는 기체-액체 전기화학 전지로서 정의되며, 여기서 이러한 경로들은 서로 간섭하거나 방해하지 않는다.
이와 관련하여 경로는 충분한 반응물이 전지 외부로부터 제공되고 충분한 생성물이 전지 외부로 제거되는 경우 전기화학 반응을 무한정 지속할 수 있는 전지 내 분자 수준의 경로 또는 일련의 경로로서 정의된다.
서로 간섭하거나 방해하지 않는다는 점에서 이러한 유형의 개별적이고 독립적인 액체- 및 기체-반응물 및 생성물 유동은 본질적으로 효율적이다. 그 결과, 독립 경로 전지는 모든 기체상 및 액체상 반응물 및 생성물 유동이 개별적 및 독립적이진 않은 등가의 전기화학 전지에 비해 증가된 에너지 효율을 나타낼 수 있다. 이러한 더 높은 에너지 효율은 모든 기체상 및 액체상 반응물 및 생성물 유동이 개별적 및 독립적이지는 않은 전지에 비해, 전기-합성 전지에서 요구되는 더 낮은 전압(제1 전극 및 제2 전극에 걸쳐 인가됨)에서, 또는 동등한 조건 하에서 전기-에너지 전지에서 생성되는 더 높은 전압(제1 전극 및 제2 전극에 걸쳐 생성됨)에서 나타날 수 있다.
독립 경로 전지는 더 높은 에너지 효율을 실현하기 위해 다음 특징들 중 일부 또는 전부를 활용할 수 있다: (1) 반응 구역/교차-평면 축의 안팎으로의 개별적이고 독립적인 액체상 및 기체상 분자 수준 이동, (2) 전극을 따른 또는 전극 위로의 전해질의 비-간섭 모세관-유도된 이동, (3) 전지에서 액체 보충/유지를 위한 비-간섭 기체상 경로, (4) 비-간섭 경로를 수반하는 모세관 현상-유도된 전극 습윤화, (5) 다공성 모세관 스페이서에 대한 전극의 압축에 의해 생성된 비-간섭 경로를 수반하는 모세관 현상-유도된 전극 습윤화, (6) 기체 취급 구조 또는 기체 모세관 구조를 통한 비-간섭 기체상 이동, 및/또는 (7) 무기포 전극에서 비-간섭 기체상 및 액체상 이동. 증가된 에너지 효율은 누적된 이러한 효과의 일부 또는 전부 때문일 수 있다.
예시적인 실시 형태의 '독립 경로 전지'는 바람직하게는, 적어도 하나의 반응물 또는 생성물 유동이 간섭적인 유사한 전지보다, 0.5% 초과로 더 큰 에너지 효율을 나타낸다. 다른 예에서, 에너지 효율의 개선은 1% 초과, 2% 초과, 5% 초과, 10% 초과, 15% 초과 또는 20% 초과일 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관-관련 특징
바람직한 실시 형태의 추가적인 특징은 다공성 스페이서(110)에서의 모세관 현상이다. 즉, 다공성 모세관 스페이서(110)는 액체 전해질을 함유하며 이러한 액체 전해질은 모세관력에 의해 다공성 모세관 스페이서 내에 단단히 고정된다. 예를 들어, 앞서 언급한 다공성 모세관 스페이서(110)의 예, 즉 Pall Corporation에서 공급하는 평균 기공 직경이 8 μm인 폴리에테르술폰 물질 필터는 액체 전해질, 예를 들어 수성 액체 전해질을 끌어당겨 그 전해질을 모세관력에 의해 물질 내에 유지할 수 있다.
무한정의 시간 동안 계속적으로 또는 연속적으로 작동하기 위해, 다공성 모세관 스페이서(110)는 액체 전해질(100)로 연속적으로 또는 지속적으로 충전된 상태를 유지하기에 충분한 모세관 현상을 필요로 할 수 있다.
이러한 다공성 모세관 스페이서(110)는 또한 다음을 포함하는 다른 특성을 나타낼 필요가 있을 수 있다.
(1) 모세관 압력 및 '기포점': 모세관 압력, 더 구체적으로 다공성 모세관 스페이서(110)의 '기포점'은 적합하게 클 필요가 있을 수 있다(합리적으로 그리고 본원에서 논의된 다른 요건을 고려하여). 모세관 압력은 다공성 모세관 스페이서(110)의 평균 모세관 밖으로 액체 전해질(100)을 밀어내는 데 필요한 기체 압력을 나타낸다. 기포점은 다공성 모세관 스페이서(110)의 가장 큰 모세관 밖으로 액체 전해질(100)을 밀어내는 데 필요한 기체 압력을 나타낸다. 이들 압력은 기체 본체(125 및 135) 내의 작거나 일시적인 압력 차이가 액체 전해질(100)을 다공성 모세관 스페이서(110) 밖으로 또는 아래로 밀어낼 수 없도록 보장하는 데 도움이 되도록 충분히 높을 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 유형의 전지의 임의의 지점에서 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질의 손실은, (전극들 사이의 어떤 지점에도 액체 전해질이 없는 경우) 전기화학 반응을 늦추거나 정지시킬 수 있고/있거나 (스페이서의 어떤 지점에도 존재하는 기체 본체들 사이에서 배리어 역할을 하는 액체가 존재하지 않는 경우) 기체 크로스오버를 유발할 수 있다.
(2) 최대 컬럼 높이: 상기에 언급된 바와 같이, 다공성 모세관 스페이서(110)는 액체 전해질(100)의 컬럼 높이를 그 자체 내에서 무한정 유지할 필요가 있을 수 있다. 이러한 컬럼 높이는 예시적인 실시 형태의 전지의 상부로 연장되어 다공성 모세관 스페이서(110)가 전지 내의 모든 지점에서 액체 전해질로 충전되도록 보장할 필요가 있을 수 있다. 이는 최대 전지 높이가 다공성 모세관 스페이서(110)의 최대 컬럼 높이 이하인 경우에만 보장될 수 있으며, 이는 가설적으로 무한한 높이를 갖는 경우 다공성 모세관 스페이서(110)에 의해 유지될 수 있는 액체 전해질(100)의 가장 높은 컬럼 높이이다. 즉, 전극-스페이서-전극 조립체(139)의 모든 위치에서, 전극들 사이에 액체 전해질(100)이 항상 존재하기 위해서는, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 최대 컬럼 높이가 전지의 가장 높은 지점만큼 높거나 그보다 더 높아야 할 수 있으며, 즉, 다공성 모세관 스페이서의 위치에서의 전지의 높이 이상이어야 할 수 있다. 예시적인 실시 형태의 전지에서, 다공성 모세관 스페이서(110) 및 그 내부의 액체 전해질(100)은 기체 본체들, 예를 들어 도 1 내지 3에서 기체 본체들(125 및 135) 사이에 놓일 수 있다. 이어서, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)은 예를 들어 도 1 내지 3에서 기체 본체(125)로부터의 기체가 기체 본체(135) 내의 기체 내로 가로지르거나 그와 혼합되는 것, 및 그 반대를 방지하는 데 필요할 수 있다. 전기화학 전지에서 이 현상은 '기체 크로스오버'로 알려져 있으며 에너지 효율의 손실, 불순한 기체의 생성 또는 소비, 및/또는 안전 위험을 초래할 수 있다. 최대 컬럼 높이는 또한 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)보다 높아야 할 수 있다.
(3) 유량: 액체 전해질(100)이 모세관 현상의 영향 하에 충전된 다공성 모세관 스페이서(110) 내에서 이동하는 상향 유량은 전지 작동 중을 포함하여 다공성 모세관 스페이서가 항상 액체 전해질(100)로 충전된 상태를 유지하기에 충분할 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 전기화학 반응이 반응물로서 물을 소비하는, 도 1 또는 도 2에 도시된 구조를 갖는 전지에서, 다공성 모세관 스페이서 내의 모든 높이에서의 모세관-유도된 유량은 전지가 최대 속도로 작동될 때 소비되는 물을 보충할 수 있어야 한다.
다공성 모세관 스페이서(110)의 구체적인 모세관 특징 - 모세관 압력 및 기포점
모세관 압력은 모세관의 메니스커스를 가로지르는 압력 차이로서 정의된다. 즉, 액체 전해질을 모세관 밖으로 밀어내는 데 필요한 압력이다. 모세관 압력의 가장 일반적인 수학적 표현은 Young-Laplace 방정식이다:
[식 2]
Figure pct00001
여기서, μP는 압력 강하이고, η는 액체의 표면 장력이고, θ는 액체와 고체 사이의 접촉각이고, r은 기공 반경이다.
이러한 표현을 사용하여, 일련의 예시적인 다공성 모세관 스페이서(110), 즉, Pall Corporation에서 공급되는, 평균 기공 직경이 0.45 μm, 1.2 μm, 5 μm, 및 8 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터에서, 6 M KOH 전해질의 모세관 압력은, 1.66 atm (0.45 μm 평균 기공 직경에 대해), 1.08 atm (1.2 μm 평균 기공 직경에 대해), 0.27 atm (5 μm 평균 기공 직경에 대해), 및 0.22 atm (8 μm 평균 기공 직경에 대해)인 것으로 계산되었다.
식 2는 기공 반경/직경이 클수록 그 안의 액체를 대체하는 데 필요한 압력이 낮아진다는 것을 나타낸다. 따라서, 다공성 모세관 스페이서에서 가장 중요한 유형의 모세관 압력은 '기포점'이다. 이것은 다공성 모세관 스페이서의 가장 큰 기공에서 액체를 대체하는 데 필요한 압력이다. 상기 일련의 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터의 기포점은 모세관 유동 기공측정법(Capillary Flow Porometry)를 사용하여 측정되었으며 다음과 같은 것으로 나타났다: 0.91 atm (0.45 μm 평균 기공 직경에 대해), 0.48 atm (1.2 μm 평균 기공 직경에 대해), 0.13 atm (5 μm 평균 기공 직경에 대해), 및 0.11 atm (8 μm 평균 기공 직경에 대해).
상기에 언급된 바와 같이, 높은 기포점은 기체 본체, 예를 들어 도 1 내지 3의 기체 본체(125 또는 135)에서 작거나 일시적인 압력 차이가 액체 전해질을 다공성 모세관 스페이서 밖으로 또는 아래로 밀어낼 수 없도록 보장하는 데 도움이 된다. 따라서, 약 8 μm의 평균 특정 기공 직경을 갖는 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터가 도 1에 도시된 구조의 전지에서 액체 전해질(100)로서 6 M KOH를 갖는 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용되는 경우, 전지(10)는 기체 본체(125 또는 135) 중 어느 것도 작동 중에 액체 압력보다 0.11 atm 이상 높거나 다른 기체 본체의 압력보다 높지 않도록 설계되어야 한다(이로 인해 액체 전해질이 가장 큰 기공으로부터 밀려나갈 것이기 때문이다). 그러나 평균 특정 기공 직경이 0.45 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용한 경우, 액체 전해질(100)을 다공성 모세관 스페이서(110) 밖으로 밀어내기 시작하지 않고도 최대 0.91 atm의 압력 차이를 유지할 수 있다.
기포점의 상기 추세는 멱법칙으로서 모델링될 수 있으며, 더 큰 평균 기공 직경에서의 기포점은 다음과 같이 계산될 수 있다: 0.5086 x (평균 기공 직경)-0.772. 이러한 측정에 의해, 폴리에테르술폰 물질 다공성 모세관 스페이서(110)에서 400 μm의 평균 기공 직경은 0.005 atm (5 mbar)의 기포점을 생성할 것으로 예상될 수 있으며, 이는 전지에서 무한정 보장하기에는 실질적으로 어려운 임계값을 제공하는 것으로 간주될 수 있는 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 낮은 압력 차이이다.
폴리에테르술폰 물질 다공성 모세관 스페이서(110)의 400 μm의 평균 기공 직경은 모세관 압력의 전술한 추세의 외삽에 의해 0.011 atm (11 mbar)의 모세관 압력에 해당한다.
따라서, 액체 전해질로 충전될 때, 다공성 모세관 스페이서(110)의 예시적인 실시 형태는 모세관 압력이 바람직하게는 11 mbar 초과일 수 있다. 다른 예에서, 다공성 모세관 스페이서(110)는 모세관 압력이 15 mbar 초과, 20 mbar 초과, 30 mbar 초과, 50 mbar 초과, 80 mbar 초과, 100 mbar 초과, 500 mbar 초과, 1 bar 초과, 또는 2 bar 초과일 수 있다.
따라서, 액체 전해질로 충전될 때, 예시적인 실시 형태의 다공성 모세관 스페이서(110)는 바람직하게는 기포점이 5 mbar 초과일 수 있다. 다른 예에서, 다공성 모세관 스페이서(110)는 기포점이 10 mbar 초과, 15 mbar 초과, 20 mbar 초과, 50 mbar 초과, 100 mbar 초과, 250 mbar 초과, 500 mbar 초과, 1 bar 초과, 또는 2 bar 초과일 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)의 구체적인 모세관 특징 - 최대 컬럼 높이
이론에 구애되고자 함이 없이, 가설적으로 무한한 높이의 모세관에 의해 유지될 수 있는 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 Jurin의 법칙에 의해 주어질 수 있다:
[식 1]
Figure pct00002
여기서, h는 컬럼 높이이고, η는 액체-공기 표면 장력(힘/단위 길이)이고, θ는 다공성 모세관 스페이서 물질 자체와의 액체 전해질의 접촉각이고, ρ는 액체 전해질의 밀도(질량/부피)이고, g는 중력으로 인한 국지 가속(길이/시간의 제곱)이고, r는 모세관의 평균 반경이다. Jurin의 법칙은 특히 다공성 모세관 물질이 아니라 모세관에 적용된다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 이것은 다공성 모세관 물질의 최대 컬럼 높이의 추세를 외삽하는 요인을 제공하는 데 합리적으로 사용될 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, Jurin의 법칙은 기공 직경이 작을수록 그리고 다공성 모세관 스페이서 물질과 액체 전해질의 접촉각이 낮을수록, 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지될 수 있는 액체 전해질(100)의 컬럼이 더 높을 수 있음을 나타낸다.
전술한 일련의 예시적인 다공성 모세관 스페이서(110), 즉, Pall Corporation에서 공급되는, 평균 기공 직경이 0.45 μm, 1.2 μm, 5 μm, 및 8 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터에 의해 유지될 수 있는 최대 컬럼 높이를 측정하였다. 필터는 친수성이어서, 클래스 II 탈이온수에서 66.6°, 알칼리성 6 M KOH 용액에서 70.3°의 접촉각을 나타내었다. 측정은 평균 기공 직경이 8 μm 인 폴리에테르술폰 물질 필터가 상기 필터의 가장 낮은 최대 컬럼 높이(이는 클래스 II 탈이온수의 19.6 cm 및 6 M KOH의 16.6 cm임)를 유지하였음을 나타내었다. 평균 기공 직경이 더 작은 필터는 상당히 더 높은 최대 컬럼 높이를 비롯하여 더 높은 최대 컬럼 높이를 유지하였다.
따라서, 도 1에 도시된 구조를 갖는 예시적인 전지에서 평균 기공 직경이 약 8 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터가 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용되고 6 M KOH가 액체 전해질(100)로서 사용된 경우, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 포함하는 전지는 최대 약 16.4 내지 16.5 cm의 높이까지 안전하게 연장될 수 있다. 즉, 다공성 모세관 스페이서는 최대 16.4 내지 16.5 cm의 높이에서 기체 크로스오버에 대한 배리어로서 안전하게 사용될 수 있다. 기공이 더 작은 물질은 훨씬 더 높은 최대 컬럼 높이를 비롯하여 더 높은 최대 컬럼 높이를 제공한다. 폭을 따라 모든 지점에서 다공성 모세관 스페이서, 즉 폴리에테르술폰 다공성 모세관 스페이서가 6 M KOH에 접근할 수 있다면, 다공성 모세관 스페이서 및 전극의 폭에 대한 제한은 없다.
이전 섹션에서 언급한 바와 같이, 폴리에테르술폰 물질 다공성 모세관 스페이서(110)에서 약 400 μm의 평균 기공 직경은 0.005 atm (5 mbar)의 기포점을 생성할 것으로 예상될 수 있으며, 이는 전지에서 무한정 보장하기에는 실질적으로 어려운 임계값을 제공할 수 있는 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 낮은 압력 차이이다.
400 μm의 이러한 평균 기공 직경에 상응할 수 있는 최대 컬럼 높이를 결정하기 위해, 평균 기공 직경이 8 μm인 폴리에테르술폰 물질 필터의 최대 컬럼 높이를 Jurin의 법칙에 의해 예상되는 미분 계수에 의해 조정하였다. 이러한 측정에 의해, 6 M KOH로 충전된 약 400 μm의 평균 기공 직경을 갖는 폴리에테르술폰 물질 다공성 모세관 스페이서(110)는 그의 단부(150) 위로 0.4 cm의 최대 컬럼 높이를 가질 것으로 예상될 수 있다. 이것은 매우 작은 모세관 효과에 해당한다.
예시적인 실시 형태에서 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 따라서 바람직하게는 0.4 cm 초과일 수 있다. 다른 예에서, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 1 cm 초과, 3 cm 초과, 6 cm 초과, 8 cm 초과, 10 cm 초과, 12 cm 초과, 14 cm 초과, 16 cm 초과, 18 cm 초과, 20 cm 초과, 25 cm 초과, 30 cm 초과, 50 cm 초과, 또는 100 cm 초과일 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)의 구체적인 모세관 특징 - 유량
모세관 현상의 영향 하에 이미 충전된 다공성 모세관 스페이서 내부에서 액체 전해질이 위로 유동하는 속도는 Darcy의 법칙에 의해 주어진다:
[식 3]
Figure pct00003
여기서, Q는 단위 시간당 유량이고, k는 다공성 모세관 스페이서의 투과도이고, A는 다공성 모세관 스페이서의 단면적이고, μ는 액체 전해질의 점도이고, L은 유량을 구하고자 하는 액체 저장소 위로의 높이 또는 저장소가 없는 경우 다공성 모세관 스페이서의 하단부 위로의 높이이고, ΔP는 높이 L에 걸친 압력 강하이다.
[“The Permeability of Porous Media to Liquids and Gases” by L. J. Klinkenberger in the American Petroleum Institute, Drilling and Production Practice, page 200-213, 1 January 1941, New York]의 널리 받아들여지고 있는 연구에 따르면, 다공성 매체에서 액체의 유량을 설명하는 Poiseuille 방정식은 다음과 같이 주어질 수 있다:
[식 4]
Figure pct00004
여기서, Q는 단위 시간당 전체 유량이고, 1/m은 액체를 수송할 수 있는 기공의 비율('굴곡도 계수'(tortuosity factor)라고 할 수 있음)이고, n은 모세관의 수이고, r은 평균 기공 반경이고, μ는 액체 전해질의 점도이고, L은 유량을 구하고자 하는 액체 저장소 위로의 높이이고, ΔP는 높이 L에 걸친 압력 강하이다.
다공성 물질의 투과도(k) 및 그의 다공도(
Figure pct00005
)는 다음과 같이 나타낼 수 있다,
[식 5]
Figure pct00006
[식 6]
Figure pct00007
여기서, k는 다공성 물질의 투과도이고,
Figure pct00008
는 다공도이고, 1/m은 액체를 수송할 수 있는 기공의 비율(굴곡도 계수)이고, n은 모세관의 수이고, r은 평균 기공 반경이고, A는 다공성 물질의 단면적이다.
따라서,
[식 7]
Figure pct00009
더욱이, 메니스커스에 걸친 압력 차이는 Young-Laplace 방정식에 의해 주어진다:
[식 2]
Figure pct00010
여기서, μP는 압력 강하이고, η는 액체의 표면 장력이고, θ는 액체와 고체 사이의 접촉각이고, r은 기공 반경이다.
Darcy 방정식으로 대체하면 다음이 제공된다:
[식 8]
Figure pct00011
여기서, Q는 단위 시간당 유량이고, 1/m은 액체를 수송할 수 있는 기공의 비율(굴곡도 계수)이고, A는 다공성 모세관 스페이서의 단면적이고,
Figure pct00012
는 다공도이고, r는 기공 반경이고, η는 액체의 표면 장력이고, θ는 액체와 고체 사이의 접촉각이고, μ는 액체의 점도이고, L은 액체 저장소 위로의 높이이다.
기공 직경이 0.45 μm, 1.2 μm, 5 μm, 및 8 μm이고 액체 전해질로서의 6 M KOH로 충전된 전술한 폴리에테르술폰 물질 필터를 포함하는 다공성 모세관 스페이서(110)에 대해:
- 다공성 모세관 스페이서(110)의 단면적(A)은 현미경을 사용하여 측정될 수 있고;
- 다공성 모세관 스페이서(110)의 다공도 (
Figure pct00013
)는 다음과 같이 측정될 수 있다. 비어 있는 다공성 모세관 스페이서(110)를 칭량한 다음, 액체 전해질로 충전하고 다시 칭량한다. 차이는 다공성 모세관 스페이서(110)의 공극 부피를 충전하는 액체의 중량을 제공한다. 이러한 중량을 부피로 변환한 다음, 현미경으로 측정된 다공성 모세관 스페이서의 순 부피와 비교한다;
- 다공성 모세관 스페이서(110)의 평균 기공 반경(r)은 모세관 유동 기공측정기를 사용하여 측정될 수 있고,
- 관련 온도에서 6 M KOH 전해질의 표면 장력은 공개된 데이터(본원에 참고로 포함된 과학 논문(문헌[P. Ripoche and M. Rolin in Bull. Soc. Chem. France, Part 1, 1980, Vol 9-10, pages I386-I39] 참조)로부터 입수할 수 있고;
- 다공성 모세관 스페이서(110)의 폴리에테르술폰 물질과 6 M KOH 전해질의 접촉각(θ)은 표준 실험실 고니오미터 기구를 사용하여 측정될 수 있고;
- 관련 온도에서 6 M KOH 전해질의 점도(μ)는 공개된 데이터(문헌[the Caustic Potash Handbook, March 2018, by Occidental Chemical Corporation of the United States of America]의 그래프 7 참조)로부터 입수할 수 있고;
- 저장소 위로의 높이(L) (또는 저장소가 없는 경우 다공성 모세관 스페이서의 하단부 위로의 높이)가 측정될 수 있다.
따라서, 식 8을 사용하여 소정 높이에서 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 모세관 유량을 모델링하는 것이 가능하며, 유동에 참여하는 기공의 비율을 기술하는 굴곡도 계수 1/m는 예측된 유량을 실제 측정된 유량과 비교하여 결정된다.
특정 높이에서 상기 폴리에테르술폰 물질 필터 중 하나의 유량을 측정하기 위해 1 cm 폭의 필터의 건조한 샘플을 선택한 길이로 절단하고 매달린 물체의 중량 변화를 측정할 수 있는 저울에 매달았다. 저울에 부착된 필터 상부에 흡수 패드를 부착하였다. 실험 동안 임의의 액체 증발을 차단하기 위해 필터와 흡착 패드를 파라필름으로 감쌌다. 그 후 필터의 하단부를 6 M KOH 저장소에 침지하고 모세관 작용에 의해 필터가 자체적으로 충전되게 두었다. 시간 경과에 따른 중량 변화의 데이터를 수집하였다. 필터가 자체적으로 완전히 충전된 시점부터 유량에 대해 데이터를 분석하였으며, 그 후 중량 대 시간 데이터는 선형이 되었다. 유량은 단위 시간당 중량의 변화였다.
도 5는 기공 직경이 0.45 μm, 1.2 μm, 5 μm, 및 8 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 포함하는 다공성 모세관 스페이서(110) 내에서 실온에서 6 M KOH 액체 전해질에 대해 이러한 방식으로 측정된 유량(흑색 점), 및 모델링된 유량(빈 사각형)의 그래프를 도시한다. 계수 1/m = 1/1.7 = 58.8%는 시험한 모든 샘플에 대해 최적 적합을 제공하는 것으로 나타났다. 알 수 있는 바와 같이, 모델링된 결과는 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 포함하는 각각의 다공성 모세관 스페이서(110)에 대한 측정 결과의 양호한 일치를 제공한다.
앞서 언급된 바와 같이, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 모세관 유량은 작동 중을 포함하여 다공성 모세관 스페이서(110)를 액체 전해질(100)로 충전된 상태로 무한정 유지하기에 충분해야 하는 한 중요하다. 예를 들어, 전기화학 반응이 반응물로서 물을 소비하는 경우, 모세관-구동 유량은 전지가 최대 속도로 작동할 때 소비된 물을 보충할 수 있어야 한다. 그렇게 할 수 없다면, 전지는 무한정 작동하지 못할 수 있다.
그러나 도 5의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 유량은 일반적으로 높이가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 전기화학 반응(및 증발과 같은 외부 요인)에 의해 요구되는 유량이 전극의 최대 높이를 결정할 수 있다.
이는 다음 예에 의해 예시될 수 있다. 도 1 또는 도 2에 도시된 구조를 갖는 제로-갭 알칼리 수전해 전지와 같은, 전기화학 반응 동안 물을 소비하는 제로-갭 전지의 경우, 10 A의 총 전류는 분당 0.056 g의 물의 전체 소비에 해당한다. 다공성 모세관 스페이서 및 관련 전극의 크기가 40 cm2인 경우(즉 전지는 0.25 A/cm2의 전류 밀도에서 작동할 것임), 다공성 모세관 스페이서는 전극-스페이서-전극 조립체(139) 1 cm2마다 분당 0.056/40 = 0.0014 g의 물을 공급할 수 있어야 한다. 이것은 전극의 최대 높이에서 1 cm2까지 포함한다.
도 5(d)를 참조하면: 평균 기공 직경이 8 μm이고 6 M KOH로 충전된 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하는 경우, 분당 0.0014 g 물의 공급 속도는 대략 20 cm의 최대 전극 높이까지만 지속될 수 있다. 따라서, 20 cm 높이인 전극-스페이서-전극 조립체(139)는 무한정 작동할 것으로 예상될 수 있다. 이러한 전지는 20 cm 높이 및 2 cm 폭일 수 있다(40 cm2의 전체 면적을 제공함). 높이가 20 cm 미만이고 폭이 더 넓은 조립체(139)가 또한 무한정 작동할 수 있다.
그러나, 평균 기공 직경이 5 μm이고 6 M KOH로 충전된 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하는 경우, 분당 0.0014 g 물의 공급 속도는 대략 15 cm의 최대 전극 높이까지만 무한정 지속될 수 있다(도 5(c)에 도시된 바와 같음). 즉, 이러한 유형의 전지 내의 전극은 무한정 작동하기 위해서 높이가 15 cm 이하일 필요가 있을 것이다.
더욱이, 평균 기공 직경이 1.5 μm이고 6 M KOH로 충전된 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하는 경우, 분당 0.0014 g 물의 공급 속도는 대략 6 cm의 최대 전극 높이까지만 무한정 지속될 수 있다(도 5(d)에 도시된 바와 같음). 전극의 최대 높이는 전지가 이 무한정 작동하기 위해서 약 6 cm일 수 있다.
또한, 평균 기공 직경이 0.45 μm이고 6 M KOH로 충전된 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하는 경우, 분당 0.0014 g 물의 공급 속도는 대략 4 cm의 최대 전극 높이까지만 무한정 지속될 수 있다(도 5(d)에 도시된 바와 같음). 전극의 최대 높이는 대략 4 cm일 것이다. 4 cm보다 높은 전극은 최대 전극 높이에서 분당 0.0014 g의 물의 필요한 유량을 무한정 지속할 수 없다.
따라서, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 높은 모세관 유량은 바람직한 실시 형태의 전지의 치수에 잠재적으로 제한적인 영향을 미칠 수 있다. 높은 유량의 다공성 모세관 스페이서(110)는 전지 설계와 관련하여 더 큰 자유도를 제공할 수 있다.
실용적 산업적 관점에서, 전극의 높이는 8 cm 초과인 것이 바람직하다. 따라서, 8 cm 초과의 높이에서 분당 0.0014 g 물의 유량을 제공할 수 있는 다공성 모세관 스페이서(110)가 바람직하다.
다공성 모세관 스페이서(110)의 평균 기공 직경은 상기 평균 기공 직경의 함수로서 상기 최대 높이를 플롯하여 결정될 수 있다. 이러한 플롯은 평균 기공 직경이 2 μm 초과여야 함을 나타낸다. 즉, 8 cm 초과의 높이에서 분당 0.0014 g 물의 유량을 제공할 수 있는 다공성 모세관 스페이서(110)는 평균 기공 직경이 2 μm 초과인 것으로 계산된다.
따라서, 바람직한 실시 형태의 다공성 모세관 스페이서(110)는 바람직하게는 평균 기공 직경이 2 μm 초과이다. 또 다른 예에서, 평균 기공 직경은 400 μm 미만이다. 또 다른 예에서, 평균 기공 직경은 2 μm 초과 및 400 μm 미만일 수 있다. 다른 예에서, 평균 기공 직경은 4 μm 초과, 6 μm 초과, 8 μm 초과, 10 μm 초과, 20 μm 초과, 또는 30 μm 초과일 수 있다. 다른 예에서, 평균 기공 직경은 4 μm 초과 및 400 μm 미만, 6 μm 초과 및 400 μm 미만, 8 μm 초과 및 400 μm 미만, 10 μm 초과 및 400 μm 미만, 20 μm 초과 및 400 μm 미만, 또는 30 μm 초과 및 400 μm 미만일 수 있다. 다른 예에서, 다공성 모세관 스페이서의 평균 기공 직경은 약 3 μm, 약 4 μm, 약 5 μm, 약 6 μm, 약 7 μm, 약 8 μm, 약 9 μm, 또는 약 10 μm이다.
상기 측정되고 계산된 그래프는 실온에서만 모세관 현상의 영향 하의 유량을 설명한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 확산 또는 삼투(이들 둘 모두는 유량을 높이는 데 기여할 수 있음)의 영향은 포함하지 않는다. 더욱이, 식 8은 표면 장력과 접촉각과 직접적인 관계를 나타내지만 점도와는 반비례 관계를 나타낸다. 일반적으로 점도는 온도가 높을수록 급격히 감소하는 반면, 표면 장력 및 접촉각은 훨씬 더 작은 변화를 나타내므로, 유량은 온도가 높을수록 훨씬 더 높아질 수 있다. 따라서, 이러한 유량은 실온보다 높은 온도에서 작동하도록 전지를 설계하기 위한 최소값으로 합리적으로 간주될 수 있다.
모세관 현상은 다공성 모세관 스페이서(110)에 이례적으로 낮은 이온 저항 / 이례적으로 높은 이온 컨덕턴스를 부여할 수 있다
전술한 유형의 폴리에테르술폰 물질 필터를 포함하는 다공성 모세관 스페이서(110)는 약 145 μm의 균일한 두께를 가졌다. 측정 결과, 6 M KOH 전해질로 충전될 때, 2개의 단단히 끼워진 전극 사이의 이러한 다공성 모세관 스페이서의 이온 저항은 실온에서 33 내지 53 mΩ cm2인 것으로 나타났다. 이러한 값은 통상적인 시판 전극간 분리막의 1/4 내지 1/8이다. 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 일반적인 작동 온도인 80℃에서, 이는 15 내지 23 mΩ cm2만큼 낮게 감소한다.
이러한 폴리에테르술폰 물질 필터의 더 낮은 이온 저항의 원인은 75 내지 85%인 그의 다공도, 및 다공성 (비어 있는) 부피를 고도로 전도성인 6 M KOH 전해질(이는 모세관 현상에 의해 스페이서 내에 단단하게 고정됨)이 차지한다는 사실 때문인 것으로 밝혀졌다. 6 M KOH의 145 μm 두께 층의 이온 저항은 실온에서 단지 대략 22 mΩ cm2이고 80℃에서 10 mΩ cm2이다. 따라서 다공성 모세관 물질 내로 끌어당겨지고 모세관력에 의해 유지될 때, 6 M KOH 전해질은 다공성 모세관 물질에 이례적으로 낮은 이온 저항을 부여하였다. 다공성 모세관 물질의 다공도가 클수록 6 M KOH가 차지하는 비율이 커지고 전체 이온 저항이 낮아진다. 따라서, 가장 큰 다공도(84.6%)를 갖는 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터는 6 M KOH 전해질이 채워졌을 때 가장 낮은 이온 저항을 나타내었다(실온에서 33 mΩ cm2 및 80℃에서 15 mΩ cm2).
비교하여, Agfa의 Zirfon PERL® 막은 다공도가 매우 훨씬 더 낮아서, 이온 저항이 훨씬 더 높았다. Chemours의 Nafion® 115 and 117 막 분리막은 본질적으로 이온 전도성이며 다공성이 전혀 없다. 이들의 이온 저항은 이들을 통한 이온 이동을 용이하게 하는 이온화 가능한 기를 함유하는 중합체 구조의 함수이다.
따라서, 예시적인 실시 형태의 전지는 상당히 더 낮은 이온 저항을 제공할 수 있고, 따라서 통상적인 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지와 비교할 때 상당히 더 높은 에너지 효율을 제공할 수 있다. 이러한 개선점은 전해질의 낮은 이온 저항을 이용하는 다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관 현상에서 비롯될 수 있다.
예시적인 실시 형태에서, 다공성 모세관 스페이서는 바람직하게는 다공도가 60% 초과이다. 다른 예에서, 다공성 모세관 스페이서는 다공도가 70% 초과, 80% 초과, 또는 90% 초과일 수 있다.
액체 전해질(100)로 충전된 바람직한 실시 형태의 다공성 모세관 스페이서(110)는 실온에서 140 mΩ cm2 미만의 이온 저항을 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 이온 저항은 270 mΩ cm2 미만, 200 mΩ cm2 미만, 180 mΩ cm2, 또는 160 mΩ cm2 미만, 또는 150 mΩ cm2 미만일 수 있다. 다른 예에서, 이온 저항은 실온에서 130 mΩ cm2 미만, 120 mΩ cm2 미만, 110 mΩ cm2 미만, 100 mΩ cm2 미만, 90 mΩ cm2 미만, 80 mΩ cm2 미만, 70 mΩ cm2 미만, 60 mΩ cm2 미만, 50 mΩ cm2 미만, 40 mΩ cm2 미만, 또는 30 mΩ cm2 미만일 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)에서의 모세관 현상은 이례적으로 낮은 기체 크로스오버를 초래할 수 있다
다수의 전기화학 반응에서, 하나의 전극과 관련된 기체(예컨대 도 1 내지 3에서 제1 기체 본체(125))가 다공성 모세관 스페이서를 가로질러 다공성 모세관 스페이서의 다른 면으로 이동하여 다른 전극과 관련된 기체(예컨대 도 1 내지 3에서 제2 기체 본체(135))와 혼합되는 것, 또는 그 반대를 최소화하는 것이 매우 중요하다. 앞서 언급된 바와 같이, 이 현상은 '기체 크로스오버'로 알려져 있으며 그의 출현율에 비례하여 전지의 에너지 효율을 감소시킨다. 이는 또한 소정 전지에서 잠재적인 안전성 위험을 내포한다.
예를 들어, 도 1 내지 3에 도시된 구조를 갖는 제로-갭 수전해 전지에서, 캐소드에서 생성된 수소 기체는 바람직하게는 애노드에서 생성된 산소 기체에 의한 오염이 가능한 한 없도록 유지되며, 반대도 마찬가지이다. 이는 4.6% 초과의 산소를 함유하는 수소, 또는 3.8% 초과의 수소를 함유하는 산소가 (그러한 전해 전지의 정상 작동 온도인 80℃에서) 폭발성 혼합물이기 때문이다.
통상적인 제로-갭 수전해 전지에서, 기체는 전극간 분리막의 양면의 액체 전해질에서 (즉 애노드액 및 캐소드액에서) 기포로서 생성된다. 이러한 시스템에서, 기체 크로스오버는 두 가지 가능한 메커니즘에 의해 발생할 수 있다: (A) 전극간 분리막을 가로질러 다른 쪽 면으로의, 액체 전해질에 용해된 기체의 확산 ('확산-기반 크로스오버'로 지칭됨), 및 (B) 2개의 면 사이의 압력 차이에 의해 구동되는, 전극간 분리막을 통과하는, 기체 및 기포를 함유하는 액체의 물리적 이동 ('크로스 투과-기반 크로스오버'로 지칭됨). 크로스 투과-기반 크로스오버는 기포 형성 및 방출로 인해 발생하는 것을 포함하여, 분리막을 가로지르는 일시적이고 변동하는 압력 차이에 의해 생성될 수 있다.
Zirfon PERL® 전극간 분리막을 전형적으로 이용하는 시판 알칼리 전해 전지에서, 크로스-투과-기반 크로스오버가 월등히 지배적인 메커니즘이다. 2개의 면(즉, 양극액과 음극액) 사이의 매우 작은 압력 차이에도 불구하고, 통상적인 제로-갭 알칼리 전해 전지에서의 크로스오버는 대부분 크로스 투과-기반 크로스오버로 인한 것이다. 예를 들어, 얇은 Zirfon PERL® 막의 2개의 면 사이의 압력 차이가 단지 1%로 제한될 수 있다면, 6 bar의 전체 압력으로 200 mA/cm2에서 작동할 때, 산소 생성물 스트림 내로의 수소의 크로스 투과-기반 크로스오버는 약 2%인 반면, 수반되는 확산-기반 크로스오버는 오직 약 0.3%일 것이다. 이러한 이유로 Zirfon PERL® 분리막은 평균 기공 직경이 단지 0.14 μm인 비교적 작은 기공을 갖는다. 이러한 유형의 작은 기공은 기체 크로스오버를 최소화하기 위해 막 내부의 및 막을 통한 전형적으로 수성 6 M KOH인 액체 전해질의 이동성을 최소화한다 (문헌[H. I. Lee et al. The Synthesis of a Zirfon PERL®-type Porous Separator with Reduced Gas Crossover for Alkaline Electrolyzer, Int J. Energy Res. 2020, Vol 44, p. 1875-1885]에 교시된 바와 같음). 6 M KOH 중 높은 수준의 K+ 및 OH- 이온이 용해된 기체를 '염석'(salt out)하기 때문에 확산-기반 크로스오버의 수준은 매우 낮다. 즉, 6 M KOH는 수소 및 산소와 같은 용해된 기체에 대한 용해도가 극도로 낮다. 6 M KOH 중에서 용해된 산소와 수소의 확산 속도가 또한 매우 낮다.
대조적으로 시판 PEM 전해 전지에서, 전형적으로 사용되는 Chemours의 Nafion® 막은 비다공성이다. 이는 이러한 전지에 사용되는 탈이온수가 막을 통과하는 것이 전혀 자유롭지 않기 때문에 기체 크로스오버의 메커니즘으로서 크로스-투과 크로스오버를 제거한다. 그러나, 확산-기반 크로스오버는 여전히 가능하며, 수소 및 산소와 같은 기체의 조합된 용해도 및 확산 속도는 80℃의 탈이온수에서 약 40 내지 120배 더 높기 때문에, 확산-기반 크로스오버는 막을 가로질러 높은 수준의 기체를 수송한다. 따라서, 시판 PEM 전해 전지는 일반적으로 시판 알칼리 막보다 더 높은 기체 크로스오버를 갖는다.
도 1에 도시된 것과 같은 예시적인 실시 형태의 전지는 알칼리 및 PEM 전해 전지의 단점을 겪지 않고 이점을 모두 누릴 수 있다. 따라서, 전극의 외부에 자유로운 액체 전해질의 본체가 없기 때문에 예시적인 실시 형태의 전지에서 크로스-투과-기반 크로스오버는 본질적으로 불가능하며; 이들 부피는 각각 기체 본체(125 및 135)에 의해 점유된다. 대신 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 아래로부터 공급된다. 즉, 예시적인 실시 형태의 전지에서는 애노드액 또는 캐소드액이 없을 수 있고, 따라서 다공성 모세관 스페이서(110)를 가로질러 한 쪽 면에서 다른 쪽 면으로 자유롭게 투과할 수 있는 액체 전해질의 본체가 없다. 사실, 높은 다공도를 갖는 다공성 모세관 스페이서를 사용할 수 있게 해주는 것은 바로 이 특징이다.
더욱이, 높은 이온 농도를 갖는 전해질을 사용함에 있어서, 예시적인 실시 형태의 전지는 또한 산소 및 수소와 같은 기체의 6 M KOH 중에서의 매우 낮은 용해도 및 확산 속도로부터 이득을 얻는다. 따라서, 확산-기반 크로스오버는 매우 적게 발생한다.
따라서, 예시적인 실시 형태의 전지는 유사한 조건 하에서 동등한 통상적인 알칼리 또는 PEM 전해 전지보다 훨씬 더 낮은 기체 크로스오버를 나타낸다.
따라서 기체 크로스오버가 전극간 분리막 선택 및 설계에 미치는 제약이 크게 해소된다. 따라서, 예시적인 실시 형태의 전지는 상당한 기체 크로스오버 없이 다공성 모세관 스페이서(110) 내에서 높은 유량을 생성하는 큰 기공 직경을 사용할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 실시 형태의 다공성 모세관 스페이서(110)는 바람직하게는 평균 기공 직경이 2 μm 초과인 반면, Zirfon PERL®의 평균 기공 직경은 단지 0.14 μm이다. 이것은 생각할 수 없는 일이며 (앞서 언급한 바와 같은) 통상적인 전극간 분리막 분야의 교시와 정반대이다. 그러나 예시적인 실시 형태의 전지에서는 그의 고유한 전지 구조 때문에 가능하다.
예시적인 실시 형태의 전지의 전지 구조는 다공성 모세관 스페이서(110)에서 큰 평균 기공 직경의 사용을 가능하게 할 뿐만 아니라 이전 섹션에서 언급된 바와 같이 이례적으로 낮은 이온 저항을 초래한다.
더욱이, 이는 또한 다공성 모세관 스페이서 내부의 액체상 물의 이동성을 극대화한다. 그렇게 함에 있어서, 통상적인 전극간 분리막이 일반적으로 기체 크로스오버를 최소화하기 위해 분리막에서 전해질 이동성을 강력하게 제한할 수 있다는 배경 섹션에서 언급된 문제를 극복한다. 이러한 이유로, 제로-갭 수전해 전지 내의 전극은 전극 외부로부터 물 반응물을 끌어당겨야 할 수 있고, 이에 의해 전극을 향해 이동하는 액체상 물이 전극으로부터 멀리 이동하는 기체상 기포에 대항하는 역다상류를 설정한다. 예시적인 실시 형태에서, 다공성 모세관 스페이서(110)는 특히 분리막 내부로부터 필요한 물 및 이온 반응물을 공급할 수 있게 되어, 그러한 역다상류를 피하고 현저한 기체 크로스오버 없이 그렇게 한다. 즉, 그의 독특한 전지 구조 덕분에, 예시적인 실시 형태 다공성 모세관 스페이서는 통상적인 제로-갭 수전해조에서 발생할 수 있는 역다상류를 피할 수 있다. 이 것이 본 발명의 본질이며 신규성이다.
낮은 기체 크로스오버의 또 다른 이점은 통상적인 알칼리 전해 전지에서 가능할 수 있는 것보다 더 높은 전체 절대 압력에서 성공적인 작동을 가능하게 수 있다는 것이다. 이는 안전 한계에 도달하기 전에 절대 압력이 증가함에 따라 등가의 통상적인 전지의 경우보다 크로스오버가 더 크게 증가할 여지가 있을 수 있기 때문이다.
'벤치마크 기체 크로스오버'는 전지가 실온 및 대기압에서 고정된 200 mA/cm2로 작동하는 특정 조건에서 30분 후의 기체 크로스오버의 정도이다.
실시 형태의 다공성 모세관 스페이서(110)에서 바람직하게는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 제1 기체 본체(125)가 제2 기체 본체(135)와 혼합되는 것을 차단 또는 방해하고 2% 미만의 벤치마크 기체 크로스오버를 유지한다. 다른 예에서, 벤치마크 기체 크로스오버는 1% 미만, 0.8% 미만, 0.6% 미만, 0.4% 미만, 0.2% 미만, 0.1% 미만, 0.05% 미만, 또는 0.01% 미만일 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)에서의 모세관 현상은 이를 이례적으로 우수한 기포 배리어로 만들 수 있다.
일부 바람직한 실시 형태의 전지에는 가시적인 기포가 없을 수 있지만, 눈에 보이지 않는 작은 마이크로 또는 나노 기포가 여전히 존재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 가시적인 기포가 형성될 수 있다. 기포는 물론 비전도성 공극이며, 전극간 스페이서 내의 그의 존재는 전극들 사이의 전기 저항(즉, 임피던스)을 증가시키고 전지의 에너지 효율을 감소시킨다. 더욱이, 다공성 모세관 스페이서를 가교하거나 부분적으로 가교하는 단일의 근접한 기체 경로를 형성할 때까지, 시간 경과에 따라, 점점 더 많은 수의 기포가 점차적으로 스페이서에 머무를 수 있다. 이러한 가교는 전형적으로 매우 높은 수준의 기체 크로스오버를 생성하여, 전지의 에너지 효율을 심각하게 손상시킨다. 이러한 유형의 문제는 일부 통상적인 전극간 스페이서에서 발생할 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)는 모세관 현상으로 인해, 특히 마이크로 또는 나노 기포를 포함하는 기포에 대해, 통상적인 전극간 분리막보다 더 우수한 배리어로서 작용할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 전극에서 새로 형성된 기체가 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 모세관 압력을 초과하는 내부 압력을 갖는 기포를 생성하는 경우 기포는 다공성 모세관 스페이서(110) 내부에서만 핵을 형성할 수 있다. 이는 예시적인 실시 형태에서는 발생할 가능성이 적을 수 있는데, 그 이유는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이, 극복해야 할 추가적인 모세관 압력을 갖지 않는 관련된 제1 기체 본체(125) 및 제2 기체 본체(135)와 각각 직접 접촉할 수 있기 때문이다. 따라서, 기포 형성은 우선적으로 다공성 모세관 스페이서(110)로부터 떨어져 있고 기체 본체(125 또는 135)에 더 가깝거나 그와의 계면에 있는 전극 위치로 향할 수 있다. 그러한 경우에, 스페이서(110)의 모세관 현상은 제로-갭 전지의 통상적인 전극간 스페이서의 경우보다 기포 배리어로서 훨씬 더 효과적으로 만들기 위해 이용되었을 것이다.
바람직한 실시 형태에서, 다공성 모세관 스페이서(110)는 1 미크론 초과의 직경을 갖는 기포의 전극간 이동을 차단할 수 있다. 다른 예에서, 직경 2 미크론 초과, 직경 5 미크론 초과, 직경 10 미크론 초과, 직경 25 미크론 초과, 직경 50 미크론 초과 또는 직경 100 미크론 초과의 기포를 차단할 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)에서의 모세관 현상은 '건전지' 구조의 이점을 부여할 수 있다
다공성 스페이서의 모세관 현상, 및 외부 환경이 건조하고 액체가 없는 상태에서 그 내부에 액체 전해질을 끌어당기고 유지하는 능력 덕분에, 예시적인 실시 형태의 전지는 전극간 스페이서가 전형적으로 고체-상태 전도성 물질인 소위 '건전지' 구조의 이점을 가질 수 있다. 동시에, 예시적인 실시 형태의 전지는, 고체-상태 전도성 물질보다 훨씬 더 전도성일 수 있는 액체 전해질의 이점을 또한 누릴 수 있다. 따라서, 바람직한 실시 형태는 각각의 단점을 피하면서 건전지 구조의 이점과 액체 전해질 구조의 이점을 겸비할 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 전지는 제로-갭 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 능동적으로 관리하는 것을 포함하여, 일반적으로 관리에 필요할 수 있는 외부 엔지니어링 시스템의 필요성을 피할 수 있다.
다공성 모세관 스페이서(110)에서의 모세관 현상은 고가의/이색적인/희소한 전해질의 사용을 가능하게 할 수 있다
추가의 예시적인 양태에서, 다용도이거나 전기화학 반응을 촉진하기 위한 유용한 특성을 갖는 부류의 액체 전해질을 사용하는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공된다. 이러한 전해질은 고가이고/이거나 희소하고/하거나 이색적일 수 있으며, 단지 예로서 이온성 액체일 수 있다. 이러한 액체 전해질을 사용하는 예시적인 실시 형태의 전지는 다공성 모세관 스페이서 및 저장소에서 필요한 전해질이 소량이기 때문에 실질적으로 실행 가능할 수 있다. 이러한 액체 전해질을 사용하는 예시적인 실시 형태의 전지는 이전에는 상업적으로 실행 가능하지 않았던 전기화학 반응의 산업화를 가능하게 할 수 있다.
전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시키는 방법
또 다른 예시적인 양태에서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법이 제공된다. 이 방법은 다공성 모세관 스페이서(110)를 액체 전해질(100)로 충전하는 단계, 및 액체 전해질(100)을 제1 전극(120), 예를 들어 제1 기체 확산 전극, 및 제2 전극(130), 예를 들어 제2 기체 확산 전극과 접촉시키는 단계를 포함한다. 또 다른 대안적인 예에서, 이 방법은 액체 전해질(100)을 적어도 모세관 작용에 의해 저장소(140)로부터 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 수송하는 단계; 및 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 수송된 후에, 액체 전해질(100)을 제1 기체 확산 전극(120) 및 제2 전극(130)(이는 또한 기체 확산 전극일 수 있음)과 접촉시키는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은 다공성 모세관 스페이서(110)를 적어도 모세관 작용에 의해 저장소(140)로부터의 액체 전해질(100)로 충전하는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은 다공성 모세관 스페이서(110)의 단부(150)가 저장소(140) 내에 위치하기 전에 다공성 모세관 스페이서(110)를 액체 전해질(100)로 충전하는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은, 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서(110)가 액체 전해질(100)로 충전된 상태로 유지되는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은, 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서(110)가 저장소(140)로부터 모세관 / 확산 / 삼투 하에서 액체 전해질(100)의 이동에 의해 액체 전해질(100)로 충전된 상태로 유지되는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은, 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서(110)가 저장소(140)로부터 전극 표면(120 및/또는 130)을 따라 그 위로 박막에서 액체 전해질의 이동에 의해 액체 전해질(100)로 충전된 상태로 유지되는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은 전지(10)가 전기-합성 전지이고 전기화학 반응이 전기-합성 전지(10)의 외부로 수송되는 화학 생성물을 생성하는 것을 제공한다. 또 다른 예에서, 이 방법은, 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100) 내에서 응축하거나 그로부터 증발하는 기체 본체(125 및/또는 135) 내의 증기로 인해 다공성 모세관 스페이서(110)가 액체 전해질(100)로 충전된 상태로 유지되는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 이 방법은, 전지(10)가 전기-에너지 전지이고 전기화학 반응이 전기-합성 전지(10) 외부에 일을 제공하는 데 사용되는 전력을 생성하는 것을 제공한다. 또 다른 예에서, 이 방법은 작동 중에 전지 외부로부터 반응물을 공급/보충하고/하거나 전지 외부로 생성물을 제거하는 단계를 포함하며, 이러한 이동은 각각의 제1 기체 본체 및/또는 제2 기체 본체 및/또는 저장소에 개별적으로 연결되는 밀봉된(액체- 및/또는 기체-밀폐) 외부 도관 및 하우징 내에서 발생한다.
일 예에서, 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지한다. 또 다른 예에서, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 크다. 또 다른 예에서, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 전지의 상부까지 그리고 전지의 모든 에지까지 연장된다. 또 다른 예에서, 전극은 표면을 따라 또는 그 위로 액체 전해질의 박막을 끌어당긴다. 또 다른 예에서, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질 내에서 응축되거나 그로부터 증발하는, 기체상 경로에 존재하는, 그러한 액체의 증기에 의해 보충/유지된다.
바람직하게는, 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동을 촉진한다. 대안적으로, 전기화학 반응 동안, 액체 전해질은 전극의 표면을 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동을 촉진한다. 또한 바람직하게는, 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동은 액체상 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용의 제어 하에 있다. 또 다른 예에서, 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절된다. 또 다른 예에서, 교차-평면 축 밖으로의 액체상 물질의 이동은 저장소 내의 액체 전해질의 조성에 의해 자가-조절된다.
바람직하게는, 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 물질 및 기체상 물질의 이동 경로는 상이하게 배향되고 분리된다. 또 다른 예에서, 액체상 모세관, 확산 및/또는 삼투 작용은 다공성 모세관 스페이서 내에서 작용하여: (i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나; (ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거한다. 또 다른 예에서, 이는 기체상 경로를 방해하지 않는 전극 표면을 따른 액체상 모세관 이동에 의해 달성된다.
예를 들어, 바람직한 실시 형태의 전지는 PEM 연료 전지에서 전형적으로 필요한 바와 같은, 모든 관련 엔지니어링 구성요소 및 전자적 제어와 함께, 기체 가습 시스템의 필요성을 피할 수 있다. 또 다른 예에서, 바람직한 실시 형태의 전지는 수전해조에서 필요할 수 있는 바와 같은 모든 관련 파이프, 펌프 및 기타 엔지니어링 및 전자 부품과 함께, 순환 액체 전해질 시스템에 대한 필요성을 피할 수 있다.
또 다른 예에서, 기체 본체에 존재하는 증기는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질 중에서 응축되거나 그로부터 증발하여: (i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나; (ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거한다. 또 다른 예에서, 이는 비-간섭 기체상 경로에 의해 달성된다.
다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 최대 컬럼 높이 및 유량을 증폭시킬 수 있고 작동이 자동화될 수 있는 삼투 저장소 구성
다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관 현상이 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 최대 컬럼 높이 및/또는 유량을 불충분하게 제공하는 경우, 저장소(140) 및 다공성 모세관 스페이서(110)는 최대 칼럼 높이 및/또는 유량을 증폭시키기 위해 삼투 시스템으로서 구성될 수 있다. 도 6은 저장소(141)와 같은 대안적인 삼투 구성의 예를 도시한다.
저장소(141)는 고정된 부피의 공동 내에 국한될 수 있으며 그 내에는 도 6에 도시된 바와 같이 다공성 모세관 스페이서(110)가 위치하고 바람직하게는 밀봉된다. 저장소(141)는 그를 가로질러 밀봉되어 저장소(141)를 2개의 고정되고 국한된 부피, 즉 제1 부피(142) 및 제2 부피(143)로 분리하거나 나누는 막(145)을 가질 수 있다. 막(145)은 물에는 투과성이지만 이온에는 불투과성일 수 있으며; 즉, 막(145)은 삼투 시스템에서 일반적인 유형의 '반투과성' 막일 수 있다. 다공성 모세관 스페이서(110)는 제1 부피(142)에 수용된 액체 전해질(100)(즉 제1 액체) 내에 위치하거나, 그 내에 침지되거나, 그렇지 않으면 그와 액체 연통할 수 있는 반면, 막(145)의 다른 쪽 면 상의 제2 부피(143)는, 예를 들어, 순수(즉 제2 액체(146))를 수용한다. 즉, 다공성 모세관 스페이서(110)는 제1 부피(142) 내에 위치할 수 있으며, 제1 액체는 액체 전해질(100)일 수 있고, 제2 액체(146)는 제1 액체와 상이할 수 있다.
그러한 배열은 반투과성 막(145)을 통해 제2 부피(143)로부터 제1 부피(142)로 전달되는 삼투압을 생성할 수 있다. 삼투압은 액체 전해질(100)이 다공성 모세관 스페이서(110)의 모세관 현상에만 기인하는 것보다 다공성 모세관 스페이서(110) 위로 더 높이 구동되게 할 수 있다. 삼투압은 또한 액체 전해질(100) 및 그 구성요소가 다공성 모세관 스페이서(110)를 따라 위로 유동하는 속도를 증폭시킬 수 있다.
삼투 효과로 인한 액체 전해질(100) 컬럼의 최대 높이 및 다공성 모세관 스페이서(110)에서의 유량은 전형적으로 순수(즉, 제2 액체(146))에 대한 액체 전해질(100)의 조성뿐만 아니라 순수(146)의 총 부피에 대한 액체 전해질(100)의 총 부피에 따라 달라질 수 있다. 즉, 부피(142) 및 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 부피의 챔버 크기에 대한 부피(143)의 챔버 크기를 조정하고 순수(즉, 제2 액체(146))에 대한 전해질(100)의 조성을 고려함으로써, 생성된 삼투압에 의해 부여되는 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 추가적인 최대 컬럼 높이 및 추가적인 유량을 제어 및 조정할 수 있다.
따라서, 삼투 효과를 이용하여 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 최대 컬럼 높이 및 유량을 증폭하는 데 도움을 줄 수 있는 대안적인 실시 형태의 저장소 구성(141)이 제공된다.
이 구성은 또한 물이 유일하게 전기화학 반응에 의해 생성된 생성물이거나 소비된 반응물인 예시적인 전지를 자동화하는 데 도움이 될 수 있다. 즉, 구성(141)의 저장소는 예시적인 실시 형태의 수소-산소 연료 전지(여기서 물은 유일한 반응 생성물임) 또는 예시적인 실시 형태의 수전해 전지(여기서 물은 소비된 유일한 반응물임)에서 물의 제거 또는 첨가를 자동화하기 위해 또한 사용될 수 있다.
이러한 예시적인 실시 형태의 전지에서, 제2 부피(143) 내의 순수(즉, 제2 액체(146))와 제1 부피(142) 및 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100) 사이에 삼투 평형이 존재할 수 있다. 예시적인 실시 형태의 수소-산소 연료 전지에서 전기화학 반응에 의한 추가적인 새로운 물의 형성은 액체 전해질(100)을 희석시킬 수 있다. 이로 인해, 균형이 회복될 때까지 제1 부피(142)로부터 반투과성 막(145)을 통해 제2 부피(143) 내로 통과하는 추가적인 순수에 의해 상기 평형이 이동할 수 있다. 제2 부피(143) 내로 유동하는 추가 순수는 제2 부피(143)와 제2 부피(143)에 부착된 순수의 파이프 사이의 밸브를 주기적으로 개방함으로써 제거될 수 있다. 밸브는 제2 부피(143)의 순수의 양이 특정 양을 초과할 때마다 자동으로 개방되도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 저장소 관리가 자동화될 수 있어, 인간의 개입 없이, 예시적인 실시 형태의 수소-산소 연료 전지에서 유일한 생성물로서 생성된 물이 삼투 시스템을 제공하는 저장소(141)를 통해 자동으로 제거될 수 있다.
예시적인 실시 형태의 수전해 전지에서, 물은 전기화학 반응에 의해 소비되는 유일한 반응물이다. 물을 소비하는 효과는 액체 전해질(100)이 더 농축되게 할 것이고, 이는 또한 반대 방향이기는 하지만 상기 평형을 이동시킬 것이다. 즉, 순수는 균형이 회복될 때까지 제2 부피(143)로부터 반투과성 막(145)을 가로질러 제1 부피(142) 및 다공성 모세관 스페이서(110) 내로 유동하도록 유도될 수 있다. 제2 부피(143)로부터 유동하는 추가 순수는 제2 부피(143)와 제2 부피(143)에 부착된 순수의 파이프 사이의 밸브를 주기적으로 개방함으로써 보충될 수 있다. 밸브는 제2 부피(143)의 순수의 양이 특정 양 아래로 떨어질 때마다 자동으로 개방되도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 저장소 관리가 자동화될 수 있어, 인간의 개입 없이, 예시적인 실시 형태의 수전해조에서 유일한 반응물로서 소비된 물이 삼투 시스템을 제공하는 저장소(141)를 통해 자동으로 보충될 수 있다.
예시적인 다공성 모세관 스페이서 및 예시적인 액체 전해질
상기 예는 Pall Corporation에 의해 공급되는, 평균 기공 직경이 0.45 μm, 1.2 μm, 5 μm, 및 8 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 포함하는 다공성 모세관 스페이서(110)를 사용했지만, 내부에 액체 전해질을 통합할 수 있는 다른 광범위한 다공성의 얇은 물질이 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 여기에는, 제한 없이, 다음을 포함하는 다양한 유형, 또는 유형들의 조합, 또는 상이한 유형들의 하이브리드의 다공성 박막이 포함되지만 이로 한정되지 않는다:
PVDF, PTFE, 테트라플루오로에틸렌, 다양한 유형의 플루오르화 중합체; 폴리이미드, 폴리아미드, 나일론, 다양한 유형의 질소-함유 물질; 유리 섬유, 다양한 유형의 규소-함유 물질; 폴리비닐 클로라이드, 다양한 유형의 클로라이드-함유 중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트, 셀로판, 에틸-셀룰로오스, 다양한 유형의 셀룰로오스-함유 물질; 폴리카르보네이트, 다양한 유형의 카르보네이트-함유 물질; 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리페닐술폰, 다양한 유형의 술폰-함유 물질; 폴리페닐렌 술피드, 다양한 유형의 술피드-함유 물질; 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리올레핀, 다양한 유형의 올레핀-함유 물질; 석면, 티타늄-기반 세라믹, 지르코늄-기반 세라믹, 다양한 유형의 세라믹 물질; 폴리비닐 클로라이드, 다양한 유형의 비닐-기반 물질; 다양한 유형의 고무; 다양한 유형의 다공성 배터리 분리막; 및 다양한 유형의 점토.
상기 예는 액체 전해질(100)로서 6 M KOH 수용액을 사용했지만, 다음을 포함하지만 이로 한정되지 않는 광범위한 다른 액체 또는 겔이 전해질(100)로서 사용될 수 있음을 이해해야 한다:
- 0.001 내지 14 M 농도의 Na+, K+, Ca2+, Mg2+, OH-, SO4 2-, HSO4 -, Cl-, NO3 -, ClO4 -, 포스페이트(HPO4 - 포함), 카르보네이트(HCO3 - 포함), PF6 -, BF4 -, (CF3SO2)2N-과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 하나 이상의 용해된 이온을 함유하는 물, 또는 폴리스티렌 술포네이트, DNA, 폴리펩티드와 같은 그러나 이로 한정되지 않는, 작용기를 갖는 중합체를 함유하는 다가 전해질;
- 프로필렌 카르보네이트 또는 디메톡시에탄과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 용질을 함유하는 비-수성 액체, 또는 LiClO4, 또는 Bu4NPF6과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 용질을 함유하는 프로피오니트릴 액체;
- 적합한 음이온과 쌍을 이루는 알킬-치환된 암모늄, 이미다졸륨 또는 피리디늄 양이온을 포함하는 이온성 액체 또는 상온 용융염과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 전도성 액체;
- 전도성이며 전해질로 작용할 수 있는 겔.
전기화학 반응을 촉진하는 데 유용하거나 다용도이지만 고가이고/이거나 희소할 수 있는 전해질이 특히 관련이 있다. 얇은 다공성 모세관 스페이서(및 저장소)에 존재할 수 있는 매우 작은 부피의 전해질로 인해, 바람직한 실시 형태의 전지는 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 이러한 전해질의 더 광범위한 사용을 가능하게 할 수 있다. 이와 관련된 예는, 많은 경우에 실질적으로 유용하지만 현재 실질적으로 실행 불가능한 전기화학 반응을 촉진하는 것으로 밝혀진 이온성 액체를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 다수의 이온성 액체는 높은 기술적 다용도성과 전기화학 반응에서의 유용성에도 불구하고 현재까지 높은 비용과 희소한 입수가능성으로 인해 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 전해질로서 광범위하게 적용되지 못하였다.
간단한 엔지니어링 설계를 사용한 예시적인 전지
다음에서, 다양한 상이한 전기화학 반응을 촉진하고 도 1에 도시된 구조를 갖는 예시적인 전지가 기술된다. 재현 가능한 설명을 제공하기 위해, 간단하고 쉽게 재현할 수 있는 엔지니어링 설계를 갖는 예제 전지가 사용되었다. 이 설계는 예시적인 실시 형태의 전지에서 이용될 수 있는 많은 것들 중 하나이고 다양한 예시적인 전지가 본 발명의 범위 내에 있음을 이해해야 한다.
도 5 및 6은 예시적인 전지의 제작을 기술한다. 문구점 라미네이터에 통과시켜 열처리한 후 단단해진 특수 절단 플라스틱 라미네이트 내부에 조립체를 장착함으로써 전극-스페이서-전극 조립체(139)를 제조하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 투명 플라스틱 라미네이트를 레이저 커터를 사용하여 컷-아웃(500)의 디자인으로 절단하였다. 컷-아웃(500)은 2개의 3.2 cm x 3.2 cm 전극 윈도우(501)와 치수가 5 cm 폭 x 2 cm 높이인 2개의 저장소 윈도우(502)를 포함하였다. 다공성 모세관 스페이서(110)를 치수 6.5 x 6.5 cm로 절단하였다. 3.3 x 3.3 cm 치수의, 기체 확산 전극으로서 구현된 제1 전극(120)은 그 안에 또는 그 위에 통합된 3.25 x 3.25 cm 치수의 기체-다공성 미세 금속 메시 전류 캐리어(320)를 가져서 전극-전류 캐리어 조립체(420)를 형성하였다. 3.3 x 3.3 cm 치수의, 기체 확산 전극으로서 구현된 제2 전극(130)은 그 안에 또는 그 위에 통합된 3.25 x 3.25 cm 치수의 제2 기체-다공성 미세 금속 메시 전류 캐리어(330)를 가져서 제2 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 형성하였다.
투명 라미네이트인 컷-아웃(500)을, 접힌 컷-아웃(510)으로 도시된 바와 같이 둘로 접었다. 전면에 전극-전류 캐리어 조립체(420) 및 후면에 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 갖는 다공성 모세관 스페이서(110)를 접힌 부분에 삽입하였다. 각각의 전극-전류 캐리어 조립체(420) 및 전극-전류 캐리어 조립체(430)는 각각 다공성 모세관 스페이서(110)로부터 멀어지는 바깥쪽을 향하는 전류 캐리어(320 및 330)를 갖는다. 각각의 전극-전류 캐리어 조립체(420) 및 전극-전류 캐리어 조립체(430)는 각각 다공성 모세관 스페이서(110)와 직접 접촉하는 안쪽을 향하는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 갖는다. 다공성 모세관 스페이서를 둘 모두의 윈도우(501 및 502)의 전체를 덮도록 배치하였다. 전극-전류 캐리어 조립체(420, 430)를 각각의 면에서 윈도우(501)를 딱 맞게 덮도록 배치하였다. 이어서, 생성된 조립체를 문구점 라미네이터에 통과시켜, 접힌 컷아웃(510)의 2개의 내부 면이 서로 접착되고 단단해지게 하여, 전류 캐리어-전극-스페이서-전극-전류 캐리어 조립체(520)를 형성하였다.
도 7의 우측 하단은 조립체(520)의 분해도를 도시하며, 조립체(520) 내부의 구성요소가 각각의 면의 윈도우(501 및 502)와 정합(register)하는 방식을 보여준다. 라미네이트의 전면(511)은 조립체(520)의 전면을 형성하였다. 라미네이트의 후면(512)은 조립체(520)의 후면을 형성하였다. 라미네이트의 전면(511)과 후면(512) 사이에는 다공성 모세관 스페이서(110)가 위치하였다. 다공성 모세관 스페이서(110)는 (도 7의 우측 하단에서 다공성 모세관 스페이서(110) 상에 점선으로 도시된 바와 같이) 라미네이트의 전면(511) 및 후면(512) 각각의 상부 및 하부 윈도우 모두와 정합하며 그를 덮었다. 다공성 모세관 스페이서(110)의 전면에는 전극측이 다공성 모세관 스페이서(110)에 면하고 전류 캐리어 측이 전면(511) 라미네이트 커버링에 면하는 전극-전류 캐리어 조립체(430)가 위치하였다. 조립체(430)는 라미네이트의 전면(511) 상의 상부 윈도우와 정합하였다. 전극-전류 캐리어 조립체(430) 내의 전류 캐리어(330)는 라미네이트의 전면(511)에서 전체 상부 윈도우를 덮었다. 다공성 모세관 스페이서(110)의 후면에는 전극측이 다공성 모세관 스페이서(110)에 면하고 전류 캐리어 측(320)이 라미네이트의 후면(512)에 면하는 전극-전류 캐리어 조립체(420)가 위치하였다. 조립체(420)는 512 상의 상부 윈도우와 정합하였다. 420에서 전류 캐리어는 라미네이트의 후면(512)에서 전체 상부 윈도우를 덮었다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 다공성 모세관 스페이서(110)의 높이는 제1 전극(120)의 높이 및 제2 전극(130)의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 컸다. 유사하게, 다공성 모세관 스페이서(110)의 표면적은 제1 전극(120)의 표면적 및 제2 전극(130)의 표면적과 중첩되고 적어도 동일하거나 그보다 컸다. 따라서, 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)의 최대 컬럼 높이는 제1 전극(120)의 높이 및 제2 전극(130)의 높이를 초과한다. 바람직하게는, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 크다. 최대 컬럼 높이는 또한 전지의 상부의 높이를 초과한다. 유사하게, 이로 인해 다공성 모세관 스페이서(110) 내의 액체 전해질(100)에 의해 덮이는 표면적은 다공성 모세관 스페이서에 면하는 제1 전극(120)의 표면적 및 다공성 모세관 스페이서에 면하는 제2 전극(130)의 표면적과 적어도 동일하거나 그보다 크다.
도 8은 전류 캐리어-전극-스페이서-전극-전류 캐리어 조립체(520)를 사용하여 조립된 전지의 확대도를 나타낸다.
2개의 전지 반부(600)를 스테인리스강으로부터 기계가공하였다. 각각의 반전지(600)는 반전지(600)의 상부에서 빠져나오는 파이프(611)에 연결된 계단식 윈도우(610)를 포함한다. 각각의 반전지(600)는 폭 5 cm x 높이 2 cm x 깊이 1 cm의 치수의 오목한 직사각형 웰(615)을 또한 포함하였다. 이 리세스(615)는 두 개의 파이프(621)(둘 다 반전지(600)의 상부에서 빠져나옴)에 연결된다.
각각의 반전지(600)의 상부 윈도우(610) 내로, 전도성 금속 유동장(620, 630)을 특별히 설계된 리세스에 배치하였다. 각각의 유동장(620, 630)은 치수 3.2 cm x 3.2 cm의 다공성 중심 영역을 포함하였다. 유동장(620, 630)의 다공성 섹션에 대해 다양한 설계가 사용될 수 있다. 도 8에 도시된 예에서, 유동장(620, 630)은 전방에서 후방으로 유동장을 통과하는 밀집된 원통형 공극을 가졌다. 가능한 경우, 촉매를 통합하기 전에, 전극(120 및 130)을 각각의 전류 캐리어(320 및 330) 및/또는 각각의 유동장(620 및 630)에 용접하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 조립체(520)는 2개의 반전지(600) 사이에 끼워지고, 조립체(520)의 외부에 있는 전류 캐리어는 각각의 반전지(600)의 전도성 유동장(620, 630)과 밀접하게 접촉하였다. 2개의 반전지(600)는 전체 조립체의 두께를 통과하는 7개의 에지-배열된 구멍을 통과하는 비전도성 중합체 볼트를 사용하여 서로 단단히 나사 결합되어 전체 전지(700)를 산출하며, 이는 도 8의 우측 하단에 사시도(좌측) 및 단면도(우측)로 도시되어 있다.
그 후에, 완전지(700)의 각각의 반전지(600) 상의 튜브(621) 중 하나에 액체 전해질을 흐르게 하여 각각의 반전지(600)의 저장소 공극(615)을 충전하였다. 이들 저장소(615) 내의 액체는 조립체(520)의 양쪽에 있는 윈도우(502)를 통과하고 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이의 다공성 모세관 스페이서(110)에서 끌어올려졌으며, 여기서 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 둘 다 기체 확산 전극이다.
전극(120, 130)과의 전기적 연결을 만들기 위해, 전도성 버스바(640)를 각각의 반전지(600)의 윈도우(610)에 통과시키고 전도성 유동장(620, 630)에 대해 압축시켰다. 이들은 결국 각각 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 통합된 전도성 전류 캐리어(320, 330)에 대해 압축되었다. 바람직한 전극 압축을 전달하기 위해 버스바에 대해 토크를 가하는 두 개의 볼트에 의해 압축을 제공하였다. 일부 실시 형태에서, 버스바(640)는 동일한 위치(즉, 610)에서 하우징(600) 내로 및 하우징을 통해 나사 결합되는 스테인리스강 볼트로 대체되었으며; 바람직한 전극 압축을 전달하기 위해 볼트에 토크를 가하였다. 토크가 가해진 볼트에 의해 전달되는 인가 압력은 감압 필름을 사용하여 확인할 수 있다. 버스바(640)의 2개의 단부(641, 642)는 외부 전기 회로와의 접속점의 역할을 하였다. 버스바(640)(또는 전술한 스테인리스강 볼트)는 유동장(320, 330)과 각각의 반전지(600)의 파이프(611) 사이에서 쉽게 유동할 수 있도록 구성되었다.
각각의 반전지(600)의 상부에 있는 파이프(611)를 통해 전지에 대한 기체 연결이 이루어졌다. 각각, 유동장(620, 630) 및 기체-다공성 전류 캐리어(320, 330)를 통해 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 연결된 파이프(611) 안팎으로 기체가 유동한다.
상기 전지는, 라미네이트(500)의 공극들(501 및 502) 사이의 중합체를 단순히 제거하고(도 7 참조) 전지(600) 내의 챔버들(615 및 610) 사이의 금속 배리어를 제거하고(도 8 참조), 이어서 저장소(615) 내의 액체가 전극(120 또는 130) 중 적어도 하나에 닿기에 충분히 높은 수준을 갖도록 보장하는, 도 2에 도시된 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 전지는 또한 단순히 라미네이트(500)에서 공극(502)을 절단하지 않음으로써(도 7 참조) 그리고 반전지(600) 내의 챔버(615)를 절단하지 않음으로써(도 8 참조), 도 3에 도시된 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 그러면 전지 내에 저장소가 없을 것이다.
예시적인 다중-전지 스택
도 9를 참조하면, 적어도 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 제공하는 다수의 개별 전지(700)는, 하나의 전지의 외부 버스바(640)의 하나의 단부(642)를 다음 전지의 외부 버스바(640)의 다른 단부(641)에 전기적으로 연결함으로써, 다중-전지 스택으로서 이극형 전지 스택(750)(직렬로 전기적으로 연결됨)으로 적층될 수 있다. 도 9는 7개의 전기 연결부(710)를 사이에 갖는 8개의 개별 전지(700)(즉, 제1 전지, 제2 전지, 제3 전지, 제4 전지, 제5 전지, 제6 전지, 제7 전지, 제8 전지)를 포함하는, 예로서 예시된, 그러한 스택(750)을 도시한다. 각각의 전기 연결부(710)는 다음 전지(700)의 버스바(640)의 단부(641)와 접촉하는 하나의 전지(700)의 버스바(640)의 단부(642)를 포함하였다. 이어서 도 9의 좌측에 있는 개방 단부(642) 및 도 9의 우측에 있는 개방 단부(641)를 가로질러 외부 전기 회로를 연결하였다.
다수의 통상적인 제로-갭 전기화학 전지와 비교하여 이러한 다중-전지 배열의 이점은 다음 예를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
(1) 션트-전류(shunt-current) 제거: '션트' 전류('기생' 전류 또는 '바이패스' 전류라고도 함)는 전기적 직렬로 연결된 전기화학 전지 스택에서 문제가 될 수 있다. 션트 전류는 전지 스택 내의 전지의 전부 또는 다수에 연결되고 공통인 전도성 액체 전해질 본체가 존재할 때 발생한다. 이러한 공통 전해질 본체의 존재는 원치 않는 전류가 스택 내의 상이한 개별 전지의 전극들 사이를 통과하도록 한다. 이러한 '션트' 전류는 원하는 전류 경로를 우회하고 부식 및 불균일한 전지 성능뿐만 아니라 상당한 효율 손실을 초래할 수 있다. 션트 전류는 스택의 각 개별 전지가 전지 스택의 임의의 다른 개별 전지의 액체 전해질과 전도성 물리적 접촉을 하지 않는 자체 액체 전해질을 갖도록 보장함으로써만 완전히 피할 수 있다.
예시적인 전지 스택(750)은 그 요건을 준수한다. 즉, 적어도 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 제공하는 각각의 개별 전지(700)는, 전지 스택(750)의 임의의 다른 개별 전지(700)에서 액체 전해질(100)과 물리적으로 접촉하지 않는, 자체 다공성 모세관 스페이서(110) 및 자체 저장소(140) 내에 자체적으로 개별 액체 전해질(100)을 갖는다. 따라서, 전지 스택(750) 내의 전지(700)의 전부 또는 다수에 언제든지 연결되거나 공통인 전도성 액체 전해질의 공통 본체가 전지 스택(750)에 존재하지 않을 수 있다.
(2) 단일 물 공급/제거 시스템을 사용하여 션트 전류를 생성하지 않고 다수의 개별 저장소를 유지할 수 있으며; 시스템은 자동화될 수 있다: 이는 션트 전류를 생성하지 않고 단일의 공통 물 공급 또는 제거 시스템을 통해 전지 스택(750) 내의 다수의 개별 저장소의 유지 관리를 자동화하는 것이 가능하고 실제로 실행 가능한가, 즉, 단일 물 공급 또는 제거 시스템으로부터 다수의 개별 저장소를 관리하면서 여전히 션트 전류를 피하는 것이 실현 가능한가에 대한 질문을 제기한다. (도 6 및 관련 텍스트에서 언급된 바와 같이, 유형(141)의 저장소의 사용은, 물이 전기화학 반응에 의해 생성된 유일한 생성물(예컨대 수소-산소 연료 전지) 또는 소비되는 유일한 반응물(예컨대 수전해 전지)인 개별 실시 형태 전지에서 자동화된 저장소 유지 관리를 가능하게 할 수 있음).
그 질문에 답하기 위해, 도 10은 개략적으로 그리고 예로서 예시적으로 4개의 개별 전지(700)를 포함하는 전지 스택(750)에서 유형(141)의 4개의 저장소를 도시한다. 각각의 저장소에서, 순수(146)를 수용하는 제2 부피(143)는 순수(146)를 수용하는 단일의 공통 물 공급 또는 제거 파이프(147)에 그를 연결하는 압력 또는 부피-감지 밸브(148)를 갖는다. 작동 중에, 밸브는 생성된 물을 제거하거나(수소-산소 연료 전지에서) 소비된 물을 보충하기 위해(수전해조에서) 자동으로 및 개별적으로 개방 및 폐쇄될 수 있다. 따라서, 복수의 전지 각각의 제2 액체(146) (이 예에서는 순수)는 복수의 전지 각각의 제2 부피(143)에 연결된 공통 공급 또는 제거 파이프(147)를 통해 액체 연통할 수 있다. 밸브들은 독립적으로 작동하기 때문에, 언제든지 두 개의 밸브가 동시에 개방될 가능성이 있음이 자명하다. 이러한 경우, 두 개의 개별 전극 내의 전극들 사이에 단일의 공통 물 본체가 있을 것이다. 그러나, 파이프(147)뿐만 아니라, 두 개의 일시적으로 개방된 제2 부피(143) 내의 물은 순수(146)이며 순수는 비전도성이므로 션트 전류가 생성될 수 없을 것이다. 즉, 개별 저장소와 공통 물 공급/제거 시스템 사이의 연결이 비전도성 순수를 통해 이루어지기 때문에 션트 전류가 활성화되지 않는다.
따라서, 유형(141)의 저장소를 갖는 예시적인 실시 형태의 전지는 션트 전류의 가능성을 생성하지 않고서 단일의 공통 물 공급/제거 시스템(147)에 연결된 각각의 저장소를 갖는 전지 스택(750) 내에 배열될 수 있다. 즉, 예시적인 실시 형태는 션트 전류 및 이들이 전지 스택(750)에 가져오는 모든 심각한 문제의 완전한 제거를 가능하게 할 수 있다.
(3) 스택 내의 전지의 수에 대한 제한 해제: 션트 전류가 없으면, 단일 고전압 스택에 실행 가능하게 통합될 수 있는 전지의 수와 관련하여 다수의 통상적인 전기화학 전지에 존재하는 제약이 해제될 수 있다. 즉, 예시적인 실시 형태는 스택 내의 전지의 수가, 이용 가능한 가장 효율적인 및/또는 가장 낮은 비용의 전원 공급 장치의 전압 출력에 맞춰지도록 할 수 있다. 이것은 비교적 비효율적이고 고가일 수 있는 맞춤형 전원 공급 장치를 보통 사용해야 하는 다수의 통상적인 전기화학 전지에서는 현재 불가능하다.
(4) 기체 공급 또는 제거는 단일 일반 기체 매니폴드를 사용하여 직접 수행될 수 있다: 예시적인 실시 형태의 전지 스택(750)의 또 다른 특징은 전지 스택(750) 내의 각각의 전지(700) 내의 기체 본체(125)가 단일의 공통 기체 매니폴드에 연결되어 기체 본체(125) 내의 기체가 단일 외부 피팅을 통해 전지 스택(750)으로 공급되거나 또는 그로부터 제거되도록 한다. 유사하게, 전지 스택(750) 내의 각각의 전지(700) 내의 각각의 기체 본체(135)는 단일의 공통 기체 매니폴드에 연결되어 기체 본체(135) 내의 기체가 단일 외부 피팅으로부터 전지 스택(750)으로 공급되거나 또는 그로부터 제거되도록 한다. 더욱이, 각각의 기체 본체(125, 135)에 대한 단일 기체 매니폴드의 사용은 이러한 매니폴드 내의 기체가 가압될 수 있게 하고, 실제로, 저장소를 포함한 전체 전지가 가압될 수 있게 한다(도 1의 149와 같은 구멍이 존재하는 경우). 기체 본체(125, 135)는 작동 중에 동일한 압력으로 또는 전해질-주입된 다공성 모세관 스페이서(110)의 기포점보다 낮은 상이한 압력으로 가압될 수 있다. 또한, 이러한 단일 기체 매니폴드를 통해 공급되거나 제거되는 기체는 각 전지의 교차-평면 축과 직접 기체상 접촉하여, 개선되고 자가-조절되는 제어가 가능하다.
(5) 기포 관리 시스템에 대한 필요성의 제거: 다수의 통상적인 전기화학 전지에서, 기체는 기포의 형태로 생성된다. 이러한 전지는 보통 기포 관리 시스템을 갖는다. 예를 들어, 다수의 전지는, 기포가 형성됨에 따라 이를 제거하기 위해, 전극 위로 순환 전해질을 연속적으로 펌핑한다. 기포 관리 시스템은 전지 스택 내의 전지의 수가 증가함에 따라 점점 더 복잡해지고 비용이 많이 들 수 있다 (예를 들어, 기체-액체 분리막에서 다량의 기포를 수집하고 분리해야 하는 경우에도 이러한 시스템의 모든 지점에서 일시적인 압력 차이를 피해야 하기 때문에). 유형(750)의 예시적인 실시 형태의 전지 스택은, 임의의 생성된 기체가 기체상 경로(200)를 따라 기체 본체(125, 135) 내로 직접 이동하고 그곳에서 수집되기 때문에, 기포 관리 시스템에 대한 필요성 및 이들이 도입하는 모든 복잡성을 피할 수 있다.
다양한 반응을 위한 예시적인 실시 형태의 전지
다음 예는 실시 형태의 더 상세한 논의를 제공한다. 이들 예는 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
물질: 하기 물질을 이용하였다(공급처): 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터 (0.03 μm, 0.45 μm, 1.2 μm, 5 μm, 및 8 μm 기공 직경; Pall Corporation에 의해 공급됨), 카본 블랙 (AkzoNobel), Vulcan XC-72 상의 10% Pt (Premetek Co. # P10A100), Vulcan XC-72 상의 20% Pt-Pd (Premetek Co. # P13A200), 나노미립자 Ni (평균 직경 20 nm) (American Elements; 미국 애리조나주 템페 소재의 SDC Materials, Inc), PTFE 분산액 (결합제 또는 기체 취급 구조로서) (알코올/H2O 중 60 중량% 분산액; Sigma-Aldrich #665800), PTFE 미세 분말 (Alfa Aesar, A12613, 15-25 μm 입자 크기), Nafion® 분산액 (알코올/물 중 5%; Sigma Aldrich #527084), SigracetTM 카본지 (Fuel Cell Store, 29BC), KOH 90%, 플레이크 (Sigma-Aldrich #484016), H2SO4 95 내지 98% (Sigma-Aldrich #320501), Ni 메시, 200 LPI (중국 베이징 소재의 Century Woven) (사용 전에 이소프로필 알코올을 사용하여 세정됨), Ni 폼 (Goodfellows; TMax Battery Equipment, 1 mm 두께, 97% 다공도, 밀도: 350 ±20 g/m2), General Electric Energy에 의해 생산되는, 평균 기공 직경이 0.2 μm인 폴리프로필렌-배킹된 PreveilTM 확장형 PTFE (ePTFE) Gortex 막, 및 Ti 메시(Goodfellows).
1. 질소 및 수소 또는 산소로부터 암모니아를 생성하기 위한; 암모니아를 다시 수소 및 질소로 분해하기 위한; NO X 정화를 위한, 예시적인 전기-합성 질소 환원 전지. 암모니아로부터 전기를 생성하기 위한 예시적인 암모니아 연료 전지
평균 기공 직경이 1.2 μm인 다공성 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하여, 도 1 내지 3에 도시된 구조를 갖는 예시적인 실시 형태의 질소 환원 전지를 제작하였다. 액체 전해질(100)은 이온성 액체, 트리헥실(테트라데실) 포스포늄 트리스(펜타플루오로에틸) 트리플루오로포스페이트 ([P6,6,6,14][eFAP]) 또는 이온성 액체 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸) 트리플루오로포스페이트 ([C4mpyr][eFAP])였다. 이온성 액체 전해질(100)은 산성화될 수 있다. 전극-전류 캐리어 조립체(420)는 본원에 참고로 포함된 문헌[Zhou, F., et al. (2017), Electro-synthesis of ammonia from nitrogen at ambient temperature and pressure in ionic liquids, Energy & Environmental Science, 10(12), 2516-2520]에 기술된 스테인리스강 클로스 상에 증착된 Fe 촉매를 포함하였다. 스테인리스강 클로스는 전류 캐리어(320)의 역할을 하였다. 상대 전극(130)은 결합제로서 (PTFE 분산액으로부터의) PTFE를 갖는, Vulcan XC-72 상의 10% Pt의 얇은 촉매 층이 미세다공성 면 상에 분무된 SigracetTM 카본지 기판을 포함하였다. 전류 캐리어(330)의 역할을 하는 Ni 메시에 대해 전극(130)을 압축하여 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 제공하였다. 완전지에서 유동장(620 및 630)은 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 Ni-코팅된 스테인리스강이었다. 질소의 유동을 기체 본체(125)로서 전지를 통과시켰다. 이는, 전지를 통한 수송 동안, 전지가 작동 중일 때, 암모니아 및 수소를 또한 함유하게 되어, 전지 밖으로 나가는 기체 본체(125) 내의 기체가 또한 암모니아 및 수소를 함유하였다. 순수한 수소를 기체 본체(135)로서 전지 내로 도입하였다. 대안적인 실시 형태에서, 산소 또는 공기-산소를 (관련 전극에서 적합한 촉매와 함께) 기체 본체(135)로서 전지 내로 도입하였다. 빠져나가는 기체 본체(125)로부터 당업계에 공지된 수단에 의해 생성된 암모니아를 제거하였다.
전지에 필요한 액체 전해질의 총 부피가 매우 적기 때문에, 이온성 액체를 전해질로서 사용하는 것이 실질적으로 가능하였다. 통상적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서, 희소한 입수가능성 및 높은 비용 때문에 일반적으로 이온성 액체를 전해질로 사용하는 것은 실행 불가능하였다.
대안적인 실시 형태에서, 전지에 도입되고, 수소 및 질소로 분해되는, 즉 수소 및 질소를 생성하는 암모니아에 의해 전지의 작동이 역전될 수 있다. 동일한 촉매 및 적절한 인가 전압으로 전지는 암모니아로부터 수소를 생산하였다.
대안적인 실시 형태에서, 전지는 NOx 정화에 활용될 수 있으며, 즉, NOX를 반응물로서 사용할 수 있으며, NOx-함유 기체가 통과 시 제거된다. 대안적인 실시 형태에서, 전지의 작동은 기체 본체 중 하나로서 전지에 도입된 암모니아 및 다른 기체 본체로서 전지에 도입된 산소 또는 공기-산소에 의해 역전될 수 있으며, 이때 전지는 전기를 생성한다.
2. 염수로부터 염소, 수소 및 가성 물질을 생성하기 위한 예시적인 전기-합성 클로르-알칼리 전지
전체 전지 내에 함께 단단히 압축되고, 한쪽 면에서 다른쪽 면으로, 순서대로 다음을 포함하는 3층 다공성 모세관 스페이서(110)를 사용하여, 도 1 및 2에 도시된 구조를 갖는 염수로부터 염소, 가성 물질 및 수소를 제조하기 위한 예시적인 실시 형태의 클로르-알칼리 전지를 제작하였다: (i) 층 1: pH 3으로 산성화된 280 g/L NaCl의 수용액(염수)을 수용하는 액체 저장소에 한쪽 단부가 침지된, 내부에 5 μm의 평균 기공 직경을 갖는 GLA-5000 폴리비닐클로라이드(PVC) 물질 필터 (Pall Corp), (ii) 층 2: 산업 표준 퍼플루오르화 나트륨 교환 막, 및 (iii) 층 3: 35% NaOH의 수용액을 수용하는 제2의 개별 액체 저장소에 한쪽 단부가 침지된, 내부에 8 μm의 평균 기공 직경을 갖는 폴리에테르술폰 물질 필터. 염소-발생 전극(120)은 전극-전류 캐리어 조립체(420)로서 또한 역할을 하는, 구매가능한 치수 안정 애노드(Permascand)로 구성된다. 수소-발생 전극(130)은 결합제로서 (PTFE 분산액으로부터의) PTFE를 갖는, Vulcan XC-72 상의 10% Pt의 얇은 촉매 층이 미세다공성 면 상에 분무된 SigracetTM 카본지 기판을 포함하였다. 전류 캐리어(330)의 역할을 하는 Ni 메시에 대해 전극(130)을 압축하여 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 제공하였다. 전체 전지에서 유동장(620 및 630)은 각각 Ti 메시 및 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 각각 Ti- 및 Ni-코팅된 스테인리스강이었다. 기체 본체(125)로서 전지에 의해 염소가 생성된 반면, 기체 본체(135)로서 전지에 의해 수소가 생성되었다. 염화나트륨(염수)은 산성화된 NaCl을 수용하는 저장소로부터 소비된 반면, 가성 물질(수산화나트륨)은 NaOH를 수용하는 저장소에서 생성되었다. 각각의 저장소로부터의 이들 물질의 연속적인 보충 및 제거는 당업자에게 공지된 수단에 의해 수행될 수 있다.
3. 염수로부터 염소 및 가성 물질을 생성하기 위한 예시적인 전기-합성 산소-탈분극 클로르-알칼리 전지
전체 전지 내에 함께 단단히 압축되고, 한쪽 면에서 다른쪽 면으로, 순서대로 다음을 포함하는 3층 다공성 모세관 스페이서(110)를 사용하여, 도 1 및 2에 도시된 구조를 갖는 염수로부터 염소 및 가성 물질을 제조하기 위한 예시적인 실시 형태의 산소-탈분극 클로르-알칼리 전지를 제작하였다: (i) 층 1: pH 3으로 산성화된 280 g/L NaCl의 수용액(염수)을 수용하는 액체 저장소에 한쪽 단부가 침지된, 내부에 5 μm의 평균 기공 직경을 갖는 GLA-5000 폴리비닐클로라이드(PVC) 물질 필터 (Pall Corp), (ii) 층 2: 산업 표준 퍼플루오르화 나트륨 교환 막, 및 (iii) 층 3: 35% NOH의 수용액을 수용하는 제2의 개별 액체 저장소에 한쪽 단부가 침지된, 내부에 8 μm의 평균 기공 직경을 갖는 폴리에테르술폰 물질 필터. 염소-발생 전극(120)은 전극-전류 캐리어 조립체(420)로서 또한 역할을 하는, 시판 치수 안정 애노드(Permascand)로 구성된다. 산소-탈분극 상대 전극(130)은 결합제로서 (PTFE 분산액으로부터의) PTFE를 갖는, Vulcan XC-72 상의 10% Pt의 얇은 촉매 층이 미세다공성 면 상에 분무된 SigracetTM 카본지 기판을 포함하였다. 전류 캐리어(330)의 역할을 하는 Ni 메시에 대해 전극(130)을 압축하여 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 제공하였다. 전체 전지에서 유동장(620 및 630)은 각각 Ti 메시 및 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 각각 Ti- 및 Ni-코팅된 스테인리스강이었다. 기체 본체(125)로서 전지에 의해 염소가 생성된 반면, 기체 본체(135)로서 전지 내로 산소가 통과되었다. 염화나트륨(염수)은 산성화된 NaCl을 수용하는 저장소로부터 소비된 반면, 가성 물질(수산화나트륨)은 NaOH를 수용하는 저장소에서 생성되었다. 각각의 저장소로부터의 이들 물질의 연속적인 보충 및 제거는 당업자에게 공지된 수단에 의해 수행될 수 있다.
4. 염산을 재순환시켜 염소 및 수소를 생성하기 위한 예시적인 전기-합성 전지
평균 기공 직경이 5 μm인 GLA-5000 폴리비닐클로라이드 (PVC) 물질 필터 (Pall Corp)를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하여, 도 1 또는 도 2에 도시된 구조를 갖는, 염산으로부터 염소 및 수소를 제조하기 위한 예시적인 실시 형태의 전지를 제작하였다. 액체 전해질(100)은 수성 1 M HCl이었다. 염소-발생 전극(120)은 전극-전류 캐리어 조립체(420)로서 또한 역할을 하는, 구매가능한 치수 안정 애노드(Permascand)로 구성된다. 수소-발생 전극(130)은 결합제로서 (PTFE 분산액으로부터의) PTFE를 갖는, Vulcan XC-72 상의 10% Pt의 얇은 촉매 층이 미세다공성 면 상에 분무된 SigracetTM 카본지 기판을 포함하였다. 전류 캐리어(330)의 역할을 하는 Ni 메시에 대해 전극(130)을 압축하여 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 제공하였다. 전체 전지에서 유동장(620 및 630)은 각각 Ti 메시 및 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 각각 Ti- 및 Ni-코팅된 스테인리스강이었다. 기체 본체(125)로서 전지에 의해 염소가 생성된 반면, 기체 본체(135)로서 전지에 의해 수소가 생성되었다. 염산이 저장소(140)로부터 소비되었다. 저장소(140)는 당업자에게 공지된 수단에 의해 염산으로 연속적으로 보충될 수 있다.
5. 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 예시적인 전기-에너지 연료 전지
평균 기공 직경이 8 μm인 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하여, 도 1 또는 도 2에 도시된 구조를 갖는 예시적인 실시 형태의 수소-산소 연료 전지를 제작하였다. 액체 전해질(100)은 수성 6 M KOH였다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 둘 모두는, 각각 전류 캐리어(320 및 330)의 역할을 하는, Ni 메시 상에 증착되고 압축되어, 각각 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)를 제공하는, Vulcan XC-72 상의 20% Pd/Pt, 카본 블랙 및 PTFE (60% PTFE 분산액으로부터)의 혼합물로 구성되었다. 완전지에서 유동장(620 및 630)은 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 Ni-코팅된 스테인리스강이었다. 기체 본체(125)로서 전지 내로 산소가 도입된 반면, 기체 본체(135)로서 전지 내로 수소가 도입되었다.
대안적인 예에서, 본원에 참고로 포함된 문헌[Wagner, K., Tiwari, P., Swiegers, G. F. & Wallace, G. G., ‘Alkaline Fuel Cells with Novel Gortex-Based Electrodes are Powered Remarkably Efficiently by Methane Containing 5% Hydrogen’, Advanced Energy Materials, 8 (7), 1702285-1-1702285-10]에 기술된 바와 같이 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)를 제작하였다. 생성된 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)는 비전도성 Gortex 막 배킹을 갖기 때문에, 전극-대향 면 상에 예리한 돌출부를 갖도록 유동장(620 및 630)을 절단하였다. 이러한 돌출부는 420 및 430 상의 Gortex 배킹을 관통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 각각의 유동장(420 및 430) 사이의 전기적 연결을 확립한다.
이들 예는 각각 전극-스페이서 계면(126 및 136)의 변형을 나타내며, 이에 의해 도 4를 참조하여 기술된 바와 같이 경로(200)를 따라 이동하는 기체상 물질에 대한 모세관 현상 및/또는 확산 과정을 변경하거나 더 잘 제어하거나 가속화한다.
연료 전지는 상기 인용된 과학 논문에 기술된 대로 작동하였다. 저장소(140)에서 반응 생성물로서 물이 생성되었다. 물은 당업자에게 공지된 다양한 수단에 의해 저장소(140)로부터 연속적으로 제거될 수 있었다.
도 3에 도시된 구조를 갖는 전지가 동일한 공정에 의해 제조될 수 있으며, 여기서 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 물의 증발에 의한 비-간섭 방식으로 유지되어 수소 및/또는 산소 기체 스팀의 가습을 야기한다. 습윤화된 수소 및/또는 산소를 전지를 통해 순환시키고 전지 외부에서 건조시켜 증발된 수분을 제거하였다.
6. 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 예시적인 전기-합성 수전해 전지
평균 기공 직경이 8 μm인 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하여, 도 1 또는 도 2에 도시된 구조를 갖는 예시적인 실시 형태의 수전해 전지를 제작하였다. 액체 전해질(100)은 수성 6 M KOH였다.
본원에 참고로 포함된 과학 논문 [“An Alkaline Water Electrolyzer with Sustainion™ Membranes: 1 A/cm² at 1.9 V with Base Metal Catalysts” by Z. Liu, S. D. Sajjad, Yan Gao, J. J. Kaczur, and R. I. Masel, in ECS Transactions (2017) 77 (9), 71-73]에 교시된 바와 같이 수소-발생 전극(130)을 제작하였다. 이 절차는 SigracetTM 카본지 기판의 미세다공성 면에 결합제로서 5% Nafion®(26 중량%)을 갖는 Vulcan XC-72 상의 10% Pt(0.5 mg Pt/cm2)의 얇은 촉매 층을 분무하는 것을 포함한다. 전류 캐리어(330)의 역할을 하는 Ni 메시에 대해 전극(130)을 압축하여 전극-전류 캐리어 조립체(430)를 제공하였다.
산소-발생 전극(120)은 본원에 참고로 포함된 과학 논문[“Novel NiFe/NiFe-LDH composites as competitive catalysts for clean energy purposes” by A.M.P. Sakita, E. Vall
Figure pct00014
s, R. Della Noce, and A.V. Benedetti, in Applied Surface Science 447 (2018) 107-116]에 기술된 바와 같이 NiFe 촉매로 전기코팅된 미세 니켈 메시(200 LPI)로 구성되었다. 1 M KCl 지지 전해질 (상기 논문의 도 8(b)에 따름)과 함께, NiCl2 (0.075 M)과 FeCl2 (0.025 M)의 3:1 혼합물 (상기 논문의 도 8(c) 및 도 1(a)에 따름)로 구성된 전기코팅 용액에 니켈 메시를 넣었다. 전기코팅 용액에 담근 니켈 메시를 10 mV/s에서 -1.0 V 내지 -0.2 V (vs Ag/AgCl) 사이의 순환 전압전류법을 사용하여 반복된 사이클링에 의해 NiFe로 코팅하였다(상기 논문의 도 1에 따름). 다음 단락에 기술된 바와 같이 침전물의 형성 없이 기체 취급 물질을 포함할 수 있기 때문에 -1.0 V의 하한 전압을 선택하였다. -0.2 V의 상한 전압은 생성된 촉매의 최상의 성능을 제공하였다. 코팅은 (기하학적 면적이 1 cm2인 전극의 경우) 16.6 C의 전하가 증착될 때까지 계속되었다. Ni 메시 자체가 전류 캐리어(320)의 역할을 하여, 전극-전류 캐리어 조립체(420)를 제공하였다. 전체 전지에서 유동장(620 및 630)은 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 니켈이었다. 기체 본체(125)로서 전지에 의해 산소가 생성된 반면, 기체 본체(135)로서 전지에 의해 수소가 생성되었다.
도 3에 도시된 구조를 갖는 전지가 동일한 공정에 의해 제조될 수 있으며, 여기서 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 수소 및/또는 산소 기체 스팀의 가습으로부터, 물의 응축에 의한 비-간섭 방식으로 유지된다. 수소 및/또는 산소를 전지를 통해 순환시키고 전지 외부에서 가습하여 다공성 모세관 스페이서에서의 증기의 응축을 촉진하였다.
6.1 실시예: 전극에서 기체 취급 구조의 포함
저 표면 에너지 물질인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 기체 취급 구조를 포함하도록 상기 전극(120)을 변형시켰다. 상기에 언급된 바와 같이, PTFE는 표면 상의 용해된 기체를 제거하고 합체시키는 경향이 있다. 기체는 액체 전해질에 기포를 형성하지 않고서 기체 본체(125) 내로 그 표면을 따라 추가로 이동할 수 있다. 상기 전기코팅 용액에 PTFE 분산액(알코올/H2O 중 60중량% 분산액; 10 g/L)을 통합함으로써 PTFE 기체 취급 구조를 전극(120)에 통합하였다. 그렇지 않으면 제작 절차는 상기에 언급한 바와 같았다.
6.2 실시예: 만액식(Fully Flooded) 전지의 비교
비교를 위해, 전술한 전극-스페이서-전극 조립체(139)가 액체 전해질로 플러딩된 전지를 또한 제작하였다. 이러한 전지는 도 2에 도시된 구조에 해당하며, 여기서 A 및 B는 둘 다 전지의 상부에 있고, 즉, 전극은 액체 전해질로 완전히 덮여 있고 기체 본체(125 및 135)는 어떤 것도 존재하지 않았다. 이것은 액체 전해질에서 기포 형태로 기체가 생성되는 수전해 전지에 통상적인 전지 배열이다. 기체는 전지에서 기포로서 형성되며, 이는 전지의 상부로 올라갔다.
6.3 실시예: 실시 형태의 전지에 의한 개선된 에너지 효율의 증명
도 11(a) 내지 (b)는 도 1의 전지 구조를 갖는 생성된 수전해조의 80℃에서의 분극 곡선을 도시한다. 이러한 곡선은 내부 저항에 대해 보정되지 않으며; 즉, 버스바(640) 및 전도성 유동장(620, 630)에 의해 부여된 저항을 포함한다는 점에 유의해야 한다.
도 11에서 곡선 (a)는 전술한 산소-발생 전극(120/320/420)이 전술한 PTFE 기체 취급 구조를 통합한 전지의 분극 곡선을 도시한다. 이 전지는 118.2 Ω cm2만큼 낮은, 내부 저항에 대해 보정되지 않은 전체 전지 저항을 나타내는데, 이는 임의의 시험되거나 발명자가 실제로 알고 있는 것 중 가장 낮았다. 도 11에서 곡선 (b)는 동일하지만 전술한 산소-발생 전극(120/320/420)이 전술한 PTFE 기체 취급 구조를 통합하지 않은 전지의 분극 곡선을 도시하다.
도 11에서 곡선 (c)는 전술한 동일한 다공성 모세관 스페이서 및 동일한 전극을 이용하지만 전지가 액체 전해질로 완전히 충전된 비견되는 수전해 전지의 분극 곡선을 도시한다. 이것은 액체 전해질에서 기포 형태로 기체가 생성되는 수전해 전지에 통상적인 전지 배열이다. 도 11은 데이터가 공개적으로 이용가능한, 각각, 최상의 시판 알칼리 수전해조 및 PEM 수전해조의 전지의 80℃에서의 비견된 분극 곡선 (d) 내지 (e)를 도시한다.
도 11에서 곡선 (a) 및 (b)는, 동일한 전극 및 다공성 모세관 스페이서를 사용하지만 액체 전해질에서 기체가 기포 형태로 생성되는 곡선 (c)에서의 비견되는 만액식 전지에서 현저하게 개선되는 것을 볼 수 있다. 이는 통상적인 전지 구조와 비교할 때 예시적인 실시 형태의 전지 구조의 개선된 에너지 효율을 입증하였다.
도 11에서 곡선 (a) 및 (b)는 최상의 시판 알칼리 수전해 전지 (도 11의 곡선 (d)) 및 시판 PEM 수전해 전지 (도 11의 곡선 (e))에 비해 또한 상당히 개선되었다. 이는, 특히 도 11(a) 및 (b)에서의 전지가, 도 11(e)에 도시된 유형의 PEM 수전해 전지보다 현저히 더 저렴하고, 더 내구성 있으며, 수명이 상당히 더 긴, 알칼리 수전해 전지임을 고려할 때, 예시적인 실시 형태의 전지 구조의 개선된 에너지 효율을 입증한다.
알칼리 전해 전지를 포함하는 도 11의 곡선 (c)는 최상의 시판 알칼리 수전해 전지 (도 11의 곡선 (d))에 비해 크게 개선된다는 점이 또한 주목할 만하다. 이는, 비견되는 조건 하에서, A 및 B 둘 모두가 전지의 상부로 연장되는 도 2에 도시된 구조가, 도 11(a) 내지 (b)에서의 전지보다는 덜 개선된 효율이지만, 개선된 효율을 또한 제공함을 입증한다. 그 이유는 도 11(c)에서의 전지가 '독립 경로 전지'이기 때문이다.
따라서, 예를 들어, 0.7 A/cm2의 전류 밀도(도 11에서 점선)에서 수소를 생성하는 능력에 있어서 전지를 비교하면,
- 도 11의 곡선 (a)의 전지는 단지 1.536 V (점 A)를 필요로 하였으며, 이는 수소의 고위 발열량 (HHV)에 비해 96% 에너지 효율에 해당한다.
- 도 11의 곡선 (b)의 전지는 단지 1.568 V (점 B)를 필요로 하였으며, 이는 수소의 고위 발열량 (HHV)에 비해 94% 에너지 효율에 해당한다.
- 도 11의 곡선 (c)의 전지는 1.655 V (점 C)를 필요로 하였으며, 이는 수소의 고위 발열량 (HHV)에 비해 89% 에너지 효율에 해당한다.
- 도 11의 곡선 (d)의 최상의 시판 알칼리 수전해 전지는 1.84 V (점 D)를 필요로 하였으며, 이는 80% 에너지 효율 (HHV)에 해당한다.
- 도 11의 곡선 (e)의 최상의 시판 PEM 수전해 전지는 1.61 V (점 E)를 필요로 하였으며, 이는 91% 에너지 효율 (HHV)에 해당한다.
개선된 에너지 효율을 위한 용량은 도 12에서 추가로 입증되며, 이는 100% 에너지 효율(HHV)을 나타내는, 80℃에서 1.47 V의 고정 전지 전압으로 유지되었을 때, 도 11의 곡선 (a)에서의 전지의 시간 경과에 따른 성능을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 전지는 100% 에너지 효율(HHV)로 일정한 300 mA/cm2 (= 0.3 A/cm2)를 생성하였다. 대조적으로, 80℃에서 1.47 V에서 최상의 공개적으로 보고된 전류는 시판 알칼리 전해 전지의 경우 약 0.1 A/cm2이며 시판 PEM 전해 전지의 경우에는 약 0.2 mA/cm2이다.
6.4 실시예: 더 낮은 전극간 저항의 입증
도 11의 곡선 (a)에서 전지의 개선된 에너지 효율성에 대한 몇 가지 기여 요인이 존재한다. 여기에는, 80℃에서 도 11의 곡선 (d)에서의 Zirfon PERL® 분리막에 대한 80℃에서의 약 130 mΩ cm2 및 도 11의 곡선 (e)에서의 Nafion® 115 분리막에 대한 80℃에서의 약 74 mΩ cm2와 비교하여, 80℃에서 22 mΩ cm2인 도 11의 곡선 (a)에서 다공성 모세관 스페이서의 더 낮은 저항이 포함된다. 이러한 효과는 도 11의 곡선 (a)에서의 전지에 대한 1 A/cm2에서 필요한 전압을 도 11의 곡선 (d)에서의 전지에 비해 약 0.108 V만큼 그리고 도 11의 곡선 (e)에서의 전지에 비해 약 0.052 V만큼 낮추는 것이었다.
6.5 실시예: 더 낮은 기체 크로스오버의 입증
도 11의 곡선 (a)에서의 전지는 낮은 벤치마크 기체 크로스오버를 가졌으며, O2 중 %H2는 0.04 내지 0.14%였고 H2 중 %O2는 0.00%였다. 비교하여, Zirfon PERL®은 비견되는 만액식 알칼리 수전해 전지에서 사용될 때 0.22% 이상의 벤치마크 기체 크로스오버를 나타내는 것으로 여겨진다.
6.6 실시예: 전극 내 기체 취급 구조의 포함으로 인해 개선된 에너지 효율의 입증
알 수 있는 바와 같이, 도 11의 곡선 (a)는 도 11의 곡선 (b)에 비해 개선되며, 이는 산소 발생 전극 내의 PTFE 기체 취급 구조의 통합이 유리한 효과를 가졌음을 나타낸다. 기체 취급 구조는 새로 형성된 기체가 가시적인 기포를 형성하지 않고서 전극을 떠나는 것을 도왔다. 기체가 빠져나가는 경로의 표면 에너지를 감소시킴으로써 그렇게 하였다.
6.7 실시예: 전극이 '무기포'인 것으로 인해 개선된 에너지 효율의 입증
따라서 도 11의 곡선 (a)의 개선된 에너지 효율에 대한 또 다른 주요 기여 요인은 두 전극 모두에서 가시적인 기포가 없다는 것이다. 이는 도 11의 곡선 (c)와의 비교에서 나타나는 바와 같이 전기 분해에 필요한 전압을 감소시키고 에너지 효율을 현저하게 개선하였다.
이 예에서, 액체 전해질의 얇은 층(두께 0.125 mm 미만)은 다공성 모세관 스페이서(110)로부터 전극의 촉매 표면 상으로 끌어당겨지는 것으로 보인다. 기체는 전극에 의해 생성되면 얇은 전해질 층을 통해 근처의 외부 표면으로 이동하고 그 계면을 가로질러 각각의 기체 본체(125 및 135)에 합류하였다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 산소-발생 전극(120) 내에서, 새로 형성된 산소 기체는 전극에 존재하는 PTFE 표면 상에서 합체하고 그를 따라 이동하여 산소 기체 본체(125)에 합류하였다.
따라서, 전극 표면 상에 또는 근처에서 기포를 형성함으로써 기체를 배출할 필요가 없었다. 그 결과, 전극은 통상적인 기포 발생 시스템에서와 같이 기포로 가려지지 않았다. 더욱이, 전극 표면 근처의 액체 전해질은 기포 형성의 핵을 형성하기 위해 기체로 과포화될 필요가 없었다. 그렇게 함으로써, 이러한 과포화를 생성하는 데 필요할 수 있는 추가 전압을 피할 수 있었다. 게다가, 기포는 존재하는 가장 촉매 활성인 부위이기도 한, 전극 표면의 갈라진 틈, 균열 및 결함에서 형성되는 (종종 강하게 달라붙는) 경향이 있는 반면, 이러한 부위는 크게 영향을 받지 않았으며 기포 형성이 없을 때 완전한 촉매 활성으로 작동하였다. 따라서, 전극의 촉매 표면은 항상 더 완전히 사용되었다.
6.8 실시예: 수전해 전지는 개선된 에너지 효율을 나타내는 '독립 경로 전지'였다.
다공성 모세관 스페이서(110)는 전극(120 및 130)이 반응을 지속하기 위해 필요로 하는 액체상 반응물을 무한정 공급할 수 있었던 반면, 기체 생성물은 액체상 이동에 대해 상보적인 방향으로 전극에서 멀리 이동하였다는 사실은, 역다상류를 회피하였으며, 전지 내에서 각각의 개별 액체상 및 기체상 반응물 및 생성물의 이동(유동)에 대해 적어도 하나의 개별적 독립적 비-간섭 경로가 이용가능하였음을 나타낸다.
따라서, 도 11의 (a) 내지 (b)에서의 전지는 '독립 경로 전지'였으며 이는 근본적으로 에너지 효율이 더 높은 이유였다. 기포가 형성되기 때문에 에너지 효율이 더 낮지만, 도 11의 (c)에서의 전지가 또한 독립 경로 전지였다. 즉, 이는 역다상류와 관련된 비효율성을 극복하는 데 필요한 에너지를 피했지만, 기포 형성과 관련된 것은 피하지 못하였다.
도 11의 (a) 및 (b)에서의 전지의 무기포 작용은 무기포 전극으로부터 기체를 제거하는 경로의 효율성을 증가시켰다. 산소 전극에서의 기체 취급 구조의 포함은 전극으로부터 기체를 제거하기 위한 특히 개선된 경로를 제공하였다. 이러한 효과는 전지에서 분자 수준 이동의 효율성을 개선하여 전지의 에너지 효율을 증가시키는 것이었다.
따라서 이 예는 독립 경로 전지가 다른 전지보다 더 높은 에너지 효율을 달성할 수 있는 이유를 입증한다. 이는 또한 에너지 효율성의 개선이 상당할 수 있음을 보여준다.
6.9 실시예: 전극 위로 전해질의 모세관-유도 이동을 촉진하도록 전극 표면을 개질한 후의 높은 에너지 효율의 입증
상기에 언급된 바와 같이, 전극을 따라 전극 위로 액체 전해질의 모세관-유도 이동은 전형적으로 전극과 그의 관련 기체 본체 사이의 기체 이동을 방해하고 심지어 차단한다. 이것은 전지의 에너지 효율을, 보통 상당히, 감소시킬 수 있다.
그러나, 이러한 이동이 전극의 표면 상에서 이동하는 액체 전해질의 매우 얇은 층에 한정되도록 엔지니어링되면, 기체 이동을 간섭하거나 방해하지 않을 수 있으며 에너지 효율에 유해한 영향을 미치지 않을 수 있다.
액체 전해질의 박막의 이러한 모세관-유도 수송은, 후술되는 바와 같이 전극 표면에 얇은 소수성 층을 증착하고 도 2에 도시된 바와 같은 전지 설계를 이용함으로써 엔지니어링될 수 있다.
상기 수전해조에서 대안적인 산소 전극으로서 니켈 폼을 사용하였다. 니켈 폼을 에탄올 중에서 10분 동안 초음파 처리하여 임의의 유기 잔류물을 제거한 다음, 물로 헹군 후에 3 M HCl 중에서 20분 동안 추가로 초음파 세척한 다음, 물로 헹구고 건조시켰다. 이어서 Ni 폼을 43 mM NiNO3 및 14.3 mM FeNO3의 수용액, 및 0.28 M 요소가 들어 있는 오토클레이브에 담그고 120℃에서 12시간 동안 가열하였다. 생성된 전극을 물로 세척하고 공기 중에서 건조시켰다.
이 방법을 사용하여 증착된 NiFe 층상 이중 수산화물(LDH)의 얇은 층은 강한 친수성이며 물로부터 산소를 생성하기 위한 양호한 촉매이다. 그의 높은 친수성은 5 cm/min 초과의 속도로 전극 표면 상의 6 M KOH 액체 전해질의 얇은 층의 모세관-기반 상향 이동을 촉진하였다. 이는 기공 직경이 8 μm인 폴리에테르술폰 물질 필터를 포함하는 다공성 모세관 스페이서(110)에 의해 나타나는 것보다 현저하게 빠른 이동 속도였다.
촉매적 산소-발생 동안, 상기 NiFe-코팅된 Ni 폼은 도 11의 곡선 (a)에서의 산소 전극에 비견되는 높은 에너지 효율을 또한 나타내었다. 도 13은 산소 전극의 전극 전위 대 다음의 전류 밀도의 비교를 도시한다:
(a) 도 11의 곡선 (a)에서의 전지 내의 산소 전극, 및
(b) 도 11의 곡선 (a)에서의 전지 내의 산소 전극으로서 사용될 때 상기 NiFe-코팅된 Ni 폼.
알 수 있는 바와 같이, 두 전극의 성능은 매우 유사하며, 이는 NiFe-코팅된 Ni 폼 전극의 표면에서의 모세관-유도 이동은 에너지 효율을 크게 감소시키지 않았음을 나타낸다.
6.10 실시예: 표면 개질된 전극에서 기체 취급 구조의 포함
전술한 Ni 폼 전극은 또한 표면 개질 동안 PTFE 기체 취급 구조를 통합하도록 변형될 수 있었다.
이는 다음과 같이 달성되었다: 43 mM NiNO3 및 14.3 mM FeNO3의 수용액, 및 0.28 M 요소를 오토클레이브에서 120℃에서 12시간 동안 가열하였다. 수득된 NiFe-LDH 촉매를 수집하고, 원심분리에 의해 탈이온수로 3회 세척한 후에 진공 오븐 내에서 실온에서 건조시켰다. Nafion® (10 g/L)의 분산액을 첨가하여, 이소프로판올 및 물 (4:1 부피%)을 함유하는 용액 중 생성된 NiFe 분말의 분산액을 제조하였다. 이어서, NiFe-LDH 분산액을 사전 세정된 Ni 폼 또는 Ni 메시 상에 에어브러싱하여 원하는 질량/두께로 NiFe-LDH 코팅된 전극을 수득하였다.
6.11 실시예: 전극 내의 기체 모세관 구조의 포함
대안적인 예에서, 이 경우에, PTFE 면이 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)의 외부에 대해 단단히 배치된, 소수성 Gore-TexTM 막(즉 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)을 포함하는 포함하는 소수성 막)인 기체 모세관 구조를 통합하도록 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)를 제작하였다. 최종 조립된 전지에서, Gore-TexTM 막을 포함하는 전극의 외부는 각각의 유동장(620 또는 630)과 접촉하였다. Gore-TexTM 막의 일반명 버전은 'Gortex' 막으로 알려져 있다.
Gore-TexTM 또는 Gortex 막은 그러한 밀접하게 인접한 기체-발생 전극으로부터 새로 생성된 기체를 자발적으로 추출하는 기체 모세관 구조를 포함한다.
생성된 전극-전류 캐리어 조립체는 비전도성 Gortex 막 배킹을 갖기 때문에, 전극-대향 면 상에 예리한 돌출부를 생성하도록 유동장(620 및 630)을 절단하였다. 이러한 돌출부는 420 및 430 상의 Gortex 막 배킹을 관통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 각각의 유동장(420 및 430) 사이의 전기적 연결을 확립한다.
이들 예는 각각 전극-스페이서 계면(126 및 136)의 변형을 나타내며, 이에 의해 도 4를 참조하여 기술된 바와 같이 경로(200)를 따라 이동하는 기체상 물질에 대한 모세관 현상 및/또는 확산 과정을 변경하거나 더 잘 제어하거나 가속화한다.
수전해 전지는 상기 인용된 과학 논문에 기술된 대로 작동하였다. 반응물 물은 저장소(140)로부터 연속적으로 제거되었다. 물은 당업자에게 공지된 다양한 수단에 의해 저장소(140)로 보충될 수 있었다.
7. 실시예: 수소를 함유하는 기체 혼합물로부터 순수한 수소를 추출하기 위한 전기-합성 추출 전지
평균 기공 직경이 1.2 μm인 폴리에테르술폰 물질 필터를 다공성 모세관 스페이서(110)로서 사용하여, 도 1 내지 3에 도시된 구조를 갖는 예시적인 실시 형태의 수소 추출 전지를 제작하였다. 액체 전해질(100)은 수성 1 M 황산이었다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 둘 모두는, 각각 전류 캐리어(320 및 330)의 역할을 하는, Ni 메시 상에 증착되고 압축되어, 각각 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)를 제공하는, Vulcan XC-32 상의 10% Pt, 카본 블랙 및 20% PTFE 분산액의 혼합물로 구성되었다. 완전지에서 유동장(620 및 630)은 Ni 폼이었다. 전도성 버스바(640)는 Ni-코팅된 스테인리스강이었다. 메탄과 수소의 혼합물(예를 들어, 5 내지 10 부피%)은 기체 본체(125)로서 전지 내로 전지를 통과하는 반면, 순수한 수소는 전지에 의해 기체 본체(135)로서 생성된다.
대안적인 예에서, 본원에 참고로 포함된 문헌[K. Wagner et al., An electrochemical cell with Gortex-based electrodes capable of extracting pure hydrogen from highly dilute hydrogen-methane mixtures, Energy and Environmental Science, 2018, Vol. 11, page 172]에 기술된 바와 같이 전극-전류 캐리어 조립체(420 및 430)를 제작하였다. 생성된 전극-전류 캐리어 조립체는 비전도성 Gortex 막 배킹을 갖기 때문에, 전극-대향 면 상에 예리한 돌출부를 생성하도록 유동장(620 및 630)을 절단하였다. 이러한 돌출부는 420 및 430 상의 Gortex 막 배킹을 관통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 각각의 유동장(420 및 430) 사이의 전기적 연결을 확립한다.
이들 예는 각각 전극-스페이서 계면(126 및 136)의 변형을 나타내며, 이에 의해 도 4를 참조하여 기술된 바와 같이 경로(200)를 따라 이동하는 기체상 물질에 대한 모세관 현상 및/또는 확산 과정을 변경하거나 더 잘 제어한다. 수소-추출 전지는 상기 인용된 과학 논문에 기술된 대로 작동하였다.
추가의 예시적인 전지 구조
다양한 다른 전지 구조가 본 명세서의 범위 내에 속할 수 있음을 이해해야 한다. 실시 형태의 부품, 요소 및 특징을 포함하는 구조는 개별적으로 또는 집합적으로 둘 이상의 부품, 요소 또는 특징의 임의의 또는 모든 조합으로 본원에서 언급되거나 지시되며, 본 발명이 관련된 기술 분야에서 공지된 등가물을 갖는 특정 완전체가 본원에서 언급되며, 그러한 공지된 등가물은 마치 개별적으로 기재된 것처럼 본원에 포함되는 것으로 간주된다.
예시적이지만 비제한적인 다른 예시적인 구조의 선택이 도 14 내지 33에 제공되어 있다.
도 14는 기체 본체(135)가 없는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(40)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(130)은 기체를 거의/전혀 생성 또는 소비하지 않으며 전극(120) 위로의 비-간섭, 모세관-기반, 전해질 이동이 존재한다.
도 15는 기체 본체(125)가 없는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(41)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120)은 기체를 거의/전혀 생성 또는 소비하지 않으며 전극(130) 위로의 비-간섭, 모세관-기반, 전해질 이동이 존재한다. 액체 전해질은 기체 본체(135)를 통한 비-간섭 증기상 경로에 의해 보충/유지된다.
도 16은 기체 본체(135)가 없는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(42)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(130)은 기체를 거의/전혀 생성 또는 소비하지 않으며 전극(120) 위로의 비-간섭, 모세관-기반, 전해질 이동이 존재한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 헤드스페이스는 전극(130) 위의 액체 전해질 및 전극(120) 위의 기체에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110)에 유지된 액체 전해질은 기체 크로스오버를 차단한다.
도 17은 전극(130) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동 및 전극(120) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동이 있는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(43)의 개략 단면도를 예시한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체들(125 및 135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다.
도 18은 전극(130) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동 및 전극(120) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동이 있는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(44)의 개략 단면도를 예시한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체들(125 및 135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 액체 전해질은 기체 본체(125)를 통한 비-간섭 증기상 경로에 의해 보충/유지된다.
도 19는 전극(130) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동이 있는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(45)의 개략 단면도를 예시한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체들(125 및 135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은 (헤드스페이스 내에서) 전극의 상부에서만 기체 본체(125)와 접촉한다.
도 20은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(46)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체들(125 및 135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은 (헤드스페이스 내에서) 전극의 상부에서만 기체 본체(125)와 접촉한다. 전극(130)은 (헤드스페이스 내에서) 전극의 상부에서만 기체 본체(135)와 접촉한다.
도 21는 전극(130) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동이 있는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(47)의 개략 단면도를 예시한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은 (헤드스페이스 내에서) 전극의 상부에서만 기체 본체(125)와 접촉한다. 전극(130)은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 취급 구조(900)를 통합한다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 22는 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(48)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 취급 구조(901)를 통합한다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 취급 구조(900)를 통합한다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 23는 전극(130) 위로의 비-간섭 모세관-기반 전해질 이동이 있는, 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(49)의 개략 단면도를 예시한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은 (헤드스페이스 내에서) 전극의 상부에서만 기체 본체(125)와 접촉한다. 전극(130)은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 모세관 구조(1000)에 인접한다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 24는 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(50)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 모세관 구조(1001)에 인접한다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은 헤드스페이스와 근접한 기체로 충전된 기체 모세관 구조(1000)에 인접한다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 25는 전극(130)이 기체를 거의 또는 전혀 생성 또는 소비하지 않는 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(51)의 개략 단면도를 예시한다. 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은, 액체 전해질(100)을 통해 전극 위로 헤드스페이스까지 연장되는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)는 헤드스페이스 기체와 근접한 기체로 충전된다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함).
도 26은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(52)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은, 액체 전해질(100)을 통해 전극 위로 헤드스페이스까지 연장되는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)는 헤드스페이스 기체와 근접한 기체로 충전된다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은 (헤드스페이스 내에서) 전극의 상부에서만 기체 본체(135)와 접촉한다.
도 27은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(53)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120)은, 액체 전해질(100)을 통해 전극 위로 헤드스페이스까지 연장되는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)는 헤드스페이스 기체와 근접한 기체로 충전된다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은, 액체 전해질(100)을 통해 전극 위로 헤드스페이스까지 연장되는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)는 헤드스페이스 기체와 근접한 기체로 충전된다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 28은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(54)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체(125)와 기체 본체(135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120 및 130) 각각은 기체를 생성한다. 전극(120)은, 경로(2100)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 방출하는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 가지며, 여기서, 경로(2100)는 종종 또는 일상적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)의 기체 본체와 헤드스페이스 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다(집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은, 경로(1210)를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 방출하는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)를 가지며, 여기서, 경로(2110)는 보통 또는 일상적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)의 기체 본체와 헤드스페이스 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다(집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 29는 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(55)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(125)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 기체 본체(135)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 기체 본체들(125 및 135) 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120 및 130) 각각은 기체를 생성한다. 전극(120)은, 경로(2200)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 방출하는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 가지며, 여기서, 경로(2200)는 때때로 또는 불규칙적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)의 기체 본체와 헤드스페이스 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다(집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은, 경로(2210)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 방출하는, 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)를 가지며, 여기서, 경로(2210)는 때때로 또는 불규칙적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)의 기체 본체와 헤드스페이스 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다(집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 30은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(56)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 도관(127)과 관련된 기체 본체에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 도관(137)과 관련된 기체 본체에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 도관(127)과 관련된 기체 본체와 도관(137)과 관련된 기체 본체 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120 및 130) 각각은 기체를 생성한다. 전극(120)은 기체 본체(125)를 안에 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 본체(125)는 액체 전해질(100)을 통한 경로(2300)를 통해 외부 도관(127) 및 외부 기체 저장 시스템(128)과 기체 연통한다. 기체 본체(125)는 경로(2300)를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 헤드스페이스로 방출하며, 여기서 기체는 외부 도관(127) 및 외부 기체 저장 시스템(128)에 들어갈 수 있다. 전극(130)은 기체 본체(135)를 안에 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 본체(135)는 액체 전해질(100)을 통한 경로(2310)를 통해 외부 도관(137) 및 외부 기체 저장 시스템(138)과 기체 연통한다. 기체 본체(135)는 경로(2310)를 따라 액체 전해질을 통해 기체의 기포/부피를 헤드스페이스로 방출하며, 여기서 기체는 외부 도관(137) 및 외부 기체 저장 시스템(138)에 들어갈 수 있다.
도 31은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(57)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 액체 전해질(100)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 액체 전해질(100)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110)에 유지된 액체 전해질은 헤드스페이스에서 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120 및 130) 각각은 기체를 소비한다. 전극(120)은 기체의 부피를 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)는 외부 기체 도관(127)으로부터 경로(2400)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 수용한다. 경로(2400)는 종종 또는 일상적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100) 내의 기체 본체와 기체 도관(127) 내의 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은 기체의 부피를 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)는 외부 기체 도관(137)으로부터 경로(2410)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 수용한다. 경로(2410)는 종종 또는 일상적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101) 내의 기체 본체와 기체 도관(137) 내의 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 32는 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(58)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 액체 전해질(100)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 액체 전해질(100)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110)에 유지된 액체 전해질은 헤드스페이스에서 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120 및 130) 각각은 기체를 소비한다. 전극(120)은 기체의 부피를 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)는 외부 기체 도관(127)으로부터 경로(2500)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 수용한다. 경로(2500)는 때때로 또는 불규칙적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100) 내의 기체 본체와 기체 도관(127) 내의 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다 (집합적으로 기체 본체(125)를 형성함). 전극(130)은 기체의 부피를 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)를 갖는다. 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)는 외부 기체 도관(137)으로부터 경로(2510)를 따라 액체 전해질(100)을 통해 기체의 기포/부피를 수용한다. 경로(2510)는 때때로 또는 불규칙적으로 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101) 내의 기체 본체와 기체 도관(137) 내의 기체 사이에 근접한 연결부를 생성한다 (집합적으로 기체 본체(135)를 형성함).
도 33은 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(59)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 액체 전해질(100)에 의해 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 액체 전해질(100)에 의해 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110)에 유지된 액체 전해질은 헤드스페이스에서 기체 크로스오버를 차단한다. 전극(120 및 130) 각각은 기체를 소비한다. 전극(120)은 기체 본체(125)를 안에 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1100)를 갖는다. 기체 본체(125)는 액체 전해질(100)을 통한 경로(2600)를 통해 외부 도관(127) 및 외부 기체 저장 시스템(128)과 기체 연통한다. 기체 본체(125)는 경로(2600)를 따라 액체 전해질을 통해 도관(127)으로부터 기체의 기포/부피를 수용하며, 여기서 기체는 외부 기체 저장 시스템(128)으로부터 외부 도관(127)에 들어갈 수 있다. 전극(130)은 기체 본체(135)를 안에 포함하는 부착되거나 통합된 기체 모세관 또는 기체 취급 구조(1101)를 갖는다. 기체 본체(135)는 액체 전해질(100)을 통한 경로(2610)를 통해 외부 도관(137) 및 외부 기체 저장 시스템(138)과 기체 연통한다. 기체 본체(135)는 경로(2610)를 따라 액체 전해질을 통해 도관(137)으로부터 기체의 기포/부피를 수용하며, 여기서 기체는 외부 기체 저장 시스템(138)으로부터 외부 도관(137)에 들어갈 수 있다.
도 34는 둘 모두의 전극 위에 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(60)의 개략 단면도를 예시한다. 전극(120) 위의 헤드스페이스는 도관(127)과 관련된 기체 본체에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 전극(130) 위의 헤드스페이스는 도관(137)과 관련된 기체 본체에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 도관(127)과 관련된 기체 본체와 도관(137)과 관련된 기체 본체 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전지(60)는 수전해 전지이고 전극(120 및 130) 각각은 기체를 생성한다. 작동 중에, 전극(120)은 부피(2700)를 충전하는 기포 형태의 다량의 기체를 생성한다. 이렇게 함에 있어서, 부피(2700) 내의 기포는 일상적으로, 종종, 또는 때때로 도관(127)과 관련된 기체 본체와 근접하게 되어, 전체 기체 본체(125)(부피(2700) 주위 및 근처에 점선으로 표시됨)를 형성한다. 다공성 모세관 스페이서(110)가 반응을 지속시키기 위해 전극(120)에 필요한 물 및/또는 액체상 이온을 공급할 수 있기 때문에 반응이 계속된다. 작동 전 또는 후에, 액체 전해질(100)은 부피(2700)를 충전한다. 따라서, 도 34에서 부피(2700) 주위 및 근처에 점선으로 표시된 전체 기체 본체(125)는 전지의 작동 시에 동적으로 생성된다. 작동 중에, 전극(130)은 기포 형태의 소량의 기체를 생성한다. 기포는 전극(130)의 외부 표면 근처에 중실 또는 다공성 배리어(2720)를 배치함으로써 생성되는 더 작은 부피(2710)를 충전한다. 이렇게 함에 있어서, 부피(2710) 내의 기포는 일상적으로, 종종, 또는 때때로 도관(137)과 관련된 기체 본체와 근접하게 되어, 전체 기체 본체(135)(전극(130) 근처에 점선으로 표시됨)를 형성한다. 다공성 모세관 스페이서(110)가 반응을 지속시키기 위해 전극(130)에 필요한 물 및/또는 액체상 이온을 공급할 수 있기 때문에 전극(130)에서 반응이 계속된다. 작동 전 또는 후에, 액체 전해질(100)은 부피(2710)를 충전한다. 따라서, 도 34에서 전극(130) 근처에 점선으로 표시된 전체 기체 본체(135)는 전지의 작동 시에 동적으로 생성된다. 전지(60)는 전지가 반응 구역으로의 액체상 물 반응물의 진입을 위한 개별적 독립적 비-간섭 경로를 제공하는 한편, 또한 전극(120)으로부터 기체(125)의 방출 및 전극(130)으로부터 기체(135)의 방출을 위한 개별적 독립적 비-간섭 경로를 제공하기 때문에 독립 경로 전지이다.
도 35는, 기체 본체(125)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된, 전극(120) 위의 헤드스페이스가 제공된 추가의 예시적인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지(61)의 개략 단면도를 예시한다. 부피(2810)에서 전극(130) 주위의 액체 전해질(100)은 도관(2811 및 2815)을 통해 기체-액체 분리막 탱크(2812)와 유체 연통하며, 이는 근접한 기체 본체(135)에 의해 부분적으로 점유되고 액체 전해질(100)에 의해 부분적으로 점유된다. 다공성 모세관 스페이서(110) 내에 유지된 액체 전해질은 전극(120)과 관련된 반전지와 전극(130)과 관련된 반전지 사이의 기체 크로스오버를 차단한다. 전지(61)는 수전해 전지이고 전극(120 및 130) 각각은 기체를 생성한다. 작동 중에, 전극(120)은 부피(2800) 내에서 상승하여 기체 본체(125)에 합류하는 기포 형태의 기체의 부피를 생성한다. 즉, 전극(120)에 의해 생성된 기체는 외부 도관(127)과 유체 접촉한다. 작동 중에, 전극(130)은, 부피(2810) 내에서 상승하여 도관(2811)에 들어가서 분리막 탱크(2812)로 유동하는 기포 형태의 기체의 부피를 생성하고, 여기서 기체는 근접한 기체 본체(135)로 분리되고, 이는 외부 도관(137)과 기체 연통한다. 이어서 기체-액체-분리막 탱크(2812)의 하부의 분리된 액체 전해질은 도관(2813)을 따라, 도관(2815)을 통해, 다시 부피(2810) 내로 유동한다. 화살표(2814) 및 전극(130)과 관련된 반전지의 다른 화살표로 표시된 방향으로 발생하는 이 순환 유동은 기포의 자연 부력에 의해 구동될 수 있거나 펌프에 의해 구동될 수 있다. 즉, 전극(130)에 의해 생성된 기체는 도관(137)과 유체 접촉한다. 다음 조건들 중 하나 또는 조합이 전지(61)와 관련된다:
- 다공성 모세관 스페이서(110)는 반응을 지속하기 위해 전극(120 및 130)에 필요한 액체상 물 및/또는 이온 반응물을 전극들 사이로부터 공급하기에 충분히 높은 유량을 갖는다. 이는 전지(61)가 다음을 위한 개별적 독립적 비-간섭 경로를 제공하기 때문에 '독립 경로 전지'임을 의미한다: (a) 전극(120 및 130)에 필요한 물 및 이온 반응물의 액체상 이동, 및 (b) 전극(120)의 기체상 생성물(125), 및 (c) 전극(130)의 기체상 생성물(135);
- 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 8 cm 초과의 높이에서 분당 0.0014 g 초과의 물의 유량으로 유동한다;
- 다공성 모세관 스페이서는 평균 기공 직경이 2 μm 초과 및 400 μm 미만이다;
- 다공성 모세관 스페이서는 최대 컬럼 높이가 0.4 cm 초과이다;
- 다공성 모세관 스페이서(110)는 다공도가 60% 초과이다;
- 전극은 2 bar 초과의 압력으로 다공성 모세관 스페이서(110)에 대해 압축된다;
- 다공성 모세관 스페이서(110)는 두께가 0.45 mm 미만이다;
- 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 제1 기체 본체(125)가 제2 기체 본체(135)와 혼합되는 것을 차단 또는 방해하고 2% 미만의 벤치마크 기체 크로스오버를 유지한다;
- 다공성 모세관 스페이서(110)는 이온 저항이 실온에서 140 mΩ cm2 미만이다;
- 전지(61)는, 전극들 사이로부터, 반응을 지속하기 위해 전극(120) 또는 전극(130)에 필요한 액체상 물 및/또는 이온을 공급하기에 불충분한 유량을 갖는 다공성 모세관 스페이서(110)가 장착된 동일한 전지보다 0.5% 초과로 더 높은 에너지 효율을 나타낸다. 반응을 지속하기 위해 전극(120) 또는 전극(130) 중 어느 하나에 필요한 액체상 물 및/또는 이온 반응물은 대신 각각 부피(2800 또는 2810)로부터 공급되어야 한다. 그러한 전지는 전극(120 및 130)에 필요한 물 및 이온 반응물의 액체상 이동을 위한 개별적 독립적 비-간섭 경로를 제공하지 않기 때문에 독립 경로 전지가 아닐 것이다.
도 35의 예에서, 다공성 모세관 스페이서는 평균 기공 직경이 2 μm 초과 및 400 μm 미만이고, 다공도가 60% 초과이고, 전극 압축이 2 bar 초과이고, 전해질은 수산화물 염을 포함하며 pH가 10 이상인, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공된다.
도 35의 예에서, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 8 cm 초과의 높이에서 분당 0.0014 g 초과의 물의 유량, 0.45 mm 미만의 두께, 60% 초과의 다공도, 2 bar 초과의 전극 압축으로 유동하며, 전해질은 수산화물 염을 포함하고 pH가 10 이상인 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공된다.
도 35의 예에서, 다공성 모세관 스페이서는 최대 컬럼 높이가 0.4 cm 초과이고, 다공도가 60% 초과이고, 전극 압축이 2 bar 초과이며, 전해질은 수산화물 염을 포함하고 pH가 10 이상인, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지가 제공된다.
추가의 예시적인 실시 형태
더욱 추가의 비제한적인 예시적인 실시 형태에 따르면, 다음 요점들은 추가의 예시적인 전지 및 전지의 예시적인 작동 방법을 개시한다.
1. 전기-합성 또는 전기-에너지 전지로서,
액체 전해질을 수용하는 저장소;
제1 기체 확산 전극;
제2 전극; 및
액체 전해질로 충전되고 제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하며, 다공성 모세관 스페이서는 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉하는 원위 단부를 갖는, 전지.
2. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하는, 요점 1의 전지.
3. 액체 전해질, 액체상 반응물 및/또는 생성물은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 저장소 안팎으로 수송되는, 요점 2의 전지.
4. 적어도 하나의 외부 액체 도관은 액체 전해질, 액체상 반응물 및/또는 생성물을 외부적으로 저장, 공급 또는 제거하기 위한 외부 액체 저장 시스템과 유체 연통하는, 요점 3의 전지.
5. 외부 액체 도관이 존재하지 않으며 액체 전해질 및/또는 액체상 반응물 및/또는 생성물은 기체 스트림 내의 증기의 형태로 전지 안팎으로 수송되는, 요점 1 내지 4 중 어느 하나의 전지.
6. 증기는 우선적으로 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 본체에서 응축되거나 그로부터 증발되는, 요점 1 내지 5 중 어느 하나의 전지.
7. 제1 기체 확산 전극은 저장소 내에 있는 액체 전해질의 일부로부터 분리되어 있는, 요점 1 내지 6 중 어느 하나의 전지.
8. 제1 기체 확산 전극은 저장소 내에 있는 액체 전해질의 일부와 접촉하는, 요점 1 내지 6 중 어느 하나의 전지.
9. 제2 전극은 저장소 내에 있는 액체 전해질의 일부로부터 분리되어 있는, 요점 1 내지 8 중 어느 하나의 전지.
10. 제2 전극은 저장소 내에 있는 액체 전해질의 일부와 접촉하는, 요점 1 내지 8 중 어느 하나의 전지.
11. 다공성 모세관 스페이서의 원위 단부는 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 넘어서 연장되는, 요점 1 내지 10 중 어느 하나의 전지.
12. 다공성 모세관 스페이서는 다공성 모세관 스페이서의 원위 단부가 저장소 내에 위치되기 전에 액체 전해질로 충전되는, 요점 1 내지 11 중 어느 하나의 전지.
13. 액체 전해질은 먼저 저장소로부터 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송된 후에 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극과 접촉하는, 요점 1 내지 11 중 어느 하나의 전지.
14. 작동 중에, 제1 기체 확산 전극의 전부에 인접한 다공성 모세관 스페이서의 적어도 일부 및 제2 전극의 전부에 인접한 다공성 모세관 스페이서의 적어도 일부는 액체 전해질로 충전된 상태로 유지되는, 요점 1 내지 13 중 어느 하나의 전지.
15. 저장소가 존재하지 않거나, 저장소가 다공성 모세관 스페이서 내에 통합되고, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 전지 내의 액체 전해질의 유일한 근접한 본체를 포함하는, 요점 1 내지 14 중 어느 하나의 전지.
16. 제2 전극은 제2 기체 확산 전극인, 요점 1 내지 15 중 어느 하나의 전지.
17. 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극은 저장소로부터 이격되는, 요점 1 내지 16 중 어느 하나의 전지.
18. 다공성 모세관 스페이서와 제1 기체 확산 전극 사이의 직접 접촉 영역이 저장소 외부에 있고, 다공성 모세관 스페이서와 제2 전극 사이의 직접 접촉 영역이 저장소 외부에 있는, 요점 1 내지 17 중 어느 하나의 전지.
19. 전지 내 전기화학 반응을 위한 액체상 반응물 또는 생성물은 다공성 모세관 스페이서 내부의 액체 전해질 내의 경로를 따르는, 요점 1 내지 18 중 어느 하나의 전지.
20. 저장소는 다공성 모세관 스페이서가 통과하는 개구를 포함하는, 요점 1 내지 19 중 어느 하나의 전지.
21. 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에 의해 덮이는 표면적은 제1 기체 확산 전극의 표면적과 적어도 동일하거나 그보다 큰, 요점 1 내지 20 중 어느 하나의 전지.
22. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하는, 요점 1 내지 21 중 어느 하나의 전지.
23. 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 추가로 제공하는, 요점 22의 전지.
24. 제1 기체 확산 전극에 인접한 제1 기체로 구성된 제1 기체 본체를 추가로 포함하며, 제1 기체는 작동 중에 전지 내로 공급되거나 전지로부터 제거되는 반응물 또는 생성물인, 요점 1 내지 23 중 어느 하나의 전지.
25. 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 요점 22 또는 23 및 24의 전지
26. 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관은 제1 기체를 외부적으로 저장, 공급, 또는 제거하기 위해 외부 제1 기체 저장 시스템과 기체 연통하는, 요점 25의 전지.
27. 제2 기체 확산 전극에 인접한 제2 기체로 구성된 제2 기체 본체를 추가로 포함하며, 제2 기체는 작동 중에 전지 내로 공급되거나 전지로부터 제거되는 반응물 또는 공급물인, 요점 16의 전지.
28. 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 제공하는, 요점 22 또는 23의 전지.
29. 제2 기체는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송되는, 요점 27 및 28의 전지.
30. 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관은 제2 기체를 외부적으로 저장, 공급, 또는 제거하기 위해 외부 제2 기체 저장 시스템과 기체 연통하는, 요점 29의 전지.
31. 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극 각각은 기하학적 표면적이 10 cm2 이상인 면을 갖는, 요점 1 내지 30 중 어느 하나의 전지.
32. 제1 기체 확산 전극은 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함하는, 요점 1 내지 31 중 어느 하나의 전지.
33. 제2 기체 확산 전극은 금속 메시, 금속 폼 및/또는 금속 천공판을 포함하는, 요점 16의 전지.
34. 다공성 모세관 스페이서의 제1면은 제1 기체 확산 전극의 제1 면에 인접하고, 다공성 모세관 스페이서의 제2 면은 제2 기체 확산 전극의 제1 면에 인접하고, 제1 기체 확산 전극의 제2 면은 제1 기체 본체에 인접하고, 제2 기체 확산 전극의 제2 면은 제2 기체 본체에 인접하는, 요점 16의 전지.
35. 제1 기체 확산 전극의 제2 면의 적어도 일부가 제1 기체 본체와 직접 기체상 접촉하고; 제2 기체 확산 전극의 제2 면의 적어도 일부가 제2 기체 본체와 직접 기체상 접촉하는, 요점 34의 전지.
36.
제1 기체 확산 전극과 다공성 모세관 스페이서 사이에,
제1 기체 확산 전극 내에,
제1 기체 확산 전극에 또는 그 근처에, 또는
제1 기체 확산 전극의 일부에 위치하는, 기체 취급 구조를 포함하는, 요점 1 내지 35 중 어느 하나의 전지.
37.
제2 기체 확산 전극과 다공성 모세관 스페이서 사이에,
제2 기체 확산 전극 내에,
제2 기체 확산 전극에 또는 그 근처에, 또는
제2 기체 확산 전극의 일부에 위치하는, 제2 기체 취급 구조를 포함하는, 요점 1 내지 36 및 요점 16 중 어느 하나의 전지.
38. 제1 기체 확산 전극 내에 또는 제1 기체 확산 전극에 위치하는 기체 모세관 구조를 포함하는, 요점 1 내지 37 중 어느 하나의 전지.
39. 제2 기체 확산 전극 내에 또는 제2 기체 확산 전극에 위치하는 제2 기체 모세관 구조를 포함하는, 요점 38 및 요점 16의 전지.
40. 액체 전해질은 적어도 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송되는, 요점 1 내지 39 중 어느 하나의 전지.
41. 액체 전해질은 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송되는, 요점 1 내지 39 중 어느 하나의 전지.
42. 전지는 다공성 모세관 스페이서 내에서 일어나는 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용에 의해 자가-조절되는, 요점 1 내지 39 중 어느 하나의 전지.
43. 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 제1 기체 본체가 제2 기체 본체와 혼합되는 것을 차단하거나 방해하는, 요점 1 내지 42 중 어느 하나의 전지.
44. 전지는 제로-갭 전지여서, 다공성 모세관 스페이서는 두께가 2 mm 미만인, 요점 1 내지 43 중 어느 하나의 전지.
45. 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서를 포함하는, 요점 1 내지 44 중 어느 하나의 전지.
46. 액체 전해질을 수용하는 2개 이상의 저장소를 포함하며, 2개 이상의 다공성 모세관 스페이서 각각의 단부는 2개 이상의 저장소 중 하나에 위치하는, 요점 45의 전지.
47. 다공성 모세관 스페이서는 적어도 부분적으로 폴리에테르술폰 물질로 구성되는, 요점 1 내지 46 중 어느 하나의 전지.
48. 다공성 모세관 스페이서는 평균 기공 크기가 약 5 μm, 또는 약 8 μm인, 요점 1 내지 47 중 어느 하나의 전지.
49. 다공성 모세관 스페이서는 PVDF, PTFE, 테트라플루오로에틸렌, 플루오르화 중합체, 폴리이미드, 폴리아미드, 나일론, 질소-함유 물질, 유리 섬유, 규소-함유 물질, 폴리비닐 클로라이드, 클로라이드-함유 중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트, 셀로판, 에틸-셀룰로오스, 셀룰로오스-함유 물질, 폴리카르보네이트, 카르보네이트-함유 물질, 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리페닐술폰, 술폰-함유 물질, 폴리페닐렌 술피드, 술피드-함유 물질, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리올레핀, 올레핀-함유 물질, 석면, 티타늄-기반 세라믹, 지르코늄-기반 세라믹, 세라믹 물질, 폴리비닐 클로라이드, 비닐-기반 물질, 고무, 다공성 배터리 분리막, 및 점토를 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 적어도 부분적으로 구성되는, 요점 1 내지 48 중 어느 하나의 전지.
50. 저장소는 제1 액체를 수용하는 제1 부피, 제2 액체를 수용하는 제2 부피, 및 제1 부피와 제2 부피를 분리하는 반투과성 막을 포함하는, 요점 1 내지 49 중 어느 하나의 전지.
51. 다공성 모세관 스페이서는 제1 부피 내에 위치하고, 제1 액체는 액체 전해질이고, 제2 액체는 제1 액체와 상이한, 요점 50의 전지.
52. 복수의 전지가 다중-전지 스택으로서 전기적으로 연결되는, 요점 1 내지 51 중 어느 하나의 전지.
53. 복수의 전지 각각의 제2 액체는 복수의 전지 각각의 제2 부피에 연결된 공통 공급 또는 제거 파이프를 통해 액체 연통하는, 요점 51 및 52의 전지.
54. 제2 액체는 순수인, 요점 51의 전지.
55. 액체 전해질은 다음을 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 이온을 함유하는 물을 포함하는, 요점 1 내지 54 중 어느 하나의 전지: 0.001 내지 14 M 농도의 Na+, K+, Ca2+, Mg2+, OH-, SO4 2-, HSO4 -, Cl-, NO3 -, ClO4 -, 포스페이트, HPO4 -, 카르보네이트, HCO3 -, PF6 -, BF4 -, (CF3SO2)2N-, 작용기를 갖는 중합체를 함유하는 다가전해질, 폴리스티렌 술포네이트, DNA, 및 폴리펩티드.
56. 액체 전해질은 프로필렌 카르보네이트 액체, 디메톡시에탄 액체, 프로피오니트릴 액체, LiClO4 용질, 및 Bu4NPF6 용질을 포함하는 군으로부터 선택되는 용질을 함유하는 비-수성 액체를 포함하는, 요점 1 내지 54 중 어느 하나의 전지.
57. 액체 전해질은 알킬-치환된 암모늄, 이미다졸륨 또는 피리디늄 양이온을 포함하는 이온성 액체 및 상온 용융 염을 포함하는 군으로부터 선택되는 전도성 액체인, 요점 1 내지 54 중 어느 하나의 전지.
58. 액체 전해질은 전도성 겔인, 요점 1 내지 54 중 어느 하나의 전지.
59. 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법으로서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는
액체 전해질을 수용하는 저장소;
제1 기체 확산 전극;
제2 전극; 및
제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하며, 다공성 모세관 스페이서는 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉하는 원위 단부를 갖고;
방법은
다공성 모세관 스페이서를 액체 전해질로 충전하는 단계; 및
액체 전해질을 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극과 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
60. 적어도 모세관 작용에 의해 저장소로부터의 액체 전해질로 다공성 모세관 스페이서를 충전하는 단계를 포함하는, 요점 59의 방법.
61. 다공성 모세관 스페이서의 원위 단부가 저장소 내에 위치하기 전에 다공성 모세관 스페이서를 액체 전해질로 충전하는 단계를 포함하는, 요점 59의 방법.
62. 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송된 후에 액체 전해질을 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극과 접촉시키는 단계를 포함하는, 요점 60의 방법.
63. 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전된 상태로 유지되는, 요점 59 내지 62 중 어느 하나의 방법.
64. 전지는 전기-합성 전지이고 전기화학 반응은 전기-합성 전지의 외부로 수송되는 화학 생성물을 생성하는, 요점 59 내지 63 중 어느 하나의 방법.
65. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하고, 액체 전해질이 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 저장소 안팎으로 수송되는, 요점 59 내지 64 중 어느 하나의 방법.
66. 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하며, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 요점 65의 방법.
67. 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하고, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 요점 59 내지 64 중 어느 하나의 방법.
68. 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하며, 제2 기체는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송되는, 요점 65 내지 67 중 어느 하나의 방법.
69. 전지는 1 Amp 이상의, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 통한 전류를 사용하여 작동되는, 요점 59 내지 68 중 어느 하나의 방법.
70. 전지는 적어도 24시간 동안 연속적으로 작동할 수 있는, 요점 59 내지 69 중 어느 하나의 방법.
71. 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지하는, 요점 59 내지 70 중 어느 하나의 방법.
72. 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 큰, 요점 59 내지 71 중 어느 하나의 방법.
73. 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동을 촉진하는, 요점 59 내지 72 중 어느 하나의 방법.
74. 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동은 액체상 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용의 제어 하에 있는, 요점 59 내지 73 중 어느 하나의 방법.
75. 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절되는, 요점 59 내지 74 중 어느 하나의 방법.
76. 교차-평면 축 밖으로의 액체상 물질의 이동은 저장소 내의 액체 전해질의 조성에 의해 자가-조절되는, 요점 59 내지 75 중 어느 하나의 방법.
77. 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 물질 및 기체상 물질의 이동 경로는 상이하게 배향되는, 요점 59 내지 76 중 어느 하나의 방법.
78. 액체상 모세관, 확산 및/또는 삼투 작용은 다공성 모세관 스페이서 내에서 작용하여:
(i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나; 또는
(ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거하는, 요점 59 내지 77 중 어느 하나의 방법.
79. 전기화학 반응은 질소 및 수소 또는 산소로부터 암모니아를 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
80. 전기화학 반응은 암모니아 및 산소로부터 전기를 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
81. 전기화학 반응은 암모니아로부터 수소 및 질소를 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
82. 전기화학 반응은 NOX를 반응물로서 사용하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
83. 전기화학 반응은 염수로부터 염소, 수소 및 가성 물질을 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
84. 전기화학 반응은 염수로부터 염소 및 가성 물질을 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
85. 전기화학 반응은 염산으로부터 염소 및 수소를 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
86. 전기화학 반응은 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
87. 전기화학 반응은 물로부터 수소 및 산소를 생성하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
88. 전기화학 반응은 수소를 함유하는 기체 혼합물로부터 순수한 수소를 추출하는, 요점 59 내지 78 중 어느 하나의 방법.
바람직한 실시 형태가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 많은 수정, 변경, 대체 또는 개조가 당업자에게 명백할 것이라는 것이 이해되어야 한다.
작동의 실시 형태 및 모드는 본원에서 언급되거나 지시된 부품, 요소 및 특징을 개별적으로 또는 집합적으로 둘 이상의 부품, 요소 또는 특징의 임의의 또는 모든 조합으로 광범위하게 포함한다고 말할 수 있으며, 본 발명이 관련된 기술 분야에서 공지된 등가물을 갖는 특정 완전체가 본원에서 언급되며, 그러한 공지된 등가물은 마치 개별적으로 기재된 것처럼 본원에 포함되는 것으로 간주된다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서 및 이어지는 청구범위 전체에 걸쳐, 단어 "포함하다", 및 "포함한다" 또는 "포함하는"과 같은 변형은 명시된 완전체 또는 단계 또는 완전체 또는 단계의 군을 포함하지만 임의의 다른 완전체 또는 단계 또는 완전체 또는 단계의 군을 제외하지는 않음을 시사하는 것으로 이해될 것이다.

Claims (35)

  1. 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 작동시켜 전기화학 반응을 수행하는 방법으로서, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는
    액체 전해질을 수용하는 저장소;
    제1 기체 확산 전극;
    제2 전극; 및
    제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하며, 다공성 모세관 스페이서는, 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉하는 단부를 갖고;
    방법은
    제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 액체 전해질과 접촉시키는 단계; 및
    제1 기체 확산 전극과 제2 전극을 가로질러 전압을 인가하거나 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 모세관 작용에 의해 저장소로부터의 액체 전해질로 다공성 모세관 스페이서를 충전하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 다공성 모세관 스페이서의 단부가 저장소 내에 위치하기 전에 다공성 모세관 스페이서를 액체 전해질로 충전하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 다공성 모세관 스페이서를 따라 수송된 후의 액체 전해질과 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 중에, 다공성 모세관 스페이서는 액체 전해질로 충전된 상태로 유지되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전지는 전기-합성 전지이고 전기화학 반응은 전기-합성 전지의 외부로 수송되는 화학 생성물을 생성하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 액체 도관을 제공하고, 액체 전해질이 적어도 하나의 외부 액체 도관을 통해 저장소 안팎으로 수송되는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하며, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전지를 위한 외부 하우징을 추가로 포함하며, 외부 하우징은 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 제공하고, 제1 기체는 적어도 하나의 외부 제1 기체 도관을 통해 제1 기체 본체 안팎으로 수송되는, 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 제공하는 외부 하우징을 추가로 포함하며, 제2 기체는 적어도 하나의 외부 제2 기체 도관을 통해 제2 기체 본체 안팎으로 수송되는, 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 액체 도관이 존재하지 않으며 액체 전해질 및/또는 액체상 반응물 및/또는 생성물은 기체 스트림 내의 증기의 형태로 전지 안팎으로 수송되는 것을 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 저장소는 다공성 모세관 스페이서의 일부로서 통합되고 증기는 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질에서 응축되거나 그로부터 증발하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전지는 1 Amp 이상, 바람직하게는 1.5 Amp 이상, 더 바람직하게는 2 Amp 이상, 더 바람직하게는 2.5 Amp 이상의, 제1 기체 확산 전극 및 제2 전극을 통한 전류를 사용하여 작동하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 전지는 적어도 24시간 동안 연속적으로 작동하는, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 모세관 스페이서는 모세관 작용에 의해 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질의 컬럼 높이를 끌어당기고 유지하는, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 전해질의 최대 컬럼 높이는 제1 기체 확산 전극의 높이와 적어도 동일하거나 그보다 큰, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응 동안, 다공성 모세관 스페이서 내의 액체 전해질은 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동을 촉진하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 다공성 모세관 스페이서의 길이를 따른 하나 이상의 액체상 물질의 이동은 액체상 모세관 작용, 확산 및/또는 삼투 작용의 제어 하에 있는, 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 전기-합성 또는 전기-에너지 전지에서 자가-조절되는, 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 교차-평면 축 밖으로의 액체상 물질의 이동은 저장소 내의 액체 전해질의 조성에 의해 자가-조절되는, 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 교차-평면 축 안팎으로의 액체상 물질 및 기체상 물질의 이동 경로는 상이하게 배향되는, 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 액체상 모세관, 확산 및/또는 삼투 작용은 다공성 모세관 스페이서 내에서 작용하여:
    (i) 액체 전해질 내에서 소비되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 보충하거나; 또는
    (ii) 액체 전해질 내에서 생성되는 하나 이상의 액체상 물질을 연속적으로 제거하는, 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 질소 및 수소로부터 암모니아를 생성하는, 방법.
  24. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 암모니아 및 산소로부터 전기를 생성하는, 방법.
  25. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 암모니아로부터 수소 및 질소를 생성하는, 방법.
  26. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 NOX를 반응물로서 사용하는, 방법.
  27. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 염수로부터 염소, 수소 및 가성 물질(Caustic)을 생성하는, 방법.
  28. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 염수로부터 염소 및 가성 물질을 생성하는, 방법.
  29. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 염산으로부터 염소 및 수소를 생성하는, 방법.
  30. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하는, 방법.
  31. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 물로부터 수소 및 산소를 생성하는, 방법.
  32. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 반응은 수소를 함유하는 기체 혼합물로부터 순수한 수소를 추출하는, 방법.
  33. 전기-합성 또는 전기-에너지 전지로서,
    액체 전해질을 수용하는 저장소;
    제1 기체 확산 전극;
    제2 전극; 및
    제1 기체 확산 전극과 제2 전극 사이에 위치한 다공성 모세관 스페이서를 포함하며, 다공성 모세관 스페이서는, 저장소 내에 위치하며 액체 전해질과 액체 접촉하는 단부를 갖고;
    전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따라 작동하도록 구성되는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지.
  34. 제33항에 따른 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지; 및
    제33항에 따른 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지를 포함하는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택.
  35. 제34항에 있어서, 제1 전기-합성 또는 전기-에너지 전지 및 제2 전기-합성 또는 전기-에너지 전지는 직렬로 연결되는, 전기-합성 또는 전기-에너지 전지의 스택.
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