KR20240024817A - 구조 통합형 전기화학 셀 및 이것으로 구성된 구조 통합형 스택 - Google Patents

Abstract

본 출원은, 특히 레독스 플로우 배터리의 전기화학 셀 및 2개 이상의 이러한 전기화학 셀로 이루어진 셀 어셈블리를 갖는 스택에 관한 것이다. 셀은 적어도 하나의 셀 프레임과 적어도 하나의 전극을 구비할 뿐만 아니라 필요한 경우 적어도 하나의 반투과성 멤브레인과 필요한 경우 적어도 하나의 바이폴라 플레이트를 구비하며, 상기 셀 프레임은 셀 내부 챔버 주변을 둘러싸고, 상기 셀 프레임은 셀 내부 챔버로 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 공급 채널 및 셀 내부 챔버로부터 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 배출 채널을 갖는다. 이 경우 셀 프레임, 전극 및 경우에 따라서 존재하는 반투과성 멤브레인 및 경우에 따라서 존재하는 바이폴라 플레이트는 실질적으로 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 서로 연결되어 있지만, 특히 활성 셀 표면 영역에서 실질적으로 서로 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 서로 연결되어 있다. 이러한 유형의 셀은 특히 비행, 항해 및 우주 비행에서 이용에 적합하다.

Description

구조 통합형 전기화학 셀 및 이것으로 구성된 구조 통합형 스택

본 출원은 우주 비행의 이동식 요소 또는 고정식 요소의 지지- 및 몰딩 구조에 전기화학 반응기, 특히 플로우 배터리, 연료 전지, 전해 장치 또는 수처리 전지(특히 용량성 탈이온화 또는 전기 투석용)과 같은 흐름 반응기의 공간 효율적인 통합에 관한 것으로, 상기 흐름 반응기는 에너지 저장, 에너지 변환, 원료 생산 또는 여과와 같은 주요 작업 외에도 구조의 기계적 보강, 열 관리 지원 및/또는 방사선 흡수와 같은 다른 작업도 수행할 수 있다. 구부릴 수 있게 유연한 동시에 압력 안정적인(즉, 특히 외부 압력에 대해 안정한) 전기화학 반응기가 이에 특히 적합하다.

반응기, 특히 흐름 반응기의 압력 안정성(이것은 본 출원에 따라 실질적으로 기계적 압력 안정성을 의미함)은 본 출원에 따라 구부릴 수 있게 유연한 재료 및/또는 구부릴 수 있게 유연한 구조의 사용에 의한 굽힘 유연성과 동시에, 전기화학적으로 활성인 셀 표면의 영역에서도 유동 셀의 연속적인 형상 끼워 맞춤 결합에 의해 달성된다. 이로써 예를 들어, 경질 플리스(fleece)나 경질 펠트(felt) 또는 금속 폼과 같이 치수 안정적인 다공성 전극이 유체 안내에 이용될 수 있다. 높은 조립 공간 효율 외에 흐름 반응기의 다중 활용에 의해 전체 시스템 효율도 높아질 수 있다.

선행 기술에 적어도 하나의 애노드, 적어도 하나의 캐소드 및 애노드와 캐소드 간의 전하 교환을 가능하게 하는 적어도 하나의 전해질을 포함하는 전기화학 흐름 반응기가 공개되어 있다. 작동 상태에서는 유체가 흐름 반응기를 통해 흐르면서 반응물을 공급 및 -제거한다.

전기화학 흐름 반응기는 일반적으로 다수의 전기화학 플로우 셀로 구성되고, 상기 셀들은 플레이트형의 유연하지 않은 형상을 갖는 경우가 많으며 양극성으로 연결되어 셀 스택을 형성한다. 이러한 스택은 일반적으로 직육면체의 부피가 큰 구조이고, 이러한 구조는 흐름 반응기의 기능을 구현할 수 있지만, 공간 효율성이 거의 없이 이동식 및 고정식 물체에만 설치될 수 있다.

특히 공간 효율적인 방식으로 물체에 전기화학 반응기를 배치하기 위한 기본적인 가능성은 차량이나 비행체의 외벽 및/또는 격벽과 같은 기존 구조에 반응의 통합일 것이다. 그러나 선행 기술에 공개된 반응기는 기존 구조에 맞게 형태적으로 조정될 수 없으며 대체된 구조의 역할을 대신할 수도 없다.

선행 기술에서 현재 추구되고 있는 해결 방법은 구조적 고체 전해질 매트릭스에서 탄소 섬유로 이루어진 구조적 배터리 복합 재료에 의해 전기화학적 비 플로우(NON FLOW) 셀의 기능을 확장하는 것이고, 비 플로우 셀의 화학 물질은 리튬 인산철을 기반으로 한다. 이 접근법의 단점은 한편으로는 지금까지 사용된 구조 재료에 적합한 새로운 셀 화학을 연구하고 개발하는 데 많은 비용이 든다는 점과 다른 한편으로는 전기화학적 비 플로우 셀에만 적합하다는 점이다.

본 발명의 과제는, 선행 기술의 단점을 극복하고, 바람직하게는 다음과 같은 특성들, 즉 이동식 및 고정식 물체에서의 조립 공간 효율성, 기존 구조에, 특히, 각각의 이동식 또는 고정식 물체의 기능으로 인해 필연적으로 생기는 구조 또는 구조 요소에 통합 가능성, (예를 들어, 우주 비행체의 실린더형 또는 직육면체형 쉘에서) 유연성, (특히 구조의 아치 평면에 대한 조정 가능성을 실현할 수 있기 위한) 특히 굽힘 유연성, (특히 각각의 사용 환경에서 전기화학 셀의 주요 기능을 보장하기 위한) 기계적 압력 안정성 중 일부 또는 전부를 구현하는 그리고 그 외에 필요한 경우 구조의 기계적 보강, (특히 사용되는 유체의 허용 점도와 관련하여) 가능한 한 많은 셀 화학에 대한 사용성 및 전극과 멤브레인처럼 셀의 사용되는 구성 요소의 화학적 및 전기화학적 내성과 같은 기타 과제들을 실현하기 위한 전기화학 셀을 제공하는 것이다.

상기 과제는 독립 청구항의 대상에 의해 해결된다. 종속 청구항과 상세한 설명은 바람직한 실시예를 교시한다.

본 발명은 주청구항에 따르면 전기화학 셀, 특히 레독스 플로우 배터리에 관한 것으로, 적어도 하나의 셀 프레임과 적어도 하나의 전극뿐만 아니라 필요한 경우 적어도 하나의 반투과성 멤브레인과 필요한 경우 적어도 하나의 바이폴라 플레이트를 구비하며, 이 경우 셀 프레임은 셀 내부 챔버 주변을 둘러싸고, 상기 셀 프레임은 셀 내부 챔버로 유체, 특히 전해질을 공급하기 위한 적어도 하나의 공급 채널 및 셀 내부 챔버로부터 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 배출 채널을 갖고, 이 경우 셀 프레임, 전극 및 경우에 따라서 존재하는 반투과성 멤브레인과 경우에 따라서 존재하는 바이폴라 플레이트는 실질적으로 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 서로 연결된다. 전기화학 셀의 상기 구성 요소들은 이 경우 특히 이동식 또는 고정식 요소의 지지- 및/또는 몰딩 구조에 통합 시 또는 통합을 위해 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로, 특히 활성 셀 표면 또는 활성 셀 표면들의 영역에서 멤브레인 평면에 대해 수직으로 서로 연결된다. 특히 활성 셀 표면들의 영역에서 형상 끼워 맞춤 결합은 지지- 및/또는 몰딩 구조 내에 설치해야만 실현될 수 있다. 형상 끼워 맞춤 결합이란 특히 다양한 구성 요소들의 동일 평면의 배치로도 이해되며, 이에 따라 구성 요소들 간에 더 이상 위치 유연성이 없다. 형상 끼워 맞춤 결합에 의해 본 출원에 따라 특히 기계적 압력 안정성도 달성된다. 형상 끼워 맞춤 결합 외에도, 예를 들어 스크루 연결을 이용한 비 형상 끼워 맞춤 결합 방식의 고정, 또는 예를 들어 접착제를 이용한 재료 결합 방식의 고정이 제공될 수 있다.

이동식 요소란, 본 출원에 따르면 특히 차량 (예컨대, 육상 차량 및 육상 운송 수단, 항공- 및 우주선뿐만 아니라 수상 교통수단, 예를 들어 우주 비행체, 선박 또는 비행기)을 의미하고, 우주 비행의 고정식 요소란, 예를 들어 우주 정거장(예컨대, 달의 미래 우주 정거장)을 의미한다.

지지- 및/또는 몰딩 구조란 이 경우 전기화학 셀이 배치된 이동식 또는 고정식 구조의 구조 요소, 즉, 특히 차량의 또는 우주 비행의 고정식 요소의 구조 요소를 의미한다. 몰딩 구조는 예를 들어 차량의 외부 쉘 또는 차체일 수 있지만, 특히 우주 비행체 또는 우주 정거장과 같이, 예를 들어 다수의 모듈 또는 셀로 구성된 차량의 경우 객실일 수 있고, 또는 항공기의 경우 동체 섹션일 수도 있다. 일반적으로 몰딩 구조는 사람이 사용하는 객실을 구분하거나 감싸거나 이러한 다수의 객실로 구성된 구조 요소(예를 들어 항공기 동체)이다. 예를 들어, 우주 정거장의 모듈 또는 제어 스테이션, 객실들이 예로 언급된다. 지지 구조는 예를 들어 외피를 지지하는 횡방향-, 대각선- 또는 종방향으로 보강된 지지 구조일 수 있다. 그러나 지지- 및 몰딩 구조는 지지 구조들이 배치된 차체 또는 차량 객실 내의 트림 요소일 수도 있다.

본 출원에 따른 전기화학 셀은 선행 기술에 따라 공개된 모든 전기화학 셀을 의미한다. 전기화학 셀은 다양한 구성으로 공개되어 있으며, 전기화학 셀에서 전기화학 반응이 일어나기 때문에 전기화학 반응기라고도 한다. 전기화학 셀은, 그 용도에 따라 예를 들어 다양한 전극에서 화학 반응을 통해 이용 가능한 전기 에너지를 공급하는 전기화학 전류원 형태로 갈바니 전지로서 설계될 수 있다. 대안으로서 외부 전압을 인가함으로써 특정 생성물을 생산하는 데 이용되는 전해 전지일 수도 있다. 예를 들어 연료 전지용 수소의 생성이나 물의 전기 분해를 통한 산소의 생성이 고려될 수 있다. 축전지는 갈바니 전지처럼 전류원으로서 및 또한 전해 전지의 경우처럼 전류 저장 장치로서 번갈아 이용된다. 마지막으로, 전기 투석 또는 용량성 탈이온화를 통한 수처리도 언급된다.

실시예에 따르면, 셀은 유연하게, 특히 구부릴 수 있게 유연하게 설계된다. 굽힘 유연성은 실질적으로 구부릴 수 있게 유연한 재료 및/또는 구부릴 수 있게 유연한 구조를 사용하여 달성될 수 있다.

구부릴 수 있게 유연한 구조는 예를 들어, 내부에 설치가 이루어지는 구조, 특히 지지 구조의 형상에 대해 조정을 가능하게 하는 재료 리세스(예를 들어 홈, 그루우브 또는 노치 또는 일반적으로 V자형 리세스가 고려될 수 있음)가 하나의 주요 표면 또는 양쪽 주요 표면에 제공됨으로써 셀에서, 특히 전극에서도 실현된다. 리세스는, 설치 후 실질적으로 슬롯만 남도록 설계될 수 있다. 다시 말해서, 리세스의 형상에 의해 의도대로 (예를 들어 V자형 구조의 개방 각도의 선택에 의해), 내부에 설치되는 구조의 내부 형상이 설치 중에 자동으로 생성되는 것이 제공될 수 있다. 특히 이는 우주 비행의 분야에서 바람직한데, 여기에서 특정 설치 위치와 관련하여 최대한으로 가능한 유연성이 요구되기 때문이다.

특정 재료는 그 자체로 소정의 굽힘 유연성을 허용하지만(즉, 구부릴 수 있게 유연한 재료이고), 동시에 기계적 압력 안정성을 갖는다. 이 경우 예를 들어 전도성 다공성 폴리머, 전도성 폴리머 기반 복합 재료 또는 경질 부직포 또는 -펠트뿐만 아니라 알루미늄 폼, 니켈 폼 또는 티타늄 폼과 같은 금속 폼을 들 수 있다.

실시예에 따르면 셀은, 셀 프레임으로 둘러싸인 표면이 평균 서로 0.2 내지 100mm, 주로 2 내지 10mm 서로 이격되어 배치되는 방식으로 설계될 수 있다. 그러나 일반적으로 간격은 설치가 이루어지는 구조에 맞춰지며, 예를 들어 달 정거장 등의 경우 100mm 보다 클 수 있는 비교적 큰 간격을 고려할 수 있다. 비교적 강성 전극 재료의 경우에 충분한 굽힘 강도를 위해 더 얇은 셀이 제공되어야 하며, 구부릴 수 있게 매우 유연한 재료 또는 구조를 갖고 다공성 전극의 표면이 매우 큰 셀의 경우에 (예를 들어 금속 폼 또는 바람직하게 90% 이상의 기공도를 갖는 전도성 다공성 고분자 복합체의 경우에) 경우에 따라서는 매우 두꺼운 형상이 실현될 수도 있다.

본 발명은 모든 유형의 전기화학 셀에서 이용될 수 있다. 그러나 특히 바람직하게 본 발명은 축전지와 관련하여 그리고 여기서는 바람직하게 그 자체로 이미 오래전에 다양한 실시예에 공개된 레독스 플로우 배터리와 관련된다. 이러한 설계는 예를 들어 EP 0 051 766 A1호 및 US 2004/0170893 A1호에 예시적으로 설명되어 있다. 이하에서 본 발명은 주로 레독스 플로우 배터리와 관련하여 설명된다. 그러나 레독스 플로우 셀에만 한정되는 실시예를 제외하고, 본 공개 내용은 일반적으로 전기화학 셀와 관련하여서도 이해되어야 한다.

레독스 플로우 배터리의 중요한 장점은 전력 및 용량의 유연한 확장성에 있고 따라서 선택된 출력이 낮더라도 매우 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 데 적합하며 그 반대의 경우도 마찬가지라는 사실에 있다. 에너지는 이 경우 외부 탱크에 보관될 수 있는 전해질에 저장된다. 전해질은 일반적으로 다양한 산화 상태의 금속 이온을 포함한다. 전해질에서 전기 에너지를 추출하거나 그것을 재충전하기 위해 전해질은 소위 전기화학 셀에 의해 펌핑된다. 전력 및 용량의 개별적인 확장성 외에도 에너지 변환과 저장을 위치에 따라 분리하면 특히 낮은 자기 방전 및 이론적으로 존재하지 않는 전극의 열화와 같은 추가적인 장점이 얻어진다. 우주 비행의 경우, 전해질 탱크를 배치 장소로 별도로 운반하고 현장에서 모듈 또는 스테이션에 통합된 레독스 플로우 배터리 셀과 결합하는 것만이 가능하고, 이는 고정된 운반 용량으로 전력 및 용량을 더 크게 설계할 수 있게 한다. 전해질 용기는 우주 비행체 외부와 같이 셀 조립 공간 외부에 저장기 조립 공간으로서 배치될 수 있지만, 전기화학 셀과 동일한 지지- 및 몰딩 구조 내에 배치될 수도 있다. 특히, 에너지 변환기 셀과 에너지 저장 탱크의 구조 통합이 가능하여, 이들은 예를 들어 2개 이상의 층으로 차량의, 예를 들어 우주 비행체의 외부 쉘 또는 동체의 일부를 구성할 수 있다. 에너지 저장 탱크는 배치 장소로 운반하기 전에 이미 또는 배치 장소에 도착한 후에 추가 보급 임무를 통해 저장 매체로 채워질 수 있다.

본 출원에 따른 전기화학 셀은 일반적으로 반투과성 멤브레인 형태의 분리막을 통해 서로 분리되어 있고 각각 전해질과 전극을 갖는 2개의 하프 셀로 형성된다. 반투과성 멤브레인은, 전기화학 셀의 캐소드와 애노드를 공간적 및 전기적으로 서로 분리하는 역할을 한다. 따라서 반투과성 멤브레인은 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환을 일으키는 이온에 대해 투과성이어야 한다. 반투과성 멤브레인은 예를 들어 미세 다공성 플라스틱뿐만 아니라 유리 섬유 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 부직포와 소위 다이어프램으로 형성될 수 있다. 레독스(redox) 반응은 전기화학 셀의 양쪽 전극에서 일어나며, 한쪽 전극의 전해질에서 전자가 방출되고 다른 쪽 전극에서는 전자가 흡수된다. 전해질의 금속 및/또는 비금속 이온은 레독스 쌍을 형성하여 결과적으로 레독스 전위를 생성한다. 레독스 쌍으로서 예를 들어 철-크롬, 폴리설파이드-브로마이드 또는 바나듐이 고려된다. 이러한 또는 다른 레독스 쌍은 기본적으로 수성 용액 또는 비 수성 용액에 존재할 수 있다.

레독스 전위로 인해 전위차가 형성되는 셀의 전극은 셀 외부에서, 예를 들어 전기 컨슈머 등을 통해 전기적으로 연결된다. 셀 외부의 전자가 하나의 하프 셀에서 다른 하프 셀로 이동하는 동안, 전해질의 이온은 반투과성 멤브레인을 통해 직접 하나의 하프 셀에서 다른 하프 셀로 이어진다. 레독스 플로우 배터리를 재충전하기 위해, 예를 들어 충전기를 이용해서 전기 컨슈머 대신 하프 셀의 전극에 전위차가 인가될 수 있고, 상기 전위차에 의해 하프 셀의 전극에서 일어나는 레독스 반응이 역전된다.

특히 셀 내부 챔버를 둘러싸는 셀 프레임은 전술한 셀을 형성하는 데 사용된다. 이 경우 셀 프레임은 일반적으로 셀 내부 챔버를 완전히 둘러싸지 않고 둘레를 따른 폭이 좁은 면을 따라서만 둘러싼다. 따라서 셀 프레임은 셀 내부 챔버의 주위를 둘레를 따라 둘러싸며 마주 놓인 더 넓은 면적을 가진 2개의 면을 분리하며, 상기 면들은 또한 반투과성 멤브레인 또는 전극에 할당된다. 이 경우 셀 프레임의 가장자리에 의해 형성되는 셀 프레임의 두께는 일반적으로 마주 놓인 더 넒은 면적을 가진 면을 정의하는 셀 프레임의 폭과 높이보다 훨씬 작다.

전기화학 셀의 각 하프 셀은 이러한 셀 프레임을 포함하며, 상기 셀 프레임은 예를 들어 사출 성형 방법으로 열가소성 플라스틱으로 제조된다. 2개의 셀 프레임 사이에 반투과성 멤브레인이 배치되고, 상기 멤브레인은 대류성 물질 교환과 관련하여 하프 셀의 전해질을 서로 분리하지만, 하나의 하프 셀에서 다른 하프 셀로 특정 이온의 확산을 허용한다. 또한, 각 전극이, 셀 내부 챔버를 관류하는 전해질과 접촉하는 방식으로 셀 내부 챔버에 할당된다. 전극은 반투과성 멤브레인으로부터 떨어져 있는 측에서 예를 들어 각 셀 프레임의 셀 내부 챔버를 폐쇄할 수 있다. 이 경우 선행 기술에 따르면, 셀 내부 챔버는 실질적으로 비어 있는 상태로 유지되고 각각 전해질로만 채워질 수 있으며, 대안으로서 각각의 전극이 셀 내부 챔버에 적어도 부분적으로 제공될 수도 있다. 이 경우 전극은 일반적으로, 전해질이 부분적으로 전극을 통과할 수 있도록 설계된다. 특히 여기에서, 해당 전기화학 반응이 상응하게 빠르게 및/또는 포괄적으로 일어날 수 있는 높은 비표면을 갖는 전극이 고려된다. 이는 궁극적으로 셀의 높은 체적별 출력으로 이어진다. 그러나 선행 기술에 따라, 전극이 셀 내부 챔버 내로 돌출되어 있더라도, 셀 내부 챔버는 일반적으로 반투과성 멤브레인으로부터 떨어져 있는 측에서 전극에 의해 밀폐된다. 전극의 비 다공성 부분으로서, 예를 들어 촉매 또는 다른 물질로 코팅될 수 있는 소위 바이폴라 플레이트가 고려될 수도 있다.

각 셀 프레임은 개구와 채널을 갖고, 이를 통해 해당 전해질이 공급 라인으로부터 각 셀 내부 챔버로 유동하고 거기로부터 다시 빼내져서 배출 라인에 공급될 수 있다. 하프 셀의 전해질은 이 경우 공급 라인과 배출 라인을 통해 저장 용기로부터 수집 용기로 펌핑된다. 이는 전해질을 재사용을 가능하게 하여, 폐기하거나 교체할 필요가 없다.

레독스 플로우 배터리가 단일 셀만 포함하는 경우, 하프 셀을 형성하는 셀 프레임 외부에 각 하프 셀의 공급 라인과 각 하프 셀의 배출 라인이 위치한다. 각 셀 프레임은 이 경우 적어도 2개의 개구를 가지며, 상기 개구 중 적어도 하나는 공급 라인에 연결되는 한편, 적어도 하나의 다른 개구는 배출 라인에 연결된다. 셀 프레임 내부에서 각 개구는 셀 내부 챔버로 개방된 유동 채널에 연결된다. 이로 인해 공급 라인으로부터 셀 내부 챔버로 공급 채널을 통한 전해질의 공급이 가능해지고 셀 내부 챔버를 유동하는 전해질의 배출 채널을 통한 배출이 가능해진다. 셀 내부 챔버의 폭에 걸쳐 전해질을 더 균일하게 분배하고 셀 내부 챔버의 폭에 걸쳐 전해질을 더 균일하게 제거하기 위해, 각각의 공급 채널 및/또는 배출 채널은 외부 개구와 셀 내부 챔버 사이에서, 즉 셀 프레임의 프레임 재킷의 영역에서 한 번 또는 여러 번 분기될 수 있다. 대안으로서 전해질을 공급하거나 배출하기 위해 일련의 별도의 공급 채널 및/또는 배출 채널이 셀 프레임에 제공될 수 있다. 두 경우에, 전해질은 가능한 한 균일하게 분배되어 셀 프레임의 한쪽에 있는 공급 채널의 배출구를 통해 셀 내부 챔버로 유입되고 다시 가능한 한 균일하게 분배되어 셀 프레임의 다른 쪽에 있는 배출 채널을 통해 셀 내부 챔버로부터 배출된다. 이러한 방식으로, 셀 내부 챔버를 통해 가능한 한 균일한 유동을 달성하는 것이 시도된다. 공급 채널의 다른 단부는 유입구를 통해 공급 라인에 연결된다. 따라서 전해질이 공급 라인으로부터 각 하프 셀의 셀 프레임의 적어도 하나의 공급 채널을 통해 대응하는 셀 내부 챔버로 이동할 수 있다.

필요한 경우 다수의 동종의 전기화학 셀이 결합되어 레독스 플로우 배터리를 형성한다. 셀은 일반적으로 서로 상하로 적층되기 때문에 셀 전체를 셀 스택이라고도 한다. 전해질은 일반적으로 개별 셀들을 서로 평행하게 관류하는 한편, 셀은 일반적으로 전기적으로 직렬로 연결된다. 따라서 셀은 일반적으로 유압식으로 병렬로 연결되고 전기적으로 직렬로 연결된다. 이러한 경우에 전해질의 전하 상태는 셀 스택의 각 하프 셀에서 동일하다. 셀 스택의 해당 하프 셀에 전해질을 분배하고 각 하프 셀로부터 전해질을 일괄적으로 배출하기 위해 하프 셀은 공급- 및 배출 라인과 서로 연결된다. 셀의 각 셀 내부 챔버 또는 각 하프 셀을 다른 전해질이 관류하기 때문에, 두 전해질은 셀 스택을 통과하는 동안 서로 분리되어야 한다. 따라서 셀 스택을 따라 일반적으로 2개의 별도의 공급 라인과 2개의 별도의 배출 라인이 제공된다. 이러한 각 채널은 일반적으로 부분적으로는 셀 프레임 자체에 의해 형성되며, 상기 셀 프레임은 이를 위해 4개의 개구를 갖는다. 개구들은 셀 스택을 따라 연장되고, 차례로 배치되어 필요 시 밀봉 재료를 통해 서로 분리된 공급- 및 배출 라인을 형성한다. 이러한 셀 스택에서는 구부릴 수 있게 유연한 전극 재료를 사용한 실시예가 주로 선택 선택되지만, 구부릴 수 있게 유연한 구조 또는 이 두 가지가 혼합된 형태의 실시예도 고려할 수 있다.

다수의 전기화학 셀에서, 하프 셀 중 적어도 하나의 하프 셀의 전극이 적어도 부분적으로 셀 내부 챔버에 삽입되고, 다공성이며 해당하는 전해질이 관류하는 경우, 전력 밀도를 높이기 위해 바람직한 것이 입증되었다.

본 출원에 따른 전기화학 셀은 적어도 하나의 공급 채널로부터 적어도 하나의 배출 채널로 전해질의 관류를 위해 셀 내부 챔버에 적어도 부분적으로 다공성인 전극을 갖는다. 전극의 마찬가지로 가능한 비 다공성 섹션과 달리 전극의 다공성 섹션을 전해질이 관류할 수 있기 때문에, 전극의 다공성 섹션이 차지하는 공간은 셀 내부 챔버에 할당되며, 이는 기능적 관점에서 특히 합리적이다. 전극의 다공성 섹션은 일체형으로 또는 다수의 부분으로 형성될 수 있으며, 이 경우 간단함을 위해 일체형 구성이 제공될 수 있다.

실시예에 따르면, 다공성 전극은 본 출원에 따라 전도성 다공성 폴리머, 전도성 폴리머 기반 복합 재료(예를 들어, 더 많은 비율의 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 더 적은 비율의 흑연 및 카본 블랙으로 이루어진 화합물), 부직포 또는 펠트형 재료, 예를 들어 흑연 부직포 및/또는 금속 폼으로 구성될 수 있거나 이러한 재료들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 경우 폼의 일반적인 정의에 따르면 금속 폼 구조란 고체 금속 벽(고체 폼)으로 분리된 기체 영역으로 형성된 2상 시스템의 결합을 의미한다. 제조 방법에 따라 다공성 금속의 구조는 매우 다르게 보일 수 있다. 금속 폼이라는 용어는 선행 기술에서도 매우 다른 특성을 가진 다공성 금속에 대한 동의어로 사용된다. 공통적인 특징부 특징은 일반적으로 90%보다 높은 구조의 매우 높은 기공도와 목표 생산량이다. 따라서 본 출원에 따라 금속 메쉬, 플리스형 또는 펠트형 구조, 일반적으로 섬유 또는 직물을 기반으로 하는 개방형 다공성 구조, 예를 들어 직조 및 편직물도 금속 폼에 포함된다.

본 출원에 따른 금속 폼은 금속(합금도 포함)으로 구성될 수 있지만, (예를 들어, 유체 또는 전해질에 대해 개선된 화학적 안정성을 보장하기 위해) 표면이 코팅된 금속 구조, 특히 유체를 향한 금속 폼의 전체 표면일 수도 있다. 마찬가지로, - 제조 방법으로 인해 실현 가능하다면 - 예를 들어 금속화 직물의 경우처럼, 금속 코팅된 (예를 들어 폴리머 기반) 기본 구조도 사용될 수 있다.

본 출원에 따라, 전해질의 운반을 보장하기 위해 적어도 부분적으로 개방형 다공성 구조를 가진 금속 폼이 필요하다. 개방형 기공 영역의 다공은 서로 연결되어 있다. 금속 폼의 제조는 문헌에 공개되어 있으며 예를 들어 다음과 같이 수행할 수 있다.

- 발포제를 이용해서 용융물의 발포,

- 가스 주입에 의해 또는 용존 가스에 의해 용융물의 발포,

- 후속 금속 폼의 폴리머 모델을 기반으로 한 인베스트먼트 주조(investment casting),

- 스페이서 구조에 용융 침투,

- 예를 들어 필터 적용을 위한 개방형 다공성 구조의 제조를 위해 사용되는 분말- 및 과립형 퇴적물의 소결,

- 개별 금속 섬유 및 와이어를 다공성 구조로 소결 또는 납땜하거나 금속 직물 또는 금속화된 직물을 다공성 구조로 추가 가공,

- (특히 높은 리소스 효율성과 용도에 최적화된 토폴로지를 가능하게 하는) 적층 제조,

- 슬러리 반응폼 소결 공정.

전극의 다공성에 의해 전극과 전해질 사이에 훨씬 더 큰 인터페이스가 제공되고, 이는 해당 인터페이스에서 일어나는 과정과 반응을 촉진한다. 공정과 반응이 특히 더 빠르게 및/또는 더 포괄적으로 일어난다.

이러한 맥락에서, 전극이 상이한 섹션들을 갖는 경우 특히 바람직하다. 전극의 다공성 섹션은 셀 내부 챔버에 제공되며 전극의 비 다공성 섹션에 전기 전도성으로 연결된다. 전극의 다공성 섹션을 통과하는 것과 달리 전해질은 전극의 비 다공성 섹션을 통과할 수 없다. 이는, 셀 내부 챔버를 적어도 부분적으로 밀폐하는 데 이용될 수 있다. 반투과성 멤브레인의 반대편에 있고 대응하는 면에 있는 셀 내부 챔버를 밀폐할 수 있는 특히 셀 프레임의 한쪽 면에 셀 내부 챔버의 밀폐가 제공될 수 있다. 셀 프레임의 길이와 너비를 정의하는 면에서 셀 내부 챔버는 전극과 반투과성 멤브레인에 의해 밀폐되고, 셀 프레임의 높이 또는 두께를 정의하는 셀 프레임의 폭이 좁은 면에서는 셀 프레임 자체에 의해 밀폐된다. 그러나 이는, 전해질이 적어도 하나의 공급 채널을 통해 셀 내부 챔버에 공급되고 및/또는 전해질이 적어도 하나의 유동 채널을 통해 제거될 수 있는 것을 배제하지 않는다. 이러한 방식으로, 다수의 적층된 전기화학 셀로 구성된 셀 스택은 매우 간단하고 효율적으로 형성될 수도 있다. 이와 무관하게 전극의 비 다공성 섹션은 바이폴라 플레이트의 형태로 설계될 수 있다. 다공성 전극과 함께 바이폴라 플레이트의 사용은 이미 공개된 일련의 전기화학 셀에서 제공되었다. 간담함을 위해 유사한 디자인이 여기에서도 바람직한 것으로 보인다. 기본적으로, 셀의 본 발명에 따른 형상 끼워 맞춤 결합 방식의 구부릴 수 있게 유연한 구조는, 전극이 다공성이 아닌 경우에도, 예를 들어 유체 가이드가 통합된 비 다공성 전극이 사용되는 경우에도 실현될 수 있다.

전기화학 셀 또는 셀 스택의 전극의 다공성 영역의 관류될 길이가 길어짐에 따라 압력 손실이 증가하게 된다. 그러나 이에 따라 때때로 1.5 bar를 넘는 내부 셀 압력의 증가는 일반적으로 바람직하지 않은데, 이는 전기화학 셀 또는 셀 스택의 누출 및 돌이킬 수 없는 손상이 쉽게 발생할 수 있기 때문이다.

셀 내부 챔버를 통한 전해질의 압력 손실은, 셀 내부 챔버를 통과하는 전해질의 흐름이 더 균일하게 이루어짐으로써 줄일 수 있다. 이를 달성하기 위해, 전극에 적어도 하나의 바람직하게 직사각형의 유동 채널이 삽입되어 있을 수 있다. 이 경우 유동 채널은, 유동 채널의 자유 유동 단면이 전극의 다공성 섹션의 평균 기공 직경보다 훨씬 더, 특히 수 배 더 큰 것을 특징으로 한다. 그러면 전해질이 유동 채널을 통해 전극의 기공으로 들어갈 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 전극의 기공에서 빠져나가는 전해질이 유동 채널에서 수집될 수 있다. 이러한 배경에서, 적어도 하나의 유동 채널이 전극의 다공성 섹션에 삽입되어 있는 경우에도, 특히 유용하다. 대안으로서 또는 추가로, 적어도 하나의 유동 채널이 유입구 및/또는 배출구에 연결되어 있는 경우에도 적합할 수 있다. 그런 다음 분배될 전해질은 유동 채널을 통해 전극의 다공성 내에서 분배될 수 있고 및/또는 수집될 전해질은 유동 채널을 통해 수집될 수 있다.

또한, 유입구에 연결되는 전극의 적어도 하나의 유동 채널과 배출구에 연결되는 전극의 적어도 하나의 유동 채널이 전해질이 관류하도록 전극의 다공성 섹션을 통해 서로 이격된 경우, 균일하고 예측 가능한 유동이 보장될 수 있다. 그러면 소위 단락 유동이 발생할 수 없지만, 전해질은 항상 전극의 다공성 섹션의 기공을 통해 최소한의 거리를 유동해야 한다. 이러한 이유로, 상기와 같은 유동 채널이 여러 개 있는 경우, 이러한 유동 채널은 전해질이 관류하도록 각각 전극의 다공성 섹션을 통해 서로 이격되는 것이 바람직하다.

적어도 하나의 유입구에 연결되는 유동 채널과 적어도 하나의 배출구에 연결되는 유동 채널이 적어도 하나의 방향으로 각각 서로 교대로 제공되면, 셀 프레임의 셀 내부 챔버로 전해질의 유동의 분배가 균일하게 이루어질 수 있다. 이 경우 이러한 방향은 바람직하게 셀 프레임에 의해 정의된 평면에 대해 평행하게 정렬된다.

본 출원에 따라 구부릴 수 있게 유연하고 동시에 기계적으로 압력 안정적인 전기화학 흐름 반응기를 사용하여 이동식 및 고정식 요소의 지지- 및 몰딩 구조에 상기 흐름 반응기가 직접 통합될 수 있고, 이는 조립 공간 효율을 높일 뿐만 아니라 흐름 반응기의 다중 사용으로 인해 시스템 효율을 더 높일 수 있다. 이를 위해 전기화학 플로우 셀의 설계와 무엇보다도 전극 재료만이 조정되면 되기 때문에, 새로운 셀 화학을 연구하고 개발하는 데 시간이 많이 걸리지 않으며 이미 공개된 셀 화학, 특히 에너지- 및/또는 전력 밀도가 특히 높은 셀 화학도 이용될 수 있다.

흐름 반응기의 기계적 압력 안정성은 전기화학적으로 활성인 셀 표면의 영역에서도 플로우 셀의 연속적인 형상 끼워 맞춤 결합에 의해 달성되며, 동시에 굽힘 유연성은 구부릴 수 있게 유연한 재료 및/또는 구조의 사용으로 달성된다. 셀은 실질적으로 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 형성되며, 여기서 실질적으로 형상 끼워 맞춤 결합 방식이란, 특정 구조에 셀을 설치하기 위해 셀 구성 요소의 소정의 위치 유연성이 필요할 수 있지만(항상 그럴 필요는 없지만), 설치된 상태에서 배터리 셀 구성 요소의 완전한 형상 끼워 맞춤 결합이 실현되는 것을 의미한다. 이때 위치 유연성이란, 아직 설치되지 않은 상태에서 멤브레인, 바이폴라 플레이트 또는 (예를 들어 금속 메쉬의 사용 시)전극도 여전히 인장되지 않은 상태일 수 있음을 의미한다. 응력은 일반적으로 설치에 의해 생성된다. 따라서 설치되지 않은 셀과 달리 설치된 셀은 일반적으로 더 이상 위치 유연성을 갖지 않지만, 일반적으로 어느 정도까지는 구부릴 수 있게 유연할 것이다. 따라서 특히, 예를 들어 금속 폼, 특히 메쉬나 플리스형 또는 펠트형 구조와 같은 특히 치수 안정적인 다공성 전극이 유체 안내를 위해 이용될 수 있다. 그러나 설치된 상태에서 굽힘 유연성은 설치되지 않은 상태보다 현저히 낮으며, 실질적으로 굽힘 유연성이 없는 경우도 많다. 소정의 굽힘 유연성은, 내부에 셀이 설치된 지지- 또는 몰딩 구조에 작용하는 기계적 하중(예를 들어 로켓 또는 항공기 출발 시 발생하는 하중)을 견딜 수 있는 정도만 필요하다. 따라서 "실질적으로 굽힘 유연성이 없다"는 것은 본 출원에 따르면, 설치 중에 굽힘 유연성이 사라질 수 있어서, 이동식 또는 고정식 요소(또는 그것의 서브 구조)의 기계적 응력만이 고려되면 되고 이러한 기계적 응력이 잔류 굽힘 유연성에 의해 흡수될 수 있음을 의미한다.

기계적 안정성을 더욱 개선하기 위해, 셀에 작용하는 압축력 방향으로 힘 흡수를 가능하게 하는 안정화 구조들이 셀 내에 배치될 수 있다. 특히 이 경우, 유체가 관류할 수 있도록 개별 허니콤 요소가 천공된 허니콤 방식의 안정화 구조 또는 반투과성 멤브레인과 바이폴라 플레이트 사이에 배치된 원주형 안정화 구들을 들 수 있다. 벌집형 구조는 이 경우 허니콤 자체일 수도 있고 마름모나 정사각형일 수도 있고, 또는 심하게 만곡되고 평면이 아닌 기하학적 형상의 경우에 아르키메데스 다면체 또는 정다면체의 부분 표면일 수도 있다. 이러한 안정화 구조의 경우 사용된 전극의 형상에 리세스가 의도대로 제공되어, 이러한 안정화 구조가 전극 또는 전극 층에 통합될 수 있다. 극단적인 경우에, 이 실시예에서는 (굽힘 유연성에도 불구하고) 전기화학 셀의 전체 구조를 기계적으로 안정화시키지 않는 전극 재료, 예를 들어 연질 플리스가 선택될 수 있다. 이로써 본 실시예에서 공개된 모든, 특히 다공성 전극 재료가 가능하다.

따라서 구부릴 수 있게 유연하면서도 기계적으로 압력 안정적인 전기화학 흐름 반응기는 이동식 및 고정식 요소의 지지- 및 몰딩 구조에 통합될 수 있으며, 에너지 저장, 에너지 변환, 원료 생산 또는 여과와 같은 주요 작업 외에도 구조의 기계적 보강, 열 관리 지원 또는 방사선 흡수와 같은 다른 작업도 수행할 수 있다.

실시예는 구부릴 수 있게 유연하고 압력 안정적인 레독스 플로우 배터리 셀을 우주 정거장의 모듈의 지지 구조에 통합하는 것이다. 전기화학 플로우 셀은 실린더형 구조의 주위에 또는 세그먼트별로 배치될 수 있다.

레독스 플로우 배터리의 기능 구성 요소의 순수한 촉매 작용으로 인해, 사이클 안정성과 서비스 수명이 매우 뛰어나고 이로써 예를 들어 이것을 장착한 우주 정거장 모듈의 전체 작동 수명 동안 사용 가능해야 한다. 이렇게 되면 배터리를 교체하는 데 많은 비용과 시간이 소요되고 자원 집약적인 임무가 생략될 수 있다. 레독스 플로우 배터리 셀을 모듈의 지지- 및 몰딩 구조에 통합함으로써 한편으로는 필요 공간과 무게를 줄일 수 있으며, 다른 한편으로 레독스 플로우 셀은 압력 안정성으로 인해 지지 구조를 기계적으로 보강할 수 있고, 순환하는 액체 전해질을 통해 열 관리를 지원하며 경우에 따라서는 우주 방사선을 흡수할 수도 있다.

레독스 플로우 셀 외에도 이미 언급했듯이 바람직하게 수처리 반응기와 전기화학 산소 발생용 반응기도 우주정거장 모듈의 지지 구조에 통합될 수 있다.

본 출원의 대상은 일반성의 제한없이 도면을 참조하여 아래에서 더 자세히 설명된다:

도 1은 각각 단부 전극(11, 12)을 포함하고 흑연 플리스 전극(13, 14)이 있는 하프 셀 챔버를 포함하는 2개의 하프 셀을 구비한 선행 기술에 따른 전기화학 흐름 반응기를 도시한다. 각 하프 셀 챔버는 유체로 채워져 있으며, 상기 유체는 각 펌프(20)를 이용해서 순환될 수 있다. 유체는 레독스 활성 종을 갖는 전해질을 포함하며, 따라서 도 1에는 레독스 활성 종 A를 갖는 전해질이 있는 전해질 탱크(22) 또는 레독스 활성 종 B를 갖는 전해질이 있는 전해질 탱크(23)를 도시한다. 전해질에 의해 애노드와 캐소드 사이의 전하 교환이 가능해지고, 이 경우 충전 과정(1)과 방전 과정(2) 모두에서 이온이 멤브레인(5)을 통해 확산될 수 있다.

도 2는 셀 스택을 형성하도록 연결된 다수의 전기화학 플로우 셀로 구성된 선행 기술에 따른 전기화학 흐름 반응기를 도시한다. 개별 플로우 셀은 바이폴라 플레이트(10)를 통해 서로 연결되고, 각 멤브레인(15)이 하프 셀 사이에 배치된다.

도 3의 본 출원에 따른 전기화학 셀로 형성된 (이 실시예에서는 구부릴 수 있게 유연한 금속 폼으로 이루어진) 다공성 전극(11, 12), 바이폴라 플레이트(10) 및 멤브레인(15)을 가진 전기화학 흐름 반응기(100)의 바이폴라 샌드위치 구조의 절반 이미지를 하부에 도시한다. 화살표 팁은, 여기에서 동시에 특히 우주 정거장 모듈(50)의 실린더형 지지 구조 및 몰딩 구조를 형성하는 외부 쉘(51)에 이 배터리의 설치를 나타낸다.

도 4는 좌측 및 우측 상부에 실린더형 몰딩 구조(52)의 상세도를 도시한다. 이 경우 예를 들어 우주 정거장 모듈(50)의 몰딩 구조일 수 있다. 도 4의 좌측 하부에 몰딩 구조(52)에 전기화학 흐름 반응기(100)의 구조 통합이 도시된다. 또한, 기계적 안정화를 위한 브레이싱 요소(60)도 볼 수 있다. 우측 하부의 상세도에서, 전기화학 흐름 반응기(100)가 내부 쉘(61b)과 외부 쉘(61a) 사이에 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 배치되어 있는 것을 알 수 있다.

도 5의 좌측에 우주 정거장 모듈(50)의 몰딩 구조일 수 있는 실린더형 몰딩 구조(52)의 추가 실시예를 도시한다. 여기서는 전기화학 흐름 반응기(100) 외에도 에너지 저장 탱크(70)가 우주 비행체의 쉘에 통합되어 있다.

도 6은 이동식 또는 고정식 물체의 구조 요소 내에 설치 전후에 구부릴 수 있게 유연한 구조를 가진 전극(20)을 도시한다. (설치 전) 굽힘 유연성은 여기에서 V자형 재료 리세스(30)에 의해 구현된다. 설치 후 (아래쪽), 재료 리세스는 슬릿 형태일 뿐이며, 전극(20)은 실린더형 세그먼트 형태를 갖거나 설치 중에 여기에서 실린더형 이동식 또는 고정식 물체의 구조에 맞게 조정되었다. 도 7은 상부에 관류 가능하며 추가 안정화 구조를 갖는 전기화학 플로우 셀을 도시한다. 상부 실시예는 허니콤 방식의 안정화 구조, 즉 왼쪽에 마름모 형태의 안정화 구조(41), 오른쪽에는 허니콤 방식의 안정화 구조(42)가 있는 플로우 셀(40)을 도시하고; 하부 실시예는 원주형 안정화 구조가 있는 플로우 셀(45)을 도시하고, 여기에서 원주형 안정화 구조(46)는 셀에 작용하는 압축력 방향으로 힘 흡수를 가능하게 한다. 셀은 각각 복수의 유입 개구 및 유출 개구 (모두 25로 표시됨)를 갖는다. 또한, 허니콤 방식의 안정화 구조에서 허니콤 요소에 다수의 천공(43)이 있어, 유체가 관류할 수 있다.

Claims (17)

1. 특히 레독스 플로우 배터리의 전기화학 셀로서, 적어도 하나의 셀 프레임과 적어도 하나의 전극뿐만 아니라 필요한 경우 적어도 하나의 반투과성 멤브레인과 필요한 경우 적어도 하나의 바이폴라 플레이트를 구비하고, 상기 셀 프레임은 셀 내부 챔버 주변을 둘러싸고, 상기 셀 프레임은 셀 내부 챔버로 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 공급 채널 및 상기 셀 내부 챔버로부터 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 배출 채널을 갖는 전기화학 셀에 있어서,
   셀 프레임, 전극 및 경우에 따라서 존재하는 반투과성 멤브레인과 경우에 따라서 존재하는 바이폴라 플레이트는 실질적으로 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 서로 연결되고, 특히 활성 셀 표면의 영역에서 실질적으로 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀은 우주 비행의 고정식 요소 또는 이동식 요소의 지지- 및/또는 몰딩 구조 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 셀은 고정식 또는 이동식 물체의 외부 쉘 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀 내부 챔버에서 전극은 적어도 부분적으로 적어도 하나의 공급 채널로부터 적어도 하나의 배출 채널로 전해질의 관류를 위한 다공성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 전극은 적어도 부분적으로 개방형 다공성 금속 폼 구조, 특히 금속 메쉬로서, 특히 니켈 폼 또는 니켈 메쉬로서 설계되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 전극은 다공성의 치수 안정적인 탄소 재료로, 특히 탄소 기반 경질 플리스, 경질 펠트, 흑연 섬유 및/또는 탄소 나노 튜브, 특히 전기 전도성 폴리머 기반 화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
7. 선행하는 세 개의 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극의 다공성 재료가 적어도 부분적으로 섬유형 구조 요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
8. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 내에 유동 채널들이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
9. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀은 설치된 및/또는 설치되지 않은 상태에서 구부릴 수 있게 유연하게 및/또는 위치가 유연하게 설계되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 셀의 구성 요소 중 적어도 일부, 특히 전극은 구부릴 수 있게 유연한 및/또는 위치 유연성이 있는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
11. 선행하는 두 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀의 구성 요소 중 적어도 일부, 특히 전극은 구부릴 수 있게 유연한 및/또는 위치 유연성이 있는 형상을 가지며, 이를 위해 셀 프레임으로 둘러싸인 표면 중 적어도 하나에 하나 이상의 재료 리세스가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 셀 내부 챔버에 전극 외에 기계적 안정화 구조, 특히 유체가 관류할 수 있도록 개별 허니콤 요소가 천공된 허니콤 방식의 안정화 구조 또는 반투과성 멤브레인과 바이폴라 플레이트 사이에 작용하는 압축력 방향으로 실질적으로 배치된 원주형 안정화 구조가 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 2개 이상의 전기화학 셀로 이루어진 셀 복합체를 포함하는 스택.
14. 우주 비행의 고정식 요소 또는 이동식 요소의 구조 요소로서, 상기 구조 요소는 고정식 또는 이동식 요소에 대한 지지- 및/또는 몰딩 기능을 수행하는 구조 요소에 있어서,
    제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 셀 또는 스택이 상기 구조 요소에 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 구조 요소.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 이동식 요소는 차량인 것을 특징으로 하는 구조 요소.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 고정식 요소는 우주 정거장인 것을 특징으로 하는 구조 요소.
17. 비행, 항해 및 우주 비행에서 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 전기화학 셀 또는 스택의 용도.