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KR101884958B1 - 가역 연료전지용 접합체 - Google Patents

가역 연료전지용 접합체 Download PDF

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KR101884958B1
KR101884958B1 KR1020137007738A KR20137007738A KR101884958B1 KR 101884958 B1 KR101884958 B1 KR 101884958B1 KR 1020137007738 A KR1020137007738 A KR 1020137007738A KR 20137007738 A KR20137007738 A KR 20137007738A KR 101884958 B1 KR101884958 B1 KR 101884958B1
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Abstract

가역 연료전지에 사용되는 막-전극 접합체는 제1 및 제2 표면을 가진 이온 전도성막; 상기 막의 제1 표면과 접촉되고, 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE1i) 및 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG1i)을 포함하는 제1 전극촉매층을 포함한다. 제2 전극촉매층은 상기 막의 제2 표면과 접촉되며, 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE2i) 및 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG2i)을 포함한다. 제1 전극촉매층 위의 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i) 각각은 제2 전극촉매층 위의 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i) 각각에 대응되게 정렬되며, 제1 전극촉매층 위의 이산적 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i) 각각은 상기 제2 전극촉매층 위의 이산적 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i) 각각에 대응되게 정렬된다.

Description

가역 연료전지용 접합체{ASSEMBLY FOR REVERSIBLE FUEL CELL}
관련출원의 상호참조
본원은 2010년 8월 30일자로 출원된 유럽특허출원 제10174543.8호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용을 본원에 사실상 참조로 통합한다.
본 발명은 전반적으로 연료전지에 관한 것이며, 더 구체적으로는 가역 연료전지 및 그 구성요소에 관한 것이다.
연료전지는 연료에 저장되어 있는 에너지를 연료의 산화반응 및 산화제의 환원반응을 통해 고효율 전기 에너지로 전환할 수 있는 전기화학장치이다. 연료와 산화제는 각각이 전해질과 접촉되는 촉매를 함유한 2개의 절연 전극에서 산화환원반응을 거친다. 전해질은 전극들 사이에 위치하여, 상기 두 반응물질의 직접적인 반응을 막고, 이온을 전지의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 전도한다. 유리하게, 전해질은 고체 중합체 전해질일 수 있다.
광범위하게 다양한 반응물질을 연료전지에 사용할 수 있다. 예를 들면, 연료는 실질적으로 순수한 수소 가스, 가스상 수소-함유 리포메이트(개질 휘발유) 스트림, 또는 직접 메탄올형 연료전지 내의 메탄올일 수 있다. 산화제는 예를 들어 실질적으로 순수한 산소이거나, 또는 공기와 같은 희석-산소 스트림일 수 있다.
한편, 전해조는 전기를 사용하여 다양한 화학종을 생성하는데, 예컨대, 물 또는 염소로부터 수소와 산소를 생성하고, 알칼리성 염수(brine)로부터 수산화나트륨과 수소를 생성한다. 기본적으로 전해조는 가역적으로 작동하는 연료전지를 포함한다.
전기 에너지를 입력으로 하여, 산화 연료를 비산화(unoxidized) 연료로 다시 환원시키는 가역 작동이 가능한 연료전지를 일반적으로 "가역" 또는 "재생" 연료전지라 일컫는다. 전기를 생성하고 연료를 재생시키는 능력 덕분에 가역 연료전지는 전기 에너지 저장용으로 특히 매력적이다.
에너지 생성 작동 모드(연료전지 모드) 및 전기분해 작동 모드 둘 다 동일한 전지 스택 내에서 수행되는 소위 일체형(unitized) 재생 연료전지, 즉, 가역 연료전지가 특별히 관심의 대상이다. 이러한 전지의 전기활성 구성요소들은 전기분해 모드 및 연료전지 모드 둘 다에서 작동해야 하기 때문에, 이들 구성요소를 두 모드 용으로 최적화시키기가 쉽지 않다.
일 예로, 2003년 4월 10일자의 미국특허출원 제2003/0068544호 A(CISAR, A)는 일체형 재생 수소-산소 연료전지를 개시하고 있으며, 상기 연료전지에서 산소극은 물로부터 산소를 발생시키는 활성을 보이는 촉매와 산소를 물로 환원시키는 활성을 보이는 촉매의 혼합물이 함유된 전극촉매층을 포함한다. 산소극을 위한 가스 확산층은 소수성 부분과 친수성 부분을 포함한다. 그러나, 이러한 구조로 인해, 상이한 활성을 나타내는 전극의 전극촉매적 영역들로부터의 물 전달 및 이들 영역으로의 물 전달이 최적화되지 않은 상태이다.
따라서, 연료전지 모드 및 전기분해 모드 모두에서 최상의 효율로 작동할 수 있는 일체형 재생 연료전지에 대한 요구가 여전히 존재한다.
본 발명의 첫째 목적은 가역 연료전지, 구체적으로는 전지가 전기분해 모드 및 에너지 재생 모드 둘 다에서 작동될 때 최적 활성을 갖는 일체형 재생 연료전지에 사용되는 접합체이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 접합체를 포함하는 가역 연료전지이다.
도 1은 본 발명에 의한 막-전극 접합체의 개략 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시양태에 따른 막-전극 접합체의 구성요소에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시양태에 따른, 막-전극 접합체 및 가스 확산층을 포함한 접합체의 구성요소에 대한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시양태에 따른, 막-전극 접합체, 가스 확산층, 및 바이폴라 플레이트(분리판)를 포함한 연료전지 스택의 구성요소에 대한 개략도이다.
본 발명의 첫째 목적은 가역 연료전지용 막-전극 접합체이다. 본원에 사용된 "막-전극 접합체"란 표현은 두 전극촉매층 사이에 배치되는 이온 전도성막을 포함한 접합체를 가리키며, 이때 각 전극촉매층은 원하는 전기화학적 반응을 촉진시키는데 적합한 촉매를 이온 전도성막 가까이에 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 접합체(1)는 제1 및 제2 표면을 가진 이온 전도성막(ICM)을 포함한다. 제1 전극촉매층(E1)은 이온 전도성막의 제1 표면과 접촉되고, 제2 전극촉매층(E2)은 이온 전도성막의 제2 표면과 접촉된다.
제1 전극촉매층(E1)은 하나 이상의 이산적(분리된) 전기분해-활성 영역(ELE1i) 및 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG1i)을 포함한다. 제2 전극촉매층(E2)은 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE2i) 및 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG2i)을 포함한다. 제1 전극촉매층(E1) 위의 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i) 각각은 제2 전극촉매층(E2) 위의 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i) 각각에 대응되게 정렬된다. 제1 전극촉매층(E1) 위의 이산적 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i) 각각은 제2 전극촉매층(E2) 위의 이산적 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i) 각각에 대응되게 정렬된다.
본 발명에 의한 접합체의 임의 부재 상의 이산적 영역을 가리키는 "대응되게 정렬된다"란 표현은 해당 영역이 동일한 크기와 동일한 형상을 가지며, 이온 전도성막의 표면의 한 대응 영역과 정렬되거나, 또는 이온 전도성막의 반대 측에 있는 동등한 부재 표면의 한 대응 영역과 정렬되게 배치된다는 것을 가리키고자 사용된다.
도 2는, 이온 전도성막(ICM)과 제1 및 제2 전극촉매층(E1 및 E2)을 포함하는, 본 발명에 의한 접합체(1)의 일 실시양태를 보여 준다. 도 2에 도시된 실시양태에서, 각 전극촉매층은 하나의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE1 및 ELE2)과, 하나의 에너지 생성-활성 영역(EG1 및 EG2)을 포함한다.
각 전극촉매층(E1 및 E2)은 2개 이상의 전기분해-활성 영역(ELEi)과, 2개 이상의 에너지 생성-활성 영역(EGi)을 포함할 수 있다.
제1 전극촉매층(E1) 위의 각 전기분해-활성 영역(ELE1i)은 제2 전극촉매층(E2) 위의 각 전기분해-활성 영역(ELE2i)에 대응되게 정렬되고, 각 에너지 생성-활성 영역(EG1i)은 각 에너지 생성-활성 영역(EG2i)에 대응되게 정렬된다.
E1 위의 전체 전기분해-활성 영역(∑ELE1i)은 E2 위의 전체 전기분해-활성 영역(∑ELE2i)과 같고, E1 위의 전체 에너지 생성-활성 영역(∑EG1i)은 E2 위의 전체 에너지 생성-활성 영역(∑EG2i)과 같다. 따라서: ∑ELE1i=∑ELE2i이고, ∑EG1i=∑EG2i이다.
본 발명의 접합체에서 각 유형의 EGi 영역 및 ELEi 영역은 이산적, 개별적 특정 영역을 형성하는 한, 개수, 크기 및 형상에 제한을 받지 않는다. 일반적으로, 각 영역의 크기는 접합체의 크기에 좌우되기는 하지만, 통상 EGi 영역과 ELEi 영역의 표면은 0.01 mm2 이상, 0.1 mm2 이상, 가능하게는 심지어 0.5 mm2를 초과한다.
각 유형 영역의 개수 i는 통상 1 내지 100, 바람직하게는 1 내지 50, 더 바람직하게는 1 내지 20 범위이다. 이들 영역은 어떠한 형상도 가질 수 있지만, 규칙적 형상을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
전기분해-활성 영역 ELE1(i=1)의 연장부에 해당되는 모든 이산적 전기분해-활성 영역의 총수 ∑ELE1i(또는∑ELE2i)는 각 전극촉매층의 모든 이산적 에너지 생성-활성 영역의 총수 ∑EG1i(또는∑EG2i)와 같거나 다를 수 있다.
수소/산소 연료전지에 사용되는 접합체의 경우, 통상 ∑EG1i는 ∑ELE1i보다 크며, 이에 따라 ∑EG2i는 ∑ELE2i보다 크다. 바람직하게, ∑EGi/∑ELEi의 비는 1.5:1 내지 5:1, 더 바람직하게는 2:1 내지 4.5:1, 더욱더 바람직하게는 2.5:1 내지 4:1 범위이다. 훨씬 더 바람직한 비는 2.8:1 내지 3.5:1이다.
다른 유형의 가역 연료전지에 있어서, 각 전극촉매층 위의 에너지 생성-활성 영역과 전기분해-활성 영역 사이의 비는 상이할 수 있으며, 전형적으로는 전지의 두 작동 모드에서의 반응에 의해 발생되는 전압에 따라 결정된다.
각 이산적 전기분해-활성 영역 ELEi는 각 에너지 생성-활성 영역 EGi와 하나 이상의 경계 부분 BRj에 의해 분리된다. 경계 부분 j의 개수는 에너지 생성-활성 영역과 전기분해-활성 영역의 개수뿐만 아니라, 전극촉매층 위에서 상기 영역들의 배치에 따라 결정된다. 경계 부분은, 전기분해-활성 영역(들)과 이웃한 에너지 생성-활성 영역(들) 사이의 조성 또는 모폴로지 변화로부터 유도되는, 전극촉매층에서의 단순한 불연속부일 수 있다.
대안으로, 경계 부분 BRj는 이웃한 영역 ELEi 및 EGi 중 어떠한 영역의 조성과도 상이한 조성을 특징으로 하는 이산적 부분일 수 있다. 유리하게 경계 부분 BRj은 이웃한 영역 ELEi 및 EGi 각각의 조성과 상이한 조성을 가질 수 있다. 경계 부분은 이웃한 영역들과는 상이한 전기전도도(예컨대, 전기전도도가 없거나 무시해도 될 정도)를 특징으로 할 수 있다.
가역 연료전지에 사용될 수 있는 시스템 중에서, 가장 친환경적인 시스템은 수소/산소/물 시스템이다. 이러한 시스템은, 전지가 에너지생성 모드(또는 연료전지 모드)에서 작동할 때 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 물을 생성한다. 전지가 전기분해 모드로 작동할 때에는 물을 전기분해함으로써 수소와 산소를 재생할 수 있다.
수소/산소 연료전지는 수소이온 전도성막을 사용하는 산성 환경, 및 하이드록실-이온 전도성막을 사용하는 알칼리성 환경 모두에서 작동할 수 있다.
본 발명에 의한 접합체가 수소/산소계 가역 연료전지에서의 용도로 제한되는 것이 결코 아니라는 것이 잘 숙지되어 있지만, 본 발명에 의한 접합체의 구성요소를 수소/산소 연료전지와 관련하여 상세히 설명하기로 한다.
제1 전극촉매 층 E1
제1 전극촉매층(E1)은 이온 전도성막(ICM)의 제1 표면과 접촉된다. 제1 전극촉매층(E1)은 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i) 및 이산적 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i)을 포함한다. 각각의 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i)과 각각의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG1i)은 하나 이상의 경계 부분(BR1j)에 의해 분리된다.
이러한 부문에 의해 한정되지 않고, 본 명세서를 위해, 이하 제1 전극촉매층을 수소/산소 연료전지에서 산소극으로서 설명하기로 한다. 전지가 연료전지 모드로 작동할 때에는 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i)에서 산소가 환원되어 물을 생성한다. 전지가 전기분해 모드로 작동할 때에는 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i)에서 물이 산화되어 산소를 생성한다.
일반적으로 산소 환원용으로 알려져 있는 고활성 촉매는 물의 산화 및 산소 발생용 촉매로서는 미비하다. 따라서, 에너지재생-활성 영역(들)(EG1i)에서 사용되는 촉매는 통상 산소극의 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i)에서 사용되는 촉매와 다르다. 또한, 촉매의 선택은 전지의 작동 환경이 산성이든 또는 알칼리성이든 전지의 작동 환경에 따라 다르다.
전지가 산성 환경 하에 작동되는 경우, 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i)용으로 적합한 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 합금과 같은 금속 중에서 선택할 수 있다. 촉매적으로 활성인 금속 또는 금속 합금에는 또한 루테늄, 코발트, 크로뮴, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 철, 구리, 니켈과 같은 다른 원소들이 함유되어 있을 수 있다. 이들 금속은 적합한 전기전도성 입자에 담지되거나 담지되지 않을 수 있다. 이러한 담지체로서 카본블랙, 흑연 또는 활성탄이 유리하게 사용될 수 있다. 에너지재생-활성 영역(들)(EG1i)용으로 바람직한 촉매는 카본블랙에 담지된 백금이다.
전기분해-활성 영역(들)(ELE1i)용으로 적합한 촉매는, 예를 들어 루테늄 산화물과 이리듐 산화물, 또는 이리듐 산화물과 티타늄 산화물을 포함하며 선택적으로는 카본블랙 또는 위에 논의된 바와 같은 기타 다른 적합한 담지체에 담지된, 혼합금속 또는 혼합금속 산화물이다.
전지가 알칼리성 환경 하에 작동하는 경우, 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i)용으로 적합한 촉매는 예를 들면 담지형 및 비담지형 은이다. 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i)용으로 적합한 촉매는 담지형 및 비담지형 니켈 중에서 선택한다. 적합한 담지체는 위에 논의한 바와 같다.
통상 전극촉매층은 촉매 외에도 결합제를 포함한다. 결합제는 이온 전도성막의 제조용으로도 적합한 과불화(perfluorinated) 이온 전도성 중합체 중에서 선택할 수 있다.
본 발명에 의한 접합체의 일 구현예에서, 제1 전극촉매층(E1) 위의 영역들(EG1i 및 ELE1i)은 친수성 면에서도 또한 상이할 수 있다. 물을 산화시켜 산소를 생성하는 전기분해-활성 영역(들)(ELE1i)의 표면에서의 함수율을 향상시키기 위해, 친수성 표면이 바람직할 수 있다. 한편, 에너지 생성-활성 영역(들)(EG1i)은 전극촉매층에서 일어나는 산소 환원반응에 의해 생성된 물을 용이하게 제거하기 위해서 소수성인 것이 바람직하다. 전극촉매층 위의 각 이산적 영역을 제조함에 있어서 가령 상이한 결합제를 사용함으로써 서로 다른 특성을 얻을 수 있다.
제2 전극촉매 층 E2
제2 전극촉매층(E2)은 이온 전도성막(ICM)의 제2 표면과 접촉된다. 제2 전극촉매층(E2)은 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i) 및 이산적 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i)을 포함한다. 각각의 이산적 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i)과 각각의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG2i)은 하나 이상의 경계 부분(BR2j)에 의해 분리된다.
이하 제2 전극촉매층을 수소/산소 연료전지에서 수소극으로서 설명하기로 한다. 따라서, 전지가 연료전지 모드로 작동할 때에는 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i)에서 수소가 산화되어 수소 이온을 생성한다. 전지가 전기분해 모드로 작동할 때에는 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i)에서 수소 이온이 환원되어 수소를 생성한다.
산성 환경 하에 작동되는 수소/산소 연료전지에서 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i)용으로 적합한 촉매는 예를 들어 백금이거나, 또는 로듐 산화물과 루테늄 산화물의 등몰 혼합물이다. 상기 촉매는 전술한 바와 같이 담지형 또는 비담지형일 수 있다. 더욱이, 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i)에 대한 수소의 접근을 용이하게 하기 위해, 상기 영역들에 높은 가스투과성을 부여할 수 있다. 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i)용으로 적합한 촉매는 카본블랙에 담지된 백금이다.
수소/산소 연료전지가 알칼리성 환경 하에 작동하는 경우, 에너지 생성-활성 영역(들)(EG2i) 및 전기분해-활성 영역(들)(ELE2i) 모두에 적합한 촉매는 전술한 바와 같이 담지형 또는 비담지형 니켈이다.
제2 전극촉매층(E2) 위의 영역들(EG2i 및 ELE2i)은 그 밖에도 친수성 또는 위에 언급한 바와 같이 가스투과성과 같은 다른 특성 면에서 상이할 수 있다. 이들 상이한 특성은 전극촉매층 위의 다양한 영역들을 제조함에 있어서 가령 상이한 결합제 또는 첨가제를 사용함으로써 서로 다른 특성을 얻을 수 있다.
이온 전도성막
유리하게, 전기화학전지에서 전해질의 역할은 이온을 전지의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 통과할 수 있도록 하여, 활성종들이 직접 반응하지 않도록 하면서 전지의 양쪽이 중성 밸런스를 유지하도록 하는 것이다. 전해질, 또는 바람직하게 이온 전도성막은 사실상 양이온성이거나 음이온성일 수 있다.
산성 환경 하에 작동하는 수소/산소 연료전지의 제1 설계에서, 이온 전도성막은 수소 이온이 막을 통과하게 허용하면서, 동시에, 전지의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 수소 및 산소가 투과되는 것에 대한 장벽(barrier)을 형성해야 한다. 따라서, 이러한 전지에서 전해질은 사실상 음이온성이다.
알칼리성 환경 하에 작동하는 수소/산소 연료전지의 제2 설계에서, 이온 전도성막은 하이드록실 이온이 막을 통과하게 허용하면서, 동시에, 반응물질들에 대한 장벽을 형성해야 한다. 따라서, 이러한 전지에서 전해질은 사실상 양이온성이다.
액체 또는 겔 재질의 이온 전도성막을 본 발명의 접합체에도 사용할 수 있지만, 이온 전도성막에는 통상적으로 이온 전도성 중합체 물질이 포함되어 있다.
모든 적합한 이온 전도성 중합체 물질을 본 발명의 접합체에 사용할 수 있다. 일반적으로, 이온성 기를 함유한 과불화 중합체의 화학물질 및 열에 대한 내성 덕분에 상기 과불화 중합체를 바람직하게는 연료전지에서 이온 전도성 물질로 사용한다.
음이온성 중합체 물질은 일반적으로 이온교환기(이를테면, 설폰산기, 카복실산기, 인산기)를 포함한 1종 이상의 불화 단량체와, 테트라플루오로에틸렌의 공중합체 중에서 선택한다. 더 일반적으로, 음이온성 중합체 물질은 F2C=CF-O-CF2-CF2-SO2F; F2C=CF-O-[CF2-CXF-O]n-CF2-CF2-SO2F(화학식에서, X= Cl, F 또는 CF3이고, n=1 내지 10임); F2C=CF-O-CF2-CF2-CF2-SO2F; F2C=CF-O-CF2 -CF2-CF2-CF2-SO2F; F2C=CF-Ar-SO2F(화학식에서, Ar은 아릴 고리임)와 같은, 설폰산에 대한 전구체 기를 포함한 1종 이상의 불화된 단량체와, 테트라플루오로에틸렌의 공중합체 중에서 선택할 수 있다. 예를 들어, E.I. 듀퐁사가 Nafion® 상품명으로 시판 중인 물질, 솔베이 솔렉시스사가 Aquivion® 상품명으로 시판 중인 물질, 또는 아사히 글래스사가 Flemion® 상품명으로 시판 중인 물질이 적합한 물질이다. 불소-무함유, 이온 전도성 중합체 물질, 이를테면 설폰화 폴리에테르 케톤, 또는 아릴 케톤, 또는 산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸도 사용할 수 있다.
양이온성 중합체 물질은 일반적으로 중합체 중에서, 바람직하게는 아미노산 또는 아크릴산 이온교환기를 포함한 불화 중합체 중에서 선택된다.
이온 전도성 중합체 물질의 당량은 전형적으로 1700 g/eq 이하, 더 전형적으로 1500 g/eq 이하, 더 전형적으로 1200 g/eq 이하, 가장 전형적으로는 1000 e/eq 이하이다. 이온 전도성 중합체 물질의 당량은 전형적으로 380 g/eq 이상, 바람직하게는 500 g/eq 이상, 더 바람직하게는 600 g/eq 이상이다.
유럽특허출원 EP-A-1323744, EP-A-1179548, EP-A-1167400, EP-A-1589062, EP-A-1702670, EP-A-1702688은 본 발명의 접합체에 사용하기에 적합한 이온 전도성 중합체 물질 및 이온 전도성막을 개시한다.
이온 전도성막은 중합체 전해질로 구성되거나 또는 적합한 다공성 담체에 함침 또는 코팅된 중합체 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 미국특허 제5635041호는 팽창성 폴리테트라플루오로에틸렌 담체를 포함한 함침막에 대해 기재한다. 함침막은 또한 미국특허 제4849311호에도 기재되어 있다.
본 발명에 의한 접합체의 제1 실시양태에서, 이온 전도성막은 그 범위에 걸쳐 동일한 조성을 가진다.
제 2 구현예에서, 이온 전도성막은, 통상 이온 전도성막의 제1 및 제2 표면상에 있는 전극촉매층들(E1 및 E2) 위의 각 전기분해-활성 영역 쌍(ELE1i 및 ELE2i)과 각 에너지 생성-활성 영역 쌍(EG1i 및 EG2i)과 대응되게 정렬되는 이산적 영역들로 나누어진다. 이들 영역은 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 전극촉매층(E1 및 E2) 위의 전기분해-활성 영역들과 접촉되는 이온 전도성막의 영역이 ICMELE로 표시되어 있는 한편, 전극촉매층(E1 및 E2) 위의 에너지 생성-활성 영역들과 접촉되는 이온 전도성막의 영역은 ICMEG로 표시되어 있다. 이온 전도성막에서 영역 ICMELE 및 ICMEG의 개수가 전극촉매층들(E1 및 E2)에서 전기분해-활성 영역 및 에너지 생성-활성 영역의 개수와 일치하는 것으로 이해된다.
예를 들면, 상이한 당량의 이온 전도성 중합체 물질을 이온 전도성막의 전기분해-활성 영역 및 에너지 생성-활성 영역(ICMELEi 및 ICMEGi)에 사용할 수 있다.
또 다른 구현예에 의하면, 각 전기분해-활성 영역 ICMELEi은 각 에너지 생성-활성 영역 ICMEGi와 경계 부분 ICMBRj에 의해 분리되며, 상기 경계 부분은 전극촉매층들(각각 BR1j 및 BR2j) 위의 각 전기분해-활성 영역과 각 에너지 생성-활성 영역 사이의 경계 부분(각각 BR1j 및 BR2j)에 해당된다.
경계 부분(들) ICMBRj는, 전기분해-활성 영역(들)과 이웃한 에너지 생성-활성 영역(들) 사이의 조성 또는 모폴로지 변화로부터 유도되는, 이온 전도성막에서의 단순한 불연속부일 수 있다. 대안으로, 경계 부분 ICMBRj는 이웃한 영역 ICMELEi 및 ICMEGi 중 어떠한 영역의 조성과도 상이한 조성을 특징으로 하는 이산적 부분일 수 있다.
유리하게 경계 부분 ICMBRj는 이웃한 영역들 ICMELEi 및 ICMEGi 각각의 조성과 상이한 조성을 가질 수 있다. 경계 부분은 이웃한 영역들과는 상이한 이온 전도도(예컨대, 이온 전도도가 없거나 무시해도 될 정도)를 특징으로 할 수 있다. 대안으로, 경계 부분은 이웃한 영역들과는 상이한 친수성을 가질 수 있다. 또 다른 대안으로, 경계 부분은 상이한 가스투과성을 가질 수 있다. 예를 들어, 경계 부분(들) ICMBRj는 이웃한 영역 ICMELEi 및 ICMEGi 각각보다 더 낮은 이온 전도도 및 더 낮은 물 흡착성을 특징으로 할 수 있다.
가스 확산층
전형적인 연료전지의 설계에서, 가스 확산층은 각 전극촉매층과 접촉되도록 배치되어, 가스상 반응물질(예컨대, 산소 및 수소)을 전극촉매층으로 가져오고, 동시에 연료전지의 남아있는 구성요소(예컨대, 바이폴라 플레이트)와 전기적 접촉을 형성하도록 한다. 가스 확산층은 가스상 반응물질의 통과가 가능하도록 통상 다공성이며, 전기전도도를 부여하기 위해 전기전도성 입자를 포함한다.
본 발명의 접합체는 전극촉매층(E1)의 표면과 접촉되고 이온 전도성막과는 접촉되지 않는 제1 가스 확산층(GDL1), 및 전극촉매층(E2)의 표면과 접촉되고 이온 전도성막과는 접촉되지 않는 제2 가스 확산층(GDL2)을 더 포함할 수 있다.
가스 확산층들(GDL1 및 GDL2)은 동일한 조성과 구조를 가지거나 또는 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 전극촉매층(E1)과 접촉되는 가스 확산층(GDL1)은 통상적으로 제1 전극촉매층(E1) 위의 각 전기분해-활성 영역(GDL1ELEi)과 각 에너지 생성-활성 영역(GDL1EGi)과 크기 면에서 대응되며 정렬되게 배치된 이산적 영역들로 나누어진다.
도 4를 참조하면, 각 전극촉매층 위의 전기분해-활성 영역과 접촉되는 가스 확산층의 영역은 GDLELE로 표시되어 있는 한편 각 전극촉매층 위의 에너지 생성-활성 영역과 접촉되는 가스 확산층의 영역은 GDLEG로 표시되어 있다. 존재하는 경우, 가스 확산층에서 영역 GDLELE 및 GDLEG의 개수는 전극촉매층들 위의 전기분해-활성 영역 및 에너지 생성-활성 영역의 개수와 일치하는 것으로 이해된다.
각 전기분해-활성 영역 GDLELEi는 각 에너지 생성-활성 영역 GDLEGi와 경계 부분 GDLBRj에 의해 분리되며, 상기 경계 부분은 전극촉매층들 위의 각 전기분해-활성 영역과 각 에너지 생성-활성 영역 사이의 경계 부분(각각 BR1j 및 BR2j)에 해당된다.
경계 부분(들) GDLBRj는, 전기분해-활성 영역(들)과 이웃한 에너지 생성-활성 영역(들) 사이의 조성 또는 모폴로지 변화로부터 유도되는, 가스 확산층에서의 단순한 불연속부일 수 있다. 대안으로, 경계 부분 GDLBRj는 이웃한 영역 GDLELEi 및 GDLEGi 중 어떠한 영역의 조성과도 상이한 조성을 특징으로 하는 이산적 부분일 수 있다.
유리하게 경계 부분 GDLBRj는 영역 GDLELEi 및 GDLEGi 각각의 조성과 상이한 조성을 가질 수 있다. 경계 부분은 이웃한 영역들과는 상이한 전기전도도(예컨대, 전기전도도가 없거나 무시해도 될 정도)를 특징으로 할 수 있다. 대안으로, 경계 부분은 이웃한 영역들과는 상이한 친수성을 가질 수 있다. 또 다른 대안으로, 경계 부분은 상이한 가스투과성을 가질 수 있다. 예를 들어, 경계 부분(들) GDLBRj는 이웃한 영역 GDLELEi 및 GDLEGi 각각의 전기전도도에 비해 없거나 무시해도 될 정도의 전기전도도를 특징으로 할 수 있다.
도 4에 도시된 특정 실시양태에서, 가스 확산층(GDL1)은 경계 부분(GDL1BR)에 의해 분리되는 전기분해-활성 영역(GDL1ELE)과 에너지 생성-활성 영역(GDL1EG)을 포함한다.
전기분해-활성 영역(ELE1)으로의 물 전달을 향상시키기 위해, 영역(GDL1ELE)은 바람직하게 친수성이다. 가스 확산층 위의 에너지 생성-활성 영역(GDL1EG)은 유리하게 소수성일 수 있다.
마찬가지로, 가스 확산층(GDL2)은 경계 부분(GDL2BR)에 의해 분리되는 전기분해-활성 영역(GDL2ELE)과 에너지 생성-활성 영역(GDL2EG)을 포함한다. 영역들(GDL2ELE 및 GDL2EG)은 동일하거나 상이한 조성 및/또는 특성을 가질 수 있다. 전기분해-활성 영역(GDL2ELE)은 친수성이고, 가스 확산층 위의 에너지 생성-활성 영역(GDL2EG)은 유리하게 소수성일 수 있다.
통상, GDL2EG는 GDL2ELE보다 높은 가스 전달 특성을 가짐으로써, 수소가 에너지 생성-활성 영역(EG2)의 표면 측으로 흘러갈 수 있게 한다.
접합체의 제조
다양한 종래 방법을 통해 전극촉매층(E1 및 E2)을 이온 전도성막 또는 가스 확산층(GDL1 및 GDL2)에 도포시킬 수 있다.
각각의 전기분해-활성 영역 ELEi 및 각각의 에너지 생성-활성 영역 EGi에 대해 상이한 조성물을 사용하여, 전극촉매층(E1 및 E2)을 이온 전도성막의 제1 및 제2 표면에 표준 코팅 또는 인쇄 기법으로 도포할 수 있다.
대안으로는, 각각의 전기분해-활성 영역 ELEi 및 각각의 에너지 생성-활성 영역 EGi에 대해 상이한 조성물을 사용하여, 각 전극촉매층(E1 및 E2)을 해당 가스 확산층(GDL1 또는 GDL2)의 표면에 먼저 도포한 후, 공지된 핫프레스 또는 적층 기법을 이용하여 이온 전도성막의 제1 또는 제2 표면과 접촉되는 곳에 배치할 수 있다.
이산적 전기분해-활성 영역과 이산적 에너지 생성-활성 영역 ICMELE 및 ICMEG을 가진 이온 전도성막을 제조하기 위해 여러 가지 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 다공성 담체 상에 함침된 이온 전도성 중합체를 포함한 막의 경우, 다공성 담체의 상이한 영역들을 함침시키기 위해 상이한 이온 전도성 중합체 용액 또는 분산액을 사용할 수 있다.
대안으로는, 이온 전도성막이 이온 전도성 중합체를 압출시킨 막으로 만들어진 경우, 미국특허 제3807918호에 기재된 바와 같이, 적절한 압출 다이를 통해 다양한 종류의 이온 전도성 중합체를 압출시킴으로써 유사한(parallel) 이산적 전기분해-활성 영역 및 이산적 에너지 생성-활성 영역을 직접 얻을 수 있다.
이산적 전기분해-활성 영역 및 이산적 에너지 생성-활성 영역을 포함하는 가스 확산층은, 예를 들면, 소수성 및 친수성 가스 확산물질의 교번(alternating) 스트립들을 전극촉매-코팅 막에 결합시켜 스트립 패턴을 생성함으로써 얻을 수 있다. 상이한 특성을 지닌 가스 확산물질의 교번 밴드들을 공통 기판 위에 증착시킬 수 있다.
대안으로는, 접합체의 모든 에너지 생성-활성 부분을 포함하는 서브-접합체, 즉 EG1/ICMEG/EG2 또는 선택적으로 GDL1EG/EG1/ICMEG/EG2/GDL2EG, 그리고 접합체의 모든 전기분해-활성 부분, 즉 ELE1/ICMELE/ELE1 또는 GDL1ELE/ELE1/ICMELE/ELE2/GDL2ELE 를 개별적으로 제조한 후, 이들을 적절한 접착제 또는 가스켓으로 함께 접합할 수 있다.
가스 확산층(GDL1 및 GDL2) 사이에 개재된 막-전극 접합체(1)를 포함하는 본 발명의 접합체는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 가스 확산층의 양쪽에 위치하고 상기 제1 및 제2 확산층과 각각 접촉하는 제1 및 제2 바이폴라 플레이트(BP1 및 BP2)를 더 포함할 수 있다.
바이폴라 플레이트는 흑연 또는 금속과 같은 전지 반응물질에 불침투성인 전기전도성 물질로 만들어진 적절한 형태의 시트이다. 전형적으로 바이폴라 플레이트에는 반응물질을 전극촉매층에 분배시키기 위한 홈(groove) 및/또는 채널이 제공되어 있다.
제1 및 제2 바이폴라 플레이트 각각은 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역 BPELEi와 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역 BPEGi를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 제1 및 제2 가스 확산층 위의 각 전기분해-활성 영역 GDLELEi 및 각 에너지 생성-활성 영역 GDLEGi와 크기 면에서 대응되며 이들과 정렬되게 배치된다.
막-전극 접합체, 가스 확산층 및 바이폴라 플레이트를 포함하는 접합체를 통상 연료전지 스택이라 부른다. 바람직하게 본 발명의 연료전지 스택은 단일체이다.
당해 기술분야에 통상 알려져 있는 바와 같이 가스켓, 씰 등과 같은 추가 부재가 본 발명의 접합체 또는 스택에 있을 수 있다.
본 발명의 접합체는 가역 연료전지에 사용하기에 적합하다.
본 발명의 접합체는 평면형 접합체로서 도면을 참조하여 설명되었지만, 기타 구성, 특히 이산적 에너지 생성-활성 부분 및 전기분해-활성 부분이 원통형 접합체의 외주 둘레로 배치되는 구성이 가능하며, 이 또한 본 청구범위의 범주 내에 속한다.
여기에 참조로 통합된 모든 특허, 특허출원, 및 공개문헌의 개시물과 본원의 명세서가 상반되어 어떤 용어의 의미를 불명확하게 할 수 있을 정도인 경우, 본 명세서가 우선한다.

Claims (27)

  1. 제1 및 제2 표면을 가진 이온 전도성막; 상기 막의 제1 표면과 접촉되고, 하나 이상의 이산적(discrete) 전기분해-활성 영역(ELE1i) 및 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG1i)을 포함하는 제1 전극촉매층(E1); 및 상기 막의 제2 표면과 접촉되고, 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE2i) 및 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG2i)을 포함하는 제2 전극촉매층(E2)을 포함하는 전기화학전지용 접합체로서,
    상기 제1 전극촉매층(E1) 위의 상기 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE1i) 각각은 상기 제2 전극촉매층(E2) 위의 상기 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE2i) 각각에 대응되게 정렬되고, 상기 제1 전극촉매층(E1) 위의 상기 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG1i) 각각은 상기 제2 전극촉매층(E2) 위의 상기 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG2i) 각각에 대응되게 정렬되며,
    각 이산적 전기분해-활성 영역(ELEi)은 각 이산적 에너지 생성-활성 영역(EGi)으로부터 하나 이상의 경계 부분(BRj)에 의해 분리되고, 상기 경계 부분(BRj)은 인접한 이산적 전기분해-활성 영역 및 에너지 생성-활성 영역과 상이한 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 경계 부분(BRj)은 전기 전도도가 없거나 무시할 수 있는 전기 전도도를 가지며,
    전극촉매층(E1 및 E2) 위의 전기분해-활성 영역과 접촉되는 이온 전도성막의 영역은 ICMELE로 표시되고, 전극촉매층(E1 및 E2) 위의 에너지 생성-활성 영역과 접촉되는 이온 전도성막의 영역은 ICMEG로 표시되며,
    각 전기분해-활성 영역(ICMELEi)은 각 에너지 생성-활성 영역(ICMEGi)으로부터 각 경계 부분(ICMBRj)에 의해 분리되고, 상기 경계 부분(ICMBRj)은 전극촉매층 위의 각 전기분해-활성 영역과 각 에너지 생성-활성 영역 사이의 경계 부분(BR1j 및 BR2j)에 상응하며, 상기 경계 부분(ICMBRj)은 인접한 이산적 전기분해-활성 영역 및 에너지 생성-활성 영역과 상이한 이온 전도도를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 경계 부분(ICMBRj)은 이온 전도도가 없거나 무시할 수 있는 이온 전도도를 가지며,
    상기 제1 전극촉매층(E1)의 상기 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(ELE1i)은 상기 제1 전극촉매층(E1)의 상기 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(EG1i)과 상이한 촉매를 포함하는, 전기화학전지용 접합체.
  2. 제1항에 있어서, 이온 전도성막은 상기 제1 및 제2 전극촉매층 위의 전기분해-활성 영역(ELE1i 및 ELE2i) 각각에 대응되게 정렬되는 하나 이상의 이산적 영역과, 상기 제1 및 제2 전극촉매층 위의 에너지 생성-활성 영역(EG1i 및 EG2i) 각각에 대응되게 정렬되는 하나 이상의 이산적 영역을 포함하는 것인 전기화학전지용 접합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극촉매층(E1)의 표면과 접촉되고 이온 전도성막과는 접촉되지 않는 제1 가스 확산층(GDL1), 및 상기 제2 전극촉매층(E2)의 표면과 접촉되고 이온 전도성막과는 접촉되지 않는 제2 가스 확산층(GDL2)을 더 포함하는 전기화학전지용 접합체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 가스 확산층(GDL1)은 제1 전극촉매층(E1) 위의 하나 이상의 전기분해-활성 영역 각각에 대응되게 정렬된 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(GDL1ELEi), 및 제1 전극촉매층(E1) 위의 하나 이상의 에너지 생성-활성 영역 각각에 대응되게 정렬된 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(GDL1EGi)을 포함하는 것인 전기화학전지용 접합체.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 가스 확산층(GDL2)은 제2 전극촉매층(E2) 위의 하나 이상의 전기분해-활성 영역 각각에 대응되게 정렬된 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역(GDL2ELEi), 및 제2 전극촉매층(E2) 위의 하나 이상의 에너지 생성-활성 영역 각각에 대응되게 정렬된 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역(GDL2EGi)을 포함하는 것인 전기화학전지용 접합체.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 제1 가스 확산층 위 또는 제2 가스 확산층 위 또는 이들 모두 위의 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역은 친수성이고, 제1 가스 확산층 위 또는 제2 가스 확산층 위 또는 이들 모두 위의 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역은 소수성인 것인 전기화학전지용 접합체.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 제1 가스 확산층과 접촉되는 제1 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 및 제2 가스 확산층과 접촉되는 제2 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 제1 및 제2 바이폴라 플레이트 각각은, 제1 및 제2 가스 확산층 위의 하나 이상의 전기분해-활성 영역 및 하나 이상의 에너지 생성-활성 영역 각각에 대응되게 정렬되는, 하나 이상의 이산적 에너지 생성-활성 영역 및 하나 이상의 이산적 전기분해-활성 영역을 선택적으로 포함하는 것인 전기화학전지용 접합체.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1 가스 확산층 위의, 각 이산적 에너지 생성-활성 영역 및 각 이산적 전기분해-활성 영역 사이에 하나 이상의 경계 부분을 포함하는 전기화학전지용 접합체.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제2 가스 확산층 위의, 각 이산적 에너지 생성-활성 영역 및 각 이산적 전기분해-활성 영역 사이에 하나 이상의 경계 부분을 포함하는 전기화학전지용 접합체.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 바이폴라 플레이트 위의, 각 이산적 에너지 생성-활성 영역 및 각 이산적 전기분해-활성 영역 사이에 하나 이상의 경계 부분을 포함하는 전기화학전지용 접합체.
  11. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 경계 부분은 인접한 에너지 생성-활성 영역 및 인접한 전기분해-활성 영역 중 어떠한 영역의 조성과도 상이한 조성을 갖는 것인 전기화학전지용 접합체.
  12. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 경계 부분은 인접한 에너지 생성-활성 영역 및 인접한 전기분해-활성 영역 중 어떠한 영역의 조성과도 상이한 조성을 갖는 것인 전기화학전지용 접합체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 경계 부분은 인접한 에너지 생성-활성 영역 및 인접한 전기분해-활성 영역 중 어떠한 영역의 조성과도 상이한 조성을 갖는 것인 전기화학전지용 접합체.
  14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극촉매층 위의 상기 전기분해-활성 영역은 물의 전기분해에 적합한 촉매를 포함하는 것인 전기화학전지용 접합체.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극촉매층 위의 상기 에너지 생성-활성 영역은 수소와 산소로부터 물을 생성시키는데 적합한 촉매를 포함하는 것인 전기화학전지용 접합체.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극촉매층 위의 모든 이산적 에너지 생성-활성 영역의 총수와 상기 제1 또는 제2 전극촉매층 위의 모든 이산적 전기분해-활성 영역의 총수 사이의 비가 1.5:1 내지 5:1인 전기화학전지용 접합체.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극촉매층 위의 모든 이산적 에너지 생성-활성 영역의 총수와 상기 제1 또는 제2 전극촉매층 위의 모든 이산적 전기분해-활성 영역의 총수 사이의 비가 1.5:1 내지 5:1인 전기화학전지용 접합체.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극촉매층 위의 모든 이산적 에너지 생성-활성 영역의 총수와 상기 제1 또는 제2 전극촉매층 위의 모든 이산적 전기분해-활성 영역의 총수 사이의 비가 1.5:1 내지 5:1인 전기화학전지용 접합체.
  19. 제16항에 있어서, 상기 비는 2.8:1 내지 3.5:1인 전기화학전지용 접합체.
  20. 제17항에 있어서, 상기 비는 2.8:1 내지 3.5:1인 전기화학전지용 접합체.
  21. 제18항에 있어서, 상기 비는 2.8:1 내지 3.5:1인 전기화학전지용 접합체.
  22. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 접합체를 포함하는 연료전지.
  23. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 접합체를 포함하는, 가역 연료전지.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8617403B1 (en) 2013-06-25 2013-12-31 Blue Earth Labs, Llc Methods and stabilized compositions for reducing deposits in water systems
BE1023849B9 (nl) 2016-05-26 2017-11-21 Solar Energy Conversion Power Corp Nv Aquaponische Eenheid
CN108461787B (zh) * 2017-02-17 2020-01-03 中国科学院金属研究所 一种全钒液流电池用一体化复合膜的制备方法
CN107546401B (zh) * 2017-07-28 2020-03-17 上海交通大学 一种双向可逆燃料电池系统
KR102280859B1 (ko) * 2019-09-03 2021-07-23 한국과학기술연구원 수증기를 이용한 고온형 일체형 재생연료전지 및 이의 운전방법
EP4143910A1 (en) 2021-06-16 2023-03-08 Hydrolite Ltd Self-refueling power-generating systems
US11888196B2 (en) 2021-06-16 2024-01-30 Hydrolite Ltd Self-refueling power-generating systems
EP4343027A1 (en) * 2022-05-25 2024-03-27 Finow Automotive GmbH Electrolyzer for producing hydrogen and method for the production of hydrogen, and use of the electrolyser
IL309127A (en) 2022-12-06 2024-07-01 Hydrolite Ltd Self-fueling power generation systems

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002334708A (ja) * 2001-05-08 2002-11-22 Suzuki Motor Corp 燃料電池
JP2007012291A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Equos Research Co Ltd 燃料電池装置

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3807918A (en) 1971-02-12 1974-04-30 Chevron Res Extrusion die for forming a multicomponent continuous film of thermoplastic polymer
US4849311A (en) 1986-09-24 1989-07-18 Toa Nenryo Kogyo Kabushiki Kaisha Immobilized electrolyte membrane
JPH07161359A (ja) * 1993-12-10 1995-06-23 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk ガス拡散電極
US5547551A (en) 1995-03-15 1996-08-20 W. L. Gore & Associates, Inc. Ultra-thin integral composite membrane
JPH08283979A (ja) * 1995-04-10 1996-10-29 Permelec Electrode Ltd ガス拡散電極とそれを使用する電解方法
US5945232A (en) 1998-04-03 1999-08-31 Plug Power, L.L.C. PEM-type fuel cell assembly having multiple parallel fuel cell sub-stacks employing shared fluid plate assemblies and shared membrane electrode assemblies
IT1318593B1 (it) 2000-06-23 2003-08-27 Ausimont Spa Ionomeri fluorurati.
IT1318669B1 (it) 2000-08-08 2003-08-27 Ausimont Spa Ionomeri fluorurati solfonici.
US6838205B2 (en) 2001-10-10 2005-01-04 Lynntech, Inc. Bifunctional catalytic electrode
ITMI20012746A1 (it) 2001-12-21 2003-06-21 Ausimont Spa Ionomeri fluorurati
FR2854278A1 (fr) * 2003-04-25 2004-10-29 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible a hydrogene/oxygene comprenant des moyens de generation d'hydrogene et d'oxygene
US7485211B2 (en) * 2003-10-10 2009-02-03 Ohio University Electro-catalysts for the oxidation of ammonia in alkaline media
JP4229846B2 (ja) 2004-01-08 2009-02-25 名古屋メッキ工業株式会社 加工品の油剤付着方法
ITMI20040789A1 (it) 2004-04-22 2004-07-22 Solvay Solexis Spa Membrane fluorurate
US7632587B2 (en) * 2004-05-04 2009-12-15 Angstrom Power Incorporated Electrochemical cells having current-carrying structures underlying electrochemical reaction layers
ITMI20050444A1 (it) 2005-03-17 2006-09-18 Solvay Solexis Spa Membrana ionomerica
US7722979B2 (en) * 2005-10-14 2010-05-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cells with hydrophobic diffusion medium
US20070105008A1 (en) * 2005-10-25 2007-05-10 Horizon Fuel Cell Technologies Pte. Ltd Thin film fuel cell assembly
JP2009038014A (ja) * 2007-07-06 2009-02-19 Toshiba Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
US20090130527A1 (en) * 2007-11-21 2009-05-21 Angstrom Power Incorporated Planar fuel cell having catalyst layer with improved conductivity
FR2937478A1 (fr) * 2008-10-22 2010-04-23 Commissariat Energie Atomique Convertisseur electrique dc/dc comprenant au moins une pile a combustible

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002334708A (ja) * 2001-05-08 2002-11-22 Suzuki Motor Corp 燃料電池
JP2007012291A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Equos Research Co Ltd 燃料電池装置

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Publication number Publication date
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