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KR102661696B1 - 납-산 배터리를 위한 촉매 장치, 및 납-산 배터리 - Google Patents

납-산 배터리를 위한 촉매 장치, 및 납-산 배터리 Download PDF

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KR102661696B1
KR102661696B1 KR1020217018863A KR20217018863A KR102661696B1 KR 102661696 B1 KR102661696 B1 KR 102661696B1 KR 1020217018863 A KR1020217018863 A KR 1020217018863A KR 20217018863 A KR20217018863 A KR 20217018863A KR 102661696 B1 KR102661696 B1 KR 102661696B1
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porous membrane
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lead
porous
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고타로 고바야시
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니뽄 고아 고도가이샤
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Abstract

납-산 배터리를 위한 촉매 장치로서, 촉매 장치는, 전해질 용액으로부터의 기체 방출 및 누출로 인한 전해질 용액의 감소를 저감할 수 있고, 그에 따라 긴 수명을 갖는 납-산 배터리를 제공하며, 그리고 심지어 과도한 기체의 유동 시에도 안전을 보장할 수 있는 것인, 촉매 장치가, 제공된다. 촉매 장치를 포함하는 납-산 배터리가, 또한 제공된다. 납-산 배터리를 위한 촉매 장치가: 산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는 촉매 층, 및 160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함하는 다공성 멤브레인을 포함하며, 그리고 상기 촉매 층의 적어도 하나의 표면이, 상기 다공성 멤브레인과 접촉하며, 그리고 상기 다공성 멤브레인은, 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는다. 또한 납-산 배터리가, 상기 촉매 장치를 포함한다.

Description

납-산 배터리를 위한 촉매 장치, 및 납-산 배터리
본 발명은, 납-산 배터리들을 위한 촉매 장치들에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 납-산 배터리를 위한 촉매 장치에 관한 것으로서, 여기서 촉매 장치는, 전해질 용액의 감소를 방지하며 그리고 긴 수명을 가능하게 하고, 그리고 또한 심지어 과도한 기체 유동 시에도 안전을 보장할 수 있는 것이며, 그리고 촉매 장치를 포함하는 납-산 배터리에 관한 것이다.
납-산 배터리들, 특히, 차량용 납-산 배터리들은, 일반적으로, 묽은 황산과 같은 전해질 용액이 그 내부에서 자유롭게 유동할 수 있는, 개방된 구조물을 사용한다. 그러한 구조물을 구비하는 납-산 배터리들은, 충전될 때, 산소 및 수소 기체를 생성하며, 그리고 그에 따라 이러한 기체들을 방출하기 위한 통기구(통기 포트)를 구비한다. 그렇지 않으면, 배터리 내부의 기체 압력은 증가할 것이고, 이는, 배터리의 변형 및 파손으로 이어질 수 있을 것이다.
통기구를 통한 그러한 기체의 누출은, 전해질 용액의 감소로 이어진다. 전해질 용액의 감소는, 배터리의 불충분한 화학 반응을 야기하며, 그리고 감소된 충전 용량 및 방전 용량으로 이어진다.
이러한 문제점들에 대응하여, 다양한 노력들이, 지금까지 이루어져 왔다.
특허문헌 1은, 납-산 배터리를 위한 촉매 부품을 개시하고, 촉매 부품은, 산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매, 그리고 물 또는 수증기의 적어도 일부가 그를 통해 응축되고 및/또는 배터리의 내부로 환류되는 장치를 포함한다. 촉매 부품은, 전해질 용액으로부터의 기체 방출 및 누출로 인한 전해질 용액의 감소를 저감할 수 있고, 그에 따라 긴 수명을 갖는 납-산 배터리를 제공하도록 한다.
특허문헌 2는, 전해질 용액으로부터의 분해된 기체를 재결합하기 위한 촉매 장치를 개시한다. 이러한 촉매 장치는, 촉매 독들(산성 전해질 용액들)을 걸러 내기 위한 그리고 재결합 온도를 제어하기 위한 능력을 갖는다. 더욱 구체적으로, 촉매 장치는, 촉매 독들(예를 들어, 산성 전해질 용액들)이 촉매에 도달하는 것을 방지하기 위해, 기체가 통과하는 것을 허용하지만 액체가 통과하는 것은 허용하지 않는, 다공성 섹션을 포함한다. 다공성 섹션을 통과한 기체들은, 촉매 부위에 도달하고 그곳에서 재결합하며, 그리고 다공성 섹션을 통해 환류될 수 있다.
특허문헌 2는 또한, 그의 용기가, 촉매 작용의 중지를 위해 촉매를 물리적으로 커버하기 위해, 촉매의 반응열로 인해 용융될 수 있는 것인, 촉매 장치를 개시한다.
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 제2017-201594호 특허문헌 2: U.S. 특허번호 제7326489B호
이상에 설명된 바와 같이, 통상적인 납-산 배터리들은, 충전될 때, 납-산 배터리들 내의 전해질 용액의 감소로 이어지도록, 통기구를 통해 산소 및 수소 기체를 외향으로 방출한다. 전해질 용액의 감소는, 감소된 충전 용량 및 방전 용량을 야기하는, 배터리의 불충분한 화학 반응을 야기한다. 임의의 특정 이론에 얽매이고 싶지는 않지만, 전해질 용액 내의 묽은 황산의 증가된 농도는, 양극 플레이트가 용량을 감소시키도록 부식되는 것을 야기할 수 있으며, 그리고 감소된 전해질 용액 레벨은, 방전 용량을 급속하게 감소시키도록 플레이트들을 노출시킬 수 있으며 그리고 추가로 음극 플레이트와 스트랩 사이의 조인트를 부식시킨다.
더불어, 전해질 용액의 감소는 또한, 황산화 및 침투 단락으로 이어질 수 있을 것이다. 황산화는, 황산화는 방전에 의해 생성되는 황산납이 황산납의 벌크 결정을 형성하도록 전하에 의해 이산화납 및 납으로 충분히 분해되지 않을 수 있는, 현상이다. 금속 납으로 환원되기 어려운 그러한 벌크 결정은, 배터리 성능을 저하시키며, 그리고 배터리 수명을 단축시킨다. 부가적으로, 그러한 벌크 결정은, 또한 침투 단락을 수반한다. 벌크 결정은, 전극 상에서 "수지상 결정(dendrite)"으로 침상 결정으로 성장한다. 수지상 결정이 계속 성장하는 경우, 이는, 다른 전극에 도달할 수 있으며 그리고 그로 인해 단락을 야기할 수 있을 것이다. 이는, 더 이상 배터리를 충전하고 방전하는 것을 불가능하게 만드는, 침투 단락이다.
특히 최근에는, 연비를 개선하기 위해 공회전 정지 시스템을 구비하는 자동차들이, 점증적으로 사용되고 있다. 공회전 정지 차량들에서 사용되는 납-산 배터리들은, 공회전 정지 도중에, 공기-조화기 및 팬과 같은 모든 장치들에 전력을 공급한다. 따라서, 납-산 배터리들은, 황산화 및 침투 단락으로 이어지도록, 통상적인 시동 납-산 배터리들과 비교하여 충분히 충전되지 않으며 그리고 낮은 충전 상태에서 사용되는 경향이 있다. 황산화 및 침투 단락은, 전해질 용액의 감소를 방지함에 의해, 방지될 수 있다.
특허문헌 1은, 전해질 용액으로부터의 기체 방출 및 누출로 인한 전해질 용액의 감소를 저감하기 위한 촉매 부품을 개시한다. 달리 표현하면, 납-산 배터리의 내부에서 생성되는 산소 및 수소 기체가, 촉매에 의해 물 또는 수증기를 형성하기 위해 재결합되도록 허용되며, 그리고 배터리 내부로 환류되도록 허용된다. 재결합에 의해 형성되는 그러한 물 또는 수증기는, 촉매 내에 또는 그 근처에 존재하게 되며, 그리고 (예를 들어, 과도한 기체가 온도의 과도한 상승을 야기하도록 유동하는) 안전성에 대한 문제점이, 매우 발생하기 어렵다. 그러나, 예상치 못한 사건들에 대비하여 추가적인 안전 조치를 창안하는 것이 유용하다.
특허문헌 2는, 중지 기능을 구비하는 촉매 장치를 개시한다. 구체적으로, 촉매 장치의 용기가, 촉매 작용의 중지를 위해 촉매를 물리적으로 커버하기 위해, 촉매 작용의 열로 인해 용융된다. 그에 따라, 중지 기능이 일단 작동되면, 촉매는, 촉매 작용이 일어나는 것이 더 이상 가능하지 않도록, 물리적으로 커버된다. 더불어, 용기가 용융된 이후에, 용기 내의 촉매들은, 전해질 내로 유출될 수 있고, 이는 단락될 수 있다. 특허문헌 2에서, 중지 기능은, 촉매 장치의 용기 상에 제공되며, 그리고 더불어 용기는, 촉매에 인접하게 놓이지 않는다. 그에 따라, 상당한 시간이, 촉매 작용의 열이 용기에 전달되는데 소요될 것으로 예상된다.
부가적으로, 특허문헌 2의 촉매 장치가 실제로 작동할 때, 특허문헌 2의 촉매 장치 내에서 온도를 비교적 높도록 (대략 70 내지 90℃) 제어할 필요가 있으며, 그리고 촉매 장치는, 백업용과 같이 충전이 연속적으로 수행되는 환경에서 사용될 수 있지만, 충전이 불연속적으로 수행되며 그리고 온도가 제어 가능하지 않은 환경에서는 사용될 수 없다. 예를 들어, 특허문헌 2의 장치는, 반드시 연속적으로 충전되는 동안에 사용되는 것은 아니며 그리고 추운 지역에서 사용될 수 있는, 차량용 납-산 배터리들을 위해서는 적절하지 않다.
특허문헌 2의 촉매 장치는, 촉매의 온도의 상승을 억제하도록 하기 위해, 기체 유동을 제어하거나, 또는 단지 소량의 기체만을 통과시킬 수 있는, 미세 다공성 멤브레인을 사용한다. 그에 따라, 촉매 장치 내에서 생성되는 수증기는, 효율적으로 배출될 수 없으며, 그리고 촉매 장치 내에 용이하게 유지될 수 있을 것이다. 이상에 언급된 온도 제어 없이는, 장치 내에 유지되는 물은, 섭씨 0도 아래와 같은 차가운 대기 하에서 고화될 수 있으며, 이는, 촉매 장치의 케이스의 변형 또는 파괴 등을 야기할 수 있을 것이다.
이상에 설명된 상황의 관점에서, 본 발명의 목적은, 납-산 배터리를 위한 촉매 장치로서, 촉매 장치는, 전해질 용액으로부터의 기체 방출 및 누출로 인한 전해질 용액의 감소를 저감할 수 있고, 그에 따라 긴 수명을 갖는 납-산 배터리를 제공하며, 그리고 심지어 과도한 기체의 유동 시에도 안전을 보장할 수 있는 것인, 촉매 장치 및 촉매 장치를 포함하는 납-산 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명은, 뒤따르는 양태들을 제공한다.
[1] 납-산 배터리를 위한 촉매 장치로서, 산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는 촉매 층, 및 160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함하는 다공성 멤브레인을 포함하며, 그리고 상기 촉매 층의 적어도 하나의 표면이, 상기 다공성 멤브레인과 접촉하며, 그리고 상기 다공성 멤브레인은, 상기 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는 것인, 촉매 장치.
[2] 항목 1에 있어서, 상기 다공성 멤브레인은, 폴리에틸렌을 포함하는 것인, 촉매 장치.
[3] 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 적어도 2개의 다공성 멤브레인을 포함하고, 상기 다공성 멤브레인들은, 상기 촉매 층의 양자 모두의 평면과 접촉하도록 적층되며, 그리고 선택적으로 상기 다공성 멤브레인들의 둘레 부분들은, 서로에 적층되는 것인, 촉매 장치.
[4] 항목 1 내지 항목 3 중의 어느 한 항목에 있어서, 100 초 이상의 걸리 초(Gurley number)를 가지며 그리고 상기 촉매 층 반대편 측에서 상기 다공성 멤브레인과 접촉하게 되는, 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 더 포함하는 것인, 촉매 장치.
[5] 항목 1 내지 항목 4 중의 어느 한 항목에 있어서, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인을 더 포함하는 것인, 촉매 장치.
[6] 항목 1에 있어서, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 상기 다공성 멤브레인은, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 상기 다공성 멤브레인 내부에, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질을 포함하는 것인, 촉매 장치.
[7] 항목 5 또는 항목 6에 있어서, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 상기 다공성 멤브레인은, 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것인, 촉매 장치.
[8] 항목 1 내지 항목 7 중의 어느 한 항목에 있어서, 상기 촉매 층보다 납-산 배터리의 내부에 더 가깝게 위치되는 소수성 다공성 멤브레인을 더 포함하고, 상기 소수성 다공성 멤브레인은, 20 초 이하의 걸리 초를 갖는 것인, 촉매 장치.
[9] 항목 8에 있어서, 상기 소수성 다공성 멤브레인은, 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것인, 촉매 장치.
[10] 납-산 배터리로서, 항목 1 내지 항목 9 중의 어느 한 항목에 따른 촉매 장치를 포함하는 것인, 납-산 배터리.
본 발명은, 납-산 배터리를 위한 촉매 장치로서, 촉매 장치는, 전해질 용액으로부터의 기체 방출 및 누출로 인한 전해질 용액의 감소를 저감할 수 있고, 그에 따라 긴 수명을 갖는 납-산 배터리를 제공하며, 그리고 심지어 과도한 기체의 유동 시에도 안전을 보장할 수 있는 것인, 촉매 장치 및 촉매 장치를 포함하는 납-산 배터리를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따른 개략적 도면이다.
도 2는, 소수성 다공성 부재의 캐비티들 내에 또는 기공들의 표면 상에 배열되는, 촉매 지지체를 예시하는 개념적 도면이다.
본 발명에 의해 제공되는 납-산 배터리를 위한 촉매 장치는, 산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는 촉매 층, 및 160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함하는 다공성 멤브레인을 포함하며, 그리고 상기 촉매 층의 적어도 하나의 표면이, 상기 다공성 멤브레인과 접촉하며, 그리고 상기 다공성 멤브레인은, 상기 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따른 촉매 장치를 개략적으로 예시하는 도면이다. 본 발명의 하나의 양태가, 도 1을 참조하여 설명될 것이다. 도 1은 납-산 배터리를 위한 촉매 장치의 개략적 단면도를 예시한다. 도면의 하측부가 배터리의 내부이며, 그리고 도면의 상측부가 배터리의 외부이다. 촉매 장치의 하측부(배터리의 내부)에 전해질 용액(미도시)이 존재한다. 납-산 배터리 내의 전해질 용액이 수용성 묽은 황산 용액이기 때문에, 전해질 용액(수용성 묽은 황산 용액), 황산 연무, 수분, 배터리 반응에 의해 생성되는 수소 기체 및 산소 기체가, 배터리 내부 공간 내에 존재한다.
수소 기체 및 산소 기체가, 산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는, 촉매 층(1) 내에서 유동할 때, 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응이, 촉매 층(1) 내에서 진행된다. 배터리 반응에 의해 생성되는 수소 기체 및 산소 기체는, 물 또는 수증기를 형성하기 위해 촉매 층(1) 내에서 재결합되며, 그리고 물 또는 수증기는, 일부의 경우에, 응축되고 및/또는 배터리의 내부로 환류되고, 이는, 배터리 내부의 전해질 용액의 저감된 감소를 야기한다.
촉매 층(1) 내에서 생성되는 물은, 액체의 형태 뿐만 아니라 수증기의 형태로 방출될 수 있다. 이는, 자동차 배터리의 경우에서와 같이, 배터리가 반복적으로 작동 상태에 놓이고 비작동 상태에 놓일 때, 특히 유리하다. 이유는, 작동 중의 배터리가 비 작동 상태에 놓일 때, 배터리의 온도는 감소하며, 그리고 그때까지 생성되는 물 또는 수증기는, 급속도로 액체로 응축된다는 것이다. 액체 뿐만 아니라 수증기가 촉매 층(1)으로부터 방출될 수 있기 때문에, 물은, 촉매 층(1) 내에 남지 않을 수 있을 것이다. 따라서, 심지어 대기 온도가 섭씨 0도 아래만큼 낮을 때에도, 물은, 촉매 층(1)의 케이스의 파괴, 등을 야기할 수 있는, 촉매 층(1) 내에서의 고화로부터 회피된다. 달리 표현하면, 본 발명의 촉매 장치의 사용은, 특허문헌 2에서와 같이 수증기를 형성하기 위한 온도 제어의 필요성을 제거한다.
본 발명의 촉매 장치는, 촉매 층(1)에 부가하여, 160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함하는, 다공성 멤브레인을 포함한다. 부가적으로, 촉매 층의 적어도 하나의 표면이, 다공성 멤브레인과 접촉한다. 더불어, 다공성 멤브레인은, 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는다.
다공성 멤브레인은, 도 1에서 다공성 멤브레인(2)으로서 예시된다. 배터리 반응에 의해 생성되는 수소 기체 및 산소 기체는, 촉매 층(1) 내에서 서로 반응한다. 이러한 반응은, 흡열 반응이다. 과도한 양의 수소 기체 및 산소 기체가 예상치 못한 사건에 의해 촉매 층(1) 내에서 유동할 때, 촉매 층(1) 내의 반응은 과도하게 진행될 수 있으며, 그로 인해 촉매 층(1) 및 그 근처의 온도의 과도한 증가를 야기하도록 한다. 일반적으로, 온도의 증가는, 촉매 활성의 향상을 야기할 수 있으며, 그리고 그에 따라, 열적 폭주 및 점화로 이어지는, 반응 속도의 추가적인 증가를 야기한다. 본 발명에서, 촉매 층(1)의 적어도 하나의 표면은, 다공성 멤브레인(2)과 접촉하며, 그리고 다공성 멤브레인(2)은, 160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함한다. 촉매 층(1)은, 다공성 멤브레인(2)과 접촉하며, 그로 인해 촉매 작용의 열이 다공성 멤브레인(2)에 쉽게 전달되는 것을 허용하도록 한다. 다공성 멤브레인(2)은 그에 따라, 160℃ 이하의 온도에서의 용융 또는 유리 전이에 의해 체적이 변화된다. 그에 따라 다공성 멤브레인(2) 내의 기공들의 크기가 추가로 감소되거나, 또는 그러한 기공들이 폐쇄되고, 따라서 기체가, 다공성 멤브레인(2)을 빠르게 통과하지 못하게 되며, 그리고 접촉하는 기체가, 촉매 층(1) 내에서 거의 유동하지 않도록 하여, 그로 인해 촉매 작용을 억제하도록 한다. 따라서, 촉매 작용의 열은, 신속하게 감소되며, 그리고 촉매 층(1) 및 그 근처의 온도의 증가가, 억제된다.
열가소성 수지의 용융점 또는 유리 전이 온도는, 생성되는 기체의 양, 촉매 성능, 및 이와 유사한 것에 의존하여, 적절하게 선택될 수 있다. 용융점은 100℃ 내지 180℃일 수 있으며, 그리고 유리 전이 온도는 60℃ 내지 160℃일 수 있을 것이다.
열가소성 수지는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드일 수 있을 것이다. 표 1은, 그러한 열가소성 수지들 각각에 대한 용융점 및 유리 전이 온도를 나타낸다.
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특허문헌 2가 중지 기능을 개시하는 가운데, 기능은, 촉매 장치의 용기 상에 제공되며, 그리고 더불어 용기는, 촉매에 인접하게 놓이지 않는다. 그에 따라, 상당한 시간이, 촉매 작용의 열이 용기에 전달되는데 소요될 것으로 예상된다. 달리 표현하면, 촉매 작용은, 신속하게 억제될 수 없다. 특허문헌 2에서, 촉매 장치의 용기는, 촉매 작용의 중지를 위해 촉매를 물리적으로 커버하기 위해, 촉매 작용의 열로 인해 용융된다. 따라서, 중지 기능이 일단 작동되면, 촉매는, 촉매 반응이 일어나는 것이 더 이상 가능하지 않도록, 물리적으로 커버된다. 더불어, 용기가 용융된 이후에, 용기 내의 촉매들은, 전해질 내로 유출될 수 있고, 이는 단락될 수 있다. 본 발명에서, 첫째, 다공성 멤브레인(2) 내의 기공들은, 크기가 추가로 감소되거나, 또는 기공들은, 그로 인해 기체의 유량이 감소되는 것을 허용하도록, 폐쇄된다. 달리 표현하면, 본 발명은, 촉매를 자체에 의해 커버하는 것을 목표로 하지 않는다. 그에 따라, 촉매 작용은, 후속적으로 계속될 수 있고, 그에 따라 긴 수명을 갖는 배터리를 제공하도록 한다.
본 발명의 다공성 멤브레인(2)은, 촉매 층(1)의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는다. 기능 효과가, 설명된다.
다공성 멤브레인(2)은, 용융 또는 유리 전이에 의한 다공성 멤브레인(2)의 체적의 변화로 인해 수축될 수 있을 것이다. 다공성 멤브레인(2)이 수축될 때 그리고 그에 따라 촉매 층(1)과 적게 접촉할 때, 이는, 다공성 멤브레인(2)으로 커버되지 않는 촉매 층(1)의 일부분 및 촉매 층(1)으로의 남아 있는 유동 경로를 생성한다. 이러한 경우에, 촉매 층(1) 내에서의 모든 반응이 억제되는 것은 아니며, 그로 인해 촉매 층(1) 및 그 근처의 온도의 증가를 야기하도록 한다. 그러나, 본 발명의 다공성 멤브레인(2)은, 촉매 층(1)의 평면 크기와 동등하거나 또는 그 보다 큰 평면 크기를 가지며, 그리고 그에 따라, 촉매 층(1)을 커버할 수 있으며 그리고 심지어 열 수축 이후에도 임의의 가스가 촉매 층(1) 내에서 쉽게 유동하는 것을 허용하지 않을 수 있을 것이다. 따라서, 촉매 층(1) 및 그 근처의 온도의 그러한 증가는, 더 높은 속도로 억제될 수 있다.
더불어, 본 발명에서, 촉매 층(1)의 표면이, 다공성 멤브레인(2)과 접촉한다. 그에 따라, 다공성 멤브레인(2)의 열 수축이 시도될 때, 마찰 저항이, 촉매 층(1)의 접촉 표면 상에 생성되고, 그로 인해 다공성 멤브레인(2)의 열 수축을 억제하도록 한다. 부가적으로, 다공성 멤브레인(2)은, 촉매 층(1)의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 더 큰 평면 크기를 갖는다. 그에 따라, 임의의 기체가, 다공성 멤브레인(2)을 통과하지 않고, 촉매 층(1)에 도달할 수 없다. 마찰 저항을 증가시키기 위해, 하중이, 촉매 층(1) 및 다공성 멤브레인(2)의 적층 두께 방향으로 가해질 수 있거나, 또는 촉매 층(1) 및 다공성 멤브레인(2)이, 적층 두께 방향으로 압력 접합될 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 양태에서, 다공성 멤브레인(2)은, 촉매 층(1)의 양자 모두의 평면과 접촉하도록 적층될 수 있거나, 또는 다공성 멤브레인(2)의 둘레 부분들이, 선택적으로 서로에 적층될 수 있을 것이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 2개의 다공성 멤브레인(2)이, 촉매 층(1)의 양자 모두의 평면에, 즉 상측 평면 및 하측 평면에, 접촉하도록 적층될 수 있을 것이다. 대안적으로, 하나의 다공성 멤브레인이, 촉매 층(1)의 양자 모두의 측면을 커버하는 외피(envelope)를 형성하도록 하기 위해, 촉매 층(1) 둘레에 둘러싸일 수 있을 것이다. 다공성 멤브레인(2)은, 촉매 층의 상측 평면 및 하측 평면 상에 적층되고, 그로 인해 기체 유동에 대한 저항을 증가시키도록 한다. 그에 따라, 기체가, 촉매 층(1) 내에서 거의 유동하지 않으며, 그리고 촉매 작용이 억제되고, 따라서 촉매 층(1) 및 그 근처의 온도의 증가가, 더 높은 속도로 감소될 수 있다.
더불어, 다공성 멤브레인(2)은, 촉매 층(1)의 평면 크기와 동등하거나 또는 그 보다 더 큰 평면 크기를 가지며, 그리고 그에 따라, 다공성 멤브레인(2)의 상측 둘레 부분 및 하측 둘레 부분이, 서로에 적층될 수 있을 것이다. 촉매 층(1)의 상측 평면 및 하측 평면 뿐만 아니라, 그의 횡방향 측면들 또한, 다공성 멤브레인(2)에 의해 둘러싸일 수 있을 것이다. 다공성 멤브레인(2)을 통과하지 않고, 기체가 촉매 층(1)의 횡방향 측면들에서 직접적으로 유동하도록 야기하는 것이, 방지될 수 있다. 바람직하게, 촉매 층(1)의 횡방향 측면들은, 다공성 멤브레인(2)과 접촉할 수 있을 것이다. 촉매 층(1)이 다공성 멤브레인(2)과 접촉할 때, 촉매 작용의 열은, 다공성 멤브레인(2)으로 쉽게 전달될 수 있고, 그로 인해 다공성 멤브레인(2)의 기공들이 추가로 크기가 감소되거나 폐쇄되는 것을 신속하게 허용하도록 한다.
본 발명의 하나의 양태에서, 촉매 장치는, 100 초 이상의 걸리 초를 가지며 그리고 촉매 층 반대편 측에서 다공성 멤브레인과 접촉하게 되는, 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인(다공성 ePTFE 멤브레인)(3)을 더 포함할 수 있을 것이다.
걸리 초는, JIS P 8117:1998에 기초하여 평가된다. 걸리 초는, 100cm3의 공기가 1.29 kPa의 압력에서 6.45cm2의 면적을 갖는 샘플을 수직으로 통과하는 시간(초(s))을 지칭한다. 걸리 초는, 공기 투과도의 지수이다. 심지어 다공성 멤브레인(2)이 열 수축 또는 이와 유사한 것에 의해 파손되는 때에도, 다공성 ePTFE 멤브레인(3)은, 기체가 촉매 층(1) 내에서 과도하게 유동하는 것을 억제할 수 있다. 다공성 멤브레인(2)이, 용융되거나 또는 유리 전이 종속될 때, 용융된 다공성 멤브레인(2) 또는 이와 유사한 것은, 다공성 ePTFE 멤브레인(3) 내의 기공들이 크기가 감소되거나 또는 폐쇄되는 것을 허용한다. 따라서, 다공성 ePTFE 멤브레인(3)은, 공기 투과도가 감소되고, 기체가 촉매 층(1) 내에서 거의 유동하지 못하도록 하며, 그리고 더욱 확실하게 촉매 작용을 억제하도록 한다. 다공성 ePTFE 멤브레인(3)의 걸리 초는, 촉매 층(1)의 촉매 활성, 생성되는 기체의 예측되는 양, 및 이와 유사한 것에 의존하여, 적절하게 조절될 수 있을 것이다. 100 초 이상의 걸리 초가, 촉매 층(1) 내에서 유동하는 기체의 양을 충분히 감소시킬 수 있다. 다공성 ePTFE 멤브레인(3)은, 촉매 층(1)의 촉매 층(1)의 상측면 및 하측면 중의 단지 어느 하나 또는 양자 모두 상에 제공될 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 양태에서, 촉매 장치는, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4)을 더 포함할 수 있을 것이다.
촉매 독의 하나의 예가, 전해질 용액 내의 묽은 황산, 또는 H2S와 같은 묽은 황산으로부터 생성되는 황화물이다. 촉매 독은, 촉매와 접촉할 때, 촉매의 촉매적 성능을 감소시킨다. 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질은, 활성탄, ZnO, 탄산 칼륨, 또는 이와 유사한 것일 수 있으며, 그리고 그러한 재료들은, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있다. 따라서, 촉매 장치가 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4)을 포함할 때, 촉매적 성능의 감소가, 억제될 수 있다.
바람직하게, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질은, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4) 내부에 포함될 수 있을 것이다. 문구 "다공성 멤브레인(4) 내부에"는, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질이, 다공성 멤브레인(4)의 캐비티들 내부에 또는 기공들의 표면 상에 존재하거나 배열될 수 있다는 것을, 의미한다. 이러한 경우에, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질은, 다공성 멤브레인(4)의 캐비티들 내에서 또는 표면 상에서 노출되며, 그리고 쉽게 촉매 독과 접촉하여, 촉매 독의 흡수 또는 분해를 가능하게 한다.
촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4) 내에, 예를 들어, 폴리프로필렌 및 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)이 사용될 수 있으며, 그리고 직물들, 부직포들, 편물들, 이들의 다공성 멤브레인들이, 또한 사용될 수 있을 것이다. 바람직하게, 다공성 멤브레인(4)은, 다공성 ePTFE를 포함할 수 있을 것이다. ePTFE가 본질적으로 소수성을 갖기 때문에, 다공성 멤브레인(4)은, 배터리 내부에서 전해질 용액으로의 물 또는 수증기의 환류를 가능하게 하도록, 촉매 층(1)에서 생성되는 물 또는 수증기를 통과시키거나 또는 배출(제거)할 수 있다. ePTFE 또는 이와 유사한 것을 포함하는 다공성 멤브레인(4)은, 친수화 처리에 종속될 수 있다. 친수화 처리에서, 금속 산화물 겔이, 사용될 수 있을 것이다. 구체적으로, 친수성 금속 산화물의 졸(sol)이 제공되며, 그리고 다공성 부재가, 이후에 겔화되는, 졸 내에 침지된다. 이러한 방식으로, 다공성 부재의 기공들의 내부 표면이, 친수성 산화물 겔에 의해 수정될 수 있다. 예를 들어, 졸-겔 프로세스에 기초하여, 부재의 표면은, 친수화를 위해 실리카 재료로 코팅될 수 있을 것이다. 그러한 친수화는, 플라즈마 또는 이와 유사한 것을 동반하는 표면 처리에 의해 실행될 수 있다. 다공성 멤브레인(4)은, 친수화에 종속될 수 있으며, 그로 인해 촉매 독에 대한 젖음성(wettability)이 향상되는 것을 허용하도록 한다. 따라서, 촉매 독이, 더욱 확실하게 흡수 또는 분해될 수 있다. 친수화 처리의 정도는, 촉매 내에 생성되는 수분의 환류의 작용 및 촉매 독의 흡수 능력의 작용에 대한 비교 고려에서, 적절하게 설정될 수 있다.
촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4)은, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질과 폴리테트라플루오로에틸렌을 혼합함에 의해 그리고 이어서, 그들의 혼합물을 다공화함에 의해 또는 팽창을 통해 그들의 혼합물을 다공화함에 의해, 생성될 수 있을 것이다. 미리 혼합된 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질과 폴리테트라플루오로에틸렌의 팽창을 통해, 노드들(nodes) 및/또는 미소섬유들(fibrils)에 의해 한정되는 미세 캐비티들이, 폴리테트라플루오로에틸렌 내에 형성되며, 그러한 미세 캐비티들 내에, 촉매 독을 흡수하거나 분해할 수 있는 물질이 유지된다.
본 발명의 하나의 양태에서, 촉매 장치는 추가로, 촉매 층(1)보다 납-산 배터리의 내부에 더 가깝게 위치되는, 소수성 다공성 멤브레인(5)을 포함한다. 소수성 다공성 멤브레인(5)은, 수증기가 유지되지 않을 수 있도록, 높은 기체 투과도를 갖는 다공성 멤브레인을 사용할 수 있을 것이다. 20 초 이하의 걸리 초가, 높은 기체 투과도를 야기한다.
그에 따라, 소수성 다공성 멤브레인(5)은, 수소 기체 및 산소 기체가 촉매 층(1) 내에서 유동하는 것을 억제하지 못한다.더불어, 촉매 층(1) 내에 생성되는 수증기는, 납-산 배터리의 내부로 쉽게 환류되며, 그리고 촉매 장치 내에 유지되지 않을 수 있을 것이다. 더불어, 소수성(발수성)인, 소수성 다공성 멤브레인(5)은, 촉매의 수명을 증가시키기 위해, 황산 연무 및 전해질 용액(수용성 묽은 황산 용액)이 촉매 층(1)의 촉매와 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 소수성 다공성 멤브레인(5)은 바람직하게, 황산의 염들과 같은, 배터리 내부의 다른 재료들과 반응하지 않는다. 예를 들어, 폴리프로필렌 및 PTFE가 사용될 수 있으며, 그리고 직물들, 부직포들, 편물들, 및 이들의 다공성 멤브레인들이, 또한 사용될 수 있을 것이다. 소수성 다공성 멤브레인(5)은, 다공성 ePTFE 멤브레인(3) 및 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4)과 유사하게, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌일 수 있을 것이다. 소수성, 화학적 저항성, UV 저항성, 산화 저항성, 내열성과 같은 탁월한 특성들을 갖는, 폴리테트라플루오로에틸렌은, 배터리의 구성 재료로서 적합하다. 대안적으로, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌을 팽창시키는 것은, 다공성 부재를 쉽게 제공할 수 있다.
촉매 작용에 의해 생성되는 물 또는 수증기의 적어도 일부가, 촉매 층(1) 및 다공성 부재(2), 그리고 선택적으로 다공성 ePTFE 멤브레인(3), 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인(4) 및/또는 소수성 다공성 멤브레인(5)을 통해, 납-산 배터리의 내부로 환류될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에서, 촉매 장치는, 생성되는 물 또는 수증기의 적어도 일부가 그 내부에서 응축될 수 있는, 공간을 구비할 수 있으며, 그리고 또한, 촉매 작용에 의해 생성되는 물 또는 수증기 그리고 공간 내에서 응축되는 물이 그를 통해 배터리의 내부 내부로 환류될 수 있는, 경로를 구비할 수 있을 것이다. 공간의 적어도 일부 또는 전부가 경로로서 지칭될 수 있으며 그리고 경로의 적어도 일부 또는 전부가 공간으로서 지칭될 수 있다는 것을, 알아야 한다. 도 1의 (A)가, 배열의 하나의 예를, 즉 생성되는 물 또는 수증기의 적어도 일부가 응축될 수 있는 공간, 그리고 촉매 작용에 의해 생성되는 물 또는 수증기 그리고 공간 내에서 응축되는 물이 그를 통해 배터리의 내부로 환류될 수 있는 경로의 예를, 나타낸다.
더불어, 본 발명의 촉매 장치는, 전체적으로 기체 투과성일 수 있을 것이다. 기체 투과도는, 촉매 층 내의 촉매의 다공도 또는 충전비, 또는 다공성 멤브레인의 공기 투과도, 등을 조절함에 의해 달성될 수 있다. 그로 인해, 배터리의 내부의 압력이 특정 값을 초과할 때, 기체는, 배터리의 내부의 압력을 감소시키기 위해 배터리 밖으로 방출될 수 있다. 특정 값의 압력이, 배터리의 케이스의 재료의 압력 저항성의 관점에서, 또는 촉매 장치를 제외한 부분의, 예를 들어, 안전 밸브, 등의, 기체 투과도의 관점에서, 선택될 수 있을 것이다. 결과적으로, 전체적으로 기체 투과성인 촉매 장치는, 배터리에 대한 치명적인 손상을 방지하기 위해, 배터리의 폭발 방지성을 개선할 수 있으며, 그리고 안전성을 개선하도록 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 본 발명의 촉매 장치는, 촉매 장치 케이스 또는 스페이서 내에 수용되는 본질적인 구성 요소들 및 선택적인 구성 요소들을 포함할 수 있을 것이다. 촉매 장치 케이스 또는 스페이서는, 촉매 장치의 형태를 한정하도록, 그리고 각 구성 요소의 배열 및 납-산 배터리에 대한 그들의 부착을 가능하게 하도록, 형성될 수 있을 것이다. 촉매 장치 케이스 또는 스페이서는 또한, 생성되는 물 또는 수증기의 적어도 일부가 응축될 수 있는 공간을 구비하도록, 형성될 수 있을 것이다. 촉매 장치 케이스 또는 스페이서는, 다공성 부재, 멤브레인형 부재, 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있을 것이다.
케이스 또는 스페이서의 예들은, 폴리프로필렌(PP)과 같은, 수지 재료들로 이루어지는 케이스들 또는 스페이서들을 포함한다. 다공성 부재의 예들은, 폴리프로필렌(PP), 및 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은, 수지 재료들의 소결된 다공성 부재들을 포함한다. 멤브레인형 부재의 예들은, 폴리프로필렌(PP) 및 PTFE와 같은 수지 재료들로 이루어진, 직물들, 부직포들, 편물들 및 다공성 멤브레인들을 포함한다. 케이스 또는 스페이서 그리고 수용되는 구성 요소들의 치수들은, 그로 인해 열 수축과 같은 변형을 감소시키기 위해 다공성 멤브레인(2)에 적합한 부하를 가하도록, 적절하게 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 이상에 설명된 촉매 장치를 포함하는 납-산 배터리가, 제공된다. 촉매 장치를 포함하는 납-산 배터리는, 그에 따라 긴 수명을 갖는 납-산 배터리를 제공하도록, 전해질 용액으로부터의 기체 방출 및 누출로 인한 전해질 용액의 감소를 저감하는 것을 허용할 수 있으며, 그리고 심지어 과도한 기체의 유동 시에도 안전이 보장되는 것을 허용할 수 있다.
납-산 배터리는, 전지들을 포함할 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 각각의 전지들은, 본 발명의 촉매 장치를 갖도록 제공될 수 있을 것이다. 전지들이 존재할 때, 전지 내의 전해질 용액으로부터 유발되는 촉매적으로 생성되는 물 또는 수증기은, 다른 전지들로 이동할 수 있다. 이러한 경우에, 전해질 용액의 양은, 전지마다 상이할 수 있다. 각 전지 내의 적어도 하나의 촉매 장치가, 각 전지 내에서 생성되는 수소 기체 및 산소 기체가 각 전지 내의 촉매 층(1) 내에서 재결합하도록 도움을 줄 수 있으며, 그리고 생성된 물 또는 수증기가 전지(물 또는 수증기가 그로부터 유발되는 것인 전지)로 환류되도록 도움을 줄 수 있을 것이다. 이는, 전지마다의 전해질 용액의 양의 차이를 회피하는데 유용하다.
본 발명의 하나의 양태에서, 촉매 층(1)은, 소수성 다공성 부재를 포함할 수 있을 것이다. 촉매 층(1) 내에서, 배터리 반응에 의해 생성되는 수소 기체 및 산소 기체는, 물 또는 수증기를 형성하도록 재결합하며, 그리고 촉매 층(1)은, 습해지는 경향이 있다. 촉매가 물 또는 수증기에 의해 커버될 때, 수소 기체 및 산소 기체는, 촉매와 접촉하기 덜 쉬우며, 그리고 촉매 반응(재결합 반응)은, 덜 효율적인 경향이 있다. 촉매 층(1) 내의 소수성 다공성 부재는, 촉매 반응(재결합 반응)의 효율성의 감소를 방지하기 위해, 촉매 층(1) 밖으로의 생성된 물 또는 수증기의 방출을 용이하게 한다. 소수성 다공성 부재는 또한, 배터리 내부의 전해질 용액으로의 생성된 물 또는 수증기의 환류를 용이하게 한다.
바람직하게, 촉매 층(1) 내에, 촉매를 지지하는 촉매 지지체가, 촉매 층(1)(소수성 다공성 부재)의 캐비티들 내에 또는 기공들의 표면 상에 배열될 수 있을 것이다(도 2 참조). 이러한 경우에, 촉매 지지체, 특히, 촉매는, 촉매 층(1)의 캐비티들 내에 노출되며 그리고, 물을 생성하기 위한 반응을 용이하게 하도록, 쉽게 수소 기체 및 산소 기체와 접촉한다. 촉매 층(1)이 소수성 다공성 부재를 포함할 때, 생성되는 물은, 촉매의 수명을 증가시키도록, 근처의 소수성 다공성 부재에 의해 쉽게 방출된다. 소수성 다공성 부재는 또한, 배터리 내부의 전해질 용액으로의 생성된 물 또는 수증기의 환류를 용이하게 한다.
촉매 층(1)은, 이상의 것과 다른 형태들일 수 있으며, 그리고 촉매 지지체는, 분말, 성형된 분말, 또는 펠릿형 분말(pelletized powder)의 형태일 수 있을 것이다.
촉매 층(1)(또는 소수성 다공성 부재)은 바람직하게, 황산의 염들과 같은, 배터리 내부의 다른 재료들과 반응하지 않는다. 예를 들어, 폴리프로필렌 및 PTFE가 사용될 수 있으며, 그리고 직물들, 부직포들, 편물들, 및 이들의 다공성 멤브레인들이, 또한 사용될 수 있을 것이다. 촉매 층(1)(또는 소수성 다공성 부재)은, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)일 수 있을 것이다. 본질적으로 소수성, 화학적 저항성, UV 저항성, 산화 저항성, 내열성과 같은 탁월한 특성들을 갖는, 폴리테트라플루오로에틸렌은, 배터리의 구성 재료로서 적합하다. 다공성으로 만드는 것은, 발포제를 사용하여 달성될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌을 팽창시키는 것은, 다공성 부재를 쉽게 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로, 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌은, 노드들(매듭들) 및 미소섬유들(작은 섬유들)로 구성된다. 촉매 또는 촉매 지지체가, 노드들 및 미소섬유들에 의해 한정되는, 미세 캐비티들(미세 기공들) 내에 유지된다. 노드들 및 미소섬유들은 양자 모두 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지며, 그리고 이들 사이의 차이는, 폴리테트라플루오로에틸렌 분자들의 응집 또는 결정화의 상태에 관한 차이로 인한 것으로 생각된다. 일반적으로, 노드가, 폴리테트라플루오로에틸렌 1차적 입자들의 응집인 반면, 미소섬유는, 노드, 즉 1차적 입자들로부터 팽창되는, 결정 리본들의 다발로 이루어지는 것으로, 생각된다.
촉매 층(1)(또는 소수성 다공성 부재)은, 촉매 지지체와 폴리테트라플루오로에틸렌을 혼합하는 것 그리고 이어서 팽창을 통해 이들의 혼합물을 다공화하는 것에 의해, 생성될 수 있을 것이다. 미리 혼합된 촉매 지지체와 폴리테트라플루오로에틸렌의 팽창을 통해, 노드들 및/또는 미소섬유들에 의해 한정되는 미세 캐비티들이, 폴리테트라플루오로에틸렌 내에 형성되며, 그러한 미세 캐비티들 내에, 촉매 지지체가 유지된다.
대안적으로, 촉매 지지체 및/또는 촉매 자체를 수용하는, 팽창된 다공성 PTFE 섬유가, 폴리테트라플루오로에틸렌을 촉매 지지체 및/또는 촉매 자체와 함께 혼합함에 의해 그리고 혼합물을 팽창시킴에 의해, 생성될 수 있을 것이다. 직물들 및 섬유를 사용하여 생성된 펠트(felt)들이, 촉매 층(1)으로서 사용될 수 있을 것이다.
촉매 층(1)은, 촉매 금속을 지지하는 촉매 지지체를 포함할 수 있을 것이다. 촉매 금속은, 물을 형성하기 위해 수소 및 산소를 재결합하기 위한 임의의 촉매일 수 있으며, 그리고 예들은, Pd, Pt, 및 Au를 포함한다. 촉매를 지지하는 지지체는, 요구되는 분산 상태에서 촉매를 지지하기에 충분한 비표면적을 갖는, 임의의 지지체일 수 있을 것이다. 지지체는, 실리카, 알루미나, 제올라이트, 탄소, IVB 족, VB 족, VIB 족, VIIB 족 및 VIII 족 전이 금속들의 산화물들 및 탄화물들, 그리고 이들의 조합들로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 대안적으로, 지지체는, 탄소 재료일 수 있을 것이다. 지지 재료가 요구되는 반응과 상이한 화학 반응에 영향을 미치는 것 또는 지지 재료를 구성하는 물질이 응축된 물과 접촉 시 용출되는 것은, 바람직하지 않다. 이 점에 있어서, 탄소 재료들은, 화학적으로 안정적이며, 그리고 바람직한 지지 재료들이다. 탄소 재료들의 예들은, 카본 블랙(예를 들어, 오일 용광로 블랙, 채널 블랙, 램프 블랙, 써멀 블랙, 및 아세틸렌 블랙), 활성탄, 코크스, 천연 흑연, 및 인조 흑연을 포함한다. 이들은, 조합으로 사용될 수 있을 것이다.
예들
본 발명은 지금부터, 예들 및 비교예들을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 그러나 뒤따르는 예들은, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
(예 1)
촉매 층(1)은, 뒤따르는 바와 같이 제공되었다. 5 중량% Pd 촉매/활성탄-지지 촉매가, 제공되었으며, 그리고 촉매는, 알루미나 충진제(충진비: 70 중량%)와 혼합되었으며 그리고, 그로 인해 촉매 층(1)을 제공하도록, 소결되었다. 촉매 층(1)의 평면 크기보다 더 큰 평면 크기를 갖는, 폴리에틸렌(용융점: 130℃)의 2개의 다공성 멤브레인이, 다공성 멤브레인들(2)로서 제공되었다. 함몰된 부분을 갖도록 제공되는 촉매 장치 케이스가, 촉매 층(1) 및 다공성 멤브레인들(2)의 표면을 수용할 수 있도록 하기 위해, 제공되었다. 촉매 층(1)은, 다공성 멤브레인들(2)에 의해 사이에 끼워졌고, 따라서 촉매 층(1)의 표면들은, 각각의 다공성 멤브레인(2)의 표면들과 접촉했으며, 그리고 촉매 장치 케이스의 함몰된 부분 내에 수용되었다. 획득된 촉매 장치는, 납-산 배터리를 시뮬레이션하도록 제공되는 챔버에 부착되었다. 전해질 용액이, 사용되지 않았다. 대신에, 수소 기체 및 산소 기체가, 촉매 장치로 급송되었다. 산소 및 수소는, 화학량론적 비에 따라 1:2의 비로 급송되었다. 수소는, 57 ml/분(5 A에 대응) 내지 226 ml/분(20 A에 대응)의 범위의 유량으로 급송되었다. 제시된 예 1에서, 심지어 수소가 5 분 이상 동안 226 ml/분(20 A에 대응)에서 계속 유동되었을 때, 촉매 층(1)의 온도는, 최대 약 100℃이었다. 그에 따라, 다공성 멤브레인들(2)은, 용융되지 않았으며, 그리고 촉매 반응이, 그로 인해 산소 및 수소가 물을 형성하기 위해 재결합하는 하는 것을 가능하게 하도록, 계속되었다.
더불어, 우리는, 다공성 멤브레인(2) 대신에, 촉매 층(1)의 평면 크기와 동등한 평면 크기를 갖는 폴리에틸렌의 2개의 다공성 멤브레인(2)’을 사용하는 것을 동반하여, 이상의 실험들을 재현했다. 결과적으로, 다공성 멤브레인들(2)’을 동반하는 실험적 결과들은, 다공성 멤브레인(2)의 결과와 동일했다.
단지 촉매 층(1)이 촉매 장치 케이스 내에 수용된 촉매 장치가, 비교예로서 제공되었다. 달리 표현하면, 촉매 장치는, 다공성 멤브레인(2)와 갖도록 제공되지 않았다. 수소 및 산소가 촉매 장치로 급송되었을 때, 촉매 층(1)의 온도는, 57 ml/분(5 A에 대응함)의 수소가 10 분 동안 급송된 이후에, 150℃를 초과했다. 그러한 온도는, 다공성 멤브레인(2)의 재료로서의 폴리에틸렌의 용융점을 초과했다.
촉매 층(1) 및 다공성 멤브레인들(2)은, 촉매 장치 케이스의 함몰된 부분 내에 수용되었으며, 따라서 촉매 층(1)의 표면들은, 다른 비교예와 같이, 각각의 다공성 멤브레인(2)의 표면들과 접촉하지 않았다. 촉매 층(1) 및 다공성 멤브레인들(2)의 적층 순서는, 예 1과 동일했다. 그에 따라, 공간이, 촉매 층(1)과 다공성 멤브레인들(2) 사이에 존재했다. 수소 및 산소가 촉매 장치로 급송되었을 때, 170 ml/분(15 A에 대응함)의 수소가 급송된 이후에, 촉매 층(1)의 온도는 150℃를 초과했으며 그리고 다공성 멤브레인들(2)은 용융되었다. 이유로서, 다공성 멤브레인들(2)이 촉매 층(1)과 접촉하지 않았으며 그리고 그에 따라 마찰 저항이 그들 사이에서 작용하지 않은 것이, 생각되었다. 따라서, 다공성 멤브레인들(2)은, 그로 인해 온도의 증가를 야기하기 위한 촉매 반응을 가능하게 하도록, 산소 및 수소가 다공성 멤브레인들(2)을 통과하지 않고 촉매 층(1)에 도달하는 것을 야기하도록 열적으로 수축되었다.
(예 2)
예 1에 제공된 촉매 장치는, 촉매 반응에 의한 재결합으로 인해 생성되는 물의 어느 정도가 환류되었는지를 확인하기 위해 사용되었다. 수소 및 산소가, 60℃에서 2.7 ml/분 및 1.8 ml/분의 개별적인 유량들로, 챔버에 부착된 촉매 장치에 급송되었다.
촉매 부품의 환류 성능은, 급송되는 모든 산소 및 수소가 반응되었고 재결합되었을 때 형성될 수 있는 물 또는 수증기의 양에 기초하는, 테스트 이후에 챔버 내에 수집된 물의 양(%)에 의해 정의되었다.
예 2에서, 환류 성능은, 70%였다. 달리 표현하면, 챔버 내에 수집된 물의 양은, 70%였다. 촉매 장치 내에 잔류하는 물의 양은, 0%였다.
참조예로서 특허문헌 2에 기초하는 제품에서, 동일한 조건 하에서의 환류 성능은, 50%였다. 여기서, 환류 성능의 4%는, 제품 내에 잔류하는 물에 기인한 것이었다.
이상의 테스트의 완료 이후에, 촉매 장치는, 30℃의 온도의 환경 내에 보관되었으며, 그리고 이상에 설명된 것과 동일한 방식으로 다시 테스트되었다. 본 발명의 촉매 장치에서, 환류 성능의 감소는 확인되지 않았다. 참조예로서 특허문헌 2에 기초하는 제품에서, 환류 성능은, 보관 이전의 값에 대해 약 20%까지 감소되었다. 이유는, 참조예의 제품 내에서 비교적 높은 온도(대략 70 내지 90℃)가 되도록 온도를 제어하는 것이 바람직했기 때문인 것으로, 생각되었다.
(예 3)
100 초 이상의 걸리 초를 가지며 그리고 촉매 층(1) 반대편 측면 상에서 다공성 멤브레인들(2)과 접촉하는, 2개의 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인(3)이, 예 1에 제공된 촉매 장치 내에 추가로 수용되었다. 수소 및 산소는, 예 1에서와 동일한 조건 하에서 급송되었다. 예 3의 촉매 장치에서 획득된 결과는, 예 1의 결과와 거의 동일했다. 달리 표현하면, 심지어 226 ml/분(20 A에 대응함)의 수소가 5 분 이상 계속 유동되었을 때에도, 촉매 층(1)의 온도는, 최대 약 100℃였다. 그에 따라, 다공성 멤브레인들(2)은, 용융되지 않았으며, 그리고 촉매 반응이, 그로 인해 산소 및 수소가 물을 형성하기 위해 재결합하는 하는 것을 가능하게 하도록, 계속되었다. 더불어, 예 1의 촉매 장치에 급송되는 수소의 양이 283 ml/분(25 A에 대응함)으로 증가되었을 때, 몇 도의 온도의 증가가 관찰되었다. 예 3의 촉매 장치에 급송되는 수소의 양이 283 ml/분(25 A에 대응함)으로 증가되었을 때, 온도의 증가는 거의 관찰되지 않았다. 온도의 증가를 감소시키는 영향이, 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인들(3)이 부가된 예 3에 더욱 크게 가해진 것이, 확인되었다.
(예 4)
예 1 내지 예 3에서, 폴리에틸렌이, 다공성 멤브레인(2)의 재료로서 사용되었다. 그러한 다공성 멤브레인 뿐만 아니라, 재료로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드로 이루어진 다공성 멤브레인 또한, 제공되었다. 이러한 다공성 멤브레인들 각각의 걸리 초는, 실온에서 측정되었다. 그후, 이러한 다공성 멤브레인들은, 개별적인 재료들의 용융점들/유리 전이 온도들보다 더 높은 온도들에서 보관되었으며, 그리고 그들의 걸리 초들은, 다시 측정되었다. 모든 다공성 멤브레인들이, 실온에서 측정된 값들의 약 2배의 걸리 초로 증가되었다. 폴리에틸렌과 상이한 재료로 이루어진 다공성 멤브레인이, 본 발명에서 다공성 멤브레인(2)으로서 또한 사용될 수 있다는 것이, 결과로부터 확인되었다.

Claims (11)

  1. 납-산 배터리를 위한 촉매 장치에 있어서,
    산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는 촉매 층; 및
    폴리에틸렌을 포함하고 160℃ 이하의 용융점을 갖는 다공성 멤브레인
    을 포함하고,
    상기 촉매 층의 적어도 하나의 표면은 상기 다공성 멤브레인과 접촉하고,
    상기 다공성 멤브레인은, 상기 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는 것인, 촉매 장치.
  2. 삭제
  3. 납-산 배터리를 위한 촉매 장치에 있어서,
    산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는 촉매 층; 및
    160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함하는 적어도 2개의 다공성 멤브레인
    을 포함하고,
    상기 다공성 멤브레인은 상기 촉매 층의 양 평면 모두와 접촉하도록 적층되고,
    상기 다공성 멤브레인은, 상기 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는 것인, 촉매 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인의 둘레 부분은 서로에 적층되는 것인, 촉매 장치.
  5. 납-산 배터리를 위한 촉매 장치에 있어서,
    산소 및 수소로부터 물 또는 수증기를 생성하기 위한 반응을 가속화하기 위한 촉매를 포함하는 촉매 층;
    160℃ 이하의 용융점 또는 유리 전이 온도를 갖는 열가소성 수지를 포함하는 다공성 멤브레인; 및
    100 초 이상의 걸리 초(Gurley number)를 가지며 그리고 상기 촉매 층 반대편 측에서 상기 다공성 멤브레인과 접촉하는, 팽창된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인
    을 포함하고,
    상기 촉매 층의 적어도 하나의 표면은 상기 다공성 멤브레인과 접촉하고,
    상기 다공성 멤브레인은, 상기 촉매 층의 평면 크기와 동등하거나 또는 그보다 큰 평면 크기를 갖는 것인, 촉매 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 적어도 하나의 다공성 멤브레인을 더 포함하는, 촉매 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 상기 다공성 멤브레인은, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 상기 다공성 멤브레인 내부에, 촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 물질을 포함하는 것인, 촉매 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    촉매 독을 흡수 또는 분해할 수 있는 상기 다공성 멤브레인은, 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것인, 촉매 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 층보다 납-산 배터리의 내부에 더 가깝게 위치되는 소수성 다공성 멤브레인을 더 포함하고, 상기 소수성 다공성 멤브레인은 20 초 이하의 걸리 초를 갖는 것인, 촉매 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소수성 다공성 멤브레인은, 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 것인, 촉매 장치.
  11. 납-산 배터리로서, 제1항에 따른 촉매 장치를 포함하는 것인, 납-산 배터리.
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