전기화학 반응 레이어 아래에 통전 구조부를 갖는 화학전지 document_id A220623031323

종래의 화학 전지(10)가 도 1에 도시되어 있다. 이 전지(10)는, 예를 들어, 하나의 PEM (proton exchange membrane; 양자 교환 멤브레인) 연료 전지를 포함하여 구성될 수 있다. 이 전지(10)는, 수소 가스와 같은 연료가 거쳐서 도입되는 하나의 매니폴드(manifold)(12)를 가진다. 연료는 하나의 다공성 도전 레이어(porous current-carrying layer)(13A)를 통과하여, 자유 전자와 양으로 대전된 이온들(일반적으로 양자들)을 만들기 위해 연료가 화학 반응을 겪게 되는 하나의 애노드 촉매 레이어(anode catalyst layer)(14A)를 지나간다. 자유 전자들은 도전 레이어(13A)에 의해 모아지고(collected), 이온들은 전기-절연 이온 교환 멤브레인(electrically-insulating ion exchange membrane)(15)을 통과한다. 이온 교환 멤브레인(15)은 애노드 촉매 레이어(14A)와 하나의 캐소드 촉매 레이어(cathode catalyst layer)(14B) 사이에 놓여있다. 이 전지(10)는 하나의 산화제(예를 들어, 공기 또는 산소)를 가지는(carrying) 하나의 매니폴드(16)를 가진다. 산화제는 애노드 촉매 레이어(14B)에 접근하기 위해 하나의 다공성 도전 레이어(13B)를 통과할 수 있다. 도 1A에 도시되어 있는 바와 같이, 전자들은 애노드 촉매 레이어(14A)내의 화학 반응의 사이트(sites)에서 도전 레이어(13A)로 이동한다. 양자들(또는 다른 양으로 대전된 전하들)은, 전자 흐름 방향과 반대인 방향으로 이온 교환 멤브레인(15)을 통과하여 이동한다. 도전 레이어(13A)에 모아진 전자들은, 전지(10)의 캐소드 측에서 하나의 외부 회로(18)를 통해 다공성 도전 레이어(13B)로 이동한다. 그러한 전지에서, 전자 흐름과 이온 흐름은 일반적으로 반대 방향으로 발생하고, 이온 교환 멤브레인(15)의 평면에 대해 둘다 대체로 수직이다. 촉매 레이어(14A 및 14B)는 "이종 전도성(dual species conductive)"이어야 한다[즉, 전자들과 이온들 모두의 흐름을 위한 전도성 통로들을 제공하여야 함]. 이온 교환 멤브레인(15)은 단일종 전도성이어야 한다[즉, 전지(10)의 내부 단락(internal short-circuiting)을 피하기 위해 전기 절연을 제공하면서 이온이 흐를 수 있도록 허용되어야만 함]. 많은 전기화학적 장치들은, 전류를 촉매 레이어로부터 멀리 운반하기(carry away) 위한 여러 형태의 다공성 전도 반응물질 확산 매체(porous conductive reactant diffusion media)를 포함한다. 이것은, 반응물질들을 촉매 사이트로 이동시키기 위한 능력을, 손상시키고, 어려운 재료 문제(a difficult material challenge)를 야기한다. 또한, 반응물질 확산 레이어(reactant diffusion layers)를 포함시키는 것과 제조 및 비용 문제가 있다. 고성능 화학 전지를 설계하는데 있어서의 주된 문제는, 반응물질들을 전지로 들어가게 하고, 반응물질들의 생성물들이 전지로부터 제거되게 하면서, 전류를 전지로 통과시키거나 전지로부터 빼내는(withdrawn) 통전 레이어들(current-carrying layers)을 형성하는 것이다. 지난 수십년간에 걸처 행해진 방대한 양의 연료 전지 연구와 개발에도 불구하고, 비용 효율적으로 생산될 수 있고, 반응물질들의 전기화학 반응 사이트에 대한 개선된 접근을 제공하는, 보다 효율적인 화학 전지들에 대한 필요성이 남아있다.