KR101397894B1 - 결합된 연료 전지 조립체 및 이를 제조하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

결합된 연료 전지 조립체 및 이를 제조하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지 성분의 형성 방법은 제1 액부가 개시제를 포함하고 제2 액부가 중합성 물질을 포함하는 이액형 실란트를 제공하고, 제1의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제1 액부를 적용하고, 제2의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제2 액부를 적용하고, 제1 및 제2의 연료 전지 성분을 나란히 배열하고, 실란트를 경화시켜 제1 및 제2의 연료 성분을 서로 결합시키는 단계를 포함한다. 개시제는 화학선 복사선 개시제일 수 있으며, 이에 따라 실란트는 화학선 복사선에 의해 경화된다. 중합성 물질은 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체 (telechelic polymer), 관능성 중합체 및 이들의 배합물일 수 있다. 바람직하게는, 관능기는 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 배합물이다. 결합되는 유용한 연료 전지 성분은 캐소드 유동장 판, 애노드 유동장 판, 수지 프레임, 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층, 막 전해질, 막 전극 조립체 프레임 및 이들의 조합물을 포함한다.
실란트, 연료 전지, 밀봉, 전기화학 전지, 막 전극 조립체

Description

결합된 연료 전지 조립체 및 이를 제조하기 위한 방법 및 시스템 {BONDED FUEL CELL ASSEMBLY AND METHODS AND SYSTEMS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 연료 전지와 같은 전기화학 전지의 성분들을 결합 및 밀봉하기 위한 방법과 이로부터 형성된 전기화학 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 연료 전지 성분들을 연속적으로 제조하기에 적합한 방식으로 연료 전지 성분들을 결합시키기 위한 방법 및 디자인에 관한 것이다.
여러 유형의 전기화학 전지가 공지되어 있지만, 일반적인 한 유형은 양성자 교환 막 ("PEM") 연료 전지와 같은 연료 전지이다. PEM 연료 전지에는 막 전극 조립체 ("MEA")가 함유되며 이는 2개의 유동장 판 (flow field plate) 또는 바이폴라 판 (bipolar plate) 사이에 제공된다. 바이폴라 판과 MEA 사이에 가스켓이 사용되어 밀봉이 제공된다. 또한, 개개의 PEM 연료 전지는 전형적으로 비교적 낮은 전압 또는 전력을 제공하기 때문에, 생성 연료 전지 조립체의 전반적인 전기 출력을 증가시키기 위해 다수의 PEM 연료 전지가 적층된다. 또한, 개개의 PEM 연료 전지 사이에서 밀봉이 필요하다. 더욱이, 연료 전지 내의 온도를 제어하기 위해 판의 냉각이 또한 전형적으로 제공된다. 연료 전지 조립체 내에서의 누출이 방지되도록 이러한 판은 또한 밀봉된다. 조립 후, 조립체의 고착을 위해 연료 전지 스택은 고 정된다.
미국 특허 제6,057,054호에 기재되어 있는 바와 같이, 액체 실리콘 고무가 연료 조립체 상에 성형되는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 실리콘 조성물은 연료 전지의 목적하는 가동 수명에 도달하기 전에 분해된다. 또한, 이러한 실리콘 고무는 연료 전지를 오염시키는 물질을 방출하여, 연료 전지의 성능에 불리한 영향을 미친다. 또한, 분리기 판 상에 액체 실리콘 고무를 성형하는 것이 미국 특허 제5,264,299호에 기재되어 있다. 가동 수명을 증가시키기 위해, 연료 전지 성분의 표면을 결합시키기 위한 미국 특허 제6,165,634호에 기재되어 있는 바와 같은 플루오로엘라스토머와 같은 보다 내구성인 엘라스토머 및 미국 특허 제6,159,628호에 기재되어 있는 바와 같은 폴리올레핀 탄화수소가 제안되었다. 그러나, 연료 전지의 각각의 개별적인 부재 또는 연료 전지 성분들의 각각의 설비는 이들 조성물을 사용하여 개별적으로 결합되어야 하기 때문에, 이들 조성물의 적용은 시간 소모적이다.
미국 특허 출원 공개 제2005/0263246 A1호에는 열가소성 필름을 사용하여 기체 확산 층에 함침시키는, 막 전극 조립체 상에 연부 밀봉을 형성하는 방법이 기재되어 있다. 열가소성 필름을 결합시키는데 적합한 적용 온도는 연료 전지의 디자인을 제한할 수 있으며, 또한 연료 전지 성분들의 배열된 스택은 제어된 조건 하에서 가열 및 냉각되어야 하기 때문에 적용하기 어렵다.
미국 특허 제6,884,537호에는 연료 전지 성분을 밀봉하기 위한 밀봉 비드가 있는 고무 가스켓의 용도가 기재되어 있다. 가스켓은 접착제 층의 사용을 통해 연 료 전지 성분에 고착되어 가스켓의 이동 또는 미끌림이 방지된다. 유사하게, 국제 특허 공개 제WO 2004/061338 A1호 및 제WO 2004/079839 A2호에는 연료 전지 성분을 밀봉하기 위한 멀티피스 (multi-piece) 및 싱글피스 (single-piece) 가스켓의 용도가 기재되어 있다. 가스켓은 접착제의 사용을 통해 연료 전지 성분에 고착된다. 접착제 및 가스켓의 배치는 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 잘못된 배치로 인해 연료 전지의 성능 저하 및 누출이 유발될 수 있기 때문에 문제가 있다.
미국 특허 제6,875,534호에는 연료 전지 분리기 판의 주변을 밀봉하기 위한 현장 경화형 (cured-in-place) 조성물이 기재되어 있다. 이 현장 경화형 조성물은 각 말단에 알릴 종결 라디칼이 있는 폴리이소부틸렌 중합체, 오르가노폴리실록산, 규소 원자에 각각 2개 이상의 수소 원자가 부착되어 있는 오르가노히드로겐폴리실록산, 및 백금 촉매를 포함한다. 미국 특허 제6,451,468호에는 연료 전지의 분리기, 전극 또는 이온 교환 막을 밀봉하기 위한 현장 형성형 (formed-in-place) 조성물이 기재되어 있다. 이 현장 형성형 조성물은 각 말단에 알케닐 종결 기가 있는 선형 폴리이소부틸렌 퍼플루오로폴리에테르, 규소 원자에 각각 2개 이상의 수소 원자가 결합되어 있는 가교제 또는 경화제, 및 히드로실릴화 촉매를 포함한다. 이들 조성물의 가교 밀도 및 결과 특성은 알릴 또는 알케닐 관능가가 2인 선형 폴리이소부틸렌 올리고머의 사용에 의해 제한된다. 이들 조성물의 관능가는 결과 조성물의 특성을 제한하는 히드로실릴 관능가를 변화시킴으로써 변경된다.
국제 특허 공개 제WO 2004/047212 A2호에는 연료 전지의 유체 이송 층 또는 기체 확산 층을 밀봉하기 위한 발포 고무 가스켓, 액체 실리콘 실란트 또는 고체 플루오로플라스틱의 용도가 기재되어 있다. 고체 가스켓, 즉 발포 고무 및/또는 고체 플루오로플라스틱 테이프 또는 필름의 사용은 이들 물질의 배치 및 연료 전지 성분 및 가스켓의 후속적인 배열을 시간 소모적이며 문제가 되게 한다.
미국 특허 출원 공개 제2003/0054225호에는 연료 전지 전극에 전극 물질을 적용하기 위한 드럼 또는 롤러와 같은 회전식 장비의 용도가 기재되어 있다. 상기 공개물에는 연료 전지 전극을 형성하기 위한 자동화된 방법이 기재되어 있으나, 상기 공개물은 형성된 연료 전지의 밀봉에 관한 사항을 다루지 못하였다.
유럽 특허 제159 477 A1호에는 이소부틸렌, 이소프렌 및 파라-메틸스티렌의 퍼옥사이드 경화성 삼원공중합체가 기재되어 있다. 연료 전지에서의 조성물의 용도는 명시되어 있으나, 적용, 가공 또는 장치 세부 사항은 제공되어 있지 않다.
미국 특허 제6,942,941호에는 상이한 시트들을 결합시켜 바이폴라 분리기 판을 형성하기 위한 전도성 접착제의 용도가 기재되어 있다. 먼저 2개의 판 상에 전도성 프라이머를 적용하고, 약 100℉로 가열하여 부분 경화시킨다. 이어서, 2개의 판 사이에 접착제를 적용하고, 판들을 함께 가압한 후, 약 260℃로 가열하여 접착제를 경화시킨다.
현재 기술 상태에도 불구하고, 전기화학 전지 성분과 함께 사용하기에 적합하고, 바람직하게는 액체 사출 성형을 통해 적용되는 실란트 조성물이 여전히 요구되고 있다.
<발명의 개요>
본 발명은 연료 전지 성분들을 결합 및 밀봉하기 위한 방법, 조성물 및 시스 템을 제공한다. 연료 전지 부분들을 결합 및 밀봉하는데 사용되는 실란트 조성물은 개별적으로는 안정하지만 에너지원에 노출되거나 합할 때 경화성인 2종 이상의 성분을 포함할 수 있다. 2 성분 실란트 시스템에서, 실란트의 한 액부는 제1의 연료 전지 성분 기판에 적용될 수 있으며, 제2 액부는 제2 연료 전지 기판에 적용될 수 있다. 기판이 결합되고 실란트가 경화되어, 결합된 연료 전지 성분 조립체가 형성된다.
본 발명의 일 양태에서, 연료 전지 성분을 형성하는 방법은 제1 액부가 개시제를 포함하고 제2 액부가 중합성 물질을 포함하는 이액형 실란트를 제공하고, 제1의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제1 액부를 적용하고, 제2의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제2 액부를 적용하고, 제1 및 제2의 연료 전지 성분의 기판을 나란히 배열하고, 실란트를 경화시켜 제1 및 제2의 연료 전지 성분을 서로 결합시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 개시제는 화학선 복사선 개시제이며, 이에 따라 실란트는 화학선 복사선에 의해 경화된다. 중합성 물질은 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체 (telechelic polymer), 관능성 중합체 및 이들의 배합물일 수 있다. 바람직하게는, 관능기는 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 배합물이다. 결합되는 유용한 연료 전지 성분은 캐소드 유동장 판, 애노드 유동장 판, 수지 프레임, 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층, 막 전해질, 막 전극 조립체 프레임 및 이들의 조합물을 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 연료 전지 성분을 형성하는 방법은 제1 액부가 개시제를 포함하고 제2 액부가 중합성 물질을 포함하는 이액형 실란트를 제공하고, 제1 및 제2의 분리기 판 및 제1 및 제2의 수지 프레임을 제공하고, 제1의 분리기 판의 한 측면 또는 양 측면, 바람직하게는 양 측면을 실란트의 제1 액부로 코팅하고, 화학선 복사선을 사용하여 제1의 분리기 판 상의 실란트의 제1 액부를 활성화시키고, 제1의 수지 프레임의 한 측면 또는 양 측면, 바람직하게는 한 측면을 실란트의 제2 액부로 코팅하고, 제1의 분리기 판 및 제1의 수지 프레임을 나란히 배열하고, 실란트를 경화시켜 제1의 분리기 판 및 제1의 수지 프레임을 서로 결합시키고, 제2의 분리기 판의 한 측면 또는 양 측면, 바람직하게는 양 측면을 실란트의 제2 액부로 코팅하고, 제2의 수지 프레임의 한 측면 또는 양 측면, 바람직하게는 한 측면을 실란트의 제1 액부로 코팅하고, 화학선 복사선을 사용하여 제2의 수지 프레임 상의 실란트의 제1 액부를 활성화시키고, 제2의 분리기 판 및 제2의 수지 프레임을 나란히 배열하고, 실란트를 경화시켜 제2의 분리기 판 및 제2의 수지 프레임을 서로 결합시키고, 제1 및 제2의 분리기 판을 나란히 배열하고, 실란트를 경화시켜 제1 및 제2의 분리기 판을 서로 결합시켜서, 성형 바이폴라 분리기 판을 형성하는 것을 포함한다. 바람직하게는, 개시제는 화학선 복사선 개시제이며, 이에 따라 실란트는 화학선 복사선에 의해 경화된다. 중합성 물질은 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체, 관능성 중합체 및 이들의 배합물일 수 있다. 바람직하게는, 관능기는 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 배합물이다. 결합되는 유용한 연료 전지 성분은 캐소드 유동장 판, 애노드 유동장 판, 수지 프레임, 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층, 막 전해질, 막 전극 조립체 프레임 및 이들의 조합물을 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 연료 전지 성분을 형성하기 위한 시스템은 개시제를 포함하는 이액형 실란트의 제1 액부를 제공하기 위한 제1의 분배기, 중합성 물질을 포함하는 이액형 실란트의 제2 액부를 제공하기 위한 제2의 분배기, 제1의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제1 액부를 적용하기 위한 제1의 스테이션, 제2의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제2 액부를 적용하기 위한 제2의 스테이션, 제1 및 제2의 연료 전지 성분의 기판을 나란히 배열하기 위한 제3의 스테이션, 및 실란트를 경화시켜 제1 및 제2의 연료 전지 성분을 서로 결합시키기 위한 경화 스테이션을 포함한다. 바람직하게는, 개시제는 화학선 복사선 개시제이며, 이에 따라 실란트는 화학선 복사선에 의해 경화된다. 중합성 물질은 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체, 관능성 중합체 및 이들의 배합물일 수 있다. 바람직하게는, 관능기는 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 배합물이다. 결합되는 유용한 연료 전지 성분은 캐소드 유동장 판, 애노드 유동장 판, 수지 프레임, 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층, 막 전해질, 막 전극 조립체 프레임 및 이들의 조합물을 포함한다.
도 1은 애노드 유동장 판, 수지 프레임, 기체 확산 층, 애노드 촉매, 양성자 교환 막, 캐소드 촉매, 제2의 기체 확산 층, 제2의 수지 프레임 및 캐소드 유동장 판이 있는 연료 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분리기 판 및 수지 프레임 조립체의 분해 단면도이 다.
도 3은 본 발명에 따른 조립된 분리기 판 및 수지 프레임 조립체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 결합된 연료 전지 성분을 형성하기 위한 조립체의 개략도이다.
본 발명은 전기화학 전지의 성분들을 결합하기 위한 방법 및 조성물에 관한 것이다. 본원에서 사용되는 전기화학 전지는 화학 반응 및 화학적 연소를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는 화학적 근원으로부터 전기를 생성하는 장치이다. 유용한 전기화학 전지로는 연료 전지, 건전지 및 습전지 등이 포함된다. 하기에 보다 자세히 기술되는 연료 전지는 전기를 생성하기 위해 화학 반응물을 사용한다. 습전지에는 액체 전해질이 있다. 건전지에는 다공성 매질에 흡수되어 있거나 또는 흐르지 않도록 달리 억압된 전해질이 있다.
도 1에는 연료 전지 (10)과 같은 전기화학 연료 전지의 기본 부재들의 단면도가 도시되어 있다. 전기화학 연료 전지는 연료 및 산화제를 전기 및 반응 생성물로 전환시킨다. 연료 전지 (10)은, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 서로 관련되어 있는, 한 측면 상에 개방면 냉각제 채널 (14)가 있고 제2 측면 상에 애노드 흐름 채널 (16)이 있는 애노드 유동장 판 (12), 수지 판 (13), 기체 확산 층 (18), 애노드 촉매 (20), 양성자 교환 막 (22), 캐소드 촉매 (24), 제2 기체 확산 층 (26), 제2 수지 판 (13), 및 한 측면 상에 개방면 냉각제 채널 (30)이 있고 제2 측면 상에 캐소드 흐름 채널 (32)가 있는 캐소드 유동장 판 (28)로 구성된다. 기체 확산 층 (18), 애노드 촉매 (20), 양성자 교환 막 (22), 캐소드 촉매 (24) 및 제2 기체 확산 층 (26)의 조합물은 종종 막 전극 조립체 (36)이라 지칭된다. 기체 확산 층 (18) 및 (26)은 전형적으로는 다공성이며 전기적으로 전도성인 시트 물질, 예를 들면 탄소 섬유 종이로 형성된다. 그러나, 본 발명은 탄소 섬유 종이의 사용에 국한되지 않고, 다른 물질이 적합하게 사용될 수 있다. 그러나, 연료 전지는 이러한 도시된 성분들의 배열에 국한되지 않는다. 애노드 및 캐소드 촉매 층 (20) 및 (24)는 전형적으로는 미세하게 분쇄된 백금의 형태이다. 애노드 (34) 및 캐소드 (38)은 전극 사이의 전자가 외부 부하 (도시되지 않음)로 전도되기 위한 통로가 제공되도록 전기적으로 커플링된다 (도시되지 않음). 유동장 판 (12) 및 (28)은 전형적으로는 흑연 함침 플라스틱, 압축 (compressed) 및 팽창 (exfoliated) 흑연, 다공성 흑연, 스테인리스강 또는 다른 흑연 복합물로 형성된다. 상기 판은 표면 습윤성과 같은 표면 특성이 달성되도록 처리될 수 있거나 또는 처리되지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명은 유동장 판으로서 사용하기 위한 이러한 물질의 사용에 국한되지 않으며, 다른 물질이 적합하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 연료 전지에서, 유동장 판은 금속 또는 금속 함유 물질, 전형적으로는 스테인리스강으로부터 제조되나, 이에 제한되지는 않는다. 유동장 판은 바이폴라 판, 즉 대향 판 표면 상에 흐름 채널이 있는 판일 수 있다. 예를 들어 도 2 및 3에 도시되어 있는 바와 같이, 바이폴라 유동장 판 (15)는 단지 한 측면 상에 흐름 채널이 있는 모노폴라 판 (12, 28)로부터 제조될 수 있다. 모노폴라 판 (12) 및 (18)을 서로 고정하여, 바이폴라 판 (15)를 형성한다. 본 발명의 일 양태에서, 판 (12) 및 (28)은 본 발명의 조성물 및 방법으로 또한 밀봉된다.
일부 연료 전지 디자인은 막 전극 조립체 (36)과 분리기 판 (12, 28) 사이에서 수지 프레임 (13)을 이용하여, 막 전극 조립체 (36)의 내구성을 향상시키고 연료 전지 조립 동안 막 전극 조립체 (36)과 분리기 판 (12, 28) 사이에 적당한 공간을 제공한다. 이러한 디자인에서, 분리기 판 (12, 28) 및 수지 프레임 (13) 사이에 밀봉이 있는 것이 필요하다.
본 발명은 도 1에 도시된 연료 전지 성분들 및 이들의 배열에 국한되지 않는다. 예를 들어, 직접 메탄올 연료 전지 ("DMFC")는 냉각제 채널을 제외하곤 도 1에 도시된 동일한 성분들로 이루어질 수 있다. 또한, 연료 전지 (10)은 내부 또는 외부 매니폴드 (도시되지 않음)가 있도록 디자인될 수 있다.
본 발명을 양성자 교환 막 (PEM) 연료 전지와 관련하여 기재하였으나, 본 발명은 모든 종류의 연료 전지에 적용가능하다는 것을 인지하여야 한다. 본 발명의 개념은 인산 연료 전지, 알칼리 연료 전지, 고온 연료 전지, 예를 들면 고상 산화물 연료 전지 및 용융 탄산염 연료 전지, 및 다른 전기화학 장치에 적용될 수 있다.
애노드 (34)에서, 애노드 흐름 채널 (16)을 통해 이동하는 연료 (도시되지 않음)는 기체 확산 층 (18)에 침투하여 애노드 촉매 층 (20)에서 반응하여 수소 양이온 (양성자)를 형성하며, 이 수소 양이온은 양성자 교환 막 (22)를 통해 캐소드 (38)로 이동한다. 양성자 교환 막 (22)는 애노드 (34)로부터 캐소드 (38)로의 수소 이온의 이동을 촉진한다. 수소 이온의 전도 이외에, 양성자 교환 막 (22)는 산소 함유 산화제 스트림으로부터 수소 함유 연료 스트림을 단리시킨다.
캐소드 (38)에서, 산소 함유 기체, 예를 들면 공기 또는 실질적으로 순수한 산소는 양성자 교환 막 (22)를 가로지른 양이온 또는 수소 이온과 반응하여 반응 생성물로서 액체 물을 형성한다. 수소/산소 연료 전지에서의 애노드 및 캐소드 반응은 하기 반응식으로 나타내어진다.
애노드 반응: H2 → 2 H+ + 2 e- (I)
캐소드 반응: ½O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O (II)
본 발명의 일 양태에서, 이액형 실란트가 분리기 판 (12, 28) 및 수지 프레임 (13)을 결합시키는데 사용된다. 실란트의 A 액부는 UV 활성화 개시제를 함유할 수 있으며, 이는 산, 염기, 라디칼, 음이온성 및/또는 양이온성 개시제일 수 있다. 실란트의 B 액부는 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체 및/또는 관능성 중합체를 포함할 수 있다. 관능기는, 예를 들면 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드 또는 우레탄일 수 있다. 수지 프레임 (13)은 연료 전지 조립체 (10) 내에서 공간을 제공하기 위해 사용된다. 수지 프레임 (13)은 분리기 (12, 28)의 기체 통로 측에 위치하며, 각각의 부재 사이에 밀봉이 제공된다. 제1 제조 라인에서, 전형적으로 스테인리스강과 같은 금속 시트인 분리기 판 (12)를 양 측면 상에서 실란트의 A 액부로 바람직하게 코팅하고, 절단하고, 스탬핑하여 반응성 기체 및 냉각제 통로를 위해 필요한 채널을 생성하고, UV 광을 사용하여 활성화시킨다. 수지 프레임 (13)을 적어도 한 측면 상에서 실란트의 B 액부로 코팅하고, 코팅된 분리기 판 (12)와 조립하여, 결합된 프레임을 갖는 애노드 분리기를 제공한다. 제2 제조 라인에서, 전형적으로 스테인리스강과 같은 시트인 제2의 분리기 판 (12)를 양 측면 상에서 실란트의 B 액부로 바람직하게 코팅하고, 절단하고, 스탬핑하여 반응성 기체 및 냉각제 통로를 위해 필요한 채널을 생성하여, 분리기 판 (28)을 형성한다. 적어도 한 측면 상에서 실란트의 A 액부로 코팅되고 UV 광이 조사된 제2의 수지 프레임 (13)을 분리기 판 (28)과 조립하여, 결합된 프레임을 갖는 캐소드 분리기를 제공한다. 최종적으로, 상기 두 제조 라인을 합하여, 측면 중 하나에서 실란트의 A 액부의 코팅이 노출되어 있는 결합된 애노드 분리기와 측면 중 하나에서 실란트의 B 액부의 코팅이 노출되어 있는 결합된 캐소드 분리기를 배열하고, 실란트의 A 액부 및 B 액부를 반응시키고, 연료 전지 계면을 밀봉하여, 결합된 조립체를 형성한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 이액형 실란트가 분리기 판 (12, 28)을 결합시키는데 사용된다. 실란트의 A 액부는 UV 활성화 개시제를 함유하며, 이는 산, 염기, 라디칼, 음이온성 및/또는 양이온성 개시제일 수 있다. 실란트의 B 액부는 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체 및/또는 관능성 중합체로 이루어진다. 관능기는, 예를 들면 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드 또는 우레탄일 수 있다. A 액부는 제1의 분리기 판에 적용되며, B 액부는 제2의 분리기 판에 적용된다. A 액부는 애노드 분리기 (12)의 냉각제 통로 측에 적용된다. B 액부는 캐소드 분리기 (28)의 냉각제 통로 측에 적용된다. 애노드 분리기 (12) 상의 A 액부에 UV를 조사하여, 개시제를 활성화시키고, 이어서 캐소드 분리기 (28)과 압착 조립한다. 분리기 (12, 28)을 결합시켜, A 액부 및 B 액부를 반응시키고, 성분들을 밀봉하여, 바이폴라 판 (15)를 형성한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 일액형 실란트가 분리기 판 (12, 28) 및 수지 프레임 (13)을 결합시키는데 사용된다. UV 활성화 산, 염기, 라디칼, 음이온성 및/또는 양이온성 개시제와, 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체 및/또는 관능성 중합체로 이루어질 수 있는 실란트를 한 기판에 적용하고, UV 광을 조사하고, 제2 기판과 압착하여, 밀봉을 형성할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에서, 이액형 조성물이 결합 및 밀봉하는데 사용된다. A 액부는 제1의 기판에 적용된다. B 액부는 제2의 기판에 적용된다. 2개의 기판을 합하고, 고정한다. 중합은 2개의 기판을 함께 두거나 이들 기판을 합하고, 예를 들어 압력, 열, 초음파, 마이크로파 또는 이들의 임의의 조합과 같은 에너지의 일부 추가적인 형태를 사용함으로써 가장 단순한 중합 형태로 달성될 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에서, 액체 가스켓 형성 물질은 화학선 복사선 경화성 아크릴레이트, 우레탄, 폴리에테르, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 배합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 경화성 물질은 (메트)아크릴로일 펜던트 기가 2개 이상인 (메트)아크릴로일 종결 물질을 포함한다. 바람직하게는, (메트)아크릴로일 펜던트기는 화학식 -OC(O)C(R1)=CH2 (식 중, R1은 수소 또는 메틸임)로 나타내어진다. 보다 바람직하게는, 액체 가스켓 형성 물질은 (메트)아크릴로일 종결 폴리아크릴레이트이다. (메트)아크릴로일 종결 폴리아크릴레이트는 바람직하게는 분자량이 약 3,000 내지 약 40,000, 보다 바람직하게는 약 8,000 내지 약 15,000일 수 있다. 또한, (메트)아크릴로일 종결 폴리아크릴레이트는 바람직하게는 25℃ (77℉)에서 점도가 약 200 Pas (200,000 cP) 내지 약 800 Pas (800,000 cP), 보다 바람직하게는 약 450 Pas (450,000 cP) 내지 약 500 Pas (500,000 cP)일 수 있다. 이러한 경화성 (메트)아크릴로일 종결 물질에 대한 세부 사항은 나까가와 (Nakagawa) 등의 유럽 특허 출원 제1 059 308 A1호에서 볼 수 있으며, 가네까사 (Keneka Corporation, 일본 소재)에서 시판된다.
바람직하게는, 액체 조성물은 광개시제를 포함한다. 수많은 광개시제가 본원에서 사용되어 상기한 본 발명의 이익 및 이점이 제공될 수 있다. 광개시제는 광경화성 조성물이 전체적으로 화학선 복사선과 같은 전자기 복사선에 노출되었을 때 경화 과정을 더욱 빠르게 한다. 본원에서 사용하기에 적합한 광개시제의 예로는 시바 스페셜티 케미칼스 (Ciba Specialty Chemicals)에서 "이르가쿠어 (IRGACURE)" 및 "다로쿠르 (DAROCUR)" 상표명 하에 시판되는 광개시제, 특히 "이르가쿠어" 184 (1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤), 907 (2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-모르폴리노프로판-1-온), 369 (2-벤질-2-N,N-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-1-부타논), 500 (1-히드록시 시클로헥실 페닐 케톤과 벤조페논의 배합물), 651 (2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논), 1700 (비스(2,6-디메톡시벤조일-2,4,4-트리메틸 펜틸) 포스핀 옥사이드와 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온의 배합물) 및 819 (비스(2,4,6-트리메틸 벤조일) 페닐 포스핀 옥사이드) 및 "다로쿠르" 1173 (2-히드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판-1-온) 및 4265 (2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥사이드와 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온의 배합물), 및 가시광선 [청색] 광개시제, dl-캄포르퀴논 및 "이르가쿠어" 784DC가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 물론, 이들 물질의 배합물이 또한 본원에서 사용될 수 있다.
본원에 유용한 다른 광개시제로는 알킬 피루베이트, 예를 들면 메틸, 에틸, 프로필 및 부틸 피루베이트, 및 아릴 피루베이트, 예를 들면 페닐, 벤질 및 적절하게 치환된 이들의 유도체가 포함된다. 본원에서 사용하기에 특히 매우 적합한 광개시제로는 자외선 광개시제, 예를 들면 2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논 (예를 들면, "이르가쿠어" 651) 및 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판 (예를 들면, "다로쿠르" 1173), 비스(2,4,6-트리메틸 벤조일) 페닐 포스핀 옥사이드 (예를 들면 "이르가쿠르" 819), 및 비스(2,6-디메톡시벤조일-2,4,4-트리메틸펜틸) 포스핀 옥사이드와 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온의 자외선/가시광선 광개시제 배합물 (예를 들면 "이르가쿠어" 1700)뿐만 아니라, 가시광선 광개시제 비스 (η5-2,4-시클로펜타디엔-1-일)-비스[2,6-디플루오로-3-(1H-피롤-1-일)페닐]티타늄 (예를 들면 "이르가쿠어" 784DC)이 포함된다. 유용한 화학선 복사선으로는 자외선, 가시광선 및 이들의 조합이 포함된다. 바람직하게는, 액체 가스켓 형성 물질을 경화하기 위해 사용되는 화학선 복사선은 파장이 약 200 nm 내지 약 1,000 nm이다. 유용한 자외선으로는 UVA (약 320 nm 내지 약 410 nm), UVB (약 290 nm 내지 약 320 nm), UVC (약 220 nm 내지 약 290 nm) 및 이들의 조합이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 유용한 가시광선으로는 청색 광선, 녹색 광선 및 이의 조합이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 유용한 가시광선은 파장이 약 450 nm 내지 약 550 nm이다.
그러나, 본 발명은 UV 복사선의 사용에 제한되지 않으며, 열, 압력, 자외선, 마이크로파, 초음파 또는 전자기 복사선과 같은 다른 에너지원이 조성물들 중 하나 이상의 중합을 개시하는데 사용될 수 있다. 추가로, 개시제는 활성화제 없이 활성일 수 있다. 또한, 개시 공정은 조립 전에, 그 동안에 및/또는 그 후에 적용될 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 연료 전지 또는 결합된 연료 전지 성분과 같은 결합된 조립체를 형성하기 위한 시스템 (50)이 도시되어 있다. 시스템 (50)은 상이한 연료 전지 성분을 가공하기 위한 상이한 스테이션 (52, 54)를 포함한다. 시스템은 이액형 실란트 조성물의 제1 및 제2 액부를 각각 분배하여 상이한 이중 전지 성분을 코팅하기 위한 분배기 (56) 및 (58)을 포함한다. 시스템은 화학선 복사선과 같은 에너지의 공급원 (60)을 더 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 연료 전지 스택은 모듈 조립체 및 가스켓으로부터 제조될 수 있다. 제1 단계에서, 수지 프레임이 있는 MEA를 제조한다. 애노드 및 캐소드 수지 프레임을 수지 프레임의 한 측면 상에서 단일 성분 UV 활성화 실란트로 코팅한다. UV를 조사하여 실란트를 활성화시키고, MEA의 양 측면 상에 수지 프레임을 고정한다. 제2 단계에서, 이액형 실란트를 사용하여 수지 프레임에 분리기를 결합시킨다. 2 성분 시스템에서, A 액부는 제1의 기판에 적용될 것이며, B 액부는 제2의 기판에 적용될 것이다. 합할 때 A 및 B 액부는 본 발명의 한 형태로 중합될 수 있다. 수지 프레임이 있는 MEA를 수지 프레임 상에서 A 액부로 코팅하고, 이어서 UV를 조사하여 활성화시킨다. 이와 동시에, 분리기의 반응물 기체 측을 B 액부로 코팅한다. 수지 프레임이 있는 MEA를 애노드 및 캐소드 분리기와 고정하여, 단위 전지 (애노드 분리기, 애노드 수지 프레임, MEA, 캐소드 수지 프레임 및 캐소드 분리기)를 제조한다. 다음 단계에서, 이액형 실란트를 사용하여 단위 전지들을 함께 결합시켜, 선택된 개수, 예를 들면 10개의 단위 전지를 함유하는 모듈을 형성한다. 단위 전지는 하나 이상의 기판의 표면에 경화되지 않은 중합체를 적용하는 작업에 통과시킨다. 애노드 분리기의 냉각제 통로 측을 A 액부로 코팅하고, UV를 조사하여 활성화시킬 수 있다. 캐소드 분리기의 냉각제 통로 측은 B 액부로 코팅할 수 있다. 전지를 적층하고, 고정하여, A 액부와 B 액부를 반응시키고, 모듈의 냉각제 통로를 밀봉한다. 모듈 말단의 분리기는 상기한 방법으로 코팅하지 않을 수 있다. 별도의 제조 라인에서, 시트 금속 및 UV 활성화 실란트로부터 가스켓을 제조한다. 시트 금속의 롤을 절단하고, 단일 성분 UV 활성화 실란트로 코팅하고, UV 광 하에 둔다. 스택의 목적하는 전지의 개수가 달성될 때까지 가스켓과 모듈을 교대배열함으로써 연료 전지 스택을 조립할 수 있다. 수지 프레임 및 분리기를 양 측면 상에서 적절한 실란트로 코팅하고 제1 성분에 고정하고 이어서 제2 성분에 고정할 수 있는 것이 또한 고려된다.
본 발명의 또다른 양태에서, 연료 전지 스택은 모듈 조립체 및 가스켓으로부터 제조될 수 있다. 제1 단계에서, 수지 프레임이 있는 MEA를 제조한다. 2개의 수지 프레임을 수지 프레임의 한 측면 상에서 단일 성분 UV 활성화 실란트로 코팅한다. UV를 조사하여 실란트를 활성화시키고, MEA의 양 측면 상에 수지 프레임을 고정한다. 제2 단계에서, 이액형 실란트를 사용하여 수지 프레임이 있는 MEA에 결합된 분리기를 밀봉한다. 2 성분 시스템에서, 실란트의 A 액부는 제1의 기판에 적용될 것이며, 실란트의 B 액부는 제2의 기판에 적용될 것이다. 합할 때 실란트의 A 및 B 액부는 중합되어, 본 발명의 일 양태에 따른 결합된 조립체를 형성한다. 예를 들어, 애노드 수지 프레임을 실란트의 A 액부로 코팅하고, 이어서 UV를 조사하여 활성화시킬 수 있다. 수지 프레임이 있는 MEA를 결합된 분리기와 고정하여, 단위 전지 (캐소드 분리기, 애노드 분리기, 애노드 수지 프레임, MEA 및 캐소드 수지 프레임)를 제조할 수 있다. 2 성분 실란트를 사용하는 또다른 제조 라인에서, 애노드 및 캐소드 분리기를 결합시킨다. 애노드 분리기의 냉각제 통로 측을 실란트의 A 액부로 코팅하고, 이어서 UV를 조사하여 활성화시킨다. 캐소드 분리기의 냉각제 통로 측을 실란트의 B 액부로 코팅하고, 애노드 분리기에 고정하여, 실란트의 A 액부와 B 액부를 반응시킨다. 다음 단계에서, 이액형 실란트를 사용하여 단위 전지들을 함께 결합시켜, 선택된 개수, 예를 들어 10개 (이에 제한되지 않음)의 단위 전지를 함유하는 모듈을 형성한다. 단위 전지를 코팅 작업에 통과시킨다. 캐소드 분리기의 기체 통로 측을 실란트의 A 액부로 코팅하고, UV를 조사하여 활성화시킬 수 있다. 캐소드 수지 프레임은 실란트의 B 액부로 코팅할 수 있다. 단위 전지를 적층하고, 고정하여, 실란트의 A 액부와 실란트의 B 액부를 반응시켜서, 결합된 단위 전지의 모듈을 제조한다. 모듈 말단의 수지 프레임 및 분리기는 상기한 방법으로 코팅하지 않을 것이다. 별도의 제조 라인에서, 시트 금속 및 UV 활성화 실란트로부터 가스켓을 제조한다. 시트 금속의 롤을 절단하고, 단일 성분 UV 활성화 실란트로 코팅하고, UV 광 하에 둔다. 스택의 목적하는 전지의 개수가 달성될 때까지 가스켓과 모듈을 교대배열함으로써 연료 전지 스택을 조립한다. 수지 프레임 및 분리기를 양 측면 상에서 적절한 실란트로 코팅하고, 제1 성분에 고정하고, 이어서 제2 성분에 고정할 수 있는 것이 또한 고려된다.

Claims (15)

  1. 광개시제를 포함하는 제1 액부 및 중합성 물질을 포함하는 제2 액부로 구성된 실란트를 제공하고,
    제1의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제1 액부를 적용하고,
    상기 실란트의 제1 액부를 활성화시키고,
    제2의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제2 액부를 적용하고,
    제1 및 제2의 연료 전지 성분의 기판을 나란히 배열하고,
    실란트를 화학선 복사선으로 경화시켜 제1 및 제2의 연료 전지 성분을 서로 결합시키는 가스켓을 형성하는 것을 포함하는 연료 전지 성분의 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 중합성 물질이 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체 (telechelic polymer), 관능성 중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 중합성 물질이 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 관능기를 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 연료 전지 성분이 캐소드 유동장 판, 애노드 유동장 판, 수지 프레임, 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층, 막 전해질, 막 전극 조립체 프레임 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  7. 광개시제를 포함하는 제1 액부 및 중합성 물질을 포함하는 제2 액부로 구성된 실란트를 제공하고,
    제1 및 제2의 분리기 판 및 제1 및 제2의 수지 프레임을 제공하고,
    제1의 분리기 판을 실란트의 제1 액부로 코팅하고,
    화학선 복사선을 사용하여 제1의 분리기 판 상의 실란트의 제1 액부를 활성화시키고,
    제1의 수지 프레임을 실란트의 제2 액부로 코팅하고,
    제1의 분리기 판 및 제1의 수지 프레임을 나란히 배열하고,
    실란트를 경화시켜 제1의 분리기 판 및 제1의 수지 프레임을 서로 결합시키고,
    제2의 분리기 판을 실란트의 제2 액부로 코팅하고,
    제2의 수지 프레임을 실란트의 제1 액부로 코팅하고,
    화학선 복사선을 사용하여 제2의 수지 프레임 상의 실란트의 제1 액부를 활성화시키고,
    제2의 분리기 판 및 제2의 수지 프레임을 나란히 배열하고,
    실란트를 경화시켜 제2의 분리기 판 및 제2의 수지 프레임을 서로 결합시키고,
    제1 및 제2의 분리기 판을 나란히 배열하고,
    실란트를 경화시켜 제1 및 제2의 분리기 판을 서로 결합시켜서, 성형 바이폴라 분리기 판을 형성하는 것을 포함하는 연료 전지 성분의 형성 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 중합성 물질이 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체, 관능성 중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 중합성 물질이 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 조합으로부터 선택되는 관능기를 포함하는 것인 방법.
  11. 광개시제를 포함하는 이액형 실란트의 제1 액부를 제공하기 위한 제1의 분배기,
    중합성 물질을 포함하는 이액형 실란트의 제2 액부를 제공하기 위한 제2의 분배기,
    제1의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제1 액부를 적용하고 실란트의 제1 액부를 UV 조사로 활성화시키기 위한 제1의 스테이션,
    제2의 연료 전지 성분의 기판에 실란트의 제2 액부를 적용하기 위한 제2의 스테이션,
    제1 및 제2의 연료 전지 성분의 기판을 나란히 배열하기 위한 제3의 스테이션, 및
    실란트를 화학선 복사선으로 경화시켜 제1 및 제2의 연료 전지 성분을 서로 결합시키는 가스켓을 형성하기 위한 경화 스테이션을 포함하는, 연료 전지 성분의 형성을 위한 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서, 중합성 물질이 중합성 단량체, 올리고머, 텔레킬릭 중합체, 관능성 중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 중합성 물질이 에폭시, 알릴, 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 이미드, 아미드, 우레탄 및 이들의 조합으로부터 선택되는 관능기를 포함하는 것인 시스템.
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