KR102042884B1 - 중합체 함침된 구역으로부터 연장된 플랩을 갖는 연료 전지 구성요소 - Google Patents

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매니쉬 칸델왈
스리드하르 브이. 카누리
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두산 퓨얼 셀 아메리카, 인크.
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Abstract

예시적인 실시양태에 따라서, 연료 전지 구성요소의 제조 방법은 구성요소 층의 적어도 일부를 중합체로 투과시키는 단계를 포함한다. 구성요소 층의 일부는 구성요소 층의 모서리에 인접하다. 중합체의 일부를 모서리를 지나서 연장시켜서 구성요소 층의 모서리를 지나는 플랩(flap)을 설정한다. 연료 전지 구성요소는 중합체 재료로 함침된 층의 모서리에 인접한 부분 및 모서리를 지나서 연장된 중합체 재료의 플랩을 갖는 구성요소 층을 포함한다.

Description

중합체 함침된 구역으로부터 연장된 플랩을 갖는 연료 전지 구성요소 {FUEL CELL COMPONENT HAVING A FLAP EXTENDING FROM A POLYMER IMPREGNATED REGION}
연료 전지는 전기화학 반응을 기반으로 전기를 생성하는 데 유용하다. 연료 전지의 몇몇 구성요소는 전기화학 반응을 가능하게 하도록 설계된다. 연료 전지를 작동시키는 것과 관련된 도전 중 하나는 전지 스택 어셈블리(cell stack assembly) 내의 다양한 위치에서 적절한 밀봉부(seal)를 유지시키는 것이다. 예를 들어, 전기화학 반응을 실현시키기 위해서는 연료 전지의 화학 활성 부분 내에 반응물을 유지시키는 것이 바람직하다. 인산 연료 전지의 경우, 전지 스택 어셈블리 내의 적절한 위치에 인산을 유지시키는 것이 또한 바람직하다. 그러한 문제를 다루기 위해서 다양한 제안이 수행되었지만, 그들 중 일부는 적절한 밀봉 성능을 제공할 수 없고, 나머지는 연료 전지 시스템의 가격에 바람직하지 않은 추가 비용을 부가한다.
예시적인 실시양태에 따라서, 연료 전지 구성요소의 제조 방법은 구성요소 층의 적어도 일부를 중합체로 투과시키는 단계를 포함한다. 구성요소 층의 일부는 구성요소 층의 모서리에 인접하다. 중합체의 일부를 모서리를 지나서 연장시켜서 구성요소 층의 모서리를 지나는 플랩(flap)을 설정한다.
연료 전지 구성요소는 중합체 재료로 함침된 층의 모서리에 인접한 부분 및 모서리를 지나서 연장된 중합체 재료의 플랩을 갖는 구성요소 층을 포함한다.
적어도 하나의 개시된 예시적인 실시양태의 다양한 특징 및 이점은 하기 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 숙련인에게 자명할 것이다. 상세한 설명에 첨부된 도면은 하기와 간단하게 기술될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따라서 설계된 연료 전지 구성요소를 모식적으로 도시한다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 실시양태에 따른 연료 전지 구성요소의 배열 및 제조 방법을 모식적으로 도시한다.
도 3은 예시적인 플랩 구성의 특징부를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 연료 전지 구성요소를 제조하기 위한 또다른 예시적인 배열을 도시한다.
도 1은 연료 전지 구성요소(20)을 모식적으로 나타낸다. 이 예에서, 구성요소(20)은 중합체 함침된 구역(24)을 갖는 다공성 흑연화(graphitized) 기재(22)를 포함한다. 도시된 예에서, 중합체 함침된 구역(24)은 구성요소(20)의 주변 주위에 배치되어 있다. 인산 연료 전지 어셈블리에서 사용하기 위해서 구성된 실시양태에서, 구역(24) 내에 함침된 중합체는 인산에 대해서 화학적으로 내성이고, 구역(24)을 통한 인산 이동 또는 구역을 가로지르는 인산 이동에 대항하는 밀봉부(seal)를 제공한다. 함침된 구역(24)에 의해서 제공된 밀봉부는 또한 외부로의 반응물 누출(예를 들어, 기재로부터의 평면 내 이동)을 제어하기에 유용하다. 도시된 예에서 함침된 구역(24)은 반응물 누출 및 인산 누출을 방지하기 위한 밀봉부이다. 일부 실시양태에서, 전체 주변보다 더 적은 부분이 함침된 구역을 포함한다. 예를 들어, 일부 구성요소는 이면(two-sided) 또는 삼면 밀봉부를 갖는다. 그러한 실시양태에서, 구역(24)을 포함하는 구성요소의 적어도 측면 또는 부분이 구성요소의 밀봉된 측면 또는 부분이다.
예시적인 구성요소(20)은 인산 연료 전지 내의 전극으로서 사용될 수 있다. 일부 예에서, 구성요소(20)은 기체 확산 층을 포함한다.
예시적인 구성요소(20)은 기재(22)의 모서리(28)로부터 돌출되거나 또는 기재의 모서리를 지나서 연장된 중합체 재료의 플랩(26)을 포함한다. 이러한 예에서, 플랩(26)은 기재(22)의 주변 주위의 모서리(28) 각각 상에 제공된다. 다른 실시양태는 모서리(28) 전부가 아닌 일부 상에 플랩(26)을 포함한다(예를 들어, 직사각형 기재(22)는 두 반대 대향 모서리에 플랩(26)을 가질 수 있지만, 다른 두 모서리에는 플랩(26)을 가질 수 없다). 다른 실시양태는 모서리(28) 중 적어도 하나 상에 하나를 초과하는 플랩(26)을 포함한다.
구성요소(20)이 연료 전지 어셈블리 내에 배치되는 경우 플랩(26)은 기판(22)의 외부 표면(즉, 모서리(28))을 따르는 유체 이동을 방지하기 위한 장벽을 제공한다. 예를 들어, 플랩(26)은 전지 스택 어셈블리의 외부 모서리를 따르는 인산 이송 또는 이동을 방지하도록 구성된다.
도 2a 내지 2c는 연료 전지 구성요소, 예컨대 도 1에 도시된 구성요소(20)의 배열 및 제조 방법을 모식적으로 도시한다. 이 예에서, 가열된 프레스는 플레이트(plate)(30)를 포함하고, 이것은 예를 들어 흑연을 포함할 수 있다. 다공성 기재(22)가 플레이트들(30) 사이에 배치되어 있고, 적어도 하나의 중합체 필름 층이 기재(22)에 대해서 배치되어 있다. 도 2a의 예에서, 4개의 별개의 중합체 필름 층이 플레이트들(30) 사이에 배치되어 있다. 중합체 필름 층(32A) 및(32B)은 기재(22)의 반대 측면들 상에서 기재(22)에 대해서 직접 배치되어 있다. 추가 중합체 필름 층(34A) 및(34B)이 이 예에 포함되어 있다. 일부 경우에, 중합체 필름 층의 바람직한 두께는 기재(22)의 각각의 측면 상에서 단일 중합체 필름 층을 사용함으로써 성취될 수 있다. 상업적으로 입수가능한 필름 두께에 따라서, 일부 예는 목적하는 두께를 성취하기 위해서 다수의 중합체 필름 층을 제공하는 것을 포함한다.
예시적인 실시양태에서, 필름 층(32A)의 외부 둘레는 기재(22)의 외부에 상응한다. 내부 둘레는 중합체 필름(32A)의 표면적을 설정하도록 배치된다. 중합체 필름(32A)의 총 표면적은 기재(22)의 총 표면적보다 작다. 내부 둘레는, 기재(22) 내에 함침된 중합체가 구성요소(20)을 혼입한 연료 전지 내에서 바람직한 전기화학 반응을 저해하거나 또는 방해하지 않도록 기재(22)의 화학 활성 구역의 바깥 경계에 상응하도록 선택될 수 있다.
중합체 필름으로서 유용한 예시적인 재료는 피크(PEEK)™ 및 테플론(Teflon)TM(예를 들어 PFA)과 같이 상업적으로 입수가능하다. 도시된 예에서 중합체 재료는 인산에 대해서 화학적으로 내성이고, 고용융 유동성(high melt flow)이고, 열적으로 안정하고, 습윤되지 않는 재료이다. 재료의 고용융 유동성 특징은 ASTM D2116에 따를 경우 최소 0.25 g/10 min에 상응한다. 예시적인 중합체 재료는 220℃ 미만에서 열적으로 안정하다.
다른 예에서, 중합체 분말이 중합체 필름 대신에 사용된다. 특정 연료 전지 배열의 특정 기재 특징을 고려하면, 본 명세서의 이점을 알고 있는 본 기술 분야의 숙련인은 그의 특정 요구를 충족시키기 위해서 적절한 중합체 필름, 분말 또는 다른 재료 조성물을 선택할 수 있을 것이다.
도 2a로부터 인지될 수 있는 바와 같이, 중합체 필름 층(32A) 및(32B)은 제1 두께 T1을 갖는다. 중합체 필름 층(34A) 및(34B)은 더 작은 제2 두께 T2를 갖는다. 기재(22)는 제3 두께 T3을 갖는다. 제조 방법에 포함된 중합체 필름 전부의 목적하는 총 두께는 기재(22)의 공극률(porosity)을 기재(22)의 두께 T3에 곱한 값에 상응한다. 중합체 필름의 최소 두께(다층이 존재한다면 총괄하여)는 공극률을 제3 두께 T3에 곱한 값에 대략 동일하다. 일부 예에서, 기재(22)의 공극률은 전체 기재 전체에 걸쳐서 전체적으로 일관되지는 않는다. 한 예시적인 실시양태는 기재의 최대 공극률을 사용하여 목적하는 중합체 필름 두께를 결정하는 것을 포함한다. 최대 공극률을 사용하는 것은 구역(24)에서 적절한 밀봉부를 설정하는 것에 도움이 된다.
도시된 예에서, T1 + T2는 기재(22)의 공극률과 기재(22)의 두께를 곱한 값의 1/2에 대략 동일하다. 기재(22)의 각각의 측면 상에 필름 층(32) 및(34)을 제공하는 것은 기재(22)의 공극률을 기재(22)의 두께 T3에 곱한 값에 상응하는 중합체 필름의 총 두께를 산출한다.
도 2a의 예의 한 특징은 더 두꺼운 중합체 필름 층이 더 얇은 또다른 중합체 필름 층보다 기재(22)에 더 가깝에 놓여있다는 것이다. 층(32A) 및(32B)이 층(34A) 및(34B)보다 더 두껍고, 따라서 층(32A) 및(32B)이 기재(22)에 대해서 놓여있다. 더 얇은 필름을 기재(22)로부터 멀리 배치하는 것은 일부 예에서 구역(24)을 함침시키는 데 사용된 중합체의 보다 균일한 용융 및 분포를 가능하게 한다.
함침되는 기재를 플레이트들(30) 사이로부터 용이하게 이형시키려는 목적을 위해서, 최외곽 중합체 필름 층과 플레이트(30) 사이에 이형 필름(40)이 포함된다. 예시적인 이형 필름(40)은 필름 내에 적어도 하나의 개구부(opening)를 포함하여 기체가 도 2a 및 도 2b의 예에 포함된 이형 필름(40) 사이로부터 탈출하는 것을 가능하게 한다. 기체가 이러한 방식으로 탈출하면 기재(22), 특히 중합체 함침된 구역(24)을 따르는 임의의 바람직하지 않은 변형 또는 결함이 방지된다.
제조 방법 동안, 기재(22), 중합체 필름 층(32) 및(34) 및 이형 필름(40)을 도 2a에 도시된 바와 같이 플레이트들(30) 사이에서 압축한다. 적어도 중합체 필름 층(32) 및(34)이 중합체의 용융 온도에 도달할 때까지 층을 가열하면서 제1 압력을 플레이트들(30) 사이의 층에 적용한다. 일례에서, 제1 압력은 100 psi 미만이다. 중합체 필름 층의 가장 차가운 부분에서 용융 온도에 도달된 후, 온도를 중합체의 용융 온도를 초과하는 제2 온도로 증가시키면서 압력을 증가시킨다. 일례에서, 온도가 중합체의 용융 온도보다 대략 20℃ 더 높아질 때까지 적어도 중합체 재료의 온도를 증가시키면서 100 psi 압력을 사용한다. 10％ 허용범위(tolerance)가 일부 예에서 허용가능하다(예를 들어, 더 높은 제2 압력을 적용하면서 도달되는 온도는 중합체의 용융 온도보다 18℃ 내지 22℃ 더 높을 수 있다). 일부 예에서, 더 높은 압력 및 더 높은 온도가 대략 1분 동안 적용된다. 본 개시물의 이점을 알고 있는 본 기술 분야의 숙련인은 그의 선택된 중합체 및 구성요소 구성에 대한 그의 특정 요구를 충족시키기 위한 적절한 온도 및 시간을 선택할 수 있을 것이다.
제2 압력 및 증가된 압력은 도 2b에 도시된 바와 같이 플레이트들(30)을 함께 더 가깝게 이동시킨다. 적용된 높은 온도 및 압력으로 인해서, 중합체 필름의 중합체 재료는 용융하고, 모서리(28)를 포함하는 중합체 필름이 적용된 기재(22)의 부분을 따라서 구역(24)에 함침된다.
도 2b로부터 인지될 수 있는 바와 같이, 중합체의 일부는 기재(22)를 지나서 이동하여 모서리(28)를 통과하여, 각각의 모서리(28)를 지나서 연장된(26')로 표시된 일부 중합체 재료가 존재한다. (26')로 표시된 중합체는 일부 성형 방법의 결과로서 목적하는 기하학적 형상을 가질 수 있다. 도시된 예에서,(26')의 중합체 재료는 플랩(26)의 목적하는 기하학적 형상에 상응하는 형상 또는 외관(profile)을 갖지 않는다. 도 2c는 중합체 재료(26') 중 일부를 기계가공(예를 들어, 손질)하여 플랩(26)의 선택된 기하학적 형상을 설정하는 기계가공 장치(50)를 모식적으로 나타낸다.
도 3은 임의의 예시적인 플랩 기하학적 형상을 나타낸다. 이러한 예에서, 플랩(26)은 모서리(28)로부터 멀어지는 방향으로 연장된 플랩 길이(L) 및 길이 방향을 가로지르는 방향으로 연장된 플랩 두께(T4)를 갖는다. 플랩 두께 T4는 도시된 실시양태에서 기재(22)의 두께(T3)보다 작다. 플랩 두께(T4)는 일부 예에서 기재 두께(T3)만큼 클 수 있다.
길이 L는 일부 실시양태에서 플랩 두께 T4의 적어도 2배이다. 일례에서, 길이 L는 대략 10 mil이고, 두께 T4는 대략 5 mil이다. 그러한 플랩 구성은 유체가 기재(22)의 모서리(28)를 따라서 바람직하지 않은 방식으로 이동하는 경우 유체, 예컨대 인산이 이동해야 하는 25 mil의 거리를 제공한다. 이러한 거리 및 중합체의 소수성 장벽 본성은 모서리(28)를 따르는 바람직하지 않은 유체 이동을 방지하기에 충분하고, 이것이 연료 전지 어셈블리 내에서 보다 양호한 유체 조절 및 제어를 가능하게 한다.
이러한 예에서 플랩 기하학적 형상은 일반적으로 직사각형 단면을 포함한다. 다른 외관 또는 단면, 예컨대 반원형, 삼각형 또는 또다른 다각형이 일부 경우에 유용할 수 있다.
도 4는 플레이트(30)의 적어도 하나의 대안의 구성을 도시한다. 이러한 예에서, 플레이트(30)는 기재(22)의 모서리(28)가 수용되는 숄더(62) 근처에 배치된 채널(60)을 포함한다. 중합체가 용융하고, 기재(22)에 함침되는 경우, 중합체의 일부는 채널(60)로 유동한다. 채널(60)의 구성은 플랩(26)의 선택된 기하학적 형상 또는 형상을 설정한다. 그러한 플레이트(30)를 사용하면, 과량의 중합체 재료를 기계가공하거나 또는 손질할 필요가 없을 수 있다.
본 명세서의 원리를 사용하여 연료 전지 구성요소를 제조하는 것은 연료 전지 어셈블리 내에 유체 장벽을 제공하기 위한 다른 노동 집약적인 접근과 비교할 때 상당한 비용 절감을 제공할 수 있다. 예를 들어, 플랩(26)은 별개의 구성요소로서 제공되어야 하는 것 대신에, 구성요소(20), 예컨대 전극에 통합된다. 이것은 전지 스택 어셈블리의 조립과 관련된 노동 및 비용을 감소시킨다.
다양한 특징 및 측면이 하나 이상의 특정 실시양태와 관련하여 상기에 기재되어 있지만, 그러한 특징 및 측면은 상응하는 실시양태에 대해서 필수적으로 독점적인 것은 아니다. 개시된 특징 및 측면은 상기에 구체적으로 언급된 것이 아닌 다른 방식으로 조합될 수 있다. 즉, 한 실시양태의 임의의 특징이 다른 실시양태의 특징과 함께 포함되거나 또는 다른 실시양태의 특징을 위해서 대체될 수 있다.
상기 설명은 사실 제한이 아니라 설명이다. 개시된 예에 의해서 제공된 본 기술에 대한 공헌의 본질로부터 필수적으로 벗어나지 않는 개시된 예에 대한 변경 및 개질은 본 기술 분야의 숙련인에게 자명할 수 있다. 본 발명에 제공된 법적 보호 범주는 하기 청구범위를 연구함으로써 만이 결정될 수 있다.

Claims (19)

  1. 적어도 중합체의 온도가 중합체의 용융 온도에 도달할 때까지 중합체를 가열하면서 제1 압력을 중합체 및 구성요소 층에 적용하는 단계; 및
    적어도 중합체의 온도를 중합체의 용융 온도보다 높은 제2 온도로 증가시키면서 더 큰 제2 압력을 중합체 및 구성요소 층에 적용하는 단계에 의해 구성요소 층의 모서리에 인접한, 구성요소 층의 적어도 일부를 중합체로 투과시키는 단계; 및
    중합체의 일부를 모서리를 지나서 연장시켜서 구성요소 층의 모서리를 지나는 플랩(flap)을 설정하는 단계를 포함하는 연료 전지 구성요소의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 모서리를 지나서 연장된 중합체를 선택된 플랩 기하학적 형상으로 형상화하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 형상화 단계가 모서리를 지나서 연장된 중합체를 기계가공하여 중합체의 적어도 일부를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 형상화 단계가 구성요소 층의 모서리 근처에 주형 공동을 제공하는 단계; 및
    중합체를 모서리를 지나서 연장시켜서 성형 방법 동안 공동을 충전시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 구성요소 층이 제1 두께를 갖고; 선택된 플랩 기하학적 형상이 모서리로부터 멀어지는 방향으로 연장된 플랩 길이 및 길이를 가로지르는 방향의 제2 플랩 두께를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제2 플랩 두께가 제1 두께보다 더 작은 것인 방법.
  7. 제2항에 있어서, 선택된 플랩 기하학적 형상이 직사각형 단면을 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 중합체가 인산에 대해서 화학적으로 내성인 방법.
  9. 중합체 재료로 함침된 층의 모서리에 인접한 부분 및 모서리를 지나서 연장된 중합체 재료의 플랩을 갖는 구성요소 층을 포함하는 연료 전지 구성요소이며,
    적어도 중합체의 온도가 중합체의 용융 온도에 도달할 때까지 중합체를 가열하면서 제1 압력을 중합체 및 구성요소 층에 적용하는 단계; 및
    적어도 중합체의 온도를 중합체의 용융 온도보다 높은 제2 온도로 증가시키면서 더 큰 제2 압력을 중합체 및 구성요소 층에 적용하는 단계; 및
    중합체의 일부를 모서리를 지나서 연장시켜서 플랩을 설정하는 단계를 포함하는 공정에 의해 만들어진 연료 전지 구성요소.
  10. 제9항에 있어서, 구성요소 층이 제1 두께를 갖고, 플랩이 제2 두께를 갖는 연료 전지 구성요소.
  11. 제10항에 있어서, 제2 두께가 제1 두께보다 더 작은 연료 전지 구성요소.
  12. 제9항에 있어서, 중합체 재료가 220℃의 온도보다 낮은 온도에서 습윤되지 않고, 열적으로 안정한 고용융 유동성(high melt flow) 중합체를 포함하는 연료 전지 구성요소.
  13. 제9항에 있어서, 구성요소 층이 다공성 흑연화 기재를 포함하는 연료 전지 구성요소.
  14. 제9항에 있어서, 전극 또는 기체 확산 층 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지 구성요소.
  15. 제9항에 있어서, 중합체가 인산에 대해서 화학적으로 내성인 연료 전지 구성요소.
  16. 제9항에 있어서, 플랩이 모서리로부터 멀어지는 방향으로 연장된 플랩 길이 및 플랩 길이를 가로지르는 방향의 플랩 두께를 포함하는 선택된 기하학적 형상을 갖는 연료 전지 구성요소.
  17. 제16항에 있어서, 플랩 길이가 플랩 두께의 적어도 2배인 연료 전지 구성요소.
  18. 제16항에 있어서, 선택된 플랩 기하학적 형상이 직사각형 단면을 포함하는 연료 전지 구성요소.
  19. 삭제
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