KR102102275B1 - 천공부를 갖지 않는 연료 전지 가스 확산 층 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 탄소 섬유 종이의 시트(9)가 스핀들(11) 상의 제1 롤로부터 롤러(14) 주위를 거쳐 스핀들(15) 주위의 제2 롤로 전진된다. 롤러(14) 주위에서의 탄소 섬유 종이의 시트의 벤딩은 얽힘 해제에 취약한 섬유가 표면으로부터 외향으로 돌출되게 하고, 이들 섬유는 정지 지점(18)에 부착되는 면도칼처럼-예리한 날(17)에 의해 깎인다. 대체예에서, 연료 전지 확산 층 등의 탄소 섬유 요소(20)가 활형 지그(22) 내에 고정될 수 있고, 면도칼처럼-예리한 날(31)이 임의의 돌출 섬유를 절단하도록 요소의 표면을 따라 회전될 수 있다.

Description

천공부를 갖지 않는 연료 전지 가스 확산 층{NON-PUNCTURING FUEL CELL GAS DIFFUSION LAYER}
관련출원에 대한 교차 -참조
본 출원은 2013년 2월 21일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/767,384호의 이익을 향유한다.
기술 분야
연료 전지 가스 확산 층(GDL: gas diffusion layer)의 탄소 섬유 기판 또는 GDL 기판을 제조하는 탄소 섬유 종이가 섬유에 응력을 인가하도록 벤딩되고, 그에 의해 표면 근처의 느슨한-단부를 갖는 섬유가 가스 확산 층 또는 종이의 표면으로부터 돌출되게 하고, 그 후에 돌출 섬유가 면도형 공정(shaving-like process)에 의해 응력이 인가된 GDL 또는 종이의 표면으로부터 제거된다.
양성자 교환 멤브레인(PEM: proton exchange membrane) 연료 전지 장치에서, 층들이 반응물 가스 유동장과 양성자 교환 멤브레인의 양측 상에 배치되는 캐소드 및 애노드 촉매 층 사이에 배치된다. 이들 층은 통상적으로 "가스 확산 층"으로서 불리고, 종종 "집전체(current collector)"로서 불린다. 가스 확산 층의 주요 기능은 촉매 층 및 PEM의 전체 평면 도형을 횡단하여 균등한 방식으로 반응물 가스(연료 또는 산화제)를 전달하는 것이다.
탄소 섬유로써 제조되는 비직조 탄소 종이가 개선된 반응물 가스 질량 운반성을 갖는 우수한 성능(볼트/전류 밀도)을 나타내는 GDL을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이들 우수한 특성은 고체 반응물 가스 유동장 판을 이용하는 연료 전지 그리고 다공성 반응물 가스 유동장 판을 이용하는 연료 전지에서 주목되었다.
그러나, GDL을 위한 탄소 섬유로써 제조되는 비직조 탄소 종이의 사용은 연료 전지의 내구성 감소를 초래하였다. 탄소 섬유 종이 GDL과 관련되는 내구성의 상실이 그와 관련되는 양성자 교환 멤브레인 내에서의 핀홀(pinhole)의 발생에 의해 유발되고, 그에 의해 반응물 가스 크로스오버(crossover) 그리고 결국 연소를 가능케 하는 것으로 결정되었다. 이것은 이것을 경험한 전지의 고장을 초래하고, 또한 연료 및 산화제 가스의 촉매 반응으로부터 기인하는 뜨거운 영역으로 인해, 인접한 연료 전지에도 영향을 미치기 쉽다.
반응물 유동장 판 내로의 리브 및 홈의 간삽(interleaving)은 연료 전지 적층체 내의 다양한 층의 접촉 저항을 최소화하도록 인가되는 축 방향 하중에 의해 GDL 상에 불균등한 응력을 유발한다. 탄소 종이 GDL 내로 합체되는 섬유가 매트릭스로부터 풀려지고(disentangled), GDL의 표면으로부터 돌출되고, 결국 양성자 교환 멤브레인을 천공하고, 그에 의해 반응물 가스의 가스 크로스오버 및 혼합을 유발한다. 이것은 연료 전지 적층체에 추가의 손상을 초래할 수 있는 열 집중을 유발한다.
일반적인 경우에, 이러한 문제점은 PEM 상의 GDL과 촉매 층 사이에 종종 "이중 층(bilayer)"으로 불리는 미세한 공극 층을 사용함으로써 피해졌다. 그러나, 이러한 층은 질량 운반성 및 물 투과성을 감소시킨다.
PEM의 천공을 피하기 위해, 일본 특허 공개 제2004/281363호는 GDL을 위해 유리 섬유 기판을 사용할 것을 제안하고 있다. 이것은 탄소 또는 그래파이트 입자 등의 전기 전도성 물질과 관련하여 무거운 하중을 요구한다.
GDL의 탄소 섬유에 의한 PEM의 천공 감소가 GDL에 고비표면 입자상 탄소를 코팅하는 것으로부터 기인하는 것으로 제US 7,144,476호에 언급되어 있다.
하중 또는 코팅이 반응물 가스 질량 운반성을 감소시키고, 이것은 성능 그리고 하중 과도 현상에 대한 응답성을 감소시킨다.
GDL을 형성하는 기판으로서 사용되는 탄소 섬유 종이 GDL 또는 탄소 섬유 종이 원료를 처리하는 공정은 표면으로부터의 섬유의 돌출을 압박하는 탄소 섬유 종이 또는 GDL의 활형 응력 인가(벤딩) 그리고 면도형 공정에 의해 표면으로부터 돌출된 섬유를 제거하는 것을 채용한다. 탄소 섬유 종이 또는 GDL의 활형 응력 인가는 섬유가 연료 전지의 촉매 층에 인접하도록 되어 있는 그 특정한 표면으로부터 돌출되게 하는 방식으로 되어 있다.
하나의 예시 실시예에서, GDL을 형성하는 기판으로서 사용되는 탄소 섬유 GDL 또는 탄소 섬유 종이 원료는 원통형 드럼 또는 롤러에 정확하게 정합되도록 압박되고, 이것은 느슨한 섬유가 풀려지게 하여 탄소 섬유 종이 또는 GDL의 표면으로부터 돌출되게 한다. 그 다음에, 면도기형 기구나 나일론 또는 금속 스트링으로써 수행될 수 있는 깎기 작업이 돌출된 섬유를 절단하는 데 사용되고, 그에 의해 표면을 깨끗하게 깎는다.
다른 예들이 여기에서의 주제의 범위 내에 속한다. 예컨대, 섬유의 풀림 및 돌출을 유발하도록 탄소 섬유 종이를 변형시키는 다른 방법이 드럼 또는 롤러에 종이 또는 GDL을 정합시키는 방법 대신에 사용될 수 있다. 돌출된 섬유의 깎기가 레이저 또는 관련 기술 분야에 공지된 많은 깎기 기술들 중 또 다른 하나로써 성취될 수 있다.
다른 변화가 첨부 도면에 도시된 것과 같은 예시 실시예의 다음의 상세한 설명에 비추어 더 명확해질 것이다.
도 1은 여기에서의 방법의 하나의 실시예의 개략 측면도 또는 평면도이다.
도 2는 대체 실시예를 도시하는 개략 측면도이다.
도 1을 참조하면, 미쯔비시(MITSUBISHI)® U107 등의 GDL을 제조하는 데 사용되는 탄소 섬유 종이 원료의 롤(9)이 하나의 스핀들(11)로부터 롤러(14) 주위를 거쳐 제2 스핀들(15)로 회전된다. 탄소 섬유 종이가 롤러(14) 주위를 거쳐 이동될 때에, 상부 표면이 볼록해진다. 종이에 인가되는 응력은 느슨한 섬유가 풀려지게 하여 종이의 볼록한 표면을 천공하게 한다. 탄소 섬유 종이는 이것이 롤러 주위를 거쳐 진행됨에 따라 또한 정지 앵커(18)에 의해 보유되는 조각도형의 면도칼처럼-예리한 절단 날(razor-sharp cutting edge)(17) 아래를 거쳐 진행된다. 면도칼처럼-예리한 날(17)은 표면으로부터 연장되는 섬유를 절단하고, 그에 의해 표면으로부터 임의의 돌출 섬유를 제거한다.
롤러(14) 및 면도칼처럼-예리한 날(17)은 (도 1에서의 지면에 직각인 치수 면에서) 탄소 섬유 종이(9) 정도로 넓을 것이다. 대체예에서, 좁고 면도칼처럼-예리한 날(17)이 종이(9)를 횡단하여 전후로 이동될 수 있다.
탄소 섬유 천이 그 후에 연료 전지 적층체 내의 GDL에서 사용될 때에, 연료 전지 양성자 교환 멤브레인을 천공할 수 있는 돌출 섬유가 없을 것이고, 그에 따라 핀 홀, 반응물 가스 크로스오버 및 연소가 없을 것이다.
도 1에 도시된 장치에 대한 대체예로서, 롤러(14) 위를 거쳐 진행되는 탄소 섬유 종이의 전체 표면을 횡단하여 연장되는 면도칼처럼-예리한 절단 날(17) 대신에, 정지 레이저가 면도칼처럼-예리한 날(17)과 동일한 라인을 따라 탄소 섬유 종이의 폭을 횡단하여 충분한 에너지의 빔을 제공할 수 있다. 또 다른 대체예는 면도칼처럼-예리한 날(17)과 동일한 라인과 접촉되도록 전후로 빠르게 구체적으로 임의의 돌출 섬유를 절단할 정도로 충분히 빠르게 주사되는 빔을 제공하는 레이저를 사용할 수 있다.
도 1에서의 배열은 스핀들(11, 15)이 롤러(14) 위에 있고 이 때에 탄소 섬유 종이가 롤러(14) 아래를 거쳐 진행되도록 변경될 수 있다. 이것은 절단된 섬유가 중력에 의해 롤로부터 낙하되게 할 것이다.
섬유가 GDL을 형성하는 기판으로서 사용되는 긴 종이 원료 내에 여전히 결합된 상태에서 섬유를 깎는 대신에, 여기에서의 방법은 형성된 GDL에 대해 실시될 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 형성된 GDL은 활형 지그(arcuate jig)(22) 상으로 클립으로 고정될 수 있다. 지그(22)는 고정 클립(25) 및 가동 클립(26)을 포함할 수 있다. 클립(26)은 지점(27)에 대해 피벗될 수 있고, 돌출 탄소 섬유가 제거되도록 GDL이 장착될 때에 핀(28)에 의해 제자리에 보유될 수 있다. 면도칼처럼-예리한 날(31)은 임의의 돌출 섬유를 절단하도록 GDL이 지그(22)에 클립으로 고정될 때에 GDL이 위치될 지그(22)의 표면의 반경의 중심인 지점(33)에 대해 회전되게 된다.
개시된 실시예의 변화 및 변형이 본 발명의 개념의 목적으로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있으므로, 첨부된 특허청구범위에 의해 요구되는 것과 같은 것을 제외하면 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다.

Claims (5)

  1. 탄소 섬유 종이의 시트의 제1 표면이 볼록해지고 그에 의해 풀림에 취약한 섬유들 중 일부를 풀리게 하여 취약한 섬유의 부분이 제1 표면으로부터 돌출되게 하도록 탄소 섬유 종이의 시트를 벤딩하여 탄소 섬유 종이의 시트를 활형 지그 상으로 클립으로 고정하는 단계와;
    탄소 섬유 종이의 시트의 제1 표면으로부터 취약한 섬유의 부분을 깎는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 종이의 시트를 처리하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 탄소 섬유 종이의 시트의 제1 표면으로부터 취약한 섬유의 부분을 깎는 단계는, 지그의 표면의 반경의 중심인 지점에 대해 면도칼처럼-예리한 날을 회전시키는 것을 포함하는, 탄소 섬유 종이의 시트를 처리하기 위한 방법.
  3. 탄소 섬유 종이의 시트의 제1 표면이 볼록하고 그에 의해 풀림에 취약한 섬유들 중 일부를 풀리게 하여 취약한 섬유의 부분이 제1 표면으로부터 돌출되게 하도록 탄소 섬유 종이의 시트를 벤딩하는 수단과;
    탄소 섬유 종이의 시트를 활형 지그 상으로 클립으로 고정하는 수단과;
    탄소 섬유 종이의 시트의 제1 표면으로부터 취약한 섬유의 부분을 깎는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 종이의 시트를 처리하기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서, 깎는 수단은 지그의 표면의 반경의 중심인 지점에 대해 회전되도록 구성된 면도칼처럼-예리한 날을 포함하는, 탄소 섬유 종이의 시트를 처리하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서, 벤딩하는 수단은 활형 지그를 포함하고, 고정하는 수단은 한 쌍의 클립을 포함하고, 상기 한 쌍 중 제1 클립은 상기 시트의 제1 단부를 지지하도록 구성되고, 상기 한 쌍 중 제2 클립은 상기 시트의 제2 단부를 지지하도록 구성되는, 탄소 섬유 종이의 시트를 처리하기 위한 장치.
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