KR20010052825A - 물 이송 평판을 고형 폴리머 전해질 연료 전지에 사용하는방법 및 고형 폴리머 전해질 연료 전지용 물 이송 평판 - Google Patents

물 이송 평판을 고형 폴리머 전해질 연료 전지에 사용하는방법 및 고형 폴리머 전해질 연료 전지용 물 이송 평판 Download PDF

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Abstract

물 이송 평판에는 연료 전지의 작동을 현저히 개선하기 위한 최적의 물리적 특성이 제공된다. 양호한 제조방법에 있어서, 흑연 분말, 보강 섬유, 셀룰로오스 섬유, 및 열 경화성 수지가 슬러리를 형성하도록 액체와 혼합되어 페이퍼를 형성하도록 거조되는 판형 시트(4)를 형성하도록 스크린 상에 분무된다. 페이퍼는 소정의 크기로 절단되어 적층 배열된다. 적층 배열체(2)는 필요에 따라 후 기계 가공되는 물 이송 평판을 형성하도록 가압 및 가열에 의한 적층 처리, 탄소 처리 및 흑연 처리된다. 가공 완료된 물 이송 평판은 기포 압력, 투수성, 평균의 공극 크기, 다공성, 평판 관통 저항성 및 압축 항복강도에 대해 최적의 물리적 특성을 나타낸다.

Description

물 이송 평판을 고형 폴리머 전해질 연료 전지에 사용하는 방법 및 고형 폴리머 전해질 연료 전지용 물 이송 평판{WATER TRANSPORT PLATE AND METHOD OF USING SAME}
고형 폴리머 전해질 연료 전지 발전기는 종래 기술에 공지되어 있으며, 이의 원형(prototype)이 캐나다 벤쿠버 소재의 볼러드 파워 시스템즈, 인코포레이티드 등에 의해 상업화되어 있다. 이들 시스템들은 실용화 가능하나, 상당히 복잡하다. 볼러드 파워 시스템즈에 의해 실용화된 폴리머 박막 발전기의 일 예가 1994년 11월 1일에 허여된 미국 특허 제 5, 360, 679 호에 설명되어 있다. 고형 폴리머 연료 전지에서 발생하는 하나의 문제점은 발전기의 전지 내에 있는 물, 냉각제 및 생성수(product water)의 관리이다. 고형 폴리머 박막 연료 전지 발전기에 있어서, 생성수는 전지 음극에서의 전기 화학적 반응, 특히 수소이온, 전자 및 산소 분자의 조합에 의해 형성된다. 상기 생성수는 전지의 음극 측으로부터 제거되어야 하며, 보충수(makeup water)는 전지의 양극 측으로 제공되어야 하는데 그 양은 전해질 박막의 음극 측의 범람을 방지하는 동시에 양성자 교환 박막의 건조를 방지할 수 있는 양이다.
오스트리아 특허 제 389,020 호에는 수동적으로 냉각제와 물을 제어하기 위한 미세한 공극 수냉판 조립체를 이용하는 수소 교환막 연료 전지 적층물이 설명되어 있다. 상기 오스트리아 특허는 전지를 냉각시키고 인접 전지 사이에 걸친 반응을 방지하기 위해 한 전지의 음극 측과 인접 전지의 양극 측 사이에 포수(water-saturated) 미세 공극 평판 조립체를 사용한다. 상기 미세 공극 평판 조립체도 이온 교환막의 음극 측으로부터 냉각수 스트림 내측으로 생성수를 이동시키고 양극의 건조를 방지하도록 상기 이온 교환 막의 양극 측으로 냉각수를 이동시키는데 사용된다. 생성수와 냉각수의 양호한 양 방향 이동은 수냉판 조립체를 두 부품으로 형성함으로써 달성할 수 있는데, 하나의 부품은 음극 측에 형성된 생성수가 미세 공극판 내측으로 흡수되어 냉각판 조립체의 내측인 냉각수 통행로 쪽으로의 모세관 효과에 의해 이동될 수 있게 하는 공극 크기를 가진다. 상기 수냉판 조립체도 제 1 평판 보다 더 미세한 공극 구조를 갖고 냉각수 통로로부터 물을 빨아드려 그 물을 모세관 효과에 의해 양극으로 이동시키는 제 2 평판을 포함한다. 각각의 조립체에 있는 미세한 그리고 보다 미세한 공극 평판은 냉각수 통행로를 형성하도록 홈이 형성되어 있으며 인접 전지 사이에 면-대-면 정렬을 이루도록 배열된다. 보다 미세한 공극 평판은 음극 보다 양극에 근접되게 냉각수 통행로를 위치시키도록 미세한 공극 평판 보다 얇다. 이온 교환 막 연료 전지 발전소에 있어서의 물의 관리와 전지의 냉각과 관련된 전술한 해결책은 미세 공극 평판 및 보다 미세한 공극 평판의 품질제어 요건으로 인해 달성하기가 어려우며, 평판 부품이 균일하게 제조되지 않기 때문에 고가이다.
연료 전지 기술에 있어서, 물 이송 평판은 물로 채워지는 다공성 구조물이다. 연료 전지의 작동 중에, 물 이송 평판은 양자 교환 막(PEM)의 습도를 유지하고, 음극에 형성된 생성수를 제거하고, 순환 냉각수 스트림에 의한 부수적인 열을 제거하고, 전지로부터 전지로 전기를 유도하고, 인접 전지 사이에 가스 분리기를 제공하고, 전지를 통해 반응물들을 유도하기 위한 통로를 제공하도록 물을 국지적으로 공급한다. 상기 물 이송 평판은 증발에 의해 연료 전지로부터 손실된 물을 보충하기 위해 물을 연료 전지에 공급한다. 물 공급 평판의 제조공정 상의 한계로 인해, 상기 평판은 고가로 제조되며 제한적인 강도만을 소유하게 된다.
예를들어, 물 이송 평판은 흑연 분말 및 분말 페놀 수지가 층을 형성하도록 몰드 내측으로 분무되는 드라이-레이드(dry-laid) 공정으로 형성될 수 있다. 상기 층은 페놀 수지가 흑연 분말과 용융되어 코팅될 때까지 가열되는 0.001 인치 두께의 층을 형성하도록 압축된다. 그 후, 수지는 경화되어 흑연 분말을 복합물 내에 결합시킨다. 이는 일반적인 물 이송 평판의 제조공정이지만, 제조 속도가 늦고 물 이송 평판의 구조적 일체성에 바람직한 상당히 긴 섬유를 제조하는 것이 어렵다. 보다 긴 섬유들은 드라이-레이드 공급기 내에 뒤얽히는 경향이 있어 완성된 복합물 내에 섬유 다발을 형성하게 된다. 비균일한 섬유 분포를 초래하는 상기 섬유 다발은 구조물의 파손에 민감한 복합물 내에 취약지구를 형성한다. 복합물의 구조적 일체성은 섬유의 길이가 약 1.0 ㎜(약 0.04 인치) 이상일 때 최대이나 상기 드라이-레이드 공정에 있어서의 섬유 길이는 약 0.51 ㎜(약 0.02 인치)가 한계이다. 따라서, 물 이송 평판을 위한 설계에 있어서의 허용오차는 작고 조립이 어려워서 부품의 불량률이 증가한다.
또한, 물 이송 평판의 환경 및 작동 변수들은 전체 연료 전지의 최적 성능을 달성하기 위해서는 세심한 균형이 필요하다. 예를들어, 공극 크기, 저항성, 입자 크기, 수지 함량 및 항복강도와 같은 물 이송 평판의 변수들은 연료 전지의 효율적인 작동에 필요한 기포 압력 특성 및 투수성을 달성할 수 있도록 적절히 선택되어야 한다.
전술한 관점에서, 개선된 물 이송 평판은 효율적인 연료 전지의 작동을 위해 최적상태로 적절히 조화된 우수한 기포 압력과 투수성을 갖는 것이 바람직하다.
발명의 요약
본 발명은 종래 기술의 연료 전지용 물 이송 평판이 갖는 장점을 가진다. 또한, 본 발명은 현재 이용가능한 물 이송 평판에서 발견되지 않은 신규한 장점을 제공하며 현재 이용가능한 물 이송 평판의 다수의 단점들을 극복할 수 있다.
본 발명은 일반적으로 신규한 물 이송 평판 및 그의 사용 방법에 관한 것이다. 물 이송 평판은 다수의 방법으로 제조될 수 있지만, 바람직하게는 흑연 분말, 보강 섬유, 셀룰로오스 섬유, 및 열 경화성 수지를 포함하는 평판 시트로 제조될 수 있다. 상기 물 이송 평판은 서로 적층 형태로 쌓여 탄소처리 및 흑연처리되는 복수의 주 시트로 절단되게 되는 평판 시트로 제조될 수 있다.
본 발명의 물 이송 평판은 흑연 분말, 보강 섬유 및 셀룰로오스 섬유를 슬러리를 형성하는 액체와 혼합함으로써 평판 시트로 형성된다. 그 후, 상기 액체는 평판 시트로부터 제거되고 상기 평판 시트는 복수의 주 시트로 절단된다. 상기 주 시트는 결합되고, 적층되고, 탄소 및 흑연 처리되어 물 이송 평판을 형성한다.
또한, 본 발명의 물 이송 평판은 흑연 분말, 보강 섬유, 및 셀룰로오스 섬유를 슬러리를 형성하는 액체와 혼합함으로써 평판 시트로 형성된다. 액체는 평판 시트로부터 제거되어 열경화성 수지가 주입된 소정의 시트로 형성된다. 상기 시트는 물 이송 평판을 형성하도록 적층되고 탄소 및 흑연 처리된 복수의 주 시트로 절단된다.
본 발명의 물 이송 평판은 다수의 방법으로 형성될 수 있다고 이해해야 한다. 그러나, 상기 다수의 방법에는 연료 전지의 작동 및 효율을 최적화 하기 위해서 본 발명에 따른 물 이송 평판의 어떤 양호한 특징 및 변수들이 있을 수 있다. 본 발명의 물 이송 평판은 0.02 Ω-㎝의 평면 관통(thru-plane) 전기저항, 1,050 psi의 압축 항복강도, 1.9 μ의 평균 공극 크기 및 40 체적%의 개방 다공도를 갖는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 내측에 설치되는 연료 전지의 작동을 최적화할 수 있는 물 이송 평판을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 기포 압력과 투수성을 최적으로 조합한 물 이송 평판을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 최적의 공극 크기, 개방 다공도, 저항 및 항복 강도를 갖는 물 이송 평판을 제공하는 것이다.
본 발명은 물 이송 평판(water transport plates)에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 물 이송 평판 및 이의 사용 방법에 관한 것이다.
본 발명의 신규한 특징들은 첨부된 청구범위에 설정되어 있다. 그러나, 기타의 목적 및 부수적인 장점들과 함께 본 발명의 양호한 실시예들은 첨부 도면과 관련하여 설명한 다음의 상세한 설명을 참조하면 명확히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 물 이송 평판의 제조방법을 위한 적층 배열 예를 도시하는 분해 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 적층 배열 예의 정면도,
도 3은 공극 크기의 선택과 관련한 기포 압력과 투수성 사이의 균형 관계를 나타내는 그래프.
본 발명은 열경화성 수지와 함께 결합된 흑연 분말, 셀룰로오스 섬유 및 보강 섬유를 포함하는 물 이송 평판에 관한 것이다. 이러한 물 이송 평판은 셀룰로오스 섬유가 제조공정에 충분한 습윤 강도를 제공하는 제지공정에 의해 제조될 수 있는데, 상기 습기를 함유한 평판 시트 형태의 페이퍼는 파괴됨이 없이 전체 제지기를 횡단할 수 있는 충분한 인장강도를 소유한다. 이에 비해서, 보강 섬유는 완성된 물 이송 평판에 구조적 일체성을 제공한다. 흑연 분말은 완성된 물 이송 평판에 증가된 열 및 전기 전도성을 제공할 뿐만 아니라 평균 공극 직경에도 영향을 끼치는 반면에, 열경화성 수지는 적층 배열 후에 물 이송 평판을 연속적인 형태로 성형함으로써 섬유와 흑연 분말을 서로 결합시켜 흑연화 처리 후에 전기 및 열적 전도성을 개선하기 위한 개개의 흑연입자들 사이에 전기 및 열적 가교를 제공한다.
본 발명의 물 이송 평판은 상이한 방식으로 제조될 수 있다. 그러나, 물 이송 평판의 공극 크기와 다공도에 대해서는 기포 압력과 투수성 사이의 최적 균형을 달성하기 위해 세심한 배려가 필요하다. 기포 압력은 물 이송 평판이 가스 분리기로서의 역할을 할 수 있게 하는 물리적 특성이다. 모세관 힘은 가스 대 액체의 압력차가 기포 압력을 초과할 때까지 다공성 구조물 내에 물을 유지한다. 기포 압력은 물 이송 평판의 공극 크기가 감소함에 따라 증가된다. 투수성은 미국 특허 제 5, 503, 944 호에 설명되어 있는 바와 같이 음극으로부터 물 이송 평판으로의 물 제거에 필요하다. 도 3은 물 이송 평판의 평균 공극 크기가 증가함에 따라 투수성이 어떻게 증가하는 가에 대해 일반적으로 설명하고 있다. 본 발명에 따라서, 평균 공극 크기는 1 내지 3 μ이 바람직하며, 30%의 최소 다공도는 기포 압력과 투수성의 허용가능한 조합을 제공한다. 따라서, 흑연 분말의 평균 입자 크기는 통상적으로 약 1 μ 내지 약 150 μ이며 3.0 μ이하의 평균 공극 크기를 얻는데 바람직한 평균 입자 크기는 약 2 내지 약 75 μ이다. 본 발명의 물 이송 평판은 0.02 Ω-㎝의 평면 관통 전기저항, 1,050 psi의 압축 항복강도, 1.9 μ의 최대 평균 공극 크기 및 40 체적%의 개방 다공도를 가진다. 또한, 물 이송 평판의 양호한 기포 압력 범위는 10.5 psig이고 물 이송 평판의 양호한 투수율은 200 ×10-17㎡이다.
최종 물 이송 평판내의 흑연분말의 농도는 통상 약 25 내지 약 55 중량%이며 바람직하게는 약 35 내지 약 45 중량%이다. 사용가능한 흑연 분말로는 미국 펜실베니아 마릴스 스트리트 소재의 카바이드/그래파이트 그룹, 인코포레이티드에 의해 제조된 에어코(등록상표) 90 흑연분말, 미국 뉴져지 어스버리 소재의 어스버리 그래파이트 밀스, 인코포레이티드에 의해 제조된 어스버리 4234 흑연분말, 미국 뉴져지 레이크허스트 소재의 딕슨 티콘데로가에 의해 제조된 딕슨 200-42 흑연분말 및 이들의 혼합물과 기타 종래의 흑연분말이다.
본 발명의 양호한 제조공정에 있어서, 흑연분말은 최종 물 이송 평판에 구조적 일체성을 부여하는 보강 섬유와 조합된다. 물 이송 평판의 최종 강도는 결합된 보강 탄소섬유의 표면적의 양에 의해 제어된다. 보강 섬유의 직경이 약 15μ이상으로 현저히 증가되면, (후술되는) 열 경화공정 중에 섬유의 단위 중량당 작은 표면적이 결합에 이동된다. 그러나, 보강 섬유 직경이 약 5μ이하로 현저히 감소되면, 물 이송 평판을 서로 결합하는데 과도한 양의 열경화성 수지가 필요하게 된다. 따라서, 이들 섬유는 통상적으로 약 15μ이하, 바람직하게 약 5 내지 약 10μ의 직경을 가진다.
또한, 보강 섬유는 약 20 MMpsi 이상의 인장 모듈을 가진다. 보강 섬유의 인장 모듈이 약 20 MMpsi 이하로 떨어지면, 복합물의 휨 강도는 보강 섬유의 결합 표면적이 아닌 인장 강도에 에 의해 제어되며 물 이송 평판의 구조적 일체성은 약 1000 psi 이하의 휨 강도로 감소된다. 따라서, 약 20 MMpsi 이상의 인장 모듈을 갖는 섬유들이 사용되며, 바람직하게는 약 30 MMpsi 이상의 인장 모듈을 갖는 섬유들이 사용된다.
섬유 직경 및 인장 모듈 이외에도, 섬유의 길이도 물 이송 평판에 구조적 일체성을 부여하는 보강 섬유의 능력에 영향을 끼친다. 약 0.04 인치 이상의 섬유 길이가 바람직하며, 약 0.10 내지 약 0.25 인치 범위의 섬유 길이가 특히 바람직하다. 예를들어, 수평 와이어 제지기에 있어서, 약 0.25 이상의 섬유 길이는 섬유의 뭉침으로 인한 평탄 시트의 균일도를 감소시키므로, 통상적으로 바람직하지 않다. 길다란 섬유들은 길다란 섬유를 더욱 양호하게 취급할 수 있는 기타 제지기(즉, 경사식 와이어 제지기)에 형성된 평탄 시트의 균일도를 감소시키지 않음에 주목해야 한다.
가능한 보강 섬유로는 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유와 같은 탄소 섬유, 미국 테네시 록우드 소재의 포타필 파이버, 인코포레이티드에 의해 제조된 포타필(등록상표), 미국 커넥티컷 릿지필드 소재의 아모코 퍼훠먼스 프로덕츠, 인포포레이티드에 의해 제조된 써넬, 영국 체셔 소재의 알케이 파이버 리미티드에 의해 제조된 알케이, 미국 유타 마그나 소재의 헤르클스 어드밴스 머티어리얼스 앤드 시스템스 코포레이션에 의해 제조된 에이에스-4, 미국 미져리 세인트 루이스 소재의 졸텍 코포레이션에 의해 제조된 패넥스(PANEX,등록상표)와 이들의 혼합물, 및 연료 전지 환경하에서 사용될 수 있는 기타 종래의 보강 섬유들이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
완성된 물 이송 평판내의 보강 섬유의 농도는 통상 약 20 중량% 이하이며, 바람직하게는 약 10 중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 2.5 내지 약 7.5 중량% 범위이다. 완성된 물 이송 평판의 휨 강도가 보강 섬유의 추가에 의해 현저히 증가되지만, 재료의 비용을 최소화하기 위한 목적으론 보강 섬유를 배제할 수도 있다. 보강 섬유 없이 제조한 물 이송 평판은 전지 크기[즉, 평면 도형(planform)]가 제한되는데, 그 이유는 상기 평면 도형이 낮은 휨 강도를 갖는 부품에 대해 증가함에 따라 스크랩 비율이 실질적으로 증가하기 때문이다.
물 이송 평판이 함께 적층된 평탄 시트를 성형함으로써 제조될 수 있으므로, 셀룰로오스 섬유들은 제지 공정 중에 충분한 습윤 강도를 제공하여 평탄 시트가 파괴 없이 전체 제지기를 횡단하기에 충분한 강도를 갖도록 흑연 분말 및 보강 섬유와 혼합된다. 통상적으로, 약 10 내지 약 30 중량%의 셀룰로오스 섬유가 최종 물 이송 평판에 존재하나 약 15 내지 약 27 중량%가 바람직하다. 이들 섬유는 바람직하게, 제지 공정 중에 습윤 강도를 부여하기에 충분한 수소 결합력을 제공할 정도로 크면서 실질적으로 균일한 시트를 형성할 수 있게 작아야 한다. 따라서, 이들 섬유는 약 30 내지 약 45 μ의 섬유 직경과 약 2 내지 약 4 ㎜의 길이를 가진다. 셀룰로오스 섬유는 하드우드, 소프트우드, 코튼, 대마 또는 레이온과 같은 합성 재료, 및 이들의 혼합물 등이나 바람직한 셀룰로오스 섬유는 소프트우드 펄프이다. 그러한 몇몇 섬유들로 브리티쉬 컬럼비아 벤쿠버 소재의 캔폴에 의해 실용화된 프린스 조오지, 노써른, 세미-브리치드 소프트우드 펄프, 지에이(GA) 브룬스위크 소재의 조지아 패시픽에 의해 실용화된 브룬스위크, 서써른 소프트우드 펄프, 미국 미시시피 콜룸부스 소재의 웨이어호이저(Weyer haeuser)에 의해 실용화된 콜룸부스 서써른 소프트우드 펄프, 기타 종래의 셀룰로오스 섬유가 있다.
흑연분말, 보강섬유, 및 셀룰로오스 섬유의 혼합물은 흑연처리 및 탄소처리시, 가공처리 중인 복합물을 서로 유지하도록 복합물에 충분한 구조적 일체성을 부여하는 열경화성 수지와 서로 결합된다. 통상적으로, 탄소처리시 약 40% 이상의 증가되는 열경화성 수지는 복합물 후 흑연 처리에 대한 충분한 구조적 일체성을 부여한다. 약 40% 이하의 탄소 수율을 갖는 수지는 여분의 강도와 1000 psi 이하의 굴곡 강도를 갖는 흑연 처리된 물 이송 평판으로 제조될 것이다. 고 탄소 완충 수지와 결합하는데 있어서의 치명적인 결과는 알려지지 않았다. 열 경화성 수지로는 페놀 수지, 폴리아미드, 페트롤리움 피치, 및 푸르푸릴 알콜이 있으나, 페놀 수지가 바람직하다. 예를들어, 미국 위스콘신 쉐보이간 소재의 플래스틱 엔지니어링 컴퍼니에 의해 제조된 프렌코(등록상표) 페놀수지, 및 미국 뉴욕 노쓰 토나완다 소재의 옥시켐, 듀레쯔 디비젼에 의해 제조된 옥시켐(등록상표) 페놀 수지와 이들의 혼합물 등이 있다. 최종 물 이송 평판내의 열경화성 수지의 농도는 통상적으로 약 25 내지 약 50 중량%이며, 바람직하게는 약 30 내지 약 40 중량%이다. 이러한 열경화성 수지는 바람직하게 약 20 μ이하의 입자 크기를 갖는 분말 형태, 또는 물과 같은 용매 또는 메탄올 또는 에탄올과 같은 유기질 용매내에 분산된 형태로 사용될 수 있다.
물 이송 평판의 제조방법은 고형 구성물인 흑연 분말, 보강 섬유, 셀룰로오스 섬유, 및 열경화성 수지를 상기 고형물과 양립될 수 있는 액체를 사용하여 슬러리로 형성하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 상기 액체는 물 또는 수성 액체이다. 제지기의 스크린 상에 분무되는 고형 구성물을 실질적으로 균일하게 분포시키기 위해서는 충분한 양의 액체가 바람직하다. 통상적으로, 상기 충분한 양은 약 90 체적% 이상이며, 약 99 체적%가 바람직하다.
슬러리는 종래의 제지기를 사용하여 약 100 피트당 분의 비율로 평탄 시트상에 형성된다. 슬러리는 수평의 이동 스크린 상에 실질적으로 균일하게 분무되어서, 액체는 통과되면서 고형 구성물들이 스크린 상에 보유된다. 이동 스크린은 보유된 고형 구성물을 더욱 건조시키고 평탄 시트 내의 셀룰로오스 섬유들 사이의 수소 결합력을 개선하는 역할을 하는, 충분한 양의 진공원 또는 기타 종래의 수단 위로 이동된다. 평탄 시트가 자체 지지될 정도로 충분히 건조되면, 시트는 스크린을 떠나 여러 개의 롤러위로 이동되며, 상기 롤러는 롤러 위를 주행하는 펠트에 의해 추가로 지지된다. 롤러로부터, 상기 평탄 시트는 잔류 습기를 증발시키는 일련의 가열 드럼, 통상적으로 스팀 또는 오일 가열 드럼 위를 통과한다. 건조된 평탄 시이트는 수집을 위해 카드보드 튜브 상에 감긴다. 그 결과적인 평탄 시트는 성형 가능한 제지기에 의해 약 0.508 ㎜(0.02 인치) 내지 약 1.5 ㎜(0.06 인치)의 두께 및 임의의 폭으로 제조될 수 있다.
상기 평탄 시트는 열경화성 수지가 경화되기 시작하기 이전에 평탄 시트를 건조시키기에 충분한 온도에서 건조된다. 통상적으로, 건조 온도는 약 200 내지 약 300 ℉(약 93 내지 약 149 ℃), 바람직하게 약 225 내지 약 275 ℉(약 107 내지 135 ℃) 범위이다. 일단 평탄 시트가 건조되면, 소정 크기의 주 시트(4)로 절단되어 적층된다(도 1 및 도 2). 일반적으로, 물 이송 평판은 다른 연료 전지 성분과 같이, 약 89 ×약 89 ㎝(약 35 인치) 또는 약 114 ×약 114 ㎝(약 45 인치)의 크기를 가진다. 이와는 달리, 본 발명의 물 이송 평판은 약 30 ×약 15 ㎝ 또는 약 12 ×약 6 인치의 크기를 가질수도 있다.
상기 적층체는 차례로 주 시트(4)를 쌓아올린 적층체이다. 상기 적층체는 어떤 임의의 수의 주 시트(4)로 구성될 수 있다. 상기 적층체(2)는 시트를 몰드 프레스 내에 위치시키고 약 3,000 psig 이하의 축방향 하중, 및 약 300 내지 약 450 ℉(약 150 내지 230 ℃)의 온도, 바람직하게는 약 325 내지 약 375 ℉(약 150 내지 230 ℃)의 온도하에서, 약 1 내지 약 30분 동안 약 1.27 내지 약 3.81 ㎜(약 0.05 내지 약 0.15 인치)의 소정의 두께로 압축됨으로써 적층된다. 그후, 상기 적층체는 시간당 약 8 내지 약 1,500℉(약 815℃)에서 가열되고 그 온도에서 약 0.5 내지 약 4시간 동안 유지함으로써 탄소처리되며, 계속해서 약 3,632 내지 약 5,432 ℉(약 2,000 내지 약 3,000 ℃)의 온도에서 약 2 내지 약 4시간 동안 흑연처리된다. 흑연처리된 물 이송 평판 블랭크는 소정의 두께, 평면도형 크기와 냉각제 및 반응물의 흐름 형상으로 기계 가공된다. 본 발명의 물 이송 평판의 다중 파일은 양성자 교환 막에 있어서의 부수적인 가스/물 분리 능력 및 물 이송 평판의 기포압 능력을 손상하는 것 보다 커다란 공극을 연속적으로 형성할 가능성을 최소화시킨다.
최종적으로, 기계 가공된 물 이송 평판은 알루미늄, 실리콘, 주석, 니오븀, 루테늄, 탄탈륨 및 텅스텐의 산화물 또는 수산화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 습기 보유 화합물로 처리된다. 이러한 함습 처리는 1996년 11월 15일자로 공동 출원되어 계류 중인 미국 출원번호 제 08/751, 543 호에 설명되어 있다.
평탄 시트는 흑연 분말, 보강 섬유, 및 셀룰로오스 섬유로 형성될 수 있다. 그러한 경우에, 일단 평탄 시트가 형성되고 건조되고 나서 열경화성 수지로 포화되게 된다.
본 발명은 다음의 예시적인 실시예를 참조하면 더 명확히 이해될 수 있다. 이들 실시예는 본 발명의 적층형 물 이송 평판를 형성하는 공정을 설명하는 것이다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 범주를 한정하는 것이라고 이해해서는 않된다.
예 1
다음의 공정은 40 중량%의 에어코(Airco) 90 흑연 분말, 5 중량% 포타필(FORTAFIL) 1/2 인치 언사이즈 탄소섬유, 28 중량% 옥시켐 페놀 수지, 및 27 중량% 소프트우드 펄프를 형성하는데 사용될 수 있다.
1. 물이 0.4g 흑연 분말, 0.05 g 탄소섬유, 0.28 g 옥시-켐 페놀 수지, 및 0.27g 소프트우드 펄프의 분량으로 약 1 v/o 고형물을 갖는 슬러리를 형성하도록 고형물과 혼합된다.
2. 완전히 혼합되면, 상기 슬러리는 수평으로 이동하는 스크린 상에 분무되어, 250 lb./ream 또는 12 oz/sq. -야드(yard) ±5%의 기본 중량을 갖는 평탄 시트를 형성한다.
3. 상기 스크린은 진공을 통과하여 약간의 잔류 수분을 제거함으로써, 평탄 시트를 부분적으로 건조한다.
4. 그 후, 부분 건조된 평탄 시트는 롤러 및 오일 히터식 드럼 위로 이동되어 잔류 수분을 증발시키고 건조된 페이퍼를 형성한다. 상기 드럼은 250℉로 가열된다.
5. 건조된 페이퍼는 수집을 위해 카드보드 튜브 상에 감긴다.
6. 감긴 페이퍼는 10 내지 12 인치 ×6 인치 시트로 절단된다.
7. 그후, 상기 시트는 짜맞춰진다.
8. 짜맞춰진 상기 시트는 적층체를 형성하도록 345 ℉(약 175 ℃)에서 5분 동안 2370 psig의 압력에서 0.140 인치로 압축 성형된다.
9. 상기 적층체는 시간당 8 ℉에서 1510 ℉(약 820 ℃)까지 질소 분위기하에서 탄소처리된 후에 계속해서 시간당 77 ℉에서 4262 ℉까지(시간당 25 ℃에서 2350 ℃까지) 흑연처리된다.
10. 흑연처리된 물 이송 평판 블랭크는 12.26 인치 ×6.00 인치의 넓이 및 0.072 인치의 두께를 갖는 평판 형태로 기계가공된다. 0.024 인치 깊이의 냉각제 흐름 채널이 일 면에 기계가공되며 0.025 인치 깊이의 공기 흐름 채널이 대향면에 기계가공된다.
11. 기계 가공된 물 이송평판은 물에 용해된 주석 4 염화 5 수산화물의 리터당 1.7 몰의 용액에 침지시켜 상기 평판을 포화시키고, 상기 주석용액으로부터 평판을 제거하고 약 pH 9의 암모니아 수용액내에 침지시키고, 상기 암모니아 수용액으로부터 상기 평판을 제거하고 150 내지 200 ℉(65 내지 93 ℃)에서 건조시키고, 1 시간동안 400 ℃(750 ℉)에서 하소시킨다.
이러한 실시예에서, 물 이송 평판은 다음과 같은 물리적 특성을 가진다.
기포압력 9.5 psig
투수성 400 × 10-17㎡
평면 관통 저항 0.025 Ω-㎝
압축 항복강도 1100 psig
평균 공극 크기 2.3 μ
개방 다공도 42 %
본 발명의 물 이송 평판에 의해 다수의 장점이 실현되었다. 물 이송 평판은 종래의 물 이송평판 보다 더 긴 보강 섬유의 사용으로 인한 개선된 구조적 일체성과 더욱 균일한 기포 압력을 가진다. 상기 두 특성은 단위 체적당 비용감소와 증가된 전력을 초래하는 보다 얇은 부품의 사용을 가능하게 한다.
전술한 제조방법은 본 발명의 물 이송 평판을 제조하는 많은 방법중에 하나이다. 그러나, 완성된 물 이송 평판은 연료 전지의 작동을 최적화하도록 본 발명에 따른 변수와 특성을 가져야 한다. 그 결과, 전술한 물리적 특성을 나타내는 물 이송 평판을 제조할 수 있는 다른 방법들을 유추해 낼 수 있다.
본 발명의 사상으로부터 이탈함이 없는, 전술한 실시예에 대한 다수의 변경예 및 변형예가 본 기술분야의 숙련자들에 의해 실시될 수 있다고 이해해야 한다. 그러한 모든 변경예 및 변형예들도 다음의 청구범위에 포함되는 것이라고 이해해야 한다.

Claims (10)

  1. 물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법으로서,
    0.04 Ω-㎝의 최대 평면 관통저항, 750 psig의 최소 압축 항복강도, 3.0 μ의 최대 공극크기 및 30 체적%의 최소 개방 다공도를 갖는 물 이송 평판을 제공하는 단계와,
    내부의 물을 관리하도록 상기 물 이송 평판을 연료 전지내에 사용하는 단계를 포함하는
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판내에 5 내지 15 psi 범위의 기포압력을 생성하는 단계와,
    30 × 10-17㎡ 내지 2,000 × 10-17㎡ 범위로 상기 물 이송 평판의 물 투과율을 제공하는 단계를 더 포함하는
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판의 평면 관통 저항은 약 0.02Ω-㎝인
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판의 상기 압축 항복강도는 약 1,050 psi인
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판의 공극 크기는 약 1.9μ인
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판의 개방 다공도는 약 40 체적%인
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판의 기포 압력은 약 10.5 psig인
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 물 이송 평판을 통과하는 물 투과율은 약 200 ×10-17㎡인
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  9. 물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법으로서,
    0.04 Ω-㎝의 최대 평면 관통저항, 750 psig의 최소 압축 항복강도, 3.0μ의 최대 공극크기 및 30 체적%의 최소 개방 다공도를 갖는 물 이송 평판을 제공하는 단계와,
    상기 물 이송 평판내에 5 내지 15 psi 범위의 기포압력을 생성하는 단계와,
    30 ×10-17㎡ 내지 2,000 ×10-17㎡ 범위로 상기 물 이송 평판의 물 투과율을 제공하는 단계와,
    내부의 물을 관리하도록 상기 물 이송 평판을 연료 전지내에 사용하는 단계를 포함하는
    물 이송 평판을 연료 전지에 사용하는 방법.
  10. 연료 전지용 물 이송 평판으로서,
    0.04 Ω-㎝의 최대 평면 관통저항, 750 psi의 최소 압축 항복강도, 3.0μ의 최대 공극크기, 30 체적%의 최소 개방 다공도, 5 내지 15 psi 범위의 기포압력, 및 30 ×10-17㎡ 내지 2,000 ×10-17㎡ 범위의 물 투과율을 갖는 물 이송 평판을 포함하는
    연료 전지용 물 이송 평판.
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