KR20010072414A - 전기 전도성 층재료 - Google Patents

전기 전도성 층재료 Download PDF

Info

Publication number
KR20010072414A
KR20010072414A KR1020017001795A KR20017001795A KR20010072414A KR 20010072414 A KR20010072414 A KR 20010072414A KR 1020017001795 A KR1020017001795 A KR 1020017001795A KR 20017001795 A KR20017001795 A KR 20017001795A KR 20010072414 A KR20010072414 A KR 20010072414A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer material
resin
preformed
conductive
preformed layer
Prior art date
Application number
KR1020017001795A
Other languages
English (en)
Inventor
군터 로젠마이어
Original Assignee
추후보정
맨하탄 사이언티픽스 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 추후보정, 맨하탄 사이언티픽스 인코포레이티드 filed Critical 추후보정
Publication of KR20010072414A publication Critical patent/KR20010072414A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/24—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/88—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced
    • B29C70/882—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced partly or totally electrically conductive, e.g. for EMI shielding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/18—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives
    • B32B27/20—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives using fillers, pigments, thixotroping agents
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/0056—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by the compounding ingredients of the macro-molecular coating
    • D06N3/0063—Inorganic compounding ingredients, e.g. metals, carbon fibres, Na2CO3, metal layers; Post-treatment with inorganic compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
  • Paints Or Removers (AREA)

Abstract

본 발명의 목적은 전도성 성분으로서 비-금속성 분말(특히 탄소)을 함유한 고신축성 전기 전도성 층재료 및 그 제조방법을 제시하는 것이다. 낮은 전기 비저항값과 높은 기계적 강인성 및 신축성이 간단한 제조방법을 통해 저렴한 비용으로 달성될 수 있다.
본 발명의 층재료는 전도성 비-금속성 입자간의 접촉점이 잘 한정되며 결합 폴리머의 모든 코팅이 방지됨을 특징으로 한다. 이것은 필수 바인더 첨가전 압축 또는 압연에 의해 접촉점을 형성하여 달성된다. 바인더는 액체 경화성 플라스틱 재료 형태로 첨가되어서 층재료 기공은 채운다. 기계적 성질 향상을 위해서 층재료는 탄소 섬유와 같은 섬유를 포함할 수 있다.
이러한 층재료는 전자기 간섭 차폐재료, 가스 확산 전극의 기계적 보강재, PEM 연료 전지와 같은 전기화학적 전지 스택에서 2극 플레이트 분리 반응물로서 사용될 수 있다.

Description

전기 전도성 층재료{ELECTRICALLY CONDUCTIVE LAYER MATERIAL}
정전기 전하 방지재료, 전자기 간섭 차폐재료, 전기 가열 매트의 저항재료, 연료전지와 같이 전기화학적 분야에 사용되는 격리판 및 2극 플레이트로서 사용되는 전도성, 비-금속성 층재료는 당해 분야에서 공지이다. 이들 재료가 금속에 비해서 부여하는 핵심장점은 저중량과 화학매체에 대한 높은 내성이다. 대개의 경우에 낮은 전기 저항과 높은 기계적 강인성이 요구된다.
전도성 그을음 또는 흑연과 배합된 열가소성플라스틱 또는 수지로 구성되는 탄소 복합재료가 당해분야에서 발표된다. 이러한 복합재료의 일례가 DE 3135430 C2에 제시된다. 이러한 재료는 액체 형태로 사용되는 바인더의 격렬한 혼합이 전기 전도성 탄소입자를 부분적으로 피복시킴으로 낮은 수준의 전기 전도성을 보인다. 그 결과 전도성 입자간의 전기 접촉도가 일부 손실된다.
이에 반하여 DE 4234688 C2는 열경화성 수지를 배합시킴으로써 제조되는 고전도성 복합재료를 발표한다. 그러나 이 경우에 섬유질 탄소 입자를 할로겐 또는 알카리금속으로 도핑시켜서 제조되는 삽입 흑연 화합물이 전도성 재료로 작용한다. 탄소 입자는 촉매적 열분해 과정을 수단으로 미리 가스상으로부터 분리되고 이후에 2400℃에서 흑연화된다. 전체 공정은 비용이 높고 게다가 폴리머-전해질-막(PEM)연료 전지와 같이 전기 화학적 분야에서 사용하기에는 삽입 화합물의 안정성이 부족하다.
미국특허 4.643.956에는 수지와 코우크스 입자로부터 성형되고 이후에 최대 3000℃까지의 비용집약적인 다단계 흑연화 공정을 통해 마무리되는 격리판이 발표된다. 상기 판은 고전도성이며 화학적으로 안정적이다. 그러나 폴리머 성분의 부재 때문에 부서지기 쉽다.
본 발명은 탄소복합재료로 구성된 고전기전도성 쉬이트 또는 층 재료에 관계한다. 이러한 층재료는 신축성이 크면서도 양호한 기계적 강인성, 높은 탄성 모듈러스 및 저밀도를 갖는다. 이러한 층은 가스밀폐식 또는 다공성으로 제조될 수 있으며 표면이 조직화될 수 있다.
본 발명은 비용-효율적이고 고신축성이며 고전기전도성인 탄소 복합체 재료로 제조된 층재료를 제공한다. 층재료는 가스밀폐식 또는 다공성이다.
본 발명은 또한 이러한 층재료를 간단하고 비용 효율적으로 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 또다른 목적은 PEM 연료 전지의 2극 격리판과 가스 확산전극의 기계적 보강재로서 이러한 층재료의 용도를 제공한다.
이러한 목적은 청구항 1의 탄소복합재료로 제조된 층재료, 청구항 9의 층재료 제조방법, 청구항 21 및 22의 PEM 연료전지에서 가스확산 전극용 기계적 보강재료 또는 2극 격리판용 층재료의 용도에 의해 달성된다.
본 발명에 따라서 섬유, 고전도성 접촉점을 갖는 전기전도성 탄소입자, 탄소입자간 접촉점에 악영향을 주지 않으면서 완전 또는 부분적으로 탄소입자간 공간을 채우는 폴리머로 구성된 층재료는 제1목적이 달성된다. 대개의 경우에 층재료는 제조공정의 결과로서 층재료에 남아있는 보조제를 포함한다.
높은 기계적 강인성과 탄성 모듈러스를 갖는 섬유가 선호된다. 탄소섬유(탄화된)는 현저한 기계적 성질과 적어도 약간의 전기 전도성을 보이기 때문에 특히 선호된다. 탄소 섬유의 길이는 층 두께의 30배 이상이 좋다.
전도성 그을음, 흑연 또는 이의 혼합물이 전기 전도성 탄소 입자로서 선호된다.
층재료에 기계적 강인성을 제공하기 위해서 탄소 입자 또는 이의 응집체와 섬유를 결합시키는 경화된 열가소성 수지가 선호된다. 특히 페놀수지와 에폭시 수지가 선호된다.
보조제로서 미소입자형태(120-500 ㎚)의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 선호된다. 보조제 PTFE는 층재료에 전형적인 발수성을 제공하여서, 연료전지에서 가스확산 전극의 기계적 보강재로 층재료가 사용될 경우에 대단히 바람직하다.
층의 총질량에 대해서 섬유는 0-40%이며, 전도성 그을음 또는 흑연은 10-75%이고, 경화된 폴리머는 10-70%이다. 개방된 기공을 많이 함유한 층에서 사용된 폴리머의 양은 주어진 범위의 하한값 근처이다.
층재료 제조에 사용되는 방법은 경화성 수지 첨가전 탄소입자와 섬유가 서로 충분히 전기적 접촉을 하도록 해야한다. 본 발명의 방법에서 최신 방법에서 일반적으로 행해지듯이 경화안된 액체 수지가 탄소분말 및 섬유와 혼합에 의해 포함되지 않고, 탄소입자와 섬유를 함유한 예비성형된 다공성 층재료를 함침시킴으로써 포함된다.
따라서 예비성형된 층재료의 기공은 전기전도성 입자간에 존재하는 전기적 접촉을 크게 파괴하지 않으면서 완전 또는 부분적으로 충진될 수 있다. 예비성형된 층재료의 기공은 액체수지가 모세관인력을 통해서 탄소재료를 침투함으로써 충진된다. 따라서 탄소 또는 유리섬유가 혼합공정에서 파괴되기보다는 원래의 길이를 유지하는 장점이 있다.
이후에 예비성형된 층재료에 의해 포획된 수지가 열 및 압력하에서 경화된다. 압력은 가열된 롤러에 의해 압연기를 사용하여 연속으로 적용되거나 프레스를 사용하여 불연속적으로 가해진다. 표면 조직, 예컨대 채널구조가 필요하면 이에 대응하도록 프레스 공구가 설계되어서 경화과정중에 프레스 공구가 층에 필요한 조직을 색인시키는데 사용될 수 있다.
예비성형된 층재료로서 시판되는 탄소섬유지(Toray, Japan) 또는 DE 195 44 323 또는 EP 0298690에 따라 제조되며 매연 또는 흑연 분말과 미세한 PTFE 입자가 충진된 탄소 부직 섬유 매트가 사용될 수 있다. 가장 간단한 경우에 예비성형된 층재료는 층을 형성하도록 압축된 탄소 성분과 소량의 바인더(PTFE)로 구성된다. 그러나 대부분 예비성형된 층재료는 본래 안정적이지 못하다. 즉 이들은 추가 가공이 될 때까지 프레스 몰드에 유지되어야 한다.
탄소섬유종이(Toray, Japan)에서 섬유는 폴리머의 흑연화에 의해 매우 굳건하게 결합되어 있다. 그러나 흑연화 과정은 섬유와 결합을 약화시켜서 최종제품의 기계적 성질에 반영된다. 게다가 흑연화과정은 비용이 들므로 본 발명의 목적에 접합치 않다.
예비성형된 층재료로서 매연 또는 흑연이 충진된 탄소부직 섬유 매트의 사용으로 PTFE가 탄소입자의 예비 바인더로서 작용을 한다. PTFE는 전체 제조공정동안 고체 형태로 유지되므로 소량의 PTFE가 탄소 입자를 코팅시킬 위험은 없다.
놀랍게도 본 발명의 방법 사용시 민감한 연질 출발물질로부터 경질, 고 신축성 층재료가 제조된다. 최종 제품의 전도성은 출발물질의 전도성과 거의 동일하다.
실시예 1
30 g/㎡의 표면-기초 밀도를 가지는 탄화된 탄소섬유로 구성된 부직 매트가 DE 195 44 323에 따라서 압연공정을 통해 그을음 및 PTFE 현탁액으로 함침된다. 1:1의 부피비율로 물과 이소프로필 알콜이 현탁액체로서 사용된다. PTFE는 180 ㎚의 직경을 갖는 미세 입자 수성 현탁액으로 첨가된다. 그을음 및 PTFE 총량에 대한 PTFE의 비율은 2 내지 40%이다. 이 실시예에서 8%의 PTFE가 사용된다. Cabot firm에 의해 제조된 Vulkan XC 72 또는 Black Pearls 또는 Akzo Nobel에 의해 제조된 ketjenblack이 그을음으로서 사용된다.
가능한 균질하게 함침되고 건조된 매트의 표면 기초 밀도는 50-150 g/㎡이다. 이 실시예에서 밀도는 90 g/㎡이다. PTFE 현탁액으로부터 분산제를 열분해시키기 위해서 함침된 매트는 5분간 350℃에서 소결된다. 소결온도는 250 내지 400℃이다.
예비성형된 층재료 제조를 위해서 필요한 층두께에 따라 하나 이상의 함침된 부직 매트가 승온에서 압축된다. 그을음 입자간 전기 접촉점이 압축 단계에서 그리고 선행하는 압연 공정에서 부분적으로 형성된다. 압축압력은 5 내지 500바아이고 온도는 400℃미만이어야 한다. 이 실시예에서 100 바아의 압력과 120℃의 온도가 사용된다. 이렇게 형성된 다공성 층재료는 신축성이지만 낮은 탄성과 기계적 강인성을 가진다.
본 발명의 층재료 수득을 위해서 1성분 또는 2성분 에폭시 수지, 특히 1500mPas의 점도를 갖는 2성분 에폭시 수지와 알콜(특히 에탄올)의 용액 또는 현탁액이 준비된다. 사전혼합된 에폭시수지:알콜의 질량비는 1:1이고, 이것은 공정 말미에 가스 밀폐식 층을 생성시킨다.
예비성형된 층재료가 현탁액에 침지되거나 현탁액이 분무 또는 브러슁된다. 예비성형된 층재료와 현탁액간의 모세관 인력에 기초하여 현탁액이 예비성형된 층재료를 1 ㎜이상의 층두께로 침투한다. 균질한 함침후 약간 증가된 온도에서 증발을 통해 알콜이 제거된다. 함침공정은 1회 이상 반복될 수 있다.
이후에 압력 및 승온하에서 에폭시 수지가 경화된다(특히 120℃ 및 275바아에서). 예비성형된 층재료에서 90 g/㎡의 밀도를 갖는 3개의 함침된 부직매트 층을 사용함으로써 0.4 ㎜두께의 라미네이트가 수득된다.
이러한 층재료는 가스 밀폐성이고 발수성이다. 4-점 방법을 사용하여 층에 평행하게 측정된 전기저항은 0.018 오옴 ㎝이다. 최소 휨 직경(D)과 층두께(d)간의비율이 신축성 기준이다. D/d 비율은 약 50이다.
실시예 2
실시예 1의 층재료의 PEM 연료전지 스택의 2극 플레이트로서 (특히 반응가스 수소 및 산소나 공기에 대한)사용이 두가지 상이한 방식으로 이루어진다:
a) 구조화 안된 매끈한 층재료가 전기 전도성 가스분리층으로 사용되고 음극 및 양극에 대해 필요한 가스 흐름 필드 구조물(예컨대 다공성 캐리어에 포함된 채널구조물)이 실시예 1의 층재료의 맞은편 표면에 적용된다. 적절한 순서로 가스분리층, 흐름 필드, 및 막 전극 유닛을 쌓고 적당한 실링 및 가스공급원을 적용함으로써 PEM 연료 전지 스택이 수득된다.
b) 가스 흐름 필드(예, 채널구조)로 적합하나 (네가티브)구조를 갖는 프레스 공구가 특히 실시예 1의 층재료 경화단계동안 압축공정에서 사용된다. 경화후 한면 또는 양면상에 공구의 구조가 새겨진 층재료가 수득된다. 흐름 필드 구조와 막-전극 유닛을 포함시켜서 가스 분리층을 압축시킴으로써 PEM 연료전지 스택이 수득된다.
실시예 3
그을음, PTFE 및 부직 탄소 섬유 매트로 구성된 층재료가 실시예 1에 따라 제조된다. 이 실시예에서 이소프로필 알콜에 용해된 10% 페놀수지 용액이 층 응고를 위해 첨가된다. 이 용액으로 예비성형된 층재료가 2회 함침되고 이후에 건조된다. 160-180℃에서 압축 및 경화시키면 폴리머 저함량으로 인해 다공성인 층재료가 수득된다. 층재료는 발수성이고 고 탄성 모듈러스를 가진다. 폴리머 함량을 변화시켜 기공부피가 조절될 수 있다. 이러한 이유로 층재료가 가스 확산 전극의 보강층으로서 사용될 수 있다.
실시예 4
실시예 3의 다공성 전도성 층재료는 특히 PEM 연료전지의 가스 확산 전극의 기계적 보강재로서 사용될 수 있다. 가스 확산 전극은 비교적 연질이고 민감한 평면 구조로 구성되고 흑연화된 탄소섬유와 그을음으로 대부분 구성된다. 이러한 전극은 2극 플레이트 채널구조에 적용된 압력에 의해 휠 수 있으며, 압력은 전극과 2극 플레이트간 전기 저항을 감소시키는데 필요하다. 이러한 휨현상 때문에 전극 사이에 배치되며 대개의 경우에 매우 얇은 합성막이 손상되거나 휨현상은 전극이 채널을 폐쇄시킬 수 있게 한다.
경화된 또는 비경화 상태에서 양극 또는 음극에 대해 실시예 3의 층재료(에폭시 수지로 결합될 수 있는)를 라미네이션 또는 압축할 때 기계적 보강재 때문에 앞서 언급된 문제가 방지될 수 있다.
실시예 5
흑연화된 섬유로 제조된 시판 탄소섬유 조이(Toray firm)가 예비성형된 층재료로서 사용될 수도 있다. 저점성의 무희석 에폭시 수지를 써서 함침을 시킨다. 경화 공정은 1-80바아의 저압과 에폭시 수지에 적합한 승온에서 수행된다. 이것은 탄소섬유 종이의 기계적 안정성과 신축성을 향상시킨다. 그러나 이러한 층재료는 흑연화된 섬유의 낮은 신장 강도 때문에 실시예 1에서 발표된 낮은 휨반경을 달성할 수 없다.
층표면에 평행하게 측정된 전기 전도도는 함침공정에 의해 영향을 받지 않는다.
실시예 6
예비성형된 층재료 제조 과정에서 그을음을 그을음 및 흑연화된 탄소 혼합물로 대체시킴으로써 실시예 1,3 및 4의 층재료 전도도가 증가될 수 있다. 흑연화된 성분으로 10 ㎛ 내지 1 ㎜의 길이고 2 ㎛ 내지 20 ㎛의 직경을 갖는 짧게 절단된 흑연화된 섬유가 특히 적합하다. 0.13 ㎜의 길이와 13 ㎛의 직경을 가진 Donacarbo SG 241 섬유가 Ashland-Sudchemie-Kernfest GmbH에 의해 판매된다.
전도성 재료 총질량에 대한 흑연화된 성분의 질량비율은 10 내지 75%이다. 실시예 1에 비해서 PTFE 비율은 3 내지 5%로 감소될 수 있다. 모든 단계는 실시예 1과 유사하게 실시된다.
실시예 7
층재료가 연료 전지에서 2극 플레이트 또는 가스 확산 전극의 보강재로서 사용될 때 층에 수직으로 높은 수준의 전기 전도성과 다른 전기 전도성 재료에 대한 낮은 수준의 전달 저항성이 이루어진다. 주어진 압력에서 전달 저항성을 감소시키기 위해서 층재료의 적어도 한 표면이 바인더 경화전, 특히 층이 바인더로 함침되기전 고 전기전도성 재료로 코팅될 수 있다. 실시예 1에서 발표된 다층 구성의 경우에 나중에 라미네이트의 일부가 되는 표면을 코팅하는 것이 유리하다.
흑연화된 탄소 섬유 형태로 흑연화된 탄소를 함유한 코팅이 특히 적합하다. 이러한 재료의 일례는 Ashland-Sudchemic-Kernfest GmbH에 의해 제조되며 0.13 ㎜의 길이와 13 ㎛의 직경을 갖는 Donacarbo SG 241 섬유이다. 탄소 섬유는 바인더 함침 이전에 현탁되어서 분무를 통해서 층재료에 적용된다. 후속 공정단계에서 섬유가 떨어지지 않도록 하기 위해서 섬유를 층재료에 결합시키는 보충 바인더를 첨가하는 것이 유리하다.
분무용 현탁액 제조방법은 다음과 같다:
- 약간 교반하면서 Donacarbo SG 241섬유와 20 g H2O를 혼합;
- 60% PTFE 분산물(예, TF 5032, Dyneon)0.42g과 10g의 H2O를 교반하에서 혼합;
- 상기 두 현탁액을 혼합
분무에 의해 0.2-5㎎/㎠의 고체물질 코팅이 적용된다. 현탁액 액체가 건조된 이후에 PTFE 현탁액이 보충 바인더로서 사용되기 때문에 실시예 1과 유사한 소결 공정이 유리하다. 추가 단계는 주 바인더를 사용한 함침에서 시작하며 실시예1에 따라 실시된다.

Claims (22)

  1. 전도성 성분으로서 비-금속성 입자를 함유한 예비성형된 전도성 비다공성 층재료를 포함하는 전기 전도성 신축성 기계적 안정성 층재료에 있어서,
    예비성형된 층재료의 기공이 경화된 수지로 완전 또는 부분적으로 충진되고 전도성 입자는 상기 수지로 코팅되지 않음을 특징으로 하는 층재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 예비성형된 층재료의 전도성 성분이 흑연 또는 그을음으로 구성됨을 특징으로 하는 층재료.
  3. 제 1항 또는 2 항에 있어서, 예비성형된 층재료가 섬유를 포함함을 특징으로 하는 층재료.
  4. 제 1 항 내지 3항 중 한 항에 있어서, 예비성형된 층재료의 입자가 가공전 보충 첨가제를 써서 결합됨을 특징으로 하는 층재료.
  5. 제 1 항 내지 4항 중 한 항에 있어서, 예비성형된 층재료가 압축된 재료로 구성됨을 특징으로 하는 층재료.
  6. 제 1 항 내지 4항 중 한 항에 있어서, 예비성형된 층재료가 그을음과 바인더가 함침된 부직 섬유 매트로 구성됨을 특징으로 하는 층재료.
  7. 제 1 항 내지 6항 중 한 항에 있어서, 수지가 페놀수지 또는 에폭시 수지를 포함함을 특징으로 하는 층재료.
  8. 제 1항 내지 7항 중 한 항에 있어서, 표면상에 돌출부 또는 오목부 형태로 구조를 포함함을 특징으로 하는 층재료.
  9. 전도성 성분으로서 비-금속성 입자를 포함한 예비성형된 전도성 비다공성 층재료를 포함하는 전기 전도성 신축성 기계적 안정성 층재료 제조방법에 있어서,
    예비성형된 층재료의 기공이 경화가능한 수지로 완전 또는 부분적으로 충진되고 전도성 입자는 상기 수지로 코팅되지 않음을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 예비성형된 층재료의 전도성 성분이 흑연 또는 그을음으로 구성됨을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  11. 제 9항 또는 10 항에 있어서, 예비성형된 층재료가 섬유를 포함함을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  12. 제 9 항 내지 11항 중 한 항에 있어서, 예비성형된 층재료의 입자가 가공전보충 첨가제를 써서 결합됨을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  13. 제 9 항 내지 12항 중 한 항에 있어서, 예비성형된 층재료가 압축된 재료로 구성됨을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  14. 제 9 항 내지 13항 중 한 항에 있어서, 예비성형된 층재료가 그을음과 바인더가 함침된 부직 섬유 매트로 구성됨을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  15. 제 9 항 내지 14항 중 한 항에 있어서, 수지가 페놀수지 또는 에폭시 수지를 포함함을 특징으로 하는 층재료 제조방법.
  16. 제 9항 내지 15항 중 한 항에 있어서, 비경화된 수지가 모세관 압력을 통해 예비성혀된 층재료를 침투함을 특징으로 하는 제조방법.
  17. 제 9 항 내지 17항 중 한 항에 있어서, 비경화된 수지가 모세관 압력을 통해 예비성형된 층재료의 기공으로 침투함을 특징으로 하는 제조방법.
  18. 제 9 항 내지 17항 중 한 항에 있어서, 비경화된 수지가 예비성형된 층재료 충진전 액체로 희석됨을 특징으로 하는 제조방법.
  19. 제 9 항 내지 18항 중 한 항에 있어서, 수지가 압력과 승온하에서 경화됨을 특징으로 하는 제조방법.
  20. 제 9 항 내지 19항 중 한 항에 있어서, 돌출부 및 오목부 형태의 구조가 경화공정동안 엠보싱을 통해 표면상에 생성됨을 특징으로 하는 제조방법.
  21. PEM 연료 전지의 2극 플레이트로서 전기전도성 및 기계적 안정성 층재료.
  22. 가스 확산 전극의 기계적 보강재로서 전기전도성 및 기계적 안정성 층재료.
KR1020017001795A 1998-08-11 1999-08-09 전기 전도성 층재료 KR20010072414A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19836267A DE19836267A1 (de) 1998-08-11 1998-08-11 Elektrisch leitfähiges Schichtmaterial
DE19836267.6 1998-08-11
PCT/DE1999/002432 WO2000010174A1 (de) 1998-08-11 1999-08-09 Elektrisch leitfähiges schichtmaterial

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20010072414A true KR20010072414A (ko) 2001-07-31

Family

ID=7877129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020017001795A KR20010072414A (ko) 1998-08-11 1999-08-09 전기 전도성 층재료

Country Status (16)

Country Link
EP (1) EP1108259B1 (ko)
JP (1) JP2002522885A (ko)
KR (1) KR20010072414A (ko)
CN (1) CN1312944A (ko)
AT (1) ATE233426T1 (ko)
AU (1) AU6461299A (ko)
BR (1) BR9912891A (ko)
CA (1) CA2340111A1 (ko)
DE (3) DE19836267A1 (ko)
ID (1) ID27842A (ko)
IL (1) IL141285A0 (ko)
MX (1) MXPA01001261A (ko)
NO (1) NO20010598L (ko)
RU (1) RU2001105954A (ko)
TR (1) TR200100437T2 (ko)
WO (1) WO2000010174A1 (ko)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10058381B4 (de) * 2000-11-24 2008-07-03 Inhouse Engineering Gmbh Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel mit Polymer-Eektrolyt-Membranen (PEM)
DE10064462A1 (de) * 2000-12-22 2002-07-18 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zur Herstellung von Elektroden, Komponenten, Halbzellen und Zellen für elektrochemische Energiewandler
US6743543B2 (en) * 2001-10-31 2004-06-01 Motorola, Inc. Fuel cell using variable porosity gas diffusion material
DE10219384A1 (de) * 2002-04-30 2003-11-20 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel und Verfahren zu ihrer Herstellung
TW200522425A (en) 2003-12-24 2005-07-01 Showa Denko Kk Separator for fuel cell and its manufacturing method
CN1323455C (zh) * 2004-10-10 2007-06-27 上海河森电气有限公司 一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法
US7950482B2 (en) 2005-02-28 2011-05-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and vehicle using fuel cell
JP4965832B2 (ja) * 2005-08-26 2012-07-04 パナソニック株式会社 燃料電池セパレータの製造方法及び燃料電池セパレータ
JP4969363B2 (ja) 2006-08-07 2012-07-04 東レ株式会社 プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料
CN104279604B (zh) * 2014-09-29 2017-08-22 广东萨提亚新型建材科技有限公司 一种石塑碳纤维环保地暖系统
CN107078310B (zh) * 2014-10-17 2020-03-06 东丽株式会社 碳片、气体扩散电极基材和燃料电池
DE102014226266A1 (de) * 2014-12-17 2016-06-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Dämm- und Filterstoff und seine Verwendung als inertes schallabsorbierendes Material
CN108123145B (zh) * 2016-11-30 2020-06-19 绍兴俊吉能源科技有限公司 一种流场板

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5267737A (en) * 1975-12-04 1977-06-04 Oval Eng Co Ltd Electrode
JPS63142085A (ja) * 1986-12-05 1988-06-14 Showa Denko Kk 導電性シ−ト状接着剤の製造法
JP2685365B2 (ja) * 1991-03-13 1997-12-03 昭和電工株式会社 多孔質炭素板の製造法
US5696198A (en) * 1996-01-22 1997-12-09 Electrosorbent, Inc. Porous electroconductive composite material, and method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
NO20010598D0 (no) 2001-02-05
CA2340111A1 (en) 2000-02-24
ID27842A (id) 2001-04-26
NO20010598L (no) 2001-02-05
JP2002522885A (ja) 2002-07-23
TR200100437T2 (tr) 2001-07-23
AU6461299A (en) 2000-03-06
WO2000010174A1 (de) 2000-02-24
DE59904385D1 (de) 2003-04-03
DE19981567D2 (de) 2001-09-13
EP1108259A1 (de) 2001-06-20
BR9912891A (pt) 2001-05-08
DE19836267A1 (de) 2000-02-17
ATE233426T1 (de) 2003-03-15
MXPA01001261A (es) 2002-11-29
RU2001105954A (ru) 2003-03-10
IL141285A0 (en) 2002-03-10
CN1312944A (zh) 2001-09-12
EP1108259B1 (de) 2003-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7365121B2 (en) Highly conductive thermoplastic composites for rapid production of fuel cell bipolar plates
US8691129B2 (en) Method of producing exfoliated graphite composite compositions for fuel cell flow field plates
US7758783B2 (en) Continious production of exfoliated graphite composite compositions and flow field plates
CA1181127A (en) Process for preparing a fuel cell electrode substrate
EP1942536B1 (en) Porous carbon electrode substrate
US8728679B2 (en) Laminated exfoliated graphite composite-metal compositions for fuel cell flow field plate or bipolar plate applications
US5726105A (en) Composite article
US20090151847A1 (en) Process for producing laminated exfoliated graphite composite-metal compositions for fuel cell bipolar plate applications
KR102169124B1 (ko) 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층
EP1323199B1 (en) Fluid diffusion layers for fuel cells
EP1976046A1 (en) Fuel cell separator, process for producing the same, and fuel cell including the separator
KR20010072414A (ko) 전기 전도성 층재료
JP3521619B2 (ja) 炭素繊維紙および多孔質炭素板
KR101392227B1 (ko) 고분자 나노섬유를 포함하는 탄소섬유 웹
US6187466B1 (en) Fuel cell with water capillary edge seal
EP1116293A1 (en) Water transport plate and method of using same
US20060084750A1 (en) Compression moldable composite bipolar plates with high through-plane conductivity
KR101324703B1 (ko) 활성 탄소 섬유가 포함된 탄소기재의 제조방법과 그에 의하여 형성된 탄소기재
US20080220154A1 (en) Method of forming fluid flow field plates for electrochemical devices
JPH0578182A (ja) 多孔質炭素成形品の製法および電極材
KR102388815B1 (ko) 고밀도 기체확산층과 이의 제조방법, 및 이를 채용한 전극, 막전극 집합체, 및 연료전지
JPH0131445B2 (ko)
JP4933078B2 (ja) 導電性シートおよび燃料電池用セパレータ
JP2004079236A (ja) 燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ
JPH04219370A (ja) 多孔質炭素板およびその製造法

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid