KR20030036789A - 전기화학 전지 요소의 접합방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학 전지 또는 전기화학 전지의 스택, 특히 전류를 직접 발생시키기 위한 연료 전지의 스택용 서브어셈블리를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 판, 프레임, 플로우 필드, 심, 가스켓, 멤브레인 등과 같은 전기화학 전지 요소 2 이상을 서로 접합하여 전기화학 전지 스택을 제조하는 데 사용된 서브어셈블리를 형성하는 공정을 포함한다. 이러한 접합은 중합체 및/또는 금속 성분들이 포함되는 중합체 접합재(즉, 접착제) 또는 금속 성분들이 포함되는 금속성 접합재(즉, 솔더)를 사용하여 이루어질 수 있다. 이러한 접합은 요소들 사이에 낮은 전기 접속 저항과 밀봉 전지를 제공한다.

Description

전기화학 전지 요소의 접합방법{Bonding Electrochemical Cell Components}
양자 교환 멤브레인(Proton Exchange Membrane: PEM)을 이용하는 전기화학 전지는 인접 전지들 간에 바이폴라 분리판을 갖는 전지 스택(stack)으로 구성될 수 있다. 이들 바이폴라 분리판은 통상 티탄 및 스테인레스강과 같은 여러 금속, 그리고 흑연 탄소와 같은 비금속 도체로 제조된다. 바이폴라 분리 판은 통상 플로우 필드(flow fields)를 그러한 재료의 고체 시트(sheet)로 형성함으로써 제조된다. 한편, 탄소질 도전 재료가 사용될 때, 전구 물질은 사출성형에 의해 성형된 후, 주의 깊게 조절된 조건 하에서 고온 소성(firing)에 의해 도전성 탄소 형태로 변환된다. 플로우 필드는 기체 및 액체의 통로를 허용하는 일련의 채널이나 홈으로 이루어진다.
도 1은 고체 시트의 도전 재료로 이루어진 종래의 바이폴라 분리 판(10)의 표면도이다. 그 판의 중심부는 그 표면에 형성된 플로우 필드(12)를 갖는다. 플로우 필드는 수많은 형태로 전극의 표면을 통해 유체를 흐르게 할 수 있지만, 본 명세서에서는 병렬 지그재그(serpentine) 채널로 나타낸다. 플로우 필드(12)의 경계선 주위에, 상기 판은 전지 스택을 조립 및 고정하기 위한 다수의 볼트 구멍(14),유체가 스택을 통하게 하기 위한 여러 매니폴드(16), 및 전지 스택의 인접 요소에 대해 상기 판을 밀봉시키는 평면(18)을 제공한다.
유체 플로우 필드를 제공하는 이외에, 전기화학 전지에 사용하기 위한 바이폴라 분리 판은 하나의 전극(즉 애노드)에 유리된(liberated) 전자를 수집하고, 상기 판을 통해 전자를 도전시키고, 그리고 상기 판의 반대편 쪽에 또 다른 전극(즉, 캐소드)의 표면에 전자를 분배하여야 한다. 도 1에 나타낸 바이폴라 판은 전극들 간의 접속을 통해 반대편 전지의 전극과 플로우 필드(12) 내의 채널(22) 사이에 남아있는 릿지(20)로부터 전자를 수집 및 분배한다.
도 2는 수소-공기 연료 전지 스택(30)으로서의 구조를 갖는 양자 교환 멤브레인(PEM)의 개략도이다. 이 스택(30)은 캐소드(34), PEM(36) 및 애노드(38)을 각각 갖는 2개의 동일한 연료 전지(32)를 포함한다. 플로우 필드(40)(개략적으로 도시함)는 회전자단판(endplate)(44)의 내면 뿐만아니라 바이폴라 분리판(42)의 어느 한쪽에 제공된다. 애노드(38)에서 유리된 전자는 분리판(42)의 다른 쪽 인접 전지의 캐소드(34)으로 그리고 스택의 마지막 애노드(여기서는 페이지의 오른 쪽의 애노드)인 경우에는 외부 회로(46)를 통해 전류 흐름을 유도한다. 그 다음, 전자는 양자 및 캐소드(34)의 산소와 합쳐져 물을 형성한다. 연료 전지(30)의 전위(potential)는 더 많은 전지(32)를 스택에 추가함으로써 증가된다.
상기 방법들은 비교적 간단하지만, 몇 가지 단점이 있다. 먼저, 바이폴라 분리판을 제조하는 데 사용된 흑연이나 금속의 고체 피스(piece)는 최종 제품의 밀도를 본래 원료의 밀도와 동일한 밀도로 최종 제품의 밀도를 제한함으로써 매우 밀도 높고 및 무거운 바이폴라 분리판을 제조하게 된다. 둘째, 고체 출발 블랭크(blank)로부터 각 피스를 형성하려면 덜 비싼 성형, 주조 또는 스탬핑 공정과는 달리 비교적 비싼 공정을 요한다. 탄소 성분이 사용될 때, 성형 공정 비용은 비싸지 않지만, 전구체를 최종 제품으로 변환시키는 데 필요한 조절된 소결 공정은 느리고 그 공정을 통해서 정밀한 분위기와 온도 조절을 요한다.
전기화학 연료 전지를 제조함에 있어서 또 다른 중요한 점은 전지에서 형성된 조인트와 접합부(junctions)의 수이다. 조인트와 접합부의 수를 감소시키면 전기화학 전지 스택의 성능을 크게 개선시킬 수 있다. 예를 들면, 평탄한 요소의 스택으로 제조된다면, 전위 누출점(leak point)과 전기 접속 저항이 더 작아지기 때문이다. 전기화학 전지에 최소한의 조인트와 접합부를 제공하는 제조 공정이 매우 바람직할 것이다.
비교적 평탄한 요소를 사용하여 PEM 연료 전지 스택을 조립하려면 각 계면에서 가스 밀봉을 요한다. 가스 밀봉을 하는 데 가스켓이 통상 사용되지만, 가스켓은 스택이 조립될 때 제조 및 배열되어야 하는 부품의 수를 증가시킨다. 전기화학 전지의 요소들 사이의 계면에서 가스 밀봉 접합재나 밀봉체를 형성하기 위한 방법 및 장치는 수 개의 가스켓에 대한 필요를 없애주고 더 효과적인 전지를 제조하게 된다.
그러므로, 개선된 바이폴라 분리판에 대한 필요성이 남아있게 된다. 바이폴라 분리판이 얇고 가벼우며, 고전류 밀도를 지지할 수 있는 것이 요망된다. 바이폴라 분리판이 각 전지나 전지 스택에서 조인트나 접합부의 수를 감소시키고 가스켓에 대한 필요성을 줄이는 것이 더 바람직할 것이다. 더욱이, 바이폴라 분리판의 구조가 침수성과 반응물 가스 불투성과 같은 기타 특성을 도입하는 것이 유용할 것이다.
발명의 개요
본 발명은 전기화학 전지에 대한 서브어셈블리를 제조하는 방법을 제공한다. 본 방법은 2 이상의 전기화학 전지 요소들 사이에 위치한 1 이상의 접합 성분을 갖는 2 이상의 전기화학 전지 요소를 갖는 서브어셈블리를 배열하는 공정을 포함한다. 접합 성분들은 2 이상의 전기화학 전지 요소중 어느 하나에 대한 융점보다 더 낮은 융점을 갖는다. 서브어셈블리는 압축된 후, 접합 성분의 융점과 2 이상의 전기화학 전지 요소중 어느 하나의 최저 융점 사이에 있는 온도까지 가열된다. 바람직한 온도는 800℃ 미만, 더욱 바람직한 온도는 250℃ 이하이다. 그 다음 서브어셈블리는 냉각된다.
서브어셈블리는 전기화학 전지나 전기화학 전지 스택에 위치시키는 것이 바람직하다. 2 이상의 전기화학 전지 요소들은 스테인레스강, 티탄, 니켈, 니켈 도금 알루미늄, 니켈 도금 마그네슘 또는 이들의 조합과 같은 판, 심(shim), 프레임, 플로우 필드 또는 이들의 조합으로부터 선택된 금속 요소가 바람직하다. 접합 성분은 솔더가 바람직하다. 금속 요소는 플럭스에 침지된 다음, 주석이나 은-주석 합금과 같은 접합 금속이나 솔더에 침지되는 것이 바람직하다. 접합 금속이나 솔더는 전착(electrodeposition)이나 여러 진공 증착 기술에 의해 금속 표면에 적용될 수 있다.
알루미늄, 마그네슘, 또는 알루미늄이나 마그네슘을 함유하는 합금으로부터 제조된 것과 같이 가볍거나 쉽게 산화된 금속 요소는 플럭스에 금속 요소를 침지하기 전에 부식 억제 전이 금속의 층으로 피복하는 것이 바람직하다. 적절한 부식 억제 전이금속으로는 코발트, 구리, 은, 니켈, 금이나 이들의 조합이 있으나, 이들에 제한 받지 않는다. 니켈은 부식 억제층을 위해 가장 일반적으로 사용되는 금속이다.
한편, 접합 성분으로서 접착제가 바람직한 경우에 2 이상의 전기화학 전지 요소는 프레임, 가스켓, 멤브레인, 심(shim) 또는 이들의 조합으로부터 선택된 중합체 요소일 수 있다. 2 이상의 전기화학 전지 요소는 또한 접합 성분으로서 접착제가 사용되는 경우에 1 이상의 금속 성분과 1 이상의 중합체 성분을 포함할 수 있다.
2 이상의 전기화학 전지 요소는 판과 플로우 필드를 포함할 수 있다. 서브어셈블리는 바이폴라 판과 프레임을 포함하는 것이 바람직하다. 바이폴라 판은 2개의 판, 플로우 필드와 프레임을 갖는 것이 바람직하다. 프레임과 플로우 필드는 플로우 필드 주위에 위치한 프레임을 갖는 2개의 판들 사이에 위치한다. 프레임은 플로우 필드와의 유체 통로로서 채널을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 대향 면을 갖는 2개의 전기 도전판, 2개의 전기 도전판들 사이에 판 대향 면의 실질적인 부분과의 전기적 통로로서 접합된 전기 도전 플로우 필드, 및 전기 도전 플로우 필드의 경계선 주위에 위치하고 2개의 전기 도전판들 사이에 접합된 프레임을 갖는 유체 냉각 바이폴라 판 어셈블리를 제공한다. 상기 프레임은 플로우 필드와 유체 원(source) 사이의 유체 통로를 제공하기 위한 채널을 갖는다.
바람직하기로는, 전기 도전성 캐소드 플로우 필드와 전기 도전성 애노드 플로우 필드는 어셈블리의 대향 면에 접합된다. 어셈블리는 접착제 및/또는 솔더로 접합되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 팽창된 금속 메쉬, 직조 금속 메쉬, 금속 발포체, 도전성 중합체 발포체, 다공성 도전 탄소재료 또는 이들의 조합으로부터 선택된 2 이상의 다공성 전기 도전성 시트를 갖는 전기화학 전지용 바이폴라 판을 제공한다. 전기 도전성 가스 배리어는 시트들 사이에 전기 접속되도록 위치한다. 전지 프레임은 2 이상의 다공성 전기 도전성 시트중 어느 하나에 대한 주위를 둘러싸도록 위치한다. 전지 프레임은 가스 배리어에 접합되는 적어도 하나의 표면을 갖는다.
바람직하게는, 전지 프레임은 다공성 전기 도전 시트와의 유체 통로로 채널을 포함한다. 금속성 접합을 갖는 가스 배리어에 접합되는 경우에 전지 프레임은 금속성일 수 있다. 금속성 접합은 가스 배리어에 전지 프레임을 솔더링 함으로써 바람직하게 이루어진다. 한편, 중합체 접착제로 가스 배리어에 접합되는 경우에 전지 프레임은 중합체일 수 있다. 바람직하게는, 중합체 접합재는 접착제에 의해 제조된다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 상기 특징과 장점은 첨부 도면을 참고로 더욱 상세히 설명된다.그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 일반적인 실시예를 나타내는 것이지만, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 지그재그형 플로우 필드 구조를 갖는 통상적인 금속 분리판의 표면도이다.
도 2는 PEM 연료 전지의 개략 횡단면도이다. 요소들의 각 두께는 보다 분명히 하기 위해서 크게 확대되었다.
도 3은 금속 플로우 필드와 중합체 전지 프레임과 함께 금속 가스 배리어를 갖는 바이폴라 판의 부분 횡단면도이다.
도 4는 유체 냉각 바이폴라 판의 3차원 구조에 사용된 편평한 요소들의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 연료 전지 스택의 성능을 나타내는 그래프이다.
바람직한 실시형태의 상세한 설명
본 발명은 전기화학 전지에 사용하기 위한 요소 및 바이폴라 분리판을 포함하는 요소들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개별 전지의 인접 요소 및/또는 스택의 인접 전지를 접합하는 방법에 관한 것이다. 그 접합은 특정 가스켓 요소에 대한 필요성을 감소 또는 없애주고 특정 전기 접속 저항을 감소 또는 없애주는 가스 밀봉을 제공한다.
본 발명의 요지는 전기 도전성 플로우 필드, 적어도 하나의 가스 배리어 및 전지 프레임을 갖는 전기화학 전지용 바이폴라 판을 제공한다. 바이폴라 판의 요소들은 서로 접합되어 중합체형 접합이나 금속형 접합으로 가스 밀폐 접합을 형성한다.
본 발명의 또 다른 요지는 바이폴라 판의 도전성 부분을 접합하는 방법을 제공한다. 도전성 피스는 도전성 금속으로 피복하도록 주석 또는 기타 금속으로 도금된 후, 가압 하에서 접합된 다음, 부품들 간에 접합을 형성한다.
바이폴라 판의 요소 부분이나 전기화학 전지의 기타 부재는 스택이 기능을 하도록 도전성이 있어야 하는 것이나 또는 도전성이 요구되지 않는 것들로 분류될 수 있다. 플로우 필드와 바이폴라 판의 가스 배리어는 흑연과 같은 도전성 형태의 탄소나 금속과 같은 도전 재료로부터 제조되어야 한다. 심으로 알려진 밀봉 표면과 전지 프레임은 전기 절연성이거나 도전성이 있을 수 있으며, 여러 중합체로부터 임의로 제조될 수 있으므로, 더 낮은 밀도의 요소를 얻거나 전지나 스택에 대한 전체적인 중량을 크게 절감할 수 있다.
스택의 개별적인 요소가 중합체로부터 제조되고 기타 요소가 금속으로부터 제조될 때, 연료 전지 스택에 존재하는 3 가지 가능한 형태의 계면들, 즉 중합체-금속 계면, 중합체-중합체 계면(멤브레인과 전극 어셈블리(M&E's)가 정확히 접합된 것처럼) 및 금속-금속 계면이 있다. 이들 형태의 계면 각각은 서로 다르게 접합되어 전기화학 전지 스택을 형성한다.
도 3은 근본적으로 가스켓을 대신하는 금속 플로우 필드(52)와 중합체 전지 프레임(54)을 갖는 금속 가스 배리어(50)를 포함하는 바이폴라 판(48)의 부분 횡단면도이다. 플로우 필드(52)는 여기서 발포된 금속으로 나타냈지만, 본 발명에서 참고로 하는 미국 특허출원 제08/787,271호에 기재된 바와 같이, 팽창된 금속, 천공된 금속, 금속 메쉬 스크린 또는 기타 다공성 도전재료로부터 제조될 수 있다. 금속 가스 배리어(50)는 플로우 필드(52) 위로, 바람직하기로는 스택의 단부까지 연장되고, 분리된 전지 프레임(54)은 가스 배리어(50)의 애노드와 캐소드 측 모두에 존재한다. 플로우 필드(52)는 배리어(50)에 대하여 프레임(54) 내에 위치한다. 필요한 경우, 배리어와 프레임 사이에 추가적으로 가스켓을 포함할 수 있다.
도 4는 유체 냉각 바이폴라 판의 3차원 구조에 사용된 요소들의 개략도이다. 유체 냉각 바이폴라 판(55)은 2개의 냉각 유체 배리어(60)와 도3의 플로우 필드(52)와 유사한 전기 도전성 플로우 필드(63)를 갖는 냉각 유체 프레임(62)을 포함하는 일련의 사실상의 평면 요소로부터 조립되도록 나타나 있다. 선택적으로는, 유체 냉각 바이폴라 판(55)은 애노드 전지 프레임(58), 캐소드 전지 프레임(64) 및 밀봉 판(56)를 더 포함할 수 있다(PEM 또는 멤브레인 및 전극(M&E) 어셈블리를 접속 및 고정하기 위해).
이 바이폴라 판은 스택을 냉각하기 위한 냉각 유체의 통로를 허용하는 내부 냉각 플로우 필드(63)를 포함한다. 냉각 유체는 냉각 유체 입구 매니폴드(65)로부터 냉각 유체 프레임(62) 내의 냉각 플로우 필드(63)를 통해 입구 매니폴드(65)와 일반적으로 유사하지만 대향하고 있는 냉각 유체 출구 매니폴드(도시하지 않음)로 흐른다. 애노드 전지 프레임(58) 내의 플로우 필드(67), 냉각 유체 프레임(62)의 플로우 필드(63) 및 캐소드 전지 프레임(64)의 플로우 필드(69)는 상기한 바와 같이 어떠한 다공성 도전 재료로 제조될 수 있다.
중합체-금속 접합
애노드 및 캐소드 전지 프레임과 같은 경중량 PEM 연료 전지 스택의 중합체 소자를 가스 배리어와 같은 금속 소자에 접합하는 것은 통상의 전지 조작 조건 하에서 안정하게 남아있는 가스 밀봉을 형성하도록 양 표면에 접합하는 접착제로 실시될 수 있다.
PEM 연료 전지에 대한 요소를 제조하기 위해 4 가지 중합체(폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드 및 폴리이미드)를 시험하였다. 이들 중합체는 이 분야에 유용하다고 생각되는 열가소성 물질의 대표적인 것이다. 중합체 시트는 전기화학 전지에 사용하기에 적절한 접합을 이루는 조합을 결정하기 위해 서로 다른 접착제를 사용하는 금-도금 티탄 시트에 접합되었다. 금-도금 티탄은 중합체와 접합하도록 도전성 전기화학 전지 요소에 유용한 가장 유력한 재료중 하나로 생각되기 때문에, 금-도금 티탄은 이 실험을 위해 선택되었다.
0.032 인치(0.813 mm) 중합체 시트를 금-도금 0.007 인치(0.178 mm) 티탄 시트에 접합하기 위해서 여러 가지 접착제가 사용되었다. 시편은 너비가 약 2 cm이고 길이가 약 2 cm이었다. 그 과정은 표면을 제공하는 단계, 접착제를 도포하는 단계, 접합하는 단계 및 개별 제조 지시에 따라 접착제를 경화하는 단계를 포함하였다. 접합된 시편은 60℃에서 24시간 동안 물에 노출시킨 후, 접합의 질을 측정하기 위해 시험을 하였다. 적절한 접합 특성을 나타내는 접착제의 대표적인 그룹은 하기 표I에 나타냈다.
표I. 접착제로 접합된 중합체/금속 커플의 접착성 시험
중합체 접착제 결과
폴리카보네이트 아크릴-에폭시 하이브리드 양 표면에 적절한 접착 및 적절한 점착
폴리카보네이트 부타디엔 양 표면에 양호한 접착; 적절한 점착
폴리카보네이트 아크릴 양 표면에 적절한 접착; 불량한 점착
폴리카보네이트 폴리우레탄 습윤시 Ti 표면에서 접합 실패
폴리카보네이트 네오프렌 양호한 접착 및 접착 특성, 그러나 안료 물에 녹음
폴리카보네이트 아크릴 w/고무 습윤시 Ti 표면에서 접합 실패
폴리카보네이트 가열 밀봉 습윤시 우수한 접착 및 점착 특성
폴리에테르술폰 부타디엔 양 표면에 양호한 접착; 적절한 점착
폴리에테르술폰 폴리우레탄 습윤시 Ti 표면에서 접합 실패
폴리에테르술폰 네오프렌 양호한 접착 및 점착 특성, 그러나 안료 물에 녹음
폴리에테르이미드 부타디엔 양 표면에 양호한 접착, 그러나 적절한 점착
폴리에테르이미드 폴리우레탄 습윤시 Ti 표면에서 접합 실패
폴리에테르이미드 네오프렌 양호한 접착 및 점착 특성, 그러나 안료 물에 녹음
폴리에테르이미드 아크릴 w/고무 습윤시 금 도금 Ti 표면에서 접합 실패
폴리에테르이미드 가열 밀봉 습윤시 금 도금 Ti 표면에서 접합 실패
폴리이미드 실리콘 플라스틱 표면에서 접합 실패
폴리이미드 Pd/Ag 에폭시 양호한 접착 및 점착 특성
폴리이미드 아크릴-에폭시 하이브리드 플라스틱 표면에서 접합 실패
표II. 표I에 나타낸 접착제에 대한 제품 및 제조업체
접착제 제품명 제조업체
아크릴-에폭시하이브리드 PLASTIC WELDER II Devcon Inc., Danvers, MA
부타디엔 GOOP 및 E6000STIK 'N SEAL Eclectic Products, Carson, CALoctite, Inc., Newington, CN
아크릴 Acrylic 204 및 Acrylic 406 Lord Adhesives, Erie, PA
폴리우레탄 PLIOGRIP 7775L Ashland Chemical, Columbus, OH
네오프렌 SCOTCH GRIP 1357 3M, St Paul, MN
아크릴 w/고무 Acrylic 330 Loctite, Inc., Newington, CN
가열 밀봉 Polyurethane 3218 Bemis Assoc. Inc., Shirley, MA
실리콘 748 Silicone Rubber Cement Dow-Corning, Midland, MI
Pd/Ag 에폭시 Pd/Ag 충전 에폭시 Epotek, Inc., Billerica, MA
위 리스트는 대표적인 것이며, 본 발명을 실시하는 데 유용한 재료 모두를 포함하는 것은 아니다.
금속-금속 접합
금속-금속 접합의 2 형태는 전기화학 전지에서 존재한다. 가스 배리어에 대한 플로우 필드의 접합과 같은 전자의 도전성 통로에 중요한 접합이 있고, 그리고 금속 프레임에 대한 가스 배리어의 접합과 같은 유체 누출 방지 밀봉에 중요한 접합이 있다. 가스 밀봉 접합에 대해서, 통상적으로 필요한 것은 아니지만, 접합이 또한 도전성이면 유익하다.
부품들을 서로 솔더링 함으로써 도전성 접합이 여러 금속들 간에 형성될 수 있다. 솔더링은 저융점 금속이나 솔더보다 더 높은 융점을 갖는 금속으로부터 제조되는 2 요소들을 함께 접합하기 위해 비교적 저융점 금속이 사용되는 공지의 기술이다. 저융점 금속이 고융점 금속을 습윤시켜 양호한 접합을 하는 것이 불가피하다.
전기적 조립을 위해 와이어를 부착하는 종래의 솔더링은 부품들을 솔더의 융점 이상의 온도로 가열한 후, 플럭스를 이용하여, 때로는 플럭스와 솔더를 함께 이용하여 금속 상의 산화막을 제거하고, 마지막으로 솔더를 도포하는 것을 포함한다. 큰 면적을 솔더링 하려면 서로 다른 공정을 필요로 한다. 크고 편평한 면적을 솔더링하기 위해서, 부품을 먼저 수개의 방법중 하나로 접합-형성 금속이나 합금으로 피복한다. 그 부분을 수개의 방법중 하나로 먼저 접합 형성 금속 또는 합금으로 피복한다. 플럭스로 먼저 피복한 후, 주석 도금(tinning)과 같은 공정에서 솔더로 피복할 수 있다. 플럭스는 여러 방법으로 이용될 수 있지만, 가장 일반적으로 사용되는 방법은 브러싱과 침지(dipping)이다. 솔더는 용융된 솔더의 용기에 부품을 침지 시킴으로써 통상적으로 도포된다. 스테인레스강, 니켈, 티탄, 마그네슘, 알루미늄, 및 알루미늄과 마그네슘을 함유하는 합금으로부터 제조된 부품들을 주석 도금하는 특수 기술은 하기와 같다. 접합을 형성하는 금속이나 합금은 공지 방법인 전착이나 무전기(electroless) 증착에 의해 금속 표면에 도금될 수 있다. 또한, 접합 형성 금속이나 합금은 증발, 화학 증착 및 스퍼터링과 같은 진공 증착 기술을 이용하여 금속 표면에 퇴적될 수 있다.
주석 도금이나 일반 도금에 의해 접합 형성 금속을 퇴적한 후, 서로 접합시킬 편평한 표면을 클램핑한 후, 그 어셈블리를 솔더의 연화점 이상까지 재 가열함으로써 부품들을 접합한다. 클램핑 및 가열은 모두 고온 프레스를 이용하여 동시에 달성될 수 있다.
스테인레스강 부품들을 주석 도금하기 위한 방법은, 부품을 산 플럭스 용액에 침지시키는 공정, 용융된 솔더에 부품을 서서히 침지시키는 공정, 부품을 산 플럭스에 2번째로 침지시키는 공정, 그리고 부품을 용융된 솔더에 2번째로 침지시키는 공정을 포함한다. 바람직하기로는, 주석 도금 방법은 불활성 분위기에 실시된다. 깨끗한 스테인레스강 부품을 수용액 플럭스, 바람직하기로는 산 플럭스에 침지시키고, 과잉의 용액은 빼내버린다. 그 부품을 다시 용융된 솔더에 서서히 가라앉게 한다. 플럭스는 플럭스가 고온인 상태에서 산화막을 제거하는 데 오로지 활성이 있고, 느린 침지는 더 오랜 시간의 노출과 더 좋은 산화물 제거를 가져오기 때문에 부품을 서서히 침지시키는 것이 중요하다. 공융(eutectic) 주석-은(Sn 96.5: Ag 3.5)과 같은 은 솔더가 바람직하다. 어떤 경우에는, 용융된 솔더 내의 단일 침전으로 충분하지만, 또 다른 경우에는 2번 째 침지가 바람직하다. 후자의 경우, 부품을 솔더로부터 제거한 후, 솔더가 고화되고 플럭스에 2번째로 침지되도록 하기위해서 약간 냉각시킨다. 부품을 플럭스에서 제거한 다음 과잉의 용액을 빼낸다. 이상적으로는, 부품을 접속시킬 만큼 플럭스를 끓이기 위해서 부품을 충분히 고온으로 가열하여야 한다. 이 단계에서, 부품을 용융된 솔더에 서서히 침지시킨 다음 제거한다.
솔더 내의 제1 침지는 스테인레스강 부품의 표면 대부분을 솔더의 박층으로 덮지만, 때로는 플럭스가 모든 산화막을 제거하지 못하는 부분들이 있어 불량하게 피복된다. 고온의 플럭스에 대한 부품의 제2 침지로 인해 잔존하는 산화막을 부품으로부터 제거하고 금속에 거울 같은 광택을 형성한다. 솔더링하기 전에 금속 표면으로부터 모든 그리스와 표면 먼지를 제거하는 것이 중요하다. 표면의 그리스를 제거하고 깨끗하게 하지 못하면 플럭스가 표면을 깨끗하지 못하게 하여 솔더가 끈끈하지 못하게 하는 산화층에 보호막을 남길 수 있다. 주석 도금 후에, 부품들을 탈이온수로 완전히 세척하여 플럭스의 모든 잔존 흔적물을 제거하는 것이 바람직하다. 수용성 플럭스 잔류물이 용융된 솔더의 표면에 떠 있기 때문에, 대부분의 부품들은 주석 도금된 표면에 플럭스의 흔적물이 존재하게 한다. 주석 도금 공정을 실시하기 위해서 기타 형태의 플럭스를 사용할 수도 있다.
티탄, 알루미늄, 마그네슘 및 이들 성분을 함유하는 합금이 니켈, 구리 또는 주석 도금을 보다 쉽게 허용하는 또 다른 금속으로 먼저 도금된다면, 위 성분들에 대해서도 똑 같은 주석 도금 공정이 실시된다. 티탄을 도금하기 위해 귀금속이나 기재 금속이 사용될 수 있다.
티탄, 알루미늄, 및 마그네슘 함유 부품들을 주석 도금하기 위한 방법은 부품을 니켈로 도금하는 공정, 부품을 산 플럭스 용액에 침지하는 공정, 및 부품을 용융된 솔더에 침지하는 공정을 포함한다. 부품을 니켈 도금하기 위해서, 산화막을 제거하여야 한다.
부품을 니켈 도금한 후, 플럭스로 피복한 다음, 용융된 솔더에 침지하여 스테인레스강과 함께 사용되는 것 과 동일한 사이클 및 은 솔더를 사용하여 광택나는 주석 도금 마무리를 한다. 일반적으로, 니켈-도금 알루미늄에 있어서는 각각의 플럭스와 솔더에 대해 오로지 단일 침지가 필요하다.
플럭스와 솔더를 적절히 조합하여 이용하면 알루미늄과 티탄 모두를 직접 주석 도금할 수 있다. 고 점도 액체 플럭스를 사용하면, 알루미늄과 티탄은 직접 주석 도금될 수 있다. 이 공정에서는 부품을 먼저 플럭스에 침지시킨 다음, 용융된 솔더에 서서히 침지시키고, 단일 싸이클로 충분하다. 이들 금속에 대해서는, 공융 주석-아연(Sn 91%, 아연 9%, 융점 199℃)보다 활성 있는 성분을 갖는 솔더가 바람직하다.
가장 좋은 결과를 얻기 위해서, 본 명세서에 기재된 모든 주석 도금 조작은 무산소 분위기 또는 산소 함량이 사실상 감소된 분위기에서 실시하는 것이 중요하다. 물은 많은 플럭스의 주성분이기 때문에, 물을 배제시킬 필요가 없으며, 대부분의 경우에는 그렇게 할 수도 없다.
주석 계통의 솔더가 사용되는 한, 최종 접함을 형성할 때 솔더 내에 합금 성분이 존재하는 것은 문제가 되지 않으며, 주석 도금된 부품들은 함께 쉽게 접합될 수 있다. 비유사 조성을 갖는 솔더가 접합시킬 주석 금속에 사용될 때, 적어도 고융점 솔더의 융점까지 클램핑된 성분을 가열하는 것이 중요하다.
금속 성분들을 함께 솔더링 함으로써 제조된 금속학적인 접합이 바람직한 반면, 금속 성분들을 결합시키는 것이 유일한 방법은 아니다. 표II에 열거된 것들과 같은 접착제는 약간의 금속-금속 접합을 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 이들 접착제는 완전-접합 전기 도전성이 요구되지 않는 접합에 적합하다. Pd-Ag 충전 에폭시를 제외하고, 표II에 열거된 접착제 어느 것도 도전성이 없다. 도전성 접착제 접합은 본 발명에 따라서 전기화학 전지나 스택을 제조하는 데 솔더링된 결합을 위해 치환될 수 있다.
이러한 형태의 스택 제조에 이용할 수 있는 또 다른 금속 접합 방법은 금속 결합 기술의 전문가들에게는 잘 알려져 있다. 이들은 본 명세서에서 기재된 방법과 유사한 방법으로 전기화학 전지 스택의 조립에 이용될 때 본 발명의 일부가 되는 것이다.
중합체-중합체 접합
엔지니어링 열가소성 물질을 서로 접합시키는 데 적합한 수많은 접착제를 이용할 수 있다. 그러나, 과불화 멤브레인은 대부분의 접착제에 의해 접착 내성이 있기 때문에, 기타 물질에 PEM 멤브레인을 접합하는 것은 더 어렵다. Dow-Corning 748Tm접착제(표II의 8째줄 참조)는 수많은 금속 표면과 멤브레인에 잘 접착된다. 접합 cm당 약 1.3 kg에서의 떼기 강도는 대부분의 구조 목적에 부적절하지만, 전기화학 전지에 사용하기 위한 얇고 충분한 접착력이 있는 밀봉을 형성하는 것이 더욱적절하다.
조립 방법
충분히 접합된 전기화학 전지 스택을 조립하는 방법은 수 개의 공정을 포함한다. 먼저, 애노드 플로우 필드, 캐소드 플로우 필드 및 냉각 플로우 필드를 포함하며; 가스 배리어; 및 냉각 플로우 필드 주위의 프레임의 모든 금속 부품들을 접합 금속으로 피복한다. 이들 부품들은 제 위치로 적층되고, 주위 깊게 위치시키고 지그의 배열 장치를 사용하여 정위치에 위치시킨다. 부품들과 지그를 고온 프레스에 놓고 부품들을 함께 클램핑하고, 가스 배리어를 냉각 프레임에 대해 견고하게 압축하고 플로우 필드를 가스 배리어에 대해 견고하게 압축한다. 접합 금속을 재 용융시키기 위해서 존재하는 최고 용융 접합 금속의 융점 약간 이상으로 프레스를 가열한다. 그 다음, 접합된 어셈블리를 프레스에서 냉각시킨다.
고온 융점 접착제의 시트를 절단하여 애노드 및 캐소드 전지 프레임의 크기와 모양을 일치시킨다. 이들은 고온 프레스의 사용을 통해 전지 심에 전지 프레임을 접합시키는 데 사용된다. 이러한 2 편의 서브어셈블리는 동일한 기술에 의해 조립된 바이폴라 판에 접합된다. 모든 고온 용융 접합은, 필요한 경우 단일 공정으로 이루어질 수 있다.
비냉각 바이폴라 판은 수 개의 부품을 포함하기 때문에 다소 제조하기가 쉽다. 플로우 필드는 솔더링에 의해 가스 배리어의 반대측에 접합된다. 애노드 및 캐소드 전지 프레임은 1 또는 2의 압축 조작으로 고온 용융 접착제로 가스 배리어와 심에 부착된다.
본 발명은 전기화학 전지 및 그를 조립하기 위한 방법에 관한 것이다.
다음 실시예는 본 발명의 바람직한 실시태양의 일부를 나타내지만, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
(실시예 1)
본 실시예는 액체 냉각 바이폴라 판의 코어를 제조하는 것을 나타낸다.
2개의 티탄 가스 배리어는 0.0045인치(0.114mm) 금속 시트로부터 제조된 후 금으로 도금되었다. 프레임은 0.032인치(0.813 mm) 폴리에테르술폰 시트로 제조되었다. 플로우 필드는 3층의 팽창된 티탄으로 제조되는 데, 한 개는 완전 팽창에서 약 0.030 인치(0.762 mm)의 두께로, 그리고 2개는 팽창된 다음, 원래대로 0.003인치(0.076 mm) 두께로 편평하게 하였다. 3개의 모든 시트를 함께 스폿 용접하고, 0.003인치 시트를 0.030인치 시트의 대향 면에 용접하고, 용접된 어셈블리는 금으로 도금하였다. 이 플로우 필드는 스프링처럼 압축하는 플로우 필드가 가스 배리어에 압력을 가하여 배리어와 전기적 접속을 하도록 프레임보다 더 두껍고 정교하게 제조되었다.
폴리에테르술폰 프레임의 면들을 ECLECTIC E6000 접착제로 피복하였다. 그 다음, 프레임을 하나의 가스 배리어에 대해 손으로 압축하고, 두 부품들을 상기 목적을 위해 제조되고 모든 부품들을 정확하게 위치 배열시키도록 배열 판을 갖는 위치조정 지그를 사용함으로써 배열을 유지시켰다. 플로우 필드를 배리어 상의 프레임에 의해 형성된 중공(cavity)에 놓고 제2 가스 배리어를 다른 부품의 상부에 놓고 압축하였다. 어셈블리 지그 내의 어셈블리를 고온 프레스에 놓았다. 그 다음,부품들을 60℃에서 24시간동안 움직이지 않도록 충분한 압축 하에서 서로 압축 및 경화시켰다. 그 결과, 연료 전지 스택으로부터 폐열을 제거하기 위해 냉각액을 통과시키기에 적합한 내부 플로우 필드로 유체를 접근시키면서 가스 배리어를 갖는 바이폴라 판을 얻었다. 그 후의 조립 단계에서, 이 서브어셈블리를 단일 가스 배리어 시트와 동일한 방법으로 처리하였다.
(실시예 2)
본 실시예는 고온 용융 접착제로 2 요소를 접합시키는 것을 나타낸다.
표면 심이나 밀봉판(56)은 도 4에 나타낸 바와 같이 0.0045 인치(0.114 mm)의 티탄 시트로부터 제조되었다. 애노드 전지 프레임은 0.032인치(0.813 mm) 폴리에테르술폰 시트로 제조되었다. 애노드 전지 프레임은 고온 용융 접착제(BEMIS 수 3218)의 시트를 절단하기 위한 템플레이트로서 사용되었다. 상기 목적을 위해 제조되고 금속 심과 중합체 프레임 간에 접착제로 정밀하게 모든 부품들을 배열시키도록 배열 판이 설치된 위치 설정 지그에 3개의 모든 시트를 적층하였다. 그 내부에 부품이 있는 지그를 고온 프레스에 놓고 압축하여 시트 요소들 사이에 견고한 접속을 유지한 다음, 150℃까지 가열하였다(이 단계에서 이용된 온도는 사용된 접착제에 따라 달라짐). 수분 후에, 프레스를 냉각한 다음, 서브어셈블리를 제거하였다.
이 서브어셈블리는 멤브레인과 전극 어셈블리(M&E)의 멤브레인 부분에 대해 접속 표면과 애노드 플로우 필드 주위에 있는 프레임으로 사용하기에 적합하고 연료 스택을 조립하는 데 사용된다.
(실시예 3)
본 실시예는 스테인레스강의 주석 도금을 나타낸다. 0.010인치(0.254mm)의 스테인레스강 시트로부터 가스 배리어를 제조하였다. 가스 배리어와 주석 도금 조작을 실시하기 위해 필요한 기타 항목(플럭스, 솔더, 가열기, 텅스, 온도, 인디케이터 등)은 글러브 박스에 놓고, 그리고 박스의 분위기는 깨끗이 새로 씻은 표면의 산화를 방지하기 위해 아르곤으로 완전 세정되었다. 배리어를 LA-CO N-3(LA-CO Industries, Chicago, IL)과 같은 산 형태의 액체 플럭스에 침지시켰다. 과량의 액체를 사용하여 스테인레스강 시트를 빼내고, 피스를 용융된 은-주석 공융 솔더(Ag 3.5%, Sn 96.5%, 융점 221℃, Kester Solder, Des Plaines, IL)에 서서히 침지시킨다.
플럭스가 제한된 온도 범위 위에서 금속에 표면 산화층을 용해할 수 있으며 그에 오로지 활성이 있고, 그리고 느리게 침지시키는 것은 산화막을 용해시키는 작용을 하는 모든 염들이 기화되기 전에 그 활성 온도에서 플럭스에 부품의 모든 표면을 적절히 노출시키게 하기 때문에, 피스를 서서히 침지시키는 것은 중요하다.
침지 후에, 부품을 용융된 솔더로부터 제거하고, 플럭스의 작용에 의해 산화물이 제거된 표면의 모든 부분은 솔더로 피복된다. 그 부분을 플럭스에 재 침지시키기 전에 솔더가 고화될 때까지 냉각시킨다. 그 부분이 금속의 표면을 접촉함에 따라 액체를 약간 끓이도록 그 부분을 충분히 뜨겁게 유지하는 것이 바람직하다. 그 부분을 플럭스에서 제거하고 솔더 중에서 서서히 재 침지시키고, 제2 싸이클은 먼저 제거되지 않은 표면의 부분들로부터 산화막을 제거하고 그 부분들을 솔더로 피복하는 작용을 한다. 그 부분을 용융된 솔더로부터 제거한 후, 솔더가 고화될 때까지 공기 중에서 냉각시킨다. 그 부분을 내열성 표면이나 냉각을 마무리하는 기타 지지체에 놓을 수 있다. 그 결과, 주석 도금된 부분을 거울 같이 마무리 할 수 있다.
(실시예 4)
본 실시예는 알루미늄의 주석 도금을 나타낸다. 유체 냉각 바이폴라 분리 판을 위한 냉각 전지 프레임은 0.020 인치(0.508 mm)의 알루미늄 시트로부터 제조된 후 니켈로 도금되었다. 가스 배리어와 주석 도금 조작을 실시하기 위해 필요한 기타 항목(플럭스, 솔더, 가열기, 텅스, 온도, 인디케이터 등)은 글러브 박스에 놓고, 그리고 박스의 분위기는 깨끗이 새로 씻은 표면의 산화를 방지하기 위해 아르곤으로 완전 세정되었다. 배리어를 LA-CO N-3(LA-CO Industries, Chicago, IL)과 같은 산 형태의 액체 플럭스에 침지시켰다. 과량의 액체를 빼내고, 피스를 용융된 은-주석 공융 솔더(Ag 3.5%, Sn 96.5%, 융점 221℃, Kester Solder, Des Plaines, IL)에 서서히 침지시켰다.
플럭스가 제한된 온도 범위 위에서 금속에 표면 산화층을 용해할 수 있고 그에 오로지 활성이 있고, 그리고 느리게 침지시키는 것은 산화막을 용해시키는 작용을 하는 모든 염들이 기화되기 전에 그 활성 온도에서 플럭스에 부품의 모든 표면을 적절히 노출시키게 하기 때문에, 피스를 서서히 침지시키는 것은 중요하다. 침지 후에, 그 부품을 용융된 솔더로부터 제거하고, 표면을 솔더로 완전히 피복하였다.
(실시예 5)
본 실시예는 솔더를 사용하여 액체 냉각 바이폴라 판의 코어를 제조하기 위해 알루미늄과 스테인레스강 요소의 접합을 나타낸다.
2개의 가스 배리어와 플로우 필드는 실시예3에 기재된 바와 같이 주석 도금된다. 알루미늄 냉각 프레임은 실시예4에 나타낸 바와 같이 주석 도금된다. 그 요소들은 도 4에 나타낸 바와 같이 적층되고 프레임 측과 접속된 상태로 열전쌍을 갖는 고온 프레스에 놓고 서로 견고하게 클램핑한다. 하중이 약 5분 동안 약 230℃에 도달하여 유지되는(이 때 가열기로 공급되는 전원이 꺼짐) 것을 열전쌍이 나타낼 때까지 그리고 모든 어셈블리가 압축 상태에서 어셈블리를 유지하는 동안 냉각될 때까지 프레스를 가열한다. 그 결과, 스택으로부터 폐열을 제거하기 위한 특수 목적으로 연료 전지 스택에 요소로서 사용하는 데 적합한 내부 플로우 필드에 유체가 접근하는 수냉 가스 배리어를 얻게된다. 이 서브어셈블리는 후속 조립 단계에서 단순한 가스 배리어 시트들중 하나와 동일한 방법으로 처리되었다.
(실시예 6)
본 실시예는 본 발명에 따라 제조된 연료 전지 스택의 성능을 나타낸다.
125 cm2의 활성 면적을 갖는 연료 전지 스택에 사용하기 위한 크기의 4개의 수냉 바이폴라 판 한 세트를 제조하기 위해 실시예 1의 방법을 이용하였다. 3개의 비냉각 바이폴라 판을 스택에 또한 사용하였다. 실시예2의 방법은 심을 갖는 8개의 애노드 전지 프레임과 상기 크기의 스택을 위한 심을 갖는 8개의 캐소드 전지 프레임을 제조하는 데 이용되었다. 추가 요소(M&E's, 플로우 필드, 가스켓 등)가종래의 수단으로 제조되었다. 이들은 8개 전지의 PEM 연료 전지 스택을 제조하는 데 사용되었다. 스택은 산화제로서 공기와 함께 수소 연료를 사용하여 조작되었다. 도 5는 62∼64℃의 M&E 온도에서 작동할 때 전지당 125 cm2의 활성 면적, 15 psig의 연료 가스 압력, 연료 및 산화제 가스 모두 27℃의 이슬점까지 가습된 상태 및 4배의 이론양으로 공기가 공급되는 상태에서 상기 8-전지 스택의 성능을 나타낸다. 스택은 상기 스택의 반복 단위에 대해서 967 W/kg 및 846 W/L의 출력을 제공하며, 이는 53.4%의 효율(0.651 V/전지의 전위에서)로 측정되었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시태양을 나타냈지만, 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 또 다른 실시태양을 생각해 낼 수 있으며, 본 발명의 범위는 청구범위로 한정된다.

Claims (29)

  1. 2 이상의 전기화학 전지 요소들 사이에 위치하고 2 이상의 전기화학 전지 요소중 어느 하나에 대한 융점보다 더 낮은 융점을 갖는 1 이상의 접합 성분과 함께 2 이상의 전기화학 전지 요소를 갖는 서브어셈블리를 배열하는 공정;
    서브어셈블리를 압축하는 공정;
    서브어셈블리를 800℃ 미만의 온도로 가열하는 공정; 및
    서브어셈블리를 냉각시키는 공정을 포함하는 전기화학 전지용 서브어셈블리를 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 서브어셈블리를 전기화학 전지에 위치시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 서브어셈블리를 전기화학 전지 스택에 위치시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 2 이상의 전기화학 전지 요소가 판, 심(shim), 프레임, 플로우 필드 또는 이들의 조합으로부터 선택된 금속 요소이고, 그리고 접합 성분이 500℃ 이하에서 용융되는 금속 또는 금속 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 금속 요소가 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 마그네슘 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 금속 요소를 플럭스에 침지시킨 다음, 그 금속 요소를 솔더에 침지시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 솔더가 주석, 비스무트, 납, 인듐 및 이들의 합금으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 솔더가 은과 주석을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 금속 요소를 플럭스에 침지하기 전에 부식 억제 전이금속의 층으로 피복하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 4항에 있어서, 접합 금속이 용매로부터 환원성 증착에 의해 금속 요소 표면중 하나에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 4항에 있어서, 접합 금속이 진공 증발 또는 스퍼터링에 의해 금속 요소 표면중 하나에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 용매가 물 또는 물 계통의 유체로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서, 증착된 금속이 주석, 비스무트, 납, 인듐 또는 이들의 합금으로부터 선택된 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 2 이상의 전기화학 전지 요소가 프레임, 가스켓, 멤브레인, 심 또는 이들의 조합으로부터 선택된 중합체 요소이고, 그리고 접합 성분이 접착제인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 2 이상의 전기화학 전지 요소가 1 이상의 금속 요소와 1 이상의 중합체 성분을 포함하고, 그리고 접합 성분이 접착제인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 2 이상의 전기화학 전지 요소가 판과 플로우 필드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 서브어셈블리가 바이폴라 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 서브어셈블리가 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17항에 있어서, 바이폴라 판이 2개의 판, 플로우 필드 및 프레임을 포함하고, 프레임과 플로우 필드가 2개의 판 사이에 위치하고, 프레임은 플로우 필드 주위에 위치하며, 프레임이 플로우 필드와의 유체 통로를 제공하는 채널을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 대향 면을 갖는 2개의 전기 도전성 판;
    2개의 전기 도전판 사이에서 판의 대향면 대부분과 전기적으로 통하도록 접합된 전기 도전성 플로우 필드; 및
    전기 도전성 플로우 필드의 경계선 주위에 위치하고, 2개의 전기 도전성 판 사이에 접합되고, 그리고 플로우 필드와 유체 공급원 사이의 유체 통로를 제공하는 채널을 갖는 프레임을 포함하는 유체 냉각 바이폴라 판 어셈블리.
  21. 제 20항에 있어서, 전기 도전성 캐소드 플로우 필드 및 어셈블리의 대향 측에 접합된 전기 도전성 애노드 플로우 필드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  22. 제 20항에 있어서, 어셈블리가 접착제에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는어셈블리.
  23. 제 20항에 있어서, 어셈블리가 솔더에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  24. 팽창된 금속 메쉬, 직조 금속 메쉬, 금속 발포체, 도전성 중합체 발포체, 다공성 도전 탄소재료 또는 이들의 조합으로부터 선택된 2 이상의 다공성 전기 도전성 시트;
    시트들 간에 전기적으로 접속되도록 배열된 전기 도전성 가스 배리어; 및
    2 이상의 다공성 전기 도전성 시트중 어느 하나의 경계선 주위에 배열되고, 그리고 가스 배리어에 접합된 적어도 하나의 표면을 갖는 전지 프레임을 포함하는 전기화학 전지용 바이폴라 판.
  25. 제 24항에 있어서, 전지 프레임이 다공성 전기 도전 시트와 유체가 통하게 하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 판.
  26. 제 25항에 있어서, 전지 프레임이 금속성이고 금속 접합재에 의해 가스 배리어에 접합되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 판.
  27. 제 25항에 있어서, 전지 프레임이 중합체이고 중합체 접합재에 의해 가스 배리어에 접합되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 판.
  28. 제 25항에 있어서, 금속 접합이 전지 프레임을 가스 배리어에 솔더링 함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 판.
  29. 제 26항에 있어서, 중합체 접합재가 접착제에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 판.
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