KR20060003003A

KR20060003003A - 울트라포빅 표면을 갖는 연료 전지

Info

Publication number: KR20060003003A
Application number: KR1020057019546A
Authority: KR
Inventors: 챨스 더블유. 익스트랜드
Original assignee: 엔테그리스, 아이엔씨.
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2006-01-09
Also published as: JP2006523940A; WO2004093216A2; WO2004093216B1; US20040209139A1; CA2522376A1; US6911276B2; WO2004093216A3

Abstract

물의 응결이 발생할 수 있는 선택된 위치에서 내구력이 있는 울트라포빅 표면을 갖는 구성 요소들을 구비한 연료 전지이다. 표면이 임계 접촉선 밀도 이상인 소정의 접촉선 밀도를 갖도록, 울트라포빅 표면은 다양하게 돌출하며 마이크로 단위 또는 나노 단위의 요철들을 구비한 기판 부분을 포함한다.

연료 전지 스택, 박막 전극 조립체, 요철, 접촉선 밀도, 요철 상승각

Description

울트라포빅 표면을 갖는 연료 전지 {FUEL CELL WITH ULTRAPHOBIC SURFACES}

관련 출원

본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로서 합체되어 있으며 발명의 명칭이 "고압 액체용 울트라포빅 표면"이고 2003년 4월 15일자로 출원된 미국 가 특허 출원 번호 제60/462963호와, 2003년 9월 15일에 출원되었고 제목이 "울트라포빅 표면을 구비한 연료 전지"이며, 본 명세서에 참조로 모두 포함되는 미국 출원 번호 제10/662,679호의 이점을 청구한다.

본 발명은 대체로 연료 전지에 관한 것이며, 특히 연료 전지의 물 처리에 관한 것이다.

화석 연료 연소 엔진 또는 연소 장치와 관련하여 환경적 및 장기간 연료 공급 관심으로 인하여, 연료 전지 기술은 아주 최근 연구 및 개발의 주제가 되어 왔다. 대체로, 연료 전지 기술은 차량 내에서 사용이 가능할 정도로 충분히 소형이며 경량인 더 깨끗한 에너지원을 보증한다. 또한, 장거리에 걸친 에너지 전달과 관계된 비효율성을 상당히 줄이도록, 고정 응용들 내의 에너지 사용 지점에 근접하게 위치될 수 있다.

비록 여러 가지의 많은 연료 및 재료들이 연료 전지용으로 사용될 수 있겠지 만, 모든 연료 전지는 대체로 전해물에 의해 분리된 양극과 반대 음극을 포함한다. 연료가 양극과 음극 중 하나를 통해, 대체로 음극을 통해, 연료 전지 안으로 도입되고 산화체가 다른 하나를 통해, 대체로 양극을 통해 도입되도록, 양극과 음극은 대체로 다공성이다. 연료는 전지 내에서 산화되어, 부산물로서 물 및 열과 함께 직류 전기를 생성한다. 각 전지는 대체로 약 1볼트의 전기 포텐셜을 생성하지만, 소정의 전기 포텐셜 값을 제공하는 연료 전지 스택을 제조하도록 임의 개수의 전지들이 직렬로 연결되고 분리판에 의해 분리될 수 있다. 최신 연료 전지 설계에서는, 양극, 음극 및 전해물이 박막 전극 조립체 내에 종종 결합되며, 분리판과 전류 집전자(collector)가 "2극성 판" 내에 종종 결합된다. 연료 전지 및 작동의 세부 사항은 미국 서부 버지니아, 모간타운, 자연 에너지 기술 연구소, 미국 자원부에 의해 출판된 "연료 전지 핸드북, 5판"에 더 설명되어 있으며, 본 명세서에 그 전부를 참조로 포함한다. 박막 전극 조립체 및 2극성 판을 포함하여 여러 연료 전지 구성 부품들이 미국 특허 제4,988,583호, 제5,733,678호, 제5,798,188호, 제5,858,569호, 제6,071,635호, 제6,251,308호 및 제6,436,568호와 미국 특허 출원 제2002/0155333호에 더 설명되어 있으며, 본 명세서에 그 전부를 참조로 포함한다.

연료 전지의 설계에서 지속적인 도전은 전지 내의 물을 처리하는 것이다. 일부 조건 하에서는, 물이 전지 내에 매우 빠르게 발생한다. 이 물은 대체로 전지의 음극 측 상에서 생성되며, 축적이 허용된다면 연료 내로의 연료의 흐름을 제한 또는 차단한다. 이러한 조건은 업계에서 "음극 범람(cathode flooding)"으로 공지되어 있다. 또한, 전지와 주변 환경 간의 온도차가 커질 수 있어서, 작동하는 동 안 공기가 전지를 출입할 때 마다 수증기의 응결이 야기될 수 있다.

통상, 2극성 판의 표면은 배수 채널들이 제공되어, 물이 연료로부터 배수될 수집 영역으로 채널을 통해 유도된다. 또한, 2극성 표면은 물이 2극성 표면으로부터 더 용이하게 배수되도록 상대적으로 낮은 표면 에너지를 갖는 재료로 자주 제조된다. 그러나, 방법들은 음극 범람을 제거하는데 그리고 연료 전지 내의 물 처리 문제에 있어서 완전히 성공적이진 않았다. 특히, PTFE 등의 저 표면 에너지 재료가 연료 전지에 사용되더라도, 물 액적은 배수되는 것이 바람직하겠으나 2극성 판 및 전지 내의 다른 표면들에 매달릴 수 있다. 산업에서 필요한 것은 전지 내의 개선된 물 배수를 용이하게 하는 구성 부품을 갖는 연료 전지이다.

본 발명은 대체로 산업의 전술한 필요를 만족시킨다. 본 발명은 장치 내의 물 배수를 개선하기 위해 물의 응결이 발생할 수 있을 선택된 위치에 내구적인 울트라포빅(ultraphobic) 표면을 갖는 구성 요소들을 구비한 연료 전지 스택 장치를 포함한다. 울트라포빅 표면의 높은 방출도(degree of repellency)는 대체로 표면에 매달리는 물 액적의 임의 경향을 보여서, 전지 내의 물 배수를 현저하게 향상시킨다.

본 발명은 또한 소정의 압력 값에 도달한 액체 압력에서 울트라포빅 특성을 갖는 유체 접촉면을 갖춘 유체 핸들링 부품을 제조하기 위한 방법을 포함한다. 본 방법은 요철 상승각을 선택하는 단계와, 하기 수식에 따라 임계 접촉선 밀도(Λ_L)를 결정하는 단계와, 기판 부재를 제공하는 단계와, 표면이 임계 접촉선 밀도 이상의 실제 접촉선 밀도를 갖도록, 기판 상에 돌출하는 다양한 요철을 형성하는 단계를 포함하며,

여기서, P는 유체 유동 채널 내의 소정의 최대 예측 유체 압력값이고, γ는 액체의 표면 장력이고, θ_α,0 은 각도 단위로 표시되는 요철 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 참 진행 접촉각이고, ω는 요철 상승각이다. 울트라포빅 표면의 방출을 최적화하기 위해 요철들의 공간 치수에 대한 요철들의 단면 치수의 비율은 0.1 이하인 것이 대체로 바람직하다.

요철들은 기판 재료 자체 내에 또는 상에 또는 기판의 표면 상에 배치된 하나 이상의 재료 층 내에 형성될 수 있다. 요철들은 규칙적인 또는 불규칙적인 형상의 3차원 고상(solid) 또는 공동(cavity)일 수 있으며, 임의의 규칙적인 기하학적 패턴으로 배치될 수 있다.

요철은 사진 인쇄술을 사용하거나 또는 미세 가공, 미세 스탬핑 가공, 미세 접촉 인쇄 가공, 자가 조립 금속 콜로이드 모노레이어, 원자력 현미경 미세 가공, 졸-겔 성형, 자가-조립 단일층 유도 패턴 가공, 화학적 에칭, 졸-겔 스탬핑, 콜로이드 잉크로의 프린팅, 기판 상에 카본 미세관(nanotube)의 층을 적층하는 것을 사용하여 형성될 수도 있다. 본 방법은 하기 수식에 따른 미터 단위로 표시되는 임계 요철 높이 값 "Z_C"을 결정하는 단계를 더 포함하며,

여기서, d는 미터 단위로 표시되는 인접한 요철들 사이의 최소 거리이고, θ_a,0 은 각도 단위로 표시되는 표면 상의 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 각도 단위로 표시되는 요철 상승각이다.

도1은 다양한 나노/마이크로 단위의 요철들이 직사각형 어레이 내에 배치된 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 확대 사시도이며,

도1a는 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면을 갖는 연료 전지 스택 장치의 단순화된 단면도이며,

도1b는 장치 내의 한 채널을 도시한 도1a의 연료 전지 스택 장치의 확대된 부분도이며,

도2는 도1의 표면의 일부의 평면도이며,

도3은 도2에 도시된 표면 부분의 측면도이며,

도4는 요철이 육방 어레이로 배열되는 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 다른 실시예의 부분 평면도이며,

도5는 도4의 다른 실시예의 측면도이며,

도6은 요철들 사이에 현수된 액체의 편향을 도시하는 측면도이며,

도7은 요철의 최상위에 현수된 다량의 액체를 도시하는 측면도이며,

도8은 요철들 사이의 공간의 하부와 접촉하는 액체를 도시하는 측면도이며,

도9는 요철 상승각이 예각인 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 다른 실시예에서의 단일 요철의 측면도이며,

도10은 요철 상승각이 둔각인 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 다른 실시예에서의 단일 요철의 측면도이며,

도11은 요철들이 원통형이며 직사각형 어레이로 배열되는 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 다른 실시예의 평면도이며,

도12는 도11의 다른 실시예의 측면도이며,

도13은 접촉선 밀도에 대한 공식들 및 여러 요철 형상과 배열에 대한 접촉의 선형 분수를 열거한 표이며,

도14는 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 다른 실시예의 측면도이며,

도15는 도14의 다른 실시예의 평면도이며,

도16은 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면의 다른 실시예에서의 단일 요철의 평면도이며,

도17은 x/y 비의 여러 값에 대한 요철 이격(y)과 최대 압력(P) 사이의 관계의 특정 울트라포빅 표면 및 액체의 그래프이다.

본 발명의 목적에 있어서, 용어 "연료 전지"는 제한하는 것은 아니나 양성자 교환 박막 연료 전지(PEMFC), 알카라인 연료 전지(AFC), 인산 연료 전지(PAFC), 용 융 카보네이트 연료 전지(MCFC) 및 고상 산화물 연료 전지(SOFC)를 포함하는 임의의 전기화학적 연료 전지 장치 또는 임의 유형의 장치를 의미한다. 용어 "연료 전지 스택 장치(fuel cell stack apparatus)"는 적어도 하나의 연료 전지와, 제한하는 것은 아니나, 외피, 절연부, 매니폴드, 배관 및 전기적 구성 요소를 포함하는 연료 전지의 기능에 관계된 분리된 임의 및 모든 분리된 구성 요소와 함께, 연료 전지의 임의 및 모든 구성 요소를 포함하는 장치를 일컫는다.

액체에 의한 습윤에 저항성인 표면을 "기피성(phobic)" 표면이라고 한다. 이러한 표면들은 액체가 물일 때는 소수성으로, 다른 액체에 대해서는 소액성으로 알려져 있을 것이다. 물 또는 다른 액체가 표면과 (약 120도 초과의) 매우 높은 고정 접촉각을 나타낼 정도로 표면이 내습윤(resist wetting)이면, 또는 표면이 액체 액적을 보유하는데 있어서 현저히 감소된 경향을 나타내면, 또는 액체 내에 완전 침지될 때 표면의 액체-기체-고체 경계부가 존재하면, 표면은 "울트라하이드로포빅(ultrahydrophobic)" 또는 "울트라료포빅(ultralyophobic)" 표면이라고 일컬어질 수 있다. 다른 적용의 목적에 있어서, 용어 울트라포빅은 대체로 울트라하이드로포빅 및 울트라료포빅 표면 양자를 일컫는 것으로 사용된다.

표면 거칠기가 표면 습윤도에 미치는 현저한 영향을 미친다는 것은 현재 공지되어 있다. 일부 환경에서 거칠기는 액체로 하여금 평활 표면(smooth surface)에 대해서보다 표면에 더 견고하게 부착시킬 수 있음이 대체로 관찰되었다. 그러나, 다른 환경에서는 거칠기가 액체로 하여금 평활 표면에서 보다 거친 표면에 덜 견고하게 부착시킬 수 있다. 일부 환경에서는, 표면이 울트라포빅일 수 있다. 이 러한 울트라포빅 표면들은 본 명세서에서 "요철(asperities)"로 일컬어지는 다양한 마이크로 단위 또는 나노 단위 요철 또는 공동을 구비한 기판 부재의 형태를 대체로 취한다.

본 발명에 따르는 연료 전지 스택 장치(100)의 실시예의 일부가 도1a의 단순화된 단면에 도시되어 있다. 연료 전지 스택 장치(100)는 2극성 판(104)에 의해 분리되어 있는 박막 전극 조립체(102)를 대체로 포함한다. 단부판(end plate)(106)은 각 단부에서 장치(100)를 포함한다. 각 박막 전극 조립체(102)는 양극 박막 구조(108), 음극 박막 구조(110) 및 전해물(112)을 대체로 포함한다.

2극성 판(104)과 단부판(106)은 금속 또는 탄소 충전식 중합체 등의 통상 전기 도전성, 내부식 및 내열 재료로 제조된다. 2극성 판(104)의 표면(114) 및 단부판(106)의 내측 대향 표면(116)은 통상 연료 및 산화체를 박막 전극 조립체(102)로 그리고 배수로 이송하기 위한 채널(118)을 포함한다. 2극성 판(104) 및 단부판(106)의 열전달부(120)는 전지로부터의 열을 제거하기 위한 부가적인 표면 영역을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 2극성 판(104) 또는 단부판(106)의 외측 표면의 모든 또는 임의의 소정 부분이 울트라포빅 표면일 수 있다. 예를 들어 도1b에 도시된 바와 같이, 울트라포빅 표면(20)은 채널(118) 내의 물 배수를 개선하기 위해 채널(118)의 내측 대향 표면(121) 상에 제공될 수 있다. 반응 공정 동안 생긴 물 액적들은 울트라포빅 표면(20)에 의해 방출될 것이며, 물이 중력에 의해 채널(118)로부터 배출되도록 유발할 것이다.

또한, 도1a에 도시된 바와 같이, 열전달부(120)와 외측 표면(122) 등의 2극성 판(104) 또는 단부판(106)의 다른 부분들은 이들 표면 상에 수집되는 또는 응결되는 물의 배수를 개선하기 위해 울트라포빅 표면에 제공될 수 있다. (도시되지 않은) 연료 및 산화체 매니폴드 및 배관, (도시되지 않은) 통기구 및 (도시하지 않은) 외피 표면 등 연료 전지 스택 조립체의 다른 구성 요소들이 주변 환경과 전지 내의 상승된 온도 사이의 습윤 기체(humid gas)의 이동으로 인해 이러한 구성 요소들 상에 응결될 수 있는 물을 배수하기 위해 울트라포빅 표면(20)에 제공될 수 있다.물 배수 특성을 개선하기 위해 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면(20)이 연료 전지 스택 장치 구성 요소의 임의의 소정 부분 상에 제공될 수 있는 것은 쉽게 예측될 것이다.

본 발명에 따르는 울트라포빅 표면(20)의 크게 확대된 도면이 도1에 도시되어 있다. 표면(20)은 일반적으로 다양한 돌출하는 요철(24)을 갖는 기판(22)을 포함한다. 각각의 요철(24)은 복수의 측면(26) 및 상부(28)를 갖는다. 각각의 요철(24)은 도면에서 "x"로 표시되는 폭 치수와, 도면에서 "z"로 표시되는 높이 치수를 갖는다.

도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 요철(24)은 규칙적인 사각형 어레이로 배치되고, 각각의 요철은 도면에서 "y"로 표시되는 간극 치수만큼 인접한 요철로부터 이격된다. 요철(24)의 상부 엣지(30)에 의해 마주 대해지는 각도는 φ로 표시되고, 기판(22)에 대한 요철(24)의 측면(24)의 상승각은 ω로 표시된다. 각도 φ와 ω의 합은 180도이다.

일반적으로, 울트라포빅 표면(20)은 액체-고체-기체 경계부가 표면에 유지되는 경우, 울트라포빅 특성을 나타낼 것이다. 도7에 도시된 바와 같이, 액체(32)가 요철(24)의 상부 엣지(30)에 인접한 측면(26)의 일부와 상부(28)에만 접촉하면, 요철들 사이의 공간(34)이 공기 또는 다른 기체로 채워진 상태로 놓이고, 필수적인 액체-고체-기체 경계부가 존재한다. 액체는 요철(24)의 상부 엣지(30) 최상위에 그리고 그 사이에 "현수된다(suspended)"라고 말할 수도 있다.

이하 개시되어 있는 바와 같이, 액체-고체-기체 경계부의 형성은 요철(24)의 서로 밀접한 관계에 있는 소정의 기하학적 형상 인자와, 액체의 특성과, 고상 표면과 액체의 상호 작용에 의존한다. 본 발명에 따르면, 요철(24)의 기하학적 형상 특성은 표면(20)이 임의의 소정 액체 압력에서 울트라포빅 특성을 나타내도록 선택될 수도 있다.

도1 내지 도3의 직사각형 어레이를 참조하면, 표면(20)은 요철(24)을 둘러싸는 파선으로 경계되어 도시된 균일한 영역(36)으로 분할될 수도 있다. 각각의 균일 영역(36)의 요철의 면적 밀도(δ)는 다음 수식으로 설명될 수도 있다.

[수학식 1]

여기서, y는 미터 단위로 표시되는 요철들 사이의 간극이다.

도1 내지 도3에 표시된 바와 같은 정사각형 단면을 갖는 요철의 경우(24)에, 상부 엣지(30)에서의 상부(28)의 주연(p)의 길이는,

[수학식 2]

여기서, x는 미터 단위로 표시되는 요철 폭이다.

주연(p)은 액체-고체-기체 경계부의 위치를 형성하는 "접촉선"이라 지칭한다. 표면의 단위면적당 접촉선의 길이인, 접촉선 밀도(Λ)는 요철의 면적 밀도(δ)와 주연(p)의 곱이다.

[수학식 3]

도1 내지 도3에 도시된 정사각형 요철의 사각형 어레이의 경우에,

[수학식 4]

액체에 작용하는 중력으로 인한 체력(body force)(F)이 요철과의 접촉선에 작용하는 표면력(f)보다 작다면, 대량의 액체가 요철의 최상위에 현수될 것이다. 중력과 관련된 체력(F)은 하기 수식에 따라 결정된다.

[수학식 5]

여기서, (ρ)는 액체의 밀도이고, (g)는 중력으로 인한 가속도이고, (h)는 액체의 깊이이다. 따라서, 예를 들어, 대략 1000 ㎏/m³의 밀도를 갖는 10미터의 물기둥의 경우에, 체력(F)은,

F = (1000 ㎏/m³)(9.8 m/s²)(10 m) = 9.8×10⁴㎏/m²-s

한편, 표면력(f)은 액체의 표면 장력(γ)과, 수직에 대한 요철(24)의 측면(26)과의 겉보기 접촉각(θ_s)과, 요철의 접촉선 밀도(Λ)와, 액체의 겉보기 접촉 면적(A)에 의존한다.

[수학식 6]

주어진 고체 상의 액체의 참 진행 접촉각(θ_a,0 )은 반드시 요철을 갖지는 않는 재료의 표면 상의 액체의 실험으로 측정된 가장 큰 정지 각도로 정의된다. 참 진행 접촉각은 본 기술 분야에서 잘 알려진 기술에 의해 쉽게 측정될 수 있다.

요철을 갖는 표면 상에 현수된 드롭(drop)은 요철의 측면에서 그 참 진행 접촉각값(θ_a,0)을 나타낸다. 요철의 측면에서 수직에 대한 접촉각(θ_s)은 아래 수식과 같이 φ 또는 ω에 의해 참 진행 접촉각(θ_a,0 )과 관련된다.

[수학식 7]

F 및 f를 등식화하고 접촉선 밀도(Λ)에 대해 풀어서, 임계 선밀도 인자(Λ_L)는 표면의 울트라포빅 특성을 예측하기 위해 결정될 수도 있다.

[수학식 8]

여기서, (ρ)는 액체의 밀도이고, (g)는 중력으로 인한 가속도이고, (h)는 액체의 깊이이고, (γ)는 액체의 표면 장력이고, ω는 각도 단위로 표시되는 기판에 대한 요철의 측면의 상승각이고, (θ_α,0)는 각도 단위로 표시되는 요철 재료 상의 액체의 실험적으로 측정된 참 진행 접촉각이다.

Λ＞Λ_L이면, 액체는 요철(24)의 최상위에 현수되어, 울트라포빅 표면을 생성할 것이다. 또한, Λ＜Λ_L이면, 액체는 요철 위로 붕괴되고 표면에서의 접촉 경계부는 울트라포빅 특성 없이 단독으로 액체/고체일 것이다.

상기 주어진 수식의 분자의 적절한 값을 대체함으로써, 임계 접촉선 밀도의 값은 임의의 원하는 양의 압력에서 울트라포빅 특성을 보유하는 표면을 설계하도록 결정될 수도 있다. 수식은 다음과 같이 일반화될 수도 있다.

[수학식 9]

여기서, P는 표면이 평방미터당 킬로그램 단위로 표시되는 울트라포빅 특성을 나타내야만 하는 최대 압력이고, γ는 미터당 뉴턴 단위로 표시되는 액체의 표면 장력이고, θ_a,0 은 각도 단위로 표시되는 요철 재료 상의 액체의 실험적으로 측 정된 참 진행 접촉각이고, ω는 각도 단위로 표시되는 요철 상승각이다.

상기 관계에 따라 형성된 표면(20)이 상기 수식(9)에 사용된 P의 값에 도달하고 이를 포함하는 임의의 액체 압력값에서 울트라포빅 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 울트라포빅 특성은 표면이 침지되는지, 제트 또는 액체 분사로 처리되는지, 또는 개별 액적과 충돌되는지 여부에 따라 나타날 것이다.

임계 접촉선 밀도의 값이 일단 결정되면, 요철의 기하학적 형상의 나머지 세부 사항들은 접촉선 밀도에 대한 수식의 주어진 x 와 y의 관계에 따라 결정될 수도 있다. 즉, 표면의 기하학적 형상은 접촉선 수식의 x 또는 y의 값을 선택하고 다른 변수에 대해 풀어서 결정될 수도 있다.

액적이 매우 높은 접촉 각으로 표면 상에 놓여지도록 액체의 액적을 방출하는 울트라포빅 표면(20)의 경향은, 표면 상의 액체 액적에 대한 진행각과 접촉각 사이의 차이인 접촉각 히스테리시스(Δθ)로 가장 잘 표현될 수 있다. 일반적으로, 접촉각 히스테리시스의 낮은 값은 표면의 상대적으로 큰 방출 특성에 대응한다. 표면에 대한 접촉각 히스테리시스는 다음 수식에 의해 결정될 수 있다.

[수학식 10]

여기서, (λ_p)는 요철들을 따르는 접촉의 선형 분수이며, (Δθ0)는 표면 재료에 대한 참 진행 접촉각(θa,0)과 참 후퇴 접촉각(θr,0)의 차이이며, (ω)는 요철들의 상승각이다. 정사각형 요철들의 직사각형 어레이에 대해서는,

[수학식 11]

이다.

다른 기하학적 형상을 갖는 표면에 대한 (λ_p)를 결정하는 방정식인 도13에 나타내었다. 표면 상의 액체의 액적에 있어서, 표면의 실제 진행 접촉각은 다음 수식에 의해 결정될 수 있다.

[수학식 12]

그리고, 실제 후퇴 접촉각은 다음 수식에 의해 결정될 수 있다.

[수학식 13]

상대적으로 작은 값의 λ_p, ω, x/y 및 Λ은 표면에 대한 향상된 방출을 하게 한다는 것을, 그리고 각각의 이들 동일한 인자들의 상대적으로 큰 값이 액체의 칼럼을 현수하는데 있어서의 표면의 상대적으로 개선된 능력을 갖게 한다는 것을 전술한 관계를 시험함으로써 쉽게 예측할 수 있을 것이다. 결과적으로, 양호한 방출 특성 및 현수 특성을 갖는 표면이 바람직하다면, 대체로 이들 인자들에 대한 값들을 선택하는데 비교 검토할 필요가 있을 것이다.

또한, 상기 수식들은 여러 x/y값에 대하여 요철 이격(y)과 최대 압력(P) 사 이의 주어진 액체 성질에 대한 관계를 도시하는데 사용될 수 있다. 이러한 그래프로서, 도17에 도시된 예는 전술한 예에서 설명된 바처럼 유용한 설계 도구의 기능을 할 것이다.

액체 경계부는 도6에 도시된 바와 같이 양 D₁ 만큼 인접한 요철들 사이에 하방으로 편향된다. 양 D₁이 요철(24)의 높이(z)보다 크면, 액체는 요철(24) 사이의 지점에서 기판(22)과 접촉할 것이다. 이런 일이 발생하면, 액체는 공간(34)으로 흡인되고, 요철 위로 붕괴되어, 표면의 울트라포빅 특성을 파괴할 것이다. D₁의 값은 임계 요철 높이(Z_c)를 나타내고, 다음 식에 따라 결정된다.

[수학식 14]

여기서, (d)는 접촉선에서의 인접 요철들 사이의 최소 거리이고, ω는 요철 상승각이고, θ_a,0은 요철 재료 상의 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이다. 요철(24)의 높이(z)는 임계 요철 높이(Z_C)와 적어도 같아야만 하고, 양호하게는 이보다 크다.

도1 내지 도3에서, 요철 상승각(ω)이 90도라도, 다른 기하학적 형상이 가능하다. 예를 들어, ω는 도9에 도시된 바와 같이 예각이거나, 또는 도10에 도시된 바와 같이 둔각일 수도 있다. 일반적으로, ω는 80도와 130도 사이인 것이 바람직 하다.

폭넓게 다양한 요철 형태 및 배열이 본 발명의 범주 내에서 가능하다는 것을 또한 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 요철은 도11 및 도12에 도시된 바와 같이, 다면체, 원통형, 기둥 모양, 또는 임의의 다른 적절한 3차원 형태일 수도 있다. 또한, 요철은 임계 접촉선 밀도가 유지되는 한 무작위로 배열될 수 있으며, 이러한 무작위 배열은 보다 작게 예측 가능한 울트라포빅 성질을 가질 수 있지만, 따라서 덜 바람직하다. 요철의 이러한 무작위한 배열에서, 임계 접촉선 밀도 및 다른 관련된 인자가 표면에 대한 평균으로 개념화될 수도 있다. 도13의 표에는, 다양한 다른 요철 형태 및 배열에 대한 접촉선 밀도를 계산하기 위한 식이 기재되어 있다.

또한, 다양한 전략이 요철의 접촉선 밀도를 최대화하는데 이용될 수도 있다. 도14 및 도15에 도시된 바와 같이, 요철(24)에는 기부 부분(38)과 헤드 부분(40)이 형성될 수도 있다. 상부 엣지(30)에서 헤드 부분(40)의 큰 주연은 표면의 접촉선 밀도를 증가시킨다. 또한, 리세스(42)와 같은 형상부는 상부 엣지(30)에서 주연을 증가시키도록, 도16에 도시된 바와 같이 요철(24)에 형성되어, 접촉선 밀도를 증가시킬 수도 있다. 요철들은 또한 기판에 형성된 공동일 수도 있다.

요철은 상기 논의된 바와 같이 도4 및 도5에 도시된 육방형 어레이와 같은 다각형 어레이로 또는 원형 또는 난형(ovoid) 배열의 규칙적인 어레이로 배열될 수도 있다. 또한, 요철은 임계 접촉선 밀도가 유지되는 한 무작위로 배열될 수 있으며, 이러한 무작위 배열은 보다 작게 예측 가능한 울트라포빅 성질을 가질 수 있지만, 따라서 덜 바람직하다. 요철의 이러한 무작위한 배열에서, 임계 접촉선 밀도 및 다른 관련된 인자가 표면에 대한 평균으로 개념화될 수도 있다. 도13의 표에는, 다양한 다른 요철 형태 및 배열에 대한 접촉선 밀도를 계산하기 위한 식이 기재되어 있다.

일반적으로, 기판 재료는 마이크로 또는 나노 단위의 요철이 적절하게 형성될 수도 있는 임의의 재료일 수도 있다. 요철은 사진 인쇄술 또는 임의의 다양한 적절한 방법에 의해, 기판 재료 자체에 또는 기판 재료 상에 적층된 다른 재료의 하나 이상의 층에 직접 형성될 수도 있다. 직접 압출이 평행 리즈의 형태로 요철들을 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 평행 리즈들은 대부분 유체 유동 방향의 횡방향으로 바람직하게 배향된다. 마이크로/나노 단위의 요철을 형성하는데 적절할 수도 있는 사진 인쇄술 방법은 PCT 특허 출원 공보 WO 02/084340호에 개시되어 있고, 그 전체 내용이 참고 문헌으로서 본 명세서에 합체되어 있다.

원하는 형태 및 간극의 요철을 형성하기에 적절한 다른 방법은, 미국 특허 출원 공보 번호 제2002/00334879호에 개시된 미세 가공, 미국 특허 제5,725,788호에 개시된 미세 스탬핑 가공, 미국 특허 제5,900,160호에 개시된 미세 접촉 인쇄 가공, 미국 특허 제5,609,907호에 개시된 자가 조립 금속 콜로이드 모노레이어, 미국 특허 제6,444,254호에 개시된 미세 스탬핑 가공, 미국 특허 제5,252,835호에 개시된 원자력 현미경 미세 가공, 미국 특허 제6,403,388호에 개시된 미세 가공, 미국 특허 제6,530,554호에 개시된 졸-겔 성형, 미국 특허 제6,518,168호에 개시된 표면의 자가-조립 단일층 유도 패턴 가공, 미국 특허 제6,541,389호에 개시된 화학적 에칭, 또는 미국 특허 출원 공보 제2003/0047822호에 개시된 졸-겔 스탬핑을 포 함하는데, 이들 모두는 그 전체 내용이 참고 문헌으로서 본 명세서에 합체되어 있다. 또한, 카본 미세관 구조체는 또한 원하는 요철의 기하학적 형상을 형성하는데 사용 가능할 수 있다. 카본 미세관 구조체의 예는 미국 특허 출원 공보 번호 제2002/0098135호 및 제2002/0136683호에 개시되어 있고, 또한 그 전체 내용이 참고 문헌으로서 본 명세서에 합체되어 있다. 또한, 적절한 요철 구조체가 콜로이드 잉크로 인쇄하는 공지된 방법을 사용하여 형성될 수도 있다.

일부 응용들에서, 특히 구성 요소가 고압에 노출되는 응용에서는, 울트라포빅 표면(20)은 공지된 화학 증착 또는 화학적 표면 변경 기술을 사용된 중합체 재료의 코팅과 함께 구성될 수 있다. 예를 들어, 저 표면 에너지 재료의 얇은 층이 가스 상 중합화(gas phase polymerization)를 사용하여 구성 요소의 표면에 적용될 수 있다. 본 발명의 목적에 있어서, 저 표면 에너지 재료는 대체로 35 mN/m 미만의 표면 에너지값을 갖는 임의의 재료이다. 생성된 울트라포빅 표면(20)은 저 표면 에너지 재료 내에 형성된 무작위로 형상화되고 배열된 요철들에 의해 대체로 특징된다. 대안으로, 구성 요소 표면들은 냉간 산소 플라즈마, 코로나 방전 처리 등의 화학적 표면 변경 공정에 적용될 수 있다. 요약하면, 소정의 접촉선 밀도를 갖는 무작위로 형상화되고 배열되는 요철들을 제조할 수 있는 임의의 공정이 사용될 수 있으며, 이것은 본 발명의 범위 내의 것으로 의도된 것이다.

저압 응용들에 대한 다른 실시예에서, 프랙탈(fractal) 울트라포빅 표면이 기판 상에 재료층으로서 형성될 수 있다. 이러한 일 실시예에서는, 알킬 케텐 다이머(alkylketene dimer; AKD) 또는 유사 재료가 중합체 기판 상에 용융 또는 부어 져서 질소 가스 환경 내에서 경화되게 허용될 수 있다. AKD 표면을 형성하기 위한 적합한 한 방법이 1996년 5월 1일자, 넘버 9, 12권, 랭뮤어, 2125 페이지에 게재된 제목이 "슈퍼 방수 프랙탈 표면(Super Water Repellant Fractal Surfaces)"인 논문(article)에서 티. 온다(T. Onda) 등에 의해 더 자세히 설명되어 있으며, 이 내용은 그 전체가 본 명세서에서 참조로 포함된다.

저 유체 압력 응용들에 적합한 다른 실시예에서는, 폴리프로필렌 등의 중합체 재료가 p-크실렌(p-xylene) 등의 용매 내에서 용해될 수 있다. 메틸 에틸 케톤 등의 비-용매(non-solvent)의 양이 용액 및 구성 요소 기판 상에 배치된 용액에 부가될 수 있다. 용매가 증발할 때, 다공성, 젤과 같은 울트라포빅 표면 구조가 생길 것이다.

전술한 각각의 중합체 층들에서, 생긴 표면이 대체로 무작위로 형상화되고 배열된 요철들에 의해 특징지어질 것이다. 이러한 표면들에 대한 실제 접촉선 밀도와 임계 접촉선 밀도는 개별적인 요철들의 변동으로 인하여 결정하기 어렵겠지만, 표면에 대한 접촉선 밀도값이 표면에 대한 임계 접촉선 밀도와 같거나 초과하면 이들 표면들은 울트라포빅 성질을 나타낼 것이다. 이러한 표면에 대하여, 실제 선밀도는 필연적으로 개별 요철들의 치수 및 기하학적 형상의 다양성으로 인하여 표면에 대한 평균값이 될 것이다. 또한, 전술한 수식의 요철 상승 각(ω)은 표면의 평균값이어야 한다. 물론, 마이크로/나노 단위 요철들이 정확하게 형성될 수 있는 임의의 다른 방법들이 사용될 수 있다는 것은 쉽게 예측될 것이며, 이것은 본 발명의 범위 내로 의도된 것이다.

통상, 배수성을 극대화하기 위해 연료 전지 구성 요소의 울트라포빅 표면의 방출 특성을 최적화하는 것이 가장 바람직하다. 전술한 바와 같이, 표면이 전지 내에서 생길 것으로 예측되는 최대 압력에서 울트라포빅 특성을 갖는 것을 보장하도록 표면이 충분한 임계 접촉선 밀도값(Λ_L)을 갖는 것을 여전히 보장하면서, λ_p, ω, x/y, Λ에 대해 상대적으로 작은 값을 선택함으로써 표면의 방출 특성이 최적화될 수 있다. 최상의 방출 성능을 위해, 요철의 기하학적 형상에 대한 x/y 비는 약 0.1 미만이어야 하며 더 바람직하게는 약 0.01이다.

방출 특성에 대한 연료 전지 스택 장치 구성 요소의 울트라포빅 표면을 최적화하는 이러한 하나의 방법이 아래 예에서 설명될 것이다.

예:

울트라포빅 표면이 연료 전지 2극성 판 상에 제공되는 것으로 가정한다. 연료 전지 스택 조립체 내의 최대 예측 작동 압력은 5기압이며, 2극성 판 재료는 다음 특성을 갖는 것으로 가정한다.

울트라포빅 표면은 2극성 표면 상의 정사각형 포스트(ω=90˚)의 어레이를 포함할 것이다. 울트라포빅 표면의 방출성은 유체 접촉면에서의 물의 실제 진행 및 후퇴 접촉각을 증가시키기 위해 작은 x/y 비를 선택함으로써 최적화된다.

로 선택하고,

따라서,

그리고,

액체는 물이고, θ_a,0값 및 θ_r,0값은 전술한 특성들을 갖는 재료와 일치하며, 여러 x/y 값에 대한 요철 이격(y)과 최대 압력(P) 사이의 관계의 그래프인 도17을 참조하여, 최대 압력 51,500 Pa 및 x/y 비는 0.1에 대하여 y는 약 5×10^-7 m 또는 0.5 ㎛로 결정되어야 함이 결정될 것이다. 따라서,

그 다음, Z_C에 대해 풀면,

따라서, 정사각형 요철들이 직사각형 어레이 내의 2극성 판 상에 위치되면, 약 50 nm의 단면 치수를 가져야 하고, 약 0.5 ㎛만큼 이격되어야 하고 적어도 약 80 ㎚의 높이를 가져야 한다.

전술한 공정은 임의의 소정 요철 이격 및 기하학적 형상에 대해 그리고 임의 의 소정 표면 재료 및 기하학적 형상에 대해 사용될 수 있을 것이다.

울트라포빅 표면들을 갖는 연료 전지 구성 요소들은, 임의 표면 경사의 방향에서 중력에 의해 자유롭게 구르게 하는, 액적들을 현수하고 쉽게 방출하는 경향으로 인한 매우 향상된 배출성을 나타낼 것임은 예측된다. 울트라포빅 표면들은 내구적일 것이고 위에서 개설된 방법에 따라 선택된 설계 압력까지의 압력 하에서 울트라포빅 성질을 나타낼 수 있을 것이다. 또한, 본 발명에 따르는 울트라포빅 표면은 표면 상의 요철들의 향상된 표면적으로 인하여 표면으로부터의 열방출을 개선할 수 있을 것으로 예측된다.

본 발명의 부가적인 목적, 이점 및 새로운 특징부들이 뒤따르는 설명에서 부분적으로 기재될 것이며, 하기 이하의 시험에 대해 당업자에게는 부분적으로 명백할 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 이점들은 첨부된 청구항에 구체적으로 적시된 수단 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.

Claims

적어도 한 쌍의 판과, 판들 사이의 박막 전극 조립체를 포함하며,

각 판은 그 안에 형성된 적어도 하나의 채널을 갖는 표면을 가지며,

판의 표면의 적어도 일부는 액체를 방출시키는데 적용되며,

다양한 요철을 갖는 기판을 포함하며,

여기서, P는 표면 부분에서의 소정의 최대 예측 압력값이며, γ는 액체의 표면 장력이며, θ_a,0는 각도로 표시되는 요철 재료 상의 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 요철 상승각일 때,

각 요철은 기판에 대한 요철 상승각과 단면 치수를 가지며, 표면 부분이 상기 수식에 의해 결정되는 임계 접촉선 밀도값(Λ_L) 이상의 표면 영역의 제곱 미터당 미터로 측정된 접촉선의 접촉선 밀도값을 갖도록 요철이 분포되는 연료 전지 스택 장치.
제1항에 있어서, 요철은 대체로 균일하게 형상화 되고 치수 결정되며, 요철은 대체로 균일한 패턴으로 배열되며, 요철은 대체로 균일한 이격 치수로 이격되는 연료 전지 스택 장치.
제2항에 있어서, 요철의 공간 치수에 대한 요철의 단면 치수의 비율은 0.1 이하인 연료 전지 스택 장치.
(삭제)
판 사이에 박막 전극 조립체를 구비한 적어도 한 쌍의 판과,

2극성 판 및 박막 전극 조립체와 작동 가능하게 결합된 매니폴드를 포함하며,

매니폴드는 액체를 방출하는데 적용되는 표면 부분을 가지며, 상기 표면 부분은 다양한 요철을 구비한 기판을 포함하며,

여기서, P는 표면 부분에서의 소정의 최대 예측 압력값이며, γ는 액체의 표면 장력이며, θ_a,0는 각도로 표시되는 요철 재료 상의 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 요철 상승각일 때,

각 요철은 기판에 대한 요철 상승각과 단면 치수를 가지며, 표면 부분이 상기 수식에 의해 결정되는 임계 접촉선 밀도값(Λ_L) 이상의 표면 영역의 제곱 미터당 미터로 측정된 접촉선의 접촉선 밀도값을 갖도록 요철이 분포되는 연료 전지 스택 장치.
제1항에 있어서, 요철은 돌기인 연료 전지 스택 장치.
제6항에 있어서, 요철은 다면체 형상인 연료 전지 스택 장치.
제6항에 있어서, 각 요철은 대체로 정사각형 단면을 갖는 연료 전지 스택 장치.
제6항에 있어서, 요철은 원통 형상 또는 타원 기둥 형상인 연료 전지 스택 장치.
제1항에 있어서, 요철은 기판 내에 형성된 공동인 연료 전지 스택 장치.
제1항에 있어서, 요철은 기판에 대하여 대체로 균일한 요철 높이를 가지며,

여기서, d는 미터로 나타낸 인접하는 요철들 사이의 최소 거리이며, θ_a,0는 각도로 나타낸 요철 재료 상에서 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 각도로 나타낸 요철 상승각일 때,

요철 높이는 상기 공식에 따라 정해지는 미터로 나타낸 임계 요철 높이값 (Z_c)보다 큰 연료 전지 스택 장치.
액체를 방출하는데 적용되는 표면 부분을 가지는, 연료 전지 스택 장치용 2극성 판을 제조하는 방법이며,

표면 및 표면 내에 적어도 하나의 채널을 갖는 2극성 판 본체를 형성하는 단계와,

상기 표면의 적어도 부분 상에 다양한 요철을 배치하는 단계를 포함하며,

여기서, P는 소정의 최대 예측 압력값이며, γ는 액체의 표면 장력이며, θ_a,0는 각도로 표시되는 요철 재료 상의 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 요철 상승각일 때,

각 요철은 표면에 대한 요철 상승각과 단면 치수를 가지며, 표면이 상기 수식에 의해 결정되는 임계 접촉선 밀도값(Λ_L) 이상의 표면 영역의 제곱 미터당 미터로 측정된 접촉선의 접촉선 밀도를 갖도록 요철이 위치되는 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 요철은 대체로 균일하게 형상화되며, 요철은 표면 상에 배치시키는 단계는 요철이 대체로 균일한 이격 치수로 이격되도록 요철을 대체로 균일한 패턴으로 배치시키는 단계를 포함하는 제조 방법.
제13항에 있어서, 요철의 공간 치수에 대한 요철의 단면 치수의 비율이 0.1 이하가 되도록 요철이 배치되는 제조 방법.
제13항에 있어서, 요철의 공간 치수에 대한 요철의 단면 치수의 비율이 0.01 이하가 되도록 요철이 배치되는 제조 방법.
제13항에 있어서, 요철의 기하학적 형상을 선택하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
제13항에 있어서, 요철에 대한 어레이 패턴을 선택하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
제13항에 있어서, 요철에 대한 적어도 하나의 치수를 선택하는 단계와, 접촉선 밀도에 대한 수식을 사용하여 요철에 대한 적어도 하나의 다른 치수를 결정하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
제12항에 있어서, 표면 상에 요철을 배치하는 단계는 미세 가공과, 미세 스탬핑 가공과, 미세 접촉 인쇄 가공과, 자가-조립 금속 콜로이드 단일층과, 원자력 현미경 미세 가공과, 졸-겔 성형과, 자가-조립 단일층 유도 패턴 가공과, 화학 에 칭과, 졸-겔 스탬핑 가공과, 콜로이드 잉크로의 인쇄 가공과, 기판 상에 탄소 미세관의 층을 적층하는 가공으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 요철을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법.
제12항에 있어서, 표면 상에 요철을 배치하는 단계는 압출에 의해 요철을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법.
제12항에 있어서,

d는 미터로 나타낸 인접하는 요철들 사이의 최소 거리이며, θ_a,0는 각도로 나타낸 표면 상에서의 액체의 참 진행 접촉각이며, ω는 각도로 나타낸 요철 상승각일 때,

상기 공식에 따라 미터로 나타낸 임계 요철 높이값(Z_c)을 결정하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
분리판, 매니폴드, 박막 전극 조립체, 통기구, 파이프 및 외피로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 구성 요소를 포함하며,

구성 요소는 액체를 방출하는데 적용되는 표면 부분을 가지며,

상기 표면 부분은 다양한 요철을 구비한 기판을 포함하며,

여기서, P는 표면 부분에서의 소정의 최대 예측 압력값이며, γ는 액체의 표면 장력이며, θ_a,0는 각도로 표시되는 요철 재료 상의 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 요철 상승각일 때,

각 요철은 기판에 대한 요철 상승각과 단면 치수를 가지며, 표면 부분이 상기 수식에 의해 결정되는 임계 접촉선 밀도값(Λ_L) 이상의 표면 영역의 제곱 미터당 미터로 측정된 접촉선의 접촉선 밀도값을 갖도록 요철이 분포되는 연료 전지 스택 장치.
제22항에 있어서, 요철이 대체로 균일하게 형상화 및 치수 결정되며, 요철은 대체로 균일한 패턴으로 배열되며, 요철은 대체로 균일한 이격 치수로 이격되는 연료 전지 스택 장치.
제23항에 있어서, 요철의 공간 치수에 대한 요철의 단면 치수의 비율이 0.1 이하인 연료 전지 스택 장치.
제22항에 있어서, 상기 구성 요소는 2극성 판인 연료 전지 스택 장치.
제22항에 있어서, 상기 구성 요소는 매니폴드인 연료 전지 스택 장치.
제22항에 있어서, 요철이 돌기인 연료 전지 스택 장치.
제26항에 있어서, 요철이 다면체 형상인 연료 전지 스택 장치.
제26항에 있어서, 각각의 요철이 대체로 정사각형인 단면을 갖는 연료 전지 스택 장치.
제26항에 있어서, 요철이 원통 또는 타원 기둥 형상인 연료 전지 스택 장치.
제22항에 있어서, 요철이 기판 내에 형성된 공동인 연료 전지 스택 장치.
제22항에 있어서, 요철은 기판에 대해 대체로 균일한 요철 높이를 갖고,

여기서, d는 미터 단위로 표시되는 인접한 요철들 사이의 최소 거리이고, θ_a,0은 각도 단위로 표시되는 요철 재료 상의 실험적으로 측정된 액체의 참 진행 접촉각이고, ω는 각도 단위로 표시되는 요철 상승각일 때,

요철 높이는 하기 수식에 따라 결정되는 미터 단위로 표시되는 임계 요철 높이값(Z_C)보다 큰 연료 전지 스택 장치.