KR20140068156A - 전기 화학 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물과 같은 냉각액(5)에 의해 냉각될 수 있는 적어도 하나의 플레이트 요소(2)를 구비하는 전기 화학 셀(1)에 관한 것으로서, 상기 플레이트 요소(2)는 상기 냉각액(5)에 의한 냉각의 목적을 위해 웨팅될 수 있는 표면(3)을 갖는다. 또한, 본 발명은 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법과 관련된다. 전기 화학 셀(1)에서, 플레이트 요소(2)의 표면(3)은 표면(3)과 상기 냉각액(5) 사이의 접촉각이 90도 미만이 되도록 설계된다. 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법에서, 냉각액(5)에 의한 냉각을 위해 플레이트 요소들(2)의 웨팅될 수 있는 표면들(3)에 영향을 미치는 추가적인 방법의 단계(100)가 수행되며, 그에 의해 표면(3)과 냉각액(5) 사이의 접촉각이 감소된다.

Description

전기 화학 셀{ELECTROCHEMICAL CELL}

본 발명은 냉각액에 의해 냉각될 수 있는 적어도 하나의 플레이트 요소를 갖는 전기 화학 셀에 관한 것으로서, 상기 플레이트 요소는 냉각의 목적을 위해 상기 냉각액에 의해 웨팅(wet)될 수 있는 표면을 가지며, 본 발명은 또한 전기 화학 셀을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

전기 화학 셀들은 일반적으로 예를 들어 http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemische_Zelle (15.09.2011)로부터 알려져 있으며, 갈바닉 셀들 및 전해 셀들로 세분된다.

전해 셀은, 전류가 화학적 반응을 강제하고, 적어도 일부 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되는 장치이다.

갈바닉 셀은 화학 에너지를 전기 에너지로 자발적으로 변환하기 위한 - 전해 셀과 상보적인 - 장치이다. 그러한 갈바닉 셀의 공지된 장치는 연료 셀, 예를 들어 PEM 연료 셀(양성자 교환 막 연료 셀 또는 폴리머 전해 막 연료 셀)이다(http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle, 15.09.2011).

수소-산소 연료 셀에서, 수소(H2)와 산소(O2)(연료 가스들)는 전해질에서 반응하여, 프로세스 열을 생성하면서, 전기 에너지 및 부산물인 물을 생성하며, 이 물은 응축된 가습 물과 더불어 연료 셀로부터 배출되어야 한다. 이것은 예를 들어 잔여 연료 가스를 이용하여 연료 셀로부터 물을 제거함으로써 이루어진다. PEM 연료 셀의 활성 막 및 이것을 둘러싸는 전극들, 즉 일측(수소측)의 애노드 및 타측(산소측)의 캐소드(막 전극(ME) 유닛)는 전체 활성 표면에 걸쳐 가능한 가장 균일한 셀 활성을 획득하기 위해 애노드측 및 캐소드측 양측에서 균일하게 연료 가스들(수소(H2) 및 산소(02))을 공급받아야 한다.

그러한 목적을 위해 - 그러한 연료 셀의 적절히 적층된 구조가 복수의 그러한 막 전극 유닛을 갖는 경우 -, 플레이트 요소들 또는 양극 플레이트들은 각각의 경우에 활성 막들 사이에 배열되며, 상기 요소들 또는 플레이트들의 각각의 표면은 애노드 또는 경우에 따라서는 캐소드로서 작용하고, 그들의 표면들 상에, 즉 애노드/수소 측 또는 캐소드/산소 측에 연료 가스들을 공급하는 채널 구조들을 구비한다.

이와 동시에, 그러한 플레이트 요소 또는 양극 플레이트는 그의 표면들 상에 도전성 코팅, 예를 들어 금 박층도 구비할 수 있다.

연료 셀 내의 수소(H2)와 산소(O2)의 반응을 통해 발생하는 열은 연료 셀의 손상, 특히 활성 막의 손상을 방지하기 위해 연료 셀이 냉각될 것을 필요로 한다. 따라서, 냉각 목적을 위해, 연료 셀은 냉각액, 예를 들어 물을 공급받거나 물로 세척되며, 그 결과로서 연료 셀로부터 열이 방출될 수 있다.

이러한 목적을 위해, 플레이트 요소들 또는 양극 플레이트들은 냉각 채널들, 예를 들어 구멍, 냉각 관 등을 가질 수 있으며, 이들을 통해 냉각액이 흐르고, 따라서 연료 셀로부터 열이 방출된다.

액체에 의한 고체의 표면의 습윤성을 접촉각에 의해 기술하는 것이 또한 알려져 있다. 이 경우, 정적 접촉각과 동적 접촉각 사이에 구별이 이루어지며, 동적 접촉각의 경우에는 후퇴 각과 전진 각 사이에 추가적인 구별이 이루어진다.

0도의 접촉각에서 완전한 습윤 또는 습윤성이 존재하는데, 즉 액체가 고체 표면의 전면에 완전히 퍼진다. 180도의 접촉각에서는 완전한 비습윤 또는 비습윤성이 존재하는데, 즉 액체는 고체 표면으로부터 완전히 구른다. 습윤도는 2개의 상태, 즉 0도의 접촉각에서의 완전한 습윤성과 180도의 접촉각에서의 완전한 비습윤성 사이에서 변한다.

접촉각을 측정하기 위한 방법들, 예를 들어 Neumann에 따른 플레이트 방법, Wilhelmy 플레이트 방법 또는 낙하 방법도 공지되어 있다.

적층된 플레이트 요소들로 구성되는 전기 화학 셀들이 US 2007/287057 A1 및 US 2009/214927 A1으로부터 알려져 있다. 상기 플레이트 요소들의 표면들 상에 반응물 채널들이 형성되며, 그의 표면들은 30도 또는 40도 미만의 접촉각들을 갖고, 반응물 운반을 개선하기 위해 금속 산화물 층들을 갖는다.

티타늄으로 이루어진 적층된 밸브 금속 플레이트들로 구성되는 전기 화학 셀이 US 2010/047647 A1로부터 알려져 있다. 환경에 의한 공격으로부터 하부의 금속을 보호하기 위해 그리고 스테인리스 스틸보다 높은 전압을 허용하기 위해, 상기 밸브 금속 플레이트들의 표면들 상에 티타늄 산화물 층이 형성된다.

적층된 플레이트 요소들과 더불어 플레이트 요소들 사이에 구현된 냉각 채널들을 갖는 전기 화학 셀이 JP 2003 197217 A에 설명되어 있다. JP 2003 197217 A에 따르면, 플레이트 요소들의 표면들은 냉각제에 의한 열의 방출을 개선하기 위해 친수성 구조를 갖는다.

플레이트 요소들 및 플레이트 요소들 내의 냉각 채널들을 갖는 전기 화학 셀이 US 2007/154744 A1으로부터 알려져 있다. 냉각 채널들 내의 가스 버블들의 제거를 개선하기 위하여, 따라서 냉각 채널들 내의 표면들에 가스 버블들이 부착되는 것을 줄이고, 냉각 효율을 개선하기 위하여, US 2007/154744 A1은 적절한 냉각제 흐름을 보증하는 것을 의도하는 특수 단면의 냉각 채널들을 플레이트 요소들 내에 제공한다.

US 2006/003174 A1은 귀금속 성분은 물론, 티타늄도 갖고, 예를 들어 연료 셀들의 양극 플레이트들에서 사용될 수 있는 티타늄 합금을 설명하고 있다.

본 발명의 목적은 셀 내에 생성되는 열을 효과적으로 방출할 수 있고 셀의 효과적인 냉각을 달성할 수 있는 전기 화학 셀, 예를 들어 갈바닉 셀 또는 전해 셀, 구체적으로 연료 셀을 개시하는 것이다.

이러한 목적은 각각의 독립 청구항에서 청구되는 바와 같은 전기 화학 셀 및 화학 셀 제조 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 전기 화학 셀은 냉각액, 구체적으로 물, 예를 들어 탈이온수에 의해 냉각될 수 있는 적어도 하나의 플레이트 요소를 구비하며, 상기 플레이트 요소는 냉각의 목적을 위해 상기 냉각액에 의해 웨팅될 수 있는 표면을 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면, 플레이트 요소의 표면은 표면과 표면을 웨팅하는 상기 냉각액 사이의 접촉각이 90도 미만이 되는 방식으로 구현된다.

즉, 플레이트 요소 표면은 표면과 냉각을 위해 사용되는 각각의 냉각액 사이의 접촉각이 90도 미만이 되는 방식으로 구현된다.

이 경우, 공지된 물리적, 관례적인 일반 정의에 따르면, 접촉각은 정적 또는 동적 접촉각, 특히 동적 접촉각의 경우에는 후퇴각 또는 전진각일 수 있다.

냉각액에 의해 냉각될 수 있는 복수의 플레이트 요소를 갖는 전기 화학 셀을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에서 - 복수의 플레이트 요소 각각은 각각의 플레이트 요소를 냉각하기 위하여 냉각액에 의해 웨팅될 수 있는 표면을 가짐 -, 플레이트 요소들은 제1 예에서 제조된다.

이것은 특히, 예를 들어 금속 시트들을, 특히 디프-드로잉(deep-drawing) 및/또는 스탬핑(stamping)에 의해 형성하고, 금속 시트들을 도전층, 특히 금층과 같은 귀금속층으로 코팅함으로써, 플레이트 요소들을 형성하는 (더블) 금속 시트들이 기계 가공된다는 점에서 발생할 수 있다.

제조된 플레이트 요소들을 적층하여 - 대안으로서 막들과 함께 적층하여 -, 막 전극 유닛들을 형성하며, 그 결과로서 전기 화학 셀의 적층 구조가 제조된다.

또한, 본 발명에 따르면, 냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면들에 영향을 미치는 추가적인 방법의 단계가 수행되고, 이에 따라 표면과 냉각액 사이의 접촉각이 감소한다.

냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면들에 영향을 주기 위해 본 발명에 따라 제공되는 상기 추가적인 방법의 단계에 의해 특히 달성되는 것은 표면과 표면을 웨팅하는 냉각액, 예를 들어 물, 특히 탈이온수 사이의 접촉각이 90도보다 작다는 것이다.

이와 관련하여 "냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면들에 영향을 미치는 상기 추가적인 방법의 단계"에 의해 본 발명에 따라 이해되어야 하는 것은 상기 방법 단계가 셀의 기능적으로 가능한 적층된 막 전극 유닛들의 제조시에 제조 단계들에 더하여 제공된다는 것이다.

그 안에서, "냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면들에 영향을 미치는 상기 추가적인 방법의 단계"는 셀의 기능적으로 가능한 적층된 구조의 제조시에 (이전의) 제조 단계에 대한 대안으로서 또는 (이전의) 제조 단계의 변경으로서 제공된다는 것을 암시하는 것도 의도한다.

간단히 말하면, 이전에 전기 화학 셀의 제조가 적층된 셀 구조의 제조를 위해 플레이트 요소들의 제조 및 이들과 막들의 적층을 위한 준비를 행한 경우에, 본 발명에 따르면, 상기 제조 동안에 보완, 대안 또는 변경된 단계가 제공되며, 이러한 단계는 표면들과 냉각액 사이의 접촉각이 감소하는 방식으로 냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면들에 영향을 미친다.

"변경된 방법 단계"는, 추가적인 방법의 단계의 의미 내에서, 상기 추가적인 방법의 단계가 변경된 제조 단계 내에 존재할 수 있고, 또한 그러한 변경이 접촉각의 감소와 함께 본 발명에 따른 표면의 영향을 유발한다는 것을 의미하는 것을 의도한다. 이와 관련하여, 변경은 특히, 이전의, 그러나 이제 변경될 방법 단계가 실질적으로 유지되며, 그 안에서 또는 그로부터 계속하여 접촉각의 감소와 함께 본 발명에 따른 표면의 영향을 유발하는 변화들이 제공된다는 것을 의미한다.

이것에 의해, 예를 들어, 합금과 같은 코팅 재료가 변경되거나, 그의 조성이 새로운 재료 성분 또는 합금 성분의 대체 및/또는 추가에 의해 변경되더라도, 이전의 코팅 단계가 그 자체로 계속 수행된다는 것을 이해할 수 있다.

게다가, 본 발명에 따르면, 이것은 냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면들로 하여금 표면들과 냉각액 사이의 접촉각이 감소하는 방식으로 영향받게 한다.

이 경우, 본 발명은 플레이트 요소가 냉각의 목적을 위해 세척될 때 냉각 목적을 위해 셀의 플레이트 요소를 세척하는 냉각액이 냉각액 대신에 플레이트 요소에 부착되는 가스 버블들을 포함할 수 있다는 획득된 지식으로부터 시작된다.

그러한 가스 버블들은 예를 들어 - 냉각액이 가열되는 경우에 - 배기로 인해 발생하는 가스 또는 에어 버블들, 또는 이전에 배출되지 않은 가스일 수 있다. 그러한 가스 버블들에 대한 다른 원인들은 냉각액 충전 작업 동안에 남은 가스 잔여물들 또는 냉각 시스템 내의 누설물들일 수 있다. 더구나, 그러한 가스 버블들은 또한 가열 동안 분해된 성분들의 배기로 인해, 냉각액의 증발로 인해 그리고/또는 특히 전해의 경우에 물의 분해로 인해 발생할 수 있다.

간단히 말하면, 냉각액과 가스 버블들은 플레이트 요소의 표면에 대한 부착을 위해 경쟁하며, 가스 버블들은 플레이트 요소 표면에 국지적으로 부착된다.

이것은 이러한 포인트들에서의 플레이트 요소로부터 냉각액 내로의 열 추출의 국지화된 중단을 유발할 수 있다. 그 결과로서, 이것은 셀의 내부에서 또는 경우에 따라서는 셀 구조의 내부에서 국지적인 과열 및 결과적인 손상, 예를 들어 막 손상을 유발할 수 있다.

본 발명은 플레이트 요소의 표면의 습윤성이 증가할 때 냉각액이 표면으로부터 가스 버블들을 제거하여 밖으로 운반하는 것이 더 쉬워진다는 고찰에 더 기초한다.

즉, 가스 버블들은 플레이트 요소 표면으로부터 떨어지거나 더 이상 부착되지 않으며, 따라서 냉각액 내에 부유 상태로 남게 되고, (냉각) 흐름 및/또는 대류에 의해 셀로부터 방출될 수 있다.

놀랍게도, 특히 플레이트 요소 표면과 각각의 냉각액 사이의 90도 미만의 접촉각에서, 플레이트 요소 표면에 대한 가스 버블들의 부착의 실질적 감소가 발생하거나, 경우에 따라서는 상기 버블들이 플레이트 표면으로부터 더 빠르게 떨어지고, 결과적으로 버블들이 셀로부터 더 빠르게 밖으로 운반될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

결과적으로, 전기 화학 셀로부터의 프로세스 열이 중단 없이 또는 사실상 플레이트 요소로부터 냉각액 내로 중단 없이 방출될 수 있다. 셀의 내부에서의 또는 셀 구조의 내부에서의 가스 버블 부착에 의해 유발되는 이전의 열악한 열 방출의 결과인 국지적인 과열의 발생 및 결과적인 손상이 방지될 수 있다. 효율적이고 쉽게 달성 가능한 셀 냉각이 본 발명에 의해 보증된다.

본 발명은 이러한 놀라운 지식을 이용하여, 셀 플레이트 요소에 대한 전기 화학 셀에서의 본 발명의 준비가 표면과 표면을 웨팅하는 냉각액 사이의 접촉각이 90도보다 작은 플레이트 요소 표면을 갖게 한다.

본 발명은 이러한 놀라운 지식을 또한 이용하여, 냉각 목적을 위해 웨팅될 수 있는 플레이트 요소 표면에 영향을 미치는 추가적인 또는 대안적인 또는 변경된 방법 단계를 수행하기 위한 제조 방법에서의 본 발명의 준비도 행하며, 그러한 방법 단계에 의해 표면과 냉각액 사이의 접촉각이 감소된다.

따라서, 본 발명은 추가적인 방법의 단계를 수행함으로써, 예를 들어 습윤성의 증가와 관련되는 플레이트 요소 표면의 거칠어짐을 유발하는 기계적 표면 처리, 이온 에칭과 같은 전기적 표면 처리, 또는 그 밖에 화학적 표면 처리에 의해 플레이트 요소 표면의 습윤성을 증가시킨다.

특히, 이러한 표면 처리는 친수성 표면층의 피복, 예를 들어 산화적 침투층을 형성하는 합금을 이용하는 합금 코팅의 피복 또는 극성 갈바닉 셀들을 플레이트 요소 표면에 제공하는 층의 피복을 수반할 수도 있다.

이 경우, 본 발명은 상기 습윤성 증가 단계에 의해 표면과 표면을 웨팅하는 냉각액 사이의 접촉각이 90도 미만인 플레이트 요소 표면을 이용 가능하게 한다.

본 발명의 바람직한 개발들은 종속 청구항들로부터 나타날 것이다. 이러한 개발들은 본 발명에 따른 전기 화학 셀 및 화학 셀을 제조하기 위한 본 발명의 방법 양자와 관련된다.

따라서, 바람직한 개발에 따르면, 냉각액은 특히 사전 결정된 순도를 갖는 물, 예를 들어 탈이온수이다.

양극 플레이트와 같은 플레이트 요소는 표면 처리된, 특히 포밍된, 특히 디프 드로잉된 금속 시트일 수 있다. 바람직하게는, 플레이트 요소는 서로에 대해 배열된 2개의 표면 처리된, 특히 디프 드로잉된 금속 시트(더블 시트)로서 구현된다. 대안으로서, 양극 플레이트는 단단한, 표면 처리된, 포밍된 금속 시트일 수도 있다.

금속 시트의 포밍은 이 경우에 디프 드로잉 및/또는 스탬핑, 구체적으로는 스터드 구조 또는 채널 구조와 같은 구조의 스탬핑일 수 있다.

이 경우, 더블 시트들은 - 이들이 서로에 대해 배열될 때 - 냉각액이 흐르는 냉각 채널들이 금속 시트들 사이에 형성되는 반면에 셀의 연료 가스들을 위한 채널들은 그들의 외향 표면들 상에 구현되는 방식으로 형성될 수 있다.

바람직한 개발에 따르면, 접촉각은 90도보다 상당히 낮다. 따라서, 접촉각은 80도 미만일 수 있다. 특히, 접촉각은 70도 미만 또는 60도 미만일 수 있다.

구체적으로, 셀 내의 열 생성의 증가에 따라, 냉각액으로부터의 배기가 증가하며, 따라서 본 발명의 개발들에 따르면, 더 작은 접촉각들이 제공된다. 따라서, 냉각액 내에 더 많은 가스 버블들이 존재하며, 이들은 부착의 결여를 위해 또는 경우에 따라서는 양호한 탈착을 위해 빠르게 밖으로 운반될 수 있다. 구체적으로, 매우 가스가 많은 냉각액의 경우, 접촉각은 80도 미만으로 설정될 수 있다. 특히 70도 미만의 접촉각들에서 매우 향상된 열 제거가 이루어질 수 있는 것도 밝혀졌다. 플레이트 요소 표면이 60도 미만의 접촉각을 실현하는 경우, 플레이트 요소 표면에 대한 가스 버블들의 부착은 사실상 배제된다.

더 바람직한 개발에서, 플레이트 요소는 예를 들어 0.05-2.0 ㎛의 범위 내에 있는 적어도 하나의 귀금속층을 갖는, 특히 예를 들어 0.05-2.0 ㎛의 범위 내에 있는 적어도 하나의 금층 또는 복수의 적층된, 얇은 귀금속층 또는 금층을 갖는 금속 시트를 구비한다.

상기 귀금속층 또는 귀금속층들은 특히 스퍼터링에 의해 금속 시트 상에 증착될 수 있다.

이 경우, 특히, 금속 시트, 예를 들어 0.1mm 내지 수 센티미터의 범위 내의 시트 두께를 갖는, 특히 약 0.15mm의 금속 시트 두께를 갖는 얇은 금속 시트에 피복되는 금 코팅이 도전성을 형성한다. 금속 시트 두께는 이 경우에 금속 시트의 재료, 금속 시트에 작용하는 기계적 부하들 및/또는 금속 시트 설계에 의존할 수 있다.

본 발명에 따른 표면 처리 개발은 바람직하게는 기계 또는 전기 또는 화학적 표면 마무리 프로세스, 특히 이온 에칭("백-스퍼터링"), 프로파일링, 샌드블라스팅, 이머라이징(emerizing), 캘린더링(calendering), 브러싱 및/또는 구조 스탬핑이다.

특히, 일반적으로 알려지고 입증된 상기 종류의 방법들에 의해, 그와 함께 수행되는 표면 거칠어짐 또는 표면 조잡화에 의해, 본 발명에 따라 제공되는 접촉각 또는 본 발명에 따른 접촉각 감소가 실현된다.

즉, 추가적인 방법의 단계는 기계 또는 화학 또는 전기적 표면 마무리 프로세스, 특히 표면 거칠게 하기, 이온 에칭("백-스퍼터링"), 프로파일링, 샌브블라스팅, 이머라이징, 캘린더링, 브러싱 및/또는 구조 스탬핑을 수반할 수 있다.

이 경우, 특히 기계적인 표면 처리는 제조 프로세스 동안에 상이한 시간들에 수행될 수 있다. 따라서, 기계적 표면 처리는 플레이트 요소들의 제조 동안에, 특히 플레이트 요소들을 형성하는 금속 시트들의 제조 동안에, 금속 시트들의 제조 후에 그리고 금속 시트들의 형성 전에, 금속 시트들의 형성 동안에, 금속 시트들의 형성 후에 그리고 금속 시트들의 코팅 전에, 또는 금속 시트들의 코팅 후에 수행될 수 있거나, 표면 처리는 플레이트 요소들의 제조 후에 그리고 플레이트 요소들의 적층 전에 수행될 수 있다.

더구나, 바람직하게는, 플레이트 요소는 합금을 포함하는 합금 코팅을 가질 수 있으며, 이 합금은 귀금속 합금 성분("귀금속 성분"), 특히 금에 더하여, 산화적 침투층을 형성하는 적어도 하나의 비귀금속 합금 성분("비귀금속 성분"), 특히 알루미늄 또는 티타늄을 갖는다.

이 경우, 합금 코팅의 피복은 본 발명에 따른 추가적인 방법의 단계인 것을 의도한다.

합금의 귀금속 성분은 합금이 플레이트 요소에 피복된 후에 양호한 전기적 접촉을 보증하는 반면, 합금의 비귀금속 성분은 그의 피복 및 분위기 산소와의 정화 반응 후에 산화적, 극성 및 결과적으로 친소성의 부분 또는 표면을 형성하며, 이는 본 발명에 따라 플레이트 요소 표면의 습윤성에 영향을 미친다.

특히, 구현되는 비귀금속 성분의 친수성은 플레이트 요소 표면에 대한 가스 버블 부착 전에 우수한 액체 습윤을 유발하며, 열 방출을 개선한다.

더구나, 귀금속 합금 성분과 산화적 침투층을 형성하는 합금의 적어도 하나의 비귀금속 합금 성분의 질량비는 대략 90:10 내지 99:1의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 수단에 의해 적절한 도전성과 더불어 충분한 습윤성이 달성된다.

추가적인 개발에서, 플레이트 요소는 특히 디프 드로잉된 금속 시트이며, 그 위에는 본 발명의 의미 내에서 추가적인 방법의 단계로서 이해될 합금 코팅이 직접 피복되거나 피복될 것이다.

이와 관련하여, "직접"은 플레이트 요소의 금속 시트의 경우에 상기 합금층을 제외한 어떠한 다른 층도 제공되지 않는다는 것으로 이해될 수 있다.

대안으로서, 플레이트 요소 또는 금속 시트는 적어도 하나의 귀금속층, 특히 금층을 가질 수도 있으며, 그 위에는 합금 코팅이 본 발명에 따른 추가적인 방법의 단계에서 피복되거나 피복될 것이다.

즉, 이러한 개발들에 따르면, 최초 제공된 귀금속층, 예를 들어 금층 대신에 합금층이 제공되거나 - 요컨대, 합금층이 최초 금속 코팅을 대체하거나 -, 합금층이 최초 귀금속층에 추가로 피복된다.

귀금속층에 귀금속 성분을 갖는 합금 코팅을 피복함으로써 합금층의 양호한 부착이 달성된다.

게다가, 귀금속층이 유지되는 경우, 플레이트 요소는 그러한 종류의 다수의 귀금속 코팅, 특히 삼중 또는 사중 금 코팅을 가질 수 있으며, 그 위에 합금 코팅이 피복되거나 피복될 것이다.

추가적인 바람직한 개발에서, 플레이트 요소는 적어도 하나의 귀금속층, 특히 금층을 가지며, 그 위에는 친수성 코팅이 본 발명에 따른 추가적인 방법의 단계의 의미 내에서 피복되거나 피복될 것이다.

상기 친수성 코팅은 산화적 침투층을 형성하는 금속층, 특히 알루미늄 또는 티타늄 층일 수 있다.

친수성 코팅은 플레이트 요소 표면에 대한 가스 버블 부착 전에 우수한 액체 습윤을 유발하며, 열 방출을 개선한다.

또한, 플레이트 요소는 적어도 하나의 친수성 부분을 갖는 표면 기능 코팅을 갖거나, 본 발명에 따른 추가적인 방법의 단계의 의미 내에서 그러한 코팅을 제공받을 수 있으며, 그러한 표면 기능 코팅은 냉각액과의 상호작용을 위해 극성기들, 특히 OH기들 또는 CO기들 또는 SiO기들을 플레이트 요소의 표면에 제공한다.

즉, 이 경우에 표면 기능 코팅을 피복하는 것은 본 발명에 따른 추가적인 방법의 단계의 의미 내에서 개발을 구성한다.

추가적인 개발에서, 플레이트 요소는 특히 디프 드로잉된 금속 시트이며, 이 금속 시트에는 본 발명의 의미 내에서 추가적인 방법의 단계로서 이해되는 상기 표면 기능 코팅이 직접 피복되거나 피복될 것이다.

대안으로서, 플레이트 요소는 적어도 하나의 귀금속층, 특히 금층을 가질 수 있으며, 이 금층에는 본 발명에 따른 추가적인 방법의 단계에서 표면 기능 코팅이 피복되거나 피복될 것이다.

즉, 이러한 개발들에 따르면, 표면 기능 코팅이 최초 제공된 귀금속층, 예를 들어 금층 대신에 제공되거나 - 요컨대, 표면 기능 코팅이 최초 금층을 대체하거나 -, 표면 기능 코팅이 최초 귀금속층에 추가로 피복된다.

또한, 표면 기능 코팅은 인산 또는 황산 또는 티올(thiol) 계열의 앵커기를 갖는 분자들을 가질 수 있다.

특히, 표면 기능 코팅은 10nm보다, 특히 8nm 또는 6nm보다 얇을 수 있다.

다른 바람직한 개발에서, 표면 기능 코팅은 예를 들어 용매 내의 코팅 분자의 0.1-2%의 중량비를 갖는 표면 기능 코팅의 분자들을 포함하는 용매가 생성되는 방식으로 피복된다.

표면 기능 코팅으로 코팅될 플레이트 요소 또는 플레이트 요소들은 상기 용매 내에 사전 정의된 시간 동안, 예를 들어 짧은 침수의 순간, 수 분, 최대 수 시간까지 침수된다.

이어서, 플레이트 요소 또는 플레이트 요소들은 용매로부터 제거되고, 특히 물로 헹궈진다.

또한, 전기 화학 셀은 갈바닉 셀, 특히 PEM 연료 셀 또는 전해 셀인 것이 특히 바람직할 수 있다.

지금까지 제공된 본 발명의 유리한 실시예들의 설명은 일부 예들에서 개별 종속 청구항들에서 결합하여 재생되는 다양한 특징들을 포함한다. 그러나, 이 분야의 기술자는 상기 특징들을 개별적으로도 유리하게 고려하고, 이들을 다른 의미 있는 결합들로 배열할 것이다. 특히, 이러한 특징들은 각각의 경우에 개별적으로 그리고 독립 청구항의 본 방법과의 임의의 적절한 관계에서 결합될 수 있다.

본 발명의 전술한 특성들, 특징들 및 장점들은 물론, 이들이 달성되는 방식은 도면들과 관련하여 더 상세히 설명되는 실시예들의 아래의 설명과 관련하여 더 명확하고 더 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

그러나, 본 발명은 기능적 특징들과 관련된 것을 제외하고는 실시예들에 개시되는 특징들의 결합들로 한정되지 않는다. 따라서, 목적에 적합한 임의의 실시예의 특징들은 명확히 분리하여 고려되고, 하나의 실시예로부터 제거되고, 다른 실시예를 보완하기 위해 그 안에 포함되고/되거나, 독립 청구항의 본 방법과 결합될 수도 있다.

도면들에서:
도 1은 일 실시예에 따른 PEM 연료 셀의 상세를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 귀금속 코팅 및 합금층을 갖는 PEM 연료 셀의 플레이트 요소의 상세를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 PEM 연료 셀의 제조에서의 방법 단계들의 작업 흐름을 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 감소된 접촉각을 갖는 저항 코팅된 플레이트 요소들을 구비하는 PEM 연료 셀의 제조를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 PEM 연료 셀의 플레이트 요소의 상세를 나타낸다.

도 1 및 5는 각각 PEM 연료 셀(1)(이하, 연료 셀 또는 셀로서 약칭됨)의 구조(6)의 상세를 나타낸다.

상기 연료 셀(1)에서, 수소(H2)와 산소(O2)(연료 가스들)는 전해질에서 반응하여, 프로세스 열을 생성하면서, 전기 에너지 및 부산물인 물을 생성하며, 이 물은 응축된 가습 물과 더불어 연료 셀(1)로부터 배출된다.

도 1 및 5에 도시된 바와 같이, 셀(1)의 적층 구조(6)는 각각의 경우에 양측의 GDL(19) 사이에 삽입되는 막들(11)을 제공한다(막 전극 유닛들(20)). 각각의 경우에 그들 사이에 전극들이 배치된다. 수소측의 전극은 애노드라고 하며, 산소측의 전극은 캐소드라고 한다.

또한, 도 1 및 5에 도시된 바와 같이, 셀(1)의 적층 구조(6)는 막 전극 유닛들(20) 사이에 배열된 플레이트 요소들 또는 양극 플레이트들(2)을 제공한다. 이 예에서, 이들은 각각의 경우에 얇은, 코팅된, 포밍된 (더블) 금속 시트들(12)로서 구현된다.

연료 셀(1) 내의 수소(H2)와 산소(O2)의 반응으로부터 발생하는 열은 연료 셀(1)의 손상, 특히 연료 셀(1)의 활성 막(11)의 손상을 방지하기 위해 연료 셀(1)이 효율적으로 냉각될 것을 필요로 한다.

연료 셀(1)을 냉각하기 위해, 연료 셀은 냉각액(5), 이 예에서는 탈이온수를 공급받거나 그것으로 세척되며, 그 결과로서 냉각액(5)을 통해 연료 셀(1)로부터 열이 방출될 수 있다.

그러한 목적을 위해, 또한 연료 가스, 즉 수소 및 산소를 셀(1)에 공급하기 위해, 양극 플레이트가 스터드 또는 채널 구조를 제공하거나, 스터드 또는 채널 구조가 양극 플레이트(2)를 형성하는 금속 시트들(12) 내에 스탬핑된다.

결과적으로, 도 1 및 5에 도시된 바와 같이, 양극 플레이트(2)를 형성하는 금속 시트들(12) 사이에 냉각 채널들(17)(냉각 유닛(4))이 형성되며, 또한 그들의 "외향" 표면들 상에 연료 가스 채널들(16)이 형성된다. 금속 시트들(12)은 상기 "외향" 표면 상에 금 코팅(7)을 제공한다.

셀(1)은 냉각 채널들(17)을 통해 냉각액(5)을 공급받으며, 셀(1)은 연료 가스 채널들(16)을 통해 연료 가스들을 공급받는다.

게다가, 양극 플레이트(2)의 "내측" 금속 시트 표면들(3) 또는 각각의 경우에 냉각 채널(17)을 정의하는 금속 시트 표면들(3)은 각각의 표면(3)과 냉각액(5) 사이에 약 60도의 접촉각이 실현되는 방식으로 구현되며, 그 결과로서 연료 셀(1)은 효율적인 냉각을 보증할 수 있다.

이것은 양극 플레이트(2) 또는 금속 시트들(12)의 냉각을 위해 제공되는 표면들(3)의 습윤성이 60도로 감소된 접촉각에 의해 실현될 때 냉각액(5)이 표면(3)에 대한 가스 버블들의 부착을 방지하고 그들을 셀 밖으로 운반하는 것이 더 쉬워진다는 고찰에 기초한다.

작은 접촉각으로 인해, 냉각액(5) 내의 가스 버블들(18)은 (더 이상) 금속 시트 표면(3)에 부착되지 않으며, 따라서 냉각제(5) 내에 부유 상태로 유지되고, 냉각 채널(17) 내에서의 (냉각액) 흐름(5)에 의해 셀(5)로부터 배출될 수 있다.

결과적으로, 셀(1)의 프로세스 열은 중단 없이 또는 사실상 양극 플레이트(2)로부터 냉각액(5)으로 중단 없이 방출될 수 있다. 효율적이고 쉽게 달성 가능한 셀(1)의 냉각이 보증된다.

도 2는 양극 플레이트(2)를 형성하는 더블 시트(12)의 금속 시트들(12) 중 하나의 금속 시트의, 냉각액(5)에 의해 웨팅되는 금속 시트 표면(3)의 상세 단면을 나타내며, 따라서 감소된 접촉각 또는 경우에 따라서는 약 60도의 접촉각의 실현이 어떻게 이루어지는지를 보여준다.

접촉각을 측정하기 위한 대응하는 측정 방법들, 예를 들어 Neumann에 따른 플레이트 방법, Wilhelmy 플레이트 방법 또는 낙하 방법이 공지되어 있으며, 따라서 검사 목적을 위해 적용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 얇은 금속 시트(12)는 얇은 금 코팅(7) 또는 대안으로서 여러 개, 예를 들어 3개 또는 4개의 얇은 금층(7)을 제공받는다.

더구나, 금속 시트(12)는 하이브리드 합금으로 제조된 추가적인 반응성 층(8)을 제공받는다. 상기 하이브리드 합금은 귀금속 성분, 이 예에서는 금("주요 코팅)은 물론, 비귀금속 성분, 이 예에서는 알루미늄도 갖는다.

귀금속 성분은 양호한 전기적 접촉을 보증하며, 금 코팅(7)에 대한 합금층(8)의 적절한 부착도 보증한다.

분위기 산소와의 정화 반응 후에, 비귀금속 성분은 산화적, 양극 및 결과적으로 친수성인 부분을 형성하며, 이 부분은 습윤 거동(접촉각 감소)에 영향을 미친다.

산화적 침투층을 형성하는 비귀금속 합금 성분에 대한 귀금속 성분의 질량비는 95:5로 선택된다. 합금층은 금/알루미늄(Au/Al) 합금 타겟을 사용하는 스퍼터링에 의해 0.1 ㎛의 두께로 피복된다.

금층(7) 상의 합금 코팅 또는 합금층(8) 대신에, 대안으로서 얇은 금속 시트(12) 상에 직접 상기 합금을 갖는 직접 합금 코팅(8)을 제공하는 것도 가능하다(도시되지 않음). 이 경우에, 상기 직접 또는 유일 합금층(8)도 스퍼터링에 의해 피복될 수 있다.

추가적인 대안으로서, 비귀금속 성분은 또한 - 그 자신 상에 - 금층(7)에 얇은 층(10)으로서 피복될 수 있다. 여기서도, 그러한 목적을 위해 스퍼터 방법이 이용될 수 있다. 이 층은 또한 분위기 산소와의 정화 반응 후에 산화적, 양극 및 결과적으로 친수성인 부분을 형성할 수 있으며, 이 부분은 습윤 거동(접촉각 감소)에 영향을 미친다.

접촉각 감소 - 따라서, 결과적인 냉각액(5)에 의한 금속 시트 표면(3)의 습윤 증가 -는 금속 시트들(12)의 기계적 마무리 또는 기계적 표면 처리에 의해서도 달성될 수 있다.

금속 시트 표면(3)의 조잡화 또는 증가된 기울기가 상기 기계적 표면 처리(100)에 의해 달성되며, 따라서 표면(3)의 습윤성이 증가한다.

도 3은 - 연료 셀(1)을 제조하기 위한 전통적인 방법의 작업 흐름과 관련하여 - 표면(3)의 습윤성을 증가시키거나 표면(3)의 접촉각을 줄이는 - 전통적인 방법의 작업 흐름 동안 상이한 시간들에 제공될 수 있는 - 추가적인 기계적 표면 처리(100), 예를 들어 이머라이징 또는 캘린더링을 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이전의 접근법에 따른 연료 셀(1)의 제조 동안, 금속 시트들이 먼저 제조된다(200). 이러한 목적을 위해, 시트 금속 "블랭크들(blacks)"이 제조되고 적절히 전달된다(210).

이어서, 금속 시트들(12)이 형성되고(220), 스터드들과 같은 구조들이 스탬핑 프로세스에 의해 금속 시트들(12) 내로 합체된다(220).

이어서, 금속 시트들(12)은 금 코팅(7)으로 코팅된다.

이어서, 금속 시트들(12)이 적층되는데(300), 각각의 경우에 2개의 금속 시트(12)가 적층되어, 더블 시트, 즉 양극 플레이트(2)가 형성된다.

양극 플레이트(2)를 형성하는 금속 시트들(12)이 고정될 때, 상기 금속 시트들(12)의 대향하는 "내측" 표면들(3) 사이에 냉각 채널들(17)이 구현되고, 그의 표면들(3)은 냉각 채널들(17)(냉각 유닛(4))을 통해 흐르는 냉각액과 접촉한다(320).

추가적인 적층 단계에서, 양극 플레이트들(2) 사이에 막 전극 유닛들(20)이 배열되며, 셀(1)의 적층 구조(6)가 완성된다(300).

도 3에 더 도시된 바와 같이, 기계적 표면 처리(100) 또는 이머라이징 또는 캘린더링이 연료 셀(1)의 제조 동안에 상이한 시간들에 추가적인 방법의 단계(100)로서 제공된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기계적 표면 처리(100) 또는 이머라이징 또는 캘린더링은 이미 시트 금속 블랭크 제조 단계(210) 동안에 수행되었다.

도 3은 또한,

- 시트 금속 블랭크 제조 단계(210) 후에 그리고 금속 시트들(12)의 형성(220) 전에, 또는

- 금속 시트들(12)의 형성(220) 동안에, 또는

- 금속 시트들(12)의 형성(220) 후에 그리고 금속 시트들(12)의 코팅(230) 전에, 또는

- 금속 시트들(12)의 코팅(230) 후에 그리고 적층(310) 전에

이머라이징 또는 캘린더링(100)을 수행하는 것이 가능하다는 것을 보여준다.

상기 기계적 표면 처리(100)에 의해 표면(3)의 조잡화 또는 거칠기 증가가 달성되며, 따라서 표면(3)의 습윤성이 향상되고, 결과적으로 열 방출이 향상된다.

도 4는 감소된 접촉각 또는 경우에 따라서는 약 60도의 접촉각을 갖는 연료 셀의 추가적인 제조를 나타낸다.

도 4에 따르면, 적절한 도전성을 구비하고, 금속 시트들(12)의 표면(3)에 극성기들을 제공하는 수 nm의 얇은 기능층(9), 즉 레지스트(9)로 금 코팅 금속 시트들(12)의 표면을 코팅하는 것이 제공된다.

이러한 목적을 위해, 상기 레지스트(9)는 인산 또는 황산 계열 앵커기 또는 티올 계열 앵커기를 갖는 분자들을 갖는다. 이 예에서 금 표면으로부터 이동된 극성기들은 예를 들어 OH기들, CO기들 또는 SiO기들에 의해 실현될 수 있다. 이것은 금속 시트들(12)의 표면(3)이 더 큰 친수성을 갖게 하며, 따라서 습윤성 및 열 방출을 증가시킨다.

도 4에 또한 도시된 바와 같이, 레지스터 층(9)의 피복(500)이 수행되는데, 예를 들어 용매 내의 분자들의 0.1-2%의 중량비를 갖는 분자들을 포함하는 용매가 제조된다(510).

코팅될 금 표면이 수용액 내에 침수되고, 필요한 경우에 상승된 온도에서 약 1시간 동안 유지된다(520).

이어서, 기판이 제거되고, 물로 헹궈진다(530).

본 발명은 바람직한 실시예들에 기초하여 도시되고 더 상세히 설명되었지만, 개시된 예들로 한정되지 않으며, 본 발명의 보호 범위로 벗어나지 않고서 이 분야의 기술자에 의해 실시예들로부터 다른 변형들이 도출될 수 있다.

Claims (14)

1. 전기 화학 셀(1)로서,
   냉각액(5)에 의해 냉각될 수 있는 적어도 하나의 플레이트 요소(2)
   를 구비하며,
   상기 플레이트 요소(2)는 냉각의 목적을 위해 상기 냉각액(5)에 의해 웨팅(wet)될 수 있는 표면(3)을 가지며,
   상기 플레이트 요소(2)의 상기 표면(3)은 상기 표면(3)과 그 표면(3)을 웨팅하는 상기 냉각액(5) 사이의 접촉각이 90도 미만이 되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 접촉각은 80도 미만, 특히 70도 미만 또는 60도 미만이고/이거나, 상기 냉각액(5)은 물, 특히 탈이온수인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 플레이트 요소(2)는 합금을 포함하는 합금 코팅(8)을 갖고, 상기 합금은 귀금속 합금 성분, 특히 금 외에도, 산화적 침투층(oxidically permeated layer)을 형성하는 적어도 하나의 비귀금속 합금 성분, 특히 알루미늄 또는 티타늄을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플레이트 요소(2)는 적어도 하나의 귀금속층(7), 특히 금 층을 갖고, 상기 금 층에는 친수성 코팅(10)이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 친수성 코팅(10)은 산화적 침투층을 형성하는 금속층, 특히 알루미늄 또는 티타늄 층인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플레이트 요소(2)는 냉각액(5)과의 상호작용을 위해 상기 플레이트 요소(2)의 상기 표면(3)에 극성기들, 특히 OH기들 또는 CO기들 또는 Si0기들을 구비한 적어도 하나의 친수성 부분을 포함하는 표면 기능 코팅(9)을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 표면 기능 코팅(9)은 인산 또는 황산 또는 티올(thiol) 계열의 앵커기를 갖는 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 화학 셀(1)은 갈바닉 셀(galvanic cell), 특히 PEM 연료 셀 또는 전해 셀인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀(4).
9. 냉각액(5)에 의해 냉각될 수 있는 복수의 플레이트 요소(2)를 구비하는 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법으로서,
   상기 플레이트 요소(2) 각각은 플레이트 요소(2) 각각을 냉각하기 위해 상기 냉각액(5)에 의해 웨팅될 수 있는 표면(3)을 가지며,
   플레이트 요소들(2)이 제조되고(200),
   상기 플레이트 요소들과 막(membrane)들의 교대 적층에 의해 막 전극 유닛들이 구현되고(310),
   상기 전기 화학 셀의 적층 구조가 형성되며(300),
   냉각을 위해 웨팅 가능한 상기 플레이트 요소들(2)의 상기 표면들(3)에 영향을 주는 추가적인 방법의 단계(100)가 수행되어, 상기 표면(3)과 상기 냉각액(5) 사이의 접촉각이 감소하는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 추가적인 방법의 단계(100)는 기계적 또는 전기적 또는 화학적 표면 마무리 프로세스, 특히 이온 에칭("백-스퍼터링"), 프로파일링, 샌드블라스팅, 이머라이징(emerizing), 캘린더링(calendering), 브러싱 및/또는 구조 스탬핑을 수반하는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 추가적인 방법의 단계(100)는 상기 플레이트 요소들(2)을 합금(8)으로 코팅하는 단계를 수반하고, 상기 합금(8)은 귀금속 합금 성분, 특히 금 외에도, 산화적 침투층을 형성하는 적어도 하나의 비귀금속 합금 성분, 특히 알루미늄 또는 티타늄을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금층(8)은 귀금속층(7) 대신에 상기 플레이트 요소들(2)을 형성하는 금속 시트들(12)에 도포되거나, 상기 합금층(8)은 상기 귀금속층(7)으로 코팅된 상기 플레이트 요소들(2)의 귀금속층(7)에 도포되는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가적인 방법의 단계(100)는 친수성 코팅(10)으로 상기 플레이트 요소들(2)을 코팅하는 단계를 수반하고, 상기 친수성 코팅(10)은 산화적 침투층을 형성하는 금속층, 특히 알루미늄 또는 티타늄 층인 것을 특징으로 하는, 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가적인 방법의 단계(100)는 표면 기능 코팅(9)으로 상기 플레이트 요소들(2)을 코팅하는 단계를 수반하고, 상기 표면 기능 코팅(9)은 냉각액과의 상호작용을 위해 상기 플레이트 요소의 상기 표면에 극성기들, 특히 OH기들 또는 CO기들 또는 SiO기들을 구비한 적어도 하나의 친수성 부분을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 셀(1)을 제조하기 위한 방법.

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