KR20160103011A - 연료 전지 흐름 플레이트 - Google Patents

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Abstract

전기 전도성의 소수성 층을 포함하는 제 1 층(12), 및 그래핀 코팅을 포함하는 제 2 층(13)을 갖는 연료 전지 흐름 플레이트.

Description

연료 전지 흐름 플레이트{FUEL CELL FLOW PLATE}
본 발명은 연료 전지 흐름 플레이트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 흐름 플레이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래 전기화학적 연료 전지는 일반적으로는 둘 다 가스 스트림의 형태인 연료 및 산화제를 전기 에너지 및 반응 생성물로 변환한다. 수소와 산소를 반응시키기 위한 일반적인 타입의 전기화학 연료 전지는, 폴리머 이온(polymeric ion)(양성자) 전달 멤브레인(membrane)을 포함하는데, 연료와 공기는 그 멤브레인의 각각의 면들(sides) 위로 전달된다. 양성자들(즉, 수소 이온들)이 멤브레인을 통해 전도되며, 연료 전지의 애노드 및 캐소드를 연결하는 회로를 통해 전도되는 전자들에 의해 밸런싱된다. 연료는 흐름 플레이트에 의해 애노드 위로 보내진다. 산화제가 흐름 플레이트에 의해 캐소드 위로 보내진다. 연료 전지 스택(stack)은 복수의 이러한 멤브레인들 및 흐름 플레이트들을 포함하여 형성될 수 있다. 물, 반응 부산물들 또는 다른 오염물질들이 흐름 플레이트 내의 채널들 내에 쌓일 수 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 연료 전지 흐름 플레이트로서,
전기 전도성의 소수성 층을 포함하는 제 1 층; 및
그래핀(graphene) 코팅을 포함하는 제 2 층을 갖는, 연료 전지 흐름 플레이트가 제공된다.
이는, 그래핀 코딩이 평면-내(in-plane) 전기 전도성 및 부식 저항성을 제공하지만 높은 젖음 투과성(wetting transparency)을 제공함에 따라 유익하다. 이는, 제 1 층의 소수성 속성이 그래핀 코팅을 통해 연료 전지 흐름 플레이트의 표면에서 그 자신을 제공하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 연료 전지 흐름 플레이트는 연료 전지를 통한 파워의 유효한 전달을 위해 전도성이며 물 관리를 보조하기 위해 소수성이다.
제 1 층은 이방적으로(anisotropically) 전기 전도성일 수 있다.
제 1 층은 연료 전지 흐름 플레이트 상의 평면 내에 놓일 수 있으며, 그 평면을 관통해 전기 전도성이며 그 평면 내에서 덜 전도성일 수 있다. 제 1 층은 그 평면 내에서 비-전도성 또는 절연성일 수 있다. 이는, 제 1 층이, 전류가 "평면을 관통해서" (즉, 층의 평면에 대해 수직인 Z 축을 따라) 흐르는 것을 허용하지만 "평면 내에서" (즉, X 및 Y 방향들로) 흐르는 것을 허용하지 않기 때문에, 유익하다.
제 1 층은 그 안에 분산된 전도성 입자들을 갖는 폴리머를 포함할 수 있다. 제 1 층은, 테이프, 예컨대 아크릴 테이프를 포함할 수 있다. 테이프는 압력 감지 접착제를 포함할 수 있다. 이는, 연료 전지 흐름 플레이트에 테이프를 고정하기 위해 유익하다.
제 2 층은, 10개의 그래핀 층들, 6개의 그래핀 또는 4개의 그래핀 층들 두께 미만의 그래핀 코팅을 포함할 수 있다. 따라서, 제 2 층은 10, 6, 또는 4 원자 두께 미만일 수 있다.
제 1 층은 90°보다 더 큰 접촉 각도를 갖는 소수성일 수 있다.
연료 전지 흐름 플레이트는 금속으로 이루어질 수 있으며, 제 1 층은 제 2 층이 제 1 층을 코팅하고 있는 상태로 그 위에 배치될 수 있다.
연료 전지 흐름 플레이트는 애노드 흐름 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 본 발명의 제 1 측면에서 정의된 바와 같은 흐름 플레이트를 포함하는 연료 전지 또는 연료 전지 스택이 제공된다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 연료 전지 흐름 플레이트를 제조하는 방법으로서,
흐름 플레이트 베이스(base)를 받는 단계;
전기 전도성의 소수성 층을 포함하는 제 1 층을 받는 단계;
그래핀 코팅을 포함하는 제 2 층을 받는 단계;
제 1 및 제 2 층들을 흐름 플레이트 베이스에 적용(apply)함으로써 연료 전지 흐름 플레이트를 형성하는 단계를 포함하는, 연료 전지 흐름 플레이트를 제조하는 방법이 제공된다.
제 1 층은 접착제 테이프를 포함할 수 있으며, 방법은 금속으로 이루어질 수 있는 연료 전지 흐름 플레이트 베이스에 테이프를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 테이프를 흐름 플레이트 베이스에 적용하기 이전에 테이프에 그래핀 코팅을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법은 그래핀 코팅된 테이프를 받는 단계 또는 테이프를 그래핀으로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
이제, 오로지 예로서, 본 발명의 실시예들의 상세한 설명이 다음의 도면들을 참조하여 이어진다.
도 1은 연료 전지 흐름 플레이트를 포함하는 연료 전지를 도시한다.
도 2는 베이스에 적용된 제 1 및 제 2 층을 갖는 연료 전지 흐름 플레이트를 도시한다.
도 3은 연료 전지 흐름 플레이트를 제조하는 방법의 일 예를 예시하는 순서도를 도시한다.
본원에 논의되는 예시적인 실시예들은 양성자 교환 멤브레인 연료 전지에 관한 것이지만, 본 발명이 다른 유형들의 연료 전지에서 사용될 수 있다. 도 1은 연료 전지 흐름 플레이트(2)를 포함하는 연료 전지(1)를 도시한다. 연료 전지(1)는, 애노드(3) 및 양성자 교환 멤브레인(5)에 의해 분리된 캐소드(4)를 포함한다. 연료 전지 흐름 플레이트(2)는 연료를 애노드(3)로 보내기 위한 채널들(6)을 포함하며, 따라서 애노드 연료 전지 흐름 플레이트로 지칭될 수 있다. 산화제를 캐소드(4)로 보내기 위한 채널들(8)을 포함하는 추가적인 흐름 플레이트(7) 또는 캐소드 연료 전지 흐름 플레이가 제공된다. 연료 전지(1)는, 적층되고 서로 전기적으로 연결된 복수의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택의 부분일 수 있다. 연료 전지 스택에 있어서, 연료 전지 흐름 플레이트들(2, 7)은, 플레이트의 일 면이 연료를 스택 내의 특정 셀의 애노드로 보내기 위한 채널들을 포함하며, 플레이트의 다른 면이 스택 내의 인접한 셀의 캐소드로 산화제를 보내기 위한 채널들을 포함하는 2극식(bipolar)일 수 있다. 따라서, 애노드 연료 전지 흐름 플레이트(2) 및 캐소드 연료 전지 흐름 플레이트(7)의 기능이 스택 내의 인접한 연료 전지들을 공급하는 단일 2극식 플레이트 내에 통합된다.
채널들(6)은, 애노드(3)를 향한 애노드 연료 전지 흐름 플레이트(2)의 일 면(10)에 형성된다. 도 2는 흐름 플레이트(2)의 면(10)의 상세도를 도시한다. 흐름 플레이트(2)는 흐름 플레이트 베이스(11), 제 1 층(12) 및 제 2 층(13)을 포함한다. 제 2 층(13)은 채널(6) 내로 향한다.
흐름 플레이트 베이스(11)는, 금속 예컨대 스테인리스 강으로 이루어진다. 제 1 및 제 2 층들(12 및 13)은, 전체 면(10) 또는 전체 플레이트(2) 위에서, 면(10) 또는 플레이트(2)의 부분 위에서 면(10) 또는 플레이트(2) 위의 특정한 패턴으로 또는 임의의 다른 배열로 연장할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 층들(12 및 13)은 오로지 그 안에 채널들(6, 8)이 형성된 플레이트(2)의 부분들 위에서만 연장할 수 있다.
제 1 층(12)은 전기적으로 전도성이며 소수성이다. 층은 대략 2 밀리미터 두께이지만, 다른 실시예들에 있어 더 얇거나 또는 더 두꺼울 수 있다. 제 1 층(12)은, 제 1 층이 요구되는 그것의 평면 위에서 연장하도록 흐름 플레이트 베이스(11)에 적용된다. 제 1 층(12)은, 제 1 층을 흐름 플레이트 베이스(11)에 고정하기 위한 접착제를 갖는 폴리머를 포함하는 테이프의 형태일 수 있다. 테이프는 아크릴 재료로, 더 구체적으로는 아크릴 접착제로 이루어질 수 있다. 접착제는 압력 감지성일 수 있다. 제 1 층(12)은, 예를 들어, 3M 사에 의해 제조된 전기 전도성 접착제 전달 테이프(Electrically Conductive Adhesive Transfer Tape) 9703을 포함할 수 있다.
제 1 층(12)은, 접촉 각도가 90°보다 더 클 수 있도록 소수성을 갖는다. 다른 실시예들에 있어서, 제 1 층은 더 소수성이며, 100°, 110°, 120°, 130°, 140°, 150° 또는 그 이상보다 더 큰 접촉 각도를 가질 수 있다.
제 1 층(12)은 이방적으로 전기 전도성이다. 구체적으로, 제 1 층은 제 1 층이 놓인 평면에 대해 수직하는 방향에서 전기 전도성이다. 따라서, 제 1 층(12)은, 도 2에 도시된 바와 같이 z-축의 방향으로 층(12)의 두께를 관통하여 전기적으로 전도성이다. 제 1 층은 층을 관통해 전도성을 제공하는 전도성 입자들(14)을 폴리머 또는 아크릴 접착제 내에 포함하지만, 전도성 입자들(14)은 층의 평면 내에서 전도성이 아닐 수 있도록 충분히 이격되며, 그 평면은 페이지의 밖으로 연장하는 y-축 및 도 2에 도시된 x축 위에서 연장한다. 아크릴 접착제는 층의 평면 내에서 절연체이다. 전도성 입자들(14) 사이의 폴리머의 간극들(15)은 층의 "평면 내" 비-전도성 속성들을 제공한다. 제 1 층(12)은, 평면을 관통해 0.5 옴 미만 또는 0.3 옴 미만의 접촉 저항을 가질 수 있으며(접촉 면적 6 mm2, 금 PCB 상으로 굽은 금 폴리이미드), 0.5 옴 cm 미만의 비저항을 가질 수 있다. 층의 평면-내 시트 저항 또는 절연 저항은 적어도 106 옴/스퀘어(ohms/square) 또는 108 옴/스퀘어 또는 1010 옴/스퀘어일 수 있으며, 대략 3.4x1014 옴/스퀘어일 수 있다.
제 2 층(13)은, 흐름 플레이트 베이스(11)에 고정된 면에 반대되는 면 상에서 제 1 층(12)에 적용된다. 제 2 층(13)은, 제 1 층(12) 그 자체가 흐름 플레이트 베이스(11)에 적용되기 이전에 제 1 층(12)에 적용될 수 있다. 따라서, 그래핀 코팅된 폴리머 테이프가 흐름 플레이트 베이스(11)에 적용될 수 있다. 대안적으로, 제 2 층(13)은, 제 1 층이 흐름 플레이트 베이스(11)에 적용된 이후에 제 1 층(12)에 적용될 수 있다.
제 2 층은 제 1 층(12) 상의 그래핀 코팅을 포함한다. 제 2 층은 제 1 층의 전체 또는 부분 위에서 연장할 수 있다. 그래핀 코팅이 10개의 그래핀 층들의 두께보다 더 작을 수 있다. 본 실시예에 있어, 그래핀 코팅은 1개 내지 6개 그래핀 층들의 두께 사이이다. 그래핀 코팅(13)은 전기적으로 전도성이며, 제 1 층(12)의 전도성 입자들(14) 사이에 전기적 연결을 제공한다. 그래핀 코팅은 제 1 층(12)의 소수성 속성들에 대해 투명하다. 따라서, 그래핀 코팅은 아래의 제 1 층보다 더 큰 전기 전도성을 제공할 수 있으며, 제 1 층(12)의 소수성을 실질적으로 방해하지 않는다. 따라서, 연료 전지 흐름 플레이트(2)의 표면은 (그래핀 코팅(13) 및 전도성 입자들(14)에 기인하여) 전기적으로 전도성이며 (제 1 층(12)에 기인하여) 소수성이다. 특징들의 이러한 조합이 애노드 채널들(6) 내의 물 관리를 위해 유익하다. 애노드 채널들(6) 내에 쌓이자마자 임의의 물이 소수성 흐름 플레이트 표면 상에 놓일 것이며, 이는 연료 흐름 또는 퍼지(purge) 가스로 물을 채널들(6) 밖으로 제거하는 것을 용이하게 만든다.
도 3은, 단계(20)에서 연료 전지 흐름 베이스를 받는 예시적인 방법을 나타내는 순서도를 도시한다. 방법은, 단계(21)에서 전기 전도성의 소수성층을 포함하는 제 1 층을 받는 단계를 더 포함한다. 방법은, 단계(22)에서, 그래핀 코팅을 포함하는 제 2 층을 받는 단계를 더 포함한다. 제 1 층은 제 2 층이 제 1 층에 적용된 상태로 받아들여 질 수 있으며, 그에 따라 단계(21) 및 단계(22)가 결합될 수 있다. 따라서, 방법은, 제 1 및 제 2 층들을 포함하는 그래핀 코팅된 테이프를 받는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 단계(23)에서, 제 1 및 제 2 층들을 흐름 플레이트 베이스에 적용함으로써 연료 전지 흐름 플레이트를 형성하는 단계를 포함한다. 제 1 층은 접착제 테이프를 포함할 수 있으며, 따라서 연료 전지 흐름 플레이트를 형성하는 단계는 제 1 및 제 2 층들을 흐름 플레이트 베이스에 적용하기 위하여 접착제 테이프를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 연료 전지 흐름 플레이트는 애노드 흐름 플레이트에 적용된 제 1 및 제 2 층들을 갖는다. 그러나, 층들이 캐소드 흐름 플레이트에 적용될 수 있다. 추가적인 층들이 2극식 흐름 플레이트의 하나 이상의 면들에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료 전지 흐름 플레이트로서,
    전기 전도성의 소수성 층을 포함하는 제 1 층; 및
    그래핀(graphene) 코팅을 포함하는 제 2 층을 갖는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 층은 이방적으로(anisotropically) 전기 전도성인, 연료 전지 흐름 플레이트.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 층은, 상기 연료 전지 흐름 플레이트 상의 평면 내에 놓이고 상기 평면을 관통하는 방향에서 전기적으로 전도성이며 상기 평면 내의 방향에서 덜 전도성이 되도록 배열되는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 층은 상기 평면 내에서 비-전도성인, 연료 전지 흐름 플레이트.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 그 안에 분산된 전도성 입자들을 갖는 폴리머를 포함하는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 아크릴 테이프를 포함하는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 테이프는 압력 감지 접착제를 포함하는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 10개의 그래핀 층들 보다 더 적은 그래핀 코팅을 포함하는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 90°보다 더 큰 접촉 각도를 갖는 소수성인, 연료 전지 흐름 플레이트.
  10. 임의의 선행하는 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지 흐름 플레이트는 금속으로 이루어지며, 상기 제 1 층은 상기 제 2 층이 상기 제 1 층을 코팅하고 있는 상태로 그 위에 배치되는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지 흐름 플레이트는 애노드 흐름 플레이트를 포함하는, 연료 전지 흐름 플레이트.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 흐름 플레이트를 포함하는 연료 전지.
  13. 연료 전지 흐름 플레이트를 제조하는 방법으로서,
    흐름 플레이트 베이스를 받는 단계;
    전기 전도성의 소수성 층을 포함하는 제 1 층을 받는 단계;
    그래핀 코팅을 포함하는 제 2 층을 받는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 층들을 상기 흐름 플레이트 베이스에 적용함으로써 연료 전지 흐름 플레이트를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 층은 접착제 테이프를 포함하며, 상기 방법은 상기 테이프를 연료 전지 흐름 플레이트 베이스에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 방법은 상기 테이프를 상기 흐름 플레이트 베이스에 적용하는 단계 이전에 상기 그래핀 코팅을 상기 테이프에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
KR1020167017578A 2013-12-31 2014-12-17 연료 전지 흐름 플레이트 KR20160103011A (ko)

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