KR20160126022A - 플레이크 흑연을 포함하는 연료 전지 구성요소 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 세퍼레이터 플레이트는 평면 방향을 따르는 길이 및 일반적으로 수직 방향을 따르는 두께를 갖는 플레이크 흑연 입자를 포함한다. 플레이크 흑연은 10 미만인, 두께에 대한 길이의 종횡비를 갖는다.

Description

플레이크 흑연을 포함하는 연료 전지 구성요소{FUEL CELL COMPONENT INCLUDING FLAKE GRAPHITE}
연료 전지는 전기 화학적 반응을 기초로 하여 전기를 생성한다. 전기 생성 과정에 사용되는 연료 전지의 여러 구성요소는 흑연 등의 전도성 재료를 포함한다. 연료 전지 구성요소에서의 사용을 위해 구상 흑연 및 플레이크 흑연 등의 여러 종류의 흑연이 제안되어 왔다. 흑연의 종류의 선택은 최종 구성요소의 원하는 특성에 부분적으로 기초한다.
미국 특허 번호 제5,558,955호에 개시된 바와 같이 흑연 선택과 관련된 상충성(tradeoff)이 존재한다. 예를 들어, 플레이크 흑연은 인산 연료 전지에서 낮은 부식율을 갖는 것으로서 인식되어 왔다. 추가적으로, 플레이크 흑연은 상대적으로 높은 패킹 밀도를 갖고, 이는 요구되는 플루오로폴리머의 양을 최소화한다. 플루오로폴리머 필요량을 감소시키는 것은 비용을 저감하고 열 팽창 계수를 낮추며, 이는 추가적인 이점이다. 한편, 플레이크 흑연은 연료 전지 플레이트 제조를 위해 전형적으로 사용되는 제조 공정의 결과, 플레이트의 평면 내에 주로 배향되는 경향이 있다. 플레이크 흑연의 이 배향으로 인해 전형적으로 원하는 것보다 낮은 평면-관통 전도율을 발생시킨다. 추가적으로, 이러한 플레이트의 평면-내 전도율은 원하는 것보다 높은 경향이 있다. 전도율은 하나의 냉각계를 갖는 전지 스택에 포함될 수 있는 전지의 개수에 영향을 주고, 산 축합(acid condensation) 구역 내의 온도 저하에 영향을 주며, 이는 연료 전지의 사용 수명 및 산 손실율에 영향을 미친다. 미국 특허 번호 제4,345,008호, 제4,414,291호, 및 제8,318,362호는 전해질 축합 구역이 인산 연료 전지에서 작동하는 방법을 개시한다. 이들 문헌의 개시내용은 참조로 통합된다.
예시적인 연료 전지 세퍼레이터 플레이트는 폴리머 및 플레이크 흑연 입자를 포함하고, 플레이크 흑연 입자는 평면 방향을 따르는 길이 및 일반적으로 수직 방향을 따르는 두께를 갖는다. 플레이크 흑연 입자는 10 미만의, 두께에 대한 길이의 종횡비를 갖는다. 일부 예시적인 실시예에서, 종횡비는 5.0 내지 7.5이다.
연료 전지 세퍼레이터를 제조하는 예시적인 방법은 플레이크 흑연 및 폴리머의 혼합물을 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 적어도 일부분의 원하는 형상으로 구성하는 단계를 포함한다. 플레이크 흑연 입자는 평면 방향을 따르는 길이 및 일반적으로 수직 방향을 따르는 두께를 갖는다. 플레이크 흑연 입자는 10 미만인, 두께에 대한 길이의 종횡비를 갖는다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 종횡비는 5.0 내지 7.5이다.
개시된 예들의 여러 특징 및 장점은 관련 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 다음의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 구체적인 설명을 수반하는 도면은 다음과 같이 간략하게 설명될 수 있다.
도 1은 예시적인 연료 전지의 선택된 부분을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 설계된 예시적인 연료 전지 세퍼레이터 플레이트를 도식적으로 나타낸다.
도 3은 플레이크 흑연 특성을 개략적으로 나타낸다.
도 1은 예시적인 연료 전지(20)의 선택된 부분을 개략적으로 도시한다. 예시적인 연료 전지의 여러 층은 여러 층의 시각적 표현을 제공하기 위해 부분적으로 제거된다. 세퍼레이터 플레이트(22)는 가스 확산층(24)의 일측에 위치되고, 카본 페이퍼 또는 연료 전지 기재를 갖는 것으로 알려져 있다. 촉매층 및 산 포화 실리콘 카바이드 매트릭스를 포함하는 전극 조립체(26)가 가스 확산층(24)의 대향측 상에 위치된다. 다른 가스 확산층(28)은 전극 조립체(26)의 대향측에 위치된다. 몇몇 예시적인 실시예의 캐소드 촉매층은 미국 특허 제8,318,362호의 도 2에 도시된 바와 같이 전지의 산 축합 구역을 가로질러 연장하지 않는다. 다른 세퍼레이터 플레이트(30)는 가스 확산층의 대향측에 위치된다.
도시된 예에서, 세퍼레이터 플레이트(22)는 수소 등의 반응물을 전극 조립체를 향해 지향시키는 채널을 구비한 2극성 플레이트이다. 세퍼레이터 플레이트(30)는 또한 멤브레인 전극 조립체를 향하는 산소 등의 반응물의 지향을 촉진하는 채널을 포함한다. 공지된 방식으로 전기를 생성하기 위해 전극 조립체(26)에서 수소와 산소 사이의 전기 화학적 반응이 사용된다.
도 2는 세퍼레이터 플레이트(30)의 예시적인 구성을 나타낸다. 플레이트(30)의 일측 상의 채널(32)은 수소 등의 반응물을 반송하는데 유용하고, 플레이트(30)의 대향측 상의 채널(36)은 전극 조립체를 향하는 산화제의 지향을 촉진한다.
예시적인 플레이트(30)는 플레이크 흑연, 및 플루오로폴리머 등의 폴리머를 포함한다. 플레이크 흑연은 각각의 플레이크의 일반적으로 편평한 면이 플레이트의 평면과 평행한 상태로 플레이트(30) 내에 배향되는 경향이 있다. 플레이크 흑연의 이러한 배향은 플레이트의 평면-관통 전도율 및 평면-내 전도율에 대한 영향을 갖는다. 이는 입자들 사이의 접촉 저항의 영향과 조합된 흑연의 이방성 전도율 특성의 결과이다. 흑연 플레이크들 사이의 접촉 저항은 FEP-흑연(플루오르화 에틸렌 프로필렌-흑연) 복합물에서의 열 저항에 상당히 기여한다.
도 3은 플레이크 흑연 입자(40)를 개략적으로 나타낸다. 도해로부터 알 수 있는 바와 같이, 플레이크 흑연 입자(40)는 일반적으로 평면 구성을 갖는다. 각각의 입자는 평면 방향(즉, 입자의 일반적으로 편평한 면의 방향을 따라 취해짐)으로 길이(L)를 갖는다. 각각의 입자는 또한 평면 방향에 대해 일반적으로 수직 방향인 방향에서 취해진 두께(T)를 갖는다. 흑연 입자는 세퍼레이터 플레이트에서 정렬되는 것과 동일한 방식으로 도해에서 서로 정렬된다. 입자의 길이 치수는 모두 본질적으로 서로 평행하다(예를 들어, 평면을 따라서 일반적으로 정렬됨).
본 발명의 실시예에 사용된 플레이크 흑연의 일 특징은 10 미만의, 두께(T)에 대한 길이(L)의 종횡비를 갖는 점이다. 몇몇 예에서 종횡비는 5 내지 7.5이다. 이러한 종횡비는 연료 전지 플레이트에서의 사용을 위해 전형적으로 제안되어 왔던 플레이크 흑연보다 상당히 낮다. 공개된 미국 특허 출원 번호 제20110177419호는 연료 전지 세퍼레이터 플레이트를 위해 적용 가능한 종래 기술의 대표적 예이다. 이 문헌에서 확인되는 플레이크 흑연은 Superior Graphite Company에 의해 공급되는 그레이드 SGC 2900 이다. 해당 플레이크 흑연은 약 17.5의 L/T 종횡비에 대해 350 미크론의 공칭 길이 및 20 미크론의 공칭 두께를 갖는다.
개시된 예시적인 실시예에 포함된 플레이크 흑연의 더욱 낮은 종횡비는 2극성 플레이트(30) 등의 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 평면-내 열 전도율을 감소시킨다. 흑연의 종횡비를 낮추는 것은 흑연 플레이크의 수를 4-5 배만큼 증가시키고, 이에 의해 평면-내 열 전도율을 실질적으로 감소시킨다.
평면-내 열 전도율을 감소시키는 것은 원하는 전지 출구 온도를 유지하는데 요구되는 평면-내 열 유동을 감소시키는데 유용하다. 개시된 예에 포함되는 종횡비에 비해 더욱 큰 종횡비를 갖는 플레이크 입자를 사용하는 것은, 평면-내 전도율을 너무 높게 하여 연료 전지의 수명의 감소 및 원하는 전지 출구 온도의 달성을 불가능하게 한다.
산 축합 구역 내에서 고온의 전지와 저온의 전지 사이의 온도 차이는 축합 구역 내에서 평면-관통 방향의 열-유동의 함수이다. 열 유속은 주로 촉매 영역으로부터 축합 구역으로의 세퍼레이터 플레이트를 통한 평면-내 전도에 기인한다. 따라서, 세퍼레이터 플레이트의 평면-내 전도율을 감소시키는 것은 축합 구역의 출구에서의 고온 전지의 온도를 더 낮출 수 있고, 이에 의해 더욱 낮은 산 증발 속도로 인해 전지 수명을 증가시킬 수 있다.
표 1은, Superior Graphite Company로부터 획득된 각각 170 및 350 미크론의 입자 길이를 갖는 열적 순수 플레이크 흑연으로부터 제조된 세퍼레이터 플레이트의 평면-내 열 전도율 특성의 차이를 나타낸다. 흑연 입자는 20 미크론의 공칭 두께를 갖는다. 플레이트를 형성하기 위해 Dyneon Fluoropolymers로부터 획득된 약 85% 플레이크 흑연 및 15% 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP)의 혼합물이 사용되었다. 이들 플레이트의 평면-내 열 전도율은 Material Innovations Inc. 에 의해 150℃에서 측정되었다. 100 미크론의 플레이크 치수를 갖는 흑연으로 제조된 플레이트는 이들 측정이 행해질 때에는 이용 가능하지 않고, 따라서 이러한 플레이트의 평면-내 열 전도율은 이용 가능한 데이터를 외삽함으로써 예상된다. 표 1은 흑연 플레이크의 길이의 함수로서 측정 및 예상된 평면-내 열 전도율을 나타낸다. 표 1로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 낮은 L/T 종횡비에 의해 평면-내 열 전도율은 낮아진다.
T-μ L-μ L/T W/m-°K
20 350 17.5 184
20 170 8.5 154
20 100 5.0 140
개시된 예의 낮은 종횡비가 평면-내 열 전도율을 감소시키는 이유 중 하나는 낮은 종횡비가 소정의 표면적에 걸친 흑연 플레이크의 수를 증가시킨다는 점이다. 이 증가는 몇몇 예에서 적어도 4배 그리고 최대 10배 초과이다. 이 증가는 표면적의 길이의 제곱에 비례한다. 소정의 표면적에 대해 흑연 플레이크의 수를 증가시키는 것은 흑연 플레이크들 사이의 접촉 저항을 변경하고, 이는 평면-내 열 전도율에 바람직한 방식으로 영향을 준다.
흑연 플레이크의 두께를 20 미크론 아래로 낮추는 것은 세퍼레이터 플레이트의 평면-관통 열 전도율을 감소시킬 수 있고, 이는 바람직하지 않다는 점이 알려져 있다. 예를 들어, 약 10 미크론의 두께를 갖는 플레이크 흑연은 20 미크론의 입자 두께를 갖는 흑연의 40-60%의 평면-관통 열 전도율을 구비할 수 있다. 흑연 플레이크의 두께를 증가시키는 것은 평면-관통 열 전도율을 증가시킬 수 있고, 이는 바람직하다.
개시된 예는 더욱 등방성의 열 전도율(예를 들어, 평면-내 및 평면-관통)을 갖는 단일체 세퍼레이터 플레이트의 제조를 가능하게 한다. 개시된 예는 또한 추가적인 연료 전지 설계 가요성을 제공한다. 개시된 예는 연료 전지의 유효 수명을 증가시키는 능력을 제공한다.
상기 설명은 사실 제한적이기보다는 설명적이다. 개시된 예의 변형예 및 변경예가 본 발명의 본질로부터 반드시 벗어나지 않는 점은 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명에 주어지는 법적 보호 범위는 오직 다음의 청구항을 고찰하는 것에 의해 결정될 수 있다.

Claims (10)

  1. 연료 전지 세퍼레이터 플레이트이며,
    폴리머, 및
    평면 방향을 따르는 길이 및 일반적으로 수직 방향을 따르는 두께를 갖는 플레이크 흑연 입자로서, 상기 플레이크 흑연 입자는 10 미만의, 두께에 대한 길이의 종횡비를 갖는, 플레이크 흑연 입자
    를 포함하는, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 종횡비는 7.5 미만인, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 종횡비는 5.0 내지 7.5인, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 두께는 적어도 20 미크론인, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플레이크 흑연 입자는 입자들의 길이 치수가 본질적으로 평행한 상태로 서로에 대해 정렬되는, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트.
  6. 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 제조 방법이며,
    플레이크 흑연 입자 및 폴리머의 혼합물을, 상기 연료 전지 플레이트의 적어도 일부분의 원하는 형상으로 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 플레이크 흑연 입자는 평면 방향을 따르는 길이 및 일반적으로 수직 방향을 따르는 두께를 갖고,
    상기 플레이크 흑연 입자는 10 미만의, 두께에 대한 길이의 종횡비를 갖는, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 종횡비는 7.5 미만인, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 종횡비는 5.0 내지 7.5인, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 두께는 적어도 20 미크론인, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    플레이크 흑연 입자는 입자들의 길이 치수가 본질적으로 평행한 상태로 서로에 대해 정렬되는, 연료 전지 세퍼레이터 플레이트의 제조 방법.
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