KR20180057677A - 고분자 코팅을 갖는 양극판 - Google Patents

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KR20180057677A
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누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 전기화학 전지의 양극판에 관한 것이다. 양극판은 프레임 및 베이스를 가질 수 있다. 양극판은 또한 프레임 및 베이스 중 적어도 하나에 도포된 고분자 코팅을 가질 수 있다. 본 발명은 또한 전기화학 전지를 위한 양극판을 조립하는 방법에 관한 것이다. 방법은 양극판의 프레임 및 베이스를 압축하는 단계를 포함할 수 있고, 프레임 및 베이스 중 적어도 하나는 고분자 코팅을 갖는다. 고분자 코팅은 전기화학 전지를 위한 전기 절연체, 전기화학 전지의 하나 이상의 구역을 밀봉하기 위한 밀봉재, 및 전기화학 전지의 부식 방지 층일 수 있다.

Description

고분자 코팅을 갖는 양극판
본 출원은 전체적으로 참조로서 통합되는 2015년 9월 24일에 출원된 미국 가출원 번호 제 62/222,866 호의 이득을 주장한다.
본 발명은 양극판에 관한 것이고, 더 구체적으로 고분자 코팅(polymeric coating)을 갖는 양극판에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지 또는 전해 전지로 분류되는 전기화학 전지는 화학 반응으로부터 전류를 생성하거나, 전류의 흐름을 이용하여 화학 반응을 유도하기 위해 이용되는 디바이스이다. 연료 전지는 연료(예로서, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린, 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학 에너지를 전기와 열 및 물의 폐기물로 변환한다. 기본 연료 전지는 음으로 충전된 애노드(anode), 양으로 충전된 캐소드(cathode), 및 전해질이라고 하는 이온 전도성 물질을 포함한다.
상이한 연료 전지 기술은 상이한 전해질 물질을 활용한다. 예를 들면, 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane; PEM) 연료 전지는 전해질로서 고분자 이온 전도성 막을 활용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자는 전기화학적으로 애노드에서 전자와 양성자(수소 이온)로 분리될 수 있다. 전자는 회로를 통해 캐소드로 흐르고 전기를 생성하는 반면, 양성자는 전해질막을 통해 캐소드로 확산한다. 캐소드에서 수소 양성자는 전자와 산소(캐소드에 공급됨)와 반응하여 물과 열을 생성할 수 있다.
전해 전지는 역으로 동작되는 연료 전지를 표현한다. 기본 전해 전지는 외부 전위가 가해질 때 수소 및 산소 가스로 물을 분해함으로써 수소 생성기로서 기능한다. 수소 연료 전지 또는 전해 전지의 기본 기술은 전기화학 수소 압축, 정제, 또는 팽창과 같은 전기화학 수소 조작에 적용될 수 있다. 전기화학 수소 조작은 전통적으로 수소 관리를 위해 이용된 기계 시스템에 대한 실행가능한 대안으로 떠올랐다.
동작시, 단일 연료 전지는 일반적으로 약 1 볼트를 생성할 수 있다. 원하는 전력량을 얻기 위해, 개별 연료 전지가 조합되어 연료 전지 스택을 형성한다. 연료 전지는 순차적으로 함께 적층되고, 각각의 전지는 캐소드, 전해질막, 및 애노드를 포함한다. 각각의 캐소드/막/애노드 어셈블리는 전형적으로 양극판에 의해 양 측 상에 지지되는 "막 전극 어셈블리" 또는 "MEA"를 구성한다. 가스(수소 및 공기)는 채널, 홈, 또는 유동장(flow fields)으로서 공지되는 판에 형성된 다른 통로를 통해 MEA의 전극에 공급된다. 기계적 지지부를 제공하는 것에 더하여, 양극판(유동장판 또는 분리기판으로서 또한 공지됨)은 개별적인 전지를 전기적으로 연결하는 동안 그들을 물리적으로 분리한다. 양극판은 또한 전류 수집기의 역할을 하고, 연료 및 산화제에 대한 액세스 채널을 각각의 전극 표면에 제공하며, 전지의 동작 동안 형성된 물의 제거를 위한 채널을 제공한다. 전형적으로, 양극판은 금속 예를 들면, 스테인레스 스틸, 티타늄 등으로, 및 예를 들면 흑연과 같은 비 금속 전기 도체로 만들어진다.
부가적으로, 전형적인 연료 전지 스택은 연료 및 산화제를 각각 애노드 및 캐소드 유동장으로 지향시키기 위한 유체 매니폴드(fluid manifolds) 및 유입구 포트를 포함할 수 있다. 스택은 또한, 개별적인 전지의 동작 동안 생성된 열을 흡수하기 위해 스택 내의 내부 채널로 냉각액을 지향시키기 위한 유체 매니폴드 및 유입구 포트를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 또한, 미 반응 가스 및 냉각수를 배출하기 위한 배출 매니폴드 및 유출구 포트를 포함할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 PEM 연료 전지의 다양한 구성요소를 도시하는 개략적인 분해도이다. 도시된 바와 같이, 양극판(2)은 애노드(7A), 캐소드(7C), 및 전해질막(8)을 포함하는 "막 전극 어셈블리(MEA)"의 측면에 배치된다. 애노드(7A)에 공급된 수소 원자는 전기화학적으로 전자와 양성자(수소 이온)로 분리된다. 전자는 전기 회로를 통해 캐소드(7C)로 흐르고, 프로세스 동안 전기를 생성하는 반면에, 양성자는 전해질막(8)을 통해 캐소드(7C)로 이동한다. 캐소드에서, 양성자는 전자 및 산소(캐소드에 공급됨)와 조합하여 물과 열을 생성한다.
부가적으로, 종래 기술의 전기화학 전지(10)는 MEA의 각각의 측 상의 전지 내에 전기 전도성 가스 확산층(GDLs)(5)을 포함한다. GDLs(5)는 전지 내의 가스 및 액체의 운반을 가능하게 하는 확산 매체의 역할을 하고, 양극판(2)과 전해질막(8) 사이에 전기 전도를 제공하고, 전지로부터 열의 제거 및 물의 처리를 도우며, 일부 경우에서, 전해질막(8)에 기계적 지지부를 제공한다. GDLs(5)는 전해질막에 대향하는 측 상에 위치된 전극(7A 및 7C)을 갖는 직포 또는 부직포의 탄소 천을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 전극(7A 및 7C)은 인접한 GDL(5) 또는 전해질막(8) 상에 코팅된 전극 촉매 물질을 포함할 수 있다. 일부 고압 또는 고차 압력 연료 전지는 "프릿(frit)" 유형의 고밀도 소결 금속, 스크린 팩, 익스팬디드 금속(expanded metals), 금속 거품, 또는 3차원 다공성 금속 기판을 전통적인 GDLs와 조합하여 또는 이에 대한 대체물로서 이용하여 양극판(2)에 형성된 전통적인, 랜드 채널 유동장(4)과 조합하여 MEA에 구조적 지지부를 제공한다. 고압 또는 고 차압 전지에서, 금속 폼 또는 3차원 다공성 금속 기판은 또한 전통적인 채널형 유동장(4)에 대한 대체물로서 이용될 수 있다.
전형적인 연료 전지에서, 전해질막의 각각의 측 상의 반응 가스는 3차원 다공성 금속성 유동장 또는 전통적인 채널형 유동장을 통해 흐르고 그 다음, 다공성 GDL을 통해 확산되어 전해질막에 도달한다. 유동장과 GDL은 인접하여 위치하고 내부 유체 스트림에 의해 결합되기 때문에, 달리 명시하지 않는 한 유동장과 GDL은 이하에 집합적으로 "흐름 구조"로서 언급된다. 전통적인 채널형 유동장을 3차원 다공성 금속성 GDLs과 조합하여 이용하고, 3차원 다공성 금속 유동장을 전통적인 GDLs과 함께 이용하거나, 3차원 다공성 금속성 기판을 유동장 및 GDLs 둘 모두로서 이용하는 것이 본 발명의 범위 내에 있다.
전형적인 연료 전지에서, 다양한 기능을 수행하는 연료 전지 내의 다양한 구성요소가 존재한다. 예를 들면, 연료 전지의 상이한 구획, 포트, 및/또는 매니폴드를 밀봉하기 위해 하나 이상의 밀봉재(seals)(예로서, 탄성고분자)가 이용될 수 있고, 하나 이상의 구성요소는 부식 방지(예로서, 클래딩됨)를 제공하도록 구성될 수 있으며, 하나 이상의 구성요소는 전기 절연체(예로서, 코팅됨)의 역할을 하도록 구성될 수 있다. 밀봉, 부식 방지, 및 전기 절연을 위해 연료 전지 내에 별개의 구성요소 또는 물질을 갖는 것은 제조 및 조립의 복잡성을 증가시키고, 물질 비용을 증가시키며, 따라서 전체 비용을 증가시킨다. 에너지 운반체로서의 수소의 성공적인 상업화 및 "수소 경제"의 장기간의 지속가능성은 연료 전지 및 전해 전지의 효율성 및 비용 효율에 크게 좌우된다. 그에 따라, 본 발명은 제조 및 조립의 복잡성 및 비용을 감소시키도록 구성된 양극판에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 양극판, 더 구체적으로 고분자 코팅을 갖는 양극판을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태는 전기화학 전지를 위한 양극판에 관한 것이다. 양극판은 프레임 및 베이스를 포함할 수 있다. 양극판은 또한, 프레임 및 베이스 중 적어도 하나에 도포된 고분자 코팅을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 전지를 위한 양극판을 조립하는 방법에 관한 것이다. 방법은 양극판을 압축하는 단계를 포함할 수 있으며, 양극판은 프레임 및 베이스를 포함한다. 프레임 및 베이스 중 적어도 하나는 고분자 코팅을 가질 수 있다. 고분자 코팅은 전기화학 전지를 위한 전기 절연체, 전기화학 전지의 하나 이상의 구역을 밀봉하기 위한 밀봉재, 및 전기화학 전지의 부식 방지 층일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 전지의 양극판에 관한 것이다. 양극판은 프레임, 베이스, 및 고분자 코팅으로 필수적으로 구성될 수 있다. 고분자 코팅은 전기화학 전지의 전기 절연체, 전기화학 전지의 하나 이상의 구역을 밀봉하기 위한 밀봉재, 및 전기화학 전지의 부식 방지 층일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 한 쌍의 양극판과 한 쌍의 양극판 사이에 위치된 막 전극 어셈블리를 포함할 수 있는 전기화학 전지에 관한 것이다. 양극판 중 적어도 하나는 고분자 코팅을 포함할 수 있다.
상기 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 둘 모두 단지 예시적이고 설명적인 것이며, 청구된 바와 같이 본 발명을 제한하지 않는다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서의 일부에 통합되고 그것을 구성하며 설명과 함께 본 발명의 실시예를 도시하는 첨부된 도면은 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 종래 기술의 양성자 교환막(PEM) 연료 전지의 다양한 구성요소를 도시하는 개략적인 분해도.
도 2는 일 예시적인 실시예에 따른 양극판을 갖는 전기화학 전지 스택에서의 2개의 전기화학 전지의 개략도.
도 3은 일 예시적인 실시예에 따른 양극판 어셈블리의 프레임 및 베이스의 사시도.
이제 본 발명의 본 예시적인 실시예에 대한 참조가 상세하게 행해질 것이고, 그의 예는 첨부된 도면에 도시된다. 가능한 모든 경우에, 동일하거나 유사한 부분을 언급하기 위해 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호가 이용될 것이다. 수소를 압축하기 위한 전기화학 전지와 관련하여 설명될지라도, 본 발명의 디바이스 및 방법이 전해 전지, 수소 정제기, 수소 팽창기, 및 수소 펌프를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 다양한 유형의 연료 전지 및 전기화학 전지로 이용될 수 있음이 이해된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(10)는 한 쌍의 양극판(2)와 애노드(7A), 캐소드(7C)를 포함할 수 있고, 전해질막(8)은 그 사이에 배치될 수 있다. 복수의 전기화학 전지가 서로 인접하여 배열되어 전기화학 스택을 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 2는 일 예시적인 실시예에 따른 전기화학 스택(100)의 2개의 전기화학 전지의 일부의 개략도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 스택(100)은 2개 이상의 전기화학 전지(110)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 전기화학 전지(110)는 2개의 양극판(102) 사이에 샌드위치(sandwich)될 수 있다.
양극판(102)는 지지판, 전도체의 역할을 하고, 연료에 대한 각각의 전극 표면에 통로를 제공하며, 압축된 연료의 제거를 위한 통로를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 양극판(102)은 또한, 냉각 유체(즉, 물, 글리콜, 또는 물 글리콜 혼합물)를 위한 액세스 채널을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 스택은 스택(100)의 양극판(102) 및 분리기판(101)을 통해 연장되는 하나 이상의 유체 매니폴드(103)를 포함할 수 있다. 유체 매니폴드(103)는 연료 및 산화제를 애노드 및 캐소드 유동장으로 각각 지향시키도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시되지 않을지라도, 스택(100)은 또한, 냉각액을 스택 내의 내부 채널로 지향시키기 위한 유체 매니폴드를 포함하여 개별적인 전지의 동작 동안 생성된 열을 흡수할 수 있다. 부가적으로, 도 2에 도시되지 않을지라도, 스택(100)은 또한, 미 반응 가스 및 냉각수를 배출하기 위한 배출 매니폴드를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 양극판(102)는 적어도 2개의 피스(pieces) 또는 구성요소로 형성될 수 있다. 예를 들면, 양극판(102)는 프레임(170) 및 베이스(180)를 포함할 수 있다. 도 3은 프레임(170) 및 베이스(180)를 갖는, 2-구성요소 양극판(102)의 하나의 실시예를 보여준다. 프레임(170)은 전기화학 전지(110)의 하나 이상의 부분을 수용하도록 구성된 공극(190)을 정의할 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(170) 및 베이스(180)는 예를 들면, 프레임(170), 베이스(180) 둘 모두를 정의하는 단일 피스로 형성된 하나의 집적된 피스일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 프레임(170) 및 베이스(180)는 일반적으로 평면일 수 있고 일반적으로 직사각형 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(170) 및 베이스(180)는 또 다른 형상, 예를 들면, 정사각형, "레이스 트랙(race-track)"(즉, 반 타원형 측면을 갖는 실질적으로 직사각형 형상), 원형, 계란형(oval), 타원형, 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 프레임(170) 및 베이스(180)의 형상은 전기화학 전지(110)의 다른 구성요소(예를 들면, 캐소드, 애노드, PEM, 흐름 구조, 등) 또는 전기화학 전지 스택에 대응할 수 있다.
프레임(170) 및 베이스(180)는 동일 평면 연결을 위해 구성될 수 있다. 예를 들면, 프레임(170) 및 베이스(180)는 분리가능하게 결합되거나, 고정적으로 부착되거나, 그렇지 않으면 인접하게 배열될 수 있다. 예를 들면, 결합재, 용접, 납땜, 연납땜, 확산 결합, 초음파 용접, 레이저 용접, 스탬핑, 리벳팅, 저항 용접, 소결, 및/또는 압축을 포함하는 하나 이상의 연결 메커니즘이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 결합재는 접착제를 포함할 수 있다. 적합한 접착제는 예를 들면, 접착제(glues), 에폭시, 시아노아크릴레이트, 열가소성 시트(열 접착된 열가소성 시트를 포함하는) 우레탄, 혐기성, 자외선 경화, 및 다른 고분자를 포함한다. 일부 실시예에서, 프레임(170) 및 베이스(180)는 마찰 끼워 맞춤에 의해 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(170) 및 베이스(180)는 패스너, 예를 들면, 나사, 볼트, 클립, 또는 다른 유사한 메커니즘을 이용하여 분리가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 압축 로드 및 너트는 양극판(102)를 통과하거나 외부를 따라 통과하고 전기화학 전지(110) 또는 복수의 전기화학 전지(110)가 압축되어 스택(100)을 형성함에 따라 프레임(170) 및 베이스(180)를 함께 압축하기 위해 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 프레임(170) 및 베이스(180)는 복수의 상이한 압력 구역을 정의하는 것을 도울 수 있는데 예를 들면, 복수의 밀봉재가 하나 이상의 상이한 압력 구역(예를 들면, 고압 구역, 중간 압력 구역, 저압 구역, 등)을 정의할 수 있다. 전기화학 전지(110)의 고압 구역 내의 수소는 예를 들면, 약 10,000 psi, 약 15,000 psi, 약 20,000 psi, 약 25,000 psi, 약 30,000 psi, 또는 약 35,000 psi보다 큰 압력으로 압축될 수 있다. 밀봉재의 배열은 캐스케이드(cascade) 밀봉재 구성(즉, 다른 밀봉재 구성 내에 하나)일 수 있다. 캐스케이드 밀봉재 구성은 몇 가지 장점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 캐스케이드 밀봉 구조는 다수의 밀봉 보호 층의 형태로 밀봉 리던던시(seal redundancy)를 제공함으로써 고압 수소 이탈 전기화학 전지(110)의 포텐셜(potential)을 제한할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)는 복수의 상이한 포트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 베이스(180)는 전기화학 전지(110)의 하나 이상의 구역(예를 들면, 고압 구역)으로부터 유체를 공급 또는 배출하도록 구성된 고압 포트(210)를 포함할 수 있다. 고압 포트(210)는 다중 전지 전기화학 스택에서 인접한 전기화학 전지의 고압 포트와 유체 통신 중일 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)는 또한, 제 1 복수의 포트(220) 및 제 2 복수의 포트(230)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 복수의 포트(220)는 전기화학 전지(110)의 상이한 압력 구역 내에서 수집 및/또는 포함된 유체를 배출하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 복수의 포트(230)는 대응하는 전기화학 전지(110)을 통해 냉각액를 지향시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 프레임(170) 및 베이스(180)는 동일한 물질 또는 상이한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 프레임(170) 및 베이스(180)는 스테인레스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 철, 등과 같은 금속, 또는 니켈 크롬 합금, 니켈-주석 합금, 인코넬, 모넬(Monel), 하스텔로이(Hastelloy), 또는 그 조합과 같은 금속 합금으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(170)은 또한, 고분자, 합성물, 세라믹, 또는 조립 시 스택(100)에 가해지는 압축 하중, 힘, 및/또는 압력을 취급할 수 있는 임의의 물질로 형성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 양극판(102)은 고분자 코팅(175)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 고분자 코팅(175)은 프레임(170)의 하나 이상의 표면에 도포될 수 있다. 고분자 코팅(175)은 전기화학 전지(110)의 다른 부분과 접촉하는 표면 뿐만 아니라, 베이스(180)와 접촉하는 프레임(170)의 표면에 도포될 수 있다. 고분자 코팅(175)은 예를 들면, 고분자 분말 코팅일 수 있다.
일부 실시예에서, 고분자 코팅(175)은 프레임(170) 및 베이스(180)의 하나 이상의 표면에 도포될 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 고분자 코팅(175)은 베이스(180)의 맞은 편의 프레임(170)의 제 1 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시예에서, 고분자 코팅(175)은 프레임(170)의 양 표면 뿐만 아니라 두 표면 사이에 연장되는 에지에 도포될 수 있다.
고분자 코팅(175)은 다양한 기술, 예를 들면, 라미네이팅, 분무 코팅, 또는 딥 코팅에 의해 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 도포될 수 있다. 형상, 두께, 및 폭을 포함하는 고분자 코팅(175)의 치수는 달라질 수 있고, 전기화학 전지(110) 및 양극판(102)의 치수에 기초할 수 있다. 고분자 코팅(175)의 두께는 그 범위가 예를 들면, 약 0.005 인치 내지 약 0.0015 인치, 약 0.0005 인치 내지 약 0.001 인치, 약 0.001 인치 내지 약 0.0015 인치, 약 0.001 인치 내지 약 0.002 인치, 약 0.001 인치 내지 약 0.0025 인치, 약 0.002 인치 내지 약 0.003 인치, 약 0.0025 인치 내지 약 0.003 인치, 또는 약 0.003 인치 내지 약 0.0035 인치일 수 있다.
일부 실시예에서, 고분자 코팅(175)는 예를 들면, 테프론TM, 톨론®, 크실란TM 폴리에스터 에테르 케톤(PEEK), 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드, 파릴렌(parylene), 및 폴리술폰을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고분자 코팅(175)은 예를 들면, 약 4,000 psi와 약 15,000 psi, 약 5,000 psi와 약 12,500 psi, 약 5,000 psi와 약 10,000 psi 사이의 항복 강도를 가질 수 있다. 고분자 물질은 내산성일 수 있고 전기화학 전지(110)의 동작에 유해한 물질을 침출시키지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 고분자 분말 코팅(175)의 조성은 예를 들면, 플루오로고분자 및 강화 결합제의 조성을 포함할 수 있다.
고분자 코팅(175)은 양극판(102)의 제조 및 조립의 복잡성을 감소시키도록 구성될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 고분자 코팅(175)은 다기능일 수 있다. 예를 들면, 고분자 코팅(175)은 전기 절연체, 및/또는 부식 방지 층의 역할을 하는 하나 이상의 밀봉재를 형성하도록 구성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 고분자 코팅(175)은 양극판(102) 및 전기화학 전지(110)의 다양한 압력 구역, 포트, 및 구획을 밀봉하도록 구성되는 하나 이상의 밀봉재를 형성할 수 있다. 압축 하중이 양극판(예를 들면, 프레임(170) 및 베이스(180))에 적용될 때, 고분자 코팅(175)이 변형되어 2개의 인접한 표면 사이에 밀봉재를 생성할 수 있다. 적용되는 최소 압축 압력은 고분자 코팅(175)의 물질이 밀봉재를 생성하기 위해 적절히 변형되도록 고분자 코팅(175)의 물질의 항복 강도보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 적용되는 최소 압축 압력은 예를 들면, 밀봉 표면이 세척되고 연마(polish)될 때, 고분자 코팅(175)의 물질의 항복 강도 미만일 수 있다. 밀봉재를 형성하는 압축 압력은 전기화학 전지 및/또는 스택의 조립 이전 또는 조립 동안 적용될 수 있다.
전기화학 전지(110) 내에 하나 이상의 밀봉재를 형성하기 위해 고분자 코팅(175)을 이용하는 것은 제조 및 어셈블리의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 전통적인 탄성중합체 밀봉재와 함께 이용된 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면 상의 글랜드(glands) 또는 홈이 제거될 수 있다. 글랜드 또는 홈을 제거하는 것은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)가 더 얇아지고, 요구되는 기계 가공 및/또는 제작의 양을 감소시키며, 프레임(170)과 베이스(180) 사이의 밀봉 표면의 면적을 증가시키는 것을 허용할 수 있고, 이는 그 프레임(170) 및/또는 베이스(180)가 견딜 필요가 있는 압축 압력을 감소시킬 수 있다. 게다가, 라미네이트되거나 스프레이 코팅된 고분자 밀봉재는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 단단히 결합될 수 있으며, 따라서 제 위치에 단단히 고정될 수 있다. 고분자 코팅(175)은 양극판(102)의 적은 기계 가공, 더 낮은 적용 비용, 및 양극판(102)의 감소된 물질로 인해 제작의 더 낮은 비용을 허용할 수 있다.
전통적으로, 탄성중합체 밀봉재(예로서, O-링)가 전기화학 전지(110) 내의 다른 구획 및 포트 뿐만 아니라, 프레임(170)과 베이스(180) 사이의 상이한 압력 구역을 밀봉하기 위해 이용되어 왔다. 탄성중합체는 종종 고압 시스템의 신뢰가능한 문제이다. 전기화학 전지를 덜 강건하고(robust) 내성있게 하는 것 외에도, 탄성중합체 밀봉재는 다이 커팅, 손으로 배치, 오버 몰딩, 또는 x-y 테이블을 이용하여 증착된 다음, 경화되어야 한다. 게다가, 탄성중합체 밀봉재는 프레임(170) 또는 베이스(180)가 표면 상에 글랜드 또는 홈을 갖도록 요구할 수 있다. 탄성중합체 밀봉재가 홈에 결합될 수 있을지라도, 그들은 제작, 조립, 및/또는 동작 동안 미끄러지며 제자리를 벗어날 수 있다(slip out of place). 게다가, 탄성중합체 밀봉재는 특정 적용 예를 들면, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 고압 적용에서 이용될 때 폭발성 감압을 겪을 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 고분자 코팅(175)은 예를 들면, 약 30 psi, 약 20 psi, 약 10 psi, 또는 그 미만의 압력을 견디는 저압 구역과 같은, 상이한 압력 구역 및/또는 포트를 밀봉할 수 있다. 일부 실시예에서, 고분자 코팅(175)은 약 5,000 psi, 약 4,000 psi, 약 3,000 psi, 또는 그 미만의 압력을 견디는 중간 압력 구역을 밀봉할 수 있다. 일부 실시예에서, 고분자 코팅(175)은 약 5,000psi, 약 10,000psi, 약 15,000psi, 약 20,000psi, 약 25,000psi, 약 30,000psi, 약 35,000psi, 또는 약 40,000psi를 초과하는 압력을 견디는 고압 구역을 밀봉할 수 있다. 고분자 코팅(175)은 장시간(예를 들면, 10년보다 긴) 동안 밀봉하고 많은 압력 사이클(예를 들면, 1,000 사이클보다 큰)을 견디도록 구성될 수 있다. 이는 캐소드(7C)에서 형성된 수소가 매우 압축되는 것을 허용한다.
설명된 바와 같이, 고분자 코팅은 예를 들면, 전기 절연체, 및/또는 부식 방지 층의 역할을 하는 것을 포함하는 부가적인 이점을 제공할 수 있다. 저렴한 금속의 박판 예를 들면, 소형의 부피를 생산하기 위해 용이하게 형성될 수 있는 알루미늄은 양극판을 위해 매력적인 물질이지만, 전기화학 환경으로부터의 알루미늄의 부식이 문제점이다. 부식은 전기화학 전지의 성능과 전지 수명에 영향을 준다. 부식을 해결하기 위해, 전통적인 연료 전지에서, 양극판은 때로는 클래드 물질 예를 들면, 하나 이상의 영역 상에 스테인레스 스틸로 클래딩된 알루미늄으로 만들어진다. 클래딩은 두 금속의 장점을 제공할 수 있고 예를 들면, 스테인레스 스틸 클래드 알루미늄으로 제작된 양극판의 경우, 스테인레스 스틸은 높은 강도 대 중량 비율, 높은 열 및 전기 전도성 등과 같은 알루미늄의 뛰어난 물질 속성을 제공하면서 전지 동작 동안 알루미늄 코어를 부식으로부터 보호한다. 그러나, 물질의 클래딩은 비용을 증가시키고 제조 공정에 부가적인 프로세싱 단계를 부가한다. 부식 방지를 해결하기 이용된 표면 수정 방법(예로서, 산화물 패시베이션) 및 다른 표면 코팅(예로서, 금속 산화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 및 탄소 기반 코팅)과 같은 다른 대안은 또한, 비용이 많이 들고 제조 복잡성을 증가시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명된 바와 같은, 고분자 코팅(175)은 양극판(102)의 하나 이상의 부분(예를 들면, 프레임(170) 및/또는 베이스(180))에 대한 부식 방지 층으로서 기능하도록 구성(예를 들면, 공식화)될 수 있다. 예를 들면, 고분자 코팅(175)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 비 전도 부분에 도포될 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 부분은 프레임(170)의 모든 표면 및 공극(190)을 둘러싸는 부분을 포함할 수 있고, 프레임(170)과 결합할 수 있다. 고분자 코팅(175)을 이용하는 것은 클래딩 또는 다른 부식 보호 층에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 고분자 코팅(175)은 전기 절연체의 역할을 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(170)은 프레임(170)을 위한 비 전도성 물질을 선택함으로써 일반적으로 비 전도성이 되도록 구성될 수 있으며, 그에 의해, 전기화학 전지 사이의 단락의 가능성을 감소시킨다. 그러나, 압축 압력을 취급할 만큼 또한 충분히 강한 비 전도성 물질의 옵션은 제한되고 비용이 많이들 수 있다. 고분자 코팅(175)은 전기 절연체의 역할을 함으로써 프레임(170)에 대한 물질 옵션을 증가시킨다. 그에 따라, 일부 실시예에서, 프레임(170)은 금속(예로서, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 또는 다른 유사한 금속)으로 형성되고 전기 전도를 제한하거나 방지하기 위해 고분자 코팅(175)으로 코팅될 수 있다. 전기화학 전지에서 이용되는 전통적인 절연체는 예를 들면, 고분자 필름 또는 애노드산화(anodization)를 포함하지만, 이들 모두는 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 고분자 코팅(175)보다 덜 바람직하다. 예를 들면, 고분자 필름은 제조, 조립 및 정렬을 위한 부가적인 구성요소를 부가한다. 애노드산화와 관련하여, 강건한 절연을 제공하기 위해, 애노드산화는 두꺼워야하고(예로서, 0.001 인치보다 큼), 이는 부식 방지를 위한 적절한 해결책을 제공하지 않으면서 비용을 부가한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 고분자 코팅(175)은 단지 전기 절연체 및 밀봉재, 및 전기 절연체 및 부식 방지, 또는 밀봉재 및 부식 방지의 역할을 동시에 하도록 구성될 수 있다. 고분자 코팅(175)은 전기화학 전지(110)의 환경과 화학적으로 호환가능할 수 있다. 고분자 코팅(175)의 접착력을 향상시키기 위해, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)가 처리되어(예로서, 크로메이트 전환 코팅(chromate conversion coating) 또는 박막 애노드산화) 고분자 코팅(175)이 도포되기 전에 표면을 클린할 수 있다.
구성요소(예로서, 고분자 코팅(175), 프레임(170), 및 베이스(180))에 대한 물질 및 기하학적 구조를 선택할 시에 고려해야 할 인자 및 속성은 압축 하중 요구요건, 물질 호환성, 밀봉 압력 요구조건, 물질 비용, 제조 비용, 및 제조의 용이성을 포함한다. 본 명세서에서 설명된 고분자 코팅(175)에 의해 적합하게 형성된 다양한 물질은 보다 덜 비싼 물질의 선택 및 덜 비싼 제조를 허용할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 고분자 코팅(175)을 이용하는 것은 설계 복잡성을 감소시키고, 제조가능성을 개선하며, 구성요소 수 및 프로세싱 단계의 수를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 본 명세서의 고려 및 본 명세서의 본 개시의 실시로부터 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 예가 단지 예시적인 것으로 간주되어야하며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구항에 의해 표시되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 전기화학 전지를 위한 양극판에 있어서:
    프레임 및 베이스; 및
    상기 프레임 및 상기 베이스 중 적어도 하나에 도포된 고분자 코팅(polymeric coating)을 포함하는, 양극판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 상기 전기화학 전지 내의 전기 절연체인, 양극판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 압축될 때 상기 전기화학 전지 내에 밀봉재를 형성하는, 양극판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 부식 방지 층인, 양극판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은:
    상기 전기화학 전지의 전기 절연체;
    상기 전기화학 전지 내의 밀봉재; 및
    부식 방지 층 중 적어도 2개인, 양극판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은:
    상기 전기화학 전지의 전기 절연체;
    상기 전기화학 전지 내의 밀봉재; 및
    부식 방지 층인, 양극판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 플루오로고분자 및 강화 결합제를 포함하는, 양극판.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 밀봉재는 상기 고분자 코팅의 항복 강도 이상의 압력으로 상기 양극판을 압축함으로써 형성되는, 양극판.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 양극판 및 상기 고분자 코팅은 적어도 약 4,000 psi와 약 15,000 psi 사이로 압축되는, 양극판.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅의 두께는 그 범위가 약 0.005 인치 내지 약 0.0015 인치인, 양극판.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임 및 상기 베이스는 별개의 구성요소이고 상기 고분자 코팅은 상기 프레임에만 도포되는, 양극판.
  12. 전기화학 전지를 위한 양극판을 조립하는 방법에 있어서:
    상기 양극판을 압축하는 단계를 포함하고, 상기 양극판은 프레임 및 베이스를 포함하고, 상기 프레임 및 상기 베이스 중 적어도 하나는 고분자 코팅을 가지며,
    상기 고분자 코팅은:
    상기 전기화학 전지를 위한 전기 절연체;
    상기 전기화학 전지 내의 밀봉재; 및
    부식 방지 층인, 양극판을 조립하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 상기 프레임 및 상기 베이스가 압축될 때 상기 밀봉재를 형성하고, 그에 의해 상기 고분자 코팅을 상기 고분자 코팅의 항복 강도 이상의 압력으로 압축하는, 양극판을 조립하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 적어도 약 4,000 psi와 약 15,000 psi 사이로 압축되는, 양극판을 조립하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅을 상기 프레임에 도포하는 단계를 더 포함하고,
    상기 프레임 및 상기 베이스는 별개의 구성요소이며, 상기 고분자 코팅의 두께는 그 범위가 약 0.005 인치 내지 약 0.0015 인치인, 양극판을 조립하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 강화 결합제를 갖는 플루오로고분자를 포함하는, 양극판을 조립하는 방법.
  17. 전기화학 전지의 양극판에 있어서:
    프레임 및 베이스; 및
    고분자 코팅으로 필수적으로 구성되며,
    상기 고분자 코팅은:
    상기 전기화학 전지의 전기 절연체;
    상기 전기화학 전지의 밀봉재; 및
    부식 방지 층인, 양극판.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅은 상기 프레임 및 상기 베이스가 압축될 때 상기 밀봉재를 형성하고, 그에 의해 상기 고분자 코팅을 상기 고분자 코팅의 항복 강도 이상의 압력으로 압축하는, 양극판.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 양극판과 상기 고분자 코팅은 적어도 약 4,000 psi와 약 15,000 psi 사이로 압축되는, 양극판.
  20. 전기화학 전지에 있어서:
    한 쌍의 양극판과 상기 한 쌍의 양극판 사이에 위치된 막 전극 어셈블리를 포함하고;
    상기 양극판 중 적어도 하나는 고분자 코팅을 갖는, 전기화학 전지.
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