KR20200013785A - 전해질 저장 용량이 증가된 액체 전해질 연료 전지 부품 - Google Patents

전해질 저장 용량이 증가된 액체 전해질 연료 전지 부품 Download PDF

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KR20200013785A
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주니어 티모시 더블유. 패터슨
에릭 리바이크
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두산 퓨얼 셀 아메리카, 인크.
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Abstract

예시적인 연료 전지 부품은 복수의 세공을 포함하는 전극 기판을 포함한다. 기판의 제1 부분은 제1 부분의 세공의 적어도 일부에 액체 전해질 흡수 재료를 포함한다. 이들 세공은 각각 제1 비점유 세공 체적을 갖는다. 기판의 제2 부분의 세공은 각각 제2 비점유 세공 체적을 갖는다. 제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작다.

Description

전해질 저장 용량이 증가된 액체 전해질 연료 전지 부품
연료 전지는 전기화학 반응에 기초하여 전기를 생산한다. 일부 연료 전지는 폴리머 전해질 막(PEM)을 포함하는 반면에, 다른 연료 전지는 인산과 같은 액체 전해질을 사용한다. 액체 전해질 연료 전지와 관련된 한 가지 문제점은 그 유효 수명 및 전력 생산 능력이 충분한 액체 전해질에 의존한다는 것이다. 연료 전지 성능을 향상시키고 유효 수명을 증가시키기 위해 액체 전해질을 관리하기 위한 다양한 시도가 있었다.
예를 들어, 공개된 출원 WO 2014/163617호는 연료 전지의 수명 초기에 산 저장(acid storage) 용량을 증가시키기 위한 복제 애노드 기판을 포함한다. 연료 전지 수명의 초기에 이러한 추가 저장 용량이 있어도, 액체 전해질의 증발은 이용 가능한 전해질의 경시적 손실의 원인이 되기 때문에 여전히 관심 사항이다.
예시적인 연료 전지 부품은 복수의 세공(pore)을 포함하는 전극 기판을 포함한다. 기판의 제1 부분은 제1 부분의 세공의 적어도 일부에 액체 전해질 흡수 재료를 포함한다. 이들 세공은 각각 제1 비점유(unoccupied) 세공 체적을 갖는다. 기판의 제2 부분의 세공은 각각 제2 비점유 세공 체적을 갖는다. 제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작다.
이전 단락의 연료 전지 부품의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함한다.
이전 단락 중 어느 하나의 연료 전지 부품의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함한다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지 부품의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 기판의 제1 부분에는 액체 전해질 흡수 재료가 함침된다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지 부품의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 기판의 제2 부분의 세공은 약 20㎛의 평균 세공 크기를 갖는다. 액체 전해질 흡수 재료를 갖는 제1 부분의 세공은 약 2㎛보다 크고 약 20㎛보다 작은 평균 결과적 세공 크기를 갖는다.
연료 전지 부품을 제조하는 예시적 방법은 복수의 세공을 갖는 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 기판의 제1 부분의 세공의 적어도 일부가 각각 제1 비점유 세공 체적을 갖도록 기판의 적어도 제1 부분에는 액체 전해질 흡수 재료가 함침된다. 기판의 제2 부분의 세공은 각각 제2 비점유 세공 체적을 갖는다. 제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작다.
이전 단락의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함한다.
이전 단락 중 임의의 단락의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함한다.
이전 단락 중 임의의 단락의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 기판의 제2 부분의 세공은 약 20㎛의 평균 세공 크기를 가지며, 액체 전해질 흡수 재료를 갖는 제1 부분의 세공은 함침 이후 약 2㎛보다 크고 약 20㎛보다 작은 평균 결과적 세공 크기를 갖는다.
예시적인 연료 전지는 액체 전해질을 수용하도록 구성된 매트릭스, 상기 매트릭스의 한쪽의 캐소드 전극, 상기 매트릭스의 반대쪽의 애노드 전극, 및 상기 캐소드 전극에 인접한 기판을 포함한다. 상기 기판은 복수의 세공을 갖는다. 상기 기판의 제1 부분은 기판의 제1 부분의 세공의 적어도 일부에 액체 전해질 흡수 재료를 포함한다. 이들 세공은 각각 제1 비점유 세공 체적을 갖는다. 상기 기판의 제2 부분의 세공은 각각 제2 비점유 세공 체적을 갖는다. 제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작다.
이전 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 기판의 제1 부분은 연료 전지의 응축 영역에 위치한다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 매트릭스는 복수의 매트릭스 세공을 포함하고, 매트릭스 세공은 각각 제3 비점유 세공 체적을 가지며, 제3 비점유 세공 체적은 제1 비점유 세공 체적보다 작다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 액체 전해질 흡수 재료를 갖는 세공은 각각 제1 결과적 세공 크기를 가지며, 기판의 제2 부분의 세공은 각각 평균적으로 약 20㎛인 제2 세공 크기를 가지며, 매트릭스는 복수의 매트릭스 세공을 포함하고, 매트릭스 세공은 각각 평균적으로 약 1.8㎛인 제3 세공 크기를 가지며, 제1 세공 크기는 제3 세공 크기보다 크고, 제1 세공 크기는 제2 세공 크기보다 작다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 기판은 평면적이고, 기판의 적어도 제1 부분은 평면 관통 전도율 및 평면내 전도율을 가지며, 평면 관통 전도율은 평면내 전도율보다 높다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함한다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함한다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 기판의 제1 부분에는 액체 전해질 흡수 재료가 함침된다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예는 애노드 전극에 인접하는 다른 기판을 포함한다. 이 기판은 전술한 바와 같이 제1 부분 및 제2 부분을 갖는다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 기판의 제1 부분은 제1 밀도를 갖고, 기판의 제2 부분은 제2 밀도를 가지며, 제1 밀도는 제2 밀도보다 크다.
이전 단락 중 임의의 단락의 연료 전지의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 상기 기판의 제1 부분은 연료 전지의 캐소드 배기부 근처에 배치된다.
하나 이상의 개시된 예시적 실시예의 다양한 특징 및 장점이 하기 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명에 부수적으로 제공되는 도면은 다음과 같이 간략하게 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 연료 전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 설계된 예시적 연료 전지 기판의 선택된 특징부의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 연료 전지 부품을 제조하는 예시적 방법을 요약한 흐름도이다.
도 1에는 액체 전해질 연료 전지(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 개별 전지의 부품이 도시되어 있다. 통상의 기술자는 이러한 전지의 스택이 어떻게 연료 전지 스택 조립체로 조립되는지를 이해한다.
연료 전지(10)는 연료 전지(10)를 통한 산화제 반응물 스트림 유동을 산화제 유동 판(12) 내에 확립 또는 획정되는 복수의 산화제 유동 채널(14)을 통해서 인도하도록 구성된 산화제 유동 판(12)을 포함한다. 캐소드 기판 층(16)은 대향하는 접촉면(18, 20)을 갖는다. 접촉면(18)은 산화제 유동 판(12)의 복수의 산화제 유동 채널(14)에 인접하여 배치된다. 캐소드 기판 층(16)의 접촉면(20)에 인접하여 캐소드 촉매 층(22)이 배치된다.
매트릭스(24)는 대향하는 표면(26, 28)을 갖는다. 매트릭스(24)는 30으로 개략 지칭되는 액체 전해질을 보유하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 액체 전해질은 인산을 포함한다. 매트릭스(24)의 접촉면(26)은 캐소드 촉매 층(22)에 인접하여 배치된다.
애노드 촉매 층(32)이 매트릭스(24)의 다른 접촉면(28)에 접하여 배치된다. 애노드 기판 층(34)은 대향하는 접촉면(36, 38)을 갖는다. 접촉면(36)은 애노드 촉매 층(32)에 인접하여 배치된다.
복수의 연료 유동 채널(42)을 포함하는 연료 유동 판(40)이 애노드 기판 층(34)의 접촉면(38)에 인접하여 배치된다. 연료 유동 채널(42)은 연료가 애노드 촉매 층(32)에 도달하도록 연료 반응물 유동을 애노드 기판 층(34)의 세공 내로 인도하기 위해 기판(34)의 접촉면(38)에 인접한다.
기체상 반응물 스트림이 바람직하지 않게 기판 층을 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 캐소드 기판 층(16)은 에지 시일(46)을 포함하고 애노드 기판 층(34)은 에지 시일(50)을 포함한다. 에지 시일(46, 50)은 또한 연료 전지(10)의 주위로부터 액체 전해질 또는 액체 부산물이 바람직하지 않게 이동하는 것을 방지한다. 이러한 에지 시일은 일반적으로 공지되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 캐소드 기판(16)은 제1 부분(60) 및 제2 부분(62)을 갖는다. 제1 부분(60)에는 액체 전해질 흡수 재료가 함침된다. 특히, 제1 부분(60) 내의 세공(64)은 적어도 부분적으로 액체 전해질 흡수 재료로 채워진다. 제2 부분(62)은 액체 전해질 흡수 재료를 포함하지 않는 세공(66)을 포함한다.
세공(64) 내에 액체 전해질 흡수 재료가 존재하면 그들은 제2 부분(62)의 세공(66)의 세공 크기 또는 비점유 세공 체적과 다른, 결과적 세공 크기 또는 비점유 세공 체적을 갖게 된다. 이 예에서, 액체 전해질 흡수 재료의 함침에 기인하는 세공(64)의 제1 비점유 세공 체적은 세공(66)의 제2 비점유 세공 체적보다 작다. 다시 말해서, 세공(64)의 결과적 제1 세공 크기는 세공(66)의 제2 세공 크기보다 작다.
도 3은 기판(16)과 같은 연료 전지 부품을 제조하는 예시적 방법을 요약하는 흐름도(70)이다. 단계 72에서는 기판 층이 형성된다. 단계 74에서는 기판 층의 제1 부분에 액체 전해질 흡수 재료가 함침된다. 제1 부분(60)의 세공(64)은 단계 72에서 기판 층이 형성된 후에 세공(66)과 동일한 세공 크기를 갖는다. 액체 전해질 흡수 재료가 제1 부분(60)의 적어도 일부 세공(64)의 적어도 일부를 효과적으로 채울 때, 결과적으로 이들 세공(64)의 세공 크기는 더 작아진다.
그 내부에 액체 전해질 흡수 재료를 갖는 제1 부분(60)의 세공(64)의 제1 세공 크기는 제2 부분(62)의 세공(66)의 크기와 매트릭스 층(24)의 매트릭스 세공의 크기 사이에 있다. 하나의 예시적 실시예에서, 세공(66)의 평균 세공 크기는 약 20 마이크로미터이며 매트릭스 층(24)의 매트릭스 세공의 평균 세공 크기는 약 1.8 마이크로미터이다. 액체 전해질 흡수 재료가 함침된 후의 세공(64)의 결과적 세공 크기는 세공(66)의 평균 세공 크기와 매트릭스 세공의 평균 세공 크기 사이에 있다. 세공(64)의 세공 크기 또는 비점유 세공 체적을 매트릭스 세공의 그것보다 크게 유지하면 액체 전해질이 제1 부분(60)의 이들 세공(64)에 진입하는 경향이 증가한다.
예시적 실시예에서, 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함한다. 일부 실시예에서, 기판(16)의 제1 부분(60)에 함침되는 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함한다.
기판(16)은 이상에서 예로서 논의되고 있으며, 일부 실시예에서 애노드 기판(34) 또한 전술한 특징을 갖는 제1 부분(60) 및 제2 부분(62)을 포함한다.
제1 부분(60)의 세공(64) 중 적어도 일부 내에 액체 전해질 흡수 재료가 존재하면, 기판 층은 제2 부분(62)에 비해 제1 부분(60)에서 더 견고하거나 밀도가 증가된다.
도 2의 제1 부분(60)은 기판(16)의 일 단부 근처에 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 제1 부분(60)의 분포가 다를 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이 구성된 제1 부분(60)을 갖는 것의 하나의 특징은 제1 부분(60)이 연료 전지(10)의 응축 영역 내에 배치될 수 있다는 것이다. 도 2에 도시된 것과 같이 구성된 제1 부분(60)을 갖는 것의 다른 특징은 제1 부분(60)이 연료 전지(10)의 캐소드 배기 부분에 인접하여 배치될 수 있다는 것이다.
제1 부분(60)이 연료 전지의 응축 영역에 배치되면, 제1 부분(60)의 위치에는 더 높은 평면 관통 전도율이 존재한다. 이 증가된 평면 관통 전도율은 기판(16)의 제1 부분(60)에서 액체 전해질을 흡수 또는 유지하는 액체 전해질 흡수 재료에 기인한다. 인산과 같은 액체 전해질이 기체보다 훨씬 높은 전도율(예를 들면, 기체의 약 30배)을 갖는 것을 고려하면, 추가 액체 전해질은 기판 층(16)의 열전도율을 향상시킨다. 이 특징은 제1 부분(60)이 연료 전지(10)의 캐소드 배기부 근처에 배치될 때 더 낮은 캐소드 배기부 온도를 초래한다. 캐소드 배기부 온도가 저하되면 산 손실율이 낮아지고 연료 전지 성능 및 수명이 향상된다.
함침된 제1 부분(60)은 공기 출구(예를 들어, 캐소드 배기부)에서의 온도를 저하시킴으로써 연료 전지의 수명 및 성능 향상을 촉진하고, 평면 관통 방향으로의 열전달을 증가시키는 한편으로 평면내 방향으로의 열전달을 감소시키며, 제1 부분(60)의 다공성이 제2 부분(62)의 다공성에 비해 감소되어도 액체 전해질 저장 용량을 증가시킨다. 함침된 제1 부분(60)은 산 증발을 감소시키며, 이는 연료 전지 수명 증가 및 연료 전지 성능 향상에 기여한다.
이상의 설명은 본질적으로 제한적인 것이 아니고 예시적인 것이다. 본 발명의 본질을 반드시 벗어나지 않는, 개시된 예에 대한 변형 및 수정은 통상의 기술자에게 명백할 수 있다. 본 발명에 부여되는 법적 보호의 범위는 하기 청구범위를 검토하는 것에 의해서만 결정될 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 부품이며,
    복수의 세공을 포함하는 전극 기판을 포함하고, 기판의 제1 부분은 기판의 제1 부분의 세공의 적어도 일부에 액체 전해질 흡수 재료를 포함하며, 제1 부분의 세공의 적어도 일부는 각각 제1 비점유 세공 체적을 갖고, 기판의 제2 부분의 세공은 각각 제2 비점유 세공 체적을 가지며, 제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작은 연료 전지 부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함하는 연료 전지 부품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함하는 연료 전지 부품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판의 제1 부분에는 액체 전해질 흡수 재료가 함침되는 연료 전지 부품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판의 제2 부분의 세공은 약 20 마이크로미터의 평균 세공 크기를 가지며,
    액체 전해질 흡수 재료를 갖는 세공의 적어도 일부는 약 2 마이크로미터보다 크고 약 20 마이크로미터보다 작은 평균 결과적 세공 크기를 갖는 연료 전지 부품.
  6. 연료 전지 부품 제조 방법이며,
    복수의 세공을 갖는 기판을 형성하는 단계; 및
    기판의 제1 부분 내의 세공의 적어도 일부가 각각 제1 비점유 세공 체적을 갖고 기판의 제2 부분의 세공이 각각 제2 비점유 세공 체적을 갖도록 기판의 적어도 제1 부분에 액체 전해질 흡수 재료를 함침시키는 단계를 포함하며,
    제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작은 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 기판의 제2 부분의 세공은 약 20 마이크로미터의 평균 세공 크기를 가지며;
    액체 전해질 흡수 재료를 갖는 제1 부분의 세공의 적어도 일부는 함침 후에 약 2 마이크로미터보다 크고 약 20 마이크로미터보다 작은 평균 결과적 세공 크기를 갖는 방법.
  10. 연료 전지이며,
    액체 전해질을 수용하도록 구성된 매트릭스;
    상기 매트릭스의 한쪽의 캐소드 전극;
    상기 매트릭스의 반대쪽의 애노드 전극; 및
    상기 캐소드 전극에 인접한 기판을 포함하고,
    상기 기판은 복수의 세공을 가지며, 상기 기판의 제1 부분은 기판의 제1 부분의 세공의 적어도 일부에 액체 전해질 흡수 재료를 포함하고, 상기 제1 부분의 세공의 적어도 일부는 각각 제1 비점유 세공 체적을 가지며, 상기 기판의 제2 부분의 세공은 각각 제2 비점유 세공 체적을 갖고, 제1 비점유 세공 체적은 제2 비점유 세공 체적보다 작은 연료 전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판의 제1 부분은 연료 전지의 응축 영역에 위치하는 연료 전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 매트릭스는 복수의 매트릭스 세공을 포함하고;
    매트릭스 세공은 각각 제3 비점유 세공 체적을 가지며;
    제3 비점유 세공 체적은 제1 비점유 세공 체적보다 작은 연료 전지.
  13. 제10항에 있어서, 액체 전해질 흡수 재료를 갖는 세공의 적어도 일부는 각각 제1 결과적 세공 크기를 가지며;
    기판의 제2 부분의 세공은 각각 평균적으로 약 20 마이크로미터인 제2 세공 크기를 가지며;
    매트릭스는 복수의 매트릭스 세공을 포함하고;
    매트릭스 세공은 각각 평균적으로 약 1.8 마이크로미터인 제3 세공 크기를 가지며;
    제1 세공 크기는 제3 세공 크기보다 크고;
    제1 세공 크기는 제2 세공 크기보다 작은 연료 전지.
  14. 제10항에 있어서, 상기 기판은 평면적이고;
    기판의 적어도 제1 부분은 평면 관통 전도율 및 평면내 전도율을 가지며;
    평면 관통 전도율은 평면내 전도율보다 높은 연료 전지.
  15. 제10항에 있어서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 탄소를 포함하는 연료 전지.
  16. 제10항에 있어서, 상기 액체 전해질 흡수 재료는 흑연을 포함하는 연료 전지.
  17. 제10항에 있어서, 상기 기판의 제1 부분에는 액체 전해질 흡수 재료가 함침되는 연료 전지.
  18. 제10항에 있어서, 애노드 전극에 인접하는 다른 상기 기판을 포함하는 연료 전지.
  19. 제10항에 있어서,
    기판의 제1 부분은 제1 밀도를 갖고;
    기판의 제2 부분은 제2 밀도를 가지며;
    제1 밀도는 제2 밀도보다 큰 연료 전지.
  20. 제10항에 있어서, 상기 기판의 제1 부분은 연료 전지의 캐소드 배기부 근처에 배치되는 연료 전지.
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