KR20210029275A - 전기화학 전지의 다공성 수송층을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

전기화학 전지의 다공성 수송층(4)을 제조하는 방법은 금속 분말을 결합제와 혼합한 다음 호일로 성형하는 것으로 구성된다. 호일은 다공성 금속층(8)에 지탱되며, 이어서 결합제를 제거하고 나머지 갈색 부분 층(9)을 다공성 금속층(8)으로 소결함으로써, 그 위에 증착된 미세 다공성 금속층(9)과 함께 다공성 금속층(8)을 포함하는 다공성 수송층(4)이 발생한다.

Description

전기화학 전지의 다공성 수송층을 제조하는 방법

본 발명은 전기화학 전지, 특히 PEM 구조 타입의 전해조, 특히 물을 산소와 수소로 전해 분리하는 것을 위한 다공성 수송층의 제조 방법에 관한 것이다.

PTL(porous transport layer)이라는 용어로도 알려진 다공성 수송층은, 한편으로는 반응물, 예를 들어 물을 촉매제 및 전해조로부터 형성된 셀 스택의 PEM으로 가져오고 다른 한편으로는 반응 생성물을 다시 멀리 유도하기 위하여, 전기화학 전지, 예를 들어 PEM 구조 타입의 전해조(PEM은 proton exchange membrane 즉, 양성자 교환막 및 polymer electrolyte membrane 즉, 고분자 전해질 막을 나타냄)에 적용된다. 더욱이, 이들은 또한 예를 들어 연료 전지의 경우에 넓은 표면에 걸쳐 세포막의 촉매제에 가능한 한 큰 전류를 유도하거나 또는 이들을 막으로부터 멀리 유도하기 위한 필수적인 전기적 기능을 가지고 있다. 여기서 전기적 이유로 인해, 광범위하고(표면에) 전류의 집중적이고 균일한 흐름을 보장하기 위해 가능한 한 폐쇄된 전기 전도성 표면을 형성하는 것이 바람직하지만, 반응물 공급 및 반응 생성물 배출과 관련하여 가능한 한 적은 에너지 노력으로 각 생성물을 통과시키기 위해서는 가능한 개방형 구조가 유용할 것이다. 다른 한편으로, 가능한 한 많은 전기화학 전지가 주어진 스택 높이의 셀 스택에 배열될 수 있도록, 다공성 수송층은 가능한 한 얇아야 한다. 또한, 예를 들어 물의 촉매 전기분해를 위한 PEM 전해조의 경우의 산소 측에서, 높은 재료 비용과 관련하여 가능한 한 적은 재료 소비로 그러한 다공성 수송층을 실현하기 위해 끊임없이 노력하는 응용 분야도 있다.

통합된 전류 분배 층을 갖는 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법은 DE 10 2013 207 075 A1의 최신 기술로부터 이미 알려져 있으며, 개별 부품은 소결(sintering)을 통해 서로 연결된다. 전술한 부분적으로 모순되는 요구를 충족시키기 위해, 예를 들어 티타늄 섬유로 형성된 얇은 두께의 펠트를 사용하여 다공성 티타늄 층을 제공하는 것이 알려져 있다.

진공에서 플라즈마 주입을 통해 소결된 금속판에 그러한 미세 다공성 층을 부착하는 것은 DE 10 2015 111 918의 최신 기술에 속하는 것으로 간주된다. 진공 상태에서 플라즈마를 주입하는 것은 기술적으로 복잡하고 비용이 많이 들며 면적이 다른 층 두께로 이어질 수 있다.

또한, 열 주입 또는 3D 프린팅 방법으로 티타늄으로 구성된 다공성 층을 증착하는 것은 최신 기술에 속하는 것으로 간주된다. 두 방법 모두에서, 다공성 층의 층 두께는 증착에 대한 선형 안내로 인해 균일하지 않다.

이러한 최신 기술에 반하여, 본 발명의 목적은 전기화학 전지, 특히 산소 측, 즉 PEM 전해조의 양극 측을 위한 다공성 수송층을 제조하기 위한 공지된 유형의 방법을 개선하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1에 명시된 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 설계는 종속 청구항, 후속 설명 및 도면에 명시되어 있다.

전기화학 전지, 예를 들어 배터리, 연료 전지 또는 전해조, 특히 PEM 구조 타입의 전해조의 다공성 수송층을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 수송층의 일부를 형성하는 금속, 예를 들어 티타늄은 금속 분말로서 결합제와 혼합되고 이후 광범위한 요소로 성형되거나 캐리어 호일에 증착된다. 금속 분말과 결합제로 형성된 광범위한 요소 또는 금속 분말이 제공된 캐리어 호일은 다공성 금속층 또는 다공성 금속층의 녹색 부분을 지탱하게 된다. 대안적으로, 광범위한 요소는 또한 다공성 금속층 또는 다공성 금속층의 녹색 부분 또는 갈색 부분에 직접 증착될 수 있다. 결합제 및 아마도 존재할 수 있는 캐리어 호일은 후속적으로 제거되고 나머지 갈색 부분 층은 소결되거나, 확산 용접에 의해 다공성 금속층 또는 다공성 금속층의 갈색 부분에 연결된다. 두 변형 모두와 관련하여, 미세 다공성 금속층이 다공성 금속층 위에 부품으로 연결되는 밀접한 재료 상호 연결이 발생한다.

본 발명에 따른 방법의 기본 개념은 기본적으로 최신 기술에 속하는 것으로 간주되는 다공성 금속층을 제공하는 것이며, 분말형 금속 분말을 먼저 결합제와 혼합함으로써 미세 다공성(micro-porous) 금속층을 갖는 이러한 다공성 수송층의 제조에 적용된다. 이 결합제는 예를 들어 폴리에틸렌 및 왁스를 포함하는 여러 재료로 구성된 결합제일 수 있으며, 이런 식으로 MIM 기술과 유사하게 공급 원료로 표시되는 재료를 생성하고 그런 다음 열과 압력의 영향을 받는 동안 압출기 또는 다른 적절한 기계에서 추가로 처리할 수 있으므로, 적절한 성형이 가능하다.

본 발명에 따르면, 성형은 광범위한 요소, 예를 들어 얇은 호일, 얇은 확장층, 또는 얇은 층이 증착되는 캐리어 호일의 도움에 의해 형성된다. 여기에서, 이 광범위한 요소는 예를 들어 호일과 같은 자체-지지형 요소로 성형되거나 그러한 요소 위의 층으로서 캐리어 호일에 의해 형성되거나 또는 바람직하게는 동일한 물질의 다공성 금속층 또는 이러한 다공성 금속층의 녹색 부분 상에 층으로서 직접적으로 도포된다. 결합제 및 가능한 존재하는 캐리어 호일은 전형적으로 열적 분리에 의해, 대안적으로 또는 추가적으로 화학적 분리에 의해 후속적으로 제거된다. 남아있는 다공성 금속층과 그 위에 갈색 부분으로 위치하는 광범위한 요소(이것은 결합제와 캐리어 호일을 제거한 후 호일/캐리어 호일에서 남아있는 금속 부분이다)는, 그런 다음 소결을 통해, 즉 고온 및 가능하면 추가로 압력을 받는 방식으로 구성 요소에 연결된다. 이것은 대안적으로 확산 용접에 의해 이루어질 수도 있다.

유리한 바와 같이, 다공성 금속층이 금속 분말과 결합제로도 제조되는 경우, 두 층의 후속 소결 공정뿐만 아니라 결합제 제거 절차도 수행되며, 따라서 달성될 다공성 금속층뿐만 아니라 그 위에 배열된 광범위한 요소 또는 결합제의 제거 후에 남아있는 부분이 동시에 함께 소결된다. 완성된 제품에서 나중에 촉매제 표면과 접촉하기 위한 얇고, 미세한 다공성이며, 전기 전도성 및 유체 투과성 층을 형성하는 광범위한 요소는, 본질적으로 안정된, 즉 자체-지지형 호일을 제조하는 방법, 캐리어 호일 상에 층을 증착하는 방법 또는 동일한 방식으로 제조되는 경우 다공성 금속층 또는 다공성 금속층의 녹색 부분에 직접 층을 증착하는 방법으로 생성될 수 있다.

금속 분말과 결합제로 구성된 혼합물을 호일로 성형하는 대신 금속 분말과 결합제를 캐리어 호일, 예를 들어 폴리에틸렌 호일에 증착하면, 결합제와 캐리어 호일을 먼저 열 및/또는 화학적 처리를 통해 제거해야 하며, 그 후 미세 금속 분말로 구성된 갈색 부분 층이 마찬가지로 남아 있으며, 상기 층은 다공성 금속층과 함께 소결된다. 소결 대신 확산 용접을 통해 이러한 층을 연결할 수도 있다. 이러한 방법은 잘 알려져 있으며 그 매개 변수는 재료에 따라 선택되어야 한다.

본 발명에 따른 방법은 비교적 적은 금속 재료 사용을 고려하여 저렴하고 동시에 효과적인 다공성 수송층 제조를 가능하게 한다. 이와 함께, 매우 균일하고 동시에 특히 얇은 미세 다공성 층이 다공성 금속층 상에 증착될 수 있으며, 따라서 전기적 연결성 및 유체 투과성 측면에서 매우 효과적인 얇게 구성된 다공성 수송층이 형성될 수 있다. 재료의 소결은 추가적으로 또는 열처리 전후에 압력을 가함으로써 추가로 보충될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 방법은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 형성된 다공성 수송층을 위해 제공되지만, 다른 재료 또는 금속 합금의 다공성 수송층이 본 발명에 따른 방법에 의해 형성될 수 있음을 이해해야 한다. 여기서, 층 두께에 결정적인 것의 하나는 적용된 다공성 금속층에 있고 다른 하나는 금속 분말의 입자 크기에 있으며, 이는 아래에서 자세히 설명한다.

결합제와 함께 금속 분말로부터 형성된 혼합물이 압출기의 적용에 의한 압출 방식에 의해 호일로 성형된다면 특히 유리하다. 이러한 압출기는 플라스틱 사출 성형 기술로 알려져 있으며 다양한 변형이 가능하다. 여기서, 이렇게 성형된 호일은 일반적으로 열처리를 통해 결합제가 제거되는 녹색 부분을 형성하며, 따라서 가열에 의해, 호일이 다공성 금속층 또는 다공성 금속층의 녹색 부분 또는 갈색 부분 상에 증착된 후, 다음으로 호일의 운반 기능을 가진다.

대안적으로, 호일의 성형은 연속 주조에 의해 형성될 수 있으며, 상기 호일은 압연에 의해 늘어나거나 또는 얇아지는 효과를 나타내기 위하여, 여전히 따뜻하거나 또는 차가운 형태로 되는 기계적 후처리에 공급될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 본 발명의 추가 개발에 따른 호일의 성형-아웃은 캘린더링(calendering)에 의해 수행될 수 있다. 캘린더로 호일을 가공함으로써, 층 두께를 더욱 균질화할 수 있으며 또한 이 방법으로 확실한 롤링 효과를 얻을 수도 있다. 캘린더링은 압출 또는 연속 주조 후에 수행될 수 있다.

그러나 본 발명에 따른 제조 방법은 또한 호일 기술을 피하면서 사용될 수 있는데, 금속 분말과 결합제로부터 호일을 형성하거나 결합제와 함께 금속 분말이 증착되는 캐리어 호일을 사용하며, 만약 결합제와 혼합된 금속 분말이 호일 모양으로 형성되지 않는다면, 스크린 인쇄 방법으로 다공성 금속층에 증착된다. 스크린 인쇄 방법에 사용되는 결합제는 또한 호일 형성에 사용되는 것 이외의 결합제일 수 있음을 이해해야 한다. 온도와 점도는 서로 일치하여 금속 분말과 결합제의 혼합물이 닥터 블레이드를 통해 적절한 미세 메쉬 직물을 통해 다공성 금속층에 증착될 수 있으며 직물을 제거한 후에 이 층은 동일한 두께의 가능한 균일한 층으로 함께 흐른다. 다시, 결합제는 소결 전에 제거되어야 하며, 이는 열적 및/또는 화학적 처리에 의해 수행될 수 있다. 따라서 가압층은 열처리 전 또는 후에 용매로 헹구어질 수 있으며, 이로써 확산 공정은 나중에 소결될 때 결합제의 오염에 의해 억제되지 않는다.

또한 본 발명에 따르면 스크린 인쇄 방법을 사용하는 동안 대안적으로는, 다공성 금속층에 증착하는 대신에, 다공성 금속층의 녹색 부분에서 이 작업을 수행하여, 두 개의 층을 함께 그리고 동시에 결합제로부터 분리하고 이렇게 발생하는 갈색 부분을 동시에 그리고 함께 소결한다. 본 발명에 따르면, 스크린 인쇄 방법에서 증착되는 광범위한 요소가 다공성 금속층의 갈색 부분에 증착되는 것을 상상할 수 있으며, 이는 두 층이 서로 다른 결합제를 사용하여 제조되는 경우 특히 의미가 있다. 또한, 다공성 층의 금속 분말의 입자 크기가 미세 다공성 층의 입자 크기보다 훨씬 크다는 사실을 고려해야 하며, 때문에 층이 그 구조에서 유지되고 경계 영역에서만 서로 연결되도록 제조 방법을 제어해야 한다.

본 발명에 따른 방법은 적어도 95 중량 %의 티타늄을 포함하는 티타늄 또는 티타늄계 합금의 다공성 수송층을 제조하는데 특히 유리하게 사용된다. PEM 전해조의 양극에는 가능한 한 순수한 티타늄이 유리하게 사용된다. 다공성 금속층은 소결 금속판, 금속 직물 및/또는 금속 펠트에 의해 형성될 수 있다. 이러한 소결 금속판은 최신 기술에 속하는 것으로 간주되며 예를 들어 the GKN group 또는 the US American MOTT corporation에서 제공한다. 금속 펠트의 적용은 예를 들어 NV Bekaret S.A. 에 의해 이러한 목적을 위하여 제공되거나 the German Melicon GmbH. 에 의해 제공되기 때문에 특히 유리하다.

한편으로는 미세 다공성 층과 관련하여 가능한 한 낮은 재료 비용을 보장하기 위해, 그러나 다른 한편으로는 우수한 전기 전도도 및 접촉 능력뿐만 아니라 작은 층 두께에서 높은 유체 투과성을 얻기 위해, 최대 입자 크기가 45μm 미만인 금속 분말을 사용하는 것이 유리하다. 바람직하게는, 최대 입자 크기는 20μm보다 작거나 훨씬 더 유리하게는 10μm보다 더 작은데, 이는 현재로서 처리할 수 있고 시장에서 구할 수 있는 가장 작은 입자 크기일 것이다. 기본적으로 더 작은 입자 크기가 바람직하지만 이는 현재의 기술 상태에 따라 실현될 수 없다.

예를 들어, PEM 전해조가 주어지면 미세 다공성 층은 고분자 전해질 막에 배열된 촉매제 층을 지탱하는 것으로 생각된다. 여기서 전도성이 좋은 표면 접촉을 보장하기 위해, 본 발명에 따른 방법의 추가 개발에 따르면, 하나는 연삭 및/또는 압연에 의해 촉매제와 접촉하도록 의도된 측면, 즉 미세한 층의 자유 표면 측에서 다공성 수송층의 표면을 매끈하게 하는 것을 고려한다.

매끈하게 하는 것에 대안적으로 또는 추가적으로, 바람직하게는 에칭에 의해 이 표면을 화학적으로 거칠게 하는 것이 유리할 수 있다. 특히, 이를 통해 표면이 촉매제에 부착될 때 표면 영역의 다공성 및 친밀한 전기 전도성 접촉이 보장된다. 티타늄으로 형성된 다공성 수송층이 주어지면, 그러한 산세 절차는 예를 들어 황산 처리에 의해 수행될 수 있다.

재료 사용을 최소화하고 다공성 수송층의 두께를 가능한 한 작게 유지하기 위해, 0.04 mm 내지 0.2 mm 두께, 바람직하게는 0.04 mm 내지 0.1 mm 두께의 금속 분말 및 결합제로부터 성형된 호일을 설계하는 것이 유리하다. 여기서 최소 층 두께는 최대 입자 크기에 의해 결정되며, 최대 입자 크기가 작을수록 호일의 층 두께도 작아질 수 있다.

다공성 금속층은, 이것이 금속 분말과 결합제의 혼합물로 예를 들어 녹색 부분의 자체-지지형 층으로 형성된 경우라면, 갈색 부분을 형성하기 위한 결합제가 제거되고 마지막으로 소결에 의해 금속 전원의 상호 연결이 수행되는 것으로 이해되어야 한다. 다공성 금속층은 미세 다공성 층의 제조에 사용되는 것보다 훨씬 큰 입자 크기를 갖는다.

가능한 한 얇게 설계되고, 다공성 금속층과 그 위에 증착된 미세 다공층으로 구성되는 다공성 수송층의 핸들링 능력을 향상시키기 위해, 본 발명의 추가 개발에 따르면, 전해조의 조립 공정에서 용이하게 처리되고 특히 자동화된 조립 공정에 적용될 수 있는 구성 요소를 생산하기 위해 이 다공성 수송층을 바이폴라 플레이트에 용접하는 것을 고려한다. 이러한 바이폴라 플레이트는 예를 들어 티타늄 또는 티타늄 코팅 스테인리스 스틸로 구성될 수 있으며, 다공질 금속층에 광범위하거나 표면적인 방식으로 물질적으로 연결된다. 바이폴라 플레이트의 광범위한 확장과 수송층은 서로 일치한다는 것을 이해해야 한다.

본 발명에 따른 방법은 비교적 적은 금속 재료 사용을 고려하여 저렴하고 동시에 효과적인 다공성 수송층 제조를 가능하게 한다. 이와 함께, 매우 균일하고 동시에 특히 얇은 미세 다공성 층이 다공성 금속층 상에 증착될 수 있으며, 따라서 전기적 연결성 및 유체 투과성 측면에서 매우 효과적인 얇게 구성된 다공성 수송층이 형성될 수 있다. 재료의 소결은 추가적으로 또는 열처리 전후에 압력을 가함으로써 추가로 보충될 수 있다.

본 발명은 이하 도면에 표현된 실시 예를 통해 설명된다.
도 1은 PEM 전해조의 전기분해 셀 구조를 크게 단순화하여 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 금속 호일과 결합제로부터 형성되는 호일의 압출 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 호일의 구조를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 다공성 금속층에 적용된 호일을 도시한 도면이다.
도 4a는 다공성 금속층의 녹색 부분에 적용된 호일을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 표현된 결합제를 제거한 후의 도 4의 배열을 도시한 도면이다.
도 6은 매끈하게 한 후의 다공성 수송층의 상부 표면을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 상태에서 거칠게 한 후의 층의 표면을 도시한 도면이다.
도 8은 스크린 인쇄 방법에서 금속 분말과 결합제로 구성된 덩어리를 다공성 금속층에 증착하는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

PEM 전해조의 기본 구조는 도 1에 도시되어 있다. 물로부터 수소와 산소를 생성하기 위한 전압은 물의 반응물을 공급하고 반응 생성물인 수소와 산소를 유도하기 위한 채널(2)을 포함하는 외부 바이폴라 플레이트(1)에 인가된다. 전기분해 셀 내부를 향해 개방된 바이폴라 플레이트(1)의 채널(2)은 전기 전도성이고 액체 투과성인 다공성 수송층(3, 4)으로 덮여있다. 다공성 수송층(3, 4)은 각각 전기 전도성 방식으로 촉매층(5, 6) 상에 각각 부착되며, 상기 촉매층은 PEM(7) 상에 증착된다. 물로부터 수소와 산소를 생성하기 위해 여기에 표현된 전기분해 셀과 관련하여, 양극 측 수송층(4)은 티타늄으로 구성되고 음극 측 수송층(3)은 흑연으로 구성된다. 양극 측 촉매층(6)은 이리듐 산화물로 형성되고 음극 측 촉매층(5)은 백금으로 형성된다. 이러한 구조는 최신 기술에 속하는 것으로 간주되므로 자세히 설명하지 않는다.

이러한 전기분해 셀은 주변에서 밀봉되어, 필요한 유체 유도가 보장된다. 강력하지만 콤팩트하게 구성된 전해조를 형성하기 위하여, 다수의 이러한 전기분해 셀이 스택(전기분해 스택)으로 서로의 위에 놓여 배치된다. 이하에서, 양극 측 다공성 수송층 및 그 제조 방법에 대해 설명하며, 이 다공성 수송층(4)은 또한 다른 전기화학적 응용을 위해 사용될 수 있고, 따라서 전해조로서의 응용은 단지 예로서 인용된다.

티타늄으로 형성된 다공성 수송층(4)은 티타늄 섬유로 형성되고 가스 투과성 및 전도성인 펠트 층(8) 형태의 다공성 금속층(8)으로 구성된다. 이 펠트 층(8)은 0.25mm 두께이며 다공성 수송층(4)의 캐리어를 형성하고, 그 위에 미세 다공성 금속층(9)이 증착되며, 상기 금속층은 금속층(8)과 함께 티타늄의 양극 측 다공성 수송층(4)을 형성한다.

다공성 수송층(4)과 그 위에 접촉하는 촉매층(6) 사이의 전기적 연결을 보장하는 미세 다공성 금속층(9)은 한편으로는 바이폴라 플레이트(1)와 촉매층(6)의 표면 전기적 연결을 위하여 그리고 다른 한편으로는 미세 다공성으로 인해 반응물과 이쪽 편에서 분리된 산소의 친밀한 교환을 보장하는데 효과적이다.

미세 다공성 금속층(9)은 미세한 금속 분말, 여기서는 티타늄 분말로 제조되며, 최대 입자 크기는 10μm이고, 예를 들어 폴리에틸렌 및 왁스와 같은 결합제와 함께 사용된다. 여기서, 금속 분말과 폴리에틸렌과 왁스로 형성된 결합제를 집중적으로 혼합하여 원료로 과립화한다. 이 과립은 압출기를 통해 액화되고 캘린더(11)를 통해 0.1mm의 두께를 갖는 호일(10)로 가공된다. 이 호일(10)은 이 분말 사출 성형 방법에서 녹색 부분을 형성하고, 이 호일(10)은 도 3에 단면으로 도시되었으며 이어서 다공성 금속층(8) 상에 증착되어, 도 4에 도시된 명백한 배열이 생성된다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 호일(10)은 결합제(13)에 의해 둘러싸이거나 이에 의해 서로 연결된 금속 입자(12)로 구성된다. 다공성 금속층(8)은 마찬가지로 티타늄으로 구성되고 그 위에 놓인 호일(10)을 위한 캐리어를 형성한다. 이 배열에서 방출이 발생하는데 즉, 첫 번째 열 공정에서 다공성 금속층(8)과 호일(10)로 구성된 형성물이 결합제(13)가 제거되고 금속 입자(12)가 다공성 금속층(8)을 지탱할 정도까지 가열된다. 금속 입자(12)는 이제 다공성 금속층(8)과 함께 더 높은 온도(소결)의 추가 열처리를 받는 갈색 부분을 형성하고, 금속 입자(12)는 다공성 금속층뿐만 아니라 서로간에 소결되며, 즉 최종 형태 및 기계적 특성으로 통합되고 압축된다. 여기서, 금속 입자(12)와 다공성 금속층(8)의 재료 맞춤 연결이 발생한다. 이러한 상호 연결은 또한 소결 방식 대신 확산 용접 방식으로 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 다공성 수송층(4)은 펠트 구조를 갖는 다공성 금속층(8)과 그 위에 놓인 미세 다공성 금속층(9)에 의해 형성된다. 후자는 압연에 의해 표면이 매끄럽게 처리되어, 도 6에 개략적으로 도시된 표면(14)이 생성된다. 표면을 매끄럽게 처리하는 것은 연삭 또는 이러한 가공 방법의 조합을 통해 수행될 수 있다. 이는 이렇게 형성된 다공성 수송층(4)이 가능한 한 전체 면적에 걸쳐 촉매층(6)과 접촉하는 것을 보장하는 역할을 한다.

긴밀한 상호 연결 및 미세 다공성 금속층(9)과 촉매층(6) 사이의 전기 전도성 접촉을 보장하기 위해, 도 7에 나타낸 바와 같이, 미세 다공성 금속층(9)의 표면(14)은 산세에 의해 미세하게 거칠게 된다.

전술한 제조 방법에서, 금속 입자(12)와 결합제(13)로 구성된 호일(10)은 사출 성형 방법에서 녹색 부품으로 제조된다. 대안적으로, 이것은 금속 분말(12) 및 결합제(13)가 제공되는 캐리어 호일로 사용되는 예를 들어 폴리에틸렌으로 형성된 호일로 대체될 수 있으며, 여기서 도 4에 도시된 호일(10) 대신에 금속 분말-결합제 혼합물이 제공되는 이 호일이 다공성 금속층(8) 상에 증착된다. 추가 제조 방법은 전술한 바와 같이 수행된다.

미세 층(9)을 생성하고 증착하기 위한 다른 제조 방법 구체적으로 스크린 인쇄 방법이 도 8에 도시된다. 그곳에, 템플릿으로서 직물(15)이 다공성 금속층(8) 상에 도포되고 달리 증착되는 인쇄 잉크 대신에, 여기서는 금속 입자(12) 및 결합제로 구성된 페이스트/유체 재료(17)가 이어서 닥터 블레이드(16)를 통해 증착된다. 페이스트 재료(17)를 증착한 후, 직물(15)이 제거되고 페이스트/유체 재료(17)가 열 작용 또는 예를 들어 용매의 증발에 의해 응고되며, 페이스트/유체 재료(17)의 농도는 직물(15)의 제거 후에도 일정한 분배가 여전히 수행되어 가능한 한 균일하고 매끄러운 표면이 형성되도록 설정된다. 이후에, 처음에 설명한 방법과 마찬가지로 제1 열처리에 의해 결합제가 제거되고, 이어서 소결 또는 확산 용접에 의해 금속 입자(12)들 서로 사이의 상호 연결뿐만 아니라 다공성 금속층(8)과의 상호 연결이 생성된다. 표면 처리 단계는 전술한 바와 같이 수행될 수 있다. 더욱이, 결합제의 열적 제거는 화학적 제거 또는 둘의 조합으로 대체될 수 있다.

전술한 실시 예와 관련하여, 미세 다공성 금속층(9)은 다공성 금속층(8) 상에 연속적으로 증착되며, 그것은 적절한 호일(10) 또는 금속 분말 및 결합제가 제공되는 캐리어 호일을 적용하는 방법 또는 금속 입자 및 결합제로부터 형성된 혼합물을 직접 증착시키는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 그러나 다공성 금속층(8)은 또한 미세 다공성 금속층(9)과 유사한 방식으로 제조될 수 있다. 여기서 금속 분말과 결합제의 혼합물이 사용되며, 금속 입자(12)는 미세 다공성 금속층의 금속 입자(12)보다 상당히 크고 결합제(13a)는 결합제(13)와 동일한 조성 또는 다른 조성을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 도 4a에서, 이러한 다공성 금속층의 녹색 부분(8a)이 표시되며, 이것은 위에 놓여 있고 나중에 미세 다공성 금속층(9)을 형성하는 층의 녹색 부분과 함께 가공되는데, 즉 먼저 결합제(13, 13a)가 두 층 모두에서 제거되고, 두 개의 갈색 부분으로 형성된 2층의 갈색 부분이 생성되고 후속 소결 과정에서 이것은 다공성 수송층(4)으로 소결된다. 이렇게 형성된 다공성 수송층(4)은 예를 들어 용접에 의해 바이폴라 플레이트(1)에 유용하게 물질적으로 연결되며, 따라서 특히 자동화된 조립 프로세스에서 쉽게 처리할 수 있는 본질적으로 안정된 자체-지지형 구성 요소가 생성된다.

1: 바이폴라 플레이트
2: 채널
3: 음극 측 수송층
4: 양극 측 수송층
5: 음극 측 촉매층
6: 양극 측 촉매층
7: PEM
8: 다공성 금속층
8a: 다공성 금속층의 녹색 부분
9: 미세 금속층
10: 호일
11: 캘린더
12: 금속 입자
12a: 다공성 금속층의 금속 입자
13: 결합제
13a: 다공성 금속층의 녹색 부분의 결합제
14: 표면
15: 직물
16: 닥터 블레이드
17: 페이스트 재료

Claims (16)

1. 전기화학 전지, 특히 PEM 구조 타입의 전해조를 위한 다공성 수송층(4)의 제조 방법으로서, 금속 분말(12)로서 수송층의 일부를 형성하는 금속이 결합제(13)와 혼합된 후 광범위한 요소(10)로 성형되거나, 광범위한 요소(10)가 다공성 금속층(8) 또는 다공성 금속층(8)의 녹색 부분 또는 갈색 부분 상에 지탱되도록 하는 캐리어 호일에 증착되고, 결합제(13) 및/또는 캐리어 호일을 제거하고 나머지 갈색 부분 층을 소결하거나 확산 용접을 통해 다공성 금속층(8) 또는 다공성 금속층의 갈색 부분에 연결하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 광범위한 요소를 호일(10)로 성형하는 작업이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 호일(10)의 성형은 압출에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 호일(10)의 성형은 연속 주조에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제2항 내지 제4항에 있어서, 상기 호일(10)의 성형은 캘린더링에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 광범위한 요소는 스크린 인쇄 방법으로 상기 다공성 금속층(8) 또는 상기 다공성 금속층의 갈색 부분 위에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항에 있어서, 상기 다공성 금속층(8)은 결합제와 혼합된 금속 분말에 의해 형성되며, 상기 성형 후 녹색 부분이 형성되고 이어서 상기 결합제가 제거되며 형성된 갈색 부분이 소결되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 결합제의 제거 및/또는 상기 소결은 상기 광범위한 요소의 제거와 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제8항에 있어서, 상기 금속은 티타늄이거나 티타늄을 기준으로 적어도 95 중량 %의 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항에 있어서, 상기 다공성 금속층(8)은 소결 금속판, 금속 직물 및/또는 금속 펠트에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항 내지 제10항에 있어서, 최대 입자 크기가 45 μm 미만, 바람직하게는 20 μm 또는 10 μm 미만인 금속 분말(12)이 상기 광범위한 요소(10)를 제조하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 내지 제11항에 있어서, 촉매(6)를 지지하기 위해 예상되는 측면의 상기 다공성 수송층(4)의 표면(14)은 연삭 또는 압연에 의해 매끄럽게 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 내지 제11항에 있어서, 촉매(6)를 지지하기 위해 예상되는 측면의 상기 다공성 수송층(4)의 표면(14)은 연삭 또는 압연에 의해 매끄럽게 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제1항 내지 제13항에 있어서, 상기 광범위한 요소, 특히 호일(10)은 0.04mm 내지 0.2mm, 바람직하게는 0.04mm 내지 0.1mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제1항 내지 제14항에 있어서, 상기 수송층은 바이폴라 플레이트에 용접되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조된 다공성 수송층(4).

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