KR20240037893A - 모노폴라 플레이트를 본딩 결합하여 흑연 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정 및 바이폴라 플레이트와 이를 포함하는 연료 전지 또는 레독스 플로우 배터리 - Google Patents

모노폴라 플레이트를 본딩 결합하여 흑연 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정 및 바이폴라 플레이트와 이를 포함하는 연료 전지 또는 레독스 플로우 배터리 Download PDF

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monopolar plates
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하우케 부르만
도미니크 위트카
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슝크 코렌슈토프테크닉 게엠베하
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Abstract

연료 전지(21) 또는 플로우 배터리용 흑연 바이폴라 플레이트(1)를 제조하는 방법이 설명된다. 한 쌍의 흑연 모노폴라 플레이트(3)가 제공된다. 모노폴라 플레이트(3)는 모노폴라 플레이트(3)의 대향 접촉면(7)을 따라 함께 본딩된다. 본딩은 1C 에폭시 레진(9)을 사용하여 수행된다. 1C 에폭시 레진(9)의 특성 및/또는 공정 매개변수는 용도에 따라 특별히 조정될 수 있다.

Description

모노폴라 플레이트를 본딩 결합하여 흑연 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정 및 바이폴라 플레이트와 이를 포함하는 연료 전지 또는 레독스 플로우 배터리
본 발명은 예를 들어 연료 전지 또는 플로우 배터리에 사용되는 흑연 바이폴라 플레이트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 바이폴라 플레이트 및 이러한 바이폴라 플레이트를 갖는 에너지 저장 어셈블리에 관한 것이다.
바이폴라 플레이트는 연료전지 시스템의 코어를 형성하기 위해 적층된 연료전지에서 여러 가지 작업을 수행하기 위한 것이다. 한편으로는 인접한 연료 전지를 상호 연결, 즉 한 전지의 바이폴라를 인접한 전지의 음극과 물리적으로 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 다른 한편으로는 바이폴라 플레이트의 표면을 통해 연료전지 내의 반응 공간으로 가스를 분배할 수 있어야 한다. 즉, 바이폴라 플레이트는 반응 가스를 반응 영역으로 전달해야 한다.
이를 위해 바이폴라 플레이트는 일반적으로 주조 및/또는 성형, 예를 들어 밀링(milled) 또는 임프레션(impressed)으로 한쪽에는 수소가 흐르고 다른 쪽에는 공기 또는 산소가 공급되는 유동 프로파일(소위 유동장)을 양쪽에 갖는다. 바이폴라 플레이트는 일반적으로 수증기 제거 또는 열 및 전기 에너지 방출을 제어하기도 한다. 또한 바이폴라 플레이트는 인접한 셀 사이의 가스 분리, 외부와의 밀봉 및 필요한 경우 냉각 기능도 제공해야 한다.
바이폴라 플레이트는 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 반응 가스를 공급하거나 배출할 수 있는 내부 채널 구조를 가지고 있다. 제조 환경에서 이러한 내부 채널 구조를 형성할 수 있도록 바이폴라 플레이트는 일반적으로 두 개의 분리된 모노폴라 플레이트로 구성된다. 원하는 채널 구조는 바이폴라 플레이트를 형성하기 위해 조립된 상태에서 서로를 향하고 있는 모노폴라 플레이트 중 하나 또는 둘 모두의 표면에, 예를 들어 주조 또는 성형에 의해 길쭉한 홈의 형태로 쉽게 형성될 수 있다. 그런 다음, 두 개의 모노폴라 플레이트는 개별 모노폴라 플레이트에 형성된 채널 구조로 인해 원하는 내부 채널이 이들 사이에 형성되도록 기계적으로 결합될 수 있다.
추가적인 요건을 충족하기 위해, 바이폴라 플레이트는 흑연 재료로 만들어지는 것이 유리하다는 것이 인식되어 왔다. 이러한 흑연 재료는 예를 들어, 폴리머 재료의 매트릭스에 내장되거나 함께 프레스된 다수의 작은 흑연 입자로 구성될 수 있다. 흑연 재료는 높은 전기 전도성, 높은 열 전도성, 연료 전지에 일반적으로 사용되는 화학 물질에 대한 우수한 내화학성, 충분히 높은 기계적 부하 용량 등을 포함하여 바이폴라 플레이트에 유리한 특성을 갖는다.
그러나 두 개의 흑연 모노폴라 플레이트를 기계적으로 본딩하여 바이폴라 플레이트를 형성하는 것은 특히 연료 전지에 사용될 때 바이폴라 플레이트에 대한 요구 사항을 고려할 때 간단한 작업이 아니라는 것이 인식되어 왔다. 예를 들어, 두 모노폴라 플레이트 사이의 연결은 충분한 기계적 강도를 가져야 하고, 연료 전지의 열 및 화학적 조건을 견딜 수 있어야 하며, 한편으로는 두 모노폴라 플레이트를 충분히 단단히 연결하여 예를 들어 원치 않는 지점에서 공정 가스가 빠져나가지 않도록 해야 하고, 다른 한편으로는 산소 등의 가스 투과성이 충분하여 연료 전지 내의 화학 공정이 방해받지 않도록 해야 하는 등 여러 가지 조건이 충족되어야 한다. 또한, 두 개의 모노폴라 플레이트를 기계적으로 연결하여 간단하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적인 공정을 통해 바이폴라 플레이트를 제조할 수 있어야 한다.
일반적으로 흑연 모노폴라 플레이트는 바이폴라 플레이트로 기계적으로 본딩하기 위해 함께 본딩하는 경우가 많다. 이를 위해 2C 에폭시 레진(즉, 2액형 에폭시 레진), 시아노아크릴레이트 또는 실리콘 폴리머를 기반으로 하는 접착제가 사용된다.
기존 방식으로 본딩된 바이폴라 플레이트는 현재 사용 중인 연료전지의 요구 사항을 대부분 충족하지만, 특히 제조 공정에서 단점이 있다는 인식이 있었다.
따라서, 흑연 바이폴라 플레이트를 제조하는 개선된 방법이 필요할 수 있다. 특히, 한편으로는 사용 중인 연료 전지 또는 플로우 배터리에 대한 요구 사항을 충족하고, 다른 한편으로는 간단하고, 신뢰할 수 있고, 비용 효율적인 공정을 통해 실현될 수 있는 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법이 필요할 수 있다. 또한, 적절하게 제조 가능한 바이폴라 플레이트와 연료 전지 또는 플로우 배터리 형태로 장착된 에너지 저장 어셈블리가 필요할 수도 있다.
이러한 필요성은 독립 청구항의 주제에 의해 충족될 수 있다. 유리한 실시예는 종속 청구항에 정의되어 있으며, 다음 설명에 설명되고 도면에 예시되어 있다.
본 발명의 제1 양태는 연료 전지 또는 플로우 배터리용 흑연 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음과 같은 공정 단계를 포함한다: (i) 한 쌍의 흑연 모노폴라 플레이트를 제공하는 단계, 및 (ii) 모노폴라 플레이트의 대향 접촉면을 따라 모노폴라 플레이트를 본딩하는 단계. 본딩은 1C 에폭시 레진을 사용하여 수행된다.
본 발명의 제2 양태는 연료 전지 또는 플로우 배터리용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 바이폴라 플레이트는 1C 에폭시 레진을 사용하여 대향 접촉면을 따라 함께 본딩된 한 쌍의 흑연 모노폴라 플레이트를 포함한다.
본 발명의 제3 양태는 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 갖는, 특히 적어도 하나의 연료 전지 또는 플로우 배터리를 갖는 에너지 저장 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하지 않고, 본 발명의 실시예와 관련된 아이디어 및 가능한 특징들은 특히 아래에 설명된 아이디어 및 발견에 기초한 것으로 간주될 수 있다.
간략하고 광범위하게 요약하면, 여기에 설명된 아이디어의 근거는 이전의 선입견과는 달리 흑연 바이폴라 플레이트가 연료 전지 또는 플로우 배터리에 적용하기에 적합한 방식으로 1C 에폭시 레진(즉, 1 액형 에폭시 레진) 기반의 접착제를 사용하여 유리하게 결합될 수 있다는 놀라운 관찰에 있다. 한편으로는 바이폴라 플레이트의 제조 과정에서, 다른 한편으로는 바이폴라 플레이트의 후속 사용 과정에서 1C 에폭시 레진을 기존의 조건에 적합하게 적용하면, 놀랍게도 특수하게 적용된 1C 에폭시 레진에 의한 모노폴라 플레이트의 본딩은 이러한 목적으로 통상적으로 사용되는 접착제와의 본딩보다 여러 측면에서 우수할 수 있다는 것이 인식되었다. 1C 에폭시 레진은 바이폴라 플레이트를 형성하기에 충분한 기계적 강도로 두 개의 모노폴라 플레이트를 결합하고, 바이폴라 플레이트 내 또는 바이폴라 플레이트의 환경과 관련하여 영역을 적절히 밀봉하는 실란트 역할을 하도록 조정될 수 있다. 이를 위해 1C 에폭시 레진의 특성은 특히 예를 들어 연료 전지 내부에서 사용하기에 충분한 내화학성, 기밀성 및 기계적 복원력을 갖도록 조정되어야 한다.
본 문서에서 제안하는 방법 및 제품의 실시예에 대한 가능한 세부 사항은 아래에 설명되어 있다.
위에서 이미 언급했듯이 흑연 소재로 만든 바이폴라 플레이트는 연료 전지나 플로우 배터리에 사용할 때 상당한 이점을 제공할 수 있다.
탄소 함유 소재인 흑연은 다양한 응용 분야에 유리한 특성을 제공한다. 예를 들어, 바이폴라 플레이트에 사용되는 흑연은 매우 높은 전기 전도성과 함께 높은 열 복원력 및 전도성, 그리고 충분히 높은 기계적 강도를 제공한다. 바이폴라 플레이트를 형성하기 위해 흑연 입자가 폴리머 매트릭스에 내장된 흑연 함유 재료가 사용된다. 흑연 입자는 재료에 원하는 전기적 및/또는 열적 및/또는 기계적 특성을 부여한다. 폴리머 매트릭스는 무엇보다도 흑연 입자를 기계적으로 고정하고 부품의 하중을 전달하는 역할을 한다. 폴리머 매트릭스는 예를 들어 에폭시 레진을 포함할 수 있다. 따라서 흑연 입자는 필러 역할을 하고 폴리머 매트릭스는 바인더의 일종으로 작용한다. 흑연 입자 및 폴리머 외에도 재료 혼합물은 예를 들어 카본 블랙, 기타 결합제 또는 이와 유사한 형태의 다른 성분을 포함할 수 있다. 유리하게는, 흑연 함유 재료는 흑연 함량이 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70% 또는 적어도 80%일 수 있다. 백분율은 부피를 나타낼 수 있다. 흑연 함량이 높기 때문에, 이 재료는 무엇보다도 매우 우수한 전기 전도성을 제공할 수 있으며, 이는 바이폴라 플레이트를 형성하는 데 사용될 때 특히 유리하다. 흑연 함유 재료의 예시 및 가능한 특성은 특히 출원인의 이전 특허 출원 PCT/EP2020/078489에 설명되어 있다. 여기에 설명된 흑연 함유 재료는 모노폴라 플레이트에 대해 본 명세서에 설명된 방법의 실시예에서 사용될 수 있다. 이전 특허 출원의 전체 내용은 참조를 위해 여기에 통합되어 있다.
두 개의 모노폴라 플레이트에서 바이폴라 플레이트를 조립하여 모노폴라 플레이트를 기계적으로 결합하기 위해 지금까지 알려진 특성으로 인해 이러한 작업에 이상적인 것으로 보이는 접착제가 사용되었다. 그 중에서도 2C 에폭시 레진, 시아노아크릴레이트 또는 실리콘 폴리머를 기반으로 한 충분한 기계적 강도를 가진 접착제가 사용된다. 이러한 접착제 시스템은 예를 들어 열, 흡습성 또는 자외선을 통해 활성화될 수 있다.
2C 에폭시 레진은 가공 직전에 함께 혼합되는 두 가지 성분으로 구성되어 있다. 그런 다음 두 성분이 서로 화학적으로 반응하여 접착제가 경화된다. 2C 에폭시 레진은 정해진 방식으로 가공할 수 있고 경화 후 매우 높은 강도를 얻을 수 있는 접착제로 알려져 있다. 또한, 2C 에폭시 레진은 화학적 특성으로 인해 모노폴라 플레이트 본딩용 접착제로 적합할 것으로 보인다. 시아노아크릴레이트 또는 실리콘 폴리머를 기반으로 한 접착제에도 동일하게 적용된다.
그러나 앞서 언급한 통상적으로 사용되는 접착제는 가공성과 관련하여 종종 단점이 있는 것으로 관찰되었다. 예를 들어, 이러한 접착제는 수명이 짧은 경우가 많기 때문에 짧은 시간 동안만 보관할 수 있고 신속하게 처리해야 한다. 또한 이러한 접착제는 경화하는데 비교적 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 일반적으로 사용되는 접착제를 가공할 때는 일반적으로 좁은 공정 창을 준수해야 하므로 가공성이 제한될 수 있다. 무엇보다도 접착제의 두 성분이 화학 반응을 일으키면 상당한 양의 열에너지가 방출되어 접착제가 상당히 가열될 수 있으며, 이로 인해 과열되거나 과도한 양의 접착제가 실수로 혼합되는 경우 화재 위험이 발생할 수 있다. 또한 앞서 언급한 접착제는 점도가 낮아서 안정성이 떨어지는 경우가 많다. 또한 이러한 접착제는 도포(apply)하기 어려울 수 있다. 앞서 언급한 접착제 중 일부는 연료 전지에 사용되는 촉매를 손상시킬 수 있는 촉매 독성 물질(예: 필러)을 함유하기도 한다. 앞서 언급한 접착제 중 일부는 최종 강도가 낮으며, 특히 응집력(cohesion) 및/또는 접착력(adhesion)이 불충분하다. 따라서 지금까지 사용된 접착제를 사용하려면 높은 공정 비용이 발생하거나 정확한 보관 온도 및/또는 처리 온도 유지, 일광 방지 등과 같은 정교한 공정 인프라가 필요할 수 있다.
원칙적으로 1C 에폭시 레진을 기반으로 한 접착제는 오랫동안 알려져 왔다. 1C 에폭시 레진을 사용하면 모든 성분이 도포 전에 이미 혼합되어 단일 용기에 담겨 있다. 실온에서 이 혼합물은 화학적으로 비활성 상태이거나 가교(cross-links)가 매우 느리게(잠재적으로) 이루어진다. 따라서 다른 구성 요소와의 혼합을 통해 활성화가 이루어지지 않는다. 오히려 활성화 에너지를 도입함으로써 활성화가 이루어진다. 활성화 에너지는 일반적으로 열적으로, 즉 열을 가함으로써 도입된다. 정확한 화학 성분에 따라 1C 에폭시 레진은 일반적으로 활성화 온도 이상으로 가열되어야 한다. 이 활성화 온도 이상에서는 일반적으로 발열 화학 반응이 시작되며, 이는 한편으로는 접착제의 경화와 다른 한편으로는 추가적인 열 에너지 방출로 이어진다.
지금까지는 1C 에폭시 레진을 기반으로 한 접착제가 가공성과 같은 특정 장점은 있지만 다른 특정 특성으로 인해 특정 용도에만 적합하다는 선입견이 있었다. 예를 들어, 이러한 접착제는 차량 구조에서 1mm 이상의 상당한 간격 너비에 걸쳐 부품을 본딩하는 데 사용된다. 이러한 본딩 공정에서는 일반적으로 본딩할 부품의 재질로 인해 일반적인 온도를 상대적으로 낮게 유지해야 하는데, 이는 일반적으로 발열 반응이 느린 기존 1C 에폭시 레진으로 보장될 수 있다. 일반적으로 접착제는 경화되는 데 비교적 오랜 시간이 걸리는 것이 일반적이다.
특히, 지금까지 1C 에폭시 레진을 기반으로 한 접착제는 바이폴라 플레이트를 형성하기 위해 모노폴라 플레이트를 본딩하는 데 적합하지 않거나 심지어 유리한 특성을 갖지 않는다고 가정해 왔다. 대신, 이러한 접착제의 일반적으로 느린 경화 속도는 바이폴라 플레이트 생산에 상당한 단점을 가지고 있다고 가정해 왔다.
이러한 선입견과는 달리, 1C 에폭시 레진을 기반으로 하는 접착제는 화학적 조성 및 그에 따른 물리적 특성이 적절하게 조정되고 공정 파라미터가 공정 중에 적절하게 조정되는 경우 모노폴라 플레이트 본딩에 사용하기에 전적으로 적합하고 심지어 유리할 수 있다는 것이 이제 인식되고 있다. 특히, 이러한 접착제는 이러한 본딩 공정에서 유리하게 사용될 수 있는 물리적 특성을 가지고 있기 때문에 흑연 함유 물질을 기반으로 하는 모노폴라 플레이트를 함께 본딩하는 데 매우 적합할 수 있다는 것이 인식되어 왔다.
특히, 1C 에폭시 레진의 화학 성분이 상대적으로 높은 온도에 견딜 수 있도록 조정될 수 있다는 것이 인식되었다. 이러한 고온에서 1C 에폭시 레진은 상대적으로 빠르게 반응하여 경화될 수 있다. 그러나 이전에는 1C 에폭시 레진을 과도하게 가열해서는 안 된다고 생각했는데, 그렇지 않을 경우 발생하는 더 강렬한 발열 반응으로 인해 일반적으로 레진 내에서 매우 빠른 온도 상승이 발생하여 기존 응용 분야에서 섭씨 수백 도의 온도에 도달하여 레진에 열 손상을 입힐 수 있기 때문이다.
그러나 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 여기에 설명된 모노폴라 플레이트의 본딩을 위한 용도에서 이러한 모노폴라 플레이트의 물리적 특성, 특히 열적 특성은 레진의 과도한 가열을 방지하기 위해 열에너지가 신속하게 소멸될 수 있다는 점에서 유리하게 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 손상 없이 최소 200°C의 한계 온도까지 견딜 수 있도록 조정된다. 또한, 1C 에폭시 레진은 본딩 과정에서 최소 200°C까지 가열된다.
사실 1C 에폭시 레진을 기반으로 한 접착제는 일반적으로 지금까지 고온을 견딜 수 있도록 설계되지 않았다. 대신, 기존 1C 에폭시 레진의 구성은 일반적으로 접착제의 다른 특성과 관련하여 최적화되어 있어 180°C 이하, 심지어 160°C 이하의 온도에서 열 손상으로 인해 레진이 분해되기 시작하는 경우가 많다. 그러나 이는 1C 에폭시 레진의 기존 적용 분야에서는 다른 이유로 인해 더 높은 온도를 피해야 했기 때문에 부차적인 문제일 수 있다.
그러나 본 명세서에서 설명한 대로 모노폴라 플레이트 본딩에 1C 에폭시 레진을 사용하는 경우, 특히 흑연 모노폴라 플레이트가 문제없이 고온을 견딜 수 있기 때문에 더 높은 온도도 허용될 수 있다.
따라서 1C 에폭시 레진의 조성을 변경하여 열적 열화 없이 고온을 견딜 수 있도록 하는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 특히, 레진의 조성은 손상 없이 한계 온도까지 견딜 수 있도록 조정되어야 한다. 이 한계 온도는 적어도 200°C 이상, 더 바람직하게는 적어도 210°C 또는 심지어 적어도 220°C 이상이어야 한다. 에폭시 레진의 내열성은 다양한 방식으로 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 사슬을 따라 방향족 또는 지방족 구조를 갖는 다양한 아민 경화제가 에폭시 레진의 온도 거동에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다. 방향족 아민은 고체 경화제로서 작용하고 녹기 때문에 잠복성이 높기 때문에 선호된다. 3차 아민, 루이스 산 및 염기, 디시안디아민, 폴리올(예: 페놀) 또는 디메틸아미노메틸페놀과 같은 촉매 및/또는 요소 및 이미다졸과 같은 촉진제의 사용도 에폭시 레진의 온도 거동에 영향을 미칠 수 있다.
본딩하는 동안, 1C 에폭시 레진은 적어도 200°C, 바람직하게는 적어도 210°C 또는 심지어 적어도 220°C의 온도로 가열될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 모노폴라 플레이트 중 하나 또는 바람직하게는 둘 다 적절하게 가열되어 이들 모노폴라 플레이트 사이의 레진이 간접적으로 가열될 수 있다. 이러한 가열은 레진을 활성화 온도 이상으로 끌어올려 경화로 이어지는 화학 반응을 유발할 수 있다. 이러한 화학 반응은 저온보다 고온에서 훨씬 빠르게 일어나기 때문에, 설명된 공정 온도 상승으로 인해 일반적으로 낮은 온도에서 기존의 1C 에폭시 레진을 경화할 때보다 경화 공정이 훨씬 더 빠르게 진행될 수 있다.
그러나 1C 에폭시 레진은 경화 중에 발열 반응이 일어나기 때문에 레진이 지나치게 뜨거워지지 않도록 주의해야 한다. 특히 1C 에폭시 레진 내부 온도가 돌이킬 수 없는 손상이 발생할 수 있는 한계 온도를 초과하지 않도록 주의해야 한다.
이를 위해, 보다 구체적인 실시 예에 따르면, 모노폴라 플레이트는 1C 에폭시 레진의 한계 온도보다 낮은 온도로 결합하는 동안 템퍼링될 수 있다.
다시 말해, 모노폴라 플레이트는 에폭시 레진을 활성화 온도 또는 그 이상으로 초기 가열하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 에폭시 레진으로부터 과도한 열 에너지를 방출하는 데에도 사용될 수 있다. 흑연 모노폴라 플레이트는 일반적으로 열전도율이 매우 우수하기 때문에, 특히 접착제 층의 두께가 200μm 미만, 바람직하게는 150μm 미만이고 적용되는 접착제의 양이 0.4g/m² 미만인 경우 인접한 1C 에폭시 레진에서 열 에너지를 빠르고 효율적으로 방출하는 데 사용될 수 있다. 특히, 모노폴라 플레이트는 그 온도와 인접한 에폭시 레진의 온도가 한계 온도 이하로 유지되고 따라서 에폭시 레진에 상당한 열 손상이 없는 방식으로 템퍼링 또는 냉각될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 적어도 200°C의 온도에서 1분 미만, 바람직하게는 30초 이내에 경화되도록 조정될 수 있다.
다시 말해, 1C 에폭시 레진의 조성은 한편으로는 상대적으로 높은 공정 온도를 견디고 다른 한편으로는 이러한 높은 공정 온도에서 매우 빠르게 경화되도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 내열성 1C 에폭시 레진은 220°C의 공정 온도에서 30초 이내 또는 단 20초 이내에 완전히 또는 대부분 경화될 수 있는 것으로 관찰되었다.
접착제로 사용되는 1C 에폭시 레진의 이러한 빠른 경화는 접착제를 빠르게 도포할 수 있을 뿐만 아니라 그 후에도 매우 빠르게 경화될 수 있기 때문에 흑연 바이폴라 플레이트의 산업 생산에 매우 유리하게 작용할 수 있다. 예를 들어 바이폴라 플레이트를 제조할 때 매우 빠른 사이클 타임을 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 적어도 50°C, 바람직하게는 적어도 70°C 또는 심지어 적어도 90°C의 활성화 온도를 갖도록 조정될 수 있다.
즉, 1C 에폭시 레진의 화학적 조성은 바이폴라 플레이트 제조 시 활성화 온도가 일반적인 주변 온도보다 훨씬 높도록 선택될 수 있다. 활성화 온도는 예를 들어 사용되는 경화제 또는 경화제의 유형에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 녹는점이 높은 방향족 아민은 일반적으로 반응 개시 온도도 높다. 잠복 촉매를 사용할 수도 있다. 예를 들어 이미다졸 계열의 경우 86°C에서 250°C까지 변화할 수 있다. 일반적으로 촉매/경화제는 용융 단계에 존재할 때만 화학적으로 활성화된다.
이는 1C 에폭시 레진이 상당한 경화 반응이 일어나지 않고도 상온에서 매우 오랫동안 보관할 수 있다는 것을 의미한다. 다시 말해, 1C 에폭시 레진의 가사시간(pot life)은 매우 길 수 있다. 예를 들어, 1C 에폭시 레진은 수 시간, 수 일 또는 수 주 동안 작업 가능한 상태를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어 경화 레진의 잔여물로 인해 레진을 도포하는 데 사용되는 도구의 오염이나 손상도 최소화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 적어도 100°C, 바람직하게는 적어도 110°C 또는 심지어 적어도 125°C의 유리 전이 온도를 갖도록 조정된다.
유리 전이 온도는 유리 변성 온도라고도 하며 고체 유리 또는 고체 폴리머가 고무성(rubbery)에서 점성 상태로 변하는 온도를 나타낸다. 바이폴라 플레이트에 사용되는 1C 에폭시 레진을 상대적으로 높은 유리 전이 온도를 갖도록 조정하면 모노폴라 플레이트를 함께 고정하는 접착제가 항상 충분히 강하게 유지되고 일반적으로 최대 90°C의 온도에서 연료 전지의 바이폴라 플레이트에서 종종 발생할 수 있는 고무 또는 점성 상태가 되지 않도록 보장할 수 있다. 이를 통해 본딩된 바이폴라 플레이트가 정상 작동 온도에서 항상 충분한 강도를 유지할 수 있다. 유리 전이 온도는 일반적으로 결합 밀도와 경화된 네트워크의 개별 결합 강도에 의해 크게 결정된다. 일반적으로 활성 결합이 많아 결합 강도가 높은 짧고 작은 분자가 선호된다. 따라서 여러 작용기를 가진 방향족은 일반적으로 높은 유리 전이 온도 Tg를 초래한다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 최소 5시간의 가사 시간 및/또는 0°C 내지 50°C 사이의 잠복기를 갖도록 조정된다.
상기 잠복기(latency)는 레진과 경화제 사이의 반응이 무시할 수 있을 정도로 느리다는 것을 의미한다. 일반적으로 이는 본질적으로 온도에 의해 결정된다. 잠복기는 특히 경화제와 촉매의 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 대체로 경화제/촉매의 녹는점이 높을수록 시스템의 잠복기가 길어진다. 그러나 개별 구성 요소의 결합력의 강도도 중요한 역할을 한다. 반응성 결합이 쉽게 열리면 분자는 화학적으로 더 활발하게 반응하고 더 빨리 반응한다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 접촉면 역할을 하는 모노폴라 플레이트의 표면에 국부적으로 도포된 다음 이 표면에서 자립적으로 안정된 상태를 유지하도록 조정된다.
다시 말해, 1C 에폭시 레진은 모노폴라 플레이트 중 하나의 결합 표면에 국부적으로 도포된 후 모노폴라 플레이트를 가로질러 측면으로 흐르지 않도록 유동성 또는 점도를 갖도록 조정된다. 대신 중력 이외의 다른 힘이 가해지지 않는다면 도포된 레진은 모양이 변하지 않아야 하며, 즉 표면에서 자립적으로 안정된 상태를 유지해야 한다. 따라서 모노폴라 플레이트와 그 위에 국부적으로 도포된 레진은 레진이 흘러내리지 않고 함께 움직일 수 있다. 특히, 모노폴라 플레이트는 예를 들어 레진이 국부적으로 도포되는 장치에서 모노폴라 플레이트가 다른 모노폴라 플레이트와 함께 프레스되는 장치로 이동될 수 있다. 1C 에폭시 레진의 유변학 및/또는 자체 지지 안정성은 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 점도는 필러(요변성제) 또는 희석제에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 이러한 희석제는 반응성이 있거나 화학적으로 불활성일 수 있으며 일반적으로 지방족 사슬을 가지고 있어 이동성이 매우 높다. 이 점에서 방향족 결합의 미끄러짐을 촉진하는 윤활유와 비슷하다.
특히, 일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 구조적으로 점성이 있도록 조정될 수 있다.
전단점도(shear thinning)라고도 하는 구조적 점도는 높은 전단력에서 점도가 감소하는 유체의 특성이다. 상기 설명하는 에폭시 레진과 관련하여, 구조적 점성이란 레진에 큰 전단력이 작용하지 않으면 레진이 높은 점도를 가지며 따라서 매우 안정적이라는 것을 의미한다. 따라서, 모노폴라 플레이트에 국부적으로 도포한 후 레진은 다른 모노폴라 플레이트와 함께 레진을 눌러서 레진에 강한 전단력이 작용할 때까지 레진은 거의 힘을 받지 않고 모노폴라 플레이트와 함께 움직일 수 있다. 이러한 강한 전단력으로 인해 레진은 일시적으로 더 얇아지고 모노폴라 플레이트의 표면을 가로질러 흐르며 두 모노폴라 플레이트 사이의 더 넓은 영역에 퍼질 수 있다.
1C 에폭시 레진은 디스펜서를 통해 모노폴라 플레이트의 접촉면 중 하나에 비드 형태로 국부적으로 도포될 수 있다. 그런 다음, 모노폴라 플레이트는 대향 접촉면과 함께 프레스될 수 있다.
다시 말해, 레진은 제2 모노폴라 플레이트에 본딩될 하나의 모노폴라 플레이트 표면 영역에서 디스펜서에 의해 국부적으로 도포될 수 있다. 디스펜서는 분무 장치와 유사한 방식으로 기능할 수 있으며, 도포된 레진은 바람직하게는 구조적으로 점성이 있는 특성으로 인해 분무 중에 상대적으로 유동성을 가지며, 힘을 가하지 않아도 표면에서 안정적으로 유지된다. 그러나 상기 "디스펜서"라는 용어는 광범위하게 해석되어야 하며 분무 장치에 국한되지 않고, 예를 들어 점성 유체를 표면에 국부적으로, 즉 점, 선 또는 영역에 국한하여 적용할 수 있는 모든 장치, 특히 인쇄 및/또는 도포 장치를 포함할 수 있다.
한쪽 또는 양쪽 모노폴라 플레이트의 접촉면에 레진을 도포한 후, 두 플레이트를 한데 모아 서로 밀착시킬 수 있다. 레진이 접촉면을 따라 퍼져 강력하게 본딩될 수 있다.
보다 구체적인 실시예에 따르면, 반대쪽 접촉 면을 갖는 모노폴라 플레이트는 이러한 방식으로 형성될 수 있고, 모노폴라 플레이트는 접촉 면들 사이에서 200μm 미만, 바람직하게는 150μm 미만 또는 100μm 미만 또는 심지어 60μm 미만의 간격 폭이 얻어지는 방식으로 함께 프레스될 수 있다.
즉, 두 개의 모노폴라 플레이트는 적어도 접촉면에서 서로를 보완하도록 구성될 수 있으므로, 모노폴라 플레이트를 함께 눌렀을 때 접촉면이 서로 매우 가깝게 놓이게 된다. 접촉면 사이의 직교 거리는 갭 폭에 해당하며 가능한 한 작아야 한다. 갭 폭이 200μm 미만이라는 것은 무엇보다도 두 모노폴라 플레이트 사이에 에폭시 레진이 소량만 존재하고 이 레진이 넓은 면적에 걸쳐 모노폴라 플레이트와 접촉하고 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 접촉 면적당 에폭시 레진의 질량은 0.4g/m² 미만으로 유지될 수 있다. 따라서 경화 중 레진에서 발생하는 열이 넓은 면적에 걸쳐 모노폴라 플레이트로 전달되고 모노폴라 플레이트를 통해 효율적으로 방출되어 과도한 온도 발생을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 직경이 50μm보다 큰 필러를 포함하지 않을 수 있다.
기존의 1C 에폭시 레진은 종종 레진의 유동 거동, 점도 및/또는 열 거동에 영향을 미치는 데 사용될 수 있는 작은 입자 또는 중공체 형태의 필러를 가지고 있다. 그러나 여기에 설명된 모노폴라 플레이트 본딩 용도의 경우, 1C 에폭시 레진의 일반적인 용도와 달리 매우 좁은 갭 폭을 목표로 하므로 필러가 없는 레진 또는 기껏해야 작은 직경의 필러를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 두 개의 모노폴라 플레이트를 본딩하는 경우와 그 과정에서 가해지는 힘에 의해 변형성을 나타내는 필러가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1C 에폭시 레진은 연료 전지 또는 플로우 배터리용 바이폴라 플레이트에서 사용될 때 고려해야 할 조건 또는 요건을 고려하기 위해 특정 구조적 및/또는 기능적 특성과 관련하여 특별히 조정될 수 있다. 특히, 1C 에폭시 레진은 연료 전지에 사용되는 촉매에 영향을 미치는 촉매 독이 실질적으로 없을 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 1C 에폭시 레진은 연료 전지에 사용되는 재료의 부식을 촉진하거나 막 분해를 촉진하는 물질을 실질적으로 함유하지 않을 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 1C 에폭시 레진은 연료 전지에서 양성자 전도성을 감소시키는 물질을 실질적으로 함유하지 않을 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 1C 에폭시 레진은 1.5mm보다 큰 확산 거리 및 25°C 내지 90°C 범위의 온도에서 적어도 0.003mol/s의 산소 투과성을 가질 수 있다. 또는 추가로, 1C 에폭시 레진은 0.5mM 황산, 글리산틴 및 탈이온수(95°C에서 1000시간 이상)에 대한 내성을 가질 수 있다.
연료 전지나 플로우 배터리에서 촉매는 일반적으로 연료 전지에서 일어나는 화학 반응을 지원하는 데 사용된다. 그러나 이러한 촉매의 효과는 촉매 독이라고 하는 다른 특정 물질에 의해 억제될 수 있다. 따라서 바이폴라 플레이트를 포함하여 연료 전지 또는 플로우 배터리의 어느 곳에서도 상당한 양의 촉매 독이 순환하지 않도록 하는 것이 중요할 수 있다. 상기 "촉매 독이 실질적으로 없는" 또는 "상당한 양의 촉매 독"은 1C 에폭시 레진 내의 촉매 독이 연료 전지 또는 플로우 배터리의 기능에 중대한 부정적인 영향을 미치지 않는 정도의 크기라는 의미로 이해될 수 있다. 유리 실록산, 프탈레이트, 아미드 또는 이와 유사한 물질과 같은 유기 물질은 연료 전지 또는 플로우 배터리에서 촉매 독으로 작용할 수 있다. 1C 에폭시 레진 내 각 물질의 농도는 가능하면 50ppm 미만, 바람직하게는 30ppm 미만이어야 한다. 반휘발성 유기 물질의 전체 농도는 바람직하게는 300ppm 미만, 더 바람직하게는 100ppm 미만이어야 한다. 알코올과 같은 휘발성 및/또는 가연성 유기 물질의 농도는 바람직하게는 10ppm 미만, 더욱 바람직하게는 5ppm 미만이어야 한다. 이러한 농도는 예를 들어, DCM/메탄올 추출(MSQS)을 사용한 가스 크로마토그래피/질량 분석법(GC/MS), EPA 8270D, TBC와 같은 측정 방법으로 측정할 수 있다. 염화물과 같은 음이온도 촉매 독으로 작용할 수 있다. 이러한 음이온의 함량은 10ppm 미만, 더 바람직하게는 5ppm 미만이어야 하며, 예를 들어 APHA 4110B, 용출물 전도도의 화학적 억제를 이용한 이온 크로마토그래피, NIOSH 6011, APHA 4110B와 같은 측정 방법으로 측정하는 것이 바람직하다.
또한 연료 전지 또는 플로우 배터리는 시간이 지남에 따라 내부에 제공되는 멤브레인의 부식이나 성능 저하로 인해 특성이 저하되는 것을 방지해야 한다. 따라서 1C 에폭시 레진은 이러한 측면에서 부정적인 영향을 미치는 물질이 포함되지 않도록 주의해야 한다. 예를 들어, 소위 펜톤 금속은 가능한 한 피해야 한다. 이러한 물질에는 예를 들어 철, 구리, 크롬, 니켈 및 티타늄이 포함된다. 레진에 함유된 이러한 물질의 농도는 가능한 한 30ppm 미만, 더 바람직하게는 10ppm 미만으로 유지되어야 하며, 예를 들어 ICP/AES, EPA 3050B와 같은 측정 방법을 사용하여 측정해야 한다.
연료 전지의 양성자 전도도 또한 높게 유지되어야 한다. 따라서 1C 에폭시 레진은 이러한 양성자 전도도를 낮추는 물질을 가능한 한 적게, 가능한 한 소량 함유해야 한다. 이러한 물질에는 알루미늄, 비소, 바륨, 비스무트, 카드뮴, 코발트, 리튬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 납, 안티몬, 셀레늄, 주석, 바나듐, 아연, 지르코늄, 칼슘, 나트륨 및 황 등이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 마지막으로 언급된 세 가지 물질을 제외하고, 이러한 각 물질은 가능하면 30ppm을 초과하지 않는 농도, 바람직하게는 10ppm을 초과하지 않는 농도로 레진에 존재해야 하며, 이러한 모든 물질의 전체 농도는 가능한 한 300ppm 이하, 바람직하게는 100ppm 이하로 유지되어야 한다(예: ICP/AES, EPA 3050B로 측정). 마지막으로 언급된 세 가지 물질은 각각 300ppm 이하, 더 바람직하게는 100ppm 이하의 농도로 존재해야 하며, 예를 들어 PRC 7100207, EPA 3050B로 측정해야 한다.
연료 전지 또는 플로우 배터리 내부의 다양한 화학 반응에 산소가 필요하고, 무엇보다도 산소가 바이폴라 플레이트를 통해 순환되어야 하므로 1C 에폭시 레진의 산소 투과성 또한 이러한 순환을 방해하지 않을 정도로 충분히 낮아야 한다. 특히, 산소는 에폭시 레진에 의해 생성되어 밀봉 역할을 하는 결합을 통과할 수 없거나 기껏해야 무시할 수 있을 정도로만 통과할 수 있어야 한다. 따라서 1C 에폭시 레진의 특성은 특히 산소의 통과와 관련하여 대부분 기밀성을 갖도록 조정되어야 한다. 이를 위해 에폭시 레진 내의 산소 투과성은 예를 들어 1.5mm보다 큰 거리에서 0.006mol/s 미만, 바람직하게는 0.003mol/s 미만이어야 한다. 이는 연료 전지 또는 플로우 배터리가 일반적으로 작동하는 온도 범위, 즉 예를 들어 25°C에서 90°C 사이의 온도 범위에서 적용되어야 한다.
또한 연료 전지 또는 플로우 배터리 내에서 1C 에폭시 레진은 황산, 글리산틴 및 탈이온수와 같이 일반적으로 존재하는 화학 물질과 접촉할 수 있으므로 일반적인 작동 온도에서 충분히 오랜 시간(예: 최소 500시간 또는 최소 1000시간) 동안 이러한 화학 물질에 대한 내성이 있어야 한다.
본 발명의 제2 양태에 따른 바이폴라 플레이트의 실시예는 본원에 기재된 제조 방법의 실시예를 사용하여 제조될 수 있다. 결과적으로, 이들의 모노폴라 플레이트 사이의 본딩에 사용되는 1C 에폭시 레진 접착제는 상기 방법 설명에서 설명한 바와 같은 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따른 에너지 저장 어셈블리는 본 명세서에 기술된 바이폴라 플레이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트는 스택을 형성하기 위해 적층될 수 있다. 바이폴라 플레이트 외에도, 전극, 멤브레인 등과 같은 추가 구성 요소 및/또는 전해질과 같은 추가 물질이 에너지 저장 어셈블리에 수용될 수 있다.
본 발명의 실시예의 가능한 특징 및 장점은 부분적으로 바이폴라 플레이트의 제조 방법에 대한 일반적인 참조와 부분적으로 그 방법에 따라 제조된 바이폴라 플레이트 및 그 방법에 사용되는 1C 에폭시 레진에 대한 참조로 본 명세서에 설명되어 있음에 유의한다. 당업자는 개별 실시예에 대해 설명된 특징들이 본 발명의 추가 실시예에 도달하기 위해 다른 실시예에 유사하고 적합한 방식으로 이전, 조정 및/또는 교환될 수 있고, 시너지 효과에 도달할 수 있음을 인식할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 더 설명되며, 도면이나 설명은 본 발명을 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방법 중 모노폴라 플레이트의 평면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법 중 모노폴라 플레이트를 통과한 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법 중 모노폴라 플레이트를 통과하는 또 다른 단면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지를 구비한 에너지 저장 어셈블리를 도시한 도면이다.
도면들은 개량적인 수치일 뿐 실제와 일치하지 않는다. 다른 도면에서 동일한 참조 기호는 동일하거나 동일하게 작동하는 기능을 나타낸다.
도 1은 연료 전지용 바이폴라 플레이트 생산에 사용되는 모노폴라 플레이트(3)의 표면(5)을 고도로 도식화한 평면도를 도시한다. 완성된 바이폴라 플레이트에서 표면(5)은 유사하거나 동일한 형상의 반대편에 있는 또 다른 모노폴라 플레이트와 마주하고 있다. 복수의 영역(13)이 표면(5)에 존재한다. 이러한 영역(13) 내에는, 예를 들어 표면(5)을 가로질러 연장되는 함몰부(명확성을 위해 도시되지 않음)의 형태로 채널과 같은 구조가 표면(5)에 제공된다. 좁은 선형 접촉면(7)은 각 영역(13)의 주변을 따라 또는 인접한 영역(13) 사이를 따라 이어진다. 각 영역(13)은 이 접촉면(7)의 영역에 의해 완전히 둘러싸여 있다.
도 2의 단면에 도시된 바와 같이, 바이폴라 플레이트(1)를 제조하는 방법에서는, 먼저 디스펜서(15)를 이용하여 접촉면(7)을 따라 모노폴라 플레이트(3)의 표면(5)에 1C 에폭시 레진(9)을 도포한다. 디스펜서(15)는 분무 장치와 유사한 설계일 수 있으며, 디스펜서(15)와 모노폴라 플레이트(3)를 모노폴라 플레이트(3)의 표면(5)과 평행한 방향으로 서로 상대적으로 이동시켜 접촉면(7)을 따라 비드(11) 형태로 1C 에폭시 레진(9)을 연속적으로 도포할 수 있다. 1C 에폭시 레진(9)은 비교적 단단하고 바람직하게는 구조적으로 점성이 있기 때문에, 비드(11)는 예를 들어 수 밀리미터의 제한된 폭과 예를 들어 0.5 이상의 높은 종횡비(폭에 대한 높이의 비율)로 도포될 수 있다. 1C 에폭시 레진(9)은 바람직하게는 충분히 자립적으로 안정하여, 1C 에폭시 레진(9)의 비드(11)가 도포 후 모노폴라 플레이트(3)의 표면(5)을 가로질러 측면으로 흐르지 않고, 그 형상, 특히 그 폭을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 에폭시 레진(9)이 제공된 모노폴라 플레이트(3)는 다른 모노폴라 플레이트(3)와 함께 적층된다. 그런 다음 스택은 열 프레스 장치(17)에 배치된다. 거기에서 양쪽에서 적층된 모노폴라 플레이트(3)에 압력을 가하여 서로를 누릅니다. 가해지는 힘, 특히 그 결과로 발생하는 전단력으로 인해 구조적으로 점성이 있는 1C 에폭시 레진이 표면(5)을 가로질러 흐르게 된다. 즉, 레진으로 덮인 접촉면(7)의 폭이 증가하면서 동시에 레진 층의 높이가 감소한다. 두 개의 모노폴라 플레이트(3)는 바람직하게는 잔여 갭 폭(s)이 150μm 미만, 예를 들어 50 μm 이하가 되도록 서로를 향해 프레스된다.
동시에 또는 이후에, 열 프레스 장치(17)는 두 개의 모노폴라 플레이트(3)를 예를 들어 200°C 이상의 높은 온도로 가열하는 데 사용된다. 일반적으로 90°C에서 130°C 사이의 온도에서, 이 경우에 사용되는 1C 에폭시 레진은 활성화 온도에 도달하여 그 안에서 발열 경화 반응이 일어나기 시작한다. 이 과정에서 방출되는 열 에너지는 가열 공정을 지원한다. 그러나, 열 프레스 장치(17)는 예를 들어 열적 특성 및/또는 능동적 온도 제어로 인해, 모노폴라 플레이트(3) 및 특히 이들 사이에 놓인 1C 에폭시 레진(9)이 너무 뜨거워지지 않도록, 즉 특히 1C 에폭시 레진이 손상될 수 있는 한계 온도보다 뜨거워지지 않도록 보장하는 방식으로 설계 및 작동된다. 열 프레스 장치(17)의 열적 특성에는 예를 들어 열 관성, 열 용량, 열 전도성 등이 포함된다. 열 프레스 장치(17)는 가열 어셈블리 외에도, 열 거동을 능동적으로 제어하거나 조절할 수 있도록 냉각 어셈블리 및/또는 센서를 포함할 수도 있다. 흑연 모노폴라 플레이트(3)의 일반적으로 매우 높은 열 전도성으로 인해, 경화 중 1C 에폭시 레진(9)에서 방출되는 열 에너지는 매우 효율적으로 소산될 수 있고, 따라서 과열을 방지할 수 있다.
경화 후, 1C 에폭시 레진(9)은 한편으로는 두 개의 모노폴라 패널(3)의 기계적으로 매우 탄력적인 결합을 보장한다. 다른 한편으로, 1C 에폭시 레진(9)은 각 영역(13) 주위에 일종의 밀봉을 형성한다.
본 명세서에 기술된 바와 같이 흑연 바이폴라 플레이트(1)를 제조하기 위한 목적으로 사용되는 1C 에폭시 레진(9)의 특성은 다양한 방식으로 이러한 목적에 맞게 특별히 조정된다. 예를 들어, 1C 에폭시 레진(9)은 적어도 200°C 이상의 고온을 손상 없이 견뎌야 하며, 이러한 높은 공정 온도에서 매우 빠르게 경화되어야 한다(예를 들어, 30초 이내에). 이러한 가속 경화 공정은 바이폴라 플레이트(1)의 생산에서 매우 빠른 제조, 즉 빠른 사이클 타임을 가능하게 한다. 또한, 1C 에폭시 레진(9)은 예를 들어 90°C 이상의 비교적 높은 활성화 온도를 가져야 하므로, 예를 들어 2주 이상의 매우 긴 시간 동안, 즉 상온에서 보관 및 처리될 수 있다. 또한, 1C 에폭시 레진(9)은 예를 들어 120°C 이상의 비교적 높은 유리 전이 온도를 가져야 하므로 연료 전지 내의 일반적인 작동 온도에서 견고하고 안정적으로 유지될 수 있다.
접착제, 특히 1C 에폭시 레진의 특성에 영향을 미치는 방법은 널리 알려져 있으며, 전문가들은 일반적으로 응용 분야와 관련된 경계 및 목표 조건을 알고 있다면 응용 분야에 적합한 접착제를 혼합할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 전문가들은 이 분야에 대한 광범위한 배경 지식을 가지고 있으며, 예를 들어 Edward M. Petrie의 교과서인 "에폭시 접착제 배합"(McGraw Hill Professional 발행, 2005, ISBN 0071589082, 9780071589086)과 Sina Ebnesajjad의 교과서인 "접착제 및 표면 처리 핸드북: 기술, 응용 및 제조"(플라스틱 디자인 라이브러리, 윌리엄 앤드류 발행, 2010, ISBN 1437744621, 9781437744620)에서 설명하는 바와 같이 이 분야에 대한 광범위한 배경 지식을 가지고 있다.
여러 가능성 중 하나로서, 본 명세서에 설명된 제조 방법에 사용될 수 있는 1C 에폭시 레진의 조성물이 아래에 제시되어 있다. 예시적인 에폭시 레진은 50 내지 60%의 레진 성분과 40 내지 50%의 필러로 구성된다. 레진 성분은 다음과 같이 구성될 수 있다:
- 평균 분자량 분포가 700을 초과하지 않는(즉, 평균 MW <= 700) 10 내지 30%의 에피클로로히드린 레진.
- 10-30 % 포름 알데히드, 1- 클로로, 2,3- 에폭시 프로플레이트 및 페놀과의 올리고머 반응 생성물.
- 5-10% 4,4'-이소프로필리덴디페놀, 1-클로로-2,3-에폭시프로플레이트와 올리고머 반응 생성물.
- 1-5% 4,4'-이소프로필리덴디페놀, 1-클로로-2,3-에폭시프로플레이트와의 올리고머 반응 생성물, [(디메틸-아미노)메틸]페놀 및 피페라진과의 반응 생성물.
필러는 95-100%의 규산마그네슘과 0-5%의 기타 금속 산화물로 구성될 수 있다.
여기에 설명된 방식으로 제조된 바이폴라 플레이트(1)는 예를 들어, 도 4에 대략 개략적으로 도시된 바와 같이, 에너지 저장 어셈블리(19)의 연료 전지(21)에 사용될 수 있다. 에너지 저장 어셈블리(19)로서 작용하는 연료 전지 시스템(23)의 셀 스택에서, 바이폴라 플레이트(1)에 의해 인접한 연료 전지(21)가 서로 분리되고, 서로 전기적으로 연결되고, 연료가 공급될 수 있다.
마지막으로, "갖는", "포함하는" 등과 같은 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, "하나(one)" 또는 "한(a)"과 같은 용어는 복수를 배제하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 또한, 상기 실시예 중 하나를 참조하여 설명된 특징 또는 단계는 상기 설명된 다른 실시예의 다른 특징 또는 단계와 조합하여 사용될 수도 있음에 유의해야 한다. 청구항의 참조 부호는 제한으로 간주되어서는 안 된다.
1: 바이폴라 플레이트
3: 모노폴라 플레이트
5: 모노폴라 플레이트의 표면
7: 모노폴라 플레이트의 접촉면
9: 1C 에폭시 레진
11: 비드
13: 영역
15: 디스펜서
17: 열 프레스 장치
19: 에너지 저장 어셈블리
21: 연료 전지
23: 연료 전지 시스템
s: 모노폴라 플레이트 사이의 간격 폭

Claims (15)

  1. 연료 전지(21) 또는 플로우 배터리용 흑연 바이폴라 플레이트(1)를 제조하는 방법에 있어서,
    한 쌍의 흑연 모노폴라 플레이트들(3)을 제공하는 단계; 및
    상기 모노폴라 플레이트들(3)의 대향 접촉면들(7)을 따라 상기 모노폴라 플레이트들(3)을 본딩하는 단계를 포함하고,
    1C 에폭시 레진(9)은 본딩에 사용되고,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 적어도 50°C의 활성화 온도를 가지도록 조정되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 손상 없이 적어도 200°C의 한계 온도까지 견디도록 조정되고,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 본딩 중에 적어도 200°C로 가열되는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모노폴라 플레이트들(3)은 본딩 중에 상기 1C 에폭시 레진(9)의 상기 한계 온도보다 낮은 온도로 템퍼링되는(tempered), 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 1분 이내에 적어도 200°C의 온도에서 경화되도록 조정되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진은 상기 활성화 온도 이상으로 가열되어 용융 단계에 있을 때만 화학적으로 활성화되는 경화제 및/또는 촉매를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 적어도 100°C의 유리 전이 온도(glass transition temperature)를 가지도록 조정되는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 적어도 5시간의 가사 시간(pot life) 및/또는 0°C 내지 50°C 사이의 잠복기(latency)를 가지도록 조정되는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)이 접촉면(7) 역할을 하는 상기 모노폴라 플레이트들(3)의 표면(5)에 국부적으로 도포된 다음, 상기 표면(5)에서 자립적으로 안정되게 유지되도록 조정되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 구조적으로 점성을 가지도록 조정되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 디스펜서(15)에 의해 상기 모노폴라 플레이트들(3)의 상기 접촉면들(7) 중 하나에 국부적으로 한정된 비드(bead)(11)로서 도포되고, 그런 다음 상기 모노폴라 플레이트(3)들은 상기 모노폴라 플레이트들의 대향 접촉면들(7)과 함께 프레스되는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모노폴라 플레이트들(3)은 이러한 방식으로 상기 모노폴라 플레이트들의 대향 접촉면들(7)과 함께 형성되고, 상기 모노폴라 플레이트들(3)은 상기 접촉면들(7) 사이에서 200μm 미만의 간격 폭이 얻어지는 방식으로 함께 프레스되는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 직경이 50μm보다 큰 필러가 없는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 상기 연료 전지(21) 또는 플로우 배터리에 사용되는 촉매들에 영향을 미치는 촉매 독들이 실질적으로 없고, 및/또는
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 상기 연료 전지(21) 또는 플로우 배터리에 사용되는 재료들의 부식을 촉진하거나 막(membrane) 분해를 촉진하는 물질들이 실질적으로 없고, 및/또는
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 상기 연료 전지(21) 또는 플로우 배터리에서 양성자 전도도를 감소시키는 물질들이 실질적으로 없고, 및/또는
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 1.5mm 이상의 확산 거리 및 25°C 내지 90°C 범위의 온도에서 적어도 0.003mol/s의 산소 투과성을 가지고, 및/또는
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 90°C에서 최소 500시간 동안 0.5mM 황산, 글리산틴 및 탈이온수에 대한 내성을 가지는, 방법.
  14. 연료 전지(21) 또는 플로우 배터리용 바이폴라 플레이트(1)에 있어서,
    대향 접촉면들(7)을 따라 1C 에폭시 레진(9)에 의해 본딩된 한 쌍의 흑연 모노폴라 플레이트(3)를 포함하고,
    상기 1C 에폭시 레진(9)은 적어도 50°C의 활성화 온도를 가지도록 조정되는, 바이폴라 플레이트(1).
  15. 에너지 저장 어셈블리(19)에 있어서,
    특히 제14항에 따른 바이폴라 플레이트(1)를 갖는 적어도 하나의 연료 전지(21) 또는 플로우 배터리를 포함하는, 에너지 저장 어셈블리(19).
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