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KR20080033485A - 가스 확산층 및 그의 제조 방법 - Google Patents

가스 확산층 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR20080033485A
KR20080033485A KR1020087005070A KR20087005070A KR20080033485A KR 20080033485 A KR20080033485 A KR 20080033485A KR 1020087005070 A KR1020087005070 A KR 1020087005070A KR 20087005070 A KR20087005070 A KR 20087005070A KR 20080033485 A KR20080033485 A KR 20080033485A
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ply
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아힘 보크
카림 잘라마
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칼 프로이덴베르크 카게
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Abstract

본 발명은 섬유(1)를 함유한 플라이(ply)(2)를 포함하는 가스 확산층에 관한 것이다. 상기 섬유(1)에는 부분적으로 코팅 재료(3)가 제공되고, 상기 섬유들은 접촉점들(4)에서 서로 접촉된다. 상기 플라이(2)는 외부와의 경계면들(5)을 포함한다. 최적의 전기 전도도를 보장하기 위해, 본 발명에 따른 가스 확산층은 상기 섬유들이 접촉점들 및/또는 경계면들에서는 코팅 재료를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 섬유(1)로부터 코팅재료(3)가 국부적으로 및 선택적으로 제거되는 단계를 포함하는 가스 확산층 제조 방법과도 관련된다.

Description

가스 확산층 및 그의 제조 방법{GAS DIFFUSION LAYER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 섬유를 함유한 층을 포함하는 가스 확산층에 관한 것으로, 상기 섬유에는 부분적으로 코팅 재료가 제공되고, 상기 섬유들은 접촉점들에서 서로 접촉되며, 상기 층은 외부와의 경계면들을 포함한다. 또한, 본 발명은 섬유를 함유한 플라이(ply)가 코팅 재료로 마감(finishing)되고, 상기 섬유들이 적어도 부분적으로 코팅 재료로 덮이는 가스 확산층 제조 방법과도 관련된다.
전술한 가스 확산층 및 그 제조 방법은 종래 기술로부터 이미 공지되어 있으며, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료 전지에서 사용되고 있다. 연료 전지의 효율을 위해, 가스 확산층이 얼마만큼의 전기 저항을 갖는지가 매우 중요하다.
가스 확산층에는 여러 가지 이유에서 코팅 재료가 제공된다. 그런데 상기 재료는 가스 확산층의 전기 전도 특성에 결정적인 영향을 미친다.
종래 기술로부터 공지된, 예컨대 부직포나 직물처럼 물리적으로 결합된 가스 확산층은 그러한 물리적 특성과 관련하여 종래 기술에 따른 코팅 이후에 상대적으로 높고 덜 최적화된 저항값을 갖는다.
따라서 본 발명의 과제는, 최적의 전기 전도 특성이 부여되도록 도입부에 언급한 방식의 가스 확산층을 형성 및 개선하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 1의 특징들을 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 접촉점들 및/또는 경계면들에서는 섬유들이 코팅 재료를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 가스 확산층이 제공된다.
본 발명을 통해 가장 먼저 확인된 사실은, 콘크리트 영역들(concrete areas), 즉 섬유들의 경계면들 및 접촉면들이 전기 전도성에 결정적인 영향을 미친다는 점이다. 이어서 제 2 단계에서는, 가스 확산층의 특정 영역이 코팅 재료를 선택적으로 포함하지 않음으로써 가스 확산층의 안정성 및 물리적/화학적 특성들이 단지 필요한 만큼만 변동되는 것이 확인되었다. 마지막으로, 코팅 재료의 선택적 및 국부적 부재(不在)가 규정된 저항값의 재현을 가능케 함이 확인되었다. 경계면들에서의 코팅 재료의 부재는 연료 전지 장치 내 인접 부품들과의 전기 접촉 저항의 감소를 야기한다. 이와 관련하여, 항상 최적의 전기 전도 특성을 보이는 가스 확산층이 제공된다.
결과적으로 도입부에 언급한 과제가 해결된다.
상기 과제는 또한 종속 청구항 2의 특징들에 의해 해결된다.
섬유의 접촉점들이 전반적으로 코팅 재료를 포함하지 않는 가스 확산층이 용융점, 연화점 또는 소결점과 같거나 더 높은 온도까지 가열되면, 코팅 재료가 접촉 지점들에 다시 합류될 수 있다. 그 결과, 전기 전도성이 다시 크게 악화되고, 전기 저항이 재차 현저히 증가한다.
전기 저항이란 플라이 간 전달 저항을 의미한다. 상기 플라이는 저항의 측정을 위해 적절한 전극들 사이에 배치될 수 있다. 가열에 의해 상기 전기 저항의 적어도 2배가 야기될 수 있다. 본 발명에 따른 가스 확산층이 가열 이전에 실온(T=20℃)에서 임의의 전기 저항을 가질 경우, 상기 전기 저항은 오직 코팅 재료의 용융점, 연화점 또는 소결점 이상까지의 가열에 의해서만 1회 증가할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 가스 확산층은 한 번의 가열 및 실온으로의 재냉각 이후에 훨씬 더 증가한 전기 저항을 갖는다.
구조상 매우 유리한 한 실시예에서는 상기 플라이가 전도성 섬유 시트(textile sheet)로서 형성될 수 있다. 이러한 구체적 형상은 이미 예비 경화된 반제품이 문제 없이 가공될 수 있도록 한다. 섬유 시트의 사용은, 가스 확산층이 확실한 탄성을 갖도록 그리고 예컨대 롤링 또는 변형이 가능하도록 한다.
상기 플라이는 탄소섬유를 포함할 수 있다. 탄소는 매우 유리한 전기 전도성을 특징으로 한다. 탄소는 또한 높은 강성, 높은 안정성 및 낮은 밀도를 갖기 때문에 가볍고 안정적인 플라이를 제조하기에 적합하다. 또한, 이러한 근거로 연료 전지 내에서 발생하는 반응물(reactant)이 전극들에 용이하게 접근할 수 있도록 하는 탄소섬유 종이 또는 탄소 부직포의 사용도 고려될 수 있다.
코팅 재료는 소수성 제제(hydrophobic agent)로서 형성될 수 있다. 예를 들면, 소수성으로의 형성시 연료 전지 내에서 발생하는 반응수가 가스 확산층의 구멍들을 폐쇄하여 가스 흐름을 방지하는데 방해가 된다는 점이 고려될 수 있다.
코팅 재료를 친수성 제제(hydrophilic agent)로서 형성하는 것도 고려될 수 있다. 이 경우, 가스 확산층의 건조 및 양자 전도성의 악화를 방지하기 위해 가스 확산층에 수분이 축적되는 것이 유리할 수 있다.
가스 확산층의 소수성 또는 친수성의 선택에 따라 가스 확산층을 통과하는 가스 흐름 또는 유체 흐름의 최적화, 가스 관리 및 물 관리가 최적화될 수 있다. 심지어 가스 확산층이 국부적으로 소수성 제제 및 친수성 제제를 동시에 구비하는 것도 고려될 수 있다.
코팅 재료는 결합제로서 작용할 수 있다. 이러한 구현은 플라이의 섬유들의 화학적 결합을 가능케 한다. 이 경우, 특히 코팅 재료 구조물을 통해 섬유들이 서로 결합될 수 있으며, 이때 섬유들이 접촉하는 교차점들에는 코팅 재료가 존재하지 않는다. 결합제는, 전기 전도성을 증가시키기 위해 및/또는 친수성 중심부 또는 소수성이 덜한 중심부를 제공하기 위해, 카본 블랙과 같은 첨가제를 함유할 수 있다.
가스 확산층은 열적, 화학적 또는 기계적 결합 메커니즘의 복합 작용에 의해 안정화될 수 있다. 상이한 결합 메커니즘의 결합은 가스 확산층의 상이한 물리적 및 화학적 특성들이 선택적으로 조정될 수 있게 한다.
코팅 재료는 0 내지 70부피%의 비율을 가질 수 있다. 코팅 재료의 백분율 선택에 따라 층의 탄성 및 기계적 특성이 모두 조정될 수 있다. 특히 코팅 재료의 백분율은 5 내지 20부피%인 것이 바람직할 수 있다. 상기 범위의 선택에 의해 가스 확산층은 만족스러운 소수성을 보이는 동시에 동등한 수준의 만족스러운 수분 보유능(water retention capacity)을 지닌다.
코팅 재료는 폴리테트라플루오르에틸렌을 함유할 수 있다. 폴리테트라플루오르에틸렌은 시중에서 쉽게 구할 수 있고, 그의 물리적/화학적 특성이 잘 연구되어 있기 때문에 소수성 제제로서 매우 적합하다. 또한, 폴리테트라플루오르에틸렌은 액체 내에서 잘 분산되도록 처리될 수 있다. 폴리테트라플루오르에틸렌 외에 예컨대 플루오로폴리에틸렌프로필렌(FEP)과 같은 다른 플루오르 중합체 및 플루오르 중합체들의 공중합체, 시레인 또는 가스 확산층에 잘 도포될 수 있는 다른 소수성 물질들도 사용될 수 있다. 플루오르 중합체들은 높은 열적 및 화학적 안정성을 특징으로 하는 소수성 물질들이다.
1개 이상의 경계면에 미세다공성 코팅층이 할당될 수 있다. 그 결과, 가스 확산층의 미세다공성 코팅층 위에 도포되거나 연료전지의 양자 전도성 막에 제공될 수 있는 촉매층으로의 더 나은 결합이 이루어진다. 미세다공성 코팅층은 원료 선택 및 프로세스가 적절한 경우 접촉점들의 영역에서의 코팅 재료 농축도에 영향을 미치지 않도록 도포될 수 있다.
가스 확산층은 플라즈마 처리 과정을 거칠 수도 있다. 플라즈마 처리는 기존의 구조물에 이온이나 분자가 선택적으로 결합되도록 할 수 있다. 그로 인해 가스 확산층의 액체 침투성이 영향을 받는다. 플라즈마 처리를 통해, 코팅 재료에 의해 제공된 소수성 및 친수성 영역들에 추가로 또 다른 소수성 및 친수성 영역이 제공될 수 있다.
도입부에 언급한 과제는 또한 청구항 12의 특징들을 가진 방법에 의해 해결된다. 청구항 12에 따른 가스 확산층의 제조 방법은, 섬유들로부터 국부적으로 및 선택적으로 코팅 재료가 제거되는 것을 특징으로 한다.
도입부에 언급한 과제는 또한 청구항 13의 특징들을 가진 방법에 의해서도 해결된다.
반복을 피하기 위해, 진보성과 관련해서는 가스 확산층의 실시예를 참고하기 바란다.
코팅 재료는 가압에 의해 제거될 수 있다. 정해진 방식으로 가스 확산층에 압력을 가하여 인접한 섬유들 사이의 코팅 재료가 빠져나오게 하는 장치를 통해 가스 확산층을 통과시키는 방법도 가능하다. 특히 플라이에 가해질 압력은 가스 확산층의 요구되는 전도도에 따라 선택될 수 있다. 이러한 방법을 통해 사전 설정 가능한 전도도를 가진 가스 확산층이 제조될 수 있다.
이러한 근거로, 코팅 재료는 상기 코팅 재료가 가스 확산층과 대기의 경계면에 달라붙지 않도록 하는 1개 이상의 첨가 물질을 함유하는 것도 가능하다. 이 경우, 코팅 재료는 바람직하게 플라이의 벌크 상(bulk phase) 내로 침투될 수 있다.
코팅 재료는 템퍼링 프로세스 전후 또는 프로세스 도중에 제거될 수 있다.
템퍼링 프로세스는 열가소성 코팅 재료의 경우 균일한 층의 생성을 위해 상기 재료가 균일하게 용융되도록 하며, 이는 소결 프로세스로도 알려져 있다. 소결 프로세스는 통상 코팅 재료의 소결 온도에서 실시된다.
열가소성 코팅 재료의 사용시 소결 프로세스 도중에 실시되는 제거는 매우 신속한 제조 프로세스를 가능케 하는데, 그 이유는 열가소성 코팅 재료가 용융된 상태에서 충분한 유동성(fluidity)을 갖기 때문이다. 상기 유동성은 접촉점들 사이의 코팅 재료의 제거를 가능케 한다.
하위 방법 단계에서 소결 프로세스 이후에 실시되는 제거는 소결 프로세스의 최적화를 가능케 하며, 이 경우 접촉점들 사이의 코팅 재료 농축도는 무시될 수 있다.
가교결합 코팅 재료의 사용시, 템퍼링 프로세스는 충분히 완전하고 균일한 가교결합 반응에 이용된다. 템퍼링 프로세스 이전의 제거는 가교 결합 반응 이전에 접촉점들에서 코팅 재료가 거의 완전히 제거될 수 있도록 한다.
코팅 재료를 사용한 플라이의 마무리(finishing)는 습식 또는 건식으로 실시될 수 있다. 건식 마무리(dry finishing)의 경우, 소결 프로세스 전에 건조 프로세스가 생략될 수 있다는 장점이 있다. 습식 마무리(wet finishing)는 섬유가 코팅 재료로 완전히 젖게 함으로써 섬유의 거의 완전한 피복이 보증될 수 있도록 한다. 그 결과, 물리적으로 매우 안정적이고 균일하게 형성된 가스 확산층이 구현될 수 있다.
본 발명의 이론을 바람직한 방식으로 구현하고 개선하는 방법에는 여러가지가 있다. 이와 관련하여, 종속 청구항들을 참고하거나, 하기에 개시될 도면을 토대로 한 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 참고하기 바란다. 도면을 토대로 한 본 발명의 바람직한 실시예의 설명과 관련하여 상기 이론의 일반적으로 바람직한 구현 및 개선에 대해서도 설명할 것이다.
도면은 본 발명에 따른 가스 확산층의 개략도이다.
도면에는 평평한 플라이(2)를 가진 가스 확산층의 개략도가 도시되어 있다. 섹션 A는 상기 플라이(2)를 확대한 모습이다. 상기 플라이(2)는 부분적으로 코팅 재료(3)가 제공된 섬유들(1)을 포함하는데, 상기 섬유들(1)은 접촉점들(4)에서 서로 접하며, 상기 플라이(2)는 외부를 향하는 경계면(5)을 갖는다. 상기 접촉점들(4) 및/또는 경계면들(5)에서는 섬유(1)에 코팅 재료(3)가 제공되지 않는다.
플라이(2)는 전도성 섬유 시트로서 형성되고, 탄소섬유를 포함한다. 코팅 재료(3)는 소수성 제제로서 형성된다. 코팅 재료(3)로서 폴리테트라플루오르에틸렌이 사용된다.
본 발명에 따른 이론의 또 다른 바람직한 구현 및 개선과 관련해서는 상세한 설명 및 첨부된 청구의 범위를 참조하기 바란다.
마지막으로 강조되어야 할 점은, 앞에서 순전히 임의로 선택된 실시예는 오직 본 발명에 따른 이론을 논의하기 위해 사용될 뿐, 본 발명에 따른 이론이 상기 실시예로 제한되지는 않는다는 것이다.

Claims (16)

  1. 섬유(1)를 함유한 플라이(ply)(2)를 포함하는 가스 확산층으로서, 상기 섬유(1)에는 부분적으로 코팅 재료(3)가 제공되고, 상기 섬유들(1)은 접촉점들(4)에서 서로 접촉되며, 상기 플라이(2)는 외부와의 경계면들(5)을 포함하는, 가스 확산층에 있어서,
    상기 섬유들(1)이 접촉점들(4) 및/또는 경계면들(5)에서는 코팅 재료(3)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  2. 섬유(1)를 함유한 플라이(2)를 포함하는 가스 확산층으로서, 상기 섬유(1)에는 부분적으로 코팅 재료(3)가 제공되고, 상기 섬유들(1)은 접촉점들(4)에서 서로 접촉되며, 상기 플라이(2)는 외부와의 경계면들(5)을 포함하는, 가스 확산층에 있어서,
    상기 가스 확산층이 상기 코팅 재료(3)의 용융점 이상으로 한 번 가열됨으로써 실온에서의 전기 저항이 상승할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 플라이(2)가 전도성 섬유 시트(textile sheet)로서 형성된 것을 특징으 로 하는,
    가스 확산층.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라이(2)가 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 재료(3)가 소수성 제제(hydrophobic agent)를 함유한 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 재료(3)가 친수성 제제(hydrophilic agent)를 함유한 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 재료(3)가 결합제로서 작용하는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    0 내지 70 부피%의 코팅 재료(3)가 사용되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    0 내지 70 부피%의 코팅 재료(3)가 사용되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    1개 이상의 경계면(5)에 미세다공성 코팅층이 할당되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마 처리 과정을 거친 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 가스 확산층을 제조하기 위한 방법으로서, 섬유들(1)을 포함하는 플라이(2)에 코팅 재료(3)가 제공되고, 상기 섬유들(1)이 적어도 부분적으로 코팅 재료로 덮이는, 가스 확산층 제조 방법에 있어서,
    상기 코팅 재료(1)가 섬유들(1)로부터 국부적으로 및 선택적으로 제거되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층 제조 방법.
  13. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 가스 확산층을 제조하기 위한 방법으로서, 섬유들(1)을 포함하는 플라이(2)에 코팅 재료(3)가 제공되고, 상기 섬유들(1)이 적어도 부분적으로 코팅 재료로 덮이는, 가스 확산층 제조 방법에 있어서,
    실온에서의 상기 가스 확산층의 전기 저항은 상기 가스 확산층을 코팅 재료(3)의 용융점 이상으로 가열함으로써 1회 증가하는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층 제조 방법.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 코팅 재료(3)가 가압에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층 제조 방법.
  15. 제 12항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 재료(3)는 템퍼링 프로세스 전후 또는 프로세스 도중에 제거되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층 제조 방법.
  16. 제 12항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라이(2)가 습식 또는 건식 방법으로 코팅 재료(3)로 마무리(finishing)되는 것을 특징으로 하는,
    가스 확산층 제조 방법.
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