KR20120049223A - 연료 전지내 쌍극판 상의 용액계 나노구조 탄소 재료(ｎｃｍ) 코팅 - Google Patents

연료 전지내 쌍극판 상의 용액계 나노구조 탄소 재료(ｎｃｍ) 코팅 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 연료 가스 및 수증기의 도입을 위한 제1 표면 및 산소 함유 가스의 도입을 위한 제2 표면을 갖는 유로판을 포함하는 연료전지용 쌍극판에 관한 것으로, 제1 및/또는 제2 표면의 적어도 일부 상에는 나노구조 탄소 재료(NCM) 코팅이 증착되고, 상기 코팅의 두께는 1 nm 내지 5 ㎛이다.

Description

연료 전지내 쌍극판 상의 용액계 나노구조 탄소 재료(ＮＣＭ) 코팅{SOLUTION BASED NANOSTRUCTURED CARBON MATERIALS (NCM) COATINGS ON BIPOLAR PLATES IN FUEL CELLS}
참고문헌 포함
본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 공보는 본 명세서에 개시된 본 발명의 날짜에 당업자에게 공지된 기술 상태를 더 완전히 개시하기 위하여 그 전문이 참고로 본원에 포함된다.
관련 출원 정보
본 출원은 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된 2009년 6월 9일자 미국 특허 출원 61/185,491호를 우선권 주장한다.
개시된 기술은 연료 전지, 특히 양성자 막 교환(PEM) 연료 전지 분야에 속한다.
본 개시 내용의 주제는 연료 전지의 제작에 사용되는 주요 부품 중 하나로서 기능하는 배선판으로서도 공지된 쌍극판으로서 공지된 부품에 관한 것이다.
더 구체적으로, 본 개시 내용의 주제는 보호 코팅이 부식 및 막 교환 막(PEM)의 이온 오염에 대한 방벽으로서 기능하는 금속, 플라스틱 또는 복합재 쌍극판용 보호 코팅에 관한 것이다.
연료로서 수소를 사용하는 일반적인 PEM 연료 전지의 개략도가 도 1에 단면도(도 1A) 및 분해도(도 1B)로 도시된다. PEM 연료 전지는 일반적으로 반복 유닛 또는 각각 개별적 부품으로 제조되는 단전지(110)의 스택(100)으로 이루어진다. 상기 전지(110)는 수소 연료 가스 및 수증기를 위한 입구/출구(I/O) 측(120a), 다공성 애노드(130), 중합체 전해질 막(140), 다공성 캐소드(150), 및 유로판(120)의 산소/공기 입구/출구 측(120b)을 포함하는 쌍극 유로판(120)으로 이루어진다. 연료용 I/O 흐름 패턴(애노드측) 및 산소/공기 입구/출구를 위한 I/O 패턴(캐소드측)이 대향측에 각인 또는 엠보싱된 단일판을 PEM 연료 전지에서 "쌍극판"이라 부른다.
애노드측에서 쌍극 유로판(120)의 유로(165)로 도입되는 연료 수소 가스(160)는 애노드에서 촉매 표면에서 양성자 및 전자로 이온화된다. 양성자는 양성자 교환 막(140)을 통해 운반되어 캐소드(150)에 도달한다. 애노드에서 나온 전자는 외부 로드를 통해 이동하여 캐소드에 도달하고, 여기서 이것은 쌍극판의 캐소드측에서 흐름 채널(175)을 통해 산화제로 공급되는 산소/공기(170)와 반응하여 산화물 음이온을 형성한다. 캐소드에 도달하는 양성자는 캐소드에서 발생되는 산소 이온과 반응하여 물을 형성한다.
종래의 쌍극 유로판의 개략도가 도 2에 도시된다. 쌍극판(200)은 연료 가스 및 수분(210)의 입구 포트 및 미사용 가스(230)의 출구 포트로 이루어진다. 가스는 최대 접촉을 위해 전극 표면에 걸쳐 가스의 균일한 흐름을 유도하기 위하여 판에 각인 또는 엠보싱된 흐름 채널(220)을 통과한다. 흐름 채널 경로는 다양한 유형일 수 있으며, 서펜틴 경로 및 평행 유로가 가장 보편적이다. 입구 가스용의 일반적인 서펜틴 흐름 채널 경로(220)가 또한 도 2A에 도시된다. 도 2B는 유로의 확대도이다. 캐소드를 지나서 산화제 가스의 통과를 위한 비슷한 유로(비도시)가 유로판의 반대면에 있다. 연료 전지에서, 쌍극 유로판은 각각 연료 가스 및 산화제 가스 용으로 양측에 각인된 가스 입구 채널이 그 각각의 전극과 접촉하도록 스택된다.
PEM 연료 전지에서 일어나는 공정의 복잡성으로 인하여, 쌍극판은
(a) 각 전극 영역에 걸쳐 별도로 균일하게 연료 및 산화제의 분포;
(b) 막 교환 어셈블리에 대한 기계적 지지체의 제공;
(c) 전자 운반;
(d) 가스 및 냉각액을 위한 내부 매니폴드의 수용;
(e) 스택 밀봉 응력 취급; 및
(f) 전지내 열관리
를 포함하는 연료 전지에서의 몇가지 중요 기능을 충족한다.
쌍극 유로판은 애노드 및 캐소드 측에서 전자 전도체로서 기능한다. 이것은 쌍극 유로판이 우수한 수직 전자 전도성을 가지나, 이것을 통한 이온 전도성 및 가스 투과성은 없을 것을 요한다. 연료 전지에서 쌍극판의 기능 요건에 부합하기 위하여 필요한 재료 특성 중 일부는 (a) 높은 전기 및 열 전도성 (b) 낮은 수소 침투성 (c) 높은 기계적 응력 (d) 낮은 밀도 및 (e) 저비용에서 용이한 제조능이다.
쌍극판은 다양한 재료 및 방법으로부터, 가장 흔하게는 기계가공된 흑연의 고체 블록으로부터 제조되어 왔다. 대부분 스테인레스 스틸로 이루어지는 기계가공된 금속판도 또한 종래 기술에서 공지이다. 다른 유형의 유로판은 충전된 중합체 복합 재료이다.
이들 방법 각각은 어떤 이점을 가지나 하나 또는 다른 중요한 요건에 있어 주요한 난관에 직면한다. 예컨대, 흑연 쌍극판은 업계에서 고려되는 기술이나, 가공 비용이 크고 기계 강도가 부족하다. 금속은 우수한 전도체이고 재료 비용이 낮은 반면 공격적인 산화환원 환경에서 요구되는 내식성을 갖지 않는다. 충전 중합체 복합재는 중요한 수직 전도성 요건 또는 가스 침투성 요건에 부합하지 않는다.
복합재 유형들 중에서, 열가소성 중합체내 압축 성형 흑연 입자는 상세히 조사되었다. 상기 공정은 흑연 및 열가소성 입자를 혼합하고 이것을 재료가 서로 혼합되어 주형으로 흐를 때까지 압력 하에 중합체의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 가열하는 것을 포함한다. 이 방법에 의하여 청구되는 주요 이점은 더 높은 부피 분율의 충전제를 로딩함으로써 전기 전도성을 증가시키는 능력이다. 그러나, 이 방법은 주형의 냉각 사이클에 의하여 제한되는 느린 생산 사이클이 두드러진다.
탄소-탄소 복합재는 또한 쌍극판에 적당한 재료이다. 단순 흑연-탄소 복합재 시스템은 더 낮은 접촉 저항, 높은 내식성 및 용이한 가공성의 이점이 두드러진다. 그러나, 이것은 개선의 여지가 많은 불량한 대량 전기 전도성, 분말에 대한 낮은 부피 밀도 및 가스 투과 속도에 의하여 제한된다. 3성분 탄소-중합체-금속 시스템과 같은 더 복잡한 시스템은 더 양호한 성능을 제공할 수 있으나 제조 비용이 비싸다.
쌍극판 재료로서 알루미늄, 티탄, 니켈 또는 스테인레스 스틸과 같은 합금과 같은 금속은 더 양호한 기계적 특성, 더 높은 전기 전도성, 더 낮은 가스 침투성 및 낮은 제조 비용으로 인하여 유리하다. 그러나, 금속은 표면에서 일어나는 전기화학적 공정에 있어서 다음과 같은 두가지 심각한 제한이 있다: (a) PEM 연료 전지 환경에서 비전도성 표면 산화물 (부식성)의 형성은 PEM 연료 전지 시스템의 효율을 실질적으로 낮추는 높은 접촉 저항을 유도하고, (b) 합금으로부터의 금속 양이온의 용해 및 이어서 이것으로 인한 막 전극 어셈블리 (예컨대, 애노드, 세퍼레이터 및 캐소드 어셈블리)의 오염이 실질적인 시스템 실패를 유발한다.
부식 문제를 해결하기 위하여 인식된 방법은 부식에 대하여 방벽을 형성하며 동시에 금속 쌍극판의 유리한 특성을 감소시키지 않는 재료로 금속 쌍극판의 표면을 코팅하는 것이었다. 스테인레스 스틸판 표면을 포함하여 금속판에서 테스트된 일부 유망한 부식 방벽 코팅은 질화크롬(CrN) 및 질화티탄(TiN)을 포함한다. 그러나, 이러한 접근법에 필요한 비취약성 CrN 상의 형성을 보장하기 위하여 요구되는 높은 진공 조건 및 높은 온도(약 900℃)는 그 규모 및 따라서 이 접근법의 저비용 가공능을 제한한다. 또한, 방벽층으로부터 금속 이온의 존재는 방벽층을 통한 막 전극 어셈블리로의 확산 오염 가능성을 남긴다.
탄소 나노튜브(CNT)는 흑연(그래핀)의 단일 시트로부터 형성되는 이음매 없는 튜브이다. CNT는 그 독특한 전자적 구조에서 기인하는 그 우수한 전기적, 기계적 및 열적 특성 때문에 잘 알려져 있다.
탄소 나노튜브는 금속 쌍극판의 코팅을 위해 사용되어 왔다. CNT를 화학 증기 증착법에 의하여 증착하여, PEM 연료 전지에서 더 양호한 물관리 특성을 위해 쌍극판을 친수성으로 만든다. 큰 면적 금속 기판에서 화학 증기 증착에 의한 탄소 나노튜브의 무결함 층의 성장은 실제로 사용되기에는 매우 고가이다.
개요
쌍극판에서 내식 코팅을 달성하기 위한 비용 효과적이고 효율적인 방법이 개시된다.
쌍극판 상에 나노구조 탄소 코팅을 형성하기 위한 비용 효과적인 저온 방법은 물을 비롯한 통상적인 공업용 용매 중 나노구조 탄소 재료의 안정한 분산물로부터의 증착을 포함한다. 상기 분산물은 분무 코팅, 딥 코팅 또는 스퀴즈 코팅과 같은 비용 효과적이고 잘 정립된 공업적 코팅법과 양립될 수 있다.
한 양태에서, 연료 전지는 수소 연료 가스 및 수증기의 도입을 위한 제1 유로판, 다공성 애노드, 전해질, 캐소드 및 산소 함유 가스의 도입을 위한 제2 유로판을 포함하고, 상기 제1 및/또는 제2 유로판의 적어도 일부 상에는 나노구조 탄소 재료(NCM) 코팅이 증착되며, 상기 코팅의 두께는 1 nm 내지 5 μm, 또는 예컨대 100 nm 내지 200 nm이다.
하나 이상의 구현예에서, 상기 코팅은 용액 증착된다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 코팅은 유로판의 표면에 대하여 실질적으로 등각이다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 나노구조 탄소 재료는 종횡비를 갖는 탄소 재료이며 상기 종횡비를 갖는 탄소 재료는 제1 또는 제2 유로판과 실질적으로 평면으로 배향된다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 나노구조 탄소 재료는 탄소 나노튜브, 종횡비를 갖는 탄소 입자, 무구조 무정질 탄소, 박락형 흑연, 그래핀 중 하나 이상 또는 상기 하나 이상의 조합을 포함한다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 나노구조 탄소 재료는 무구조 무정질 탄소, 박락형 흑연 시트 또는 그래핀 중 하나 이상 및 탄소 나노튜브를 포함한다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 탄소 나노튜브는 NCM 코팅의 일부로서 평면 배향을 가지며 탄소 나노튜브 화학 증기 증착이 코팅된 금속 쌍극판에 대하여 수직으로 배향되는 탄소 나노튜브의 CVD 성장 숲에 비하여 탄소 나노튜브 사이에 강한 π-π 상호작용을 갖는다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, NCM 코팅은 수직 성장된 CNT 숲에 의하여 제공되는 코팅의 수평 전도성에 비하여 NCM 코팅의 수평 전도성을 증가시키는 용액 증착 CNT의 강한 중첩 및 평면 배향을 갖는다.
하나 이상의 구현예에서, 평면 배향된 탄소 나노튜브는 금속 쌍극판에 대하여 수직 배향된 탄소 부위에서 pz 오비탈을 이탈하는 금속 쌍극판에 대하여 수평으로 정렬된 sp2 혼성 탄소 나노튜브의 6방정계 탄소 격자를 갖는다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 코팅은 NCM-탄소 복합재 층이고, 예컨대 제1 및 제2 유로판 모두 NCM 코팅을 포함한다.
한 양태에서, 탄소층 증착 방법은, 담체액내 나노구조 탄소 재료(NCM)의 분산물로부터 기판에 NCM의 층을 도포하는 단계, 기판에 탄소 형성 중합체를 도포하는 단계로서, 여기서 NCM 및 중합체를 포함하는 층이 수득되는 단계, 및 중합체를 전도성 탄소상으로 전환시키는 조건하에서 NCM 및 중합체 함유 층을 가열하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, 탄소 형성 중합체는 용액으로부터 도포된다.
하나 이상의 구현예에서, 탄소 형성 중합체는 분산액으로서 도포되며, 예컨대 NCM 재료의 분산액에 포함된다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 탄소 형성 중합체는 용액이다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 탄소 형성 중합체는 분산된다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 상기 가열 조건은 약 1?100 부피%의 불활성 가스와 나머지 부피량의 산화 가스의 혼합을 포함하는 분위기를 포함하며, 예컨대 상기 조건은 약 100?700℃ 범위 내의 온도를 포함한다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 상기 방법은 표면 제조 또는 컨디셔닝의 일부로서 산성 매질 또는 염기성 매질내에서 선택된 전압 및 전류 범위를 통한 NCM 코팅판의 전기화학적 사이클링을 포함한다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, NCM 분산물은 계면활성제 또는 농조화제를 더 포함한다.
상기 기재된 구현예 중 어느 하나에서, 기판은 연료 전지에 사용하기 위한 유로판이다.
한 양태에서, 연료 전지용 쌍극판은 수소 연료 가스 및 수증기의 도입을 위한 제1 표면 및 산소 함유 가스의 도입을 위한 제2 표면을 갖는 유로판을 포함하며, 여기서 상기 제1 및/또는 제2 표면의 적어도 일부 상에는 나노구조 탄소 재료(NCM) 코팅이 증착되고, 상기 코팅의 두께는 1 nm 내지 5 μm, 예컨대 약 100 nm 내지 약 200 nm이다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 예시의 목적으로만 제공되고 제한의 의도가 아닌 이하의 도면을 참조로 하여 개시된다.
도 1은 일반적인 PEM 연료 전지 스택의 단면을 (A) 단면도 및 (B) 분해도로 도시한 개략도이다.
도 2는 서펜틴형 가스 유로를 (A) 평면도 및 (B) 분해도로 도시한 쌍극판 표면의 개략도이다.
도 3(A)는 서펜틴형 가스 유로를 나타내는 NCM 코팅(300)으로 코팅된 쌍극판 표면의 개략도이고; 3(B)는 가스 흐름 채널 및 NCM 코팅 (코팅 및 판의 코팅 두께는 상대적이 아님)을 확대한 판의 단면의 개략도이며; 3(C)는 하나 이상의 구현예에 따른 단일벽 탄소 나노튜브 네트워크의 일반적인 치밀 코팅의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4(A)는 현탁액으로부터 탄소 나노튜브 치밀 네트워크로 코팅된 평행한 유로를 구비한 18 제곱인치 활성 면적의 시판되는 스테인레스 스틸 쌍극판의 현미경 사진이고; 4(B)는 저배율에서 판 표면의 주사 전자 현미경 사진이며; 4(C)는 고배율에서의 주사 전사 현미경 사진이다.
도 5는 CNT 코팅 금속 판 및 대조군의 개방 전지 전위를 측정하기 위해 사용되는 실험 전지의 개략도이다.
도 6은 CNT 코팅 스테인레스 스틸 금속 조각 및 상응하는 코팅 없는 대조군 샘플의 개방 전지 전위의 변화 선도를 도시한 것이다.
도 7은 1A (70 mA/cm2)의 부하 전류에서 가변 AC 변조 진폭하에 코팅판을 사용하여 애노드에 H2를 공급하고 캐소드에 O2를 공급하는 150℃에서 14.28 cm2 활성 면적 BASF Celtec P1000 막/전극 어셈블리의 나이키스트 선도(Nyquist plot)이다.
도 8은 상이한 부하 전류에서 임피던스 변화를 나타내는 코팅판을 구비한 고온 PEM (HTPEM) 연료 전지의 나이키스트 선도이다.
도 9는 차단 전극으로서 작동될 때 다양한 AC 변조 진폭에서 임피던스의 변화를 나타내는 코팅판을 구비한 HTPEM 연료 전지의 나이키스트 선도를 도시한다.
도 10은 차단 전극으로서 작동될 때의 코팅 및 비코팅 쌍극판을 구비한 HTPEM 연료 전지의 임피던스를 나타낸다.
도 11은 차단 전극으로서 작동될 때의 코팅 및 비코팅 쌍극판을 구비한 HTPEM 연료 전지의 임피던스를 나타낸다.
상세한 설명
본 개시는 용액으로부터 증착된 나노구조 탄소 재료(NCM)의 초박형 치밀 코팅을 제공하여, 예컨대 PEM 연료 전지에서 사용하기 위한 쌍극판에 방식층을 제공한다. 연료 전지의 유형에 제한되지 않고, 본 명세서는 예컨대 양성자 전도 매질로서 중합체 전해질 막을 사용하는 연료 전지에 초점을 맞춘다. 도 3A-C는 하나 이상의 구현예에 따른 NCM을 갖는 흐름 전지의 예시이다. NCM 코팅(310)으로 코팅된 쌍극판 표면(300)의 개략도는 예로서 서펜틴형 가스 유로를 도시한다. 입구 가스용 흐름 채널로(320)의 비평면 표면을 포함하는 전체 표면 (또는 실질적으로 전체 표면)은 NCM의 초박형 치밀 네트워크(310)로 코팅된다. 상기 판은 연료 전지의 캐소드측에서 유로(320) (및 애노드측에서 유사한 유로(330))를 규정한다. 쌍극판은 연료 전지 온도를 제어하기 위한 냉각액으로 채워진 냉각 채널과 같은 다른 특징들을 포함할 수 있다. 도 3B는 가스 흐름 채널 및 NCM 코팅을 확대한 판의 단면도를 제공한다. 상기 판 및 코팅의 코팅 두께는 상대적이지 않다. 도 3C는 예로서 도시된 사파이어 기판에 증착된 단일벽 탄소 나노튜브 네트워크의 일반적인 치밀 코팅의 주사 전자 현미경 사진이다. NCM 코팅은 코팅에 미세 규모의 공극 없이 실질적으로 완전한 피복률을 제공한다.
쌍극판은 적당한 전자 전도성 재료로 제조된다. 하나 이상의 구현예에서, 쌍극판은 금속으로 제조되고, 철, 코발트, 니켈, 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 합금으로 임의의 형상으로 제조될 수 있다. 이것은 예컨대 단일 시트로부터 몰딩 또는 스탬핑으로 형성되거나 또는 판의 한쪽을 함침하여 스탬핑되고 함께 용접될 수 있다. 쌍극판은 또한 중합체, 플라스틱 또는 보강 플라스틱 복합재로 제조될 수 있다.
쌍극판의 두께는 1 인치의 천분의 일(mil) 내지 수십 mil의 범위일 수 있다. 금속 쌍극판에서 가스 및 유체 흐름 패턴은 엠보싱, 스탬핑, 각인되거나 또는 또는 화학적으로 에칭될 수 있다. 플라스틱 또는 플라스틱 복합재의 경우 쌍극판은 압축 또는 사출 성형될 수 있다.
NCM은 전자 전도성 탄소 재료를 포함한다. 특정 구현예에서, NCM은 촉매 금속 잔기 수준이 낮은 정제된(99% 초과의 탄소 함량), 반정제된(60?99% 탄소 함량) 또는 비정제된(60% 미만의 탄소 함량) 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브와 같은 종횡비를 갖는 탄소 입자를 포함한다. 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)는 튜브의 직경 및 헬리시티를 나타내는 6방정계 탄소 격자에서의 지수 (n, m) 세트에 의하여 정해지는 롤업 벡터로 그래핀 시트를 롤업함으로써 형성된다. 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)는 2 이상의 튜브를 서로 동심원으로 내포함으로써 형성되는 구조이다. 종횡비를 갖는 탄소 입자 외에, NCM은 또한 무구조 무정질 탄소, 박락형 흑연 시트, 그래핀 또는 상기 중 하나 이상의 조합을 포함한다.
NCM 코팅의 부분으로서 탄소 나노튜브는 코팅된 금속 쌍극판 표면에 대하여 수직으로 배향되는 CVD 성장된 탄소 나노튜브 숲에 비하여 탄소 나노튜브 사이에 강한 π-π 상호결합 및 평면 배향을 갖는다. 또한, 이러한 CVD 증착 나노튜브는 적절한 촉매로 코팅된 금속 표면에 한정된다.
용액 증착 CNT의 수평 배향 및 강한 중첩은 수직 성장된 CNT 숲에 의하여 제공되는 코팅의 수평 전도성에 비하여 NCM 코팅의 수평 전도성을 증가시킨다.
수평 배향된 탄소 나노튜브는 금속 쌍극판에 대하여 수직 배향된 탄소 부위에서 pz 오비탈을 이탈하는 금속 쌍극판에 대하여 수평으로 정렬된 sp2 혼성 탄소 나노튜브의 6방정계 탄소 격자를 갖는다. 이것은 기계 가공된 흑연 쌍극판의 표면 화학 구조와 가장 밀접하게 비슷한 표면 화학 구조이다.
NCM 코팅은 하나 이상의 유기 용매 및/또는 물로 이루어지는 용매계내 NCM의 현탁액으로부터 NCM을 증착시킴으로써 판 표면에 형성된다. 적당한 용매는 N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 시클로헥사논, 클로로벤젠, 오르토-디클로로벤젠, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트 및 특히 디메틸설폭시드를 포함한다. NCM 코팅은 필요에 따라 판의 한면 또는 양면에 있을 수 있다. 특히, NCM은 양성자 교환막 및 반응물 가스에 노출되는 표면 영역 및 냉각수와 접촉하게 되는 표면 영역에 증착된다.
이하의 부류에 한정되지는 않으나, 본 발명에 개시된 NCM 분산물은 몇가지 큰 범주에 속할 수 있다.
(a) 분산물이 코팅 후가공의 마지막 단계 후에 NCM 코팅의 일부로서 완전히 또는 부분적으로 남아 있는 매질 중의 이온성 또는 비이온성 계면활성제로 이루어진다.
(b) 분산물이 코팅의 증착 동안 또는 코팅 후가공의 마지막 단계 후에 NCM 코팅으로부터 실질적으로 또는 완전히 제거되는 이온성 또는 비이온성 분산 보조제로 이루어진다.
(c) 분산물이 코팅의 증착 동안 또는 코팅 후가공의 마지막 단계 후에 NCM 코팅으로부터 실질적으로 또는 완전히 제거되는 중합체 분산 보조제 또는 점도 조절제로 이루어진다.
(d) 분산물이 코팅의 증착 동안 또는 코팅 후가공 단계 중 하나 동안 또는 그 후에 NCM 코팅의 일부를 형성하고 탄소의 형태로 인시츄 전환되는 중합체 또는 비중합체 분산 보조제 또는 점도 조절제 또는 첨가제로 이루어진다.
NCM 분산물은 약 1 mg/L 내지 약 10 g/L의 범위의 고체 NCM 함량을 포함한다. NCM은 용매계에 현탁되어 분산 보조제로서 계면활성제계의 보조로 또는 보조 없이 안정성 또는 준안정성 분산물을 형성한다. 하나 이상의 구현예에서, 계면활성제는 양이온성, 음이온성 또는 비이온성 계면활성제일 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 분산 보조제는 또한 소중합체 또는 중합체 분자일 수 있다. 통상의 계면활성제는 특히 황산도세실나트륨, 황산벤젠도데실나트륨 및 황산폴리스티렌과 같은 음이온성 계면활성제를 포함한다.
안정한 NCM 분산물은 또한 NCM 분산물의 점도를 제어하기 위한 점도 조절제를 포함할 수 있다. 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 아세테이트 및 카르복시 메틸 셀룰로오즈는 모두 점도 조절제로서 기능할 수 있는 중합체 재료의 예이다. 탄소 나노튜브 분산물의 점도 범위는 도포 온도, 예컨대 약 20?300℃에서 1 cp 내지 수백만 cp일 수 있다.
이렇게 형성된 NCM 분산물은 임의의 적당한 유체 코팅 기술에 의하여 쌍극판 기판 상에 도포된다. 적당한 기술은 스핀 코팅, 딥 코팅, 분무 코팅, 닥터 블레이드 코팅 또는 스퀴지 코팅을 포함한다. NCM 코팅은 예컨대 가열 또는 미가열 기판에 증착될 수 있으며, 기판은 20?300℃ 범위일 수 있다. 대안으로, NCM을 함유하는 도포액을 가열할 수 있다. 온도는 담체액 및 상기 액체 포함된 임의의 첨가제의 비등 온도 또는 분해 온도에 의하여 제한된다. NCM 코팅은 단일 단계를 이용하여 또는 다단계로 도포될 수 있으며, 코팅은 과량의 용매를 제거하기 위하여, 층으로부터 임의의 잔류 첨가제를 제거하기 위하여 및/또는 제2 잔류 탄소상을 형성하기 위하여 도포 사이에 코팅을 어닐링할 수 있다. 코팅 단계는 기판의 소정 두께 및 피복률을 제공하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 기판에 도포되는 NCM 현탁액의 도포 시간 또는 NCM 분산액의 부피 증가는 코팅에서 NCM의 양을 증가시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅의 두께는 약 1 nm 내지 약 5 ㎛ 범위, 예컨대 약 100 nm 내지 약 200 nm일 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅은 단층에서의 표면 피복률 곱하기 단층의 수에 의하여 측정되는, NCM에 의하여 피복된 금속 표면의 총 면적에 대한 상부 노출 층의 공극의 면적으로 측정할 때, 1% 미만의 공극률을 갖는 밀도 또는 피복률을 갖는다. 하나 이상의 구현예에서, 코팅은 표면의 95% 이상을 피복한다. 코팅 공정은 상온 내지 300℃ 범위의 온도에서 코팅을 수행함으로서 단일 단계에서 건조 공정과 합해질 수 있다. 대안으로, 별도의 제2 단계에서 건조를 실시할 수 있다.
이렇게 형성된 NCM 코팅을 어닐링하여 쌍극판 표면에서 CNT 네트워크 코팅을 형성한다. 어닐링은 공기, 불활성 가스 또는 진공 분위기에서 90?400℃ 범위의 온도와 같은 일정 범위 조건에서 실시할 수 있다. 어닐링 시간은 몇 분 내지 수 시간 범위일 수 있다. 쌍극판의 어닐링은 또한 이것을 다수의 가열 구역을 갖는 관류 오븐에 통과시킴으로써 실시할 수 있다.
하나 이상의 구현예에서, 제2 탄소상을 갖는 NCM 복합 코팅이 제공된다.
일부 구현예에서, 복합 코팅은 나노구조 탄소, 흑연, 현탁된 그래핀 또는 현탁된 무구조 무정질 탄소로 이루어진다. 탄소의 제2 상은 탄소 나노튜브 분산물 중의 첨가제로서 현탁액으로 제공되거나 또는 인시츄로 생성되어 탄소 나노튜브 네트워크의 전기 전도성을 증대 및/또는 NCM 층의 두께 제어를 증대 및/또는 (탄소 나노튜브의 랜덤 네트워크에서 생성되는 공극에서 채움으로써) NCM 층에서의 공극률 제어를 증대 및/또는 (표면 접촉 증가에 의하여) 금속 쌍극판에의 부착성을 증대 및/또는 (공극률을 감소시킴으로써) 내식성 증대 및/또는 가스 확산층에의 부착성을 증대시킬 수 있다.
복합 NCM 코팅은 NCM 현탁액, 예컨대 중합체 계면활성제 보조 NCM 현탁액, 및 특히 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐 아세테이트 또는 폴리비닐 클로라이드와 같은 탄소 형성 중합체 베이스의 용액의 교대 코팅을 이용하여 금속 표면에 형성된다. 전체 구조는 고온에서 산소/공기를 적게 공급하면서 적절한 온도에서 어닐링하여 치밀형 나노구조 탄소 복합 필름을 형성한다. 낮은 산소 함량 분위기를 이용하여 탄소 함유 중합체에서 탄소로의 분해를 촉진할 수 있다. 가스 조성물은 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스 1?100 부피%와 나머지 부피 비율의 공기 또는 산소의 혼합이다. 어닐링 온도는 100?700℃ 범위일 수 있고 어닐링 지속시간은 수분 내지 수시간으로 달라질 수 있다. 탄소 형성 중합체는 용액 또는 현탁액일 수 있다.
쌍극판 표면 상의 NCM 코팅은 또한 수중 또는 통상적인 유기 용매 분산매 중 NCM 및 (특히 폴리-아크릴로니트릴과 같은) 중합체 블렌드를 코팅하고 상기 블렌드를 금속 쌍극판에 코팅한 다음, 고온에서의 산소/공기 공급을 낮게 하여 적절한 온도에서 전체 구조를 어닐링하여 쌍극판 표면 상에 인시츄로 치밀형 나노구조 탄소-탄소 복합 코팅을 형성함으로써 형성될 수 있다. 탄소 형성 중합체는 용액 또는 분산액일 수 있다.
다수의 코팅 단계를 이용할 수 있고 상기 언급된 코팅 조작을 반복하거나 단독으로 또는 서로 조합하여 이용하여 치밀한 화학 내성 전도성 탄소 코팅을 금속 쌍극판 상에 형성할 수 있다. 예시적 장치에서, NCM 층의 두께는 약 1 nm 내지 약 5 ㎛, 또는 예컨대 약 100 nm 내지 200 nm 이다.
NCM 코팅된 쌍극판은 연료 전지 어셈블리에서 사용하기 전에 전기화학적 사이클링 공정에 의하여 추가로 부동화될 수 있는데, 상기 공정에서 코팅판은 산성 용액 또는 염기성 용액에 넣어져 하나 이상의 사이클에 걸쳐 선택된 전압 범위를 통해 사이클링된다. 산은 희석 형태 또는 농축 형태의 황산, 염산, 질산, 인산을 비롯한 임의의 무기 광산일 수 있다. 이 공정에서, 산은 단일벽 탄소 나노튜브의 얇은 다발에 삽입되어 산에 내성인 부동화층을 형성할 수 있다. 이와는 다르게, 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화암모늄과 같은 염기성 층을 사용할 수 있다.
상기 개시된 바와 같은 방식 장벽으로서의 역할을 하는 외에, 금속 쌍극판의 NCM 코팅은 또한 막 교환 어셈블리(MEA)를 오염시키는 쌍극판으로부터의 금속 이온의 확산에 대한 방벽으로서 작용하고 보통 조건에서 뿐만 아니라 압축 하에서도 가스 확산층(GDL) 및 쌍극판 사이에 접촉 저항을 감소시키는 역할을 한다.
상기 방법 및 코팅은 CVD 성장 CNT 코팅에 비하여 몇가지 구분되는 이점을 제공한다. CVD 조건은 기판에 대한 불량한 접착으로 인하여 용이하게 제거될 수 있는 수직 성장 MWNT를 생성하는 경향이 있다. 또한, CNT의 평면 전도성은 수평 정렬된 CNT에 비하여 수직 정렬된 CNT에서 훨씬 더 낮다. 성장 표면에 대하여 수직 방향으로의 CNT 성장으로 인하여, 사이 공간 및 채널을 통한 금속 쌍극판으로부터 금속 이온 누출이 회피될 수 없고 소수성 CNT 코팅에 의하여 더 증대된다. 쌍극판으로부터 누출된 금속 이온에 의한 PEM 막의 오염은 실제 사용시 주요한 장애 중 하나이다.
CNT의 증착에 일반적으로 사용되는 다른 기술은 전자빔 증발, 마그네트론 산란 및 펄스 플라즈마 공정과 같은 물리적 증기 증착 방법을 포함한다. 전자기 브러시 코팅(EMB) 또는 단순히 브러시 코팅을 CNT 코팅을 위한 분말 베이스 코팅 기술로서 이용할 수 있다. 이들 방법은 기판 크기가 제한되고 화학적 증기 증착 공정보다 더 고가이다. 또한, 브러시 코팅은 별도의 단계에서 CNT를 합성하고 CNT를 분말로서 브러시 코팅 장치로 운반하는 추가의 단계를 요한다. 건식 증착 CNT는 코팅 기판 상에의 접착이 불량한 경향이 있다.
현재의 방법은, 나노구조 탄소가 표면에 대하여 수평이고 밑에 있는 표면을 효과적으로 보호하는 등각 코팅을 형성하도록 필름을 증착한다. 또한, 나노구조 탄소 층의 배향 및 밀도는 밑에 있는 영역에 대한 접착을 개선시키고 밑에 있는 금속판으로부터의 금속 확산을 감소시킨다.
실시예
실시예 1: 도 4A는 이온성 계면활성제 또는 중합체를 포함하지 않는 수중 CNT 현탁액을 이용하여 단일벽 탄소 나노튜브의 치밀층이 양면에 코팅된 시판되는 8 인치 제곱 활성 면적 쌍극판(SS316 스테인레스 스틸로 제조된 평행한 가스 유로 포함)의 현미경 사진이다. 이 경우 NCM의 조성은 90% 초과의 단일벽 탄소 나노튜브가 주로 차지하고 나머지는 탄소 나노튜브 상에 오버코트를 형성하는 무정질 탄소로 이루어진다. 상기 튜브는 무계면활성제 수계 잉크로부터 증착되었다. 무계면활성제 잉크의 형성 절차는 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된 "제거가능한 첨가제를 포함하는 용매계 및 수계 탄소 나노튜브 잉크"란 명칭으로 2009년 8월 14일자 미국 특허 출원 61/234,203호에 상세히 개시된다. NCM 층은 진공 오븐(130 C, 밤새 약 1 torr)에서 증착후 어닐링되고 실온으로 냉각되었다. 도 4B는 (코팅 전) 저배율에서 판 표면의 주사 전자 현미경 사진이고 도 4C는 코팅 후 금속판 표면의 고배율 주사 전자 현미경 사진이다.
실시예 2: 상기 실시예 1에서 개시된 바와 같이 제조된 NCM 증착 쌍극판의 작은 부분을 전단 가위로 컷팅하여 면적 약 ¾" x 2"의 전극을 형성하였다. 전극은 1M H2SO4에 함침되어 금속판 면적의 반을 피복하고 CH 도구 전기화학적 작업 스테이션에서 작업 전극으로서 사용되었다(모델 #600). 백금 와이어를 반대 전극으로서 사용하였다. 표준 칼로멜 전극(CH 도구)을 기준 전극으로서 사용하였다. 회로에서 개방 전지 전위는 시간의 함수로서 측정하였다. 도 5는 CNT 코팅 금속판 샘플 및 대조군의 개방 전지 전위를 측정하기 위하여 사용되는 실험 전지의 개략도이다. 상기 전지는 1M H2SO4를 함유하는 유리 비이커(500), 작업 전지의 형태로 연구되는 샘플(510), 반대 전극으로서 백금 와이어(520) 및 기준 전극으로서 표준 칼로멜 전극(530)으로 이루어진다. 또한, 보호 탄소 나노튜브 코팅 없이 작업 전극의 동일한 샘플 조각에 대하여 대조 실험을 수행하였다. 비보호 금속 표면을 갖는 샘플은 동일한 기간에 걸쳐 보호 샘플에 대한 매우 안정한 판독에 대하여 개방 회로 전위의 급속한 강하를 나타내었다. 결과는 도 6에 나타낸다. 탄소 코팅 전지는 비코팅 전지에 비하여 경시적으로 개방 회로 전위 보유율이 현저함을 입증하였다.
실시예 3: 도 4A에 도시되고 상기 실시예 1에 개시된 바와 같은 2개의 NCM 코팅 스테인레스 스틸 쌍극판을 제작하고 고온 PEM 연료 전지를 상기 코팅판을 이용하여 제작하고 14.28 cm2 활성 면적 BASF Celtec P1000 막 교환 어셈블리(MEA)를 상이한 하중 조건에서 이용하여 상기 전지의 임피던스를 측정하였다. 비코팅 쌍극판을 갖는 대조군 전지를 동일한 절차에 따라 제작하였다.
실시예 4: 상기 실시예 3에 개시된 바와 같은 NCM 코팅 SS316으로 제작된 전지를 애노드에 공급된 H2 및 캐소드에 공급된 O2로 150℃에서 작동시켰다. 2 부피의 산소에 대하여 3 부피의 수소의 흐름 속도비로 화학량론을 유지하였다. 전지의 임피던스는 전기화학 임피던스 분광(EIS) 기술을 이용하여 각각 1A (70 mA/cm2) 및 2A (140 mA/cm2)의 상이한 부하 전류 및 상이한 AC 변조 진폭에서 측정한다. 도 7은 1 A 부하에서 AC 변조 진폭의 증가하에 전지의 임피던스를 나타낸다. 상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 전지 임피던스는 낮은 AC 변조 진폭에서는 변화하지 않았으나 더 높은 값에서 감소하기 시작했다. 표 1은 1 A의 부하 전류에서 상이한 AC 변조 전압에서의 전지의 내부 임피던스를 나타낸다.
1A 부하 및 상이한 AC 진폭 전압에서 NCM 코팅 SS316 쌍극판을 갖는 HTPEM 전지의 임피던스
AC 변조 전압(mV) 내부 임피던스(ohm) 면적 임피던스(ohm-cm2)
25 0.066 0.94248
50 0.066 0.94248
100 0.054 0.77112
도 8은 100 mV AC 변조 진폭에서 상이한 부하 조건에서 연료 전지의 임피던스를 나타낸다. 캐소드 반원은 증가된 부하 전류에서 예상되는 카이네틱스가 더 빠르므로 감소된다. 표 2는 상이한 하중에서 측정되는 임피던스를 나타낸다. 2 A에서 작동되는 전지에 대한 최고 진동수(막 및 금속 저항)에서 임피던스는 0.95 Ohm이며, 이것은 1A 부하 및 25 및 50 mV ac 변조 진폭에서 상기 전지에 대하여 측정되는 0.94 Ohm과 비슷하다.
100 mV AC 진폭 전압 및 상이한 부하에서 NCM 코팅 SS316 쌍극판을 갖는 HTPEM 전지의 임피던스
전류 밀도(mA/cm2) 내부 임피던스(ohm) 면적 임피던스(ohm-cm2)
70 0.054 0.77112
140 0.0667 0.95247
전체 전지 면적에 대한 양성자 전도성 막 저항 및 전자 전도성 금속 저항의 합은 1A 및 2A 하중에서 평가할 때 0.94 내지 0.95 Ohm이다. 일정한 온도 및 수화에서 저항은 거의 일정하여야 하므로 이것은 타당하다.
실시예 5: 실시예 3에 개시된 바와 같이 제작된 고온 PEM 연료 전지는 또한 애노드에 공급된 N2 및 캐소드에 공급된 N2로 차단 전극 방식으로 작동되었다. 전지 온도는 150℃에서 일정하게 유지하였고 흐름 속도는 1:1의 비에서 유지하였다. 도 9는 상이한 AC 변조 진폭에서 차단 전극으로서 작동될 때의 코팅판을 갖는 HTPEM 연료 전지의 임피던스를 나타낸다. 모든 경우 총 전지 임피던스는 14 cm2 당 약 0.037 Ohm인 것으로 관찰되었는데 이것은 0.53 Ohm cm2에 상응한다.
실시예 6: 또 다른 실시예에서, 실시예 3에 개시된 바와 같이 제작된 NCM 코팅 쌍극판을 갖는 전지는 대조군으로서 비코팅 쌍극판을 갖도록 제작된 동일한 전지에 비하여 차단 전극 방식으로 작동되었다. 도 10은 차단 전극으로서 작동될 때의 코팅 및 비코팅 판을 갖는 HTPEM 연료 전지의 임피던스를 나타낸다. 코팅판에서 임피던스는 14 cm2 당 0.106 - 0.069 Ohm 또는 0.037 Ohm인데, 이것은 0.53 Ohm cm2에 상응한다. 비코팅 판에서 임피던스는 14 cm2 당 0.1305 - 0.109 Ohm 또는 0.022 Ohm 또는 0.31 Ohm.cm2이다. 금속 위의 표면 코팅의 존재로 인하여 임피던스가 약간 증가한다.
실시예 7: 도 11은 코팅 및 비코팅 쌍극판을 갖는 HTPEM 연료 전지의 임피던스 플롯을 나타낸다. 그러나, 정상 상태에서의 데이터가 아니므로, 전지의 임피던스는 간단한 Randles 전지로서 작동될 때 이 점에서 비교될 수 없다. 코팅판의 최고 진동수 임피던스는 14 cm2 당 0.053 Ohm 이며, 이것은 애노드에 공급된 수소 및 캐소드에 공급된 산소로 0.75 Ohm cm2의 면적 저항에 상응한다. 비코팅 판에 대한 최고 진동수 임피던스는 0.125 Ohm이며, 이것은 애노드에 공급된 수소 및 캐소드에 공급된 산소로 0.785 Ohm cm2의 면적 저항에 상응한다. 비코팅 판에서 반응 가스에 의하여, 최고 진동수는 실질적으로 1.785 Ohm.cm2로 증가하였다. 그러나, NCM 코팅 쌍극판은 0.75 Ohm cm2의 비교적 낮은 면적 저항에 머물러 SS316 판 상에서 NCM 코팅의 내식 거동을 나타낸다.
설명을 위해 구체적인 단계 순서를 제시 및 개시하였으나, 여전히 원하는 구성을 얻으면서 상기 순서를 일정한 점에서 변화시킬 수 있거나 단계를 조합시킬 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 청구된 바와 같은 본 발명 및 개시된 구현예에 대한 변형이 가능하며 이것은 본 개시된 발명의 범위 내에 속한다.

Claims (37)

  1. 수소 연료 가스 및 수증기의 도입을 위한 제1 유로판, 다공성 애노드, 전해질, 캐소드 및 산소 함유 가스의 도입을 위한 제2 유로판을 포함하는 연료 전지로서,
    상기 제1 및/또는 제2 유로판의 적어도 일부 상에 나노구조 탄소 재료(NCM) 코팅이 증착되어 있고, 상기 나노구조 탄소 재료는 종횡비를 갖는 탄소 입자(aspected carbon particle)를 포함하고, 상기 종횡비를 갖는 탄소 입자는 유로판의 표면에 대하여 실질적으로 평행하게 배향되는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코팅의 두께는 1 nm 내지 5 ㎛ 범위인 것인 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코팅의 두께는 100 nm 내지 200 nm 범위인 것인 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노구조 탄소 재료는 무구조 무정질 탄소, 박락형 흑연 시트 및 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소 재료 및 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서, 증착된 나노구조 탄소 재료의 수평 전도성은 비슷한 밀도의 CVD-성장 탄소 나노튜브 층보다 큰 것인 연료 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 용액 증착되는 것인 연료 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 유로판의 표면에 대하여 실질적으로 등각인 것인 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 나노구조 탄소 재료-탄소 복합재 층을 포함하는 것인 연료 전지.
  9. 제7항에 있어서, 상기 나노구조 탄소 재료 코팅의 탄소 나노튜브 탄소 함량은 10?99%인 연료 전지.
  10. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유로판은 나노구조 탄소 재료 코팅을 포함하는 것인 연료 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 쌍극판은 전자 전도성인 것인 연료 전지.
  12. 제10항에 있어서, 상기 쌍극판은 금속, 흑연 및 중합체 복합재로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 상기 쌍극판의 선택된 영역 표면의 95% 이상을 덮는 것인 연료 전지.
  14. 탄소층의 증착 방법으로서,
    담체액내 나노구조 탄소 재료(NCM)의 분산물로부터 기판에 NCM의 층을 도포하는 단계,
    기판에 탄소 형성 중합체를 도포하는 단계로서, 여기서 NCM 및 중합체를 포함하는 층이 수득되는 단계, 및
    중합체를 전도성 탄소로 전환시키는 조건하에서 NCM 및 중합체 함유 층을 가열하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 탄소 형성 중합체는 용액으로부터 도포되는 것인 방법.
  16. 제14항에 있어서, 탄소 형성 중합체는 분산액으로서 도포되는 것인 방법.
  17. 제14항에 있어서, NCM 재료의 분산물은 탄소 형성 중합체를 포함하는 것인 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 조건은 1?100 부피%의 불활성 분위기와 나머지 부피량의 산화 분위기의 혼합을 포함하는 분위기를 포함하는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 조건은 약 100?700℃ 범위의 온도를 포함하는 것인 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 NCM 재료 분산물은 10 g/mL 내지 100 g/mL의 NMC 재료를 포함하는 것인 방법.
  21. 제14항에 있어서, 기판의 미리선택된 NCM 피복률은 NCM 분산물의 도포 동안 또는 도포된 NCM 분산물의 부피 제어에 의하여 얻어지는 것인 방법.
  22. 제14항에 있어서, 산 또는 염기 용액 내에서 선택된 전압 범위를 통한 NCM 코팅판의 전기화학적 사이클링을 더 포함하는 것인 방법.
  23. 제14항에 있어서, NCM 분산물은 계면활성제를 더 포함하는 것인 방법.
  24. 제14항에 있어서, NCM 분산물은 농조화제를 더 포함하는 것인 방법.
  25. 제14항에 있어서, 상기 기판은 연료 전지에 사용하기 위한 유로판을 포함하는 것인 방법.
  26. 수소 연료 가스 및 수증기의 도입을 위한 제1 표면 및 산소 함유 가스의 도입을 위한 제2 표면을 갖는 유로판을 포함하는 연료전지용 쌍극판으로서,
    상기 쌍극판의 적어도 일부 상에는 나노구조 탄소 재료(NCM) 코팅이 증착되고, 상기 나노구조 탄소 재료는 탄소 나노튜브를 포함하며, 상기 탄소 나노튜브는 유로판의 표면에 대하여 실질적으로 평행하게 배향되는 쌍극판.
  27. 제26항에 있어서, 상기 코팅의 두께는 1 nm 내지 5 ㎛인 것인 쌍극판.
  28. 제26항에 있어서, 상기 코팅의 두께는 100 nm 내지 200 nm 범위인 것인 쌍극판.
  29. 제26항에 있어서, 상기 나노구조 탄소 재료는 무구조 무정질 탄소, 박락형 흑연 시트 및 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소 재료 및 탄소 나노튜브를 포함하는 것인 쌍극판.
  30. 제26항에 있어서, 증착된 나노구조 탄소 재료의 수평 전도성은 비슷한 밀도의 CVD-성장 탄소 나노튜브 층보다 큰 것인 쌍극판.
  31. 제26항에 있어서, 상기 코팅은 용액 증착되는 것인 쌍극판.
  32. 제26항에 있어서, 상기 코팅은 유로판의 표면에 대하여 실질적으로 등각인 것인 쌍극판.
  33. 제26항에 있어서, 상기 코팅은 나노구조 탄소 재료-탄소 복합재 층을 포함하는 것인 쌍극판.
  34. 제26항에 있어서, 제1 및 제2 유로판은 나노구조 탄소 재료 코팅을 포함하는 것인 쌍극판.
  35. 제26항에 있어서, 상기 쌍극판은 전자 전도성인 것인 쌍극판.
  36. 제35항에 있어서, 상기 쌍극판은 금속, 흑연 및 중합체 복합재로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 쌍극판.
  37. 제26항에 있어서, 상기 코팅은 상기 쌍극판의 선택된 영역 표면의 95% 이상을 덮는 것인 쌍극판.
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