KR102487158B1 - Separator for fuel cell and surface treatment method of the same - Google Patents

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Abstract

연료전지용 분리판이 개시된다. 개시된 연료전지용 분리판은 공기를 포함하는 반응기체를 유동시키는 반응 면과, 반응 면으로 반응기체를 유출입시키는 매니폴드부를 포함하며, 매니폴드부를 통해 반응 면을 유동하는 반응기체의 유동 방향을 기준으로, 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성할 수 있다. A separator for a fuel cell is disclosed. The disclosed separator for a fuel cell includes a reaction surface through which a reaction gas containing air flows, and a manifold portion through which reaction gas flows into and out of the reaction surface, based on the flow direction of the reaction gas flowing through the reaction surface through the manifold portion. , can form a continuous water contact angle gradient on the reaction surface.

Description

연료전지용 분리판 및 이의 표면 처리 방법 {SEPARATOR FOR FUEL CELL AND SURFACE TREATMENT METHOD OF THE SAME}Separator for fuel cell and its surface treatment method {SEPARATOR FOR FUEL CELL AND SURFACE TREATMENT METHOD OF THE SAME}

본 발명의 실시 예는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 영역을 표면 처리한 연료전지용 금속 분리판 및 이의 표면 처리 방법에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a metal separator for a fuel cell in which a reaction region is surface-treated and a method for treating the surface thereof.

알려진 바와 같이 연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 금속 분리판(이하에서는 편의 상 "분리판" 이라고 한다)이 배치된 구조로 이루어진다. 이러한 연료전지는 복수의 단위 셀로 직렬 연결되며 연료전지 스택으로 구성된다.As is known, a fuel cell generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a membrane-electrode assembly (MEA) is interposed therebetween with metal separators on both sides thereof (hereinafter, for convenience). referred to as a “separator plate”) is arranged. These fuel cells are connected in series with a plurality of unit cells and are composed of fuel cell stacks.

연료전지용 분리판은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 그 막-전극 어셈블리로 연료기체(수소가스)를 공급하는 애노드 분리판과, 막-전극 어셈블리로 산화기체(공기)를 공급하는 캐소드 분리판으로 구성된다.The fuel cell separator consists of an anode separator for supplying fuel gas (hydrogen gas) to the membrane-electrode assembly with the membrane-electrode assembly interposed therebetween, and a cathode separator for supplying oxidizing gas (air) to the membrane-electrode assembly. It consists of

애노드 분리판 및 캐소드 분리판은 연료기체와 산화기체로서의 반응기체를 막-전극 어셈블리로 각각 공급하는 반응 유로를 반응 면에 형성하고, 그 애노드 분리판과 캐소드 분리판이 맞닿는 반응 면의 반대 면에는 냉각수를 유동시키는 냉각 유로를 형성하고 있다. 그리고 상기한 분리판에는 반응기체와 냉각수를 유입 및 유출하는 매니폴드부가 형성되어 있다.The anode separator and the cathode separator form a reaction passage on the reaction surface for supplying reactive gases such as fuel gas and oxidizing gas to the membrane-electrode assembly, respectively, and cooling water is formed on the opposite surface of the reaction surface where the anode separator and the cathode separator come into contact. It forms a cooling passage through which the In addition, a manifold portion through which reaction gas and cooling water are introduced and discharged is formed on the separator.

이와 같은 연료전지의 운전 중 분리판의 반응 면에서는 응축된 가습수와 반응 생성수가 응축되어 공존하게 되며, 분리판의 반응 유로를 통해서 응축수를 배출하게 된다. 분리판 반응 면의 응축수가 원활하게 배출이 되는 경우에는 반응 유로를 통한 반응기체의 공급이 원활하게 이루어지나, 응축수의 배출이 원활하지 않은 경우에는 반응기체의 공급이 불 균일해지게 되며, 해당 셀의 성능이 순간적으로 저하되고, 악화 시에는 비가역적인 셀 역 전압에까지 이르게 된다. 이에 분리판 표면의 물 접촉 각에 기인한 물 배출 특성은 연료전지 셀의 운전 안정성에 주요한 영향을 주는 인자이다.During operation of the fuel cell, the condensed humidification water and the reaction product water are condensed and coexist on the reaction surface of the separator, and the condensed water is discharged through the reaction passage of the separator. When the condensate on the reaction surface of the separator is smoothly discharged, the reaction gas is smoothly supplied through the reaction passage, but when the condensate is not discharged smoothly, the supply of the reaction gas becomes uneven, and the corresponding cell The performance of is momentarily degraded, and when it deteriorates, it reaches an irreversible cell reverse voltage. Accordingly, the water discharge characteristic due to the water contact angle of the surface of the separator is a factor that has a major influence on the operation stability of the fuel cell.

한편, 분리판의 반응 면은 반응기체와 냉각수의 입출구 구조에 의해서 반응기체가 풍부한 영역과 부족한 영역, 냉각수의 온도가 낮은 영역과 높은 영역의 구배가 발생하게 된다. 이러한 구배에 의해서 반응면 내의 위치별 온도 차이, 물 생성량 차이 등의 변수가 발생하며, 결과적으로 반응면 내의 물 분포 차이가 생기게 된다.On the other hand, on the reaction surface of the separator, a gradient occurs between an area rich in reactive gas and an insufficient area, and an area where the temperature of the cooling water is low and high due to the inlet and outlet structures of the reactive gas and cooling water. These gradients cause variables such as temperature differences and water production differences by location within the reaction surface, resulting in differences in water distribution within the reaction surface.

이와 같이 반응 면의 특정 위치에서 축적된 물은 물리적으로 반응기체의 흐름을 방해하고, 전극의 국부적인 전위차(혼합전위)를 발생시켜 전극의 내구를 저하시키는 요인이 된다. As such, water accumulated at a specific location on the reaction surface physically hinders the flow of the reaction gas and generates a local potential difference (mixing potential) of the electrode, thereby reducing the durability of the electrode.

더 나아가, 분리판의 표면에는 코팅성분 또는 기재성분이 산화물 상으로 존재하고 있다. 예를 들면, 분리판의 표면에는 Au/Fe/Cr/Ni 등의 성분이 산소와 결합된 산화물 상으로 존재할 수 있고, 금속 분리판은 무코팅 전도성 소재로 구성될 수 있으며, Fe/Cr 성분이 분리판의 표면에 산화물 상으로 존재할 수도 있다.Furthermore, a coating component or a substrate component is present in the form of an oxide on the surface of the separator. For example, components such as Au/Fe/Cr/Ni may exist in the form of oxides combined with oxygen on the surface of the separator, the metal separator may be made of a non-coated conductive material, and the Fe/Cr component may be present. It may exist as an oxide on the surface of the separator.

연료전지 셀의 운전 안정성에 주요한 영향을 끼치는 분리판의 물 배출 특성은 금속 표면의 물 접촉 각은 분리판의 형상에 의해서 영향을 받을 수도 있으며, 금속 표면의 산화물 및 비율에 의해서도 영향을 받을 수 있다.The water discharge characteristics of the separator, which has a major impact on the operation stability of the fuel cell cell, may be affected by the shape of the separator, the water contact angle of the metal surface, and the oxide and ratio of the metal surface. .

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.Matters described in this background art section are prepared to enhance understanding of the background of the invention, and may include matters that are not prior art already known to those skilled in the art to which this technique belongs.

본 발명의 실시 예들은 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성하여 반응면 내의 물 분포 차이를 최소화함으로써 반응 면에서의 물 밸런스를 개선할 수 있도록 한 연료전지용 분리판 및 이의 표면 처리 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention are intended to provide a separator for a fuel cell and a surface treatment method thereof, which can improve water balance on the reaction surface by minimizing the difference in water distribution in the reaction surface by forming a continuous water contact angle gradient on the reaction surface. do.

본 발명의 실시 예는 공기를 포함하는 반응기체를 유동시키는 반응 면과, 상기 반응 면으로 반응기체를 유출입시키는 매니폴드부를 포함하며, 상기 매니폴드부를 통해 상기 반응 면을 유동하는 반응기체의 유동 방향을 기준으로, 상기 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성하는 연료전지용 분리판이 제공될 수 있다.An embodiment of the present invention includes a reaction surface through which a reaction gas including air flows, and a manifold part through which reaction gas flows into and out of the reaction surface, and a flow direction of the reaction gas flowing through the reaction surface through the manifold part. Based on, a separator for a fuel cell forming a continuous water contact angle gradient on the reaction surface may be provided.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판은, 상기 반응 면에서 상기 매니폴드부 측의 영역을 물 비축적 영역, 나머지 영역을 물 축적 영역으로 구획 설정될 수 있다.In addition, in the fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, a region on the side of the manifold part on the reaction surface may be partitioned into a water non-accumulation region and the remaining region into a water accumulation region.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 반응 면에는 상기 물 비축적 영역과 물 축적 영역에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성하는 접촉각 구배부가 구비될 수 있다.In addition, in the fuel cell bipolar plate according to an embodiment of the present invention, a contact angle gradient portion forming a continuous water contact angle gradient between the water non-accumulation region and the water accumulation region may be provided on the reaction surface.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 접촉각 구배부는 상기 매니폴드부 입구 측의 물 비축적 영역에서 상기 물 축적 영역의 중심으로 갈수록 물 접촉각이 감소하고, 상기 물 축적 영역의 중심에서 상기 매니폴드부 출구 측의 물 비축적 영역으로 갈수록 물 접촉각이 증가할 수 있다.Further, in the separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the contact angle of the contact angle gradient part decreases from the water non-accumulation area at the inlet side of the manifold to the center of the water accumulation area, and the water accumulation area A water contact angle may increase from the center to the water non-accumulation area at the outlet side of the manifold part.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 물 접촉각 구배부는 상기 반응 면의 플라즈마 표면 처리에 의해 형성될 수 있다.In addition, in the fuel cell bipolar plate according to an embodiment of the present invention, the water contact angle gradient portion may be formed by plasma surface treatment of the reaction surface.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 물 접촉각 구배부는 플라즈마 소스에 의해 활성화 된 산소가 상기 반응 면의 유기 물질을 제거하고 OH-라디칼을 생성하여 형성될 수 있다.In addition, in the fuel cell bipolar plate according to an embodiment of the present invention, the water contact angle gradient may be formed by removing organic materials from the reaction surface and generating OH-radicals by oxygen activated by a plasma source.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 플라즈마 표면 처리유닛을 통해 조사되되, 상기 물 접촉각 구배부의 물 접촉각은 상기 플라즈마 소스의 조사 거리 및 상기 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도에 의해 결정될 수 있다.In addition, in the fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, the plasma source is irradiated through the plasma surface treatment unit, and the water contact angle of the water contact angle gradient portion is the irradiation distance of the plasma source and the plasma surface treatment unit. can be determined by the moving speed of

그리고, 본 발명의 실시 예는 공기를 포함하는 반응기체를 유동시키는 반응 면과, 상기 반응 면으로 반응기체를 유출입시키는 매니폴드부를 포함하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법으로서, 플라즈마 표면 처리유닛에 의해 플라즈마 소스를 상기 반응 면으로 조사하되, 상기 플라즈마 소스의 강도를 조정하며, 상기 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성할 수 있다.In addition, an embodiment of the present invention is a surface treatment method for a separator for a fuel cell including a reaction surface for flowing a reaction gas containing air and a manifold part for inflow and outflow of a reaction gas to the reaction surface, and a plasma surface treatment unit By irradiating a plasma source to the reaction surface, adjusting the intensity of the plasma source, it is possible to form a continuous water contact angle gradient on the reaction surface.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법은, 상기 플라즈마 소스의 조사 거리 및 상기 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도를 조절하여 플라즈마 소스의 강도를 조정할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the fuel cell bipolar plate according to an embodiment of the present invention, the intensity of the plasma source may be adjusted by adjusting the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma surface treatment unit.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법에 있어서, 상기 플라즈마 소스의 조사 거리 범위는 3~5mm를 만족할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the irradiation distance range of the plasma source may satisfy 3 to 5 mm.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법에 있어서, 상기 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도 범위는 1~4m/min을 만족할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the moving speed range of the plasma surface treatment unit may satisfy 1 to 4 m/min.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법은, 상기 플라즈마 소스의 조사거리 및 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도를 조절하여 상기 반응 면에 20~90도의 물 접촉각 구배를 형성할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the fuel cell bipolar plate according to an embodiment of the present invention, a water contact angle gradient of 20 to 90 degrees is formed on the reaction surface by adjusting the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma surface treatment unit. can do.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법은, 상기 매니폴드부를 통해 상기 반응 면을 유동하는 반응기체의 유동 방향을 기준으로, 상기 반응 면에서 상기 매니폴드부 측의 영역을 물 비축적 영역, 나머지 영역을 물 축적 영역으로 구획 설정할 수 있다.In addition, the surface treatment method of the fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, based on the flow direction of the reaction gas flowing through the reaction surface through the manifold part, on the side of the manifold part in the reaction surface The area may be partitioned into a water non-storage area and the remaining area into a water accumulation area.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법은, 상기 물 비축적 영역에 80도 이상의 물 접촉각 구배를 형성하고, 상기 물 축적 영역에 30도 이하의 물 접촉각 구배를 형성할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, a water contact angle gradient of 80 degrees or more is formed in the water non-accumulation region, and a water contact angle gradient of 30 degrees or less is formed in the water accumulation region. can do.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법은, 상기 매니폴드부 입구 측의 물 비축적 영역에서 상기 물 축적 영역의 중심으로 갈수록 물 접촉각이 감소하는 물 접촉각 구배를 형성하고, 상기 물 축적 영역의 중심에서 상기 매니폴드부 출구 측의 물 비축적 영역으로 갈수록 물 접촉각이 증가하는 물 접촉각 구배를 형성할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, a water contact angle gradient in which the water contact angle decreases toward the center of the water accumulation area in the water non-accumulation area at the inlet side of the manifold part is formed. and a water contact angle gradient in which the water contact angle increases from the center of the water accumulation region to the water non-accumulation region at the outlet side of the manifold unit.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법에 있어서, 상기 물 접촉각의 크기는 상기 플라즈마 소스의 강도에 반비례할 수 있다.In addition, in the surface treatment method of the bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the size of the water contact angle may be inversely proportional to the strength of the plasma source.

본 발명의 실시 예들은 플라즈마 표면 처리를 통해 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성함에 따라, 입구 및 출구 매니폴드부 측에서의 물 배출성은 그대로 유지하면서 응축수가 축적되어 있는 영역에서의 물 배출성을 증대시킬 수 있다.Embodiments of the present invention increase the water discharge in the area where condensate is accumulated while maintaining the water discharge at the inlet and outlet manifold sides as a continuous water contact angle gradient is formed on the reaction surface through plasma surface treatment. can make it

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 반응 면 내의 물 분포 차이를 최소화함으로써 반응 면에서의 물 밸런스를 개선할 수 있고, 이로 인해 반응 면을 통해 반응기체의 흐름을 원활하게 함으로써 연료전지 셀의 전극 내구 및 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, it is possible to improve the water balance in the reaction surface by minimizing the difference in water distribution in the reaction surface, thereby facilitating the flow of the reaction gas through the reaction surface, thereby increasing the durability and durability of the electrode of the fuel cell. Driving stability can be improved.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 플라즈마 표면 처리유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 표와 그래프를 도시한 도면이다.
Since these drawings are for reference in explaining exemplary embodiments of the present invention, the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a diagram schematically illustrating a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a plasma surface treatment unit for explaining a surface treatment method of a bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3A to 3C are tables and graphs for explaining a surface treatment method of a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.Since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to what is shown in the drawings, and the thickness is enlarged to clearly express various parts and regions.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.And, in the following detailed description, the names of the components are divided into first, second, etc. to classify them based on the relationship in which the components are the same, and the order is not necessarily limited in the following description.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.In addition, terms such as "...unit", "...means", "...part", and "...member" described in the specification refer to a comprehensive unit that performs at least one function or operation. it means.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 연료 가스로서의 수소 가스 및 산화제 가스로서의 공기(이하에서는 "반응기체"라고 한다)를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지에 적용될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a fuel cell bipolar plate 100 according to an embodiment of the present invention receives hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant gas (hereinafter, referred to as “reaction gas”) to generate electrochemical reactions between hydrogen and oxygen. It can be applied to a fuel cell that generates electrical energy through a phosphorus reaction.

이러한 연료전지는 복수의 단위 셀들이 연속적으로 적층되며 연료전지 스택으로 구성될 수 있는데, 반응 부산물로서 열을 발생시키고 응축수로서의 생성수를 배출할 수 있다.Such a fuel cell may be composed of a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are successively stacked, and may generate heat as a reaction by-product and discharge product water as condensate.

예를 들면, 상기 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와, 막-전극 어셈블리의 양측에 각각 구비되는 기체 확산층과, 기체 확산층에 밀착되게 배치되는 본 발명의 실시 예에 따른 분리판(100)을 포함한다.For example, according to an embodiment of the present invention, the fuel cell is disposed in close contact with a membrane-electrode assembly (MEA), a gas diffusion layer provided on both sides of the membrane-electrode assembly, and the gas diffusion layer. It includes a separator plate (100).

상기에서 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 그 전해질막의 일면에 애노드 전극층을 형성하고, 그 전해질막의 다른 일면에 캐소드 전극층을 형성한다. 상기 애노드 전극층은 수소 가스로서의 반응기체를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극층으로 이동시키는 기능을 하게 된다. 상기 캐소드 전극층은 애노드 전극층으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기로서의 반응 기체를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.In the above membrane-electrode assembly, an anode electrode layer is formed on one surface of the electrolyte membrane with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a cathode electrode layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. The anode electrode layer oxidizes the reactive gas as hydrogen gas to separate electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane serves to move the hydrogen ions to the cathode electrode layer. The cathode electrode layer performs a function of generating moisture and heat by reducing reaction gas such as electrons, hydrogen ions, and separately supplied air received from the anode electrode layer.

상기에서 기체 확산층은 분리판(100)을 통해 공급되는 반응기체를 막-전극 어셈블리의 애노드 전극층 및 캐소드 전극층으로 확산시키는 것으로, 전기 전도성을 지니며 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 상에 형성된다.In the above, the gas diffusion layer diffuses the reactive gas supplied through the separator 100 to the anode electrode layer and the cathode electrode layer of the membrane-electrode assembly, and has electrical conductivity and is formed on the anode electrode layer and the cathode electrode layer.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 반응 기체를 기체 확산층을 통해 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 것으로서, 전기 전도성을 지닌 소재로 이루어진다. 예를 들면, 상기 연료전지용 분리판(100)은 금속 분리판으로 구비된다. The separator 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is for supplying reactive gas to a membrane-electrode assembly through a gas diffusion layer, and is made of a material having electrical conductivity. For example, the separator 100 for a fuel cell is provided as a metal separator.

여기서, 상기 연료전지용 분리판(100)은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 그 막-전극 어셈블리로 수소가스로서의 반응 기체를 공급하는 애노드 분리판과, 막-전극 어셈블리로 산화기체로서의 공기를 공급하는 캐소드 분리판으로 구성된다. 그러나, 이하에서는 연료전지용 분리판(100)으로서 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하는 캐소드 분리판을 예로 들어 설명하기로 한다.Here, the fuel cell separator 100 includes an anode separator for supplying reaction gas as hydrogen gas to the membrane-electrode assembly with the membrane-electrode assembly interposed therebetween, and an anode separator for supplying air as an oxidizing gas to the membrane-electrode assembly. It consists of a cathode separator plate. However, hereinafter, a cathode separator for supplying air to a membrane-electrode assembly as the separator 100 for a fuel cell will be described as an example.

상기 연료전지용 분리판(100)은 양측 가장자리에 반응기체를 유출입시키는 입구 매니폴드부(11) 및 출구 매니폴드부(12)를 각각 형성한다. 그리고 상기 분리판(100)은 기체 확산층에 대응하는 영역으로서 입구 매니폴드부(11) 및 출구 매니폴드부(12)와 연결되는 반응 면(13)을 형성하고 있다.The separator plate 100 for a fuel cell has an inlet manifold part 11 and an outlet manifold part 12 respectively forming reaction gases at both edges thereof. Further, the separator 100 forms a reaction surface 13 connected to the inlet manifold part 11 and the outlet manifold part 12 as a region corresponding to the gas diffusion layer.

상기 반응 면(13)에는 입구 매니폴드부(11)를 통해 유입되는 반응 기체를 출구 매니폴드부(12)로 유동시키며 그 반응 기체를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 반응 유로(15)를 형성하고 있다. 그리고 상기 반응 면(13)의 반대 면 측에는 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 유동 통로(도면에 도시되지 않음)를 형성하고 있다.A reaction passage 15 is formed on the reaction surface 13 to flow the reaction gas introduced through the inlet manifold part 11 to the outlet manifold part 12 and to supply the reaction gas to the membrane-electrode assembly. are doing In addition, a cooling water flow passage (not shown) for flowing cooling water is formed on the side opposite to the reaction surface 13 .

더 나아가, 상기 연료전지용 분리판(100)에 있어 반응 면(13)의 가장자리 측에는 가스켓(도면에 도시되지 않음)이 사출 성형될 수 있다. 그리고, 상기 반응 면(13)의 표면에는 Au/Fe/Cr/Ni 등의 성분이 산소와 결합된 산화물 상으로 존재할 수 있고, 금속 분리판은 무코팅 전도성 소재로 구성될 수 있으며, Fe/Cr 성분이 금속 표면에 산화물 상으로 존재할 수도 있다.Furthermore, a gasket (not shown in the drawing) may be injection molded on the edge side of the reaction surface 13 of the fuel cell bipolar plate 100 . In addition, components such as Au/Fe/Cr/Ni may exist in the form of oxides combined with oxygen on the surface of the reaction surface 13, and the metal separator may be made of a non-coated conductive material, and Fe/Cr The component may be present in an oxide phase on the metal surface.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 반응 면(13) 내의 물 분포 차이를 최소화함으로써 반응 면(13)에서의 물 밸런스를 개선할 수 있는 구조로 이루어진다.As described above, the bipolar plate 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention has a structure capable of improving water balance on the reaction surface 13 by minimizing a difference in water distribution within the reaction surface 13 .

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 분리판(100)은 입구 매니폴드부(11) 및 출구 매니폴드부(12)를 통해 반응 면(13)을 유동하는 반응기체의 유동 방향을 기준으로, 그 반응 면(13)에 연속적인 물 접촉각 구배(31)를 형성하고 있다.To this end, the fuel cell separator 100 according to an embodiment of the present invention is based on the flow direction of the reaction gas flowing on the reaction surface 13 through the inlet manifold part 11 and the outlet manifold part 12. As a result, a continuous water contact angle gradient 31 is formed on the reaction surface 13.

상기 반응 면(13)에서 입구 및 출구 매니폴드부(11, 12) 측의 영역을 물 비축적 영역(S1), 나머지 영역을 물 축적 영역(S2)으로 구획 설정할 때, 상기 반응 면(13)에는 물 비축적 영역(S1)과 물 축적 영역(S2)에 연속적인 물 접촉각 구배(31)를 형성하는 물 접촉각 구배부(30)가 구비된다.When the area on the side of the inlet and outlet manifolds 11 and 12 of the reaction surface 13 is partitioned into a water non-accumulation area S1 and the remaining area into a water accumulation area S2, the reaction surface 13 A water contact angle gradient unit 30 is provided to form a continuous water contact angle gradient 31 in the water non-accumulation region S1 and the water accumulation region S2.

상기에서 상기 물 접촉각 이라 함은 액체-고체-기체 접촉면에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정되는 각도를 의미한다. 통상적으로 물 접촉각이 90도 이상인 표면을 소수성 표면이라 하고, 물 접촉각이 90도보다 작을 경우를 친수성 표면이라고 한다.In the above, the water contact angle means the angle measured at the contact point between the end point of the water drop curve and the solid surface on the liquid-solid-gas interface surface. In general, a surface with a water contact angle of 90 degrees or more is called a hydrophobic surface, and a case with a water contact angle of less than 90 degrees is called a hydrophilic surface.

본 발명의 실시 예에서, 상기 물 접촉각 구배부(30)는 입구 매니폴드부(11) 측의 물 비축적 영역(S1)에서 물 축적 영역(S2)의 중심으로 갈수록 물 접촉각이 감소하고, 물 축적 영역(S2)의 중심에서 출구 매니폴드부(12) 측의 물 비축적 영역(S1)으로 갈수록 물 접촉각이 증가하는 물 접촉각 구배(31)를 형성한다.In an embodiment of the present invention, in the water contact angle gradient part 30, the water contact angle decreases from the water non-accumulation area S1 on the side of the inlet manifold part 11 to the center of the water accumulation area S2, A water contact angle gradient 31 in which the water contact angle increases from the center of the accumulation region S2 to the water non-accumulation region S1 on the side of the outlet manifold unit 12 is formed.

상기 물 접촉각 구배부(30)는 반응 면(13)의 플라즈마 표면 처리에 의해 형성되는 바, 플라즈마 표면 처리유닛에 의해 조사되는 플라즈마 소스에 의해 활성화 된 산소가 반응 면(13)의 유기 물질을 제거하고 OH-라디칼을 생성하여 형성될 수 있다.The water contact angle gradient portion 30 is formed by plasma surface treatment of the reaction surface 13, and oxygen activated by a plasma source irradiated by the plasma surface treatment unit removes organic substances on the reaction surface 13. and can be formed by generating an OH-radical.

상기한 물 접촉각 구배부(30)의 물 접촉각은 플라즈마 소스의 조사 거리 및 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도에 의해 결정될 수 있다. 이와 같은 플라즈마 표면 처리유닛을 이용하여 물 접촉각 구배부(30)를 형성하는 과정은 뒤에서 자세하게 설명하기로 한다.The water contact angle of the water contact angle gradient part 30 may be determined by the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma surface treatment unit. The process of forming the water contact angle gradient portion 30 using such a plasma surface treatment unit will be described in detail later.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판(100)의 표면 처리 방법을 앞서 개시한 도면 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a surface treatment method of the bipolar plate 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the previously disclosed drawings and accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 플라즈마 표면 처리유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating a plasma surface treatment unit for explaining a surface treatment method of a bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 분리판(100)과, 그 분리판(100)의 반응 면(13)을 플라즈마 표면 처리하기 위한 플라즈마 표면 처리유닛(101)을 제공한다.1 and 2, in an embodiment of the present invention, first, a plasma surface treatment unit 101 for plasma surface treatment of a separator 100 and a reaction surface 13 of the separator 100 is provided. do.

여기서, 상기 분리판(100)은 반응 면(13)에 반응 유로(15)를 형성하고 있으며, 그 반응 면(13)의 가장자리 측에는 가스켓(도면에 도시되지 않음)이 사출 성형되어 있다.Here, the separation plate 100 forms the reaction passage 15 on the reaction surface 13, and a gasket (not shown) is injection molded on the edge side of the reaction surface 13.

상기에서 플라즈마 표면 처리유닛(101)은 플라즈마 소스(PS)의 에너지를 이용하여 반응 면(13)의 표면을 개질하기 위한 것으로서, 예를 들면 제1 및 제2 전극부(103, 105)를 가지며 방전 공간을 형성하고 있는 플라즈마 소스 조사부(107)를 포함하고 있다.In the above, the plasma surface treatment unit 101 is for modifying the surface of the reaction surface 13 by using the energy of the plasma source PS, and has first and second electrode parts 103 and 105, for example. A plasma source irradiation unit 107 forming a discharge space is included.

상기 플라즈마 표면 처리유닛(101)은 플라즈마 소스 조사부(107)의 방전 공간으로 방전 가스를 주입하고, 제2 전극부(105)를 접지시킨 상태에서 제1 전극부(103)에 전원을 연결하면, 제1 전극부(103)와 제2 전극부(105)의 전압 차에 의해 방전 공간에 플라즈마 소스(PS)를 발생시키며, 그 플라즈마 소스(PS)를 분리판(100)의 반응 면(13)으로 조사한다.When the plasma surface treatment unit 101 injects a discharge gas into the discharge space of the plasma source irradiation unit 107 and connects power to the first electrode unit 103 while the second electrode unit 105 is grounded, A plasma source (PS) is generated in the discharge space by a voltage difference between the first electrode part 103 and the second electrode part 105, and the plasma source PS is applied to the reaction surface 13 of the separator 100. investigate with

이러한 플라즈마 표면 처리유닛(101)의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 플라즈마 표면 개질 장치의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the configuration of the plasma surface treatment unit 101 is composed of a plasma surface modification device widely known in the art, a detailed description of the configuration will be omitted in this specification.

상기와 같은 플라즈마 표면 처리유닛(101)은 서보 모터와 같은 공지기술의 구동수단(111)에 의하여 플라즈마 소스 조사부(107)를 수직 방향으로 이동시키며, 플라즈마 소스 조사 거리(위치)를 조절할 수 있다.The plasma surface treatment unit 101 as described above can move the plasma source irradiation unit 107 in the vertical direction by a driving means 111 of known technology such as a servo motor and adjust the plasma source irradiation distance (position).

또한, 상기 플라즈마 표면 처리유닛(101)은 구동수단(111)에 의하여 플라즈마 소스 조사부(107)를 수평 방향으로 이동시키며 그 플라즈마 소스 조사부(107)의 이동 속도를 조절할 수 있다.In addition, the plasma surface treatment unit 101 can move the plasma source irradiator 107 in a horizontal direction by the driving means 111 and adjust the moving speed of the plasma source irradiator 107 .

본 발명의 실시 예에서는 상기한 바와 같은 플라즈마 표면 처리유닛(101)을 이용하여 반응 면(13)에 연속적인 물 접촉각 구배(31)를 형성하는데, 플라즈마 소스 조사부(107)를 통해 반응 면(13)으로 조사되는 플라즈마 소스(PS)의 강도를 조정하며, 반응 면(13)에 연속적인 물 접촉각 구배(31)를 형성할 수 있다.In the embodiment of the present invention, a continuous water contact angle gradient 31 is formed on the reaction surface 13 using the plasma surface treatment unit 101 as described above. ), and a continuous water contact angle gradient 31 may be formed on the reaction surface 13.

여기서, 상기 플라즈마 소스(PS)의 강도는 플라즈마 소스 조사부(107)에 의한 플라즈마 소스(PS)의 조사 거리 및 플라즈마 소스 조사부(107)의 이동 속도를 조절하여 조정될 수 있다.Here, the intensity of the plasma source PS may be adjusted by adjusting the irradiation distance of the plasma source PS by the plasma source irradiator 107 and the moving speed of the plasma source irradiator 107 .

예를 들면, 본 발명의 실시 예에서 상기 플라즈마 소스(PS)의 조사 거리 범위는 3~5mm를 만족하고, 플라즈마 소스 조사부(107)의 이동 속도 범위는 1~4m/min을 만족한다.For example, in an embodiment of the present invention, the irradiation distance range of the plasma source PS satisfies 3 to 5 mm, and the moving speed range of the plasma source irradiator 107 satisfies 1 to 4 m/min.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 플라즈마 소스 조사부(107)를 통해 플라즈마 소스(PS)를 분리판(100)의 반응 면(13)에 조사하는데, 구동수단(111)을 통하여 플라즈마 소스 조사부(107)의 조사 거리 및 플라즈마 소스 조사부(107)의 이동 속도를 조절하며, 반응 면(13)에 20~90도의 물 접촉각 구배(31)를 형성할 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the plasma source PS is irradiated to the reaction surface 13 of the separation plate 100 through the plasma source irradiator 107, and the plasma source irradiator 107 through the driving means 111 Adjusting the irradiation distance and the moving speed of the plasma source irradiation unit 107, it is possible to form a water contact angle gradient 31 of 20 to 90 degrees on the reaction surface 13.

이 과정을 구체적으로 설명하면, 상기 플라즈마 소스 조사부(107)를 통해 분리판(100)의 반응 면(13)으로 플라즈마 소스(PS)를 조사하면, 플라즈마 소스(PS)에 의해 활성화 된 산소가 반응 면(13) 표면의 유기 물질을 제거하고, 그 표면에 물과 친화력이 우수한 OH-라디칼을 생성한다.Describing this process in detail, when the plasma source PS is irradiated to the reaction surface 13 of the separator 100 through the plasma source irradiation unit 107, oxygen activated by the plasma source PS reacts. Organic substances on the surface of the cotton 13 are removed, and OH-radicals having excellent affinity for water are generated on the surface.

상기 활성화 된 산소의 농도는 반응 면(13)에 대한 플라즈마 소스 조사부(107)의 조사 거리가 가까울수록 높고, 그 반응 면(13)으로부터 멀어질수록 낮아지게 된다. 그리고, 상기 활성화 된 산소의 농도는 플라즈마 소스 조사부(107)의 이동 속도가 늦을수록 높고, 그 이동 속도가 빠를수록 낮아지게 된다.The concentration of the activated oxygen is higher as the irradiation distance of the plasma source irradiator 107 to the reaction surface 13 is closer, and becomes lower as the distance from the reaction surface 13 is increased. And, the concentration of the activated oxygen is higher as the moving speed of the plasma source irradiator 107 is slower, and lower as the moving speed is faster.

즉, 상기 플라즈마 소스 조사부(107)로부터 조사되는 플라즈마 소스(PS)의 강도는 조사 거리가 가까울수록 그리고 조사시간이 증가할수록 커지며, 조사 거리가 멀수록 그리고 조사시간이 짧을수록 작아지게 된다.That is, the intensity of the plasma source PS irradiated from the plasma source irradiator 107 increases as the irradiation distance increases and the irradiation time increases, and decreases as the irradiation distance increases and the irradiation time decreases.

이와 같은 플라즈마 표면 처리 특성을 이용하여 본 발명의 실시 예에서는 플라즈마 소스(PS)의 조사 거리 및 플라즈마 소스 조사부(107)의 이동 속도를 조절하며 반응 면(13)에 20~90도의 물 접촉각 구배(31)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시 예에서는 반응 면(13)의 물 비축적 영역(S1)에 80도 이상의 물 접촉각 구배(31)를 형성하고, 물 축적 영역(S2)에 30도 이하의 물 접촉각 구배(31)를 형성한다.In the embodiment of the present invention, by using such plasma surface treatment characteristics, the irradiation distance of the plasma source PS and the moving speed of the plasma source irradiation unit 107 are adjusted, and the water contact angle gradient of 20 to 90 degrees on the reaction surface 13 ( 31) can be formed. For example, in the embodiment of the present invention, a water contact angle gradient 31 of 80 degrees or more is formed in the water non-accumulation region S1 of the reaction surface 13, and a water contact angle of 30 degrees or less is formed in the water accumulation region S2. A gradient 31 is formed.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 입구 매니폴드부(11) 측의 물 비축적 영역(S1)에서 물 축적 영역(S2)의 중심으로 갈수록 물 접촉각이 감소하는 물 접촉각 구배(31)를 형성하며, 물 축적 영역(S2)의 중심에서 출구 매니폴드부(12) 측의 물 비축적 영역(S1)으로 갈수록 물 접촉각이 증가하는 물 접촉각 구배(31)를 형성할 수 있다.That is, in the embodiment of the present invention, a water contact angle gradient 31 is formed in which the water contact angle decreases from the water non-accumulation region S1 on the side of the inlet manifold part 11 to the center of the water accumulation region S2, A water contact angle gradient 31 in which the water contact angle increases from the center of the water accumulation region S2 toward the water non-accumulation region S1 on the side of the outlet manifold unit 12 may be formed.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 반응 면(13)의 물 비축적 영역(S1)으로 조사되는 플라즈마 소스(PS)의 강도를 최소화하며 그 물 비축적 영역(S1)에서의 물 접촉각을 80도 이상으로 유지하고, 물 축적 영역(S2)으로 조사되는 플라즈마 소스(PS)의 강도를 최대화하며 그 물 축적 영역(S2)에서의 물 접촉각을 30도 이하로 유지한다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the intensity of the plasma source (PS) irradiated to the water non-accumulation region (S1) of the reaction surface 13 is minimized, and the water contact angle in the water non-accumulation region (S1) is 80 degrees or more. , the intensity of the plasma source PS irradiated to the water accumulation region S2 is maximized, and the water contact angle in the water accumulation region S2 is maintained at 30 degrees or less.

다시 말해, 본 발명의 실시 예에서는 물 접촉각의 크기가 플라즈마 소스(PS)의 강도에 반비례하기 때문에, 플라즈마 소스(PS)의 강도를 최소화하며 물 비축적 영역(S1)에서의 물 접촉각 크기를 증가시킬 수 있고, 플라즈마 소스(PS)의 강도를 최대화하며 물 축적 영역(S2)에서의 물 접촉각을 감소시킬 수 있다.In other words, in the embodiment of the present invention, since the magnitude of the water contact angle is inversely proportional to the intensity of the plasma source PS, the intensity of the plasma source PS is minimized and the magnitude of the water contact angle in the water non-accumulation region S1 is increased. It is possible to maximize the strength of the plasma source PS and reduce the water contact angle in the water accumulation region S2.

상기에서 물 접촉각의 크기가 증가하면 반응 면(13)에 대한 물의 접촉 저항이 증가하고, 물 접촉각의 크기가 감소하면 반응 면(13)에 대한 물의 접촉 저항이 감소하며 친수성을 갖는다.In the above, when the size of the water contact angle increases, the contact resistance of water to the reaction surface 13 increases, and when the size of the water contact angle decreases, the contact resistance of water to the reaction surface 13 decreases and has hydrophilicity.

한편, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면, 도 3a 및 도 3b에 도시된 플라즈마 소스 조사 거리, 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도 및 표면 처리 회수의 조건으로서 반응 면에 20~90도의 연속적인 물 접촉각 구배(31)를 형성할 수 있다.Meanwhile, referring to FIGS. 3A to 3C, an embodiment of the present invention is described. As conditions of the plasma source irradiation distance, the moving speed of the plasma source irradiator, and the number of surface treatments shown in FIGS. It is possible to form a continuous water contact angle gradient 31 of 90 degrees.

이에 따라 도 3c에서와 같이, 반응 면의 매니폴드 입구부 측에서는 플라즈마 소스의 조사 거리와 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도를 최대화하여 플라즈마 소스의 강도를 최소화함으로써 매니폴드 입구부 측에서의 물 접촉각을 최대화할 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 3C, the intensity of the plasma source is minimized by maximizing the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma source irradiator on the side of the manifold inlet of the reaction surface, thereby maximizing the water contact angle at the inlet side of the manifold. .

상기 반응 면의 매니폴드 입구부와 중심부 사이에서는 플라즈마 소스의 조사 거리와 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도를 감소시키며, 플라즈마 소스의 강도를 증가시킴으로써 매니폴드 입구부와 중심부 사이에서의 물 접촉각을 감소시킬 수 있다.Between the manifold inlet and the center of the reaction surface, the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma source irradiator are reduced, and the water contact angle between the manifold inlet and the center can be reduced by increasing the intensity of the plasma source. there is.

상기 반응 면의 중심부 측에서는 플라즈마 소스의 조사 거리와 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도를 최소화하여 플라즈마 소스의 강도를 최대화함으로써 중심부 측에서의 물 접촉각을 최소화할 수 있다.A water contact angle at the center side of the reaction surface may be minimized by maximizing the intensity of the plasma source by minimizing the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma source irradiator at the center side of the reaction surface.

상기 반응 면의 매니폴드 출구부와 중심부 사이에서는 플라즈마 소스의 조사 거리와 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도를 증가시키며, 플라즈마 소스의 강도를 감소시킴으로써 매니폴드 출구부와 중심부 사이에서의 물 접촉각을 증가시킬 수 있다.Between the manifold outlet and the center of the reaction surface, the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma source irradiator are increased, and the water contact angle between the manifold outlet and the center can be increased by reducing the strength of the plasma source. there is.

그리고 상기 반응 면의 매니폴드 출구부 측에서는 플라즈마 소스의 조사 거리와 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도를 최대화하여 플라즈마 소스의 강도를 최소화함으로써 매니폴드 입구부 측에서의 물 접촉각을 최대화할 수 있다.In addition, the intensity of the plasma source is minimized by maximizing the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma source irradiator at the manifold outlet side of the reaction surface, thereby maximizing the water contact angle at the manifold inlet side.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 반응 면의 매니폴드 입구부 측에서 중심부 으로 갈수록 물 접촉각이 감소하는 물 접촉각 구배(31)를 형성하며, 그 중심부 측에서 매니폴드 입구부 측으로 갈수록 물 접촉각이 증가하는 물 접촉각 구배(31)를 형성할 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, a water contact angle gradient 31 is formed in which the water contact angle decreases from the manifold inlet side of the reaction surface to the center, and the water contact angle increases from the center side to the manifold inlet side. A water contact angle gradient 31 may be formed.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 의하면, 플라즈마 소스의 조사 거리와 플라즈마 소스 조사부의 이동 속도를 조절하는 플라즈마 표면 처리를 통해 반응 면(13)에 연속적인 물 접촉각 구배(31)를 형성함에 따라, 입구 및 출구 매니폴드부(11, 12) 측에서의 물 배출성은 그대로 유지하면서 응축수가 축적되어 있는 영역에서의 물 배출성을 증대시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention as described so far, a continuous water contact angle gradient 31 is formed on the reaction surface 13 through plasma surface treatment that adjusts the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma source irradiator. Accordingly, it is possible to increase the water discharge property in the area where the condensed water is accumulated while maintaining the water discharge property at the inlet and outlet manifold parts 11 and 12 side.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 반응 면(13) 내의 물 분포 차이를 최소화함으로써 반응 면(13)에서의 물 밸런스를 개선할 수 있고, 이로 인해 반응 면(13)을 통해 반응기체의 흐름을 원활하게 함으로써 연료전지 셀의 전극 내구 및 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.Thus, in the embodiment of the present invention, it is possible to improve the water balance in the reaction surface 13 by minimizing the difference in water distribution in the reaction surface 13, and as a result, the reaction gas flows smoothly through the reaction surface 13. By doing so, it is possible to improve the electrode durability and operation stability of the fuel cell.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims and detailed description of the invention and the accompanying drawings, and this is also the present invention. It goes without saying that it falls within the scope of the invention.

11... 입구 매니폴드부
12... 출구 매니폴드부
13... 반응 면
15... 반응 유로
30... 물 접촉각 구배부
31... 물 접촉각 구배
100... 분리판
101... 플라즈마 표면 처리유닛
103... 제1 전극부
105... 제2 전극부
107... 플라즈마 소스 조사부
111... 구동수단
PS... 플라즈마 소스
S1... 물 비축적 영역
S2... 물 축적 영역
11 ... inlet manifold part
12 ... outlet manifold part
13... Reaction plane
15... reaction flow
30 ... water contact angle gradient
31... water contact angle gradient
100... Separator
101... Plasma surface treatment unit
103... first electrode part
105 ... second electrode part
107... Plasma source irradiation unit
111... driving means
PS... plasma source
S1 ... water storage area
S2... water accumulation area

Claims (13)

공기를 포함하는 반응기체를 유동시키는 반응 면과, 상기 반응 면으로 반응기체를 유출입시키는 매니폴드부를 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 매니폴드부를 통해 상기 반응 면을 유동하는 반응기체의 유동 방향을 기준으로, 상기 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성하며,
상기 반응 면에서 상기 매니폴드부 측의 영역을 물 비축적 영역, 나머지 영역을 물 축적 영역으로 구획 설정하고, 상기 반응 면에는 상기 물 비축적 영역과 물 축적 영역에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성하는 접촉각 구배부가 구비되며,
상기 접촉각 구배부는 상기 매니폴드부 입구 측의 물 비축적 영역에서 상기 물 축적 영역의 중심으로 갈수록 물 접촉각이 감소하고, 상기 물 축적 영역의 중심에서 상기 매니폴드부 출구 측의 물 비축적 영역으로 갈수록 물 접촉각이 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
A separator for a fuel cell comprising a reaction surface through which a reaction gas containing air flows, and a manifold portion through which reaction gas flows into and out of the reaction surface,
Forming a continuous water contact angle gradient on the reaction surface based on the flow direction of the reaction gas flowing on the reaction surface through the manifold unit,
In the reaction surface, the area on the side of the manifold part is partitioned into a water non-accumulation area and the remaining area is divided into a water accumulation area, and a continuous water contact angle gradient is formed in the water non-accumulation area and the water accumulation area on the reaction surface. A contact angle gradient is provided,
In the contact angle gradient, the water contact angle decreases from the water storage area at the inlet side of the manifold to the center of the water storage area, and the water contact angle decreases from the center of the water storage area to the water storage area at the outlet side of the manifold. Separator for fuel cell, characterized in that the water contact angle increases.
삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 물 접촉각 구배부는 상기 반응 면의 플라즈마 표면 처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
According to claim 1,
The water contact angle gradient part is formed by plasma surface treatment of the reaction surface.
제1 항에 있어서,
상기 물 접촉각 구배부는,
플라즈마 소스에 의해 활성화 된 산소가 상기 반응 면의 유기 물질을 제거하고 OH-라디칼을 생성하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
According to claim 1,
The water contact angle gradient part,
A bipolar plate for a fuel cell, characterized in that formed by oxygen activated by a plasma source removing organic substances from the reaction surface and generating OH-radicals.
제5 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 플라즈마 표면 처리유닛을 통해 조사되되,
상기 물 접촉각 구배부의 물 접촉각은 상기 플라즈마 소스의 조사 거리 및 상기 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
According to claim 5,
The plasma source is irradiated through a plasma surface treatment unit,
The water contact angle of the water contact angle gradient part is determined by the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma surface treatment unit.
공기를 포함하는 반응기체를 유동시키는 반응 면과, 상기 반응 면으로 반응기체를 유출입시키는 매니폴드부를 포함하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법으로서,
플라즈마 표면 처리유닛에 의해 플라즈마 소스를 상기 반응 면으로 조사하되, 상기 플라즈마 소스의 강도를 조정하며, 상기 반응 면에 연속적인 물 접촉각 구배를 형성하고,
상기 매니폴드부를 통해 상기 반응 면을 유동하는 반응기체의 유동 방향을 기준으로, 상기 반응 면에서 상기 매니폴드부 측의 영역을 물 비축적 영역, 나머지 영역을 물 축적 영역으로 구획 설정할 때, 상기 매니폴드부 입구 측의 물 비축적 영역에서 상기 물 축적 영역의 중심으로 갈수록 물 접촉각이 감소하는 물 접촉각 구배를 형성하며, 상기 물 축적 영역의 중심에서 상기 매니폴드부 출구 측의 물 비축적 영역으로 갈수록 물 접촉각이 증가하는 물 접촉각 구배를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법.
A surface treatment method for a separator for a fuel cell comprising a reaction surface through which a reaction gas containing air flows, and a manifold portion through which reaction gas flows into and out of the reaction surface,
A plasma source is irradiated to the reaction surface by a plasma surface treatment unit, the intensity of the plasma source is adjusted, and a continuous water contact angle gradient is formed on the reaction surface;
Based on the flow direction of the reaction gas flowing through the reaction surface through the manifold part, when the area on the side of the manifold part in the reaction surface is partitioned into a water non-accumulation area and the remaining area into a water accumulation area, the manifold A water contact angle gradient in which a water contact angle decreases from the water accumulation region at the inlet side of the fold part to the center of the water accumulation region is formed, and from the center of the water accumulation region to the water accumulation region at the outlet side of the manifold part A surface treatment method for a separator for a fuel cell, characterized in that forming a water contact angle gradient in which the water contact angle increases.
제7 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스의 조사 거리 및 상기 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도를 조절하여 플라즈마 소스의 강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법.
According to claim 7,
The method of treating the surface of a separator for a fuel cell, characterized in that the intensity of the plasma source is adjusted by adjusting the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma surface treatment unit.
제8 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스의 조사 거리 범위는 3~5mm를 만족하고,
상기 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도 범위는 1~4m/min을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법.
According to claim 8,
The irradiation distance range of the plasma source satisfies 3 to 5 mm,
The surface treatment method of a separator for a fuel cell, characterized in that the moving speed range of the plasma surface treatment unit satisfies 1 to 4 m / min.
제9 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스의 조사거리 및 플라즈마 표면 처리유닛의 이동 속도를 조절하여 상기 반응 면에 20~90도의 물 접촉각 구배를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법.
According to claim 9,
The surface treatment method of a separator for a fuel cell, characterized in that by adjusting the irradiation distance of the plasma source and the moving speed of the plasma surface treatment unit to form a water contact angle gradient of 20 to 90 degrees on the reaction surface.
제10 항에 있어서,
상기 물 비축적 영역에 80도 이상의 물 접촉각 구배를 형성하고, 상기 물 축적 영역에 30도 이하의 물 접촉각 구배를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법.
According to claim 10,
Forming a water contact angle gradient of 80 degrees or more in the water non-accumulation area, and forming a water contact angle gradient of 30 degrees or less in the water accumulation area.
삭제delete 제7 항에 있어서,
상기 물 접촉각의 크기는 상기 플라즈마 소스의 강도에 반비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면 처리 방법.
According to claim 7,
The surface treatment method of a separator for a fuel cell, characterized in that the size of the water contact angle is inversely proportional to the intensity of the plasma source.
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