KR102579353B1 - Method of Manufacturing gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 기재층에 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액를 균일하게 함침시켜 탄화처리 후에도 평탄도를 우수하게 유지시킬 수 있는 연료전지용 기체확산층의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법은 탄소섬유 기재층과 미세기공층으로 이루어져서 연료전지의 스택을 구성하는 기체확산층(GDL)을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소섬유 매트릭스를 준비하는 탄소섬유 매트릭스 준비단계와; 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 준비하는 함침액 준비단계와; 준비된 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 복수의 횟수로 함침시키는 함침과정과, 각 함침과정 이후에 함침액을 건조시키는 복수의 건조과정을 포함하여 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 균질화시키면서 함침시키는 함침단계와; 함침액이 균일하게 함침된 탄소섬유 매트릭스를 탄화처리하여 탄소섬유 기재층을 형성하는 탄소섬유 기재층 형성단계와; 형성된 탄소섬유 기재층의 표면에 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함한다.The present invention relates to a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell that can maintain excellent flatness even after carbonization treatment by uniformly impregnating a carbon fiber base layer with an impregnation solution containing a mixture of carbon precursor and resin.
A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a gas diffusion layer (GDL) that consists of a carbon fiber base layer and a microporous layer and constitutes a stack of a fuel cell, and constitutes a carbon fiber base layer. A carbon fiber matrix preparation step of preparing a carbon fiber matrix; An impregnating solution preparation step of preparing an impregnating solution that is a mixture of a carbon precursor constituting a carbon fiber base layer and a resin; An impregnation step of impregnating the prepared carbon fiber matrix with the impregnation solution a plurality of times, and a plurality of drying steps of drying the impregnation solution after each impregnation process, thereby impregnating the carbon fiber matrix with the impregnation solution while homogenizing it; A carbon fiber base layer forming step of carbonizing a carbon fiber matrix uniformly impregnated with an impregnation liquid to form a carbon fiber base layer; It includes a micropore layer forming step of forming a micropore layer on the surface of the formed carbon fiber base layer.

Description

연료전지용 기체확산층의 제조방법{Method of Manufacturing gas diffusion layer for fuel cell}{Method of Manufacturing gas diffusion layer for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 기체확산층의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유 기재층에 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액를 균일하게 함침시켜 탄화처리 후에도 평탄도를 우수하게 유지시킬 수 있는 연료전지용 기체확산층의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, and more specifically, to a method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, which can maintain excellent flatness even after carbonization treatment by uniformly impregnating the carbon fiber base layer with an impregnation solution containing a mixture of carbon precursor and resin. It relates to a method of manufacturing a gas diffusion layer.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.A fuel cell is a type of power generation device that converts the chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting within a stack. It not only supplies driving power for industrial, household, and vehicles, but also supplies power to small electronic products such as portable devices. It can be used for, and its area of use is gradually expanding as a highly efficient, clean energy source.

일반적인 연료전지 스택은 가장 안쪽에 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 연료극(anode) 및 공기극(cathode)으로 구성되어 있다.A typical fuel cell stack has a membrane electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) located at the innermost part. This membrane electrode assembly consists of a polymer electrolyte membrane that can move hydrogen cations (protons), and hydrogen on both sides of this electrolyte membrane. It consists of a catalyst layer applied so that oxygen can react with oxygen, that is, an anode and a cathode.

또한, 상기 막전극 접합체의 바깥 부분, 즉 연료극 및 공기극이 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 기체확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 배치되고, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 결합된다. 이때 분리판에서 유동되는 수소 및 산소(공기)의 기밀유지를 위하여 가스켓이 다양한 패턴으로 형성된다.In addition, a gas diffusion layer (GDL) is laminated on the outer part of the membrane electrode assembly, that is, the outer part where the fuel electrode and the air electrode are located, and fuel is supplied to the outside of the gas diffusion layer and water generated by the reaction is A separation plate with a flow field for discharge is disposed, and an end plate for supporting and fixing each of the above-mentioned components is coupled to the outermost part. At this time, gaskets are formed in various patterns to maintain airtightness of hydrogen and oxygen (air) flowing through the separator plate.

한편, 기체확산층은 탄소섬유와 탄소섬유 바인더로 구성된 탄소섬유 기재층(Carbon Fiber Substrate)과 미세기공층(MPL: Microporous Layer)로 구성된다. 이때 미세기공층은 전극과 맞닿아 전극-GDL간 접촉저항을 낮춰주고, 탄소섬유와 전극간 물리적 응력집중을 완화시켜 전해질막의 내구성을 개선해주며, 셀의 저전류 운전시 셀내 수분을 외부로 배출시키는 역할을 수행한다.Meanwhile, the gas diffusion layer is composed of a carbon fiber substrate made of carbon fiber and a carbon fiber binder and a microporous layer (MPL). At this time, the microporous layer is in contact with the electrode, lowering the contact resistance between the electrode and GDL, improving the durability of the electrolyte membrane by relieving the physical stress concentration between the carbon fiber and the electrode, and discharging moisture within the cell to the outside during low current operation of the cell. Perform.

탄소섬유 기재층은 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 함침시켜 제작하는데, 이때 함침액이 탄소섬유 매트릭스에 균일하게 함침되지 않으면 탄소섬유 기재층을 탄화처리하는 과정 중에 탄소섬유 기재층에 굴곡이 발생되는 문제가 생긴다.The carbon fiber base layer is manufactured by impregnating the carbon fiber matrix with an impregnating liquid. At this time, if the impregnating liquid is not uniformly impregnated into the carbon fiber matrix, the carbon fiber base layer may be bent during the carbonization process. occurs.

도 1은 탄소섬유 기재층의 탄화처리시 평탄도가 불균일하게 발생되는 원인을 보여주는 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the cause of non-uniform flatness during carbonization treatment of the carbon fiber base layer.

도 1의 (a)는 함침액(12)이 탄소섬유 기재층(10)의 하부에 집중되어 함침되는 경우로서, 탄화 처리 후에 탄소섬유 기재층(10)의 양측이 상부방향으로 절곡되는 현상이 발생하는 것을 보여준다.Figure 1 (a) is a case where the impregnating liquid 12 is concentrated and impregnated in the lower part of the carbon fiber base layer 10, and after carbonization treatment, both sides of the carbon fiber base layer 10 are bent upward. shows what is happening.

도 1의 (b)는 함침액(12)이 탄소섬유 기재층(10)의 상부에 집중되어 함침되는 경우로서, 탄화 처리 후에 탄소섬유 기재층(10)의 양측이 하부방향으로 절곡되는 현상이 발생하는 것을 보여준다. Figure 1 (b) is a case where the impregnating liquid 12 is concentrated and impregnated in the upper part of the carbon fiber base layer 10, and after carbonization treatment, both sides of the carbon fiber base layer 10 are bent in the downward direction. shows what is happening.

도 1의 (c)는 함침액(12)이 탄소섬유 기재층(10)의 영역별로 집중도가 다르게 함침되는 경우로서, 탄화 처리 후에 탄소섬유 기재층(10)의 양측이 불규칙하게 절곡되는 현상이 발생하는 것을 보여준다.Figure 1 (c) is a case where the impregnating liquid 12 is impregnated with different concentrations for each area of the carbon fiber base layer 10, and the phenomenon in which both sides of the carbon fiber base layer 10 are irregularly bent after carbonization treatment is shown. shows what is happening.

도 2a은 일반적으로 기체확산층을 재단하는 과정을 보여주는 도면이고, 도 2b는 기체확산층의 평탄도가 불균일할 때 발생되는 예를 보여주는 도면이다.FIG. 2A is a diagram showing a general process of cutting a gas diffusion layer, and FIG. 2B is a diagram showing an example of what occurs when the flatness of the gas diffusion layer is uneven.

도 2a에 도시된 바와 같이 기체확산층은 롤 형태로 제작된 상태에서 기체확산층 롤(1a)을 언코일링하여 시트(1b) 상태로 생산방향을 따라 연속하여 풀어준 다음, 설계 치수로 재단하여 사용한다. 이때 통상적으로는 시트(1b)의 생산직교방향으로 여러 장의 기체확산층을 재단한다.As shown in Figure 2a, the gas diffusion layer is manufactured in the form of a roll, and the gas diffusion layer roll (1a) is uncoiled to form a sheet (1b) continuously along the production direction, and then cut to the designed size for use. do. At this time, typically, several sheets of gas diffusion layer are cut in the direction perpendicular to the production of the sheet 1b.

만약 기체확산층 롤(1a)의 평탄도가 보장되지 않는 경우에는 재단되는 기체확산층의 평탄도가 보장되지 않고, 이에 따라 연료전지 셀의 불량을 초래한다.If the flatness of the gas diffusion layer roll 1a is not guaranteed, the flatness of the cut gas diffusion layer is not guaranteed, resulting in a defect in the fuel cell.

도 2b는 기체확산층의 평탄도가 불균일한 다양한 예를 보여주는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 함침액이 탄소섬유 매트릭스(11)에 불균일하게 분포하여 탄소섬유 기재층(10)의 평탄도가 불량한 경우 도 2b의 (a) 내지 (c)와 같이 탄소섬유 기재층(10) 표면에 형성되는 미세기공층(20)의 도포량 및 분포가 각 영역별로 다르게 된다. 이에 따라 각 영역별로 재단되는 시트① 내지 시트④는 그 표면의 평탄도가 보장되지 않기 때문에 표면이 불규칙하게 굴곡진 기체확산층이 생산되는 문제가 발생되었다.FIG. 2B is a diagram showing various examples in which the flatness of the gas diffusion layer is non-uniform. As shown in FIG. 1, the impregnating liquid is distributed non-uniformly in the carbon fiber matrix 11, resulting in the flatness of the carbon fiber base layer 10. In case of defects, the application amount and distribution of the microporous layer 20 formed on the surface of the carbon fiber base layer 10 are different for each area, as shown in (a) to (c) of FIG. 2B. Accordingly, since the flatness of the surfaces of sheets ① to ④ cut for each area was not guaranteed, a problem occurred in which a gas diffusion layer with an irregularly curved surface was produced.

또한, 평탄하지 못한 기체확산층이 제조되는 원인 중 다른 원인은 기체확산층의 연속 제조를 위하여 탄소섬유 매트릭스를 원통형의 코어에 권취한 다음 권출하면서 공급하게 되는데, 이때 코어에 탄소섬유 매티릭스가 사행되어 권취되거나 권출되는 과정에서 사행이 발생한는 것이다.In addition, another cause of the production of an uneven gas diffusion layer is that the carbon fiber matrix is wound around a cylindrical core and then supplied while unwinding for the continuous production of the gas diffusion layer. At this time, the carbon fiber matrix is meandered around the core and wound. In the process of being or being released, meandering occurs.

본 발명은 탄소섬유 기재층에 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 균일하게 함침시켜 탄화처리 후에도 평탄도를 우수하게 유지시킬 수 있는 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell that can maintain excellent flatness even after carbonization treatment by uniformly impregnating the carbon fiber base layer with an impregnation solution containing a mixture of carbon precursor and resin.

본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법은 탄소섬유 기재층과 미세기공층으로 이루어져서 연료전지의 스택을 구성하는 기체확산층(GDL)을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소섬유 매트릭스를 준비하는 탄소섬유 매트릭스 준비단계와; 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 준비하는 함침액 준비단계와; 준비된 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 복수의 횟수로 함침시키는 함침과정과, 각 함침과정 이후에 함침액을 건조시키는 복수의 건조과정을 포함하여 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 균질화시키면서 함침시키는 함침단계와; 함침액이 균일하게 함침된 탄소섬유 매트릭스를 탄화처리하여 탄소섬유 기재층을 형성하는 탄소섬유 기재층 형성단계와; 형성된 탄소섬유 기재층의 표면에 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함한다.A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a gas diffusion layer (GDL) that consists of a carbon fiber base layer and a microporous layer and constitutes a stack of a fuel cell, and constitutes a carbon fiber base layer. A carbon fiber matrix preparation step of preparing a carbon fiber matrix; An impregnating solution preparation step of preparing an impregnating solution that is a mixture of a carbon precursor constituting a carbon fiber base layer and a resin; An impregnation step of impregnating the prepared carbon fiber matrix with the impregnation solution a plurality of times, and a plurality of drying steps of drying the impregnation solution after each impregnation process, thereby impregnating the carbon fiber matrix with the impregnation solution while homogenizing it; A carbon fiber base layer forming step of carbonizing a carbon fiber matrix uniformly impregnated with an impregnation liquid to form a carbon fiber base layer; It includes a micropore layer forming step of forming a micropore layer on the surface of the formed carbon fiber base layer.

상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스에 제1차 함침액을 함침시키는 과정과, 탄소섬유 매트릭스에 제1차 함침액과 동일한 방식으로 제2차 함침액을 함침시키는 과정이 반복적으로 이루어질 수 있다.In the impregnation step, the impregnation process may be repeatedly performed by impregnating the carbon fiber matrix with the first impregnation solution and impregnating the carbon fiber matrix with the second impregnation solution in the same manner as the first impregnation solution. .

상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스의 일면으로 제1차 함침액을 함침시키는 과정과, 탄소섬유 매트릭스의 타면으로 제2차 함침액을 함침시키는 과정이 순차적 또는 동시에 이루어질 수 있다.In the impregnation step, the impregnation process may include a process of impregnating one side of the carbon fiber matrix with the first impregnation solution and a process of impregnating the other side of the carbon fiber matrix with the second impregnation solution, sequentially or simultaneously.

상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스의 일면으로 함침액을 함침시키고, 탄소섬유 매트릭스의 일면에 음압을 제공하거나 탄소섬유 매트릭스의 타면에 양압을 제공하여 탄소섬유 매트릭스 내에서 함침액을 이동시킬 수 있다.In the impregnation step, the impregnation process impregnates one side of the carbon fiber matrix with the impregnation solution, and provides negative pressure to one side of the carbon fiber matrix or positive pressure to the other side of the carbon fiber matrix to move the impregnation solution within the carbon fiber matrix. there is.

제 1 실시예에 따른 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 제 1 함침조와 제 2 함침조를 순차적으로 경유시키되, 제 1 함침조를 경유한 탄소섬유 매트릭스를 상하방향으로 반전시켜 제 2 함침조를 경유시키고, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 제 1 함침조의 후단 및 제 2 함침조의 후단에 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 배치하여 제 1 함침조 및 제 2 함침조를 경유하면서 탄소섬유 매트릭스에 함침된 함침액을 건조시키는 것을 특징으로 한다.In the impregnation step according to the first embodiment, the carbon fiber matrix is sequentially passed through a first impregnation tank and a second impregnation tank containing an impregnating liquid while being transferred by a transfer means, and the carbon fiber matrix through the first impregnation tank is moved in an upward and downward direction. is reversed to pass through the second impregnation tank, and a drying chamber for drying the impregnation liquid is disposed at the rear end of the first impregnation tank and the rear end of the second impregnation tank on the movement path of the carbon fiber matrix to form the first impregnation tank and the second impregnation tank. It is characterized in that the impregnating liquid impregnated in the carbon fiber matrix is dried while passing through.

제 2 실시예에 따른 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 함침조를 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스를 함침조의 내부와 외부를 수직방향으로 반복하여 경유시키고, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 함침조의 외부에 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 배치하여 함침조의 내부와 외부를 수직방향으로 경유하면서 탄소섬유 매트릭스에 함침된 함침액을 반복하여 건조시키는 것을 특징으로 한다.In the impregnation step according to the second embodiment, the carbon fiber matrix is transported by a transfer means and passes through an impregnation tank containing an impregnating liquid. The carbon fiber matrix is repeatedly passed through the inside and outside of the impregnation tank in a vertical direction, and the carbon fiber A drying chamber for drying the impregnating liquid is disposed outside the impregnation tank along the movement path of the matrix, and the impregnating liquid impregnated in the carbon fiber matrix is repeatedly dried while passing through the inside and outside of the impregnation tank in the vertical direction.

제 3 실시예에 따른 함침단계는 탄소섬유 기재층을 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 함침조를 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스를 함침조의 내부와 외부를 수평방향으로 반복하여 경유시키고, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 함침조의 외부에 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 배치하여 함침조의 내부와 외부를 수평방향으로 경유하면서 탄소섬유 매트릭스에 함침된 함침액을 반복하여 건조시키는 것을 특징으로 한다.In the impregnation step according to the third embodiment, the carbon fiber base layer is transported by a transfer means and passes through an impregnation tank containing an impregnating liquid. The carbon fiber matrix is repeatedly passed through the inside and outside of the impregnation tank in the horizontal direction, and the carbon fiber matrix is passed through the impregnation tank in a horizontal direction. A drying chamber for drying the impregnation liquid is disposed outside the impregnation tank along the movement path of the fiber matrix, and the impregnation liquid impregnated in the carbon fiber matrix is repeatedly dried while passing through the inside and outside of the impregnation tank in the horizontal direction.

제 4 실시예에 따른 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 제 1 함침조와 제 2 함침조를 순차적으로 경유시키되, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 제 1 함침조의 후단 및 제 2 함침조의 후단에 탄소섬유 매트릭스 내에서 함침액을 이동시켜 분산시키는 분산수단과 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 순차적으로 배치하여 제 1 함침조 및 제 2 함침조를 경유하면서 함침된 함침액을 탄소섬유 매트릭스 내에서 이동시킨 다음 건조시키는 것을 특징으로 한다.In the impregnation step according to the fourth embodiment, the carbon fiber matrix is transferred by a transfer means and sequentially passes through a first impregnation tank and a second impregnation tank containing the impregnation liquid, and is performed at the rear end of the first impregnation tank on the movement path of the carbon fiber matrix. And at the rear end of the second impregnation tank, a dispersion means for moving and dispersing the impregnation liquid within the carbon fiber matrix and a drying chamber for drying the impregnation liquid are sequentially arranged so that the impregnation liquid is impregnated while passing through the first impregnation tank and the second impregnation tank. It is characterized in that it is moved within the carbon fiber matrix and then dried.

이때 분산수단은 함침액을 음압 또는 양압에 의해 이동시키는 압력제공 챔버, 균질기(Homogenizer), 혼합기(Blender) 및 초음파기(Ultrasonicator) 중 선택되는 것이 바람직하다.At this time, the dispersing means is preferably selected from a pressure providing chamber, a homogenizer, a blender, and an ultrasonicator that moves the impregnating liquid by negative or positive pressure.

상기 함침단계에서 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키기 전에 원통형 코어에 탄소섬유 매트릭스를 권취하는 권취과정과 원통형 코어에 권취된 탄소섬유 매트릭스를 권출하여 이송수단으로 공급하는 권출과정을 포함하고, 상기 권취과정에서 탄소섬유 매트릭스는 상기 코어의 축과 탄소섬유 매트릭스의 길이방향이 수직이 되도록 권취되는 것이 바람직하다.In the impregnation step, a winding process of winding the carbon fiber matrix around a cylindrical core before transferring the carbon fiber matrix by a transfer means, and an unwinding process of unwinding the carbon fiber matrix wound on the cylindrical core and supplying it to the transfer means, During the winding process, the carbon fiber matrix is preferably wound so that the axis of the core and the longitudinal direction of the carbon fiber matrix are perpendicular.

한편, 상기 함침단계에서 함침과정은 콤마코터(Comma Coater)를 통해서 이루어질 수 있다.Meanwhile, in the impregnation step, the impregnation process can be performed through a comma coater.

본 발명의 실시예에 따르면, 탄소섬유 기재층에 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 함침시킨 다음, 함침액이 탄소섬유 기재층에서 균일하게 분포되고 유지될 수 있도록 함침공정을 개선하여 탄화처리 이후에도 평탄도를 우수하게 유지된 탄소섬유 기재층를 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon fiber base layer is impregnated with an impregnating liquid mixed with a carbon precursor and resin, and then the impregnation process is improved to ensure that the impregnating liquid is uniformly distributed and maintained in the carbon fiber base layer, thereby performing carbonization. Afterwards, the effect of being able to manufacture a carbon fiber base layer with excellent flatness can be expected.

이에 따라 평탄도가 우수하게 유지된 탄소섬유 기재층에 형성되는 미세기공층을 형성함에 따라 품질 좋은 기체확산층을 제조할 수 있고, 기체확산층의 재단시에 불량률을 현저하게 낮출 수 있는 효과를 기대할 수 있다.Accordingly, by forming a micropore layer formed on a carbon fiber base layer with excellent flatness, a high-quality gas diffusion layer can be manufactured, and the effect of significantly lowering the defect rate when cutting the gas diffusion layer can be expected. there is.

도 1은 탄소섬유 기재층의 탄화처리시 평탄도가 불균일하게 발생되는 원인을 보여주는 도면이고,
도 2a은 일반적으로 기체확산층을 재단하는 과정을 보여주는 도면이며,
도 2b는 기체확산층의 평탄도가 불균일할 때 발생되는 예를 보여주는 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 보여주는 도면이며,
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법 중 함침단계에서의 공정을 보여주는 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the cause of uneven flatness during carbonization of the carbon fiber base layer,
Figure 2a is a diagram generally showing the process of cutting the gas diffusion layer,
Figure 2b is a diagram showing an example of what occurs when the flatness of the gas diffusion layer is non-uniform;
Figures 3a to 3c are diagrams showing a method of evenly distributing the impregnating liquid in the carbon fiber matrix;
Figures 4 to 7 are diagrams showing the process in the impregnation step in the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. These embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to those skilled in the art to fully convey the scope of the invention. This is provided to inform you. In the drawings, like symbols refer to like elements.

도 3a 내지 도 3c는 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 보여주는 도면이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법 중 함침단계에서의 공정을 보여주는 도면이다.FIGS. 3A to 3C are diagrams showing a method of evenly distributing an impregnating liquid in a carbon fiber matrix, and FIGS. 4 to 7 are diagrams showing the process in the impregnation step in the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. It is a drawing.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법은 탄소섬유 기재층과 미세기공층으로 이루어져서 연료전지의 스택을 구성하는 기체확산층(GDL)을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소섬유 매트릭스를 준비하는 탄소섬유 매트릭스 준비단계와; 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 준비하는 함침액 준비단계와; 준비된 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 함침시키는 함침단계와; 함침액이 균일하게 함침된 탄소섬유 매트릭스를 탄화처리하여 탄소섬유 기재층을 형성하는 탄소섬유 기재층 형성단계와; 형성된 탄소섬유 기재층의 표면에 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함한다.First, the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a gas diffusion layer (GDL) that consists of a carbon fiber base layer and a microporous layer and constitutes a stack of a fuel cell. A carbon fiber matrix preparation step of preparing a carbon fiber matrix constituting a; An impregnating solution preparation step of preparing an impregnating solution that is a mixture of a carbon precursor constituting a carbon fiber base layer and a resin; An impregnation step of impregnating the prepared carbon fiber matrix with an impregnation solution; A carbon fiber base layer forming step of carbonizing a carbon fiber matrix uniformly impregnated with an impregnation liquid to form a carbon fiber base layer; It includes a micropore layer forming step of forming a micropore layer on the surface of the formed carbon fiber base layer.

각 단계를 구체적으로 설명한다.Each step is explained in detail.

먼저, 탄소섬유 매트릭스 준비단계는 아래의 공정으로 실시된다.First, the carbon fiber matrix preparation step is carried out through the process below.

1. Polymerization: 고분자 소재를 중합반응시키는 과정으로서, Rayon(Cellulose 포함), Kynol(Phenol류 포함) 및 PAN(Poly Acrylonitrile) 등의 고분자 소재를 중합반응시켜 탄소섬유의 소스를 생산한다. 고분자 소재로는 가격, 수율, 탄소섬유 물성 등을 고려하여 PAN이 주로 사용된다.1. Polymerization: This is a process of polymerizing polymer materials. It produces a source of carbon fiber by polymerizing polymer materials such as Rayon (including Cellulose), Kynol (including Phenol), and PAN (Poly Acrylonitrile). PAN is mainly used as a polymer material considering price, yield, and carbon fiber properties.

2. Spinning: 고분자 중합체를 섬유화시키는 과정이다.2. Spinning: This is the process of turning high molecular weight polymers into fibers.

3. Stabilization: 탄소섬유를 탄화시키기 전 산소분위기에서 급격한 화학분해를 방지하기 위해 안정화시키기 위하여 열처리(약 230℃)하는 과정이다.3. Stabilization: This is a process of heat treatment (about 230℃) to stabilize carbon fiber in an oxygen atmosphere before carbonizing it to prevent rapid chemical decomposition.

4. Carbonization: 고분자를 탄화시키는 과정이며, 이때 고분자 구성 성분 중, 탄소를 제외한 성분들이 제거되어 탄소섬유가 형성된다. PAN의 경우 탄화 후 30%정도의 중량이 남는다.4. Carbonization: This is the process of carbonizing a polymer. At this time, components other than carbon are removed from the polymer components to form carbon fiber. In the case of PAN, about 30% of the weight remains after carbonization.

5. Sizing: Epoxy Resin 등을 이용하여 탄소섬유를 독립된 단섬유화 시켜 필라멘트를 보호하는 과정이다.5. Sizing: This is the process of protecting the filament by turning carbon fiber into independent single fibers using epoxy resin, etc.

6. Chopping: 탄소섬유를 길이방향으로 3~12mm로 자르는 과정이다.6. Chopping: This is the process of cutting carbon fiber into 3~12mm lengthwise.

7. Dispersion: Polymeric Binder(Polyvinyl Alcohol 등), 계면활성제를 사용하여 탄소섬유를 물에 분산시키는 과정이다.7. Dispersion: This is the process of dispersing carbon fiber in water using a polymer binder (polyvinyl alcohol, etc.) and a surfactant.

8. Papermaking: 수용액에 분산된 탄소섬유를 Headbox의 요란을 이용하여 종이형태(Raw Paper)로 만드는 과정이다.8. Papermaking: This is the process of making carbon fiber dispersed in an aqueous solution into paper form (raw paper) using the turbulence of the headbox.

9. Bonding: 열처리를 통해 종이형태의 탄소섬유를 1차 결속시키는 과정(Thermo-Bonding)이다.9. Bonding: This is the process of first bonding paper-shaped carbon fibers through heat treatment (Thermo-Bonding).

상기와 같은 과정을 통하여 탄소섬유 매트릭스가 준비된다.A carbon fiber matrix is prepared through the above process.

다음으로, 함침액 준비단계는 탄소섬유 매트릭스에 함침되는 함침액을 준비하는 단계로서, 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 준비한다.Next, the impregnation solution preparation step is a step of preparing an impregnation solution to be impregnated into the carbon fiber matrix. An impregnation solution is prepared by mixing the carbon precursor and resin constituting the carbon fiber base layer.

탄소섬유 매트릭스와 함침액이 준비되면 준비된 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 함침시키는 함침단계를 실시한다.Once the carbon fiber matrix and the impregnation solution are prepared, an impregnation step is performed in which the prepared carbon fiber matrix is impregnated with the impregnation solution.

함침(Impregnation)단계에서는 함침액을 탄소섬유 매트릭스에 복수의 횟수로 함침시키는 함침과정과, 각 함침과정 이후에 함침액을 건조시키는 복수의 건조과정을 포함하여 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 균질화시키면서 함침시킨다. 함침단계에서의 구체적인 실시예는 이후에 상세하게 설명하도록 한다.The impregnation step includes an impregnation process of impregnating the carbon fiber matrix with the impregnation solution multiple times, and a plurality of drying processes of drying the impregnation solution after each impregnation process, impregnating the carbon fiber matrix while homogenizing the impregnation solution. I order it. Specific examples of the impregnation step will be described in detail later.

함침단계 이후에는 함침액에 포함된 전구체를 고온 열처리를 통해 탄화(Carbonization)처리하여 탄소섬유 기재층을 형성하는 탄소섬유 기재층 형성단계를 실시한다. 이때 탄화처리 온도는 1200 ~ 1400℃ 정도에서 이루어진다.After the impregnation step, a carbon fiber base layer forming step is performed in which the precursor contained in the impregnation solution is carbonized through high temperature heat treatment to form a carbon fiber base layer. At this time, the carbonization temperature is performed at approximately 1200 to 1400°C.

한편, 탄소섬유 기재층 형성단계에서는 탄화처리 이후에 탄소섬유 매트릭스를 더욱 고온에서 열처리(2000~2400℃)하여 결정화도를 높여 기계적 강성을 높이는 처리(Graphitization)를 실시할 수 있다.Meanwhile, in the carbon fiber base layer forming step, after carbonization treatment, the carbon fiber matrix can be heat treated at a higher temperature (2000-2400°C) to increase crystallinity and thereby increase mechanical rigidity (graphitization).

또한, 탄소섬유 매트릭스에 테플론 방수액을 함침하여 발수력을 높이는 단계를 실시할 수 있다.Additionally, a step of increasing water repellency can be performed by impregnating the carbon fiber matrix with a Teflon waterproofing solution.

이렇게 탄소섬유 기재층이 형성되면, 탄소섬유 기재층의 표면에 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 실시한다. 이때 미세기공층은 탄소분말과 테플론으로 구성된 슬러리를 이용하여 탄소섬유 기재층의 표면에 코팅하여 형성된다. 그리고, 테플론의 녹는점 이상(~350℃)으로 열처리하여 미세기공층에서 테플론의 분산성을 향상시킬 수 있다. Once the carbon fiber base layer is formed in this way, a micropore layer forming step is performed to form a micropore layer on the surface of the carbon fiber base layer. At this time, the microporous layer is formed by coating the surface of the carbon fiber base layer using a slurry composed of carbon powder and Teflon. In addition, the dispersibility of Teflon in the microporous layer can be improved by heat treatment above the melting point of Teflon (~350°C).

한편, 본 발명에서는 함침단계에서 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 균일하게 분포시키기 위하여 다양한 방법을 제시한다.Meanwhile, the present invention proposes various methods to uniformly distribute the impregnating liquid in the carbon fiber matrix in the impregnation step.

도 3a 내지 도 3c는 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 보여주는 도면이다.Figures 3a to 3c are diagrams showing a method of evenly distributing an impregnation solution in a carbon fiber matrix.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 탄소섬유 매트릭스(11)에서 함침액(12)을 고르게 분포시키기 위하여 탄소섬유 매트릭스(11)에 함침액(12)을 복수의 횟수로 함침시킬 수 있다. 먼저, 탄소섬유 매트릭스(11)에 제1차 함침액(12a) 함침시킨다. 도면에서는 함침액의 분포를 보여주기 위하여 함침액을 덩어리로 표현하였지만, 실제로는 액상의 상태를 유지한다. 이렇게 한번의 함침으로서는 탄소섬유 매트릭스(11) 내부에 제1차 함침액(12a)이 불균일하게 분포된다. 이 상태에서 제2차 함침액(12b)을 함침시킨다. 그러면 상대적으로 제1차 함침액(12a)의 분포도가 낮은 영역으로 제2차 함침액(12b)이 분포되면서 한번의 함침으로 달성되는 함침액의 분포도보다 균일한 분포도를 구현할 수 있다. 이렇게 함침을 반복하여 여러번 실시함으로써 함침액의 균일한 분포도를 유지할 수 있다.First, as shown in FIG. 3A, in order to evenly distribute the impregnating liquid 12 in the carbon fiber matrix 11, the carbon fiber matrix 11 may be impregnated with the impregnating liquid 12 a plurality of times. First, the carbon fiber matrix 11 is impregnated with the first impregnating liquid 12a. In the drawing, the impregnating liquid is expressed as a lump to show the distribution of the impregnating liquid, but in reality, it maintains a liquid state. In this one-time impregnation, the first impregnation liquid 12a is distributed unevenly inside the carbon fiber matrix 11. In this state, it is impregnated with the second impregnating liquid (12b). Then, the second impregnating liquid 12b is distributed to areas where the distribution of the first impregnating liquid 12a is relatively low, thereby realizing a more uniform distribution than the distribution of the impregnating liquid achieved through one impregnation. By repeating this impregnation several times, uniform distribution of the impregnating liquid can be maintained.

도 3b에 도시된 바와 같이 탄소섬유 매트릭스(11)에 함침액(12)을 함침하는 경우에 탄소섬유 매트릭스(11)의 상면으로 제1차 함침액(12a)을 함침시키고, 탄소섬유 매트릭스(11)의 하면으로 제2차 함침액(12b)을 함침시켜 함침액(12)을 균일하게 분포시킬 수 있다. 이때 탄소섬유 매트릭스(11)의 상면과 하면으로 동시에 제1차 함침액(12a)과 제2차 함침액(12b)을 동시에 함침시킬 수도 있을 것이다.As shown in Figure 3b, when impregnating the carbon fiber matrix 11 with the impregnating liquid 12, the upper surface of the carbon fiber matrix 11 is impregnated with the first impregnating liquid 12a, and the carbon fiber matrix 11 ) can be impregnated with the second impregnation liquid (12b) to uniformly distribute the impregnation liquid (12). At this time, the upper and lower surfaces of the carbon fiber matrix 11 may be simultaneously impregnated with the first impregnation liquid 12a and the second impregnation liquid 12b.

도 3c에 도시된 바와 같이 탄소섬유 매트릭스(11)에 함침액(12)을 함침하는 경우에 탄소섬유 매트릭스(11)의 일면으로 함침액(12)을 함침시키고, 탄소섬유 매트릭스(11)의 일면에 음압을 제공하거나 탄소섬유 매트릭스(11)의 타면에 양압을 제공하여 탄소섬유 매트릭스(11) 내에서 함침액(12)을 이동시켜 함침액(12)을 균일하게 분포시킬 수 있다.As shown in Figure 3c, when impregnating the carbon fiber matrix 11 with the impregnating liquid 12, one side of the carbon fiber matrix 11 is impregnated with the impregnating liquid 12, and one side of the carbon fiber matrix 11 is impregnated with the impregnating liquid 12. By providing negative pressure to the other surface of the carbon fiber matrix 11 or providing positive pressure to the other surface of the carbon fiber matrix 11, the impregnation liquid 12 can be uniformly distributed by moving the impregnation liquid 12 within the carbon fiber matrix 11.

다음으로, 도 3a 내지 도 3c를 통하여 제시된 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 구현한 예를 통하여 본 발명의 함침단계를 구체적으로 설명한다.Next, the impregnation step of the present invention will be described in detail through an example of implementing a method of evenly distributing the impregnation solution in the carbon fiber matrix shown in FIGS. 3A to 3C.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법 중 함침단계에서의 공정을 보여주는 도면이다.Figures 4 to 7 are diagrams showing the process in the impregnation step in the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 함침단계의 제 1 실시예를 위하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 연속적으로 이송시키는 이송수단(100)이 구비된다. 그리고 이송수단(100)의 이송에 의한 탄소섬유 매트릭스(11)의 이동경로 상에 제1차 함침액(12a)이 수용된 제 1 함침조(200a)와 제2차 함침액(12b)이 수용된 제 2 함침조(200b)를 순차적으로 배치하고, 제 1 함침조(200a)와 제 2 함침조(200b) 사이에 건조 챔버(300)를 배치한다. 이때 이송수단의 전단에는 탄소섬유 매트릭스(11)가 권취되어 준비되는 원통형의 코어(미도시)가 배치된다.First, as shown in FIG. 4, a transport means 100 for continuously transporting the carbon fiber matrix 11 is provided for the first embodiment of the impregnation step according to the present invention. And on the movement path of the carbon fiber matrix 11 by the transfer means 100, a first impregnation tank 200a containing the first impregnation liquid 12a and a second impregnation tank 200a containing the second impregnation liquid 12b. 2 Impregnation tanks 200b are arranged sequentially, and a drying chamber 300 is arranged between the first impregnation tank 200a and the second impregnation tank 200b. At this time, a cylindrical core (not shown) prepared by winding the carbon fiber matrix 11 is disposed at the front end of the transport means.

특히 이송수단(100)은 제 1 함침조(200a)를 경유하는 구간에서는 탄소섬유 매트릭스(11)의 일면이 상부방향을 향한 상태로 이송시킬 수 있도록 구비된다. 그리고 제 2 함침조(200b)의 선단에서 탄소섬유 매트릭스(11)를 상하방향으로 반전시키고, 탄소섬유 매트릭스(11)의 타면이 상부방향을 향한 상태로 이송되도록 하여 제 2 함침조(200b)를 경유시킨다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 함침조(200a)와 제 2 함침조(200b) 사이에 건조 챔버를 배치하고 이송수단의 이송경로를 제 1 함침조(200a), 건조 챔버(300), 제 2 함침조(200b) 다시 건조 챔버(300)를 경유하도록 한다.In particular, the transfer means 100 is provided to transport the carbon fiber matrix 11 with one side facing upward in the section passing through the first impregnation tank 200a. Then, the carbon fiber matrix 11 is inverted in the vertical direction at the tip of the second impregnation tank 200b, and the other side of the carbon fiber matrix 11 is transferred with the upward direction to form the second impregnation tank 200b. transit. At this time, as shown in FIG. 4, a drying chamber is disposed between the first impregnation tank 200a and the second impregnation tank 200b, and the transfer path of the transfer means is divided into the first impregnation tank 200a and the drying chamber 300. , the second impregnation tank 200b is again passed through the drying chamber 300.

그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다. 이때 탄소섬유 매트릭스(11)가 권출되어 이송되는 과정에서 사행되지 않도록 코어에 탄소섬유 매트릭스(11)가 사행되지 않고 권취되는 것이 중요하다. 이를 위하여 코어에 탄소섬유 매트릭스(11)를 권취하는 동안 코어의 축과 탄소섬유 매트릭스(11)의 길이방향이 수직이 되도록 권취하는 것이 중요하다.So, the carbon fiber matrix 11 is wound around the core to prepare for transporting the carbon fiber matrix 11. At this time, it is important that the carbon fiber matrix 11 is wound around the core without meandering so that the carbon fiber matrix 11 does not meander during the process of being unwound and transported. To this end, while winding the carbon fiber matrix 11 around the core, it is important to ensure that the axis of the core and the longitudinal direction of the carbon fiber matrix 11 are perpendicular.

이렇게 코어에 탄소섬유 매트릭스(11)가 권취되어 준비된 상태에서 코어에서 탄소섬유 매트릭스(11)를 권출하여 이송수단(100)에 의해 이송시키면서 함침액(12)이 수용된 제 1 함침조(200a)와 제 2 함침조(200b)를 순차적으로 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스(11)의 이동 경로 상 제 1 함침조(200a)의 후단에서 건조 챔버(300)를 경유시키고, 제 2 함침조(200b)의 후단에 건조 챔버(300)를 경유하도록 하여 함침액(12)의 함침과 건조가 반복되도록 한다.In this state, where the carbon fiber matrix 11 is wound around the core and prepared, the carbon fiber matrix 11 is unwound from the core and transported by the transfer means 100, and the first impregnation tank 200a containing the impregnation liquid 12 is Passing through the second impregnation tank 200b sequentially, passing through the drying chamber 300 at the rear end of the first impregnation tank 200a on the movement path of the carbon fiber matrix 11, and passing through the drying chamber 300 in the second impregnation tank 200b. Impregnation and drying of the impregnating liquid 12 are repeated by passing through the drying chamber 300 at the rear end.

이렇게 제 1 함침조(200a)와 제 2 함침조(200b)를 경유할 때 탄소섬유 매트릭스의 자세를 반전시킴에 따라 전술된 도 3b와 같이 함침액(12)이 균일하게 분포되는 효과를 얻을 수 있다.By reversing the posture of the carbon fiber matrix when passing through the first impregnation tank 200a and the second impregnation tank 200b, the effect of uniformly distributing the impregnation liquid 12 as shown in FIG. 3b can be obtained. there is.

또한, 함침과정 사이에 건조과정을 실시함으로서, 함침액(12)이 이송 중 중력에 의해서 하부방향으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다.Additionally, by performing a drying process between impregnation processes, it is possible to prevent the impregnating liquid 12 from concentrating downward due to gravity during transport.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 함침단계의 제 2 실시예를 위하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 연속적으로 권출하여 이송시키는 코어(미도시) 및 이송수단(100)이 구비된다. 그리고 이송수단(100)의 이송에 의한 탄소섬유 매트릭스(11)의 이동경로 상에 함침액(12)이 수용된 함침조(200)를 배치하고, 함침조(200)의 상부에 건조 챔버(300)를 배치한다.Next, as shown in FIG. 5, for the second embodiment of the impregnation step according to the present invention, a core (not shown) and a transfer means 100 for continuously unwinding and transporting the carbon fiber matrix 11 are provided. . Then, an impregnation tank 200 containing the impregnation liquid 12 is placed on the movement path of the carbon fiber matrix 11 by the transfer means 100, and a drying chamber 300 is formed on the upper part of the impregnation tank 200. Place .

특히 이송수단(100)은 함침조(200)의 내부와 외부를 수직방향으로 반복하여 경유시킬 수 있도록 구비된다. 그리고 이송수단(100)은 함침조(200)의 외부로 구비되는 구간이 건조 챔버(300)를 반복하여 경유하도록 구비된다.In particular, the transfer means 100 is provided to repeatedly pass through the inside and outside of the impregnation tank 200 in the vertical direction. And the transfer means 100 is provided so that the section provided outside the impregnation tank 200 repeatedly passes through the drying chamber 300.

그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 사행되지 않도록 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다. Therefore, the carbon fiber matrix 11 is wound around the core so that it does not meander, and the carbon fiber matrix 11 is prepared to be transported.

이렇게 코어에 탄소섬유 매트릭스(11)가 권취되어 준비된 상태에서 코어에서 탄소섬유 매트릭스(11)를 권출하여 이송수단(100)에 의해 이송시키면서 함침액(12)이 수용된 함침조(200)를 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스(11)를 함침조(200)의 내부와 외부를 수직방향으로 반복하여 경유되도록 한다.In this state, the carbon fiber matrix 11 is wound around the core and prepared, and the carbon fiber matrix 11 is unwound from the core and transported by the transfer means 100 through the impregnation tank 200 containing the impregnation liquid 12. , the carbon fiber matrix 11 is repeatedly passed through the inside and outside of the impregnation tank 200 in the vertical direction.

그리고 탄소섬유 매트릭스(11)가 함침조(200)의 내부와 외부를 수직방향으로 경유하면서 함침조(200)에서 함침된 함침액(12)이 건조 챔버(300)를 경유하면서 반복하여 건조되도록 한다.And, while the carbon fiber matrix 11 passes through the inside and outside of the impregnation tank 200 in a vertical direction, the impregnating liquid 12 impregnated in the impregnation tank 200 passes through the drying chamber 300 and is repeatedly dried. .

이렇게 함침조(200)를 수직방향으로 반복하여 경유하면 탄소섬유 매트릭스(11)가 중력 방향으로 이송되고, 이에 따라 함침액(12)이 중력에 의해 하부방향으로 유동하여도 탄소섬유 매트릭스(11)의 폭방향 균일도를 균일하게 유지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.When repeatedly passing through the impregnation tank 200 in the vertical direction, the carbon fiber matrix 11 is transferred in the direction of gravity. Accordingly, even if the impregnation liquid 12 flows downward by gravity, the carbon fiber matrix 11 The effect of maintaining uniformity in the width direction can be expected.

이렇게 함침조(200)를 반복하여 경유하면서 다단으로 함침을 실시함에 따라 전술된 도 3a와 같이 함침액(12)이 균일하게 분포되는 효과를 얻을 수 있다.By performing impregnation in multiple stages while repeatedly passing through the impregnation tank 200, the effect of uniformly distributing the impregnation liquid 12 as shown in FIG. 3A can be obtained.

다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 함침단계의 제 3 실시예를 위하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 연속적으로 권출하여 이송시키는 코어(미도시) 및 이송수단(100)이 구비된다. 그리고 이송수단(100)의 이송에 의한 탄소섬유 매트릭스(11)의 이동경로 상에 함침액(12)이 수용된 함침조(200)를 배치하고, 함침조(200)의 측부에 건조 챔버(300)를 배치한다.Next, as shown in FIG. 6, for the third embodiment of the impregnation step according to the present invention, a core (not shown) and a transfer means 100 for continuously unwinding and transporting the carbon fiber matrix 11 are provided. . Then, an impregnation tank 200 containing the impregnation liquid 12 is placed on the movement path of the carbon fiber matrix 11 by the transfer means 100, and a drying chamber 300 is formed on the side of the impregnation tank 200. Place .

특히 이송수단(100)은 함침조(200)의 내부와 외부를 수평방향으로 반복하여 경유시킬 수 있도록 구비된다. 그리고 이송수단(100)은 함침조(200)의 외부로 구비되는 구간이 건조 챔버(300)를 반복하여 경유하도록 구비된다.In particular, the transfer means 100 is provided to repeatedly pass through the inside and outside of the impregnation tank 200 in the horizontal direction. And the transfer means 100 is provided so that the section provided outside the impregnation tank 200 repeatedly passes through the drying chamber 300.

그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 사행되지 않도록 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다. Therefore, the carbon fiber matrix 11 is wound around the core so that it does not meander, and the carbon fiber matrix 11 is prepared to be transported.

이렇게 코어에 탄소섬유 매트릭스(11)가 권취되어 준비된 상태에서 코어에서 탄소섬유 매트릭스(11)를 권출하여 이송수단(100)에 의해 이송시키면서 함침액(12)이 수용된 함침조(200)를 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스(11)를 함침조(200)의 내부와 외부를 수평방향으로 반복하여 경유되도록 한다.In this state, the carbon fiber matrix 11 is wound around the core and prepared, and the carbon fiber matrix 11 is unwound from the core and transported by the transfer means 100 through the impregnation tank 200 containing the impregnation liquid 12. , the carbon fiber matrix 11 is repeatedly passed through the inside and outside of the impregnation tank 200 in the horizontal direction.

그리고 탄소섬유 매트릭스(11)가 함침조(200)의 내부와 외부를 수평방향으로 경유하면서 함침조(200)에서 함침된 함침액(12)이 건조 챔버(300)를 경유하면서 반복하여 건조되도록 한다.And, while the carbon fiber matrix 11 passes through the inside and outside of the impregnation tank 200 in a horizontal direction, the impregnating liquid 12 impregnated in the impregnation tank 200 passes through the drying chamber 300 and is repeatedly dried. .

이렇게 함침조(200)를 수평방향으로 반복하여 경유시키면서 다단으로 함침과정이 이루어지고, 함침과정 사이에 건조과정을 실시함으로서, 함침액(12)이 이송 중 중력에 의해서 하부방향으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다.In this way, the impregnation process is carried out in multiple stages while repeatedly passing through the impregnation tank 200 in the horizontal direction, and a drying process is performed between impregnation processes to prevent the phenomenon of the impregnation liquid 12 being concentrated in the lower direction due to gravity during transportation. It can be prevented.

다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 함침단계의 제 4 실시예를 위하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 연속적으로 권출하여 이송시키는 코어(미도시) 및 이송수단(100)이 구비된다. 그리고 이송수단(100)의 이송에 의한 탄소섬유 매트릭스(11)의 이동경로 상에 제1차 함침액(12a)이 수용된 제 1 함침조(200a)와 제2차 함침액(12b)이 수용된 제 2 함침조(200b)를 순차적으로 배치하고, 제 1 함침조(200a)의 후단 및 제 2 함침조의 후단에 탄소섬유 매트릭스 내에서 함침액(12)을 이동시켜 분산시키는 분산수단과 함침액(12)을 건조시키는 건조 챔버(300a, 300b)를 순차적으로 배치한다. 이때 분산수단은 탄소섬유 매트릭스 내에서 함침액(12)을 음압 또는 양압에 의해 이동시키는 압력제공 챔버(400a, 400b)가 적용될 수 있다.Next, as shown in FIG. 7, for the fourth embodiment of the impregnation step according to the present invention, a core (not shown) and a transfer means 100 for continuously unwinding and transporting the carbon fiber matrix 11 are provided. . And on the movement path of the carbon fiber matrix 11 by the transfer means 100, a first impregnation tank 200a containing the first impregnation liquid 12a and a second impregnation tank 200a containing the second impregnation liquid 12b. 2 Impregnation tanks 200b are arranged sequentially, and a dispersion means for moving and dispersing the impregnation liquid 12 within the carbon fiber matrix at the rear end of the first impregnation tank 200a and the rear end of the second impregnation tank 12 is provided. ) are placed sequentially to dry the drying chambers 300a and 300b. At this time, the dispersing means may be pressure providing chambers 400a and 400b that move the impregnating liquid 12 within the carbon fiber matrix by negative or positive pressure.

그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 사행되지 않도록 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다. Therefore, the carbon fiber matrix 11 is wound around the core so that it does not meander, and the carbon fiber matrix 11 is prepared to be transported.

이렇게 코어에 탄소섬유 매트릭스(11)가 권취되어 준비된 상태에서 코어에서 탄소섬유 매트릭스(11)를 권출하여 이송수단(100)에 의해 이송시키면서 함침액(12)이 수용된 제 1 함침조(200a)와 제 2 함침조(200b)를 순차적으로 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스(11)의 이동 경로 상 제 1 함침조(200a)의 후단에서 제 1 압력제공 챔버(400a)와 제 1 건조 챔버(300a)를 경유시키고, 제 2 함침조(200b)의 후단에 제 2 압력제공 챔버(400b)와 제 2 건조 챔버(300b)를 경유하도록 하여 함침액(12)의 함침과 균일 과정 및 건조가 반복되도록 한다.In this state, where the carbon fiber matrix 11 is wound around the core and prepared, the carbon fiber matrix 11 is unwound from the core and transported by the transfer means 100, and the first impregnation tank 200a containing the impregnation liquid 12 is Passing through the second impregnation tank 200b sequentially, the first pressure providing chamber 400a and the first drying chamber 300a are connected to the rear end of the first impregnation tank 200a along the movement path of the carbon fiber matrix 11. and the second pressure providing chamber 400b and the second drying chamber 300b at the rear end of the second impregnation tank 200b, so that the impregnation liquid 12 and the uniform process and drying are repeated.

이렇게 제 1 함침조(200a)와 제 2 함침조(200b)를 경유한 다음 압력제공 챔버(400a, 400b)에서 함침액(12)이 균일하게 분포되도록 하고, 이어서 건조 챔버(300a, 300b)에서 건조가 이루어짐에 따라 전술된 도 3c와 같이 함침액(12)이 균일하게 분포되는 효과를 얻을 수 있다.In this way, the impregnation liquid 12 is uniformly distributed in the pressure providing chambers 400a and 400b via the first impregnation tank 200a and the second impregnation tank 200b, and then in the drying chambers 300a and 300b. As drying occurs, the effect of uniformly distributing the impregnating liquid 12 can be obtained, as shown in FIG. 3C described above.

또한, 함침과정 사이에 건조과정을 실시함으로서, 함침액(12)이 이송 중 중력에 의해서 하부방향으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다.Additionally, by performing a drying process between impregnation processes, it is possible to prevent the impregnating liquid 12 from concentrating downward due to gravity during transport.

한편, 탄소섬유 매트릭스(11)의 이송경로 상 최 후단, 도 7에서는 제 2 건조 챔버(300b)의 후단에는 함침액(12)이 함침된 탄소섬유 매트릭스(11)를 탄화처리시키는 탄화로(500)를 배치할 수 있다.Meanwhile, at the rearmost end of the transport path of the carbon fiber matrix 11, the rear end of the second drying chamber 300b in FIG. 7, there is a carbonization furnace 500 for carbonizing the carbon fiber matrix 11 impregnated with the impregnating liquid 12. ) can be placed.

상기의 도 4 내지 도 6에서 제시된 실시예들에서는 탄화로를 도시하지 않았지만, 도 7에서와 같이 탄소섬유 매트릭스의 이송경로 상 최 후단에 탄화로를 배치할 수 있다.Although the carbonization furnace is not shown in the embodiments shown in FIGS. 4 to 6 above, the carbonization furnace can be placed at the rearmost end of the transport path of the carbon fiber matrix as shown in FIG. 7.

전술된 바와같이 함침단계를 실시함에 있어서 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 구현한 예를 제시하였지만, 함침액을 고르게 분포시키는 방법은 제시된 실시예에 한정되는 것이 아니라 각 실시예에 사용된 방법을 선택적으로 서로 함께 사용할 수 있을 것이다.As described above, an example of implementing a method of evenly distributing the impregnation solution in the carbon fiber matrix was presented in performing the impregnation step. However, the method of evenly distributing the impregnation solution is not limited to the presented example and is used in each example. The above methods may optionally be used together with each other.

제시된 함침단계는 디핑(Dipping) 방식을 예로 하여 설명하였지만, 디핑 방식에 한정되지 않고 콤마코터(Comma Coater)를 통해서도 달성될 수 있을 것이다.The presented impregnation step was explained using the dipping method as an example, but it is not limited to the dipping method and can also be achieved through a comma coater.

또한, 함침액의 균일한 분포를 위하여 분산수단으로 음압 또는 양압을 제공하는 압력제공 챔버를 제시하였지만, 함침액의 균일한 분산 및 분포를 위하여 균질기(Homogenizer), 혼합기(Blender), 초음파기(Ultrasonicator) 등과 같은 물리적 교란수단을 이용하여 함침액의 균일한 분포가 달성될 수 있을 것이다.In addition, for uniform distribution of the impregnating liquid, a pressure providing chamber providing negative or positive pressure was proposed as a dispersion means, but for uniform dispersion and distribution of the impregnating liquid, a homogenizer, blender, and ultrasonicator were used. ), etc., may be used to achieve uniform distribution of the impregnating liquid.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings and the above-described preferred embodiments, the present invention is not limited thereto and is limited by the claims described below. Accordingly, those skilled in the art can make various changes and modifications to the present invention without departing from the technical spirit of the claims described later.

10: 탄소섬유 기재층 11: 탄소섬유 매트릭스
12: 함침액 20: 미세기공층
100: 이송수단 200: 함침조
300: 건조 챔버 400: 압력제공 챔버
500: 탄화로10: Carbon fiber base layer 11: Carbon fiber matrix
12: Impregnation liquid 20: Microporous layer
100: transportation means 200: impregnation tank
300: drying chamber 400: pressure providing chamber
500: Carbonization furnace

Claims (11)

탄소섬유 기재층과 미세기공층으로 이루어져서 연료전지의 스택을 구성하는 기체확산층(GDL)을 제조하는 방법으로서,
탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소섬유 매트릭스를 준비하는 탄소섬유 매트릭스 준비단계와;
탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 준비하는 함침액 준비단계와;
준비된 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 복수의 횟수로 함침시키는 함침과정과, 각 함침과정 이후에 함침액을 건조시키는 복수의 건조과정을 포함하여 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 균질화시키면서 함침시키는 함침단계와;
함침액이 균일하게 함침된 탄소섬유 매트릭스를 탄화처리하여 탄소섬유 기재층을 형성하는 탄소섬유 기재층 형성단계와;
형성된 탄소섬유 기재층의 표면에 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함하고,
상기 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 적어도 하나의 함침조를 경유시키며,
상기 함침단계에서 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키기 전에 원통형 코어에 탄소섬유 매트릭스를 권취하는 권취과정과 원통형 코어에 권취된 탄소섬유 매트릭스를 권출하여 이송수단으로 공급하는 권출과정을 포함하고,
상기 권취과정에서 탄소섬유 매트릭스는 상기 코어의 축과 탄소섬유 매트릭스의 길이방향이 수직이 되도록 권취되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
A method of manufacturing a gas diffusion layer (GDL) that consists of a carbon fiber base layer and a microporous layer and constitutes a stack of a fuel cell,
A carbon fiber matrix preparation step of preparing a carbon fiber matrix constituting a carbon fiber base layer;
An impregnating solution preparation step of preparing an impregnating solution that is a mixture of a carbon precursor constituting a carbon fiber base layer and a resin;
An impregnation step of impregnating the prepared carbon fiber matrix with the impregnation solution a plurality of times, and a plurality of drying steps of drying the impregnation solution after each impregnation process, thereby impregnating the carbon fiber matrix with the impregnation solution while homogenizing it;
A carbon fiber base layer forming step of carbonizing a carbon fiber matrix uniformly impregnated with an impregnation liquid to form a carbon fiber base layer;
It includes a micropore layer forming step of forming a micropore layer on the surface of the formed carbon fiber base layer,
In the impregnation step, the carbon fiber matrix is transported by a transfer means and passes through at least one impregnation tank containing an impregnation liquid,
In the impregnation step, before transferring the carbon fiber matrix by the transfer means, it includes a winding process of winding the carbon fiber matrix around a cylindrical core and an unwinding process of unwinding the carbon fiber matrix wound on the cylindrical core and supplying it to the transfer means,
A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that in the winding process, the carbon fiber matrix is wound so that the axis of the core and the longitudinal direction of the carbon fiber matrix are perpendicular.
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스에 제1차 함침액을 함침시키는 과정과, 탄소섬유 매트릭스에 제1차 함침액과 동일한 방식으로 제2차 함침액을 함침시키는 과정이 반복적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the impregnation process is characterized in that the process of impregnating the carbon fiber matrix with the first impregnation solution and the process of impregnating the carbon fiber matrix with the second impregnation solution in the same manner as the first impregnation solution are repeatedly performed. Method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell.
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스의 일면으로 제1차 함침액을 함침시키는 과정과, 탄소섬유 매트릭스의 타면으로 제2차 함침액을 함침시키는 과정이 순차적 또는 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the impregnation process is a process of impregnating one side of the carbon fiber matrix with the first impregnation liquid and the process of impregnating the other side of the carbon fiber matrix with the second impregnation liquid sequentially or simultaneously. Method for manufacturing a gas diffusion layer.
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스의 일면으로 함침액을 함침시키고, 탄소섬유 매트릭스의 일면에 음압을 제공하거나 탄소섬유 매트릭스의 타면에 양압을 제공하여 탄소섬유 매트릭스 내에서 함침액을 이동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the impregnation process involves impregnating one side of the carbon fiber matrix with the impregnating liquid, and providing negative pressure to one side of the carbon fiber matrix or positive pressure to the other side of the carbon fiber matrix to move the impregnating liquid within the carbon fiber matrix. Method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized by:
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 제 1 함침조와 제 2 함침조를 순차적으로 경유시키되, 제 1 함침조를 경유한 탄소섬유 매트릭스를 상하방향으로 반전시켜 제 2 함침조를 경유시키고, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 제 1 함침조의 후단 및 제 2 함침조의 후단에 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 배치하여 제 1 함침조 및 제 2 함침조를 경유하면서 탄소섬유 매트릭스에 함침된 함침액을 건조시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the carbon fiber matrix is sequentially passed through a first impregnation tank and a second impregnation tank containing an impregnating liquid while being transferred by a transfer means, and the carbon fiber matrix passing through the first impregnation tank is reversed in the vertical direction to form a second impregnation tank. Through the impregnation tank, a drying chamber for drying the impregnation liquid is arranged at the rear end of the first impregnation tank and the rear end of the second impregnation tank on the movement path of the carbon fiber matrix, so that the carbon fibers pass through the first impregnation tank and the second impregnation tank. A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that the impregnating liquid impregnated in the matrix is dried.
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 함침조를 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스를 함침조의 내부와 외부를 수직방향으로 반복하여 경유시키고, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 함침조의 외부에 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 배치하여 함침조의 내부와 외부를 수직방향으로 경유하면서 탄소섬유 매트릭스에 함침된 함침액을 반복하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the carbon fiber matrix is transported by a transfer means and passes through an impregnation tank containing an impregnating liquid. The carbon fiber matrix is repeatedly passed through the inside and outside of the impregnation tank in the vertical direction, and the carbon fiber matrix is passed through the movement path of the carbon fiber matrix. A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that a drying chamber for drying the impregnation liquid is placed outside the impregnation tank and the impregnation liquid impregnated in the carbon fiber matrix is repeatedly dried while passing through the inside and outside of the impregnation tank in the vertical direction.
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 함침조를 경유시키되, 탄소섬유 매트릭스를 함침조의 내부와 외부를 수평방향으로 반복하여 경유시키고, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 함침조의 외부에 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 배치하여 함침조의 내부와 외부를 수평방향으로 경유하면서 탄소섬유 매트릭스에 함침된 함침액을 반복하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the carbon fiber matrix is transported by a transfer means and passes through an impregnation tank containing an impregnating liquid. The carbon fiber matrix is repeatedly passed through the inside and outside of the impregnation tank in the horizontal direction, and on the movement path of the carbon fiber matrix. A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that a drying chamber for drying the impregnation liquid is placed outside the impregnation tank and the impregnation liquid impregnated in the carbon fiber matrix is repeatedly dried while passing through the inside and outside of the impregnation tank in the horizontal direction.
 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계는 탄소섬유 매트릭스를 이송수단에 의해 이송시키면서 함침액이 수용된 제 1 함침조와 제 2 함침조를 순차적으로 경유시키되, 상기 탄소섬유 매트릭스의 이동 경로 상 제 1 함침조의 후단 및 제 2 함침조의 후단에 탄소섬유 매트릭스 내에서 함침액을 이동시켜 분산시키는 분산수단과 함침액을 건조시키는 건조 챔버를 순차적으로 배치하여 제 1 함침조 및 제 2 함침조를 경유하면서 함침된 함침액을 탄소섬유 매트릭스 내에서 이동시킨 다음 건조시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
In the impregnation step, the carbon fiber matrix is transferred by a transfer means and sequentially passes through the first impregnation tank and the second impregnation tank containing the impregnation liquid, and is carried out at the rear end of the first impregnation tank and the second impregnation tank on the movement path of the carbon fiber matrix. At the rear end, a dispersing means for moving and dispersing the impregnating liquid within the carbon fiber matrix and a drying chamber for drying the impregnating liquid are sequentially arranged to allow the impregnating liquid to be impregnated within the carbon fiber matrix while passing through the first and second impregnation tanks. A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that it is moved from and then dried.
 청구항 8에 있어서
상기 함침단계에서 분산수단은 함침액을 음압 또는 양압에 의해 이동시키는 압력제공 챔버, 균질기(Homogenizer), 혼합기(Blender) 및 초음파기(Ultrasonicator) 중 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 8
In the impregnation step, the dispersion means is selected from the group consisting of a pressure providing chamber, a homogenizer, a blender, and an ultrasonicator that moves the impregnating liquid by negative or positive pressure. A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell. .
 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 함침단계에서 함침과정은 콤마코터(Comma Coater)를 통해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
In claim 1,
A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that the impregnation process in the impregnation step is performed through a comma coater.
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