KR20100132249A - 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재, 제조방법 및 제조시스템 - Google Patents

고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재, 제조방법 및 제조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재와 그 제조방법 및 그 제조시스템에 관한 것으로, 열경화성 수지 및 탄소 필러가 포함된 탄소 web에 2단 이상의 롤부에 의한 연속롤링가압과정으로 연속 경화 및 압축이 이루어지게 하여 탄소기재의 제조가 연속적으로 이루어져 롤 상태로 제조할 수 있으며, 탄소기재의 두께 조절이 용이하며 기계방향으로 균일한 두께를 유지될 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서, 고분자 수지의 경화와 압축공정을 2 단 이상의 롤부에 의한 연속롤링가압 과정을 통하여 이루어진 것이고,
본 발명은 고고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템에 있어서, 탄소섬유시트 경화 및 압축장치를 수지 함침 탄소섬유web을 예열하는 시트예열부와, 시트예열부에 의하여 예열된 탄소섬유시트를 2 단 이상으로 롤링 경화 및 압축하는 롤링압축부와, 롤링압축부에 의하여 경화되고 압축된 탄소섬유시트를 냉각하는 냉각부로 구성한 것이다.
따라서, 본 발명은 수지 함침 탄소섬유시트를 2 단 이상의 연속 롤로 롤링가압하는 연속롤링가압과정을 통하여 탄소기재를 제조함으로써, 탄소기재의 제조가 연속적으로 이루어져 작업성이 향상되고, 간극이 고정된 롤에 의하여 가압이 이루어져 탄소기재의 두께가 균일하게 유지되는 것이다.
고분자 전해질형 연료전지, 기체확산층, 탄소기재

Description

고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재, 제조방법 및 제조시스템{Gas diffusion layer carbon substrate of Polymer Electrolyte Membrane type fuel cell and its manufacturing method, its manufacturing system}
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재와 그 제조방법 및 그 제조시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축장치를 수지 함침 탄소섬유시트를 예열하는 시트예열부와, 시트예열부에 의하여 예열된 탄소섬유시트를 2단 이상으로 롤링 압축하는 롤링압축부와, 롤링압축부에 의하여 압축된 탄소섬유시트를 냉각하는 냉각부로 구성한 고분자 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조장치에 의하여 탄소기재를 2단 이상의 가열 롤부에 의한 연속롤링가압과정 이루어진 경화 및 압축공정을 통하여 이루어지게 하여 탄소기재의 제조가 연속적으로 이루어져 작업성이 향상되도록 함과 더불어 탄소기재의 두께가 균일하게 유지될 수 있도록 함을 목적으로 한 것이다.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형(Polymer Electrolyte Membrane(PEM)), 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형(solid oxide), 알카리수용액 형 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
여기서, 고분자 전해질형으로 이루어진 고분자 전해질형 연료전지("PEMFC"라 약칭함)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.
상기 고분자 전해질형 연료전지는 메탄올 용액과 공기를 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지와 수소와 공기를 연료로 각각 쓰는 수소연료전지로 나눌 수 있으며, 그 구조는 고분자막의 양측에 각기 기체확산층 위에 촉매가 도포된 연료극과 공기극을 형성하는 기체확산전극이 접합되고, 상기 기체확산전극의 테두리에 가스의 유출을 억제하는 가스켓이 접합된 막전극접합체(Membrane electrode assembly, MEA)로 구성되어 있는 것이다.
여기서, 상기 기체확산층(Gas diffusion layer, GDL)은 다공질탄소막으로 이루어진 탄소기재에 미세다공층(Microporous layer, MPL)을 코팅하여 형성한 것이다.
상기 기체확산층을 구성하는 탄소기재는 탄소 섬유지(紙)를 초조(抄造)하는 초지 공정, 탄소 섬유지에 열경화성 수지와 탄소 필러를 함침하는 함침 공정, 수지와 탄소 필러가 함침된 탄소 섬유시트를 열과 압력으로 경화 및 성형하는 압축 공정, 및 압축 성형된 수지 함침 탄소 섬유지를 포함하는 탄소 섬유 시트를 소성하는 탄화 공정을 거쳐 제조되는 것이다.
상기 경화 및 압축공정은 탄소 섬유 안에 포함된 열경화 고분자 수지가 경화 온도에서 경화되면서 분자량이 커지고 이로 인해 고분자의 결합력이 생긴다. 경화과정을 거치면서 고분자 수지는 탄소 섬유-탄소 섬유, 탄소 섬유-탄소 필러, 탄소필러간 결합력을 갖게 된다. 경화 온도로 가열된 핫 프레스의 판 사이에 일정한 간격을 두고 수지와 탄소필러가 포함된 탄소섬유를 넣고 압력을 가하면 두께가 경화되면서 두께가 감소하게 된다. 일반적으로 쓰는 방법은 핫프레스 공정을 이용하여 경화온도 이상으로 가열된 두 개의 판사이에 넣고 일정시간 동안 압축하여 경화시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 연속적으로 롤 형태의 제품을 만들 수 없기 때문에 공개특허 10-2008-0060233에서 Toray는 일정속도로 탄소 섬유지를 일정길이 공급한 후 핫프레스에 의하여 일정시간동안 가압하고 다시 이동시키고, 다시 가압하는 스탬핑동작을 통하여 소정의 두께로 압축 제조하였다.
그러나 종래의 탄소기재 제조방법은 경화 및 압축공정이 일정주기로 일정길이만을 가열 프레싱하는 과정으로 이루어져 그 과정이 연속적이지 못하고 압축이 균일하게 이루어지지 않고 두께 조절이 용이하지 않은 문제점이 있었다. 또한 경화하는 과정이 평판 핫프레싱 과정에 의하여 일어나기 때문에 고분자 수지의 구조도 평판형태로 성장하여 탄소기재의 굴곡강도가 매우 낮은 단점이 있다. 굴곡강도가 낮으면 roll상태로 감을 수 없으며, 작은 힘에도 부서지는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 종래 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법과 압축공정이 비연속적인 스탬핑과정으로 이루어짐으로 인하여 작업성이 저하되고 경화 및 압축이 균일하지 않는 문제점을 해결할 수 있도록 한 것이다. 또한 3인치 코어 이상의 지관에 감을 수 있는 유연한 구조를 갖는 롤 상태의 제품을 제조하는 데 있다. 또한 평판형 압축에서 생기는 부위별 두께 편차를 줄일 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서, 경화 및 압축공정을 2단 이상의 가열 롤부에 의한 연속롤링가압과정을 통하여 이루어진 것이다.
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템에 있어서, 탄소섬유시트 경화 및 압축장치를 수지 함침 탄소섬유시트를 예열하는 시트예열부와, 시트예열부에 의하여 예열된 탄소섬유시트를 2단 이상으로 가열 롤링 압축하는 롤링압축부와, 롤링압축부에 의하여 압축된 탄소섬유시트를 냉각하는 냉각부로 구성한 것이다.
따라서, 본 발명은 수지 함침 탄소섬유시트를 2 단 이상의 연속 롤로 롤링가압하는 연속롤링가압과정을 통하여 탄소기재를 제조함으로써, 탄소기재의 제조가 연속적으로 이루어져 작업성이 향상되고, 간극이 고정된 롤에 의하여 가압이 이루 어져 탄소기재의 두께가 균일하게 유지되는 것이다. 또한 가열 롤링을 통한 고분자 수지의 경화를 통하여 3인치 이상의 코어 직경을 갖는 유연한 탄소기재를 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 고분자막 연료전지의 기체확산층 탄소기재의 제조방법에 대하여여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
즉, 본 발명은 탄소섬유 원사(511)를 3~60mm의 일정한 길이로 초핑(chopping)되어 있는 탄소섬유를 이용하여 탄소웹(Carbon web)(512)을 형성하는 초지공정(1)과, 상기 탄소웹에 열경화성 수지(530)와 탄소filler(520)를 분산시킨 슬러리에 함침한 후 건조하여 탄소섬유시트(510)를 제조하는 수지 함침공정(2)과, 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 일정두께가 되도록 가열 경화 및 압축하는 압축공정(3)과, 압축공정(3)을 통하여 일정두께로 제조된 탄소섬유시트(510)를 연속 탄화로안에서 안정화 및 탄화시키는 탄화공정(4)으로 이루어진 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서, 가열 경화 및 압축하는 압축공정(3)을 2단 이상의 롤부에 의한 연속롤링압축과정(32)을 통하여 이루어지게 한 것이다.
여기서, 상기 2 단 이상의 롤부에 의한 연속롤링압축과정(32)으로 이루어진 압축공정(3)은 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 100~150℃온도로 이동과정에 예열하는 첫번째 공정의 시트예열과정(31)과, 상기 시트예열과정(31)을 통하여 예열된 탄소섬유시트(510)를 2 단 이상으로 배치되며 롤링간경이 점차적으로 좁아지게 형성한 롤링압축부(312)에 의하여 130~250℃의 온도로 가온 압축하는 두 번째 공정의 연속롤링압축과정(32)과, 상기 연속롤링압축과정(32)을 통하여 일정 두께로 압축성형된 탄소섬유시트(510)를 공기 냉각하는 세 번째 공정의 냉각과정(33)으로 이루어진 것이다.
첫번째 공정인 시트예열과정(31)은 100~150℃의 온도 구배가 가능하게 구성한 것으로서,
상하부에 설치되어 탄소섬유시트의 이송방향으로 회전되는 히팅벨트(3111a) 사이로 탄소섬유시트를 1~10kgf/cm2의 압력으로 가압하며 이송하고 이송방향으로 점차 가온되는 두 개 이상의 예열히터(3112)에 의하여 예열이 이루어지게 한 하나의 예열과정을 통하여 실시할 수 있는 것이다.
또한, 탄소섬유시트(510)를 감싸 형성하며 이송방향으로 구획되어 점차 가온되는 두 개 이상의 히팅실(3111b)과 상기 히팅실(3111b)에 구비한 각각의 예열히터(3112)에 의하여 예열이 이루어지게 한 다른 하나의 예열과정을 통하여 실시할 수 있는 것이다.
두 번째 공정인 연속롤링압축과정(32)은
탄소섬유시트(510)의 압축률이 순차적으로 증가되며 가열온도를 높여 압축과정이 균일하게 이루어질 수 있게 2 단계 이상의 온도로 순차 가온되게 이루어지는 것으로서, 시트예열과정(31)을 통하여 예열된 탄소섬유시트(510)를 130~250℃의 온도를 갖으며 300~1000㎛의 간극을 갖는 1번 롤사이로 통과하고 탄소섬유시트(510) 는 130~250℃의 온도를 갖으며 250~600㎛의 간극을 갖는 2번 롤사이로 통과하고, 다시 130~250℃의 온도를 갖으며 200~400㎛의 간극을 갖는 n번 롤사이로 통과하며, 적어도 2번 이상의 롤을 연속적으로 통과하면서 연속으로 가열/압착하는 롤링압축부(312)를 가진다.
상기 롤링압축부(312)의 롤의 반경은 100-500mm의 범위를 가지며, 더 바람직하게는 150-350mm의 반경을 가지며, 상하 롤의 온도는 1번롤에서 n번롤까지의 온도가 동일하거나 혹은 점차 온도가 증가하는 조건을 갖는다.
상기 롤의 온도는 130~250℃의 범위를 갖도록 유도가열 혹은 용매에 의한 가열 방식을 쓸 수 있으며, 더 바람직하게는 롤의 온도는 150-200℃가 바람직하다.
한편, 롤링압축부(312)는 두 개의 롤이 상하에 위치하여 수평으로 탄소섬유가 진행하여 다음 롤 사이로 통과하는 수평의 방법을 사용하거나,
롤들이 수직으로 배향하여 롤과 롤 사이를 탄소섬유 시트가 연속적으로 진행하는 방법을 쓸 수 있으며 수직으로 설치되는 롤 사이에는 가이드롤을 구비하여 실시할 수도 있다.
세 번째 공정인 냉각과정(33)은
연속롤링압축과정(32)에 가온된 탄소섬유시트(510)를 서서히 냉각시킬 수 있게 2 단계 이상의 온도로 순차 냉각되게 이루어지는 것으로서, 상기 연속롤링압축과정(32)을 통하여 일정 두께로 압축성형된 탄소섬유시트(510)를 공기로 냉각하는 것이다. 이때는 냉각 공기의 유량을 조절하여 탄소섬유 시트를 냉각하는 방법을 사용하나, 반응을 일으키지 않는 다른 종류의 가스성분을 사용해도 무방하다.
한편, 각 공정부 사이에는 가이드롤이 위치하여 탄소섬유시트(510)가 진행할 수 있도록 잡아주는 역할을 하며, 가이드롤의 반경은 경화/압축된 탄소섬유 시트가 끓어지지 않고 연속적으로 롤링이 가능하도록 배치한다.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지용 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재 제조시스템에 대하여여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
즉, 본 발명은 탄소섬유 원사(511)를 3~60mm의 일정한 길이로 초핑(chopping)되어 있는 탄소섬유를 이용하여 탄소웹(Carbon web)을 형성하는 초지장치(110)와, 상기 초지장치(110)를 통하여 제조된 탄소웹에 열경화성 수지와 탄소 filler를 분산시킨 슬러리를 함침한 후 건조하여 탄소섬유시트(510)를 제조하는 수지 함침장치(210)와, 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 일정두께로 가열 경화 및 압축하는 압축장치(310)와, 압축장치(310)을 통하여 일정두께로 제조된 탄소섬유시트(510)를 연속 탄화 및 안정화시키는 탄화로로 이루어진 탄화장치(410)로 이루어진 고분자막 연료전지용 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재 제조시스템에 있어서,
상기 압축장치(310)를 2 단 이상의 롤러부에 의한 연속 롤링가압작업에 의하 여 이루어지게 한 것이다.
여기서, 상기 2 단 이상의 롤러부에 의한 연속 롤링가압작업이 이루어지게 한 압축장치(310)는 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 100~150℃온도로 이동과정에 예열하는 시트예열부(311)와, 상기 시트예열부(311)를 통하여 예열된 탄소섬유시트(510)를 130~250℃의 온도 2 단 이상으로 배치되며 롤링간격이 점차적으로 좁아지게 롤러부를 배열하여 압축하는 롤링압축부(312)와, 상기 롤링압축부(312)를 통하여 일정 두께로 압축성형된 탄소섬유시트(510)를 공기 냉각하는 냉각부(313)로 이루어진 것이다.
상기 시트예열부(311)는 이송되는 탄소섬유시트의 상하부에 설치되어 탄소섬유의 이송방향으로 회전되는 히팅벨트(3111a)와 상기 히팅벨트(3111a)에 설치되어 히팅벨트(3111a)를 가열하며 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되는 두 개 이상의 예열히터(3112)로 구성하여 실시할 수 있는 것이다.
상기 시트예열부(311)는 이송되는 탄소섬유시트(510)를 감싸 형성하며 이송방향으로 구획되며 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되는 두 개 이상의 히팅실(3111b)과 상기 히팅실(3111b)에 구비한 각각의 예열히터(3112)로 구성하여 실시할 수 있는 것이다.
상기 롤링압축부(312)는 이송되는 탄소섬유시트(510)의 상하로 배치되는 한 쌍의 롤러로 이루어진 두 개 이상의 이송롤러부(3121a)를 구비하고, 상기 이송롤러 부(3121a)의 롤러 내측과 외측 중 어느 일측에 롤러히터(3122)를 구비하며, 상기 두 개 이상으로 배열되는 이송롤러부(3121a)가 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되게 구성하고, 이송롤러부(3121a)의 롤러 사이의 공극인 롤링간격이 좁아지게 실시할 수 있는 것이다.
상기 롤링압축부(312)는 이송되는 탄소섬유시트(510)의 감싸 롤링할 수 있게 탄소섬유시트(510)의 양측면에 배치되며 압축된 탄소섬유시트(510)가 일측 롤러에 감겨지게 형성한 한쌍의 감김롤러부(3121b)를 두 개 이상으로 구비하고, 상기 두 개의 감김롤러부(3121b) 사이에 다음 감김롤러부(3121b)로 탄소섬유시트를 안내할 수 있게 한 가이드롤러(3123)를 구비하며, 상기 감김롤러부(3121b)의 롤러 내측과 외측 중 어느 일측에 롤러히터(3122)를 구비하고, 상기 두 개 이상의 감김롤러부(3121b)가 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되게 구성하고 상하 롤러 사이의 공극인 롤링간격이 좁아지게 실시할 수 있는 것이다.
상기 냉각부(313)는 탄소섬유시트의 이송방향으로 각기 격리된 두 개 이상의 냉각실(3131)을 형성하고, 상기 냉각실(3131)에 각기 냉각공기가 공급되게 구성하고, 두 개 이상의 냉각실(3131)은 가온된 탄소섬유시트(510)를 서서히 냉각시킬 수 있게 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 감온되게 구성하여 실시할 수 있는 것이다.
도 1 은 종래 제조공정을 보인 예시도.
도 2 는 종래 제조장치를 보인 예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 일 실시 예를 보인 공정도.
도 4 는 본 발명에 따른 제조장치의 일 예시도.
도 5 는 본 발명에 따른 제조장치의 다른 예시도.
도 6 은 본 발명에 따른 제조장치의 또 다른 예시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 초지공정 2: 수지 함침공정
3: 압축공정
31 : 시트예열과정 32 : 연속롤링압축과정
33 : 냉각과정
4: 탄화공정
110 : 초지장치 210 : 수지 함침장치
310 : 압축장치
311 : 시트예열부
3111a: 히팅벨트 3111b: 히팅실
3112 : 예열히터
312 : 롤링압축부
3121a: 이송롤부 3121b: 감김롤부
3122 : 롤히터 3123 : 가이드롤
313 : 냉각부 3131: 냉각실
410 : 탄화장치
510 : 탄소섬유시트
511 : 탄소섬유 512 : 탄소웹
520 : 탄소Filer
530 : 열경화성 수지

Claims (8)

  1. 탄소섬유 원사(511)를 3~60mm의 일정한 길이로 초핑(chopping)되어 있는 탄소섬유를 이용하여 탄소웹(Carbon web)을 형성하는 초지공정(1)과, 열경화성 수지와 탄소 filler를 분산시킨 슬러리에 상기의 탄소웹을 함침한 후 건조하여 탄소섬유시트(510)를 제조하는 수지 함침공정(2)과, 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 일정두께로 가열 경화 및 압축하는 압축공정(3)과, 압축공정(3)을 통하여 일정두께로 제조된 탄소섬유시트(510)를 연속 탄화로안에서 안정화 및 탄화시키는 탄화공정(4)으로 이루어진 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서;
    가열 경화 및 압축하는 압축공정(3)을 2단 이상의 가열 롤부에 의한 연속롤링압축과정(32)을 통하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서;
    상기 2 단 이상의 가열 롤부에 의한 연속롤링압축과정(32)으로 이루어진 압축공정(3)은 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 100~150℃온도로 이동과정에 예열하는 첫번째 공정의 시트예열과정(31)과;
    상기 시트예열과정(31)을 통하여 예열된 탄소섬유시트(510)를 2 단 이상으로 배치되며 롤링간경이 점차적으로 좁아지게 형성한 롤링압축부(312)에 의하여 130~250℃의 온도로 가온 압축하는 두번째 공정의 연속롤링압축과정(32)과;
    상기 연속롤링압축과정(32)을 통하여 일정 두께로 압축성형된 탄소섬유 시트(510)를 공기 냉각하는 세번째 공정의 냉각과정(33)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서;
    첫번째 공정인 시트예열과정(31)은 100~150℃의 온도 구배가 가능하게 이루어져 2 단계 이상의 온도로 순차 가온되어 이루어지고,
    두번째 공정인 연속롤링압축과정(32)은 시트예열과정(31)을 통하여 예열된 탄소섬유시트(510)를 130~250℃의 온도를 갖으며 300~1000㎛의 간극을 갖는 1번 롤사이로 통과하고 탄소섬유시트(510)는 130~250℃의 온도를 갖으며 250~600㎛의 간극을 갖는 2번 롤사이로 통과하고, 다시 130~250℃의 온도를 갖으며 200~400㎛의 간극을 갖는 n번 롤사이로 통과하며, 적어도 2번 이상의 롤을 연속적으로 통과하면서 연속으로 가열/압착하는 롤링압축부(312)를 가지고,
    상기 롤링압축부(312)의 롤의 반경은 100-500mm의 범위를 가지며, 더 바람직하게는 150-350mm의 반경을 가지며, 상하 롤의 온도는 1번롤에서 n번롤까지의 온도가 동일하거나 혹은 점차 온도가 증가하게 이루어지고,
    롤링압축부(312)는 두 개의 롤이 상하에 위치하여 수평으로 탄소섬유가 진 행하여 다음 롤사이로 통과하는 수평의 방법을 사용한 것과, 롤들이 수직으로 배향하여 롤과 롤 사이를 탄소섬유 시트가 연속적으로 진행하는 방법을 쓸 수 있으며 수직으로 설치되는 롤 사이에는 가이드롤을 구비하는 방법 중 어느 하나의 방법이 선택적으로 이루어지고,
    세 번째 공정인 냉각과정(33)은 연속롤링압축과정(32)에 가온된 탄소섬유시트(510)를 서서히 냉각시킬 수 있게 2 단계 이상의 온도로 순차 냉각되게 이루어지는 것으로서, 상기 연속롤링압축과정(32)을 통하여 일정 두께로 압축성형된 탄소섬유시트(510)를 공기로 냉각이 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 및 탄소기재
  5. 탄소섬유 원사(511)를 3~60mm의 일정한 길이로 초핑(chopping)되어 있는 탄소섬유를 이용하여 탄소웹(Carbon web)을 형성하는 초지장치(110)와, 상기 초지장치(110)를 통하여 제조된 탄소웹에 열경화성 수지와 탄소 filler를 분산시킨 슬러리를 함침한 후 건조하여 탄소섬유시트(510)를 제조하는 수지 함침장치(210)와, 수지 함침 탄소섬유시트(510)를 일정두께로 가열 경화 및 압축하는 압축장치(310)와, 압축장치(310)을 통하여 일정두께로 제조된 탄소섬유시트(510)를 연속 탄화 및 안정화시키는 탄화로로 이루어진 탄화장치(410)로 이루어진 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템에 있어서,
    상기 압축장치(310)를 2 단 이상의 가열 롤러부에 의한 연속 롤링가압작업에 의하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템.
  6. 제 5 항에 있어서;
    상기 시트예열부(311)는 이송되는 탄소섬유시트의 상하부에 설치되어 탄소섬유의 이송방향으로 회전되는 히팅벨트(3111a)와 상기 히팅벨트(3111a)에 설치되어 히팅벨트(3111a)를 가열하며 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되는 두 개 이상의 예열히터(3112)로 구성한 것과,
    상기 시트예열부(311)는 이송되는 탄소섬유시트(510)를 감싸 형성하며 이송방향으로 구획되며 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되는 두 개 이상의 히팅실(3111b)과 상기 히팅실(3111b)에 구비한 각각의 예열히터(3112)로 구성한 것 중 어느 하나의 구성을 선택 구성한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템.
  7. 제 5 항에 있어서;
    상기 롤링압축부(312)는 이송되는 탄소섬유시트(510)의 상하로 배치되는 한 쌍의 롤러로 이루어진 두 개 이상의 이송롤러부(3121a)를 구비하고, 상기 이송롤러부(3121a)의 롤러 내측과 외측 중 적어도 한측에 롤러히터(3122)를 구비하며, 상기 두 개 이상으로 배열되는 이송롤러부(3121a)가 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되게 구성하고, 이송롤러부(3121a)의 롤러 사이의 공극인 롤링간격이 좁아지게 구성한 것과,
    상기 롤링압축부(312)는 이송되는 탄소섬유시트(510)를 감싸 롤링할 수 있게 탄소섬유시트(510)의 양측면에 배치되며 압축된 탄소섬유시트(510)가 일측 롤러에 감겨지게 형성한 한쌍의 감김롤러부(3121b)를 두 개 이상으로 구비하고, 상기 두 개의 감김롤러부(3121b) 사이에 다음 감김롤러부(3121b)로 탄소섬유시트를 안내할 수 있게 한 가이드롤러(3123)를 구비하며, 상기 감김롤러부(3121b)의 롤러 내측과 외측 중 적어도 한측에 롤러히터(3122)를 구비하고, 상기 두 개 이상의 감김롤러부(3121b)가 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 가온되게 구성하고 상하 롤러 사이의 공극인 롤링간격이 좁아지게 구성한 것 중 적어도 어는 하나의 구성을 선택 구성한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템.
  8. 제 5 항에 있어서;
    상기 냉각부(313)는 탄소섬유시트의 이송방향으로 각기 격리된 두 개 이상의 냉각실(3131)을 형성하고, 상기 냉각실(3131)에 각기 냉각공기가 공급되게 구성하고, 두 개 이상의 냉각실(3131)은 가온된 탄소섬유시트(510)를 서서히 냉각시킬 수 있게 탄소섬유시트의 이송방향으로 점차 감온되게 구성한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층 탄소기재 제조시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11374233B2 (en) 2015-12-08 2022-06-28 Hyundai Motor Company Gas diffusion layer for fuel cells and apparatus and method for manufacturing the same
CN115157484A (zh) * 2022-06-14 2022-10-11 途格科技(广东)有限公司 一种连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸带激光制备方法和装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995029509A1 (en) 1994-04-20 1995-11-02 Valence Technology, Inc. Method for producing low porosity electrode
US6627035B2 (en) 2001-01-24 2003-09-30 Gas Technology Institute Gas diffusion electrode manufacture and MEA fabrication

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101392227B1 (ko) * 2013-03-21 2014-05-27 한국에너지기술연구원 고분자 나노섬유를 포함하는 탄소섬유 웹
US11374233B2 (en) 2015-12-08 2022-06-28 Hyundai Motor Company Gas diffusion layer for fuel cells and apparatus and method for manufacturing the same
CN115157484A (zh) * 2022-06-14 2022-10-11 途格科技(广东)有限公司 一种连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸带激光制备方法和装置

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