KR20180040831A - Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same - Google Patents

Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same Download PDF

Info

Publication number
KR20180040831A
KR20180040831A KR1020160132608A KR20160132608A KR20180040831A KR 20180040831 A KR20180040831 A KR 20180040831A KR 1020160132608 A KR1020160132608 A KR 1020160132608A KR 20160132608 A KR20160132608 A KR 20160132608A KR 20180040831 A KR20180040831 A KR 20180040831A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
region
separator
gas diffusion
pore size
diffusion layer
Prior art date
Application number
KR1020160132608A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102071905B1 (en
Inventor
정혜미
양재춘
한승훈
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020160132608A priority Critical patent/KR102071905B1/en
Publication of KR20180040831A publication Critical patent/KR20180040831A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102071905B1 publication Critical patent/KR102071905B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • Y02E60/521
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The present invention relates to a separator, a manufacturing apparatus and a manufacturing method thereof, and a fuel cell stack including the separator. According to an aspect of the present invention, provided is a separator comprising a plurality of first metal wires, and is continuously woven to form pores of a predetermined size.

Description

분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same}A separator, a method of manufacturing the separator, and a fuel cell stack including the separator,

본 발명은 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a separator, a method of manufacturing the same, and a fuel cell stack including the same.

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.Generally, a fuel cell is an energy conversion device that generates electric energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidizer. The fuel cell has an advantage that power can be continuously generated as long as the fuel is continuously supplied.

수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다. A polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which uses a polymer membrane capable of permeating hydrogen ions, as an electrolyte, has an operating temperature of about 100 ° C or lower, which is lower than other types of fuel cells, It has the advantages of high density and quick response. In addition, since it can be miniaturized, it can be provided as portable power source, vehicle power source and household power source device.

고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.The polymer electrolyte fuel cell stack includes a membrane-electrode assembly (MEA) having an electrode layer formed by coating an anode and a cathode around an electrolyte membrane composed of a polymer material, A gas diffusion layer (GDL) for distributing the electrons generated by the oxidation reaction of the anode electrode toward the cathode electrode, and a gas diffusion layer (GDL) for supplying electrons generated by the oxidation reaction of the anode electrode to the gas diffusion layer, A bipolar plate for discharging water to the outside, a separator or a rubber material gasket disposed on the outer circumference of the reaction zone of the membrane-electrode assembly to prevent leakage of the reaction gas and the cooling water .

종래 연료전지 분리판은 고출력 영역에서 연료전지 내 물 전달(공급/생성/배출량) 분균형과, 반응면 내 반응가스의 높은 물질 전달 저항(통상 확산 저항) 등의 기술적 문제가 발생한다.Conventional fuel cell separators have technical problems such as balance of water delivery (supply / generation / discharge) in the fuel cell and high mass transfer resistance (usually diffusion resistance) of the reaction gas in the reaction surface in the high output region.

또한, 종래 분리판(예를 들어, 3차원 fine mesh 등)은 정밀 금형 제작, 미세 패턴 홀 가공, 평탄화 압연 등의 후처리 고정에 많은 비용과 시간이 소모됨에 따라 경제성 및 생산성이 떨어지는 문제를 발생시킨다.In addition, conventional separation plates (e.g., three-dimensional fine meshes, etc.) are expensive and time-consuming to fix post-processing such as precision mold manufacturing, fine pattern hole processing, and flattening rolling, .

또한, 종래 분리판의 경우, 분리판 계면에서의 오믹(ohmic) 손실을 발생시킨다.In addition, in the case of the conventional separator plate, ohmic loss is generated at the separator plate interface.

본 발명은 연료전지 내 오믹(ohmic)/확산 저항을 저감시킬 수 있는 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.Disclosed is a separator capable of reducing an ohmic / diffusion resistance in a fuel cell, a method of manufacturing the separator, and a fuel cell stack including the separator.

또한, 본 발명은 연료전지 반응 면내 반응 가스의 물질 전달 및 응축수 배출 성능을 향상시킬 수 있는 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.Another object of the present invention is to provide a separator, a method of manufacturing the separator, and a fuel cell stack including the separator, which can improve the mass transfer and the condensed water discharge performance of the reaction gas in the fuel cell reaction surface.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 제1 금속 와이어를 포함하고, 적어도 2개의 제1 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 연속적으로 직조된 분리판이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a separator plate including a plurality of first metal wires, wherein at least two first metal wires are continuously woven to form pores of a predetermined size.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층 및 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판을 포함하며, 분리판은, 복수의 제1 금속 와이어를 포함하고, 적어도 2개의 제1 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 연속적으로 직조된 연료전지 스택이 제공된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a membrane-electrode assembly including a membrane-electrode assembly, a gas diffusion layer disposed on one side of the membrane-electrode assembly, and a separation plate disposed in contact with the gas diffusion layer in at least a part of the region, There is provided a fuel cell stack comprising a plurality of first metal wires, at least two first metal wires being continuously woven to form pores of a predetermined size.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 적어도 2개의 제1 금속 와이어를 직조함으로써 소정 크기의 기공을 갖는 다공체를 형성하는 단계를 포함하는 분리판의 제조방법이 제공된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a separator plate including forming a porous body having pores of a predetermined size by weaving at least two first metal wires.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 와이어를 공급하기 위한 복수 개의 스풀와, 금속 와이어가 직조되어 감기는 와인딩 롤러 및 와인딩 롤러로 공급되는 금속 와이어의 직조 패턴을 조절하기 위한 조절부재를 포함하는 분리판의 제조장치가 제공된다.According to still another aspect of the present invention there is provided a method of manufacturing a metal wire, comprising the steps of: providing a plurality of spools for feeding metal wires; and a control member for adjusting the weave pattern of the metal wire fed to the winding roller and winding roller, An apparatus for manufacturing a separator plate is provided.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the separator according to one embodiment of the present invention, the method of manufacturing the same, and the fuel cell stack including the separator have the following effects.

본 발명에 따르면, 금속 와이어를 직조함으로써 다양한 기공 크기 및 기공 크기 구배를 갖는 분리판 및 가스 확산층을 제조할 수 있다. 또한, 매크로(macro) /메조(meso)/마이크로(micro) 기공 크기를 갖는 단일의 다공체 성형품을 통해 분리판과 가스 확산층을 대체할 수 있으며, 이러한 기공 크기 구배를 갖는 다공체 성형품을 단일 공정에 의해 연속 제조할 수 있다.According to the present invention, separating plates and gas diffusion layers having various pore sizes and pore size grades can be produced by weaving metal wires. It is also possible to replace the separator and the gas diffusion layer with a single porous article having a macro / meso / micro pore size, and the porous article having such a pore size gradient can be replaced by a single process Can be continuously produced.

기공 크기 구배를 통해, 압력 구배 조정이 가능하고, 응축수 배출 성능을 향상시킬 수 있으며, 난류 혼합 유동에 의한 열/물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다.Through the pore size gradient, the pressure gradient can be adjusted, the condensate discharge performance can be improved, and the heat / mass transfer characteristics due to the turbulent mixing flow can be improved.

또한, 전기적 접촉 면적을 증가시킬 수 있고, 접촉 저항 저감에 따른 오믹 손실을 낮출 수 있으며, 다른 구성부품의 제조 공차를 흡수하고, 면압 균일도를 향상시킬 수 있다.Further, it is possible to increase the electrical contact area, lower the ohmic loss due to the reduction in contact resistance, absorb manufacturing tolerances of other component parts, and improve uniformity of surface pressure.

또한, 분리판/가스확산층의 부품 일체화 및 직조 공정을 통해 제조비용 및 제조시간을 줄일 수 있다.In addition, the manufacturing cost and the manufacturing time can be reduced by integrating the parts of the separator plate / gas diffusion layer and the weaving process.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 제조장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 나타내는 평면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 나타내는 개념도들이다.
도 5는 도 4에 도시된 분리판을 나타내는 도면이다.
도 6은 마이크로 기공층의 제조 공정을 나타내는 개념도이다.
도 7 내지 도 9는 분리판의 다양한 실시예를 나타내는 도면들이다.
1 is a perspective view showing an apparatus for manufacturing a separator plate according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view showing a separation plate according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are conceptual diagrams showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a view showing the separator shown in Fig. 4. Fig.
6 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of the microporous layer.
7 to 9 are views showing various embodiments of the separator plate.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a separator according to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing the same, and a fuel cell stack including the separator will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.In addition, the same or corresponding reference numerals are given to the same or corresponding reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. For convenience of explanation, the size and shape of each constituent member shown in the drawings are exaggerated or reduced .

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 제조장치(10)(이하, ‘제조장치’)를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing a separator plate manufacturing apparatus 10 (hereinafter referred to as a " manufacturing apparatus ") according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 일 실시예로, 제조장치(10)는 금속 와이어(W)를 공급하기 위한 복수 개의 스풀(11)과, 금속 와이어(W)가 직조되어 감기는 와인딩 롤러(30) 및 와인딩 롤러(30)로 공급되는 금속 와이어(W)의 직조 패턴을 조절하기 위한 조절부재(20)를 포함한다. 또한, 이를 통해 금속 와이어(W) 기반의 다공체(20)를 제조할 수 있으며, 상기 다공체(20)는 후술할 분리판, 가스 확산층 및 분리판-가스확산층 일체형 구조체에 적용될 수 있다.1, the manufacturing apparatus 10 includes a plurality of spools 11 for supplying a metal wire W, a winding roller 30 wound and wound with a metal wire W, (20) for adjusting the weave pattern of the metal wire (W) fed to the winding roller (30). In addition, the porous body 20 based on the metal wire W can be manufactured through this process, and the porous body 20 can be applied to a separator plate, a gas diffusion layer, and a separator plate-gas diffusion layer integrated structure to be described later.

복수 개의 스풀(11)의 배치 간격 및 배열을 조정함으로써, 다양한 직조 패턴으로 복수 개의 금속 와이어를 일부 영역에서 교차하도록 꼬아 소정 크기의 기공이 형성되도록 직조할 수 있다.By arranging the intervals and arrangements of the plurality of spools 11, it is possible to weave the plurality of metal wires in various weave patterns so that pores of a predetermined size are formed to be twisted so as to intersect with each other in a certain area.

또한, 제조장치(10)는 와인딩 롤러(30)에 감긴 상태의 다공체(20)를 권출하고, 다공체(20)의 기공 크기를 확장하기 위한 스트레치(stretch)/ 익스팬딩(expanding) 롤러(40)를 포함할 수 있다. 또한, 제조장치(10)는 다공체(20)의 두께 공차 및 평탄도 조정을 위한 압연롤러(50)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 압연롤러(50)를 통과한 다공체(20)는 차기 공정인 절단기(도시되지 않음)로 전달되어, 분리판, 가스확산층 및 분리판-가스확산층 일체형 구조체로 절단될 수 있다. The manufacturing apparatus 10 includes a stretch / expanding roller 40 for stretching the porous body 20 wound around the winding roller 30 and enlarging the pore size of the porous body 20, . ≪ / RTI > The manufacturing apparatus 10 may include a rolling roller 50 for adjusting the thickness tolerance and flatness of the porous article 20. [ The porous body 20 having passed through the rolling roller 50 is transferred to a cutter (not shown) as a next step, and can be cut into a separator plate, a gas diffusion layer and a separator plate-gas diffusion layer integrated structure.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판의 제조방법은, 적어도 2개의 제1 금속 와이어를 직조함으로써 소정 크기의 기공을 갖는 다공체를 형성하는 단계를 포함한다.In addition, a method of manufacturing a separator according to an embodiment of the present invention includes forming a porous body having a predetermined size of pores by weaving at least two first metal wires.

다공체(20) 제조과정을 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면, 조절부재(20)를 통해 직조 패턴을 조정하고, 다공체(20) 설계 두께만큼 와인딩 롤러(30)에 금속 와이어(W)를 직조하며, 권취할 수 있다. 이후, 스트레치(stretch)/ 익스팬딩(expanding) 롤러(40)를 통해 기공을 확장하고, 평탄화 및 두꼐 균일도 향상을 위해 다공체(20)를 압연 롤러(50)에 통과시키고, 최종 제작품 크기로 다공체(20)를 절단할 수 있다.1, a woven pattern is adjusted through a regulating member 20, and a metal wire W is woven on the winding roller 30 by a designed thickness of the porous article 20. [ And can be wound. Thereafter, the pores are expanded through a stretching / expanding roller 40, the porous article 20 is passed through the rolling roller 50 for planarization and to improve the evenness of the tops, 20 can be cut.

도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판(100)을 나타내는 평면도이다. 상기 분리판(100)은 전술한 제조장치(10)를 통하여 제조될 수도 있고, 3D 프린팅 공정에 의해서도 제조될 수 있다.2 is a plan view showing a separation plate 100 according to an embodiment of the present invention. The separation plate 100 may be manufactured through the above-described manufacturing apparatus 10, or may be manufactured by a 3D printing process.

상기 분리판(100)은 복수의 제1 금속 와이어(110)를 포함한다. 또한, 상기 분리판(100)은 적어도 2개의 제1 금속 와이어(110)가 소정 크기의 기공(111)을 형성하도록 연속적으로 직조된다. 즉, 복수 개의 제1 금속 와이어(110)가 복수 개의 지점에서 교차하도록 꼬여 기공을 형성하도록 직조된다.The separator plate 100 includes a plurality of first metal wires 110. In addition, the separator plate 100 is continuously woven so that at least two first metal wires 110 form pores 111 of a predetermined size. That is, a plurality of first metal wires 110 are twisted to cross at a plurality of points to form pores.

또한, 상기 분리판(100)은 상기 분리판(100)은 제1 방향(y축 방향)을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 동일하게 마련될 수도 있고, 후술하는 바와 같이, 제1 방향(y축 방향, 예를 들어 ‘반응가스 유동방향’)을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 달라지도록 마련될 수 있다.The separation plate 100 may be formed such that the separation plate 100 has the same pore size in at least a part of the region along the first direction (y-axis direction) Axis direction, for example, the 'reaction gas flow direction').

또한, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(200, 300)을 나타내는 개념도들이고, 도 5는 도 4에 도시된 분리판(310)을 나타내는 도면이다. 3 and 4 are conceptual views showing the fuel cell stack 200 and 300 related to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view showing the separator plate 310 shown in FIG.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(200, 300)은 막-전극 접합체(도시되지 않음)와, 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층(220, 320) 및 적어도 일부 영역에서 가스 확산층(220, 320)과 접촉하도록 배치된 분리판(210, 310)을 포함한다.3 and 4, a fuel cell stack 200, 300 according to an embodiment of the present invention includes a membrane-electrode assembly (not shown), a gas diffusion layer 220 disposed on one side of the membrane- , 320) and separation plates (210, 310) arranged to contact the gas diffusion layers (220, 320) in at least some regions.

분리판(210, 310)은 도 2를 통해 설명한 분리판과 동일한 방법으로 제조되며, 구체적으로, 상기 분리판(210, 310)은 복수의 제1 금속 와이어를 포함하고, 적어도 2개의 제1 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 연속적으로 직조된다.The separation plates 210 and 310 are manufactured in the same manner as the separation plates described with reference to FIG. 2. More specifically, the separation plates 210 and 310 include a plurality of first metal wires, The wire is continuously woven to form pores of a predetermined size.

또한, 가스 확산층(220, 320)은, 복수의 제2 금속 와이어를 포함하고, 적어도 2개의 제2 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 연속적으로 직조된다. 즉, 상기 가스 확산층(220, 320)은 분리판과 동일한 방법으로 제조될 수 있다. In addition, the gas diffusion layers 220, 320 comprise a plurality of second metal wires, and at least two second metal wires are continuously woven to form pores of a predetermined size. That is, the gas diffusion layers 220 and 320 may be manufactured in the same manner as the separation plate.

또한, 제1 금속 와이어와 제2 금속 와이어는 동일한 금속 재질로 형성될 수도 있고, 서로 다른 금속 재질로 형성될 수도 있다. 또한, 제1 금속 와이어와 제2 금속 와이어는 동일한 직경을 갖도록 마련될 수도 있고, 서로 다른 직경을 갖도록 마련될 수도 있다.The first metal wire and the second metal wire may be formed of the same metal material or may be formed of different metal materials. In addition, the first metal wire and the second metal wire may be provided to have the same diameter or may have different diameters.

또한, 가스 확산층(220, 320)에는 막-전극 접합체와 접촉하는 접촉면에 마이크로 기공층(MPL: Micro porous layer)(230, 330)이 마련되며, 상기 마이크로 기공층((230, 330)은 가스 확산층(220, 320)의 접촉면에 코팅될 수 있다.The gas diffusion layers 220 and 320 are provided with microporous layers (MPL) 230 and 330 on the contact surfaces contacting the membrane electrode assembly. The microporous layers 230 and 330 are formed of gas Can be coated on the contact surfaces of the diffusion layers (220, 320).

도 3을 참조하면, 상기 가스 확산층(220)은 기공 크기(ε2)가 분리판(210)의 기공 크기(ε1)보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 기공 크기를 기준으로, 분리판은 매크로(macro)-기공 영역을 구성하고, 가스 확산층은 메조(meso)-기공 영역을 구성하도록 마련될 수 있다. 즉, 분리판에서 가스 확산층 및 마이크로 기공층으로 갈수록 기공의 크기(ε1, ε2, ε3)는 작아진다.Referring to FIG. 3, the gas diffusion layer 220 may have a pore size? 2 smaller than a pore size? 1 of the separator plate 210. For example, based on pore size, the separator can form a macro-pore region, and the gas diffusion layer can be configured to form a meso-pore region. That is, the pore size (ε1, ε2, ε3) decreases from the separator to the gas diffusion layer and the microporous layer.

도 3을 참조하면, 분리판(210)은 두께(L1)가 가스 확산층(220) 보다 두껍게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 분리판(210)의 두께(L1)는 가스 확산층(220)의 두께(L2) 및 마이크로 기공층(230)의 두께(L3)보다 크게 된다. 또한, 가스확산층(220)의 두께(L2)는 마이크로 기공층(230)의 두께(L3)보다 크게 된다. 또한, 분리판(210)과 가스 확산층(220)은 동일한 패턴으로 직조될 수 있다.Referring to FIG. 3, the separator 210 may have a thickness L1 greater than that of the gas diffusion layer 220. Therefore, the thickness L1 of the separator 210 is greater than the thickness L2 of the gas diffusion layer 220 and the thickness L3 of the microporous layer 230. The thickness L 2 of the gas diffusion layer 220 is greater than the thickness L 3 of the microporous layer 230. Further, the separator plate 210 and the gas diffusion layer 220 can be woven in the same pattern.

특히, 도 3의 (b)를 참조하면, 분리판(210)과 가스 확산층(220) 및 마이크로 기공층(240)의 두께 구배 및 기공 크기 구배는 다양하게 결정될 수 있고, 예를 들어, 선형 또는 비선형적으로 변화하는 구배를 가질 수 있다.3B, the thickness gradient and the pore size gradient of the separator 210, the gas diffusion layer 220, and the microporous layer 240 may be variously determined, for example, It may have a non-linearly varying gradient.

또한, 분리판(210)과 가스 확산층(220)은 일체로 형성될 수 있다. 즉, 와인딩 롤러(30)에 기공 크기가 서로 달라지도록 직조 패턴을 조절하면서 분리판(210)과 가스 확산층(220)을 일체로 형성할 수 있다. 이때, 분리판과 가스확산층은 단일의 다공체 구조물로 일체화함으로써, 접촉저항을 감소시키고, 오믹(ohmic) 손실을 저감할 수 있다.Further, the separator plate 210 and the gas diffusion layer 220 may be integrally formed. That is, the separation plate 210 and the gas diffusion layer 220 can be integrally formed while controlling the weaving pattern so that the pore sizes of the winding roller 30 are different from each other. At this time, by integrating the separator and the gas diffusion layer into a single porous structure, the contact resistance can be reduced and the ohmic loss can be reduced.

도 3을 참조하면, 분리판(310)과 가스 확산층(320)은 서로 다른 패턴으로 직조될 수도 있다. 한편, 도 2 및 도 13에서, 부호 A는 반응가스 유동방향을 나타내고, 부호 B는 응축수 배출경로를 나타낸다.Referring to FIG. 3, the separator plate 310 and the gas diffusion layer 320 may be woven in different patterns. On the other hand, in Figs. 2 and 13, reference symbol A denotes the direction of the reaction gas flow, and reference symbol B denotes the discharge path of the condensed water.

도 4를 참조하면, 분리판(310)은 제1 방향을 따라 제1 영역(311), 제2 영역(312) 및 제3 영역(313)이 차례로 마련된다. 즉, 분리판(310)에는 제1 방향을 따라 제1 영역(311), 제2 영역(312) 및 제3 영역(313)이 차례로 위치한다. 또한, 각각의 영역(311, 312, 313)의 기공 크기가 서로 다르게 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(y축 방향)을 반응가스 유동방향일 수 있다. 즉, 연료전지 스택(200, 300)에서 반응가스는 제1 방향을 따라 분리판으로 공급될 수 있고, 분리판(310)은 제1 방향(도 4의 y축 방향)을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 달라지도록 마련될 수 있다.Referring to FIG. 4, the separation plate 310 has a first region 311, a second region 312, and a third region 313 formed in order along a first direction. That is, the first region 311, the second region 312, and the third region 313 are sequentially disposed on the separation plate 310 along the first direction. Also, the pore sizes of the regions 311, 312, and 313 may be different from each other. For example, the first direction (y-axis direction) may be the reaction gas flow direction. That is, in the fuel cell stacks 200 and 300, the reaction gas may be supplied to the separator along the first direction, and the separator 310 may be provided in at least a part of the region along the first direction The pore size may be varied.

이때, 제2 영역(312)은 기공(312a) 크기가 제1 영역(311)의 기공(311a) 크기보다 크게 형성되고, 제3 영역(313)은 기공(313a) 크기가 제2 영역(312)의 기공(312a) 크기보다 작게 형성될 수 있다. The size of the pores 312a of the second region 312 is larger than the size of the pores 311a of the first region 311 and the size of the pores 313a of the third region 313 is larger than the size of the pores 311a of the second region 312 The size of the pores 312a may be smaller than the size of the pores 312a.

또한, 제1 영역(311)은 제1 방향에 따른 길이가 제2 영역(312)의 길이보다 작고, 제2 영역(312)은 제1 방향에 따른 길이가 제3 영역(313)의 길이보다 작게 마련될 수 있다.The length of the first region 311 in the first direction is smaller than the length of the second region 312 and the length of the second region 312 in the first direction is shorter than the length of the third region 313 Small can be prepared.

예를 들어, 매크로(macro)-기공 영역을 구성하는 분리판(310) 내, 기공들에도, 제1 방향을 따라 기공 크기 구배가 적용될 수 있다. 제1 영역(311)은 반응가스의 진입구간에 해당하며, 반응가스를 균일하게 분배 및 공급하는 기능을 수행한다. 또한, 제2 영역(312)은 분리판(310)의 제1 방향에 따른 전체 길이의 약 30% 이하의 길이를 가질 수 있으며, 저 가습 조전 하에서 액적의 증발속도를 감소(유체 유속을 감소)시킴으로써, 전극/고분자 막 건조를 방지하는 구간의 기능을 수행할 수 있다. 또한, 제3 영역(31133)은 응축수 배출 촉진을 위해 기공도(유체 유속과 관련)가 조절되는 구간이다. 또한, 제2 영역(312)과 제3 영역(313)의 경계영역은 물 균형이 이루어지는 지점일 수 있다.For example, a pore size gradient along the first direction may also be applied to the pores in the separator plate 310 forming the macro-pore region. The first region 311 corresponds to the entry region of the reaction gas, and functions to uniformly distribute and supply the reaction gas. In addition, the second region 312 may have a length of about 30% or less of the total length along the first direction of the separator plate 310 and may reduce the evaporation rate of the droplet (reduce the fluid flow rate) , It is possible to perform the function of the section for preventing drying of the electrode / polymer film. The third region 31133 is a region in which the porosity (related to the fluid flow rate) is controlled to promote the condensed water discharge. In addition, the boundary region between the second region 312 and the third region 313 may be a point where water balance occurs.

마찬가지로, 분리판(310)은 소정 두께를 가지며, 높이방향을 따라 가스 확산층(320)을 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 작아지도록 마련될 수 있다.Similarly, the separator plate 310 may have a predetermined thickness, and may be provided such that the pore size decreases in at least a part of the region along the direction toward the gas diffusion layer 320 along the height direction.

도 6은 마이크로 기공층(230, 330)의 제조 공정을 나타내는 개념도이다. 전술한 바와 같이, 마이크로 기공층(230, 330)은 전극과 맞닿는 가스 확산층의 일면에 형성(코팅)된다. 상기 마이크로 기공층(230, 330)은 전극의 물리적 손상을 방지하기 위한 지지체로서, 친수/소수 특성 조절을 통해 물배출 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 마이크로 기공층(230, 330)은 연속적인 전자 이동 경로를 제공하는 기능을 수행한다. 마이크로 기공층(230, 330)은 수 ㎛이하의 매우 얇은 두께를 가지고 있으며, Nafion 용액, Vulcan Carbon, 또는 탄소나노튜브 또는 그래핀 등의 탄소 재료 등을 슬러리 형태로 혼합하여 직접 도포하거나 분무하는 공정 등의 슬러리 코팅 공정을 사용하여 제작이 가능하다.FIG. 6 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of the microporous layers 230 and 330. As described above, the microporous layers 230 and 330 are formed (coated) on one surface of the gas diffusion layer which contacts the electrodes. The microporous layers 230 and 330 are used as a support for preventing physical damage to the electrodes. The microporous layers 230 and 330 can improve water discharge characteristics by controlling hydrophilic / hydrophobic properties. In addition, the microporous layers 230 and 330 function to provide a continuous electron movement path. The microporous layers 230 and 330 have a very thin thickness of several micrometers or less and are formed by mixing a carbon material such as Nafion solution, Vulcan carbon, carbon nanotube, or graphene in a slurry form, And the like can be manufactured using a slurry coating process.

도 7 내지 도 9는 분리판의 다양한 실시예를 나타내는 도면들이다.7 to 9 are views showing various embodiments of the separator plate.

본 발명에서 제안하는 방법에 따라, 직조 패턴을 달리하여 도 7 내지 도 9에 도시된 다양한 구조의 분리판을 제조할 수 있다.According to the method proposed in the present invention, a separator plate having various structures shown in Figs. 7 to 9 can be manufactured by changing the weave pattern.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The foregoing description of the preferred embodiments of the present invention has been presented for purposes of illustration and various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention, And additions should be considered as falling within the scope of the following claims.

10: 분리판의 제조장치
100, 210, 310: 분리판
200, 300: 연료전지 스택
220, 320: 가스 확산층
230, 330: MPL
10: Manufacturing apparatus of separation plate
100, 210, 310: separator plate
200, 300: Fuel cell stack
220, 320: gas diffusion layer
230, 330: MPL

Claims (18)

복수의 제1 금속 와이어를 포함하고,
적어도 2개의 제1 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 연속적으로 직조된 분리판.
A plurality of first metal wires,
Wherein at least two first metal wires are continuously woven to form pores of a predetermined size.
제 1 항에 있어서,
제1 방향을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 달라지도록 마련된 분리판.
The method according to claim 1,
And a pore size is changed in at least a part of the region along the first direction.
제 1 항에 있어서,
제1 방향을 따라 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역이 차례로 마련되고, 각각의 영역의 기공 크기가 서로 다르게 마련된 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the first region, the second region, and the third region are provided in order along the first direction, and the pore sizes of the respective regions are different from each other.
제 3 항에 있어서,
제2 영역은 기공크기가 제1 영역의 기공 크기보다 크게 형성되고, 제3 영역은 기공크기가 제2 영역의 기공크기보다 작게 형성된 분리판.
The method of claim 3,
Wherein the pore size of the second region is larger than the pore size of the first region, and the pore size of the third region is smaller than the pore size of the second region.
제 4 항에 있어서,
제1 영역은 제2 방향에 따른 길이가 제2 영역의 길이보다 작고,
제2 영역은 제2 방향에 따른 길이가 제3 영역의 길이보다 작게 마련된 분리판.
5. The method of claim 4,
The length of the first region in the second direction is smaller than the length of the second region,
And the second region has a length along the second direction smaller than a length of the third region.
막-전극 접합체;
막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층; 및
적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판을 포함하며,
분리판은, 복수의 제1 금속 와이어를 포함하고, 적어도 2개의 제1 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 연속적으로 직조된 연료전지 스택.
Membrane-electrode assembly;
A gas diffusion layer disposed on one surface of the membrane electrode assembly; And
And a separation plate arranged to contact the gas diffusion layer in at least a part of the region,
Wherein the separator comprises a plurality of first metal wires and at least two first metal wires are continuously woven to form pores of a predetermined size.
제 6 항에 있어서,
가스 확산층은, 복수의 제2 금속 와이어를 포함하고, 적어도 2개의 제2 금속 와이어가 소정 크기의 기공을 형성하도록 제1 방향을 따라 연속적으로 직조된 연료전지 스택.
The method according to claim 6,
Wherein the gas diffusion layer is continuously woven along a first direction so as to include a plurality of second metal wires and at least two second metal wires form pores of a predetermined size.
제 7 항에 있어서,
가스 확산층은 기공 크기가 분리판의 기공 크기보다 작게 형성된 연료전지 스택.
8. The method of claim 7,
The gas diffusion layer has a pore size smaller than a pore size of the separator.
제 7 항에 있어서,
분리판은 두께가 가스 확산층 보다 두껍게 형성된 연료전지 스택.
8. The method of claim 7,
Wherein the separator plate is thicker than the gas diffusion layer.
제 7 항에 있어서,
분리판과 가스 확산층은 일체로 형성된 연료전지 스택.
8. The method of claim 7,
The separator plate and the gas diffusion layer are integrally formed.
제 7 항에 있어서,
분리판과 가스 확산층은 동일한 패턴으로 직조된 연료전지 스택.
8. The method of claim 7,
The separator plate and the gas diffusion layer are woven in the same pattern.
제 7 항에 있어서,
분리판과 가스 확산층은 서로 다른 패턴으로 직조된 연료전지 스택.
8. The method of claim 7,
The separator plate and the gas diffusion layer are woven in different patterns.
제 6 항에 있어서,
분리판은 제1 방향을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 달라지도록 마련된 연료전지 스택.
The method according to claim 6,
Wherein the separator is arranged such that the pore size of the separator is changed at least in a region along the first direction.
제 13 항에 있어서,
분리판에는 제1 방향을 따라 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역이 차례로 위치하고, 각각의 영역의 기공 크기가 서로 다르게 마련된 연료전지 스택.
14. The method of claim 13,
Wherein the separating plate has a first region, a second region and a third region successively disposed along a first direction, and pore sizes of the regions are different from each other.
제 14 항에 있어서,
제2 영역은 기공크기가 제1 영역의 기공 크기보다 크게 형성되고, 제3 영역은 기공크기가 제2 영역의 기공크기보다 작게 형성된 연료전지 스택.
15. The method of claim 14,
The pore size of the second region is larger than the pore size of the first region, and the pore size of the third region is smaller than the pore size of the second region.
제 14 항에 있어서,
제1 영역은 제1 방향에 따른 길이가 제2 영역의 길이보다 작고,
제2 영역은 제1 방향에 따른 길이가 제3 영역의 길이보다 작게 마련된 연료전지 스택.
15. The method of claim 14,
The length of the first region in the first direction is smaller than the length of the second region,
And the second region has a length along the first direction smaller than a length of the third region.
제 6 항에 있어서,
분리판은 가스 확산층을 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역에서 기공 크기가 작아지도록 마련된 연료전지 스택.
The method according to claim 6,
Wherein the separator is provided such that the pore size is reduced in at least a part of the region along the direction toward the gas diffusion layer.
적어도 2개의 제1 금속 와이어를 직조함으로써 소정 크기의 기공을 갖는 다공체를 형성하는 단계를 포함하는 분리판의 제조방법.
And forming a porous body having pores of a predetermined size by weaving at least two first metal wires.
KR1020160132608A 2016-10-13 2016-10-13 Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same KR102071905B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160132608A KR102071905B1 (en) 2016-10-13 2016-10-13 Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160132608A KR102071905B1 (en) 2016-10-13 2016-10-13 Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180040831A true KR20180040831A (en) 2018-04-23
KR102071905B1 KR102071905B1 (en) 2020-01-31

Family

ID=62089119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160132608A KR102071905B1 (en) 2016-10-13 2016-10-13 Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102071905B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109817994A (en) * 2019-01-23 2019-05-28 成都新柯力化工科技有限公司 A kind of method that multilayer extrusion prepares fuel cell gradient gas diffusion layer carbon film

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110062360A (en) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 Fuel cell unit having mesh
KR20150075441A (en) * 2013-12-25 2015-07-06 주식회사 포스코 Separator for solid oxide fuel cell same and solid oxide fuel cell comprising the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110062360A (en) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 Fuel cell unit having mesh
KR20150075441A (en) * 2013-12-25 2015-07-06 주식회사 포스코 Separator for solid oxide fuel cell same and solid oxide fuel cell comprising the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109817994A (en) * 2019-01-23 2019-05-28 成都新柯力化工科技有限公司 A kind of method that multilayer extrusion prepares fuel cell gradient gas diffusion layer carbon film
CN109817994B (en) * 2019-01-23 2021-02-26 成都新柯力化工科技有限公司 Method for preparing fuel cell gradient gas diffusion layer carbon film by multilayer extrusion

Also Published As

Publication number Publication date
KR102071905B1 (en) 2020-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107851810B (en) Fuel cell
JP6931802B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cell and its manufacturing method, membrane electrode assembly, and fuel cell
US10593957B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cells and method of manufacturing the same
US20220158199A1 (en) Gas diffusion layer for a fuel cell, and fuel cell
JP6773053B2 (en) Fuel cell
JP5055854B2 (en) Membrane / electrode assembly for fuel cells
KR101728206B1 (en) Separator for fuel cell and fuel cell comprising the same
JP2019502238A (en) Method for manufacturing a flow plate for a fuel cell
CA2909932C (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
JP6571961B2 (en) ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE COMPLEX FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL
KR102071905B1 (en) Separator, manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising the same
JP2004127566A (en) Gas diffusion layer for fuel cell
JP2009277370A (en) Membrane electrode assembly
EP3579318B1 (en) Separator and fuel cell stack comprising same
US20150147683A1 (en) Non-humidified fuel cell
KR102034458B1 (en) Fuel cell stack
JP7060759B2 (en) Bipolar plate for fuel cell, and fuel cell
JP6356436B2 (en) Electrolyte membrane / electrode structure
KR20190086392A (en) Gas diffusion layer for fuel cell, membbrane electrode assembly comprising same, fuel cell comprising same and method for manufacturing the gas diffusion layer for fuel cell
JP6412995B2 (en) Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure
JP2012243430A (en) Fuel cell and method for manufacturing fuel cell
KR20230070598A (en) Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same and membraneelectrode assembly comprising the same
KR20230090577A (en) Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same and membraneelectrode assembly comprising the same
JP2021086691A (en) Fuel cell
JP2012064481A (en) Manufacturing method of porous body layer for fuel battery, and fuel battery

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right