KR20180070748A - 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체와 액체가 선택적으로 유동되는 이동통로가 형성되는 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층은 탄소섬유 지지체에 미세다공층이 형성되어 전극막 접합체(MEA)와 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 기체확산층으로서, 상기 탄소섬유 지지체는 전극막 접합체에서 분리판 방향(두께 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖는 미세기공영역과; 전극막 접합체에서 분리판 방향(두께 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖되, 상기 미세기공영역의 평균 기공 크기보다 큰 평균 기공 크기를 갖는 거대기공영역을 포함하고, 상기 미세기공영역과 거대기공영역이 교대로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법{Gas diffusion layer for fuel cell applications and Method of Manufacturing the same}
본 발명은 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체와 액체가 선택적으로 유동되는 이동통로가 형성되는 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위 셀을 보여주는 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지의 단위 셀은 가장 안쪽에 전극막 접합체(10, MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(12: cathode) 및 연료극(13: anode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막 집합체(10)의 바깥 부분, 즉 공기극(12) 및 연료극(13)이 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(20, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 기체확산층(20)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(30)이 위치한다.
이때 기체확산층(20)은 일반적으로 다공질 탄소막으로 이루어지는 탄소섬유 지지체(21)의 일면 또는 양면에 미세다공층(22)이 형성되어 이루어진다.
그리고 탄소섬유 지지체(21)는 일반적으로 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성되는데, 예를 들어 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다.
또한, 미세다공층(22)는 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 탄소섬유 지지체(21)의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.
한편, 연료극(13)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(11)과 전선을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(13)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
그리고 연료전지로 제공되는 기상의 반응기체 및 화학반응에 의해 생성되는 액상의 생성수는 기체확산층(20)을 통하여 전극막 접합체(10)와 분리판(30) 사이에서 이동된다.
이때 액상인 생성수는 기체확산층(20) 안에서 모세관압의 차이를 통해 미세기공층(22)에서 탄소섬유 지지체(21) 방향으로 이동하게 된다. 그래서 생성수는 미세기공층(22)를 통과한 다음 탄소섬유 지지체(21) 안에서 이동할 때 모세관압의 차이가 큰 통로를 선택해서 이동하게 된다. 즉, 생성수는 매번 다른 이동경로로 이동하는 것이 아니고, 기체확산층 내에서 주로 이동이 용이한 선택되는 이동경로로만 이동되는 경향을 보인다.
그래서, 선택된 이동경로로 생성수가 집중적으로 이동되기 때문에 선택된 이동경로에 물넘침이 발생하여 막히게 되는 현상이 발생하고, 그 주변에서 연쇄적으로 물 넘침이 발생하면서 기체확산층(20)의 기공이 물로 막혀 반응기체의 이동을 막아 셀 성능이 저하되는 문제가 발생한다.(flooding).
공개특허 10-2014-0003894 (2014. 01. 10)
본 발명은 기상인 반응기체와 액상인 생성수가 선택적으로 유동되는 이동통로가 형성하여 반응기체와 생성수의 이동을 원할하게 할 수 있는 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층은 탄소섬유 지지체에 미세다공층이 형성되어 전극막 접합체(MEA)와 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 기체확산층으로서, 상기 탄소섬유 지지체는 전극막 접합체에서 분리판 방향(두께 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖는 미세기공영역과; 전극막 접합체에서 분리판 방향(두께 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖되, 상기 미세기공영역의 평균 기공 크기보다 큰 평균 기공 크기를 갖는 거대기공영역을 포함하고, 상기 미세기공영역과 거대기공영역이 교대로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 미세기공영역과 거대기공영역은 길이방향을 기준으로 교대로 형성될 수 있다.
상기 미세기공영역과 거대기공영역은 폭방향을 기준으로 교대로 형성될 수 있다.
상기 미세기공영역의 평균 기공 크기는 40㎛보다 작고, 상기 거대기공영역의 평균 기공 크기는 40㎛보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 거대기공영역이 차지하는 비율이 미세기공영역이 차지하는 비율보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 미세기공영역과 거대기공영역은 40 ~ 50 : 50 ~ 60의 비율로 반복되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법은 탄소섬유 지지체에 미세다공층이 형성되어 전극막 접합체(MEA)와 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 기체확산층을 제조하는 방법으로서, 미세기공을 형성하기 위한 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계와; 거대기공을 형성하기 위한 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계와; 상기 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 동일 평면상에서 교대로 분산시켜 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유로 준비하고, 상기 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유로 준비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 준비하고, 상기 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 준비하되, 상기 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계에서 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율이 상기 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계에서 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율보다 높게 형성할 수 있다.
상기 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계에서, 상기 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 길이방향을 기준으로 교대로 분산시켜서 형성할 수 있다.
상기 탄소섬유 지지체를 형성을 형성하는 단계에서, 상기 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 폭방향을 기준으로 교대로 분산시켜서 형성할 수 있다.
상기 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계 이후에는, 상기 탄소섬유 지지체의 적어도 일면에 미세기공층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기체확산층을 형성하는 탄소섬유 지지체가 기체확산층의 두께 방향으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖지만, 기체확산층의 길이방향 또는 폭방향으로 서로 다른 평균 기공 크기를 갖는 미세기공영역과 거대기공영역을 교대로 형성함으로써, 반응기체는 미세기공영역을 통하여 이동되도록 유도하고, 생성수는 거대기공영역을 통하여 이동되도록 유도하여 반응기체와 생성수의 이동을 모두 원활하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위 셀을 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 보여주는 구성도이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 보여주는 구성도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층이 적용된 연료전지에서 반응기체 및 생성수의 이동을 보여주는 구성도이며,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하기 위한 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 보여주는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 보여주는 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층이 적용된 연료전지에서 반응기체 및 생성수의 이동을 보여주는 구성도이다.
먼저, 본 발명의 명확한 설명을 위하여 도면에 도시된 x축 방향을 길이방향으로 정의하고, y축 방향을 두께방향으로 정의하고, z축 방향을 폭방향으로 정의한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층(20)은 다공질 탄소막으로 이루어지는 탄소섬유 지지체(21)와, 상기 탄소섬유 지지체(21)의 일면 또는 양면에 형성되는 미세다공층(22)을 포함하는 구성으로서, 본 발명의 주요 기술사상은 상기 탄소섬유 지지체(21)를 대상으로 한다.
이때 탄소섬유 지지체(21)는 예를 들어 탄소섬유로 형성될 수 있고, 미세다공층(22)는 예를 들어 탄소분말로 형성될 수 있다. 물론 탄소섬유 지지체(21)와 미세다공층(22)는 일반적으로 기체확산층을 구현할 수 있는 다양한 재료를 사용하여 구현할 수 있을 것이다.
한편, 탄소섬유 지지체(21)는 전극막 접합체(10)에서 분리판(30) 방향(y축 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖는 미세기공영역(21a)과; 전극막 접합체(10)에서 분리판(30) 방향(y축 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖되, 상기 미세기공영역(21a)의 평균 기공 크기보다 큰 평균 기공 크기를 갖는 거대기공영역(21b)을 포함한다.
이렇게 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)을 포함하는 탄소섬유 지지체(21)는 탄소섬유를 이용하여 형성시킬 수 있다. 다만, 서로 평균 기공의 크기가 다른 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)을 구분하기 위하여 탄소섬유의 길이를 다르게 하여 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)을 형성한다.
예를 들어 미세기공영역(21a)은 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유를 혼합하여 형성함으로써 미세기공영역(21a)의 평균 기공 크기를 종래의 일반적인 기체확산층을 형성하는 기공의 평균 크기(약 40㎛) 보다 작게 형성한다. 이를 위하여 제 1 탄소섬유는 6mm 정도의 길이를 갖는 탄소섬유를 사용할 수 있다.
또한, 거대기공영역(21b)은 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 형성함으로써 미세기공영역(21a)에 형성되는 기공의 평균 크기보다 큰 평균 기공 크기가 형성된다. 따라서 거대기공영역(21b)의 평균 기공 크기는 약 40㎛ 보다 큰 것이 바람직하다. 이를 위하여 제 2 탄소섬유는 12mm 정도의 길이를 갖는 탄소섬유를 사용할 수 있다.
한편, 미세기공영역(21a)과 거대기용영역(20b) 모두 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 구현할 수 있다. 다만, 미세기공영역(21a)를 형성하기 위하여 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율이 거대기공영역(21b)를 형성하기 위하여 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율보다 높게 하여 거대기공영역(21b)에 형성되는 기공의 평균 크기보다 미세기공영역(21a)에 형성되는 기공의 평균 크기가 크기 형성되도록 한다.
그래서, 본 실시예에 따르면 반응기체와 생성수가 기체확산층(20)에 형성된 탄소섬유 지지체(21)을 통하여 전극막 접합체(10)와 분리판(30) 사이에서 이동되는 경우에, 선택적으로 거대기공영역(21b)으로 생성수가 이동되고, 미세기공영역(21a)으로 반응기체가 이동되도록 유도한다.
부연하자면, 상대적으로 큰 기공을 갖는 거대기공영역(21b)의 낮은 모세관압에 의해 액상인 생성수는 거대기공영역(21b)으로 이동되고, 상대적으로 작은 기공을 갖는 미세기공영역(21a)으로 기상인 반응기체가 이동된다. 이때 미세기공영역(21a) 및 거대기공영역(21b) 모두 두께방향(y축 방향)으로 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖기 때문에 전극막 접합체(10)와 분리판(30) 사이에서 이루어지는 생성수 및 반응기체의 이동은 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)에서 모두 정체 없이 원활하게 이루어진다.
한편, 본 발명에서는 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)이 교대로 형성됨에 따라 생성수와 반응기체가 선택적으로 이동되는 경로가 분리될 수 있다면 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)의 배치는 특정 패턴에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있을 것이다.
예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)이 길이방향(x 방향)을 기준으로 교대로 반복하여 형성될 수 있다. 그래서, 분리판(30)의 입구 매니폴드로 유입된 반응기체가 출구 매니폴드 방향(길이방향; x축 방향)으로 이동되면서 길이방향(x축 방향)을 기준으로 교대로 접촉되는 미세기공영역(21a)을 통하여 전극막 접합체(10) 방향으로 이동되고, 전극막 접합체(10)에서 발생된 생성수는 거대기공영역(21b)을 통하여 분리판(30) 방향으로 이동된 다음 분리판(30)의 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향(길이방향; x축 방향)으로 이동되어 배출된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)은 폭방향(z축 방향)을 기준으로 교대로 반복하여 형성될 수 있다.
그러면 도 4에 도시된 바와같이 분리판(30)의 입구 매니폴드로 유입된 반응기체가 출구 매니폴드 방향(길이방향; x축 방향)으로 이동되면서 폭방향(z축 방향)을 기준으로 교대로 접촉되는 미세기공영역(21a)을 통하여 전극막 접합체(10) 방향으로 이동되고, 전극막 접합체(10)에서 발생된 생성수는 거대기공영역(21b)을 통하여 분리판(30) 방향으로 이동된 다음 분리판(30)의 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향(길이방향; x축 방향)으로 이동되어 배출된다.
그 이유는 기체확산층(20) 내에서 연속적으로 번갈아 가며 기공크기를 조절하면, 기공크기가 작은 미세기공영역(21a)은 생성수의 이동이 쉽지 않고, 반면 기공크기가 큰 거대기공영역(21b)은 물의 이동이 용이하여 근처의 물이 기공크기가 큰 거대기공영역(21b)을 택하게 되고, 자연스럽게 기공크기가 작은 미세기공영역(21a)은 반응기체가 이동되기 때문이다.
한편, 본 발명은 종래의 기체확산층에 형성되는 기공의 비율과 유사한 비율을 유지하면서, 영역별로 기공의 평균 크기를 다르게 하는 것으로서, 거대기공영역(21b)이 차지하는 비율이 미세기공영역(21a)이 차지하는 비율보다 큰 것이 바람직하다.
예를 들어 공기극(12)으로 공급되는 기체의 몰분율은 RH 50%일 때 산소의 비율은 0.18, 수증기의 비율은 0.12 이다. 또한, 화학반응에 의해 생성되는 생성수의 비율은 0.36이다. 이때 고분자 전해질막(11)의 수분 포화도를 고려하지 않고 공급되는 가습 기체는 100% 고분자 전해질막(11)으로 이동되고, 화학반응에 의해 생성되는 생성수는 모두 분리판(30) 방향으로 이동한다고 가정하면, 반응에 참여하지 않는 질소를 제외하면 그 비율은 1:1.2가 되는 것이 바람직하다.
따라서, 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)은 40 ~ 50 : 50 ~ 60의 비율, 바람직하게는 45 : 55의 비율로 반복되어 배치되는 것이 좋다. 물론 거대기공영역(21b)이 차지하는 비율과 미세기공영역(21a)이 차지하는 비율은 연료전지 운전 조건에 따라 변경되어 구현될 수 있을 것이다.
다음으로, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 기체확산층을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하기 위하여 준비되는 장치에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하기 위한 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 기체확산층(20)의 탄소섬유 지지체(21)를 제조하기 위해서는 미세기공영역(21a)을 형성하기 위한 탄소섬유가 저장되는 제 1 탱크(100a)와, 거대기공영역(21b)을 형성하기 위한 탄소섬유가 저장되는 제 2 탱크(100b)를 준비한다. 그리고 상기 제 1 탱크(100a) 및 제 2 탱크(100b)와 연결되어 제 1 탱크(100a) 및 제 2 탱크(100b)에 저장된 탄소섬유를 선택적으로 배출시키는 적어도 하나 이상의 밸브(200)가 구비되고, 밸브(200)의 하방으로는 성형되는 기체확산층(20)을 x축 방향으로 이동시키는 이송수단(300)이 준비된다.
그래서, 미세기공이 형성되는 미세기공영역(21a)을 형성하기 위한 미세기공용 탄소섬유를 제 1 탱크(100a)에 준비하고, 거대기공이 형성되는 거대기공영역(21b)을 형성하기 위한 거대기공용 탄소섬유를 제 2 탱크(100b)에 준비한다.
이때 미세기공용 탄소섬유는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유로만 준비하고, 거대기공용 탄소섬유는 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유로만 준비한다. 바람직하게는 제 1 탄소섬유로는 6mm 정도의 길이를 갖는 탄소섬유를 사용하고, 제 2 탄소섬유로는 12mm 정도의 길이를 갖는 탄소섬유를 사용할 수 있다. 물론 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유는 모두 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 구현할 수 있다. 다만, 미세기공용 탄소섬유를 준비하기 위하여 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율이 거대기공용 탄소섬유를 준비하기 위하여 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율보다 높게 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 미세기공용 탄소섬유는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 준비하고, 거대기공용 탄소섬유는 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유로만 준비할 수도 있을 것이다.
이렇게 제 1 탱크(100a)와 제 2 탱크(100b)에 각각의 탄소섬유가 준비되면, 밸브(200)를 선택적으로 개방하면서 제 1 탱크(100a)와 제 2 탱크(100b)에 준비된 탄소섬유를 이송수단으로 분산시켜 탄소섬유 지지체(21)를 형성한다.
예를 들어 도 2에 도시된 탄소섬유 지지체(21)를 형성하기 위해서는 x축 방향으로 이동되는 이송수단(300)에 제 1 탱크(100a)에 준비된 미세기공용 탄소섬유를 먼저 분산시키고, 이어서 제 2 탱크(100b)에 준비된 거대기공용 탄소섬유를 분산시킨다. 이렇게 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 x축 방향을 기준으로 교대로 분산시킴으로써 길이방향으로 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)이 교대로 형성되는 탄소섬유 지지체(21)를 제조할 수 있다.
이때 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 동일 평면상에서 교대로 분산시킴으로써 두께방향(y축 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖는 탄소섬유 지지체(21)를 제조할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 기체확산층(20)을 형성하기 위해서는 x축 방향으로 이동되는 이송수단(300)의 상부에 z축 방향으로 제 1 탱크(100a)에 연결되는 밸브(200)와, 제 2 탱크(100b)에 연결되는 밸브(200)를 교대로 배치한 다음, 이송수단(300)을 구동시키면서 제 1 탱크(100a)에 연결되는 밸브(200)와, 제 2 탱크(100b)에 연결되는 밸브(200)를 동시에 개방하여 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 z축 방향을 기준으로 교대로 분산시킴으로써 폭방향으로 미세기공영역(21a)과 거대기공영역(21b)이 교대로 형성되는 탄소섬유 지지체(21)를 제조할 수 있다.
이때도 마찬가지로 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 동일 평면상에서 교대로 분산시킴으로써 두께방향(y축 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖는 탄소섬유 지지체(21)를 제조할 수 있다.
이렇게 탄소섬유 지지체(21)이 준비되면, 준비된 탄소섬유 지지체(21)를 재단하고, 그의 일면 또는 양면에 미세기공층(22)을 형성한다.
예를 들어 탄소섬유 지지체(21)의 일면에 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 탄소섬유 지지체(21)의 일면에 도포하여 미세기공층(22)을 형성할 수 있다.
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.
10: 전극막 집합체(MEA) 11: 고분자 전해질막
12: 공기극 13: 연료극
20: 기체확산층(GDL) 21: 탄소섬유 지지체
21a: 미세기공영역 21b: 거대기공영역
22: 미세기공층 30: 분리판
100a: 제 1 탱크 100b: 제 2 탱크
200: 밸브 300: 이송수단

Claims (12)

  1. 탄소섬유 지지체에 미세다공층이 형성되어 전극막 접합체(MEA)와 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 기체확산층으로서,
    상기 탄소섬유 지지체는
    전극막 접합체에서 분리판 방향(두께 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖는 미세기공영역과;
    전극막 접합체에서 분리판 방향(두께 방향)으로는 소정 크기의 평균 기공 크기를 갖되, 상기 미세기공영역의 평균 기공 크기보다 큰 평균 기공 크기를 갖는 거대기공영역을 포함하고,
    상기 미세기공영역과 거대기공영역이 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세기공영역과 거대기공영역은 길이방향을 기준으로 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세기공영역과 거대기공영역은 폭방향을 기준으로 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세기공영역의 평균 기공 크기는 40㎛보다 작고, 상기 거대기공영역의 평균 기공 크기는 40㎛보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 거대기공영역이 차지하는 비율이 미세기공영역이 차지하는 비율보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 미세기공영역과 거대기공영역은 40 ~ 50 : 50 ~ 60의 비율로 반복되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  7. 탄소섬유 지지체에 미세다공층이 형성되어 전극막 접합체(MEA)와 분리판 사이에 배치되는 연료전지용 기체확산층을 제조하는 방법으로서,
    미세기공을 형성하기 위한 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계와;
    거대기공을 형성하기 위한 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계와;
    상기 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 동일 평면상에서 교대로 분산시켜 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유로 준비하고,
    상기 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유로 준비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 준비하고,
    상기 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계는 단섬유 형태의 제 1 탄소섬유와 장섬유 형태의 제 2 탄소섬유를 혼합하여 준비하되,
    상기 미세기공용 탄소섬유를 준비하는 단계에서 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율이 상기 거대기공용 탄소섬유를 준비하는 단계에서 혼합되는 제 1 탄소섬유의 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서
    상기 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계에서,
    상기 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 길이방향을 기준으로 교대로 분산시켜서 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계에서,
    상기 미세기공용 탄소섬유와 거대기공용 탄소섬유를 폭방향을 기준으로 교대로 분산시켜서 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄소섬유 지지체를 형성하는 단계 이후에는,
    상기 탄소섬유 지지체의 적어도 일면에 미세기공층을 형성하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021121763A1 (de) * 2019-12-17 2021-06-24 Robert Bosch Gmbh Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische zelle
KR20210087825A (ko) * 2020-01-03 2021-07-13 주식회사 제이앤티지 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지
KR20240083930A (ko) 2022-12-05 2024-06-13 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층 및 이를 포함한 연료전지용 단위셀

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220090242A (ko) * 2020-12-22 2022-06-29 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지용 단위셀

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140003894A (ko) 2012-06-29 2014-01-10 주식회사 제이앤티씨 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004039525A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
US20040086775A1 (en) * 2002-11-06 2004-05-06 Lloyd Greg A. Fuel cell having a variable gas diffusion layer
KR101349075B1 (ko) 2011-10-10 2014-01-16 한국과학기술연구원 물질전달성이 향상된 연료전지 및 그 제조 방법
EP2680352B1 (en) 2012-06-29 2015-06-03 JNTC Co., Ltd. Carbon Substrate for Gas Diffusion Layer, Gas Diffusion Layer using the same, and Electrode for Fuel Cell comprising the Gas Diffusion Layer
US9461311B2 (en) * 2013-03-15 2016-10-04 Ford Global Technologies, Llc Microporous layer for a fuel cell
US8945790B2 (en) * 2013-03-15 2015-02-03 Ford Global Technologies, Llc Microporous layer structures and gas diffusion layer assemblies in proton exchange membrane fuel cells

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140003894A (ko) 2012-06-29 2014-01-10 주식회사 제이앤티씨 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021121763A1 (de) * 2019-12-17 2021-06-24 Robert Bosch Gmbh Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische zelle
KR20210087825A (ko) * 2020-01-03 2021-07-13 주식회사 제이앤티지 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지
KR20240083930A (ko) 2022-12-05 2024-06-13 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층 및 이를 포함한 연료전지용 단위셀

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