KR20190126623A - 연료전지용 기체확산층의 제조방법 - 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.

Description

연료전지용 기체확산층의 제조방법{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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 1은 탄소섬유 기재층의 탄화처리시 평탄도가 불균일하게 발생되는 원인을 보여주는 도면이다.
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.
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.
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.
도 2a은 일반적으로 기체확산층을 재단하는 과정을 보여주는 도면이고, 도 2b는 기체확산층의 평탄도가 불균일할 때 발생되는 예를 보여주는 도면이다.
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.
만약 기체확산층 롤(1a)의 평탄도가 보장되지 않는 경우에는 재단되는 기체확산층의 평탄도가 보장되지 않고, 이에 따라 연료전지 셀의 불량을 초래한다.
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.
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.
본 발명은 탄소섬유 기재층에 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 균일하게 함침시켜 탄화처리 후에도 평탄도를 우수하게 유지시킬 수 있는 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 제공한다.
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.
상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스에 제1차 함침액을 함침시키는 과정과, 탄소섬유 매트릭스에 제1차 함침액과 동일한 방식으로 제2차 함침액을 함침시키는 과정이 반복적으로 이루어질 수 있다.
상기 함침단계에서 함침과정은 탄소섬유 매트릭스의 일면으로 제1차 함침액을 함침시키는 과정과, 탄소섬유 매트릭스의 타면으로 제2차 함침액을 함침시키는 과정이 순차적 또는 동시에 이루어질 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
이때 분산수단은 함침액을 음압 또는 양압에 의해 이동시키는 압력제공 챔버, 균질기(Homogenizer), 혼합기(Blender) 및 초음파기(Ultrasonicator) 중 선택되는 것이 바람직하다.
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.
한편, 상기 함침단계에서 함침과정은 콤마코터(Comma Coater)를 통해서 이루어질 수 있다.
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.
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.
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.
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 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.
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.
각 단계를 구체적으로 설명한다.
먼저, 탄소섬유 매트릭스 준비단계는 아래의 공정으로 실시된다.
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.
2. Spinning: 고분자 중합체를 섬유화시키는 과정이다.
3. Stabilization: 탄소섬유를 탄화시키기 전 산소분위기에서 급격한 화학분해를 방지하기 위해 안정화시키기 위하여 열처리(약 230℃)하는 과정이다.
4. Carbonization: 고분자를 탄화시키는 과정이며, 이때 고분자 구성 성분 중, 탄소를 제외한 성분들이 제거되어 탄소섬유가 형성된다. PAN의 경우 탄화 후 30%정도의 중량이 남는다.
5. Sizing: Epoxy Resin 등을 이용하여 탄소섬유를 독립된 단섬유화 시켜 필라멘트를 보호하는 과정이다.
6. Chopping: 탄소섬유를 길이방향으로 3~12mm로 자르는 과정이다.
7. Dispersion: Polymeric Binder(Polyvinyl Alcohol 등), 계면활성제를 사용하여 탄소섬유를 물에 분산시키는 과정이다.
8. Papermaking: 수용액에 분산된 탄소섬유를 Headbox의 요란을 이용하여 종이형태(Raw Paper)로 만드는 과정이다.
9. Bonding: 열처리를 통해 종이형태의 탄소섬유를 1차 결속시키는 과정(Thermo-Bonding)이다.
상기와 같은 과정을 통하여 탄소섬유 매트릭스가 준비된다.
다음으로, 함침액 준비단계는 탄소섬유 매트릭스에 함침되는 함침액을 준비하는 단계로서, 탄소섬유 기재층을 구성하는 탄소전구체와 레진을 혼합한 함침액을 준비한다.
탄소섬유 매트릭스와 함침액이 준비되면 준비된 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 함침시키는 함침단계를 실시한다.
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.
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.
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.
또한, 탄소섬유 매트릭스에 테플론 방수액을 함침하여 발수력을 높이는 단계를 실시할 수 있다.
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.
한편, 본 발명에서는 함침단계에서 탄소섬유 매트릭스에 함침액을 균일하게 분포시키기 위하여 다양한 방법을 제시한다.
도 3a 내지 도 3c는 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 보여주는 도면이다.
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.
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.
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.
다음으로, 도 3a 내지 도 3c를 통하여 제시된 탄소섬유 매트릭스에서 함침액을 고르게 분포시키는 방법을 구현한 예를 통하여 본 발명의 함침단계를 구체적으로 설명한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법 중 함침단계에서의 공정을 보여주는 도면이다.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 함침과정 사이에 건조과정을 실시함으로서, 함침액(12)이 이송 중 중력에 의해서 하부방향으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
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.
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.
그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 사행되지 않도록 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다.
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.
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.
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.
이렇게 함침조(200)를 반복하여 경유하면서 다단으로 함침을 실시함에 따라 전술된 도 3a와 같이 함침액(12)이 균일하게 분포되는 효과를 얻을 수 있다.
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.
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.
그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 사행되지 않도록 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다.
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.
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.
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.
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.
그래서, 탄소섬유 매트릭스(11)를 코어에 사행되지 않도록 권취하여 탄소섬유 매트릭스(11)를 이송시킬 준비를 한다.
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.
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.
또한, 함침과정 사이에 건조과정을 실시함으로서, 함침액(12)이 이송 중 중력에 의해서 하부방향으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
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.
상기의 도 4 내지 도 6에서 제시된 실시예들에서는 탄화로를 도시하지 않았지만, 도 7에서와 같이 탄소섬유 매트릭스의 이송경로 상 최 후단에 탄화로를 배치할 수 있다.
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.
제시된 함침단계는 디핑(Dipping) 방식을 예로 하여 설명하였지만, 디핑 방식에 한정되지 않고 콤마코터(Comma Coater)를 통해서도 달성될 수 있을 것이다.
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.
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: 탄소섬유 기재층 11: 탄소섬유 매트릭스
12: 함침액 20: 미세기공층
100: 이송수단 200: 함침조
300: 건조 챔버 400: 압력제공 챔버
500: 탄화로

Claims (11)

  1. 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 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 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 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    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.

  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 함침단계에서 함침과정은 콤마코터(Comma Coater)를 통해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
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