KR20200071902A - Gas diffusion layer and Method of manufacturing the same and Unit cell of fuel cell having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기체확산층 및 이의 제조방법과 연료전지 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면의 품질을 우수하게 유지하여 제조 결함을 방지할 수 있는 기체확산층 및 이의 제조방법과 연료전지 단위셀에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion layer, a manufacturing method thereof, and a fuel cell unit cell, and more particularly, to a gas diffusion layer capable of preventing manufacturing defects by maintaining excellent surface quality, a manufacturing method thereof, and a fuel cell unit cell. will be.
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 kind of power generation device that converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting in a stack, as well as supplying driving power for industrial, household, and vehicle, as well as powering small electronic products such as portable devices. It can be used in recent years, and its use area is gradually expanding as a high-efficiency clean energy source.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위 셀을 보여주는 도면이다.1 is a view showing a unit cell of a typical fuel cell.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지의 단위 셀은 가장 안쪽에 막전극 접합체(10, MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극 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.As can be seen in Figure 1, the unit cell of a typical fuel cell is located at the innermost membrane electrode assembly (10, MEA: Membrane-Electrode Assembly), which is capable of moving hydrogen cations (Proton). It is composed of a
또한, 상기 막전극 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.In addition, a gas diffusion layer 20 (GDL: Gas Diffusion Layer) is stacked on the outer portion of the
이때 기체확산층(20)은 일반적으로 다공질 탄소막으로 이루어지는 탄소섬유 기재층(21)의 일면에 미세 기공층(22)이 형성되어 이루어진다.At this time, the
그리고 탄소섬유 기재층(21)은 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.And the carbon
또한, 미세 기공층(22)는 카본 블랙(Carbon Black) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 탄소섬유 기재층(21)의 일면에 도포될 수 있다.In addition, the
한편, 최근에는 계면 저항을 낮춰 단위 셀의 성능을 향상시키기 위하여 기체확산층(20)의 표면에 전극을 형성하는 GDE(gas diffusion electrode)를 제조한 후 전해질막의 일면과 타면에 결합하여 MEA를 제조하는 방법이 제안되어 사용되고 있다.On the other hand, recently, to improve the performance of the unit cell by lowering the interface resistance, a gas diffusion electrode (GDE) for forming an electrode on the surface of the
하지만, 표면이 상대적 평탄한 전해질막에 전극을 형성하는 것에 비하여 표면에 기공 및 크랙이 많이 형성되어 표면이 상대적으로 평탄하지 않은 미세 기공층의 표면에 전극을 형성하는 경우에 전극이 유실되거나 전극의 두께가 불균일하게 형성되는 문제가 발생하였다. 또한, 이러한 결함이 그대로 전해질막에 반영되어 전해질막이 눌리는 현상이 발생하거나 준극이 파단되는 등 다양한 문제가 발생하였다.However, when the electrode is formed on the surface of the microporous layer where the surface is relatively unflat due to the large number of pores and cracks formed on the surface compared to the formation of the electrode on the relatively flat electrolyte membrane, the electrode is lost or the thickness of the electrode There was a problem that is formed non-uniformly. In addition, such defects are reflected on the electrolyte membrane as it is, and various problems such as a phenomenon in which the electrolyte membrane is pressed or a quasi-electrode fracture occurs.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The content described as the above background technology is only for understanding the background of the present invention, and should not be taken as an admission that it corresponds to the prior art already known to those skilled in the art.
본 발명은 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙을 충진재로 충진하여 표면의 품질을 우수하게 유지하여 제조 결함을 방지할 수 있는 기체확산층 및 이의 제조방법과 연료전지 단위셀을 제공한다.The present invention provides a gas diffusion layer and a manufacturing method thereof and a fuel cell unit cell capable of preventing manufacturing defects by filling a crack formed on the surface of the microporous layer with a filling material to maintain excellent surface quality.
본 발명의 일 실시형태에 따른 기체확산층은 표면에 전극이 형성되는 기체확산층으로서, 탄소섬유 기재층과; 상기 탄소섬유 기재층의 표면에 형성된 미세 기공층과; 상기 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진되어 경화된 충진재와; 상기 충진재가 충진된 미세 기공층의 표면에 형성된 전극을 포함한다.Gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention is a gas diffusion layer on which an electrode is formed on the surface, the carbon fiber base layer; A microporous layer formed on the surface of the carbon fiber base layer; A filling material cured by being filled in a crack formed on the surface of the microporous layer; It includes an electrode formed on the surface of the microporous layer filled with the filler.
상기 충진재는 상기 미세 기공층을 형성하는 소재와 같거나 상기 미세 기공층을 형성하는 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.The filling material is characterized in that it is the same as the material forming the microporous layer or includes a material forming the microporous layer.
상기 충진재는 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지가 혼합된 것을 특징으로 한다.The filling material is characterized in that a mixture of carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based resin.
상기 충진재는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 더 혼합된 것을 특징으로 한다.The filler is characterized in that a radical scavenger (radical scavenger) is further mixed.
상기 충진재의 표면은 미세 기공층의 표면과 동일 평면으로 형성된 것을 특징으로 한다.The surface of the filler is characterized in that it is formed in the same plane as the surface of the microporous layer.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 기체확산층의 제조방법은 표면에 전극이 형성되는 기체확산층을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유 기재층의 표면에 미세 기공층을 형성하여 기체확산층 모재를 준비하는 모재 준비단계와; 상기 미세 기공층을 형성하는 소재와 같거나 상기 미세 기공층을 형성하는 소재를 포함하는 슬러리 형태의 충진재를 준비하는 충진재 준비단계와; 상기 기체확산층 모재의 표면에 슬러리 형태의 충진재를 도포하는 충진재 도포단계와; 상기 기체확산층 모재의 표면에 도포된 슬러리 형태의 충진재에 소정 압력으로 기체를 분사하여 상기 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진된 충진재는 잔존시키고 크랙에 충진된 충진재를 제외한 나머지 충진재를 미세 기공층의 표면으로부터 제거하는 블로잉단계와; 열처리를 통하여 크랙에 충진된 충진재를 경화시키는 경화 단계와; 상기 충진재가 충진된 미세 기공층의 표면에 전극을 형성하는 전극 형성단계를 포함한다.On the other hand, the method of manufacturing a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a gas diffusion layer on which an electrode is formed on a surface, a base material for preparing a gas diffusion layer base material by forming a microporous layer on the surface of a carbon fiber base layer Preparation stage; A filler preparation step of preparing a filler in the form of a slurry comprising a material forming the microporous layer or a material forming the microporous layer; A filler application step of applying a filler in the form of a slurry to the surface of the base material of the gas diffusion layer; By spraying gas at a predetermined pressure to the slurry-type filler applied to the surface of the gas diffusion layer base material, the filler filled in the crack formed on the surface of the microporous layer remains and the remaining filler except for the filler filled in the crack is a fine pore layer Blowing to remove from the surface of the; A curing step of curing the filler filled in the crack through heat treatment; And forming an electrode on a surface of the microporous layer filled with the filler.
상기 충진재 준비단계에서 준비되는 슬러리 형태의 충진재는 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지를 혼합하여 준비하는 것을 특징으로 한다.The filler in the form of a slurry prepared in the step of preparing the filler is characterized by preparing a mixture of carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based resin.
상기 충진재 준비단계에서 준비되는 슬러리 형태의 충진재는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.The filler in the form of a slurry prepared in the preparation step of the filler is characterized in that a radical scavenger is further mixed.
상기 충진재 준비단계에서 준비되는 슬러리 형태의 충진재는 상온에서 점도가 1000 ~ 3000cps 인 것을 특징으로 한다.The filler in the form of a slurry prepared in the filler preparation step is characterized in that the viscosity is 1000 to 3000 cps at room temperature.
상기 블로잉단계에서 충진재에 제공되는 기체의 압력은 5 ~ 10 bar인 것을 특징으로 한다.The pressure of the gas provided to the filler in the blowing step is characterized in that 5 ~ 10 bar.
상기 블로잉단계 이후에는 크랙에 잔존된 충진재에 가열된 기체를 분사하여 충진재를 크랙에 고정시키는 고정단계를 더 포함한다.After the blowing step, a fixing step of fixing the filler to the crack by spraying heated gas to the filler remaining in the crack further includes.
상기 고정단계에서 충진재에 제공되는 기체는 90 ~ 110℃로 가열하여 0.2 ~ 0.5bar의 압력으로 분사시키는 것을 특징으로 한다.The gas provided to the filler in the fixing step is characterized in that it is heated to 90 ~ 110 ℃ and injected at a pressure of 0.2 ~ 0.5bar.
상기경화 단계에서 열처리 온도는 200 ~ 350℃인 것을 특징으로 한다.The heat treatment temperature in the curing step is characterized in that 200 ~ 350 ℃.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 단위셀은 전해질막과; 상기 전해질막의 표면에 접촉되는 전극이 표면에 형성되어 상기 전해질막의 일면 및 타면에 각각 접촉되는 한 쌍의 기체확산층과; 상기 기체확산층의 외면에 접촉되는 한 쌍의 분리판을 포함하고, 상기 기체확산층은 탄소섬유 기재층과; 상기 탄소섬유 기재층의 표면에 형성된 미세 기공층과; 상기 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진되어 경화된 충진재와; 상기 충진재가 충진된 미세 기공층의 표면에 형성된 전극을 포함한다.Meanwhile, a fuel cell unit cell according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane; An electrode contacting the surface of the electrolyte membrane and a pair of gas diffusion layers respectively formed on the surface and contacting one surface and the other surface of the electrolyte membrane; It includes a pair of separation plates in contact with the outer surface of the gas diffusion layer, the gas diffusion layer is a carbon fiber base layer; A microporous layer formed on the surface of the carbon fiber base layer; A filling material cured by being filled in a crack formed on the surface of the microporous layer; It includes an electrode formed on the surface of the microporous layer filled with the filler.
본 발명의 실시예에 따르면, 기체확산층을 형성하는 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진재를 충진하여 미세 기공층의 표면을 평탄하게 형성할 수 있다. 이에 따라 우수한 품질의 GDE를 제조할 수 있고, GDE가 적용되는 연료전지 단위 셀을 제조하는 경우에 MEA에 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the filling of the crack formed on the surface of the microporous layer forming the gas diffusion layer may form the surface of the microporous layer flat. Accordingly, it is possible to manufacture an excellent quality GDE, and when manufacturing a fuel cell unit cell to which the GDE is applied, an effect of preventing defects in the MEA can be expected.
그리고, 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에만 충진재를 충진하여 미세 기공층의 두께가 두꺼워지지 않고 충진재를 충진하기 전과 동일한 두께로 기체확산층을 형성할 수 있기때문에 가스 공급 및 생성수 배출 성능에 나쁜 영향을 미치지 않아 플러딩 발생 가능성을 낮출 수 있다.In addition, since the filling layer is filled only with cracks formed on the surface of the microporous layer, the thickness of the microporous layer is not thickened, and the gas diffusion layer can be formed with the same thickness as before the filling material is filled. The possibility of flooding can be lowered by not affecting.
또한, 미세 기공층의 크랙에 충진되는 충진재에 라디칼 스캐빈저를 더 첨가하여 OH 및 OOH 라디칼에 의한 전해질막 열화를 방지하여 MEA의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, a radical scavenger is further added to a filler filled in the cracks of the microporous layer to prevent degradation of the electrolyte membrane due to OH and OOH radicals, thereby improving the durability of the MEA.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위 셀을 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층을 포함하는 연료전지의 단위 셀을 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층을 제조하는 장치 및 방법을 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체확산층을 제조하는 장치 및 방법을 보여주는 도면이다.1 is a view showing a unit cell of a typical fuel cell,
2 is a view showing a unit cell of a fuel cell including a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention,
3 is a view showing an apparatus and method for manufacturing a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention,
4 is a view showing an apparatus and method for manufacturing a gas diffusion layer according to another 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 accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those skilled in the art is completely It is provided to inform you. The same reference numerals in the drawings refer to the same elements.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층을 포함하는 연료전지의 단위 셀을 보여주는 도면이다.2 is a view showing a unit cell of a fuel cell including a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위셀은 전해질막(100)과; 상기 전해질막(100)의 표면에 접촉되는 전극(240a, 240b)이 표면에 형성되어 상기 전해질막(100)의 일면 및 타면에 각각 접촉되는 한 쌍의 기체확산층(200)과; 상기 기체확산층(200)의 외면에 접촉되는 한 쌍의 분리판(300)을 포함한다.As shown in Figure 2, the unit cell of the fuel cell according to an embodiment of the present invention includes an
전해질막(100)은 수소 양이온(Proton)을 이동시킬 수 있는 고분자 전해질막으로서, 막전극 접합체(MEA)를 구성하는 전해질막이다.The
기체확산층(200)은 전해질막(100)의 표면에 접촉하여 수소와 산소가 반응할 수 있도록 하는 촉매층, 즉 막전극 접합체(MEA)를 구성하는 공기극(cathode, 240a) 또는 연료극(anode, 240b)이 표면에 형성되면서 분리판(300)을 통하여 유동되는 반응가스를 전해질막(100)으로 확산시키면서 통과시키는 수단이다. 이때 기체확산층(200)에 형성되는 공기극(240a) 또는 연료극(240b)은 기체확산층(200)이 배치되는 위치에 따라 선택적으로 형성된다.The
이러한 기체확산층(200)은 다공질 탄소막으로 이루어지는 탄소섬유 기재층(210)과, 상기 탄소섬유 기재층(210)의 표면에 형성되는 미세 기공층(220)과, 상기 미세 기공층(220)의 표면에 형성된 크랙(221)에 충진되어 경화된 충진재(230)와, 상기 충진재(230)가 충진된 미세 기공층(220)의 표면에 형성된 전극(240a, 240b)을 포함한다. 이때 전극(240a, 240b)은 선택적으로 공기극(240a) 또는 연료극(240b)이 될 수 있다.The
탄소섬유 기재층(210)과 미세 기공층(220)은 일반적인 기체확산층을 구성하는 요소로서, 일반적인 기체확산층으로 구현될 수 있다.The carbon
다만, 미세 기공층(220)의 표면에는 제조시에 불가피하게 형성되는 크랙(221)과 같은 요홈 형태의 결함(이하, '크랙'이라 함)이 발생되는데, 이렇게 크랙(221)이 형성된 미세 기공층(220)의 표면에 전극(240a, 240b)을 그대로 형성하는 경우에는 다양한 결함이 발생할 수 있기 때문에 본 실시예에서는 미세 기공층(220)의 표면에 형성된 크랙(221)에 충진재(230)를 충진시킴으로써 미세 기공층(220)의 표면을 평탄하게 형성하여 표면 품질을 향상시키는 것이다.However, on the surface of the
이렇게 미세 기공층(220)에 형성된 크랙(221)에 충진재(230)가 충진되어 미세 기공층(220)의 평탄도가 향상되면, 이 표면에 전극(240a, 240b)을 형성하더라도 미세 기공층(220)의 표면 불량에 의해 발생되는 결함의 발생을 억제할 수 있다.When the filling
이때 충진재(230)는 미세 기공층(220)을 형성하는 소재와 같은 소재를 사용하여 미세 기공층(220)과 이질감이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 충진재(230)는 일반적인 기체확산층을 형성하는데 사용되듯이 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지가 혼합된 것을 사용할 수 있다. 그래서 충진재(230)의 충진으로 인해 미세 기공층(220)의 성질이 나쁘게 변하는 것을 방지할 수 있다.At this time, the
다만, 충진재(230)에는 탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지와 함께 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 더 혼합될 수 있다.However, the
연료전지 운전시 연료전지 반응으로 생성된 생성수와, OH 및 OOH 라디칼의 원료인 과산화수소도 마찬가지로 기체확산층(200)에 형성되는 크랙(221) 쪽으로 주로 이동하게 되는데, 본 실시예에서는 크랙(221)에 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 혼합된 충진재(230)를 충진함으로써 크랙(221)으로 집중되어 이동되는 OH 및 OOH 라디칼을 집중적으로 제적하는데 효과적이다. 이에 따라 OH 및 OOH 라디칼에 의한 전해질막의 열화를 방지할 수 있는 효과도 기대할 수 있다.During operation of the fuel cell, the generated water generated by the reaction of the fuel cell and hydrogen peroxide, which are raw materials for OH and OOH radicals, are also mainly moved toward the
한편, 충진재(230)는 그 표면이 미세 기공층(220)의 표면과 동일한 평면까지만 충진되도록 하여 충진재(230)의 충진에 의해 미세 기공층(220)의 두께가 두꺼워지는 것을 방지하는 것이 바람직하다.On the other hand, the filling
분리판(300)은 기체확산층(200)의 바깥쪽에서 수고 및 공기와 같은 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생된 생성수를 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성되는 수단으로서, 일반적인 분리판이 적용될 수 있다. The
다음으로서, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 기체확산층을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.Next, a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell configured as described above will be described.
먼저, 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하기 위하여 준비되는 장치에 대하여 설명한다.First, an apparatus prepared for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층을 제조하는 장치 및 방법을 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체확산층을 제조하는 장치 및 방법을 보여주는 도면이다.3 is a view showing an apparatus and method for manufacturing a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view showing an apparatus and method for manufacturing a gas diffusion layer according to another embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이 탄소섬유 기재층(210)의 표면에 미세 기공층(220)이 형성된 기체확산층 모재(200a)를 권출시키는 권출드럼(1)과 기체확산층 모재(200d)를 권취시키는 권취드럼(5)이 준비된다. 그래서 권출드럼(1)에 권취된 기체확산층 모재(200a)는 권출드럼(1)으로부터 권출되어 권취드럼(5) 방향으로 이동되면서 충진재(230)가 충진되고 경화된 다음 권취드럼(5)에 권취된다. 이를 위하여 권출드럼(1)과 권취드럼(5) 사이에는 충진재(230)를 분사시키는 충진재 분사유닛(2)과, 기체확산층 모재(200b)로 소정 압력의 기체를 분사하는 제 1 블로잉유닛(3)과, 충진재(230)를 경화시키는 경화유닛(4)이 기체확산층 모재의 이동방향을 따라 순차적으로 배치된다.As shown in FIG. 3, the winding
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 블로잉유닛(3)과 경화유닛(4) 사이에는 기체확산층 모재(200c)로 가열된 소정 압력의 기체를 분사하는 제 2 블로잉유닛(6)이 더 배치될 수 있다. 이때 제 2 블로잉유닛(6)에는 기체의 가열을 위한 가열부(6a)가 구비될 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 4, a
상기와 같이 마련되는 제조장치를 이용하여 연료전지용 기체확산층을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell using the manufacturing apparatus provided as described above will be described.
먼저, 탄소섬유 기재층(210)의 표면에 미세 기공층(220)을 형성하여 기체확산층 모재(200a)를 준비한다.(모재 준비단계) 이때 준비된 기체확산층 모재(200a)는 미세 기공층(220)의 표면에 다수의 크랙(221)이 존재하게 된다. 준비된 기체확산층 모재(200a)는 권출드럼(1)에 권취시켜 놓는다.First, a
그리고, 슬러리 형태의 충진재(230)를 준비한다.(충진재 준비단계)Then, a
슬러리 형태의 충진재(230)는 미세 기공층(220)을 형성하는 소재와 같도록 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지를 혼합하여 준비한다. 이때 슬러리 형태의 충진재(230)에는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 더 혼합될 수 있다.The
이때 슬러리 형태의 충진재(230)는 분사가 잘 되도록 하면서, 미세 기공층(220)의 표면에 형성된 크랙(221)에 수월하게 충진되고, 블로잉단계에서 크랙(221)에 충진된 충진재(230)를 제외한 나머지 충진재(230)의 제거를 수월하게 할 수 있도록 상온에서의 점도를 1000 ~ 3000cps 수준으로 유지한다. 또한, 슬러리 형태의 충진재(230)는 충진재 분사유닛(2)에 저장되는데, 이때 충진재 분사유닛(2)에서 충진재(230)가 저장되는 저장 용기의 온도를 50 ~ 80℃로 유지하여 충진재(230)의 점도를 원하는 수준으로 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.At this time, while the
기체확산층 모재(200a)와 충진재(230)가 준비되면, 기체확산층 모재(200a)를 권출드럼(1)에서 권출하여 충진재 분사유닛(2)으로 이동시킨다. 그리고 기체확산층 모재(200a)의 표면에 슬러리 형태의 충진재(230)를 분사하여 도포한다.(충진재 도포단계)When the gas diffusion
이때 충진재(230)는 기체확산층 모재(200a)의 표면, 크랙(221)을 포함하는 모든 표면에 분사되어 도포된다. 하지만, 미세 기공층(220)에 형성된 미세기공(수㎛ ~ 수백nm정도)보다 크랙(221)(수십 ㎛수준)의 크기가 훨씬 더 크기 때문에 도포된 충진재(230)는 미세 기공층(220)에 형성된 크랙(221)에 먼저 충진되는 경향을 보인다. 물론 충진재(230)는 크랙(221)을 제외한 미세 기공층(220)의 표면에도 도포된다.At this time, the filling
충진재(230)가 표면에 도포된 기체확산층 모재(200b)는 제 1 블로잉유닛(3)으로 이동된다. 그래서 제 1 블로잉유닛(3)을 통과하는 동안 제 1 블로잉유닛(3)으로부터 분사되는 소정 압력의 기체에 의해 미세 기공층(220)의 표면에 형성된 크랙(221)에 충진된 충진재(230)는 잔존시키고, 크랙(221)에 충진된 충진재(230)를 제외한 나머지 충진재(230)를 미세 기공층(220)의 표면으로부터 제거한다.(블로잉단계)The gas diffusion
이때 블로잉단계는 충진재(230)의 도포단계 직후에 바로 실시하는 것이 바람직하다.In this case, the blowing step is preferably performed immediately after the step of applying the
제 1 블로잉유닛(3)으로부터 분사되는 기체는 공기 또는 질소이고, 충진재(230)에 제공되는 기체의 압력은 크랙에 충진된 충진재(230)를 제외한 나머지 충진재(230)를 미세 기공층(220)의 표면으로부터 제거하기 위하여 5 ~ 10 bar의 압력으로 분사되는 것이 바람직하다. 이때 분사되는 기체의 분사 각도는 기체확산층 모재(200b)의 표면을 기준으로 5°이하로 분사하여 크랙(221) 이외 부분에 도포된 충진재(230)의 제거가 용이하도록 한다. 물론 기체의 분사 압력이나 분사 각도는 충진재(230)의 크기 및 점도 변화에 따라 다양하게 변경되어 적용될 수 있을 것이다.The gas injected from the
이렇게 크랙(221)을 제외한 부분에 도포된 충진재(230)의 제거가 완료되면 크랙(221)에만 충진재(230)가 충진된 기체확산층 모재(200c)를 경화유닛(4)으로 이동시킨다.Thus, when the removal of the
크랙(221)에만 충진재(230)가 충진된 기체확산층 모재(200c)는 경화유닛(4)을 통과하면서 경화유닛(4)의 열처리에 의해 충진재(230)가 경화된다.(경화 단계)The gas diffusion
이때 경화 단계에서 실시되는 열처리 온도는 200 ~ 350℃ 수준으로 조정하고, 바람직하게는 250 ~ 350℃ 수준으로 조정하여 충진재(230)가 충분히 경화되도록 한다.At this time, the heat treatment temperature performed in the curing step is adjusted to a level of 200 to 350°C, and preferably adjusted to a level of 250 to 350°C so that the
이렇게 크랙(221)에 충진된 충진재(230)의 경화가 완료된 기체확산층 모재(200d)는 권취드럼(5)에 권취되어 보관되거나 다음 고정으로 이동된다.The gas diffusion
이어서, 권취드럼(5)에 권취된 기체확산층 모재(200d)의 표면에 전극(240a, 240b)을 형성한다.(전극 형성단계)Subsequently,
이때 충진재(230)가 경화된 기체확산층 모재(200d)의 표면, 즉 미세 기공층(220)의 표면은 충진재(230)가 충진되어 평탄도가 우수한 상태가 되고, 이에 따라 그 표면에 형성되는 전극(240a, 240b)의 품질을 우수하게 유지할 수 있다.At this time, the surface of the gas diffusion
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 전술된 실시예의 블로잉단계 이후에는 크랙(221)에 잔존된 충진재(230)에 가열된 기체를 분사하여 충진재(230)를 크랙(221)에 고정시키는 고정단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 4, after the blowing step of the above-described embodiment, a fixing step of fixing the
이를 위하여 제 1 블로잉유닛(3)을 통과하여 크랙(221)에만 충진재(230)가 충진된 기체확산층 모재(200c)를 제 2 블로잉유닛(6)을 통과시킨다. 그래서 크랙(221)에 충진된 충진재(230)를 크랙(221) 내부에 고정시킨다.(고정단계)To this end, the
부연하자면, 크랙(221)에만 충진재(230)가 충진된 기체확산층 모재(200c)에 가열된 기체를 소정 압력으로 분사하여 충진재(230)를 일정 부분 경화시켜 기체확산층 모재(200c-1)의 이동 중에 충진재(230)가 크랙(221)으로부터 이탈되는 것을 방지한다.In other words, the gas diffusion
이를 위하여 제 2 블로잉유닛(6)에서 분사되는 기체는 공기 또는 질소이고, 크랙(221)에 충진된 충진재(230)를 크랙(221)에 고정시키기 위하여 0.2 ~ 0.5 bar의 압력으로 분사되는 것이 바람직하다. 이때 분사되는 기체의 분사 각도는 기체확산층 모재의 표면을 기준으로 30°이상으로 분사하여 가열된 기체가 충진재(230)에 용이하게 도달할 수 있도록 한다. 더욱 바람직하게는 60°이상으로 분사하는 것이 좋다.To this end, the gas injected from the
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 preferred embodiments described above, the present invention is not limited thereto, and is limited by the claims below. Therefore, one of ordinary skill in the art can variously modify and modify the present invention without departing from the technical spirit of the claims to be described later.
10: 막전극 집합체(MEA)
11: 고분자 전해질막
12: 공기극
13: 연료극
20: 기체확산층(GDL)
21: 탄소섬유 기재층
22: 미세 기공층
30: 분리판
100: 전해질막
200: 기체확산층
210: 탄소섬유 기재층
220: 미세 기공층
221: 크랙
230: 충진재
240a, 240b: 전극
300: 분리판
1: 권출드럼
2: 충진재 분사유닛
3: 제 1 블로잉유닛
4: 경화유닛
5: 권취드럼
6: 제 2 블로잉유닛
6a: 가열부10: membrane electrode assembly (MEA) 11: polymer electrolyte membrane
12: cathode 13: anode
20: gas diffusion layer (GDL) 21: carbon fiber base layer
22: fine pore layer 30: separation plate
100: electrolyte membrane 200: gas diffusion layer
210: carbon fiber base layer 220: fine pore layer
221: Crack 230: Filling material
240a, 240b: electrode 300: separation plate
1: Winding drum 2: Filling material injection unit
3: 1st blowing unit 4: Curing unit
5: Winding drum 6: Second blowing unit
6a: heating section
Claims (14)
탄소섬유 기재층과;
상기 탄소섬유 기재층의 표면에 형성된 미세 기공층과;
상기 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진되어 경화된 충진재와;
상기 충진재가 충진된 미세 기공층의 표면에 형성된 전극을 포함하는 기체확산층.
A gas diffusion layer on which an electrode is formed on the surface,
A carbon fiber base layer;
A microporous layer formed on the surface of the carbon fiber base layer;
A filling material cured by being filled in a crack formed on the surface of the microporous layer;
A gas diffusion layer comprising an electrode formed on the surface of the microporous layer filled with the filler.
상기 충진재는 상기 미세 기공층을 형성하는 소재와 같거나 상기 미세 기공층을 형성하는 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체확산층.
The method according to claim 1,
The filling material is the same as the material forming the microporous layer, or a gas diffusion layer comprising a material forming the microporous layer.
상기 충진재는 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지가 혼합된 것을 특징으로 하는 기체확산층.
The method according to claim 2,
The filling material is a gas diffusion layer characterized in that a mixture of carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based resin.
상기 충진재는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 더 혼합된 것을 특징으로 하는 기체확산층.
The method according to claim 3,
The filling material is a gas diffusion layer characterized in that a radical scavenger (radical scavenger) is further mixed.
상기 충진재의 표면은 미세 기공층의 표면과 동일 평면으로 형성된 것을 특징으로 하는 기체확산층.
The method according to claim 1,
The surface of the filler is a gas diffusion layer, characterized in that formed in the same plane as the surface of the microporous layer.
탄소섬유 기재층의 표면에 미세 기공층을 형성하여 기체확산층 모재를 준비하는 모재 준비단계와;
상기 미세 기공층을 형성하는 소재와 같거나 상기 미세 기공층을 형성하는 소재를 포함하는 슬러리 형태의 충진재를 준비하는 충진재 준비단계와;
상기 기체확산층 모재의 표면에 슬러리 형태의 충진재를 도포하는 충진재 도포단계와;
상기 기체확산층 모재의 표면에 도포된 슬러리 형태의 충진재에 소정 압력으로 기체를 분사하여 상기 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진된 충진재는 잔존시키고 크랙에 충진된 충진재를 제외한 나머지 충진재를 미세 기공층의 표면으로부터 제거하는 블로잉단계와;
열처리를 통하여 크랙에 충진된 충진재를 경화시키는 경화 단계와;
상기 충진재가 충진된 미세 기공층의 표면에 전극을 형성하는 전극 형성단계를 포함하는 기체확산층의 제조방법.
As a method of manufacturing a gas diffusion layer on which an electrode is formed on the surface,
A base material preparation step of forming a microporous layer on the surface of the carbon fiber base layer to prepare the base material of the gas diffusion layer;
A filler preparation step of preparing a filler in the form of a slurry comprising a material forming the microporous layer or a material forming the microporous layer;
A filler application step of applying a filler in the form of a slurry to the surface of the base material of the gas diffusion layer;
By spraying gas at a predetermined pressure to the slurry-type filler applied to the surface of the gas diffusion layer base material, the filler filled in the crack formed on the surface of the microporous layer remains and the remaining filler except the filler filled in the crack is formed in the fine pore layer Blowing to remove from the surface of the;
A curing step of curing the filler filled in the crack through heat treatment;
Method of manufacturing a gas diffusion layer comprising an electrode forming step of forming an electrode on the surface of the microporous layer filled with the filler.
상기 충진재 준비단계에서 준비되는 슬러리 형태의 충진재는 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 계열의 수지를 혼합하여 준비하는 것을 특징으로 하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 6,
Method of manufacturing a gas diffusion layer, characterized in that the filler in the form of a slurry prepared in the preparation step of the filler is prepared by mixing carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based resin.
상기 충진재 준비단계에서 준비되는 슬러리 형태의 충진재는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 7,
Method of manufacturing a gas diffusion layer, characterized in that a radical scavenger (radical scavenger) is further mixed with the filler in the form of a slurry prepared in the preparation step of the filler.
상기 충진재 준비단계에서 준비되는 슬러리 형태의 충진재는 상온에서 점도가 1000 ~ 3000cps 인 것을 특징으로 하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 6,
A method of manufacturing a gas diffusion layer, wherein the filler in the form of a slurry prepared in the preparation step of the filler has a viscosity of 1000 to 3000 cps at room temperature.
상기 블로잉단계에서 충진재에 제공되는 기체의 압력은 5 ~ 10 bar인 것을 특징으로 하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 6,
Method of manufacturing a gas diffusion layer, characterized in that the pressure of the gas provided to the filler in the blowing step is 5 ~ 10 bar.
상기 블로잉단계 이후에는 크랙에 잔존된 충진재에 가열된 기체를 분사하여 충진재를 크랙에 고정시키는 고정단계를 더 포함하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 6,
After the blowing step, a method of manufacturing a gas diffusion layer further comprising a fixing step of fixing the filler to the crack by spraying heated gas to the filler remaining in the crack.
상기 고정단계에서 충진재에 제공되는 기체는 90 ~ 110℃로 가열하여 0.2 ~ 0.5bar의 압력으로 분사시키는 것을 특징으로 하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 11,
In the fixing step, the gas provided to the filling material is heated to 90 to 110° C. and then sprayed at a pressure of 0.2 to 0.5 bar.
상기 경화 단계에서 열처리 온도는 200 ~ 350℃인 것을 특징으로 하는 기체확산층의 제조방법.
The method according to claim 6,
The method of manufacturing a gas diffusion layer, characterized in that the heat treatment temperature in the curing step is 200 ~ 350 ℃.
상기 전해질막의 표면에 접촉되는 전극이 표면에 형성되어 상기 전해질막의 일면 및 타면에 각각 접촉되는 한 쌍의 기체확산층과;
상기 기체확산층의 외면에 접촉되는 한 쌍의 분리판을 포함하고,
상기 기체확산층은 탄소섬유 기재층과; 상기 탄소섬유 기재층의 표면에 형성된 미세 기공층과; 상기 미세 기공층의 표면에 형성된 크랙에 충진되어 경화된 충진재와; 상기 충진재가 충진된 미세 기공층의 표면에 형성된 전극을 포함하는 연료전지 단위셀.
An electrolyte membrane;
An electrode contacting the surface of the electrolyte membrane and a pair of gas diffusion layers respectively formed on the surface and contacting one surface and the other surface of the electrolyte membrane;
It includes a pair of separation plates in contact with the outer surface of the gas diffusion layer,
The gas diffusion layer includes a carbon fiber base layer; A microporous layer formed on the surface of the carbon fiber base layer; A filling material cured by being filled in a crack formed on the surface of the microporous layer; A fuel cell unit cell comprising an electrode formed on the surface of the microporous layer filled with the filler.
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