KR20210074896A - 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기재와 미세기공층을 일체화시켜서 박막화가 가능한 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 기체확산층으로서, 탄소섬유 기재의 내부에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합된 제 1 슬러리가 함침되어 형성된 기재층과; 상기 기재층의 표면에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합되되 상기 제 1 슬러리보다 점도가 높은 제 2 슬러리가 코팅되어 형성된 미세기공층을 포함한다.

Description

연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법{Gas diffusion layer for fuel cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기재와 미세기공층을 일체화시켜서 박막화가 가능한 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 단위셀을 보여주는 도면이고, 도 2는 일반적인 연료전지의 기체확산층을 보여주는 단면도이며,
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지의 단위셀은 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 애노드 전극층(12: anode) 및 캐소드 전극층(13: cathode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극 접합체(10)의 바깥 부분, 즉 애노드 전극층(12) 및 캐소드 전극층(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 도 2에 도시된 바와 같이 탄소섬유로 이루어지는 기재(21)에 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)을 형성하여 이루어진다.
그리고 기재(21)는 일반적으로 탄소섬유에 PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 함침하여 구성되는데, 예를 들어 탄소섬유로는 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다.
또한, 미세기공층(22)는 카본 블랙(Carbon Black), 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과, PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 기재(21)의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.
한편, 애노드 전극층(12)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 고분자 전해질막(11)과 전선을 통하여 캐소드 전극층(13)으로 이동하게 되며, 상기 캐소드 전극층(13)에서는 애노드 전극층(12)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 막전극 접합체(10)의 캐소드 전극층(13)에서 기체확산층(20)의 미세기공층(22), 기재(21) 및 분리판(30)의 방향으로 이동되면서 배출된다.
한편, 연료전지 스택의 출력밀도를 향상시키기 위하여 셀피치(셀 간격)을 줄이는 방안에 대한 연구가 이루어지고 있고, 이에 따라 셀을 구성하는 각 단품의 두께를 박막화시키는 시도가 계속되고 있다.
예를 들어 기체확산층의 박막화를 위해서는 미세기공층이 코팅되는 베이스 역할을 하는 기재의 두께를 얇게 하여 박막화시키는 시도가 이루어지고 있다.
특히, 최근에는 셀로 공급되는 반응기체의 확산성을 높이고, 생성된 물을 효과적으로 배출하기 위하여 다공체(Porous) 타입의 분리판이 사용되고 있으며, 이러한 다공체 타입의 분리판의 사용시 분리판에서 기체확산층으로의 강제 대류를 통해 반응기체가 공급되므로, 기체확산층의 기재 역할이 줄어들게 된다.
하지만, 기체확산층을 구성하는 미세기공층은 자체로 레이어(layer)를 형성할 수 없기 때문에 기체확산층의 박막화를 위하여 기재를 삭제하는 것은 불가하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
등록특허공보 제10-1730303호 (2017.04.19)
본 발명은 기체확산층의 박막화를 위하여 기재를 삭제하는 대신에 미세기공층을 형성하는 슬러리를 기재의 내부에 함침시킴으로써 기재와 미세기공층을 일체화시키는 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 기체확산층으로서, 탄소섬유 기재의 내부에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합된 제 1 슬러리가 함침되어 형성된 기재층과; 상기 기재층의 표면에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합되되 상기 제 1 슬러리보다 점도가 높은 제 2 슬러리가 코팅되어 형성된 미세기공층을 포함한다.
상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 전체 영역에 함침되는 것을 특징으로 한다.
상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 내부에 소정의 패턴으로 함침되고, 상기 기재층에 제 1 슬러리가 함침되는 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판에 형성되는 랜드와 채널 중 랜드와 대면되는 영역에 대응되는 패턴인 것을 특징으로 한다.
상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 전체 영역에 함침되되, 상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 내부에 소정의 패턴으로 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 많은 과밀 패턴과, 제 1 슬러리의 함참량이 상대적으로 적은 저밀 패턴으로 구분되어 함침되고, 상기 기재층에 제 1 슬러리가 함침되는 패턴 중 과밀 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판에 형성되는 랜드와 채널 중 랜드와 대면되는 영역에 대응되는 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기재층은 두께방향을 기준으로 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역과, 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역으로 구분되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지용 기체확산층은 저가습용 기체확산층과 고가습용 기체확산층으로 구분되고, 상기 저가습용 기체확산층은 상기 기재층에 형성된 저밀 영역의 표면에 상기 미세기공층이 형성되며, 상기 고가습용 기체확산층은 상기 기재층에 형성된 고밀 영역의 표면에 상기 미세기공층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기재층의 두께는 50 ~ 80㎛이고, 상기 미세기공층의 두께는 20 ~ 40㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 슬러리의 고형분 함량은 5 ~ 10%이고, 상기 제 2 슬러리의 고형분 함량은 10 ~ 15%인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 슬러리 및 제 2 슬러리 중 어느 하나 또는 모두에는 세륨산화물이 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 기체확산층을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유를 이용하여 기재를 준비하는 기재 준비단계와; 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 혼합하여 상대적으로 점도가 낮은 제 1 슬러리와 상대적으로 점도가 높은 제 2 슬러리를 준비하는 슬러리 준비단계와; 상기 기재의 내부로 상기 제 1 슬러리를 함침시켜서 기재층을 형성하는 기재층 형성단계와; 상기 기재층의 표면에 상기 제 2 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함한다.
상기 슬러리 준비단계에서, 상기 제 1 슬러리는 고형분의 함량이 5 ~ 10%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 10,000 ~ 100,000 cps의 점도가 되도록 준비하고, 상기 제 2 슬러리는 고형분의 함량이 10 ~ 15%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 100,000 ~ 500,000 cps의 점도가 되도록 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기재 준비단계는, 탄소섬유만을 이용하여 기재를 준비하고, 상기 기재층 형성단계는, 상기 기재의 일측 표면에 제 1 슬러리를 도포한 다음 상기 기재의 타측 표면에서 제 1 슬러리를 흡입하여 제 1 슬러리를 기재의 내부 전체 영역에 제 1 슬러리를 함침시키는 것을 특징으로 한다.
상기 기재층 형성단계에서, 상기 제 1 슬러리를 흡입하는 양을 조절하여 상기 기재층은 두께방향을 기준으로 탄소분말의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역과, 탄소분말의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역으로 구분되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지용 기체확산층은 저가습용 기체확산층과 고가습용 기체확산층으로 구분되고, 상기 미세기공층 형성단계에서, 저가습용 기체확산층의 제조시에는 상기 기재층에 형성된 저밀 영역의 표면에 상기 제 2 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하고, 고가습용 기체확산층이 제조시에는 상기 기재층에 형성된 고밀 영역의 표면에 상기 제 2 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 기재 준비단계는, 탄소섬유만을 이용하여 기재를 준비하고, 상기 기재층 형성단계에서, 상기 기재의 일측 표면에 소정 패턴의 관통홀이 형성된 마스크를 배치한 다음 그 표면에 제 1 슬러리를 도포하고, 상기 기재의 타측 표면에서 제 1 슬러리를 흡입하여 제 1 슬러리를 기재의 내부에 소정 패턴으로 제 1 슬러리를 함침시키되, 상기 마스크에 형성된 소정 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판에 형성되는 랜드와 채널 중 랜드와 대면되는 영역에 대응되는 패턴인 것을 특징으로 한다.
상기 미세기공층 형성단계 이후에 열처리를 통하여 제 1 슬러리 및 제 2 슬러리에 포함된 탄소분말과 PTFE를 신터링(sintering)시키는 신터링 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세기공층을 형성하는 슬러리를 기재층의 내부에 함침시키고, 그 기재층의 표면에 동일 또는 유사한 종류의 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하여 기재층과 미세기공층을 일체화시킴으로써 기체확산층의 두께를 얇게하면서 강성을 유지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 탄소분말을 포함하는 슬러리를 탄소섬유 기재의 내부에 함침시켜서 기재층을 형성함으로써, 탄소섬유 기재와 탄소섬유 기재 사이의 공극에 탄소분말을 포함하는 슬러리가 채워짐으로써, 기재층 자체의 강성 확보가 용이하고, 기재층과 미세기공층 사이의 접합력도 향상되어 층간에서 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 기재층을 형성하는 탄소섬유 기재에 탄소분말이 더 함침됨에 따라 기체확산층의 전기전도성을 우수하게 확보할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 일반적으로 기체확산층을 형성하기 위하여 기재층을 마련하는 경우에 탄소섬유 기재에 PTFE를 별도로 함침시키고 열처리 하는 공정을 생략할 수 있다.
그리고, 기재층의 내부에 슬러리를 함침시키는 경우에 소정의 패턴으로 슬러리를 함침시킴으로써 생성수의 배출 효율을 조절할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 단위셀을 보여주는 도면이고,
도 2는 일반적인 연료전지의 기체확산층을 보여주는 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 보여주는 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하는 과정을 보여주는 도면이며,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하는 과정을 보여주는 도면이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층과 분리판의 적층 상태를 보여주는 도면이며,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층과 그 제조과정을 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 보여주는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층은 탄소섬유 기재의 내부에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합된 제 1 슬러리(S1)가 함침되어 형성된 기재층(110)과; 상기 기재층(110)의 표면에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합되되 상기 제 1 슬러리(S1)보다 점도가 높은 제 2 슬러리(S2)가 코팅되어 형성된 미세기공층(120)을 포함한다.
기재층(110)은 탄소섬유로 이루어진 기재(111)의 내부에 제 1 슬러리(S1)를 함침시켜서 형성한다. 이때 기재(111)는 탄소섬유로만 이루어진 기재(111)의 내부에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합된 제 1 슬러리(S1)를 함침시킨다. 그래서 탄소섬유 사이에 형성되는 공극에 탄소분말과 PTFE가 채워짐으로써, 기재층(110) 자체의 강성을 확보할 수 있다.
한편, 기재층(110)을 형성하는 기재(111)로 사용되는 탄소섬유로는 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다.
그리고, 제 1 슬러리(S1)를 형성하는 탄소분말은 카본 블랙(Black Carbon), 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소분말이 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 탄소분말로 카본 블랙(Black Carbon)을 사용하였다.
미세기공층(120)은 기재층(110)의 표면에 제 2 슬러리(S2)를 코팅시켜서 형성한다. 이때 제 2 슬러리(S2)는 상기 제 1 슬러리(S1)와 성분이 동일 또는 유사하지만, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)는 고형분의 함량에 차이가 있다.
예를 들어 제 1 슬러리(S1)는 기재(111)의 내부로 함침되어야 하기 때문에 상대적으로 고형분의 함량을 낮춰서 점도를 낮게 유지한다. 반면에, 제 2 슬러리(S2)는 기재층(110)의 표면에 코팅되기 때문에 기체확산층의 기능을 향상시키기 위하여 상대적으로 고형분의 함량을 높여서 점도를 높게 유지한다.
바람직하게는 제 1 슬러리(S1)는 고형분의 함량이 5 ~ 10%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 10,000 ~ 100,000 cps의 점도가 되도록 준비한다. 그리고, 제 2 슬러리(S2)는 고형분의 함량이 10 ~ 15%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 100,000 ~ 500,000 cps의 점도가 되도록 준비한다. 이때 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)를 형성하는 용매로는 IPA(isopropyl alcohol), NPA(n-propyl alcohol), DI워터 등이 사용될 수 있다. 그리고, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)에는 용매에 탄소분말과 PTFE가 고르게 분산되도록 분산제가 더 포함될 수 있다.
또한, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)에는 과산화수소분해촉매인 세륨산화물이 더 포함될 수 있다. 이때 세륨산화물은 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)에 모두 포함되거나, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2) 중 선택되는 어느 하나의 슬러리에만 포함될 수 있다.
한편, 미세기공층(120)을 형성하는 제 2 슬러리(S2)와 동일 또는 유사한 성분으로 준비된 제 1 슬러리(S1)를 기재층(110)의 내부에 함침시키고, 그 기재층(110)의 표면에 제 2 슬러리(S2)를 코팅하여 미세기공층(120)을 형성하여 기재층(110)과 미세기공층(120)을 일체화시킴으로써 기체확산층의 두께를 얇게하면서 강성을 유지할 수 있다.
예를 들어 기재층(110)의 두께는 50 ~ 80㎛로 형성하고, 미세기공층(120)의 두께는 20 ~ 40㎛로 형성할 수 있다. 이렇게 기재층(110)의 두께를 종래의 일반적인 기재(약 260 ~ 270㎛) 대비 얇게 유지하지만, 기재층(110)의 내부에 전체적으로 함침되는 제 1 슬러리(S1)의 영향으로 기재층의 강성을 원하는 수준으로 유지할 수 있다.
상기와 같은 기체확산층을 제조하는 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법은 탄소섬유를 이용하여 기재(111)를 준비하는 기재 준비단계와; 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 혼합하여 상대적으로 점도가 낮은 제 1 슬러리(S1)와 상대적으로 점도가 높은 제 2 슬러리(S2)를 준비하는 슬러리 준비단계와; 상기 기재(111)의 내부로 상기 제 1 슬러리(S1)를 함침시켜서 기재층(110)을 형성하는 기재층 형성단계와; 상기 기재층(110)의 표면에 상기 제 2 슬러리(S2)를 코팅하여 미세기공층(120)을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함한다. 그리고, 미세기공층 형성단계 이후에는 열처리를 통하여 제 1 슬러리(S1) 및 제 2 슬러리(S2)에 포함된 탄소분말과 PTFE를 신터링(sintering)시키는 신터링 단계를 더 포함한다.
기재 준비단계는 종래와 같이 탄소섬유를 이용하여 기재(111)를 준비한다. 다만, 종래에는 기재(111)에 소수성을 부여하기 위하여 탄소섬유를 이용하여 기재를 준비한 다음 PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 함침하였지만, 본 실시예에서는 기재층 형성단계에서 제 1 슬러리(S1)를 함침하여 소수성을 부여할 수 있기 때문에 기재 준비단계에서 기재에 별도의 소수성을 부여하지 않는다. 그래서 기재 준비단계에서 기재(111)는 탄소섬유만을 이용하여 준비된다. 예를 들어 기재(111)는 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다.
슬러리 준비단계는 기재층(110)과 미세기공층(120)을 형성하는 제 1 슬러리(S1) 및 제 2 슬러리(S2)를 준비하는 단계로서, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)는 성분이 동일하지만, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)는 고형분의 함량을 다르게 하여 서로 점도를 다르게 한다.
예를 들어 제 1 슬러리(S1)는 기재(111)의 내부로 함침되어야 하기 때문에 상대적으로 고형분의 함량을 낮춰서 점도를 낮게 유지한다. 이를 위하여 제 1 슬러리(S1)는 고형분의 함량이 5 ~ 10%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 10,000 ~ 100,000 cps의 점도가 되도록 준비한다.
반면에, 제 2 슬러리(S2)는 기재층(110)의 표면에 코팅되기 때문에 기체확산층의 기능을 향상시키기 위하여 상대적으로 고형분의 함량을 높여서 점도를 높게 유지한다. 이를 위하여 제 2 슬러리(S2)는 고형분의 함량이 10 ~ 15%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 100,000 ~ 500,000 cps의 점도가 되도록 준비한다.
이때 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)를 형성하는 용매로는 IPA, NPA, 물 및 DI워터가 사용될 수 있다. 그리고, 제 1 슬러리(S1)와 제 2 슬러리(S2)에는 용매에 탄소분말과 PTFE가 고르게 분산되도록 분산제가 더 포함될 수 있다.
기재층 형성단계는 기재(111)의 내부로 제 1 슬러리(S1)를 함침시켜서 기재층(110)을 마련하는 단계로서, 준비된 기재(111)의 일측 표면에 제 1 슬러리(S1)를 도포한 다음 상기 기재(111)의 타측 표면에서 제 1 슬러리(S1)를 흡입하여 제 1 슬러리(S1)를 기재(111)의 내부 전체 영역에 제 1 슬러리(S1)를 함침시킨다.
예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 기재(111)가 롤 형태로 준비된 상태에서 기재(111)를 언코일링하면서 이동시키고, 기재(111)가 이동되는 이동 경로상에 제 1 슬러리(S1)를 기재(111)의 일측 표면으로 공급하고, 스크래퍼(1)에 의해 공급된 제 1 슬러리(S1)가 소정의 두께로 도포된다. 이 상태에서 기재의 타면 측에 마련된 석션(Suction) 장치(2)를 이용하여 제 1 슬러리(S1)를 흡입하면 제 1 슬러리(S1)는 기재(111)의 내부로 분산되면서 함침된다.
미세기공층 형성단계는 기재층(110)의 표면에 준비된 제 2 슬러리(S2)를 코팅하여 미세기공층(120)을 형성하는 단계로서, 기재(111)의 내부로 제 1 슬러리(S1)가 함침되어 형성된 기재층(110)의 표면에 제 2 슬러리(S2)를 도포시킨다.
예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 기재(111)의 내부로 제 1 슬러리(S1)가 함침되어 형성된 기재층(110)이 연속적으로 이동되는 경로상에 제 2 슬러리(S2)가 수용된 배스(3)와 상기 배스(3)에 설치되어 배스(3)에 수용된 제 2 슬러리(S2)를 기재층(110)에 도포시키는 코팅롤(4)를 배치한다. 그래서, 기재층(110)이 코팅롤(4)에 밀착되어 이동되면서 코팅롤(4)에 의해 소정 양 만큼 제 2 슬러리(S2)가 기재층(110)의 표면에 코팅된다.
이렇게 기재층(110)의 표면에 미세기공층(120)이 코팅되면, 열처리를 통하여 제 1 슬러리(S1) 및 제 2 슬러리(S2)에 포함된 탄소분말과 PTFE를 신터링(sintering)시킨다. 여기서 열처리는 PTFE의 녹는점(약 350℃) 이상으로 가열하는 것을 의미한다. 그래서 제 1 슬러리(S1) 및 제 2 슬러리(S2)에 포함된 PTFE의 분산성을 향상시키면서 미세기공층(120)이 신터링(sintering) 되도록 한다. 여기서 신터링(sintering)이라함은 탄소분말과 PTFE가 혼합된 슬러리를 가열함으로써 PTFE 입자를 녹이고, 이에 따라 유동성이 확보된 PTFE를 슬러리 전영역에 고르게 퍼트리는 공정을 의미한다.
상기와 같이 제조되는 본 발명에 따른 기체확산층은 종래의 일반적인 기체확산층과 비교하여 생성수의 배출에 효과적이다.
그 이유는 종래의 일반적인 기체확산층(20)의 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 탄소섬유로 이루어지는 기재(21)에 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)(22)을 형성하여 이루어진다. 이때 미세기공층(22)을 형성하기 위하여 탄소 분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합한 슬러리를 기재(21)의 표면에 도포하는데, 도포되는 슬러리의 일부가 기재의 표면에 소정 깊이만큼 침투된다. 그래서 종래의 기체확산층(20)은 생성수가 배출되기 위하여 "미세기공층 → 미세기공층이 침투된 기재 → 기재"와 같이 3구역을 순차적으로 통과하여야 한다.
하지만, 본 발명에 따른 기체확산층(100)은 기재층(110)의 내부로 제 1 슬러리(S1)를 함침시키기 때문에 생성수가 배출되기 위하여 "미세기공층 → 제 1 슬러리가 함침된 기재층"와 같이 2구역을 순차적으로 통과하면 되는 것이다.
이렇게 본 발명에 따른 기체확산층(100)은 종래의 일반적인 기체확산층(20)에 비하여 생성수가 배출되는 통로의 단계를 감소시킴으로써, 생성수가 배출되는 경로 상에서 저항을 감소시켜 생성수의 배출을 원활하게 할 수 있다.
또한, 종래의 일반적인 기체확산층(20)의 경우에는 기재(21)를 구성하는 탄소섬유가 복수의 층으로 형성되게 되는데, 이때 탄소섬유의 층간은 미시적으로 비어있는 공간이 형성된다. 그래서 기재(21)의 두께 방향으로 탄소섬유의 층간에는 생성수를 이동시키는 매개체가 없게 되고, 이에 따라 생성수가 기재의 두께 방향으로 배출되는 경우에 기재(21)를 구성하는 탄소섬유의 층들 사이에서 일시적으로 정체되는 현상이 발생된다. 그 결과 생성수가 기재(21)의 두께 방향으로 유동되는 효율이 저하된다.
반면에, 본 발명에 따른 기체확산층(100)은 기재층(110)을 구성하는 탄소섬유의 층간에 제 1 슬러리(S1)가 함침되면서 생성수를 이동시키는 매개체의 역할을 하게 된다.
이에 따라 생성수가 기재층(110)의 두께 방향으로 배출되더라도 종래와 같이 탄소섬유의 층들 사이에서 생성수가 정체되는 현상이 발생하지 않고 제 1 슬러리(S1)를 매개체로 원활하게 유동된다. 그 결과 생성수가 기재의 두께 방향으로 유동되는 효율이 향상된다.
한편, 본 발명은 제 1 슬러리가 기재에 함침되는 위치에 패턴을 형성하여 생성수의 배출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층을 제조하는 과정을 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층과 분리판의 적층 상태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층(200)은 앞서 설명된 실시예의 기체확산층과 마찬가지로 기재층(210)과 미세기공층(220)으로 이루어진다.
다만, 기재층(210)은 그 내부에 함침되는 제 1 슬러리(S1)의 위치를 한정하여 제 1 슬러리(S1)가 함침되는 영역이 소정의 패턴을 형성한다.
예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 기재층(210)에 제 1 슬러리(S1)가 함침되는 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판(30)에 형성되는 랜드(31)와 채널(32) 중 랜드(31)와 대면되는 영역에 대응되는 패턴이다.
그래서, 기재층(210)은 기재(211)에 상대적으로 제 1 슬러리(S1)가 많이 함침되는 영역(212)이 소정의 패턴으로 형성된다. 이에 따라 분리판(30)의 랜드(31)와 대면되는 영역에 제 1 슬러리(S1)가 함침되는 밀도를 높여 해당 부위의 소수성을 높힘으로써 해당 부위로 물이 누적되는 것을 예방할 수 있다. 그래서, 분리판(30)의 채널(32)에 대향되는 영역으로 생성수의 흐름을 유도하여 생성수가 분리판(30)의 채널(32)을 통하여 원활하게 배출되도록 한다.
한편, 도 5b와 같이 기재층(210)은 그 내부에 함침되는 제 1 슬러리(S1)의 위치를 한정하여 제 1 슬러리(S1)가 함침되는 영역(212)와 제 1 슬러리(S1)이 함침되지 않은 영역(211)으로 구분될 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 기재층(210)의 내부에 제 1 슬러리(S1)가 전체 영역에 함침되지만 제 1 슬러리(S1)가 상대적으로 많이 함침되는 영역과 제 1 슬러리(S1)가 상대적으로 적게 함침되는 영역으로 구분될 수 있다.
예를 들어 기재층(210)의 내부에 함침되는 제 1 슬러리(S1)는 기재층(210)의 내부에 소정의 패턴으로 함침량을 다르게 형성하되, 제 1 슬러리(S1)의 함침량이 상대적으로 많은 과밀 패턴(도 6의 212에 해당)과, 제 1 슬러리(S1)의 함참량이 상대적으로 적은 저밀 패턴(도 6의 211에 해당)으로 구분되어 함침될 수 있다.
그래서, 도 6에 도시된 바와 같이 제 1 슬러리(S1)가 함침되는 영역(212)과 함침되지 않는 영역(211)으로 구분되는 것과 마찬가지로 과밀 패턴과 저밀 패턴으로 구분될 수 있고, 이때 기재층(210)에 제 1 슬러리(S1)가 함침되는 패턴 중 과밀 패턴(도 6의 212에 해당)은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판(30)에 형성되는 랜드(31)와 채널(32) 중 랜드(31)와 대면되는 영역에 대응되는 패턴으로 형성된다.
이에 따라 분리판(30)의 채널(32)에 대향되는 영역으로 생성수의 흐름을 유도하여 생성수가 분리판(30)의 채널(32)을 통하여 원활하게 배출되도록 한다.
상기와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체확산층을 제조하는 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기체확산층을 제조하는 방법은 전술된 실시예와 마찬가지로 기재 준비단계, 슬러리 준비단계, 기재층 형성단계 및 미세기공층 형성단계를 포함한다. 또한, 상기 미세기공층 형성단계 이후에 신터링 단계도 더 포함한다. 이때 기재 준비단계, 슬러리 준비단계, 미세기공층 형성단계 및 신터링 단계는 전술된 단계와 동일하게 실시된다.
또한, 기재층 형성단계에서도 기재(211)의 일측 표면에 제 1 슬러리(S1)를 도포하고, 상기 기재(211)의 타측 표면에서 제 1 슬러리(S1)를 흡입하여 제 1 슬러리(S1)를 기재(211)의 내부에 함침시킨다. 다만, 제 1 슬러리(S1)를 도포하기 전에 기재(211)의 일측 표면에 소정 패턴의 관통홀이 형성된 마스크(5)를 배치한 다음 그 표면에 제 1 슬러리(S1)를 도포한다.
그래서, 기재(211)의 타측 표면에서 제 1 슬러리(S1)를 흡입하면, 기재(211)의 내부로 제 1 슬러리(S1)가 함침되면서 마스크(5)에 형성된 관통홀의 패턴에 대응하여 제 1 슬러리(S1)가 상대적으로 많이 함침되는 영역(212)이 소정의 패턴으로 형성된다.
이때 마스크(5)에 형성되는 소정의 관통홀 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판(30)에 형성되는 랜드(31)와 채널(32) 중 랜드(31)와 대면되는 영역에 대응되는 패턴으로 형성한다.
그래서, 도 5b에 도시된 바와 같이 기재층(210)은 기재(211)에 상대적으로 제 1 슬러리(S1)가 많이 함침되는 영역(212)이 소정의 패턴으로 형성된다. 이때 기재층(210) 중 제 1 슬러리(S1)가 많이 함침되는 영역(212)를 제외한 다른 영역은 제 1 슬러리(S1)의 함침이 완전히 배제될 수 있지만, 제조 공정의 특성상 제 1 슬러리(S1)가 상대적으로 적은 양이 함침될 수 있다.
한편, 본 발명은 저가습용 기체확산층과 고가습용 기체확산층으로 구분하여 기체확산층을 구현할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층과 그 제조과정을 보여주는 도면이다.
이때 도 7a는 저가습 환경에서 사용되는 저가습용 기체확산층에 대한 도면이고, 도 7b는 고가습 환경에서 사용되는 고가습용 기체확산층에 대한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기체확산층은 전술된 실시예들과 마찬가지로 기재층(110, 310)과 미세기공층(120, 320)으로 이루어진다.
이때 기재층(110, 310)은 두께방향을 기준으로 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역(111, 311)과, 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역(112, 312)으로 구분된다.
그래서, 도 7a에 도시된 바와 같이 저가습 환경에서 사용될 저가습용 기체확산층은 기재층(110)에 형성된 저밀 영역(112)의 표면에 미세기공층(120)이 형성된다.
이렇게 저가습용 기체확산층을 제조하기 위해서는 먼저 기재층(110)을 형성하는 단계에서 기재의 두께방향을 기준으로 제 1 슬러리(S1)의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역(111)을 상부에 형성하고, 제 1 슬러리(S1)의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역(112)을 하부에 형성한다. 그리고, 기재층(110)을 제 2 슬러리(S2)를 코팅하는 코팅롤(4)를 통과시킬 때 저밀 영역(112)이 코팅롤(4)과 대면되면서 이동되도록 하여 기재층(110)의 저밀 영역(112)에 미세기공층(120)을 형성한다.
그리고, 도 7b에 도시된 바와 같이 고가습 환경에서 사용될 고가습용 기체확산층은 기재층(310)에 형성된 고밀 영역(311)의 표면에 미세기공층(320)이 형성된다.
이렇게 고가습용 기체확산층을 제조하기 위해서는 먼저 기재층(310)을 형성하는 단계에서 기재의 두께방향을 기준으로 제 1 슬러리(S1)의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역(311)을 상부에 형성하고, 제 1 슬러리(S1)의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역(312)을 하부에 형성한다. 그리고, 기재층(310)을 제 2 슬러리(S2)를 코팅하는 코팅롤(4)를 통과시킬 때 기재층(310)을 반전시켜서 고밀 영역(311)이 코팅롤(4)과 대면되면서 이동되도록 하여 기재층(310)의 고밀 영역(311)에 미세기공층(320)을 형성한다. 기재층(310)을 이동 중에 반전시키기 위하여 코팅롤(4)의 선단과 후단에 각각 이송롤(6, 7)을 배치할 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 접합체(MEA) 11: 고분자 전해질막
12: 애노드 전극층 13: 캐소드 전극층
20: 기체확산층(GDL) 21: 기재
22: 미세기공층 30: 분리판
31: 랜드 32: 채널
100, 200: 기체확산층(GDL)
110, 210, 310: 기재층
111, 211, 311: 기재
120, 220, 320: 미세기공층

Claims (16)

  1. 연료전지의 단위 셀을 구성하는 기체확산층으로서,
    탄소섬유 기재의 내부에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합된 제 1 슬러리가 함침되어 형성된 기재층과;
    상기 기재층의 표면에 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)가 혼합되되 상기 제 1 슬러리보다 점도가 높은 제 2 슬러리가 코팅되어 형성된 미세기공층을 포함하는 연료전지용 기체확산층.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 전체 영역에 함침되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 내부에 소정의 패턴으로 함침되고,
    상기 기재층에 제 1 슬러리가 함침되는 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판에 형성되는 랜드와 채널 중 랜드와 대면되는 영역에 대응되는 패턴인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 전체 영역에 함침되되,
    상기 기재층의 내부에 함침되는 제 1 슬러리는 상기 기재층의 내부에 소정의 패턴으로 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 많은 과밀 패턴과, 제 1 슬러리의 함참량이 상대적으로 적은 저밀 패턴으로 구분되어 함침되고,
    상기 기재층에 제 1 슬러리가 함침되는 패턴 중 과밀 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판에 형성되는 랜드와 채널 중 랜드와 대면되는 영역에 대응되는 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재층은 두께방향을 기준으로 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역과, 제 1 슬러리의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지용 기체확산층은 저가습용 기체확산층과 고가습용 기체확산층으로 구분되고,
    상기 저가습용 기체확산층은 상기 기재층에 형성된 저밀 영역의 표면에 상기 미세기공층이 형성되며,
    상기 고가습용 기체확산층은 상기 기재층에 형성된 고밀 영역의 표면에 상기 미세기공층이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재층의 두께는 50 ~ 80㎛이고,
    상기 미세기공층의 두께는 20 ~ 40㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 슬러리의 고형분 함량은 5 ~ 10%이고,
    상기 제 2 슬러리의 고형분 함량은 10 ~ 15%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 슬러리 및 제 2 슬러리 중 어느 하나 또는 모두에는 세륨산화물이 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층
  10. 연료전지의 단위 셀을 구성하는 기체확산층을 제조하는 방법으로서,
    탄소섬유를 이용하여 기재를 준비하는 기재 준비단계와;
    탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 혼합하여 상대적으로 점도가 낮은 제 1 슬러리와 상대적으로 점도가 높은 제 2 슬러리를 준비하는 슬러리 준비단계와;
    상기 기재의 내부로 상기 제 1 슬러리를 함침시켜서 기재층을 형성하는 기재층 형성단계와;
    상기 기재층의 표면에 상기 제 2 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하는 미세기공층 형성단계를 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 슬러리 준비단계에서,
    상기 제 1 슬러리는 고형분의 함량이 5 ~ 10%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 10,000 ~ 100,000 cps의 점도가 되도록 준비하고,
    상기 제 2 슬러리는 고형분의 함량이 10 ~ 15%가 되도록 탄소분말과 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 용매에 혼합하여 100,000 ~ 500,000 cps의 점도가 되도록 준비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 기재 준비단계는, 탄소섬유만을 이용하여 기재를 준비하고,
    상기 기재층 형성단계는, 상기 기재의 일측 표면에 제 1 슬러리를 도포한 다음 상기 기재의 타측 표면에서 제 1 슬러리를 흡입하여 제 1 슬러리를 기재의 내부 전체 영역에 제 1 슬러리를 함침시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서
    상기 기재층 형성단계에서,
    상기 제 1 슬러리를 흡입하는 양을 조절하여 상기 기재층은 두께방향을 기준으로 탄소분말의 함침량이 상대적으로 많은 고밀 영역과, 탄소분말의 함침량이 상대적으로 적은 저밀 영역으로 구분되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 연료전지용 기체확산층은 저가습용 기체확산층과 고가습용 기체확산층으로 구분되고,
    상기 미세기공층 형성단계에서,
    저가습용 기체확산층의 제조시에는 상기 기재층에 형성된 저밀 영역의 표면에 상기 제 2 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하고,
    고가습용 기체확산층이 제조시에는 상기 기재층에 형성된 고밀 영역의 표면에 상기 제 2 슬러리를 코팅하여 미세기공층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 기재 준비단계는, 탄소섬유만을 이용하여 기재를 준비하고,
    상기 기재층 형성단계에서, 상기 기재의 일측 표면에 소정 패턴의 관통홀이 형성된 마스크를 배치한 다음 그 표면에 제 1 슬러리를 도포하고, 상기 기재의 타측 표면에서 제 1 슬러리를 흡입하여 제 1 슬러리를 기재의 내부에 소정 패턴으로 제 1 슬러리를 함침시키되,
    상기 마스크에 형성된 소정 패턴은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 분리판에 형성되는 랜드와 채널 중 랜드와 대면되는 영역에 대응되는 패턴인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 미세기공층 형성단계 이후에 열처리를 통하여 제 1 슬러리 및 제 2 슬러리에 포함된 탄소분말과 PTFE를 신터링(sintering)시키는 신터링 단계를 더 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
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