KR20210049524A - Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack - Google Patents

Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack Download PDF

Info

Publication number
KR20210049524A
KR20210049524A KR1020190133930A KR20190133930A KR20210049524A KR 20210049524 A KR20210049524 A KR 20210049524A KR 1020190133930 A KR1020190133930 A KR 1020190133930A KR 20190133930 A KR20190133930 A KR 20190133930A KR 20210049524 A KR20210049524 A KR 20210049524A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion layer
fuel cell
carbon fiber
layer
Prior art date
Application number
KR1020190133930A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
정치영
김태영
윤영기
최영우
김범준
서민호
이종민
최형욱
서동준
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020190133930A priority Critical patent/KR20210049524A/en
Publication of KR20210049524A publication Critical patent/KR20210049524A/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

The present invention relates to a composite member for a fuel cell, a manufacturing method thereof, and a fuel cell including the same and, more specifically, to a composite member for a fuel cell, a manufacturing method thereof, a fuel cell including the same and a fuel cell stack including the same. The composite member for a fuel cell is located on at least one surface of a membrane electrode bonding object of a fuel cell. The composite member for a fuel cell comprises: a plate-type carbon fiber separating plate; and a gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes a gaseous diffusion layer or a porous gaseous diffusion layer having a flow path formed on a surface facing the carbon fiber separating plate.

Description

연료전지용 복합 부재, 이의 제조방법, 단위전지, 연료전지 및 스택{MEMBER FOR FUEL CELL, PREPARATION METHOD THEREOF, SINGLE CELL, FUEL CELL AND STACK}Composite member for fuel cell, manufacturing method thereof, unit cell, fuel cell and stack {MEMBER FOR FUEL CELL, PREPARATION METHOD THEREOF, SINGLE CELL, FUEL CELL AND STACK}

본 발명은, 연료전지용 복합 부재, 이의 제조방법 및 상기 연료전지용 복합 부재를 포함하는 단위전지, 연료전지 및 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell composite member, a manufacturing method thereof, and a unit cell, a fuel cell, and a stack including the fuel cell composite member.

연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형(Polymer Electrolyte Membrane(PEM)), 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형(solid oxide), 알카리수용액 형 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.Fuel cells are devices that generate electricity while generating water by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. Compared to other types of fuel cells, fuel cells have higher efficiency, higher current density and higher power density, and shorter start-up time and load changes. Due to the advantage of having a quick response characteristic, it is applied to various fields such as a power source for a pollution-free vehicle, a power source for self-generation, a power source for a mobile and a military use. Fuel cells can be classified into a polymer electrolyte type (Polymer Electrolyte Membrane (PEM)), a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, an aqueous alkaline solution type, etc., depending on the type of electrolyte used. Depending on the operating temperature of the fuel cell and the materials of the component parts, etc.

고분자 전해질형 연료전지는, 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮고 효율이 높으며 잔류 밀도 및 출력 밀도가 큰 장점이 있다. 메탄올 용액과 공기를 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지와 수소와 공기를 연료로 각각 쓰는 수소연료전지로 나눌 수 있다. 고분자 전해질형 연료전의 구조는 고분자막의 양측에 각기 가스 확산층 위에 촉매가 도포된 연료극과 공기극을 형성하는 기체확산전극이 접합되고, 상기 기체확산전극의 테두리에 가스의 유출을 억제하는 가스켓이 접합된 막전극접합체(Membrane electrode assembly, MEA)로 구성되고, 막전극 접합체의 양측에 마련되어 막전극 접합체 내부로 수소와 산소를 공급하면서 동시에 물의 배출을 용이하게 하는 분리판이 구비되어 있다.Compared to other types of fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell has advantages in that the operating temperature is low, the efficiency is high, and the residual density and the power density are large. It can be divided into a direct methanol fuel cell that uses methanol solution and air as fuels and a hydrogen fuel cell that uses hydrogen and air as fuels respectively. The structure of a polymer electrolyte fuel field is a membrane in which a fuel electrode coated with a catalyst on each of the gas diffusion layers and a gas diffusion electrode forming an air electrode are bonded to each side of the polymer membrane, and a gasket for suppressing the outflow of gas is bonded to the edge of the gas diffusion electrode. It is composed of an electrode assembly (MEA), and is provided on both sides of the membrane electrode assembly, and is provided with a separation plate that supplies hydrogen and oxygen into the membrane electrode assembly while facilitating the discharge of water at the same time.

기존 탄소섬유 분리판은 준수한 전기 전도도와 산화 안전성이 있지만 기계적 강도가 약해 두께가 0.5 mm 수준으로 두껍고 무게가 무겁다는 단점이 있으며, 금속계 분리판은 강도가 강해 두께가 0.1 mm 수준으로 스택 부피 저감에 유리하나 내부식성이 약해 장기 운전에 부접합한 문제점이 있다. Existing carbon fiber separators have good electrical conductivity and oxidation safety, but have the disadvantage of being thick and heavy at 0.5 mm in thickness due to poor mechanical strength.Metal-based separators have a strong strength at 0.1 mm in thickness to reduce stack volume. Although it is advantageous, there is a problem that it is not suitable for long-term operation due to weak corrosion resistance.

이에 고분자 전해질형 연료전지 스택의 경량화를 위한 분리판의 소재 개발과 이러한 소재를 활용할 수 있는 연료전지 스택 제조기술의 개발이 필요하다. Accordingly, there is a need to develop a material for a separator for weight reduction of a polymer electrolyte fuel cell stack and a fuel cell stack manufacturing technology that can utilize this material.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 민판형 탄소섬유 분리판을 적용하여 연료전지의 초경량화를 실현할 수 있는, 연료전지용 복합 부재를 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above-described problems, and to provide a composite member for a fuel cell capable of realizing ultra-lightweight fuel cells by applying a flat carbon fiber separator.

본 발명은, 본 발명에 의한 연료전지용 복합 부재의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention is to provide a method for manufacturing a composite member for a fuel cell according to the present invention.

본 발명은, 본 발명에 의한 연료전지용 복합 부재를 포함하는, 고분자 연료전지를 제공하는 것이다.The present invention is to provide a polymer fuel cell comprising the composite member for a fuel cell according to the present invention.

본 발명은, 본 발명에 의한 고분자 연료전지를 단위 전지로 적층한 고분자 연료전지 스택을 제공하는 것이다.The present invention is to provide a polymer fuel cell stack in which the polymer fuel cells according to the present invention are stacked as unit cells.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 연료전지의 막전극 접합체의 적어도 일면에 위치하는 연료전지용 복합 부재에 있어서, 상기 연료전지용 복합 부재는, 민판형 탄소섬유 분리판; 및 가스 확산층;을 포함하고, 상기 가스 확산층은, 상기 탄소섬유 분리판과 마주보는 면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층을 포함하는 것인, 연료전지용 복합 부재에 관한 것이다.According to an embodiment of the present invention, the present invention provides a fuel cell composite member positioned on at least one surface of a membrane electrode assembly of a fuel cell, wherein the fuel cell composite member includes: a flat carbon fiber separator; And a gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer includes a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer having a flow path formed on a surface facing the carbon fiber separation plate.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소섬유 분리판은 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 두께를 갖고, 상기 탄소섬유 분리판은 탄소계 물질-레진 복합체인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon fiber separating plate may have a thickness of 100 μm to 300 μm, and the carbon fiber separating plate may be a carbon-based material-resin composite.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소섬유 분리판 중 0.1 중량%의 수지를 포함하고, 상기 수지는, (클로로메틸)옥시란((chloromethyl)oxirane), (부톡시메틸)옥시란((Butoxymethyl)oxirane) 또는 이 둘을 갖는 4,4'-(1-메틸에틸리덴)비스페놀 고분자(4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer)를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon fiber separating plate contains 0.1% by weight of resin, and the resin is (chloromethyl) oxirane ((chloromethyl)oxirane), (butoxymethyl) oxirane (( Butoxymethyl)oxirane) or a 4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer (4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer) having both.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소섬유 분리판은, 탄소섬유, 카본 펠트, 카본천 및 카본 페이퍼로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon fiber separating plate may include at least one selected from the group consisting of carbon fiber, carbon felt, carbon cloth, and carbon paper.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소섬유 분리판은, 플라즈마 처리된 것이며, 상기 플라즈마 처리는, 100 W 내지 400 W의 플라즈마 출력 및 100 mTorr 내지 200 mTorr의 압력에서 10 분 이상 동안 이루어진 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon fiber separation plate is plasma-treated, and the plasma treatment may be performed for 10 minutes or more at a plasma output of 100 W to 400 W and a pressure of 100 mTorr to 200 mTorr. have.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 플라즈마 처리는, 산소, 수소, 질소 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 가스를 이용하여 분리판의 적어도 일부분을 에칭하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the plasma treatment may be etching at least a portion of the separation plate using at least one gas selected from the group consisting of oxygen, hydrogen, nitrogen, and argon.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유로가 형성된 기체확산층은, 탄소 종이, 탄소 천, 탄소 펠트, 다공성 금속 박판 및 다공성 금속 매트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the gas diffusion layer in which the flow path is formed may include at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, porous metal thin plate, and porous metal mat.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다공성 기체확산층은, 다공성 금속 박판, 다공성 금속 매트 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the porous gas diffusion layer may include a porous metal thin plate, a porous metal mat, or both.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 확산층은, 단일 또는 복수층이고, 상기 복수층은, 제1층 및 상기 제1층 상에 위치되고 상부면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층인 제2층을 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the gas diffusion layer is a single layer or a plurality of layers, and the plurality of layers is a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer positioned on the first layer and the first layer and having a flow path formed on an upper surface thereof. It may include a second layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1층은 적어도 일면이 고분자 전해질 용액으로 표면 처리되고, 상기 제2층은 상기 표면 처리된 면에 위치된 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, at least one surface of the first layer may be surface-treated with a polymer electrolyte solution, and the second layer may be positioned on the surface-treated surface.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 확산층은, 100 ㎛ 내지 500 ㎛두께를 갖고, 상기 유로는 미세 유체 채널이고, 상기 채널은, 100 ㎛ 내지 500 ㎛의 폭 및 깊이을 갖는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the gas diffusion layer may have a thickness of 100 µm to 500 µm, the flow path is a microfluidic channel, and the channel may have a width and depth of 100 µm to 500 µm.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유로는, 패러렐(parallel)-핀(pin), 서펜틴(serpentine), 단일서펜틴(single-serpentine), 다중서펜틴(multi-serpentine), 세미서펜틴(semi-serpentine), 지그재그(zigzag), 맞물림형(interdigitated) 및 핀(pin) 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 패턴을 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the flow path is a parallel (parallel) pin (pin), serpentine (serpentine), single serpentine (single-serpentine), multi-serpentine (multi-serpentine), semi-serpentine It may include at least one pattern selected from the group consisting of (semi-serpentine), zigzag, interdigitated, and pin shapes.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분리판 및 가스 확산층 사이에 형성된 가스켓을 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a gasket formed between the separating plate and the gas diffusion layer may be further included.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 일면에 형성된 제1 연료전지용 복합 부재; 및 상기 막전극 접합체의 타면에 형성된 제2 연료전지용 복합 부재; 를 포함하는, 고분자 연료전지에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, the present invention provides a membrane electrode assembly; A first fuel cell composite member formed on one surface of the membrane electrode assembly; And a second fuel cell composite member formed on the other surface of the membrane electrode assembly. It relates to a polymer fuel cell comprising a.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 본 발명에 의한 고분자 연료전지를 단위 전지로 단일 또는 복수개 적층된, 고분자 연료전지 스택에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, the present invention relates to a polymer fuel cell stack in which a single or a plurality of polymer fuel cells according to the present invention are stacked as a unit cell.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 탄소섬유 분리판을 준비하는 단계; 가스 확산층을 준비하는 단계; 막전극 접합체의 양면에 각각 상기 가스 확산층 및 탄소섬유 분리판 순서대로 위치시키는 단계; 를 포함하고, 상기 탄소섬유 분리판은, 민판형이고, 상기 가스 확산층은, 상기 탄소섬유 분리판과 마주보는 면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층인 것인, 연료전지의 제조방법에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, the present invention comprises the steps of preparing a carbon fiber separator; Preparing a gas diffusion layer; Placing the gas diffusion layer and the carbon fiber separator on both surfaces of the membrane electrode assembly in order; Including, wherein the carbon fiber separation plate is a flat plate type, and the gas diffusion layer is a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer in which a flow path is formed on a surface facing the carbon fiber separation plate. will be.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 확산층을 준비하는 단계는, 기체확산층의 적어도 일면에 고분자 전해질 용액으로 처리하여 제1층을 준비하는 단계; 기체확산층의 상부면에 유로를 형성하여 제2층을 준비하는 단계; 및 상기 제1층과 제2층의 하부면을 접합하는 단계;를 포함하는, 연료전지의 제조방법에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, the preparing of the gas diffusion layer includes: preparing a first layer by treating at least one surface of the gas diffusion layer with a polymer electrolyte solution; Preparing a second layer by forming a flow path on the upper surface of the gas diffusion layer; And bonding the lower surfaces of the first layer and the second layer to each other.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 확산층을 준비하는 단계는, 다공성 기체확산층을 준비하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, preparing the gas diffusion layer may include preparing a porous gas diffusion layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소섬유 분리판을 준비하는 단계는, 탄소섬유 분리판을 플라즈마 처리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the preparing of the carbon fiber separation plate may include plasma treatment of the carbon fiber separation plate.

본 발명은, 기존의 유로가 새겨진 탄소섬유 분리판 또는 금속계 분리판을 대체할 수 있는 민판형 탄소섬유 분리판 및 이를 이용한 연료전지 복합 부재를 제공할 수 있다. The present invention can provide a non-plate type carbon fiber separator that can replace a conventional carbon fiber separator or a metal separator with a flow path, and a fuel cell composite member using the same.

본 발명은, 유로 또는 다공성 기체확산층을 갖는 가스 확산층을 이용하여 초경향 및 고강도의 민판형 탄소섬유 분리판을 연료전지에 적용하는 방법을 제공하고, 상기 민판형 탄소섬유 분리판을 이용하여 연료전지 스택의 초경량화를 실현시킬 수 있다. The present invention provides a method of applying a super-trend and high-strength flat carbon fiber separator to a fuel cell using a gas diffusion layer having a flow path or a porous gas diffusion layer, and uses the flat carbon fiber separator to provide a fuel cell. Ultra-lightweight stack can be realized.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 연료전지의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 가스 확산층의 상부면의 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 본 발명에 의한 가스 확산층의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 연료전지 부재의 제조방법의 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 본 발명에 의한 연료전지의 제조방법의 공정 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄소섬유 분리판의 플라즈마 처리 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 처리에 따른 탄소섬유 분리판의 표면 변화를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 처리된 탄소섬유 분리판의 기계적 강도를 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 처리된 탄소섬유 분리판의 가스 투과도를 나타낸 것이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 식각에 의해 형성된 가스 확산층의 유로를 예시적으로 나타낸 것이다. 1 is an exemplary view showing the configuration of a fuel cell according to the present invention according to an embodiment of the present invention.
2 shows an image of an upper surface of a gas diffusion layer according to the present invention, according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view showing a configuration of a gas diffusion layer according to the present invention according to another embodiment of the present invention.
4 is an exemplary flow diagram illustrating a method for manufacturing a fuel cell member according to the present invention according to an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary view showing a process flow of a method for manufacturing a fuel cell according to the present invention according to another embodiment of the present invention.
6 is an exemplary view showing a plasma treatment process of a carbon fiber separator according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary view showing a surface change of a carbon fiber separating plate according to plasma treatment according to an embodiment of the present invention.
8 shows the mechanical strength of the plasma-treated carbon fiber separating plate according to an embodiment of the present invention.
9 shows the gas permeability of the plasma-treated carbon fiber separating plate according to an embodiment of the present invention.
10 illustrates an exemplary flow path of a gas diffusion layer formed by laser etching according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express a preferred embodiment of the present invention, which may vary depending on the intention of users or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification. The same reference numerals shown in each drawing indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be positioned "on" another member, this includes not only the case where a member is in contact with the other member, but also the case where another member exists between the two members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components.

이하, 본 발명의 연료전지용 복합 부재에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a composite member for a fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.

본 발명은, 연료전지용 복합 부재에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연료전지용 복합 부재는, 연료전지의 막전극 접합체의 일면 또는 양면에 위치하거나 또는 접하는 것일 수 있다.The present invention relates to a composite member for a fuel cell, and according to an embodiment of the present invention, the composite member for a fuel cell may be positioned on or in contact with one or both sides of a membrane electrode assembly of a fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연료전지용 복합 부재는 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 연료전지의 구성을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1에서 연료전지용 복합 부재(200, 200')는, 연료전지의 막전극 접합체(100)의 일면 또는 양면에 위치하고, 가스 확산층(210) 및 탄소섬유 분리판(220)을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the composite member for a fuel cell will be described with reference to FIG. 1. 1 is an exemplary view showing the configuration of a fuel cell according to the present invention according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the composite members 200 and 200 ′ for fuel cells are, a membrane electrode assembly 100 of a fuel cell. ), and may include a gas diffusion layer 210 and a carbon fiber separation plate 220.

가스 확산층(210)은, 막전극 접합체(100)와 탄소섬유 분리판(220) 사이에 배치되며, 적어도 일면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 막전극 접합체(100)와 마주보는 면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층일 수 있다. The gas diffusion layer 210 is disposed between the membrane electrode assembly 100 and the carbon fiber separation plate 220 and may include a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer having a flow path formed on at least one surface thereof. For example, it may be a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer in which a flow path is formed on a surface facing the membrane electrode assembly 100.

상기 유로가 형성된 기체확산층은, 탄소섬유, 탄소 펠트, 흑연호일, 흑연펠트, 탄소 부직포, 탄소천, 탄소 페이퍼, 금속천, 금속 펠트, 발포금속, 다공성 금속 박판 및 다공성 금속 매트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The gas diffusion layer in which the flow path is formed is selected from the group consisting of carbon fiber, carbon felt, graphite foil, graphite felt, carbon nonwoven fabric, carbon cloth, carbon paper, metal cloth, metal felt, foamed metal, porous metal thin plate, and porous metal mat. It may contain one or more.

상기 다공성 기체확산층은, 다공성 금속 박판, 다공성 금속 매트 또는 이 둘을 포함할 수 있다. The porous gas diffusion layer may include a porous metal thin plate, a porous metal mat, or both.

상기 유로가 형성된 기체확산층 및 다공성 기체확산층은, C, Na, Al, Mg, Li, Ti, Zr, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ru, Pd, Rd, Pt, Ag, Au, W, Ni 및 Fe으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. The gas diffusion layer and the porous gas diffusion layer in which the flow path is formed are C, Na, Al, Mg, Li, Ti, Zr, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ru, Pd, Rd, Pt, Ag, Au, W, It may include at least one metal selected from the group consisting of Ni and Fe.

가스 확산층(210)은, 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 두께를 가질 수 있다. The gas diffusion layer 210 may have a thickness of 100 μm to 500 μm.

상기 유로는, 다양한 형상의 미세 유체 채널이며, 예를 들어, 상기 유로는 패러렐(parallel)-핀(pin), 서펜틴(serpentine), 단일서펜틴(single-serpentine), 다중서펜틴(multi-serpentine), 세미서펜틴(semi-serpentine) 및 지그재그(zigzag), 맞물림형(interdigitated)으로로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 패턴을 갖는 미세 유체 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, (a) 패러렐(parallel)-핀(pin), (b) 다중서펜틴(multi-serpentine) 및 (c) 다공성 금속 기체확산층을 확인할 수 있다.The flow path is a microfluidic channel of various shapes, for example, the flow path is parallel-pin, serpentine, single-serpentine, and multi-serpentine. serpentine), semi-serpentine, zigzag, and interdigitated microfluidic channels having at least one pattern selected from the group consisting of. For example, referring to FIG. 2, (a) a parallel-pin, (b) a multi-serpentine, and (c) a porous metal gas diffusion layer can be identified.

상기 채널은, 100 ㎛ 내지 2000 ㎛; 100 ㎛ 내지 1000 ㎛; 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛의 폭을 갖는 것일 수 있다. 상기 채널은, 100 ㎛ 내지 2000 ㎛; 100 ㎛ 내지 1000 ㎛; 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛의 깊이를 갖는 것일 수 있다.The channel, 100 μm to 2000 μm; 100 μm to 1000 μm; Alternatively, it may have a width of 100 μm to 500 μm. The channel, 100 μm to 2000 μm; 100 μm to 1000 μm; Alternatively, it may have a depth of 100 μm to 500 μm.

상기 채널의 단면은, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 트렌치 구조 또는 반구형, 다각형일 수 있다.The cross section of the channel may be a rectangle, a square, a triangle, a trench structure, or a hemispherical shape, or a polygonal shape.

가스 확산층(210)은, 적어도 일면이 고분자 전해질로 처리될 수 있고, 상기 고분자 전해질은, 바인더 기능을 가지며, 연료전지에 적용되는 고분자 전해질이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 과불소화계 고분자, 술폰화된 탄화수소계 고분자 또는 이 둘을 포함할 수 있다. 상기 술폰화된 탄화수소계 고분자의 예로는, 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(S-PES), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(S-PBI), 술폰화된 폴리에테르케톤(S-PEEK), 폴리(파라)페닐렌(S-PP), 술폰화된 폴리이미드(S-PI), 술폰화된 폴리술폰(S-PS), 하기의 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 술폰화된 폴리페닐술폰 등일 수 있으며, 바람직하게는 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 술폰화된 폴리페닐술폰이다. 상기 과불소화계 고분자의 예로는, 화학식 3으로 표시되는 나피온(Nafion, DuPont사), 플레미온(Flemion, Asahi Glass사), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사), 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사), 아퀴비온(Aquivion, Solvay사) 등일 수 있고, 바람직하게는 나피온일 수 있다. The gas diffusion layer 210 may be treated with a polymer electrolyte on at least one side, and the polymer electrolyte may have a binder function, and may be applied without limitation as long as it is a polymer electrolyte applied to a fuel cell. For example, a perfluorinated polymer, It may contain a sulfonated hydrocarbon-based polymer or both. Examples of the sulfonated hydrocarbon-based polymer include sulfonated polyarylene ether sulfone (S-PES), sulfonated polybenzimidazole (S-PBI), sulfonated polyether ketone (S-PEEK), Poly(para)phenylene (S-PP), sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polysulfone (S-PS), sulfonated polyphenylsulfone represented by the following formulas 1 and 2 And the like, and is preferably a sulfonated polyphenylsulfone represented by Chemical Formulas 1 and 2. Examples of the perfluorinated polymer include Nafion (manufactured by Nafion, DuPont), Flemion (manufactured by Flemion, Asahi Glass), Asiplex (manufactured by Asahi Chemical), Dow XUS (Dow XUS, Dow Chemical) represented by Formula 3 G), aquibion (Aquivion, Solvay), and the like, and preferably Nafion.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 R은 H, K, Li, Na, Rb, Cs 중에서 선택된 무기 양이온이거나 또는 N+R1R2R3R4(암모늄), P+R1R2R3R4(포스포니움), N+NR1R2R3R4R5(이미다조리움), NH+R1R2R3R4R5(피리디니움), 피롤리디움, 및 설포니움 중에서 선택된 유기 양이온이고; 상기 X와 Y는 각각 5 내지 50 범위 내의 수이며; 상기 n은 2 내지 50의 정수이고; 상기 R1, R2, R3, R4, R5는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 C1내지 C7의 직쇄 또는 가지형 알킬기이다. R is an inorganic cation selected from H, K, Li, Na, Rb, Cs, or N+R 1 R 2 R 3 R 4 (ammonium), P+R 1 R 2 R 3 R 4 (phosphonium), An organic cation selected from N+NR 1 R 2 R 3 R 4 R 5 (Imidazorium), NH+R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 (pyridinium), pyrrolidium, and sulfonium; X and Y are each a number within the range of 5 to 50; N is an integer of 2 to 50; The R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and R 5 are the same as or different from each other, and are each independently a C1 to C7 linear or branched alkyl group.

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 R은 H, K, Li, Na, Rb, Cs 중에서 선택된 무기 양이온이거나 또는 N+R1R2R3R4(암모늄), P+R1R2R3R4(포스포니움), N+NR1R2R3R4R5(이미다조리움), NH+R1R2R3R4R5(피리디니움), 피롤리디움, 설포니움 중에서 선택된 유기 양이온이고;R is an inorganic cation selected from H, K, Li, Na, Rb, Cs, or N+R 1 R 2 R 3 R 4 (ammonium), P+R 1 R 2 R 3 R 4 (phosphonium), An organic cation selected from N+NR 1 R 2 R 3 R 4 R 5 (Imidazorium), NH+R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 (pyridinium), pyrrolidium, and sulfonium;

상기 X와 Y는 각각 5 내지 50 범위 내의 수이며; 상기 n은 2 내지 50의 정수이고; 상기 R1, R2, R3, R4, R5는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 C1 내지 C7의 직쇄 또는 가지형 알킬기이다. X and Y are each a number within the range of 5 to 50; N is an integer of 2 to 50; The R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and R 5 are the same as or different from each other, and each independently a C1 to C7 linear or branched alkyl group.

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 3에서, m > 0, n = 1 내지 5, x = 1 내지 14, y= 200 내지 1000 이다.) In Formula 3, m > 0, n = 1 to 5, x = 1 to 14, y = 200 to 1000.)

상기 고분자 전해질은, 폴리아릴아민(PAH, Poly(allyamine)), 폴리디아릴디메틸암모늄(PDDA, Polydiallyldimethylammonium)), 폴리(에틸렌이민)(PEI, (Poly(ethyleneimine)), 폴리(아클릴아미드-코-디아킬디메틸암모늄(PAMPDDA, Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium)), 폴리(4-스틸렌술폰네이트(PSS (Poly (4-styrenesulfonate)), 폴리(아크릴산)(PAA, Poly(acrylic acid)), 폴리(아크릴 아미드)(PAM, Poly(acryl amide)), 폴리(비닐포스폰산)(Poly(vinylphosphonic acid)), 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산(PAAMP, Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) 및 폴리(비닐 설페이트)(PVS, (Poly(vinyl sulfate))으로 이루어진 군에서 선택된 이온성 고분자 전해질을 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. The polymer electrolyte is polyarylamine (PAH, Poly(allyamine)), polydiaryldimethylammonium (PDDA, Polydiallyldimethylammonium)), poly(ethyleneimine) (PEI, (Poly(ethyleneimine))), poly(acrylamide- PAMPDDA, Poly(acrylamide- co -diallyldimethylammonium)), poly(4-styrenesulfonate (PSS (Poly (4-styrenesulfonate))), poly(acrylic acid) (PAA, Poly(acrylic acid)) , Poly(acryl amide) (PAM, Poly(acryl amide)), Poly(vinylphosphonic acid)), Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (PAAMP, Poly It may further include at least one ionic polymer electrolyte selected from the group consisting of (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) and poly(vinyl sulfate) (PVS, (Poly(vinyl sulfate)).

가스 확산층(210)은, 단일 또는 복수층이고, 예를 들어, 도 3을 참조하면, 지지층인 제1 층(211) 및 상기 제1층 상에 상부면에 유로가 형성된 기체확산층(도 3의 (a)) 또는 다공성 기체확산층인 제2층(212)(도 3의 (b))을 포함할 수 있다. 제1층(211) 및 제2층(212)은 동일하거나 또는 상이한 기체확산층을 포함할 수 있다.The gas diffusion layer 210 is a single layer or a plurality of layers, for example, referring to FIG. 3, a first layer 211 as a support layer and a gas diffusion layer having a flow path formed on the upper surface of the first layer (see FIG. 3 ). (a)) or a second layer 212 (FIG. 3(b)) which is a porous gas diffusion layer. The first layer 211 and the second layer 212 may include the same or different gas diffusion layers.

예를 들어, 제1층(211)은, 적어도 일면이 고분자 전해질 용액으로 표면 처리되고, 제2층(212)은 상기 표면 처리된 면에 위치되거나 또는 적어도 일면이 고분자 전해질 용액으로 표면 처리될 수 있다. 상기 고분자 전해질은 상기 언급한 바와 같다. For example, at least one surface of the first layer 211 may be surface-treated with a polymer electrolyte solution, and the second layer 212 may be positioned on the surface-treated surface, or at least one surface may be surface-treated with a polymer electrolyte solution. have. The polymer electrolyte is as mentioned above.

제1항(211) 및 제2층(212)은, 탄소섬유, 탄소 펠트, 흑연호일, 흑연펠트, 탄소 부직포, 탄소천, 탄소 페이퍼, 금속천, 금속 펠트, 발포금속, 다공성 금속 박판 및 다공성 금속 매트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Clause 1 (211) and the second layer (212), carbon fiber, carbon felt, graphite foil, graphite felt, carbon nonwoven fabric, carbon cloth, carbon paper, metal cloth, metal felt, foam metal, porous metal thin plate and porosity It may include at least one selected from the group consisting of a metal mat.

제1항(211) 및 제2층(212)은 1:1 내지 1:5의 두께비로 형성될 수 있다.Claim 1 (211) and the second layer 212 may be formed in a thickness ratio of 1:1 to 1:5.

탄소섬유 분리판(220)은, 민판형이고, 직조물, 펠트 및 부직포 중 적어도 하나를 포함하는 시트, 필름, 호일, 또는 판일 수 있다. 상기 탄소섬유 분리판은, 유로가 없는 민판형이고, 탄소계 물질을 포함함으로, 기존의 유로가 형성되거나 또는 금속판으로 구성된 분리판에 비하여 초경량화와 고강성을 나타낼 수 있다. The carbon fiber separating plate 220 may be a flat plate type, and may be a sheet, film, foil, or plate including at least one of a woven fabric, a felt, and a nonwoven fabric. The carbon fiber separating plate is of a flat plate type without a flow path, and includes a carbon-based material, and thus may exhibit ultra-lightweight and high rigidity compared to a separation plate composed of a conventional flow path or a metal plate.

탄소섬유 분리판(220)은, 탄소섬유, 탄소 펠트, 흑연호일, 흑연펠트, 탄소 부직포, 탄소천 및 탄소 페이퍼로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The carbon fiber separating plate 220 may include at least one selected from the group consisting of carbon fiber, carbon felt, graphite foil, graphite felt, carbon nonwoven fabric, carbon cloth, and carbon paper.

탄소섬유 분리판(220)은 입자, 섬유(장섬유 및 단섬유), 튜브, 와이어 등의 형태의 탄소계 물질을 포함하고, 예를 들어, 상기 탄소계 물질은, 카본섬유, 흑연(Graphite), 팽창 카본(Expanded carbon), 그래핀, 카본입자, 흑연입자, 카본 블랙, 카본에어로졸, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 활성탄소화이버, 카본에어로졸, 플러렌, 카본나노섬유, 카본나노튜브, 카본 나노와이어, 카본나노 혼 및 카본 나노 링으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The carbon fiber separating plate 220 includes carbon-based materials in the form of particles, fibers (long fibers and short fibers), tubes, and wires. For example, the carbon-based material is carbon fiber, graphite. , Expanded carbon, graphene, carbon particles, graphite particles, carbon black, carbon aerosol, acetylene black, activated carbon, activated carbon fiber, carbon aerosol, fullerene, carbon nanofiber, carbon nanotube, carbon nanowire, It may include at least one selected from the group consisting of carbon nano horns and carbon nano rings.

탄소섬유 분리판(220)은, 탄소계 물질-레진 복합체를 포함하고, 상기 탄소계 물질의 시트, 필름 또는 판에 레진의 접합, 코팅, 흡착 또는 함침 등의 공정으로 형성되거나 또는 탄소계 물질과 레진의 결합체를 이용하여 시트, 필름, 또는 판을 형성한 것일 수 있다. 예를 들어, 탄소계 물질과 레진이 함께 방사된 복합 섬유 등을 포함할 수 있다. The carbon fiber separating plate 220 includes a carbon-based material-resin composite, and is formed by a process such as bonding, coating, adsorption or impregnation of a resin to a sheet, film or plate of the carbon-based material, or It may be a sheet, a film, or a plate formed by using a combination of resin. For example, it may include composite fibers in which a carbon-based material and a resin are spun together.

상기 레진은, 열경화형 또는 광경화형 수지이며, 구체적으로, 상기 수지는, 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 에폭시 수지는, 비스페놀 A형계, 비스페놀-노볼락계, 다관능 노볼락계, 비스페놀 A 노볼락계, 비스페놀 F형계, 페놀 노볼락계, 나프탈렌계, 크레졸 노볼락계 및 불소계 에폭시 수지 등을 포함할 수 있다. 상기 레진은, 산화 에틸렌화합물(oxirane)을 더 포함할 수 있다. The resin is a thermosetting or photocurable resin, and specifically, the resin is a phenolic resin, an epoxy resin, a polyester resin, an amino resin, a urea resin, a melamine resin, It may include at least one selected from the group consisting of polyurethane resins and polyimide resins. For example, the epoxy resin is bisphenol A type, bisphenol-novolac type, polyfunctional novolac type, bisphenol A novolac type, bisphenol F type type, phenol novolac type, naphthalene type, cresol novolak type and fluorine type epoxy It may contain resin and the like. The resin may further contain an ethylene oxide compound (oxirane).

예를 들어, 상기 레진은, (클로로메틸)옥시란((chloromethyl)oxirane), (부톡시메틸)옥시란((Butoxymethyl)oxirane) 또는 이 둘을 갖는 4,4'-(1-메틸에틸리덴)비스페놀 고분자(4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer)를 포함할 수 있다.For example, the resin is (chloromethyl) oxirane ((chloromethyl) oxirane), (butoxymethyl) oxirane ((Butoxymethyl) oxirane) or 4,4'-(1-methylethylene) having both Den) bisphenol polymer (4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer) may be included.

상기 레진은, 탄소섬유 분리판(220) 중 0.1 중량% 이상; 1 중량% 이상; 20 중량 % 이상; 또는 10 내지 50 중량 %로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위 내에 포함되면 화학적, 기계적 요소를 조절하는데 유리할 수 있다.The resin, 0.1% by weight or more of the carbon fiber separating plate 220; At least 1% by weight; At least 20% by weight; Or it may be included in 10 to 50% by weight. If included within the above content range, it may be advantageous to control chemical and mechanical factors.

탄소섬유 분리판(220)은, 단일 또는 복합층일 수 있고, 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 두께를 가질 수 있다. 상기 두께 범위 내에 포함되면 화학적, 기계적 요소를 조절하는데 유리하다.The carbon fiber separating plate 220 may be a single layer or a composite layer, and may have a thickness of 100 μm to 300 μm. When included within the above thickness range, it is advantageous to control chemical and mechanical factors.

탄소섬유 분리판(220)은, 적어도 일면이 플라즈마 처리하여 바이폴라 판을 형성할 수 있다. 이러한 플라즈마 처리에 의해 적어도 일부분이 표면 처리 및/또는 플라즈마 에칭이 이루어져 두께, 무게, 전기전도도, 인장 강도 등을 조절할 수 있다. At least one surface of the carbon fiber separating plate 220 may be plasma-treated to form a bipolar plate. Surface treatment and/or plasma etching are performed on at least a portion of the plasma treatment to control thickness, weight, electrical conductivity, tensile strength, and the like.

예를 들어, 상기 플라즈마 처리는 가스 확산층(210)과 마주보는 면에 이루어질 수 있다. For example, the plasma treatment may be performed on a surface facing the gas diffusion layer 210.

상기 플라즈마 처리는, 100 W 내지 400 W의 플라즈마 출력 및 100 mTorr 내지 200 mTorr의 압력에서 10 분 이상; 30 분 내지 10 시간; 30 분 내지 5 시간; 또는 1 시간 내지 2 시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 플라즈마 처리에 의해서 탄소섬유 분리판(220)의 초경량화를 실현하고, 전기전도도 및 인장 강도 등과 같은 기계적 강도를 개선할 뿐만 아니라, 기체투과도를 낮출 수 있다. The plasma treatment may be performed at a plasma output of 100 W to 400 W and a pressure of 100 mTorr to 200 mTorr for 10 minutes or more; 30 minutes to 10 hours; From 30 minutes to 5 hours; Alternatively, it may be made for 1 hour to 2 hours. By the plasma treatment, it is possible to achieve ultra-lightweight carbon fiber separation plate 220, improve mechanical strength such as electrical conductivity and tensile strength, and lower gas permeability.

상기 플라즈마 처리는, 산소, 수소, 질소 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 가스의 플라즈마를 이용하고, 바람직하게 산소 플라즈일 수 있다. The plasma treatment may be performed using plasma of at least one gas selected from the group consisting of oxygen, hydrogen, nitrogen, and argon, and preferably oxygen plasma.

탄소섬유 분리판(220)은, 100 Mpa 이상; 200 Mpa 이상; 300 Mpa 이상; 400 Mpa 이상의 인장 강도 및 10-6 cm3 이하; 10-7 cm3 이하; 또는 10-8 cm3 이하의 기체 투과도를 나타낼 수 있다. Carbon fiber separation plate 220, 100 Mpa or more; More than 200 Mpa; More than 300 Mpa; Tensile strength of 400 Mpa or more and 10 -6 cm 3 or less; 10 -7 cm 3 or less; Alternatively, it may exhibit a gas permeability of 10 -8 cm 3 or less.

탄소섬유 분리판(220)은, 100 ㎛ 이상; 100 ㎛ 내지 500 ㎛; 또는 100 ㎛ 내지 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 탄소섬유 분리판(220)은, 가스 확산층(210)의 두께에 비하여 1 미만; 0.8 미만; 0.7 미만; 또는 0.4 미만의 두께비로 형성될 수 있다.Carbon fiber separation plate 220, 100 ㎛ or more; 100 μm to 500 μm; Alternatively, it may have a thickness of 100 μm to 300 μm. The carbon fiber separation plate 220 is less than 1 compared to the thickness of the gas diffusion layer 210; Less than 0.8; Less than 0.7; Or it may be formed with a thickness ratio of less than 0.4.

가스 확산층(210) 및 탄소섬유 분리판(220) 사이에 가스켓을 더 포함할 수 있다. 상기 가스켓은, 평판형 또는 적어도 일면에 복수개의 돌기를 포함하고, 가스 확산층(210) 및 탄소섬유 분리판(220)의 표면과 결합될 수 있다. 상기 가스켓은, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 다면, 본 발명의 기술 분야에서 적용되는 것을 적용할 수 있고, 예를 들어, 에폭시, 고무 및/또는 다른 재질을 포함하는 것일 수 있다. A gasket may be further included between the gas diffusion layer 210 and the carbon fiber separation plate 220. The gasket may have a flat plate shape or a plurality of protrusions on at least one surface, and may be coupled to the surface of the gas diffusion layer 210 and the carbon fiber separating plate 220. The gasket, as long as it does not depart from the object of the present invention, may be applied to that applied in the technical field of the present invention, and may include, for example, epoxy, rubber and/or other materials.

본 발명은, 본 발명에 의한 연료전지용 복합 부재를 포함하는 고분자 연료전지에 관한 것으로, 막전극 접합체(100), 막전극 접합체의 일면에 형성된 제1 연료전지용 복합 부재(200) 및 막전극 접합체의 타면에 형성된 제2 연료전이용 복합 부재(200')를 포함할 수 있다. 상기 연료전지는 고분자 연료전지이며, 본 발명에 의한 연료전지용 복합 부재를 포함하는 단위 전지(single cell)을 형성할 수 있다.The present invention relates to a polymer fuel cell comprising the composite member for a fuel cell according to the present invention, wherein the membrane electrode assembly 100, the first fuel cell composite member 200 formed on one surface of the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly A second fuel transfer composite member 200 ′ formed on the other surface may be included. The fuel cell is a polymer fuel cell, and a single cell including the composite member for a fuel cell according to the present invention may be formed.

막전극 접합체(100)는 본 발명의 기술 분야에서 적용되는 것이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 예를 들어, 고분자 전해질이 함유된 전해질막의 양면에 각각 양극(anode) 및 음극(cathode); 및 상기 연료극 및 공기극에 촉매 코팅막(catalyst coated membrane, CCM)이 형성될 수 있다. The membrane electrode assembly 100 may be applied without limitation as long as it is applied in the technical field of the present invention. For example, the membrane electrode assembly 100 may include an anode and a cathode, respectively, on both sides of an electrolyte membrane containing a polymer electrolyte; And a catalyst coating film (catalyst coated membrane, CCM) may be formed on the anode and the cathode.

상기 연료전지는, 막전극 접합체(100)의 제1 일면에 가스확산층(210, gas diffusion layer, GDL)), 제1 가스켓(230) 및 제1 탄소섬유 분리판(220)이 순서대로 배치된 제1 연료전지 복합 부재(200)와 막전극 접합체(100)의 타면에 제2 가스확산층(210'), 제2 가스켓(230') 및 제2 탄소섬유 분리판(220')이 순서대로 배치된 제2 연료전지 복합 부재(200')를 포함하는 단위 전지를 형성할 수 있다. In the fuel cell, a gas diffusion layer 210 (GDL), a first gasket 230, and a first carbon fiber separation plate 220 are sequentially disposed on a first surface of the membrane electrode assembly 100. A second gas diffusion layer 210 ′, a second gasket 230 ′, and a second carbon fiber separation plate 220 ′ are arranged in order on the other surface of the first fuel cell composite member 200 and the membrane electrode assembly 100 A unit cell including the second fuel cell composite member 200 ′ may be formed.

상기 연료전지는, 상기 단위 전지를 단일 또는 복수개 적층한 고분자 연료전지 스택을 포함하고, 상기 연료전지은, 연료전지 스택 및 스택 내부에 가스 공급 및 배출을 위해 유입부 및 유출부가 형성된 체결판(300, 300')을 포함한다. 예를 들어, 수소 유입구, 수소 유출구, 공기 유입구 및 공기 유출구일 수 있다The fuel cell includes a polymer fuel cell stack in which a single or a plurality of unit cells are stacked, and the fuel cell includes a fuel cell stack and a fastening plate 300 having an inlet and an outlet for supplying and discharging gas inside the stack. 300'). For example, it can be a hydrogen inlet, a hydrogen outlet, an air inlet and an air outlet.

체결판(300, 300')은 복수개의 단위 전지의 적층 시 세퍼레이터의 역할을 하며, 단위 전지 간에 전기적으로 연결되는는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할과 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.The fastening plates 300 and 300' act as a separator when stacking a plurality of unit cells, prevent electrical connection between the unit cells, and deliver the fuel and oxidizing agent supplied from the outside to the membrane electrode assembly. It acts as a conductor connecting the cathode electrode in series.

체결판(300, 300')은, 가스를 공급하기 위해 연결된 유입 라인 및 상기 스택 내부에 가스를 배출하기 위해 연결된 배출 라인이 삽입될 수 있다. In the fastening plates 300 and 300 ′, an inlet line connected to supply gas and an exhaust line connected to discharge gas into the stack may be inserted.

상기 유입 라인을 따라 유입하는 유입 가스 및 상기 배출 라인을 따라 유동하는 배출 가스를 열교환시키는 열교환기, 연료공급부 및 산화제공급부(도면에서 도시 하지 않음)를 더 포함할 수 있다.A heat exchanger, a fuel supply unit, and an oxidizing agent supply unit (not shown in the drawings) for heat exchange between the inlet gas flowing in the inlet line and the exhaust gas flowing in the outlet line may be further included.

상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스일 수 있다. 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다Gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel may be used as the fuel, and examples of the hydrocarbon fuel may be methanol, ethanol, propanol, butanol, or natural gas. The oxidizing agent supply unit serves to supply the oxidizing agent to the stack. Oxygen is typically used as the oxidizing agent, and oxygen or air can be injected through a pump to be used.

본 발명은, 본 발명에 의한 연료전지의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제조방법은, 도 4를 참조하여 설명하여, 도 4에서 상기 제조방법은, 가스 확산층을 준비하는 단계(410); 탄소섬유 분리판을 준비하는 단계(420); 막전극 접합체의 양면에 각각 상기 가스 확산층 및 탄소섬유 분리판 순서대로 위치시키는 단계(430); 를 포함할 수 있다. The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell according to the present invention. According to an embodiment of the present invention, the manufacturing method is described with reference to FIG. 4, and the manufacturing method in FIG. Preparing step 410; Preparing a carbon fiber separation plate (420); Placing the gas diffusion layer and the carbon fiber separator on both sides of the membrane electrode assembly in order (430); It may include.

가스 확산층을 준비하는 단계(410)는, 다공성 기체확산층을 준비하거나 또는 기체확산층의 상부면에 유로를 형성할 수 있다. In the step 410 of preparing the gas diffusion layer, a porous gas diffusion layer may be prepared or a flow path may be formed on an upper surface of the gas diffusion layer.

상기 다공성 기체확산층은 상기 언급한 바와 같고, 상기 다공성 기체확산층은 고분자 전해질 용액이 더 처리될 수 있다. 상기 유로는, 포토리소그래피; 나노임프린트; 전자빔리소그래피; 및 열 식각법, 화학적 식각법, 레이저 식각법 등 다양한 식각 기술;이 이용될 수 있고, 바람직하게는 레이저 식각법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 식각법은, 10 W 내지 50 W 레이저 출력 및 1 회 내지 100 회의 레이저 조사 수를 적용할 수 있다.The porous gas diffusion layer is as described above, and the porous gas diffusion layer may be further treated with a polymer electrolyte solution. The flow path may include photolithography; Nanoimprint; Electron beam lithography; And various etching techniques such as thermal etching, chemical etching, and laser etching, and preferably, laser etching. For example, in the laser etching method, 10 W to 50 W laser power and 1 to 100 laser irradiation times may be applied.

가스 확산층을 준비하는 단계(410)는, 유로 형성 이후 또는 이전에 기체확산층 또는 다공성 기체확산층에 전해질 용액을 기체확산층의 적어도 일면에 처리할 수 있다.In the step 410 of preparing the gas diffusion layer, the electrolyte solution may be treated on at least one surface of the gas diffusion layer in the gas diffusion layer or the porous gas diffusion layer after or before the formation of the flow path.

본 발명의 다른 예로, 도 7을 참조하면, 가스 확산층을 준비하는 단계(410)는, 기체확산층의 적어도 일면에 고분자 전해질 용액으로 처리하여 제1층을 준비하는 단계(411); 가스 확산층의 상부면에 유로를 형성하여 제2층을 준비하는 단계(412); 및 제1층과 제2층의 하부면을 접합하는 단계(413);를 포함할 수 있다.As another example of the present invention, referring to FIG. 7, the step 410 of preparing a gas diffusion layer may include preparing a first layer by treating at least one surface of the gas diffusion layer with a polymer electrolyte solution (411); Preparing a second layer by forming a flow path on the upper surface of the gas diffusion layer (412); And bonding the lower surfaces of the first layer and the second layer (413).

가스 확산층의 적어도 일면에 고분자 용액으로 처리하여 제1층을 준비하는 단계(411)는, 상기 고분자 용액는 상기 언급한 고분자 전해질 및 상기 고분자 전해질을 용해시키는 용매를 포함하고, 예를 들면, 물, 노말-헥산(n-hexane), 에탄올, 트리에틸아민, THF(tetrahydrofuran), DMSO(dimethyl sulfoxide), 에틸아세테이트, 이소프로필알코올, 아세톤, 아세토니트릴, 벤젠, 부틸알코올, 클로로포름, 디에틸에테르 등일 수 있다. 아세톤, 에틸아세테이트, 메탄올, 에탄올, 클로로포름, 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 디에틸에테르 등일 수 있다.In the step 411 of preparing a first layer by treating at least one surface of the gas diffusion layer with a polymer solution, the polymer solution includes the aforementioned polymer electrolyte and a solvent dissolving the polymer electrolyte, for example, water, normal -It may be hexane (n-hexane), ethanol, triethylamine, tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethyl acetate, isopropyl alcohol, acetone, acetonitrile, benzene, butyl alcohol, chloroform, diethyl ether, etc. . It may be acetone, ethyl acetate, methanol, ethanol, chloroform, dichloromethane, hexane, benzene, diethyl ether, and the like.

상기 고분자 전해질 용액은, 초음파 분사, 스핀 코팅, 딥 코팅, 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 프린트, 롤코팅, 드롭 캐스팅, 닥터블레이드 및 전기분무방사 등을 이용하여 제1 층에 처리될 수 있다. The polymer electrolyte solution may be treated on the first layer using ultrasonic spraying, spin coating, dip coating, spin coating, dip coating, spray coating, inkjet printing, roll coating, drop casting, doctor blade, and electrospray spinning. have.

가스 확산층의 상부면에 유로를 형성하여 제2층을 준비하는 단계(412)는, 포토리소그래피; 나노임프린트; 전자빔리소그래피; 및 열 식각법, 화학적 식각법, 레이저 식각법 등 다양한 식각 기술;이 이용될 수 있고, 바람직하게는 레이저 식각법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 식각법은, 10 W 내지 50 W 레이저 출력 및 1 회 내지 100 회의 레이저 조사 수를 적용할 수 있다. The step 412 of preparing the second layer by forming a flow path on the upper surface of the gas diffusion layer may include photolithography; Nanoimprint; Electron beam lithography; And various etching techniques such as thermal etching, chemical etching, and laser etching, and preferably, laser etching. For example, in the laser etching method, 10 W to 50 W laser power and 1 to 100 laser irradiation times may be applied.

제1층과 제2층의 하부면을 접합하는 단계(413)는, 고분자 전해질이 처리된 제1층의 상부면에 유로가 형성되지 않은 제2 층의 하부면을 위치시키고, 핫롤 라미네이트, 열압착(hot press) 또는 진공압착 방법을 이용하여 이들을 접합하는 단계이다. 예를 들어, 30 ℃ 이상; 50 ℃ 이상; 50 ℃ 내지 200 ℃; 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도 및 10 kgf/cm2 이상; 100 kgf/cm2 이상의 압력 및 30초 이상; 1분 이상; 5 분 이상; 또는 5분 내지 3시간 동안 접합할 수 있다. In step 413 of bonding the lower surface of the first layer and the second layer, the lower surface of the second layer in which no flow path is formed is placed on the upper surface of the first layer treated with the polymer electrolyte, and hot-roll lamination and heat treatment are performed. This is a step of bonding them using a hot press or vacuum compression method. For example, 30° C. or higher; 50° C. or higher; 50 ℃ to 200 ℃; A temperature of 50° C. to 150° C. and 10 kgf/cm 2 or more; A pressure of at least 100 kgf/cm 2 and at least 30 seconds; More than 1 minute; More than 5 minutes; Alternatively, it may be bonded for 5 minutes to 3 hours.

제1층과 제2층의 하부면을 접합하는 단계(413) 이후에 가스 확산층을 절단, 등을 이용하여 가공할 수 있다.After the step 413 of bonding the lower surfaces of the first layer and the second layer, the gas diffusion layer may be processed by cutting or the like.

탄소섬유 분리판을 준비하는 단계(420)는, 탄소섬유 분리판을 플라즈마 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 탄소섬유 분리판는 상기 언급한 탄소섬유 분리판에 적용되는 시트, 필름, 판 등을 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 처리는, 100 W 내지 400 W의 플라즈마 출력 및 100 mTorr 내지 200 mTorr의 압력에서 10 분 이상; 30 분 내지 10 시간; 30 분 내지 5 시간; 또는 1 시간 내지 2 시간 동안 이루어질 수 있다. The step 420 of preparing the carbon fiber separation plate may include plasma treatment of the carbon fiber separation plate. The carbon fiber separation plate may include a sheet, a film, a plate, etc. applied to the above-mentioned carbon fiber separation plate. The plasma treatment may be performed at a plasma output of 100 W to 400 W and a pressure of 100 mTorr to 200 mTorr for 10 minutes or more; 30 minutes to 10 hours; From 30 minutes to 5 hours; Alternatively, it may be made for 1 hour to 2 hours.

상기 플라즈마 처리에 의해서 탄소섬유 분리판(220)의 초경량화를 실현하고, 전기전도도 및 인장 강도 등과 같은 기계적 강도를 개선할 뿐만 아니라, 기체투과도를 낮출 수 있다.By the plasma treatment, it is possible to achieve ultra-lightweight carbon fiber separation plate 220, improve mechanical strength such as electrical conductivity and tensile strength, and lower gas permeability.

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are for illustrative purposes only, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

산소 플라즈마 처리된 탄소섬유 분리판Oxygen plasma treated carbon fiber separator

탄소섬유 분리판을 준비하고 도 6에 제시한 공정에 따라, 0 분, 30 분, 60 분 및 90 분으로 각각 산소 플라즈마(200 w 및 150 mTorr )처리하여 에칭하였다. 산소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 이미지 및 SEM 이미지를 측정하여 도 7에 나타내었다. 또한, 에칭 이후에 두께의 변화를 표 1에 나타내었다.A carbon fiber separator was prepared and etched by oxygen plasma (200 w and 150 mTorr) treatment for 0 minutes, 30 minutes, 60 minutes and 90 minutes, respectively, according to the process shown in FIG. 6. The oxygen plasma-treated carbon fiber images and SEM images were measured and shown in FIG. 7. In addition, the change in thickness after etching is shown in Table 1.

(1) 두께 변화(1) thickness change

처리전Before treatment 처리후After treatment 30 분30 minutes 268 ~ 300 um268 ~ 300 um 247 ~ 285 um247 ~ 285 um 60 분60 minutes 371 ~ 299 um371 ~ 299 um 231 ~ 262 um231 ~ 262 um 90 분90 minutes 258 ~ 300 um258 ~ 300 um 215 ~ 252 um215 ~ 252 um

표 1 및 도 7을 살펴보면, 산소 플라즈마 에칭 시간이 길수록 수지가 덜 보이고, 탄소천 부분이 더 선명하게 나타나고, 두께가 감소한 것을 확인할 수 있다.Looking at Tables 1 and 7, it can be seen that the longer the oxygen plasma etching time, the less the resin was seen, the carbon cloth portion appeared more clearly, and the thickness decreased.

(2) 기체 투과도(2) gas permeability

상기 90 분 플라즈마 처리된 탄소 섬유판의 기체 투과도를 측정하여 도 8에 나타내었다. 도 8을 살펴보면, 산소 프라즈마 에칭 시간이 길수록 기체투과도가 낮아지지만 이는 미국 DOE 2020 타겟인 2 x 10-6 cm3(cm2s)-1 보다는 1/100 수준으로 이는 상당히 낮은 수치이다. The gas permeability of the carbon fiber plate subjected to the plasma treatment for 90 minutes was measured and shown in FIG. 8. Referring to FIG. 8, the longer the oxygen plasma etching time, the lower the gas permeability, but this is 1/100 of the US DOE 2020 target of 2 x 10-6 cm 3 (cm2s) -1 , which is a considerably lower value.

(3) 인장 강도(3) tensile strength

상기 90 분 플라즈마 처리된 탄소 섬유판의 기체 투과도를 측정하여 도 9에 나타내었다. 도 9를 살펴보면, 산소 플라즈마 에칭 시간이 길수록 인장강도가 낮아지지만 90분 산소 플라즈마 처리 후 317 MPa의 매우 뛰어난 인장강도를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 기존의 탄소 분리판보다 월등히 높은 강도이다. The gas permeability of the carbon fiber plate subjected to the plasma treatment for 90 minutes was measured and shown in FIG. 9. Referring to FIG. 9, it can be seen that the tensile strength decreases as the oxygen plasma etching time increases, but shows a very excellent tensile strength of 317 MPa after 90 minutes oxygen plasma treatment. This is much higher strength than the existing carbon separator.

실시예 2Example 2

가스 확산층Gas diffusion layer

기체확산층 을 준비하고 레이저 식각으로 채널을 형성하여 Serpentine-GDL을 제조하였다. 레이저 출력 70 W-10 scan 및 30 W-100 scan에서 각각 식각하였으며, 그 결과는 도 10에 나타내었다.Serpentine-GDL was prepared by preparing a gas diffusion layer and forming a channel by laser etching. Etching was performed at a laser output of 70 W-10 scan and 30 W-100 scan, respectively, and the results are shown in FIG.

도 10을 살펴보면, 70 W-10 scan에서 채널 폭 417 um ~ 450 um이고, 30 W-100 scan에서 채널 폭 1.18 mm ~ 1.26 mm이고 이는 레이저 출력의 공정 조건을 조절하여 채널 폭의 조절이 가능하고, 기존 분리판에 새겨진 유로 수준의 유로를 가스 확산층에 가공할 수 있음을 보여준다. Referring to FIG. 10, the channel width is 417 um ~ 450 um in 70 W-10 scan, and the channel width is 1.18 mm ~ 1.26 mm in 30 W-100 scan. , It shows that the flow path level engraved on the existing separation plate can be processed in the gas diffusion layer.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings as described above, various modifications and variations can be made from the above description to those of ordinary skill in the art. For example, even if the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or the described components are combined or combined in a form different from the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and those equivalent to the claims also fall within the scope of the claims to be described later.

Claims (19)

연료전지의 막전극 접합체의 적어도 일면에 위치하는 연료전지용 복합 부재에 있어서,
상기 연료전지용 복합 부재는,
민판형 탄소섬유리판; 및 가스 확산층;을 포함하고,
상기 가스 확산층은, 상기 탄소섬유 분리판과 마주보는 면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층을 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
In the fuel cell composite member positioned on at least one surface of a membrane electrode assembly of a fuel cell,
The fuel cell composite member,
Civil plate type carbon fiber plate; And a gas diffusion layer; and
The gas diffusion layer includes a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer having a flow path formed on a surface facing the carbon fiber separation plate,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 분리판은 200 ㎛ 내지 400 ㎛ 두께를 갖고,
상기 탄소섬유 분리판은 탄소계 물질-레진 복합체인 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The carbon fiber separating plate has a thickness of 200 μm to 400 μm,
The carbon fiber separator is a carbon-based material-resin composite,
Composite material for fuel cells.
 제2항에 있어서,
상기 탄소섬유 물질-레진 복합체 중 0.1 중량% 이상의 수지를 포함하고,
상기 수지는, (클로로메틸)옥시란((chloromethyl)oxirane), (부톡시메틸)옥시란((Butoxymethyl)oxirane) 또는 이 둘을 갖는 4,4'-(1-메틸에틸리덴)비스페놀 고분자(4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer)를 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 2,
Including 0.1% by weight or more of resin in the carbon fiber material-resin composite,
The resin is (chloromethyl) oxirane ((chloromethyl) oxirane), (butoxymethyl) oxirane ((Butoxymethyl) oxirane) or a 4,4'-(1-methylethylidene) bisphenol polymer having both (4,4'-(1-methylethylidene)bisphenol polymer),
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 분리판은, 탄소섬유, 카본 펠트, 카본천 및 카본 페이퍼로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The carbon fiber separating plate includes at least one selected from the group consisting of carbon fiber, carbon felt, carbon cloth, and carbon paper,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 분리판은, 플라즈마 처리된 것이며,
상기 플라즈마 처리는, 100 W 내지 400 W의 플라즈마 출력 및 100 mTorr 내지 200 mTorr의 압력에서 10 분 이상 동안 이루어진 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The carbon fiber separating plate is plasma-treated,
The plasma treatment is performed for 10 minutes or more at a plasma output of 100 W to 400 W and a pressure of 100 mTorr to 200 mTorr,
Composite material for fuel cells.
 제5항에 있어서,
상기 플라즈마 처리는, 산소, 수소, 질소 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 가스를 이용하여 분리판의 적어도 일부분을 에칭하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 5,
In the plasma treatment, at least a portion of the separation plate is etched using at least one gas selected from the group consisting of oxygen, hydrogen, nitrogen, and argon.
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 유로가 형성된 기체확산층은, 탄소섬유, 탄소 종이, 탄소 천, 탄소 펠트, 다공성 금속 박판 및 다공성 금속 매트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer in which the flow path is formed includes at least one selected from the group consisting of carbon fiber, carbon paper, carbon cloth, carbon felt, porous metal thin plate, and porous metal mat,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 다공성 기체확산층은, 다공성 금속 박판, 다공성 금속 매트 또는 이 둘을 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The porous gas diffusion layer includes a porous metal thin plate, a porous metal mat, or both,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 가스 확산층은, 단일 또는 복수층이고,
상기 복수층은, 제1층 및 상기 제1층 상에 위치되고 상부면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층인 제2층을 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer is a single layer or a plurality of layers,
The plurality of layers includes a first layer and a second layer that is a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer positioned on the first layer and having a flow path formed on an upper surface thereof,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 제1층은 적어도 일면이 고분자 전해질 용액으로 표면 처리되고, 상기 제2층은 상기 표면 처리된 면에 위치된 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
At least one surface of the first layer is surface-treated with a polymer electrolyte solution, and the second layer is located on the surface-treated surface,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 가스 확산층은, 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 두께를 갖고,
상기 유로는 미세 유체 채널이고,
상기 채널은, 100 ㎛ 내지 500 ㎛의 폭 및 깊이, 각각을 갖는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer has a thickness of 100 μm to 500 μm,
The flow path is a microfluidic channel,
The channel, having a width and depth of 100 μm to 500 μm, each,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 유로는, 패러렐(parallel)-핀(pin), 서펜틴(serpentine), 단일서펜틴(single-serpentine), 다중서펜틴(multi-serpentine), 세미서펜틴(semi-serpentine) 및 지그재그(zigzag), 맞물림형(interdigitated)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 패턴을 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
The flow path is parallel (pin), serpentine (serpentine), single serpentine (single-serpentine), multi-serpentine (multi-serpentine), semi-serpentine (semi-serpentine) and zigzag (zigzag) ), interdigitated (interdigitated) to include at least one pattern selected from the group consisting of,
Composite material for fuel cells.
 제1항에 있어서,
상기 분리판 및 가스 확산층 사이에 형성된 가스켓을 더 포함하는 것인,
연료전지용 복합 부재.
The method of claim 1,
It further comprises a gasket formed between the separation plate and the gas diffusion layer,
Composite material for fuel cells.
 막전극 접합체;
상기 막전극 접합체의 일면에 형성된 제1 연료전지용 복합 부재; 및
상기 막전극 접합체의 타면에 형성된 제2 연료전지용 복합 부재;
를 포함하는,
고분자 연료전지.
Membrane electrode assembly;
A first fuel cell composite member formed on one surface of the membrane electrode assembly; And
A second fuel cell composite member formed on the other surface of the membrane electrode assembly;
Containing,
Polymer fuel cell.
 제14항의 고분자 연료전지단위 전지로 단일 또는 복수개 적층된,
고분자 연료전지 스택.
A single or multiple stacked polymer fuel cell unit cells according to claim 14,
Polymer fuel cell stack.
 탄소섬유 분리판을 준비하는 단계;
가스 확산층을 준비하는 단계;
막전극 접합체의 양면에 각각 상기 가스 확산층 및 탄소섬유 분리판 순서대로 위치시키는 단계;
를 포함하고,
상기 탄소섬유 분리판은, 민판형이고,
상기 가스 확산층은, 상기 탄소섬유 분리판과 마주보는 면에 유로가 형성된 기체확산층 또는 다공성 기체확산층인 것인,
연료전지의 제조방법.
Preparing a carbon fiber separating plate;
Preparing a gas diffusion layer;
Placing the gas diffusion layer and the carbon fiber separator on both surfaces of the membrane electrode assembly in order;
Including,
The carbon fiber separating plate is a private plate type,
The gas diffusion layer is a gas diffusion layer or a porous gas diffusion layer having a flow path formed on a surface facing the carbon fiber separation plate,
Fuel cell manufacturing method.
 제16항에 있어서,
상기 가스 확산층을 준비하는 단계는, 기체확산층의 적어도 일면에 고분자 전해질 용액으로 처리하여 제1층을 준비하는 단계; 기체확산층의 상부면에 유로를 형성하여 제2층을 준비하는 단계; 및 상기 제1층과 제2층의 하부면을 접합하는 단계; 를 포함하는, 연료전지의 제조방법.
The method of claim 16,
Preparing the gas diffusion layer may include preparing a first layer by treating at least one surface of the gas diffusion layer with a polymer electrolyte solution; Preparing a second layer by forming a flow path on the upper surface of the gas diffusion layer; And bonding the lower surfaces of the first layer and the second layer. Containing, a method of manufacturing a fuel cell.
 제16항에 있어서,
상기 가스 확산층을 준비하는 단계는, 다공성 기체확산층을 준비하는 것인,
연료전지의 제조방법.
The method of claim 16,
Preparing the gas diffusion layer is to prepare a porous gas diffusion layer,
Fuel cell manufacturing method.
 제17항에 있어서,
상기 탄소섬유 분리판을 준비하는 단계는,
탄소섬유 분리판을 플라즈마 처리하는 단계;를 포함하는 것인,
연료전지의 제조방법.
The method of claim 17,
Preparing the carbon fiber separation plate,
Including; plasma treatment of the carbon fiber separating plate
Fuel cell manufacturing method.
KR1020190133930A 2019-10-25 2019-10-25 Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack KR20210049524A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190133930A KR20210049524A (en) 2019-10-25 2019-10-25 Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190133930A KR20210049524A (en) 2019-10-25 2019-10-25 Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210049524A true KR20210049524A (en) 2021-05-06

Family

ID=75916027

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190133930A KR20210049524A (en) 2019-10-25 2019-10-25 Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210049524A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114824312A (en) * 2022-04-14 2022-07-29 广东氢发新材料科技有限公司 Gas diffusion layer with flow channel and preparation method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114824312A (en) * 2022-04-14 2022-07-29 广东氢发新材料科技有限公司 Gas diffusion layer with flow channel and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4291575B2 (en) Flow field plate geometry
EP1732155B1 (en) Composite electrolytic membrane, catalytic layer membrane assembly, membrane electrode assembly and polymer electroytic fuel cell
JP4565644B2 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly, fuel cell system, and method for manufacturing membrane-electrode assembly
WO2009139329A1 (en) Fuel cell and fuel cell stack
US8323848B2 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, preparation method, and fuel cell comprising the same
CN106716695B (en) Gas diffusion layer for fuel cell, and method for producing gas diffusion layer for fuel cell
KR101178644B1 (en) Ion conductive hybrid membrane, membrane-electrode assembly and fuel cell
US20170162878A1 (en) Gas diffusion layer for fuel cell, fuel cell, and formation method for gas diffusion layer for fuel cell
CN103053057A (en) Fuel cell
JP5915283B2 (en) Gas diffusion layer and fuel cell using the same
US8192895B2 (en) Membrane-membrane reinforcing member assembly, membrane-catalyst layer assembly, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
KR100599716B1 (en) Fuel cell and method for preparating the same
US20110229785A1 (en) Fuel cell stack and fuel cell system having the same
JP2010170892A (en) Fuel cell
US20110207016A1 (en) Direct oxidation fuel cell
KR100805989B1 (en) Separator for fuel cell and stack for fuel cell comprising the same
KR20210049524A (en) Member for fuel cell, preparation method thereof, single cell, fuel cell and stack
JP2022524807A (en) Gas diffusion layer for fuel cells and fuel cells
US7060383B2 (en) Fuel cell
JP2007250468A (en) Electrolyte film
JP2009037919A (en) Fuel cell and its manufacturing method, and fuel-cell stack
KR100612233B1 (en) A membrane electrode assembly for fuel cell, a method for preparing the same and a fuel cell comprising the same
JP5413056B2 (en) COOLING LAYER FOR FUEL CELL, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND FUEL CELL USING THE SAME
JP2005222720A (en) Fuel cell
JP2013008687A (en) Fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X601 Decision of rejection after re-examination