KR101040428B1

KR101040428B1 - 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 이중 구조를 갖는 기체확산층 탄소기재와 그 제조방법

Info

Publication number: KR101040428B1
Application number: KR1020090050978A
Authority: KR
Inventors: 이창우; 이은숙; 양경훈; 정지영; 김도훈; 진용원
Original assignee: 주식회사 협진아이엔씨
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: KR20100132250A

Abstract

본 발명은 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재와 그 제조방법에 관한 것으로, 연료전지의 발전과정에 있어서 물의 발수가 원활하게 이루어지도록 한 것이다.

즉, 본 발명은 일정 길이로 절단된 탄소섬유가 수지탄화물과 탄소필러에 의하여 결속되어서 세공을 형성한 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 있어서;

세공 분포 곡선에 있어서 세공 분포가 적어도 2개 이상을 가지며, 탄소기 재의 두께 방향으로 다른 세공 분포를 갖는 것을 특징으로 한다. 탄소기재의 세공 분포는 2∼20㎛ 미세 세공 영역, 15∼50㎛의 중간 세공 영역, 및 40∼80㎛의 큰 세공 영역을 가지며, 탄소기재의 한 면에서 다른 면으로 각각 다른 세공 분포 영역을 가지며, 큰 영역에서 점차 작은 영역으로 분포하는 구조를 가진다.

이를 위해 탄소기재의 한쪽 면은 5∼10㎛의 직경을 가지며 3∼60mm의 길이로 절단된 탄소섬유를 탄소필러와 수지탄화물에 의하여 결속되게 하고, 상기 탄소 필러는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며;

수지탄화물은 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성하여 탄소섬유 안에 함침하여 탄소기재를 만들고 이 탄소기재 한 면에 3∼10㎛의 직경을 가지며 0.05∼1mm의 길이로 절단된 milled 탄소섬유가 탄소 필러와 수지탄화물에 의하여 결속되어 있고, 탄소필러는 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50 ∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성한 슬러리를 형성하여 이중 구조를 가지도록 한다.

따라서, 본 발명은 탄소기재의 두께방향으로 다른 세공구조를 형성함으로써 연료전지의 발전과정에 발생하여 세공에 유입된 물이 모세관현상에 의해 응집력이 약화되어 원활하게 발수가 이루어지도록 한 것이다.

고분자형 연료전지 막 전극 접합체, 기체확산층, 탄소기재

Description

고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 이중 구조를 갖는 기체확산층 탄소기재와 그 제조방법{Dual structure gas diffusion layer carbon substrate of Polymer Electrolyte Membrane type fuel cell membrane electrode assembly and its manufacturing method}

본 발명은 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체확산층 탄소기재에 있어서, 탄소 기재에 다른 세공 영역을 갖는 구조를 도입하여 세공 크기가 점차 좁아지는 구조를 갖도록 하여, 점차 탄소기재 안에 유입된 물의 응집력을 약화시켜 물의 발수가 원활하게 이루어지도록 함을 목적으로 한 것이다.

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질형(Polymer Electrolyte Membrane(PEM)), 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형(solid oxide), 알카리수용액형 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.

여기서, 고분자전해질을 막으로 쓰는 고분자형 연료전지("PEMFC"라 약칭함) 는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.

상기 고분자형 연료전지는 메탄올 용액과 공기를 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지와 수소와 공기를 연료로 각각 쓰는 수소연료전지로 나눌 수 있으며, 그 구조는 고분자막의 양측에 각기 기체확산층에 촉매가 도포된 연료극과 공기극인 기체확산전극이 접합되고, 상기 기체확산전극의 테두리에 가스의 유출을 억제하는 가스켓이 접합된 막전극접합체(Membrane electrode assembly, MEA)로 구성되어 있는 것이다.

여기서, 상기 기체확산층(Gas diffusion layer, GDL)은 다공질탄소막으로 이루어진 탄소기재에 미세다공층(Microporous layer, MPL)을 코팅형성한 것이다.

상기 기체확산층을 구성하는 탄소기재는 탄소 섬유지(紙)를 초조(抄造)하는 초지 공정, 탄소 섬유지에 열경화성 수지와 탄소필러를 함침하는 수지 함침 공정, 수지가 함침된 탄소 섬유시트를 경화 및 압축 성형하는 경화/압축공정, 및 압축 성형된 수지 함침 탄소 섬유지를 포함하는 탄소 섬유 시트를 소성하는 탄화공정을 거쳐 제조되는 것이다.

상기 제조과정을 통하여 제조된 탄소기재는 3∼60mm의 길이로 절단되며 그 직경이 5∼10㎛인 탄소섬유가 탄소필러와 수지탄화물에 의하여 결속되어서 탄소기재의 세공 분포는 2∼20㎛ 미세 세공 영역, 15∼50㎛의 중간 세공 영역, 및 40∼80㎛의 큰 세공 영역을 가진다.

이상과 같이 구성된 탄소기재는 탄소섬유의 결합에 의하여 형성된 세공을 통 하여 가스가 유입되고 물이 배출되는 것이다.

그러나, 종래의 탄소기재는 세공이 동일 직경을 유지한 관상으로 형성되어 있어서 발전과정에 발생한 물의 발수에 있어서 세공에 물이 완전히 차지 않는 초기에는 가스공급이 원활하게 이루어져 발전이 잘 이루어지나 물이 세공에 가득 차게 되면 물분자간의 응집력에 의하여 서로 결합되어서 세공에 채워진 상태로 유지하고 외부로의 발수가 원활하지 않아 발전이 저하되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 종래 고분자형 연료전지 막전극접합체의 기체확산층 탄소기재가 세공이 동일 직경의 관상으로 이루어져 있어 물분자간의 응집력에 유지되어 발수가 원활하지 않은 문제점을 해결할 수 있도록 한 것이다.

즉, 본 발명은 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 있어서, 세공 분포 영역이 다른 두 가지의 구조를 도입하여 한쪽 면에서 두께가 증가함에 따라 점차 세공크기가 다르도록 하여 발수되는 물의 응집력을 약화시켜 발수를 유도하는 미세 세공영역을 형성한 것이다.

본 발명은 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서, 탄소기재의 한쪽 면은 5∼10㎛의 직경을 가지며 3∼60mm의 길이로 절단된 탄소섬유를 탄소필러와 수지탄화물에 의하여 결속되게 하고, 상기 탄소 필러 는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성하여 탄소섬유 안에 함침하여 탄소기재를 만들고 이 탄소기재 한 면에 3∼10㎛의 직경을 가지며 0.05∼1mm의 길이로 절단된 milled 탄소섬유가 탄소 필러와 수지탄화물에 의하여 결속되어 있고, 탄소필러는 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성한 슬러리를 형성하여 이중 구조를 가지고 있는 탄소기재시트를 형성하고, 경화/압축공정과 탄화공정을 거쳐 제조하는 것이다.

따라서, 본 발명은 탄소기재에 형성된 세공에 다른 세공분포영역을 갖는 이중구조를 형성함으로써 연료전지 발전과정에서 발생하여 세공에 유입된 물이 병목구조를 갖는 미세 세공영역에 의하여 응집력이 약화되어 원활하게 발수가 이루어지게 하여 연료전지의 성능을 증가시키는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 일정 길이로 절단된 탄소섬유(211)가 수지탄화물에 의하여 결속되어서 세공을 형성한 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 있어서, 탄소기재의 세공 분포 곡선에 있어서 세공 분포가 적어도 2개 이상을 가지게 형성하여 병목구조를 가지게 큰 세공영역(12)을 갖는 주 세공영역층(110)과 미세 세공영역(11)을 갖는 미세 세공영역층(120)을 형성한 것이다.

여기서, 상기 탄소기재의 세공 분포는 탄소기재의 두께 방향으로 다른 세공 분포를 갖게 형성하고, 세공 분포는 2∼20㎛ 미세 세공 영역(11), 15∼50㎛의 중간 세공 영역(12), 및 40∼80㎛의 큰 세공 영역을 가지며, 탄소기재의 주 세공영역층 (110)에서 미세 세공영역층(120)으로 각각 다른 세공 분포 영역을 가지며, 큰 영역에서 점차 작은 영역으로 분포하는 구조를 가진다.

상기 탄소기재의 주 세공영역층(110)은 5∼10㎛의 직경을 가지며 3∼60mm 의 길이로 절단된 탄소섬유를 탄소필러와 수지탄화물에 의하여 결속되게 하고, 상기 탄소 필러는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성하여 탄소섬유 안에 함침하여 형성한 것이다.

상기 탄소기재의 미세 세공영역층(11)은 탄소기재의 주 세공영역층(110)의 한 면에 3∼10㎛의 직경을 가지며 0.05∼1mm의 길이로 절단된 milled 탄소섬유가 탄소 필러와 수지탄화물에 의하여 결속되어 있고, 탄소필러는 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성한 슬러리를 도포하여 형성한 것이다.

상기 세공 분포를 다르게 하기 위하여 도입된 미세 세공영역층(120)의 두께는 10∼150㎛의 범위를 가지며, 바람직하게는 20∼80㎛의 범위를 가지고, 더 바람직하게는 20∼50㎛의 범위를 갖으며, 2∼20㎛ 범위의 미세 세공영역(11)를 갖게 실시함이 바람직한 것이다.

상기 미세 세공영역층(120)은

3∼10㎛의 직경을 가지며 0.05∼1mm의 길이로 절단된 milled 탄소섬유와 탄소섬유분말 및 열경화성 수지를 용매에 분산시켜서 슬러리를 제조하고 이미 형성된 탄소 섬유 위에 knife, comma, spray, die, roll coating 중에서 어느 한가지의 방법으로 도포하고 건조하여 형성한다.

Milled 탄소섬유는 PAN계, Pitch계 혹은 레이온계 중에서 어느 것도 무방하며 전기전도성이 높고 표면적이 낮은 재료가 적당하며, 0.05∼1mm의 길이가 되도록 자른다. 0.05mm 이하가 되면 탄소섬유를 결속해야 하는 수지 함량의 증가로 인해 전기전도성이 낮아지고 탄소기재의 기체투과도가 감소하고 1㎛ 이하의 매우 작은 세공 영역이 분포하는 단점이 있다. Milled 탄소 섬유의 길이가 1mm 이상인 경우는 주 탄소섬유와의 길이 차이가 크지 않아서 원하는 미세 세공영역을 만들기 어려운 단점이 있다.

열경화성 수지는 탄화시에 높은 탄화율을 갖고 기계적 강도가 높은 재료를 선정하는 것이 바람직하며, 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 여러 가지 관능기를 갖는 종류가 적당하며, 경화 온도는 130~250℃범위에서 이루어지는 재료를 선택한다.

탄소필러는 전기전도성을 증가시키고 탄소기재의 기계적 형태를 증가시킬 수 있는 7㎛ 이하의 탄소 재료가 적당하다. 천연흑연, 인조 흑연, 활성탄, mesophase carbon micro bead(MCMB)로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 선택해도 무방하다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명은 15∼50㎛의 중간 세공 영역(12), 및 40∼80㎛의 큰 세공 영역을 가지도록 5∼10㎛ 직경을 갖는 탄소섬유를 3∼60mm로 미세하게 절단하여 탄소섬유웹(Carbon web)을 제조하는 초지공정(510)과, 상기 초지공정(510)을 통하여 제조된 탄소섬유웹에 탄소필러와 페놀수지를 함침한 후 건조하여 탄소섬유시트(110)를 제조하는 수지 함침공정(520)과, 탄소섬유시트(110)를 일정두께로 압축하며 가열 경화하는 경화/압축공정(530)과, 경화/압축공정(530)을 통하여 일정두께로 제조된 탄소섬유시트(110)를 소성가공하는 탄화공정(540)으로 이루어진 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서; 상기 수지 함침공정(520)을 통하여 제조된 탄소섬유시트(110) 위에 milled 탄소섬유에 탄소 필러와 수지탄화물를 배합 형성한 슬러리를 도포하여 2∼20㎛의 미세 세공으로 이루어진 미세 세공영역(11)을 형성하는 미세 세공영역층(120) 형성공정을 통하여 제조하는 것이다.

여기서, 상기 미세 세공영역층 형성공정(600)은 3∼10㎛의 직경을 가지며 0.05∼1mm의 길이로 절단된 milled 탄소섬유가 탄소 필러와 수지탄화물에 의하여 결속되어 있고, 탄소필러는 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성한 탄소섬유슬러리(220)를 도포하여 이루어지는 것이다.

상기 미세 세공영역층 형성공정(600)을 통한 미세 세공영역층(11)의 두께는 10∼150㎛의 범위를 가지며, 바람직하게는 20∼80㎛의 범위를 가지고, 더 바람직하게는 20∼50㎛의 범위를 갖게 함이 바람직한 것으로서, 연속하여 공급되는 탄소섬유시트(210)에 도포된 탄소섬유 슬러리(220)를 롤러(700)에 의하여 롤링하여 그 두께를 조절하여 제조하는 것이다.

도 1 은 종래 제조공정 예시도.

도 2 는 본 발명에 따른 제조공정 예시도.

도 3 은 본 발명에 따른 제조공정 상세 예시도.

도 4 는 본 발명의 일 실시에 따른 확대 상세도.

도 5 는 본 발명에 따른 세공영역 분포도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 미세 세공영역

12 : 중간 세공영역

13 : 큰 세공영역

110 : 주 세공영역층

120 : 미세 세공영역층

210 : 탄소섬유시트 220 : 탄소섬유슬러리

510 : 초지공정 520 : 함침공정

530 : 경화/압축공정 540 : 탄화공정

600 : 미세 세공영역층형성공정 700 : 롤러

Claims

일정 길이로 절단된 탄소섬유가 수지탄화물과 탄소필러에 의하여 결속되어서 세공을 형성한 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 있어서;

세공 분포 곡선에 있어서 세공 분포가 적어도 2개 이상을 가지며, 탄소기 재의 두께 방향으로 다른 세공 분포를 가지며,

다른 세공 분포를 갖기 위해 탄소기재의 한쪽 면은 5∼10㎛의 직경을 가지며 3∼60mm의 길이로 절단된 탄소섬유를 탄소필러와 수지탄화물에 의하여 결속되게 하고, 상기 탄소필러는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자형 연료 전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재.
일정 길이로 절단된 탄소섬유가 수지탄화물과 탄소필러에 의하여 결속되어서 세공을 형성한 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 있어서;

세공 분포 곡선에 있어서 세공 분포가 적어도 2개 이상을 가지며, 탄소기 재의 두께 방향으로 다른 세공 분포를 가지며,

다른 세공 분포를 갖기 위해 탄소기재의 한쪽 면은 5∼10㎛의 직경을 가지며 3∼60mm의 길이로 절단된 탄소섬유를 탄소필러와 수지탄화물에 의하여 결속되게 하고, 상기 탄소필러는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자형 연료 전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재.
일정 길이로 절단된 탄소섬유가 수지탄화물과 탄소필러에 의하여 결속되어서 세공을 형성한 고분자형 연료전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재에 있어서;

세공 분포 곡선에 있어서 세공 분포가 적어도 2개 이상을 가지며, 탄소기 재의 두께 방향으로 다른 세공 분포를 가지며,

다른 세공 분포를 갖기 위해 탄소기재 다른 면에 3∼10㎛의 직경을 가지며 0.05∼1mm의 길이로 절단된 milled 탄소섬유가 탄소 필러와 수지탄화물에 의하여 결속되어 있고, 탄소필러는 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼150중량부로 배합 형성하며; 수지탄화물은 milled 탄소섬유 100 중량부에 대하여 50∼120중량부로 배합 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자형 연료 전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재.
제 3 항에 있어서;

상기 세공 분포를 다르게 하기 위하여 도입된 탄소기재의 일면의 두께는 10∼150㎛의 범위를 가진 것과, 20∼80㎛의 범위를 가진 것과, 20∼50㎛의 범위를 가진 것 중 어느 하나를 선택 형성하며, 2∼20㎛ 범위의 미세 세공분포를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자형 연료 전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재.
5∼10㎛의 직경을 가지며 3∼60mm의 길이로 절단된 탄소섬유를 이용하여 web을 제조하는 초지공정과, 상기 탄소섬유 web에 탄소필러와 페놀수지를 함침한 후 건조하여 탄소섬유시트를 제조하는 수지 함침공정과, 탄소섬유시트를 일정두께로 압축하면서 경화시키는 경화/압축공정과, 경화/압축공정을 통하여 일정두께로 제조된 탄소섬유시트를 소성가공하는 탄화 공정으로 이루어진 고분자형 연료 전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재 제조방법에 있어서;

상기 수지 함침공정 후에 얻어지는 탄소섬유 시트 위에 milled 탄소섬유와 탄소필러 및 페놀수지로 구성된 슬러리를 도포하여 건조하는 이중 구조의 탄소섬유 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자형 연료 전지 막 전극 접합체의 기체확산층 탄소기재의 제조방법.
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