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KR101468866B1 - Method for preparing carbon paper for fuel cell, the carbon paper prepared using the method and fuel cell comprising the carbon paper - Google Patents

Method for preparing carbon paper for fuel cell, the carbon paper prepared using the method and fuel cell comprising the carbon paper Download PDF

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KR101468866B1
KR101468866B1 KR1020120077542A KR20120077542A KR101468866B1 KR 101468866 B1 KR101468866 B1 KR 101468866B1 KR 1020120077542 A KR1020120077542 A KR 1020120077542A KR 20120077542 A KR20120077542 A KR 20120077542A KR 101468866 B1 KR101468866 B1 KR 101468866B1
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carbon paper
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Abstract

본 발명은 연료전지용 탄소종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 발명이다. 본 발명에 따른 제조방법에 따라 연료전지용 탄소종이를 제조하게 되면 전기적 저항이 낮아 전기전도성이 우수하며, 또한 기체확산 능력이 우수한 효과가 있는 탄소종이의 제공이 가능하다. 이를 통하여 결과적으로 본 발명에 따른 탄소종이를 포함하여 연료전지를 제조하게 되면 연료전지의 성능을 좌우하는 요인 중 하나인 수분배출 능력이 우수한 연료전지의 제공이 가능하다.The present invention relates to a method for producing carbon paper for fuel cells, carbon paper produced thereby, and a fuel cell comprising the same. According to the production method of the present invention, it is possible to provide a carbon paper having low electrical resistance and excellent electrical conductivity and excellent gas diffusion ability when the carbon paper for a fuel cell is manufactured. As a result, the fuel cell including the carbon paper according to the present invention can provide a fuel cell having excellent water discharge capability, which is one of the factors that determine the performance of the fuel cell.

Description

연료전지용 탄소종이 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지{Method for preparing carbon paper for fuel cell, the carbon paper prepared using the method and fuel cell comprising the carbon paper}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon paper for a fuel cell, a carbon paper produced thereby, and a fuel cell including the carbon paper,

본 발명은 연료전지용 탄소종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기적 저항이 낮아 전기전도성이 우수하며, 기체 투과성이 우수한 탄소종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing carbon paper for fuel cells, a carbon paper produced thereby, and a fuel cell including the carbon paper. More particularly, the present invention relates to a method for producing carbon paper having excellent electrical conductivity and excellent gas permeability , A carbon paper produced thereby, and a fuel cell including the carbon paper.

연료전지는 전기가 발생하는 발전부, 개질기, 연료탱크 및 연료펌프 등으로 구성된다. 발전부는 연료전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기를 통하여 수소 가스가 발생하고 펌프에 의해 발전부로 연료가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 상기 발전부는애노드, 캐소드 및 고분자 전해질 막으로 이루어진 막전극 접합체 (membrane electrode assembly, MEA)로 구성될 수 있다.A fuel cell is composed of a power generation unit, a reformer, a fuel tank, and a fuel pump, in which electricity is generated. The power generation portion forms the main body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. Hydrogen gas is generated through the reformer and fuel is supplied to the power generation unit by the pump to generate electric energy by electrochemical reaction. The power generation unit may include a membrane electrode assembly (MEA) composed of an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane.

상기 애노드 및 캐소드는 각각 연료전지용 전극과 촉매층을 포함한다. 상기 애노드 또는 캐소드 각각에서 연료 또는 산소가 연료전지용 전극을 통하여 촉매층에 이동하면 촉매층에서 촉매 반응이 일어나며, 이러한 촉매 반응의 결과물이 서로 반응하여 전기와 물이 생성된다. 예를 들어, 직접 메탄올 연료전지에서는 애노드에 메탄올이 공급되며, 상기 공급된 메탄올이 촉매층의 산화반응에 의해 수소이온, 전자 및 이산화탄소로 분해되고, 수소이온은 고분자 전해질 막을 통하여 캐소드로 이동하며 전자는 외부회로를 통해 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 공기 중에서 유입된 산소, 외부 회로를 통해 이동된 전자, 및 막을 통해 이동한 수소이온이 촉매층에서 반응하여 물이 생성된다.The anode and the cathode each include an electrode for a fuel cell and a catalyst layer. When the fuel or oxygen in each of the anode or the cathode moves to the catalyst layer through the electrode for the fuel cell, a catalytic reaction occurs in the catalyst layer, and the resultant products of the catalytic reaction react with each other to generate electricity and water. For example, in a direct methanol fuel cell, methanol is supplied to the anode, and the supplied methanol is decomposed into hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide by the oxidation reaction of the catalyst layer, and hydrogen ions move to the cathode through the polymer electrolyte membrane, And moves to the cathode through an external circuit. In the cathode, oxygen introduced in the air, electrons moved through the external circuit, and hydrogen ions moved through the membrane react in the catalyst layer to produce water.

한편, 이러한 연료전지의 성능은 전극반응의 효율성에 따라 결정되며, 상기 전극반응의 효율성은 연료와 산화제의 물질전달 능력 및 전극반응으로 생성된 물의 배출능력에 따라 결정된다. 자동차와 같이 높은 전류밀도가 요구되는 분야에서는 전류밀도가 높은 영역에서 연료전지가 작동하므로, 단위 면적당 발생하는 물의 양도 증가한다. 따라서, 이러한 조건에서는 많은 양의 연료 및 산화제가 지속적으로 공급되고, 많은 양의 물을 지속적으로 배출하는 것이 중요한데, 상기 생성되는 물의 배출능력은 연료전지용 가스확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)의 소수성에 크게 의존한다.On the other hand, the performance of the fuel cell is determined according to the efficiency of the electrode reaction, and the efficiency of the electrode reaction is determined according to the mass transfer capability of the fuel and the oxidant and the discharge capability of the water produced by the electrode reaction. In a field where a high current density such as an automobile is required, the fuel cell operates in a region where current density is high, so that the amount of water generated per unit area also increases. Therefore, under such conditions, it is important to continuously supply a large amount of fuel and oxidant, and continuously discharge a large amount of water. The discharge capability of the generated water is affected by the hydrophobicity of the gas diffusion layer (GDL) It depends heavily.

종래 일반적으로 연료전지용 가스확산층으로는 기체투과성과 전자전도성이 우수한 발수성 탄소종이가 사용되어 왔다. 종래의 탄소종이 제조방법에 있어서, 습식 (wet-laid) 공정에 의해서 탄소종이를 제조하는 경우에, 먼저 탄소섬유를 수용액 등에 분산시키고, 습식 종이형성장치를 통하여 탈수 및 초지 공정을 거친 다음 건조시켜서 탄소섬유 웹 (web)을 제조한다. 제조된 탄소섬유 웹은 열경화성 수지 등에 함침 시킨 다음 열과 압력을 가하여 경화시키고, 이러한 경화 과정을 통해서 탄소 시트가 형성되면, 마지막으로 성형된 시트 중의 열경화성 수지를 탈지 및 고온 탄화시킴으로써 제조하게 되면 탄소종이가 완성된다.Conventionally, water repellent carbon paper excellent in gas permeability and electron conductivity has been used as a gas diffusion layer for a fuel cell. In the conventional carbon paper manufacturing method, when carbon paper is produced by a wet-laid process, the carbon fiber is first dispersed in an aqueous solution or the like, dehydrated and ground through a wet paper forming apparatus, Carbon fiber web. The produced carbon fiber web is impregnated with a thermosetting resin or the like and then cured by applying heat and pressure. When a carbon sheet is formed through such a curing process, if the thermosetting resin in the finally formed sheet is produced by degreasing and high- Is completed.

그러나, 이러한 습식 공정에 의해서 탄소종이를 제조하는 경우에 있어서, 경화 또는 탄화가 적절하게 수행되지 못하게 되면 함침된 열경화성 수지로 인해 전기적 저항이 증가하게 되고, 가스투과도를 떨어뜨려 가스확산층을 통해 투입되는 수소가스가 촉매층과 원활하게 접촉하지 못하게 되며, 결국에는 연료전지의 성능을 좌우하는 중요한 요인인 수분배출 능력이 떨어지는 연료전지를 제공하게 되는 문제점이 있었다.
However, in the case of producing carbon paper by such a wet process, if the hardening or carbonization is not properly performed, the electrical resistance is increased due to the impregnated thermosetting resin, and the gas permeability is lowered, There is a problem in that the hydrogen gas can not smoothly contact with the catalyst layer and eventually the fuel cell is deteriorated in water discharge ability which is an important factor that determines the performance of the fuel cell.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기저항이 낮아 전기전도성이 우수하며, 기체투과성이 우수한 연료전지용 탄소종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
Disclosure of the Invention The present invention has been conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing carbon paper for fuel cells having low electrical resistance and excellent electrical conductivity and excellent gas permeability, And a fuel cell.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 연료전지용 탄소종이 제조방법은 습식공정에 의한 연료전지용 탄소종이 제조방법에 있어서, 1) 분산액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계와, 2) 상기 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침 시킨 다음 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계, 및 3) 상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계를 포함하며, 상기 3) 탄화 단계는 질소를 주입하고 800~1200℃까지 승온시키는 것을 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a carbon paper for a fuel cell by a wet process, comprising the steps of: 1) dewatering, papermaking and drying a dispersion through a wet paper- 2) a step of impregnating the carbon fiber web with a thermosetting resin, followed by curing by applying heat and pressure, and 3) carbonizing the thermosetting resin, and 3) the carbonization step Lt; RTI ID = 0.0 > 1200 C < / RTI >

또한 상기 2) 경화 단계는 분당 5~15℃의 속도로 170~300℃까지 승온 시키는 것을 특징으로 한다. The 2) curing step is characterized in that the temperature is raised to 170 to 300 ° C at a rate of 5 to 15 ° C per minute.

또한 상기 2) 경화 단계는 상기 승온 후 이를 0.5 내지 1시간 동안 유지하는 것을 특징으로 한다. And 2) the curing step is maintained for 0.5 to 1 hour after the temperature rise.

또한 상기 3) 탄화 단계에서 상기 승온은 분당 3~5℃의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 한다. And 3) in the carbonization step, the temperature is raised at a rate of 3 to 5 ° C per minute.

또한 상기 3) 탄화 단계는 상기 승온 후 이를 1시간 내지 3시간 동안 유지하는 것을 특징으로 한다. And 3) the carbonization step is carried out after the temperature is raised for 1 to 3 hours.

또한 상기 경화는 산화하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. Further, the curing is characterized by being oxidized.

또한 상기 탄화 단계의 온도는 900~1100℃의 온도까지 승온시키는 것을 특징으로 한다. Further, the temperature of the carbonization step is elevated to a temperature of 900 to 1100 ° C.

또한 상기 분산액 중 상기 탄소섬유는 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 함량으로 분산되는 것을 특징으로 한다. Also, the carbon fiber in the dispersion is dispersed in an amount of 0.02 wt% to 0.5 wt%.

또한 상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다. The thermosetting resin is characterized in that it is selected from the group consisting of a phenol resin, a polyurethane resin, a melamine resin, an epoxy resin, and a mixture thereof.

또한 상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는 0.2 bar 내지 5 bar의 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 한다. And the step of applying pressure during the curing step is performed under a pressure of 0.2 bar to 5 bar.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지용 탄소종이는 상기 제조방법에 의해 제조된 것이다.The carbon paper for a fuel cell according to another aspect of the present invention is produced by the above-described manufacturing method.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지는 상기 연료전지용 탄소종이를 기체확산층으로서 포함하는 연료전지이다.
A fuel cell according to another aspect of the present invention is a fuel cell including the carbon paper for a fuel cell as a gas diffusion layer.

본 발명에 따른 제조방법에 따라 연료전지용 탄소종이를 제조하게 되면 전기적 저항이 낮아 전기전도성이 우수하며, 또한 기체확산 능력이 우수한 효과가 있는 탄소종이의 제공이 가능하다. 이를 통하여 결과적으로 본 발명에 따른 탄소종이를 포함한 연료전지는 연료전지의 성능을 좌우하는 요인 중 가장 중요한 요소인 수분배출 능력이 우수한 효과를 달성하는 연료전지이다.
According to the production method of the present invention, it is possible to provide a carbon paper having low electrical resistance and excellent electrical conductivity and excellent gas diffusion ability when the carbon paper for a fuel cell is manufactured. As a result, the fuel cell including the carbon paper according to the present invention is a fuel cell that achieves an excellent effect of water discharge, which is the most important factor that determines the performance of the fuel cell.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의해 작성된 연료전지의 단면을 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 사용한 탄소섬유 표면에 대한 주사전자 현미경(SEM) 관찰 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 탄화 전 단계에 있는 탄소섬유 웹의 표면 주사전자 현미경(SEM) 관찰 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 탄화 전 단계에 있는 탄소섬유 웹의 표면을 찍은 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 탄화 후의 탄소종이 표면을 찍은 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 탄화 후의 탄소종이 표면에 대한 주사전자 현미경(SEM) 관찰 사진이다.
1 is a cross-sectional view of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon fiber surface used in Example 1 of the present invention.
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon fiber web in the carbonization step in Example 1 of the present invention.
4 is a photograph of the surface of the carbon fiber web in the carbonization step in Example 1 of the present invention.
Fig. 5 is a photograph of the carbon paper surface after carbonization in Example 1 of the present invention. Fig.
6 is a scanning electron microscope (SEM) observation image of carbon paper surface after carbonization in Example 1 of the present invention.

이에 본 발명자들은 전기전도성이 우수하고, 기체투과성이 우수한 연료전지용 탄소종이를 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 연료전지용 탄소종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지를 확인하여 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made extensive efforts to develop carbon paper for fuel cells having excellent electrical conductivity and excellent gas permeability, and as a result, they have found that the method for producing carbon paper for fuel cells according to the present invention, the carbon paper thus produced, and the fuel The battery was confirmed and the present invention was completed.

구체적으로 본 발명에 따른 연료전지용 탄소종이의 제조방법은 습식공정에 의한 연료전지용 탄소종이 제조방법으로서 공지의 제조방법이 모두 포함되며 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 1) 분산액을 습식 종이 성형 장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계와, 2) 상기 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침 시킨 다음 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계, 및 3) 상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the method for producing carbon paper for a fuel cell according to the present invention includes all known methods for producing carbon paper for a fuel cell by a wet process and is not particularly limited, but preferably 1) And 2) curing the carbon fiber web by impregnating the carbon fiber web with a thermosetting resin and then applying heat and pressure to the carbon fiber web, and 3) carbonizing the thermosetting resin. .

상기 습식공정에 의한 연료전지용 탄소종이 제조방법에 있어서, 상기 경화와 탄화가 적절한 온도 및 시간으로 수행되어야 상기 열경화성 수지로 인해 전기적 저항이 증가하게 되는 것을 막고, 가스투과도 저하를 막아 가스확산층을 통해 수소가스가 촉매층과 원활이 접촉하여 결과적으로는 연료전지의 수분배출 능력을 향상시키게 된다. In the method for producing a carbon paper for a fuel cell by the wet process, the curing and carbonization should be carried out at an appropriate temperature and time to prevent the electrical resistance from being increased due to the thermosetting resin, to prevent the decrease of gas permeability, The gas smoothly contacts with the catalyst layer and consequently improves the water discharging ability of the fuel cell.

한편 상기 분산액 중의 탄소섬유는 그 길이에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 3.0㎜ 내지 8.0㎜의 탄소섬유가 사용될 수 있다. 상기 탄소섬유의 길이가 3.0㎜ 미만인 경우에는 분산성은 좋아지지만, 기공도 및 전기전도성이 떨어지는 문제점이 있어 바람직하지 않고, 8.0㎜를 초과하는 경우에는 분산액 중에서 잘 분산되지 않기 때문에 균일한 탄소종이를 제조할 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. On the other hand, the length of the carbon fibers in the dispersion is not particularly limited, but preferably 3.0 mm to 8.0 mm carbon fibers can be used. When the length of the carbon fiber is less than 3.0 mm, the dispersibility is improved. However, since the carbon fiber has a poor porosity and electrical conductivity, the carbon fiber is not preferable. When the length is more than 8.0 mm, It is not preferable.

또한 상기 탄소섬유는 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 함량으로 분산될 수 있다. 분산액 중의 탄소섬유의 함량이 0.02 중량% 미만인 경우에는 후속 공정에서 탄소섬유 웹을 형성하기 어렵다는 문제점이 있고, 탄소섬유 함량이 0.5 중량%를 초과하는 경우에는 탄소섬유의 분산성이 떨어지는 문제점이 있어 바람직하지 않다. The carbon fibers may be dispersed in an amount of 0.02 wt% to 0.5 wt%. When the content of carbon fibers in the dispersion is less than 0.02% by weight, it is difficult to form a carbon fiber web in a subsequent step. When the carbon fiber content is more than 0.5% by weight, I do not.

본 발명에 따른 연료전지용 탄소종이 제조방법은 상기 2) 경화 단계의 승온속도를 바람직하게는 분당 5~15℃의 속도로 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 분당 8~12℃로 할 수 있다. 상기 승온속도를 5℃ 미만으로 하는 경우 고온으로 승온시키는데 지나치게 많은 시간이 소요되어 바람직하지 않으며, 또한 15℃를 초과하는 경우에는 지나치게 승온속도가 빨라 경화에 필요한 충분한 시간을 제공하기가 어려워 바람직하지 않다. In the method for producing a carbon paper for a fuel cell according to the present invention, the heating rate of the curing step 2) is preferably performed at a rate of 5 to 15 ° C per minute, more preferably 8 to 12 ° C per minute . If the temperature raising rate is less than 5 캜, it takes too much time to raise the temperature to a high temperature, and if it exceeds 15 캜, the temperature raising rate becomes too high and it is difficult to provide a sufficient time required for curing .

또한 상기 경화는 170~300℃의 온도까지 승온시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200~250℃의 온도까지 승온시키는 것이 바람직하다. 상기 경화의 온도를 170℃ 미만으로 하는 경우에는 경화를 위해 요구되는 충분한 온도가 부여되지 못해 바람직하지 않으며, 또한 300℃를 초과하는 경우에는 승온에 지나치게 많은 시간이 소요됨과 더불어 상기 열경화성 수지가 적절한 경화 상태를 달성하지 못할 우려가 있어 바람직하지 못하다. The curing is preferably carried out at a temperature ranging from 170 to 300 ° C, and more preferably from 200 to 250 ° C. When the temperature of the curing is less than 170 ° C, it is not preferable because a sufficient temperature required for curing is not given. When the temperature exceeds 300 ° C, it takes too much time to raise the temperature, It is not preferable because there is a fear that the state can not be achieved.

또한 상기 경화의 시간은 상기 온도까지 승온 시킨 후 0.5~1시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 상기 시간을 0.5시간 미만 수행한 경우 승온 후 경화에 필요한 충분한 시간이 부여되지 못해 바람직하지 않으며, 또한 1시간을 초과하는 경우에는 경화에 필요한 충분한 시간이 소요되었음에도 불필요한 시간과 비용을 추가로 소요하는 것이 되어 바람직하지 않다. Further, the time for the curing is preferably raised to the above-mentioned temperature and then maintained for 0.5 to 1 hour. If the time is less than 0.5 hours, it is not preferable because a sufficient time for curing after heating is not given. If the time exceeds 1 hour, a sufficient time is required for curing, but additional time and cost are unnecessary .

또한 상기 경화 단계에서 가하는 압력은 적절한 경화 효과를 달성하는 범위이면 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 0.2 bar 내지 5 bar의 범위로 압력을 가하여 주는 것이 바람직하다. 상기 압력이 0.2 bar 미만이면 적절한 경화 효과를 달성하기 어려우며, 상기 압력이 5 bar를 초과하는 경우에는 지나친 외력의 작용으로 경화 과정상에서 자칫 상기 탄소섬유 웹 및 열경화성 수지의 상태를 손상시킬 우려가 있어 바람직하지 않다. Also, the pressure applied in the curing step is not particularly limited as long as it can achieve an appropriate curing effect, but it is preferable to apply a pressure in the range of 0.2 bar to 5 bar. If the pressure is less than 0.2 bar, it is difficult to attain an appropriate curing effect. If the pressure exceeds 5 bar, excessive external force may damage the state of the carbon fiber web and the thermosetting resin in the curing process. I do not.

또한 상기 경화 단계를 수행함에 있어 기체 상태가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 산소를 주입하여 산화가 가능한 상태에서 경화 단계를 수행하는 것이 바람직하다. In addition, although the gas phase is not particularly limited in performing the curing step, it is preferable to carry out the curing step in a state in which oxidation is possible by injecting oxygen.

또한 상기 열경화성 수지는 탄소섬유 웹에 경화의 효과를 달성하는 물질이면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 페놀수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것 일 수 있다. The thermosetting resin may be selected from the group consisting of a phenol resin, a polyurethane resin, a melamine resin, an epoxy resin and a mixture thereof, although it is not particularly limited as long as it is a substance that achieves the effect of curing on the carbon fiber web .

한편 상기 3) 탄화 단계의 승온속도는 분당 3~5℃의 속도로 수행하는 것이 바람직하다. 상기 승온속도가 5℃를 초과하는 경우에는 탄화에 충분한 시간이 부여되지 못하며 급격한 온도 상승으로 탄화의 효과도 충분히 달성되기 어려워 바람직하지 않다. 또한 상기 승온속도가 3℃ 미만의 경우에는 지나치게 많은 시간이 소요되어 바람직하지 않다. 또한 탄화의 온도는 바람직하게는 800~1200℃까지 승온시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 900~1100℃의 온도까지 승온시킬 수 있다. 상기 온도가 800℃ 미만인 경우에는 탄화에 필요한 고온의 충분한 온도가 부여되지 못해 탄소종이에 충분한 전기전도성 및 기체투과성이 부여되기 어려우며, 또한 1200℃를 초과하는 경우에는 지나치게 높은 온도로 말미암아 탄소종이에 손상을 입힐 우려 및 불필요한 열을 발생시키기 위한 제조단가 상승 등의 문제가 있어 바람직하지 않다. On the other hand, it is preferable that the heating rate of 3) the carbonization step is performed at a rate of 3 to 5 ° C per minute. When the temperature raising rate exceeds 5 캜, sufficient time for carbonization can not be given, and it is difficult to sufficiently attain the effect of carbonization due to a rapid temperature rise. Further, when the temperature raising rate is less than 3 캜, it takes too much time, which is not preferable. The temperature of the carbonization is preferably raised to 800 to 1200 ° C, and more preferably to 900 to 1100 ° C. When the temperature is lower than 800 ° C, a sufficient temperature for carbonization is not given, so that sufficient electrical conductivity and gas permeability are hardly imparted to the carbon paper. If the temperature exceeds 1200 ° C, the carbon paper is damaged There is a problem in that the manufacturing cost is increased to generate unnecessary heat and the like.

또한 상기 탄화의 시간은 상기 온도로 승온시킨 후 1시간 내지 3시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 상기 탄화 시간이 1시간 미만이면 승온 후 탄화에 필요한 충분한 시간 및 열이 공급되지 못해 탄소종이에 충분한 전기전도성 및 기체투과성을 부여하기 어려우며, 3시간을 초과하는 경우에는 탄소종이를 손상시킬 우려가 있을 뿐만 아니라 고온의 상태를 불필요하게 장시간 유지하여야 하므로 제조단가가 지나치게 상승하는 문제가 있어 바람직하지 않다. It is preferable that the time of carbonization is maintained for 1 to 3 hours after the temperature is raised to the above temperature. If the carbonization time is less than 1 hour, sufficient time and heat required for carbonization after heating can not be supplied and it is difficult to impart sufficient electrical conductivity and gas permeability to the carbon paper. If the carbonization time exceeds 3 hours, there is a possibility of damaging the carbon paper In addition, since a high-temperature state must be maintained for an unnecessarily long time, the manufacturing cost is too high, which is not preferable.

또한 상기 탄화 단계를 수행함에 있어서, 바람직하게는 질소가 주입된 상태에서 탄화를 수행하는 것이 바람직하다. 상기 질소가 주입됨으로 인해 탄소종이의 전기전도성 및 기체투과성이 보다 우수하게 달성될 수 있다. In carrying out the carbonization step, it is preferable to perform carbonization in a state where nitrogen is injected. By injecting nitrogen, the electrical conductivity and gas permeability of carbon paper can be more excellent.

전술한 본 발명의 방법에 따라 제조된 연료전지용 탄소종이는 최적의 조건에서 경화와 탄화를 수행하여 제조된 것으로서 열경화성 수지로 인한 전기전도성의 저하 방지 및 기체투과성 저하를 방지하여, 전기전도성과 기체투과성이 우수하다. 그리하여 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 탄소종이를 가스확산층으로 하는 경우에는 연료전지의 성능을 좌우하는 요인 중 가장 중요한 요소인 수분배출 능력이 월등히 향상된 연료전지의 제공이 가능하다. The carbon paper for a fuel cell manufactured according to the method of the present invention described above is prepared by performing curing and carbonization under optimum conditions, and it is possible to prevent deterioration of electrical conductivity and deterioration of gas permeability due to a thermosetting resin and to improve electrical conductivity and gas permeability Is excellent. Thus, when the carbon paper for a fuel cell manufactured according to the manufacturing method of the present invention is used as a gas diffusion layer, it is possible to provide a fuel cell having significantly improved water discharge capability, which is the most important factor that affects the performance of the fuel cell.

본 발명의 또 다른 연료전지용 탄소종이는 상기 방법에 의해 제작된 연료전지용 탄소종이를 포함할 수 있다.Another carbon paper for a fuel cell of the present invention may comprise carbon paper for a fuel cell manufactured by the above method.

또한 본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지는 상기 탄소종이를 포함할 수 있으며, 그 제작방법은 특별한 제한 없이 일반적으로 당업계에 적용되는 연료전지의 제작방법에 의해 제작된 모든 연료전지가 포함될 수 있다.Further, the fuel cell according to another aspect of the present invention may include the carbon paper, and the method of manufacturing the fuel cell may include all the fuel cells manufactured by the manufacturing method of the fuel cell, have.

도 1은 이러한 연료전지의 일실시예에 따라 제작된 연료전지의 단면도를 나타낸 그림이다.
1 is a cross-sectional view of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the fuel cell.

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

실시예Example

실시예Example 1 One

탄소섬유는 도레이 T-700을 사용하였으며, 섬유직경은 평균적으로 대략 7㎛이다. 또한 탄소섬유의 길이는 4.5㎜인 탄소섬유를 사용하였다. 이러한 탄소섬유를 CHCl2 유기용매에 혼합하였다. 또한 이러한 혼합액에는 바인더 섬유 및 점도 조절을 위한 아크릴계 증점제를 혼합시켜 점도가 60cp 이상을 유지되게 하였고, 제타전위는 -90㎷를 유지시켜 수용액 내에서 탄소섬유의 분산이 균일하게 이루어지도록 하였다. 또한 이러한 혼합액내 탄소섬유의 첨가량은 전체 수용액 대비 0.05중량%, 바인더 섬유는 0.01중량%를 첨가하였다. 그리하여 이러한 수용액을 1000rpm에서 2시간 동안 교반하였다. 그 후 가로 25㎝, 세로25㎝이고 160 mesh 스테인리스와이어 스크린(wire screen)의 하부에 깔려있는 초지 장치 반응기에 수용액을 부었다. 그리고 이러한 수용액의 유동이 멈춘 후 탈수하였고, 흡수지를 사용하여 2차 탈수 한 후 표면온도가 75℃인 드럼건조기를 통과시켜서 탄소섬유 웹을 완성하였다. 이렇게 제조된 탄소섬유 웹의 두께는 2기압으로 압축했을 때 평균적으로 대략 180 마이크로미터 정도를 나타내었다. 도 2는 본 발명에서 사용한 탄소섬유의 표면을 주사전자 현미경(SEM)으로 찍은 사진이고, 도 3은 본 실시예에서 제작한 탄소섬유 웹의 표면을 주사전자 현미경(SEM)으로 찍은 사진이다. 또한 도 4는 이러한 탄소섬유 웹의 표면사진이다.
The carbon fiber used was Toray T-700, and the average fiber diameter was about 7 탆. Carbon fibers having a length of 4.5 mm were used. These carbon fibers were mixed in CHCl 2 organic solvent. The viscosity of the mixture was maintained at 60 cp or higher by mixing the binder fiber and the acrylic thickener for viscosity control, and the zeta potential was maintained at -90 균 to uniformly disperse the carbon fiber in the aqueous solution. The addition amount of the carbon fibers in the mixed solution was 0.05 wt% based on the total aqueous solution, and the binder fiber was added in an amount of 0.01 wt%. The aqueous solution was stirred at 1000 rpm for 2 hours. Thereafter, an aqueous solution was poured into a paper machine reactor 25 cm long and 25 cm long and laid under a 160 mesh stainless steel wire screen. Then, after the flow of the aqueous solution was stopped, dehydration was performed. Secondly, dehydration was performed using an absorbent paper, and the resultant was passed through a drum dryer having a surface temperature of 75 ° C to complete a carbon fiber web. The thickness of the carbon fiber web thus produced was about 180 micrometers on average when compressed at 2 atmospheres. FIG. 2 is a photograph of a surface of a carbon fiber used in the present invention taken by a scanning electron microscope (SEM), and FIG. 3 is a photograph of a surface of a carbon fiber web produced in this example by a scanning electron microscope (SEM). 4 is a photograph of the surface of such a carbon fiber web.

그 후 아세톤 용액 300㎖에 열경화성 수지로 페놀수지 100㎖를 혼합하여 용해시킨 후 이를 본 실시예에 따라 제조된 탄소섬유 웹으로서 일정 크기로 재단한 탄소섬유 웹에 코팅하였다. 그 후 이를 전기로에 투입하고 산소 분위기에서 승온 속도를 분당 10℃로 상승시켜 200℃에 도달 시켜 산화를 유도한 후 1시간 동안 체류 시켜 페놀수지를 경화시켰다. 그 후 질소 분위기에서 다시 승온 속도를 분당 3℃씩 상승시켜 1000℃까지 승온시킨후 이를 2시간 동안 유지하여 탄화를 시켰다. 그 후 전기로의 온도를 자연적으로 하강시켜 연료전지용 탄소종이를 제조하였다. 도 5는 탄화 후 탄소종이의 표면을 찍은 사진이고, 도 6은 탄화 후 탄소종이 표면의 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
100 ml of phenol resin was mixed and dissolved in 300 ml of acetone solution with a thermosetting resin and then coated on a carbon fiber web cut to a predetermined size as a carbon fiber web prepared according to this example. Thereafter, the mixture was charged into an electric furnace, and the temperature was raised to 10 ° C per minute in an oxygen atmosphere. The temperature was raised to 200 ° C to induce oxidation, and the mixture was allowed to stand for 1 hour to cure the phenolic resin. Then, the temperature was raised again at a rate of 3 ° C. per minute in a nitrogen atmosphere, and the temperature was raised to 1000 ° C., followed by maintaining the carbonization for 2 hours. Thereafter, the temperature of the electric furnace was lowered naturally to prepare a carbon paper for a fuel cell. FIG. 5 is a photograph of the surface of carbonized paper after carbonization, and FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of carbonized paper after carbonization.

실시예Example 2 2

상기 탄화 온도는 900℃까지 승온하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 탄소종이를 제조하였다.
Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbonization temperature was elevated to 900 ° C.

실시예Example 3 3

상기 탄화 온도는 800℃까지 승온하여 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 탄소종이를 제조하였다.
Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbonization temperature was elevated to 800 ° C.

비교예Comparative Example

상기 재단된 탄소섬유 웹에 페놀수지 혼합액을 코팅한 후 상온에서 건조시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 탄소종이를 제조하였다.
Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that the cut carbon fiber web was coated with a phenol resin mixture and dried at room temperature.

실험예Experimental Example : : 탄소종이의Of carbon paper 전기저항성 및 기체투과성 측정 Electrical resistance and gas permeability measurement

실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예에 의해 각각 제조된 탄소종이를 가지고 그 두께, 전기저항 및 기체투과성을 측정하는 실험을 진행하였다. 본 실험은 기체확산층 물성 평가장치(CPRT 10L)를 사용하여 측정하였으며, 상압에서 16bar까지 압력을 높이며 측정하는 방법으로 실시하였고, 이의 결과는 하기 표 1에 나타냈다.
Experiments were carried out to measure the thickness, electrical resistance and gas permeability of the carbon paper prepared in each of Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples. This experiment was carried out by measuring the gas diffusion layer physical property evaluation apparatus (CPRT 10L) and measuring the pressure at a normal pressure up to 16 bar. The results are shown in Table 1 below.

Figure 112012056865366-pat00001
Figure 112012056865366-pat00001

상기 표 1에서 전기저항(resistance)은 낮은 값을 보일수록 우수한 것이며, 기체투과성(permeability)은 높은 값을 보일수록 우수한 탄소종이에 해당한다. 상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 실시예 1과 같이 실시하여 제조된 탄소종이의 경우가 나머지 경우들에 비해 탄소종이의 두께 방향으로 작용하는 전기저항 값인 Through-plane resistance, 면 방향으로 투과하는 기체투과성을 의미하는 In-plane gas permeability 및 탄소종이를 두께 방향으로 투과하는 기체투과성을 의미하는 Through-plane gas permeability 값이 모두 가장 우수한 것으로 확인되었다. 특히실시예 1의 경우는 나머지 경우들에 비해 압력이 증가할수록 Through-plane resistance 값이 큰 폭으로 현저하게 낮아지는 것을 확인할 수 있어, 압력이 증가한 연료전지 내에서도 전기전도성이 월등히 우수한 탄소종이 임을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1의 경우는 압력이 증가할수록 그 두께가 큰 폭으로 현저하게 얇아지는 것을 확인할 수 있어 제품의 경박화 및 연료전지 내에서 적용하기가 훨씬 수월한 탄소종이 임을 확인할 수 있었다. 또한 상기 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 경우가 비교예의 경우에 비해 모든 경우에서 우수한 측정값을 보임을 확인할 수 있었다.
In Table 1, the lower the resistance, the better the resistance and the higher the gas permeability, the better the carbon paper. In the case of the carbon paper prepared as in Table 1 and in Example 1, the through-plane resistance, which is the electrical resistance value acting in the thickness direction of the carbon paper, And the through-plane gas permeability, which means the gas permeability through the carbon paper in the thickness direction, are all excellent. In particular, in the case of Example 1, as the pressure was increased, the through-plane resistance value was remarkably lowered significantly as compared with the other cases, and it was confirmed that the carbon paper having excellent electrical conductivity there was. In addition, in the case of Example 1, it was confirmed that the thickness thereof was remarkably thinned with an increase in pressure, and it was confirmed that the carbon paper was much easier to apply in the fuel cell and thinning of the product. It was also confirmed that the measurement results of Examples 1, 2 and 3 are superior to those of Comparative Example in all cases.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It is natural.

Claims (12)

습식공정에 의한 연료전지용 탄소종이 제조방법에 있어서,
1) 분산액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계;
2) 상기 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시킨 다음 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계; 및
3) 상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계;
를 포함하며,
상기 2) 경화 단계는 분당 5~15℃의 속도로 170~300℃까지 승온시키는 것을 특징으로 하고,
또한 상기 2) 경화 단계는 상기 승온 후 이를 0.5 내지 1시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하며,
또한 상기 3) 탄화 단계는 질소를 주입하고 900~1,100℃까지 승온시키는 것을 특징으로 하고,
또한 상기 3) 탄화 단계에서 상기 승온은 분당 3~5℃의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 하며,
또한 상기 3) 탄화 단계는 상기 승온 후 이를 1시간 내지 3시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소종이 제조방법.
A method for producing carbon paper for a fuel cell by a wet process,
1) preparing a carbon fiber web by dewatering, papermaking and drying the dispersion through a wet paper forming apparatus;
2) impregnating the carbon fiber web with a thermosetting resin and then curing by applying heat and pressure; And
3) carbonizing the thermosetting resin;
/ RTI >
The 2) curing step is characterized in that the temperature is raised to 170 to 300 ° C at a rate of 5 to 15 ° C per minute,
Also, the 2) curing step may be performed after the temperature is raised for 0.5 to 1 hour,
Further, the carbonization step 3) is characterized in that nitrogen is injected and the temperature is raised to 900 to 1,100 ° C.,
And 3) in the carbonization step, the temperature is raised at a rate of 3 to 5 ° C per minute,
And 3) the carbonization step is carried out after the temperature is raised for 1 to 3 hours.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 경화는산화하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소종이 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the curing is performed by oxidation.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 분산액 중 상기 탄소섬유는 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 함량으로 분산되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소종이 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon fibers in the dispersion are dispersed in an amount of 0.02 wt% to 0.5 wt%.
제 1항에 있어서,
상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소종이 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosetting resin is selected from the group consisting of a phenol resin, a polyurethane resin, a melamine resin, an epoxy resin, and a mixture thereof.
제 1항에 있어서,
상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는 0.2 bar 내지 5 bar의 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소종이 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of applying pressure during the curing step is performed under a pressure of 0.2 bar to 5 bar.
제 1항에 따른 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 탄소종이.
A carbon paper for a fuel cell produced by the manufacturing method according to claim 1.
제 11항에 따른 연료전지용 탄소종이를 기체확산층으로서 포함하는 연료전지.
11. A fuel cell comprising the carbon paper for a fuel cell according to claim 11 as a gas diffusion layer.
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