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KR20230081354A - 음이온교환막 수전해의 기체 확산층 및 이의 제조방법 - Google Patents

음이온교환막 수전해의 기체 확산층 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20230081354A
KR20230081354A KR1020210169324A KR20210169324A KR20230081354A KR 20230081354 A KR20230081354 A KR 20230081354A KR 1020210169324 A KR1020210169324 A KR 1020210169324A KR 20210169324 A KR20210169324 A KR 20210169324A KR 20230081354 A KR20230081354 A KR 20230081354A
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KR
South Korea
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diffusion layer
gas diffusion
anion exchange
exchange membrane
water electrolysis
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020210169324A
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English (en)
Inventor
박사랑
김도흥
오명석
김의덕
박정훈
전효진
Original Assignee
한화솔루션 주식회사
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
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Priority to US18/714,329 priority patent/US20250019843A1/en
Priority to CN202280079049.3A priority patent/CN118355149A/zh
Priority to PCT/KR2022/018750 priority patent/WO2023101321A1/ko
Priority to EP22901679.5A priority patent/EP4442864A1/en
Priority to JP2024532298A priority patent/JP2024542274A/ja
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Abstract

본 발명은 친수성이며, 우수한 기체 투과성을 나타내는 음이온교환막 수전해의 기체 확산층 그리고 이들의 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

음이온교환막 수전해의 기체 확산층 및 이의 제조방법 {Gas diffusion layer of anion exchange membrane electrolysis cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 음이온교환막 수전해의 기체 확산층 및 이들의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 망상의 탄소나노섬유 필름을 포함하는 기체 확산층 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
기체확산층(GDL, gas diffusion layer)은 연료전지(FC, fuel cell) 및 수전해(EC, electrolysis)에서 전극으로 반응물을 전달하는 동시에, 생성물을 배출하는 통로이며 열 배출과 전극 지지대 등의 역할을 하는 핵심 구성요소이다.
상용화 된 GDL은 대부분 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell) 용으로, 다공성 탄소 종이(carbon paper) 위에 소수성의 고분자가 함유된 미세 다공층(MPL, microporous layer)을 코팅한 구조를 가지고 있다. 이때 연료전지의 경우 산소극 (cathode)에서 발생한 물이 기체 확산층의 기공을 막는 현상 (water flooding)이 발생할 수 있어 기체 확산층이 소수성을 가지는 것이 요구된다. 이에, 연료전지의 기체 확산층은 소수성을 부여하기 위하여, 고분자로서 PTFE 및 바인더를 사용하는 것이다.
수전해용 기체확산층은 전기화학 반응의 반응물과 생성물인 수소(H2), 산소(O2) 및 물(H20) 등의 기체가 촉매층과 전극 사이에서 자유롭게 이동하며 전기전도가 일어나는 계면이다. 이에, 전기화학반응을 위한 염(salt)과의 부반응이 없으며, 다공성 및 전기전도성을 가지는 탄소섬유 등의 다공성 탄소재료가 사용되었다.
그러나, 기존에 사용되던 탄소섬유 종이는 표면의 거칠기 때문에 전극층과 촉매층 사이의 계면접촉 저항이 발생하는 문제가 있었다. 이에 이를 해소하기 위하여 파우더 상태의 탄소 페이스트 또는 바인더 등의 고분자 재료를 적용하여 미세 다공층을 형성하였다. 그러나 탄소 페이스트 또는 바인더 등의 고분자 재료를 포함하는 미세 다공층은 고분자 성분으로 인하여 친수성과 전기전도성이 저하되어 수전해용 기체확산층의 특성을 열위하게 하는 문제가 있다.
이에 미세 다공층에 포함되는 바인더 고분자를 제어하여 친수성을 부여하는 방법이 고안되었으나, 여전히 전기전도도가 저하되는 문제가 있었고, 추가로 기체 이동에 방해되는 문제가 있었다.
이에, 음이온교환막 수전해에 사용 가능한 친수성이며 우수한 전기전도성을 가지는 기체 확산층 그리고 이의 제조방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 음이온교환막 수전해의 기체 확산층 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 친수성이고, 기체 투과도가 우수한 망상의 탄소나노섬유 필름을 포함하는 음이온교환막 수전해의 기체 확산층 및 이들의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명 일 구현예의 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 탄소나노섬유가 망(網) 형태인 필름을 포함하고, 상기 탄소나노섬유는 직경이 500 nm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명 일 구현예의 음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법은 탄소 전구체 물질을 방사하여 망(網) 성형품을 형성하는 단계 (단계 1); 및 상기 망 성형품을 열처리하여 망상의 탄소나노섬유 필름을 수득하는 단계 (단계 2);를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 망상의 탄소나노섬유 필름을 포함하는 기체 확산층은 파우더 상태의 탄소자료나 바인더 등의 고분자보다 다공성이 높아 촉매 층에서 발생한 수소 기체와 산소 기체이동에 매우 유리하여 전해질에서 외부로 기체 이동이 용이한바, 수전해조의 효율을 향상시킬 수 있는 음이온교환막 수전해의 기체 확산층을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 망상의 탄소나노섬유 필름은 친수성이 높아 기체확산층의 전해질의 젖음성이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 방사법을 이용한 음이온교환막 수전해의 기체 확산층의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 망상의 탄소나노섬유 필름을 기체확산층 자체로 사용 및 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 망상의 탄소나노섬유 필름에 더하여 종래 사용되던 기체 확산층을 함께 적용하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 기체 확산층의 표면 구조를 SEM으로 관찰한 것이다.
도 2는 본 발명 일 실시예의 기제 확산층의 측면 구조를 SEM으로 관찰한 것이다.
도 3은 본 발명 일 실시예의 기체 확산층의 접촉각과 기존 기체 확산층의 접촉각을 비교한 실험 사진을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명 일 실시예의 기체 확산층의 기체 투과도와 기존 기체 확산층의 기체 투과도를 측정하여 비교한 그래프를 도시한 것이다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
음이온교환막 수전해에서는 기체 확산층의 친수성이 증가할수록 전해액의 젖음성과 투과율이 증가하므로 셀(cell)의 효율이 증가할 수 있다. 따라서 소수성의 미세 다공층을 가지는 기존 연료 전지용 기체 확산층은 전해액의 젖음성을 저하시키는 동시에, 수십 마이크로미터(㎛)에 달하는 미세 다공층의 두께는 기체 확산층의 다공성 지지체의 다공성 역시 감소시키는 원인이 될 수 있다.
이에, 본 발명자들은 이에 기존에 사용하던 소수성을 부여하는 바인더와 같은 고분자 재료를 사용하지 않고(binder-free), 망상의 탄소나노섬유 필름을 기체 확산층으로 사용하는 방법을 고안하기에 이르렀다.
본 발명에 따라 망상의 탄소나노섬유 필름 재료로 페이스트를 형성하기 위한 고분자를 사용하지 않는다면, 전극과 촉매 사이 계면의 거칠기(roughness) 및 계면 저항이 감소할 것으로 기대된다. 또한 파우더 상태의 탄소자료나 바인더 등의 고분자보다 탄소나노섬유의 다공성이 높아 촉매 층에서 발생한 수소 기체와 산소 기체이동에 매우 유리하여 전해질에서 외부로 기체 이동이 용이한 바 수전해조의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 발명에 따른 탄소나노섬유 필름은 친수성이 높아 전해질의 젖음성 또한 향상될 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 음이온교환막 수전해용 기체 확산층에 대하여 구체적으로 살펴보고자 한다.
본 발명의 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 망상의 탄소나노섬유 필름 자체일 수 있다. 또한, 본 발명의 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 다공성 지지체; 및 망상의 탄소나노섬유 필름을 포함할 수 있다.
본 발명 일 구현예의 기체 확산층은 탄소나노섬유가 망(網) 형태인 필름을 포함하고, 상기 탄소나노섬유는 직경이 500 nm 이하일 수 있다. 구체적으로 기체 확산층은 망상의 탄소나노섬유 필름일 수 있다.
구체적으로 상기 탄소나노섬유는 직경이 50 nm 이상, 100 nm 이상 또는 150 nm 이상이고, 500 nm 이하, 400 nm 이하, 300 nm 이하 또는 200 nm 이하일 수 있다.
상기 기체 확산층은 두께가 50 내지 500 ㎛일 수 있다. 구체적으로 기체 확산층은 두께가 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 150 ㎛ 이상 또는 200 ㎛ 이상이고, 500 ㎛ 이하, 450 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하, 350 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하 또는 250 ㎛이하일 수 있다.
상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 물에 대한 접촉각이 20°이하일 수 있다. 본 발명의 기체 확산층은 탄소나노섬유로 인하여 친수성을 나타내므로, 접촉각(water contect angle)의 하한을 한정하지 않는 것이 바람직하며, 구체적으로 접촉각은 0°일 수 있다. 접촉각이 20° 이하의 초친수성을 나타냄으로써, 수전해용 기체확산층으로 사용시 전해액의 젖음성이 확보될 수 있다. 이는 소수성의 미세 다공층이 적용된 기체 확산층에 비하여 전해질의 이동 및 내부 순환이 유리하여 물의 전기분해 반응이 용이한 장점이 있다.
본 발명에서의 접촉각(water contact Angle)이란 액체와 기체가 고체표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 일컫는 말이다. 본 발명의 접촉각은 평평한 표면에 필름 상태의 샘플을 두고 5 내지 10 μl의 증류수를 떨어뜨린 후, 그 모양을 DSA로 측면에서 관찰하여 각도를 계산하는 방법으로 측정할 수 있다. 도 4에 따르면 기존 기체 확산층과 비교하였을 때, 본 발명의 기체 확산층은 접촉각이 0°로 초친수성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 기체 투과도가 1 × 10-12 m2 이상일 수 있다. 본 발명의 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 기체 투과도가 높을수록 양품이므로, 상한을 한정하지 않는 것이 바람직하다. 구체적으로 기체 투과도는 1 × 10-12 m2 이상, 1.25 × 10-12 m2 이상, 1.5 × 10-12 m2 이상, 1.75 × 10-12 m2 이상 또는 2 × 10-12 m2 이상이고, 4 × 10-12 m2 이하, 3 × 10-12 m2 이하, 또는 2.5 × 10-12 m2 이하일 수 있다.
기체 투과도가 낮으면 기체확산층을 통하여 외부로 배출되어야 하는 산소 및 수소의 이동성이 낮아진다는 점에서 수전해 등에 사용시 전체적인 효율이 낮아지는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 기체 투과도는 GDL 기본물성 평가장치(CPRT 10, 한국에너지기술원 자체 규격)을 활용하였으며, 무작위로 기체확산층 표면을 접촉해 총 3회 측정하여 하기 논문 및 식 1을 사용하여 기체 투과도를 구할 수 있다.
기체 투과도는 논문 “In-plane and through-plane gas permeability of carbon ber electrode backing layers (Jeff T. Gostick, et al., Sep 1 2006)”의 Trough plane permeability 방식으로 구하였으며, 하기 [식 1]로 기체투과도(K, 단위 m2)를 계산할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1에서,
K는 기체투과도이고,
μ는 사용한 기체의 동적 점성도,
A는 기체가 투과된 단면의 면적,
t는 기체가 투과된 기체확산층의 두께,
m은 단위 면적을 흐르는 기체의 유량(질량),
P1은 기체 투과전의 압력,
P2는 기체 투과후의 압력,
R은 기체 상수,
T는 온도,
M은 사용한 기체의 무게, 및
Pavg는 P1과 P2의 평균값을 의미한다.
또한 상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 망상의 탄소나노섬유 필름일면에 다공성 지지체를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 기체 확산층은 탄소나노섬유 필름이 다공성 지지체 일면에 구비되어 있는 형태일 수 있다.
상기 다공성 지지체는 다공성 물질이면 제한하지 않으나, 예를 들어 다공성 카본 종이, 탄소섬유 필름, 탄소나노섬유 필름, 및 탄소나노튜브 필름 등 일 수 있다. 또한 상기 다공성 지지체는 두께가 50 내지 500 ㎛일 수 있다. 또는 다공성 지지체는 두께가 100 내지 500 ㎛일 수 있다.
또한 본 발명은 탄소 전구체 물질을 방사하여 망(網) 성형품을 형성하는 단계 (단계 1); 및 상기 망 성형품을 열처리하여 망상의 탄소나노섬유 필름을 수득하는 단계 (단계 2); 를 포함하는, 음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 (단계 1)의 탄소 전구체 물질은 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 전구체, 셀루로오스, 리그닌, 및 피치로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 (단계 1)의 방사는 전기 방사, 원심 제트 방사, 멜트 블로운, 및 분사 방사로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로 상기 방사는 전기 방사일 수 있다.
상기 전기 방사를 통하여 방사가 이루어지는 경우에는, 용액 상태의 탄소 전구체 물질이 1 내지 5 mm 지름의 노즐을 통하여 방사될 수 있다. 또한 노즐에는 5 내지 30 kV의 전압이 인가될 수 있고, 노즐과 접지 사이의 간격은 5 내지 30 cm일 수 있다. 이때 노즐을 통하여 용액 상태의 탄소 전구체 물질이 1 내지 10 ml/시간 사이의 일정한 속도로 방사될 수 있다. 노즐은 1개 이상 사용 가능하며, 원하는 두께를 얻기 위하여 노즐의 개수를 늘리거나, 방사시간을 늘릴 수 있다.
상기 (단계 2)의 열처리를 통하여 방사 단계에서 성형된 망 성형품이 탄화되어 망상의 탄소나노튜브 필름을 형성한다. 상기 열처리 단계는 먼저 망 성형품을 200 내지 400℃ 온도 구간에서 대기 분위기 또는 산소가 혼합된 기체 분위기에서 1시간 이상 안정화시킨 후, 700 내지 1500℃의 온도에서 비활성 기체를 이용하여 1시간 이상 탄화시키는 단계이다. 이후 비활성 기체 분위기 하에서 실온으로 냉각시켜 망상의 탄소나노튜브 필름을 수득한다. 이때 안정화 공정의 이후인, 탄화에서 냉각은 비활성 기체 분위기를 유지하여 진행한다.
또한, 상기 (단계 1)의 탄소 전구체 물질의 방사는 다공성 지지체 상에 방사되는 것일 수 있다.
또는, 상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법은 (단계 2)에서 수득된 망상의 탄소나노튜브 필름을 다공성 지지체에 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 망상의 탄소나노튜브 필름에 다공성 지지체를 부착하는 방법은 다공성 지지체 일면에 접착제를 도포하여 부착하는 방법일 수 있다. 이때 사용되는 접착제는 전기전도도가 높은 물질을 포함하거나 점도가 높은 물질을 포함하거나 둘 모두를 포함할 수 있다.
상기 다공성 지지체는 다공성 물질이면 제한하지 않으나, 예를 들어 다공성 카본 종이, 탄소섬유 필름, 탄소나노섬유 필름, 및 탄소나노튜브 필름 등 일 수 있다. 또한 상기 다공성 지지체는 두께가 50 내지 500 ㎛일 수 있다. 또는 다공성 지지체는 두께가 100 내지 500 ㎛일 수 있다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들이 제시된다. 그러나 하기의 실시예들은 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
실시예
본 실시예에서는 전기방사법을 이용하여 망상의 탄소나노뷰브 필름인 기체 확산층을 제조하였다. 먼저, 용액 상태의 탄소 전구체 물질인 폴리아크릴로니트릴을 3 mm 지름의 노즐을 통하여 시간당 5 ml의 일정한 속도로 3 시간 동안 방사하였다. 이때 접지된 콜렉터 위에 시료의 박리가 용이하도록 알루미늄 호일을 깔고 그 위에 폴리아크릴로니트릴을 전기방사 하였다. 노즐에는 15 kV의 전압을 인가하였다. 노즐과 접지 사이의 간격은 15 cm를 유지하였다. 노즐은 1개 이상 사용 가능하나, 본 실시예에서는 노즐은 1개를 사용하여 두께가 500㎛가 되도록 폴리아크릴로니트릴을 방사하여 망 성형품을 형성하였다.
이어서, 망 성형품을 270 내지 300℃ 온도의 대기 분위기(산소 포함)에서 1 시간 동안 안정화시켰다. 이후 비활성 기체 N2 분위기이고, 1000℃ 온도 구간에서 1시간 동안 탄화시켰다. 열처리 공정 이후 시료를 상온으로 냉각시켜 망상의 탄소나노섬유 필름을 수득하였다. 형성된 망상 탄소나노섬유 필름은 두께가 200 ㎛ 였다.
비교예
비교예로는 기존에 상용되는 제이앤티지사의 PEMFC용 기체확산층 제품인 JTN20-A6H을 사용하였다.
실험예 1 - 표면 관찰
제조된 망상의 탄소나노섬유 필름의 표면과 측면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하여 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도면으로부터 알 수 있듯이 본 발명의 기체 확산층인 탄소나노섬유 필름이 망상 필름 형상으로 형성되어 다공성이 유지됨을 확인할 수 있었다.
실험예 2 - 접촉각의 측정
실시예의 망상의 탄소나노섬유 필름의 증류수 방울에 대한 접촉각을 측정하여 도 3에 나타내었다. 평평한 표면에 필름 상태의 샘플을 두고 5 내지 10 μl의 증류수를 떨어뜨린 후, 그 모양을 DSA로 측면에서 관찰하여 각도를 계산하는 방법으로 접촉각을 측정하였다.
도면으로부터 알 수 있듯이, 실시예의 망상의 탄소나노섬유 필름은 비교예의 기체 확산층에 비하여 접촉각 0°의 초친수성을 보인다.
실험예 3- 기체투과도 관찰
기체 투과도는 GDL 기본물성 평가장치(CPRT 10, 한국에너지기술원 자체 규격)을 활용하였으며, 무작위로 기체확산층 표면을 접촉해 총 3회 측정하여 하기 논문 및 식 1을 사용하여 기체 투과도를 구하였다.
기체 투과도는 논문 “In-plane and through-plane gas permeability of carbon ber electrode backing layers (Jeff T. Gostick, et al., Sep 1 2006)”의 Trough plane permeability 방식으로 구하였으며, 하기 [식 1]로 기체투과도(K, 단위 m2)를 계산하여 도 4에 나타내었다.
[식 1]
Figure pat00002
상기 식 1에서,
K는 기체투과도이고,
μ는 사용한 기체의 동적 점성도,
A는 기체가 투과된 단면의 면적,
t는 기체가 투과된 기체확산층의 두께,
m은 단위 면적을 흐르는 기체의 유량(질량),
P1은 기체 투과전의 압력,
P2는 기체 투과후의 압력,
R은 기체 상수,
T는 온도,
M은 사용한 기체의 무게, 및
Pavg는 P1과 P2의 평균값을 의미한다.
이때 사용한 시험용 기체는 건조 공기를 사용하였다.
실시예의 망상의 탄소나노섬유 필름과 비교예의 기체 확산층의 기체투과도를 비교하여 보면, 실시예가 더 우수한 기체투과도를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

  1. 탄소나노섬유가 망(網) 형태인 필름을 포함하고,
    상기 탄소나노섬유는 직경이 500 nm 이하인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 물에 대한 접촉각이 20°이하인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 기체 투과도가 1 × 10-12 m2 이상인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음이온교환막 수전해용 기체 확산층은 망상의 탄소나노섬유 필름 일면에 다공성 지지체를 더 포함하는,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 다공성 카본 종이, 탄소 섬유 필름, 탄소나노섬유 필름 및 탄소나노튜브 필름으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층.
  6. 탄소 전구체 물질을 방사하여 망(網) 성형품을 형성하는 단계 (단계 1); 및
    상기 망 성형품을 열처리하여 망상의 탄소나노섬유 필름을 수득하는 단계 (단계 2);
    를 포함하는, 음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 1에서 탄소 전구체 물질은 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 전구체, 셀루로오스, 리그닌, 및 피치로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (단계 1)의 방사는 전기 방사, 원심 제트 방사, 멜트 블로운, 및 분사 방사로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기 방사는 용액 상태의 탄소 전구체 물질을 1 내지 5 mm 지름의 노즐을 통하여 방사하고,
    상기 노즐은 5 내지 30 kV 전압이 인가되는,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 단계 2의 열처리 단계는 온도 700 내지 1500℃에서 1 시간 이상 수행되는 것인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 단계 1의 탄소 전구체 물질의 방사는 다공성 지지체 상에 방사되는 것인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제조방법은 단계 2에서 수득된 망상의 탄소나노튜브 필름에 다공성 지지체에 부착하는 단계를 더 포함하는,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 다공성 카본 종이, 탄소 섬유 필름, 탄소나노섬유 필름 및 탄소나노튜브 필름으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인,
    음이온교환막 수전해용 기체 확산층의 제조방법.
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KR20170139914A (ko) * 2016-06-10 2017-12-20 현대자동차주식회사 기체 확산층의 제조 방법
JP7021869B2 (ja) * 2017-06-06 2022-02-17 日本バイリーン株式会社 炭素繊維シ－ト、ガス拡散電極、膜－電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び炭素繊維シートの製造方法
KR101972581B1 (ko) * 2017-08-23 2019-04-29 (주)엘켐텍 나노섬유층을 갖는 기체확산층을 구비한 수전해 막전극접합체 및 그 제조방법

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