KR100761525B1 - Integrated type gas diffusion layer, electrode comprising the same, membrane electrode assembly comprising the same, and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

A gas diffusion layer having a microporous layer(MPL) integrally formed with a substrate is provided to eliminate a bottle neck phenomenon occurring on the interface between a carbon substrate layer and an MPL, thereby ensuring improved contact between fuel and reaction gases and uniform electroconductivity. A gas diffusion layer includes no carbon substrate and comprises carbon powder and a microporous layer(3) containing a fluororesin that is not carbonized but molten at 250-450 deg.C to impart a binding force. The carbon powder comprises a mixture of: (a) 100 parts by weight of framework-maintaining carbon powder having a particle diameter of 0.1 micrometer or more and showing a self-supporting property; and (b) 20-80 pars by weight of electroconductive carbon powder having an electrical resistivity of 1 ohm.cm or less. The carbon powder and the fluororesin are used in a weight ratio of 60-95 wt% : 5-40 wt%.

Description

일체형 기체확산층, 이를 포함하는 전극, 이를 포함하는 막전극조립체, 및 이를 포함하는 연료전지{Integrated type gas diffusion layer, electrode comprising the same, membrane electrode assembly comprising the same, and fuel cell comprising the same}Integrated type gas diffusion layer, electrode comprising the same, membrane electrode assembly comprising the same, and fuel cell comprising the same {Integrated type gas diffusion layer, electrode comprising the same, membrane electrode assembly comprising the same, and fuel cell comprising the same}

도 1은 종래의 기체확산층(GDL)의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a conventional gas diffusion layer (GDL).

도 2는 상기한 구조를 갖는 종래의 GDL의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.2 is a flowchart showing a conventional GDL manufacturing process having the above structure.

도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 GDL의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 3 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a GDL according to an aspect of the present invention.

도 4는 종래의 탄소슬러리 조성물의 제조 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a conventional method for producing a carbon slurry composition.

도 5 내지 10은 몇몇 실시예 및 비교예에 따른 GDL 표면을 촬영한 현미경 사진(5배 또는 40배)이다.5-10 are micrographs (5 or 40 times) of GDL surfaces according to some examples and comparative examples.

도 11은 몇몇 실시예 및 비교예에 따른 막전극어셈블리(MEA)의 전압강하 곡선이다.11 is a voltage drop curve of a membrane electrode assembly MEA according to some embodiments and comparative examples.

본 발명은 기체확산층, 이를 포함하는 전극, 이를 포함하는 막 전극 조립체, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 탄소 기재가 없으면서도 충분한 기계적 강도, 전기전도성, 및 물질이동특성을 갖는 일체형 기체확산층, 이를 포함하는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지용 막전극조립체, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion layer, an electrode comprising the same, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell including the same, and more particularly, sufficient mechanical strength, electrical conductivity, and mass transfer properties without a conventional carbon substrate. It relates to an integrated gas diffusion layer having a, a fuel cell electrode comprising the same, a fuel cell membrane electrode assembly comprising the same, and a fuel cell comprising the same.

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 또한, 화력발전에 비하여 NOx와 CO2의 배출량 및 소음이 적으므로 연료전지는 환경친화적인 발전장치라 할 수 있다.A fuel cell is a device that produces electric energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. Unlike thermal power generation, a fuel cell does not undergo a Carno cycle, and thus its theoretical power generation efficiency is very high. In addition, since NO x and CO 2 emissions and noise are lower than thermal power generation, the fuel cell is an environmentally friendly power generation device.

연료전지는 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. 또한, 연료전지는 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료 개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부 개질형과, 연료를 직접 애노드에 공급하는 직접 산화형 또는 내부 개질형으로 구분될 수 있다. 연료전지에 사용되는 연료로서는 일반적으로 천연가스, 메탄올 등이 사용되고 있으나, 다른 탄화수소계 연료 또는 그 유도체 등이 사용될 수도 있다.Fuel cells can be classified into polymer electrolyte type (PEM), phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type and alkaline aqueous solution type according to the type of electrolyte used. Depending on the operating temperature of the fuel cell and the material of the components. In addition, the fuel cell is an external reforming type for converting fuel into a hydrogen-enriched gas through a fuel reformer and supplying the anode to the anode and a direct oxidation type or an internal reforming type for supplying fuel directly to the anode according to the fuel supply method to the anode. It can be divided into. Natural fuels, methanol, and the like are generally used as fuels used in fuel cells, but other hydrocarbon fuels or derivatives thereof may be used.

연료전지 중에서도 특히 고분자전해질형 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. 또한 전 해질로 고분자막을 사용하기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없고, 디자인이 간단하며, 제작이 쉽고, 작동원리가 같은 인산형 연료전지에 비해 부피와 무게가 작은 장점이 있다. 전기 자동차용 동력원으로 개발되고 있는 이차전지와 비교해볼 때, PEMFC의 비에너지 밀도(specific energy density)는 200Wh/kg 내지 수천Wh/kg 이상으로 200Wh/kg 이하의 값을 갖는 이차전지보다 높은 장점을 가지고 있다. 또한 충전시간 측면에서 보더라도 리튬계 전지가 3시간 정도의 충전시간을 필요로 하는데 반해 연료전지의 경우 연료를 주입하는 시간이 수초에 불과하다. 따라서 PEMFC는 전기자동차의 배터리를 대체하는 수송용 동력원, 이동 및 비상용 전원, 군사용 전원 등으로 연구 개발이 세계적으로 활발히 진행되고 있다.Among the fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell (abbreviated as "PEMFC") has a lower operating temperature, higher efficiency, higher current density, higher output density, shorter startup time, and lower load change than other fuel cells. The response is fast. In addition, since the polymer membrane is used as the electrolyte, there is no need for corrosion and electrolyte control, the design is simple, the manufacturing is easy, and the volume and weight are smaller than those of the phosphate fuel cell having the same operation principle. Compared with the secondary battery developed as a power source for electric vehicles, the specific energy density of PEMFC is higher than the secondary battery having a value of 200 Wh / kg or less, from 200 Wh / kg to thousands of Wh / kg or more. Have. In addition, in terms of charging time, a lithium battery requires about three hours of charging time, whereas fuel cells require only a few seconds to inject fuel. Therefore, PEMFC is actively researching and developing the world as transportation power source, mobile and emergency power source, and military power source that replace battery of electric vehicle.

연료전지에서 전기화학 반응을 일으키는 전극은 기체확산층(Gas diffusion layer,GDL)과 촉매층으로 이루어진다. GDL은 전기화학 반응시 생성되는 전류를 외부의 전기회로와 연결하는 역할을 한다. GDL은 기공을 가지며 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근이 가능한 물질이 적합하다.An electrode that causes an electrochemical reaction in a fuel cell includes a gas diffusion layer (GDL) and a catalyst layer. GDL connects the electric current generated in the electrochemical reaction with the external electric circuit. GDLs are suitable materials that have pores and allow smooth access of fuel and reactor gas to the catalyst bed.

도 1은 종래의 GDL의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 GDL(100)은 탄소 기재(1; carbon substrate)위에 미세다공성층(3; Microporous layer, 이하 "MPL")이 적층된 형태로 이루어져 있다. 일반적으로, 이 탄소기재는 탄소종이(carbon paper), 탄소섬유직물(carbon fiber woven fabrics), 또는 탄소섬유 부직포(carbon fiber non-woven fabrics) 등의 형태이다.1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a conventional GDL. Referring to FIG. 1, the conventional GDL 100 is formed by stacking a microporous layer 3 (“MPL”) on a carbon substrate 1. Generally, this carbon substrate is in the form of carbon paper, carbon fiber woven fabrics, or carbon fiber non-woven fabrics.

도 2는 상기한 구조를 갖는 종래의 GDL의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다. 도 2를 참조하여, 종래의 GDL의 제조 공정을 설명한다. 먼저, PAN, 레이온, 피치 등과 같은 고분자물질을 방사하여 얻은 섬유를 제직 공정 또는 부직포 제조공정에 의하여 시트(sheet)로 만든다. 이 시트를 약 500 ~ 약 800℃ 전후의 온도에서 열처리하여 안정화시킨다. 이어서 안정화된 시트를 약 2000℃ 이상의 고온의 산화분위기중에서 더욱 탄화시키면 탄소섬유 직물, 또는 탄소섬유 부직포 형태의 탄소 기재를 얻을 수 있다. 이를 추가적으로 압축하여 박막으로 하면 탄소 종이 형태의 탄소 기재를 얻을 수 있다.2 is a flowchart showing a conventional GDL manufacturing process having the above structure. With reference to FIG. 2, the manufacturing process of the conventional GDL is demonstrated. First, a fiber obtained by spinning a polymer material such as PAN, rayon, pitch, etc. is made into a sheet by a weaving process or a nonwoven fabric manufacturing process. The sheet is thermally stabilized at a temperature of about 500 to about 800 ° C. The stabilized sheet is then further carbonized in an oxidizing atmosphere at about 2000 ° C. or higher to obtain a carbon substrate in the form of a carbon fiber fabric or a carbon fiber nonwoven fabric. If this is further compressed to a thin film, a carbon substrate in the form of carbon paper can be obtained.

이어서 탄소 기재위에 고도로 플루오로화된 고분자 수지를 코팅하여 소수성 처리를 하고 그 위에 탄소와 소수성 고분자를 포함하는 MPL을 코팅한 후, 건조 및 열처리하면 도 1에 도시된 단면 구조의 GDL을 얻을 수 있다.Subsequently, a highly fluorinated polymer resin is coated on the carbon substrate to perform hydrophobic treatment, and then coated with MPL containing carbon and hydrophobic polymer, followed by drying and heat treatment to obtain a GDL having a cross-sectional structure shown in FIG. 1. .

그런데 이와 같은 단면 구조의 종래의 GDL은 탄소 기재를 포함하기 때문에 다음과 같은 문제점을 나타낸다. However, since the conventional GDL having such a cross-sectional structure includes a carbon substrate, the following problems are exhibited.

i) 우선, 탄소 기재를 제조하는 공정은 매우 복잡하고 어렵기 때문에 기재 가격이 비싸다. 이는 연료전지 제조 코스트의 상승으로 이어진다. 즉 직경 수 마이크로미터 크기의 탄소섬유를 제조한 후 직조 부직포 형태로 제조하는 복잡한 공정을 거쳐야 하므로 고가이다.i) First, the cost of the substrate is expensive because the process of producing the carbon substrate is very complicated and difficult. This leads to an increase in fuel cell manufacturing costs. That is, it is expensive because it requires a complicated process of manufacturing carbon fibers having a diameter of several micrometers and then forming a woven nonwoven fabric.

ii) 탄소 기재가 연료전지에서 요구하는 특성을 발휘하기 위해서는 약 100~400㎛ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 탄소 기재는 박막으로 만드는 것이 어렵다. 즉 탄소섬유를 직조하여 직물 형태로 하거나 무질서하게 적층시켜서 부직포 형태로 하기 때문에 얇게 만들기 위해서는 탄소섬유의 가닥수를 감소시켜야 한다. 그러나 이 경우 상기한 두께의 박막으로 제조하기 어렵다.ii) It is preferable that the carbon substrate has a thickness of about 100 to 400 µm in order to exhibit the characteristics required by the fuel cell. However, it is difficult to make a carbon substrate into a thin film. In other words, the number of strands of carbon fibers must be reduced in order to make them thin because weaving carbon fibers into woven fabrics or irregularly laminating them into nonwoven fabrics. In this case, however, it is difficult to manufacture a thin film of the above thickness.

iii) 기계적 강도가 낮아서 MPL을 도포하기 위해서 탄소섬유를 코팅장치에 걸어서 일정한 힘으로 잡아당기면 늘어나는 문제를 갖고 있다. 그러므로 탄소기재 위에 MPL을 도포하면 건조시 미도포 부위의 기재와 도포부위의 기계적 강도와 수축율의 차이로 인해서 MPL 표면에 마크로크랙이 발생하게 된다. 이런 마크로크랙은 MEA의 성능 저하를 가져오는 주요한 원인 중의 하나이다. iii) Due to the low mechanical strength, the carbon fiber is stretched when the carbon fiber is pulled with a constant force to apply the MPL. Therefore, when MPL is applied on a carbon substrate, macro cracks are generated on the MPL surface due to the difference in mechanical strength and shrinkage ratio of the uncoated portion and the coated portion during drying. This macrocrack is one of the major causes of poor performance of the MEA.

iv) 탄소 기재의 두께 편차가 크다. 즉, 탄소섬유 부직포 기재를 구성하는 직경 수 마이크로미터 크기의 탄소 섬유는 전구체 고분자물질을 수많은 노즐을 통하여 토출되어 단섬유로 된 후, 이들이 무질서하게 적층되어 시트상으로 전환된다. 따라서, 토출 조건에 따라서 원료 전구체 수지조성물이 두껍게 적층된 부분은 두꺼운 탄소 기재 부분이 되고, 또한 얇게 적층된 부분은 얇은 탄소 기재 부분이 된다. 또한 압연이 되어 있는 탄소 기재에서는 방향에 따른 두께 편차가 매우 크다. 이러한 문제는 현재 기술로는 극복하기 어려우며, 이런 탄소 기재를 사용한 막 전극 조립체(MEA)는 두께와 성능의 재현성을 얻기가 매우 어렵다. 이러한 상황은 탄소 종이 또는 탄소섬유 부직포 형태의 탄소기재의 경우에도 동일하다.iv) The thickness variation of the carbon substrate is large. That is, carbon fibers having a diameter of several micrometers constituting the carbon fiber nonwoven substrate are discharged through a large number of nozzles to form a precursor fiber, and then they are randomly stacked and converted into sheets. Therefore, the thickly laminated portion of the raw material precursor resin composition becomes a thick carbon substrate portion, and the thinly laminated portion becomes a thin carbon substrate portion, depending on the discharge conditions. Moreover, in the carbon base material which is rolled, the thickness variation with a direction is very large. This problem is difficult to overcome with current technology, and membrane electrode assemblies (MEA) using such carbon substrates are very difficult to obtain thickness and performance reproducibility. This situation is the same for carbon substrates in the form of carbon paper or carbon fiber nonwovens.

v) 탄소 기재 내부의 다공도가 균일하지 않고 위치에 따라 편차가 크다. 이는 고전류가 흐르는 영역에서 발생한 연료전지의 전자를 외부회로로 전달할 때 전압강하가 크게 일어나는 원인이 된다. 탄소섬유 직물은 탄소섬유가 직조되어 있는 형태이므로 탄소종이와 비교할 때 육안으로 관찰할 수 있는 정도의 더 큰 다공성을 갖는다. 이 때문에 탄소섬유 직물은 전압강화 현상이 더 많이 일어나는 경향이 있다.v) The porosity inside the carbon substrate is not uniform and the variation is large depending on the position. This causes a large voltage drop when transferring electrons of a fuel cell generated in a region where high current flows to an external circuit. Carbon fiber fabrics are in the form of woven carbon fibers and therefore have a greater porosity that can be observed with the naked eye when compared to carbon paper. Because of this, carbon fiber fabrics tend to be more voltage-strengthened.

이와 같이 탄소 기재의 다공도가 위치에 따라 편차가 크고 촉매도포시 탄소기재안으로 스며들어가서 수소이온의 고분자막으로의 이동거리가 멀어져서 성능이 낮아지기 때문에 안정적인 성능의 연료전지를 얻기 위해서 MPL을 탄소 기재 위에 코팅하여 GDL을 제조한다. 그러나, 이 경우 탄소 기재의 두께 편차가 크기 때문에 탄소 기재의 위치에 따라서 MPL 형성용 조성물의 적층량(amount of loading)의 변화가 크게 된다. 이는 탄소 기재의 위치에 따라 다른 두께의 MPL이 형성된다는 것을 의미하며, 이는 탄소 기재의 위치에 따라서 특성의 변화가 큰 GDL이 얻어지는 결과가 된다.In this way, the porosity of the carbon substrate varies greatly depending on the location, and when the catalyst is applied, MPL is coated on the carbon substrate to obtain a stable fuel cell because the performance decreases due to the penetration of hydrogen ions into the polymer substrate and the distance to the polymer membrane. To prepare the GDL. However, in this case, since the thickness variation of the carbon substrate is large, the change of the amount of loading of the composition for forming MPL is large according to the position of the carbon substrate. This means that different thicknesses of MPL are formed depending on the position of the carbon substrate, which results in a GDL having a large change in properties depending on the position of the carbon substrate.

vi) 특히 탄소 종이는 기계적 강도가 작고 취성(brittleness)이 크기 때문에 압연(rolling)이 어렵다. 즉, 탄소 종이는 유연성이 불량하기 때문에 회전반경이 커야 하므로, 코팅장치(coater)의 언와인딩 롤(unwinding roll)과 리와인딩 롤(rewinding roll)의 반경이 커야 하고, 또한 가이드 롤(guide roll)의 사이의 거리가 커야 하기 때문에 코팅장치의 대형화를 유발한다. 이는 미세다공성층(MPL)과 촉매층의 제조를 매우 어렵게 한다.vi) Rolling is particularly difficult because carbon paper has a low mechanical strength and high brittleness. That is, since carbon paper has a high rotation radius because of poor flexibility, the radius of the unwinding roll and the rewinding roll of the coater should be large, and also the guide roll. Since the distance between the should be large, causing the size of the coating apparatus. This makes the preparation of the microporous layer (MPL) and the catalyst layer very difficult.

vii) 탄소 섬유는 기계적 강도가 우수하지만 탄소섬유로 제직된 직물은 압연시 잘 신장되기 때문에 탄소 기재는 롤-투-롤(roll to roll) 방식의 코팅장치에 적용하기 어렵다. 즉 탄소 기재가 롤에 장착될 때 가해지는 아주 작은 장력에도 탄소섬유는 보통 약 10~40% 정도 신장되며 파단이 되기도 쉽다. 또한, 신장된 후에는 본래와 다른 구조를 갖는다.vii) Although carbon fiber has excellent mechanical strength, the woven fabric made of carbon fiber is well stretched when rolled, so that the carbon substrate is difficult to apply to a roll-to-roll coating apparatus. In other words, even when the tension is applied when the carbon substrate is mounted on a roll, the carbon fiber is usually about 10 to 40% elongated and easily broken. In addition, after elongation, it has a structure different from the original.

상기한 바와 같이 이러한 탄소 기재의 문제점을 보완하기 위하여 종래의 GDL 은 다공성 탄소기재 위에 탄소입자(섬유)와 소수성 고분자를 포함하는 MPL을 형성하여 제조되고 있다.As described above, the conventional GDL is manufactured by forming MPL including carbon particles (fibers) and a hydrophobic polymer on a porous carbon substrate.

예를 들면, 국제특허 WO2003/054994(한국 공개특허공보 2004-0071725호)는 탄소 입자, 1종 이상의 고플루오르화 중합체 및 1종 이상의 아민옥시드계 계면활성제를 포함하는 수성코팅 조성물을 탄소 기재 위에 코팅하여 GDL을 제조하는 방법을 개시하고 있다.For example, International Patent WO2003 / 054994 (Korean Patent Publication No. 2004-0071725) discloses an aqueous coating composition comprising carbon particles, at least one high fluorinated polymer, and at least one amine oxide based surfactant on a carbon substrate. A method of preparing GDL by coating is disclosed.

한국특허출원 2004-7009514호는 탄소와 하나 이상의 계면활성제를 수성 유체에서 전형적으로 고전단 혼합에 의하여 배합하여 예비조성물을 제조하는 단계, 하나 이상의 고도로 플루오르화된 중합체를 저전단 혼합에 의해 상기 조성물에 첨가하여 코팅 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 코팅 조성물을 전형적으로 저전단 코팅방법에 의해 전기전도성 다공성 기재에 코팅하는 단계를 포함하는 전기화학 전지용 GDL의 제조방법을 개시한다.Korean Patent Application No. 2004-7009514 describes the preparation of a precomposition by combining carbon and one or more surfactants in an aqueous fluid, typically by high shear mixing, wherein one or more highly fluorinated polymers are added to the composition by low shear mixing. A method of making a GDL for an electrochemical cell, comprising the steps of preparing a coating composition, and coating the coating composition on an electrically conductive porous substrate, typically by a low shear coating method.

또한 한국특허출원 2004-7009592호는 탄소섬유 평직물 위에 코팅된 MPL을 25% 이상의 압착율로 압착하여 GDL을 제조하는 방법을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Application No. 2004-7009592 discloses a method of manufacturing GDL by compressing MPL coated on a carbon fiber plain fabric with a compression ratio of 25% or more.

이처럼 종래의 GDL의 기본 구조는 탄소 기재 위에 탄소와 소수성 고분자로 형성된 MPL이 코팅된 구조로 이루어져 있다. 이와 같이 다공도 등의 물성이 전혀 다른 탄소 기재 위에 MPL이 형성된 2층 구조로 이루어진 종래의 GDL은 다음과 같은 문제점을 나타내기 쉽다.As described above, the basic structure of the conventional GDL consists of a structure coated with MPL formed of carbon and a hydrophobic polymer on a carbon substrate. As described above, the conventional GDL having a two-layer structure in which MPL is formed on a carbon substrate having completely different physical properties such as porosity tends to exhibit the following problems.

i) MPL은 탄소의 종류와 구조 및 소수성 고분자의 함량, MPL의 두께 등에 따라서 다른 기공 분포와 다공성을 갖게 된다. 일반적으로 탄소 기재내에 내포된 기 공은 수십 마이크로미터 ~ 수 밀리미터 크기의 큰 기공도를 갖지만, MPL은 수 나노미터 ~ 수십 마이크로미터의 작은 기공도를 갖는다. 따라서 탄소 기재의 다공도는 크지만 이 위에 적층된 MPL의 다공도가 매우 작기 때문에 계면에서 병목현상이 발생하여 물질의 유입과 배출이 원활하지 않다. 특히 고전류 영역에서는 많은 양의 연료가 반응하여 연료극에서는 많은 양의 이산화탄소가 생성되고 공기극에서는 많은 양의 물이 발생하지만 탄소기재와 MPL의 병목현상으로 인하여 이들의 원활히 배출되기 어렵다.i) MPL has different pore distribution and porosity depending on carbon type and structure, hydrophobic polymer content, MPL thickness, etc. In general, the pores contained in the carbon substrate have large porosities ranging from tens of micrometers to several millimeters, while MPLs have small porosities of several nanometers to several tens of micrometers. Therefore, the porosity of the carbon substrate is large, but because the porosity of the MPL stacked thereon is very small, bottlenecks occur at the interface, and the inflow and discharge of the material is not smooth. In particular, a large amount of fuel reacts in the high current region, and a large amount of carbon dioxide is generated in the anode and a large amount of water is generated in the cathode, but it is difficult to discharge them smoothly due to a bottleneck between the carbon substrate and the MPL.

ii) MPL 위의 촉매층에서 발생한 전류는 MPL, 탄소 기재를 통하여 쌍극판(bipolar plate)에서 집전되어 외부회로와 연결되는데, 각 층의 계면에서 접촉저항에 의하여 전류 손실이 발생한다. 탄소 기재를 사용하는 경우에는 계면의 수가 증가하므로 그 만큼 전류손실이 증가하며, 특히 탄소 기재와 쌍극판이 접촉하는 면에서 전류손실이 크게 발생한다.ii) The current generated in the catalyst layer on the MPL is collected in the bipolar plate through the MPL and the carbon substrate and connected to the external circuit. Current loss occurs due to the contact resistance at the interface of each layer. In the case of using a carbon substrate, the number of interfaces increases, so that the current loss increases accordingly. In particular, the current loss is large in the contact between the carbon substrate and the bipolar plate.

iii) 상용 연료전지는 전압을 증가시키기 위하여 MEA를 직렬로 하여 다단으로 적층하는 구조를 갖는다. MEA/쌍극판/MEA 등의 순서로 적층된 연료전지 스택은 밀폐(sealing)을 위해서 외부에서 힘을 주어서 체결된다. 이때 수~수백 kgf/cm2 정도의 큰 힘이 가해지기 때문에 탄소 기재가 쌍극판의 채널 안으로 함몰되거나 기재가 부서지는 경우가 빈발한다. 이는 기계적 강도가 낮은 탄소 기재와 MPL이 별도로 존재하기 때문에 발생하는 문제이다.iii) Commercial fuel cells have a structure in which MEAs are stacked in series to increase voltage. The fuel cell stacks stacked in the order of MEA / bipolar plate / MEA and the like are fastened externally for sealing. At this time, several hundreds of kgf / cm 2 Because of the high degree of force applied, it is frequently the case that the carbon substrate is recessed into the channel of the bipolar plate or the substrate breaks. This is a problem caused by the presence of a carbon substrate with low mechanical strength and MPL separately.

iv) 이러한 구조의 GDL은 일반적으로 MPL의 표면에서 불규칙한 크랙을 갖는 것이다. MPL 표면의 불규칙한 크랙은 GDL 내에 거대 기공이 불규칙하게 분포하도록 하기 때문에 연료 및 반응 기체의 원활하고 균일한 공급이 방해받으며, GDL 위에 코팅하는 촉매층의 촉매가 GLD 내부로 함몰되게 됨으로써 촉매의 효율을 저하시키는 주요한 원인이 될 수 있다. 이 역시 다공도 등의 물성이 전혀 다른 탄소 기재 위에 MPL을 형성시킴으로써 발생하는 문제이다.iv) GDLs of this structure generally have irregular cracks on the surface of the MPL. Irregular cracks on the surface of the MPL cause irregular distribution of large pores in the GDL, which impedes the smooth and uniform supply of fuel and reaction gas, and deteriorates the efficiency of the catalyst by causing the catalyst of the catalyst layer coated on the GDL to sink into the GLD. Can be a major cause. This is also a problem caused by forming MPL on a carbon base material having completely different physical properties such as porosity.

v) 이와 같은 2층 구조의 GDL은 제조하기가 매우 어렵다. 탄소 기재를 만드는 공정도 매우 어렵지만, 그 위에 일정한 두께의 MPL을 형성하기 위해서는 탄소 기재를 코팅장치에 장착하여 일정한 장력을 갖도록 해야 일정한 두께의 MPL을 코팅할 수 있다. 그러나 탄소 기재가 일차적으로 기계적 변형을 받게 되며, 또한 탄소+소수성 고분자+분산제+용매 등으로 이루어진 MPL 형성용 탄소 슬러리를 탄소 기재 위에 코팅하고 건조하면, 탄소 기재는 수축하지 않으려는 성질이 갖고 있지만, MPL은 슬러리의 용매 등의 휘발되면서 수축되고 이로 인하여 표면에 크랙이 발생하고, 슬러리의 흐름성 때문에 MPL의 두께 편차가 발생한다. 또한 매끈한 표면에 탄소 슬러리를 코팅하는 것이 아니고 불규칙한 다공성 구조를 갖는 탄소 기재 위에 코팅하기 때문에 국부적으로 두께 편차가 발생한다. 이 때문에 기공 분포가 불균일한 GDL이 되고, MEA 제조시 위치별로 다른 구조를 갖는 GDL을 사용하는 것이다.v) Such a two layer GDL is very difficult to manufacture. Although the process of making a carbon substrate is also very difficult, in order to form a constant thickness MPL on the carbon substrate must be mounted on the coating apparatus to have a constant tension to coat a constant thickness MPL. However, when the carbon substrate is subjected to mechanical deformation primarily, and the carbon slurry for forming MPL formed of carbon + hydrophobic polymer + dispersant + solvent is coated on the carbon substrate and dried, the carbon substrate has a property of not shrinking. The MPL shrinks as the solvent of the slurry volatilizes, thereby causing cracks on the surface, and variations in thickness of the MPL occur due to the flowability of the slurry. In addition, a thickness variation occurs locally because the coating is performed on a carbon substrate having an irregular porous structure instead of coating a carbon slurry on a smooth surface. For this reason, GDL becomes a nonuniform pore distribution, and GDL which has a different structure for each position at the time of MEA manufacture is used.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래의 GDL의 문제점을 해결하기 위하여 탄소 기재와 MPL이 일체화된 일체형 GDL을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an integrated GDL in which a carbon substrate and MPL are integrated in order to solve the problems of the conventional GDL described above.

본 발명의 다른 목적은 상기한 일체형 GDL을 포함하는 연료전지용 전극을 제 공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell comprising the integrated GDL described above.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 일체형 GDL을 포함하는 연료전지용 MEA를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell MEA including the integrated GDL.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 일체형 GDL을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell including the integrated GDL.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 태양은 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 연료전지용 기체확산층(GDL)으로서, 탄소 기재(carbon substrate)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 GDL을 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is a fuel diffusion gas diffusion layer (GDL) consisting of only carbon powder, and MPL containing a fluorinated resin that is not carbonized in the temperature range of 250 to 400 ℃ fused to impart a binding force ), It provides a GDL characterized by not including a carbon substrate.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 분말은 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 카본 휘스커, 탄소 섬유, 활성탄소섬유, 기상성장 탄소섬유, 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 및 천연 또는 합성 흑연(graphite)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon powder is activated carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, denka black, carbon whisker, carbon fiber, activated carbon fiber, vapor growth carbon fiber, carbon aerosol, carbon nanotube, It may be at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanohorn, and natural or synthetic graphite.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 플루오로화 수지가 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체 및 폴리플루오로비닐리덴(PVDF)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the fluorinated resin is polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polychlorotrifluoro It may be at least one selected from the group consisting of ethylene, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer and polyfluorovinylidene (PVDF).

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 탄소분말은 a) 입자 직경이 1㎛ 이상으로서 자기지지성이 있는 골격유지 탄소분말 성분과, b) 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm이하인 전기전도성 탄소분말 성분을 포함하며, 상기 a)의 골격유지성분 100중량부를 기준으로 상기 b)의 전기전도성 탄소분말 성분 20 내지 80 중량부를 포함하는 혼합물일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the carbon powder comprises a) a skeleton-maintaining carbon powder component having a self-supporting particle diameter of 1 µm or more, and b) an electrically conductive carbon having an electrical resistivity of 1 Ωcm or less. It may be a mixture comprising a powder component, 20 to 80 parts by weight of the electrically conductive carbon powder component of b) based on 100 parts by weight of the skeletal maintenance component of a).

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 탄소분말은 입자 직경이 0.1㎛ 이상이고 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm이하인 탄소분말을 포함하는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the carbon powder may include a carbon powder having a particle diameter of 0.1 μm or more and an electrical resistivity of 1 Ωcm or less.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 MPL의 두께는 50 ~ 1,000㎛이며, 탄소 분말 : 플루오로화 수지의 중량비는 탄소분말 60~95중량%:플루오로화 수지 5~40중량%일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the thickness of the MPL is 50 ~ 1,000㎛, the carbon powder: the weight ratio of the fluorinated resin may be 60 to 95% by weight carbon powder: 5 to 40% by weight fluorinated resin have.

본 발명의 다른 태양은, 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 GDL로서, 탄소 기재(carbon substrate)를 포함하지 않는 GDL; 및 상기 GDL위에 적층된 촉매층을 포함하는 전극을 제공한다.Another aspect of the invention is a GDL consisting of only carbon powder and MPL comprising a fluorinated resin that melts and imparts a binding force without carbonization in the temperature range of 250 to 400 ° C., which does not include a carbon substrate. Does not have GDL; And it provides an electrode comprising a catalyst layer laminated on the GDL.

본 발명의 또 다른 태양은 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 GDL로서, 탄소 기재(carbon substrate)를 포함하지 않는 GDL, 상기 GDL위에 적층된 촉매층 및 상기 촉매층위에 적층된 중합체 전해질막(PEM)을 포함하는 막 전극 조립체(MEA)을 제공한다.Another aspect of the invention is a GDL comprising only carbon powder and MPL comprising a fluorinated resin that melts and imparts a binding force without carbonization in the temperature range of 250 to 400 ° C., which does not include a carbon substrate. A membrane electrode assembly (MEA) comprising a GDL, a catalyst layer stacked on the GDL, and a polymer electrolyte membrane (PEM) stacked on the catalyst layer.

본 발명의 또 다른 태양은 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 GDL로서, 탄소 기재(carbon substrate)를 포함하지 않는 GDL, 상기 GDL위에 적층된 촉매층을 포함하는 연료전지를 제공한다.Another aspect of the invention is a GDL comprising only carbon powder and MPL comprising a fluorinated resin that melts and imparts a binding force without carbonization in the temperature range of 250 to 400 ° C., which does not include a carbon substrate. GDL does not provide a fuel cell comprising a catalyst layer stacked on the GDL.

본 발명의 또 다른 태양은, 탄소 분말, 분산제, 250 내지 400℃의 온도에서 공기 또는 산소 분위기에서 탄화될 수 있는 고분자 수지 및 상기 온도범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 탄소 슬러리 조성물을 제조하는 단계;Still another aspect of the present invention provides a carbon powder, a dispersant, a polymer resin that can be carbonized in an air or oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 400 ° C. and a fluorinated resin that is melted without carbonization in the above temperature range to impart a binding force. Preparing a carbon slurry composition comprising;

기재 위에 상기 탄소 슬러리 조성물을 코팅한 다음 건조시켜 미세다공성 전구체층을 형성하는 단계; 및Coating the carbon slurry composition on a substrate and then drying to form a microporous precursor layer; And

상기 기재를 박리하여 제거한 후, 상기 미세다공성 전구체층을 250 내지 400℃의 공기 또는 산소 분위기에서 열처리하여 상기 분산제 및 상기 고분자 수지를 탄화 또는 분해제거함으로써, 상기 탄소 분말, 및 상기 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 GDL을 얻는 단계를 포함하는 GDL의 제조방법을 제공한다.After peeling off and removing the substrate, the microporous precursor layer is heat treated in an air or oxygen atmosphere at 250 to 400 ° C. to carbonize or decompose the dispersant and the polymer resin, thereby removing the carbon powder and the 250 to 400 ° C. It provides a method for producing a GDL comprising the step of obtaining a GDL consisting of only the MPL containing a fluorinated resin that is not carbonized in the temperature range and melted to impart a binding force.

본 발명에 따른 탄소 기재와 MPL이 일체화된 일체형 기체확산층을 채용한 전극 및 연료전지는 무엇보다도 제조 코스트를 대폭 절감할 수 있으며 또한 탄소 기재를 포함하지 않기 때문에 탄소 기재층과 MPL 사이의 계면에서 발생하는 물질이동에 대한 병목현상 및 접촉 저항을 제거할 수 있다. 이에 의하여 본 발명에 따른 전 극 및 연료전지는 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근 및 균일한 전자전도성을 확보할 수 있다. 또한 MPL의 표면에 매크로크랙은 물론 마이크로크랙이 전혀 나타나지 않을 정도로 매끄럽게 형성되므로 기공이 규칙적으로 분포하고 촉매의 이용율을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 GDL을 채용한 전극 및 연료전지는 균일한 전기적 특성을 발휘할 수 있다.The electrode and fuel cell employing the integrated gas diffusion layer in which the carbon substrate and the MPL are integrated according to the present invention can greatly reduce the manufacturing cost, and also do not include the carbon substrate, and thus occur at the interface between the carbon substrate and the MPL. Eliminate bottlenecks and contact resistance to mass transfer. As a result, the electrode and the fuel cell according to the present invention can ensure smooth access and uniform electronic conductivity of the fuel and the reactor body to the catalyst layer. In addition, since the macrocracks as well as the microcracks are formed smoothly on the surface of the MPL, the pores are regularly distributed and the utilization rate of the catalyst can be improved. Therefore, the electrode and the fuel cell employing the GDL according to the present invention can exhibit uniform electrical characteristics.

이하, 본 발명에 따른 GDL, 전극 및 연료전지 등에 대하여 더 상세히 설명한다.Hereinafter, the GDL, the electrode and the fuel cell according to the present invention will be described in more detail.

도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 GDL의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 GDL은 탄소 기재(도 1의 1)를 포함하지 않으며, MPL(3)만으로 이루어져 있다. MPL(3)은 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하여 이루어진다. 상기 MPL(3)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 50 ~ 1,000㎛일 수 있으며, 바람직하게는 150 ~ 500㎛일 수 있다. 이 층의 두께가 50㎛ 미만이면 기계적 강도가 낮아서 핸들링하는 동안에 찢어지는 등의 문제가 있을 수 있으며, 1,000㎛을 초과하면 물질 이동 거리가 증가하여 물질 이동이 어렵고, 저항이 증가하여 MEA 성능을 저하시키는 등의 문제가 있을 수 있다.3 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a GDL according to an aspect of the present invention. Referring to FIG. 3, the GDL of the present invention does not include a carbon substrate (1 in FIG. 1), and consists only of the MPL 3. The MPL 3 comprises a carbon powder and a fluorinated resin that is melted without carbonization in the temperature range of 250 to 400 ° C. to impart a binding force. The thickness of the MPL 3 is not particularly limited, but may be 50 to 1,000 μm, and preferably 150 to 500 μm. If the thickness of the layer is less than 50 μm, there may be a problem such as tearing during handling due to low mechanical strength. If the thickness is more than 1,000 μm, the material movement distance is increased and the resistance is increased. There may be a problem such as.

본 발명의 기체확산층은 통상적으로는, 약 10 Ω㎝ 이하의 전기 비저항 (electrical resistivity; in-plane과 thru-plane 저항)을 가질 수 있으며, 더 바람직하게는 약 5 Ω㎝ 이하의 저항을 가질 수 있으며, 더더욱 바람직하게는 약 1 Ω㎝ 이하의 저항을 가질 수 있다.The gas diffusion layer of the present invention may typically have an electrical resistivity (in-plane and thru-plane resistance) of about 10 Ωcm or less, and more preferably about 5 Ωcm or less. And even more preferably, may have a resistance of about 1 Ωcm or less.

MPL(3)에서, 탄소 분말 : 플루오로화 수지의 중량비는 특별히 한정되지 않지만, 탄소분말 60~95중량%:플루오로화 수지 5~40중량%일 수 있으며, 바람직하게는 탄소분말 70~90중량%:플루오로화 수지 10~30중량%일 수 있다. 탄소분말의 함량비가 60중량% 미만이면 전극저항이 증가하여 전기전도성이 충분하지 않을 수 있으며, 95중량%를 초과하면 플루오로화 수지의 함량이 적어서 결착력이 저하되어 기계적 강도가 충분하지 않은 문제점이 있다.In MPL (3), the weight ratio of carbon powder to fluorinated resin is not particularly limited, but may be 60 to 95% by weight of carbon powder: 5 to 40% by weight of fluorinated resin, preferably 70 to 90 carbon powder. % By weight: 10-30% by weight of the fluorinated resin. If the content ratio of the carbon powder is less than 60% by weight, the electrode resistance may not be sufficient to increase the electrical conductivity. If the content is more than 95% by weight, the content of the fluorinated resin is small, so that the binding strength is lowered and the mechanical strength is not sufficient. have.

상기 탄소 분말은 다공성 및 전기전도성을 가지며, 결정성 탄소, 비결정성 탄소 또는 활성 탄소를 불문하며, 1종 또는 2종 이상의 다양한 조합비로 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 탄소 분말은 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는, 활성탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케텐 블랙, 카본 휘스커, 탄소 섬유, 활성탄소섬유, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber) 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 및 천연 또는 합성 흑연(graphite)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 탄소 분말의 평균입자크기, 비표면적, 평균기공크기 등에 대하여 특별한 제한은 없다. 다만, 상기 탄소 분말의 평균입자크기가 너무 작으면, 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근이 방해될 수 있으며, 반응중에 생성된 이산화탄소와 물의 배출 능력이 저하될 수 있다. 반면에, 상기 탄소 분말의 평균입자크기가 너무 크면, 매크로포어가 형성되어 연료 담지 능력이 저하될 수 있으며, 반응 중 생성된 전자와 집전체와의 계면저항이 지나치게 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명에서 사용되는 탄소 분말은 MPL이 탄소 기재가 없이도 자기지지성을 갖도록 하는 a) 골격유지 탄소분말 성분으로서 입자 직경이 0.1㎛ 이상, 예를 들면 0.1 내지 100 ㎛의 탄소 분말과 b) 전기 비저항이 1Ω㎝ 이하, 예를 들면 0.01 ~ 1 Ω㎝인 전기전도성 탄소분말 성분을 포함하여 이루어진다. 상기 a) 골격유지 탄소분말 성분의 구체적인 예는 인조흑연인 MCMB(오사카 가스), 천연흑연인 P15B-ZG(일본카본), GX-15P(카보닉스), 탄소섬유 혹은 통상적인 탄소섬유에 비하여 직경이 작고 표면적이 큰 활성 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함한다. 상기 b) 전기전도성 탄소분말 성분은 전기 비저항이 1Ω㎝ 이하인 활성탄소, 예를 들면 카본 블랙, 예를 들어 불칸(Vulcan) XC-72 (캐보트 코퍼레이션), 등급 C55의 샤위니간 블랙(Shawinigan Black) (체브론 필립스 케미칼 컴퍼니), 또는 케첸블랙(Ketjenblack) EC300J (악조 노벨 케미칼스 인크.(Akzo Nobel Chemicals Inc., Chicago, IL)가 사용될 수 있다. 흑연 입자가 사용되는 경우에는 통상적으로 더 큰 입도를 갖는다. 이 경우 상기 a)의 골격유지성분 100중량부를 기준으로 상기 b)의 전기전도성 탄소분말 성분 20 내지 80 중량부를 포함하는 혼합물일 수 있다.The carbon powder is porous and electrically conductive, and can be used in one or two or more various combination ratios, regardless of crystalline carbon, amorphous carbon or activated carbon. The carbon powder that can be used is not particularly limited, but specifically, activated carbon, carbon black, acetylene black, ketene black, carbon whisker, carbon fiber, activated carbon fiber, vapor grown carbon fiber (VGCF) carbon It may be at least one selected from the group consisting of aerosols, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorn, and natural or synthetic graphite. There is no particular limitation on the average particle size, specific surface area, average pore size, etc. of the carbon powder. However, if the average particle size of the carbon powder is too small, smooth access of the fuel and the reactor gas to the catalyst layer may be prevented, and the ability to discharge carbon dioxide and water generated during the reaction may be reduced. On the other hand, if the average particle size of the carbon powder is too large, the macropores may be formed to reduce the fuel carrying capacity, the interface resistance between the electrons and the current collector generated during the reaction may be excessively increased. In view of this, the carbon powder used in the present invention is a) a skeleton-maintaining carbon powder component which allows MPL to have self-support even without a carbon substrate, and has a particle diameter of 0.1 mu m or more, for example, 0.1 to 100 mu m carbon. Powder and b) an electrically conductive carbon powder component having an electrical resistivity of 1 Ωcm or less, for example, 0.01 to 1 Ωcm. Specific examples of the a) skeletal-maintaining carbon powder component are compared with those of artificial graphite MCMB (Osaka Gas), natural graphite P15B-ZG (Japan carbon), GX-15P (carbonics), carbon fiber or ordinary carbon fiber. At least one selected from the group consisting of activated carbon fibers having a small surface area. B) The electrically conductive carbon powder component is activated carbon having an electrical resistivity of 1 Ωcm or less, such as carbon black, for example, Vulcan XC-72 (Cabot Corporation), Shawinigan Black of grade C55. (Cevron Phillips Chemical Company), or Ketjenblack EC300J (Akzo Nobel Chemicals Inc., Chicago, IL) may be used. Typically, when graphite particles are used, larger In this case, the mixture may include 20 to 80 parts by weight of the electrically conductive carbon powder component of b) based on 100 parts by weight of the skeletal maintenance component of a).

본 발명에서 탄소 분말은 섬유 형태 즉 탄소 섬유도 포함하는 의미로 사용된다. 탄소 섬유인 경우 그 섬유길이는 수 백 마이크로미터 ~ 수 밀리밀터 또는 수 센티미터일 수 있다.In the present invention, the carbon powder is used in the form of fiber, i.e., including carbon fiber. In the case of carbon fibers, the fiber length can be several hundred micrometers to several millimeters or centimeters.

상기 탄소 분말의 비표면적이 너무 작으면 연료의 담지 능력이 저하될 뿐만 아니라 촉매와의 접촉저항이 증가될 수 있으며, 너무 크면 과도한 미세 다공성으로 인해서 반응생성물이 원활하게 배출되지 못 할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 탄소 분말의 비표면적은 약 20 ㎡/g 내지 약 2000 ㎡/g 정도로 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 약 50 ㎡/g 내지 약 1500 ㎡/g 정도로 할 수 있으며, 더더욱 바람직하게는, 약 80 ㎡/g 내지 약 800 ㎡/g 정도로 할 수 있다. If the specific surface area of the carbon powder is too small, not only the supporting capacity of the fuel may be lowered, but also the contact resistance with the catalyst may be increased. If the carbon powder is too large, the reaction product may not be smoothly discharged due to excessive microporosity. In view of this, the specific surface area of the carbon powder may be about 20 m 2 / g to about 2000 m 2 / g, more preferably, about 50 m 2 / g to about 1500 m 2 / g, Even more preferably, it may be about 80 m 2 / g to about 800 m 2 / g.

예를 들면, 상기 탄소분말은 a) 입자 직경이 0.1㎛ 이상, 예를 들면 0.1 ~ 100㎛으로서 자기지지성이 있는 골격유지 탄소분말 성분과, b) 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm, 예를 들면 0.01 ~ 1Ωcm인 전기전도성 탄소분말 성분을 포함하며, 상기 a)의 골격유지성분 100중량부를 기준으로 상기 b)의 전기전도성 탄소분말 성분 20 내지 80 중량부를 포함하는 혼합물일 수 있다. 또는 탄소분말의 입자 직경이 0.1㎛ 이상이고 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm 이하인 경우에는 이 탄소 분말을 단독으로 사용하여도 MPL이 충분한 기계적 강도 및 전기전도성을 겸비할 수 있으므로 이 것이 단독으로 사용될 수도 있다.For example, the carbon powder may be a) a particle diameter of 0.1 µm or more, for example, 0.1 to 100 µm, a skeleton-supporting carbon powder component that is self-supporting, and b) an electrical resistivity of 1 Ωcm, eg For example, it may be a mixture containing an electrically conductive carbon powder component of 0.01 ~ 1Ωcm, 20 to 80 parts by weight of the electrically conductive carbon powder component of b) based on 100 parts by weight of the skeletal maintenance component of a). Alternatively, when the particle diameter of the carbon powder is 0.1 μm or more and the electrical resistivity is 1 Ωcm or less, the carbon powder may be used alone so that the MPL may have sufficient mechanical strength and electrical conductivity. It may be.

상기 플루오로화 수지는 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 것으로서 MPL에 결착력을 부여하여 기계적 강도를 유지하는 데 도움을 준다. 이 플루오로화 수지는 불소를 40중량% 이상, 통상적으로 50중량% 이상, 더욱 통상적으로 60 중량% 이상 함유하는 것이다. 그 구체적인 예는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE) 및 폴리플루오로비닐리덴(PVDF)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다.The fluorinated resin is melted without being carbonized in the temperature range of 250 to 400 ° C. to impart a binding force, thereby imparting a binding force to the MPL to help maintain mechanical strength. This fluorinated resin contains 40 weight% or more, normally 50 weight% or more, and more typically 60 weight% or more. Specific examples thereof include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) And at least one selected from the group consisting of tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE) and polyfluorovinylidene (PVDF).

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소 기재와 MPL이 일체화된 일체형 GDL을 채용한 전극 및 연료전지는 무엇보다도 제조 코스트를 대폭 절감할 수 있으며 또한 탄소 기재를 포함하지 않기 때문에 탄소 기재층과 MPL 사이의 계면에서 발생하는 물질이동에 대한 병목현상 및 접촉 저항을 제거할 수 있다. 이에 의하여 본 발명에 따른 전극 및 연료전지는 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근 및 균일한 전자전도성을을 확보할 수 있다. 또한 MPL의 표면에 매크로크랙은 물론 마이크로크랙이 전혀 나타나지 않을 정도로 매끄럽게 형성되므로 기공이 규칙적으로 분포하고 촉매의 이용률을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 GDL을 채용한 전극 및 연료전지는 균일한 전기적 특성을 발휘할 수 있다.As described above, the electrode and the fuel cell employing the integrated GDL in which the carbon substrate and the MPL are integrated according to the present invention can greatly reduce the manufacturing cost and above all, and do not include the carbon substrate. Eliminate bottlenecks and contact resistance to mass transfer at the interface As a result, the electrode and the fuel cell according to the present invention can ensure smooth access and uniform electron conductivity of the fuel and the reactor body to the catalyst layer. In addition, the surface of the MPL as well as macrocracks as well as microcracks are not formed at all, so that the pores are regularly distributed and can improve the utilization of the catalyst. Therefore, the electrode and the fuel cell employing the GDL according to the present invention can exhibit uniform electrical characteristics.

이러한 본 발명의 일체형 GDL이 발휘할 수 있는 기술적 효과에 대하여 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.The technical effects that the integrated GDL of the present invention can exhibit will be described in more detail as follows.

i) 연료전지 스택의 구조에서 가장 많은 전류손실을 갖는 쌍극판과 탄소 기재의 면이 없어지고, 균일한 면을 갖는 GDL이 쌍극판과 접촉하게 되었으므로 전류 손실이 최소화될 수 있다.i) In the structure of the fuel cell stack, the bipolar plate having the largest current loss and the surface of the carbon substrate are eliminated, and the GDL having the uniform surface is brought into contact with the bipolar plate, thereby minimizing the current loss.

ii) GDL의 전 두께에 대하여 일정한 구조와 일정한 기공 분포를 갖게 된다. 그러므로 위치별로 다른 특성을 보이던 종래의 GDL에 비하여 균일한 두께, 기공 구조, 및 전기전도성를 갖게 된다.ii) It has uniform structure and uniform pore distribution over the entire thickness of GDL. Therefore, it has a uniform thickness, pore structure, and electrical conductivity compared to the conventional GDL, which showed different characteristics for each position.

iii) 기계적 강도가 크므로 롤-투-롤 방식에 적용할 수 있기 때문에 GDL 용으로 특수한 코팅장치가 아닌 범용 코팅장치를 사용하여 전극을 제조할 수 있다.iii) Because of its high mechanical strength, it can be applied to the roll-to-roll method. Therefore, the electrode can be manufactured by using a general-purpose coating device, not a special coating device for GDL.

iv) PET 필름과 같은 기재에 코팅되어 건조되고 재권취(rewinding) 후에 기 재를 제거하고 열처리를 하기 때문에 GDL 표면에 크랙이 발생하기 어렵기 때문에 표면이 매끄럽고 일정한 두께의 GDL을 얻기 용이하다. 이 코팅방법은 일반적으로 이차전지나 비디오테이프와 같은 방식에서 이미 일반화된 코팅방법이므로 제조 공정이 매우 간편하고 생산 라인 가동 속도를 증가시킬 수 있다.iv) Since it is coated on a substrate such as PET film, dried, removed, and heat treated after rewinding, it is difficult to generate cracks on the surface of the GDL, so that the surface is smooth and it is easy to obtain a uniform thickness of GDL. Since the coating method is a coating method that is already generalized in a method such as a secondary battery or a video tape, the manufacturing process is very simple and the production line operation speed can be increased.

v) GDL제조용 탄소 슬러리 조성물을 제조하기 용이하다. 기존의 Vulcan XC-72와 같은 수십나노 크기의 활성탄소와 PTFE 수지를 용매에 분산시키는 시스템은 일정한 분산도와 점도를 갖는 슬러리를 제조하기가 어려우나, 본 발명에서는 크기와 종류가 다양한 탄소 분말을 사용하기 때문에 분산이 용이하기에 균일한 점도의 탄소 슬러리 조성물을 제조하기 용이하다.v) It is easy to manufacture the carbon slurry composition for manufacturing GDL. Conventional systems for dispersing dozens of nanoscale activated carbon and PTFE resins such as Vulcan XC-72 in a solvent are difficult to prepare a slurry having a constant dispersion and viscosity, but in the present invention, carbon powders of various sizes and types are used. Therefore, it is easy to produce a carbon slurry composition having a uniform viscosity because it is easy to disperse.

vi) GDL 가격의 70~80%를 차지하는 탄소 기재를 필요로 하지 않기 때문에 GDL 제조코스트를 대폭 절감할 수 있다. 또한 연료전지 양산시 가장 큰 문제인 원재료의 가격에 대한 부담을 획기적으로 낮출 수 있다.vi) Significant savings in GDL manufacturing costs can be achieved by eliminating the need for carbon substrates, which account for 70-80% of GDL prices. In addition, the burden on raw material prices, which is the biggest problem in mass production of fuel cells, can be significantly lowered.

vii) 탄소의 종류와 구조를 한정하지 않고도 다양한 조성과 구조의 GDL을 얻을 수 있다. 예를 들면, 수십 마이크로미터의 구상 탄소 분말, 탄소 섬유, 및 활성탄소의 조합 혹은 탄소 섬유와 도전재의 조합 등 다양한 조합을 이용할 수 있다. 또한, MPL을 다중층으로 형성하는 경우 하층은 입자가 큰 탄소 분말 또는 탄소 섬유를 사용하여 매크로포어를 갖는 구조로 하고, 상층은 작은 탄소 분말 또는 탄소 섬유 등을 이용하여 마이크로포어를 갖는 구조로 하는 등 원하는 대로 기공도를 필요에 따라 조절할 수 있다.vii) GDLs of various compositions and structures can be obtained without limiting the type and structure of carbon. For example, various combinations such as spherical carbon powder of several tens of micrometers, carbon fibers, and activated carbon or combinations of carbon fibers and conductive materials can be used. In addition, when MPL is formed in multiple layers, the lower layer has a macropore structure using large carbon powder or carbon fiber, and the upper layer has a micropore structure using small carbon powder or carbon fiber. The porosity can be adjusted as desired.

viii) 일체화된 구조를 갖음으로써 기존 GDL에 비하여 MEA 성능이 200% 이상 증가될 수 있는 결과를 나타내었다. 이는 촉매층과의 계면이 치밀하고 밀착이 잘되기 때문에 그 사이의 계면저항이 작게 되었으며, 쌍극판과의 접촉저항도 대폭 감소되었기 때문이다.viii) As a result of the integrated structure, the MEA performance can be increased by 200% or more compared with the existing GDL. This is because the interface resistance between the catalyst layer is dense and well adhered, so that the interface resistance therebetween is small, and the contact resistance with the bipolar plate is also greatly reduced.

ix) 수십 마이크로미터 ~ 수 밀리미터 두께의 GDL을 임의대로 제조할 수 있다. 기존 GDL의 MPL은 기계적 강도가 매우 낮아서 기재가 없이 단독으로 필름을 형성하기 어려우나, 본 발명의 GDL의 경우에는 MPL의 기계적 강도가 크기 때문에 단독으로도 다양한 두께의 GDL을 제조할 수 있다.ix) GDLs of tens of micrometers to several millimeters in thickness can be produced arbitrarily. MPL of the existing GDL has a very low mechanical strength, it is difficult to form a film alone without a substrate, in the case of the GDL of the present invention, because the mechanical strength of the MPL is large, it is possible to manufacture GDLs of various thicknesses alone.

도 4는 상기한 구조를 갖는 본 발명의 GDL의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 GDL의 제조 공정을 설명한다.4 is a flowchart showing a manufacturing process of the GDL of the present invention having the above structure. With reference to FIG. 4, the manufacturing process of GDL of this invention is demonstrated.

먼저, 본 발명에 따른 GDL 제조에 사용되는 탄소 슬러리 조성물을 조제한다. 이 조성물은 상기한 종류와 함량비의 탄소 분말 및 플루오로화 수지 이외에 적당량의 분산제, 및 250 내지 400℃의 온도에서 공기 또는 산소 분위기에서 탄화될 수 있는 고분자 수지를 포함한다. 즉 상기한 탄소 분말과 플루오로화 수지의 기본 구성물질에 적정량의 분산제, 및 250 내지 400℃의 온도에서 공기 또는 산소 분위기에서 탄화될 수 있는 고분자 수지를 더 추가하고 균일하게 분산시켜서 탄소 슬러리 조성물을 얻는다. First, the carbon slurry composition used for manufacturing GDL which concerns on this invention is prepared. The composition comprises an appropriate amount of dispersant in addition to the above-described types and content ratios of carbon powder and fluorinated resin, and a polymer resin which can be carbonized in an air or oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 400 ° C. That is, the carbon slurry composition may be further added to the carbon powder and the basic constituents of the fluorinated resin by adding an appropriate amount of a dispersant and a polymer resin which may be carbonized in an air or oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 400 ° C. and uniformly dispersing the carbon slurry composition. Get

탄소 분말을 분산하기 위한 분산제는 플루오로화 수지와 상용성이 우수하면서 탄소 분말을 분산시킬 수 있는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로는 알킬트리메틸암모늄염류, 알킬디메틸벤질암모늄염류, 인산아민염류 등의 양이온성 계면활성제; 폴리옥시알킬렌 알킬에테르류, 폴리옥시에틸렌 유도체, 알킬아민옥사이드, 폴리옥시알킬렌글리콜 등의 음이온성 계면활성제; 알라닌계, 이미다졸륨베타인계, 아미드프로필베타인계, 아미노디프로피온산염 등의 양쪽성계면활성제; 알킬아릴폴리에테르알코올계 등의 비이온성 계면활성제 등을 사용할 수 있으며 나열한 종류에 한정적이지 않다. 제품화된 것 중 음이온성 계면활성제로는 Clariant사의 HOSTAPAL, EMULSOGEN, BYK사의 Dispersbyk, TEGO사의 Dispers 등을 사용할 수 있으며, 비이온성 계면활성제로는 Triton X-100 등을 사용할 수 있다. 사용하는 분산제는 250 내지 400℃의 온도에서 열분해가 되어 제거가 가능한 물질이면 좋다.The dispersant for dispersing the carbon powder may include at least one of a cationic surfactant, an anionic surfactant, a nonionic surfactant, and an amphoteric surfactant which is excellent in compatibility with the fluorinated resin and capable of dispersing the carbon powder. Can be. Specific examples include cationic surfactants such as alkyltrimethylammonium salts, alkyldimethylbenzylammonium salts and phosphate amine salts; Anionic surfactants such as polyoxyalkylene alkyl ethers, polyoxyethylene derivatives, alkylamine oxides and polyoxyalkylene glycols; Amphoteric surfactants such as alanine, imidazolium betaine, amidepropyl betaine and aminodipropionate; Nonionic surfactants, such as alkylaryl polyether alcohols, etc. can be used, It is not limited to the kind listed. Among the commercialized products, anionic surfactants may include Clariant's HOSTAPAL, EMULSOGEN, BYK's Dispersbyk, TEGO's Dispers, and the like. Triton X-100 may be used as the nonionic surfactant. The dispersant to be used may be any substance which can be thermally decomposed and removed at a temperature of 250 to 400 ° C.

상기 250 내지 400℃의 온도에서 공기 또는 산소 분위기에서 탄화될 수 있는 고분자 수지는 탄소 분말의 탄소와 탄소 사이를 연결시켜 줌으로써 생성되는 탄소 슬러리에 결합력을 제공하여, 연료전지의 전극 반응에 영향을 미치지 않으면서 슬러리의 특성을 개선시킬 수 있다. 이러한 고분자 수지로서는 250 내지 400℃의 온도범위에서 공기 또는 산소분위기에서 탄화되어 제거가능하고, 제거시 남은 잔량이 연료전지의 반응에 영향을 미치지 않는 수계 고분자수지(예를 들면, 수계 용매에 용해된 용액의 형태)가 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리아세트알데히드 등으로 이루어진 폴리에테르류, 폴리설파이드류, 폴리에스테르류, 폴리카보네이트류, 에틸렌-프로필렌-엘라스토머(EPDM)류, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 및 폴리비닐플루오라이드 등으로 이루어진 폴리비닐류, 셀룰로스, 셀룰로스 유도체, 및 스타치(starch) 계열로 이루어진 폴리사카라이 드(polysacaccharide)류 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 수계 고분자 수지는 250 내지 400℃의 온도에서 공기 또는 산소 분위기에서 탄화될 수 있는 고분자 수지로서 물과 같은 용매에 용해 또는 분산된 형태로 첨가된다.The polymer resin, which may be carbonized in an air or oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 400 ° C., provides a bonding force to the carbon slurry generated by connecting carbon and carbon of the carbon powder to affect the electrode reaction of the fuel cell. It is possible to improve the properties of the slurry without. The polymer resin may be removed by carbonization in an air or oxygen atmosphere at a temperature in the range of 250 to 400 ° C., and the remaining amount upon removal does not affect the reaction of the fuel cell (eg, dissolved in an aqueous solvent). In the form of a solution) can be used. For example, polyethers consisting of polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacetaldehyde, and the like, polysulfides, polyesters, polycarbonates, ethylene-propylene-elastomers (EPDM), polyethylene, polypropylene, PVC, and It may include one or more of polyvinyls made of polyvinyl fluoride and the like, cellulose, cellulose derivatives, and polysacaccharides made of starch series. The water-based polymer resin is a polymer resin that can be carbonized in an air or oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 400 ℃ is added in a dissolved or dispersed form in a solvent such as water.

본 발명에 따른 탄소 슬러리 조성물에서 상기한 함량비의 탄소 분말 및 플루오로화 수지 110 ~ 130중량부에 대하여 분산제 1 내지 50중량부, 및 수계 고분자 수지 5 내지 50중량부를 혼합하는 통상적이다. 예를 들면, 상기한 함량비의 탄소 분말 및 플루오로화 수지 110 ~ 130중량부에 대하여 분산제 5 내지 30중량부, 및 수계 고분자 수지 10 내지 30중량부를 혼합할 수 있다.In the carbon slurry composition according to the present invention, 1 to 50 parts by weight of the dispersant and 5 to 50 parts by weight of the water-based polymer resin are usually mixed with the carbon powder and the fluorinated resin in the above content ratio. For example, 5 to 30 parts by weight of the dispersant and 10 to 30 parts by weight of the aqueous polymer resin may be mixed with respect to the carbon powder and the fluorinated resin 110 to 130 parts by weight in the above-described content ratio.

분산제와 수계 고분자 수지의 함량은 슬러리에 사용된 탄소의 종류, 비표면적 및 구조에 의해서 크게 차이가 날 수 있다. 예를 들면 Vulcan XC-72와 같이 비표면적이 큰 탄소인 경우는 미세 다공내에 많은 양의 고분자 수지가 함침 될 수 있으므로 많은 양의 수계 고분자 수지가 필요하고, 분산이 어렵기 때문에 많은 양의 분산제가 필요하다. 그러나 비표면적이 작은 아세틸렌 블랙을 사용하면 수계 고분자 수지와 분산제 함량은 더 작게 필요하다.The content of the dispersant and the water-based polymer resin can vary greatly depending on the type, specific surface area and structure of the carbon used in the slurry. For example, in the case of carbon having a large specific surface area such as Vulcan XC-72, since a large amount of polymer resin may be impregnated in the micropores, a large amount of water-based polymer resin is required and a large amount of dispersant is difficult to disperse. need. However, the use of acetylene black with a small specific surface area requires a smaller amount of aqueous polymer resin and dispersant.

본 발명에 따른 탄소 슬러리 조성물은 두 가지 이상의 용매를 포함할 수 있다. 용매로는 물, n-프로판올, 이소프로판올의 기본 용매에 추가하여, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, DMSO, NMP, 부틸아세테이트 등의 비점이 높은 용매를 일부 혼합하여 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 물에 고비점 용매를 일부 혼합하는 것이다.The carbon slurry composition according to the present invention may comprise two or more solvents. As a solvent, in addition to the basic solvents of water, n-propanol and isopropanol, some high boiling point solvents such as ethylene glycol, propylene glycol, DMSO, NMP, and butyl acetate can be mixed and used, and most preferably, It is to mix part of the point solvent.

상기 분산액 제조 공정에서 용매, 분산제 및 수계 고분자 수지는 동시에 넣 거나 순차적으로 첨가할 수 있다. 이 탄소슬러리 조성물의 제조방법의 상세한 것에 대하여는 본 출원인의 한국출원 제2006-10077호를 참조하라.In the dispersion preparation process, the solvent, the dispersant and the water-based polymer resin may be added at the same time or added sequentially. For details of the method for producing the carbon slurry composition, refer to Korean Patent Application No. 2006-10077 of the applicant.

이와 같이 하여 제조된 탄소 슬러리 조성물을 PET 등의 고분자 기재 또는 스테인레스 스틸판과 같은 금속박막위에 코팅한다. 코팅방법은 구체적으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 일반적인 코팅 방법, 예를 들면 다이(die), 코마(comma), 바(bar), 그라비아(gravure), 나이프(knife) 코팅 등의 방법이 제한없이 사용될 수 있다.The carbon slurry composition thus prepared is coated on a polymer substrate such as PET or a metal thin film such as a stainless steel plate. The coating method is not specifically limited. For example, general coating methods such as die, comma, bar, gravure, knife coating and the like can be used without limitation.

이어서 코팅된 결과물을 건조시켜 미세다공성 전구체층을 형성한다. 이어서, 기재를 박리하여 제거한 후, 상기 미세다공성 전구체탄소층을 열처리하여 MPL만으로 이루어진 본 발명에 따른 GDL을 얻을 수 있다. 이 열처리 소성과정은 250 내지 400℃의 산화성 분위기에서 진행되는데, 이 과정에서 분산제, 수계고분자 수지, 용매 등은 모두 증발 또는 분해되어 제거되거나 탄화되고, 탄소 분말과 플루오르화 수지만 남게된다. 이와 같이 얻은 본 발명의 GDL은 탄소 기재가 없어도 상기 열처리 과정중에 용융된 플루오로화 수지는 탄소 분말을 균일하게 결착하기 때문에 압연이 가능할 정도의 기계적 강도 및 유연성(flexibility)을 발휘할 수 있다. 탄소 슬러리 조성물 코팅 및 건조 과정을 2회 이상 반복하여 다층의 MPL을 형성할 수도 있다.The coated result is then dried to form the microporous precursor layer. Subsequently, after the substrate is peeled off and removed, the microporous precursor carbon layer may be heat-treated to obtain a GDL according to the present invention consisting of only MPL. The heat treatment firing process is performed in an oxidizing atmosphere of 250 to 400 ° C. In this process, the dispersant, the aqueous polymer resin, and the solvent are all evaporated or decomposed to remove or carbonize, leaving only carbon powder and fluorinated resin. The GDL of the present invention obtained as described above may exhibit mechanical strength and flexibility enough to be rolled because the fluorinated resin melted during the heat treatment process uniformly binds the carbon powder even without a carbon substrate. The carbon slurry composition coating and drying process may be repeated two or more times to form a multi-layer MPL.

본 발명에 따른 전극은 상기한 특징을 갖는 본 발명의 GDL을 포함한다. 즉, 본 발명의 전극은 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 GDL 로서, 탄소 기재를 포함하지 않는 GDL; 및 상기 GDL위에 적층된 촉매층을 포함한다.The electrode according to the invention comprises the GDL of the invention having the above characteristics. That is, the electrode of the present invention is a GDL consisting of only carbon powder, and MPL containing a fluorinated resin which is melted without imparting carbonization in the temperature range of 250 to 400 ° C. to impart a binding force, comprising: a GDL containing no carbon substrate; And a catalyst layer laminated on the GDL.

본 발명에 따른 전극은 예를 들면 연료전지용 전극으로 이용될 수 있는데, 연료전지용 전극이라 함은, 연료전지에 사용되는 애노드 전극 또는 캐소드 전극을 말한다. 애노드의 촉매층에서는 연료의 산화반응이 일어나며, 캐소드의 촉매층에서는 산소의 환원반응이 일어난다. 예를 들면, PEMFC 또는 DMFC(direct methanol fuel cell)의 애노드와 캐소드의 촉매층은, 일반적으로, 각각 연료의 산화반응과 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 촉매와, 상기 촉매를 고정시키고 촉매층의 기계적 강도를 유지하는 수소이온전도성 바인더 수지를 포함한다.The electrode according to the present invention can be used as an electrode for fuel cells, for example, the fuel cell electrode refers to an anode electrode or a cathode electrode used in the fuel cell. Oxidation reaction of fuel occurs in the catalyst layer of the anode, and oxygen reduction reaction occurs in the catalyst layer of the cathode. For example, the catalyst layer of anode and cathode of PEMFC or direct methanol fuel cell (DMFC) is generally a catalyst capable of causing an oxidation reaction and a reduction reaction of oxygen, respectively, and the mechanical strength of the catalyst layer after fixing the catalyst It includes a hydrogen ion conductive binder resin to maintain.

상기 촉매는 금속 촉매 또는 담지 촉매일 수 있다. 금속 촉매라 함은 연료의 산화반응 또는 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 촉매 금속 분말 그 자체를 의미한다. 담지 촉매라 함은 미세기공을 갖는 촉매 담체와 상기 촉매 담체의 미세기공에 담지된 촉매 금속 입자로 구성된 촉매를 의미한다. 상기 촉매 금속 입자로서는, 예를 들면, 백금 분말, Pt-Ru 분말 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 촉매 담체로서는, 예를 들면, 활성탄소 분말(active carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 분말, 탄소나노혼(carbon nanohorn) 분말, 인조 또는 천연 카본블랙 등이 사용될 수 있다.The catalyst may be a metal catalyst or a supported catalyst. By metal catalyst is meant a catalytic metal powder itself which can cause oxidation of fuel or reduction of oxygen. The supported catalyst refers to a catalyst composed of a catalyst carrier having micropores and catalytic metal particles supported in the micropores of the catalyst carrier. As the catalyst metal particles, for example, platinum powder, Pt-Ru powder, or the like may be used, but is not limited thereto. As the catalyst carrier, for example, active carbon powder, carbon nanotube powder, carbon nanohorn powder, artificial or natural carbon black, or the like can be used.

상기 수소이온전도성 바인더 수지로는, 예를 들면, 술폰산기, 카르복실기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 히드록시기 등과 같은 양이온교환기를 갖는 폴리머를 사용할 수 있다. 양이온 교환기를 갖는 폴리머의 구체적인 예 를 들면, 트리플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌, 스티렌-디비닐 벤젠, α,β,β-트리플루오로스티렌, 스티렌, 이미드, 술폰, 포스파젠(phosphazene), 에테르에테르 케톤, 에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드 또는 방향족기의 호모폴리머와 코폴리머 및 이들의 유도체 등이 있으며, 이들 폴리머는 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 양이온교환기를 갖는 폴리머는, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 불소원자의 갯수 및 수소원자의 갯수의 총합 중에서 플루오로 원자의 갯수가 90% 이상인, 고플루오로폴리머 (highly fluorinated polymer)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 양이온교환기를 갖는 폴리머는, 측쇄의 말단에 양이온교환기로서 술포네이트 (sulfonate)를 가지며, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 플루오로 원자의 갯수 및 수소원자의 갯수의 총합 중에서 플루오로 원자의 갯수가 90% 이상인, 술포네이트기를 갖는 고플루오로화 폴리머(highly fluorinated polymer with sulfonate groups)를 포함할 수 있다.As the hydrogen ion conductive binder resin, for example, a polymer having a cation exchange group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, a hydroxy group, or the like can be used. Specific examples of the polymer having a cation exchange group include trifluoroethylene, tetrafluoroethylene, styrene-divinyl benzene, α, β, β-trifluorostyrene, styrene, imide, sulfone, phosphazene , Ether ether ketones, ethylene oxide, polyphenylene sulfide or homopolymers and copolymers of aromatic groups and derivatives thereof, and the like, and these polymers may be used alone or in combination. More preferably, the polymer having a cation exchange group is a high fluoropolymer in which the number of fluoro atoms is 90% or more in the total of the number of fluorine atoms and hydrogen atoms bonded to carbon atoms in the main and side chains thereof. (highly fluorinated polymer). In addition, the polymer having a cation exchange group has a sulfonate as a cation exchange group at the end of the side chain and is fluorine in the sum of the number of fluoro atoms and hydrogen atoms bonded to the carbon atoms of the main and side chains. Furnace may comprise a highly fluorinated polymer with sulfonate groups, wherein the number of atoms is greater than 90%.

상기 촉매층은, 예를 들면, 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 즉, (i) 촉매와 수소이온전도성 바인더 수지를 용매에 균질하게 분산시켜 촉매잉크를 제조하는 단계, (ii) 예를 들어, 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling), 브러싱(brushing) 등과 같은 방법으로, 촉매잉크를 확산층 위에 고르게 코팅하는 단계 및 (iii) 상기 결과물을 건조하여 촉매층을 형성하는 단계를 통하여, 촉매층과 GDL을 포함하는 전극이 제조된다.The catalyst layer can be prepared, for example, in the following manner. That is, (i) homogeneously dispersing the catalyst and the hydrogen ion conductive binder resin in a solvent to prepare a catalyst ink, (ii) printing, spraying, rolling, brushing (for example, In a method such as brushing), an electrode including the catalyst layer and the GDL is prepared by uniformly coating the catalyst ink on the diffusion layer and (iii) drying the resultant to form the catalyst layer.

본 발명의 막 전극 조립체(MEA)는 상기한 특징을 갖는 본 발명의 GDL을 포함한다. 즉, 본 발명의 전극 조립체(MEA)는 탄소 분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범 위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 MPL만으로 이루어진 GDL로서, 탄소 기재를 포함하지 않는 GDL, 상기 GDL위에 적층된 촉매층 및 상기 촉매층위에 적층된 중합체 전해질막(PEM)을 포함한다.The membrane electrode assembly (MEA) of the present invention comprises the GDL of the present invention having the above characteristics. That is, the electrode assembly (MEA) of the present invention is a GDL composed of only carbon powder and MPL containing a fluorinated resin that is melted and imparts a binding force without carbonization at a temperature range of 250 to 400 ° C., and does not include a carbon substrate. GDL, a catalyst layer stacked on the GDL, and a polymer electrolyte membrane (PEM) stacked on the catalyst layer.

본 발명의 연료전지는 상기한 특징을 갖는 본 발명의 GDL을 포함한다. 즉, 본 발명의 연료전지는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 수소이온전도성 전해질막을 포함하는데, 이때 상기 애노드, 또는 상기 캐소드, 또는 상기 애노드 및 상기 캐소드가 본 발명에 따른 상기한 구조 및 구성의 GDL을 포함한다.The fuel cell of the present invention includes the GDL of the present invention having the above characteristics. That is, the fuel cell of the present invention includes an anode electrode, a cathode electrode and a hydrogen ion conductive electrolyte membrane, wherein the anode, or the cathode, or the anode and the cathode comprises a GDL of the above-described structure and configuration according to the present invention. do.

본 발명의 연료전지는, 예를 들면, PAFC, PEMFC, DMFC 등에 적용될 수 있다. 이러한 종류의 연료전지의 구성 및 제조방법은 많은 문헌에 공지되어 있어서 당업자라면 용이하게 알 수 있으므로, 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. The fuel cell of the present invention can be applied to, for example, PAFC, PEMFC, DMFC, or the like. The construction and manufacturing method of this kind of fuel cell are well known in the literature and will be readily apparent to those skilled in the art, and thus further detailed description thereof will be omitted.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

실시예Example 1 One

메소카본마이크로비드(MCMB) (오사카 가스, MCMB25-28) 50g, 및 탄소 섬유(한국카본, 제품번호 : Carbonex) 50g, 및 카본 블랙 분말(캐보트 코포레이션, Vulcan XC-72) 20g에 순수 1000g을 넣고 고속 믹서(2000rpm)에서 혼합한 후, 분산제 Triton X-100을 10g을 넣고 다시 1시간 동안 분산시킨 다음 카르복실메틸셀룰로스(Aldrich, 31069-7)를 30g을 첨가하고 1 시간 동안 추가 분산시켜 예비조성물을 얻었다. 여기에 PTFE(Dupont사, 30J)를 20g 더 첨가하여 저속 믹서로(200rpm) 1시 간동안 교반하여 탄소 슬러리 조성물을 제조하였다.50 g of mesocarbon microbead (MCMB) (Osaka Gas, MCMB25-28), and 50 g of carbon fiber (Carbon Korea, product number: Carbonex), and 20 g of carbon black powder (Cabot Corporation, Vulcan XC-72) were added 1000 g of pure water. After mixing and mixing in a high speed mixer (2000 rpm), 10 g of the dispersant Triton X-100 was added and dispersed for 1 hour, followed by adding 30 g of carboxymethyl cellulose (Aldrich, 31069-7) and further dispersing for 1 hour. A composition was obtained. 20 g of PTFE (Dupont, 30J) was further added thereto, followed by stirring for 1 hour with a low speed mixer (200 rpm) to prepare a carbon slurry composition.

이 탄소 슬러리를 나이프 코팅 방식으로 코팅하여 PET 필름위에 코팅하고 80℃의 건조오븐에서 1시간동안 건조하여 MPL 전구체층을 형성하였다. 이어서 PET 필름을 박리하여 제거한 후 미세다공층 전구체층만을 약 350℃의 오븐에 넣어서 30분간 소성하여 두께 약 200㎛의 MPL만으로 이루어진 GDL을 얻었다.The carbon slurry was coated by a knife coating method and coated on a PET film, followed by drying in a drying oven at 80 ° C. for 1 hour to form an MPL precursor layer. Subsequently, after peeling and removing the PET film, only the microporous layer precursor layer was placed in an oven at about 350 ° C. and fired for 30 minutes to obtain a GDL including only MPL having a thickness of about 200 μm.

이와 같이 얻어진 GDL의 조성은 표 1에 종합하였고, 또한 이 GDL에 대하여 측정한 제반 물성값은 표 2에 종합하였다.The composition of GDL thus obtained was synthesized in Table 1, and the general physical property values measured for this GDL were synthesized in Table 2.

계속해서, 촉매층을 형성하기 위하여 Pt-Ru 분말 및 나피온(Nafion)을 이소프로필알콜(isopropyl alchol)과 물의 혼합 용매(1:1 무게비)에 투입한 후 약 10분 이상 초음파조에서 분산시켰다. 이렇게 얻어진 촉매 잉크를, 상기 GDL위에 스프레이 코팅 방식으로 코팅한 후 건조함으로써 애노드 전극을 완성하였다. 이때, 건조된 촉매층의 나피온 함량은 약 10중량%가 되도록 하였으며, 상기 애노드 전극의 촉매로딩(loading) 양은 약 5 ㎎/㎠ 이었다.Subsequently, in order to form a catalyst layer, Pt-Ru powder and Nafion were added to a mixed solvent (1: 1 weight ratio) of isopropyl alcohol and water, and then dispersed in an ultrasonic bath for about 10 minutes or more. The catalyst ink thus obtained was coated on the GDL by spray coating, followed by drying to complete the anode electrode. At this time, the Nafion content of the dried catalyst layer was about 10% by weight, and the amount of catalyst loading of the anode electrode was about 5 mg / cm 2.

Pt 블랙 분말 및 나피온(Nafion)을 이소프로필알콜과 물의 혼합 용매(1:1 무게비)에 투입한 후 약 10분 이상 초음파 조에서 분산시켰다. 이렇게 얻어진 촉매 잉크를, 상기 방식으로 제조한 GDL위에 스프레이 코팅 방식으로 코팅한 후 건조함으로써 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 건조된 촉매층의 나피온 함량은 약 10중량%가 되도록 하였으며, 상기 캐소드 전극의 촉매로딩(loading) 양은 약 5 ㎎/㎠ 이었다.Pt black powder and Nafion were added to a mixed solvent (1: 1 weight ratio) of isopropyl alcohol and water, and then dispersed in an ultrasonic bath for about 10 minutes or longer. The cathode ink thus obtained was coated on the GDL prepared in the above manner by spray coating and then dried. At this time, the Nafion content of the dried catalyst layer was about 10% by weight, and the amount of catalyst loading of the cathode was about 5 mg / cm 2.

수소이온전도성 고분자전해질 막은, 듀퐁(Dupont)사의 나피온(Nafion) 115를 과산화수소와 황산으로 처리하여 표면의 유기물질을 제거하고 나피온 관능기 중의 나트륨이온을 수소이온으로 치환함으로써 준비하였다.The hydrogen-ion conductive polymer electrolyte membrane was prepared by treating Nafion 115 of Dupont with hydrogen peroxide and sulfuric acid to remove organic substances on the surface and to replace sodium ions in the Nafion functional group with hydrogen ions.

제조된 애노드 전극과 캐소드 전극을 가로 5㎝, 세로 5㎝의 크기로 절단하고, 준비된 수소이온 전도성 전해질 막을 전극보다 큰 가로 7㎝, 세로 7㎝의 크기로 절단하였다. 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 수소이온 전도성 전해질막과 접촉하도록 배치한 후 약 140℃의 온도에서 100kgf/㎠의 압력을 가하여 3분 동안 압착하여 MEA를 제조하였다.The prepared anode and cathode electrodes were cut to a size of 5 cm and 5 cm, and the prepared hydrogen ion conductive electrolyte membrane was cut to a size of 7 cm and 7 cm. The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer were placed in contact with the hydrogen ion conductive electrolyte membrane, and then pressurized at 100 kg f / cm 2 at a temperature of about 140 ° C. to prepare a MEA.

상기 제조된 MEA를 단위전지 테스트 지그에 장착하여 애노드에 2M 메탄올 수용액을 펌프를 사용하여 1 ㎖/min의 속도로 공급하고, 캐소드에 산소를 1 ℓ/min의 속도로 공급하였다. 50℃의 운전조건하에서, 상기 단위전지에 전자부하(electronic load)를 연결하여 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다.The prepared MEA was mounted on a unit cell test jig, and a 2M aqueous methanol solution was supplied to the anode at a rate of 1 ml / min using a pump, and oxygen was supplied to the cathode at a rate of 1 l / min. Under an operating condition of 50 ° C, an electronic load was connected to the unit cell to measure the voltage drop according to the current density. The results are shown in FIG.

실시예Example 2 2

표 1에 나타낸 조성으로 GDL을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared in the same manner as in Example 1, except that GDL was prepared in the composition shown in Table 1.

실시예Example 3 3

표 1에 나타낸 조성으로 GDL을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared in the same manner as in Example 1, except that GDL was prepared in the composition shown in Table 1.

실시예Example 4 4

표 1에 나타낸 조성으로 GDL을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared in the same manner as in Example 1, except that GDL was prepared in the composition shown in Table 1.

실시예Example 5 5

표 1에 나타낸 조성으로 GDL을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다. 상기 제조된 MEA를 이용하여 실시예 1에서 설명한 방법으로 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다.MEA was prepared in the same manner as in Example 1, except that GDL was prepared in the composition shown in Table 1. The voltage drop according to the current density was measured by the method described in Example 1 using the prepared MEA. The results are shown in FIG.

실시예Example 6~10 6-10

표 1에 나타낸 조성으로 GDL을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared in the same manner as in Example 1, except that GDL was prepared in the composition shown in Table 1.

비교예Comparative example 1  One

캐보트 코포레이션의 Vulcan XC-72 100g에 초순수 1000g를 넣고 고속 믹서(2000rpm)에서 혼합한 후, 분산제 Triton X-100 10g을 넣고 다시 1시간 동안 분산시킨 다음 여기에 PTFE(Dupont사, 30J)를 20g을 첨가하여 저속 믹서로(200rpm) 1시간 동안 교반하여 얻은 탄소 슬러리 조성물을 두께 200㎛의 탄소종이(제조사: NOK, 제품번호: H2315)위에 코팅하였다. 이와 같이 하여 얻은 결과물 전체를 함께 열처리하여 GDL을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다. 상기 제조된 MEA를 이용하여 실시예 1에서 설명한 방법으로 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다.1000 g of ultrapure water was added to 100 g of Cabot Corporation's Vulcan XC-72, mixed in a high speed mixer (2000 rpm), 10 g of dispersant Triton X-100 was added and dispersed for 1 hour, and 20 g of PTFE (Dupont, 30J) was added thereto. The carbon slurry composition obtained by adding and stirring for 1 hour with a low speed mixer (200 rpm) was coated on carbon paper (manufacturer: NOK, product number: H2315) having a thickness of 200 µm. The MEA was produced in the same manner as in Example 1, except that the entire resultant was heat-treated together to form GDL. The voltage drop according to the current density was measured by the method described in Example 1 using the prepared MEA. The results are shown in FIG.

비교예Comparative example 2  2

5%의 PTFE가 함침되어 있는 두께 390㎛의 탄소펠트(carbon felt)(제조사: SGL사, 제품번호: 10AA)위에 비교예 1에 나타낸 조성을 이용하여 GDL을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.Example 1, except that GDL was formed using the composition shown in Comparative Example 1 on a carbon felt (manufacturer: SGL, product number: 10AA) having a thickness of 390 µm impregnated with 5% PTFE. MEA was prepared in the same manner as in.

비교예Comparative example 3 3

5%의 PTFE가 함침되어 있는 두께 290㎛의 탄소직물(제조사:Ballard, 제품번호: HCB1071) 위에 비교예 1에 나타낸 조성을 이용하여 GDL을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that GDL was formed using the composition shown in Comparative Example 1 on a 290 탆 thick carbon fabric impregnated with 5% PTFE (manufacturer: Ballard, product number: HCB1071). MEA was prepared.

GDL중의 탄소 조합비 (탄소와 PTFE중에서 탄소의 총함량비는 80중량%)Carbon combination ratio in GDL (total content ratio of carbon in carbon and PTFE is 80% by weight) PTFE 함량 (중량%)PTFE content (% by weight) 탄소기재Carbon substrate 실시예 1Example 1 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber MCMB 50중량%MCMB 50% by weight Vulcan XC-72 20중량%Vulcan XC-72 20% by weight -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 2Example 2 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber MCMB 50중량%MCMB 50% by weight Vulcan XC-72 10중량%10% by weight of Vulcan XC-72 Super-P 10중량%Super-P 10% by weight 20중량%20 wt% 없음none 실시예 3Example 3 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber MCMB 50중량%MCMB 50% by weight Vulcan XC-72 10중량%10% by weight of Vulcan XC-72 Super-P 20중량%Super-P 20 wt% 20중량%20 wt% 없음none 실시예 4Example 4 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber Vulcan XC-72 60중량%Vulcan XC-72 60% by weight VGCF 10중량%VGCF 10% by weight -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 5Example 5 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber Super-P 40중량%Super-P 40 wt% Vulcan XC-72 10중량%10% by weight of Vulcan XC-72 -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 6Example 6 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber Super-P 40중량%Super-P 40 wt% Denka Black 10중량%Denka Black 10% by weight -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 7Example 7 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber Super-P 70중량%Super-P 70 wt% Ketjen Black 10중량%Ketjen Black 10% by weight -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 8Example 8 탄소섬유 50중량% 50% by weight of carbon fiber Super-P 70중량%Super-P 70 wt% Vulcan XC-72 10중량%10% by weight of Vulcan XC-72 -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 9Example 9 MCMB 50중량% MCMB 50% by weight Super-P 40중량%Super-P 40 wt% VGCF 10중량%VGCF 10% by weight -- 20중량%20 wt% 없음none 실시예 10Example 10 MCMB 50중량% MCMB 50% by weight Super-P 40중량%Super-P 40 wt% Denka Black 10중량%Denka Black 10% by weight -- 20중량%20 wt% 없음none 비교예 1Comparative Example 1 Vulcan XC-72 100중량% Vulcan XC-72 100% by weight 20중량%20 wt% 탄소종이Carbon paper 비교예 2Comparative Example 2 Vulcan XC-72 100중량% Vulcan XC-72 100% by weight 20중량%20 wt% 탄소섬유 부직포Carbon fiber nonwoven fabric 비교예 3Comparative Example 3 Vulcan XC-72 100중량% Vulcan XC-72 100% by weight 20중량%20 wt% 탄소섬유 직물Carbon fiber fabric

표 2는 실시예 1-10 및 비교예 1-3에서 얻은 MEA에 대하여 얻은 각종 물성값을 종합한 것이다.Table 2 summarizes the various physical property values obtained for the MEA obtained in Examples 1-10 and Comparative Examples 1-3.

표 2에서 각종 물성값은 다음과 같이 측정하였다.In Table 2, various physical property values were measured as follows.

두께 측정Thickness measurement

GDL 및 탄소기재의 두께는 ASTM D645에 규정된 조건과 방법을 이용하여 20kPa의 압력에서 만능시험기로 측정하였다.The thickness of the GDL and carbon substrate was measured by a universal testing machine at a pressure of 20 kPa using the conditions and methods specified in ASTM D645.

관통비저항Penetration resistivity

관통비저항은 ASTM C611에 규정된 조건과 방법을 이용하여 만능시험기로 600kPa의 압력에서 전압계와 전류계를 이용하여 측정하였다.Penetration resistivity was measured using a voltmeter and ammeter at a pressure of 600 kPa with a universal tester using the conditions and methods specified in ASTM C611.

단위면적당 Per unit area 탄소로딩량Carbon loading amount

이는 ASTM D646에 규정된 조건과 방법을 이용하여 가로, 세로 5㎝의 크기로시편을 만들고 저울을 이용하여 측정하였다.This was made using a condition and the method specified in ASTM D646 and the specimen was made of 5cm in width and length and measured using a balance.

평균기공크기Average pore size

이는 ASTM D737에 규정된 조건과 방법을 이용하여 PMI사의 capillary flow porometer를 이용하여 측정하였다.This was measured using a PMI capillary flow porometer using the conditions and methods specified in ASTM D737.

GDL 두께 (㎛)GDL thickness (㎛) 단위면적당 탄소로딩량 (mg/㎠)Carbon loading amount per unit area (mg / ㎠) 관통비저항 (Through-plane Resistivity) (mΩcm)Through-plane Resistivity (mΩcm) 평균기공 크기 (㎛)Average pore size (㎛) 탄소기재 두께 (㎛) Carbon substrate thickness (㎛) 실시예 1Example 1 200 200 1212 1111 66 -- 실시예 2Example 2 200200 1313 1313 88 -- 실시예 3Example 3 200200 1515 1111 55 -- 실시예 4Example 4 200200 66 99 1010 -- 실시예 5Example 5 200200 1010 1212 1212 -- 실시예 6Example 6 200200 1010 1111 1111 -- 실시예 7Example 7 200200 1212 88 55 -- 실시예 8Example 8 200200 1212 99 66 -- 실시예 9Example 9 200200 1414 1010 88 -- 실시예 10Example 10 200200 1313 1212 77 -- 비교예 1Comparative Example 1 240240 2.52.5 2020 33 190190 비교예 2Comparative Example 2 420420 4.74.7 2525 77 390390 비교예 3Comparative Example 3 360360 4.54.5 2828 1010 290290

표 2에서, 비교예 1~3의 GDL 두께는 탄소 기재/MPL의 합이고, 단위면적당 탄소로딩량은 MPL만의 값이다. 관통비저항(through-plane resistivity)와 평균기공크기는 GDL에 대하여 측정한 값이다.In Table 2, GDL thickness of Comparative Examples 1-3 is a sum of carbon base material / MPL, and carbon loading amount per unit area is a value only MPL. Through-plane resistivity and average pore size are measured for GDL.

실시예 1~10의 GDL의 두께는 200um가 되도록 제조하여 평가하였으며, 다양한 두께로도 제조가 가능하다.The thickness of the GDL of Examples 1 to 10 was prepared to evaluate to 200um, it can be manufactured in various thicknesses.

MPL의 두께가 증가하면 그만큼 탄소 섬유나 MCMB같은 탄소 로딩량 증가하고 탄소 로딩밀도는 증가한다. 표 2를 참조하면, 실시예 1~10의 GDL은 탄소 기재가 없는 일체형 구조이기 때문에 전극의 관통저항은 비교예 1~3의 약 30~50% 수준으로 매우 낮다. 그리고 GDL의 단면방향으로 기공이 균일하게 분포하기 때문에 평균 기공 크기도 탄소 기재가 있는 형태와 유사한 형태로 나타났다.As the thickness of MPL increases, the carbon loading, such as carbon fiber and MCMB, increases and the carbon loading density increases. Referring to Table 2, since the GDL of Examples 1 to 10 is an integral structure without a carbon substrate, the penetration resistance of the electrode is very low, about 30 to 50% of Comparative Examples 1 to 3. In addition, since the pores were uniformly distributed in the cross-sectional direction of the GDL, the average pore size was similar to that of the carbon substrate.

도 5 내지 7은 각각 실시예 1, 4 및 8에서 애노드 전극용으로 제조한 GDL의 표면을 촬영한 현미경 사진(배율: 5배)이다. 도 8 내지 10은 각각 비교예 1, 2, 및 3에서 애노드 전극용으로 제조한 GDL(배율: 40배)의 표면 사진을 나타낸다.5 to 7 are micrographs (magnification: 5x) of the surface of the GDL prepared for the anode electrode in Examples 1, 4, and 8, respectively. 8 to 10 show surface photographs of GDLs (magnification: 40 times) prepared for the anode electrodes in Comparative Examples 1, 2, and 3, respectively.

도 5-7에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1, 4 및 8의 GDL의 경우 다양한 탄소의 조합에 따라서 전혀 다른 형태의 GDL의 표면을 나타내지만, 어느 경우에나 매끄러운 표면을 갖는 것을 알 수 있다. 도 8-10에 나타낸 바와 같이 비교예 1, 2, 및 3에서는 동일한 슬러리로 각각 다른 탄소 기재에 코팅하였기 때문에 기재의 골격이 일부 나타나면서 불균일한 표면을 갖는 것을 알 수 있다.As shown in Figs. 5-7, the GDLs of Examples 1, 4, and 8 according to the present invention show a completely different surface of GDL according to various carbon combinations, but in any case, it has a smooth surface. have. As shown in Figs. 8-10, in Comparative Examples 1, 2, and 3, since the same slurry was coated on different carbon substrates, it can be seen that the skeleton of the substrate appeared partially and had an uneven surface.

도 11은 실시예 1 및 5와 비교예 1에 따른 막전극어셈블리(MEA)의 전압강하 곡선이다.FIG. 11 is a voltage drop curve of the membrane electrode assembly MEA according to Examples 1 and 5 and Comparative Example 1. FIG.

도 11에 나타나 있는 바와 같이, 실시예 1 및 5에서의 전류밀도 증가에 따른 전압강하의 정도가 비교예 1의 경우보다 완만함을 알 수 있다. 전압강하 곡선의 기울기가 완만하다는 것은 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지가 더 효율적으로 부하변동에 응답할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 실시예 1 및 5에서의 최대전류밀도가 비교예 1보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 최대전류밀도의 향상은 공급전력의 최대치의 향상으로 나타난다. As shown in Figure 11, it can be seen that the degree of voltage drop with increasing current density in Examples 1 and 5 is gentler than that of Comparative Example 1. The gentle slope of the voltage drop curve means that the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention can respond to load variations more efficiently. In addition, it can be seen that the maximum current density in Examples 1 and 5 is larger than in Comparative Example 1. The improvement of the maximum current density is indicated by the improvement of the maximum value of the supply power.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일체형 GDL을 이용하여 제조된 MEA의 경우 계면저항이 작고 GDL의 전기전도도가 높고 기공분포도 균일하기 때문에 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.As described above, in the case of the MEA manufactured by using the integrated GDL of the present invention, it can be seen that the performance of the fuel cell can be improved because the interface resistance is small, the electrical conductivity of the GDL is high, and the pore distribution is uniform.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소 기재와 MPL이 일체화된 일체형 GDL을 채용한 전극 및 연료전지는 무엇보다도 제조 코스트를 대폭 절감할 수 있으며 또한 탄소 기재를 포함하지 않기 때문에 탄소 기재층과 MPL 사이의 계면에서 발생하는 물질이동에 대한 병목현상 및 접촉 저항을 제거할 수 있다. 이에 의하여 본 발명에 따른 전극 및 연료전지는 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근 및 균일한 전자전도성을을 확보할 수 있다. 또한 MPL의 표면에 매크로크랙은 물론 마이크로크랙이 전혀 나타나지 않을 정도로 매끄럽게 형성되므로 기공이 규칙적으로 분포하고 촉매의 이용률을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 GDL을 채용한 전극 및 연료전지는 균일한 전기적 특성을 발휘할 수 있다.As described above, the electrode and the fuel cell employing the integrated GDL in which the carbon substrate and the MPL are integrated according to the present invention can greatly reduce the manufacturing cost and above all, and do not include the carbon substrate. Eliminate bottlenecks and contact resistance to mass transfer at the interface As a result, the electrode and the fuel cell according to the present invention can ensure smooth access and uniform electron conductivity of the fuel and the reactor body to the catalyst layer. In addition, the surface of the MPL as well as macrocracks as well as microcracks are not formed at all, so that the pores are regularly distributed and can improve the utilization of the catalyst. Therefore, the electrode and the fuel cell employing the GDL according to the present invention can exhibit uniform electrical characteristics.

본 발명의 탄소 슬러리 조성물은 고분자형 연료전지의 GDL에 한정적이지 않으며 본 발명의 원리를 이용하면 인산형 연료전지, 개미산 연료전지, 디메틸에테르 연료전지 등의 GDL을 쓰는 여러 가지 형태의 연료전지에 적용이 가능하다. The carbon slurry composition of the present invention is not limited to the GDL of a polymer fuel cell, and by using the principles of the present invention, it is applied to various types of fuel cells using GDL such as a phosphoric acid fuel cell, a formic acid fuel cell, and a dimethyl ether fuel cell. This is possible.

Claims (11)

탄소 기재(carbon substrate)를 포함하지 않으며, 탄소분말, 및 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 미세다공성층만으로 이루어진 기체확산층으로서,A gas diffusion layer comprising only a microporous layer that does not include a carbon substrate and contains a carbon powder and a fluororesin that is melted without carbonization in the temperature range of 250 to 400 ° C. to impart a binding force, 상기 탄소분말은 a) 입자 직경이 0.1㎛ 이상으로서 자기지지성이 있는 골격유지 탄소분말 성분과, b) 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm 이하인 전기전도성 탄소분말 성분을 포함하며, 상기 a)의 골격유지성분 100중량부를 기준으로 상기 b)의 전기전도성 탄소분말 성분 20 내지 80 중량부를 포함하는 혼합물;The carbon powder comprises a) a skeleton-maintaining carbon powder component having a self-supporting particle diameter of 0.1 µm or more, and b) an electrically conductive carbon powder component having an electrical resistivity of 1 Ωcm or less. A mixture comprising 20 to 80 parts by weight of the electrically conductive carbon powder component of b) based on 100 parts by weight of the skeletal maintenance component; 또는 입자 직경이 0.1㎛ 이상이고 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm 이하인 탄소분말이고,Or carbon powder having a particle diameter of 0.1 µm or more and an electrical resistivity of 1 Ωcm or less, 상기 탄소 분말 : 플루오로화 수지의 중량비는 탄소분말 60~95중량% : 플루오로화 수지 5~40중량%인 기체확산층.The weight ratio of the carbon powder: fluorinated resin is 60 to 95% by weight carbon powder: 5 to 40% by weight of the fluorinated resin gas diffusion layer. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 탄소 분말은 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케텐 블랙, 카본 휘스커, 탄소 섬유, 활성탄소섬유, 기상성장 탄소섬유, 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 및 천연 또는 합성 흑연(graphite)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 기체확산층.The method of claim 1, wherein the carbon powder is activated carbon, carbon black, acetylene black, ketene black, carbon whisker, carbon fiber, activated carbon fiber, vapor growth carbon fiber, carbon aerosol, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nano Gas diffusion layer, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbon nanohorn, natural or synthetic graphite (graphite). 제1항에 있어서, 상기 플루오로화 수지가 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE) 및 폴리플루오로비닐리덴(PVDF)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 기체확산층.The method of claim 1, wherein the fluorinated resin is polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), poly Gas diffusion layer, characterized in that at least one selected from the group consisting of chlorotrifluoroethylene (PCTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE) and polyfluorovinylidene (PVDF). 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 미세다공성층의 두께는 50 ~ 1000㎛인 것을 특징으로 하는 기체확산층.The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the microporous layer has a thickness of 50 to 1000 µm. 제1항, 제3항, 제4항 또는 제7항 중 어느 한 항의 기체확산층 및 상기 기체확산층 위에 적층된 촉매층을 포함하는 전극.An electrode comprising the gas diffusion layer of any one of claims 1, 3, 4 or 7 and a catalyst layer laminated on the gas diffusion layer. 제1항, 제3항, 제4항 또는 제7항 중 어느 한 항의 기체확산층, 상기 기체확산층 위에 적층된 촉매층 및 상기 촉매층 위에 적층된 중합체 전해질막(PEM)을 포함하는 막 전극 조립체(MEA).A membrane electrode assembly (MEA) comprising a gas diffusion layer of any one of claims 1, 3, 4 or 7, a catalyst layer stacked on the gas diffusion layer and a polymer electrolyte membrane (PEM) stacked on the catalyst layer. . 제1항, 제3항, 제4항 또는 제7항 중 어느 한 항의 기체확산층 및 상기 기체확산층 위에 적층된 촉매층을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the gas diffusion layer of any one of claims 1, 3, 4 or 7 and a catalyst layer stacked on the gas diffusion layer. 탄소분말, 분산제, 250 내지 400℃의 온도에서 공기 또는 산소 분위기에서 탄화될 수 있는 고분자 수지 및 상기 온도범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 탄소 슬러리 조성물을 제조하는 단계;To prepare a carbon slurry composition comprising a carbon powder, a dispersant, a polymer resin that can be carbonized in an air or oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 400 ℃ and a fluorinated resin that is not carbonized in the temperature range to give a binding force step; 기재 위에 상기 탄소 슬러리 조성물을 코팅한 다음 건조시켜 미세다공성 전구체층을 형성하는 단계;Coating the carbon slurry composition on a substrate and then drying to form a microporous precursor layer; 상기 기재를 박리하여 제거한 후, 상기 미세다공성 전구체층을 250 내지 400℃의 공기 또는 산소 분위기에서 열처리하여 상기 분산제 및 상기 고분자 수지를 탄화 또는 분해제거함으로써, 상기 탄소 분말, 및 상기 250 내지 400℃의 온도 범위에서 탄화되지 않고 용융되어 결착력을 부여하는 플루오로화 수지를 포함하는 미세다공성층만으로 이루어진 기체확산층을 얻는 단계를 포함하며,After peeling off and removing the substrate, the microporous precursor layer is heat treated in an air or oxygen atmosphere at 250 to 400 ° C. to carbonize or decompose the dispersant and the polymer resin, thereby removing the carbon powder and the 250 to 400 ° C. Obtaining a gas diffusion layer consisting of only a microporous layer containing a fluorinated resin that is not carbonized in the temperature range and melts to impart a binding force, 상기 탄소 분말은 a) 입자 직경이 0.1㎛ 이상으로서 자기지지성이 있는 골격유지 탄소분말 성분과, b) 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm 이하인 전기전도성 탄소분말 성분을 포함하며, 상기 a)의 골격유지 탄소분말 성분 100중량부를 기준으로 상기 b)의 전기전도성 탄소분말 성분 20 내지 80 중량부를 포함하는 혼합물; 또는 The carbon powder comprises a) a skeleton-maintaining carbon powder component having a self-supporting particle diameter of 0.1 µm or more, and b) an electrically conductive carbon powder component having an electrical resistivity of 1 Ωcm or less. A mixture comprising 20 to 80 parts by weight of the electrically conductive carbon powder component of b) based on 100 parts by weight of the skeleton-maintaining carbon powder component; or 입자 직경이 0.1㎛ 이상이고 전기 비저항(electrical resistivity)이 1 Ωcm 이하인 탄소분말인 기체확산층의 제조방법.A method for producing a gas diffusion layer, wherein the particle diameter is at least 0.1 μm and the electrical resistivity is at most 1 Ωcm.
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