KR101304489B1 - Method for preparing carbon paper by controling specific charge density and viscosity in solution, the carbon paper prepared using the method and fuel cell comprising the carbon paper - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소섬유의 분산성이 향상된 탄소종이의 제조방법, 그에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing carbon paper with improved dispersibility of carbon fibers, a carbon paper produced accordingly, and a fuel cell including the same.
연료전지는 전기가 발생하는 발전부, 개질기, 연료탱크 및 연료펌프 등으로 구성된다. 발전부는 연료전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기를 통하여 수소 가스가 발생하고 펌프에 의해 발전부로 연료가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 상기 발전부는 애노드, 캐소드 및 고분자 전해질 막으로 이루어진 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로 구성될 수 있다.A fuel cell is composed of a power generation unit, a reformer, a fuel tank, and a fuel pump, in which electricity is generated. The power generation portion forms the main body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. Hydrogen gas is generated through the reformer and fuel is supplied to the power generation unit by the pump to generate electric energy by electrochemical reaction. The power generation unit may include a membrane electrode assembly (MEA) composed of an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane.
상기 애노드 및 캐소드는 각각 연료전지용 전극과 촉매층을 포함한다. 상기 애노드 또는 캐소드 각각에서 연료 또는 산소가 연료전지용 전극을 통하여 촉매층에 이동하면 촉매층에서 촉매 반응이 일어나며, 이러한 촉매 반응의 결과물이 서로 반응하여 전기와 물이 생성된다. 예를 들어, 직접메탄올 연료전지에서는 애노드에 메탄올이 공급되며, 상기 공급된 메탄올이 촉매층의 산화반응에 의해 수소이온, 전자 및 이산화탄소로 분해되고, 수소이온은 고분자 전해질 막을 통하여 캐소드로 이동하며 전자는 외부회로를 통해 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 공기 중에서 유입된 산소, 외부 회로를 통해 이동된 전자, 및 막을 통해 이동한 수소이온이 촉매층에서 반응하여 물이 생성된다.The anode and the cathode each include a fuel cell electrode and a catalyst layer. When fuel or oxygen in each of the anode or the cathode moves to the catalyst layer through the fuel cell electrode, a catalytic reaction occurs in the catalyst layer, and the result of the catalytic reaction reacts with each other to generate electricity and water. For example, in a direct methanol fuel cell, methanol is supplied to the anode, and the supplied methanol is decomposed into hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide by the oxidation reaction of the catalyst layer, and hydrogen ions move to the cathode through the polymer electrolyte membrane, And moves to the cathode through an external circuit. In the cathode, oxygen introduced in the air, electrons moved through the external circuit, and hydrogen ions moved through the membrane react in the catalyst layer to produce water.
한편, 이러한 연료전지의 성능은 전극반응의 효율성에 따라 결정되며, 상기 전극반응의 효율성은 연료와 산화제의 물질전달 능력 및 전극반응으로 생성된 물의 배출능력에 따라 결정된다. 자동차와 같이 높은 전류밀도가 요구되는 분야에서는 전류밀도가 높은 영역에서 연료전지가 작동하므로, 단위 면적당 발생하는 물의 양도 증가한다. 따라서, 이러한 조건에서는 많은 양의 연료 및 산화제가 지속적으로 공급되고, 많은 양의 물을 지속적으로 배출하는 것이 중요한데, 상기 생성되는 물의 배출능력은 연료전지용 가스확산층의 소수성에 크게 의존한다. On the other hand, the performance of such a fuel cell is determined according to the efficiency of the electrode reaction, the efficiency of the electrode reaction is determined by the mass transfer capacity of the fuel and the oxidant and the discharge capacity of the water generated by the electrode reaction. In fields where a high current density is required, such as an automobile, the fuel cell operates in a high current density region, thereby increasing the amount of water generated per unit area. Therefore, under these conditions, it is important to continuously supply a large amount of fuel and oxidant, and to continuously discharge a large amount of water, and the discharging ability of the generated water greatly depends on the hydrophobicity of the gas diffusion layer for a fuel cell.
종래 일반적으로 연료전지용 가스확산층으로는 기체투과성과 전자전도성이 우수한 발수성 탄소종이가 사용되어 왔다. 종래의 탄소종이 제조방법에 있어서, 습식 (wet-laid) 공정에 의해서 탄소종이를 제조하는 경우에, 먼저 탄소섬유를 수용액 등에 분산시키고, 습식 종이형성장치를 통하여 탈수 및 초지 공정을 거친 다음 건조시켜서 탄소섬유 웹 (web)을 제조한다. 제조된 탄소섬유 웹은 열경화성 수지 등에 함침시킨 다음 열과 압력을 가하여 경화시키고, 이러한 경화 과정을 통해서 탄소 시트가 형성되면, 마지막으로 성형된 시트 중의 열경화성 수지를 탈지 및 고온 탄화시킴으로써 제조하게 되면 탄소종이가 완성된다.In general, water-repellent carbon paper having excellent gas permeability and electron conductivity has been used as a gas diffusion layer for fuel cells. In the conventional carbon paper manufacturing method, when carbon paper is produced by a wet-laid process, the carbon fiber is first dispersed in an aqueous solution or the like, subjected to a dehydration and papermaking process through a wet paper forming apparatus, and then dried. A carbon fiber web is produced. The produced carbon fiber web is impregnated with a thermosetting resin or the like and then cured by applying heat and pressure. When a carbon sheet is formed through such a curing process, if the thermosetting resin in the finally formed sheet is produced by degreasing and high- Is completed.
그러나, 이러한 습식 공정에 의해서 제조된 탄소종이는 이를 구성하는 탄소섬유가 서로 엉겨붙어 고르게 분산되지 못하는 특성을 나타내며, 이는 결과적으로 제조된 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도를 떨어뜨리는 결과를 초래한다.However, the carbon paper produced by such a wet process exhibits the property that the carbon fibers constituting the carbon paper are not uniformly dispersed to each other, resulting in a decrease in electrical conductivity and gas permeability of the carbon paper produced.
관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2007-79423호에서는 연료전지용 기체확산층 제조를 위한 탄소 슬러리 조성물을 개시하고 있으며, 더욱 구체적으로는 탄소 분말, 분산제, 수계 고분자 수지 및 플루오로 수지를 포함하는 탄소 슬러리 조성물로서, 미세 다공성층에 크랙이 나타나지 않고 기공이 균일하게 분포하는 기체확산층을 제조하기 위한 탄소 슬러리 조성물을 개시하고 있다. 그러나, 상기 조성물은 미리 제조 또는 구입된 탄소 종이, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 시트 등과 같은 별도의 탄소 기재에 탄소 입자 분말을 포함하는 슬러리를 코팅시킴으로써 미세 다공성층을 형성하기 위한 조성물로서, 탄소종이 등과 같은 탄소 기재 자체를 제조하기 위한 기술을 제공하고 있지는 못하다.In this regard, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-79423 discloses a carbon slurry composition for preparing a gas diffusion layer for a fuel cell, and more specifically, a carbon slurry composition including a carbon powder, a dispersant, an aqueous polymer resin, and a fluoro resin. As an example, there is disclosed a carbon slurry composition for producing a gas diffusion layer in which no cracks appear in the microporous layer and the pores are uniformly distributed. However, the composition is a composition for forming a microporous layer by coating a slurry containing carbon particle powder on a separate carbon substrate such as carbon paper, carbon fiber, carbon felt, carbon sheet, or the like, prepared in advance, It does not provide a technique for producing the carbon substrate itself, such as.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자, 탄소종이의 구성 물질이 되는 탄소섬유의 분산성을 조절함으로써, 제조된 탄소종이 내에서 탄소섬유들이 비등방성 배열을 가지며 고르게 분산되도록 하고, 이를 통하여 결과물인 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도를 향상시킬 수 있는 탄소종이 제조방법, 그에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.Accordingly, in order to solve the problems of the prior art, it is an object of the present invention to adjust the dispersibility of carbon fibers, which are constituent materials of carbon paper, so that carbon fibers are dispersed evenly in an anisotropic arrangement in the produced carbon paper, To thereby improve the electrical conductivity and gas permeability of the resultant carbon paper, and to provide a carbon paper and a fuel cell including the carbon paper.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위해서,The present invention to solve the first problem,
습식 공정에 의한 탄소종이 제조방법에 있어서, 탄소섬유가 분산된 분산액의 전하밀도를 2 meq/L 내지 50 meq/L로, 상기 분산액의 점도를 110 cP 내지 507cP로 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In the method for producing carbon paper by a wet process, the carbon paper is characterized in that the charge density of the dispersion in which the carbon fiber is dispersed to 2 meq / L to 50 meq / L, the viscosity of the dispersion is adjusted to 110 cP to 507 cP It provides a manufacturing method.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분산액의 전하밀도 및 점도는 상기 분산액에 증점제 및 음이온성 물질을 첨가함으로써 조절될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the charge density and viscosity of the dispersion can be adjusted by adding a thickener and an anionic material to the dispersion.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 증점제는 카르복시메틸 셀룰로오즈 (Carboxymethyl cellulose: CMC), 폴리에틸렌 옥사이드 (Polyethylene oxide: PEO), 폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol: PEG), 히드록시에틸 셀룰로오즈 (Hydroxyethyl cellulose: HEC), 아크릴계 증점제 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.According to another embodiment of the invention, the thickener is Carboxymethyl cellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG), hydroxyethyl cellulose (Hydroxyethyl cellulose: HEC) , Acrylic thickeners and mixtures thereof.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 음이온성 물질은 폴리아크릴산 (PAA), 소듐 도데실설페이트 (Sodium dodecylsulfate: SDS), 데옥시리보뉴클레익산 (Deoxyribonucleic acid: DNA), 소듐 도데실벤젠설포네이트 (sodium dodecylbenzenesulfonate: NaDDBS), 폴리[p-{2,5-비스(3-프로폭시술폰산 소듐염)}페닐렌]에틸렌 (poly[p-{2,5-bis(3-propoxysulfonic acid sodium salt)}phenylene] ethynylene: PPES), 그 유도체 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the anionic material is polyacrylic acid (PAA), sodium dodecylsulfate (SDS), deoxyribonucleic acid (DNA), sodium dodecylbenzenesulfo Sodium (sodium dodecylbenzenesulfonate: NaDDBS), poly [p- {2,5-bis (3-propoxysulfonic acid sodium salt)} phenylene] ethylene (poly [p- {2,5-bis (3-propoxysulfonic acid sodium salt )} phenylene] ethynylene: PPES), derivatives thereof and mixtures thereof.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유는 3.0mm 내지 8.0mm의 길이를 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carbon fiber may have a length of 3.0mm to 8.0mm.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 분산액 중 상기 탄소섬유는 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 함량으로 분산될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carbon fibers in the dispersion may be dispersed in an amount of 0.02 wt% to 0.5 wt%.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 습식 공정은,According to another embodiment of the present invention,
상기 분산액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계;Preparing a carbon fiber web by dewatering, papermaking and drying the dispersion through a wet paper forming apparatus;
상기 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시킨 다음 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계; 및Impregnating the carbon fiber web with a thermosetting resin, and then applying heat and pressure to cure the carbon fiber web; And
상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계The step of carbonizing the thermosetting resin
에 의해서 수행될 수 있다.Lt; / RTI >
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 경화 단계 중 열을 가하는 단계는 120℃ 내지 300℃의 온도에서 0.1시간 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step of applying heat during the curing step may be performed for 0.1 hours to 2 hours at a temperature of 120 ℃ to 300 ℃.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는 0.2 bar 내지 5 bar의 압력 하에서 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step of applying pressure during the curing step may be carried out under a pressure of 0.2 bar to 5 bar.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 탄화 단계는 800℃ 내지 2100℃의 온도에서 0.2시간 내지 10시간 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carbonization step may be performed for 0.2 hours to 10 hours at a temperature of 800 ℃ to 2100 ℃.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the thermosetting resin may be selected from the group consisting of a phenol resin, a polyurethane resin, a melamine resin, an epoxy resin, and a mixture thereof.
한편, 본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위해서,According to another aspect of the present invention,
상기 방법에 의해서 제조된 탄소종이를 제공한다.A carbon paper produced by the above method is provided.
마지막으로, 본 발명은 상기 세 번째 과제를 해결하기 위해서,Finally, in order to solve the third problem,
기체확산층으로서 상기 방법에 의해서 제조된 탄소종이를 포함하는 연료전지를 제공한다.A fuel cell comprising carbon paper produced by the above method as a gas diffusion layer is provided.
본 발명에 따르면, 탄소섬유들이 비등방성 배열을 가지며 고르게 분산됨으로써 우수한 전기전도도 및 기체투과도를 갖는 탄소종이를 제공할 수 있다.According to the present invention, since carbon fibers have an anisotropic arrangement and are evenly dispersed, carbon paper having excellent electrical conductivity and gas permeability can be provided.
도 1은 본 발명에 따른 탄소종이를 제조하기 위한 탄소섬유 분산액에 있어서, 분산액에 CMC를 첨가해준 직후, CMC의 농도에 따른 탄소섬유의 분산 정도를 관찰한 사진이다.
도 2는 도 1에 따른 분산액들을 30분 경과 후 관찰한 사진이다.
도 3은 분산액 중의 CMC 농도에 따른 전하밀도를 측정한 그래프이다.
도 4는 분산액 중의 CMC 농도에 따른 절대점도를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 탄소종이를 제조하기 위한 탄소섬유 분산액에 있어서, CMC가 각기 서로 다른 함량으로 첨가된 분산액에, 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 다음 관찰되는 분산 정도의 변화를 나타낸 사진이다.
도 6은 CMC가 각기 서로 다른 함량으로 첨가된 분산액에, 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 다음 측정되는 전하밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 탄소섬유 분산액을 사용하여 탄소종이를 제조함에 있어서, 가해준 압력에 따라 제조된 탄소종이의 두께를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 탄소섬유 분산액을 사용하여 탄소종이를 제조함에 있어서, 가해준 압력에 따라 제조된 탄소종이의 인-플레인 (in-plane) 기체투과도를 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 탄소섬유 분산액을 사용하여 탄소종이를 제조함에 있어서, 가해준 압력에 따라 제조된 탄소종이의 인-플레인 (in-plane) 저항값을 측정한 그래프이다.1 is a photograph of observing the degree of dispersion of carbon fiber according to the concentration of CMC immediately after adding CMC to the dispersion in the carbon fiber dispersion for producing carbon paper according to the present invention.
FIG. 2 is a photograph of the dispersions of FIG. 1 observed after 30 minutes. FIG.
3 is a graph measuring the charge density according to the CMC concentration in the dispersion.
4 is a graph measuring absolute viscosity according to the concentration of CMC in the dispersion.
Figure 5 is a carbon fiber dispersion for producing carbon paper according to the present invention, CMC is a photograph showing a change in the degree of dispersion observed after the addition of 0.1% by weight of PAA to the dispersion, each added in different amounts; .
FIG. 6 is a graph showing charge densities measured after adding 0.1 wt% PAA to dispersions in which CMCs are added in different contents.
Figure 7 is a graph measuring the thickness of the carbon paper prepared according to the pressure applied in the production of carbon paper using the carbon fiber dispersion according to the present invention.
Figure 8 is a graph measuring the in-plane gas permeability of the carbon paper prepared according to the pressure applied in the production of carbon paper using the carbon fiber dispersion according to the present invention.
Figure 9 is a graph measuring the in-plane resistance value of the carbon paper prepared according to the pressure applied in the production of carbon paper using the carbon fiber dispersion according to the present invention.
이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.
본 발명은 탄소종이의 구성 물질이 되는 탄소섬유의 분산성을 조절함으로써, 제조된 탄소종이 내에서 탄소섬유들이 비등방성 배열을 가지며 고르게 분산되도록 하고, 이를 통하여 결과물인 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도를 향상시키고자 한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 탄소종이의 제조방법은, 습식 공정에 의한 탄소종이 제조방법에 있어서, 탄소섬유가 분산된 분산액의 전하밀도를 2 meq/L 내지 50 meq/L로, 상기 분산액의 점도를 110 cP 내지 507cP로 조절하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a process for producing carbon paper by controlling the dispersibility of carbon fibers constituting the carbon paper, thereby allowing the carbon fibers to be dispersed evenly in an anisotropic arrangement in the carbon paper thus produced, and thereby obtaining electrical conductivity and gas permeability . Specifically, the method for producing carbon paper according to the present invention, in the method for producing carbon paper by the wet process, the charge density of the dispersion in which the carbon fiber is dispersed to 2 meq / L to 50 meq / L, the viscosity of the dispersion It is characterized in that to adjust to 110 cP to 507 cP.
전하밀도 (specific charge density)란, 분산용액 내부에 있는 단위부피당 입자의 전하량 (eq/L or meq/L)을 의미한다. 전하밀도는 입자의 분산 메커니즘 및 정전기 분산 제어에 있어서 중요한 요소이다. 일반적으로, 전하밀도가 큰 경우 입자들 간의 반발력이 큰 것으로 이해할 수 있고, 반대로 전하밀도가 작을 경우에는 입자들 간의 응집력이 큰 것으로 이해할 수 있다.The specific charge density means the amount of charge (eq / L or meq / L) of particles per unit volume in the dispersion solution. Charge density is an important factor in the particle dispersion mechanism and electrostatic dispersion control. In general, when the charge density is large, it can be understood that the repulsive force between the particles is large, on the contrary, when the charge density is small, it can be understood that the cohesion between the particles is large.
본 발명자들은 탄소종이를 구성하는 탄소섬유가 분산된 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액을 이용하여 탄소섬유 웹을 제조하는 단계; 상기 탄소섬유 웹을 경화시키는 단계; 및 탄화 단계로 이루어지는 종래의 습식 탄소종이 제조방법에 있어서, 탄소섬유 분산액의 전하밀도 및 점도를 소정 범위로 조정할 경우, 우수한 분산성을 갖는 탄소섬유 분산액을 제조할 수 있고, 이는 결과적으로 제조된 탄소종이 내에 탄소섬유가 비등방성 특성을 가지며 배열되게 함으로써 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도를 향상시킬 수 있다는 점에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.The present invention comprises the steps of preparing a dispersion in which carbon fibers constituting the carbon paper is dispersed; Preparing a carbon fiber web using the dispersion; Curing the carbon fiber web; And in the conventional wet carbon paper manufacturing method consisting of a carbonization step, when adjusting the charge density and viscosity of the carbon fiber dispersion to a predetermined range, it is possible to produce a carbon fiber dispersion having excellent dispersibility, which is the resulting carbon The present invention has been completed based on the fact that the carbon fibers in the paper can be arranged with anisotropic properties to improve the electrical conductivity and gas permeability of the carbon paper.
구체적으로, 하기 실시예의 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이 상기 탄소섬유가 분산된 분산액의 전하밀도가 2 meq/L 내지 50 meq/L, 상기 분산액의 점도가 110 cP 내지 507 cP인 경우에 우수한 분산성이 달성된다. 일반적으로 전하밀도가 클수록 입자들 간의 반발력이 크기 때문에 더 큰 전하밀도를 갖는 것이 바람직하지만, 전하밀도가 50 meq/L를 초과하게 되면 분산에 별다른 영향을 미치지 못하고 첨가되는 물질로 인해서 생산비용이 증가하는 문제점이 있어서 바람직하지 않고, 마찬가지로 점도가 높으면 분산성은 우수하지만, 점도 507 cP 이상에서는 탈수가 안되는 문제점이 있기 때문에 바람직하지 않다.Specifically, as can be seen from the results of the following examples, the excellent density when the charge density of the dispersion in which the carbon fiber is dispersed is 2 meq / L to 50 meq / L, and the viscosity of the dispersion is 110 cP to 507 cP. Acidity is achieved. In general, the higher the charge density, the greater the repulsive force between the particles, so it is preferable to have a larger charge density. However, if the charge density exceeds 50 meq / L, the production cost increases due to the added material without affecting the dispersion. It is not preferable because there is a problem, and similarly, when viscosity is high, it is excellent in dispersibility, but since there is a problem that dehydration is not carried out at viscosity 507 cP or more.
상기 전하밀도 및 점도를 조절하는 구체적인 방법으로는, 탄소섬유 분산액에 점도 조절을 위한 증점제 및 전하밀도 조절을 위한 음이온성 물질을 첨가함으로써 조절될 수 있다. 증점제는 CMC, PEO, PEG, HEC, HISOL과 같은 아크릴계 증점제 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 음이온성 물질은 PAA, SDS, DNA, NaDDBS, PPES, 그 유도체 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 위 언급한 물질들 이외에도 점도 및 전하밀도 조절을 위한 다양한 물질이 사용될 수 있다.As a specific method of controlling the charge density and the viscosity, it can be controlled by adding a thickener for viscosity control and an anionic material for charge density control to the carbon fiber dispersion. The thickener may be selected from the group consisting of acrylic thickeners such as CMC, PEO, PEG, HEC, HISOL and mixtures thereof, and the anionic material from PAA, SDS, DNA, NaDDBS, PPES, derivatives thereof and mixtures thereof. Although not limited thereto, various materials for controlling viscosity and charge density may be used in addition to the above materials.
분산액 중의 탄소섬유로는 3.0mm 내지 8.0mm의 길이를 갖는 탄소섬유가 사용될 수 있는데, 탄소섬유의 길이가 3.0mm 미만인 경우에는 분산성은 좋아지지만, 기공도 및 전기전도성이 떨어지는 문제점이 있고, 8.0mm를 초과하는 경우에는 분산액 중에서 잘 분산되지 않기 때문에 균일한 탄소종이를 제조할 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 또한, 이러한 탄소섬유는 0.02 중량% 내지 0.5 중량%의 함량으로 분산될 수 있다. 분산액 중의 탄소섬유 함량이 0.02 중량% 미만인 경우에는 후속 공정에서 탄소섬유 웹을 형성하기가 어렵다는 문제점이 있고, 탄소섬유 함량이 0.5 중량%를 초과하는 경우에는 탄소섬유의 분산성이 떨어지고, 후속공정에서 비등방성을 갖는 탄소종이를 성형하기 어렵다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Carbon fibers having a length of 3.0 mm to 8.0 mm may be used as the carbon fibers in the dispersion. When the length of the carbon fibers is less than 3.0 mm, the dispersibility is improved, but there is a problem of poor porosity and electrical conductivity, and 8.0 mm If it exceeds, it is not preferable because it does not disperse well in the dispersion, it is not possible to produce a uniform carbon paper. In addition, such carbon fibers may be dispersed in an amount of 0.02 wt% to 0.5 wt%. When the carbon fiber content in the dispersion is less than 0.02% by weight, it is difficult to form a carbon fiber web in a subsequent step. When the carbon fiber content exceeds 0.5% by weight, the dispersibility of the carbon fiber is deteriorated. There is a problem that it is difficult to form carbon paper having anisotropy, which is not preferable.
한편, 본 발명의 방법에 따라서 탄소종이를 제조하기 위해서는, 상기 제조된 탄소섬유 분산액을 습식 종이 성형장치를 이용하여 종이 형태로 성형하고, 탈수, 초지 및 건조 과정을 거쳐서 탄소섬유 웹을 제조한 다음, 제조된 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시키고 열 및 압력을 가하여 경화시키는 과정을 수행하게 된다. 마지막으로, 적절한 탄화 과정에 의해서 상기 열경화성 수지를 탄화시키게 되면 본 발명에 따른 탄소종이를 제조할 수 있다.Meanwhile, in order to produce carbon paper according to the method of the present invention, the carbon fiber dispersion is formed into a paper form using a wet paper forming apparatus, followed by dewatering, papermaking and drying to prepare a carbon fiber web , The carbon fiber web is impregnated with a thermosetting resin and cured by applying heat and pressure. Lastly, the carbon paper according to the present invention can be produced by carbonizing the thermosetting resin by an appropriate carbonization process.
상기 경화 단계는 열경화성 수지가 함침된 탄소섬유 웹을 120℃ 내지 300℃의 온도 및 0.2 bar 내지 5 bar의 압력 조건 하에서 0.1 시간 내지 2 시간 동안 처리함으로써 수행될 수 있는데, 온도 및 압력이 상기 범위 미만인 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 열경화성 수지 및 탄소섬유의 손상이 발생될 수 있다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 또한, 상기 열경화성 수지로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 다양한 열경화성 수지가 사용될 수 있다.The curing step may be carried out by treating the carbon fiber web impregnated with the thermosetting resin at a temperature of 120 ° C to 300 ° C and a pressure of 0.2 bar to 5 bar for 0.1 hour to 2 hours, , There is a problem that sufficient curing may not be performed, and if it exceeds the above range, the thermosetting resin and the carbon fiber may be damaged. As the thermosetting resin, various thermosetting resins selected from the group consisting of a phenol resin, a polyurethane resin, a melamine resin, an epoxy resin, and a mixture thereof may be used, though not limited thereto.
전술한 본 발명의 방법에 따라서 제조된 탄소종이는 탄소섬유들이 비등방성 배열을 가지며 고르게 분산되기 때문에 전기전도도 및 기체투과도가 종래 방법에 의해서 제조된 탄소종이에 비해서 월등하다. 따라서, 본 발명에서는 또한 위와 같이 제조된 탄소종이를 연료전지 중의 기체확산층으로서 채용한 연료전지를 제공한다.The carbon paper produced according to the method of the present invention described above has superior electrical conductivity and gas permeability compared to the carbon paper produced by the conventional method because carbon fibers have an anisotropic arrangement and are uniformly dispersed. Accordingly, the present invention also provides a fuel cell employing the carbon paper produced as described above as a gas diffusion layer in a fuel cell.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to assist the understanding of the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention.
실시예 1: CMC 농도 변화에 따른 탄소섬유의 분산성Example 1 Dispersibility of Carbon Fiber with Changes in CMC Concentration
1.0 mg (0.01 중량%) 폴리비닐알코올이 첨가되고, 10 mg (0.05 중량%) 탄소섬유 (4.5 mm 길이)가 분산된 수용액에서 CMC의 양을 0.1 중량% ~ 0.6 중량%까지 증가시키면서 탄소섬유의 분산성을 관찰하였다. 도 1에는 분산액에 CMC를 첨가해준 직후, CMC의 농도 증가에 따라 탄소섬유가 분산되는 정도를 육안으로 관찰한 사진을 도시하였으며, 도 2에는 상기 분산액들을 30분 경과 후 관찰한 사진을 도시하였다. 도 1 및 2를 참조하면, 탄소섬유의 분산성이 우수한 분산액 (0.5 중량% 및 0.6 중량%의 CMC가 첨가된 분산액)은 CMC 첨가 후 30분이 경과하면 탄소섬유가 분산액 중에서 균일하게 가라앉는 것을 관찰할 수 있다.1.0 mg (0.01 wt.%) Of polyvinyl alcohol was added and 10 mg (0.05 wt.%) Of carbon fiber was increased in an aqueous solution in which 10 mg (0.05 wt.%) Carbon fiber (4.5 mm length) was dispersed, increasing the amount of CMC from 0.1 wt% to 0.6 wt%. Dispersibility was observed. In FIG. 1, immediately after adding CMC to the dispersion, a photograph of visual observation of the degree of dispersion of carbon fibers as the concentration of CMC is increased is shown, and FIG. 2 is a photograph of the dispersion after 30 minutes. 1 and 2, the dispersion having excellent dispersibility of carbon fiber (dispersion containing 0.5% by weight and 0.6% by weight of CMC) was observed to uniformly sink in the dispersion after 30 minutes after adding CMC. can do.
한편, 도 3 및 도 4에는 분산액 중의 CMC 농도에 따른 전하밀도 및 절대점도를 측정한 그래프를 도시하였으며, 도 3 및 4를 참조하면, CMC의 농도가 증가할수록 전하밀도 및 절대점도가 증가하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, O.5 중량%의 CMC를 함유한 분산액의 경우 19.5 meq/L의 전하밀도 및 119 cP의 점도를 나타내었으며, 분산액을 30분 동안 진동교반 (shaking) 후 분산도를 확인해 본 결과 높은 분산성이 관찰되었다.Meanwhile, FIGS. 3 and 4 show graphs of measuring charge density and absolute viscosity according to CMC concentration in the dispersion. Referring to FIGS. 3 and 4, as the concentration of CMC increases, the charge density and absolute viscosity increase. Able to know. For example, the dispersion containing 0.5 wt% CMC showed a charge density of 19.5 meq / L and a viscosity of 119 cP. After checking the dispersion after shaking for 30 minutes, the dispersion was confirmed. High dispersibility was observed.
실시예 2: 0.1 중량% 폴리아클릴산 (PAA)을 첨가한 분산액의 CMC 농도 변화에 따른 탄소섬유의 분산성Example 2: Dispersibility of Carbon Fiber with Changes in CMC Concentration of Dispersion Added 0.1 wt% Polyacrylic Acid (PAA)
1.0 mg (0.01 중량%) 폴리비닐알코올이 첨가되고, 10 mg (0.05 중량%) 탄소섬유 (4.5 mm 길이)가 분산된 수용액에 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 다음, CMC의 양을 0.1 중량% ~ 0.6 중량%까지 증가시키면서 탄소섬유의 분산성을 관찰하였다.1.0 mg (0.01 wt%) polyvinyl alcohol was added, 0.1 wt% PAA was added to an aqueous solution in which 10 mg (0.05 wt%) carbon fiber (4.5 mm length) was dispersed, and then the amount of CMC was 0.1 wt% Dispersibility of the carbon fiber was observed while increasing to 0.6 wt%.
도 5에는 CMC가 각각 0.1 중량%, 0.3 중량% 및 0.5 중량%로 첨가된 분산액에 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 다음 관찰되는 분산 정도의 변화를 나타낸 사진을 도시하였으며, 도 5를 참조하면 동일한 CMC 농도라도 PAA가 첨가되는 경우에는 그 분산 정도가 더욱 우수함을 알 수 있다. 예를 들어, 수용액에 CMC만을 첨가하여 분산성을 실험한 경우에는 (실시예 1) 0.5 중량% 이상의 CMC 농도 (점도: 119 cP)에서 탄소섬유가 분산되기 시작하였으나, 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 경우에는 0.3 중량%의 CMC 농도 (점도: 50 cP)에서도 분산이 관찰됨을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 0.5 중량%의 CMC 농도에서 0.1 중량%의 PAA를 첨가한 경우, 분산성이 더욱 좋아짐을 알 수 있다.5 is a photograph showing the change in the degree of dispersion observed after adding 0.1% by weight of PAA to the dispersion of 0.1% by weight, 0.3% by weight and 0.5% by weight of CMC, respectively. Referring to FIG. It can be seen that even in the CMC concentration, when PAA is added, the dispersion degree is more excellent. For example, when dispersibility was tested by adding only CMC to an aqueous solution (Example 1), carbon fibers began to disperse at a CMC concentration of 0.5 wt% or more (viscosity: 119 cP), but 0.1 wt% of PAA was added. In this case, it can be seen that dispersion is observed even at 0.3 wt% CMC concentration (viscosity: 50 cP). In addition, when 0.1% by weight of PAA is added at a CMC concentration of 0.5% by weight, it can be seen that the dispersibility is better.
또한, 도 6에는 CMC가 0.1 중량% ~ 0.6 중량%까지 첨가된 분산액에, 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 다음 전하밀도를 측정한 그래프를 도시하였다. 도 6을 참조하면, 동일한 농도의 CMC만 첨가된 분산액과 비교할 때, PAA를 추가로 첨가해준 분산액의 경우에는 전하밀도가 커지는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 0.3 중량%의 CMC만 첨가된 분산액의 경우, 그 전하밀도는 11.9 meq/L인데, 여기에 0.1 중량%의 PAA를 첨가해준 경우에는 전하밀도가 13.1 meq/L 정도로 높아진다. 즉, 분산 용액 단위 부피당 전하량이 증가한다는 것을 알 수 있으며, 이는 탄소섬유의 용이한 분산을 가능하게 한다.In addition, FIG. 6 shows a graph in which charge density was measured after adding 0.1 wt% of PAA to a dispersion in which CMC was added in an amount of 0.1 wt% to 0.6 wt%. Referring to FIG. 6, it can be seen that the charge density is increased in the case of the dispersion in which PAA is additionally added as compared with the dispersion in which only the same concentration of CMC is added. For example, in the case of a dispersion in which only 0.3% by weight of CMC is added, the charge density is 11.9 meq / L, and when 0.1% by weight of PAA is added, the charge density is increased to about 13.1 meq / L. That is, it can be seen that the amount of charge per unit volume of the dispersion solution increases, which allows easy dispersion of the carbon fibers.
실시예 3: 습식 (wet-laid) 공정에 의한 탄소종이 제작과 그 물성 측정Example 3: Fabrication of Carbon Paper by Wet-laid Process and Measurement of Its Properties
4.5 mm 길이의 탄소 섬유 1.5 g (0.075 중량%)과 CMC 10g (0.5 중량%), 폴리비닐알코올 0.2 g (0.01 중량%)을 2L의 수용액에 교반시켜 분산시키고, 습식 종이성형장치에서 탈수 및 초지하였다. 이어서, 표면온도가 75℃인 드럼건조기에서 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제작하였다. 상기 탄소섬유 웹에 페놀수지를 함침시킨 다음, 105~250℃에서 1시간 동안 경화시키고, 1000℃에서 2시간 동안 질소분위기에서 탄화시킴으로써 본 발명에 따른 탄소 종이를 제작하였다. 상기 방법에 의해서 제작된 탄소종이의 두께는 238 ㎛였다.1.5 g (0.075 wt%) of carbon fibers, 10 g (0.5 wt%) of CMC and 0.2 g (0.01 wt%) of polyvinyl alcohol were dispersed by stirring in a 2 L aqueous solution, and dewatered and papermaking in a wet paper molding machine. It was. Subsequently, a carbon fiber web was produced by drying in a drum dryer having a surface temperature of 75 ° C. The carbon fiber web was impregnated with a phenolic resin, and then cured at 105 to 250 ° C. for 1 hour, and carbonized at 1000 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to prepare a carbon paper according to the present invention. The thickness of the carbon paper produced by the above method was 238 µm.
도 7에는 탄소종이 제작에 있어서, 가해준 압력에 따라 제조된 탄소종이의 두께를 측정한 그래프를 도시하였으며, 도 7을 참조하면, 예를 들어 16 bar의 압력을 가하여 탄소종이를 압축시키게 되면 173 ㎛의 두께를 갖는 탄소종이를 제조할 수 있다.7 shows a graph measuring the thickness of the carbon paper produced according to the pressure applied in the production of carbon paper, referring to FIG. 7, for example, when compressing the carbon paper by applying a pressure of 16 bar 173 Carbon paper having a thickness of μm can be prepared.
한편, 도 8에는 가해준 압력에 따라 제조된 탄소종이의 인-플레인 (in-plane) 기체투과도를 측정한 그래프를, 도 9에는 가해준 압력에 따라 제조된 탄소종이의 인-플레인 (in-plane) 저항값을 측정한 그래프를, 도 10에는 흐름 속도에 따른 쓰루-플레인 (through-plane) 기체투과도를 측정한 그래프를 도시하였으며, 이를 참조하면, 예를 들어 16 bar에서 인-플레인 기체투과도는 1.6 × 10-11 m2이고 (도 8 참조), 인-플레인 저항은 21 mΩ/cm2 (도 9 참조)이다. 또한, 0 ~ 250 cc/s 유량 범위에서 차압을 측정하여 쓰루-플레인 (through-plane) 기체투과도를 계산한 결과 쓰루-플레인 기체투과도는 1.6 × 10-12 m2 로서, 우수한 전기전도도 및 기체투과도를 가지므로, 본 발명에 따른 탄소종이는 연료전지용 기체확산층으로 사용되기에 우수한 물성을 갖는다는 사실을 알 수 있다.On the other hand, Figure 8 is a graph measuring the in-plane gas permeability of the carbon paper prepared according to the pressure applied, Figure 9 in-plane (in-) of the carbon paper prepared according to the pressure applied plane) resistance graph, Figure 10 is a graph measuring the through-plane (through-plane) gas permeability according to the flow rate, referring to, for example, in-plane gas permeability at 16 bar Is 1.6 × 10 −11 m 2 (see FIG. 8) and the in-plane resistance is 21 mΩ / cm 2 (see FIG. 9). In addition, through-plane gas permeability was calculated by measuring the differential pressure in the flow range of 0 to 250 cc / s. Through-plane gas permeability was 1.6 × 10 -12 m 2 , which shows excellent electrical conductivity and gas permeability. Since the carbon paper according to the present invention has excellent physical properties to be used as a gas diffusion layer for a fuel cell.
Claims (13)
상기 분산액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계;
상기 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시킨 다음 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계; 및
상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계
에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소종이 제조방법.The method of claim 1, wherein the wet process,
Preparing a carbon fiber web by dewatering, papermaking, and drying the dispersion through a wet paper forming apparatus;
Impregnating the carbon fiber web with a thermosetting resin, and then applying heat and pressure to cure the carbon fiber web; And
The step of carbonizing the thermosetting resin
Carbon paper production method, characterized in that carried out by.
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