KR101639783B1 - Method for preparing gas diffusion layer for fuel cell, gas diffustion layer prepared by the method, Electrode and Fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카본 분말, 소수성 바인더 및 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조하는 단계; 코터를 사용하여 상기 카본 슬러리를 기재 상에 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 카본 슬러리를 건조시켜 가스확산층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 분산매질이 에틸렌글리콜 50 내지 95 중량%, 물 2 내지 40 중량%, 및분산제 0.05 내지 10 중량% 를 포함하는 연료전지용 가스확산층 제조방법을 제시한다.The present invention relates to a method for producing a carbon slurry, which comprises mixing a carbon powder, a hydrophobic binder and a dispersion medium to prepare a carbon slurry; Coating the carbon slurry on a substrate using a coater; And drying the coated carbon slurry to form a gas diffusion layer, wherein the dispersion medium comprises a fuel comprising 50 to 95% by weight of ethylene glycol, 2 to 40% by weight of water, and 0.05 to 10% by weight of a dispersant A method for manufacturing a gas diffusion layer for a battery is presented.

연료전지 Fuel cell

Description

연료전지용 가스확산층의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 가스확산층, 이를 채용한 전극 및 연료전지{Method for preparing gas diffusion layer for fuel cell, gas diffustion layer prepared by the method, Electrode and Fuel cell comprising the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, a gas diffusion layer manufactured by the method, an electrode employing the same and a fuel cell,

본 발명은 연료전지용 가스확산층의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 가스확산층, 이를 채용한 전극 및 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 분산매질을 사용함에 의하여 카본의 분산성이 향상된 카본 슬러리를 제조하는 연료전지용 확산층의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 가스확산층, 이를 채용한 전극 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, a gas diffusion layer produced by the method, an electrode employing the same, and a fuel cell, and more particularly to a carbon slurry having improved dispersibility of carbon A method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell, a gas diffusion layer manufactured by the method, an electrode employing the diffusion layer, and a fuel cell.

최근 신재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 신재생에너지 중에서 연료전지는 환경 친화적이며, 에너지 밀도가 높고, 수명이 길다는 장점이 있어 자동차 전원, 가정용 전원, 휴대용 전원으로서 주목받고 있다.Recently, interest in renewable energy is increasing. Among renewable energy sources, fuel cells are attracting attention as automotive power sources, household power sources, and portable power sources because they are environmentally friendly, have high energy density, and have a long life span.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질형 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC, phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료 전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분되며, 사용되는 전해질의 종류에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 또한, 연료전지는 애노드에 연료가 공급되는 방식에 따라 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분되며, 연료직접공급형으로서는 직접메탄올 연료전지(DMFC: direct methanol fuel cell)가 대표적이다.The fuel cell can be classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide And a solid oxide fuel cell (SOFC). The operating temperature of the fuel cell, the material of the component parts, and the like depend on the type of electrolyte used. In addition, the fuel cell is classified into a direct fuel supply type or an internal reforming type according to a manner in which fuel is supplied to the anode, and a direct methanol fuel cell (DMFC) is a typical direct fuel supply type.

고분자전해질형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 연료전지에 비하여 출력이 우수하고, 작동 온도가 낮으며, 빠른 응답 특성을 가진다.PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) has superior power, lower operating temperature, and faster response characteristics than other fuel cells.

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 막/전극 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.

소형 휴대용 전원으로 연구가 진행되고 있는 직접메탄올 연료전지는 연료로서 메탄올을 사용하기 때문에 수소 개질기 등을 사용하지 않으며, 저온에서 작동하기 때문에 시스템을 간단하고 컴팩트하게 구성할 수 있다.The direct methanol fuel cell, which is being studied with a small portable power source, uses methanol as the fuel, so it does not use a hydrogen reformer, etc., and operates at a low temperature, so that the system can be made simple and compact.

직접메탄올 연료전지에서 전기가 발생하는 원리는 애노드 전극에 메탄올이 공급되어, 메탄올이 전극촉매의 산화반응에 의해 수소이온, 전자 및 이산화탄 소(CO2)로 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 반응하여 물이 생성된다. The principle of electricity generation in the direct methanol fuel cell is that methanol is supplied to the anode electrode, and methanol is decomposed into hydrogen ions, electrons and carbon dioxide (CO 2 ) by the oxidation reaction of the electrode catalyst, and hydrogen ions are decomposed into the polymer electrolyte membrane The electrons move to the cathode through the external circuit. In the cathode, water is generated by the reaction of oxygen introduced in the air, electrons moved through the external circuit, and hydrogen ions moved through the membrane.

상기 전기화학 반응은 아래의 반응식 1로 표시된다.The electrochemical reaction is represented by the following reaction formula (1).

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

애노드 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e -

캐소드 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2OCathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - ? 3H 2 O

전체반응 : CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2OOverall reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

상기 막/전극 접합체에서 연료의 산화와 환원을 통해 전기화학 반응이 완성되므로 상기 막/전극 접합체가 연료전지의 성능을 좌우한다. 통상적으로, 고분자전해질형 연료전지용 전극은 전기 전도체인 탄소섬유에 가스확산층이라 불리는 미세 기공층을 만들고, 상기 가스확산층 상에 백금 촉매와 수소이온 전도성 바인더 및 용매로 구성된 촉매 슬러리를 도포하여 제조한다. 따라서, 집적 산화 환원 반응이 이루어지는 촉매층이 중요한 구성요소로 작용하지만 이러한 산화 환원 반응도 연료가 원활하게 공급 되었을 때 최적의 성능이 보장되기 때문에 연료의 공급과 반응시 생긴 가스를 원활하게 배출해 주는 가스확산층도 중요하다. 또한, 상업적으로 연료전지를 대량으로 생산하기 위하여 전극의 지지체가 되는 확산층을 대량으로 생산할 수 있는 기술이 요구된다.Since the electrochemical reaction is completed through oxidation and reduction of the fuel in the membrane / electrode assembly, the performance of the fuel cell is influenced by the membrane / electrode assembly. Generally, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell is manufactured by forming a microporous layer called a gas diffusion layer on carbon fiber, which is an electrical conductor, and coating a catalyst slurry composed of a platinum catalyst, a hydrogen ion conductive binder and a solvent on the gas diffusion layer. Therefore, the catalyst layer in which the integrated oxidation-reduction reaction takes place is an important component. However, such an oxidation-reduction reaction also ensures optimal performance when the fuel is supplied smoothly. Therefore, the gas diffusion layer It is important. In addition, there is a demand for a technique capable of mass-producing a diffusion layer serving as a support of an electrode in order to commercially produce a large amount of fuel cells.

따라서, 분산성이 우수하고 균일한 코팅이 얻어질 수 있는 카본 슬러리를 사용하여 전지 성능이 우수한 가스확산층을 대량으로 생산할 수 있는 방법이 요구된다.Therefore, there is a demand for a method capable of mass-producing a gas diffusion layer having excellent cell performance by using a carbon slurry which is excellent in dispersibility and can obtain a uniform coating.

본 발명의 한 측면에 따르면 새로운 연료전지용 가스확산층의 제조방법을 제공하는 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell.

본 발명의 다른 한 측면은 상기 제조방법으로 제조된 가스확산층을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a gas diffusion layer produced by the above production method.

본 발명의 다른 한 측면은 상기 제조방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell comprising a gas diffusion layer produced by the above production method.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 제조방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell including a gas diffusion layer manufactured by the above-described manufacturing method.

본 발명의 한 측면에 따라 카본 분말, 소수성 바인더 및 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조하는단계;According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a carbon slurry, comprising: mixing a carbon powder, a hydrophobic binder and a dispersion medium to prepare a carbon slurry;

코터를 사용하여 상기 카본 슬러리를 기재 상에 코팅하는 단계; 및Coating the carbon slurry on a substrate using a coater; And

상기 코팅된 카본 슬러리를 소결시켜 가스확산층을 형성하는 단계;를 포함하며,And sintering the coated carbon slurry to form a gas diffusion layer,

상기 분산매질이 에틸렌글리콜 50 내지 95 중량%, 물 2 내지 40 중량%, 및분산제 0.05 내지 10 중량% 를 포함하는 연료전지용 가스확산층 제조방법이 제공된다.Wherein the dispersion medium comprises 50 to 95% by weight of ethylene glycol, 2 to 40% by weight of water, and 0.05 to 10% by weight of a dispersant.

본 발명의 다른 한 측면에 따라 상기 방법으로 제조된 가스확산층을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a gas diffusion layer produced by the above method.

본 발명의 다른 한 측면에 따라 상기 방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electrode for a fuel cell including a gas diffusion layer manufactured by the above method.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라 상기 방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지를 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell including a gas diffusion layer manufactured by the above method.

본 발명의 한 측면에 따르면 새로운 방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지는 전지성능이 향상되고 대량생산이 용이하다.According to one aspect of the present invention, a fuel cell including a gas diffusion layer manufactured by a new method has improved cell performance and is easy to mass-produce.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스확산층의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 가스확산층, 상기 가스확산층을 포함하는 연료전지용 전극 및 연료전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell, a gas diffusion layer manufactured by the method, an electrode for a fuel cell including the gas diffusion layer, and a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층의 제조방법은, 카본 분말, 소수성 바인더 및 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조하는단계; 코터를 사용하여 상기 카본 슬러리를 기재 상에 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 카본 슬러리를 소결시켜 가스확산층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 분산매질이 에틸렌글리콜 50 내지 95 중량%, 물 2 내지 40 중량%, 및 분산제 0.05 내지 10 중량% 를 포함한다.A method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: preparing a carbon slurry by mixing carbon powder, a hydrophobic binder, and a dispersion medium; Coating the carbon slurry on a substrate using a coater; And sintering the coated carbon slurry to form a gas diffusion layer, wherein the dispersion medium comprises 50 to 95% by weight of ethylene glycol, 2 to 40% by weight of water, and 0.05 to 10% by weight of a dispersant.

상기 가스확산층 제조방법은 소정의 조성을 가지는 혼합용매 및 분산제를 포함하는 분산매질을 사용함에 의하여 카본 슬러리에서 카본 및 소수성 바인더의 분산성이 향상된다. 상기 분산성이 향상된 카본 슬러리를 사용하여 제조된 가스확산층은 연료전지용 전극으로의 연료공급 및 상기 전극으로부터의 가스배출이 용이하 다. 결과적으로, 연료전지의 성능이 향상될 수 있다. 또한, 상기 제조방법은 코터를 사용함에 의하여 확산층을 기재 위에 다양한 패턴으로 연속적 또는 간헐적으로 인쇄할 수 있다. 그러므로, 상기 가스확산층 제조방법은 가스확산층의 대량생산에 적합하다.The gas diffusion layer production method improves the dispersibility of the carbon and the hydrophobic binder in the carbon slurry by using the dispersion medium containing the mixed solvent having the predetermined composition and the dispersant. The gas diffusion layer prepared using the carbon slurry with improved dispersibility has low fuel supply to the fuel cell electrode and gas discharge from the electrode. As a result, the performance of the fuel cell can be improved. In addition, in the above manufacturing method, by using a coater, the diffusion layer can be continuously or intermittently printed on the substrate in various patterns. Therefore, the gas diffusion layer production method is suitable for mass production of the gas diffusion layer.

상기 혼합용매의 조성이 상기 한정된 조성 범위를 벗어나면 슬러리 내에서 카본 및 바인더의 분산성이 저하될 수 있다. 구체적으로, 상기 분산매질에서 에틸렌글리콜 함량이 50중량% 미만이면 카본 분말의 분산성이 현저하게 저하되는 문제가 발생 될 수 있으며, 95중량% 초과이면 용매의 양이 너무 많아서 저점도 슬러리가 제조 되어 코팅 장비를 이용한 슬러리 도포 과정에 문제가 어려울 수 있다. 상기 분산매질에서 물의 함량이 2중량% 미만이면 바인더의 분산이 어려운 문제가 있을 수 있으며, 40 중량% 초과이면 슬러리의 점도가 너무 낮아 도포가 어려울 수 있다. 상기 분산매질에서 분산제의 함량이 0.05중량% 미만이면 카본과 바인더의 분산이 어려운 문제가 있을 수 있으며, 10중량% 초과이면 미세 기공층의 전기 저항이 증가하는 문제가 있을 수 있다.If the composition of the mixed solvent is out of the defined composition range, the dispersibility of the carbon and the binder in the slurry may be deteriorated. Specifically, when the ethylene glycol content in the dispersion medium is less than 50% by weight, the dispersibility of the carbon powder may be significantly reduced. If the content of the ethylene glycol is more than 95% by weight, the amount of the solvent is excessively large, Problems may arise during the application of the slurry using coating equipment. If the content of water in the dispersion medium is less than 2% by weight, dispersion of the binder may be difficult. If it is more than 40% by weight, the viscosity of the slurry may be too low to be coated. If the content of the dispersant in the dispersion medium is less than 0.05% by weight, dispersion of carbon and the binder may be difficult. If the content of the dispersant is more than 10% by weight, the electrical resistance of the microporous layer may increase.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 예를 들어,상기 카본 슬러리가 카본 분말 100 중량부에 대하여 소수성 바인더 0.1 내지 40 중량부, 및 분산매질 50 내지 3000 중량부를 포함할 수 있다. 상기 소수성 바인더 함량이 0.1 중량부 미만이면 확산층 제조시 표면의 균열과, 소수성처리의 문제가 있으며, 상기 바인더 함량이 40 중량부 초과이면 저항이 증가할 수 있다. 또한, 상기 분산매질 함량이 50 중량부 미만이면 슬러리의 점도가 너무 높게 되어 고분산 슬러리 제조 및 슬러리 코팅 장비에의 적용이 어려울 수 있으며, 상기 분산매질 함량이 3000 중량부 초과이면 너무 저점도 슬러리가 만들어져 담지할 수 있는 카본의 양이 제한될 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, for example, the carbon slurry may include 0.1 to 40 parts by weight of a hydrophobic binder and 50 to 3000 parts by weight of a dispersing medium relative to 100 parts by weight of carbon powder have. If the content of the hydrophobic binder is less than 0.1 part by weight, there is a problem of surface cracking and hydrophobic treatment in the production of the diffusion layer. If the binder content is more than 40 parts by weight, the resistance may increase. If the content of the dispersing medium is less than 50 parts by weight, the viscosity of the slurry becomes too high, which may make it difficult to produce a highly dispersed slurry and apply it to slurry coating equipment. If the content of the dispersing medium exceeds 3,000 parts by weight, The amount of carbon that can be created and carried can be limited.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 카본 슬러리의 평균 입경이 30 내지 100㎛일 수 있다. 상기 평균 입경이 30㎛ 미만이면 확산층 내에 형성되는 기공의 크기가 작아 연료공급 및 가스 배출이 어려울 수 있으며, 슬러리의 점도가 낮아져 슬러리 코팅 장비에의 적용이 어려울 수 있다. 상기 평균입경이 100㎛ 초과이면 간극 토출 방식인 코터의 노즐이 막힐 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the average particle diameter of the carbon slurry may be 30 to 100 탆. If the average particle diameter is less than 30 m, the size of the pores formed in the diffusion layer may be small and fuel supply and gas discharge may be difficult, and the viscosity of the slurry may be low, which may be difficult to apply to slurry coating equipment. If the average particle diameter is more than 100 mu m, the nozzle of the coater, which is a gap ejection method, may be clogged.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 카본 슬러리의 점도는 500 내지 10,000cps일 수 있다. 상기 점도가 500cps 미만이면 코팅 장비에의 적용시 확산층을 구성하는 성분들의 담지량을 조절하기 어려울 수 있으며, 상기 점도가 10,000cps 초과이면 슬러리가 코터의 노즐을 막을 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the viscosity of the carbon slurry may be 500 to 10,000 cps. If the viscosity is less than 500 cps, it may be difficult to control the amount of the components constituting the diffusion layer when applied to coating equipment. If the viscosity exceeds 10,000 cps, the slurry may block the nozzle of the coater.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 소수성 바인더가 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드게 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리테릴퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 혼합물이 바람직하나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 해당 기술분야에서 사용될수 있는 소수성 고분자는 모 두 포함된다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the hydrophobic binder may be a perfluoropolymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-derived polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide- Based polymer, polyether-etherketone-based polymer, polyetherquinoxaline-based polymer, or a mixture thereof, but is not limited thereto, and it is possible to use the polymer in the technical field All of the possible hydrophobic polymers are included.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 가스확산층의 두께는 5 내지 100㎛일 수 있다. 상기 두께가 5㎛ 미만이면 가스확산층의 주 역할인 연료 공급 및 가스 배출이 원할하지 못할 수 있으며, 상기 두께가 100㎛ 초과이면 가스확산층의 저항이 증가하여 전극 성능이 저하될 수 있다.In the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the thickness of the gas diffusion layer may be 5 to 100 탆. If the thickness is less than 5 mu m, fuel supply and gas discharge, which are the main roles of the gas diffusion layer, may not be desired. If the thickness is more than 100 mu m, the resistance of the gas diffusion layer may increase and the electrode performance may deteriorate.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 가스확산층의 카본 담지량이 0.5 내지 10mg/㎠일 수 있다. 상기 카본 담지량이 0.5mg/㎠ 미만이면 가스확산층의 두께가 5㎛ 미만이 되어 연료나 가스의 확산이 어려운 문제가 있을 수 있으며, 상기 카본 담지량이 10mg/㎠ 초과이면 가스확산층의 두께가 100㎛ 이상이 되어 가스확산층의 저항이 증가하여 전지 성능이 저하될 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the amount of carbon supported on the gas diffusion layer may be 0.5 to 10 mg / cm 2. If the amount of carbon supported is less than 0.5 mg / cm &lt; 2 &gt;, the thickness of the gas diffusion layer may be less than 5 mu m and the diffusion of fuel or gas may be difficult. The resistance of the gas diffusion layer increases, and the cell performance may be deteriorated.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 코터가 슬롯다이 코터, 콤마 코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터, 바 코터, 또는 립 코터일 수 있다. 상기 코터의 종류는 특별히 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용되는 코터로서 기재 위해 일정한 패턴의 전극을 연속적 또는 간헐적으로 반복하여 형성할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한, 코터의 사용으로 인하여 확산층의 대량 생산이 가능할 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the coater may be a slot die coater, a comma coater, a blade coater, a gravure coater, a bar coater, or a lip coater. The kind of the coater is not particularly limited and is not particularly limited as long as it can be formed continuously or intermittently by repeatedly forming electrodes of a certain pattern for describing it as a coater used in the related art. The use of such a coater can enable the mass production of the diffusion layer.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 코팅 단계 전에 상기 카본 슬러리를 탈포하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 탈포 단계에 의하여 카본 슬러리가 기재 상에 균일하게 코팅될 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, it may further include defoaming the carbon slurry before the coating step. The carbon slurry can be uniformly coated on the substrate by the defoaming step.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 가스확산층 제조방법에서 상기 분산제는 서피놀(상표명, Surfynol®) 440, 420, 61 또는 트리톤(상표명, Triton®)X-100, Twin 20(대정화금㈜), BYK-024(BYK Chemie), BYKETOL-PC(BYK Chemie) 및 이들의 혼합물일 수 있다.In the method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the dispersant may be Surfynol (R) 440, 420, 61 or Triton (R) BYK-024 (BYK Chemie), BYKETOL-PC (BYK Chemie), and mixtures thereof.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 가스확산층은 상기 제조방법으로 제조된다. 이하에서 상기 연료전지용 가스확산층 제조방법으로 제조된 가스확산층을 일실시예에 따라 상세히 설명한다.A gas diffusion layer according to another embodiment of the present invention is manufactured by the above manufacturing method. Hereinafter, the gas diffusion layer manufactured by the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell will be described in detail with reference to an embodiment.

먼저, 카본 분말, 상술한 소수성 바인더 및 상술한 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조한다. 상기 카본 분말은 카본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 활성탄소 분말, 탄소분자체, 미세기공을 가지는 활성탄, 메조포러스 카본, 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.First, a carbon slurry is prepared by mixing carbon powder, the above-mentioned hydrophobic binder, and the above-mentioned dispersion medium. The carbon powder may be any one of carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon molecular sieve, activated carbon having micropores, mesoporous carbon, carbon nanotubes or a mixture thereof.

상기 카본 슬러리는 탄소 지지체 상에 코팅하기 전에 탈포 장치를 사용하여 선택적으로 탈포할 수 있다.The carbon slurry may be selectively defoamed using a defoaming device prior to coating onto the carbon support.

이어서, 상기 카본 슬러리를 코터를 사용하여 기재 상에 코팅한다. 상기 기재는 특정 필름이나 카본 재질의 기재일 수 있다. 상기 기재가 특정 필름이면, 카본 슬러리가 상기 필름 상에 코팅되어 가스확산층을 전사하는 전사필름이 얻어질 수 있다. 상기 기재가 카본 재질이면, 상기 슬러리가 상기 카본 재질 위에 코팅되어 가스확산층을 형성할 수 있다. 상기 카본 재질의 기재로서는 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper) 등을 사용할 수 있다. 상기 가스확산층 기재는 유체 흐름을 원활하게 하기 위해 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 소수성 물질이 표면에 코팅될 수 있다.The carbon slurry is then coated on a substrate using a coater. The substrate may be a specific film or a substrate made of carbon. If the base material is a specific film, a transfer film in which a carbon slurry is coated on the film to transfer the gas diffusion layer can be obtained. If the base material is a carbon material, the slurry may be coated on the carbon material to form a gas diffusion layer. As the carbon base material, carbon cloth, carbon paper, or the like can be used. The gas diffusion layer substrate may be coated with a hydrophobic substance such as polytetrafluoroethylene (PTFE) on its surface to smooth the fluid flow.

다음으로, 상기 기재 상에 코팅된 카본 슬러리를 건조 및 소결시켜 확산층을 형성한다. 상기 건조는 당해 기술분야에서 사용되는 일반적인 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 카본 슬러리는 70 내지 100℃의 온도에서 0.5 내지 5시간 동안 1차 건조되고, 상기 1차 건조가 끝난 후, 다시 200 내지 400 oC에서 수차례에 걸친 단계별 소결 과정을 거쳐 2차로 소결 건조될 수 있다. 결과적으로, 표면이 소수성으로 처리되고 미세한 기공이 형성된 가스확산층이 형성될 수 있다.Next, the carbon slurry coated on the substrate is dried and sintered to form a diffusion layer. The drying can be carried out under the general conditions used in the art. For example, the carbon slurry is primarily dried at a temperature of 70 to 100 ° C. for 0.5 to 5 hours, and after the primary drying, the carbon slurry is further sintered at 200 to 400 ° C., It can be sintered and dried. As a result, a gas diffusion layer whose surface is treated with hydrophobicity and in which fine pores are formed can be formed.

한편, 상기 탈포 단계에 사용되는 탈포장치는 도 1에 도시된 바와 같다. 상기 탈포장치는 상부 뚜껑 및 본체로 구성되며, 상기 뚜껑에 복수의 구멍이 형성되어 있다. 상기 구멍 중 어느 하나가 진공 펌프에 연결되어 탈포장치에서 기포를 제거하며, 다른 구멍에 임펠러가 설치되어 탈포장치 내부의 촉매 슬러리를 회전시킨다. 상기 탈포장치의 상부 뚜껑 및 본체는 오링으로 밀폐시키고 고정 클립으로 고정시킨다. 상기 촉매 슬러리가 상기 탈포 장치내에서 임펠러에 의해 교반되면서 슬러리 내의 기포가 진공펌프에 의해 제거된다.The de-packaging value used in the defoaming step is as shown in FIG. The de-packaging means comprises an upper lid and a main body, and a plurality of holes are formed in the lid. One of the holes is connected to a vacuum pump to remove bubbles from the deaerator and an impeller is installed in another hole to rotate the catalyst slurry in the deaerator. The upper lid and the body of the de-wrapping tooth are sealed with an O-ring and fixed with a fixing clip. The catalyst slurry is stirred by the impeller in the defoaming device, and the bubbles in the slurry are removed by the vacuum pump.

상기 코팅 단계에 사용되는 코터의 일 구현예로서 슬롯다이 코터가 도 2에 보여진다. 상기 슬롯다이 코터가 기재(1) 상에 이동하면서 연속적 또는 간헐적으로 카본 슬러리를 기재 상에 코팅할 수 있다. 상기 도 2에서 카본 슬러리를 담고 있는 깔대기형 슬러리 탱크(2)는 경사로 인하여 슬리가 탱크 내에 남지 않는다. 또한, 상기 코터의 노즐(3) 밸브에 슬러리 탱크를 직접 연결하여 노즐 밸브에서 슬러 리 탱크까지의 거리를 최소화하는 것이 바람직하다.A slot die coater as an embodiment of the coater used in the coating step is shown in Fig. The slot die coater can be continuously or intermittently coated on the substrate with the carbon slurry moving on the substrate 1. In FIG. 2, the funnel-type slurry tank 2 containing the carbon slurry does not remain in the tank due to the inclination. It is also desirable to minimize the distance from the nozzle valve to the slurry tank by directly connecting the slurry tank to the nozzle (3) valve of the coater.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 연료전지용 전극은 상기 제조방법으로 제조된 가스확산층을 포함한다. 이하에서 상기 연료전지용 가스확산층 제조방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 일실시예에 따라 상세히 설명한다.The electrode for a fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a gas diffusion layer manufactured by the above manufacturing method. Hereinafter, an electrode for a fuel cell including a gas diffusion layer manufactured by the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell will be described in detail with reference to an embodiment.

상기에서 제조된 가스확산층 위에 캐소드 촉매슬러리 및 애노드 촉매슬러리를 각각 코팅한 다음 이를 120℃ 이하의 온도에서 건조시킨 촉매층을 형성하여 캐소드 또는 애노드 전극을 제조한다.The cathode catalyst slurry and the anode catalyst slurry are coated on the gas diffusion layer prepared above, and then the catalyst layer is dried at a temperature of 120 ° C or lower to form a cathode or an anode electrode.

상기 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 또는 Zn)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The catalyst layer may include a metal catalyst that promotes oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. The catalyst layer is made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, And &lt; / RTI &gt; In particular, it may include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloys, platinum-osmium alloys, platinum-palladium alloys, platinum-cobalt alloys, platinum-nickel alloys or mixtures thereof.

상기 금속 촉매는 일반적으로 담체에 지지된 상태로 사용된다. 상기 담체는 아세틸렌 블랙, 흑염과 같은 탄소계 재료; 또는 알루미나, 실리카와 같은 무기 미립자;를 사용할 수 있다.The metal catalyst is generally used while being supported on a carrier. The carrier may be a carbon-based material such as acetylene black or black salt; Or inorganic fine particles such as alumina and silica can be used.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 연료전지는 상기 제조방법으로 제조된 가 스확산층을 포함한다. 이하에서 상기 연료전지용 가스확산층 제조방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지를 일실시예에 따라 상세히 설명한다.A fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a gas diffusion layer manufactured by the manufacturing method. Hereinafter, a fuel cell including a gas diffusion layer manufactured by the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell will be described in detail with reference to an embodiment.

먼저, 상기에서 제조된 가스확산층 및 촉매층이 형성된 기재 또는 전사필름을 전사 공정 또는 열간압착 방법으로 전해질막과 결합시켜 막/전극 접합체를 제조한다. 상기 막/전극 접합체에 분리판이 부가되어 발전부가 얻어진다. 상기 분리판은 막/전극 접합체의 양면에 각각 부착되며 애노드에 부착되는 분리판이 애노드용 분리판, 캐소드에 부착되는 분리판이 캐소드용 분리판이다. 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 회부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 직접메탄올 연료전지에서 애노드에 공급되는 연료로서 메탄올 수용액이 주로 사용되며 캐소드에 공급되는 산화제로서 공기가 주로 사용된다.First, a base material or a transfer film on which the gas diffusion layer and the catalyst layer are formed is bonded to the electrolyte membrane by a transfer process or a hot-pressing process to produce a membrane / electrode assembly. A separator plate is added to the membrane / electrode assembly to obtain a power generating portion. The separator plate is attached to both sides of the membrane / electrode assembly, the separator plate attached to the anode is a separator plate for the anode, and the separator plate attached to the cathode is the separator plate for the cathode. The anode separation plate has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated in the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separation plate has a flow path for supplying an oxidant to the cathode, and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from the pushing circuit or the adjacent unit cell to the cathode. Methanol aqueous solution is mainly used as the fuel supplied to the anode in the direct methanol fuel cell, and air is mainly used as the oxidizing agent supplied to the cathode.

상기 전해질 막으로는 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르벤즈이미다졸, 폴리아릴렌에테르케톤, 페리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리스티렌, 나피온, 플레미온, 아시플렉스 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야에서 전해질 막으로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 상기 전해질막은 적정량의 물을 함습하므로 우수한 이온전도성을 가질 수 있다.Examples of the electrolyte membrane include polyimide, polyimidazole, polybenzimidazole, polyetherbenzimidazole, polyarylene ether ketone, ferrier ether ketone, polyether ketone, polyether ketone ketone, polystyrene, napion, , Asiflex, or a mixture thereof, but not limited thereto, and it is not particularly limited as long as it can be used as an electrolyte membrane in the related art. Since the electrolyte membrane absorbs a proper amount of water, it can have excellent ionic conductivity.

상기 전해질막의 분자량은 수평균분자량이 1,000 내지 1,000,000이고, 질량 평균분자량이 10,000 내지 1,000,000일 수 있다. 또한 고분자 전해질막의 두께는 10 내지 300㎛일 수 있다.The electrolyte membrane may have a number average molecular weight of 1,000 to 1,000,000 and a weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000. The thickness of the polymer electrolyte membrane may be 10 to 300 mu m.

상기 열간압착 방법에서 사용되는 조건은 가해지는 압력 500 내지 2,000psi, 온도 50 내지 300℃, 가압 시간 1 내지 60 분일 수 있다.The conditions used in the hot pressing method may be a pressure of 500 to 2,000 psi, a temperature of 50 to 300 DEG C, and a pressing time of 1 to 60 minutes.

다음으로, 상기 발전부에 적어도 하나의 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등을 부가하여 연료전지가 완성된다.Next, the fuel cell is completed by adding at least one reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to the power generation section.

이하 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in further detail with reference to preferred examples, but the present invention is not limited thereto.

(가스확산층 제조)(Gas diffusion layer production)

실시예 1Example 1

카본슬러리의 제조Preparation of carbon slurry

카본블랙(Vulcan, Cabot)10g 및 소수성 바인더 용액(PTFE, polytetrafluoroethylene, 60중량%, Aldrich) 0.88g을 분산매질 115g에 투입한 다음, 초음파 혼합기(Branson사)에서 30분간 초음파을 조사하여 혼합하여 탄소슬러리를 얻었다. 상기 탄소슬러리를 혼합 탈포장치(도 1, 자체제작)에 투입하여 탈포하였다. 상기 탈포된 카본 슬러리의 점도는 2,500cps 이었다. 상기 분산매질은 에틸렌글리콜 87.2 중량%, 탈이온수 7.3 중량%, 및 분산제 (Surfynolㄾ, 440) 5.5 중량%로 이루어진다.10 g of carbon black (Vulcan, Cabot) and 0.88 g of a hydrophobic binder solution (PTFE, polytetrafluoroethylene, 60% by weight, Aldrich) were added to 115 g of a dispersing medium and ultrasonic waves were applied for 30 minutes in an ultrasonic mixer (Branson) . The carbon slurry was introduced into a mixed deaerator (FIG. 1, self-produced) and defoamed. The viscosity of the defoamed carbon slurry was 2,500 cps. The dispersion medium is composed of 87.2% by weight of ethylene glycol, 7.3% by weight of deionized water, and 5.5% by weight of a dispersant (Surfynol 占 440).

가스확산층의 형성Formation of gas diffusion layer

상기 카본 슬러리를 슬롯다이 코터(나래나노텍, 한국)를 사용하여 24AA(SGL사, 독일)위에 코팅하였다. 코팅된 카본 슬러리를 80℃에서 1시간의 1차 건조과정을 거친 뒤 고온 건조가 가능한 퍼니스 오븐으로 옮겨 225℃ 에서 1시간, 및 350℃에서 30분 동안 추가 건조시켜 분산된 PTFE가 카본 표면에 골고루 퍼져 가스확산층이 소수성을 띄도록 소결시켰다. 코팅된 가스확산층의 두께는 20㎛이었고, 카본의 담지량은 1.5mg/㎠이었다. 상기 가스확산층의 모식도가 도 4에 보여진다.The carbon slurry was coated on a 24AA (SGL Co., Germany) using a slot die coater (Narayanano Tech, Korea). The coated carbon slurry was subjected to a primary drying at 80 ° C for 1 hour, then transferred to a furnace oven capable of high temperature drying, and further dried at 225 ° C for 1 hour and at 350 ° C for 30 minutes to disperse the PTFE on the carbon surface uniformly So that the gas diffusion layer was sintered so as to be hydrophobic. The thickness of the coated gas diffusion layer was 20 μm and the amount of carbon supported was 1.5 mg / cm 2. A schematic view of the gas diffusion layer is shown in Fig.

실시예 2Example 2

카본블랙(Vulcan, Cabot)10g 및 소수성 바인더 용액(PTFE, polytetrafluoroethylene, 60중량%, Aldrich) 0.88g을 분산매질 115g에 투입한 다음, 초음파 혼합기(Branson사)에서 30분간 초음파을 조사하여 혼합하여 탄소슬러리를 얻었다. 상기 탄소슬러리를 혼합 탈포장치(도 1, 자체제작)에 투입하여 탈포하였다. 상기 탈포된 카본 슬러리의 점도는 2,500cps 이었다. 상기 분산매질은 에틸렌글리콜 50 중량%, 탈이온수 40 중량%, 및 분산제 (Surfynolㄾ, 440) 10 중량%로 이루어진다. 가스 확산층의 형성은 실시예 1과 동일하다.10 g of carbon black (Vulcan, Cabot) and 0.88 g of a hydrophobic binder solution (PTFE, polytetrafluoroethylene, 60% by weight, Aldrich) were added to 115 g of a dispersing medium and ultrasonic waves were applied for 30 minutes in an ultrasonic mixer (Branson) . The carbon slurry was introduced into a mixed deaerator (FIG. 1, self-produced) and defoamed. The viscosity of the defoamed carbon slurry was 2,500 cps. The dispersion medium is composed of 50% by weight of ethylene glycol, 40% by weight of deionized water, and 10% by weight of a dispersant (Surfynol 占 440). The formation of the gas diffusion layer is the same as that of the first embodiment.

실시예 3Example 3

카본블랙(Vulcan, Cabot)10g 및 소수성 바인더 용액(PTFE, polytetrafluoroethylene, 60중량%, Aldrich) 0.88g을 분산매질 115g에 투입한 다음, 초음파 혼합기(Branson사)에서 30분간 초음파을 조사하여 혼합하여 탄소슬러리를 얻었다. 상기 탄소슬러리를 혼합 탈포장치(도 1, 자체제작)에 투입하여 탈포하였다. 상기 탈포된 카본 슬러리의 점도는 2,500cps 이었다. 상기 분산매질은 에틸렌글리콜 95중량%, 탈이온수 4.95 중량%, 및 분산제 (Surfynolㄾ, 440) 0.05 중 량%로 이루어진다. 가스 확산층의 형성은 실시예 1과 동일하다.10 g of carbon black (Vulcan, Cabot) and 0.88 g of a hydrophobic binder solution (PTFE, polytetrafluoroethylene, 60% by weight, Aldrich) were added to 115 g of a dispersing medium and ultrasonic waves were applied for 30 minutes in an ultrasonic mixer (Branson) . The carbon slurry was introduced into a mixed deaerator (FIG. 1, self-produced) and defoamed. The viscosity of the defoamed carbon slurry was 2,500 cps. The dispersion medium is composed of 95% by weight of ethylene glycol, 4.95% by weight of deionized water, and 0.05% by weight of a dispersant (Surfynol 占 440). The formation of the gas diffusion layer is the same as that of the first embodiment.

비교예 1Comparative Example 1

분산매질로서 에틸렌글리콜 30 중량%, 탈이온수 52.2중량%, 분산제(Surfynolㄾ, 440) 18.8 중량%를 포함하는 혼합용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent containing 30 wt% of ethylene glycol, 52.2 wt% of deionized water and 18.8 wt% of a dispersing agent (Surfynol 占 440) was used as a dispersion medium.

비교예 2Comparative Example 2

분산매질 100 중량부에 대하여 소포제(BYK-024, BYK Chemie) 1 중량부, 및 건조 방지제(BYKETOL-PC, BYK Chemie) 5 중량부를 더 추가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 확산층을 제조하였다.Except that 1 part by weight of defoamer (BYK-024, BYK Chemie) and 5 parts by weight of an anti-drying agent (BYKETOL-PC, BYK Chemie) were added to 100 parts by weight of the dispersion medium. .

비교예 3Comparative Example 3

분산매질로서 이소프로필알코올 60 중량%, 탈이온수 35 중량%를 포함하는 혼합용매를 사용하고 분산제로 서피놀(상표명, Surfynolㄾ) 440) 5중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스확산층을 제조하였다. The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixed solvent containing 60% by weight of isopropyl alcohol and 35% by weight of deionized water was used as a dispersion medium and 5% by weight of Surfynol (trade name Surfynol 占 440) To prepare a gas diffusion layer.

비교예 4Comparative Example 4

분산매질로서 NMP(N-메틸피롤리돈) 85 중량%, 탈이온수 10 중량%를 포함하는 혼합용매를 사용하고 분산제로 서피놀(상표명, Surfynolㄾ) 440) 5중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스확산층을 제조하였다. Except that a mixed solvent containing 85% by weight of NMP (N-methylpyrrolidone) and 10% by weight of deionized water was used as a dispersion medium and 5% by weight of Surfynol (trade name Surfynol 占 440) A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1.

비교예 5Comparative Example 5

분산매질로서 에틸렌글리콜 45 중량%, 탈이온수 35 중량%, 분산제(서피놀-440) 20 중량%를 포함하는 혼합용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법 으로 가스확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent containing 45% by weight of ethylene glycol, 35% by weight of deionized water and 20% by weight of a dispersant (Surfynol-440) was used as a dispersion medium.

비교예 6Comparative Example 6

분산매질로서 에틸렌글리콜 35 중량%, 탈이온수 60 중량%, 분산제(서피놀-440) 5 중량%를 포함하는 혼합용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent containing 35% by weight of ethylene glycol, 60% by weight of deionized water and 5% by weight of a dispersant (Surfynol-440) was used as a dispersion medium.

비교예 7Comparative Example 7

분산매질로서 에틸렌글리콜 60 중량%, 탈이온수 5 중량%, 분산제(서피놀-440) 35 중량%를 포함하는 혼합용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent containing 60% by weight of ethylene glycol, 5% by weight of deionized water and 35% by weight of a dispersant (Surfynol-440) was used as a dispersion medium.

참고예 1Reference Example 1

상기 실시예 1에서 코터 대신에 스프레이 캐스팅법으로 가스확산층을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that the gas diffusion layer was produced by spray casting instead of the coater in Example 1.

(연료전지용 전극 및 연료전지의 제조)(Preparation of electrode for fuel cell and fuel cell)

실시예 4Example 4

애노드는 상기 실시예 1에서 제조된 가스확산층 위에 애노드 촉매슬러리를 스프레이 캐스팅법을 사용하여 코팅하고, 이것을 80℃에서 1시간 동안 건조시켜 애노드 촉매가 3mg/cm2 담지된 촉매층을 형성시켜 제조하였다.The anode was prepared by coating an anode catalyst slurry on the gas diffusion layer prepared in Example 1 using a spray casting method, and drying the anode catalyst slurry at 80 ° C for 1 hour to form a catalyst layer carrying 3 mg / cm 2 of an anode catalyst.

상기 애노드 촉매슬러리는 60PtRu/C 촉매(동진쎄미켐, JA1) 1g 및 바인더(10 중량% Nafion 용액, Dupont, 촉매 100중량부 대비 15 중량부) 1.76g을 이소프로필 알코올과 탈이온수가 1:1 부피비로 혼합된 용매 20g에 첨가하여 제조하였다.1 g of a 60 PtRu / C catalyst (Dongjin Semichem, JA1) and 1.76 g of a binder (10% by weight Nafion solution, Dupont, 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst) were mixed in a 1: 1 volume ratio of isopropyl alcohol and deionized water To 20 g of mixed solvent.

캐소드는 SGL사의 24BC 기재위에 캐소드 촉매슬러리를 스프레이 캐스팅법을 사용하여 코팅하고, 이것을 80℃에서 1시간 동안 건조시켜 캐소드 촉매가 4mg/cm2 담지된 촉매층을 형성시켜 제조하였다.The cathode was prepared and coated with a cathode catalyst slurry on SGL 24BC's base using a spray-casting method, followed by drying at 80 to this ℃ for 1 hour to form a cathode catalyst is 4mg / cm 2 supported catalyst.

상기 캐소드 촉매슬러리는 70PtCo/C 촉매(동진세미켐, JC1) 1g 및 바인더(10 중량% Nafion 용액, Dupont, 촉매 100중량부 대비 15 중량부) 1.76g을 이소프로필알코올과 탈이온수가 1:1 부피비로 혼합된 용매 20g에 첨가하여 제조하였다.The cathode catalyst slurry was prepared by mixing 1 g of a 70PtCo / C catalyst (Dongjin Semichem, JC1) and 1.76 g of a binder (10 wt% Nafion solution, Dupont, 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst) in a 1: 1 volume ratio of isopropyl alcohol and deionized water To 20 g of mixed solvent.

상기에서 제조된 캐소드 및 애노드 사이에 전해질막(Dupont, Nafion 112)을 두고 열간압착(hot press) 방법으로 막/전극 접합체를 제조하였다.A membrane / electrode assembly was prepared by a hot press method with an electrolyte membrane (Dupont, Nafion 112) between the cathode and the anode prepared above.

상기 막/전극 접합체의 애노드 면에 연료 공급을 위한 분리판을, 캐소드 면에 산화제 공급을 위한 분리판을 각각 도입하여 단위전지 시스템을 구성하였고, 애노드의 연료공급은 연료 탱크로부터 연료펌프에 의하여 공급되었고, 캐소드는 공기펌프를 사용하여 균일하게 연료가 공급될 수 있게 하여 연료전지를 제조하였다.A separator plate for supplying fuel to the anode side of the membrane / electrode assembly and a separator plate for supplying the oxidant to the cathode side were respectively installed to constitute a unit cell system, and the fuel supply of the anode was supplied from the fuel tank And the cathode was uniformly supplied with fuel by using an air pump to produce a fuel cell.

실시예 5 내지 6Examples 5 to 6

실시예 1에서 제조된 가스확산층 대신에 실시예 2 내지 3의 가스확산층을 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 4, except that the gas diffusion layers of Examples 2 to 3 were used instead of the gas diffusion layer prepared in Example 1.

비교예 8 내지 14Comparative Examples 8 to 14

상기 실시예 1에서 제조된 가스확산층 대신에 비교예 1 내지 7에서 제조된 가스확산층을 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지를 제조 하였다.A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the gas diffusion layers prepared in Comparative Examples 1 to 7 were used instead of the gas diffusion layer prepared in Example 1 above.

참고예 2Reference Example 2

상기 실시예 1에서 제조된 가스확산층 대신에 상기 참고예 1에서 제조된 가스확산층을 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 4, except that the gas diffusion layer prepared in Reference Example 1 was used in place of the gas diffusion layer prepared in Example 1 above.

평가예 1 : 카본슬러리의 분산성 평가Evaluation Example 1: Evaluation of dispersibility of carbon slurry

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 7의 가스확산층 제조과정에서 얻어지는 카본슬러리를 비이커에 투입하고 3시간 경과한 다음 비이커 바닥의 슬러리의 침전 상태를 육안으로 관찰하여 분산성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다. 분산성의 평가 기준은 다음과 같다.The carbon slurry obtained in the gas diffusion layer manufacturing processes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7 was put into a beaker and after 3 hours passed, the state of precipitation of the slurry at the bottom of the beaker was visually observed to evaluate the dispersibility, Respectively. The evaluation criteria of dispersibility are as follows.

◎ : 비이커 바닥에 침전된 슬러리가 거의 보이지 않음◎: The slurry deposited on the bottom of the beaker is hardly visible

○ : 비이커 바닥이 부분적으로 침전된 슬러리로 뒤덮임○: The bottom of the beaker is covered with a partially precipitated slurry

△ : 비이커 바닥의 대부분이 침전된 슬러리로 뒤덮임△: Most of the bottom of the beaker is covered with the precipitated slurry

× : 비이커 바닥이 완전히 침전된 슬러리로 뒤덮임X: The beaker bottom was covered with a completely precipitated slurry

<표 1><Table 1>

평가evaluation 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 ×× 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비교예 4Comparative Example 4 ×× 비교예 5Comparative Example 5 비교예 6Comparative Example 6 ×× 비교예 7Comparative Example 7

상기 표 1에 보여지는 바와 같이, 본 발명의 소정 조성 범위에 해당하는 분산매질을 사용한 실시예 1 내지 3에서 얻어지는 카본슬러리는 상기 조성 및 성분 범위를 벗어나는 분산매질들인 비교예 1 내지 7에 비해 분산성이 우수하였다.As shown in Table 1, the carbon slurries obtained in Examples 1 to 3 using the dispersion medium corresponding to the predetermined composition range of the present invention were less than the dispersion mediums of Comparative Example 1 to 7, The acidity was excellent.

평가예 2 : 카본 슬러리의 코팅 균일성 평가Evaluation Example 2: Evaluation of coating uniformity of carbon slurry

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 7에서 얻어진 가스확산층의 두께를 KEYENCE사의 LK-GD500 모델을 사용하여 측정하였다. 상기 가스확산층의 일 말단(초단부), 다른 말단(끝단부), 및 가운데 지점(중간부)의 두께를 각각 측정하였다. 각 지점의 두께를 측정하여 편차를 하기 수학식 1에 따라 계산하였다. 각 지점의 코팅 품질은 아래의 기준에 따라 평가하였다. The thicknesses of the gas diffusion layers obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7 were measured using the LK-GD500 model of KEYENCE. The thicknesses of one end (the extreme end), the other end (end), and the middle point (middle portion) of the gas diffusion layer were measured. The thickness of each point was measured and the deviation was calculated according to the following equation (1). The coating quality of each spot was evaluated according to the following criteria.

각 지점에서 측정된 복수의 두께값 {x1, x2, …, xn}의 평균값을 m이라 하면, 두께의 표준편차 σ는 다음 수학식1로 주어진다. n은 측정된 두께값의 개수다A plurality of thickness values {x 1 , x 2 , ... , x n } is m, the standard deviation of thickness σ is given by the following equation (1). n is the number of measured thickness values

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

.

Figure 112009006708240-pat00001
.
Figure 112009006708240-pat00001

<코팅 품질 평가 기준>&Lt; Evaluation criteria of coating quality &

양호 : 코팅 되지 않은않된 부위 없음, 각 지점에서 측정된 복수의 두께값의50% 이상이가 평균 두께값에서 ±10um 이내Good: no uncoated areas, more than 50% of the multiple thickness values measured at each point within ± 10 μm of the average thickness value

불량 : 코팅 되지 않은된 부위 1 곳 이상, 각 지점에서 측정된 복수의 두께 값의가 50% 이상이 평균 두께값에서 ±10um 초과Defective: more than 50% of the multiple thickness values measured at more than one uncoated site, at each point exceed ± 10um above the mean thickness value

<표 2><Table 2>

초단부The first end 중간부Middle part 끝단부End portion 두께 표준편차Thickness standard deviation 실시예 1Example 1 양호Good 양호Good 양호Good 2.322.32 실시예 2Example 2 양호Good 양호Good 양호Good 3.123.12 실시예 3Example 3 양호Good 양호Good 양호Good 2.782.78 비교예 1Comparative Example 1 불량Bad 양호Good 불량Bad 7.077.07 비교예 2Comparative Example 2 양호Good 양호Good 양호Good 2.332.33 비교예 3Comparative Example 3 불량Bad 불량Bad 불량Bad 6.786.78 비교예 4Comparative Example 4 불량Bad 불량Bad 불량Bad 5.385.38 비교예 5Comparative Example 5 양호Good 양호Good 불량Bad 3.523.52 비교예 6Comparative Example 6 불량Bad 불량Bad 불량Bad 6.436.43 비교예 7Comparative Example 7 양호Good 양호Good 불량Bad 3.323.32

상기 표 2에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 실시예 1은 비교예들에 비하여 낮은 두께 표준 편차를 보여주었으며 코팅이 않된 부위 없이 양호한 코팅 품질을 보여주었다. 비교예 2는 소포제와 건조방지제를 추가로 포함함에 의하여 실시예 1에 비해 균일한 코팅 두께와 코팅 품질을 보여주었다.As shown in Table 2, Example 1 according to an embodiment of the present invention showed a lower standard deviation of thickness compared with Comparative Examples and showed good coating quality without coatings. Comparative Example 2 showed a uniform coating thickness and coating quality as compared to Example 1 by further including a defoamer and an anti-drying agent.

평가예 3: 연료전지의 성능 평가Evaluation Example 3: Performance evaluation of fuel cell

실시예 4 내지 6, 비교예 8 내지 14, 및 참고예 2 에서 제조된 연료전지에 연료로서 4부피% 메탄올 수용액을 애노드에 공급하고, 산화제로서 공기를 200cc/분의 속도로 캐소드에 공급하여 단위전지 시스템을 구동하면서 70oC의 온도에서 전류전압 곡선을 측정하여 성능을 평가하였다.4 vol% methanol aqueous solution as fuel was supplied to the anode and air was supplied to the cathode as an oxidant at a rate of 200 cc / min to the fuel cell produced in Examples 4 to 6, Comparative Examples 8 to 14 and Reference Example 2, The performance of the battery system was measured by measuring the current-voltage curve at a temperature of 70 ° C.

실시예 4와 비교예 8 내지 14 에 관한 연료전지 성능평가 결과를 하기 표 3에서 도 5에서 나타내고, 실시예 4와 참고예 2에 대한 연료전지 성능평가 결과를 도 36에서 나타내었다.The fuel cell performance evaluation results of Example 4 and Comparative Examples 8 to 14 are shown in FIG. 5 in the following Table 3, and the fuel cell performance evaluation results of Example 4 and Reference Example 2 are shown in FIG.

<표 3><Table 3>

구분division 측정 조건: 60℃-0.4VMeasurement conditions: 60 DEG C -0.4 V Current density
(A)
Current density
(A)
Power density
(mW/cm2)
Power density
(mW / cm 2 )
실시예4Example 4 1.731.73 139139 실시예5Example 5 1.681.68 130130 실시예6Example 6 1.651.65 129129 비교예8Comparative Example 8 1.211.21 9292 비교예9Comparative Example 9 1.281.28 102102 비교예10Comparative Example 10 1.411.41 116116 비교예11Comparative Example 11 1.291.29 104104 비교예12Comparative Example 12 1.371.37 113113 비교예13Comparative Example 13 1.321.32 109109 비교예14Comparative Example 14 1.291.29 104104 참고예1Reference Example 1 1.711.71 134134

상기 표 3에서 보여지는 바와 같이 실시예 4는 비교예 8 내지 14에 비해 향상된 전지 성능을 보여주었다. 특히, 비교예 9는 수포제와, 건조 방지제를 슬러리에 적용하여 두께 편차가 거의 없는 양질의 가스확산층을 제조할 수 있으나, 추가된 첨가제가 전극 저항으로 작용하여 실시예 2 보다 월등히 낮는 전지성능을 보였다.As shown in Table 3, Example 4 showed improved battery performance as compared to Comparative Examples 8-14. In particular, Comparative Example 9 can produce a gas diffusion layer of good quality with little variation in thickness by applying a water repellent agent and an anti-drying agent to a slurry. However, since the added additive acts as an electrode resistance, It looked.

또한, 도 3에서 보여지는 바와 같이 실시예 4는 참고예 2에 비해서도 향상된 성능을 보여주었다. 이는 참고예 2의 경우에는 스프레이 캐스팅법에 의한 다층 구조를 갖는 확산층이 전극의 저항을 증가시켰기 때문으로 판단된다.In addition, as shown in FIG. 3, Example 4 showed improved performance as compared to Reference Example 2. This is because, in the case of Reference Example 2, the diffusion layer having a multilayer structure by the spray casting method increases the resistance of the electrode.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 사용되는 탈포 장치이다.1 is a defoaming device used in Example 1 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 4에 사용되는 슬롯다이 코터이다.2 is a slot die coater used in Example 4 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 4와 참고예 2에 의해 구성된 단위 전지의 성능평가 결과이다.3 shows the performance evaluation results of the unit cells constructed in Example 4 and Reference Example 2 of the present invention.

Claims (13)

카본 분말, 소수성 바인더 및 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조하는단계;Mixing a carbon powder, a hydrophobic binder and a dispersion medium to prepare a carbon slurry; 코터를 사용하여 상기 카본 슬러리를 기재 상에 코팅하는 단계; 및Coating the carbon slurry on a substrate using a coater; And 상기 코팅된 카본 슬러리를 건조시켜 가스확산층을 형성하는 단계;를 포함하며,And drying the coated carbon slurry to form a gas diffusion layer, 상기 분산매질이 에틸렌글리콜 50 내지 95 중량%, 물 2 내지 40 중량% 및 분산제 0.05 내지 10 중량% 를 포함하고,Wherein the dispersion medium comprises 50 to 95% by weight of ethylene glycol, 2 to 40% by weight of water and 0.05 to 10% by weight of a dispersant, 상기 가스확산층의 카본 담지량이 0.5 내지 10mg/㎠인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.Wherein the gas diffusion layer has a carbon loading of 0.5 to 10 mg / cm &lt; 2 &gt;. 제 1항에 있어서, 상기 카본 슬러리가 상기 카본 분말 100 중량부에 대하여 상기 소수성 바인더 0.1 내지 40 중량부, 및 상기 분산매질 50 내지 3,000 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method according to claim 1, wherein the carbon slurry comprises 0.1 to 40 parts by weight of the hydrophobic binder and 50 to 3,000 parts by weight of the dispersion medium with respect to 100 parts by weight of the carbon powder. 제 1항에 있어서, 상기 카본 슬러리의 평균 입도가 30 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the average particle size of the carbon slurry is 30 to 100 占 퐉. 제 1항에 있어서, 상기 카본 슬러리의 점도가 500 내지 10,000cps인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the viscosity of the carbon slurry is 500 to 10,000 cps. 제 1항에 있어서, 상기 소수성 바인더가 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리테릴퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method of claim 1, wherein the hydrophobic binder is selected from the group consisting of perfluorinated polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, and polyether sulfone polymers , A polyether ketone-based polymer, a polyether-ether ketone-based polymer, and a polyether quinoxaline-based polymer. 제 1항에 있어서, 상기 가스확산층의 두께가 5 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the thickness of the gas diffusion layer is 5 to 100 占 퐉. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 코터가 슬롯다이 코터, 콤마 코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터, 바 코터 및 립 코터로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method according to claim 1, wherein the coater is any one selected from the group consisting of a slot die coater, a comma coater, a blade coater, a gravure coater, a bar coater and a lip coater. 제 1항에 있어서, 상기 코팅 단계 전에 상기 카본 슬러리를 탈포하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method of claim 1, further comprising defoaming the carbon slurry prior to the coating step. 제 1항에 있어서, 상기 분산제가 서피놀(상표명, Surfynol) 440, 420, 61 또는 트리톤(상표명, Triton)X-100, Twin 20(대정화금㈜), BYK-024(BYK Chemie) 및 BYKETOL-PC(BYK Chemie) 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스확산층 제조방법.The method of claim 1, wherein the dispersant is selected from the group consisting of Surfynol 440, 420, 61 or Triton X-100, Twin 20 (BYC Chemie), BYK-024 (BYK Chemie) -PC (BYK Chemie). &Lt; / RTI &gt; 제 1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 가스확산층.A gas diffusion layer produced by the process according to any one of claims 1 to 6 and 8 to 10. 제 1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지용 전극.An electrode for a fuel cell comprising a gas diffusion layer produced by the method according to any one of claims 1 to 6 and 8 to 10. 제 1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 가스확산층을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising a gas diffusion layer produced by the process according to any one of claims 1 to 6 and 8 to 10.
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