KR102410805B1 - A carbon paper used in gas diffusion layer of fuel cell and a method of manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더와 페놀수지가 용해된 페놀 함침액을 제조하는 단계, 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키고 건조하여 카본베일의 표면에서 돌출된 탄소섬유를 결착시킴으로써 표면으로부터의 돌출을 억제시키는 단계 및 건조된 카본베일을 경화, 탄화 및 흑연화시키는 단계를 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.The present invention relates to the steps of preparing a phenol impregnation solution in which an acrylic acid binder containing carboxylic acid and a phenol resin are dissolved, impregnating the carbon veil in the phenol impregnation solution and drying it to bind the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil. It provides a method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell comprising the steps of suppressing the protrusion of the carbon veil and curing, carbonizing and graphitizing the dried carbon veil.

Description

연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법{A CARBON PAPER USED IN GAS DIFFUSION LAYER OF FUEL CELL AND A METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}Carbon paper applied to gas diffusion layer of fuel cell and manufacturing method thereof

본 발명은 탄소종이 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연료전지의 박막형 기체확산층에 용이하게 적용될 수 있는 탄소종이 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to carbon paper and a method for manufacturing the same, and to carbon paper and a method for manufacturing the same, which can be easily applied to a thin-film gas diffusion layer of a fuel cell.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로, 연료를 태우지 않고 전기를 바로 생산하기 때문에 환경 친화적이며 발전효율이 매우 높은 장점이 있다. In general, a fuel cell is a device that generates electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. Since it directly produces electricity without burning fuel, it is environmentally friendly and has very high power generation efficiency.

여기서, 연료전지의 단위 셀은 통상 극판(애노드), 기체확산층, 촉매층, 전해질층, 촉매층, 기체확산층 및 극판(캐소드) 순으로 적층되어 구성되며, 연료로 사용되는 수소는 애노드(Anode)에 공급되고, 산소는 캐소드(Cathode)에 공급된다. Here, the unit cell of the fuel cell is usually stacked in the order of an electrode plate (anode), a gas diffusion layer, a catalyst layer, an electrolyte layer, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and an electrode plate (cathode), and hydrogen used as fuel is supplied to the anode. and oxygen is supplied to the cathode.

이와 같이 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하지 않은 채로 카본베일을 통해 제조된 탄소종이의 경우, 연료전지에 적용될 시 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)에 영향을 주어 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 원인으로 작용될 수 있어, 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하는 것이 중요하다.In the case of carbon paper produced through a carbon veil without removing the carbon fibers protruding from the surface as described above, when applied to a fuel cell, it affects the membrane electrode assembly (at least one of a catalyst layer, an electrolyte layer, and a gas diffusion layer), so that the fuel cell It is important to remove the carbon fiber protruding from the surface as it can act as a cause of lowering the durability and performance of the product.

또한, 캐소드측에서는 전해질층을 통과하여 이동해온 수소이온(양이온), 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 공급된 산소가 만나서 물이 생성되는 원리로 연료전지가 작동된다.In addition, on the cathode side, the fuel cell operates on the principle that hydrogen ions (cations) that have moved through the electrolyte layer, electrons that have moved through an external circuit, and supplied oxygen meet to generate water.

이러한 연료전지의 구성 중 기체확산층은 산소나 수소를 촉매층으로 균일하게 확산시켜 공급하고, 생성되는 전자를 빠르게 이동시키며, 외부 충격으로부터 견딜 수 있는 강도 등의 특성을 필요로 하기 때문에 우수한 강도와 전기 전도도를 가지는 탄소섬유 기반의 탄소종이로 제조된다.Among the components of such a fuel cell, the gas diffusion layer uniformly diffuses and supplies oxygen or hydrogen to the catalyst layer, moves generated electrons quickly, and requires characteristics such as strength to withstand external shocks, so it has excellent strength and electrical conductivity. It is made of carbon fiber-based carbon paper with

통상 탄소종이는 카본베일에 페놀 함침액을 함침시킨 후 탄화 및 흑연화를 수행하여 제조될 수 있으며, 탄소종이 제조에 사용되는 카본베일 경우 전기적 특성을 향상시키기 위해 탄소섬유를 수분산하여 배양시키는 습식(Wet-laid) 제조공정을 통해 제조될 수 있다.In general, carbon paper can be produced by impregnating a carbon veil with a phenol-impregnated liquid and then carbonizing and graphitizing it. It can be manufactured through a (wet-laid) manufacturing process.

최근 기체확산층이 박막화되면서 카본베일을 구성하는 탄소섬유의 길이 대비 카본베일의 두께가 얇아져 탄소종이 제조 후 표면에서 돌출되는 탄소섬유의 빈도가 높게 나타나고 있다.Recently, as the gas diffusion layer is thinned, the thickness of the carbon veil becomes thinner compared to the length of the carbon fibers constituting the carbon veil.

이와 같이 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하지 않은 채로 카본베일을 통해 제조된 탄소종이의 경우, 연료전지에 적용될 시 촉매층 등에 영향을 주어 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 원인으로 작용될 수 있어, 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하는 것이 중요하다.In the case of carbon paper produced through a carbon veil without removing the carbon fibers protruding from the surface as described above, when applied to a fuel cell, it may affect the catalyst layer, etc., thereby reducing the durability and performance of the fuel cell. It is important to remove the carbon fibers protruding from the surface.

또한, 연료전지의 효율을 높이기 위해서는, 기체확산층에 공급되는 기체를 빠르고 균일하게 촉매층으로 확산시킬 필요성이 있으며 이를 위해 기체확산층의 탄소종이에 높은 기체투과도가 요구되고 있다.In addition, in order to increase the efficiency of the fuel cell, it is necessary to quickly and uniformly diffuse the gas supplied to the gas diffusion layer into the catalyst layer, and for this purpose, high gas permeability is required for the carbon paper of the gas diffusion layer.

공개특허 제2020-0076395호(공개일: 2020.6.29) "흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층"Patent Publication No. 2020-0076395 (published date: June 29, 2020) "Graphitized carbon substrate and gas diffusion layer employing the same"

본 발명에서는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법, 구체적으로는 적정 비율의 아크릴산계 바인더가 혼합된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시켜, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 제거할 수 있고, 균일한 함침막을 형성하여 기체투과도를 증대시킬 수 있으며, 내구성을 확보하고, 박막형 기체확산층에 용이하게 적용될 수 있는 탄소종이를 제공하고자 한다.In the present invention, the carbon paper applied to the gas diffusion layer of the fuel cell and its manufacturing method, specifically, the carbon veil is impregnated with a phenol impregnated solution mixed with an acrylic acid binder of an appropriate ratio, and the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil are removed. It is an object of the present invention to provide a carbon paper that can increase the gas permeability by forming a uniform impregnated film, ensure durability, and can be easily applied to a thin-film gas diffusion layer.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더와 페놀수지가 용해된 페놀 함침액을 제조하는 단계, 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키고 건조하여 카본베일의 표면에서 돌출된 탄소섬유를 결착시킴으로써 표면으로부터의 돌출을 억제시키는 단계 및 건조된 카본베일을 경화, 탄화 및 흑연화시키는 단계를 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a step of preparing a phenol impregnating solution in which an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid and a phenol resin are dissolved, impregnating the carbon veil in the phenol impregnating solution and drying the surface of the carbon veil It provides a method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell, comprising the steps of suppressing protrusion from the surface by binding the carbon fibers protruding from the carbon fiber and curing, carbonizing and graphitizing the dried carbon veil.

또한, 아크릴산계 바인더는, 카르복실산이 10 내지 50%가 포함된 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In addition, the acrylic acid binder provides a method for producing carbon paper in which carboxylic acid is applied to a gas diffusion layer of a fuel cell containing 10 to 50%.

또한, 아크릴산계 바인더는, 페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 혼합되는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In addition, the acrylic acid-based binder provides a method for producing carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer, which is mixed in an amount of 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the phenol-impregnated solution.

또한, 아크릴산계 바인더는, 스티렌, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, n-부틸메타크릴레이트, 이소부틸메타크릴레이트, t-부틸메타크릴레이트, 비닐크롤라이드, 비닐아세테이트, 아크릴로니트릴, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 에틸렌, 옥타데실메타크릴레이트, 아크릴아미드 중 적어도 하나와 공중합체를 형성하는 공중합체 바인더인 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In addition, the acrylic acid binder is styrene, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, t-butyl methacrylate, vinyl chloride, vinyl acetate, acrylonitrile, 2-ethylhexyl methacrylate, lauryl methacrylate, methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, ethylene, octadecyl methacrylate, acrylamide It provides a method for producing carbon paper applied to a fuel cell gas diffusion layer, which is a copolymer binder that forms a copolymer with at least one of them.

한편, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는, 상술한 제조방법을 이용하여 제조된 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공한다.Meanwhile, in another aspect of the present invention for solving the above-described problems, there is provided a carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell manufactured using the above-described manufacturing method.

또한, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에서는, 카본베일 및 카본베일 상에 결착된 탄소 구조체를 포함하고, 카본베일은 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더와 페놀수지가 용해된 페놀 함침액을 이용하여, 표면으로부터 탄소 섬유의 돌출이 억제된 것을 특징으로 하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공한다.In addition, in another aspect of the present invention for solving the problems as described above, it includes a carbon veil and a carbon structure bound on the carbon veil, and the carbon veil is composed of an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid and a phenolic resin. There is provided a carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell, characterized in that the protrusion of carbon fibers from the surface is suppressed by using a dissolved phenol impregnating solution.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, 적정 비율의 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더를 투입하여 제조된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시켜, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 용이하게 억제할 수 있고, 특히 아크릴산계 바인더를 통해 카본베일에 균일한 함침막이 형성될 수 있도록 하여 기체투과도를 향상시킬 수 있다.Carbon paper according to an embodiment of the present invention is made by impregnating a carbon veil in a phenol-impregnated solution prepared by adding an acrylic acid-based binder containing an appropriate ratio of carboxylic acid to easily remove the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil. In particular, it is possible to improve the gas permeability by allowing a uniform impregnated film to be formed on the carbon veil through the acrylic acid-based binder.

또한, 아크릴산계 바인더에 포함되는 카르복실산의 비율과, 페놀 함침액에 혼합되는 아크릴산계 바인더의 함량을 조절하여, 제조되는 탄소종이의 압축률을 박막형 기체확산층에 적합하도록 조절할 수 있으며, 이를 통해 내구성을 확보하고 연료전지의 박막형 기체확산층에 용이하게 적용되어 성능을 증대시킬 수 있다.In addition, by adjusting the ratio of the carboxylic acid contained in the acrylic acid binder and the content of the acrylic acid binder mixed with the phenol-impregnated liquid, the compression ratio of the produced carbon paper can be adjusted to be suitable for the thin film type gas diffusion layer, through which durability and can be easily applied to the thin-film gas diffusion layer of the fuel cell to increase the performance.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 카르복실산 비율이 10%인 아크릴산 바인더 10 중량부가 적용된 탄소종이의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따른 카르복실산 비율이 7%인 아크릴산 바인더 10 중량부가 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 카르복실산 비율이 25%인 아크릴산 바인더 5 중량부가 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 4에 따른 카르복실산 비율이 25%인 아크릴산 바인더 3중량부가 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing carbon paper according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-section of a carbon paper to which 10 parts by weight of an acrylic acid binder having a carboxylic acid ratio of 10% according to Example 1 of the present invention is applied, taken with a scanning electron microscope (SEM).
3 is a cross-section of carbon paper to which 10 parts by weight of an acrylic acid binder having a carboxylic acid ratio of 7% according to Comparative Example 2 of the present invention is applied, taken by SEM.
4 is a cross-section of carbon paper to which 5 parts by weight of an acrylic acid binder having a carboxylic acid ratio of 25% according to Example 4 of the present invention is applied, taken by SEM.
5 is a cross-section of carbon paper to which 3 parts by weight of an acrylic acid binder having a carboxylic acid ratio of 25% according to Comparative Example 4 of the present invention is applied, taken by SEM.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.DETAILED DESCRIPTION The detailed description set forth below in conjunction with the appended drawings is intended to describe exemplary embodiments of the present invention and is not intended to represent the only embodiments in which the present invention may be practiced.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description may be omitted, and the same reference numerals may be used for the same or similar components throughout the specification.

본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다.In an embodiment of the present invention, expressions such as “or” and “at least one” may indicate one of the words listed together, or a combination of two or more.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing carbon paper according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, 아크릴산계 바인더가 혼합된 페놀 함침액을 제조하는 단계(S110), 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계(S120), 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계(S130), 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계(S140) 및 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계(S150)를 포함할 수 있다.1, the carbon paper according to an embodiment of the present invention, the step of preparing a phenol-impregnated liquid mixed with an acrylic acid-based binder (S110), the step of impregnating the carbon veil in the phenol-impregnated liquid (S120), impregnated It may include drying and curing the carbon veil (S130), carbonizing the cured carbon veil (S140) and graphitizing the carbonized carbon veil (S150).

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소종이는, 아크릴산계 바인더가 적정 비율로 포함된 페놀 함침액을 적용하여 제조됨으로써, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 용이하게 제거할 수 있고, 기체투과도를 향상시킬 수 있으며, 연료전지용 박막형 기체확산층에 용이하게 적용되어 성능을 증대시킬 수 있다.The carbon paper produced according to an embodiment of the present invention is manufactured by applying a phenol impregnating solution containing an acrylic acid binder in an appropriate ratio, so that the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil can be easily removed, and the gas It is possible to improve the permeability, and it can be easily applied to a thin-film gas diffusion layer for a fuel cell to increase the performance.

구체적으로, 아크릴산계 바인더가 혼합된 페놀 함침액을 제조하는 단계(S110)에서는, 알코올에 페놀수지 및 아크릴산계 바인더 등을 투입하여 페놀 함침액을 제조할 수 있다.Specifically, in the step of preparing the phenol-impregnated liquid in which the acrylic acid-based binder is mixed (S110), a phenolic resin and an acrylic acid-based binder are added to alcohol to prepare a phenol-impregnated liquid.

이때, 본 실시예에서 제조되는 페놀 함침액은 알코올계 용매인 에탄올에, 페놀수지, 흑연분말 및 아크릴산계 바인더를 혼합하여 제조할 수 있다.In this case, the phenol-impregnated solution prepared in this embodiment can be prepared by mixing ethanol, which is an alcohol-based solvent, a phenol resin, graphite powder, and an acrylic acid-based binder.

일 예로써, 페놀 함침액은, 에탄올 55 내지 90 wt%, 페놀수지 2 내지 10 wt%, 흑연분말 3 내지 15 wt% 및 아크릴산계 바인더 5 내지 20 wt%로 구성될 수 있다.As an example, the phenol impregnating solution may be composed of 55 to 90 wt% of ethanol, 2 to 10 wt% of a phenolic resin, 3 to 15 wt% of graphite powder, and 5 to 20 wt% of an acrylic acid binder.

여기서, 페놀수지는 탄소종이를 제조하는데 사용되는 열경화성 수지로서, 탄화공정 후 탄소 수율이 높은 장점이 있다.Here, the phenol resin is a thermosetting resin used for manufacturing carbon paper, and has an advantage of high carbon yield after carbonization process.

이러한 페놀수지는 알코올에 용해 가능한 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 예로써 노볼락계 또는 레졸계 중 적어도 하나 이상을 선택적으로 사용할 수 있다.These phenolic resins can be used by mixing one or more types that are soluble in alcohol, for example, at least one of a novolak-based or a resol-based resin can be selectively used.

더불어, 아크릴산계 바인더는 페놀 함침액에 함침되는 카본베일의 탄소섬유들을 결착시키는 역할을 하고, 흑연분말은 전기전도도를 향상시키기 위한 탄화물로 이용될 수 있다.In addition, the acrylic acid-based binder serves to bind the carbon fibers of the carbon veil impregnated with the phenol-impregnated liquid, and the graphite powder may be used as a carbide to improve electrical conductivity.

이때, 페놀 함침액에 혼합되는 바인더는 카본베일의 탄소섬유들을 결착시킬 수 있는 다양한 접착성 물질이 적용될 수 있으나, 바인더의 종류에 따라, 제조된 탄소종이의 압축률과 기체투과도가 변화되기 때문에, 본 실시예에서와 같이 적정 비율의 아크릴산계 바인더를 적용하는 경우에만 압축률과 기체투과도가 개선된 탄소종이를 제조할 수 있다.At this time, various adhesive materials capable of binding the carbon fibers of the carbon veil may be applied to the binder mixed with the phenol-impregnated solution. Carbon paper with improved compressibility and gas permeability can be manufactured only when an acrylic acid-based binder of an appropriate ratio is applied as in the embodiment.

또한, 아크릴산계 바인더는 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 결착시킴으로써 카본베일의 표면이 평탄하게 형성될 수 있고, 카본베일의 표면부터 내부까지 균일한 함침막이 형성될 수 있도록 하여 기체투과도를 증대시키는데 기여할 수 있다.In addition, the acrylic acid binder binds the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil so that the surface of the carbon veil can be formed flat, and a uniform impregnation film can be formed from the surface to the inside of the carbon veil to increase gas permeability can contribute to making

이와 같은 아크릴산계 바인더는, 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 또는 스티렌(Styrene), 메틸메타크릴레이트(Methylmethacrylate), 에틸메타크릴레이트(Ethylmethacrylate), n-부틸메타크릴레이트(n-Butylmethacrylate), 이소부틸메타크릴레이트(iso-Butylmethacrylate), t-부틸메타크릴레이트(t-Butylmethacrylate), 비닐크롤라이드(Vinylchloride), 비닐아세테이트(Vinylacetate), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 2-에틸헥실메타크릴레이트(2-Ethylhexylmethacrylate), 라우릴메타크릴레이트(Laurylmethacrylate), 메틸아크릴레이트(Methylacrylate), 에틸아크릴레이트(Ethylacrylate), n-부틸아크릴레이트(n-Butylacrylate), 이소부틸아크릴레이트(iso-Butylacrylate), 2-에틸헥실아크릴레이트(2-Ethylhexylacrylate), 에틸렌(Ethylene), 옥타데실메타크릴레이트(Octadecylmethacrylate), 아크릴아미드(acrylamide) 등의 아크릴산(acrylic acid)과 공중합체를 형성할 수 있는 선택된 1종 이상의 원료를 공중합시킨 공중합체 바인더가 적용될 수 있다.Such an acrylic acid-based binder, polyacrylic acid or styrene (Styrene), methyl methacrylate (Methylmethacrylate), ethyl methacrylate (Ethylmethacrylate), n- butyl methacrylate (n-Butylmethacrylate), isobutyl methacrylate acrylate (iso-Butylmethacrylate), t-butyl methacrylate (t-Butylmethacrylate), vinyl chloride (Vinylchloride), vinyl acetate (Vinylacetate), acrylonitrile (Acrylonitrile), 2-ethylhexyl methacrylate (2- Ethylhexylmethacrylate, Laurylmethacrylate, Methylacrylate, Ethylacrylate, n-Butylacrylate, iso-Butylacrylate, 2-ethyl Copolymerization of at least one selected raw material capable of forming a copolymer with acrylic acid such as 2-Ethylhexylacrylate, ethylene, octadecylmethacrylate, and acrylamide A copolymer binder may be applied.

여기서, 폴리아크릴산 보다는 아크릴산계 공중합체를 적용하는 것이 탄소종이의 압축률 조절과 기체투과도 향상에 바람직하다.Here, it is preferable to apply an acrylic acid-based copolymer rather than polyacrylic acid to control the compression ratio of carbon paper and improve gas permeability.

또한, 아크릴산계 바인더는 목표로 하는 탄소종이의 압축률과 기체투과도에 맞추어 선택할 수 있으며, 1종 또는 2종 이상 혼합 사용이 가능하다.In addition, the acrylic acid-based binder can be selected according to the compression ratio and gas permeability of the target carbon paper, and it is possible to use one type or a mixture of two or more types.

또한, 아크릴산계 바인더에서 카르복실산 비율이 높은 바인더를 적용하여 탄소종이를 제조하는 경우, 탄소종이의 기체투과도(수직 및 수평 기체투과도)가 증가될 수 있고, 동일 바인더 투입량 대비 돌출섬유 제거 효과가 우수하여, 기존에 비해 더 적은 바인더 투입량으로 돌출섬유 제거 효과를 얻을 수 있다.In addition, when carbon paper is manufactured by applying a binder having a high carboxylic acid ratio in the acrylic acid binder, the gas permeability (vertical and horizontal gas permeability) of the carbon paper can be increased, and the effect of removing the protruding fibers compared to the same amount of binder is reduced. Excellent, it is possible to obtain the effect of removing the protruding fibers with a smaller amount of binder input compared to the conventional one.

또한, 탄소종이의 제조 과정에서, 바인더 함량이 적은 경우 탄소종이의 압축률이 증가하고, 바인더 함량이 많은 경우에는 압축률이 감소하게 되는데, 압축률이 높을수록 소재간 계면의 저항이 낮아지는 효과가 있으나, 기공률이 낮아져 기체투과도가 저하되는 단점이 있다.In addition, in the process of manufacturing carbon paper, when the binder content is low, the compression ratio of the carbon paper increases, and when the binder content is high, the compression ratio decreases. There is a disadvantage in that the porosity is lowered and the gas permeability is lowered.

이때, 연료전지의 박막형 기체확산층에 적용되는 탄소종이의 경우 압축률을 적절히 조절함으로써 연료전지의 성능 향상에 기여할 수 있다.In this case, in the case of carbon paper applied to the thin-film gas diffusion layer of the fuel cell, it is possible to contribute to the improvement of the performance of the fuel cell by appropriately adjusting the compression ratio.

이에 따라, 본 실시예에서는 적정 비율의 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더를 적정량 투입하여 페놀 함침액을 제조하고, 이렇게 제조된 페놀 함침액을 이용하여 탄소종이를 제조함으로써, 표면에서 돌출섬유가 억제되면서도 함침균일도를 증대시켜 기체투과도가 우수한 탄소종이를 제조할 수 있으며, 탄소종이의 압축률을 적절히 낮추도록 조절할 수 있어, 내구성을 확보하고 연료전지의 박막형 기체확산층에 용이하게 적용될 수 있다.Accordingly, in this embodiment, a phenol-impregnated solution is prepared by adding an appropriate amount of an acrylic acid-based binder containing an appropriate ratio of carboxylic acid, and carbon paper is manufactured using the phenol-impregnated solution thus prepared, thereby suppressing the protruding fibers from the surface. Carbon paper with excellent gas permeability can be manufactured by increasing the impregnation uniformity while still being, and the compression rate of carbon paper can be adjusted to appropriately lower, ensuring durability and can be easily applied to a thin-film gas diffusion layer of a fuel cell.

바람직한 예로써, 본 실시예에서는 카르복실산이 10 내지 50%의 비율로 포함된 아크릴산계 바인더를 페놀 함침액 100 중량부 대비 5 내지 20 중량부로 투입하여 페놀 함침액을 제조하고, 이러한 페놀 함침액을 이용하여 기체투과도가 우수하고 박막형 기체확산층에 적합한 탄소종이를 제조할 수 있다.As a preferred example, in this embodiment, 5 to 20 parts by weight of an acrylic acid binder containing carboxylic acid in a ratio of 10 to 50% is added to 100 parts by weight of a phenol-impregnated solution to prepare a phenol-impregnated solution, and the phenol-impregnated solution is Carbon paper having excellent gas permeability and suitable for a thin-film gas diffusion layer can be manufactured by using it.

다음으로, 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계(S120)에서는, 제조된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시킬 수 있다.Next, in the step (S120) of impregnating the carbon veil in the phenol impregnating liquid, the carbon veil may be impregnated in the prepared phenol impregnating liquid.

카본베일은 탄소섬유를 수분산하여 습식(Wet-laid) 제조공정을 통해 제조될 수 있으며, 탄소섬유가 이차원적으로 잘 배양되어야 전기적 특성이 향상될 수 있다.Carbon veil can be manufactured through a wet-laid manufacturing process by dispersing carbon fibers in water, and electrical properties can be improved only when carbon fibers are well cultured in two dimensions.

최근 연료전지의 기체확산층이 박막화되면서 카본베일을 구성하는 탄소섬유의 길이 대비 카본베일의 두께가 얇아져 탄소종이 제조 후 표면에서 돌출되는 탄소섬유의 빈도가 높게 나타나고 있는데, 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하지 않은 채로 미세 다공성층을 코팅한 후 기체확산층을 제조하고, 이를 연료전지에 적용하는 경우, 돌출된 탄소섬유에 의하여 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)가 관통되는 등의 물리적 손상을 발생시켜 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 원인으로 작용될 수 있다.Recently, as the gas diffusion layer of the fuel cell is thinned, the thickness of the carbon veil becomes thinner compared to the length of the carbon fibers constituting the carbon veil. When the gas diffusion layer is prepared after coating the microporous layer without it, and this is applied to a fuel cell, the membrane electrode assembly (at least one of the catalyst layer, the electrolyte layer, and the gas diffusion layer) is penetrated by the protruding carbon fiber. It may cause physical damage and act as a cause to deteriorate the durability and performance of the fuel cell.

이에 따라, 본 실시예에서는 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 과정에서, 페놀 함침액에 포함된 아크릴산계 바인더가 카본베일에 같이 함침됨으로써 카본베일의 표면을 코팅할 수 있고, 이에 의해 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유들이 수평방향으로 정돈되어 표면이 평탄하게 형성될 수 있으며, 상술한 바와 같은 표면에서 돌출된 탄소섬유로 인해 발생하는 문제를 해결하여 연료전지의 내구성과 성능을 개선할 수 있다.Accordingly, in the present embodiment, in the process of impregnating the carbon veil in the phenol impregnating liquid, the acrylic acid-based binder contained in the phenol impregnating liquid is impregnated with the carbon veil to coat the surface of the carbon veil, and thereby The carbon fibers protruding from the surface can be arranged in a horizontal direction to form a flat surface, and the durability and performance of the fuel cell can be improved by solving the problems caused by the carbon fibers protruding from the surface as described above. .

다음, 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계(S130)에서는, 먼저 함침된 카본베일에서 잔여 용매를 건조시킬 수 있고, 건조된 카본베일을 경화시킬 수 있다.Next, in the step of drying and curing the impregnated carbon veil (S130), the remaining solvent may be dried in the first impregnated carbon veil, and the dried carbon veil may be cured.

이때, 바람직하게는 함침된 카본베일을 70 내지 100℃에서 수 분간 건조시키고, 이후 150 내지 200℃에서 수 분간 경화시킬 수 있다.In this case, preferably, the impregnated carbon bale may be dried at 70 to 100° C. for several minutes, and then cured at 150 to 200° C. for several minutes.

다음으로, 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계(S140)에서는, 경화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 탄화시킬 수 있다.Next, in the step of carbonizing the cured carbon veil (S140), the cured carbon veil may be carbonized in an inert gas atmosphere.

구체적으로, 페놀수지의 연소를 차단하기 위해 불활성 가스인 질소 또는 아르곤 가스를 이용한 탄화를 수행할 수 있으며, 바람직하게는 700 내지 900℃에서 수십 분간 탄화를 수행할 수 있다. Specifically, in order to block the combustion of the phenol resin, carbonization may be performed using nitrogen or argon gas, which is an inert gas, and preferably, carbonization may be performed at 700 to 900° C. for several tens of minutes.

이어서, 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계(S150)에서는, 탄화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 흑연화시킬 수 있다.Subsequently, in the step of graphitizing the carbonized carbon veil (S150), the carbonized carbon veil may be graphitized in an inert gas atmosphere.

이때, 질소 가스 또는 아르곤 가스를 이용하여 흑연화 공정을 수행할 수 있고, 흑연화 공정의 온도는 2000℃ 이상으로 형성될 수 있다.In this case, the graphitization process may be performed using nitrogen gas or argon gas, and the temperature of the graphitization process may be formed at 2000° C. or higher.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄소종이는, 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더를 투입하여 제조된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시켜, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 용이하게 제거할 수 있고, 압축률을 저감시킬 수 있으며, 특히 아크릴산계 바인더를 통해 카본베일에 균일한 함침막이 형성될 수 있도록 하여 기체투과도를 증대시키는데 기여할 수 있다.As described above, in the carbon paper according to the present embodiment, the carbon veil is impregnated with a phenol-impregnated solution prepared by adding an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid to easily remove the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil. This can be done, and the compression rate can be reduced, and in particular, it can contribute to increasing the gas permeability by forming a uniform impregnated film on the carbon veil through the acrylic acid-based binder.

더욱이, 아크릴산계 바인더에 포함되는 카르복실산의 비율과, 페놀 함침액에 혼합되는 아크릴산계 바인더의 함량을 조절하여, 내구성을 확보하고 제조되는 탄소종이의 압축률을 박막형 기체확산층에 적합하도록 조절할 수 있다.Furthermore, by controlling the ratio of carboxylic acid contained in the acrylic acid binder and the content of the acrylic acid binder mixed in the phenol impregnating solution, durability can be secured and the compressibility of the produced carbon paper can be adjusted to be suitable for the thin film type gas diffusion layer. .

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예에 따라 제조된 탄소종이에 대해 설명한다. Hereinafter, carbon paper prepared according to a preferred embodiment and a comparative example of the present invention will be described.

다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.

[실시예 1][Example 1]

페놀수지 5g, 흑연분말 8g, 카르복실산 비율이 10%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더 10g 및 에탄올 77g을 페이스트 믹서 용기에 계량하여 공전 1000RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반하여 페놀 함침액을 제조하였다.Weigh 5 g of phenol resin, 8 g of graphite powder, 10 g of butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 10%, and 77 g of ethanol in a paste mixer container, and stir for 10 minutes under the conditions of revolution of 1000 RPM and rotation of 1000 RPM to obtain a phenol-impregnated solution. prepared.

이어서, 평균길이가 9㎜이고 폴리비닐알코올(PVA) 바인더가 탄소섬유의 10 wt% 포함된 카본베일을 상기 페놀 함침액에 함침시킨 다음, 함침된 카본베일을 80℃에서 5분간 건조시키고, 180℃에서 5분간 경화시켰으며, 질소 분위기에서 900℃로 1시간 탄화시키고, 2000℃에서 1시간 흑연화시켜 탄소종이를 제조하였다.Next, a carbon veil having an average length of 9 mm and a polyvinyl alcohol (PVA) binder containing 10 wt% of carbon fibers was impregnated in the phenol impregnating solution, and then the impregnated carbon bale was dried at 80° C. for 5 minutes, 180 It was cured at ℃ for 5 minutes, carbonized at 900℃ in nitrogen atmosphere for 1 hour, and graphitized at 2000℃ for 1 hour to prepare carbon paper.

[실시예 2][Example 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카르복실산 비율이 25%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 10g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 25% was added.

[실시예 3][Example 3]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카르복실산 비율이 50%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 10g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 50% was added.

[실시예 4][Example 4]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 에탄올 82g과 카르복실산 비율이 25%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 5g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 82 g of ethanol and 5 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 25% were added.

[실시예 5][Example 5]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 에탄올 67g과 카르복실산 비율이 25%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 20g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 67 g of ethanol and 20 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 25% were added.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 에탄올 87g을 투입하고, 별도의 바인더는 투입하지 않은 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 87 g of ethanol was added and a separate binder was not added.

[비교예 2][Comparative Example 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카르복실산 비율이 7%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 10g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 7% was added.

[비교예 3][Comparative Example 3]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카르복실산 비율이 60%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 10g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 60% was added.

[비교예 4][Comparative Example 4]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 에탄올 84g과 카르복실산 비율이 25%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 84 g of ethanol and 3 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 25% were added.

[비교예 5][Comparative Example 5]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 에탄올 57g과 카르복실산 비율이 25%인 부틸메타크릴레이트 아크릴산 공중합체 바인더를 30g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 57 g of ethanol and 30 g of a butyl methacrylate acrylic acid copolymer binder having a carboxylic acid ratio of 25% were added.

실시예 1 내지 5와, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 탄소종이의 기체투과도 및 압축률을 아래와 같은 방법으로 측정하였다.The gas permeability and compressibility of the carbon paper prepared according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 were measured in the following manner.

1) 기체투과도1) Gas permeability

1-1) 수평 기체투과도1-1) Horizontal gas permeability

수평 기체투과도 측정은 CPRT-10을 이용하여, 시험기의 상판은 막혀있고 하판 중앙에 기체가 공급되는 홀이 있어, 시편의 중앙에서 측면으로 가스가 투과되는 정도를 비교하였으며, 1㎫ 압력에서 측정하였다.The horizontal gas permeability was measured using CPRT-10, and the upper plate of the tester was blocked and there was a hole through which the gas was supplied in the center of the lower plate. .

1-2) 수직 기체투과도1-2) Vertical gas permeability

수직 기체투과도 측정은 CPRT-10을 이용하여, 비압축된 시편에 대하여 하부에서 상부로 기체가 투과되는 정도를 측정하였으며, 수평으로 가스가 투과되는 것을 방지하기 위하여 실링 후 측정하였다.The vertical gas permeability was measured using CPRT-10 to measure the degree of gas permeation from the bottom to the top of the uncompressed specimen, and was measured after sealing to prevent horizontal gas permeation.

2) 압축률2) Compression rate

탄소종이를 1㎫ 하중으로 압축하여 감소한 두께변화 비율을 측정하였다.Carbon paper was compressed with a load of 1 MPa to measure the rate of decrease in thickness change.

한편, 실시예 1 내지 5와, 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 탄소종이의 돌출섬유 유무, 기체투과도 및 압축률을 측정한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.Meanwhile, the results of measuring the presence or absence of protruding fibers, gas permeability, and compressibility of the carbon paper prepared according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.

또한, 도 2 내지 도 5는 각각 본 발명의 실시예 1과 비교예 2 및 실시예 4와 비교예 4에 따른 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.In addition, FIGS. 2 to 5 are SEM cross-sections of carbon papers according to Example 1 and Comparative Example 2 and Example 4 and Comparative Example 4 of the present invention, respectively.

구분division 카르복실산carboxylic acid
비율ratio
바인더 bookbinder
투입비율input ratio
돌출섬유protruding fibers
(유/무)(The presence or absence)
기체투과도(㎡)Gas permeability (㎡) 압축률compressibility
(%)(%)
수평horizontality 수직Perpendicular 실시예1Example 1 10%10% 10g10g radish

Figure 112020112123107-pat00001
Figure 112020112123107-pat00001
Figure 112020112123107-pat00002
Figure 112020112123107-pat00002
34.134.1 실시예2Example 2 25%25% 10g10g radish
Figure 112020112123107-pat00003
Figure 112020112123107-pat00003
Figure 112020112123107-pat00004
Figure 112020112123107-pat00004
32.132.1
실시예3Example 3 50%50% 10g10g radish
Figure 112020112123107-pat00005
Figure 112020112123107-pat00005
Figure 112020112123107-pat00006
Figure 112020112123107-pat00006
31.131.1
실시예4Example 4 25%25% 5g5g radish
Figure 112020112123107-pat00007
Figure 112020112123107-pat00007
Figure 112020112123107-pat00008
Figure 112020112123107-pat00008
39.639.6
실시예5Example 5 25%25% 20g20g radish
Figure 112020112123107-pat00009
Figure 112020112123107-pat00009
Figure 112020112123107-pat00010
Figure 112020112123107-pat00010
27.527.5
비교예1Comparative Example 1 -- -- you
Figure 112020112123107-pat00011
Figure 112020112123107-pat00011
Figure 112020112123107-pat00012
Figure 112020112123107-pat00012
44.844.8
비교예2Comparative Example 2 7%7% 10g10g you
Figure 112020112123107-pat00013
Figure 112020112123107-pat00013
Figure 112020112123107-pat00014
Figure 112020112123107-pat00014
35.335.3
비교예3Comparative Example 3 60%60% 10g10g radish
Figure 112020112123107-pat00015
Figure 112020112123107-pat00015
Figure 112020112123107-pat00016
Figure 112020112123107-pat00016
30.530.5
비교예4Comparative Example 4 25%25% 3g3g you
Figure 112020112123107-pat00017
Figure 112020112123107-pat00017
Figure 112020112123107-pat00018
Figure 112020112123107-pat00018
40.240.2
비교예5Comparative Example 5 25%25% 30g30g radish
Figure 112020112123107-pat00019
Figure 112020112123107-pat00019
Figure 112020112123107-pat00020
Figure 112020112123107-pat00020
22.622.6

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소종이의 경우, 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더를 적용하지 않은 비교예 1과 비교하여, 탄소섬유가 돌출되지 않았고, 압축률 및 기체투과도가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, in the case of the carbon paper according to the embodiment of the present invention, compared to Comparative Example 1 in which the acrylic acid-based binder containing carboxylic acid was not applied, the carbon fiber did not protrude, and the compressibility and gas permeability were A significant improvement can be seen.

한편, 본 발명의 아크릴산계 바인더는 바람직하게는 아크릴산계 바인더 내에 카르복실산이 10 내지 50%가 포함될 수 있다.On the other hand, the acrylic acid binder of the present invention may preferably contain 10 to 50% of carboxylic acid in the acrylic acid binder.

카르복실산의 비율이 10% 미만인 경우, 탄소섬유의 돌출을 억제시키는 바인딩 효과가 부족하고, 카르복실산의 비율이 50%를 초과하는 경우, 바인더의 점성에 의해 압축률 개선은 제한적인 반면, 기체투과도가 크게 감소할 수 있다.When the proportion of carboxylic acid is less than 10%, the binding effect for suppressing the protrusion of carbon fibers is insufficient, and when the proportion of carboxylic acid exceeds 50%, improvement in compressibility is limited due to the viscosity of the binder, whereas gas Transmittance can be greatly reduced.

표 1을 참조하면, 카르복실산의 비율이 10%인 아크릴산계 바인더가 적용된 실시예 1의 경우, 카르복실산의 비율이 7%인 아크릴산계 바인더가 적용된 비교예 2와 대비하여, 탄소섬유의 돌출이 억제되었으며, 압축률이 저감되고 기체투과도가 증가하였음을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, in the case of Example 1 to which the acrylic acid-based binder having a carboxylic acid ratio of 10% was applied, compared to Comparative Example 2 to which the acrylic acid-based binder having a carboxylic acid ratio of 7% was applied, the carbon fiber It can be seen that the protrusion was suppressed, the compression ratio was reduced and the gas permeability was increased.

또한, 카르복실산의 비율이 60%인 아크릴산계 바인더가 적용된 비교예 3의 경우, 카르복실산의 비율이 50%인 아크릴산계 바인더가 적용된 실시예 3과 대비할 때, 압축률의 소폭 개선은 확인되나 기체투과도가 크게 감소함을 확인할 수 있다.In addition, in the case of Comparative Example 3 to which the acrylic acid-based binder having a carboxylic acid ratio of 60% is applied, when compared with Example 3 to which the acrylic acid-based binder having a carboxylic acid ratio of 50% is applied, a slight improvement in the compressibility is confirmed. It can be seen that the gas permeability is greatly reduced.

또한, 본 발명의 페놀 함침액은 카르복실산을 포함하는 아크릴산계 바인더가 페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 혼합될 수 있다.In addition, in the phenol-impregnated liquid of the present invention, the acrylic acid-based binder including carboxylic acid may be mixed in an amount of 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the phenol-impregnated liquid.

아크릴산계 바인더가 5 중량부 미만으로 혼합된 경우, 탄소섬유의 돌출을 억제시키는 바인딩 효과가 부족하고, 아크릴산계 바인더가 20 중량부를 초과하는 경우, 페놀 함침액이 카본베일에 과다하게 함침되어 기체투과도가 크게 감소할 수 있다.When the acrylic acid-based binder is mixed in less than 5 parts by weight, the binding effect of suppressing the protrusion of carbon fibers is insufficient, and when the acrylic acid-based binder exceeds 20 parts by weight, the phenol-impregnated liquid is excessively impregnated into the carbon veil and the gas permeability can be significantly reduced.

표 1을 참조하면, 아크릴산계 바인더가 5 중량부로 혼합된 실시예 4의 경우, 아크릴산계 바인더가 3 중량부로 혼합된 비교예 4와 대비하여, 탄소섬유의 돌출이 억제되었으며, 압축률이 저감되고 기체투과도가 증가하였음을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, in the case of Example 4 in which the acrylic acid-based binder was mixed in 5 parts by weight, compared to Comparative Example 4 in which the acrylic acid-based binder was mixed in 3 parts by weight, the protrusion of the carbon fibers was suppressed, the compressibility was reduced, and the gas It can be seen that the transmittance is increased.

또한, 아크릴산계 바인더가 30 중량부로 혼합된 비교예 5의 경우, 아크릴산계 바인더가 20 중량부로 혼합된 실시예 5와 대비할 때, 압축률의 소폭 개선은 확인되나 기체투과도가 크게 감소함을 확인할 수 있다.In addition, in the case of Comparative Example 5 in which the acrylic acid-based binder was mixed in 30 parts by weight, when compared with Example 5 in which the acrylic acid-based binder was mixed in 20 parts by weight, a slight improvement in the compressibility was confirmed, but it was confirmed that the gas permeability was greatly reduced. .

또한, 도 2 및 도 4를 참조하면, 각각 카르복실산 비율이 10%인 아크릴산 바인더를 적용한 실시예 1과 아크릴산 바인더가 5 중량부 적용된 실시예 4의 경우, 돌출된 탄소섬유가 확인되지 않으며, 탄소종이의 표면이 평탄하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIGS. 2 and 4, in the case of Example 1 to which an acrylic acid binder having a carboxylic acid ratio of 10% is applied and Example 4 to which 5 parts by weight of an acrylic acid binder is applied, no protruding carbon fibers are identified, It can be seen that the surface of the carbon paper is formed flat.

반면, 도 3 및 도 5를 참조하면, 각각 카르복실산 비율이 7%인 아크릴산 바인더를 적용한 비교예 2와 아크릴산 바인더가 3 중량부 적용된 비교예 4의 경우, 다수의 돌출된 탄소섬유가 확인되고 있으며, 탄소종이의 표면이 평탄하게 형성되지 않음을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to FIGS. 3 and 5 , in Comparative Example 2 to which an acrylic acid binder having a carboxylic acid ratio of 7% is applied and Comparative Example 4 to which 3 parts by weight of an acrylic acid binder is applied, a number of protruding carbon fibers are identified and And it can be confirmed that the surface of the carbon paper is not formed flat.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, 적정 비율의 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더를 투입하여 제조된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시켜, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 용이하게 제거할 수 있고, 특히 아크릴산계 바인더를 통해 카본베일에 균일한 함침막이 형성될 수 있도록 하여 기체투과도를 향상시킬 수 있다.As described above, in the carbon paper according to an embodiment of the present invention, the carbon veil is impregnated with a phenol-impregnated solution prepared by adding an acrylic acid-based binder containing an appropriate ratio of carboxylic acid, and protrudes from the surface of the carbon veil. It is possible to easily remove the carbon fiber, and in particular, it is possible to form a uniform impregnated film on the carbon veil through the acrylic acid binder, thereby improving the gas permeability.

또한, 아크릴산계 바인더에 포함되는 카르복실산의 비율과, 페놀 함침액에 혼합되는 아크릴산계 바인더의 함량을 조절하여, 제조되는 탄소종이의 압축률을 박막형 기체확산층에 적합하도록 조절할 수 있으며, 이를 통해 내구성을 확보하고, 연료전지의 박막형 기체확산층에 용이하게 적용되어 성능을 증대시킬 수 있다.In addition, by adjusting the ratio of the carboxylic acid contained in the acrylic acid binder and the content of the acrylic acid binder mixed with the phenol impregnating solution, the compression ratio of the produced carbon paper can be adjusted to be suitable for the thin film type gas diffusion layer, through which durability and can be easily applied to the thin-film gas diffusion layer of the fuel cell to increase the performance.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely provided for specific examples to easily explain the technical content of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.

따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the scope of the present invention should be construed as including all changes or modifications derived based on the technical idea of the present invention in addition to the embodiments disclosed herein are included in the scope of the present invention.

Claims (9)

카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더와 페놀수지가 용해된 페놀 함침액을 제조하는 단계;
상기 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키고 건조하여, 상기 카본베일의 표면에서 돌출된 탄소섬유를 결착시킴으로써 표면으로부터의 돌출을 억제시키는 단계; 및
상기 건조된 카본베일을 경화, 탄화 및 흑연화시키는 단계를 포함하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
preparing a phenol-impregnated solution in which an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid and a phenol resin are dissolved;
impregnating the carbon veil in the phenol-impregnated liquid and drying it to bind the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil to suppress protrusion from the surface; and
A method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell, comprising the steps of curing, carbonizing and graphitizing the dried carbon veil.
제 1항에 있어서,
상기 아크릴산계 바인더는,
상기 카르복실산이 10 내지 50%가 포함된, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
The method of claim 1,
The acrylic acid-based binder,
A method for producing carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell, wherein 10 to 50% of the carboxylic acid is included.
제 1항에 있어서,
상기 아크릴산계 바인더는,
상기 페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 혼합되는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
The method of claim 1,
The acrylic acid-based binder,
5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the phenol-impregnated solution, a method for producing carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell.
제 1항에 있어서,
상기 아크릴산계 바인더는,
스티렌, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, n-부틸메타크릴레이트, 이소부틸메타크릴레이트, t-부틸메타크릴레이트, 비닐크롤라이드, 비닐아세테이트, 아크릴로니트릴, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 에틸렌, 옥타데실메타크릴레이트, 아크릴아미드 중 적어도 하나와 공중합체를 형성하는 공중합체 바인더인, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
The method of claim 1,
The acrylic acid-based binder,
Styrene, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, t-butyl methacrylate, vinyl chloride, vinyl acetate, acrylonitrile, 2-ethylhexyl methacrylate , lauryl methacrylate, methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, ethylene, octadecyl methacrylate, a copolymer with at least one of acrylamide A method for producing carbon paper applied to a fuel cell gas diffusion layer, which is a copolymer binder to be formed.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 제조방법을 이용하여 제조된 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
[Claim 5] Carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell manufactured by using any one of the manufacturing methods of any one of claims 1 to 4.
카본베일; 및
상기 카본베일 상에 결착된 탄소 구조체를 포함하고,
상기 카본베일은, 카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더와 페놀수지가 용해된 페놀 함침액을 이용하여, 표면으로부터 탄소 섬유의 돌출이 억제된 것을 특징으로 하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
carbon veil; and
It includes a carbon structure bound on the carbon veil,
The carbon veil is carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer, characterized in that the protrusion of carbon fibers from the surface is suppressed by using an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid and a phenol impregnating solution in which the phenol resin is dissolved.
제 6항에 있어서,
상기 아크릴산계 바인더는,
상기 카르복실산이 10 내지 50%가 포함된, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
7. The method of claim 6,
The acrylic acid-based binder,
A carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell, wherein the carboxylic acid is contained in an amount of 10 to 50%.
제 6항에 있어서,
상기 아크릴산계 바인더는,
상기 페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 혼합되는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
7. The method of claim 6,
The acrylic acid-based binder,
Carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer, which is mixed in an amount of 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the phenol-impregnated solution.
기체확산층에 적용되고, 카본베일 및 상기 카본베일에 결착된 탄소 구조체를 포함하는 탄소종이용 페놀 함침액에 있어서,
카르복실산이 포함된 아크릴산계 바인더; 및
페놀수지를 포함하고,
상기 아크릴산계 바인더는 상기 카본베일의 표면으로부터 탄소섬유의 돌출을 억제시키고, 균일한 함침을 통해 기체투과도를 증대시키는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이용 페놀 함침액.
In the phenol impregnation solution for carbon paper applied to the gas diffusion layer and comprising a carbon veil and a carbon structure bound to the carbon veil,
an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid; and
containing phenolic resin,
The acrylic acid-based binder suppresses the protrusion of carbon fibers from the surface of the carbon veil and increases gas permeability through uniform impregnation, a phenol impregnation solution for carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell.
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