KR102468001B1 - 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법 - Google Patents

연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102468001B1
KR102468001B1 KR1020200137531A KR20200137531A KR102468001B1 KR 102468001 B1 KR102468001 B1 KR 102468001B1 KR 1020200137531 A KR1020200137531 A KR 1020200137531A KR 20200137531 A KR20200137531 A KR 20200137531A KR 102468001 B1 KR102468001 B1 KR 102468001B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
phenol
polymer powder
diffusion layer
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020200137531A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220053276A (ko
Inventor
임태길
안다미로
이길목
박유식
남기평
Original Assignee
엘티소재주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘티소재주식회사 filed Critical 엘티소재주식회사
Priority to KR1020200137531A priority Critical patent/KR102468001B1/ko
Publication of KR20220053276A publication Critical patent/KR20220053276A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102468001B1 publication Critical patent/KR102468001B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
    • D21H13/36—Inorganic fibres or flakes
    • D21H13/46—Non-siliceous fibres, e.g. from metal oxides
    • D21H13/50—Carbon fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/20—Macromolecular organic compounds
    • D21H17/33—Synthetic macromolecular compounds
    • D21H17/46—Synthetic macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H25/00—After-treatment of paper not provided for in groups D21H17/00 - D21H23/00
    • D21H25/04—Physical treatment, e.g. heating, irradiating
    • D21H25/06—Physical treatment, e.g. heating, irradiating of impregnated or coated paper
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 알코올계 용매에 페놀수지를 녹여 페놀 함침액을 제조하는 단계, 페놀 함침액에 고분자분말을 혼합하여 분산시키는 단계, 고분자분말이 분산된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계, 함침된 카본베일을 건조하고 경화시키는 단계 및 경화된 카본베일을 탄화 및 흑연화시켜, 카본베일의 함침막에 포함된 고분자분말을 연소시킴으로써 기공을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.

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}
본 발명은 탄소종이 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연료전지의 기체확산층에 적용되며, 기체 투과도가 개선된 탄소종이 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로, 연료를 태우지 않고 전기를 바로 생산하기 때문에 환경 친화적이며 발전효율이 매우 높은 장점이 있다.
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.
이와 같은 연료전지의 발전원리는, 애노드에 공급된 수소가 기체확산층을 통과하여 촉매층에서 촉매작용에 의해 수소이온(양이온)과 전자로 분리되고, 수소이온(양이온)은 전해질층을 통과하여 캐소드로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해서 캐소드로 이동하면서 전류가 발생된다.
또한, 캐소드측에서는 전해질층을 통과하여 이동해온 수소이온(양이온), 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 공급된 산소가 만나서 물이 생성되는 원리로 연료전지가 작동된다.
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.
한편, 연료전지의 효율을 높이기 위해서는, 기체확산층에 공급되는 기체를 빠르고 균일하게 촉매층으로 확산시킬 필요성이 있으며 이를 위해 기체확산층의 탄소종이에 높은 기체 투과도가 요구되고 있다.
하지만, 종래 탄소종이의 경우 페놀수지를 함침시켜 제조하고 있는데, 통상의 페놀수지에 함침하여 형성된 탄소 구조체에는 기공 형성이 쉽지 않아, 기체 투과도를 증대시키는데 한계가 있었다.
공개특허 제2020-0076395호(공개일: 2020.6.29) "흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층"
본 발명에서는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법, 구체적으로는 고분자분말이 분산된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시켜, 탄화 및 흑연화 과정에서 카본베일의 함침막(탄소 구조체)에 기공을 형성함으로써 기공률을 증대시키고 이에 따른 기체투과도를 향상시킬 수 있는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공하고자 한다.
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.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 알코올계 용매에 페놀수지를 녹여 페놀 함침액을 제조하는 단계, 페놀 함침액에 고분자분말을 혼합하여 분산시키는 단계, 고분자분말이 분산된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계, 함침된 카본베일을 건조하고 경화시키는 단계 및 경화된 카본베일을 탄화 및 흑연화시켜, 카본베일의 함침막에 포함된 고분자분말을 연소시킴으로써 기공을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.
또한, 고분자분말은, 페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 혼합되는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.
또한, 고분자분말은, 평균입도(D50)가 1 내지 40㎛인 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.
또한, 고분자분말은, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 적어도 하나를 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는, 상술한 제조방법을 이용하여 제조된 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공한다.
또한, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에서는, 카본베일 및 카본베일 상에 결착된 탄소 구조체를 포함하고, 탄소 구조체는 고분자분말이 분산된 페놀 함침액을 이용하되, 고분자분말의 연소에 의해 형성되는 기공을 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, 입도 및 함량이 적절하게 조절된 고분자분말이 분산된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시킨 후, 탄화 및 흑연화 과정을 거쳐 제조함으로써, 탄소종이에 기공 형성 및 기공률을 증대시켜 기체투과도를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 연료전지용 기체확산층의 성능을 증대시킬 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3에 따른 고분자분말이 적용된 탄소종이를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1에 따른 고분자분말이 미적용된 탄소종이를 SEM으로 촬영한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
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.
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.
본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, 페놀 함침액을 제조하는 단계(S110), 페놀 함침액에 고분자분말을 혼합 및 분산시키는 단계(S120), 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계(S130), 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계(S140), 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계(S150) 및 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소종이는 기존에 비해 기공률이 증가하고, 이에 따른 기체 투과도가 높게 형성되어, 연료전지용 기체확산층의 성능을 증대시키는데 용이하게 적용될 수 있다.
구체적으로, 페놀 함침액을 제조하는 단계(S110)에서는, 알코올에 페놀수지 및 증점제 등을 투입하여 페놀 함침액을 제조할 수 있다.
이때, 본 실시예에서 제조되는 페놀 함침액은 알코올계 용매인 에탄올에, 페놀수지, 흑연분말 및 수성폴리우레탄을 혼합하여 제조할 수 있다.
일 예로써, 페놀 함침액은, 에탄올 65 내지 90 wt%, 페놀수지 2 내지 10 wt%, 흑연분말 3 내지 15 wt% 및 수성폴리우레탄 5 내지 10 wt%로 구성될 수 있다.
여기서, 페놀수지는 탄소종이를 제조하는데 사용되는 열경화성 수지로서, 탄화공정 후 탄소 수율이 높은 장점이 있다.
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.
더불어, 수성폴리우레탄은 증점제로 사용될 수 있고, 흑연분말은 전기전도도를 향상시키기 위한 탄화물로 이용될 수 있다.
본 실시예에서는 에탄올에 페놀수지, 흑연분말 및 수성폴리우레탄을 첨가하고 교반기를 통해 교반하여 페놀 함침액을 제조하는데, 에탄올에 첨가된 수성폴리우레탄 등의 증점제를 통해 흑연분말의 분산 안정성을 확보할 수 있다.
다음, 페놀 함침액에 고분자분말을 혼합 및 분산시키는 단계(S120)에서는, 제조된 페놀 함침액에 고분자분말을 투입하고 교반하여 고분자분말이 분산된 페놀 함침액을 제조할 수 있다.
여기서, 고분자분말은 종류에 관계없이 평균입도(D50) 1 내지 50㎛의 분말로 제조 가능한 고분자수지의 분말이 사용될 수 있다.
바람직하게는 평균입도(D50) 1 내지 40㎛의 고분자분말을 적용하는 것이 페놀 함침액 내 분산성이 우수하고, 함침막(탄소 구조체)에 기공을 형성함에 있어 유리하며, 1㎛ 미만의 고분자분말을 적용하는 경우, 과소한 기공 형성으로 인하여 기체투과도 증가의 효과를 기대하기 어려우며 고분자분말이 불순물로 잔존하여 기체투과도를 오히려 저감시킬 수 있고, 40㎛를 초과하는 고분자분말을 적용하는 경우, 과대한 기공 형성으로 인한 전기 저항(관통 저항)이 크게 증가할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 고분자분말로 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 적어도 하나가 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 고분자분말은 페놀 함침액 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부로 투입될 수 있다.
고분자분말이 페놀 함침액 100 중량부 대비 0.1 중량부 미만으로 투입되면, 고분자분말에 의한 기공형성 효과가 미비하여 기체 투과도 증가의 효과를 기대하기 어려우며, 페놀 함침액 100 중량부 대비 10 중량부를 초과하여 투입되면, 탄소 구조물 내 과도한 기공 형성으로 인한 전기 저항(관통 저항)이 크게 증가할 수 있다.
이와 같은 고분자분말은 후술되는 탄화 및 흑연화 과정에서 극히 일부를 제외하고는 연소되어 카본베일의 함침막(탄소 구조체)에 기공을 형성할 수 있다.
즉, 후술되는 공정에서는 카본베일을 페놀 함침액에 함침시켜 카본베일의 표면에 함침막을 형성할 수 있는데, 특히 본 실시예에서는 고분자분말이 혼합되어 분산된 페놀 함침액을 사용함으로써, 제조되는 카본베일의 함침막(탄소 구조체)에 다수의 기공들을 형성할 수 있다.
여기서, 페놀 함침액에 혼합되는 고분자분말의 입도와 투입량에 따라 탄소종이의 기체투과도와 기공률을 조절할 수 있으며, 일 예로써 상술한 바와 같이, 평균입도(D50) 1 내지 40㎛의 고분자분말이 페놀 함침액 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부로 투입되는 경우, 탄소종이의 전기 저항(관통 저항)의 증가를 억제하면서 기체투과도를 증가시킬 수 있다.
다음으로, 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계(S130)에서는, 카본베일을 고분자분말이 혼합되어 분산된 페놀 함침액에 함침시킬 수 있다.
카본베일은 탄소섬유를 수분산하여 습식(Wet-laid) 제조공정을 통해 제조될 수 있다.
이때, 탄소섬유 간의 결속력을 보완하기 위하여 바인더가 포함될 수 있는데, 일 예로 폴리비닐알코올(PVA) 바인더 등이 이용될 수 있다.
또한, 바람직한 예로 바인더의 양은 카본베일을 구성하는 탄소섬유의 5 내지 20 wt%로 구비될 수 있다.
이후, 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계(S140)에서는, 먼저 함침된 카본베일에서 잔여 용매를 건조시킬 수 있고, 건조된 카본베일을 경화시킬 수 있다.
이때, 바람직하게는 함침된 카본베일을 70 내지 100℃에서 수 분간 건조시키고, 이후 150 내지 200℃에서 수 분간 경화시킬 수 있다.
다음으로, 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계(S150)에서는, 경화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 탄화시킬 수 있다.
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.
이어서, 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계(S160)에서는, 탄화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 흑연화시킬 수 있다.
이때, 질소 가스 또는 아르곤 가스를 이용하여 흑연화 공정을 수행할 수 있고, 흑연화 공정의 온도는 2000℃ 이상으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 단계를 거쳐 제작된 탄소종이는, 탄화 및 흑연화 과정에서 카본베일에 포함된 탄소섬유 외의 탄화물(탄소 구조체)에 기공이 형성될 수 있는데, 특히 카본베일의 함침막에 포함된 고분자분말이 연소되어 제거되고, 해당 연소된 영역에 공간이 형성됨으로써 탄화물(탄소 구조체) 내에도 기공이 형성될 수 있다.
또한, 고분자분말의 입도와 투입량에 따라, 탄소종이의 기공률을 증대시킬 수 있고 이에 따라 기체투과도를 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예에 따라 제조된 탄소종이에 대해 설명한다.
다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
[실시예 1]
페놀수지 5g, 흑연분말 8g, 수성폴리우레탄 10g 및 에탄올 77g을 페이스트 믹서 용기에 계량하여 공전 1000RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반하여 페놀 함침액을 제조하였다.
제조된 페놀 함침액에 평균입도(D50) 8㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 분말을 0.1g 투입하고, 공전 1000RPM, 자전 1000RPM 조건으로 5분간 교반하여, PET 분말이 혼합되어 분산된 페놀 함침액을 제조하였다.
이어서, 평균길이가 9㎜이고 폴리비닐알코올(PVA) 바인더가 탄소 섬유의 10 wt% 포함된 카본베일을 상기 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.
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 8㎛의 PET 분말을 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[실시예 3]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 8㎛의 PET 분말을 10g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 1㎛의 PET 분말을 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 20㎛의 PET 분말을 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 40㎛의 PET 분말을 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, PET 분말을 투입하지 않고 탄소종이를 제조하였다.
[비교예 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 8㎛의 PET 분말을 0.05g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[비교예 3]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 8㎛의 PET 분말을 15g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[비교예 4]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 0.5㎛의 PET 분말을 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
[비교예 5]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입도(D50) 50㎛의 PET 분말을 3g 투입하여 탄소종이를 제조하였다.
실시예 1 내지 6과, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 탄소종이의 관통 저항, 기체 투과도 및 기공률을 아래와 같은 방법으로 측정하였다.
1) 관통 저항
탄소종이의 관통 저항은 CPRT-10을 이용하여, 시험기의 상판과 하판 사이에 시료를 놓고 압착시킨 후 1㎫ 압력에서 전기저항을 측정하였으며, 측정된 시료 면적을 곱하여 산출하였다.
2) 기체 투과도
2-1) 수평 기체투과도
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.
2-2) 수직 기체투과도
수직 기체투과도 측정은 CPRT-10을 이용하여, 비압축된 시편에 대하여 하부에서 상부로 기체가 투과되는 정도를 측정하였으며, 수평으로 가스가 투과되는 것을 방지하기 위하여 실링 후 측정하였다.
여기서, 연료전지용 탄소종이는 수평 기체투과도와 수직 기체투과도 모두 중요한데, 단위 셀에 적용된 기체확산층의 수평 기체투과도가 낮을 경우, 공급된 가스가 균일하게 공급되기 어렵고, 수직 기체투과도가 낮을 경우 촉매층에 전달되는 기체의 양이 감소할 수 있다.
연료전지 단위 셀에 적용되는 기체확산층의 사이즈가 커질수록 수평 기체투과도가 중요하며, 본 실시예에서와 같이, 탄소종이에 함침된 함침막의 탄소 구조체를 다공체로 만드는 경우, 수평 기체투과도와 수직 기체투과도가 개선될 수 있고, 특히 수평 기체투과도가 향상될 수 있다.
3) 기공률
기공률은 수은기공률 분석기(AutoPore V)를 이용하여, 시료에 수은을 채우고 채워진 부피를 이용하여 측정하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 3에 따른 고분자분말이 적용된 탄소종이를 SEM으로 촬영한 것이고, 도 3은 본 발명의 비교예 1에 따른 고분자분말이 미적용된 탄소종이를 SEM으로 촬영한 것이다.
또한, 실시예 1 내지 6과, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 탄소종이의 관통 저항, 기체투과도 및 기공률을 측정한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
구분 PET 분말
투입비율 		PET 평균입도
(D 50 ) 		관통저항
(mΩ*㎠) 		기체투과도(㎡) 기공률
(%)
수평 수직
실시예1 함침액 대비 0.1wt% 8㎛ 2.44
Figure 112020112122915-pat00001
Figure 112020112122915-pat00002
 78
실시예2 함침액 대비 3wt% 8㎛ 2.37
Figure 112020112122915-pat00003
Figure 112020112122915-pat00004
 80
실시예3 함침액 대비 10wt% 8㎛ 2.41
Figure 112020112122915-pat00005
Figure 112020112122915-pat00006
 83
실시예4 함침액 대비 3wt% 1㎛ 2.41
Figure 112020112122915-pat00007
Figure 112020112122915-pat00008
 79
실시예5 함침액 대비 3wt% 20㎛ 2.55
Figure 112020112122915-pat00009
Figure 112020112122915-pat00010
 77
실시예6 함침액 대비 3wt% 40㎛ 2.53
Figure 112020112122915-pat00011
Figure 112020112122915-pat00012
 76
비교예1 투입 안함 - 2.48
Figure 112020112122915-pat00013
Figure 112020112122915-pat00014
 72
비교예2 함침액 대비 0.05wt% 8㎛ 2.5
Figure 112020112122915-pat00015
Figure 112020112122915-pat00016
 72
비교예3 함침액 대비 15wt% 8㎛ 3.28
Figure 112020112122915-pat00017
Figure 112020112122915-pat00018
 82
비교예4 함침액 대비 3wt% 0.5㎛ 2.52
Figure 112020112122915-pat00019
Figure 112020112122915-pat00020
 71
비교예5 함침액 대비 3wt% 50㎛ 3.12
Figure 112020112122915-pat00021
Figure 112020112122915-pat00022
 71
표 1에 나타난 바와 같이, 함침액 100 중량부 대비 0.1 중량부로 평균입도 8㎛의 PET 분말이 투입된 실시예 1은, PET 분말을 투입하지 않은 비교예 1과 대비하여 관통 저항이 유사하게 나타나는 반면, 기공률과 기체투과도(수직 기체투과도 및 수평 기체투과도)는 크게 증가된 것을 확인할 수 있다.
또한, 평균입도 8㎛의 PET 분말이 3 중량부로 투입된 실시예 2는, 실시예 1과 대비하여 관통 저항이 유사하게 나타나고 기공률과 기체투과도가 더 증가된 것을 확인할 수 있다.
또한, 평균입도 8㎛의 PET 분말이 10 중량부로 투입된 실시예 3은, 실시예 2와 대비하여 관통 저항이 유사하게 나타나고 기공률과 기체투과도가 더 증가된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, 실시예 3의 탄소종이를 SEM으로 촬영한 사진과, 비교예 1의 탄소종이를 SEM으로 촬영한 사진을 살펴보면, PET 분말이 투입되지 않은 비교예 1에 대비하여 실시예 3의 탄소종이가 공극 형성률이 확연히 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.
또한, 평균입도 1㎛의 PET 분말이 적용된 실시예 4, 평균입도 20㎛의 PET 분말이 적용된 실시예 5와, 평균입도 40㎛의 PET 분말이 적용된 실시예 6은, 비교예 1과 대비하여 관통 저항이 유사하게 나타나고 기공률과 기체투과도가 증가된 것을 확인할 수 있다.
또한, 평균입도 8㎛의 PET 분말이 적용되고, 각각 0.1 중량부, 3 중량부 및 10 중량부가 투입된 실시예 1, 2 및 3과, 평균입도 8㎛의 PET 분말이 적용되고, 각각 0.05 중량부 및 15 중량부가 투입된 비교예 2 및 3을 비교하면, 동일한 평균입도에서 투입량이 0.1 중량부 미만인 비교예 2와 대비할 때, 실시예 1, 2 및 3이 각각 관통 저항은 감소된 반면, 기공률과 기체투과도가 크게 개선됨을 확인할 수 있고, 투입량이 10 중량부 초과인 비교예 3과 대비할 때, 실시예 1, 2 및 3이 기공률과 기체투과도는 유사하나 관통 저항이 크게 감소된 것을 확인할 수 있다.
또한, PET 분말이 3 중량부가 투입되고, 평균입도가 8㎛인 실시예 2와 PET 분말이 3 중량부가 투입되고 평균입도가 각각 0.5㎛ 및 50㎛인 비교예 4 및 5를 비교하면, 평균입도가 1㎛ 미만인 비교예 4의 경우, 실시예 2와 대비하여, 관통 저항이 증가하고 기체투과도는 감소한 것을 확인할 수 있고, 이는 투입된 입자가 작아 공극 형성에 의한 기체투과도 및 기공률 개선에 기여하기 보다는 투입된 입자가 불순물로 잔존하여 기체투과도 및 기공률은 저하되고 관통 저항은 증가한 것을 확인할 수 있으며, 평균입도가 40㎛ 초과인 비교예 5의 경우, 실시예 2와 대비하여 기체투과도 및 기공률이 저하되고 관통 저항은 증가한 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, 고분자분말(PET 분말)의 투입량 증가에 따라 탄소종이에 공극 형성률이 증가됨으로써 기공률과 기체투과도가 높아질 수 있으나, 고분자분말이 과량 투입되는 경우에는 탄소 구조체에 공극이 과도하게 형성되어 관통 저항이 크게 증가될 수 있기 때문에, 상술한 실시예와 같이 고분자분말을 페놀 함침액 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부로 조절하여 투입하는 것이 바람직하다.
또한, 고분자분말은 평균입도(D50) 1 내지 40㎛의 고분자분말을 선택적으로 적용할 수 있는데, 투입되는 고분자분말의 평균입도가 1㎛ 미만이거나 40㎛를 초과하는 경우, 관통 저항이 크게 증가하거나, 기체투과도와 기공률이 감소할 수 있기 때문에, 공극이 과소 또는 과대하게 형성되지 않도록 적정 평균입도의 고분자분말을 사용하는 것이 좋다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소종이는, 입도 및 함량이 적절하게 조절된 고분자분말이 투입된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시켜 탄화 및 흑연화 공정을 통해 제조함으로써, 탄소종이에 기공 형성을 증대시켜 기존에 비해 기체투과도 및 기공률을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 연료전지용 기체확산층의 성능을 증대시키는데 용이하게 적용될 수 있다.
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.
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.

Claims (9)

  1. 알코올계 용매에 페놀수지를 녹여 페놀 함침액을 제조하는 단계;
    상기 페놀 함침액에 평균입도(D50)가 1 내지 40㎛인 고분자분말을 혼합하여 분산시키는 단계;
    상기 고분자분말이 분산된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계;
    상기 함침된 카본베일을 건조하고 경화시키는 단계; 및
    상기 경화된 카본베일을 탄화 및 흑연화시켜, 상기 카본베일의 함침막에 포함된 고분자분말을 연소시킴으로써 기공을 형성하여 기체투과도를 향상시키는 단계를 포함하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자분말은,
    상기 페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 혼합되는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자분말은,
    폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 적어도 하나를 포함하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
  5. 제 1항, 제 2항 및 제 4항 중 어느 하나의 제조방법을 이용하여 제조된, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
  6. 카본베일; 및
    상기 카본베일 상에 결착된 탄소 구조체를 포함하고,
    상기 탄소 구조체는 평균입도(D50)가 1 내지 40㎛인 고분자분말이 분산된 페놀 함침액을 이용하되, 상기 고분자분말의 연소에 의해 형성되는 기공을 포함하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 고분자분말이 분산된 페놀 함침액은,
    페놀 함침액 100 중량부를 기준으로 상기 고분자분말이 0.1 내지 10 중량부로 혼합되고 분산되는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
  8. 삭제
  9. 연료전지 기체확산층에 적용되고, 카본베일 및 상기 카본베일에 결착된 탄소 구조체를 포함하는 탄소종이용 페놀 함침액에 있어서,
    페놀 함침액; 및
    상기 페놀 함침액에 혼합하여 분산되는 평균입도(D50)가 1 내지 40㎛인 고분자분말을 포함하고,
    상기 고분자분말은 상기 탄소 구조체 내에서 연소되어 기공을 형성함으로써, 기체투과도를 증대시키는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이용 페놀 함침액.
KR1020200137531A 2020-10-22 2020-10-22 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법 KR102468001B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200137531A KR102468001B1 (ko) 2020-10-22 2020-10-22 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200137531A KR102468001B1 (ko) 2020-10-22 2020-10-22 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220053276A KR20220053276A (ko) 2022-04-29
KR102468001B1 true KR102468001B1 (ko) 2022-11-17

Family

ID=81428922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200137531A KR102468001B1 (ko) 2020-10-22 2020-10-22 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102468001B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190518A (ja) * 2005-01-04 2006-07-20 Mitsubishi Rayon Co Ltd 固体高分子型燃料電池用電極基材およびその製造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102169124B1 (ko) 2018-12-19 2020-10-22 주식회사 제이앤티지 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190518A (ja) * 2005-01-04 2006-07-20 Mitsubishi Rayon Co Ltd 固体高分子型燃料電池用電極基材およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220053276A (ko) 2022-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100480451C (zh) 多孔碳基材及其制备方法和应用
EP1369528B1 (en) Carbon fiber electrode substrate for electrochemical cells
KR101484762B1 (ko) 기체확산층용 탄소기재, 이를 이용한 기체확산층, 및 이를 포함하는 연료전지용 전극
JP4916088B2 (ja) 電気伝導性親水性剤を有する燃料電池用の多孔質炭素体
JP5189239B2 (ja) 燃料電池用流体拡散層
KR102169124B1 (ko) 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층
JP5987484B2 (ja) ガス拡散電極基材およびその製造方法
KR20150046102A (ko) 연료 전지용 가스 확산 전극 기재
KR20180023830A (ko) 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이
TWI794685B (zh) 用於燃料電池的氣體擴散層
WO2017099181A1 (ja) 炭素シート、ガス拡散電極基材、および燃料電池
JPWO2019049934A1 (ja) 燃料電池用ガス拡散層基材、燃料電池用ガス拡散層、燃料電池
KR102468001B1 (ko) 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법
Destyorini et al. Properties and Performance of Gas Diffusion Layer PEMFC Derived from Coconut Coir.
KR102423409B1 (ko) 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법
KR102591887B1 (ko) 탄소 시트, 가스 확산 전극 기재, 권회체 및 연료 전지
KR102410805B1 (ko) 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법
KR102544374B1 (ko) 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법
KR102436335B1 (ko) 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법
JP2023549666A (ja) 電極材料
JP7192612B2 (ja) 触媒担体用炭素材料、燃料電池用触媒層、及び燃料電池
US9859572B2 (en) Gas diffusion substrate
CA2980461C (en) Gas-diffusion electrode substrate comprising an electrode substrate and a microporous layer disposed thereon and method for manufacturing same
KR102531043B1 (ko) 연료전지 미세기공층 코팅액 및 이를 이용한 가스확산층
KR102568609B1 (ko) 연료전지용 기체확산층 지지체 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant