KR102568609B1 - 연료전지용 기체확산층 지지체 및 그 제조방법 - Google Patents

연료전지용 기체확산층 지지체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 기체확산층 지지체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유 부직포; 및 상기 탄소섬유 부직포의 일면 또는 양면에 전도성 카본블랙 코팅층;을 포함하되, 상기 전도성 카본블랙 코팅층은 레졸(Resol)계 페놀 레진과 노볼락(Novolak)계 페놀레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 기체확산층 지지체 및 그 제조방법{Substrate for Gas Diffusion Layer and method thereof}
본 발명은 연료전지용 기체확산층 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지에 사용되는 전기전도성과 굽힘강성이 우수한 기체확산층 지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 포함하여 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이중 차량 구동을 위한 연료전지로는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용되고 있는데, 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면 수백 장의 단위 셀을 반복 적층하여 스택(Stack)을 구성하고, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 하는 것으로 알려져 있다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane, PEM)과 촉매(catalyst)를 포함하는 막전극접합체(Membrane electrode assembly, MEA), 기체확산층(Gas diffusion layer, GDL), 반응기체들과 냉각수의 기밀성 및 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓, 및 반응기체들과 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate) 등으로 구성되어 있다.
막전극접합체(MEA)를 통해 전기가 생성되는 원리는, 연료전지의 산화극인 애노드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 환원극인 캐소드(Cathode)쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되어, 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.
한편, 연료전지 내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막전극접합체(MEA)의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 "물 범람(Flooding)" 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내까지 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱더 커지게 된다.
기체확산층(GDL)은 고분자 전해질막(PEM)으로 수소와 산소를 고르게 공급하는 역할, 촉매층과 분리판 사이에서 반응된 전자를 분리판으로부터 전자를 이동시키는 전기전도체로의 역할, 그리고 고분자 전해질막(PEM)이 적정한 수분을 유지하도록 수분을 공급하거나 배출하는 등 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)에서 매우 중요한 역할을 수행하므로, 전기와 열 전도성, 다공성 및 소수성을 가지며 열적, 화학적으로 안정성을 보유해야 한다.
이러한 기체확산층(GDL)은 고온에서 탄화 열처리되어 전기전도도가 우수하며 전기저항이 낮고 내열성 및 내화학성이 우수한 탄소 소재를 이용한 탄소 천(carbon cloth), 탄소 부직포 및 탄소 종이와 같은 다공성 기체확산층 지지체(Gas diffusion back layer, GDBL)에 미세다공성층(microporous layer, MPL)이 코팅되어 제조된다.
하지만 탄소섬유를 이용하여 기체확산층(GDL)을 제조할 시에는 표면에 크랙(crack)이 발생하지 않도록 충분한 굽힘강성(Bending Stiffness)이 필요하고, 또 우수한 전기전도성(Electric conductivity)을 확보할 필요가 있다.
한국공개특허공보 제2021-0087825호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 기체확산층(GDL) 제조시 크랙발생이 잘 일어나지 않도록 굽힘강성이 우수하고 또 전기전도성이 탁월한 기체확산층 지지체(GDBL) 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 지지체는, 탄소섬유 부직포; 및 상기 탄소섬유 부직포의 일면 또는 양면에 전도성 카본블랙 코팅층;을 포함하되, 상기 전도성 카본블랙 코팅층은 레졸(Resol)계 페놀 레진과 노볼락(Novolak)계 페놀레진을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 지지체에서, 상기 레졸(Resol)계 페놀 레진과 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 9:1~4:6 중량비로 혼합된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 지지체에서, 두께 방향으로의 전기 저항이 13mΩ/㎠ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 지지체에서, 두께 방향으로의 전기 저항이 15mΩ/㎠ 이하이고, 굽힘강성(MD/TD)이 3.2/2.3 mNm ~ 3.5/2.7 mNm인 것을 특징으로 한다.
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또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 지지체의 제조방법은, 탄소섬유 부직포와 전도성 카본블랙 용액을 준비하는 제1 단계; 상기 탄소섬유 부직포에 상기 전도성 카본블랙 용액을 코팅하는 제2 단계; 및 상기 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제3 단계; 및 상기 건조된 탄소섬유 부직포를 열처리하는 제4 단계;를 포함하되, 상기 제1 단계에서의 전도성 카본블랙 용액은, 물 300~700 중량부, 전도성 카본블랙 30~70중량부, 및 페놀 레진 80~120 중량부 비율로 혼합되며, 상기 전도성 카본블랙은 평균입자크기 20nm 및 비표면적 185㎡/g이고, 상기 페놀 레진은 중량평균분자량 3,511g/mol인 레졸(Resol)계 페놀 레진과 중량평균분자량 1,110g/mol인 노볼락(Novolak)계 페놀레진이 6:4~8:2 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 연료전지용 기체확산층 지지체 및 이의 제조방법에 의하면, 탄소섬유 부직포를 코팅하는 전도성 카본블랙 용액에 레졸(Resol)계 페놀 레진과 노볼락(Novolak)계 페놀 레진을 함께 사용함으로써, 전기 전도성과 굽힘강성을 동시에 향상시킬 수 있고, 이는 기체확산층 제조시 크랙 발생을 억제함으로써 제품의 신뢰성을 높이는데 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기체확산층(GDL)용 지지체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 지지체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 기체확산층용 지지체(GDBL)의 제조방법은, 탄소 섬유 부직포와 전도성 카본블랙 용액을 준비하는 제1 단계, 전도성 카본블랙 용액을 탄소섬유 부직포에 코팅하는 제2 단계, 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제3 단계, 및 건조된 탄소섬유 부직포를 열처리하는 제4 단계를 포함하여 구성된다.
먼저 제1 단계에서는 탄소 섬유 부직포와 전도성 카본블랙 용액을 준비하는 각각 준비한다. 상세하게, 탄소 섬유 부직포를 준비하는 과정에서는 유기용매에 탄소섬유 및 계면활성제를 혼합한 제1 혼합물과, 증점제, 바인더 및 물을 혼합하여 제2 혼합물을 준비하는 제1-1(a) 단계, 상기 제1-1(a) 단계에서 준비된 제1 혼합물과 제2 혼합물을 혼합하여 제3 혼합물을 준비하는 제1-1(b) 단계, 제1-1(b) 단계에서 준비된 제3 혼합물을 초음파 분산 처리하여 슬러리 상태의 원료 혼합물을 준비하는 제1-1(c) 단계, 상기 제1-1(c) 단계에서 준비된 원료 혼합물을 메쉬 밸트에 적층하는 제1-1(d) 단계, 메쉬 밸트에 적층된 원료 혼합물을 탈수하는 제1-1(e) 단계, 및 열풍 건조하는 제1-1(f) 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
제1-1(a) 단계는 제1 혼합물과 제2 혼합물을 준비하는 단계로서, 제1 혼합물은 물 10~15 중량부에 대해 유기용매 1~5 중량부, 탄소섬유 0.1~1.0 중량부, 및 비이온계 계면활성제 0.001~0.005 중량부를 혼합한 후 1200~1800RPM으로 3~8분간 해리를 진행한다.
여기서, 상기 유기용매는 탄화수소계, 할로겐화 난화수소계, 방향족 염화탄화수소계, 알코올계, 알데하이드계, 에테르 에스테르계, 케톤계, 글리콜 에테르계와 같은 유기 용매 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있고, 바람직하게는 에탄올이다.
탄소섬유는 폴리아크로니트릴을 전구체로 하여 제조되며 길이 5~15mm 및 직경 1~10μm이 될 수 있도록 차핑(chopping)하는 것이 바람직하고, 에폭시 수지 등과 같은 탄소섬유 사이징제를 적용하지 않는 것이 보다 바람직한데, 이는 용매 상에서 표면장력을 최소화하여 분산성을 유지하기 위한 것이다.
제2 혼합물은 증점제 0.05~0.2 중량부, 바인더 0.001~0.005 중량부 및 물 190~200 중량부를 혼합하여 준비한다. 여기서, 증점제로는 카르복실메틸셀룰로우즈(carboxyl methyl cellulose)인 것이 바람직하다.
바인더로는 PVA(polyvinyl alcohol), 초산비닐아세테이트(PVAC) 및 아크릴레이트(Acrylate) 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 길이 3mm 및 직경 2μm을 갖는 PVA(polyvinyl alcohol)인 것이 보다 바람직하다. 상기와 같은 구성으로 이루어진 제2 혼합물은 교반기에서 교반한다.
제1-1(b) 단계는 제1 혼합물과 제2 혼합물을 혼합하여 제3 혼합물을 준비하는 단계이다.
제1-1(c) 단계는 준비한 제3 혼합물을 초음파로 처리하여 슬러리 상태의 원료 혼합물을 준비하는 단계이다. 초음파를 사용하면 증점제를 소량 첨가하더라도 탄소섬유가 혼합물 전체에 고르게 분산되어 균일한 두께, 통기성 및 우수한 전기전도도를 갖는 탄소섬유 부직포를 얻는 것이 가능하다. 여기서, 초음파는 20~200kHz로 조절하는 것이 바람직하다.
제1-1(d) 단계는 준비된 슬러리 상태의 원료 혼합물을 메쉬 밸트에 적층하는 단계로서, 일정 속도로 이동하고 있는 메쉬 밸트 상부로 원료 혼합물을 분사한다.
제1-1(e) 단계는 메쉬 밸트에 적층된 원료 혼합물을 탈수하는 단계로서, 1차 탈수 단계와 2차 탈수 단계로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 1차 탈수 단계는 원료 혼합물이 메쉬 밸트에 적층되는 순간, 메쉬 밸트 하면으로부터 감압 탈수하는데, 이를 통해 메쉬 밸트에 가해지는 하중을 줄일 수 있어 장치의 보수비용을 줄일 수 있고, 특히 1차 탈수에 의해 섬유간의 결합이 이루어지기 때문에 메쉬 밸트가 다소 경사져 이동하더라도 적층된 원료 슬러리 혼합물이 그대로 유지되어 균일한 두께의 필터를 얻을 수 있다.
2차 탈수 단계는 1차 탈수된 원료 슬러리 혼합물의 수분을 더욱 낮춤과 동시에 섬유간의 결합을 더욱 치밀하게 유도하는 단계로서, 감압 탈수 방식이나 자연중력식이 채용될 수 있지만, 진공압으로 감압탈수하는 것이 바람직하다.
제1-1(f) 단계는 열풍건조하는 단계인데, 일부 잔류하는 수분을 완전히 건조하는 단계로서, 100~150℃의 온도로 유지되는 건조장치에서 열풍건조하는 것이 바람직하고, 200~300℃에서 한번 더 건조하는 것이 보다 바람직하다.
다음은 전도성 카본블랙 용액을 준비하는 과정에 관해 설명하기로 한다. 전술한 과정을 통해 얻어진 탄소 섬유 부직포는 두께가 대략 200~300㎛인데 두께 방향으로는 탄소 섬유간의 결합력이 부족할 수 있어 충분한 전기 전도성을 기대하기 어려운 경우가 있고, 따라서 전도성 카본블랙은 탄소 섬유 부직포의 두께 방향으로의 탄소 섬유간 결합력 향상시켜 전기전도도를 높이기 위한 구성이다.
전도성 카본블랙 용액을 준비하는 단계는, 물, 전도성 카본블랙 및 페놀 레진을 투입하여 1차 슬러리 혼합물을 제조하는 제1-2(a) 단계, 및 균질화하는 제1-2(b) 단계를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 1차 슬러리 혼합물을 제조하는 제1-2(a) 단계에서는 물 300~700 중량부, 전도성 카본블랙 30~70 중량부 및 페놀 레진 80~120 중량부 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
전도성 카본블랙은 입자 크기가 10~50nm이고 비표면적이 150~250㎡/g범위로서, 일반적으로 알려져 있는 전도성 카본블랙, 아세틸렌가스를 열분해 하여 만든 전도성 카본블랙 등 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, Cabot사의 Vulcan, Mitsubishi chemicl사의 ketchen black, Denka사의 Denka black, Birla carbon사의 Conductex 등을 사용할 수 있다.
페놀 레진은 전도성 카본블랙 용액을 제조할 시 카본블랙의 분산성을 향상하고 또 탄소섬유 부직포 함침 시 탄소 섬유간 결합력을 향상시키기 위한 바인더로서 기능을 수행한다. 이러한 페놀레진은 페놀의 기본 구조에 따라 노볼락(Novolak)계와 레졸(resol)계로 구분할 수 있으며, 본 발명에서는 기체확산층 지지체의 전기전도성을 높이는 동시에 굽힘강성을 보강하고자 노볼락(Novolak)계 페놀레진과 레졸(resol)계 페놀레진을 함께 사용한다.
즉, 레졸(resol)계 페놀레진은 고온 소결 시 경화반응과 고리화반응을 통해 전기전도성을 향상시킬 수 있으나, 소결 후 소재, 즉 기체확산층 지지체가 딱딱(Brittle)해져 굽힘강성이 낮아지는 반면, 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 고온 소결시 경화반응과 고리화 반응은 레졸(resol)계 페놀레진에 비해 충분하지 않아 전기전도성은 다소 부족하지만, 전도성 블랙카본의 분산 안정화에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 레졸(resol)계 페놀레진의 과도한 고리화 반응을 제어함으로써 기체확산층 지지체의 굽힘강도를 개선하는 효과가 있다.
이때, 총 페놀 레진 중에서 레졸(resol)계 페놀레진과 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 9:1~4:6 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.
또 레졸(Resol)계 페놀 레진의 중량평균분자량은 Mw 3,000~4,000g/mol, 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 중량평균분자량 Mw 1,000~2,000g/mol인 것이 좋다.
균질화하는 제1-2(b) 단계는 준비된 1차 슬러리 혼합물을 마쇄하는 단계로서, 마멸분쇄기(Attrition Mill) 등을 사용한 습식 밀링을 통해 전도성 카본블랙의 분산성을 극대화한다.
전도성 카본블랙 용액을 탄소섬유 부직포에 코팅하는 제2 단계는, 탄소 섬유 부직포의 상하부 표면이나 기공 사이로 전도성 카본블랙이 부착될 수 있도록 제1 단계에서 준비된 전도성 카본블랙 용액에 탄소섬유 부직포를 담그는 즉, 함침시키는 단계이다.
여기서, 전도성 카본블랙이 함침된 상태의 탄소섬유 부직포는 1회 이상 압착과정이 더 수행될 수 있고, 이는 잉여분의 카본블랙 용액을 제거하기 위함이다.
전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제3 단계는 열풍건조방식이 바람직하고, 70~150℃ 온도 범위에서 5~40분간 건조하는 것이 보다 바람직하다.
마지막으로 건조된 탄소섬유 부직포를 열처리하는 제4 단계는 1회 이상 열처리하는 것이 바람직하고, 150~250℃에서 5~20분간의 1차 열처리 이후에 Ar 가스 분위기 및 1400~1600℃ 온도에서 5~40분간의 2차 열처리를 수행하는 것이 보다 바람직하다.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
먼저 탄소 섬유 부직포는 아래와 같이 제조하였다. 물 10kg에 에탄올 2kg을 혼합한 후 길이 5~7㎜ 범위의 탄소섬유 0.45kg, 비이온계 계면활성제 0.0025kg을 혼합하여 제1 혼합물을 준비하고, 1500RPM으로 5분간 해리를 진행 하였다.
이와는 별도로 카르복실메틸셀룰로우즈 2kg, PVA 0.05kg 및 물 2000kg을 혼합하여, 제2 혼합물을 준비하였다.
이들 제1 혼합물과 제2 혼합물을 섞은 후, 800RPM으로 10분간 교반 후, 160kHz에서 5분간 초음파를 인가하고, 이후 준비된 원료혼합물을 30m/min로 이송하는 극세사 메쉬 벨트에 적층시켰다. 원료혼합물이 메쉬 벨트에 적층되는 순간 10cmHg의 진공압으로 1차 탈수, 30cmHg의 진공압으로 2차 탈수한 후, 150℃에서 1차 건조, 250℃에서 2차 건조를 통해, 평균두께가 250㎛이고 평량이 30g/㎡인 탄소 섬유 부직포를 제조하였다.
전도성 카본블랙 용액은 용량 3L인 마멸분쇄기(Attrition Mill)에 물 500g, 전도성 카본블랙 50g, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 70g, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 30g을 투입한 후 300rpm에서 30분간 교반하여 1차 슬러리 혼합물을 제조하였다.
이때, 전도성 카본블랙은 평균입자크기 20nm, 비표면적 185㎡/g인 Birla Carbon의 Conductex제품을 사용하였고, 레졸(Resol)계 페놀 레진은 중량평균분자량 3,511g/mol, 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 중량평균분자량 Mw 1,110g/mol이다.
이후 1차 슬러리 혼합물에 직경이 0.8mm 지르코니아 Ball을 주입한 후, 진공 분위기하에서 500rpm으로 약 5시간 동안 고속 교반하여 전도성 카본블랙 용액을 제조하였다.
이어서, 준비된 전도성 카본블랙 용액으로 탄소섬유 부직포를 코팅시켰다. 즉, 전도성 카본 블랙 용액이 담긴 반응조에 탄소섬유 부직포를 1회 담그었다가 빼낸 후, 과잉의 전도성 카본블랙 용액을 제거할 목적으로 80kPa의 압력으로 압착 과정을 수행하였다.
마지막으로 120℃에서 30분간 건조, 170℃에서 10분간 1차 열처리, 및 1500℃에서 30분간 2차 열처리하여 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
실시예 2
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 60g, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 40g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
실시예 3
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 80g, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 20g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
실시예 4
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 90g, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 10g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
실시예 5
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 50g, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 50g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
비교예 1
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 40g, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 60g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
비교예 2
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 레졸(Resol)계 페놀 레진 100g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
비교예 3
전도성 카본블랙 용액 제조시, 고형분 함량 60w/v%인 노볼락(Novolak)계 페놀레진 100g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일한 조건으로 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.
실험예
각 실시예 및 비교예의 조건으로 준비한 카본블랙 용액의 안정성을 평가하기 위하여, 점도, 입자크기 및 제타전위를 측정하였고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
Brook Field 점도계로 측정했을 시, 실시예 1 내지 5는 42~65cps였고, 비교예 1은 39, 비교예 2는 150cps, 그리고 비교예 3은 35cps였다.
또 입도 분석기(ELSZ-2000ZS, 오츠카전자)를 사용하여 각 조건별 입도를 측정한 결과, 실시예 1 내지 5는 340~550 nm인 반면, 비교예 1 및 3은 330nm, 비교예 2는 1250nm로 확인되었다.
제타전위(ELSZ-2000ZS, 오츠카전자)는 실시예 1 내지 5는 -33~-44 mV, 비교예 1은 -44mV, 비교예 2는 -21mV, 그리고 비교예 3는 -45mV였다.
레졸계 페놀 레진(g) 노볼락계 페놀레진(g) 카본블랙 용액 점도
(cps)		 입자크기
(D50,nm)		 카본블랙 용액 제타전위(mV)
실시예 1 70 30 50 350 -39
실시예 2 60 40 47 350 -39
실시예 3 80 20 55 400 -35
실시예 4 90 10 65 550 -33
실시예 5 50 50 42 340 -41
비교예 1 40 60 39 330 -44
비교예 2 100 - 150 1250 -21
비교예 3 - 100 35 330 -45
실시예 및 실험예에 따라 제조된 기체확산층 지지체(GDBL)의 전기저항과 굽힘강성 결과는 표 2와 같다.
두께방향 전기저항
(mΩ/㎠, 1Map)		 굽힘강성
(MD/TD, mNm)
실시예 1 12 3.5/2.7
실시예 2 12 3.3/2.5
실시예 3 13 3.2/2.3
실시예 4 15 2.5/2.0
실시예 5 15 2.5/2.1
비교예 1 20 1.6/1.2
비교예 2 25 1.5/1.2
비교예 3 30 1.3/1.0
굽힘강성은 직물 굽힘강성 평가가 가능한 Gurley 4171 Bending Stiffness Tester를 사용하였고, 전기저항(electric resistance)은 기체확산층 지지체(GDBL)에 1 Mpa의 압력을 가한 상태에서 두께방향으로의 전기저항을 측정하였다(TSURUGA, AC mΩ Meter, MODEL 3566)
먼저 전기저항의 경우, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 기체확산층 지지체(GDBL)의 전기저항은 12mΩ/㎠, 실시예 3은 13mΩ/㎠, 실시예 4 및 5는 15mΩ/㎠이었다.
반면 전도성 카본블랙 용액 제조시 레졸계 페놀 레진만을 사용한 비교예 2에서는 25mΩ/㎠, 노볼락계 페놀 레진만을 사용한 비교예 3에서는 30mΩ/㎠로 측정되어, 레졸계 페놀 레진과 노볼락계 페놀 레진을 함께 사용함으로써 전기 전도를 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
또 비교예 1에서 알 수 있듯이, 레졸계 페놀 레진과 노볼락계 페놀 레진을 함께 사용하더라도 이들의 혼합비가 적절하지 않으면 저항을 충분히 낮출 수 없음을 알 수 있다.
굽힘강성 결과에서, 실시예 1에 따라 제조된 기체확산층 지지체(GDBL)의 MD(machine direction)/TD(transverse direction)는 3.5/2.7 nmn, 실시예 2는 3.3/2.5 mNm, 실시예 3은 3.2/2.3 mNm으로 조사되어 매우 우수한 굽힘강성을 확보할 수 있었다.
또 실시예 4는 2.5/2.0 mNm, 실시예 5는 2.5/2.1 mNm로서 비교적 굽힘강성이 양호한 것을 알 수 있다.
하지만 비교예 5는 1.6/1.2 mNm, 비교예 2는 1.5/1.2 mNm 그리고 비교예 3은 1.3/1.0 mNm에 불과하여 충분한 굽힘강성을 확보할 수 없고, 이는 연료전지의 조립 시 파손이나 크랙이 발생하여 연료전지의 성능 저하로 이어진다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위는 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 탄소섬유 부직포와 전도성 카본블랙 용액을 준비하는 제1 단계;
    상기 탄소섬유 부직포에 상기 전도성 카본블랙 용액을 코팅하는 제2 단계; 및
    상기 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제3 단계; 및
    상기 건조된 탄소섬유 부직포를 열처리하는 제4 단계;를 포함하되,
    상기 제1 단계에서의 전도성 카본블랙 용액은, 물 300~700 중량부, 전도성 카본블랙 30~70중량부, 및 페놀 레진 80~120 중량부 비율로 혼합되며,
    상기 전도성 카본블랙은 평균입자크기 20nm 및 비표면적 185㎡/g이고,
    상기 페놀 레진은 중량평균분자량 3,511g/mol인 레졸(Resol)계 페놀 레진과 중량평균분자량 1,110g/mol인 노볼락(Novolak)계 페놀레진이 6:4~8:2 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 지지체의 제조방법.
  7. 제6항의 연료전지용 기체확산층 지지체의 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 기체확산층 지지체로서,
    두께 방향으로의 전기 저항이 13mΩ/㎠ 이하이고, 굽힘강성(MD/TD)이 3.2/2.3 mNm ~ 3.5/2.7 mNm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 지지체.
  8. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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