KR102568624B1 - Gas Diffusion Layer and method thereof - Google Patents

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KR102568624B1 KR1020220170357A KR20220170357A KR102568624B1 KR 102568624 B1 KR102568624 B1 KR 102568624B1 KR 1020220170357 A KR1020220170357 A KR 1020220170357A KR 20220170357 A KR20220170357 A KR 20220170357A KR 102568624 B1 KR102568624 B1 KR 102568624B1
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한민형
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한정철
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이재훈
원지수
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Abstract

본 발명은 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유 부직포의 일면 또는 양면에 전도성 카본블랙 코팅층이 형성된 기체확산층 지지체; 및 상기 기체확산층 지지체 일면의 미세기공층;을 포함하되, 상기 기체확산층 지지체 일면에는 PTFE(polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxy), 및 ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene)가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a gas diffusion layer support in which a conductive carbon black coating layer is formed on one or both sides of a carbon fiber nonwoven fabric; and a microporous layer on one surface of the gas diffusion layer support, wherein polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxy (PFA), and ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) are provided on one surface of the gas diffusion layer support, and a gas diffusion layer for a fuel cell comprising the same It's about manufacturing methods.

Description

연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법{Gas Diffusion Layer and method thereof}Gas diffusion layer for fuel cell and method for manufacturing the same {Gas Diffusion Layer and method thereof}

본 발명은 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체확산층을 구성하는 기체확산층 지지체과 미세다공성층의 결합력과 전기전도성이 우수한 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a gas diffusion layer for a fuel cell having excellent bonding strength and electrical conductivity between a gas diffusion layer support constituting the gas diffusion layer and a microporous layer, and a method for manufacturing the same.

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.A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting it in a fuel cell stack.

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.PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is applied as a fuel cell for dual vehicle driving. Hundreds of unit cells are required to normally express high output performance of at least several tens of kW under various vehicle driving conditions. It is known that a stack is formed by repeated stacking and must be able to operate stably in a wide range of current densities.

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.Such a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a membrane electrode assembly (MEA) including a polymer electrolyte membrane (PEM) and a catalyst, a gas diffusion layer (GDL), a reaction It is composed of a gasket for maintaining the airtightness of gases and cooling water and an appropriate clamping pressure, and a bipolar plate for moving reactive gases and cooling water.

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.The principle of generating electricity through a membrane electrode assembly (MEA) is that hydrogen supplied to the anode, the anode of the fuel cell, is separated into hydrogen ions and electrons, and then the hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane to the cathode, the cathode. ), and the electrons move to the cathode through an external circuit, where oxygen molecules, hydrogen ions, and electrons react together to generate electricity and heat, as well as water as a reaction by-product.

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.On the other hand, water generated during the electrochemical reaction in the fuel cell plays a desirable role in maintaining the humidification of the membrane electrode assembly (MEA) if it is present in an appropriate amount, but if it is not properly removed when excessive water is generated, it " A "flooding" phenomenon occurs, and the flooded water serves to prevent the efficient supply of reactive gases to the fuel cell, so that the voltage loss increases.

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.The gas diffusion layer (GDL) plays a role in supplying hydrogen and oxygen evenly to the polymer electrolyte membrane (PEM), as an electrical conductor that moves electrons reacted between the catalyst layer and the separator from the separator, and as a polymer electrolyte membrane ( Since PEM) plays a very important role in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), such as supplying or discharging water to maintain proper moisture, it must have electrical and thermal conductivity, porosity and hydrophobicity, and thermal and chemical stability. .

이러한 기체확산층(GDL)은 다공성 기체확산층 지지체(Gas diffusion back layer, GDBL)에 미세다공성층(microporous layer, MPL)이 형성된 2층 구조로 되어 있다. 즉, 다공성 기체확산층 지지체(GDBL)는 전기전도성, 내열성 및 내화학성이 좋은 탄소 소재를 이용한 탄소 천(carbon cloth), 탄소 부직포 또는 탄소 종이에 불소계 고분자물질을 포함하는 발수재를 코팅하여 제조하는데, 미세다공성층(MPL)을 형성하기 위한 용액에도 불소계 고분자물질이 포함되어 있다. 따라서 일정 온도 이상으로 가열하면 이들 불소계 고분자물질들이 서로 용융되고, 결과적으로 다공성 기체확산층 지지체와 미세다공성층이 결합되는 것이다.The gas diffusion layer (GDL) has a two-layer structure in which a microporous layer (MPL) is formed on a gas diffusion back layer (GDBL). That is, the porous gas diffusion layer support (GDBL) is manufactured by coating a water repellent material containing a fluorine-based polymer material on carbon cloth, carbon nonwoven fabric, or carbon paper using a carbon material having good electrical conductivity, heat resistance, and chemical resistance, A solution for forming the microporous layer (MPL) also contains a fluorine-based polymer material. Therefore, when heated above a certain temperature, these fluorine-based polymer materials are melted together, and as a result, the porous gas diffusion layer support and the microporous layer are combined.

하지만 불소계 고분자물질은 주로 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 사용하기 때문에 기체확산층 지지체(GDBL)와 미세다공성층(MPL)이 충분한 결합력을 확보하지 못하여 기체확산층(GDL) 내에서의 가스, 전자 및 생성된 물의 이동이 불안정 하여 연료전지의 성능이 저하된다는 문제점이 있다.However, since PTFE (polytetrafluoroethylene) is mainly used as a fluorine-based polymer material, the gas diffusion layer support (GDBL) and the microporous layer (MPL) do not have sufficient bonding strength, so gas, electrons, and generated water move within the gas diffusion layer (GDL). There is a problem that the performance of the fuel cell is deteriorated due to instability.

한국공개특허공보 제2021-0087825호Korean Patent Publication No. 2021-0087825

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 기체확산층(GDL)을 구성하는 기체확산층 지지체(GDBL)와 미세다공성층(MPL)의 결합력이 개선되고 또 전기전도성이 우수한 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was derived to solve the above problems, and the gas diffusion layer for fuel cells has improved bonding strength between the gas diffusion layer support (GDBL) and the microporous layer (MPL) constituting the gas diffusion layer (GDL) and has excellent electrical conductivity. And to provide a manufacturing method thereof.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층은, 탄소섬유 부직포의 일면 또는 양면에 전도성 카본블랙 코팅층이 형성된 기체확산층 지지체; 및 상기 기체확산층 지지체 일면의 미세기공층;을 포함하되, 상기 기체확산층 지지체 일면에는 PTFE(polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxy), 및 ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene)가 구비된 것을 특징으로 한다.In order to solve these technical problems, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention includes a gas diffusion layer support in which a conductive carbon black coating layer is formed on one or both sides of a carbon fiber nonwoven fabric; and a microporous layer on one surface of the gas diffusion layer support, wherein polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxy (PFA), and ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) are provided on one surface of the gas diffusion layer support.

또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층은, 두께 방향으로의 전기 저항이 15mΩ/㎠ 미만인 것을 특징으로 한다.Further, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is characterized in that the electrical resistance in the thickness direction is less than 15 mΩ/cm 2 .

또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층은, 상기 기체확산층 지지체와 미세기공층의 접착력이 국제규격 ASTM 03359-83-Method A기준으로 측정할 시 3A이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is characterized in that the adhesion between the gas diffusion layer support and the microporous layer is 3A or more when measured according to the international standard ASTM 03359-83-Method A standard.

또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층은, 두께 방향으로의 전기 저항이 15mΩ/㎠ 미만이고, 기체확산층 지지체와 미세기공층의 접착력이 국제규격 ASTM 03359-83-Method A기준으로 측정할 시 3A이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention has an electrical resistance in the thickness direction of less than 15 mΩ/cm 2 , and the adhesion between the gas diffusion layer support and the microporous layer is 3A or more when measured according to the international standard ASTM 03359-83-Method A. characterized by

또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 제조방법은, 탄소섬유 부직포를 준비하는 제1 단계; 상기 탄소섬유 부직포에 전도성 카본블랙 용액을 코팅하는 제2 단계; 상기 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포에 발수 용액을 코팅하는 제3 단계; 및 상기 발수 코팅된 탄소섬유 부직포 일면에 미세기공층을 형성시키는 제4 단계;를 포함하되, 상기 제3 단계에서의 발수 용액에는 물 또는 초순수 1800~2200중량부, 및 고형분 함량이 60w/v%이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 3~5g/10min인 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 고형분 함량이 50w/v%이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 13~16g/10min인 PFA(Perfluoroalkoxy)로 이루어진 불소계 고분자 150~250 중량부 비율로 혼합되고, 상기 제4 단계에서는 물 또는 초순수 250 중량부, 글리세린 250 중량부 및 전도성 카본블랙 70 중량부를 혼합 교반한 후, 평균 입자 크기 70~80μm이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 13.6g/10min인 ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene) 파우더 30 중량부를 추가 혼합한 후 교반하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention includes a first step of preparing a carbon fiber nonwoven fabric; A second step of coating the carbon fiber nonwoven fabric with a conductive carbon black solution; A third step of coating a water repellent solution on the carbon fiber nonwoven fabric coated with the conductive carbon black solution; and a fourth step of forming a microporous layer on one surface of the water-repellent coated carbon fiber nonwoven fabric; wherein, the water-repellent solution in the third step contains 1800 to 2200 parts by weight of water or ultrapure water and 60 w/v% solid content. polytetrafluoroethylene (PTFE) with a melt flow index (MFR) of 3 to 5 g/10 min and PFA (polytetrafluoroethylene) with a melt flow index (MFR) of 13 to 16 g/10 min with a solid content of 50 w/v% ( Perfluoroalkoxy) in a ratio of 150 to 250 parts by weight of a fluorine-based polymer, and in the fourth step, 250 parts by weight of water or ultrapure water, 250 parts by weight of glycerin, and 70 parts by weight of conductive carbon black are mixed and stirred, and the average particle size is 70 to 80 μm It is characterized in that 30 parts by weight of ETFE (Ethylene tetrafluoroethylene) powder having a melt flow index (MFR) of 13.6 g / 10 min is additionally mixed and then stirred.

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또한 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 제조방법에서, 상기 제2 단계에서의 전도성 카본블랙 용액은, 물 300~700 중량부, 전도성 카본블랙 30~70중량부, 및 페놀 레진 80~120 중량부 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서는 전술한 연료전지용 기체확산층 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 기체확산층인 것을 특징으로 한다.
In addition, in the gas diffusion layer manufacturing method for a fuel cell according to the present invention, the conductive carbon black solution in the second step is 300 to 700 parts by weight of water, 30 to 70 parts by weight of conductive carbon black, and 80 to 120 parts by weight of phenol resin It is characterized in that it is mixed with.
In addition, the present invention is characterized in that it is a gas diffusion layer for a fuel cell manufactured by the above-described method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell.

본 발명의 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법에 의하면, 용융 흐름 지수가 상이한 2종 이상의 불소계 고분자물질을 발수재로 사용하고 또 미세다공성층 형성시 ETFE 파우더를 첨가함으로써 기체확산층 지지체(GDBL)와 미세다공성층(MPL)의 결합력이 개선되고 또 전기전도성이 우수한 연료전지용 기체확산층을 제조할 수 있다.According to the gas diffusion layer for a fuel cell and its manufacturing method of the present invention, two or more types of fluorine-based polymer materials having different melt flow indices are used as water repellent materials and ETFE powder is added when forming the microporous layer, thereby forming a gas diffusion layer support (GDBL) and a microporous layer. A gas diffusion layer for a fuel cell in which the bonding strength of the porous layer (MPL) is improved and the electrical conductivity is excellent can be manufactured.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기체확산층의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 접착력 테스트 기준을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas diffusion layer according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the adhesion test criteria.

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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and drawings of the present invention, but this is to explain in detail enough that a person having ordinary knowledge in the art to which the present invention belongs can easily practice the present invention. However, this does not mean that the technical spirit and scope of the present invention are limited.

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.In addition, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 기체확산층의 제조방법은, 탄소섬유 부직포를 준비하는 제1 단계, 상기 탄소섬유 부직포에 전도성 카본블랙 용액을 코팅하는 제2 단계, 상기 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포에 발수 용액을 코팅하는 제3 단계, 및 상기 발수 코팅된 탄소섬유 부직포 일면에 미세기공층을 형성시키는 제4 단계를 포함하여 구성된다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a gas diffusion layer according to the present invention includes a first step of preparing a carbon fiber nonwoven fabric, a second step of coating a conductive carbon black solution on the carbon fiber nonwoven fabric, and a coating of the conductive carbon black solution. It is configured to include a third step of coating a water repellent solution on the carbon fiber nonwoven fabric, and a fourth step of forming a microporous layer on one surface of the carbon fiber nonwoven fabric coated with water repellency.

먼저 제1 단계에서의 탄소 섬유 부직포는 유기용매에 탄소섬유 및 계면활성제를 혼합한 제1 혼합물과, 증점제, 바인더 및 물을 혼합하여 제2 혼합물을 준비하는 제1a 단계, 상기 제1a 단계에서 준비된 제1 혼합물과 제2 혼합물을 혼합하여 제3 혼합물을 준비하는 제1b 단계, 제1b 단계에서 준비된 제3 혼합물을 초음파 분산 처리하여 슬러리 상태의 원료 혼합물을 준비하는 제1c 단계, 상기 제1c 단계에서 준비된 원료 혼합물을 메쉬 밸트에 적층하는 제1d 단계, 메쉬 밸트에 적층된 원료 혼합물을 탈수하는 제1e 단계, 및 열풍 건조하는 제1f 단계를 포함하여 구성될 수 있다.First, the carbon fiber nonwoven fabric in the first step is prepared in step 1a of preparing a second mixture by mixing a first mixture in which carbon fibers and a surfactant are mixed in an organic solvent, a thickener, a binder, and water, and the prepared in step 1a. 1b step of preparing a third mixture by mixing the first mixture and the second mixture, 1c step of preparing a raw material mixture in a slurry state by subjecting the third mixture prepared in step 1b to ultrasonic dispersion treatment, and in step 1c It may include a 1d step of stacking the prepared raw material mixture on the mesh belt, a 1e step of dewatering the raw material mixture stacked on the mesh belt, and a 1f step of drying with hot air.

제1a 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.Step 1a is a step of preparing a first mixture and a second mixture, wherein the first mixture contains 1 to 5 parts by weight of an organic solvent, 0.1 to 1.0 parts by weight of carbon fiber, and a nonionic interface based on 10 to 15 parts by weight of water. After mixing 0.001 to 0.005 parts by weight of the activator, dissociation is performed at 1200 to 1800 RPM for 3 to 8 minutes.

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.Here, as the organic solvent, one or two or more organic solvents selected from organic solvents such as hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, aromatic chlorinated hydrocarbons, alcohols, aldehydes, ether esters, ketones, and glycol ethers may be used. Yes, preferably ethanol.

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.Carbon fibers are manufactured using polyacrylonitrile as a precursor, and it is preferable to chop them to have a length of 5 to 15 mm and a diameter of 1 to 10 μm, and it is more preferable not to apply a carbon fiber sizing agent such as epoxy resin. , This is to maintain dispersibility by minimizing surface tension in the solvent.

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. The second mixture is prepared by mixing 0.05 to 0.2 parts by weight of a thickener, 0.001 to 0.005 parts by weight of a binder, and 190 to 200 parts by weight of water. Here, the thickener is preferably carboxylmethyl cellulose.

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.The binder is preferably any one of polyvinyl alcohol (PVA), vinyl acetate (PVAC), and acrylate, and more preferably polyvinyl alcohol (PVA) having a length of 3 mm and a diameter of 2 μm. The second mixture composed of the above is stirred in a stirrer.

제1b 단계는 제1 혼합물과 제2 혼합물을 혼합하여 제3 혼합물을 준비하는 단계이다.Step 1b is a step of preparing a third mixture by mixing the first mixture and the second mixture.

제1c 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.Step 1c is a step of preparing a raw material mixture in a slurry state by treating the prepared third mixture with ultrasonic waves. Using ultrasonic waves, it is possible to obtain a carbon fiber nonwoven fabric having uniform thickness, air permeability, and excellent electrical conductivity because carbon fibers are evenly dispersed throughout the mixture even when a small amount of thickener is added. Here, the ultrasonic wave is preferably adjusted to 20 to 200 kHz.

제1d 단계는 준비된 슬러리 상태의 원료 혼합물을 메쉬 밸트에 적층하는 단계로서, 일정 속도로 이동하고 있는 메쉬 밸트 상부로 원료 혼합물을 분사한다. Step 1d is a step of stacking the prepared slurry-state raw material mixture on the mesh belt, and spraying the raw material mixture onto the mesh belt moving at a constant speed.

제1e 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.Step 1e is a step of dewatering the raw material mixture stacked on the mesh belt, and may include a first dehydration step and a second dehydration step. Specifically, in the first dehydration step, the moment the raw material mixture is stacked on the mesh belt, dehydration is performed under reduced pressure from the lower surface of the mesh belt. Through this, the load applied to the mesh belt can be reduced, thereby reducing the maintenance cost of the device. Since the fibers are bonded by dehydration, even if the mesh belt moves at a slight incline, the layered raw material slurry mixture is maintained as it is, and a filter having a uniform thickness can be obtained.

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.The second dehydration step is a step of further lowering the moisture of the first dewatered raw material slurry mixture and at the same time inducing more dense bonding between the fibers. desirable.

제1f 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.Step 1f is a step of hot air drying, which is a step of completely drying some remaining moisture. It is preferable to dry with hot air in a drying device maintained at a temperature of 100 to 150 ° C, and to dry once more at 200 to 300 ° C. more preferable

제1 단계에서 준비된 탄소섬유 부직포에 전도성 카본블랙 용액을 코팅하는 제2 단계는 탄소 섬유간의 결합력을 높여 전기전도성을 향상시키기 위한 단계이다.The second step of coating the conductive carbon black solution on the carbon fiber nonwoven fabric prepared in the first step is a step for improving electrical conductivity by increasing the bonding force between carbon fibers.

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 탄소 섬유 부직포의 두께 방향으로의 탄소 섬유간 결합력 향상시켜 전기전도도가 높아질 수 있도록 전도성 카본블랙 용액을 코팅한다.The carbon fiber nonwoven fabric obtained through the above-described process has a thickness of about 200 to 300 μm, but in the thickness direction, the bonding strength between carbon fibers may be insufficient, so it is difficult to expect sufficient electrical conductivity. Therefore, in the thickness direction of the carbon fiber nonwoven fabric Conductive carbon black solution is coated to increase the electrical conductivity by improving the bonding force between the carbon fibers.

전도성 카본블랙 용액은, 물, 전도성 카본블랙 및 페놀 레진을 투입하여 1차 슬러리 혼합물을 제조하는 제2a 단계, 및 균질화하는 제2b 단계를 포함하여 구성된다.The conductive carbon black solution includes a step 2a of preparing a primary slurry mixture by introducing water, conductive carbon black, and a phenol resin, and a step 2b of homogenizing.

구체적으로, 1차 슬러리 혼합물을 제조하는 제2a 단계에서는 물 300~700 중량부, 전도성 카본블랙 30~70 중량부 및 페놀 레진 80~120 중량부 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.Specifically, in step 2a of preparing the primary slurry mixture, 300 to 700 parts by weight of water, 30 to 70 parts by weight of conductive carbon black, and 80 to 120 parts by weight of phenol resin are preferably mixed.

전도성 카본블랙은 입자 크기가 10~50nm이고 비표면적이 150~270㎡/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.The conductive carbon black has a particle size of 10 to 50 nm and a specific surface area of 150 to 270 m/g, and is not particularly limited, such as commonly known conductive carbon black or conductive carbon black made by thermal decomposition of acetylene gas. For example, Cabot's Vulcan, Mitsubishi Chemicl's ketchen black, Denka's Denka black, Birla Carbon's Conductex, etc. may be used.

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.Phenol resin functions as a binder to improve the dispersibility of carbon black when preparing a conductive carbon black solution and to improve the bonding force between carbon fibers when impregnating a carbon fiber nonwoven fabric. These phenolic resins can be classified into novolak-based and resol-based depending on the basic structure of phenol. Resin and resol type phenol resin are used together.

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. That is, resol-based phenolic resin can improve electrical conductivity through hardening reaction and cyclization reaction during high-temperature sintering, but after sintering, the material, that is, the gas diffusion layer support becomes brittle and the bending stiffness is lowered. Novolak-based phenolic resins have somewhat poor electrical conductivity due to insufficient hardening and cyclization reactions compared to resol-based phenolic resins during high-temperature sintering, but they can contribute to stabilizing the dispersion of conductive black carbon. There is an effect of improving the bending strength of the gas diffusion layer support by controlling excessive cyclization of the resol-based phenolic resin.

이때, 총 페놀 레진 중에서 레졸(resol)계 페놀레진과 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 9:1~4:6 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the resol-based phenolic resin and the novolak-based phenolic resin are mixed in a weight ratio of 9:1 to 4:6 among the total phenolic resins.

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.In addition, the weight average molecular weight of the Resol-based phenolic resin is preferably Mw 3,000 to 4,000 g/mol, and the Novolak-based phenolic resin has a weight average molecular weight Mw of 1,000 to 2,000 g/mol.

균질화하는 제2b 단계는 준비된 1차 슬러리 혼합물을 마쇄하는 단계로서, 마멸분쇄기(Attrition Mill) 등을 사용한 습식 밀링을 통해 전도성 카본블랙의 분산성을 극대화한다.Step 2b of homogenization is a step of grinding the prepared primary slurry mixture, maximizing the dispersibility of the conductive carbon black through wet milling using an attrition mill or the like.

한편, 준비된 전도성 카본블랙 용액을 탄소섬유 부직포에 코팅할 시에는, 탄소 섬유 부직포의 상하부 표면이나 기공 사이로 전도성 카본블랙이 부착될 수 있도록 전도성 카본블랙 용액에 탄소섬유 부직포를 담그었다가 끄집어는 과정(이하 함침이라 함)을 통해 코팅시킬 수 있다.On the other hand, when the prepared conductive carbon black solution is coated on the carbon fiber nonwoven fabric, the process of immersing the carbon fiber nonwoven fabric in the conductive carbon black solution so that the conductive carbon black can be attached between the upper and lower surfaces or pores of the carbon fiber nonwoven fabric ( It can be coated through impregnation).

여기서, 전도성 카본블랙이 함침된 상태의 탄소섬유 부직포는 1회 이상 압착과정이 더 수행될 수 있고, 이는 잉여분의 카본블랙 용액을 제거하기 위함이다.Here, the carbon fiber nonwoven fabric impregnated with conductive carbon black may be further subjected to a compression process one or more times, which is to remove excess carbon black solution.

또 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포는 70~150℃ 온도 범위에서 5~40분간 열풍건조한 후 1회 이상 열처리과정이 진행되며, 이때 150~250℃에서 5~20분간의 1차 열처리 이후에 Ar 가스 분위기 및 1400~1600℃ 온도에서 5~40분간의 2차 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. In addition, the carbon fiber nonwoven fabric coated with the conductive carbon black solution is dried with hot air for 5 to 40 minutes in the temperature range of 70 to 150 ° C, and then subjected to one or more heat treatment processes. At this time, after the first heat treatment at 150 to 250 ° C for 5 to 20 minutes It is preferable to perform a secondary heat treatment for 5 to 40 minutes in an Ar gas atmosphere and at a temperature of 1400 to 1600 ° C.

제3 단계는 탄소섬유 부직포에 소수성을 부여하기 위한 단계로서, 소수성 물질의 고분자가 포함된 발수 용액을 탄소섬유 부직포에 코팅시키는 단계이다.The third step is to impart hydrophobicity to the carbon fiber nonwoven fabric, and is a step of coating the carbon fiber nonwoven fabric with a water-repellent solution containing a polymer of hydrophobic material.

이러한 발수 용액은 물 또는 초순수 1800~2200 중량부에 대해 150~250 중량부 비율로 불소계 고분자가 혼합될 수 있다.The water repellent solution may be mixed with a fluorine-based polymer in an amount of 150 to 250 parts by weight based on 1800 to 2200 parts by weight of water or ultrapure water.

이때 불소계 고분자로는 PTFE(polytetrafluoroethylene), FEP (Fluorinated ethylene propylene), PFA(Perfluoroalkoxy), ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene)를 사용할 수 있는데, PTFE(polytetrafluoroethylene)와, FEP (Fluorinated ethylene propylene), PFA(Perfluoroalkoxy) 및 ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene) 중 어느 하나 이상의 물질이 함께 혼합되는 것이 바람직하고, 기체확산층 지지체(GDBL)과 미세기공층(MPL)의 우수한 접착력과 높은 전기전도성을 동시에 만족시킬 수 있도록 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 PFA(Perfluoroalkoxy)가 혼합되는 것이 보다 바람직하고, 고형분 함량이 60w/v%이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 3~5g/10min인 PTFE(polytetrafluoroethylene) 수분산액과 고형분 함량이 50w/v%이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 13~16g/10min인 PFA(Perfluoroalkoxy) 수분산액이 혼합되어 PTFE 고형분과 PFA 고형분이 1:0.4 내지 1:1.1 중량부 비율을 만족하는 것이 가장 바람직하다.At this time, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (Fluorinated ethylene propylene), PFA (Perfluoroalkoxy), ETFE (Ethylene tetrafluoroethylene) can be used as the fluorinated polymer. PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (Fluorinated ethylene propylene), PFA (Perfluoroalkoxy) It is preferable to mix one or more materials of ETFE (Ethylene tetrafluoroethylene) together, and PTFE (polytetrafluoroethylene) and PFA to simultaneously satisfy excellent adhesion and high electrical conductivity of the gas diffusion layer support (GDBL) and the microporous layer (MPL) (Perfluoroalkoxy) is more preferable, and a polytetrafluoroethylene (PTFE) aqueous dispersion having a solid content of 60 w/v% and a melt flow index (MFR) of 3 to 5 g/10 min and a solid content of 50 w/v% It is most preferable that a perfluoroalkoxy (PFA) aqueous dispersion having a melt flow index (MFR) of 13 to 16 g/10 min is mixed to satisfy a weight part ratio of 1:0.4 to 1:1.1 for the solid content of PTFE and the solid content of PFA. .

만약 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 PFA(Perfluoroalkoxy)의 용융 흐름 지수 또는 이들 물질의 혼합 비율이 상기 범위를 벗어날 시에는 기체확산층 지지체(GDBL)과 미세기공층(MPL)의 결합력이 개선되지 않거나, 최종적으로 제조된 기체확산층(GDL)의 전기전도성이 떨어져 연료전지의 성능 저하를 초래한다.If the melt flow index of PTFE (polytetrafluoroethylene) and PFA (perfluoroalkoxy) or the mixing ratio of these materials is out of the above range, the bonding strength between the gas diffusion layer support (GDBL) and the microporous layer (MPL) is not improved, or the final manufacturing The electrical conductivity of the gas diffusion layer (GDL) is lowered, resulting in deterioration in the performance of the fuel cell.

전도성 카본블랙 용액을 코팅할 때와 동일하게 카본블랙 용액이 코팅된 상태의 탄소섬유 부직포를 발수 용액이 담겨 있는 용기에 담그었다가 끄집어 낸 후, 110~130℃에서 20~40분 건조시킨 후, 320~380℃에서 15~25분간 열처리함으로써, 탄소섬유 부직포에 전도성 카본블랙과 발수재가 코팅된 기체확산층 지지체(GDBL)가 얻어진다.As in the case of coating the conductive carbon black solution, the carbon fiber nonwoven fabric coated with the carbon black solution is immersed in a container containing a water repellent solution, taken out, dried at 110 to 130 ° C for 20 to 40 minutes, By heat treatment at 320 to 380 ° C. for 15 to 25 minutes, a gas diffusion layer support (GDBL) coated with conductive carbon black and a water repellent material on a carbon fiber nonwoven fabric is obtained.

제4 단계는 전술한 제1 단계 내지 제3 단계를 통해 얻어진 기체확산층 지지체(GDBL)에 미세기공층(MPL)을 형성시키는 단계이다.A fourth step is a step of forming a microporous layer (MPL) on the gas diffusion layer support (GDBL) obtained through the above-described first to third steps.

미세기공층(MPL)을 형성을 위한 용액은, 전도성 카본블랙 50~100 중량부, 물 또는 초순수 220~280 중량부, 글리세린 220~280 중량부를 준비한 후, 고점도용 혼합 믹서(Planetary Mixer)를 이용하여 45~55RPM으로 9~11시간 정도 혼합하여 고점도의 제1 슬러리를 준비하는 제4a 단계, 및 제1 슬러리에 ETFE 파우더 25~35 중량부를 투입한 후 45~55RPM으로 9~11시간 정도 다시 혼합하는 제4b 단계를 통해 미세기공형성용 용액을 준비할 수 있다. The solution for forming the microporous layer (MPL) is prepared by preparing 50 to 100 parts by weight of conductive carbon black, 220 to 280 parts by weight of water or ultrapure water, and 220 to 280 parts by weight of glycerin, and then using a planetary mixer for high viscosity. 4a step of preparing a high-viscosity first slurry by mixing at 45 to 55 RPM for 9 to 11 hours, and adding 25 to 35 parts by weight of ETFE powder to the first slurry, and mixing again at 45 to 55 RPM for 9 to 11 hours A solution for forming micropores may be prepared through step 4b of doing.

여기서, 제4a 단계와 제4b 단계로 구분하여 혼합하는 이유는, 전도성 카본블랙과 ETFE 파우더를 동시에 혼합할 시에는 ETFE 파우더의 이형성으로 인하여 전도성 카본블랙의 분산에 지나치게 많은 시간이 소요되기 때문이다.Here, the reason for separately mixing step 4a and step 4b is that when the conductive carbon black and the ETFE powder are simultaneously mixed, it takes too much time to disperse the conductive carbon black due to the releasability of the ETFE powder.

전도성 카본블랙은 평균입자크기 48nm이며 비표면적이 39㎡/g인 Denka社 Li400제품을 사용할 수 있고, ETFE재질의 파우더(DAIKIN ETFE powder EC-6510)는 평균 입자 크기 75μm, 밀도 0.75g/ml 및 MFR 13.6g/10min인 물성을 갖고 있다.For the conductive carbon black, Denka's Li400 product with an average particle size of 48 nm and a specific surface area of 39 m2/g can be used, and ETFE powder (DAIKIN ETFE powder EC-6510) has an average particle size of 75 μm and a density of 0.75 g/ml. It has a physical property of MFR 13.6g/10min.

기체확산층 지지체(GDBL)에 미세기공형성용 용액을 도포할 시에는 Micro Film Applicator와 자동도공기(core tech CT-AF300)를 이용하여 도막두께가 0.2mm가 되도록 도포하며, 이후 110~130℃에서 25~35분간 건조, 및 330~370℃에서 15~25분간 열처리하여, 미세기공층(MPL)이 일면에 형성된 기체확산층(GDL)이 제조되어진다.When applying the solution for forming micropores on the gas diffusion layer support (GDBL), use a Micro Film Applicator and an automatic coating machine (core tech CT-AF300) to apply the solution so that the film thickness is 0.2 mm, and then at 110 to 130 ° C. Drying for 25 to 35 minutes, and heat treatment at 330 to 370 ° C. for 15 to 25 minutes, a gas diffusion layer (GDL) having a microporous layer (MPL) formed on one surface is prepared.

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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and experimental examples. However, these examples are only for helping the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any sense.

실시예Example

(1) 탄소 섬유 부직포 제조(1) Manufacture of carbon fiber non-woven fabric

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 진행하였다.A carbon fiber nonwoven fabric was prepared as follows. After mixing 10 kg of water with 2 kg of ethanol, 0.45 kg of carbon fiber having a length of 5 to 7 mm and 0.0025 kg of a nonionic surfactant were mixed to prepare a first mixture, and dissociation was performed at 1500 RPM for 5 minutes.

이와는 별도로 카르복실메틸셀룰로우즈 2kg, PVA 0.05kg 및 물 2000kg을 혼합하여, 제2 혼합물을 준비하였다.Separately, a second mixture was prepared by mixing 2 kg of carboxylmethylcellulose, 0.05 kg of PVA, and 2000 kg of water.

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.After mixing the first mixture and the second mixture, after stirring at 800 RPM for 10 minutes, ultrasonic waves were applied at 160 kHz for 5 minutes, and then the prepared raw material mixture was laminated on a microfiber mesh belt conveying at 30 m/min. The moment the raw material mixture is laminated on the mesh belt, the first dehydration is performed under a vacuum pressure of 10 cmHg, and the second dehydration is performed under a vacuum pressure of 30 cmHg, followed by primary drying at 150 ° C and secondary drying at 250 ° C, resulting in an average thickness of 250 μm. And a carbon fiber nonwoven fabric having a basis weight of 30 g / m 2 was prepared.

(2) 전도성 카본블랙 용액 코팅(2) conductive carbon black solution coating

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.The conductive carbon black solution was prepared by mixing 500 g of water, 50 g of conductive carbon black, 70 g of Resol-based phenolic resin with a solid content of 60 w/v%, and Novolak with a solid content of 60 w/v% in an Attrition Mill with a capacity of 3 L. After adding 30 g of )-based phenol resin, the mixture was stirred at 300 rpm for 30 minutes to prepare a primary slurry mixture.

이때, 전도성 카본블랙은 평균입자크기 30nm, 비표면적 254㎡/g인 Cabot社 Vulcan XC 72R제품을 사용하였고, 레졸(Resol)계 페놀 레진은 중량평균분자량 3,511g/mol, 노볼락(Novolak)계 페놀레진은 중량평균분자량 Mw 1,110g/mol이다.At this time, the conductive carbon black was Cabot's Vulcan XC 72R product with an average particle size of 30 nm and a specific surface area of 254 m2/g, and the Resol-based phenolic resin had a weight average molecular weight of 3,511 g/mol and a Novolak-based Phenol resin has a weight average molecular weight Mw of 1,110 g/mol.

이후 1차 슬러리 혼합물에 직경이 0.8mm 지르코니아 Ball을 주입한 후, 진공 분위기하에서 500rpm으로 약 5시간 동안 고속 교반하여 전도성 카본블랙 용액을 제조하였고, 얻어진 전도성 카본블랙 용액은 Brook Field 점도계로 측정하였을 시 점도 65cps,(Spindle 61, 20RPM), 입도제타전위 분석기(ELSZ-2000, 오츠카전자)에 의한 입자크기는 D50 350nm, 및 제타전위 -37mV였다.Then, after injecting a zirconia ball with a diameter of 0.8 mm into the primary slurry mixture, the conductive carbon black solution was prepared by high-speed stirring at 500 rpm for about 5 hours in a vacuum atmosphere, and the obtained conductive carbon black solution was measured with a Brook Field viscometer. The viscosity was 65 cps, (Spindle 61, 20 RPM), the particle size by the particle size zeta potential analyzer (ELSZ-2000, Otsuka Electronics) was D50 350 nm, and the zeta potential was -37 mV.

상기와 같은 과정을 통해 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. 그리고 나서 120℃에서 30분간 건조, 170℃에서 10분간 1차 열처리, 및 1500℃에서 30분간 2차 열처리를 순차적으로 진행하였다.The carbon fiber nonwoven fabric was coated with the conductive carbon black solution prepared through the above process. That is, after the carbon fiber nonwoven fabric was immersed in the reaction tank containing the conductive carbon black solution once and taken out, a compression process was performed at a pressure of 80 kPa to remove the excess conductive carbon black solution. Then, drying at 120 ° C. for 30 minutes, first heat treatment at 170 ° C. for 10 minutes, and second heat treatment at 1500 ° C. for 30 minutes were sequentially performed.

(3) 발수 용액 코팅(3) Water-repellent solution coating

전도성 카본블랙이 코팅된 탄소 섬유 부직포를 발수 용액에 담그었다가 빼낸 후, 120℃에서 30분간 건조, 및 350℃에서 20분간 열처리하여 표면이 발수 처리된 기체확산층 지지체(GDBL)를 제조하였다.A carbon fiber nonwoven fabric coated with conductive carbon black was immersed in a water-repellent solution and pulled out, dried at 120° C. for 30 minutes, and heat-treated at 350° C. for 20 minutes to prepare a gas diffusion layer support (GDBL) having a water-repellent surface.

이때 발수 용액은 초순수 2000g에 PTFE(polytetrafluoroethylene) 수분산액 100g(고형분 함량 60w/v% MFR 4g/10min), PFA(Perfluoroalkoxy) 수분산액 100g(고형분 함량 50w/v%, MFR 15g/10min)을 혼합하여 준비하였다.At this time, the water repellent solution is obtained by mixing 2000 g of ultrapure water with 100 g of PTFE (polytetrafluoroethylene) aqueous dispersion (solid content of 60 w/v%, MFR of 4 g/10 min) and 100 g of PFA (Perfluoroalkoxy) aqueous dispersion (solid content of 50 w/v%, MFR of 15 g/10 min). prepared.

(4) 미세기공층 형성(4) Formation of microporous layer

전술한 과정을 통해 얻어진 발수 처리된 기체확산층 지지체(GDBL) 일면에 미세기공형성용 용액을 도포함으로써 미세기공층(MPL)이 형성된 기체확산층(GDL)을 제조하였다.A gas diffusion layer (GDL) having a microporous layer (MPL) was prepared by applying a solution for forming micropores on one surface of the gas diffusion layer support (GDBL) obtained through the above-described water-repellent treatment.

미세기공층 형성용 용액은 초순수 250g에 평균입자크기 48nm이며 비표면적이 39㎡/g인 Denka社 Li400제품인 전도성 카본블랙 70g과 글리세린 250g을 투입한 후 고점도용 혼합 믹서(산업용 Planetary Mixer)로 50RPM에서 10시간 교반하여 고점도 슬러리를 준비하였다. For the solution for forming the microporous layer, 70 g of conductive carbon black, a product of Denka's Li400 with an average particle size of 48 nm and a specific surface area of 39 m2/g, and 250 g of glycerin were added to 250 g of ultrapure water, and then mixed at 50 RPM with a high-viscosity mixing mixer (industrial Planetary Mixer). A high-viscosity slurry was prepared by stirring for 10 hours.

이후 ETFE재질의 파우더 30g을 투입한 후 다시 50RPM에서 10시간 추가로 교반하여 제조하였다.Thereafter, 30 g of powder made of ETFE was added and stirred at 50 RPM for 10 hours.

여기서, ETFE재질의 파우더(DAIKIN ETFE powder EC-6510)는 평균 입자 크기 75μm, 밀도 0.75g/ml 및 MFR 13.6g/10min인 물성을 갖고 있다.Here, the ETFE powder (DAIKIN ETFE powder EC-6510) has physical properties of average particle size of 75 μm, density of 0.75 g/ml, and MFR of 13.6 g/10 min.

기체확산층 지지체(GDBL) 일면에 미세기공형성용 용액 도포 시에는 Micro Film Applicator와 자동도공기(core tech CT-AF300)를 이용하여 도막두께가 0.2mm가 되도록 도포하였고, 이후 120℃에서 30분간 건조, 350℃에서 20분간 열처리하였다.When applying the solution for forming micropores on one side of the gas diffusion layer support (GDBL), it was applied so that the film thickness was 0.2 mm using a Micro Film Applicator and an automatic coating machine (core tech CT-AF300), and then dried at 120 ° C for 30 minutes. , heat treatment at 350 ° C. for 20 minutes.

비교예 1Comparative Example 1

미세기공형성용 용액 제조시, ETFE 파우더의 첨가량을 10g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예와 동일한 조건으로 기체확산층(GDL)을 제조하였다.When preparing the solution for forming micropores, a gas diffusion layer (GDL) was prepared under the same conditions as in Example except that the amount of ETFE powder was changed to 10 g.

비교예 2Comparative Example 2

미세기공형성용 용액 제조시, ETFE 파우더의 첨가량을 20g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예와 동일한 조건으로 기체확산층(GDL)을 제조하였다.When preparing the solution for forming micropores, a gas diffusion layer (GDL) was prepared under the same conditions as in Example except that the amount of ETFE powder was changed to 20 g.

비교예 3Comparative Example 3

미세기공형성용 용액 제조시, 전도성 카본블랙 75g 및 ETFE 파우더의 첨가량을 65g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예와 동일한 조건으로 기체확산층(GDL)을 제조하였다.When preparing the solution for forming micropores, a gas diffusion layer (GDL) was prepared under the same conditions as in Example except for changing the addition amounts of 75 g of conductive carbon black and ETFE powder to 65 g.

비교예 4Comparative Example 4

미세기공형성용 용액 제조시, 전도성 카본블랙 75g 및 ETFE 파우더의 첨가량을 70g으로 변경한 것을 제외하고 나머지는 실시예와 동일한 조건으로 기체확산층(GDL)을 제조하였다.When preparing the solution for forming micropores, a gas diffusion layer (GDL) was prepared under the same conditions as in Example except that the addition amounts of 75 g of conductive carbon black and ETFE powder were changed to 70 g.

비교예 5Comparative Example 5

현재 시판되고 있는 A사의 기체확산층(GDL)이다.It is a gas diffusion layer (GDL) from company A that is currently on the market.

비교예 6Comparative Example 6

현재 시판되고 있는 B사의 기체확산층(GDL)이다.It is the gas diffusion layer (GDL) of company B that is currently on the market.

조성Furtherance 실시예Example 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비교예 4Comparative Example 4 비교예 5Comparative Example 5 비교예 6Comparative Example 6 초순수(g)ultrapure water (g) 250250 250250 250250 250250 250250 -- -- 카본블랙(g)Carbon black (g) 7070 7070 7070 7575 7575 -- -- 글리세린(g)Glycerin (g) 250250 250250 250250 250250 250250 -- -- ETFE(g)ETFE (g) 3030 1010 2020 6565 7070 -- -- ETFE(g) 함량(%)ETFE (g) content (%) 55 1.71.7 3.43.4 10.110.1 10.810.8 -- --

실험예Experimental example

실시예 및 비교예의 조건으로 준비한 기체확산층(GDL)의 전기저항 및, 기체확산층 지지체(GDBL)와 미세기공층(MPL) 사이의 접착력을 평가하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. The electrical resistance of the gas diffusion layer (GDL) prepared under the conditions of Example and Comparative Example and the adhesive force between the gas diffusion layer support (GDBL) and the microporous layer (MPL) were evaluated, and the results are shown in Table 1.

전기저항(electric resistance)은 기체확산층(GDL)에 1 Mpa의 압력을 가한 상태에서 두께방향으로의 전기저항을 측정하였다(TSURUGA, AC mΩ Meter, MODEL 3566).Electrical resistance was measured in the thickness direction in a state where a pressure of 1 Mpa was applied to the gas diffusion layer (GDL) (TSURUGA, AC mΩ Meter, MODEL 3566).

접착력 테스트는 도 2와 같이 도장접착력 테스트(국제규격 ASTM 03359-83-Mmthod A)에 따라 평가하였으며, 접착력 판정은 접착력 테스트 테이프(3M #610)로 제거된 면적을 비교하여 판정하였다.The adhesion test was evaluated according to the paint adhesion test (international standard ASTM 03359-83-Mmthod A) as shown in FIG. 2, and the adhesion test was determined by comparing the area removed with the adhesive test tape (3M #610).

미세기공형성용 용액으로, 초순수 250g, 전도성 카본블랙 70g 및 글리세린 250g에 MFR 13.6g/10min인 ETFE재질의 파우더 30g을 혼합하여 제조된 기체확산층(GDL)의 전기저항은 12mΩ/㎠, 이때의 접착력은 3A인 것으로 측정되었다. As a solution for forming micropores, the gas diffusion layer (GDL) prepared by mixing 30 g of ETFE powder with an MFR of 13.6 g/10 min in 250 g of ultrapure water, 70 g of conductive carbon black, and 250 g of glycerin has an electrical resistance of 12 mΩ/cm 2 and adhesive strength at this time. was determined to be 3A.

반면 MFR 13.6g/10min인 ETFE재질의 파우더 10g 혼합한 비교예 1에 따라 제조된 기체확산층(GDL)의 전기저항 10mΩ/㎠로 우수하지만 접착력은 1A에 불과하였다.On the other hand, the electrical resistance of the gas diffusion layer (GDL) prepared according to Comparative Example 1 in which 10 g of ETFE powder with an MFR of 13.6 g/10 min was mixed was excellent at 10 mΩ/cm 2 , but the adhesive strength was only 1 A.

또한 MFR 13.6g/10min인 ETFE재질의 파우더 20g 혼합한 비교예 2 및 65g 혼합한 비교예 3에 따라 제조된 기체확산층(GDL)의 전기저항은 12~14mΩ/㎠로 우수하지만 접착력은 2A로서 충분한 접착력을 기대하기 어렵다.In addition, the electrical resistance of the gas diffusion layer (GDL) prepared according to Comparative Example 2 in which 20 g of ETFE powder with an MFR of 13.6 g / 10 min was mixed and Comparative Example 3 in which 65 g was mixed was excellent at 12 to 14 mΩ / cm 2, but the adhesive strength was 2A, which is sufficient Adhesion is difficult to expect.

게다가 MFR 13.6g/10min인 ETFE재질의 파우더 70g 혼합한 비교예 4에 따라 제조된 기체확산층(GDL)의 전기저항과 접착력은 각각 15mΩ/㎠ 및 1A에 불과하였다.In addition, the electrical resistance and adhesive strength of the gas diffusion layer (GDL) prepared according to Comparative Example 4 in which 70 g of ETFE powder having an MFR of 13.6 g/10 min was mixed were only 15 mΩ/cm 2 and 1 A, respectively.

한편 현재 시판중인 A사의 기체확산층(GDL)은 전기저항은 20mΩ/㎠이며 접착력은 1A에 불과하였고(비교예 5), B사의 기체확산층(GDL)은 전기저항은 17mΩ/㎠로 비교적 양호하였으나, 접착력은 2A에 불과하였다(비교예 6).On the other hand, the gas diffusion layer (GDL) of company A currently on the market had an electrical resistance of 20 mΩ/cm 2 and adhesive strength of only 1 A (Comparative Example 5), and the gas diffusion layer (GDL) of company B had a relatively good electrical resistance of 17 mΩ/cm 2 , The adhesive strength was only 2A (Comparative Example 6).

이상의 결과들로 미세기공형성용 용액 제조시, 초순수 250g, 전도성 카본블랙 70g 및 글리세린 250g에 MFR 13.6g/10min인 ETFE재질의 파우더 30g 혼합함으로써, 전기전도성이 우수하면서도 기체확산층 지지체(GDBL)와 미세기공층(MPL)의 접착력이 개선된 기체확산층(GDL)을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.As a result of the above results, when preparing a solution for forming micropores, by mixing 30g of ETFE powder with an MFR of 13.6g/10min in 250g of ultrapure water, 70g of conductive carbon black and 250g of glycerin, It can be confirmed that the gas diffusion layer (GDL) having improved adhesion of the porous layer (MPL) can be obtained.

ETFE 파우더 첨가량(g)Amount of ETFE powder added (g) ETFE(g) 함량
(%)
ETFE (g) content
(%)
두께방향 전기저항
(mΩ/㎠, 1Map)
electrical resistance in the thickness direction
(mΩ/cm2, 1Map)
접착력adhesion
실시예Example 3030 55 1212 3A3A 비교예 1Comparative Example 1 1010 1.71.7 1010 1A1A 비교예 2Comparative Example 2 2020 3.43.4 1212 2A2A 비교예 3Comparative Example 3 6565 10.110.1 1414 2A2A 비교예 4Comparative Example 4 7070 10.810.8 1515 1A1A 비교예 5Comparative Example 5 -- -- 2020 1A1A 비교예 6Comparative Example 6 -- -- 1717 2A2A

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.So far, the present invention has been looked at with respect to its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 탄소섬유 부직포를 준비하는 제1 단계;
상기 탄소섬유 부직포에 전도성 카본블랙 용액을 코팅하는 제2 단계;
상기 전도성 카본블랙 용액이 코팅된 탄소섬유 부직포에 발수 용액을 코팅하는 제3 단계; 및
상기 발수 코팅된 탄소섬유 부직포 일면에 미세기공층을 형성시키는 제4 단계;를 포함하되,
상기 제3 단계에서의 발수 용액에는 물 또는 초순수 1800~2200중량부, 및 고형분 함량이 60w/v%이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 3~5g/10min인 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 고형분 함량이 50w/v%이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 13~16g/10min인 PFA(Perfluoroalkoxy)로 이루어진 불소계 고분자 150~250 중량부 비율로 혼합되고,
상기 제4 단계에서는 물 또는 초순수 250 중량부, 글리세린 250 중량부 및 전도성 카본블랙 70 중량부를 혼합 교반한 후, 평균 입자 크기 70~80μm이면서 용융 흐름 지수(MFR, Melt Flow Index)가 13.6g/10min인 ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene) 파우더 30 중량부를 추가 혼합한 후 교반하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 제조방법.
A first step of preparing a carbon fiber nonwoven fabric;
A second step of coating the carbon fiber nonwoven fabric with a conductive carbon black solution;
A third step of coating a water repellent solution on the carbon fiber nonwoven fabric coated with the conductive carbon black solution; and
A fourth step of forming a microporous layer on one surface of the water-repellent coated carbon fiber nonwoven fabric; including,
In the water repellent solution in the third step, 1800 to 2200 parts by weight of water or ultrapure water, polytetrafluoroethylene (PTFE) having a solid content of 60 w / v% and a melt flow index (MFR) of 3 to 5 g / 10 min, and solid content It is mixed in a ratio of 150 to 250 parts by weight of a fluorine-based polymer made of PFA (Perfluoroalkoxy) having a melt flow index (MFR) of 13 to 16 g / 10 min with a content of 50 w / v%,
In the fourth step, after mixing and stirring 250 parts by weight of water or ultrapure water, 250 parts by weight of glycerin, and 70 parts by weight of conductive carbon black, the average particle size is 70 to 80 μm and the melt flow index (MFR, Melt Flow Index) is 13.6g/10min A gas diffusion layer manufacturing method for a fuel cell, characterized in that 30 parts by weight of phosphorus ETFE (Ethylene tetrafluoroethylene) powder is additionally mixed and then stirred.
제5항에 있어서,
상기 제2 단계에서의 전도성 카본블랙 용액은, 물 300~700 중량부, 전도성 카본블랙 30~70중량부, 및 페놀 레진 80~120 중량부 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 제조방법.
According to claim 5,
The conductive carbon black solution in the second step is mixed in a ratio of 300 to 700 parts by weight of water, 30 to 70 parts by weight of conductive carbon black, and 80 to 120 parts by weight of phenol resin Method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell .
제5항 또는 제6항의 연료전지용 기체확산층 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 기체확산층. A gas diffusion layer for a fuel cell manufactured by the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 5 or 6. 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003242986A (en) * 2002-02-20 2003-08-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Manufacturing method of fuel cell electrode
KR20160124097A (en) * 2014-02-24 2016-10-26 도레이 카부시키가이샤 Gas diffusion electrode substrate, and membrane electrode assembly and fuel cell equipped with same
KR20210087825A (en) 2020-01-03 2021-07-13 주식회사 제이앤티지 Microporous layer used for fuel cell, gas diffusion layer comprising the same and fuel cell comprising the same

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