KR102683379B1 - A microporous layer coating solution for fuel cell and gas diffusion layer using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증류수, 카본블랙 및 분산제가 혼합된 혼합물을 3롤밀을 이용하여 분산시켜 형성하되, 3롤밀은, 롤러 간의 간격은 40 내지 80㎛, 롤러의 선속도는 800 내지 2000mm/s의 범위 내로 설정되고, 설정된 범위 내에서 혼합물을 분산시키는 연료전지 미세 기공층 코팅액을 제공한다.The present invention is formed by dispersing a mixture of distilled water, carbon black, and a dispersant using a 3-roll mill. In the 3-roll mill, the spacing between rollers is 40 to 80㎛, and the linear speed of the rollers is in the range of 800 to 2000 mm/s. Provides a fuel cell microporous layer coating solution that is set and disperses the mixture within a set range.

Description

연료전지 미세기공층 코팅액 및 이를 이용한 가스확산층{A MICROPOROUS LAYER COATING SOLUTION FOR FUEL CELL AND GAS DIFFUSION LAYER USING THE SAME}Fuel cell microporous layer coating solution and gas diffusion layer using the same {A MICROPOROUS LAYER COATING SOLUTION FOR FUEL CELL AND GAS DIFFUSION LAYER USING THE SAME}

본 발명은 연료전지 미세기공층 코팅액 및 이를 이용한 가스확산층에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell microporous layer coating solution and a gas diffusion layer using the same.

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 electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. It has the advantage of being environmentally friendly and having very high power generation efficiency because it directly produces electricity without burning fuel.

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

이와 같은 연료전지의 발전원리는, 애노드에 공급된 수소가 가스확산층을 통과하여 촉매층에서 촉매작용에 의해 수소이온(양이온)과 전자로 분리되고, 수소이온(양이온)은 전해질층을 통과하여 캐소드로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해서 캐소드로 이동하면서 전류가 발생된다. The power generation principle of this fuel cell is that the hydrogen supplied to the anode passes through the gas diffusion layer and is separated into hydrogen ions (cations) and electrons by catalytic action in the catalyst layer, and the hydrogen ions (cations) pass through the electrolyte layer to the cathode. As the electrons move to the cathode through an external circuit, a current is generated.

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

이러한 연료전지의 구성 중 가스확산층은 산소나 수소를 촉매층으로 균일하게 확산시켜 공급하고, 물을 잘 배출하는 특성이 필요하다.Among the components of such a fuel cell, the gas diffusion layer must have the characteristics of uniformly diffusing and supplying oxygen or hydrogen to the catalyst layer and discharging water well.

즉, 연료전지의 성능 향상을 위해서는, 가스확산층이 고습도 운전조건에서 물을 잘 배출하고, 저습도 운전조건에서는 물을 보관하는 특성이 필요한데, 물배출 특성의 경우 가스확산층 내 미세기공층의 형성 기술에 따라 달라질 수 있다.In other words, in order to improve the performance of a fuel cell, the gas diffusion layer needs to have the characteristics of discharging water well under high-humidity operating conditions and retaining water under low-humidity operating conditions. In the case of water discharging characteristics, technology for forming a micropore layer within the gas diffusion layer is required. It may vary depending on.

종래에는 가스확산층 내 미세기공층 형성에 사용되는 카본블랙의 입도를 조절하여 물배출 성능을 개선하고 있으나, 카본블랙의 입도가 작을 경우 고습도 운전조건에서 물배출 특성이 저하되고, 카본블랙의 입도가 클 경우 물배출 특성이 향상되나 가스확산층의 전기 저항이 증가하는 문제가 있다.Conventionally, water discharge performance has been improved by adjusting the particle size of carbon black used to form the micropore layer in the gas diffusion layer. However, if the particle size of carbon black is small, water discharge characteristics deteriorate under high humidity operating conditions, and the particle size of carbon black decreases. If it is large, the water discharge characteristics are improved, but there is a problem that the electrical resistance of the gas diffusion layer increases.

공개특허 제2021-0087825호(공개일: 2021.07.13)의 "연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지"“Microporous layer for fuel cell, gas diffusion layer containing same, and fuel cell containing same” of Publication Patent No. 2021-0087825 (publication date: 2021.07.13)

본 발명에서는 연료전지 미세기공층 코팅액 및 이를 이용한 가스확산층, 구체적으로는 3롤밀을 이용한 롤러 간의 간격 및 롤러의 선속도를 제어하여 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절할 수 있고, 분산도가 조절된 미세기공층 코팅액을 이용하여 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 제어함으로써, 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 갖는 가스확산층을 얻을 수 있도록 하는 연료전지 미세기공층 코팅액 및 이를 이용한 가스확산층을 제공하고자 한다.In the present invention, the dispersion degree of the microporous layer coating solution can be adjusted by controlling the fuel cell microporous layer coating solution and the gas diffusion layer using the same, specifically the spacing between rollers using a 3-roll mill and the linear speed of the rollers, and the dispersion degree is adjusted. A fuel cell microporous layer coating liquid and a gas diffusion layer using the same can be obtained by controlling the pore size of the microporous layer formed on carbon paper using a microporous layer coating liquid to obtain a gas diffusion layer with excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics. We would like to provide.

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 skilled in the art from the description below. You will be able to.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 증류수, 카본블랙 및 분산제가 혼합된 혼합물을 3롤밀을 이용하여 분산시켜 형성하되, 3롤밀은, 롤러 간의 간격은 40 내지 80㎛, 롤러의 선속도는 800 내지 2000mm/s의 범위 내로 설정되고, 설정된 범위 내에서 혼합물을 분산시키는 연료전지 미세 기공층 코팅액을 제공한다.In order to solve the problems described above, the present invention is formed by dispersing a mixture of distilled water, carbon black, and a dispersant using a 3-roll mill. The 3-roll mill has a gap between rollers of 40 to 80㎛ and a line of rollers. The speed is set within the range of 800 to 2000 mm/s, and a fuel cell microporous layer coating solution that disperses the mixture within the set range is provided.

또한, 3롤밀을 이용하여 분산된 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 교반하여 형성되는 연료전지 미세기공층 코팅액을 제공한다.In addition, a fuel cell microporous layer coating solution formed by stirring a polytetrafluoroethylene dispersion into the dispersed mixture using a three-roll mill is provided.

한편, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는, 증류수, 카본블랙 및 분산제가 혼합된 혼합물을 3롤밀을 이용하여 분산시켜 미세기공층 코팅액을 제조하고, 소수처리된 탄소종이에 미세기공층 코팅액을 코팅하여 탄소종이에 미세기공층을 형성하되, 3롤밀은, 롤러 간의 간격은 40 내지 80㎛, 롤러의 선속도는 800 내지 2000mm/s의 범위 내로 설정되고, 설정된 범위 내에서 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절하여, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 제어하는 연료전지 가스확산층을 제공한다.Meanwhile, in another aspect of the present invention to solve the problems described above, a microporous layer coating solution is prepared by dispersing a mixture of distilled water, carbon black, and a dispersant using a three-roll mill, and hydrophobically treated carbon paper is prepared. A microporous layer coating solution is coated on the carbon paper to form a microporous layer. In the 3-roll mill, the spacing between rollers is set to 40 to 80㎛, the linear speed of the rollers is set to within the range of 800 to 2000mm/s, and within the set range. Provides a fuel cell gas diffusion layer that controls the pore size of the microporous layer formed on carbon paper by controlling the degree of dispersion of the microporous layer coating solution.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층은, 탄소종이에 코팅되는 미세기공층 코팅액을 제조하는 공정 중에, 3롤밀을 이용한 롤러 간의 간격 및 롤러의 선속도를 제어하여 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절함으로써, 미세기공층 코팅액에 의해 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 용이하게 제어할 수 있다.The fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention disperses the microporous layer coating liquid by controlling the spacing between rollers and the linear speed of the rollers using a 3-roll mill during the process of manufacturing the microporous layer coating liquid coated on carbon paper. By adjusting the degree, the pore size of the microporous layer formed on carbon paper by the microporous layer coating liquid can be easily controlled.

또한, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 제어하여, 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 갖는 가스확산층을 제공할 수 있으며, 이를 통해 연료전지의 성능을 증대시킬 수 있다.In addition, by controlling the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper, it is possible to provide a gas diffusion layer with excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics, thereby improving the performance of the fuel cell.

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 that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세기공층 코팅액의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 각각 실시예 1과 비교예 2의 미세기공층 표면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 5 내지 도 7은 각각 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 6에 따라 제조된 가스확산층에 대해 수은기공률 측정을 수행한 결과로서 기공크기 분포도를 도시한 것이다.
도 8은 실시예 1과 비교예 1에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 저습도 운전조건 시 단위셀 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.
도 9는 실시예 1과 비교예 1에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 고습도 운전조건 시 단위셀 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.
Figure 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart showing a method for producing a microporous layer coating solution according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 and 4 are SEM images of the surface of the microporous layer of Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
Figures 5 to 7 show pore size distributions as a result of mercury porosity measurements on the gas diffusion layers prepared according to Comparative Example 1, Example 1, and Example 6, respectively.
Figure 8 shows the results of unit cell evaluation in a current-voltage graph under low humidity operating conditions of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Example 1 and Comparative Example 1 was applied.
Figure 9 shows the results of unit cell evaluation in a current-voltage graph under high humidity operating conditions of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Example 1 and Comparative Example 1 was applied.

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 attached 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.The detailed description set forth below in conjunction with the accompanying drawings is intended to illustrate exemplary embodiments of the invention and is not intended to represent the only embodiments in which the 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 unrelated to the description may be omitted, and the same reference numerals may be used for identical 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”, “at least one”, etc. may represent one of words listed together, or a combination of two or more.

또한, 본 발명의 실시예에서, 미세기공층의 기공 크기는 미세기공층에 형성된 기공들 중에 가장 많이 분포된 기공의 크기를 명명하는 것으로 정의할 수 있다.Additionally, in an embodiment of the present invention, the pore size of the microporous layer can be defined as naming the size of the most distributed pores among the pores formed in the microporous layer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층의 제조방법을 순서도로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세기공층 코팅액의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing a microporous layer coating solution according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층은, 미세기공층 코팅액을 제조하는 단계(S100), 탄소종이를 소수처리하는 단계(S200) 및 소수처리된 탄소종이에 미세기공층 코팅액을 코팅하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing a microporous layer coating solution (S100), a step of hydrophobically treating the carbon paper (S200), and a step of hydrophobically treating the carbon paper. It may include the step of coating the pore layer coating solution (S300).

본 실시예에 따른 연료전지 가스확산층은, 제조 과정에 있어, 미세기공층 코팅액을 제조하는 공정 중에, 3롤밀(3roll mill) 방식을 이용하여 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절함으로써 미세기공층의 기공 형성을 제어할 수 있고, 이렇게 제조된 미세기공층 코팅액을 탄소종이에 코팅하여 가스확산층을 제조함으로써, 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 가질 수 있다.The fuel cell gas diffusion layer according to this embodiment is manufactured by controlling the dispersion degree of the microporous layer coating liquid using a 3-roll mill method during the manufacturing process of the microporous layer coating liquid. Pore formation can be controlled, and by coating the microporous layer coating solution prepared in this way on carbon paper to manufacture a gas diffusion layer, it is possible to have excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics.

먼저, 미세기공층 코팅액을 제조하는 단계(S100)에서는, 카본블랙, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 분산액, 분산제 및 용제를 교반 및 분산시켜 미세기공층 코팅액을 제조할 수 있다.First, in the step of preparing a microporous layer coating solution (S100), a microporous layer coating solution can be prepared by stirring and dispersing carbon black, polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion, a dispersant, and a solvent.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 증류수에 카본블랙 및 분산제를 1차 교반하여 1차 혼합물을 제조할 수 있다(S110).Specifically, referring to FIG. 2, a primary mixture can be prepared by first stirring carbon black and a dispersant in distilled water (S110).

여기서, 카본블랙은 미세기공층의 주요 구성물로서 전기전도 및 촉매층과의 접촉면적 형성에 중요한 역할을 할 수 있다.Here, carbon black is a major component of the microporous layer and can play an important role in electrical conduction and forming a contact area with the catalyst layer.

또한, 본 실시예에서 분산제로 트리톤(Triton)X-100 등을 이용할 수 있다.Additionally, in this example, Triton

일 예로써, 1차 혼합물은 100 중량부를 기준으로, 증류수 60 중량부에 카본블랙 20 중량부와 트리톤X-100 10 중량부를 투입하고 1차 교반하여 제조될 수 있다.As an example, the first mixture can be prepared by adding 20 parts by weight of carbon black and 10 parts by weight of Triton

1차 교반 과정에서는 카본블랙과 트리톤X-100를 증류수에 투입한 상태에서, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반을 수행하여, 1차 혼합물을 제조할 수 있다.In the first stirring process, carbon black and Triton

이어서, 제1 내지 제3 롤러를 포함하는 3롤밀을 이용하여 1차 혼합물을 분산시킬 수 있다(S120).Next, the primary mixture can be dispersed using a three-roll mill including first to third rollers (S120).

일 예로써, 제1 및 제2 롤러의 간격을 40 내지 80㎛로, 제2 및 제3 롤러의 간격을 40 내지 80㎛로 설정하고, 제1 내지 제3 롤러의 선속도를 800 내지 2000mm/s로 설정하여, 해당 조건으로 설정된 3롤밀을 이용하여 1차 혼합물을 분산시킬 수 있다.As an example, the spacing between the first and second rollers is set to 40 to 80㎛, the spacing between the second and third rollers is set to 40 to 80㎛, and the linear speed of the first to third rollers is set to 800 to 2000mm/mm. By setting it to s, the primary mixture can be dispersed using a 3-roll mill set to the corresponding conditions.

이때, 롤러 간의 간격과 롤러의 선속도 설정에 따라 1차 혼합물의 분산도를 용이하게 조절할 수 있는데, 이러한 1차 혼합물의 분산도 조절에 따라 추후 제조되는 미세기공층의 기공 크기를 조절할 수 있다.At this time, the dispersion degree of the primary mixture can be easily adjusted according to the spacing between rollers and the linear speed setting of the rollers. By adjusting the dispersion degree of the primary mixture, the pore size of the microporous layer manufactured later can be adjusted.

일 예로써, 상술한 조건의 3롤밀을 이용하여 분산 공정을 수행하는 경우, 추후 제조되는 미세기공층의 기공 크기가 60 내지 90㎚ 수준에서 조절될 수 있다.As an example, when the dispersion process is performed using a three-roll mill under the above-mentioned conditions, the pore size of the microporous layer manufactured later can be adjusted at the level of 60 to 90 nm.

이때, 상술한 예의 분산 공정에서는, 롤러 간의 간격(제1 및 제2 롤러의 간격과, 제2 및 제3 롤러의 간격)이 80㎛를 초과하여 과도하게 벌어지면 미세기공층 표면에 카본 뭉침이 발생하고, 롤러 간의 간격이 40㎛ 미만으로 과도하게 좁아지면 분산성이 증가되어 미세기공층의 기공 크기가 감소됨으로써 성능에 영향을 미치는 문제가 있어, 롤러 간의 간격을 40 내지 80㎛의 범위에서 설정하는 것이 중요하다.At this time, in the dispersion process of the above-mentioned example, if the gap between the rollers (the gap between the first and second rollers, and the gap between the second and third rollers) exceeds 80㎛, carbon agglomeration occurs on the surface of the microporous layer. If the gap between rollers is excessively narrowed to less than 40㎛, dispersibility increases and the pore size of the microporous layer decreases, which affects performance. Therefore, the gap between rollers is set in the range of 40 to 80㎛. It is important to do.

또한, 해당 롤러 간의 간격 내에서도 롤러의 선속도가 2000mm/s를 초과하는 경우, 분산성이 과도하게 증가하게 되어 미세기공층의 기공 크기가 감소됨에 따라 성능에 부정적인 영향을 미치고, 롤러의 선속도가 800mm/s 미만으로 설정되는 경우에는 미세기공층 표면에 카본 뭉침이 발생하는 문제가 있어, 롤러의 선속도를 800 내지 2000mm/s 내에서 설정하는 것이 바람직하다.In addition, if the linear speed of the rollers exceeds 2000 mm/s even within the gap between the rollers, the dispersibility increases excessively and the pore size of the micropore layer decreases, which has a negative effect on performance and the linear speed of the rollers decreases. If set to less than 800 mm/s, there is a problem of carbon agglomeration occurring on the surface of the microporous layer, so it is desirable to set the linear speed of the roller within 800 to 2000 mm/s.

다음, 3롤밀을 이용하여 분산된 1차 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 2차 교반하여 미세기공층 코팅액을 제조할 수 있다(S130).Next, a microporous layer coating solution can be prepared by secondary stirring the polytetrafluoroethylene dispersion in the dispersed primary mixture using a 3-roll mill (S130).

일 예로써, 1차 혼합물 100 중량부 대비 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 10 중량부로 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 400RPM, 자전 100RPM 조건으로 2분간 교반하여 미세기공층 코팅액을 제조할 수 있다.As an example, a microporous layer coating solution can be prepared by adding 10 parts by weight of polytetrafluoroethylene dispersion to 100 parts by weight of the primary mixture and stirring with a paste mixer at 400 RPM revolution and 100 RPM rotation for 2 minutes.

상술한 바와 같이, 미세기공층 코팅액 제조 과정에서는, 3롤밀을 이용한 롤러의 선속도 및 롤러 간의 간격 설정에 따라 미세기공층 코팅액의 분산도 조절이 가능하며, 분산도를 조절에 따라 미세기공층의 기공 크기가 변화되는 점을 이용하여, 미세기공층 코팅액에 의해 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 용이하게 제어할 수 있다. As described above, in the process of manufacturing the microporous layer coating liquid, the dispersion of the microporous layer coating liquid can be adjusted according to the linear speed of the rollers using a 3-roll mill and the spacing between rollers, and the degree of dispersion of the microporous layer can be adjusted by adjusting the dispersion. By utilizing the fact that the pore size changes, the pore size of the microporous layer formed on carbon paper by the microporous layer coating liquid can be easily controlled.

이때, 본 실시예에서는 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 제어하여, 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 갖는 가스확산층을 제조할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.At this time, in this embodiment, by controlling the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper, a gas diffusion layer with excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics can be manufactured, which will be described in detail later.

한편, 탄소종이를 소수처리하는 단계(S200)에서는, 증류수에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 혼합하여 폴리테트라플루오르에틸렌 함침액을 제조할 수 있다.Meanwhile, in the step of hydrophobic treatment of carbon paper (S200), a polytetrafluoroethylene impregnation solution can be prepared by mixing a polytetrafluoroethylene dispersion with distilled water.

여기서, 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액은 소수성 부여를 위해 첨가될 수 있다.Here, polytetrafluoroethylene dispersion may be added to impart hydrophobicity.

이어서, 탄소종이를 폴리테트라플루오르에틸렌 함침액에 침지시킨 후 건조하여 소수처리된 탄소종이를 제조할 수 있다.Next, hydrophobically treated carbon paper can be produced by immersing the carbon paper in a polytetrafluoroethylene impregnation solution and drying it.

다음, 소수처리된 탄소종이에 미세기공층 코팅액을 코팅하는 단계(S300)에서는, 바코터를 이용하여 미세기공층 코팅액을 소수처리된 탄소종이에 코팅하고 건조 및 열처리를 수행함으로써, 본 실시예에 따른 가스확산층을 제조할 수 있다.Next, in the step (S300) of coating the microporous layer coating solution on the hydrophobically treated carbon paper, the microporous layer coating solution is coated on the hydrophobically treated carbon paper using a bar coater, followed by drying and heat treatment, according to the present embodiment. A gas diffusion layer can be manufactured.

상술한 바와 같은 공정으로, 본 실시예에서는 3롤밀을 이용한 분산공정을 통해 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절하여, 탄소종이에 미세기공층 코팅액을 코팅하여 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 60 내지 90㎚의 범위에서 선택적으로 제어할 수 있고, 이를 통해 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 갖는 연료전지 가스확산층을 제조할 수 있다.In the process as described above, in this embodiment, the degree of dispersion of the microporous layer coating liquid is adjusted through a dispersion process using a three-roll mill, and the pore size of the microporous layer formed by coating the microporous layer coating liquid on carbon paper is 60. It can be selectively controlled in the range of 90 nm to 90 nm, and through this, a fuel cell gas diffusion layer with excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics can be manufactured.

한편, 본 실시예에서 사용되는 탄소종이는, 아크릴산계 바인더가 혼합된 페놀 함침액을 제조하는 단계, 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계, 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계, 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계 및 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계를 통해 제조될 수 있다.Meanwhile, the carbon paper used in this example includes the steps of preparing a phenol impregnation solution mixed with an acrylic acid-based binder, impregnating a carbon veil in the phenol impregnation solution, drying and curing the impregnated carbon veil, and the hardened carbon paper. It can be manufactured through the steps of carbonizing the carbon veil and graphitizing the carbonized carbon veil.

구체적으로, 본 실시예에서 사용되는 탄소종이의 제조 과정에 있어, 아크릴산계 바인더가 혼합된 페놀 함침액을 제조하는 단계에서는, 알코올계 용매인 에탄올에, 페놀수지, 흑연분말 및 아크릴산계 바인더를 혼합하여 제조할 수 있다.Specifically, in the manufacturing process of the carbon paper used in this example, in the step of preparing a phenol impregnation solution mixed with an acrylic acid-based binder, phenol resin, graphite powder, and an acrylic acid-based binder are mixed in ethanol, an alcohol-based solvent. It can be manufactured.

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 impregnation solution may be composed of 55 to 90 wt% of ethanol, 2 to 10 wt% of phenol resin, 3 to 15 wt% of graphite powder, and 5 to 20 wt% of an acrylic acid-based binder.

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

또한, 페놀 함침액에 혼합되는 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-based binder mixed with the phenol impregnation solution 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 of the carbon veil to the inside. This can contribute to increasing gas permeability.

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 acrylic acid-based binders include polyacrylic acid or styrene, methylmethacrylate, ethylmethacrylate, n-Butylmethacrylate, and isobutylmethacrylate. Crylate (iso-Butylmethacrylate), t-Butylmethacrylate, Vinylchloride, Vinylacetate, Acrylonitrile, 2-ethylhexyl methacrylate (2- Ethylhexylmethacrylate, Laurylmethacrylate, Methylacrylate, Ethylacrylate, n-Butylacrylate, iso-Butylacrylate, 2-ethyl Copolymerization of one or more selected raw materials that can form a copolymer with acrylic acid such as 2-Ethylhexylacrylate, Ethylene, Octadecylmethacrylate, and acrylamide A copolymer binder may be applied.

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 with a high carboxylic acid ratio in an acrylic acid-based binder, the gas permeability (vertical and horizontal gas permeability) of the carbon paper can be increased, and the effect of removing protruding fibers compared to the same binder input amount can be increased. Because it is excellent, the effect of removing protruding fibers can be achieved with a smaller amount of binder input than before.

이에 따라, 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 가스확산층에 용이하게 적용될 수 있다.Accordingly, a phenol impregnation 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 thus prepared phenol impregnation solution, thereby suppressing protruding fibers on the surface and maintaining impregnation uniformity. By increasing this, carbon paper with excellent gas permeability can be manufactured, and the compression rate of the carbon paper can be adjusted to appropriately lower, ensuring durability and easily applying to the 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 가스확산층에 적합한 탄소종이를 제조할 수 있다.As a preferred example, in this embodiment, a phenol impregnation solution was prepared by adding an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid at a ratio of 10 to 50% in an amount of 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the phenol impregnation solution. Using this, carbon paper with excellent gas permeability and suitable for the gas diffusion layer can be manufactured.

다음으로, 페놀 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계에서는, 제조된 페놀 함침액에 카본베일을 함침시킬 수 있다.Next, in the step of impregnating the carbon veil with the phenol impregnation solution, the carbon veil can be impregnated with the prepared phenol impregnation solution.

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 fiber in water, and electrical properties can be improved only when the carbon fiber is well cultured two-dimensionally.

최근 연료전지의 가스확산층이 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 가스확산층을 제조하고, 이를 연료전지에 적용하는 경우, 돌출된 탄소섬유에 의하여 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 가스확산층 중 적어도 하나)가 관통되는 등의 물리적 손상을 발생시켜 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 원인으로 작용될 수 있다.Recently, as the gas diffusion layer of fuel cells has become thinner, the thickness of the carbon veil has become thinner compared to the length of the carbon fibers that make up the carbon veil, resulting in a high frequency of carbon fibers protruding from the surface after manufacturing carbon paper. The carbon fibers protruding from the surface are removed. When a gas diffusion layer is manufactured after coating a microporous layer without coating and applying it to a fuel cell, the membrane electrode assembly (at least one of the catalyst layer, electrolyte layer, and gas diffusion layer) is penetrated by the protruding carbon fiber. This can cause physical damage and reduce the durability and performance of the fuel cell.

이에 따라, 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 process of impregnating the carbon veil with the phenol impregnation solution, the acrylic acid-based binder contained in the phenol impregnation solution can be impregnated with the carbon veil to coat the surface of the carbon veil, thereby causing the surface of the carbon veil to protrude from the surface of the carbon veil. The carbon fibers 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 단계에서는, 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, the remaining solvent can first be dried in the impregnated carbon veil, and the dried carbon veil can be cured.

이때, 바람직하게는 함침된 카본베일을 70 내지 100℃에서 수 분간 건조시키고, 이후 150 내지 200℃에서 수 분간 경화시킬 수 있다.At this time, the impregnated carbon veil is preferably dried at 70 to 100°C for several minutes, and then cured at 150 to 200°C for several minutes.

이어서, 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계에서는, 경화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 탄화시킬 수 있다.Next, in the step of carbonizing the hardened carbon veil, the hardened carbon veil can 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, carbonization can be performed using nitrogen or argon gas, which is an inert gas, to block combustion of the phenol resin, and preferably carbonization can be performed at 700 to 900°C for several tens of minutes.

이어서, 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계에서는, 탄화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 흑연화시킬 수 있다.Next, in the step of graphitizing the carbonized carbon veil, the carbonized carbon veil can 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.At this time, the graphitization process can be performed using nitrogen gas or argon gas, and the temperature of the graphitization process can be set to 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, the carbon paper according to this embodiment impregnates the carbon veil with a phenol impregnation solution prepared by adding an acrylic acid-based binder containing carboxylic acid, thereby easily removing the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil. It can reduce the compressibility, and in particular, it can contribute to increasing gas permeability by forming a uniform impregnation film on the carbon veil through an acrylic acid-based binder.

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

이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가스확산층에 대해 설명한다. Hereinafter, a gas diffusion layer manufactured according to an embodiment 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 should not be construed as limiting the present invention in any way.

1) 3롤밀의 롤러 간격 변화에 따른 특성 평가1) Evaluation of characteristics according to changes in roller spacing of 3-roll mill

[실시예 1 내지 3][Examples 1 to 3]

카본블랙 20g, 트리톤X-100 10g 및 증류수 60g을 계량하고, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반하여 1차 혼합물을 제조하였다.20 g of carbon black, 10 g of Triton

이어서, 3롤밀을 이용하여 1차 혼합물을 분산시키되, 제1 및 제2 롤러의 간격을 40㎛로, 제2 및 제3 롤러의 간격을 40㎛로 설정하고, 롤러의 선속도를 800mm/s로 설정하여, 해당 조건으로 1차 혼합물을 분산시켰다.Next, the first mixture is dispersed using a 3-roll mill, the spacing between the first and second rollers is set to 40㎛, the spacing between the second and third rollers is set to 40㎛, and the linear speed of the rollers is set to 800mm/s. was set to and the first mixture was dispersed under the corresponding conditions.

다음, 3롤밀에 의해 분산된 1차 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액 10g을 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 400RPM, 자전 100RPM 조건으로 2분간 교반하여 미세기공층 코팅액을 제조하였다.Next, 10 g of polytetrafluoroethylene dispersion was added to the primary mixture dispersed by a 3-roll mill, and stirred for 2 minutes using a paste mixer at 400 RPM revolution and 100 RPM rotation to prepare a microporous layer coating solution.

또한, 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액 3g 및 증류수 97g을 계량하고, 교반기를 이용하여 200RPM에서 1분간 혼합하여 폴리테트라플루오르에틸렌 함침액을 제조하였다.In addition, 3 g of polytetrafluoroethylene dispersion and 97 g of distilled water were weighed and mixed for 1 minute at 200 RPM using a stirrer to prepare a polytetrafluoroethylene impregnation solution.

이어서, 탄소종이를 폴리테트라플루오르에틸렌 함침액에 침지시킨 후, 100℃에서 5분간 건조하여 소수처리된 탄소종이를 제조하였다.Next, the carbon paper was immersed in a polytetrafluoroethylene impregnation solution and then dried at 100°C for 5 minutes to prepare hydrophobically treated carbon paper.

이때, 탄소종이의 두께는 대략 170㎛이고, 탄소종이에 함침되는 폴리테트라플루오르에틸렌 함침량은 탄소종이 무게의 10% 정도로 형성하였다.At this time, the thickness of the carbon paper was approximately 170㎛, and the amount of polytetrafluoroethylene impregnated into the carbon paper was approximately 10% of the weight of the carbon paper.

또한, 바코터를 이용하여 미세기공층 코팅액을 소수처리된 탄소종이에 코팅하고, 100℃에서 5분간 건조한 후, 10℃/min의 승온속도로 400℃까지 승온 후 10분간 유지하여 가스확산층을 제조하였다.In addition, the microporous layer coating solution was coated on hydrophobically treated carbon paper using a bar coater, dried at 100°C for 5 minutes, then raised to 400°C at a temperature increase rate of 10°C/min and maintained for 10 minutes to prepare a gas diffusion layer. did.

이때, 탄소종이(두께: 170㎛)에 코팅되는 두께를 대략 45㎛로 형성하여, 가스확산층의 총 두께를 215㎛로 형성하였다.At this time, the thickness of the coating on the carbon paper (thickness: 170 μm) was formed to be approximately 45 μm, and the total thickness of the gas diffusion layer was formed to be 215 μm.

한편, 실시예 2와 실시예 3은 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 3롤밀을 이용한 분산공정에서, 실시예 2는 제1 및 제2 롤러의 간격을 60㎛로, 제2 및 제3 롤러의 간격을 60㎛로 설정하고, 실시예 3은 제1 및 제2 롤러의 간격을 80㎛로, 제2 및 제3 롤러의 간격을 80㎛로 설정하여, 각각 해당 조건에서 제조된 미세기공층 코팅액을 이용하여 가스확산층을 제조하였다.Meanwhile, Examples 2 and 3 were manufactured in the same manner as Example 1, except that in the dispersion process using a 3-roll mill, Example 2 had the first and second rollers spaced at 60㎛, and the second and third rollers were manufactured in the same manner as Example 1. The spacing of the rollers was set to 60㎛, and in Example 3, the spacing of the first and second rollers was set to 80㎛, and the spacing of the second and third rollers was set to 80㎛, and the micropores produced under the corresponding conditions were respectively set. A gas diffusion layer was prepared using a layer coating solution.

[비교예 1 및 2] [Comparative Examples 1 and 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 3롤밀을 이용한 분산공정에서, 비교예 1은 제1 및 제2 롤러의 간격을 30㎛로, 제2 및 제3 롤러의 간격을 30㎛로 설정하고, 비교예 2는 제1 및 제2 롤러의 간격을 90㎛로, 제2 및 제3 롤러의 간격을 90㎛로 설정하여, 각각 해당 조건에서 제조된 미세기공층 코팅액을 이용하여 가스확산층을 제조하였다.Manufactured in the same manner as Example 1, but in the dispersion process using a 3-roll mill, in Comparative Example 1, the spacing between the first and second rollers was set to 30㎛, and the spacing between the second and third rollers was set to 30㎛, In Comparative Example 2, the spacing between the first and second rollers was set to 90㎛, and the spacing between the second and third rollers was set to 90㎛, and a gas diffusion layer was manufactured using the microporous layer coating solution prepared under the corresponding conditions. .

상기 실시예 1 내지 3과, 비교예 1 및 2에 따라 각각 3롤밀의 공정조건(롤러 간의 간격)을 달리하여 제조된 가스확산층에 대해 미세기공층의 기공 크기 및 카본 뭉침 여부를 검출한 평가 결과와, 상기 실시예 1 내지 3과, 비교예 1 및 2에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 단위셀 평가 결과를 표 1에 나타내었다.Evaluation results of detecting the pore size and carbon agglomeration of the microporous layer for the gas diffusion layer manufactured by varying the process conditions (interval between rollers) of the three-roll mill according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively. Table 1 shows the unit cell evaluation results of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 was applied.

단위셀 평가에 있어서는, 각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 가스확산층을 동일한 조건의 연료전지 단위셀 구성부(막전극 집합체, 분리판 등)에 적용하고, 전류밀도에 따른 전압을 측정하여 성능을 평가하였다.In unit cell evaluation, the gas diffusion layer manufactured according to each example and comparative example was applied to the fuel cell unit cell components (membrane electrode assembly, separator, etc.) under the same conditions, and the voltage according to the current density was measured to measure the performance. was evaluated.

또한, 연료전지의 단위셀 평가 장비로는, 싸이텍코리아(社) 단위셀 평가장치로 유량 수소 Stoic. 1.5, 공기 Stoic. 2.0 조건으로 평가하였고, 부속품으로 FCT(社) 3채널 25㎠의 단위셀 하드웨어 및 비나텍(社) 25㎠ MEA를 사용하였다.In addition, the fuel cell unit cell evaluation device is Cytech Korea's unit cell evaluation device, and the flow rate hydrogen Stoic. 1.5, Air Stoic. It was evaluated under 2.0 conditions, and FCT (Company) 3-channel 25㎠ unit cell hardware and Vinatec (Company) 25㎠ MEA were used as accessories.

또한, 하기의 표 1 내지 표 3에 기재된 단위셀 평가 결과는 일 예로써, 온도 65℃, 상대습도 100%의 고습도 운전조건 하에서 전류밀도 2A/㎠ 구간에서의 전압값 측정 결과를 나타낸 것이다.In addition, the unit cell evaluation results shown in Tables 1 to 3 below show, as an example, the voltage value measurement results in a current density section of 2A/cm2 under high humidity operating conditions of a temperature of 65°C and a relative humidity of 100%.

또한, 표 1 내지 표 3에 기재된 기공 크기는 실시예 및 비교예 별로 미세기공층에 형성된 기공들 중에 가장 많이 분포된 기공의 크기를 나타낸 것이다.In addition, the pore sizes listed in Tables 1 to 3 represent the sizes of the most distributed pores among the pores formed in the micropore layer for each Example and Comparative Example.

구분division 공정조건Process conditions 평가결과Evaluation results 제1 및 제2롤러 간격(㎛)First and second roller spacing (㎛) 제2 및 제3 롤러 간격(㎛)Second and third roller spacing (㎛) 선속도
(mm/s)
linear speed
(mm/s)
기공크기
(㎚)
Pore size
(㎚)
미세기공층 표면의 카본뭉침Carbon agglomeration on the surface of the microporous layer 단위셀
평가결과
(V@2A/㎠)
unit cell
Evaluation results
(V@2A/㎠)
실시예1Example 1 4040 4040 800800 7171 -- 0.4430.443 실시예2Example 2 6060 6060 800800 8383 -- 0.4460.446 실시예3Example 3 8080 8080 800800 8888 -- 0.4490.449 비교예1Comparative Example 1 3030 3030 800800 5151 -- 0.4040.404 비교예2Comparative example 2 9090 9090 800800 8787 NGNG --

표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3과, 비교예 1 및 2를 살펴보면, 3롤밀을 이용한 미세기공층 코팅액의 분산공정에 있어, 롤러의 선속도가 800mm/s로 모두 동일한 조건에서, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 2 순으로, 롤러 간의 간격(제1 및 제2 롤러 간격과, 제2 및 제3 롤러 간격)이 벌어질수록 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 증가하나, 비교예 2와 같이, 롤러 간의 간격이 90㎛로 과도하게 벌어지면 미세기공층 표면에 카본 뭉침이 발생하여 불량이 발생하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, looking at Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, in the dispersion process of the microporous layer coating solution using a 3-roll mill, the linear speed of the roller was 800 mm/s under the same conditions, In the order of Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, and Comparative Example 2, as the gap between the rollers (the first and second roller gap, and the second and third roller gap) increases, the carbon paper increases. It can be seen that the pore size of the formed microporous layer increases, but as in Comparative Example 2, if the gap between rollers is excessively widened to 90㎛, carbon agglomeration occurs on the surface of the microporous layer, causing defects.

미세기공층에 카본 뭉침이 발생되면 가스확산층의 성능이 크게 저하된다.If carbon agglomeration occurs in the microporous layer, the performance of the gas diffusion layer is greatly reduced.

또한, 롤러 간의 간격이 좁아질수록 분산성이 증가하게 되어 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 감소하게 되는데, 비교예 1과 같이, 롤러 간의 간격이 30㎛로 과도하게 좁아지는 경우, 실시예 1 내지 3에 비해 미세기공층의 기공 크기가 큰 폭으로 감소하여, 연료전지의 성능이 저하됨을 확인할 수 있다.In addition, as the gap between rollers narrows, dispersibility increases and the pore size of the micropore layer formed on the carbon paper decreases. As in Comparative Example 1, when the gap between rollers is excessively narrow to 30㎛, It can be seen that the pore size of the microporous layer decreases significantly compared to Examples 1 to 3, and the performance of the fuel cell deteriorates.

이에 따라, 실시예 1 내지 3과 같이, 롤러 간의 간격을 40 내지 80㎛의 범위에서 설정하여 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절하게 되면, 카본 뭉침 없이, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 60 내지 90㎚ 범위 내의 수준으로 조절됨으로써, 연료전지의 단위셀 평가 결과에서 성능이 우수하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.Accordingly, as in Examples 1 to 3, if the dispersion of the microporous layer coating liquid is adjusted by setting the spacing between rollers in the range of 40 to 80㎛, the pores of the microporous layer formed on the carbon paper are reduced without carbon agglomeration. By adjusting the size to a level within the range of 60 to 90 nm, it can be confirmed that the performance is excellent in the unit cell evaluation results of the fuel cell.

2-1) 3롤밀의 롤러 선속도 변화에 따른 특성 평가2-1) Evaluation of characteristics according to changes in roller linear speed of 3-roll mill

[실시예 4 및 5] [Example 4 and 5]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 3롤밀을 이용한 분산공정에서, 실시예 4는 롤러의 선속도를 1400mm/s로 설정하고, 실시예 5는 롤러의 선속도를 2000mm/s로 설정하여, 각각 해당 조건에서 제조된 미세기공층 코팅액을 이용하여 가스확산층을 제조하였다.Manufactured in the same manner as Example 1, but in the dispersion process using a three-roll mill, Example 4 set the linear speed of the roller to 1400 mm/s, and Example 5 set the linear speed of the roller to 2000 mm/s, A gas diffusion layer was prepared using the microporous layer coating solution prepared under each corresponding condition.

[비교예 3 및 4] [Comparative Examples 3 and 4]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 3롤밀을 이용한 분산공정에서, 비교예 3은 롤러의 선속도를 600mm/s로 설정하고, 비교예 4는 롤러의 선속도를 2200mm/s로 설정하여, 각각 해당 조건에서 제조된 미세기공층 코팅액을 이용하여 가스확산층을 제조하였다.Manufactured in the same manner as Example 1, but in the dispersion process using a three-roll mill, in Comparative Example 3, the linear speed of the roller was set to 600 mm/s, and in Comparative Example 4, the linear speed of the roller was set to 2200 mm/s, A gas diffusion layer was prepared using the microporous layer coating solution prepared under each corresponding condition.

상기 실시예 1, 4 및 5와, 비교예 3 및 4에 따라 각각 3롤밀의 공정조건(롤러의 선속도)을 달리하여 제조된 가스확산층에 대해 미세기공층의 기공 크기 및 카본 뭉침 여부를 검출한 평가 결과와, 상기 실시예 1, 4 및 5와, 비교예 3 및 4에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 단위셀 평가 결과를 표 2에 나타내었다.Detecting the pore size and carbon agglomeration of the microporous layer for the gas diffusion layer manufactured by varying the process conditions (linear speed of the rollers) of the three-roll mill according to Examples 1, 4, and 5 and Comparative Examples 3 and 4, respectively. Table 2 shows the evaluation results and the unit cell evaluation results of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Examples 1, 4, and 5 and Comparative Examples 3 and 4 were applied.

구분division 공정조건Process conditions 평가결과Evaluation results 제1 및 제2롤러 간격(㎛)First and second roller spacing (㎛) 제2 및 제3 롤러 간격(㎛)Second and third roller spacing (㎛) 선속도
(mm/s)
linear speed
(mm/s)
기공크기
(㎚)
Pore size
(㎚)
미세기공층 표면의 카본뭉침Carbon agglomeration on the surface of the microporous layer 단위셀
평가결과
(V@2A/㎠)
unit cell
Evaluation results
(V@2A/㎠)
실시예1Example 1 4040 4040 800800 7171 -- 0.4430.443 실시예4Example 4 4040 4040 14001400 6666 -- 0.4420.442 실시예5Example 5 4040 4040 20002000 6464 -- 0.4410.441 비교예3Comparative Example 3 4040 4040 600600 7272 NGNG -- 비교예4Comparative example 4 4040 4040 22002200 5454 -- 0.4050.405

표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1, 4 및 5와, 비교예 3 및 4를 살펴보면, 3롤밀을 이용한 미세기공층 코팅액의 분산공정에 있어, 롤러 간의 간격(제1 및 제2 롤러 간격과, 제2 및 제3 롤러 간격)이 40㎛로 모두 동일한 조건에서, 비교예 3, 실시예 1, 실시예 4, 실시예 5 및 비교예 4 순으로, 롤러의 선속도가 빨라질수록 분산성이 증가하여 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 감소함을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, looking at Examples 1, 4, and 5, and Comparative Examples 3 and 4, in the dispersion process of the microporous layer coating liquid using a 3-roll mill, the spacing between rollers (the spacing between first and second rollers and , second and third roller spacing) is 40㎛, and under the same conditions, in the order of Comparative Example 3, Example 1, Example 4, Example 5, and Comparative Example 4, the faster the linear speed of the roller, the better the dispersibility. It can be seen that the pore size of the micropore layer formed in the carbon paper decreases as the pore size increases.

이때, 실시예 1, 4 및 5와 같이, 롤러의 선속도가 800 내지 2000mm/s 범위에서 설정되는 경우, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 60㎚ 이상으로 양호하게 나타나고 있고, 연료전지의 단위셀 평가 결과에서도 성능이 우수하게 나타나고 있다.At this time, when the linear speed of the roller is set in the range of 800 to 2000 mm/s, as in Examples 1, 4, and 5, the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper is shown to be 60 nm or more, and the fuel The battery unit cell evaluation results also show excellent performance.

반면에, 비교예 4와 같이, 롤러의 선속도가 2200mm/s로 과도하게 빨라지면, 실시예 1, 4 및 5에 비해 미세기공층의 기공 크기가 큰 폭으로 감소하여 연료전지의 성능이 저하됨을 확인할 수 있다.On the other hand, as in Comparative Example 4, when the linear speed of the roller is excessively fast at 2200 mm/s, the pore size of the micropore layer decreases significantly compared to Examples 1, 4, and 5, and the performance of the fuel cell deteriorates. can confirm.

또한, 비교예 3과 같이, 롤러의 선속도가 600mm/s로 감소되는 경우, 느린 롤러 선속도에 의해 미세기공층 표면에 카본 뭉침이 발생하여 불량이 발생하는 것을 확인할 수 있다.In addition, as in Comparative Example 3, when the linear speed of the roller is reduced to 600 mm/s, it can be confirmed that carbon agglomeration occurs on the surface of the micropore layer due to the slow roller linear speed, resulting in defects.

2-2) 3롤밀의 롤러 선속도 변화에 따른 특성 평가2-2) Evaluation of characteristics according to changes in roller linear speed of 3-roll mill

[실시예 6 및 7] [Examples 6 and 7]

실시예 3과 동일한 방법으로 제조하되, 3롤밀을 이용한 분산공정에서, 실시예 6은 롤러의 선속도를 1400mm/s로 설정하고, 실시예 7은 롤러의 선속도를 2000mm/s로 설정하여, 각각 해당 조건에서 제조된 미세기공층 코팅액을 이용하여 가스확산층을 제조하였다.Manufactured in the same manner as Example 3, but in the dispersion process using a three-roll mill, Example 6 set the linear speed of the roller to 1400 mm/s, and Example 7 set the linear speed of the roller to 2000 mm/s, A gas diffusion layer was prepared using the microporous layer coating solution prepared under each corresponding condition.

[비교예 5 및 6] [Comparative Examples 5 and 6]

실시예 3과 동일한 방법으로 제조하되, 3롤밀을 이용한 분산공정에서, 비교예 5는 롤러의 선속도를 600mm/s로 설정하고, 비교예 6은 롤러의 선속도를 2200mm/s로 설정하여, 각각 해당 조건에서 제조된 미세기공층 코팅액을 이용하여 가스확산층을 제조하였다.Manufactured in the same manner as Example 3, but in the dispersion process using a three-roll mill, in Comparative Example 5, the linear speed of the roller was set to 600 mm/s, and in Comparative Example 6, the linear speed of the roller was set to 2200 mm/s, A gas diffusion layer was prepared using the microporous layer coating solution prepared under each corresponding condition.

상기 실시예 3, 6 및 7과, 비교예 5 및 6에 따라 각각 3롤밀의 공정조건(롤러의 선속도)을 달리하여 제조된 가스확산층에 대해 미세기공층의 기공 크기 및 카본 뭉침 여부를 검출한 평가 결과와, 상기 실시예 3, 6 및 7과, 비교예 5 및 6에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 단위셀 평가 결과를 표 3에 나타내었다.Detecting the pore size and carbon agglomeration of the microporous layer for the gas diffusion layer manufactured by varying the process conditions (linear speed of the rollers) of the three-roll mill according to Examples 3, 6, and 7 and Comparative Examples 5 and 6, respectively. Table 3 shows the evaluation results and the unit cell evaluation results of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Examples 3, 6, and 7 and Comparative Examples 5 and 6 were applied.

구분division 공정조건Process conditions 평가결과Evaluation results 제1 및 제2롤러 간격(㎛)First and second roller spacing (㎛) 제2 및 제3 롤러 간격(㎛)Second and third roller spacing (㎛) 선속도
(mm/s)
linear speed
(mm/s)
기공크기
(㎚)
Pore size
(㎚)
미세기공층 표면의 카본뭉침Carbon agglomeration on the surface of the microporous layer 단위셀
평가결과
(V@2A/㎠)
unit cell
Evaluation results
(V@2A/㎠)
실시예3Example 3 8080 8080 800800 8888 -- 0.4490.449 실시예6Example 6 8080 8080 14001400 8282 -- 0.4460.446 실시예7Example 7 8080 8080 20002000 6767 -- 0.4420.442 비교예5Comparative Example 5 8080 8080 600600 8888 NGNG -- 비교예6Comparative Example 6 8080 8080 22002200 5858 -- 0.4080.408

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 3, 6 및 7과, 비교예 5 및 6을 살펴보면, 3롤밀을 이용한 미세기공층 코팅액의 분산공정에 있어, 롤러 간의 간격(제1 및 제2 롤러 간격과, 제2 및 제3 롤러 간격)이 80㎛로 모두 동일한 조건에서도, 롤러의 선속도가 빨라질수록 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 감소함을 확인할 수 있다.As shown in Table 3, looking at Examples 3, 6, and 7, and Comparative Examples 5 and 6, in the dispersion process of the microporous layer coating solution using a 3-roll mill, the spacing between rollers (the spacing between first and second rollers) , second and third roller spacing) of 80 ㎛, it can be seen that the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper decreases as the linear speed of the roller increases.

이때, 실시예 3, 6 및 7과 같이, 롤러의 선속도가 800 내지 2000mm/s 범위에서 설정되는 경우, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기가 60㎚ 이상으로 양호하게 나타나고 있고, 연료전지의 단위셀 평가 결과에서도 성능이 우수하게 나타나고 있다.At this time, when the linear speed of the roller is set in the range of 800 to 2000 mm/s, as in Examples 3, 6, and 7, the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper is shown to be 60 nm or more, and the fuel The battery unit cell evaluation results also show excellent performance.

특히, 롤러의 선속도가 800mm/s로 설정된 실시예 3에서 기공 크기가 88㎚로 가장 크게 나타나고 있으나, 연료전지의 단위셀 평가 결과에서, 롤러의 선속도가 1400mm/s로 설정된 실시예 6과, 롤러의 선속도가 2000mm/s로 설정된 실시예 7에 비해 약간의 성능 향상만 있고 크게 차이는 없었다.In particular, in Example 3, where the linear speed of the roller was set to 800 mm/s, the pore size was the largest at 88 nm, but in the evaluation results of the unit cell of the fuel cell, Example 6 and Example 6, where the linear speed of the roller was set to 1400 mm/s, , There was only a slight performance improvement and no significant difference compared to Example 7, where the linear speed of the roller was set to 2000 mm/s.

반면에, 비교예 6과 같이, 롤러의 선속도가 2200mm/s로 과도하게 빨라지면, 실시예 3, 6 및 7에 비해 미세기공층의 기공 크기가 큰 폭으로 감소하여 연료전지의 성능이 저하됨을 확인할 수 있다.On the other hand, as in Comparative Example 6, when the linear speed of the roller is excessively fast at 2200 mm/s, the pore size of the micropore layer decreases significantly compared to Examples 3, 6, and 7, thereby deteriorating the performance of the fuel cell. can confirm.

또한, 비교예 5와 같이, 롤러의 선속도가 600mm/s로 감소되는 경우, 느린 롤러 선속도에 의해 미세기공층 표면에 카본 뭉침이 발생하여 불량이 생기는 것을 확인할 수 있다.In addition, as in Comparative Example 5, when the linear speed of the roller is reduced to 600 mm/s, it can be confirmed that carbon agglomeration occurs on the surface of the micropore layer due to the slow roller linear speed, resulting in defects.

이에 따라, 상술한 표 1 내지 표 3의 결과에 나타난 바와 같이, 롤러의 간격(제1 및 제2 롤러 간격과, 제2 및 제3 롤러 간격)을 40 내지 80㎛로, 롤러의 선속도를 800 내지 2000mm/s로 설정한 3롤밀의 공정조건을 이용하여 분산도가 조절된 미세기공층 코팅액을 제조하고, 이를 이용하여 가스확산층을 제조하게 되면, 카본 뭉침이 없고, 60 내지 90㎚ 수준으로 기공 크기가 조절된 미세기공층을 얻을 수 있으며, 이를 통해 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.Accordingly, as shown in the results of Tables 1 to 3 above, the roller spacing (first and second roller spacing, second and third roller spacing) is set to 40 to 80㎛, and the linear speed of the roller is set to 40 to 80㎛. When a microporous layer coating solution with controlled dispersion degree is manufactured using the process conditions of a 3-roll mill set at 800 to 2000 mm/s, and a gas diffusion layer is manufactured using this, there is no carbon agglomeration and the thickness is reduced to 60 to 90 nm. A micropore layer with controlled pore size can be obtained, which can greatly improve the performance of the fuel cell.

여기서, 미세기공층의 기공 크기가 60㎚ 미만이면 연료전지의 고습도 환경에서 물배출 특성 저하로 인하여 고전류 영역의 성능이 저하되고, 미세기공층의 기공 크기가 90㎚를 초과하면 촉매층과 가스확산층의 접촉저항이 증가하여 중전류 영역의 성능이 저하되어 전반적인 연료전지의 특성 하락이 발생된다.Here, if the pore size of the microporous layer is less than 60 nm, the performance of the high current region deteriorates due to a decrease in water discharge characteristics in the high humidity environment of the fuel cell, and if the pore size of the microporous layer exceeds 90 nm, the catalyst layer and the gas diffusion layer deteriorate. As contact resistance increases, performance in the mid-current region deteriorates, resulting in a decrease in overall fuel cell characteristics.

한편, 도 3 및 도 4는 각각 실시예 1과 비교예 2의 미세기공층 표면을 SEM으로 촬영한 것이다.Meanwhile, Figures 3 and 4 are SEM images of the surface of the microporous layer of Example 1 and Comparative Example 2, respectively.

도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 실시예 1에 따른 미세기공층의 표면 영상에서는 카본 뭉침이 없고, 도 4에 도시된 비교예 2에 따른 미세기공층의 표면 영상에서는 카본 뭉침이 발생한 것을 확인할 수 있다.Referring to Figures 3 and 4, there is no carbon agglomeration in the surface image of the microporous layer according to Example 1 shown in Figure 3, and there is carbon agglomeration in the surface image of the microporous layer according to Comparative Example 2 shown in Figure 4. You can confirm that this has occurred.

도 5 내지 도 7은 각각 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 6에 따라 제조된 가스확산층에 대해 수은기공률 측정을 수행한 결과로서 기공크기 분포도를 도시한 것이다.Figures 5 to 7 show pore size distributions as a result of mercury porosity measurements on the gas diffusion layers prepared according to Comparative Example 1, Example 1, and Example 6, respectively.

상술한 표 1 내지 표 3에 나타난 바와 같이, 연료전지 가스확산층을 제조함에 있어, 미세기공층 코팅액 제조 공정 중에, 제1 및 제2 롤러 간의 간격, 제2 및 제3 롤러 간의 간격, 롤러의 선속도 등의 3롤밀을 이용한 공정조건을 달리하여, 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절함으로써, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 조절할 수 있다.As shown in Tables 1 to 3 above, in manufacturing the fuel cell gas diffusion layer, during the microporous layer coating solution manufacturing process, the gap between the first and second rollers, the gap between the second and third rollers, and the line of the rollers By varying the process conditions using a three-roll mill, such as speed, and controlling the dispersion of the microporous layer coating liquid, the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper can be adjusted.

도 5 내지 도 7에 각각 도시된 기공크기 분포도를 살펴보면, X축은 기공 크기, Y축은 기공의 부피를 나타낸 것으로서, 좌측 영역은 탄소종이의 기공 크기를 나타내는 영역으로 본 실시예와 무관하고, 우측 영역은 미세기공층의 기공 크기가 나타나 있다.Looking at the pore size distribution diagram shown in Figures 5 to 7, the The pore size of the microporous layer is shown.

이때, 기공크기 분포도 상의 우측 영역에 표시된 피크값은 미세기공층에 형성된 기공들 중에 가장 많이 분포된 기공의 크기를 나타낸 것이다.At this time, the peak value displayed in the right area of the pore size distribution chart represents the size of the most distributed pores among the pores formed in the micropore layer.

구체적으로, 비교예 1은 미세기공층에 가장 많이 분포된 기공 크기가 51㎚로, 실시예 1은 미세기공층에 가장 많이 분포된 기공 크기가 71㎚로, 실시예 6은 미세기공층에 가장 많이 분포된 기공 크기가 82㎚로 나타난 것을 확인할 수 있으며, 3롤밀을 이용한 공정조건에 따라 미세기공층의 기공 크기를 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.Specifically, Comparative Example 1 had the most distributed pore size in the microporous layer at 51 nm, Example 1 had the most distributed pore size in the microporous layer at 71 nm, and Example 6 had the most distributed pore size in the microporous layer. It can be seen that the widely distributed pore size is 82 nm, and it can be confirmed that the pore size of the micropore layer can be controlled according to the process conditions using the 3-roll mill.

또한, 표 1 내지 표 3에 나타난 바와 같이, 미세기공층에 카본 뭉침이 없는 실시예 1 내지 7의 단위셀 평가 결과를 살펴보면, 미세기공층의 기공 크기가 88㎚로 가장 크게 형성된 실시예 3의 연료전지 단위셀이 가장 우수한 성능을 보이고 있으나, 미세기공층의 기공 크기가 60 내지 90㎚ 수준에서 형성되는 경우, 연료전지의 단위셀 평과 결과에서 큰 차이 없이 모두 우수한 성능을 보이고 있다. In addition, as shown in Tables 1 to 3, looking at the unit cell evaluation results of Examples 1 to 7 without carbon agglomeration in the microporous layer, Example 3 had the largest pore size of 88 nm in the microporous layer. The fuel cell unit cell shows the best performance, but when the pore size of the microporous layer is formed at the level of 60 to 90 nm, the unit cell evaluation results of the fuel cell all show excellent performance without much difference.

이때, 미세기공층의 기공 크기가 클 경우 가스확산층의 물배출 특성이 우수하게 나타나지만, 미세기공층의 기공 크기가 너무 커질 경우 촉매층과의 접촉 저항이 증가하여 성능이 감소될 수 있으며, 이에 따라 미세기공층의 기공 크기를 60 내지 90㎚ 수준으로 형성하는 것이 좋다.At this time, if the pore size of the microporous layer is large, the water discharge characteristics of the gas diffusion layer are excellent, but if the pore size of the microporous layer is too large, the contact resistance with the catalyst layer increases and performance may be reduced, which may reduce the microporous layer's performance. It is recommended that the pore size of the pore layer be around 60 to 90 nm.

가스확산층은 저습도 운전조건에서 물을 보관하는 특성이 중요하고, 고습도 운전조건에서는 물을 배출하는 특성이 중요한데, 가스확산층에 구비되는 미세기공층의 기공 크기에 따라 물배출 특성이 달라질 수 있으며, 미세기공층의 기공 크기를 60 내지 90㎚의 수준으로 조절하게 되면, 가스확산층의 물배출 특성이 효과적으로 개선될 수 있다.The gas diffusion layer is important in its ability to store water in low-humidity operating conditions, and its water discharge properties are important in high-humidity operating conditions. The water discharge characteristics may vary depending on the pore size of the microporous layer provided in the gas diffusion layer. When the pore size of the microporous layer is adjusted to a level of 60 to 90 nm, the water discharge characteristics of the gas diffusion layer can be effectively improved.

상술한 표 1 내지 표 3에서 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 7의 경우, 전류밀도 2A/㎠ 구간에서의 전압값이 비교예 1, 비교예 4 및 비교예 6에 비해 우수한 것을 확인할 수 있고, 이는 고습도 환경에서 연료전지 반응에 의해 생성된 기공 내 잔류하는 물의 배출이 원활하게 이루어져 연료전지 분리판으로 공급된 연료(예: 수소, 산소)가 촉매층으로 확산이 용이하여 발생된 결과이다.As shown in the above-mentioned Tables 1 to 3, it can be seen that in the case of Examples 1 to 7, the voltage value in the current density section of 2A/cm2 is superior to Comparative Example 1, Comparative Example 4, and Comparative Example 6, This is the result of smooth discharge of residual water in the pores created by the fuel cell reaction in a high-humidity environment, making it easy for the fuel (e.g. hydrogen, oxygen) supplied to the fuel cell separator to diffuse into the catalyst layer.

도 8은 실시예 1과 비교예 1에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 저습도 운전조건 시 단위셀 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이고, 도 9는 실시예 1과 비교예 1에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 고습도 운전조건 시 단위셀 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.Figure 8 shows a current-voltage graph showing the results of unit cell evaluation under low humidity operating conditions of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Example 1 and Comparative Example 1 was applied, and Figure 9 shows the results of unit cell evaluation according to Example 1 and Comparative Example 1. The results of unit cell evaluation under high humidity operating conditions of a fuel cell with a gas diffusion layer are shown in a current-voltage graph.

도 8 및 도 9에 도시된 실시예 1과 비교예 1에 따른 가스확산층이 적용된 연료전지의 단위셀 평가 결과를 살펴보면, 도 8의 온도 65℃, 상대습도 50%의 저습도 운전조건에서 실시예 1과 비교예 1은 거의 유사한 성능이 나타나고 있고, 저습도이기 때문에 전류밀도 2A/㎠ 구간에서도 물막힘이 발생하지 않아 전압감소 차이는 나타나지 않는 것을 알 수 있다.Looking at the unit cell evaluation results of the fuel cell to which the gas diffusion layer according to Example 1 and Comparative Example 1 shown in FIGS. 8 and 9 is applied, the Examples were obtained under low humidity operating conditions of a temperature of 65° C. and a relative humidity of 50% as shown in FIG. 8. 1 and Comparative Example 1 show almost similar performance, and since the humidity is low, water clogging does not occur even in the current density range of 2A/cm2, so there is no difference in voltage reduction.

반면에, 도 9의 온도 65℃, 상대습도 100%의 고습도 운전조건에서는 비교예 1에 비해 실시예 1에서 전류밀도 2A/㎠ 구간에서의 전압값이 상승한 것으로 나타나고 있어, 비교예 1에 비해 실시예 1이 물배출 성능이 크게 개선된 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the high-humidity operating conditions of 65°C and 100% relative humidity in FIG. 9, the voltage value at the current density of 2A/cm2 was increased in Example 1 compared to Comparative Example 1, and compared to Comparative Example 1, It can be seen that Example 1 has greatly improved water discharge performance.

즉, 미세기공층의 기공 크기를 60 내지 90nm의 수준으로 조절하면, 저습도 운전조건에서 동일한 성능을 유지하면서, 고습도 운전조건에서는 우수한 성능을 가지는 연료전지를 도출할 수 있다.In other words, by adjusting the pore size of the microporous layer to a level of 60 to 90 nm, a fuel cell can be produced that has excellent performance under high humidity operating conditions while maintaining the same performance under low humidity operating conditions.

또한, 상술한 표 1 내지 표 3에서도 나타난 바와 같이, 실시예 2 내지 7의 경우에도, 전류밀도 2A/㎠ 구간에서의 전압값이 실시예 1과 유사하게 나타나고 있어, 비교예 1에 비해 물배출 성능이 크게 개선되었음을 알 수 있다.In addition, as shown in the above-mentioned Tables 1 to 3, in the case of Examples 2 to 7, the voltage value in the current density 2A/cm2 section appears similar to Example 1, and compared to Comparative Example 1, water discharge It can be seen that performance has been greatly improved.

이에 따라, 실시예 1 내지 7에서와 같이, 롤러의 간격을 40 내지 80㎛의 범위로 설정하고, 해당 간격 내에서 롤러의 선속도를 800 내지 2000mm/s로 설정하여, 3롤밀의 공정조건을 이용하여 분산도가 조절된 미세기공층 코팅액을 제조하고, 이를 이용하여 기공 크기 60 내지 90㎚ 수준의 카본 뭉침이 없는 미세기공층이 형성된 가스확산층을 제조하는 경우, 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 갖는 연료전지 가스확산층을 얻을 수 있다.Accordingly, as in Examples 1 to 7, the spacing of the rollers is set in the range of 40 to 80㎛, and the linear speed of the rollers within the spacing is set to 800 to 2000 mm/s, so that the process conditions of the three-roll mill are set to When manufacturing a microporous layer coating solution with controlled dispersion and using it to manufacture a gas diffusion layer with a microporous layer with a pore size of 60 to 90 nm without carbon agglomeration, excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics are obtained. A fuel cell gas diffusion layer having a can be obtained.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층은, 탄소종이에 코팅되는 미세기공층 코팅액을 제조하는 공정 중에, 3롤밀을 이용한 롤러 간의 간격 및 롤러의 선속도를 제어하여 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절함으로써, 미세기공층 코팅액에 의해 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 용이하게 제어할 수 있다.As described above, the fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention controls the spacing between rollers and the linear speed of the rollers using a three-roll mill during the process of manufacturing a microporous layer coating solution coated on carbon paper. By adjusting the degree of dispersion of the microporous layer coating liquid, the pore size of the microporous layer formed on carbon paper by the microporous layer coating liquid can be easily controlled.

또한, 탄소종이에 형성되는 미세기공층의 기공 크기를 제어하여, 우수한 저습 특성과 뛰어난 물배출 특성을 갖는 가스확산층을 제공할 수 있으며, 이를 통해 연료전지의 성능을 증대시킬 수 있다.In addition, by controlling the pore size of the microporous layer formed on the carbon paper, it is possible to provide a gas diffusion layer with excellent low humidity characteristics and excellent water discharge characteristics, thereby improving the performance of the fuel cell.

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 this specification and drawings are merely provided as specific examples to easily explain the technical content of the present invention and to facilitate 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 modified forms derived based on the technical idea of the present invention in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (4)

증류수, 카본블랙 및 분산제가 혼합된 혼합물을 3롤밀을 이용하여 분산시켜 미세기공층 코팅액을 제조하고, 소수처리된 탄소종이에 상기 미세기공층 코팅액을 코팅하여 상기 탄소종이에 미세기공층을 형성하되,
롤러 간의 간격은 40 내지 80㎛, 롤러의 선속도는 800 내지 2000mm/s의 범위 내로 설정된 3롤밀을 이용하여 상기 미세기공층 코팅액의 분산도를 조절하여, 상기 탄소종이에 60 내지 90㎚의 범위의 기공 크기를 갖는 미세기공층을 형성시킴으로써, 물배출 성능을 향상시키고 촉매층과의 접촉저항을 억제시킬 수 있는 연료전지 가스확산층.
A mixture of distilled water, carbon black, and dispersant is dispersed using a 3-roll mill to prepare a microporous layer coating solution, and the microporous layer coating solution is coated on hydrophobically treated carbon paper to form a microporous layer on the carbon paper. ,
The spacing between rollers is 40 to 80㎛, and the linear speed of the rollers is set in the range of 800 to 2000mm/s to control the dispersion of the microporous layer coating solution, so that the carbon paper has a range of 60 to 90㎚. A fuel cell gas diffusion layer that can improve water discharge performance and suppress contact resistance with the catalyst layer by forming a micropore layer with a pore size of .
제 1항에 있어서,
상기 미세기공층 코팅액은,
상기 3롤밀을 이용하여 분산된 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 투입하고 교반하여 형성되고, 상기 탄소종이에 도포되어 코팅되는 연료전지 가스확산층.
According to clause 1,
The microporous layer coating solution is,
A fuel cell gas diffusion layer formed by adding polytetrafluoroethylene dispersion to the dispersed mixture using the three-roll mill and stirring it, and applied and coated on the carbon paper.
증류수, 카본블랙 및 분산제를 교반하여 1차 혼합물을 제조하는 단계;
롤러 간의 간격은 40 내지 80㎛, 롤러의 선속도는 800 내지 2000mm/s의 범위 내로 설정된 3롤밀을 이용하여 상기 1차 혼합물을 분산시키는 단계;
상기 분산된 1차 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 투입하고 2차 교반하여 미세기공층 코팅액을 제조하는 단계; 및
소수처리된 탄소종이에 상기 미세기공층 코팅액을 코팅시키는 단계를 포함하는 연료전지 가스확산층 제조방법.
Preparing a primary mixture by stirring distilled water, carbon black, and a dispersant;
Dispersing the primary mixture using a three-roll mill where the spacing between rollers is set to 40 to 80㎛ and the linear speed of the rollers is set to within the range of 800 to 2000 mm/s;
Adding polytetrafluoroethylene dispersion to the dispersed primary mixture and secondary stirring to prepare a microporous layer coating solution; and
A fuel cell gas diffusion layer manufacturing method comprising the step of coating the microporous layer coating solution on hydrophobically treated carbon paper.
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