KR20060065809A - 연료전지 ｇｄｌ 전극층의 제조에서 카본 코팅마이크로크랙 발생의 제어 - Google Patents

연료전지 ｇｄｌ 전극층의 제조에서 카본 코팅마이크로크랙 발생의 제어 Download PDF

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Abstract

연료전지의 가스확산층(GDL)용 코팅이 제공된다. 상기 코팅은 카본 블랙, 플루오로폴리머, 및 그래파이트 미립자와 카본 미립자중 적어도 어느 하나의 미립자를 포함하는 분산물을 포함한다. 상기 미립자의 사이즈는 상기 카본 블랙 입자의 사이즈 보다 실질적으로 크며, 상기 코팅의 크랙발생을 최소화할 수 있도록 상기 코팅에 구조적 완전성(structural integrity)을 제공한다. 상기 카본 블랙 입자의 사이즈는 약 13 ~ 95 nm의 범위내에 있을 수 있다. 상기 카본 미립자는 커팅된 또는 촙트 카본 파이버(cut or chopped carbon fiber), 카본 또는 그래파이트 플레이크 또는 플레이트릿(platelet), 카본 나노튜브, 카본 피브릴, 또는 카본 휘스커일 수 있다. 상기 카본 미립자는 큰 길이 대 직경비를 가질 수 있다.

Description

연료전지 ＧＤＬ 전극층의 제조에서 카본 코팅 마이크로크랙 발생의 제어{Control of carbon coating microcrackings in fabrication of fuel cell GDL electrode layer(s)}
도 1은 크랙을 갖는 가스확산층 직물상의 코팅을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 가스확산층 직물상의 코팅을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 코팅이 적용될 수 있는 연료전지의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 카본 또는 그래파이트 미립자를 포함하는 연료전지의 가스확산층 또는 전극의 표면에 적용될 수 있는 코팅에 관한 것이다.
연료전지의 가스확산층(GDL: gas diffusion layer)은, 부직포 또는 직포 형태의 카본 파이버일 수 있는데, 연료전지내에서 상기 GDL과 막(membrane) 또는 쌍극판(bipolar plate)과의 전기적 접촉을 형성하기 위하여 일반적으로 그 하나 이상의 층이 특정 물질로 코팅된다. 그러한 코팅은 카본 블랙(아세틸렌 블랙 또는 아모 퍼스 블랙으로도 알려짐)과 Tefron®과 같은 플루오로폴리머의 혼합물로부터 제조될 수 있다. 향상된 전기전도성과 같은 소정 특성을 조절하기 위하여 또는 촉매를 지지하기 위하여 다양한 사이즈의 미립자(particulate)와 같은 다른 재료도 또한 포함될 수 있다.
연료전지의 연료효율을 높히기 위하여 상기 코팅의 사이즈 및 공극률(porosity)은 조절되어야 한다. 공극률은 촉매 및 막으로의 연료 흐름을 조절하기 위한 다른 통로 형성, 상기 막 근방에서의 물 함량의 조절, 및 촉매 지지를 포함하는 몇가지 기능에 영향을 미친다.
상기 코팅은 고형분 함량이 낮은 수성 분산물을 이용하여 형성된다. 다량의 유체가 제거되면 크랙(머드 크랙(mud cracks))이 GDL 표면상의 상기 코팅내에 종종 발생한다. 통상적으로 크랙이 발생하면 경화된 필름에 끊김(breaking)이 생기는 것과 같은 코팅 결함이 발생한다. 이에 의하여 기재(substrate)가 노출된다. 이러한 현상은 코팅된 기재를 제조하는 동안에 보통 코팅이 너무 무르거나(brittle) 또는 기재에의 접착력이 너무 작을 때 발생한다. 무거운 코팅이 GDL 기재의 표면상에 형성될 때 이러한 크랙은 더욱 두드러질 수 있다. 크랙 발생이 심할 수록 GDL이 그의 몇몇 기능을 달성하는 효율이 낮아진다. GDL 표면의 코팅내의 이와 같은 크랙의 일 예가 도 1에 도시되어 있다.
바인더 함량 증가시키기, 건조속도 조절, 연속적인 얇은 통과코팅(thin pass coating) 및 고형분 함량 증가시키기와 같은 코팅에서 크랙을 제거하는 종래의 방 법들이 사용되어 오고 있지만 성공적이지 못했다. 바인더 함량을 증가시키는 것은 본 출원에서 크랙발생을 제어하는데 비효율적이었다. 효과를 거둔 건조속도는 비현실적이었다. 얇은 통과코팅도 마찬가지였고, 고형분 함량을 증가시키는 것도 마찬가지였는데 이는 코팅 프로세스를 방해하였기 때문이다.
따라서 본 발명은 크랙 발생을 최소화하는 연료전지의 가스확산층 또는 전극용 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 코팅을 형성하는 코팅방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 코팅을 포함하는 연료전지용 물품을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 크랙 발생을 최소화하는 연료전지의 가스확산층 또는 전극용 코팅이 제공된다. 상기 코팅은 카본 블랙, 플루오로폴리머, 및 그래파이트미립자와 카본 미립자중 적어도 어느 하나를 포함하는 수성 분산물을 포함한다. 상기 미립자의 다수는 예를 들면 약 13-95 nm의 범위내에 있는 상기 카본 블랙 입자 보다 실질적으로 사이즈가 크다. 상기 카본 미립자는 커팅된 또는 촙트 카본 파이버(cut or chopped carbon fiber), 카본 또는 그래파이트 플레이크 또는 플레이트릿(platelet), 카본 나노튜브, 카본 피브릴, 또는 카본 휘스커일 수 있다.
상기 카본 미립자는 큰 길이 대 직경비를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 아래의 도시된 구현예들의 상세한 설명을 첨부도면과 관련하여 읽으면 명백해질 것이다. 첨부도면에서 대응하는 성분들은 동일한 참조번호에 의하여 지칭된다.
본 발명에 있어서, 수성 분산물은 연료전지(예를 들면 메탄올 타잎 연료전지)의 GDL의 기재에 코팅으로서 적용된다. 상기 분산물은 카본 블랙, 플루오로폴리머, 및 카본 미립자와 그래파이트미립자 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 또한 계면활성제를 포함할 수도 있다. 플루오로폴리머 대 카본 블랙의 비는 5/95 ~ 70/30의 중량비 범위일 수 있다. 상기 미립자는 총코팅중량의 25% ~ 70%를 차지할 수 있다. 이들 미립자를 첨가하면 점도를 증가시키지 않고 분산물의 고형분 함량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 더 큰 구조적 완전성(structural integrity)을 부여할 수 있다. 그 결과, 본 코팅은 GDL의 코팅층내에서 크랙발생을 최소화한다.
카본 블랙은 천연 탄화수소의 열분해에 의하여 생산된 검정색 및 비정형(amorphous)의 탄소 안료이다. 일반적으로, 3종의 다른 카본 블랙이 있다(즉, 퍼니스 블랙, 채널 블랙, 및 램프 블랙(lamp black)). 이의 공칭 순도(nominal purity)는 대략 98.5% ~ 99.6%에 해당한다. 카본 블랙 입자의 사이즈는 13 nm ~ 95 nm의 범위일 수 있다. 카본 블랙은 구상(spherical shape)일 수 있다.
상기 미립자의 다수의 사이즈는 상기 카본 블랙 입자의 사이즈 보다 실질적으로 클 수 있다. 상기 미립자는 직경 보다 큰 길이를 가질 수 있다. 길이 대 직경의 비는 1.5 ~ 10,000의 범위일 수 있다. 상기 미립자는 절단 카본 또는 그래파이트 파이버, 카본 또는 그래파이트 플레이크 또는 플레이트릿(platelet), 카본 또는 그래파이트 나노튜브, 카본 또는 그래파이트 피브릴, 또는 카본 또는 그래파이트 휘스커와 같은 짧은 길이 파이버를 포함할 수 있다. 상기 섬유는 6 ~ 20 마이크론의 직경과 10 ~ 500 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 상기 플레이크 또는 플레이트릿은 1 ~ 500 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 상기 나노튜브, 피브릴, 및 휘스커는 5 ~ 100 nm의 직경과 5 ~ 수백 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 이들 섬유를 상기 코팅의 일 성분으로서 도입하면 건조 동안에 머드 크랙 발생이 최소화된다.
도 2는 촙트 카본 파이버를 포함하는 GDL 표면상의 코팅을 나타낸다. 이 도면에서 알 수 있듯이, 코팅내에는 어떠한 가시적인 크랙도 보이지 않는다.
상기 미립자를 도입하면 코팅내의 크랙 형성을 방지하는 것 이외에 코팅내에서의 전기전도성을 증가시킬 수 있다.
상기 GDL 기재는 짧은 길이일 수 있는 섬유상 카본 프리폼(fibrous carbon preforms), 종이, 단일방향 테이프(unidirectional tape), 편성포(knitted fabric), 직포 및 부직포, 및 스티치 본딩 다축 직물(stitch bonded multi-axial fabric)으로부터 형성될 수 있다. 코팅은 딥 코팅, 닥터 블레이드, 나이프, 스프레이, 롤 또는 슬롯과 같은 다양한 기술을 이용하여 적용될 수 있다.
전극은 구부러진 하나의 조각(single bent piece)일 수 있는데, 이는 이웃한 셀내에 삽입될 수 있도록 개작(adaptation)된다. 또는, 전극은 두 개의 조각으로 만들어져서 이 두 개의 연결된 조각들이 하나의 전극으로서 작용하도록 연결될 수 있다. 상기 전극들의 사이에는 막이 위치할 수 있으며 이온들이 상기 막을 통과할 수 있다.
도 3은 연료전지(100)의 개략도이다. 연료전지(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 무엇보다도 집전체(102), 가스 통로(104), GDL(105), 촉매층(106) 및 프로톤 교환막(107)을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 미립자를 도입하면 GDL 기재를 위하여 마련된 코팅내의 크랙 발생량을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이 미립자의 결과로 최소 숫자의 크랙만을 발생시키면서 총 300g/m2 이하의 코팅량을 달성할 수 있다. 메탄올 연료전지는 수소를 연료로 하는 연료전지 보다 더무거운 코팅을 필요로 하므로 상기한 혼합물은 그러한 경우에 특히 유리하다.
본 발명의 예시적인 구현예 및 그의 변형예가 여기에서 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 꼭 이 구현예 및 변형예에만 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다른 변형예 및 변화예가 당업자에 의하여 실행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅을 이용하면 코팅의 구조적 완전성(structural integrity)이 증가하여 상기 코팅의 크랙발생이 최소화될 수 있다.

Claims (24)

  1. 연료전지의 가스확산층(GDL)용 코팅으로서,
    상기 코팅은 카본 블랙, 플루오로폴리머, 및 그래파이트 미립자와 카본 미립자중 적어도 어느 하나의 미립자를 포함하며, 상기 미립자의 일부분은 상기 카본 블랙 입자 보다 실질적으로 사이즈가 크며 또한 상기 코팅의 크랙발생을 최소화할 수 있도록 상기 코팅에 구조적 완전성(structural integrity)을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  2. 제1항에 있어서, 상기 카본 블랙의 입자 사이즈는 약 13~95 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미립자는 촙트 카본 파이버(chopped carbon fiber)인 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미립자는 카본 또는 그래파이트 플레이크 또는 플레이트릿(platelet)인 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미립자는 카본 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  6. 제1항에 있어서, 상기 미립자는 카본 피브릴인 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  7. 제1항에 있어서, 상기 미립자는 카본 휘스커인 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미립자는 큰 길이 대 직경비를 갖는 것을 특징으로 하는 가스확산층용 코팅.
  9. 연료전지의 GDL 기재의 코팅방법으로서, 상기 방법은,
    카본 블랙, 플루오로폴리머, 및 그래파이트 미립자와 카본 미립자중 적어도 어느 하나의 미립자를 포함하는 분산물을 준비하는 단계; 및
    상기 분산물을 코팅하기 위하여 상기 분산물을 상기 기재에 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 미립자는 상기 카본 블랙 입자 보다 실질적으로 사이즈가 크며 또한 상기 코팅의 크랙발생을 최소화할 수 있도록 상기 코팅에 구조적 완전성(structural integrity)을 제공하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 카본 블랙의 입자 사이즈는 약 13~95 nm의 범위인 것 을 특징으로 하는 코팅방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 미립자는 촙트 카본 파이버(chopped carbon fiber)인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 미립자는 카본 또는 그래파이트 플레이크 또는 플레이트릿(platelet)인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 미립자는 카본 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 미립자는 카본 피브릴인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 미립자는 카본 휘스커인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 미립자는 큰 길이 대 직경비를 갖는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  17. 연료전지용 물품으로서, 상기 물품은 카본 블랙, 플루오로폴리머, 및 그래파이트 미립자와 카본 미립자중 적어도 어느 하나의 미립자를 포함하는 분산물로 코팅된 기재를 구비한 GDL이며, 상기 미립자의 일부분은 상기 카본 블랙 입자 보다 실질적으로 사이즈가 크며 또한 상기 코팅의 크랙발생을 최소화할 수 있도록 상기 코팅에 구조적 완전성(structural integrity)을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
  18. 제17항에 있어서, 상기 카본 블랙의 입자 사이즈는 약 13~95 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
  19. 제17항에 있어서, 상기 미립자는 촙트 카본 파이버(chopped carbon fiber)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
  20. 제17항에 있어서, 상기 미립자는 카본 또는 그래파이트 플레이크 또는 플레이트릿(platelet)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
  21. 제17항에 있어서, 상기 미립자는 카본 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
  22. 제17항에 있어서, 상기 미립자는 카본 피브릴인 것을 특징으로 하는 연료전 지용 물품.
  23. 제17항에 있어서, 상기 미립자는 카본 휘스커인 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
  24. 제17항에 있어서, 상기 미립자는 큰 길이 대 직경비를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 물품.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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