KR20090067262A - 미세다공층을 포함하는 가스확산층과 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 있어서, 상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스확산층과 그에 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 미세다공층(microporous)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)이 융점과 용융점도가 낮아 가공하기 쉬우며, 상기 탄소충전제 미세분말을 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 혼합하면 충격강도와 압축강도가 향상되어 가스확산층의 내마모성과 열전도도가 우수하게 됨으로써 연료전지의 효율을 극대화시키는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 가스확산층, 플루오르화 비닐리덴, 탄소충전제

Description

미세다공층을 포함하는 가스확산층과 그 제조방법{The gas diffusion layer including microporous layer and Method for manufacturing the same}
본 발명은 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 있어서, 상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스확산층과 그에 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 작동온도에 따라 여러 가지로 구분할 수 있으나, 상온으로부터 100℃이하에서 작동하며 전해질로 고분자 물질을 사용하는 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 에너지밀도가 높고 휴대가 가능한 새로운 에너지원으로 각광받고 있다.
직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 에너지 밀도가 높은 액체메탄올을 개질기 없이 직접 사용할 수 있기 때문에 휴대용 전원으로서 가능 성이 가장 높은 것으로 평가되고 있다. 연료전지가 수 와트급 이하의 소형 휴대 전원으로서 기존의 밧데리 기술과 경쟁하기 위해서는 가볍고, 크기가 매우 작아야 하고, 연료공급을 위한 송풍기나 펌프 등에 의한 전력 손실이 최소화되어야 한다.
고분자전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극 (anode,cathode), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator) 으로 이루어져 있다. 특히 음극(anode)과 양극(cathode)의 두 전극을 고분자전해질 막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 분자전해질 막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA) 라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.
그리고, 고분자 전해질 연료전지용 전극은 촉매층과 촉매층을 지지해 주는 가스확산층으로 구성되어 있다. 상기 가스확산층으로는 다공성 탄소지(carbon paper)나 탄소천(carbon cloth)이 널리 쓰인다. 또한, 상기 가스확산층은 촉매층을 지지해 주는 역할 외에도 반응기체를 촉매층으로 확산시켜주는 역할, 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜 주는 집전체(current collector) 역할, 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로역할도 수행한다.
상기 가스확산층이 연료전지에서 상기와 같은 중요한 역할을 함에 따라 연료전지의 에너지 효율성을 높이고자 가스확산층에 대한 연구가 시작되었다.
상기 연료전지에 사용되는 가스확산층을 제조하는 종래기술의 대부분은 수 마이크로미터(㎛)에 이르는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)입자를 코팅시켜 소수성을 구현하는 것이었다. 상기 폴리테트라플루오르에틸 렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)는 발수성을 갖는 물질로서, 플루오르화 고분자에 해당되며 주로 프리라디칼 중합반응(free-radical poiymerization)에 의하여 얻어진다. 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 높은 용융점(약 327℃)과 대부분의 산 및 알칼리 환경에서의 화학적 안정성으로 인하여 다공성 기체확산 전극에서 촉매 입자의 결합제로 많이 쓰이고 있다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 밀도가 크며 높은 온도에서도 안정한 특성이 있다. 또한, 낮은 온도에서도 유연성이 있어서 막이나 코팅제로 많이 사용되는 물질이다. 또한, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 결합제 역할 이외에도 고유의 발수성으로 수분에 의한 플로딩(flooding)을 방지하고, 촉매 층 내에서 거대 기공이 전해액으로 차는 것을 막아 반응 기체가 이동할 수 있는 통로를 제공한다.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계를 이용한 가스확산층의 제조 방법은 고분자 결합제를 이용하여 고분자 결합제를 분산 또는 용해할 수 있는 알코올계와 그 외 무극성이 용매를 사용상 혼합하고 혼합된 혼합물을 캐스팅하여 필름으로 만들고, 이 필름을 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 위에 프레싱(pressing) 하여 이를 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 열처리함으로써 가스확산층을 제조하였다.
그러나, 상기와 같은 폴리테트라에틸렌계(Polytetrafluroethylene; PTFE)을 이용한 가스확산층의 제조 방법은 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있었다. 또한, 촉매층내에서 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함량이 적을수록 촉매 층내에서 전해질이 차지하는 비율이 커져 전해질의 물질 전달에 대한 저항을 줄어드나, 많은 거대 기공이 전해질로 젖게 되어 반응기체 물질전달에 대한 저항이 커진다는 문제점이 있었다.
그리고, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)의 함량이 커질수록 거대기공의 발수성이 증가하여 반응기체가 이동하기는 수월해지나 전해질의 침투가 어려워져 전해질의 확산에 대한 저항이 증가하고, 촉매/전해질 접촉 면적 및 기액 접촉면적이 줄어들게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하여 내마모성, 열전도도가 향상되고, 가스확산층의 제조방법이 간소한 것을 특징으로 하는 가스확산층과 그에 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride) 44.5 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함하고, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 코팅의 두께는 50 내지 130㎛인 것을 특징으로 하는 가스확산층으로 하고, 더 바람직하게는 상기 가스확산층은 상기 코팅 면 위에 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.% 를 및 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 포함하여 제조되는 슬러리로 다시 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 탄소충전제의 미세분말은 입자의 평균 크기가 25 내지 50㎛인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층의 제조 방법은 이소프로필 알코올과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액을 탄소천(carbon cloth)에 함침시키는 에멀젼 혼합용액 함침단계; 상기 혼합용액에 함침된 탄소천(carbon cloth)을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침단계; 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침한 탄소천(carbon cloth)을 실온에서 건조시키는 건조단계; 상기 건조된 탄소천(carbon cloth)을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및 상기 소결된 탄소천(carbon cloth)을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼은 테프론을 증류수에 혼합시켜서 만들고, 상기 테프론 에멀젼의 농도 가 30wt.% 인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 함침단계는 탄소천을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)에 함침하여 상기 탄소천의 무게의 증가율이 3wt.%인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하고 분쇄하는 혼합단계; 상기 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 교반하는 교반단계; 및 상기 교반단계 후 실온에서 2시간 동안 방치시켜 상기 교반단계로 인하여 생성된 기포를 제거하는 기포제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 44.5 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함하고, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 교반단계는 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 2000rpm의 속도로 20분간 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 혼합단계는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말의 혼합물을 500rpm 내지 700rpm의 속도로 10분간 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 코팅은 롤코팅으로 코팅하는 것으로 코팅의 두께가 50 내지 130㎛인 것을 특징으로 하고, 더 바람직하게는 상기 가스확산층은 상기 코팅 면 위에 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.% 를 및 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 포함하여 제조되는 슬러리로 다시 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하여 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시켜 연료전지 내의 산화·환원반응을 원활히 일어나게 하였으며 생성된 물을 외부로 용이하게 배출함으로써 연료전지의 에너지 효율을 상승시키고, 연료전지의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하고자 한다.
첨부 도면 중, 도 1은 본 발명의 슬러리를 제조하는 것을 개략적으로 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬 러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이며, 도 3는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이다.
그리고, 도 4는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 5는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이며, 도 6는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이다.
또한, 도 7는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이며, 도 9은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 측면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이다.
더불어, 도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 11는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 미세다공층을 포함하는 가스 확산층의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 개략도이며, 도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침하기 전의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경사진으로 나타낸 상세도이다.
게다가, 도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침된 후의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면을 전자현미경으로 나타낸 상세도이며, 도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 뒷편을 전자현미경으로 나타낸 상세도이다.
마지막으로, 도 16는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 발수효과를 사진으로 나타낸 상세도이다.
본 발명은 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 관한 것으로, 상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함한다.
싱기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)는, 불소 수지의 장점인, 뛰어난 내약품성과 양호한 기계적·열적·전기적 특성을 겸비하고 있다. 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)는 불소수지 중에서 최고의 기계적 강도를 가지며, 강성 및 내크리프성이 우수하다. 그리고, 많은 무기산, 일부의 알칼리, 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 유기산 및 알코올류 등에 내성이 우수하여 뛰어난 내약품성을 가지며 내후성이 뛰어나다. 또한, 150℃까지의 온도하에서 사용이 가능하며, 내연소성과 저발연성이 뛰어나다. 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)은 상기 특성으로, 전자기기 부품·반도체·액정 관련 부품(세정조등의 밸브, 캡), 화학공업 관련(라이닝, 볼트, 필터의 하우징), 식품공업 관련(식품가공 기계의 부품), 산업 기계 관련(롤러, 가이드 레일, 와셔), 철강·금속 관련(롤, 라이너, 산세 라인, 도금 분야), 의료기기 관련 부품 등 폭넓은 분야에 이용되고 있다.
상기 본 발명의 일 구성요소로 탄소충전제 미세분말이 사용되고 있는데, 탄소충전제는 카본 블랙이라 불리기도 한다. 카본 블랙은 천연 탄화수소의 열분해에 의하여 생산된 검정색 및 비정형(amorphous)의 탄소 안료이다. 일반적으로 카본블랙은 동질이상으로, 퍼니스 블랙, 채널 블랙 및 램프 블랙으로 존재한다. 이의 공칭 순도(nominal purity)는 대략 98.5% 내지 99.6% 에 해당한다. 카본 블랙의 입자 사이즈는 13㎚ 내지 95㎚ 의 범위이고, 구상(spherical shape)이다.
본 발명의 일 구성요소의 탄소충전제의 미세분말은 입자의 평균 크기가 25 내지 50㎛ 이다. 상기와 같은 범위의 미세분말이 아닌 탄소충전제 미세분말을 사용 하여 고점도의 슬러리를 제조하여 탄소천(carbon cloth)에 코팅하는 경우 코팅이 일정두께로 되지 않으고 코팅에 틈이 생긴다. 그러므로, 상기 탄소충전제의 미세분말은 상기와 같은 범위의 평균입자크기로 하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 일정크기의 탄소충전제 미세분말을 제조하기 위하여 25 내지 50㎛ 크기의 메쉬를 이용하여 거른 후 슬러리를 제조한다.
상기 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 슬러리를 제조한다. 상기 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)은 탄소충전제제 미세분말을 첨가하면 충격강도와 압축강도가 향상되며 내마모성, 열전도도가 우수하다.
상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 44.5wt.% 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함한다. 상기 탄소충전제의 미세분말이 55.5wt.% 이하이면 슬러리의 점도가 낮아져서 코팅기재(탄소천)에 스며들어 기재의 기공을 막는 단점이 생긴다. 또한, 탄소천에 코팅시에 탄소충전제 미세분말의 슬러리를 코팅시에 코팅 양의 조절에도 문제가 생긴다. 그리고, 상기 탄소충전제의 미세분말이 71.4wt.%이상으로 첨가되면 결합제의 역할을 하고 있는 플루오르화 비닐리덴polyvinylidene fluoride; PVDF)의 양이 너무 적어서 슬러리로 제조할 수 없다. 더불어, 플루오르화 비닐리덴polyvinylidene fluoride; PVDF)이 44.5wt.%이상으로 첨가되면 점성이 너무 커져서 탄소천 위에 균일하게 코팅할 수 없고, 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)이 28.6wt.% 이하로 첨가되면 슬러리로 제조할 수 없다. 그러므로, 상기 슬러 리의 점도는 200,000cps 이상으로 고점도이어야 한다.
하기 바람직한 실시예 중 하나인 실시예 1를 참고하면, 슬러리의 점도가 200,000cps 이하인 저점도 슬러리인 경우 상기 탄소천(carbon cloth)에 코팅되는 경우 코팅면만 코팅되는 것이 아니라 함침되어 코팅면의 뒷면에까지 새어나온다. 상기 코팅면의 뒷면에 슬러리가 새어나오는 경우 가스확산층의 기공이 막히는 현상이 일어나 촉매 층의 이용율 저하, 연료의 불균일한 확산 및 생성물 배출이 원활되지 않는다. 그러므로, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상으로 고점도가 되어야 바람직하다.
상기 미세다공층을 포함하는 가스확산층은 고점도의 슬러리를 상기 코팅면의 두께가 50 내지 130㎛가 되도록 탄소천에 코팅을 한다. 그리고, 상기 가스확산층은 상기 고점도의 슬러리로 코팅한 탄소천의 상기 코팅면 위에 플루오르화 비닐리덴polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.% 로 혼합한 혼합물과 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 포함하여 제조되는 슬러리로 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성하게 한다.
상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하고 분쇄하는 혼합단계; 상기 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 교반하는 교반단계; 및 상기 교반단계 후 실온에서 2시간 동안 방치시켜 상기 교반단계로 인하여 생성된 기포를 제거하는 기포제거단계;를 포함한다. 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)으로 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)이 44.5wt.% 내지 28.6wt.%가 포함되고, 상기 탄소충전제 미세분말은 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함한다. 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상으로 고점도이어야 한다.
상기 교반단계는 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 2000rpm의 속도로 20분간 이루어진다. 상기 교반단계를 거친 후에 혼합단계를 거치는데, 상기 혼합단계는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말의 혼합물을 500rpm 내지 700rpm의 속도로 10분간 이루어진다. 상기 교반단계에서 혼합단계보다 빠른 속도로 섞어주는 것은 교반단계에서는 혼합뿐만 아니라 분쇄도 필요하기 때문이다.
상기 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 롤코팅기를 이용하여 코팅하는데, 상기 코팅의 두께는 50 내지 130㎛으로 하여 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성한다. 상기 다수의 코팅층은 고점도의 슬러리로 할 수 있으며, 처음에는 고점도의 슬러리로 코팅한 다음 그 후에는 저점도의 슬러리로 코팅하여 다수의 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 롤코팅기는 일정두께로 얇게 코팅할 때 사용하는 방법으로 상기 움직이는 탄소천(carbon cloth) 위에 슬러리로 코팅한다. 상기 롤코팅에서 코팅되는 두께는 코팅액의 점도 등과 같은 액체적 성질에 의하여 결정되며, 다수의 롤을 사용하여 코팅하는 경우에는 롤과 롤 사이의 거리에 의하여 결정된다.
상기 살펴본 고점도의 슬러리와 발수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 이용하여 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층의 제조방법은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액에 탄소천(carbon cloth)을 함침시키는 에멀젼 혼합용액 함침단계; 상기 혼합용액에 함침된 탄소천(carbon cloth)을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침단계; 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침한 탄소천(carbon cloth)을 실온에서 건조시키는 건조단계; 상기 건조된 탄소천(carbon cloth)을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및 상기 소결된 탄소천(carbon cloth)을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계를 포함하여 이루어진다.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼은 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 증류수에 혼합시켜서 만들고, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼의 농도를 30wt.%정도 되도록 한다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 융점이 327℃의 결정성 폴리머로 연속사용온도는 260℃이고 안정한 물질이어서 저온(-268℃)에서 고온까지 사용할 수 있다. 내약품성은 유기 재료 중에서는 최고로 산·알칼리, 각종 용제에는 전혀 침해되지 않고, 불소 가스, 용융 알칼리 금속, 3불화염소 등의 특수한 약품에 가혹한 조건에서만 침해되며 가스킷, 패킹, 각종 시일재 등에 이용되고 있다. 기계적 특성에서의 최대 특징은 마찰계수가 작다는 것이며, 전기특성 중 특히 유전특성은 가장 우수하 다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 에멀젼 상태로 만들기 위하여 증류수에 혼합시킨다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)의 농도가 30wt.%가 되도록하는데 그 이상이 되면 코팅이 용이하게 되지 않을뿐더러 고른 코팅면을 얻을 수 없기 때문이다. 상기 증류수를 혼합시킨 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액에 적신 후 3wt.%의 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침량을 갖게 한다.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함친시킨 탄소천(carbon cloth)을 건조기에 넣어 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 소결시켜야 한다. 상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어진다. 상기와 같이 소결을 시키는 이유는 상기 가스확산층에 발수성을 부여하기 위해서이다. 상기와 같이 가스확산층에 발수성이 부여되는 경우, 연료전지의 연료극의 수소와 공기극의 산소와의 결합으로 생성된 물이 용이하게 배출되어 연료전지의 전기효율이 향상되며 전지의 수명이 길어지게 된다.
상기와 같이 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)를 소결시킨 탄소천(carbon cloth)에 슬러리로 코팅한다. 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)이 44.5wt.% 내지 28.6wt.%를 포함하고, 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함한 것으로, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상이어야 한다. 상기 200,000cps로 고점도이어야 하는 것은 상기 살 펴본 이유와 동일하다. 상기 슬러리를 롤코팅으로 코팅하고, 코팅의 두께가 50 내지 130㎛가 되도록 한다.
상기 코팅은 상기 코팅의 두께로 반복코팅하여 다수의 코팅층을 형성한다. 상기 다수의 코팅층은 상기 살펴본 바와 같이 고점도의 슬러리로 다수의 코팅층을 형성하거나 고점도의 슬러리로 코팅한 후에 저점도의 슬러리로 코팅을 하여 다수의 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 저점도의 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.% 로 혼합시킨 혼합물과 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 포함하여 제조한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예 중 하나인 제 1 실시예로서 저점도 또는 고점도의 슬러리로 코팅하여 제조한 가스확산층의 특성을 먼저 살펴보겠다. 그리고, 제 2 실시예로 발수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)와 상기 제 1 실시예에서 제조된 슬러리를 이용하여 가스확산층의 제조하는 방법을 살펴보고자 한다.
- 제 1 실시예-
도 1을 참고하면, 상기 살펴본 고분자물질로 된 저점도의 슬러리를 제조하기 위해서는 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)과 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)를 우선 준비하여야 한다. 상기 N-메틸-2-피롤리 딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)과 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP) 질량의 8wt.% 내지 10wt.% 범위에 해당하는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)을 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)에 첨가하여 혼합용액을 만든다. 상기 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)은 용매제로 사용되며, 무공해 내지 저공해 세정제, 세척제, 추출제, 전해액으로 사용되는 물질이다. 본 발명의 일 구성요소로서의 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)는 슬러리의 점도를 조절하는 역할을 한다.
상기 혼합용액을 제조한 후에 상기 혼합용액에 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)의 고형분에 대하여 40wt.% 내지 80wt.%에 해당하는 탄소충전제 미세분말을 각각 첨가한다. 상기 탄소충전제를 첨가한 후에 2000rpm의 속도로 10분동안 혼합·분쇄시키고, 다시 20분간 500rpm 내지 700rpm의 속도로 교반하여 코팅 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리는 교반 시 발생한 기포를 제거하기 위하여 약 2시간 실온에서 방치한다. 상기와 같이 제조한 탄소충전제와 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)의 비율에 따른 슬러리의 특성을 하기 표 1에 나타내었다.
탄소충전제 미세분말 (wt.%) 플루오르화 비닐리덴 (wt.%) N-메틸-2-피롤리딘 (g) 점도 (cps) 두께 (mm) 무게 (g)
시료 1 60(19.54g) 40(130.6g) 90 11500 0.1357 0.1792
시료 2 50(16.3g) 50(163g) 50 11900 0.1147 0.1612
시료 3 40(13.04g) 60(195.4g) 50 11600 0.1327 0.1737
상기 표 1를 참고하면, 시료 1 내지 시료 3의 점도가 11000 내지 12000 cps. 사이임을 알 수 있다. 상기와 같이 제조한 시료 1 내지 시료 3의 슬러리를 탄소천의 일면에 롤코팅으로 코팅하고, 상기 코팅의 두께는 50 내지 130㎛가 되도록 코팅한다. 상기 탄소천에 코팅한 다음 코팅한 면과 코팅하지 않은 뒷면을 전자현미경으로 도 2 내지 도 7에 나타내었다.
도 2, 도 4 및 도 6을 참고하면, 상기 제조된 시료 1 내지 시료 3인 슬러리로 탄소천의 일면을 코팅하는 경우 코팅면의 탄소섬유(carbon fiber)가 상기 슬러리로 코팅되었음을 알 수 있다. 그러나, 도 3, 도 5 및 도 7을 참고하면, 상기 탄소천의 기공 내부로 슬러리가 함습되어 코팅 면뿐만 아니라 코팅하지 않은 뒷편의 탄소섬유(carbon fiber)에 까지 상기 슬러리가 결합되어 있는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 코팅하지 않은 뒷편에까지 코팅되는 경우 연료전지의 가스확산층에서 필수적인 기공이 줄어들게 된다. 상기 기공이 줄어들게 되면 연료전지 내의 물의 배출과 화학반응이 원활하게 일어나지 않아 전지의 전기효율이 떨어지게 된다.
상기 슬러리가 고점도의 경우에 탄소천에 코팅하는 경우에도 똑같은 현상이 일어나는지 알아보고자 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)의 양을 100g으로 하고, 상기 각각의 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)에 첨가되는 탄소충전제 미세분말의 양을 증가시켜 점도가 점점 증가하게 하였다. 그리고, 슬러리의 점도를 묽게 조절하는 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)을 첨가하지 않았다. 상기에 따라 제조된 슬러리의 특성을 하기 표 2에 나타내었다.
플루오르화 비닐리덴(g) 탄소충전제 미세분말(wt.%) 점도(cps)
시료 4 100 40(4g) 13000
시료 5 100 50(5g) 30000
시료 6 100 60(6g) 100000
시료 7 100 70(7g) 200000 이상 고점도
시료 8 100 80(8g) 200000 이상 고점도
상기 표 2를 참고하면, 탄소충전제 미세분말이 70wt.%이상으로 첨가되는 경우 점도가 200,000 이상의 고점도가 됨을 알 수 있다. 또한, 시료 4와 시료 8을 비교해보면, 탄소충전제 미세분말의 양이 2배가 되면 점도도 비례하여 증가하는 것이 아니라 점도가 15배 이상으로 되어 점도가 기하급수적으로 증가함을 알 수 있다.
표 2의 시료 중에서 200,000 이상의 고점도인 시료 7과 시료 8 중의 어느 하나를 택하여 탄소천(carbon cloth)의 일면에 코팅한 것을 도 8 내지 도 10에 나타내었다. 상기 도 8을 참고하면, 상기 시료로 코팅된 탄소천(carbon cloth)은 코팅한 일면이 틈이 없이 잘 코팅된 것을 알 수 있다. 도 9를 참고하면, 상기 시료로 코팅한 탄소천의 코팅 면에만 코팅이 되어 있고, 탄소천의 내부로 함습되지 않은 것을 알 수 있다. 그리고, 도 10을 참고하면, 상기 코팅된 탄소천(carbon cloth)의 뒷편을 보면 상기 슬러리가 새어나와 탄소섬유(carbon fiber)와 결합되지 않은 것을 알 수 있다.
상기 탄소충전제 미세분말을 메쉬(mesh)로 걸러내어 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)에 첨가하여 슬러리를 제조하는 경우 코팅면이 고르며 빈틈없이 코팅되는 것을 알 수 있다. 상기와 같은 결과를 토대로 고점도의 슬러리와 발수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 이용하여 가스확산층을 제조하는 방법을 본 발명의 바람직한 실시예 중 하나인 제 2 실시예를 통하여 살펴보고자 한다.
-제 2 실시예-
본 발명의 바람직한 실시예 중 하니인 제 2 실시예에 의하여 제조되는 가스확산층은 도 11를 참고하면, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액에 탄소천(carbon cloth)을 함침시키는 에멀젼 함침단계; 상기 혼합용액에 함침된 탄소천(carbon cloth)을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침단계; 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침한 탄소천(carbon cloth)을 실온에서 건조시키는 건조단계; 상기 건조된 탄소천(carbon cloth)을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및 상기 소결된 탄소천(carbon cloth)을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계를 포함하여 이루어진다.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼은 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 에멀젼 상태로 만들기 위하여 증류수에 혼합시킨다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)의 농도가 30wt.%가 되도록 하는데 그 이상이 되면 코팅이 용이하게 되지 않을뿐더러 고른 코팅면을 얻을 수 없기 때문이다. 도 12와 도 13을 참고하면, 상기 증류수를 혼합시킨 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 용액에 탄소천(carbon cloth)(도12)을 함침시킨다. 상기 함침은 탄소천을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)에 함침하여 상기 탄소천의 무게의 증가율이 3wt.%가 되도록 한다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 함침한 탄소천(carbon cloth)을 도 13에 나타내었다.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함친시킨 탄소천(carbon cloth)을 건조기에 넣어 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 소결시켜야 한다. 상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어진다.
상기와 같이 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)를 소결시킨 탄소천(carbon cloth)에 상기 제 1 실시예에서 제조한 시료 8의 슬러리로 코팅한다. 도 14를 참고하면, 상기 시료 8의 슬러리로 코팅한 탄소천(carbon cloth)의 코팅한 일면은 틈이 없는 것을 알 수 있다. 또한, 도 15를 참고하면, 코팅하지 않은 탄소천(carbon cloth)의 뒷편은 상기 슬러리가 함침되지 않아 탄소천의 탄소섬유(carbon fiber)가 깨끗함을 알 수 있다.
도 16을 참고하면, 상기와 같은 제조방법에 의하여 제조된 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 발수효과를 나타낸 것이다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 처리하여 코팅한 탄소천에 물방울이 함습되지 않아 접촉각이 큰 것을 알 수 있다. 상기 미세다공층을 포함하고 있는 가스확산층은 뛰어난 발수성으로 인하여 가스확산이 원활하게 일어난다.
한편, 불소수지는 C-C결합으로 이루어지는 폴리올레핀과 같은 결합으로 폴리올레핀의 수소의 일부 또는 전부가 불소원자로 대치된 구조를 가진 합성수지이다. 상기 불소수지로 시판되고 있는 것으로 8종류의 불소(fluorine) 수지가 있는데 그중에서 70%인 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)이 대표적이다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 테프론이란 상품명으로 알려져 있는 결정성수지로 260℃에서의 장기사용에 견디는 내열성이 있고 내약품성, 전기절연성, 고주파특성, 비접착성, 저마찰계수, 난연성 등이 특이한 플라스틱이다.
상기와 같은 특성으로 인하여 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 많이 사용되었다. 그러나, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)는 가스확산층으로 제조하는 경우 복잡한 공정과정을 거치는 문제점이 존재하였다.
상기와 같은 문제점을 극복하고자 연료전지의 가스확산층을 제조하는 방법으로 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)를 대신해서 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제를 이용하였으며, 그 결과로 가공성을 향상시켰다. 상기 고점도 및 저점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 슬러리를 만들어 롤코팅 방법의 개념을 도입하여 프로세스를 간소화시켰다.
또한, 슬러리의 점도를 제어함으로써 고점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제를 코팅하여 기재인 탄소천(carbon cloth) 속으로 함습되지 않고 균일한 두께로 덮을 수 있게 코팅하였다. 게다가 상기 고점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제 코팅면 위에 저점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제를 이용하여 여러번 코팅하여 탄소천(carbon cloth) 기재표면의 두께를 조절하여 일정한 두께의 미세다공층(microporous)을 가지는 재현성 있는 가스확산층을 제조할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 슬러리를 제조하는 것을 개략적으로 나타낸 개략도;
도 2는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 3는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도
도 4는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 5는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 6는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 7는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 9은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 측면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 11는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 개략도;
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)에 함침하기 전의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경사진으로 나타낸 상세도;
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)에 함침된 후의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면을 전자현미경으로 나타낸 상세도;
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 뒷편을 전자현미경으로 나타낸 상세도; 및
도 16는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 발수효과를 사진으로 나타낸 상세도이다.

Claims (15)

  1. 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 있어서,
    상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층을 포함하는 가스확산층.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride) 44.5 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함하고, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상인 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코팅면의 두께가 50 내지 130㎛인 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스확산층은 상기 코팅 면 위에 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.% 를 및 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 포함하여 제조되는 슬러리로 다시 반복코팅코팅하여 다수의 코팅층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소충전제의 미세분말은 입자의 평균 크기가 25 내지 50㎛ 인 것을 특징으로 하는 가스확산층.
  6. 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층의 제조방법에 있어서,
    상기 가스확산층의 제조방법은 이소프로필 알코올과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액을 탄소천(carbon cloth)에 함침시키는 에멀젼 혼합용액 함침단계;
    상기 에멀젼 혼합용액에 함침된 탄소천을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌 함침단계;
    상기 폴리테트라플루오르에틸렌에 함침한 탄소천을 실온에서 건조시키는 건조단계;
    상기 건조된 탄소천을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및
    상기 소결된 탄소천을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄 소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계;를 포함하여 이루어지는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 테프론 에컬젼은 테프론을 증류수에 혼합시켜서 만들고, 상기 테프론 에멀젼의 농도가 30wt.% 인 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 함침단계는 탄소천을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)에 함침하여 상기 탄소천의 무게의 증가율이 3wt.%인 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하고 분쇄하는 혼합단계;
    상기 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 교반하는 교반단계; 및
    상기 교반단계 후 실온에서 2시간 동안 방치시켜 상기 교반단계로 인하여 생성된 기포를 제거하는 기포제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  11. 제 6 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride) 44.5 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함하고, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상인 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 교반단계는 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 500 내지 700rpm의 속도로 20분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합단계는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말의 혼합물을 2000rpm의 속도로 10분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 코팅은 롤코팅으로 코팅하는 것으로, 코팅의 두께가 50 내지 130㎛인 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스확산층은 상기 코팅면 위에 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.% 를 및 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 포함하여 제조되는 슬러리로 다시 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조방법.
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US11276863B2 (en) * 2019-12-12 2022-03-15 Hyundai Motor Company Gas diffusion layer for fuel cell and method for manufacturing the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8512905B2 (en) 2011-06-02 2013-08-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Catalyst slurry, electrode prepared by using the catalyst slurry, and fuel cell including the electrode
US11276863B2 (en) * 2019-12-12 2022-03-15 Hyundai Motor Company Gas diffusion layer for fuel cell and method for manufacturing the same
CN112820883A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 武汉理工氢电科技有限公司 一种微孔层浆料、气体扩散层、燃料电池及制备方法
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