KR20160007633A - 확산층 형성용 페이스트 및 그 제조 방법 및 가스 확산층의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지의 GDL의 형성에 사용되는 확산층 형성용 페이스트는 용매, 도전성 입자, 제1 분해 온도를 갖는 제1 계면 활성제, 및 제1 분해 온도보다 낮은 제2 분해 온도를 갖는 제2 계면 활성제를 포함하고, 이들 모두는 용매에 분산된다. 확산층 형성용 페이스트는 중량 환산으로 제2 계면 활성제보다 적은 양의 제1 계면 활성제를 포함한다.

Description

확산층 형성용 페이스트 및 그 제조 방법 및 가스 확산층의 제조 방법{PASTE FOR DIFFUSION LAYER FORMATION AND PRODUCTION METHOD THEREOF AND PRODUCTION METHOD OF GAS DIFFUSION LAYER}
본 발명은 확산층 형성용 페이스트 및 그 제조 방법 및 가스 확산층(GDL)의 제조 방법에 관한 것이다.
GDL은 막전극 접합체(MEA)를 그 사이에 끼우고 보유 지지하여 연료 전지의 코어 부재가 되는 막-전극 및 가스 확산층 조립체(MEGA)를 형성한다. GDL은 확산층 기재 상의 페이스트 도포 및 후속적인 열처리를 통해 형성된다. GDL의 제조에 사용되는 페이스트는 GDL에 양호한 도전성을 부여하는 도전성 카본 입자를 포함하고, 이 입자는 계면 활성제를 사용하여 용매에 분산된다. 계면 활성제는 페이스트의 도포 이후 열처리 도중 용매와 함께 분해 및 제거되는 것이 요구된다. 가열 기간의 단축을 위한 수단이 제안되었다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 공보 제2011-258395호(JP 2011-258395 A) 참조).
GDL은 도전성, MEA의 애노드 및 캐소드의 전극 촉매층에의 가스의 확산 및 공급성, 및 MEGA의 형상을 유지하기 위한 전극 촉매층에의 접합성을 갖는 것이 요구된다. GDL은 계면 활성제에 의해 페이스트에 분산된 카본으로 인해 도전성을 나타낸다. GDL은 페이스트의 도포 이후 열처리 도중 분해 또는 제거되지 않은 확산층 내의 잔류 계면 활성제로 인해 발수성 및 접합성을 나타낸다. 발수성 및 접합성은 계면 활성제의 잔류량의 영향을 받는다. 도포 이후 페이스트로부터 계면 활성제의 분해 및 제거 상태는 일반적으로 가열 온도와 계면 활성제의 분해 온도 사이의 온도 차이 및 가열 기간에 의해 규정되는 가열 상태에 의해 규정되고, 계면 활성제의 분해 및 제거는 온도 차이가 증가될 때 증진된다. 따라서, 가열 기간은 또한 온도 차이를 증가시킴으로써 단축될 수 있다. 그러나, 후술되는 바와 같이, 모든 경우에 있어서 온도 차이의 증가가 실행될 수는 없는 상황이다.
GDL은 계면 활성제의 잔류량이 많은 경우 감소된 발수성을 가질 수 있으나, 계면 활성제가 어느 정도 잔류하지 않은 경우 접합성을 나타내지 않을 수 있다. 따라서, 발수성 발현의 관점에서는 계면 활성제의 잔류량을 저감하는 것이 바람직하지만, 접합성 발현의 관점에서는 계면 활성제의 잔류량의 저감을 회피하는 것이 바람직하다. 즉, 발수성을 나타내기 위해서는 온도 차이를 증가시키는 것이 요구되지만, 접합성을 나타내기 위해서는 온도 차이를 과도하게 증가시키지 않는 것이 요구된다.
도포 이후 페이스트로부터 계면 활성제의 분해 및 제거 상태는 온도 차이 및 가열 기간에 의해 규정되는 가열 상태뿐만 아니라 도포된 페이스트의 두께와 같은 소위 GDL 규격(specification)에 의해 영향을 받는다. 도포된 페이스트의 두께와 같은 GDL 규격은 GDL 또는 MEGA의 제품 규격을 만족하는 소정의 제조 공차를 갖게 된다. 따라서, GDL의 가열 시, 계면 활성제의 잔류량(이하, 적정 잔류량)이 GDL에 충분한 발수성 및 접합성 모두를 제공하는 가열 상태가 성립되도록, 제품 공차 내에서 GDL에 대한 온도 차이 및 가열 기간을 규정하는 것이 요구된다. 그러나, 온도 차이의 증가는 계면 활성제의 분해 및 제거를 증진시켜 가열 기간이 단축되기 때문에, 계면 활성제의 적정 잔류량을 제공하는 적용 가능한 조건 범위가 좁아질 수 있다. 따라서, 모든 경우에 있어서 가열 온도의 증가를 실행할 수는 없고, 가열 온도를 증가시키는 것에 의한 가열 기간 단축의 개선 여지가 있다. 또한, GDL의 제조 설비를 소형화하고 제조 비용을 저감하는 것이 요구된다.
본 발명의 일 양태는 연료 전지에 대한 GDL의 형성을 위해 사용되는 확산층 형성용 페이스트에 관한 것이다. 확산층 형성용 페이스트는 용매, 용매에 분산되는 도전성 입자, 용매에 분산되는 제1 계면 활성제로서, 제1 계면 활성제가 분해되는 제1 분해 온도를 갖는 제1 계면 활성제, 및 용매에 분산되는 제2 계면 활성제로서, 제2 계면 활성제가 분해되는 제2 분해 온도를 갖는 제2 계면 활성제를 포함한다. 제2 분해 온도는 제1 분해 온도 보다 낮다. 확산층 형성용 페이스트는 중량 환산으로 제2 계면 활성제보다 적은 양의 제1 계면 활성제를 포함한다. 확산층 형성용 페이스트가 확산층 기재에 도포되고 확산층 기재와 함께 열처리되는 경우, 가열 온도는 제1 계면 활성제의 제1 분해 온도보다 높고, 따라서 가열 온도와 제2 계면 활성제의 제2 분해 온도 사이의 온도 차이가 증가된다. 이러한 열처리에 의해, 제1 및 제2 계면 활성제 모두가 분해 및 제거된다. 페이스트가 낮은 분해 온도의 제2 계면 활성제만 포함하는 경우, 계면 활성제의 적정 잔류량을 초래하는 가열 상태를 제공하는 적용 가능한 조건의 범위는 가열 온도와 제2 계면 활성제의 제2 분해 온도 사이의 온도 차이가 클 때 좁다. 그러나, 확산층 형성용 페이스트는 분해 온도가 높은 제1 계면 활성제를 포함한다. 동일한 가열 온도에서의 제2 계면 활성제만 포함하는 확산층 형성용 페이스트의 열처리 및 제1 및 제2 계면 활성제 모두를 포함하는 확산층 형성용 페이스트의 열처리하는 상황이라면 제2 계면 활성제만 포함하는 페이스트의 열처리에 대해 적용 가능한 범위 내에서의 조건의 적용 하에서도, 후자의 경우 제1 계면 활성제가 제2 계면 활성제에 추가로 잔류하고 따라서 계면 활성제의 전체 잔류량은 증가되는 것으로 드러나며, 이는 가열 온도와 제1 분해 온도 사이의 온도 차이가 가열 온도와 제2 분해 온도 사이의 온도 차이보다 작기 때문이다. 따라서, 제2 계면 활성제에 추가로 제1 계면 활성제가 잔류하기 때문에, 제2 계면 활성제를 포함하는 페이스트에 대한 적용 가능한 조건의 범위가 확대될 수 있고, 따라서 GDL은 계면 활성제의 확보된 잔류량에 의해 접합성을 나타낼 수 있다. 게다가, 확산층 형성용 페이스트는 제1 계면 활성제의 중량이 적은 중량비의 제1 계면 활성제를 포함하고, 따라서 제1 계면 활성제의 잔류량이 과잉이 되는 것이 억제되어 GDL이 발수성을 나타낼 수 있다. 그 결과, 확산층 형성용 페이스트는 GDL의 형성 도중 가열 온도를 증가시킴으로써 가열 기간의 단축화, 그리고 이에 따라 GDL의 형성에 요구되는 시간의 단축화, 및 저비용화를 가능하게 한다. 가열 기간의 단축화는 그 위에 도포된 페이스트를 포함하는 확산층 기재가 이동하는 가열로 내의 이동 거리의 단축에 기여하고, 따라서 확산층 형성용 페이스트는 또한 가열로 설비의 소형화 및 설비 비용의 저감화를 가능하게 한다.
확산층 형성용 페이스트에서, 제1 계면 활성제와 상기 제2 계면 활성제 사이의 중량비는 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 증가될 때 감소될 수 있다. 이는 제2 계면 활성제만 포함하는 페이스트에 비해 계면 활성제의 잔류량 확보에 의한 GDL의 접합성의 발현, 및 제1 계면 활성제의 과잉 잔류의 억제에 의한 GDL의 발수성의 발현을 가능하게 하면서, 제1 및 제2 계면 활성제 및 그 조합에 대한 증가된 선택 사양을 제공한다.
제1 계면 활성제 및 제2 계면 활성제는 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 20 내지 50℃ 이도록 될 수 있다. 이는 제1 및 제2 계면 활성제 및 그 조합에 대한 증가된 선택 사양을 제공한다.
제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이는 30 내지 40℃ 일 수 있고, 제1 계면 활성제와 제2 계면 활성제 사이의 중량비는 1:6 내지 1:8일 수 있다. 따라서, 제2 계면 활성제만 포함하는 페이스트에 비해 계면 활성제의 잔류량이 확보될 수 있고, 제1 계면 활성제의 과잉 잔류의 억제가 또한 확보될 수 있고, 따라서 GDL의 발수성 및 접합성이 매우 효과적으로 확보될 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 연료 전지용 GDL의 형성을 위해 사용되는 확산층 형성용 페이스트의 제조 방법에 관한 것이다. 제조 방법은 제1 계면 활성제가 분해되는 제1 분해 온도를 갖는 제1 계면 활성제 및 제2 계면 활성제가 분해되는 제2 분해 온도를 갖는 제2 계면 활성제를 준비하는 준비 단계, 및 도전성 입자, 제1 계면 활성제, 및 제2 계면 활성제를 용매에 분산하는 분산 단계를 포함한다. 제2 분해 온도는 제1 분해 온도보다 낮다. 준비 단계에서, 제1 계면 활성제의 양은 중량 환산으로 제2 계면 활성제의 양보다 적다. 확산층 형성용 페이스트의 제조 방법에 따르면, 계면 활성제의 확보된 잔류량으로 인한 접합성 및 제1 계면 활성제의 과잉 잔류의 억제로 인한 발수성 모두를 발현하는 GDL의 준비를 가능하게 하는 확산층 형성용 페이스트가 용이하게 준비될 수 있다. 제1 계면 활성제의 중량은 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 증가될 때 감소될 수 있다.
본 발명의 제3 양태는 연료 전지용 GDL의 제조 방법에 관한 것이다. 제조 방법은 확산층 기재 상에 확산층 형성용 페이스트를 도포하는 도포 단계로서, 페이스트는 이들 모두가 용매에 분산된, 도전성 입자, 제1 분해 온도를 갖는 제1 계면 활성제, 및 제1 분해 온도보다 낮은 제2 분해 온도를 갖는 제2 계면 활성제를 포함하는, 도포 단계, 및 페이스트에 의해 도포된 확산층 기재를 열처리하는 건조 단계를 포함한다. 도포 단계에서, 중량 환산으로 제2 계면 활성제보다 적은 양의 제1 계면 활성제를 포함하는 페이스트가 확산층 기재 상에 도포된다. 제1 계면 활성제는 제1 분해 온도에서 분해되고 제2 계면 활성제는 제2 분해 온도에서 분해된다. 이 형태의 GDL의 제조 방법에 따르면, 접합성과 발수성을 나타낼 수 있는 GDL이 용이하게 획득될 수 있다. 제1 계면 활성제의 중량은 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 증가될 때 감소될 수 있다.
본 발명은 확산층 형성용 페이스트를 사용하여 형성되는 GDL을 포함하는 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 등의 다양한 모드에서 실시될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점, 기술적 및 산업적 중요성은 유사한 참조 번호가 유사한 구성요소를 지칭하는 첨부 도면을 참조하여 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예인 연료 전지(10) 내의 단일 셀(15)의 단면을 개략적으로 도시하는 설명도이다.
도 2는 연료 전지(10)의 제조 절차를 도시하는 설명도이다.
도 3은 단일 셀(15)의 구성 요소의 준비와 함께 GDL의 형성 절차를 도시하는 설명도이다.
도 4는 소정의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 확산층 형성용 페이스트(마이크로-다공질층(MPL) 페이스트)가 GDL 형성을 위한 가열 온도(328℃)로 가열될 때 잔류 계면 활성제의 상태를 도시하는 설명도이다.
도 5는 소정의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 MPL 페이스트가 GDL 형성을 위한 가열 온도로 가열될 때 GDL의 특성 추이를 도시하는 설명도이다.
도 6은 저온 분해 계면 활성제(Y)인 계면 활성제만 포함하는 MPL 페이스트가 GDL 형성을 위한 가열 온도로 가열될 때 GDL의 특성 추이를 도시하는 설명도이다.
도 7은 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y) 사이의 중량비와 분해 온도 차이 사이의 상관 관계를 도시하는 설명도이다.
도 8은 20℃의 분해 온도 차이를 나타내는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 사용될 때 종들 사이의 적용 가능한 중량비 범위 및 GDL 특성 추이를 도시하는 설명도이다.
도 9는 40℃의 분해 온도 차이를 나타내는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 사용될 때 종들 사이의 적용 가능한 중량비 범위 및 GDL 특성의 추이를 도시하는 설명도이다.
도 10은 50℃의 분해 온도 차이를 나타내는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 사용될 때 종들 사이의 적용 가능한 중량비 범위 및 GDL 특성의 추이를 도시하는 설명도이다.
본 발명의 실시예가 도면에 기초하여 이후 설명된다. 도 1은 본 발명의 실시예인 연료 전지(10)의 단일 셀(15)의 단면을 개략적으로 도시하는 설명도이다. 본 실시예에 따르는 연료 전지(10)는 도 1에 도시된 적층된 복수의 단일 셀(15)을 포함하는 고분자 전해질 연료 전지이고, 각각의 단일 셀(15)은 대향하는 세퍼레이터들(25, 26)에 의해 그 사이에 끼워진다.
단일 셀(15)은 전해질막(20)의 양측에 두 개의 전극, 및 애노드(21) 및 캐소드(22)를 포함한다. 전해질막(20)은 고체 고분자 재료, 예를 들어 플루오르수지에 의해 형성된 프로톤 전도성 이온 교환막이며, 습윤 조건에서 양호한 전기 전도성을 나타낸다. 애노드(21) 및 캐소드(22)는, 백금, 또는 백금 합금 등의 촉매를 담지한 도전성 담체, 예를 들어 카본 입자(이후 촉매-담지 카본 입자로 지칭됨)를, 프로톤 전도성을 갖는 이오노머로 피복하여 형성된 전극 촉매층이며, 전해질막(20)의 양측에 접합되어 전해질막(20)과 함께 MEA를 형성한다. 이오노머는 일반적으로 전해질막(20)과 동일한 유형의 고체 고분자 재료인 고분자 전해질 수지(예를 들어, 플루오르수지)이며, 이의 이온 교환기로 인해 프로톤 전도성을 갖는다.
단일 셀(15)은 그 위에 형성된 전극을 포함하는 전해질막(20)을 그 사이에 끼워 보유 지지하는 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)과, 세퍼레이터(25, 26)를 추가로 포함하고, 양쪽 GDL은 대응하는 전극(애노드(21) 또는 캐소드(22))에 접합된다. 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)은 각각 가스 투과성을 갖는 도전성 부재, 예를 들어 카본 종이 및 카본 천 등의 카본 다공질 재료, 또는 금속 메쉬나 발포 금속인 확산층 기재를 포함하고, 확산층 기재 상에 후술되는 확산층 형성용 페이스트(이후 "MPL 페이스트"로 지칭됨)를 도포하고 건조시켜 형성된다. 본 실시예에서, 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)에 의해 그 사이에 끼워지는 MEA를 포함하는 MEGA가 제조되며, 이는 단일 셀(15)의 핵심부로서 기능한다. 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24) 양자 모두는 이후 GDL로서 적절하게 지칭될 수 있다.
세퍼레이터(25)는 애노드 측 GDL(23)의 측에, 수소를 포함하는 연료 가스가 이를 통해 통과하는 인트라-셀 가스 유로(47)를 갖는다. 세퍼레이터(26)는 캐소드 측 GDL(24)의 측에, 산소를 포함하는 산화가스(본 실시예에서는 공기)가 이를 통해 통과하는 인트라-셀 가스 유로(48)를 갖는다. 도면에 도시되지 않았으나, 예를 들어 냉매가 이를 통해 통과하는 인트라-셀 냉매 유로가 인접한 단일 셀(15) 사이에는 형성될 수 있다. 세퍼레이터(25, 26)는 가스 불투과성 전도성 재료, 예를 들어 카본을 압축함으로써 가스 불투과성으로 되는 농밀 카본, 글래시(glassy) 카본, 또는 스테인리스 강 등의 금속 재료에 의해 형성된다.
도 1에 도시되지 있지 않았으나, 세퍼레이터(25, 26)는 그 외주연부 근방에 형성되는 복수의 세공을 포함한다. 세퍼레이터(25, 26)가 연료 전지(10)의 조립을 위해 다른 구성요소와 함께 적층될 때, 세공은 서로 중첩되어 적층 방향을 따라서 연료 전지(10)를 관통하는 유로를 형성한다. 즉, 인트라-셀 연료 가스 유로(47), 인트라-셀 산화 가스 유로(48) 또는 인트라-셀 냉매 유로에 연료 가스, 산화 가스 또는 냉매를 공급하고 이들 유로로부터 연료 가스, 산화 가스 또는 냉매를 제거하는 다기관이 형성된다.
본 실시예의 연료 전지(10)에서, 세퍼레이터(25)의 인트라-셀 연료 가스 유로(47)로부터의 수소 가스는 애노드 측 GDL(23)를 통해 확산하여 애노드(21)에 공급된다. 세퍼레이터(26)의 인트라-셀 산화 가스 유로(48)로부터의 공기는 캐소드 측 GDL(24)을 통해 확산하여 캐소드(22)에 공급된다. 이러한 가스 공급의 결과, 연료 전지(10)는 전기를 생성하고, 생성된 전기는 외부 부하에 공급된다.
연료 전지(10)의 제조 방법이 이후 설명된다. 도 2는 연료 전지(10)의 제조 절차를 도시하는 설명도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 연료 전지(10)를 제조하기 위해, 먼저 구성 단위, 즉 단일 셀(15)이 준비된다.
단일 셀(15)을 준비하기 위해, 그 구성요소, 즉 MEA, 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)인 GDL, 세퍼레이터(25) 및 세퍼레이터(26)가 준비된다(단계 S100). GDL은 이의 형성에 의해 준비되고, 절차가 이후 더 구체적으로 설명된다. 단일 셀(15)의 구성요소가 준비된 이후, 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)에 의해 MEA를 그 사이에 끼움으로써 MEGA가 형성된다(단계 S200). MEGA는 예를 들어 다음과 같이 형성될 수 있다.
(a) 시트 형상 MEA의 양측에, 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)가 프레스에 의해 대표되는 바와 같은 절차에 의해 접합된다.
(b) 이에 접합된 GDL을 갖는 시트 형상 MEA는 직사각형 부분들로 절단된다.
(c) MEA는 직사각형 MEGA를 제공하기 위해 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)에 의해 양측으로부터 그 사이에 끼워진다.
시트 형상 MEA는 먼저 직사각형 부분들로 절단될 수 있고, 이후 양쪽 GDL에 접합될 수 있다. 절단되거나 절단되지 않은 MEGA는 연료 전지 제조 라인으로 출하될 수 있다(단계 S250).
그리고, MEGA는 세퍼레이터(25)와 세퍼레이터(26) 사이에 끼워지고 보유 지지되어 단일 셀(15)을 형성하고(단계 S300), 소정량의 단일 셀(15)이 적층되어 적층 방향으로 조립 및 체결된다(단계 S400). 따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 연료 전지(10)가 획득될 수 있다.
GDL의 형성이 이제 설명된다. 도 3은 단일 셀(15)의 구성 요소의 준비와 함께 GDL의 형성 절차를 도시하는 설명도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 단계 S100에서의 구성요소 준비는 MEA의 준비 또는 구입에 의한 MEA의 형성(단계 S110), 최종적으로 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)로서 기능하는 GDL의 형성에 의한 GDL 준비(단계 S120), 및 세퍼레이터(25, 26)의 준비 또는 구입에 의한 세퍼레이터의 준비(단계 S150)를 포함한다. 단계들은 순차적으로 또는 동시 병행적으로 실행될 수 있다.
이의 형성을 통한 GDL 형성의 단계 S120는 상술된 바와 같은 카본 종이 또는 카본 천 등의 확산층 기재의 준비 또는 구입에 의한 확산층 기재의 준비(단계 S122) 및 MPL의 준비(단계 S124)를 포함한다. MPL 준비시, 두 개의 계면 활성제, 즉, 계면 활성제(X) 및 계면 활성제(Y)는 구입에 의해 획득된다(단계 S126). 계면 활성제(X) 및 계면 활성제(Y) 모두는 도전성 카본 입자가 후술되는 유기 용매에 분산되는 특성을 갖고, 계면 활성제(X)는 계면 활성제(Y)보다 높은 분해 온도에서 분해된다. 이후 서로 구별하기 위해 계면 활성제(X)는 "고온 분해 계면 활성제(X)"로 지칭되고, 계면 활성제(Y)는 "저온 분해 계면 활성제(Y)"로 지칭된다. 본 실시예에서, 고온 분해 계면 활성제(X)는 288℃의 분해 온도를 갖고, 저온 분해 계면 활성제(Y)는 258℃의 분해 온도를 갖는다. 양쪽 계면 활성제가 획득되는 경우, 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)는 중량비가 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이 적은 범위(1:6 내지 1:8) 내에 있도록 칭량된다. 즉, 중량비 B:A는 범위 6:1 내지 8:1 내에 있고, 여기서 A는 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이고, B는 저온 분해 계면 활성제(Y)의 중량이다. 계면 활성제의 획득 이후, MPL 페이스트를 준비하기 위해 카본 입자, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)인 분산 유기 용매, 및 양쪽 계면 활성제가 물에 추가되고 분산된다(단계 S128). MPL 페이스트 준비 시, 카본 입자, PTFE, 양쪽 계면 활성제, 및 물은 8:2:1:40의 중량비로 칭량되고, 계면 활성제 중량은 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)의 전체 중량으로서 표현된다. 따라서, 카본 입자에 대한 계면 활성제(본 실시예에서는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)의 전체 중량) 의 중량비는 종래 기술의 MPL 페이스트의 중량비와 동일하다.
이에 따라 획득된 MPL 페이스트는 코팅 다이 등을 사용하여 단계 S122에서 준비된 확산층 기재 상에 도포된다(단계 S130). 이후, MPL 페이스트가 그 위에 도포된 확산층 기재는 열처리를 위해 가열로에 전달된다(단계 S140). 열처리는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 분해 및 제거하지만, 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)의 일부가 확산층 기재에 잔류한다. 카본 입자에 의해 도전성을 구비하며 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)인 GDL이 획득된다. 획득된 GDL은 도 2에 도시된 단계 S200의 MEGA의 준비에 제공된다. 본 실시예에서, MPL 페이스트가 그 위에 도포되는 확산층 기재는 고온 분해 계면 활성제(X)의 분해 온도보다 40℃ 높고 저온 분해 계면 활성제(Y)의 분해 온도보다 70℃ 높은 328℃로 가열된다.
MPL 페이스트 내의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)의 분해 및 제거가 이제 설명된다. 도 4는 소정의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 MPL 페이스트가 GDL 형성을 위한 가열 온도(328℃)로 가열되는 경우 잔류 계면 활성제의 상태를 도시하는 설명도이다. 도 4의 그래프는 설명된 중량비(예를 들어, B:A=6:1)의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 사용하여 PTFE에 분산된 카본 입자를 포함하는 MPL 페이스트 내의 잔류 계면 활성제의 거동을 개략적으로 도시한다.
도 4의 상부 패널은 상기 중량비로 포함되는 잔류 저온 분해 계면 활성제(Y)의 거동을 도시한다. 저온 분해 계면 활성제(Y)가 낮은 분해 온도를 나타낼 때, 가열 온도와의 온도 차이(△T)는 70℃만큼 높다. 따라서, 도 4의 상부 패널에 도시된 바와 같이, 저온 분해 계면 활성제(Y)는 짧은 기간 내에 급격하게 분해 및 제거되고, 따라서 요구되는 발수성 및 접합성을 모두 갖는 GDL을 제공하는 잔류량(적정 잔류량)이 발생할 수 있는 소성 시간(tb)은 짧은 기간으로 한정된다. 따라서, 저온 분해 계면 활성제(Y)만 포함하는 MPL 페이스트에 대해 계면 활성제의 적정 잔류량을 발생시킬 수 있는 적용 가능한 조건의 범위는 가열 온도와 저온 분해 계면 활성제(Y)의 분해 온도 사이의 온도 차이가 높기 때문에 소성 시간(tb)은 짧은 기간으로 한정된다. 도 4의 중간 패널은 상기 중량비로 포함되는 잔류 고온 분해 계면 활성제(X)의 거동을 도시한다. 고온 분해 계면 활성제(X)는 높은 분해 온도를 갖고, 그 결과 가열 온도와 40℃의 낮은 온도 차이(ΔT)가 발생한다. 따라서, 도 4의 중간 패널에 도시된 바와 같이, MPL 내의 적은 고온 분해 계면 활성제(X)는 가열 개시로부터 적정 잔류량 내에 있고, 고온 분해 계면 활성제(X)의 양이 적정 잔류량 내에 있는 동안의 소정 시간(ta)은 저온 분해 계면 활성제(Y)에 대한 소성 시간(tb)보다 더 길다. 도 4의 하부 패널은 상기 중량비로 포함되는 잔류 저온 분해 계면 활성제(Y) 및 고온 분해 계면 활성제(X)의 거동을 도시한다. 양쪽 계면 활성제를 포함하는 MPL 페이스트는 적정 잔류량을 제공할 수 있는 약 0.75분(45초)의 소성 시간(tab)을 실현할 수 있다. 소성 시간(tab)은 저온 분해 계면 활성제(Y)에 대한 소성 시간(tb)보다 3 내지 4배 더욱 길다. 이 현상은 도 4의 중간 패널에서 음영 영역에 의해 표시된 바와 같은 고온 분해 계면 활성제(X)의 잔류량이 상부 패널에 도시된 저온 분해 계면 활성제(Y)의 양에 추가되는 사실에 의해 설명될 수 있다. 즉, 본 실시예의 MPL 페이스트는 고온 분해 계면 활성제(X)를 포함하고, 고온 분해 계면 활성제(X)의 분해 온도와 가열 온도 사이의 온도 차이는 저온 분해 계면 활성제(Y)만 포함하는 페이스트에 대해 적용 가능한 조건의 범위에 대응하는 가열 조건 하에서 감소되고, 따라서 저온 분해 계면 활성제(Y)만 포함하는 페이스트에 대한 소성 시간(tb)은 도 4의 하부 패널에 도시된 바와 같이 연장될 수 있다.
도 5는 소정의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 MPL 페이스트가 GDL 형성을 위한 가열 온도에서 가열될 때 GDL의 특성의 추이를 도시하는 설명도이다. 도 6은 저온 분해 계면 활성제(Y)인 계면 활성제만을 포함하는 MPL 페이스트가 GDL 형성을 위한 가열 온도에서 가열될 때 GDL 특성 추이를 도시하는 설명도이다. 도 5 및 도 6에서, 가열 온도는 328℃이고, 고온 분해 계면 활성제(X)의 분해 온도는 282℃(온도 차이(ΔT)=40℃)이고, 저온 분해 계면 활성제(Y)의 분해 온도는 252℃(온도 차이(ΔT)=70℃)이다. 도 5 및 도 6에서, GDL의 발수성은 GDL 상의 물방울의 접촉 각도가 140°이상일 때 α(적정)로서 판정되고, 접촉 각도가 130° 내지 140°의 범위일 때 β(양호), 접촉 각도가 125° 내지 130°의 범위일 때 χ(허용 가능), 접촉 각도가 125° 미만일 때 δ(허용 불가)로 판정된다. 접합성은 소정의 박리 시험(90°: 9 N/m 이상)에서 획득되는 박리 강도가 15N 이상일 때 α(적정)로서 판정되고, 박리 강도가 12 내지 15N의 범위일 때 β(양호), 박리 강도가 9 내지 12N의 범위일 때 χ(허용 가능), 박리 강도가 9N 미만일 때 δ(허용 불가)로 판정된다. 발수성 및 접합성 모두에 대해 χ, β 또는 α가 되는 페이스트는 우수한 제품으로서 지정되고, 우수한 제품을 제공하는 소성 시간은 우수한 제품 조건으로서 지정된다.
우수한 제품 조건은 가열 온도(328℃)가 일정할 때, 본 실시예의 MPL 페이스트가 GDL 형성을 위한 가열 온도에서 가열되는 경우 적용 가능한 조건의 범위(소성 시간의 범위)를 규정한다. 저온 분해 계면 활성제(Y)만을 포함하는 MPL 페이스트는 60초의 소성 시간의 한정된 범위를 갖고, 이는 도 6에 도시된 바와 같이 우수한 제품 조건에 합치한다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 6:1 내지 8:1의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 본 실시예의 MPL 페이스트는 45 내지 90초의 넓은 범위 내의 소성 시간의 범위를 가질 수 있다. 또한 도 5는 실시예의 임의의 MPL 페이스트가 45초만큼 짧은 시간 동안의 열처리에 의해 발수성 및 접합성 모두를 갖는 GDL을 제공할 수 있다. 도 5에 도시된 결과로부터, 6:1 아래의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 페이스트는 우수한 제품 조건에 합치하는 소성 시간의 더 짧은 범위를 가질 수 있는 것으로 예측되는데, 이는 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이 증가하고 따라서 고온 분해 계면 활성제(X)의 잔류량이 증가하여 발수성이 악화되기 때문이다. 8:1 위쪽의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 페이스트는 우수한 제품 조건에 합치하는 소성 시간의 더 짧은 범위를 가질 수 있는 것으로 예측되는데, 이는 고온 분해 계면 활성제(X)의 잔류량이 저온 분해 계면 활성제(Y)의 양에 따라 감소되어 접합성이 손상되기 때문이다.
도 6에 도시된 적용 가능한 조건의 범위(소성 시간의 범위)를 확대하기 위해, 가열 온도의 감소가 요구된다. 한편, 도 5에 도시된 실시예의 MPL 페이스트에 대해 적용 가능한 조건의 범위(소성 시간의 범위)는 가열 온도가 증가되는 경우에도 확대될 수 있다.
도 7은 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)의 중량비와 분해 온도 차이와의 대응을 도시하는 설명도이다. 도 7은 고온 분해 계면 활성제(X)와 저온 분해 계면 활성제(Y) 사이의 분해 온도의 차이가 변경될 때 예상되는 중량비에 대한 GDL의 특성의 평가를 도시한다. 발수성 및 접합성 모두를 갖는 GDL을 제공하는 45초 이상의 적용 가능한 조건(소성 시간)의 범위는 조건의 충분한 범위인 β(양호)로 판정되고, 30 내지 45초의 범위는 비교적 좁은 χ(허용 불가)로 판정되고, 0 내지 30초의 범위는 너무 좁은 δ(불량)로 판정된다. 도 7로부터, 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이 적은 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 페이스트는 각각의 분해 온도 차이에서 적용 가능한 조건의 만족스러운 범위를 확보할 수 있다는 점이 확인된다. 또한 증가된 분해 온도 차이를 갖는 계면 활성제를 포함하는 페이스트는 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이 감소되는 중량비에서도 적용 가능한 조건의 만족스러운 범위를 확보할 수 있다는 점이 확인된다.
도 7에 도시된 각각의 분해 온도 차이에서 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)에 대한 종들 사이의 중량비의 적용한 범위와, GDL의 특성 추이 사이의 관계가 이제 설명된다. 도 8은 20℃의 분해 온도 차이를 갖는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 사용되는 경우 종들 사이의 중량비의 적용 가능한 범위 및 GDL의 특성의 추이를 도시하는 설명도이다. 도 9은 40℃의 분해 온도 차이를 갖는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 사용되는 경우 종들 사이의 중량비의 적용 가능한 범위 및 GDL의 특성의 추이를 도시하는 설명도이다. 도 10은 50℃의 분해 온도 차이를 갖는 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 사용되는 경우 종들 사이의 중량비의 적용 가능한 범위 및 GDL의 특성의 추이를 도시하는 설명도이다. 페이스트는 도 8 내지 도 10에 도시된 결과를 획득하기 위해 상술된 바와 같이 328℃의 가열 온도에서 가열되고 우수한 제품 조건을 선택하는 기준은 도 5에서 설명된 바와 같다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y) 사이의 분해 온도 차이가 20℃인 경우, 5:1 내지 6:1의 범위 내의 중량비 B:A를 갖는 우수한 제품 조건이 획득될 수 있고, 상술된 효과를 나타낼 수 있다. 동일한 내용이 다른 분해 온도에 대해 마찬가지이며, 따라서 분해 온도 차이가 40℃인 경우, 7:1 내지 10:1의 범위 내의 중량비 B:A를 갖는 우수한 제품 조건이 획득될 수 있고, 분해 온도 차이가 50℃인 경우, 7:1 내지 11:1의 범위 내의 중량비 B:A를 갖는 우수한 제품 조건이 획득될 수 있고, 이들 모두 상술된 효과를 나타낼 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 실시예의 MPL 페이스트는 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)의 GDL에 도전성을 부여하는 카본 입자를 PTFE에 분산하기 위한 계면 활성제로서, 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함한다. 본 실시예의 MPL 페이스트는 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이 더 적은 중량비로 PTFE에 분산된 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함한다. 본 실시예의 MPL 페이스트가 확산층 기재에 도포된 후 열처리되는 경우, 가열 온도는 고온 분해 계면 활성제(X)의 분해 온도 보다 높고, 따라서 가열 온도와 저온 분해 계면 활성제(Y)의 분해 온도 차이의 온도 차이가 증가된다. 열처리로 인해, 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y) 모두 분해 및 제거된다. 본 실시예의 MPL 페이스트는 상기 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이, 페이스트는 저온 분해 계면 활성제(Y)만 포함하는 MPL 페이스트에 의해 실현될 수 있는 것보다 더 넓은, 발수성 및 접합성 모두 가능하게 하는 계면 활성제의 잔류량(적정 잔류량)을 제공하는 적용 가능한 조건(소성 시간)의 범위를 가질 수 있다. 본 실시예의 MPL 페이스트는 확보된 계면 활성제의 잔류량으로 인해 접합성을, 그리고 상술된 중량비를 규정함으로써 고온 분해 계면 활성제(X)의 과잉 잔류를 방지하는 것으로 인해 발수성을 나타내는 GDL의 제조를 가능하게 한다. 그 결과, 본 실시예의 MPL 페이스트는 GDL의 형성 도중 가열 온도를 증가시킴으로써 가열 기간의 단축, 그리고 이에 따라 GDL 형성에 요구되는 시간의 단축 및 비용의 감소를 가능하게 한다. 가열 기간의 단축은 그 위에 도포된 페이스트를 포함하는 확산층 기재가 이동하는 가열로 내의 이동 거리의 단축에 기여할 수 있고, 따라서 본 실시예의 MPL 페이스트는 또한 가열로 설비의 소형화 및 설비 비용의 감소를 가능하게 할 수 있다. 또한 본 실시예의 MPL 페이스트는, 적용 가능한 조건(소성 시간)의 범위가 확장되기 때문에, 제조된 GDL 또는 가열 온도의 변동이 있는 경우에도 GDL은 발수성 및 접합성을 모두 갖는다.
본 실시예의 MPL 페이스트는 계면 활성제들 사이의 분해 온도 차이가 증가될 때 고온 분해 계면 활성제(X)의 중량이 감소되는 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함한다(도 7 참조). 저온 분해 계면 활성제(Y)만 포함하는 페이스트에 비해 계면 활성제의 확보된 잔류량으로 인해 GDL이 접합성을 나타내고, 고온 분해 계면 활성제(X)의 과잉 잔류를 방지하는 것으로 인해 GDL이 발수성을 나타내게 하면서 계면 활성제 및 그 조합에 대한 선택 사양을 증가시킬 수 있다.
본 실시예의 MPL 페이스트는 6:1 내지 8:1의 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하고, 계면 활성제들 사이의 분해 온도 차이는 30℃이다. 따라서, 페이스트가 저온 분해 계면 활성제(Y)만 포함하는 경우에 비해 계면 활성제의 잔류량이 확보될 수 있고, 고온 분해 계면 활성제(X)의 과잉 잔류가 방지되고, 따라서, GDL의 발수성 및 접합성이 크게 효과적으로 확보될 수 있다.
본 실시예의 MPL 페이스트의 제조 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)가 제어된 중량비로 포함되는 것을 제외하면 종래 분산 방법을 채용한다. 따라서, 본 실시예의 MPL 페이스트의 제조 방법에 따르면, 계면 활성제들의 확보된 잔류량으로 인한 접합성 및 고온 분해 계면 활성제(X)의 과잉 잔류의 방지로 인한 발수성 모두를 발현하는 GDL의 준비를 가능하게 하는 MPL 페이스트가 용이하게 획득될 수 있다.
본 실시예의 GDL의 제조 방법은 MPL 페이스트가 상기 중량비의 고온 분해 계면 활성제(X) 및 저온 분해 계면 활성제(Y)를 포함하는 점을 제외하면, 도 3에 도시된 페이스트 도포 및 후속 열처리와 같은 종래의 제조 방법을 채용한다. 본 실시예의 GDL 제조 방법에 따르면, 접합성과 발수성을 발현할 수 있는 애노드 측 GDL(23) 및 캐소드 측 GDL(24)의 양쪽 GDL이 용이하게 준비될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 그 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 구성예에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 요약에 개시된 모드에서 기술적 특징부에 대응하는 실시예의 기술적 특징부는 상술된 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해 또는 상술된 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해 적절하게 대체 또는 조합될 수 있다. 여기에 필수적인 것으로서 설명되지 않은 기술적 특징부는 적절하게 생략될 수 있다.

Claims (8)

  1. 연료 전지의 가스 확산층의 형성에 사용되는 확산층 형성용 페이스트이며,
    용매,
    용매에 분산되는 도전성 입자,
    용매에 분산되는 제1 계면 활성제로서, 제1 계면 활성제가 분해되는 제1 분해 온도를 갖는, 제1 계면 활성제, 및
    용매에 분산되는 제2 계면 활성제로서, 제2 계면 활성제가 분해되는 제2 분해 온도를 갖고, 제2 분해 온도는 제1 분해 온도보다 낮은, 제2 계면 활성제를 포함하고,
    확산층 형성용 페이스트는 중량 환산으로 제2 계면 활성제보다 적은 양의 제1 계면 활성제를 포함하는, 확산층 형성용 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 계면 활성제와 제2 계면 활성제 사이의 중량비는 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 증가될 때 감소되는, 확산층 형성용 페이스트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이는 20 내지 50℃인, 확산층 형성용 페이스트.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이는 30 내지 40℃이고, 제1 계면 활성제와 제2 계면 활성제 사이의 중량비는 1:6 내지 1:8인, 확산층 형성용 페이스트.
  5. 연료 전지의 가스 확산층 형성의 형성을 위해 사용되는 확산층 형성용 페이스트의 제조 방법이며,
    제1 계면 활성제가 분해되는 제1 분해 온도를 갖는 제1 계면 활성제 및 제2 계면 활성제가 분해되는 제2 분해 온도를 갖는 제2 계면 활성제를 준비하는 준비 단계로서, 제2 분해 온도는 제1 분해 온도보다 낮은, 준비 단계, 및
    도전성 입자, 제1 계면 활성제, 및 제2 계면 활성제를 용매 내에 분산하는 분산 단계를 포함하고,
    준비 단계에서, 중량 환산으로 제1 계면 활성제의 양은 제2 계면 활성제의 양보다 적은, 확산층 형성용 페이스트의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 계면 활성제의 중량은 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 증가될 때 감소되는, 확산층 형성용 페이스트의 제조 방법.
  7. 연료 전지의 가스 확산층 제조 방법이며,
    확산층 기재 상에 확산층 형성용 페이스트를 도포하는 도포 단계로서, 페이스트는 이들 모두가 용매에 분산되는, 도전성 입자, 제1 분해 온도를 갖는 제1 계면 활성제, 및 제1 분해 온도보다 낮은 제2 분해 온도를 갖는 제2 계면 활성제를 포함하는, 도포 단계, 및
    페이스트에 의해 도포된 확산층 기재를 열처리하는 건조 단계를 포함하고,
    도포 단계에서, 중량 환산으로 제2 계면 활성제보다 적은 양의 제1 계면 활성제를 포함하는 페이스트가 확산층 기재 상에 도포되고,
    제1 계면 활성제는 제1 분해 온도에서 분해되고 제2 계면 활성제는 제2 분해 온도에서 분해되는, 연료 전지의 가스 확산층 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 계면 활성제의 중량은 제1 분해 온도와 제2 분해 온도 사이의 차이가 증가될 때 감소되는, 연료 전지의 가스 확산층 제조 방법.
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