KR20160120060A - 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

연료전지의 기체확산층용 탄소 기재 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

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KR20160120060A
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정지영
김태형
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Abstract

연료전지의 기체확산층용 기재로서, 상기 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이며, 상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며, 상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 상기 기재의 제 1표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기재의 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재 및 이를 포함하는 연료전지가 개시된다.

Description

연료전지의 기체확산층용 탄소 기재 및 이를 포함하는 연료전지{Carbon Substrate used for gas diffusion layer of fuel cell, and the fuel cell comprising the same}
본 발명은 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 더 구체적으로는 본 발명은 종방향(MD)의 배향성을 가져서 향상된 기계적 강도 및 향상된 기체확산능을 갖는 탄소 기재 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명은 중소기업 융복합기술개발사업의 지원을 받아 수행한 과제(과제번호 S2178322) 및 중소기업기술정보진흥원의 지원을 받아 수행한 과제의 결과물에 관한 것이다.
고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell; PEFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.
PEFC는 연료로서 메탄올을 사용하는 직접 메탄올 연료전지와 연료로서 수소를 사용하는 수소연료전지 등으로 나눌 수 있다. PEFC는 고분자 전해질막의 양측에 각기 기체확산층 위에 촉매가 도포된 연료극과 공기극이 접합된 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)가 복수개 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 기체확산층(gas diffusion layer; GDL)은 다공질 탄소막으로 이루어진 탄소기재에 미세다공층(microporous layer; MPL)을 코팅하여 형성한 것이다.
현재 수소 연료 전지 자동차의 시제품 단계에서 양산용을 위한 준비 단계로 바뀌면서 가장 중요한 이슈는 기존 부품의 부피감소, 가격 하락, 내구성 증가 및 다양한 실차 조건에서의 높은 성능 구현이 가능한 부품 및 소재 개발을 이루는 것이다. 연료 전지차(FCV: Fuel Cell Vehicle)의 단가 하락과 에너지 밀도 증가를 위하여, 연료 전지 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 사용되는 금속분리판은 기존의 흑연분리판에 비하여 스태킹(stacking)압력이 크고 이로 인하여 막전극 집합체(MEA)와 기체확산층(GDL)이 단위 면적당 받는 압력이 매우 증가되어 이로 인해 기체확산층의 붕괴로 인한 성능 감소 등이 발생할 수 있다.
또한, 많은 자동차업체들이 부피가 큰 RV 자동차에서 세단 혹은 경차로 방향전환을 검토하고 있다. 이를 위해서는 연료 전지 스택의 부피 감소가 요구되어 결국은 금속분리판의 두께와 이를 지탱하는 기체 확산층의 두께 감소가 절실히 필요한 시점이다.
도 1을 참조하면, 종래의 금속분리판에 비하여 양산용 금속분리판은 그 두께 및 립(rib)의 폭이 모두 감소되어 있다. 이는 기체확산층에 받는 압력의 증가를 의미하고, 따라서 이를 견딜 수 있는 구조를 갖는 기체확산층이 요구된다.
대부분의 카본 페이퍼용 기체확산층은 습식(wet-laid) 부직포 공정에서 탄소섬유를 초지하여 만들어지기 때문에 탄소섬유가 무질서하게 배열된 등방성 구조(isotropic structure)를 갖는 것이 일반적이다. 대신에 두께 조절이 용이하고 두께가 낮은 제품을 만들 수 있고 카본 펠트에 비하여 제조비용이 낮기 때문에 대부분의 자동차업체들이 이 구조 제품을 사용하고 있는 중이다.
스택 내부에서 기체확산층은 립 부분의 압력에 의해 확산층이 채널 내부로 침투하는 이른바 인트루젼(intrusion) 현상이 일어난다(J. Power Sources, 194, 328, 2009). 이러한 인트루젼은 유로(flow field) 내 압력강하를 일으켜 펌프 소모 전력을 증가시키는 한편, 랜드와 접촉한 확산층 부분의 심한 압축에 의한 물질 전달 저하의 문제를 야기한다.
그런데 종래의 등방성 구조를 갖는 기체확산층은 어느 면에서나 동일한 구조를 가지고 있기 때문에, 이와 같이 립 부분에서만 누르는 힘이 집중될 때에는 탄소섬유가 부서지기 쉬우며 이로 인해 채널 안으로 인트루젼이 일어나기 쉬워 기체확산층의 구조 붕괴로 인한 내구성 저하 및 연료 전지의 성능 감소 문제가 발생한다.
한편, 연료전지 스택에서 립과의 접촉 면에서 확산층의 압축에 의한 산소 및 물의 면방향 투과 저하로 인한 성능 저하(J. Power Sources, 196, 2584-2594 (2011))가 시간에 따라서 증가하는 현상을 보임을 보고하였다. 종래의 등방성 구조를 갖는 기체확산층은 면 방향(in-plane)의 물투과도가 낮기 때문에 시간이 지날수록 물 범람(water flooding: 사진 내 붉은 색으로 표시) 현상은 더 증가되는 경향을 보였다. 따라서 바이폴라 플레이트 립과 접촉하고 있는 기체확산층 영역으로의 물질 전달 특성의 향상이 필요하며 특히 면 방향으로 기체 및 물 배출능 향상시키는 연구가 필요하다.
본 발명의 일 목적은 전술한 문제점을 해결하여, 굽힘 강도가 향상된 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기재 내에서 기체나 물 등의 물질을 전달하는 특성이 향상된 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 포함하는 연료전지용 기체확산층을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 기체확산층을 포함하여 셀 성능이 개선된 막전극 집합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 기체확산층을 포함하여 셀 성능이 개선된 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은,
연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
상기 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이며,
상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며,
상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고,
상기 기재의 제 1표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기재의 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 제공한다.
일 실시형태에서, 상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제2 표면으로부터 전체 기재 두께의 40~70%의 영역에서, 상기 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 상기 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.2 내지 4.0인 것이 바람직하다.
일 실시형태에서, 상기 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고, 상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고, 상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 상기 제1 탄소 섬유보다 많이 배치되며, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타낼 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 제1 표면상의 평균 기공 크기는 1μm 내지 30 μm의 범위이며, 상기 제2 표면상의 평균 기공 크기는 30 μm 내지 100 μm의 범위인 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 다른 측면은,
연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
상기 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이며,
상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며,
상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 이에 의하여 상기 기재는 종방향(MD)의 배향성을 가지고,
상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)의 배향성이 일정한 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 제공한다.
일 실시형태에서, 상기 기재 중 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.2 내지 4.0인 것이 바람직하다.
일 실시형태에서, 상기 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고, 상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고, 상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 상기 제1 탄소 섬유보다 많이 배치되며, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타낼 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 제1 표면상의 평균 기공 크기는 1μm 내지 30 μm의 범위이며, 상기 제2 표면상의 평균 기공 크기는 30μm 내지 100 μm의 범위인 것이 바람직하다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 상기의 일 측면 또는 다른 측면에 따른 본 발명의 탄소 기재를 포함하는 기체확산층을 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 상기의 기체확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 상기의 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지용 막전극 집합체를 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 상기의 막전극 집합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 2장 이상의 스택된 금속분리판들과, 상기 금속분리판들 사이에 게재된 막전극 집합체(MEA)를 포함하는 수소 연료 전지로서, 상기 막전극 집합체(MEA)는 상기 본 발명의 일 측면 또는 다른 측면에 따른 탄소 기재를 포함하고, 상기 금속분리판은 유로(flow field)를 구비하고, 상기 막전극 집합체는 상기 탄소 기재의 종방향(MD)이 상기 금속분리판의 유로 방향과 서로 수직되도록 금속분리판상에 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 전지를 제공한다.
본 발명은 기계적 강도, 특히 기재의 종방향(MD)으로의 굽힘 강도가 향상된탄소 기재를 사용함으로써 종래의 기체확산층의 금속분리판의 채널 안으로 침투하는 인트루젼(intrusion) 현상을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소기재를 채용한 기체확산층은 층 전체에 걸쳐 가스확산 저항이 감소되어 높은 반응가스 확산성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 탄소기재를 채용한 기체확산층은 물 배출 능력이 향상되어 운전 중에 발생된 물이 효율적으로 배출되어 물 범람에 의한 전지 성능 저하가 억제된 연료전지를 제공할 수 있다.
도 1은 금속분리판의 채널 및 립(rib) 구조에 따라서 기체확산층을 통과하는 반응가스의 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 2는 금속분리판의 채널 내로 기체확산층이 인트루젼되는 형상을 나타내는 모식도이다.
도 3은 종래의 기체확산층용 탄소 기재(왼쪽)와 본원 발명의 방법에 의해 제조된 기체확산층용 탄소 기재(오른쪽)의 표면 상태를 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 4는 본원 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 기체확산층의 가스 확산 저항을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본원 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 기체확산층의 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로의 굽힘 강도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본원 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 기체확산층의 금속분리판 채널 내로의 인트루젼을 측정한 그래프이다.
도 7은 본원 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 기체확산층을 이용하여 상대 습도 100%, 셀온도 65도에서 MEA의 산소농도별 한계전류를 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 8은 연료 전지 내 금속분리판에 대한 본원 발명의 탄소기재의 배치 방향에 따른 막전극집합체의 성능을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 하기 실시형태에 기초하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 이는 단지 예시를 위한 것이다. 따라서 이들이 다양하게 개조 및 변형될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 평균적 기술자에게 명백하다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지의 기체확산층용 기재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지용 전극, 막전극 집합체 및 연료전지에 대하여 더 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이다. 상기 기재는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며, 상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 상기 기재의 제1 표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기재의 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가진다.
일 실시형태에서, 상기 기재의 제1 표면은 탄소섬유가 등방형(isotropic) 구조를 갖고, 두께 방향을 따라 제2 표면으로 증가할수록 종방향(MD)으로 배향하는 탄소섬유의 양이 점점 증가하여, 상기 제2 표면으로 갈수록 종방향(MD) 배향성이 점점 커지는 구조를 갖는다.
일 실시형태에서, 상기 기재는 두께 방향으로 3가지의 탄소섬유 배향성을 가질 수 있다. 우선 상기 제1 표면으로부터 기체 전체 두께의 10~35% 까지의 영역에서, “상기 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 상기 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비”(이하, "MD/TD"라 약칭한다)가 약 0.5~1.2 범위를 가지며, 바람직하게는 0.8~1.1의 범위이다. 0.5 미만인 경우는 횡방향(TD)으로 배열된 탄소섬유 양이 종방향(MD)에 비해 2배 이상으로 증가하여 면(In plane) 방향으로의 기체확산을 막기 때문에 적합하지 않다.
또한, 상기 제2 표면으로부터 기재 전체 두께의 40~70% 까지의 영역에서 MD/TD는 약 1.2~4.0이고, 바람직하게는 약 1.5~3.0이다. 1.2 미만인 경우 종래의 등방성 구조에서 갖는 기체확산 저항이 증가하여 반응가스가 잘 분포하지 못하는 단점이 있고, 4.0을 초과하는 경우는 종방향으로 탄소섬유가 주로 배열되기 때문에 횡방향으로의 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있다.
이들 두 영역의 제외한 기재 중간 영역의 MD/TD는 약 1.2~2.0이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재로서, 상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며, 상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 이에 의하여 상기 기재는 종방향(MD)의 배향성을 가지고, 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)의 배향성이 일정한 것을 특징으로 한다.
상기 종방향(MD) 배향성은 MD/TD가 약 1.2~4의 범위이고, 바람직하게는 약 1.5~3의 범위이다. MD/TD가 1.2 이하인 경우는 등방성 구조를 갖기 때문에 In plane 방향으로 반응가스 확산 저항이 증가하여 고전류 밀도에서 성능이 낮아지는 단점이 있고, 연료전지 분리판의 립 안으로 기재가 인트류젼됨으로 인하여 연료전지 내구성이 저하된다. MD/TD가 4이상인 경우는 횡방향으로의 기계적 강도가 저하되어 스택 체결시 부서질 가능성이 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 측면 및 다른 측면에 따른 종방향(MD) 배향성을 갖는 기체확산층용 탄소 기재는 각각 탄소 기재의 두께 방향에 있어서 기공 사이즈 구배를 가질 수 있다. 구체적으로, 기재를 구성하는 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고, 상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고, 상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 상기 제1 탄소 섬유보다 많이 배치되며, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 표면상의 평균 기공 크기는 10 μm 내지 30 μm의 범위이며, 상기 제2 표면상의 평균 기공 크기는 30 μm 내지 100 μm의 범위이다.
다음으로 본원 발명의 기체확산층용 탄소 기재의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저 분산매 중에 분산되어 있는 상기 탄소 섬유를 포함하는 분산매 중에 와이어 메시를 통과시켜 탄소 섬유 프리웹(preweb)을 형성한다. 상기 탄소 섬유 프리웹 형성 단계에서 상기 탄소 섬유들이 상기 분산매 중에서 상기 와이어 메시 위에 공급되는 방향 및 시간 및 분산물의 유입속도 차이를 다르게 하는 방법을 사용한다. 탄소섬유가 포함된 분산물은 점차 와이어와 외부 격벽사이의 간격(gap)이 점차 좁아지는 공급 유닛(feeding unit)을 통과하면서 탄소섬유는 점차 분산물의 흐름과 수평이 되고 회전하는 와이어의 표면에 적층되게 된다. 공급 유닛(feeding unit)을 통해 처음 공급되는 분산매는 아직 탄소섬유가 방향성을 덜 가진 상태에서 와이어 표면에서 적층이 되고, 적층된 와이어가 공급 유닛(feeding unit)의 좁은 틈으로 진행할수록 분산물의 흐름 속도와 와이어의 속도에 의해서 점차 종방향(MD)으로 많이 배향된 탄소섬유가 적층되게 된다.
탄소 섬유가 적층될 때 기재의 제1 표면부터 제2 표면까지 동일한 탄소섬유 배향성을 갖게 하거나 혹은 제1표면에서부터 제2 표면으로 가면서 점차 종방향(MD) 배향성을 증가시키는 방법도 가능하며, 특별히 한정하지는 않는다.
상기 기재의 두께 방향에 대하여 탄소 섬유의 배향성이 동일한 경우 MD/TD 비는 1.2~4.0, 더 바람직하게는 MD/TD비가 1.5~3.0의 구조를 갖도록 제어한다.
또는 제1 표면으로부터 제2 표면 방향으로 종방향(MD) 배향성이 증가하도록 하는 경우에는, 상기 제1 표면으로부터 기체 전체 두께의 10~35% 까지의 영역에서, MD/TD 비가 0.5~1.2 범위를 가지며, 바람직하게는 0.8~1.1의 범위의 비율을 갖도록 퇴적시킨다. 와이어가 진행함에 따라서 점차로 종방향(MD) 배향성이 증가하도록 하고, 마지막 형성단계에서는 대부분의 탄소섬유가 종방향(MD) 배향성을 갖도록 초지기를 설계한다. 이때 기재의 중간층은 MD/TD의 탄소섬유 배향성 비가 1.2~2.0의 구조를 가지며 제2 표면으로부터 기재 두께의 40~70% 까지의 영역은 MD/TD 비가 1.2~4.0, 더 바람직하게는 MD/TD 비가 1.5~3.0의 구조를 갖도록 제어한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계에서 얻어진 상기 탄소 섬유 프리웹은 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 형상을 가지며, 제1 표면과 제 2표면은 동일한 구조를 갖거나 다른 구조를 가지더라도 무방하다.
한편, 본 발명의 탄소섬유 프리웹은 길이가 동일한 1종의 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
또는, 본 발명의 탄소섬유 프리웹은 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와 이보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고, 탄소섬유 프리웹 형성단계에서 상기 탄소 섬유들이 상기 분산매 중에서 와이어 메시 위에 퇴적될 때까지의 유영 시간이 상기 탄소 섬유들의 길이에 따라 다른 유영 시간의 차이를 이용하여 길이가 짧은 제1 탄소 섬유가 와이어 메시 면에 먼저 조밀하게 퇴적하고, 그 후에 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유가 지배적으로 퇴적되도록 제어한다. 이에 의하여 두께방향에 있어서 상기 제 1표면으로부터 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 점점 커지는 기공 사이즈 구배를 나타낸다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 분산물은 바인더 단섬유를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 단섬유는 PVA 단섬유, 저융점(LM) 폴리에스테르 단섬유, PE 단섬유, PP 단섬유, 셀룰로오스 단섬유, 피치 단섬유로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 연료전지의 기체확산층용 기재의 제조방법은 탄소섬유 프리웹 형성 단계 이후에, 열경화성 혹은 열가소성 수지와 탄소 필러를 포함하는 슬러리에 상기 탄소 섬유 프리웹을 함침한 후 건조하여 함침된 탄소 섬유 프리웹을 얻는 함침 단계;
상기 함침된 탄소 섬유 프리웹에 열과 압력을 가함으로써 상기 탄소 섬유 프리웹을 압축하는 경화 단계; 및
상기 탄소 섬유 프리웹을 불활성 분위기 중에서 가열하여 상기 수지를 탄화함으로써 탄소 섬유 웹을 얻는 탄화 단계;
불소계 수지 현탁액 또는 에멀젼을 이용하여 상기 탄소 섬유 웹을 처리함으로써 상기 불소계 수지가 함침된 탄소 섬유 웹을 얻는 단계; 및
상기 불소계 수지를 융용하여 상기 불소계 수지가 상기 탄소 섬유들, 상기 탄소 입자들의 표면 위, 및 상기 탄소 섬유들, 및 상기 탄소 입자들 사이에 형성된 공간내에 코팅되도록 함으로써 발수성을 나타내는 탄소 기재를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 다공질 탄소 기재 위에 미세다공층(MPL)을 코팅하면 기체확산층(GDL)이 형성된다. 이때 미세다공층의 기공크기는 2~20㎛ 범위에서 분포하며, 미세다공층 역시 기공 사이즈 구배를 갖도록 할 수 있으며, 이 경우 촉매층에서 발생된 물이 미세다공층으로 보다 효과적으로 배출되는 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극은 상기한 본 발명의 기체확산층용 기재를 포함하며, 연료전지의 캐소드 또는 애노드로 사용될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 막전극 집합체는 상기한 본 발명의 전극을 포함한다.
본 발명의 연료전지는 상기한 본 발명의 막전극 집합체를 포함한다.
일 실시형태에서, 본 발명의 연료전지는 2장 이상의 스택된 금속분리판들과, 상기 금속분리판들 사이에 게재된 막전극 집합체(MEA)를 포함하는 수소 연료 전지로서, 상기 막전극 집합체(MEA)는 본 발명의 일 측면 또는 다른 측면에 따른 탄소 기재를 포함하고, 상기 금속 분리판은 유로(flow field)를 구비하고, 상기 막전극 집합체는 상기 탄소 기재의 종방향(MD)이 상기 금속분리판의 유로 방향과 서로 수직되도록 금속분리판 상에 배치되도록 한다.
연료전지의 바이폴라 플레이트(bipolar plate: 금속분리판)의 채널을 통해 공급된 반응 가스는 기체확산층용 탄소 기재를 통하여 수직 방향으로 확산이 일어난다. 그러나 기체확산층의 표면이 접하는 립(Rib) 부위는 가스 공급이 수직 방향으로 일어나지 않기 때문에, 이 부분에 가스가 공급되기 위해서는 채널을 통해 들어온 반응 가스가 면 방향(in-plane)으로 확산이 일어나야 한다. (도 1 참조)
이때 종래의 탄소 기재와 같이 탄소섬유가 무질서하게 분포되는 있는 부직포의 경우는 면 방향으로의 가스 확산 저항이 높아지게 되며, 이로 인해 립 하단 부위의 촉매 반응효율은 낮아지게 된다. 그러나 본 발명에 따른 종방향(MD) 배향성을 갖는 탄소 기재를 탄소기재의 종방향(MD)이 금속분리판의 유로(flow field) 방향과 수직되게(90℃) 배치하는 경우는 탄소섬유 사이로 가스 확산이 쉽게 일어나기 때문에 확산 저항은 감소하고 이로 인해 균일하게 공급된 가스 영향으로 촉매층의 반응효율은 증가하게 된다.
또한 미세다공층(MPL)은 탄소기재 표면에 성장하기도 하지만 기재 안으로 함습되어 있다. 미세다공층이 함습되어 있는 기재는 더 균일하게 미세다공층까지 반응가스를 분포시켜야 하기 때문에, 미세다공층이 도포되는 기재의 표면에서의 탄소섬유의 MD/TD 배향성이 0.5~1.5인 것이 유리하다.
따라서 본 발명에서는 기체확산층용 기재안에서 여러 가지 형태의 탄소섬유의 배향을 통해서 물 배출능을 크게 향상시켜 고전류밀도 영역에서의 물질전달저항을 낮추어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 또 하나의 장점은 탄소섬유가 유로(Flow Field)와 수직으로 배치시키면 채널안으로 탄소섬유의 인트루젼(intrusion)이 감소하게 된다. 무정형의 탄소섬유 기재를 사용하면 스태킹(stacking)하는 압력에서 상당량의 탄소섬유가 부서지면서 채널안으로 인트루젼(intrusion) 되고 이 때문에 스택의 차압이 증가하고 내구성이 감소하는 단점이 있다. 반면에 탄소섬유의 배향성이 높은 기체확산층은 기계적 강도가 높고 인트루젼이 작기 때문에 높은 성능과 내구성을 나타낼 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 탄소 기재의 굽힘 강도는 종방향(MD)으로의 굽힘강도가 종래의 등방성 탄소 기재에 비해 50~200% 향상되었으며, 횡방향(TD)으로의 굽힘 강도는 70~150% 이상 향상되었으며, 종방향(MD)으로의 굽힘 강도는 횡방향(TD)의 굽힘 강도에 비하여 1.5~4배 이상의 값을 나타내었다.
상기한 구조를 갖는 본 발명에 따른 탄소 섬유 기재를 이용하여 제조된 기재와 이를 채용한 기체확산층의 횡방향(TD)의 굽힘강도는 종방향(MD)의 굽힘강도에 비하여 100% 내지 250%의 범위, 예를 들면 120~150%의 값을 가질 수 있다.
상기한 바와 같은 두께 방향으로 탄소섬유의 배향성을 다르게 조절하여 제작한 기체확산층용 기재는 탄소 섬유의 적층과 분산매의 공급 방법을 제어하는 방법으로 제조되어 기체확산층용 기재의 두께방향으로의 탄소 섬유 배향성 및 및 기공 크기 구배를 가지며, 놀랍게도 이에 의하여 다음과 같은 기술적 효과를 발휘할 수 있음을 발견하였다.
(1) 기체확산층의 기공도 구배를 통하여 물배출 능력 향상
(2) 기체확산층의 기계적 강도의 향상, 특히 기재의 MD 방향으로 굽힘 강도 향상
(3) 유로(Flow field)의 채널 안으로의 인트류젼 감소 및 이로 인한 차압 감소.
(4) 기체확산층 전면에 걸친 가스확산 저항의 감소 및 이를 통한 막전극 집합체(MEA) 성능 개선.
(5) 낮은 산소 혹은 공기 농도에서 높은 반응가스의 확산성을 통한 범람 조건에서의 높은 막전극 집합체 성능 구현 가능
이하, 본 발명을 하기 실시예를 이용하여 더 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
(1) 기체확산층용 기재의 제조
원재료로서 탄소함량: 95%, 직경: 약 7㎛, 밀도: 약 1.81g/cc, 평균 길이: 약 6mm이며 전구체가 PAN인 탄소 단섬유를 90 wt%, 바인더 단섬유로서 PVA 단섬유 전체 섬유 무게의 10 wt%를 준비하여, 탄소 프리웹 제조공정으로 섬유 혼합, 물에서 섬유 분산 및 와이어 위에 적층 공정을 통하여 탄소 섬유 프리웹을 제조하였다. 물에 분산된 탄소섬유는 펌프를 통하여 초지기에 공급되고 이때 초지기의 헤드박스(head box)에 연결된 공급 유닛은 헤드박스로 갈수록 점차 좁아지는 구조를 갖게 되고, 탄소섬유 분산액은 점차 분산액이 흐르는 방향과 평행하게 배열되게 된다. 이때 분산액이 와이어와 처음 만나는 부분에서 와이어와 공급 유닛의 슬릿은 조절이 가능한 구조로 되어 있으며 이 슬릿의 갭(gap)이 탄소섬유보다 커지면 등방성 구조를 가지기 쉽고 갭이 작아지면 이등방성 구조가 된다. 본 실시예에서는 분산액이 와이어와 만나기 전에 와류를 만들 수 있는 구간을 통과하고 슬릿 갭을 탄소섬유 길이보다 더 크게 하여 제 1 표면이 MD/TD 배열비가 1.2가 되도록 하였다. 헤드박스의 슬릿 갭은 점차 작아지면서 탄소섬유는 점차 종방향으로 배열을 갖게 된다. 특히 분산액의 공급속도가 증가하고 갭이 작을수록, 와이어 위에 형성되는 프리웹의 형성속도가 증가할수록 종방향으로의 배향성은 더 증가하게 된다.
이와 같이 하여 제 1표면의 탄소섬유의 MD/TD는 1.2이고 중간영역은 1.8이고 제2표면은 2.5의 구조를 갖는 프리웹을 얻었다.
헤드박스에 와이어 위에 초지된 탄소섬유중의 분산매는 탈수 과정을 통해 탈수되고 건조시켜 프리웹이 제조되었다.
건조된 웹을 온도 80~150℃, 압력 1~10kgf/cm2에서 수행되는 탄소 섬유 웹의 가열가압처리 단계, 및 권취하여 탄소 섬유 프리웹을 얻었다.
이렇게 하여 얻은 탄소 섬유 웹을 함침공정, 경화 공정, 및 탄화공정을 수행함으로써 기체확산층용 탄소기재를 제조하였다.
이때, 함침공정에서는 탄소 섬유 웹에 페놀수지 용액(중량평균 분자량: 약 3,000 내지 5,000, 용매: N-메틸-2-피롤리돈) 및 흑연입자(제조사: Asbury Carbons, 모델명: 5991)(페놀 수지/흑연입자 중량비 = 50/50, 혼합물의 총고형분 함량: 약 20중량%)를 분산한 슬러리를 3mg/cm2의 양으로 함침하였다.
경화 공정에서는 약 120℃의 히팅 벨트(3111a) 온도, 약 100℃, 약 150℃ 및 약 180℃로 증가하는 3단의 롤(3121a)을 이용하여 상기 웹을 건조 및 경화하였다. 이 때 압력은 1~10kgf/cm2의 범위에서 증가시켰다. 냉각실(3131)의 온도는 냉각 공기로 약 30℃ 이하로 조절하였다. 탄화공정에서는 탄화처리는 온도 약 900℃의 탄화처리로에서, 주입속도 10 l/min의 질소 혹은 아르곤을 넣어주면서 30분간 처리하였고, 흑연화처리는 온도 약 2000℃의 흑연화 처리로에서 주입속도 10 l/min의 질소 혹은 아르곤을 넣어주면서 30분간 처리하여, 표 1의 실시예 1에 기재된 바와 같은 특성을 갖는 탄소기재를 얻었다. 상기 함침공정, 경화 공정, 및 탄화공정에서 상기 웹의 진행 속도는 약 3 m/min이었다.
(2) 기체확산층의 제조
탈이온수 1000g, 분산제 (Triton X-100) 20g, 카본 블랙(Vulcan XC-72) 92g, 60 중량%의 PTPE 분산액 8g을 첨가하여 기계적 믹싱을 하여 미세다공층용 조성물을 얻었다. 상기 (1)에서 얻은 탄소 기재에 미세다공층 조성물을 도포하고 120℃에서 건조 후 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분 동안 열처리하여 기체확산층을 얻었다.
실시예 2
(1) 기체확산층용 기재의 제조
실시예에서는 분산액이 와이어와 만나기 전에 와류를 만들 수 있는 구간을 없게 하고 분산액이 메쉬와 처음 만나는 영역의 슬릿 갭을 탄소섬유 길이와 동일하게 하여 제 1 표면이 MD/TD 배열비가 1.5가 되도록 하였다. 점차적으로 슬릿 갭은 실시예 1과 동일하게 조절하였다. 이때 제 1표면의 탄소섬유의 MD/TD는 1.5이고 제2표면은 2.5의 구조를 갖는 프리웹을 얻었다. 전체적으로 탄소섬유의 MD/TD는 2.0이 되게 하였다.
상기 부분을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 기체확산층을 얻었다.
비교예 1
탄소섬유 분산액이 펌프를 통해 헤드박스의 공급 유닛으로 공급되는 것은 실시예와 동일하나 와이어와 공급유닛 사이에 슬릿 구조를 갖지 않기 때문에 탄소섬유는 무정형으로 배열된다. 탄소섬유는 분산매 상에서 부유하며 시간이 지나면서 와이어 위에 적층되어 만들어지고 탈수과정을 거치게 된다. 후의 건조 공정 및 후의 공정은 실시예와 동일하다. 기존 공정으로 제조된 두께 약 270㎛인 탄소 기재 JNT30(JNTC사 제조)를 5중량% PTFE 용액(Du Pont사)에 침지하여 PTFE의 함량이 상기 탄소 기재의 10 wt%가 되도록 도포하여 건조 후 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분 동안 열처리하여 발수성 탄소 기재를 얻었다.
상기 발수성 탄소 기재 상에 제1 미세다공층용 조성물을 탄소 기재 안으로 50% 이하로 함침되도록 도포하고 120℃에서 건조하여 제1 미세다공층을 제조하였다. 상기 제1 미세다공층 상에 상기 제2 미세다공층용 조성물을 도포하고 건조하여 제2 미세다공층을 형성하고 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분 동안 열처리하여 기체확산층을 얻었다.
실시예 및 비교예에서 얻어진 기체확산층의 제반 물성은 다음 표 1과 같다. 섬유의 배향은 Nomura Shoji사의 섬유배향 측정기를 이용하여 섬유배향을 측정하였고 횡방향의 배향을 1로 했을 때 종방향의 배향을 측정하여 그 비로 나타내었다. 탄소기재의 두께는 두께 측정기를 이용하여 20N/cm2의 압력에서 측정하고 중량은 일정 크기로 탄소기재를 잘라서 저울을 이용하여 측정하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
탄소섬유의
MD/TD 배향 비율		 제 1표면 2.5 2.0 1.0
중간층 1.8
제 2표면 1.1
탄소기재 중량(g/m2) 65 65 65
탄소기재 두께(um) 270 270 270
GDL 중량(g/m2) 105 105 105
탄소기재 두께(um) 320 320 320
평가예 1: 가스 확산 저항
실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 제조된 기체확산층의 조건별 가스 확산 저항을 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 측정은 65℃의 셀온도에서 RH100%와 20℃의 셀온도에서 RH250%에서 산소농도가 5%에서 측정하였다.
도 4를 참조하면, 종래의 공정으로 제조된 비교예 1의 기체확산층의 기체확산저항은 실시예 1, 2의 기체확산층에 비하여 높은 기체확산저항을 가지며 특히 상대습도가 높아질수록 그 값 차이는 더 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 탄소섬유의 MD/TD 비를 기재의 두께 방향에 따라 배향도 구배를 갖도록 조절한 실시예 1이 기재 두께 방향에 대하여 모두 동일한 MD/TD 비를 갖는 실시예 2에 비하여 보다 더 낮은 기체확산저항을 가짐을 확인할 수 있다.
평가예 2: 굽힘 강도
실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 제조된 기체확산층의 종방향(MD) 및 횡방향(TD)의 굽힘 강도를 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 측정은 ASTM D5342에 따라 Taber 150E(Taber, USA)를 이용하여 실온에서 실시하였다.
도 5를 참조하면, 비교예 1은 그 굽힙 강도가 종방향(MD)와 횡방향(TD) 모두 비슷한 값을 나타낸데 비하여, 실시예 1은 그 굽힘 강도가 비교예 1에 비해 종방향(MD)으로 2배 증가하고 횡방향(TD)으로 1.2배 증가한 값을 나타내었다. 실시예 2는 그 굽힘 강도가 비교예 1에 비해 종방향(MD)으로 1.8배 증가하고 횡방향(TD)으로 1.0배 증가한 값을 나타내었다. 즉, 기재의 두께방향으로 점차 종방향(MD) 배향성을 증가시킨 실시예 1이 보다 높은 굽힘 강도를 나타내는 것을 알 수 있으며, 종래의 등방성 구조에 비하여는 실시예 1, 2 모두가 종방향(MD) 및 횡방향(TD) 모두에서 굽힘강도가 개선됨을 알 수 있다.
평가예 3: 압축 압력에 따른 기체확산층의 인트루젼 양
두 개의 채널 사이에 2장의 기체확산층을 넣고 압력을 증가하면서 눌렀을 때 기체확산층의 기재 면이 채널 안으로 인트루젼 되는 양을 내시경 카메라를 이용하여 옆면에서 촬영하여 얻은 값을 도 6에 나타내었다.
도 6에 따르면, 비교예 1의 기체확산층은 75N/㎠까지는 인트루젼 되는 양이 적으나, 압력이 증가하면서 급격하게 탄소기재가 파손되면서 채널 내로의 인트루젼 양이 증가함을 알 수 있다. 이는 무정형으로 배열된 탄소섬유에 압력을 가하면 립과 닿는 부분에서 탄소섬유가 부서지면서 채널안으로 인트루젼 되는 경향을 보이기 때문이다. 이에 비하여 본원 발명의 실시예 1의 기체확산층을 기재의 종방향(MD)과 유로방향을 서로 수직되게 하고(90°) 압축하는 경우는 압력이 증가하여도 기체확산층의 인트루젼이 매우 낮은 값을 나타내었다. 또한 실시예 1의 기체확산층의 종방향(MD)과 유로를 평행하게 두고(180°) 압축하는 경우는 서로 수직하게 배열하는 경우에 비하여는 더 높은 인트루젼 수지를 나타내기는 하나, 비교예에 비해서는 매우 낮은 값을 보였다.
평가예 4: 기체확산층의 산소농도별 한계전류 특성
실시예 1과 비교예1의 기체 확산층의 산소농도별 한계전류를 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 산소농도가 낮으면 탄소기재의 구조에 의해서 막전극집합체(MEA)의 전류밀도가 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. 동일하게 낮은 산소가 기체확산층(GDL)에 유입되어도 비교예인 경우는 면 (in Plane) 방향으로 원활하게 산소가 공급되지 않기 때문에 한계전류값이 낮아지는 경향을 보인다. 그러나 실시예인 경우는 면(in plane) 방향 쪽으로의 가스확산이 잘 되는 구조이기 때문에 한계전류가 더 높은 값을 나타내고 특히 산소농도가 높은 경우는 더 우수한 한계전류 값을 나타낸다. 이는 기체확산이 더 잘 되기 때문에 이로 인한 수소와 산소의 이용율이 증가된 것을 의미한다.
평가예 5: 기체확산층의 배치에 따른 물질 전달 특성
또한, 실시예 1에서 제조된 기체확산층을 기재의 종방향(MD)과 바이폴라 플레이트 금속분리판의 유로 방향과 수직되게 배치한 것과, 유로방향과 평행되게 배치한 것의, 각각의 전류 밀도 증가에 따른 출력을 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 채널의 방향과 동일하게 탄소섬유가 배향된 수평구조에서는 반응가스의 흐름이 탄소섬유에 의해서 면(in plane) 방향으로의 흐름이 방해받기 때문에 가스확산 저항이 증가하고 이로 인해 성능이 감소하는 경향을 보인다. 또한 채널안으로 탄소섬유의 인트류전이 증가하여 차압이 증가하고 이로 인해 가스의 흐름이 원활하지 않고 성능 감소로 이어지게 된다.
이에 비해 채널의 방향과 탄소섬유가 수직으로 배향된 구조는 탄소섬유 사이로 가스가 잘 흐를 수 있고 인트류전이 작게 일어나서 가스확산저항이 감소하게 된다. 이로 인하여 면(In plane)방향과 두께(thru plane)방향으로의 반응가스가 균일하게 일어나며 이로 인해 촉매의 이용율이 증가하게 되어 막전극집합체(MEA)의 성능이 증가하는 결과를 얻을 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
    상기 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이며,
    상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며,
    상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고,
    상기 기재의 제 1표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기재의 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제2 표면으로부터 전체 기재 두께의 40~70%의 영역에서, 상기 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 상기 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.2 내지 4.0인 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 기체확산층용 탄소 기재,
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 상기 제1 탄소 섬유보다 많이 배치되며, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타내는 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면상의 평균 기공 크기는 1 μm 내지 30 μm의 범위이며, 상기 제2 표면상의 평균 기공 크기는 30 μm 내지 100 μm의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  5. 2장 이상의 스택된 금속분리판들과, 상기 금속분리판들 사이에 게재된 막전극 집합체(MEA)를 포함하는 수소 연료 전지로서,
    상기 막전극 집합체(MEA)는 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 탄소 기재를 포함하고,
    상기 금속분리판은 유로(flow field)를 구비하고,
    상기 막전극 집합체는 상기 탄소 기재의 종방향(MD)이 상기 금속분리판의 유로 방향과 서로 수직되도록 금속분리판 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 전지.
  6. 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
    상기 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이며,
    상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며,
    상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 이에 의하여 상기 기재는 종방향(MD)의 배향성을 가지고,
    상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)의 배향성이 일정한 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기재 중 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.2 내지 4.0인 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 기체확산층용 탄소 기재,
  8. 제6항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 상기 제1 탄소 섬유보다 많이 배치되며, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타내는 것을 특징으로 하는, 기체확산층용 탄소 기재.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 표면상의 평균 기공 크기는 1 μm 내지 30 μm의 범위이며, 상기 제2 표면상의 평균 기공 크기는 30 μm 내지 100 μm의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  10. 2장 이상의 스택된 금속 분리판들과, 상기 금속 분리판들 사이에 게재된 막전극 집합체(MEA)를 포함하는 수소 연료 전지로서,
    상기 막전극 집합체(MEA)는 상기 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 기재를 포함하고,
    상기 금속분리판은 유로(flow field)를 구비하고,
    상기 막전극 집합체는 상기 기재의 종방향(MD)이 상기 금속분리판의 유로 방향과 서로 수직되도록 상기 금속분리판상에 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 전지.
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Cited By (5)

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CN113241448A (zh) * 2021-05-17 2021-08-10 中南大学 一种质子交换膜燃料电池梯度微孔气体扩散层及其制备方法
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WO2022210008A1 (ja) 2021-04-02 2022-10-06 東レ株式会社 炭素シートおよびその製造方法、ガス拡散電極、並びに燃料電池
CN118050363A (zh) * 2024-04-16 2024-05-17 宁德时代新能源科技股份有限公司 检测方法和检测装置

Cited By (10)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020130420A1 (ko) * 2018-12-19 2020-06-25 주식회사 제이앤티지 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층
KR20200076395A (ko) * 2018-12-19 2020-06-29 주식회사 제이앤티지 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층
CN113228358A (zh) * 2018-12-19 2021-08-06 Jntg有限公司 一种石墨化碳基材以及采用该石墨化碳基材的气体扩散层
EP3902039A4 (en) * 2018-12-19 2022-10-12 JNTG Co., Ltd. GRAPHITIZED CARBON SUBSTRATE AND GAS DIFFUSION LAYER USING THE SAME
WO2022210008A1 (ja) 2021-04-02 2022-10-06 東レ株式会社 炭素シートおよびその製造方法、ガス拡散電極、並びに燃料電池
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CN118050363A (zh) * 2024-04-16 2024-05-17 宁德时代新能源科技股份有限公司 检测方法和检测装置

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