KR20180023830A - 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이 - Google Patents

피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이 Download PDF

Info

Publication number
KR20180023830A
KR20180023830A KR1020170105866A KR20170105866A KR20180023830A KR 20180023830 A KR20180023830 A KR 20180023830A KR 1020170105866 A KR1020170105866 A KR 1020170105866A KR 20170105866 A KR20170105866 A KR 20170105866A KR 20180023830 A KR20180023830 A KR 20180023830A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon paper
carbon
fuel cell
gas diffusion
fibers
Prior art date
Application number
KR1020170105866A
Other languages
English (en)
Inventor
윤동호
박운기
백재영
홍경화
김현식
이초혜
Original Assignee
국일제지 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국일제지 주식회사 filed Critical 국일제지 주식회사
Publication of KR20180023830A publication Critical patent/KR20180023830A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
    • D21H13/36—Inorganic fibres or flakes
    • D21H13/46—Non-siliceous fibres, e.g. from metal oxides
    • D21H13/50—Carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/56—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 분산제에 첨가하여 분산용액을 제조하는 단계; 및 습식 공정으로 상기 분산용액을 이용하여 탄소종이를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 섬유는 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.0 중량%가 포함되어 분산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법은 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유를 0.1 내지 1.0 중량%가 포함하여 분산시킴으로써, 내부결합강도가 높은 탄소섬유 웹을 만들 수 있고, 강도 높은 탄소종이를 제조할 수 있다.

Description

피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이 {A manufacturing method of carbon paper for fuel cell gas diffusion layers which adds pitch-based carbon fibers and aqueous binders, and carbon paper for the fuel cell gas diffusion layers using the same}
연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피치계 탄소섬유를 이용한 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이에 관한 것이다.
연료전지는 전기가 발생하는 발전부, 개질기, 연료탱크 및 연료펌프 등으로 구성된다. 발전부는 연료전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기를 통하여 수소 가스가 발생하고 펌프에 의해 발전부로 연료가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 상기 발전부는 애노드, 캐소드 및 고분자 전해질 막으로 이루어진 막전극 접합체 (membrane electrode assembly, MEA)로 구성될 수 있다.
상기 애노드 및 캐소드는 각각 연료전지용 전극과 촉매층을 포함한다. 상기 애노드 또는 캐소드 각각에서 연료 또는 산소가 연료전지용 전극을 통하여 촉매층에 이동하면 촉매층에서 촉매 반응이 일어나며, 이러한 촉매 반응의 결과물이 서로 반응하여 전기와 물이 생성된다. 예를 들어, 직접 메탄올 연료전지에서는 애노드에 메탄올이 공급되며, 상기 공급된 메탄올이 촉매층의 산화반응에 의해 수소이온, 전자 및 이산화탄소로 분해되고, 수소이온은 고분자 전해질 막을 통하여 캐소드로 이동하며 전자는 외부회로를 통해 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 공기 중에서 유입된 산소, 외부 회로를 통해 이동된 전자, 및 막을 통해 이동한 수소이온이 촉매층에서 반응하여 물이 생성된다.
한편, 이러한 연료전지의 성능은 전극반응의 효율성에 따라 결정되며, 상기 전극반응의 효율성은 연료와 산화제의 물질전달 능력 및 전극반응으로 생성된 물의 배출능력에 따라 결정된다. 자동차와 같이 높은 전류밀도가 요구되는 분야에서는 전류밀도가 높은 영역에서 연료전지가 작동하므로, 단위 면적당 발생하는 물의 양도 증가한다. 따라서, 이러한 조건에서는 많은 양의 연료 및 산화제가 지속적으로 공급되고, 많은 양의 물을 지속적으로 배출하는 것이 중요한데, 상기 생성되는 물의 배출능력은 연료전지용 가스확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)의 소수성에 크게 의존한다.
종래의 일반적으로 연료전지용 가스확산층으로는 기체투과성과 전자전도성이 우수한 발수성 탄소종이가 사용되어 왔다. 종래의 탄소종이 제조방법에 있어서, 습식(wet-laid) 공정에 의해서 탄소종이를 제조하는 경우에, 먼저 탄소섬유를 수용액 등에 분산시키고, 습식 종이형성 장치를 통하여 탈수 및 초지 공정을 거친 다음 건조시켜서 탄소섬유 웹(web)을 제조한다. 제조된 탄소섬유 웹은 열경화성 수지 등에 함침 시킨 다음 열과 압력을 가하여 경화시키고, 이러한 경화 과정을 통해서 탄소 시트가 형성되면, 마지막으로 성형된 시트 중의 열경화성 수지를 탈지 및 고온 탄화시킴으로써 제조하게 되면 탄소종이가 완성된다.
한편, 탄소종이를 제조하기 위하여 사용되는 탄소섬유는 고온에서 우수한 특성을 보이는데, 고온일수록 기계적 강도가 낮아지는 금속소재와 달리 온도가 높아질수록 기계적 강도가 증가하는 특성을 가지고 있으며, 열팽창계수가 낮고 비산화 분위기에서 3000℃까지 사용할 수 있는 유일한 소재로 손꼽힌다.
탄소섬유는 크게 원료에 따라 PAN계 탄소섬유, 레이온계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유로 구분될 수 있다.
PAN계 탄소섬유는 비교적 다른 소재에 비해 가볍고, 기계적 물성이 우수하여 골프채, 낚시대 등과 같은 고급 스포츠 레져 용품 등에 사용되며, 현재는 금속을 대체할 수 있는 소재로 인정받고 있다.
레이온계 탄소섬유는 값싼 원료를 바탕으로 비교적 제조방법이 간단하고 대량생산이 용이하여 범용 탄소섬유로 사용이 가능하다.
피치계 탄소섬유는 석탄 콜타르 및 석유 잔사유를 원료로 하며, 결정성에 따라 등방성 탄소섬유와 이방성 탄소섬유로 구분된다.
특히, 피치계 탄소섬유는 값이 매우 저렴한 석탄 콜타르 및 석유 잔사유를 통해 제조되며, 모듈러스 값이 높고 고온에서 열변형이 없어 전극소재로 사용하기 좋고, 제조방법에 따라 원하는 물성으로 제조가 가능한 이점이 있다.
그러나, 상기 피치계 탄소섬유는 서로 엉켜있는 형태로 존재하기 때문에, 분산 용매를 이용하여 분산시키는 것이 매우 어렵다는 단점이 있으며, 상기 피치계 탄소섬유로 상술한 습식 공정에 의해서 제조된 탄소종이는 이를 구성하는 상기 피치계 탄소섬유가 서로 엉겨붙어 고르게 분산되지 못하는 특성을 나타내며, 이는 결과적으로 제조된 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도를 떨어뜨리는 결과를 초래한다.
아울러, 분산 용매 내에서 분산성이 약한 상기 피치계 탄소섬유는 피치계 탄소섬유간의 결합력이 없어 수지 함침 공정에서 웹으로는 생산 불가한 단점을 가지고 있으며, 탄소섬유 웹이 만들어진 다음 수지 함침하는 공정 및 탄화 공정에서도 탄소섬유 웹 내부결합강도가 부족하여 연속 탄화공정을 거치지 못하게 되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1304489호
본 발명은 탄소종이의 구성 물질이 되는 피치계 탄소섬유의 분산성을 조절함으로써, 제조된 탄소종이 내에서 탄소섬유들이 고르게 분산되도록 하고, 이를 통하여 결과물인 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도를 향상시킬 수 있는 연료전지 가스확산층용 탄소종이 제조방법을 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명은 섬유간의 결합력이 향상되어 내부결합강도가 우수한 탄소섬유 웹을 제조할 수 있는 연료전지 가스확산층용 탄소종이 제조방법을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유를 이용하여 습식 초지방법으로 탄소섬유 웹을 연속생산하고, 상기 탄소섬유 웹을 이용하여 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이를 제공하고자 한다.
본 발명은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 분산제에 첨가하여 분산용액을 제조하는 단계; 및 습식 공정으로 상기 분산용액을 이용하여 탄소종이를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 섬유는 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.0 중량%가 포함되어 분산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이를 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법은 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 이루어진 섬유를 0.1 내지 1.0 중량%가 포함되도록 분산시킴으로써, 내부결합강도가 높은 탄소섬유 웹을 만들 수 있고, 강도 높은 탄소종이를 제조할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이는 습식 초지공정부터 탄소섬유 웹이 형성되도록 하며, 열과 압력을 통과하는 경화단계를 거침으로써 이후 탄화공정에서도 연속 생산이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법에 따르면 전기저항이 낮아 전기전도성이 우수하며, 기체확산 능력이 우수한 탄소종이를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법의 순서도이다.
도 3은 탄화온도에 따른 전기전도도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 탄화온도에 따른 계면접촉저항 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 재함침/저온탄화 전, 후 탄소종이 평량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 탄소종이 평량에 따라 재함침된 탄소종이의 두께를 나타낸 그래프이다.
도 7은 탄소종이 평량에 따라 재함침된 탄소종이의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 탄소종이 평량에 따라 재함침된 탄소종이의 계면접촉저항을 나타낸 그래프이다.
연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피치계 탄소섬유를 이용한 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 분산제에 첨가하여 분산용액을 제조하는 단계; 및 습식 공정으로 상기 분산용액을 이용하여 탄소종이를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 섬유는 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.0 중량%가 포함되어 분산되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 섬유는 상기 피치계 탄소섬유 90 내지 97중량부 및 상기 바인더 섬유 3 내지 10중량부로 구성될 수 있다.
이때, 상기 바인더 섬유는 폴리비닐 알코올(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene phthalate), 미연신 폴리에틸렌테레프탈레이트(SWP-PET, polyethylene phthalate),폴리에틸렌(PE, polyethylene) 및 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 미연신 폴리에틸렌(SWP-PE, polyethylene) 및 미연신 폴리프로필렌(SWP-PP, polypropylene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
또한, 상기 분산제는 폴리에틸렌옥사이드(PEO, poly ethylene oxide), Span20 (Sorbitan monolaurate), Span40 (Sorbitan monopalmitate), Span60 (Sorbitan monosterate), Span80 (Sorbitan monoleate), Span83 (Sorbitan sesquioleate), Span85 (Sorbitan trioleate),Span120 (Sorbitan isostearate) 및 Tween20 (PEG-20, Sorbitan monolaurate), Tween21 (PEG-4 Sorbitan monolaurate), Tween40 (PEG-20 Sorbitan monopalmitate), Tween60 (PEG-20 Sorbitan monostearate), Tween61 (PEG-4 Sorbitan monosterate), Tween65 (PEG-20 Sorbitan tristearate), Span120 (Sorbitan monooleate), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 폴리메타아크릴릭 염화 솔트 (Polymethacrylic aicd, sodium salt) 및 폴리아크릴 말레익 코폴리머(Poly(acrylic aicd-co-maleic acid)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
한편, 습식 공정은 분산용액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계; 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시킨 후 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계; 및 상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는 상기 탄소섬유 웹에 110 내지 240℃의 온도에서 1 내지 10분동안 수행될 수 있으며, 상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는 상기 탄소섬유 웹에 2 내지 8kgf/cm2의 압력하에서 수행될 수 있고, 상기 탄화단계는 600 내지 1200℃ 의 온도에서 8 내지 24시간 동안 수행될 수 있다. 이때, 상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
아울러, 탄소섬유 웹을 제조단계는 분산용액에 분산 용매를 첨가하여, 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 상기 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유를 포함하는 섬유가 상기 분산용액 내의 함량이 0.05 내지 0.15중량% 되도록 희석하는 단계; 및 상기 희석된 분산용액 전체용량에 대하여 상기 분산제를 0.1 내지 0.5중량% 추가로 투입하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이를 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 연료전지 가스확산층용 탄소종이는 150 내지 400um 의 두께, 60 내지 80% 의 기공율, 0.5 내지 1.5cm3/(cm2·s)의 가스 투과율을 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 전기 저항은 10 내지 18 mΩ·cm2인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법의 순서도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법의 순서도이다.
이하, 도 1 및 도 2와 실시예를 통해서 본 발명인 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이를 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유를 이용한 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 용어, “탄소섬유”라 함은 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유를 의미하며, "피치계 탄소섬유(pitch-based carbon fibers)"라 함은 피치를 원료로 하여 만드는 탄소섬유의 총칭을 의미한다.
보다 구체적으로, 피치계 탄소섬유는 팬(PAN)계 탄소섬유와 석유 또는 석탄 피치로부터 전구체를 얻어 생산되는 섬유를 의미하며, 팬(PAN) 고분자와는 달리 피치의 구조자체가 탄소섬유의 구조인 그래파이트(graphite)와 유사하므로 생산 시 에너지 소비가 적고 전기저항이 낮은 특징이 있다. 즉, 피치계 탄소섬유는 팬계 탄소섬유 제조공정과 비교하여 보다 낮은 탄화온도와 짧은 탄화시간으로도 원하는 물성을 가진 탄소섬유의 제조가 가능할 수 있다.
한편, "피치"라 함은 복잡한 방향족(芳香族) 탄화 수소분자를 주체로 하며, 상온에서는 흑색의 고체이며, 보통은 부잔유(釜殘油)의 총칭이지만 탄소 원료에서는 합성되는 것도 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "탄소섬유 웹" 이라 함은 탄소섬유를 사용하여 상기 탄소섬유의 분산성, 균일성이 우수한 종이 형태로 만든 제품을 의미할 수 있다.
이하, 도 1과 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법을 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 분산제에 첨가하여 분산용액을 제조하는 단계; 및 습식 공정으로 상기 분산용액을 이용하여 탄소종이를 제조하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 섬유는 상기 분산용액 전체 중량에 대해 0.1 내지 1.0 중량%가 포함되어 분산될 수 있으며, 일 예로 0.5 중량%를 포함할 수 있다. 특히, 상기 섬유가 상기 분산용액의 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 미만일 경우에 섬유의 절단이 많이 발생되어 제조하게 되는 탄소종이의 강도 및 보류율이 떨어질 수 있으며, 1.0 중량% 를 초과하게 되면, 상기 섬유끼리 뭉치는 현상이 발생되어 균일성이 낮아질 수 있다.
여기서, “탄소섬유”라 함은 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유를 의미하며, 본 발명에서는 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 의미할 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용하는 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유는 2.0 내지 12.0mm 의 길이 및 3㎛ 내지 10㎛ 의 직경을 갖을 수 있다.
보다 구체적으로, 섬유의 길이가 2.0mm 미만인 경우 섬유의 단락으로 전기저항이 증가되며, 탄소섬유 웹이 치밀화되어 기체투과도가 낮아질 수 있다. 또한, 12.0mm 를 초과하게 되면, 탄소섬유 웹을 제조할 때 섬유의 분산성이 급격히 저하되어 균일한 탄소섬유 웹을 만들기 어렵기 때문에 바람직하지 않다. 특히, 피치계 탄소섬유의 분산성이 급격히 저하될 수 있다.
이에 더하여, 섬유의 직경이 3㎛ 미만일 경우, 탄소섬유 웹 제조를 위한 탄소섬유의 분산과정에서 물리적 충격에 의해 섬유의 단섬유화가 빠르게 진행되어 결국 탄소섬유 웹이 치밀해지며, 이와 반대로 섬유의 직경이 10㎛ 를 초과하는 경우에는 탄소섬유 웹의 두께가 너무 두꺼워져 바람직하지 않다.
이에 더하여, 상기 (a) 단계에서, 상기 섬유는 상기 피치계 탄소섬유 90 내지 97중량부 및 상기 바인더 섬유 3 내지 10중량부로 구성될 수 있으며, 일 예로, 상기 피치계 탄소섬유 95중량부, 바인더 섬유 5중량부 로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 섬유 내에서 상기 피치계 탄소섬유가 90중량부 미만일 경우에는 탄소종이의 전기저항이 높아지고 전기전도도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있으며, 97중량부를 초과하면, 피치계 탄소섬유의 절단으로 강도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있어, 피치계 탄소섬유 간의 결합력이 약해져서 제조하게 되는 탄소종이의 인장강도가 충분하지 않은 단점이 있다.
여기서, 바인더 섬유라 함은 상기 피치계 탄소섬유로 탄소섬유 웹을 형성할 때 섬유간의 결합과 부착력과 같은 기능성 부여를 위한 첨가물을 의미할 수 있으며, 보다 구체적으로, 폴리비닐 알코올(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene phthalate), 미연신 폴리에틸렌테레프탈레이트(SWP-PET, polyethylene phthalate),폴리에틸렌(PE, polyethylene) 및 폴리프로필렌(PP, polypropylene),미연신 폴리에틸렌(SWP-PE, polyethylene) 및 미연신 폴리프로필렌(SWP-PP, polypropylene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어 “분산용액”이라 함은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유에 분산제를 첨가하여 만든 슬러지 형태의 수용액을 의미할 수 있다.
이때, 분산제는 폴리에틸렌옥사이드(PEO, poly ethylene oxide), Span20 (Sorbitan monolaurate), Span40 (Sorbitan monopalmitate), Span60 (Sorbitan monosterate), Span80 (Sorbitan monoleate), Span83 (Sorbitan sesquioleate), Span85 (Sorbitan trioleate),Span120 (Sorbitan isostearate) 및 Tween20 (PEG-20, Sorbitan monolaurate), Tween21 (PEG-4 Sorbitan monolaurate), Tween40 (PEG-20 Sorbitan monopalmitate), Tween60 (PEG-20 Sorbitan monostearate), Tween61 (PEG-4 Sorbitan monosterate), Tween65 (PEG-20 Sorbitan tristearate), Span120 (Sorbitan monooleate), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 폴리메타아크릴릭 염화 솔트 (Polymethacrylic aicd, sodium salt), 폴리아크릴 말레익 코폴리머(Poly(acrylic aicd-co-maleic acid)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 바람직하게는 섬유 전체중량에 대하여 0.1 내지 0.5중량% 투입할 수 있으며, 바람직하게는 0.3중량% 투입할 수 있다.
보다 구체적으로, 0.1중량% 미만인 경우에는 섬유의 유동성이 떨어지면서 상기 분산용액을 후술하게 되는 교반기 또는 습식 성형장치로 이송 시 섬유의 절단이 발생할 수 있으며, 0.5중량%를 초과하게 되면 습지의 보수성이 높아져서 공정을 진행할 때, 섬유의 탈락으로 공정오염이 발생할 수 있다.
참고로, 상기 습식 공정은 탄소섬유 웹을 제조하는 단계, 상기 탄소섬유 웹을 경화시키는 단계 및 탄화시키는 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법은 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 분산제에 첨가하여 분산용액을 제조하는 단계, 분산용액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계; 탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시킨 후 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계; 및 상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계를 포함한다.
한편, 분산용액을 제조한 후에는 상기 분산용액을 교반기로 이용하여 해리할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 분산용액을 1000 내지 5000rpm 의 속도로 10 내지 100초 동안 해리할 수 있다. 일 예로 디졸버 타입(dissolver type)의 교반기를 이용할 수 있다. 특정 양태로서, 상기 교반속도가 1000rpm 미만인 경우에는 섬유의 해리성이 낮아져 용이하게 해리되지 않으며, 5000rpm을 초과하는 경우 섬유의 절단율이 높아져서 전기저항이 증가되며, 탄소섬유 웹이 치밀화되어 기체투과도가 낮아질 수 있다.
이에 더하여, 상기 해리속도가 10초 미만인 경우에는 섬유간의 뭉침 현상으로 탄소 섬유의 분산이 잘 되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 100초를 초과하는 경우 섬유의 절단 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상술한 교반 시간은 상기 분산용액에서 분산제의 투입량, 분자량 및/또는 분산제의 점도에 따라 변경할 수 있다. 특히, 분산제의 점도가 높으면 해리시간을 길게 조정할 수 있으며, 상기 분산제의 점도가 낮으면 해리시간을 보다 짧게 조정할 수 있다.
특정 양태로서, 상술한 해리단계를 거치고 나면, 상기 분산용액내의 섬유는 2 내지 6mm 의 길이로 적절히 절단되면서 양호한 분산 상태를 나타낼 수 있다.
다음으로, 해리된 분산용액을 습식 종이 성형장치로 이송한 후, 상기 해리된 분산용액을 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조할 수 있다.
이때, 습식 종이 성형장치 내에서 해리된 분산용액을 희석단계와 상기 희석된 분산용액에 분산제를 추가로 투입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 해리된 분산용액에 분산용매를 첨가하여, 상기 분산용액 전체 중량에 대하여, 상기 섬유가 상기 분산용액 내의 함량이 0.05 내지 0.15중량% 되도록 희석하게 된다. 이때, 분산용매는 물일 수 있다.
한편, 용매를 추가하여 희석하는 것은 습식 초지기에서 탄소섬유 웹을 형성하기 위한 조건일 수 있다.
그리고, 희석된 분산용액 전체용량에 대하여, 분산제를 0.1 내지 0.5중량% 추가로 투입하여 탄소섬유 웹을 제조할 수 있다.
한편, 탄소섬유 웹을 제조하기 위해서는 통상적인 습식 방법을 사용할 수 있다.
여기서, 탄소섬유 웹의 수분 함량 조절은 매우 중요할 수 있다. 이는 공정오염에 큰 영향을 미치며, 상기 탄소섬유 웹의 수분함량이 너무 적으면 분산용매의 점도에 의해서 엉켜있던 섬유들의 결합력이 약해 일부의 건조장치로 이동하지 못하고 탈수장치에서 탈락되어 공정오염이 발생될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 수분함량이 95% 이상인 탄소섬유 분산용액은 탈수장치(Wet felt)에서 탈수를 통해 수분함량이 65 내지 75%되도록 탈수 및 초지공정을 행하여 탄소섬유 웹을 제조할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법은 탄소섬유 웹에 열과 압력을 가하여 경화시키는 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 110 내지 240℃의 온도에서 10 내지 100mm/min 속도로 1 내지 10분동안 상기 탄소섬유 웹에 열을 가할 수 있으며, 이때, 2 내지 8kgf/cm2 의 압력을 가할 수 있다.
특히, 열을 가할 때, 온도가 110℃ 미만인 경우에는 상술한 바인더 섬유가 융해되지 않아 탄소종이의 강도가 저하되며, 140℃를 초과하게 되면, 상기 탄소섬유 웹이 건조장치에 부착하게되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 더하여, 상기 탄소종이의 경화 시 2kgf/cm2의 미만의 압력을 가하게 되면, 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유의 결합이 안되어 표면 부착성이 불량하여 상기 탄소종이의 건조불량이 발생할 수 있으며, 8kgf/cm2를 초과하는 경우에는 탄소종이의 밀림현상과 롤에 부착되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 탄소종이의 경화단계는 110 내지 240℃의 온도에서 10 내지 100mm/min 속도로 1 내지 10분동안 상기 탄소섬유 웹에 열을 가할 수 있으며, 이때, 2 내지 3kgf/cm2 의 압력을 가하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 열경화성 수지를 탄화시키는 단계는 600 내지 1200℃ 의 온도에서 8 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.
여기서, "탄화" 라 함은 유기물을 적당한 조건하에서 가열하면 열분해를 거쳐서 탄소가 풍부한 물질, 즉 무정형(무결정형) 탄소로 되는데, 이 반응을 탄화라 한다.
특정 양태로서, 열경화성 수지는 600 내지 1200℃의 온도에서 탄화공정이 수행될 수 있으며, 600 내지 900℃ 온도 또는 800℃의 온도에서 탄화공정이 수행될 수 있다. 특히, 탄화공정이 600℃ 미만에서 이루어지게 되면 온도가 너무 낮아서 탄화가 안되는 문제가 발생할 수 있으며, 1200℃를 초과하게 되면, 온도가 높아 상기 열경화성 수지가 타버리는 문제가 발생할 수 있다. 일 예로, 800℃에서 탄화 공정수행하였으며, 온도를 조절함으로써, 피치계 탄소섬유가 저온탄화 공정을 거치면서 탄소종이 내의 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유의 결정성이 증가된 결과로 계면접촉 저항을 감소시킬 수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법에 따라서 연료전지 가스확산층용 탄소종이를 제조할 수 있다.
이렇게 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이는 150 내지 250um 의 두께, 60 내지 80% 의 기공율, 0.5 내지 1.5cm3/(cm2·s)의 가스 투과율을 갖는다.
이에 더하여, 10 내지 18mΩ·cm2인 전기저항을 갖으며, 0.5 내지 0.9MPa의 인장강도(Tensile strengh)를 갖을 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1. 연료전지용 가스확산층용 탄소종이의 제조
실시예 1-1. 원료의 분산
본 실시예에서는 연료전지용 가스확산층용 탄소종이의 구성 물질이 되는 피치계 탄소섬유의 분산성을 조절하여, 탄소종이 웹의 강도를 유지하기 위하여, 피치계(pitch) 탄소섬유와 바인더 섬유를 배합하고 분산제를 투입하여 슬러리를 제조하였다.
보다 구체적으로, 평균 지름이 10㎛ 인 피치계 탄소섬유 9.5kg(95 중량부)와 바인더 섬유 PET 미연신사(WEP_PET) 0.5kg(5 중량부) 를 2 내지 12mm 의 길이가 되도록 절단한 후 서로 배합하여 섬유를 제조하고, 폴리에틸렌옥사이드(PEO, poly ethylene alcohol, 스미토모 社) 수용액에 상기 배합한 섬유를 다단 투입하며, 저속 교반하여 슬러리를 균일하게 혼합하였다.
이때, 상기 배합한 섬유에서 상기 섬유(피치계 탄소섬유 및 바인더 섬유)는 전체 분산용액 전체 중량에 대하여 0.5중량% 의 농도가 되도록 투입양을 조절하였다.
다음으로, 0.1 내지 1% 의 농도의 슬러리를 임펠라 타입이 디졸버 터빈임펠러(dissorber turbine type)인 교반기를 이용하여 3000rpm으로 15초 동안 해리하였다. 이에 따라, 상기 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유를 2 내지 6mm 로 절단되었으며, 섬유의 최종 보류율이 95% 이상인 피치계 탄소섬유 슬러지를 제조하였다.
그리고, 상기 슬러지를 하부에 와이어 메시가 장착된 습지 제조 장치(VAT)로 이송하였다.
실시예 1-2. 습지 제조
슬러리를 습지 제조 장치로 이송하였으며, 상기 슬러리에 물을 추가 투입하여 분산용액의 전체 중량에 대하여 0.10중량%의 농도로 희석한 후, 상기 피치계 탄소섬유가 실린더에서 균일하게 형성할 수 있도록 분산제인 PEO(poly ethylene oxide)를 0.1중량%를 추가 투입하였다
이때, 상기 습지 제조 장치로 이송 및 투입된 원료들은 상기 장치 내에서 1분간 유지시킨 후 습지 제조장치(Vat)에서 탈수시켜, 탄소섬유 웹(습지)를 성형하였으며, 수분의 함유량이 95% 이상인 탄소섬유 웹(습지)가 만들어지게 하였다.
다음으로, 쿠치롤(couch roll)을 이용하여 상기 제조된 탄소섬유 웹을 2차 탈수하였고, 수분의 함유량이 70%인 탄소섬유 웹(습지)를 제조하였다.
실시예 1-3. 건조과정
실시예 1-2 에서 제조한 탄소섬유 웹을 건조장치로 이동시켰으며, 상기 건조장치의 표면에 상기 탄소섬유 웹을 균일하게 부착할 수 있도록 터치압력을 2kg/m2 을 가하고 온도는 120℃ 로 1분 동안 통과하여 탄소종이 웹을 제조하였다.
실시예 1-4. 결합과정
실시예 1-3 에서 제조한 탄소종이 웹의 결합강화를 위해 결합과정을 수행하였으며, 보다 구체적으로, 실시예 1-3에서 제조한 탄소종이 웹을 경화장치(Heating Calender)에 투입하고, 140℃ 의 온도에서 60m/min 속도로 통과시켜 결합이 강화된 평량 70g/m2 의 탄소종이 웹을 제조하였다.
실시예 1-5 수지함침 및 탄화공정
실시예 1-4 로 만들어진 탄소종이 웹을 페놀 수지에 함침하여 건조시켜 함침된 탄소종이 웹을 제조하였으며, 수지 함침된 탄소섬유 웹을 600℃의 탄화로를 통해 평량 70g/m2, 두께 350㎛, 밀도 0.25g/cm3 인 최종 연료전지 가스확산층용 탄소종이를 제조하였다.
실시예 2. 연료전지용 가스확산층용 탄소종이의 제조
실시예 1-4로 만들어진 평량 70g/m2 의 탄소종이 웹을 페놀 수지에 함침하여 건조시켜 함침된 탄소종이 웹을 제조하였으며, 수지 함침된 탄소섬유 웹을 700℃에서 탄화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 가스확산층용 탄소종이를 제조하였다.
실시예 2에서 제조한 탄소종이는 평량 70g/m2, 두께 350㎛, 밀도 0.25g/cm3 의 물성을 측정하였다.
실시예 3. 연료전지용 가스확산층용 탄소종이의 제조
실시예 1-4로 만들어진 평량 70g/m2 탄소종이 웹을 페놀 수지에 함침하여 건조시켜 함침된 탄소종이 웹을 제조하였으며, 수지 함침된 탄소섬유 웹을 800℃에서 탄화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 가스확산층용 탄소종이를 제조하였다.
실시예 3에서 제조한 탄소는 평량 108g/m2, 두께 350㎛, 밀도 0.32g/cm3 의 물성을 측정하였다.
<비교예>
비교예 1.
실시예 1-4로 만들어진 탄소종이 웹을 페놀 수지에 함침하여 건조시켜 함침된 탄소종이 웹을 제조하였으며, 수지 함침된 탄소섬유 웹을 탄화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 가스확산층용 탄소종이를 제조하였다.
비교예 1에서 제조한 탄소종이는 평량 70g/m2, 두께 350㎛, 밀도 0.25g/cm3 의 물성을 측정하였다.
<실험예>
실험예 1. 탄화온도에 따른 전기전도도 및 계면접촉저항 측정
실시예 1 내지 4, 비교예 1에서 제조한 탄소종이의 전기전도도와 계면접촉저항을 측정하였다.
먼저, 전기전도도를 면저항측정기(Mitsubishi Chemical, Japan)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과는 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 2와 실시예 3의 전기전도도는 비교예 1과 실시예 1보다 월등히 높아진 것을 확인할 수 있다. 이는 전술한 본 발명의 탄소 종이의 제조방법에 의해서 피치계 탄소섬유들이 비등방성 배열을 가지며 고르게 분산되기 때문에 전기전도도가 높아진 것이며, 특히, 800℃에서의 탄화공정을 거친 실시예 3은 탄화온도가 증가함에 따라 탄소종이를 이루고 있는 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유의 수율과 결정성이 증가한 이유에 있어서, 비교예 1과 실시예 1보다 우수한 전기전도도를 가질 수 있는 것으로 판단된다.
아울러, 계면접촉저항은 5cmㅧ5cm의 샘플을 제조한 후 4-단자법을 이용하여 표면 저항을 측정하였다. 샘플은 10개의 부분을 측정하여 평균값을 취하였다.
그리고, 그 결과를 아래의 표 1과 도 4에 나타내었다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
전기저항(mΩ·cm2) 18.6 19.5 15.1 15.4
표 1과 도 4를 참조하면, 비교예 1은 18.6mΩ·cm2 이며, 본 발명의 실시예 1은 19.5mΩ·cm2 이고, 실시예 2와 3은 각각 15.1mΩ·cm2 과 15.4mΩ·cm2 로 측정되었다.
실시예 1의 계면접촉저항은 비교예 1보다 높았으나, 실시예 2와 3은 비교예 1보다 낮아진 것으로 확인되었다.
이러한 결과는 본 발명의 실시예에서 피치계 탄소섬유의 분산성을 조절함으로써, 탄소종이에 골고루 분산되어 전도성을 증가시킬 수 있었으며, 특히, 실시예 2와 3에서 탄화공정 시 온도를 조절함으로써, 피치계 탄소섬유가 저온탄화 공정을 거치면서 탄소종이 내의 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유의 결정성이 증가된 결과로 계면접촉저항이 감소된 것으로 판단된다.
한편, 가스확산층용 탄소종이는 연료전지 반응에 의해 생성된 전자를 원활히 이동시키기 위해서는 기체확산층의 전기저항이 낮을수록 좋다.
실험예 2. 재함침/저온탄화 전, 후 탄소종이의 물성 측정
실시예 1에서 제조된 탄소종이의 물성을 측정하였으며, 구체적으로 재함침/저온탄화 전과 후의 물성을 측정하여, 이를 서로 비교하였다.
보다 구체적으로, 탄소종이의 제조시 섬유의 양을 조절하여, 탄소종이의 평량을 조절하였으며, 각각 평량 40, 50, 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹을 이용하여 재함침/저온탄화 전, 후의 평량, 두께, 밀도, 계면접촉저항을 측정하였다.
한편, 탄화공정시 탄화온도는 800℃로 유지하였다.
도 3 내지 도 8에서 40KCP, 50KCP, 60KCP 및 70KCP는 각각 평량 40, 50, 60 및 70g/m2 인 재함침/저온탄화 전의 탄소종이 웹의 물성이며, 40KCP800, 50KCP800, 60KCP800 및 70KCP800은 재함침/저온탄화 후의 탄소종이의 물성을 나타낸다.
실험예 2-1. 재함침/저온탄화 전, 후 탄소종이의 평량 측정
평량 40, 50, 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 탄화공정 후의 평량을 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
평량은 전자저울(종이무게/종이면적) 이용하여 측정하였다.
도 5를 참조하면, 재함침/저온탄화를 거친 탄소종이는 평량이 증가한 것을 보여준다. 특히, 40 또는 50g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹 보다는 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 평량이 월등하게 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이는, 재함침된 탄소종이가 재함침되지 않은 탄소종이에 비해 밀도가 증가하여 평량이 증가한 것을 의미한다.
실험예 2-2. 재함침/저온탄화 전, 후 탄소종이의 두께 측정
평량 40, 50, 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 두께를 측정하였으며, 상기 탄소종이 웹을 재함침/저온탄화를 거친 후에 두께를 측정하였다. 그리고, 상기 각각의 두께를 비교하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
탄소종이의 두께는 두께측정기(FRANK, Germany)를 이용하여 측정하였다.
도 6를 참조하면, 재함침/저온탄화를 거친 탄소종이의 두께는 재함침/저온탄화 공정 전의 탄소종이 웹의 두께와 큰 차이가 없는 것을 보여준다.
실험예 2-3. 재함침/저온탄화 전, 후 탄소종이의 밀도 측정
평량 40, 50, 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 밀도를 측정하였으며, 상기 탄소종이 웹을 재함침/탄화공정을 거친 후에 밀도를 측정하였다. 그리고, 상기 각각의 밀도를 비교하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 재함침/저온탄화를 거친 탄소종이는 밀도가 증가한 것을 보여준다. 특히, 40 또는 50g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹 보다는 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 밀도가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이는, 재함침을 통해 탄소종이 밀도가 증가되어 전자가 이동할 수 있는 전기적 네트워크가 증가함을 의미한다.
실험예 2-4. 재함침/저온탄화 전, 후 탄소종이의 계면접촉저항 측정
평량 40, 50, 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 계면접촉저항를 측정하였으며, 상기 탄소종이 웹을 재함침/탄화공정을 거친 후에 계면접촉저항를 측정하였다. 그리고, 상기 각각의 계면접촉저항을 비교하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
계면접촉저항은 탄소종이의 양면에 구리판을 접촉시켜 탄소종이의 두께가 450㎛가 되도록 압착하여 구리판에 전류를 주어 전압차를 이용하여 측정하였다.
도 8을 참조하면, 재함침/저온탄화를 거친 탄소종이는 밀도가 증가한 것을 보여준다. 특히, 40 또는 50g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹 보다는 60 및 70g/m2 의 결합과정을 거친 탄소종이 웹의 밀도가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 본 발명의 실시예에서 피치계 탄소섬유의 분산성을 조절함으로써, 탄소종이에 골고루 분산되어 전도성을 증가시킬 수 있었으며, 특히, 탄화공정시 800℃ 로 온도를 조절함으로써, 피치계 탄소섬유가 저온탄화 공정을 거치면서 탄소종이 내의 탄소섬유와 바인더 섬유의 결정성이 증가된 결과로 계면접촉저항이 감소된 것으로 판단된다.

Claims (13)

  1. 피치계 탄소섬유와 바인더 섬유로 구성된 섬유를 분산제에 첨가하여 분산용액을 제조하는 단계; 및
    습식 공정으로 상기 분산용액을 이용하여 탄소종이를 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 섬유는 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.0 중량%가 포함되어 분산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    섬유는
    상기 피치계 탄소섬유 90 내지 97중량부 및 상기 바인더 섬유 3 내지 10중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 섬유는
    폴리비닐 알코올(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene phthalate), 미연신 폴리에틸렌테레프탈레이트(SWP-PET, polyethylene phthalate),폴리에틸렌(PE, polyethylene) 및 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 미연신 폴리에틸렌(SWP-PE, polyethylene) 및 미연신 폴리프로필렌(SWP-PP, polypropylene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 인 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분산제는
    폴리에틸렌옥사이드(PEO, poly ethylene oxide), Span20 (Sorbitan monolaurate), Span40 (Sorbitan monopalmitate), Span60 (Sorbitan monosterate), Span80 (Sorbitan monoleate), Span83 (Sorbitan sesquioleate), Span85 (Sorbitan trioleate),Span120 (Sorbitan isostearate) 및 Tween20 (PEG-20, Sorbitan monolaurate), Tween21 (PEG-4 Sorbitan monolaurate), Tween40 (PEG-20 Sorbitan monopalmitate), Tween60 (PEG-20 Sorbitan monostearate), Tween61 (PEG-4 Sorbitan monosterate), Tween65 (PEG-20 Sorbitan tristearate), Span120 (Sorbitan monooleate), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 폴리메타아크릴릭 염화 솔트 (Polymethacrylic aicd, sodium salt) 및 폴리아크릴 말레익 코폴리머(Poly(acrylic aicd-co-maleic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.

  5. 제1항에 있어서,
    습식 공정은
    분산용액을 습식 종이 성형장치를 통하여 탈수, 초지 및 건조시킴으로써 탄소섬유 웹을 제조하는 단계;
    탄소섬유 웹에 열경화성 수지를 함침시킨 후 열 및 압력을 가하여 경화시키는 단계; 및
    상기 열경화성 수지를 탄화시키는 단계; 를 포함하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는
    상기 탄소섬유 웹에 110 내지 240℃의 온도에서 1 내지 10분동안 수행되는 것을 특징으로 하는 가스확산층용 탄소종이의 제조방법
  7. 제5항에 있어서,
    상기 경화 단계 중 압력을 가하는 단계는
    상기 탄소섬유 웹에 2 내지 8kgf/cm2의 압력하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 탄화단계는
    600 내지 1200℃ 의 온도에서 8 내지 24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는
    페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    탄소섬유 웹을 제조단계는
    분산용액에 분산 용매를 첨가하여, 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 상기 섬유가 상기 분산용액 내의 함량이 0.05 내지 0.15중량% 가 되도록 희석하는 단계; 및
    상기 희석된 분산용액 전체용량에 대하여 상기 분산제를 0.1 내지 0.5중량% 추가로 투입하는 단계;를 포함하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법.

  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지 가스확산층용 탄소종이는
    150 내지 400㎛ 의 두께, 60 내지 80% 의 기공율, 0.5 내지 1.5cm3/(cm2·s)의 가스 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 전기 저항은 10 내지 18 mΩ·cm2인 것을 특징으로 하는 연료전지 가스확산층용 탄소종이.
KR1020170105866A 2016-08-25 2017-08-22 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이 KR20180023830A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160108166 2016-08-25
KR20160108166 2016-08-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180023830A true KR20180023830A (ko) 2018-03-07

Family

ID=61688697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170105866A KR20180023830A (ko) 2016-08-25 2017-08-22 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20180023830A (ko)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110512459A (zh) * 2019-08-16 2019-11-29 华南理工大学 一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用
KR102111962B1 (ko) * 2018-12-05 2020-05-18 재단법인 한국탄소융합기술원 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체
KR20200081675A (ko) * 2018-12-28 2020-07-08 인하대학교 산학협력단 산 처리된 탄소나노튜브/피치 카본페이퍼를 이용한 전자파 차폐재 제조방법
KR20210062811A (ko) * 2019-11-22 2021-06-01 재단법인 한국탄소산업진흥원 고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체
KR20210147223A (ko) * 2020-05-28 2021-12-07 재단법인 한국탄소산업진흥원 탄소섬유종이 물성조절방법 및 물성이 조절된 탄소섬유종이를 포함하는 면상발열체
KR20220055337A (ko) * 2020-10-26 2022-05-03 지리산한지(유) 탄소섬유 분산 기술을 활용한 면상발열용 페이퍼 및 이의 제조방법
KR20220098513A (ko) * 2021-01-04 2022-07-12 재단법인 한국탄소산업진흥원 고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체
CN115852733A (zh) * 2022-03-24 2023-03-28 杭州幄肯新材料科技有限公司 一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102111962B1 (ko) * 2018-12-05 2020-05-18 재단법인 한국탄소융합기술원 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체
KR20200081675A (ko) * 2018-12-28 2020-07-08 인하대학교 산학협력단 산 처리된 탄소나노튜브/피치 카본페이퍼를 이용한 전자파 차폐재 제조방법
CN110512459A (zh) * 2019-08-16 2019-11-29 华南理工大学 一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用
KR20210062811A (ko) * 2019-11-22 2021-06-01 재단법인 한국탄소산업진흥원 고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체
KR20210147223A (ko) * 2020-05-28 2021-12-07 재단법인 한국탄소산업진흥원 탄소섬유종이 물성조절방법 및 물성이 조절된 탄소섬유종이를 포함하는 면상발열체
KR20220055337A (ko) * 2020-10-26 2022-05-03 지리산한지(유) 탄소섬유 분산 기술을 활용한 면상발열용 페이퍼 및 이의 제조방법
KR20220098513A (ko) * 2021-01-04 2022-07-12 재단법인 한국탄소산업진흥원 고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체
CN115852733A (zh) * 2022-03-24 2023-03-28 杭州幄肯新材料科技有限公司 一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法
CN115852733B (zh) * 2022-03-24 2024-03-29 杭州幄肯新材料科技有限公司 一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20180023830A (ko) 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이
CN103556543B (zh) 一种燃料电池气体扩散层专用高性能碳纸及其制备方法
JP3612518B2 (ja) 多孔質炭素電極基材およびその製造方法並びに炭素繊維紙
JP4471175B2 (ja) 多孔質カーボン電極基材およびその作成方法
US6511768B1 (en) Electrode substrate for electrochemical cells based on low-cost manufacturing processes
KR101304489B1 (ko) 분산용액의 전하밀도와 점도 조절을 통한 탄소종이 제조방법, 그에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지
Schweiss et al. SIGRACET gas diffusion layers for PEM fuel cells, electrolyzers and batteries
JP5753469B2 (ja) 導電シート及びその製造方法
CA2962722C (en) Carbon sheet, gas diffusion electrode substrate and fuel cell
EP3902039A1 (en) Graphitized carbon substrate and gas diffusion layer employing same
Hung et al. Effect of conductive carbon material content and structure in carbon fiber paper made from carbon felt on the performance of a proton exchange membrane fuel cell
US9397350B2 (en) Carbon fiber web including polymer nanofibers
CA2962740C (en) Carbon sheet, gas diffusion electrode substrate and fuel cell
JP6743805B2 (ja) 炭素シート、ガス拡散電極基材、および燃料電池
JP2009129634A (ja) 多孔質電極基材、その製造方法、膜−電極接合体、および固体高分子型燃料電池
JPWO2019049934A1 (ja) 燃料電池用ガス拡散層基材、燃料電池用ガス拡散層、燃料電池
JP2021141072A (ja) 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層およびガス拡散電極とその製造方法
JP2004259711A (ja) 炭素繊維紙および燃料電池用多孔質炭素電極基材
KR101468866B1 (ko) 연료전지용 탄소종이 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소종이 및 이를 포함하는 연료전지
CN113882186A (zh) 碳纤维纸及其制备方法和应用
JP5484777B2 (ja) 多孔質電極基材およびその製造方法
KR100963274B1 (ko) 미세다공층을 포함하는 가스확산층과 그 제조방법
KR100997418B1 (ko) 탄소나노튜브와 탄소의 복합체를 갖는 연료전지용 기체확산층의 제조 방법
KR102591887B1 (ko) 탄소 시트, 가스 확산 전극 기재, 권회체 및 연료 전지
TWI819357B (zh) 具有改善的彎曲特性的用於燃料電池的氣體擴散層

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application