KR20220053277A - A carbon paper used in gas diffusion layer of fuel cell and a method of manufacturing thereof - Google Patents

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KR20220053277A
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Abstract

The present invention provides a method for producing carbon paper applied to a fuel cell gas diffusion layer capable of improving gas permeability. The method includes the steps of: preparing a polyvinyl alcohol impregnation solution by dissolving a polyvinyl alcohol resin in water; impregnating the carbon bale in the polyvinyl alcohol impregnation solution and drying it to bind the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil to suppress protrusion from the surface; impregnating the dried carbon veil with a phenol impregnating solution in which a phenol resin is dissolved; drying and curing the impregnated carbon veil; and carbonizing and graphitizing the cured carbon veil to burn the polyvinyl alcohol resin contained in the impregnated film of the carbon veil to form pores.

Description

연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법{A CARBON PAPER USED IN GAS DIFFUSION LAYER OF FUEL CELL AND A METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}Carbon paper applied to gas diffusion layer of fuel cell and manufacturing method thereof

본 발명은 탄소종이 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연료전지의 기체확산층에 적용되고, 표면으로부터 탄소섬유의 돌출을 억제하여 연료전지의 내구성과 성능을 개선할 수 있고, 기체 투과도가 향상된 탄소종이 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to carbon paper and a method for manufacturing the same, which is applied to a gas diffusion layer of a fuel cell, can improve durability and performance of a fuel cell by suppressing the protrusion of carbon fibers from the surface, and has improved gas permeability; It relates to a manufacturing method thereof.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로, 연료를 태우지 않고 전기를 바로 생산하기 때문에 환경 친화적이며 발전 효율이 매우 높은 장점이 있다. In general, a fuel cell is a device that generates electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and since it directly produces electricity without burning fuel, it is environmentally friendly and has very high power generation efficiency.

여기서, 연료전지의 단위 셀은 통상 극판(애노드), 기체확산층, 촉매층, 전해질층, 촉매층, 기체확산층 및 극판(캐소드) 순으로 적층되어 구성되며, 연료로 사용되는 수소는 애노드(Anode)에 공급되고, 산소는 캐소드(Cathode)에 공급된다. Here, the unit cell of the fuel cell is usually stacked in the order of an electrode plate (anode), a gas diffusion layer, a catalyst layer, an electrolyte layer, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and an electrode plate (cathode), and hydrogen used as fuel is supplied to the anode. and oxygen is supplied to the cathode.

이와 같은 연료전지의 발전원리는, 애노드에 공급된 수소가 기체확산층을 통과하여 촉매층에서 촉매작용에 의해 수소이온(양이온)과 전자로 분리되고, 수소이온(양이온)은 전해질층을 통과하여 캐소드로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해서 캐소드로 이동하면서 전류가 발생된다. The principle of power generation of such a fuel cell is that hydrogen supplied to the anode passes through the gas diffusion layer and is separated into hydrogen ions (cations) and electrons by catalysis in the catalyst layer, and hydrogen ions (cations) pass through the electrolyte layer and enter the cathode. As the electrons move to the cathode through an external circuit, a current is generated.

또한, 캐소드측에서는 전해질층을 통과하여 이동해온 수소이온(양이온), 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 공급된 산소가 만나서 물이 생성되는 원리로 연료전지가 작동된다.In addition, on the cathode side, the fuel cell operates on the principle that hydrogen ions (cations) that have moved through the electrolyte layer, electrons that have moved through an external circuit, and supplied oxygen meet to generate water.

이러한 연료전지의 구성 중 기체확산층은 산소나 수소를 촉매층으로 균일하게 확산시켜 공급하고, 생성되는 전자를 빠르게 이동시키며, 외부 충격으로부터 견딜 수 있는 강도 등의 특성을 필요로 하기 때문에 우수한 강도와 전기 전도도를 가지는 탄소섬유 기반의 탄소종이로 제조된다.Among the components of such a fuel cell, the gas diffusion layer uniformly diffuses and supplies oxygen or hydrogen to the catalyst layer, moves generated electrons quickly, and requires characteristics such as strength to withstand external shocks, so it has excellent strength and electrical conductivity. It is made of carbon fiber-based carbon paper with

통상 탄소종이는 카본베일에 페놀 함침액을 함침시킨 후 탄화 및 흑연화를 수행하여 제조될 수 있으며, 탄소종이 제조에 사용되는 카본베일 경우 전기적 특성을 향상시키기 위해 탄소섬유를 수분산하여 배양시키는 습식(Wet-laid) 제조공정을 통해 제조될 수 있다.In general, carbon paper can be produced by impregnating a carbon veil with a phenol-impregnated solution and then carbonizing and graphitizing it. It can be manufactured through a (wet-laid) manufacturing process.

이때, 습식 공정으로 제조된 카본베일의 표면에는 일부의 탄소섬유가 수직방향으로 돌출된 채로 존재하게 되며, 이와 같이 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하지 않은 채로 카본베일을 통해 제조된 탄소종이의 경우, 연료전지에 적용될 시 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)에 영향을 주어 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 원인으로 작용될 수 있어, 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하는 것이 중요하다.At this time, some carbon fibers are present on the surface of the carbon veil produced by the wet process while protruding in the vertical direction. , when applied to a fuel cell, it can affect the membrane electrode assembly (at least one of a catalyst layer, an electrolyte layer, and a gas diffusion layer) and act as a cause of lowering the durability and performance of the fuel cell. it is important

또한, 연료전지의 효율을 높이기 위해서는, 기체확산층에 공급되는 기체를 빠르고 균일하게 촉매층으로 확산시킬 필요성이 있으며, 이 때문에 기체확산층의 탄소종이에 높은 기체 투과도가 요구되고 있는데, 종래 탄소종이의 경우 페놀 함침액에 함침을 통해 형성된 탄소 구조체에 기공 형성이 쉽지 않아, 기체 투과도를 증대시키는데 한계가 있었다.In addition, in order to increase the efficiency of the fuel cell, it is necessary to quickly and uniformly diffuse the gas supplied to the gas diffusion layer into the catalyst layer. For this reason, high gas permeability is required for the carbon paper of the gas diffusion layer. It is not easy to form pores in the carbon structure formed through the impregnation with the impregnation solution, so there is a limit to increase the gas permeability.

공개특허 제2020-0076395호(공개일: 2020.6.29) "흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층"Patent Publication No. 2020-0076395 (published date: June 29, 2020) "Graphitized carbon substrate and gas diffusion layer employing the same"

본 발명에서는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 및 이의 제조방법, 구체적으로는 카본베일의 표면으로부터 탄소섬유의 돌출을 억제하고, 카본베일의 함침막(탄소 구조체)에 기공을 형성하여 기공률을 증대시키며, 이에 따른 기체 투과도를 향상시킬 수 있는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공하고자 한다.In the present invention, carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell and a method for manufacturing the same, specifically, suppressing the protrusion of carbon fibers from the surface of the carbon veil, and increasing the porosity by forming pores in the impregnated film (carbon structure) of the carbon veil An object of the present invention is to provide a carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell capable of improving gas permeability.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 물에 폴리비닐알코올 수지를 용해시켜 폴리비닐알코올 함침액을 제조하는 단계, 폴리비닐알코올 함침액에 카본베일을 함침시키고 건조하여, 카본베일의 표면에서 돌출된 탄소섬유를 결착시킴으로써 표면으로부터의 돌출을 억제시키는 단계, 건조된 카본베일을 페놀수지가 용해된 페놀 함침액에 함침시키는 단계, 함침된 카본베일을 건조하고 경화시키는 단계 및 경화된 카본베일을 탄화 및 흑연화시켜, 카본베일의 함침막에 포함된 폴리비닐알코올 수지를 연소시켜 기공을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a step of dissolving a polyvinyl alcohol resin in water to prepare a polyvinyl alcohol impregnating solution, impregnating the carbon veil in the polyvinyl alcohol impregnating solution and drying the surface of the carbon veil Suppressing protrusion from the surface by binding the carbon fibers protruding from the Carbonization and graphitization to provide a carbon paper manufacturing method applied to a fuel cell gas diffusion layer comprising the step of burning the polyvinyl alcohol resin contained in the impregnated film of the carbon veil to form pores.

또한, 폴리비닐알코올 함침액은, 폴리비닐알코올 함침액 100 중량부를 기준으로 폴리비닐알코올 수지 5 내지 10 중량부가 용해되는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In addition, the polyvinyl alcohol impregnating solution provides a method for producing carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer in which 5 to 10 parts by weight of the polyvinyl alcohol resin is dissolved based on 100 parts by weight of the polyvinyl alcohol impregnating solution.

또한, 폴리비닐알코올 수지는, 분자량이 50,000 내지 150,000인 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In addition, the polyvinyl alcohol resin provides a method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell having a molecular weight of 50,000 to 150,000.

또한, 폴리비닐알코올 수지는, 검화도가 85 내지 90mol%인 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법을 제공한다.In addition, the polyvinyl alcohol resin provides a method for producing carbon paper applied to a fuel cell gas diffusion layer having a saponification degree of 85 to 90 mol%.

한편, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는, 상술한 제조방법을 이용하여 제조된 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공한다.Meanwhile, in another aspect of the present invention for solving the above-described problems, there is provided a carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell manufactured using the above-described manufacturing method.

또한, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에서는, 카본베일 및 카본베일 상에 결착된 탄소 구조체를 포함하고, 카본베일은 폴리비닐알코올 함침액을 이용하여, 표면으로부터 탄소 섬유의 돌출이 억제되고, 탄소 구조체는 폴리비닐알코올 수지의 연소에 의해 형성되는 기공을 포함하는 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이를 제공한다.In addition, in another aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, it includes a carbon veil and a carbon structure bound on the carbon veil, and the carbon veil uses a polyvinyl alcohol impregnating solution, and carbon from the surface The protrusion of fibers is suppressed, and the carbon structure provides carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer including pores formed by combustion of polyvinyl alcohol resin.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, PVA 수지가 용해된 PVA 함침액에 카본베일을 함침시켜 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 결착시킴으로써, 표면으로부터 탄소섬유의 돌출이 억제된 탄소종이를 제조할 수 있고, 이로 인하여 연료전지에 적용 시, 표면에서 돌출된 탄소섬유가 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)에 간섭되는 현상을 미연에 방지하여 연료전지의 내구성 및 성능을 용이하게 확보할 수 있다.Carbon paper according to an embodiment of the present invention is carbon paper in which the protrusion of carbon fibers from the surface is suppressed by impregnating the carbon veil in the PVA impregnation solution in which the PVA resin is dissolved and binding the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil. can be manufactured, and for this reason, when applied to a fuel cell, it prevents the carbon fiber protruding from the surface from interfering with the membrane electrode assembly (at least one of a catalyst layer, an electrolyte layer, and a gas diffusion layer) in advance, thereby improving the durability of the fuel cell and performance can be easily obtained.

또한, 카본베일에 함침되는 PVA 수지의 농도와 분자량을 조절하여, 탄화 및 흑연화 과정을 통해 제조되는 탄소종이에 기공 형성하고, 기공률을 증대시켜, 기체 투과도를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 연료전지용 기체확산층의 성능을 증대시킬 수 있다.In addition, by controlling the concentration and molecular weight of the PVA resin impregnated in the carbon veil, pores are formed in the carbon paper produced through the carbonization and graphitization process, and the porosity can be increased to improve gas permeability, and through this, for fuel cells It is possible to increase the performance of the gas diffusion layer.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 6에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 7에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 적용된 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 9는 본 발명의 비교예 1에 따른 PVA 함침액에 함침하는 과정이 배제된 탄소종이를 SEM으로 촬영한 것이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing carbon paper according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 1 of the present invention is applied, taken with a scanning electron microscope (SEM).
3 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 2 of the present invention is applied, taken by SEM.
4 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 3 of the present invention is applied, taken by SEM.
5 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 4 of the present invention is applied, taken by SEM.
6 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 5 of the present invention is applied, taken by SEM.
7 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 6 of the present invention is applied, taken by SEM.
8 is a cross-section of the carbon paper to which the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Example 7 of the present invention is applied, taken by SEM.
9 is an SEM photograph of carbon paper excluding the process of impregnating the PVA impregnation solution according to Comparative Example 1 of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.DETAILED DESCRIPTION The detailed description set forth below in conjunction with the appended drawings is intended to describe exemplary embodiments of the present invention and is not intended to represent the only embodiments in which the present invention may be practiced.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description may be omitted, and the same reference numerals may be used for the same or similar components throughout the specification.

본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다.In an embodiment of the present invention, expressions such as “or” and “at least one” may indicate one of the words listed together, or a combination of two or more.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이의 제조방법을 순서도로 도시한 것이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing carbon paper according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, PVA 함침액을 제조하는 단계(S110), PVA 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계(S120), 함침된 카본베일을 건조하여 PVA 수지가 결합된 카본베일을 제조하는 단계(S130), PVA 수지가 결합된 카본베일을 페놀 함침액에 함침시키는 단계(S140), 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계(S150), 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계(S160) 및 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계(S170)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the carbon paper according to an embodiment of the present invention, the step of preparing a PVA impregnation solution (S110), the step of impregnating the carbon veil in the PVA impregnation solution (S120), drying the impregnated carbon veil Manufacturing the carbon veil to which the PVA resin is bonded (S130), the step of impregnating the carbon veil to which the PVA resin is bonded in the phenol impregnation solution (S140), the step of drying and curing the impregnated carbon veil (S150), the cured It may include carbonizing the carbon veil (S160) and graphitizing the carbonized carbon veil (S170).

여기서, 카본베일은 탄소섬유를 수분산하여 습식(Wet-laid) 제조공정을 통해 제조될 수 있으며, 탄소섬유가 이차원적으로 잘 배양되어야 전기적 특성이 향상될 수 있다.Here, the carbon veil can be manufactured through a wet-laid manufacturing process by dispersing carbon fibers in water, and the electrical properties can be improved only when the carbon fibers are well cultured in two dimensions.

습식 공정으로 제조된 카본베일의 표면에는 일부의 탄소섬유가 수직방향으로 돌출되어 있는데, 표면에서 돌출된 탄소섬유를 제거하지 않은 채로 미세 다공성층을 코팅한 후 기체확산층을 제조하고, 이를 연료전지에 적용하는 경우, 돌출된 탄소섬유에 의하여 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)가 관통되는 등의 물리적 손상을 발생시켜 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 원인으로 작용될 수 있다.Some carbon fibers protrude in the vertical direction on the surface of the carbon veil manufactured by the wet process. After coating the microporous layer without removing the protruding carbon fibers from the surface, a gas diffusion layer is prepared, and this is applied to the fuel cell. When applied, physical damage such as penetration of the membrane electrode assembly (at least one of a catalyst layer, an electrolyte layer, and a gas diffusion layer) by the protruding carbon fiber may occur, thereby reducing the durability and performance of the fuel cell. .

본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소종이는, PVA 수지를 적용하여 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 결착시킴으로써, 표면으로부터 탄소섬유의 돌출이 억제되도록 형성하여, 표면에서 돌출된 탄소섬유가 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)에 간섭되어 발생하는 연료전지의 내구성 및 성능 저하 문제를 용이하게 해결할 수 있다. Carbon paper produced according to an embodiment of the present invention is formed so that the protrusion of the carbon fiber from the surface is suppressed by applying PVA resin to bind the carbon fiber protruding from the surface of the carbon veil, so that the carbon fiber protruding from the surface is It is possible to easily solve problems of deterioration in durability and performance of the fuel cell caused by interference with the membrane electrode assembly (at least one of a catalyst layer, an electrolyte layer, and a gas diffusion layer).

더불어, PVA 수지의 농도와 분자량을 조절하여 탄소종이의 기공률을 증대시킬 수 있고, 이에 따른 기체 투과도를 높게 형성하여, 연료전지용 기체확산층의 성능을 증대시키는데 용이하게 적용될 수 있다.In addition, it is possible to increase the porosity of the carbon paper by controlling the concentration and molecular weight of the PVA resin, and thereby form a high gas permeability, which can be easily applied to increase the performance of the gas diffusion layer for fuel cells.

구체적으로, PVA 함침액을 제조하는 단계(S110)에서는, 증류수에 PVA 수지를 투입하고 교반하여 PVA 함침액을 제조할 수 있다.Specifically, in the step of preparing the PVA impregnation solution (S110), the PVA resin may be added to distilled water and stirred to prepare a PVA impregnation solution.

이때, 본 실시예에서는 1,000 내지 1,000,000의 분자량을 가지는 PVA 수지를 적용하는 것이 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 결착하고 탄소섬유의 돌출을 억제할 수 있으며, 바람직하게는 50,000 내지 150,000의 분자량을 가지는 PVA 수지를 적용함으로써, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유의 결착 및 개선과 더불어 기공 형성에 따른 기체 투과도의 증가를 야기할 수 있다.At this time, in this embodiment, applying the PVA resin having a molecular weight of 1,000 to 1,000,000 can bind the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil and suppress the protrusion of the carbon fibers, and preferably have a molecular weight of 50,000 to 150,000. By applying the PVA resin to the eggplant, it can cause an increase in gas permeability according to the formation of pores along with binding and improvement of carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil.

또한, PVA 수지는 검화도가 높을 경우 수소 결합이 강하여 융점이 높고 물에 용해되기 어렵기 때문에, 바람직하게는 85 내지 90mol%의 검화도를 가지는 PVA 수지를 적용하는 것이 용해도가 우수하고 PVA 함침액 제조에도 유리할 수 있다.In addition, since the PVA resin has a high melting point and is difficult to dissolve in water due to strong hydrogen bonding when the degree of saponification is high, it is preferable to apply a PVA resin having a degree of saponification of 85 to 90 mol% because of excellent solubility and PVA impregnation solution It can also be advantageous for manufacturing.

PVA 함침액을 제조하는 과정에서, 파우더 형태의 PVA 수지를 증류수에 용해시킬 수 있는데, 바람직하게는 PVA 함침액 100 중량부 대비 PVA 수지를 1 내지 30 중량부로 용해시키는 것이 점도 조절에 용이하며, 더욱 바람직하게는 PVA 함침액 100 중량부 대비 PVA 수지를 5 내지 10 중량부로 용해시키는 것이 PVA 함침액의 제조 작업성, 기공 형성에 따른 기체 투과도 및 관통 저항 측면에서 유리할 수 있다.In the process of preparing the PVA impregnation solution, the PVA resin in powder form can be dissolved in distilled water. Preferably, it is easy to adjust the viscosity by dissolving the PVA resin in an amount of 1 to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of the PVA impregnation solution. Preferably, dissolving 5 to 10 parts by weight of the PVA resin relative to 100 parts by weight of the PVA impregnating solution may be advantageous in terms of manufacturing workability of the PVA impregnating solution, gas permeability due to pore formation, and penetration resistance.

다음, PVA 함침액에 카본베일을 함침시키는 단계(S120)에서는, 제조된 PVA 함침액에 탄소섬유로 이루어진 카본베일을 함침시켜 PVA 함침액에 용해된 PVA 수지를 통해 카본베일의 탄소섬유들을 결착시킬 수 있다.Next, in the step of impregnating the carbon veil in the PVA impregnation solution (S120), the carbon veil made of carbon fibers is impregnated in the prepared PVA impregnation solution to bind the carbon fibers of the carbon veil through the PVA resin dissolved in the PVA impregnation solution. can

또한, 함침된 카본베일을 건조하는 단계(S130)에서는, PVA 함침액이 함침된 카본베일을 수 분간 건조하여 PVA 수지가 결합된 카본베일을 제조할 수 있다In addition, in the step of drying the impregnated carbon veil (S130), the carbon veil impregnated with the PVA impregnating liquid is dried for a few minutes to prepare the carbon veil to which the PVA resin is bonded.

이때에는, 일 예로써 PVA 함침액이 함침된 카본베일을 100℃ 내지 200℃에서 수 분간 건조하여 PVA 수지로 바인딩된 카본베일을 얻을 수 있다.At this time, as an example, the carbon veil impregnated with the PVA impregnating solution may be dried at 100° C. to 200° C. for several minutes to obtain a carbon veil bound to the PVA resin.

본 실시예에서는 카본베일에 PVA 함침액을 함침시키고 건조하여 바인더 역할을 하는 PVA 수지를 통해 카본베일의 탄소섬유 간을 결착시킴으로써, 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 억제하여 표면의 평탄도를 증대시킬 수 있고, 이를 통해 표면에서 돌출된 탄소섬유로 인해 발생하는 문제를 해결하여 연료전지의 내구성과 성능을 개선할 수 있다.In this embodiment, the carbon veil is impregnated with PVA impregnating liquid and dried to bind the carbon fibers of the carbon veil through the PVA resin serving as a binder, thereby suppressing the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil to improve the flatness of the surface. This can increase the durability and performance of the fuel cell by solving the problem caused by the carbon fiber protruding from the surface.

또한, PVA 함침액을 통해 카본베일에 함침되는 PVA 수지는, 후술되는 카본베일의 탄화 및 흑연화 과정에서 연소되어 카본베일의 함침막(탄소 구조체)에 다수의 기공들을 형성함으로써, 제조되는 탄소종이의 기공률을 높이는데 기여할 수 있다.In addition, the PVA resin impregnated into the carbon veil through the PVA impregnating liquid is burned in the carbonization and graphitization process of the carbon veil to be described later to form a number of pores in the impregnated film (carbon structure) of the carbon veil. may contribute to increasing the porosity of

이때, 카본베일에 함침되는 PVA 수지의 농도와 분자량을 조절하여, 함침막(탄소 구조체)에 형성되는 기공률를 증대시킬 수 있고, 이에 따른 기체 투과도를 향상시킬 수 있다.At this time, by adjusting the concentration and molecular weight of the PVA resin impregnated in the carbon veil, the porosity formed in the impregnated film (carbon structure) can be increased, and thus the gas permeability can be improved.

일 예로써, 상술한 바와 같이, 50,000 내지 150,000의 분자량을 가지는 PVA 수지를 PVA 함침액 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부로 용해시켜 사용하는 경우, 탄소종이의 전기 저항(관통 저항)의 증가를 억제하면서 기체 투과도를 증가시킬 수 있다.As an example, as described above, when a PVA resin having a molecular weight of 50,000 to 150,000 is dissolved in an amount of 5 to 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of the PVA impregnating solution, the increase in electrical resistance (penetration resistance) of carbon paper is suppressed. while increasing the gas permeability.

다음으로, 카본베일을 페놀 함침액에 함침시키는 단계(S140)에서는, PVA 수지로 바인딩된 카본베일을 페놀수지가 용해된 페놀 함침액에 함침시킬 수 있다.Next, in the step of impregnating the carbon veil in the phenol impregnation solution (S140), the carbon veil bound to the PVA resin may be impregnated in the phenol impregnation solution in which the phenol resin is dissolved.

여기서, 페놀 함침액은 알코올계 용매인 에탄올에, 페놀수지, 흑연분말 및 수성폴리우레탄을 혼합하여 제조할 수 있다.Here, the phenol-impregnated liquid can be prepared by mixing ethanol, which is an alcohol-based solvent, a phenol resin, graphite powder, and aqueous polyurethane.

일 예로써, 페놀 함침액은, 에탄올 65 내지 90 wt%, 페놀수지 2 내지 10 wt%, 수성폴리우레탄 5 내지 10 wt% 및 흑연분말 3 내지 15 wt%로 구성될 수 있다.As an example, the phenol impregnating solution may be composed of 65 to 90 wt% of ethanol, 2 to 10 wt% of phenolic resin, 5 to 10 wt% of aqueous polyurethane, and 3 to 15 wt% of graphite powder.

여기서, 페놀수지는 탄소종이를 제조하는데 사용되는 열경화성 수지로서, 탄화공정 후 탄소 수율이 높은 장점이 있다.Here, the phenol resin is a thermosetting resin used for manufacturing carbon paper, and has an advantage of high carbon yield after carbonization process.

이러한 페놀수지는 알코올에 용해 가능한 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 예로써 노볼락계 또는 레졸계 중 적어도 하나 이상을 선택적으로 사용할 수 있다.These phenolic resins can be used by mixing one or more types that are soluble in alcohol, for example, at least one of a novolak-based or a resol-based resin can be selectively used.

더불어, 수성폴리우레탄은 증점제로 사용될 수 있고, 흑연분말은 전기 전도도를 향상시키기 위한 탄화물로 이용될 수 있다.In addition, aqueous polyurethane may be used as a thickener, and graphite powder may be used as a carbide to improve electrical conductivity.

이어서, 함침된 카본베일을 건조 및 경화시키는 단계(S150)에서는, 먼저 함침된 카본베일에서 잔여 용매를 건조시킬 수 있고, 건조된 카본베일을 경화시킬 수 있다.Subsequently, in the step of drying and curing the impregnated carbon veil (S150), the remaining solvent may be dried in the first impregnated carbon veil, and the dried carbon veil may be cured.

이때, 바람직하게는 함침된 카본베일을 70 내지 100℃에서 수 분간 건조시키고, 이후 150 내지 200℃에서 수 분간 경화시킬 수 있다.In this case, preferably, the impregnated carbon bale may be dried at 70 to 100° C. for several minutes, and then cured at 150 to 200° C. for several minutes.

다음으로, 경화된 카본베일을 탄화시키는 단계(S160)에서는, 경화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 탄화시킬 수 있다.Next, in the step of carbonizing the cured carbon veil (S160), the cured carbon veil may be carbonized in an inert gas atmosphere.

구체적으로, 페놀수지의 연소를 차단하기 위해 불활성 가스인 질소 또는 아르곤 가스를 이용한 탄화를 수행할 수 있으며, 바람직하게는 700 내지 900℃에서 수십 분간 탄화를 수행할 수 있다. Specifically, in order to block the combustion of the phenol resin, carbonization may be performed using nitrogen or argon gas, which is an inert gas, and preferably, carbonization may be performed at 700 to 900° C. for several tens of minutes.

이어서, 탄화된 카본베일을 흑연화시키는 단계(S170)에서는, 탄화된 카본베일을 불활성 가스 분위기에서 흑연화시킬 수 있다.Subsequently, in the step of graphitizing the carbonized carbon veil (S170), the carbonized carbon veil may be graphitized in an inert gas atmosphere.

이때, 질소 가스 또는 아르곤 가스를 이용하여 흑연화 공정을 수행할 수 있고, 흑연화 공정의 온도는 2000℃ 이상으로 형성될 수 있다.In this case, the graphitization process may be performed using nitrogen gas or argon gas, and the temperature of the graphitization process may be formed at 2000° C. or higher.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄소종이는, 카본베일을 PVA 함침액에 함침시켜 바인더 역할을 하는 PVA 수지를 통해 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 결착시킴으로써, 카본베일의 표면으로부터 탄소섬유의 돌출이 억제되도록 형성할 수 있고, 이렇게 PVA 수지로 바인딩된 카본베일을 페놀 함침액에 함침시켜 표면에 균일한 함침막을 형성할 수 있다.As described above, the carbon paper according to this embodiment is made by impregnating the carbon veil in the PVA impregnating solution and binding the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil through the PVA resin serving as a binder, thereby providing carbon from the surface of the carbon veil. It can be formed to suppress the protrusion of fibers, and by impregnating the carbon veil bound with the PVA resin in the phenol impregnation solution, a uniform impregnation film can be formed on the surface.

또한, 카본베일의 탄화 및 흑연화 과정에서 카본베일에 포함된 탄소섬유 외의 탄화물(탄소 구조체)에 기공이 형성될 수 있는데, 특히 카본베일의 함침막에 포함된 PVA 수지가 연소되어 해당 연소된 영역에 공극이 형성됨으로써 탄화물(탄소 구조체) 내 기공 형성에 기여할 수 있다.In addition, in the process of carbonization and graphitization of the carbon veil, pores may be formed in the carbide (carbon structure) other than the carbon fibers included in the carbon veil. By forming pores in the carbide (carbon structure), it can contribute to the formation of pores.

또한, 카본베일에 함침되는 PVA 수지의 농도 또는 분자량에 따라, 제조되는 탄소종이의 기공률을 증대시킬 수 있고, 이에 따른 기체 투과도를 향상시킬 수 있다.In addition, depending on the concentration or molecular weight of the PVA resin impregnated in the carbon veil, the porosity of the produced carbon paper may be increased, and thus the gas permeability may be improved.

특히, 본 실시예에 따른 탄소종이는 표면으로부터 탄소섬유의 돌출이 억제되도록 형성됨으로써, 표면에서 돌출된 탄소섬유로 인해 발생하는 연료전지의 내구성 및 성능 저하 등의 문제를 해결할 수 있다.In particular, since the carbon paper according to the present embodiment is formed to suppress the protrusion of the carbon fiber from the surface, it is possible to solve problems such as deterioration in durability and performance of the fuel cell caused by the carbon fiber protruding from the surface.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예에 따라 제조된 탄소종이에 대해 설명한다. Hereinafter, carbon paper prepared according to a preferred embodiment and a comparative example of the present invention will be described.

다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.

[실시예 1][Example 1]

1. PVA 함침액 제조 및 카본베일 함침1. PVA impregnation solution and carbon veil impregnation

32,000 내지 47,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 5g을 증류수 95g에 분할 투입하면서 교반하여 PVA 함침액을 제조하였다.5 g of PVA resin having a molecular weight of 32,000 to 47,000 was divided and added to 95 g of distilled water while stirring to prepare a PVA impregnating solution.

다음, 평균길이가 9㎜의 탄소섬유가 포함된 카본베일을 PVA 함침액에 함침시킨 다음, 150℃에서 5분간 건조하여 PVA 수지로 바인딩된 카본베일을 제조하였다.Next, the carbon veil containing carbon fibers having an average length of 9 mm was impregnated with the PVA impregnation solution, and then dried at 150° C. for 5 minutes to prepare a carbon bale bound to the PVA resin.

2. 페놀 함침액 함침2. Impregnation with phenol impregnating solution

페놀수지 5g, 흑연분말 8g, 수성폴리우레탄 10g 및 에탄올 77g을 페이스트 믹서 용기에 계량하여 공전 1000RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반하여 페놀 함침액을 제조하였다.5 g of phenol resin, 8 g of graphite powder, 10 g of aqueous polyurethane, and 77 g of ethanol were weighed in a paste mixer container and stirred for 10 minutes under conditions of revolution of 1000 RPM and rotation of 1000 RPM to prepare a phenol impregnated solution.

이후, 제조된 페놀 함침액에 PVA 수지로 바인딩된 카본베일을 함침시킨 다음, 함침된 카본베일을 80℃에서 5분간 건조시키고, 180℃에서 5분간 경화시켰으며, 경화된 카본베일을 질소 분위기에서 900℃로 1시간 탄화시키고, 2000℃에서 1시간 흑연화시켜 탄소종이를 제조하였다.Thereafter, the carbon veil bound with PVA resin was impregnated in the prepared phenol impregnation solution, and then the impregnated carbon bale was dried at 80° C. for 5 minutes, and cured at 180° C. for 5 minutes, and the cured carbon bale was dried in a nitrogen atmosphere. Carbon paper was prepared by carbonization at 900° C. for 1 hour and graphitization at 2000° C. for 1 hour.

[실시예 2][Example 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 5g을 증류수 95g에 분할 투입하여 PVA 함침액을 제조하고, 이를 이용하여 탄소종이를 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, but 5 g of a PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was divided into 95 g of distilled water to prepare a PVA impregnated solution, and carbon paper was prepared using this.

[실시예 3][Example 3]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 136,000 내지 150,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 5g을 증류수 95g에 분할 투입하여 PVA 함침액을 제조하고, 이를 이용하여 탄소종이를 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that 5 g of PVA resin having a molecular weight of 136,000 to 150,000 was divided into 95 g of distilled water to prepare a PVA impregnated solution, and carbon paper was prepared using this.

[실시예 4][Example 4]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 153,000 내지 167,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 5g을 증류수 95g에 분할 투입하여 PVA 함침액을 제조하고, 이를 이용하여 탄소종이를 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that 5 g of PVA resin having a molecular weight of 153,000 to 167,000 was divided into 95 g of distilled water to prepare a PVA impregnated solution, and carbon paper was prepared using this.

[실시예 5][Example 5]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 3g을 증류수 97g에 분할 투입하여 PVA 함침액을 제조하고, 이를 이용하여 탄소종이를 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, but 3 g of a PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was divided into 97 g of distilled water to prepare a PVA impregnated solution, and carbon paper was prepared using this.

[실시예 6][Example 6]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 10g을 증류수 90g에 분할 투입하여 PVA 함침액을 제조하고, 이를 이용하여 탄소종이를 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, but 10 g of a PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was divided into 90 g of distilled water to prepare a PVA impregnated solution, and carbon paper was prepared using this.

[실시예 7][Example 7]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지 12g을 증류수 88g에 분할 투입하여 PVA 함침액을 제조하고, 이를 이용하여 탄소종이를 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, but 12 g of a PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was divided into 88 g of distilled water to prepare a PVA impregnated solution, and carbon paper was prepared using this.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, PVA 수지를 적용하지 않고 탄소종이를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, but without applying PVA resin.

실시예 1 내지 7과, 비교예 1에 따라 제조된 탄소종이의 관통저항, 기체 투과도 및 기공률을 아래와 같은 방법으로 측정하였다.The penetration resistance, gas permeability, and porosity of the carbon paper prepared according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 were measured in the following manner.

1) 관통저항1) Penetration resistance

탄소종이의 관통저항은 CPRT-10을 이용하여, 시험기의 상판과 하판 사이에 시료를 놓고 압착시킨 후 1㎫ 압력에서 전기저항을 측정하였으며, 측정된 시료 면적을 곱하여 산출하였다.The penetration resistance of the carbon paper was calculated by placing the sample between the upper and lower plates of the tester using CPRT-10 and compressing it, then measuring the electrical resistance at a pressure of 1 MPa and multiplying the measured sample area.

2) 기체 투과도2) gas permeability

기체 투과도 측정은 CPRT-10을 이용하여, 시험기의 상판은 막혀있고 하판 중앙에 기체가 공급되는 홀이 있어, 시편의 중앙에서 측면으로 가스가 투과되는 정도를 비교하였으며, 1㎫ 압력에서 측정하였다.Gas permeability was measured using CPRT-10, and the upper plate of the tester was blocked and there was a hole through which gas was supplied in the center of the lower plate.

3) 기공률3) porosity

기공률은 수은기공률 분석기(AutoPore V)를 이용하여, 시료에 수은을 채우고 채워진 부피를 이용하여 측정하였다.Porosity was measured using a mercury porosity analyzer (AutoPore V), filled with mercury in the sample and using the filled volume.

도 2 내지 도 8은 각각 본 발명의 실시예 1 내지 7에 따른 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이고, 도 9는 본 발명의 비교예 1에 따른 탄소종이의 단면을 SEM으로 촬영한 것이다.2 to 8 are photographs taken by SEM of the cross-section of the carbon paper according to Examples 1 to 7 of the present invention, respectively, and FIG. 9 is a cross-section of the carbon paper according to Comparative Example 1 of the present invention taken by SEM.

또한, 실시예 1 내지 7과, 비교예 1에 따라 제조된 탄소종이의 관통저항, 기체 투과도 및 기공률을 측정한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.In addition, the results of measuring the penetration resistance, gas permeability, and porosity of the carbon paper prepared according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.

구분division PVA 수지 분자량PVA resin molecular weight PVA 수지 투입비율PVA resin input ratio 관통저항penetration resistance
(mΩ*㎠)(mΩ*cm2)
기체 투과도(㎡)Gas permeability (㎡) 기공률porosity
(%)(%)
실시예1Example 1 32,000~47,00032,000-47,000 5wt%5 wt% 2.512.51

Figure pat00001
Figure pat00001
6868 실시예2Example 2 51,000~65,00051,000 to 65,000 5wt%5 wt% 2.592.59
Figure pat00002
Figure pat00002
7777
실시예3Example 3 136,000~150,000136,000~150,000 5wt%5 wt% 2.602.60
Figure pat00003
Figure pat00003
8080
실시예4Example 4 153,000~167,000153,000~167,000 5wt%5 wt% 2.912.91
Figure pat00004
Figure pat00004
8585
실시예5Example 5 51,000~65,00051,000 to 65,000 3wt%3wt% 2.492.49
Figure pat00005
Figure pat00005
6969
실시예6Example 6 51,000~65,00051,000 to 65,000 10wt%10wt% 2.582.58
Figure pat00006
Figure pat00006
8080
실시예7Example 7 51,000~65,00051,000 to 65,000 12wt%12wt% 2.82.8
Figure pat00007
Figure pat00007
8383
비교예1Comparative Example 1 투입 안함not put in -- 2.482.48
Figure pat00008
Figure pat00008
6565

도 2 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소종이의 경우, 돌출된 탄소섬유가 확인되지 않으며, 탄소종이의 표면이 평탄하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.2 to 8, in the case of the carbon paper according to the embodiment of the present invention, it can be confirmed that the protruding carbon fibers are not confirmed, and the surface of the carbon paper is formed flat.

반면, 도 9를 참조하면, 본 발명의 비교예 1에 따른 탄소종이의 경우, 다수의 돌출된 탄소섬유가 확인되고 있으며, 탄소종이의 표면이 평탄하게 형성되지 않음을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 9 , in the case of the carbon paper according to Comparative Example 1 of the present invention, a number of protruding carbon fibers are confirmed, and it can be confirmed that the surface of the carbon paper is not formed flat.

또한, 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소종이의 경우, 비교예 1과 비교하여, 기공률 및 이에 따른 기체 투과도가 모두 증가된 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in Table 1, in the case of the carbon paper according to the embodiment of the present invention, compared with Comparative Example 1, it can be confirmed that both the porosity and thus the gas permeability is increased.

한편, 본 발명의 PVA 함침액은 바람직하게는 분자량 50,000 내지 150,000의 PVA 수지를 PVA 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부가 투입되어 용해된 것을 활용할 수 있다.On the other hand, the PVA impregnating solution of the present invention is preferably a PVA resin having a molecular weight of 50,000 to 150,000, based on 100 parts by weight of the PVA impregnating solution, 5 to 10 parts by weight of the dissolved PVA can be used.

PVA 함침액 내 PVA 수지의 분자량이 크거나 투입되는 PVA 수지의 양이 증가할수록, 탄소 섬유 간의 결착력이 증가하여, 탄소 섬유의 돌출을 억제할 수 있고, 열처리 과정에서 PVA 수지가 제거됨에 따라 공극이 형성됨으로써, 기공률 및 기체 투과도를 증가시킬 수 있으나, 공극이 과다하게 크거나 과다하게 형성되면 형성된 공극에 의한 전기 저항(관통 저항)이 증가할 수 있다.As the molecular weight of the PVA resin in the PVA impregnation solution increases or the amount of the PVA resin input increases, the binding force between the carbon fibers increases, thereby suppressing the protrusion of the carbon fibers, and as the PVA resin is removed during the heat treatment process, the pores By being formed, the porosity and gas permeability may be increased, but if the pores are excessively large or formed excessively, the electrical resistance (penetration resistance) due to the formed pores may increase.

이 때문에, 전기 저항(관통 저항)의 증가를 억제하면서, 기체 투과도를 극대화할 필요성이 있으며, 이는 분자량 50,000 내지 150,000의 PVA 수지를 PVA 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부가 투입되어 용해된 PVA 함침액을 활용함으로써 해결될 수 있다.For this reason, it is necessary to maximize the gas permeability while suppressing the increase in electrical resistance (penetration resistance), which is 5 to 10 parts by weight of a PVA resin having a molecular weight of 50,000 to 150,000 based on 100 parts by weight of the PVA impregnating solution. This can be solved by using a PVA impregnating solution.

표 1을 참조하면, 32,000 내지 47,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 5 중량부 투입된 실시예 1은, PVA 수지가 투입되지 않은 비교예 1과 대비하여 전기 저항(관통 저항)이 유사하게 나타나는 반면, 기공률과 기체 투과도가 증가된 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, Example 1, in which 5 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 32,000 to 47,000 was added, showed similar electrical resistance (penetration resistance) compared to Comparative Example 1 in which no PVA resin was added, while the porosity It can be seen that the gas permeability is increased.

또한, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 5 중량부 투입된 실시예 2는, 실시예 1과 대비하여 전기 저항(관통 저항)이 유사하게 나타나고 기공률과 기체 투과도가 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.In addition, in Example 2, in which 5 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was added, electrical resistance (penetration resistance) was similar to that of Example 1, and porosity and gas permeability were significantly improved.

또한, 136,000 내지 150,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 5 중량부 투입된 실시예 3은, 실시예 2와 대비하여 전기 저항(관통 저항)이 유사하게 나타나고 기공률 및 기체 투과도가 개선된 것을 확인할 수 있다.In addition, Example 3, in which 5 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 136,000 to 150,000 was added, showed similar electrical resistance (penetration resistance) as compared to Example 2, and improved porosity and gas permeability.

또한, 153,000 내지 167,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 5 중량부 투입된 실시예 4는, 실시예 3과 대비하여 기공률 및 기체 투과도가 개선된 것을 확인할 수 있으나, 전기 저항(관통 저항)이 크게 증가된 것을 확인할 수 있다.In addition, in Example 4, in which 5 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 153,000 to 167,000 was added, it can be confirmed that the porosity and gas permeability are improved compared to Example 3, but the electrical resistance (penetration resistance) is greatly increased can be checked

한편, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 3 중량부 투입된 실시예 5는, PVA 수지가 투입되지 않은 비교예 1과 대비하여 전기 저항(관통 저항)이 유사하게 나타나는 반면, 기공률과 기체 투과도가 증가된 것을 확인할 수 있다.On the other hand, Example 5, in which 3 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was added, showed similar electrical resistance (penetration resistance) compared to Comparative Example 1 in which PVA resin was not added, while porosity and gas permeability were increase can be seen.

또한, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 5 중량부 투입된 실시예 2는, 실시예 5와 대비하여 전기 저항(관통 저항)이 유사하게 나타나고 기공률과 기체 투과도가 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.In addition, in Example 2, in which 5 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was added, electrical resistance (penetration resistance) was similar to that of Example 5, and porosity and gas permeability were significantly improved.

또한, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 10 중량부 투입된 실시예 6은 실시예 2와 대비하여 전기 저항(관통 저항)이 유사하게 나타나고, 기공률과 기체 투과도가 향상된 것을 확인할 수 있다.In addition, Example 6, in which 10 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was added, showed similar electrical resistance (penetration resistance) as compared to Example 2, and improved porosity and gas permeability.

또한, 51,000 내지 65,000의 분자량을 가지는 PVA 수지가 12 중량부 투입된 실시예 7은, 실시예 6과 대비하여 기공률 및 기체 투과도가 개선된 것을 확인할 수 있으나, 전기 저항(관통 저항)이 크게 증가된 것을 확인할 수 있다.In addition, in Example 7, in which 12 parts by weight of PVA resin having a molecular weight of 51,000 to 65,000 was added, compared to Example 6, porosity and gas permeability were improved, but electrical resistance (penetration resistance) was significantly increased can be checked

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소종이는, PVA 수지가 용해된 PVA 함침액에 카본베일을 함침시켜 카본베일의 표면에서 돌출되는 탄소섬유를 결착시킴으로써, 표면으로부터 탄소섬유의 돌출이 억제되도록 형성된 탄소종이를 제조할 수 있어, 이에 따라 연료전지에 적용 시, 표면에서 돌출된 탄소섬유가 막전극접합체(촉매층, 전해질층 및 기체확산층 중 적어도 하나)에 간섭되는 현상을 미연에 방지하여 연료전지의 내구성 및 성능을 용이하게 확보할 수 있다.As described above, in the carbon paper according to an embodiment of the present invention, the carbon veil is impregnated with the PVA impregnating liquid in which the PVA resin is dissolved to bind the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil, thereby forming the carbon fibers from the surface. Carbon paper formed to suppress protrusion can be manufactured. Accordingly, when applied to a fuel cell, the phenomenon in which the carbon fiber protruding from the surface interferes with the membrane electrode assembly (at least one of a catalyst layer, an electrolyte layer, and a gas diffusion layer) is prevented in advance. By preventing this, durability and performance of the fuel cell can be easily secured.

또한, 카본베일에 함침되는 PVA 수지의 농도와 분자량을 조절하여, 탄화 및 흑연화 과정을 통해 제조되는 탄소종이에 기공 형성 및 기공률을 증대시킬 수 있어 기체 투과도를 향상시킬 수 있고, 바람직하게는 분자량 50,000 내지 150,000의 PVA 수지를 PVA 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부가 투입된 PVA 함침액을 활용함으로써, 전기 저항(관통 저항)의 증가를 억제하면서도 기체 투과도를 극대화할 수 있으며, 이를 통해 연료전지용 기체확산층의 성능을 증대시킬 수 있다.In addition, by controlling the concentration and molecular weight of the PVA resin impregnated in the carbon veil, pore formation and porosity can be increased in carbon paper produced through carbonization and graphitization processes, thereby improving gas permeability, preferably molecular weight By using a PVA impregnating liquid in which 5 to 10 parts by weight is added based on 100 parts by weight of 100 parts by weight of PVA impregnation solution of 50,000 to 150,000 PVA resin, it is possible to maximize gas permeability while suppressing an increase in electrical resistance (penetration resistance), and through this, fuel It is possible to increase the performance of the gas diffusion layer for a battery.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely provided for specific examples in order to easily explain the technical contents of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.

따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the scope of the present invention should be construed as including all changes or modifications derived based on the technical spirit of the present invention in addition to the embodiments disclosed herein are included in the scope of the present invention.

Claims (9)

물에 폴리비닐알코올 수지를 용해시켜 폴리비닐알코올 함침액을 제조하는 단계;
상기 폴리비닐알코올 함침액에 카본베일을 함침시키고 건조하여, 상기 카본베일의 표면에서 돌출된 탄소섬유를 결착시킴으로써 표면으로부터의 돌출을 억제시키는 단계;
상기 건조된 카본베일을 페놀수지가 용해된 페놀 함침액에 함침시키는 단계;
상기 함침된 카본베일을 건조하고 경화시키는 단계; 및
상기 경화된 카본베일을 탄화 및 흑연화시켜, 상기 카본베일의 함침막에 포함된 폴리비닐알코올 수지를 연소시켜 기공을 형성하는 단계를 포함하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
Dissolving a polyvinyl alcohol resin in water to prepare a polyvinyl alcohol impregnated solution;
impregnating the carbon veil in the polyvinyl alcohol impregnating solution and drying the carbon veil to bind the carbon fibers protruding from the surface of the carbon veil to inhibit protrusion from the surface;
impregnating the dried carbon veil in a phenol impregnating solution in which the phenol resin is dissolved;
drying and curing the impregnated carbon veil; and
Carbon paper manufacturing method applied to the fuel cell gas diffusion layer, comprising the step of carbonizing and graphitizing the cured carbon veil to form pores by burning the polyvinyl alcohol resin contained in the impregnated film of the carbon veil.
제 1항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 함침액은,
상기 폴리비닐알코올 함침액 100 중량부를 기준으로 상기 폴리비닐알코올 수지 5 내지 10 중량부가 용해되는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
The method of claim 1,
The polyvinyl alcohol impregnated liquid,
5 to 10 parts by weight of the polyvinyl alcohol resin is dissolved based on 100 parts by weight of the polyvinyl alcohol impregnating solution, a method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell.
제 1항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 수지는,
분자량이 50,000 내지 150,000인, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
The method of claim 1,
The polyvinyl alcohol resin is
A method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell, having a molecular weight of 50,000 to 150,000.
제 1항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 수지는,
검화도가 85 내지 90mol%인, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이 제조방법.
The method of claim 1,
The polyvinyl alcohol resin is
A method for producing carbon paper applied to a gas diffusion layer of a fuel cell, wherein the degree of saponification is 85 to 90 mol%.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 제조방법을 이용하여 제조된, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
The carbon paper applied to the gas diffusion layer of a fuel cell, manufactured using any one of the manufacturing methods of any one of claims 1 to 4.
카본베일; 및
상기 카본베일 상에 결착된 탄소 구조체를 포함하고,
상기 카본베일은 폴리비닐알코올 함침액을 이용하여, 표면으로부터 탄소 섬유의 돌출이 억제되고, 상기 탄소 구조체는 폴리비닐알코올 수지의 연소에 의해 형성되는 기공을 포함하는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
carbon veil; and
It includes a carbon structure bound on the carbon veil,
The carbon veil uses a polyvinyl alcohol-impregnated liquid to suppress the protrusion of carbon fibers from the surface, and the carbon structure includes pores formed by combustion of polyvinyl alcohol resin. Carbon applied to the fuel cell gas diffusion layer paper.
제 6항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 함침액은,
상기 폴리비닐알코올 함침액 100 중량부를 기준으로 상기 폴리비닐알코올 수지 5 내지 10 중량부가 용해되는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
7. The method of claim 6,
The polyvinyl alcohol impregnated liquid,
Carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer, in which 5 to 10 parts by weight of the polyvinyl alcohol resin is dissolved based on 100 parts by weight of the polyvinyl alcohol impregnating solution.
제 6항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 수지는,
분자량이 50,000 내지 150,000인, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이.
7. The method of claim 6,
The polyvinyl alcohol resin is
A carbon paper having a molecular weight of 50,000 to 150,000, applied to the fuel cell gas diffusion layer.
연료전지 기체확산층에 적용되고, 카본베일 및 상기 카본베일에 결착된 탄소 구조체를 포함하며, 상기 카본베일의 표면으로부터 탄소섬유의 돌출을 억제시키는 탄소종이용 폴리비닐알코올 함침액에 있어서,
물; 및
상기 폴리비닐알코올 함침액 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부가 상기 물에 용해되는 폴리비닐알코올 수지를 포함하고,
상기 폴리비닐알코올 수지는 상기 탄소 구조체 내에서 연소되어 기공을 형성함으로써, 기체투과도를 증대시키는, 연료전지 기체확산층에 적용되는 탄소종이용 폴리비닐알코올 함침액.
In the polyvinyl alcohol impregnating liquid for carbon paper applied to the gas diffusion layer of the fuel cell, comprising a carbon veil and a carbon structure bound to the carbon veil, and inhibiting the protrusion of carbon fibers from the surface of the carbon veil,
water; and
5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyvinyl alcohol impregnating solution contains a polyvinyl alcohol resin soluble in the water,
The polyvinyl alcohol impregnation solution for carbon paper applied to the fuel cell gas diffusion layer, wherein the polyvinyl alcohol resin is burned in the carbon structure to form pores, thereby increasing gas permeability.
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