KR20220117593A - Self-Supported Gas diffusion layer comprising microporous structure, and Fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a self-supported gas diffusion layer having a microporous structure and a fuel cell including the same, wherein the self-supported gas diffusion layer is robust without a separate support unlike a pre-existing technology by combining polyvinylidene fluoride (PVDF) and acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite, facilitates movement of gas and water during an operation of a fuel cell by realizing the gas diffusion layer with a microporous structure having a network structure that has larger number of larger pores compared to the pre-existing technology, and furthermore, effectively controls hydrophobicity of the pores by controlling the PVDF content within a specific range to minimize irreversible losses such as polarization behavior limitation and overpotential so as to optimize performance of the fuel cell.

Description

미세기공 구조를 가진 자가지지형 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지{Self-Supported Gas diffusion layer comprising microporous structure, and Fuel cell comprising the same} Self-Supported Gas diffusion layer comprising microporous structure, and Fuel cell comprising the same

본 발명은 미세기공 구조를 가진 자가지지형 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a self-supporting gas diffusion layer having a micropore structure and a fuel cell including the same.

연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형(Polymer Electrolyte Membrane; PEM), 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형(solid oxide), 알카리수용액형 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 이 중 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다. A fuel cell is a device that produces electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. Depending on the type of electrolyte used, a polymer electrolyte membrane (PEM), phosphoric acid type, molten carbonate type, or solid It can be divided into solid oxide and alkaline aqueous solution types, and depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell and the materials of components, etc. vary. Among them, the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has a lower operating temperature and higher efficiency than other types of fuel cells, has high current and output densities, has a shorter starting time, and is more sensitive to load changes. It has a quick response characteristic.

고분자 전해질막 연료전지는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극조립체(Membrane Electrode Assembly; MEA), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 셀을 전기적으로 연결하며, 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar plate)을 포함하여 구성될 수 있다. Polymer electrolyte membrane fuel cell is a membrane electrode assembly (MEA) with catalytic electrode layers attached to both sides of the membrane where an electrochemical reaction occurs centering on an electrolyte membrane through which hydrogen ions move, airtightness of reactive gases and cooling water, and proper clamping pressure. Gaskets and fasteners for holding the battery, and a bipolar plate that electrically connects the cells and moves reactive gases and cooling water.

한편, 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)는 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.Meanwhile, in a fuel cell, hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidizing agent are respectively supplied to the anode and cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and hydrogen is Also called 'pole'), oxygen (air) is supplied to the cathode ('air electrode' or 'oxygen electrode', also called 'reduction electrode'). Hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (proton, H + ) and electrons (electron, e - ) by the catalyst of the electrode layers on both sides of the electrolyte membrane, and only hydrogen ions of these selectively pass through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane. is transferred to the cathode, and at the same time electrons are transferred to the cathode through the conductor gas diffusion layer and the separator. In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by an air supply device to generate water. Due to the movement of hydrogen ions occurring at this time, the flow of electrons through the external conductor occurs, and a current is generated by the flow of these electrons.

한편, 고분자 전해질 연료전지의 전극은 촉매층(Catalyst Layer; CL)과 촉매층을 지지해주는 기체확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)으로 구성되며, 기체확산층은 다공질 탄소막으로 이루어진 지지체에 미세기공층(Microporous layer; MPL)을 코팅하여 형성한 것이 일반적으로, 지지체로서는 다공성 탄소시트(Carbon sheet), 탄소지(Carbon paper)나 탄소천(Carbon cloth)이 널리 사용되며, 상기 GDL은 촉매층을 지지하는 역할 이외에도 반응기체를 촉매층으로 확산시켜주는 역할, 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜주는 집전체(current collector) 역할 및 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로 역할도 함께 수행한다. On the other hand, the electrode of the polymer electrolyte fuel cell is composed of a catalyst layer (Catalyst Layer; CL) and a gas diffusion layer that supports the catalyst layer (Gas Diffusion Layer; GDL), and the gas diffusion layer is a microporous layer on a support made of a porous carbon membrane; MPL) is generally used as a support, and a porous carbon sheet, carbon paper, or carbon cloth is widely used as a support. It plays a role of diffusing to the catalyst layer, a current collector that moves the current generated in the catalyst layer to the separator, and a channel through which the generated water flows out of the catalyst layer.

한편, 종래 기술에 따른 기체확산층 제조방법은 수 마이크로미터(㎛)에 이르는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 입자를 탄소로 이루어진 지지체에 코팅시켜 소수성을 구현하는 것이 일반적이었으며, 폴리테트라플루오르에틸렌은 발수성을 갖는 물질로서, 플루오르화 고분자에 해당하며 주로 프리라디칼 중합반응(free-radical polymerization)에 의하여 얻어진다. PTFE는 높은 대부분의 산 및 알칼리 환경에서 화학적으로 안정하며, 밀도가 크고, 높은 온도에서도 안정한 특성을 가진다. 또한, 고유한 발수성으로 인해 수분에 의한 플러딩(flooding)을 방지하고, 촉매 층 내에서 거대 기공이 전해액으로 차는 것을 막아 반응 기체가 이동할 수 있는 통로를 제공하는 것으로 알려져 있다. On the other hand, in the gas diffusion layer manufacturing method according to the prior art, it is common to implement hydrophobicity by coating polytetrafluoroethylene (PTFE) particles of several micrometers (㎛) on a support made of carbon, and polytetrafluoroethylene is As a material having water repellency, it corresponds to a fluorinated polymer and is mainly obtained by free-radical polymerization. PTFE is chemically stable in most acid and alkali environments, has a high density, and is stable even at high temperatures. In addition, it is known that the intrinsic water repellency prevents flooding by moisture and prevents the macropores from filling up with the electrolyte in the catalyst layer to provide a passage for the reaction gas to move.

그러나, PTFE를 이용한 기체확산층 제조방법은 제조공정이 복잡하고, 촉매층 내 PTFE 함량이 적으면 촉매층 내 전해질이 차지하는 비율이 커져 전해질의 물질 전달에 대한 저항이 줄어드지만, 많은 거대 기공이 전해질로 젖게 되어 반응기체 물질전달에 대한 저항이 커지는 문제점이 있고, PTFE 함량이 많으면 거대 기공의 발수성이 증가하여 반응기체가 이동하기는 수월해지나 전해질 침투가 어려워져 전해질 확산에 대한 저항이 증가하고, 촉매/전해질 접촉 면적 및 기액 접촉면적이 줄어들게 되는 문제점이 있다. However, the method for manufacturing a gas diffusion layer using PTFE has a complicated manufacturing process, and if the content of PTFE in the catalyst layer is small, the proportion of electrolyte in the catalyst layer increases and the resistance to mass transfer of the electrolyte decreases, but many large pores are wet with the electrolyte. Therefore, there is a problem in that the resistance to mass transfer of the reactive gas increases. If the PTFE content is large, the water repellency of the macropores increases, making it easier to move the reactive gas, but the electrolyte penetration becomes difficult, which increases the resistance to electrolyte diffusion, and the catalyst/electrolyte There is a problem in that the contact area and the gas-liquid contact area are reduced.

관련하여, 공개된 한국등록특허 제10-0963274호에서는 PVDF와 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth) 등의 지지체에 코팅하여 이루어진 미세기공층(microporous)을 포함하는 구성으로서, 내마모성, 열전도도가 향상된 기체확산층, 및 이의 간소화된 제조방법이 개시된다. In relation to this, published Korean Patent No. 10-0963274 discloses a composition including a microporous layer made by coating a slurry made by mixing PVDF and carbon filler fine powder on a support such as carbon cloth. , a gas diffusion layer with improved wear resistance and thermal conductivity, and a simplified manufacturing method thereof are disclosed.

대한민국 등록특허 제10-963274호(2010.06.11.)Republic of Korea Patent Registration No. 10-963274 (2010.06.11.)

본 발명은, 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF)과 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체를 조합하여, 종래 기술과 달리 별도의 지지체 없이도 견고하며, 종래 기술 대비 더 크고 더 많은 기공을 가진 네트워크 구조를 가지는 미세기공 구조의 기체확산층을 구현함으로써, 연료전지 구동 간 가스와 물의 이동을 원활하게 하며, 나아가, PVDF 함량을 특정 범위 내로 조절함으로써 기공의 소수성을 효과적으로 제어하여 전류 거동 제한 및 과전위 등과 같은 비가역 손실을 최소화함으로써 연료전지의 성능을 최적화할 수 있는, 미세기공 구조의 자가지지형(self-supported) 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention combines polyvinylidene fluoride (PVDF) and acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite, unlike the prior art, it is robust without a separate support, and has a larger and more pore network structure than the prior art. By implementing a gas diffusion layer having a micropore structure, it facilitates the movement of gas and water between fuel cell driving, and furthermore, by controlling the PVDF content within a specific range, the hydrophobicity of pores is effectively controlled to limit current behavior and irreversible such as overpotential An object of the present invention is to provide a self-supported gas diffusion layer having a micropore structure, which can optimize the performance of a fuel cell by minimizing loss, and a fuel cell including the same.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. In addition, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

본 명세서에서는, 연료전지의 반응기체를 촉매 층으로 이동시키고 생성된 물을 외부로 배출시키는 기체확산층으로서, 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride); 및 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube) 복합체; 를 포함하는 미세기공 구조의, 자가지지형(self-supported) 기체확산층을 제공한다. In the present specification, as a gas diffusion layer for moving the reactive gas of the fuel cell to the catalyst layer and discharging the generated water to the outside, polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride); and acetylene black-multi-walled carbon nanotube composites; It provides a micropore structure comprising a, self-supported gas diffusion layer.

또한, 본 명세서에서 상기 플루오르화 폴리비닐리덴은 기체확산층 전체 중량을 기준으로, 15 내지 25 중량%로 포함되는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층을 제공한다.In addition, in the present specification, the polyvinylidene fluoride is included in an amount of 15 to 25% by weight based on the total weight of the gas diffusion layer, and provides a self-supported gas diffusion layer.

또한, 본 명세서에서 상기 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체는 아세틸렌 블랙 90 내지 100 중량부 대 다중벽 탄소 나노튜브 1 내지 10 중량부가 혼합되어 형성된 것인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층을 제공한다.In addition, in the present specification, the acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite is formed by mixing 90 to 100 parts by weight of acetylene black to 1 to 10 parts by weight of multi-walled carbon nanotubes, a self-supported gas diffusion layer provides

또한, 본 명세서에서 상기 기체확산층은 40 내지 80 ㎛ 범위의 두께를 가진 단일 시트(Sheet) 형태인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층을 제공한다. In addition, in the present specification, the gas diffusion layer provides a self-supported gas diffusion layer in the form of a single sheet having a thickness in the range of 40 to 80 μm.

또한, 본 명세서에서 상기 기체확산층은 네트워크 구조(network structure)를 가지는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층을 제공한다.In addition, in the present specification, the gas diffusion layer provides a self-supported gas diffusion layer having a network structure.

또한, 본 명세서에서 상기 기체확산층의 물에 대한 접촉각(θ c)은 130 내지 140°인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층을 제공한다.In addition, in the present specification, a contact angle ( θ c ) of the gas diffusion layer with respect to water is 130 to 140°, and a self-supported gas diffusion layer is provided.

본 명세서에서는, 상기 기체확산층을 포함하는 연료전지용 전극(electrode), 연료전지용 막전극조립체 또는 고분자 전해질 연료전지를 제공한다. In the present specification, an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly for a fuel cell, or a polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion layer is provided.

본 명세서에서는, 연료전지의 전극을 구성하는 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법으로서, a) 플루오르화 폴리비닐리덴을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세톤(Acetone) 중 선택되는 1종 이상의 용매에 분산시켜 에멀젼을 형성하는 단계; b) 아세틸렌 블랙 및 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합하여 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체를 제조하는 단계; c) 상기 a 단계에서 얻은 에멀젼과 b 단계에서 얻은 복합체를 혼합하고 균질화하여 슬러리(slurry)를 제조하는 단계; 및 d) 상기 c 단계에서 얻어진 슬러리를 금속 호일 상에 코팅 및 건조시킨 다음, 압연 및 금속 호일 제거를 수행하는 단계; 를 포함하는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법을 제공한다.In the present specification, as a method for manufacturing a self-supported gas diffusion layer constituting an electrode of a fuel cell, a) polyvinylidene fluoride is mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N - Forming an emulsion by dispersing in at least one solvent selected from among dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) and acetone; b) mixing acetylene black and multi-walled carbon nanotubes to prepare an acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite; c) preparing a slurry by mixing and homogenizing the emulsion obtained in step a and the complex obtained in step b; and d) coating and drying the slurry obtained in step c on a metal foil, followed by rolling and removing the metal foil; It provides a method of manufacturing a self-supported (self-supported) gas diffusion layer comprising a.

또한, 본 명세서에서 상기 a 단계에서 플루오르화 폴리비닐리덴은 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매 내에 3 내지 7 중량%가 되도록 유화(emulsified)시키는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, polyvinylidene fluoride in step a is emulsified to be 3 to 7% by weight in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent, self-supported. A method for manufacturing a gas diffusion layer is provided.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계에서 아세틸렌 블랙 및 다중벽 탄소 나노튜브는 90 내지 100 중량부 대 1 내지 10 중량부 비로 혼합되는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, in step b, acetylene black and multi-walled carbon nanotubes are mixed in a ratio of 90 to 100 parts by weight to 1 to 10 parts by weight, a method for preparing a self-supported gas diffusion layer is provided.

또한, 본 명세서에서 상기 c 단계에서 제조되는 슬러리는 점도가 1000 내지 5000 mPa·s 범위인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, the slurry prepared in step c has a viscosity in the range of 1000 to 5000 mPa·s, and provides a method for manufacturing a self-supported gas diffusion layer.

또한, 본 명세서에서 상기 d 단계는 슬러리를 금속 호일(foil) 상에 코팅하고, 70 내지 90 ℃ 온도 범위 내에서 건조시킨 다음, 압연 후 물 또는 염기 용액 속에서 금속 호일(foil)을 제거하여 수행되는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법을 제공한다. In addition, in the present specification, step d is performed by coating the slurry on a metal foil, drying it within a temperature range of 70 to 90° C., and then removing the metal foil in water or a base solution after rolling. To provide a method for manufacturing a self-supported gas diffusion layer.

본 발명에 따른 기체확산층 및 이를 포함한 연료전지는, 별도의 탄소 지지체 없이도 견고하며, 종래 기술 대비 더 크고 더 많은 기공을 가진 네트워크 구조를 가지는 미세기공 구조의 기체확산층을 구현함으로써, 연료전지 구동 간 가스와 물의 이동을 원활하게 하므로, 연료전지의 에너지 효율을 상승시키고, 장수명화를 기대할 수 있다. The gas diffusion layer and the fuel cell including the same according to the present invention are robust without a separate carbon support, and by implementing a gas diffusion layer having a micropore structure having a network structure larger and more pores than the prior art, gas between fuel cell driving Since it facilitates the movement of water and water, the energy efficiency of the fuel cell can be increased, and long life can be expected.

또한, 본 발명에 따른 기체확산층 및 이를 포함한 연료전지는, PVDF 함량을 특정 범위 내로 조절함으로써, 기공의 소수성을 효과적으로 제어하여 전류 거동 제한 및 과전위 등과 같은 비가역 손실을 최소화함으로써, 연료전지의 성능을 최적화할 수 있다. In addition, the gas diffusion layer and the fuel cell including the same according to the present invention, by controlling the PVDF content within a specific range, effectively control the hydrophobicity of the pores to limit the current behavior and minimize irreversible losses such as overpotentials, thereby improving the performance of the fuel cell can be optimized.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 구조의 자가지지형(self-supported) 기체확산층 제조과정을 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 (a) 팁 궤적을 이용한 피크 포스 태핑 오퍼레이션 원리, (b) 제어매개변수로서 피크 포스를 사용하여 각 태핑 사이클에서 얻은 힘-거리 곡선의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 (a) SGL29BC 및 (b) 20PVDF-SSMPL의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 (a) 10PVDF-SSMPL 및 (b) 30PVDF-SSMPL의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 기공 크기 분포(PSD) 곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 기공 크기 분포(PSD) 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 물 접촉각을 측정한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 수분 포화에 따른 모세관 압력을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층이 적용된 PEMFC의 분극 곡선을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층이 적용된 PEMFC의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층이 적용된 PEMFC의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯 및 그래픽 분석을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 (a) 서로 다른 GDL에서 희석된 산소를 사용하는 PEMFC의 편광 곡선, (b) 서로 다른 GDL에서 다양한 산소 농도 및 캐소드 압력에 의한 전류 밀도 제한을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층이 적용된 캐소드의 총 산소 저항(Rtot)을 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 (a, d) 3D 토폴로지 이미지, (b, e) 2D 토폴로지 이미지, (c, f) 접착력 맵핑 이미지를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 물 수송 메커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
1 schematically illustrates a process for manufacturing a self-supported gas diffusion layer having a micropore structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of the force-distance curve obtained in each tapping cycle using (a) the peak force tapping operation principle using the tip trajectory, and (b) the peak force as a control parameter.
3 shows surface SEM images of (a) SGL29BC and (b) 20PVDF-SSMPL according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 shows surface SEM images of (a) 10PVDF-SSMPL and (b) 30PVDF-SSMPL according to a comparative example of the present invention.
5 shows a pore size distribution (PSD) curve of the gas diffusion layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
6 shows pore size distribution (PSD) curves of gas diffusion layers according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
7 is a photograph of measuring a water contact angle of a gas diffusion layer according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
8 shows the capillary pressure according to the moisture saturation of the gas diffusion layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
9 shows the polarization curves of the PEMFC to which the gas diffusion layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention is applied.
10 shows a Nyquist plot of a PEMFC to which a gas diffusion layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention is applied.
11 shows a Nyquist plot and graphic analysis of PEMFC to which a gas diffusion layer is applied according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
12 shows (a) polarization curves of PEMFCs using diluted oxygen in different GDLs, and (b) current density limitations by varying oxygen concentrations and cathode pressures in different GDLs according to Examples and Comparative Examples of the present invention. it has been shown
13 shows the total oxygen resistance (R tot ) of the cathode to which the gas diffusion layer is applied according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
14 shows (a, d) 3D topological images, (b, e) 2D topological images, and (c, f) adhesion mapping images of gas diffusion layers according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
15 schematically shows a water transport mechanism of a gas diffusion layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments disclosed below.

아래에서, 미세기공(microporous) 구조를 가지는 자가지지형(self-supported) 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, a self-supported gas diffusion layer having a microporous structure and a fuel cell including the same will be described in more detail.

기체확산층, 전극, 막전극조립체, 고분자 전해질 연료전지Gas diffusion layer, electrode, membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell

본 발명의 일실시예에 따른 기체확산층은 연료전지의 반응기체를 촉매 층으로 이동시키고 생성된 물을 외부로 배출시키는 기체확산층으로서, 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride); 및 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube) 복합체; 를 포함하는 미세기공 구조를 가지는 것일 수 있다. A gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention is a gas diffusion layer that moves a reactive gas of a fuel cell to a catalyst layer and discharges generated water to the outside, and includes polyvinylidene fluoride; and acetylene black-multi-walled carbon nanotube composites; It may have a micropore structure comprising a.

본 발명에 따른 연료전지는 일례로 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)일 수 있다. PEMFC는 일반적으로 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극조립체(Membrane Electrode Assembly; MEA), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 셀을 전기적으로 연결하며, 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar plate)을 포함하여 구성되는 것일 수 있다. The fuel cell according to the present invention may be, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). In general, PEMFC maintains airtightness and proper clamping pressure of a Membrane Electrode Assembly (MEA) with catalyst electrode layers attached to both sides of the membrane, in which an electrochemical reaction occurs around an electrolyte membrane through which hydrogen ions move, reactive gases and coolant. Gaskets and fasteners for this, and a bipolar plate that electrically connects the cells and moves reactive gases and cooling water may be included.

일반적으로 촉매전극층은 촉매층(Catalyst Layer; CL)과 촉매층을 지지해주는 기체확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)으로 구성되며, 기체확산층은 다공질 탄소막으로 이루어진 지지체에 미세기공층(Microporous layer; MPL)을 코팅하여 형성한 것이 일반적으로, 지지체로서는 다공성 탄소시트(Carbon sheet), 탄소지(Carbon paper)나 탄소천(Carbon cloth)이 널리 사용된다. In general, the catalyst electrode layer is composed of a catalyst layer (CL) and a gas diffusion layer (Gas Diffusion Layer; GDL) supporting the catalyst layer, and the gas diffusion layer is coated with a microporous layer (MPL) on a support made of a porous carbon film. In general, as a support, a porous carbon sheet, carbon paper, or carbon cloth is widely used as a support.

한편, 본 발명의 기체확산층은 종래 기술에 따른 기체확산층과 달리, 지지체와 미세기공층이 일체화된 것으로서, 별도의 탄소 지지체 등을 요하지 아니하면서, 지지체 없이도 견고하며, 종래 기술 대비 더 크고 더 많은 기공을 가진 네트워크 구조를 가지는 단일 시트 형태의 미세기공 구조의 기체확산층을 제공한다. On the other hand, the gas diffusion layer of the present invention, unlike the gas diffusion layer according to the prior art, is an integrated support and microporous layer, does not require a separate carbon support, etc. To provide a gas diffusion layer having a micropore structure in the form of a single sheet having a network structure with

보다 상세하게 설명하면, 종래 기술에 따른 연료전지용 전극의 경우, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)수지를 탄소 지지체 상에 도포하여 형성하거나, 또는 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF) 수지를 탄소 응집체와 혼합 후 별도의 탄소 지지체 상에 도포하여 형성하는 등의 형태로 제조되는 반면, 본 발명의 기체확산층은 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride); 및 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube) 복합체; 를 포함하여 미세기공 구조를 가지되, 별도의 지지체 없이도 견고하며, 종래 기술 대비 더 크고 더 많은 기공을 가진 네트워크 구조를 가진다.More specifically, in the case of a fuel cell electrode according to the prior art, polytetrafluoroethylene (PTFE) resin is coated on a carbon support to form, or polyvinylidene fluoride (PVDF) resin is mixed with carbon aggregates. On the other hand, the gas diffusion layer of the present invention is prepared in the form of coating and forming on a separate carbon support, polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride); and acetylene black-multi-walled carbon nanotube composites; It has a micropore structure, including, but is robust without a separate support, and has a network structure with larger and more pores than the prior art.

기체확산층이 상기와 같이 단일 시트 형태로 제조되되, 네트워크 구조를 가지는 경우, 연료전지 구동 간 가스와 물의 이동을 원활히 하므로, 연료전지의 에너지 효율을 상승시키고, 장수명화를 기대할 수 있게 된다.When the gas diffusion layer is manufactured in the form of a single sheet as described above, but has a network structure, it facilitates the movement of gas and water between driving of the fuel cell, so that the energy efficiency of the fuel cell can be increased and lifespan can be expected.

먼저, 본 발명에서 플루오르화 비닐리덴(PVDF)은 소수성을 가진 불소 수지로서, 뛰어난 내약품성과 양호한 기계적, 열적, 전기적 특성을 가지는 한편, 우수한 기계적 강도, 강성 및 내크리프성을 가진다. 한편, 본 발명에서 플루오르화 비닐리덴은 미세다공 구조를 가진 기체확산층 형성 시 탄소 응집체 간 바인더(Binder) 역할 뿐 아니라, 탄소 응집체 사이사이에 스며들어 미세기공에 소수성(hydrophobicity) 특성을 부여하는 역할도 함께 수행한다. First, in the present invention, vinylidene fluoride (PVDF) is a hydrophobic fluororesin, and has excellent chemical resistance and good mechanical, thermal, and electrical properties, while having excellent mechanical strength, rigidity and creep resistance. Meanwhile, in the present invention, vinylidene fluoride not only serves as a binder between carbon aggregates when forming a gas diffusion layer having a microporous structure, but also permeates between carbon aggregates to impart hydrophobicity to the micropores. do it together

본 발명의 일실시예에 따르면, 플루오르화 폴리비닐리덴은 기체확산층 전체 중량을 기준으로, 15 내지 25 중량%로 포함, 상세하게는 20 중량%로 포함될 수 있다. 플루오르화 폴리비닐리덴이 기체확산층 내에 상기 중량% 범위로 포함되는 경우, 인접한 촉매층(Catalyst Layer, CL)으로 산소 전달이 원활한 동시에, 촉매층으로부터 물을 효과적으로 전달받아 배출할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, polyvinylidene fluoride may be included in an amount of 15 to 25% by weight, specifically 20% by weight, based on the total weight of the gas diffusion layer. When polyvinylidene fluoride is included in the above weight % range in the gas diffusion layer, oxygen transfer to the adjacent catalyst layer (Catalyst Layer, CL) is smooth, and water can be effectively delivered and discharged from the catalyst layer.

본 발명에서 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube) 복합체는 탄소 응집체로서, 아세틸렌 블랙과 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합하여 복합체 형태로 제조한 것으로서, 구체적으로 아세틸렌 블랙 90 내지 100 중량부 대 다중벽 탄소 나노튜브 1 내지 10 중량부를 혼합하여 형성한 것, 상세하게는 아세틸렌 블랙 95 중량부 대 다중벽 탄소 나노튜브 5 중량부를 혼합하여 형성한 것일 수 있다. In the present invention, the acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite is a carbon aggregate, prepared in the form of a composite by mixing acetylene black and multi-walled carbon nanotubes, specifically acetylene black 90 to 100 weight The unit may be formed by mixing 1 to 10 parts by weight of multi-walled carbon nanotubes, specifically, it may be formed by mixing 95 parts by weight of acetylene black to 5 parts by weight of multi-walled carbon nanotubes.

상기 복합체 형성시 아세틸렌 블랙과 다중벽 탄소 나노튜브가 상기 범위의 중량부 비로 포함되는 경우, 보다 견고한 네트워크 구조(network structure) 형성이 가능하며, 소정 범위로 포함되는 다중벽 탄소 나노튜브는 네트워크 구조에서 뼈대가 되는 철골과 같은 역할을 하고, 콘크리트 역할을 하는 탄소 응집체(아세틸렌 블랙)와 결합된 상태로 상대적으로 큰 기공을 형성하는 동시에, 해당 구조를 지지한다.When acetylene black and multi-walled carbon nanotubes are included in the ratio by weight in the above range when forming the complex, a more robust network structure can be formed, and the multi-walled carbon nanotubes included in the predetermined range are in the network structure. It plays the same role as the steel frame that serves as a skeleton, and forms relatively large pores in the state of being bonded to the carbon aggregate (acetylene black) that acts as concrete, while supporting the structure.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 기체확산층은 40 내지 80 ㎛ 범위의 두께를 가진 단일 시트(Sheet) 형태일 수 있으며, 종래 기술과 달리, 별도의 탄소 기재를 사용하지 않더라도 견고한 구조를 가진 단일층의 시트 형태로 제조될 수 있어, 슬러리를 탄소 기재에 반복 코팅하여 다중층 구조로 기체확산층을 형성하는 종래 기술 대비 공정 효율성 및 경제성 측면에서도 우수하다.On the other hand, the gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention may be in the form of a single sheet having a thickness in the range of 40 to 80 μm, and unlike the prior art, a single sheet having a solid structure without using a separate carbon substrate Since it can be manufactured in the form of a sheet of layers, it is superior in terms of process efficiency and economy compared to the prior art of forming a gas diffusion layer in a multi-layer structure by repeatedly coating the slurry on a carbon substrate.

한편, 본 발명에 따른 기체확산층의 물에 대한 접촉각(θ c)은 130 내지 140°, 일례로 135.7°일 수 있다. 한편, 종래 기술에 따른 PTFE를 포함한 기체확산층의 물에 대한 접촉각(θ c)은 약 150°인 반면, 본 발명에 따라 PVDF를 포함하는 경우, PVDF가 PTFE 밀도(= 2.20 g㎝-3) 대비 더 낮은 밀도( = 1.77 g㎝-3)를 가지는 한편, NMP에서 높은 용해도를 가지기 때문에, 탄소 응집체의 입자 사이에 더 균일하게 분포하기 때문이다. 한편, 본 발명의 기체확산층의 미세기공 구조에서 상기와 같은 접촉각(소수성 특성)은 PVDF 함량을 조절함으로써 제어가 가능할 수 있다.On the other hand, the contact angle ( θ c ) of the gas diffusion layer with respect to water according to the present invention may be 130 to 140 °, for example, 135.7 °. On the other hand, the contact angle ( θ c ) of the gas diffusion layer containing PTFE according to the prior art with respect to water is about 150°, whereas when PVDF is included according to the present invention, PVDF has a PTFE density ( k = 2.20 gcm -3 ) This is because it has a lower density ( f = 1.77 gcm -3 ) compared to that, while having a high solubility in NMP, so that it is more uniformly distributed among the particles of carbon agglomerates. On the other hand, in the micropore structure of the gas diffusion layer of the present invention, the contact angle (hydrophobic property) as described above may be controlled by adjusting the PVDF content.

이상으로 설명한, 본 발명에 따른 기체확산층은, 연료전지용 전극, 막전극조립체 또는 고분자 전해질 연료전지에 적용될 수 있으며, 별도의 탄소 지지체 없이도 견고하며, 종래 기술 대비 더 크고 더 많은 기공을 가진 네트워크 구조를 가지는 미세기공 구조의 기체확산층을 구현하므로 연료전지 구동 간 가스와 물의 이동을 원활하게 할 수 있다. 나아가, PVDF 함량을 특정 범위 내로 조절함으로써 기공의 소수성을 효과적으로 제어하게 되므로 전류 거동 제한 및 과전위 등과 같은 비가역 손실을 최소화함으로써 연료전지의 성능을 최적화할 수 있다.As described above, the gas diffusion layer according to the present invention can be applied to an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly, or a polymer electrolyte fuel cell. Since the eggplant implements a gas diffusion layer with a micropore structure, it is possible to facilitate the movement of gas and water between fuel cell driving. Furthermore, since the hydrophobicity of the pores is effectively controlled by controlling the PVDF content within a specific range, the performance of the fuel cell can be optimized by limiting the current behavior and minimizing irreversible losses such as overpotentials.

일례로, 상기 기체확산층이 수소전기차의 고분자 전해질 연료전지의 환원극에 적용되는 경우, 구동 중 발생할 수 있는 급격한 플러딩(Flooding) 현상을 완화할 수 있다. For example, when the gas diffusion layer is applied to the cathode of a polymer electrolyte fuel cell of a hydrogen electric vehicle, a sudden flooding that may occur during operation can be alleviated.

기체확산층 제조방법Gas diffusion layer manufacturing method

본 발명의 일실시예에 따른 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법은 a) 플루오르화 폴리비닐리덴을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세톤(Acetone) 중 선택되는 1종 이상의 용매에 분산시켜 에멀젼을 형성하는 단계; b) 아세틸렌 블랙 및 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합하여 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체를 제조하는 단계; c) 상기 a 단계에서 얻은 에멀젼과 b 단계에서 얻은 복합체를 혼합하고 균질화하여 슬러리(slurry)를 제조하는 단계; 및 d) 상기 c 단계에서 얻어진 슬러리를 금속 호일 상에 코팅 및 건조시킨 다음, 압연 및 금속 호일 제거를 수행하는 단계; 를 포함할 수 있다(도 1 참조). The method for preparing a self-supported gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention comprises: a) polyvinylidene fluoride mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) and acetone (Acetone) dispersing in one or more solvents to form an emulsion; b) mixing acetylene black and multi-walled carbon nanotubes to prepare an acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite; c) preparing a slurry by mixing and homogenizing the emulsion obtained in step a and the complex obtained in step b; and d) coating and drying the slurry obtained in step c on a metal foil, followed by rolling and removing the metal foil; may include (see FIG. 1).

상기 a 단계는 플루오르화 폴리비닐리덴은 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세톤(Acetone) 중 선택되는 1종 이상의 용매 내에 유화(emulsified)시켜 수행되는 것일 수 있으며, 일례로, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매 내에 3 내지 7 중량%가 되도록 유화시켜 수행되는 것일 수 있다. 한편, 본 발명에서 상기 용매는 슬러리 점도를 조절하는 역할을 수행할 수 있다. In step a, polyvinylidene fluoride is one selected from N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) and acetone (Acetone). It may be carried out by emulsifying in the above solvent, for example, it may be carried out by emulsifying so as to be 3 to 7% by weight in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent. Meanwhile, in the present invention, the solvent may serve to adjust the slurry viscosity.

한편, 상기 b 단계는 아세틸렌 블랙, 일례로 아세틸렌 블랙 파우더(powder) 및 다중벽 탄소 나노튜브, 일례로 다중벽 탄소 나노튜브 페이스트(paste)를 90 내지 100 중량부 대 1 내지 10 중량부 비로, 상세하게는 95 대 5 중량부 비로 혼합하여 수행되는 것일 수 있다. On the other hand, in step b, acetylene black, for example, acetylene black powder and multi-walled carbon nanotubes, for example, multi-walled carbon nanotube paste in a ratio of 90 to 100 parts by weight to 1 to 10 parts by weight, detail Preferably, it may be carried out by mixing in a ratio of 95 to 5 parts by weight.

한편, 상기 c 단계에서 제조되는 슬러리 점도는 1000 내지 5000 mPa·s 범위일 수 있고, 상기 범위 내에서 원활한 코팅이 수행될 수 있으며, 제조된 기체확산층 표면에 미세크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. On the other hand, the viscosity of the slurry prepared in step c may be in the range of 1000 to 5000 mPa·s, smooth coating can be performed within the range, and the occurrence of microcracks on the surface of the prepared gas diffusion layer can be effectively prevented. have.

한편, 상기 d 단계는 슬러리를 금속 호일 상에 독터 블레이드(doctor blade) 등을 이용하여, 테이프-캐스팅(tape-casting) 등 방법으로 코팅한 후, 70 내지 90 ℃ 온도 범위 내에서 예를 들어 컨벡션 오븐(convection oven) 등에서 건조시켜 수행되는 것일 수 있다. 또한, 상기 기체확산층이 제조된 다음, 금속 호일을 제거하기 위하여, 압연 후 물 또는 염기 용액에 침지시켜 금속 호일을 제거(peeling off)하는 형태로 수행될 수 있다. On the other hand, in step d, the slurry is coated on a metal foil by a method such as tape-casting using a doctor blade or the like, and then, within a temperature range of 70 to 90° C., for example, convection. It may be carried out by drying in an oven (convection oven). In addition, after the gas diffusion layer is prepared, in order to remove the metal foil, the metal foil may be peeled off by immersion in water or a base solution after rolling.

실시예Example

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 구현예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the present invention may have various changes and may have various forms, specific embodiments will be illustrated and described in detail below. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

실시예Example

PVDF 파우더(Solvay)를 준비하고, 사전에 준비된 NMP(Alfa aesar) 용매에 약 5 중량%가 되도록 유화시켜 에멀젼을 제조하였다. 다음으로, 아세틸렌 블랙(AB) 탄소 파우더(Alfa aesar) 및 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 페이스트(Cnano Technology LTD)는 95 : 5 중량부 비로 혼합됨으로서 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체로 제조되었다. An emulsion was prepared by preparing PVDF powder (Solvay), and emulsifying it in a pre-prepared NMP (Alfa aesar) solvent to about 5% by weight. Next, acetylene black (AB) carbon powder (Alfa aesar) and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) paste (Cnano Technology LTD) were mixed in a 95: 5 parts by weight ratio to prepare an acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite. .

다음으로, 상기 PVDF 에멀젼에 AB-MWCNT 복합체를 분산하고, 유성 원심혼합기(ARM-310, Thinky Inc.)를 이용하여 다양한 PVDF 함량으로 슬러리를 제조하였다(ex. 10 중량%, 20 중량% 및 30 중량%). Next, the AB-MWCNT complex was dispersed in the PVDF emulsion, and slurries were prepared with various PVDF contents using a planetary centrifugal mixer (ARM-310, Thinky Inc.) (ex. 10 wt%, 20 wt% and 30 wt%) weight%).

다음으로, 상기 슬러리를 다양한 두께로 독터 블레이드를 사용하여 테이프-캐스팅(tape-casting) 방법으로 금속 호일(foil) 상에 코팅하였으며, 코팅 후 슬러리 상의 용매를 증발시키기 위해 80 ℃의 컨벡션 오븐에서 완전히 건조시켰으며, 제조된 미세기공 구조를 가진 기체확산층의 특성을 관찰하기 위하여 물에 담그어 금속 호일을 벗겨내고, 기체확산층을 준비하였다(PVDF-SSMPLs). Next, the slurry was coated on a metal foil by a tape-casting method using a doctor blade in various thicknesses, and completely in a convection oven at 80° C. to evaporate the solvent on the slurry after coating. After drying, the metal foil was peeled off by immersing in water to observe the properties of the prepared gas diffusion layer having a micropore structure, and the gas diffusion layer was prepared (PVDF-SSMPLs).

비교예comparative example

기성품으로서, 22 중량%의 PTFE를 포함한 미세다공 구조의 기체확산층(제품명: SGL29BC)을 준비하였다. As a ready-made product, a gas diffusion layer (product name: SGL29BC) having a microporous structure containing 22 wt% of PTFE was prepared.

[실험 방법] [Test method]

물리적 및 구조적 특성화Physical and structural characterization

상기 실시예에 따라 제조된 PVDF-SSMPLs의 다공성 구조를 분석하기 위해 수은 침투 포로시미터(porosimeter)(Auto poreV, Micromeritics Inc.)를 이용하였다. 기공 크기 분포 곡선은 광범위한 기공 분포에 대한 avg에서 d/dlog p 및 모세관 기공 분포에 대한 avg에서 d/d p의 두가지 형식으로 표시되었다. A mercury penetration porosimeter (Auto poreV, Micromeritics Inc.) was used to analyze the porous structure of PVDF-SSMPLs prepared according to the above example. The pore size distribution curves were expressed in two formats : v avg to d V /dlog p p for a broad pore distribution and v avg to d V / d p p for capillary pore distribution.

한편, 표면 접촉각 측정은 ASTM D5946 표준에 따라, 접촉각 분석기(Phoenix 300 Touch S.E.O)를 사용하여 세실 드랍(sessile drop) 방법으로 수행하였다. Meanwhile, the surface contact angle measurement was performed by a sessile drop method using a contact angle analyzer (Phoenix 300 Touch S.E.O) according to ASTM D5946 standard.

표면 형태(morphologies)는 전계방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy)(FE-SEM, Inspect F-50)으로 관찰하였다. Surface morphologies were observed with field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Inspect F-50).

한편, AFM 측정은 디멘션 아이콘(Bruker Inc.) 시스템을 사용하였으며, 모든 이미지는 피크 포스 QNM(Quantitative Nanoscale Mechanical) 태핑(Tapping) 모드에서 촬영하였으며, 여기서 재료 민감 특성은 도 2 등을 통한 토폴로지 및 접착력 맵핑 정보와 동시에 평가할 수 있다. Meanwhile, AFM measurements were performed using the Dimension Icon (Bruker Inc.) system, and all images were taken in the peak force QNM (Quantitative Nanoscale Mechanical) Tapping mode, where the material sensitive properties were determined by topology and adhesion through FIG. 2 and the like. It can be evaluated simultaneously with the mapping information.

단일 PEMFC에서 전기화학적 분석 및 제한 전류 측정Electrochemical analysis and limiting current measurement in a single PEMFC

25cm2 기하학적 활성 영역 및 0.4 mg Pt가 An/Ca에 로딩된 상업용 촉매 코팅 멤브레인(CNL Energy Inc.)이 채용된 단일 PEMFC를 준비하되, SGL29BC 및 4채널 타입 서펜틴 그라파이트 블록(ILDO F&C Inc.)을 애노드(Anode) 측에 위치시키고, 자체 제작한 실시예에 따른 PVDF-SSMPL 및 사각형 그루브 그라파이트 블록의 다공성 금속 폼(foam)은 캐소드(Cathode) 측에 위치시켰다. Prepare a single PEMFC employing a 25 cm 2 geometric active area and a commercial catalyst coated membrane (CNL Energy Inc.) loaded with 0.4 mg Pt in An/Ca, but with SGL29BC and a 4-channel type serpentine graphite block (ILDO F&C Inc.) was placed on the anode side, and the porous metal foam (foam) of PVDF-SSMPL and square grooved graphite block according to the self-made embodiment was placed on the cathode side.

모든 단일 셀 테스트는 완전히 자동화된 테스트 스테이션(CNL Energy Inc.)를 사용하여 완전히 가습된 RHAn/Ca = 100%, 65 ℃ 및 주변 환경에서 수행되었다. 분극 곡선은 일정한 전위 응답을 얻기 위해 5분의 체류 시간으로 정전류 모드(및 일정한 화학양론 하)에서 측정되었다. All single cell tests were performed in a fully humidified RH An/Ca = 100%, 65 °C and ambient environment using a fully automated test station (CNL Energy Inc.). Polarization curves were measured in constant current mode (and under constant stoichiometry) with a dwell time of 5 min to obtain a constant potential response.

EIS 분석은 5% AC-진폭 신호를 적용하여 50 kHz 내지 50 mHz의 프리퀀시 범위에 걸쳐 114 ㎝3 min-1의 일정한 속도로 0.2 A㎝-2 에서 정전류적(galvanostatically)으로 수행되었다. 제한 전류 측정을 위해 질소로 희석된 산소(ex. 산소 농도 1 - 5 %)를 캐소드에 도입하여 다양한 음극 배압(ex. 101.3 - 303.9 kPa)에서 명확한 질량 전달 제한 동작을 확인하였다. 전위 단계 방법을 사용하여 분극 측정을 수행하였으며, 제한 전류는 0.5 V vs. RHE로 추정되었다. EIS analysis was performed galvanostatically at 0.2 Acm -2 at a constant rate of 114 cm 3 min -1 over a frequency range of 50 kHz to 50 mHz by applying a 5% AC-amplitude signal. For the limiting current measurement, oxygen diluted with nitrogen (ex. oxygen concentration 1 - 5%) was introduced into the cathode, and a clear mass transfer limiting operation was confirmed at various cathode back pressures (ex. 101.3 - 303.9 kPa). Polarization measurements were performed using the potential step method, and the limiting current was 0.5 V vs. It was assumed to be RHE.

[실험 결과 및 평가] [Experimental results and evaluation]

먼저, 도 3은, 실시예 및 비교예에 따라 제조된 SSMPL의 표면 이미지를 나타낸 것이다. 도 3 (a)는 비교예(SGL29BC)에 따른 기체확산층이고, (b)는 실시예 중 20 중량%의 PVDF를 포함한 기체확산층(20PVDF-SSMPL)이다. First, FIG. 3 shows a surface image of SSMPL prepared according to Examples and Comparative Examples. 3 (a) is a gas diffusion layer according to a comparative example (SGL29BC), (b) is a gas diffusion layer (20PVDF-SSMPL) containing 20% by weight of PVDF in Example.

도 3의 결과를 참조하면 실시예와 비교예에 따른 기체확산층의 중요한 차이점은 MPL 표면 상에 형성된 미세크랙의 존재 및 부존재로서, 비교예의 기체확산층에서 발생한 미세크랙은 첨가제의 분해 및 PTFE 재분배를 위한 열처리 등에 의해 발생하였을 것으로 예상되었다. 반면, 실시예에 따른 기체확산층의 경우 비교예 대비 다공성 미세구조가 많이 관찰되는 동시에, 비교예 대비 상대적으로 큰 공동(Voids)을 가진 공간 네트워크를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to the results of FIG. 3 , an important difference between the gas diffusion layer according to the example and the comparative example is the presence and absence of microcracks formed on the surface of the MPL. It was expected that it was caused by heat treatment or the like. On the other hand, in the case of the gas diffusion layer according to the Example, it was confirmed that a large number of porous microstructures were observed compared to the Comparative Example, and a spatial network having relatively large voids compared to the Comparative Example.

또한, 도 4를 참조하면, (a) 10 중량%의 PVDF를 포함한 기체확산층(10PVDF-SSMPL), (b) 30 중량%의 PVDF를 포함한 기체확산층(30PVDF-SSMPL) 역시 산소와 물의 수송을 원활하게 할 수 있는 더 많은 미세기공을 가진 네트워크 구조를 가지는 것을 확인할 수 있었다. In addition, referring to FIG. 4 , (a) a gas diffusion layer (10PVDF-SSMPL) containing 10% by weight of PVDF, (b) a gas diffusion layer containing 30% by weight of PVDF (30PVDF-SSMPL) also facilitates the transport of oxygen and water It was confirmed to have a network structure with more micropores.

다음으로, 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 기공 크기 분포(PSD) 곡선(d/dlog p)을 나타낸 것으로서, 비교예의 경우, 0.09(MPL 관련) 및 60 ㎛(CB 관련)에 위치한 전형적인 듀얼-PSD로 0.2 내지 30 ㎛의 중기공(mesopores)이 관찰되며, 실시예의 경우, 0.2 ㎛를 중심으로 한 명확한 단일-PSD가 관찰되고, 실시예 및 비교예 모두에서, > 200 ㎛ 에서 발견되는 중기공(mesopores)은 대부분 GDL 양면에 있는 표면 근처의 기공에서 파생되는 것으로 보였다. Next, FIG. 5 shows the pore size distribution (PSD) curve (d V /dlog v p ) of the gas diffusion layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention, and in the case of Comparative Example, 0.09 (MPL-related) and 60 μm Mesopores of 0.2 to 30 μm are observed with a typical dual-PSD positioned (CB-related), and in the case of Examples, a clear single-PSD centered at 0.2 μm is observed, and in both Examples and Comparative Examples, , the mesopores found at > 200 μm appeared to derive mostly from pores near the surface on both sides of the GDL.

이를 참고할 때, 실시예에 따른 20PVDF-SSMPL은 비교예의 SGL29BC 대비 상대적으로 더 큰 기공 사이즈(2배 이상) 및 더 넓은 미세기공 PSD를 가진다는 점을 알 수 있었고, 실시예의 경우 기공 사이즈에 반비례하는 더 낮은 모세관 압력으로 기체 및 물 수송이 용이해진다는 점을 알 수 있었다. Referring to this, it was found that the 20PVDF-SSMPL according to the Example had a relatively larger pore size (2 times or more) and a wider micropore PSD compared to the SGL29BC of the Comparative Example, and in the case of the Example, it was inversely proportional to the pore size. It was found that the lower capillary pressure facilitates gas and water transport.

도 6 (a)를 참고하면 SSMPL에서 PVDF 함량 증가에 따라, 특정 미세기공 부피(d/d p)가 감소하고 미세기공 분포가 바이모달(bimodal)이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 0.7 ㎛ 미만의 PSD 전이 및 PVDF-SSMPL의 PVDF 농도가 높아지면서 피크가 이동하는 것은 i) AB 및 MWCNT 입자 사이에 침투하는 바인더에 의한 작은 공동(Voids)의 형성 및 ii) 모세관 직경의 증가에 의한 것으로 판단되었다. Referring to FIG. 6 (a), as the PVDF content increased in SSMPL, it was confirmed that the specific micropore volume (d V / d p p ) decreased and the micropore distribution became bimodal, less than 0.7 μm. The PSD transition of and the shift of the peak as the PVDF concentration of PVDF-SSMPL increased was determined to be due to i) the formation of small voids (Voids) by the binder penetrating between the AB and MWCNT particles, and ii) the increase in the capillary diameter. .

도 6 (b)를 참고하면 MWCNT가 있는 20PVDF-SSMPL의 경우 0.3 내지 3 ㎛에서의 미세기공 부피 감소는 MWCNT가 SSMPL을 더욱 조밀하게 만든다는 것을 뒷받침한다. Referring to Fig. 6(b), in the case of 20PVDF-SSMPL with MWCNTs, the reduction in micropore volume at 0.3 to 3 μm supports that MWCNTs make SSMPL more dense.

도 7은 실시예 및 비교예에 따른 SSMPL((a) 비교예에 따른 SGL29BC, (b) 10PVDF-SSMPL, (c) 20PVDF-SSMPL, (d) 30PVDF-SSMPL 각각)의 접촉각을 나타낸 것으로서, SGL29BC의 접촉각(θ c = 150°)은 실시예의 20PVDF-SSMPL(θ c = 137°)과 비교할 때, 더 높은 접촉각을 나타내며, 이는 PVDF( = 1.77 g㎝-3)가 PTFE( = 2.20 g㎝-3) 대비 낮은 밀도 및 NMP에서의 높은 용해도를 가져, 탄소 입자에 균일하게 주입되고, 이에 따라 더 낮은 MPL 소수성을 나타내게 된다는 점을 의미한다. 7 shows the contact angles of SSMPL according to Examples and Comparative Examples ((a) SGL29BC according to Comparative Example, (b) 10PVDF-SSMPL, (c) 20PVDF-SSMPL, (d) 30PVDF-SSMPL, respectively), SGL29BC The contact angle ( θ c = 150°) of the Example 20PVDF-SSMPL ( θ c = 137°) shows a higher contact angle, which indicates that PVDF ( f = 1.77 gcm -3 ) is compared to PTFE ( f = 2.20 g ). cm -3 ) compared to low density and high solubility in NMP, which means that it is uniformly injected into the carbon particles, thereby exhibiting lower MPL hydrophobicity.

한편, 도 7의 (b) 내지 (d)를 참조하면, PVDF 함량이 증가함에 따라 SSMPL의 표면 상 접촉각이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 PVDF-SSMPL의 젖음성(Wettability)이 PVDF 농도에 의해 효과적으로 조절될 수 있음을 확인할 수 있었다.On the other hand, referring to (b) to (d) of FIG. 7 , it can be seen that the contact angle on the surface of SSMPL increases as the PVDF content increases, and through this, the wettability of PVDF-SSMPL is determined by the PVDF concentration. It was confirmed that it can be effectively controlled.

한편, 도 8 등을 참고하면, 접촉각(θ c)이 150°인 SGL29BC의 모세관 압력(p c)은 물 포화도가 증가함에 따라 접촉각(θ c)이 135.7°인 20PVDF-SSMPL 대비 더욱 빠르게 증가하며, 이를 참고할 때, 20PVDF-SSMPL은 SGL29BC 대비 물 제거 속도가 더욱 빠르다는 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, referring to FIG. 8 and the like, the capillary pressure ( p c ) of SGL29BC with a contact angle ( θ c ) of 150° increases more rapidly compared to 20PVDF-SSMPL with a contact angle ( θ c ) of 135.7° as the water saturation increases. , it was confirmed that 20PVDF-SSMPL had a faster water removal rate than SGL29BC.

분극 특성 조사를 위하여 각각 실시예 및 비교예에 따른 20PVDF-SSMPL 및 SGL29BC를 각각 가진 PEMFC를 제작하고, 분극 테크닉을 이용하여 성능을 측정하여 도 9에서 도시하였다. In order to investigate the polarization characteristics, PEMFCs each having 20PVDF-SSMPL and SGL29BC according to Examples and Comparative Examples, respectively, were fabricated, and performance was measured using a polarization technique, which is shown in FIG. 9 .

도 9 (a)는 20PVDF-SSMPL의 탄소 양이 다른 PEMFC의 분극 거동을 나타내며, 도 9 (a)에서 나타난 바와 같이, 0.93 mgC -2에서 SSMPL은 전체 전류 밀도 영역에서 가장 낮은 성능을 나타내며, 다소 두꺼운 1.45 mgC-2에서는 심각한 질량 이동 제한 없이 PEMFC 성능을 크게 향상시키는 것을 확인하였다. SSMPL의 탄소 함량이 추가적으로 증가함에 따라, 2.81 mgC-2에서 성능은 최대치에 도달했다. 그러나, 4.22 mgC-2에서 과잉 탄소는 PEMFC 성능 향상에 유리하지 않았으며, 전류 거동 제한과 함께 더 높은 과전위를 초래했다. Figure 9 (a) shows the polarization behavior of PEMFCs with different carbon amounts of 20PVDF-SSMPL, and as shown in Figure 9 (a), SSMPL at 0.93 mg C cm -2 shows the lowest performance in the entire current density region. , it was confirmed that the slightly thicker 1.45 mg C cm -2 significantly improved the PEMFC performance without severe mass transfer limitation. As the carbon content of SSMPL further increased, the performance reached a maximum at 2.81 mg C cm -2 . However, the excess carbon at 4.22 mg C cm -2 was not favorable for improving PEMFC performance, resulting in higher overpotentials with current behavior limitation.

해당 결과를 참조하면, 매우 얇은 MPL의 경우 캐소드가 쉽게 잠기는 반면, 매우 두꺼운 MPL의 경우 중간 전류 및 고전류 밀도에서 3D 다공성 금속 폼으로부터의 물 배수 및 카운터 산소 흐름을 방해한다는 것을 시사한다. Referring to the corresponding results, it is suggested that for very thin MPLs, the cathode is easily submerged, whereas for very thick MPLs, it interferes with water drainage and counter oxygen flow from the 3D porous metal foam at medium current and high current densities.

한편, MPL(2.81 mgC-2)에서 서로 다른 PVDF 함량을 가진 PEMFC를 사용하여 얻은 분극 곡선을 도 9 (b)에서 도시하였다. 도 9 (b)를 참조하면 PVDF 10 < 30 < 20 wt% 순서로 증가하였으며, 20PVDF-SSMPL이 연료전지 작동 중 비가역 손실이 최소화됨을 나타낸다. Meanwhile, polarization curves obtained using PEMFCs with different PVDF contents in MPL (2.81 mg C cm −2 ) are shown in FIG. 9(b). Referring to FIG. 9(b), PVDF increased in the order of 10 < 30 < 20 wt%, indicating that 20PVDF-SSMPL minimized irreversible loss during fuel cell operation.

상술한 바와 같이, 접촉각은 SSMPL의 PVDF 함량과 관련이 있고, 최적의 소수성 바인더가 반응물 및 생성물 흐름에 대한 기공 사이즈 및 소수성(Hydrophobicity)을 포함하는 기공 특성을 제어하여 PEMFC 성능을 촉진하게 된다는 점을 확인할 수 있었다. As mentioned above, the contact angle is related to the PVDF content of SSMPL, and an optimal hydrophobic binder promotes PEMFC performance by controlling pore properties including pore size and hydrophobicity for reactant and product flows. could check

도 9 (c)는 SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL의 분극 곡선을 나타낸다. 이들 성능은 1.0 A ㎝-2까지 거의 동일했으며, 분극 거동이 물질 전달 효과로 인해 상당히 복잡해진다고 여겨지는 > 1.0 A ㎝-2 에서, 그 성능 차이는 전류 밀도가 증가함에 따라 더 커진다. 이는 자체 제작된 20PVDF-SSMPL이 앞선 도 8에서 제시된 바와 같이, 두 MPL 모두에서 물 포화도에 대한 결과와 양적으로 일치하는 SGL29BC와 비교할 때, 높은 전류 밀도에서 물 제거를 용이하게 할 수 있음을 의미한다. Fig. 9(c) shows the polarization curves of SGL29BC and 20PVDF-SSMPL. These performances were nearly identical up to 1.0 A cm -2 , and at >1.0 A cm -2 , where the polarization behavior is considered to be significantly complicated due to mass transfer effects, the performance difference becomes larger with increasing current density. This means that the self-fabricated 20PVDF-SSMPL can facilitate water removal at high current densities when compared to SGL29BC, which is quantitatively consistent with the results for water saturation in both MPLs, as shown in Fig. 8 above. .

한편, 언급한 바와 같이, PEMFC의 성능은 반응속도론적, 오믹적(ohmic) 및 농도 과전위를 포함하는 비가역적 손실에 의해 결정된다. ELS 기술은 절연성 및 캐패시터적 거동, 전하 전달 및 물질 전달을 포함하는 전극 공정이 상이한 릴랙스(relaxation) 시간으로 고유한 임피던스 반응을 나타내기 때문에, PEMFC에서 발생하는 전기화학적 공정을 구별하는데 유용한 특성화 방법이다. 그러나, 각 프로세스가 간섭을 받아 역 주파수의 시간척도에서 결합된 임피던스 동작이 발생할 수 있다. On the other hand, as mentioned, the performance of PEMFC is determined by kinetic, ohmic and irreversible losses including concentration overpotential. The ELS technique is a useful characterization method for differentiating the electrochemical processes occurring in PEMFCs because electrode processes, including dielectric and capacitive behavior, charge transfer, and mass transfer, exhibit intrinsic impedance responses with different relaxation times. . However, each process can be interfered with, resulting in a combined impedance operation on a timescale of inverse frequency.

개별 분극 손실을 명확하게 구별하기 위해, 0.2 A ㎝-2에서 실험적으로 측정된 각 나이퀴스트(Nyquist) 플롯은 이전 연구에서 사용되 집중 등가 회로 모델에 적합하였고, i) 전체 분극 거동에 대한 애노딕(anodic) 기여도 무시할 정도로 작으며, ii) ORR에 사용할 수 있는 교환 전류 밀도 Pt 표면 가용성은 낮은 전류 밀도에서도 일정하다고 가정하였다. In order to clearly distinguish the individual polarization losses, each Nyquist plot experimentally measured at 0.2 A cm -2 was fit to the concentrated equivalent circuit model used in the previous study, i) the overall polarization behavior. The anodic contribution is also negligibly small, and ii) the exchange current density available for ORR Pt surface availability was assumed to be constant even at low current densities.

이러한 실험적 EIS 조건은 고전류 밀도 영역에서 CL의 물 축적과 관련된 산소 확산 제약 조건이 산소 플럭스(flux) 및 이오노머 수화에 의해 영향을 받는 CL 전체에서 ORR에 대한 반응속도론적으로 지배받는 타펠 기울기(Tafel slope) 및 유효 Pt 표면적을 상당히 변경할 수 있다는 점에서 합리적이다. These experimental EIS conditions show that in the high current density region, the oxygen diffusion constraint associated with water accumulation in the CL is kinetically governed by the Tafel slope for ORR across the CL, where it is affected by oxygen flux and ionomer hydration. ) and effective Pt surface area can be significantly altered.

도 11 (a)는 20PVDF-SSMPL의 전체 임피던스 거동을 고주파 저항 RHF, CL에서의 양성자(H+) 저항 RH+, 전하 전달 저항 RCT, 물질 전달 저항 RMT의 네가지 개별 저항으로 분리하는 방법을 나타낸다. 그래픽 분석의 상세 절차는 Yi et al. 등에서 개시된다. Fig. 11 (a) is a method of isolating the overall impedance behavior of 20PVDF-SSMPL into four individual resistances: high-frequency resistance R HF , proton (H + ) resistance at CL R H+ , charge transfer resistance R CT , and mass transfer resistance R MT . indicates Detailed procedures for graphical analysis are described in Yi et al. initiated, etc.

도 11 (b)는 이론적 모델에 적합한 나이퀴스트 플롯(도 10 참조)을 사용하여 탄소 양이 다른 SSMPL의 4가지 저항을 각각 나타낸다. 도 9 (a)의 분극 곡선으로부터 예상한 바와 같이, 0.93 mgC-2의 SSMPL은 SSMPL 중 각 저항 값이 가장 높았으며, 특히 4개의 분극 저항 사이에서 가장 높았다. 이는 비-반응성 영역(주로 MPL)을 통한 산소 확산 저항이 매우 커서, 결과적으로 캐소드의 심각한 물 포화 때문에 촉매와 전해질 사이의 계면에서 전하 전달 속도가 낮아짐을 의미한다. 그러나, 0.93 mgC-2의 SSMPL과 달리, ≥ 1.45 mgC-2의 SSMPL 3개는 Rct > Rmt > RHF > RH+ 의 일반적인 순서로 분극 저항을 제공하며, 이는 수화된 멤브레인 또는 이오노머와 접촉하는 Pt 표면 반응이 0.2 A ㎝-2의 주어진 전류 밀도에서 가장 느린 단계임을 나타낸다. Rct 및 Rmt의 값은 SSMPL에서 탄소 양이 증가함에 따라 감소하고, 4.22 mgC-2에서 상승하여, 2.81 mgC-2에서 SSMPL이 캐소드에서 상대적으로 작은 산소 구배를 가짐을 나타낸다. Fig. 11 (b) shows the four resistances of SSMPL with different carbon amounts, respectively, using the Nyquist plot (see Fig. 10) suitable for the theoretical model. As expected from the polarization curve of FIG. 9(a), the SSMPL of 0.93 mg C cm -2 had the highest value of each resistance among SSMPLs, especially among the four polarization resistances. This means that the oxygen diffusion resistance through the non-reactive region (mainly MPL) is very high, resulting in a lower rate of charge transfer at the interface between the catalyst and the electrolyte due to severe water saturation in the cathode. However, unlike SSMPL at 0.93 mg C cm -2 , three SSMPLs at ≥ 1.45 mg C cm -2 provide polarization resistance in the general order of R ct > R mt > R HF > R H+ , which is a hydrated membrane or that the Pt surface reaction in contact with the ionomer is the slowest step at a given current density of 0.2 A cm -2 . The values of R ct and R mt decrease with increasing carbon content in SSMPL and rise at 4.22 mg C cm -2 , indicating that SSMPL at 2.81 mg C cm -2 has a relatively small oxygen gradient at the cathode.

유사하게, 실험적으로 얻은 PVDF 함량이 다른 PEMFCs의 나이퀴스트 플롯(도 10 (b) 참조)을 그래픽 방법을 사용하여 분석하고, 도 11 (c)에서 나타냈다. 모든 값은 거의 같았으며, 다른 PVDF 함량(2.81 mgc ㎝-2)의 PEMFCs는 현저한 양성자 전도율을 나타내지 않았다. 그러나, 각 캐소드의 물 분포는 주로 습윤성 및 기공 형상과 같은 서로 다른 기공 특성에 기인하는 것으로 보인다. 특히, RH+의 감소 추세는 CL의 더 높은 물 함량과 관련이 있으며, 양성자 운반자로서 H3O+ 이온의 이동에 유리하다. 그러나, 10PVDF-SSMPL을 사용하는 PEMFC의 더 높은 Rmt에서 더 많은 물이 MPL에서 포화된 것으로 추정되고, CL로의 산소 전달이 상대적으로 저조했다. 대조적으로 30PVDF-SSMPL의 상대적으로 높은 한계 압력 때문에 SSMPL에서 과도한 소수성 바인더가 CL에서 MPL로의 물 배수를 억제했다고 추론했다. 따라서, 20PVDF-SSMPL은 캐소드에서 CL과 MPL 사이의 적절한 수분 밸런싱을 달성하여 CL 활용을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 20PVDF-SSMPL을 SGL29BC와 비교할 때, 전체 분극 저항은 유사하였으나(도 10 (c)), 각 저항은 약간 달랐다. Rct를 제외하고, 20PVDF-SSMPL의 RHF, RH+ 및 Rmt의 값은 SGL29BC의 값보다 약간 높았으며, 20PVDF-SSMPL의 수분 함량은 다소 높았지만 계면 산소 반응속도는 상대적으로 빨랐으며, 아마도 CL의 수분 포화도가 적기 때문일 것으로 생각되었다. Similarly, the experimentally obtained Nyquist plots of PEMFCs with different PVDF contents (see Fig. 10(b)) were analyzed using a graphical method and shown in Fig. 11(c). All values were almost the same, and PEMFCs of different PVDF contents (2.81 mgc cm -2 ) did not show significant proton conductivity. However, it appears that the water distribution of each cathode is mainly due to the different pore properties such as wettability and pore shape. In particular, the decreasing trend of R H+ is related to the higher water content of CL, which favors the movement of H 3 O + ions as proton carriers. However, at the higher R mt of the PEMFC using 10PVDF-SSMPL, more water was assumed to be saturated in the MPL, and oxygen transfer to the CL was relatively poor. In contrast, due to the relatively high limiting pressure of 30PVDF-SSMPL, we inferred that excessive hydrophobic binders in SSMPL inhibited water drainage from CL to MPL. Therefore, it was confirmed that 20PVDF-SSMPL could improve CL utilization by achieving proper moisture balancing between CL and MPL at the cathode. When 20PVDF-SSMPL was compared with SGL29BC, the overall polarization resistance was similar (Fig. 10(c)), but each resistance was slightly different. Except for R ct , the values of R HF , R H+ and R mt of 20PVDF-SSMPL were slightly higher than those of SGL29BC, while the water content of 20PVDF-SSMPL was somewhat higher, but the interfacial oxygen reaction rate was relatively fast, possibly This was thought to be due to the low water saturation of CL.

실험 및 이론적 EIS 분석이 주로 반응속도 및 오믹저항에 지배받는 저전류 밀도에서 개별 전기화학 공정에 대한 명확한 이해를 제공했더라도, 농도-지배 영역에서 다른 GDL을 가진 캐소드의 멀티스케일 기공 내 산소 확산 저항을 추정하는 데 유용할 것이다. 확산 영역에서 산소 저항을 명확하게 구분하기 위해, 단계 별로 다음 절차를 수행하였다. 먼저, SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL을 가진 PEMFCs를 사용하여 서로 다른 캐소드 배압 하에서 다양한 산소 분압에서 제한 전류를 측정하였다(도 12 (a) 참조). 다음으로, 캐소드의 총 산소 저항 Rtot는 패러데이 법칙 및 이상 기체 법칙을 사용하여 캐소드의 일정한 총 압력에서 전류 및 산소 분압을 제한 평면에서 계산되었다(도 12 (b) 참조). Although experimental and theoretical EIS analyzes have provided a clear understanding of individual electrochemical processes at low current densities, which are mainly governed by kinetics and ohmic resistance, oxygen diffusion resistances in multiscale pores of cathodes with different GDLs in the concentration-dominant region. will be useful for estimating In order to clearly distinguish the oxygen resistance in the diffusion region, the following procedure was performed step by step. First, limiting currents were measured at various oxygen partial pressures under different cathode backpressures using PEMFCs with SGL29BC and 20PVDF-SSMPL (see Fig. 12(a)). Next, the total oxygen resistance R tot of the cathode was calculated in the plane limiting the current and oxygen partial pressure at a constant total pressure of the cathode using Faraday's law and ideal gas law (see Fig. 12(b)).

Figure pat00001
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여기서, F, R, 및 T는 패러데이 상수(= 96,485 C mol-1), 기체 상수 및 온도(in Kelvin)이다. 그 다음, 다양한 총 캐소드 압력에서의 값은 다음과 같이 단순화된 스테판-맥스웰(Stefan-Maxwell) 방정식을 기반으로 분자 확산 저항의 기울기 및 비-분자 확산 저항의 y-절편으로 선형적으로 근사화될 수 있다. where F, R, and T are Faraday's constant (= 96,485 C mol -1 ), gas constant, and temperature (in Kelvin). Then, the values at various total cathode pressures can be approximated linearly with the slope of the molecular diffusion resistance and the y-intercept of the non-molecular diffusion resistance based on the simplified Stefan-Maxwell equation as have.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, RMD,P, RMD,0, 및 Rext는 각각 압력-의존 분자 산소 확산 저항, 압력-독립 분자 산소 확산 저항, 및 추가 산소 확산 저항을 각각 나타낸다. 마지막으로, RMD와 Rnon-MD는 Rtot과 P 사이의 선형 관계를 사용하여 결정되었다. 도 13은 다양한 P에서 SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL을 사용하는 PEMFCs의 Rtot 값을 나타내며, 이는 전체 산소 확산 저항이 캐소드의 총 압력에 선형적으로 의존함을 나타낸다. SGL29BC는 Rtot가 101.3 kPa에서 20PVDF-SSMPL보다 더 높으며, P가 증가할수록 그 차이가 더 커진다. where R MD,P , R MD,0 , and R ext represent pressure-dependent molecular oxygen diffusion resistance, pressure-independent molecular oxygen diffusion resistance, and additional oxygen diffusion resistance, respectively. Finally, R MD and R non-MD were determined using the linear relationship between R tot and P . Figure 13 shows the R tot values of PEMFCs using SGL29BC and 20PVDF-SSMPL at various P values, indicating that the total oxygen diffusion resistance is linearly dependent on the total pressure of the cathode. SGL29BC has a higher R tot than 20PVDF-SSMPL at 101.3 kPa, and the difference becomes larger as P increases.

이는 SGL29BC를 채택한 PEMFC의 고 전류 밀도 영역에서 상대적으로 낮은 성능과 관련이 있다. 위의 4 단계 절차에 따라, SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL을 채용한 PEMFCs의 RMD 및 Rnon-MD를 추정하였다. 도 13에서 알 수 있듯이, SGL29BC를 가진 PEMFC의 RMD 크기는 상대적으로 높았으며(약 1.14 배), 한편, Rnon-MD는 20PVDF-SSMPL보다 약 2.36배 높았다. 일반적으로 > dp = 50 ㎚ 에서의 분자 확산은 주로 GDL(MPL 포함) 및 GFF에서 나타나는 반면, 10 < dp < 50 ㎚에서 누센 확산(Knudsen diffusion), < dp = 10 ㎚에서 박막 확산은 주로 CL에서 관찰된다. This is related to the relatively low performance in the high current density region of the PEMFC adopting the SGL29BC. According to the above four-step procedure, the R MD and R non-MD of PEMFCs employing SGL29BC and 20PVDF-SSMPL were estimated. 13, the R MD size of PEMFC with SGL29BC was relatively high (about 1.14 times), while R non-MD was about 2.36 times higher than that of 20PVDF-SSMPL. In general, molecular diffusion at > d p = 50 nm mainly occurs in GDL (including MPL) and GFF, whereas Knudsen diffusion at 10 < d p < 50 nm and thin film diffusion at < d p = 10 nm is It is mainly observed in CL.

따라서, SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL 사이의 작은 차이에서 RMD는 높은 전류 밀도에서도 두 GDL에서 유의한 물 축적을 나타내지 않는 반면, SGL29BC를 사용하는 PEMFC의 CL에서는 상당히 큰 Rnon-MD의 결과로서 심각한 물 포화가 발생한다. 또한, 비-분자 확산 공정 사이의 누센 확산이 현저하게 작은 것으로 간주된다. 이는 몇 가지 이유에 의해 설명될 수 있다. i) 누센 확산 계수는 공기가 공급되는 일정한 온도에서 기공 직경의 유일한 함수이며, ii) 동일한 조건 하에서 제조된 촉매-코팅 멤브레인이 두 개의 다른 GDL을 가진 PEMFC에 적용되었고, iii) 두 PEMFC는 제한 전류가 명확하게 관찰된 상대적으로 중간 정도의 전류 밀도로 인해 심각한 물 넘침 없이 구동되는 것으로 간주되어, 누센 확산에 의해 제어되는 기공에서의 눈에 띄는 변화가 없으며, iv) 박막 확산에는 누센 확산보다 2 ~ 3배 느리다고 보고되는 이오노머를 통한 산소 흡착/용해/탈착과 Pt 촉매 표면의 다양한 배리어층을 통한 기타 확산과 같은 복잡한 다단계 공정이 포함될 수 있다. 따라서, 20PVDF-SSMPL은 CL의 수분 포화도를 감소시켜(또는 MPL을 통한 빠른 수분 제거), 결과적으로 EIS 분석에서 더 작은 Rct에 해당하는 CL에서 얇은 이오노머로 덮힌 Pt 촉매 표면의 더 높은 산소 농도를 발생시킨다고 판단되었다. Therefore, in the small difference between SGL29BC and 20PVDF-SSMPL, R MD does not show significant water accumulation in both GDLs even at high current densities, whereas in the CL of PEMFCs using SGL29BC, severe water as a result of significantly larger R non-MD . saturation occurs. Also, the Nussen diffusion between non-molecular diffusion processes is considered to be remarkably small. This can be explained by several reasons. i) Nussen diffusion coefficient is the only function of pore diameter at constant temperature supplied with air, ii) catalyst-coated membranes prepared under the same conditions were applied to PEMFCs with two different GDLs, iii) both PEMFCs have limited current is considered to be driven without significant water overflow due to the clearly observed relatively moderate current density, so there is no appreciable change in pores controlled by Nussen diffusion, iv) thin film diffusion is Complex multi-step processes such as oxygen adsorption/dissolution/desorption via ionomers, which are reported to be three times slower, and other diffusion through various barrier layers on the Pt catalyst surface may be involved. Therefore, 20PVDF-SSMPL reduced the water saturation of CL (or faster water removal through MPL), resulting in higher oxygen concentration of the thin ionomer-covered Pt catalyst surface in CL corresponding to a smaller R ct in EIS analysis. was judged to occur.

결과적으로, SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL의 표면 형태, 내부 구조 및 습윤성이 SEM 분석 및 접촉각 측정을 통해 탄소 재료 및 소수성 바인더에 의해 결정되었으며, 이러한 MPL 특성을 캐소드의 물 관리 측면에서 분극 저항 및 산소 확산 과정과 상관관계가 있음을 입증하였다. 그러나, 표면 토폴로지 및 소수성 바인더와 결합된 탄소 응집체와 같은 보다 정교한 미세구조는 캐소드에서의 반응물 및 생성물 흐름을 포함한 전기화학 공정에 대한 더 많은 통찰력을 제공한다. 이러한 시야를 얻기 위해, AFM을 사용하여 SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL을 특성화하였다. 도 14 (a) 및 (d)는 서로 다른 두 GDL의 3D 표면 프로파일을 나타낸다. 도 14 (a)-(d)에서 볼 수 있듯이, SGL29BC에서 보다 길고 복잡한(tortuous) 표면 거칠기(피크와 밸리 사이의 높이 차이가 최대 1.87배 더 큼)가 분명하게 나타났으며, 20PVDF-SSMPL은 상대적으로 매끄러운 표면 및 다공성 구조를 나타내었다. Consequently, the surface morphology, internal structure and wettability of SGL29BC and 20PVDF-SSMPL were determined by the carbon material and hydrophobic binder through SEM analysis and contact angle measurement, and these MPL properties were analyzed in terms of the water management of the cathode and the polarization resistance and oxygen diffusion process. has been shown to be correlated with However, more sophisticated microstructures such as surface topology and carbon aggregates bound with hydrophobic binders provide more insight into electrochemical processes including reactant and product flows at the cathode. To obtain these fields of view, SGL29BC and 20PVDF-SSMPL were characterized using AFM. 14 (a) and (d) show the 3D surface profiles of two different GDLs. 14(a)-(d), a longer and tortuous surface roughness (up to 1.87 times greater height difference between peak and valley) was evident in SGL29BC, and 20PVDF-SSMPL It showed a relatively smooth surface and a porous structure.

이러한 결과는 표면 거칠기가 용매 및 첨가제의 증발 속도, 바인더 특성, 탄소 슬러리가 부분적으로 거대 공극으로 침투할 수 있도록 하는 거대 다공성 탄소 기질의 존재(또는 부존재)에 의해 제어되었음을 확인하는 것이다. 흥미롭게도 도 3 및 14에서 나타나는 SEM 및 2D 토폴로지 이미지로부터 20PVDF-SSMPL에서 탄소 응집체와 상호 연결된 MWCNTs는 철근 콘크리트와 같은 구조에서 철골 역할을 하여 작은 탄소 응집체 주위에 상대적으로 큰 기공을 형성하는 것으로 판단된다. These results confirm that the surface roughness was controlled by the evaporation rate of the solvent and additives, the binder properties, and the presence (or absence) of the macroporous carbon matrix allowing the carbon slurry to partially penetrate into the macropores. Interestingly, from the SEM and 2D topological images shown in Figs. 3 and 14, it is judged that MWCNTs interconnected with carbon aggregates in 20PVDF-SSMPL act as steel frames in reinforced concrete-like structures, forming relatively large pores around small carbon aggregates. .

또한, 접착력 맵핑(mapping) 이미지로부터 SEM을 사용하여 볼 수 없었던 탄소 응집체 사이의 소수성 결합제의 분포를 성공적으로 관찰하였다. 도 14 (c) 및 (f)에서 볼 수 있는 바와 같이, 밝은 부분(spots)은 소수성 폴리머 바인더와 같은 더 부드러운 물질들을 포함하고 있다. 도 14 (c)에서 SGL29BC는 뚜렷한 경계 없이 산란된 소수성 바인더의 큰(흰색 원 참조), 중간(녹색 원 참조), 작은 응집체를 나타내고, i) CB에 로딩된 MPL에 응집된 PTFE 입자가 열처리 동안 용융되고 응집되는 것, ii) MPL에 분산된 PTFE 입자가 열에 의해 용융되었지만, 넓게 퍼지지 않아, 눈이 내린 산처럼 MPL 내에 상대적으로 큰 바인더 응집체들이 생겼다. 반대로, NMP에 용해된 PVDF가 탄소 입자와 응집체 주위를 자유롭게 이동했기 때문에, 비교적 큰 부분(녹색 원 참조)으로 다소 발견되기는 하지만, 크기가 다른 폴리머-함침된 수많은 탄소 응집체가 20PVDF-SSMPL에서 발견되었다. In addition, we successfully observed the distribution of hydrophobic binders between carbon aggregates, which could not be seen using SEM from adhesion mapping images. As can be seen in FIGS. 14(c) and 14(f), the spots contain softer materials such as hydrophobic polymeric binders. In Fig. 14(c), SGL29BC shows large (see white circles), medium (see green circles), and small aggregates of hydrophobic binders scattered without distinct boundaries, i) PTFE particles agglomerated in MPL loaded on CB during heat treatment. melting and agglomeration, ii) PTFE particles dispersed in the MPL were melted by heat, but did not spread widely, resulting in relatively large binder agglomerates in the MPL like snow mountain. Conversely, since PVDF dissolved in NMP moved freely around carbon particles and aggregates, numerous polymer-impregnated carbon aggregates of different sizes were found in 20PVDF-SSMPL, although somewhat found as relatively large fractions (see green circles). .

SGL29BC 및 20PVDF-SSMPL에서 눈에 띄게 다른 미세구조 및 바인더 분포는 CL을 오가는 기체상 산소 확산 및 액체상 수분 흐름과 현저하게 관련된다. MPL의 탄소 응집체 내부의 작은 기공들은 기체상 산소 확산에 사용할 수 있는 반면, MPL의 탄소 응집체 사이의 더 큰 기공은 주로 모세관-구동 물 흐름에 사용된다. The markedly different microstructure and binder distribution in SGL29BC and 20PVDF-SSMPL are significantly related to gaseous oxygen diffusion and liquid water flow to and from the CL. The small pores inside the carbon agglomerates of MPL are available for gaseous oxygen diffusion, whereas the larger pores between the carbon agglomerates of MPL are mainly used for capillary-driven water flow.

게다가 기공 습윤성에 영향을 받듯이, 친수성 탄소와 소수성 폴리머로 구성된 복합체 표면의 접촉각은 MPL을 통한 물 수송과 기공 형상에 영향을 준다. 따라서, PTFE와 불균일하게 결합된 더 큰 탄소 응집체를 가진 SGL29BC는 물 수송을 위한 작은 미세기공을 제공하는 반면, PVDF로 균일하게 함침된 탄소 응집체 사이에 상대적으로 더 큰 미세기공을 포함하는 20PVDF-SSMPL은 개별 미세기공을 통한 물 배수를 용이하게 한다. 또한, SGL29BC의 PTFE가 없는 몇몇 지점(파란 원 참조)은 도 14 (c)에서 명확히 관찰되었는데, 이는 MPL 내부와 CL 및 MPL 사이의 계면에서 국지적인 수분 고임현상(pooling)이 발생할 수 있음을 나타내며, 이에 따라 CL로 향하는 산소 확산 경로를 감소시킨다는 것을 확인하였다.Moreover, as affected by pore wettability, the contact angle of the composite surface composed of hydrophilic carbon and hydrophobic polymer affects water transport through MPL and pore shape. Thus, SGL29BC with larger carbon agglomerates heterogeneously bound with PTFE provides small micropores for water transport, while 20PVDF-SSMPL containing relatively larger micropores between carbon agglomerates uniformly impregnated with PVDF. facilitates drainage of water through individual micropores. In addition, several points without PTFE of SGL29BC (see blue circles) were clearly observed in Fig. 14(c), indicating that local water pooling may occur inside the MPL and at the interface between CL and MPL. , thus reducing the oxygen diffusion path towards CL.

이 연구에서 다양한 GDL을 사용하여 얻은 실험적 및 이론적 결과를 바탕으로 소수성 MPL을 통한 물 수송 메커니즘을 제안할 수 있다: PTFE-결합 MPL 및 PVDF-결합 MPL. 도 15는 최적의 PTFE 또는 PVDF 함량으로 결합된 두 개의 MPL을 보여준다. Based on the experimental and theoretical results obtained using various GDLs in this study, we can propose a water transport mechanism through hydrophobic MPL: PTFE-bound MPL and PVDF-bound MPL. Figure 15 shows two MPLs bonded with optimal PTFE or PVDF content.

PTFE-결합 MPL은 산란된 PTFE의 거친 조각과 부분적으로 결합된 더 큰 탄소 응집체로 구성되며, 반면, PVDF-결합 MPL에서는 얇고 매끄러운 PVDF 필름으로 균일하게 함침된 더 작은 탄소 응집체가 발견된다. PTFE-bonded MPL consists of larger carbon agglomerates partially bonded with coarse fragments of scattered PTFE, whereas smaller carbon agglomerates are found in PVDF-bonded MPL that are uniformly impregnated with a thin, smooth PVDF film.

PTFE-결합 MPL은 탄소 응집체 사이에 더 작은 기공을 나타내어 CL/MPL의 소수성 계면에서 물 흐름을 시작하고 내부의 기공을 따라 액체인 물을 수송하기 위한 높은 한계 압력이 발생하는 반면, PVDF-결합 MPL에서 모세관-구동 물 흐름을 위해 탄소 응집체 사이의 더 크고 많은 기공을 사용할 수 있어 CL/MPL 계면 및 기공 내 한계 압력을 낮춘다. PTFE-bonded MPL exhibits smaller pores between the carbon aggregates, which initiates water flow at the hydrophobic interface of CL/MPL and creates a high limiting pressure to transport liquid water along the pores inside, whereas PVDF-bonded MPL Larger and more pores between carbon aggregates can be used for capillary-driven water flow in the CL/MPL interface, lowering the limiting pressure within the pores.

또한, PTFE-결합 MPL의 구조적 특징은 물이 탄소 응집체에서 소수성 폴리머와 결합되지 않은 탄소 입자를 집중적으로 공격하여 MPL 내부에서 바인더 재분배 및 추가적인 구조 붕괴를 초래하기 때문에, 높은 곳에서 기공을 따라 흐르는 물에 의해 침식되기 쉽다고 간주된다. 그러나, PVDF-결합 MPL은 i) 더 작고, ii) 탄소 응집체에 폴리머 필름의 균일한 함침, 및 iii) 3차원 산사태(landslide) 보호망과 같은 바인더 결합된 분산된 MWCNT 때문에, 확장된 연료전지 구동에 더 구조적으로 견고하다고 여겨진다. In addition, the structural features of PTFE-bonded MPL are due to the fact that water intensively attacks the unbonded carbon particles with the hydrophobic polymer in the carbon agglomerates, resulting in binder redistribution and further structural collapse inside the MPL. considered to be susceptible to erosion by However, PVDF-bonded MPL is not suitable for extended fuel cell operation because of i) smaller, ii) uniform impregnation of the polymer film into the carbon aggregates, and iii) binder-bonded dispersed MWCNTs such as three-dimensional landslide guard nets. It is considered to be more structurally robust.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.In the foregoing, specific embodiments of the present invention have been described and illustrated, but it is common knowledge in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Accordingly, such modifications or variations should not be individually understood from the technical spirit or point of view of the present invention, and modified embodiments should be said to belong to the claims of the present invention.

Claims (14)

연료전지의 반응기체를 촉매 층으로 이동시키고 생성된 물을 외부로 배출시키는 기체확산층으로서,
플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride); 및 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube) 복합체; 를 포함하는 미세기공 구조의, 자가지지형(self-supported) 기체확산층.
As a gas diffusion layer for moving the reactive gas of the fuel cell to the catalyst layer and discharging the generated water to the outside,
Polyvinylidene fluoride; and acetylene black-multi-walled carbon nanotube composites; A micropore structure comprising a, self-supported gas diffusion layer.
제 1 항에 있어서,
상기 플루오르화 폴리비닐리덴은 기체확산층 전체 중량을 기준으로, 15 내지 25 중량%로 포함되는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층.
The method of claim 1,
The polyvinylidene fluoride is contained in an amount of 15 to 25% by weight based on the total weight of the gas diffusion layer, a self-supported gas diffusion layer.
제 1 항에 있어서,
상기 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체는 아세틸렌 블랙 90 내지 100 중량부 대 다중벽 탄소 나노튜브 1 내지 10 중량부가 혼합되어 형성된 것인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층.
The method of claim 1,
Wherein the acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite is formed by mixing 90 to 100 parts by weight of acetylene black to 1 to 10 parts by weight of multi-walled carbon nanotubes.
제 1 항에 있어서,
상기 기체확산층은 40 내지 80 ㎛ 범위의 두께를 가진 단일 시트(Sheet) 형태인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer is a single sheet (Sheet) form having a thickness in the range of 40 to 80 ㎛, self-supported (self-supported) gas diffusion layer.
제 1 항에 있어서,
상기 기체확산층은 네트워크 구조(network structure)를 가지는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer has a network structure, a self-supported gas diffusion layer.
제 1 항에 있어서,
상기 기체확산층의 물에 대한 접촉각(θ c)은 130 내지 140°인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층.
The method of claim 1,
A contact angle of the gas diffusion layer with respect to water ( θ c ) is 130 to 140°, a self-supported gas diffusion layer.
제 1 항의 기체확산층을 포함하는 연료전지용 전극(electrode).An electrode for a fuel cell comprising the gas diffusion layer of claim 1 . 제 1 항의 기체확산층을 포함하는 연료전지용 막전극조립체.A membrane electrode assembly for a fuel cell comprising the gas diffusion layer of claim 1. 제 1 항의 기체확산층을 포함하는 고분자 전해질 연료전지.A polymer electrolyte fuel cell comprising the gas diffusion layer of claim 1. 연료전지의 전극을 구성하는 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법으로서,
a) 플루오르화 폴리비닐리덴을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 아세톤(Acetone) 중 선택되는 1종 이상의 용매에 분산시켜 에멀젼을 형성하는 단계;
b) 아세틸렌 블랙 및 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합하여 아세틸렌 블랙-다중벽 탄소 나노튜브 복합체를 제조하는 단계;
c) 상기 a 단계에서 얻은 에멀젼과 b 단계에서 얻은 복합체를 혼합하고 균질화하여 슬러리(slurry)를 제조하는 단계; 및
d) 상기 c 단계에서 얻어진 슬러리를 금속 호일 상에 코팅 및 건조시킨 다음, 압연 및 금속 호일 제거를 수행하는 단계; 를 포함하는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법.
A method for manufacturing a self-supported gas diffusion layer constituting an electrode of a fuel cell, comprising:
a) at least one solvent selected from among N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) and acetone (Acetone) for polyvinylidene fluoride dispersing in to form an emulsion;
b) mixing acetylene black and multi-walled carbon nanotubes to prepare an acetylene black-multi-walled carbon nanotube composite;
c) preparing a slurry by mixing and homogenizing the emulsion obtained in step a and the complex obtained in step b; and
d) coating and drying the slurry obtained in step c on a metal foil, followed by rolling and removing the metal foil; A method of manufacturing a self-supported gas diffusion layer comprising a.
제 10 항에 있어서,
상기 a 단계에서 플루오르화 폴리비닐리덴은 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매 내에 3 내지 7 중량%가 되도록 유화(emulsified)시키는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법.
11. The method of claim 10,
In step a, the polyvinylidene fluoride is emulsified in an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent in an amount of 3 to 7% by weight, a method for producing a self-supported gas diffusion layer .
제 10 항에 있어서,
상기 b 단계에서 아세틸렌 블랙 및 다중벽 탄소 나노튜브는 90 내지 100 중량부 대 1 내지 10 중량부 비로 혼합되는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법.
11. The method of claim 10,
In step b, acetylene black and multi-walled carbon nanotubes are mixed in a ratio of 90 to 100 parts by weight to 1 to 10 parts by weight, a method for producing a self-supported gas diffusion layer.
제 10 항에 있어서,
상기 c 단계에서 제조되는 슬러리는 점도가 1000 내지 5000 mPa·s 범위인, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The slurry prepared in step c has a viscosity in the range of 1000 to 5000 mPa·s, a method for producing a self-supported gas diffusion layer.
제 10 항에 있어서,
상기 d 단계는 슬러리를 금속 호일(foil) 상에 코팅하고, 70 내지 90 ℃ 온도 범위 내에서 건조시킨 다음, 압연 후 물 또는 염기 용액 속에서 금속 호일(foil)을 제거하여 수행되는, 자가지지형(self-supported) 기체확산층의 제조방법.
11. The method of claim 10,
In step d, the slurry is coated on a metal foil, dried within a temperature range of 70 to 90° C., and after rolling, the metal foil is removed in water or a base solution. Self-supporting type A method of manufacturing a (self-supported) gas diffusion layer.
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