KR20220153523A - 나노 복합 소재를 포함하는 탄소 섬유 기재, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 기체 확산층 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 탄소 섬유 기재 제조 단계, 특히 발수성 탄소 섬유 기재 제조 단계에서 나노 복합 소재를 사용함으로써, 탄소 섬유 기재 및 기체 확산층 제조 시 탄화 공정이 필요하지 않은 저 비용 연료 전지의 기체 확산층용 탄소 섬유 기재를 제공하는 것이다. 본 발명의 한 구현예는 탄소 섬유, 바인더 및 나노 복합 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재를 제공한다.

Description

나노 복합 소재를 포함하는 탄소 섬유 기재, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 기체 확산층 및 이를 포함하는 연료 전지{CARBON FIBER SUBSTRATE COMPRISING A NANOCOMPOSITE MATERIAL, MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, A GAS DIFFUSION LAYER COMPRISING THE SAME, AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 나노 복합 소재를 포함하는 탄소 섬유 기재, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 기체 확산층 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형(polymer electrolyte membrane; PEM), 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형(solid oxide), 알칼리 수용액형 등으로 구분될 수 있다.
여기서, 고분자 전해질막 연료 전지(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.
고분자 전해질막 연료 전지는 연료로써 메탄올을 사용하는 직접 메탄올 연료전지와 연료로서 수소를 사용하는 수소연료전지 등으로 나눌 수 있다. 고분자 전해질막 연료 전지는 고분자 전해질막의 양측에 형성된 각각의 기체 확산층(gas diffusion layer; GDL) 위에 촉매가 도포된 연료극과 공기극이 접합된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)가 복수개 적층된 구조를 갖는다.
여기서, 기체 확산층은 다공질 탄소막으로 이루어진 탄소 섬유 기재에 미세다공층(microporous layer; MPL)을 코팅하여 형성한 것이다. 현재 기체 확산층을 제조하기 위해서는, 기체 확산층용 탄소 섬유 기재를 탄화 처리하고, 플루오로 수지를 이용하여 임의로 발수 처리한 발수성 탄소 섬유 기재에 미세다공층을 코팅하여 형성한다.
상기 탄화 공정에서, 유기물을 적당한 조건 하에 가열하면 열분해를 통해 무결정형 탄소로 바뀌게 된다. 일반적으로 열분해에 의해 방향족 축합고리가 생성되고, 가열 온도가 증가함에 따라 육각 탄소망 평면의 퍼짐과 겹침이 증가해가며 전기적 및 기계적 성능이 점차 증가되며, 주로 페놀 수지와 함께 탄화 공정을 진행한다.
그러나, 이러한 탄화 공정은 기체 확산층의 취성에 좋지 않은 영향을 주어, 추후 연료 전지의 셀 제작 시 압축을 견디지 못해 파단이 발생하는 원인이 된다. 또한, 탄화 공정은 1,000℃ 이상의 고온에서 진행되기 때문에, 필요한 에너지 및 비용이 증가한다.
공개특허공보 제10-2020-0076395호(2020.06.29.)
공개특허공보 제10-2019-0126623(2019.11.12.)
본 발명의 목적은, 탄소 섬유 기재 제조 단계, 특히 발수성 탄소 섬유 기재 제조 단계에서 나노 복합 소재를 사용함으로써, 탄소 섬유 기재 및 기체 확산층 제조 시 탄화 공정이 필요하지 않은 저 비용 연료 전지의 기체 확산층용 탄소 섬유 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 탄소 섬유 기재를 포함하는 연료전지용 기체 확산층을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 구현예는 탄소 섬유, 바인더 및 나노 복합 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재를 제공할 수 있다.
상기 탄소 섬유는 PAN계 섬유, Pitch계 섬유, Rayon계 섬유, PVA계 섬유, 페놀 수지계 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 바인더는 탄소 섬유 기재 100중량% 기준으로 1~20중량%로 포함되며, 폴리 비닐 알코올, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸린, 폴리에틸렌- 테레프탈레이트, 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 탄소 섬유 기재는 상기 탄소 섬유 기재의 기계 방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 탄소 섬유 기재의 수직방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가질 수 있다.
상기 나노 복합 소재는 나노 입자, 플루오로 수지 및 분산제를 포함할 수 있다.
상기 나노 입자는 싱글월 카본나노튜브, 더블월 카본나노튜브, 멀티월 카본나노튜브, 그래핀, 풀러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 나노 입자는 가로세로비가 10 이상일 수 있다.
상기 플루오로 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 플루오로 에틸린 프로필린 공중합체(FEP), 폴리플루오린화 비닐리덴(PVDF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(E-CTFE, PCTFE), 폴리프로필린랜덤공중합체(PP-R), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 테트라플루오오에틸렌-에틸렌(ETFE)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 분산제는 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제 및 양성 계면활성제로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 이상일 수 있다.
상기 나노 복합 소재는, 플루오로 수지가 나노 복합 소재 100중량% 대비 1중량% 이상 혼합되고, 나노 입자가 플루오로 수지 100중량% 대비 1중량% 이상 혼합되며, 분산제가 플루오로 수지 100중량% 대비 1중량% 이상 혼합될 수 있다.
상기 탄소 섬유 기재는 1,000℃ 이상의 온도에서 유기물을 열분해하는 탄화 공정 없이 제조될 수 있다.
본 발명의 한 구현예는, 상기 탄소 섬유 기재의 한쪽 표면 상에 형성된 미세다공층을 포함하는 연료전지용 기체 확산층을 제공할 수 있다.
상기 탄소 섬유 기재의 평균 기공 크기보다, 상기 미세다공층 내에서의 평균 기공 크기가 더 작을 수 있다.
상기 미세다공층은 탄소 분말, 분산제, 플루오로 수지 및 전도성 입자 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 미세다공층 내 플루오로 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 플루오로 에틸린 프로필린 공중합체(FEP), 폴리플루오린화 비닐라덴(PVDF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(E-CTFE, PCTFE), 폴리프로필린랜덤공중합체(PP-R), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 테트라플루오오에틸렌-에틸렌(ETFE)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 미세다공층 내 분산제는 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제 및 양성 계면활성제로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 입자는 카본 나노튜브, 카본나노파이버, 그래파이트, 그래핀, 풀러렌, 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 한 구현예는 상기 기체 확산층을 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 한 구현예는, 탄소 섬유와 바인더를 분산매 중에 분산시킨 탄소 섬유 분산물을 초지기에 공급하여 탄소 섬유 기재를 준비하는 단계; 플루오로 수지 용액과 나노 복합 소재를 혼합한 슬러리를 준비하는 단계; 및 상기 탄소 섬유 기재를 상기 슬러리에 함침하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 복합 소재 처리된 탄소 섬유 기재의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기 제조 방법은 1,000℃ 이상의 온도에서 유기물을 열분해하는 탄화 공정을 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 한 구현예는, 상기 나노 복합 소재 처리된 탄소 섬유 기재에 미세다공층을 형성하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 기체 확산층의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 현재 상용중인 탄소 섬유 기재의 열경화성 수지 기반 탄화 공정을 제거하고, 탄소 섬유 기재의 발수성 처리과정에서 플루오로 수지용액에 나노 입자를 첨가 및 분산하여 탄소 섬유 기재를 제조하는 것을 특징을 갖는다.
이러한 특징을 갖는 본 발명의 기재를 포함한 기체 확산층은 기존 탄소 섬유 기체 확산층과 비교했을 때, 제조 공정이 간단하고, 동등한 성능에 가격이 더 저렴하게 제조할 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 　
도 1은 본 발명의 개략적인 연료전지용 기체 확산층 제조과정 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 나노 복합소재의 적용 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 기체 확산층의 현미경 이미지이다.
도 4은 실시예 4와 비교예 1의 상대습도 100RH%에서의 성능평가 결과를 도시한 것이다.
본 발명의 한 구현예는 연료전지의 스택을 구성하는 기체 확산층용 탄소 섬유 기재로서, 탄소 섬유, 바인더 및 나노 복합 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재를 제공할 수 있다.
상기 탄소 섬유 기재는 해리과정후 탄소 섬유 기재에 탄화공정을 거치지 않고, 발수성 처리과정에서 탄소 섬유들 사이에 나노 입자가 위치하도록 나노 복합 소재를 사용한 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 기체 확산층용 탄소 섬유 기재 및 이를 이용한 기체 확산층의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 탄소 섬유 기재 및 이를 이용한 기체 확산층의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 2는 나노 복합소재 적용 원리를 나타낸 도면이다.
본 발명의 한 구현예에 따른 탄소 섬유 기재 및 이를 이용한 기체 확산층의 제조 방법은 탄소 섬유 기재 제조하는 단계, 나노 복합소재 슬러리 제작하는 단계, 나노 복합소재 처리하는 단계 및 기체 확산층 제조하는 단계를 포함한다.
이하, 각 단계에 대해서 설명한다.
[탄소 섬유 기재 제조하는 단계]
단일종 또는 2종 이상의 길이가 다른 탄소 섬유와 바인더를 분산매가 들어있는 해리기에 넣고 충분히 분산시킨 후, 탄소 섬유 분산물을 초지기로 공급하여 와이어 컨베이어 벨트위에 쌓이도록 한다. 이 과정에서 탄소 섬유의 표면 에너지를 낮추기 위해 탄소 섬유 분산물에 분산제를 포함할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 PAN계 단섬유, Pitch계 단섬유, Rayon계 단섬유, PVA계 단섬유, 페놀 수지계 단섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄소 섬유를 사용한다. 상기 바인더는 PVA, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸린, 폴리에틸렌- 테레프탈레이트, 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 분산매는 주로 물을 사용한다. 상기 분산물은 분산물 100중량% 중 탄소 섬유 60~90중량% 및 상기 바인더 10~40중량%를 포함할 수 있다. 상기 초지된 분산물에 남아 있는 분산매는 롤러의 가압을 통해 탈수한다. 상기 탈수된 분산물을 온도 70℃ 이상, 압력 1kgf/cm2 이상 양쪽 롤러에 의한 가압 처리하고 권취함으로써, 탄소 섬유 기재를 제조한다.
이때 초지기로 공급되는 탄소 섬유의 양과 초지기 속도에 의하여 탄소 섬유 기재의 면적 중량과 두께를 제어할 수 있으며, 컨베이어 벨트로 나오는 방향을 통해 탄소 섬유의 배열을 제어할 수 있다.
[나노 복합 소재 슬러리 제작하는 단계]
상기 탄소 섬유 기재를 제조하는 단계 이후로, 나노 복합 소재를 포함하는 슬러리를 제작한다.
상기 나노 복합 소재는 나노 입자와 플루오로 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 입자는 나노카본 즉, 싱글월 카본나노튜브, 더블월 카본나노튜브, 멀티월 카본나노튜브, 그래핀, 풀러렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 플루오로 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 플루오로 에틸린 프로필린 공중합체(FEP), 폴리플루오린화 비닐라덴(PVDF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(E-CTFE, PCTFE), 폴리프로필린랜덤공중합체(PP-R), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 테트라플루오오에틸렌-에틸렌(ETFE)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 슬러리의 분산매는 물을 주로 사용하고 나노 입자와 플루오르 수지의 분산성을 증가시키기 위해 분산제를 사용하고 있다. 상기 분산제는 Tergitol, Triton X-100, SDMS, SDS로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 슬러리는 분산 기구를 이용하여 충분히 분산이 이루어질 수 있도록 충분한 시간 동안 분산하는 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어 분산 시간은 약 10분 이상 1시간 30분의 시간 동안 수행될 수 있다.
[나노 복합소재 처리하는 단계]
상기 탄소 섬유 기재를 컨베이어 벨트를 통해 나노 복합 소재가 포함된 슬러리에 함침한 후 롤러의 가압을 통해 상기 슬러리가 상기 탄소 섬유들 사이사이 및 탄소 섬유 표면에 코팅되게 한다. 이후, 처리된 상기 탄소 섬유 기재를 건조시켜 수분을 제거한 후, 상기 슬러리가 용융되도록 하면 발수성 탄소 섬유 기재를 얻을 수 있다.
이때 건조시키는 열처리 온도는 50℃ ~ 150℃ 일 수 있다.
[기체 확산층 제조하는 단계]
이어서 제작된 상기 탄소 섬유 기재위에 미세다공층을 도포하고 소결하여 기체 확산층(GDL)을 얻을 수 있다. 미세다공층의 두께는 주로 10~100㎛이며, 기공 크기는 주로 0.05~20㎛범위 안에 있다.
상기 미세다공층은 탄소 분말, 분산제, 플루오로 수지, 전도성 입자 중 1종 이상을 포함한다.
상기 분산제는 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제 및 양성 계면활성제로 나뉘며, 구체적으로는 비이온성 계면활성제 : 알킬글리콜 같은 저분자 계열 또는 폴리에틸렌 글리콜과 폴리비닐 알코올과 같은 고분자 계 등의 비이온성 계면활성제; 음이온 계면활성제 : 알킬폴리옥시에틸렌 황산염류, 모노알킬 황산염류, 알킬벤젠술폰산염류, 모노알킬인산염류 등의 음이온성 계면활성제; 양이온계 계면활성제 : 디알킬디메틸암모늄염류, 알킬벤질메틸암모늄염류, 인산아민염류등의 양이온성 계면활성제; 양성 계면활성제 : 알킬설포베타인류, 알킬카르복시베타인류등의 양성 계면활성제등으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 연료전지용 기체 확산층은 연료전지의 양극과 음극에 모두 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 기체 확산층과 종래 기술의 비교예에 따른 기체 확산층의 특성을 더 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에만 국한되어 있는 것은 아니다.
실시예 1
[탄소 섬유 기재 제조]
PAN 단섬유 95중량%(탄소 섬유의 탄소함량: 95%, 섬유 길이: 6mm, 섬유 지름 : 7.2㎛)와 바인더로서 PVA 5중량%를 준비하였다. 여기서 중량%란, 모든 물질의 총량을 기준으로 해당 재료의 구성 퍼센트 (%)를 의미한다. 탄소 섬유와 바인더, 분산제를 물에 투입하고 1,500rpm~2,000rpm사이의 속도로 기계적 방식을 통해 균일하게 해리하여 탄소 섬유 분산물을 얻었다.
이후 펌프를 통해서 탄소 섬유 분산물을 초지기로 공급하고 이때 공급된 탄소 섬유 분산물은 헤드박스의 좁아지는 구간에 의해 기계방향(분산물이 흐르는 방향)으로 평행하게 배열되게 된다.
이후, 초지된 탄소 섬유 분산액은 이동 과정에서 어느정도 탈수가 진행되지만 추가 탈수 과정을 통해 남아 있는 분산매를 제거한다. 탈수된 탄소 섬유 시트는 온도 70℃ 이상, 압력 1kgf/cm2 이상에서 양쪽 롤러의 가열 가압처리를 하여 탄소 섬유 기재를 얻었다.
이렇게 하여 얻은 탄소 섬유 기재를 도 1에 도시된 과정과 같이 탄화 공정 없이 수행함으로써 기체 확산층용 탄소기재를 제조하였다.
여기서 탄화 공정이란, 열경화성 수지를 함침하고 1,000℃ 이상의 고온에서 유기물을 열분해하는 과정을 의미한다.
[나노 복합소재 처리]
플루오로 수지 용액(Du Pont, 모델명: TeflonTM PTFE DISP 30 Fluoropolymer Dispersion, 용액 100중량% 대비 플루오로 수지 60중량%)을 물과 혼합하여 5중량%로 희석한 후, 카본 나노 튜브(LG Chemical, 모델명: LUCAN BT1001M)를 플루오로 수지 100중량% 대비 1중량%로 맞추어 넣고, 분산제를 플루오로 수지 100중량% 대비 1중량% 이상 첨가하고, 교반기와 초음파 분산기를 이용하여 슬러리를 제조하였다.
이후, 상기 탄소 섬유 기재를 분산한 슬러리에 5분간 함침하였고, 꺼내는 과정에서 양쪽 롤러로 가압함으로써 분산액이 탄소 섬유 사이사이 또는 내부에 골고루 코팅되게 한다.
이어서 플루오로 수지와 카본 나노 튜브가 함침된 탄소 섬유 기재를 공기 분위기중에서 약 80~110 ℃에서 1시간 건조 후 공기 분위기 중에서 약350℃에서 30분 동안 열처리하여 나노 복합소재가 처리된 발수성 탄소 섬유 기재를 얻었다.
[기체 확산층 제조]
탈 이온수, 분산제, 카본 블랙(Acetylene black), 플루오로수지 용액 및 카본 나노 튜브(LG Chemical, 모델명: LUCAN BT1001M)를 첨가하여 믹서(Mixer)를 이용하여 기계적 교반을 통해 미세다공층(MPL)용 슬러리를 얻는다.
상기 실시예 1에서 얻은 탄소 섬유 기재 위에 상기 미세다공층용 슬러리를 두께 40~100㎛ 정도 도포하고 공기 분위기 중에서 약 100℃에서 1시간 건조 후, 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분간 소결하여 기체 확산층을 얻었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 카본 나노 튜브가 플루오로 수지 100중량% 대비 3중량%로 맞추어 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 기체 확산층을 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 카본 나노 튜브가 플루오로 수지 100중량% 대비 5중량%로 맞추어 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 기체 확산층을 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 카본 나노 튜브가 플루오로 수지 100중량% 대비 7중량%로 맞추어 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 기체 확산층을 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 카본 나노 튜브가 플루오로 수지 100중량% 대비 50중량%로 맞추어 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 기체 확산층을 제조하였다.
비교예 1
탄화 공정이 적용된 상용 제품인 Sigracet 25BC (SGL사)를 비교예로써 사용하였다.
[실험예 1: 기체 확산층 표면 관찰]
상기 실시예 4에 따라 준비된 기체 확산층을 주사전자현미경(S-4300)으로 촬영하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 실시예 4에 따른 나노 복합 소재가 탄소 섬유 표면에 잘 코팅되어 있는 걸 확인할 수 있다.
[실험예 2: 면적 중량 측정]
상기 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에 따라 준비된 기체 확산층의 면적 중량을 측정하였다. 그리고 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.
기체 확산층의 면적중량은 ASTM D-646-13 규격을 이용하여, 가로와 세로의 길이가 각각 200mm(
Figure pat00001
)가 되도록 시편을 자르고, 정량 저울을 이용하여 중량(g)을 측정한 후, 아래의 식을 이용하여 산출하였다.
면적 중량 [단위: g/m2] = 중량[단위: g]/면적[단위: m2]
[실험예 3: 두께 측정]
상기 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에 따라 준비된 기체 확산층의 두께를 측정하였다. 그리고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
기체 확산층의 두께는 ASTM D-645 규격을 이용하여, 디지매틱 외경 마이크로 미터 (Mitutoyo사, 모델명 : 293-240-30)를 사용하여 5개 시편의 5곳의 두께를 측정하여 평균값을 산출하였다.
[실험예 4: 전기전도도 측정]
상기 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에 따라 준비된 기체 확산층의 In-plane 방향 전기전도도를 측정하였다. 그리고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 로드를 이용하여 3,800Pa의 압력을 가한 상태에서 측정하고자 하는 기체 확산층을 금으로 도금된 구리판 사이에 넣고 밀리 옴미터를 사용하여 측정하고자 하는 방향으로 표면저항을 측정한 후, 아래식들을 이용하여 전기전도도로 변환하였다.
표면저항 [단위:
Figure pat00002
] = Ohm x 보정계수
비저항 [단위:
Figure pat00003
= 표면저항[단위:
Figure pat00004
]
Figure pat00005
두께 [m]
전기전도도 [단위:S/cm] = 1/비저항 [단위:Ω/m]
Figure pat00006
[실험예 5: 연료전지 성능 평가]
상기 실시예 4 및 비교예 1에 따라 준비된 기체 확산층의 연료전지 성능을 측정하였다. 그리고 그 결과를 하기 도 4에 나타내었다.
실시예 4 및 비교예 1을 통해 준비된 기체 확산층을 각각 애노드쪽과 캐소드쪽에 이용하고, 상용 멤브레인(제조사:Vina tech, 모델명:VFP-A2A009-G00)에 부착하였다. 이후 가스켓을 끼우고 분리판과 결합하여 연료전지 단위셀을 조립하였다.
작동 온도는 65℃, 전극 면적은 9cm2, 상대습도 100%, 애노드에는 수소를 200cc/min, 캐소드에는 산소를 600cc/min 각각 공급하여 전류밀도에 따른 연료전지의 전압변화를 측정하였다. 그리고 그 결과를 하기 도 4에 나타내었다.
도 4는 실시예 4 및 비교예 1의 기체 확산층을 적용한 연료전지 단위셀의 전류 전압 그래프이다.

Claims (20)

  1. 탄소 섬유, 바인더 및 나노 복합 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 PAN계 섬유, Pitch계 섬유, Rayon계 섬유, PVA계 섬유, 페놀 수지계 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 바인더는 탄소 섬유 기재 100중량% 기준으로 1~20중량%로 포함되며, 폴리 비닐 알코올, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸린, 폴리에틸렌- 테레프탈레이트, 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 기재의 기계 방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 탄소 섬유 기재의 수직방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 나노 복합 소재는 나노 입자, 플루오로 수지 및 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노 입자는 싱글월 카본나노튜브, 더블월 카본나노튜브, 멀티월 카본나노튜브, 그래핀, 풀러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 나노 입자는 가로세로비가 10 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 플루오로 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 플루오로 에틸린 프로필린 공중합체(FEP), 폴리플루오린화 비닐리덴(PVDF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(E-CTFE, PCTFE), 폴리프로필린랜덤공중합체(PP-R), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 테트라플루오오에틸렌-에틸렌(ETFE)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 분산제는 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제 및 양성 계면활성제로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노 복합 소재는,
    플루오로 수지가 나노 복합 소재 100중량% 대비 1중량% 이상 혼합되고, 나노 입자가 플루오로 수지 100중량% 대비 1중량% 이상 혼합되며, 분산제가 플루오로 수지 100중량% 대비 1중량% 이상 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 기재는 1,000℃ 이상의 온도에서 유기물을 열분해하는 탄화 공정 없이 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 기재.
  11. 제 1 항 또는 제 2항의 탄소 섬유 기재의 한쪽 표면 상에 형성된 미세다공층을 포함하는 연료전지용 기체 확산층.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 기재의 평균 기공 크기보다, 상기 미세다공층 내에서의 평균 기공 크기가 더 작은 연료전지용 기체 확산층.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 미세다공층은 탄소 분말, 분산제, 플루오로 수지 및 전도성 입자 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 미세다공층 내 플루오로 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 플루오로 에틸린 프로필린 공중합체(FEP), 폴리플루오린화 비닐라덴(PVDF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(E-CTFE, PCTFE), 폴리프로필린랜덤공중합체(PP-R), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 테트라플루오오에틸렌-에틸렌(ETFE)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 미세다공층 내 분산제는 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제 및 양성 계면활성제로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 전도성 입자는 카본 나노튜브, 카본나노파이버, 그래파이트, 그래핀, 풀러렌, 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층.
  17. 제 13 항의 기체 확산층을 포함하는 연료전지.
  18. 탄소 섬유와 바인더를 분산매 중에 분산시킨 탄소 섬유 분산물을 초지기에 공급하여 탄소 섬유 기재를 준비하는 단계;
    플루오로 수지 용액과 나노 복합 소재를 혼합한 슬러리를 준비하는 단계; 및
    상기 탄소 섬유 기재를 상기 슬러리에 함침하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 복합 소재 처리된 탄소 섬유 기재의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    1,000℃ 이상의 온도에서 유기물을 열분해하는 탄화 공정을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 나노 복합 소재 처리된 탄소 섬유 기재의 제조 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항의 탄소 섬유 기재의 제조 방법에 추가로,
    상기 나노 복합 소재 처리된 탄소 섬유 기재에 미세다공층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 기체 확산층의 제조 방법.
KR1020220057963A 2021-05-11 2022-05-11 나노 복합 소재를 포함하는 탄소 섬유 기재, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 기체 확산층 및 이를 포함하는 연료 전지 KR20220153523A (ko)

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KR20190126623A (ko) 2018-05-02 2019-11-12 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층의 제조방법
KR20200076395A (ko) 2018-12-19 2020-06-29 주식회사 제이앤티지 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층

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