KR100963274B1 - The gas diffusion layer including microporous layer and Method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 있어서, 상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스확산층과 그에 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a gas diffusion layer that evenly moves a reaction gas of a fuel cell to a catalyst layer and discharges the generated water to the outside. More specifically, the gas diffusion layer is made of polyvinylidene fluoride (PVDF). The present invention relates to a gas diffusion layer and a method for manufacturing the same, comprising a microporous layer formed by coating a carbon cloth with a slurry made by mixing a fine powder with a carbon filler).
상기와 같은 미세다공층(microporous)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)이 융점과 용융점도가 낮아 가공하기 쉬우며, 상기 탄소충전제 미세분말을 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 혼합하면 충격강도와 압축강도가 향상되어 가스확산층의 내마모성과 열전도도가 우수하게 됨으로써 연료전지의 효율을 극대화시키는 것을 특징으로 한다.Gas diffusion layer comprising a microporous as described above is easy to process polyvinylidene fluoride (PVDF) low melting point and melt viscosity, and the fluorinated carbon filler fine powder When mixed with polyvinylidene fluoride (PVDF), the impact strength and the compressive strength are improved, thereby improving the wear resistance and thermal conductivity of the gas diffusion layer, thereby maximizing the efficiency of the fuel cell.
연료전지, 가스확산층, 플루오르화 비닐리덴, 탄소충전제 Fuel cell, gas diffusion layer, vinylidene fluoride, carbon filler
Description
본 발명은 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 있어서, 상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스확산층과 그에 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion layer that evenly moves a reaction gas of a fuel cell to a catalyst layer and discharges the generated water to the outside. More specifically, the gas diffusion layer is made of polyvinylidene fluoride (PVDF). The present invention relates to a gas diffusion layer and a method for manufacturing the same, comprising a microporous layer formed by coating a carbon cloth with a slurry made by mixing a fine powder with a carbon filler).
연료전지는 작동온도에 따라 여러 가지로 구분할 수 있으나, 상온으로부터 100℃이하에서 작동하며 전해질로 고분자 물질을 사용하는 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 에너지밀도가 높고 휴대가 가능한 새로운 에너지원으로 각광받고 있다.Fuel cells can be classified into various types depending on the operating temperature, but polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells that operate under 100 ° C from room temperature and use polymer materials as electrolytes. Fuel cell (DMFC) is emerging as a new energy source with high energy density and portableness.
직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 에너지 밀도가 높은 액체메탄올을 개질기 없이 직접 사용할 수 있기 때문에 휴대용 전원으로서 가능 성이 가장 높은 것으로 평가되고 있다. 연료전지가 수 와트급 이하의 소형 휴대 전원으로서 기존의 밧데리 기술과 경쟁하기 위해서는 가볍고, 크기가 매우 작아야 하고, 연료공급을 위한 송풍기나 펌프 등에 의한 전력 손실이 최소화되어야 한다.Direct methanol fuel cell (DMFC) is considered to be the most feasible as a portable power source because liquid methanol with high energy density can be used directly without reformer. In order for a fuel cell to be a small portable power source of several watts or less and compete with existing battery technology, it must be light and small in size, and power loss by a blower or a pump for supplying fuel must be minimized.
고분자전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극 (anode,cathode), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator) 으로 이루어져 있다. 특히 음극(anode)과 양극(cathode)의 두 전극을 고분자전해질 막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 분자전해질 막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA) 라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.The major components of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) consist of a polymer electrolyte membrane, an electrode (anode, cathode), and a separator to form a stack. In particular, the adhesion of two electrodes, an anode and a cathode, to a polymer electrolyte membrane by hot-pressing method is called a molecular electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). It is the core of the polymer electrolyte fuel cell.
그리고, 고분자 전해질 연료전지용 전극은 촉매층과 촉매층을 지지해 주는 가스확산층으로 구성되어 있다. 상기 가스확산층으로는 다공성 탄소지(carbon paper)나 탄소천(carbon cloth)이 널리 쓰인다. 또한, 상기 가스확산층은 촉매층을 지지해 주는 역할 외에도 반응기체를 촉매층으로 확산시켜주는 역할, 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜 주는 집전체(current collector) 역할, 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로역할도 수행한다.The polymer electrolyte fuel cell electrode is composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer supporting the catalyst layer. As the gas diffusion layer, porous carbon paper or carbon cloth is widely used. In addition, the gas diffusion layer serves to diffuse the reactor body into the catalyst layer in addition to supporting the catalyst layer, serves as a current collector for moving the current generated in the catalyst layer to the separator plate, and the generated water flows out of the catalyst layer. It also acts as a passageway.
상기 가스확산층이 연료전지에서 상기와 같은 중요한 역할을 함에 따라 연료전지의 에너지 효율성을 높이고자 가스확산층에 대한 연구가 시작되었다. As the gas diffusion layer plays such an important role in the fuel cell, a study on the gas diffusion layer has been started to increase the energy efficiency of the fuel cell.
상기 연료전지에 사용되는 가스확산층을 제조하는 종래기술의 대부분은 수 마이크로미터(㎛)에 이르는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)입자를 코팅시켜 소수성을 구현하는 것이었다. 상기 폴리테트라플루오르에틸 렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)는 발수성을 갖는 물질로서, 플루오르화 고분자에 해당되며 주로 프리라디칼 중합반응(free-radical poiymerization)에 의하여 얻어진다. 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 높은 용융점(약 327℃)과 대부분의 산 및 알칼리 환경에서의 화학적 안정성으로 인하여 다공성 기체확산 전극에서 촉매 입자의 결합제로 많이 쓰이고 있다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 밀도가 크며 높은 온도에서도 안정한 특성이 있다. 또한, 낮은 온도에서도 유연성이 있어서 막이나 코팅제로 많이 사용되는 물질이다. 또한, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 결합제 역할 이외에도 고유의 발수성으로 수분에 의한 플로딩(flooding)을 방지하고, 촉매 층 내에서 거대 기공이 전해액으로 차는 것을 막아 반응 기체가 이동할 수 있는 통로를 제공한다.Most of the prior art for manufacturing the gas diffusion layer used in the fuel cell was to implement a hydrophobicity by coating polytetrafluoroethylene (PTFE) particles of several micrometers (㎛). The polytetrafluoroethylene (PTFE) is a material having water repellency, which corresponds to a fluorinated polymer and is mainly obtained by free-radical poiymerization. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is widely used as a binder for catalyst particles in porous gas diffusion electrodes because of its high melting point (about 327 ° C) and its chemical stability in most acid and alkaline environments. The polytetrafluoroethylene (PTFE) has a high density and stable properties even at high temperatures. In addition, it is a material that is frequently used as a film or coating because of its flexibility at low temperatures. In addition, polytetrafluoroethylene (PTFE), in addition to the role of a binder, has a unique water repellency, prevents water from floating, and prevents macropores from filling the electrolyte in the catalyst layer to allow the reaction gas to move. To provide.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계를 이용한 가스확산층의 제조 방법은 고분자 결합제를 이용하여 고분자 결합제를 분산 또는 용해할 수 있는 알코올계와 그 외 무극성이 용매를 사용상 혼합하고 혼합된 혼합물을 캐스팅하여 필름으로 만들고, 이 필름을 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 위에 프레싱(pressing) 하여 이를 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 열처리함으로써 가스확산층을 제조하였다.In the method of preparing a gas diffusion layer using the polytetrafluoroethylene (PTFE) system, an alcohol-based and other nonpolar solvents capable of dispersing or dissolving the polymer binder using a polymer binder are mixed and cast in a mixed state. Into a film, and the film was pressed on carbon paper or carbon cloth to heat it at a temperature ranging from 300 ° C. to 400 ° C. to produce a gas diffusion layer.
그러나, 상기와 같은 폴리테트라에틸렌계(Polytetrafluroethylene; PTFE)을 이용한 가스확산층의 제조 방법은 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있었다. 또한, 촉매층내에서 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함량이 적을수록 촉매 층내에서 전해질이 차지하는 비율이 커져 전해질의 물질 전달에 대한 저항을 줄어드나, 많은 거대 기공이 전해질로 젖게 되어 반응기체 물질전달에 대한 저항이 커진다는 문제점이 있었다.However, the manufacturing method of the gas diffusion layer using the polytetrafluoroethylene (PTFE) as described above has a problem in that the manufacturing process is complicated. In addition, the smaller the content of polytetrafluoroethylene (PTFE) in the catalyst layer, the greater the proportion of the electrolyte in the catalyst layer, thereby reducing the resistance to mass transfer of the electrolyte, but many macropores are wetted with the electrolyte to transfer the reactant material. There was a problem that the resistance to.
그리고, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)의 함량이 커질수록 거대기공의 발수성이 증가하여 반응기체가 이동하기는 수월해지나 전해질의 침투가 어려워져 전해질의 확산에 대한 저항이 증가하고, 촉매/전해질 접촉 면적 및 기액 접촉면적이 줄어들게 되는 문제점이 있었다.In addition, as the content of polytetrafluoroethylene (PTFE) increases, the water repellency of the macropores increases, making it easier to move the reactant, but the penetration of the electrolyte becomes difficult, thereby increasing the resistance to diffusion of the electrolyte, and increasing the catalyst / electrolyte. There was a problem that the contact area and the gas-liquid contact area are reduced.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하여 내마모성, 열전도도가 향상되고, 가스확산층의 제조방법이 간소한 것을 특징으로 하는 가스확산층과 그에 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the gas diffusion layer of the present invention is coated with a carbon cloth (carbon cloth) slurry made of a mixture of polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder It is an object of the present invention to provide a gas diffusion layer and a method of manufacturing the same, including a microporous layer made of abrasion resistance and thermal conductivity, and a simple method for producing a gas diffusion layer.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the gas diffusion layer for evenly moving the reaction gas of the fuel cell according to the present invention to the catalyst layer and discharging the generated water to the outside is made of polyvinylidene fluoride and carbon filler fine powder. It characterized in that it comprises a microporous layer made by coating a slurry made by mixing on a carbon cloth (carbon cloth).
바람직하게는, 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride) 44.5 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함하고, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상인 것을 특징으로 한다.Preferably, the slurry comprises 44.5 to 28.6wt.% Of polyvinylidene fluoride and 55.5wt.% To 71.4wt.% Of carbon filler fine powder, and the viscosity of the slurry is 200,000 cps or more. do.
바람직하게는, 상기 코팅의 두께는 50 내지 130㎛인 것을 특징으로 하는 가스확산층으로 하고, 더 바람직하게는 상기 가스확산층은, 미세다공층에 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.%로 혼합되고, 상기 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말의 총혼합량에 대해서 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 13~22 wt% 더 첨가하여 제조되는 저점도 슬러리로 다시 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the thickness of the coating is a gas diffusion layer, characterized in that 50 to 130㎛, more preferably, the gas diffusion layer, 60wt.% Weight ratio of vinylidene fluoride and carbon filler fine powder in the microporous layer. To 40 wt.%: 40 wt.% To 60 wt.%, 13 to 22 wt% of NMP (N-methyl-2-Pyrrolidone) is further added to the total amount of the vinylidene fluoride and the carbon filler fine powder. It is characterized in that it is formed by a plurality of coating layers by repeated coating with a low viscosity slurry to be prepared.
바람직하게는, 상기 탄소충전제의 미세분말은 입자의 평균 크기가 25 내지 50㎛인 것을 특징으로 한다.Preferably, the fine powder of the carbon filler is characterized in that the average size of the particles 25 to 50㎛.
그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층의 제조 방법은 이소프로필 알코올과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액을 탄소천(carbon cloth)에 함침시키는 에멀젼 혼합용액 함침단계; 상기 혼합용액에 함침된 탄소천(carbon cloth)을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침단계; 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침한 탄소천(carbon cloth)을 실온에서 건조시키는 건조단계; 상기 건조된 탄소천(carbon cloth)을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및 상기 소결된 탄소천(carbon cloth)을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for producing a gas diffusion layer for uniformly moving the reaction gas of the fuel cell according to the present invention to achieve the above object to the catalyst layer and discharging the generated water to the outside isopropyl alcohol and polytetrafluoroethylene ( an emulsion mixed solution impregnation step of impregnating a polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion mixed solution into a carbon cloth; A polytetrafluoroethylene (PTFE) impregnating step of impregnating a carbon cloth impregnated with the mixed solution into polytetrafluoroethylene (PTFE); A drying step of drying the carbon cloth impregnated in the polytetrafluoroethylene (PTFE) at room temperature; A sintering step of sintering the dried carbon cloth in a dryer; And a slurry coating step of coating the sintered carbon cloth with a slurry made by mixing polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder.
바람직하게는, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼은 테프론을 증류수에 혼합시켜서 만들고, 상기 테프론 에멀젼의 농도 가 30wt.% 인 것을 특징으로 한다.Preferably, the polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion is prepared by mixing Teflon in distilled water, and characterized in that the concentration of the Teflon emulsion is 30wt.%.
바람직하게는, 상기 함침단계는 탄소천을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)에 함침하여 상기 탄소천의 무게의 증가율이 3wt.%인 것을 특징으로 한다.Preferably, the impregnation step is characterized in that the carbon cloth is impregnated in polyvinylidene fluoride (PVDF) to increase the weight of the carbon cloth is 3wt.%.
바람직하게는, 상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the sintering step is characterized in that the temperature in the dryer is 350 ℃, the drying time is made of a condition of 1 hour.
바람직하게는, 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하고 분쇄하는 혼합단계; 상기 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 교반하는 교반단계; 및 상기 교반단계 후 실온에서 2시간 동안 방치시켜 상기 교반단계로 인하여 생성된 기포를 제거하는 기포제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the slurry is a mixing step of mixing and milling polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder; A stirring step of stirring the mixed polyvinylidene fluoride (PVDF) and the carbon filler fine powder; And a bubble removing step of removing bubbles generated by the stirring step by leaving the stirring step at room temperature for 2 hours.
바람직하게는, 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 44.5 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함하고, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상인 것을 특징으로 한다.Preferably, the slurry comprises 44.5 to 28.6 wt.% Of polyvinylidene fluoride (PVDF) and 55.5 wt.% To 71.4 wt.% Of carbon filler fine powder, and the viscosity of the slurry is 200,000 cps or more. It features.
바람직하게는, 상기 혼합단계는 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 2000rpm의 속도로 10분간 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the mixing step is characterized in that the mixed polyvinylidene fluoride (PVDF) and the carbon filler fine powder at a speed of 2000rpm for 10 minutes.
바람직하게는, 상기 교반단계는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말의 혼합물을 500rpm 내지 700rpm의 속도로 10분간 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the stirring step is characterized in that the mixture of polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder is made for 10 minutes at a speed of 500rpm to 700rpm.
바람직하게는, 상기 코팅은 롤코팅으로 코팅하는 것으로 코팅의 두께가 50 내지 130㎛인 것을 특징으로 하고, 더 바람직하게는 미세다공층에 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.%로 혼합되고, 상기 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말의 총혼합량에 대해서 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 13~22 wt% 더 첨가하여 제조되는 저점도 슬러리로 다시 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성하여 제조되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the coating is a coating by a roll coating, characterized in that the thickness of the coating is 50 to 130㎛, more preferably from 60wt.% Weight ratio of vinylidene fluoride and carbon filler fine powder in the microporous layer 40wt.%: 40wt.% To 60wt.% Is mixed, prepared by adding 13 ~ 22 wt% of NMP (N-methyl-2-Pyrrolidone) to the total amount of the mixture of vinylidene fluoride and carbon filler fine powder It is characterized in that it is produced by repeatedly coating a low viscosity slurry to be formed into a plurality of coating layers.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함하여 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시켜 연료전지 내의 산화·환원반응을 원활히 일어나게 하였으며 생성된 물을 외부로 용이하게 배출함으로써 연료전지의 에너지 효율을 상승시키고, 연료전지의 수명을 연장시키는 효과가 있다.As described above, the gas diffusion layer according to the present invention is a microporous layer formed by coating a slurry made of a mixture of polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder on a carbon cloth. The reaction gas is evenly transferred to the catalyst layer, including to facilitate the oxidation / reduction reaction in the fuel cell, and the generated water is easily discharged to the outside to increase the energy efficiency of the fuel cell and extend the life of the fuel cell. There is.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부 도면 중, 도 1은 본 발명의 슬러리를 제조하는 것을 개략적으로 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬 러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이며, 도 3는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이다. In the accompanying drawings, Figure 1 is a schematic diagram showing the manufacturing of the slurry of the present invention, Figure 2 is a surface of the carbon cloth using the slurry of low viscosity of the
그리고, 도 4는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 5는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이며, 도 6는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이다.And, Figure 4 is a detailed view showing the coating surface coated on one surface of the carbon cloth using a low viscosity slurry of
또한, 도 7는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이며, 도 9은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 측면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이다.In addition, Figure 7 is a detailed view showing the back side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by using a low viscosity slurry of Sample 3 prepared by the first embodiment of the present invention, Figure 8 is Using a high viscosity slurry prepared according to the first embodiment of the present invention is a detailed view showing the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by electron micrograph, Figure 9 is prepared by the first embodiment of the present invention It is a detailed view showing the side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by using a high viscosity slurry in an electron micrograph.
더불어, 도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 11는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 미세다공층을 포함하는 가스 확산층의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 개략도이며, 도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침하기 전의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경사진으로 나타낸 상세도이다.In addition, Figure 10 is a detailed view showing the back side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by using a high viscosity slurry prepared according to the first embodiment of the present invention by an electron micrograph, Figure 11 is a first embodiment of the present invention FIG. 12 is a schematic view schematically showing a method for manufacturing a gas diffusion layer including a microporous layer according to a second embodiment, and FIG. 12 illustrates a carbon cloth before impregnating polytetrafluoroethylene (PTFE) according to a second embodiment of the present invention. It is the detail shown with the photograph and the electron micrograph shown.
게다가, 도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침된 후의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도이고, 도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면을 전자현미경으로 나타낸 상세도이며, 도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 뒷편을 전자현미경으로 나타낸 상세도이다.In addition, FIG. 13 is a detailed view showing a carbon cloth and an electron micrograph showing the carbon cloth after impregnating polytetrafluoroethylene (PTFE) according to the second embodiment of the present invention, Figure 14 is a second embodiment of the present invention By way of example, after a polytetrafluoroethylene (PTFE) impregnation, a coating surface coated with one surface of a carbon cloth using a high viscosity slurry is shown in an electron microscope, Figure 15 is a second embodiment of the present invention After the impregnation of polytetrafluoroethylene (PTFE), the back side of the coated surface coated with one surface of the carbon cloth using a high viscosity slurry is shown in an electron microscope.
마지막으로, 도 16는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 발수효과를 사진으로 나타낸 상세도이다.Finally, Figure 16 is a detailed view showing the water repellent effect of the coated surface coated with one surface of the carbon cloth using a slurry of high viscosity after polytetrafluoroethylene (PTFE) impregnation according to a second embodiment of the present invention to be.
본 발명은 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 관한 것으로, 상기 가스확산층은 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 코팅하여 이루어진 미세다공층(microporous)을 포함한다.The present invention relates to a gas diffusion layer for evenly moving a reaction gas of a fuel cell to a catalyst layer and discharging the generated water to the outside, wherein the gas diffusion layer comprises polyvinylidene fluoride (PVDF) and fine powder of carbon filler. It includes a microporous layer made by coating a slurry made by mixing on a carbon cloth (carbon cloth).
싱기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)는, 불소 수지의 장점인, 뛰어난 내약품성과 양호한 기계적·열적·전기적 특성을 겸비하고 있다. 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)는 불소수지 중에서 최고의 기계적 강도를 가지며, 강성 및 내크리프성이 우수하다. 그리고, 많은 무기산, 일부의 알칼리, 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 유기산 및 알코올류 등에 내성이 우수하여 뛰어난 내약품성을 가지며 내후성이 뛰어나다. 또한, 150℃까지의 온도하에서 사용이 가능하며, 내연소성과 저발연성이 뛰어나다. 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)은 상기 특성으로, 전자기기 부품·반도체·액정 관련 부품(세정조등의 밸브, 캡), 화학공업 관련(라이닝, 볼트, 필터의 하우징), 식품공업 관련(식품가공 기계의 부품), 산업 기계 관련(롤러, 가이드 레일, 와셔), 철강·금속 관련(롤, 라이너, 산세 라인, 도금 분야), 의료기기 관련 부품 등 폭넓은 분야에 이용되고 있다.Single group polyvinylidene fluoride (PVDF) has excellent chemical resistance, which is an advantage of fluorine resin, and good mechanical, thermal and electrical properties. The polyvinylidene fluoride (PVDF) has the highest mechanical strength among the fluorine resin, and has excellent rigidity and creep resistance. It is excellent in resistance to many inorganic acids, some alkalis, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, organic acids and alcohols, and has excellent chemical resistance and excellent weather resistance. In addition, it can be used at temperatures up to 150 ° C, and has excellent combustion resistance and low smoke resistance. The polyvinylidene fluoride (PVDF) has the above characteristics, and is related to electronic device parts, semiconductors and liquid crystal parts (valve, cap, etc. for cleaning baths), chemical industry (lining, bolt, filter housing), food industry It is used in a wide range of fields such as related (parts of food processing machinery), industrial machine related (rollers, guide rails, washers), steel and metal related (rolls, liners, pickling lines, plating) and medical device related parts.
상기 본 발명의 일 구성요소로 탄소충전제 미세분말이 사용되고 있는데, 탄소충전제는 카본 블랙이라 불리기도 한다. 카본 블랙은 천연 탄화수소의 열분해에 의하여 생산된 검정색 및 비정형(amorphous)의 탄소 안료이다. 일반적으로 카본블랙은 동질이상으로, 퍼니스 블랙, 채널 블랙 및 램프 블랙으로 존재한다. 이의 공칭 순도(nominal purity)는 대략 98.5% 내지 99.6% 에 해당한다. 카본 블랙의 입자 사이즈는 13㎚ 내지 95㎚ 의 범위이고, 구상(spherical shape)이다. Carbon filler fine powder is used as one component of the present invention, the carbon filler is also called carbon black. Carbon black is a black and amorphous carbon pigment produced by pyrolysis of natural hydrocarbons. Carbon blacks are generally homogeneous and exist as furnace blacks, channel blacks and lamp blacks. Its nominal purity corresponds to approximately 98.5% to 99.6%. The particle size of carbon black is in the range of 13 nm to 95 nm and has a spherical shape.
본 발명의 일 구성요소의 탄소충전제의 미세분말은 입자의 평균 크기가 25 내지 50㎛ 이다. 상기와 같은 범위의 미세분말이 아닌 탄소충전제 미세분말을 사용 하여 고점도의 슬러리를 제조하여 탄소천(carbon cloth)에 코팅하는 경우 코팅이 일정두께로 되지 않으고 코팅에 틈이 생긴다. 그러므로, 상기 탄소충전제의 미세분말은 상기와 같은 범위의 평균입자크기로 하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 일정크기의 탄소충전제 미세분말을 제조하기 위하여 25 내지 50㎛ 크기의 메쉬를 이용하여 거른 후 슬러리를 제조한다. The fine powder of the carbon filler of one component of the present invention has an average size of the particles of 25 to 50㎛. When a high viscosity slurry is prepared using a carbon filler fine powder rather than the fine powder as described above and coated on a carbon cloth, the coating does not become a constant thickness and a gap occurs in the coating. Therefore, the fine powder of the carbon filler is preferably prepared by the average particle size in the above range. In order to prepare a carbon filler fine powder of a predetermined size as described above to prepare a slurry using a mesh of 25 to 50㎛ size.
상기 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 슬러리를 제조한다. 상기 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)은 탄소충전제제 미세분말을 첨가하면 충격강도와 압축강도가 향상되며 내마모성, 열전도도가 우수하다.The slurry is prepared by mixing the polyvinylidene fluoride (PVDF) and the carbon filler fine powder. The polyvinylidene fluoride (PVDF) is improved in impact strength and compressive strength by adding a carbon filler micropowder and has excellent wear resistance and thermal conductivity.
상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 44.5wt.% 내지 28.6wt.%와 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함한다. 상기 탄소충전제의 미세분말이 55.5wt.% 이하이면 슬러리의 점도가 낮아져서 코팅기재(탄소천)에 스며들어 기재의 기공을 막는 단점이 생긴다. 또한, 탄소천에 코팅시에 탄소충전제 미세분말의 슬러리를 코팅시에 코팅 양의 조절에도 문제가 생긴다. 그리고, 상기 탄소충전제의 미세분말이 71.4wt.%이상으로 첨가되면 결합제의 역할을 하고 있는 플루오르화 비닐리덴polyvinylidene fluoride; PVDF)의 양이 너무 적어서 슬러리로 제조할 수 없다. 더불어, 플루오르화 비닐리덴polyvinylidene fluoride; PVDF)이 44.5wt.%이상으로 첨가되면 점성이 너무 커져서 탄소천 위에 균일하게 코팅할 수 없고, 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)이 28.6wt.% 이하로 첨가되면 슬러리로 제조할 수 없다. 그러므로, 상기 슬러 리의 점도는 200,000cps 이상으로 고점도이어야 한다.The slurry contains 44.5 wt.% To 28.6 wt.% Of polyvinylidene fluoride (PVDF) and 55.5 wt.% To 71.4 wt.% Of the carbon filler fine powder. If the fine powder of the carbon filler is less than 55.5wt.%, The viscosity of the slurry is lowered, so that it penetrates into the coating substrate (carbon cloth), thereby preventing the pores of the substrate. In addition, there is a problem in controlling the coating amount when coating the slurry of the carbon filler fine powder when coating the carbon cloth. And, when the fine powder of the carbon filler is added at 71.4wt.% Or more, vinylidene fluoride polyvinylidene fluoride that acts as a binder; PVDF) is too small to produce a slurry. In addition, polyvinylidene fluoride; When PVDF) is added at 44.5 wt.% Or more, the viscosity becomes so large that it cannot be uniformly coated on the carbon cloth, and when the polyvinylidene fluoride (PVDF) is added at 28.6 wt.% Or less, it can be prepared as a slurry. none. Therefore, the slurry should have a high viscosity of 200,000 cps or more.
하기 바람직한 실시예 중 하나인 실시예 1를 참고하면, 슬러리의 점도가 200,000cps 이하인 저점도 슬러리인 경우 상기 탄소천(carbon cloth)에 코팅되는 경우 코팅면만 코팅되는 것이 아니라 함침되어 코팅면의 뒷면에까지 새어나온다. 상기 코팅면의 뒷면에 슬러리가 새어나오는 경우 가스확산층의 기공이 막히는 현상이 일어나 촉매 층의 이용율 저하, 연료의 불균일한 확산 및 생성물 배출이 원활되지 않는다. 그러므로, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상으로 고점도가 되어야 바람직하다.Referring to Example 1, which is one of the following preferred embodiments, when the viscosity of the slurry is 200,000 cps or less, the low viscosity slurry is coated on the carbon cloth, and the coating surface is impregnated to the back side of the coating surface. Leaks out. When the slurry leaks out on the back side of the coating surface, pores of the gas diffusion layer are clogged, resulting in a decrease in utilization of the catalyst layer, non-uniform diffusion of fuel, and product discharge. Therefore, it is preferable that the viscosity of the slurry is high viscosity of 200,000 cps or more.
상기 미세다공층을 포함하는 가스확산층은 고점도의 슬러리를 상기 코팅면의 두께가 50 내지 130㎛가 되도록 탄소천에 코팅을 한다. 그리고, 상기 가스확산층은, 상기 고점도의 슬러리로 코팅한 탄소천(미세다공층) 위에 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.%로 혼합하고, 상기 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말의 총혼합량에 대해서 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 13~22 wt% 더 첨가하여 제조되는 저점도 슬러리로 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성하게 한다. The gas diffusion layer including the microporous layer is coated with a carbon cloth such that the slurry having a high viscosity is 50 to 130 μm in thickness. The gas diffusion layer is a mixture of vinylidene fluoride and carbon filler fine powder on a carbon cloth (microporous layer) coated with the slurry of high viscosity at a weight ratio of 60 wt.% To 40 wt.%: 40 wt.% To 60 wt.%. In addition, based on the total amount of the vinylidene fluoride and the carbon filler fine powder, 13 to 22 wt% of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) is added to the low viscosity slurry, which is repeatedly manufactured to form a plurality of coating layers. Let's do it.
상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하고 분쇄하는 혼합단계; 상기 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 교반하는 교반단계; 및 상기 교반단계 후 실온에서 2시간 동안 방치시켜 상기 교반단계로 인하여 생성된 기포를 제거하는 기포제거단계;를 포함한다. 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)으로 상기 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)이 44.5wt.% 내지 28.6wt.%가 포함되고, 상기 탄소충전제 미세분말은 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함한다. 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상으로 고점도이어야 한다. The slurry is a mixing step of mixing and milling polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder; A stirring step of stirring the mixed polyvinylidene fluoride (PVDF) and the carbon filler fine powder; And a bubble removing step of removing bubbles generated by the stirring step by leaving the stirring step at room temperature for 2 hours. The slurry is polyvinylidene fluoride (PVDF), and the polyvinylidene fluoride (PVDF) contains 44.5 wt.% To 28.6 wt.%, And the carbon filler fine powder is 55.5 wt.% To 71.4 wt.%. The slurry should have a high viscosity of at least 200,000 cps.
상기 혼합단계는 혼합된 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 2000rpm의 속도로 10분간 이루어진다. 상기 혼합단계를 거친 후에 교반단계를 거치는데, 상기 교반단계는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말의 혼합물을 500rpm 내지 700rpm의 속도로 20분간 이루어진다. 상기 혼합단계에서 교반단계보다 빠른 속도로 섞어주는 것은 혼합단계에서는 혼합뿐만 아니라 분쇄도 필요하기 때문이다.The mixing step is a mixture of polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder for 10 minutes at a speed of 2000rpm. After the mixing step is subjected to a stirring step, the stirring step is a mixture of polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder for 20 minutes at a speed of 500rpm to 700rpm. Mixing at a higher speed than the stirring step in the mixing step is because not only mixing but also grinding in the mixing step.
상기 슬러리를 탄소천(carbon cloth)에 롤코팅기를 이용하여 코팅하는데, 상기 코팅의 두께는 50 내지 130㎛으로 하여 반복코팅하여 다수의 코팅층으로 형성한다. 상기 다수의 코팅층은 고점도의 슬러리로 할 수 있으며, 처음에는 고점도의 슬러리로 코팅한 다음 그 후에는 저점도의 슬러리로 코팅하여 다수의 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 롤코팅기는 일정두께로 얇게 코팅할 때 사용하는 방법으로 상기 움직이는 탄소천(carbon cloth) 위에 슬러리로 코팅한다. 상기 롤코팅에서 코팅되는 두께는 코팅액의 점도 등과 같은 액체적 성질에 의하여 결정되며, 다수의 롤을 사용하여 코팅하는 경우에는 롤과 롤 사이의 거리에 의하여 결정된다. The slurry is coated on a carbon cloth using a roll coater, and the thickness of the coating is 50 to 130 μm to form a plurality of coating layers by repeated coating. The plurality of coating layers may be made of a slurry of high viscosity, and may be first coated with a slurry of high viscosity and then coated with a slurry of low viscosity to form a plurality of coating layers. The roll coater is coated with a slurry on the moving carbon cloth by a method used for thin coating at a predetermined thickness. The thickness of the roll coating is determined by the liquid properties such as the viscosity of the coating liquid, and when coating using a plurality of rolls is determined by the distance between the rolls.
상기 살펴본 고점도의 슬러리와 발수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 이용하여 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층의 제조방법은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액에 탄소천(carbon cloth)을 함침시키는 에멀젼 혼합용액 함침단계; 상기 혼합용액에 함침된 탄소천(carbon cloth)을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침단계; 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침한 탄소천(carbon cloth)을 실온에서 건조시키는 건조단계; 상기 건조된 탄소천(carbon cloth)을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및 상기 소결된 탄소천(carbon cloth)을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계를 포함하여 이루어진다.The method for preparing a gas diffusion layer for uniformly moving the reaction gas of a fuel cell to a catalyst layer by using the high viscosity slurry and polytetrafluoroethylene (PTFE) having water repellency and discharging the generated water to the outside isopropyl. An emulsion mixed solution impregnation step of impregnating a carbon cloth in an alcohol (isopropyl alcohol) and a polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion mixed solution; A polytetrafluoroethylene (PTFE) impregnating step of impregnating a carbon cloth impregnated with the mixed solution into polytetrafluoroethylene (PTFE); A drying step of drying the carbon cloth impregnated in the polytetrafluoroethylene (PTFE) at room temperature; A sintering step of sintering the dried carbon cloth in a dryer; And a slurry coating step of coating the sintered carbon cloth with a slurry made by mixing polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼은 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 증류수에 혼합시켜서 만들고, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼의 농도를 30wt.%정도 되도록 한다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 융점이 327℃의 결정성 폴리머로 연속사용온도는 260℃이고 안정한 물질이어서 저온(-268℃)에서 고온까지 사용할 수 있다. 내약품성은 유기 재료 중에서는 최고로 산·알칼리, 각종 용제에는 전혀 침해되지 않고, 불소 가스, 용융 알칼리 금속, 3불화염소 등의 특수한 약품에 가혹한 조건에서만 침해되며 가스킷, 패킹, 각종 시일재 등에 이용되고 있다. 기계적 특성에서의 최대 특징은 마찰계수가 작다는 것이며, 전기특성 중 특히 유전특성은 가장 우수하 다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 에멀젼 상태로 만들기 위하여 증류수에 혼합시킨다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)의 농도가 30wt.%가 되도록하는데 그 이상이 되면 코팅이 용이하게 되지 않을뿐더러 고른 코팅면을 얻을 수 없기 때문이다. 상기 증류수를 혼합시킨 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액에 적신 후 3wt.%의 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침량을 갖게 한다. The polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion is made by mixing polytetrafluoroethylene (PTFE) in distilled water, so that the concentration of the polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion is about 30 wt.%. The polytetrafluoroethylene (PTFE) is a crystalline polymer having a melting point of 327 ° C., and a continuous use temperature of 260 ° C. is a stable material, and thus can be used from low temperature (−268 ° C.) to high temperature. Its chemical resistance is the best among organic materials and does not invade acids, alkalis and various solvents at all, and it is invaded only under severe conditions by special chemicals such as fluorine gas, molten alkali metal, and chlorine trifluoride. have. The greatest characteristic of the mechanical properties is that the friction coefficient is small, and the dielectric property is the most excellent among the electrical properties. The polytetrafluoroethylene (PTFE) is mixed with distilled water to make an emulsion. The concentration of the polytetrafluoroethylene (PTFE) is 30wt.%, Because if it is more than that, coating is not easy and an even coating surface cannot be obtained. It is soaked in a mixed solution of polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion in which the distilled water is mixed to have an impregnation amount of 3 wt.% Polytetrafluoroethylene (PTFE).
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함친시킨 탄소천(carbon cloth)을 건조기에 넣어 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 소결시켜야 한다. 상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어진다. 상기와 같이 소결을 시키는 이유는 상기 가스확산층에 발수성을 부여하기 위해서이다. 상기와 같이 가스확산층에 발수성이 부여되는 경우, 연료전지의 연료극의 수소와 공기극의 산소와의 결합으로 생성된 물이 용이하게 배출되어 연료전지의 전기효율이 향상되며 전지의 수명이 길어지게 된다. A carbon cloth impregnated with the polytetrafluoroethylene (PTFE) should be put in a drier to sinter the polytetrafluoroethylene (PTFE). In the sintering step, the temperature in the dryer is 350 ° C., and the drying time is performed under a condition of 1 hour. The reason for sintering as described above is to impart water repellency to the gas diffusion layer. When water repellency is imparted to the gas diffusion layer as described above, water generated by combining hydrogen in the anode of the fuel cell with oxygen in the cathode is easily discharged, thereby improving the electrical efficiency of the fuel cell and extending the life of the battery.
상기와 같이 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)를 소결시킨 탄소천(carbon cloth)에 슬러리로 코팅한다. 상기 슬러리는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)이 44.5wt.% 내지 28.6wt.%를 포함하고, 탄소충전제 미세분말 55.5wt.% 내지 71.4wt.%를 포함한 것으로, 상기 슬러리의 점도가 200,000cps 이상이어야 한다. 상기 200,000cps로 고점도이어야 하는 것은 상기 살 펴본 이유와 동일하다. 상기 슬러리를 롤코팅으로 코팅하고, 코팅의 두께가 50 내지 130㎛가 되도록 한다.As described above, polytetrafluoroethylene (PTFE) is coated with a slurry on a carbon cloth sintered. The slurry contains 44.5 wt.% To 28.6 wt.% Of polyvinylidene fluoride and 55.5 wt.% To 71.4 wt.% Of carbon filler fine powder, and the viscosity of the slurry is 200,000 cps or more. Should be The high viscosity to be 200,000 cps is the same as the above reason. The slurry is coated by roll coating, and the thickness of the coating is 50 to 130 μm.
상기 코팅은 상기 코팅의 두께로 반복코팅하여 다수의 코팅층을 형성한다. 상기 다수의 코팅층은 상기 살펴본 바와 같이 고점도의 슬러리로 다수의 코팅층을 형성하거나 고점도의 슬러리로 코팅한 후에 저점도의 슬러리로 코팅을 하여 다수의 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 저점도의 슬러리는 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말을 무게비 60wt.% 내지 40wt.% : 40wt.% 내지 60wt.%로 혼합되고, 상기 플루오르화 비닐리덴과 탄소충전제 미세분말의 총혼합량에 대해서 NMP(N-methyl-2-Pyrrolidone)를 13~22 wt% 더 첨가하여 제조한다.The coating is repeated coating to the thickness of the coating to form a plurality of coating layers. As described above, the plurality of coating layers may form a plurality of coating layers with a high viscosity slurry or may be coated with a high viscosity slurry and then coated with a low viscosity slurry to form a plurality of coating layers. The low viscosity slurry is a mixture of vinylidene fluoride and carbon filler fine powder in a weight ratio of 60wt.% To 40wt.%: 40wt.% To 60wt.%, To the total mixture of vinylidene fluoride and carbon filler fine powder It is prepared by adding 13-22 wt% of NMP (N-methyl-2-Pyrrolidone).
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예 중 하나인 제 1 실시예로서 저점도 또는 고점도의 슬러리로 코팅하여 제조한 가스확산층의 특성을 먼저 살펴보겠다. 그리고, 제 2 실시예로 발수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)와 상기 제 1 실시예에서 제조된 슬러리를 이용하여 가스확산층의 제조하는 방법을 살펴보고자 한다. Hereinafter, the characteristics of the gas diffusion layer prepared by coating with a slurry of low or high viscosity as a first embodiment of one of the preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings. In addition, as a second embodiment, a method of preparing a gas diffusion layer using polytetrafluoroethylene (PTFE) having water repellency and the slurry prepared in the first embodiment will be described.
- 제 1 실시예-First embodiment
도 1을 참고하면, 상기 살펴본 고분자물질로 된 저점도의 슬러리를 제조하기 위해서는 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)과 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)를 우선 준비하여야 한다. 상기 N-메틸-2-피롤리 딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)과 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP) 질량의 8wt.% 내지 10wt.% 범위에 해당하는 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)을 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)에 첨가하여 혼합용액을 만든다. 상기 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)은 용매제로 사용되며, 무공해 내지 저공해 세정제, 세척제, 추출제, 전해액으로 사용되는 물질이다. 본 발명의 일 구성요소로서의 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)는 슬러리의 점도를 조절하는 역할을 한다. Referring to FIG. 1, in order to prepare a low viscosity slurry made of the polymer described above, N-methyl-2-pyrrolidin (NMP) and polyvinylidene fluoride are used. You must prepare first. 8 wt.% To 10 wt.% Of the mass of N-methyl-2-pyrrolidin (NMP) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Polyvinylidene fluoride in the range of% is added to N-methyl-2-pyrrolidin (N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP) to make a mixed solution. The N-methyl-2-pyrrolidine (N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP) is used as a solvent and is a material used as a non-polluting to low-polluting detergent, cleaning agent, extractant, and electrolyte solution. N-methyl-2-pyrrolidin (NMP) as one component of the present invention serves to control the viscosity of the slurry.
상기 혼합용액을 제조한 후에 상기 혼합용액에 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)의 고형분에 대하여 40wt.% 내지 80wt.%에 해당하는 탄소충전제 미세분말을 각각 첨가한다. 상기 탄소충전제를 첨가한 후에 2000rpm의 속도로 10분동안 혼합·분쇄시키고, 다시 20분간 500rpm 내지 700rpm의 속도로 교반하여 코팅 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리는 교반 시 발생한 기포를 제거하기 위하여 약 2시간 실온에서 방치한다. 상기와 같이 제조한 탄소충전제와 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)의 비율에 따른 슬러리의 특성을 하기 표 1에 나타내었다.After preparing the mixed solution, the carbon filler micropowder corresponding to 40 wt.% To 80 wt.% With respect to the solid content of polyvinylidene fluoride (PVDF) is added to the mixed solution, respectively. After adding the carbon filler, the mixture was mixed and pulverized at a speed of 2000 rpm for 10 minutes, and then stirred at a speed of 500 rpm to 700 rpm for 20 minutes to prepare a coating slurry. The slurry is left at room temperature for about 2 hours to remove bubbles generated during stirring. The characteristics of the slurry according to the ratio of the carbon filler prepared as described above and polyvinylidene fluoride (PVDF) are shown in Table 1 below.
미세분말
(wt.%)Carbon filler
Fine powder
(wt.%)
비닐리덴
(wt.%)Fluorinated
Vinylidene
(wt.%)
(g)N-methyl-2-pyrrolidine
(g)
(cps)Viscosity
(cps)
(mm)thickness
(mm)
(g)weight
(g)
상기 표 1를 참고하면, 시료 1 내지 시료 3의 점도가 11000 내지 12000 cps. 사이임을 알 수 있다. 상기와 같이 제조한 시료 1 내지 시료 3의 슬러리를 탄소천의 일면에 롤코팅으로 코팅하고, 상기 코팅의 두께는 50 내지 130㎛가 되도록 코팅한다. 상기 탄소천에 코팅한 다음 코팅한 면과 코팅하지 않은 뒷면을 전자현미경으로 도 2 내지 도 7에 나타내었다.Referring to Table 1,
도 2, 도 4 및 도 6을 참고하면, 상기 제조된 시료 1 내지 시료 3인 슬러리로 탄소천의 일면을 코팅하는 경우 코팅면의 탄소섬유(carbon fiber)가 상기 슬러리로 코팅되었음을 알 수 있다. 그러나, 도 3, 도 5 및 도 7을 참고하면, 상기 탄소천의 기공 내부로 슬러리가 함습되어 코팅 면뿐만 아니라 코팅하지 않은 뒷편의 탄소섬유(carbon fiber)에 까지 상기 슬러리가 결합되어 있는 것을 알 수 있다. Referring to Figures 2, 4 and 6, when coating one surface of the carbon cloth with the
상기와 같이 코팅하지 않은 뒷편에까지 코팅되는 경우 연료전지의 가스확산층에서 필수적인 기공이 줄어들게 된다. 상기 기공이 줄어들게 되면 연료전지 내의 물의 배출과 화학반응이 원활하게 일어나지 않아 전지의 전기효율이 떨어지게 된다. If the coating is not coated as described above, the pores in the gas diffusion layer of the fuel cell is reduced. When the pores are reduced, the discharge of water in the fuel cell and the chemical reaction do not occur smoothly, thereby reducing the electrical efficiency of the battery.
상기 슬러리가 고점도의 경우에 탄소천에 코팅하는 경우에도 똑같은 현상이 일어나는지 알아보고자 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)의 양을 100g으로 하고, 상기 각각의 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)에 첨가되는 탄소충전제 미세분말의 양을 증가시켜 점도가 점점 증가하게 하였다. 그리고, 슬러리의 점도를 묽게 조절하는 N-메틸-2-피롤리딘(N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP)을 첨가하지 않았다. 상기에 따라 제조된 슬러리의 특성을 하기 표 2에 나타내었다. When the slurry is coated on a carbon cloth in the case of high viscosity, the same amount of polyvinylidene fluoride (PVDF) is set to 100 g, and the respective polyvinylidene fluoride (PVDF) is used. Viscosity was gradually increased by increasing the amount of finely charged carbon filler powder. And N-methyl-2-pyrrolidine (N-Methyl-2-Pyrrolidone; NMP) which dilutes the viscosity of the slurry was not added. The properties of the slurry prepared according to the above are shown in Table 2 below.
상기 표 2를 참고하면, 탄소충전제 미세분말이 70wt.%이상으로 첨가되는 경우 점도가 200,000 이상의 고점도가 됨을 알 수 있다. 또한, 시료 4와 시료 8을 비교해보면, 탄소충전제 미세분말의 양이 2배가 되면 점도도 비례하여 증가하는 것이 아니라 점도가 15배 이상으로 되어 점도가 기하급수적으로 증가함을 알 수 있다.Referring to Table 2, when the carbon filler fine powder is added in more than 70wt.% It can be seen that the viscosity becomes more than 200,000 high viscosity. In addition, when comparing the sample 4 and the sample 8, it can be seen that when the amount of the carbon filler fine powder is doubled, the viscosity does not increase proportionally but the viscosity becomes 15 times or more and the viscosity increases exponentially.
표 2의 시료 중에서 200,000 이상의 고점도인 시료 7과 시료 8 중의 어느 하나를 택하여 탄소천(carbon cloth)의 일면에 코팅한 것을 도 8 내지 도 10에 나타내었다. 상기 도 8을 참고하면, 상기 시료로 코팅된 탄소천(carbon cloth)은 코팅한 일면이 틈이 없이 잘 코팅된 것을 알 수 있다. 도 9를 참고하면, 상기 시료로 코팅한 탄소천의 코팅 면에만 코팅이 되어 있고, 탄소천의 내부로 함습되지 않은 것을 알 수 있다. 그리고, 도 10을 참고하면, 상기 코팅된 탄소천(carbon cloth)의 뒷편을 보면 상기 슬러리가 새어나와 탄소섬유(carbon fiber)와 결합되지 않은 것을 알 수 있다.8 to 10 were coated on one surface of a carbon cloth by selecting any one of Sample 7 and Sample 8 having a high viscosity of 200,000 or more among the samples in Table 2. Referring to FIG. 8, it can be seen that the carbon cloth coated with the sample is well coated without a gap. Referring to Figure 9, it can be seen that the coating is coated only on the coating surface of the carbon cloth coated with the sample, and not impregnated into the inside of the carbon cloth. And, referring to Figure 10, the back of the coated carbon cloth (carbon cloth) can be seen that the slurry is not leaking and bonded to the carbon fiber (carbon fiber).
상기 탄소충전제 미세분말을 메쉬(mesh)로 걸러내어 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)에 첨가하여 슬러리를 제조하는 경우 코팅면이 고르며 빈틈없이 코팅되는 것을 알 수 있다. 상기와 같은 결과를 토대로 고점도의 슬러리와 발수성을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 이용하여 가스확산층을 제조하는 방법을 본 발명의 바람직한 실시예 중 하나인 제 2 실시예를 통하여 살펴보고자 한다. When the carbon filler fine powder is sieved through a mesh and added to polyvinylidene fluoride (PVDF) to prepare a slurry, it can be seen that the coating surface is uniformly coated without gaps. Based on the above results, a method of preparing a gas diffusion layer using a polytetrafluoroethylene (PTFE) having a high viscosity slurry and water repellency will be described through a second embodiment, which is one of the preferred embodiments of the present invention. .
-제 2 실시예-Second Embodiment
본 발명의 바람직한 실시예 중 하니인 제 2 실시예에 의하여 제조되는 가스확산층은 도 11를 참고하면, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)과 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼 혼합용액에 탄소천(carbon cloth)을 함침시키는 에멀젼 함침단계; 상기 혼합용액에 함침된 탄소천(carbon cloth)을 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침시키는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 함침단계; 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함침한 탄소천(carbon cloth)을 실온에서 건조시키는 건조단계; 상기 건조된 탄소천(carbon cloth)을 건조기에서 소결시키는 소결단계; 및 상기 소결된 탄소천(carbon cloth)을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF)과 탄소충전제 미세분말을 혼합하여 만들어진 슬러리로 코팅하는 슬러리 코팅단계를 포함하여 이루어진다.Gas diffusion layer prepared by the second embodiment of the preferred embodiment of the present invention with reference to Figure 11, isopropyl alcohol (isopropyl alcohol) and polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion mixture solution of carbon cloth ( emulsion impregnation step of impregnating carbon cloth); A polytetrafluoroethylene (PTFE) impregnating step of impregnating a carbon cloth impregnated with the mixed solution into polytetrafluoroethylene (PTFE); A drying step of drying the carbon cloth impregnated in the polytetrafluoroethylene (PTFE) at room temperature; A sintering step of sintering the dried carbon cloth in a dryer; And a slurry coating step of coating the sintered carbon cloth with a slurry made by mixing polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon filler fine powder.
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 에멀젼은 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 에멀젼 상태로 만들기 위하여 증류수에 혼합시킨다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)의 농도가 30wt.%가 되도록 하는데 그 이상이 되면 코팅이 용이하게 되지 않을뿐더러 고른 코팅면을 얻을 수 없기 때문이다. 도 12와 도 13을 참고하면, 상기 증류수를 혼합시킨 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 용액에 탄소천(carbon cloth)(도12)을 함침시킨다. 상기 함침은 탄소천을 플루오르화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride)에 함침하여 상기 탄소천의 무게의 증가율이 3wt.%가 되도록 한다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 함침한 탄소천(carbon cloth)을 도 13에 나타내었다. The polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion is mixed in distilled water to bring the polytetrafluoroethylene (PTFE) into an emulsion. The concentration of the polytetrafluoroethylene (PTFE) is 30wt.%, Because if it is more than that, coating is not easy and an even coating surface cannot be obtained. 12 and 13, a carbon cloth (FIG. 12) is impregnated into a polytetrafluoroethylene (PTFE) solution in which the distilled water is mixed. The impregnation impregnates the carbon cloth with polyvinylidene fluoride so that the increase in weight of the carbon cloth is 3 wt.%. 13 illustrates a carbon cloth impregnated with polytetrafluoroethylene (PTFE).
상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)에 함친시킨 탄소천(carbon cloth)을 건조기에 넣어 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 소결시켜야 한다. 상기 소결단계는 건조기 내의 온도가 350℃이고, 건조시간은 1시간의 조건으로 이루어진다.A carbon cloth impregnated with the polytetrafluoroethylene (PTFE) should be put in a drier to sinter the polytetrafluoroethylene (PTFE). In the sintering step, the temperature in the dryer is 350 ° C., and the drying time is performed under a condition of 1 hour.
상기와 같이 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)를 소결시킨 탄소천(carbon cloth)에 상기 제 1 실시예에서 제조한 시료 8의 슬러리로 코팅한다. 도 14를 참고하면, 상기 시료 8의 슬러리로 코팅한 탄소천(carbon cloth)의 코팅한 일면은 틈이 없는 것을 알 수 있다. 또한, 도 15를 참고하면, 코팅하지 않은 탄소천(carbon cloth)의 뒷편은 상기 슬러리가 함침되지 않아 탄소천의 탄소섬유(carbon fiber)가 깨끗함을 알 수 있다.The slurry of Sample 8 prepared in Example 1 is coated on a carbon cloth obtained by sintering polytetrafluoroethylene (PTFE) as described above. Referring to FIG. 14, it can be seen that one surface of the carbon cloth coated with the slurry of Sample 8 has no gap. In addition, referring to Figure 15, the back side of the uncoated carbon cloth (carbon cloth) it can be seen that the carbon fiber of the carbon cloth (carbon fiber) is clean because the slurry is not impregnated.
도 16을 참고하면, 상기와 같은 제조방법에 의하여 제조된 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 발수효과를 나타낸 것이다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)을 처리하여 코팅한 탄소천에 물방울이 함습되지 않아 접촉각이 큰 것을 알 수 있다. 상기 미세다공층을 포함하고 있는 가스확산층은 뛰어난 발수성으로 인하여 가스확산이 원활하게 일어난다. Referring to Figure 16, it shows the water-repellent effect of the coated surface coated with one surface of the carbon cloth produced by the manufacturing method as described above. It can be seen that the contact angle is large because water droplets are not impregnated on the carbon cloth coated with the polytetrafluoroethylene (PTFE). The gas diffusion layer including the microporous layer has a smooth gas diffusion due to the excellent water repellency.
한편, 불소수지는 C-C결합으로 이루어지는 폴리올레핀과 같은 결합으로 폴리올레핀의 수소의 일부 또는 전부가 불소원자로 대치된 구조를 가진 합성수지이다. 상기 불소수지로 시판되고 있는 것으로 8종류의 불소(fluorine) 수지가 있는데 그중에서 70%인 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)이 대표적이다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)은 테프론이란 상품명으로 알려져 있는 결정성수지로 260℃에서의 장기사용에 견디는 내열성이 있고 내약품성, 전기절연성, 고주파특성, 비접착성, 저마찰계수, 난연성 등이 특이한 플라스틱이다.On the other hand, the fluorine resin is a synthetic resin having a structure in which part or all of the hydrogen of the polyolefin is replaced by a fluorine atom by a bond such as a polyolefin composed of C-C bonds. There are eight kinds of fluorine resins, which are commercially available as the fluorine resin, and 70% of them are polytetrafluoroethylene (PTFE). The polytetrafluoroethylene (PTFE) is a crystalline resin known under the name Teflon, which is heat resistant to long-term use at 260 ° C, and has chemical resistance, electrical insulation, high frequency characteristics, non-adhesiveness, low friction coefficient, flame resistance, and the like. This is an unusual plastic.
상기와 같은 특성으로 인하여 연료전지의 반응가스를 촉매 층으로 골고루 이동시키고, 생성된 물을 외부로 배출시키는 가스확산층에 많이 사용되었다. 그러나, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)는 가스확산층으로 제조하는 경우 복잡한 공정과정을 거치는 문제점이 존재하였다.Due to the above characteristics, the reaction gas of the fuel cell is evenly moved to the catalyst layer and used in a gas diffusion layer for discharging the generated water to the outside. However, polytetrafluoroethylene (PTFE) has a problem of undergoing a complicated process when manufactured with a gas diffusion layer.
상기와 같은 문제점을 극복하고자 연료전지의 가스확산층을 제조하는 방법으로 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)를 대신해서 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제를 이용하였으며, 그 결과로 가공성을 향상시켰다. 상기 고점도 및 저점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 슬러리를 만들어 롤코팅 방법의 개념을 도입하여 프로세스를 간소화시켰다. In order to overcome the above problems, a polyvinylidene fluoride (PVDF) binder was used in place of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a method of manufacturing a gas diffusion layer of a fuel cell, and as a result, processability Improved. The high viscosity and low viscosity polyvinylidene fluoride (PVDF) slurries were made to introduce the concept of a roll coating method to simplify the process.
또한, 슬러리의 점도를 제어함으로써 고점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제를 코팅하여 기재인 탄소천(carbon cloth) 속으로 함습되지 않고 균일한 두께로 덮을 수 있게 코팅하였다. 게다가 상기 고점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제 코팅면 위에 저점도의 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 결합제를 이용하여 여러번 코팅하여 탄소천(carbon cloth) 기재표면의 두께를 조절하여 일정한 두께의 미세다공층(microporous)을 가지는 재현성 있는 가스확산층을 제조할 수 있다. In addition, by controlling the viscosity of the slurry, a high viscosity polyvinylidene fluoride (PVDF) binder was coated so that it could be covered with a uniform thickness without being impregnated into a carbon cloth as a substrate. Furthermore, the thickness of the surface of the carbon cloth substrate is coated on the surface of the high-viscosity polyvinylidene fluoride (PVDF) binder by using a low-viscosity polyvinylidene fluoride (PVDF) binder several times. By adjusting the reproducible gas diffusion layer having a microporous layer (microporous) of a constant thickness can be prepared.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. . Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 본 발명의 슬러리를 제조하는 것을 개략적으로 나타낸 개략도;1 is a schematic diagram schematically illustrating preparing a slurry of the present invention;
도 2는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;Figure 2 is a detailed view showing an electron microscope photograph of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth using the low viscosity slurry of
도 3는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 1의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도Figure 3 is a detailed view showing the back side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by using a low viscosity slurry of
도 4는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;Figure 4 is a detailed view showing an electron microscope photograph of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth using the low viscosity slurry of
도 5는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 2의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;Figure 5 is a detailed view showing the back side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by using a low viscosity slurry of
도 6는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;6 is a detailed view showing an electron microscope photograph of a coating surface coated on one surface of a carbon cloth using the low viscosity slurry of Sample 3 prepared according to the first embodiment of the present invention;
도 7는 본 발명에 제 1 실시예에 의하여 제조된 시료 3의 저점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;Figure 7 is a detailed view showing the back side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth by using a low viscosity slurry of Sample 3 prepared by the first embodiment of the present invention in an electron micrograph;
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;8 is a detailed view showing an electron microscope photograph of the coated surface coated on one surface of the carbon cloth using the slurry of high viscosity prepared according to the first embodiment of the present invention;
도 9은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 측면을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;Figure 9 is a detailed view showing the side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth using a high viscosity slurry prepared according to the first embodiment of the present invention by an electron micrograph;
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 제조된 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면에 코팅한 코팅면의 뒤편을 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도;10 is a detailed view showing an electron microscope photograph of the back side of the coating surface coated on one surface of the carbon cloth using the slurry of high viscosity prepared according to the first embodiment of the present invention;
도 11는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 미세다공층을 포함하는 가스확산층의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 개략도;11 is a schematic diagram schematically showing a method for producing a gas diffusion layer including a microporous layer according to a second embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)에 함침하기 전의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경사진으로 나타낸 상세도;12 is a detailed view showing a carbon cloth before the impregnation of polytetrafluoroethylene and a photomicrograph of the second embodiment of the present invention;
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)에 함침된 후의 탄소천을 나타낸 사진과 전자현미경 사진으로 나타낸 상세도; FIG. 13 is a detailed view showing a carbon cloth and an electron micrograph after carbon impregnation in polytetrafluoroethylene according to a second embodiment of the present invention; FIG.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면을 전자현미경으로 나타낸 상세도;FIG. 14 is a detailed view showing an electron microscope showing a coated surface of one surface of a carbon cloth using a slurry having high viscosity after polytetrafluoroethylene impregnation according to a second embodiment of the present invention; FIG.
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 뒷편을 전자현미경으로 나타낸 상세도; 및FIG. 15 is a detailed view showing an electron microscope of the back side of a coated surface coated with one surface of a carbon cloth using a slurry of high viscosity after polytetrafluoroethylene impregnation according to a second embodiment of the present invention; FIG. And
도 16는 본 발명의 제 2 실시예에 의하여 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 함침 후에 고점도의 슬러리를 이용하여 탄소천의 일면을 코팅한 코팅면의 발수효과를 사진으로 나타낸 상세도이다.FIG. 16 is a detailed view showing a water repellent effect of a coated surface coated with one surface of a carbon cloth using a slurry of high viscosity after polytetrafluoroethylene impregnation according to a second embodiment of the present invention.
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