KR20170118545A - 다층 적층 구조를 갖는 기체확산층용 탄소 기재 - Google Patents

다층 적층 구조를 갖는 기체확산층용 탄소 기재 Download PDF

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Abstract

연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서, 상기 기재는 복수개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조를 가지고, 상기 각 단위 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이고, 상기 각 단위 탄소 기재의 제1 표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 단위 탄소 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 상기 단위 탄소 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 단위 탄소 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.

Description

다층 적층 구조를 갖는 기체확산층용 탄소 기재{Multi Layered Carbon substrate for Gas Diffusion Layer}
본 발명은 연료 전지의 기체확산층용 탄소 기재에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 종방향(MD)으로의 배향성을 갖는 탄소 기재를 복수개 적층한 다층 구조의 탄소기재로서 이를 채용한 기체확산층의 기계적 강도 및 기체확산능이 개선되는 탄소 기재에 관한 것이다.
본 발명은 산업자원부의 에너지기술개발사업(전담기관: 에너지기술평가원)의 지원을 받아 수행한 과제(과제번호 20143010031880)의 결과물에 관한 것이다.
고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell: PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 빠른 응답특성이 있다. 고분자 전해질막 연료전지는 고분자 전해질 막의 연료극과 공기극 각각에 촉매가 도포(catalyte coated membrane, CCM)되어 있고, 도포된 촉매 위에 기체확산층을 접합한 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 되어 있다. 여기서, 기체확산층(gas diffusion layer, GDL)은 탄소 천(carbon cloth), 탄소 부직포(carbon felt) 및 탄소 종이(carbon paper)와 같은 다공성 탄소소재로 이루어진 탄소기재에 미세다공층(microporous layer, MPL)을 코팅하여 제조된 것이다.
현재 수소 연료전지 자동차의 중요한 이슈는 기존 부품의 부피감소, 가격하락, 내구성 증가 및 높은 성능 구현이 가능한 부품 및 소재 개발을 이루는 것이다. 연료전지차(fuel cell vehicle, FCV)의 단가 하락과 에너지 밀도 증가를 위하여 연료전지 바이폴라 플레이트로 사용되는 금속분리판은 기존의 흑연분리판에 비하여 체결(stacking)압력이 크고 이로 인하여 막전극 집합체(MEA)와 기체확산층(GDL)이 단위면적당 받는 압력이 매우 증가되어 이로 인하여 기체확산층의 붕괴가 일어나 연료전지의 성능 감소와 내구성 저하를 발생할 수 있다.
또한, 많은 자동차업체들이 부피가 큰 레져용 차량(Recreation Vehicle: RV)에서 승용(sedan) 또는 경차로 방향전환이 검토되고 있는 실정이다. 이를 위해서는 연료 전지 스택의 부피가 감소가 요구되며, 금속분리판의 두께와 이를 지탱하는 기체 확산층의 두께 감소가 절실하게 필요한 시점이다.
도 1을 참조하면, 종래의 금속분리판(a)은 연료와 산소가 각각의 금속분리판의 홈을 통하여 기체 확산층으로 전달되었으나, 최근 공기극에 개발 및 적용되는 다공성분리판(b)은 분리판의 3차원적 구조에 의하여 분리판 내에서 공기의 분배 및 난류가 발생하며, 기체 확산층 전체에 전달된다. 기존의 홈이 파여진 분리판의 경우 기체확산층과 분리판이 면으로 접하고 있으나, 다공성 분리판은 기체확산층과 점 혹은 선으로 접하게 된다. 다공성 분리판의 체결시 기체확산층에 가하여지는 압력은 기존의 홈이 파여진 금속분리판보다 훨씬 더 높아지게 된다. 따라서 자동차에 적용하기 위한 기체확산층은 기체 확산층의 두께 감소뿐만 아니라 높은 강성이 요구된다.
또한 스택의 체결 혹은 운전 중에 온도변화 혹은 반응 조건에 따라서 스택이 수축 혹은 팽창하게 된다. 이로 인하여 스택 내부의 각 구성물에 가해지는 압력이 달라지게 되며, 이 압력을 완충해주는 스프링 같은 역할을 가스켓과 기체확산층이 담당하게 된다. 대부분의 기체확산층은 압력을 가해서 한 번 눌러지면 다시 복원되는 양이 작거나 거의 없는 특성을 가지고 있으나, 가스켓이 스프링 역할을 모두 감당하기에는 무리가 있기 때문에, 기체확산층이 구조적으로 스프링 같은 특성을 갖기를 기대하고 있다.
대부분의 탄소 종이 형태의 기체확산층은 습식(wet-laid)부직포 공정에서 탄소섬유를 초지하여 만들어지기 때문에 탄소 섬유가 무질서하게 배열된 등방성 구조(isotropic structure)를 갖는 것이 일반적이다. 그러나 등방성 구조의 기체확산층은 어느 면에서나 동일한 구조를 가지고 있기 때문에, 홈이 파여진 분리판 구조에서 기체확산층과 직접적으로 접촉되는 면에 힘이 집중될 때에는 탄소섬유가 부서지면서 압축되고, 분리판의 홈 또는 유로(groove 또는 flow field)안으로 기체확산층이 삽입되는 인투르젼(intrusion)이 일어나게 되며, 이로 인해 공기 혹은 연료가 이동할 수 있는 공간이 줄어들게 된다. 이러한 인투루젼은 분리판의 유로 내 압력강하를 일으켜 펌프 소모 전력을 증가 시킨다. 또한 기체확산층과 유로의 경계면에서 부서진 탄소섬유로 인한 기체확산층의 구조 붕괴는 기체확산층의 내구성과 물질 전달 저하를 야기한다.
본 발명의 일 목적은 연료전지 체결시 압력에 대한 탄성과 저항성이 개선된 기체확산층용 탄소 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속분리판 유로내로 기체확산층의 인투루젼이 개선된 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다공성 분리판에서 전극층으로의 효과적으로 수소 및 산소 전달이 개선된 기체확산층용 탄소 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기극에서 형성된 물이 다공성 분리판으로의 효과적으로 물배출이 가능한 구조를 갖는 기체확산층용 탄소 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재를 포함하는 연료전지용 기체확산층을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 기체확산층을 포함하여 셀 성능이 개선된 막전극 집합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 기체확산층을 포함하여 셀 성능이 개선된 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은
연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
상기 기재는 복수개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조를 가지고,
상기 각 단위 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이고,
상기 각 단위 탄소 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기 고분자의 탄화물을 포함하고,
상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고,
상기 각 단위 탄소 기재의 제1 표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 단위 탄소 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 상기 단위 탄소 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 단위 탄소 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재가 제공된다.
상기 제2 표면에서의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.5 내지 4.0인 것이 바람직하다.
상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접한 단위 탄소 기재 중 어느 하나의 제1표면과 다른 하나의 제2표면이 서로 맞닿도록 적층될 수 있다.
또는, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접한 단위 탄소 기재들의 제1 표면끼리 또는 제2 표면끼리 서로 맞닿도록 적층될 수 있다.
상기 단위 탄소 기재의 적층은 각 단위 탄소 기재의 종방향(MD) 배향이 서로 일치하도록 적층될 수 있다.
또는, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접 단위 탄소 기재의 종방향(MD)이 서로 직교하도록 적층될 수 있다.
상기 단위 탄소 기재의 적층은 2 내지 8개의 단위 탄소 기재의 적층이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 다른 측면에서는
연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
상기 기재는 복수개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조를 가지고,
상기 각 단위 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이고,
상기 각 단위 탄소 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기 고분자의 탄화물을 포함하고,
상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 이에 의하여 상기 기재는 종방향(MD)의 배향성을 가지고,
상기 단위 탄소 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD) 배향성이 일정하고,
상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접 단위 탄소 기재의 종방향(MD) 배향이 서로 직교하도록 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재가 제공된다.
상기 제2 표면에서의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 종방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.5 내지 4.0인 것이 바람직하다.
상기 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고,
상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고,
상기 기재의 두께 방향을 따라 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 제1 탄소 섬유보다 더 많이 배치되며, 이에 의하여 기재의 두께 방향을 따라 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 갖거나 혹은 동일한 기공 사이즈를 나타내는 것이 바람직하다.
상기 단위 탄소 기재의 적층은 2 내지 8개의 단위 탄소 기재의 적층이 바람직하다.
본 발명은 기계적 강도, 특히 기재의 종방향(MD)으로의 탄소섬유 배향을 제어하여 탄소 기재의 굽힘 강도를 개선함으로써, 종래의 인트루젼 현상, 즉 기체확산층이 금속 분리판의 유로 안으로 침투하는 현상을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소기재는 압력에 대한 저항성이 향상되어 스프링 특성이 향상될 수 있다. 또한 본 발명의 탄소 기재를 채용한 기체확산층은 층 전체에 걸쳐 가스 확산 저항이 감소되어 높은 반응가스 확산성을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 탄소 기재를 채용한 기체확산층은 물 배출 능력이 향상되어 운전 중에 발생된 물이 효율적으로 배출되어 물 범람에 의한 전지 성능 저하가 억제된다.
도 1은 수소연료전지용 금속분리판 구조로서, (a)는 채널과 립 구조를 갖는 종래의 금속분리판이고, (b)는 가스와 물이 다양한 경로를 통해 이동하는 다공성 구조의 분리판 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 탄소 기재의 개략도이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 기재의 적층 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 탄소 기재의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 기재의 적층 구조를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명과 종래의 기체확산층의 스프링특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명과 종래의 기체확산층의 금속 분리판에서의 인트루젼 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명과 종래의 기체확산층의 1MPa 가압 후의 형상 변화를 나타내는 사진이다.
이하 하기 실시형태에 기초하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 이는 단지 예시를 위한 것이다. 따라서 이들이 다양하게 개조 및 변형될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 평균적 지식을 가진 자에게 명백하다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지의 기체확산층용 기재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지용 전극, 막전극 접합체 및 연료전지에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재는 복수개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조이다. 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 단위 탄소 기재의 표면의 배향 구조를 도시한 개략도이다.
상기 단위 탄소 기재는 제1 표면 (도 2의 a에 해당) 및 이의 반대측의 제2 표면(도 2의 b에 해당)을 갖는 판상 기재이다. 상기 단위 탄소 기재는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며, 상기 탄소 섬유 중 상기 단위 탄소 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 상기 단위 탄소 기재의 제1 표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있는 등방형(isotropic) 구조이고, 기재의 두께방향을 따라 상기 제1표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 단위 탄소 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기재의 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가진다.
상기 제1 표면에서의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)은 0.9~1.1 정도로서 탄소 섬유가 랜덤하게 배치된 등방형 구조이다. 또한 상기 제2 표면에서의 MD/TD는 1.5 내지 4.0인 것이 바람직하다.
n개의 단위 탄소기재(n은 2 내지 8)를 적층하는 경우, 각 단위 탄소기재는 같은 중량과 두께를 가질 수도 있고, 서로 상이한 중량과 두께를 가질 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따라 단위 탄소 기재를 적층하는 예들을 도시한 개략도이다. 도 3에서 적층 구조를 설명하기 위해 각 단위 탄소 기재를 이격하여 도시하였으나, 실제 적층시에는 이들 단위 탄소기재들은 서로 표면이 접촉하도록 적층된다.
상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접한 단위 탄소 기재 중 어느 하나의 제1표면과 다른 하나의 제2표면이 서로 맞닿도록 적층될 수 있다 (도 2(a) 및 2(c)). 즉, 적층구조는 [제1표면/제2표면//제1표면/제2표면//제1표면/제2표면...]의 형태일 수 있다.
또는, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접한 단위 탄소 기재들의 제1 표면끼리 또는 제2 표면끼리 서로 맞닿도록 적층될 수 있다. 즉, n개의 적층구조는 [제1표면/제2표면//제2표면/제1표면//제1표면/제2표면...]의 형태일 수 있다(도 2(b) 및 2(d)).
또한, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 각 단위 탄소 기재의 종방향(MD) 배향이 모두 일치하도록 적층될 수 있다(도 2(a) 및 2(b)).
또는, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 각 인접 단위 탄소 기재의 종방향(MD) 배향이 서로 직교하도록 적층될 수 있다(도 2(c) 및 2(d)).
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재는 복수개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조이다. 도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 단위 탄소 기재의 표면의 배향 구조를 도시한 개략도이다.
상기 단위 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재로서, 상기 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기고분자의 탄화물을 포함하며, 상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 이에 의하여 상기 기재는 종방향(MD)의 배향성을 가지고, 상기 기재의 두께방향을 따라 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD)의 배향성이 일정하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접 단위 탄소 기재의 종방향(MD) 배향이 서로 직교하도록 적층된다(도 5). 도 5에서 적층 구조를 설명하기 위해 각 단위 탄소 기재를 이격하여 도시하였으나, 실제 적층시에는 이들 단위 탄소기재들은 서로 표면이 접촉하도록 적층된다.
상기 종방향(MD) 배향성은 MD/TD가 약 1.5~4의 범위이고, 바람직하게는 약 1.5~3의 범위이다. MD/TD가 1.5 이하인 경우는 등방성 구조를 갖기 때문에 평면 방향(In plane)으로 반응가스 확산 저항이 증가하여 고전류 밀도에서 성능이 낮아지는 단점이 있고, 연료전지 분리판의 립 안으로 기재가 인트류젼됨으로 인하여 연료전지 내구성이 저하된다. MD/TD가 4 이상인 경우는 횡방향으로의 기계적 강도가 저하되어 스택 체결시 부서질 가능성이 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 측면 및 다른 측면에 따른 종방향(MD) 배향성을 갖는 기체확산층용 탄소 기재는 각각 탄소 기재의 두께 방향에 있어서 기공 사이즈 구배를 가질 수 있다. 구체적으로, 기재를 구성하는 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고, 상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고, 상기 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 상기 제1 탄소 섬유보다 많이 배치되며, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 상기 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타낼 수 있다. 또한, 각 단위 탄소 기재별로 탄소 섬유의 길이가 상이할 수 있고, 본 발명의 적층된 탄소 기재는 탄소 섬유의 길이가 각각 다른 단위 탄소 기재를 적층함으로써, 적층된 탄소 기재가 두께 방향에 있어서 기공 사이즈 구배를 가질 수도 있다.
본 발명의 모든 측면은 서로 조합가능하다.
다음으로 본원 발명의 기체확산층용 탄소 기재의 제조방법을 설명하기로 한다. 각 단위 탄소기재의 제조방법은 다음과 같다.
먼저 분산매 중에 분산되어 있는 상기 탄소 섬유를 포함하는 분산매 중에 와이어 메쉬를 통과시켜 탄소 섬유 프리웹(pre-web)을 형성한다. 상기 탄소 섬유 프리웹 형성 단계에서 상기 탄소 섬유들이 상기 분산매 중에서 상기 와이어 메쉬 위에 공급되는 방향 및 시간 및 분산물의 유입속도 차이를 다르게 하는 방법을 사용한다. 탄소섬유가 포함된 분산물은 점차 와이어와 외부 격벽사이의 간격(gap)이 점차 좁아지는 공급 유닛(feeding unit)을 통과하면서 탄소섬유는 점차 분산물의 흐름과 수평이 되고 일정한 속도로 움직이는 와이어의 표면에 적층되게 된다. 공급 유닛(feeding unit)을 통해 처음 공급되는 분산매는 아직 탄소섬유가 방향성을 덜 가진 상태에서 와이어 표면에서 적층이 되고, 적층된 와이어가 공급 유닛(feeding unit)의 좁은 틈으로 진행할수록 분산물의 흐름 속도와 와이어의 속도에 의해서 점차 종방향(MD)으로 많이 배향된 탄소섬유가 적층되게 된다.
탄소 섬유가 적층될 때 기재의 제1 표면부터 제2 표면까지 동일한 탄소섬유 배향성을 갖게 하거나 혹은 제1표면에서부터 제2 표면으로 가면서 점차 종방향(MD) 배향성을 증가시키는 방법도 가능하며, 특별히 한정하지는 않는다.
상기 기재의 두께 방향에 대하여 탄소 섬유의 배향성이 동일한 경우 MD/TD 비는 1.5~4.0, 더 바람직하게는 MD/TD비가 1.5~3.0의 구조를 갖도록 제어한다.
또는 제1 표면으로부터 제2 표면 방향으로 종방향(MD) 배향성이 증가하도록 하는 경우에는, 상기 제1 표면으로부터 기체 전체 두께의 10~35% 까지의 영역에서, MD/TD 비가 0.5~1.2 범위를 가지며, 바람직하게는 0.8~1.1의 범위의 비율을 갖도록 퇴적시킨다. 와이어가 진행함에 따라서 점차로 종방향(MD) 배향성이 증가하도록 하고, 마지막 형성단계에서는 대부분의 탄소섬유가 종방향(MD) 배향성을 갖도록 초지기를 설계한다. 이때 기재의 중간층은 MD/TD의 탄소섬유 배향성 비가 1.2~2.0의 구조를 가지며 제2 표면으로부터 기재 두께의 40~70% 까지의 영역은 MD/TD 비가 1.5~4.0, 더 바람직하게는 MD/TD 비가 1.5~3.0의 구조를 갖도록 제어한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계에서 얻어진 상기 탄소 섬유 프리웹은 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 형상을 가지며, 제1 표면과 제 2표면은 동일한 구조를 갖거나 다른 구조를 가지더라도 무방하다.
한편, 본 발명의 탄소섬유 프리웹은 길이가 동일한 1종의 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
또는, 본 발명의 탄소섬유 프리웹은 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와 이보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고, 탄소섬유 프리웹 형성단계에서 상기 탄소 섬유들이 상기 분산매 중에서 와이어 메시 위에 퇴적될 때까지의 유영 시간이 상기 탄소 섬유들의 길이에 따라 다른 유영 시간의 차이를 이용하여 길이가 짧은 제1 탄소 섬유가 와이어 메시 면에 먼저 조밀하게 퇴적하고, 그 후에 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유가 지배적으로 퇴적되도록 제어한다. 이에 의하여 두께방향에 있어서 상기 제 1표면으로부터 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 점점 커지는 기공 사이즈 구배를 나타낸다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 분산물은 바인더 단섬유를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 단섬유는 PVA 단섬유, 저융점(LM) 폴리에스테르 단섬유, PE 단섬유, PP 단섬유, 셀룰로오스 단섬유, 피치 단섬유로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 연료전지의 기체확산층용 기재의 제조방법은 크게 두 가지의 방법이 가능하다. 첫째는 n개의 헤드박스를 구비한 초지기를 이용하여 순차적으로 만들어진 탄소섬유 프리웹을 초지하면서 적층하는 방법이다. 1존의 헤드박스에서 제 1의 탄소섬유 프리웹을 형성하고 픽업(pick-up) 벨트 위에 올리고2존의 헤드박스에서 형성된 제 2 탄소섬유 프리웹을 픽업 벨트 위에 올려서 두 개의 프리웹이 적층되도록 한다. n개의 헤드박스를 구비한 초지기를 사용하면 n개의 적층된 프리웹을 얻을 수 있으며, n번째의 헤드박스를 통과한 프리웹의 n-1개의 프리웹이 적층된 픽업 벨트 위로 적층되고 이 적층된 프리웹은 건조존을 통과하면서 합지하게 된다. 혹은 각각의 프리웹을 형성한 이후에 프리웹을 일정한 길이로 잘라서 배향 방향에 맞추어서 적층하고 그 위에 수용성 고분자를 코팅하여 합지하고 프리웹을 형성하는 방법도 가능하다.
혹은 2번째 방법으로는 탄소섬유 프리웹을 형성 단계 이후에, 열경화성 혹은 열가소성 수지와 탄소 필러를 포함하는 슬러리에 상기 탄소 섬유 프리웹을 함침한 후 건조하여 함침된 탄소 섬유 웹을 얻는 함침 단계에서 각각의 탄소섬유 웹을 얻은 다음에 각각을 적층하여 일정한 압력과 온도로 합지하여 형성하는 방법도 있다. 본 발명에서는 특별히 어떤 방법을 한정하지는 않고 발명자가 고안할 수 있는 방법이라면 어떤 방법이라도 가능하다.
상기 함침된 탄소 섬유 프리웹에 열과 압력을 가함으로써 상기 탄소 섬유 프리웹을 압축하는 경화 단계; 및
상기 탄소 섬유 웹을 불활성 분위기 중에서 가열하여 상기 수지를 탄화함으로써 탄소 기재를 얻는 탄화 단계;
불소계 수지 현탁액 또는 에멀젼을 이용하여 상기 탄소 기재를 처리함으로써 상기 불소계 수지가 함침된 탄소 기재를 얻는 단계; 및
제조된 상기 다공질 탄소 기재 위에 미세다공층(MPL)을 코팅하면 기체확산층(GDL)이 형성된다. 이때 미세다공층의 기공크기는 0.1~20㎛ 범위에서 분포하며, 미세다공층 역시 기공 사이즈 구배를 갖도록 할 수 있으며, 이 경우 촉매층에서 발생된 물이 미세다공층으로 보다 효과적으로 배출되는 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극은 상기한 본 발명의 기체확산층용 기재를 포함하며, 연료전지의 캐소드 또는 애노드로 사용될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 막전극 집합체는 상기한 본 발명의 전극을 포함한다.
본 발명의 연료전지는 상기한 본 발명의 막전극 집합체를 포함한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 이용하여 더 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
원재료로서 탄소함량: 95%, 직경: 약 7㎛, 밀도: 약 1.81g/cc, 평균 길이: 약 6mm와 12mm이며 전구체가 PAN인 탄소 단섬유를 90 wt%(여기서 6mm와 12mm의 함량비는 50/50) 바인더 단섬유로서 PVA 단섬유 전체 섬유 무게의 10 wt%를 준비하여, 탄소 프리웹 제조공정으로 섬유 혼합, 물에서 섬유 분산 및 와이어 위에 적층 공정을 통하여 탄소 섬유 프리웹을 제조하였다. 물에 분산된 탄소섬유는 펌프를 통하여 초지기에 공급되고 이때 초지기의 헤드박스(head box)에 연결된 공급 유닛은 헤드박스로 갈수록 점차 좁아지는 구조를 갖게 되고, 탄소섬유 분산액은 점차 분산액이 흐르는 방향과 평행하게 배열되게 된다. 이때 분산액이 와이어와 처음 만나는 부분에서 와이어와 공급 유닛의 슬릿은 조절이 가능한 구조로 되어 있으며 이 슬릿의 갭(gap)이 탄소섬유보다 커지면 등방성 구조를 가지기 쉽고 갭이 작아지면 이등방성 구조가 된다. 본 제조예에서는 분산액이 와이어와 만나기 전에 와류를 만들 수 있는 구간을 통과하고 슬릿 갭을 탄소섬유 길이보다 더 크게 하여 제 2 표면이 MD/TD 배열비가 2.5가 되도록 하였다. 헤드박스의 슬릿 갭은 점차 작아지면서 탄소섬유는 점차 종방향으로 배열을 갖게 된다. 특히 분산액의 공급속도가 증가하고 갭이 작을수록, 와이어 위에 형성되는 프리웹의 형성속도가 증가할수록 종방향으로의 배향성은 더 증가하게 된다.
이와 같이 하여 제 1표면의 탄소섬유의 MD/TD는 1.1이고 중간영역은 1.8이고 제2표면은 2.5의 구조를 갖는 프리웹을 얻었다.
헤드박스에 와이어 위에 초지된 탄소섬유중의 분산매는 탈수 과정을 통해 탈수되고 건조시켜 프리웹이 제조되었다.
건조된 웹을 온도 80~150℃, 압력 1~10 kgf/cm2에서 수행되는 탄소 섬유 웹의 가열가압처리 단계, 및 권취하여 탄소 섬유 프리웹을 얻었다.
이렇게 하여 얻은 탄소 섬유 웹을 함침공정, 경화 공정, 및 탄화공정을 수행함으로써 기체확산층용 탄소기재를 제조하였다.
이때, 함침공정에서는 탄소 섬유 웹에 페놀수지 용액(중량평균 분자량: 약 3,000 내지 5,000, 용매: N-메틸-2-피롤리돈) 및 흑연입자(제조사: Asbury Carbons, 모델명: 5991)(페놀 수지/흑연입자 중량비 = 50/50, 혼합물의 총고형분 함량: 약 20중량%)를 분산한 슬러리를 3 mg/cm2의 양으로 함침하였다.
경화 공정에서는 약 120℃의 히팅 벨트(3111a) 온도, 약 100℃, 약 150℃ 및 약 180℃로 증가하는 3단의 롤(3121a)을 이용하여 상기 웹을 건조 및 경화하였다. 이 때 압력은 1~10 kgf/cm2의 범위에서 증가시켰다. 냉각실(3131)의 온도는 냉각 공기로 약 30℃ 이하로 조절하였다. 탄화공정에서는 탄화처리는 온도 약 900℃의 탄화처리로에서, 주입속도 30 l/min의 질소 혹은 아르곤을 넣어주면서 30분간 처리하였고, 흑연화처리는 온도 약 2000℃의 흑연화 처리로에서 주입속도 10 l/min의 질소 혹은 아르곤을 넣어주면서 30분간 처리하여, 표 1에 기재된 바와 같은 특성을 갖는 탄소기재를 얻었다.
[제조예 2]
분산액이 와이어와 만나기 전에 와류를 만들 수 있는 구간을 없게 하고 분산액이 메쉬와 처음 만나는 영역의 슬릿 갭을 탄소섬유 길이와 동일하게 하는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방식으로 하여 제 1 표면 및 제2 표면의 MD/TD 배열비가 2.0의 구조를 갖는 프리웹을 얻었다. 이후 제조예 1과 동일한 방식으로 하여 표 1에 기재된 바와 같은 특성을 갖는 탄소기재를 얻었다.
[실시예 1]
제조예 1에서 제조된 단위 탄소 기재 2장을 적층하여 압착 후 건조하여 적층 단위 탄소기재를 제조하였다. 적층은 상층의 제1 단위 탄소 기재의 제2 표면과 하층의 제2 단위 탄소기재의 제 1표면이 맞닿도록 적층하였다.
적층은 2개의 헤드박스를 가진 초지기를 사용하였다. 1존의 헤드박스에서 제 1의 탄소섬유 프리웹(단위 탄소 기재)을 형성하고 픽업(pick-up) 벨트 위에 올리고 2존의 헤드박스에서 형성된 제 2 탄소섬유 프리웹(단위 탄소 기재)을 픽업 벨트 위에 올려서 두 개의 프리웹이 적층되도록 하였다.
건조된 웹을 온도 80~150℃, 압력 1~10 kgf/cm2에서 수행되는 탄소 섬유 웹의 가열가압처리 단계, 및 권취하여 탄소 섬유 프리웹을 얻었다.
이렇게 하여 얻은 탄소 섬유 웹을 함침공정, 경화 공정, 및 탄화공정을 수행함으로써 기체확산층용 탄소기재를 제조하였다.
이때, 함침공정에서는 탄소 섬유 웹에 페놀수지 용액(중량평균 분자량: 약 3,000 내지 5,000, 용매: N-메틸-2-피롤리돈) 및 흑연입자(제조사: Asbury Carbons, 모델명: 5991)(페놀 수지/흑연입자 중량비 = 50/50, 혼합물의 총고형분 함량: 약 20중량%)를 분산한 슬러리를 3 mg/cm2의 양으로 함침하였다.
경화 공정에서는 약 120℃의 히팅 벨트(3111a) 온도, 약 100℃, 약 150℃ 및 약 180℃로 증가하는 3단의 롤(3121a)을 이용하여 상기 웹을 건조 및 경화하였다. 이 때 압력은 1~10 kgf/cm2의 범위에서 증가시켰다. 냉각실(3131)의 온도는 냉각 공기로 약 30℃ 이하로 조절하였다. 탄화공정에서는 탄화처리는 온도 약 900℃의 탄화처리로에서, 주입속도 30 l/min의 질소 혹은 아르곤을 넣어주면서 30분간 처리하였고, 흑연화처리는 온도 약 2000℃의 흑연화 처리로에서 주입속도 10 l/min의 질소 혹은 아르곤을 넣어주면서 30분간 처리하여, 표 1에 기재된 바와 같은 특성을 갖는 탄소기재를 얻었다.
이후 탈이온수 1000 g, 분산제 (Triton X-100) 20 g, 카본 블랙(Vulcan XC-72) 92 g, 60 중량%의 PTPE 분산액 8g을 첨가하여 기계적 믹싱을 하여 미세다공층(MPL)용 조성물을 얻었다. 상기에서 얻은 적층 탄소 기재에 미세다공층 조성물을 도포하고 120℃에서 건조 후 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분 동안 열처리하여 기체확산층을 얻었다.
[실시예 2]
제조예 1의 단위 탄소 기재 2장을 적층할 때 제1, 2 단위 탄소 기재의 제2 표면끼리 맞닿도록 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 기체확산층을 얻었다.
[실시예 3]
제조예 1에서 제조된 단위 탄소 기재 2장을 적층할 때, 제 1 단위 탄소 기재의 제2 표면과 제2 단위 탄소기재의 제 1표면이 맞닿도록 적층하였다.
적층은 각각의 단위 탄소 기재를 형성한 후 이를 일정한 길이로 잘라서 각 단위 탄소 기재의 배향이 서로 직교하도록 적층하고 그 위에 수용성 고분자를 코팅하여 합지하였다. 이후 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 기체확산층을 얻었다.
[실시예 4]
제조예 1에서 제조된 단위 탄소 기재 2장을 적층할 때, 두 단위 탄소 기재의 제2 표면끼리 맞닿도록 적층하는 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 하여 기체확산층을 얻었다.
[실시예 5]
제조예 2에서 제조된 단위 탄소 기재 2장을 적층하여 압착 후 건조하여 적층 탄소 기재를 제조하였다. 적층은 상층의 단위 탄소 기재와 하층의 단위 탄소 기재의 MD 배향성이 서로 직교하도록 적층하였다.
적층은 각각의 단위 탄소 기재를 형성한 후 이를 일정한 길이로 잘라서 각 단위 탄소 기재의 배향이 서로 직교하도록 적층하고 그 위에 수용성 고분자를 코팅하여 합지하였다. 이후 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 기체확산층을 얻었다.
[비교예]
탄소섬유 분산액이 펌프를 통해 헤드박스의 공급 유닛으로 공급되는 것은 실시예와 동일하나 와이어와 공급유닛 사이에 슬릿 구조를 갖지 않기 때문에 탄소섬유는 무정형으로 배열된다. 탄소섬유는 분산매 상에서 부유하며 시간이 지나면서 와이어 위에 적층되어 만들어지고 탈수과정을 거치게 된다. 후의 건조 공정 및 후의 공정은 실시예와 동일하다. 기존 공정으로 제조된 두께 약 270 ㎛인 탄소 기재 JNT30(JNTC사 제조)를 5중량% PTFE 용액(Du Pont사)에 침지하여 PTFE의 함량이 상기 탄소 기재의 10 wt%가 되도록 도포하여 건조 후 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분 동안 열처리하여 발수성 탄소 기재를 얻었다.
상기 발수성 탄소 기재 상에 제1 미세다공층용 조성물을 탄소 기재 안으로 50% 이하로 함침되도록 도포하고 120℃에서 건조하여 미세다공층을 제조하고 공기 분위기 중에서 약 350℃에서 30분 동안 열처리하여 기체확산층을 얻었다.
실시예 및 비교예에서 얻어진 기체확산층의 제반 물성은 다음 표 1과 같다. 섬유의 배향은 Nomura Shoji사의 섬유배향 측정기를 이용하여 섬유배향을 측정하였고 횡방향의 배향을 1로 했을 때 종방향의 배향을 측정하여 그 비로 나타내었다. 탄소기재의 두께는 두께 측정기를 이용하여 2 N/㎠의 압력에서 측정하고 중량은 일정 크기로 탄소기재를 잘라서 저울을 이용하여 측정하였다.
[물성 측정]
실시예 및 비교예에서 얻어진 기체확산층의 제반 물성의 측정방법은 다음과 같다. 섬유의 배향은 Nomura Shoji사의 섬유배향 측정기를 이용하여 섬유배향을 측정하였고, 횡방향의 배향을 1로 했을 때 종방향의 배향을 측정하여 그 비로 나타내었다. 탄소 기재의 두께는 두께측정기를 이용하여 2 N/㎠의 압력에서 측정하고, 중량은 일정 크기로 탄소 기재를 잘라서 저울을 이용하여 측정하였다.
스프링 특성은 만능시험기를 이용하여 기체확산층을 샘플 홀더(sample holder)에 넣고 압력을 순차적으로 200 N/㎠까지 증가시켰다가 다시 압력을 감소시켜서 복원시키고 동일한 방법으로 2번째 사이클을 거치고 세 번째 사이클은 170 N/㎠ 까지 측정하고 네 번째 사이클은 60 N/㎠까지 측정하여 두께를 측정하고 제 3 사이클의 170 N/㎠과 제4 사이클의 60 N/㎠에서의 두께 변화를 측정하였다. 두께 변화가 클수록 스프링 특성이 더 큰 것으로 해석할 수 있다.
인트루젼은 샘플 홀더(sample holder)에 기체확산층을 2장을 서로 미세다공층이 있는 쪽이 서로 마주 보도록 넣고 채널-립 모양을 갖는 홀더가 기체확산층의 양면에서 동일한 모양으로 마주보면서 누르도록 하였다. 만능시험기를 이용하여 0.75 MPa, 1 MPa, 1.7 MPa에서의 기체확산층이 채널안으로 인트루젼되는 값을 현미경으로 촬영하여 그 값을 측정하였다.
평가예 1 : 스프링 특성
실시예 1, 2, 5 및 비교예에 따라 제조된 탄소기재의 스프링 특성을 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 비교예는 200 N/cm2의 압력이 인가되면 기체확산층의 구조 붕괴가 일어나고 다시 복원되는 정도가 낮기 때문에 스프링 값은 6 um로 매우 낮은 값을 나타내었다. 이에 비하여 실시예 1과 실시예 2는 기재내의 탄소섬유의 배향이 다른 구조를 갖는 배향이 적층되면서 각각 18 um과 20 um로 매우 높은 값을 나타내었다. 실시예 5는 제 2표면을 갖는 탄소기재 전구체가 서로 90도 방향으로 적층되었기 때문에 실시예 1과 2에 비하여 스프링 값이 다소 작았으나 비교예보다는 높은 값을 나타내었다.
또한, 실시예 1과 2에 비하여 단위 기재를 n층과 n-1층의 배향이 직교하도록 적층한 실시예 3, 4에 대해서는 동일한 방법으로 하여 스프링 특성을 확인한 결과, 각각 12 및 13이었다. 즉, 실시예 3, 4는 비교예보다는 높은 값이나 실시예 1과 2에 비하여 스프링 특성은 낮아지는 특성을 나타내었다. 이는 종방향으로 배향된 탄소섬유가 서로 직교하면서 너무 강성이 강해지고 이로 인하여 탄성특성이 감소하기 때문에 얻어지는 결과로 이해할 수 있다.
평가예 2 : 압축 압력에 따른 탄소기재의 인트루젼 양
두 개의 채널 사이에 2장의 기체확산층을 넣고 압력을 증가하면서 눌렀을 때, 기체확산층의 기재 면이 채널 안으로 인트루젼 되는 양을 내시경 카메를 이용하여 옆면에서 촬영하여 얻은 값을 도 7과 기체확산층의 구조변화를 촬영하여 도 8에 나타내었다.
도 7에 따르면 비교예의 기체확산층은 0.75 MPa에서는 인트루젼 되는 양이 적으나, 압력이 증가하면서 급격하게 기체확산층이 파손되면서 채널 내로 인투루젼되는 양이 증가되는 것을 알 수 있다. 이는 무정형으로 배열된 탄소섬유에 압력이 가중되면서 립과 닿는 부분에서 탄소섬유가 부서지며서 채널 안으로 인트루젼 되는 경향을 보이기 때문이다. 본 발명에서의 실시예 1, 2, 5의 기체확산층의 인트루젼값은 비교예와 비교할 때 1 MPa에서 약 17% ~ 22% 수준의 매우 낮은 값으로 금속분리판과 기체확산층의 배열에 상관없이 매우 안정적으로 강성을 유지함을 알 수 있다.
실시예 1과 2의 기체확산층의 종방향(MD)과 금속분리판의 유로방향과 서로 수직(90??)이 되게 하고 압축하였을 경우에는 압력이 증가하여도 기체확산층의 인트루젼이 매우 낮게 나타내었다. 또한 실시예 1과 2의 기체확산층의 종방향(MD)과 유료를 평행(0°)하게 두고 압축하는 경우에는 서로 수직하게 배열하는 경우에 비하여 약간 더 높은 인트루젼 값을 나타낸다.
실시예 5는 MD 배향성이 있는 탄소기재 프리웹을 다시 90도 각도로 다시 적층해서 만들어진 기체확산층의 경우에 금속분리판의 유로와의 배열과 상관없이 가장 낮은 인트루젼 값을 나타내었다. 탄소섬유가 90도 각도로 배열되면서 매우 강성인 기체확산층 구조를 갖는 것임을 알 수 있다.
실시예 1과 2에 비하여 단위 기재를 n층과 n-1층의 배향이 직교하도록 적층한 실시예 3, 4에 대해서는 동일한 방법으로 인트루젼 특성을 확인하였다. 실시예 1과 2에 비하여 강성이 더 증가하면서 15~ 18um의 더 작은 인트루젼 값을 나타내었다. 즉 종방향으로 배향된 탄소섬유가 서로 직교하면서 누르는 압력에 대해서 저항력이 강해지고 이로 인해 탄소섬유의 부서짐은 훨씬 감소하는 결과로 이해할 수 있다.
도 8은 실제 1MPa의 압력에서 인트루젼 값을 측정할 때 기체확산층이 일부 부서지면서 채널안으로 인트루젼되는 모양을 광학현미경으로 촬영한 것이다.
비교예는 기체확산층 2장이 립 사이에 눌리는 힘에 의해서 탄소기재의 구조 붕괴가 일어나면서 탄소 섬유 일부가 잘리면서 채널안으로 많이 인트루젼되는 것을 볼 수 있다. 이에 비하여 실시예 1과 실시예 5는 기체확산층과 채널과의 배열을 90도로 하는 것으로 매우 견고한 구조를 가지고 있기 때문에 누르는 압력에 저항하면서 인트루젼되는 값이 매우 작게 나타났다.
평가예 3 : 탄소기재의 기체투과도
기존의 유로(flow field)구조의 분리판에서는 유로로 들어온 산소가 촉매층까지 전달되기 위해서는 유로로 공급된 산소가 기체확산층을 걸쳐서 촉매층까지 이동될 때 평면방향(in-plane)으로 균일한 확산이 매우 중요한 변수였다. 그러나 다공성 분리판의 경우 산소의 공급이 유로와 같은 일정한 통로로만 흘러가는 것이 아니라 분리판에서 고르게 분포하게 된다. 따라서 기체확산에 있어서 평면 방향으로의 균일한 분포보다 분리판으로 공급된 기체가 촉매 층까지 바로 이동할 수 있는 환경이 제고되어야 하며, 두께 방향(thru-plane)에 대한 기체확산이 더욱더 중요한 변수가 된다.
종축으로의 기체투과도(Thru-plane gas permeability)에서 탄소섬유의 종축(MD)으로의 배향성이 증가하며, 제1 표면과 제 2표면 모두 탄소섬유가 종축으로 배향된 실시예 1은 비교예에 비하여 종축 기체투과도가 6배 이상 증가되었다. 또한 횡축으로의 기체투과도(in-plane gas permeability)또한 실시예 1이 비교예에 비하여 1.4배 높게 측정되었다. 이는 다공성 분리판의 적용에 있어서 제1 표면과 제2 표면 모두 탄소섬유가 종축으로 배향된 완전 등방성의 탄소기재의 기체확산층에서 종축으로의 기체투과가 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1에서 제조된 기체확산층을 기재의 종방향(MD)과 바이폴라 플레이트 금속 분리판의 유로방향과 수직되게 배치하여 단전지 성능 평가를 진행하였다. 그 결과 횡축(in-plane)으로의 기체투과도와 종축(thru-plane)으로의 기체투과도가 향상된 실시예 1에서의 성능이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 탄소기재의 인트루젼(intrusion)이 작게 일어나서 가스확산저항이 감소하게 된다. 이로 인하여 횡축(in-plane)방향과 종축(thru-plane)방향으로의 반응가스가 균일하게 확산되어 촉매의 이용율이 증가하므로써 막전극집합체(MEA)의 성능이 증가하기 때문이다.
A: 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 탄소 기재
A': 본 발명의 단위 탄소 기재 A를 시계방향으로 90도 회전한 기재
B: 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 탄소 기재
B' 본 발명의 단위 탄소 기재 B를 시계방향으로 90도 회전한 기재
a: 기재의 제1 표면
b: 기재의 제2 표면

Claims (9)

  1. 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
    상기 기재는 2 내지 8개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조를 가지고,
    상기 각 단위 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이고,
    상기 각 단위 탄소 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기 고분자의 탄화물을 포함하고,
    상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고,
    상기 각 단위 탄소 기재의 제1 표면은 탄소 섬유가 무질서하게 배치되어 있고, 단위 탄소 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 상기 단위 탄소 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 단위 탄소 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 더 많이 배치되는 구조를 가지고, 이에 의하여 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 종방향(MD)의 배향성이 증가되는 배향성 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면에서의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 종방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.5 내지 4.0인 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접한 단위 탄소 기재 중 어느 하나의 제1표면과 다른 하나의 제2표면이 서로 맞닿도록 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접한 단위 탄소 기재들의 제1 표면끼리 또는 제2 표면끼리 서로 맞닿도록 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 단위 탄소 기재의 적층은 각 단위 탄소 기재의 종방향(MD)이 서로 일치하도록 적층하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 탄소 기재의 적층은 인접 단위 탄소 기재의 종방향(MD)이 서로 직교하도록 적층하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  7. 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재로서,
    상기 기재는 2 내지 8개의 단위 탄소 기재가 적층된 구조를 가지고,
    상기 각 단위 탄소 기재는 제1 표면 및 이의 반대측의 제2 표면을 갖는 판상 기재이고,
    상기 각 단위 탄소 기재는 부직포를 형성하는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유들 사이에서 이들을 결합시키는 유기 고분자의 탄화물을 포함하고,
    상기 탄소 섬유 중 상기 기재의 종방향(MD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수가 상기 기재의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수보다 많고, 이에 의하여 상기 기재는 종방향(MD)의 배향성을 가지고,
    상기 단위 탄소 기재의 두께 방향을 따라 상기 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 상기 기재의 종방향(MD) 배향성이 일정하고,
    상기 단위 탄소 기재의 적층은 인접 단위 탄소 기재의 종방향(MD)이 서로 직교하도록 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 표면에서의 횡방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수에 대한 종방향(TD)으로 배열된 탄소 섬유의 개수의 비율(MD/TD)이 1.5 내지 4.0인 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
  9. 제7항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 길이가 서로 다른 2종 이상의 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 2종 이상의 탄소 섬유는 제1 탄소 섬유와, 상기 제1 탄소 섬유보다 길이가 긴 제2 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 기재의 두께 방향을 따라 제1 표면에 가까울수록 상기 제1 탄소 섬유가 상기 제2 탄소 섬유보다 더 많이 배치되고, 이와 반대로 상기 제2 표면에 가까울수록 상기 제2 탄소 섬유가 제1 탄소 섬유보다 더 많이 배치되며, 이에 의하여 기재의 두께 방향을 따라 제1 표면에서 제2 표면으로 진행할수록 기공의 사이즈가 큰 기공 사이즈 구배를 나타내는 것을 특징으로 하는, 연료전지의 기체확산층용 탄소 기재.
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