本发明涉及一种生产具有优异展开特性的卷式气体扩散层(roll-typegasdiffusionlayer)的方法，更具体地，涉及一种包括如下步骤的生产具有优异的展开特性的卷式气体扩散层的方法：制备具有低模量的碳纤维短纤(carbonfiberchops)；将该碳纤维短纤卷绕在辊上以制备卷式卷绕的气体扩散层；将该气体扩散层以规定长度切割成片状，从而制备片状的气体扩散层，该气体扩散层平坦地展开而不会翘曲(lifting)，即，具有优异的展开性(下文称为“展开特性”)。
背景技术：
气体扩散层是允许将氢离子和氧离子结合而产生的水以及电极之间所分解的氢离子从其中通过的作为燃料电池部件的膜。
如公开号为10-2005-0054467韩国公开专利中所公开，气体扩散层通常是通过将其中浸渍有酚树脂(phenolresin)的碳纸(carbonpaper)碳化，然后在碳化的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层而生产的。
在气体扩散层商业化的初期，制备和供给片状的气体扩散层。然而，近年来，为了容易运输和批量生产，主要是生产和供给卷绕成卷状的气体扩散层(以下简称为“卷式气体扩散层”)。
生产卷式气体扩散层的传统方法包括：(i)将强度至少为3.0gpa且模量至少为230gpa的聚丙烯腈(pan)基碳纤维短纤或沥青基碳纤维短纤与粘合性纤维、表面活性剂、增稠剂和消泡剂一起引入到纸浆制造设备内，以制备片状的碳纸；(ii)将所制备的碳纸用酚树脂进行浸渍，在1800℃或更高的温度下对其进行碳化，然后在所碳化的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯(ptfe)层，以制备片状的气体扩散层；以及(iii)将所制备的片状的气体扩散层卷绕在辊上，这些步骤按顺序执行，从而生产卷式气体扩散层。
由于根据以上传统方法生产的卷式气体扩散层被制备为具有230gpa或更高的高模量的碳纤维短纤，因此，当将卷式卷绕的气体扩散层切割为片状时，片状的气体扩散层未平坦地展开而发生翘曲。换言之，展开特性降低，因此切割成片状的气体扩散层与燃料电池分离板之间的密封未被可靠地确保，从而引起诸如渗漏或溢流的问题。
为了解决上述问题，当使用单独的粘合剂来对如上所述的展开特性不良的片状的气体扩散层与燃料电池分离板之间进行密封时，存在诸如导电性下降的另一问题。
技术实现要素：
技术问题
因此，本发明的目的是提供一种生产卷式气体扩散层的方法，当将卷绕在辊上的气体扩散层以期望的规定长度切割成片状以制备片状的气体扩散层时，该卷式气体扩散层平坦地展开而不会翘曲，即，具有优异的展开特性。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供了一种生产卷式气体扩散层的方法，所述方法包括：使用具有10gpa至100gpa的低模量的碳纤维短纤制备碳纸；将所制备的碳纸用酚树脂等进行浸渍，然后在1800℃至2400℃下碳化；在所碳化的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，从而制备片状的气体扩散层；然后，将所制备的片状的气体扩散层卷绕在辊上，从而生产卷式气体扩散层。
有益效果
由于本发明所生产的卷式气体扩散层通过使用低模量的碳纤维短纤而形成，因此切割成片状的气体扩散层平坦地展开而不会翘曲，即，该气体扩散层展现出优异的展开特性。
因此，气体扩散层与燃料电池分离板之间的密封被可靠地确保，而无需使用单独的粘合剂，因此消除了诸如渗漏(leakage)或溢流(flooding)的问题，并且防止了由于使用单独的粘合剂引起的导电性的降低。
具体实施方式
下文将详细地描述本发明。
根据本发明的生产具有优异的展开特性的卷式气体扩散层的方法可以包括：(i)在1750℃至2450℃的温度下对作为碳纤维前驱物(precursor)的纤维素纤维进行热处理，以制备强度为0.5gpa至1.2gpa且模量为10gpa至100gpa的碳纤维；(ii)将所制备的碳纤维切割成3mm至56mm的长度以制备碳纤维短纤，然后将碳纤维短纤与粘合性纤维、表面活性剂、增稠剂和消泡剂一起引入到纸浆制造设备内，以制备片状的碳纸；(iii)将所制备的碳纸用树脂进行浸渍，在1800℃至2400℃对其进行碳化，然后在所碳化的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，以制备片状的气体扩散层；以及(iv)将所制备的片状的气体扩散层卷绕在辊上。
具体地，本发明可以首先在1750℃至2450℃的最高温度对作为碳纤维前驱物的纤维素纤维进行热处理，以制备强度为0.5gpa至1.2gpa且模量为10gpa至100gpa的碳纤维。
这里，作为碳纤维前驱物的纤维素纤维可以包括醋酸纤维(acetatefiber)、粘胶纤维(rayonfiber)、莱赛尔纤维(lyocellfiber)、棉纤维或木质素纤维等。
如果在低于1750℃的低温下对作为碳纤维前驱物的纤维素纤维进行热处理，则碳纤维的模量减小至小于10gpa，并且除碳(c)以外的诸如氮(n)的一些元素可能残留在碳纤维中并充当杂质，从而使最终产品、即气体扩散层的性能降低。另一方面，如果在高于2450℃的温度下进行热处理，则碳纤维前驱物在石墨化过程中对可加工性(workability)和出售特性(vendingproperty)产生不利影响。
如上所述制备的碳纤维可以具有0.5gpa至1.2gpa的强度以及10gpa至100gpa的模量。
在这一点上，如果碳纤维的强度小于0.5gpa，则导热性和导电性可能由于除碳以外的大量杂质而降低。另一方面，如果强度超过1.2gpa，则在进行热处理期间石墨化过度进行，从而导致脆弱的产品，即，引起可加工性降低。此外，如果模量小于10gpa，则碳纤维容易撕裂，如果模量超过100gpa，则卷绕在辊上的气体扩散层不容易恢复，从而引起性能降低的问题。
优选地，如上所述制备的碳纤维具有6μm至10μm的直径、0.0001ω·cm至0.9ω·cm的电阻率以及1.4g/cm2至1.5g/cm2的密度。
如果碳纤维的直径小于6μm，则碳纤维可能易碎或易于破裂。如果直径超过10μm，则难以将碳纤维的全部(包括其内部)均匀地碳化，从而表现出不均匀性。此外，如果电阻率超过上述范围，则包含大量杂质或碳化过度进行，这是非优选的。
接下来，将所制备的碳纤维切割成3mm至56mm的长度以制备碳纤维短纤后，可以将碳纤维短纤与粘合性纤维、表面活性剂、增稠剂和消泡剂一起引入到纸浆制造设备内以制备片状的碳纸。
在这一点上，如果将碳纤维切割成短于3mm的长度，则可能难以制备成碳纸。此外，需要相对于碳纤维短纤的量更大量的粘合剂，并且粘合剂部分在碳化期间变得中空，从而引起性能的急剧降低。另一方面，如果将碳纤维切割成大于56mm的长度，则扩散特性大幅降低，而导致难以生产均匀的碳纸。此外，纸浆浓度降低从而损失经济效率。
如上所述制备的碳纸可以具有10g/m2至100g/m2的重量。
接下来，将所制备的碳纸用树脂进行浸渍，并在氮气氛中在1800℃至2400℃的最高温度下对其进行碳化之后，可以在所碳化的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，以制备片状的气体扩散层，之后，将所制备的片状的气体扩散层卷绕在辊上，从而生产卷式气体扩散层。
这里，用于浸渍碳纸的树脂可以是酚树脂或聚乙烯苯酚树脂(polyvinylphenolresin)。
通过本发明生产的卷式气体扩散层通过使用具有低模量的碳纤维短纤而形成，使得切割成为片状的气体扩散层可以平坦地展开而不会翘曲，即，具有优异的展开特性。
因此，即使不使用单独的粘合剂，也能可靠地确保气体扩散层与燃料电池分离板之间的密封，从而消除了诸如渗漏或溢流的问题，并且防止了由于使用单独的粘合剂引起的导电性的降低。
下文将通过下述的示例和对比例更详细描述本发明。
然而，不应当理解为本发明的范围仅限制于下述示例。
示例1
在1800℃下对作为碳纤维前驱物的醋酸纤维进行热处理，以制备强度为0.7gpa、模量为17gpa、直径为8μm、电阻率为0.1ω·cm且密度为1.45g/cm3的碳纤维。
接下来，将所制备的碳纤维切割成20mm的长度，以制备碳纤维短纤，之后，在500℃下对所制备的碳纤维短纤进行热处理3分钟，从而去除残留的上浆油(sizingoil)。
然后，在将热处理后的碳纤维短纤与聚乙烯醇纤维(polyvinylalcoholfiber)(粘合性纤维)、表面活性剂、增稠剂和消泡剂混合以制备混合物之后，将混合物引入到纸浆制造设备(chester)内以制备重量为25g/m2的碳纸。
接下来，在将如上所述制备的碳纸用酚树脂进行浸渍，干燥，并在2200℃的温度下对其进行碳化之后，通过涂覆工序在碳化后的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，从而制备片状的气体扩散层。
然后，将如上所述制备的片状的气体扩散层在切分该片状的气体扩散层的周缘部分的同时卷绕在辊上，从而生产卷式气体扩散层。
之后，如所述生产并且卷绕在辊上的气体扩散层在将该气体扩散层退卷的同时，切割成300mm的长度，以提供片状的气体扩散层。其结果是，如上所述切割的片状的气体扩散层沿着辊的曲率半径平坦地展开而不会翘曲，即，展现出优异的展开特性。
示例2
在2000℃下对作为碳纤维前驱物的粘胶纤维进行热处理，以制备强度为0.9gpa、模量为60gpa、直径为6μm、电阻率为0.2ω·cm且密度为1.45g/cm3的碳纤维。
接下来，将所制备的碳纤维切割成5mm的长度以制备碳纤维短纤，之后，在500℃下对所制备的碳纤维短纤进行热处理3分钟，从而去除残留的上浆油。
然后，将热处理后的碳纤维短纤与聚乙烯醇纤维(粘合性纤维)、表面活性剂、增稠剂和消泡剂混合以制备混合物之后，将该混合物引入到纸浆制造设备(chester)内以制备重量为40g/m2的碳纸。
接下来，将如上所述制备的碳纸用酚树脂进行浸渍，干燥，并在2200℃的温度下对其进行碳化之后，通过层压工序在碳化后的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，从而制备片状的气体扩散层。
然后，如上所述制备的片状的气体扩散层在切分该片状的气体扩散层的周缘部分的同时卷绕在辊上，从而生产卷式气体扩散层。
之后，如所述生产并且卷绕在辊上的气体扩散层将该气体扩散层退卷的同时，切割成300mm的长度，以提供片状的气体扩散层。由此，如上所述切割的片状的气体扩散层沿着辊的曲率半径平坦地展开而不会翘曲，即，展现出优异的展开特性。
示例3
在2400℃下对作为碳纤维前驱物的莱赛尔纤维进行热处理，以制备强度为1.2gpa、模量为90gpa、直径为10μm、电阻率为0.2ω·cm且密度为1.45g/cm3的碳纤维。
接下来，将所制备的碳纤维切割成50mm的长度以制备碳纤维短纤之后，在500℃下对所制备的碳纤维短纤进行热处理3分钟，从而去除残留的上浆油。
然后，将热处理后的碳纤维短纤与聚乙烯醇纤维(粘合性纤维)、表面活性剂、增稠剂和消泡剂混合以制备混合物之后，将该混合物引入到纸浆制造设备(chester)中以制备重量为60g/m2的碳纸。
接下来，将如上所述制备的碳纸用酚树脂进行浸渍，干燥，并在2200℃的温度下对其进行碳化之后，通过涂覆工序在碳化后的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，从而制备片状的气体扩散层。
然后，如上所述制备的片状的气体扩散层在切分该片状的气体扩散层的周缘部分的同时卷绕在辊上，从而生产卷式气体扩散层。
之后，如所述生产并且卷绕在辊上的气体扩散层在将该气体扩散层退卷的同时，切割成300mm的长度，以提供片状的气体扩散层。由此，如上所述切割的片状的气体扩散层沿着辊的曲率半径平坦地展开而不会翘曲，即，展现出优异的展开特性。
对比例1
在1450℃下对作为碳纤维前驱物的聚丙烯腈(pan)纤维进行热处理，以制备强度为3.5gpa且模量为2200gpa的碳纤维。
接下来，将所制备的碳纤维切割成20mm的长度以制备碳纤维短纤，之后，在500℃下对所制备的碳纤维短纤进行热处理3分钟，从而去除残留的上浆油。
然后，将热处理后的碳纤维短纤与聚乙烯醇纤维(粘合性纤维)、表面活性剂、增稠剂和消泡剂混合以制备混合物之后，将该混合物引入到纸浆制造设备(chester)中以制备重量为25g/m2的碳纸。
接下来，将如上所述制备的碳纸用酚树脂进行浸渍，干燥，并在2200℃的温度下对其进行碳化之后，通过涂覆工序在碳化后的碳纸的两面中的一面上形成微孔性的聚四氟乙烯树脂层，从而制备片状的气体扩散层。
然后，如上所述制备的片状的气体扩散层在切分该片状的气体扩散层的周缘部分的同时卷绕在辊上，从而生产卷式气体扩散层。
之后，如所述生产并且卷绕在辊上的气体扩散层在将该气体扩散层退卷的同时，切割成300mm的长度，以提供片状的气体扩散层。其结果是，如上所述切割的片状的气体扩散层沿着辊的曲率半径严重翘曲，即，展现出差的展开特性。
工业适用性
本发明生产的气体扩散层可以用作燃料电池膜。
具体地，通过本发明生产的气体扩散层可以用作如下的膜材料，该膜材料安装在燃料电池的电极之间并且允许(i)所分解的氢离子以及(ii)通过将氢和氧结合产生的水从其中通过。