KR100599805B1 - 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 고분자 전해질 막; 상기 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체를 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 간단한 공정으로 물 배출 효율도 보다 우수하게 소수성 처리된 전극 지지체를 포함한다.
막전극어셈블리,연료전지,소수성처리,증착

Description

연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE/ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 막/전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 막/전극 어셈블리에서 전극 지지체에 소수성 고분자를 증착시키는 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 막/전극 어셈블리에서 전극 지지체에 소수성 고분자를 증착시키는 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 막/전극 어셈블리를 사용하여 제조된 전지의 성능을 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막/전극 어셈블리에 사용되는 전극 지지체를 간단한 공정으로 보다 효율적인 물 배출이 가능하게 소수성 처리를 실시한 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이러한 연료 전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 지칭함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막/전극 어셈블리는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전 극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.
본 발명의 목적은 기체 확산 및 전자 전달의 기능이 우수하면서, 촉매층에서 발생하는 물을 외부로 효과적으로 배출할 수 있는 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 막/전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질 막; 상기 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체를 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한 고분자 전해질 막; 상기 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체를 포함하는 막/전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부를 포 함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지의 전류를 생성시키는 단위체인 막/전극 어셈블리(membrane electrode assembly)에서 전극 지지체에 관한 것이다. 전극 지지체는 가스의 균일한 확산 및 촉매 층으로의 전자전달을 부여하는 역할을 하며, 또한 촉매 층에서 발생한 물을 외부로 배출하는 통로를 부여하는 역할을 하는 기체 확산층(gas diffusion layer)으로 구성된다.
따라서, 촉매층에서 생성된 물이 전극 지지체의 기공 내에 맺히는 현상이 발생하며, 이 경우 가스가 확산되는 통로가 막혀서 촉매층까지의 연료 전달이 저해되는 문제가 발생되므로, 기존에는 전극 지지체의 기공 내에 물이 맺히는 물 범람(water flooding) 현상을 억제하기 위해 전극 지지체를 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 발수성 고분자로 처리하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 기체 확산층을 발수성 고분자 용액에 담지하고, 이를 꺼내어 용액을 휘발시키고, 고온에서 가열하여 발수성 고분자를 소결하는 공정으로 구성된다. 그러나 종래 이 방법은 용액 담지, 건조 및 소결의 세 단계를 실시하여야 하므로, 공정이 복잡하다.
본 발명에서는 발수성 고분자 처리 공정을 한 단계로 단순화시키면서도 기체 확산층의 효율이 우수해지도록 발수성 고분자 처리를 실시하였다. 이와 같은 방법으로 처리된 전극 지지체를 포함하는 본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 고분자 전해질 막, 이 고분자 전해질 양면에 존재하는 촉매층 및 이 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체를 포함한다. 본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1에서, 도면 부호 110은 고분자 전해질 막을 나타내며, 107 및 107'은 촉매층, 102 및 102'은 기체 확산층, 101 및 101'은 소수성 고분자 층을 나타내고, 100 및 100'은 촉매층, 기체 확산층 및 소수성 고분자 층을 포함하는 전극을 나타내고, 10은 막/전극 어셈블리를 나타낸다.
상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 일면 또는 양면에 존재하며, 일면에 존재하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 기체 확산층의 내부에 소수성 고분자는 농도 구배로 존재하며, 이는 상기 촉매층에 근접하는 부분에서 이 부분과 대향되는 상기 촉매층과 먼 부분까지 농도가 점진적으로 증가하며 존재하는 것을 의미한다.
이와 같이 고분자가 농도 구배로 존재하게 되면, 촉매층과 접촉하는 기체 확산층의 일면은 소수성이 낮으므로, 촉매층에서 발생되는 물이 기체 확산층쪽으로 보다 용이하게 접근할 수 있게 되어, 외부로 물 배출이 용이하게 된다. 이에 반하여 기존 함침 방식으로 소수성 처리를 실시한 경우에는 기체 확산층 전체적으로 동일하게 소수성 고분자가 존재하고 따라서 촉매층과 접촉하는 면에서 소수성이 너무 커서 촉매층에서 발생되는 물이 기체 확산층 쪽으로 이동하는데 방해받게 되어 외부로 물 배출이 용이하지 않을 수 있다.
상기 소수성 고분자 층은 도 2에 나타낸 것과 같이 기체 확산층에 증착하여 형성시킬 수 있다. 즉, 고분자를 가열하거나 또는 플라즈마 분위기로 하면, 고분자가 기화되어 기체 확산층의 표면에 형성되면서, 일부는 기체 확산층의 내부로 들어가서 농도 구배로 존재하게 된다. 이러한 증착 공정은 기체 확산층의 일면 또는 양면에 형성할 수 있으므로, 목적에 따라 일면 또는 양면에 형성시킬 수 있다. 특히 상술한 것과 같이 물 배출 효율 향상은 촉매층과 접하는 표면에는 오히려 형성시키지 않고, 그 내부에만 존재하게 하는 것이 바람직하다. 그러나 종래 함침 공정에서는 기체 확산층을 고분자 용액에 침지하는 것이므로, 양면에 반드시 형성되므로 일면에만 형성시키는 것은 매우 어려웠다.
상기 증착 공정은 기체 확산층에 실시한 후, 이 기체 확산층을 이용하여 막/전극 어셈블리를 제조하여도 되며, 또한 소수성 고분자 처리를 실시하지 않은 기체 확산층을 이용하여, 고분자 전해질 막, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 막/전극 어셈블리 전구체를 제조한 후, 기체 확산층의 표면에 증착 공정을 실시할 수도 있다. 따라서, 막/전극 어셈블리를 제조하는 기존 설비 시스템을 변경할 필요없이, 증착 공정 실시 단계만 추후에 추가하면 되므로 간단하고 경제적이다.
아울러, 상기 증착 공정은 도 3에 나타낸 것과 같이 마스크를 사용하여 선택적으로 소수성 처리를 실시할 수도 있다. 이 경우 소수성 처리되지 않은 부분은 물이 배출되는 통로로 작용할 수 있으므로, 물 배출 효율을 보다 극대화할 수 있다.
상기 증착 공정은 펄스화 레이저 증착(pulsed laser deposition), 스퍼터링, 레이저 연마 테크닉(laser ablation technique), 핫 와이어 화학 기상 증착(hot wire chemical vapor deposition), 또는 방사 식각(radiation etching) 방법으로 실시할 수 있다.
상기 증착 공정에서, 증착되는 기체 확산층의 온도는 상온이므로 고분자 전해질 막에 영향을 미치지 않으나, 증착되는 물질인 타겟, 즉 소수성 고분자에 고 전력(high power)을 가해 온도를 높여서, 증착 물질을 증발시켜 기체 확산층에 증착되도록 하는 것으로서, 상기 온도가 300 내지 1200℃가 되도록 조절하는 것이 바람직하고, 500 내지 1000℃가 보다 바람직하다. 또한, 상기 증착 공정은 진공 분위기 또는 Ar을 주입하여 Ar 플라즈마를 형성시켜, Ar 플라즈마가 소수성 고분자 타겟에 충돌하여 소수성 고분자를 증발시키는 공정으로 실시할 수도 있다.
상기 소수성 고분자로는 폴리(테트라플루오로에틸렌), 플루오로에틸렌 폴리머, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 등의 불소계 고분자, 폴리(에틸렌), 폴리(프로필렌), 폴리(이소프렌), 에틸렌 프로필렌 모노머, 폴리(부타디엔) 등의 폴리올레핀계 고분자, 폴리(스티렌), 폴리알파메틸스티렌 등의 벤젠기 함유 고분자 등을 사용할 수 있다.
상기 기체 확산층은 일반적으로 도전성 기재로 구성되며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼 또는 탄소 천(carbon cloth) 등이 일반적으로 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 지지체는 상기 기체 확산층의 기체 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부틸알콜 등과 같은 알콜, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
또한 상기 고분자 전해질 막으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
상기 전극을 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질 막, 상기 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 촉매층 및 상기 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체를 포함하는 막/전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료 공급부 및 산소 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 수소와 산소의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 하며, 상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산소 공급부는 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 4에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(1)과, 공기를 전기 발생부(19)로 공급하는 산소 공급부(5)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(7)의 전기 발생부(19)로 산소를 공급하는 산소 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 공기 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(19)는 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 막/전극 어셈블리(21)와 이 막/전극 어셈블리의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(23,25)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(비교예 1)
Toray사의 탄소 페이퍼를 20 중량% 농도의 폴리테트라플루오로에틸렌 용액에 침지하였다. 폴리테트라플루오로에틸렌 용액이 침지된 탄소 페이퍼를 상온에서 건조하고, 건조된 탄소 페이퍼를 350℃에서 열처리하여 발수처리된 기체 확산층을 제조하였다. 발수처리된 탄소 페이퍼에 촉매량 0.4mg/cm2의 로딩 레벨로 촉매층을 형 성하고, Nafion 112 멤브레인 고분자 전해질의 양면에 촉매층이 도포된 기체 확산층을 열접착시켜 막/전극 어셈블리를 제조하였다.
(실시예 1)
폴리테트라플루오로에틸렌을 600℃로 가열하여 폴리테트라플루오로에틸렌이 기화되도록 하여, 기화된 폴리테트라플루오로에틸렌이 발수처리가 되지 않은 Toray사에 카본 페이퍼에 증착되도록 하였다. 또한, 이때 지름 3mm의 홀(hole)이 전체 카본 페이퍼 면적의 80%를 차지하는 마스크를 카본 페이퍼 위에 위치시켜 홀 부분에만 부분적으로 폴리테트라 플루오로에틸렌이 증착되도록 하였다.
상기 공정에 따라 카본 페이퍼 중 80%의 면적에만 지름 3mm의 원형으로 폴리테트라플루오로에틸렌이 증착된 기체 확산층을 제조하였다. 이 기체 확산층을 이용하여, 상기 비교예 1과 동일한 방법에 따라 촉매층을 코팅하여 막/전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 막/전극 어셈블리를 사용하여 통상의 방법으로 단전지(single cell)를 제조하였다. 이 전지를 이용하여 80% 가습된 공기/H2를 상압으로 주입하여 연료 전지의 성능을 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 비교예 1의 경우에는 0.4V 이하의 전압영역에서 전압이 낮아짐에 따라 전류밀도 증가율이 크게 감소하게 되는데 이는 양극에서 형성된 물이 전극내로 범람(flooding)하여 질량 전달 한계(mass transfer limit)가 일어나기 때문이다. 그러나 실시예 1의 경우에는 양극에서 형성된 물이 기체 확산 층 중 발수처리가 되지 않은 부분을 통해 셀 외부로 용이하게 방출되어 물 범람(water flooding)에 의한 전류 밀도 감소가 비교예 1에 비해 낮음을 확인할 수 있다.
본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 간단한 공정으로 물 배출 효율도 보다 우수하게 소수성 처리된 전극 지지체를 포함한다.

Claims (16)

  1. 고분자 전해질 막;
    상기 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 촉매층; 및
    상기 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내부에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체
    를 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 일면 또는 양면에 존재하는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 일면에 존재하는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 농도 구배는 상기 소수성 고분자가 상기 기체 확산층의 촉매에 근접하는 부위에서 이 부위와 대향하는 전극 지지체의 부위로 점차 농도가 증가되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 고분자는 폴리(테트라플루오로에틸렌), 플루 오로에틸렌 고분자, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(에틸렌), 폴리(프로필렌), 폴리(이소프렌), 에틸렌 프로필렌 모노머, 폴리(부타디엔), 폴리(스티렌) 및 폴리알파메틸스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 일면 또는 양면에 소수성 고분자를 증착시키는 공정으로 제조된 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은
    상기 고분자 전해질 막, 상기 촉매층 및 상기 기체 확산층을 포함하는 막/전극 어셈블리 전구체를 제조하고;
    상기 기체 확산층이 상기 촉매층과 접하지 않는 일면에 상기 소수성 고분자를 증착시키는 공정으로 제조되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 마스크를 사용하여 증착 공정으로 상기 기체 확산층에 형성되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  9. 고분자 전해질 막; 상기 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질 막과 접촉하지 않은 촉매층의 일면에 존재하는 기체 확산층 및 이 기체 확산층에 형성된 소수성 고분자 층을 포함하고, 상기 기체 확산층 내에 상기 소수성 고분자가 농도 구배로 존재하는 전극 지지체를 포함하는 막/전극 어셈블리; 및 세퍼레이터를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 한 면 또는 양면에 존재하는 것인 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 한 면에 존재하는 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 농도 구배는 상기 소수성 고분자가 상기 기체 확산층의 촉매에 근접하는 부위에서 이 부위와 대향하는 기체 확산층의 부위로 점차 농도가 증가되는 것인 연료 전지 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 소수성 고분자는 폴리(테트라플루오로에틸렌), 플루오로에틸렌 고분자, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(에틸렌), 폴리(프로필렌), 폴리(이소프렌), 에틸렌 프로필렌 모노머, 폴리(부타디엔), 폴리(스티렌) 및 폴리알파메틸스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 상기 기체 확산층의 일면 또는 양면에 소수성 고분자를 증착시키는 공정으로 제조된 것인 연료 전지 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은
    상기 고분자 전해질 막, 상기 촉매층 및 상기 기체 확산층을 포함하는 막/전극 어셈블리 전구체를 제조하고;
    상기 기체 확산층이 상기 촉매층과 접하지 않는 일면에 상기 소수성 고분자를 증착시키는 공정으로 제조되는 것인 연료 전지 시스템.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 소수성 고분자 층은 마스크를 사용하여 증착 공정으로 상기 기체 확상층에 형성되는 것인 연료 전지 시스템.
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