KR100787865B1

KR100787865B1 - 제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자전해질막 연료전지 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR100787865B1
Application number: KR1020050032207A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 조은애; 임태훈; 남석우; 홍성안; 오인환; 하흥용; 윤성필; 한종희; 이재영; 함형철
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2007-12-27
Also published as: KR20060110054A

Abstract

본 발명에서는 고분자 전해질막 연료전지에 있어서, 나피온 캐스트 막의 두께가 15~30㎛인 것을 특징으로 하는 제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자 전해질막 연료전지 및 그 작동 방법을 제공한다. 상기 연료 전지는 캐스트 막의 두께가 25㎛인 것이 바람직하다. 또한, 상기 연료전지는 평균 기공크기가 1~2㎛인 가스 확산층을 구비하는 것이 바람직하고, 평균 기공크기가 1.55㎛인 가스 확산층을 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면 캐소드 측으로부터의 수분의 역확산을 효과적으로 발생시키고 프로톤 전도도를 향상시켜 막 저항을 감소시킴에 의하여 비가습 조건의 다양한 온도 범위에서 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

가스확산층, 막전극집합체, 비가습작동, 두께제한, 캐스트막

Description

제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자 전해질막 연료전지 및 그 작동 방법{Polymer electrolyte membrane fuel cell having Nafion cast membrane where its thickness is limited and method for operating the same}

도 1은 본 실시예들의 캐스트 막에 있어서, (a) 표면 형상과, (b) 단면 모습을 보여주는 SEM 이미지이다.

도 2는 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화된 경우)를 나타낸다.

도 3은 비교예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화된 경우)를 나타낸다.

도 4는 본 실시예와 비교예의 가스 확산층에 있어서, (a) SGL 30 BC의 표면 형상(마이크로 기공층), (b) SGL 10 BC의 표면 형상(마이크로 기공층), (c) SGL 30 BC의 단면 모습, 및 (d) SGL 10 BC의 단면 모습을 보여주는 SEM 이미지이다.

도 5는 본 실시예2의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화된 경우)를 나타낸다.

도 6은 본 실시예와 비교예에 있어서, 가스 확산층 중 SGL 10 BC 및 SGL 30 BC으로 제작된 각 전지의 OCV를 비교하여 나타낸 것이다.

도 7은 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 공기(air)에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화된 경우)를 나타낸다.

도 8은 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화되지 않은 경우)를 나타낸다.

도 9는 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 공기에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화되지 않은 경우)를 나타낸다.

1. F.N. Fuchi, S. Srinivasan, J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 2767-2772;

2. D.P. Wilkinson, J. St-Pierre, J. Power Sources 113 (2003) 101-108;

3. B. Yang, Y.Z. Fu, A. Manthiram, J. Power Sources 139 (2005) 170-175;

4. B. Yang, A. Manthiram, J. Electrochem. Soc. 151 (2004) A2120-A2125;

5. F.Liu, B. Yi, D. Xing, J. Yu, Z. Hou, Y.Z. Fu, J. Power Sources 124 (2003) 81-89;

6. H. Uchida, Y. Ueno, H. Hagihara, M. Watanabe, J. Electrochem. Soc. 150 (2003) A57-A62;

7. H.K. Lee, J. Kim, J.H. Park, T.H. Lee, Electrochem. Acta 50 (2004) 761-768;

8. M. Watanabe, H. Uchida, Y. Seki, M. Emori, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 3847-3852;

9. M. Watanabe, H. Uchida, M. Emori, J. Phys. Chem. B 102 (1998) 3129, 3137;

10. S.H. Chan, S.K. Goh, S.P. Jiang, Electrochem. Acta 48 (2003) 1905-1919;

11. M. Noponen, T. Mennola, M. Mikkola, T. Hottinen, P. Lund, J. Power Sources 106 (2002) 304-312;

12. D. Picot, R. Metkmeijer, J.J. Bezian, L. Rouveyre, J. Power Sources 75 (1998) 251-260;

13. H.K. Lee, J.H. Park, D.Y. Kim, T.H. Lee, J. Power Sources 131 (2004) 200-206;

14. J. Chen, T. Matsuura, M. Hori, J. Power Sources 131 (2004) 155-161;

15. G.G. Park, Y.J. Sohn, T.H. Yang, Y.G.Yoon, W.Y. Lee, C.S. Kim, J. Power sources 131 (2004) 182-187;

16. M.V. Williams, H.R. Kunz, J.M. Fenton, J. Power Sources 135 (2004) 122-134;

17. S.Y. Ahn, Y.C. Lee, H.Y. Ha, S.A. Hong, I.H. Oh, Electrochem. Acta 50 (2004) 673-676.

본 발명은 제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자 전해질막 연료전지 및 그 작동 방법에 관한 것이다.

고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 이동용 및 고정용 대체 전원으로 주목받고 있다.

상기 전해질 막으로서 높은 프로톤 전도도와 화학적, 기계적 안정성을 가지는 나피온 타입의 퍼플루오르술폰산막이 많이 사용되고 있다.

그런데, 나피온 막의 경우 만족스러운 프로톤 전도도 및 연료전지 성능을 얻기 위하여 수화되어야만 하고, 연료전지에 장착되기 전에 반응물이 외부 가습 시스템을 통하여 가습되어야 한다. 그러나, 외부 가습 시스템은 연료전지를 복잡하게 만들며 그에 따른 제작 비용의 소모가 크다. 따라서, 외부 가습이 없는 PEMFC의 작동 방법이 요구된다.

연료전지를 외부 가습원이 없이 건조 조건에서 작동시키는 경우, 연료전지내의 전기화학적 반응에 의해 생성되는 수분이 유일한 가습원이 된다. 따라서, 연료전지내의 수분을 효과적으로 조절하고 이용하는 것은 전지 작동에 있어서 매우 중요하다.

특히, 막의 수화 상태에 따라서 프로톤 이동과 함께 애노드에서 캐소드로 수분 분자의 드랙(drag)이 발생한다. 소위 일렉트로-오스모틱 드랙(electro-osmotic drag)이라고 불리우는 이러한 현상에 따라서 전기화학적인 수분 발생과 더불어 캐소드 측에서는 수분이 집적하게 된다.

이에 따라, 애노드와 캐소드 사이에 형성되는 수분 농도 구배에 따른 수분의 역확산(back diffusion)이 발생하는데, 이는 애노드측의 막의 건조를 방지한다. 이와 같은 수분의 역확산은 다양한 범위의 전지 작동 조건에서 연료전지내의 수분 조절에 지배적인 역할을 한다고 밝혀져 있다.

예를 들어, 푸치 등(Fuchi et al.)에 의하면 캐소드로부터 발생하는 수분은 대기압, 70℃ 까지의 온도조건에서 애노드를 가습하기에 충분하다<종래 기술 문헌 1 참조>.

한편, 적절한 수분 조절과 이용은 PEMFC의 설계와 작동에 의하여 얻어질 수 있다<종래 기술 문헌 2 참조>.

종래에 변성 나피온 타입 막을 사용한 비가습 조건에서의 PEMFC의 작동에 관한 다양한 연구들이 보고된 바 있는데, 이러한 연구들 중에는 무기물질을 프로톤 전도성 고분자 막에 결합시킨 자기 가습막을 사용하는 PEMFC의 작동 방식이 있다<종래 기술 문헌 3~9 참조>.

그러나, 비록 높은 온도에서 상기 변성 막들이 막내의 수분을 함유하는 것에 의하여 비가습 조건하에서 전지 성능을 향상시킨다고 하더라도, 무기 분자들의 결합은 대부분의 전해질의 저항을 증가시키며 제작 과정이 지나치게 길고 비효율적이라는 문제점이 있다.

또한, 연료/산화제의 화학 양론, 전지 온도 및 애노도와 캐소드 사이의 압력 구배와 같은 파라미터를 조절하는 것에 의하여 건조 조건하에서 연료전지내의 수분을 효과적으로 조절할 수 있다고 알려져 있다<종래 기술 문헌 3, 10~12 참조>.

그러나, 상기 파라미터를 조절하는 것만으로는 비가습 조건하에서 연료 전지내의 수분을 조절하는데 여전히 한계가 있다.

또한, 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)을 변형하여 전지내의 수분 조절을 효과적으로 수행하는 것이 보고되어 있다<종래 기술 문헌 13~16 참조>.

그러나, 가스 확산층만을 조절하는 것 역시 수분 조절에 한계를 나타낸다.

한편, 최근에 안 등(Ahn et al.)은 캐스트 막을 사용하는 비가습 조건하에서의 연료 전지 작동을 보고한 바 있다<종래 기술 문헌 17 참조>.

그러나, 상기 안 등에 의하여 제안된 막은 두께가 두껍기 때문에 전지 성능이 낮으며 그 막에 의하여는 실온에서만이 작동 가능하다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 수분의 역확산을 양호하게 하고 막 저항을 낮출 수 있으므로 비가습 조건의 다양한 온도 범위에서도 높은 전지 성능을 달성할 수 있는 고분자 전해질막 연료전지와 그 작동 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 고분자 전해질막 연료전지에 있어서, 나피온 캐스트 막의 두께가 15~30㎛인 것을 특징으로 하는 제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자 전해질막 연료전지에 의하여 달성된다.

그리고, 상기 연료 전지는 캐스트 막의 두께가 25㎛인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 연료전지는 평균 기공크기가 1~2㎛인 가스 확산층을 구비하는 것이 바람직하고, 평균 기공크기가 1.55㎛인 가스 확산층을 구비하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 고분자 전해질막 연료전지의 작동 방법에 있어서, 전해질막으로서 두께가 15~30㎛인 나피온 캐스트 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 작동 방법에 의하여 달성된다.

그리고, 상기 작동 방법은 전해질막으로서 그 두께가 25㎛인 나피온 캐스트 막을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 작동 방법은 평균 기공크기가 1~2㎛인 가스 확산층을 사용하는 것이 바람직하고, 평균 기공크기가 1.55㎛인 가스 확산층을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 작동 방법은 반응 가스로서 건조된 수소 및 산소를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 특히 전해질막인 나피온 캐스트 막의 두께를 15~30㎛로 조절하는데, 15㎛ 미만일 경우 기계적 강도가 현저히 떨어지고, 한편, 30㎛를 초과할 경우에는 수분의 역확산이 발생하지 않는다.

이하, 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.

<실시예>

캐스트 막 제조

20wt% 상용 나피온 용액(EW 1,100)(듀퐁사 제품)으로 캐스트 막들을 제조하고 대기조건에서 건조하였다. 이 후, 120℃(나피온의 유리전이온도 Tg 보다 높은 온도)에서 3시간 동안 경화시켰다.

상기 캐스트 막들을 5% H₂O₂, 0.5M H₂SO₄ 및 중화된 물로 각각 1 시간 이상 동안 끓인 다음 산성 형태의 막들을 얻었고 이들을 중화된 물에 저장하였다. 평균적인 막의 두께는 건조 상태에서 약 25㎛ 이었다.

MEA 제조

40wt% Pt/C (E-Tek Inc.), 5wt% 나피온 용액(듀퐁사 제품) 및 이소프로필 알콜(베이커 분석된 HPLC 등급 시약)을 혼합하여 전극 제조용 촉매 잉크를 제조하였다. 이 후, 상기 촉매 잉크를 애노드 및 캐소드에 대하여 로딩양 0.3 및 0.4mg/cm²로 백금 전처리된 캐스트 막에 분사시켰다. 상기 촉매 코팅막(Catalyst Coated Membrane, CCM)을 50℃에서 하루밤 동안 건조시켰다.

<비교예>

두께에 따른 전지 성능의 차이를 관찰하고자 두께 50㎛인 상용 나피온 112막을 사용하여 상기 실시예와 동일한 방법으로 MEA를 제조하였다.

<단위 전지 제조 및 성능 테스트>

상기 실시예와 비교예 각각의 촉매 코팅막, 가스 확산층(Singracet GDL 30 BC 및 10 BC를 사용 ; Singracet GDL 30 BC을 사용한 경우 각각 실시예1 및 비교예1; Singracet GDL 10 BC를 사용한 경우 각각 실시예2 및 비교예2), 테프론 가스켓 및 그라프이트 블록을 접합하여 단위 전지를 제작하였다. 수소와 산소가 애노드 및 캐소드에 주입되었고, 각각의 유속은 대기압하에서 400cc/min이었다.

상기 단위 전지는 100% 가습 조건하의 전지 온도 80℃, 애노드 온도 80℃, 캐소드 온도 75℃에서 각각 활성화시켰다. 상기 전지를 상기 조건하에서 1A/cm², 5시간 동안 정전류 모드로 작동시켰다.

그 후, 전지 온도를 대기 온도로 감소시키고 1A/cm², 24시간 동안 일정하게 건조 반응 가스로 작동시킨 후 MEA의 전류밀도-전압 특성을 얻었다.

이어서, 상기 연료 전지를 다양한 온도에서 건조된 반응물(수소 및 산소 또는 공기)로 작동시켰다. 또한, 상기 전지의 활성화 없이도 실험을 수행하였다.

전지의 성능은 전기 로드(Daegil Electronics, EL 500P)를 사용하여 전류밀도-전압 특성을 측정하여 평가하였다.

<결과>

SEM 분석

SEM(Scanning Electron Microscopy ; Hitachi S-4200)을 사용하여 상기 실시 예 및 비교예의 캐스트 막을 관찰하였다.

도 1은 본 실시예들에 있어서, (a) 캐스트 막의 표면 형상과, (b) 캐스트 막의 단면 모습을 보여주는 SEM 이미지이다.

도 1a에 나타난 바와 같이, 막의 표면은 어떠한 크랙이나 결함도 보여주지 않는다. 도 1b에 나타난 바와 같이, 막의 단면으로부터 두께가 약 25㎛임을 확인할 수 있었다.

수분 역확산에 있어서의 막 두께의 영향 평가

도 2는 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브를 나타내는 것으로, 상기한 바와 같은 활성화 이후, 건조된 반응물로 1A/cm², 24시간 동안 일정하게 전지를 작동시킨 경우의 전류밀도-전압 특성 결과를 나타낸다. 도 2에서의 각 점은 매 5분 동안 측정하여 얻어진 결과이다.

본 실험에서는 전지 성능에 대한 온도의 영향을 동시에 평가하기 위하여, 50, 60, 70℃의 다양한 온도에서도 건조된 반응물로 전지를 작동시켰다.

PEMFC의 성능은 작동 온도에 강한 의존성을 나타내는데, 작동 온도가 증가함에 따라 증발율이 더 커지며 더 높은 포화압에 의하여 반응 가스는 더 많은 수증기를 차지하게 된다.

도 2의 분극 커브로부터 알 수 있듯이, 전지는 34℃의 낮은 온도에서 양호한 성능을 보여주었다.

반면, 50℃ 및 60℃의 경우 높은 활성화 오버포텐셜을 보여주었고 높은 전류 밀도영역에서 성능이 향상되며 분극 커브도 34℃의 분극 커브로 접근하는 경향을 보여주었다. 그러나, 낮은 전류 밀도 영역의 경우에는 낮은 성능을 보여주었다. 이는 낮은 전류 밀도 영역에서 전기화학적 반응에 의하여 발생된 수분이 작고, 역확산이 제한되기 때문으로 설명될 수 있으며, 이에 따라 애노드 측의 막이 탈수되고 프로톤 전도도가 낮게 된다. 높은 전류 밀도에서는 수분 발생이 증가함에 따라 수분의 역확산에 의하여 전지 성능이 증가하였다.

한편, 70℃의 경우 비록 전기화학적 반응율이 증가하더라도 낮은 프로톤 전도도를 가져오는 증발에 의한 전지내에서의 수분 손실에 따라서 전지 성능이 전체 영역에서 낮았다.

도 3의 분극 커브로부터 알 수 있듯이, 전지 성능은 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 50℃에서의 전지 성능은 도 2에 나타난 실시예의 얇은 캐스트 막을 이용한 단위 전지의 경우와 달리 전체 영역에서 감소하였다.

전지 온도가 낮았지만 두꺼운 막 때문에 캐소드로부터의 수분의 역확산이 저조하여 애노드 측의 막은 탈수되었다. 또한, 전지 성능은 60℃ 및 70℃의 저항 영역에서 더 악화되었다.

이는 실시예의 경우와 대비할 때 전지내에서의 저조한 수분의 역확산과 함께 심각한 수분 손실에 기인한 것으로 판단되었다.

수분 조절에서의 가스 확산층의 효과

가스 확산층은 바이폴라 플레이트의 흐름 영역으로부터 반응 장소까지 반응 가스의 균일한 확산을 제공하는 것을 기본 기능으로 하지만, 가스 확산층을 적절히 변형시키면 수분 조절이 가능하고, 이에 따라 고분자 전해질의 적절한 수화를 수행하여 전극의 홍수 현상을 최소화할 수 있다

본 실험에서는 수분 조절시 가스 확산층의 역활을 평가하기 위하여, 다른 특성을 가지는 두가지 다른 가스 확산층(Sigracet GDL 30 BC 및 10BC; 이하, 각각 "SGL 30 BC" 및 "SGL 10 BC"라고 한다)을 사용하였다. 표 1은 각각의 가스 확산층의 특성을 나타낸다.

물질	SGL 10 BC	SGL 30 BC
두께(㎛)	415	330
면적당 중량(gm^-2)	135	140
PTFE 함량(%)	5(기판)	5(기판)
공기 투과도(cm³ cm^-2.S^-1)	1.45	0.50
전기 저항(mΩ.cm²)	<13	<16
특수 처리	마이크로 기공층	마이크로 기공층
평균 기공크기	8.67㎛	1.55㎛

SEM(Hitachi S-4200)을 사용하여 각각의 가스 확산층을 관찰하였다. 도 4는 (a) SGL 30 BC의 표면 형상(마이크로 기공층), (b) SGL 10 BC의 표면 형상(마이크로 기공층), (c) SGL 30 BC의 단면 모습 및 (d) SGL 10 BC의 단면 모습을 보여주는 SEM 이미지이다.

도 4에서 알 수 있듯이, 상기 두가지 가스 확산층의 마이크로 기공층의 구조는 유사하고 상호 구별하기 어렵지만, 단면 모습으로부터 SGL 30 BC가 SGL 10 BC 보다 조밀하고 두꺼운 마이크로 기공층을 가지는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 SG 10 BC 보다 더 나은 수분 함유 용량을 가지는 것을 의미한다.

비교를 위하여, SGL 30 BC 보다 더 큰 기공 크기를 가지는 SGL 10 BC로 전지를 작동시켰다. 도 5는 SGL 10 BC를 사용한 본 실시예2의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화된 경우)를 나타낸다.

도 5에서 알 수 있듯이, 낮은 온도에서의 전지 성능은 SGL 30 BC를 사용한 경우(도 2 참조)의 성능과 동일한 경향을 보여주었지만, 높은 온도에서는 전지 성능이 수분 증발에 의하여 감소하였다.

이는 가스 확산층의 마이크로 기공층의 기공 크기에 의하여 설명되어질 수 있다. 즉, 낮은 기공크기를 가지는 SGL 30 BC와 달리 SGL 10 BC는 큰 기공 크기 때문에 전지 내부에 수분을 보유할 수 없다.

이는 각 전지 온도에서의 전지의 OCV에 반영된다. 도 6은 가스 확산층중 SGL 10 BC 및 SGL 30 BC로 제작된 각 전지의 OCV를 비교하여 나타낸 것이다.

도 6에서 알 수 있듯이, SGL 30 BC(실시예1 및 비교예1)의 경우 전지의 OCV를 SGL 10 BC(실시예2)의 경우의 OCV와 비교한 결과, SGL 30 BC를 이용하는 경우, OCV가 모든 작동 온도에서 거의 일정하게 관찰되었다. 그러나, SGL 10 BC를 사용하는 경우에는 작동 온도가 증가하면서 OCV가 감소하였다. 이는 높은 온도에서의 수분 손실과 막 탈수에 기인하는 것이며, 이는 막을 통한 반응물의 크로스 오버를 야기한다.

얇은 가스 확산층은 가스 공급을 향상하고 생산된 수분의 제거를 촉진시키지만, 높은 전기 저항을 가지며 기계적 특성이 낮다. 반면, 두꺼운 가스 확산층은 길어진 층에 기인하여 가스의 접근성을 방해하며 낮은 확산도를 가진다.

반응 가스의 영향 평가

반응 가스의 영향을 평가하고자 캐소드 가스를 산소에서 공기로 변화시켰다. 도 7은 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 공기에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화된 경우)를 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 온도가 증가할 수록 심각한 성능 감소가 나타났다. 이는 공기의 높은 유속에 기인하는 것인데, 공기의 높은 유속은 전지내의 수분을 제거하고 막의 탈수를 가져온다.

활성화의 영향 평가

활성화에 따른 영향을 평가하고자 본 실시예의 캐스트 막을 활성화없이 사용하여 단위 전지를 작동시켰다.

도 8은 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 O₂에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화가 없는 경우)를 나타내고, 도 9는 본 실시예1의 단위 전지가 건조 H₂ 및 공기에서 작동되는 경우의 다양한 온도에서의 분극 커브(활성화가 없는 경우)를 나타낸다.

도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이, 전지 성능은 활성화를 한 경우(도 2 및 도 7 참조)의 전지 성능과 유사한 경향을 보여주었다.

그러나, 각 작동 전압에서의 전류 밀도는 활성화된 경우와 비교하여 낮았다. 활성화된 경우의 높은 전지 성능은 막의 프로톤 전도도와 촉매층의 전기화학적 성능을 증가시키는 활성화 동안 막과 촉매층의 수분 흡수 용량이 높은 활성화 온도(80℃)에서 향상되기 때문이다.

결론

나피온 용액으로 본 실시예의 얇은 캐스트 막을 제조하고 다양한 전지 작동 온도 및 비가습 조건에서 PEMFC 작동을 위하여 사용한 결과, 본 실시예의 얇은 캐스트막을 구비하는 단위 전지는 낮은 전지 온도에서 양호한 성능을 보여주었고 반면 비교예의 나피온 112 막을 사용한 경우에는 그렇지 못하였다.

한편, 높은 온도에서의 증가된 전지 성능은 증발에 의한 심각한 수분 손실에 기인한 막의 탈수를 반영하는 것이었다.

나아가, 상이한 평균 기공크기를 가지는 두가지 다른 가스 확산층을 사용하여 단위 전지를 작동시킨 결과, 작은 평균 기공크기를 가지는 가스 확산층은 그 수분 흡수 용량에 기인하여 큰 평균 기공크기를 가지는 가스 확산층 보다 더 양호한 성능을 보여주었다.

결론적으로, 본 실시예의 얇은 캐스트 막을 사용하는 단위 전지는 비교예인 상용의 두꺼운 나피온 막과 비교하여 전지내에서의 효과적인 수분 조절에 의하여 비가습 조건하에서도 높은 전지 성능을 보여주었다. 따라서, 비가습 조건하에서 작은 소정의 평균 기공크기를 가지는 가스 확산층과 함께 소정 두께로 제한된 얇은 캐스트 나피온 막을 사용하게 되면 대기압하에서 향상된 성능으로 PEMFC를 작동시키는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면 캐소드 측으로부터의 수분의 역확산을 효과적으로 발생시키고 프로톤 전도도를 향상시켜 막 저항을 감소시킴에 의하여 비가습 조건의 다양한 온도 범위에서 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims

고분자 전해질막 연료전지에 있어서,

전극 및 전해질 막으로 이루어지는 막전극 접합체(MEA)의 전해질막으로서, 나피온 용액으로 제조한 캐스트 막을 구비하되, 상기 캐스트 막의 두께가 25㎛이고,

상기 전극 및 전해질막으로 이루어지는 막전극 접합체에 인접하여 장착되는 가스 확산층을 구비하되, 상기 가스 확산층의 평균 기공크기가 1~2㎛인 것을 특징으로 하는 제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자 전해질막 연료전지.
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고분자 전해질막 연료전지의 작동 방법에 있어서,

전극 및 전해질 막으로 이루어지는 막전극 접합체(MEA)의 전해질막으로서, 나피온 용액으로 제조한 캐스트 막을 사용하되, 상기 캐스트 막의 두께가 25㎛인 캐스트 막을 사용하고,

상기 전극 및 전해질 막으로 이루어지는 막전극 접합체에 인접하여 장착되는 가스 확산층을 사용하되, 상기 가스 확산층의 평균 기공크기가 1~2㎛인 가스 확산층을 사용하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 작동 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 고분자 전해질막 연료전지의 작동 온도를 34℃ 내지 60℃로 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 작동 방법.
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제 4 항에 있어서,

상기 작동 방법은 반응 가스로서 건조된 수소 및 산소를 사용하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 작동 방법.