KR100907183B1 - 연료전지용 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

연료전지용 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 일면에 BET 표면적이 800 내지 1500m2/g 인 케첸블랙(Ketjen Black) 및 불소계수지를 포함하며 형성되는 미세기공층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 막-전극 접합체는 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 본 발명에 따른 기체확산층 및 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연료전지용 기체확산층에 따르면, 미세기공층의 기공 크기를 최적화함으로써 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막의 함수량을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성을 향상시키고 나아가 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
연료전지, 막-전극 접합체, 전해질막, 기체확산층, 촉매층, 케첸블랙

Description

연료전지용 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지{Gas diffusion layer of fuel cell, membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. .
도 4는 실시예 1에 따른 미세기공층을 코팅한 기체확산층의 기공분포를 나타낸 그래프이다.
도 5는 미세기공층을 코팅하지 않은 SGL사 탄소페이퍼의 기공분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1, 2에 따른 연료전지의 50% 저가습 조건에서의 계면저항을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7, 도 8 및 도 9는 실시예 1 및 비교예 1, 2의 연료전지의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 연료전지의 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막에 수분을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성을 향상시키고 나아가 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료 로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
애노드 전극: H2 → 2H++2e-
캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O
전체 반응식: H2+1/2O2 → H2O
연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다.
고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다. 고분자 전해질막은 함수율이 증가할수록 이온전도도가 높아지는 경향을 보이므로 고분자 전해질막은 항상 일정 정도 이상의 수분을 유지시켜 주어야 한다. 캐소드 전극에서는 전지 반응을 통해 물이 생성되기는 하나 이것으로는 전해질막의 이온전도성을 유지하기에 충분하지 못 하므로, 반응 가스와 함께 물을 막-전극 접합체로 공급하여 전해질막을 가습하는 방법이 행해지고 있다. 그러나, 막-전극 접합체에 물이 가해지면 연료전지의 효율이 떨어지므로 가능한한 외부에서 가해지는 수분의 양은 줄이는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막에 수분을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성을 향상시키고 나아가 연료전지의 성능을 향상시키고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 연료전지의 기체확산층과 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 기재; 및 상기 기재의 일면에 BET 표면적이 800 내지 1500m2/g 인 케첸블랙(Ketjen Black) 및 불소계수지를 포함하며 형성되는 미세기공층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층을 제공한다.
상기 연료전지용 기체확산층에 있어서, 상기 미세기공층은 상기 케첸블랙, 불소계수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기재에 도포함으로써 형성될 수 있 으며, 도포 공정은 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드법, 롤 코팅법 또는 슬릿 다이 코팅법으로 이루어질 수 있고, 상기 용매로는 물, 이소프로필알코올,에틸알코올, 프로필알코올, 부틸알코올 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 미세기공층에 첨가된 불소계수지의 양은 미세기공층 총 중량에 대하여 10 내지 50 중량%인 것이 바람직하며, 상기 미세기공층의 단위면적당 중량은 1 내지 6 mg/cm2인 것이 바람직하다. 상기 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(ploytetrafluoroethylene:PTFE) , 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 또는 스티렌-부타디엔고무(SBR) 등이 사용될 수 있으며, 상기 미세기공층의 평균 기공 직경은 3 내지 6 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 기재는 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트가 사용될 수 있으며, 상기 기체확산층의 두께는 100 내지 400㎛인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층 및 촉매층을 포함하며, 상기 기체확산층은 상기 본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
상기 막-전극 접합체에 있어서, 상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리 페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 염기가 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 애노드 전극의 촉매층에는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 캐소드 전극의 촉매층에는 백금이 촉매로 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 하나 또는 둘 이상의 본 발명의 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 연료전지용 기체확산층 및 막-전극 접합체에 대하여 살펴본다.
본 발명의 연료전지용 기체확산층은 기재(209a, 209b)와 기재의 일면에 형성되는 미세기공층(207a, 207b)을 포함하여 이루어진다. 상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기재(209a, 209b)로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 미세기공층(207a, 207b)은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여 고분자 전해질 막(201)이 충분한 습윤 상태에 있도록 하는 역할을 한다. 기체확산층에서 밖으로 빠져나가는 물의 양은 기공의 크기에 의존하여 그 크기가 작을수록 빠져나가는 물의 양이 적고, 반대로 그 크기가 클수록 빠져나가는 물의 양은 많아지게 된다. 본 발명에서는 BET 표면적이 800 내지 1500m2/g인 케첸블랙을 이용하여 미세기공층(207a, 207b)의 평균 기공 직경을 3 내지 6 ㎛으로 조정하였다. BET는 분말 표면에 질소 가스를 흡착시켜 흡착된 질소 가스의 양을 측정하여 분말이 갖고 있는 비표면적, 총 기공 부피, 기공 분포 등을 측정하는 장치로 높은 BET 값은 카본 입자의 크기가 작다는 것을 의미한다. 본 발명에서는 케첸블랙의 BET 표면적을 적절히 조절하여 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하고 고분자 전해질 막을 충분한 습윤상태로 만들어주어 외부 가습량이 적은 상태에서도 성능의 저하를 막을 수 있으며, 미세기공층(207a, 207b)을 통한 가스 확산 또한 원활하게 이루어지도록 하였다. 즉, 캐소드 전극의 촉매층(205)으로부터 생성된 물은 미세기공층(207a, 207b)에 막혀 잘 배출되지 못하게 되고 반응 가스는 작은 기공을 통해 확산하기 때문에 촉매층(203, 205)으로의 가스확산성 및 고분자 전해질 막(201)의 이온전도성이 양립할 수 있다. 상기 케첸 블랙의 BET 표면적에 대한 수치한정과 관련하여, 상기 하한에 미달하면 전해질막(201)의 함수량이 낮아져 바람직하지 못하 고, 상기 상한을 초과하면 물질전달저항이 커져 바람직하지 못하다.
상기 미세기공층(207a, 207b)은 케첸 블랙, 불소계수지, 용매를 포함하는 조성물을 기재의 촉매층(203, 205)과 접하는 측의 표면에 도포하여 제조될 수 있다. 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 또는 스티렌-부타디엔고무(SBR) 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 미세기공층(207a, 207b)에 첨가된 불소계수지의 양은 미세기공층(207a, 207b) 제조를 위한 케첸 블랙의 중량에 대하여 10 내지 50 중량%인 것이 바람직하다 폴리테트라플루오로에틸렌의 양이 이보다 많으면 다공성이 지나치게 감소되거나 전기전도성이 저하되고, 이보다 적으면 소수성 감소로 반응 가스가 통과하기 어렵다.
용매로는 물, 이소프로필알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, 부틸알코올과 같은 알코올계 용매 등이 사용될 수 있으며, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이 중 용매의 함량은 코팅 방법에 따라 조성물 잉크의 유변학적 특성을 변경할 수 있도록 조정할 수 있다.
도포 공정은 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드법,롤 코팅법, 슬릿 다이 코팅법 등이 이용될 수 있다. 코팅된 미세기공층(207a, 207b)은 단위면적당 중량은 1~6mg/cm2이 되도록 하는 것이 바람직하다. 미세기공층(207a, 207b)이 이보다 두꺼우면 공급되는 가스가 확산하기 어렵게 되어 반응이 진행하기 어려워지 기 때문에 바람직하지 못하며, 이보다 얇으면 전해질막(201)의 함수량 유지 효과가 미미하여 바람직하지 못하다.
상기 기체확산층의 두께는 100 내지 400 ㎛인 것이 바람직하다. 두께가 상기 범위보다 얇으면 촉매층(203, 205)과 세퍼레이터(바이폴라 플레이트) 사이에서 전기 접촉 저항이 커지고 압축에 버틸 충분한 힘을 갖지 못하며, 상기 범위보다 두꺼워지면 반응물인 가스의 이동이 어려워지므로 적정 수준의 두께를 유지하여야 한다.
상기 기체확산층은 고분자전해질형 연료전지에 가장 효과적으로 사용될 수 있으며, 역시 고분자 전해질막을 사용하는 직접메탄올형 연료전지에도 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 전해질막(201); 및 상기 전해질막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(203) 및 캐소드 전극(205);을 포함한다. 상기 애노드 전극(203) 및 캐소드 전극(205)은 기체확산층 및 촉매층(203, 205)을 포함하며, 기체확산층으로는 앞서 설명한 본 발명의 기체확산층이 채용된다.
상기 막-전극 접합체에 있어서, 상기 전해질막(201)은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 염기가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 애노드 전극(203)의 촉매층에는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 캐소드 전극(205)의 촉매층에는 백금이 촉매로 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.
촉매층(203, 205)을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 고분자 전해질막(201)에 직접적으로 코팅하여 촉매층을 도입할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.
폴리머 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공해주는 역할을 하는데, 그 예로는 나피온 이오노머, 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
사용 가능한 용매의 예로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 등이 있고, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 애노드(anode)용 용매와 캐소드(cathode)용 용매는 동일한 것의 사용이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할과 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다.　 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.
본 발명의 연료전지는 고분자 전해질막을 사용하는 고분자전해질형 연료전지 및 직접메탄올형 연료전지에 효과적으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다.　 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
1) 미세기공층을 갖는 기체확산층의 제조
BET 표면적이 1500m2/g인 케첸블랙 분말에, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 용매로서 물과 이소프로필알코올을 고속 믹서기를 통해 30분간 균일하게 혼합하여 미세기공층 형성을 위한 코팅 조성물을 제조하였다. 이 때 폴리테트라플루오로에틸렌은 케첸블랙 중량에 대하여 25% 중량이 되도록 조절하였다. 제조된 조성물을 미세기공층이 없고 큰 기공으로 이루어져있는 SGL사 탄소페이퍼에 단위 면적당 5mg/cm2 중량으로 스프레이 코팅하였다. 이후 350℃에서 30분간 열처리하여 최종적으로 미세기공층을 갖는 기체확산층을 제조하였다. 완성된 기체확산층의 기공분포를 도 4에 나타내었으며 평균 기공 직경은 5마이크론이다.
2) 촉매층이 형성된 전해질막(CCM)의 제조)
전해질 막은 퍼플루오르술폰산 폴리머인 듀퐁사의 나피온막(Nafion 112)을 사용하였다. 촉매 잉크를 제조하기 위해, 애노드와 캐소드 촉매로 백금 담지 카본 촉매(Pt/C)를 사용하였다. 나피온(Nafion) 용액, 이소프로필알콜 및 물을 혼합하고, 상기 촉매와 섞어 촉매: nafion 건조중량: 용매 = 1: 0.3: 20이 되도록 한 후, 잘 분산되도록 교반하고 고속 믹서기(2시간)를 통해 균일하게 혼합하여 촉매 잉크를 준비하였다.
제조된 촉매 잉크를 스프레이 코터(spray coater)를 이용하여 고분자 전해질 막의 일면에 분사함으로써, 0.4mg/cm2씩 촉매층을 각각 형성하였다.
3) 단위전지의 제조
앞서 제조된 촉매층이 형성된 전해질막(CCM)의 양면에 앞서 제조된 기체확산층을 포갠 후 막-전극 접합체를 중심으로 가스의 기밀성을 유지하기 위한 210㎛의 가스켓을 전극 부분을 제외한 고분자 전해질 부분에 밀착시키고, 막-전극 접합체에 수소의 투입 및 균일한 압력을 주기 위한 유로를 가진 음극용 판과, 공기의 투입 및 막-전극 접합체에 균일한 압력을 주기 위한 양극용 판을 밀착시켜 단위전지를 제조하였다.
비교예 1
미세기공층을 형성하는 카본블랙으로 BET 표면적이 250m2/g 인 벌칸(Vulcan 72)을 쓰는 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 단위전지를 제조하였다.
비교예 2
미세기공층을 갖지 않는 기체확산층을 쓰는 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 단위전지를 제조하였다. 미세기공층을 코팅하지 않은 SGL사 탄소페이퍼의 기공분포는 도 5에 나타내었으며 평균 기공 직경은 46마이크론이다.
성능 평가
1) 계면저항 측정
실시예 1 및 비교예 1, 2에 따른 연료전지의 50% 저가습 조건에서의 계면저항을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 계면저항은 자너(Zahner)사의 IM6 장비로서 two electrode의 impedance방법을 사용하여, single cell에서의 막- 전극 접합체의 전도도를 측정하였다. 기준전극에는 300sccm의 수소기체를, 작업전극에는 1200sccm의 공기를 흘려주었으며 100m-10kHz 구간에서의 임피던스를 측정하였다. 이때 교류진폭은 5mV이다. 이 결과로부터 실시예 1의 계면저항이 실시예 2와 비교예보다 낮음을 알 수 있다. 이는 실시예 2와 비교예에 비해 실시예 1의 연료전지는 미세기공층에 의해 생성된 물이 배출되지 못하고 애노드로 역확산되면서 고분자전해질막이 습윤상태에 있다는 것을 보여준다.
2) 출력밀도 측정
실시예 1 및 비교예 1, 2의 연료전지에 대하여 셀 온도를 70℃로 유지하고 가습 조건을 변화시켜가면서 전류-전압 특성을 측정하였으며, 그 결과를 각각 도 7 내지 도 9에 나타내었다. 이 결과로부터, 본 발명에 따른 미세기공층을 갖는 기체확산층을 채용한 실시예 1의 연료전지는 가습량이 적은 상태에 있어서도, 비교예 1, 2에 비해 높은 출력밀도를 발휘하는 것을 알 수 있다. 이는 가습량이 적은 상태가 되더라도 물이 기체확산층 밖으로 잘 배출하지 못하여 고분자 전해질 막을 습윤 상태로 유지할 수 있기 때문이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시 점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 연료전지용 기체확산층에 따르면, 미세기공층의 기공 크기를 최적화함으로써 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막의 함수량을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성을 향상시키고 나아가 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 기재; 및
    상기 기재의 일면에 BET 표면적이 800 내지 1500m2/g 인 케첸블랙 및 불소계수지를 포함하며 형성되고, 단위면적당 중량이 1 내지 6 mg/cm2인 미세기공층;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층은 상기 케첸블랙, 불소계수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기재에 도포함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미세기공층의 도포 공정은 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드법, 롤 코팅법 및 슬릿 다이 코팅법으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 용매는 물, 이소프로필알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, 부틸알코올 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연 료전지용 기체확산층.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층에 첨가된 불소계수지의 양은 미세기공층 제조를 위한 케첸 블랙의 중량에 대하여 10 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 불소계수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 및 스티렌-부타디엔고무(SBR) 으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층의 평균 기공 직경은 3 내지 6 ㎛인 것을 특징으로 하는 연 료전지용 기체확산층
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기체확산층의 두께는 100 내지 400㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
  11. 전해질막; 및
    상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층 및 촉매층을 포함하며,
    상기 기체확산층은 제1항 내지 제5항 또는 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 기체확산층인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사 이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체
  15. 제11항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 백금은 탄소계 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  17. 하나 또는 둘 이상의 제11항에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
    산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.
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