KR100964823B1 - Polymer electrolyte fuel cells with high freeze/thaw durability - Google Patents

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김민진
손영준
박석희
임성대
양태현
윤영기
이원용
김창수
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한국에너지기술연구원
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Abstract

PURPOSE: A polymer electrolyte fuel cell is provided to suppress separation between electrolyte and electrode or electrode and gas diffusion layer and to ensure high durability in a freezing condition. CONSTITUTION: A polymer electrolyte fuel cells having durability comprises: a perfluoro sulfonic acid elelctrolyte membrane and a gas diffusion layer with both sides of a membrane-electrode assembly. The polymer electrolyte membrane is perfluorinated sulfonic acid nafion membrane, flemion membrane, asiplex membrane, or Dow XUS membrane.

Description

동결 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지{Polymer Electrolyte Fuel Cells with High Freeze/Thaw Durability}Polymer Electrolyte Fuel Cells with High Freeze / Thaw Durability}

본 발명은 동결 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지에 관한 것으로 동결 내구성 저하의 문제가 되는 층간 박리현상을 억제할 수 있는 최적의 기체 확산층에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막;과 굽힘 강도 (Bending Stiffness)가 1 g·㎝ 미만 또는 10 g·㎝ 이상인 기체 확산층(Gas Diffusion layer);를 포함하는 고분자 전해질 막 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell with excellent freeze durability, and relates to an optimal gas diffusion layer capable of suppressing interlayer peeling, which is a problem of lowering freeze durability. More specifically, the polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte membrane; and a gas diffusion layer having a bending stiffness of less than 1 g · cm or 10 g · cm or more; will be.

연료전지는 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 발전기에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. A fuel cell is a device that generates electricity by generating water by reacting hydrogen and oxygen electrochemically.It is more efficient than other types of generators, has a higher current density and power density, shorter startup time and faster load change. Due to the advantage of having a response characteristic, it can be applied to various fields such as a power source of a pollution-free vehicle, self-generation, mobile and military power.

사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산형 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있으며 이 중 PEMFC는, 연료전지의 작동 온도로서는 낮은 온도인 상온에서부터 200℃까지 작동될 수 있으며, 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며 매우 높은 단위면적당 전류밀도(current density)를 얻을 수 있기 때문에, 자동차, 가정, 휴대용 기기 등의 다양한 전력원으로서 적용될 수 있다. Depending on the type of electrolyte used, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solids Solid oxide fuel cell (SOFC) can be classified into PEMFC, which can be operated from room temperature to 200 ° C, which is a low operating temperature of the fuel cell. There is no risk of corrosion or evaporation due to this, and since a very high current density per unit area can be obtained, it can be applied as various power sources for automobiles, homes, portable devices, and the like.

여기서 고분자 전해질 막은 고분자 전해질 연료전지의 성능과 가격을 결정하는 가장 중요한 핵심 구성요소 중 하나이며 현재까지 상업적으로 인정을 받고 있는 고분자 전해질 막으로는 과불소화술폰산(perfluoro sulfonicacid)계열의 이온 교환 막이 주류를 이루고 있다. 예를 들어 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명)막, 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명)막, 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명)막 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명)막 등이 사용되고 있다. Here, the polymer electrolyte membrane is one of the most important key components to determine the performance and price of the polymer electrolyte fuel cell, and the commercially recognized polymer electrolyte membrane is a perfluoro sulfonic acid-based ion exchange membrane. It is coming true. For example, Nafion (trade name manufactured by DuPont) membrane, Premion membrane (Flemion, trade name manufactured by Asahi Glass) membrane, Asiplex (trade name manufactured by Asahi Chemical) membrane and Dow XUS (Dow XUS, Dow Chemical Co., Ltd. brand name film | membrane, etc. are used.

한편 상기 고분자 전해질 막과 전극촉매층으로 구성되는 전극 접합체(membrane-electrode assembly, 이하 'MEA');과 상기 MEA에 인접하여 장착되는 기체확산층; 및 최외측에 구비되며 반응기체의 유로가 형성된 분리판으로 이루어진 연료전지의 단위 셀이 적층되어 구성되는 PEMFC는 상기 반응기체의 반응으로 전기를 생산하고 그 부산물로 생성된 물을 동시에 외부로 회수하게 되나 작동이 중단되는 경우 물 일부는 단위셀 내에 남아 있게 된다. On the other hand, an electrode assembly consisting of the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer (membrane-electrode assembly, 'MEA'); and a gas diffusion layer mounted adjacent to the MEA; And a PEMFC having an outermost side and a unit cell of a fuel cell including a separator plate formed with a flow path of a reactor body to generate electricity through the reaction of the reactor body, and to simultaneously recover the water generated by the byproduct from the outside. However, if the operation is stopped some of the water will remain in the unit cell.

고분자전해질연료전지의 일반적 운전온도인 100 ℃ 이하의 온도에서는 셀 건조현상(drying) 및 홍수현상(flooding)으로 인한 성능저하를 최소화하는 방향의 물관리가 중요하게 생각되어 왔다. 하지만 연료전지 시스템의 본격적인 상용화를 위해서는 겨울철 영하조건에서 내구성 확보가 필수적인데, 영하의 온도에서 단위셀 내에 존재하는 물이 연료전지 시스템의 저온 시동시 성능저하(Cold Start-up performance degradation) 문제나 동결/해동 내구성(Freeze/Thaw durability) 문제를 유발할 수 있다. At a temperature below 100 ° C., which is a general operation temperature of a polymer electrolyte fuel cell, water management in a direction of minimizing performance degradation due to cell drying and flooding has been considered important. However, for full-scale commercialization of the fuel cell system, it is essential to secure durability in the freezing conditions of winter, and water in the unit cell at sub-zero temperatures may cause problems with cold start-up performance degradation or freezing at low temperature of the fuel cell system. May cause freeze / thaw durability problems.

도 1은 상기 과불소화술폰산 계열의 이온 교환 막 중 나피온 막을 사용한 연료전지의 동결/해동 내구성 시험결과를 나타낸 그래프로서 도 1과 같이 고분자 전해질 막 연료전지는 동결/해동 사이클이 반복적으로 진행될수록 연료전지의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이러한 성능저하의 주요 원인을 조사하고자 성능에 영향을 미치는 주요 인자에 대한 다양한 실험과 평가를 수행하였다.1 is a graph illustrating the results of freezing / thawing durability of a fuel cell using a Nafion membrane among the perfluorinated sulfonic acid-based ion exchange membranes. As shown in FIG. 1, a polymer electrolyte membrane fuel cell is repeatedly fueled as a freezing / thawing cycle is repeated. There is a problem that the performance of the battery is reduced. In order to investigate the main causes of such performance degradation, various experiments and evaluations on the major factors affecting performance were conducted.

도 2는 동결/해동 사이클 수행에 따른 촉매활성면적의 변화를 나타낸 그래프로 50 사이클 결과 기체 확산층의 종류에 무관하게 결과적으로 동일한 촉매활성면적의 감소변화를 보여 동결/해동에 따른 성능저하와 직접적인 관련이 있는 인자로 볼 수 없다.FIG. 2 is a graph showing the change in catalytic activity area according to the freeze / thaw cycle. As a result of 50 cycles, regardless of the type of gas diffusion layer, the result shows the same change in catalytic activity area. Cannot be seen as an argument.

마찬가지로 동결/해동 사이클 수행에 따른 H2 Cross-over 변화를 나타낸 그래프로 도 3을 참고하면 사이클로 인해 전해질막이 물리적으로 손상되지는 않으며 동결/해동에 따른 성능저하와 직접적이 관련이 있는 것은 아님을 확인하였다.Similarly, referring to FIG. 3 as a graph showing the change of H 2 cross-over according to the freezing / thawing cycle, the electrolyte membrane is not physically damaged by the cycle and it is not directly related to the performance degradation due to the freezing / thawing cycle. It was.

한편, 동결/해동 사이클 수행에 따른 셀의 저항변화를 조사한 결과 도 4와 같이 온도가 낮아짐에 따라 셀의 저항이 증가하고 동결/해동 사이클이 50회 이상 진행되는 경우 셀 저항이 초기 500 에서 1000 이상의 값으로 많이 증가하고 있는 것을 알 수 있어 전해질 막과 전극 또는 전극과 기체 확산층 사이의 계면 저항이 증가했음을 알 수 있고 이것이 동결/해동 사이클에 따른 성능 저하의 주요 원인임을 알 수 있다. 특히 도 5와 같은 전극 반응과 관련된 저항값(Rc, Charge transfer Resistances)의 경우는 큰 변화가 없으나 접촉 저항(Rohm, Contact Resistances)의 경우는 사이클 횟수에 따라 증가하는 추세를 보이고 있어 각 층간의 접촉 불량이 성능 저하에 영향이 있음을 알 수 있다.On the other hand, as a result of examining the resistance change of the cell according to the freeze / thaw cycle, as the temperature is lowered as shown in Figure 4 when the resistance of the cell increases and the freeze / thaw cycle is performed more than 50 times, the cell resistance of the initial 500 to 1000 or more It can be seen that the value increases a lot, so that the interfacial resistance between the electrolyte membrane and the electrode or the electrode and the gas diffusion layer is increased, which can be seen as the main cause of the performance degradation due to the freeze / thaw cycle. In particular, there is no significant change in the case of the resistance value (R c , Charge Transfer Resistances) related to the electrode reaction as shown in FIG. 5, but in the case of the contact resistance (R ohm , Contact Resistances), the number of cycles increases. It can be seen that poor contact has an effect on performance degradation.

더욱 상세하게 도 6을 통해 동결/해동 사이클 수행후의 막전극 접합체의 SEM 이미지를 살펴보면 층간의 박리현상이 일어나고 특히 최외측 분리판에 형성된 반응 기체 채널(Channel) 아래의 촉매층이 심각하게 파손됨을 확인할 수 있다.In more detail, the SEM image of the membrane electrode assembly after the freeze / thaw cycle is performed through FIG. 6, and it can be seen that delamination occurs and in particular, the catalyst layer under the reaction gas channel formed on the outermost separator is severely damaged. have.

본 발명은 상기와 같은 고분자 전해질 막 연료전지의 동결 내구성을 확보할 수 있는 기체 확산층을 제안하고자 한다. The present invention is to propose a gas diffusion layer that can ensure the freeze durability of the polymer electrolyte membrane fuel cell as described above.

더욱 상세하게는 상기 동결/해동 사이클의 주요 성능 저하의 원인이 전해질 막과 전극 또는 전극과 기체 확산층 사이의 박리로 인한 저항 증가에 있으므로 이를 개선하기 위한 기체 확산층의 굽힘 강도를 제시하여 동결조건에서 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지를 제안한다.In more detail, the main performance deterioration of the freeze / thaw cycle is due to an increase in resistance due to peeling between the electrolyte membrane and the electrode or the electrode and the gas diffusion layer, thereby presenting the bending strength of the gas diffusion layer to improve the durability under freezing conditions. An excellent polymer electrolyte membrane fuel cell is proposed.

본 발명에 의한 동결해동 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지는 막전극 접합체(MEA)를 이루는 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막;과 상기 막전극 접합체(MEA) 양면에 구비되며 굽힘 강도(Bending Stiffness)가 1 g·㎝ 미만 또는 10 g·㎝ 이상인 기체 확산층(Gas Diffusion layer);를 포함한다.The polymer electrolyte membrane fuel cell having excellent freeze thaw durability according to the present invention includes a perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte membrane forming a membrane electrode assembly (MEA) and bending membranes (Bending Stiffness) provided on both sides of the membrane electrode assembly (MEA). It includes less than 1 g · cm or more than 10 g · cm Gas Diffusion layer (Gas Diffusion layer).

한편, 상기 고분자 전해질 막은 과불소화술폰산 계열의 나피온막, 프레미온막, 아시프렉스막, 다우 케이컬막인 것을 특징으로 한다.On the other hand, the polymer electrolyte membrane is characterized in that the perfluorinated sulfonic acid-based Nafion membrane, premium membrane, asiprex membrane, Dow Caical membrane.

동결/해동 조건에서 전해질 막의 변형과 이에 대응되는 기체 확산층의 역할을 제시함으로써 동결에 따른 연료전지의 내구성을 현저히 향상시킨다. 손쉽게 기체 확산층의 굽힘 강도를 설정하므로써 상기 목적을 달성할 수 있으며 이를 위해 추가구성이나 설계의 변경이 불필요하다.By suggesting the role of the gas diffusion layer and the deformation of the electrolyte membrane in the freezing / thawing conditions, it significantly improves the durability of the fuel cell upon freezing. The above object can be achieved by easily setting the bending strength of the gas diffusion layer, and no additional configuration or design change is necessary for this purpose.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 동결해동 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지를 상세히 설명한다.Hereinafter, a polymer electrolyte membrane fuel cell having excellent freeze thaw durability of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막 연료전지는 막전극 접합체(MEA)를 이루는 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막;과 상기 막전극 접합체(MEA) 양면에 구비되며 굽힘 강도(Bending Stiffness)가 1 g·㎝ 미만 또는 10 g·㎝ 이상인 기체 확산층(Gas Diffusion layer);를 포함한다. The polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention includes a perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte membrane constituting a membrane electrode assembly (MEA) and the membrane electrode assembly (MEA) on both sides, and a bending stiffness of 1 g · cm And a gas diffusion layer that is less than 10 g · cm or more.

상기 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막의 경우 물을 함유하는 경우 그 부피팽창으로 인한 물리적 형상변화가 발생한다. 막의 종류에 따라 약 15 ~ 20 %에 이르는 변형을 보이기도 하는데, 이러한 변형 과정 중 형성된 기공 등에 응 축된 물이 존재할 수 있다. 물이 영하조건에서 얼음이 될 경우 그 부피가 약 8% 증가하는데, 이러한 변형으로 인해 막과 전극층 계면의 박리가 발생하게 된다. 한편 상기 고분자 전해질 막의 변형에 의한 영향은 분리판에 구비된 반응 기체 유로의 외곽, 즉 리브(Rib)상에서는 물리적인 지지력에 의해 무시할 만하나, 반응 기체 유로, 즉 채널(Channel)상에서는 리브와 같은 물리적 지지체가 없어 더욱 심각한 변형이 발생하고 이로서 전극촉매층의 박리가 가속화되고 크랙이 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한 전극촉매층의 상기 크랙 또는 전해질 막과의 갭(gap)사이에에 존재하는 얼음들이 연료전지의 물리적 손상을 가속화하게 된다. 빈 공간이 증가할수록 저온에서 얼음에 의한 물리적 손상이 심해지게 된다.In the case of the perfluorinated sulfonic acid-based polymer electrolyte membrane, when the water is contained, physical shape change due to the volume expansion occurs. Depending on the type of membrane, the strain may be about 15 to 20%, and water condensed in the pores formed during the deformation may exist. If the water becomes ice under sub-zero conditions, its volume increases by about 8%. This deformation causes the membrane and the electrode layer to peel off. On the other hand, the effect of the deformation of the polymer electrolyte membrane is negligible by the physical support force on the outside of the reaction gas flow path provided in the separator, that is, Rib, but physically like a rib on the reaction gas flow path, that is, the Channel. Since there is no support, more serious deformation occurs, thereby accelerating the peeling of the electrocatalyst layer and causing cracks. In addition, ice present between the cracks of the electrode catalyst layer or the gap with the electrolyte membrane accelerates physical damage of the fuel cell. As the empty space increases, the physical damage caused by ice becomes more severe at low temperatures.

상기와 같은 고분자 전해질 막의 물 함유로 인한 변형의 영향을 줄이고자 본 발명에 의한 고분자 전해질 막 연료전지는 굽힘 강도(Bending Stiffness)가 1 g·㎝ 미만 또는 10 g·㎝ 이상인 기체 확산층(Gas Diffusion layer)을 포함한다.In order to reduce the influence of the deformation due to the water content of the polymer electrolyte membrane as described above, the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention has a bending stiffness of less than 1 g · cm or 10 g · cm or more. ).

본 발명에서 기체 확산층은 MEA의 양 측면에서 물리적 지지력을 보완하는 역할을 하게 되는데 굽힘 강도를 각기 달리하는 기체 확산층을 동일한 조건의 고분자 전해질 막 연료전지에 적용하여 동결/해동 사이클 시험을 수행한 결과를 도 7에 도시하였다. 동결/해동 사이클 시험에 사용된 대표 기체 확산층의 특성은 다음 표 1과 같다.In the present invention, the gas diffusion layer serves to complement the physical bearing capacity on both sides of the MEA. The gas diffusion layer having different bending strengths is applied to the polymer electrolyte membrane fuel cell under the same conditions to perform the freeze / thaw cycle test. 7 is shown. Representative gas diffusion layers used in freeze / thaw cycle tests are shown in Table 1 below.


Gas Diffusion Layer Type

Gas Diffusion Layer Type

Electrical resistance1 )
[mΩ cm2]

Electrical resistance 1 )
[mΩ cm 2 ]

PTFE content2 )
[wt%]

PTFE content 2 )
[wt%]

Existence of MPL3 )

Existence of MPL 3 )

Porosity
[%]

Porosity
[%]

Bending Stiffness
[g/cm]

Bending stiffness
[g / cm]
Category(b)Category (b)
10.89

10.89

5

5

Yes

Yes

80

80

0.4

0.4
Category(c)Category (c)
10.27

10.27

5

5

Yes

Yes

84

84

78.4

78.4
Category(d)Category (d)
11.18

11.18

5

5

Yes

Yes

80

80

5.4

5.4

1) 2-point measurement at 10 kgf/cm2 of gold-coated plate compression.
2) PTFE (polytetrafluoroethylene) contents of diffusion media.
3) Microporous layer (MPL).

1) 2-point measurement at 10 kg f / cm 2 of gold-coated plate compression.
2) PTFE (polytetrafluoroethylene) contents of diffusion media.
3) Microporous layer (MPL).

여기서 각 기체 확산층의 굽힘 강도는 V-5 Model 150-E stiffness tester(Taber Industries)를 이용하여 3.8 cm × 7cm 의 각 기체 확산층 시편에 15°의 굽힘 각을 주어 측정하였다.The bending strength of each gas diffusion layer was measured using a V-5 Model 150-E stiffness tester (Taber Industries) to give a bending angle of 15 ° to each gas diffusion layer specimen of 3.8 cm × 7 cm.

여기서 동결/해동 사이클 시험은 -30 에서 70 oC의 온도범위를 반복적으로 경험시키는 사이클로 다음 표 2와 같은 조건에서 수행하였으며 사이클은 도 8과 같다.Here, the freeze / thaw cycle test was a cycle that repeatedly experienced a temperature range of −30 to 70 ° C. and was performed under the conditions shown in Table 2 below, and the cycle is shown in FIG. 8.


Operation temp of Cell [℃]

Operation temp of Cell [℃]

70

70

Maintaining freeze temp. of cell[℃]

Maintaining freeze temp. of cell [℃]

-30

-30

Relative humidity[%]

Relative humidity [%]

80

80

cooling rate[℃/min]

cooling rate [℃ / min]

≥1

≥1

Maintaining time at freeze temp.[min]

Maintaining time at freeze temp. [Min]

30

30


Gas utilization


Gas utilization

Anode[%]

Anode [%]

75

75

Cathode[%]

Cathode [%]

50

50

측정결과를 나타낸 그래프인 도 7을 살펴보면 굽힘 강도 1 g·㎝ 미만 또는 10 g·㎝ 이상의 기체 확산층을 적용한 경우 성능 저하가 현저하게 감소함을 확인할 수 있다. 이는 단순히 기체 확산층의 굽힘 강도를 높여 물리적 지지력을 부과하는 것이 아니라 오히려 특정 굽힘 강도 이하의 기체 확산층이 더 나은 동결/해동 내구성을 보일 수도 있음을 의미한다. Referring to FIG. 7, which is a graph showing the measurement results, when the gas diffusion layer having a bending strength of less than 1 g · cm or 10 g · cm or more is applied, it can be seen that the performance decrease is remarkably reduced. This does not simply impose physical support by increasing the bending strength of the gas diffusion layer, but rather means that a gas diffusion layer below a certain bending strength may exhibit better freeze / thaw durability.

이점은 도 9를 참고로 하여 설명될 수 있다. 도 9는 연료전지의 단면의 블록도로 (a)는 일반적인 동결/해동 시험전 상태이고 (b)는 굽힘 강도가 1 g·㎝ 미만인 경우 (c)는 굽힘 강도가 10 g·㎝ 이상인 경우 (d)는 1 g·㎝ 이상 ~ 10 g·㎝ 미만인 경우이다. This can be explained with reference to FIG. 9. 9 is a block diagram of a cross section of a fuel cell, (a) is a general pre-freeze / thaw test state, (b) is a bending strength of less than 1 g · cm, and (c) is a bending strength of 10 g · cm or more (d ) Is 1 g · cm or more and less than 10 g · cm.

굽힘 강도가 10 g·㎝ 이상인 경우 (c)는 동결시의 전해질 막의 변형에 불구하고 특히 반응 기체 채널 이상 부분에서 기체 확산층 자체의 굽힘 강도에 의해 MEA가 물리적으로 지지되며 박리 및 파손이 일어나는 것을 막게 된다.When the bending strength is 10 g · cm or more, (c) prevents the MEA from being physically supported by the bending strength of the gas diffusion layer itself in the portion above the reaction gas channel despite deformation of the electrolyte membrane during freezing, and prevents peeling and breakage from occurring. do.

한편 굽힘 강도가 1 g·㎝ 미만(b)인 경우에는 오히려 유연한 기체 확산층이 전해질 막의 변형에 유연하게 대응되며 채널내 공간에서 함께 변형이 일어나게 되므로 전해질 막의 변형에 따른 층간의 빈 공간이 생기는 것을 막게 된다. 따라서 동결시 생성되는 얼음도 비교적 작은 사이즈로 파손을 일으킬 위험이 줄어들게 되는 것이다.On the other hand, when the bending strength is less than 1 g · cm (b), the flexible gas diffusion layer flexibly corresponds to the deformation of the electrolyte membrane and the deformation occurs together in the channel space, thereby preventing the empty space between layers due to the deformation of the electrolyte membrane. do. Therefore, the ice produced during freezing also reduces the risk of breakage to a relatively small size.

상기 (b)는 변형을 물리적으로 억제함으로써 동결내구성을 높이는데 반해 (c)는 전혀 달리 변형에 유연하게 대응함으로써 동결내구성을 높이는 기체 확산층에 해당한다. 이 점은 (b)와 (c) 범위 밖에 해당하는 1 g·㎝ 이상 ~ 10 g·㎝ 미만(d)의 굽힘 강도를 갖는 기체 확산층을 살펴보면 쉽게 알 수 있다. (d)의 경우 전해질 막의 변형에 따라 물리적 충격이 그대로 전달되며 나아가 변형을 따라가지 못함으로써 각 층이 분리되고 층간에 큰 공간을 만들게 된다. 이러한 공간 사이에 저온상태에서 사이즈가 큰 얼음이 생성되어 내구성을 저하하게 되는 것이다.Wherein (b) increases the freeze durability by physically inhibiting the deformation, (c) corresponds to the gas diffusion layer to increase the freeze durability by flexibly corresponding to the deformation at all. This point can be easily seen by examining the gas diffusion layer having a bending strength of 1 g · cm or more and less than 10 g · cm (d) outside of the ranges (b) and (c). In the case of (d), the physical impact is transmitted as the electrolyte membrane is deformed, and further, each layer is separated and a large space is created between the layers by not following the deformation. Between these spaces, a large size of ice is produced at a low temperature, thereby deteriorating durability.

한편, 본 발명에 의한 고분자 전해질 막 연료전지에서 기체 확산층은 열전도도(Conductivity)가 0.6 W/mK 이상 2 W/mK 이하인 것이 바람직하다. 동결 내구성의 확보에 있어서 기체 확산층은 동결에 따른 물리적 변형을 수용하는 것뿐만 아니라 다시 해동 상태로 복귀에 있어서 필요한 열전도도를 갖추는 것이 중요하다. On the other hand, in the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, the gas diffusion layer preferably has a thermal conductivity of 0.6 W / mK or more and 2 W / mK or less. In securing freeze durability, it is important that the gas diffusion layer not only accommodates physical deformation upon freezing but also has the necessary thermal conductivity in returning to the thawed state.

본 발명에서는 기체 확산층의 열전도도가 해동 상태 물의 열전도도 0.6 W/mK 이상 동결상태 얼음의 열전도도 2 W/mK 이하로 제안한다. 동결상태에서 해동상태로 전환시 얼음보다 낮은 열전도도를 가지므로 얼음이 더욱 신속하게 원활하게 해동이 됨으로써 저온 시동으로 인한 성능 저하를 줄일 수 있게 된다. 한편, 정상 작동시 발생되는 반응열은 물보다 높은 열전도도를 가진 기체 확산층을 거쳐 셀 전체 및 외부로 전도될 것이다. In the present invention, the thermal conductivity of the gas diffusion layer suggests that the thermal conductivity of thawed water is 0.6 W / mK or more and the thermal conductivity of frozen ice is 2 W / mK or less. When the transition from the frozen state to the thawed state has a lower thermal conductivity than the ice, the ice is thawed more quickly and smoothly, thereby reducing the performance degradation due to cold start-up. On the other hand, the reaction heat generated in normal operation will be conducted to the whole cell and the outside through the gas diffusion layer having a higher thermal conductivity than water.

본 발명은 물을 함유하는 과불소화술폰산 계열 고분자 전해질 막을 사용하는 어떤 형태의 연료전지에라도 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 고분자 전해질 막은 과불소화술폰산 계열의 나피온막, 프레미온막, 아시프렉스막, 다우 케이컬막일 수 있다. The present invention can be applied to any type of fuel cell using a perfluorinated sulfonic acid series polymer electrolyte membrane containing water. For example, the polymer electrolyte membrane may be a perfluorinated sulfonic acid-based nafion membrane, a premium membrane, an asiprex membrane, or a Dow Caical membrane.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application is not limited, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims.

도 1은 나피온 막을 사용한 연료전지의 동결/해동 내구성 시험결과1 shows freezing / thawing durability test results of a fuel cell using a Nafion membrane.

도 2는 촉매활성면적의 변화 그래프2 is a graph of the change in catalytic activity area

도 3은 H2 Cross-over 변화 그래프3 is a graph of H 2 Cross-over change

도 4는 셀의 저항변화 그래프 4 is a graph of resistance change of a cell

도 5는 셀의 전하전달저항 및 접촉저항 변화 그래프5 is a graph of charge transfer resistance and contact resistance change of a cell;

도 6은 동결/해동 사이클 수행후의 막전극 접합체의 SEM 이미지6 is an SEM image of the membrane electrode assembly after freeze / thaw cycles.

도 7은 굽힘 강도가 다른 기체 확산층을 적용한 성능 저하 그래프7 is a graph of degradation in performance of gas diffusion layers having different bending strengths.

도 8은 동결/해동 테스트 사이클 8 is a freeze / thaw test cycle

도 9는 연료전지의 단면의 블록도9 is a block diagram of a cross section of a fuel cell;

10 : 분리판10: Separator

11 : 채널 12 : 리브11: channel 12: rib

20 : 기체 확산층20 gas diffusion layer

30 : 전극30 electrode

40 : 전해질 막40: electrolyte membrane

Claims (3)

막전극 접합체(MEA)를 이루는 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막;과Perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte membrane forming a membrane electrode assembly (MEA); and 상기 막전극 접합체(MEA) 양면에 구비되며 굽힘 강도(Bending Stiffness)가 1 g·㎝ 미만 또는 10 g·㎝ 이상인 기체 확산층(Gas Diffusion layer);를 포함하는 동결해동 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지.A polymer electrolyte membrane fuel cell having excellent freeze thaw durability, which is provided on both sides of the membrane electrode assembly (MEA) and includes a gas diffusion layer having a bending stiffness of less than 1 g · cm or 10 g · cm or more. . 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질 막은 과불소화술폰산 계열의 나피온막, 프레미온막, 아시프렉스막, 다우 케이컬막인 것을 특징으로 하는 동결해동 내구성이 우수한 고분자 전해질 막 연료전지.The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane fuel cell having excellent freeze thawing durability, characterized in that the perfluorinated sulfonic acid-based Nafion membrane, premium membrane, asiprex membrane, Dow Caical membrane.
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