KR101282620B1 - 냉해동 내구성이 우수한 연료전지 스택 및 그 제조방법 - Google Patents

냉해동 내구성이 우수한 연료전지 스택 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 반응 기체인 수소 및 공기(산소)를 공급할 때, 전기화학 반응의 생성물인 물이 영하 조건에서 결빙하는 것을 감소시키기 위해 연료전지 셀 내 접촉저항을 감소시킬 수 있도록 설계된 연료전지용 스택에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 기존 스택 생산 공정에 대한 추가적인 공정 개질없이 그대로 이용하되, 단지 연료전지 셀에 적합한 시트(Sheet) 크기로 기체확산층을 재단(Cutting)하는 방식만을 최적화시켜 제조되는 기체확산층, 즉 기체확산층의 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여 주 유로를 가로지르는 횡 방향의 기체확산층 강성을 증가시킨 기체확산층을 적용하여, 연료전지 셀 내 접촉 저항을 감소시키고 냉해동 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 냉해동 내구성이 우수한 연료전지용 스택을 제공하고자 한 것이다.

Description

냉해동 내구성이 우수한 연료전지 스택 및 그 제조방법{Fuel Cell Stack with Enhanced Freeze/Thaw Durability and method of manufacturing same}
본 발명은 냉해동 내구성이 우수한 연료전지용 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 반응 기체인 수소 및 공기(산소)를 공급할 때, 전기화학 반응의 생성물인 물이 영하 조건에서 결빙하는 것을 감소시키기 위해 연료전지 셀 내 접촉저항을 감소시킬 수 있도록 설계된 연료전지용 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차용 연료전지로서 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 광범위하게 적용되고 있으며, 이 고분자 전해질 막 연료전지의 단위 셀(Cell)을 수 백장 적층하여 스택(Stack)으로 제작한 후 이를 차량에 탑재하여 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다[S. Park, J. Lee, and B. N. Popov, J. Power Sources, 177, 457 (2008)].
상기 연료전지의 전기 생성을 위한 반응을 보면, 연료전지의 고분자 전해질 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)내 산화극인 애노드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극인 캐소드(Cathode)쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되며, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.
연료전지내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막-전극 접합체의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 "물 범람(Flooding)" 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내까지 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱 더 커지게 된다.
상기와 같이 고분자 전해질 막 연료전지는 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응에 의해 물이 생성되기 때문에 영하의 저온부터 상온 이상의 온도 범위에서 계속 냉해동(Freeze/Thaw) 싸이클을 반복하게 되면, 막-전극 접함체(MEA) 및 기체확산층 등 연료전지 셀 부품 및 부품간 계면(Interface)의 물리적 파손이 발생하여 전기화학적 성능 및 내구성이 저하될 수 있다[Q. Guo and Z. Qi, J. Power Sources, 160, 1269 (2006); C. Lee and W. Merida, J. Power Sources, 164, 141 (2007); S. Kim, B. K. Ahn, and M. M. Mench, J. Power Sources, 179, 140 (2008); S. J. Lim, G. G. Park, J. S. Park, Y. J. Sohn, S. D. Yim, T. H. Yang, B. K. Hong, and C. S. Kim, Int. J. Hydrogen Energy, 35,13111(2010); M. Luo, C. Huang, W. Liu, Z. Luo, and M. Pan, Int. J. Hydrogen Energy, 35, 2986 (2010)].
그러므로 수소연료전지자동차를 안정적으로 구동시키기 위해서는 이러한 냉해동 싸이클 조건하에서 연료전지 스택 내구성을 증가시키는 것이 필수적이라 하겠다.
종래 연료전지 냉해동 내구성을 증가시키기 위해서 연료전지 냉각라인 구조를 최적화하여 냉해동 싸이클을 감소시켜 내구성을 증가시키는 기술(한국특허 0802749 (2008)), 연료전지 운전 제어 방법을 최적화하여 냉시동성(Freeze Start Capability)을 증가시키는 기술(미국특허 20100143813 (2010); 미국특허 20080102326 (2008)), 또는 영하에서 생성된 얼음을 열을 이용하여 제거하여 연료전지를 운전하는 방법(미국특허 20080241608(2008)) 등의 다양한 시도가 있었으나, 이러한 방법들은 적용하기에 복잡하고 그 효과도 제한적이어서 수소연료전지차 양산을 위해서는 보다 간편하면서도 냉해동 내구성을 보다 더 향상시킬 수 있는 새로운 기술 개발이 필수적으로 요구되고 있다.
최근 연료전지의 상업화가 진전됨에 따라 연료전지내 물 관리의 핵심 부품인 기체확산층에 대한 많은 연구개발이 진행되고 있는 바, 여기서, 연료전지를 구성하는 기체확산층의 기능을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
상기 기체확산층은 연료전지의 MEA내 애노드 및 캐소드 두 촉매 층의 외표면에 접착되어, 반응 기체인 수소 및 공기(산소) 공급, 전기화학 반응에 의해 생성된 전자 이동, 반응 생성수를 배출시켜 연료전지 셀 내 물 범람 현상을 최소화시키는 등 다양한 기능을 한다.
현재 상업화된 기체확산층은 수은 압입법(Mercury Intrusion)으로 측정시 일반적으로 기공 크기 1 ㎛ 미만의 미세 기공층(MPL: Micro-Porous Layer)과, 1~300 ㎛ 크기의 거대 기공 지지체(Macro-Porous Substrate 또는 Backing)의 이중 층 구조(Dual Layer Structure)로 구성된다[X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, and B. L. Yi, Electrochimica Acta, 51, 4909 (2006)].
상기 기체확산층의 미세 기공층은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 또는 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP: Fluorinated Ethylene Propylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.
한편, 상기 기체확산층의 거대 기공 지지체는 일반적으로 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 불소화 에틸렌 프로필렌 계열의 소수성 물질로 구성되는데, 크게 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다[S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, and R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006); M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications, Vol.3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)].
이와 같은 연료전지용 기체확산층은 수송용, 휴대용, 가정용 등과 같은 상세 적용 분야 및 연료전지 운전 조건에 따라 적절히 성능이 발현되도록 구조 설계가 이루어져야 하는데, 일반적으로 연료전지 자동차용으로는 반응 기체 공급성 및 생성수 배출성, 스택 체결시 압축성/핸들링성(Handling Property) 등 제반 물성이 양호한 탄소섬유 펠트나 탄소섬유 종이형 기체확산층 사용이 탄소섬유 천 대비 더 선호되고 있다.
또한, 상기 기체확산층은 두께, 기체 투과도(Gas Permeability), 압축도(Compressibility), 미세 기공층과 거대 기공 지지체의 소수성(Hydrophobicity) 처리 정도, 탄소섬유 구조, 기공도/기공 분포, 기공 꼬임도(Tortuosity), 전기 저항 및 굽힘 강성(Bending Stiffness) 등 복잡하고 다양한 구조 차이에 따라 연료전지의 성능에 크게 영향을 미치며, 특히 물질 전달 영역에서 큰 성능 차이가 나타나는 것으로 알려져 있다[D. H. Ahmed, H. J. Sung, and J. Bae, Int. J. Hydrogen Energy, 33, 3767 (2008); Y. Wang, C. Y. Wang, and K. S. Chen, Electrochim. Acta, 52, 3965 (2007); C. J. Bapat and S. T. Thynell, J. Power Sources, 185, 428 (2008); 일본특허 JP3331703B2].
기체확산층은 연료전지내에서 우수한 성능을 발현해야 하고 또한 연료전지 스택으로 수백장의 셀을 조립시 우수한 핸들링성을 부여하기 위해 적정 수준의 강성(Stiffness)을 가져야 하며, 기체확산층의 강성이 원단 롤(Roll) 방향으로 매우 클 경우 롤 형태로 감아서 보관하기 어렵기 때문에 양산성이 저하할 수 있다.
또한, 기존에 보고된 바에 따르면 기체확산층의 강성이 연료전지내에서 매우 부족할 경우, 첨부한 도 1에서 보는 바와 같이 연료전지 셀 체결시 기체확산층(106)이 분리판(Separator 또는 Bipolar Plate: 200)의 채널(Flow Field Channel: 202) 부위로 침투하는 현상(GDL Intrusion)이 발생한다[Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, and Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171, 26 (2007); Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, and Vinod Kumar, J. Power Sources, 184, 120 (2008); J. Kleemann, F. Finsterwalder, and W. Tillmetz, J. Power Sources, 190, 92 (2009); M. F. Mathias, J. Roth, and M. K. Budinski, 미국특허 7,455,928 B2; T. Kawashima, T. Osumi, M. Teranishi,and T. Sukawa, 미국특허 2008/0113243 A1].
이렇게 기체확산층(106)이 분리판 채널(202)로 침투되는 현상이 발생하면 반응 기체 및 생성수 등의 물질전달에 필요한 채널 공간이 부족해지고, 기체확산층(106)과 분리판(200)의 리브(Rib) 또는 랜드(Land: 204) 및 고분자 전해질 막-전극 접합체(100)와의 접촉 저항이 증가할 수 있어 연료전지 셀 성능 저하의 큰 원인이 될 수 있다.
특히, 셀 내 접촉 저항이 증가하는 경우 기체확산층/고분자 전해질 막-전극 접합체 또는 기체확산층/분리판 사이의 계면이 적절히 유지되지 못하고 불필요한 공간이 생성될 수 있는데, 냉해동 조건하 이러한 빈 공간에서 연료전지 생성수가 동결되어 얼음을 형성할 수 있다.
이와 같이 얼음이 생성될 경우 반복적인 냉해동 싸이클 조건에서 연료전지 셀 내 각 부품 및 부품간 계면을 파손시킬 수 있기 때문에, 연료전지의 내구성을 증가시키기 위해서는 셀 내 부품 계면에서 빈 공간이 생성되지 않도록 잘 접촉시켜 접촉저항을 감소시킬 필요가 있다.
일반적으로 연료전지용 분리판은 주 유로(Major Flow Field) 및 부 유로(Minor Flow Field)로 구성되는 데, 기체확산층이 주 유로 방향의 채널쪽으로 침투하지 못하도록 하는 것이 필요하며, 이렇게 하기 위해서는 분리판 주 유로 방향과 평행인 길이(L: Length) 방향과 수직으로 가로지르는 폭(W: Width) 방향 중, 특히 폭 방향으로 배열되는 기체확산층의 강성을 증가시키는 것이 중요하고, 그렇지 않고 도 1에서 보는 바와 같이 분리판 주 유로의 폭 방향으로 강성이 낮은 기체확산층이 배열될 경우 분리판 주 유로 채널로의 기체확산층 침투 현상은 심해지게 되며, 따라서 셀 내 계면 박리가 증가하게 되어 영하의 저온에서 얼음이 생성될 수 있는 공간이 증가하여 연료전지의 냉해동 내구성을 저하시키는 문제점을 야기시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 개선하고 연료전지 자동차용 스택의 냉해동 내구성을 증가시키기 위해 안출된 것으로서, 기존 스택 생산 공정에 대한 추가적인 공정 개질없이 그대로 이용하되, 단지 연료전지 셀에 적합한 시트(Sheet) 크기로 기체확산층을 재단(Cutting)하는 방식만을 최적화시켜 제조되는 기체확산층, 즉 기체확산층의 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여 주 유로를 가로지르는 횡 방향의 기체확산층 강성을 증가시킨 기체확산층을 적용하여, 연료전지 셀 내 접촉 저항을 감소시키고 냉해동 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 막-전극 접합체와 분리판 사이에 기체확산층을 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 상기 기체확산층을 연료전지 셀 내부의 접촉저항을 감소시켜 생성수 결빙을 감소시킬 수 있는 구조로 채택하되, 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단된 것으로 채택하여, 분리판의 주 유로를 가로지르는 기체확산층의 횡 방향 강성을 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉해동 내구성이 우수한 연료전지용 스택을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 기체확산층은 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 0°<θ≤90°이 되도록 재단하여 제조된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 기체확산층은 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 25°<θ≤90°가 되도록 재단하여 제조된 기체확산층을 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 기체확산층은 기체확산층 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 20 ~ 150 gfㆍcm인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 기체확산층은 기체확산층 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 50 ~ 100 gfㆍcm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 기체확산층은 막-전극 접합체의 각 전극 외표면에 접합되는 미세 기공층과, 분리판의 유로와 접하는 거대 기공 지지체로 구성되고, 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 냉해동 싸이클 조건하 셀 내 접촉저항을 최소화할 수 있는 구조의 기체확산층을 적용하되, 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단된 기체확산층을 채택하여, 분리판의 주 유로를 가로지르는 기체확산층의 횡 방향 강성이 증가할 수 있고, 연료전지 셀 내부에 얼음 생성을 감소시켜 냉해동 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지 셀 체결시 분리판 랜드 압축에 의한 종래 스택내 기체확산층의 분리판 주 유로 채널 부위로의 침투(Intrusion) 현상 개략도,
도 2는 종래 기체확산층 원단 롤의 기체확산층 시트 재단방식('0°GDL') 대비 본 발명의 기체확산층 시트 재단방식('90°GDL')을 나타내는 개략도,
도 3은 (a) 종래 0°GDL 적용 스택내 기체확산층 고강성 MD 방향과 분리판 주 유로방향과의 배열도 및 (b) 본 발명의 90°GDL 적용 스택내 기체확산층 고강성 MD 방향과 분리판 주 유로방향과의 배열도,
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 사용된 기체확산층 거대기공지지체의 SEM 표면 사진(500×),
도 5는 종래 0°GDL 적용 스택과 신규 90°GDL 적용 스택의 냉해동 싸이클과 1,000 싸이클 종료 후 전기화학적 성능을 나타낸 그래프,
도 6은 종래 0°GDL 적용 스택과 신규 90°GDL 적용 스택의 냉해동 싸이클 횟수에 따른 전기화학적 성능 저하 그래프: (a) 800 mA/㎠; (b) 1,400 mA/㎠,
도 7은 종래 0°GDL 적용 스택과 신규 90°GDL 적용 스택의 냉해동 싸이클과 1,000 싸이클 종료 후 고주파수 저항값을 나타낸 그래프,
도 8은 종래 0°GDL 적용 스택과 신규 90°GDL 적용 스택의 냉해동 싸이클 횟수에 따른 고주파수 저항값 증가 그래프: (a) 800 mA/㎠; (b) 1,400 mA/㎠.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 냉해동 싸이클 조건하 셀 내 접촉저항을 최소화할 수 있는 구조의 기체확산층을 적용함으로써, 연료전지 셀 내부에 얼음 생성을 감소시켜 냉해동 내구성이 증가한 연료전지 스택을 제공하고자 한 것이다.
연료전지내 접촉저항을 감소시키기 위해서는 기체확산층 고유의 이방성(Anisotropy) 특성을 이용할 수 있다.
즉, 연료전지 자동차용으로 많이 사용되는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이를 지지체로 하는 기체확산층은 일반적으로 제조공정상 기계 방향(MD: Machine Direction)으로 탄소섬유가 보다 더 많이 배향되어 횡기계 방향(CMD: Cross-Machine Direction 또는 TD: Transverse Direction) 대비 굽힘 강성이나 인장 강도(Tensile Stress)와 같은 기계적 물성들이 더 크다.
따라서, 생산된 기체확산층 롤(Roll)에 감긴 원단의 기계 방향이 고강성 방향(HSD: High Stiffness Direction)이고 횡기계 방향이 저강성 방향(LSD: Low Stiffness Direction)인 것이 일반적이다.
본 발명의 연료전지 스택은 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 0°<θ≤90°이되, 보다 바람직하게는 25°<θ≤90°가 되도록 재단하여 제조된 기체확산층을 사용한다.
보다 상세하게는, 첨부한 도 3의 (a)와 같이 종래에는 기체확산층 원단을 재단할 때, 기체확산층의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 서로 평행한 방향으로 재단되었지만, 본 발명에서는 첨부한 도 3의 (b)에서 보듯이 기체확산층의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 서로 평행하지 않게 재단됨에 따라, 분리판 주 유로를 가로지르는 폭(W) 방향으로의 기체확산층 강성을 증가시킬 수 있다.
이때, 연료전지 스택의 냉해동성을 증가시키기 위해, 기체확산층 재단시 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도를 90°로 재단하는 것은 하나의 실시예일 뿐, 30°, 45°, 60°등 다양한 각도로 재단할 수 있음은 물론이다.
이에 따라, 기체확산층이 분리판의 유로 채널 부위로 침투되는 현상을 방지하는 동시에, 기체확산층/고분자 전해질 막-전극 접합체 또는 기체확산층/분리판 사이의 계면간에 얼음이 동결될 수 있는 불필요한 공간이 생성되는 것을 방지할 수 있으므로, 연료전지 스택의 냉해동 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 기체확산층 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 20 ~ 150 gfㆍcm, 보다 바람직하게는 50 ~ 100 gfㆍcm 가 되도록 하며, 그 이유는 20 gfㆍcm 미만이면 강성이 너무 작아 연료전지차용 기체확산층으로 장기간 사용하기 어렵고, 150 gfㆍcm를 초과하면 기체확산층이 너무 강직하게 되어 롤 형태로 감아 보관하기 어려워 양산성이 저하되기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 스택에 장착되는 기체확산층의 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 구성되도록 한다.
이렇게 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않게 하고, 기체확산층의 거대 기공 지지체를 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 등을 사용함으로써, 연료전지 셀 내부의 접촉저항을 감소시키고 셀 내 부품간 계면을 잘 유지하여 얼음이 생성되는 것을 최소화할 수 있다.
즉, 기체확산층과 분리판 리브(Rib) 또는 랜드(Land) 및 고분자 전해질 막-전극 접합체와의 접촉 저항을 감소시켜서, 접촉 저항 증가에 따른 연료전지 셀 성능 저하를 방지할 수 있고, 기체확산층/고분자 전해질 막-전극 접합체 또는 기체확산층/분리판 사이의 계면이 적절히 유지되어 생성수가 동결되는 공간이 생성되지 않으므로, 냉해동 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 사용된 탄소섬유 펠트형 기체확산층의 그 기본 특성은 아래의 표 1에 나타낸 바와 같고, 거대 기공 지지체는 주사 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope, InspectTM, FEI Co.)을 사용하여 500배로 확대한 도 4에서 보는 바와 같이, 일반적인 탄소섬유 펠트로 구성되어 있고, 탄소섬유들이 불규칙하게 꼬여(Entangled) 있음을 알 수 있다.
또한, 아래의 표 1에 기재된 바와 같이 기체확산층의 굽힘강성은 테이버 굽힘강도 측정기(Taber Industries Stiffness Tester: 150-E V-5 Model, Taber Industries, USA)를 사용하여 굽힘 각도 15°에서 MD 및 CMD별로 각각 측정하였는 바, 기체확산층 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강성이 더 큼을 알 수 있었다.
Figure 112010079707667-pat00001
여기서, 본 발명을 실시예 및 시험예를 통하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예
본 발명의 실시예로서, 기체확산층 원단을 재단하되, 원단의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 수직(재단 각도 90°)이 되도록 재단하였고, 이를 고분자 전해질 막, 촉매층, 체결 기구 등과 같은 제반 부품들과 함께 스택에 조립하였다.
비교예
비교예로서, 기체확산층 원단을 재단하되, 원단의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 평행(재단 각도 0°)이 되도록 재단하였고, 이를 실시예와 동일하게 스택에 적용하였다.
시험예
실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 전기화학적 성능 평가를 실시하였다.
즉, 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지 스택의 전기화학적 성능은 연료전지 5셀을 기준으로 전압-전류밀도 분극(Potential-Current Density Polarization) 특성을 측정하여 비교하였으며, 전기화학적 성능 측정기는 기존 상용화된 장비(5 kW Test Station Model, Won-A Tech Co., Korea)를 사용하였다.
이때, 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지 스택의 전기화학적 성능 측정시 사용한 조건은 다음과 같다.
* 연료전지 셀 입구 온도= 65℃,
* 수소 애노드/공기 캐소드 상대 습도(RH: Relative Humidity)= 50%/50%,
* 수소 애노드/공기 캐소드 화학양론비(S.R.: Stoichiometric Ratio)= 1.5/2.0.
또한, 실시예 및 비교예에 따른 스택에 적용한 냉해동 싸이클 조건은 5셀 스택을 온도 조절이 가능한 환경 챔버(Environmental Chamber)에 넣고서 -25℃ ~ 15℃ 조건하 1,000 싸이클까지 냉해동을 반복하고, 각 싸이클별 스택의 전기화학적 성능, 고주파수 저항(HFR: High Frequency Resistance) 등을 측정하여 서로 비교하였으며, 이때 측정된 스택의 고주파수 저항값은 셀 내 접촉저항을 나타내는 인자로서, 이 값이 클수록 셀 내 부품간 계면이 파단되고 접촉이 불량해지는 것을 나타낸다.
고주파수 저항값은 기존 상업화된 장비(Galvanostat, Z# Navigator Model, Won-A Tech Co., Korea)를 사용하여 5 A 진폭(Amplitude) 및 1 kHz 주파수 조건하 측정하였다.
이러한 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지 스택에 대해 전기화학적 성능 평가를 수행한 결과는 첨부한 도 5 내지 도 8에 나타낸 바와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 기체확산층을 적용한 스택과, 비교예에 따른 종래의 기체확산층을 적용한 스택에 대한 냉해동 1,000 싸이클 종료 후 전기화학적 성능을 서로 비교하였는 바, 첨부한 도 5에서 보는 바와 같이 실시예 및 비교예의 스택 모두 냉해동 1,000 싸이클 후 전기화학적 성능이 감소했으나, 본 발명의 기체확산층이 적용된 스택은 종래의 기체확산층이 적용된 스택 대비 냉해동 0 싸이클 및 1,000 싸이클 후 모두 우수한 전기화학적 성능을 나타냈고, 또한 성능 감소속도도 더 작은 것을 알 수 있었다.
냉해동 싸이클 횟수에 따른 스택간 전기화학적 성능 저하 속도를 정량적으로 비교하고자, 연료전지 운전조건 중 중전류밀도 및 고전류밀도의 대표값으로 각각 800 mA/㎠ 및 1,400 mA/㎠를 선정하여, 이 값에서의 셀 전압 값 저하를 서로 비교하였는 바, 도 6의 (a)에서 보는 바와 같이 전류밀도 800 mA/㎠일 때 종래의 기체확산층을 적용한 스택의 셀 전압은 약 -38 ㎶/cycle의 속도로 감소하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 기체확산층을 적용한 스택의 셀 전압은 약 -27 ㎶/cycle로 감소하여, 본 발명의 스택 셀 성능이 더 완만하게 저하하는 것을 알 수 있었다.
또한, 도 6의 (b)에서 보는 바와 같이 전류밀도가 1,400 mA/㎠로 증가하는 경우 셀 성능 저하속도는 증가하는 데, 종래의 기체확산층을 적용한 스택의 셀 전압은 약 -109 ㎶/cycle의 속도로 감소하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 기체확산층을 적용한 스택의 셀 전압은 -66 ㎶/cycle로 감소하여, 고전류밀도에서 상대적으로 본 발명의 스택 셀 성능이 더 완만하게 저하하는 것을 알 수 있었다.
냉해동 싸이클에 따른 연료전지 스택 셀 내 접촉저항의 변화를 비교하되, 비교예에 따른 종래의 스택과 실시예에 따른 본 발명의 스택에 대한 냉해동 1,000 싸이클 종료 후, 고주파수 저항값을 서로 비교하였는 바, 도 7에서 보는 바와 같이 종래 및 본 발명의 스택 모두 냉해동 1,000 싸이클 후 고주파수 저항값이 증가하였다.
그러나, 본 발명의 스택에 대한 고주파수 저항값이 종래의 스택 대비 냉해동 0 싸이클 및 1,000 싸이클 후 모두 작음을 알 수 있고, 이는 종래의 스택 대비 본 발명의 스택 셀 내 부품간 접촉 상태가 우수하여 영하의 저온에서 얼음이 부품들 계면 사이에 생성될 확률이 적어 냉해동에 의한 셀 파손이 적음을 의미한다.
냉해동 싸이클 횟수에 따른 스택간 고주파수 저항값 증가 속도를 정량적으로 측정하여 비교하였는 바, 도 8의 (a)에서 보는 바와 같이 전류밀도 800 mA/㎠일 때 종래 스택의 고주파수 저항값은 약 43μΩ㎠/cycle의 속도로 증가하였으나, 본 발명에 따른 스택의 고주파수 저항값은 약 34μΩ㎠/cycle로 증가하여 본 발명에 따른 스택의 고주파수 저항값이 더 완만하게 증가하는 것을 알 수 있었다.
또한, 도 8의 (b)에서 보는 바와 같이 전류밀도가 1,400 mA/㎠로 증가하는 경우 고주파수 저항값 증가 속도는 두 스택 모두 증가하였는 바, 종래 스택의 고주파수 저항값은 약 50μΩ㎠/cycle의 속도로 증가하였으나, 본 발명에 따른 스택의 고주파수 저항값은 약 38μΩ㎠/cycle로 증가하여 고전류밀도에서 상대적으로 본 발명에 따른 스택의 셀 성능이 더 완만하게 증가하는 것을 알 수 있었다.
참고로, 냉해동 1,000 싸이클 후 연료전지 스택의 전기화학적 성능 감소 속도와 고주파수 저항값 증가 속도를 다시 정리하면, 아래의 표 2에 기재된 바와 같다.
Figure 112010079707667-pat00002
이상과 같이, 종래의 기체확산층(원단의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 평행(재단 각도 0°))이 적용된 스택 대비, 본 발명의 기체확산층(원단의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 수직(재단 각도 90°))이 적용된 스택은 냉해동 싸이클시 전기화학적 성능이 높고, 성능 감소속도가 작으며, 또한 셀 내 접촉저항이 작고 저항 증가속도도 작아서 셀 내 얼음이 형성될 확률이 낮기 때문에 우수한 냉해동 내구성을 발현할 수 있다.
100: MEA 106: 기체확산층
200: 분리판 202: 분리판 채널
204: 분리판 랜드

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  7. 막-전극 접합체와 분리판 사이에 기체확산층을 포함하는 연료전지 스택제조방법에 있어서, 상기 기체확산층을 연료전지 셀 내부의 접촉저항을 감소시켜 생성수 결빙을 감소시킬 수 있도록, 기체확산층 롤(Roll)에 감긴 원단의 기계 방향이 고강성 방향(HSD: High Stiffness Direction)이고 횡기계 방향이 저강성 방향(LSD: Low Stiffness Direction)인 기체확산층 롤 원단을, 상기 기체 확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여, 분리판의 주 유로를 가로지르는 기체확산층의 횡 방향 강성을 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉해동 내구성이 우수한 연료전지용 스택제조방법.
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