KR101534694B1 - Membrane-electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 멤브레인을 사이에 두고 이의 양측 면에 각각 형성되는 애노드 및 캐소드 전극층과, 상기 애노드 전극층과 캐소드 전극층에 각각 형성되는 애노드 및 캐소드 기체 확산층을 포함하며, 애노드의 플루딩(flooding) 현상을 방지하기 위해 상기 애노드 기체 확산층은 상기 캐소드 기체 확산층 보다 5% 이상 두껍게 형성되는 것을 특징으로 한다.A membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes an anode and a cathode electrode layer formed on both sides of a membrane with a membrane therebetween, and an anode and a cathode gas diffusion layer formed respectively in the anode electrode layer and the cathode electrode layer. And the anode gas diffusion layer is formed to be 5% or more thicker than the cathode gas diffusion layer in order to prevent flooding of the anode.

연료전지, 애노드, 캐소드, 전극층, 기체확산층(GDL) A fuel cell, an anode, a cathode, an electrode layer, a gas diffusion layer (GDL)

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}[0001] MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL [0002]

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐소드 쪽에서 애노드 측으로 이동하는 물을 감소시킬 수 있도록 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a membrane-electrode assembly for a fuel cell capable of reducing water moving from the cathode side to the anode side.

알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. As is known, a fuel cell system is a kind of power generation system that converts the chemical energy of a fuel directly into electric energy.

연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다. The fuel cell system mainly includes a fuel cell stack that generates electric energy, a fuel supply device that supplies fuel to the fuel cell stack, an air supply device that supplies an oxidant required for the electrochemical reaction to the fuel cell stack, And a heat and water management device that removes the fuel cell stack and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료와 산화제의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.In such a configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and heat and water are discharged as reaction by-products.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위의 연료 전지들이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 이러한 연료 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치한다.In a fuel cell stack applied to a fuel cell vehicle, fuel cells of a unit are arranged in series, and the fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA) located at the innermost part thereof.

막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 멤브레인과, 이 멤브레인 양면에 연료와 산화제가 반응할 수 있도록 각각 도포된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층으로 구성되어 있다.The membrane-electrode assembly consists of a membrane capable of transporting hydrogen ions (proton) and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, respectively applied on both sides of the membrane, so that the fuel and the oxidant can react with each other.

또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 각각의 촉매층에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하며, 각 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 산화제를 애노드 전극층 및 캐소드 전극층으로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 세퍼레이터(Separator)가 위치한다.In addition, a gas diffusion layer (GDL) is disposed in the outer portion of the MEA, that is, in each catalyst layer, and a fuel and an oxidant are supplied to the anode electrode layer and the cathode electrode layer on the outer side of each gas diffusion layer A separator having a flow field is disposed to discharge the water generated by the reaction.

여기서, 상기 애노드 기체 확산층은 연료를 애노드 전극층으로 확산시켜 주기 위한 것이며, 캐소드 기체 확산층은 산화제를 캐소드 전극층으로 확산시켜 주기 위한 것으로, 애노드 및 캐소드 기체 확산층은 대략적으로 동일한 두께로서 형성된다.Here, the anode gas diffusion layer diffuses the fuel to the anode electrode layer, and the cathode gas diffusion layer diffuses the oxidant to the cathode electrode layer, and the anode and the cathode gas diffusion layers are formed to have substantially the same thickness.

따라서, 연료가 애노드 기체 확산층을 통해 애노드 전극층으로 공급되고, 산화제가 캐소드 기체 확산층을 통해 캐소드 전극층으로 공급되는 바, 애노드 전극층으로 공급된 연료는 애노드 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 멤브레인을 통과하여 캐소드 전극층으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 애노드 기체 확산층과 세퍼레이터를 통하여 캐소드 전극층으로 전달된다.Accordingly, the fuel is supplied to the anode electrode layer through the anode gas diffusion layer, and the oxidant is supplied to the cathode electrode layer through the cathode gas diffusion layer, so that the fuel supplied to the anode electrode layer is separated from hydrogen ions (Proton, H +) by the catalyst of the anode electrode layer (Proton, H +) is selectively passed through the membrane, which is a cation exchange membrane, to the cathode electrode layer, and at the same time, the electrons (e, e) And the cathode electrode layer through the separator.

이에, 캐소드 전극층에서는 멤브레인을 통하여 공급된 수소 이온과, 별도 공급된 산화제와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.Thus, in the cathode electrode layer, the hydrogen ion supplied through the membrane and the separately supplied oxidizing agent are brought into contact with each other to generate water. Due to the movement of the hydrogen ions occurring at this time, an electric current is generated by the flow of electrons through the external lead, and the heat is incidentally generated in the water production reaction.

이와 같은 연료 전지에서 캐소드 전극층에서 생성된 수분과, 가습기 등을 통해 외부에서 유입되는 물은 멤브레인의 두께가 감소하면서 물의 농도 차이에 의한 역확산(back diffusion), 및 애노드(촉매층 및 기체 확산층)와 캐소드(촉매층과 기체 확산층) 간의 온도 차이에 의한 히트 파이프(heat pipe) 등의 원리로서 캐소드 측에서 애노드 쪽으로 이동하게 된다. 상기한 히트 파이프의 원리는 이하 본 발명의 실시예에서 더욱 구체적으로 설명될 것이다.In such a fuel cell, water produced in the cathode electrode layer and water introduced from the outside through a humidifier or the like are reduced in thickness due to back diffusion due to the difference in concentration of water and reduction of the anode (catalyst layer and gas diffusion layer) And moves to the anode side from the cathode side as a heat pipe or the like due to a temperature difference between the cathode (catalyst layer and gas diffusion layer). The principle of the above-mentioned heat pipe will be described more specifically in the embodiment of the present invention.

따라서, 종래 기술에서는 상대습도 100% 근처에서, 애노드와 캐소드의 온도 차이로 인해 물이 캐소드에서 애노드로 이동함에 따라, 연료 재순환에 따른 폐루프 구조로 인해 애노드 측이 캐소드 측에 비해 상대적으로 물 제거가 난해하며, 결과적으로는 애노드에 플루딩(flooding) 현상이 발생하게 되므로 연료 전지의 성능 및 내구성 저하가 유발된다는 문제점을 내포하고 있다.Therefore, in the prior art, as the water moves from the cathode to the anode due to the temperature difference between the anode and the cathode at a relative humidity of about 100%, the closed loop structure due to the fuel recirculation causes the anode side to be relatively water- And as a result, flooding phenomenon occurs in the anode, so that the performance and durability of the fuel cell are deteriorated.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 애노드 기체 확산층 및 캐소드 기체 확산층의 두께를 이원화 또는 다원화하여 애노드와 캐소드 간의 온도 차이를 감소시킴으로써 캐소드에서 애노드로 이동하는 물의 양을 감소시킬 수 있도록 한 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention has been made to overcome the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a cathode diffusion layer and a cathode diffusion layer, which are formed by reducing or varying the thicknesses of the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer, The membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 멤브레인을 사이에 두고 이의 양측 면에 각각 형성되는 애노드 및 캐소드 전극층과, 상기 애노드 전극층과 캐소드 전극층에 각각 형성되는 애노드 및 캐소드 기체 확산층을 포함하며, 애노드의 플루딩(flooding) 현상을 방지하기 위해, 상기 애노드 기체 확산층은 상기 캐소드 기체 확산층 보다 5% 이상 두껍게 형성되는 것을 특징으로 한다.For this, a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes an anode and a cathode electrode layer formed on both sides of a membrane, and an anode and a cathode formed respectively in the anode electrode layer and the cathode electrode layer, The anode diffusion layer is formed to be 5% or more thicker than the cathode diffusion layer in order to prevent flooding of the anode.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 애노드 기체 확산층이 단층으로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell membrane-electrode assembly, the anode gas diffusion layer may be a single layer.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 상기 애노드 기체 확산층이 적어도 이중 이상의 레이어로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell membrane-electrode assembly, the anode gas diffusion layer may be formed of at least two or more layers.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 애노드 및 캐소드 기체 확산층은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 상기 폴리테트라플 루오로에틸렌을 기재로 한 공중합체, 및 소수성 고분자들을 2종 이상으로 혼합한 고분자 블렌드 중에서 선택되는 소수성 물질을 함유하여 이루어질 수 있다.In the membrane-electrode assembly for a fuel cell, the anode and the cathode gas diffusion layer may be formed of a material selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, a copolymer based on the polytetrafluoroethylene, and a mixture of two or more kinds of hydrophobic polymers Polymer blend, and the like.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 캐소드 기체 확산층은 상기 애노드 기체 확산층에 비해 상기 소수성 물질을 1~70 중량부(WT%) 더 함유하여 이루어질 수 있다.In the membrane-electrode assembly for a fuel cell, the cathode gas diffusion layer may further contain 1 to 70 parts by weight (WT%) of the hydrophobic substance as compared with the anode gas diffusion layer.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 애노드 및 캐소드 기체 확산층은 적어도 하나의 거대기공 지지체(macro-porous substrate) 및/또는 미세 기공층(Micro-porous layer)으로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell membrane-electrode assembly, the anode and cathode diffusion layers may be formed of at least one macro-porous substrate and / or a micro-porous layer.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 거대기공 지지체는 탄소섬유 펠트, 탄소섬유 종이, 탄소섬유 천, 금속 메쉬, 및 금속 발포체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 소재로서 이루어질 수 있다.In the above membrane-electrode assembly for a fuel cell, the macropore support may be made of at least one material selected from carbon fiber felt, carbon fiber paper, carbon fiber cloth, metal mesh, and metal foam.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 미세 기공층은 탄소분말, 탄소섬유 및 금속 메쉬 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 소재로서 이루어질 수 있다.In the membrane-electrode assembly for a fuel cell, the microporous layer may be formed of at least one material selected from carbon powder, carbon fiber, and metal mesh.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 애노드 기체 확산층 및 캐소드 기체 확산층의 두께를 이원화 또는 다원화하여 애노드와 캐소드 간의 온도 차이를 감소시킴으로써 캐소드에서 애노드로 이동하는 물의 양을 감소시킬 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the thickness of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer can be made to be two or more in number to reduce the temperature difference between the anode and the cathode, thereby reducing the amount of water moving from the cathode to the anode .

따라서, 본 실시예에서는 연료 전지 스택의 전류-전압 성능을 개선할 수 있 으며, 애노드 측의 플루딩을 개선하여 연료의 공급 부족으로 연료 전지 스택의 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 애노드 측의 응축수 배출용 밸브의 제어 빈도가 줄어듦에 따라 연료의 배출을 최소화 할 수 있으며, 보기류의 파워 감소로 인해 연비를 증대시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, the current-voltage performance of the fuel cell stack can be improved, and the fuel-cell stack can be prevented from lowering in durability due to insufficient fuel supply by improving the anode- As the control frequency of the valve for discharging the condensed water is reduced, the discharge of the fuel can be minimized and the fuel consumption can be increased by reducing the power of the flow.

또한, 본 실시예에서는 연료 전지 차량의 냉 시동 시, 애노드의 응축수를 해빙하기 위한 에너지 손실을 감소시킬 수 있으며, 재순환 블로워 등 구동부의 물 접촉이 감소함에 따라 그 구동부의 내구성을 개선할 수 있다.In this embodiment, energy loss for thawing the condensed water of the anode can be reduced during cold start of the fuel cell vehicle, and durability of the driving part can be improved as the water contact of the driving part such as the recycle blower is reduced.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions.

그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the drawings, for the convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated. Whenever a portion such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" or "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion but also the case where there is another portion in between.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 막-전극 어셈블리가 적용되는 연료 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view of a fuel cell to which a membrane-electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)는 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀로 이루어진 연료 전지(10)에 구성되는 것이다.Referring to the drawings, a membrane-electrode assembly 100 for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a fuel cell 10 composed of a unit cell that generates electric energy by an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant will be.

이러한 연료 전지(10)는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지, 및 직접 산화형 연료 전지로 구분할 수 있다.The fuel cell 10 can be classified into a polymer electrolyte fuel cell and a direct oxidation fuel cell depending on the fuel.

여기서, 상기 연료 전지(10)는 본 실시예에 의한 막-전극 어셈블리(100)를 사이에 두고 이의 양측 면에 세퍼레이터(11)가 밀착되게 배치된다.Here, the fuel cell 10 is disposed such that the separator 11 is in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly 100 according to the present embodiment.

상기 세퍼레이터(11)는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 연료 및 산화제를 막-전극 어셈블리(100)로 공급하기 위한 채널(CH)을 각각 형성하고 있다.The separator 11 is in the form of a plate having conductivity and forms a channel CH for supplying a fuel and an oxidant to the membrane-electrode assembly 100, respectively.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)는 멤브레인(20)을 사이에 두고 이의 양측 면에 각각 형성되는 애노드 전극층(30) 및 캐소드 전극층(40)과, 그 애노드 전극층(30)과 캐소드 전극 층(40)에 각각 형성되는 애노드 기체 확산층(50) 및 캐소드 기체 확산층(60)을 포함하여 이루어진다.Referring to the drawings, a membrane-electrode assembly 100 for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes an anode electrode layer 30 and a cathode electrode layer 40 formed on both sides of the membrane 20, And an anode gas diffusion layer 50 and a cathode gas diffusion layer 60 formed in the anode electrode layer 30 and the cathode electrode layer 40, respectively.

상기 애노드 전극층(30)은 세퍼레이터(11)의 채널(CH)을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 멤브레인(20)은 수소 이온을 캐소드 전극층(40)으로 이동시키는 기능을 하게 된다.The anode electrode layer 30 separates the fuel supplied through the channel CH of the separator 11 into an electron and a hydrogen ion through oxidation reaction and the membrane 20 has a function of moving hydrogen ions to the cathode electrode layer 40 .

상기 캐소드 전극층(40)은 애노드 전극층(30)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(11)의 채널(CH)을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성한다.The cathode electrode layer 40 generates water and heat by reducing the electrons and hydrogen ions received from the anode electrode layer 30 and the oxidant supplied through the channel CH of the separator 11.

그리고, 상기 애노드 기체 확산층(50)은 연료를 애노드 전극층(30)으로 확산시키는 기능을 하며, 캐소드 기체 확산층(60)은 산화제를 캐소드 전극층(40)으로 확산시키는 기능을 한다.The anode gas diffusion layer 50 functions to diffuse the fuel into the anode electrode layer 30 and the cathode gas diffusion layer 60 functions to diffuse the oxidant into the cathode electrode layer 40.

여기서, 상기와 같은 연료 전지(10)는 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 캐소드 전극층(40)에서 수분을 생성하는데, 그 수분과 가습기 등을 통해 외부에서 유입되는 물은 멤브레인(20)의 두께가 감소하면서 물의 농도 차이에 의한 역확산(back diffusion), 및 애노드(촉매층 및 기체 확산층)와 캐소드(촉매층과 기체 확산층) 간의 온도 차이에 의한 히트 파이프(heat pipe) 등의 원리로서 그 캐소드에서 애노드로 이동하게 된다.The fuel cell 10 generates electricity in the cathode electrode layer 40 during the process of generating electrical energy as an electrochemical reaction between the fuel and the oxidant. The fuel cell 10 flows into the fuel cell 10 from the outside through the water and the humidifier Water is supplied to the heat pipe by the back diffusion due to the difference in the concentration of water and the temperature difference between the anode (catalyst layer and gas diffusion layer) and the cathode (catalyst layer and gas diffusion layer) The cathode is moved from the cathode to the anode.

이 경우, 상기한 히트 파이프 현상은 연료 전지(10)의 막-전극 어셈블리(100)에 상대습도 100% 근처에서, 애노드와 캐소드 간의 온도 차이에 비례하는 양 만큼 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물이 이동한다는 원리이다.In this case, the above-mentioned heat pipe phenomenon occurs when the temperature of the membrane-electrode assembly 100 of the fuel cell 10 is lowered near the relative humidity of 100% by an amount proportional to the temperature difference between the anode and the cathode, .

상기 온도의 차이는 애노드와 캐소드 간의 온도 차이를 이들 각각의 적층 방향 두께로 나눠준 값을 의미하며, 일반적으로 캐소드 전극층(40)과 애노드 기체 확산층(50)의 온도 차이가 캐소드 전극층(40)과 캐소드 기체 확산층(60)의 온도 차이 보다 커서 물이 캐소드에서 애노드로 이동하게 되는 것이다. 이 때 애노드와 캐소드 간의 온도 분포는 전기 화학적인 반응이 발생하는 캐소드 전극층(40)에서 가장 높은 온도를 나타낸다.The difference in temperature means a value obtained by dividing the temperature difference between the anode and the cathode by the thickness in each of these lamination directions. Generally, the temperature difference between the cathode electrode layer 40 and the anode gas diffusion layer 50 is larger than the difference between the cathode electrode layer 40 and the cathode Which is larger than the temperature difference of the gas diffusion layer 60, so that the water moves from the cathode to the anode. At this time, the temperature distribution between the anode and the cathode shows the highest temperature in the cathode electrode layer 40 where an electrochemical reaction occurs.

따라서, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 캐소드 전극층(40)에서 애노드 전극층(30)으로 이동하는 물의 양을 감소시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.Accordingly, the membrane-electrode assembly 100 according to the exemplary embodiment of the present invention is configured as a structure capable of reducing the amount of water moving from the cathode electrode layer 40 to the anode electrode layer 30.

구체적으로는, 상기 애노드 기체 확산층(50) 및 캐소드 기체 확산층(60)의 두께를 이원화하여 애노드와 캐소드 간의 온도 차이를 감소시킴으로써 캐소드 전극층(40)에서 애노드 전극층(30)으로 이동하는 물의 양을 감소시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.Specifically, the thickness of the anode gas diffusion layer 50 and the thickness of the cathode diffusion layer 60 are reduced to reduce the temperature difference between the anode and the cathode, thereby reducing the amount of water moving from the cathode electrode layer 40 to the anode electrode layer 30 As shown in FIG.

이를 위해 상기 막-전극 어셈블리(100)는 애노드 기체 확산층(50)과 캐소드 기체 확산층(60)이 서로 상이한 두께로서 형성되는 바, 본 실시예에서는 애노드 기체 확산층(50)이 단층으로서 이루어지며, 캐소드 기체 확산층(60) 보다 대략 5% 이상 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.For this, in the membrane-electrode assembly 100, the anode gas diffusion layer 50 and the cathode gas diffusion layer 60 are formed to have different thicknesses. In this embodiment, the anode gas diffusion layer 50 is formed as a single layer, And is formed to be approximately 5% or more thicker than the gas diffusion layer 60.

즉, 본 실시예에서는 상기 애노드 기체 확산층(50)의 두께를 일정 비율로 증가시키고, 캐소드 기체 확산층(60)의 두께를 일정 비율로 축소시킴으로, 이들 기체 확산층(50, 60)의 전체 두께가 종래 기술에 따른 애노드 기체 확산층과 캐소드 기 체 확산층을 합친 두께와 실질적으로 유사한 구조로서 이루어진다.That is, in the present embodiment, by increasing the thickness of the anode gas diffusion layer 50 to a certain ratio and reducing the thickness of the cathode gas diffusion layer 60 to a certain ratio, the total thickness of the gas diffusion layers 50, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > cathode diffusion layer.

이와 같이 본 실시예에 의한 애노드 기체 확산층(50)과 캐소드 기체 확산층(60)의 전체 두께를 종래 기술에 따른 애노드 기체 확산층과 캐소드 기체 확산층을 합친 두께와 유사하게 형성하는 이유는 연료 전지(10)의 전기 저항 및 전류-전압 성능에 영향을 미치지 않게 하기 위함이다.The reason why the total thickness of the anode gas diffusion layer 50 and the cathode gas diffusion layer 60 according to the present embodiment is formed to be similar to the combined thickness of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer according to the prior art, So as not to affect the electrical resistance and current-voltage performance of the device.

한편, 상기에서와 같은 막-전극 어셈블리(100)에 있어, 애노드 기체 확산층(50) 및 캐소드 기체 확산층(60)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물을 원활하게 배출하기 위해, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 그 폴리테트라플루오로에틸렌을 기재로 한 공중합체 또는 이러한 소수성 고분자들을 2종 이상으로 혼합한 고분자 블렌드 등의 소수성 물질을 함유하여 이루어진다.In the membrane-electrode assembly 100 as described above, the anode gas diffusion layer 50 and the cathode gas diffusion layer 60 are formed in the same manner as in the membrane-electrode assembly 100 in order to smoothly discharge the water generated by the electrochemical reaction of the fuel and the oxidizer, Polytetrafluoroethylene, a copolymer based on the polytetrafluoroethylene, or a polymer blend in which two or more of these hydrophobic polymers are mixed.

여기서, 상기 캐소드 기체 확산층(60)은, 물을 애노드 기체 확산층(50) 쪽으로 역확산시키지 않고, 캐소드 기체 확산층(60)에 잔류하는 반응 생성수의 배출을 촉진시키고 물 범람(water flooding: 이하에서는 편의상 "플루딩" 이라고 한다) 현상을 최소화하기 위해, 애노드 기체 확산층(50)에 비해 상기한 소수성 물질을 1~70 중량부(WT%) 더 함유하여 이루어지는 것이 바람직하다.Here, the cathode gas diffusion layer 60 promotes the discharge of the reaction-generated water remaining in the cathode gas diffusion layer 60 without water being back-diffused toward the anode gas diffusion layer 50, and water flooding It is preferable that 1 to 70 parts by weight (WT%) of the above-mentioned hydrophobic substance is further contained in comparison with the anode gas diffusion layer 50 in order to minimize the phenomenon of "flooding" for convenience.

그리고, 상기 애노드 기체 확산층(50) 및 캐소드 기체 확산층(60)은 하나 또는 둘 이상의 거대기공 지지체(macro-porous substrate) 및/또는 미세 기공층(Micro-porous layer)으로서 이루어진다.The anode gas diffusion layer 50 and the cathode gas diffusion layer 60 are formed as one or two or more macro-porous substrates and / or micro-porous layers.

이 경우, 상기 거대기공 지지체는 탄소섬유 펠트, 탄소섬유 종이, 탄소섬유 천, 금속 메쉬, 및 금속 발포체 중 하나 또는 둘 이상의 재료를 단독 또는 혼합 사용하여 구성된다.In this case, the macro pore scaffold is composed of one or more materials selected from carbon fiber felt, carbon fiber paper, carbon fiber cloth, metal mesh, and metal foam, either singly or in combination.

또한, 상기 미세 기공층은 탄소분말, 탄소섬유 및 금속 메쉬 중 하나 또는 둘 이상의 재료를 단독 또는 혼합 사용하여 구성된다.The microporous layer may be formed of one or more materials selected from carbon powder, carbon fiber, and metal mesh, either singly or in combination.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)는 애노드 기체 확산층(50) 및 캐소드 기체 확산층(60)의 두께를 이원화하여 애노드와 캐소드 간의 온도 차이를 감소시킴으로써 캐소드 전극층(40)에서 애노드 전극층(30)으로 이동하는 물의 양을 감소시킬 수 있게 된다.Accordingly, the membrane-electrode assembly 100 for a fuel cell according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above can reduce the thickness of the anode gas diffusion layer 50 and the cathode gas diffusion layer 60 so that the temperature difference between the anode and the cathode The amount of water moving from the cathode electrode layer 40 to the anode electrode layer 30 can be reduced.

도 3은 종래 기술과 본 실시예에 따른 생성수에 대한 애노드 및 캐소드의 응축수 비율을 나타낸 그래프로서, 이 그래프에서 AWT는 종래 기술에 따른 생성수에 대한 애노드의 응축수 비율, CWT는 종래 기술에 따른 생성수에 대한 캐소드의 응축수 비율, AWT2는 본 실시예에 따른 생성수에 대한 애노드의 응축수 비율, CWT2는 본 실시예에 따른 생성수에 대한 캐소드의 응축수 비율을 나타낸다.FIG. 3 is a graph showing the ratio of the anode and cathode condensed water to the generated water according to the prior art and the present embodiment. In this graph, AWT represents the ratio of the condensate of the anode to the generated water according to the prior art, AWT2 represents the ratio of the condensate of the anode to the produced water according to the present embodiment, and CWT2 represents the ratio of the condensate of the cathode to the produced water according to this embodiment.

도면을 참조하면, 종래 기술에서는 애노드 기체 확산층과 캐소드 기체 확산층의 두께가 동일한 경우, 생성수에 대한 애노드와 캐소드의 응축수 비율은 AWT 및 CWT의 경향을 나타낸다.Referring to the drawings, when the thicknesses of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are the same in the prior art, the ratio of the anode to cathode condensed water with respect to the produced water shows a tendency of AWT and CWT.

일반적으로는 CWT에 배해 AWT의 양이 상대적으로 적지만, 연료 재순환 방식을 사용하는 폐루프 구조로 인해 애노드 측의 물 배출이 상대적으로 난해하므로, 애노드 측에 플루딩이 발생하여 셀 성능의 저하 및 내구에 악영향을 미치게 된다.Generally, although the amount of AWT in the CWT is relatively small, the water discharge on the anode side is relatively difficult due to the closed loop structure using the fuel recirculation method, so that the anode side is flooded, The endurance is adversely affected.

그러나, 본 실시예에서는 애노드 기체 확산층(50)의 두께를 기존 대비 30% 증가시키고, 캐소드 기체 확산층(60)의 두께를 30% 감소시킨 경우 즉, 애노드 기체 확산층(50)과 캐소드 기체 확산층(60) 두께의 합에 변화가 없는 경우, 생성수에 대한 애노드와 캐소드의 응축수 비율은 AWT2 및 CWT2의 경향을 나타낸다.However, in the present embodiment, when the thickness of the anode gas diffusion layer 50 is increased by 30% and the thickness of the cathode gas diffusion layer 60 is reduced by 30%, that is, when the thicknesses of the anode gas diffusion layer 50 and the cathode gas diffusion layer 60 ) If there is no change in the sum of the thicknesses, the ratio of anode to cathode condensate to product water represents the trend of AWT2 and CWT2.

즉, 본 실시예는 그래프를 보면 알 수 있듯이 기존 대비 애노드의 응축수가 상당히 개선된 것을 알 수 있으며, 캐소드의 응축수는 기존 대비 더 증가하는데, 이는 공기 유량 제어 및 캐소드 기체 확산층(60)의 소수성 처리 강화 등으로 물 배출 처리가 애노드 측에 비해 상대적으로 용이하다는 것을 의미한다.That is, as can be seen from the graph of this embodiment, the condensed water of the anode is remarkably improved compared to the conventional one, and the condensed water of the cathode is further increased compared with the conventional one. This is because the air flow control and the hydrophobic treatment of the cathode gas diffusion layer And the water discharge treatment is relatively easy compared with the anode side due to strengthening or the like.

이로써, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)는 캐소드 쪽에서 애노드 쪽으로 이동하는 물을 감소시킬 수 있는 바, 애노드의 응축수를 대략 34~44% 감소시킬 수 있게 되며, 캐소드의 응축수는 대략 8~37% 증가하게 된다.As a result, the membrane-electrode assembly 100 for a fuel cell according to the exemplary embodiment of the present invention can reduce the amount of water moving from the cathode side to the anode side, thereby reducing the anode's condensed water by approximately 34 to 44% The condensate of the cathode is increased by approximately 8 to 37%.

상기와 같은 작용으로서, 본 실시예에서는 연료 전지(10)들이 다수로 적층된 스택의 전류-전압 성능을 개선할 수 있게 되며, 애노드 측에 플루딩에 따른 연료의 공급 부족으로 스택의 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 애노드 측의 응축수 배출용 밸브의 제어 빈도가 줄어듦에 따라 연료의 배출을 최소화 할 수 있고, 보기류의 파워 감소로 인해 연비를 증대시킬 수 있게 된다.As described above, in this embodiment, the current-voltage performance of the stack in which a plurality of fuel cells 10 are stacked can be improved, and the durability of the stack is lowered due to the shortage of fuel due to the floding on the anode side As the control frequency of the valve for discharging the condensed water on the anode side is reduced, the discharge of the fuel can be minimized, and the fuel consumption can be increased due to the reduced power of the flow.

또한, 본 실시예에서는 연료 전지 차량의 냉 시동 시, 애노드의 응축수를 해빙하기 위한 에너지 손실을 감소시킬 수 있게 되며, 재순환 블로워 등 구동부의 물 접촉이 감소함에 따라 그 구동부의 내구성을 개선할 수 있게 된다.Further, in the present embodiment, it is possible to reduce the energy loss for thawing the condensed water of the anode when the fuel cell vehicle is cold-started, and as the water contact of the driving unit such as the recycle blower decreases, the durability of the driving unit can be improved do.

도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블 리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 애노드 기체 확산층(150) 및 캐소드 기체 확산층(160)을 다원화하여 이루어진다.Referring to the drawings, a membrane-electrode assembly 200 for a fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention includes a plurality of anode gas diffusion layers 150 and a cathode gas diffusion layer 160, .

본 실시예에서, 상기 애노드 기체 확산층(150)은 캐소드 기체 확산층(160) 보다 일정 비율 이상으로 두껍게 형성되며, 적어도 이중 이상의 레이어가 부착된 구조로 이루어진다.In the present embodiment, the anode gas diffusion layer 150 is thicker than the cathode diffusion layer 160 by a predetermined ratio, and at least two or more layers are attached.

이와 같은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The rest of the configuration and operation of the membrane-electrode assembly 200 for a fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention are the same as those in the first embodiment, and thus a detailed description thereof will be omitted herein.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 막-전극 어셈블리가 적용되는 연료 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view of a fuel cell to which a membrane-electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph for explaining the operation of a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.

Claims (8)

멤브레인을 사이에 두고 이의 양측 면에 각각 형성되는 애노드 및 캐소드 전극층과, 상기 애노드 전극층과 캐소드 전극층에 각각 형성되며 거대기공 지지체(macro-porous substrate) 및 미세 기공층(Micro-porous layer) 중 어느 하나로 이루어지는 애노드 및 캐소드 기체 확산층을 포함하되,An anode and a cathode electrode layer formed on both sides of the membrane with the membrane therebetween; and a microporous layer formed on the anode electrode layer and the cathode electrode layer, the macro-porous substrate and the microporous layer An anode and a cathode gas diffusion layer, 상기 캐소드 전극층에서 애노드 전극층으로 물이 이동하고, 상기 애노드 및 캐소드 기체 확산층에 폐쇄형의 세퍼레이터가 각각 밀착되게 배치되는 연료 전지용 막-전극 어셈블리로서,A membrane-electrode assembly for a fuel cell in which water is moved from the cathode electrode layer to the anode electrode layer, and a closed separator is closely attached to the anode and the cathode gas diffusion layer, 애노드의 플루딩(flooding) 현상을 방지하기 위해, 상기 애노드 기체 확산층은 상기 캐소드 기체 확산층 보다 5% 이상 두껍게 구비되되, 상기 애노드 기체 확산층이 이중 이상의 레이어로 이루어지며,In order to prevent flooding of the anode, the anode gas diffusion layer is formed to be 5% or more thicker than the cathode gas diffusion layer, and the anode gas diffusion layer is composed of two or more layers, 상기 애노드 및 캐소드 기체 확산층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌을 기재로 한 공중합체, 및 소수성 고분자들을 2종 이상으로 혼합한 고분자 블렌드 중에서 선택되는 소수성 물질을 함유하여 이루어지고,Wherein the anode and the cathode gas diffusion layers contain a hydrophobic substance selected from polytetrafluoroethylene, a copolymer based on the polytetrafluoroethylene, and a polymer blend comprising two or more kinds of hydrophobic polymers, 상기 캐소드 기체 확산층은 상기 애노드 기체 확산층에 비해 상기 소수성 물질을 1~70 중량부(WT%) 더 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the cathode gas diffusion layer comprises 1 to 70 parts by weight (WT%) of the hydrophobic substance as compared to the anode gas diffusion layer. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 거대기공 지지체는 탄소섬유 펠트, 탄소섬유 종이, 탄소섬유 천, 금속 메쉬, 및 금속 발포체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 소재로서 이루어지는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the macropore support is made of at least one material selected from carbon fiber felt, carbon fiber paper, carbon fiber cloth, metal mesh, and metal foam. 제1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 미세 기공층은 탄소분말, 탄소섬유 및 금속 메쉬 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 소재로서 이루어지는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the microporous layer is made of at least one material selected from carbon powder, carbon fiber, and metal mesh.
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