KR101909292B1

KR101909292B1 - 연료전지용 성능향상층

Info

Publication number: KR101909292B1
Application number: KR1020127019876A
Authority: KR
Inventors: 궈얀 호우; 제레미 쉬루텐; 제랄드 에프 맥클레인; 제임스 알렉산더 사와다; 타오 왕
Original assignee: 인텔리전트 에너지 리미티드
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2018-12-18
Also published as: US20120301808A1; TW201145661A; MX2012007565A; BR112012015972A2; KR20120125477A; RU2012132259A; SG181944A1; CN102792502A; EP2519989B1; CA2785059A1; WO2011079378A1; EP2519989A4; EP2519989A1; JP5967371B2; JP2013516039A

Abstract

본 발명의 구현예들은 연료전지용 성능향상층에 관한 것으로 이는 하나 이상의 전기전도성 물질과, 바인더를 포함하고, 상기 전기전도성 물질의 적어도 하나는 형태상으로 비등방성이고 상기 성능향상층 내에서 비등방성 전도도를 부여하도록 배향된 입자들을 포함하고, 상기 바인더는 상기 입자들을 서로 접촉하도록 배치한다.

Description

연료전지용 성능향상층 {PERFORMANCE ENHANCING LAYERS FOR FUEL CELLS}

연료전지(fuel cell)는 자재관리(예를 들어, 포크리프트(forklift)), 이송(예를 들어, 전기 차량 및 하이브리드 차량) 및 독립형(off-grid) 전원(예를 들어, 비상전원용 또는 통신용) 등 숫자가 증가하는 대규모 용도로의 전원으로서 사용될 수 있다. 소형 연료전지는 이제 노트북 컴퓨터, 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistant) 등등의 휴대형 가전용도로 개발되고 있다.

연료전지는 종래 연료전지 스택의 형태로 연결될 수 있다. 종래 많은 연료전지 스택이 한 단위전지의 촉매층(예를 들어, 애노드)에서 집전하여 이를 다음 단위전지의 반대편 촉매층(예를 들어, 캐소드)로 전도하기 위한(예를 들어, 양극판을 통해) 가스확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 사용한다.

또한, 연료전지는 평판구조 등의 에지 집전(edge-collected) 구조로 연결될 수 있다. 이러한 구현예들에 있어서, 주된 전자흐름 방향은 종래 연료전지 스택에서의 주된 전자흐름 방향과 다를 수 있다. 종래 연료전지 스택과 함께 사용되는 GDL은 에지 집전 연료전지장치와의 사용에 최적일 수 없다.

또한, 본 발명의 구현예들은 전극피막을 갖는 연료전지층용 성능향상층의 제조방법에 관한 것으로, 하나 이상의 전기전도성 물질과 바인더와 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계와, 상기 슬러리를 캐스팅하여 습식필름을 제조하는 단계와, 상기 습식필름을 건조시켜 필름을 제조하는 단계와, 상기 필름을 연료전지층에 결합하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 구현예들은 연료전지에 관한 것으로, 하나의 이온전도요소와 2개 이상의 전자전도요소를 포함하는 복합체와, 각각 상기 이온전도요소와 이온 컨택하고 상기 전자전도요소들 중의 적어도 하나와 전기적 컨택하며 각각 내부표면과 외부표면을 포함하는 2개의 전극피막과, 상기 전극피막들 중의 하나의 표면에 접촉하거나 밀접하게 배치된 성능향상층을 포함한다. 상기 성능향상층은 결합된 상기 전자전도요소로의 또는 상기 전자전도요소로부터의 전기전도성 통로를 제공한다.

첨부된 본 도면들은 본 발명의 비제한적인 예시적 구현예들을 도시한다. 본 도면들에서 유사 도면부호는 유사하나 반드시 동일하지는 않은 요소들을 기술한다. 다른 접미부호를 갖는 유사 도면부호는 유사하나 반드시 동일하지는 않는 요소들의 다른 경우를 나타낸다.
도 1은 종래 연료전지 스택의 개략단면도.
도 1a는 도 1의 종래 연료전지 스택의 종래 단위 연료전지의 개략확대도.
도 2a는 제1예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 2b는 제2예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 3은 도 2의 예시적 평판형 연료전지층에서 일 예시적 단위 연료전지의 개략단면도.
도 4a는 일 예시적 구현예에 따라 성능향상층(PEL)을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 4b는 제2예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 4c는 제3예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 5a는 일 예시적 평판형 연료전지에서 전자유동의 개략단면도.
도 5b는 일 예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지에서 전자유동의 개략단면도.
도 6은 제4예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지층의 단면도.
도 7은 일 예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 연료전지층의 제조방법의 블록제조도.
도 8은 일 예시적 구현예에 따라 제조된, PEL이 없는 연료전지층과 PEL이 있는 연료전지층의 성능 그래프.
도 9는 일 예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 연료전지층의 상면도.
도 10은 일 특정한 예시적 구현예에 따라 제조된 PEL 필름에서 절취한 시편들의 각도에 대한 비저항과 각도에 대한 전도도의 플롯도.

본 발명에 대한 더욱 상세한 이해를 제공하기 위해 특정 세부들이 하술된다. 그러나, 본 발명은 이들 사항들 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우, 잘 알려진 요소들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 할 수 있으므로 개시되지 않거나 또는 상세히 기술되지 않았다. 도면들은 본 발명이 실시될 수 있는 특정 구현예들을 도시한다. 이들 구현예들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 결합되거나 다른 요소들이 사용되거나 또는 구조적이나 논리적 변화들이 행해질 수 있다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 제한적인 의미로서가 아니라 예시적인 의미로서 간주하여야 한다.

본 명세서에서 인용된 모든 공보, 특허 및 특허문서는 그 전부 참조로 된다. 본 명세서와 이들 문서 간에 불일치하는 사용이 있는 경우에는(해소할 수 없는 불일치) 이들 참조문헌은 본 명세서에의 보충적인 것으로 고려되어야 하고 본 명세서의 사용이 주가 된다.

본 명세서에서, 용어 "한(a 또는 an)"은 특허문서들에 일반적인 것처럼 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 사용이나 기타 경우와 관계없이 하나 이상을 포함하는데 사용된다. 본 명세서에서, 용어 "또는(or)"은 비배타적인 것을 가리키거나, 또는 "A, B 또는 C"가 달리 기술되지 않는 한 "A만", "B만", "C만", "A 및 B", "B 및 C", "A 및 C"와 "A, B 및 C"를 포함하도록 사용된다.

본 명세서나 특허청구범위에서, 용어 "제1(first)", "제2(second)" 및 "제3(third)" 등은 단지 라벨로서만 사용되는 것이고 해당 대상물에 부가된 수치조건은 아니다.

여기서는 에지 집전 연료전지(edge-collected fuel cell)를 위한 성능향상층(Performance Enhancing Layer: PEL)을 제공한다. PEL은 한 단위전지에서의 전극피막으로부터 다음 단위전지의 반대측 전극피막으로의 집전체(또는 전자전도요소)로 흐르는 전류의 통로를 제공한다. PEL은 이방전도성을 가질 수 있다. PEL은 입자를 갖는 전기전도성 물질을 포함한다. 상기 입자는 형상적으로 이방성일 수 있고 상기 성능향상층에서 높은 평면내 전도도(in-plane conductivity)를 부여하도록 배향될 수 있다. 또한, PEL의 제조방법과 PEL을 포함하는 연료전지층이 여기 제공된다.

본 발명의 구현예들은 양자교환막(proton exchange membrane: PEM) 연료전지 또는 이의 요소들로서 기술된다. 그러나, 구현예들은 알칼라인(alkaline) 연료전지나 고체산화물(solid oxide) 연료전지 등의 다른 타입의 연료전지에도 실시될 수 있다. 구현예들은 또한 전해조(electrolyzer)나 염소 알칼리 전지(chlor-alkali cell) 등의 다른 타입의 전기화학전지에도 적용될 수 있다.

일부 구현예에 의한 연료전지장치는 다양한 응용을 위한 전력원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료전지장치는 노트북 컴퓨터, 휴대전화 또는 PDA 등의 휴대형 가전기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 휴대형 가전기기에의 사용으로만 한정되지 아니하며, 본 구현예들은 자재관리용도, 이송용도, 또는 독립형 전원 등과 같은 대규모 전력응용이나 기타 소규모 전력응용에 실시될 수 있다.

본 발명의 구현예들은 여러 다양한 설계의 연료전지에 실시될 수 있다. 여기 기술되는 것은 평판형 연료전지(planar fuel cell)로 실시되는 구현예들이다. 그러나, 동일하거나 다른 구현예들은 대체하여 기타 에지 집전형 연료전지에 실시될 수 있다. 용이한 참조를 위하여, 본 기술에 걸쳐 에지 집전형 연료전지 및 관련기술은 "평판형" 연료전지("planar" fuel cells), "평판형" 연료전지장치("planar" fuel cell systems) 또는 "평판형" 연료전지층("planar" fuel cell layers)이라 한다. 그러나, 일부 구현예에 있어서 에지 집전 연료전지는 평판형이 아닐 수 있으며 에지 집전 연료전지는 본 발명에 실시되기 위해 평탄할 필요가 없다. 예를 들어, 단위 연료전지들은 모두 동일한 평면에 놓이지 않을 수 있다(예를 들어, 단위 연료전지는 가요성이나, 나선형이나, 관상이나, 파형상일 수 있다). 또는, 단위 연료전지는 일반적으로 동일한 평면에 놓이나 비평탄한 미세치수를 가질 수 있다.

정의

여기서 "복합체층(composite layer)" 또는 "복합체(composite)"는 소정 두께를 갖는 적어도 2개의 표면을 포함하는 층을 가리키며, 상기 표면들 간에는 하나 이상의 이온전도성 통로와 하나 이상의 전기전도성 통로가 형성된다. 이온전도성 통로와 전기전도성 통로를 크기, 형상, 밀도 또는 배열을 변화시키며 형성함에 따라 복합체의 이온전도 특성 및 전기전도 특성은 상기 복합체층의 여러 영역에서 변할 수 있다. 복합체층은 하나 이상의 계면영역을 포함할 수 있다. 복합체층은 유체(예를 들어, 기체 또는 액체)에 대해 불투과성일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 복합체층은 일부 유체들에 대해 실질적으로 불투과성일 수 있으나 다른 것들에 대해서는 투과성일 수 있다. 예를 들어, 복합체층은 연료에 의해 부여된 가스 압력에 실질적으로 불투과성일 수 있다; 그러나, 물은 상기 이온전도요소를 가로질러 이동할 수 있다.

여기 사용되는 "전자전도요소(electron conducting component)"는 전기전도성 통로를 제공하는 복합체층의 요소를 가리킨다. 전자전도요소는 예를 들어 복합체를 거쳐 복합체층의 일 표면에서 복합체층의 다른 표면으로의 전기전도성 통로 또는 통로를 제공할 수 있다. 전자전도요소는 전기적으로 전도성인 하나 이상의 물질을 포함한다. 상기 물질의 예로는 금속, 금속 폼, 탄소질 물질, 전기전도성 세라믹, 전기전도성 폴리머 및 이의 조합 등이다. 전자전도요소는 또한 전기적으로 비전도성인 물질을 포함할 수 있다.

여기서 "이온전도요소(ion conducting component)"는 이온전도성 통로를 제공하는 요소를 가리킨다. 이온전도요소는 복합체층의 요소일 수 있다. 이온전도요소는 플루오로폴리머 기재 이온전도성 물질(fluoropolymer-based ion conducting material) 또는 탄화수소 기재 전도성 물질 등의 이온전도성 물질(hydrocarbon-based conducting material)을 포함한다.

여기서 "계면영역(interface region)"은 전기적으로 비전도성인 복합체 층의 요소를 가리킨다. 계면영역은 예를 들어 무시할 수 있는 이온전도성 및 무시할 수 있는 전기전도성을 나타내는 물질을 포함할 수 있다. 계면영역은 전자전도성 영역과 함께 사용되어 집전체를 형성하며, 이러한 경우 상기 전자전도성 영역의 일측 또는 양측 상의 전자전도성 영역에 인접하여 배치될 수 있다. 전자전도성 영역은 계면영역 내에 매립되어 집전체를 형성할 수 있다. 계면영역(들)은 집전체에서 필수적 요소가 아니라 임의적 요소임을 알아야 한다. 계면영역은 집전체의 요소로서 사용될 경우 전자전도성 영역들과 이온전도요소들 간의 부착을 증진하고 및/또는 인접한 전기화학 전지들 간의 전기절연을 제공하는데 사용될 수 있다.

여기서 "입자(particle)"는 물질의 부분, 단편 또는 파편을 가리킨다. 예를 들어, 전기전도성 입자는 섬유, 플레이크, 단편 또는 전기화학층의 불연속 부분을 포함할 수 있다.

여기서 "평면(plane)"은 확정된 연장방향 및 공간방향 또는 공간위치를 갖는 2차원 가상표면을 가리킨다. 예를 들어, 직사각형 블록은 하나의 수직면과 서로 직각인 2개의 수평면을 가질 수 있다. 평면들은 예를 들어 서로에 대해 90도보다 크거나 작은 각도들을 사용하여 정의될 수 있다.

여기서 "연료(fuel)"는 연료전지에서 연료로서의 사용에 적합한 모든 물질을 가리킨다. 연료의 예로는 수소(hydrogen), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 부탄(butane), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride)이나 수소화붕소칼륨( potassium borohydride) 등의 수소화붕소 화합물, 포름산(formic acid), 아민(amines) 및 히드라진(hydrazine) 등의 암모니아(ammonia) 및 암모니아 유도체, 알루미늄 수소화붕소(aluminum borohydride) 등의 착금속수소화합물(complex metal hydride compounds), 디보란(diborane) 등의 보란(boranes), 시클로헥산(cyclohexane) 등의 탄화수소(hydrocarbons), 도데카하이드로-n-에틸 카바졸(dodecahydro-n-ethyl carbazole) 등의 카바졸(carbazoles)과, 기타 포화 시클릭(saturated cyclic), 폴리시클릭(polycyclic) 탄화수소, 시클로트리보라잔(cyclotriborazane) 등의 포화 아미노 보란(saturated amino boranes)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.

도 1은 종래 연료전지 스택(10)을 도시한다. 연료전지 스택(10)은 개별 연료전지들(20)을 구비하고 이들은 직렬로 배열될 수 있다. 연료전지(20)는 예를 들어 양자교환막(proton exchange membrane: PEM) 연료전지를 포함할 수 있다. 연료전지 스택(10)은 수소가스 등의 연료와 공기나 산소 등의 산화제가 유입되는 매니폴드(미도시)를 구비한다.

연료 및 산화제는 단극판(unipolar plate: 11)과, 유로(22) 및 랜딩부(landing: 24)를 갖는 양극판(bipolar plate: 12)를 통해 단위연료전지(20)로 이동한다.연료는 다공성 통전층 또는 가스확산층(gas diffusion layer: GDL)(14A)을 통해 양극판(12A)의 유로(22)로부터 애노드 촉매층(16A) 내로 유동한다. 애노드 촉매층(16A)에서 연료는 화학반응을 거쳐 자유전자와 양(+)으로 하전된 이온(일반적으로 양자)을 생성한다. 상기 자유전자는 GDL(14A)에 의해 수집되어 양극판(12A)을 통과하여 다음 단위연료전지의 GDL(14C) 내로 이동한다. 상기 이온은 전기절연성 이온교환막(18)을 거쳐 반대방향으로 이동한다. 이온교환막(18)은 애노드 촉매층(16A)과 캐소드 촉매층(16C) 간에 놓인다.

도 1a는 도 1의 종래 연료전지 스택(10)의 단위연료전지(20)의 단면개략도이다. 단위연료전지(20)에 있어서, 전자는 애노드 촉매층(16A)의 화학반응 장소로부터 GDL(14A)로 이동한다. 양자(또는 기타 양으로 하전된 이온)는 전자흐름과 반대되는 방향으로 이온교환막(18) 내로 그리고 이를 거쳐 이동한다. GDL(14A) 내에 수집된 전자는 양극판(12A)의 랜딩부(24)를 거쳐 다음 단위전지의 GDL(14C)로 이동한다. 이러한 연료전지에 있어서, 전자흐름 및 이온흐름은 일반적으로 반대방향으로 발생하고 둘 다 이온교환막(18)과 GDL(14) 및 촉매층(16)의 평면에 실질적으로 수직이다.

촉매층(16C)에서 양자와 음(-)으로 하전된 산소이온은 결합하여 물을 형성한다. 상기 생성물인 물은 GDL(14C) 내에 남아있거나, 또는 이온교환막(18)에 의해 흡수되거나, 또는 양극판(12C)의 유로(22)로 이동하거나, 또는 이들의 조합으로 된다.

GDL(14)은 전자를 양극판으로부터 촉매층으로(또는 이 반대로) 전도하므로, GDL(14)은 종종 높은 평면내 전도도(즉, 연료전지 및 GDL의 평면에 수직인 방향으로의 전기전도성)를 필요로 한다.

일반적으로, 연료와 산화제의 누설을 방지하고 촉매층과 GDL 및 양극판 간의 접촉저항을 감소시키기 위해 압축력이 연료전지 스택에 인가된다. 특히, 많은 연료전지 스택이 GDL 및 양극판 간의 양호한 전기컨택을 달성하기 위해 압축력을 필요로 한다. 따라서, 연료전지 스택은 많은 부품(예컨대, 클램프)을 필요로 하고 어셈블리가 매우 복잡해질 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 제1예시적 평판형 연료전지층(100)과 제2예시적 평판형 연료전지층(110)의 단면도들이며, 이는 미국특허출원 제11/047,560호 "ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT-CARRYING STRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS"와 국제특허출원 제PCT/CA2009/000253호 "ELECTROCHEMICAL CELL AND MEMBRANES RELATED THERETO"에 각각 기술되어 있다. 예시적 평판형 연료전지층(100, 110)은 이온전도요소(118, 118')와 전자전도요소(112, 112')를 갖는 복합체층(124, 124')을 포함한다. 임의로는, 복합체(124, 124')는 또한 계면영역 또는 기판영역 (122, 122')을 포함할 수도 있다. 계면영역 또는 기판영역 (122, 122')은 전기적 및 이온적 절연인 물질을 포함할 수 있다. 연료전지층(100, 110)은 2가지 타입의 전극피막, 즉 캐소드 피막(116C, 116C') 및 애노드 피막(116A, 116A')을 갖는다. 캐소드 피막(116C, 116C')은 복합체(124, 124')의 제1측 상에 배치되어 복합체(124, 124')의 제1표면에 부착된다. 애노드 피막(116A, 116A')은 복합체(124, 124')의 제2측 상에 배치되어 복합체(124, 124')의 제2표면에 부착된다. 캐소드 피막(116C, 116C') 및 애노드 피막(116A, 116A')은 갭 또는 유전체 영역 (120, 120')에 의해 각각 서로 분리된다.

도 3은 예시적 평판형 연료전지층(100)에 있어서 단위 연료전지(140)의 단면 개략도이다. 도시된 구현예에 있어서, 연료 및 산화제는 각각 수소 및 산소이다. 그러나, 본 발명의 구현예들은 연료 및 산화제의 다른 조합을 사용하는 연료전지에 사용될 수 있다. 수소는 애노드 피막(116A)에 접촉하며 양자 및 전자로 분리된다. 전자는 애노드 피막(116A)을 거쳐 애노드 피막(116A)의 평면에 주로 평행한 방향으로 이동하고 다음의 단위 연료전지와 공유하는 전자전도요소(112B) 내로 그리고 전자전도요소(112B)를 거쳐 이동한다. 양자는 애노드 피막(116A) 내의 화학반응 사이트로부터 애노드 피막(116A)을 통한 전자 이동방향에 실질적으로 수직인 방향으로 이동한다. 전자전도요소(112B)에 수집된 전자는 다음 단위전지의 캐소드 피막으로 이동한다. 전자는 캐소드 피막(116C) 평면에 주로 평행인 방향으로 상기 캐소드 피막을 거쳐 전자전도요소(112A)로부터 이동한다. 산소는 캐소드 피막(116C)에 접촉하고 화학반응 사이트로 이동한다. 산소는 감소되고 생성물인 물이 생성되며, 이는 밖으로 나가거나 또는 캐소드 피막(116C) 내에 잔존한다.

일부 에지 집전 연료전지층에는 전극피막 평면에 평행인 방향(예를 들어, 다수의 종래 연료전지와 같이 전극피막 평면에 수직과는 대조적으로)으로 양호한 전기전도도를 갖는 전극피막이나 기타 층을 갖는 것이 바람직하다. 일부 에지 집전 연료전지층은 전기전류에 의해 이동되는 거리를 줄이기 위해 매우 작은 개별 연료전지들을 사용하며, 따라서 저항손을 최소화한다. 일부 에지 집전 연료전지의 전극피막은 전기화학 활성에 요구되는 것보다 더 큰 촉매충전을 갖는다. 이러한 에지 집전 연료전지에서는 전류를 전도할 뿐만 아니라 전기화학반응을 촉진시키기 위해 촉매가 사용될 수 있다. 일부 에지 집전 연료전지층에 있어서, 전극피막은 크랙(cracking)을 나타낼 수 있고, 이는 상기 피막 평면에 전기저항을 증가시킬 수 있다. 일부 에지 집전 연료전지의 전극피막은 전극피막에서의 전기전도도를 증가시키기 위해 높은 전도성 물질을 사용한다(미국특허출원 제12/275,020호 "PLANAR FUEL CELL HAVING CATALYST LAYER WITH IMPROVED CONDUCTIVITY" 참조). 본 발명의 구성예들은 전극피막 평면에 평행인 양호한 전도도를 나타내는 전기통로를 사용하는 연료전지층을 기술한다.

도 4a는 일 예시적 구현예에 따라 성능향상층(performance enhancing layer)을 갖는 평판형 연료전지층의 단면도이다. 평판형 연료전지층(150)은 이온전도요소(118)와 전자전도요소(112)를 갖는 복합체층(124)을 포함한다. 임의로는, 복합체(124)는 또한 계면영역(122)을 가질 수도 있다. 캐소드 피막(116C)은 복합체(124)의 제1측 상에 배치되어 복합체(124)의 제1표면에 부착된다. 애노드 피막(116A)은 복합체(124)의 제2측 상에 배치되어 복합체(124)의 제2표면에 부착된다. 캐소드 피막(116C) 및 애노드 피막(116A)은 갭 또는 유전체 영역 (120)에 의해 각각 서로 분리된다.

평판형 연료전지층(150)은 하나 이상의 단위 연료전지(140)를 갖는다. 도시하듯이, 한 단위전지에서 한 연료전지층으로 조립될 때 캐소드 피막은 결합되는 이온전도요소의 제1표면상에 배치되고 상기 이온전도요소와 실질적으로 동일 공간에 걸치게 된다. 애노드 피막은 결합되는 이온전도요소의 제2표면상에 배치되고 상기 이온전도요소와 실질적으로 동일 공간에 걸치게 된다. 캐소드 피막과 애노드 피막 둘 다는 이온전도요소와 이온컨택(ionic contact)하고 전자전도요소들 중의 하나와 전기적 컨택(electrical contact)한다. 단위전지의 캐소드 피막은 실질적으로 제1전자전도요소 상에 연장되고 애노드 피막은 실질적으로 제2전자전도요소 상에 연장된다. 도시된 실시예에서, 단위전지들은 직렬로 연결된다. 그러나, 그 대신에 단위전지들은 병렬 또는 직렬-병렬 조합으로 연결될 수 있다.

평판형 연료전지층(150)은 성능향상층(performance enhancing layer: PEL)(152C, 152A)을 구비한다. 캐소드 PEL(152C)은 캐소드 피막(116C)의 외측 상에 배치되어 캐소드 피막(116C)의 외부표면에 부착된다. 애노드 PEL(152A)은 애노드 피막(116A)의 외측 상에 배치되어 애노드 피막(116A)의 외부표면에 부착된다. 캐소드 PEL(152C)과 애노드 PEL(152A)은 갭 또는 유전체 영역 (120)에 의해 서로 각각 분리된다. 본 기술에 걸쳐서, 용어 "외부(outer)" 및 "내부(inner)"는 각각 복합체 또는 이온전도요소의 중심으로부터 더 멀고 가까운 방향들을 가리키는데 사용된다. 이온전도요소는 도시의 편이를 위해 직사각형으로 도시하였으나, 일부 구현예에 있어서 상기 이온전도요소는 불규칙적인 형상을 가져 오목하거나 볼록한 표면을 갖거나 또는 연료전지층의 중간에 대해 비대칭으로 배치될 수 있다. 이온전도요소(그리고 전류집전요소)의 이러한 가능한 비대칭의 또 다른 예는 미국특허출원 제 61/290,448호 "FUEL CELLS AND FUEL CELL COMPONENTS HAVING ASYMMETRIC ARCHITECTURE AND METHODS THEREOF" 및 관련 우선권주장출원들에서 찾아볼 수 있다.

본 기술에 걸쳐서, 용어 "성능향상(performace enhancing)" 층이 사용된다. 그러나, 성능향상층은 연료전지층의 전기적 성능을 향상시킬 필요는 없다는 점을 알아야 한다. PEL을 포함하는 연료전지층은 PEL이 없는 연료전지층에 비해서 하나 이상의 다음과 같은 성능향상을 나타낼 수 있다: 향상된 전기적 성능과; 더 낮아진 비용과; 더 용이한 제조와; 더 낮아진 열화율(향상된 수명성능)과; 보다 넓은 범위의 환경조건에서 감소된 성능변동 또는 양호한 성능과; 주위오염물(이산화질소, 산화유황, 산화탄소 등등)에 대한 향상된 관용도.

PEL은 전극피막의 반응 사이트 및 결합하는 전자전도요소 간에 전기적 통로를 늘릴 수 있다. PEL을 구비한 연료전지층은 더 얇은 전극피막을 가질 수 있고, 따라서 촉매충전이 감소되어 더 비용효과적으로 될 수 있다. PEL을 구비한 연료전지층은 전기저항이 감소되고, 따라서 PEL이 없는 연료전지층보다 더 양호한 성능을 나타낼 수 있다.

도시한 구현예에 있어서, 캐소드 PEL(152C)과 애노드 PEL(152A)는 각각 캐소드 피막(116C)과 애노드 피막(116A)과 실질적으로 동일 공간에 놓인다. 그러나, 캐소드 PEL(152C)과 애노드 PEL(152A)은 결합하는 전극피막과는 공일 공간에 놓일 필요는 없다. 일부 구현예에서, PEL은 전체 전극피막에 걸쳐 연장되지 않으며 상기 결합하는 전극피막의 표면적보다 더 작은 표면적을 갖는다. 다른 구현예에서는 PEL은 전체 전극영역에 걸쳐 연장되어 결합하는 전극피막의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖는다.

도 4b는 제2예시적 구현예에 따라 PEL을 구비한 일 예시적 평판형 연료전지층의 단면도이다. 평판형 연료전지층(160)은 캐소드 피막(117C)과 애노드 피막(117A)을 갖는다. 도시한 구현예에서, 캐소드 피막(117C)과 애노드 피막(117A) 각각은 결합하는 이온전도요소(118)와 실질적으로 동일한 공간에 놓이며 결합하는 전자전도요소(112)와 직접적인 물리적 접촉이 거의 없거나 아예 없다. 평판형 연료전지층(160)은 캐소드 PEL(154C)과 애노드 PEL(154A)을 갖는다. 도시한 구현예에서, 캐소드 PEL(154C)과 애노드 PEL(154A) 각각은 결합하는 전극피막(117)의 외부표면과 결합하는 전자전도요소(112)의 외부표면들의 실질적으로 전체에 걸쳐 연장된다. 캐소드 PEL(154C)은 캐소드 피막(117C)과 결합하는 전자전도요소(112) 간의 전기적 연결을 제공한다. 애노드 PEL(154A)은 애노드 피막(117A)과 결합하는 전자전도요소(112) 간의 전기적 연결을 제공한다.

설명한 구현예의 PEL로써, 연료전지층(160)은 감소된 두께 또는 면적을 갖는 전극피막을 가질 수 있고, 따라서 촉매충전이 감소될 수 있다. 따라서, 설명한 구현예의 PEL로써 더욱 비용효과적인 평판형 연료전지 제조가 가능해질 수 있다. 부가적으로 또는 이와 대체하여, PEL을 갖는 연료전지층은 감소된 전기 저항을 가질 수 있고, 따라서 성능이 향상된다. PEL을 갖는 연료전지층의 제조방법은 PEL이 없는 연료전지층보다 정밀도가 덜 필요하다. 왜냐면, 촉매는 연료전지층의 전자전도요소를 덮을 필요가 없기 때문이다.

도 4C는 제3예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 연료전지층의 단면도이다. 연료전지층(170)은 캐소드 피막(116C')와 애노드 피막(116A')을 갖는다. 도시한 구현예에서, 캐소드 피막(116C')와 애노드 피막(116A') 각각은 결합한 이온전도요소(118')의 외부표면 상에 연장되고 결합한 전자전도요소(112')의 적어도 일부 상에 연장된다. 연료전지층은 캐소드 PEL(156C)과 애노드 PEL(156A)를 갖는다. 캐소드 PEL(156C)과 애노드 PEL(156A) 각각은 결합하는 전극피막(116')의 일부 상에 연장된다. 도시한 구현예에서, PEL(156)은 결합하는 전극피막(116')의 표면적보다 더 작은 표면적을 갖는다. 설명한 구현예의 PEL을 갖는 연료전지층은 PEL이 없는 연료전지층보다 더 간단한 개별 전극피막의 전기적 격리가 가능해질 수 있다. 따라서, PEL(156)을 갖는 연료전지층은 제조하기가 더 간단할 수 있다.

PEL은 다양한 물질을 포함할 수 있고 연료전지층에서 하나 이상의 여러 다양한 기능이나 목적을 수행할 수 있다. PEL은 감소된 촉매충전의 전극피막을 가능하게 하여 비용을 줄일 수 있다. 부가적으로 또는 이에 대체하여, PEL은 단위전지 내의 전기 전도도를 향상시킬 수 있고 따라서 연료전지층 내의 저항손을 감소시킨다.

PEL은 여러 다양한 방법으로 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, PEL은 전극피막에서의 크랙들 간의 브리지(bridge)를 제공한다. 도 5a 및 도 5b는 PEL이 없는 일 예시적 평판형 연료전지의 단위 연료전지(180)와 예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지의 단위전지(185)의 각 단면개략도이다. 연료전지(180, 185) 각각은 캐소드 피막(176C, 186C)과 애노드 피막(176A, 186A)를 갖는다. 캐소드 피막(176C, 186C)과 애노드 피막(176A, 186A) 각각은 크랙(126)을 갖는다. 연료전지(185)는 캐소드 PEL(188C)과 애노드 PEL(188A)을 갖는다.

연료전지(180, 185)에서 이전 단위전지로부터의 전자는 전자전도요소를 거쳐 캐소드 피막(176C, 186C)으로 이동한다. 연료전지(180)의 캐소드 피막(176C)에서 전자는 길고 복잡한 경로를 거쳐 반응 사이트에 도착한다. 애노드 피막(176A)에서 전자는 또한 상기 반응 사이트로부터 전자전도요소로의 길고 복잡한 경로를 통한다. 그러나, 크랙(126')이 애노드 피막(176A)의 전체 두께에 걸쳐 연장하기 때문에, 전자는 전자전도요소에 도달할 수 없게 되고 연료전지(180)는 작동되지 않는다.

연료전지(185)의 캐소드 피막(186C)에서, 전자는 캐소드 피막(186C)의 두께를 통해, 그리고 PEL(188C) 평면에 평행한 방향으로 PEL(188C)를 통해, 이후 촉매피막(186C)의 두께를 통해 이동함으로써 반응 사이트에 도착한다. 애노드 측에서는, 전자는 유사한 경로를 이동한다. 크랙된 전극피막을 갖는 일 예시적 평편형 연료전지에 있어서, PEL은 전극피막 내 크랙들 상에 브리지를 제공함으로써 전도도를 향상시킬 수 있다. 이러한 연료전지 또는 감소된 촉매충전을 갖는 연료전지에서는 PEL은 부가의 전기 전도성 통로를 제공함으로써 전압손실을 감소시킨다.

PEL은 전기 전도성이고, 많은 구현예에 있어서 PEL은 높은 평면내 전기 전도도를 갖는다. 일부 구현예에 있어서, PEL은 전기적으로 이방성이다- 예를 들면, PEL은 하나 이상의 방향에서 하나 이상의 다른 방향보다 더 큰 전기 전도도를 나타낸다. 일부 구현예에서, PEL은 PEL 평면에 수직인 방향의 전기 전도도보다 PEL 평면의 하나 이상의 방향에서 더 큰 전기 전도도를 갖는다. 일부 예시적 구현예에서, PEL은 PEL 평면 내인 제1방향에서 PEL 평면에 수직인 제2방향과 PEL 평면 내인 제3방향 둘 다의 전기 전도도보다도 더 큰 전기 전도도를 갖는다. 상기 제3방향은 상기 제1방향에 직각일 수 있거나 또는 상기 제1방향으로부터 다른 각도로 배향될 수 있다. 일 특정한 예시적 구현예에서, PEL은 한 전자전도요소로부터 다음의 전자전도요소를 향해 연장하는 방향으로(또는 그 반대의 방향으로) 최대의 전기 전도도를 갖는다.

PEL은 다양한 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. PEL은 또한 내식성인 하나 이상의 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, PEL은 카본블랙, 그래파이트, 카본섬유, 카본 폼, 카본 플레이크, 카본 나노튜브, 카본 니들 및 비결정형 카본 등의 카본을 포함할 수 있다. PEL은 이에 부가하여 또는 대체하여 귀금속, 내식성 물질 또는 내식성 금속합금과 전도성 폴리머(예를 들어, 폴리아닐린(polyaniline)) 등의 기타 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다.

전기전도성 물질은 PEL 층의 불연속 입자 또는 부분(단편, 플레이크 또는 섬유 등)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전기전도성 물질은 형태상으로 비등방성인 입자들을 포함한다. 예를 들어, 전기전도성 물질은 카본섬유 등의 형태상으로 비등방성인 카본입자를 포함할 수 있다. 전기전도성 물질은 짧은 카본섬유(예를 들면, 단위 연료전지 길이보다 한 자릿수 더 작은 평균길이를 갖는 섬유) 또는 긴 섬유(예를 들면, 단위 연료전지 길이와 동일한 자릿수의 평균길이를 갖는 섬유)를 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 섬유는 이온전도요소의 두께보다 더 짧다. 이러한 구현예는 이온전도요소 내로의 섬유관통에 의해 야기되는 전기단락 발생을 피할 수 있다.

일부 구현예에 있어서, 전기전도성 물질의 비등방성 입자는 PEL에 비등방성(예를 들어, 전기전도성 또는 열전도성)을 부여하도록 배향된다. 일 예시적 구현예에서, 비등방성 입자는 바람직한 배향방향으로 전단응력(shear stress)의 인가에 의해 배향된다. 이러한 구현예는 비등방성 입자를 포함하는 슬러리를 연신(drawing)함으로써 제조될 수 있고, 그 결과 PEL의 비등방성 입자들은 연신방향으로 정렬된다. 다른 구현예에 있어서, PEL은 전기전도성 물질에서 비등방성의 이점을 갖는다. 이러한 구현예에서, 전기전도성 물질은 직포 또는 부직포 카본섬유 형태의 카본섬유를 포함할 수 있다.

일부 구현예에 있어서, PEL은 강도(强度) 또는 강성(剛性)이 있을 수 있거나 또는 강도물질이나 강성물질을 포함할 수 있다. 이러한 구현예에서, PEL은 이온전도요소를 위한 지지를 제공한다. 다른 구현예에서, PEL은 가요성이나 탄성이 있을 수 있다. 일부 구현예에서, PEL은 가요성이 있고 가요성 또는 정합성 연료전지층과 함께 사용될 수 있고, 이러한 연료전지층의 예로는 미국특허 제7,474,075호 "DEVICES POWERED BY CONFORMABLE FUEL CELLS" 또는 미국특허출원 제11/327,516호 "FLEXIBLE FUEL CELL STRUCTURES HAVING EXTERNAL SUPPORT" 및 제12/238,241호 "FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE-SAVING FLUID PLENUM AND RELATED METHODS"에 개시되어 있다. 일 예시적 구현예에서, PEL은 연료전지의 정상작동 범위에서 존재하는 응력(stress)이나 변형(strain)을 받았을 때 탄성일 수 있다.

PEL은 비등방성인 탄성을 가질 수 있다- 예를 들면, PEL은 하나 이상의 방향에서 다른 하나 이상의 방향보다 더 큰 탄성을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, PEL은 PEL 평면에 수직인 방향의 탄성보다 PEL 평면 내의 하나 이상의 방향에서 더 큰 탄성을 가진다. 일부 구현예에서, PEL은 PEL 평면 내인 제1방향에서 PEL 평면에 수직인 제2방향과 PEL 평면 내인 제3방향 둘 다의 탄성보다도 더 큰 탄성을 갖는다. 상기 제3방향은 상기 제1방향에 직각일 수 있거나 또는 상기 제1방향으로부터 다른 각도로 배향될 수 있다. 일 특정한 예시적 구현예에서, PEL은 한 전자전도요소로부터 다음의 전자전도요소를 향해 연장하는 방향으로(또는 그 반대의 방향으로) 최대의 탄성을 갖는다.

일부 구현예에 있어서, PEL은 전극 피막에서의 크랙을 방지하거나 줄임으로써 전압손실을 감소시킬 수 있다. 연료전지의 정상작동 동안, 물의 흡수로 인하여 이온전도요소는 팽창한다. PEL은 상기 이온전도요소의 팽창을 감소시킬 수 있거나 또는 이러한 팽창이 전극피막 상에 주는 응력을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, PEL이 강성 또는 부분적 강성일 경우, 이는 이온전도요소의 변형을 감소시킬 수 있다.

PEL은 바인더(binder) 또는 매트릭스(matrix)로서 기능하는 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 바인더 또는 매트릭스로서 기능하는 물질은 촉매층으로의 결합을 촉진하는 물질일 수 있다. 상기 바인더 물질은 전기전도성 물질의 입자들을 함께 지지하거나, 또는 전기전도성 물질을 전극피막으로 결합하거나, 또는 이 둘 다를 기능한다. 상기 바인더 물질은 연료전지층에서 열이나 물을 다루는 부가적 기능을 가질 수 있다. 상기 바인더 물질은 전극 피막이나 전자전도요소 또는 이온전도요소와 잘 결합할 수 있다. 상기 바인더 물질은 화학적으로 불활성이거나 내식성이 있을 수 있다. 상기 바인더 물질은 변형성이나 물에 불용성이거나 또는 연료존재에 안정할 수 있다. 예를 들어, PEL은 열가소성 또는 열경화성 폴리머 등의 플라스틱으로 되는 바인더 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, PEL은 다음의 하나 이상을 포함할 수 있다: 폴리비닐리덴 불화물(polyvinylidene fluoride: PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE) 및 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid: 예를 들어, Nafion^® 퍼플루오로술폰산, E. I. du Pont de Nemours and Company) 등의 플루오로폴리머(fluoropolymers); 비불소화 이오노머(non-fluorinated ionomers); 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 비불소화 열가소성 수지(non-fluorinated thermoplastics); 또는 폴리우레탄(polyurethanes).

일부 구현예에 있어서, 촉매층은 전기적 연속성을 완전히 파괴하지 않고도 상기 촉매층을 더 변형가능하게 만드는 바인더를 함유할 수 있다. 이들 바인더는 또한 촉매층과 PEL 간의 결합을 강화하고 더 단단한 연료전지층을 제공할 수 있다. 이러한 바인더 물질은 예를 들어 플라스틱 또는 전도성 플라스틱을 포함한다. 예를 들면, Nafion과 같은 이오노머 분산액이 촉매층을 위한 바인더로서 사용될 수 있다. 기타 적합한 바인더 물질로는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: 예를 들어, 테플론(Teflon)), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 촉매층의 탄성을 증가시킬 수 있는 기타 비교적 불활성인 첨가제 등을 포함할 수 있다.

평판형 연료전지에서 촉매층은 이 촉매층에 걸친 크랙 또는 전기적 불연속성의 발생을 방지하는 다른 수단을 사용할 수 있다. 예를 들면, 촉매층은 전도성 물질로 제조된 마이크로구조체 또는 전도성 물질로 코팅된 비전도성 구조부재를 사용할 수 있다. 이러한 마이크로구조체는 길고 박형이고 전체 크기가 반응물 및 부산물 등의 물질들 주위의 흐름을 방해하지 않으며, "크랙 브리지(crack bridging)" 마이크로구조체라 할 수 있다. 가능한 크랙 브리지 마이크로구조체의 예로는 플라스틱이나 세라믹 파이버 상에 배치된 다양한 종류의 카본섬유, 카본 나노튜브 또는 전도성 물질(예를 들어, 백금, 금)을 포함한다.

촉매층은 또한 "크랙 피닝(crack pinning)" 마이크로구조체를 사용할 수도 있고, 여기서 촉매층에서의 크랙의 전파는 촉매층 내에 구조 보강체의 부가를 통해 방지된다. 이러한 마이크로구조체는 전기전도성일 수도 있고 아닐 수도 있다. 예를 들어, 크랙 피닝의 예로는 이온전도요소나 촉매를 오염시키지 않는 불활성 물질을 포함할 수 있고 플라스틱이나 세라믹 또는 소정의 유기물질과 같이 비교적 비탄력적일 수 있다.

PEL을 연료전지층에 사용함으로써 촉매충전이 감소가능하다; 이러한 감소는 또한 크랙에 덜 민감한 더 연성인 촉매층을 제공할 수 있다. 또한, 촉매층은 촉매층의 내구력을 증진시키기 위해 카본 담지 백금(carbon supported platinum), 금, 카본 또는 그래파이트 등의 모든 첨가물을 더 사용할 수 있고, 또한 이 경우 PEL의 연료전지층으로의 결합과 연료전지층 내의 전기전도도를 향상시킬 수 있다.

일부 구현예에 있어서, PEL은 전극 피막이나 전자전도요소 또는 임의로 이온전자요소와 용이하게 결합할 수 있도록 하는 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 PEL은 전자전도요소 및 전극 피막과의 양호한 전기적 컨택을 유지하기 위해 압축력을 필요로 하지 않는다. 이러한 PEL을 포함하는 연료전지장치는 조립하기가 더 간단하다.

이러한 구현예에 있어서, PEL은 열 및/또는 압력을 사용하거나 또는 PEL 결합에 기타 적합한 모든 수단을 사용하여 연료전지층에 결합되거나 또는 연료전지층의 전극 피막(들)에 결합될 수 있다.

기타 구현예에 있어서, PEL은 연료전지에 결합될 필요가 없으며, 이리하여 연료전지와의 접촉을 유지하도록 연료전지 커버나 기타 구조적 특징이 전도층에 힘을 가하는 것이 필요하다. 일부 실시예에서, 복수의 불연속 단편을 구조체 내로 설치함으로써 결합요건들과, PEL 내에 갭을 형성하기 위한 요건들을 유리하게 제거할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 연료전지층은 사실상 비대칭일 수 있으며, 이로써 이온전도요소들의 일 측은 일반적으로 오목한 형상일 수 있다. 이러한 구현예에서, 집전체 표면의 평면에 대해 이온전도요소의 상기 오목부분에 의해 형성된 공극은 카본직물, 카본분말, 내식성 금속직물, 내식성 금속분말, 그래파이트 분말 또는 PEL 등의 다공성 전도성 물질로 채워지거나 지지될 수 있다. 이러한 구현예에서, 외부지지구조체가 상기 다공성 삽입재를 촉매층 내로 눌러 전기적 컨택을 향상시키고 심지어 촉매 크랙이 있더라도 전류가 상기 다공성 구조체 내로 그리고 이를 통해 흐를 수 있게 하여 낮은 저항의 전류통로를 가능하게 한다. 연료전지의 오목 부분 내로 삽입된 다공성 전도물질의 기타 기계적 및 화학적 특성은 연료전지 기능에 가장 양호하게 영향을 주도록 선택될 수 있다: 예를 들어, PEL은 압축성 층일 수 있고 물관리의 지원에 적합한 보수(保水) 특성을 가질 수 있다. 이러한 구현예에서, 구조적 지지를 향상하기 위해 지지구조체가 연료전지(예를 들어, 집전체) 및/또는 PEL에 결합될 수 있다

일부 구현예에 있어서, PEL은 연료전지층에 결합되기 이전에 활성화되거나 사전처리(prime)된다. 예시적 구현예에서, PEL은 전극 피막과의 결합이나 부착을 향상하기 위하여 또는 PEL과 전극 피막 간의 접촉저항을 감소하기 위해 활성화되거나 사전처리된다.

일부 구현예에 있어서, 캐소드 PEL 및 애노드 PEL은 각각 산화제나 연료의 대량 수송이 가능할 만큼 충분히 다공성일 수 있다. 일부 구현예에서, PEL은 물이나 열 관리를 향상하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, PEL의 다공도는 소정 수준의 보수(保水)나 보열(保熱)을 위해 조절될 수 있다. 다공도와 소수성 및 열전도도는 물이나 열 관리를 향상하도록 여러 층(예를 들어, 캐소드 피막, 애노드 피막, 캐소드 PEL 및 애노드 PEL)에서 가변될 수 있다. PEL은 PEL의 소수성이나 친수성에 영향을 미치는 물질, 즉 이오노머(ionomer)(예를 들어, 퍼플루오로 술폰산(perflurosulfonic acid), 폴리아릴렌 술폰산(polyarylene sulfonic acid), 스티렌(styrene) 및 디비닐벤젠(divinylbenzene)의 코폴리머), PTFE, 나일론, 산화물 (예를 들어, 실리카(silica), 산화주석(tin oxide)) 등등을 포함할 수 있다.

일 예시적 구현예에 있어서, PEL은 약 1㎜ 미만의 두께를 갖는다. 상기 두께는 약 35㎛~약 750㎛, 약 50㎛~약 500㎛ 또는 약 100㎛~약 350㎛일 수 있다. 일부 예시적 구현예에서, PEL은 약 50㎛~약 200㎛의 범위 두께를 가질 수 있다.

일부 구현예에 있어서, PEL은 애노드 피막 또는 캐소드 피막의 내부표면에 인접한 복합체 층의 하나 이상의 표면상에 배치된다. 도 6은 일 예시적 구현예에 따라 PEL을 갖는 일 예시적 평판형 연료전지층(190)의 단면도이다. 연료전지층(190)은 애노드 피막(116A), 캐소드 피막(196C), 애노드 PEL(152A) 및 캐소드 PEL(192C)을 갖는다. 캐소드 피막(196C) 및 캐소드 PEL(192C)의 위치는 애노드 피막(116A) 및 애노드 PEL(152A)의 위치에 대해 역전되고 전극 피막 및 PEL들은 전술하였다. 캐소드 PEL(192C)은 복합체(124)의 제1측상에 배치되고 복합체(124)의 제1표면에 부착된다.

단위 연료전지 내에서, 캐소드 피막(196C)은 캐소드 PEL(192C)의 외측상에 배치되고 캐소드 PEL(192C)의 외부표면에 부착된다. 연료전지 작동 동안에 양자(또는 기타 이온)는 애노드 피막(116A) 내의 반응 사이트로부터 이온전도요소(118)와 캐소드 PEL(192C)를 거쳐 캐소드 피막(196C) 내의 반응 사이트로 이동한다. 전자는 전자전도요소(112)로부터 캐소드 PEL(192C)을 거쳐 캐소드 피막(196C) 내의 반응 사이트로 이동한다. 산화제는 곧장 캐소드 피막(196C)으로 이동하여 상기 반응 사이트에서 환원된다.

캐소드 PEL(192C)은 전술한 구현예들의 PEL보다 다른 특성 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 캐소드 PEL(192C)은 캐소드 피막(196C)의 내부표면상에 배치되기 때문에, 캐소드 PEL(192C)은 산화제에 투과성일 필요가 없다. 캐소드 PEL(192C)은 양자나 기타 이온에 대해 투과성일 수 있다. 예를 들어, 캐소드 PEL(192C)은 이온전도성 통로를 포함할 수 있다. 일부 예시적 구현예에 있어서, 캐소드 PEL(192C)은 이오노머(예를 들어, 퍼플루오로술폰산, 또는 스티렌 및 디비닐벤젠의 코폴리머)와 같은 이온전도성 물질을 포함할 수 있다.

연료전지층(190)은 서로 상이하고 대응하는 전극 피막에 대해 상이한 배열을 갖는 캐소드 PEL과 애노드 PEL을 갖는다. 다른 구현예에서는, 캐소드 PEL과 애노드 PEL은 동일하거나 대응하는 전극 피막에 대해 동일한 배열을 갖는다.

도 4a~4c 각각에 도시한 연료전지층(150, 160, 170) 각각은 대응하는 전극 피막에 대해 동일한 배열로 되는 캐소드 PEL과 애노드 PEL을 갖는다. 그러나, 캐소드 PEL과 애노드 PEL은 대응하는 전극 피막에 대해 상이한 배열을 가질 수도 있다. 또한, 연료전지층의 캐소드 PEL과 애노드 PEL은 조성, 특성, 크기 및 기능에 대하여 동일하거나 상이할 수 있다. 연료전지층 내의 캐소드 PEL은 모두 동일하거나 상이할 수 있다. 연료전지층 내의 애노드 PEL은 모두 동일하거나 상이할 수 있다. 연료전지층은 캐소드 PEL과 애노드 PEL 모두를 갖거나; 캐소드 PEL만을 갖거나; 또는 애노드 PEL만을 가질 수 있다.

도시한 구현예에 있어서, PEL은 전극 피막이나 이온전도요소의 표면의 실질적으로 상부에 연속하고 연장된다. 그러나, 다른 구현예에서는 PEL은 공간적으로 불연속적일 수 있다. 예를 들어, PEL은 개구나 슬릿 또는 기타 불연속물을 갖거나, 또는 손가락 패턴이나 사행(蛇行) 패턴을 가질 수 있다. 이러한 불연속 또는 패턴으로써, 반응물이나 연료 또는 양자의 전극 피막으로의 대량 수송이 향상될 수 있거나 또는 전극 피막으로부터의 물 제거가 향상될 수 있다. 일부 구현예에서, PEL은 연료전지층의 일부에만 거쳐 연장되거나 또는 각 단위전지의 일부 또는 전체를 따라 연장될 수 있다.

PEL은 종래에 있었거나 없었던 다양한 연료전지층에 적용될 수 있다. 예를 들어, PEL은 선행기술의 전기화학전지에 적용될 수 있고, 이러한 전기화학전지의 예는 미국특허 제5,989,741호 "ELECTROCHEMICAL CELL SYSTEM WITH SIDE-BY-SIDE ARRANGEMENT OF CELLS"와, 미국특허출원 제12/153,764호 "FUEL CELL"과, 미국특허 제5,861,221호 "BATTERY SHAPED AS A MEMBRANE STRIP CONTAINING SEVERAL CELLS"에 개시되어 있다.

PEL은 연료전지층이나 전자전도요소 또는 이온전도요소 또는 이들의 조합에 결합되거나 부착될 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, PEL을 갖는 연료전지층은 응력이 최소로 요구되거나 또는 부가적 또는 외부의 응력이 필요없으면서 PEL과 전극피막 또는 전극전도요소 간에 감소된 접촉저항을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, PEL은 예를 들어 막 변형이나 촉매 크랙 또는 이들 모두를 감소시킴으로써 연료전지층에 부가의 구조적 지지 및 강성을 제공할 수 있다.

도 7은 PEL을 갖는 연료전지층의 한 가능한 제조방법의 블록제조도이다. 방법(200)에 있어서, 혼합단계(240)에서 슬러리 성분들(202)을 가하여 슬러리(214)를 생성한다. 슬러리(214)를 캐스팅 단계(250)에 가하여 습식필름(216)을 만든다. 습식필름(216)은 건조단계(260)로 가해지며(임의로는 기공(pore) 형성단계(265)로 가하며; 그리고 임의로는 활성화 단계(267)에 가해진다) PEL 필름(218)을 만든다. PEL 필름(218)은 연료전지층(220)과 함께 연료전지 적용단계(270)와 임의로는 갭 형성(gapping) 단계(275)로 가해져 PEL(222)을 포함하는 연료전지층을 생성한다.

혼합단계(240)에서, 슬러리 성분들(202)은 결합 및 혼합된다. 슬러리 성분들(202)은 하나 이상의 전기전도성 물질(204)과 하나 이상의 바인더(206) 및 하나 이상의 용제(208)를 포함할 수 있다. 전기전도성 물질(204)은 입자들, 예를 들어 단편이나 섬유를 포함할 수 있다. 전기전도성 물질은 비등방성인 입자를 포함할 수 있다. 이러한 전기전도성 물질(들)을 포함하는 PEL은 전기적 비등방성을 나타낼 수 있다.

슬러리 성분들(202)은 예를 들어 전단박화(剪斷博化: shear thinning) 특성을 부여함으로써 필러(filler)로서 작용하거나 또는 슬러리(214)의 리올로지(rheology)에 영향을 주는 전기전도성 물질을 포함할 수 있다. 슬러리 성분들(202)은 예를 들어 기공이나 미세기공을 만들거나 또는 기타 전기전도성 물질의 입자들을 가교함으로써 PEL의 미세구조에 영향을 주는 전기전도성 물질을 포함할 수 있다. 전기전도성 물질(204)은 PEL 내에서 바람직한 미세기공 구조를 만들어내는데 최적화된 평균 직경 또는 평균 크기를 갖는 입자(예를 들어, 단편)를 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 입자들은 PEL 필름(218) 내에서 충분한 기공도를 만들만큼 충분히 크지만 슬러리(214)가 쉽게 캐스팅될 수 있을 만큼 작다. 일 특정한 예시적 구현예에서, 전기전도성 물질(204)은 하나 이상의 카본섬유, 카본블랙 및 그래파이트를 포함한다.

슬러리 성분들(202)은 전기전도성 물질의 부착 및/또는 접촉을 향상하기 위한 바인더(206)를 포함할 수 있다. 슬러리 성분들(202)은 PEL 내에 탄성이나 연성을 부여하는 바인더를 포함할 수 있다. 슬러리 성분들(202)은 내식성인 바인더를 포함할 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 슬러리 성분들(202)은 전기전도성 물질(204)의 입자들이 함께 뭉쳐있을 만큼 충분히 높지만 PEL 필름(218)이 충분한 기공도와 전도도를 가질 만큼 충분히 낮은 전기전도성 물질(204)에 대한 바인더(206)의 비율을 포함한다. 일 특정한 예시적 구현예에서, 슬러리 성분들(202)은 PVDF를 포함한다. 슬러리 성분들(202)은 바인더를 용해하는 용제(208)를 포함할 수 있다.

슬러리 성분들(202)은 임의로 기공 형성제(pore former)를 포함할 수 있다. 슬러리 성분들(202)은 예를 들어 용해(dissolving), 기화(evaporation) 또는 버닝(burning)에 의해 제거될 수 있는 물질을 포함한다. 예를 들어, 슬러리 성분들(202)은 염과 왁스 및 기타 일시적 물질(fugitive material) 등의 하나 이상의 기공 형성제를 포함할 수 있다.

슬러리 성분들(202)은 교반(agitation), 스터링(stirring), 진탕(shaking) 또는 스피닝(spinning) 등의 다양한 수단에 의해 혼합되어 슬러리(214)를 생산할 수 있다. 슬러리(214)는 다양한 특성을 가질 수 있다. 슬러리(214)는 캐스팅 단계(250)에서 사용되는 종류의 코팅이나 인쇄 방법에 적합한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 슬러리(214)는 연신(drawing)이 가능한 특성을 가질 수 있다. 일 특정한 예시적 구현예에 있어서, 슬러리(214)는 표면상에 닥터 블레이드(doctor blade)를 연신함으로써 캐스팅될 수 있는 고체성분과 리올로지를 갖는다.

캐스팅 단계(250)에 있어서, 슬러리(240)는 전사필름(215)에 가하여 습식 PEL 필름(216)을 만든다. 전사필름(215)은 화학적으로 불활성인 물질을 포함할 수 있거나 온도저항성이 있거나 또는 변형가능하다. 일부 예시적 구현예에서, 전사필름(215)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE)를 포함할 수 있다. 슬러리(214)는 다양한 다른 방법을 사용하여 가해지거나 캐스팅될 수 있다. 예를 들어, 슬러리(214)는 이에 전단응력을 가하는 방법을 사용하여 캐스팅될 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 슬러리(214)는 표면상에 이를 연신함으로써 캐스팅된다. 그러나, 슬러리(214)는 이 대신 다른 종류의 필름 캐스팅(예를 들어, 테이프 캐스팅), 스크린인쇄 또는 기타 통상적인 코팅이나 인쇄 방법을 사용하여 가해질 수 있다.

일부 구현예에 있어서, 캐스팅 단계(250)는 외형상 비등방성인 습식 PEL 필름(216)(예를 들어, 주로 일 방향으로 배향된 비등방성 전기전도성 물질입자를 갖는 습식필름)을 생산한다. 일 특정한 예시적 구현예에서, 캐스팅 단계(250)는 습식 PET 필름(216) 평면에 있는 주로 일 방향으로 배향된 전기전도성 물질입자를 갖는 습식 PET 필름(216)을 생산한다.

건조단계(260)에 있어서, 용제를 증발시켜 실질적으로 용제가 없는 PEL 필름(218)을 형성한다. 습식 PEL 필름(216)은 소정 온도 및 압력에서 소정 기간 동안 건조될 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 습식 PEL 필름(216)은 유리천이온도나 용융온도보다 낮은 온도에서 건조될 수 있다. 일 예시적 구현예에서, 전기전도성 물질입자의 이동을 방지하도록 습식 PEL 필름(216)은 빠르게 건조될 수 있는(다만 증발하는 용제가 미세기공 구조를 파괴할 정도로 빠르지는 않게) 온도와 압력에서 건조된다. 일 예시적 구현예에서, 습식 PEL 필름(216)은 약 1 atm보다 낮은 압력에서 대략 20~40분의 기간 동안 대략 80~120℃의 온도범위로 가열될 수 있다.

연료전지 적용단계(270)에 있어서, PEL 필름(218)이 연료전지층(220)에 가해질 수 있다. 연료전지층(220)은 평판형 연료전지일 수 있다. 연료전지층은 각각의 전극피막들 간에 갭이나 유전체 영역을 갖는 완전한 연료전지층(220a)일 수 있거나 또는 각각의 전극피막들 간에 갭이나 유전체 영역이 없는 미완성의 연료전지층(220b)일 수 있다.

일 예시적 연료전지 적용단계(270)에 있어서, PEL 필름(218)은 연료전지층(220) 상에 또는 이 하부에 배치될 수 있고, PEL 필름(218) 및 연료전지층(220)은 소정 기간 동안 소정 온도로 가열되고 압력에 가해질 수 있다. PEL 필름(218) 및 연료전지층(220)은 예를 들어 연료전지층에서 이온전도요소들의 유리천이온도보다 높고 이온전도요소가 분해되는 온도 또는 바인더(206)의 유리천이온도보다 약간 높은 온도보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. PEL 필름(218)은 이 PEL 필름(218)과 연료전지층(220)의 전극피막이 밀접한 접촉으로 배치되는데 충분한 압력에 가해질 수 있다. 일 예시적 구현예에서, PEL 필름(218)과 연료전지층(220)은 대략 25~200 psi의 압력범위에서 대략 10분보다 작은 기간 동안 대략 110~150℃의 온도범위로 가열될 수 있다.

일부 구현예에 있어서, PEL 필름(218)은 평탄하지 않은 전극 피막을 갖는 연료전지층(220)에 적용될 수 있다. 예를 들어, PEL 필름(218)은 미국특허출원 "FUEL CELLS AND FUEL CELL COMPONENTS HAVING ASYMMETRIC ARCHITECTURE AND METHODS THEREOF"에 기재되어 있는 바 또는 기복이 있거나 부정형의 연료전지층과 같은 비대칭 연료전지층에 적용될 수 있다. 예를 들면, PEL 필름은 이의 외측상에 변형성 물질(예를 들어, 개방셀 스폰지 등의 스폰지)을 배치함으로써 오목하거나 파형의 애노드 피막을 갖는 연료전지층에 부착되어 애노드 피막의 표면형상을 보존하면서 PEL과 애노드 피막 간의 밀접한 접촉을 만들 수 있다. 또한, 이러한 구현예에서, 연료전지층은 부가의 지지를 제공하기 위해 연료전지층 및/또는 PEL에 결합된 지지구조체를 가질 수 있다. 이러한 지지 구조체는 연료전지층의 애노드 측이나 캐소드 측 또는 이 둘 다에 결합될 수 있다. 예를 들면, 상기 지지 구조체는 치수안정적 다공성 물질을 포함할 수 있고, 이는 연료전지층의 집전체에 결합될 수 있다. 이러한 지지 구조체는 PEL과 전극피막 간에 접촉을 향상시키는 부가의 압축력 또는 결합력을 제공할 수 있다.

임의로는, 결합된 PEL 필름과 연료전지층은 패터닝 단계(275)에 가해져 PEL(222)을 갖는 연료전지층을 제조할 수 있다. 패터닝 단계(275)에서, 각 PEL들과 임의로는 각 전극피막들 간에 불연속들을 만들 수 있다. 이러한 불연속들은 인접한 전기화학전지를 전기적으로 절연할 수 있다. 일부 구현예에서, 불연속들은 코팅단계(250) 동안 습식 PEL 필름(216) 상에 갭이나 유전체 영역으로서 프리패턴(pre-pattern)될 수 있거나 또는 코팅단계(250) 후에 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 불연속들은 연료전지층 적용단계(270) 이전에 건식 PEL 필름(218) 상에 갭이나 유전체 영역으로서 형성될 수 있다. 가능한 불연속 배열은 미국특허출원 제12/341,294호 "ELECTROCHEMICAL CELL ASSEMBLIES INCLUDING A REGION OF DISCONTINUITY"에 기술되어 있다.

만일 슬러리 성분들(202)이 기공 형성제를 포함하는 경우, 방법(200)은 임의의 기공형성단계(265)를 포함할 수 있다. 기공형성단계(265)에서, 기공 형성제는 예를 들어 용제에 용해시키거나 기화시킴으로써 제거될 수 있다. 기공형성단계(265)는 만일 있다면 건조단계(260) 이전에 또는 그 동안에 또는 그 이후에 수행될 수 있다.

일부 구현예에 있어서, 방법(200)은 임의의 활성화 단계(267)를 포함한다. 임의의 활성화 단계(267)에 있어서, 습식 PEL 필름(216)이나 PEL 필름(218) 또는 연료전지층(220)은 활성화 또는 사전처리에 가해진다. 활성화는 중간체(intermediary: 217)의 인가를 포함할 수 있다. 중간체(217)는 예를 들어 PEL 필름(218)과 연료전지층(220)의 전극피막 간의 결합 또는 부착을 향상할 수 있다. 중간체(217)는 PEL 필름(218) 또는 연료전지층(220)의 전극피막에 존재하는 물질, 예를 들어 바인더(206), 촉매, 이오노머 또는 전기전도성 물질(204)을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 임의의 활성화 단계는 습식 PEL 필름(216)이나 PEL 필름(218) 또는 연료전지층(220)을 활성화하는 다른 방법을 포함할 수 있다. 활성화 단계는 만일 있다면 건조단계(260) 이전에 또는 그 동안에 또는 그 이후에 수행될 수 있고, 만일 임의의 기공형성단계(265)가 있다면 그 이전에 또는 그 동안에 또는 그 이후에 수행될 수 있다.

방법(200) 또는 이의 단계들 중의 어떤 것도 연료전지층이 캐소드 PEL과 애노드 PEL 둘 다를 갖든지 또는 어느 하나를 갖는 것이 바람직한가에 따라 반복될 수 있다.

실시예

일 예시적 구현예에서, 방법(200)에 의해 제조된 PEL 필름을 도 2b의 예시적 평판형 연료전지층과 유사한 연료전지층에 결합시켰다. 도 8은 이러한 성능향상층(PEL)을 갖는 연료전지층의 성능을 성능향상층(PEL)이 없는 연료전지층의 성능과 비교한 예시적 성능데이터를 도시한다. 알 수 있듯이, PEL을 갖는 연료전지층의 성능은 PEL이 없는 연료전지층의 성능에 비해 매우 우수하다.

도 9는 방법(200)에 의해 제조된 PEL을 갖는 연료전지층의 개략 상면도로서, PEL 필름은 섬유들(286)을 포함한 슬러리를 연신(drawing)하여 제조되어 이러한 섬유들은 도 9에 도시하듯이 Y 방향으로 정렬되었다. 본 도시된 구현예에서, 섬유들(286)의 주된 배향방향은 PEL(282) 평면에 있는 일 방향 내이고 각 단위 연료전지의 일측에서 반대측으로 연장한다(도시한 Y 방향).

상기 예시적 구현예에 따라 제조된 PEL 필름에 대해 비저항 측정을 하였다. 이들 측정으로부터 전도도를 계산하였다. 상기 PEL 필름으로부터 각각 1인치×2인치 크기를 갖는 3개의 시편을 절취하였다. 각 시편은 연신방향(예를 들어, 인가된 전단응력 방향)에 대해 다른 배향을 가졌다: (1) 연신방향에 평행; (2) 연신방향에 대해 45°; 및 (3) 연신방향에 대해 90°.

상기 시편들의 평면내 비저항은 시편과 접촉하도록 지지된 두 아암(arm)에 걸쳐 전압을 인가하고 그 결과 전류를 측정함으로써 측정하였다. 표 1 및 도 10 각각은 상기 시편들의 비저항 및 전도도를 나타낸다.

인장방향으로부터의 각도의 함수로서의 PEL 필름의 비저항 및 전도도

각도(°)	비저항 (×10^-2 Ω·㎝)	전도도 (Ω·㎝)^-1
0	6.5	15.4
45	9.4	10.6
90	12.8	7.8

알 수 있듯이, 연신(pull 또는 draw) 방향으로부터의 각도(예를 들어, 인가된 전단응력 방향으로부터의 각도)가 증가함에 따라 PEL 필름의 비저항은 증가하고 전도도는 감소한다. 따라서, 비등방성 전기적 특성을 갖는 PEL 필름이 제조될 수 있다. PEL 필름은 사전 결정된 방향으로 높은 전도도를 갖는 PEL을 형성하는 바람직한 배향으로 연료전지층에 적용될 수 있다. 예를 들어, PEL 필름은 인가된 전단응력 방향이 각각의 단위 연료전지의 길이에 직각이 되도록 이를 배향함으로써 연료전지층에 적용될 수 있다.

방법(200)은 PEL을 갖는 연료전지층의 제조방법의 일 실시예이다. 다른 구현예에서는, 애노드 피막이나 캐소드 피막의 내측상에 배치된 PEL을 갖는 연료전지층은 다음과 같이 제조될 수 있다: PEL 필름과 복합체를 결합하고; 상기 PEL 필름의 외측에 전극피막을 적용하고; 임의로, 상기 복합체, PEL 필름 및 전극피막을 결합하며; 임의로 PEL 필름이나 전극피막을 갭 형성(gapping)한다.

다른 일 구현예로는 PEL을 갖는 연료전지층은 다음과 같이 제조될 수 있다: PEL 필름상에 직접 전극피막을 적용하고; 상기 PEL 필름과 전극피막을 연료전지층과 결합하고; 임의로, PEL 필름이나 전극피막을 갭 형성한다.

또 다른 일 구현예로는 PEL 필름은 다음과 같이 제조될 수 있다: 바인더와 임의로는 전기전도성 물질을 혼합하여 슬러리를 만들고; 상기 슬러리를 비등방성 입자를 포함하는 전기전도성 물질 내로 캐스팅하여 습식 PEL 필름을 형성하며; 상기 습식 PEL 필름을 건조하여 PEL 필름을 만든다.

추가 구현예

본 발명은 다음의 예시적 구현예들을 제공하며, 이의 번호는 도면에 기술된 구현예 번호와 반드시 연관되지는 않는다:

구현예 1은 연료전지용 성능향상층을 제공하고 이는 하나 이상의 전기전도성 물질과, 바인더를 포함하고, 상기 전기전도성 물질의 적어도 하나는 형태상으로 비등방성이고 상기 성능향상층 내에서 비등방성 전도도를 부여하도록 배향된 입자들을 포함하고, 상기 바인더는 상기 입자들을 서로 접촉하도록 배치한다.

구현예 2는 구현예 1의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질의 적어도 하나의 상기 입자들은 상기 성능향상층 내에서 상기 성능향상층의 평면에 수직인 제2방향보다 상기 성능향상층의 평면 내에 있는 제1방향에서 더 큰 전도성을 부여하도록 배향된다.

구현예 3은 구현예 1~2 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질의 적어도 하나의 상기 입자들은 상기 성능향상층 내에서 상기 성능향상층의 평면 내에 있는 제3방향보다 상기 성능향상층의 평면 내에 있는 제1방향에서 더 큰 전도성을 부여하도록 배향된다.

구현예 4는 구현예 1~3 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 입자들은 상기 제1방향으로 전단응력을 인가함으로써 배향된다.

구현예 5는 구현예 1~4 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질은 카본을 포함한다.

구현예 6은 구현예 1~5 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질은 카본섬유, 카본블랙, 그래파이트 또는 이의 조합을 포함한다.

구현예 7은 구현예 1~6 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 비등방성 입자들은 카본섬유이다.

구현예 8은 구현예 1~7 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질은 카본블랙을 포함한다.

구현예 9은 구현예 1~8 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질은 그래파이트를 포함한다.

구현예 10은 구현예 1~9 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)를 포함한다.

구현예 11은 구현예 1~10 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 바인더는 상기 성능향상층 내에서 탄성이나 가소성 또는 둘 다를 포함한다.

구현예 12는 구현예 1~11 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 다공성이고 상기 성능향상층의 일 측으로부터 다른 측으로의 대량 수송을 가능하게 한다.

구현예 13은 구현예 1~12 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 1㎜ 미만의 두께를 갖는다.

구현예 14는 구현예 1~13 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 50~200㎛ 범위의 두께를 갖는다.

구현예 15는 구현예 1~14 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 이온의 유동에 투과성이다.

구현예 16은 구현예 1~15 중 하나의 성능향상층을 제공하고, 상기 바인더와 접촉된 2개 이상의 전극피막을 더 포함한다.

구현예 17은 전극피막을 갖는 연료전지층용 성능향상층의 제조방법을 제공하고, 이 방법은 하나 이상의 전기전도성 물질과 바인더와 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계와, 상기 슬러리를 캐스팅하여 습식필름을 제조하는 단계와; 상기 습식필름을 건조시켜 필름을 제조하는 단계와, 상기 필름을 연료전지층에 결합하는 단계를 포함한다.

구현예 18은 구현예 17의 방법을 제공하고, 상기 성능향상층, 상기 전극피막, 성능향상층을 갖는 연료전지층 또는 이들의 조합을 패터닝하는 단계를 더 포함한다.

구현예 19는 구현예 17~18 중 하나의 방법을 제공하고, 여기서 상기 슬러리는 캐스팅될 수 있도록 하는 고체성분 및 리올로지를 갖는다.

구현예 20은 구현예 17~19 중 하나의 방법을 제공하고, 여기서 상기 캐스팅은 전사필름상에 상기 슬러리를 캐스팅한다.

구현예 21은 구현예 17~20 중 하나의 방법을 제공하고, 상기 전극피막의 층과의 부착을 향상시키기 위하여 상기 필름을 활성화하는 단계를 더 포함한다.

구현예 22는 구현예 17~21 중 하나의 방법을 제공하고, 여기서 상기 활성화는 상기 전극피막과의 부착을 촉진하는 물질을 인가한다.

구현예 23은 연료전지층을 제공하고, 이는 평판층을 형성하도록 인접하게 배설되는 하나 이상의 연료전지를 포함하고, 상기 하나 이상의 연료전지는 하나의 이온전도요소와 2개 이상의 전자전도요소를 포함하는 복합체와, 각각 상기 이온전도요소와 이온 컨택하고 상기 전자전도요소들 중의 적어도 하나와 전기적 컨택하며 각각 내부표면과 외부표면을 포함하는 2개의 전극피막과, 상기 전극피막들 중의 하나의 표면에 접촉하거나 밀접하게 배치된 성능향상층을 포함하며, 상기 성능향상층은 결합된 상기 전자전도요소로의 또는 상기 전자전도요소로부터의 전기전도성 통로를 제공한다.

구현예 24는 구현예 23의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 적어도 하나의 전기전도성 물질과 바인더를 포함한다.

구현예 25는 구현예 23~24 중 하나의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 전기전도성 물질들 중의 하나는 이방성 모폴로지를 갖는 입자들을 포함한다.

구현예 26은 구현예 23~25 중 하나의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 입자들은 상기 층 내에서 이방전도성을 부여하도록 배향된다.

구현예 27은 구현예 23~26 중 하나의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 상기 전극피막의 내부표면에 인접하게 배치된다.

구현예 28은 구현예 23~27 중 하나의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 상기 전극피막의 외부표면에 인접하게 배치된다.

구현예 29는 구현예 23~28 중 하나의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 상기 연료전지층을 위한 구조적 지지를 제공한다.

구현예 30은 구현예 23~29 중 하나의 연료전지층을 제공하고, 여기서 상기 성능향상층은 상기 연료전지층의 변형성을 감소시킨다.

이상 전술한 것은 설명을 위한 것으로 이에 한정되지 아니한다. 전술한 바에 따라 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 바와 같은 기타 구현예들이 사용될 수 있다. 또한, 전술한 바에 있어서 다양한 특징들은 함께 본 개시를 일원화한다. 이는 청구되지 않고 개시되지 아니한 특징이 모든 특허청구항에 필수적이라는 것을 의도하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 발명대상은 특정한 개시된 구현예의 모든 특징 이내에 있을 수 있다. 따라서, 다음의 특허청구항들은 각 자신이 별개의 구현예로서 여기서 발명의 상세한 설명에 포함된다. 본 발명의 범위는 전 범위의 등가물들과 함께 다음 특허청구항들을 참조하여 결정되어야 한다.

본 요약은 독자가 본 기술개시를 신속히 알아낼 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 요약은 본 특허청구항들의 범위나 의미를 해석 또는 제한하는데 사용되어서는 안 된다.

Claims

평판층을 형성하도록 인접하게 배설되는 하나 이상의 연료전지를 포함하는 연료전지층에 있어서,
상기 하나 이상의 연료전지는 각각
하나의 이온전도요소와 2개 이상의 전자전도요소를 포함하는 복합체와;
각각 상기 이온전도요소와 이온 컨택하고 상기 전자전도요소들 중의 적어도 하나와 전기적 컨택하되, 각각 내부표면과 외부표면을 포함하는 애노드 전극 촉매 피막 및 캐소드 전극 촉매 피막과;
상기 전극 촉매 피막들 중의 하나의 표면에 접촉하거나 밀접하게 배치된 성능향상층을 포함하고,
상기 성능향상층은 결합된 상기 전자전도요소로의 또는 상기 전자전도요소로부터의 전기전도성 통로를 제공하고 적어도 하나의 전기전도성 물질과 바인더를 포함하고,
상기 적어도 하나의 전기전도성 물질은 이방성 모폴로지를 갖는 입자들을 포함하고, 상기 입자들은 상기 성능향상층의 평면에 수직인 제2방향보다 상기 성능향상층의 평면 내에 있는 제1방향에서 더 큰 이방전도성을 상기 성능향상층 내에 부여하도록 배향되어있고,
상기 적어도 하나의 전기전도성 물질은 카본섬유를 포함하는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
삭제
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전기전도성 물질의 상기 입자들은 상기 성능향상층의 평면 내에 있는 제3방향보다 상기 성능향상층의 평면 내에 있는 상기 제1방향에서 더 큰 전도성을 상기 성능향상층 내에 부여하도록 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 입자들은 상기 제1방향으로 전단응력을 인가함으로써 배향된 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 전기전도성 물질은 각 연료전지의 길이보다 한 자릿수 더 작은 크기의 평균길이를 갖는 카본섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 전기전도성 물질은 카본블랙, 그래파이트 또는 이의 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 이방성의 입자들은 각 연료전지 길이와 동일한 자릿수 크기의 평균길이를 갖는 카본섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 전기전도성 물질은 카본블랙을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 전기전도성 물질은 그래파이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 바인더는 탄성이나 가소성, 또는 탄성 및 가소성 둘 다를 상기 성능향상층 내에 부여하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 다공성이고 상기 성능향상층의 일 측으로부터 다른 측으로의 유체의 대량 수송을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 1㎜ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 50~200㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 이온의 유동에 투과성인 것을 특징으로 하는 연료전지층.
삭제
성능향상층을 갖는 연료전지층의 제조방법에 있어서,
카본섬유를 포함하는 하나 이상의 전기전도성 물질과 바인더 및 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계와;
표면을 가로질러 상기 슬러리를 연신(drawing)함에 의해 상기 슬러리를 캐스팅하여 습식필름을 제조하는 단계와;
상기 습식필름을 건조시켜 필름을 제조하는 단계와;
상기 필름을 전극 촉매 피막을 갖는 연료전지층에 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,
상기 성능향상층, 상기 전극 촉매 피막, 성능향상층을 갖는 연료전지층 또는 이의 조합을 패터닝하는 단계를 더 포함하고, 상기 패터닝은 개별 성능향상층들 간에 불연속성을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제17항에 있어서,
상기 캐스팅은 전사필름상에 상기 슬러리를 캐스팅함을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,
상기 전극 촉매 피막의 층과의 부착을 향상시키기 위하여 상기 필름을 활성화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서,
상기 활성화는 상기 전극 촉매 피막과의 부착을 촉진하는 물질을 인가함을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 상기 전극 촉매 피막의 내부표면에 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 상기 전극 촉매 피막의 외부표면에 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 상기 연료전지층을 위한 구조적 지지를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지층.
제1항에 있어서,
상기 성능향상층은 상기 연료전지층의 변형성을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지층.