KR102176856B1 - 연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법{GAS DIFFUSION LAYER FOR FUEL CELL, MEMBBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING SAME, FUEL CELL COMPRISING SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THE GAS DIFFUSION LAYER FOR FUEL CELL}
본 출원은 2018년 1월 12일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2018-0004516호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형(Polymer Electrolyte Membrane; PEM), 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형(solid oxide), 알카리수용액형 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
여기서, 고분자 전해질형으로 이루어진 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell;PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동 시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.
상기 고분자 전해질형 연료전지는 메탄올 용액과 공기를 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지와 수소와 공기를 연료로 각각 쓰는 수소연료전지로 나눌 수 있으며, 그 구조는 고분자막의 양측에 각기 기체확산층 위에 촉매가 도포된 연료극과 공기극을 형성하는 기체확산전극이 접합되고, 상기 기체확산전극의 테두리에 가스의 유출을 억제하는 가스켓이 접합된 막전극접합체(Membrane electrode assembly, MEA)로 구성될 수 있다.　
여기서, 상기 기체확산층(Gas diffusion layer; GDL)은 다공질 탄소막으로 이루어진 탄소기재에 미세다공층(Microporous layer; MPL)을 코팅하여 형성한 것이다.
상기 고분자 전해질형 연료전지의 이온교환막은 물 함유도에 비례하여 수소이온을 전도하는 특성이 있다. 따라서 이온전도도를 높이기 위해 가습된 공급 기체를 사용하고 있으며 또한 연료전지 내의 생성물이 물이기 때문에 연료전지 내에서 적절한 물 관리가 이루어지지 않으면 물이 반응기체의 통로를 막아 성능이 급격히 하락하는 플러딩(flooding)현상이 일어나게 된다. 따라서 연료전지 내의 물 관리를 적절히 할 수 있는 방안에 대한 연구 및 개발이 필요하다. 이 때, 고분자 전해질형 연료전지에서 물 관리를 효과적으로 하게끔 하는 구성 요소가 상기 기체확산층이며, 기체확산층의 구조에 따라 연료전지 내의 물 관리 능력이 달라지게 되며 이러한 기체확산층의 물 관리 능력은 고분자 전해질형 연료전지의 성능과 밀접한 관련이 있다.
미국 등록 특허 8372557 B2
본 명세서는 연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서는 탄소지지체; 및 탄소지지체 상에 구비된 기공층을 포함하고, 상기 기공층은 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴을 포함하고, 상기 제2 기공층 패턴 각각은 상기 기공층의 제1 기공층 패턴이 구비되지 않은 영역 중 일부 또는 전부에 포함되고, 상기 제1 기공층 패턴의 기공률은 상기 제2 기공층 패턴의 기공률보다 큰 것인 연료전지용 기체확산층을 제공한다.
또한, 본 명세서는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 구비된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 어느 하나는 상술한 연료전지용 기체확산층을 포함하는 것인 막-전극 접합체를 제공한다.
또한, 본 명세서는 2 이상의 상술한 막-전극 접합체 및 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 탄소지지체 상에 제1 기공층 패턴 조성물을 도포하여 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계; 및 탄소지지체의 제1 기공층 패턴이 형성되지 않은 면의 일부 또는 전체에 제2 기공층 패턴 조성물을 도포하여 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 기체확산층은 산소를 공급하는 데 최적화된 영역과 물이 잘 배출될 수 있는 영역을 동시에 가짐으로써, 연료공급이 용이함과 동시에 기체확산층 전반에 걸친 물 배출력을 향상시키는 효과를 가진다.
한편, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 이용하여 연료전지용 기체확산층을 제조하는 경우, 프린팅 방법을 이용하여 기체확산층을 형성하기 때문에, 특정한 영역에 원하는 기공, 면적 또는 폭을 갖는 기공층을 형성하는 것이 용이하다.
한편, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 이용하여 연료전지용 기체확산층을 제조하는 경우, 프린팅 방법을 이용하여 기체확산층을 형성하기 때문에, 원하는 패턴 모양의 기공층을 형성하는 것이 용이하다.
도 1은 실험예 1의 상대습도 50RH%에서의 성능테스트 결과를 도시한 것이다.
도 2는 실험예 1의 상대습도 32RH%에서의 성능테스트 결과를 도시한 것이다.
도 3은 실험예 2의 상대습도 50RH%에서의 성능테스트 결과를 도시한 것이다.
도 4는 실험예 2의 상대습도 32RH%에서의 성능테스트 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 막-전극 접합체를 나타낸 것이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지를 나타낸 것이다.
도 8은 기공층 패턴의 선폭을 계산하는 방법을 나타낸 것이다.
도 9는 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 10은 실시예 4 내지 실시예 6의 막-전극 접합체의 단면을 나타낸 도면이다.
이하, 본 명세서에 대하여 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, "또는" 이란 다른 정의가 없는 한, 나열된 것들을 선택적으로 또는 모두 포함하는 경우, 즉 "및/또는"의 의미를 나타낸다.
본 명세서에 있어서, "층"이란 해당 층이 존재하는 면적을 70% 이상 덮고 있는 것을 의미한다. 바람직하게는 75% 이상, 더 바람직하게는 80% 이상 덮고 있는 것을 의미한다.
본 명세서는 탄소지지체; 및 탄소지지체 상에 구비된 기공층을 포함하고, 상기 기공층은 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴을 포함하고, 상기 제2 기공층 패턴 각각은 상기 기공층의 제1 기공층 패턴이 구비되지 않은 영역 중 일부 또는 전부에 포함되고, 상기 제1 기공층 패턴의 기공률은 상기 제2 기공층 패턴의 기공률보다 큰 것인 연료전지용 기체확산층을 제공한다.
상기 연료전지용 기체확산층은 연료인 수소와 산소를 촉매층으로 전달하는 역할을 하면서도 캐소드에서 생성된 물을 밖으로 배출하는 역할을 한다. 물을 밖으로 잘 배출시키기 위하여 기공층의 기공률을 크게 하는 방법이 있으나, 이 경우 물이 지나치게 많이 배출됨으로써 저가습 조건에서 전해질막에 수분을 충분하게 공급할 수 없고, 성능 감소의 문제가 발생하게 된다.
한편, 서로 상이한 기공률을 갖는 기공층이 탄소지지체의 수직한 방향으로 순차적으로 적층된 경우(이하, 적층 구조형 기체확산층), 각 기공층의 상이한 기능이 효과적으로 수행될 수 없다. 따라서, 적층 구조형 기체확산층을 연료전지에 적용하는 경우 성능이 저하되는 문제가 있다(비교예 1 및 비교예 2). 또한, 적층 구조형 기체확산층은 두께 방향의 길이가 길어 연료 가스가 투과하여 촉매층까지 도달하는데 오랜 시간이 걸려 투과 저항이 증가할 뿐만 아니라 제조 단가 또한 상승할 수 있다.
이에, 본 명세서에서는 하나의 기공층 내에 상이한 기공률을 갖는 기공층을 도입하여, 제1 기공층 패턴을 통해 캐소드에서 생성된 물이 잘 배출되게 하면서도, 제2 기공층 패턴을 통해 원료가스의 이동이 원활이 이루어지게 하였다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴의 기공률은 상기 제2 기공층 패턴의 기공률보다 클 수 있다. 이 경우, 제1 기공층 패턴은 물을 잘 배출하고, 반대로 제2 기공층 패턴은 물은 잘 배출하지 않으면서도 연료 가스인 수소 또는 산소를 촉매층으로 고르게 잘 분산시킬 수 있는 효과가 있다. 구체적으로, 상기 제1 기공층 패턴의 기공률을 크게 하여, 캐소드에서 생성된 액상 물(H2O)을 잘 배출하여 액상 물에 의해 발생할 수 있는 플러딩 현상(Flooding)을 방지하였다. 또한, 제2 기공층 패턴의 기공률은 작게 하여 캐소드에서 생성된 액상 물(H2O)이 배출되는 것을 억제하였다. 이 경우, 제2 기공층 패턴의 기공으로 액상 물이 배출되어 기공을 막는 현상을 억제하여, 연료가 기공을 통해 잘 이동할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴은 "물 배출 기공층"으로, 상기 제2 기공층 패턴은 "연료 가스 전달 기공층"으로 각각 명명될 수 있다. 그러나, 상기 명칭으로 그 기능과 성능이 제한되는 것은 아니며, 상기 제1 기공층 패턴과 상기 제2 기공층 패턴의 기능이 구분될 수 있다는 것을 설명하기 위한 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴 각각은 상기 기공층의 제1 기공층 패턴이 구비되지 않은 영역 중 일부 또는 전부에 포함될 수 있다. 이는, 제2 기공층 패턴 각각이 기공층의 제1 기공층 패턴이 구비되지 않은 영역에만 구비된 것을 의미한다. 상기 조건을 달성하기 위하여, 상기 탄소지지체의 일면에 제1 기공층 패턴을 형성하고, 상기 탄소지지체의 일면 중 제1 기공층 패턴이 형성되지 않은 영역에 제2 기공층 패턴을 형성하는 방법이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴 각각이 상기 기공층의 제1 기공층 패턴이 구비되지 않은 영역 중 일부 또는 전부에 포함될 수 있다는 것은, 제1 기공층 패턴 또는 제2 기공층 패턴 각각의 기공층 패턴이 단층 구조를 가지는 것이며, 적층 구조를 가지는 것은 아님을 의미한다. 이는, 제2 기공층 패턴의 어느 지점으로부터 탄소지지체의 표면과 수직한 방향으로 임의의 직선을 그었을 때, 그 직선은 제1 기공층 패턴과 만나지 않는다는 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기공층은 단층 구조를 가지며, 상기 단층 구조 내에 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기공층은 2 이상의 제1 기공층 패턴 및 2 이상의 제2 기공층 패턴을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴의 선폭은 100 ㎛ 이상 2 ㎜ 이하, 바람직하게는 300 ㎛ 이상 1.5 ㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 400 ㎛ 이상 1 ㎜ 이하일 수 있다. 이 경우, 상술한 제1 기공층 패턴의 높은 기공률을 용이하게 달성할 수 있으며, 이를 통해 제1 기공층 패턴에 의한 물 배출 효과가 극대화될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴의 선폭은 100 ㎛ 이상 2 ㎜ 이하, 바람직하게는 300 ㎛ 이상 1.5 ㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 400 ㎛ 이상 1 ㎜ 이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 제2 기공층 패턴에 물 배출 효과가 억제되어, 연료가 효과적으로 전달될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 선폭은 동일할 수 있다. 이 경우, 상술한 제1 기공층 패턴에 의한 물배출효과와 제2 기공층 패턴에 의한 원료 가스 공급 효과가 균형을 이루어 기체확산층의 기능이 증대될 수 있다.
상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 선폭 각각은 각 기공층 패턴을 형성하기 위해 코팅되는 기공층 패턴 조성물의 코팅 횟수를 통해 조절할 수 있다. 예를 들어, 선폭이 1㎛인 기공층 패턴을 형성하기 위하여, 1㎛의 기공층 패턴을 한 번의 코팅으로 형성할 수 있고, 0.5㎛의 선폭의 기공층 패턴을 2회 형성하여 총 선폭이 1㎛인 기공층 패턴을 형성할 수 있다.
상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 선폭은 기체확산층의 기공층 표면을 SEM 사진 또는 광학 현미경 사진을 통해 분석하여 측정할 수 있다. 또한, 상기 제1 기공층 패턴 또는 상기 제2 기공층 패턴의 선폭을 수회 측정하여 평균한 값일 수 있다.
예를 들면, 도 8에 도시한 바와 같이, 각 패턴의 두께 방향에 수직한 방향의 단면에 있어서, 가장 짧은 길이를 의미할 수 있다. 상기 패턴의 선폭은 패턴을 광학 현미경 또는 SEM 사진을 통해 측정할 수 있다.
상기와 같은 패턴의 선폭의 측정 방법은 패턴의 형태가 선형인 경우 외에, 원형 또는 다각형인 경우에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 패턴의 형태가 원형인 경우, 상기 '패턴의 길이 방향'은 패턴이 이루는 '원의 원호(circular arc)의 길이 방향'을 의미할 수 있다.
또한, 패턴의 형태가 다각형인 경우, 상기 '패턴의 길이 방향'은 '패턴의 임의의 변의 길이 방향'을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴의 형태가 삼각형인 경우, 상기 선폭은 삼각형의 어느 한 변의 길이 방향에 수직한 방향의 단면에 있어서의 가장 짧은 길이를 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴의 기공의 평균 크기는 50 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 55 ㎛ 내지 90 ㎛, 더욱 바람직하게는 60 ㎛ 내지 80 ㎛ 일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴의 기공의 평균 크기는 10 ㎛ 내지 60 ㎛, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 55 ㎛, 더욱 바람직하게는 30 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있다.
상기 제1 기공층 패턴과 상기 제2 기공층 패턴의 기공의 평균 크기가 상기 범위를 만족할 때, 제1 기공층 패턴은 물을 잘 배출하고, 제2 기공층 패턴은 물은 잘 배출하지 않으면서도 연료 가스인 수소 또는 산소를 촉매층으로 고르게 잘 분산시킬 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴의 기공률은 30 % 내지 90%, 바람직하게는 40 % 내지 90 %, 더욱 바람직하게는 70 % 내지 90 %일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴의 기공률은 10 % 내지 80 %, 바람직하게는 30 % 내지 70%, 더욱 바람직하게는 30 % 내지 50 %일 수 있다.
상기 제1 기공층 패턴과 상기 제2 기공층 패턴의 기공률이 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 상술한 제1 기공층 패턴의 물 배출 효과는 극대화되고, 제2 기공층 패턴의 물 배출 효과는 감소하여 제2 기공층의 기공을 통한 연료 가스의 전달이 용이한 효과가 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴과 상기 제2 기공층 패턴의 기공의 기공률 및 기공의 평균 크기는 이 기술이 속하는 분야에서 널리 알려진 방법에 의하여 측정될 수 있으며, 예를 들면, 수은 주입 포어측정법((Mercury Intrusion Porosimerty: MIP)의 방법을 통해 측정될 수 있다. 예를 들면, Micrometrics사의 ASAP 2010을 사용하여 최대 950mmHg의 압력 하에서 측정될 수 있다. 또한, 2개 이상의 기공의 크기를 측정한 후에 이를 평균하여 상기 평균 크기로 환산할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 두께는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 5 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 두께 차이는 1㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 ㎛이하일 수 있다. 또한, 하한은 0㎛일 수 있다. 즉, 0㎛ 이상 1㎛ 이하, 바람직하게는 0㎛ 이상 0.5㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0㎛ 이상 0.1㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족하는 경우, 제1 기공층 패턴과 제2 기공층 패턴이 단일층 내에 형성됨으로써, 제1 기공층 패턴에 의한 물 배출 효과와 제2 기공층 패턴에 의한 연료 가스인 수소 또는 산소를 촉매층으로 고르게 잘 분산시킬 수 있는 효과가 서로 균형을 이룰 수 있다. 상기 기공층 패턴의 두께는 기체확산층의 단면 주사전자현미경 사진(Scanning Electron Microscope: SEM)을 통해 측정할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소지지체의 두께는 150 ㎛ 내지 250 ㎛일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴과 탄소지지체가 접하는 면적은 탄소지지체 표면의 전체 면적 대비 40% 이상 100% 미만, 바람직하게는 40% 이상 80% 이하, 더욱 바람직하게는 50% 이상 70% 이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 제1 기공층 패턴을 통한 물 배출 효과가 용이하게 이루어 질 수 있다.
상기 면적은 연료전지용 기체확산층의 SEM 사진을 분석하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 기체확산층의 표면의 SEM 사진에서 제1 기공층 패턴이 차지하는 면적에 대하여, 탄소지지체 전체의 면적을 나누어서 계산된 값일 수 있으며, 계산 과정을 수회 반복하여 나온 값의 평균값일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 상기 제2 기공층 패턴의 형태는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 선형, 원형 및 다각형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 형태인 것일 수 있다. 상기 각 기공층 패턴의 형태는 각 패턴의 수평 방향으로의 단면의 형태를 의미한다.
상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 형태는 프린팅 패턴 입력 방법을 통해 조절될 수 있다. 상기 프린팅 패턴 입력 방법은 구체적으로 원하는 모양을 컴퓨터 그림 파일로 저장하는 방법에 의할 수 있다.
상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 형태는 각 패턴이 서로 겹치지 않는 것이라면 상술한 선형, 원형 및 다각형 외에도 다른 형태일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상술한 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 기공의 평균 크기, 기공률은 각 패턴에 함유되는 탄소 물질의 종류를 변경함으로써 조절될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴은 구형의 카본, 탄소나노튜브(CNT) 및 탄소나노파이버(CNF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 탄소 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴은 탄소나노튜브(CNT)를 포함하고, 구형의 카본 및 탄소나노파이버(CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 탄소 물질을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상술한 제1 기공층 패턴의 기공률은 제1 기공층 패턴이 탄소나노튜브(CNT)를 포함함으로써 조절될 수 있다. 이는 탄소나노튜브(CNT)의 기하학적 구조로 인한 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴은 구형의 카본, 풀러렌(fullerene) 및 그래핀(graphene)으로 군으로부터 선택된 1 이상의 탄소 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴은 각각 테플론을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소지지체는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 카본페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
본 명세서는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 구비된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 어느 하나는 상술한 연료전지용 기체확산층을 포함하는 것인 막-전극 접합체를 제공한다. 본 명세서의 막-전극 접합체의 캐소드 또는 애노드는 상술한 연료전지용 기체확산층을 포함함으로써, 성능을 향상시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 및 상기 애노드는 연료전지용 촉매층을 포함할 수 있다. 즉, 상기 캐소드는 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드는 애노드 촉매층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매층은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면, 촉매 조성물을 상술한 연료전지용 기체확산층 위에 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 이오노머의 함량을 달리한 촉매 조성물을 차례로 도포 및 건조함으로써 복수의 촉매층을 형성할 수도 있다.
상기 촉매 조성물을 기체확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 테이프 캐스팅(tape casting), 바 캐스팅(bar casting), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 분무(spray), 롤링(rolling), 블레이드 코팅(blade coating), 스핀 코팅(spin coating), 제트 코팅(inkjet coating) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 잉크젯 장비를 이용하여 코팅할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중 적어도 어느 하나의 수소 이온 전달 저항은 0.2 Ω cm2 이하, 0.1 Ω cm2 이하, 바람직하게는 0.05 Ω cm2 이하이다. 경우 원활한 수소이온 전달로, 촉매 활용률을 향상할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 촉매층의 수소이온전달저항은 낮으면 낮을수록 좋으므로, 이의 하한치는 특별히 한정하지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 옴 저항은 200 mΩ cm2, 바람직하게는 100 mΩ cm2이하, 더욱 바람직하게는 70 mΩ cm2이하일 수 있다. 이 경우, 막-전극 접합체의 성능 자체가 향상되는 효과가 있다. 상기 막-전극 접합체의 옴 저항은 막-전극 접합체의 캐소드 촉매층 또는 애노드 촉매층을 상술한 연료전지용 촉매 조성물로 제조하여 달성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매층의 수소이온전도도(σ)는 하기 식 1로 계산될 수 있다.
[식 1]
R=t/Aσ
상기 식 1에서, R은 촉매층의 수소이온전달저항, t는 촉매층의 평균두께, A는 촉매층의 면적이다. 촉매층의 평균두께가 10㎛이고, 촉매층의 면적이 25cm2일 때, 상기 촉매층의 수소이온전도도는 0.02 mS cm-1이상일 수 있으며, 구체적으로 0.03 mS cm-1이상일 수 있다. 이 경우 원활한 수소이온 전달로, 촉매 활용률을 향상할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 촉매층의 수소이온전도도는 높으면 높을수록 좋으므로, 이의 상한치는 특별히 한정하지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매층의 평균두께는 3 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로 0.3mgPt/cm2(기준면적(1 cm2)당 Pt의 중량이 0.3mg)를 기준으로 할 때 5 ㎛ 이상 12㎛ 이하일 수 있다. 이 경우, 적절한 기공도와 수소이온전도도를 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질막은 고분자 전해질막일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되며, 상기 고분자 전해질막에 포함된 고분자는 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자 전해질막일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 플루오린기가 없는 탄화수소계 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있으며, 반대로 불소계 고분자는 플루오린기로 포화된 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있고, 상기 부분불소계 고분자는 플루오린기로 포화되지 않은 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리 페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리술폰계고분자, 폴리피롤계 고분자 및 폴리아닐린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자일 수 있다. 상기 고분자는 술폰화(sulfonated)하여 사용될 수 있으며, 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 탄화수소계 고분자를 포함하는 경우, 친수성 블록과 소수성 블록을 포함하는 블록형 공중합체인 탄화수소계 고분자일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 평균두께는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드는 캐소드 촉매층을 포함하고, 캐소드 촉매층은 백금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 촉매를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 애노드는 애노드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드에 포함된 기체확산층은 캐소드 촉매층과 대향하는 면에 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 애노드에 포함된 기체확산층은 애노드 촉매층과 대향하는 면에 구비될 수 있다.
본 명세서는 2 이상의 상술한 막-전극 접합체 및 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
도 9는 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 9를 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(30)을 포함하고, 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (31)을 포함할 수 있다.
상기 연료전지는 당 기술분야에 알려진 재료 및 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 도 7을 참조하면, 상기 연료전지는 스택(60), 연료공급부(80) 및 산화제공급부(70)를 포함하여 형성된다.
상기 스택(60)은 막-전극 접합체(MEA)를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부(80)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(70)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(82)로 주입하여 사용할 수 있다.
상기 스택은 본 명세서의 막-전극 접합체를 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에 이들 사이에는 분리막이 개재된다. 상기 분리막은 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프로 구성될 수 있다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있고, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올을 들 수 있다.
상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로의 예로는 산소를 들 수 있다.
본 명세서는 탄소지지체 상에 제1 기공층 패턴 조성물을 도포하여 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계; 및 탄소지지체의 제1 기공층 패턴이 형성되지 않은 면의 일부 또는 전체에 제2 기공층 패턴 조성물을 도포하여 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법을 제공한다. 이를 도 5에 나타내었다. 도 5에 따르면, 탄소지지체 상에 제1 기공층 패턴을 형성하고, 제1 기공층 패턴이 형성되지 않은 부분에 제2 기공층 패턴을 형성한다.
본 명세서의 연료전지용 기체확산층의 제조방법에 따르면, 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계와 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계는 서로 상이한 시점에 이루어질 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 기공층 패턴이 형성된 후, 탄소지지체의 그 기공층 패턴이 구비되지 않은 면에 다른 기공층 패턴을 형성함으로써, 각 기공층 패턴이 서로 겹치지 않을 수 있다.
예를 들면, 제1 기공층 패턴이 형성된 후, 탄소지지체의 제1 기공층 패턴이 형성되지 않은 면의 일부 또는 전체에 제2 기공층 패턴을 선택적으로 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 상기와 같이 각 기공층 패턴을 선택적으로 형성하기 위하여, 프린팅 방법에 의해 각 조성물을 도포한다. 프린팅 방법을 이용하는 경우, 빠른 시간 안에 선택적으로 각 기공층 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 조성물 및 제2 기공층 패턴 조성물을 도포하는 방법은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 프린팅 방법, 스프레이 도포법 및 슬롯다이 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법에 의한 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계는 제1 기공층 패턴 조성물을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기공층 패턴 조성물을 건조하는 단계는 25℃ 이상 400℃ 이하의 수행 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 상온(25℃)에서 수행될 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 제1 기공층 패턴의 기공 크기와 기공률이 높게 조절될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계는 제2 기공층 패턴 조성물을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 기공층 패턴 조성물을 건조하는 단계는 25℃ 이상 400℃ 이하의 수행 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 상온(25℃)에서 수행될 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 건조 효율이 증대될 수 있으며 탄소지지체의 손상이 억제될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계는 제1 기공층 패턴을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계는 제2 기공층 패턴을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 조성물 및 상기 제2 기공층 패턴 조성물은 증류수, 1-프로판올, 2-프로판올 및 프로필렌글리콜 로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예는 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
<제조예>
제조예 1 및 2에서는 각 기공층 패턴을 형성하기 위한 기공층 패턴 조성물을 제조하였다.
<제조예 1: 제1 기공층 패턴 조성물의 제조>
1.9 g의 구형의 카본과 0.1 g의 탄소나노튜브, 0.5 g의 테플론 분산액을 3 g의 1-프로판올, 12 g의 증류수 혼합 용매에 넣고 400 rpm의 속도로 볼-밀링(ball-milling)을 2 시간 동안 수행하여 제1 기공층 패턴 조성물을 제조하였다.
<제조예 2: 제2 기공층 패턴 조성물의 제조>
2.0 g의 구형 카본과 0.5 g의 테플론 분산액을 3 g의 1-프로판올, 12 g의 증류수 혼합 용매에 넣고 400 rpm의 속도로 볼-밀링(ball-milling)을 2 시간 동안 수행하여 제2 기공층 패턴 조성물을 제조하였다.
<실시예 및 비교예>
상기 제조예에서 제조된 제1 기공층 패턴 조성물 및 제2 기공층 패턴 조성물을 이용하여 연료전지용 기체확산층을 제조하였다.
<실시예 1: 연료전지용 기체확산층 제조>
카본페이퍼 상에 제1 기공층 패턴 조성물을 각각 1mm의 선폭을 갖도록 잉크젯 장비를 이용해 코팅을 하여 2개 이상의 제1 기공층 패턴을 형성하였으며, 조성물의 용매를 상온에서 10분 내지 30분 간 건조하였다. 이때, 제1 기공층 패턴 간의 간격은 1mm이었다.
이후, 카본페이퍼 상의 제1 기공층 패턴들 사이에 제2 기공층 패턴 조성물을 잉크젯 장비를 이용해 코팅을 하여 제2 기공층 패턴을 형성하였으며, 조성물의 용매를 건조하였다. 이때, 제2 기공층 패턴의 선폭은 1mm이었으며, 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 형태는 선형이었으며, 각각 평행한 형태로 배열되었다.
<실시예 2: 연료전지용 기체확산층 제조>
상기 실시예 1에서 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 선폭이 0.5mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 기체확산층을 제조하였다.
<실시예 3: 연료전지용 기체확산층 제조>
상기 실시예 1에서 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 선폭이 5mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 기체확산층을 제조하였다.
<비교예 1: 적층 구조형 연료전지용 기체확산층 제조>
제1 기공층 패턴 조성물을 카본페이퍼 위에 1차 캐스팅을 한다. 이 조성물의 용매를 상온에서 10분 내지 30분 동안 건조하여 제1 기공층 패턴을 형성하였다. 이후, 상기 제1 기공층 패턴 상에 제 2 기공층 패턴 조성물을 2차 캐스팅을 하고, 제2 기공층 패턴 조성물의 용매를 건조하여 제2 기공층 패턴을 형성하였다. 즉, 카본페이퍼, 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 기체확산층을 제조하였다.
<막-전극 접합체의 제조>
상기 제조된 기체확산층을 이용하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
<실시예 4: 막-전극 접합체>
고분자 전해질 막을 애노드용 촉매층과 캐소드용 촉매층 사이에 두고 140℃ 및 10MPa의 압력으로 5분 동안 열압착을 하여 촉매층이 전사된 막을 제조하였다. 이후, 실시예 1의 기체확산층을 촉매층이 전사된 막의 촉매층에 올려놓은 후 45 kgf/cm2크기의 토크로 셀을 체결하여 최종 막-전극 접합체를 제조하였다.
<실시예 5: 막-전극 접합체>
실시예 1의 기체확산층 대신 실시예 2의 기체확산층을 사용한 것 외에는 실시예 4와 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
<실시예 6: 막-전극 접합체>
실시예 1의 기체확산층 대신 실시예 3의 기체확산층을 사용한 것 외에는 실시예 4와 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
도 10에는 상기 실시예 4 내지 실시예 6의 막-전극 접합체의 SEM 단면사진을 나타낸 것이다. 이 경우, 기체확산층의 제1 기공층 패턴과 제2 기공층 패턴의 두께(높이) 차이는 거의 나지 않는 0㎛인 것을 확인할 수 있다.
<비교예 2: 막-전극 접합체>
실시예 1의 기체확산층 대신 비교예 1에 따른 기체확산층을 사용한 것 외에는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
<비교예 3: 막-전극 접합체>
실시예 1에 따른 기체확산층 대신 상용화된 기체확산층(상품명: 39BC, SGL사 제조)을 사용한 것 외에는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다. 비교예 3에서 사용된 기체확산층은 단일한 기공층 패턴을 갖는 구조를 가지므로, 상이한 두 종류의 패턴을 갖는 실시예 4에서 사용된 기체확산층과 차이가 있다.
<실험예 1: 기체확산층 구조에 따른 효과>
기체확산층이 단일한 층 내에 서로 상이한 패턴을 갖는 실시예 4의 경우가 적층 형태의 기체확산층에 비하여 구조적으로 우수한 효과를 나타내는 것을 확인하기 위하여 하기와 같은 실험예 1을 수행하였다.
구체적으로, 상기 실시예 4 및 비교예 2에 따른 막-전극 접합체를 적용한 연료 전지를 이용하여 막-전극 접합체의 성능을 측정하였다.
연료 전지의 온도는 70℃, 상대 습도는 가습기 출구를 기준으로 RH50% 또는 RH32%의 반응물을 공급하는 조건 하에서 수행되었다. 반응물 유량은 연료극으로 1.5 당량, 산화극으로 2.0 당량의 반응물을 각각 공급하였다.
전류의 세기 및 상대습도의 변화에 따른 성능을 측정하였으며, 이에 대한 측정 결과 값은 하기 표 1에 나타내었으며, I-V 특성을 비교하여 도 1 및 도 2에 나타내었다. 도 1은 상대습도 50RH%, 도 2는 상대습도 32RH%에서의 성능 테스트 결과를 나타낸 것이다.
MEA 성능(RH50%)
@600mA/cm2 		MEA 성능(RH50%)
@1000mA/cm2 		MEA 성능(RH32%)
@600mA/cm2 		MEA 성능(RH32%)
@1000mA/cm2
실시예 4 0.68V 0.61V 0.68V 0.56V
비교예 2 0.63V 0.53V 0.64V 0.50V
상기 표 1에서 @는 실시예 4 및 비교예 2에 따른 막-전극 접합체의 성능 비교시 각각 @600mA/cm2, @1000mA/cm2 하에서 전압을 측정한 것을 의미한다.@600mA/cm2 하에서 전압 측정시, 실시예 4에 따른 막-전극 접합체의 경우 비교예 2에 따른 막-전극 접합체의 성능보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이는, 기체확산층이 적층 형태인 비교예 2에 비하여, 성능이 서로 상이한 기체확산층이 개별적으로 구비된 실시예 4에 따른 막-전극 접합체의 기체확산층의 연료 전달 성능이 우수하였기 때문이다.
@1000mA/cm2 하에서 전압 측정시, 실시예 4에 따른 막-전극 접합체의 경우 비교예 2에 따른 막-전극 접합체의 성능보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 연료전지 구동시, 고전류 영역에서는 생성물인 물의 생성량 증가로 인하여 플러딩(flooding) 현상이 생기며, 물질 전달 저항이 크게 증가하는 현상이 있다.
이와 관련하여, 비교예 2에 따른 막-전극 접합체에 비해, 실시예 4에 따른 막-전극 접합체의 경우, 물 빠짐 효과가 우수한 제1 기공층 패턴에 의해 물 빠짐이 우수하면서도, 연료 가스의 전달 성능이 우수한 제2 기공층 패턴에 의하여 연료 가스의 전달이 원활히 이루어졌기 때문이다.
따라서, 본 명세서에 따른 기체확산층을 연료 전지에 적용하는 경우, 다양한 가습 조건에서 안정적인 막-전극 접합체의 성능을 발현할 수 있고, 내구성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2>
패턴의 선폭의 길이에 따른 효과를 확인하기 위하여 하기와 같은 실험예 2를 수행하였다.
도 3 및 도 4는 실시예 4 내지 6 및 비교예 3에 막-전극 접합체를 이용한 연료전지의 성능테스트 결과를 도시한 것이다. 도면의 39BC는 비교예 3의 막-전극 접합체를 사용한 연료전지를 의미하고, 1mm pattern은 실시예 4, 0.5mm pattern은 실시예 5, 5mm는 실시예 6의 막-전극 접합체에 포함되는 기체확산층의 각각의 기공층 패턴의 선폭의 길이를 의미한다.
도 3은 상대습도 RH50% 조건에서의 테스트 결과를 나타낸 것이고, 도 4는 상대습도 RH32% 조건에서의 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 서로 상이한 기능을 갖는 패턴이 형성된 기체확산층을 적용한 경우(실시예 4 내지 6), 물배출 효과 및 연료공급의 분리된 성능을 효과적으로 확보할 수 있는 장점이 있다. 이로써, I-V 특성이 우수한 효과를 갖는다.
반면에, 비교예 3의 경우, 기체확산층은 단일한 구조를 갖는 기체확산층을 갖기 때문에, 상술한 물배출 효과 및 연료공급의 두가지 성능이 효과적으로 분리되지 않고, 고전류에서 발생한 물이 기체확산층 또는 패턴에 침투하게 되어 성능이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 기체확산층의 패턴의 선폭이 2 ㎜ 이하인 실시예 4(1㎜) 및 실시예 5(0.5㎜)의 경우, 패턴의 선폭이 2 ㎜를 초과하는 실시예 6(5㎜)에 비하여 I-V 특성이 우수한 효과를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
이는, 패턴의 선폭을 일정 수준 이하로 조절하는 경우, 제1 기공층 패턴에 의한 물 배출효과와 제2 기공층 패턴에 의한 연료의 전달 현상이 효과적으로 조절되었기 때문이다. 반면에, 패턴의 선폭이 2 ㎜를 초과하는 실시예 6의 경우 패턴의 선폭이 지나치게 크기 때문에, 물 배출이 원활하게 되지 않고, 연료의 전달이 효과적으로 수행되지 않으므로, I-V 특성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 막-전극 접합체의 성능 측정을 위해 나라셀텍 연료전지 평가 장비를 사용하였다.
10: 고분자 전해질막
20, 21: 촉매층
30, 31: 기공층
40, 41: 탄소지지체
50, 51: 기체확산층
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프

Claims (18)

  1. 탄소지지체; 및 탄소지지체 상에 구비된 기공층을 포함하고,
    상기 기공층은 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴을 포함하고,
    상기 제2 기공층 패턴 각각은 상기 기공층의 제1 기공층 패턴이 구비되지 않은 영역 중 일부 또는 전부에 포함되고,
    상기 제1 기공층 패턴의 기공률은 상기 제2 기공층 패턴의 기공률보다 크고,
    상기 제1 기공층 패턴의 선폭은 400 ㎛ 이상 1 ㎜ 이하이고,
    상기 제2 기공층 패턴의 선폭은 400 ㎛ 이상 1 ㎜ 이하이고,
    상기 제1 기공층 패턴은 구형의 카본 및 탄소나노튜브(CNT)를 포함하고,
    상기 제2 기공층 패턴은 구형의 카본, 풀러렌 및 그래핀 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 탄소 물질을 포함하는 것인 연료전지용 기체확산층.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴의 기공의 평균 크기는 50 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인 연료전지용 기체확산층.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴의 기공의 평균 크기는 10 ㎛ 내지 60 ㎛인 것인 연료전지용 기체확산층.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 두께는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 5 ㎛ 내지 50 ㎛인 것인 연료전지용 기체확산층.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 제2 기공층 패턴의 두께 차이는 1㎛ 이하인 것인 연료전지용 기체확산층.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소지지체의 두께는 150 ㎛ 내지 250 ㎛인 것인 연료전지용 기체확산층.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴과 탄소지지체가 접하는 면적은 탄소지지체 표면의 전체 면적 대비 40% 이상 100% 미만인 것인 연료전지용 기체확산층.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 및 상기 제2 기공층 패턴의 형태는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 선형, 원형 및 다각형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 형태인 것인 연료전지용 기체확산층.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 구비된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 어느 하나는 청구항 1, 4 내지 10 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 기체확산층을 포함하는 것인 막-전극 접합체.
  14. 2 이상의 청구항 13의 막-전극 접합체 및 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지.
  15. 탄소지지체 상에 제1 기공층 패턴 조성물을 도포하여 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계; 및
    탄소지지체의 제1 기공층 패턴이 형성되지 않은 면의 일부 또는 전체에 제2 기공층 패턴 조성물을 도포하여 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴을 형성하는 단계는 상기 제1 기공층 패턴 조성물을 건조하는 단계를 더 포함하는 것인 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 기공층 패턴을 형성하는 단계는 상기 제2 기공층 패턴 조성물을 건조하는 단계를 더 포함하는 것인 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 기공층 패턴 조성물 및 상기 제2 기공층 패턴 조성물을 도포하는 방법은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 프린팅 방법, 스프레이 도포법 및 슬롯다이 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법에 의한 것인 연료전지용 기체확산층의 제조방법.
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