KR20060093792A - 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매층과 촉매층을 지지하는 기체 확산층을 포함하고, 상기 기체 확산층은 기공의 크기가 서로 상이한 두 개 이상의 영역을 포함하며, 세퍼레이터의 반응 가스 입구에 상응하는 영역이 출구에 상응하는 영역에 비하여 기공의 크기 및 기공도가 더욱 큰 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

상기 기체 확산층은 세퍼레이터와 접하는 입, 출구 영역간의 기공도 및 기공의 크기를 달리함으로써, 상기 입구 영역에서 물의 배출이 용이해지고, 출구 영역에서 물의 배출이 지연시켜 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막의 수분 함습도를 균일하게 유지시킨다.

연료전지, 다공성 고분자층, 기체 확산층, 막/전극 어셈블리, 세퍼레이터, 다공도, 함습도

Description

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{ELECTRODE FOR FUEL CELL, AND A FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}

도 1은 연료 전지용 스택의 구조를 보여주는 분해 사시도이다.

도 2는 연료 전지의 구동원리를 보여주는 모식도이다.

도 3a는 통상적인 세퍼레이터의 유로 채널의 형상을 나타낸 모식도이다.

도 3b는 상기 도 3a의 세퍼레이터의 유로 채널에 따라 본 발명에서 제시하는 기체 확산층을 나타낸 모식도이다.

도 3c는 상기 도 3a의 세퍼레이터의 유로 채널에 따라 본 발명에서 제시하는 발수 코팅된 기체 확산층을 나타낸 모식도이다.

도 4는 본 발명의 연료전지용 기체 확산층을 포함하는 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다.

도 5는 상기 도 4의 막-전극 어셈블리(MEA)와 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터가 조립된 연료전지의 전기발생부의 일 예를 보여주는 부분 단면 구성도이다.

[산업상 이용 분야]

본 발명은 고분자 전해질막의 수분 함습도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 기체 확산층의 소정 분할 영역 및 나머지 영역간 기공의 크기 및 기공도를 달리 형성한 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

[종래 기술]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올 및 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르다.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택 및 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이러한 연료전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키는 전기 발생부가 적어도 하나 이상 적층 형성된 연료전지 스택을 구비하고 있다.

도 1은 연료전지 스택을 나타내는 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 연료전지 스택(11)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA, 12)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(Separator, 또는 Bipolar Plate, 16)로 이루어진 단위 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 형태로 이루어진다. 여기서, 스택(11)의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터(16)는 엔드 플레이트(13)로 정의할 수 있다.

상기 막-전극 어셈블리(12)는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가지며, 이들 전극들은 산화 반응에 의해 연료 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)으로 구성된다.

또한, 상기 세퍼레이터(16)는 각각의 막-전극 어셈블리(12)를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 연료 가스와 산소를 각각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

도 2는 연료전지 시스템의 구동원리를 보여주는 모식도이다.

도 2를 참조하면, 세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 기체가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 하기 반응식과 같이 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.

애노드 전극: H₂ ⇒ 2H⁺ + 2e^-

캐소드 전극: 2H⁺ + 1/2 O₂ + 2e^- ⇒ H₂O

상기 반응식에 따르면, 연료 전지 반응 수행 후 캐소드 전극 측에서 물이 발생하며, 이는 막-전극 어셈블리로 산소를 공급하는 세퍼레이터의 입구 영역에서 반응율이 높아 더욱 많은 양으로 발생한다. 상기 생성된 물은 즉각적으로 출구를 통해 제거되어야 하며 그러지 못할 경우, 세퍼레이터를 거쳐 주입되는 산소의 공급압이 점차 상승하게 될 뿐만 아니라, 상기 막-전극 어셈블리 내의 고분자 전해질막의 함수율이 증가한다.

통상적으로, 연료전지 시스템의 고분자 전해질막은 함수율이 증가함에 따라 애노드 전극에서 생성된 수소 이온의 전도도가 증가하기 때문에 일정 수준의 수분을 함유하도록 한다. 그러나, 지나친 수분의 함량은 기체 확산층 또는 세퍼레이터의 가스 유로의 폐색을 유도하여, 결과적으로 가스 확산이 저하되어 전지 성능이 극단적으로 열화되는 플러딩(flooding) 상태로 된다.

따라서, 고성능의 고분자 전해질형 연료전지를 제작하기 위해서는 상기 고분자 전해질막을 적당한 습윤상태를 유지하면서 지나친 수분을 안전하고 신속하게 제거하는 것이 필요하다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고분자 전해질막의 수분 함습도를 일정하게 유지시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시 스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매층과 촉매층을 지지하는 기체 확산층을 포함하고, 상기 기체 확산층이 기공의 크기가 서로 상이한 두 개 이상의 영역을 포함하며, 세퍼레이터의 반응 가스 입구에 상응하는 영역이 출구에 상응하는 영역에 비하여 기공의 크기나 기공도가 더 큰 연료전지용 전극을 제공한다.

이때, 상기 기체 확산층은 세퍼레이터의 반응가스 입구에 상응하는 영역의 기공의 크기는 2 내지 60 ㎛이고, 출구에 상응하는 영역의 기공의 크기는 0.5 내지 20 ㎛로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은

a) i) 상기 기체 확산층과 촉매층을 구비하는 애노드 및 캐소드와, 상기 애노드 및 캐소드 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및

ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 위치하며, 입구 및 출구 유로가 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부;

b) 연료공급부; 및

c) 공기공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 연료전지의 스택을 구성하는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 세퍼레이터(Separator, 16)가 조립된 상태를 보여주는 부분 단면 구성도이다

도 1을 참조하면, 연료전지 스택(11)은 막-전극 어셈블리(12)와 세퍼레이터(16)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리(12)는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가지며, 상기 애노드 및 캐소드 전극은 고분자 전해질막과 접촉 형성된 촉매층과, 상기 촉매층과 접촉 형성된 기체 확산층(Gas diffusion layer; GDL)으로 구성된다. 또한, 상기 세퍼레이터(16)는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 가스 유로가 형성된다.

기체 확산층은 세퍼레이터와 접촉 형성되어, 상기 세퍼레이터의 가스 유로로부터 촉매층 안의 촉매로 균일하게 연료가스 또는 공기 등의 반응가스를 공급하기 위한 확산 기능을 하는 가스 투과능과, 촉매층에서 반응에 의해 생성된 물을 신속하게 가스 유로로 배출하는 기능을 하는 물 투과능과, 반응에 필요하거나 반응 중 생성된 전자를 도전하는 도전 기능을 하는 전자 도전성의 기능을 수행한다. 상기한 기능을 수행하기 위해 기체 확산층은 일반적으로 다공성이 있는 도전성 기재가 사용되고 있다. 이러한 도전성 기재로는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 클로쓰(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 세퍼레이터의 반응가스 입구에 상응하는 영역의 기공의 크기는 2 내지 60 ㎛이고, 출구에 상응하는 영역의 기공의 크기는 0.5 내지 20 ㎛인 기체 확산층을 사용한다. 상기 기체 확산층과 접하는 세퍼레이터의 가스 유로의 입 구 영역에서 생성된 물을 용이하게 배출시키고, 출구 영역에서 배출되는 물의 흐름을 지연시켜, 상기 기체 확산층의 수증기 투과능을 높일 뿐만 아니라 고분자 전해질막의 수분 함습도를 균일하게 유지할 수 있다.

도 3a는 통상적인 세퍼레이터의 가스 유로 채널의 형상을 도식한 모식도이고, 도 3b는 상기 도 3a의 세퍼레이터의 가스 유로 채널에 따라 본 발명에서 제시하는 기체 확산층을 도식한 모식도이다.

도 3a를 참조하면, 세퍼레이터는 일측 상부에 공기를 공급하기 위한 입구 매니폴드가 위치하고, 일측 하부에 공급된 공기가 배출되는 출구 매니폴드가 위치하며, 상기 입구 및 출구 매니폴드와 연결되며 공기가 이송되는 지그재그형(또는 S자형)의 유로를 갖는다. 이때, 편의상 도 3a와 같이 상기 세퍼레이터의 입구 영역(A) 및 출구 영역(B)을 나타내었다.

도 3b를 참조하면, 본 발명에서는 도 3a와 같은 유로 형태를 지닌 세퍼레이터의 A 영역과 접하는 기체 확산층의 A ′영역과, 세퍼레이터의 B 영역과 접하는 기체 확산층의 B ′영역의 기공의 크기를 서로 달리하여 형성하도록 한다.

즉, 세퍼레이터의 가스 유로의 입구 영역(A 영역)에서는 막-전극 어셈블리로 주입되는 산소의 환원 반응으로 인해 물이 다량 발생됨에 따라 상기 생성된 물을 용이하게 배출시키기 위해 기체 확산층의 A′영역의 기공의 크기를 2 내지 60 ㎛, 바람직하기로 5 내지 30 ㎛ 의 범위로 한다.

이와 반대로, 세퍼레이터의 가스 유로의 출구 영역(B 영역)에서는 막-전극 어셈블리에서 발생된 물이 배출되고, 이러한 물의 배출을 지연시켜 막-전극 어셈블 리 내의 고분자 전해질막의 수분의 함습도를 유지시키기 위해 상기 기체 확산층의 B' 영역의 기공의 크기를 0.5 내지 20 ㎛, 바람직하기로 1 내지 10 ㎛ 의 범위로 한다. 이때, 상기 기체 확산층의 기공의 크기가 상기 범위를 벗어나게 되면, 물의 흐름을 지나치게 지연시켜 과량의 물이 존재하거나(flooding), 이와 반대로 물의 배출 속도가 증가하여 고분자 전해질막의 수분 함습도가 저하되어 연료 전지의 효율이 저하될 우려가 있다.

본 발명에 따라 다공도를 달리한 기체 확산층의 모식도를 도 3a 및 3b에서 편의상 도시하였으나, 이때 기체 확산층은 세퍼레이터의 반응가스 입구에 상응하는 영역과 출구에 상응하는 영역이 넓이가 2:8 내지 8:2의 비율이 되도록 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기론 1:1로 한다.

또한, 본 발명의 기체 확산층은 수증기 투과성을 높이기 위해 발수성 고분자로 코팅할 수 있다. 이때, 발수 처리되는 영역은 기체 확산층 전면에 걸쳐 수행하거나, A″영역, 즉 세퍼레이터의 가스 유로의 입구 영역과 접하는 영역에만 코팅할 수 있으며, 이 경우 기체 확산층의 가스 투과능을 고려하여 기공의 크기를 상기 범위 내에서 증가시킬 수 있다.

도 3c는 상기 도 3a의 세퍼레이터의 가스 유로 채널에 따라 본 발명에서 제시하는 기체 확산층을 도식한 모식도로, 빗금친 영역(A″)에서만 발수 처리를 수행하여 B ″영역은 발수 처리를 하지 않는다. 상기 발수성 고분자는 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나, 불소계 고분자가 사용되며, 대표적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(poyl(tetrafluoroethylene); PTFE), 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌 등이 가능하다.

이때, 상기 기체 확산층의 재질인 카본 페이퍼, 카본 클로쓰 및 카본 펠트의 표면은 카본 섬유에 의해 바늘 형성의 요철이 있어 이를 직접 촉매층에 접착시킬 경우 핀홀이 발생할 있어, 상기 발수 처리는 촉매층과 접하는 영역에만 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 세퍼레이터의 반응가스 입구에 상응하는 영역의 기공도가 70 내지 80 %이고, 출구에 상응하는 영역의 기공도가 65 내지 75%가 되도록 한다. 이때, 상기 기공도가 상기 범위 미만이면 발수 처리가 심하게 되어 기체 확산층의 기공도를 떨어드려 연료의 확산 및 물 배출에 용이하지 않으며, 85%를 초과하면 기체 확산층의 기계적 강도가 저하되고, 기체 확산층 내에서 생성된 물에 의하여 플로딩 현상이 일어나 바람직하지 않다.

이러한 기체 확산층은 발수 처리가 되어 있지 않고, 현재 상용화되어 있는 되는 것을 구입하여 사용하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌 등의 발수 처리제를 사용한다. 그 결과, 입구 부분과 출구 부분의 발수 처리 농도를 달리함으로써 기체 확산층의 함침량의 조절이 가능하며, 다공도 및 기공의 크기를 조절한다.

이와 같은 기체 확산층은 애노드 전극 및 캐소드 전극 모두에 적용할 수 있으며, 바람직하기로 산소가 주입되는 캐소드 전극에 적용할 수 있다.

고분자 전해질막은 막의 수소이온 전도성을 향상시키기 위해 항상 일정 수준의 수분을 함유하며, 이에 연료전지는 일정한 정도의 습도가 유지되는 상태에서 작 동하기 때문에 적절한 수준의 습도 유지가 중요하므로, 본 발명에서와 같이 기체 확산층의 다공도를 조절하여 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막의 수분 흡습도를 균일하게 유지할 수 있게 된다. 또한, 종래 캐소드 전극에서 물의 발생에 의해 공기 공급시 압력이 증가되는 문제를 효과적으로 억제할 뿐만 아니라 상기 생성된 물의 흐름을 효과적으로 제어하여 고분자 전해질막의 수분 함습도를 균일하게 유지시킬 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 기체 확산층은 모든 연료전지 시스템에 적용가능하며, 특히 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)와 직접 메탄올 전지(DMFC)에 바람직하게 적용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 연료전지용 기체 확산층을 포함하는 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 a) i) 전술한 바의 기체 확산층과 촉매층을 구비하는 한쌍의 전극과, 상기 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리(100); 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리(100)의 양측면에 위치하는 세퍼레이터(101, 101′)를 포함하는 전기발생부(110); 연료공급부(120); 및 공기공급부(130)를 포함한다.

도 5는 상기 막-전극 어셈블리(MEA)와 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터이 조립된 연료전지의 전기발생부(110)의 일 예를 보여주는 부분 단면 구성도이다.

도 5를 참조하면, 연료전지의 전기발생부(110)는 세퍼레이터(101, 101´)이 막-전극 어셈블리(100)를 사이에 두고 양면에 밀착 배치되고, 상기 막-전극 어셈블 리(100)는 촉매층(29)과 기체 확산층(28)으로 구성된 애노드 전극 및 상기 애노드 전극과 대향하여 형성되며 촉매층(32)과 기체 확산층(31)으로 구성된 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막(33)을 포함한다.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구성하는 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매 또는 담지체에 담지된 것을 사용한다.

상기 애노드 전극 측에 위치한 세퍼레이터(101)의 유로홈(15)을 통해 수소를 포함하는 연료가 이송되며, 상기 캐소드 전극 측에 위치한 세퍼레이터(101′)의 유로홈(또는 공기통로, 17)을 통해 산소가 이송된다. 이때, 수소를 포함하는 연료를 공급하는 유로홈(15)은 산소를 공급하는 유로홈(17)과 평행하게 형성되거나, 경우에 따라서 직각으로도 형성될 수 있다.

상기 막-전극 어셈블리(100)의 일면을 형성하는 애노드 전극은 세퍼레이터(101)와 막-전극 어셈블리(100) 사이에 형성되는 유로홈(15)을 통하여 수소를 포함하는 연료를 공급받는 부분이다. 본 발명에 따른 기체 확산층(28)을 통하여 수소를 포함하는 연료를 촉매층(29)으로 공급하고, 이 촉매층(29)에서 수소를 포함하는 연료를 산화 반응시켜, 생성된 전자를 외부 회로를 통해 캐소드 전극으로 이동시키고, 수소 이온을 고분자 전해질막(33)을 통하여 캐소드 전극으로 이동시킨다.

또한, 캐소드 전극은 세퍼레이터(101′)와 막-전극 어셈블리(100) 사이에 형성되는 유로홈(17)을 통해 산소가 함유된 공기를 공급받는 부분으로써, 본 발명에 따른 기체 확산층(32)을 통하여 공기를 촉매층(31)으로 공급하고, 이 촉매층(31)에서 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 물을 생성하게 된다.

상기 고분자 전해질막(33)은 두께가 50∼200 ㎛인 고체 폴리머로 형성되어, 애노드 전극의 촉매층(29)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층(31)으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.

상기 전기 발생부의 막-전극 어셈블리에 포함되는 연료전지용 고분자 전해질막은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실 시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1: 전극 및 단위 전지의 제조)

백금이 담지된 카본분말(Pt/C) 20 중량부, 폴리비닐알코올 10 중량부 및 물 70 중량부, 나피온 용액 5 중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조한 다음, 기공도가 0.004∼140 ㎛을 가지는 카본 페이퍼에 코팅하여 전극을 제조하였다. 이때, 사용된 카본 페이퍼는 5*5 (cm)로 1:1의 비율로 다공도가 서로 다르도록 제조하였다.

상기 제조된 전극을 애노드 및 캐소드로 하여 그 사이에 Nafion(DuPont사 제품) 고분자 막을 놓고 120 ℃에서 1 분간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다.

상기 제조된 막/전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.

(실시예 2)

100 ㎛(높은 수치)인 기공 크기를 갖는 카본 페이퍼의 일측 분할 영역을 테프론으로 발수 처리한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

(비교예 1)

기공의 크기가 30㎛(낮은 수치)인 카본 페이퍼를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

(비교예 2)

기공의 크기가 100㎛(높은 수치)인 카본 페이퍼를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

(실험예)

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 단위전지의 연료 효율을 측정한 결과, 실시예 1 및 2의 단위전지가 비교예 1 및 2의 그것에 비하여 출력 전압이 증가함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 실시예 1 및 2의 단위전지는 고분자 전해질막의 수분 함습량이 일정하고, 비교예 1 및 2의 수분 함습량은 점차적으로 감소함에 기인한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 기체 확산층은 세퍼레이터의 입, 출구 영역과 접하는 영역간의 다공도를 달리하여 형성함으로써, 상기 세퍼레이터의 입구 영역에서 물의 배출을 용이하게 하고 출구 영역에서 물의 배출을 지연시켜 막-전극 어셈블리의 수축 팽창을 억제하고 고분자 전해질막의 수분 함습도를 균일하게 유지시킬 수 있어 고 효율의 연료전지의 제작이 가능해진다.

Claims (10)

1. 촉매층과 촉매층을 지지하는 기체 확산층을 포함하고, 상기 기체 확산층이 기공의 크기가 서로 상이한 두 개 이상의 영역을 포함하고, 세퍼레이터의 반응 가스 입구에 상응하는 영역이 출구에 상응하는 영역에 비하여 기공의 크기나 기공도가 더욱 큰 연료전지용 전극.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기체 확산층은 세퍼레이터의 반응가스 입구에 상응하는 영역의 기공의 크기가 2 내지 60 ㎛이고, 출구에 상응하는 영역의 기공의 크기가 0.5 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기체 확산층은 세퍼레이터의 반응가스 입구에 상응하는 영역과 출구에 상응하는 영역의 비율이 2:8 내지 8:2인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기체 확산층은 반응가스 입구에 상응하는 영역의 기공도는 70 내지 80%이고, 출구에 상응하는 영역의 기공도는 65 내지 75%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
5. 제 1항에 있어서, 상기 기체 확산층은 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천 (carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
6. 제 1항에 있어서, 상기 기체 확산층은 발수성 고분자로 코팅하여 발수 처리된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
7. 제 6항에 있어서, 상기 발수성 고분자는 불소계 고분자인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
8. 제 6항에 있어서, 상기 발수 처리는 기체 확산층의 전면에 걸쳐 수행하거나, 일부에 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
9. a) i) 제 1항 내지 제 8항 중 어느 하나의 항에 따른 전극을 포함하는 애노느 및 캐소드와, 상기 애노드 및 캐소드 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및

   ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 위치하며, 입구 및 출구 유로가 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부;

   b) 연료공급부; 및

   c) 공기공급부를 포함하는 연료전지 시스템.
10. 제 9항에 있어서, 상기 기체 확산층은 기공의 크기가 서로 상이한 두 개 이상의 영역을 포함하고, 세퍼레이터의 반응 가스 입구에 상응하는 영역이 출구에 상응하는 영역에 비하여 기공의 크기나 기공도가 더욱 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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