KR20160034589A - 연료전지 스택 - Google Patents

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KR20160034589A KR1020140125704A KR20140125704A KR20160034589A KR 20160034589 A KR20160034589 A KR 20160034589A KR 1020140125704 A KR1020140125704 A KR 1020140125704A KR 20140125704 A KR20140125704 A KR 20140125704A KR 20160034589 A KR20160034589 A KR 20160034589A
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 촉매층에 수용성 물질을 배합하거나, 캐소드 전극의 외측에 수용성 물질이 혼합된 삼투압유도층을 형성하거나, 연료전지 스택의 캐소드 입구 측에 수용성 물질을 분사하는 분사수단을 더 포함함으로써, 애노드 전극 측에 물을 캐소드 전극 측으로 유도함에 따라 전극 부식을 예방하여 막전극접합체의 성능 및 내구 성능이 향상되는 연료전지 스택을 제공함으로써, 저전류 운전 시, 역확산에 의해 애노드 전극에 집중되는 수분으로 인한 캐소드 전극의 부식은 물론, 애노드 플러딩에 의해 발생되는 부분적 역전압에 의한 애노드 전극 부식을 미리 예방할 수 있으며, 이로 인해 수소의 과공급을 억제할 수 있으므로 연비 절감에 효과가 있고, 고전류 운전 시, 캐소드 전극에 수분을 유지시킴에 따라 강한 유속으로 인해 발생하는 Dry현상으로 막 및 이오노머의 열화를 지연시킬 수 있으며, 연료전지 스택의 내구성능 향상으로 인해, 부품교체 및 셀 리페어의 회수에 따른 횟수를 줄일 수 있으므로 장기적인 비용절감을 기대할 수 있다.

Description

연료전지 스택{A fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 애노드 전극 측에 물을 캐소드 전극 측으로 유도함에 따라 전극 부식을 예방하여 막전극접합체의 성능 및 내구 성능이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 수소자동차에는 수소를 연료로 하는 고분자 연료전지 스택이 장착되며, 이 연료전지 스택은 막전극접합체의 양측에 수소 및 공기를 흘려주어 아래 식1 및 식2와 같은 전기-화학반응을 통해 모터를 구동시킬 수 있는 전기에너지를 얻는다.
식1>
연료극(애노드,-) : 2H2 -> 4H+ + 4e-
식2>
공기극(캐소드,+) : O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O + Heat
상기한 식1,2를 통해 발생된 전기에너지 외에도 부수적으로 물과 열이 생성되는데, 그 양은 운전조건, 반응특성, 스택의 구성부품 및 운전장치의 구성부품에 따라 다양하며, 이는 연료전지 스택의 내구성능에 직결된다.
따라서, 물과 열의 생성을 억제함에 따라 연료전지 스택의 내구성능을 향상시키기 위해 상기한 다양한 요소 중 연료전지 스택의 핵심 부품인 막전극접합체의 전극 및 막의 내구성능을 향상시킴에 따른 연료전지 스택이 요구된다.
여기서, 전극의 경우, 다습하고, 전압이 높은 환경에서 아래 식3과 같이, 탄소가 부식됨에 따른 Pt(백금)촉매의 지지층이 사라지기 때문에 Pt가 뭉쳐지거나 탈락되는 등의 화학적 반응으로 면적이 줄어들어 연료전지 스택의 내구성능이 저하되는 경우가 발생한다.
식3>
C + 2H2O -> CO2 + 4H+ + 4e-
위 식3에 따라 탄소 부식의 원인 물질은 물(H2O)이며, 연료전지 스택 막전극접합체 내에서 물의 이동은 아래 그림1과 같다.
Figure pat00001
[그림1]
여기서, 막전극접합체를 통한 물의 이동은 생성된 전류의 크기 즉, 고전류와 저전류 구간에서 크게 달라진다.
우선, 고전류 구간에서 연료전지 스택 내 수분의 이동은 아래 그림2에 도시된 바와 같이, 전기적삼투압(Electro osmotic drag)이 우세하며, 이는 캐소드 전극 측으로 이동하는 수소 이온의 양이 증가함에 따라 수분이 캐소드 전극에 집중되는 것이다.
즉, 캐소드 전극에 수분이 있는 경우, 공기와 캐소드 전극과의 접촉을 방해할 수 있지만, 캐소드 전극을 통해 유입되는 공기의 유속이 매우 세기 때문에 대부분 공기에 의해 제거되며 연료전지 스택의 전극 내구성능에는 크게 영향을 주지 않는다.
Figure pat00002
[그림2]
한편, 저전류 구간에서 연료전지 스택 내 수분의 이동은 아래 그림3에 도시된 바와 같이, 역확산(Back diffusion)이 우세하며, 이는 캐소드 전극 측에 응축되었던 많은 양의 수분이 상대적으로 수분이 적은 애노드 전극 측으로 확산된다.
Figure pat00003
[그림3]
따라서, 역확산으로 인해 애노드 전극 측에 물이 고인 경우, 캐소드 전극의 부식을 유발되는 것을 아래 그림4에서 확인할 수 있다.
Figure pat00004
[그림4]
즉, ① 애노드 전극 측에 물이 고이면, ② 막전극접합체를 사이에 두고 투과한 공기가 애노드 전극 측 표면에 흡착하게 되고, ③ 이의 반대편 캐소드 전극은 1.4V 이상의 고전압에 노출되며, ④ 이 캐소드 전극에 걸린 고전압에 의해 캐소드 전극 측의 탄소가 부식된다.
따라서, 애노드 전극은 캐소드 전극에 비해 상대적으로 가스의 유속이 빠르지 않아 물의 배출이 원활히 이루어 지지 않는 단점이 있으며, 탄소 부식에 따른 캐소드 전극이 소실되어 전극의 두께가 얇아지는 문제점이 발생함과 아울러, 연료전지 스택의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서는 애노드 전극 측의 수소 유량을 크게 할 수 있지만, 저전류 구간에서 과량의 수소가 애노드 전극에 흐르는 경우, 전기-화학 반응에 참여하지 않는 수소는 그대로 배출되므로 수소를 연료로 하는 자동차의 연비 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
이러한 문제점에 착안하여 연료전지 스택의 내구성 향상을 위한 기술로 ① US 8551667(Hydrogel barrier for fuel cells)와 ② US 5358799 A(Fuel cell)이 제안된 바 있으며, ①의 경우, 액상 전해질과 캐소드 전극 사이에 하이드로 겔 장애물을 비치하여 캐소드에서 생성된 물이 하이드로 겔 장애물을 통해 액상 전해질 측으로 유도하는 기술이고, ②의 경우, 연료전지 물관리시스템(water management system)이라는 구성에서 중공막(hollow member)을 적용하여 캐소드 전극 측의 물을 애노드 전극 측으로 이동시키는 기술이다.
상기한 ① ② 기술의 경우, 기본적으로 삼투압을 이용하여 물을 이동시키는 기술이지만, 각각에 하이드로 겔 장애물과 물관리시스템이라는 구조적인 구성이 더 추가되어야 하므로 이에 따른 제작비용이 상승되는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 촉매층에 수용성 물질을 배합하거나, 캐소드 전극의 외측에 수용성 물질이 혼합된 삼투압유도층을 형성하거나, 연료전지 스택의 캐소드 입구 측에 수용성 물질을 분사하는 분사수단을 더 포함함으로써, 애노드 전극 측에 물을 캐소드 전극 측으로 유도함에 따라 전극 부식을 예방하여 막전극접합체의 성능 및 내구 성능이 향상되는 연료전지 스택을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly), 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓(Gasket) 및 분리판(Separator)을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(unit-cell)을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질막(poly electrolyte membrane)과; 이 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머(ionomer)를 유기용매에 용해함과 아울러, 삼투압(osmotic)을 유도하는 수용성 물질을 배합하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층을 형성하되, 각각의 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극 중에 캐소드 전극이 애노드 전극 보다 높은 농도의 수용성 물질이 배합된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
또한, 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; 상기 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층과; 각각의 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극 중에 상기 캐소드 전극의 외측에 코팅되며, 상기 애노드 전극의 물을 상기 캐소드 전극으로 유도하도록 수용성 물질이 혼합된 반투막으로 이루어진 삼투압유도층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
한편, 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; 상기 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층을 포함하여 구성하되, 상기 연료전지 스택의 양측에 형성된 캐소드 입구 및 애노드 입구 중 상기 캐소드 입구에 삼투압을 유도하는 수용성 물질을 공기와 혼합하여 투입하는 투입수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 저전류 운전 시, 역확산에 의해 애노드 전극에 집중되는 수분으로 인한 캐소드 전극의 부식은 물론, 애노드 플러딩에 의해 발생되는 부분적 역전압에 의한 애노드 전극 부식을 미리 예방할 수 있으며, 이로 인해 수소의 과공급을 억제할 수 있으므로 연비 절감에 효과가 있다.
또한, 고전류 운전 시, 캐소드 전극에 수분을 유지시킴에 따라 강한 유속으로 인해 발생하는 Dry현상으로 막 및 이오노머의 열화를 지연시킬 수 있는 장점이 있다.
결국, 연료전지 스택의 내구성능 향상으로 인해, 부품교체 및 셀 리페어의 회수에 따른 횟수를 줄일 수 있으므로 장기적인 비용절감을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제1실시예 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제1실시예 구성에 따른 작동상태도.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제2실시예 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제3실시예 구성도.
우선, 본 발명은 삼투압(osmotic)을 이용하여 연료전지 스택(100)의 요소 부품인 막전극접합체(110)의 성능 및 내구성능을 향상시키기 위한 것으로, 연료전지 스택(100)의 막전극접합체(110)는 크게 수소 이온을 통과시키고 양 전극의 반응가스를 서로 접촉하지 못하게 막아주는 막과 수소 이온을 이동시키는 이오노머(막성분), 촉매, 촉매 지지층인 탄소를 포함하는 전극으로 이루어진다.
여기서, 막전극접합체(110)의 막(111)과 전극(113a,113b)은 연료전지 스택(100)의 성능면에서 매우 중요한 부분을 담당하며, 막이 열화되는 경우에 연료전지 스택 성능 곡선에서 Ohmic 과전류가 발생하고, 전극이 열화되는 경우에는 activation, concentration 과전압이 발생하여 성능이 감소하는 경우가 발생한다.
이와 같이, 연료전지 스택(100) 성능의 핵심을 담당하는 두 가지 요소 중 먼저 전극의 열화를 감소하는 기술에 대하여 설명하면, 전극(113a,113b)의 경우, 특히 저전류 구간에서 애노드 플러딩에 의해 캐소드 전극(113a)이 열화 되는데, 이를 개선하기 위해서는 무엇보다 애노드 전극(113b)의 물을 다른 곳으로 이동시키는 기술이 필요하다.
이때, 애노드 전극(113b)의 물을 제거하기 위해서는 첫번째로 수소가스의 유량을 크게 하여 물을 배출구로 밀어 내보내는 방법이 있으나, 이는 반응에 참여하지 않는 수소를 과량으로 보냄으로 인해, 차량 연비의 손실을 초래되며, 두번째로 캐소드 전극(113a)의 물이 애노드 전극(113b)으로 역확산(Back diffusion)되는 것을 방지하고 애노드 전극(113b)의 물을 캐소드 전극(113a)으로 이동시키는 방법이 있다.
이러한 두 가지 방법 중 두번째 방법을 채택하여 본 발명에 대해 첨부된 도면과 함께 구체적인 실시예를 통해 구성을 상세히 설명한다.
각 실시예에 따른 구성에 대해 설명하기에 앞서, 애노드 전극(113b)의 물을 캐소드 전극(113a)으로 이동시키기 위해서는 물을 이동시키는 원동력으로 삼투압을 이용한 방법을 제시한다.
아래 그림5에 도시된 바와 같이, 삼투압을 이용한 연료전지 스택(100) 내에 수분의 이동을 모식화한 것으로, 삼투압은 농도가 다른 두 용액을 반투막으로 막아놓았을 경우, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매만 선택적으로 옮겨가는 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.
Figure pat00005
[그림5]
한편, 연료전지 스택(100)의 막(111)과 이오노머(ionomer)로 사용되는 나피온(Nafion)이라는 물질은 잘 알려진 대로 반투막의 특성이 있으며, 이외에도 정수기의 여과에 사용되는 셀룰로오스 아세테이트 계, 폴리에테르 술폰계의 막도 반투성을 가지므로 막의 특성상 선택적으로 적용하여 사용할 수 있다.
아래 그림6에 도시된, 연료전지 스택(100)의 막(111)을 통해 간단히 삼투압 실험을 수행한 결과에 따르면, 작은 바이알에 수용성 용질인 소금을 담고, 바이알 입구를 나피온 막으로 덮은 다음 테프론 튜브로 주위를 밀봉한 후, 비커에 증류수를 담아 막 부분이 증류수가 닿도록 뒤지어 연료전지 스택의 작동온도인 60℃로 한 시간 동안 유지한 결과 바이알에 비커의 증류수가 옮겨진 것을 확인하였다. 이는 삼투압에 의해 고농도인 소금 쪽으로 나피온을 통해 증류수가 이동하는 것이 확인된다.
Figure pat00006
[그림6]
삼투압의 식(P=CRT)에 의해, 이오노머를 이루는 나피온 성분의 반투막과, 연료전지 스택의 작동온도가 60℃라는 것을 고려하여 삼투압을 이용한 연료전지 스택의 성능 및 내구성능 향상시킬 수 있을 것이다.
<실시예 1>
본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(110), 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(120)을 적층하여 구성된 연료전지 스택(100)에 있어서, 상기 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(111)과; 이 고분자 전해질막(111)의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해함과 아울러, 삼투압을 유도하는 수용성 물질(WS)을 배합하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층(113)을 형성하되, 각각의 촉매층(113)으로 이루어진 캐소드 전극(113a) 및 애노드 전극(113b) 중에 캐소드 전극(113a)이 애노드 전극(113b)보다 높은 농도의 수용성 물질(WS)을 배합하여 구성한다.
도 1에 의하면, 막전극접합체(110)는 반응이 일어나는 Pt/C 촉매에 이온 전도성이 있는 이오노머(나피온)를 유기용매에 용해한 후 혼합하여 전극 슬러리를 막(111)의 양면에 코팅하여 제조한다.
이때, 캐소드 전극(113a)에 애노드 전극(113b)보다 높은 농도의 수용성 물질(WS)을 배합하면 농도 차이로 인한 삼투압에 의해 연료전지 스택(100) 운전 중 셀 내 애노드 전극(113b) 측의 물이 캐소드 전극(113a) 측으로 이동하게 된다.
또한, 도 2에 의하면, 저전류 구간 운전 중 플러딩이 발생하여도 삼투압에 의해 애노드 전극(113b)의 물을 캐소드 전극(113a)으로 이동시키고 애노드 플러딩을 방지함으로써 내구성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 수용성 물질(WS)이 양이온일 경우, 이오노머의 작용기를 막아 수소 이온의 전도도를 저하시킬 수 있기 때문에, 이온성 물질이 아닌 극성 공유 결합을 하는 물질로 수용성 규산, 친수성인 셀룰로오스 유도체 등을 채택할 수 있다.
<실시예 2>
본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(110), 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(120)을 적층하여 구성된 연료전지 스택(100)에 있어서, 상기 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(111)과; 상기 고분자 전해질막(111)의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층(113)과; 각각의 촉매층(113)으로 이루어진 캐소드 전극(113a) 및 애노드 전극(113b) 중에 상기 캐소드 전극(113a)의 외측에 코팅되며, 상기 애노드 전극(113b)의 물을 상기 캐소드 전극(113a)으로 유도하도록 수용성 물질(WS)을 혼합한 반투막으로 이루어진 삼투압유도층(115)을 포함하여 구성된다.
여기서, 삼투압유도층(115)의 수용성 물질(WS)로 인해 캐소드 전극(113a)의 물이 애노드 전극(113b)으로 넘어가는 현상을 감소시켜 애노드 플러딩을 방지할 수 있다.
상기 삼투압유도층(115)에 사용되는 탄소는 공기 흐름을 방해하지 않도록 전극보다 사이즈가 큰 탄소 입자를 선택하여 가공성을 유지하며, 반투막으로 이루어진 삼투압유도층(115)은 이온투과성을 띠지 않는 셀룰로오스 아세테이트나 폴리에테르 술폰계 고분자에 수용성 물질(WS)을 섞어 사용한다.
이때, 사용되는 수용성 물질(WS)은 이온 비투과성 고분자를 사용하기 때문에 삼투압 효과를 극대화시킬 수 있는 이온성 물질을 선택한다.
즉, 대표적으로 수용성이며 이온성인 물질로 염화나트륨(NaCl), 염화수소(HCl), 황산나트륨(Na2S04), 황산칼슘(CaS04) 등의 전해질을 선택할 수 있다.
또한, 상기 삼투압유도층(115)을 막전극접합체(110)의 캐소드 전극(113a) 층에 코팅하는 방법 외에도 반투성 고분자와 용질이 섞인 혼합 슬러리를 가스확산층(GDL)의 미세다공층(MPL: Micro Porous Layer) 탄소 표면에 코팅하는 것도 또 다른 방법을 제시할 수 있다.
<실시예 3>
본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(110), 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(120)을 적층하여 구성된 연료전지 스택(100)에 있어서, 상기 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(111)과; 상기 고분자 전해질막(111)의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층(113)을 포함하여 구성하되, 상기 연료전지 스택(100)의 양측에 형성된 캐소드 입구(101) 및 애노드 입구(103) 중 상기 캐소드 입구(101)에 삼투압을 유도하는 수용성 물질(WS)을 공기와 혼합하여 투입하는 투입수단(130)을 더 포함하여 구성한다.
여기서, 상기 투입수단(130)은 벤투리 관을 통해, 유속이 빠른 공기가 단면적이 좁아지는 관을 지날 때, 베르누이 식에 의해 속도는 증가하고 압력은 감소함에 따라, 넓은 관과 좁은 관의 압력 차에 의해 용액을 빨아올리는 힘이 발생하여 캐소드 전극(113a)에 물보다 농도가 높은 용액이 주입함으로써, 용질에 의해 물이 막을 통과하지 못해 애노드 전극(113b)으로 넘어갈 수 없고 캐소드 전극(113a) 및 가스확산층(GDL)에 존재함은 물론, 농도 차가 존재하게 되고 애노드 전극(113b)의 수분이 삼투압에 의해 캐소드 전극(113a)으로 유도된다.
특히, 캐소드 전극(113a)에 용액을 주입하는 방법으로 유량이 비교적 적은 저전류 구간에서 용질이 캐소드 전극(113a)에 축적되기 때문에 삼투압 효과가 극대화되고 고전류 구간에서는 빠른 유량에 의해 용질이 연료전지 스택(100) 밖으로 쓸려 배출되는 결과를 얻을 수 있어 출력에 따른 삼투압 조절에 매우 유용하다.
한편, 상기 투입수단(130)은 벤투리 관을 이용하여 용액을 분사하는 방법 외에도 캐소드 입구(101)에 인젝터를 설치해 용액을 직접 주입하는 방법도 제안할 수 있다.
더불어, 용액을 제조할 때 사용하는 수용성 물질(WS)은 극성 공유 결합을 하는 물질인 수용성 규산 또는 셀룰로오스 유도체 중 어느 한 가지를 선택 사용하는 것이 바람직하다.
종래 연료전지 스택(100) 막전극접합체(110)의 경우, 고온 건조한 환경에서 열화가 가속됨에 따라 공기 유속이 빠른 캐소드 입구(101) 측에서는 전해질막(111)과 이오노머가 마르기 쉬워서 실제로 전해질막(111)의 열화가 더 진행된 문제점이 있다.
따라서, 전해질막(111)과 이오노머의 열화를 감소시키기 위해서는 수분을 유지시켜줄 수 있는 물질이 필요하며, 본 발명은 삼투압을 이용해 전해질막(111)이 마르고 열화되기 쉬운 캐소드 전극(113a) 측의 이오노머에 수분을 유지할 수 있기 때문에, 캐소드 입구(101) 측의 공기 가습기에서 공급되는 상대습도(RH: Relative Humidity)보다 실제 캐소드 전극(113a) 상대습도가 상승함으로 인해, 전해질막이 보호되며 성능이 증가되는 효과를 기대할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 저전류 운전 시, 역확산에 의해 애노드 전극에 집중되는 수분으로 인한 캐소드 전극의 부식은 물론, 애노드 플러딩에 의해 발생되는 부분적 역전압에 의한 애노드 전극 부식을 미리 예방할 수 있으며, 이로 인해 수소의 과공급을 억제할 수 있으므로 연비 절감에 효과가 있다.
또한, 고전류 운전 시, 캐소드 전극에 수분을 유지시킴에 따라 강한 유속으로 인해 발생하는 Dry현상으로 막 및 이오노머의 열화를 지연시킬 수 있는 장점이 있다.
결국, 연료전지 스택의 내구성능 향상으로 인해, 부품교체 및 셀 리페어의 회수에 따른 횟수를 줄일 수 있으므로 장기적인 비용절감을 기대할 수 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석 되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100: 연료전지 스택 101: 캐소드 입구
103: 애노드 입구 110: 막전극접합체
111: 고분자 전해질막 113: 촉매층
113a: 캐소드 전극 113b: 애노드 전극
115: 삼투압유도층 120: 단위셀
130: 투입수단 WS: 수용성 물질

Claims (5)

  1. 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; 이 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해함과 아울러, 삼투압을 유도하는 수용성 물질을 배합하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층을 형성하되,
    각각의 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극 중에 캐소드 전극이 애노드 전극보다 높은 농도의 수용성 물질이 배합된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  2. 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과;
    상기 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층과;
    각각의 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극 중에 상기 캐소드 전극의 외측에 코팅되며, 상기 애노드 전극의 물을 상기 캐소드 전극으로 유도하도록 수용성 물질을 혼합한 반투막으로 이루어진 삼투압유도층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과;
    상기 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층을 포함하여 구성하되,
    상기 연료전지 스택의 양측에 형성된 캐소드 입구 및 애노드 입구 중 상기 캐소드 입구에 삼투압을 유도하는 수용성 물질을 공기와 혼합하여 투입하는 투입수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 수용성 물질은 극성 공유 결합을 하는 물질인 수용성 규산 또는 셀룰로오스 유도체 중 어느 한 가지를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 삼투압유도층은 이온투과성을 띠지 않는 셀룰로오스 아세테이트 또는 폴리에테르 술폰계 고분자 중 어느 한 가지를 상기 수용성 물질과 혼합하여 반투막으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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