KR20170029570A - 멤브레인 전극 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PEM 연료 전지들을 위한 멤브레인 전극 어셈블리에 관한 것이며, 상기 멤브레인 전극 어셈블리는 양자 교환 멤브레인과, 2개의 촉매층(애노드 및 캐소드 촉매층)과, 2개의 가스 확산층으로 구성되고, 애노드 가스 확산층은 탄소 섬유 페이퍼를 기반으로 하면서, 흑연, 탄소 나노튜브들 또는 탄소 나노섬유들 및 PTFE로 구성되는 미세다공성 층을 구비하며, 캐소드 가스 확산층은 탄소 섬유 구조를 기반으로 하면서, 카본블랙, 탄소 나노튜브들 및/또는 탄소 나노섬유들 및 PTFE를 기반으로 하는 미세다공성 층을 구비한다.

Description

멤브레인 전극 어셈블리{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명의 대상은, 상대 습도의 변동에 대해 낮은 민감도를 가지며 그 결과 연료 전지의 향상된 수분 관리를 가능하게 하는, 폴리머 전해질 (PEM) 연료 전지들을 위한 멤브레인 전극 어셈블리이다.
PEM 연료 전지들은, 액상 또는 기상 연료들에서 직접적으로 전기 화학 에너지를 생성하는 전기 화학 에너지 변환기이다. 연료의 높은 에너지 밀도 및 달성 가능한 높은 전류 밀도를 기반으로, 연료 전지들은 전기 이동성의 분야에서 적용을 위한 전도유망한 후보이다.
PEM 연료 전지의 핵심은, 자체적으로 가스 확산층과 촉매 활성층(반응층)으로 세분화될 수 있는 다공성 전극들을 양쪽 측에서 지지하는 양자 교환 멤브레인으로 구성되는 이른바 멤브레인 전극 어셈블리(MEA: Membrane Electrode Assembly)이다.
PEM 연료 전지 내에서 MEA는 2개의 전류 집전체 판 사이에 포지셔닝되고, 이 전류 집전체 판들은 각각 캐소드 측 및 애노드 측에 연료들을 공급하고 작동 중에는 전류를 유도한다.
촉매로서는 통상 백금, 그리고 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐과 같은 백금 금속들, 및 이들의 합금들, 및 전이 금속들을 함유한 백금 금속들의 합금들이 이용된다. 수소 산화가 그 내에서 진행되는 애노드 반응층의 귀금속 담지(noble metal loading)는 일반적으로 0.02 내지 0.2㎎/㎠이다. 캐소드 상에서는 산소 환원의 억제 반응 속도론(inhibited kinetics)으로 인해 수용 가능한 출력 밀도를 위해 0.1 내지 0.5㎎/㎠의 그에 상응하게 더 높은 귀금속량이 요구된다.
멤브레인 전극 어셈블리들은, 2개 층의 가스 확산층으로 양면이 촉매로 코팅된 멤브레인(CCM: 촉매 코팅 멤브레인)의 압축을 통해, 또는 2개의 가스 확산 전극(촉매 작용 재료를 포함하는 가스 확산층)으로 폴리머 전해질 멤브레인의 적층 또는 열간 압축을 통해 제조된다.
멤브레인 전극 어셈블리는 연료 전지의 출력 용량을 결정하고 전체 연료 전지 시스템의 출력 고유의 비용에 대해 중요하다.
귀금속 촉매들의 높은 비용으로 인해, 촉매 담지가 최소인 조건에서 최대한 높은 출력 밀도(전극 면적당 전기 출력)가 필요하다. 이런 요건은 단지 반응층(높은 촉매 활용) 및 가스 확산층들의 최적화된 기공 또는 입자 설계를 통해서만 실현될 수 있다.
추가로 가스 확산층들은 연료의 높은 확산율 및 이와 동시에 낮은 전기 저항, 높은 열 전도도 및 충분한 기계적 안정성을 보유해야 한다.
저온 PEM 연료 전지(최대 90℃)의 중심 문제는 복잡한 수분 관리에 있다. 한편으로 양자 교환 멤브레인의 이온 전도성 및 기계적 무결성을 유지하기 위해서는 양자 교환 멤브레인의 최대한 완전한 습윤화가 중요하다. 그러므로 전기 견인(electrotraction)에서의 적용을 위한 연료 전지들의 경우, 셀 출력을 최대화하기 위해, 통상 습윤화된 연소 가스가 이용된다.
다른 한편으로는, 셀 반응(cell reaction)을 통해 수분이 발생하는데, 이런 수분은, 가스 확산층들 및 캐소드 반응층을 차단하지 않기 위해, 캐소드 가스 확산층을 경유하여 셀에서 제거되어야만 한다. 특히 전류 밀도 및 습도가 높은 경우, 캐소드의 범람(flooding)(액상 수분을 포함하는 기공 시스템의 부분적인 차단을 통해 반응층의 내부에서 발생하는 산소의 불충분한 확산) 및 가스 확산층(GDL) 내에서 수분의 응축이 문제를 나타내는데, 그 이유는 캐소드의 범람이 출력을 제한할 뿐만 아니라, 유효 수명에 부정적인 영향도 미치기 때문이다.
또한, PEM 연료 전지 내에서는, 마찬가지로 가스 확산층들의 특성들을 통해 영향을 받을 수 있는, 수분의 역 확산(캐소드에서 애노드 쪽으로) 및 수분의 전기 삼투 수송(양자 수송의 결과로서 애노드에서 캐소드 쪽으로 수분의 이동)과 같은 추가적인 수송 과정들이 존재한다.
바로 자동차에서 적용을 위한 연료 전지 시스템들의 경우, 각각의 작동 상태에 따라서 전극 표면에 걸쳐 수분 함량의 너무 강한 변동이 발생할 수 있으며, 그럼으로써 가스 확산 매체에 대해 모든 유형의 요건들이 설정된다.
대부분의 사례에서, 가스 확산층은, 미세다공성 층(MPL: microporous layer)을 구비한 미세다공성 탄소 섬유 기판(습윤화되거나 건조된 부직포 또는 직물)을 기반으로 한 2층형 층 복합체로 구성된다. MPL은 자체적으로 탄소 입자들(아세틸렌 카본블랙 또는 흑연 및/또는 다공성 탄소들)과, 동시에 결합제 물질 및 소수성화 첨가제로서 기능하는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 플루오로폴리머들로 구성된다.
MPL은, 멤브레인의 습윤화를 보조하면서 반응층에 대한 가스 확산층의 접촉 저항을 감소시키며 특히 (셀 반응을 통해 많은 물이 발생하는) 높은 습도 및 높은 전류 밀도의 조건에서 캐소드 촉매층의 물 포화를 감소시키는 소수성 배리어로서 작용한다[Park et al, International Journal of Hydrogen Energy(국제 수소 에너지 저널), Volume 37, 2012, pp. 5850~5865].
또한, MPL 코팅된 가스 확산층을 기반으로, MPL 면이 촉매 잉크로 인쇄되거나 분사되거나 또는 촉매 활성 귀금속들로 증착되거나 스퍼터링됨으로써, 편리하게 가스 확산층들이 제조된다.
습식 작동 조건들에서 출력 밀도들의 분명한 개선은 예컨대 탄소 나노튜브들(CNT)로 도핑된 MPL들의 이용을 통해 확인되었다(DE 102011083118 A1). 이는 향상된 전기 전도성뿐만 아니라 증가된 가스 확산성에 기인한다.
다양한 카본블랙 유형들의 혼합을 통해, 가스 확산층들은 각각 건조하거나 습한 작동 조건들에 적용될 수 있다. MPL 카본블랙들의 높은 BET 표면은 예컨대 건조한 조건들하에서 장점들을 제공한다[Wang et al., Journal of Power Sources(전력원 저널), Volume 162, 2006, pp. 474~479].
통상 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)는 대칭형 가스 확산층들(애노드와 캐소드 상의 동일한 가스 확산층 유형)로 구성된다. 이 경우, 애노드 및 캐소드에 대한 상이한 요건 프로파일들(requirement profile)은 고려되지 않는다. 그 대신, 멤브레인 전극 어셈블리들은 대개 2개의 동일한 가스 확산층으로 제조되고, 가스 확산층은 연료 전지의 우세한 작동 조건들에 따라서 선택된다.
수소의 높은 확산 속도 및 상대적으로 충분한 전기 화학 반응 속도론을 기반으로 애노드 가스 확산층의 주요 임무는, 특히 건조한 조건 및 낮은 전류 밀도에서 발생할 수 있는 애노드에 걸친 습도 손실의 방지 및 멤브레인 습윤화의 보조에 있다[E. Kumber, M. M. Mench in: J. Garche, C. Dyer, P. Moseley, Z. Ogumi, D. Rand, B. Scrosati, ed., Encyclopedia of Electrochemical Power Sources(전기 화학 전력원 백과사전) volume 2, Amsterdam, Elsevier, 2009, pp. 828~847].
캐소드 상에서 셀 반응을 통해 많은 수분이 발생하는, 중간 정도(> 30%) 내지 상위 정도(> 70%)의 습윤화 및 동시에 높은 전류 밀도(2A/㎠)의 조건에서, 상기 수분은 캐소드 반응층 내에서, 또는 가스 확산층 내에서 응축될 수 있고, 그 결과 산소 환원의 여하히 이미 출력을 결정하는 단계를 계속해서 방해할 수 있다. 그러므로 캐소드 가스 확산층은 높은 가스 확산을 보장해야 하고 이와 동시에 자체의 기공 구조 및 자체의 소수성 특성을 통해 과량의 액상 수분의 효과적인 수송을 보조해야 한다. 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층은 일반적으로 멤브레인 전극 어셈블리 내에서 균일한 수분 분포를 제공한다.
EP2343762 A1은 예컨대 캐소드 확산층이 애노드 확산층보다 더 높은 기공도를 갖는 것인 멤브레인 전극 어셈블리를 기재하고 있다. 이 경우, 단일 층의 확산층들은 탄소 섬유 캐리어 구조 없이 건식 가공법(dry method)을 통해 카본블랙, 흑연 및 플루오로폴리머로 제조되었다.
유사한 접근법은, 멤브레인 전극 어셈블리의 애노드 및 캐소드 가스 확산층들이 기공 용적(pore volume)과 관련하여 서로 구분되는 것인 EP 1 721 355 B1에서 선택되었다. 이는 미세다공성 층 내에서 다양한 비율의 플루오로폴리머를 통해 달성된다.
WO 02/35620 A2는 가스 확산 전극 및 멤브레인 전극 어셈블리의 다층형 구성을 기재하고 있으며, 이 경우 멤브레인 전극 어셈블리는 상기 층 구조를 통해 습도 변동에 대해 증가된 공차를 얻는다.
그러므로 본 발명의 과제는, 폭넓은 범위의 작동 조건들(습도)을 위해 향상된 셀 출력을 달성하는 멤브레인 전극 어셈블리를 개발하는 것에 있다.
상기 과제는 애노드와 캐소드 상에 서로 상이한 가스 확산층들을 포함하는 청구항 제1항에 따른 멤브레인 전극 어셈블리를 통해 해결된다. 이 경우, 가스 확산층들은 캐리어 기판 및 미세다공성 코팅층의 관점에서 서로 구분된다.
예컨대 흑연 및 탄소 나노튜브들로 이루어진 미세다공성 층을 포함한 가스 확산층은 애노드 상에서 멤브레인의 완전 건조를 효과적으로 방지하며, 그에 반해 예컨대 캐소드 상에서는 상대적으로 더 높은 가스 투과성 내지 확산성을 갖는 가스 확산층이 전류 밀도가 높은 조건에서 향상된 수분 관리를 가능하게 한다. 이런 비대칭형 구성을 통해, 자동차 PEM 시스템의 경우 전형적인 변동하는 습도(25% 내지 100%)의 조건에서 높은 셀 출력이 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 2는 전류 밀도가 각각 1.5A/㎠(도 2, A) 및 2A/㎠(도 2, B)인 조건에서 25%, 50% 및 100%인 가스의 상대 습도에 대해 80℃의 셀 온도에서 다양한 멤브레인 전극 어셈블리들을 이용하여 측정한 셀 전압들을 나타낸 그래프이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 도면이 도시되어 있다. PEM 연료 전지들을 위한 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리는 양자 교환 멤브레인(25)과, 애노드 촉매층(20)과, 캐소드 촉매층(30)과, 애노드 및 캐소드 측에 서로 상이하게 제공된 2개의 가스 확산층으로 구성된다. 두 미세다공성 층은, 이 미세다공성 층의 전기 저항을 감소시키면서 이와 동시에 높은 가스 확산 및 매우 높은 소수성 특성을 달성하는 탄소 나노튜브들로 도핑된다.
애노드 가스 확산층은 탄소 섬유 구조(10)를 기반으로 하면서, 흑연, 탄소 나노튜브들(50) 또는 탄소 나노섬유들 및 PTFE로 구성되는 미세다공성 층(15)을 구비한다. 캐소드 가스 확산층은 카본블랙, 탄소 나노튜브들 및/또는 탄소 나노섬유들 및 PTFE를 기반으로 한 미세다공성 층(35)과 탄소 섬유 구조(40)로 구성된다.
카본블랙은 바람직하게는 아세틸렌 카본블랙 또는 흑연화된 오일 카본블랙이다. 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층은 특히 바람직하게는 메조다공성 탄소 또는 활성화된 탄소를 추가로 포함한다.
탄소 섬유 기판들은 습식 부직포 기술을 통해, 또는 전구체 스테이플 섬유들의 건식 증착(유체 제트를 이용한 경화)을 통해 제조되며, 그리고 [탄화 가능한 수지들, 결합제 폴리머들, 및/또는 흑연, 및/또는 피치(pitch), 코크스, 역청과 같은 탄소 전구체들을 이용한] 포화 후에 보호가스 대기 조건에서 최종적인 탄화로 처리된다.
바람직하게 애노드 가스 확산층(15)의 미세다공성 층의 흑연 비율은 50 내지 90%이다.
애노드 및 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층 내에서 탄소 나노튜브들(50)의 비율은 바람직하게는 8 내지 25%이다.
애노드 가스 확산층의 미세다공성 층의 플루오로폴리머의 비율은 바람직하게는 15 내지 30%이고, 캐소드 미세다공성 층의 플루오로폴리머 비율은 바람직하게는 10 내지 25%이다.
플루오로폴리머로서는 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-코폴리머(FEP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 페르플루오로알콕시-폴리머(PFA)가 이용된다.
바람직하게 애노드 탄소 섬유 구조(10)의 기공도는 84% 이하이고, 그 밀도는 0.25g/㎤ 이상이다.
바람직하게 캐소드 가스 확산층(40)의 탄소 섬유 구조의 기공도는 85% 이상이고, 그 밀도는 최대 0.2g/㎤이다.
바람직하게 캐소드 미세다공성 층(35)의 활성화된 탄소, 카본블랙 또는 메조다공성 탄소의 비율은 50 내지 90중량 퍼센트이다.
바람직하게 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층(35)은 추가로 메조다공성 탄소 또는 활성화된 탄소로 구성된다.
애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층의 기반이 되는 탄소 섬유 캐리어 구조들은 바람직하게는 평균 기공 지름의 관점에서 서로 구분된다.
애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층들은 바람직하게는 평균 기공 지름의 관점에서 서로 구분되는 2가지 유형의 탄소 재료를 포함한다. 이 경우, 탄소 입자들의 평균 입자 지름은 바람직하게는 20㎚ 내지 20㎛이다.
(양자 교환 멤브레인으로도 지칭되는) 폴리머 전해질 멤브레인으로서는 바람직하게는 페르플루오로술폰산 멤브레인(PFSA, 상표명 예: . NafionTM, AquivionTM, FumapemTM), PFSA-PTFE 합성물(Gore-SelectTM), 페르플루오로술폰산-PTFE 합성물, 술폰화된 폴리술폰, 술폰화된 하이드로카본 멤브레인, 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(s-PEEK), 술폰화된 폴리이미드, 술폰화된 폴리에테르이미드, 술폰화된 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌에테르), 합성물 멤브레인(PFSA-Silica) 또는 술폰화된 폴리스티렌이 이용된다.
귀금속 촉매들로서는, 바람직하게는 백금 블랙, 백금 금속 합금들(Pt, Pd, Rh, Ir, Ru), 나노입자로서의, 또는 캐리어 구조들 상의 나노입자(탄소 또는 산화 캐리어 입자)로서의 전이 금속들(Ni, Co, Cu, Mo, Sn)을 함유한 백금 금속들의 합금들, 백금 금속들을 기반으로 하는 스퍼터링되거나 전기 화학 증착된 촉매 층들/필름들이 이용된다.
또한, 본 발명의 대상은, 멤브레인 전극 어셈블리뿐만 아니라, 이 멤브레인 전극 어셈블리가 자신들 사이에 배치되도록 배치되는 한 쌍의 분리판(60)도 포함하는 연료 전지이다.
탄소 재료들의 BET 표면의 측정을 위해, 본 발명에 따라서는 DIN ISO 9277:2003-05에 명시된 방법이 이용된다.
실시예 및 참조예
다양한 가스 확산층들의 제조를 위해 2가지 유형의 표준 탄소 섬유 페이퍼, 즉, Sigracet® GDL 24 BA(기공도 = 83%, 탄소 섬유 기판 S1)와 Sigracet® 25 BA(기공도 = 88%, 탄소 섬유 기판 S2)를 이용하였다. 기판들은 각각 5중량 퍼센트의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 소수성화하였다. 미세다공성 층들은 상술한 캐리어 페이퍼들 상에서 페이스트형 탄소-PTFE 분산액을 이용한 닥터 블레이드 코팅을 통해 제조하였다.
이를 위해, 경우에 따라 사전 분쇄된 다양한 탄소들을 전단력의 작용하에 2중량 퍼센트의 폴리비닐알코올을 함유한 물에서 분산시켰다. 첨가제로서 각각 1.25중량 퍼센트의 하이드록시에틸 셀룰로오스를 첨가하였고 그런 다음 수성 분산액(Dyneon TF5035)의 형태인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 필요한 양과 1중량 퍼센트의 폴리에틸렌글리콜을 첨가하였다. 캐소드 미세다공성 층을 위한 코팅 분산액의 경우, 선택에 따라 1 내지 3중량 퍼센트의 기공 형성제(암모늄 카보네이트, 옥살산, 헥사메틸렌테트라아민)도 첨가하였다.
수 시간의 균질화 후에, 점성 분산액을 입자 필터(< 30㎛)를 통해 닥터 블레이드 코팅 장치 상으로 펌핑하여 캐리어 기판의 웨브(web) 상에 코팅하였다.
캐리어 기판 상에서 미세다공성 층의 도포량은 각각 3 내지 3.7㎎/㎠로 하였다. 코팅 후에, 연속로(continuous furnace) 내에서 건조되는 재료들은 350℃에서 15분 동안 소결하였다. 분산액들의 탄소 성분들로서는 아세틸렌 카본블랙(BET = 65㎡/g), 합성 흑연(BET = 30㎡/g) 및 다중 벽 탄소 나노튜브들(BET = 260㎡/g)을 이용하였다.
다양한 가스 확산층(GDL)/미세다공성 층(PML) 제조법들의 조성에 대한 개요
탄소 섬유 캐리어 기판, 소수성화
M1 GDL 24 BA, 두께: 190㎛, 밀도: 0.25g/㎤, PTFE 5±1wgt.%
M2 GDL 25 BA, 두께: 190㎛, 밀도: 0.20g/㎤, PTFE 5±1wgt.%
미세다공성 층( MPL )
M1 77wgt.%의 아세틸렌 카본블랙, 23wgt.%의 PTFE
M2 62.5wgt.%의 아세틸렌 카본블랙, 22.5wgt.%의 MWCNT, 15wgt.%의 PTFE
M3 61.5wgt.%의 합성 흑연, 20.5wgt.%의 MWCNT, 18wgt.%의 PTFE
멤브레인 전극 어셈블리들은 다양한 가스 확산층들(기판-MPL-조합물 S/M) 및 촉매 코팅된 페르플루오로술폰산-(e-PTFE) 합성물 멤브레인(건조 두께: 18㎛, 귀금속 담지: 애노드 상에서 0.1㎎/㎠의 백금 및 캐소드 상에서 0.4㎎/㎠의 백금)을 이용하여 제조하였다.
멤브레인 전극 어셈블리(MEA) 애노드 GDL / MPL 캐소드 GDL / MPL
MEA 1(참조예) S1/M1 S1/M1
MEA 2(참조예) S2/M2 S2/M1
MEA 3(참조예) S1/M3 S1/M3
MEA 4(참조예) S2/M2 S2/M2
MEA 5(본 발명에 따른 MEA) S1/M3 S2/M2
다양한 멤브레인 어셈블리들(MEA 1 내지 MEA 5)의 연료 전지 시험은 밀링 가공된 흐름 채널들을 구비한 흑연 소재의 전류 집전체들을 포함한 개별 셀(활성 면적: 25㎠)을 이용하여 실행하였다.
도 2에는, 전류 밀도가 각각 1.5A/㎠(도 2, A) 및 2A/㎠(도 2, B)인 조건에서 25%, 50% 및 100%인 가스의 상대 습도에 대해 80℃의 셀 온도에서 다양한 멤브레인 전극 어셈블리들을 이용하여 측정한 셀 전압들(밀리볼트 단위)이 도시되어 있다. 공급 압력은 150kPa로 했고, 애노드에 대한 화학량론은 1.5로, 그리고 캐소드에 대한 화학량론은 2.0으로 했다. 흑연판 상에서 MEA의 접촉 압력은 1PMa이었다.
본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(5)는 모든 작동 조건에서 대칭형 멤브레인 전극 어셈블리(MEA 1 내지 MEA 4)와 적어도 유사하거나 또는 그보다 분명히 더 높은 셀 전압을 가능하게 한다.
도 1에 대한 범례:
(10) 애노드 가스 확산층(GDL)의 탄소 섬유 구조
(15) 애노드 가스 확산층의 미세다공성 층(MPL)
(20) 애노드 촉매층
(25) 양자 교환 멤브레인
(30) 캐소드 촉매층
(35) 캐소드 가스 확산층(GDL)의 미세다공성 층(MPL)
(40) 캐소드 가스 확산층(GDL)의 탄소 섬유 구조
(50) 탄소 나노튜브
(60) 분리판

Claims (11)

  1. 양자 교환 멤브레인과, 2개의 촉매층(애노드 및 캐소드 촉매층)과, 2개의 가스 확산층으로 구성되는, PEM 연료 전지들을 위한 멤브레인 전극 어셈블리에 있어서, 상기 애노드 가스 확산층은 탄소 섬유 페이퍼를 기반으로 하면서, 흑연, 탄소 나노튜브들 또는 탄소 나노섬유들, 및 PTFE로 구성되는 미세다공성 층(MPL)을 구비하며, 상기 캐소드 가스 확산층은 탄소 섬유 구조를 기반으로 하면서, 카본블랙, 탄소 나노튜브들 및/또는 탄소 나노섬유들 및 PTFE를 기반으로 한 미세다공성 층을 구비하는 것을 특징으로 하는, 멤브레인 전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 애노드 탄소 섬유 구조의 기공도는 84% 이하이고, 그 밀도는 0.25g/㎤ 이상인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 애노드 가스 확산층의 미세다공성 층의 흑연 비율은 50 내지 90%인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 애노드 및 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층 내 탄소 나노튜브들의 비율은 8 내지 25%인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 가스 확산층의 미세다공성 층의 플루오로폴리머의 비율은 15 내지 30중량 퍼센트이고, 상기 캐소드 미세다공성 층의 플루오로폴리머 비율은 10 내지 25중량 퍼센트인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 가스 확산층의 탄소 섬유 구조의 기공도는 85% 이상이고, 그 밀도는 최대 0.2g/㎤인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 가스 확산층의 활성화된 탄소, 카본블랙 또는 메조다공성 탄소의 비율은 50 내지 90중량 퍼센트인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 가스 확산층은 추가로 메조다공성 탄소 또는 활성화된 탄소로 구성되는, 멤브레인 전극 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 애노드 가스 확산층 및 상기 캐소드 가스 확산층의 미세다공성 층들은, 탄소 입자들의 평균 기공 지름의 관점에서 서로 구분되는 2가지 유형의 탄소 재료를 포함하는, 멤브레인 전극 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 탄소 입자들의 평균 입자 지름은 20㎚ 내지 20㎛인, 멤브레인 전극 어셈블리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따르는 멤브레인 전극 어셈블리와, 이 멤브레인 전극 어셈블리가 자신들 사이에 배치되도록 배치되는 한 쌍의 분리판을 포함하는 연료 전지.
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