KR20220080372A - 바인더의 함량이 조절된 ega 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

바인더의 함량이 조절된 ega 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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KR20220080372A
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Abstract

본 발명은 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly) 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로써, 전극 내 바인더의 함량, 및 전극과 가스확산층(GDL)을 접착하는 접착층 내 바인더의 함량을 최적화로 조절시킴으로써, 이를 포함하는 EGA의 플러딩 및 내열화에 의한 내구/성능 저하에 대한 개선을 가능하게 하여 트레이드-오프(trade-off)를 최소화시키면서도 단위면적 당 출력 밀도가 향상된다는 장점이 있다.

Description

바인더의 함량이 조절된 EGA 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Electrode Gas diffusion layer assembly with controlled binder content and fuel cell stack containing the same}
본 발명은 전극 내 바인더의 함량, 및 전극과 가스확산층(GDL)을 접착하는 접착층 내 바인더의 함량을 조절하여 성능이 개선된 EGA와 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 막전극 접합체(Membrane electrode assembly; MEA)는 수소자동차에서 에너지를 발생시키는 역할을 한다. 자세히는, 전해질막을 중심으로 상하부 캐소드, 애노드 전극이 위치한 것을 MEA라 지칭한다. 전압을 형성시키는 전극은, 촉매와 촉매를 지지하는 담지체, 그리고 이들 주변에 얇게 형성되는 바인더로 형성된다. 동일한 사양의 전극에서, 바인더의 함량이 높아지면 물 배출에 불리한 단점이 발생한다.
MEA는 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 적층되어 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)를 형성하고, 상기 EGA가 분리판과 교차 적층되어 셀을 이루며, 이 셀이 모여 스택이 된다. EGA는 스택으로 구성되어 차량에서 수직으로 세워져 설치되어 운전되는데, 이로 인하여 상/하부의 수분량에 차이가 발생한다. 또한, 운전 중 전극에서는 생성수가 발생하는 와중에, 측면부에서는 기체가 공급되므로 측면부는 중앙부에 비해서 건조한 분위기가 형성된다.
셀을 상하부로 나누어 볼 때, 셀 하부는 생성수가 적체되는 영역이 된다. 전기화학 반응에서 발생하는 생성수는 중력에 의하여 하부에 적체되고, 결과적으로 셀 하부에 플러딩(flooding)을 유발하는 인자가 된다. MEA의 관점에서는 플러딩(flooding)의 경감을 위해서는 전극 구성성분 중 친수성을 갖는 바인더를 줄이는 것이 유효하지만, 이는 셀의 측면부의 내구, 및 성능을 감소시키는 트레이드-오프(trade-off)가 존재한다. 즉, 셀의 측면부는 양측면은 공급기체에 의하여 건조한 분위기가 형성되어 수분량이 감소하므로 국부적인 내구/성능 저하 요인으로 작용한다. 이를 경감하기 위해서는 바인더 함량을 상향하는 것이 유리하지만, 이는 MEA 내 전극 하부의 플러딩(flooding)을 증가시키는 트레이드-오프(trade-off)가 발생한다.
그러나, 종래에는 셀 국부적 조건차이를 고려하지 못하고, 전극 전체 영역에 일정 함량의 바인더가 적용되고 있었다. 이에 따라 필연적으로, 셀의 플러딩(flooding)과 국부적 내구/성능이 저하되고 있는 실정이었다.
대한민국 공개특허공보 10-2020-00866032
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 발명은 전극 내 바인더의 함량이 제2 영역보다 제1 영역을 높고, 및 전극과 가스확산층(GDL)을 접착하는 접착층 내 바인더의 함량은 제3의 영역보다 제4 영역이 높은 것을 특징으로 하는 EGA와 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)는 전해질막, 상기 전해질막 상에 위치하는 전극, 상기 전극 상에 위치하는 접착층, 및 상기 접착층 상에 위치하는 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함하고, 상기 전극은 일정 면적을 갖는 제1 영역; 및 상기 제1 영역의 일단부로부터 연장 형성된 제2 영역을 포함하고, 상기 접착층은 일정 면적을 갖는 제3 영역; 및 상기 제3 영역의 양 단부로부터 연장 형상된 제4 영역을 포함하고, 상기 제2 영역의 연장 형성 방향과 상기 제4 영역의 연장 형성 방향이 교차하도록 상기 전극과 접착층이 적층되고, 제1 영역의 바인더 함량은 제2 영역의 바인더 함량보다 많거나, 제3 영역의 바인더 함량은 제4 영역의 바인더 함량보다 적다.
상기 제1 영역은 전극 내 수분이 소량 포함되는 영역이고, 및 상기 제2 영역은 전극 내 수분이 다량 포함되는 영역일 수 있다.
상기 EGA는 외곽에 서브가스켓을 더 포함하고, 상기 서브가스켓은 가스유입부, 및 가스배출부를 포함할 수 있다.
상기 제4 영역은 상기 가스 유입부, 및 가스배출부와 인접할 수 있다.
상기 제3 영역은 상기 전극의 중심부에 인접하고; 및 상기 제 4영역은 상기 전극의 측면부와 인접하여, 제1 측면부와 제2 측면부를 포함할 수 있다.
상기 제1 영역 내 바인더의 함량은, 제1 영역 전체 100중량% 기준, 20~50중량%를 포함할 수 있다.
상기 제2 영역 내 바인더의 함량은, 제2 영역 전체 100중량% 기준, 10~40중량%를 포함할 수 있다.
상기 제1 영역 내 바인더의 당량(Equivalent weight; EW)은 800~1100일 수 있다.
상기 제2 영역 내 바인더의 당량(Equivalent weight; EW)은 600~1000일 수 있다.
상기 제3 영역은 바인더를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제4 영역 내 바인더의 함량은 단위면적당 10~300μg/cm2를 포함할 수 있다.
상기 제1 영역 : 제2 영역의 넓이의 비는 10~1 : 1일 수 있다.
상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행인, 제1 측면부와 제2 측면부 모서리 길이의 비율은; 상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행인, 접착층 모서리 전체 길이 100% 기준; 각각 독립적으로, 3~30%일 수 있다.
상기 제1 영역으로 플러딩(flooding)을 방지하고, 및 상기 제3 영역으로 GDL 내 가스유입부/가스배출부와 인접한 부분에 수분을 보강할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 상기 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)를 포함한다.
상기 연료전지 스택은, 전극의 제2 영역이 중력방향 기준으로 하부에 위치하도록 적층된 복수의 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)을 포함할 수 있다.
본 발명은 바인더의 함량이 조절된 EGA 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로써, 전극 내 바인더의 함량, 및 전극과 가스확산층(GDL)을 접착하는 접착층 내 바인더의 함량을 최적화로 조절시킴으로써, 이를 포함하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)의 플러딩 및 내열화에 의한 내구/성능 저하에 대한 개선이 가능하면서도 단위면적 당 출력 밀도가 향상된다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극을 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 상기 도 1에 따라 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 EGA를 제조하는 방법을 순서대로 도시한 도이다.
도 4는 상기 도 3에 따라 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 EGA 내 전극의 제1 영역과 제2 영역, 및 접착층의 제3 영역과 제4 영역을 함께 나타낸 도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명자는, 종래 EGA 내 플러딩 발생 감소, 및 건조한 분위기에 의한 국부적인 내구/성능 저하 감소를 위해 예의 연구한 결과, 전극 내 바인더의 함량이 제2 영역보다 제1 영역을 높고, 및 전극과 가스확산층(GDL)을 접착하는 접착층 내 바인더의 함량은 제3의 영역보다 제4 영역이 높은 것을 특징으로 하는 EGA에서 플러딩 발생이 감소하고 국부적인 내구/성능 저하 감소된다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
EGA
본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)는 전해질막, 상기 전해질막 상에 위치하는 전극, 상기 전극 상에 위치하는 접착층, 및 상기 접착층 상에 위치하는 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해질막은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 전해질막, 예를 들어, 불소계(PFSA, Perfluorosulfornic acid), 및 탄화수소계(Hydrocarbon)고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상 포함할 수 있고,특정 성분을 포함하는 것으로 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 성분을 포함하는 전극은 전압을 형성시키면서도 플러딩(flooding)을 유발하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극은 통상의 전극으로써, 양극 또는 음극일 수 있고, 바람직하게는 상기 전해질막 양면에 위치할 수 있고, 촉매, 촉매를 지지하는 담지체, 및 이를 주변에 얇게 형성되는 바인더를 포함할 수 있다. 상기 촉매, 담지제, 및 바인더는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 성분을 포함할 수 있고, 예를 들어, 촉매는 백금, 비백금, 및 합금계를 포함하는 모든 연료전지용 촉매 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바인더는 불소계(PFSA, Perfluorosulfornic acid) 및 탄화수소계(Hydrocarbon) 바인더로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 종류를 포함하는 것으로 제한되지 아니한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극을 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다. 이를 참조하면, 전극은 롤-투-롤 기반에 데칼(decal) 방법으로 전극을 제조할 수 있다. 상기 방법에 따라 전극을 제조하기 위한 슬러리를 이면지에 도포하기 위해 코터를 사용하여 전극을 제조할 수 있고, 바람직하게는 코터로 들어가는 주입구는 제1 슬러리 주입을 위한 제1 주입구 및 제2 슬러리 주입을 위한 제2 주입구를 포함할 수 있다. 또한, 코터 내부는 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 구분하기 위한 격벽을 포함할 수 있다. 상기 격벽은 주입구 쪽에서 토출부 쪽인 진행방향으로 갈수록 얇아지는 구조를 가질 수 있고, 바람직하게는 토출부 끝단에는 격벽없이 두 슬러리가 만날 수 있다. 이는 전극 코팅에 빈 공간이 없도록 하기 위함이다.
상기 제조방법에 따라 슬러리로 도포되어 제조된 전극 내 상기 제1 영역 : 제2 영역의 넓이의 비는 10~1 : 1일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 제1 영역의 넓이가 너무 좁으면 중심부 바인더 저감영역의 과다로 반응부의 성능이 열화될 수 있고, 제1 영역의 넓이가 너무 넓으면 제1영역의 부족으로 수분 적체영역을 제1영역에 온전히 포함할 수 없다.
도 2는 상기 방법으로 제조된 전극을 나타낸 도이다. 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극은 일정 면적을 갖고 상기 제1 슬러리로부터 제조되어 일정 면적을 갖는 제1 영역, 및 상기 제1 영역의 일단부로부터 연장 형성되고 상기 제2 슬러리로부터 제조된 제2 영역을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 영역은 전극 내 수분이 소량 포함되는 영역이고, 및 상기 제2 영역은 전극 내 수분이 다량 포함되는 영역일 수 있고, 더 바람직하게는, 제1 영역의 바인더 함량은 제2 영역의 바인더 함량보다 적을 수 있다. 이는, 바인더의 함량이 높아지면 물 배출에 불리한 단점이 있으므로 제1 영역의 바인더의 함량을 낮춰 수분을 소량 포함시키기 위함이다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 영역 내 바인더의 함량은, 제1 영역 전체 100중량% 기준, 20~50중량%을 포함할 수 있고, 제2 영역 내 바인더의 함량은, 제2 영역 전체 100중량% 기준, 10~40중량%을 포함할 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 제1 영역 및 제2 영역의 바인더의 함량이 너무 적으면 셀구동에 가능한 성능을 확보할 수 없고, 제1 영역 및 제2 영역의 바인더의 함량이 너무 많으면 물배출성 불량으로 내구성 확보가 어려운 단점이 있다. 특히, 상기의 범위 내에서도 제2 영역에 적체되는 생성수를 고려하여, 제2 영역 내 바인더 함량은 제1영역의 함량 미만으로 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 바인더 함량 조절 이외에도 바인더의 당량 조절로 각 영역의 수분 포함량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 영역 내 바인더의 당량(Equivalent weight; EW)은 600~1000 일 수 있고, 상기 제2 영역 내 바인더의 당량(Equivalent weight; EW)은 800~1100 일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 제1 영역 및 제2 영역 내의 바인더의 당량이 낮을 경우 물배출성 불량으로 내구성 확보가 어려운 단점이 있고, 제1 영역 및 제2 영역 내의 바인더의 당량이 높을 경우 성능 확보가 어려운 단점이 있다. 특히, 상기 범위 내에서도 제2 영역에 적체되는 생성수를 고려하여, 제2 영역 내 바인더의 EW는 제1 영역 내 바인더의 EW를 초과하도록 설계하는 것이 바람직하다.
추후, 상기 특징을 만족하는 전극을 포함하는 EGA가 연료전지 스택에 적층되었을 때 전극 내 제2 영역은 중력방향 기준으로 하부에 위치할 수 있다. 즉, 연료전지 작동에 의해 발생하는 물은 중력방향을 기준으로 하부에 위치할 가능성이 높고, 이에 따라 플러딩이 발생할 확률이 높은데, 전극 내 제2 영역을 중량방향을 기준으로 하부에 위치시킴으로써, 바인더 함량이 상대적으로 적은 제2 영역은 수분 함량을 낮출 수 있으므로, 결과적으로, 전극 내 바인더 함량을 제1 영역 및 제2 영역에 따라 조절함으로써 플러딩을 감소시키는 효과가 나타나므로 연료전지의 성능을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)는 상기 전극 상에 위치하는 접착층, 및상기 접착층 상에 위치하는 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 EGA 외곽에, 가스유입부와 가스배출부를 포함하는 서브가스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 GDL은 가스 확산성과 전기 전도성의 역할을 가능하게 하는 다공질의 가스확산층이라면 특별하게 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 GDL은 예를 들어, 탄소 소재 등을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함하는 것으로 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접착층은 상기 GDL과 상기 전극을 접착시켜 전극과 GDL이 분리되는 것을 방지시킬 수 있으면서도 바인더의 함량을 조절하여 내열화에 의한 내구/성능 저하를 개선시킬 수 있도록, 바인더와 용매의 액상으로 준비된다. GDL은 접착층을 액상으로 도포한 뒤, 용매가 건조되고 난 후 사용된다. 이때, 용매는 에탄올 및 물 등 건조후 잔여물이 남지않는 용매라면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접착층에 포함되는 바인더는 예를 들어, 불소계, 및 탄화수소계 바인더로 이루어지 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함하는 것으로 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 EGA를 제조하는 방법을 순서대로 도시한 도이다. 이를 참조하면, 전해질막 상에 전극을 위치시킨 다음 외곽에 가스유입부와 가스배출부를 포함하는 서브가스켓을 위치시킨 MEA을 준비시킨다. 그 다음, GDL의 일면에 일정 면적을 갖는 제3 영역과 상기 제3 영역의 양 단부로부터 연장 형상된 제4 영역을 포함시키도록 접착층을 도포한다. 그 다음, MEA의 전극 내 제2 영역의 연장 형성 방향과 상기 접착층 내 제4 영역의 연장 형성 방향이 교차하도록 상기 전극과 상기 접착층을 적층 후 열압착시켜 MEA와 접착층이 도포된 GDL을 포함하는 EGA를 제조할 수 있다.
상기 제조방법에 따라 전극 상에 적층된 접착층 내 상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행인, 제1 측면부와 제2 측면부 모서리 길이의 비율은; 상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행인, 접착층 모서리 전체 길이 100% 기준; 각각 독립적으로, 3~30%일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 상기 제1 측면부와 제2 측면부 모서리 길이(상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행)의 비율이 너무 낮으면 접합/조립의 불량 증가 및 건조영역에 대한 보완이 불완전할 수 있고, 상기 제1 측면부와 제2 측면부 모서리 길이(상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행)의 비율이 너무 높으면 이오노머의 사용 과다로 인한 원가 및 중앙 영역에서의 물배출 저하가 야기된다. 다만, 상기 모서리 길이 비율에 상관 없이, 상기 제1 측면부와 제2 측면부 모서리 길이(상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행)는 각각 최소한 3mm 이상인 것이 바람직하다.
도 4는 상기 방법으로 제조된 EGA 내 전극의 제1 영역과 제2 영역, 및 접착층의 제3 영역과 제4 영역을 함께 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 상에 적층된 접착층은 일정 면적을 갖는 제3 영역과 상기 제3 영역의 양 단부로부터 연장 형상된 제4 영역을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제3 영역은 상기 전극의 중심부에 인접할 수 있고, 상기 제4 영역은 가스유입부(공기 유입부 및 수소 유입부), 및 가스배출부(공기 배출부 및 수소 배출부부)와 인접할 수 있다. 더 바람직하게는, 제4 영역은 상기 서브가스켓의 상기 전극의 측면부와 인접하여, 제1 측면부와 제2 측면부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제4 영역의 모양, 즉 제1 측면부 및 제2 측면부의 모양은 도 4에 나타난 바와 같이, 직사각형일 수 있다. 또한, 제4 영역은 맞닿아 대응되는 전극의 제1 영역에서 제2 영역으로 내려갈수록 좁아져 사다리꼴 모양일 수 있고, 제2 영역에 대응되는 부분이 없이 제2 영역에 대응되는 부분만 존재하는 사각형일 수 있다. 이는 상기 제4 영역인 제2 측면부 및 제2 측면부의 모양 변화는 맞닿아 대응되는 전극의 제2 영역의 수분 적체 현상을 고려하여 전극과 맞닿아 있는 제4 영역의 수분을 감소시키기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제3 영역은 접착층 내 수분이 소량 포함되는 영역이고, 상기 제4 영역은 접착층 내 수분이 과량 포함되는 영역일 수 있다. 바람직하게는, 제3 영역의 바인더 함량은 제4 영역의 바인더 함량보다 적을 수 있다. 이는 바인더의 함량이 많을수록 수분의 함량이 높아지는 바 가스 유입부, 및 가스배출부 부근에 위치한 접착층이 건조하여 생길 수 있는 수분 부족을 보완하여 내열화에 의한 내구/성능 저하를 개선시키기 위함이다. 이에 따른 제3 영역 내에서는 GDL은 바인더를 포함하지 않고, 상기 제4 영역 내 바인더의 함량은, 단위 면적당 10 ~300μg/cm2을 포함할 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 상기 제4 영역 내 바인더 함량이 너무 낮으면 GDL접합이 어려우며 함량 과소로 함습 효과가 미미한 단점이 있고, 상기 제4 영역 내 바인더 함량이 너무 높으면 과량사용으로 인한 원가 증가 및 물배출이 적정 이상으로 억제되어 내구 열화의 가능성이 있다
연료전지 스택
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 상기 EGA를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 EGA 내 전극의 제2 영역이 중력방향 기준으로 하부에 위치하도록, 상기 EGA을 적층시키고, 상기 적층된 EGA를 복수로 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 복수로 적층된 EGA 내 전극 내 바인더의 함량을 중력방향을 기준으로 물의 양이 상대적으로 많아 플러딩 우려가 있는 전극 하부 부분을 제2 영역으로 지정하여 바인더의 함량을 낮추고, 접착층 내 바인더의 함량을 서브가스켓 내 가스 유입부, 및 가스배출부와 인접한 부분을 제4 영역인 제1 측면부와 제2 측면부로 지정하여 바인더의 함량을 높여 최적화시킨 특징이 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 플러딩 및 내열화에 의한 내구/성능 저하에 대한 개선을 가능하게 하여 트레이드-오프(trade-off)를 최소화시키면서도 단위면적 당 출력 밀도가 향상된다는 장점이 있다.

Claims (16)

  1. 전해질막, 상기 전해질막 상에 위치하는 전극, 상기 전극 상에 위치하는 접착층, 및 상기 접착층 상에 위치하는 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함하고,
    상기 전극은 일정 면적을 갖는 제1 영역; 및 상기 제1 영역의 일단부로부터 연장 형성된 제2 영역을 포함하고,
    상기 접착층은 일정 면적을 갖는 제3 영역; 및 상기 제3 영역의 양 단부로부터 연장 형상된 제4 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역의 연장 형성 방향과 상기 제4 영역의 연장 형성 방향이 교차하도록 상기 전극과 접착층이 적층되고,
    제1 영역의 바인더 함량은 제2 영역의 바인더 함량보다 많거나, 제3 영역의 바인더 함량은 제4 영역의 바인더 함량보다 적은 것을 특징으로 하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역은 전극 내 수분이 소량 포함되는 영역이고, 및
    상기 제2 영역은 전극 내 수분이 다량 포함되는 영역인 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  3. 제1항에 있어서,
    외곽에 서브가스켓을 더 포함하고,
    상기 서브가스켓은 가스유입부, 및 가스배출부를 포함하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제4 영역은 상기 가스 유입부, 및 가스배출부와 인접한 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 영역은 상기 전극의 중심부에 인접하고; 및
    상기 제 4영역은 상기 전극의 측면부와 인접하여, 제1 측면부와 제2 측면부를 포함하는 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역 내 바인더의 함량은, 제1 영역 전체 100중량% 기준, 20~50중량%를 포함하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역 내 바인더의 함량은, 제2 영역 전체 100중량% 기준, 10~40중량%를 포함하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역 내 바인더의 당량(Equivalent weight; EW)은 800~1100인 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역 내 바인더의 당량(Equivalent weight; EW)은 600~1000인 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3 영역은 바인더를 포함하지 않는 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제4 영역 내 바인더의 함량은 단위면적당 10~300μg/cm2를 포함하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역 : 제2 영역의 넓이의 비는 10~1 : 1인 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  13. 제5항에 있어서,
    상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행인, 제1 측면부와 제2 측면부 모서리 길이의 비율은; 상기 제4 영역의 연장 형성 방향과 평행인, 접착층 모서리 전체 길이 100% 기준; 각각 독립적으로, 3~30%인 것인 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역으로 플러딩(flooding)을 방지하고, 및
    상기 제3 영역으로 GDL 내 가스유입부/가스배출부와 인접한 부분에 수분을 보강하는 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly).
  15. 제1항의 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)를 포함하는 연료전지 스택.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전극의 제2 영역이 중력방향 기준으로 하부에 위치하도록 적층된 복수의 EGA(Electrode Gas diffusion layer assembly)을 포함하는 연료전지 스택.
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