KR20220090828A

KR20220090828A - 연료전지의 가스확산층 구조

Info

Publication number: KR20220090828A
Application number: KR1020200181728A
Authority: KR
Inventors: 이성호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20240047701A1; CN114665115A; US20220200011A1

Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 단위 셀에 포함되는 가스확산층의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조는, 연료전지 단위 셀의 촉매층과 분리판 사이에 배치되고, 탄소기재층 및 미세기공층을 포함하는 가스확산층을 포함하고, 상기 가스확산층은, 상기 미세기공층을 포함하고, 상기 촉매층에 인접하는 촉매층 인접영역; 및 상기 탄소기재층을 포함하고, 상기 분리판에 인접하는 가스채널 인접영역; 상기 가스채널 인접영역의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 상기 가스확산층을 변화시킨다.

Description

연료전지의 가스확산층 구조{GAS DIFFUSION LAYER STRUCTURE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 단위 셀에 포함되는 가스확산층의 구조에 관한 것이다.

연료전지의 단위 셀은 고분자 전해질막과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 전극 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)과, 공기극 및 연료극이 위치한 바깥 부분에 적층되는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과, 기체확산층의 바깥 쪽에 적층되어 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 분리판을 포함한다.

기체확산층(GDL)은 촉매층인 공기극 및 연료극을 지지하고, 탄소 기재와 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)으로 구성된다. 기체확산층(GDL)은 (a) 반응기체가 촉매층에 골고루 분산되도록 반응기체를 촉매층까지 전달하고, (b) 촉매층에서 전기화학적 반응에 의하여 발생하는 생성수를 배출하고, (c) 촉매층에서 발생한 전기와 열을 전달하는 역할을 한다.

기체확산층(GDL)의 기능 (a) 내지 (c) 중 (a) 및 (b)와, (c)는 서로 대립 또는 상충하는 측면이 있다. 기체확산층(GDL)의 기공을 넓게 하면 기체의 확산을 돕지만 열 및 전기 전도 경로가 감소하여 열 및 전기저항이 늘어나게 된다. 반대로 열 및 전기 전도도를 높이기 위해 가스확산층(GDL)에서 전도 경로를 확대하면 기공이 줄어들게 된다.

따라서, 물질 전달 능력뿐만 아니라 열 및 전기 전도 능력이 동시에 우수한 가스확산층의 구조에 대한 고안이 필요하다.

공개특허공보 제10-2020-0031845호 (공개일자: 2020.03.25)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

연료전지 단위 셀에서 기체의 확산 및 열과 전기 전도도 성능이 모두 우수한 가스확산층 구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조는, 연료전지 단위 셀의 촉매층과 분리판 사이에 배치되고, 탄소기재층 및 미세기공층을 포함하는 가스확산층을 포함하고, 상기 가스확산층은, 상기 미세기공층을 포함하고, 상기 촉매층에 인접하는 촉매층 인접영역; 및 상기 탄소기재층을 포함하고, 상기 분리판에 인접하는 가스채널 인접영역; 상기 가스채널 인접영역의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 상기 가스확산층을 변화시킨다.

본 발명에 따르면, 연료전지 단위 셀에서 기체의 확산 및 열과 전기 전도도 성능이 동시에 우수한 가스확산층 구조가 제공된다.

본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 단위 셀의 단면도를 도시하고,
도 2는 가스확산층의 두께방향 고체 부피 분율을 도시하고,
도 3은 도 2와 본 발명에 따른 가스확산층 구조를 포함하는 가스확산층의 두께방향 고체 부피 분율을 비교하고,
도 4는 압축 전후의 본 발명의 일부 실시형태에 따른 가스채널 인접영역의 고체 부피 분율을 도시하고,
도 5는 압축 전후의 본 발명의 일부 실시형태에 다른 가스채널 인접영역의 기공도를 도시하고,
도 6은 가스확산층의 두께방향 기공도 변화를 도시하고,
도 7은 기공도의 변화에 대한 가스확산층의 전도면적 변화를 도시한다.

발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지의 단위 셀은 막전극 접합체(10)를 포함한다. 막전극 접합체(10)는 수소 양이온을 이동시키는 고분자 전해질막(12) 및 전해질막(12)의 양 면에 수소와 산소가 반응하도록 각각 도포되는 촉매층인 공기극(cathode, 14) 및 연료극(anode, 16)를 포함한다.

막전극 접합체(10)의 외측, 즉, 공기극(14) 및 연료극(16)의 외측에는, 각각, 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)이 적층되고, 기체확산층(GDL)의 외 측에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로를 포함하는 분리판(30)이 배치된다.

기체확산층(GDL)은 탄소섬유를 포함하는 기재층(20)과 기재층(20)의 일 측에 마련되는 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)을 포함한다.

기재층(20)은 일반적으로 탄소섬유 및 소수성 물질을 포함하는데, 비제한적인 예로서, 탄소섬유 천(cloth), 탄소섬유 펠트(felt) 및 탄소섬유 종이(paper)형 등이 기재층(20)으로서 사용될 수 있다.

미세기공층(MPL)은 카본 블랙(carbon black) 등의 탄소 분말을 소수성 물질에 혼합하여 제조될 수 있고, 용도에 따라 기재층(20)의 일면에 도포될 수 있다.

도 2에는 가스확산층(GDL)의 두께방향 위치에 따른 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)의 변화를 나타낸다. x 축은 두께방향 위치(z)를 나타내고, 촉매층 측을 0으로, 우측으로 갈수록 두께가 증가하는 것으로 예를 들고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가스확산층(GDL)은, 가스확산층(GDL)의 두께방향 위치에 따른 고체 부피 분율을 고려하여 대략적으로 세 영역으로 나뉠 수 있다. 상기 세 영역은 촉매층 인접영역(R1), 기재층의 중심부 영역(R2) 및 가스채널 인접영역(R3)으로 지칭하기로 한다. 촉매층 인접영역(R1)은 주로 미세기공층(MPL)으로 구성되고, 촉매층인 공기극(14) 또는 연료극(16)과 이웃한다. 기재층의 중심부 영역(R2)은 명칭 그대로 기재층(20)의 중심부를 말한다. 가스채널 인접영역(R3)은 분리판(30)에 형성되는 가스채널에 이웃한다.

고체 부피 분율(SVF)은 촉매층 인접영역(R1) 중 촉매층과의 경계와 매우 근접한 부분 및 기재층의 중심부 영역(R2)에서 높게 나타나고, 가스채널 인접영역(R3)에서 낮은 값을 보인다. 즉, 밀도 관점에서 살펴보면 가스채널 인접영역(R3)에서 기체확산층(GDL)은 가장 낮은 밀도를 보이는데 이는 전기 또는 열이 통과하는 통로가 가스채널 인접영역(R3)에서 가장 좁다는 것을 의미한다. 즉, 가스채널 인접영역(R3)에서는 저항이 매우 커서 두께방향 전도의 병목현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 고체 부피 분포가 매우 낮은 가스채널 인접영역(R3)의 고체 부피 분율(SVF)을 L1에서 L2로 증가시킴으로써 유효전도도를 향상시키고자 한다. 본 발명에 따르면, 가스채널 인접영역(R3)에 기재층(20)을 추가적으로 보강함으로써 전도도를 증가시킨다.

본 발명에 따르면, 가스채널 인접영역(R3)의 고체 부피 분율(SVF)이 상승된다. 통상적으로 가스확산층(GDL)의 제조 시 기재층(20)을 먼저 제조한 뒤 미세기공층(MPL)이 마련된다. 기재층(20) 형성 초기에 탄소섬유를 적층하면 기재층(20)의 밀도가 낮아진다. 일정 길이의 탄소섬유를 쌓아가면 적층 후반부에서 종료시점까지 더해지는 탄소섬유의 수가 줄어들다가 완료되는 시점, 즉, 0으로 끝나는 과정에서 필연적으로 발생한다. 이를 변화시키기 위하여 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 기체확산층(GDL)의 형성 후에 바인더(binder)를 추가 주입함으로써 고체 부피 분율(SVF)을 상승시킨다. 즉, 미세기공층(MPL)과 기재층(20)을 모두 형성한 뒤 바인더를 추가적으로 주입한다. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 기재층(20) 제조 시 탄소섬유를 적층하는 과정 후반부에 탄소섬유를 기존 대비 추가적으로 탄소섬유를 부가함으로써 고체 부피 분율(SVF)을 증가시킨다. 즉, 가스채널 인접영역에서 획득하고자 하는 고체 부피 분율(SVF) 및/또는 기공도에 기초하여 부가되어야 하는 탄소섬유를 미리 설정하여 탄소섬유를 적층한다. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 위의 두 가지 실시형태를 혼합한다. 즉, 가스확산층(GDL) 제조 시에 바인더의 추가 주입과 탄소섬유의 추가적인 부가가 동시에 수행된다.

본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 고체 부피 분율(SVF)을 올리기 위하여 가스확산층(GDL)을 기존보다 더 두껍게 제작하여 사용하기 전에 압축한다. 가스확산층(GDL)이 압축되면 강성이 양한 저밀도 영역 내지는 가스채널 인접영역(R3)이 먼저 변형되므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 기존 점선(B1, 추가 압축 전)이 실선(B2, 추가 압축 후)과 같이 바뀌면서 고체 부피 분율(SVF)이 증가한다. 그 결과로, 도 5에 도시된 바와 같이, 기공도 역시 기존 점선(C1, 추가 압축 전)이 실선(C2, 추가 압축 후)와 같이 대체로 감소한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 가스채널 인접영역(R3) 또는 가스채널 인접영역(R3) 중에서도 가스채널과 매우 가까운 영역에서 기공도는 대략 90%를 초과하는 경우가 많다. 이러한 기공도는 분리판과 체결되는 과정에서 압축이 되어도 크게 줄지 않는다. 이는 열이나 전기를 전달하는 경로가 대략 전체 면적의 10% 정도이므로 압축을 하여도 전도 경로가 크게 늘어나지 않는다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 기공도가 10% 감소하면 전도 면적이 10%에서 20%로 100% 증가하는 것을 예측하고 전도율을 크게 상승시킬 수 있다. 즉, 예를 들어, 기공도가 90%에서 80%로 감소하면 고체 부피 분율(SVF)은 10%에서 20%로 증가할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 미세기공층(MPL) 반대 면의 고체 부피 분율(SVF)이 증가된 기체확산층(GDL) 구조를 포함하여 전도도를 향상시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 기체확산층(GDL) 내부의 기공도(p)와 고체 부피 분율(SVF)은, 수학식 1과 같이, 반비례하는 관계에 있으며, 0 내지 1 이하의 범위 안에서 서로 반비례한다.

[수학식 1]

SVF = 1 - p

도 2 및 도 6을 재참조하면, 가스채널 인접영역(R3)에서는 기공도가 급증하고 고체 부피 분율(SVF)은 0에 근접하는 경향이 있다. 이를 다른 관점에서 살펴보면 기공도의 작은 감소가 고체 부피 분율(SVF)의 매우 큰 증가를 초래할 수 있다.

표 1을 추가적으로 참조하면, 기체확산층(GDL)의 기공도(p)가 대략 0.98 내지 0.1 내의 범위에 있을 때 각 위치에서 기공도가 10% 감소할 때 전도면적에 해당하는 고체 부피 분율(SVF)이 어느 정도 변화하는지를 보여준다.

예를 들어, 기공도(p)가 0.95에서 0.85로 10% 감소하면 이때의 고체 부피 분율(SVF)은 0.05에서 0.15로 대략 200% 증가하여 3배가 된다.

따라서, 기공도가 0.9를 초과하여 0.95이상 커지는 기체확산층(GDL)의 가스채널 인접영역(R3) 부근에서는 기체확산층(GDL)의 채널 인접 면 부근에서는 약간의 기공도 감소를 통해 매우 큰 전도면적을 증가시키고 궁극적으로 유효전도도를 증가시킬 수 있다.

기공도(p)	고체 부피 분율(SVF)	전도면적 증가율(%)
0.98	0.02	400
0.95	0.05	200
0.90	0.10	100
0.85	0.15	67
0.80	0.20	50
0.75	0.25	40
0.70	0.30	33
0.65	0.35	29
0.60	0.40	25
0.55	0.45	22
0.50	0.50	20
0.45	0.55	18
0.40	0.60	17
0.35	0.65	15
0.30	0.70	14
0.25	0.75	13
0.20	0.80	13
0.15	0.85	12
0.10	0.90	11

본 발명에 따르면, 가스채널 인접영역(R3)에서 기공도(p)가 대략 0.7 이하로 감소된다. 도 6을 재참조하면, 연료전지에서 사용되는 가스확산층(GDL)의 전체 기공도가 보통 0.6 내지 0.8이므로 본 발명은 가스채널 인접영역(R3)에서 기공도(p)를, 대략 0.6 내지 0.8, 바람직하게는 0.7 정도로 감소시킨다. 가스확산층(GDL)의 기공 분포가 기재층(20)에서도 약 0.5에 도달할 때도 있고, 미세기공층(MPL)이 촉매층과 인접하는 경계에서도 매우 작은 기공도를 보이고 있다. 따라서, 가스채널 인접영역(R3)의 기공도를 대략 0.7로 감소시켜도 기체확산과 투과에 영향은 미미할 것이므로 기공도의 감소가 투과성능 등에 영향을 주지 않는다.

도 3을 재참조하여, 본 발명에 따르면, 기재층(20)의 두께(t) 중 일정 범위(k·t, k는 0보다 크고 1보다 작음) 내에 속하는 기재층(20)의 고체 부피 분율(SVF)을 상승시킨다. 본 발명의 구현예에 따르면, 일정 범위(kt)에서 k는 대략 0.3 내지 0.5이다. 즉, 분리판(30)의 가스채널 측에 가까운 측에서 기재층(20)의 두께에 대략 30 내지 50%에 해당하는 만큼을 두께 보정 대상으로 함으로써 기체 확산 성능을 유지하면서 열 및 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 즉, 보정 대상인 가스채널 인접영역(R3)은 전체 기재층(20)의 두께(t) 중 30 내지 50%를 차지하는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10: 막전극 접합체 12: 고분자 전해질막
14: 공기극 16: 연료극
20: 기재층 30: 분리판
GDL: 기체확산층 MPL: 미세기공층

Claims

연료전지 단위 셀의 촉매층과 분리판 사이에 배치되고, 탄소기재층 및 미세기공층을 포함하는 가스확산층을 포함하고,
상기 가스확산층은,
상기 미세기공층을 포함하고, 상기 촉매층에 인접하는 촉매층 인접영역; 및
상기 탄소기재층을 포함하고, 상기 분리판에 인접하는 가스채널 인접영역;
상기 가스채널 인접영역의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 상기 가스확산층을 변화시키는 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 가스확산층의 구조의 변화는,
상기 가스확산층의 제조 후 상기 가스채널 인접영역에 바인더를 주입하는 것; 및 상기 탄소기재층의 제조 시 탄소섬유를 상기 목표 고체 부피 분율에 기초하여 미리 설정된 양만큼 적층하는 것;중 적어도 하나에 의해 발생되는 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 가스확산층 구조의 변화는, 상기 가스확산층의 두께를 기 설정된 두께보다 크게하여 제조한 뒤 압축하는 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 목표 고체 부피 분율은 상기 가스확산층의 기공도 분포에 기초하여 결정되는 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 가스채널 인접영역은, 상기 탄소기재층의 두께의 30 내지 50%를 차지하는 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 가스채널 인접영역의 고체 부피 분율은 상기 가스채널 인접영역의 기공도와 반비례하고, 상기 고체 부피 분율 및 기공도는, 각각, 0 내지 1 범위 내에서 정해지는 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 6에 있어서, 상기 기공도는 저영역 범위 및 상기 저영역 범위보다 기공도가 큰 값을 포함하는 고영역 범위를 포함하고,
상기 저영역 범위 또는 상기 고영역 범위에서 상기 기공도가 제1 값만큼 감소하는 경우,
상기 고영역 범위에서는 상기 고체 부피 분율이 제2 값만큼 증가하고,
상기 저영역 범위에서는 상기 고체 부피 분율이 제3 값만큼 증가하고,
상기 제2 값은 제3 값보다 큰 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 7에 있어서, 상기 기공도의 고영역 범위는 0.7 내지 1인 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 8에 있어서, 상기 고영역 범위에서 상기 제1 값이 0.1인 경우 상기 제2 값은 1.5배 이상 5배 미만인 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 7에 있어서, 상기 기공도의 저영역 범위는 0.4 내지 0.7 미만이고, 상기 저영역 범위에서 상기 제1 값이 0.1인 경우 상기 제3 값은 1.2배 이상 1.3배 이하인 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 7에 있어서, 상기 기공도의 고영역 범위는 0.8 내지 1이고,
상기 고영역 범위에서 상기 제1 값이 0.1인 경우 상기 제2 값은 2배 이상 5배 미만인 것 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.
청구항 11에 있어서, 상기 기공도의 고영역 범위는 0.85 내지 1이고,
상기 고영역 범위에서 상기 제1 값이 0.1인 경우 상기 제2 값은 3배 이상 5배 미만인 것 것인 연료전지 단위 셀의 가스확산층 구조.