KR20230083529A - 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막-전극 어셈블리로서, 상기 애노드 전극 및 애노드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제1 내부마스크와 상기 캐소드 전극 및 캐소드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제2 내부마스크를 더 포함하고, 상기 제1 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 위치하는 제1 분리판의 가스 유출구(Outlet)에 대응되는 영역의 두께가 가장 두꺼운 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

본 발명은 막-전극 어셈블리로서, 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역에서 내부마스크의 두께를 두껍게 형성하고, 상대적으로 외부마스크의 두께를 얇게 형성함으로써, 가스 유출구 영역에서 가스확산층의 압축률을 향상시켜, 막-전극 어셈블리의 발수성을 향상시키는 한편, 연료가스와 산소가스의 유로 내의 잔류시간을 향상시켜, 연료전지의 성능이 보다 향상되는 효과를 갖는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

연료 전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.

연료 전지는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode)과 환원극(Cathode)이 각각 형성된 구조를 이루며, 이와 같은 구조를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)라 칭한다.

연료 전지는 전해질막의 종류에 따라 알칼리 전해질 연료 전지, 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료 전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.

이와 같은 고분자 전해질 연료 전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등을 들 수 있다.

고분자 전해질 연료 전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)가 생성된다. 생성된 수소이온(H⁺) 은 고분자 전해질막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자(e^-)는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온(H⁺) 및 전자(e^-)와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.

연료 전지는 산화극과 환원극에서의 반응이 서로 상이하고, 이에 따른 반응물과 반응 부산물이 상이함에 따라, 연료 전지가 구동하는 중에 고분자 전해질막의 일면과 타면은 각각 서로 다른 환경에 노출되게 된다. 또한, 연료 전지는 고분자 전해질막의 양면에 전극층을 전사하여 적층 구조의 막-전극 어셈블리로 형성되고, 그 표면에 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)가 적층되며, 바이폴라 플레이트에 형성된 유로를 통해 산소와 연료 가스가 주입되는 구조를 가진다.

연료 전지의 구동 시 발생되는 부산물인 물은, 막-전극 어셈블리의 가장 내부에 위치하는 고분자 전해질막이 이온전도성을 갖게 하는 역할을 하지만, 과다한 물이 배출되지 못하고 잔류하게 되면, 산소 등의 물질 전달을 방해하게 되어 연료 전지의 성능을 오히려 저하시키는 문제가 있을 수 있고, 연료 전지 외부로 유출되면, 전지 자체의 구동이 불가해지는 고장을 일으킬 수 있기 때문에 따라서 연료 전지의 구동에 따라 발생되는 물을 적절하게 관리하는 것이 매우 중요하다.

한편, 막-전극 어셈블리의 양면에 위치한 분리판에 형성된 유로를 통해서 공급된 연료 가스와 산소 가스는 전극의 촉매층과 반응하여 전류를 생성한다. 연료 전지 내에서 가스의 누출이 발생하는 경우, 예를 들어 캐소드, 전해질, 및 애노드로 구성된 막-전극 어셈블리에서는, 연료 전지가 동작하는 동안 연료 가스는 반대 전극의 가스가 존재하는 공간으로 이동하거나, 전극의 외부로 이동하여, 연료 가스인 수소와 반대 전극의 유로 또는 외부의 산소가 반응하여 물과 열만 발생시킨다.

가스 누출 위치에서 형성된 열은 누출 위치 주위의 막-전극 어셈블리를 파괴할 수 있다. 파괴된 막-전극 어셈블리에서 수소 가스의 누출량과 산소 가스의 누출량은 더욱 증가하게 되고, 누출된 가스는 반응하여 더 많은 열을 발생시킴으로써 막-전극 어셈블리의 파괴를 가속화한다.

이에 따라, 가스 누출이 더 많아지고 더 많은 가스가 제어되지 않는 상태로 흐르는 정도까지 파괴된다. 이러한 연쇄 반응은 연료 전지가 매우 짧은 시간 안에 연소되고, 불은 또한 인접한 연료 전지나 전체 시스템을 파괴하거나 폭발을 일으킬 수 있다는 점에서, 연료 가스의 관리 또한 연료 전지의 구동에 있어서 매우 중요한 요소이다.

일본공개특허 제2007-059340호와 일본공개특허 제2017-162733호에서는 촉매층의 단부가 경사형으로 형성될 수 있도록, 전해질막의 적층면에 대해 예각으로 형성되어 있는 마스크 부재 또는 가스켓을 도입한 연료전지의 제조방법을 개시하고 있다.

이는, 고분자 전해질막의 열화를 방지하거나, 연료 전지 구동 시 발생되는 물의 배수성을 향상시키기 위한 기술에 관한 것으로서, 가스 유출구에서의 가스확산층의 체결압을 향상시켜, 가스확산층 내에 반응 가스의 잔류 시간을 향상시켜, 연료전지의 성능을 보다 향상시키는 기술에 대해서는 개시하고 있지 않다.

이와 같이, 연료 전지 내부에 잔류하는 가스의 누출을 방지하고, 가스의 확산층 내의 체류시간을 향상시키는 한편, 연료전지 구동 시 발생되는 물의 배수를 원활하게 하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 연구가 계속되고 있다.

일본공개특허 제2007-059340호(2007.03.08) 일본공개특허 제2017-162733호(2017.09.14)

본 발명은 연료 전지 구동 시 발생되는 물의 배수를 용이하게 하여, 연료 전지의 성능 저하를 방지하는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 가스 유입구 영역의 가스확산층에 가해지는 체결압은 낮게 형성하고, 가스 유출구 영역의 가스확산층에 가해지는 체결압은 높게 구성하여, 가스확산층으로 가스의 유입이 용이하게 하는 한편, 가스 유출구로 가스가 쉽게 빠져나가지 못하게 하여, 촉매층과 접촉할 수 있는 반응 영역에서의 가스 체류 시간을 향상시킬 수 있는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같이 촉매층과 가스가 접촉하는 시간을 향상시킴에 따라 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명은 가스확산층으로 유입된 가스가 막-전극 어셈블리 외부로 누출되지 않도록 기밀성이 향상된 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는 이온전도성을 갖는 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 배치된 애노드 전극; 상기 애노드 전극의 상부에 위치하는 애노드측 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer); 상기 고분자 전해질막의 상기 일면과 대향되는 타면에 배치된 캐소드 전극; 및 상기 캐소드 전극의 상부에 위치하는 캐소드측 가스확산층을 포함하는 막-전극 어셈블리로서, 상기 애노드 전극 및 애노드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제1 내부마스크와 상기 캐소드 전극 및 캐소드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제2 내부마스크를 더 포함하고, 상기 제1 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 위치하는 제1분리판의 가스 유출구(Outlet)에 대응되는 영역의 두께가 가장 두꺼운 것을 특징으로 한다.

상기 제2 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 타면에 위치하는 제2분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역의 두께가 가장 두꺼울 수 있다.

상기 막-전극 어셈블리는, 상기 제1 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제1 분리판과 접하는 제1 외부마스크와 상기 제2 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제2 분리판과 접하는 제2 외부마스크를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 탄성계수가 400 내지 800 kpsi이고, 상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 탄성계수가 400 내지 600 kpsi일 수 있다.

상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 상기 애노드측 가스확산층과 상기 캐소드측 가스확산층의 두께와 같거나 얇은 두께를 가지며, 상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 상기 제1 분리판의 가스 유입구, 제1 분리판의 가스 유출구, 상기 제2 분리판의 가스 유입구 및 상기 제2 분리판의 가스 유출구와 대응되는 영역에 타공구가 형성될 수 있다.

상기 제1 내부마스크 및/또는 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 가장 두께가 두꺼운 부분과 가장 두께가 얇은 부분의 두께 차이가 30 내지 60 ㎛일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 것이다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 연료 전지 구동 시 발생되는 물의 배수를 용이하게 하여, 연료 전지의 성능 저하가 방지되는 효과를 가진다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 가스확산층으로 가스의 유입이 용이하게 하는 한편, 가스 유출구로 가스가 쉽게 빠져나가지 못하게 하여, 촉매층과 접촉할 수 있는 반응 영역에서의 가스 체류 시간을 길게 하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 가스확산층으로 유입된 가스가 막-전극 어셈블리 외부로 누출되지 않도록 기밀성이 향상된 효과를 가진다.

도 1은 막-전극 어셈블리의 유형과 구조를 나타낸 도면이다;
도 2는 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리의 제조방법 중 고분자 전해질막의 양면에 마스크를 적층한 단계를 나타낸 수직 단면도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 내부 마스크 두께 분포에 따른 유입구와 유출구의 위치를 예시적으로 나타낸 것과 내부 마스크의 두께가 일정한 비교예를 함께 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명에 사용된 "바람직한" 또는 "바람직하게는"은 특정 조건에서 특정 장점을 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시예 또한 동일 조건 또는 다른 조건에서 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예를 배제하는 것도 아니다.

본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.

막-전극 어셈블리는 이를 구성하는 층의 개수에 따라 크게, 3 레이어 타입, 5 레이어 타입, 7 레이어 타입 등으로 나눌 수 있는데, 기본적으로 3 레이어 타입의 구조에서 양측에 추가 층을 적층함으로써 확장된 구조를 형성한다.

구체적으로, 상기 3 레이어 타입의 경우, 막-전극 어셈블리의 가장 기본적인 구성인, 고분자 전해질막 이의 양면에 적층되는 애노드 전극와 캐소드 전극을 포함하는 구조이며, 상기 애노드 전극와 캐소드 전극의 상부에 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)를 더 포함하는 구조는 5 레이어 타입, 상기 가스확산층의 상부에 전극의 외주변 및 가스확산층의 외주변을 둘러싸며, 공급된 가스의 유출을 방지할 수 있도록 고분자 전해질막과 분리판 사이의 공간을 밀봉하는 밀봉 부재를 더 포함하는 구조를 7 레이어 타입이라고 한다.

상기 7 레이어 타입의 막-전극 어셈블리에서 상기 밀봉 부재는 가스켓과 서브가스켓을 포함할 수 있는데, 이 때 가스켓은 전극과 가스확산층 하부의 외주변을 둘러싼 형태로 적층되고, 가스켓의 상부에 위치한 서브 가스켓은 가스확산층 상부의 외주변을 감싸는 구조를 가질 수 있다.

상기 밀봉 부재가 가스확산층에 가하는 압력에 의해 연료 전지의 구동 시 발생되는 물의 배출 형태가 달라질 수 있는데, 가스확산층은 분리판에 의해 눌리게 되는데 눌리는 정도에 따라 가스확산층 기공 크기 분포가 달라지게 된다. 이러한 기공크기 분포 차이로 가스 확산 및 물 배출의 경향이 달라질 수 있다. 보통의 경우 MEA 전 위치에 동일하게 체결압이 가해져서 가스확산층이 동일한 수축률을 보이며, 이로 인해 전 영역에서 가스확산층의 물성이 비슷하게 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(MEA)는 MEA 전 범위에 동일한 체결압이 가해지지만 서브가스켓의 두께 차이를 통해 가스확산층의 수축률을 상이하게 만들고, 이를 통해 하나의 가스확산층에서 위치에 따라 다른 물성을 갖게 만든다. 이러한 방식으로 위치에 따라 가스확산과 물 배출 속도를 다르게 하여 사용되는 MEA, 시스템 등에 맞춤화된 설계를 할 수 있다.

본 발명은 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 막-전극 어셈블리 내부로 수소 가스, 산소 가스 등의 가스 유입이 용이하고, 막-전극 어셈블리 외부로 가스의 유출을 억제하여, 반응성 가스의 막-전극 어셈블리 내부 체류시간을 향상시켜 연료전지의 성능을 향상시킨 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 3 레이어 타입 MEA, 5 레이어 타입 MEA 및 7 레이어 타입 MEA 중 7 레이어 타입의 MEA로서 가스확산층 외에 밀봉 부재인 마스크를 포함하는 구조를 갖는다. 상기 3 레이어 타입의 MEA가 가장 기본적인 형태의 막-전극 어셈블리로서, 이온전도성을 갖는 고분자 전해질막의 양면에 반응 가스와 직접 반응하는 전극층(촉매층)를 구비한 구조이다.

상기 3 레이어 타입의 MEA의 양면에 가스확산층을 더 포함하는 구조는 5 레이어 타입의 MEA라고 하는데, 가스확산층은 전극층(촉매층)에 반응 가스가 균일하고 고르게 공급될 수 있도록 하는 역할을 하며, 생성된 전기를 모으는 역할을 한다. 가스의 균일한 공급을 위해 다공성 구조를 갖는다.

예를 들면, 상기 가스확산층은, 다공성 탄소지(Carbon Paper), 다공성 탄소 원단(Carbon Cloth) 등의 가스 확산이 가능한 다공성 구조를 가지며, 탄소 재료로 구성되어 촉매층에서 형성된 전기를 집전층으로 전달하는 역할을 한다.

한편, 상기 7 레이어 타입의 MEA는 상기 가스확산층을 구비한 5 레이어 타입의 MEA에 가스 누출을 방지하는 밀봉 부재를 더 포함하여 막-전극 어셈블리의 가스확산층에 공급되는 가스의 누출을 방지하도록 구성된다.

상기 밀봉 부재는 예를 들어, 가스켓과 서브 가스켓으로 구성될 수 있는데, 서브 가스켓은 고분자 전해질막의 상부에 위치하되 전극층을 둘러싸도록 구성됨으로써, 전극층과 가스가 접촉하더라도 외부로 가스의 누출이 없도록 구성되고, 가스켓은 서브 가스켓의 상부에 위치하되, 가스확산층의 외주변을 둘러싼 형태를 가져 막-전극 어셈블리 외부로 가스의 누출을 방지하도록 구성된다.

도 1은 막-전극 어셈블리의 유형과 구조를 나타낸 도면으로서, 도 1을 참고하면, 3 레이어 타입의 MEA는 고분자 전해질막(50)의 양면에 촉매층(전극층)(30)을 구비한 구조를 가지며, 5 레이어 타입 MEA는 이의 양면에 추가로 가스확산층(40)을 구비한 구조를 가지고, 7 레이어 타입 MEA는 밀봉 부재(60)를 더 포함하는 구조이다.

본 발명에서는 기존의 7 레이어 타입의 MEA에서 밀봉 부재의 구조를 달리 구성함으로써, 막-전극 어셈블리 외부로의 가스의 누출을 방지하고, 연료 전지 구동 시 발생되는 물의 배출을 용이하게 하는 기본적인 기능을 유지하는 한편, 가스확산층 내에서의 가스 체류 시간을 길게 하여 가스 유입량 대비 전류 생산량을 증가시킨 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명에 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는 이온전도성을 갖는 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일면에 배치된 애노드 전극, 상기 애노드 전극의 상부에 위치하는 애노드측 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 상기 고분자 전해질막의 상기 일면과 대향되는 타면에 배치된 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극의 상부에 위치하는 캐소드측 가스확산층을 포함하는 막-전극 어셈블리로서, 상기 애노드 전극 및 애노드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제1 내부마스크와 상기 캐소드 전극 및 캐소드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제2 내부마스크를 더 포함하고, 상기 제1 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 위치하는 제1 분리판의 가스 유출구(Outlet)에 대응되는 영역의 두께가 가장 두꺼운 것을 특징으로 한다.

상기 제1 내부마스크는 애노드 전극과 애노드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 형태를 가진다.

보다 상세하게는, 상기 제1 내부마스크는 제1 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역에서 가장 두꺼운 두께를 가짐으로써, 해당 영역의 애노드측 가스확산층 부분이 제1 내부마스크와 제1 분리판에 의해 눌린 형태를 가진다. 이와 대조적으로, 상기 제1 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역의 애노드측 가스확산층 부분은 제1 내부마스크과 제1 분리판에 의해 눌리지 않는 형태 내지는 눌리더라도 상대적으로 낮은 압력으로 눌리는 형태로 구성될 수 있다.

이는, 가스 유입구를 통해 애노드측 가스확산층으로 가스가 원활하게 유입될 수 있도록 하고, 애노드측 가스확산층에 분포된 가스가 가스 유출구를 통해 쉽게 유출되는 것을 방지되도록 하기 위함이다.

상기 제1 내부마스크와 마찬가지로, 상기 제2 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 타면에 위치하는 제2분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역의 두께가 가장 두껍게 구성될 수 있다.

이는 상술한 바와 같이 제1 내부마스크의 구조와 마찬가지로, 제2 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역의 상기 제2 내부마스크의 두께를 두껍게 구성함으로써, 캐소드측 가스확산층이 제2 내부마스크와 제2 분리판에 의해 눌리는 부분의 압력을 높게 형성하여 캐소드측 가스확산층에 분포된 가스의 잔류시간을 보다 연장시키기 위함이다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 상기 제1 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제1 분리판과 접하는 제1 외부마스크와 상기 제2 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제2 분리판과 접하는 제2 외부마스크를 더 포함할 수 있다.

일반적으로, 7 레이어 타입 MEA에서 밀봉 부재를 포함하는 경우에, 가스켓과 서브가스켓은 고분자 전해질막과 분리판 사이에 위치하여, 동일한 높이로 구성되는 것이 일반적이다. 이는 막-전극 어셈블리가 연료전지 내에서 여러 층 적층되어 연료전지로 구성되기 때문에, 적층 시의 효율성을 고려하여, 막-전극 어셈블리의 상부와 하부는 평행한 형태로 구성된다. 이는 또한, 막-전극 어셈블리의 가스 기밀성을 확보하기 위함이기도 하다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이, 막-전극 어셈블리를 구성하는 내부마스크의 두께가 분리판의 유출구 영역에 대응되는 영역에서 두꺼운 두께를 갖도록 구성되기 때문에 막-전극 어셈블리의 두 면이 평행한 구조를 형성할 수 있도록, 상술한 외부마스크를 더 포함하도록 구성된다. 즉, 내부마스크의 상부에 외부마스크가 적층된 구조를 가지되, 막-전극 어셈블리의 모든 영역에서 내부마스크와 외부 마스크의 두께 합은 동일하게 구성된다.

다만, 상기 외부마스크는 상기 가스확산층의 외주변을 둘러싸서 가스확산층으로부터 외부로의 가스 누출을 방지하는 기능을 하기 때문에 분리판의 가스 유입구와 가스 유출구를 포함하는 영역을 둘러싼 형태로 구성된다. 즉, 가스 유입구와 가스 유출구는 가스확산층과 겹쳐지도록 구성되어, 가스의 유입과 유출이 원활하게 되도록 구성되는 한편, 가스확산층의 외부에는 외부마스크에 의해 둘러싸여 가스의 누출이 방지되도록 구성된다.

상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 모두 내부마스크와 분리판 사이에 위치하여, 가스확산층에 분포된 가스가 막-전극 어셈블리의 외부로 누출되는 것을 방지하는 한편, 가스확산층이 눌린 상태에서의 두께를 결정하는 역할을 한다.

상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크가 두껍게 구성되는 부분은 상대적으로 제1 외부마스크와 제2 외부마스크의 두께가 얇게 구성됨으로써, 해당 부분에서 가스확산층의 두께방향의 압력이 강하게 작용한다.

가스확산층은 상술한 바와 같이, 다공성의 탄소 소재로 구성됨에 따라 두께방향의 압력이 높아지는 경우, 눌려 체결압력이 증가하면 가스의 유출이 어렵게 된다.

상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 상기 제1 분리판의 가스 유입구, 제1 분리판의 가스 유출구, 상기 제2 분리판의 가스 유입구 및 상기 제2 분리판의 가스 유출구와 대응되는 영역에 타공구가 형성되어 있는 것일 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 제1 내부마스크와 제1 분리막, 제2 내부마스크와 제2 분리막 사이에 위치하여, 가스확산층에 분포된 가스가 유출되는 것을 방지하는 역할을 하는 동시에, 가스확산층에 가스를 유입시키고 가스확산층으로부터 가스가 유출되는 제1 분리판의 가스 유입구 및 가스 유출구, 제2 분리판의 가스 유입구 및 가스 유출구를 막지 않도록 구성된다.

상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 예를 들어 각각 독립적으로 탄성계수가 400 내지 800 kpsi이고, 상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 예를 들어 각각 독립적으로 탄성계수가 400 내지 600 kpsi일 수 있다. 이때 탄성계수는 인장탄성계수(E)를 의미한다. 상기 탄성계수의 범위는 제조업체로부터 제공받을 수 있다. 상기와 같이 높은 탄성계수를 통하여 내부 마스크 및 외부마스크는 두께 방향의 압력에도 쉽게 변형되지 않음으로써 기밀성을 가질 수 있다.

상기 탄성계수 수치범위를 만족하는 소재로서, 상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등의 수지 소재로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, PI를 포함할 수 있다.

마찬가지로, 상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크 또한 각각 독립적으로 PI, PEN 및 PET 등의 소재로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, PI를 포함할 수 있다.

상기 제1 내부마스크 및/또는 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 가장 두께가 두꺼운 부분과 가장 두께가 얇은 부분의 두께 차이가 30 내지 60 ㎛일 수 있고, 바람직하게는, 35 내지 50 ㎛일 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 상기 제1 내부마스크와 상기 제1 외부마스크는 적층된 상태에서 상기 제2 내부마스크와 상기 제2 내부마스크가 적층된 상태의 두께와 동일한 두께를 갖는데, 적층된 상태의 마스크의 총 두께는 150 내지 250 ㎛일 수 있고, 바람직하게는, 180 내지 220 ㎛일 수 있으며, 가장 바람직하게는, 180 내지 200 ㎛일 수 있다.

본 발명은 또한, 상술한 막-전극 어셈블리의 제조방법으로서, a) 고분자 전해질막의 일면과 타면에 각각 제1 내부마스크와 제2 내부마스크를 적층하는 단계, b) 상기 제1 타공구의 내부에 애노드 전극을 형성하고, 상기 제2 타공구의 내부에 캐소드 전극을 형성하는 단계, c) 상기 애노드 전극의 상부에 애노드측 가스확산층을 형성하고, 상기 캐소드 전극의 상부에 캐소드측 가스확산층을 형성하는 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.

상기 a) 단계에서 타공 전의 상기 제1 내부마스크 및/또는 상기 제2 내부마스크는 기계 방향(MD, Machine Direction)과 0 내지 90°의 각도를 이루는 방향으로 연속적인 두께 변화가 형성된 것일 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리와 같이, 상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 가장 두꺼운 영역을 포함하는 한편, 타공구를 형성하기 전의 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크가 연속적인 두께 변화를 갖도록 구성된다.

이 때, 상기 연속적인 두께 변화는 그 형태와 무관하게, 가장 두께가 두꺼운 영역을 포함하여, 연속적인 두께 변화를 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

예를 들면, 기계 방향과 0 내지 90°의 각도를 이루는 방향을 축으로 한 내부마스크의 수직 단면을 기준으로 직선형, 곡선형 및 혼합형으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 형태로 형성될 수 있다.

상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크의 연속적인 두께 변화는 상기 고분자 전해질막을 기준으로 대칭형일 수 있다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 예를 들어 상기 제1 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제1 분리판과 접하는 제1 외부마스크와 상기 제2 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제2 분리판과 접하는 제2 외부마스크를 더 포함하고, a-1) 상기 a) 단계를 거친 후 상기 제1 외부마스크의 내부를 타공하여 제3타공구를 형성하고, 상기 제2 외부마스크의 내부를 타공하여 제4 타공구를 형성하는 단계 및 a-2) 상기 제1 내부마스크의 상부에 상기 제1 외부마스크를 적층하고, 상기 제2 내부마스크의 상부에 상기 제2 외부마스크를 적층하는 단계를 더 포함하여 제조할 수 있다.

상기 과정을 거침으로써, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리와 같이 분리판의 가스 유출구의 대응 영역에서의 마스크의 두께가 두껍게 구성되어, 가스 유출구 영역의 가스확산층의 체결압이 향상된 것을 기술적 특징으로 하는 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리를 연료전지에 도입함으로써, 가스 사용량 대비, 연료전지의 성능이 향상되며, 연료 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참고하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

다만, 이는 본 발명의 이해를 위한 하나의 예시에 불과할 뿐, 이에 의한 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리의 제조방법 중 고분자 전해질막의 양면에 마스크를 적층한 단계를 나타낸 수직 단면도를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 막-전극 어셈블리에서 고분자 전해질막(50)의 양면에 제1 내부마스크(61) 및 제1 외부마스크(62), 제2 내부마스크(61') 및 제2 외부마스크(62')가 각각 적층된 구조를 가지며, 적층된 내부마스크와 외부마스크의 내부에는 타공구를 형성하기 위해 타공되는 위치를 표시하였다.

해당 도면에는 도시되지 않았으나, 실제 외부마스크의 경우, 분리판의 가스 유입구 영역과 가스 유출구 영역을 막지 않게 그 외주변을 감싼 형태로 형성될 수 있도록 더 큰 크기의 타공구를 형성할 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시에 불과하며, 실제 외부마스크가 가스 유입구와 가스 유출구를 막지 않는 형태라면, 해당 부분만 추가로 타공되어 있는 구조를 가질 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리의 내부마스크와 외부마스크의 다양한 실시예를 나타낸 수직 단면도로서, 도 2와 도 4를 참고하면, 도 4와 같이, 내부마스크의 연속적인 두께 변화가 수직 단면을 기준으로 반드시 직선형으로 형성되는 것으로 한정되지 않고, 다양한 곡선 형태로 형성될 수 있다.

상기 연속적인 두께 변화를 확인할 수 있는 수직 단면은 기계 방향(MD, Machine Direction)과 0 내지 90°의 각도를 이루는 방향의 축을 기준으로 두께 방향으로 수직 단면을 형성하여 확인한다.

상기 내부마스크는 가스 유출구 영역에서의 가스확산층의 수축률을 조절하여 기공도(porosity)를 적절히 조절할 수 있도록, 내부마스크의 두께는 해당 영역에서 가장 두꺼운 두께를 갖도록 구성되고, 외부마스크는 마스크의 총 두께가 일정하게 유지되는 와중에 내부마스크와 분리판의 사이에 위치하도록 구성된다. 내부마스크의 두께 분포 조절을 통하여 가스확산층의 수축률을 상이하게 하고, 가스확산층의 평면상 위치에 따라 다른 기공 분포(pore distribution) 을 갖게 하여 가스 유입구와 가스 유출구 분포에 따른 생성물의 농도 불균형을 해소할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.

도 4를 참조하면, 상기 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.

상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.

각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 어셈블리와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 함.)을 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 어셈블리를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.

상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비된다.

이하, 본 발명의 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하나 이는 본 발명의 이해를 위한 하나의 예시적인 기재에 불과한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음의 실시예로 한정되거나 제한되지 아니한다.

[제조예]

도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 평면도 및 위치에 따른 두께 분포를 나타낸 것이다. 도 3에서 진한 색을 가진 부분일수록 내부마스크의 두께가 상대적으로 두꺼운 것을 의미한다. 이하 도 3을 참조하여 설명한다.

<실시예 1>

도 3의 실시예 1을 참조하면, 두께 15 ~ 25 ㎛인 Nafion 고분자 전해질막의 양면에 PI, PEN, PET, 등의 소재를 가지며, 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역에서 두께가 40 ~ 60 ㎛ 이고 가스 유입구에 대응되는 영역에서 두께가 30 ~ 50 ㎛ 이고, 필름의 평면도로 사분면에 놓았을 때 유출구는 2사분면에 있고, 유입구는 2사분면에 있으며, 경사형의 연속적이 두께변화가 -y 방향으로 증가하는 구조의 내부마스크를 적층한다. 양면의 내부마스크의 상부는 경사형의 두께 변화를 상쇄해주는 같은 소재의 필름으로 외부마스크를 적층한 후 타공한다. 외부 마스크는 전극을 전해질막에 전사시키는 과정 후 떼어낸다. 이후 MEA를 체결시 외부마스크가 있었던 위치에 고무 소재의 가스켓을 배열한다. 구성되며 타공구가 형성된 외부마스크를 적층하였다. 외부마스크는 분리판의 가스 유출구와 가스 유입구를 막지 않도록 이의 외주변을 둘러싼 형태로 타공구를 형성하였으며, 내부마스크와 적층한 상태에서의 총 두께는 150 ~ 250 ㎛이 되도록, 내부마스크의 연속적인 두께 변화가 형성된 형태와 상보적인 형태로 도입된다.

제조된 막-전극 어셈블리를 연료전지로 제작하였다.

<실시예 2>

실시예 1에서, 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역에서 두께가 40 ~ 60 ㎛이고 가스 유입구에 대응되는 영역에서 두께가 30 ~ 50 ㎛이고, 유출구는 2사분면에 있고, 유입구는 4사분면에 있으며, 경사형의 연속적인 두께변화가 x축에서 -45° 방향으로 증가하는 구조의 내부마스크를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이를 이용하여 연료전지를 제작하였다.

<실시예 3>

실시예 1에서, 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역에서 두께가 40 ~ 60 ㎛이고 가스 유입구에 대응되는 영역에서 두께가 40 ~ 60 ㎛이고, 유출구는 4사분면에 있고, 유입구는 2사분면에 있으며, 경사형의 연속전이 두께변화가 +y 방향으로 증가하는 구조의 내부마스크를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이를 이용하여 연료전지를 제작하였다.

<실시예 4>

실시예 1에서, 분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역에서 두께가 40 ~ 60 ㎛이고 가스 유입구에 대응되는 영역에서 두께가 40 ~ 60 ㎛이고, 유출구는 4사분면에 있고, 유입구는 2사분면에 있으며, 경사형의 연속적인 두께변화가 x축에서 +135° 방향으로 증가하는 구조의 내부마스크를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이를 이용하여 연료전지를 제작하였다.

<비교예 1>

실시예 1에서, 두께 30 ~ 50 ㎛의 균일한 두께를 갖는 내부마스크와 30 ~ 50 ㎛의 균일한 두께를 갖는 외부마스크를 사용하여, 내부마스크와 외부마스크의 총 두께가 150 ㎛인 것을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.

가스 유입구에서 유출구로 반응 기체가 흐를 때, 유입구 근처에서는 반응물이 많고, 생성되는 물을 유출구로 끌고 가서 유출구 근처에는 반응물은 상대적으로 적고 물은 상대적으로 많은 상태가 된다. 상기 실시예와 같이 위치에 따라 내부마스크의 두께가 연속적으로 변화하고, 이에 따라 수축률 또한 연속적으로 변화하게 된다. 이때 실시예와 같이 내부 마스크의 두께가 상대적으로 얇은 위치에 유입구를 형성하고, 내부 마스크의 두께가 상대적으로 두꺼운 위치에 유출구를 하는 경우, 연료전지 구동에 따른 생성물의 농도가 내부 마스크 모든 영역에서 균일한 분포를 나타낼 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 이온전도성을 갖는 고분자 전해질막;
   상기 고분자 전해질막의 일면에 배치된 애노드 전극;
   상기 애노드 전극의 상부에 위치하는 애노드측 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer);
   상기 고분자 전해질막의 상기 일면과 대향되는 타면에 배치된 캐소드 전극; 및
   상기 캐소드 전극의 상부에 위치하는 캐소드측 가스확산층;
   을 포함하는 막-전극 어셈블리로서,
   상기 애노드 전극 및 애노드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제1 내부마스크와
   상기 캐소드 전극 및 캐소드측 가스확산층의 외주변을 둘러싼 제2 내부마스크를 더 포함하고,
   상기 제1 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 위치하는 제1분리판의 가스 유출구(Outlet)에 대응되는 영역의 두께가 가장 두꺼운 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 내부마스크는 상기 막-전극 어셈블리의 타면에 위치하는 제2분리판의 가스 유출구에 대응되는 영역의 두께가 가장 두꺼운 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 막-전극 어셈블리는,
   상기 제1 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제1 분리판과 접하는 제1 외부마스크와 상기 제2 내부마스크의 상부에 위치하고 상기 제2 분리판과 접하는 제2 외부마스크를 더 포함하는 막-전극 어셈블리.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 탄성계수가 400 내지 800 kpsi이고,
   상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 탄성계수가 400 내지 600 kspi인 막-전극 어셈블리.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 내부마스크와 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
   상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 막-전극 어셈블리.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 상기 애노드측 가스확산층과 상기 캐소드측 가스확산층의 두께와 같거나 얇은 두께를 가지며,
   상기 제1 외부마스크와 상기 제2 외부마스크는 각각 독립적으로 상기 제1 분리판의 가스 유입구, 제1 분리판의 가스 유출구, 상기 제2 분리판의 가스 유입구 및 상기 제2 분리판의 가스 유출구와 대응되는 영역에 타공구가 형성되어 있는 것인 막-전극 어셈블리.
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 내부마스크 및/또는 상기 제2 내부마스크는 각각 독립적으로 가장 두께가 두꺼운 부분과 가장 두께가 얇은 부분의 두께 차이가 30 내지 60 ㎛인 막-전극 어셈블리.
   
8. 제1항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.

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