KR20230096283A - 연료전지의 기체확산층 구조 - Google Patents

연료전지의 기체확산층 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 단위 셀의 기체확산층 구조에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위 셀의 기체확산층 구조는 연료전지 단위 셀의 촉매층과 분리판 사이에 배치되는 기체확산층을 포함하고, 상기 촉매층과 인접하여 위치하는 미세기공층 및 상기 미세기공층과 분리판 사이에 위치하는 기재층을 포함하며, 상기 기재층은 상기 미세기공층에 인접하는 미세기공층 인접영역 및 상기 분리판에 인접하는 가스채널 인접영역으로 구성되며, 상기 가스채널 인접영역 및 상기 미세기공층 인접영역의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 상기 기체확산층을 가압시키는 기체확산층 구조를 포함한다.

Description

연료전지의 기체확산층 구조{GAS DIFFUSION LAYER STRUCTURE FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 단위 셀에 포함되는 기체확산층에 인가되는 외력에 대응하여 기재층의 두께방향 양단의 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 기공을 넓게 하면 기체의 확산을 돕지만 열 및 전기 전도 경로가 감소하여 열 및 전기저항이 늘어나게 된다. 반대로 열 및 전기 전도도를 높이기 위해 기체확산층(GDL)에서 전도 경로를 확대하면 기공이 줄어들게 된다.
다만, 기체확산층의 기재층의 경우, 탄소섬유를 쌓아 구성되는 특징을 포함하는바, 두께방향으로 균일한 밀도를 갖지 못하여 두께 방향 양끝단과 인접한 영역의 밀도가 감소하고 외력에 의해 기재층과 미세기공층이 분리되거나 파손되는 현상이 발생하였다.
공개특허공보 제10-2020-0031845호 (공개일자: 2020.03.25)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기재층과 미세기공층 사이에 발생하는 응력에 대응하여 해당 위치의 기재층의 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)을 증가시키기 위한 연료전지의 기체확산층 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 미세기공층이 기재층을 구속하는 조건으로 작용하여 오히려 기재층과 미세기공층의 상대변위가 발생하고 기체확산층 구조의 변형으로 이어질 수 있어서 이로 인해 초기 구조 상태의 기능이 왜곡되는 결과를 방지하기 위한 기재층과 미세기공층간의 결합관계를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기재층의 가압을 수행하기 위한 기공층을 제공하여 요구되는 기재층의 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)을 형성하기 위한 연료전지의 기체확산층 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료전지의 기체확산층 구조는 다음과 같은 구성을 포함한다.
본 발명의 일 실시예로서, 연료전지 단위 셀의 촉매층과 분리판 사이에 배치되는 기체확산층은, 상기 촉매층과 인접하여 위치하는 미세기공층 및 상기 미세기공층과 분리판 사이에 위치하는 기재층을 포함하며, 상기 기재층은 상기 미세기공층에 인접하는 미세기공층 인접영역 및 상기 분리판에 인접하는 가스채널 인접영역으로 구성되며, 상기 가스채널 인접영역 및 상기 미세기공층 인접영역의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 상기 기체확산층을 가압시키는 것인 연료전지 단위 셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
또한, 상기 기체확산층의 구조적 변화는, 상기 기재층을 압축한후 레진 함침 또는 슬러리 코팅을 수행하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
또한, 상기 기재층의 압축을 수행하기 위한 압축력은 초기 두께 대비하여 70% 내지 95%의 두께를 갖는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
또한, 상기 기체확산층의 구조적 변화는, 상기 기재층을 압축한후 상기 기재층을 추가 가압하도록 구성되는 기공층을 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
또한, 상기 기공층을 통해 상기 기재층을 가압하여 상기 기재층이 상기 기공층에 함침되도록 구성되는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
또한, 상기 미세기공층은 상기 기공층이 제거된 상기 기재층 상면에 코팅되도록 구성되는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
또한, 상기 목표 고체 부피 분율은 상기 기재층에 인가되는 외력에 기초하여 결정되는 것인 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조를 제공한다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법은 기재층을 형성하는 단계, 기공층으로 기재층의 양면을 가압하는 단계, 기재층에 혼합레진 함침하는 단계, 열처리 및 방수처리를 수행하는 단계 및 기재층에 미세기공층을 코팅하는 단계;를 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 기재층에 미세기공층을 코팅하는 단계에서, 상기 미세기공층이 코팅되는 기재층의 일면을 기공층으로 재 가압하는 단계 및 상기 가압된 기재층 일면에 상기 슬러리 코팅을 수행하는 단계를 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 가압된 기재층 상면에 상기 슬러리 코팅을 수행하는 단계에서, 상기 슬러리가 고착된 이후 상기 기공층을 제거하는 단계 및 상기 기공층이 제거된 영역에 슬러리 추가 코팅을 수행하는 단계를 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법을 제공한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 미세기공층과 마주하고 분리판과 마주하는 기재층의 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)을 향상시켜 파손을 방지할 수 있는 연료전지의 기체확산층 구조를 제공하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 기재층의 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)을 향상시켜 연료전지 기체확산층의 내구성을 증가시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 연료전지 단위 셀의 단면도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 기체확산층을 구성하는 기재층과 미세기공층의 구성을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 가압 전의 기재층의 두께에 따른 고체 부피 분율을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 가압된 기재층의 두께에 따른 고체 부피 분율을 도시하고 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...층", "...막", "...극" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 하드웨어의 결합으로 구현될 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.
또한, 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1 내지 도 2에 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.
기재층(20)는 하기 단계를 통해 제조되는바, 고분자 중합체를 섬유화하고, 섬유를 탄화시키기 전 산소분위기에서 급격한 화학분해를 방지하기 위해 230도로 안정화하는 단계를 포함한다. 이후, 고분자를 탄화하는 과정으로서, 탄소섬유를 에폭시 레진 등을 이용하여 독립된 단섬유화시켜 필라멘트를 형성하는 단계를 포함한다. 이후 탄소섬유가 소정의 길이를(3~12mm) 갖도록 자르고, 폴리머릭 바인더(polymeric binder), 계면활성제를 사용하여 탄소섬유를 물에 분사하여 종이형태(Raw paper)로 만드는 단계를 수행한다. 이후 열처리 과정을 통해 초지 탄소섬유를 1차 결속하고, 탄소섬유 결속을 위한 전구체와 무기 필러 혼합 레진을 초지내 함침시키는 단계를 수행한다. 탄소섬유의 1차 결속을 수행한 이후 혼합 레진을 함침시키는 단계 사이에 기공층(Mesh plate)(40)을 통해 기재층의 양면을 가압하는 단계를 포함한다. 이후 기재층(20)을 혼합 레진에 함침하고, 열처리 및 방수처리를 수행하는 단계를 포함한다. 기공층으로 기재층을 가압하는 경우, 기재층의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 구성된다.
열처리 및 방수처리를 수행하는 단계로서, 전구체를 고온 열처리(1200~1400°C)를 수행하여 탄화시키고, 더 높은 온도의 열처리(2000~2400°C)를 수행하여 기계적 강도를 높이는 단계를 수행한다. 이후, 테플론 방수액을 탄소섬유 종이에 함침하여 발수력을 높이는 단계를 포함한다.
이렇게 제조된 기재층(20)을 대상으로 탄소분말과 테플론으로 구성되는 슬러리를 이용하여 탄소섬유 종이에 미세기공층을 코팅한다. 미세기공층을 코팅한 이후 테플론의 녹는점 이상(~350°C)으로 열처리하여 테플론 분산성을 향상시키는 단계를 통해 기체확산층을 제조하도록 구성된다.
더욱이, 본 발명은 열처리 과정을 통해 초지 탄소섬유를 1차 결속하는 단계를 수행한 이후 탄소섬유에 가압을 수행하는 과정을 포함한다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예로서, 초지 탄소섬유를 가압하는 단계에서 인가되는 압력은 기재층(20)의 초기 두께에 비하여 70% 내지 95%의 두께를 갖도록 압력범위를 설정할 수 있다.
또한, 위와 같은 제조방법을 통해서 살펴본 바와 같이, 기재층(20)이 제조되고, 제조된 기재층(20)과 미세기공층을 함침하는 단계를 수행한다. 더 바람직하게, 미세기공층이 기재층(20) 일면에 코팅되기 이전에 미세기공층이 코팅되는 기재층(20)을 기공층(40)으로 가압하는 단계를 포함한다. 이를 통해 기재층(20)은 설정된 두께를 갖도록 가압되고, 가압된 기재층(20)의 일면에 미세기공층을 형성하기 위한 슬러리 코팅을 수행한다. 슬러리가 기재층(20)에 고착된 이후 기공층(40)을 제거할 수 있으며, 기공층(40)이 제거된 기재층(20)의 일부 영역에 슬러리 추가 코팅을 수행하는 단계를 포함한다.
기체확산층(GDL)은 기재층(20)을 먼저 제조한 뒤 미세기공층(MPL)이 마련된다. 더욱이, 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. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 기체확산층(GDL)의 형성 후 또는 기재층(20)을 형성하는 단계에 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 탄소섬유 또는 바인더를 미리 설정하여 이를 적층한다. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 위의 두 가지 실시형태를 혼합한다. 즉, 기체확산층(GDL) 제조 시에 바인더의 추가 주입과 탄소섬유의 추가적인 부가가 동시에 수행된다. 다만, 상기와 같이 기재층(20)에 탄소섬유 및/또는 바인더를 통해 고체 부피 분율(SVF)를 증가시키는 영역은 가스채널 인접영역에 적용되는바, 기재층(20)의 미세기공층 인접영역에서는 적용되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서 기재층(20)을 가압하기 위한 구성으로서, 기공층(40)을 포함할 수 있는바, 초지 탄소섬유를 가압하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 기공층(40)은 방수처리를 수행하는 단계 이후 기재층(20)을 재 가압하도록 구성될 수 있다.
기공층(40)은 다수의 기공을 포함하여 기재층(20)의 두께방향 양면에 위치하여 기재층(20)의 두께가 감소하는 방향으로 일정한 압력을 인가하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 초치 탄소섬유를 가압하기 위한 기공층(40)의 기공으로 혼합레진을 함침하여 고착되도록 구성될 수 있다. 다만, 기공층(40)은 함침된 이후에 공정에 따라 기재층(20)으로부터 제거가 가능하도록 구성될 수 있다.
더욱이, 기재층(20)이 기공층(40)에 함침되어 위치될 수 있으며, 기공층(40)은 미세기공층이 코팅되기 이전에 기재층(20)으로부터 제거될 수 있으며, 미세기공층은 기공층(40)이 제거된 기재층(20) 상면에 추가코팅을 수행하여 위치될 수 있다.
도 3는 기체확산층(GDL)의 두께방향 위치에 따른 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)의 변화를 나타낸다. x 축은 도 2의 단면상 미세기공층으로부터 분리막까지의 두께방향 위치를 나타내고, 촉매층 측을 0으로, 우측으로 갈수록 두께가 증가하는 것으로 예를 들고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기재층(20)은, 기재층(20)의 두께방향 위치에 따른 고체 부피 분율을 고려하여 대략적으로 세 영역으로 나뉠 수 있다. 상기 세 영역은 미세기공층과 인접영역(A), 기재층(20)의 중심부 영역(C) 및 가스채널 인접영역(B)으로 지칭하기로 한다. 미세기공층과 인접영역(A)은 미세기공층(MPL)이 기재층(20)의 상면에 코팅되어 위치되고, 미세기공층을 사이에 두고 촉매층인 공기극(14) 또는 연료극(16)과 이웃한다. 기재층(20)의 중심부 영역(C)은 명칭 그대로 기재층(20)의 중심부를 말한다. 가스채널 인접영역(B)은 분리판(30)에 형성되는 가스채널에 이웃한다.
고체 부피 분율(SVF)은 기재층(20)의 중심부 영역(C)에서 높게 나타나고, 미세기공층 인접영역(A)으로서 촉매층과의 경계와 매우 근접한 부분 및 가스채널 인접영역(B)에서 중심부 영역(C)과 비교하여 낮은 값을 보인다. 즉, 밀도 관점에서 살펴보면 기재층(20)의 중심부 영역을 기준으로 양 끝단으로 가까이 갈수록 낮은 밀도를 보이는바 응력 취약 영역으로 작용함을 의미한다.
또한, 미세기공층 인접영역(A)에서는 미세기공층과 기재층(20)이 상호 구속된 형태로 위치되는바, 미세기공층을 중심으로 기재층(20)의 인접영역(A)으로 비틀림 모멘트가 발생될 수 있다.
즉, 단위셀에 발생되는 외력을 통해 기재층(20)이 미세기공층과 인접한 위치에 발생되는 전단력과, 분리판(30)과 기재층(20)이 체결된 위치로부터 기재층(20)과 미세기공층이 접한 위치에 외팔보의 굽힘모멘트가 발생하여 구조적 변형이 발생하는 문제점이 존재한다.
도 4는 기재층(20)을 가압하여 기재층(20)의 두께 방향을 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)의 변화를 도시하고 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 기재층(20)의 가압을 수행하여 상기 기재층(20)의 두께방향 위치에 따른 고체 부피 분율(Solid Volume Fraction, SVF)의 변화를 도시하고 있는바, 기재층(20)의 양끝단의 고체 부피 분율이 도 3에 도시된 고체 부피 분율과 비교하여 상대적으로 높아짐을 도시하고 있다.
즉, 본 발명의 기재층(20)을 형성함에 있어서, 초지 탄소섬유를 1차 결속하는 단계를 수행한 이후 탄소섬유에 가압을 수행하는 과정을 통해 기재층(20)의 두께를 감소하도록 구성되고, 두께 방향 양끝단의 고체 부피 분율이 높아지도록 구성된다. 또한, 압축된 기재층(20)의 폭의 두께는 도 3의 폭의 두께와 비교하여, 75% 내지 95%의 두께를 갖도록 구성된다. 즉, 상기 가스채널 인접영역 또는 상기 미세기공층 인접영역의 고체 부피 분율이 일정분율 이상이 되도록 초기 제작된 기재층(20)이 가압되도록 구성된다. 여기서 일정분율은 설정된 목표 고체 부피 분율과 동일한 분율을 의미한다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에서 기재층(20)을 가압하기 위한 구성으로서, 기공층을 포함하고, 초지 탄소섬유를 가압하거나, 또는 방수처리가 완료된 기재층(20)의 양끝단을 가압할 수 있도록 구성된다.
더욱이, 미세기공층과 인접영역(A)의 기재층은 미세기공층 내측으로 함침되는 기재층(20)의 양이 늘어나면서 미세기공층과 기재층(20)의 접촉면적이 증가하여 상호 체결력이 증가한다. 또한, 이렇게 증가된 체결력에 의해 외력에 따라 비틀림이 발생했을때 기재층(20)과 미세기공층 사이의 지지력이 증가하도록 구성된다.
더 바람직하게, 기재층(20)과 미세기공층 사이에 형성되는 기공층(40)은 기재층(20) 및 미세기공층이 서로 함침되도록 형성되는바, 기재층(20)과 미세기공층은 기공층(40)을 기준으로 상호 함침고착되도록 구성된다.
이를 통해 셀에 인가되는 외력으로부터 미세기공층과 기재층(20)이 서로 마주하는 면 또는 서로 함침되어 중첩되는 영역 사이에 발생되는 회전모멘트에 대한 지지력을 향상시키는 효과를 제공한다.
가압이 이루어 지지 않은 상태의 기재층(20)과 비교하여 가압을 수행한 본 발명의 일 실시예에 따른 기재층(20)은 두께가 90%를 갖도록 구성된다. 더욱이, 가압된 상태 기재층(20)의 두께방향 양끝단으로부터 10% 위치의 고체 부피 분율은 1.5 내지 1.8배 증가된 상태로 전환됨을 알 수 있다.
즉, 가압을 수행하여 기재층(20)의 두께가 감소하고, 기재층(20)의 두께방향 양끝단의 10% 지점의 고체 부피 분율이 상승하도록 구성되는바, 기재층(20)상에 코팅되는 미세기공층 사이의 변형을 최소화시키도록 구성된다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 막전극 접합체 12: 고분자 전해질막
14: 공기극 16: 연료극
20: 기재층 30: 분리판
40: 기공층
GDL: 기체확산층 MPL: 미세기공층

Claims (13)

  1. 연료전지 단위 셀의 촉매층과 분리판 사이에 배치되는 기체확산층은,
    상기 촉매층과 인접하여 위치하는 미세기공층; 및
    상기 미세기공층과 분리판 사이에 위치하는 기재층;을 포함하며,
    상기 기재층은 상기 미세기공층에 인접하는 미세기공층 인접영역; 및
    상기 분리판에 인접하는 가스채널 인접영역;으로 구성되며,
    상기 가스채널 인접영역 또는 상기 미세기공층 인접영역의 고체 부피 분율이 일정분율 이상인 연료전지 단위 셀의 기체확산층 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기체확산층의 구조적 변화는, 상기 기재층을 압축한후 레진 함침 또는 슬러리 코팅을 수행하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기재층의 압축을 수행하기 위한 압축력은 상기 기재층의 초기 두께에 비하여 70% 내지 95%의 두께를 갖도록 구성되는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기체확산층의 구조적 변화는, 상기 기재층을 압축한후 상기 기재층을 추가 가압하도록 구성되는 기공층;을 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기공층을 통해 상기 기재층을 가압하여 상기 기재층이 상기 기공층에 함침되도록 구성되는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 미세기공층은 상기 기공층이 제거된 상기 기재층 상면에 코팅되도록 구성되는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 목표 고체 부피 분율은 상기 기재층에 인가되는 외력에 기초하여 결정되는 것인 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기재층은 바인더 또는 탄소섬유를 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 구조.
  9. 기재층을 형성하는 단계;
    기공층으로 기재층의 고체 부피 분율이 목표 고체 부피 분율로 증가되도록 가압하는 단계;
    기재층에 혼합레진 함침하는 단계;
    열처리 및 방수처리를 수행하는 단계; 및
    기재층에 미세기공층을 코팅하는 단계;를 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 기재층에 미세기공층을 코팅하는 단계에서,
    상기 미세기공층이 코팅되는 기재층의 일면을 기공층으로 재 가압하는 단계; 및
    상기 가압된 기재층 일면에 상기 슬러리 코팅을 수행하는 단계;를 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 가압된 기재층 상면에 상기 슬러리 코팅을 수행하는 단계에서,
    상기 슬러리가 고착된 이후 상기 기공층을 제거하는 단계; 및
    상기 기공층이 제거된 영역에 슬러리 추가 코팅을 수행하는 단계;를 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 기재층을 형성하는 단계에서,
    바인더 또는 탄소섬유를 추가하는 단계;를 더 포함하는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 기공층으로 기재층의 양면을 가압하는 단계에서,
    상기 압축된 기재층의 두께가 최초 기재층의 두께 대비 70% 내지 95%의 두께를 갖도록 구성되는 연료전지 단위셀의 기체확산층 제조방법.
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