KR20230135797A

KR20230135797A - 소수성 처리된 금속제 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지

Info

Publication number: KR20230135797A
Application number: KR1020220033213A
Authority: KR
Inventors: 심재봉; 민경덕; 강민수
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-09-26

Abstract

본 발명은 소수성 처리된 금속제 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로 기체확산층의 재질을 금속으로 하고 상기 기체확산층에 포함되는 미세기공의 크기를 조절하며, 상기 기체확산층을 소수성 처리하여 막-전극 접합체의 수분제거효율을 향상시키고 연료전지의 성능을 향상시키며 기체확산층의 부식 및 구조변형을 방지할 수 있는 소수성 처리된 금속제 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.

Description

소수성 처리된 금속제 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지{HYDROPHOBIC-TREATED METALLIC GAS DIFFUSION LAYER, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL}

본 발명은 소수성 처리된 금속제 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로 기체확산층의 재질을 금속으로 하고 상기 기체확산층에 포함되는 미세기공의 크기를 조절하며, 상기 기체확산층을 소수성 처리하여 막-전극 접합체의 수분제거효율을 향상시키고 연료전지의 성능을 향상시키며 기체확산층의 부식 및 구조변형을 방지할 수 있는 금속제 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NO_x 및 SO_x 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 애노드(anode) 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드(cathode) 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.

연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지의 구성을 나열한 분해도이다. 도 1을 참고하면, 고분자전해질형 연료전지에서 사용되는 기존의 기체확산층은 탄소섬유(Carbon fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)을 기반으로 제작되어 왔다. 고분자 전해질 연료전지가 상용화되는 단계에서 탄소 기반의 기체확산층은 내구성 측면에서 여러 문제가 발생되어 왔다. 구체적으로 탄소 기반의 기체확산층은 미세기공층 탈착, 기재면의 기타 수지, 필러 및 테플론 유실, 탄소 부식, 기체확산층 친수성화, 탄소 섬유 절단, 기재면 강성 저하, 기체확산층 구조 변형, 두께 편차, 기체확산층 박막화의 한계, 제품 양산시 공정 품질 편차로 발생되는 성능 편차, 기재면으로의 미세기공층 침투 비율이 균일하게 조절되지 않는 문제가 존재하였다.

따라서, 기체확산층의 내구성을 향상시키고 재질 및 그에 포함되는 미세기공의 크기를 조절함으로써, 모세관압을 향상시켜 연료전지에서 환원반응에 의해 발생하는 물을 용이하게 제거할 수 있는 기술에 대한 개발이 시급한 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다층 구조의 금속판을 적층하여 기체확산층으로 사용하며, 상기 금속판에 포함되는 미세기공 크기를 조절하여 상기 기체확산층의 압축강도 및 내구성을 향상시키고, 상기 금속판을 소수성 처리하여 상기 기체확산층의 물배출 능력 및 연료전지의 성능을 향상시키며, 기존의 기체확산층에서 발생하는 구성의 유실을 방지하는 동시에 연료전지 환원반응에서 발생하는 수분을 용이하게 제거할 수 있는 금속제 기체확산층, 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시상태는 제1 평균 크기를 갖는 복수의 제1 미세기공이 포함된 제1 금속판; 제2 평균 크기를 갖는 복수의 제2 미세기공이 포함된 제2 금속판; 및 제3 평균 크기를 갖는 복수의 제3 미세기공이 포함된 제3 금속판;을 포함하며, 상기 제1 평균 크기 내지 제3 평균 크기는 하기의 수학식 1을 만족하는 것이고, 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면은 소수성 처리된 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층을 제공한다.

[수학식 1]

제1 평균 크기 > 제2 평균 크기 > 제3 평균 크기

본 발명의 일 실시상태는 전해질막; 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 서로 대향하는 면의 반대면 각각에 위치하는 집전체;를 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 각각은 기체확산층 및 촉매층을 포함하며, 상기 기체확산층은 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층인 것인 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 둘 이상의 상기 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부;를 포함하는 것인 연료전지를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 장시간 구동 시에도 부식을 방지할 수 있으며, 상기 기체확산층의 구조 변형 및 구성 물질 유실을 방지할 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 제1 금속판 내지 제3 금속판의 두께를 조절하여 상기 기체확산층의 두께를 조절하는 동시에 미세기공의 지름을 변경할 수 있어 전기화학반응으로 생성된 물을 최적화된 모세관압 구배로 배출할 수 있으며, 상기 기체확산층을 균일하게 구현할 수 있어 기존의 성분인 카본 블랙, 기타 수지, 필러, 탄소 섬유 또는 테플론 등 구성 물질의 국부적 함유량 차이에 따라 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 제1 금속판 내지 제3 금속판 중 적어도 하나를 소수성 처리하여 상기 기체확산층의 물배출 능력 및 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따른 연료전지용 막-전극 접합체는 상기 기체확산층에 포함된 미세기공의 크기 조절에 따라 모세관압을 향상시켜 환원반응에 의하여 발생하는 물을 용이하게 배출할 수 있어 촉매층으로 반응가스의 공급효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따른 연료전지는 기체확산층에 사용되는 카본블랙 등을 사용하지 않음으로써, 상기 기체확산층에 포함되는 성분의 유실을 방지하며, 탄소 부식과 기체확산층의 친수성화를 방지하여 연료전지의 내구성을 향상시키고, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지의 구성을 나열한 분해도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 정면도이다.
도 3은 소수성 처리 전의 금속제 기체확산층의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 연료전지의 구성을 나열한 분해도이다.
도 5는 실험예 1에 따른 하나의 금속판으로 제조한 금속제 기체확산층을 이용하여 미세기공의 평균 크기에 따른 0.5 V에서의 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예 2에 따른 장경 800 ㎛ 이고 단경 200 ㎛인 금속판에 미세기공의 평균 크기를 달리한 다른 금속판을 적층해 제조한 금속제 기체확산층을 이용하여 미세기공의 평균 크기에 따른 0.5 V에서의 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 참고예 및 비교예에서 사용한 제1 금속판 내지 제3 금속판을 촬영한 사진이다.
도 8은 비교예 1 내지 3를 0.5 V에서 금속제 기체확산층의 압축 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 참고예 1, 참고예 2 및 비교예 4를 0.5 V에서 금속제 기체확산층의 압축 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 참고예 1 및 비교예 5를 0.5 V에서 금속제 기체확산층의 압축 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실험예 3에 따른 참고예 1에 대하여 소수성 처리인 코팅층을 형성하기 위해 사용된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 농도에 따른 전류 밀도를 측정한 그래프이다.
도 12는 실험예 4에 따른 참고예 1에서 (a) 상기 제3 금속판에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 2 %(w/w)인 것으로 소수성 처리한 제3 금속판의 확대 사진, (b) 상기 제1 금속판에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 100 %(w/w)인 것으로 소수성 처리한 제1 금속판의 확대 사진 및 (c) 상기 제2 금속판에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 100 %(w/w)인 것으로 소수성 처리한 제2 금속판의 확대 사진이다.
도 13은 추가비교예, 참고예 1 및 실시예 1의 (a) 상대습도 30 % 및 (b) 상대습도 100 %에서의 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 14는 추가비교예, 참고예 1 및 실시예 1의 (a) 상대습도 30 %와 1.0 A/cm²의 조건 및 (b) 상대습도 100 %와 2.0 A/cm²의 조건에서의 임피던스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 상기 기공의 “크기”는 기공의 형상에서 최대길이를 측정한 것을 의미할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

[수학식 1]

제1 평균 크기 > 제2 평균 크기 > 제3 평균 크기

본 발명의 일 실시상태에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 장시간 구동 시에도 부식을 방지할 수 있으며, 상기 기체확산층의 구조 변형 및 구성 물질 유실을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 제1 금속판 내지 제3 금속판의 두께를 조절하여 상기 기체확산층의 두께를 조절하는 동시에 미세기공의 지름을 변경할 수 있어 전기화학반응으로 생성된 물을 최적화된 모세관압 구배로 배출할 수 있으며, 상기 기체확산층을 균일하게 구현할 수 있어 기존의 성분인 카본 블랙, 기타 수지, 필러, 탄소 섬유 또는 테플론 등 구성 물질의 국부적 함유량 차이에 따라 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 제1 금속판 내지 제3 금속판 중 적어도 하나를 소수성 처리하여 상기 기체확산층의 물배출 능력 및 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제1 평균 크기를 갖는 복수의 제1 미세기공이 포함된 제1 금속판;을 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 제1 평균 크기를 갖는 복수의 제1 미세기공이 포함된 제1 금속판을 포함함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 산소의 환원반응에 의해 형성되는 물의 배출 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 금속재질을 사용함으로써, 기체확산층에서 유실되는 성분이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 금속재질의 압축강도로 인하여 외부 압력에 의하여 기체확산층이 수축되는 문제를 향상시킬 있고, 산화를 방지함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제2 평균 크기를 갖는 복수의 제2 미세기공이 포함된 제2 금속판;을 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 제2 평균 크기를 갖는 복수의 제2 미세기공이 포함된 제2 금속판을 포함함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 산소의 환원반응에 의해 형성되는 물의 배출 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 금속재질을 사용함으로써, 기체확산층에서 유실되는 성분이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 금속재질의 압축강도로 인하여 외부 압력에 의하여 기체확산층이 수축되는 문제를 향상시킬 수 있고, 산화를 방지함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제3 평균 크기를 갖는 복수의 제3 미세기공이 포함된 제3 금속판;을 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 제3 평균 크기를 갖는 복수의 제3 미세기공이 포함된 제3 금속판을 포함함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 산소의 환원반응에 의해 형성되는 물의 배출 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 금속재질을 사용함으로써, 기체확산층에서 유실되는 성분이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 금속재질의 압축강도로 인하여 외부 압력에 의하여 기체확산층이 수축되는 문제를 향상시킬 있고, 산화를 방지함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 평균 크기 내지 제3 평균 크기는 하기의 수학식 1을 만족한다.

[수학식 1]

제1 평균 크기 > 제2 평균 크기 > 제3 평균 크기.

상술한 것과 같이 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기, 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기 및 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기가 상술한 수학식 1의 관계를 만족함으로써, 상기 기체확산층의 모세관압 구배를 극대화시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면은 소수성 처리된 것이다. 상술한 것과 같이 제1 금속판 내지 제3 금속판 중 적어도 하나를 소수성 처리함으로써, 상기 기체확산층의 물배출 능력 및 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 평균 크기 내지 제3 평균 크기를 조절하여 하기 수학식 2를 통하여 모세관압을 도출할 수 있다.

[수학식 2]

P_c는 모세관압, τ는 표면 장력, θ_c는 접촉각, ε는 기공률, J_(s)는 Leverett J 함수, s는 액체 물 포화도, d_p는 기공 크기를 의미한다. 상술한 것과 같이 수학식 2를 통하여, 모세관압을 도출함으로써, 기체확산층의 수분제거효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 소수성 처리는 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면이 플루오르화 수지로 코팅되어 코팅층(107, 미도시)이 형성된 것일 수 있다. 본 명세서의 도면에서 상기 코팅층은 제1 금속판 내지 제3 금속판 모두 또는 각각에 포함될 수 있는 것에 해당하여 별도로 도면에 미도시하였으며, 필요에 따라 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 모두 또는 각각에 있는 것으로 판단할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 소수성 처리는 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면이 플루오르화 수지로 코팅되어 코팅층(107, 미도시)이 형성된 것으로 구현함으로써, 상기 기체확산층의 소수성을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 소수성 처리는 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면 중 일부에만 코팅층이 형성된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 소수성 처리가 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면 중 일부에만 코팅층이 형성된 것으로 구현함으로써, 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판에 포함된 미세기공의 막힘을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 코팅층은 플루오르화 수지의 농도가 0 %(w/w) 초과 5 %(w/w) 이하인 플루오르화 수지 수용액으로 코팅된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 코팅층은 플루오르화 수지의 농도가 2 %(w/w)인 플루오르화 수지 수용액으로 코팅된 것이 바람직하다. 상기 플루오르화 수지 수용액은 용매가 물인 것을 의미하는 것일 수 있으며, 상기 농도는 용액 100 중량부에 대하여 플루오르화 수지가 용액에 포함된 중량부의 비율을 의미하는 것일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 플루오르화 수지 수용액의 농도를 조절함으로써, 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판에 포함되 미세기공이 상기 플루오르화 수지에 의하여 막히는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플루오르화 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리플루오로비닐리덴(PVDF) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 플루오르화 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)인 것이 바람직하다. 상술한 것으로부터 상기 플루오르화 수지를 선택함으로써, 상기 코팅층의 탈락을 방지하며, 소수성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속판, 상기 제2 금속판 및 상기 제3 금속판이 순차적으로 적층된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 미세기공의 크기가 상이한 상기 제1 금속판, 상기 제2 금속판 및 상기 제3 금속판이 순차적으로 적층됨으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 종래의 탄소 기반의 기체확산층(GDL, Gas Diffusion lauer)에 포함된 미세기공층(MPL, Micro porous layer), 미세기공층침투층(미세기공층과 기재면이 압력에 눌려 기재면의 성분이 미세기공층 내에 침투한 층) 및 기재면(substrate)을 대체할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 미세기공은 상기 제1 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향으로 각각 관통하여 형성될 수 있다. 상술한 것과 같이 두께방향, 길이방향 및 폭방향 각각으로 상기 제1 금속판에 제1 미세기공이 형성됨으로써, 반응가스 등인 기체의 투과율을 극대화할 수 있으며, 수분과 상기 금속판의 접촉면적을 향상시켜 제거효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 미세기공은 상기 제2 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향으로 각각 관통하여 형성될 수 있다. 상술한 것과 같이 두께방향, 길이방향 및 폭방향 각각으로 상기 제2 금속판에 제2 미세기공이 형성됨으로써, 반응가스 등인 기체의 투과율을 극대화할 수 있으며, 수분과 상기 금속판의 접촉면적을 향상시켜 제거효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제3 미세기공은 상기 제3 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향으로 각각 관통하여 형성될 수 있다. 상술한 것과 같이 두께방향, 길이방향 및 폭방향 각각으로 상기 제3 금속판에 제3 미세기공이 형성됨으로써, 반응가스 등인 기체의 투과율을 극대화할 수 있으며, 수분과 상기 금속판의 접촉면적을 향상시켜 제거효율을 향상시킬 수 있다.

본 명세서 전체에서 상기 “두께방향”은 하나의 금속판과 다른 하나의 금속판이 접하는 일면에서 상기 하나의 금속판의 타면으로 방향하는 방향을 의미할 수 있으며, 상기 “길이방향”은 하나의 금속판과 다른 하나의 금속판이 접하는 면을 제외한 하나의 금속판의 일면에서 상기 하나의 금속판의 타면으로 향하는 방향을 의미할 수 있고, 상기 “폭방향”은 하나의 금속판과 다른 하나의 금속판이 접하는 면을 제외한 하나의 금속판의 일면에서 상기 하나의 금속판의 타면으로 향하는 방향을 의미할 수 있으며, 상기 “길이방향”은 “폭방향”보다 길이가 긴 방향을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속판에 미세기공은 레이저를 조사하여 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향 각각으로 관통하여 형성되도록 가공할 수 있다. 상술한 방법으로 상기 금속판에 미세기공을 형성함으로써, 상기 미세기공의 크기를 균일하게 구현할 수 있으며, 상기 금속판에 미세기공이 균일하게 분사되어 형성되게할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 재질은 티타늄, 철, 구리, 알루미늄, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 재질인 합금인 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 재질은 구리, 티타늄 또는 316L 스테인레스강인 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 재질을 티타늄, 철, 구리, 알루미늄, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 재질인 합금으로부터 선택함으로써, 상기 기체확산층의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속판의 압축강도로 인하여 스택형성과정에서의 외부의 압력으로인하여 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있고, 탄소 성분을 사용하지 않음으로써 유실되는 성분을 최소화할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 전기전도도는 1×10^-6 Ω·cm 이상 100×10^-6 Ω·cm 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 전기전도도는 1.72×10^-6 Ω·cm, 48.6×10^-6 Ω·cm 또는 74×10^-6 Ω·cm일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 전기전도도를 조절함으로써, 상기 기체확산층을 이용한 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 1×10^-3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 0 ㎛ 초과 15 ㎛ 이하, 0.001 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하 또는 0.002 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 20 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기를 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 2 배 이상 24 배 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 4 배 이상 23 배 이하, 6 배 이상 22 배 이하, 8 배 이상 21 배 이하, 9 배 이상 20 배 이하 또는 10 배 이상 19 배 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 약 19 배 이상 약 23배 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기와 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기를 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 50 배 이상 1000 배 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 55 배 이상 900 배 이하, 60 배 이상 800 배 이하, 65 배 이상 700 배 이하, 70 배 이상 600 배 이하, 75 배 이상 500 배 이하, 100 배 이상 400 배 이하 또는 120 배 이상 300 배 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 약 61 배인 것이 바람직하다. 상술한 것과 같이 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기와 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기를 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기 : 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기 : 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 1 : 15 ~ 25 : 60 ~ 100인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기, 상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기 및 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 비율을 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 상기 연료전지의 환원반응에서 발생하는 수분을 용이하게 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 20 % 이상 99 % 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제2 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 22 % 이상 98 % 이하, 24 % 이상 97 % 이하, 26 % 이상 96 % 이하, 28 % 이상 95 % 이하, 30 % 이상 90 % 이하, 32 % 이상 80 % 이하 또는 34 % 이상 70 % 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제2 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 90 % 이상 99 % 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 제1 금속판의 두께 및 상기 제2 금속판의 두께 비율을 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께를 감소시켜 연료전지의 소형화를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제3 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 1 % 이상 50 % 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제3 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 2 % 이상 48 % 이하, 3 % 이상 46 % 이하, 4 % 이상 4 % 이하, 5 % 이상 42 % 이하, 6 % 이상 40 % 이하, 7 % 이상 15 % 이하 또는 9 % 이상 13 % 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제3 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 6 % 이상 10 % 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 제1 금속판의 두께 및 상기 제3 금속판의 두께 비율을 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께를 감소시켜 연료전지의 소형화를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속판의 두께: 상기 제2 금속판의 두께: 상기 제3 금속판의 두께의 비율은 10 : 0.9 ~ 2 : 0.01 ~ 1인 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 금속판의 두께: 상기 제2 금속판의 두께: 상기 제3 금속판의 두께의 비율은 290: 280: 25인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 제1 금속판의 두께: 상기 제2 금속판의 두께: 상기 제3 금속판의 두께 비율을 조절함으로써, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 상기 기체확산층의 두께를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께는 100 ㎛ 이상 600 ㎛ 이하인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께는 110 ㎛ 이상 590 ㎛ 이하, 120 ㎛ 이상 570 ㎛ 이하, 130 ㎛ 이상 560 ㎛ 이하, 140 ㎛ 이상 550 ㎛ 이하, 150 ㎛ 이상 540 ㎛ 이하, 160 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하, 170 ㎛ 이상 400 ㎛ 이하, 180 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하 또는 190 ㎛ 이상 260 ㎛ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께는 550 ㎛ 이상 600 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위에서 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께를 조절함으로써, 모세관압 구배를 향상시킬 수 있으며, 구현하고자하는 모세관압 구배를 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 압축률은 20 % 이상 50 % 이하인 것일 수 있다. 본 명세서 전체에서, 상기 “압축률”은 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층을 적층한 후 압축을 가하기 전의 두께 대비 압축한 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께의 비를 의미하는 것일 수 있다. 즉, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층을 적층한 후 1 MPa 의 압력으로 압축된 것으로 압력을 가하기 전의 두께 대비 압축한 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 두께의 비를 의미하는 것일 수 있고, 가스켓의 두께를 달리하여 조절된 것을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 압축률은 22 % 이상 48 % 이하, 24 % 이상 46 % 이하, 26 % 이상 44 % 이하, 28 % 이상 42 % 이하, 30 % 이상 40 % 이하, 32 % 이상 38 % 이하, 34 % 이상 36 % 이하인 것일 수 있다, 보다 구체적으로 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 압축률은 38 %인 것일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 압축률을 조절함으로써, 전류 밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 전해질막의 재질을 선택함으로써, 상기 수소이온의 전해질 내 이동성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 애노드 전극의 촉매층의 재질을 선택함으로써, 상기 애노드 전극에서 발생하는 산화반응의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 촉매를 탄소계 담체에 담지함으로써, 상기 애노드 전극에서 발생하는 산화반응의 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 캐소드 전극의 촉매층의 재질을 선택함으로써, 상기 캐소드 전극에서 발생하는 환원반응의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 백금은 탄소계 담체에 담지되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 촉매를 탄소계 담체에 담지함으로써, 상기 캐소드 전극에서 발생하는 환원반응의 효율을 극대화시킬 수 있다.

상기 촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있다. 구체적으로 촉매 잉크를 고분자 전해질막에 직접적으로 코팅하여 촉매층을 도입할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다

상기 폴리머 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공해주는 역할을 할 수 있다. 구체적으로 나피온 이오노머, 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

사용 가능한 용매의 예로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 등이 있고, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 애노드(anode)용 용매와 캐소드(cathode)용 용매는 동일한 것의 사용이 바람직하다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 둘 이상의 상기 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;을 포함한다. 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달할 수 있으며, 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부;를 포함한다. 상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부;를 포함한다. 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지인 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지에 적용됨으로써, 상기 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있고, 유실되는 성분을 최소화하여 관리 유지를 용이하게 할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 제1 금속판(101) 내지 제3 금속판(105) 각각의 정면도이다. 상기 도 2를 참고하면, 상기 제1 금속판(101)의 제1 미세기공의 제1 평균 크기를 100으로 가정한 경우 상기 제2 금속판(103)의 제2 미세기공의 제2 평균 크기는 10이며, 상기 제3 금속판(105)의 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 1의 크기로 설정하였다. 상기 도 2와 같이 상기 미세기공은 레이저를 조사하여 상기 금속판이 관통하도록 형성하였다.

도 3은 소수성 처리 전의 금속제 기체확산층(100)의 단면도이다. 상기 도 3을 참고하면, 상기 제1 금속판(101), 제2 금속판(103) 및 제3 금속판(105)을 순차적으로 적층하여 형성하며, 상기 금속제 기체확산층의 두께 100 %를 기준으로 상기 제1 금속판의 두께가 60 %, 상기 제2 금속판의 두께가 20 % 및 상기 제3 금속판의 두께가 20 %가 되도록 형성하여 금속제 기체확산층(100)을 형성하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 연료전지의 구성을 나열한 분해도이다. 상기 도 1 및 도 4를 참고하면, 종래의 기재면, 탄소 기반의 미세기공층 및 상기 기재면과 미세기공층을 적층 후 압력을 가하여 형성된 미세기공층침투층을 각각 제1 금속판, 제3 금속판 및 제2 금속판이 대체하고 이들이 적층되어 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나를 소수성 처리하여 소수성 처리된 금속제 기체확산층을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층과 같이 각 금속판의 미세기공의 평균 크기를 각각 다르게 설정하여 모세관압을 향상시킴으로써 기존의 탄소 기반 기체확산층을 대체할 수 있으며, 상기 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 우수한 압축강도로 인하여 압력이 가해져도 구조의 변형이 최소화될 수 있다.

실험예 1

미세기공의 평균 크기를 달리하여 하나의 금속판으로 제조한 금속제 기체확산층을 이용하여 미세기공의 평균 크기에 따른 0.5 V에서의 전류밀도를 측정하였다.

실험예 2

장경 800 ㎛ 이고 단경 200 ㎛인 금속판에 미세기공의 평균 크기를 달리한 다른 금속판을 적층하여 상기 다른 금속판의 미세기공의 평균 크기에 따른 0.5 V에서의 전류밀도를 측정하였다.

도 5는 실험예 1에 따른 하나의 금속판으로 제조한 금속제 기체확산층을 이용하여 미세기공의 평균 크기에 따른 0.5 V에서의 전류밀도를 나타낸 그래프이다. 도 6은 실험예 2에 따른 장경 800 ㎛ 이고 단경 200 ㎛인 금속판에 미세기공의 평균 크기를 달리한 다른 금속판을 적층해 제조한 금속제 기체확산층을 이용하여 미세기공의 평균 크기에 따른 0.5 V에서의 전류밀도를 나타낸 그래프이다. 도 5 및 도 6을 참고하면, 하나의 금속판이나 두 개의 금속판을 사용하는 경우 전류밀도가 모두 1 A/cm² 의 낮은 값을 보이는 것을 확인하였다.

참고예 및 비교예

도 7은 참고예 및 비교예에서 사용한 제1 금속판 내지 제3 금속판을 촬영한 사진이다. 상기 도 7 및 하기 표 1의 금속판을 이용하여 제1 금속판, 제2 금속판 및 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

금속판의 종류	기공의 크기(㎛)	두께(㎛)
1850 mesh	6	50
975 mesh	13	25
100 mesh	150	32
60 mesh	250	280
50 mesh	300	280
메탈 폼(Metal form)	장경:800 / 단경:200	290

참고예 1

메탈 폼인 제1 금속판, 50 mesh인 제2 금속판 및 975 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

참고예 2

메탈 폼인 제1 금속판, 60 mesh인 제2 금속판, 975 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

비교예 1

메탈 폼인 제1 금속판, 100 mesh인 제2 금속판, 1850 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

비교예 2

메탈 폼인 제1 금속판, 60 mesh인 제2 금속판, 1850 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

비교예 3

메탈 폼인 제1 금속판, 50 mesh인 제2 금속판, 1850 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

비교예 4

메탈 폼인 제1 금속판, 100 mesh인 제2 금속판, 975 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

비교예 5

150 mesh인 제2 금속판, 메탈 폼인 제1 금속판, 975 mesh인 제3 금속판을 순차적으로 적층하여 금속제 기체확산층을 제조하였다.

도 8은 비교예 1 내지 3를 0.5 V에서 금속제 기체확산층의 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 9는 참고예 1, 참고예 2 및 비교예 4를 0.5 V에서 금속제 기체확산층의 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 10은 참고예 1 및 비교예 5를 0.5 V에서 금속제 기체확산층의 두께에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.

상기 도 8 내지 도 10을 참고하면, 비교예 1 내지 3은 전 범위에서 1 A/cm² 미만의 전류밀도를 나타내지만, 참고예 1 및 2는 상기 금속제 기체확산층의 두께가 50 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하에서 1 A/cm²이상의 전류 밀도를 나타내는 것으로부터 제1 금속판 내지 제3 금속판의 각각의 사이즈와 금속제 기체확산층의 두께에 따라 금속제 기체확산층의 전류 밀도가 향상되는 것을 확인하였다.

나아가, 제2 금속판의 미세 기공의 평균 크기가 증가하는 비교예 4의 경우 참고예 1 및 2에 비하여 전류 밀도가 전체적으로 저하되는 것을 확인하였으며, 금속판의 적층 순서를 미세 기공의 평균 크기의 순서대로 적층하지 않은 비교예 5 역시 전체적으로 전류 밀도가 저하되는 것을 확인하였다.

실험예 3

상기 참고예 1의 각각의 금속판에 대하여 플루오르화 수지 수용액의 플루오르화 수지의 농도를 변화시키면서 소수성 처리한 기체확산층을 제조하여 플루오르화 수지 수용액의 플루오르화 수지 농도 변화에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 구체적으로 상기 플루오르화 수지 수용액은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액을 사용하였으며, 상기 플루오르 수지 농도의 변화시킨 것은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 농도를 변화시켰다.

도 11은 실험예 3에 따른 참고예 1에 대하여 소수성 처리인 코팅층을 형성하기 위해 사용된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 농도에 따른 전류 밀도를 측정한 그래프이다. 상기 도 11를 참고하면, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 0 %(w/w) 초과 5 %(w/w) 인 범위에서 전류밀도가 높으며 그 중에서 2 %(w/w) 일 때 전류밀도가 가장 높을 것을 확인하였다.

실험예 4

상기 참고예 1의 각각의 금속판을 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 소수성 처리한 이후 상기 각각의 금속판의 미세기공이 막혔는지를 확인하였다. 구체적으로 상기 참고예 1의 금속제 기체확산층의 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각을 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도를 변화시켜 소수성 처리해 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판의 미세기공이 막혔는지를 확인하였다.

도 12는 실험예 4에 따른 참고예 1에서 (a) 상기 제3 금속판에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 2 %(w/w)인 것으로 소수성 처리한 제3 금속판의 확대 사진, (b) 상기 제1 금속판에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 100 %(w/w)인 것으로 소수성 처리한 제1 금속판의 확대 사진 및 (c) 상기 제2 금속판에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 100 %(w/w)인 것으로 소수성 처리한 제2 금속판의 확대 사진이다. 상기 도 12를 참고하면, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 과량으로 소수성 처리한 경우 상기 제1 금속판 및 상기 제2 금속판 각각에 포함된 미세기공이 막히는 것을 확인하였다. 이에 비하여 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 함량이 적절하게 조절된 제3 금속판의 경우 제3 금속판에 포함된 미세기공이 막히지 않음을 확인하였다.

추가 비교예

탄소 소재인 기체확산층(Avcarb 社, GDS2300)을 준비하였다.

실시예 1

상기 참고예 1의 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수용액의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 농도가 2 %(w/w)인 것으로 소수성 처리인 코팅층을 형성하였다.

도 13은 추가비교예, 참고예 1 및 실시예 1의 (a) 상대습도 30 % 및 (b) 상대습도 100 %에서의 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.

도 14는 추가비교예, 참고예 1 및 실시예 1의 (a) 상대습도 30 %와 1.0 A/cm²의 조건 및 (b) 상대습도 100 %와 2.0 A/cm²의 조건에서의 임피던스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

상기 도 13 및 도 14를 참고하면, 기존의 탄소 소재의 기체확산층인 추가 비교예에 비하여 상대 습도가 30 %인 조건에서는 참고예 1 및 실시예 1 모두 유사한 성능이 구현되며, 상대 습도가 100 %인 조건에서는 실시예 1이 참고예 1및 추가 비교예에 비하여 우수한 성능이 구현되는 것으로부터 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 물 배출 능력이 향상된 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 일 실시상태인 소수성 처리된 금속제 기체확산층은 제1 금속판 내지 제3 금속판을 동시에 사용하고, 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 미세 기공의 평균 크기의 관계를 조절하며, 제1 금속판 내지 제3 금속판의 순서를 특정하게 구현하고, 상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 중 적어도 하나를 소수성 처리함으로써, 탄소 소재의 기체확산층에 비하여 우수한 물 배출 능력을 구현할 수 있음을 확인할 수 있으며, 본 발명의 일 실시상태인 소수성 처리된 금속제 기체확산층의 압축률에 따라 전류 밀도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 소수성 처리된 금속제 기체확산층
101: 제1 금속판
103: 제2 금속판
105: 제3 금속판
C: 코팅층(미도시)

Claims

제1 평균 크기를 갖는 복수의 제1 미세기공이 포함된 제1 금속판;
제2 평균 크기를 갖는 복수의 제2 미세기공이 포함된 제2 금속판; 및
제3 평균 크기를 갖는 복수의 제3 미세기공이 포함된 제3 금속판;을 포함하며,
상기 제1 평균 크기 내지 제3 평균 크기는 하기의 수학식 1을 만족하는 것이고,
상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면은 소수성 처리된 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층:
[수학식 1]
제1 평균 크기 > 제2 평균 크기 > 제3 평균 크기.
청구항 1에 있어서,
상기 소수성 처리는 상기 제1 금속판 내지 상기 제3 금속판 중 적어도 하나의 표면이 플루오르화 수지로 코팅되어 코팅층이 형성된 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 2에 있어서,
상기 코팅층은 상기 플루오르화 수지의 농도가 0 %(w/w) 초과 5 %(w/w) 이하인 플루오르화 수지 수용액으로 코팅된 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 2에 있어서,
상기 플루오르화 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리플루오로비닐리덴(PVDF) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속판, 상기 제2 금속판 및 상기 제3 금속판이 순차적으로 적층된 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 미세기공은 상기 제1 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향으로 각각 관통하여 형성되며,
상기 제2 미세기공은 상기 제2 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향으로 각각 관통하여 형성되고,
상기 제3 미세기공은 상기 제3 금속판의 두께방향, 길이방향 및 폭방향으로 각각 관통하여 형성되는 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 재질은 티타늄, 철, 구리, 알루미늄, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 재질인 합금인 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속판 내지 제3 금속판 각각의 전기전도도는 1×10^-6 Ω·cm 이상 100×10^-6 Ω·cm 이하인 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층
청구항 1에 있어서,
상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기는 1×10^-3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 미세기공의 제2 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 2 배 이상 24 배 이하인 것이며,
상기 제1 미세기공의 제1 평균 크기는 상기 제3 미세기공의 제3 평균 크기의 50 배 이상 1000 배 이하인 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 20 % 이상 99 % 이하인 것이며,
상기 제3 금속판의 두께는 상기 제1 금속판의 두께에 대하여 1 % 이상 50 % 이하인 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
청구항 1에 있어서,
상기 금속제 기체확산층의 두께는 100 ㎛ 이상 600 ㎛ 이하인 것인 소수성 처리된 금속제 기체확산층.
전해질막;
상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 서로 대향하는 면의 반대면 각각에 위치하는 집전체;를 포함하고,
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 각각은 기체확산층 및 촉매층을 포함하며,
상기 기체확산층은 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 소수성 처리된 금속제 기체확산층인 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
청구항 13에 있어서,
상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
청구항 13에 있어서,
상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
청구항 15에 있어서,
상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
청구항 13에 있어서,
상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
청구항 17에 있어서,
상기 백금은 탄소계 담체에 담지되는 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
둘 이상의 청구항 13에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부;를 포함하는 것인 연료전지.
청구항 19에 있어서,
상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지인 것인 연료전지.