WO2025244166A1 - 다공성 부재, 이의 제조 방법, 및 이를 구비한 전기화학 셀 - Google Patents

다공성 부재, 이의 제조 방법, 및 이를 구비한 전기화학 셀

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WO2025244166A1
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porous
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hydrophilic region
scale
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조항진
김도은
한태양
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell, and more particularly, to a porous member, a method for manufacturing the same, and an electrochemical cell having the same.
  • electrochemical cells include fuel cells and water electrolysis cells.
  • Fuel cells generate electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.
  • Water electrolysis cells electrolyze water to produce hydrogen and oxygen.
  • Fuel cell cells include a porous material that functions as a gas diffusion layer, while water electrolysis cells include a porous material that functions as a transport layer.
  • the present invention aims to provide a porous member capable of improving the performance of an electrochemical cell by increasing the reaction rate and lowering the material transfer resistance, a method for manufacturing the same, and an electrochemical cell having the same.
  • a porous member includes a first porous layer having first pores of a first scale, and a second porous layer having second pores of a second scale smaller than the first scale and located on one surface of the first porous layer.
  • the second porous layer includes a hydrophobic region and a hydrophilic region adjacent to each other along the surface direction.
  • the first scale of the first pores may be micrometer scale, and the second scale of the second pores may be nanometer scale.
  • the thickness of the first porous layer may be greater than the thickness of the second porous layer.
  • the first porous layer may be hydrophobic, and the area occupied by the hydrophilic region in the second porous layer may be smaller than the area occupied by the hydrophobic region.
  • the first porous layer may include a plurality of carbon fibers coated with a hydrophobic polymer layer.
  • the hydrophilic region of the second porous layer may include a plurality of carbon powders.
  • the hydrophobic region of the second porous layer may include a plurality of carbon powders coated with a hydrophobic polymer layer.
  • the first porous layer may have hydrophilicity, and the area occupied by the hydrophobic region in the second porous layer may be smaller than the area occupied by the hydrophilic region.
  • the first porous layer may include at least one of a plurality of carbon fibers, a plurality of titanium fibers, a plurality of titanium powders, and a nickel porous body.
  • the hydrophilic region of the second porous layer may include a plurality of carbon powders.
  • the hydrophobic region of the second porous layer may include a plurality of carbon powders coated with a hydrophobic polymer layer.
  • Either the hydrophobic region or the hydrophilic region can form a pattern of a preset shape.
  • the depth of either the hydrophobic region or the hydrophilic region can be equal to or less than the thickness of the second porous layer.
  • a method for manufacturing a porous member includes the steps of (i) forming a first porous layer having micrometer-scale pores and either hydrophobicity or hydrophilicity, (ii) forming a second porous layer having nanometer-scale pores and hydrophobicity, (iii) preparing an exposure mask having a plurality of holes formed therein, positioning the exposure mask over the second porous layer, and (iv) irradiating a plasma beam through the plurality of holes to the second porous layer to modify a portion of the second porous layer into a hydrophilic region.
  • the method for manufacturing a porous member may further include a process of applying a NaOH solution to a hydrophilic region, drying the region to precipitate NaOH, and washing the hydrophilic region with pure water and then drying the region.
  • An electrochemical cell includes a cell assembly and a pair of separators positioned on opposite sides of the cell assembly.
  • the cell assembly includes an ion exchange member, a cathode positioned on one side of the ion exchange member, and an anode positioned on the other side of a membrane.
  • Each of the cathode and the anode includes a catalyst layer and a porous member.
  • the porous member includes a first porous layer having first pores of a first scale, and a second porous layer positioned between the first porous layer and the catalyst layer.
  • the second porous layer has second pores of a second scale smaller than the first scale.
  • the second porous layer belonging to at least one of the cathode and the anode includes a hydrophobic region and a hydrophilic region adjacent to each other along a plane direction.
  • the first scale of the first pores may be micrometer scale, and the second scale of the second pores may be nanometer scale.
  • the thickness of the first porous layer may be greater than the thickness of the second porous layer.
  • the electrochemical cell may be a low-temperature fuel cell cell.
  • the ion exchange member may be any one of a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, and a liquid electrolyte.
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located at the cathode.
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located at the cathode and the anode.
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located at either the cathode or the anode.
  • the first porous layer may have hydrophobic properties, and the area occupied by the hydrophilic region in the second porous layer where the hydrophobic region and the hydrophilic region are located may be smaller than the area occupied by the hydrophobic region.
  • the depth of the hydrophilic region may be equal to or smaller than the thickness of the second porous layer.
  • the depth of the hydrophobic region may be equal to the thickness of the second porous layer.
  • the electrochemical cell may be a water electrolysis cell.
  • the ion exchange member may be a cation exchange membrane.
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located at the anode.
  • the first porous layer may be hydrophilic, and the area occupied by the hydrophobic region in the second porous layer belonging to the anode may be smaller than the area occupied by the hydrophilic region.
  • the ion exchange member may be either an anion exchange membrane or a liquid electrolyte.
  • the hydrophobic and hydrophilic regions may be located at the cathode and anode electrodes.
  • the first porous layer may be hydrophilic, and the area occupied by the hydrophobic region in the second porous layer may be smaller than the area occupied by the hydrophilic region.
  • the fuel cell of this embodiment can increase the reaction rate by continuously supplying oxidant and continuously discharging water, and can improve power density by lowering the transfer resistance between oxidant and water. Furthermore, the water electrolysis cell of this embodiment can increase the reaction rate by continuously supplying water and continuously discharging bubbles (oxygen or hydrogen bubbles), and can improve hydrogen production efficiency by lowering the transfer resistance between water and bubbles.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing a porous member of the cathode electrode of the fuel cell shown in FIG. 1.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of the porous member illustrated in Figure 2.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing pores inside the porous member illustrated in Figure 3.
  • Figure 5 is a graph showing the required water pressure according to pore size.
  • Figure 6 is a schematic diagram of the porous member shown in Figure 3.
  • Figure 7 is a schematic diagram for explaining the movement of water and oxidant in the second porous layer illustrated in Figure 4.
  • Figures 8 and 9 are schematic diagrams showing a modified example of the second porous layer illustrated in Figure 2.
  • Fig. 10 is a schematic diagram showing a modified example of the porous member illustrated in Fig. 3.
  • Figure 11 is a graph showing the performance evaluation results for three fuel cell cells.
  • Fig. 12 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the second embodiment.
  • Fig. 13 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the third embodiment.
  • Fig. 14 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • Fig. 15 is a schematic perspective view showing a porous member of the anode electrode of the electrolysis cell illustrated in Fig. 14.
  • Figure 16 is a schematic cross-sectional view of the porous member illustrated in Figure 15.
  • Figure 17 is a schematic diagram showing pores inside the porous member illustrated in Figure 16.
  • Figure 18 is a schematic diagram of the porous member shown in Figure 16.
  • Figure 19 is a schematic diagram for explaining the movement of water and oxygen bubbles in the second porous layer illustrated in Figure 17.
  • Fig. 20 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the fifth embodiment.
  • Fig. 21 is a schematic perspective view showing a porous member of the cathode electrode of the electrolysis cell illustrated in Fig. 20.
  • Fig. 22 is a schematic cross-sectional view of the porous member illustrated in Fig. 21.
  • Fig. 23 is a flowchart showing a method for manufacturing a porous member according to one embodiment.
  • Figures 24 to 26 are schematic perspective views illustrating a manufacturing process of a porous member according to one embodiment.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the first embodiment.
  • the electrochemical cell of the present embodiment is composed of a fuel cell cell (100).
  • the fuel cell cell (100) may be a low-temperature fuel cell cell having an operating temperature of approximately 300°C or less, but is not limited to this example.
  • a typical fuel cell system consists of a stack comprising multiple fuel cell cells, an oxidizer supply unit that supplies oxidizer to the stack, and a fuel supply unit that supplies fuel to the stack.
  • the oxidizer supply unit may be comprised of an air pump, and the fuel supply unit may be comprised of a fuel tank and a fuel pump.
  • a fuel cell cell (100) may include a cell assembly (110) and a separator (120) positioned on both sides of the cell assembly (110).
  • the separator (120) may be referred to as a bipolar plate and is made of a conductor.
  • the cell assembly (110) may include an ion exchange member (10), a cathode electrode (20) positioned on one side of the ion exchange member (10), and an anode electrode (30) positioned on the other side of the ion exchange member (10).
  • the ion exchange member (10) may be composed of a cation exchange membrane.
  • the cathode (20) may be referred to as an air electrode or an oxygen electrode, and the anode (30) may be referred to as a fuel electrode.
  • the cathode (20) may include a catalyst layer (21) and a porous member (25), and the anode (30) may include a catalyst layer (31) and a porous member (35).
  • the catalyst layer (21, 31) may be positioned between the ion exchange member (10) and the porous member (25, 35).
  • the porous member (25, 35) may be referred to as a gas diffusion layer.
  • the porous member (25, 35) may be composed of a first porous layer (26, 36) for supporting the catalyst layer (21, 31) and a second porous layer (27, 37) for enhancing the gas diffusion effect.
  • the second porous layer (27, 37) may be positioned to be in contact with the catalyst layer (21, 31).
  • An oxidizing agent passage (121) is positioned on one side of the separator (120) facing the cathode (20) so that an oxidizing agent (e.g., air) can be supplied to the cathode (20).
  • a fuel passage (122) is positioned on one side of the separator (120) facing the anode (30) so that a fuel (e.g., methanol, ethanol, natural gas, hydrogen reformed gas, etc.) can be supplied to the anode (30).
  • the ion exchange member (10) needs to be sufficiently hydrated to ensure high proton conductivity.
  • an excessive amount of water in the catalyst layer (21) and porous member (25) of the cathode (20) may impede the oxidant from accessing the catalyst layer (21), thereby reducing the reaction rate in the catalyst layer (21) and increasing the transfer loss of the oxidant. If the cathode (20) is not properly managed with water, the power density will decrease.
  • Fig. 2 is a schematic perspective view showing a porous member of the cathode electrode of the fuel cell cell illustrated in Fig. 1.
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of the porous member illustrated in Fig. 2.
  • the porous member (25) of the cathode (20) may be formed of a laminated structure of a first porous layer (26) and a second porous layer (27) having different pore scales.
  • the first porous layer (26) may have first pores of a first scale
  • the second porous layer (27) may have second pores of a second scale smaller than the first scale.
  • the first scale may be a micrometer scale
  • the second scale may be a nanometer scale.
  • the micrometer scale means a size of 1 ⁇ m or more and less than 1,000 ⁇ m
  • the nanometer scale means a size of 1 nm or more and less than 1,000 nm.
  • the average size of the first pores of the first porous layer (26) may be approximately several tens of micrometers
  • the average size of the second pores of the second porous layer (27) may be approximately several tens of nanometers.
  • the first porous layer (26) may have a first thickness suitable for supporting the catalyst layer (21), and the second porous layer (27) may have a second thickness smaller than the first thickness.
  • the first porous layer (26) may be referred to as a gas diffusion backing layer.
  • the second porous layer (27) may be referred to as a micro porous layer.
  • Fig. 4 is a schematic diagram showing the pores inside the porous member illustrated in Fig. 3.
  • Fig. 5 is a graph showing the required water pressure according to the pore size.
  • water generated in the catalyst layer of the cathode is discharged through the second pores (P2) of the second porous layer and the first pores (P1) of the first porous layer connected thereto. Since the first pores (P1) are tens of micrometers in size and the second pores (P2) are tens of nanometers in size, a pore gradient structure is created within the porous member.
  • the contact angle of the droplet is the same in the first pore (P1) and the second pore (P2).
  • the curvature of the droplet surface in the second pore (P2) is greater than the curvature of the droplet surface in the first pore (P1)
  • the water pressure in the second pore (P2) is greater than the water pressure in the first pore (P1).
  • the pressure (P) required to remove water from the pore can be expressed by the following mathematical equation.
  • ⁇ is the surface tension of water
  • ⁇ is the contact angle of water
  • d represents the size (diameter) of the pores.
  • the nanometer-sized second pores (P2) act as a higher capillary barrier during the water discharge process, and the smaller the pore size, the greater the pressure (P) required to remove water.
  • This capillary barrier is beneficial for maintaining a high hydration degree of the ion exchange member, but if the hydration of the ion exchange member is excessive, water flooding may occur, which may degrade the performance of the fuel cell.
  • Figure 6 is a schematic diagram of the porous member shown in Figure 3.
  • the entire first porous layer (26) can be hydrophobic.
  • the first porous layer (26) can include a plurality of carbon fibers (261) and a hydrophobic polymer layer (262) coated on the surface of each of the plurality of carbon fibers (261).
  • the carbon fibers (261) can be rod-shaped, and the hydrophobic polymer layer (262) can include polytetrafluoroethylene (PTFE), but is not limited to these examples.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the second porous layer (27) may include a hydrophobic region (27A) and a hydrophilic region (27B) adjacent to each other along the planar direction.
  • the planar direction means a direction parallel to the main surface (upper and lower surfaces based on FIG. 3) of the porous member (25) and a direction orthogonal to the thickness direction of the porous member (25).
  • the planar direction is indicated as D1
  • the thickness direction is indicated as D2.
  • the hydrophilic region (27B) may occupy a part of the second porous layer (27), and the hydrophobic region (27A) may occupy the remainder of the second porous layer (27).
  • the hydrophobic region (27A) may include a plurality of carbon powders (271) and a hydrophobic polymer layer (272) coated on the surface of each of the plurality of carbon powders (271).
  • the hydrophilic region (27B) may include a plurality of carbon powders (271).
  • the carbon powders (271) may be spherical.
  • the hydrophobic polymer layer (272) may include PTFE, but is not limited to this example.
  • the second porous layer (27) may be divided into a hydrophobic region (27A) and a hydrophilic region (27B) depending on the presence or absence of the hydrophobic polymer layer (272).
  • Figure 7 is a schematic diagram for explaining the movement of water and oxidant in the second porous layer illustrated in Figure 4.
  • the hydrophobic region (27A) repels water, allowing the oxidizing agent to pass through more easily than water.
  • the hydrophilic region (27B) easily retains water, allowing water to pass through more easily than the oxidizing agent.
  • the hydrophobic region (27A) can function as a movement path for the oxidizing agent, and the hydrophilic region (27B) can function as a movement path for water.
  • the second porous layer (27) can spatially separate the movement (supply) path of the oxidizer and the movement (discharge) path of water by means of the adjacent hydrophobic region (27A) and hydrophilic region (27B) along the surface direction. Accordingly, the porous member (25) can continuously supply the oxidizer by using the hydrophobic region (27A) and continuously discharge water by using the hydrophilic region (27B).
  • the pressure required to remove water (P) increases due to the nanometer-scale pore size and hydrophobicity, making water discharge difficult.
  • the hydrophilic region (27B) of the second porous layer (27) can lower the pressure required (P) and facilitate water discharge due to the characteristic that the water contact angle is smaller than 90° despite the nanometer-scale pore size.
  • Either the hydrophobic region (27A) or the hydrophilic region (27B), for example, the hydrophilic region (27B), may be formed of a plurality of dot patterns as shown in Fig. 2, and may be formed of various patterns other than the dot pattern.
  • Figs. 8 and 9 are schematic diagrams showing variations of the second porous layer illustrated in Fig. 2.
  • either the hydrophobic region (27A) or the hydrophilic region (27B), for example, the hydrophilic region (27B), may be formed of a plurality of line patterns.
  • either the hydrophobic region (27A) or the hydrophilic region (27B), for example, the hydrophilic region (27B), may be formed of a plurality of cross patterns.
  • the shapes of the hydrophobic region (27A) and the hydrophilic region (27B) are not limited to the examples illustrated.
  • the area occupied by the hydrophilic region (27B) in the second porous layer (27) may be smaller than the area occupied by the hydrophobic region (27A), but is not limited to this example.
  • the porous member fundamentally functions to transfer oxidants toward the catalyst layer. Therefore, if the area of the hydrophilic region is smaller than the area of the hydrophobic region, the efficiency of oxidant supply can be increased while securing a water discharge path.
  • the depth of the hydrophobic region (27A) may be equal to the thickness of the second porous layer (27), and the depth of the hydrophilic region (27B) may be equal to or less than the thickness of the second porous layer (27).
  • FIG. 3 illustrates a case where the depth of the hydrophobic region (27A) and the depth of the hydrophilic region (27B) are equal to the thickness of the second porous layer (27).
  • Fig. 10 is a schematic diagram showing a modified example of the porous member illustrated in Fig. 3.
  • the depth of the hydrophilic region (27B) may be smaller than the thickness of the second porous layer (27).
  • the hydrophilic region (27B) is located on the surface of the second porous layer (27), and the hydrophobic region (27C) may be located between the first porous layer (26) and the hydrophilic region (27B).
  • the second porous layer (27) may include a mixed region (27D) in which the hydrophilic region (27B) and the hydrophobic region (27C) face each other along the thickness direction, and a hydrophobic region (27A) other than the mixed region (27D).
  • the porous member (35) of the anode (30) may be formed of a laminated structure of a third porous layer (36) and a fourth porous layer (37) having different pore scales.
  • the third porous layer (36) may have the same configuration as the first porous layer (26) of the cathode (20).
  • the fourth porous layer (37) may have the same configuration as the second porous layer (27) of the cathode (20) except that there is no hydrophilic region.
  • Figure 11 is a graph showing the performance evaluation results for three fuel cell cells. Table 1 below shows the characteristics of the three fuel cell cells.
  • Cathode pole Second porous layer Shape of the hydrophilic region The proportion of the area occupied by the hydrophilic region in the second porous layer Comparative example Entirely hydrophobic region - -
  • Example 1 Contains hydrophilic and hydrophobic regions Multiple dot patterns About 10%
  • Example 2 Contains hydrophilic and hydrophobic regions Multiple line patterns About 25%
  • both the current density and the power density are increased in the fuel cell cells of Examples 1 and 2 compared to the fuel cell cell of the comparative example.
  • the current density and the power density are further increased in the fuel cell cell of Example 2, which has a larger area of the hydrophilic region than the fuel cell cell of Example 1.
  • the fuel cell cell (100) of the present embodiment can increase the reaction speed by continuously supplying an oxidant and continuously discharging water, and can improve the power density by lowering the transfer resistance of the oxidant and water.
  • Fig. 12 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to a second embodiment.
  • the electrochemical cell of the second embodiment has the same or similar configuration as the first embodiment described above, except for the following details.
  • the ion exchange member (10) may be composed of an anion exchange membrane.
  • an oxidant and water may be supplied to the cathode (20), and fuel may be supplied to the anode (30).
  • the oxidant, water, and fuel are supplied to the cell assembly (110), electricity is generated by an electrochemical reaction, water is discharged from the cathode (20), and water is also discharged from the anode (30).
  • the hydrophobic region (27A, 37A) and the hydrophilic region (27B, 37B) can be located in both the cathode electrode (20) and the anode electrode (30). That is, the porous member (25, 35) of each of the cathode electrode (20) and the anode electrode (30) can include a first porous layer (26, 36) and a second porous layer (27, 37), and the second porous layer (27, 37) can include a hydrophobic region (27A, 37A) and a hydrophilic region (27B, 37B) adjacent along the plane direction.
  • the porous member (25, 35) has the same configuration as the porous member of the cathode electrode described in the first embodiment described above.
  • the hydrophobic region (27A) can function as a movement path for the oxidant, and the hydrophilic region (27B) can function as a movement path for water.
  • the hydrophobic region (37A) can function as a movement path for the fuel, and the hydrophobic region (37B) can function as a movement path for the water.
  • Fig. 13 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to a third embodiment.
  • the electrochemical cell of the third embodiment has a configuration identical or similar to that of the first embodiment described above, except for the following details.
  • the ion exchange member (10) may be composed of a liquid electrolyte.
  • the cell assembly (110) may have a structure capable of containing the liquid electrolyte in a hermetic state.
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located on either the cathode electrode (20) or the anode electrode (30).
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located at the cathode electrode (20) from which water is discharged.
  • the hydrophobic region and the hydrophilic region may be located at the anode electrode (30) from which water is discharged.
  • FIG. 13 illustrates an alkaline fuel cell in which the hydrophobic region (37A) and the hydrophilic region (37B) are located at the anode electrode (30) as an example.
  • Fig. 14 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • the electrochemical cell of the present embodiment is composed of a water electrolysis cell (200).
  • the water electrolysis cell (200) may be a low-temperature water electrolysis cell having an operating temperature of approximately 120°C or less, but is not limited to this example.
  • the water electrolysis cell (200) produces hydrogen and oxygen through the electrolysis of water.
  • the water electrolysis cell (200) of the present embodiment may be a polymer electrolyte water electrolysis cell using a cation exchange membrane.
  • the electrolysis cell (200) may include a cell assembly (210) and a separator (220) positioned on both sides of the cell assembly (210).
  • the separator (220) may be referred to as a bipolar plate and is made of a conductor.
  • the cell assembly (210) may include an ion exchange member (40), a cathode electrode (50) positioned on one side of the ion exchange member (40), and an anode electrode (60) positioned on the other side of the ion exchange member (40).
  • the ion exchange member (40) may be composed of a cation exchange membrane.
  • the cathode electrode (50) may include a catalyst layer (51) and a porous member (55), and the anode electrode (60) may include a catalyst layer (61) and a porous member (65).
  • the catalyst layers (51, 61) may be positioned between the ion exchange member (40) and the porous member (55, 65).
  • the porous member (55, 65) may be referred to as a porous transport layer.
  • the porous member (55, 65) may be composed of a first porous layer (56, 66) for supporting the catalyst layer (51, 61), and a second porous layer (57, 67) for enhancing the transport effect of water and bubbles.
  • the second porous layer (57, 67) may be positioned to be in contact with the catalyst layer (51, 61).
  • a first flow path (221) may be positioned on one side of the separator (220) facing the cathode (50), and a second flow path (222) may be positioned on one side of the separator (220) facing the anode (60).
  • a first flow path (221) may be positioned on one side of the separator (220) facing the cathode (50)
  • a second flow path (222) may be positioned on one side of the separator (220) facing the anode (60).
  • Hydrogen can move to the first flow path (221) through the porous member (55) and be discharged together with liquid water through the outlet of the first flow path (221).
  • Oxygen can move to the second flow path (222) through the porous member (65) and be discharged together with liquid water through the outlet of the second flow path (222).
  • the porous members (55, 65) allow liquid water supplied from the separator (220) to be transferred to the catalyst layer (51, 61) and at the same time allow bubbles (hydrogen bubbles or oxygen bubbles) generated in the catalyst layer (51, 61) to be discharged toward the separator (220).
  • oxygen bubbles generated in the catalyst layer of the anode electrode mainly block the porous member, hindering water transfer, and increasing the reaction rate and water transfer resistance, thereby reducing hydrogen production efficiency.
  • Fig. 15 is a schematic perspective view showing a porous member of the anode electrode of the electrolysis cell illustrated in Fig. 14.
  • Fig. 16 is a schematic cross-sectional view of the porous member illustrated in Fig. 15.
  • the porous member (65) of the anode (60) may be formed of a laminated structure of a first porous layer (66) and a second porous layer (67) having different pore scales.
  • the first porous layer (66) may have first pores of a first scale
  • the second porous layer (67) may have second pores of a second scale smaller than the first scale.
  • the first scale may be a micrometer scale
  • the second scale may be a nanometer scale.
  • the average size of the first pores of the first porous layer (66) may be approximately tens of micrometers
  • the average size of the second pores of the second porous layer (67) may be approximately tens of nanometers.
  • the first porous layer (66) may have a first thickness suitable for supporting the catalyst layer (61), and the second porous layer (67) may have a second thickness smaller than the first thickness.
  • Figure 17 is a schematic diagram showing pores inside the porous member illustrated in Figure 16.
  • oxygen bubbles generated in the catalyst layer of the anode are discharged through the second pores (P2) of the second porous layer and the first pores (P1) of the first porous layer connected thereto. Since the first pores (P1) are tens of micrometers in size and the second pores (P2) are tens of nanometers in size, a pore gradient structure is created within the porous member.
  • the pressure (P) required to remove bubbles from the pores can be expressed by the aforementioned mathematical formula 1.
  • ⁇ in mathematical formula 1 represents the contact angle of the bubbles.
  • the nanometer-sized second pores (P2) act as a higher capillary barrier in the process of removing the pores, and the pressure (P) required to remove the bubbles increases as the pore size decreases.
  • Figure 18 is a schematic diagram of the porous member shown in Figure 16.
  • the entire first porous layer (66) can implement hydrophilicity.
  • the first porous layer (66) can include at least one of a plurality of carbon fibers (661), a plurality of titanium fibers, a plurality of titanium powders, and a nickel porous body (foam).
  • the carbon fibers (661) can be rod-shaped.
  • the second porous layer (67) can include a hydrophobic region (67A) and a hydrophilic region (67B) adjacent to each other along the plane direction.
  • the hydrophilic region (67B) can occupy a part of the second porous layer (67), and the hydrophobic region (67A) can occupy the remainder of the second porous layer (67).
  • the hydrophobic region (67A) may include a plurality of carbon powders (671) and a hydrophobic polymer layer (672) coated on the surface of each of the plurality of carbon powders (671).
  • the hydrophilic region (67B) may include a plurality of carbon powders (671).
  • the carbon powders (671) may be spherical.
  • the hydrophobic polymer layer (672) may include PTFE, but is not limited to this example.
  • the second porous layer (67) may be divided into a hydrophobic region (67A) and a hydrophilic region (67B) depending on the presence or absence of the hydrophobic polymer layer (672).
  • Figure 19 is a schematic diagram for explaining the movement of water and oxygen bubbles in the second porous layer illustrated in Figure 18.
  • the hydrophilic region (67B) easily absorbs water and thus allows water to pass through it.
  • the hydrophobic region (67A) repels water and thus allows oxygen bubbles to pass through it more easily than water.
  • the hydrophilic region (67B) can function as a path for water movement, and the hydrophobic region (67A) can function as a path for oxygen bubbles movement.
  • the second porous layer (67) can spatially separate the water movement (supply) path and the oxygen bubble movement (discharge) path by means of the adjacent hydrophilic region (67B) and hydrophobic region (67A) along the surface direction. Accordingly, the porous member (65) of the anode electrode (60) can continuously supply water using the hydrophilic region (67B) and continuously discharge oxygen bubbles using the hydrophobic region (67A).
  • the pressure required to remove oxygen bubbles (P) increases due to the nanometer-scale pore size and hydrophilicity, making it difficult for the oxygen bubbles to be discharged smoothly.
  • the hydrophobic region (67A) of the second porous layer (67) can lower the pressure required for oxygen bubbles (P) due to its hydrophobicity that repels water despite its nanometer-scale pore size, thereby facilitating the discharge of oxygen bubbles.
  • Either the hydrophobic region (67A) or the hydrophilic region (67B), for example, the hydrophilic region (67B), may be formed of a plurality of dot patterns as shown in FIG. 13, and may be formed of various patterns such as a plurality of line patterns or cross patterns in addition to the dot pattern.
  • the area occupied by the hydrophobic region (67A) in the second porous layer (67) may be smaller than the area occupied by the hydrophilic region (67B), but is not limited to this example.
  • the porous member (65) basically functions to transfer water toward the catalyst layer (61), so when the area of the hydrophobic region (67A) is smaller than the area of the hydrophilic region (67B), the water supply efficiency can be increased while securing a discharge path for oxygen bubbles.
  • the depth of the hydrophilic region (67B) may be equal to or less than the thickness of the second porous layer (67), and the depth of the hydrophobic region (67A) may be equal to the thickness of the second porous layer (67).
  • FIG. 14 illustrates a case where the depth of the hydrophilic region (67B) and the depth of the hydrophobic region (67A) are equal to the thickness of the second porous layer (67).
  • the porous member (55) of the cathode (50) may be formed of a laminated structure of a third porous layer (56) and a fourth porous layer (57) having different pore scales.
  • the third porous layer (56) may have the same configuration as the first porous layer (66) of the anode (60).
  • the fourth porous layer (57) may have the same configuration as the second porous layer (67) of the anode (60) except that there is no hydrophobic region.
  • the water electrolysis cell (200) of the present embodiment can increase the reaction rate by continuously supplying water and continuously discharging oxygen bubbles, and can improve hydrogen production efficiency by lowering the transfer resistance of water and oxygen bubbles.
  • Fig. 20 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell according to the fifth embodiment.
  • the electrochemical cell of the present embodiment is composed of a water electrolysis cell (200A).
  • the water electrolysis cell (200A) of the present embodiment may be a water electrolysis cell using an anion exchange membrane or an alkaline water electrolysis cell using a liquid electrolyte.
  • the electrolysis cell (200A) of the present embodiment has the same or similar configuration as the electrolysis cell of the second embodiment described above, except that the ion exchange member (70) is composed of either an anion exchange membrane or a liquid electrolyte, and the second porous layers (57, 67) of the cathode electrode (50) and the anode electrode (60) include hydrophobic regions (57A, 67A) and hydrophilic regions (57B, 67B) that are adjacent to each other along the surface direction.
  • the ion exchange member (70) is a liquid electrolyte
  • the cell assembly (210) may have a structure capable of containing the liquid electrolyte in a hermetic state.
  • hydrogen bubbles generated from the catalyst layer of the cathode and oxygen bubbles generated from the catalyst layer of the anode mainly block the porous member, hindering water transfer, and increasing the reaction rate and water transfer resistance, thereby reducing hydrogen production efficiency.
  • Fig. 21 is a schematic perspective view showing a porous member of the cathode electrode of the electrolysis cell illustrated in Fig. 20.
  • Fig. 22 is a schematic cross-sectional view of the porous member illustrated in Fig. 21.
  • the porous member (55) of the cathode (50) may be formed of a laminated structure of a first porous layer (56) and a second porous layer (57) having different pore scales.
  • the first porous layer (56) may have the same configuration as the first porous layer of the anode described in the fourth embodiment.
  • the second porous layer (57) may have the same configuration as the second porous layer of the anode described in the fifth embodiment.
  • the second porous layer (57) may include a hydrophobic region (57A) and a hydrophilic region (57B) adjacent to each other along the surface direction.
  • the hydrophilic region (57B) may function as a movement path of water toward the catalyst layer (51) of the cathode (50)
  • the hydrophobic region (57A) may function as a movement path of hydrogen bubbles generated in the catalyst layer (51) of the cathode (50).
  • the second porous layer (57) can spatially separate the water movement (supply) path and the hydrogen bubble movement (discharge) path by means of the adjacent hydrophilic region (57B) and hydrophobic region (57A) along the surface direction. Therefore, the porous member (55) of the cathode electrode (50) can continuously supply water using the hydrophilic region (57B) and continuously discharge hydrogen bubbles using the hydrophobic region (57A).
  • the electrolysis cell (300A) of the present embodiment can increase the reaction rate by continuously supplying water and continuously discharging hydrogen bubbles and oxygen bubbles, and can improve hydrogen production efficiency by lowering the transfer resistance of water, hydrogen bubbles, and oxygen bubbles.
  • Fig. 23 is a flowchart showing a method for manufacturing a porous member according to one embodiment.
  • a method for manufacturing a porous member may include the steps of creating a first porous layer having first pores of a first scale (S10), creating a second porous layer having second pores of a second scale smaller than the first scale and implementing hydrophobicity (S20), placing an exposure mask having a plurality of holes formed therein on the second porous layer (S30), and irradiating a plasma beam to the second porous layer through the plurality of holes to modify a portion of the second porous layer into a hydrophilic region (S40).
  • Figures 24 to 26 are schematic perspective views illustrating a manufacturing process of a porous member according to one embodiment.
  • the first porous layer (410) may include a plurality of carbon fibers and a hydrophobic polymer layer coated on the surface of each of the plurality of carbon fibers.
  • the first porous layer (410) may implement hydrophobicity.
  • the first porous layer (420) may include at least one of a plurality of carbon fibers, a plurality of titanium fibers, a plurality of titanium powders, and a nickel porous body.
  • the first porous layer (420) may implement hydrophilicity.
  • the former first porous layer (410) may be applied to a fuel cell cell, and the latter first porous layer (420) may be applied to a water electrolysis cell.
  • the second porous layer (430) may include a plurality of carbon powders and a hydrophobic polymer layer coated on the surface of each of the plurality of carbon powders.
  • the second porous layer (430) may implement hydrophobicity.
  • the second porous layer (430) may be laminated on the first porous layer (410, 420) or the second porous layer (430) may be formed on the first porous layer (410, 420) to form the porous member (400).
  • a plurality of holes (501) may be positioned in the exposure mask (500).
  • the plurality of holes (501) may be formed in various shapes, such as circular, rod-shaped, or cross-shaped, and the size of the holes (501) may be adjusted in various ways depending on the area of the hydrophilic region to be modified.
  • an exposure mask (500) can be laminated on the second porous layer (430) so as to be in contact with the second porous layer (430) (see FIG. 22). A portion of the second porous layer (430) facing the plurality of holes (501) is exposed, and the remainder is covered by the exposure mask (500).
  • the porous member (400) and the exposure mask (500) can be moved to a plasma chamber (600), and plasma discharge can occur in the plasma chamber (600). Through this process, a plasma beam can be irradiated to the second porous layer (430) through the plurality of holes (501).
  • the plasma beam has a shallow penetration depth, selective irradiation of the second porous layer (430) is possible.
  • the plasma beam can remove the hydrophobic polymer layer to reveal the carbon powder. Therefore, the portion of the second porous layer (430) irradiated with the plasma beam can be modified into a hydrophilic region (430B). That is, the second porous layer (430) can be composed of a hydrophobic region and a hydrophilic region modified by the plasma beam.
  • the plasma beam can be generated in various gas atmospheres such as air, oxygen, or nitrogen, and the modification characteristics can be controlled by appropriately adjusting the discharge intensity, gas flow rate, treatment time, etc.
  • the porous member (400) and the exposure mask (500) can be taken out from the plasma chamber (600), and the porous member (400) and the exposure mask (500) can be separated. Since the second porous layer that implements hydrophobicity is a commercialized product, it may be a simpler method to modify a portion of the hydrophobic second porous layer into a hydrophilic layer rather than modifying a portion of the hydrophilic second porous layer into a hydrophobic layer.
  • the second porous layer (430) can be immersed in a NaOH solution, removed, and left in the air at room temperature for approximately one day. This allows the hydrophobic polymer layer to be further removed from the hydrophilic region (430B), and NaOH to precipitate from the hydrophilic region (430B). Subsequently, the hydrophilic region (430B) can be washed with pure water and dried. The hydrophilic region (430B) that has undergone this process can permanently realize hydrophilicity.

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Abstract

전기화학 셀의 셀 조립체는 이온 교환 부재와, 이온 교환 부재의 일측에 위치하는 캐소드극과, 이온 교환 부재의 타측에 위치하는 애노드극을 포함한다. 캐소드극과 애노드극 각각은 촉매층과 다공성 부재를 포함한다. 다공성 부재는 제1 스케일의 제1 기공을 가지는 제1 다공성층과, 제1 다공성층과 촉매층 사이에 위치하는 제2 다공성층을 포함한다. 제2 다공성층은 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가진다. 캐소드극과 애노드극 중 적어도 하나에 속하는 제2 다공성층은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역과 친수성 영역을 포함한다.

Description

다공성 부재, 이의 제조 방법, 및 이를 구비한 전기화학 셀
본 발명은 전기화학 셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 부재와 이의 제조 방법 및 이를 구비한 전기화학 셀에 관한 것이다.
전기화학 셀의 대표적인 예로 연료전지 셀과 수전해 셀이 있다. 연료전지 셀은 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생산한다. 수전해 셀은 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생산한다. 연료전지 셀은 기체 확산층으로 기능하는 다공성 부재를 포함하고, 수전해 셀은 수송층으로 기능하는 다공성 부재를 포함한다.
본 발명은 반응 속도를 높이고 물질 전달 저항을 낮추어 전기화학 셀의 성능을 향상시킬 수 있는 다공성 부재와 이의 제조 방법 및 이를 구비한 전기화학 셀을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 다공성 부재는 제1 스케일의 제1 기공을 가지는 제1 다공성층과, 제1 다공성층의 일면에 위치하며 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가지는 제2 다공성층을 포함한다. 제2 다공성층은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역과 친수성 영역을 포함한다.
제1 기공의 제1 스케일은 마이크로미터 스케일일 수 있고, 제2 기공의 제2 스케일은 나노미터 스케일일 수 있다. 제1 다공성층의 두께는 제2 다공성층의 두께보다 클 수 있다.
제1 다공성층은 소수성을 가질 수 있고, 제2 다공성층에서 친수성 영역이 차지하는 면적은 소수성 영역이 차지하는 면적보다 작을 수 있다. 제1 다공성층은 소수성 고분자층으로 코팅된 복수의 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 제2 다공성층의 친수성 영역은 복수의 탄소 분말을 포함할 수 있다. 제2 다공성층의 소수성 영역은 소수성 고분자층으로 코팅된 복수의 탄소 분말을 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 제1 다공성층은 친수성을 가질 수 있고, 제2 다공성층에서 소수성 영역이 차지하는 면적은 친수성 영역이 차지하는 면적보다 작을 수 있다. 제1 다공성층은 복수의 탄소 섬유, 복수의 티타늄 섬유, 복수의 티타늄 분말, 및 니켈 다공체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 다공성층의 친수성 영역은 복수의 탄소 분말을 포함할 수 있다. 제2 다공성층의 소수성 영역은 소수성 고분자층으로 코팅된 복수의 탄소 분말을 포함할 수 있다.
소수성 영역과 친수성 영역 중 어느 하나는 미리 설정된 모양의 패턴을 이룰 수 있다. 소수성 영역과 친수성 영역 중 어느 하나의 깊이는 제2 다공성층의 두께와 같거나 이보다 작을 수 있다.
일 실시예에 따른 다공성 부재의 제조 방법은, (ⅰ) 마이크로미터 스케일의 기공과, 소수성과 친수성 중 어느 하나를 가지는 제1 다공성층을 만들고, (ⅱ) 나노미터 스케일의 기공과 소수성을 가지는 제2 다공성층을 만들고, (ⅲ) 복수의 홀이 형성된 노광 마스크를 준비하고, 노광 마스크를 제2 다공성층 위에 배치하고, (ⅳ) 복수의 홀을 통해 제2 다공성층으로 플라즈마 빔을 조사하여 제2 다공성층의 일부를 친수성 영역으로 개질하는 과정들을 포함한다.
다공성 부재의 제조 방법은, 친수성 영역에 NaOH 용액을 묻인 후 건조시켜 NaOH를 석출하고, 친수성 영역을 순수로 세정 후 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전기화학 셀은 셀 조립체와, 셀 조립체의 양측에 위치하는 한 쌍의 세퍼레이터를 포함한다. 셀 조립체는 이온 교환 부재와, 이온 교환 부재의 일측에 위치하는 캐소드극과, 멤브레인의 타측에 위치하는 애노드극을 포함한다. 캐소드극과 애노드극 각각은 촉매층과 다공성 부재를 포함한다. 다공성 부재는 제1 스케일의 제1 기공을 가지는 제1 다공성층과, 제1 다공성층과 촉매층 사이에 위치하는 제2 다공성층을 포함한다. 제2 다공성층은 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가진다. 캐소드극과 애노드극 중 적어도 하나에 속하는 제2 다공성층은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역과 친수성 영역을 포함한다.
제1 기공의 제1 스케일은 마이크로미터 스케일일 수 있고, 제2 기공의 제2 스케일은 나노미터 스케일일 수 있다. 제1 다공성층의 두께는 제2 다공성층의 두께보다 클 수 있다.
전기화학 셀은 저온형 연료전지 셀일 수 있다. 이온 교환 부재는 양이온 교환막과 음이온 교환막 및 액체 전해질 중 어느 하나일 수 있다. 이온 교환 부재가 양이온 교환막일 때 소수성 영역과 친수성 영역은 캐소드극에 위치할 수 있다. 이온 교환 부재가 음이온 교환막일 때 소수성 영역과 친수성 영역은 캐소드극과 애노드극에 위치할 수 있다. 이온 교환 부재가 액체 전해질일 때 소수성 영역과 친수성 영역은 캐소드극과 애노드극 중 어느 하나에 위치할 수 있다.
제1 다공성층은 소수성을 가질 수 있으며, 소수성 영역과 친수성 영역이 위치하는 제2 다공성층에서 친수성 영역이 차지하는 면적은 소수성 영역이 차지하는 면적보다 작을 수 있다. 친수성 영역의 깊이는 제2 다공성층의 두께와 같거나 이보다 작을 수 있다. 소수성 영역의 깊이는 제2 다공성층의 두께와 같을 수 있다.
다른 한편으로, 전기화학 셀은 수전해 셀일 수 있다. 이온 교환 부재는 양이온 교환막일 수 있다. 소수성 영역과 친수성 영역은 애노드극에 위치할 수 있다. 제1 다공성층은 친수성을 가질 수 있고, 애노드극에 속하는 제2 다공성층에서 소수성 영역이 차지하는 면적은 친수성 영역이 차지하는 면적보다 작을 수 있다.
다른 한편으로, 이온 교환 부재는 음이온 교환막과 액체 전해질 중 어느 하나일 수 있다. 소수성 영역과 친수성 영역은 캐소드극과 애노드극에 위치할 수 있다. 제1 다공성층은 친수성을 가질 수 있고, 제2 다공성층에서 소수성 영역이 차지하는 면적은 친수성 영역이 차지하는 면적보다 작을 수 있다.
본 실시예의 연료전지 셀은 산화제의 지속적인 공급과 물의 지속적인 배출에 의해 반응 속도를 높일 수 있고, 산화제와 물의 전달 저항을 낮추어 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 수전해 셀은 물의 지속적인 공급과 기포(산소 또는 수소 기포)의 지속적인 배출에 의해 반응 속도를 높일 수 있고, 물과 기포의 전달 저항을 낮추어 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 셀 중 캐소드극의 다공성 부재를 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 다공성 부재의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 다공성 부재 내부의 기공을 나타낸 모식도이다.
도 5는 기공 크기에 따른 물의 필요 압력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시한 다공성 부재의 모식도이다.
도 7은 도 4에 도시한 제2 다공성층에서 물과 산화제의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8과 도 9는 도 2에 도시한 제2 다공성층의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 10은 도 3에 도시한 다공성 부재의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 11은 세가지 연료전지 셀에 대한 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제2 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 13은 제3 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 14는 제4 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 15는 도 14에 도시한 수전해 셀 중 애노드극의 다공성 부재를 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 16은 도 15에 도시한 다공성 부재의 개략적인 단면도이다.
도 17은 도 16에 도시한 다공성 부재 내부의 기공을 나타낸 모식도이다.
도 18은 도 16에 도시한 다공성 부재의 모식도이다.
도 19는 도 17에 도시한 제2 다공성층에서 물과 산소 기포의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 20은 제5 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 21은 도 20에 도시한 수전해 셀 중 캐소드극의 다공성 부재를 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 22는 도 21에 도시한 다공성 부재의 개략적인 단면도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 다공성 부재의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 24 내지 도 26은 일 실시예에 따른 다공성 부재의 제조 과정을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 전기화학 셀은 연료전지 셀(100)로 이루어진다. 연료전지 셀(100)은 작동 온도가 대략 300℃ 이하인 저온형 연료전지 셀일 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다.
통상의 연료전지 시스템은 복수의 연료전지 셀로 이루어진 스택과, 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부와, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부로 구성된다. 산화제 공급부는 공기 펌프로 구성될 수 있고, 연로 공급부는 연료 탱크와 연료 펌프로 구성될 수 있다.
연료전지 셀(100)은 셀 조립체(110)와, 셀 조립체(110)의 양측에 위치하는 세퍼레이터(120)를 포함할 수 있다. 세퍼레이터(120)는 바이폴라 플레이트(bi-polar plate)로 지칭될 수 있으며, 도전체로 이루어진다. 셀 조립체(110)는 이온 교환 부재(10)와, 이온 교환 부재(10)의 일측에 위치하는 캐소드극(20)과, 이온 교환 부재(10)의 타측에 위치하는 애노드극(30)을 포함할 수 있다.
이온 교환 부재(10)는 양이온 교환막으로 구성될 수 있다. 캐소드극(20)은 공기극 또는 산소극으로 지칭될 수 있고, 애노드극(30)은 연료극으로 지칭될 수 있다. 캐소드극(20)은 촉매층(21)과 다공성 부재(25)를 포함할 수 있고, 애노드극(30)은 촉매층(31)과 다공성 부재(35)를 포함할 수 있다.
촉매층(21, 31)은 이온 교환 부재(10)와 다공성 부재(25, 35) 사이에 위치할 수 있다. 다공성 부재(25, 35)는 기체 확산층(gas diffusion layer)으로 지칭될 수 있다. 다공성 부재(25, 35)는 촉매층(21, 31)을 지지하기 위한 제1 다공성층(26, 36)과, 기체 확산 효과를 증진시키기 위한 제2 다공성층(27, 37)으로 구성될 수 있다. 제2 다공성층(27, 37)은 촉매층(21, 31)과 접하도록 위치할 수 있다.
캐소드극(20)을 향한 세퍼레이터(120)의 일면에 산화제 유로(121)가 위치하여 캐소드극(20)으로 산화제(예를 들어 공기)를 공급할 수 있다. 애노드극(30)을 향한 세퍼레이터(120)의 일면에 연료 유로(122)가 위치하여 애노드극(30)으로 연료(예를 들어 메탄올, 에탄올, 천연가스, 수소 개질가스 등)를 공급할 수 있다.
셀 조립체(110)로 산화제와 연료를 공급하면, 캐소드극(20)의 촉매층(21)에서 산화제의 환원 반응이 일어나고, 애노드극(30)의 촉매층(31)에서 연료의 산화 반응이 일어난다. 이러한 전기화학 반응에 의해 전기가 발생하고, 부수적으로 캐소드극(20)의 촉매층(21)에서 물이 발생한다.
이온 교환 부재(10)는 높은 양성자 전도도를 보장하기 위해 충분히 수화될 필요가 있다. 반면, 캐소드극(20)의 촉매층(21)과 다공성 부재(25)에서 과도한 양의 물은 산화제가 촉매층(21)으로 접근하는 것을 방해하여 촉매층(21)에서의 반응 속도 감소 및 산화제의 전달 손실을 증가시킬 수 있다. 캐소드극(20)의 적절한 물 관리가 이루어지지 않으면 전력 밀도가 감소하게 된다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 셀 중 캐소드극의 다공성 부재를 나타낸 개략적인 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시한 다공성 부재의 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 캐소드극(20)의 다공성 부재(25)는 기공 스케일이 상이한 제1 다공성층(26)과 제2 다공성층(27)의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 제1 다공성층(26)은 제1 스케일의 제1 기공을 가질 수 있고, 제2 다공성층(27)은 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가질 수 있다.
제1 스케일은 마이크로미터 스케일일 수 있으며, 제2 스케일은 나노미터 스케일일 수 있다. 명세서 전체에서, 마이크로미터 스케일은 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 크기를 의미하고, 나노미터 스케일은 1nm 이상 1,000nm 미만의 크기를 의미한다. 예를 들어, 제1 다공성층(26)의 제1 기공의 평균 크기는 대략 수십 마이크로미터 수준일 수 있고, 제2 다공성층(27)의 제2 기공의 평균 크기는 대략 수십 나노미터 수준일 수 있다.
제1 다공성층(26)은 촉매층(21)을 지지하는데 적합한 제1 두께를 가질 수 있고, 제2 다공성층(27)은 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수 있다. 제1 다공성층(26)은 기체 확산 지지층(gas diffusion backing layer)으로 지칭될 수 있다. 제2 다공성층(27)은 미세 기공층(micro porous layer)으로 지칭될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 다공성 부재 내부의 기공을 나타낸 모식도이다. 도 5는 기공 크기에 따른 물의 필요 압력을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참고하면, 캐소드극의 촉매층에서 발생한 물은 제2 다공성층의 제2 기공(P2) 및 이와 연결된 제1 다공성층의 제1 기공(P1)을 통해 배출된다. 제1 기공(P1)은 수십 마이크로미터 크기이고, 제2 기공(P2)은 수십 나노미터 크기이므로, 다공성 부재 내에 기공 구배(pore gradient) 구조가 만들어진다.
액적이 제1 기공(P1)과 제2 기공(P2)에 걸쳐 존재할 때, 액적의 접촉각은 제1 기공(P1)과 제2 기공(P2)에서 동일하다. 그러나 제2 기공(P2)에서 액적 표면의 곡률은 제1 기공(P1)에서 액적 표면의 곡률보다 크고, 제2 기공(P2)에서 물의 압력은 제1 기공(P1)에서 물의 압력보다 크다. 기공에서 물을 제거하기 위한 필요 압력(P)은 하기 수학식으로 표현될 수 있다.
여기서, γ는 물의 표면장력이고, θ는 물의 접촉각이며, d는 기공의 크기(직경)를 나타낸다.
도 4와 도 5를 참고하면, 나노미터 크기의 제2 기공(P2)은 물을 배출하는 과정에서 더 높은 모세관 장벽으로 작용하며, 기공의 크기가 작아질수록 물을 제거하기 위한 필요 압력(P)은 커진다. 이러한 모세관 장벽은 이온 교환 부재의 높은 수화도를 유지하는데 유익하지만, 이온 교환 부재의 수화가 과도할 경우 물이 범람(flooding)하는 현상으로 인해 연료전지 셀의 성능을 저하시킬 수 있다.
도 6은 도 3에 도시한 다공성 부재의 모식도이다.
도 2와 도 3 및 도 6을 참고하면, 제1 다공성층(26) 전체는 소수성(hydrophobic)을 구현할 수 있다. 예를 들어, 제1 다공성층(26)은 복수의 탄소 섬유(261)와, 복수의 탄소 섬유(261) 각각의 표면에 코팅된 소수성 고분자층(262)을 포함할 수 있다. 탄소 섬유(261)는 막대형일 수 있고, 소수성 고분자층(262)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함할 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다.
제2 다공성층(27)은 면 방향을 따라 서로 이웃한 소수성 영역(27A)과 친수성(hydrophilic) 영역(27B)을 포함할 수 있다. 명세서 전체에서, 면 방향은 다공성 부재(25)의 주 표면(도 3를 기준으로 상면 및 하면)과 나란한 방향으로서, 다공성 부재(25)의 두께 방향과 직교하는 방향을 의미한다. 도 3에서 면 방향을 D1으로 표시하였고, 두께 방향을 D2로 표시하였다. 친수성 영역(27B)은 제2 다공성층(27)의 일부를 차지할 수 있고, 소수성 영역(27A)은 제2 다공성층(27)의 나머지를 차지할 수 있다.
소수성 영역(27A)은 복수의 탄소 분말(271)과, 복수의 탄소 분말(271) 각각의 표면에 코팅된 소수성 고분자층(272)을 포함할 수 있다. 친수성 영역(27B)은 복수의 탄소 분말(271)을 포함할 수 있다. 탄소 분말(271)은 구형일 수 있다. 소수성 고분자층(272)은 PTFE을 포함할 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 제2 다공성층(27)은 소수성 고분자층(272)의 유무에 따라 소수성 영역(27A)과 친수성 영역(27B)으로 구분될 수 있다.
도 7은 도 4에 도시한 제2 다공성층에서 물과 산화제의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7을 참고하면, 소수성 영역(27A)은 물을 밀어내기 때문에 물보다 산화제를 쉽게 통과시킬 수 있다. 반면 친수성 영역(27B)은 물을 쉽게 머금기 때문에 산화제보다 물을 쉽게 통과시킬 수 있다. 즉 제2 다공성층(27)에서 소수성 영역(27A)은 산화제의 이동 경로로 기능할 수 있고, 친수성 영역(27B)은 물의 이동 경로로 기능할 수 있다.
도 2와 도 3 및 도 7을 참고하면, 제2 다공성층(27)은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역(27A)과 친수성 영역(27B)에 의해 산화제의 이동(공급) 경로와 물의 이동(배출) 경로를 공간적으로 분리할 수 있다. 따라서 다공성 부재(25)는 소수성 영역(27A)을 이용하여 산화제를 지속적으로 공급함과 동시에 친수성 영역(27B)을 이용하여 물을 지속적으로 배출할 수 있다.
제2 다공성층 전체가 소수성 영역인 경우를 가정하면, 나노미터 스케일의 기공 사이즈와 소수성으로 인해 물을 제거하기 위한 필요 압력(P)이 커지므로 물 배출이 원활하지 않게 된다. 반면, 제2 다공성층(27)의 친수성 영역(27B)은 나노미터 스케일의 기공 사이즈에도 불구하고 물의 접촉각이 90°보다 작은 특성으로 인해 필요 압력(P)을 낮추어 물 배출을 원활하게 할 수 있다.
소수성 영역(27A)과 친수성 영역(27B) 중 어느 하나, 예를 들어 친수성 영역(27B)은 도 2와 같이 복수의 도트(dot) 패턴으로 이루어질 수 있으며, 도트 패턴 이외의 다양한 패턴으로 이루어질 수 있다. 도 8과 도 9는 도 2에 도시한 제2 다공성층의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 8을 참고하면, 소수성 영역(27A)과 친수성 영역(27B) 중 어느 하나, 예를 들어 친수성 영역(27B)은 복수의 라인 패턴으로 이루어질 수 있다. 도 9를 참고하면, 소수성 영역(27A)과 친수성 영역(27B) 중 어느 하나, 예를 들어 친수성 영역(27B)은 복수의 십자 패턴으로 이루어질 수 있다. 소수성 영역(27A)과 친수성 영역(27B)의 형상은 도시한 예들로 한정되지 않는다.
제2 다공성층(27)에서 친수성 영역(27B)이 차지하는 면적은 소수성 영역(27A)이 차지하는 면적보다 작을 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 연료전지 셀에서 다공성 부재는 기본적으로 촉매층을 향해 산화제를 전달하는 기능을 하므로, 친수성 영역의 면적이 소수성 영역의 면적보다 작은 경우, 물 배출 경로를 확보하면서 산화제 공급 효율을 높일 수 있다.
소수성 영역(27A)의 깊이는 제2 다공성층(27)의 두께와 같을 수 있고, 친수성 영역(27B)의 깊이는 제2 다공성층(27)의 두께와 같거나 이보다 작을 수 있다. 도 3에서는 소수성 영역(27A)의 깊이와 친수성 영역(27B)의 깊이가 제2 다공성층(27)의 두께와 동일한 경우를 도시하였다.
도 10은 도 3에 도시한 다공성 부재의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 10을 참고하면, 친수성 영역(27B)의 깊이는 제2 다공성층(27)의 두께보다 작을 수 있다. 이때 친수성 영역(27B)은 제2 다공성층(27)의 표면에 위치하며, 제1 다공성층(26)과 친수성 영역(27B) 사이에 소수성 영역(27C)이 위치할 수 있다. 즉 제2 다공성층(27)은 친수성 영역(27B)과 소수성 영역(27C)이 두께 방향을 따라 마주하는 혼합 영역(27D)과, 혼합 영역(27D) 이외의 소수성 영역(27A)을 포함할 수 있다.
친수성 영역(27B)이 두께 방향을 따라 제2 다공성층(27)의 일부를 차지하더라도 친수성 영역(27B)으로 이끌린 물은 이동 방향을 유지하려는 성질에 의해 친수성 영역(27B)을 따라 소수성 영역(27D)을 거쳐 제1 다공성층(26)으로 이동할 수 있다. 즉 도 3에 도시한 다공성 부재(25)와 도 10에 도시한 다공성 부재(25)는 물을 배출하는 작용이 동일하게 이루어질 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 애노드극(30)의 다공성 부재(35)는 기공 스케일이 상이한 제3 다공성층(36)과 제4 다공성층(37)의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 제3 다공성층(36)은 캐소드극(20)의 제1 다공성층(26)과 동일한 구성일 수 있다. 제4 다공성층(37)은 친수성 영역이 없는 것을 제외하고 캐소드극(20)의 제2 다공성층(27)과 동일한 구성일 수 있다.
도 11은 세가지 연료전지 셀에 대한 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 하기 표 1에 세가지 연료전지 셀에 대한 특징을 나타내었다.
캐소드극의
제2 다공성층		 친수성 영역의 형상 제2 다공성층에서 친수성 영역이 차지하는 면적 비율
비교예 전체가 소수성 영역 - -
실시예 1 친수성 영역과 소수성 영역 포함 복수의 도트 패턴 대략 10%
실시예 2 친수성 영역과 소수성 영역 포함 복수의 라인 패턴 대략 25%
도 11을 참고하면, 비교예의 연료전지 셀 대비 실시예 1 및 실시예 2의 연료전지 셀들에서 전류 밀도와 전력 밀도가 모두 상승된 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1의 연료전지 셀보다 친수성 영역의 면적이 더 큰 실시예 2의 연료전지 셀에서 전류 밀도와 전력 밀도가 더 상승된 것을 확인할 수 있다.본 실시예의 연료전지 셀(100)은 산화제의 지속적인 공급과 물의 지속적인 배출에 의해 반응 속도를 높일 수 있고, 산화제와 물의 전달 저항을 낮추어 전력 밀도를 향상시킬 수 있다.
도 12는 제2 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다. 제2 실시예의 전기화학 셀은 다음에 설명하는 내용을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
도 12를 참고하면, 본 실시예의 연료전지 셀(100A)에서, 이온 교환 부재(10)는 음이온 교환막으로 구성될 수 있다. 이 경우 캐소드극(20)으로 산화제와 물을 공급할 수 있고, 애노드극(30)으로 연료를 공급할 수 있다. 셀 조립체(110)로 산화제와 물 및 연료를 공급하면, 전기화학 반응에 의해 전기가 발생하고, 캐소드극(20)에서 물이 배출되며, 애노드극(30)에서도 물이 배출된다.
본 실시예에서 소수성 영역(27A, 37A) 과 친수성 영역(27B, 37B)은 캐소드극(20)과 애노드극(30) 모두에 위치할 수 있다. 즉 캐소드극(20)과 애노드극(30) 각각의 다공성 부재(25, 35)는 제1 다공성층(26, 36)과 제2 다공성층(27, 37)을 포함할 수 있고, 제2 다공성층(27, 37)은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역(27A, 37A)과 친수성 영역(27B, 37B)을 포함할 수 있다. 다공성 부재(25, 35)는 전술한 제1 실시예에 기재된 캐소드극의 다공성 부재와 동일한 구성으로 이루어진다.
캐소드극(20)의 제2 다공성층(27)에서 소수성 영역(27A)은 산화제의 이동 경로로 기능할 수 있고, 친수성 영역(27B)은 물의 이동 경로로 기능할 수 있다. 애노드극(30)의 제2 다공성층(37)에서 소수성 영역(37A)은 연료의 이동 경로로 기능할 수 있고, 소수성 영역(37B)은 물의 이동 경로로 기능할 수 있다.
도 13은 제3 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다. 제3 실시예의 전기화학 셀은 다음에 설명하는 내용을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
도 13을 참고하면, 본 실시예의 연료전지 셀(100B)에서, 이온 교환 부재(10)는 액체 전해질로 구성될 수 있다. 이 경우 셀 조립체(110)는 액체 전해질을 기밀 상태로 수용할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에서 소수성 영역과 친수성 영역은 캐소드극(20)과 애노드극(30) 중 어느 하나에 위치할 수 있다.
예를 들어, 액체 전해질을 사용하는 저온형 연료전지 셀(100B)이 인산형 연료전지 셀인 경우, 소수성 영역과 친수성 영역은 물이 배출되는 캐소드극(20)에 위치할 수 있다. 반면 액체 전해질을 사용하는 저온형 연료전지 셀(100B)이 알칼라인 연료전지 셀인 경우, 소수성 영역과 친수성 영역은 물이 배출되는 애노드극(30)에 위치할 수 있다. 편의상 도 13에서는 소수성 영역(37A)과 친수성 영역(37B)이 애노드극(30)에 위치하는 알칼라인 연료전지 셀의 경우를 예로 들어 도시하였다.
도 14는 제4 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 14를 참고하면, 본 실시예의 전기화학 셀은 수전해 셀(200)로 이루어진다. 수전해 셀(200)은 작동 온도가 대략 120℃ 이하인 저온형 수전해 셀일 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 수전해 셀(200)은 물의 전기분해를 통해 수소와 산소를 생산한다. 본 실시예의 수전해 셀(200)은 양이온 교환막을 사용하는 고분자 전해질 수전해 셀일 수 있다.
수전해 셀(200)은 셀 조립체(210)와, 셀 조립체(210)의 양측에 위치하는 세퍼레이터(220)를 포함할 수 있다. 세퍼레이터(220)는 바이폴라 플레이트로 지칭될 수 있으며, 도전체로 이루어진다. 셀 조립체(210)는 이온 교환 부재(40)와, 이온 교환 부재(40)의 일측에 위치하는 캐소드극(50)과, 이온 교환 부재(40)의 타측에 위치하는 애노드극(60)을 포함할 수 있다. 이온 교환 부재(40)는 양이온 교환막으로 구성될 수 있다.
캐소드극(50)은 촉매층(51)과 다공성 부재(55)를 포함할 수 있고, 애노드극(60)은 촉매층(61)과 다공성 부재(65)를 포함할 수 있다. 촉매층(51, 61)은 이온 교환 부재(40)와 다공성 부재(55, 65) 사이에 위치할 수 있다. 다공성 부재(55, 65)는 다공성 수송층(porous transport layer)으로 지칭될 수 있다. 다공성 부재(55, 65)는 촉매층(51, 61)을 지지하기 위한 제1 다공성층(56, 66)과, 물과 기포의 수송 효과를 증진시키기 위한 제2 다공성층(57, 67)으로 구성될 수 있다. 제2 다공성층(57, 67)은 촉매층(51, 61)과 접하도록 위치할 수 있다.
캐소드극(50)을 향한 세퍼레이터(220)의 일면에 제1 유로(221)가 위치할 수 있고, 애노드극(60)을 향한 세퍼레이터(220)의 일면에 제2 유로(222)가 위치할 수 있다. 제1 유로(221)의 입구와 제2 유로(222)의 입구로 액상의 물을 공급하면, 전기화학 반응에 의해 캐소드극(50)의 촉매층(51)에서 수소가 발생하고, 애노드극(60)의 촉매층(61)에서 산소가 발생한다.
수소는 다공성 부재(55)를 통해 제1 유로(221)로 이동하여 액상의 물과 함께 제1 유로(221)의 출구로 배출될 수 있다. 산소는 다공성 부재(65)를 통해 제2 유로(222)로 이동하여 액상의 물과 함께 제2 유로(222)의 출구로 배출될 수 있다. 다공성 부재(55, 65)는 세퍼레이터(220)에서 공급된 액상의 물이 촉매층(51, 61)으로 전달되도록 함과 동시에 촉매층(51, 61)에서 발생한 기포(수소 기포 또는 산소 기포)가 세퍼레이터(220) 측으로 배출되도록 한다.
일반적인 고분자 전해질 수전해 셀에서는 애노드극의 촉매층에서 발생한 산소 기포가 주로 다공성 부재를 막아 물의 전달을 방해하고, 반응 속도와 물 전달 저항을 증가시켜 수소 생산 효율을 감소시킨다.
도 15는 도 14에 도시한 수전해 셀 중 애노드극의 다공성 부재를 나타낸 개략적인 사시도이다. 도 16은 도 15에 도시한 다공성 부재의 개략적인 단면도이다.
도 14 내지 도 16을 참고하면, 애노드극(60)의 다공성 부재(65)는 기공 스케일이 상이한 제1 다공성층(66)과 제2 다공성층(67)의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 제1 다공성층(66)은 제1 스케일의 제1 기공을 가질 수 있고, 제2 다공성층(67)은 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가질 수 있다.
제1 스케일은 마이크로미터 스케일일 수 있으며, 제2 스케일은 나노미터 스케일일 수 있다. 예를 들어, 제1 다공성층(66)의 제1 기공의 평균 크기는 대략 수십 마이크로미터 수준일 수 있고, 제2 다공성층(67)의 제2 기공의 평균 크기는 대략 수십 나노미터 수준일 수 있다. 제1 다공성층(66)은 촉매층(61)을 지지하는데 적합한 제1 두께를 가질 수 있고, 제2 다공성층(67)은 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수 있다.
도 17은 도 16에 도시한 다공성 부재 내부의 기공을 나타낸 모식도이다.
도 17을 참고하면, 애노드극의 촉매층에서 발생한 산소 기포는 제2 다공성층의 제2 기공(P2) 및 이와 연결된 제1 다공성층의 제1 기공(P1)을 통해 배출된다. 제1 기공(P1)은 수십 마이크로미터 크기이고, 제2 기공(P2)은 수십 나노미터 크기이므로, 다공성 부재 내에 기공 구배 구조가 만들어진다.
기공에서 기포를 제거하기 위한 필요 압력(P)은 전술한 수학식 1로 표현될 수 있다. 다만, 이 경우 수학식 1의 θ는 기포의 접촉각을 나타낸다. 나노미터 크기의 제2 기공(P2)은 기공을 배출하는 과정에서 더 높은 모세관 장벽으로 작용하며, 기공의 크기가 작아질수록 기포를 제거하기 위한 필요 압력(P)은 커진다.
도 18은 도 16에 도시한 다공성 부재의 모식도이다.
도 15와 도 16 및 도 18을 참고하면, 제1 다공성층(66) 전체는 친수성을 구현할 수 있다. 예를 들어, 제1 다공성층(66)은 복수의 탄소 섬유(661), 복수의 티타늄 섬유, 복수의 티타늄 분말, 및 니켈 다공체(foam) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 탄소 섬유(661)는 막대형일 수 있다. 제2 다공성층(67)은 면 방향을 따라 서로 이웃한 소수성 영역(67A)과 친수성 영역(67B)을 포함할 수 있다. 친수성 영역(67B)은 제2 다공성층(67)의 일부를 차지할 수 있고, 소수성 영역(67A)은 제2 다공성층(67)의 나머지를 차지할 수 있다.
소수성 영역(67A)은 복수의 탄소 분말(671)과, 복수의 탄소 분말(671) 각각의 표면에 코팅된 소수성 고분자층(672)을 포함할 수 있다. 친수성 영역(67B)은 복수의 탄소 분말(671)을 포함할 수 있다. 탄소 분말(671)은 구형일 수 있다. 소수성 고분자층(672)은 PTFE를 포함할 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 제2 다공성층(67)은 소수성 고분자층(672)의 유무에 따라 소수성 영역(67A)과 친수성 영역(67B)으로 구분될 수 있다.
도 19는 도 18에 도시한 제2 다공성층에서 물과 산소 기포의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 19를 참고하면, 친수성 영역(67B)은 물을 쉽게 머금기 때문에 물을 쉽게 통과시킬 수 있다. 반면 소수성 영역(67A)은 물을 밀어내기 때문에 물보다 산소 기포를 쉽게 통과시킬 수 있다. 즉 제2 다공성층(67)에서 친수성 영역(67B)은 물의 이동 경로로 기능할 수 있고, 소수성 영역(67A)은 산소 기포의 이동 경로로 기능할 수 있다.
도 15와 도 16 및 도 19를 참고하면, 제2 다공성층(67)은 면 방향을 따라 이웃한 친수성 영역(67B)과 소수성 영역(67A)에 의해 물의 이동(공급) 경로와 산소 기포의 이동(배출) 경로를 공간적으로 분리할 수 있다. 따라서 애노드극(60)의 다공성 부재(65)는 친수성 영역(67B)을 이용하여 물을 지속적으로 공급함과 동시에 소수성 영역(67A)을 이용하여 산소 기포를 지속적으로 배출할 수 있다.
제2 다공성층 전체가 친수성 영역인 경우를 가정하면, 나노미터 스케일의 기공 사이즈와 친수성으로 인해 산소 기포를 제거하기 위한 필요 압력(P)이 커지므로 산소 기포의 배출이 원활하지 않게 된다. 반면, 제2 다공성층(67)의 소수성 영역(67A)은 나노미터 스케일의 기공 사이즈에도 불구하고 물을 밀어내는 소수성으로 인해 산소 기포의 필요 압력(P)을 낮추어 산소 기포의 배출을 원활하게 할 수 있다.
소수성 영역(67A)과 친수성 영역(67B) 중 어느 하나, 예를 들어 친수성 영역(67B)은 도 13과 같이 복수의 도트(dot) 패턴으로 이루어질 수 있으며, 도트 패턴 이외에 복수의 라인 패턴 또는 십자 패턴 등 다양한 패턴으로 이루어질 수 있다.
제2 다공성층(67)에서 소수성 영역(67A)이 차지하는 면적은 친수성 영역(67B)이 차지하는 면적보다 작을 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 수전해 셀(200)에서 다공성 부재(65)는 기본적으로 촉매층(61)을 향해 물을 전달하는 기능을 하므로, 소수성 영역(67A)의 면적이 친수성 영역(67B)의 면적보다 작은 경우, 산소 기포의 배출 경로를 확보하면서 물 공급 효율을 높일 수 있다.
친수성 영역(67B)의 깊이는 제2 다공성층(67)의 두께와 같거나 이보다 작을 수 있고, 소수성 영역(67A)의 깊이는 제2 다공성층(67)의 두께와 같을 수 있다. 도 14에서는 친수성 영역(67B)의 깊이와 소수성 영역(67A)의 깊이가 제2 다공성층(67)의 두께와 동일한 경우를 도시하였다.
다시 도 14를 참고하면, 캐소드극(50)의 다공성 부재(55)는 기공 스케일이 상이한 제3 다공성층(56)과 제4 다공성층(57)의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 제3 다공성층(56)은 애노드극(60)의 제1 다공성층(66)과 동일한 구성일 수 있다. 제4 다공성층(57)은 소수성 영역이 없는 것을 제외하고 애노드극(60)의 제2 다공성층(67)과 동일한 구성일 수 있다.
본 실시예의 수전해 셀(200)은 물의 지속적인 공급과 산소 기포의 지속적인 배출에 의해 반응 속도를 높일 수 있고, 물과 산소 기포의 전달 저항을 낮추어 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 20은 제5 실시예에 따른 전기화학 셀의 개략적인 단면도이다.
도 20을 참고하면, 본 실시예의 전기화학 셀은 수전해 셀(200A)로 이루어진다. 본 실시예의 수전해 셀(200A)은 음이온 교환막을 사용하는 수전해 셀 또는 액체 전해질을 사용하는 알칼라인 수전해 셀일 수 있다.
본 실시예의 수전해 셀(200A)은, 이온 교환 부재(70)가 음이온 교환막과 액체 전해질 중 어느 하나로 구성되는 것과, 캐소드극(50)과 애노드극(60)의 제2 다공성층(57, 67)이 면 방향을 따라 서로 이웃한 소수성 영역(57A, 67A)과 친수성 영역(57B, 67B)을 포함하는 것을 제외하고 전술한 제2 실시예의 수전해 셀과 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다. 다만, 이온 교환 부재(70)가 액체 전해질일 때, 셀 조립체(210)는 액체 전해질을 기밀 상태로 수용할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
일반적인 음이온 교환막 수전해 셀 또는 알칼라인 수전해 셀에서는 캐소드극의 촉매층에서 발생한 수소 기포와 애노드극의 촉매층에서 발생한 산소 기포가 주로 다공성 부재를 막아 물의 전달을 방해하고, 반응 속도와 물 전달 저항을 증가시켜 수소 생산 효율을 감소시킨다.
도 21은 도 20에 도시한 수전해 셀 중 캐소드극의 다공성 부재를 나타낸 개략적인 사시도이다. 도 22는 도 21에 도시한 다공성 부재의 개략적인 단면도이다.
도 20 내지 도 22를 참고하면, 캐소드극(50)의 다공성 부재(55)는 기공 스케일이 상이한 제1 다공성층(56)과 제2 다공성층(57)의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 제1 다공성층(56)은 제4 실시예에 설명한 애노드극의 제1 다공성층과 동일한 구성일 수 있다. 제2 다공성층(57)은 제5 실시예에서 설명한 애노드극의 제2 다공성층과 동일한 구성일 수 있다.
제2 다공성층(57)은 면 방향을 따라 서로 이웃한 소수성 영역(57A)과 친수성 영역(57B)을 포함할 수 있다. 제2 다공성층(57)에서 친수성 영역(57B)은 캐소드극(50)의 촉매층(51)을 향한 물의 이동 경로로 기능할 수 있고, 소수성 영역(57A)은 캐소드극(50)의 촉매층(51)에서 생성된 수소 기포의 이동 경로로 기능할 수 있다.
제2 다공성층(57)은 면 방향을 따라 이웃한 친수성 영역(57B)과 소수성 영역(57A)에 의해 물의 이동(공급) 경로와 수소 기포의 이동(배출) 경로를 공간적으로 분리할 수 있다. 따라서 캐소드극(50)의 다공성 부재(55)는 친수성 영역(57B)을 이용하여 물을 지속적으로 공급함과 동시에 소수성 영역(57A)을 이용하여 수소 기포를 지속적으로 배출할 수 있다.
본 실시예의 수전해 셀(300A)은 물의 지속적이 공급과 수소 기포 및 산소 기포의 지속적인 배출에 의해 반응 속도를 높일 수 있고, 물과 수소 기포 및 산소 기포의 전달 저항을 낮추어 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 23은 일 실시예에 따른 다공성 부재의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 23을 참고하면, 본 실시예에 따른 다공성 부재의 제조 방법은 제1 스케일의 제1 기공을 가지는 제1 다공성층을 만들고(S10), 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가지며 소수성을 구현하는 제2 다공성층을 만들고(S20), 제2 다공성층 위에 복수의 홀이 형성된 노광 마스크를 배치하고(S30), 복수의 홀을 통해 제2 다공성층으로 플라즈마 빔을 조사하여 제2 다공성층의 일부를 친수성 영역으로 개질(S40)하는 과정들을 포함할 수 있다.
도 24 내지 도 26은 일 실시예에 따른 다공성 부재의 제조 과정을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 24를 참고하면, 제1 다공성층(410)은 복수의 탄소 섬유와, 복수의 탄소 섬유 각각의 표면에 코팅된 소수성 고분자층을 포함할 수 있다. 제1 다공성층(410)은 소수성을 구현할 수 있다. 다른 한편으로, 제1 다공성층(420)은 복수의 탄소 섬유, 복수의 티타늄 섬유, 복수의 티타늄 분말, 및 니켈 다공체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 다공성층(420)은 친수성을 구현할 수 있다. 전자의 제1 다공성층(410)은 연료전지 셀에 적용될 수 있고, 후자의 제1 다공성층(420)은 수전해 셀에 적용될 수 있다.
제2 다공성층(430)은 복수의 탄소 분말과, 복수의 탄소 분말 각각의 표면에 코팅된 소수성 고분자층을 포함할 수 있다. 제2 다공성층(430)은 소수성을 구현할 수 있다. 제1 다공성층(410, 420) 위에 제2 다공성층(430)이 적층되거나 제1 다공성층(410, 420) 위로 제2 다공성층(430)이 제작되어 다공성 부재(400)를 구성할 수 있다.
노광 마스크(500)에는 복수의 홀(501)이 위치할 수 있다. 복수의 홀(501)은 원형, 막대형, 십자형 등 다양한 모양으로 이루어질 수 있으며, 개질하고자 하는 친수성 영역의 면적에 따라 홀(501)의 크기가 다양하게 조정될 수 있다.
도 25와 도 26을 참고하면, 노광 마스크(500)는 제2 다공성층(430)(도 22 참조)과 접하도록 제2 다공성층(430) 위에 적층될 수 있다. 제2 다공성층(430) 가운데 복수의 홀(501)과 마주하는 부분이 노출되며, 나머지는 노광 마스크(500)에 가려진다. 다공성 부재(400)와 노광 마스크(500)는 플라즈마 챔버(600)로 이동할 수 있으며, 플라즈마 챔버(600)에서 플라즈마 방전이 일어날 수 있다. 이러한 과정으로 복수의 홀(501)을 통해 제2 다공성층(430)으로 플라즈마 빔을 조사할 수 있다.
플라즈마 빔은 투과 깊이가 얕기 때문에 제2 다공성층(430)의 선택적인 조사가 가능하다. 플라즈마 빔은 소수성 고분자층을 제거하여 탄소 분말을 드러나게 할 수 있다. 따라서 제2 다공성층(430) 가운데 플라즈마 빔을 조사받은 부분은 친수성 영역(430B)으로 개질될 수 있다. 즉 제2 다공성층(430)은 소수성 영역과, 플라즈마 빔에 의해 개질된 친수성 영역으로 구성될 수 있다. 플라즈마 빔은 공기, 산소, 또는 질소 등 다양한 가스 분위기에서 발생될 수 있으며, 방전 세기, 가스 유량, 처리 시간 등을 적절하게 조절하여 개질 특성을 제어할 수 있다.
다공성 부재(400)와 노광 마스크(500)를 플라즈마 챔버(600)에서 꺼내고, 다공성 부재(400)와 노광 마스크(500)를 분리할 수 있다. 소수성을 구현하는 제2 다공성층은 상용화된 물품이므로, 친수성인 제2 다공성층의 일부를 소수성으로 개질하는 것보다 소수성인 제2 다공성층의 일부를 친수성으로 개질하는 것이 더욱 간편한 방법일 수 있다.
추가적으로, 제2 다공성층(430)을 NaOH 용액에 담갔다가 빼고, 상온 대기 중에 대략 1일 정도 방치하는 과정을 진행할 수 있다. 그러면 친수성 영역(430B)에서 소수성 고분자층을 더 제거할 수 있고, 친수성 영역(430B)에서 NaOH가 석출될 수 있다. 이어서 친수성 영역(430B)을 순수로 세정 및 건조할 수 있다. 이러한 과정을 거친 친수성 영역(430B)은 영구적으로 친수성을 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (20)

  1. 제1 스케일의 제1 기공을 가지는 제1 다공성층; 및
    상기 제1 다공성층의 일면에 위치하며, 상기 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가지는 제2 다공성층을 포함하고,
    상기 제2 다공성층은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역과 친수성 영역을 포함하는 다공성 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기공의 상기 제1 스케일은 마이크로미터 스케일이고,
    상기 제2 기공의 상기 제2 스케일은 나노미터 스케일이며,
    상기 제1 다공성층의 두께는 상기 제2 다공성층의 두께보다 큰 다공성 부재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 소수성을 가지며,
    상기 제2 다공성층에서 상기 친수성 영역이 차지하는 면적은 상기 소수성 영역이 차지하는 면적보다 작은 다공성 부재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 소수성 고분자층으로 코팅된 복수의 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 제2 다공성층의 상기 친수성 영역은 복수의 탄소 분말을 포함하며,
    상기 제2 다공성층의 상기 소수성 영역은 소수성 고분자층으로 코팅된 복수의 탄소 분말을 포함하는 다공성 부재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 친수성을 가지며,
    상기 제2 다공성층에서 상기 소수성 영역이 차지하는 면적은 상기 친수성 영역이 차지하는 면적보다 작은 다공성 부재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 복수의 탄소 섬유, 복수의 티타늄 섬유, 복수의 티타늄 분말, 및 니켈 다공체 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제2 다공성층의 상기 친수성 영역은 복수의 탄소 분말을 포함하며,
    상기 제2 다공성층의 상기 소수성 영역은 소수성 고분자층으로 코팅된 복수의 탄소 분말을 포함하는 다공성 부재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역 중 어느 하나는 미리 설정된 모양의 패턴을 이루며,
    상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역 중 어느 하나의 깊이는 상기 제2 다공성층의 두께와 같거나 이보다 작은 다공성 부재.
  8. 마이크로미터 스케일의 기공과, 소수성과 친수성 중 어느 하나를 가지는 제1 다공성층을 만들고;
    나노미터 스케일의 기공과 소수성을 가지는 제2 다공성층을 만들고;
    복수의 홀이 형성된 노광 마스크를 준비하고, 상기 노광 마스크를 상기 제2 다공성층 위에 배치하고;
    상기 복수의 홀을 통해 상기 제2 다공성층으로 플라즈마 빔을 조사하여 상기 제2 다공성층의 일부를 친수성 영역으로 개질하는 다공성 부재의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 친수성 영역에 NaOH 용액을 묻인 후 건조시켜 NaOH를 석출하고, 상기 친수성 영역을 순수로 세정 후 건조하는 과정을 더 포함하는 다공성 부재의 제조 방법.
  10. 이온 교환 부재와, 상기 이온 교환 부재의 일측에 위치하는 캐소드극과, 상기 이온 교환 부재의 타측에 위치하는 애노드극을 포함하는 셀 조립체; 및
    상기 셀 조립체의 양측에 위치하는 한 쌍의 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 캐소드극과 상기 애노드극 각각은 촉매층과 다공성 부재를 포함하며,
    상기 다공성 부재는,
    제1 스케일의 제1 기공을 가지는 제1 다공성층; 및
    상기 제1 다공성층과 상기 촉매층 사이에 위치하며, 상기 제1 스케일보다 작은 제2 스케일의 제2 기공을 가지는 제2 다공성층을 포함하고,
    상기 캐소드극과 상기 애노드극 중 적어도 하나에 속하는 상기 제2 다공성층은 면 방향을 따라 이웃한 소수성 영역과 친수성 영역을 포함하는 전기화학 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기공의 상기 제1 스케일은 마이크로미터 스케일이고,
    상기 제2 기공의 상기 제2 스케일은 나노미터 스케일이며,
    상기 제1 다공성층의 두께는 상기 제2 다공성층의 두께보다 큰 전기화학 셀.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 저온형 연료전지 셀인 전기화학 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이온 교환 부재는 양이온 교환막과 음이온 교환막 및 액체 전해질 중 어느 하나이며,
    상기 이온 교환 부재가 양이온 교환막일 때 상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역은 상기 캐소드극에 위치하고,
    상기 이온 교환 부재가 음이온 교환막일 때 상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역은 상기 캐소드극과 상기 애노드극에 위치하며,
    상기 이온 교환 부재가 액체 전해질일 때 상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역은 상기 캐소드극과 상기 애노드극 중 어느 하나에 위치하는 전기화학 셀.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 소수성을 가지며,
    상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역이 위치하는 상기 제2 다공성층에서 상기 친수성 영역이 차지하는 면적은 상기 소수성 영역이 차지하는 면적보다 작은 전기화학 셀.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 친수성 영역의 깊이는 상기 제2 다공성층의 두께와 같거나 이보다 작으며, 상기 소수성 영역의 깊이는 상기 제2 다공성층의 두께와 같은 전기화학 셀.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 수전해 셀인 전기화학 셀.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이온 교환 부재는 양이온 교환막이며,
    상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역은 상기 애노드극에 위치하는 전기화학 셀.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 친수성을 가지며,
    상기 애노드극에 속하는 상기 제2 다공성층에서 상기 소수성 영역이 차지하는 면적은 상기 친수성 영역이 차지하는 면적보다 작은 전기화학 셀.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 이온 교환 부재는 음이온 교환막과 액체 전해질 중 어느 하나이며,
    상기 소수성 영역과 상기 친수성 영역은 상기 캐소드극과 상기 애노드극에 위치하는 전기화학 셀.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 다공성층은 친수성을 가지며,
    상기 제2 다공성층에서 상기 소수성 영역이 차지하는 면적은 상기 친수성 영역이 차지하는 면적보다 작은 전기화학 셀.
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