KR20250086019A - 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막전극접합체, 막전극접합체의 일측에 구비되고, 크랙이 형성되고 기공의 발달이 억제된 미세기공층을 포함하는 제1 가스확산층 및 막전극접합체의 타측에 구비되고, 기공이 발달되고 크랙이 억제된 미세기공층을 포함하는 제2 가스확산층을 포함하고, 상호 다른 형태의 미세기공층을 갖는 제1 가스확산층과 제2 가스확산층을 통해, 고습 운전조전에서 물 배출을 용이하게 하고, 저습 운전조건에서 막전극접합체에 물을 보존시킬 수 있는 연료전지를 제공한다.

Description

연료전지{A FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로, 연료를 태우지 않고 전기를 바로 생산하기 때문에 환경 친화적이며 발전효율이 매우 높은 장점이 있다.

여기서, 연료전지의 단위 셀은 통상 애노드, 가스확산층, 촉매층, 전해질막, 촉매층, 가스확산층 및 캐소드 순으로 적층되어 구성되며, 연료로 사용되는 수소는 애노드(anode)에 공급되고, 산소는 캐소드(cathode)에 공급된다.

이와 같은 연료전지의 발전원리는, 애노드에 공급된 수소가 가스확산층을 통과하여 촉매층에서 촉매작용에 의해 수소이온(양이온)과 전자로 분리되고, 수소이온(양이온)은 전해질층을 통과하여 캐소드 쪽으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해서 캐소드로 이동하면서 전류가 발생된다.

또한, 캐소드측에서는 전해질층을 통과하여 이동해온 수소이온(양이온), 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 공급된 산소가 만나서 물이 생성되는 원리로 연료전지가 작동된다.

이러한 연료전지의 구성 중 가스확산층은 산소나 수소를 촉매층으로 균일하게 확산시켜 공급하고, 고습 운전조건에서 물을 잘 배출하고 저습 운전조건에서는 물 배출을 억제하는 특성이 필요하다.

그런데, 고습 운전조건과 저습 운전조건에서 상반된 물관리 특성으로 모든 습도조건에서 우수한 연료전지 성능을 제공하는 가스확산층 제조에는 한계가 있었다.

등록특허 제10-2575027호(등록일: 2023.08.31) “고분자 접착필름을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 단위셀”

본 발명에서는 연료전지, 구체적으로는 가스확산층의 형상을 개선하여, 고습 운전조건에서 물 배출이 용이하고 저습 운전조건는 물 배출을 억제할 수 있도록 함으로써, 고습 운전조건과 저습 운전조건에서 모두 최적의 성능을 구현할 수 있는 연료전지를 제공하고자 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 막전극접합체, 막전극접합체의 일측에 구비되고, 크랙이 형성되고 기공의 발달이 억제된 미세기공층을 포함하는 제1 가스확산층 및 막전극접합체의 타측에 구비되고, 기공이 발달되고 크랙이 억제된 미세기공층을 포함하는 제2 가스확산층을 포함하고, 상호 다른 형태의 미세기공층을 갖는 제1 가스확산층과 제2 가스확산층을 통해, 고습 운전조전에서 물 배출을 용이하게 하고, 저습 운전조건에서 막전극접합체에 물을 보존시킬 수 있는 연료전지를 제공한다.

또한, 막전극접합체를 중심으로, 제1 가스확산층은 애노드 측에 배치되고, 제2 가스확산층은 캐소드 측에 배치되며, 고습 운전조건에서 캐소드 측에 생성된 물을 제2 가스확산층을 통해 배출시키되, 물이 과량으로 생성되어 애노드 측으로 물이 유입되면 제1 가스확산층의 크랙을 통해 물을 배출시키는 연료전지를 제공한다.

또한, 제1 가스확산층의 미세기공층은 제2 가스확산층의 미세기공층에 비해 기공이 억제되고 높은 밀도로 형성되어, 저습 운전조건에서 캐소드 측에 생성된 물이 삽투압에 의해 상기 막전극접합체를 통하여 애노드 방향으로 이동하면, 제2 가스확산층의 미세기공층을 통해 애노드 측으로 물의 투과되는 것을 억제하여 상기 막전극접합체에 물을 보존시키는 연료전지를 제공한다.

또한, 제2 가스확산층은, 유화액, 카본블랙 및 불소수지 분산액이 혼합된 혼합물을 분산시켜 형성한 전도성 페이스트 조성물을 소수 처리된 탄소종이에 도포하고 건조 및 열처리를 수행하여 제조되는 연료전지를 제공한다.

또한, 유화액은, 용제, 오일 및 유화제를 포함하고, 카본블랙과 오일은 1 : 0.05 내지 1 : 1의 중량비로 혼합되는 연료전지를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지는, 애노드 측의 가스확산층과 캐소드 측의 가스확산층의 형상을 다른 형태로 개선하여, 고습 운전조건에서 물 배출이 용이하고 저습 운전조건는 물 배출을 억제할 수 있도록 함으로써, 고습과 저습 운전조건에서 모두 최적의 성능을 구현할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가스확산층의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가스확산층의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가스확산층 제조 시 사용되는 전도성 페이스트 조성물의 모식도를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 9는 각각 실시예 1 내지 5에 따른 제2 가스확산층의 표면을 각각 광학현미경으로 촬영한 것이다.
도 10은 비교예 1에 따른 제2 가스확산층의 표면을 각각 광학현미경으로 촬영한 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가스확산층의 미세기공층과 제2 가스확산층의 미세기공층에 대하여 광학현미경으로 촬영한 표면 형상을 비교하여 도시한 것이다.
도 13은 상대습도 100% 환경에서 연료전지의 성능 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.
도 14는 상대습도 50% 환경에서 연료전지의 성능 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.
도 15는 상대습도 30% 환경에서 연료전지의 성능 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100)의 구성을 도시한 것이다.

본 실시예의 연료전지(100)는, 애노드 측의 가스확산층과 캐소드 측의 가스확산층의 형상을 다른 형태로 개선하여, 고습 운전조건에서 물 배출이 용이하고 저습 운전조건는 물 배출을 억제할 수 있도록 함으로써, 고습과 저습 운전조건에서 모두 최적의 성능을 구현할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100)는, 막전극접합체(110), 제1 가스확산층(120) 및 제2 가스확산층(130)을 포함할 수 있다.

막전극접합체(110)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막(111)과, 전해질막(111)의 양측면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 각각 구비된 애노드 촉매층(112) 및 캐소드 촉매층(113)을 포함할 수 있다.

이때, 전해질막(111)의 일측에는 애노드 촉매층(112)이 배치되고, 전해질막(111)의 타측에는 캐소드 촉매층(113)이 배치될 수 있다.

제1 가스확산층(120)은 애노드 촉매층(112)의 외측면에 적층되어 구비될 수 있고, 제2 가스확산층(130)은 캐소드 촉매층(113)의 외측면에 적층되어 구비될 수 있다.

또한, 제1 가스확산층(120)과 제2 가스확산층(130)은 각각 탄소종이(121,131)와 미세기공층(122,132)을 포함하여 형성될 수 있는데, 제1 가스확산층(120)의 미세기공층(122)은 애노드 촉매층(112)에 밀착되고, 제2 가스확산층(130)의 미세기공층(132)은 캐소드 촉매층(113)에 밀착되어 배치될 수 있다.

연료전지(100)의 가스확산층은 연료전지(100)에 공급된 수소와 산소 등의 기체를 촉매층에 균일하게 확산시키는 기능을 하고, 통상은 물을 잘 배출시키는 특성을 가질 수 있는데, 고습 운전조건에서는 물을 잘 배출시켜야 연료 전지의 성능이 향상되고, 저습 운전조건에서는 물 배출을 억제해야 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.

여기서, 연료전지(100)의 환원반응에 의해 물이 생성되는 곳은 캐소드(cathode) 쪽인데, 고습 운전조건에는 필요 이상의 과량의 물이 생성되어 기체 흐름을 방해하기 때문에 캐소드 쪽에 배치된 가스확산층은 물을 잘 배출시키는 특성이 필요하다.

또한, 저습 운전조건에는 막전극접합체(110)에 보존되는 물의 양이 많을수록 연료전지의 성능이 우수하게 나타나기 때문에, 물 배출을 억제하는 것이 중요하다.

이에 따라, 본 실시예에서는 종래의 연료전지(100)의 구조와는 달리, 상호 물관리 특성이 다른 제1 가스확산층(120)과 제2 가스확산층(130)을 구비하여, 고습 운전조건에서 제2 가스확산층(130)을 통해 물 배출을 원활하게 할 수 있고, 저습 운전조건에서는 제1 가스확산층(120)을 통해 물 배출을 억제하여 막전극접합체(110) 내에 물을 보존시킴으로써, 고습과 저습 운전조건에서 모두 최적의 성능을 구현할 수 있다.

구체적으로, 애노드 측에 구비된 제1 가스확산층(120)은 탄소종이(121)와 미세기공층(122)을 포함하여 형성되는데, 미세기공층(122)에 크랙(123)이 형성되고 기공의 발달이 억제되어 밀도가 높은 형태로 형성될 수 있다.

여기서, 제1 가스확산층(120)의 미세기공층(122)에는 크랙(123)이 형성되어 있어, 고습 환경에서 생성된 물이 애노드 측으로 유입되는 경우 크랙(123)을 통해 배출시킬 수 있다.

즉, 고습 운전조건에서 애노드 측에 물이 가득찰 경우 배수가 되지 않으면 애노드 촉매층(112)에서 촉매 반응에 방해를 받기 때문에, 연료전지의 성능 저하로 이어질 수 있으므로, 미세기공층(122)에 형성된 크랙(123)을 통해 잉여의 물을 용이하게 배출시킬 수 있다.

또한, 저습 환경에서 캐소드 측에 생성된 물은 삽투압에 의해 상대적으로 물이 적은 애노드 방향으로 이동하게 되는데, 저습 운전조건에서는 막전극접합체(110) 내에 물이 많을수록 성능이 향상되므로, 밀도 높게 형성된 미세기공층(122)을 통해 물이 애노드 쪽으로 투과되는 것을 억제하여 막전극접합체(110)에 물을 보존시킬 수 있다.

이때, 미세기공층에 기공이 많으면 다수의 기공을 통해 물을 흡습하게 되므로, 미세기공층을 통해 물이 애노드 쪽으로 투과되는 문제가 있어, 제1 가스확산층(120)의 미세기공층(122)은 기공 발달을 억제시켜 제조할 수 있다.

일 예로써, 제1 가스확산층(120)의 미세기공층(122)은 제조 과정에서, 입자가 작은 카본블랙(예: 30㎚ 이하)을 3롤밀을 이용하여 분산시켜, 기공 발달이 억제되고 크랙(123)이 형성된 형태로 제조될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.

반면에, 캐소드 측에 구비된 제2 가스확산층(130)은 미세기공층(132)에 크랙 형성이 억제되고 기공의 발달된 형태로 형성될 수 있다.

이에 따라, 제2 가스확산층(130)은 고습 운전조건에서 기체투과도가 향상되고 물 배출이 용이하게 이루어질 수 있으며, 이에 의해 연료전지(100)의 고전류 특성이 크게 향상될 수 있다.

이하에서는 제1 가스확산층과 제2 가스확산층의 제조 과정에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가스확산층의 제조 과정을 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에의 제1 가스확산층은, 카본블랙 혼합물을 제조하는 단계(S110), 3롤밀을 이용하여 카본블랙 혼합물을 분산시키는 단계(S120), 카본블랙 혼합물에 불소수지 분산액을 혼합하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S130) 및 제조된 전도성 페이스트 조성물을 소수 처리된 탄소종이에 도포하고 건조 및 열처리를 수행하는 단계(S140)를 포함하여 제조될 수 있다.

카본블랙 혼합물을 제조하는 단계(S110)에서는, 용제에 카본블랙과 분산제를 투입하고, 페이스트 믹서로 교반을 수행하여 카본블랙 혼합물을 제조할 수 있다.

일 예로써, 본 실시예에서는 용제에 카본블랙 23.5g, 분산제 11.7g을 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반을 수행하여 카본블랙 혼합물을 제조할 수 있다.

또한, 3롤밀을 이용하여 카본블랙 혼합물을 분산시키는 단계(S120)에서는, 3롤밀을 이용하여 카본블랙 혼합물을 분산시키되, 롤러 간의 간격을 15㎛로, 롤러의 속도를 300RPM으로 설정하여 2회에 걸쳐 카본블랙 혼합물을 분산시킬 수 있다.

이때, 미세기공층 형성 시, 카본층의 밀도를 높게 형성하기 위해서는 3롤밀을 이용한 상술한 조건으로 카본블랙 혼합물의 분산성을 높일 수 있다.

즉, 제1 가스확산층은 미세기공층에 기공이 없고 카본층의 밀도가 충분히 높게 형성될수록 물 흡수 최소화되고, 저습 환경에서 막전극접합체로부터 애노드 쪽으로 물이 투과되는 것을 억제하여 막전극접합체에 물을 보존시킬 수 있다.

또한, 카본블랙 혼합물에 불소수지 분산액을 혼합하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S130)에서는, 카본블랙 혼합물에 불소수지 분산액로서 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 분산액을 투입하고, 페이스트 믹서로 교반을 수행하여 전도성 페이스트 조성물을 제조할 수 있다.

일 예로써, 본 실시예에서는 본블랙 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 11.7g 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 600RPM, 자전 400RPM 조건으로 2분간 교반하여 전도성 페이스트 조성물을 제조할 수 있다.

또한, 제조된 전도성 페이스트 조성물을 소수 처리된 탄소종이에 도포하고 건조 및 열처리를 수행(S140)하여, 탄소종이 상에 미세기공층이 형성된 제1 가스확산층을 제조할 수 있다.

이렇게 형성된 제1 가스확산층은 미세기공층에 크랙이 형성되고, 미세가공층에 기공 발달이 억제되어 밀도가 높게 형성됨으로써, 저습용 가스확산층으로 용이하게 사용될 수 있다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가스확산층의 제조 과정을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에의 제2 가스확산층은, 유화액을 제조하는 단계(S210), 유화액에 카본블랙 혼합물을 혼합하는 단계(S220), 3롤밀을 이용하여 유화액이 혼합된 카본블랙 혼합물을 분산시키는 단계(S230), 유화액이 혼합된 카본블랙 혼합물에 불소수지 분산액을 혼합하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S240) 및 제조된 전도성 페이스트 조성물을 소수 처리된 탄소종이에 도포하고 건조 및 열처리를 수행하는 단계(S250)를 포함하여 제조될 수 있다.

유화액을 제조하는 단계(S110)에서는, 오일, 유화제 및 용제를 투입한 후 교반하여 유화액을 제조할 수 있다.

일 예로써, 유화액의 제조 과정에서는 용제에 오일 및 유화제를 투입한 상태에서, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 5분간 교반을 수행하여, 유화액을 제조할 수 있다.

이때, 본 실시예에서는 오일, 유화제 및 용제를 교반하는 방식으로 유화액을 제조하는 것에 대해 설명하였으나, 초음파를 이용한 방식 등으로 유화액을 제조할 수 있고, 오일 또는 유화제의 특성에 따라 오일, 유화제 및 용제를 용기에 넣고 흔들어서 제조할 수도 있다.

일 예로써, 유화액 제조에 사용되는 오일로는, 트리글리세라이드(Triglycerides), 지방산(Fatty acids), 지방알코올(Fatty Alcohol), 에스테르(Ester), 탄화수소계(Hydrocarbon), 에테르(Ether), 식물성 오일(Plant Oil), 실리콘 오일(Silicone Oil) 등이 적용될 수 있다.

더욱이, 유화액 제조에는 선택적으로, 유화를 형성할 수 있는 무극성 용제를 더 포함시킬 수도 있다.

또한, 유화제로는 용제 또는 오일의 종류에 따라 적용 가능한 계면활성제를 모두 이용할 수 있고, 1종 또는 2종 이상의 혼합 사용이 가능하다.

이때, 유화제는 오일을 수계 분산시키기 위해 사용되는 것으로서, HLB(Hydrophile-Lipophile Balance, 친수성-친유성 밸런스)값이 높은 유화제를 사용할 수 있다.

이와 같이 제조된 유화액은 유화제에 의해 오일이 용제 내에 분산된 형태로 형성될 수 있는데, 이러한 유화액에 카본블랙을 분산시키면 카본블랙 입자와 유화액의 오일 입자가 각각 존재하게 되고, 오일 입자는 미세기공층에 기공을 형성하는 역할을 할 수 있다.

또한, 롤밀을 이용하여 유화액이 혼합된 카본블랙 혼합물을 분산시키는 단계(S230)에서는, 유화액에 카본블랙과 분산제를 투입하고 교반하여 카본블랙 혼합물을 제조할 수 있다.

일 예로써, 카본블랙 혼합물의 제조 과정에서는 유화액에 카본블랙과 분산제를 투입한 상태에서, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반을 수행하여, 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물을 제조할 수 있다.

여기서, 카본블랙은 미세기공층의 주요 구성물로서 전기전도 및 촉매층과의 접촉면적 형성에 중요한 역할을 할 수 있다.

또한, 혼합물 제조 시 카본블랙의 입자 크기를 조절하여 제조할 수 있다.

일 예로써, 본 실시예에서는 전도성 페이스트 조성물을 탄소종이 상에 도포하여 탄소종이의 표면에 미세기공층을 형성하게 되는데, 카본블랙의 입자 크기를 적정 수준(예: 15 내지 60㎚)으로 조절하여 제조한 전도성 페이스트 조성물을 이용한 경우, 미세기공층에 크랙이 형성되는 것을 감소시킬 수 있다.

이때, 카본블랙의 입자 크기가 커질수록 미세기공층에 형성되는 크랙이 감소하는 경향이 있으나 전기저항이 증가될 수 있으므로, 카본블랙의 입자 크기를 전기저항에 문제가 없는 수준의 입자 크기로 설정하여, 전기전도도를 일정 수준으로 유지하면서 미세기공층에 형성되는 크랙을 감소시킬 수 있다.

다시 말해서, 카본블랙의 입자 크기가 커질수록 카본입자 간 벌어질 수 있는 포인트가 감소하여 미세기공층 표면의 크랙이 감소되기는 하나, 60㎚ 이상의 입자 크기를 갖는 카본블랙을 적용하는 경우, 도전성이 떨어지고 크랙이 충분히 감소되지 않으므로, 카본블랙의 입자 크기를 15 내지 60㎚의 수준으로 조절하는 것이 좋다.

또한, 카본블랙 혼합물을 제조하는 과정에서, 카본블랙과 오일은 1 : 0.05 내지 1 : 1의 중량비로 혼합될 수 있다.

구체적으로, 유화액에 카본블랙을 분산시키면 카본블랙 입자와 유화액에 존재하는 오일 입자가 각각 존재하게 되며, 오일 입자는 미세기공층에 공극을 형성하여 미세기공층 표면의 크랙이 억제하는 역할을 하는데, 유화액 내 오일의 함량이 카본블랙의 함량에 비해 많게 되면, 오히려 미세기공층 표면이 불균일해지고 크랙이 발생될 수 있다.

또한, 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.05 미만이면, 미세기공층 표면에 크랙 감소 효과가 나타나지 않게 된다.

3롤밀을 이용하여 유화액이 혼합된 카본블랙 혼합물을 분산시키는 단계(S230)에서는, 일 예로써, 롤러 간의 간격을 30㎛로, 롤러의 속도를 200RPM으로 설정하여 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물을 분산시킬 수 있다.

이와 같은 3롤밀을 이용한 공정에서는 혼합물 내 포함된 카본블랙을 용이하게 분산시킬 수 있다.

또한, 유화액이 혼합된 카본블랙 혼합물에 불소수지 분산액을 혼합하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S240)에서는, 일 예로써, 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물에 불소수지 분산액으로서 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 분산액을 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 600RPM, 자전 400RPM 조건으로 2분간 교반하여 전도성 페이스트 조성물을 제조할 수 있다.

상술한 전도성 페이스트 조성물의 제조 과정에서는 유화액을 제조한 후, 유화액에 카본블랙 혼합물을 혼합하고, 불소수지 분산액을 혼합하는 순서로 제조하는 것에 대해 설명하였으나, 카본블랙 혼합물에 유화액을 혼합하고, 불소수지 분산액을 혼합하는 순서로 제조하여도 무방하다.

또한, 제조된 전도성 페이스트 조성물을 소수 처리된 탄소종이에 도포하고 건조 및 열처리를 수행(S250)하여, 탄소종이 상에 미세기공층이 형성된 제2 가스확산층을 제조할 수 있다.

본 실시예에서와 같이 전도성 페이스트 조성물에 유화액을 포함시키게 되면, 탄소종이에 미세기공층 형성시켜 제2 가스확산층 제조 시, 유화액에 의해 생성된 오일 입자가 미세기공층 내에 미세 기공의 형성을 증대시키는 역할을 하여, 미세기공층에 크랙이 생기는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.

이와 같이, 미세기공층에 크랙이 생기는 것을 억제하게 되면, 제2 가스확산층 내 수평 기체투과도를 증대시키고 수직 기체투과도를 제한할 수 있어, 연료전지에 적용 시 고전류 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 전도성 페이스트 조성물을 제조하는 과정에서는, 오일이 포함된 유화액에 카본블랙 혼합시켜 제조함으로써, 제2 가스확산층에 적용 시 미세기공층 표면의 크랙을 억제할 수 있는데, 카본블랙과 오일은 1 : 0.05 내지 1 : 1의 중량비로 혼합될 수 있다.

구체적으로, 본 실시예에서는 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.05 이상이면 미세기공층 표면에 크랙 감소 효과가 나타나고 있고, 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.7 이상이 되는 경우 미세기공층 표면의 크랙 감소 효과가 가장 좋게 나타나며, 카본블랙과 오일의 비율이 동일한 경우까지는 미세기공층 표면에 크랙 감소 효과가 좋게 나타날 수 있다.

다만, 카본블랙 대비 오일의 비율이 1.1 이상으로 오일의 비율이 높아지는 경우, 오히려 미세기공층 표면이 불균일해지고 다시 크랙이 형성될 수 있다.

또한, 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.05 미만이면, 미세기공층 표면에 크랙 감소 효과가 나타나지 않고 있다.

따라서, 미세기공층에 크랙이 생기는 것을 효과적으로 억제하기 위해서는, 전도성 페이스트 조성물의 제조 과정에서, 카본블랙과 오일을 1 : 0.05 내지 1 : 1의 중량비로 혼합시켜 제조할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가스확산층 제조 시 사용되는 전도성 페이스트 조성물의 모식도를 도시한 것이다.

본 실시예에 따른 전도성 페이스트 조성물은, 오일, 유화제, 용제, 카본블랙, 분산제 및 불소수지 분산액을 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 슬러리 형태의 전도성 페이스트 조성물에는 카본블랙과, 유화제와 오일에 의해 생성된 오일 입자가 포함될 수 있다.

또한, 슬러리 형태의 전도성 페이스트 조성물을 탄소종이에 도포 및 코팅하게 되면, 코팅된 조성물 내 카본블랙 사이에 오일 입자가 배치될 수 있고, 열처리를 통해 미세기공층을 형성하게 되면, 오일 입자가 있던 자리에 공극이 형성될 수 있다.

이에 따라, 미세기공층 내에 오일 입자에 의한 미세 기공(공극)이 형성됨으로써, 미세기공층의 표면에 크랙이 발생되지 않고 매끈하게 형성될 수 있다.

이와 같이, 크랙이 억제된 형태의 미세기공층은 가스확산층 내 수평 기체투과도를 증대시키고 수직 기체투과도를 제한함으로써, 연료전지에 적용 시 고전류 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 제2 가스확산층에 대해 설명한다.

다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

[실시예 1]

유화제 1.13g, 오일 11.3g 및 증류수 56.77g을 계량하고, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 5분간 교반하여 유화액을 제조하였다.

여기서, 유화제는 OFX 0193(XIAMETER™ OFX-0193 Fluid-Dow 제품으로 실리콘계 계면활성제임)을, 오일은 PMX-200 2cst(XIAMETER™ PMX-200 Silicone Fluid 2 cst 제품으로 실리콘계 오일이며, 상품명 2 cst는 동점도 수치를 나타냄)를, 증류수는 3차 증류수를 사용하였다.

이어서, 유화액에 카본블랙 15.4g과 분산제 7.7g을 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 1200RPM, 자전 1000RPM 조건으로 10분간 교반을 수행하여, 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물을 제조하였다.

여기서, 카본블랙은 30㎚의 평균 입자 크기를 갖는 카본블랙을 사용하였고, 분산제는 TritonX-100을 사용하였다.

상기 과정에서 카본블랙과 오일의 중량비는 1 : 0.73으로 형성되었다.

다음, 3롤밀을 이용하여 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물을 분산시키되, 롤러 간의 간격을 30㎛로, 롤러의 속도를 200RPM으로 설정하여 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물을 분산시켰다.

이어서, 유화액이 포함된 카본블랙 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌 분산액을 7.7g 투입하고, 페이스트 믹서로 공전 600RPM, 자전 400RPM 조건으로 2분간 교반하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하였다.

다음, 제조된 전도성 페이스트 조성물을 소수처리된 탄소종이에 도포하고, 건조 및 열처리를 수행하여, 탄소종이 상에 미세기공층이 형성된 제2 가스확산층을 제조하였다.

[실시예 2 내지 5]

실시예 2 내지 실시예 5는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 실시예 2는 유화제 1.54g, 오일 15.4g 및 증류수 52.26g을 혼합하여 제조된 유화액을, 실시예 3은 유화제 0.62g, 오일 6.16g 및 증류수 62.42g을 혼합하여 제조된 유화액을, 실시예 4는 유화제 0.31g, 오일 3.08g 및 증류수 65.81g을 혼합하여 제조된 유화액을, 실시예 5는 유화제 0.08g, 오일 0.77g 및 증류수 50.57g을 혼합하여 제조된 유화액을 사용하여, 각각 전도성 페이스트를 제조하고, 제조된 전도성 페이스트 조성물을 이용하여 제2 가스확산층을 제조하였다.

여기서, 실시예 2 내지 실시예 5에 각각 포함된 카본블랙은 15.4g으로 동일하며, 이에 따라 실시예 2의 카본블랙과 오일의 중량비는 1 : 1로, 실시예 3의 카본블랙과 오일의 중량비는 1 : 0.4로, 실시예 4의 카본블랙과 오일의 중량비는 1 : 0.2로, 실시예 5의 카본블랙과 오일의 중량비는 1 : 0.05로 형성되었다.

[비교예 1]

비교예 1은 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 유화제 1.69g, 오일 16.94g 및 증류수 50.57g을 혼합하여 제조된 유화액을 사용하여 전도성 페이스트를 제조하고, 제조된 전도성 페이스트 조성물을 이용하여 제2 가스확산층을 제조하였다.

이때, 비교예 1의 카본블랙과 오일의 중량비는 1 : 1.1로 형성되었다.

한편, 상기 실시예 1 내지 5와 비교예 1에 따라, 각각 카본베일 대비 오일의 비율을 달리하여 제조된 제2 가스확산층에 대해 기체투과도와 전기저항을 검출한 결과와, 상기 실시예 1 내지 5와 비교예 1에 따른 제2 가스확산층이 적용된 연료전지의 단위셀 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

여기서, 제2 가스확산층에 대한 관통 전기저항과 기체투과도는 CPRT-10을 이용하여 측정하였다.

단위셀 평가에 있어서는, 각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 제2 가스확산층을 동일한 조건의 연료전지 단위셀 구성부(막전극접합체, 분리판 등)에 적용하고, 전류밀도에 따른 전압을 측정하여 성능을 평가하였다.

또한, 하기의 표 1에 기재된 단위셀 평가 결과는 일 예로써, 전류밀도 2A/㎠ 구간과 전류밀도 3A/㎠ 구간에서의 전압값 측정 결과를 나타낸 것이다.

또한, 도 5 내지 도 9는 각각 실시예 1 내지 5에 따른 제2 가스확산층의 표면을 각각 광학현미경으로 촬영한 것이고, 도 10은 비교예 1에 따른 제2 가스확산층의 표면을 각각 광학현미경으로 촬영한 것이다.

구분	제2 가스확산층
	카본블랙과 오일의 중량비	전기저항	기체투과도(㎡)		25㎠ 단위셀 평가
		mΩ·㎠	수평	수직	V@2.0A/㎠	V@3.0A/㎠
실시예1	1 : 0.73	13.7	1.32×10-11	2.21×10-15	0.526	0.341
실시예2	1 : 1	13.7	1.31×10-11	4.75×10-14	0.523	0.343
실시예3	1 : 0.4	13.7	1.28×10-11	6.81×10-14	0.515	0.327
실시예4	1 : 0.2	13.7	1.24×10-11	9.14×10-14	0.508	0.312
실시예5	1 : 0.05	13.7	1.21×10-11	4.15×10-13	0.502	0.305
비교예1	1 : 1.1	13.7	1.06×10-11	1.12×10-12	0.361	0.102

표 1과 도 5 내지 도 10에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5와, 비교예 1을 살펴보면, 제2 가스확산층 내 미세기공층에 포함된 카본블랙과 오일의 비율에 있어서, 실시예 1 내지 5와 같이, 카본블랙과 오일의 비율가 동일하거나 카본블랙에 비해 오일의 비율이 낮은 경우, 오일에 비해 카본블랙의 비율이 높은 비교예 1에 비하여, 미세기공층 표면의 크랙이 억제되어 제2 가스확산층 내 수평 기체투과도가 증가되고 수직 기체투과도가 제한됨으로써, 연료전지의 단위셀 평가 결과에서 성능이 우수하게 나타나고 있다.

구체적으로, 도 9의 실시예 5는 카본블랙과 오일의 중량비가 1 : 0.05로서, 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.05 이상이면, 미세기공층 표면에 크랙 감소 효과가 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

이때, 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.05 미만이면, 오일 입자가 미미하여 미세기공층 표면에 크랙 감소 효과가 나타나지 않게 된다.

또한, 도 8의 실시예 4는 카본블랙과 오일의 중량비가 1 : 0.2이고, 도 7의 실시예 3은 카본블랙과 오일의 중량비가 1 : 0.4로서, 미세기공층 표면의 크랙 감소 효과가 점차 좋아지고 있고, 도 5의 실시예 1과 같이, 카본블랙 대비 오일의 비율이 0.7 이상이 되는 경우 미세기공층 표면의 크랙 감소 효과가 가장 좋게 나타나고 있다.

또한, 도 6의 실시예 2는 카본블랙과 오일의 중량비가 1 : 1로서, 카본블랙과 오일이 비율이 동일한 경우에도, 크랙 감소 효과가 좋게 나타나고 있고, 다만 미세기공층 표면에 유화액으로 형성된 공극이 커지고 있음을 확인할 수 있다.

상술한 실시예 1 내지 5에서는 미세기공층 표면의 크랙 감소 효과를 통해 제2 가스확산층 내 수직 기체투과도를 제한하고 수평 기체투과도를 증대시킴으로써, 연료전지의 물배출 특성과 고전류 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 10의 비교예 1과 같이, 카본블랙과 오일의 중량비가 1 : 1.1로서, 카본블랙에 비해 오일의 비율이 높아지는 경우, 오히려 미세기공층 표면이 불균일해지고 다시 크랙이 형성되고 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이 미세기공층의 표면에 크랙이 형성된 비교예 1은, 크랙 형성이 억제된 실시예 1 내지 5에 비하여 제2 가스확산층 내 수직 기체투과도는 증가되고 수평 기체투과도는 감소되어, 연료전지의 단위셀 평가 결과에서도 성능이 저하된 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 제1 가스확산층과 제2 가스확산층이 적용된 연료전지에 대해 설명한다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 가스확산층의 미세기공층과 제2 가스확산층의 미세기공층에 대하여 광학현미경으로 촬영한 표면 형상을 비교하여 도시한 것이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는, 막전극접합체를 중심으로, 제1 가스확산층은 애노드 측에 배치되고, 상기 제2 가스확산층은 캐소드 측에 배치될 수 있다.

여기서, 제1 가스확산층의 미세기공층은 크랙이 형성되고 기공의 발달이 억제된 미세기공층을 포함하고, 제2 가스확산층은 기공이 발달되고 크랙이 억제된 미세기공층을 포함할 수 있다.

즉, 도 11을 참조하여 광학현미경으로 저배율(×25)로 촬영한 미세기공층 표면을 확인하면, 제2 가스확산층의 미세기공층 표면에는 크랙이 없는 반면에, 제1 가스확산층의 미세기공층 표면에는 물 배출을 위한 크랙이 형성된 것을 볼 수 있다.

또한, 도 12를 참조하여 광학현미경으로 고배율(×1000)로 촬영한 미세기공층 표면을 확인하면, 제2 가스확산층의 미세기공층 표면에는 미세 기공이 발달된 반면에, 제1 가스확산층의 미세기공층 표면은 기공 형성이 억제되고, 제2 가스확산층의 미세기공층 표면에 비해 밀도가 높게 형성된 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 제1 가스확산층과 제2 가스확산층을 선택적으로 적용함에 따라 달라지는 연료전지의 특성 변화에 대해 설명한다.

도 13은 상대습도 100% 환경에서 연료전지의 성능 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이고, 도 14는 상대습도 50% 환경에서 연료전지의 성능 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이며, 도 15는 상대습도 30% 환경에서 연료전지의 성능 평가 결과를 전류-전압 그래프로 도시한 것이다.

설명에 앞서, 애노드 측과 캐소드 측에 각각 제2 가스확산층(고습용 GDL)이 적용된 연료전지를 제1 연료전지로 정의하고, 애노드 측과 캐소드 측에 각각 제1 가스확산층(저습용 GDL)이 적용된 연료전지를 제2 연료전지로 정의하며, 애노드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)을 적용되고 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)을 적용된 연료전지를 제3 연료전지로 정의한다.

도 13을 참조하면, 온도 65℃, 상대습도 100% 환경에서, 애노드와 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)이 적용된 제1 연료전지는 배수과 원활하게 되어 성능이 향상되는 것으로 나타나는 반면에, 애노드와 캐소드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)이 적용된 제2 연료전지는 배수가 원활하지 못하여 상대적으로 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 애노드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)을 적용되고 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)을 적용된 제3 연료전지의 경우, 배수가 원활하게 되어 성능이 향상되는 것으로 나타나고 있고, 이는 캐소드에서 생성되는 물이 제2 가스확산층을 통해 배출되고, 제1 가스확산층의 크랙을 통해서도 배출되고 있기 때문인 것으로 확인할 수 있다.

도 14를 참조하면, 온도 65℃, 상대습도 50% 환경에서, 애노드와 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)이 적용된 제1 연료전지는 물 배출이 많은 만큼 저전류 영역에서 성능 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 애노드와 캐소드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)이 적용된 제2 연료전지는 상대적으로 보존되는 물이 많기 때문에 저전류 영역에서의 성능은 우세하게 나타나고 있으나, 애노드와 캐소드 측의 제1 가스확산층 모두에 크랙이 있고 미세 기공 발달이 억제되어 있어 고전류 영역에서는 성능이 제일 저하되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 애노드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)을 적용되고 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)을 적용된 제3 연료전지는 고전류 영역에서 성능이 제일 우세하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

도 15를 참조하면, 온도 65℃, 상대습도 30% 환경에서, 애노드와 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)이 적용된 제1 연료전지는 저습 환경에서도 물 배출이 원활한 만큼 성능 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있는 반면에, 애노드와 캐소드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)이 적용된 제2 연료전지는 상대적으로 저습 환경에서 물 배출이 억제되기 때문에 물 보존에 유리하여 성능이 우수하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 애노드 측에 제1 가스확산층(저습용 GDL)을 적용되고 캐소드 측에 제2 가스확산층(고습용 GDL)을 적용된 제3 연료전지의 경우, 애노드 측의 제1 가스확산층이 캐소드 측에서 물이 유입되는 것을 억제하여 막전극접합체에 물을 보존시킴으로써 성능이 개선된 것을 확인할 수 있다.

결과적으로, 제1 연료전지(애노드와 캐소트 측에 제2 가스확산층 포함)는 물 배출이 가장 원활한 만틈 고습 운전조건에서 성능이 우세하지만 저습 운전조건에서는 성능이 가장 저하되고, 제2 연료전지(애노드와 캐소드 측에 제1 가스확산층 포함)는 물 배출이 억제되어 저습 운전조건에서 성능이 우세하지만 고습 운전조건에서는 성능이 가장 저하되는 것으로 나타나는 단점이 있으나, 제3 연료전지(애노드 측에 제1 가스확산층, 캐소드 측에 제2 가스확산층 포함)의 경우에는 고습 운전조건에서 제1 연료전지와 동등하게 성능이 우세하고, 저습 운전조건에서도 제2 연료전지에 근접한 수준으로 성능이 개선된 것으로 나타나고 있다.

즉, 본 실시예의 제3 연료전지의 경우, 고습 운전조건에서는 캐소드 측에 생성되는 물이 제2 가스확산층에 의해 배출되되, 캐소드 측에서 애노드 방향으로 유입되는 잉여의 물을 제1 가스확산층의 미세기공층에 형성된 크랙을 통해 배출시킴으로써 물 배출 성능을 유지할 수 있고, 저습 운전조건에서는 제1 가스확산층의 고밀도 미세기공층을 이용하여, 삽투압에 의해 캐소드 측에서 애노드 측으로 투과되는 물을 억제함으로써 막전극접합체에 물을 보존시킬 수 있으며, 이를 통해 고습과 저습 운전조건에서 모두 최적의 성능을 구현할 수 있다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 연료전지
110 : 막전극접합체
111 : 전해질막
112 : 애노드 촉매층
113 : 캐소드 촉매층
120 : 제1 가스확산층
130 : 제2 가스확산층

Claims (5)

1. 막전극접합체;
   상기 막전극접합체의 일측에 구비되고, 크랙이 형성되고 기공의 발달이 억제된 미세기공층을 포함하는 제1 가스확산층; 및
   상기 막전극접합체의 타측에 구비되고, 기공이 발달되고 크랙이 억제된 미세기공층을 포함하는 제2 가스확산층을 포함하고,
   상호 다른 형태의 미세기공층을 갖는 상기 제1 가스확산층과 상기 제2 가스확산층을 통해, 고습 운전조전에서 물 배출을 용이하게 하고, 저습 운전조건에서 상기 막전극접합체에 물을 보존시킬 수 있는 연료전지.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 막전극접합체를 중심으로, 상기 제1 가스확산층은 애노드 측에 배치되고, 상기 제2 가스확산층은 캐소드 측에 배치되며,
   고습 운전조건에서 캐소드 측에 생성된 물을 상기 제2 가스확산층을 통해 배출시키되, 물이 과량으로 생성되어 애노드 측으로 물이 유입되면 상기 제1 가스확산층의 크랙을 통해 물을 배출시키는 연료전지.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 가스확산층의 미세기공층은 상기 제2 가스확산층의 미세기공층에 비해 기공이 억제되고 높은 밀도로 형성되어,
   저습 운전조건에서 캐소드 측에 생성된 물이 삽투압에 의해 상기 막전극접합체를 통하여 애노드 방향으로 이동하면, 상기 제2 가스확산층의 미세기공층을 통해 애노드 측으로 물의 투과되는 것을 억제하여 상기 막전극접합체에 물을 보존시키는 연료전지.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 가스확산층은,
   유화액, 카본블랙 및 불소수지 분산액이 혼합된 혼합물을 분산시켜 형성한 전도성 페이스트 조성물을 소수 처리된 탄소종이에 도포하고 건조 및 열처리를 수행하여 제조되는 연료전지.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 유화액은,
   용제, 오일 및 유화제를 포함하고, 상기 카본블랙과 상기 오일은 1 : 0.05 내지 1 : 1의 중량비로 혼합되는 연료전지.

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