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KR101297304B1 - 다층 연료 전지 확산기 - Google Patents

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KR101297304B1
KR101297304B1 KR1020077019098A KR20077019098A KR101297304B1 KR 101297304 B1 KR101297304 B1 KR 101297304B1 KR 1020077019098 A KR1020077019098 A KR 1020077019098A KR 20077019098 A KR20077019098 A KR 20077019098A KR 101297304 B1 KR101297304 B1 KR 101297304B1
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diffusion structure
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폴 앨런 벤슨
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인텔리전트 에너지 리미티드
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Publication date
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Abstract

본 발명의 전기화학 연료 전지는, 캐소드 면과 애노드 면을 갖고 캐소드 유체 유동장 플레이트와 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치된 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)를 갖는다. 각 유체 유동장 플레이트는, 상기 MEA의 캐소드 면 또는 애노드 면 각각을 향하는 제1면에 유체 분배관을 갖는다. 확산 구조체는 상기 MEA와 상기 유체 유동장 플레이트 중 각각의 사이에 배치되며, 상기 MEA에 접촉 또는 인접하는 제1면과 상기 유체 유동장 플레이트 각각에 접촉 또는 인접하는 제2면을 갖는다. 상기 확산 구조체는 제1수준의 소수성을 갖는 제1층 및 상기 제1층에 비하여 상대적으로 친수성인 제2층을 가지며, 상기 제2층은 상기 각각의 유체 유동장 플레이트에 인접한다. 상기 확산 구조체는 상기 유체 유동장 플레이트에 인접한 제1층 및 제2층을 포함할 수 있고, 상기 제1층은 상기 제2층보다 상대적으로 높은 투과도를 가지며, 상기 제2층은 상기 제1층의 강성보다 큰 강성을 갖는 지지층이다.
연료 전지

Description

다층 연료 전지 확산기{Multi-layer fuel cell diffuser}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 수소가 연료 전지의 애노드 측에 공급되고 산소가 연료 전지의 캐소드 측에 공급되며 물 부산물이 연료 전지의 캐소드 측에서 생성 및 제거되는, 프로톤-교환 멤브레인형 연료 전지(proton-exchange membrane type fuel cells)에 관한 것이다.
전술한 바와 같은 연료 전지는, 2 개의 다공성 전극 사이에 개재된 프로톤 교환 멤브레인(PEM)을 포함하는데, 이들은 함께 멤브레인-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly : MEA)를 구성한다. 통상적으로, MEA 자체는, (i) MEA의 캐소드 면과 인접한 제1면을 갖는 캐소드 확산 구조체(diffusion structure)와 (ii) MEA의 애노드 면에 인접한 제1면을 갖는 애노드 확산 구조체 사이에 개재된다. 애노드 확산 구조체의 제2면은, 전류를 수집하고 수소를 애노드 확산 구조체의 제2면으로 분배하기 위하여, 애노드 유체 유동장 플레이트(fluid flow field plate)와 접촉한다. 캐소드 확산 구조체의 제2면은, 전류를 수집하고 산소를 캐소드 확산 구조체의 제2면으로 분배하며, 과량의 물을 MEA로부터 배출시키기 위하여, 캐소드 확산 유체 유동장 플레이트와 접촉한다. 애노드 및 캐소드 유체 유동장 플레이트 각각은, 통상적으로, 단단한(rigid) 전도성 물질을 포함하는데, 이는 각 확산 구조 체와 인접한 표면에서, 연료 가스(예를 들면, 수소 및 산소)를 전달하고, 배기 가스(예를 들면, 비사용된 산소 및 수증기)를 제거하기 위한 유체 유동 채널(fluid flow channels)을 갖는다.
전술한 바와 같은 연료 전지의 작동 시 중요한 고려 사항은, MEA 내의 물을 조절하는 것이다. PEM 연료 전지의 작동 시, 수소와 산소 간의 반응으로 얻은 물 생성물은 MEA의 촉매 사이트에서 생성된다. 상기 물은, 산소가 MEA의 캐소드 면에 수송됨과 동시에, 캐소드 확산 구조체를 통하여 MEA로부터 배출되어야 한다. 그러나, MEA가 적절하게 수화된 상태(hydrated)를 유지하여, 전지의 내부 전기 저항이 허용가능한 한도 내에서 유지되도록 하는 것 또한 중요하다. MEA의 습윤성(humidification) 조절 실패는, 열점(hot spot) 및 잠재적인 전지 감퇴(potential cell failure) 및/또는 불량한 전기 전지 성능을 초래한다.
종래 기술은, 확산 구조체의 역할을 개선하는 다수의 방법을 개시한다.
예를 들면, 미국 특허 제6,605,381호는, 유체 유동장 플레이트와 MEA 표면 사이의 확산 구조체를 교시한다. 상기 확산 구조체는 MEA에 대하여 수직인 방향으로 가스 투과도 구배를 갖는다. 상기 확산 구조체는, 유체 유동장 플레이트보다 MEA와 가까운 높은 가스 투과도를 가지며, 적층된 또는 연속적으로 가변하는 매질을 포함한다. 이러한 방식으로, MEA에서의 물 평형을, MEA 전체 영역에서 보다 균일하게 유지한다.
다른 예로서, 미국 특허 제6,350,539호는, 유체 유동장 플레이트와 MEA 표면 사이의 다층 캐소드 확산 구조체를 교시한다. 상기 확산 구조체는 (i) MEA와 인접 하며 상대적으로 낮은 소수성을 가져 MEA로부터의 물 흡수를 촉진하는 흡수층, (ii) 중간 소수성의 벌크층(bulk layer) 및 (iii) 상기 유체 유동장 플레이트와 인접하며 상대적으로 높은 소수성을 가져 확산 구조체에서 유체 유동장 플레이트 내로의 물 배출을 촉진하는 배출층(desorption layer)을 갖는다. 이러한 방식으로, MEA에서 배기 가스(exhaust)로의 물 이동이 촉진된다.
WO 03/038924는, 온도와 같은 제동 조건(trigger condition)의 함수를 따르는 다양한 다공성을 갖는 확산 구조체를 기술한다. 이러한 방식으로, 전지 중 연료 및/또는 물의 불균일한 분배에 의한 전지 중 열점의 성장이, 다공성 변화를 유발하고, 이는 상기 변화에 대하여 불리하게 작용한다.
미국 특허 제6,451,470호는, 확산 물질 층의 일부 두께를 통하여 충진 물질이 확산 물질층으로 제공되는 확산 구조체를 기술한다. 상기 충진 물질은, 산소의 확산 계수를 충분히 유지하면서, 상기 구조체에 의한 물의 확산 계수를 저해시키는 바, MEA로부터 물이 초과 수송되는 것과 동시에 산소 반응물의 공급이 충분히 이루어지도록 한다.
종래 기술은 일반적으로, 소수성 확산 매질 또는, US 6,350,539에서는, 캐소드 유체 유동장 플레이트의 일부 이상의 계면에서 높은 소수성을 갖는 가변적인 소수성을 제안하여, 유체 유동 채널로의 배출을 촉진할 것을 제안한다.
따라서, 대부분의 다공성 카본 연료 전지 확산 물질은 PTFE 또는 이와 유사한 소수성 재료로 처리되어, 전극의 촉매층으로부터의 물 제거를 촉진한다. 그러나, 본 발명자는, 실제로, 전술한 바는 캐소드 유체 유동장 플레이트에 인접한 또 는 이 부근의 확산 물질에서의 다량의 물방울 형성을 촉진한다는 것을 발견하였다. 캐소드 유체 유동 채널 중 또는 이에 인접하여 다량의 물방울이 형성되는 것은 연료 전지의 성능을 저하시킬 수 있다.
'폐쇄형' 캐소드 연료 전지의 경우, 캐소드 유체 유동장 플레이트는 주위 공기(ambient air)에 개방되어 있지 않아, 물방울 존재에 의하여, 압축 공기 또는 산소 주입구와 배출구(배기구) 사이의 압력 강하가 주로 일어날 수 있으며, 그 결과 시스템에 대하여 높은 연관 기생(associated parasitic) 에너지 손실이 발생할 수 있다. '개방형' 캐소드 연료 전지의 경우, 캐소드 유체 유동장 플레이트는 주위 공기에 개방되는데, 이는 일반적으로, 스택(stack) 냉각과 산소 공급이라는 2 가지 역할을 제공하는 축성 팬(axial fan) 또는 원심성 팬(centrifugal fan)과 같은 저압 공기 공급원에 의하여 공급된다. 상기 구조에서, 캐소드 확산 구조체 및 유체 유동 플레이트 채널 중 물방울의 형성은 결국, 채널의 완전한 봉쇄(blockage)를 초래하여, 인접 전극 영역으로의 산소 수송을 제한할 수 있다.
확산 구조체와 관련된 다른 문제점은, 연속적으로 연결된 다수의 전지를 포함하는 연료 전지 스택 형성시, 연료 전지의 층들에 가해지는 고도의 밀집 하중(compaction loads)으로부터 기인한다. MEA층들, 확산 구조체 및 유체 유동장 플레이트 사이에 우수한 물리적 및 전기적 접촉을 이루고, 가스켓(gasket) 및 밀봉 고리와 관련하여 우수한 가스-밀봉(gas-tight seals)을 이루기 위하여, 연료 전지 스택의 다양한 층은 높은 하중 하에서 압축된다. 그 결과, 확산 구조체의 두드러진 압축 영역이, 캐소드 유체 유동장 플레이트 표면의 채널들 사이의 '랜 드(lands)' 또는 '립(ribs)' 구역으로 집중된다. 상기 국부적인 압축은, 채널들 사이의 확산 구조체의 확산 계수를 국지적으로 감소시키는 바, 유체 유동장 플레이트의 채널로 물을 충분히 확산시키는 성능을 저해한다는 것을 발견하였다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 확산 구조체의 일부 또는 모든 문제점을 해소할 수 있는 개선된 확산 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1태양에 따르면, 본 발명은,
캐소드 유체 유동장 플레이트(cathode fluid flow field plate)와 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치되고 캐소드 면과 애노드 면을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로서, 각 유체 유동장 플레이트는 상기 MEA의 상기 캐소드 면 또는 상기 애노드 면 각각을 향하는 제1면에 유체 분배관(fluid distribution conduits)을 갖는, 멤브레인-전극 어셈블리; 및
상기 MEA와 상기 유체 유동장 플레이트 중 하나와의 사이에 배치되고, 상기 MEA에 접촉 또는 인접한 제1면과 상기 각각의 유체 유동장 플레이트에 접촉 또는 인접한 제2면을 갖는 확산 구조체로서, 제1수준의 소수성을 갖는 제1층 및 상기 제1층에 비하여 상대적으로 친수성인 제2층을 포함하고, 상기 제2층은 상기 각각의 유체 유동장 플레이트에 인접한 확산 구조체;
를 포함한 전기화학 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 제2태양에 따르면, 본 발명은,
캐소드 유체 유동장 플레이트와 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치되고 캐소드 면과 애노드 표면을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로서, 각 유체 유동장 플레이트는 상기 MEA의 상기 캐소드 면 또는 상기 애노드 면 각각을 향하는 제1면에 유체 분배관을 갖는, 멤브레인-전극 어셈블리; 및
상기 MEA와 상기 유체 유동장 플레이트 중 하나와의 사이에 배치되고, 상기 MEA에 접촉하는 제1면과 상기 각각의 유체 유동장 플레이트에 접촉하는 제2면을 갖는 확산 구조체로서, 상기 유체 유동장 플레이트에 인접한 제1층과 제2층을 포함하고, 상기 제1층은 상기 제2층보다 상대적으로 높은 투과도를 갖고, 상기 제2층은 상기 제1층의 강성보다 큰 강성을 갖는 지지층인, 확산 구조체;
를 포함한 전기화학 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 구현예들은 하기와 같은 도면을 참조하여 실시예에 의하여 설명될 것이다:
도 1은 단일층 확산 구조체를 갖는 연료 전지의 부분 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 다층 확산 구조체를 갖는 연료 전지의 부분 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 지중 변위 측정기(extensometer) 평가로 얻은 필름 압흔(film impression)을 비교한 것으로서, 도 3a는 단일층 확산기 구조체(diffuser structure)에 대한 결과를 나타낸 것이고, 도 3b는 다층 확산기 구조체에 대한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 단일층 확산 구조체 및 다층 확산 구조체로 구성된 연료 전지 스택의 분극(polarisation) 및 전력 특성을 비교하여 나타낸 것이다.
도 1은, 확산 구조체(15)를 통하여, 산화제를 MEA(12)로 전달하고 물을 MEA(12)로부터 배출시키기 위한 복수의 유체 유동 채널 또는 관(conduit)(11)을 구비한 유체 유동장 플레이트(10)를 포함한 연료 전지의 캐소드 측의 일부 단면도를 나타낸 것이다. 확산 구조체는, 유체 유동장 플레이트(10)의 채널(11)에서 MEA(12)로 산소가 충분히 수송되고, MEA(12)에서 유체 유동장 플레이트(10)의 채널(11)로 물이 충분히 수송되도록, 충분한 다공성 및 투과성을 가져야 한다. 동시에, 상기 물 수송은, MEA(12)가 건조될 효과적으로 이루어져서는 안 된다. 또한, MEA(12)로부터의 유체 수송 및 MEA(12)로의 유체 수송은, 이론적으로는 MEA(12)의 전체 표면 영역에 대하여 유효하여야 한다.
확산 구조체(15)에 존재하는 다수의 문제점이 알려져 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 연료 전지 스택에 가해지는 높은 압축 하중(compression loads)은, 채널(11)들 사이의 유체 유동 플레이트(10)의 립(13) 주변의 확산 구조체(15)에 부적절한 압축을 야기한다. 이와 같은 확산 구조체(15)의 압축은, 압축된 또는 밀집된(compacted) 부분(16)에서의 물 및/또는 산소의 확산 계수를 감소시키는 바, 상대적으로 비밀집된(uncompacted) 부분(17)의 확산 계수를 상대적으로 증가시킨다. 따라서, 이는 MEA(12)의 불균일한 수화(hydration) 및 MEA 표면 전체에 대한 불균일한 가스 수송 조건을 야기할 수 있어, 성능이 저해되거나, 적어도 전체 표면에 대하여 최적화되지 않는다.
실제로, 스택 작동 중, 관(11)에 바로 인접한 MEA(12)의 영역은 건조하고, 립(13) 하부 영역만이 충분한 수준의 물을 함유함이 밝혀졌다. 만약, 상대적으로로 비압축된(uncompressed) 구역(17) 주변의 MEA(12)의 수화를 충분한 수준으로 만드는 시도를 할 경우(예를 들면, 확산 구조체(15)의 확산 계수를 감소시킴으로써), 과량의 물(18)이 밀집 구역(16) 주변에 축적됨을 발견하였다. 이는 물방울 형성 및 이의 플러딩(flooding)을 초래하여, 결국, 캐소드 유체 유동장 플레이트 채널(11)을 봉쇄할 수 있다. 이는, 예를 들면, 스택의 셧-다운(shut-down) 및 제습(dehumidification)과 그로 인한 전력 손실과 같은, 연료 전지 작동에 중대한 결과를 가져온다.
도 2를 참조하면, 다층 확산 구조체(20)가 사용되어, 다수의 장점을 제공한다. 본 바람직한 구현예에서, 확산 구조체(20)는, 4층 구조체를 가지며, 4 개의 층들은 서로 상이한 특성을 갖는다. 확산 구조체(20)는, 유체 유동장 플레이트(10)에 접촉 또는 인접한 제1면(21) 및 MEA(12)에 접촉 또는 인접한 제2면(22)을 갖는다. 확산 구조체(20)는 일반적으로, 후술하게 될 상이한 다른 물리적 특성뿐만 아니라, 상이한 수준의 다공성 및 상이한 확산 계수를 갖는 카본 섬유 물질층(carbon fibre material layer)을 포함한다.
제1층(23)은 친수성 확산층, 예를 들면, 폴리비닐 아세테이트 또는 다른 친수성 바인더 물질로 처리된 다공성 카본층을 포함한다. 제1층(23) 용으로 적합한 물질의 예는 Lydall Filtration/Separation, Lydall, Inc.로부터 시판되는 'Technimat 050'이다. 제1층(23)(본 명세서에서, '친수성층(hydrophillic layer)'이라고도 함)은 바람직하게는, 고투과성을 갖는다.
바람직한 구현예에서, 제1층(23)은 150마이크론 내지 500마이크론 범위의 두께 및 낮은 소수성을 갖는다. 성능 최적화를 위하여, 제1층(23)은 2wt%와 10wt% 사이의 함량을 갖는 친수성 바인더를 함유한다.
다른 물질 중, 친수성 물질이 확산 구조체 표면(21)에 에멀션으로서 도포되어, 제1층(23)을 형성할 수 있다.
제2층(24)은 바람직하게는, 제1층(23)에 대한 구조적 지지체를 제공하며, 매우 강성인(much stiffer) 카본 섬유 페이퍼층을 포함하며, 일반적으로, 보다 낮은 투과도를 갖는다. 적합한 물질의 예는 Toray Industries 사로부터 시판되는 'Toray 120'이다. 제2층(24)(본 명세서에서 '구조층(structural layer)' 이라고도 함)은, 확산 구조체 내에 상대적으로 강성이 큰 층을 제공하여 뒤틀림을 방지함으로써, 확산 구조체(20) 내의 다른 층들의 압축 또는 밀집을 감소시킴을 발견하였다. 제2층(24)은 립(13)과 정렬된(aligned) 접촉 영역에 대한 공기 또는 산소의 확산을 증가시켜, 물의 축적을 감소시킨다.
바람직한 구현예에서, 제2층(24)은 200마이크론 내지 400마이크론의 두께를 가지며, 바람직하게는 제1층의 소수성보다 훨씬 큰 소수성을 갖는다. 바람직하게, 성능을 최적화하기 위하여, 제2층(24)은 0wt% 내지 20wt%의 범위의 중량으로 소수성 처리물(hydrophobic treatment)을 갖는다.
제3층(25)은, 바람직하게는, 인접층들보다 낮은 투과도, 낮은 공극 부피 및 일반적으로 큰 액체 물 분산에 대한 내성(resistance to liquid water dispersal)을 갖는 카본 페이퍼를 포함한다. 상기 층에서, 물은 평면 내(in-plane) 방향 또는 '측면' 방향으로 움직이도록 촉진되어, 립(13)에 의한 제3층(25)의 국부적 압축은, 제2층(24)에 의하여 현저히 방지된다. 제3층용으로 적합한 물질의 예는 SGL Technologies, SGL Carbon AG로부터 시판되는 'SGL30BA'이다.
바람직한 구현예에서, 제3층(25)은 150마이크론 내지 350마이크론의 두께를 갖고, 바람직하게는 제1층(23)의 소수성보다 상당히 큰 소수성을 갖는다. 바람직하게, 성능의 최적화를 위하여, 제3층(25)은 0wt% 내지 30wt% 범위의 소수성 처리물(hydrophobic treatment)을 갖는다.
제4층(26)은 바람직하게는, 제3층보다 약간 큰 투과도를 갖는 카본 페이퍼층을 포함하며, 공극을 채우고 인접한 MEA와의 전기적 접촉 향상 및 보다 작은 공극 사이즈를 제공하기 위하여, 전도성 입자(예를 들면, 카본 분말) 및 구조체 바인더(structural binder)(예를 들면, PTFE)로 전처리된 형태의 미세확산기(microdiffuser) 구조체를 포함한다. 제4층(본 명세서에서 '미세확산기층'이라고도 함)용으로 적합한 물질의 예는 SGL Technologies, SGL Carbon AG로부터 시판되는 'SGL10BB'이다.
바람직한 구현예에서, 제4층(26)은 200마이크론 내지 450마이크론의 두께를 갖고, 바람직하게는 제1층(23)의 소수성보다 매우 큰 소수성을 갖는다. 바람직하게, 성능 최적화를 위하여, 제4층(26)은 10wt% 내지 30wt% 범위의 소수성 처리물(hydrophobic treatment)를 갖는다.
제4층(26)은 도 2에 도시된 바와 같이, MEA(12)에 접촉 또는 인접한 제2면(22)을 제공한다.
전술한 바와 같은 종래 기술의 교시 내용과는 반대로, 유체 유동장 플레이트(10)에 바로 인접 또는 접촉하는 친수성층(23)의 공급은, 물방울 형성을 저해시키는 부가 가스 확산기층(diffuser layer)으로서 작용한다. 종래 기술은, 탈착(desorption)을 촉진하기 위하여, 유체 유동 플레이트에 인접한 소수성층(hydrophobic layer)의 사용을 제안한다. 실제로, 본 발명자들은, 상대적으로 친수성인 친수성층(23)이, 연료 전지 반응으로부터 생성된 액체 물을 보다 넓은 영역에 걸쳐 퍼뜨리는 것을 촉진한다는 것을 발견하였다. 이는, 소수성 확산기만을 사용하였을 경우 얻어지는 것에 비하여, 벌크 공기 유동(bulk air flow)에 의하여 매우 효과적으로 물의 제거를 촉진시킨다. 또한, 립(13) 하부(즉, 구역(16))의 물의 퇴적(build-up)을 방지하여, '전극 플러딩(electrode flooding)' 현상을 감소시킨다. 이는 연료 전지 스택이 보다 높은 전류 및 보다 낮은 주위 온도 조건에서 작동될 수 있도록 한다.
친수성층(23)은, 친수성 '바인더' 물질로 형성된 확산기 기재 물질(diffuser substrate material) 또는 개별 친수성 처리로 얻어진 카본 섬유 물질을 사용함으로써 제조될 수 있다.
구조층(24)은, 밀집 하중(compaction load)을 효과적으로 분산시킨다. 이축성 평면 내 강성(biaxial in-plabe stiffness)을 갖는 카본 섬유 물질, 즉, 제1평면 내 축(in-plane axis)을 따르는 구부림(bending)에 대한 내성(resistance)이 상 기 제1평면 내 축에 직교하는 제2평면 내 축을 따르는 구부림에 대한 내성보다 큰 카본 섬유 물질이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같은 이축성 물질이 이용될 경우, 가장 높은 구부림 내성을 갖는 축이, 바람직하게는 유동 채널(11)의 주방향(predominant direction)을 가로지르도록, 보다 바람직하게는 유동 채널(11)의 주방향과 직교하도록 배치되어, 립(13)을 가로지르는 구부림에 대한 최대 내성이 달성되도록 한다.
전술한 바와 같은 다층 확산 구조체의 특성은, 캐소드 플러딩없이 작동되는 동안 증가된 MEA 물 함량 및 밀집 하중의 증가된 분산에 의하여, 종래의 확산 구조체보다 우수한 것으로 나타났다.
도 3을 참조하면, 시판 중인 직조된 직물 확산기로 제조된 단일층 카본 확산 구조체(15)는, 상기 도 2와 관련하여 논의된 바 있는 제2층, 제3층 및 제4층을 포함한 3층 확산 구조체와 비교된다. 도 3a는, 4000N으로 압축한 후, 지중 변위 측정기로부터 얻은 필름 압흔을 나타낸 것으로서, 단일층 구조체(15)의 명확한 밀집(compaction)을 나타낸다. 도 3b는, 상기 제2층에 대하여 전술한 바와 같이 정의된 구조층(24)을 이용한 3층 확산기 구조체(24), (25), (26)의 대응 필름 압흔을 나타낸 것이다.
밀집 하중의 분산은 또한, MEA(12)와 미세확산기층(제4층(26)) 사이가 보다 밀접히 접촉되도록 하는 바, 전류 분배가 개선되고 열점 발생이 감소된다.
확산 구조체(20) 중 친수성 제1층(23)의 사용은, 물방울(18)의 형성이 저해됨을 의미한다. 이는 도 2의 메카니즘 'A'에 의하여 설명된다. 이는 종래 기술에 서 사용된 소수성 확산 구조체와 비교되는 것이다. 유체 유동장 플레이트(10)과 인접한 친수성층(23)의 효과는, 공기 유동에 의한 물 생성에 대하여 '증발 영역'을 증가시키는 것이다. 이는, 캐소드 플로딩이라는 위험을 감소시키면서, 전류 작동을 보다 높이고, 작동 온도를 보다 낮춘다.
SGL30 제3층(25)은 SGL10 제4층(26)보다 낮은 공극 부피를 갖는 바, 액체 물 분산에 대하여 보다 내성을 갖는다. 따라서, 물은, 제4층(26)을 통하여 측면(즉, 평면 내) 방향을 따라 이동하도록 촉진되며, 제4층(26)의 물 함량이 높은 경우에만, 제3층(25)를 통하여 상부로 확산되기 시작할 것이다. 이는 도 2 중 메카니즘 'B'로서 설명된다. 이의 효과는, MEA(12)가 보다 습윤하게 유지되는 것이다. 이는, 상부 전류 스위프(upwards current sweep) 상의 전위 값이 하부 전류 스위프(downwards current sweep) 상의 전위 값과 꼭 맞는 '비-루핑된(non-looped)' 분극 곡선을 얻음으로써 확인하였다.
전술한 바와 같은 다층 확산 구조체(20)의 효과는, 다양한 확산기 구조체(15) (20)에 대하여, 전류 밀도에 대한 함수로서 평균 전지 전위 및 전력 밀도를 나타낸 도 4에서 확인된다. 곡선(41) 및 (42)는 전류 밀도의 함수로서 전력 밀도를 나타내며, 곡선(44) 및 (45)는 전류 밀도의 함수로서 분극을 나타낸다. 곡선(41)은 단일층 확산 구조체(15)를 나타내며, 곡선(42)는 친수성층(23) 및 구조층(24)을 갖는 도 2의 다층 구조체(20)를 나타낸 것이다. 곡선(44)은 단일층 확산 구조체(15)를 나타내며, 곡선(45)은 친수층(23) 및 구조층(24)을 갖는 도 2의 다층 확산 구조체(20)을 나타낸 것이다.
다층 확산 구조체(20)는 개방 회로의 부하 중 높은 상부 쉬프트(upwards shifts)에 대하여 개선된 응답을 갖는다. 이는, 비-작동 기간 동안, 다층 확산 구조체(20)를 통하여 멤브레인으로부터 수분이 자연적으로 제거되는 것이 감소하는, 다층 배열의'물 트랩(water trap)' 효과 때문이다. 단일층 확산 구조체(15)를 사용할 경우, 전지 휴지기 동안 MEA(12)로부터의 다량의 수분 손실이 이루어진다. 개방 회로 조건에서 순간 고 전력(immediate high power)이 요구될 경우, 멤브레인이 점진적으로 습윤해짐으로써 전지 손상을 방지하기 위하여, 통상적으로는 스택 전류를 점진적으로 증가시킬 필요가 있다. 다층 확산 구조체(20)는, 전지를 사용하지 않는 동안, MEA 중 수분이 유지되도록 한다.
상기 '물-트랩' 현상은 또한, 캐소드에서 애노드로의 역확산 정도를 증가시킬 수 있다. 이는 멤브레인에 대한 물 구배(water gradient)의 평형을 촉진하므로, 주요 성능에 대한 불이익없이, 보다 두껍고 보다 내구성 있는 멤브레인 구조체를 사용할 수 있다. 이는 애노드 성능에 불리한 영향을 미치는 정도에 대하여는, 애노드 확산 구조체 중 PTFE 함량을 약간 증가시킴으로써, 보상될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 다층 확산 구조체(20)는, 각 전지의 벌크 부피(bulk volume)를 약간 증가시키나, 이는, 중량 및 체적 전력 스택 밀도에서의 전체적으로 증가함으로써 보상된다.
전술한 바와 같은 다층 확산 구조체(20)의 유리한 효과는, 물 함량의 조절이 일반적으로 보다 중요한 요소가 되는 연료 전지의 캐소드 측에서 특히 분명하다. 그러나, 상기 원리는 또한, 습윤성도 중요하고 밀집성(compaction)도 중요한 연료 전지의 애노드 측에도 적용된다. 따라서, 다층 구조체(20)는 연료 전지의 애노드 및 캐소드 측 중 하나 또는 양쪽에 사용될 수 있다.
친수성층(23) 및 구조층(24)의 개별 장점은, 단독으로 또는 확산기 구조체(20)에서 서로 조합됨으로써, 얻어질 수 있으나, 최상의 개선은 친수성층(23) 및 구조층(24)을 조합하여 사용할 경우 얻을 수 있다.
친수성층(23) 및 구조층(24)의 역할은 또한, 구조층(24)을 친수성 표면 에멀션(hydrophilic surface emulsion) 또는 이와 유사한 구조 처리물(structure treatment)로 처리함으로써, 단일층에서 조합될 수 있다.
다른 구현예는 하기 청구항에 의한 청구범위에 의한다.

Claims (14)

  1. 캐소드 유체 유동장 플레이트(cathode fluid flow field plate)와 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치되고 캐소드 면과 애노드 면을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로서, 각 유체 유동장 플레이트는 상기 MEA의 상기 캐소드 면 또는 상기 애노드 면 각각을 향하는 제1면에 유체 분배관(fluid distribution conduits)을 갖는, 멤브레인-전극 어셈블리; 및
    상기 MEA와 상기 유체 유동장 플레이트(10) 중 하나와의 사이에 배치되고, 상기 MEA(12)에 접촉 또는 인접한 제1면(22)과 상기 각각의 유체 유동장 플레이트(10)에 접촉 또는 인접한 제2면(21)을 갖는 확산 구조체(20)로서, 제3층(25) 및 상기 제3층(25)에 비하여 상대적으로 친수성인 제1층(23)을 포함하고, 상기 제1층(23)은 상기 각각의 유체 유동장 플레이트(10)에 인접한, 확산 구조체(20);
    를 포함하고, 상기 제1층(23)은 친수성 바인더 물질을 포함한, 전기화학 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층(23)이 친수성 표면 에멀션으로 처리된 확산 구조체(20)의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 확산 구조체(20)가 카본 페이퍼로 형성되고, 상기 제1층(23)이 폴리비닐 아세테이트가 침지된 카본 페이퍼를 포함한 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 확산 구조체(20)가 상기 제3층(25)과 상기 제1층(23) 사이에 제2층(24)을 포함하며, 상기 제2층(24)은 상기 제1층(23)보다 큰 강성(stiffness)을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2층(24)이 상기 제3층(25)보다 큰 강성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 확산 구조체(20)가 상기 제3층(25)과 상기 MEA(12) 사이에 배치된 제4층(26)을 포함하고, 상기 제4층(26)은 전도성 입자 및 구조체 바인더의 혼합물로 처리된 확산 구조체(20)의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEA(12)의 캐소드 면과 상기 캐소드 유체 유동장 플레이트(10) 사이에 배치된 제1 상기 확산 구조체(20)를 포함한 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 MEA(12)의 애노드 면과 상기 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치된 제2 상기 확산 구조체를 포함한 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  9. 캐소드 유체 유동장 플레이트와 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치되고 캐소드 면과 애노드 표면을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로서, 각 유체 유동장 플레이트는 상기 MEA의 상기 캐소드 면 또는 상기 애노드 면 각각을 향하는 제1면에 유체 분배관(11)을 갖는, 멤브레인-전극 어셈블리; 및
    상기 MEA(12)와 상기 유체 유동장 플레이트(10) 중 하나와의 사이에 배치되고, 상기 MEA(12)에 접촉하는 제1면(22)과 상기 각각의 유체 유동장 플레이트(10)에 접촉하는 제2면(21)을 갖는 확산 구조체(20)로서, 상기 유체 유동장 플레이트에 인접한 제1층(23)과 제2층(24)을 포함하고, 상기 제1층(23)은 상기 제2층(24)보다 상대적으로 높은 투과도를 갖고, 상기 제2층(24)은 상기 제1층(23)의 강성보다 큰 강성을 갖는 지지층인, 확산 구조체(20);
    를 포함한 전기화학 연료 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1층(23)은 상기 제2층(24)에 비하여 상대적으로 친수성인 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2층(24)이 이축성 평면 내 강성(biaxial in-plane stiffness)을 갖고, 최대 강성의 방향이 상기 각각의 유체 유동 플레이트(10) 면의 상기 유체 분배관(11)을 가로지르는 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEA(12)의 캐소드 면과 상기 캐소드 유체 유동장 플레이트(10) 사이에 배치된 제1 상기 확산 구조체(20)를 포함한 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEA의 애노드 면과 상기 애노드 유체 유동장 플레이트 사이에 배치된 제1 상기 확산 구조체를 포함한 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
  14. 제6항에 있어서, 상기 MEA(12)의 캐소드 면과 상기 캐소드 유체 유동장 플레이트(10) 사이에 배치된 제1 상기 확산 구조체(20)를 포함한 것을 특징으로 하는 전기화학 연료 전지.
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