KR101481187B1

KR101481187B1 - 연료전지용 기체확산층및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101481187B1
Application number: KR1020090119314A
Authority: KR
Inventors: 한국일; 홍보기
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2015-01-09
Also published as: KR20110062552A; CN102088096B; US20110136044A1; US20140162167A1; US10431838B2; US10511043B2; CN102088096A; DE102010002392A1

Abstract

본 발명은 성능이 우수한 연료전지용 기체확산층에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 반응 기체인 수소 및 공기(산소)를 공급할 때, 전기화학적 반응의 생성물인 물의 배출 및 전자 이동 등의 기능을 하는 기체확산층의 분리판 채널로의 침투를 최소화시켜 성능을 증가시킨 연료전지용 기체확산층에 관한 것이다.

본 발명은 기존의 기체확산층 생산 공정에 대한 추가적인 개질없이 그대로 이용하되, 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여 제조하는 것을 특징으로 하며, 이러한 특징을 갖는 본 발명의 기체확산층을 연료전지에 적용시 연료전지의 전기화학적 성능이 증가하고, 롤 원단 폭이 작은 경우에도 크기가 큰 기체확산층을 용이하게 제조할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

연료전지, 기체확산층(GDL), 이방성(Anisotropy), 굽힘강성(Bending Stiffness), 탄소섬유 종이, 탄소섬유 펠트(Felt)

Description

연료전지용 기체확산층및 그 제조방법{Gas diffusion layer for fuel cell applications and Method of Manufacturing the same}

본 발명은 연료전지용 기체확산층에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 반응 기체인 수소 및 공기(산소)를 공급할 때, 전기화학적 반응의 생성물인 물의 배출 및 전자 이동 등의 기능을 하는 기체확산층에 관한 것으로서, 기체확산층 제조용 원단의 고유한 고강성 기계 방향과 분리판의 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 각도를 주는 재단을 통하여 제조되는 성능이 우수한 연료전지용 기체확산층에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용되고 있는데, 이 고분자 전해질 막 연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다[S. Park, J. Lee, and B. N. Popov, J. Power Sources, 177 , 457 (2008)].

상기 연료전지의 전기 생성을 위한 반응을 보면, 연료전지의 산화극인 애노 드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극인 캐소드(Cathode)쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되고, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.

연료전지내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막-전극 접합체의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 "물 범람(Flooding)" 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내까지 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱 더 커지게 된다.

여기서, 연료전지를 구성하는 기체확산층의 기능을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 기체확산층을 포함하는 연료전지 셀 구성을 나타내는 개략도이다.

상기 기체확산층은 연료전지의 고분자 전해질 막의 양표면에 각각 산화극 및 환원극을 위해 도포된 촉매층의 외표면에 접착되어, 반응 기체인 수소 및 공기(산소) 공급, 전기화학 반응에 의해 생성된 전자 이동, 반응 생성수를 배출시켜 연료전지 셀(Cell)내 물 범람 현상을 최소화시키는 등 다양한 기능을 한다.

현재 상업화된 기체확산층은 수은 압입법(Mercury Intrusion)으로 측정시 일반적으로 기공 크기 1 ㎛ 미만의 미세 기공층(MPL: Micro-Porous Layer)과, 1~300 ㎛ 크기의 거대 기공 지지체(Macro-Porous Substrate 또는 Backing)의 이중 층 구 조(Dual Layer Structure)로 구성된다[X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, B. L. Yi, Electrochimica Acta, 51 , 4909 (2006)].

상기 기체확산층의 미세 기공층은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.

한편, 상기 기체확산층의 거대 기공 지지체는 일반적으로 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성되는데, 크게 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다[S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156 , 8 (2006); M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications, Vol.3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)].

이와 같은 연료전지용 기체확산층은 수송용, 휴대용, 가정용 등과 같은 상세 적용 분야 및 연료전지 운전 조건에 따라 적절히 성능이 발현되도록 구조 설계가 이루어져야 하는데, 일반적으로 연료전지 자동차용으로는 반응 기체 공급성 및 생성수 배출성, 스택 체결시 압축성/핸들링성(Handling Property) 등 제반 물성이 양호한 탄소섬유 펠트나 탄소섬유 종이형 기체확산층 사용이 탄소섬유 천 대비 더 선 호되고 있다.

또한, 상기 기체확산층은 두께, 기체 투과도(Gas Permeability), 압축도(Compressibility), 미세 기공층과 거대 기공 지지체의 소수성(Hydrophobicity) 처리 정도, 탄소섬유 구조, 기공도/기공 분포, 기공 꼬임도(Tortuosity), 전기 저항 및 굽힘 강성(Bending Stiffness) 등 복잡하고 다양한 구조 차이에 따라 연료전지의 성능에 크게 영향을 미치며, 특히 물질 전달 영역에서 큰 성능 차이가 나타나는 것으로 알려져 있다[일본특허 JP3331703B2].

최근 연료전지의 상업화가 진전됨에 따라 연료전지의 핵심 부품인 기체확산층 양산에 대한 많은 연구개발이 진행되고 있다. 기체확산층은 연료전지내에서 우수한 성능을 발현해야 하고 또한 연료전지 스택으로 수백장의 셀을 조립시 우수한 핸들링성을 부여하기 위해 적정 수준의 강성(Stiffness)을 가져야 한다. 기체확산층의 강성이 원단 롤(Roll) 방향으로 매우 클 경우 롤 형태로 감아서 보관하기 어렵기 때문에 양산성이 저하할 수 있다. 또한 기존에 보고된 바에 따르면 기체확산층의 강성이 연료전지내에서 매우 부족할 경우 도 2에서 보는 바와 같이 연료전지 셀 체결시 기체확산층이 분리판(Separator 또는 Bipolar Plate)의 유로 채널(Flow Field Channel) 부위로 침투하는 현상(‘GDL Intrusion’)이 발생한다[Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171 , 26 (2007); Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, Vinod Kumar, J. Power Sources, 184 , 120 (2008); J. Kleemann, F. Finsterwalder, W. Tillmetz, J. Power Sources, 190 , 92 (2009); M. F. Mathias, J. Roth, M. K. Budinski, US 7,455,928 B2; T. Kawashima, T. Osumi, M. Teranishi, T. Sukawa, US 2008/0113243 A1].

이러한 기체확산층의 분리판 채널로의 침투현상이 발생하면 반응 기체 및 생성수 등의 물질전달에 필요한 채널 공간이 부족해지고, 기체확산층과 분리판 리브(Rib) 또는 랜드(Land) 및 고분자 전해질 막-전극 접합체와의 접촉 저항이 증가할 수 있어 연료전지 셀 성능 저하의 큰 원인이 될 수 있다.

또한 이와 같은 기체확산층 침투 현상은 분리판의 유로(Flow Field) 구조와도 밀접한 관계가 있기 때문에 우수한 연료전지 성능을 얻기 위해서는 유로 구조를 적절히 설계함과 동시에 기체확산층 자체의 굽힘 강성과 같은 기계적 물성을 증가시키는 것이 중요하다.

일반적으로 연료전지용 분리판은 주 유로(Major Flow Field) 및 부 유로(Minor Flow Field)로 구성되는 데, 기체확산층이 주 유로 방향의 채널쪽으로 침투하지 못하도록 하는 것이 필요하며, 이렇게 하기 위해서는 분리판 주 유로 방향과 평행인 길이(L: Length) 방향과 수직으로 가로지르는 폭(W: Width) 방향 중, 특히 폭 방향으로 배열되는 기체확산층의 강성을 증가시키는 것이 중요하고, 그렇지 않고 도 2에서 보는 바와 같이 분리판 주 유로의 폭 방향으로 강성이 낮은 기체확산층이 배열될 경우 분리판 주 유로 채널로의 기체확산층 침투 현상은 심해지게 된다.

이와 같은 현상을 개선하기 위해서는 기체확산층 고유의 이방성(Anisotropy) 특성을 이용할 수 있다.

즉, 연료전지 자동차용으로 많이 사용되는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종 이를 지지체로 하는 기체확산층은 일반적으로 제조공정상 기계 방향(MD: Machine Direction)으로 탄소섬유가 보다 더 많이 배향되어 횡기계 방향(CMD: Cross-Machine Direction 또는 TD: Transverse Direction) 대비 굽힘 강성이나 인장 강도(Tensile Stress)와 같은 기계적 물성들이 더 크다.

따라서, 생산된 기체확산층 롤(Roll)에 감긴 원단의 기계 방향이 고강성 방향(HSD: High Stiffness Direction)이고 횡기계 방향이 저강성 방향(LSD: Low Stiffness Direction)인 것이 일반적이다.

종래 기술에서는 분리판 주 유로 폭 방향의 기체확산층 강성을 증가시켜 분리판 채널부로의 침투를 최소화하고자, 특수공정을 거쳐 기체확산층의 기계 방향 대비 횡기계 방향으로 길이 또는 지름이 보다 큰 탄소섬유를 의도적으로 배열하거나 또는 금속 보강재 등을 추가하는 등의 방법을 사용하였고, 또한 동시에 기체확산층 롤을 감는 것을 용이하게 하기 위해 기계 방향으로는 상대적으로 길이 또는 지름이 횡기계 방향 대비 작은 탄소섬유를 사용하여 롤링(Rolling)에 필요한 원단의 유연성을 유지하도록 제조하였다 [M. F. Mathias, J. Roth, M. K. Budinski, US 7,455,928 B2].

그러나 이와 같은 방식은 기존 일반적인 기체확산층 생산 공정에 복잡한 공정을 추가하여 공정을 개질해야 하는 어려움이 있고, 특히 탄소섬유 기재의 기체확산층에 이종의 금속 보강재 등을 추가하는 경우 기체확산층과의 혼화성 및 품질 균일성 부족 등의 여러 문제점들을 야기할 수 있다.

또 다른 종래 기술로서 제안된 방법 중 탄소섬유 천의 이방성 강성 특성을 이용하여 기체확산층 침투를 최소화하는 연구는 천의 제반 물성 및 핸들성이 부족하여 연료전지 자동차용으로 사용하기 어려운 실정이다[T. Kawashima, T. Osumi, M. Teranishi, T. Sukawa, US 2008/0113243 A1].

따라서 기체확산층의 분리판 주 유로 채널부로의 침투를 최소화하기 위해 현재까지 제안된 종래의 기술들은 연료전지차의 상업화에 필요한 기체확산층 양산성 측면에서 용이하게 적용하기 어려운 문제점들이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 개선하고 연료전지 자동차의 성능을 증가시키기 위해 안출된 것으로서, 기존 기체확산층 생산 공정에 대한 추가적인 공정 개질없이 그대로 이용하되, 단지 연료전지 셀에 적합한 시트(Sheet) 크기로 기체확산층을 재단(Cutting)하는 방식만을 최적화시켜 제조되는 기체확산층, 즉 기체확산층의 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여, 주 유로를 가로지르는 횡 방향의 기체확산층 강성을 증가시켜 연료전지 성능을 증가시키는 기체확산층을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 기체확산층을 미세 기공 층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되, 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여, 주 유로를 가로지르는 횡 방향의 강성이 증가한 기체확산층을 제조하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 본 발명의 기체확산층은 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 0°<θ≤90°이되, 보다 바람직하게는 25°<θ≤90°가 되도록 재단하여 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 기체확산층은 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 20 ~ 150 g_fㆍcm, 보다 바람직하게는 50 ~ 100 g_fㆍcm 인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 기체확산층을 이루는 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 기체확산층의 기체투과도가 0.5 ㎤/(㎠ㆍs) 이상, 보다 바람직하게는 2.5 ㎤/(㎠ㆍs) 이상인 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지의 기체확산층의 여러 구조인자 중 분리판 주유 로 방향 채널로의 침투를 최소화하는 것과 밀접한 관련이 있는 기체확산층의 굽힘 강도를 기존 기체확산층 생산공정의 추가적 개질 없이 재단 방식만 변경하여 증가시킴으로써, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 구성되고, 분리판 주 유로 채널로의 침투를 최소화하여 연료전지내 반응 기체의 물질 전달 성능, 물 배출성 및 전자 이동성 등 제반 성능이 우수한 연료전지용 기체확산층을 제공하고자 한 것이다.

즉, 본 발명은 기체확산층을 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되, 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여, 기존 기체확산층 생산 공정에 대한 추가적인 개질 없이 용이하게 적용 가능한 장점을 갖는 기체확산층을 제공하고자 한 것이다.

본 발명의 기체확산층은 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 0°<θ≤90°이되, 보다 바람직하게는 25°<θ≤90°가 되도록 재단하여 제조되고, 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 20 ~ 150 g_fㆍcm, 보다 바람직하게는 50 ~ 100 g_fㆍcm 가 되도록 하며, 그 이유는 20 g_fㆍcm 미만이면 강성이 너무 작아 연료전지차용 기체확산층으로 사용하기 어렵고, 150 g_fㆍcm를 초과하면 기체확산층이 너무 강직하게 되어 롤 형태로 감아 보관하기 어려워 양산성이 저하되기 때문이다.

또한, 본 발명의 기체확산층의 기체투과도가 0.5 ㎤/(㎠ㆍs) 이상, 보다 바람직하게는 2.5 ㎤/(㎠ㆍs) 이상이 되도록 하고, 그 이유는 0.5 ㎤/(㎠ㆍs) 미만인 경우 기체확산층을 통한 물질 전달성이 현저히 저하되기 때문이다.

한편, 본 발명의 기체확산층을 이루는 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 구성되도록 한다.

실시예

본 발명의 제1 및 제2실시예는 종래 방식을 그대로 사용하여 생산된 기체확산층을 재단 방식만 변경하여 첨부한 도 6에서와 같이 분리판 주 유로를 가로지르는 폭(W) 방향으로의 기체확산층 강성을 증가시키고자 하는 것이다.

즉, 종래에는 기체확산층 원단의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로 방향과 평행한 길이(L) 방향으로 재단되었으나(재단 각도 0°), 본 발명에서는 기체확산층의 재단 각도를 90° 로 하여, 기체확산층 원단의 고강성 기계방향이 분리판 주 유로와 횡 방향으로 배열되게 함으로써, 주 유로 횡 방향으로의 기체확산층 강성을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 기체확산층으로서 탄소섬유 펠트형 기체확산층 2종(GDL-1 및 GDL-2)을 각각 사용하였고, 그 기본 특성은 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.

본 발명의 제3실시예로서, 연료전지 성능 증가 효과를 비교 평가하기 위하여 GDL-1을 재단 각도별(45°, 60°, 90°)로 재단하였다.

시험예

첨부한 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 비교예로서 기체확산층 원단의 기계방향을 종래 분리판 주 유로 방향과 평행한 길이(W) 방향으로 재단한 것(재단 각도 0°)을 사용하였다.

이러한 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 전기화학적 성능 평가를 위하여, 실시예 및 비교예에 따른 고분자 전해질 막, 촉매층, 체결 기구 등 제반 부품들은 모두 동일하게 조립하여 유지하였다.

분리판의 경우 구조가 서로 유사한 2종을 사용하였는데(BP-1 및 BP-2), 비교예 1과 2 및 실시예 1과 2의 경우 BP-1을, 비교예 3과 실시예 3의 경우 BP-2을 각각 사용하였다.

또한, 각 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지의 전기화학적 성능은 연료전지 단셀 또는 5셀을 기준으로 전압-전류밀도 분극(Potential-Current Density Polarization) 특성을 측정하여 비교하였으며, 전기화학적 성능 측정기는 기존 상용화된 장비를 사용하였다.

이때, 각 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지의 전기화학적 성능 측정시 사용한 조건은 다음과 같다.

* 연료전지 셀 입구 온도= 65℃,

* 기체 압력= 상압(Near Ambient Pressure),

* 수소 애노드/공기 캐소드 상대 습도(RH: Relative Humidity)= 100%/100% 또는 50%/50%,

* 수소 애노드/공기 캐소드 화학양론비(S.R.: Stoichiometry Ratio)= 1.5/2.0.

여기서, 위와 같은 조건하에서 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지에 대해 전기화학적 성능 평가를 수행하였는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

상대습도 100%/100% 및 50%/50% 조건에서, 실시예 1, 2에 따른 본 발명의 기체확산층과 비교예 1, 2에 따른 종래의 기체확산층의 전기화학적 성능을 연료전지 표준 운전조건에서 비교하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 7과 8에 나타낸 바와 같다.

도 7 및 8에서 보듯이, 본 발명의 재단 각도 90° 기체확산층을 사용한 연료전지의 전기화학적 성능이 종래의 재단 각도 0°기체확산층 사용한 경우 대비 증가함을 알 수 있다.

즉, GDL-1의 경우 도 7에서 보는 바와 같이 상대습도 50%/50% 및 100%/100%에서 본 발명의 재단 각도 90°기체확산층(실시예1)의 0.6V에서의 전류밀도값이 종래 재단 각도 0°기체확산층(비교예1) 대비 각각 12% 및 15% 증가함을 알 수 있었다.

또한, GDL-2의 경우에도 도 8에서 보는 바와 같이 상대습도 50%/50% 및 100%/100%에서 본 발명의 재단 각도 90o 기체확산층(실시예2)의 0.6V에서의 전류밀도값이 종래 재단 각도 0°기체확산층(비교예2) 대비 각각 18% 및 16% 증가함을 알 수 있었다.

이와 같은 우수한 성능 증가 효과는 도 6에서 예시된 바와 같이 분리판 주 유로 방향을 가로지르는 폭(W) 방향으로 기체확산층의 고강성 방향이 적절하게 배열되어 분리판 채널로의 기체확산층 침투가 최소화되었기 때문으로 판단된다.

본 발명의 실시예 1과 2의 기체확산층 GDL-1과 GDL-2(재단 각도: 90°)의 연료전지 스택의 전기화학적 성능(0.6V에서의 전류 밀도)을 상대 비교하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 9에 나타낸 바와 같이, 상대습도 50%/50% 및 100%/100% 모두에서 기재의 굽힘 강도가 상대적으로 작은 GDL-2가 GDL-1 대비 연료전지 성능이 약 72% 수준인 것으로 보아, GDL의 강성이 클수록 연료전지 성능 증가에 보다 더 크게 기여하는 것을 알 수 있었다.

또한, GDL-1을 재단 각도별로(0°,45°, 60° 및 90°) 재단하여 연료전지 성능 증가 효과를 평가하였는 바, 그 결과는 도 10에서 도는 바와 같이 평가 조건하 상대습도 50%/50% 및 100%/100% 모두 재단 각도 45°이상부터는 90°경우와 동등한 수준의 연료전지 성능 증가 효과를 얻을 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 기체확산층 재단 방식 적용시, 기존 생산공정을 그대로 사용하면서 매우 효율적으로 분리판 주 유로로의 기체확산층 침투가 최소화할 수 있는 굽힘 강도가 강화된 기체확산층을 용이하게 제조할 수 있고, 이로부터 연료전지 성능을 증가시킬 수 있다. 특히 도11에서 보는 바와 같이 기체확산층 원단 롤의 폭이 작거나 상대적으로 기체확산층 길이가 긴 경우, 종래의 기체확산층 제조공정 개량 방식으로는 원하는 크기의 제품을 제조하기 어려웠으나, 본 발명의 제조 방식을 사용하면 기체확산층을 각도를 주어 다양하게 재단함으로써(예: 45°, 60°) 원하는 용도에 적합한 크기로 기체확산층을 용이하게 제조할 수 있다.

도 1은 연료전지 셀의 구성요소를 설명하는 개략도,

도 2는 연료전지 셀 체결시 분리판 리브 압축에 의한 기체확산층의 분리판 주 유로 채널 부위로의 침투(Intrusion) 현상 개략도,

도 3은 종래 기체확산층 제조 방법 및 본 발명의 기체확산층 제조 방법을 비교한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 방법으로 재단 각도별 재단시 분리판 주 유로 방향과 기체확산층 고강성 방향과의 배열 개략도로서, (a) 기체확산층 원단 롤의 고강성 MD 방향(재단 각도 0°) 대비 재단 각도별 기체확산층 재단 방식, (b) 신규 기체확산층과 분리판 주 유로 방향간 배열도,

도 5는 종래 기체확산층(재단 각도 0°)과 본 발명의 기체확산층(재단 각도 90°) 구조를 비교한 개략도,

도 6은 본 발명의 기체확산층 적용시 연료전지내 기체확산층 압축 개략도,

도 7은 기체확산층 GDL-1의 재단 각도별(0° 및 90°) 연료전지 5셀 스택(BP-1 사용)의 전기화학적 성능을 나타낸 그래프: (a) 상대습도 50%/50%; (b) 상대습도 100%/100%,

도 8은 기체확산층 GDL-2의 재단 각도별(0° 및 90°) 연료전지 단셀 스택(BP-1 사용)의 전기화학적 성능: (a) 상대습도 50%/50%; (b) 상대습도 100%/100%,

도 9는 본 발명의 기체확산층 GDL-1과 GDL-2(재단 각도: 90°)의 연료전지 스택(BP-1 사용)의 전기화학적 성능(0.6V에서의 전류 밀도) 상대 비교: (a) 상대습도 50%/50%; (b) 상대습도 100%/100%,

도 10은 기체확산층 GDL-1 재단 각도별(0°, 45°, 60°, 90°) 연료전지 5셀 스택(BP-2 사용)의 전기화학적 성능: (a) 상대습도 50%/50%; (b) 상대습도 100%/100%,

도 11은 기체확산층 롤 원단 폭이 기체확산층 크기 대비 작은 경우 본 발명의 기체확산층 재단 방법을 사용한 기체확산층의 제조 방법 개략도: (a) 종래 제조법; (b) 본 발명의 제조법.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : MEA 106 : 기체확산층

200 : 분리판 202 : 분리판 채널

204 : 분리판 랜드

Claims

연료전지용 기체확산층을 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되, 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해, 기체확산층 롤(Roll)에 감긴 원단의 기계 방향이 고강성 방향(HSD: High Stiffness Direction)이고 횡기계 방향이 저강성 방향(LSD: Low Stiffness Direction)인 기체확산층 롤 원단을, 상기 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여, 분리판의 주 유로를 가로지르는 기체확산층의 횡 방향의 강성이 증가한 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층은 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 0°<θ≤90°이 되도록 재단하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층은 기체확산층 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 이루는 각도가 25°<θ≤90°가 되도록 재단하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층은 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 20 ~ 150 g_fㆍcm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층은 롤 원단 기계 방향(고강성 방향)의 테이버 굽힘 강도(Taber Bending Stiffness)가 50 ~ 100 g_fㆍcm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층을 이루는 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층의 기체투과도가 0.5 ㎤/(㎠ㆍs) 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
청구항 1에 있어서,

상기 기체확산층의 기체투과도가 2.5 ㎤/(㎠ㆍs) 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층.
연료전지용 기체확산층을 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되, 분리판 채널로의 침투를 최소화하기 위해, 기체확산층 롤(Roll)에 감긴 원단의 기계 방향이 고강성 방향(HSD: High Stiffness Direction)이고 횡기계 방향이 저강성 방향(LSD: Low Stiffness Direction)인 기체확산층 롤 원단을, 상기 기체확산층 롤 원단 고유의 고강성 기계방향과 분리판 주 유로 방향이 서로 평행하지 않도록 재단하여, 분리판의 주 유로를 가로지르는 기체확산층의 횡 방향의 강성이 증가한 기체확산층을 제조하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 제조방법.