KR102288898B1 - Gas diffusion layer of polymer electrolyte membrane fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 고분자 전해질막의 기체 확산층은, 면내에서 반응물과 생성물의 농도 변화를 고려하여 공기 입구부에서 공기 출구부를 향한 방향으로 갈수록 반응 생성물인 물의 접촉각이 증가하도록 형성됨으로써, 연료전지의 성능이 보다 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 기체 확산층에서 공기 입구부와 가까운 영역은 친수성 소재를 증착시킴으로써, 다른 영역에 비해 접촉각이 상대적으로 작아져서 반응 생성물이 물 보유 기능을 향상시켜 저가습조건에서도 전해질막이 잘 수화될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 기체 확산층에서 공기 출구부와 가까운 영역은 소수성 소재를 포함시켜 형성함으로써, 다른 영역에 비해 접촉각이 상대적으로 커져서 반응 생성물인 물의 농도가 높더라도 물이 용이하게 배출될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 기공률은 균일하게 유지하되, 물의 접촉각만 다르게 형성함으로써, 기공률을 변화시키는 경우보다 제조가 보다 용이하면서도 물 보유 기능과 물 배출 기능을 모두 확보할 수 있는 이점이 있다.The gas diffusion layer of the polymer electrolyte membrane according to the present invention is formed so that the contact angle of the reaction product water increases from the air inlet to the air outlet in consideration of the change in the concentration of the reactant and the product in the plane, thereby improving the performance of the fuel cell. can be improved In addition, in the gas diffusion layer according to the present invention, by depositing a hydrophilic material in the region close to the air inlet in the gas diffusion layer, the contact angle is relatively small compared to other regions, so that the reaction product improves the water retention function, so that the electrolyte membrane is formed even under low humidity conditions. Can be well hydrated. In addition, in the gas diffusion layer according to the present invention, the area close to the air outlet in the gas diffusion layer is formed by including a hydrophobic material, so that the contact angle is relatively large compared to other areas, so that water can be easily discharged even if the concentration of water, which is the reaction product, is high. can In addition, the gas diffusion layer according to the present invention maintains a uniform porosity, but by forming only a different contact angle of water, it is easier to manufacture than when the porosity is changed, and there is an advantage in that both the water retention function and the water discharge function can be secured. .
Description
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체 확산층이 공기 입구부로부터 공기 출구부로 갈수록 물의 접촉각이 증가하도록 형성됨으로써 보다 성능이 향상될 수 있는 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층에 관한 것이다. The present invention relates to a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell, and more particularly, the gas diffusion layer is formed so that the contact angle of water increases from an air inlet to an air outlet. It relates to a gas diffusion layer.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 상기 연료전지는, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 및 고분자 전해질막 연료전지 등으로 구분된다. In general, a fuel cell is a power generation device that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. The fuel cell is classified into a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the type of electrolyte.
상기 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는, 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자를 전해질막으로 사용하는 연료 전지이다. 상기 고분자 전해질막 연료전지 스택은, 전해질막을 중심으로 애노드와 캐소드가 구비된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 기체 확산층으로 공급하고 발생된 물을 배출시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함한다. The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a fuel cell using a polymer capable of permeating hydrogen ions as an electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane fuel cell stack includes a membrane-electrode assembly (MEA) having an electrode layer including an anode and a cathode around an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer (GDL) for evenly distributing reactive gases. , and a bipolar plate for supplying reaction gases to the gas diffusion layer and discharging the generated water.
이러한 고분자 전해질막 연료전지의 출력 및 효율을 향상시키기 위해서는 반응물의 원활한 물질 전달이 보장되어야 하고, 반응의 결과로 생긴 물의 관리가 매우 중요하다.In order to improve the output and efficiency of the polymer electrolyte membrane fuel cell, smooth mass transfer of reactants must be ensured, and management of water resulting from the reaction is very important.
종래에는 균일한 기체 확산층을 적용하여 반응물과 생성물의 농도 변화를 고려하지 않기 때문에, 반응 면적 내에서 전류 밀도 분포가 불균일하게 나타나므로 연료전지의 성능과 내구성에 부정적인 문제점이 있다. Conventionally, since the concentration change of the reactant and the product is not taken into account by applying a uniform gas diffusion layer, the current density distribution within the reaction area is non-uniform, so there is a negative problem in the performance and durability of the fuel cell.
본 발명의 목적은, 면내 접촉각 구배가 있는 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a gas diffusion layer for a polymer electrolyte membrane fuel cell having an in-plane contact angle gradient.
본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층은, 제1면이 공기극 플레이트의 공기 유로에 대향되고, 제2면이 막 전극 어셈블리에 대향되게 배치되고, 상기 제1면에서 공기가 유입되는 공기 입구부와 공기가 배출되는 공기 출구부가 서로 이격되게 구비되고, 상기 제1면에서 상기 공기 입구부로부터 상기 공기 출구부를 향한 방향으로 갈수록 물의 접촉각이 증가하도록 형성된 기체 확산층을 포함하고, 상기 기체 확산층은, 상기 제1면에서 상기 공기 입구부를 포함하여 미리 설정된 제1설정 넓이만큼 구획되고, 친수성 소재가 증착 형성된 친수성 영역과, 상기 제1면에서 상기 친수성 영역으로부터 설정 거리만큼 이격되고, 상기 공기 출구부를 포함하여 미리 설정된 제2설정 넓이만큼 구획되며, 소수성 소재를 포함하여 형성되어 상기 친수성 영역보다 상기 접촉각이 크게 형성된 소수성 영역을 포함한다. In the gas diffusion layer of the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, the first surface is opposed to the air flow path of the cathode plate, the second surface is disposed to face the membrane electrode assembly, and air is introduced from the first surface The inlet and the air outlet from which air is discharged are provided to be spaced apart from each other, and a gas diffusion layer is formed so that the contact angle of water increases from the air inlet to the air outlet from the first surface, the gas diffusion layer comprising: , The first surface is partitioned by a predetermined first area including the air inlet portion, and a hydrophilic region formed by deposition of a hydrophilic material, and spaced apart from the hydrophilic region by a predetermined distance on the first surface, the air outlet portion It includes a hydrophobic region that is partitioned by a preset second preset area, and is formed of a hydrophobic material so that the contact angle is greater than that of the hydrophilic region.
상기 소수성 영역은, 상기 공기 유로의 방향을 따라 상기 소수성 소재의 함유율이 점차 증가하여 상기 접촉각이 점차 증가하도록 형성된다.The hydrophobic region is formed such that the content of the hydrophobic material is gradually increased along the direction of the air flow path so that the contact angle is gradually increased.
상기 소수성 영역은, 상기 공기 출구부에 가까운 영역일수록 상기 소수성 소재의 함유율이 증가하여 상기 접촉각이 점차 증가하도록 형성된다.The hydrophobic region is formed so that the content of the hydrophobic material increases as the region near the air outlet portion increases, so that the contact angle gradually increases.
상기 제2면에서 상기 공기 입구부로부터 상기 공기 출구부를 향한 방향으로 갈수록 상기 접촉각이 증가하도록 형성된다.The second surface is formed to increase the contact angle from the air inlet to the air outlet.
상기 기체 확산층의 기공률은 상기 공기 입구부에서 상기 공기 출구부까지 일정하게 형성된다.The porosity of the gas diffusion layer is uniformly formed from the air inlet to the air outlet.
상기 친수성 소재는 티타늄옥사이드를 포함한다.The hydrophilic material includes titanium oxide.
상기 소수성 소재는, 5wt% 이상의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함한다. The hydrophobic material includes 5 wt% or more of polytetrafluoroethylene (PTFE).
본 발명의 다른 측면에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층은, 제1면이 공기극 플레이트의 공기 유로에 대향되고, 제2면이 막 전극 어셈블리에 대향되게 배치되고, 상기 제1면에서 공기가 유입되는 공기 입구부와 공기가 배출되는 공기 출구부가 대각선 방향으로 서로 이격되게 구비되고, 상기 제1면에서 상기 공기 입구부로부터 상기 공기 출구부를 향한 방향으로 갈수록 물의 접촉각이 증가하도록 형성된 기체 확산층을 포함하고, 상기 기체 확산층은, 상기 제1면에서 상기 공기 입구부를 포함하여 미리 설정된 제1설정 넓이만큼 구획되고, 친수성 소재가 증착 형성되어 제1접촉각을 가지도록 형성된 친수성 영역과, 상기 제1면에서 상기 친수성 영역으로부터 설정 거리만큼 이격되고, 상기 공기 출구부를 포함하여 미리 설정된 제2설정 넓이만큼 구획되며, 소수성 소재를 포함하여 형성되어 상기 친수성 영역의 상기 제1접촉각보다 큰 제3접촉각을 가지도록 형성된 소수성 영역과, 상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이에 배치되어 상기 제1접촉각보다 크고 상기 제3접촉각보다 작은 제2접촉각을 가지도록 형성된 중간 영역을 포함하고, 상기 소수성 영역은, 상기 공기 출구부에 가까운 영역일수록 상기 소수성 소재의 함유율이 증가하여 상기 접촉각이 점차 증가하도록 형성되고, 상기 친수성 소재는 티타늄옥사이드를 포함하고, 상기 소수성 소재는, 5 ~ 40wt%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하고, 상기 기체 확산층은, 상기 공기극 플레이트에 대향되는 기체 확산 지지층과, 상기 막 전극 어셈블리에 대향되는 다공성 박층을 포함하고, 상기 다공성 박층의 기공률은 상기 공기 입구부에서 상기 공기 출구부까지 일정하게 형성된다.In the gas diffusion layer of the polymer electrolyte membrane fuel cell according to another aspect of the present invention, the first surface is opposed to the air flow path of the cathode plate, the second surface is disposed to face the membrane electrode assembly, and the air from the first surface is A gas diffusion layer formed so that the inlet air inlet and the air outlet air outlet are diagonally spaced apart from each other, and the contact angle of water increases from the air inlet to the air outlet in the first surface. and, the gas diffusion layer is partitioned by a preset first width including the air inlet on the first surface, and a hydrophilic region formed by depositing a hydrophilic material to have a first contact angle, and in the first surface It is spaced apart from the hydrophilic region by a preset distance, is divided by a preset second preset area including the air outlet, and is formed to include a hydrophobic material to have a third contact angle greater than the first contact angle of the hydrophilic region. a hydrophobic region and an intermediate region disposed between the hydrophilic region and the hydrophobic region to have a second contact angle greater than the first contact angle and smaller than the third contact angle, wherein the hydrophobic region is at the air outlet portion The closer the region is, the more the content of the hydrophobic material increases, so that the contact angle gradually increases, the hydrophilic material includes titanium oxide, and the hydrophobic material contains 5 to 40 wt% of polytetrafluoroethylene (PTFE) and the gas diffusion layer includes a gas diffusion support layer facing the cathode plate and a thin porous layer facing the membrane electrode assembly, and the porosity of the thin porous layer is constant from the air inlet to the air outlet. do.
본 발명에 따른 고분자 전해질막의 기체 확산층은, 면내에서 반응물과 생성물의 농도 변화를 고려하여 공기 입구부에서 공기 출구부를 향한 방향으로 갈수록 반응 생성물인 물의 접촉각이 증가하도록 형성됨으로써, 연료전지의 성능이 보다 향상될 수 있다.The gas diffusion layer of the polymer electrolyte membrane according to the present invention is formed so that the contact angle of the reaction product water increases from the air inlet to the air outlet in consideration of the change in the concentration of the reactant and the product in the plane, thereby improving the performance of the fuel cell. can be improved
또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 기체 확산층에서 공기 입구부와 가까운 영역은 친수성 소재를 증착시킴으로써, 다른 영역에 비해 접촉각이 상대적으로 작아져서 반응 생성물이 물 보유 기능을 향상시켜 저가습조건에서도 전해질막이 잘 수화될 수 있다.In addition, in the gas diffusion layer according to the present invention, by depositing a hydrophilic material in the region close to the air inlet in the gas diffusion layer, the contact angle is relatively small compared to other regions, so that the reaction product improves the water retention function, so that the electrolyte membrane is formed even under low humidity conditions. Can be well hydrated.
또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 기체 확산층에서 공기 출구부와 가까운 영역은 소수성 소재를 포함시켜 형성함으로써, 다른 영역에 비해 접촉각이 상대적으로 커져서 반응 생성물인 물의 농도가 높더라도 물이 용이하게 배출될 수 있다. In addition, in the gas diffusion layer according to the present invention, the area close to the air outlet in the gas diffusion layer is formed by including a hydrophobic material, so that the contact angle is relatively large compared to other areas, so that water can be easily discharged even if the concentration of water, which is the reaction product, is high. can
또한, 본 발명에 따른 기체 확산층은 기공률은 균일하게 유지하되, 물의 접촉각만 다르게 형성함으로써, 기공률을 변화시키는 경우보다 제조가 보다 용이하면서도 물 보유 기능과 물 배출 기능을 모두 확보할 수 있는 이점이 있다.In addition, the gas diffusion layer according to the present invention maintains a uniform porosity, but by forming only a different contact angle of water, it is easier to manufacture than when the porosity is changed, and there is an advantage in that both the water retention function and the water discharge function can be secured. .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층을 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층의 면내 접촉각 구배를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층의 면내 접촉각 구배의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층의 면내 접촉각 구배의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.1 is a side view showing a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an in-plane contact angle gradient of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing another example of an in-plane contact angle gradient of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing another example of an in-plane contact angle gradient of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 면내 접촉각 구배가 있는 기체확산층에 대해 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a gas diffusion layer having an in-plane contact angle gradient according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층을 나타낸 측면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층의 면내 접촉각 구배를 나타낸 도면이다.1 is a side view showing a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention. 2 is a view showing an in-plane contact angle gradient of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 기체 확산층(30)은, 공기극 플레이트(10)와 막 전극 어셈블리(20)사이에 배치된다.1 and 2 , the
상기 기체 확산층(30)의 제1면(30a)은 상기 공기극 플레이트(10)의 공기 유로(11)에 대향되도록 배치되고, 제2면(30b)은 상기 막 전극 어셈블리(30)에 대향되게 배치된다. The
상기 기체 확산층(30)은 기체 확산 지지층(31)과 다공성 박층(32)이 두께 방향으로 적층되어 형성된다. 상기 기체 확산 지지층(31)은 탄소섬유를 포함하여 형성되고, 상기 다공성 박층(32)은 탄소 분말을 포함하여 형성된다. The
상기 기체 확산층(30)에서 상기 제1면(30a)과 상기 제2면(30b) 중 적어도 하나의 면은 면 내에서 반응 생성물인 물의 접촉각(θc, Contact angle) 구배를 가지도록 형성된다. 이하, 본 실시예에서는 공기와 접촉되는 상기 제1면(30a)에서 반응 생성물인 물의 농도가 보다 중요하므로 상기 제1면(30a)이 물의 접촉각 구배를 가지도록 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제2면(30b)에서도 공기의 유동 방향을 따라 접촉각이 증가하도록 형성되는 것도 물론 가능하다.In the
상기 기체 확산층(30)은, 공기 유로 방향을 따라 상기 접촉각만 변화하고, 기공률은 균일하게 형성된다. 따라서, 기공률을 변화시키는 경우에 비해 제조가 보다 용이하다. In the
상기 제1면(30a)에는 공기가 유입되는 공기 입구부(33)와 공기가 배출되는 공기 출구부(34)가 구비된다. 상기 공기 입구부(33)와 상기 공기 출구부(34)는, 상기 제1면(30a)에서 대각선 방향으로 서로 이격되게 배치된다. The
상기 기체 확산층(30)은, 상기 제1면(30a)내에서 상기 공기 입구부(33)로부터 상기 공기 출구부(34)를 향한 방향으로 갈수록 물의 접촉각(θc)이 증가하도록 형성된다. 즉, 두께 방향이 아닌 동일 평면 상에서(in-plane) 접촉각(θc)이 증가하도록 형성된다.The
상기 기체 확산층(30)은, 친수성 영역(100), 중간 영역(200) 및 소수성 영역(300)으로 구획된다.The
상기 친수성 영역(100)은, 상기 제1면(30a)에서 상기 공기 입구부(33)를 포함하여 미리 설정된 제1설정 넓이만큼 구획되고, 친수성 소재가 증착 형성된 영역이다. 상기 제1설정 넓이는 종래의 기체 확산층을 대상으로 한 실험을 통해 물의 농도가 제1설정 농도 미만인 넓이로 설정될 수 있다. 물의 농도가 상기 제1설정 농도 미만이면, 전해질막이 충분히 수화되지 않아 저항이 커서 상대적으로 적은 전류가 생산되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 친수성 영역(100)은 수화 정도를 향상시켜 물의 농도가 상기 제1설정 농도 이상이 되도록 할 수 있다. The
상기 친수성 소재는 티타늄옥사이드(TiO2)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 이외에 다른 친수성 소재를 사용하는 것도 물론 가능하다. The hydrophilic material is described as including titanium oxide (TiO 2 ), but is not limited thereto, and it is of course possible to use other hydrophilic materials in addition to this.
상기 친수성 소재는, 원자층 증착(ALD,Atomic Layer Deposition)방법이나 화학기상증착(CVD,Chemical Vapor Deposition)방법을 이용해 증착시킬 수 있다. The hydrophilic material may be deposited using an atomic layer deposition (ALD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method.
상기 친수성 영역(100)은, 상기 친수성 소재를 증착시켜 물의 접촉각이 제1접촉각(θc1)이도록 형성된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 친수성 영역(100)내에서도 상기 접촉각이 구배를 가지도록 형성되는 것도 물론 가능하다. The
도 2를 참조하면, 상기 공기 입구부(33)와 가장 가까운 영역인 상기 친수성 영역(100)의 상기 제1접촉각(θc1)을 100%로 표시하였다. 상기 물의 접촉각이 작을수록 표면에 물을 보유하는 특성이 강하기 때문에, 저가습조건에서 상기 공기 입구부(33)와 가까운 상기 친수성 영역(100)에서 전해질막이 충분히 수화될 수 있다. Referring to FIG. 2 , the first contact angle θ c1 of the
상기 중간 영역(200)은, 상기 친수성 영역(100)과 상기 소수성 영역(300) 사이에 구획된 영역이고, 친수성 처리나 소수성 처리가 되지 않은 영역이다. 상기 중간 영역(200)의 넓이는 상기 친수성 영역(100)과 상기 소수성 영역(300)의 넓이에 따라 정해질 수 있으며, 상기 중간 영역(200)이 존재하지 않는 것도 가능하다.The
상기 중간 영역(200)은, 상기 친수성 소재가 증착되지 않으므로, 상기 중간 영역(200)의 제2접촉각(θc2)은 상기 친수성 영역(100)의 제1접촉각(θc1)보다 크다. Since the hydrophilic material is not deposited in the
여기서는, 상기 친수성 영역(100)에서 상기 중간 영역(200)으로 갈수록 접촉각의 증가율은 30%인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 수화 특성이나 전류 생산 정도에 따라 조절 가능하다. Herein, the increase rate of the contact angle from the
도 2를 참조하면, 상기 중간 영역(200)의 상기 제2접촉각(θc2)을 130%로 표시하였다. Referring to FIG. 2 , the second contact angle θ c2 of the
상기 소수성 영역(300)은, 상기 제1면(30a)에서 상기 친수성 영역(100)으로부터 설정 거리만큼 이격되고, 상기 공기 출구부(34)를 포함하여 미리 설정된 제2설정 넓이만큼 구획된 영역이다. 상기 제2설정 넓이는 종래의 기체 확산층을 대상으로 한 실험을 통해 물의 농도가 제2설정 농도 이상인 넓이로 설정될 수 있다. 상기 공기 출구부(34)와 가까운 영역에서 반응물의 농도는 작으나 물의 농도가 상기 제2설정 농도 이상이면, 물은 반응물이 전해질막 쪽으로 확산되는 것이 방해할 수 있고, 반응물의 확산이 원활이 이루어지지 못하면 저항이 증가되어 전류 생산이 저하될 수 있다. 상기 소수성 영역(300)은 물의 배출을 용이하게 하여, 물의 농도를 사익 제2설정 농도 미만으로 낮출 수 있다. The
상기 소수성 영역(300)은, 소수성 소재를 포함하여 형성되어, 상기 친수성 영역(100)과 상기 중간 영역(200)보다 물의 접촉각(θc)이 크게 형성된 영역이다.The
상기 기체 확산층(30)의 제조시 상기 소수성 영역(300)에 해당되는 부분에만 상기 소수성 소재를 혼합하여, 상기 소수성 영역(300)의 접촉각을 변화시킬 수 있다. 상기 기체 확산층(30)은 탄소 섬유나 탄소 분말로 형성되는 바, 이에 상기 소수성 소재로 5wt% 이상의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 혼합할 수 있다. 본 실시예에서는 폴리테트라플루오로에틸렌은 5 ~ 40wt% 범위로 사용된 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 소수성 소재는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌 이외의 다른 소재를 사용하는 것도 가능하다. When the
상기 폴리테트라플루오로에틸렌의 첨가 비율을 조절하여, 상기 소수성 영역(300)의 접촉각(θc)을 변화시킬 수 있다. 상기 폴리테트라플루오로에틸렌의 첨가 비율이 증가할 수록 상기 접촉각(θc)이 증가하여 소수성이 증대될 수 있다. By adjusting the addition ratio of the polytetrafluoroethylene, the contact angle θc of the
상기 소수성 영역(300)은, 상기 공기 유로(11)의 방향을 따라 상기 소수성 소재의 함유율이 점차 증가하여 상기 접촉각(θc)이 점차 증가하도록 형성되는 것도 가능하고, 상기 소수성 영역(300)내에서는 상기 접촉각(θc)이 일정하게 형성되는 것도 가능하다. The
이하, 본 실시예에서는, 상기 소수성 영역(300)에 접촉각(θc)은 제3접촉각(θc3)으로 일정하게 설정된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 소수성 영역(300)의 상기 제3접촉각(θc3)은, 상기 중간 영역(200)의 제2접촉각(θc2)보다 크다. Hereinafter, in the present embodiment, the contact angle θc in the
도 2를 참조하면, 상기 소수성 영역(300)의 상기 제3접촉각(θc3)을 160%로 표시하였다. 상기 중간 영역(200)에서 상기 소수성 영역(300)으로 접촉각의 증가율은 30%인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 수화 특성이나 전류 생산 정도에 따라 조절 가능하다. Referring to FIG. 2 , the third contact angle θ c3 of the
상기 물의 접촉각이 클수록 표면으로부터 물을 배출하는 특성이 강하기 때문에, 전해질 막으로 반응물의 확산이 보다 잘 이루어질 수 있게 되어 상기 공기 출구부(34)측에서 반응물의 농도 감소로 인한 성능 저하가 방지될 수 있다. Since the larger the contact angle of the water, the stronger the property of discharging water from the surface, the better the diffusion of the reactant into the electrolyte membrane can occur, and thus the performance degradation due to the decrease in the concentration of the reactant at the
한편, 상기 실시예에서는, 상기 소수성 영역(300)에서만 공기 유로의 방향을 따라 상기 소수성 소재의 함량이 증가하게 형성된 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 친수성 영역(100)에도 상기 소수성 소재가 포함될 수 있으며, 상기 친수성 영역(100)에 포함된 소수성 소재의 함량은 상기 소수성 영역(300)에 포함된 소수성 소재의 함량보다 적게 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 친수성 영역(100)에는 상기 소수성 소재의 함량이 5wt% 이하로 포함되는 것도 가능하다. Meanwhile, in the above embodiment, it has been described as an example that the content of the hydrophobic material is formed to increase in the direction of the air passage only in the
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층의 면내 접촉각 구배의 다른 예를 나타낸 도면이다.Meanwhile, FIG. 3 is a view showing another example of an in-plane contact angle gradient of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 상기 기체 확산층(30)이 서로 접촉각(θc)이 다른 5개의 제1,2,3,4,5영역(A1~A5)으로 구획될 수도 있다. Referring to FIG. 3 , the
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 기체 확산층(30)에서 상기 접촉각(θc)이 다르게 형성된 영역의 개수나 크기는 다양하게 조절 가능하다.However, the present invention is not limited thereto, and the number and size of regions in the
상기 제1,2,3,4,5영역(A1~A5) 중에서 상기 공기 입구부(33)에 가까워질수록 상기 접촉각(θc)이 점차 작아지며, 상기 공기 출구부(34)에 가까워질수록 상기 접촉각(θc)이 커지도록 형성된다. Among the first, second, third, and fourth regions A1 to A5, the closer to the
예를 들어, 상기 제1,2,3,4,5영역(A1~A5)역 중에서 상기 공기 입구부(33)에 가장 가까운 영역인 상기 제1영역(A1)에는 상기 친수성 소재를 증착시켜, 상기 제1영역(A1)의 제1접촉각(θc1)을 가장 작아지도록 할 수 있다. 여기서, 상기 제1접촉각(θc1)을 100%로 표시하였다. For example, by depositing the hydrophilic material in the first area A1, which is the area closest to the
상기 제1,2,3,4,5영역(A1~A5)영역 중에서 상기 제1영역(A1)을 제외한 나머지 상기 제2,3,4,5영역(A2~A5)은 상기 소수성 소재를 첨가하여 형성하되, 상기 공기 출구부(34)에 가까울수록 상기 소수성 소재의 함유율을 증가하여 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제2,3,4,5(A2~A5)영역은 상기 공기 출구부(34)에 가까울수록 상기 접촉각(θc)이 점차 증가할 수 있다. 여기서, 상기 제2영역(A2)의 상기 제2접촉각(θc2)은 115%, 상기 제3영역(A3)의 상기 제3접촉각(θc3)은 130%, 상기 제4영역(A4)의 상기 제4접촉각(θc4)은 145%, 상기 제5영역(A5)의 상기 제5접촉각(θc5)은 160%인 것으로 예를 들어 설명한다. Among the first, second, third, and fourth regions (A1 to A5), the remaining second, 3, 4, and 5 regions (A2 to A5) except for the first region (A1) include the hydrophobic material. However, it can be formed by increasing the content of the hydrophobic material as it is closer to the
상기 접촉각(θc)은 15%씩 증가하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 증가 비율은 다르게 조절 가능하며, 영역별로 증가 비율이 달라지도록 조절하는 것도 물론 가능하다. The contact angle θc has been described as an example of increasing by 15%, but the present invention is not limited thereto, and the increase rate can be adjusted differently, and of course it is also possible to adjust the increase rate to vary for each region.
상기에서는, 상기 소수성 소재의 비율을 조절하여 접촉각을 다르게 한 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 친수성 소재의 증착 정도를 조절하여 접촉각을 다르게 하는 것도 물론 가능하다. In the above, it has been described as an example that the contact angle is different by adjusting the ratio of the hydrophobic material, but it is not limited thereto, and it is of course possible to change the contact angle by adjusting the deposition degree of the hydrophilic material.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층의 면내 접촉각 구배의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.Meanwhile, FIG. 4 is a view showing another example of an in-plane contact angle gradient of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 기체 확산층(30)이 상기 공기 유로의 방향을 따라 서로 접촉각(θc)이 다른 9개의 제1~9영역(B1~B9)으로 구획될 수도 있다. Referring to FIG. 4 , the
즉, 상기 기체 확산층(30)은 복수의 행렬로 구획될 수 있으며, 여기서는 3행 3열로 구획되어 총 9개의 영역들로 구획된 것으로 예를 들어 설명한다.That is, the
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 기체 확산층(30)에서 상기 접촉각(θc)이 다르게 형성된 영역의 개수나 크기는 다양하게 조절 가능하다.However, the present invention is not limited thereto, and the number and size of regions in the
상기 제1~9영역(B1~B9)은, 상기 공기 입구부(33)에 가까워질수록 상기 접촉각(θc)이 점차 작아지며, 상기 공기 출구부(34)에 가까워질수록 상기 접촉각(θc)이 커지도록 형성된다. In the first to ninth regions B1 to B9, the contact angle θc gradually decreases as it approaches the
상기 제1~9영역(B1~B9) 중에서 동일한 제1행에 배치된 상기 제1,2,3영역(B1,B2,B3)의 접촉각(θc1,θc2,θc3)도 서로 다르게 형성된다. 상기 제1,2,3영역(B1,B2,B3)은 상기 공기 유로의 방향을 따라 접촉각이 점차 커지게 형성된다. The contact angles θ c1 , θ c2 , and θ c3 of the first, second, and third regions B1 , B2 and B3 arranged in the same first row among the first to ninth regions B1 to B9 are also formed differently. do. The contact angles of the first, second, and third regions B1, B2, and B3 are gradually increased along the direction of the air flow path.
또한, 상기 제1~9영역(B1~B9) 중에서 동일한 제2행에 배치된 상기 제4,5,6영역(B4,B5,B6)의 접촉각(θc4,θc5,θc6)은 상기 제1행의 접촉각보다는 크고, 상기 제4,5,6영역(B4,B5,B6)의 접촉각(θc4,θc5,θc6)은 서로 다르게 형성된다. 상기 제4,5,6영역(B4,B5,B6)의 접촉각(θc4,θc5,θc6)은 상기 공기 유로의 방향을 따라 접촉각이 점차 커지게 형성된다. In addition, the contact angles θ c4 , θ c5 , θ c6 of the 4,5 and 6th regions B4 , B5 , and B6 arranged in the same second row among the first to ninth regions B1 to B9 are It is larger than the contact angle of the first row, and the contact angles θ c4 , θ c5 , θ c6 of the fourth, fourth, and sixth regions B4 , B5 and B6 are formed differently. The contact angles θ c4 , θ c5 , and θ c6 of the fourth, fourth, and sixth regions B4 , B5 and B6 are formed to gradually increase in contact angle along the direction of the air flow path.
또한, 상기 제1~9영역(B1~B9) 중에서 동일한 제3행에 배치된 상기 제7,8,9영역(B7,B8,B9)의 접촉각(θc7,θc8,θc9)은 상기 제2행의 접촉각보다는 크고, 상기 제7,8,9영역(B7,B8,B9)의 접촉각(θc7,θc8,θc9)은 서로 다르게 형성된다. 상기 제7,8,9영역(B7,B8,B9)의 접촉각(θc7,θc8,θc9)은 상기 공기 유로의 방향을 따라 접촉각이 점차 커지게 형성된다. In addition, the contact angles θ c7 , θ c8 , θ c9 of the 7th, 8th, and 9th regions B7, B8 and B9 arranged in the same third row among the 1st to 9th regions B1 to B9 are It is larger than the contact angle of the second row, and the contact angles θ c7 , θ c8 , and θ c9 of the seventh, eighth, and ninth regions B7 , B8 and B9 are formed to be different from each other. The contact angles θ c7 , θ c8 , and θ c9 of the seventh, eighth, and ninth regions B7 , B8 and B9 are formed to gradually increase in the direction of the air flow path.
상기 제1~9영역(B1~B9)은 친수성 소재의 증착 정도와 소수성 소재의 함유율중 적어도 하나를 다르게 하여, 접촉각을 서로 다르게 형성할 수 있다. The first to ninth regions B1 to B9 may have different contact angles by varying at least one of the deposition degree of the hydrophilic material and the content of the hydrophobic material.
또한, 상기 제1~9영역(B1~B9) 중 적어도 일부는 친수성 소재가 증착되고 소수성 소재도 함유될 수 있다. 이 때, 상기 소수성 소재의 함량은 상기 공기 유로의 방향을 따라 점차 증가하게 설정된다.In addition, at least a portion of the first to ninth regions B1 to B9 may have a hydrophilic material deposited thereon and may also contain a hydrophobic material. At this time, the content of the hydrophobic material is set to gradually increase along the direction of the air flow path.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 공기극 플레이트 20: 막 전극 어셈블리
30: 기체 확산층 31: 기체 확산 지지층
32: 다공성 박층 100: 친수성 영역
200: 중간 영역 300: 소수성 영역10: cathode plate 20: membrane electrode assembly
30: gas diffusion layer 31: gas diffusion support layer
32: porous thin layer 100: hydrophilic region
200: middle region 300: hydrophobic region
Claims (8)
상기 기체 확산층은,
상기 제1면에서 상기 공기 입구부를 포함하여 미리 설정된 제1설정 넓이만큼 구획되고, 친수성 소재가 증착 형성된 친수성 영역과,
상기 제1면에서 상기 친수성 영역으로부터 설정 거리만큼 이격되고, 상기 공기 출구부를 포함하여 미리 설정된 제2설정 넓이만큼 구획되며, 소수성 소재를 포함하여 형성되어 상기 친수성 영역보다 상기 접촉각이 크게 형성된 소수성 영역을 포함하고,
상기 기체 확산층은,
상기 공기극 플레이트에 대향되는 기체 확산 지지층과,
상기 막 전극 어셈블리에 대향되는 다공성 박층을 포함하고,
상기 다공성 박층의 기공률은 상기 공기 입구부에서 상기 공기 출구부까지 일정하게 형성되고,
상기 소수성 영역은,
상기 공기 유로의 방향을 따라 상기 소수성 소재의 함유율이 점차 증가하여 상기 접촉각이 점차 증가하도록 형성된 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층The first surface is opposed to the air flow path of the cathode plate, the second surface is disposed to be opposite to the membrane electrode assembly, and the air inlet through which air is introduced and the air outlet through which air is discharged are spaced apart from each other. and a gas diffusion layer formed to increase hydrophobicity by increasing a contact angle of water from the air inlet to the air outlet on the first surface,
The gas diffusion layer,
a hydrophilic region partitioned by a preset first preset area including the air inlet on the first surface and formed by depositing a hydrophilic material;
A hydrophobic region that is spaced apart from the hydrophilic region by a set distance on the first surface, is partitioned by a preset second preset area including the air outlet, and is formed including a hydrophobic material so that the contact angle is greater than that of the hydrophilic region. including,
The gas diffusion layer,
a gas diffusion support layer facing the cathode plate;
a porous thin layer opposite the membrane electrode assembly;
The porosity of the porous thin layer is formed uniformly from the air inlet to the air outlet,
The hydrophobic region,
The gas diffusion layer of the polymer electrolyte membrane fuel cell is formed such that the content of the hydrophobic material is gradually increased along the direction of the air flow path and the contact angle is gradually increased.
상기 기체 확산층은,
상기 제1면에서 상기 공기 입구부를 포함하여 미리 설정된 제1설정 넓이만큼 구획되고, 친수성 소재가 증착 형성된 친수성 영역과,
상기 제1면에서 상기 친수성 영역으로부터 설정 거리만큼 이격되고, 상기 공기 출구부를 포함하여 미리 설정된 제2설정 넓이만큼 구획되며, 소수성 소재를 포함하여 형성되어 상기 친수성 영역보다 상기 접촉각이 크게 형성된 소수성 영역을 포함하고,
상기 기체 확산층은,
상기 공기극 플레이트에 대향되는 기체 확산 지지층과,
상기 막 전극 어셈블리에 대향되는 다공성 박층을 포함하고,
상기 다공성 박층의 기공률은 상기 공기 입구부에서 상기 공기 출구부까지 일정하게 형성되고,
상기 소수성 영역은,
상기 공기 출구부에 가까운 영역일수록 상기 소수성 소재의 함유율이 증가하여 상기 접촉각이 점차 증가하도록 형성된 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층. The first surface is opposed to the air flow path of the cathode plate, the second surface is disposed to be opposite to the membrane electrode assembly, and the air inlet through which air is introduced and the air outlet through which air is discharged are spaced apart from each other. and a gas diffusion layer formed to increase hydrophobicity by increasing a contact angle of water from the air inlet to the air outlet on the first surface,
The gas diffusion layer,
a hydrophilic region partitioned by a preset first preset area including the air inlet on the first surface and formed by depositing a hydrophilic material;
A hydrophobic region that is spaced apart from the hydrophilic region by a set distance on the first surface, is partitioned by a preset second preset area including the air outlet, and is formed including a hydrophobic material so that the contact angle is greater than that of the hydrophilic region. including,
The gas diffusion layer,
a gas diffusion support layer facing the cathode plate;
a porous thin layer opposite the membrane electrode assembly;
The porosity of the thin porous layer is formed uniformly from the air inlet to the air outlet,
The hydrophobic region,
The gas diffusion layer of the polymer electrolyte membrane fuel cell is formed such that the content of the hydrophobic material increases as the area near the air outlet increases, so that the contact angle gradually increases.
상기 제2면에서 상기 공기 입구부로부터 상기 공기 출구부를 향한 방향으로 갈수록 상기 접촉각이 증가하도록 형성된 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층.4. The method according to claim 1 or 3,
A gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell formed so that the contact angle increases from the air inlet to the air outlet on the second surface.
상기 친수성 소재는 티타늄옥사이드를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층.4. The method according to claim 1 or 3,
The hydrophilic material is a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising titanium oxide.
상기 소수성 소재는, 5wt% 이상의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층. 4. The method according to claim 1 or 3,
The hydrophobic material is a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising 5 wt% or more of polytetrafluoroethylene (PTFE).
상기 기체 확산층은,
상기 제1면에서 상기 공기 입구부를 포함하여 미리 설정된 제1설정 넓이만큼 구획되고, 친수성 소재가 증착 형성되어 제1접촉각을 가지도록 형성된 친수성 영역과,
상기 제1면에서 상기 친수성 영역으로부터 설정 거리만큼 이격되고, 상기 공기 출구부를 포함하여 미리 설정된 제2설정 넓이만큼 구획되며, 소수성 소재를 포함하여 형성되어 상기 친수성 영역의 상기 제1접촉각보다 큰 제3접촉각을 가지도록 형성된 소수성 영역과,
상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이에 배치되어, 친수성 처리나 소수성 처리가 되지 않은 영역이며, 상기 제1접촉각보다 크고 상기 제3접촉각보다 작은 제2접촉각을 가지도록 형성된 중간 영역을 포함하고,
상기 소수성 영역은, 상기 공기 출구부에 가까운 영역일수록 상기 소수성 소재의 함유율이 증가하여 상기 접촉각이 점차 증가하도록 형성되고,
상기 친수성 소재는 티타늄옥사이드를 포함하고,
상기 소수성 소재는, 5 ~ 40wt%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하고,
상기 기체 확산층은,
상기 공기극 플레이트에 대향되는 기체 확산 지지층과,
상기 막 전극 어셈블리에 대향되는 다공성 박층을 포함하고,
상기 다공성 박층의 기공률은 상기 공기 입구부에서 상기 공기 출구부까지 일정하게 형성된 고분자 전해질막 연료전지의 기체 확산층.The first surface is opposite to the air flow path of the cathode plate, the second surface is disposed to be opposite to the membrane electrode assembly, and the air inlet part through which air is introduced and the air outlet part through which air is discharged are diagonally from each other in a diagonal direction. A gas diffusion layer provided to be spaced apart and formed to increase hydrophobicity by increasing a contact angle of water from the air inlet to the air outlet on the first surface,
The gas diffusion layer,
a hydrophilic region partitioned by a preset first width including the air inlet on the first surface and formed by depositing a hydrophilic material to have a first contact angle;
A third spaced apart from the hydrophilic region by a preset distance on the first surface, divided by a preset second preset width including the air outlet, and formed including a hydrophobic material, which is larger than the first contact angle of the hydrophilic region A hydrophobic region formed to have a contact angle;
It is disposed between the hydrophilic region and the hydrophobic region, is a region that is not subjected to hydrophilic treatment or hydrophobic treatment, and includes an intermediate region formed to have a second contact angle greater than the first contact angle and smaller than the third contact angle;
The hydrophobic region is formed such that the content of the hydrophobic material increases as the region close to the air outlet increases, so that the contact angle gradually increases,
The hydrophilic material includes titanium oxide,
The hydrophobic material contains 5 to 40 wt% of polytetrafluoroethylene (PTFE),
The gas diffusion layer,
a gas diffusion support layer facing the cathode plate;
a porous thin layer opposite the membrane electrode assembly;
The porosity of the porous thin layer is a gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell formed uniformly from the air inlet to the air outlet.
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