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KR20210036029A - Gas diffusion layer, electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell using the same - Google Patents

Gas diffusion layer, electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell using the same Download PDF

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Publication number
KR20210036029A
KR20210036029A KR1020190117926A KR20190117926A KR20210036029A KR 20210036029 A KR20210036029 A KR 20210036029A KR 1020190117926 A KR1020190117926 A KR 1020190117926A KR 20190117926 A KR20190117926 A KR 20190117926A KR 20210036029 A KR20210036029 A KR 20210036029A
Authority
KR
South Korea
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gas diffusion
diffusion layer
layer
microporous layer
microporous
Prior art date
Application number
KR1020190117926A
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Korean (ko)
Inventor
김상욱
김남훈
임정혁
임태혁
신규순
김태윤
Original Assignee
주식회사 동진쎄미켐
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Provided are a gas diffusion layer controlling an impregnation depth deviation of a microporous layer impregnated in a carbon substrate, and an electrode, a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the same, wherein the gas diffusion layer includes a carbon substrate and a microporous layer formed on the carbon substrate.

Description

기체확산층, 이를 이용한 전극, 막-전극 접합체, 및 연료전지{GAS DIFFUSION LAYER, ELECTRODE, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, AND FUEL CELL USING THE SAME}Gas diffusion layer, electrode using the same, membrane-electrode assembly, and fuel cell {GAS DIFFUSION LAYER, ELECTRODE, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, AND FUEL CELL USING THE SAME}

본 발명은 기체확산층, 이를 이용한 전극, 막-전극 접합체, 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion layer, an electrode using the same, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell.

연료전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.A fuel cell is configured as a power generation system that converts the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based fuel and oxygen separately supplied into electrical energy.

이러한 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 인산형, 용융 탄산염형, 고체 산화물형, 알칼리 수용액형 등으로 구분될 수 있다.Such a fuel cell may be classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, and an aqueous alkali solution type.

이 중에서 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮고(25℃ ~ 120℃) 효율이 높으며, 전류 밀도 및 출력 밀도가 크고, 기동/정지 시간이 짧으며, 부하 변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.Among them, the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has a lower operating temperature (25℃ ~ 120℃) and higher efficiency than other types of fuel cells, has higher current density and power density, short start/stop time, and load. It has a characteristic that responds quickly to changes.

고분자 전해질막 연료전지는 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하는 바, 통상 전해질막을 중심으로 그 양면에 연료극 및 공기극을 위한 촉매층이 위치된 상태를 3-Layer MEA라 칭하며, 상기 촉매층의 바깥쪽 부분에 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)이 더 적층된 상태를 5-Layer MEA라 칭한다.In a polymer electrolyte membrane fuel cell, a membrane-electrode assembly (MEA), which is a major component, is located at the innermost part. It is referred to as -Layer MEA, and a state in which a gas diffusion layer (GDL) is further stacked on the outer portion of the catalyst layer is referred to as a 5-layer MEA.

막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 고분자 전해질막 연료전지의 핵심 부품으로서 상기 막-전극 접합체에서 연료의 산화와 환원을 통해 전기화학 반응이 완성되므로 상기 막-전극 접합체가 연료전지의 성능을 좌우한다. 통상적으로, 고분자 전해질형 연료전지용 전극은 전기 전도체인 탄소에 기체확산 층이라 불리는 미세 기공층을 만들고, 상기 기체확산층 상에 백금 촉매와 수소이온 전도성 바인더 및 용매로 구성된 촉매 슬러리를 도포하여 제조한다. Membrane Electrode Assembly (MEA) is a core component of a polymer electrolyte membrane fuel cell, and since the electrochemical reaction is completed through the oxidation and reduction of fuel in the membrane-electrode assembly, the membrane-electrode assembly is the performance of the fuel cell. Influence. Typically, a polymer electrolyte fuel cell electrode is manufactured by forming a fine pore layer called a gas diffusion layer on carbon, which is an electric conductor, and coating a catalyst slurry composed of a platinum catalyst, a hydrogen ion conductive binder, and a solvent on the gas diffusion layer.

따라서, 집적 산화 환원 반응이 이루어지는 촉매층이 중요한 구성요소로 작용하지만 이러한 산화 환원 반응도 연료가 원활하게 공급 되었을 때 최적의 성능이 보장되기 때문에 연료의 공급과 반응 시 생긴 가스를 원활하게 배출해 주는 기체확산층도 중요하다. Therefore, although the catalyst layer in which the integrated redox reaction is performed acts as an important component, the gas diffusion layer that smoothly discharges the gas generated during the supply of fuel and the reaction is also available because the optimum performance is guaranteed when fuel is supplied smoothly in this redox reaction. It is important.

특히, 수송용 및 건물용 시스템은 무가습 및 고압 환경에서 개발을 지향하고 있으며 그 환경에 적합한 기체확산층 개발이 필요하다. 그러나, 종래 사용되는 기체확산층은 저가습 및 고압환경에서는 급격한 성능 저하 및 막 내구성 감소가 일어나는 한계가 있었다. In particular, transportation and building systems are aimed at development in a non-humidified and high-pressure environment, and development of a gas diffusion layer suitable for the environment is required. However, the gas diffusion layer used in the prior art has limitations in which rapid performance degradation and film durability decrease in low humidity and high pressure environments.

이에, 저가습 및 고압의 환경에서 높은 출력 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 기체확산층의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need to develop a gas diffusion layer capable of improving high output performance and durability in an environment of low humidity and high pressure.

본 발명의 한 측면에 따르면 저가습 및 고압의 환경에서 높은 출력 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 기체확산층을 제공하는 것이다.According to an aspect of the present invention, a gas diffusion layer capable of improving high output performance and durability in an environment of low humidity and high pressure is provided.

본 발명의 다른 한 측면은 상기 기체확산층을 포함한 전극을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide an electrode including the gas diffusion layer.

본 발명의 다른 한 측면은 상기 기체확산층을 포함한 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly including the gas diffusion layer.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 기체확산층을 포함한 연료전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell including the gas diffusion layer.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 탄소 기재; 및 상기 탄소 기재상에 형성된 미세다공층;을 포함하고, 하기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도가 0.65 이상 0.9 이하인, 기체확산층이 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a carbon substrate; And a microporous layer formed on the carbon substrate, and having an average impregnation degree of the microporous layer according to Equation 1 below 0.65 or more and 0.9 or less, may be provided.

[수학식1][Equation 1]

미세다공층의 평균함침도 = (미세다공층의 최대함침깊이(LMax) + 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)) / 2(기체확산층 두께(LGDL))Average degree of impregnation of the microporous layer = (maximum depth of impregnation of the microporous layer (L Max ) + the minimum depth of impregnation of the microporous layer (L Min )) / 2 (thickness of the gas diffusion layer (L GDL ))

상기 수학식1에서 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최대값이며, In Equation 1, the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer is the maximum of the shortest distance from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface,

미세다공층의 최소함침깊이(LMin)는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최소값이다.The minimum impregnation depth (L Min ) of the microporous layer is the minimum of the shortest distance from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface.

본 발명자들은, 상기 일 구현예의 기체확산층이 상기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도가 0.65 이상 0.9 이하로 높은 고압 및 저가습 조건에서도 수분의 체류를 높이면서, 수직 및 수평으로의 물투과 특성을 낮추어 연료전지의 성능을 극대화시킬 수 있음을 실험을 통해 확인하고 발명을 완성하였다.The present inventors believe that the gas diffusion layer of the embodiment increases water retention even in high pressure and low humidity conditions with an average impregnation degree of the microporous layer according to Equation 1 above 0.65 and 0.9 or less, while increasing water retention in vertical and horizontal directions. It was confirmed through experiments that the performance of the fuel cell can be maximized by lowering the permeation characteristics, and the invention was completed.

구체적으로, 상기 기체 확산층은 탄소 기재를 포함할 수 있다. 상기 탄소 기재로서는 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper) 등을 사용할 수 있다. Specifically, the gas diffusion layer may include a carbon substrate. As the carbon substrate, carbon cloth, carbon paper, or the like may be used.

상기 탄소 기재는 세퍼레이터로부터 공급되는 가스를 촉매로 확산하기 위한 높은 기체확산성, 전기 화학 반응에 수반하여 생성되는 물을 세퍼레이터로 배출하기 위한 높은 배수성, 발생한 전류를 취출하기 위한 높은 도전성을 갖는 것이 필요하다. The carbon substrate needs to have high gas diffusion properties for diffusing the gas supplied from the separator to the catalyst, high drainage properties for discharging water generated by the electrochemical reaction to the separator, and high conductivity for taking out the generated current. Do.

이로 인해, 도전성을 갖고, 평균 세공 직경이 10 um 이상 1000 um 이하인 다공질 탄소 섬유 기재를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 탄소 섬유 직물, 또는 탄소 섬유 초지체 등의 탄소 섬유 부직포를 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 전해질막의 두께 방향의 치수 변화를 흡수하는 특성, 즉 「탄력성」이 우수하므로, 탄소 섬유 초지체를 탄화물로 결착하여 이루어지는 기재, 즉 「카본 페이퍼」를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 다공질 탄소 섬유 기재의 평균직경이 1000 um를 초과할 경우, 압축에 대한 변형이 잘 일어나 스택 내에 불균일한 성능 분포가 발생할 수 있다. 상기 탄소 기재는 유체 흐름을 원활하게 하기 위해 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 소수성 물질이 표면에 코팅될 수 있다.For this reason, it is preferable to use a porous carbon fiber substrate having conductivity and having an average pore diameter of 10 um or more and 1000 um or less. More specifically, it is preferable to use, for example, a carbon fiber fabric or a carbon fiber nonwoven fabric such as a carbon fiber papermaking body. Among them, since the property of absorbing the dimensional change in the thickness direction of the electrolyte membrane, that is, "elasticity" is excellent, it is preferable to use a substrate formed by binding a carbon fiber papermaking body with carbides, that is, "carbon paper". When the average diameter of the porous carbon fiber substrate exceeds 1000 um, deformation due to compression may occur, resulting in a non-uniform distribution of performance in the stack. The carbon substrate may be coated with a hydrophobic material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) on its surface to facilitate fluid flow.

또한, 상기 기체 확산층은 탄소 기재상에 형성된 미세다공층을 포함할 수 있다. 상기 미세다공층은 세퍼레이터로부터 공급되는 가스를 촉매로 확산하기 위한 높은 기체확산성, 전기 화학 반응에 수반하여 생성되는 물을 세퍼레이터로 배출하기 위한 높은 배수성, 발생한 전류를 취출하기 위한 높은 도전성을 갖는 것을 필요로 하고, 또한 전해질막으로의 수분의 역확산을 촉진하는 기능을 갖는 것이 필요하다. In addition, the gas diffusion layer may include a microporous layer formed on a carbon substrate. The microporous layer has high gas diffusion properties for diffusing the gas supplied from the separator to the catalyst, high drainage properties for discharging water generated by the electrochemical reaction to the separator, and high conductivity for taking out generated current. It is necessary, and it is also necessary to have a function of promoting the reverse diffusion of moisture into the electrolyte membrane.

이로 인해, 상기 미세다공층은 도전성을 갖고, 평균 세공 직경이 30 ㎛ 이상 100 um 이하의 다공질체인 것이 바람직하다. 상기 평균 입경이 30㎛ 미만이면 확산층 내에 형성되는 기공의 크기가 작아 연료공급 및 가스 배출이 어려울 수 있으며, 슬러리의 점도가 낮아져 슬러리 코팅 장비에의 적용이 어려울 수 있다. 상기 평균입경이 100㎛ 초과이면 간극 토출 방식인 코터의 노즐이 막힐 수 있다.For this reason, it is preferable that the microporous layer has conductivity and is a porous body having an average pore diameter of 30 µm or more and 100 µm or less. If the average particle diameter is less than 30 μm, the size of the pores formed in the diffusion layer may be small, making it difficult to supply fuel and discharge gas, and the viscosity of the slurry may be lowered, making it difficult to apply to a slurry coating equipment. If the average particle diameter exceeds 100 μm, the nozzle of the coater, which is a gap discharge method, may be clogged.

상기 미세다공층은 소수성 바인더 매트릭스 및 상기 소수성 바인더 매트릭스에 분산된 탄소 분말을 포함할 수 있다.The microporous layer may include a hydrophobic binder matrix and carbon powder dispersed in the hydrophobic binder matrix.

상기 소수성 바인더 매트릭스는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리테릴퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.The hydrophobic binder matrix is a perfluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, and a polyethersulfone-based polymer, a polyetherketone-based polymer. It may include one or more polymers selected from the group consisting of polymers, polyether-etherketone polymers, and polyterylquinoxaline polymers.

즉, 상기 소수성 바인더가 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드게 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리테릴퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 혼합물이 바람직하나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 해당 기술분야에서 사용될수 있는 소수성 고분자는 모두 포함된다.That is, the hydrophobic binder is a perfluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyethersulfone polymer, a polyether ketone polymer. Polymers, polyether-etherketone-based polymers, polyterylquinoxaline-based polymers, or mixtures thereof are preferred, but are not necessarily limited thereto, and all hydrophobic polymers that can be used in the art are included.

상기 탄소 분말로서는, 흑연, 카본 블랙, 그래핀 외에, 단층 카본 나노 튜브, 다층 카본 나노 튜브, 기상 성장 탄소 섬유 등의 카본 나노파이버, 탄소 섬유 밀드 파이버 등을 들 수 있고, 그 중에서도 카본 블랙인 것이 바람직하다.Examples of the carbon powder include graphite, carbon black, graphene, carbon nanofibers such as single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and vapor-grown carbon fibers, and carbon fiber milled fibers, among which carbon black is used. desirable.

상기 탄소 분말 100 중량부에 대하여 소수성 바인더 매트릭스 함량이 0.1 중량부 이상 40 중량부 이하일 수 있다. 상기 소수성 바인더 함량이 0.1 중량부 미만이면 확산층 제조시 카본의 결합력 약화로 표면의 균열과, 소수성 처리의 문제가 있으며, 상기 바인더 함량이 40 중량부 초과이면 전기전도 저항이 증가할 수 있다.The content of the hydrophobic binder matrix may be 0.1 parts by weight or more and 40 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the carbon powder. If the content of the hydrophobic binder is less than 0.1 parts by weight, there are problems of surface cracking and hydrophobic treatment due to weakening of the bonding force of carbon during the manufacture of the diffusion layer. If the content of the binder is more than 40 parts by weight, electrical conduction resistance may increase.

상기 기체확산층의 미세다공층 담지량이 0.5 mg/㎠ 이상 30 mg/㎠ 이하일 수 있다. 상기 기체확산층에서 미세다공층은 탄소 기재상에 담지될 수 있으며, 상기 담지량은 미세다공층이 담지되는 탄소기재의 단위 표면적 1 cm2 상에 담지된 미세다공층의 함량을 의미한다.The amount of the gas diffusion layer supported on the microporous layer may be 0.5 mg/cm 2 or more and 30 mg/cm 2 or less. In the gas diffusion layer, the microporous layer may be supported on a carbon substrate, and the loading amount means the content of the microporous layer supported on a unit surface area of 1 cm 2 of the carbon substrate on which the microporous layer is supported.

상기 미세다공층 담지량이 0.5mg/㎠ 미만이면 기체확산층에서 미세다공층 함침 두께가 5㎛ 미만이 되어 상기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도는 0.65 미만으로 감소하게 되며, 이로 인해 저가습 조건에서 수분의 체류가 낮아져, 수직 및 수평으로의 물투과 특성이 높아 저가습 성능에 불리하다. If the amount of the microporous layer supported is less than 0.5mg/cm2, the impregnating thickness of the microporous layer in the gas diffusion layer is less than 5㎛, and the average degree of impregnation of the microporous layer according to Equation 1 is reduced to less than 0.65. Retention of moisture is lowered under humidification conditions, and water permeation characteristics vertically and horizontally are high, which is disadvantageous in low humidity performance.

상기 미세다공층 담지량이 30mg/㎠ 초과이면 기체확산층에서 미세다공층 두께가 300㎛ 초과로 증가함에 따라, 상기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도는 0.9 초과로 증가하게 되며, 이로 인해 기체확산층에서 기체확산 및 수분의 플로딩(Flooding)이 발생하며, 고전류 영역에서 연료전지의 성능이 감소하게 된다.When the amount of the microporous layer supported is greater than 30mg/cm2, as the thickness of the microporous layer in the gas diffusion layer increases to more than 300㎛, the average degree of impregnation of the microporous layer according to Equation 1 increases to more than 0.9. Gas diffusion and flooding of moisture occur in the gas diffusion layer, and the performance of the fuel cell decreases in the high current region.

상기 기체확산층은 연료전지용 기체확산층일 수 있다.The gas diffusion layer may be a gas diffusion layer for a fuel cell.

상기 기체확산층은 하기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도가 0.65 이상 0.9 이하일 수 있다.The gas diffusion layer may have an average impregnation degree of the microporous layer according to Equation 1 below of 0.65 or more and 0.9 or less.

[수학식1][Equation 1]

미세다공층의 평균함침도 = (미세다공층의 최대함침깊이(LMax) + 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)) / 2(기체확산층 두께(LGDL))Average degree of impregnation of the microporous layer = (maximum depth of impregnation of the microporous layer (L Max ) + the minimum depth of impregnation of the microporous layer (L Min )) / 2 (thickness of the gas diffusion layer (L GDL ))

하기 도3에 나타난 바와 같이, 상기 수학식1에서, 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최대값이며, 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최소값이다.3, in Equation 1, the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer is from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface. It is the maximum value among the shortest distances, and the minimum impregnation depth (L Min ) of the microporous layer is the minimum value among the shortest distances from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface.

상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면은 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면과 대향하며 공기 중에 노출된 미세다공층의 일 표면을 의미한다.The outermost surface of the microporous layer facing the interface between the microporous layer and the carbon substrate means one surface of the microporous layer facing the interface between the microporous layer and the carbon substrate and exposed to the air.

상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면 상의 임의의 일 지점으로부터 미세다공층의 최외각 표면까지의 수선의 길이를 의미한다.The shortest distance from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface is from any point on the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer. It means the length of the repair.

상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리를 측정하는 방법의 예가 한정되는 것은 아니며, 종래 널리 사용되는 다양한 길이 측정기 혹은 SEM이미지 분석을 통해 측정가능하다.An example of a method of measuring the shortest distance from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface is not limited, and through various length measuring devices or SEM image analysis that are widely used in the related art. It is measurable.

상기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도는 0.65 이상 0.9 이하, 또는 0.65 이상 0.85 이하, 또는 0.65 이상 0.8 이하, 또는 0.65 이상 0.75 이하일 수 있다. The average degree of impregnation of the microporous layer according to Equation 1 may be 0.65 or more and 0.9 or less, or 0.65 or more and 0.85 or less, or 0.65 or more and 0.8 or less, or 0.65 or more and 0.75 or less.

후술하는 바와 같이, 상기 일 구현예의 기체확산층은 미세다공층 형성시의 가압조건 혹은 기체확산층에 대한 압착조건을 부가함으로서 상술한 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도는 0.65 이상 0.9 이하, 또는 0.65 이상 0.85 이하, 또는 0.65 이상 0.8 이하, 또는 0.65 이상 0.75 이하를 만족할 수 있고, 이에 따라, 고압 및 저가습 조건에서도 수분의 체류를 높이면서, 수직 및 수평으로의 물투과 특성을 낮추어 연료전지의 성능을 극대화시킬 수 있다.As will be described later, the gas diffusion layer according to the exemplary embodiment has an average degree of impregnation of the microporous layer according to Equation 1 above 0.65 or more and 0.9 or less by adding a pressing condition for forming the microporous layer or a compression condition for the gas diffusion layer, Or 0.65 or more and 0.85 or less, or 0.65 or more and 0.8 or less, or 0.65 or more and 0.75 or less can be satisfied, and accordingly, while increasing the retention of moisture even under high pressure and low humidity conditions, the vertical and horizontal water permeation characteristics are lowered to reduce the fuel cell. Can maximize the performance of.

반대로, 상기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도가 0.65 미만으로 감소하면, 개방회로 전압 상태와 저가습 조건에서 산소 라디칼/과산화수소의 전해질막 열화가 가속화되며, 특히 애노드 촉매층(22)이 저가습 상태로 장시간 유지될 경우 전해질막(21)의 열화 속도는 증가하며, 연료전지의 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 미세다공층의 평균함침도가 0.9 초과하면 저가습/고압 환경에서도 캐소드 전극의 플로딩(Flooding)이 발생하며, 고전류 영역에서 연료전지의 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있다. On the contrary, when the average impregnation degree of the microporous layer according to Equation 1 is reduced to less than 0.65, deterioration of the electrolyte membrane of oxygen radicals/hydrogen peroxide is accelerated in an open circuit voltage state and a low humidity condition, and in particular, the anode catalyst layer 22 When maintained in a low humidity state for a long time, it can be seen that the rate of deterioration of the electrolyte membrane 21 increases, and the performance of the fuel cell decreases. When the average impregnation degree of the microporous layer exceeds 0.9, it can be seen that flooding of the cathode electrode occurs even in a low humidity/high pressure environment, and the performance of the fuel cell decreases in the high current region.

보다 구체적으로, 상기 수학식1에서, 상기 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)가 200 ㎛ 이상 240 ㎛ 이하, 또는 220 ㎛ 이상 240 ㎛ 이하, 또는 230 ㎛ 이상 235 ㎛ 이하일 수 있다.More specifically, in Equation 1, the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer may be 200 µm or more and 240 µm or less, or 220 µm or more and 240 µm or less, or 230 µm or more and 235 µm or less.

또한, 상기 수학식1에서, 상기 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)가 75 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하, 또는 75 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하, 또는 100 ㎛ 이상 120 ㎛ 이하일 수 있다.In addition, in Equation 1, the minimum impregnation depth L Min of the microporous layer may be 75 µm or more and 200 µm or less, or 75 µm or more and 150 µm or less, or 100 µm or more and 120 µm or less.

또한, 상기 수학식1에서, 상기 미세다공층의 최대함침깊이(LMax) 대비 최소함침깊이(LMin)의 비율이 38 % 이상 100 % 이하, 또는 38 % 이상 90 % 이하, 또는 38 % 이상 50% 이하일 수 있다. 상기 기체확산층의 두께 대비 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)의 비율은 상기 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)를 기체확산층의 두께로 나누고 100을 곱한 값이다.In addition, in Equation 1, the ratio of the minimum impregnation depth (L Min ) to the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer is 38% or more and 100% or less, or 38% or more and 90% or less, or 38% or more. It may be less than 50%. Ratio of at least the impregnation depth (L Min) of a microporous layer over the thickness of the gas diffusion layer is divided at least impregnation depth (L Min) of the micro-porous layer having a thickness of the gas diffusion layer is a value obtained by multiplying by 100.

즉, 상기 기체확산층 내에서 미세다공층은 전체적으로 일정한 함침수준을 나타내는 것이 아니라, 하기 도3에 나타난 바와 같이, 최대함침깊이와 최소함침깊이의 편차가 커서 평균적인 함침도가 증가되어 있으며, 이는 후술하는 바와 같이, 상기 일 구현예의 기체확산층은 미세다공층 형성시의 가압조건 혹은 기체확산층에 대한 압착조건을 부가함에 따른 것이다.That is, the microporous layer in the gas diffusion layer does not show a uniform level of impregnation as a whole, but as shown in FIG. 3 below, the difference between the maximum and minimum impregnation depth is large, and the average degree of impregnation is increased, which will be described later. As described above, the gas diffusion layer of the embodiment is obtained by adding a pressing condition for forming the microporous layer or a pressing condition for the gas diffusion layer.

보다 구체적으로, 상기 기체확산층은 하기 수학식2에 의한 미세다공층의 거칠기가 0.2 이상 1 이하, 또는 0.4 이상 1 이하, 또는 0.5 이상 0.9 이하, 또는 0.6 이상 0.8 이하일 수 있다. 이에 따라, 상기 기체확산층은 미세다공층의 함침 두께를 높이고 수직 및 수평으로의 물투과 특성을 낮추어, 고온 저가습 조건에서 수분의 체류를 높일 수 있다.More specifically, the gas diffusion layer may have a roughness of 0.2 or more and 1 or less, or 0.4 or more and 1 or less, or 0.5 or more and 0.9 or less, or 0.6 or more and 0.8 or less according to Equation 2 below. Accordingly, the gas diffusion layer increases the impregnation thickness of the microporous layer and lowers the vertical and horizontal water permeation characteristics, thereby increasing the retention of moisture under high temperature and low humidity conditions.

[수학식2] [Equation 2]

미세다공층의 거칠기(TP) = (기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이의 총합계(S)) / 기체확산층 횡단면의 중심선 길이(L))Roughness of the microporous layer (T P ) = (Sum of the length of the center line in contact with the microporous layer among the center lines of the cross section of the gas diffusion layer (S)) / The length of the center line of the cross section of the gas diffusion layer (L))

상기 수학식2에서, 기체확산층 횡단면은, 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면에서부터 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면과 마주보는 탄소기재의 최외각 표면까지 상기 미세다공층의 최외각 표면의 수선방향으로 절단한 단면을 의미하며, 기체확산층 횡단면의 중심선은 상기 기체확산층 횡단면에서 기체확산층 전체 높이의 50% 지점을 연결한 직선을 의미한다.In Equation 2, the gas diffusion layer cross-section is from the outermost surface of the microporous layer facing the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the carbon substrate facing the interface between the microporous layer and the carbon substrate. It means a cross section cut in the vertical direction of the outermost surface of the microporous layer, and the center line of the cross section of the gas diffusion layer means a straight line connecting 50% of the total height of the gas diffusion layer in the cross section of the gas diffusion layer.

한편, 상기 수학식 2에서, 기체확산층 횡단면의 중심선은 하기 도3에서 기체확산층 전체 높이인 LGDL의 50%인 두께중심을 연결한 직선을 의미한다.Meanwhile, in Equation 2, the center line of the cross section of the gas diffusion layer means a straight line connecting the thickness center, which is 50% of the total height of the gas diffusion layer, L GDL in FIG. 3 below.

보다 구체적으로, 하기 도4의 단면 모식도를 통해 살펴보면, 기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이는 각각 L1, L2, L3, L4, L5, L6에 해당하며, 이들의 합계인 L1+L2+L3+L4+L5+L6의 값을 기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이의 총합계(S)로 구할 수 있다.More specifically, looking through the cross-sectional schematic diagram of Fig. 4, the length of the center line in contact with the microporous layer among the center lines of the gas diffusion layer cross-section corresponds to L1, L2, L3, L4, L5, and L6, respectively, and the sum of these, L1 The value of +L2+L3+L4+L5+L6 can be obtained as the sum (S) of the length of the centerline in contact with the microporous layer among the centerline of the gas diffusion layer cross-section.

상기 기체확산층이 하기 수학식2에 의한 미세다공층의 거칠기가 0.2미만으로 감소하면, 개방회로 전압 상태와 저가습 조건에서 산소 라디칼/과산화수소의 전해질막 열화가 가속화되며, 특히 애노드 촉매층(22)이 저가습 상태로 장시간 유지될 경우 전해질막(21)의 열화 속도는 증가하며, 연료전지의 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있다.When the roughness of the microporous layer in the gas diffusion layer is reduced to less than 0.2 according to Equation 2 below, deterioration of the electrolyte membrane of oxygen radicals/hydrogen peroxide is accelerated in an open circuit voltage state and low humidity conditions. When maintained in a low humidity state for a long time, it can be seen that the rate of deterioration of the electrolyte membrane 21 increases, and the performance of the fuel cell decreases.

일례로, 상기 수학식2에서 기체확산층 횡단면의 중심선길이가 1450㎛일 때 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이의 총합계는 290 ㎛ 이상 1,000 ㎛ 이하일 수 있다. For example, when the length of the center line of the cross section of the gas diffusion layer in Equation 2 is 1450 µm, the total length of the center line in contact with the microporous layer may be 290 µm or more and 1,000 µm or less.

상기 기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이, 혹은 기체확산층 횡단면의 중심선 길이를 측정하는 방법의 예가 한정되는 것은 아니며, 종래 널리 사용되는 다양한 길이 측정기 혹은 SEM이미지 분석을 통해 측정가능하다.An example of a method of measuring the length of the center line in contact with the microporous layer among the center lines of the cross section of the gas diffusion layer or the length of the center line of the cross section of the gas diffusion layer is not limited, and can be measured through various length measuring devices or SEM image analysis that are widely used in the past. .

상기 기체확산층의 두께가 5 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께가 5㎛ 미만이면 상기 수학식2에 의한 미세다공층의 평균거칠기는 0.2 미만으로 저가습 조건에서도 수분의 체류를 낮으며, 수직 및 수평으로의 물투과 특성이 높아 저가습 성능에 불리하다. 상기 두께가 300㎛ 초과가 되면 상기 수학식2에 의한 미세다공층의 평균함침도는 1 초과로 기체확산층의 에서 기체확산 및 수분의 플로딩(Flooding)이 발생하며, 고전류 영역에서 연료전지의 성능이 감소할 수 있다. The thickness of the gas diffusion layer may be 5 μm or more and 300 μm or less. If the thickness is less than 5 μm, the average roughness of the microporous layer according to Equation (2) is less than 0.2, so the retention of moisture is low even under low humidity conditions, and the water permeation characteristics vertically and horizontally are high, which is disadvantageous in low humidity performance . When the thickness exceeds 300 μm, the average degree of impregnation of the microporous layer according to Equation 2 is greater than 1, and gas diffusion and water flooding occur in the gas diffusion layer, and the performance of the fuel cell in the high current region. This can be reduced.

상기 기체확산층의 두께를 측정하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니며, 종래 널리 사용되는 다양한 두께 측정방법을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 두께 측정기나 SEM이미지 분석 방법 등을 사용가능하다.An example of a method of measuring the thickness of the gas diffusion layer is not largely limited, and various conventionally widely used thickness measurement methods may be used without limitation, and for example, a thickness measuring device or an SEM image analysis method may be used.

보다 구체적으로, 상기 기체확산층의 두께 대비 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)의 비율이 80 % 이상 99 % 이하, 또는 90% 이상 99% 이하일 수 있다.More specifically, the ratio of the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer to the thickness of the gas diffusion layer may be 80% or more and 99% or less, or 90% or more and 99% or less.

또한, 상기 기체확산층의 두께 대비 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)의 비율이 30 % 이상 70% 이하, 또는 30 % 이상 50% 이하일 수 있다. In addition, a ratio of the minimum impregnation depth (L Min ) of the microporous layer to the thickness of the gas diffusion layer may be 30% or more and 70% or less, or 30% or more and 50% or less.

상기 기체 확산층 제조방법이 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 탄소 분말, 소수성 바인더 및 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조하는단계; 0.3 bar 이상 0.7 bar 이하의 압력하에서 상기 카본 슬러리를 탄소 기재 상에 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 카본 슬러리를 소결시켜 기체확산층을 형성하는 단계;를 포함한 기체확산층 제조방법을 들 수 있다.Although the method of manufacturing the gas diffusion layer is not largely limited, for example, preparing a carbon slurry by mixing carbon powder, a hydrophobic binder, and a dispersion medium; Coating the carbon slurry on a carbon substrate under a pressure of 0.3 bar or more and 0.7 bar or less; And forming a gas diffusion layer by sintering the coated carbon slurry.

상기 0.3 bar 이상 0.7 bar 이하, 또는 0.3 bar 이상 0.6 bar 이하, 또는 0.3 bar 이상 0.5 bar 이하의 압력하에서 상기 카본 슬러리를 탄소 기재 상에 코팅하는 단계를 통해, 상기 탄소 기재로 카본 슬러리의 평균 함침도가 증가될 수 있다.The average degree of impregnation of the carbon slurry into the carbon substrate by coating the carbon slurry on the carbon substrate under a pressure of 0.3 bar or more and 0.7 bar or less, or 0.3 bar or more and 0.6 bar or less, or 0.3 bar or more and 0.5 bar or less. Can be increased.

또한, 상기 기체 확산층 제조방법으로 탄소 분말, 소수성 바인더 및 분산매질을 혼합하여 카본 슬러리를 제조하는단계; 0.1 bar 이상 0.7 bar 이하의 압력하에서 상기 카본 슬러리를 탄소 기재 상에 코팅하는 단계; 상기 코팅된 카본 슬러리를 소결시켜 기체확산층을 형성하는 단계; 및 상기 기체확산층을 5 kg/cm2 이상 15 kg/cm2 이하의 압력으로 압착시키는 단계;를 포함한 기체확산층 제조방법을 들 수 있다.In addition, preparing a carbon slurry by mixing carbon powder, a hydrophobic binder, and a dispersion medium in the gas diffusion layer manufacturing method; Coating the carbon slurry on a carbon substrate under a pressure of 0.1 bar or more and 0.7 bar or less; Sintering the coated carbon slurry to form a gas diffusion layer; And compressing the gas diffusion layer at a pressure of 5 kg/cm 2 or more and 15 kg/cm 2 or less.

상기 기체확산층을 5 kg/cm2 이상 15 kg/cm2 이하, 또는 8 kg/cm2 이상 12 kg/cm2 이하의 압력으로 압착시키는 단계를 통해, 상기 탄소 기재로 카본 슬러리의 평균 함침도가 증가될 수 있다.By compressing the gas diffusion layer at a pressure of 5 kg/cm 2 or more and 15 kg/cm 2 or less, or 8 kg/cm 2 or more and 12 kg/cm 2 or less, the average degree of impregnation of the carbon slurry into the carbon substrate Can be increased.

상기 기체 확산층 제조방법에 있어서, 상기 분산매질이 에틸렌글리콜 50 내지 95 중량%, 물 2 내지 40 중량%, 및 분산제 0.05 내지 10 중량%를 포함할 수 있다. 상기 혼합용매의 조성이 상기 한정된 조성 범위를 벗어나면 슬러리 내에서 카본 및 바인더의 분산성이 저하될 수 있다. 구체적으로, 상기 분산매질에서 에틸렌글리콜 함량이 50중량% 미만이면 카본 분말의 분산성이 현저하게 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 95중량% 초과이면 용매의 양이 너무 많아서 저점도 슬러리가 제조되어 코팅 장비를 이용한 슬러리 도포 과정에 문제가 있을 수 있다. In the gas diffusion layer manufacturing method, the dispersion medium may include 50 to 95% by weight of ethylene glycol, 2 to 40% by weight of water, and 0.05 to 10% by weight of a dispersant. When the composition of the mixed solvent is out of the limited composition range, the dispersibility of carbon and the binder in the slurry may decrease. Specifically, if the ethylene glycol content in the dispersion medium is less than 50% by weight, a problem may occur that the dispersibility of the carbon powder is significantly lowered, and if it exceeds 95% by weight, the amount of the solvent is too large to produce a low viscosity slurry to be coated. There may be problems with the slurry application process using the equipment.

상기 분산매질에서 물의 함량이 2중량% 미만이면 바인더의 분산이 어려운 문제가 있을 수 있으며, 40 중량% 초과이면 슬러리의 점도가 너무 낮아 도포가 어려워질 수 있다. 상기 분산매질에서 분산제의 함량이 0.05중량% 미만이면 카본과 바인더의 분산이 어려운 문제가 있을 수 있으며, 10중량% 초과이면 미세 기공층의 전기 저항이 증가하는 문제가 있을 수 있다.If the content of water in the dispersion medium is less than 2% by weight, dispersion of the binder may be difficult, and if it is more than 40% by weight, the viscosity of the slurry may be too low and application may be difficult. If the content of the dispersant in the dispersion medium is less than 0.05% by weight, it may be difficult to disperse the carbon and the binder, and if it exceeds 10% by weight, there may be a problem that the electrical resistance of the microporous layer increases.

상기 카본 슬러리가 카본 분말 100 중량부에 대하여 소수성 바인더 0.1 내지 40 중량부, 및 분산매질 50 내지 3000 중량부를 포함할 수 있다. 상기 분산매질 함량이 50 중량부 미만이면 슬러리의 점도가 너무 높게 되어 고분산 슬러리 제조 및 슬러리 코팅 장비에의 적용이 어려울 수 있으며, 상기 분산매질 함량이 3000 중량부 초과이면 너무 저점도 슬러리가 만들어져 담지할 수 있는 카본의 양이 제한될 수 있다.The carbon slurry may include 0.1 to 40 parts by weight of a hydrophobic binder and 50 to 3000 parts by weight of a dispersion medium based on 100 parts by weight of the carbon powder. If the content of the dispersion medium is less than 50 parts by weight, the viscosity of the slurry may be too high, making it difficult to prepare a highly dispersed slurry and apply it to slurry coating equipment.If the content of the dispersion medium exceeds 3000 parts by weight, a too low viscosity slurry is made and supported. The amount of carbon that can be made may be limited.

상기 카본 슬러리의 평균 입경이입도가 30 내지 100㎛일 수 있다. 상기 평균 입경이 30㎛ 미만이면 확산층 내에 형성되는 기공의 크기가 작아 연료공급 및 가스 배출이 어려울 수 있으며, 슬러리의 점도가 낮아져 슬러리 코팅 장비에의 적용이 어려울 수 있다. 상기 평균입경이 100㎛ 초과이면 간극 토출 방식인 코터의 노즐이 막힐 수 있다.The average particle size and particle size of the carbon slurry may be 30 to 100 μm. If the average particle diameter is less than 30 μm, the size of the pores formed in the diffusion layer may be small, making it difficult to supply fuel and discharge gas, and the viscosity of the slurry may be lowered, making it difficult to apply it to the slurry coating equipment. If the average particle diameter is more than 100 μm, the nozzle of the coater, which is a gap discharge method, may be clogged.

상기 카본 슬러리의 점도는 500 내지 10,000cps일 수 있다. 상기 점도가 500cps 미만이면 코팅 장비에의 적용 시 확산층을 구성하는 성분들의 담지량을 조절하기 어려울 수 있으며, 상기 점도가 10,000cps 초과이면 슬러리가 코터의 노즐을 막을 수 있다.The viscosity of the carbon slurry may be 500 to 10,000 cps. If the viscosity is less than 500 cps, it may be difficult to control the loading amount of the components constituting the diffusion layer when applied to the coating equipment, and when the viscosity is more than 10,000 cps, the slurry may clog the nozzle of the coater.

상기 코터가 슬롯다이 코터, 콤마 코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터, 바 코터, 또는 립 코터일 수 있다. 상기 코터의 종류는 특별히 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용되는 코터로서 기재 위해 일정한 패턴의 전극을 연속적 또는 간헐적으로 반복하여 형성할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한, 코터의 사용으로 인하여 확산층의 대량 생산이 가능할 수 있다.The coater may be a slot die coater, a comma coater, a blade coater, a gravure coater, a bar coater, or a lip coater. The type of the coater is not particularly limited and is not particularly limited as long as it is a coater used in the art and is capable of continuously or intermittently repeatedly forming an electrode of a certain pattern for description. Due to the use of such a coater, mass production of the diffusion layer may be possible.

상기 코팅 단계 전에 상기 카본 슬러리를 탈포하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 탈포 단계에 의하여 카본 슬러리가 기재 상에 균일하게 코팅될 수 있다.It may further include degassing the carbon slurry before the coating step. The carbon slurry may be uniformly coated on the substrate by the degassing step.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 제조방법에서 상기 분산제는 서피놀(상표명, Surfynol) 440, 420, 61 또는 트리톤(상표명, Tritonㄾ)X-100, Twin 20(대정화금㈜), BYK-024(BYK Chemie), BYKETOL-PC(BYK Chemie) 및 이들의 혼합물일 수 있다.In the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, the dispersant is Surfynol (Trade Name, Surfynol) 440, 420, 61 or Triton (trade name, Triton) X-100, Twin 20 (Daejeong Hwa Geum Co., Ltd.) ), BYK-024 (BYK Chemie), BYKETOL-PC (BYK Chemie), and mixtures thereof.

상기 탄소기재 상에 코팅된 카본 슬러리를 건조 및 소결시켜 확산층을 형성한다. 상기 건조는 당해 기술분야에서 사용되는 일반적인 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 카본 슬러리는 70℃ 내지 100℃의 온도에서 0.5 내지 5시간 동안 1차 건조되고, 상기 1차 건조가 끝난 후, 다시 200℃ 내지 400 ℃에서 소결 과정을 거쳐 2차로 소결 건조될 수 있다. 결과적으로, 표면이 소수성으로 처리되고 미세한 기공이 형성된 기체확산층이 형성될 수 있다.The carbon slurry coated on the carbon substrate is dried and sintered to form a diffusion layer. The drying may be performed under general conditions used in the art. For example, the carbon slurry may be first dried for 0.5 to 5 hours at a temperature of 70°C to 100°C, and after the first drying is completed, it may be sintered and dried secondarily through a sintering process at 200°C to 400°C. have. As a result, a gas diffusion layer in which the surface is treated to be hydrophobic and fine pores can be formed can be formed.

한편, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 일 구현예의 기체확산층을 포함하는, 전극이 제공될 수 있다. 상기 기체확산층에 대한 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an electrode including the gas diffusion layer of the embodiment may be provided. The contents of the gas diffusion layer include all the contents described above in the embodiment.

상기 일 구현예에서 제조된 기체확산층 위에 캐소드 촉매슬러리 및 애노드 촉매슬러리를 각각 코팅한 다음 이를 120 ℃이하의 온도에서 건조시킨 촉매층을 형성하여 캐소드 또는 애노드 전극을 제조한다. A cathode catalyst slurry and an anode catalyst slurry are coated on the gas diffusion layer prepared in the above embodiment, and then dried at a temperature of 120° C. or lower to form a catalyst layer to prepare a cathode or an anode electrode.

상기 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co,Ni, Cu, 또는 Zn)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The catalyst layer may include a metal catalyst that promotes oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. The catalyst layer is made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn). It may include one or more selected from the group. In particular, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-cobalt alloy, platinum-nickel alloy, or mixtures thereof may be included.

상기 금속 촉매는 일반적으로 담체에 지지된 상태로 사용된다. 상기 담체는 아세틸렌 블랙, 흑염과 같은 탄소계 재료; 또는 알루미나, 실리카와 같은 무기 미립자;를 사용할 수 있다.The metal catalyst is generally used while being supported on a carrier. The carrier may be a carbon-based material such as acetylene black or black salt; Alternatively, inorganic fine particles such as alumina and silica may be used.

하기 도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 애노드 촉매층(22)과 애노드 기체확산층(24)이 애노드 전극(28)을 이루며, 캐소드 촉매층(23)과 캐소드 기체확산층(25)이 캐소드 전극(29)을 이룬다. 애노드 전극(28)은 막-전극 접합체(20)의 외측에 배치된 세퍼레이터(미도시)와의 사이에서 수소를 공급 받는 부분이며, 캐소드 전극(29)은 세퍼레이터에서 산소 가스를 공급받는 부분이다.Referring to FIGS. 1 and 2 below, the anode catalyst layer 22 and the anode gas diffusion layer 24 form the anode electrode 28, and the cathode catalyst layer 23 and the cathode gas diffusion layer 25 form the cathode electrode 29. ). The anode electrode 28 is a part that receives hydrogen between the membrane-electrode assembly 20 and a separator (not shown) disposed outside the membrane-electrode assembly 20, and the cathode electrode 29 is a part that receives oxygen gas from the separator.

애노드 촉매층(22)에서는 수소 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 이웃하는 세퍼레이터를 통해 캐소드 전극(29)으로 이동시키고, 발생된 수소 이온을 전해질막(21)을 통하여 캐소드 전극(29)으로 이동시킨다. 이 때 막-전극 접합체에서는 상기한 전자의 흐름으로 전기 에너지를 발생시킨다. 또한 이 애노드 전극(28)에서 발생된 수소 이온은 전해질막(21)을 통하여 캐소드 전극(29)으로 이동한다. In the anode catalyst layer 22, hydrogen gas is oxidized, the converted electrons are transferred to the cathode electrode 29 through the neighboring separator, and the generated hydrogen ions are transferred to the cathode electrode 29 through the electrolyte membrane 21. Let it. In this case, the membrane-electrode assembly generates electric energy by the flow of electrons. In addition, hydrogen ions generated in the anode electrode 28 move to the cathode electrode 29 through the electrolyte membrane 21.

이 캐소드 촉매층(23)에서는 공기 중의 산소와 애노드 전극(28)으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 물을 생성하게 된다.In the cathode catalyst layer 23, oxygen in the air and hydrogen ions and electrons transferred from the anode 28 are subjected to a reduction reaction to generate heat and water at a predetermined temperature.

한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 일 구현예의 기체확산층을 포함하는, 막-전극 접합체가 제공될 수 있다. 상기 기체확산층에 대한 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly including the gas diffusion layer of the embodiment may be provided. The contents of the gas diffusion layer include all the contents described above in the embodiment.

상기 일 구현예에서 기체확산층 및 촉매층이 형성된 기재 또는 전사필름을 전사 공정 또는 열간압착 방법으로 전해질막과 결합시켜 막-전극 접합체를 제조한다.In the above embodiment, a substrate or a transfer film on which a gas diffusion layer and a catalyst layer are formed is combined with an electrolyte membrane by a transfer process or a hot pressing method to prepare a membrane-electrode assembly.

상기 전해질 막으로는 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르벤즈이미다졸, 폴리아릴렌에테르케톤, 페리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리스티렌, 나피온, 플레미온, 아시플렉스 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야에서 전해질 막으로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 상기 전해질막은 적정량의 물을 함습하므로 우수한 이온전도성을 가질 수 있다. 이러한 전해질막(21)은 애노드 촉매층(22)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 촉매층(23)으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.As the electrolyte membrane, polyimide, polyimidazole, polybenzimidazole, polyetherbenzimidazole, polyarylene ether ketone, ferriether ether ketone, polyether ketone, polyether ketone ketone, polystyrene, nafion, fremion , Aciplex or a mixture thereof, etc. may be used, but the present invention is not limited thereto, and is not particularly limited as long as it can be used as an electrolyte membrane in the art. Since the electrolyte membrane contains an appropriate amount of water, it may have excellent ion conductivity. The electrolyte membrane 21 enables ion exchange to move hydrogen ions generated in the anode catalyst layer 22 to the cathode catalyst layer 23.

상기 전해질막의 분자량은 수평균분자량이 1,000 내지 1,000,000이고, 질량평균분자량이 10,000 내지 1,000,000일 수 있다. 또한 고분자 전해질막의 두께는 10 내지 300㎛일 수 있다. The molecular weight of the electrolyte membrane may have a number average molecular weight of 1,000 to 1,000,000, and a mass average molecular weight of 10,000 to 1,000,000. In addition, the thickness of the polymer electrolyte membrane may be 10 to 300㎛.

상기 열간압착 방법에서 사용되는 조건은 가해지는 압력 1kg/㎠ 내지 100kg/㎠, 온도 50℃ 내지 300℃, 가압 시간 1 내지 60 분일 수 있다.Conditions used in the hot pressing method may be an applied pressure of 1 kg/cm 2 to 100 kg/cm 2, a temperature of 50° C. to 300° C., and a pressing time of 1 to 60 minutes.

상기 막-전극 접합체는 연료전지용 막-전극 접합체일 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체는, 연료전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 양쪽 측면에 배치된 촉매층과, 상기 촉매층들의 외측에 배치된 기체확산층, 및 상기 전해질막의 양쪽 가장자리에 접하도록 배치된 서브 가스켓을 포함할 수 있다.The membrane-electrode assembly may be a membrane-electrode assembly for a fuel cell. A membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane for a fuel cell, a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte membrane, a gas diffusion layer disposed outside the catalyst layers, and both edges of the electrolyte membrane. It may include a sub-gasket disposed to be in contact with.

하기 도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 막-전극 접합체(20)는 전해질막(21)과 전해질막(21)의 일면에 배치된 애노드 촉매층(22), 전해질막(21)의 타면에 배치된 캐소드 촉매층(23), 애노드 촉매층(22)과 접하여 배치된 애노드 기체확산층(24), 캐소드 촉매층(23)과 접하여 배치된 캐소드 기체확산층(25), 그리고 애노드 촉매층(22)과 애노드 기체확산층(24)를 지지하는 서브 가스켓(26)과 캐소드 촉매층(23)과 캐소드 기체확산층(25)을 지지하는 서브 가스켓(27)을 포함한다.Referring to FIGS. 1 and 2 below, the membrane-electrode assembly 20 according to the first embodiment includes an electrolyte membrane 21, an anode catalyst layer 22 disposed on one surface of the electrolyte membrane 21, and an electrolyte. The cathode catalyst layer 23 disposed on the other side of the membrane 21, the anode gas diffusion layer 24 disposed in contact with the anode catalyst layer 22, the cathode gas diffusion layer 25 disposed in contact with the cathode catalyst layer 23, and the anode catalyst layer 22 and a sub gasket 26 supporting the anode gas diffusion layer 24, and a sub gasket 27 supporting the cathode catalyst layer 23 and the cathode gas diffusion layer 25.

한편, 서브 가스켓(26, 27)은 전해질막(21)의 테두리를 따라 배치되며, 중앙에 개구가 형성되어 대략 직사각형의 단면을 갖는 고리 형태로 이루어진다. 서브 가스켓(26, 27)은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate), 폴리이미드(Polyimide) 등으로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the sub-gaskets 26 and 27 are arranged along the rim of the electrolyte membrane 21 and have an opening formed in the center to form a ring shape having a substantially rectangular cross section. The sub gaskets 26 and 27 may be made of polyethylene, polyethylene naphthalate, polyimide, or the like.

서브 가스켓(26, 27)은 전해질막(21)의 측단에 위치하는 테두리부의 양면에 접하도록 형성되어 전해질막(21)을 지지하며, 서브 가스켓(26, 27)의 내측에 각각 애노드 촉매층(22)과 캐소드 촉매층(23)이 배치된다. 애노드 촉매층(22)의 외측면은 서브 가스켓(26)의 내측면과 맞닿고, 캐소드 촉매층(23)의 외측면은 서브 가스켓(27)의 내측면과 맞닿는다. The sub gaskets 26 and 27 are formed to come into contact with both sides of the edge portion positioned at the side end of the electrolyte membrane 21 to support the electrolyte membrane 21, and an anode catalyst layer 22 inside the sub gaskets 26 and 27, respectively. ) And the cathode catalyst layer 23 are disposed. The outer surface of the anode catalyst layer 22 abuts against the inner surface of the sub gasket 26, and the outer surface of the cathode catalyst layer 23 abuts against the inner surface of the sub gasket 27.

상기한 막-전극 접합체(20)는 애노드 촉매층(22)과 캐소드 촉매층(23) 사이에 전해질막(21)을 위치시키고 열간 압착으로 접합하는 단계와, 기 설정된 두께를 가진 서브 가스켓(26, 27)을 설치하는 단계, 및 기체확산층(24, 25)을 설치하는 단계를 통하여 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly 20 includes the steps of placing the electrolyte membrane 21 between the anode catalyst layer 22 and the cathode catalyst layer 23 and bonding by hot pressing, and the sub gaskets 26 and 27 having a preset thickness. ), and the gas diffusion layers 24 and 25 may be manufactured.

한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 일 구현예의 기체확산층을 포함하는, 연료전지가 제공될 수 있다. 상기 기체확산층에 대한 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a fuel cell including the gas diffusion layer of the embodiment may be provided. The contents of the gas diffusion layer include all the contents described above in the embodiment.

상기 연료전지는 상기 다른 구현예의 막-전극 접합체를 포함할 수 있다.The fuel cell may include the membrane-electrode assembly of the other embodiment.

구체적으로, 상기 다른 구현예의 막-전극 접합체에 분리판이 부가되어 발전부가 얻어진다. 상기 분리판은 막-전극 접합체의 양면에 각각 부착되며 애노드에 부착되는 분리판이 애노드용 분리판, 캐소드에 부착되는 분리판이 캐소드용 분리판이다. 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 회부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 고분자전해질 연료전지에서 애노드에 공급되는 연료로서 수소를 주로 사용되며 캐소드에 공급되는 산화제로서 공기가 주로 사용된다.Specifically, a separator is added to the membrane-electrode assembly of the other embodiment to obtain a power generation unit. The separator is attached to both sides of the membrane-electrode assembly, and the separator attached to the anode is a separator for the anode, and the separator attached to the cathode is a separator for the cathode. The anode separator has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated from the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separator has a flow path for supplying an oxidizing agent to the cathode, and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from a turnaround circuit or an adjacent unit cell to the cathode. In a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is mainly used as a fuel supplied to the anode, and air is mainly used as an oxidizing agent supplied to the cathode.

다음으로, 상기 발전부에 적어도 하나의 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등을 부가하여 연료전지가 완성된다.Next, a fuel cell is completed by adding at least one reformer, a fuel tank, and a fuel pump to the power generation unit.

또한, 상기 연료전지는 전해질막, 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보는 압착 촉매층의 연료극과 압착 촉매층의 공기극을 포함하는 막-전극 접합체; 및 상기 일 구현예의 기체확산층을 포함할 수 있다. 상기 기체확산층에 대한 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함한다.In addition, the fuel cell may include an electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly including an anode of a compressed catalyst layer and a cathode of a compressed catalyst layer facing each other with the electrolyte membrane therebetween; And a gas diffusion layer of the embodiment. The contents of the gas diffusion layer include all the contents described above in the embodiment.

보다 구체적으로, 상기 일 구현예의 기체확산층은 상기 막-전극 접합체의 최외각 표면 중 적어도 하나에 접합할 수 있다. 상기 막-전극 접합체의 최외각 표면 중 적어도 하나는 상기 막-전극 접합체의 최외각 표면 중 어느 하나의 일면, 혹은 양면 모두를 포함할 수 있다.More specifically, the gas diffusion layer of the embodiment may be bonded to at least one of the outermost surfaces of the membrane-electrode assembly. At least one of the outermost surfaces of the membrane-electrode assembly may include one or both surfaces of any one of the outermost surfaces of the membrane-electrode assembly.

즉, 상기 연료전지는 전해질막, 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보는 압착 촉매층의 연료극과 압착 촉매층의 공기극을 포함하는 막-전극 접합체; 및 상기 막-전극 접합체의 최외각 표면 중 적어도 하나에 접합된 상기 일 구현예의 기체확산층을 포함할 수 있다. That is, the fuel cell includes an electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly including an anode of a compressed catalyst layer and a cathode of a compressed catalyst layer facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween; And a gas diffusion layer of the exemplary embodiment bonded to at least one of the outermost surfaces of the membrane-electrode assembly.

상기 막-전극 복합체에서 상기 전해질막으로는 이온 전도성 고분자막을 사용할 수 있다. 이러한 이온 전도성 고분자의 예의 일부만 들자면 과불소화 술폰산기 함유 고분자(예를 들어 듀폰사의 나피온), 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계로 대표되는 탄화수소계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노복합체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite)가 있다.In the membrane-electrode composite, an ion conductive polymer membrane may be used as the electrolyte membrane. To take only some of the examples of such ion conductive polymers, it is represented by a polymer containing a perfluorinated sulfonic acid group (for example, Nafion from DuPont), a perfluoro-based proton conductive polymer, a sulfonated polysulfone copolymer, and a sulfonated poly (ether-ketone) system. There are hydrocarbon-based polymers, sulfonated polyether ether ketone-based polymers, polyimide-based, polystyrene-based polymers, polysulfone-based polymers, and clay-sulfonated polysulfone nanocomposites.

상기 막-전극 복합체에서 연료극과 공기극의 압착 촉매층은 이온 전도성 물질과 금속 촉매를 포함한다. 압착 촉매층의 이온 전도성 물질로는 전해질막에 관하여 전술한 물질 또는 그 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 듀퐁사에 의하여 공급되는 나피온(Nafion) 및 이와 유사한 고분자 물질들을 사용할 수 있다.상기 이온 전도성 물질은 연료극과 공기극에서 동일한 물질을 같은 함량으로 또는 다른 함량으로 사용할 수도 있고, 서로 다른 물질을 사용할 수도 있다.In the membrane-electrode composite, the compressed catalyst layer of the anode and the cathode includes an ion conductive material and a metal catalyst. As the ion conductive material of the compression catalyst layer, the material described above with respect to the electrolyte membrane or a mixture thereof may be used. For example, Nafion supplied by DuPont and a polymer material similar thereto may be used. The ion conductive material may be used in the same or different amounts of the same material in the anode and the cathode, or different from each other. Substances can also be used.

상기 압착 촉매층의 금속 촉매로는 이 분야에서 흔히 촉매로 쓰이는 금속을 사용할 수 있고 특별한 제약이 없다. 예를 들어 연료극 촉매로서 백금이나 백금-루테늄 합금 또는 혼합물을 사용할 수 있다. 그리고 공기극 촉매로서는 예를 들어 백금, 백금-코발트, 백금-니켈 등의 금속, 합금 또는 금속 혼합물을 사용할 수 있다.As the metal catalyst of the compressed catalyst layer, a metal commonly used as a catalyst in this field may be used, and there is no particular limitation. For example, platinum or platinum-ruthenium alloys or mixtures may be used as the anode catalyst. And as the cathode catalyst, for example, a metal such as platinum, platinum-cobalt, platinum-nickel, an alloy, or a metal mixture may be used.

본 발명의 한 바람직한 실시 형태에서는 상기 연료극 압착 촉매층과 상기 공기극 압착 촉매층이 동일한 이온 전도성 물질과 동일한 금속 촉매를 사용한다. 본 발명의 더욱 바람직한 실시 형태에서는 상기 연료극 압착 촉매층과 상기 공기극 압착 촉매층의 화학적 조성이 동일하다.In a preferred embodiment of the present invention, the anode compression catalyst layer and the cathode compression catalyst layer use the same ion conductive material and the same metal catalyst. In a more preferred embodiment of the present invention, the chemical composition of the anode compression catalyst layer and the cathode compression catalyst layer is the same.

보다 구체적으로, 하기 도5에 의하면, 막-전극 접합체(100)는 전해질막(101)과 이 전해질막(101)을 사이에 두고 서로 마주보는 연료극과 공기극의 압착 촉매층들(102, 102')을 포함할 수 있다.More specifically, according to FIG. 5 below, the membrane-electrode assembly 100 includes the electrolyte membrane 101 and the compression catalyst layers 102 and 102 ′ of the anode and the cathode facing each other with the electrolyte membrane 101 interposed therebetween. It may include.

막-전극 접합체를 제조한 후에는 공지 기술에 따라 기체확산층을 설치하는 단계가 따를 수 있고, 이어서 유로가 형성된 분리판을 적층하여 하나의 단위 전지(cell)를 형성할 수 있다. 이러한 단위 전지를 여러 개 적층하면 원하는 규모의 연료전지 스택을 얻을 수 있다. 이 같은 내용은 이 분야에 널리 알려져 있으며 여기서는 상술하지 않는다.After the membrane-electrode assembly is manufactured, a step of installing a gas diffusion layer may be followed according to a known technique, and then a separator having a flow path may be stacked to form one unit cell. When several such unit cells are stacked, a fuel cell stack of a desired scale can be obtained. Such content is widely known in the field and is not detailed here.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 저가습 및 고압의 환경에서 높은 출력 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 기체확산층, 그리고 이를 이용한 전극, 막-전극 접합체, 및 연료전지를 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a gas diffusion layer capable of improving high output performance and durability in an environment of low humidity and high pressure, and an electrode, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell using the same.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층을 잘라 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층을 잘라 본 단면의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 가로 방향 단면을 나타낸 모식도이다.1 is an exploded perspective view showing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view cut away from the members shown in FIG. 1 in a combined state.
3 is a cross-sectional view of a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of a cross-sectional view of a gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing a cross section in a horizontal direction of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The invention will be described in more detail in the following examples. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

<실시예><Example>

실시예1Example 1

(1) 기체확산층의 제조(1) Preparation of gas diffusion layer

카본블랙(Vulcan, Cabot) 10g 및 소수성 바인더 용액(PTFE, polytetrafluoroethylene, 60중량%, Aldrich) 0.88g을 분산매질 115g에 투입한 다음, 초음파 혼합기(Branson사)에서 30분간 초음파을 조사하여 혼합하여 탄소슬러리를 얻었다. 상기 분산매질은 에틸렌글리콜 87.2 중량%, 탈이온수 7.3 중량%, 및 분산제 (Surfynol, 440) 5.5 중량%로 이루어진다.10 g of carbon black (Vulcan, Cabot) and 0.88 g of a hydrophobic binder solution (PTFE, polytetrafluoroethylene, 60% by weight, Aldrich) were added to 115 g of the dispersion medium, followed by irradiation with ultrasonic waves for 30 minutes in an ultrasonic mixer (Branson), followed by mixing to make carbon slurry. Got it. The dispersion medium consists of 87.2% by weight of ethylene glycol, 7.3% by weight of deionized water, and 5.5% by weight of a dispersant (Surfynol, 440).

카본페이퍼 위에 0.4bar의 진공압을 주입하면서, 상기 카본 슬러리를 슬롯다이 코터(나래나노텍, 한국)를 사용하여 카본페이퍼 위에 코팅하였다. 코팅된 카본 슬러리를 80℃에서 1시간의 1차 건조과정을 거친 뒤 고온 건조가 가능한 퍼니스 오븐으로 옮겨 225℃에서 1시간, 및 350℃에서 30분 동안 추가 건조시켜 분산된 PTFE가 기체확산층에서 소수성을 띄도록 소결시켰다. 상기 카본슬러리로부터 얻어지는 미세다공층이 카본페이퍼 상에 형성된 기체확산층의 두께는 250㎛이었다.While injecting a vacuum pressure of 0.4 bar onto the carbon paper, the carbon slurry was coated on the carbon paper using a slot die coater (Narae Nanotech, Korea). After the coated carbon slurry is first dried at 80℃ for 1 hour, it is transferred to a furnace oven capable of high-temperature drying and further dried at 225℃ for 1 hour and at 350℃ for 30 minutes, so that the dispersed PTFE is hydrophobic in the gas diffusion layer. It was sintered to have a The thickness of the gas diffusion layer in which the microporous layer obtained from the carbon slurry was formed on the carbon paper was 250 µm.

(2) 막-전극 접합체의 제조(2) Preparation of membrane-electrode assembly

연료극, 공기극 형성용 조성물을 제조하기 위하여, 물 37 g 및 1-프로판올 19 g의 혼합 용매에, 당량(g/eq)이 750인 25 wt% 용액(Asahi Kasei, SS700) 8.5 g, 금속 촉매로 백금이 담지된 케첸 블랙(백금 50 wt%) 5 g 및 분산제로 탈이온수를 용매로 한 Triton X-100 용액(20 wt%) 4g을 첨가하였다. 이 혼합물을 초음파기 및 분쇄기를 사용하여 균일하게 분산시켜 전극 형성용 조성물을 얻었다. 제1 지지막과 제2 지지막으로는 전사지(SKC사의 PET 필름인 Skyrol SM30(등록상표))를 사용하였다. To prepare a composition for forming an anode and a cathode, in a mixed solvent of 37 g of water and 19 g of 1-propanol, a 25 wt% solution (Asahi Kasei, SS700) of 750 equivalent (g/eq) 8.5 g, as a metal catalyst 5 g of Ketjen black (50 wt% platinum) on which platinum was supported, and 4 g of a solution of Triton X-100 (20 wt%) using deionized water as a dispersant were added thereto. The mixture was uniformly dispersed using an ultrasonicator and a grinder to obtain a composition for forming an electrode. Transfer paper (Skyrol SM30 (registered trademark), a PET film from SKC) was used as the first and second support films.

슬릿다이 코터(slit die coater)를 사용하여 연료극용 제1 지지막에 백금 촉매 기준으로 0.06 mg Pt/㎠로 상기 전극 형성용 조성물을 도포하였고, 공기극에 백금 촉매 기준으로 0.35 mg Pt/㎠로 동일한 전극 형성용 조성물을 제2 지지막에 도포하여, 제1, 제2 전사 필름을 각각 얻었다. 그리고 각 전사 필름을 건조 오븐에서 60℃에서 10시간 이상 건조하였다.Using a slit die coater (slit die coater), the electrode formation composition was coated at 0.06 mg Pt/cm2 based on a platinum catalyst on the first support film for an anode, and 0.35 mg Pt/cm2 based on a platinum catalyst was applied to the cathode. The composition for electrode formation was applied to the second support film to obtain the first and second transfer films, respectively. Then, each transfer film was dried in a drying oven at 60° C. for 10 hours or more.

전사 필름을 얻은 후, 고분자 전해질막인 SFR7201(Asahi Kasei, 두께 15 ㎛)막의 연료극 쪽에 제1 전사 필름을 설치하며 이어서 상기 전해질막의 공기극 쪽에 제2 전사 필름을 설치하여 160 ℃, 40 kg중/㎠, 90초 동안 열압착하여 전사하였다. After obtaining the transfer film, a first transfer film was installed on the anode side of the polymer electrolyte membrane SFR7201 (Asahi Kasei, thickness 15 µm), and then a second transfer film was installed on the cathode side of the electrolyte membrane at 160°C, 40 kg/cm 2 , Transferred by thermocompression for 90 seconds.

(3) 연료전지(3) Fuel cell

실시예1의 (2)에서 제조된 막-전극 접합체의 양면 각각에 상기 실시예1의 (1)에서 제조된 기체확산층을 접합하여 다층 접합체를 형성한 후, 상기 다층 접합체의 애노드 면에 연료 공급을 위한 분리판을, 캐소드 면에 산화제 공급을 위한 분리판을 각각 도입하여 단위전지 시스템을 구성하였고, 애노드의 연료공급은 수소봄베를 통하여 공급되었고, 캐소드는 공기펌프를 사용하여 균일하게 연료가 공급될 수 있게 하여 연료전지를 제조하였다.After forming a multilayer assembly by bonding the gas diffusion layers prepared in Example 1 (1) to each of both surfaces of the membrane-electrode assembly prepared in Example 1 (2), fuel is supplied to the anode side of the multilayer assembly A unit cell system was constructed by introducing a separator for supplying a separator and a separator for supplying oxidant on the cathode side, respectively, and fuel supply to the anode was supplied through a hydrogen cylinder, and fuel was uniformly supplied to the cathode using an air pump. So that the fuel cell was manufactured.

실시예2Example 2

(1) 기체확산층의 제조(1) Preparation of gas diffusion layer

카본블랙(Vulcan, Cabot) 10g 및 소수성 바인더 용액(PTFE, polytetrafluoroethylene, 60중량%, Aldrich) 0.88g을 분산매질 115g에 투입한 다음, 초음파 혼합기(Branson사)에서 30분간 초음파을 조사하여 혼합하여 탄소슬러리를 얻었다. 상기 분산매질은 에틸렌글리콜 87.2 중량%, 탈이온수 7.3 중량%, 및 분산제 (Surfynol, 440) 5.5 중량%로 이루어진다.10 g of carbon black (Vulcan, Cabot) and 0.88 g of a hydrophobic binder solution (PTFE, polytetrafluoroethylene, 60% by weight, Aldrich) were added to 115 g of the dispersion medium, followed by irradiation with ultrasonic waves for 30 minutes in an ultrasonic mixer (Branson), followed by mixing to make carbon slurry. Got it. The dispersion medium consists of 87.2% by weight of ethylene glycol, 7.3% by weight of deionized water, and 5.5% by weight of a dispersant (Surfynol, 440).

카본페이퍼 위에 0.2bar의 진공압을 주입하면서, 상기 카본 슬러리를 슬롯다이 코터(나래나노텍, 한국)를 사용하여 카본페이퍼 위에 코팅하였다. 코팅된 카본 슬러리를 80℃에서 1시간의 1차 건조과정을 거친 뒤 고온 건조가 가능한 퍼니스 오븐으로 옮겨 225℃에서 1시간, 및 350℃에서 30분 동안 추가 건조시켜 분산된 PTFE가 기체확산층에서 소수성을 띄도록 소결시켰다. 상기 카본슬러리로부터 얻어지는 미세다공층이 카본페이퍼 상에 형성된 기체확산층의 두께는 250㎛이었다.While injecting a vacuum pressure of 0.2 bar onto the carbon paper, the carbon slurry was coated on the carbon paper using a slot die coater (Narae Nanotech, Korea). After the coated carbon slurry is first dried at 80℃ for 1 hour, it is transferred to a furnace oven capable of high-temperature drying and further dried at 225℃ for 1 hour and at 350℃ for 30 minutes, so that the dispersed PTFE is hydrophobic in the gas diffusion layer. It was sintered to have a The thickness of the gas diffusion layer in which the microporous layer obtained from the carbon slurry was formed on the carbon paper was 250 µm.

이후, 상기 기체확산층의 두께가 235㎛가 되도록 10kg/cm2 압력으로 압착하였다.Thereafter, the gas diffusion layer was compressed at a pressure of 10 kg/cm 2 so that the thickness of the gas diffusion layer became 235 μm.

(2) 막-전극 접합체의 제조(2) Preparation of membrane-electrode assembly

실시예1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1.

(3) 연료전지(3) Fuel cell

실시예1의 (1)에서 제조된 기체확산층 대신 실시예2의 (1)에서 제조된 기체확산층을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the gas diffusion layer prepared in Example 2 (1) was used instead of the gas diffusion layer prepared in Example 1 (1).

<비교예><Comparative Example>

비교예1Comparative Example 1

(1) 기체확산층의 제조(1) Preparation of gas diffusion layer

카본페이퍼위에 진공압을 0.2bar로 주입한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 기체확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that a vacuum pressure was injected at 0.2 bar on the carbon paper.

(2) 막-전극 접합체의 제조(2) Preparation of membrane-electrode assembly

실시예1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1.

(3) 연료전지(3) Fuel cell

실시예1의 (1)에서 제조된 기체확산층 대신 비교예1의 (1)에서 제조된 기체확산층을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the gas diffusion layer prepared in Comparative Example 1 (1) was used instead of the gas diffusion layer prepared in Example 1 (1).

비교예2Comparative Example 2

(1) 기체확산층의 제조(1) Preparation of gas diffusion layer

카본페이퍼위에 진공압을 0.72bar로 주입한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지를 제조하였다.A gas diffusion layer, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that a vacuum pressure was injected at 0.72 bar on the carbon paper.

(2) 막-전극 접합체의 제조(2) Preparation of membrane-electrode assembly

실시예1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1.

(3) 연료전지(3) Fuel cell

실시예1의 (1)에서 제조된 기체확산층 대신 비교예2의 (1)에서 제조된 기체확산층을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the gas diffusion layer prepared in Comparative Example 2 (1) was used instead of the gas diffusion layer prepared in Example 1 (1).

<실험예><Experimental Example>

실험예1 : 기체확산층 내 미세다공층의 평균함침도Experimental Example 1: Average degree of impregnation of the microporous layer in the gas diffusion layer

하기 도3에 나타난 바와 같이 상기 SEM분석을 통해, 기체확산층 내 미세다공층(MPL)의 평균함침도를 하기 수학식1을 통해 측정하고 하기 표1에 나타내었다.As shown in FIG. 3, through the SEM analysis, the average degree of impregnation of the microporous layer (MPL) in the gas diffusion layer was measured through Equation 1 below, and is shown in Table 1 below.

[수학식1][Equation 1]

미세다공층의 평균함침도 = (미세다공층의 최대함침깊이(LMax) + 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)) / 2(기체확산층 두께(LGDL))Average degree of impregnation of the microporous layer = (maximum depth of impregnation of the microporous layer (L Max ) + the minimum depth of impregnation of the microporous layer (L Min )) / 2 (thickness of the gas diffusion layer (L GDL ))

상기 수학식1에서 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)는 상기 미세다공층과 카본페이퍼간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최대값이며, 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)는 상기 미세다공층과 카본페이퍼간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최소값이다.In Equation 1, the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer is the maximum of the shortest distance from the interface between the microporous layer and the carbon paper to the outermost surface of the microporous layer facing the interface, and microporous The minimum impregnation depth (L Min ) of the layer is the minimum value among the shortest distances from the interface between the microporous layer and the carbon paper to the outermost surface of the microporous layer facing the interface.

구분division 미세다공층의 평균함침도Average impregnation degree of microporous layer 미세다공층의 최대함침깊이(LMax) (㎛)Maximum impregnation depth of microporous layer (L Max ) (㎛) 미세다공층의 최소함침깊이(LMin) (㎛)Minimum impregnation depth of microporous layer (L Min ) (㎛) 기체확산층 두께(LGDL) (㎛)Gas diffusion layer thickness (L GDL ) (㎛) 실시예1Example 1 0.700.70 235235 115115 250250 실시예2Example 2 0.730.73 230230 113113 235235 비교예1Comparative Example 1 0.300.30 9595 5555 250250 비교예2Comparative Example 2 0.980.98 250250 240240 250250

실험예2 : 기체확산층 내 미세다공층의 거칠기Experimental Example 2: Roughness of the microporous layer in the gas diffusion layer

하기 도3에 나타난 바와 같이 상기 SEM분석을 통해, 기체확산층 내 미세다공층(MPL)의 거칠기를 하기 수학식2를 통해 측정하고 하기 표2에 나타내었다.As shown in FIG. 3, through the SEM analysis, the roughness of the microporous layer (MPL) in the gas diffusion layer was measured through Equation 2 below, and is shown in Table 2 below.

[수학식2] [Equation 2]

미세다공층의 거칠기(TP) = (기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이의 총합계(S)) / 기체확산층 횡단면의 중심선 길이(L))Roughness of the microporous layer (T P ) = (Sum of the length of the center line in contact with the microporous layer among the center lines of the cross section of the gas diffusion layer (S)) / The length of the center line of the cross section of the gas diffusion layer (L))

상기 수학식2에서, 상기 기체확산층 횡단면은, 상기 미세다공층과 카본페이퍼간 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면에서부터 상기 미세다공층과 카본페이퍼간 계면과 마주보는 탄소기재의 최외각 표면까지 상기 미세다공층의 최외각 표면의 수선방향으로 절단한 단면을 의미하며, 중심선은 상기 기체확산층 횡단면에서 기체확산층 전체 높이의 50% 지점을 연결한 직선을 의미한다.In Equation 2, the gas diffusion layer cross-section is from the outermost surface of the microporous layer facing the interface between the microporous layer and the carbon paper to the outermost surface of the carbon substrate facing the interface between the microporous layer and the carbon paper. Means a cross section cut in the vertical direction of the outermost surface of the microporous layer, and the center line means a straight line connecting 50% of the total height of the gas diffusion layer in the cross section of the gas diffusion layer.

보다 구체적으로, 하기 도4의 단면 모식도를 통해 살펴보면, 기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이는 각각 L1, L2, L3, L4, L5, L6에 해당하며, 이들의 합계인 L1+L2+L3+L4+L5+L6의 값을 기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이의 총합계(S)로 구할 수 있다.More specifically, looking through the cross-sectional schematic diagram of Fig. 4, the length of the center line in contact with the microporous layer among the center lines of the gas diffusion layer cross-section corresponds to L1, L2, L3, L4, L5, and L6, respectively, and the sum of these, L1 The value of +L2+L3+L4+L5+L6 can be obtained as the sum (S) of the length of the centerline in contact with the microporous layer among the centerline of the gas diffusion layer cross-section.

구분division 미세다공층의 거칠기Roughness of microporous layer S (㎛)S (㎛) L (㎛)L (㎛) 실시예1Example 1 0.750.75 10881088 14501450 실시예2Example 2 0.800.80 11601160 14501450 비교예1Comparative Example 1 0.400.40 580580 14501450 비교예2Comparative Example 2 0.980.98 14211421 14501450

실험예3 : 연료 전지의 성능 평가Experimental Example 3: Evaluation of fuel cell performance

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 연료전지를 사용하여 각각의 온도, 습도,압력 조건에서의 단위 전지의 성능을 평가하였다. The fuel cells prepared in Examples and Comparative Examples were used to evaluate the performance of the unit cells under each temperature, humidity, and pressure condition.

(1) 65℃, RH100%, 1bar 조건(1) 65℃, RH100%, 1bar condition

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 연료전지에서, 연료극 입구와, 막-전극 접합체, 공기극 입구의 온도를 65℃, 습도RH100% 세팅하고, 막-전극 접합체에 전달되는 압력과 대기압의 차이를 0bar로 유지하였다. 화학 당량 기준으로 수소:공기=1.5:2.0의 비율로 막-전극 접합체에 공급하여 단위 전지를 운전하였다.In the fuel cells manufactured in the above Examples and Comparative Examples, the temperature of the inlet of the anode, the membrane-electrode assembly, and the inlet of the cathode is set to 65°C and humidity RH100%, and the difference between the pressure delivered to the membrane-electrode assembly and atmospheric pressure is 0 bar. Kept as. A unit cell was operated by supplying to the membrane-electrode assembly at a ratio of hydrogen: air = 1.5: 2.0 on a chemical equivalent basis.

이러한 단위 전지에서 개방회로 전압(OCV)으로 운전하였을 때의 초기 전류 밀도의 값을 측정하여 하기 표3에 나타내었다.The value of the initial current density when operated at the open circuit voltage (OCV) in such a unit cell was measured and shown in Table 3 below.

(2) 80℃, RH60%, 1.5bar 조건(2) 80℃, RH60%, 1.5bar condition

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 연료전지에서, 연료극 입구와, 막-전극 접합체, 공기극 입구의 온도를 80℃, 애노드 무가습, 캐소드 RH60%로 세팅하고, 막-전극 접합체에 전달되는 압력과 대기압의 차이를 애노드전극층은 1bar, 캐소드 전극층은 0.5bar로 유지하였다. 화학 당량 기준으로 수소:공기=1.5:3.0의 비율로 막-전극 접합체에 공급하여 단위 전지를 운전하였다.In the fuel cells prepared in the above Examples and Comparative Examples, the anode inlet, the membrane-electrode assembly, and the cathode inlet temperature were set to 80°C, no humidification of the anode, and the cathode RH60%, and the pressure transferred to the membrane-electrode assembly and The difference in atmospheric pressure was maintained at 1 bar for the anode electrode layer and 0.5 bar for the cathode electrode layer. A unit cell was operated by supplying to the membrane-electrode assembly at a ratio of hydrogen: air = 1.5: 3.0 based on chemical equivalent weight.

이러한 단위 전지에서 개방회로 전압(OCV)으로 운전하였을 때의 초기 전류 밀도의 값을 측정하여 하기 표3에 나타내었다.The value of the initial current density when operated at the open circuit voltage (OCV) in such a unit cell was measured and shown in Table 3 below.

(3) 85℃, RH35%, 2bar 조건(3) 85℃, RH35%, 2bar condition

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 연료전지에서, 연료극 입구와, 막-전극 접합체, 공기극 입구의 온도를 85℃, 애노드, 캐소드 모두 RH35%로 세팅하고, 막-전극 접합체에 전달되는 압력과 대기압의 차이를 애노드전극층은 1bar, 캐소드 전극층은 1bar로 유지하였다. 화학 당량 기준으로 수소:공기=1.5:2.0의 비율로 막-전극 접합체에 공급하여 단위 전지를 운전하였다.In the fuel cells prepared in the above Examples and Comparative Examples, the temperature of the anode inlet, the membrane-electrode assembly, and the cathode inlet were set to 85°C, the anode, and the cathode were all set to RH35%, and the pressure and atmospheric pressure transmitted to the membrane-electrode assembly The difference was maintained at 1 bar for the anode electrode layer and 1 bar for the cathode electrode layer. A unit cell was operated by supplying to the membrane-electrode assembly at a ratio of hydrogen: air = 1.5: 2.0 on a chemical equivalent basis.

이러한 단위 전지에서 개방회로 전압(OCV)으로 운전하였을 때의 초기 전류 밀도의 값을 측정하여 하기 표3에 나타내었다.The value of the initial current density when operated at the open circuit voltage (OCV) in such a unit cell was measured and shown in Table 3 below.

구분division 65℃RH100% PAn=1.0bar, PCa=1.0bar
(mA/cm2)65℃RH100% P An =1.0bar, P Ca =1.0bar
(mA/cm 2 ) 80℃RH60% PAn=2.0bar, PCa=1.5bar
(mA/cm2)80℃RH60% P An =2.0bar, P Ca =1.5bar
(mA/cm 2 ) 85℃RH35%
PAn=2.0bar, PCa=2.0bar
(mA/cm2)85℃RH35%
P An =2.0bar, P Ca =2.0bar
(mA/cm 2 ) 실시예1Example 1 14431443 19401940 17001700 실시예2Example 2 14001400 18601860 16801680 비교예1Comparative Example 1 14321432 16201620 14801480 비교예2Comparative Example 2 11341134 17401740 15101510

상기 표3에 나타난 바와 같이, 수학식1에 의한 평균함침도가 0.7 이상 0.73이하인 기체확산층이 적용된 실시예의 연료전지는 80℃, RH60%, 1.5bar 조건에서 1860 mA/cm2 이상 1940 mA/cm2이하 초기 전류 밀도, 85℃, RH35%, 2bar 조건에서 1680 mA/cm2 이상 1700 mA/cm2이하 초기 전류 밀도 가짐을 확인할 수 있다.As shown in Table 3, the fuel cell of the embodiment to which a gas diffusion layer having an average impregnation degree of 0.7 or more and 0.73 or less according to Equation 1 is applied is 1860 mA/cm 2 or more and 1940 mA/cm at 80° C., RH60%, and 1.5 bar. It can be seen that it has an initial current density of 2 or less, an initial current density of 1680 mA/cm 2 or more and 1700 mA/cm 2 or less under conditions of 85°C, RH35%, and 2 bar.

반면, 수학식1에 의한 평균함침도가 0.4인 기체확산층이 적용된 비교예1의 연료전지는 80℃, RH60%, 1.5bar 조건에서 1620 mA/cm2의 초기 전류 밀도, 85℃, RH35%, 2bar 조건에서 1480 mA/cm2으로 실시예 대비 낮은 초기 전류 밀도 가짐을 확인할 수 있다.On the other hand, the fuel cell of Comparative Example 1 to which a gas diffusion layer having an average impregnation degree of 0.4 was applied according to Equation 1 was an initial current density of 1620 mA/cm 2 at 80°C, RH60%, and 1.5bar, 85°C, RH35%, It can be seen that it has a lower initial current density compared to the Example as 1480 mA/cm 2 under 2 bar condition.

또한, 수학식1에 의한 평균함침도가 0.98인 기체확산층이 적용된 비교예2의 연료전지는 80℃, RH60%, 1.5bar 조건에서 1740 mA/cm2의 초기 전류 밀도, 85℃, RH35%, 2bar 조건에서 1510 mA/cm2으로 실시예 대비 낮은 초기 전류 밀도 가짐을 확인할 수 있다.In addition, the fuel cell of Comparative Example 2 to which a gas diffusion layer having an average impregnation degree of 0.98 according to Equation 1 was applied was an initial current density of 1740 mA/cm 2 at 80°C, RH60%, and 1.5bar conditions, 85°C, RH35%, It can be seen that it has a lower initial current density compared to the Example at 1510 mA/cm 2 under the condition of 2 bar.

이에, 상기 실시예의 기체확산층은 비교예 대비 저가습 및 고압의 환경에서 높은 출력 성능을 구현할 수 있음을 확인하였다.Accordingly, it was confirmed that the gas diffusion layer of the above example can implement high output performance in an environment of low humidity and high pressure compared to the comparative example.

20: 막-전극 접합체 21: 전해질막
22: 애노드 촉매층 23: 캐소드 촉매층
24: 애노드 기체확산층 25: 캐소드 기체확산층
26: 서브 가스켓 27: 서브 가스켓
28: 애노드 전극 29: 캐소드 전극
100: 막-전극 접합체 101: 고분자 전해질 막
102, 102': 전극 촉매층 103, 103' 압착된 연료극 및 공기극20: membrane-electrode assembly 21: electrolyte membrane
22: anode catalyst layer 23: cathode catalyst layer
24: anode gas diffusion layer 25: cathode gas diffusion layer
26: sub gasket 27: sub gasket
28: anode electrode 29: cathode electrode
100: membrane-electrode assembly 101: polymer electrolyte membrane
102, 102': electrode catalyst layers 103, 103' compressed anode and cathode

Claims (17)

탄소 기재; 및
상기 탄소 기재상에 형성된 미세다공층;을 포함하고,
하기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도가 0.65 이상 0.9 이하인, 기체확산층:
[수학식1]
미세다공층의 평균함침도 = (미세다공층의 최대함침깊이(LMax) + 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)) / 2(기체확산층 두께(LGDL))
상기 수학식1에서,
미세다공층의 최대함침깊이(LMax)는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최대값이며,
미세다공층의 최소함침깊이(LMin)는 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면으로부터 상기 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면까지의 최단거리 중 최소값이다.
Carbon based; And
Including; a microporous layer formed on the carbon substrate,
A gas diffusion layer having an average impregnation degree of 0.65 or more and 0.9 or less of the microporous layer according to Equation 1 below:
[Equation 1]
Average degree of impregnation of the microporous layer = (maximum depth of impregnation of the microporous layer (L Max ) + the minimum depth of impregnation of the microporous layer (L Min )) / 2 (thickness of the gas diffusion layer (L GDL ))
In Equation 1,
The maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer is the maximum value among the shortest distances from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface,
The minimum impregnation depth (L Min ) of the microporous layer is the minimum of the shortest distance from the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the microporous layer facing the interface.
 제1항에 있어서,
상기 수학식1에 의한 미세다공층의 평균함침도가 0.65 이상 0.80 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer having an average impregnation degree of 0.65 or more and 0.80 or less of the microporous layer according to Equation 1 above.
 제1항에 있어서,
상기 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)가 200 ㎛ 이상 240 ㎛ 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer having a maximum impregnation depth (L Max ) of 200 μm or more and 240 μm or less of the microporous layer.
 제1항에 있어서,
상기 미세다공층의 최소함침깊이(LMin)가 75 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer having a minimum impregnation depth (L Min ) of 75 μm or more and 200 μm or less of the microporous layer.
 제1항에 있어서,
상기 미세다공층의 최대함침깊이(LMax) 대비 최소함침깊이(LMin)의 비율이 38 % 이상 100 % 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer in which the ratio of the minimum impregnation depth (L Min ) to the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer is 38% or more and 100% or less.
 제1항에 있어서,
상기 기체확산층의 두께가 5 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer having a thickness of 5 µm or more and 300 µm or less.
 제1항에 있어서,
상기 기체확산층의 두께 대비 미세다공층의 최대함침깊이(LMax)의 비율이 80 % 이상 99 % 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer in which the ratio of the maximum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer to the thickness of the gas diffusion layer is 80% or more and 99% or less.
 제1항에 있어서,
상기 기체확산층의 두께 대비 미세다공층의 최소함침깊이(LMax)의 비율이 30 % 이상 70% 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer in which a ratio of the minimum impregnation depth (L Max ) of the microporous layer to the thickness of the gas diffusion layer is 30% or more and 70% or less.
 제1항에 있어서,
하기 수학식2에 의한 미세다공층의 거칠기가 0.2 이상 1 이하인, 기체확산층:
[수학식2]
미세다공층의 거칠기 = (기체확산층 횡단면의 중심선 중 미세다공층과 접촉하는 중심선 길이의 총합계) / 기체확산층 횡단면의 중심선 길이)
상기 수학식2에서, 기체확산층 횡단면은, 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면과 마주보는 미세다공층의 최외각 표면에서부터 상기 미세다공층과 탄소 기재간 계면과 마주보는 탄소기재의 최외각 표면까지 상기 미세다공층의 최외각 표면의 수선방향으로 절단한 단면을 의미하며,
기체확산층 횡단면의 중심선은 상기 기체확산층 횡단면에서 기체확산층 전체 높이의 50% 지점을 연결한 직선을 의미한다.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer having a roughness of 0.2 or more and 1 or less according to Equation 2 below:
[Equation 2]
Roughness of the microporous layer = (Total total length of the center line in contact with the microporous layer among the center lines of the cross section of the gas diffusion layer) / The length of the center line of the cross section of the gas diffusion layer)
In Equation 2, the gas diffusion layer cross-section is from the outermost surface of the microporous layer facing the interface between the microporous layer and the carbon substrate to the outermost surface of the carbon substrate facing the interface between the microporous layer and the carbon substrate. It means a cross section cut in the vertical direction of the outermost surface of the microporous layer,
The center line of the cross section of the gas diffusion layer means a straight line connecting 50% of the total height of the gas diffusion layer in the cross section of the gas diffusion layer.
 제1항에 있어서,
상기 미세다공층은 소수성 바인더 매트릭스 및 상기 소수성 바인더 매트릭스에 분산된 탄소 분말을 포함하는, 기체확산층.
The method of claim 1,
The microporous layer includes a hydrophobic binder matrix and carbon powder dispersed in the hydrophobic binder matrix.
 제10항에 있어서,
상기 소수성 바인더 매트릭스는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리테릴퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함하는, 기체확산층.
The method of claim 10,
The hydrophobic binder matrix is a perfluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, and a polyethersulfone-based polymer, a polyetherketone-based polymer. A gas diffusion layer comprising one or more polymers selected from the group consisting of polymers, polyether-etherketone polymers, and polyterylquinoxaline polymers.
 제10항에 있어서,
상기 탄소 분말 100 중량부에 대하여 소수성 바인더 매트릭스 함량이 0.1 중량부 이상 40 중량부 이하인, 기체확산층.
The method of claim 10,
A gas diffusion layer having a hydrophobic binder matrix content of 0.1 parts by weight or more and 40 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the carbon powder.
 제1항에 있어서,
상기 기체확산층의 미세다공층 담지량이 0.5 mg/㎠ 이상 30 mg/㎠ 이하인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The gas diffusion layer in which the amount of the microporous layer supported by the gas diffusion layer is 0.5 mg/cm 2 or more and 30 mg/cm 2 or less.
 제1항에 있어서,
상기 미세다공층은 평균 세공 직경이 30 ㎛ 이상 100 um 이하의 다공질체인, 기체확산층.
The method of claim 1,
The microporous layer is a porous body having an average pore diameter of 30 µm or more and 100 µm or less, a gas diffusion layer.
 제1항의 기체확산층을 포함하는, 전극.
An electrode comprising the gas diffusion layer of claim 1.
 제1항의 기체확산층을 포함하는, 막-전극 접합체.
A membrane-electrode assembly comprising the gas diffusion layer of claim 1.
 제1항의 기체확산층을 포함하는, 연료전지.A fuel cell comprising the gas diffusion layer of claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024115108A1 (en) * 2022-11-29 2024-06-06 Carl Freudenberg Kg Gas diffusion layer for fuel cells, comprising a microporous layer with a reduced fluorine content

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