KR20100058737A - 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 반응 기체인 수소 및 공기(산소)를 공급할 때, 전기화학적 반응의 생성물인 물의 배출 및 전자 이동 등의 기능을 하는 기체확산층을 박막화시킨 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 자동차용 기체확산층에 있어서, 상기 기체확산층을 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되, ⅰ) 25kPa에서 두께가 200~300㎛, 1MPa에서 두께가 170~250㎛; ⅱ) 25 kPa에서 밀도가 0.20~0.60g/㎤; ⅲ) 수은 압입법으로 측정한 기공도가 50~90 %; ⅳ) 연료전지 셀 체결압력 1MPa에서 측정한 면통과(Through-plane) 전기 저항이 30mΩㆍ㎠ 이하; 로 유지되도록 박막화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층을 제공한다.
연료전지, 기체확산층(GDL), 거대 기공 지지체, 미세 기공층, 탄소 섬유 종이, 탄소 섬유 펠트, 두께, 기공도, 밀도
Description
본 발명은 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 반응 기체인 수소 및 공기(산소)를 공급할 때, 전기화학적 반응의 생성물인 물의 배출 및 전자 이동 등의 기능을 하는 기체확산층을 박막화시킨 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층에 관한 것이다.
일반적으로 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이 적용되고 있는데, 이 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다[S. Park, J. Lee, and B. N. Popov, J. Power Sources, 177, 457 (2008)].
상기 연료전지의 전기 생성을 위한 반응을 보면, 연료전지의 산화극인 애노 드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극인 캐소드(Cathode)쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되고, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.
연료전지의 전기화학적 성능을 발현하는 영역은 크게 3가지 부분으로 분류되는데, i)전기화학 반응 속도 손실에 기인한 "활성화 손실(Activation Loss)" 영역, ⅱ)각 부품 계면에서의 접촉 저항 및 고분자 막에서의 이온 전도 손실에 기인한 "옴 손실(Ohmic Loss)" 영역, ⅲ)반응 기체들의 물질 전달 능력의 한계에 기인한 "물질 전달 손실(Mass Transport Loss)" 또는 "농도 손실(Concentration Loss)" 영역으로 크게 분류할 수 있다[R. O’Hayre, S. Cha, W. Colella, F. B. Prinz, Fuel Cell Fundamentals, Ch.1, John Wiley & Sons, New York (2006)].
연료전지내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막-전극 접합체의 가습성을 유지시켜주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 "물 범람(Flooding)" 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내까지 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱 더 커지게 된다.
일예로서, 연료전지 자동차 운전시 급격히 높은 출력을 요구할 때, 물 범람 현상에 의해 수소와 공기(산소) 등의 반응 기체들이 연료전지 셀로 적절히 공급되지 않으면 자동차의 안정적 운전이 매우 어려워지게 되고, 따라서 연료전지의 전기화학 반응에 의해 생성된 물을 효율적으로 제거하는 것은 연료전지 자동차의 안정 적 운전에 매우 중요한 인자라 하겠다.
여기서, 연료전지를 구성하는 기체확산층의 기능을 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 기체확산층을 포함하는 연료전지 셀 구성을 나타내는 개략도이다.
상기 기체확산층(220)은 연료전지의 고분자 전해질 막(100)의 양표면에 각각 연료극 및 공기극을 위해 도포된 촉매층(110)의 외표면에 접착되어, 반응 기체인 수소 및 공기(산소) 공급, 전기화학 반응에 의해 생성된 전자 이동, 반응 생성수를 배출시켜 연료전지 셀(Cell)내 물 범람(Flooding) 현상을 최소화시키는 등 다양한 기능을 한다.
현재 상업화된 기체확산층은 수은 압입법(Mercury Intrusion)으로 측정시 일반적으로 기공 크기 1 ㎛ 미만의 미세 기공층(MPL: Micro-Porous Layer, 200)과, 1~300 ㎛ 크기의 거대 기공 지지체(Macro-Porous Substrate 또는 Backing, 210)의 이중 층 구조(Dual Layer Structure)로 구성된다[X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, B. L. Yi, Electrochimica Acta, 51, 4909 (2006)].
또한, 상기 기체확산층은 두께, 기체 투과도(Gas Permeability), 압축도(Compressibility), 미세 기공층과 거대 기공 지지체의 소수성(Hydrophobicity) 처리 정도, 탄소섬유 구조, 기공도/기공 분포, 기공 꼬임도(Tortuosity), 전기 저항 및 굽힘 강성(Bending Stiffness) 등 복잡하고 다양한 구조 차이에 따라 연료전 지의 성능에 크게 영향을 미치며, 특히 물질 전달 영역에서 큰 성능 차이가 나타나는 것으로 알려져 있다[일본특허 JP3331703B2].
상기 기체확산층의 미세 기공층은 카본 블랙(Carbon Black), 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.
또한, 상기 기체확산층의 미세 기공층이 갖는 기공 구조 및 소수성을 적절히 조절함으로써, 촉매층에 존재하는 연료전지 전기화학 반응 생성수 배출 및 반응 기체들의 공급을 원활히 유도할 수 있고, 촉매층과의 전기적 접촉 저항을 최소화시킬 수 있다.
한편, 상기 기체확산층의 거대 기공 지지체는 일반적으로 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성되는데, 크게 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다[S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006); M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications, Vol.3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)].
또한, 상기 기체확산층의 거대 기공 지지체는 고분자 전해질 막 및 촉매층에 대한 물리적 지지체로 사용되며, 상기 미세 기공층과 마찬가지로 연료전지 반응을 위한 물질 전달 역할을 하는데, 특히 생성된 물의 원활한 배출에 중요한 역할을 하여 연료전지의 고출력밀도 영역에서의 물 범람 문제를 최소화하는 데 큰 기여를 한다.
이와 같은 연료전지 자동차용 기체확산층은 수송용, 휴대용, 가정용 등과 같은 상세 적용 분야 및 연료전지 운전 조건에 따라 적절히 성능이 발현되도록 구조 설계가 이루어져야 하는데, 일반적으로 연료전지 자동차용으로는 반응 기체 공급성 및 생성수 배출성, 스택 체결시 압축성/핸들링성(Handling Property) 등 제반 물성이 양호한 탄소섬유 펠트나 탄소섬유 종이형 기체확산층 사용이 탄소섬유 천 대비 더 선호되고 있다.
한편, 신규 연료전지 자동차 구조 설계시, 제한된 차량 공간에 수많은 부품을 배치해야 하기 때문에 이러한 차량 설계성을 확보하기 위해서는 연료전지 부품들이 우수한 성능을 발현하면서 동시에 소형화하는 것이 매우 중요하다.
또한, 차량 단위에서 일정 부분 그 성능이 실증된 종래의 탄소섬유 펠트형 후막 기체확산층의 경우에는 정상적인 연료전지 자동차 운전 조건하에서는 우수한 전기화학적 성능을 발현하나, 수소 연료의 공급 부족과 같은 비정상 운전 조건에서는 안정적인 운전이 어렵고, 또한 그 두께가 두꺼워 차량 패키지(Package) 설계성을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 개선하고 상압형 연료전지 자동차의 성능을 증가시키기 위해 안출된 것으로서, 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 기체확산층을 구성하되, 기체확산층의 여러 구조인자 중 물질 전달의 확산 두께(Diffusion Thickness)와 밀접한 관련이 있는 기체확산층의 두께를 감소시켜 박막화시킴으로써, 상압형 연료전지 차량의 구동 조건에서 기존 후막 기체확산층 대비 전기화학적 성능 안정성을 증가시킴과 동시에, 연료전지 스택 길이 감소, 차량 설계 용이성 증가, 셀 추가 적층을 가능하게 하여 차량의 출력 증가를 도모할 수 있도록 한 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지자동차용 기체확산층에 있어서, 상기 기체확산층을 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되, ⅰ) 25kPa에서 두께가 200~300㎛, 1MPa에서 두께가 170~250㎛; ⅱ) 25 kPa에서 밀도가 0.20~0.60g/㎤; ⅲ) 수은 압입법으로 측정한 기공도가 50~90 %; ⅳ) 연료전지 셀 체결압력 1MPa에서 측정한 면통과(Through-plane) 전기 저항이 30mΩㆍ㎠ 이하; 로 유지되도록 박막화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지용 기체확산층을 제공한다.
바람직하게는, 상기 기체확산층은 25kPa에서 두께가 230~270㎛이고, 1MPa에서 190~230㎛로 유지되도록 박막화시켜 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 기체확산층의 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이중 선택된 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기체확산층은 25kPa에서 밀도가 0.35~0.50g/㎤가 되도록 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 소수성 고분자인 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리테트라플루오로에틸렌을 기재로 한 공중합체, 또는 상기 소수성 고분자들을 2종 이상 혼합한 고분자 블렌드중 선택된 하나의 소수성 물질이 상기 미세 기공층과 거대 기공 지지체에 각각 3~40 중량부 및 1~40 중량부 함유된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소수성 물질이 상기 미세 기공층과 거대 기공 지지체에 각각 3~30 중량부 및 2~25 중량부 함유된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 수은 압입법으로 측정한 상기 기체확산층의 기공도는 60~85% 인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 연료전지 셀 체결압력 1MPa에서 측정한 상기 기체확산층의 면통과(Through-plane) 전기 저항이 20mΩㆍ㎠ 이하가 되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 기체확산층의 여러 구조인자 중 물질 전달의 확산 두께와 밀접한 관련이 있는 기체확산층의 두께를 감소시켜 박막화시킴으로써, 기존 후막 기체확산층 대비 수소 연료의 공급 부족과 같은 비정상 운전조건하에서 연료전지 운전 안정성을 증가시킬 수 있다.
또한, 기체확산층의 두께를 감소시켜 박막화시킴에 따라, 차량당 연료전지 스택 길이를 약 69 mm 정도까지 감소시켜, 연료전지 차량의 설계 용이성 및 연료전지의 탑재 공간을 절약할 수 있다.
또한, 기체확산층의 박막화에 따른 스택 길이를 감소시켜, 그 감소된 만큼 연료전지 셀을 추가 적층할 수 있고, 추가 적층된 셀에 의한 출력 증가(약 7kW)를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 구성되고, 연료전지내 반응 기체의 물질 전달 성능, 물 배출성 및 전자 이동성 등 제반 성능이 우수한 연료전지 자동차용 박막 기체확산층을 제공하고자 한 것이다.
제1실시예: 기체확산층의 두께
본 발명의 제1실시예는 기체확산층을 박막화시키되, 그 두께를 한정한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 기체확산층으로서 펠트형 박막 기체확산층(GDL-2) 1종을 사용하였는데, 25kPa에서 두께가 200~300㎛이고, 1MPa에서 170~250㎛로 박막화시켰다.
보다 바람직하게는, 본 발명의 제1실시예에 따른 박막 기체확산층은 25kPa에서 두께가 230~270㎛이고, 1MPa에서 190~230㎛를 유지하도록 소정의 방법으로 박막화시켜 제조하였다.
만일, 상기 기체확산층이 25kPa에서 두께가 200㎛ 미만이면 기계적 물성 및 핸들링성이 저하되고 균일한 품질로 제조하기가 어려우며, 반면에 두께가 300㎛ 초과시 실질적인 박막화 효과를 보기 어렵다.
따라서, 본 발명의 펠트형 박막 기체확산층은 25kPa에서 두께 250㎛, 1 MPa에서 두께 210㎛를 갖도록 소정의 방법에 의하여 제조된다.
제2실시예: 기체확산층의 밀도
본 발명의 제2실시예는 기체확산층을 박막화시키되, 그 밀도를 한정한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 펠트형 박막 기체확산층은 그 밀도를 25 kPa에서 0.20~0.60g/㎤가 되도록, 보다 바람직하게는 0.35~0.50g/㎤로 조절하여 소정의 방법으로 제조하였다.
이때, 상기 기체확산층의 밀도가 0.20g/㎤ 미만이면 핸들링성이 저하되어 스택으로 체결하기가 어렵고, 0.60g/㎤ 초과시 너무 조밀하여 물질 전달성이 저하될 수 있다.
제3실시예: 소수성 물질 함유비
본 발명의 제3실시예는 기체확산층을 박막화시키되, 미세 기공층과 거대 기공 지지체의 소수성 물질 함유비를 한정한 점에 주안점이 있다.
일반적으로 기체확산층의 미세 기공층과 거대 기공 지지체는 연료전지 생성수의 원활한 배출을 위하여 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌을 기재로 한 공중합체(Copolymer), 또는 이러한 소수성 고분자들을 2종 이상 혼합한 고분자 블렌드 등의 소수성 물질을 사용하여 소수성 처리를 해 주는 바, 소수성 물질이 부족할 경우 생성수의 배출이 원활하지 않고, 과다할 경우 기체확산층의 전기저항이 증가하여 전자의 이동이 어렵고 또한 기공도가 크게 감소하여 반응 기체들과 생성수의 물질 전달이 어려워지는 문제점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 펠트 박막 기체확산층을 구성하는 미세 기공층과 거대 기공 지지체는 각각 3~40 중량부 및 1~40 중량부의 소수성 물질이 함유되고, 보다 바람직하게는 각각 3~30 중량부 및 2~25 중량부가 함유되도록 한다.
한편, 연료전지 자동차용 기체확산층의 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이 등을 많이 사용하는데, 본 발명의 박막 기체확산층에서는 연료전지의 성능 발현에 특히 유리한 탄소섬유 펠트 구조의 거대 기공 지지체를 사용하였다.
제4실시예: 기체확산층의 기공도
본 발명의 제4실시예는 기체확산층을 박막화시키되, 그 기공도를 한정한 점에 주안점이 있다.
연료전지의 기체확산층 기공도를 적절한 수준으로 유지하는 것이 매우 중요한데, 그 이유는 기공도가 너무 작으면 반응 기체 및 생성수 등의 물질 전달성이 저하되고, 기공도가 너무 크면 기계적 물성 및 핸들링성이 저하되기 때문이다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 펠트 박막 기체확산층은 수은 압입법(Mercury Intrusion)을 사용한 기공도 측정 결과, 미세 기공층 및 거대 기공 지지체를 포함하는 기체확산층의 기공도가 50~90%, 보다 바람직하게는 60~85%를 유지하도록 소정의 방법으로 제조하였다.
제5실시예: 면통과 전기저항
본 발명의 제5실시예는 기체확산층을 박막화시키되, 그 면통과 전기저항을 한정한 점에 주안점이 있다.
연료전지 반응에 의해 생성된 전자를 원활히 이동시키기 위해서는 기체확산층의 전기저항이 낮을수록 좋은데, 본 발명의 펠트 박막 기체확산층은 연료전지 셀 체결압력 1MPa에서 측정한 면통과(Through-plane) 전기 저항이 30mΩㆍ㎠ 이하, 보다 바람직하게는 20mΩㆍ㎠ 이하가 되도록 소정의 방법으로 제조하였다.
비교예
상기한 각 실시예에 따른 본 발명의 기체확산층과의 성능 비교를 위해 비교예로서, 종래의 펠트형 후막(25kPa에서 두께 420㎛; 1MPa에서 두께 350㎛) 기체확산층(GDL-1) 1종을 채택하였다.
시험예
상기한 각 실시예에 따른 본 발명의 기체확산층 즉, 압력 25kPa에서 두께 250㎛, 압력 25kPa에서 밀도 0.40g/㎤, 수은압입법 측정시 기공도 70%, 미세기공층 및 거대 기공 지지체의 소수성 물질 함유비가 각각 23중량부 및 5중량부로 이루어 진 기체확산층을 전기화학적 성능 평가를 위해 소정의 방법으로 제조하였다.
비교예로서, 25kPa에서 두께 420㎛를 갖는 종래의 펠트형 후막 기체확산층을 대상으로 선정하였다.
이러한 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층의 전기화학적 성능 평가를 위하여, 실시예 및 비교예에 따른 고분자 전해질 막, 촉매층, 분리판 및 체결 기구 등 제반 부품들은 모두 동일하게 조립하여 유지하였다.
또한, 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지의 전기화학적 성능은 연료전지 6셀을 기준으로 전압-전류밀도 분극(Potential-Current Density Polarization) 특성을 측정하여 비교하였으며, 전기화학적 성능 측정기는 기존 상용화된 장비를 사용하였다.
이때, 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지의 전기화학적 성능 측정시 사용한 조건은 다음과 같다.
* 연료전지 셀 입구 온도= 65℃,
* 기체 압력= 상압(Near Ambient Pressure),
* 수소 애노드/공기 캐소드 상대 습도(RH: Relative Humidity)= 100%/100% 또는 50%/50%,
* 수소 애노드/공기 캐소드 화학양론비(S.R.: Stoichiometry Ratio)= 1.5/2.0.
여기서, 위와 같은 조건하에서 실시예 및 비교예에 따른 기체확산층을 갖는 연료전지를 정상 운전시 및 수소 연료 공급 부족시 전기화학적 성능 평가를 수행하 였는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
1) 정상 운전 조건하 연료전지 전기화학적 성능 평가
상대습도 100%/100% 및 50%/50% 조건에서, 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층과 비교예에 따른 종래의 후막 기체확산층의 전기화학적 성능을 연료전지 표준 운전조건에서 비교하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 2에서 보듯이, 본 발명의 박막 기체확산층의 전기화학적 성능이 종래의 후막 기체확산층 대비 동등 수준임을 알 수 있었으며, 이에 본 발명의 박막 기체확산층의 전기화학적 성능이 종래의 후막 기체확산층의 우수한 전기화학적 성능 대비 동등 수준으로 발현되도록 잘 설계된 것임을 알 수 있었다.
2) 수소 연료 공급 부족시 연료전지 전기화학적 성능
연료전지 자동차를 다양한 운전 조건하 작동시, 반응 연료인 애노드의 수소가 돌발적인 상황에 의해 필요량 대비 과하거나 또는 부족하게 공급될 수 있고, 특히 수소 공급이 감소하는 경우 연료전지 자동차의 에너지원인 스택은 출력 성능이 급격히 감소하게 되어 안정적인 차량 운전이 이루어지지 않게 된다.
이에, 위와 같은 수소 공급이 부족한 비정상 운전조건하에서의 연료전지의 안정적 작동성을 모사, 평가하는 것이 필수적이다.
이러한 상황을 모사하기 위하여, 캐소드 공기 S.R.= 2.0으로 고정시킨 후, 애노드 수소 S.R.= 2.0 → 1.2로 단계적으로 감소시키면서 각각 비교예에 따른 종래의 후막 기체확산층 및 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층의 전기화학적 성능 변화를 관찰하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3 및 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 3에서 보는 바와 같이, 비교예에 따른 종래의 후막 기체확산층의 경우, 애노드 수소 S.R.= 2.0 → 1.5로 감소시킬 때까지는 전기화학적 성능 감소가 거의 없었으나, 애노드 수소 S.R.= 1.3 이하부터 성능이 급격히 감소됨을 알 수 있었고, 특히 애노드 수소 S.R.= 1.2인 경우에는 높은 전류 밀도에서 안정적인 연료전지 구동이 어렵다는 것을 알 수 있었다.
반면에, 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층의 경우에는 도 4에서 보는 바와 같이, 애노드 수소 S.R.= 2.0 → 1.3까지 감소해도 전기화학적 성능 변화가 거의 없고, 특히 애노드 수소 S. R.= 1.2의 매우 낮은 경우에도 종래의 후막 기체확산층 대비 성능 저하가 적어서 높은 전류밀도까지도 안정적으로 연료전지 구동이 가능함을 알 수 있었다.
이러한 결과는, 연료전지 자동차내 수소 저장시스템에서 예상치 못한 돌발 상황이 발생하여 연료전지 스택에 연료인 수소를 원활히 공급하지 못하는 경우 확산 두께가 작은 본 발명의 박막 기체확산층을 사용하면 종래의 후막 기체확산층 대비 연료전지 자동차를 보다 안정적으로 구동할 수 있음을 의미한다.
여기서, 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층과 비교예에 따른 종래의 후막 기체확산층의 전기화학적 성능 평가에 있어서, 수소 공급 부족에 따른 성능 저하 정도를 정량화하기 위해 애노드 S.R.= 2.0일 때 0.6V에서의 전류밀도값을 100%로 한 경우 애노드 S.R.= 1.2일 때 0.6V에서의 전류밀도값의 비율을 측정하였 는 바, 그 결과는 첨부한 도 5의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 5에서 보는 바와 같이, 애노드 수소 S.R.= 2.0 → 1.2로 감소함에 따라, 비교예에 따른 후막 기체확산층은 전류밀도가 약 30% 감소하였으나, 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층은 약 7%만 감소함을 알 수 있었고, 결국 본 발명의 박막 기체확산층이 연료전지의 안정적 구동에 더 유리함을 알 수 있었다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 연료전지 자동차의 성능을 극대화하기 위해 기체확산층의 여러 구조인자 중 물질 전달의 확산 두께와 밀접한 관련이 있는 기체확산층의 두께를 소정의 방법을 통해 기존 420㎛에서 250㎛로 감소시켜 박막화된 구조로 제조함으로써, 상압형 연료전지 자동차에 본 발명의 박막 기체확산층을 적용하는 경우 종래의 후막 기체확산층 대비 수소 연료 부족 상태에서 전기화학적 성능을 보다 안정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 기체확산층을 박막화된 구조로 제조함에 따라, 차량당 연료전지 스택의 길이를 약 69mm 감소시킬 수 있고, 그에 따라 차량 패키지 레이아웃(Package Layout) 설계성을 증가시킬 수 있으며, 또한 스택의 감소된 길이만큼 추가로 연료전지 셀을 적층하여 자동차 출력을 약 7kW 추가 증가시킬 수 있다.
도 1은 연료전지 셀의 구성요소를 설명하는 개략도.
도 2는 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층과 비교예에 따른 종래의 후막 기체확산층의 전기화학적 성능을 연료전지 표준 운전조건에서 비교한 결과를 나타내는 그래프,
도 3은 수소 공급이 부족한 비정상 운전조건하에서의 연료전지의 작동성을 모사 및 평가한 결과로서, 수소 S.R. 변화에 따른 종래의 후막 기체확산층의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프,
도 4는 수소 공급이 부족한 비정상 운전조건하에서의 연료전지의 작동성을 모사 및 평가한 결과로서, 수소 S.R. 변화에 따른 본 발명의 박막 기체확산층의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프,
도 5는 실시예에 따른 본 발명의 박막 기체확산층과 비교예에 따른 종래의 후막 기체확산층의 전기화학적 성능 평가 결과로서, 수소 S.R. 변화에 따른 전기화학적 성능을 정량화시켜 전류밀도값의 비율을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 고분자 전해질 막 110 : 촉매층
200 : 미세 기공층 210 : 거대 기공 지지체
220: 기체확산층
Claims (7)
- 연료전지 자동차용 기체확산층에 있어서,상기 기체확산층을 미세 기공층 및 거대 기공 지지체의 이중 층 구조로 제조하되,i) 거대 기공 지지체는 탄소섬유 펠트 또는 탄소섬유 종이중 선택된 어느 하나로 구성하고,ii) 25kPa에서 두께가 200~300㎛, 1MPa에서 두께가 170~250㎛;iii) 25 kPa에서 밀도가 0.20~0.60g/㎤;iv) 수은 압입법으로 측정한 기공도가 50~90 %;v) 연료전지 셀 체결압력 1MPa에서 측정한 면통과(Through-plane) 전기 저항이 30mΩㆍ㎠ 이하;로 유지되도록 박막화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
- 청구항 1에 있어서,상기 기체확산층은 25kPa에서 두께가 230~270㎛이고, 1MPa에서 190~230㎛로 유지되도록 박막화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
- 청구항 1에 있어서,상기 기체확산층은 25kPa에서 밀도가 0.35~0.50g/㎤가 되도록 제조된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
- 청구항 1에 있어서,소수성 고분자인 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리테트라플루오로에틸렌을 기재로 한 공중합체, 또는 상기 소수성 고분자들을 2종 이상 혼합한 고분자 블렌드중 선택된 하나의 소수성 물질이 상기 미세 기공층과 거대 기공 지지체에 각각 3~40 중량부 및 1~40 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
- 청구항 4에 있어서,상기 소수성 물질이 상기 미세 기공층과 거대 기공 지지체에 각각 3~30 중량부 및 2~25 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
- 청구항 1에 있어서,수은 압입법으로 측정한 상기 기체확산층의 기공도는 60~85% 인 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
- 청구항 1에 있어서,연료전지 셀 체결압력 1MPa에서 측정한 상기 기체확산층의 면통과(Through-plane) 전기 저항이 20mΩㆍ㎠ 이하가 되도록 한 것을 특징으로 하는 운전 안정성이 우수한 연료전지 자동차용 기체확산층.
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