KR100864957B1 - A membrane electrode assembly including a catalyst layer having a thickness gradient, a manufacturing method thereof, a fuel cell including the membrane electrode assembly, and an operating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MEA의 캐소드 촉매층이 두께 구배를 갖도록 코팅된 무 가습 또는 저 가습 조건 하에서 운전되는 연료전지용 MEA, 그 제조 방법, 상기 MEA를 포함하는 연료전지 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 가습기 자체를 제거함으로써 반응물질의 가습 수준을 낮추어 가습기 장착에 따른 제반 문제점을 해결하는 것과 더불어, 촉매 로딩양의 구배를 형성함으로써 무 가습 또는 저 가습 조건 하서도 생산된 물을 효과적으로 이용하여 셀 성능 향상을 달성할 수 있다.The present invention relates to a fuel cell MEA, a method of manufacturing the same, a fuel cell including the MEA, and a method of operating the same, wherein the cathode catalyst layer of the MEA is operated under a non-humidized or low humidified condition coated with a thickness gradient. According to the present invention, by eliminating the humidifier itself, the humidification level of the reactants is lowered to solve all the problems associated with the installation of the humidifier, and by using a catalyst loading amount gradient, it is possible to effectively use the water produced even under no humidification or low humidification conditions. Cell performance improvement.
막전극 집합체, 연료전지, 무가습, 두께 구배 Membrane Electrode Assembly, Fuel Cell, Humidification, Thickness Gradient
Description
도 1a 내지 1d는 본 발명의 비교예들(도 1a, 1c) 및 실시예들(1b, 1d)의 캐소드 촉매층 코팅을 각각 나타내는 개략도이고, 도 1e는 상기 캐소드에서의 공기(산소) 흐름을 나타내는 개략도이다.1A to 1D are schematic diagrams showing a cathode catalyst layer coating of Comparative Examples (FIGS. 1A and 1C) and Examples 1B and 1D of the present invention, respectively, and FIG. 1E shows air (oxygen) flow in the cathode. Schematic diagram.
도 2a 내지 2b는 본 발명의 비교예들 및 실시예들의 막 전극 집합체의 완전 가습된 수소 및 공기 조건(도 2a) 및 완전 가습된 수소 및 산소 조건(도 2b) 하에서의 분극 커브를 나타내는 그래프이다. 여기서, 애노드의 촉매 로딩양은 각각 0.3mg/cm2이다.2A-2B are graphs showing polarization curves under fully humidified hydrogen and air conditions (FIG. 2A) and fully humidified hydrogen and oxygen conditions (FIG. 2B) of membrane electrode assemblies of the comparative examples and embodiments of the present invention. Here, the catalyst loading amount of the anode is 0.3 mg / cm 2, respectively.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 비교예들 및 실시예들의 MEA의 무가습 수소 및 공기 조건(도 3a) 및 무가습 수소 및 산소 조건(도 3b) 하에서의 분극 커브를 나타내는 그래프이다. 여기서, 애노드의 촉매 로딩양은 각각 0.3mg/cm2이다.3A to 3B are graphs showing polarization curves under unhumidified hydrogen and air conditions (FIG. 3A) and unhumidified hydrogen and oxygen conditions (FIG. 3B) of MEAs of Comparative Examples and Examples of the present invention. Here, the catalyst loading amount of the anode is 0.3 mg / cm 2, respectively.
도 4a 내지 4b는 본 발명의 비교예들 및 실시예들의 MEA의 무가습 수소 및 공기 조건 하에서 0.8A/cm2인 경우의 전압을 나타내는 그래프이다.4A to 4B are graphs showing voltages at 0.8 A / cm 2 under unhumidified hydrogen and air conditions of the MEA of the Comparative Examples and Examples of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예2의 MEA의 무가습 수소 및 공기 조건 하에서 온도를 달리한 경우의 분극 커브를 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing polarization curves when temperature is changed under unhumidified hydrogen and air conditions of the MEA of Example 2 of the present invention. FIG.
1. B. Yang, A. Manthiram, J. Electrochem. Soc. 151 (2004) A2120-A2125.B. Yang, A. Manthiram, J. Electrochem. Soc. 151 (2004) A 2120-A 2125.
2. N.H. Jalani, K. Dunn, R. Datta, Electrochimica Acta, 51 (2005) 553.2. N.H. Jalani, K. Dunn, R. Datta, Electrochimica Acta, 51 (2005) 553.
3. F. Liu, B. Yi, D. Xing, J. Yu, Z. Hou, Y. Fu, J. Power Sources, 124 (2003) 81.3.F. Liu, B. Yi, D. Xing, J. Yu, Z. Hou, Y. Fu, J. Power Sources, 124 (2003) 81.
본 발명은 두께 구배를 가지는 촉매층을 포함하는 막 전극 집합체(이하, "MEA"라고 한다), 그 제조 방법, 상기 막 전극 집합체를 포함하는 연료전지 및 그 운전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as "MEA") comprising a catalyst layer having a thickness gradient, a method of manufacturing the same, a fuel cell including the membrane electrode assembly, and a method of operating the same.
본 발명에서 저 가습 조건이란 습도가 0 초과 20% 이하의 범위에 있는 경우의 가습 조건을 의미하고, 무 가습 조건은 습도가 0%인 것을 의미한다.In the present invention, the low humidification condition means a humidification condition when the humidity is in the range of more than 0 and 20% or less, and the non-humidification condition means that the humidity is 0%.
프로톤 교환막 연료 전지(이하, "PEMFC"라고 한다)는 연료의 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 전기 화학 장치로서, 종래의 전원 발생 시스템과 대비할 때 환경 친화적이면서도 높은 에너지 효율을 가지므로 차세대 전원으로서 주목받고 있다.The proton exchange membrane fuel cell (hereinafter referred to as "PEMFC") is an electrochemical device in which chemical energy of fuel is converted into electrical energy, which is environmentally friendly and has high energy efficiency as compared to conventional power generation systems. I am getting it.
PEMFC는 통상적으로 나피온 타입의 퍼플루오르술폰산 고분자를 전해질막으로 사용하는데 나피온 전해질막은 프로톤 전도도를 유지하기 위하여 가습되어야 하며, 이를 위하여 PEMFC에 별도의 가습기가 장착되어야 한다. PEMFC typically uses a Nafion type perfluorosulfonic acid polymer as an electrolyte membrane. The Nafion electrolyte membrane must be humidified to maintain proton conductivity, and for this purpose, a separate humidifier must be installed in the PEMFC.
그러나 이러한 가습기 장착을 위하여는 별도의 공간이 필요하고 이에 따라 전체 연료 전지의 공간 활용을 저해하게 된다. 특히 이동형 전원 장치와 같이 보조적 부품의 사용이 최소화되어야 하는 전원용에 있어서 가습기의 사용은 적합하지 않다. However, in order to install the humidifier, a separate space is required, thereby inhibiting the space utilization of the entire fuel cell. The use of humidifiers is not particularly suitable for power supplies where the use of auxiliary components, such as mobile power supplies, should be minimized.
나아가, 가습기를 장착하는 경우 많은 양의 물이 연료 전지로 공급되는데 과량의 물이 공급되는 경우에는 오히려 일정한 셀 성능을 저해하므로 연료전지로부터 제거해야하는 불편이 따른다. Furthermore, when a humidifier is mounted, a large amount of water is supplied to the fuel cell. However, when an excessive amount of water is supplied, a certain cell performance is impaired, which causes inconvenience to be removed from the fuel cell.
이와 같은 가습기 장착의 문제점을 해결하는 가장 적절한 방법은 가습기 자체를 제거하는 것 즉, 외부 가습이 없는 무 가습 또는 저 가습 조건하에서 연료 전지가 작동될 수 있도록 하는 것이다. 외부 가습 없는 PEMFC의 운전은 전체 연료 전지 시스템을 단순화할 수 있고 비용을 크게 절감할 수 있다.The most appropriate way to solve this problem of mounting the humidifier is to remove the humidifier itself, ie to allow the fuel cell to operate under low or no humidification conditions without external humidification. Operation of the PEMFC without external humidification can simplify the entire fuel cell system and significantly reduce costs.
외부 가습이 없이 PEMFC를 작동하기 위하여는 연료 전지 내에 여러 부품들이 변형되어야 하는데 이러한 기술들은 알려져 있다.In order to operate a PEMFC without external humidification, several components must be modified in the fuel cell. These techniques are known.
예컨대, 무기 물질을 이온 교환막에 첨가한 자기 가습막을 사용하는 PEMFC의 작동이 개발된바 있고<종래 기술 문헌 1 및 2 참조>, 또한, 백금이 나피온과 PTFE 복합막의 중앙에서 분산 위치하여 건조 조건에서도 셀 성능을 향상하는 것이 알려져 있다<종래 기술 문헌 3 참조>. For example, the operation of PEMFC using a magnetic humidifying membrane in which an inorganic material is added to an ion exchange membrane has been developed (see prior art documents 1 and 2). Furthermore, platinum is dispersed in the center of Nafion and PTFE composite membranes to dry conditions. It is also known to improve the cell performance (see the prior art document 3).
그런데 무 가습 또는 저 가습 조건하에서 PEMFC를 운전하기 위하여는 생산된 물을 연료 전지 운전 동안 효율적으로 사용하여야 하지만 종래의 기술들에 있어서는 PEMFC가 무가습 또는 저 가습 조건하에서 운전되는 경우 농도 차이 때문에 생산된 물의 대부분이 캐소드 반응 사이트로부터 가스 채널로 확산하게 된다. 따라서 심지어 많은 양의 물이 생산되더라도 막은 충분히 수화될 수 없어서 결국 셀 성능이 떨어진다는 문제점이 있다. However, in order to operate PEMFC under no-humidity or low-humidity conditions, the produced water must be used efficiently during fuel cell operation. Most of the water will diffuse from the cathode reaction site into the gas channel. Thus, even when a large amount of water is produced, the membrane cannot be sufficiently hydrated, resulting in a decrease in cell performance.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 막 전극 집합체 내지 연료전지에 있어서, 가습기 자체를 제거함으로써 반응 물질의 가습 수준을 낮추어 가습기 장착에 따른 제반 문제점을 해결하는 것과 더불어, 무 가습 또는 저 가습 조건하에서도 생산된 물을 효과적으로 이용하여 셀 성능 향상을 달성하도록 하는 것이다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems, an object of the present invention, in the membrane electrode assembly or the fuel cell, by removing the humidifier itself to lower the level of humidification of the reactant to solve the problems associated with the installation of the humidifier. In addition, it is possible to effectively use the water produced under no humidification or low humidification conditions to achieve cell performance improvement.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 무 가습 또는 저 가습 조건 하에서 운전되는 연료전지용 MEA로서, 상기 MEA의 캐소드 촉매층이 두께 구배를 갖도록 코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지용 MEA에 의하여 달성된다. The object of the present invention as described above is achieved by a fuel cell MEA, characterized in that the cathode catalyst layer of the MEA is coated to have a thickness gradient as a fuel cell MEA operated under no humidification or low humidification conditions.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 무 가습 또는 저 가습 조건 하에서 운전되는 연료전지용 MEA의 제조 방법으로서, 상기 MEA의 캐소드 촉매층이 두께 구배를 갖도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 MEA의 제조 방법에 의하여 달성된다.An object of the present invention as described above is a method for manufacturing a fuel cell MEA that is operated under no humidification or low humidification conditions, the method of manufacturing a fuel cell MEA characterized in that the cathode catalyst layer of the MEA is coated to have a thickness gradient. Is achieved.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 무 가습 또는 저 가습 조건 하에서 운전되는 연료전지에 있어서, 상기 MEA를 포함하는 연료전지에 의하여 달성된다.The object of the present invention as described above is achieved by a fuel cell including the MEA in a fuel cell operated under no humidification or low humidification conditions.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 무 가습 또는 저 가습 조건 하에서 운전되는 연료전지의 운전 방법으로서, 상기 연료 전지를 운전 시 전류 밀도를 상승시키도록 운전하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 방법에 의하여 달성된다. 이때, 전류 밀도가 0.8A/cm2 미만에서는 작동 온도를 낮추고 0.8A/cm2 이상에서는 작동 온도를 높이는 것이 바람직하다.An object of the present invention as described above is a method of operating a fuel cell that is operated under a condition of no humidification or low humidification, the fuel cell operating method characterized in that for driving to increase the current density during operation. Is achieved. At this time, the current density 0.8A / cm 2 is less than the lower the operating temperature 0.8A / cm 2 or more is preferred to increase the operating temperature.
이상에서 상기 MEA는 공기 또는 산소 입구 측의 촉매 층 두께가 공기 또는 산소 출구 측의 촉매 층 두께보다 더 크도록 구배를 형성하는 것이 바람직하다.In the above, the MEA preferably forms a gradient such that the catalyst layer thickness at the air or oxygen inlet side is larger than the catalyst layer thickness at the air or oxygen outlet side.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 설명함으로써 상술한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are only common in the art while making the disclosure of the present invention complete. It is intended to facilitate the implementation of the invention to those with knowledge.
본 발명에서는 가습기를 제거하되 무 가습 또는 저 가습 조건에서 효율적인 셀 성능을 얻을 수 있도록 운전 과정에서 생산된 물 자체를 효과적으로 이용하도록 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 종래의 촉매층이 촉매 층 전체에 걸쳐서 균일한 두께로 형성되었던 것과는 다르게 촉매층 코팅시 촉매층 두께가 구배를 가지도록 한다. 예컨대, 본 발명에서는 캐소드 입구 반응 사이트가 출구 반응 사이트보다 촉매 층의 두께가 더 크도록 함으로써 캐소드 입구 반응 사이트에서 더 많은 물을 생산하도록 하며, 이에 따라 물의 농도 차이를 감소시켜서 무 가습 또는 저 가습 조 건 하에서도 막을 충분히 수화시키고 셀 성능을 높일 수 있다.In the present invention, the humidifier is removed, but to effectively use the water produced in the operation process to obtain efficient cell performance under no humidification or low humidification conditions. To this end, in the present invention, the catalyst layer thickness has a gradient when coating the catalyst layer, unlike the conventional catalyst layer is formed in a uniform thickness throughout the catalyst layer. For example, the present invention allows the cathode inlet reaction site to produce a larger amount of water at the cathode inlet reaction site by having a larger thickness of the catalyst bed than the outlet reaction site, thereby reducing the difference in concentration of water and thus reducing the humidification or low humidification bath. Even under dry conditions, the membrane can be fully hydrated and the cell performance can be improved.
[MEA 제조][Manufacture of MEA]
구체적으로 MEA는 예컨대 다음과 같이 제조하였다. 탄소 지지 촉매 파우더(40wt%, Pt/C, E-Tek), 나피온 용액(EW 1100, 5wt%, 듀퐁사 제품) 및 이소프로필 알콜(베이커, HPLC )을 혼합하여 촉매 잉크를 제조하였다. 상기 촉매 잉크를 초음파 처리한 후 나피온 111 막에 직접 분사하여 MEA를 제조하였다(활성 면적 : 5×5 cm2). MEA는 60℃에서 10 시간 동안 건조하였다. 상기 촉매 잉크의 분사 시 코팅 두께를 균일하게 하거나 하기 실시예들과 같이 구배를 가지도록 하였다. Specifically, MEA was prepared as follows, for example. A catalyst ink was prepared by mixing carbon supported catalyst powder (40 wt%, Pt / C, E-Tek), Nafion solution (EW 1100, 5 wt%, DuPont) and isopropyl alcohol (Baker, HPLC). The catalyst ink was sonicated and sprayed directly onto a Nafion 111 membrane to prepare a MEA (active area: 5 × 5 cm 2 ). MEA was dried at 60 ° C. for 10 hours. When the catalyst ink is sprayed, the coating thickness is uniform or has a gradient as in the following examples.
도 1a은 비교예1의 촉매 코팅을 나타내는 것으로서 여기서 캐소드는 촉매가 전체적으로 균일한 로딩양(0.3mg/cm2)이 되도록 코팅하였다. 도 1c는 비교예2의 촉매 코팅을 나타내는 것으로서 여기서 캐소드는 촉매가 전체적으로 균일한 로딩양(0.4mg/cm2)이 되도록 코팅하였다. FIG. 1A shows the catalyst coating of Comparative Example 1, wherein the cathode was coated such that the catalyst had an overall uniform loading amount (0.3 mg / cm 2 ). FIG. 1 c shows the catalyst coating of Comparative Example 2, wherein the cathode was coated such that the catalyst had an overall uniform loading amount (0.4 mg / cm 2 ).
도 1b는 실시예1의 촉매 코팅을 나타내는 것으로서 여기서 캐소드는 공기 또는 산소 입구 측으로부터 출구 측에 이르기까지 촉매층의 두께가 구배(로딩양이 0.2mg/cm2 내지 0.4mg/cm2)를 가지도록 코팅하였다. 도 1d는 실시예2의 촉매 코팅을 나타내는 것으로서 여기서 캐소드는 공기 또는 산소 입구 측으로부터 출구 측에 이르기까지 촉매층의 두께가 구배(로딩양이 0.3mg/cm2 내지 0.5mg/cm2)를 가지도록 코팅하였다. FIG. 1 b shows the catalyst coating of Example 1 wherein the cathode has a gradient (loading amount of 0.2 mg / cm 2 to 0.4 mg / cm 2 ) of the catalyst layer from air or oxygen inlet side to outlet side Coated. FIG. 1D shows the catalyst coating of Example 2 wherein the cathode has a gradient (loading amount of 0.3 mg / cm 2 to 0.5 mg / cm 2 ) of catalyst layer from air or oxygen inlet side to outlet side Coated.
이상으로부터 알 수 있듯이 비교예1과 실시예1, 비교예2와 실시예2는 서로 평균 촉매 로딩양이 동일(0.3mg/cm2 또는 0.4mg/cm2)하지만 두께 구배가 형성된 차이점이 있다. As can be seen from the above, Comparative Example 1 and Example 1, Comparative Example 2 and Example 2 have the same average catalyst loading amount (0.3 mg / cm 2 or 0.4 mg / cm 2 ), but there is a difference in the thickness gradient is formed.
제조된 비교예들 및 실시예들의 MEA에는 도 1e에 도시된 바와 같이 공기 또는 산소의 산화제가 흐르게 하였다.In the prepared Comparative Examples and Examples of MEA, an oxidant of air or oxygen was flowed as shown in FIG. 1E.
[성능 테스트][Performance test]
성능 테스트를 위하여, 상기 MEA, 가스확산매체(Sigracet 10BC, SGL Carbon Inc.; GDM의 선택에 있어서 낮은 기공도를 가지는 것이 사용되는데 이는 높은 물 보유성을 가지므로 높은 기공도를 가지는 것보다 더 양호한 성능을 나타낸다), PTFE 가스켓 및 서펜틴 채널을 가지는 그라파이트 플레이트로 단일 셀을 조립하였다. 가습 조건 하의 테스트를 위하여 셀 성능 테스트에 앞서서 상기 단일 셀은 일정한 전류 모드(0.8A/cm2) 및 50℃에서 완전히 가습된 연료와 산화제로 24시간 동안 활성화되었다. 무 가습 조건 하의 테스트를 위하여 셀 성능 테스트에 앞서 상기 단일 셀은 24시간 동안 50℃ 무 가습 조건 하에서 운전되었다.For performance testing, a low porosity is used in the selection of the MEA, gas diffusion medium (Sigracet 10BC, SGL Carbon Inc .; GDM), which has a higher water retention and is therefore better than having a high porosity. Performance), and a single cell was assembled into a graphite plate with PTFE gasket and serpentine channel. Prior to cell performance testing for testing under humidification conditions, the single cell was activated for 24 hours with a constant current mode (0.8 A / cm 2 ) and fully humidified fuel and oxidant at 50 ° C. The single cell was operated under 50 ° C. no humidification conditions for 24 hours prior to cell performance testing for testing under no humidification conditions.
[결과][result]
도 2a 내지 2b는 본 발명의 비교예들 및 실시예들의 막 전극 집합체의 완전 가습된 수소 및 공기 조건(도 2a) 및 완전 가습(습도 100%)된 수소 및 산소 조건(도 2b) 하에서의 분극 커브를 나타내는 그래프이다. 2A-2B show polarization curves under fully humidified hydrogen and air conditions (FIG. 2A) and fully humidified (humidity 100%) hydrogen and oxygen conditions (FIG. 2B) of membrane electrode assemblies of the comparative examples and embodiments of the present invention. A graph representing.
완전 가습된 수소 및 공기가 주입된 경우 코팅 두께 구배를 가지는 실시예들 의 MEA는 균일한 코팅 두께를 가지는 비교예들의 MEA보다 셀 성능이 더 낮았다. 이러한 차이는 고전류 영역에서 더 잘 알 수 있었다. 한편, 상기 차이점은 완전 가습된 수소 및 산소를 주입한 경우에 상대적으로 미미한 것을 또한 알 수 있었다. 이러한 결과는 가습된 수소 및 공기로 운전되는 경우에 코팅 두께의 구배를 갖는 MEA가 물질 전달에 있어서 내적으로 취약한 것을 보여준다. 즉, 코팅 두께가 큰 부분인 입구 측 근처에서는 더 많은 양의 물이 형성되고 이는 전체 활성 영역에서 반응 사이트로 공기가 전달되는 것을 방해하게 된다. The MEA of the embodiments having a coating thickness gradient when the fully humidified hydrogen and air were injected had lower cell performance than the MEA of the comparative examples having a uniform coating thickness. This difference was better understood in the high current region. On the other hand, it was also found that the difference is relatively insignificant when fully humidified hydrogen and oxygen. These results show that MEAs with gradients in coating thickness are internally vulnerable to mass transfer when operated with humidified hydrogen and air. That is, near the inlet side, where the coating thickness is large, more water is formed, which impedes the transfer of air to the reaction site in the entire active area.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 비교예들 및 실시예들의 MEA의 무가습 수소 및 공기 조건(도 3a) 및 무 가습 수소 및 산소 조건(도 3b) 하에서의 분극 커브를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 4a 내지 4b는 본 발명의 비교예들 및 실시예들의 MEA의 무가습 수소 및 공기 조건 하에서 0.8A/cm2인 경우의 전압을 나타내는 그래프이다.3A to 3B are graphs showing polarization curves under unhumidified hydrogen and air conditions (FIG. 3A) and unhumidified hydrogen and oxygen conditions (FIG. 3B) of MEAs of the comparative examples and examples of the present invention. 4A to 4B are graphs showing voltages at the case of 0.8 A / cm 2 under the non-humidified hydrogen and air conditions of the MEA of the Comparative Examples and Examples of the present invention.
도 3 및 도 4로부터 알 수 있듯이, 도 2의 경우와는 달리, 무가습 조건에서는 코팅 두께 구배를 가지는 실시예들의 MEA는 균일한 코팅 두께를 가지는 비교예들의 MEA보다 셀 성능이 훨씬 높았다. 특히 무가습 조건에서 촉매 로딩양이 0.3mg/cm2 및 0.4mg/cm2인 실시예들의 경우 0.8A/cm2의 전류 밀도에서 각각 11% 및 17%의 셀 성능 향상을 나타내었다. As can be seen from FIG. 3 and FIG. 4, unlike in the case of FIG. 2, in the non-humidified condition, the MEA of the embodiments having the coating thickness gradient was much higher than the MEA of the comparative examples having the uniform coating thickness. In particular, in the case of the non-humidified conditions, the catalyst loading amounts of 0.3 mg / cm 2 and 0.4 mg / cm 2 showed 11% and 17% improvement in cell performance at current densities of 0.8 A / cm 2 , respectively.
이 경우 셀 성능의 향상은 고 전류 밀도의 경우 오히려 현저한데, 이러한 사실은 촉매 코팅시 촉매 두께가 구배를 가지도록 하는 것이 생산된 물을 관리함에 있어서 아주 적절하다는 사실을 뒷받침한다.The improvement in cell performance in this case is rather significant for high current densities, which supports the fact that having a gradient of catalyst thickness in the coating of the catalyst is well suited for managing the produced water.
한편, 위와 같은 결과는 습도가 0%인 무 가습 조건뿐만 아니라 습도가 0% 초가 20% 이하의 범위인 저 가습 조건에서도 동일하였다. 이러한 저 가습 조건의 경우 그 습도 양에 상응하게 가습 시스템의 용량과 부피를 줄일 수 있다. On the other hand, the above results were the same in the non-humidity condition of 0% humidity as well as the low humidification condition in which the humidity ranges from 0% to 20% or less. In such low humidification conditions, the capacity and volume of the humidification system can be reduced in correspondence with the amount of humidity.
도 5는 본 발명의 실시예2의 MEA의 무 가습 수소 및 공기 조건 하에서 온도를 달리한 경우의 분극 커브를 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing polarization curves when the temperature is varied under unhumidified hydrogen and air conditions of the MEA of Example 2 of the present invention. FIG.
도 5에서 알 수 있듯이, 높은 온도의 경우 낮은 온도의 경우와 대비하여 셀 성능이 더 낮은데 이는 물 증발이 심하기 때문이다. 그러나 0.8A/cm2의 전류 밀도 이상의 고 전류 밀도 영역의 경우에는 오히려 셀 성능이 반대로 나타났다. 이는 35℃의 낮은 포화 수증기압 때문에 물질 이동 손실이 증가한 것과 관련된다.As can be seen in FIG. 5, the cell performance is lower in the case of the high temperature compared to the case of the low temperature because the water evaporation is severe. However, in the case of the high current density region above the current density of 0.8 A / cm 2, the cell performance is reversed. This is related to the increased mass transfer loss due to the low saturated steam pressure of 35 ° C.
본 발명에 의하면 가습기 자체를 제거함으로써 반응 물질의 가습 수준을 낮추어 가습기 장착에 따른 제반 문제점을 해결하는 것과 더불어, 무 가습 또는 저 가습 조건하에서도 생산된 물을 효과적으로 이용하여 셀 성능 향상을 달성할 수 있다.According to the present invention, by eliminating the humidifier itself, it is possible to lower the humidification level of the reactants to solve all the problems associated with the humidifier, and to improve the cell performance by effectively using the water produced under the no humidification or low humidification conditions. have.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.
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