미세다공성 층

연료 전지는 전해질에 의해 분리된 2개의 전극을 포함하는 전기화학 전지이다. 연료, 예를 들어 수소 또는 메탄올이, 애노드에 공급되고, 산화제, 예를 들어 산소 또는 공기가 캐소드에 공급된다. 전기화학 반응이 전극에서 일어나고, 연료 및 산화제의 화학 에너지가 전기 에너지 및 열로 전환된다. 연료 전지는 청정하고 효율적인 동력원이며, 고정 및 자동차 동력 적용 모두에서 내연 기관과 같은 전통적인 동력원을 대체할 수 있다. 양성자 교환 막(PEM) 연료 전지에서, 전해질은 전자적으로 절연성이지만 이온적으로-전도성인 고체 고분자성 막이다. PEM 연료 전지의 주요 성분은 막 전극 어셈블리(MEA)로서 공지되어 있고, 본질적으로 5층으로 구성되어 있다. 중앙 층은 고분자 막이다. 막의 어느 한 쪽에 전기 촉매 층이 존재하며, 이는 보통 백금-기재 전기촉매를 포함한다. 전기촉매는 전기화학 반응의 속도를 촉진하는 촉매이다. 최종적으로, 각각의 전기촉매 층에 인접하여, 가스 확산 기판이 존재한다. 가스 확산 기판은 반응물이 전기촉매 층에 도달하도록 허용해야 하며, 전기화학 반응에 의해 발생하는 전류를 전도해야 한다. 따라서, 기판은 다공성이어야 하고 전기적으로 전도성이어야 한다. MEA는 수 가지의 방법에 의해 구축될 수 있다. 전기촉매 층을 가스 확산 기판에 적용하여 가스 확산 전극을 형성할 수 있다. 2개의 가스 확산 전극이 막의 어느 한 쪽에 배치되고, 5층 MEA를 형성하도록 함께 적층될 수 있다. 대안적으로, 전기촉매 층은 막의 양면에 적용되어 촉매 코팅된 막을 형성하도록 할 수 있다. 이어서, 가스 확산 기판이 촉매 코팅된 막의 양면에 적용된다. 최종적으로, MEA는 전기촉매 층으로 한 면이 코팅된 막, 상기 전기촉매 층에 인접한 가스 확산 기판, 및 막의 다른 한 면 상의 가스 확산 전극으로부터 형성될 수 있다. 전형적인 가스 확산 기판은 탄소 종이(예를 들어, 토레이 인더스트리즈, 일본(Toray Industries, Japan)으로부터 입수가능한 토레이® 종이), 직조된 탄소 천(예를 들어 졸텍 코포레이션, 미국(Zoltek Corporation, USA)으로부터 입수가능한 졸텍® PWB-3) 또는 부직 탄소 섬유 웹(예를 들어 프루덴버그, 독일(Freudenberg, Germany)로부터 입수가능한 H-2135)을 기재로하는 기판을 포함한다. 탄소 기판은 보통 기판의 어느 한쪽 또는 양쪽의 평면상에(통상 전기촉매 층과 접촉하게 될 평면에만) 코팅되는 입자상 재료로 개질된다. 입자상 재료는 보통 카본 블랙 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 고분자의 혼합물이다. 입자상 재료의 층은 미세다공성 층으로서 공지되어 있다. 미세다공성 층은 수 가지 기능을 갖는다: 이는 촉매 층으로 또는 촉매 층으로부터의 물 및 가스 수송을 가능케 하고, 이는 촉매 층이 적용될 수 있는 평활면을 제공한다. 상기 층은 전기적으로 전도성이며, 전기화학 반응 부위로부터 열을 전달 제거할 수 있다. 미세다공성 층은 보통 스크린 인쇄와 같은 기법에 의해 가스 확산 기판에 직접 적용된다. 미세다공성 층의 제조법이 US 2003/0157397에 개시되어 있다. 한 방법에서, 미세다공성 코팅이 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름과 같은 이형 표면을 갖는 기판상에 형성되고, 이어서 탄소 종이 또는 직물에 전달된다. US 2003/0157397의 미세다공성 층은 탄소 및 용융-가공가능한 불소화 고분자의 혼합물로 구성된다.