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KR20100099982A - 연료 전지용 ｍｅａ 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

연료 전지용 ｍｅａ 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 Download PDF

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KR20100099982A
KR20100099982A KR1020090018603A KR20090018603A KR20100099982A KR 20100099982 A KR20100099982 A KR 20100099982A KR 1020090018603 A KR1020090018603 A KR 1020090018603A KR 20090018603 A KR20090018603 A KR 20090018603A KR 20100099982 A KR20100099982 A KR 20100099982A
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한상일
민명기
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 집합체는 적정한 양의 수분을 배출하여 플러딩 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전해질 막의 보수성을 유지할 수 있도록, 연료 전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극, 및 상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극을 포함하며, 상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고, 상기 캐소드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역에서 소수부의 밀도는 상기 캐소드 전극의 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역에서 소수부의 밀도보다 더 크게 형성된다.
연료전지, 스택, 소수, 친수, 내측 영역, 외측 영역

Description

연료 전지용 ＭＥＡ 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK WITH THE SAME}
본 발명은 연료 전지 스택 및 막-전극 집합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 패터닝된 소수부를 갖는 연료 전지 스택 및 막-전극 집합체에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하에서는, 편의상 "스택"이라 한다)로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소를 사용하 지 않고 연료를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
이와 같은 연료 전지에 있어, 스택은 막-전극 집합체(Membrane Electrode Assembly)(MEA)(이하, "MEA"라 한다)와, 세퍼레이터(separator)(당업계에서는 "바이폴라 플레이트"라고도 한다.)로 이루어진 단위의 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층되어 구성된다.
막-전극 집합체는 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 설치된 한 쌍의 전극 촉매층과, 전극 촉매층의 외측에 설치된 한 쌍의 가스 확산층을 포함한다.
연료 전지의 작용시 MEA의 캐소드 전극에 의한 산소의 환원 반응을 통해 물이 생성되는 바, 물을 원활하게 배출시키지 못하면 산화제 가스의 확산이 저해되는 플러딩 현상이 발생하는 문제가 있다. 또한, 전해질막과 캐소드 촉매층은 일정한 보수성을 유지하여야만 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 플러딩 현상을 방지하면서도 전해질막과 캐소드 촉매층의 보수성을 유지하여만 효율적인 발전이 가능하지만, 양자는 모순관계에 있어서 이러한 조건을 모두 만족시키는 것은 매우 어렵다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 MEA에서 발생되는 물을 용이하게 배출하면서도 일정한 보수성을 유지할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 집합체는, 연료 전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극, 및 상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극을 포함하며, 상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고, 상기 캐소드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역에서 상기 소수부의 밀도는 상기 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역에서 상기 소수부의 밀도보다 더 크게 형성된다.
상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 밀도가 점진적으로 감소하게 형성될 수 있으며, 상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 친수 처리되어 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐소드 전극의 내측 영역에서 소수부 사이의 간격은 상기 캐소드 전극의 외측 영역에서 소수부 사이의 간격보다 더 작게 형성될 수 있으며, 상기 소수부 사이의 간격은 중앙에서 외측으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성될 수 있다.
상기 소수부는 상기 내측 영역에서의 폭이 상기 외측 영역에서의 폭보다 더 크게 형성될 수 있으며, 상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 이어진 나선형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 소수부는 복수개가 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 이어진 방사형으로 형성될 수도 있으며, 상기 소수부는 복수개의 단위 영역으로 형성되며, 상기 외측 영역보다 상기 내측 영역에 단위 면적당 더 많은 개수의 소수부가 위치하도록 형성될 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고, 상기 가스 확산층에는 소수막이 도포된 부분과 친수막이 도포된 부분이 형성될 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고, 상기 캐소드 가스 확산층은 블랙층(backing layer)과 미세 다공층(micro porous layer: MPL)을 더 포함하며, 상기 미세 다공층은 소수 처리된 소수 다공층과 친수 처리된 친수 다공층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 생성 유닛들과, 상기 전기 생성 유닛들을 가압 지지하는 가압 플레이트를 포함하며, 상기 막-전극 집합체는, 전해질막과, 상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극, 및 상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극을 포함하고, 상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고, 상기 캐소 드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역에서 상기 소수부의 밀도는 상기 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역에서 상기 소수부의 밀도보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 밀도가 점진적으로 감소할 수 있으며, 상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고, 상기 가스 확산층에는 소수막이 도포된 부분과 친수막이 도포된 부분이 형성될 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고, 상기 캐소드 가스 확산층은 블랙층과 미세 다공층(micro porous layer: MPL)을 더 포함하며, 상기 미세 다공층은 소수 처리된 소수 다공층과 친수 처리된 친수 다공층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 생성 유닛들과 상기 전기 생성 유닛들을 가압 지지하는 가압 플레이트를 포함하며, 상기 막-전극 집합체는, 전해질막과, 상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극, 및 상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극을 포함하고, 상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고, 상기 캐소드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역의 소수부는 상기 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역의 소수부 보다 더 큰 소수성을 갖도록 형성된다.
상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 소수성이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있으며, 상기 내측 영역에서 상기 소수부는 상기 외측 영역에서 상기 소수부보다 단위면적당 더 많은 소수성 물질을 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 친수 처리되어 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 포함하하며, 상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 친수 처리되어 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고, 상기 가스 확산층에는 소수막이 도포된 부분과 친수막이 도포된 부분이 형성될 수 있다.
상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고, 상기 캐소드 가스 확산층은 블랙층과 미세 다공층(micro porous layer: MPL)을 더 포함하며, 상기 미세 다공층은 소수 처리된 소수 다공층과 친수 처리된 친수 다공층을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 내측 영역에서의 소수부의 밀도를 외측 영역에서의 소수부의 밀도보다 더 크게 형성하여 막-전극 집합체의 내측에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출하여 플러딩 현상을 방지할 수 있으며, 외측 영역에는 상대적으로 소수부의 밀도가 낮아서 적당한 양의 수분을 포함하여 전해질막의 보수성을 유지할 수 있다.
또한, 소수부와 인접하게 친수부를 형성함으로써, 전해질막이 보수성을 유지하도록 하여 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 캐소드 가스 확산층에 소수막을 도포하거나, 캐소드 가스 확산층을 구성하는 캐소드 블랙층 또는 캐소드 미세 다공층이 소수성을 갖도록 처리 하여 수분을 용이하게 배출할 수 있으며, 프린팅 등의 방법으로 소수부를 용이하게 패터닝할 수 있다.
또한, 소수부가 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 밀도가 점진적으로 감소하도록 형성함으로써 적정한 양의 수분을 배출시켜서 막-전극 집합체 내의 수분을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 내측 영역에서의 소수성을 외측 영역에서 보다 더 크게 형성되고, 내측 영역에서의 친수성을 외측 영역에서 보다 더 작게 형성하여 막-전극 집합체의 내측에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출하여 플러딩 현상을 방지할 수 있으며, 외측 영역에는 상대적으로 소수부의 밀도가 낮아서 적당한 양의 수분을 포함하여 전해질막의 보수성을 유지할 수 있다.
본 발명에 있어서 소수 처리라 함은 소수성을 갖는 물질로 표면을 도포하거나, 소수성을 갖는 물질을 첨가하여 형성하는 것을 말하며, 친수 처리라 함은 친수성을 갖는 물질로 표면을 도포하거나, 친수성을 갖는 물질을 첨가하여 형성하는 것을 말한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 생성 유닛을 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 생성 유닛(10)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서는 이와 같은 전기 생성 유닛(10)을 복수로 구비하고, 이들 전기 생성 유닛(10)을 연속적으로 배치함으로써 전기 생성 유닛(10)의 집합체 구조에 의한 연료 전지 스택(100)을 형성할 수 있다.
이러한 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 전기 생성 유닛(10)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking) 된 수소를 연료로서 사용할 수도 있 다. 이 경우 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 생성 유닛(10)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 연료 전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.
이와 같은 연료 전지 스택(100)에 있어, 전기 생성 유닛(10)은 막-전극 집합체(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라 한다.)(20)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라 한다.)(13, 15)를 밀착되게 배치하여 단일 스택을 형성하며, 전기 생성 유닛(10)이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 연료 전지 스택(100)을 형성한다.
그리고 연료 전지 스택(100)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성 유닛(10)을 밀착시키는 가압 플레이트(30)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 전지 스택(100)은 상기한 가압 플레이트(30)를 배제하고, 복수의 전기 생성 유닛10)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(13, 15)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 가압 플레이트(30)가 복수의 전기 생성 유닛(10)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(13, 15)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.
세퍼레이터(13, 15)는 MEA(20)를 사이에 두고 밀착 배치되어, MEA(20)의 양 측에 각각 수소통로(13a)와 공기통로(15a)를 형성한다. 수소통로(13a)는 후술하는 MEA(20)의 애노드 전극(26) 측에 위치하고, 공기통로(15a)는 MEA(20)의 캐소드 전극(27) 측에 위치한다.
여기서 상기 수소통로(13a) 및 공기통로(15a)는 각기 세퍼레이터(13, 15)에서 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 대략 지그재그 형태로 형성된다. 물론, 상기 수소통로(13a) 및 공기통로(15a)의 배치 구조는 이것으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 양측 세퍼레이터(13, 15) 사이에 개재되는 MEA(20)는 소정의 면적을 가지고 산화/환원 반응이 일어나는 활성 영역(201)을 구비하며, 그리고 상기 MEA(20)는 활성 영역(201)의 가장자리 부분과 연결되는 비활성 영역(202)을 구비한다. 여기서 상기 비활성 영역(202)에는 활성 영역(201)에 상응하는 세퍼레이터(13, 15)의 밀착면 가장자리 부분을 실링하는 가스켓(미도시)이 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEA를 도시한 측면도이고, 도 4는 도 3에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 MEA의 횡단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, MEA(20)는 상기한 활성 영역(201)의 양면에 애노드 전극(26)과 캐소드 전극(27)을 구비하고, 두 전극(26, 27) 사이에 전해질막(21)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.
전해질막(21)은 두께가 5∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 촉매층(24)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 촉매층(23)으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다. 이러한 이온 교환을 효율적으로 하기 위해서는 전해질막(21)이 일정한 보수성을 확보하여야 한다.
MEA(20)의 일면을 형성하는 애노드 전극(26)은 세퍼레이터(13)와 MEA(20) 사이에 형성되는 수소통로(13a)를 통하여 수소 가스를 공급받는 부분으로써, 애노드 가스 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)(28)과 애노드 촉매층(24)을 포함한다.
애노드 가스 확산층(28)은 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth)로 이루어지며, 애노드 가스 확산층(28)에는 복수개의 홀(28a)이 형성된다. 또한, 애노드 가스 확산층(28)은 수소통로(13a)를 통해서 전달 받은 수소 가스를 홀(28a)을 통해서 애노드 촉매층(24)으로 공급한다. 애노드 촉매층(24)에서는 수소 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 이웃하는 세퍼레이터(15)를 통해 캐소드 전극(27)으로 이동시키고, 발생된 수소 이온을 전해질막(21)을 통하여 캐소드 전극(27)으로 이동시킨다. 이 때 전기 생성 유닛(10)에서는 상기 전자의 흐름으로 전기 에너지를 발생시킨다.
또한 이 애노드 전극(26)에서 발생된 수소 이온이 전해질막(21)을 통하여 이동되어 오는 캐소드 전극(27)은 세퍼레이터(15)와 MEA(20) 사이에 형성되는 공기통로(15a)를 통해 산소가 함유된 공기를 공급받는 부분으로써, 캐소드 가스 확산층(25)과 캐소드 촉매층(23)을 포함한다.
캐소드 가스 확산층(25)은 카본 페이퍼 또는 카본 클로스로 이루어지며, 캐소드 가스 확산층(25)에는 복수개의 홀(25a)이 형성된다. 이 캐소드 가스 확산층(25)은 공기통로(15a)를 통하여 전달 받은 공기를 홀(25a)을 통해서 캐소드 촉매층(23)으로 공급한다.
이 캐소드 촉매층(23)에서는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극(26)으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 물을 생성하게 된다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEA를 도시한 정면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 캐소드 전극(27)에는 수분을 용이하게 배출하고, 전해질막(21)이 적당한 보수성을 유지할 수 있도록 소수처리 된 소수부(20a)와 친수처리 된 친수부(20b)가 형성된다.
이를 위해서, 캐소드 가스 확산층(25)에는 친수막(253)과 소수막(251)이 도포되며, 친수막(253)이 도포된 친수부(20b) 사이에 소수막(251)이 도포된 소수부(20a)가 배치된다. 이때, 친수막(253)과 소수막(251)을 이루는 물질은 일반적으로 친수성 또는 소수성을 갖는 다양한 물질이 적용될 수 있다.
소수부(20a)는 일정한 패턴으로 형성되는데, 도 5에 도시된 바와 같이 MEA(20)의 중심에서 외측으로 이어진 영역이 등간격으로 배치된 방사형으로 이루어질 수 있다.
이때, 소수부(20a)는 캐소드 전극(27)의 중심과 인접한 내측 영역(210)에서의 소수부(20a)의 밀도는 내측 영역(210)보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역(230)에서의 밀도보다 더 크게 형성된다. 여기서 소수부(20a)의 밀도라 함은 전체 영역에서 소수부(20a)가 차지하는 면적의 비율을 말한다. 내측 영역(210)과 외측 영역(230)의 설정은 연료 전지 스택(100)의 크기와 운전 조건에 따라서 다양하게 설정할 수 있다.
이를 위해서 본 실시예에 따른 소수부(20a)는 외측으로 갈수록 폭이 점진적으로 증가하는 가변폭부(211)와 가변폭부(211)의 외측에 위치하며 폭이 일정하게 유지되는 등폭부(212)를 포함하는데, 가변폭부(211)는 내측 영역(210)에 위치하며, 등폭부(212)는 외측 영역(230)에 위치한다.
가변폭부(211)가 위치하는 영역에서는 소수부(20a)의 밀도가 거의 일정하지만, 등폭부(212)가 위치하는 영역에서는 소수부(20a)의 밀도가 점점 감소한다. 이는 캐소드 전극(27)의 중심에서 멀어질수록 전체 영역이 거리의 제곱에 비례하여 증가하는 반면, 등폭부(212)에서 소수부(20a)는 일정한 면적을 유지하기 때문이다.
도 6a는 1㎠당 100㎃의 전류를 생산하는 경우에 수분이 생성되는 분포를 나타낸 사진이고, 도 6b는 1㎠당 300㎃의 전류를 생산하는 경우에 수분이 생성되는 분포를 나타낸 사진이다.
도 6a 및 도 6b에서 공기는 상부에서 공급되며, 연료는 하부에서 공급된다. 다만, 연료가 상부에서 공급되고 공기가 하부에서 공급되는 경우에도 거의 동일한 결과를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 수분은 MEA의 중앙부분에 상대적으로 많이 발생한다. 이는 상부에서 공급되는 공기와 하부에서 공급되는 연료가 중앙부분에서 만나서 반응을 하기 때문이다. 따라서 중앙부분에서 발생하는 수분을 잘 배출하지 못하면 플러딩 현상이 발생하여 발전 효율이 저하된다.
그러나 본 실시예와 같이 내측 영역(210)에서의 소수부(20a)의 밀도가 외측 영역(230)에서의 소수부(20a)의 밀도보다 더 크게 형성되면 내측 영역에서 상대적 으로 더 많이 발생하는 수분을 효율적으로 배출하여 공기가 캐소드 촉매층으로 용이하게 이동할 수 있다. 소수부(20a)에서 이탈된 수분은 세퍼레이터(15)의 공기통로(15a)를 통해서 외부로 배출된다. 또한, 내측 영역(210)뿐만 아니라, 외측 영역(230)에도 소수부(20a)를 형성하지만 상대적으로 낮은 밀도로 형성하여 전해질막(21)이 적정한 보수성을 유지할 수 있어서 발전 효율이 향상된다.
본 제1 실시예에서는 소수부(20a)와 친수부(20b)가 모두 형성된 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 소수부(20a)만 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면 소수부(20a)의 밀도는 내측 영역(210)에서 외측 영역(230)보다 더 크게 형성되므로 소수부(20a)만 형성하더라도 외측 영역(230)에서 소수부(20a)의 밀도가 낮아서 적정한 수분을 유지할 수 있으며, 내측 영역(210)에서는 소수부(20a)의 밀도가 높지만, 수분의 발생량이 많아서 소수부(20a) 사이에서 적정한 수분을 유지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEA를 도시한 정면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, MEA(42)는 소수 처리된 소수부(42a)와 소수부(42a) 사이에 형성되며 친수 처리된 친수부(42b)를 포함하며, 소수부(42a)는 중심에서 곡선으로 회전하면서 가장자리까지 이어진 나선형상의 패턴을 갖는다.
소수부(42a)는 캐소드 전극의 중심에서 외측으로 갈수록 소수부(42a) 사이의 간격이 더 커지도록 형성된다. 즉, 내측 영역의 소수부 사이의 간격을 w1이라 하고, 내측 영역보다 바깥쪽에 형성된 외측 영역의 소수부 사이의 간격을 w2라 하면, w2는 w1보다 더 크게 형성된다.
이에 따라 내측 영역에서의 소수부 밀도는 외측 영역에서의 소수부 밀도보다 더 크며, 내측 영역에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEA를 도시한 정면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 MEA(43)는 수소처리된 소수부(43a)와 소수부(43a)에 인접하게 형성되며 친수 처리된 친수부(43b)를 포함한다.
본 실시예에 따른 소수부(43a)는 MEA(43)의 중심에서 직선으로 진행하다가 꺽어져 회전하면서 외측까지 이어진 형상으로 이루어지며, 소수부(43a)의 폭은 외측으로 갈수록 점진적으로 감소한다. 이에 따라 내측 영역에서 소수부(43a)의 밀도는 외측 영역에서 소수부(43a)의 밀도보다 더 크며, 이에 따라 내측 영역에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEA를 도시한 정면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 MEA(45)는 수소처리된 소수부(45a)와 소수부(45a)에 인접하게 형성되며 친수 처리된 친수부(45b)를 포함한다.
본 실시예에 따른 소수부(45a)는 MEA(45)의 중심에서 외측으로 호형으로 이어져 형성되며, 복수개의 소수부들(45a)이 등간격으로 배치된다. 소수부들(45a)은 동일한 폭으로 MEA의 중심에서 외측까지 이어져 형성되는데, 내측 영역에서 소수부(45a)의 밀도는 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역에서 소수부(45a)의 밀도보다 더 크게 된다. 내측에서 외측으로 갈수록 MEA의 면적은 거리의 제곱에 비례하여 증가하지만, 소수부(45a)의 면적은 증가하지 않으므로 소수부(45a) 밀 도는 내부에서 외측으로 갈수록 점진적으로 감소한다. 따라서 내측 영역에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출할 수 있을 뿐만 아니라, 적당한 수분을 유지할 수 있어서 발전 효율이 향상된다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 MEA를 도시한 정면도이다. 도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 MEA(46)는 소수 처리된 소수부(46a)와 소수부(46a)에 인접하게 배치되며 친수 처리된 친수부(46b)를 포함한다.
소수부(46a)는 복수개의 단위 영역으로 형성되며, 서로 이격되어 배치된다. MEA(46)의 내측 영역에 단위 면적당 보다 더 많은 개수의 소수부(46a)가 위치하며, 외측 영역에는 상대적으로 단위 면적당 더 적은 개수의 소수부(46a)가 위치한다.
본 실시예에서는 소수부들(46a)이 원형으로 이루어진 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 소수부들(46a)은 타원 다각형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 내측 영역에서의 소수부(46a) 밀도는 외측 영역에서의 소수부(46a) 밀도보다 더 크게 되어, 내측 영역에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출할 수 있을 뿐만 아니라, 적당한 수분을 유지할 수 있어서 발전 효율이 향상된다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 MEA를 도시한 측면도이고, 도 12는 도 10에서 Ⅹ-Ⅹ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 MEA(50)는 애노드 전극(63)과 캐소드 전극(62)을 구비하고, 두 전극(62, 63) 사이에 전해질막(51)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.
본 실시예에 따른 MEA(50)는 가스 확산층 내에 미세 다공층(54, 55)과 블랙층(backing layer)(56, 57)이 형성된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 MEA와 동일한 형상으로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복된 설명은 생략한다.
MEA(50)의 일면을 형성하는 애노드 전극(63)은 전해질막(51)의 일면과 접하는 애노드 촉매층(52)과 애노드 촉매층(52)의 외측에 형성된 애노드 블랙층(56)과 애노드 미세 다공층(micro porous layer: MPL)(54)을 포함한다.
애노드 미세 다공층(54)은 애노드 촉매층(52)과 애노드 블랙층(56) 사이에 위치하며 애노드 미세 다공층(54)과 애노드 블랙층(56)이 애노드 가스 확산층을 이룬다.
캐소드 전극(62)은 전해질막(51)의 일면과 접하는 캐소드 촉매층(53)과 캐소드 촉매층(53)의 외측에 형성된 캐소드 블랙층(57)과 캐소드 미세 다공층(micro porous layer: MPL)(55)을 포함한다.
캐소드 미세 다공층(55)은 캐소드 촉매층(53)과 캐소드 블랙층(57) 사이에 위치하며 캐소드 미세 다공층(55)과 캐소드 블랙층(57)이 캐소드 가스 확산층을 이룬다.
애노드 블랙층(56) 및 캐소드 블랙층(57)은 카본 페이퍼 또는 카본 클로스로 이루어질 수 있으며 내부에 홀들이 형성된다.
애노드 미세 다공층(54) 및 캐소드 미세 다공층(55)은 흑연, 탄소나노튜 브(CNT), 풀러렌(fullerene; C60), 활성탄소 또는 탄소나노혼(carbon nano horn) 등으로 이루어질 수 있으며, 상기한 블랙층들(56, 57)에 형성된 홀들보다 더 작은 복수 개의 홀들을 갖는다. 이러한 미세 다공층들(54, 55)은 기체를 더욱 분산하여 촉매층(52, 53)으로 전달하는 역할을 한다.
캐소드 블랙층(57)은 공기통로를 통하여 전달 받은 공기를 홀(57a)을 통해서 캐소드 미세 다공층(55)으로 전달하며, 캐소드 미세 다공층(55)은 전달된 공기를 더욱 분산시켜서 캐소드 촉매층(53)으로 공급한다. 캐소드 촉매층(53)에서 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극(63)으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 물을 생성하게 된다.
이때 생성된 물을 용이하게 배출시키기 위해서 캐소드 미세 다공층(55)은 친수 다공층(55a) 및 소수 다공층(55b) 포함한다. 소수 다공층(55b) 사이에 친수 다공층(55a)이 위치하며, 소수 다공층(55b)은 일정한 패턴으로 형성된다. 소수 다공층(55b)은 캐소드 미세 다공층(55)을 형성하기 위한 슬러리에 소수성 물질을 첨가한 후, 슬러리를 잉크젯 또는 각종 프린팅 방법으로 패터닝되어 형성될 수 있다. 또한, 친수 다공층(55a)도 캐소드 미세 다공층(55)을 형성하기 위한 슬러리에 친수성 물질을 첨가한 후, 슬러리를 잉크젯 또는 각종 프린팅 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
이와 같이, 형성된 친수 다공층(55a)과 소수 다공층(55b)은 표면에만 친수성 또는 소수성을 갖는 것이 아니라, 다공층 전체가 친수성 또는 소수성을 갖는다. 본 실시예서는 친수 다공층(55a)이 친수부를 형성하며, 소수 다공층(55b)이 소수부를 형성하는 바, 캐소드 미세 다공층(55)에서 수분을 배출하거나, 함유하고 있어서 수분을 더욱 용이하게 조절할 수 있다. 소수 다공층(55b)으로 유입된 수분은 내부에 잔류하지 못하고, 세퍼레이터에 형성된 공기통로를 통해서 외부로 배출되는데, 이에 따라 소수 다공층(55b)을 통해서 공기가 자유롭게 이동할 수 있다. 친수 다공층(55a)으로 유입된 수분은 다공들 잔류하다가 전해질막으로 수분을 공급하여 전해질막의 보수성을 향상시킨다.
본 실시예에서는 캐소드 미세 다공층(55)에 친수부와 소수부가 형성된 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 캐소드 미세 다공층(55)뿐만 아니라, 캐소드 블랙층(57)도 함께 친수 또는 소수 처리될 수 있다. 이 경우, 캐소드 블랙층(57)의 친수부는 친수 다공층(55a)에 대응하는 위치에 형성되며, 캐소드 블랙층(57)의 소수부는 소수 다공층(55b)에 대응하는 위치에 형성된다.
또한, 본 실시예에는 캐소드 전극(62)의 중심과 인접한 내측 영역에서 소수 다공층(55b)의 밀도는 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역의 밀도보다 더 크게 형성된다. 이에 따라 내측 영역에서 많이 발생하는 물을 용이하게 배출할 수 있다. 이를 위한 소수 다공층(55b)의 패턴은 상기에서 설명한 다양한 패턴으로 형성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제7 실시예에 따른 MEA를 도시한 정면도이다.
도 13을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 MEA(70)는 수소처리된 소수 부(71)와 소수부(71)에 인접하게 형성되며 친수 처리된 친수부(72)를 포함한다. 이를 위해서 캐소드 가스 확산층에 친수성 물질과 소수성 물질이 포함될 수 있으며, 가스 확산층을 형성하는 블랙층 또는 미세 다공층에 소수성 물질 또는 친수성 물질이 포함될 수 있고 이들 모두에 소수성 물질 또는 친수성 물질이 포함될 수 있다.
소수성 물질 및 친수성 물질은 다양한 종류의 물질로 이루어질 수 있으며, 특별히 그 종류를 제한하지는 않는다.
본 실시예에 따른 소수부(71)는 MEA(70)의 한 가장자리에서 다른 가장자리로 이어져 대략 직사각형을 이루며, 소수부(71) 사이에 직사각형 형태의 친수부(72)가 형성된다. 수소부(71)와 친수부(72)는 서로 등간격으로 배치된다.
여기서 MEA(70)의 중심에 인접한 내측 영역(75)에서 소수부(71)의 소수성은 내측 영역(75)보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역(76)에서 소수부(71)의 소수성보다 더 크게 형성된다.
이를 위해서 내측 영역(75)의 소수부(71)는 외측 영역(76)의 소수부(71)보다 단위면적당 더 많은 소수성 물질을 포함하며, 소수부(71)에 포함된 소수성 물질은 내측에서 외측으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다. 이에 따라 소수부(71)의 소수성도 내측에서 외측으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 단위면적당 소수부가 차지하는 비율인 소수부의 밀도는 동일하나, 내측 영역(75)에서 소수부(71)의 소수성이 외측 영역(76)에서 소수부(71)의 소수성보다 크게 형성된다.
또한, 친수부(72)는 내측 영역(75)에 위치하는 친수부(72)의 친수성이 외측 영역(76)에 위치하는 친수부(72)의 친수성 보다 더 작게 형성된다. 이를 위해서 내측 영역(75)의 친수부(72)는 외측 영역(76)의 친수부(72)보다 단위면적당 더 적은 친수성 물질을 포함하며, 친수부(72)에 포함된 친수성 물질은 내측에서 외측으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. 이에 따라 친수부(72)의 친수성도 내측에서 외측으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다.
따라서 내측 영역(75)에서 상대적으로 많이 발생하는 수분을 용이하게 배출할 수 있을 뿐만 아니라, 외측 영역(76)에서는 적당한 수분을 유지할 수 있어서 발전 효율이 향상된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전기 생성 유닛의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 측면도이다.
도 4는 도 3에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 막-전극 집합체의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 정면도이다.
도 6a는 1㎠당 100㎃의 전류를 생산하는 경우에 수분이 생성되는 분포를 나타낸 사진이고, 도 6b는 1㎠당 300㎃의 전류를 생산하는 경우에 수분이 생성되는 분포를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 정면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 정면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 정면도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 측면도이다.
도 12는 도 10에서 Ⅹ-Ⅹ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제7 실시예에 따른 막-전극 집합체를 도시한 정면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 연료 전지 스택 10: 전기 생성 유닛
13, 15: 세퍼레이터 20: 막-전극 집합체(MEA)
30: 가압 플레이 201: 활성 영역
202: 비활성 영역 20a: 소수부
20b: 친수부 210: 내측 영역
230: 외측 영역 21: 전해질막
26: 애노드 전극 27: 캐소드 전극
23: 캐소드 촉매층 24: 애노드 촉매층
25: 캐소드 가스 확산층 28: 애노드 가스 확산층
251: 친수막 253: 소수막
54: 애노드 미세 다공층 55: 캐소드 미세 다공층
55a: 친수 다공층 55b: 소수 다공층

Claims (24)

  1. 연료 전지용 전해질막;
    상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극; 및
    상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극;
    을 포함하며,
    상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고,
    상기 캐소드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역에서 상기 소수부의 밀도는 상기 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역에서 상기 소수부의 밀도보다 더 큰 막-전극 집합체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 밀도가 점진적으로 감소하는 막-전극 집합체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 친수 처리되어 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 포함하는 막-전극 집합체.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 내측 영역에서 상기 소수부 사이의 간격은 상기 외측 영역에서 상기 소수부 사이의 간격보다 더 작은 막-전극 집합체
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 소수부 사이의 간격은 중앙에서 외측으로 갈수록 점진적으로 커지는 막-전극 집합체
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 소수부는 상기 내측 영역에서의 폭이 상기 외측 영역에서의 폭보다 더 큰 막-전극 집합체.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 가장자리까지 이어진 나선형으로 형성된 막-전극 집합체.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 소수부는 복수개가 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 이어진 방사형으로 형성된 막-전극 집합체.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 소수부는 복수개의 단위 영역으로 형성되며, 상기 외측 영역보다 상기 내측 영역에 단위 면적당 더 많은 개수의 소수부가 위치하는 막-전극 집합체.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고,
    상기 캐소드 가스 확산층에는 소수막이 도포된 부분과 친수막이 도포된 부분이 형성된 막-전극 집합체.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고,
    상기 캐소드 가스 확산층은 블랙층과 미세 다공층(micro porous layer: MPL)을 더 포함하며,
    상기 미세 다공층은 소수 처리된 소수 다공층과 친수 처리된 친수 다공층을 포함하는 막-전극 집합체.
  12. 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 생성 유닛들,
    상기 전기 생성 유닛들을 가압 지지하는 가압 플레이트
    를 포함하며,
    상기 막-전극 집합체는, 전해질막과, 상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극, 및 상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고,
    상기 캐소드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역에서 상기 소수부의 밀도는 상기 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역에서 상기 소수부의 밀도보다 더 큰 연료 전지 스택.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 밀도가 점진적으로 감소하는 연료 전지 스택.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 친수 처리되어 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 포함하는 연료 전지 스택.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 내측 영역에서 상기 소수부 사이의 간격은 상기 외측 영역에서 상기 소수부 사이의 간격보다 더 작은 연료 전지 스택.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고,
    상기 가스 확산층에는 소수막이 도포된 부분과 친수막이 도포된 부분이 형성된 연료 전지 스택.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고,
    상기 캐소드 가스 확산층은 블랙층과 미세 다공층(micro porous layer: MPL)을 더 포함하며,
    상기 미세 다공층은 소수 처리된 소수 다공층과 친수 처리된 친수 다공층을 포함하는 연료 전지 스택.
  18. 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 생성 유닛들,
    상기 전기 생성 유닛들을 가압 지지하는 가압 플레이트
    를 포함하며,
    상기 막-전극 집합체는, 전해질막과, 상기 전해질막의 일측에 배치된 애노드 전극, 및 상기 전해질막의 타측에 배치된 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 캐소드 전극에는 주변보다 소수성이 더 큰 소수부가 형성되고,
    상기 캐소드 전극의 중앙과 인접한 내측 영역의 소수부는 상기 내측 영역보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 영역의 소수부 보다 더 큰 소수성을 갖는 연료 전지 스택.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 소수부는 상기 캐소드 전극의 중앙에서 외측으로 갈수록 소수성이 점진적으로 감소하는 연료 전지 스택.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 소수부와 인접하게 위치하며, 친수 처리되어 상기 소수부보다 친수성이 더 큰 친수부를 포함하는 연료 전지 스택.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 내측 영역에서 상기 친수부의 친수성은 상기 외측 영역에서 상기 친수부의 친수성보다 더 작은 연료 전지 스택.
  22. 제18 항에 있어서,
    상기 내측 영역에서 상기 소수부는 상기 외측 영역에서 상기 소수부보다 단위면적당 더 많은 소수성 물질을 포함하는 연료 전지 스택.
  23. 제18 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고,
    상기 가스 확산층에는 소수막이 도포된 부분과 친수막이 도포된 부분이 형성된 연료 전지 스택.
  24. 제18 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질막과 접하는 캐소드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층의 외측에 설치된 캐소드 가스 확산층을 더 포함하고,
    상기 캐소드 가스 확산층은 블랙층과 미세 다공층(micro porous layer: MPL)을 더 포함하며,
    상기 미세 다공층은 소수 처리된 소수 다공층과 친수 처리된 친수 다공층을 포함하는 연료 전지 스택.
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