Analysis and Evaluation for the Gas Diffusion Layer Application of Titanium Metal Foam in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Abstract

고분자 전해질 연료전지 장치에서는 주로 탄소 소재로 만들어진 기체 확산층이 사용되는데, 이 탄소 기반의 기체 확산층은 장치를 작동하기 시작할 때와 종료할 때 발생하는 약 1.45 V의 역전압 환경에서 부식을 일으킨다. 이에 본 연구에서는 보다 높은 내구성을 갖는 고분자 전해질 연료전지 장치를 개발하기 위해, 동결주조 방식으로 제조된 다공성 타이타늄 구조체를 고분자 전해질 연료전지의 기체 확산층으로 적용하고 이에 대한 다양한 분석을 실시하였다. 먼저 전기화학적 내구성에 대한 평가를 위해, 1.45 V의 역전압이 걸린 상태로 72시간을 지속하는 가속 부식 실험을 실제 연료전지 구동 조건 하에서 진행하였다. 그리고 실제 고분자 전해질 연료전지의 연료극 기체 확산층으로 다공성 타이타늄 구조체를 적용하여 그 성능을 측정함으로써, 기체 확산층으로의 적용 가능 여부를 확인하고자 하였다. 가속 부식 실험 후에 기존의 탄소 소재 기체 확산층은 부식으로 인하여 상당한 질량 및 두께 감소를 보인 반면에, 다공성 타이타늄 구조체는 부식의 영향이 거의 관찰되지 않았다. 반면 다공성 타이타늄 구조체를 실제 기체 확산층으로 적용하였을 때에는 높은 전류 밀도 영역에서 성능 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 다공성 타이타늄 구조체의 기존 기체 확산층에 비해 낮은 기공률과 친수성을 갖는 기공 표면이 물질 전달에 있어 부정적인 영향을 미쳤기 때문이다. 그러나 타이타늄 구조체를 제조하는 공정 상의 변화를 통해 기공률을 늘리고, 소수성 표면 후처리를 거친다면 이와 같은 물질 전달 문제는 개선될 수 있을 것으로 보인다. 결과적으로, 다공성 타이타늄 구조체를 고분자 전해질 연료전지의 기체 확산층으로 적용하고 이를 분석하여, 연료전지 장치의 작동 시작 및 종료 시 발생하는 탄소 소재의 기체 확산층 부식 문제를 해결할 방안을 제시할 수 있었다.

Most conventional polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems employ gas diffusion layers (GDLs) made of carbon materials. This carbon based GDLs are corroded at the reverse voltage of 1.45 V, which is caused by the local hydrogen starvation under the on/off condition of PEMFC system. In this study, for developing a novel PEMFC system with high stability, the titanium foam fabricated via freeze-casting process was applied as GDL and its effect on the PEMFC system was analyzed. To investigate the electrochemical durability of the membrane electrode assembly (MEA), an accelerated corrosion test was conducted for 72 hours under the same condition with real PEMFC operation. Then, to evaluate the feasibility of titanium foam GDL, the performance of MEA with the titanium foam GDL on its anode side was measured and compared with the ordinary one. After the accelerated corrosion test, while the conventional carbon GDL showed considerable decrease in thickness and weight, titanium foam remained nearly same. However, the MEA with the titanium foam GDL showed lower performance in the high current density region. This result was due to the small porosity and hydrophilic pore surface, which had a bad effect on the mass transfer in PEMFC system. Therefore, the performance can be improved by increasing porosity with adjustment during the manufacturing process and by conducting the hydrophobic treatment. After the improvement, titanium foam can be an alternative GDL with high stability replacing the carbon based GDL.