Experimental Study on the Effects of MPL Material Properties in PEM Fuel Cell

Abstract

본 논문에서는 고분자전해질 연료전지의 핵심부품인 미세기공층 (MPL)의 물성특성을 변화하여 성능을 개선하였다. 이를 통해 연료전지 양극에서 발생하는 산소환원반응을 개선하고, 부산물인 물의 배출을 원활하게 하며 전극으로써의 전기전도성을 향상시켜 성능개선에 대한 현상규명을 하고자 한다.

연료전지의 지속적인 성능 개선으로 인해 물 배출이 중요해짐에 따라 가스확산층의 설계를 물 관리에 초점을 맞추었다. 기존 연구를 통해 가스확산층 미세 기공층의 특성이 물관리 및 산소의 확산에 지대한 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 바가 있다. 따라서 본 연구에서는 세가지 종류의 탄소입자를 사용하여 물리적 특성이 서로 다른 샘플을 제작하였다.

먼저, 입자의 크기가 상이한 두 가지 탄소입자 A3와 A6를 적용하여 미세기공층 內 기공지름의 크기가 다른 샘플을 제작하였다. 실험 편광곡선을 통해 기공지름의 상승으로 농도손실이 개선되는 것을 파악하였다. 원인 규명을 위해 한계전류밀도 측정을 통한 산소확산저항을 측정하였다. 본 실험 조건에서의 산소의 확산은 기공지름의 차이에 의해 변하지 않는다는 것을 증명하였다. 반면에 기공 지름의 상승은 모세관 압을 낮추어 물 배출이 용이해 지는 점이 농도손실의 개선점으로 파악 되었다.

물의 배출이 중요해지는 고 가습조건에서 개선된 성능을 가진 탄소입자 A6에 전기전도도가 향상된 탄소입자 C를 점진적으로 함유시켜 연료전지의 성능을 개선하고자 하였다. 탄소입자 C는 전기적 전도성이 뛰어난 대신, 비표면적이 A6입자에 비해 10배이상 크다는 특징을 가지고 있다. 임피던스 분광법을 통해 C타입 탄소함량이 증가할수록 이온전도도를 포함한 옴 저항이 점진적으로 개선되는 결과를 보였다. 하지만 탄소화합물의 총 비표면적이 증가하며 농도손실의 착수가

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빨라지는 결과를 보였다. C타입 탄소의 함유량이 늘어날 수록 전류-전압 곡선과 임피던스 분광법을 통한 분석결과에서의 농도손실의 시작구간이 앞당겨지는 것을 확인하였으며 이 결과를 통해 전기전도성을 향상시키면서 농도손실을 최소화하는 최적 출력밀도를 도출하고자 하였다.

SEM 이미지 분석과 기공측정, 그리고 접촉각 측정 등 Ex-situ 시험 분석을 통해 물성의 특성을 파악하고 수치를 정량적으로 파악하였다. 이를 실험 모델에 반영하여 정량적인 분석을 진행하였다. 해당 실험 샘플 중 A6타입 탄소분자에 3wt.%의 C타입 탄소를 함유한 MPL이 상용 샘플에 비교하여 1.16배 상승한 출력밀도를 가진 것으로 확인하였다.

본 연구에서는 이론을 기반으로 한 미세기공층의 물성특성의 변화에 대한 성능의 변화 추이를 정량적으로 분석하였다. 기공지름과 전도성 탄소함유로 인한 성능변화의 원인규명을 한계전류밀도 측정과 임피던스 분광법을 통해 분석하여 이론을 바탕으로 설명하였다. 이는 추후 가스확산층및 이에 호환하는 핵심부품의 개발에 기여할 수 있을 것으로 보인다.