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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.32 No.1 pp.68-74
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2020.1106

Effect of Gas Diffusion Layer Compression and Inlet Relative Humidity on PEMFC Performance

Junseob Kim, Junbom Kim†

School of Chemical Engineering, University of Ulsan, Ulsan 44610, Korea

^†Corresponding Author: University of Ulsan, School of Chemical Engineering, Ulsan 44610, Korea Tel: +82-10-5444-2833 e-mail: jbkim@ulsan.ac.kr

Received December 16, 2020 ; Review January 5, 2021 ; Accepted January 5, 2021

Abstract

Gas diffusion layer (GDL) compression is important parameter of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance to have an effect on contact resistance, reactants transfer to electrode, water content in membrane and electrode assembly (MEA). In this study, the effect of GDL compression on fuel cell performance was investigated for commercial products, JNT20-A3. Polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy was performed at different relative humidity and compression ratio using electrode area of 25 cm² unit cell. The contact resistance was reduced to 8, 30 mΩ⋅cm² and membrane hydration was increased as GDL compression increase from 18.6% to 38.1% at relative humidity of 100 and 25%, respectively. It was identified through ohmic resistance change at relative humidity conditions that as GDL compression increased, water back-diffusion from cathode and electrolyte membrane hydration was increased because GDL porosity was decreased.

Key Words : PEMFC , Gas diffusion layer , Compression ratio , Polarization curve

기체확산층 압축률과 상대습도가 고분자전해질 연료전지 성능에 미치는 영향

김 준섭, 김 준범†

울산대학교 화학공학부

초록

고분자전해질 연료전지 성능에서 기체확산층 압축률은 계면 접촉 저항과 전극으로의 반응물 전달 및 전극 내 수분 포화도에 영향을 주는 중요한 변수이다. 본 연구에서는 국내 상용 제품인 JNT20-A3를 이용하여 기체확산층 압축률에 대한 연료전지의 성능 평가를 수행하였다. 전극면적 25 cm² 단위 전지를 이용하여 상대습도 조건과 압축률에 대한 전기화학 임피던스 분광법과 분극 곡선을 측정하였다. 기체확산층을 18.6%에서 38.1%으로 압축시켰을 때 상대습도 100, 25% 조건에서 ohmic 저항이 각각 8, 30 mΩ⋅cm²이 감소하여 기체확산층 압축률이 증가할수록 접촉 저항이 감소 하는 것과 동시에 막의 수화도가 증가하는 것을 확인하였다. 상대습도 조건에 대한 ohmic 저항의 변화 경향을 통하여, 압축률을 증가시켰을 때 기체확산층의 기공이 감소하여 공기극에서의 물 역확산과 전해질 막의 수화도가 증가하는 것을 확인하였다.

키워드 :

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Funding:

1. 서 론

고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 수소와 산소를 이용하여 화학에 너지를 전기에너지로 전환시키는 발전기로써, 부산물로는 순수한 물 과 열을 배출한다. 고분자전해질 연료전지는 전기화학반응이 발생하 는 막전극접합체(MEA)와 반응 유체와 전자를 전달하는 기체확산층 (GDL), 유체가 흐르는 분리판(bipolar plate, BP)으로 구성되어 있다. 연료전지 스택은 연료전지 셀이 반복적으로 쌓인 구조로 스택을 체결 할 때 체결압은 기밀성과 구성요소 간의 접촉 저항 등에 영향을 미친 다[1].

연료전지 스택 체결 시 체결압은 성능과 내구성에 영향을 미치는 중요한 변수로 작용한다. 체결압이 낮으면 기체확산층과 분리판 간의 접촉 저항이 증가하고, 기밀하게 체결되지 않아 가스 누수가 발생할 수 있다. 이와 반대로 체결압이 높은 경우에 기체확산층의 기공이 감 소하여 물질 전달 손실이 증가하게 된다[2]. 기체확산층의 경우 분리 판의 유로 형상에 의하여 채널과 립에 불균일한 힘이 가해져 위치에 따라서 기체확산층의 다공성, 기체투과도, 접촉 저항이 변하게 된다 [3,4]. 따라서 연료전지 스택 제작 시 체결 조건과 기체확산층 압축에 대한 영향이 고려되어야 한다.

기체확산층은 생성된 전자를 분리판으로 전달하는 전기전도체 역할 과 반응물을 촉매층으로 확산시키고 생성된 물과 열을 배출하는 이동 통로 역할을 한다. 따라서 다공성 구조를 갖도록 설계되어야 하고, 높 은 전기전도도와 적절한 소수성이 요구된다. 일반적으로 carbon paper 또는 carbon fiber에 소수성 고분자인 테프론(polytetrafluoroethylene, PTFE)를 코팅하고 미세다공층(micro porous layer, MPL)을 부착하여 사용하고 있다. 기체확산층의 물성 외에도 두께와 압축률이 연료전지 성능 및 물 관리에 중요한 변수로 작용한다. 미세다공층 두께가 전극 과의 접촉 저항과 물 유동에 영향을 미치는 것을 확인하였다[5-8]. 또 한 생성된 물이 미세다공층에 포화되는 것을 억제하여 효율적으로 물 을 배출할 수 있는 것으로 확인되었다[9-11].

기체확산층의 압축률이 증가할수록 접촉 저항이 감소하지만 기공도 가 감소하여 물질 전달 저항이 증가하게 된다[12-15]. Carcadea[14]은 CFD를 이용하여 압축률에 대한 기공 변화, 저항 손실과 물질 전달 손 실 영향을 계산하였다. Simon[15]은 저전류밀도 영역에서는 압축률이 증가함에 따라 산소전달저항이 감소하지만, 고전류밀도 영역에서는 압축률에 비례하여 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다.

최근 연료전지의 성능이 향상되면서 부산물로 생성되는 물과 열의 관리 기법이 중요해지고 있다. 수분이 포화되어 전극에 액막을 형성하 는 플러딩 현상에 의한 물질 전달 손실을 최소화하기 위하여 기체확 산층과 전극 내의 물 거동을 가시화하는 연구들이 수행되었다[16-18]. Ince[17]은 synchrotron radiography를 이용하여 기체확산층 압축에 대 한 물의 유동을 관측하였고, 압축된 기체확산층의 기공 포화도가 높은 경우 응축된 물의 체류시간이 증가하는 것을 확인하였다. Wu[18]은 neutron radiography를 이용하여 기체확산층 압축률에 대한 물 거동을 가시화하였고, 압축률이 증가할수록 포화된 물의 양이 증가하는 것을 확인하였다. 연료전지 운전 시스템에서 효율적인 물 관리를 위하여 연 료전지 구조와 운전 조건에 대한 전극과 기체확산층 내의 물 거동이 고려되어야 한다.

연료전지의 분극 곡선은 전류밀도에 대한 전압을 측정하는 분석법 으로 활성화 손실, 저항 손실, 농도 손실에 의한 과전압의 경향과 구 성요소 및 운전조건에 대한 연료전지 성능을 평가하는 기법이다[19,20]. 연료전지의 전압 손실은 식 (1)과 같이 표현된다.

E_{c e l l} = E_{r e υ} - E_{a c t} - E_{o h m} - E_{c o n c}

(1)

식 (1)에서 E_rev는 가역 전압으로 식 (2)와 같이, Nernst equation으 로부터 온도와 압력의 함수로 표현할 수 있다[21].

E_{r e υ} = E^{0} - \frac{Δ \hat{s}}{n F} (T - T_{0}) - \frac{R T}{n F} ln (\frac{a_{H_{2} O}}{a_{H_{2}} a_{o_{2}}^{1 / 2}})

(2)

Empirical equation은 전류밀도에 대한 전압의 관계를 표현한 수식 으로 구성요소와 운전조건에 대한 성능인자를 도출할 수 있다[22-24]. Hao[24]는 식 (3)과 같은 수식을 제시하여 활성화 손실과, 농도 손실 에 대한 fitting의 정확도를 개선하였다.

E_{c e l l} = E_{O C V} - b l o g (\frac{j + j_{l o s s}}{j_{l o s s}}) - R j - m [exp (n j) - 1]

(3)

본 연구에서는 전극면적 25 cm² 단위 전지와 상용 기체확산층을 이 용하여 압축률에 대한 연료전지 성능 영향 실험을 수행하였으며, 상대 습도 조건 실험을 통하여 압축률에 대한 ohmic 저항 경향을 비교하였 다. Matlab을 이용하여 Hao’s model을 적용한 비선형 회귀분석을 통해 상대습도 조건과 압축률에 대한 전압 손실 경향성을 비교하였다.

2. 실 험

연료전지 성능 측정은 전극 면적이 25 cm²인 단위 전지 K-cell (CNL) 과 MEA (G type, CNL)을 사용하여 실험을 수행하였다. 단위 전지를 OCV-0.5 V-OCV 범위에서 전압순환 활성화기법을 20회 반복하여 성 능을 안정화 시킨 후 성능 평가를 수행하였다. 성능 평가는 65 ℃에서 수행하였고, 수소와 공기의 유량은 유량조절계(MFC, Kofloc)를 이용 하여 각각 520, 1660 sccm의 고정 유량을 공급하였다. 버블타입 가습 기를 이용하여 연료의 상대습도가 25, 50, 75, 100%가 되도록 제어하 였다. 분극 곡선 측정 시 각각의 부하 전류에서 1 min간 유지하였고, 2 Hz 간격으로 전압을 측정하였다. 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)은 VMP 3B-20 (Biologic)을 사 용하여 수소와 공기의 유량이 520, 1660 sccm인 조건에서 1 Hz~10 kHz 사이의 주파수 범위의 전류밀도에 대한 임피던스를 측정하였다. 상대습도 실험은 각각의 상대습도 조건에서 전압순환 활성화를 5회 반복 수행하여 성능을 안정화시킨 후 분극 곡선과 임피던스를 측정하 였다.

기체확산층 압축률에 대한 영향을 비교하기 위하여 두께가 250 um 인 JNT20-A3 (JNTG)를 사용하였고, 두께가 다른 비압축성 PTFE fabric gasket (Alphaflon)을 이용하여 기체확산층의 압축률을 조절하였다. TESA u-hite (TESA)를 이용하여 서브가스켓과 PTFE 가스켓 두께를 5번 측정한 두께의 평균 값과 식 (4)를 이용하여 압축률을 계산하였 고, 측정된 두께와 압축률을 Table 1에 정리하였다.

C R = \frac{t_{G D L} - t_{g a s k e t} - t_{s u b g a s k e t}}{t_{G D L}} \times 100 %

(4)

압축 조건에 대한 상대습도 실험 후에 단위 전지의 체결을 풀었고, 동일한 MEA와 GDL을 이용하고 PTFE 가스켓만 교체하여 압축률을 높이는 방법으로 실험을 진행하였다.

기체확산층 압축률에 대한 영향을 해석하기 위하여 Matlab의 curve fitting tool을 사용하여 empirical equation의 성능인자를 도출하였고, 전압 손실을 계산하여 기체확산층 압축률에 대한 농도 손실 영향을 해석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 상대습도에 대한 성능 평가

본 연구에서는 기체확산층인 JNT20-A3을 사용하여 상대습도 25, 50, 75, 100% 조건에 대한 분극 곡선을 측정하였고, 그에 대한 결과를 Figure 1에 나타내었다. GDL 압축률이 7.2%일 때 0.6 V에서 상대습 도 25, 100%에 대하여 각각 483, 1453 mA/cm²으로 상대습도가 증가 함에 따라 연료전지 성능이 증가하는 것을 확인하였다.

상대습도 조건에 대한 저항 값의 변화를 비교하기 위하여 400 mA/cm² 에서 임피던스를 측정하였고, 그에 대한 결과를 Figure 2에 나타내었 다. 상대습도 25, 100% 조건에서 ohmic 저항은 각각 172, 61 mΩ⋅cm² 으로 상대습도가 높을수록 감소하였고, Nyquist plot에서 상대습도가 증가함에 따라 charge transfer 저항도 0.268 에서 0.168 mΩ⋅cm²으 로 감소하는 것을 확인하였다.

고분자전해질 연료전지에 사용되는 나피온 전해질막은 양성자를 H₃O⁺의 형태로 전달하기 때문에 막 수화도의 이온전도도에 영향을 미 친다. 낮은 상대습도 조건에서는 전해질막의 수화도가 감소하여 이온 전도도가 감소하고, 이로 인하여 ohmic 저항이 증가하게 된다. 저항 손실에 의한 전압손실은 부하 전류밀도에 대하여 선형적으로 증가하 여 연료전지 성능 차이는 더욱 증가하여야 하지만, Figure 1에서와 같 이 상대습도 50, 100% 조건과 500, 1000 mA/cm² 전류밀도에서 성능 의 차이는 각각 60.9, 59.7 mV로 미미한 것으로 확인하였다. 이는 상 대습도 50% 조건에서 전류밀도가 증가함에 따라 ohmic 저항이 감소 하는 것으로 해석할 수 있다.

전류밀도에 대한 저항 손실 영향을 해석하기 위하여 200, 400, 600 mA/cm² 전류밀도에서 임피던스를 측정하였고, 그에 대한 결과를 Figure 3에 나타내었다. 상대습도 100% 조건에서는 전류밀도에 관계없이 61 mΩ⋅cm²으로 동일한 ohmic 저항을 나타냈지만, 상대습도 25, 50, 75% 조건에서는 전류밀도가 증가할수록 ohmic 저항이 감소하였고 상 대습도가 낮을수록 전류밀도에 대한 ohmic 저항 감소율이 큰 것으로 나타났다. 이는 전류밀도가 증가할수록 반응으로 생성된 물이 공기극 에서 전해질막으로 역확산되어 전해질막의 수화도가 증가하고 이를 통하여 이온전도도가 증가하는 것으로 판단된다.

3.2. 압축률에 대한 성능 평가

상대습도 실험을 통하여 전해질막이 완전히 수화되지 않는 습도 조 건에서는 전류밀도가 증가함에 따라 ohmic 저항이 감소하는 것을 확 인하였다. 기체확산층 압축률은 분리판과 기체확산층 간의 접촉 저항 과 촉매 층으로의 반응물 전달, 수분 배출 등에 영향을 주는 중요한 변수이다.

기체확산층 압축률에 대한 영향을 분석하기 위하여 Table 1에 정리 한 것과 같이, JNT20-A3를 7.2, 18.6, 28.7, 38.1%로 압축되도록 단위 전지를 체결하였다. 각각의 압축률 조건에서 앞선 실험과 동일한 방 법으로 상대습도 조건에 대한 분극 곡선을 측정하였다. 상대습도 100%인 Figure 4(a)에서 기체확산층 압축률에 대한 연료전지의 성능 차이는 미미하였지만, 0.6 V 이하의 고출력 조건에서는 접촉 저항 감 소에 의한 영향보다는 기공 감소로 이한 농도전압손실이 더 크게 나 타나는 것을 확인하였다. 상대습도 50%인 Figure 4(b)에서는 압축률 이 증가할수록 ohmic 저항이 감소하여 전압이 증가하였지만, 38.1% 압 축률 조건에서는 1200 mA/cm² 이상의 고전류밀도 영역에서 농도전 압손실에 의한 성능 감소가 발생하였다. 상대습도 25%인 Figure 4(c) 에서는 압축률이 높을수록 연료전지 성능이 증가하였고, 다른 상대습 도 조건과 다르게 저전압 조건에서도 농도 손실에 의한 전압 손실이 발생하지 않았다.

압축률에 대한 임피던스 경향을 분석하기 위하여 전류밀도 400 mA/cm²에서 압축률과 상대습도 25, 50, 100%에 대한 임피던스를 측 정하였고, Figure 5에 압축률 18.6, 38.1%에서 상대습도 50, 100%에 대한 Nyquist plot을 나타내었다. Figure 5에서 압축률에 대한 반원의 크기가 동일하기 때문에 상대습도 조건에 관계없이 압축률이 증가할 수록 ohmic 저항은 감소하지만 charge transfer 저항은 거의 동일한 것 을 확인하였다. 압축률에 대한 ohmic 저항의 변화 경향을 해석하기 위하여, Figure 6(a)에 압축률과 상대습도 조건에 대한 ohmic 저항을, Figure 6(b)에 0.6 V에서의 전류밀도를 나타내었다. Figure 6(a)에 나 타난 바와 같이 압축률이 증가할수록 ohmic 저항이 선형적으로 감소 하였다. 상대습도 25, 50, 100% 조건에서 압축률을 약 10% 증가할수 록 ohmic 저항이 각각 12, 7, 4 mΩ⋅cm² 감소하였고, 상대습도가 낮 을수록 ohmic 저항 감소폭이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 Figure 6(b)에서 상대습도 25, 50%의 낮은 상대습도 조건에서 압축률이 증가 할수록 성능 증가 폭이 큰 것은 접촉 저항이 감소하는 것과 동시에 막 수화도가 증가로 인한 ohmic 저항 감소 영향으로 판단된다.

전류밀도에 대한 이온 전도도 경향을 분석하기 위하여 전류밀도 10 ~600 mA/cm² 영역에서 100 mA/cm² 간격으로 임피던스를 측정하였고, 상대습도 25, 100%와 압축률 18.6, 38.1% 조건에서 전류밀도에 대한 ohmic 저항 경향을 Figure 7에 나타내었다. Figure 7에서 상대습도 100% 조건에서는 기체확산층을 18.6%에서 38.1%으로 압축시켰을 때 ohmic 저항이 약 8 mΩ⋅cm²이 감소하였고, 전류밀도에 대하여 ohmic 저항은 일정하였다. 상대습도 25% 조건에서는 18.6, 38.1% 압축률에 대하여 접촉 저항 감소보다 큰 30 ± 5 mΩ⋅cm²이 감소하였고, 압축률 이 증가하여도 전류밀도에 대하여 동일한 감소폭을 보였다. 이는 기 체확산층을 압축시켰을 때 공기극에서 생성된 물이 기체확산층을 통 하여 배출되기보다는 기체확산층의 기공이 감소하여 전해질막으로 역 확산 되는 양이 증가하는 것으로 판단된다. 이를 통하여 낮은 상대습 도 조건에서 기체확산층의 압축률을 높혔을 때 분리판과 기체확산층 사이의 접촉 저항이 감소하는 것과 동시에 기체확산층의 기공 감소로 전해질막으로의 역확산 되는 물의 양이 증가하여 전해질막의 이온전 도도를 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다.

3.3. 압축률에 대한 전압 손실 비교

기체확산층 압축률과 상대습도 실험을 통하여 접촉 저항을 포함한 ohmic 저항 경향을 확인하였다. 압축률 조건에 대한 활성화 손실과 농도 손실 경향을 해석하기 위하여 Matlab을 이용하여 비선형회귀법 으로 성능인자를 계산하였다.

상대습도 100%에서 압축률 조건에 대한 분극 곡선의 성능인자를 도출하였고, Figure 8(a)에 개회로 전압(open circuit voltage, OCV)을 포함한 활성화 손실 성능인자인 b, j_loss를 Figure 8(b)에 저항 손실 성능 인자 R과 농도 손실 성능인자 m, n 경향을 나타내었다. Figure 8(a)에 서 볼 수 있는 바와 같이 압축률이 증가할수록 OCV은 감소하였고, b 와 j_loss는 증가하는 경향성을 나타내었다. 이는 압축률이 증가할수록 기체확산층의 기공이 감소하여 반응물 농도가 감소하고 포화된 물의 양이 증가함과 동시에 막전극접합체에 힘이 가해져 전해질막의 j_loss 가 증가하기 때문에 OCV가 감소하는 것으로 판단된다. Figure 8(b)의 m은 압축률이 증가할수록 감소하는 경향성을 나타냈지만, 지수함수 에 해당하는 n은 증가하는 경향성을 나타내었다. 동일한 방법으로 상 대습도 50% 조건에 대한 분극 곡선의 성능인자를 계산하였고, 상대습 도 50, 100%에 대한 결과를 Table 2에 정리하였다. Table 2에서 가역 전압(E_rev)은 [21]의 값을 토대로 식 (2)를 이용하여 65 ℃에 대한 가역 전압을 계산하였다.

성능인자 경향에 대한 전압 손실 영향을 해석하기 위하여 도출된 성능인자를 이용하여 각각의 전압 손실을 계산하였다. 활성화 손실의 경우 Hao’s model에서 OCV에 대한 활성화 손실 오류를 제거하기 위 하여 식 (5)의 활성화 손실 관계식을 이용하였다.

E_{a c t} = E_{r e υ} - E_{o c υ} + b l o g (\frac{j + j_{l o s s}}{j_{l o s s}})

(5)

Figure 9(a)에 상대습도 100% 활성화 손실, Figure 9(b)에 상대습도 50% 활성화 손실, Figure 9(c)에 상대습도 100% 저항 손실, Figure 9(d) 에 상대습도 50% 저항 손실, Figure 9(e)에 상대습도 100% 농도 손실, Figure 9(f)에 상대습도 50% 농도 손실을 나타내었다. Figure 9(a)에서 상대습도 100%에서는 압축률에 대한 활성화 손실은 거의 동일하였고, 이는 Figure 5의 Nyquist plot에서 압축률에 대한 charge transfer 저항 이 변하지 않는 것과 동일한 결과임을 확인하였다. 압축률이 증가할 수록 활성화 손실 성능인자인 b, j_loss가 증가하였지만, 활성화 손실이 동일한 것은 교환전류밀도(j₀)가 압축률에 대하여 동일하지 않은 것으 로 판단할 수 있다. 이에 반해 Figure 9(b)에서 상대습도 50% 조건에 서의 활성화 손실은 압축률이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었 는데, 이는 전극 계면에서 수분 함량이 증가하여 촉매 활성이 증가한 것으로 판단된다. Figure 9(c), (d)에서 저항 손실은 앞선 실험 결과와 동일하게 압축률이 증가할수록 선형적으로 감소하였고, 상대습도가 낮 을수록 저항 감소폭이 증가하는 것을 확인하였다. Figure 9(e)에서 볼 수 있는 바와 같이 전류밀도 1000 mA/cm²의 낮은 전류밀도 영역에서 는 농도 손실이 나타나지 않았지만 1500 mA/cm² 이상의 높은 전류밀 도 영역에서 압축률이 증가할수록 농도 손실이 증가하였고, 저항 손 실과는 다르게 압축률에 대하여 지수함수적으로 증가하는 것으로 나 타났다. 따라서 높은 전류밀도와 상대습도 조건에서는 기체확산층 압 축을 통하여 접촉 저항 감소에 의한 성능 개선보다는 농도 손실에 의 한 성능 저하 요인이 더 크게 작용하는 것을 확인하였다. Figure 9(f) 에서 상대습도 50%에 대한 농도 손실은 38.1%를 제외한 압축률 조건 에서 거의 동일한 것으로 나타났다. 이를 통하여 낮은 상대습도 조건 에서는 압축률 증가에 의한 기체확산층의 기공 감소로 포화 수분이 증가하여도 flooding에 의한 농도 손실이 발생하지 않는 것을 확인하 였다. 활성화 손실과 저항 손실을 고려하였을 때 낮은 상대습도 조건 에서는 기체확산층 압축을 통하여 농도 손실 최소화와 접촉 저항을 줄 임과 동시에 공기극에서 전해질막으로 물의 역확산을 촉진시키고 이 로 인한 전해질막의 수화도 및 촉매 활성 향상으로 연료전지 성능 개 선이 가능한 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 기체확산층 압축률에 대한 접촉 저항과 막 이온 전달 저항, 농도 손실 영향 실험을 수행하였다. 국내 상용 제품인 JNT20-A3 를 사용하였고, PTFE fabric 가스켓을 이용하여 각기 다른 압축률로 25 cm² 단위 전지를 체결하여 성능을 평가하였다. 상대습도 조건과 압축 률에 대한 분극 곡선과 전기화학 임피던스 분광법을 측정하여 연료전 지 성능과 ohmic 저항의 변화 경향을 비교하였고, empirical equation을 적용한 curve fitting으로 성능인자를 해석하였다.

상대습도 조건 실험에서 상대습도가 증가함에 따라 ohmic 저항과 charge transfer 저항이 감소하여 연료전지 성능이 증가하였다. 낮은 상 대습도 조건에서 전류밀도가 증가할수록 반응으로 생성된 물이 전극 에서 전해질막으로 역확산 되어 전해질막의 수화도가 증가하고 이로 인하여 막의 이온전도도가 증가하는 것을 전류밀도에 대한 ohmic 저항 의 감소 경향으로 확인하였다.

기체확산층 압축률 조건 실험의 낮은 상대습도 조건에서 압축률이 증가할수록 상대습도 100% 조건에서의 접촉 저항 감소보다 ohmic 저 항의 감소 폭이 증가하였고, 고전류밀도 영역에서도 농도 손실은 상 대적으로 적게 발생한 것으로 확인하였다. 전해질막이 완전히 수화되 지 않은 상대습도 조건에서 기체확산층 압축을 통하여 분리판과의 접 촉저항을 감소시킴과 동시에 전해질막으로 역확산 되는 물의 양이 증 가하여 막 수화도가 증가하고 연료전지의 성능이 개선되었다.

Matlab을 이용한 curve fitting을 통하여 압축률과 상대습도에 대한 성능인자를 도출하였고, 전압 손실을 계산하여 비교하였다. 기체확산 층 압축률에 대한 활성화 손실 영향은 적었으며, 저항 손실의 경우 압 축률이 증가할수록 선형적으로 감소하였고 이와 반대로 농도 손실은 지수적으로 증가하였다. 높은 상대습도 조건에서는 압축률이 증가할 수록 접촉저항 감소에 의한 성능 개선보다는 농도 손실에 의한 성능 저하 요인이 더 크게 작용하였다. 낮은 상대습도 조건에서는 기체확산 층 압축을 통하여 접촉 저항 감소와 전해질막의 수화도 향상으로 ohmic 저항이 감소하였고, 농도 손실을 최소화하여 연료전지 성능을 개선할 수 있었다.

감 사

이 논문은 2018년 울산대학교 연구비에 의하여 연구되었습니다.

Figures

Figure 1.IV curve at different relative humidity.

Figure 2.EIS at different relative humidity (on 400 mA/cm²).

Figure 3.Ohmic resistance at different current density and relative humidity.

Figure 4.IV curve at different GDL compression ratio (a) RH 100%, (b) RH 50%, (c) RH 25%.

Figure 5.EIS at 18.6, 38.1% compression ratio (400 mA/cm²).

Figure 6.Fuel cell performance at different compression ratio (a) ohmic resistance, (b) current density at 0.6 V.

Figure 7.Ohmic resistance at different relative humidity (18.6, 38.1% compression ratio).

Figure 8.Fitting parameter at different compression ratio (a) OCV, parameter b, j_loss, (b) parameter R, m, n.

Figure 9.Loss separation at different compression ratio (a) activation loss at RH 100%, (b) activation loss at RH 50%, (c) ohmic loss at RH 100%, (d) ohmic loss at RH 50%, (e) concentration loss at RH 100% and (f) concentration loss at RH 50%.

Tables

Table 1.GDL and Gasket Thickness and Compression Ratio

Table 2.Fitting Parameter vs. Compression Ratio

References

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