A Study on performance improvement for HT-PEMFCs by optimizing pore structure and gas diffusion layer of membrane-electrode assembly

Abstract

인산이 함침된 PBI 고분자막을 이용한 고온 고분자 전해질 연료전지 (High-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 운전온도가 160~180℃ 로, 60~80℃ 에서 운전하는 저온 고분자 전해질 연료전지 (LT-PEMFC)에 비해 물 및 열관리가 용이하며, 배열의 온도가 높아 다양한 용도에 열을 활용 할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 CO에 대한 백금계 촉매의 내피독성이 우수해, 연료처리장치를 단순화 할 수 있는 장점을 갖는다. 하지만 현재까지 백금 담지량 및 성능 측면에서 기존의 저온 고분자 전해질 연료전지에 비해 낮은 값을 보이고 있다. 이론적으로 백금계 촉매의 고온에서의 활성은 저온에 비해 매우 높을 것으로 예상 되나 실제 HT-PEMFC 전극의 활성은 LT-PEMFC 보다 낮은 결과를 보인다. 이는 인산을 전해질로 사용하는 경우 촉매의 이용률이 떨어지고 또한 액체 전해질의 사용으로 운전 중 전해질의 유실 때문이라 보고되고 있다. 이러한 단점을 보안하기 위해 본 연구에서는 내열 내산성이 우수한 Polytetrafluoroethylene (PTFE)를 바인더로 이용, 바인더 비율을 각각 10, 20, 30, 45 wt. % 로 달리하여 촉매 활성도를 증가, 최적의 바인더 비율을 확립하였다. 또한 연료의 원활한 공급과 인산의 유실을 방지하기 위해 기공도가 다른 가스확산층 (Gas diffusion layer, GDL) 10BC, 30BC를 사용하여 Catalyst-coated GDL (CCG) 방법으로 막-전극 접합체(Membrane-Electrode assembly, MEA)를 제조 하였다. 제조된 막-전극 접합체로 단전지를 구성, 150℃ 에서 무가습으로 운전 하였으며, 그 결과 20wt%, 30BC로 구성된 막-전극 접합체 (MEA)가 가장 높은 성능을 나타내는 것으로 확인하였다. P067 161