KITECH 생산기술 전문지

수소연료전지는 높은 에너지 밀도와 친환경 특성을 바탕으로 지속 가능한 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 이때 전지의 전체적인 성능과 안정성은 반응이 발생하는 내부 전극의 구조적 특성에 의해 크게 좌우된다. 특히, 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)은 반응물로 사용되는 기체의 원활한 이동을 촉진하여 촉매층으로 가스를 효과적으로 전달하고, 생성된 물을 배출하여 습윤성을 관리하는 역할을 한다. 이는 전지의 출력 특성에 직접적인 영향을 미치며, 특히 수송형 응용분야에서 요구되는 모빌리티의 소형화, 고출력화, 고내구화와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 추가적인 연구가 필수적이다. 따라서 종래의 내연기관을 대체하고 친환경 에너지 기술을 활용하는 데에 가스확산층은 핵심 요소로 작용한다. 현재 상용화된 가스확산층은 주로 Carbon paper나 Carbon cloth를 기반으로 제조된다. 그러나 이 소재에는 액체 전해질의 침투로 인한 flooding 현상, 반응 과정 중 발생하는 촉매층의 탈리로 인한 반응성 및 내구성 저하 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 반해, 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF)는 nm 수준의 세섬화된 구조를 가지며, 높은 기계적 강도, 우수한 전기전도성, 다공성 구조를 특징으로 가진다. 따라서 구조적 설계를 통해 기존의 한계를 극복하고 기계적 안정성, 기체 전달 효율, 반응물 관리 성능을 개선하여 높은 기공률 및 진기전도성을 가지는 차세대 가스확산전극을 제안한다. 본 고에서는 가스확산층의 역할과 중요성을 심층적으로 탐구하며 탄소나노섬유 기반 고성능 차세대 가스확산전극의 설계, 메커니즘 및 특성 분석, 연구 동향에 대해 기술하고자 한다.

키워드 가스확산층, 가스확산전극, 연료전지, 탄소나노섬유