• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.71.1-71.1
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• 2010

고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 내의 기체확산층(GDL)은 셀 내의 물 관리에 중요한 역할을 수행한다. 일반적으로 다공성 기제(GDBL) 위에 미세기공층(MPL)을 코팅한 2층 구조의 기체확산층이 사용되는데, 이 미세기공층은 카본파우더와 테프론의 혼합물로 이루어져 있으며 촉매층에서 발생한 물을 셀 밖으로 빠르게 배출하는 역할을 수행한다. 본 연구에서는 다양한 기공분포를 갖는 미세기공층을 제조하여 고분자 전해질 연료전지 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 미세기공층 슬러리내에 암모늄염 계열의 기공형성제를 혼합하여 다공성 기제 위에 코팅한 후 다양한 온도조건에서 건조함에 따라 기공분포가 다른 미세기공층을 제조하였다. 이렇게 제조된 미세기공층의 물성은 수은기공도계, FE-SEM, 자체적으로 제조한 기체투과도 측정 장치를 사용하여 측정하였으며, 단위 전지 성능 측정은 두 개의 가습조건(RH100%, RH50%)에서 실시하였다. 기공분포 측정결과 건조온도가 높은 미세기공층은 건조온도가 낮은 미세기공층에 비해 직경이 1,000 - 20,000 nm 인 대공극(macropore)의 수가 많지만, 직경이 100 nm 이하의 미세공 (micropore)의 수가 적은 것을 확인하였다. 전지성능 측정 결과 고가습 조건 (RH100%)에서는 미세공 (micropore)이 발달한 미세기공층을 포함한 기체확산층을 사용한 경우 가장 우수한 성능을 보여고, 저가습 조건 (RH50%)에서는 대공극 (macropore)이 발달한 미세기공층을 포함한 기체확산층을 사용한 경우 가장 우수한 성능을 나타내었다. 이는 물배출에 유리한 미세공 (micropore)의 성질과 원료 기체의 이동에 유리한 대공극(macropore)의 성질에 의한 것으로 판단된다. 따라서 셀 운전 가습조건에 따라 최적화된 기공구조를 갖는 미세기공층을 사용함으로써 셀 운전 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다.

• Journal of the Korean Electrochemical Society
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• v.10 no.4
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• pp.306-310
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• 2007

Characteristics of GDL (Gas Diffusion Layer) mainly determine the gas diffusion and water removal in a cell, thereby changing the performance and affecting durability of PEFC. To optimize the water management and understand the two phase flow in a GDL, it is important to study the behaviors of GDL micro structure under the real operating condition. In the clamped condition of cell, the GDL beneath the rib is more compressed than beneath the channel. Many researches on physical, electrochemical, mechanical behaviors of gas diffusion layer has been conducted. However, changes in surface properties under clamped condition have rarely studied. In present study, the morphology of broken connections of carbon fibers and detachment of PTFE coatings on the fibers were shown from the microscopic observations. In addition, changes in wetting properties of GDL by compression were investigated by using XPS and liquid uptake methods. The hydrophobic characteristics of GDL surface beneath the rib of the flow field plate are changed due to the deformation of micro structure.

• Journal of the Korean Electrochemical Society
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• v.11 no.4
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• pp.273-283
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• 2008

GDL(Gas Diffusion Layer) is one of the main components of PEM fuel cell. It transports reactants from the channel to the catalyst and removes reaction products from the catalyst to the channels in the flow filed plate. It is known that higher permeability of GDL can make it possible to enhance the gas transport through GDL, leading to better performance. And MEA's temperature is determined by gas and heat transport. In this paper, three dimensional numerical simulation of PEM fuel cell of parallel channel and serpentine channel by the permeability of GDL is presented to analysis heat and mass transfer characteristics using a FLUENT modified to include the electrochemical behavior. Results show that in the case of parallel channel, performance variation with change of permeability of GDL was not so much. This is thought because mass transfer is carried out by diffusion mechanism in parallel channel. Also, in the case of serpentine channel, higher GDL permeability resulted in better performance of PEM fuel cell because of convection flow though GDL. And mass transfer process is changed from convection to diffusion when the permeability becomes low.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.32 no.1
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• pp.68-74
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• 2021

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 ㎠ unit cell. The contact resistance was reduced to 8, 30 mΩ·㎠ 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.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.92.2-92.2
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• 2011

고분자전해질 연료전지 (PEMFC)의 가격 결정 요인 중 막 전극 접합체 (MEA)가 차지하는 비중은 약 45%정도이며, 이것을 구성하는 주요 부품인 기체 확산층 (GDL)은 carbon paper나 carbon cloth 형태가 사용되고 있다. 그렇지만 GDL을 제조하는 공정은 매우 복잡하고, 그 가격이 너무 높은 단점이 있다. 본 연구에서는 카본블랙, 흑연 등의 탄소화합물과 polymer binder를 이용하여 단순화된 공정으로 GDL을 제조하였다. 또한, GDL의 물리적 특성이 전극 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 표면 morphology, 접촉각 및 표면에너지, 전기전도도, 기체투과도, porosity, pore distrivution 등을 측정하였고, 각각의 GDL 표면에 동량의 Pt 촉매를 도포하여 MEA를 제작한 후 그 성능을 평가하였다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.35 no.5
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• pp.487-490
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• 2011

We used X-ray tomography to carry out an experimental study to visualize the effect of freeze and thaw cycles on the gas diffusion layer (GDL) in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). A PEMFC has freeze and thaw cycles if the fuel cell is operating at a below-freezing ambient temperature. The cycle permanently deforms the fuel-cell capillary structures and reduces the ability of the cell to generate electric power and also reduces its service life. The GDL is the thickest capillary layer in the fuel cell, so it experiences the most deformation. The X-ray tomography facility at the Pohang Accelerator Laboratory was used to observe the structural changes in GDLs induced by a freeze and thaw cycle. We discuss the effects of these structural changes on the power production and service life of PEMFCs.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.131.1-131.1
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• 2010

고분자연료전지(PEMFC)에서 기체확산층(GDL)은 다공성의 카본 종이/천 위에 마이크로한 다공층을 가치는 구조로 촉매층을 지지하고 촉매층과 분리판 사이의 전류전도체 역할을 한다. 또한 촉매층에 연료와 공기 확산 및 생성된 물의 통로 역할을 하며 소수성인 전기전도성 물질로 이루어져 있다. 현재 연료전지에 쓰이는 가스확산층은 대부분 국외 회사에서 제조 수입 사용하는 현황이고 국내에서는 협진 I&C가 연구하고 있으나 상용화는 아직 이루어지지 않고 있다. 본 연구는 탄소섬유의 전도성을 개선하고자 탄소섬유 표면에 금속코팅 시 최적의 접촉계면유지를 위한 표면처리 방법 및 공정을 조사 분석 후 최적 개선방법(농도/온도/압력/시간)을 설정하고자 하였다. 또한 선정된 공정인자별 수준별 시험 후 샘플링 된 시료를 토대로 금속물질이 탄소섬유 표면에 코팅(도금)된 금속-탄소섬유를 대하여 평가하여 최적화시키고자 탄소섬유로부터 carbon paper GDL의 모재를 개발할 계획이다. 앞에서 설명한 바와 같이 탄소섬유를 이용하여 paper making, resin impregnation, molding, carbonization/graphitization의 제조공정을 거쳐 paper형태의 GDL을 생산 및 평가하고자 하였다.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.17 no.3
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• pp.347-352
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• 2006

분자전해질연료전지 내의 다공성 기체확산층은 반응가스의 확산과 전자이동통로의 역할을 수행할 뿐만 아니라 전기화학반응에 의해 공기극에서 생성된 수분(기상 혹은 액상)을 반응면으로부터 분리판 채널 방향으로 이동시켜 배출시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 물관리를 통한 성능향상을 위해서는 기체 확산층의 구조 및 재료특성에 대한 심도 릴은 연구가 필요하다. 실제 단위전지 체결시 기체확산층은 분리판의 리브(rib)에 의해 눌리게 되며, 그 부분의 기공 크기 분포의 변화를 야기한다. 또한 리브 전단부분에서 탄소 섬유가 손상을 입으며, 탄소 섬유를 감싸고 있는 PTFE coating이 벗겨지게 되어 표면화학적 특성이 달라진다. 본 연구에서는 단위전지 체결 시 분리판에 의해 눌리는 기체확산층의 기공 크기 분포 변화를 측정하였으며, 기공의 소수성에서 친수성으로의 변화를 알아보았다. Mercury 기공 측정기와 PMI 기공 측정기는 큰 기공 분포의 변화에, 질소의 흡/탈착을 이용한 BET 방식은 작은 크기의 기공 분포 변화 관찰에 사용되었다. 체결압에 의한 탄소섬유의 구조적 변화와 아울러 표면의 습윤 정도의 변화를 XPS와 물/알콜 Uptake를 이용해 알아보았다. 이 연구를 바탕으로 물관리를 통한 연료전지 성능 향상을 위한 최적 GDL 선정에 기반이 되는 자료를 도출하였다.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.31 no.5
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• pp.568-574
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• 2020

Gas diffusion layer (GDL) is one of the main components of PEMFC as a pathway of reactants from a flow field to an electrode, water transport in reverse direction, heat management and structural support of MEA. In this study, the effect of GDL on fuel cell performance was investigated for commercial products such as 39BC and JNT30-A3. Polarization curve measurements were performed at different flow rates and relative humidity conditions using 25 ㎠ unit cell. The parameters on operating conditions were calculated using an empirical equation. The electrical resistance increased as the GDL PTFE content increased. The crack of microporous layer had influence on the concentration loss as water pathway. In addition, the ohmic resistance increased as the relative humidity decreased, but decreased as the current density increased due to water formation. Curve fitting analysis using the empirical equation model was applied to identify the tendency of performance parameters on operating conditions for the gas diffusion layer.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.37 no.8
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• pp.767-773
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• 2013

This study suggested the variations of porosity and gas permeability of gas diffusion layers (GDLs), which are easily deformed among the components of a highly compressed PEMFC stack. The volume change owing to compression was measured experimentally, and the variations in the porosity and gas permeability were estimated using correlations published in previous literature. The effect of polytetrafluoroethylene (PTFE) which is added to the GDLs to enhance water discharge was investigated on the variations of porosity and gas permeability. The gas permeability which strongly affects the mass transport through GDL, decreases sharply with increasing compression when the GDL has high PTFE loading. As a result, the mass transport through the pore network of GDL can be changed considerably according to the PTFE loading even with the same clamping force. The accuracy of modeling of transport phenomena through GDL can be improved due to the enhanced correlations developed based on the results of this study.