기체확산층(GDL)의 기능: 탄소 종이·탄소 천과 미세다공층

기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)은 PEM 연료전지 MEA에서 촉매층 바깥쪽에 배치되는 다공성 전도층입니다. 탄소 종이(carbon paper)나 탄소 천(carbon cloth) 등이 기재로 사용되며, 촉매층과 분리판 사이에서 기체·물·전자·열의 이동을 돕습니다. GDL은 CCM 자체에는 포함되지 않고 MEA 조립 시 더해집니다.

GDL의 다섯 가지 주요 역할

1. 전기 전도

촉매층에서 생성되거나 반응에 참여하는 전자를 분리판 쪽으로 전달합니다. 접촉 저항과 압축 특성은 전기적 손실에 영향을 주므로 표면 상태와 조립 압력을 함께 고려해야 합니다.

2. 반응 기체 분배

유로를 통해 공급된 수소와 공기가 촉매층 전체에 비교적 균일하게 도달하도록 확산 경로를 제공합니다. 기공 구조와 두께, 압축 정도가 기체 이동 저항에 영향을 줍니다.

3. 생성수 배출

음극 촉매층에서 생성된 물이 기공을 통해 배출되도록 돕습니다. 소수성 처리와 기공 크기 분포는 물의 이동과 기체 통로 유지에 관여합니다. 배수가 원활하지 않으면 물이 기공을 채워 산소 전달이 제한될 수 있습니다.

4. 열 전달

반응 중 발생하는 열을 주변 구성품으로 전달해 국부적인 온도 편차를 완화하는 데 기여합니다.

5. 기계적 지지

GDL은 조립과 운전 중 촉매층을 지지하고 압축 하중을 분산하는 역할도 합니다. 지나친 압축은 기공을 줄이고 물질전달 특성을 바꿀 수 있습니다.

미세다공층(MPL)이란?

많은 GDL은 기재 위에 미세다공층(Microporous Layer, MPL)을 추가한 구조입니다. MPL은 미세한 탄소 분말과 결합재 등을 이용한 얇은 층으로, 촉매층과 GDL 기재 사이의 접촉을 조절하고 물 관리 및 기체 전달 특성을 개선하도록 설계됩니다. 다만 최적 구조는 전극과 운전 조건에 따라 달라집니다.

MEA 설계에서 GDL을 선택하는 기준

기공률, 두께, 압축률, 전기저항, 표면 소수성, MPL 유무와 균일도를 함께 검토해야 합니다. GDL은 촉매층과 짝을 이루므로 CCM 코팅 품질과 조립 조건까지 포함해 평가하는 것이 바람직합니다.

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