실험실-10) PEM 연료전지의 부품-가스확산층 (GDL)

PEM 연료전지의 가스 확산층(GDL): 기능, MPL 인터페이스, 글로벌 시장 개관

 

서론

프로톤교환막 연료전지(PEMFC)는 수송 및 발전 분야에서 주목받는 청정에너지 기술입니다. 스택은 막(PEM), 촉매층(CL), 가스 확산층(GDL), 분리판(유로 포함) 등 다층 구조로 이루어집니다. 이 중 GDL은 대개 탄소섬유로 만든 얇은 다공성 시트로, 반응가스 분배, 수분 관리, 전자 전도, 열 확산, 기계적 지지를 동시에 수행합니다.

 

쉽게 말해, GDL은 연료전지의 “호흡”과 “냉각”을 책임지면서 전류를 모으는 역할까지 하는 다기능 매질입니다.

 

본 글은 GDL과 그 위에 코팅되는 MPL(마이크로다공층, 미세기공층)의 역할을 알기 쉽게(그러면서도 기술적으로 정확하게) 설명하고, 한국·일본·글로벌 주요 제조사와 최근 시장 동향을 개관합니다.

 

GDL의 역할: 다기능 구성요소

 

PEMFC에서 수소는 애노드(음극)로, 산소(공기)는 캐소드(양극)로 공급됩니다. GDL은 유로 채널을 떠난 가스가 촉매층에 도달하기까지 반드시 통과해야 하는 다공성 매질입니다. 잘 설계된 GDL은 활성 면적 전역에 균일한 가스 공급을 보장하고, 전자 전도 경로를 제공하며, 생성수 배출과 막 가습 유지라는 상충 과제를 동시에 달성합니다. 또한 반응열을 분리판으로 확산시켜 온도 균일성을 높이고, 스택 압착 과정에서 접촉저항을 안정화하는 스프링/쿠션 역할도 합니다.

 

기능	핵심 설명
가스 분배	고기공률·연결공 네트워크로 H₂, O₂/공기를 촉매층 전역에 균일 공급
전자 전도	탄소섬유 기반 전도 경로로 촉매층↔분리판 사이 전류 집전
수분 관리	소수화 처리(예: PTFE), 모세관 작용으로 생성수 배출 + 막 가습 유지
열 확산	반응열을 분산·방출하여 핫스팟 억제, 셀 온도 균일도 향상
기계적 지지	압착·열사이클 속 접촉 안정화 및 공차/거칠기 흡수

연료전지 막-전극 접합체 (MEA, membrane-electrode-assembly)의 구조와 그 안에서 GDL/MPL의 위치

MPL(마이크로다공층, 미세기공층): 물과 접촉을 제어하는 인터페이스

상용 GDL의 상당수는 벌크 기재 위에 MPL을 코팅한 이중 구조입니다. MPL은 탄소블랙+바인더(예: PTFE)로 이루어진 미세공극층으로, 계면의 평탄화로 접촉저항을 낮추고, 미세 모세관 구조로 생성수 거동을 정교하게 제어합니다. 작은 공극에서 물은 작은 방울로 분산되어 벌크 GDL의 큰 기공을 급격히 잠그지 않게 하며, 고습·고전류에서도 기체 통로를 유지하도록 돕습니다.

MPL이 있으면 물방울이 미세하게 분산되어 침수를 지연하고 기체 통로 유지에 유리합니다.

MPL의 핵심: (1) 접촉저항 저감 (평탄한 계면), (2) 모세관 기반 수분 제어 (작은 방울 분산, 과잉수 배출), (3) 기공 크기 매칭으로 촉매층 접근성 향상

GDL 재료 선택: 카본 페이퍼 vs. 카본 클로스

유형	특징	장점	유의점/적용
카본 페이퍼	수백 μm, 강성↑, 고흑연화 → 전도도↑	두께 균일·접촉 안정, 전도도 우수(차량용 선호)	상대적 취성(최근 개선). 박형·고전력밀도 MEA에 적합
카본 클로스	직물/부직포형, 두꺼움, 매우 유연, 고압착 탄성	취급성·내충격성↑, 수분 포용력↑	전도도는 페이퍼 대비 낮을 수 있음. 충격 허용 설계에 적합

글로벌 GDL 시장 개관

주요 제조업체와 기술적 강점

기업(지역)	강점·개요
Toray (일본)	카본 페이퍼 리더. 고균일·박형·고전도. 차량용에서 기준점 역할.
SGL Carbon (독일)	SIGRACET® 라인. 다양한 두께/소수화·MPL 옵션, 대량생산/자동차 공급 경험.
Freudenberg (독일)	비직물 기반 유연 페이퍼. 취성 완화·취급성/내구성 장점.
AvCarb (미국)	페이퍼·직물 모두 공급. 직물형 강건성, 페이퍼형 성능 균형. 미주 생산능력 확장.
Mitsubishi Chemical (일본)	고순도·고흑연화 페이퍼 지향. 일본 내 연료전지 밸류체인 연계.
JNTG (한국)	국내 대표 페이퍼 GDL. 두께·기공·PTFE 함량 등 맞춤 설계(커스터마이즈) 강점.
CeTech (대만)	가성비 우수한 페이퍼형. 연구·파일럿 수요에서 존재감.
그 외	Teijin(일본), Hephas(중국) 등. TFP(영국)는 기재용 카본지 공급.

최근 3–5년 동향

• 수요 급증: 한·일·중 중심 모빌리티/발전 프로젝트 확대로 출하 증가, 두 자릿수 CAGR 전망.
• 증설·투자: 상위사 설비 증설(연속 소결·롤투롤), 지역 거점 다변화로 공급안정·원가개선.
• 기술 혁신: 친수/소수 혼합·그라디언트형 MPL, 다층 구조, 장수명 바인더 등으로 침수 지연·내구 향상.
• 원가 절감: 수율 개선·공정 최적화·경쟁 심화로 $/kW 하락, 대량차 플랫폼 대응 가속.
• 공급망 현지화: 전략 부품 내재화(한국·중국·EU). 완성차–소재사 공동개발 증가.
• 인접 시장 확대: PEM 전해조, CO₂ 전환, 흐름전지 등 가스 확산 매질 수요 외연 확장.

맺음말

GDL은 촉매의 미시세계와 유로·집전의 거시세계를 잇는 다기능 다공질 엔지니어링 소재입니다. MPL의 도입으로 계면 제어가 정교해지며 고습·고전류 영역에서도 성능·안정성이 향상되었습니다. 시장 측면에서는 한·일을 비롯한 글로벌 선도사가 증설과 혁신을 이어가고, 신규 플레이어와 인접 응용의 확대로 경쟁과 협력이 공존하는 국면입니다. 연구자·엔지니어에게는 멀티상 수송 현상의 교과서이고, 투자자에게는 수소경제 성장과 보조를 맞추는 전략적 핵심 부품 섹터라 할 수 있습니다.