High performance PEMFC MEA with a low Pt loading prepared by electrostatic spray deposition

Abstract

A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is one of candidates for replace the fossil-fueled system due to its high efficiency and eco-friendly energy device. The PEMFC must be capable of operating at a high power density with a low platinum (Pt) loading to reduce its production cost for commercialization. In this research, the electrostatic spray deposition method was employed to fabricate the catalyst layers which present high fuel-cell performance with low Pt loading. The electrostatic spray deposition has an advantage for obtaining the catalyst layer with novel agglomerate structure because the slurry is ejected in the electrostatic field between the metal nozzle and the substrate. The catalyst layer prepared from the electrostatic spray deposition presented 1.4 A/cm2 at 0.5 V which is approximately one order of magnitude higher than other catalyst layers made by brush or spray method (0.8 at 0.5 V). Furthermore, the solvents used in the catalyst ink were investigated to obtain improved cell polarization with low Pt loading. The solvents disperse the insoluble solutes of the catalyst and binder, and thereby significantly influence the catalyst layer morphology and fuel-cell performance. The catalyst layers fabricated with different organic solvents, isopropyl alcohol (IPA) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), were examined their agglomerated structure by the scanning electron microscopy. In addition, various electrochemical characterizations were utilized to investigate the solvent effect on the fuel-cell performance. As a result, the catalyst layer prepared from NMP presented 1.4 A/cm2, while the catalyst layer made by IPA showed 1.1 A/cm2. Due to well-dispersed agglomerate structure in the catalyst layer fabricated NMP, it presented higher electrochemical surface area and lower resistance than those of the catalyst layer produced from IPA.; 고분자 전해질 연료전지는 고효율, 친환경 에너지원으로써 화석연료를 대체할 수 있는 전도유망한 차세대 에너지 장치 중 하나로 급부상하고 있다. 고분자 연료전지를 상용화하기 위해서는 낮은 백금 사용량에서도 높은 출력밀도를 구현하여야 한다. 연료전지 전극을 제작하는데 있어 전기 분무 방사법을 활용하여 연료전지 전극을 코팅하였다. 이를 통해 적은 백금 사용량을 구현하면서도 고성능 연료전지 성능을 구현하는 목표를 설정하였다. 전기 분무 방사법은 표면적이 극대화된 다공성의 나노 집적체 구조를 갖는 전극을 만드는데 큰 장점을 갖는다. 금속 노즐과 기판사이의 전기장과 정전기적 반발력으로 인하여 이러한 장점을 갖게 된다. 전기 분무 방사법으로 만들어진 고분자 전해질 연료전지 전극은 0.5V 상태에서 1.4 A/cm2의 성능을 구현하였으며 다른 데칼 방식이나 스프레이 방식 (0.8 A/cm2 at 0.5V)에 비해 약 2배 더 높은 성능을 구현하였다. 더 나아가 촉매 잉크에 사용되는 용매를 다양하게 적용하여 고분자 전해질 연료전지 전극의 성능을 더 향상시키고, 백금 사용량을 절감하기 위하여 실험을 진행하였다. 용매에 따라 촉매와 Nafion 바인더를 분산시키는 다른 특성을 갖고 있는데, 이러한 성질을 활용하여 전극의 표면 구조와 성능을 조절하였다. 전극은 두 가지의 유기용매가 사용되었다. Isopropyl alcohol (IPA) 용매와 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용매를 사용하였다. 제작된 전극을 주사 전자 현미경으로 응집구조를 조사하였고, 다양한 전기 화학적 특성을 확인하기 위해 I-V 커브 분석, EIS 분석 등을 이용하였다. 결과적으로 NMP를 사용한 전극은 1.32 A/cm2를 구현하였고 IPA를 사용한 전극은 1.1A/cm2를 구현하였다. NMP를 사용한 전극은 잘 분산된 표면적으로 인하여 낮은 전기화학적 저항과 높은 백금 활성 면적을 구현하였다.