Prediction and analysis on transport properties of PEMFC self-humidifying catalyst layer through 3D reconstruction from a single image

Abstract

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)는 고분자 전해질막이 수화 상태일 때 수소이온 전달 능력을 가지게 되어 높은 출력밀도를 나타냅다. 하지만 공기공급장치를 이용한 가습은 높은 기생 전력이 필요하여 연료전지의 효율을 떨어뜨리게 된다. 이를 해결하기 위해 소수성/친수성 이중촉매층을 도입하였다. 수분 보유 특성이 높은 자가가습막을 개발하기 위해서는 PEMFC에서 촉매층의 수송 특성과 미세구조를 이해하는 것은 필수적이다. 이를 위해 두 부분의 촉매층이 FIB-SEM에 의해 3차원으로 재구성되었다. 이러한 분석기법은 효과적이지만 높은 분석 비용 때문에 상용화에는 어려움이 있다. 이를 해결하기위하여 한장의 FIB-SEM이미지를 이용하여 재구성한다면 학술적 가치뿐만 아니라 상업적으로도 충분히 가치 있는 연구라고 생각한다. 이 논문의 목표는 한장의 이미지를 이용하여 diffusivity, tortuosity와 같은 다공체의 구조 정보를 예측하여 실제 값과 비교하였을 때 예상오차범위 내에서 예측하는 것에 있다. 이 기술은 연료전지 촉매층뿐만 아니라 다공성 전극이나 분리막 등에 적용이 가능하다. 이를 분석에 적용할 경우 분석 비용을 기존의 10% 미만의 수준으로 줄임으로써 큰 비용 부담없이 수송 특성과 미세구조를 분석할 수 있다.; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) exhibits high power density as it has the ability to transfer hydrogen ions when the polymer electrolyte membrane is hydrated. However, humidification using an air supply device requires high parasitic power, which reduces the efficiency of the fuel cell. To solve this problem, a hydrophilic/hydrophobic dual catalyst layer was introduced. In order to develop a self-humidifying membrane with high moisture retention properties, it is essential to understand the transport characteristics and microstructure of the catalyst layer in PEMFC. For this, the two parts of the catalyst layer were reconstructed in three dimensions by FIB-SEM. Although these methods are powerful, they are difficult to commercialize due to high analysis costs. In order to solve this problem, if it is reconstructed using a single FIB-SEM image, it is considered to be a study of sufficient commercial value as well as academic value. The goal of this paper is to predict the structural information of a porous material, such as diffusivity and tortuosity, using a single image and to predict within the expected error range when compared with the actual values. This technology can be applied to a fuel cell catalyst layer as well as a porous electrode or a separator. If this analysis method is commercialized, it is possible to easily analyze the transport characteristics and microstructure by reducing the analysis cost to less than the existing 10% level.