Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) catalyst research has been focused on reducing Pt usage and improving the catalytic activity of the cathode side. However, most study reporting high mass activity was either only conducted in half-cell or failed to show corresponding performance in the membrane-electrode-assembly (MEA) setup. Also, for the automotive application of the PEMFCs, it is pivotal that catalysts endure the harsh operating conditions encountered on the road. Herein, catalytic approaches toward enhancing PEMFC durability and MEA performance with minimized Pt usage are discussed. For the anode, water electrolysis catalyst was adopted through defects control and carbon oxidation was prevented during H2 depletion. For the cathode, carbon morphology was tuned to optimize triple-phase-boundary formation and facilitate mass transport. Effect of pore size on H+ and O2 transport was confirmed by calculating the overpotential for each contributing factor. To further increase the MEA performance of the ultra-low Pt cathode catalyst, lens-shaped carbon support with perpendicular channels was devised. Effect of aspect ratio and alignment of the carbon support on mass transport was studied. The commercialization of PEMFCs can be accelerated by combining durable anode under transient operating conditions and ultra-low Pt cathode showing enhanced mass transport.
양성자 교환막 연료전지 촉매 분야의 연구는 환원극에 초점을 맞추어 백금 사용량을 줄이고 촉매 활성을 향상시키는 데에 집중되어 왔다. 그러나 높은 질량 당 활성을 보고하는 대부분의 연구는 반쪽전지에서만 수행되었거나 막전극접합체 구조에서는 상응하는 성능을 보여주지 못했다. 또한, 연료전지를 차량에 적용하기 위해서는 촉매가 도로 주행 중 직면할 수 있는 가혹한 작동 조건에서 견뎌내는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 백금 사용량을 최소화하면서도 내구성과 막전극접합체 구조에서의 성능을 향상시키기 위한 촉매적 접근법을 다루었다. 산화극에는 결함 자리 조절을 통해 수전해 촉매를 도입하여 수소 부족 조건에서 탄소 산화가 일어나는 것을 방지하였다. 환원극의 경우 탄소 모폴로지를 조절하여 삼상계면의 형성을 최적화학고 물질 전달을 용이하게 하였다. 탄소의 기공 크기가 양성자 및 산소의 물질 전달에 미치는 영향을 과전압을 계산하여 확인하였다. 초저백금 촉매의 성능을 더욱 향상시키기 위해 수직 채널을 갖는 렌즈형 탄소 담지체를 고안하였다. 렌즈형 탄소의 종횡비가 물질 전달에 미치는 영향을 연구하였다. 과도적인 구동 조건에서 뛰어난 내구성을 보이는 산화극과 물질 전달이 개선된 초저백금 환원극을 결합한다면 양성자 교환막 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이다.
