Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) technology has required significant cost competitiveness for mass commercialization of fuel cell electric vehicle. In order to lower the price of the fuel cell, studies are being conducted to achieve high performance while maintaining the same amount of platinum loading in catalyst layer (CL). In this study, the performance improvement was observed by using Nafion fiber which has proton conductivity as a 1-dimensional material. Two different structures of the catalyst layer according to the diameter control of Nafion fiber are presented. Depending on the difference of size between Nafion fiber diameter and the catalyst layer thickness, a catalyst layer with a macroscopic proton channel (Nafion fiber embedded-CL) and a catalyst layer with an extended gas-catalyst layer interface (Nafion fiber supported-CL) were implemented. Nafion fiber embedded CL showed 33% improved cell performance at 0.6V due to the increase of the proton transport. Nafion fiber supported CL showed 25% improved cell performance at 0.4V due to the increase of the gas transport. From the results of each of the proton and gas transport enhancement, Nafion fiber matrix can be applied as a flexible versatile platform for catalyst layer structure modulation to improve fuel cell performance.
연료 전지 전기 자동차의 대량 상용화를 위해, 고분자 전해질 막 연료 전지 기술은 가격경쟁력 확보에 직면해 있다. 연료 전지의 가격을 낮추기 위해, 촉매 층 내 동일한 양의 백금을 사용하면서 고성능을 달성하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 수소 이온 전도성을 갖는 나피온 섬유를 1차원 물질로 사용하여 연료전지의 성능 향상을 관찰 하였다. 나피온 섬유의 직경 제어에 따라 촉매 층의 두 가지 구조가 제시된다. 나피온 섬유 직경과 촉매 층 두께의 차이에 따라, 거대 수소이온 전달 채널을 갖는 촉매 층과 확장 된 기체-촉매 층 계면을 갖는 촉매 층이 구현되었다. 거대 수소이온 전달 채널 촉매 층은 수소 이온 전달 속도 증가로 인해 0.6 V에서 33 % 향상된 전지 성능을 보였다. 기체-촉매 층 계면이 확장된 촉매 층은 기체 확산 속도의 증가로 인해 0.4 V에서 25 % 향상된 셀 성능을 보였다. 수소 이온 전달과 기체 전달 각각의 향상 결과로부터, 나피온 섬유 매트릭스는 향상된 성능을 갖는 연료전지 촉매층 개발을 위한 다목적 플랫폼으로 사용될 수 있다.
