With the demands for better performance of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), studies on controlling the distribution of ionomers have recently gained interest. Here, we present a tunable ionomer distribution in the catalyst layer (CL) with dipropylene glycol (DPG) and water mixtures as ionomer dispersion medium. Dynamic light scattering and molecular dynamics simulation demonstrate that, by increasing the DPG content in the dispersion, the size of the ionomer aggregates in the dispersion is exponentially reduced due to the higher affinity of DPG for Nafion ionomers. The ionomer distribution of the resulting CLs dictates the dimensional feature of the ionomer dispersion. Although the ionomer distribution becomes more uniform with increasing the DPG content, an optimal power performance is obtained at a DPG content of 50 wt% regardless of feed humidity due to balanced proton and mass transports. As a guide for tuning the ionomer distribution, we suggest that the ionomer aggregates in the dispersion with a size close to that of the Pt/C aggregates form a highly connected ionomer network and maintain a porosity in the catalyst/ionomer aggregate resulting in high power performance.
상용화를 위한 고분자 전해질 연료전지의 성능 향상이 요구됨에 따라, 이오노머 분포 제어를 통한 물질 전달 향상에 대한 연구들이 주목받고 있다. 이에, 본 연구에서는 분산 상태의 이오노머 크기를 촉매층 내 이오노머 분포 제어를 위한 한가지 변수로 제시하며, 분산 크기에 따른 분포와 물질 전달의 변화에 초점을 두어 분석하였다. 분산 상태의 조절을 위해 알코올류 용매 (Dipropylene glycol, DPG)와 물의 이중용매계를 이용하였으며, DPG의 함량 증가에 따라 이오노머의 분산 크기가 기하급수적으로 감소하는 경향성을 동적 광산란법으로 관찰하였다. 더불어, 분자동역학을 통해 이는 DPG와 이오노머의 강한 상호작용에 기인한다는 것을 확인하였다. 분산상의 이오노머 크기는 촉매층 내 분포에 직접적인 영향을 끼치며, 그에 상응하는 물질 전달 경향성을 보여준다. DPG의 함량이 높아 이오노머의 분산 크기가 작을 경우, 균일성 높은 촉매층을 제조가능하지만 산소 전달을 저해하는 문제점이 존재한다. 반대로, 분산 크기가 큰 경우 수소이온 전도가 저해되는 현상이 나타난다. 이에 따라 물질 전달의 최적화를 위한 특정 이오노머의 분산 크기가 존재하며, 본 연구에서는 촉매 입자 덩어리의 크기와 유사한 스케일을 가진 경우가 수소이온과 산소의 물질전달성에 있어 최적점이며, 가장 높은 성능을 보인다고 제시한다.
