Nanophase Catalyst Layer for Direct Methanol Fuel Cells

Nanophase catalyst layer for direct methanol fuel cell has been fabricated by magnetron sputtering method. Catalyst metal targets and carbon were sputtered simultaneously on the Nafion membrane surface at abnormally higher gas (Ar/He mixture) pressure than that of normal thin film processing. They could be coated as a novel structure of catalyst layer containing porous PtRu or Pt and carbon particles both in nanometer range. Membrane electrode assembly made with this layer led to a reduction of the catalyst loading. At the catalyst loading of 1.5mg $PtRu/cm^2$ for anode and 1mg $Pt/cm^2$ for cathode, it could provide $45 mW/cm^2$ in the operation at 2 M methanol, 1 Bar Air at 80"C. It is more than $30\%$ increase of the power density performance at the same level of catalyst loading by conventional method. This was realized due to the ultra fine particle sizes and a large fraction of the atoms lie on the grain boundaries of nanophase catalyst layer and they played an important role of fast catalyst reaction kinetics and more efficient fuel path. Commercialization of direct methanol fuel cell for portable electronic devices is anticipated by the further development of such design.

마그네트론 스퍼터링 방법에 의하여 Nanophase 촉매층을 형성하여 Direct Methanol Fuel Cell(DMFC)에 적용하였다. 일반적인 박막 증착 방법보다 높은 압력 (Ar/He혼합기체)에서 금속 Target과 탄소 Target을 동시에 스퍼터링하여 내피온막 위에 직접 코팅함으로써 기공성 있는 PtRu혹은 Pt및 탄소입자를 포함한 새로운 구조의 촉매층을 형성하였다. 본 방법에 의하여 $1.5mg/cm^2$의 PtRu(Anode) 및 $1mg/cm^2$ Pt(Cathode) 로딩으로 2M Methanol, 1 Bar공기, $80^{\circ}C$조건에서 $45mW/cm^2$의 출력을 얻을 수 있었으며, 이는 기존의 상용방법에 의하여 제조된 전극보다 같은 조건에서 $30\%$의 성능향상을 제시한 것이다. 이는 Nanophase촉매층 구조로 인하여 초미세 분말을 적용하였고, 많은 량의 원자들이 입계에 배열하게 됨으로써 촉매반응을 원활하게 하고,연료의 공급을 효율적으로 해준 것에 기안한 것으로 판단된다. 그러므로, 본 연구의 결과를 응용할 경우 DMFC를 휴대용 전자기기에 적용함에 있어서 성능향상 및 가격경쟁력 확보에 도움을 줄 것으로 기대된다.