Mitigation of Hydrogen Crossover in PEMFCs through Optimization of Direct Membrane Deposition Process

Abstract

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have emerged as a promising clean energy technology due to their high energy-conversion efficiency and environmentally friendly nature. Despite ongoing advances, the commercialization of PEMFCs remains limited by the high cost of platinum-based catalysts. Although significant progress has been made in developing oxygen reduction reaction catalysts with enhanced activity, a key issue persists in that the intrinsic catalytic performance is often not fully realized during the fabrication of membrane electrode assemblies (MEAs). To address this, the direct membrane deposition (DMD) method has been introduced as an alternative to the conventional catalyst-coated membrane technique. The DMD enables a membrane to be directly deposited onto the catalyst layer, potentially improving interfacial contact, ionic conductivity, and water management. However, achieving uniform membrane formation remains a challenge, often resulting in poor reproducibility and increased hydrogen crossover. In this study, a process optimization strategy for DMD-based MEAs is investigated to enhance membrane uniformity and mitigate hydrogen permeation. A hot press annealing method was employed instead of conventional convection oven drying to fabricate denser polymer membranes with clean surface. Key annealing parameters such as pressure and time were systematically controlled, and the resulting MEAs were evaluated at single-cell level. Characterization techniques, including I–V polarization curves, linear sweep voltammetry (LSV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and distribution of relaxation times (DRT), were used to evaluate the performance, hydrogen crossover, and internal resistance. The optimized DMD MEA demonstrated significantly reduced hydrogen crossover and improved MS/FE 20241143 electrochemical performance, especially compared to a CCM-based MEA. Specifically, hydrogen crossover was reduced from 2.30 mA·cm-2 (CCM) to 0.56 mA·cm-2 (DMD), and the current density at 0.6 V increased from 0.758 A·cm-2 (CCM) to 0.869 A·cm-2 (DMD). These findings highlight the effectiveness of process optimization in overcoming the limitations of the DMD method and advancing the practical performance of PEMFCs.|본 연구는 탄소중립 사회 구현을 위한 고효율·무배출 에너지 변환 기술로 주목받고 있는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 핵심 구성 요소인 막전극접합체(MEA)의 성능 향상을 목적으로수행되었다. 특히 Direct Membrane Deposition(DMD) 공정에서 반복적으로 제기되어 온 불균일한 막 형성과 수소 투과 증가 문제를 공정 조건 제어를 통해 해결하고자 하였다. 이를 위해 이오노머 증착 후 열 어닐링 조건(압력 및 시간)을 체계적으로 조절하고, 막 형성 거동과 계면 구조, 수소 투과 특성 및 전기화학적 성능 간의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 핫프레스 어닐링은 오븐 어닐링 대비 조밀하고 균일한 막 형성에 유리하였으나, 과도한 압력은 전극 구조 변형을 유발하여 성능 저하를 초래함을 확인하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 적용한 gasket 기반 압력 제어 어닐링은 막 표면 균일성과 전극 구조 보존을 동시에 달성하였다. 최적 조건에서 제조된 DMD MEA는 상용막 기반 CCM MEA 대비 낮은 수소투과전류밀도와 향상된 전기화학적 성능을 나타냈다. SEM–EDS 및 3D lasor scanning 현미경 분석 결과, 촉매층 미세 요철을 따라 형성된 interlocking 계면 구조와 표면 조밀화가 확인되었으며, 이러한 구조적 특성이 수소 투과 억제와 성능 향상에 기여한 것으로 판단된다. 본 연구는 첨가제 도입 없이 열 어닐링 조건 제어만으로도 DMD 공정의 구조적 한계를 완화할 수 있음을 실험적으로 제시하였으며, 향후 고내구성·고성능 PEMFC용 MEA 제조를 위한 DMD 공정 설계에 중요한 기반을 제공한다