수소 연료전지는 수소 (H₂)와 산소 (O₂)의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 친환경적인 전기생산 발전 시스템이다. 그중 고분자 전해질막 연료전지는 낮은 작동 온도, 높은 효율 및 전류 밀도, 빠른 응답 특성을 가지는 차세대 고효율 에너지 시스템으로 주목받고 있으며, 이러한 장점들로 인해 상용차, 드론, 도시형 항공 이송 수단, 선박 등 다양한 분야에 적용 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 시동/정지와 연료 부족과 같은 환경에서 백금계 촉매 담지체로 주로 사용되는 탄소 (Carbon, C)의 열화가 발생한다는 문제가 있다. 빈번한 시동/정지 과정은 수소와 공기 경계를 형성하고 순간적으로 환원극 (cathode)에 고전압 (>1V)을 유발하여 환원극의 탄소 담지체를 열화시키고, 연료 부족 환경은 수소가 부족한 환경이 되었을 때, 산화극 (anode)의 전위가 지속적으로 증가하여 역전압 (<0V)을 초래해 산화극의 탄소 담지체 열화를 가속 시킨다. 탄소의 열화는 전극층 내 기공과 소수성 성질을 감소시켜 물질 전달 저항을 증가시킬 뿐만 아니라 전기화학 반응을 촉진 시키는 백금 (Platinum, Pt) 나노입자의 응집 및 용출과 같은 문제도 함께 발생시켜 시스템의 성능 저하 및 고장을 유발한다. 따라서 고분자 전해질막 연료전지의 상업화를 위해서는 연료전지 시스템의 성능과 더불어 전극 내구성 향상이 매우 요구된다.
본 연구에서는 우수한 화학적 내구성과 높은 가스 투과성, 소수성 성질을 가지는 고분자 물질인 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용하여 전극층 내 탄소의 열화를 완화 시키고 물질 전달을 향상시켜 고내구·고성능을 가지는 고분자 전해질막 연료전지를 개발했다. alcohol 기반의 촉매 슬러리와 섞임 특성이 좋지 않은 무극성 용매에 용해되는 PDMS을 전극에 균일하게 도포하기 위해 상용 3-dimensional printer를 개조하여 병렬형 2-노즐 분사 시스템을 구축했고, 이동 경로와 면적, 이송 속도를 컴퓨터 언어인 G-Code로 프로그래밍하여 제어했다. 마지막으로, 상용 Pt/C 촉매를 사용하여 PDMS의 로딩양 최적화 실험을 진행하여 전기화학적 분석과 가속화된 열화 테스트를 통해 환원극 담지체의 내구성을 평가했으며, 이를 통해 고성능, 고내구성의 막-전극 접합체 (Membrane-electrode assembly, MEA) 제작을 위한 최적의 PDMS 로딩양 (0.1 mgPDMS/cm²)을 도출했다. 나아가 레이저 분해법을 통해 합성된 고결정성의 탄소를 담지체로 사용한 Pt/C 촉매를 PDMS와 함께 전극에 사용하여 가혹한 환경에서의 작동 조건을 모사한 시동/정지와 연료 부족 내구 프로토콜을 각각 수행하여 환원극과 산화극 전극의 담지체 내구성을 평가하여 탄소 열화에 대한 내구성이 우수한 막-전극 접합체를 제작했다.