Spectroscopic Investigation of Carbon Corrosion in PEMFCs: Impact of Ionomer Side Chain Length

국문 초록 (Abstract)

고분자 전해질 연료전지는 수소 에너지를 전기 에너지로 변환하는 핵심 장치로, 탄소 배출이 없는 지속가능한 에너지 사회를 구현하기 위한 중요한 기술이다. 그러나 촉매 지지체로 사용되는 탄소는 시동 및 운전정지와 같은 특정 조건에서 음극에 발생하는 고전압 환경에서 쉽게 산화되며, 이는 전극 구조 붕괴와 성능 저하를 유발하여 연료전지의 장기 내구성을 제한하는 주요 원인으로 작용한다. 본 연구는 전극 내 양성자 전달, 기계적 결합, 계면 물 거동 등에 영향을 미치는 이오노머의 화학적 구조가 탄소 부식에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 측쇄 길이가 다른 단측쇄 및 장측쇄 이오노머를 사용한 전극을 비교하여, 전기화학적 열화 평가와 실시간 라만 분광법을 통해 촉매-이오노머 계면의 물 거동과 탄소 부식 간의 상관관계를 분석하였다. 전기화학적 열화 평가 결과, 단측쇄 이오노머 전극은 높은 작용기 밀도로 인해 초기 출력 성능이 우수하였으나, 가속 열화 및 회복 과정 이후 탄소 산화에 따른 비가역적 전압 손실이 나타났다. 반면 장측쇄 이오노머 전극은 촉매 산화에 인한 가역적인 성능 저하만 관찰되었으며, 비가역적 전압 손실은 거의 발생하지 않아 우수한 내구 특성을 보였다. 실시간 라만 분광 분석에서 단측쇄 전극은 고전압 인가 시 탄소 결함을 나타내는 D 밴드 (1350 cm-1)의 강도가 증가하여 물리적인 탄소 부식이 진행됨을 확인하였다. 반면 장측쇄 전극의 D 밴드는 안정적으로 유지되었다. 특히 3000~3800 cm-1 영역의 OH 신호 분석 결과, 단측쇄 전극이 장측쇄 전극보다 높은 강도를 나타내었고, 이는 촉매-이오노머 계면 사이의 물 농도가 높게 유지되는 것을 의미한다. 장측쇄 시스템에서 일시적으로 탄소 구조의 불안정성이 관찰된 1.4 V 조건의 OH 강도를 기준으로 계면 수분 임계점을 설정한 결과, 단측쇄 전극은 고전압 영역 전반에서 해당 임계점을 상회하는 물 농도를 유지하여 탄소 부식 거동이 지속적으로 활성화됨을 확인하였다. 반면 장측쇄 이오노머는 낮은 작용기 밀도로 인해 계면 물 농도를 부식 임계점 이하로 제어하여 탄소 지지체의 산화를 효과적으로 억제하였다. 본 연구는 이오노머의 화학적 구조 특성에 의해 결정되는 촉매-이오노머 계면의 물 농도가 탄소 부식과 밀접한 상관관계를 갖는다는 사실을 실시간 분광학적 분석을 통해 규명하였으며, 차세대 고내구성 막전극집합체 개발을 위한 방향성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures and Tables
• I. Introduction
• II. Experimental
• 2-1. Synthesis of cathode catalyst layer
• 2-2. Synthesis of Au@SiO2
• 2-3. Accelerated stress test and recovery protocols
• 2-3. Operando Raman spectroscopy
• III. Results and Discussion
• 3-1. Effect of ionomer side chain length on performance
• 3-2. Operando Raman spectra of carbon structural changes
• 3-3. Operando Raman spectra of interfacial water behavior
• 3-4. Correlation between carbon and interfacial water
• IV. Conclusion
• References
• Abstract
• Acknowledgements