방사광 X-선 영상법을 활용한 전기 촉매 열화에 따른 PEMFC 내 MEA 물 분포/거동 가시화 연구 = Visualization Study for PEMFC Water Distribution of Electrocatalyst Degradation Via Synchrotron X-ray Imaging

국문 초록 (Abstract)

전세계적으로 탄소중립 실현을 위한 신재생에너지의 관심이 높아지고 있는 가 운데 수소에너지는 높은 에너지 밀도와 에너지 전환성이 뛰어나 차세대 에너지 원으로 주목받고 있다. 이러한 수소에너지를 기반으로 모빌리티 분야에서 활발 히 적용되는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 국내, 미국, 일본, EU 등 주요국 가에서 주도적인 연구 개발이 이루어지고 있다. 그러나 2023 년 DOE 에서는 PEMFC 의 상용화를 위해서는 내구성과 경제성을 개선할 필요가 있다고 보고하 였다. 이에 따라 최근에는 내구성확보를 위한 PEMFC 열화에 관한 많은 연구들 이 이루어지고 있으며, 특히 PEMFC 구성요소 중 비용적으로 상당한 부분을 차 지하는 촉매층에 대한 열화현상을 집중하여 연구하고 있다. 이러한 연구를 통해 PEMFC 의 열화현상은 내부 구성요소에 비가역적인 손상을 입히며, 성능에 있어 서 핵심적인 역할을 하는 물 관리에 있어 악영향을 끼칠 수 있다고 보고하였다. 그러나 ex-situ 실험, 수치해석 연구 만으로는 열화에 따른 실제 물 분포/거동의 변화를 관찰하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 방사광 X-ray 영상법 을 활용한 PEMFC 가시화 실험을 통하여 전기촉매 열화에 따른 내부 물 분포/ 거동의 변화에 대한 가시화 연구를 수행하였다. 그 결과, 전기촉매 열화 후 촉 매층에서의 물 분포는 최대 20% 감소하였으며, 활성화 면적 감소로 인한 성능 저하 뿐만 아니라 막 수화도 저하로 인한 이온전도도 감소로 이어지는 복합적 인 성능 감소를 확인하였다. 기존 연구에서는 전기촉매 열화에 따라 미세기공 구조의 붕괴가 촉매층 표면에서의 소수성감소로 인한 범람(flooding)을 예상하였 으나, 실제로는 탈수(dehydration)현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 촉매층 내 이 오노머의 손상으로 인하여 친수성인 술폰산기의 부식과 미세 기공 구조 붕괴로 인한 수분 흡수능력 저하로 인한 탈수현상으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Globally, increasing attention is being paid to renewable energy to achieve carbon neutrality, and hydrogen energy has emerged as a promising next-generation energy source due to its high energy density and efficient energy conversion characteristics. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs), which utilize hydrogen energy and are widely applied in the mobility, have been intensively researched and developed in major regions, including South Korea, the United States, Japan, and the European Union. However, in 2023, the U.S. Department of Energy (DOE) reported that further improvements in durability and cost-effectiveness are required for the commercial deployment of PEMFCs. Accordingly, recent studies have increasingly focused on PEMFC degradation mechanisms to enhance durability, with particular emphasis on the catalyst layer, which accounts for a substantial portion of the system cost. Previous studies have reported that electrocatalyst degradation induces irreversible damage to internal components and adversely affects water management, a key factor governing PEMFC performance. Nevertheless, ex-situ experiments and numerical simulations alone are insufficient to directly observe changes in internal water distribution and transport induced by degradation. In this study, synchrotron X-ray imaging was employed to visualize changes in internal water distribution and behavior in PEMFCs subjected to electrocatalyst degradation. The results revealed that water content in the catalyst layer decreased by up to 20% after degradation, leading to a complex performance loss arising not only from reduced electrochemically active surface area but also from diminished membrane hydration and consequent reductions in ionic conductivity. Contrary to previous predictions of flooding caused by decreased surface hydrophobicity, dehydration was predominantly observed. This behavior is attributed to ionomer degradation within the catalyst layer, which results in corrosion of hydrophilic sulfonic acid groups and collapse of the microporous structure, ultimately reducing the water absorption capacity.

목차 (Table of Contents)

• 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목표 12
• 2 이론 13
• 2.1 PEMFC 개요 13
• 2.1.1 PEMFC 구동 원리 14
• 2.2 PEMFC 내부 물 관리 16
• 2.2.1 CL-GDL 물 분포/거동 16
• 2.2.2 CL-MPL-GDL 물 분포/거동 17
• 2.3 가속열화시험 20
• 2.3.1 전기촉매 열화 20
• 2.3.2 탄소지지체 부식에 의한 열화 21
• 3 실험 방법 28
• 3.1 실험 장치 및 구성 28
• 3.1.1 시편 28
• 3.1.2 작동 조건 및 실험 과정 28
• 3.2 전기화학적 성능 측정 32
• 3.2.1 순환전압전류법 32
• 3.2.2 분극곡선 33
• 3.2.3 선형주사전위법 33
• 3.3 PEMFC 내부 물 분포 가시화 35
• 3.3.1 물 감쇠 계수 측정 35
• 3.3.2 가시화 이미지 Normalization 및 Colorization 37
• 3.4 SEM 및 EDS 분석 41
• 3.5 접촉각 측정 41
• 4 실험 결과 및 고찰 42
• 4.1 전기화학적 성능 평가 42
• 4.2 X-ray 가시화 46
• 4.3 SEM 및 EDS 분석 60
• 4.4 접촉각 측정 65
• 4.5 탄소지지체 부식에 의한 열화와 전기촉매 열화 비교 68
• 5 결론 71
• 6 참고문헌 74