Atomic Layer Deposition for Fuel Cell Electrodes and Catalysts = 원자층 증착법을 이용한 연료전지의 전극 및 촉매 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Research to develop sustainable energy sources and improve energy efficiency is one of the key challenges in the modern world. Fuel cells are considered to be one of the highly efficient energy conversion technologies to achieve these goals. In particular, research on electrode and catalyst materials for fuel cells is key to improving the performance of this technology and enabling more sustainable energy production. This work presents an innovative study of electrode and catalyst materials for fuel cells utilizing atomic layer thin film deposition. This method is used to improve the properties of fuel cell materials by creating atomic layer thin films and controlling the material at the atomic level. These atomic-layer thin films help to optimize the interactions with oxygen and fuel molecules at the active sites of the electrodes and catalysts.
First, we present the results of our research on the application of atomic layer thin film deposition to the oxygen and fuel electrodes, the anodes of a fuel cell. These thin films help to improve the electrode response at the oxygen electrode of the fuel cell by enhancing the reactive oxygen adsorption and transfer properties. We also describe the use of atomic layer thin films to enhance catalytic activity at the fuel electrode. Furthermore, the application of atomic layer thin film deposition of various catalytic materials to improve the performance of fuel cells is presented. These catalytic materials are responsible for promoting the oxidation reaction of fuel molecules in the fuel electrode. The atomic layer thin films contribute to optimizing the active sites of the catalysts and improving the stability of the catalysts. Among various fuel cell types, atomic layer thin film deposition has been applied to various components of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) and proton ceramic fuel cells (PCFCs). This research is expected to contribute to the improvement of fuel cell technology and the development of future sustainable energy sources. The innovative development of electrodes and catalysts using atomic layer thin film deposition is an important step towards increasing the efficiency and sustainability of fuel cell technology. This will bring us one step closer to the future clean and sustainable energy supply. Fuel cell technology plays an important role in promoting energy efficiency and environmental protection, and is expected to play a key role in future energy systems. It is also expected that the introduction of atomic layer thin film deposition will bring fuel cells closer to commercialization by achieving high performance, high durability, and high yields.

국문 초록 (Abstract)

지속 가능한 에너지원을 개발하고 에너지 효율을 개선하기 위한 연구는 현대 사회의 주요 과제 중 하나이다. 연료전지는 이러한 목표를 달성하기 위한 고효율 에너지 변환 기술 중 하나로 꼽힌다. 특히 연료전지용 전극 및 촉매 소재에 대한 연구는 이 기술의 성능을 개선하고 보다 지속 가능한 에너지 생산을 가능하게 하는 핵심 요소이다. 이 연구는 원자층 박막 증착을 활용한 연료전지용 전극 및 촉매 소재에 대한 혁신적인 연구를 제시한다. 이 방법은 원자층 박막을 생성하고 원자 수준에서 재료를 제어하여 연료전지 재료의 특성을 개선하는 데 사용될 수 있다. 이러한 원자층 박막은 전극과 촉매의 활성 부위에서 산소 및 연료 분자와의 상호 작용을 최적화하는 데 도움이 될 것으로 기대한다.
먼저, 연료전지의 전극인 산소극과 연료극에 원자층 박막 증착을 적용한 연구 결과를 발표한다. 이 박막은 활성산소 흡착 및 전달 특성을 향상시켜 연료전지의 산소 전극에서 전극 반응을 개선하는 데 도움이 된다. 또한 연료 전극에서 촉매 활성을 향상시키기 위해 원자층 박막을 사용하는 방법도 설명한다. 또한 연료전지의 성능을 향상시키기 위한 다양한 촉매 물질의 원자층 박막 증착 적용에 대해서도 소개한다. 이러한 촉매 물질은 연료 전극에서 연료 분자의 산화 반응을 촉진하는 역할을 한다. 원자층 박막은 촉매의 활성 부위를 최적화하고 촉매의 안정성을 향상시키는 데 기여한다. 다양한 연료전지 종류 중 고분자 전해질막 연료전지(PEMFCs)와 프로톤 세라믹 연료전지(PCFCs)의 다양한 구성 요소에 원자층 박막 증착이 적용되고 있다. 이 연구는 연료전지 기술 향상과 미래 지속 가능한 에너지원 개발에 기여할 것으로 기대된다. 원자층 박막 증착을 이용한 전극과 촉매의 혁신적인 개발은 연료전지 기술의 효율성과 지속 가능성을 높이기 위한 중요한 단계이다. 이를 통해 미래의 깨끗하고 지속 가능한 에너지 공급에 한 걸음 더 가까워질 것으로 내다본다. 연료전지 기술은 에너지 효율과 환경 보호를 촉진하는 데 중요한 역할을 하며, 미래 에너지 시스템에서 핵심적인 역할을 할 것으로 내다보며 원자층 박막 증착의 도입으로 고성능, 고내구성, 고수율을 달성함으로써 연료전지의 상용화에 더욱 가까워질 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• TABLE OF CONTENTS
• ABSTRACT i
• 국문 초록 iii
• TABLE OF CONTENTS v
• LIST OF TABLES vii
• LIST OF FIGURES viii
• CHAPTER 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Environmental energy conversion devices 3
• 1.2.1 Proton ceramic fuel cells 5
• 1.2.2 Polymer electrolyte membrane fuel cells 9
• 1.3 Limitations and solutions 12
• CHAPTER 2. Thin film process 14
• 2.1 Atomic layer deposition for nanostructure engineering 14
• 2.2 Approach & thesis overview 23
• CHAPTER 3. Atomic layer deposition for proton ceramic fuel cell 25
• 3.1 Direct ammonia injected proton ceramic fuel cell 25
• 3.1.1 Introduction 25
• 3.1.2 Experimental details 30
• 3.1.3 Results and discussion 34
• 3.1.4 Conclusions 59
• 3.2 Quantitative ammonia decomposition and degradation analysis over Ni 60
• 3.2.1 Introduction 60
• 3.2.2 Experimental details 64
• 3.2.3 Results and discussion 65
• 3.2.4 Conclusions 75
• 3.3 Cycle-by-cycle EIS analysis with in-situ ALD 76
• 3.3.1 Introduction 76
• 3.3.2 Experimental details 77
• 3.3.3 Results and discussion 79
• 3.3.4 Conclusions 92
• CHAPTER 4. Atomic layer deposition for polymer electrolyte membrane fuel cell 93
• 4.1 Improving the durability of platinum catalyst via CeOx 93
• 4.1.1 Introduction 93
• 4.1.2 Experimental details 97
• 4.1.3 Results and discussion 98
• 4.1.4 Conclusions 110
• 4.2 Platinum ALD on CNTs by pre-treatment 111
• 4.2.1 Introduction 111
• 4.2.2 Experimental details 113
• 4.2.3 Results and discussion 114
• 4.2.4 Conclusions 126
• CHAPTER 5. Conclusions 127
• REFERENCES 129

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