In this dissertation, I investigate ways to improve the electrochemical performance and durability of polymer electrolyte fuel cells by controlling the structure and shape of electrode materials. I aim to clarify the relationship between the structure and morphology of the electrode and catalyst, and their electrochemical performance, and to explore theoretical and experimental approaches to utilizing this relationship. Through the use of patterning to control the structure of the electrode/electrolyte interface, doping to control the microstructure of core-shell catalysts, and the introduction of 2D-shaped catalysts, improvements in single cell performances are confirmed. The resulting improved structures are expected to contribute to the PEMFCs by enhancing the kinetics of the oxygen reduction reaction, improving durability, and reducing the use of precious metals. This study aims to provide useful insights into innovative electrode development for sustainable energy conversion in the next generation energy field, by contributing to our understanding of the relationship between the microstructure of electrode material and its electrochemical performance.
본 논문에서는 고분자 전해질 연료전지에서 전극 재료의 구조와 형상을 제어하여 전기화학적 성능 및 내구성을 향상시키는 방안에 대해 고찰하였다. 전극의 구조와 촉매의 형상 및 미세구조와 전기화학적 성능 간의 관계를 규명하고, 이를 활용하는 방안에 대해 이론적, 실험적 증명을 다루고자 한다. 기존의 연구들의 한계점을 돌파하기 위해, 패터닝을 통한 전극/전해질막 계면 구조 제어, 도핑을 통한 코어쉘 촉매의 미세구조 제어, 그리고 2D 형상 촉매 도입하여 반전지 및 단전지 수준에서의 성능 개선을 각각 보이고자 한다. 개선된 구조는 산소환원 반응 동역학 강화, 향상된 내구성 및 귀금속 사용량 저감으로 PEMFCs의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 이 연구는 전극 물질의 미세 구조와 전기화학적 성능 사이의 관계를 이해하는 데 기여하여, 차세대 에너지 분야에서 지속 가능한 에너지 전환을 위한 혁신적인 전극 개발에 대한 유용한 통찰력을 제공하고자 한다.
