As the demand for eco-friendly energy surges, research on proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) has been actively studied. Since the reaction of the PEMFCs requires much platinum as catalysts, however, not only the high price of platinum but also the low stability still has a problem for commercialization of PEMFCs. Therefore, designing an electrode capable of exhibiting high activity and stability is essential for the commercialization of the PEMFCs. Furthermore, the material design showing high activity and stability while reducing the amount of platinum is essential in securing the high economic efficiency of fuel cells. However, although much research had been conducted to develop a material showing high catalytic activity and stability, studies to secure a material showing high characteristics in a low platinum system are still relatively insufficient. Porous carbon particles are attracting much attention for various applications owing to their high surface area, pore volume, and high conductivity. In particular, it has been used as an effective supporting material for PEMFCs in that various metal nanoparticles can be deposited on the carbon surface. For this reason, research on improving fuel cell performance through the development of porous carbon particles with various methods have emerged, but there are still problems to be solved due to low yield and long steps in manufacturing porous carbon particles. Therefore, it is essential to develop porous carbon particles with mass-production and high yield, and also stably support a platinum-based catalyst. In this thesis, we propose a new method of producing porous carbon particles through the carbonization of cross-linkable block copolymer particles and a method for stably supporting a platinum-based catalyst. In particular, examining the fuel cell performance behavior was discussed according to the pore size and shape of the carbonized block copolymer particles. It is expected that this study can present an important clue in the design of supporting particles of fuel cells.
최근 친환경 에너지에 관한 관심이 늘어나면서 양성자 교환막 연료전지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 양성자 교환막 연료전지의 반응은 산소 환원 반응 및 수소 산화 반응으로 구성되며, 각 반응은 백금을 촉매로서 필요로 한다. 하지만, 백금의 높은 가격뿐만 아니라 낮은 안정성이 문제로 대두되고 있다. 따라서, 높은 활성 및 안정성을 보일 수 있는 전극 시스템을 설계하는 것은 양성자 교환막 연료전지의 상용화에 있어서 필수적이다. 더 나아가, 백금량을 줄이면서 높은 활성과 안정성을 보이는 소재 디자인은 연료전지의 높은 경제성을 확보하는 데에 있어서 중요히 해결되어야 할 과제이다. 현재까지 높은 촉매 활성 및 안정성을 보이는 소재를 개발하기위해 많은 연구가 행해졌지만, 여전히 저백금 시스템에서 높은 특성을 보이는 소재 확보를 위한 노력은 상대적으로 부족한 상황이다. 다공성 탄소 입자는 높은 표면적과 기공 부피, 그리고 큰 전도성으로 다양한 응용분야에서 이용될 수 있다는 점에서 많은 각광을 받고 있다. 특히, 다양한 메탈을 탄소 표면에 얹을 수 있다는 점에서, 효과적인 수소연료전지 지지체 물질로서 사용되어 왔다. 따라서, 다양한 방법을 통해 다공성 탄소 입자의 개발을 통해 연료 전지 성능 개선에 관한 연구가 대두가 되었지만, 여전히 다공성 탄소 입자를 제작함에 있어서 낮은 수율 및 많은 절차로 인해 해결해야 할 과제가 남아있는 상태이다. 따라서, 대량생산이 가능하며 동시에 높은 수율을 얻을 수 있는 다공성 탄소 입자 제작 개발이 필수적이며, 동시에 백금 기반의 촉매를 안정적으로 지지할 수 있는 연구가 필수적이다. 본 학위 논문에서는 블록공중합체 입자의 탄화를 통해 새로운 방법의 다공성 탄소 입자를 제작하는 방법을 제시하고, 백금 기반의 촉매를 안정적으로 담지해 높은 안정성 및 효율을 보이는 연료 전지 전극 소재의 연구에 대해 제시하고자 한다. 특히, 탄화된 블록공중합체 입자의 기공 크기 및 모양 조절을 통해 탄소 입자가 연료전지 성능에 끼치는 거동을 살펴보고자 한다. 본 연구가 연료전지의 지지체 입자 설계에 있어서 중요한 단서를 제시할 수 있기를 기대한다.
