Climate crisis and abnormal climate phenomena are appearing much faster and more frequently than expected, and it is necessary to develop an eco-friendly energy society to replace the current carbon energy system. Because of its gravimetric energy density and abundance advantages, hydrogen is being recognized as the ultimate energy carrier for storing and distributing renewable energy sources (solar, wind or geothermal energy) to societies. In an ideal hydrogen energy society, hydrogen gas is extracted from water by direct solar energy splitting or electrolysis and then distributed to mobile or power plants to produce electricity or applied to industries for ammonia synthesis or steelmaking processes. Hydrogen energy society thus requires devices for converting the electricity into hydrogen gas and vice versa, which are water electrolyzer and fuel cell, respectively. However, they yet need further developments for commercialization, especially with respect to stack cost reduction. Basically, it comes from the expensive and scarce materials applied in the membrane-electrode assemblies, which contains noble metal catalysts and fluorinated ionomers, and therefore industry is trying to reduce the content or develop cheaper materials.
This thesis begins with the general background of hydrogen energy society and the basic principles of the hydrogen devices. It then addresses the requirements of membrane-electrode assemblies for efficient and durable fuels cell and water electrolyzers. Specifically, this work is about the catalyst interfacial phenomena in the fuel cell and water electrolyzer using the proton exchanging polymer electrolyte membrane (PEM). Chapter 2 deals with a strategy to enhance performance of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) by addressing the interfacial property of catalyst and ionomer. By avoiding the ionomer film on the Pt surface, the transport resistance of oxygen gas was successfully reduced, which greatly improved the performance of the low Pt loading catalyst layer at high current density. Chapter 3 presents deep analysis to elucidate the interfacial properties on Ir catalyst and Ti porous transport layer. It claims that Schottky contact between Ir catalyst and native oxide layer on Ti transport layer result in severe conductivity problems. And it was figured out that the interfacial properties vary with catalyst layers due to the differences in the materials or structural differences; for instance, the high ionomer contents in catalyst layers lead to severe band bending and low work function catalyst brings out negligible band bending.
기후위기와 이상기후 현상이 예상보다 훨씬 빠르고 빈번하게 발생함에 따라 현재의 탄소에너지 사회를 대체할 친환경 에너지 사회에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 적합한 친환경에너지 시스템으로써 수소에너지 사회가 많은 각광을 받고 있으며, 이는 수소의 높은 질량대비 에너지 밀도와 높은 물질적 함량의 이점에 기인한다. 이상적인 수소에너지 사회에서 수소는 재생 에너지(태양, 풍력, 수력 또는 지열 에너지)를 저장하고 분배하기 위한 궁극적인 에너지 캐리어로 작동하며, 재생에너지에 기반한 광촉매 물분해 또는 수전해를 통해 물에서 추출된 다음 각종 모빌리티 또는 발전소에 분배되어 전기를 생산하거나 암모니아 합성, 환원제철 등을 포함한 산업적 수요에 적용된다. 따라서 수소에너지 사회는 기본적으로 전기를 수소 가스로 변환하는 수전해 시스템과 수소 가스에서 전기를 생산하는 연료전지 시스템에 기저한다. 그러나 해당 시스템들의 상용화를 위해서는 비용절감 등을 포함한 추가 개발이 필요한 상황이다. 시스템의 비용적 문제는 귀금속 촉매와 이오노머 등 막-전극 접합체에 적용되는 고가의 재료에서 비롯되기 때문에 이들의 함량을 줄이거나 저렴한 대체제를 개발하기 위한 산업계 및 학계의 노력이 요구된다.
본 학위논문은 수소에너지 사회의 전반적인 배경과 수소에너지 장치들의 기본원리부터 시작하여 높은 효율성과 내구성을 갖는 고분자 전해질막 기반 연료전지 및 수전해를 개발하기 위한 막-전극 어셈블리의 이슈들을 다룬다. 2장에서는 백금 촉매와 이오노머의 상호작용에 대한 이해를 바탕으로 백금의 계면 특성을 조절하여 출력성능을 향상시키는데 목적을 둔다. 백금 표면 이오노머 필름이 유발하는 산소전달성 문제를 인식하고 두 물질의 상호작용을 조절함으로써 이오노머 필름의 형성을 억제하였으며, 이를 통해 산소전달성의 향상과 저로딩 백금 촉매층의 고전류 출력성능을 크게 개선하였다. 3장에서는 이리듐 촉매와 티타늄 확산층의 계면 특성에 대한 심층적인 분석에 대해 다룬다. 본 분석은 임피던스, 표면전자구조 해석 등을 기반하여 이리듐 촉매와 티타늄 확산층 표면 산화물층 간의 쇼트키 컨택이 심각한 전기전도 문제를 일으킨다고 주장한다. 이에 따라 촉매층의 재료나 구조적 변수가 촉매-확산층의 계면 특성을 유발한다. 일례로 높은 이오노머 함량은 심각한 밴드 벤딩 현상을 일으켜 전자전도 문제를 극대화하는 반면, 낮은 일함수 촉매에서는 이런 현상이 무시될 수 있음을 보여준다.
