연료전지 촉매층 내 미세구조의 기하학적 비등방성 효과에 따른 물질전달 및 촉매활성도에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 연료전지 전극 촉매층의 나노 크기 다상 구조의 가시화 및 성능 예측을 위한 형상학적 Quasi-random agglomerate 모델이 개발되었다. 탄소지지 백금 촉매, 이오노머, 그리고 기공으로 구성된 전극 촉매층 내의 무작위적인 기하학적 비등방성 구조로부터 효과적 전기화학 반응을 위한 전달현상 경로를 추적하고 연료전지 성능 개선을 위한 3상 촉매구조를 분석하였다. 예측된 전달현상 경로로부터 전기화학적 촉매 활성 표면적의 지표로서 유효 촉매 활성도를 도입하였으며 이를 촉매층 성능 예측에 사용하였다. 전자, 이온 및 반응물의 물질전달 경로가 촉매 활성도에 미치는 영향에 대한 연구를 위해 다양한 조성과 구조의 촉매층이 생성되었다. 본 연구의 결과는 촉매층 미세구조 내 기하학적 비등방성 효과에 따른 물질전달 경로의 형상학적 특징, 특히 탄소지지 백금 촉매의 형상학적 특징이 촉매 활성도와 전극 촉매층의 성능에 직접적인 영향을 미침을 보여준다. 또한 촉매층 내 촉매의 조성이 이오노머와 기공의 최적 조성에 지배적인 영향을 미침을 확인하였다. 이는 촉매 고유의 반응 특성 개선이 전극 촉매층 성능 개선에 미치는 효과는 제한적이며 물질전달 측면에서의 촉매층의 형상학적 개선이 반드시 수반되어야 함을 의미한다. 본 연구의 결과는 전자 전달 경로의 개선이 연료전지 성능 개선에 매우 효과적임을 보여준다.