[학위논문]리튬공기전지 및 연료전지용 탄소 기반 촉매의 표면처리 및 구조 제어에 관한 연구 A study on surface modification and structural control of carbon-based electrocatalysts for Li-air batteries and PEM fuel cells원문보기
본 연구에서는 전기화학적 에너지 저장 및 변환 장치, 특히 산소를 활용하는 리튬공기전지와 고분자 전해질 연료전지의 성능과 수명을 증가시키기 위한 목적으로 향상된 활성을 지니는 다양한 탄소 기반의 촉매를 개발하였다. 리튬공기전지와 고분자 전해질 연료전지는 비록 적용되는 전해질의 종류는 다르지만, 두 시스템 모두 ...
본 연구에서는 전기화학적 에너지 저장 및 변환 장치, 특히 산소를 활용하는 리튬공기전지와 고분자 전해질 연료전지의 성능과 수명을 증가시키기 위한 목적으로 향상된 활성을 지니는 다양한 탄소 기반의 촉매를 개발하였다. 리튬공기전지와 고분자 전해질 연료전지는 비록 적용되는 전해질의 종류는 다르지만, 두 시스템 모두 산소 환원 반응을 기반으로 작동하며, 산소 발생 반응 역시 각 시스템의 성능과 밀접한 연관이 있기 때문에 두 시스템의 전극 및 촉매에 대한 연구에는 서로 공통적인 부분이 다수 존재한다. 두 시스템에서 요구하는 전극의 조건이, 높은 전기 전도성, 넓은 비표면적, 기계적/화학적 안정성 그리고 용이한 가용성 등, 거의 동일하므로, 이러한 조건을 만족하는 탄소를 기반으로 하고 새로운 구조 제어 방법과 효과적인 표면 처리 방법을 통하여 새로운 촉매를 개발하였다. 리튬공기전지 시스템에서 산소극을 구성하는 전극 촉매의 구조는 전지 성능 향상을 위한 중요한 요소이다. 리튬공기전지의 방전 과정 동안 전해액에 녹지 않는 고체 형태의 리튬 과산화물이 생성되고, 전극에 쌓이는 현상이 일어난다. 반대로 충전 과정 동안에는 이 리튬과산화물이 다시 분해된다. 이 물질은 전기 절연성을 지니고 있으므로, 전극 표면에 쌓이게 되면 전극은 전기 전도성을 잃고 또한 리튬 이온, 산소 등 반응물의 경로 역시 차단되어 리튬공기전지의 예상치 못한 성능 저하가 발생하게 된다. 따라서, 리튬공기전지의 성능 향상을 위해 반응물의 이동을 위한 충분한 경로를 유지하면서 불용성 절연성의 방전 생성물을 효과적으로 산소극 내부에 저장하는 것이 중요하다. 이러한 관점에서, 3차원 구조를 지닌 속이 빈 그래핀 구체 (그래핀 할로우 스피어)를 개발하여 리튬공기전지 산소극 촉매로 적용, 평가 하였다. 다층 그래핀 및 속이 빈 구체로 이루어진 본 물질의 고유한 특성으로 인해, 이 산소극 촉매는 충분한 방전 생성물의 저장이 가능한 공간을 제공할 수 있고, 원치 않는 부반응 생성물의 형성을 억제할 수 있을 것으로 기대되었다. 결과적으로, 이 3차원 구조의 그래핀 할로우 스피어 촉매를 적용함으로써 16805 mAh g-1carbon의 주목할 만한 방전 용량과 100 회 이상의 사이클 수명을 달성하였다. 개선된 산소 환원 및 산소 발생 반응 활성을 갖는 리튬공기전지 산소극 촉매를 제조하기 위하여 간단하고 용이하며 제어 가능한 방법을 통해 케이지 구조의 결정성 탄소에 질소 도핑을 하였다. 그 자체로 질소 함량이 높은 폴리 도파민을 결정성 탄소 표면에 직접 코팅하였고, 고온에서 탄화시킴으로써 질소가 도핑된 결정성 탄소 촉매를 제조하였다. 이 촉매를 리튬공기전지 산소극에 적용하였을 때, 방전 용량이 크게 증가되었을 뿐만 아니라, 율 특성 및 사이클 수명 또한 향상되었다. 이러한 결과는 폴리 도파민 전구체로부터의 효과적인 질소 도핑 구조 형성에 기인할 수 있으며, 이를 통해 산소극 촉매의 산소 환원 및 산소 발생 반응 활성이 크게 개선되었다고 판단할 수 있다. 질소 도핑 된 탄소 촉매를 위한 질소 전구체로서의 폴리 도파민의 긍정적인 가능성을 확인하였던 이 전의 결과에 기초하여, 폴리 도파민으로부터 내부가 비어있는 섬유 구조의 질소 도핑 탄소 촉매를 제조하였다. 특히, 탄소 촉매 내 질소 함량을 최대화하기 위하여, 다른 탄소 소재를 적용하지 않고 폴리 도파민 자체를 탄소 및 질소 전구체로 활용하였다. 내부가 비어있는 질소 도핑 탄소 섬유 구조는 폴리 스타이렌을 섬유 형태로 전기 방사하고 그 폴리 스타이렌 섬유를 폴리 도파민으로 코팅한 후, 이어지는 고온 열처리 동안 폴리 스타이렌은 열분해 되어 제거되고, 폴리 도파민 코팅 층은 탄화 시킴으로써 얻어질 수 있다. 내부가 비어있는 구조적 특성과 비교적 높은 질소 함량으로 인해 리튬공기전지 산소극의 산소 환원 및 산소 발생 반응 활성은 극대화될 수 있으며, 결과적으로 향상된 방전 용량 및 과전압의 감소 그리고 그에 따른 충방전 효율 증가의 효과를 나타내었다. 뿐만 아니라, 수명 특성 역시 향상 되었으며, 이는 특히 전극에서 부반응의 원인이 되는 결합제 없이 제조 가능한 구조적 장점에 기인할 수 있다. 고분자 전해질 연료전지 역시 그 성능을 결정하는 데에 전극이 중대한 역할을 한다. 고분자 전해질 연료전지 내 산소 환원 반응 활성 향상을 위한 효과적인 산소극을 개발하기 위하여 이온성 액체를 탄소 및 질소의 전구체로 활용하여 질소가 도핑 된 탄소 촉매를 합성하였다. 추가적인 실리카 주형의 투입을 통해 메조포러스 구조를 생성하였으며, 전이금속 Co를 첨가함으로써 높은 수준의 sp2 탄소 네트워크를 형성하였다. 이렇게 제조된 질소 도핑 탄소 촉매는 고분자 전해질 연료전지 작동 조건에서 전기화학적으로 평가 되었으며, 실제로 크게 향상된 산소 환원 반응 활성이 확인 되었다. 이는 적용된 전구체 자체의 높은 질소 함유 비율로 인한 촉매의 높은 질소 함유량, 그리고 구조적 이점에 기인한 빠른 물질 이동 및 전자 이동에 의한 효과인 것으로 판단된다. 고분자 전해질 연료전지의 대규모 상용화를 위해서는 성능 뿐만 아니라 내구성 또한 고려해야 할 중요한 요소이다. 연료전지의 내구성을 저하하는 주요 요인으로 탄소 지지체의 전기화학적 부식이 꼽히고 있다. 탄소 지지체의 전기화학적 부식은 주로 연료전지의 비정상적 거동 하 (ex. 연료 기아 조건)에서 발생하며, 각 상황에 따라 산소극 또는 수소극에서 발생한다. 본 연구에서는 수소극 측에서의 탄소 부식을 완화시키기 위하여, 효과적인 분석 방법을 활용함으로써 수소극 탄소 부식 발생 매커니즘을 보다 정확하게 분석하고, 이러한 매커니즘을 기반으로 탄소 부식을 완화하기 위해 수소극 촉매에 산소 발생 촉매를 첨가하여 그 효과를 관찰하였다. 수소 기준 전극 적용을 통한 수소극 전위 거동 분석 및 실시간 배출 가스 정량 분석을 통해 연료 기아 조건 하에서 이상적인 수소 산화 반응 대신 물 분해 반응이 먼저 일어난 후 탄소 부식 반응이 발생하는 것을 확인하였으며, 실제로 산소 발생 촉매 투입을 통해 물 분해 단계를 연장함으로써 수소극 탄소 부식을 효과적으로 완화할 수 있었다.
본 연구에서는 전기화학적 에너지 저장 및 변환 장치, 특히 산소를 활용하는 리튬공기전지와 고분자 전해질 연료전지의 성능과 수명을 증가시키기 위한 목적으로 향상된 활성을 지니는 다양한 탄소 기반의 촉매를 개발하였다. 리튬공기전지와 고분자 전해질 연료전지는 비록 적용되는 전해질의 종류는 다르지만, 두 시스템 모두 산소 환원 반응을 기반으로 작동하며, 산소 발생 반응 역시 각 시스템의 성능과 밀접한 연관이 있기 때문에 두 시스템의 전극 및 촉매에 대한 연구에는 서로 공통적인 부분이 다수 존재한다. 두 시스템에서 요구하는 전극의 조건이, 높은 전기 전도성, 넓은 비표면적, 기계적/화학적 안정성 그리고 용이한 가용성 등, 거의 동일하므로, 이러한 조건을 만족하는 탄소를 기반으로 하고 새로운 구조 제어 방법과 효과적인 표면 처리 방법을 통하여 새로운 촉매를 개발하였다. 리튬공기전지 시스템에서 산소극을 구성하는 전극 촉매의 구조는 전지 성능 향상을 위한 중요한 요소이다. 리튬공기전지의 방전 과정 동안 전해액에 녹지 않는 고체 형태의 리튬 과산화물이 생성되고, 전극에 쌓이는 현상이 일어난다. 반대로 충전 과정 동안에는 이 리튬과산화물이 다시 분해된다. 이 물질은 전기 절연성을 지니고 있으므로, 전극 표면에 쌓이게 되면 전극은 전기 전도성을 잃고 또한 리튬 이온, 산소 등 반응물의 경로 역시 차단되어 리튬공기전지의 예상치 못한 성능 저하가 발생하게 된다. 따라서, 리튬공기전지의 성능 향상을 위해 반응물의 이동을 위한 충분한 경로를 유지하면서 불용성 절연성의 방전 생성물을 효과적으로 산소극 내부에 저장하는 것이 중요하다. 이러한 관점에서, 3차원 구조를 지닌 속이 빈 그래핀 구체 (그래핀 할로우 스피어)를 개발하여 리튬공기전지 산소극 촉매로 적용, 평가 하였다. 다층 그래핀 및 속이 빈 구체로 이루어진 본 물질의 고유한 특성으로 인해, 이 산소극 촉매는 충분한 방전 생성물의 저장이 가능한 공간을 제공할 수 있고, 원치 않는 부반응 생성물의 형성을 억제할 수 있을 것으로 기대되었다. 결과적으로, 이 3차원 구조의 그래핀 할로우 스피어 촉매를 적용함으로써 16805 mAh g-1carbon의 주목할 만한 방전 용량과 100 회 이상의 사이클 수명을 달성하였다. 개선된 산소 환원 및 산소 발생 반응 활성을 갖는 리튬공기전지 산소극 촉매를 제조하기 위하여 간단하고 용이하며 제어 가능한 방법을 통해 케이지 구조의 결정성 탄소에 질소 도핑을 하였다. 그 자체로 질소 함량이 높은 폴리 도파민을 결정성 탄소 표면에 직접 코팅하였고, 고온에서 탄화시킴으로써 질소가 도핑된 결정성 탄소 촉매를 제조하였다. 이 촉매를 리튬공기전지 산소극에 적용하였을 때, 방전 용량이 크게 증가되었을 뿐만 아니라, 율 특성 및 사이클 수명 또한 향상되었다. 이러한 결과는 폴리 도파민 전구체로부터의 효과적인 질소 도핑 구조 형성에 기인할 수 있으며, 이를 통해 산소극 촉매의 산소 환원 및 산소 발생 반응 활성이 크게 개선되었다고 판단할 수 있다. 질소 도핑 된 탄소 촉매를 위한 질소 전구체로서의 폴리 도파민의 긍정적인 가능성을 확인하였던 이 전의 결과에 기초하여, 폴리 도파민으로부터 내부가 비어있는 섬유 구조의 질소 도핑 탄소 촉매를 제조하였다. 특히, 탄소 촉매 내 질소 함량을 최대화하기 위하여, 다른 탄소 소재를 적용하지 않고 폴리 도파민 자체를 탄소 및 질소 전구체로 활용하였다. 내부가 비어있는 질소 도핑 탄소 섬유 구조는 폴리 스타이렌을 섬유 형태로 전기 방사하고 그 폴리 스타이렌 섬유를 폴리 도파민으로 코팅한 후, 이어지는 고온 열처리 동안 폴리 스타이렌은 열분해 되어 제거되고, 폴리 도파민 코팅 층은 탄화 시킴으로써 얻어질 수 있다. 내부가 비어있는 구조적 특성과 비교적 높은 질소 함량으로 인해 리튬공기전지 산소극의 산소 환원 및 산소 발생 반응 활성은 극대화될 수 있으며, 결과적으로 향상된 방전 용량 및 과전압의 감소 그리고 그에 따른 충방전 효율 증가의 효과를 나타내었다. 뿐만 아니라, 수명 특성 역시 향상 되었으며, 이는 특히 전극에서 부반응의 원인이 되는 결합제 없이 제조 가능한 구조적 장점에 기인할 수 있다. 고분자 전해질 연료전지 역시 그 성능을 결정하는 데에 전극이 중대한 역할을 한다. 고분자 전해질 연료전지 내 산소 환원 반응 활성 향상을 위한 효과적인 산소극을 개발하기 위하여 이온성 액체를 탄소 및 질소의 전구체로 활용하여 질소가 도핑 된 탄소 촉매를 합성하였다. 추가적인 실리카 주형의 투입을 통해 메조포러스 구조를 생성하였으며, 전이금속 Co를 첨가함으로써 높은 수준의 sp2 탄소 네트워크를 형성하였다. 이렇게 제조된 질소 도핑 탄소 촉매는 고분자 전해질 연료전지 작동 조건에서 전기화학적으로 평가 되었으며, 실제로 크게 향상된 산소 환원 반응 활성이 확인 되었다. 이는 적용된 전구체 자체의 높은 질소 함유 비율로 인한 촉매의 높은 질소 함유량, 그리고 구조적 이점에 기인한 빠른 물질 이동 및 전자 이동에 의한 효과인 것으로 판단된다. 고분자 전해질 연료전지의 대규모 상용화를 위해서는 성능 뿐만 아니라 내구성 또한 고려해야 할 중요한 요소이다. 연료전지의 내구성을 저하하는 주요 요인으로 탄소 지지체의 전기화학적 부식이 꼽히고 있다. 탄소 지지체의 전기화학적 부식은 주로 연료전지의 비정상적 거동 하 (ex. 연료 기아 조건)에서 발생하며, 각 상황에 따라 산소극 또는 수소극에서 발생한다. 본 연구에서는 수소극 측에서의 탄소 부식을 완화시키기 위하여, 효과적인 분석 방법을 활용함으로써 수소극 탄소 부식 발생 매커니즘을 보다 정확하게 분석하고, 이러한 매커니즘을 기반으로 탄소 부식을 완화하기 위해 수소극 촉매에 산소 발생 촉매를 첨가하여 그 효과를 관찰하였다. 수소 기준 전극 적용을 통한 수소극 전위 거동 분석 및 실시간 배출 가스 정량 분석을 통해 연료 기아 조건 하에서 이상적인 수소 산화 반응 대신 물 분해 반응이 먼저 일어난 후 탄소 부식 반응이 발생하는 것을 확인하였으며, 실제로 산소 발생 촉매 투입을 통해 물 분해 단계를 연장함으로써 수소극 탄소 부식을 효과적으로 완화할 수 있었다.
In this study, various electrocatalytic materials were developed for enhanced electrochemical device, especially for O2-utilizing Li-O2 batteries and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Both systems operate based on the mechanism of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution ...
In this study, various electrocatalytic materials were developed for enhanced electrochemical device, especially for O2-utilizing Li-O2 batteries and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Both systems operate based on the mechanism of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) while they use different types of electrolyte, organic for Li-O2 battery and aqueous for PEMFCs, respectively. Despite the difference in electrolyte, the requirements of electrodes for Li-O2 battery and PEMFCs are almost similar such as high electronic conductivity, large surface area, mechanical and chemical stability, and easy availability. Generally, most carbon materials satisfy aforementioned requirements so that are considered as one of the most competent materials for electrode to date. Herein, various carbon-based electrocatalysts were developed by newly designed surface treatment or structure control for achieving higher performance and improved stability of each electrochemical device. For Li-O2 battery application, the structure of electrocatalyst composing oxygen electrode is a significant factor for improving its performance. Since an insoluble discharge product, Li2O2, becomes generated and precipitated on the oxygen electrode during discharge process which is supposed to be decomposed for charge, it is important to store the insoluble product effectively inside the oxygen electrode as maintaining enough pathways for reactants. In this regard, we developed a novel three-dimensional (3D) graphene hollow sphere as an eletrocatalyst for oxygen electrode. Due to the unique hollow sphere structure associated with a multi-layer graphene feature, the prepared 3D graphene hollow sphere can provide adequate void space for storing the discharge product and suppress the formation of another byproduct. As a result, it delivered a specific discharge capacity of 16805 mAh g-1carbon and cycle stability over 100 cycles. In order to fabricate the oxygen electrode with enhanced ORR and OER activity, nitrogen-doping was introduced to cage-like structured graphitic carbon catalyst through a simple, facile and controllable method. Polydopamine (PDA), which has a high nitrogen content itself, was directly coated onto the graphitic carbon surface and was carbonized during the following pyrolysis at high temperature. With the PDA-derived nitrogen-doped graphitic carbon catalyst, the performance of Li-O2 battery was revealed to be highly improved in terms of increased specific discharge capacity, enhanced rate capability, and extended cycle stability. These results can be attributable to the favorable nitrogen doping structure formation from PDA precursor, which might benefit the fast electrochemical kinetics toward ORR and OER in the oxygen electrode of Li-O2 batteries. Based on the prior result showing the positive possibility of PDA as a nitrogen precursor for nitrogen-doped carbon catalyst, PDA-derived hollow carbon fiber was synthesized for the more improved oxygen electrode of Li-O2 battery. PDA was applied as a precursor for both carbon and nitrogen, without any other additional carbon materials, in order to increase the nitrogen content. The PDA-derived nitrogen-doped hollow carbon fiber was prepared by coating a thin PDA film directly onto electrospun polystyrene (PS) fiber. The PS fiber is calcined and coated PDA film is carbonized simultaneously through the pyrolysis at high temperature. With the aids of hollow interior of carbon fiber and higher nitrogen content, ORR and OER activity of the electrode was improved significantly showing prominently increased specific capacity, enhanced round-trip efficiency and reduced polarization overpotential. The increased cycle stability could be also attributable to the binder-free structure of electrode which eliminates the presence of side reactions. The performance of electrode plays a critical role in determining the PEMFC performance as well. In order to develop an effective cathode for ORR, another nitrogen-doped carbon catalyst was synthesized from ionic liquid precursor in the presence of transition metal, Co or Ni, and its ORR activity was evaluated in PEMFC environment. Due to the high nitrogen ratio to carbon in applied ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (C8H11N5, Emim-dca), over 10 wt. % of nitrogen content was achieved in prepared nitrogen-doped carbon catalyst. Moreover, mesoporous structure generated from silica templates and higher degree of sp2-carbon network from the Co addition enabled fast mass and electron transfer during ORR and led to highly increased ORR activity as confirmed from linear sweep voltammogram (LSV). Not only performance, but durability has to be considered for large-scale implementation of PEMFC. Electrochemical oxidation of carbon support has been widely known as a main factor causing irreversible degradation and rapid performance drop. In this study, I focused on the carbon oxidation on anode, which generally occurs under fuel starvation condition, where relatively less study has been conducted than that on cathode. The effect of anode carbon oxidation was tried to be mitigated ultimately in accordance with the analysis on accurate degradation mechanism. That is, in order to make PEMFC more stable under abnormal conditions, oxygen evolution reaction (OER) catalyst, IrO2, was mixed to anode catalyst and the effect was investigated by simultaneously monitoring the potential behavior and exhaust gas from the anode using hydrogen reference electrode and in situ online mass spectrometry. Interestingly, the anode carbon oxidation could be effectively reduced with the addition of OER catalyst by extending water electrolysis stage which occurs prior to the detrimental carbon corrosion under fuel starvation condition.
In this study, various electrocatalytic materials were developed for enhanced electrochemical device, especially for O2-utilizing Li-O2 batteries and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Both systems operate based on the mechanism of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) while they use different types of electrolyte, organic for Li-O2 battery and aqueous for PEMFCs, respectively. Despite the difference in electrolyte, the requirements of electrodes for Li-O2 battery and PEMFCs are almost similar such as high electronic conductivity, large surface area, mechanical and chemical stability, and easy availability. Generally, most carbon materials satisfy aforementioned requirements so that are considered as one of the most competent materials for electrode to date. Herein, various carbon-based electrocatalysts were developed by newly designed surface treatment or structure control for achieving higher performance and improved stability of each electrochemical device. For Li-O2 battery application, the structure of electrocatalyst composing oxygen electrode is a significant factor for improving its performance. Since an insoluble discharge product, Li2O2, becomes generated and precipitated on the oxygen electrode during discharge process which is supposed to be decomposed for charge, it is important to store the insoluble product effectively inside the oxygen electrode as maintaining enough pathways for reactants. In this regard, we developed a novel three-dimensional (3D) graphene hollow sphere as an eletrocatalyst for oxygen electrode. Due to the unique hollow sphere structure associated with a multi-layer graphene feature, the prepared 3D graphene hollow sphere can provide adequate void space for storing the discharge product and suppress the formation of another byproduct. As a result, it delivered a specific discharge capacity of 16805 mAh g-1carbon and cycle stability over 100 cycles. In order to fabricate the oxygen electrode with enhanced ORR and OER activity, nitrogen-doping was introduced to cage-like structured graphitic carbon catalyst through a simple, facile and controllable method. Polydopamine (PDA), which has a high nitrogen content itself, was directly coated onto the graphitic carbon surface and was carbonized during the following pyrolysis at high temperature. With the PDA-derived nitrogen-doped graphitic carbon catalyst, the performance of Li-O2 battery was revealed to be highly improved in terms of increased specific discharge capacity, enhanced rate capability, and extended cycle stability. These results can be attributable to the favorable nitrogen doping structure formation from PDA precursor, which might benefit the fast electrochemical kinetics toward ORR and OER in the oxygen electrode of Li-O2 batteries. Based on the prior result showing the positive possibility of PDA as a nitrogen precursor for nitrogen-doped carbon catalyst, PDA-derived hollow carbon fiber was synthesized for the more improved oxygen electrode of Li-O2 battery. PDA was applied as a precursor for both carbon and nitrogen, without any other additional carbon materials, in order to increase the nitrogen content. The PDA-derived nitrogen-doped hollow carbon fiber was prepared by coating a thin PDA film directly onto electrospun polystyrene (PS) fiber. The PS fiber is calcined and coated PDA film is carbonized simultaneously through the pyrolysis at high temperature. With the aids of hollow interior of carbon fiber and higher nitrogen content, ORR and OER activity of the electrode was improved significantly showing prominently increased specific capacity, enhanced round-trip efficiency and reduced polarization overpotential. The increased cycle stability could be also attributable to the binder-free structure of electrode which eliminates the presence of side reactions. The performance of electrode plays a critical role in determining the PEMFC performance as well. In order to develop an effective cathode for ORR, another nitrogen-doped carbon catalyst was synthesized from ionic liquid precursor in the presence of transition metal, Co or Ni, and its ORR activity was evaluated in PEMFC environment. Due to the high nitrogen ratio to carbon in applied ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (C8H11N5, Emim-dca), over 10 wt. % of nitrogen content was achieved in prepared nitrogen-doped carbon catalyst. Moreover, mesoporous structure generated from silica templates and higher degree of sp2-carbon network from the Co addition enabled fast mass and electron transfer during ORR and led to highly increased ORR activity as confirmed from linear sweep voltammogram (LSV). Not only performance, but durability has to be considered for large-scale implementation of PEMFC. Electrochemical oxidation of carbon support has been widely known as a main factor causing irreversible degradation and rapid performance drop. In this study, I focused on the carbon oxidation on anode, which generally occurs under fuel starvation condition, where relatively less study has been conducted than that on cathode. The effect of anode carbon oxidation was tried to be mitigated ultimately in accordance with the analysis on accurate degradation mechanism. That is, in order to make PEMFC more stable under abnormal conditions, oxygen evolution reaction (OER) catalyst, IrO2, was mixed to anode catalyst and the effect was investigated by simultaneously monitoring the potential behavior and exhaust gas from the anode using hydrogen reference electrode and in situ online mass spectrometry. Interestingly, the anode carbon oxidation could be effectively reduced with the addition of OER catalyst by extending water electrolysis stage which occurs prior to the detrimental carbon corrosion under fuel starvation condition.
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