In this thesis, there are total two topics on the major fields of fuel cell. On the first topic, the surface morphology evolutions of low temperature SOFC were directly observed by delamination. Until recently, only top surfaces of SOFC’s electrode were observed. However, on this thesis, clear interfacial delamination between SOFC’s electrode and substrate was achieved and its surface morphology changes due to different annealing temperatures were investigated. Contrary to current assumption, the top surface of electrode’s morphology is different to that of interfacial surface. Also, as the annealing temperature increased, electrode grains merged together. By investigating the surface morphology evolution, triple-phase-boundary (TPB) density changes were measured quantitatively. For the second topic, adhesion measurements of PEMFC’s thin film structures (MEA and GDL) were investigated. Also, in this topic, standard methods, such as choosing correct substrate, adhesive, and curing conditions, for adhesion measurement of MEA and GDL were studied. Successful adhesion measurement of MEA-1 was achieved. However, adhesion measurement of MEA-2 was futile, highlighting the fact that more works are needed for standard methods of measuring adhesion for MEA. While investigating the adhesion energy vales for GDL, influences of following factors were researched: content of hydrophobic agents in micro-porous substrate (MPS), type of MPS, and type of micro-porous layer (MPL). The adhesion measurement of GDL showed that as the content of hydrophobic increased, the adhesion energy increased also. For the type of MPS, GDL with carbon fiber paper as MPS resulted in higher adhesion than that of GDL using carbon fiber felt. Finally, smooth type MPL showed higher adhesion than rough type MPL.
이 석사 학위 논문에서는 두 종류의 연료 전지(PEMFC와 SOFC)의 박막 특성과 접합력에 관하여 연구를 하였다. 첫 번째 주제는 LT-SOFC의 계면 표면 형태 변화를 파괴 역학 실험 방법 중 하나인 DCB test를 이용하여 직접적으로 관찰하였다. 최근까지는 전극의 triple phase boundary(TPB)를 살펴보기 위하여 계면 표면이 아닌 전극의 윗면만 살펴보았다. 그러나 본 논문에서는 전극과 전해질 사이 계면 박리를 정확하게 유도했고 이를 통하여 전극과 전해질 사이 계면이 온도에 따라 변화하는 모습을 직접적으로 관찰하였다. 온도가 높아질수록 전극의 Pt grain들이 뭉치는 현상을 보였고, 연료 전지의 효율에 큰 영향을 미치는 TPB가 점점 더 줄어드는 현상을 발견하였다. 온도가 높아질수록 매우 작은 TPB들이 사라짐으로써 연료 전지의 효율이 감소하게 되는데 이 현상에 critical한 온도는 450°C로 밝혀졌다.
두 번째 연구 주제로는 PEMFC 내부 구조들의 접합력이다. PEMFC의 내부에는 여러 박막형태의 구조들이 있는데, 본 논문에서는 특히 MEA와 GDL의 접합력에 관하여 연구하였다. MEA와 GDL의 박리는 이미 많은 연구에서 관찰되었고, 이러한 박리를 억제하는 것은 연료 전지의 내구성을 높이는데 직접적으로 연결되어있다. 하지만 여태까지 MEA와 GDL의 접합력을 구하는 기준과 방법이 정립되어 있지 않았다. 현재로써는 MEA와 GDL의 내구성을 확인하기 위하여는 실제 life-cycle test를 진행하여야 한다. 이는 많은 시간과 돈을 써야 되는 방법으로써 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 접합력을 정확하고 쉽게 잴 수 있는 기준을 정립하였다. 본 방법을 이용하여 MEA와 GDL의 접합력을 각각 정확하게 측정 할 수 있었다.
MEA 실험에서는 두 가지의 MEA 샘플(MEA-1과 MEA-2)를 이용하였다. MEA-1의 경우 박리 계면이 전극과 전해질 사이 계면으로 정확한 접합력을 구할 수 있었다. 하지만 MEA-2 실험의 경우 정확한 박리 계면 유도에 실패하였다. GDL 실험의 경우 접합력을 측정 하면서 여러 인자들이 접합력에 미치는 영향들에 관하여 연구하였다. 본 GDL 실험에서는 총 세 가지의 실험이 진행되었다. 첫 번째로는 소수성 인자들의 함유량이 접합력에 미치는 영향을 살펴보았다. 실험 결과 소수성 인자들이 많이 함유될수록 접합력이 높아지는 현상을 발견하였다. 두 번째는 macro-porous substrate(MPS)의 종류(carbon fiber felt or carbon fiber paper)가 접합력에 미치는 영향을 살펴보는 실험을 진행하였다. MPS의 종류가 carbon fiber paper로 바뀌면 mechanical interlocking이 증가하여 접합력이 증가하는 현상을 발견하였다. 세 번째로 살펴본 인자는 micro-porous layer(MPL)의 종류(smooth MPL & rough MPL)에 따른 접합력 변화이다. 실험 결과 MPL의 종류가 smooth MPL일 때 접합력이 더 높은 것을 확인하였다.
