For the last few decades, the importance of eco-friendly energy and sustainability have grown continuously. Among many related technologies, fuel cell technology is one of the most researched topic which already has many applications, such as fuel cell electric vehicles or stationary power supply. In fuel cell technology, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and solid oxide fuel cell (SOFC) are most popular fuel cell types.
For PEMFC, mechanical behaviors and adhesion of membrane electrode assembly (MEA) and gas diffusion layer (GDL) will be discussed in order to solve the mechanical reliability issues. The mechanical properties of MEA electrode was quantitatively measured by adopting innovative “ice-assisted separation method”. Until now, mechanical properties of MEA electrode have never been experimentally measured due to difficulty of handling the electrode during tensile test and separating the electrode from the support layer without significant damage. By using innovative and quantitative method, elastic modulus of PEMFC electrode was measured for the first time. This technique was also used to predict the mechanical life cycle of the electrode. By further studying this technique, it will be possible to predict the life cycle of the MEA much faster than conventional method. Also, the delamination issue is very critical problem for long-term durability of MEA. Therefore, quantitative and accurate adhesion measurement method for MEA was developed in this thesis. In this topic, the optimum condition for various hot press parameters were also discovered. Also, guideline for choosing the most optimum parameters is suggested. This adhesion measurement method was also applied to GDL, which is another important component for PEMFC.
In the second part of this thesis, interfaces between electrode and electrolyte of SOFC were observed. This interface contains triple phase boundary (TPB), which is very crucial to the SOFC performance. However, the actual undamaged TPBs have not been uncovered until now. The TPB morphology evolution due to different annealing and sintering temperatures has been analyzed by various methods.
연료 전지는 무공해 기술로 미래의 환경 보호와 지속성을 위해 많은 각광을 받고 있다. 그 중 수소 연료 전지 자동차 또는 파워 서플라이로 많이 활용이 되고 있다. 많은 연료 전지 종류 중, 고분자전해질 연료전지와 고체산화물 연료전지가 가장 유명한 종류이며 많이 사용되고 있다.
고분자전해질 연료전지에서는 membrane electrode assembly(MEA)와 gas diffusion layer(GDL)의 기계적 거동과 접합에 관하여 연구를 하였고 이를 통해 기계적 신뢰성 문제를 해결하고자 하였다. MEA 전극의 기계적 물성을 최초로 측정하였다. 이런 결과는 얼음을 이용하여 전극을 전해질로부터 분리하는 독창성 있는 방법을 사용하여 얻을 수 있었다. 현재까지는 MEA 전극의 물성은 보고된 바가 없고 그 이유는 기존의 인장 실험은 전극에 활용하기 어렵고 전극 자체가 굉장히 약하기 때문에 전해질로부터 박리 할 수 가 없었다. 이 실험 결과를 이용하여 전극의 장기 신뢰성 평가도 시도하였다. 그리고 MEA의 장기 신뢰성에 치명적인 영향을 끼치는 전극 박리 문제에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 MEA 전극의 계면 접합력을 정확하고 정량적으로 측정하였다. 그리고 MEA를 만들 때 많이 사용되는 핫 프레스의 조건 중 최적의 조건에 관한 실험을 진행하였다. 이러한 계면 접합력 측정 기법을 GDL에도 적용하였다.
본 연구의 두 번째 부분에서는 고체산화물 연료전지의 전극과 전해질 사이의 계면을 관측하였다. 연료전지 효율에 굉장히 밀접한 관계를 가지고 있는 삼상 계면을 정확하게 관측하였으며 이러한 삼상 계면이 열에 의해 어떻게 형상이 변화하는지 연구하였다.
