Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which is an electrochemical energy conversion device, has been received attention due to its high-energy conversion efficiency and sustainability. While various applications of PEMFC have been developed, the durability has been one of the challenges for the commercialization of PEMFCs. During operation, membrane electrode assembly (MEA) experiences a wide range of temperature and humidity. Temperature and humidity cycle during operation will cause dimensional change and stress in MEA. Due to repeated stress during hygrothermal cycles, membrane thinning and pinholes of membrane, cracks in electrode and delamination at interface between electrolyte and electrode are developed during operation. To predict and prevent these mechanical failures, mechanical properties of ionomer for PEMFC should be inspected. In this research, thermo-mechanical behavior of ionomer was explored because ionomer was important material as an electrolyte and as a binder in electrode. Intrinsic thermal behavior without substrate was investigated through in-plane thermal strain measurement method. To elucidate thermal behavior of ionomer thin film, thermal expansion of ionomer thin film with various thickness was measured upon annealing conditions. Mechanism of thermal expansion of ionomer was suggested based on transmission electron microscopy and small angle X-ray scattering measurement. Through the experiments, it was explained that nanostructure of ionomer had great effect on mechanical degradation of ionomer membrane and intrinsic thermal behavior of ionomer thin film. Investigation of thermo-mechanical behavior of ionomer could contribute to provide robust MEA and improve durability of PEMFC.
고분자전해질연료전지는 수소를 연료로 하여 화학반응을 통해 전기를 생산하는 장치로, 효율이 높고 친환경적이라는 장점으로 운송 수단 및 가정용 동력 장치로써 주목받고 있다. 이와 같은 분야에서 고분자전해질연료전지가 상용화되기 위해서는 충분한 내구성이 확보되어야 한다. 고분자전해질연료전지는 운전 조건에 의해 습도와 온도 변화를 겪게 되며, 온습도 변화로 인하여 균열 및 박리와 같은 기계적 열화가 발생한다. 기계적 열화에 의하여 고분자전해질연료전지의 성능과 내구성이 감소하게 되므로, 기계적으로 강건한 고분자전해질연료전지를 설계해야 한다. 이를 위해서는 고분자전해질연료전지에서 전기를 생산하는 기본 단위인 막-전극 접합체의 물성 및 거동을 정량적으로 파악해야 한다. 본 연구에서는 막-전극 접합체의 거동 해석을 위해 막-전극 접합체에 사용되는 주요 재료인 아이오노머의 수화된 상태에서의 열팽창 거동을 정량적으로 측정하였다. 나노미터 두께의 아이오노머의 열팽창을 측정하기 위한 새로운 측정법을 제시하고 마이크로미터부터 나노미터 두께까지의 아이오노머의 열팽창을 정량적으로 측정하였다. 또한 소각 엑스선 산란법과 투과전자현미경을 이용하여 아이오노머의 열팽창 거동을 아이오노머의 나노구조를 기반으로 해석하였다.
