A hydrogen society fill sits energy needs with hydrogen, an eco-friendly energy source, and has recently been of interest. The polymer electrolyte membrane fuel cell is a power generation device that could generate energy in a hydrogen society. The membrane-electrode assembly is a crucial component responsible for the output performance and durability of the fuel cells. Since the membrane-electrode assembly has a structure in which various materials are stacked, performance and durability depend on the interface design. In this thesis, we solved the performance improvement at the cathode interface, which had a significant effect on the performance due to the slow reaction and durability problems that occur during operation at the anode through the design of the anode interface. First, a study was conducted to improve in-plane direction mass transfer by introducing a ditch structure into the microporous layer at the interface of the anode’s catalyst layer/microporous layer through laser ablation technique. Next, a study was conducted to maximize catalyst utilization by introducing a hierarchical wrinkle structure into the polymer electrolyte membrane at the catalyst layer/polymer electrolyte membrane interface. Finally, a study was conducted to improve durability by inserting an oxygen evolution reaction catalyst at the electrode interface in the anode when hydrogen was not supplied during fuel cell operation. In conclusion, based on the understanding of each material in the membrane-electrode assembly, the electrode interface design that improves the fuel cell’s performance and durability was studied during the degree period.
친환경 에너지원인 수소 에너지를 기반으로 하는 수소 사회가 최근 각광을 받고 있다. 고분자 전해질 막 연료전지는 수소 사회에서 에너지를 생산하는 발전 장치로써 막-전극 접합체는 연료전지의 출력 성능 및 내구성을 담당하는 핵심 부품이다. 막-전극 접합체는 다양한 소재가 적층된 구조이기 때문에 계면의 설계에 따라 성능과 내구성이 좌우된다. 본 학위 논문에서는 느린 반응 속도로 인해 성능에 큰 영향을 주는 양극 계면에서는 성능의 향상을, 그리고 음극에서는 실제 구동 중 발생할 수 있는 내구성 문제를 음극 계면 설계를 통해 해결 했다. 우선, 양극의 촉매층/미세다공층 계면에서 미세다공층에 레이저 절삭 기술을 통해 도랑 구조를 도입함으로써 평면 방향으로의 물질 전달 향상 연구를 진행하였다. 다음으로는 촉매층/고분자 전해질 막 계면에서 고분자 전해질 막에 계층적 주름진 구조를 도입함으로써 촉매의 활용률을 극대화 시키는 연구를 진행하였다. 마지막으로 실제 연료전지 작동 중 발생하는 수소가 공급이 되지 않는 상황에서 음극 내 전극 계면에 물 분해 촉매를 삽입함으로써 내구성을 향상 시키는 연구를 진행하였다. 종합해보면, 막-전극 접합체 내 각 소재의 이해를 바탕으로 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 전극 계면 설계를 학위 기간 중 연구하였다.
