• 공업화학
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• 제29권6호
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• pp.789-798
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• 2018

고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 성능을 예측할 수 있는 empirical equation의 역할이 중요하게 대두되고 있다. 본 연구에서는 polarization curve에서 activation loss, ohmic loss, mass transfer loss 영역을 분리하였고, 현재까지 개발된 model 중 Kim의 model과 Hao의 model을 선정하여 각 영역의 fitting을 시행하였다. 온도, 압력, 산소 농도 및 막 두께를 운전변수로 설정하여 조건 변화에 대한 각 loss의 변화를 비교하였다. 기존 model은 전반적으로 좋은 fitting 정확도를 보였지만, 분리된 loss 영역에서는 부정확한 fitting 결과를 보이기도 하였다. 연료전지 성능 예측의 정확도를 개선하기 위하여 converge coefficient를 도입한 새로운 model을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 model을 연료전지 성능 예측에 적용한 경우에 신뢰도 평가에서 개선된 결과를 얻을 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제50권2호
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• pp.187-190
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• 2012

고분자전해질연료전지(PEMFC)에서 음극 공기에 의한 이온오염은 막전극 합체(MEA)의 성능을 심각하게 열화시킨다. 본 연구에서는 산업단지, 길가, 해변의 공기 중 이온 농도를 측정하였다. 이들 지역에서 $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$와 $Fe^{3+}$ 이온 농도가 비교적 높았다. 가습수로부터 이들 이온이 cathode에 유입되어 MEA 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 수돗물을 가습수로 사용해 170시간 운전한 후 MEA 성능이 초기의 11%로 감소하였다. 이들 오염 이온들이 수소이온보다 전해질 막의 슬폰산기와 친화력이 더 강해 전해질 막에 쉽게 이온 교환된 결과다. MEA 중에서 전극/막 계면에서 이온 오염이 MEA 성능저하에 미치는 영향이 제일 컸다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제53권4호
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• pp.412-416
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• 2015

고분자 막 성능 평가 및 내구성 평가에 이용하기 위해 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 구동 중에 수소 크로스오버 측정이 필요하다. 수소 크로스오버 측정 시에 불활성 기체 대신에 공기를 cathode에 공급하면서 기체 크로마토그래프로 수소 농도를 cathode 출구에서 분석하였다. PEMFC 구동 중 고분자 막을 통과한 수소는 cathode에서 산소와 반응해 불활성 가스를 공급할 때에 비해 수소 농도가 감소하였다. cathode 공기 공급 유량이 증가하면 수소 농도가 감소했고, 셀의 온도와 습도, 압력이 증가하면 cathode의 수소 농도는 증가했다. 일반적인 PEMFC 구동 조건에서 $120mA/cm^2$ 전류밀도에서 수소농도는 약 5.0 ppm이었다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제30권5호
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• pp.489-495
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• 2006

Proton exchange membrane (PEM) should be sufficiently hydrated with a careful consideration of heat and water management. Water management has been a critical operation issue for better understanding the operation and optimizing the performance of a PEM fuel cell. The flooding on cathode side resulting from excess water can limit the fuel cell performance. In this study, the visual cell was designed and fabricated fur the visualization of liquid water droplet dynamics related to cathode flooding in flow channels. The experiment was carried out to observe the formation, growth and removal of water droplets using CCD imaging system. Effects of operating conditions such as cell temperature, air flow rate and air relative humidity on cathode flooding characteristics were mainly investigated. Based on this study, we can get the basic insight into flooding phenomena and its two-phase flow nature. It is expected that data obtained can be effectively used fur the setup and validation of two-phase PEM fuel cell models considering cathode flooding.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.135.1-135.1
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• 2010

최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 $100^{\circ}C$ 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion$^{(R)}$이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion$^{(R)}$은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-$ZrO_2$)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq $g^{-1}$), 수소이온전도도(s $cm^{-1}$) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 $ZrO_2$에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 $250^{\circ}C$이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. $100^{\circ}C$ 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-$ZrO_2$와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 $100^{\circ}C$ 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-$ZrO_2$/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역($120^{\circ}C$, $50RH{\downarrow}$)에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권2호
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• pp.151-155
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• 2018

고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 고분자막 열화정도는 주로 수소투과전류밀도로 평가한다. 수소투과전류밀도는 선형주사전압전류측정법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)으로 측정하는데 DOE프로토콜과 NEDO프로토콜이 분석방법에 차이가 있다. 본 연구에서는 PEMFC 구동 및 가속 열화 시험 과정에서 두 프로토콜을 적용해 수소투과 전류밀도를 비교하였다. DOE 방법에 의한 LSV 방법에서는 주사속도(scan rate) 변화가 수소투과 전류밀도에 영향을 주지만 NEDO 방법에서는 주사속도가 수소투과전류밀도에 영향을 주지 않았다. 고분자막 가습/건조 15,000사이클 평가과정에서 DOE 방법은 막의 열화를 민감하게 측정하였으나 NEDO방법은 DOE방법에 비해 막의 열화가 덜 민감하게 나타났다.

• 폴리머
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• 제33권4호
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• pp.377-383
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• 2009

전기활성 고분자 중의 하나인 이온성 폴리머-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC) 작동기는 전압 인가 시 고분자전해질 내부에 존재하는 양이온과 물이 음극 방향으로 이동하면서 변위를 발생시킨다. 이러한 IPMC의 전해질은 높은 보습력, 프로톤 전도도 및 기계적 강도를 지녀야 하며, 이를 위해 본 연구에서는 IPMC의 고분자전해질인 나피온 층에 $\alpha$-, $\gamma$-알루미나를 $4{\sim}8$ wt%의 함량으로 도입하여 나피온-알루미나 복합막을 제조하고 그 특성을 확인하였다. 알루미나의 함량이 증가함에 따라, 나피온 복합막의 프로톤 전도도는 조금씩 감소하는 경향을 보였으며, $\alpha$-알루미나에 비해 $\gamma$-알루미나를 첨가하였을 때 전도도 감소가 더욱 컸다. 나피온-알루미나 복합막의 기계적 모듈러스는 37.16 MPa인 순수 나피온 막에 비해 모든 함량에서 $7{\sim}13\;MPa$ 높았다. 또한 준비된 나피온-알루미나 복합막을 이용하여 IPMC를 제작하였고 직류 3 V의 인가전압 하에서 작동성능을 평가하였다. 나피온-알루미나-IPMC, 특히 8 wt%의 $\alpha$-알루미나가 첨가된 IPMC는 기존 나피온-IPMC에 비해 작동변위는 2.7배 향상되었고 작동력 또한 크게 향상되었다. $\alpha$-알루미나의 첨가에 따른 작동성능의 향상은 $\gamma$-알루미나가 첨가된 복합막에 비해 상대적으로 높은 $\alpha$-알루미나 복합막의 양성자 전도도 그리고 잘 분산된 알루미나 입자 표면에 존재하는 다량의 수분에 의한 이온/물 이동의 용이성, 또한 순수 나피온 막에 비해 전해질 막과 백금전극 사이의 낮은 전기적 저항 때문인 것으로 결론지었다.

• 멤브레인
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• 제25권2호
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• pp.171-179
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• 2015

과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomers; PFSAs)는 뛰어난 수소이온전도성과 높은 내화학성으로 인해 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cells)용 고체전해질로 널리 사용되고 있다. 그러나 PFSA 전해질은 가습-건조조건에서 연료전지가 구동에 따라 반복적인 팽윤-수축으로 인해 전극층이 전해질로부터 탈리되어 전기화학적 수명특성이 감소되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 다공성 PTFE support film의 기공특성에 대한 이해를 바탕으로 기공구조 내 나피온 이오노머를 함침시키는 강화막을 제조하였고, 기본특성을 평가하였다. 제조된 강화막은 매우 높은 수소이온전도도(${\sim}~0.5S\;cm^{-1}@90^{\circ}C$ in liquid water)를 나타내었다.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제30권1호
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• pp.146-151
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• 2013

본 연구에서는 연료극 또는 공기극에 함유된 불순물인 황화합물의 도입을 차단할 수 있는 GDL을 제조하여, 이를 평가용 단위전지에 체결하여 $H_2S$와 $SO_2$를 연료극과 공기극에 각각 동시에 공급하여 PEMFC의 성능 저하 및 회복에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과 $H_2S$와 $SO_2$의 농도가 증가함에 따라 전지의 성능이 감소하며 특히 10 ppm 이상의 농도에서는 10분 이내에 약 10-15% 정도 성능이 감소하였다. 특히 GDL 표면의 기공이 없는 CN-2 GDL을 체결한 단위전지의 경우 피독에 의한 성능 감소 속도가 더 빠른 것을 확인하였다. 그리고 단위전지 피독 후 황화합물이 혼합되지 않은 순수 가스를 1시간 이상 공급하였을 때 전지의 성능이 GDL의 종류에 따라 90%에서 95% 이상 회복되며 CN-1 GDL의 경우가 가장 회복이 우수하였다.

• 공업화학
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• 제32권1호
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• pp.68-74
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• 2021

고분자전해질 연료전지 성능에서 기체확산층 압축률은 계면 접촉 저항과 전극으로의 반응물 전달 및 전극 내 수분 포화도에 영향을 주는 중요한 변수이다. 본 연구에서는 국내 상용 제품인 JNT20-A3를 이용하여 기체확산층 압축률에 대한 연료전지의 성능 평가를 수행하였다. 전극면적 25 ㎠ 단위 전지를 이용하여 상대습도 조건과 압축률에 대한 전기화학 임피던스 분광법과 분극 곡선을 측정하였다. 기체확산층을 18.6%에서 38.1%으로 압축시켰을 때 상대습도 100, 25% 조건에서 ohmic 저항이 각각 8, 30 mΩ·㎠이 감소하여 기체확산층 압축률이 증가할수록 접촉 저항이 감소하는 것과 동시에 막의 수화도가 증가하는 것을 확인하였다. 상대습도 조건에 대한 ohmic 저항의 변화 경향을 통하여, 압축률을 증가시켰을 때 기체확산층의 기공이 감소하여 공기극에서의 물 역확산과 전해질 막의 수화도가 증가하는 것을 확인하였다.