고분자연료전지(PEMFC)에서 기체확산층(GDL)은 다공성의 카본 종이/천 위에 마이크로한 다공층을 가치는 구조로 촉매층을 지지하고 촉매층과 분리판 사이의 전류전도체 역할을 한다. 또한 촉매층에 연료와 공기 확산 및 생성된 물의 통로 역할을 하며 소수성인 전기전도성 물질로 이루어져 있다. 현재 연료전지에 쓰이는 가스확산층은 대부분 국외 회사에서 제조 수입 사용하는 현황이고 국내에서는 협진 I&C가 연구하고 있으나 상용화는 아직 이루어지지 않고 있다. 본 연구는 탄소섬유의 전도성을 개선하고자 탄소섬유 표면에 금속코팅 시 최적의 접촉계면유지를 위한 표면처리 방법 및 공정을 조사 분석 후 최적 개선방법(농도/온도/압력/시간)을 설정하고자 하였다. 또한 선정된 공정인자별 수준별 시험 후 샘플링 된 시료를 토대로 금속물질이 탄소섬유 표면에 코팅(도금)된 금속-탄소섬유를 대하여 평가하여 최적화시키고자 탄소섬유로부터 carbon paper GDL의 모재를 개발할 계획이다. 앞에서 설명한 바와 같이 탄소섬유를 이용하여 paper making, resin impregnation, molding, carbonization/graphitization의 제조공정을 거쳐 paper형태의 GDL을 생산 및 평가하고자 하였다.
Jung-Tae Kim;Changsoo Lee;Minhyeong Lee;Jin-Seop Kim;Sinhang Kang
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.2
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pp.89-103
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2024
In the disposal environment, gases can be generated at the interface between canister and buffer due to various factors such as anaerobic corrosion, radiolysis, and microbial degradation. If the gas generation rate exceeds the diffusion rate, the gas within the buffer may compress, resulting in physical damage to the buffer due to the increased pore pressure. In particular, the rapid movement of gases, known as gas breakthroughs, through the dilatancy pathway formed during this process may lead to releasing radionuclide. Therefore, understanding these gas generation and movement mechanism is essential for the safety assessment of the disposal systems. In this study, an experimental apparatus for investigating gas migration within buffer was constructed based on a literature review. Subsequently, a gas injection experiment was conducted on a compacted bentonite block made of Bentonile WRK (Clariant Ltd.) powder. The results clearly demonstrated a sharp increase in stress and pressure typically observed at the onset of gas breakthrough within the buffer. Additionally, the range of stresses induced by the swelling phenomenon of the buffer, was 4.7 to 9.1 MPa. The apparent gas entry pressure was determined to be approximately 7.8 MPa. The equipment established in this study is expected to be utilized for various experiments aimed at building a database on the initial properties of buffer and the conditions during gas injection, contributing to understanding the gas migration phenomena.
In the engineering barriers of high-level radioactive waste disposal, gases could be generated through a number of processes. If the gas production rate exceeds the gas diffusion rate, the pressure of the gas increases and gases could migrate through the bentonite buffer. Because people and the environment can be exposed to radioactivity, it is very important to clarify gas migration in terms of long-term integrity of the engineered barrier system. In particular, it is necessary to identify the hydro-mechanical mechanism for the dilation flow, which is a very important gas flow phenomenon only in medium containing large amounts of clay materials such as bentonite buffer, and to develop and validate new numerical approach for the quantitative evaluation of the gas migration phenomenon. Therefore, in this study, we developed a two-phase flow model considering the mechanical damage model in order to simulate the gas migration in the engineered barrier system, and validated with 1D gas flow modelling through saturated bentonite under constant volume boundary conditions. As a result of numerical analysis, the rapid increase in pore water pressure, stress, and gas outflow could be simulated when the dilation flow was occurred.
Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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v.9
no.3
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pp.375-382
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2021
Self-healing concrete is in the spotlight in that it can effectively extend the lifespan of concrete structures by healing cracks in the structure by themselves without additional repairing or retrofiting actions. Currently, self-healing concrete is a field that is being actively studied around the world, but since most studies focus on the improvement of healing performance, there is a lack of methods to rationally evaluate the self-healing performance of concrete. Although the gas diffusion test method has been developed for the use in the performance evaluation of self-healing concrete, it has revealed that for gas diffusion through the matrix affect the crack diffusion coefficients depending on the environmental conditions such as the saturation of the specimen, the temperature, and humidity during the experiment. Therefore, in this study, the method has been proposed to eliminate the influence of the matrix diffusion when calculating the crack diffusion coefficient. In addition, a pre-conditioning process was introduced to shorten the experimental time. As a result, the crack width could be estimated with an error level of less than 3% in the test time of about 20 minutes.
Jung-Il, Suh;Yoon-Suk, Choi;Byung-Sun, Park;Kwang-Myong, Lee
Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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v.10
no.4
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pp.561-568
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2022
In this study, the mechanical properties and self-healing performance of cement mortar containing clinker binder, calcium sulfoaluminate(CSA), and sodium sulfate(Na2SO4) were evaluated. The mechanical properties of cement mortar were investigated by measuring compressive strength and flexural strength, and the healing performance was evaluated through hydrostatic water permeability test and gas diffusion test. In addition, the healing products precipitated in the cracks were visually observed through an optical microscope and a scanning electron microscope(SEM). As a result, the incorporation of the clinker binder-based inorganic additives improved the initial and 28-day strength by about 20 %. Depending on the healing performance evaluation method, there was a difference in the healing rate, and the healing rate showed a tendency to be underestimated. Nevertheless, CaCO3 was precipitated as the main healing product inside the 0.3 mm crack when the inorganic additives were mixed with cement mortar, improving the self-healing performance.
Gases such as hydrogen and radon can be generated around the canister in high-level radioactive waste disposal systems due to several reasons including the corrosion of metal materials. When the gas generation rate exceeds the gas diffusion rate in the low-permeability bentonite buffer, the gas phase will form and accumulate in the engineered barrier system. If the gas pressure exceeds the gas entry pressure, gas can migrate into the bentonite buffer, resulting in pathway dilation flow and advective flow. Because a sudden occurrence of dilation flow can cause radionuclide leakage out of the engineered barrier of the radioactive waste disposal system, it is necessary to understand the gas migration behavior in the bentonite buffer to quantitatively evaluate the long-term safety of the engineered barrier. Experimental research investigating the characteristics of gas migration in saturated bentonite and research developing numerical models capable of simulating such behaviors are being actively conducted worldwide. In this technical note, previous gas injection experiments and the numerical models proposed to verify such behaviors are introduced, and the future challenges necessary for the investigation of gas migration are summarized.
The surface of an ${\alpha}$-alumina tube was coated with zirconium modified polycarbosilane(PZC) by dip-coating method. Then the tube was pyrolyzed at 573~823 K. The prepared inorganic composite membrane was in $1{\mu}m$ thickness and had no pinholes larger than several nm. For the pyrolyzed inorganic composite membrane, the permeation test of He, $N_2$, $CO_2$, and $O_2$ was performed at 303~423 K. The gas permeation and separation factor were increased with increasing permeation temperature. The permeation for gases was controlled by the activated diffusion mechanism. The separation factor of $CO_2$, to $N_2$was 4.9 at 363 K on the composite membrane pyrolyzed at 823 K and its value was higher than that of He and $O_2$.
PEMFC electrodes with various gas diffusion layers (GDL) were characterized to find out the effect of GDL on fuel cell performance. The physical properties of GDL such as electric conductivity, porosity, air permeability, water flux, PTFE content, etc had close relationship each other and affected on the variation of the cell performance. It was observed that the micro-porous layer (MPL) on carbon paper or cloth changed the physical properties of GDL and changed the cell performance. The variation of cell performance as a function of the physical properties of GDL showed different behaviors according to the amount of current density.
Kim, You-Seong;Kim, Jae-Hong;Kim, Tae-Heon;Lee, Jin-Kwang
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.30
no.2
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pp.77-85
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2014
The paper presents comparison between numerical and experimental results to verify finite element algorithm of air diffusion in three-phase porous media. The theory of two-phase flow in partially saturated soil is a fundamental study to predict the safety for $CO_2$ sequestration. Geotechnical engineering problems exposed to atmospheric pressure generally assume that air pressure is equal to zero in three-phase porous media, but the geotechnical engineering problem at a depth of about over 1 km needs to be considered in connection with deformable solid skeleton due to air pressure. Therefore, the objective of this study is to validate the numerical algorithm by comparing with results obtained from measurement of air diffusion and dissipation through drainage test.
Park, Jun-Mu;Choe, In-Hye;Hwang, Seong-Hwa;Gang, Jun;Lee, Chan-Sik;Lee, Myeong-Hun
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2016.11a
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pp.164-164
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2016
항만 및 해양 구조물은 육상과는 비교할 수 없을 정도로 가혹한 해수 환경에서 사용되며 계속적으로 부식 손상을 받는다. 따라서 강구조물이 장기적으로 안전하게 사용되기 위해서는 적절한 방식은 물론 철저한 유지관리가 필수적이다. 한편, 현재 해양환경 중 항만, 조선, 해양산업 등에 많이 이용되는 강구조물은 이에 대응하기 위하여 일반적으로 도장방식이나 음극방식이 사용되고 있다. 음극방식은 피방식체를 일정전위로 음극 분극하는 원리로써 외부전원을 인가하거나 비전위의 금속을 희생양극으로 연결하여 방식하는 방법이다. 이와같이 해수 중 음극방식을 실시할 경우 해수 중 용존하는 많은 이온들 중에서 특히 $Ca^{2+}$ 이나 $Mg^{2+}$ 이온이 탄산칼슘, 수산화마그네슘을 주성분으로하는 화합물로 형성된다. 이렇게 생성된 전착막은 산소 확산을 방지하는 물리적 장벽을 형성하고 부식율을 감소시키는 것으로 보고되고 있다. 그러나 전착막은 소지 금속과의 결합력이 불균일 함은 물론 막을 형성하는데 있어서 장시간이 소요된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 해수 중 음극방식 응용 원리에 의해 전착막을 형성하고, 석출속도, 밀착성 및 내식특성을 향상시키기 위해 해수 중 기체를 용해시켜 제작한 막의 특성을 분석-평가하였다. 본 연구에 사용된 기판(substrate)은 일반구조용 강(SS400)을 사용하였으며, 면적은 $70mm{\times}30mm$, 두께는 1 mm로 제작하여 실험을 진행하였다. 외부전원은 정류기(Rectifier, xantrex, XDL 35-5T)를 사용하여 3 및 $5A/m^2$ 의 조건으로 인가하였고, 양극은 Carbon Rod를 사용하였다. 이때 해수에 주입한 이산화탄소의 양은 0.5 NL/min 였다. 각 조건별로 제작된 전착막에 대해 외관관찰, 석출량, 모폴로지, 조성원소 및 결정구조 분석을 실시하였고, 밀착성 및 내식특성을 평가하기 위해 테이핑 테스트(Taping Test, JIS K 5600-5-6)와 3.5 % NaCl 용액에서 전기화학적 양극 분극 시험을 진행하였다. 시간에 따른 전착막의 외관관찰 결과 전류밀도의 증가와 함께 상대적으로 많은 피막이 형성되었고, 용해시킨 기체에 의해 더 치밀하고 두터운 피막이 형성됨을 확인할 수 있었다. 성분 및 결정구조 분석 결과 $Mg(OH)_2$ 성분의 Brucite 및 $CaCO_3$ 성분의 Calcite 구조 및 Aragonite 구조를 확인하였으며, 용해시킨 기체의 영향으로 $CaCO_3$ 성분의 Aragonite 구조가 상대적으로 많이 검출되었다. 이는 해수 중 용해된 이산화탄소의 영향으로 인해 풍부한 ${CO_3}^{2-}$ 이온이 형성되고 용액 pH를 낮게 유지시켜 Ca 화합물 형성이 용이한 환경이 조성되는 것으로 판단된다. 밀착성 및 내식성 평가를 실시한 결과 해수중 용해시킨 기체에 의해 제작한 시편의 경우 견고하고 화학적 친화력이 높은 Aragonite 결정이 표면을 치밀하게 덮어 전해질로부터 산소와 물의 침입을 차단하는 역할을 하여 기체를 용해시키지 않은 $3A/m^2$ 및 $5A/m^2$ 보다 비교적 우수한 밀착성 및 내식 특성을 보이는 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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