• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.06a
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• pp.239-242
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• 2005

고분자 전해질형 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 가습에 소요되는 부품을 일부라도 제거할 경우 연료전지의 효율은 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으며, 정확한 data의 수집과 시험장비의 자동제어를 위하여 National Instrument사의 compact field point (cFP)를 사용하였다. 무가습 실험 중 stack의 안정성 측면을 고려하기 위하여 수소연료가 부족하거나 갑작스런 voltage drop이 발생할 경우 LabVIEW logic에 의한 stack 보호용 자동차단 시스템을 구현하였다. Humidifier와 heater의 온도를 조절하여 공급유체의 상대습도 및 온도를 각각 조절하였으며, 이에 필요한 이론적 온도는 Antoine equation을 사용하여 산정하였다. Anode와 cathode 양측 $100\%$ 가습 경우를 기준으로 가습량을 조절하면서 실험을 수행하였으며 성능 차이를 그래프로 도시하여 양측의 변화에 대한 영향을 볼 수 있도록 하였다. Stack의 온도가 $70^{\circ}C$이고 양측 무가습일 경우에 성능 측정이 불가능하여 stack의 온도를 저온에서부터 변화시키면서 무가습 성능을 실시간으로 측정하여 보았다 일반적으로 hydronium ion은 anode측에서 cathode측으로 계속 이동하여야 전기를 생성할 수 있으므로 cathode측 무가습이 anode측 무가습보다 성능이 더 잘 나오는 것으로 예측하였으나 이와 반대되는 경향의 실험 결과를 얻었다. Anode측 무가습과 cathode측 무가습의 standard deviation은 anode 무가습일 경우가 크게 발생하였고 양측 무가습일 경우는 stack의 온도가 높을수록 크게 관찰되었다. 이와 같은 현상은 공기중의 상대습도와 back diffusion등에 영향을 받을 수 있으므로 각종 변수들의 영향을 분리하여 관찰할 수 있는 실험을 수행중에 있다.

• 한국전기화학회:학술대회논문집
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• 2005.07a
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• pp.93-96
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• 2005

고분자전해질형 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 가습에 소요되는 부품을 일부라도 제거할 경우 연료전지의 효율은 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으며, 정확한 data의 수집과 시험장비의 자동제어를 위하여 National Instrument사의 compact field point (cFP)를 사용하였다. Humidifier와 heater의 온도를 조절하여 공급유체의 상대습도 및 온도를 각각 조절하였으며, 이에 필요한 이론적 온도는 Antoine equation 을 사용하여 산정하였다. Anode와 cathode 양측 $100\%$ 가습 경우를 기준으로 가습량을 조절하면서 실험을 수행하였으며 성능 차이를 그래프로 도시하여 양측의 변화에 대한 영향을 볼수 있도록 하였다. Stack의 온도가 $70^{\circ}C$이고 양측 무가습일 경우에 성능 측정이 어려워서 stack의 온도를 저온에서부터 변화시키면서 무가습 성능을 실시간으로 측정하여 보았다. 일반적으로 hydronium ion은 anode측에서 cathode측으로 계속 이동하여야 전기를 생성할 수 있으므로 cathode측 무가습이 anode측 무가습보다 성능이 더 잘 나오는 것으로 예측하였으나 이와 반대되는 경향의 실험 결과를 얻었다. 양측 무가습의 경우에는 공기 중의 상대습도와 back diffusion 등에 영향을 받을 수 있으므로 각종 변수들의 영향을 분리하여 관찰할 수 있는 실험을 수행 중에 있다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.11a
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• pp.180-182
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• 2007

PEMFC의 상용화 진입에 있어서 걸림돌 중의 하나가 열화(degradation)에 의한 성능감소이다. PEMFC 고분자 막의 열화가 PEMFC 성능 감소에 많은 영향을 미친다. 고분자 막의 성능 감소 원인은 여러가지가 있지만 무가습/OCV조건에서 성능 감소가 잘 된다. 그 이유에 대해서는 OCV/무가습 조건에서 과산화수소나 라디칼이 많이 형성될 수 있다는 것과, OCV조건에서 사용되지 못하는 수소와 산소의 gas-crossover 가 많기 때문이라는 것 그리고 무가습 조건에서 수소와 산소의 분압이 높아 gas-crossover 가 유리하고 악의 건조에 따른 물리적인 영향 등등이 거론되고 있다. 본 연구에서는 같은 조건에서 Cell 운전온도가 막열화에 미치는 영향을 실험하였다. OCV 여려 조건 에서 단위전지 실험을 한 후 I-V, 수소 투과도, 임피던스, FER(fluoride emission rate)등을 측정해 그 결과를 검토 분석하였다. OCV/Anode 무가습 조건이 알려진 대로 막열화 가속조건 이었음을 확인하였고, 실험 결과 Cell 운전온도가 $10^{\circ}C$증가 할 때마다 FER(fluroide emission rate)이 즉 막 열화속도가 약 2배정도 증가함을 보였다.

• Journal of Bio-Environment Control
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• v.28 no.4
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• pp.429-437
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• 2019

This study was conducted to examine the effect of humidification and shading during cutting propagation on growth and development of strawberry (Fragaria x ananassa Duch.) 'Maehyang' plants at a propagation stage. The runner cuttings were stuck on Nov. 23, 2017 in propagation benches set in a Venlo-type glasshouse. Four shading treatments, no shading (control, C), 55% shading with white lawn (W55), 55% black shading net (B55), or 100% black plastic film (B100) with either an intermittent fog system (H) or without fog system. The shading and fog systems were removed 2 weeks after sticking of strawberry cuttings. A nutrient solution for strawberry, which was developed by Yamazaki, was supplied once a day with electrical conductivity (EC) $1.6dS{\cdot}m^{-1}$ and pH 5.8. Growth parameters such as plant height, longest root, crown diameter, leaf chlorophyll, leaf area and fresh and dry weight were measured at 7 days and 26 days after sticking. There was no significant difference in growth of above-aerial part of strawberry. The overall growth of the strawberry roots was better grew by providing fog than that not provide fog. The root fresh weight and root dry weight after 26 days after sticking of strawberry cutting was the best in the treatment that provided fog system without shading (CH). The longest root after 26 days after sticking of strawberry cutting was the best in the treatments that provided fog system with either 55% white lawn (W55H) and 55% black shading net (B55H). These results suggest that morphogenesis of these plants were affected by humidification and shading types. In a broader perspective, these results can be used to optimize studies of other crops grown from cuttings.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• v.30 no.2
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• pp.225-230
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• 2006

This study investigates drying condition when a small fan is added to a operating the free-breathing proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with dry $H_2$ and Air. Polarization tests were conducted on PEMFCs at cell temperatures between 30 and $50^{\circ}C$ under dry operation. In the results, the cell performance strongly depended on the cell temperature and the cathode gas stoichiometric flow rates. The cell performance increases as cell temperature decreases from 50 to $30^{\circ}C$. In the domain where the stoichiometry of air is quite large, reduction of the concentration overpotential compensated the increased internal resistance due to drying. The maximum performance was obtained at the small air flow rate beyond which flooding occurs. This indicates that the fan should be operated in the stoichiometry domain with a well designed cell structure to avoid flooding.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.270-273
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• 2009

A comb-like copolymer consisting of a poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro-ethylene) backbone and poly(hydroxy ethyl acrylate) side chains, i.e. P(VDF-co-CTFE)-g-PHEA, was synthesized through atom transfer radical polymerization (ATRP) using CTFE units as a macroinitiator. Successful synthesis and a microphase-separated structure of the copolymer were confirmed by proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR), FT-IR spectroscopy, and transmission electron microscopy (TEM). This comb-like polymer was crosslinked with 4,5-imidazole dicarboxylic acid (IDA) via the esterification of the -OH groups of PHEA and the -COOH groups of IDA. Upon doping with phosphoric acid ($H_3PO_4$) to form imidazole-$H_3PO_4$ complexes, the proton conductivity of the membranes continuously increased with increasing $H_3PO_4$ content. A maximum proton conductivity of 0.015 S/cm was achieved at $120^{\circ}C$ under anhydrous conditions. In addition, these P(VDF-co-CTFE)-g-PHEA/IDA/$H_3PO_4$ membranes exhibited good mechanical properties (765 MPa of Young's modulus), and high thermal stability up to $250^{\circ}C$, as determined by a universal testing machine (UTM) and thermal gravimetric analysis (TGA), respectively.

• Journal of the Korean Electrochemical Society
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• v.10 no.1
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• pp.25-30
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• 2007

Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) performance could be affected by various factors such as cell temperature, total pressure, partial pressure of reactants and relative humidity. Hydrogen ion is combined with water to form hydronium ion [$H_3O^+$] and pass through membrane resulting electricity generation. Cooling system is needed to remove heat and other uses on large scale fuel cell. In case that collant conductivity is increased, fuel cell performance could be decreased because produced electricity could be leaked through coolant. In this study, triple distilled water(TDW) and antifreeze solution containing ethylene glycol was used to observe resistance change. Resistance of TDW was taken 28 days to reach preset value, and effect on fuel cell operation was not observed. Resistance of antifreeze solution was not reached to preset value up to 48 days, but performance failure occurred presumably caused by bipolar plate junction resulting stoppage resistance experiment. Generally PEMFC humidification is performed near-saturated operating conditions at various temperatures and pressures, but non-humidifying condition could be applied in small scale fuel cell to improve efficiency and reduce system cost. However, it was difficult to operate large scale fuel cell without humidifying, especially higher than $50{\sim}60^{\circ}C$. In case of small flux such as 0.78 L/min, temperature difference between inlet and outlet was occurred larger than other cases resulting performance decrease. Non-humidifying performance experiments were done at various cell temperature. When both of anode and cathode humidification were removed, cell performance was strongly depended on cell operating temperature.

• Membrane Journal
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• v.21 no.1
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• pp.30-38
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• 2011

Composite membranes based on sulfonated poly(aryl ether) sulfone (SPAES) with different sulfated zirconia nanoparticles ($s-ZrO_2$) ratio are synthesized and investigated for the improvement of the hydration and the proton conductivity at high temperature and no humidification for fuel cell applications. X-ray diffraction technique is employed to characterize the structure and the size of $s-ZrO_2$ nanoparticles. The sulfation effect of $s-ZrO_2$ nanoparticles is verified by FT-IR analysis. The properties of the SPAES composite membranes with the various $s-ZrO_2$ ratio are evaluated by ion exchange capacity and water content. The proton conductivities of the composite membranes are estimated at room temperature with full hydration and at the various high temperature without external humidification. The composite membrane with 5 wt% $s-ZrO_2$ shows the highest proton conductivity. The proton conductivities are $0.9292\;S\;cm^{-1}$ at room temperature with full hydration and $0.0018\;S\;cm^{-1}$ at $120^{\circ}C$ without external humidification, respectively.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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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.

• The Magazine of the IEIE
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• v.30 no.1
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• pp.43-49
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• 2003

이동 전자기기 혹은 이동 전원에 적용 가능한 휴대용 Fuel Cell에 필요한 재료는 놀은 전력을 요구하는 주택용이나 무공해 자동차용 및 대형발전 장비용 Fuel Cell과는 다르게 이해되어야 한다. 휴대용 Fuel Cell은 상온, 상압에서 작동되어야 하고 Fuel Cell의 효율을 높이기 위한 여러가지 주변 장치들이 제거 혹은 소형화 되어야 하므로, 이러한 열악한 조건에 적합한 재료의 개발이 필수적이다. 본 논문에서는 휴대용 Fuel Cell이 요구하는 촉매층, 확산전극, 수소이온 전도막 재료 및 Stack 혹은 Cell Pack의 개념에 대해 설명하고자 하며, 본 연구소에서 개발한 소형 PEMFC(MEA : 400㎽/㎠-무가습 수소/공기, 1 Bar, 30℃, Membrane: 0.1S/㎝; Stack : 40W)와 소형 DMFC (MEA : 50㎽/㎠-5M 메탄올 Passive, 상온 ; MEA : 100㎽/㎠ 2M 메탄올-Active, 1Bar, 상온 ; Membrane : Hybrid : Cell Pack : 2W)와 관련한 기술내용 및 상용화 전망에 대하여 언급하였다.