• Journal of the Korean Applied Science and Technology
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• v.29 no.4
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• pp.594-598
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• 2012

Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) performance degrades seriously when sulfur dioxide and hydrogen sulfide are contaminated in the fuel gas at anode and air source at cathode, respectively. This paper reveals the effect of the combined sulfur impurity poisoning on both PEMFC cathode and anode parts through measuring electrical performance on single FC operated under 1 ppm to 10 ppm impurity gases. The severity of $SO_2$ and $H_2S$ poisoning depended on concentrations of impurity gases under optimum operating conditions($65^{\circ}C$ of cell temperature and 100 % relative humidity). Sulfur adsorption occured on the surface of Pt catalyst layer on MEA. In addition, MEA poisoning by impurity gases were cumulative. After four consecutive poisonings with 1, 3, 5 to 10 ppm, the fuel cell performance of PEMFC was decrease upto 0.54 V(76 %) from 0.71 V.

• Journal of the Korean Applied Science and Technology
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• v.30 no.1
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• pp.146-151
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• 2013

This paper reveals the performance decrease and recovery of PEMFC when the contaminated fuel gas and air source with sulfur impurities such as hydrogen sulfide and sulfur dioxide were simultaneously introduced to anode and cathode, respectively. Three different GDLs were fabricated with different carbon black and activated carbon to prevent an introduction of sulfur compound impurities into MEA. components. The severity of $SO_2$ and $H_2S$ poisoning was depended on concentrations(3 ppm - 10 ppm) of sulfur impurities. Especially, cell performance degradation rate was rapid when MEA fabricated with CN-2 GDL because it had little porosity on GDL surface. Moreover, the cell performance can be recovered up to 90%-95% only with neat hydrogen and fresh air feeding.. Conclusively, MEA fabricated with porous CN-1 GDL showed the best cell performance and recovery efficiency during exposure to poisoning condition by simultaneous sulfur impurities.

• Journal of Power System Engineering
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• v.14 no.6
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• pp.13-19
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• 2010

이 논문에서는 디젤자동차용 LNT와 SCR 촉매의 NO, $NH_3$ 흡착 및 탈리의 기본 특성과 수열화 온도와 시간 및 정량화된 황피독 농도에 대한 de-$NO_x$ 촉매의 내구성을 평가하였다. LNT 촉매는 열적으로 열화됨에 따라 Pt 및 Ba의 소결 및 응집으로 활성이 떨어져 $NO_x$ 전환율은 감소하였다. 반면에 Pt의 비활성화로 중간생성물인 $NH_3$ 생성량은 증가하였으며, 이때 생성된 $NH_3$는 LNT+SCR 복합시스템의 SCR 촉매의 환원제 역할을 담당한다. 1.0 g/L 이상의 황이 피독된 LNT 촉매는 탈황을 하여도 질소 산화물 흡장물질(Ba) 의 성능이 회복이 되지 않아 $NO_x$ 전환율은 회복되지 않았으며, 탈황 후 Pt 재활성화로 인해 NO2 및 SCR 환원제인 $NH_3$ 생성량은 증가하였다. SCR 촉매의 $NO_x$ 전환율은 $700^{\circ}C$ 36h, $800^{\circ}C$ 24h로 수열화 시킨 촉매는 전이금속 입자 성장 및 zeolite 구조 파괴로 인하여 급격하게 떨어졌으며, 0.36 g/L 황 피독된 촉매는 zeolite가 가지는 강산성 특정으로 내피독성이 강하여 탈황시 $NO_x$ 전환율은 회복되었다.

• Proceedings of the Korea Air Pollution Research Association Conference
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• 2003.11a
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• pp.143-144
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• 2003

최근 들어 플라즈마 촉매 복합공정을 이용하여 NOx를 제거시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 저온 플라즈마 공정중 하나인 DBD (Dielectric barrier discharge) 공정 내에서 NO는 NO$_2$로 매우 효과적으로 전환된다. 촉매공정의 경우 NO보다 NO$_2$가 주입되는 경우 NOx 제거 효율이 높고 촉매의 피독 현상도 줄어들게 된다. 따라서 DBD를 이용하여 NO의 전환율을 높일 수 있다면 플라즈마 촉매 복합공정의 NOx 제거 효율은 매우 높아진다. DBD 반응기 내에서 NO를 NO2로 전환시키는데 가장 중요한 역할을 하는 것 중 하나는 오존 (O$_3$)이다. (중략)

• 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.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.86.2-86.2
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• 2011

저온형 연료전지인 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)는 친환경적인 발전 시스템, 높은 에너지 효율의 장점 때문에 주목을 받고 있으나 연료극의 촉매로 사용되는 금속은 고가의 귀금속인 Pt와 Ru가 요구되어 제조비용이 비싸기 때문에 촉매의 양을 줄이고, 반응 도중 생성되는 CO에 의한 촉매의 피독 문제 등 해결하여야 할 점이 산적해 있어 연료전지 중 촉매의 활성을 높이는 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 종래의 MEA의 촉매층 제조공정은 우선 환원석출법에 의해 Pt-Ru/C를 합성하고 Nafion 용액에 혼합하여 Pt-Ru/C 슬러리를 제조한다. 이 방법에서는 carbon sheet에 spray 방법으로 Pt-Ru/C 촉매층이 만들어지기 때문에, Pt-Ru 촉매가 Nafion에 의해 부분적으로 매몰되어 촉매의 전기화학적 활성이 떨어지는 문제점이 있다. 이를 해결하는 방안으로 펄스전류를 이용하여 Pt-Ru 합금입자를 carbon sheet에 전기화학적으로 담지 시켜 Nafion에 매몰되는 것을 방지하는 펄스전해법 연구가 진행되고 있다. 그러나 촉매의 입자크기가 일반적으로 50~70 nm 이상으 크기 때문에 촉매의 낮은 활성이 문제점으로 야기되고 있다. 본 연구에서는 Pt-Ru/C 촉매층 제조 문제점을 해결하고, 촉매의 전기화학적 활성을 증가시키기 위해서 2~4 nm Pt-Ru 콜로이드를 전해액으로 사용하고, 전기영동법을 이용하여 Pt-Ru 나노 입자를 carbon sheet($1{\times}1cm^2$) 에 담지 시켰다. 전기영동법에서 균일한 Pt-Ru 촉매층의 제조를 위해 전류인가 방법으로는 펄스전류를 사용하였고, 실험변수로는 전해액 pH, duty cycle, 담지시간을 선정하였다. 합성된 Pt-Ru 콜로이드를 TEM분석으로 나노입자의 크기와 분산성 분석하였고, 콜로이드 나노입자의 표면전하 상태를 분석하기 위해 zeta-potential을 분석하였다. Pt-Ru/C의 촉매의 전기화학적 활성을 분석하기 위하여 0.5 M H_2SO_4$ 와 1 M $CH_3OH$ 혼합용액에 CV(Cyclic Voltammetry)실시하였고, carbon sheet 전극 상 Pt-Ru의 분산성 확인을 위하여 FE-SEM분석을 수행하였다.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.23 no.1
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• pp.23-27
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• 2012

To make synthetic liquid fuel from biomass such as wood pellet, energy crop and so on, a biomass to liquid (BTL) process by using a biomass gasifier with Fisher-Tropsch (FT) reaction was developed. However $H_2S$, COS and $CO_2$ in syngas from biomass gasifiers resulted in a decrease of the conversion efficiency and the deactivation of the catalyst. To remove acid gases in syngas, a lab-scale methanol absorption tower was developed and the removal characteristics of acid gases were investigated. The methanol absorption tower efficiently removed $H_2S$ and COS with a removal of $CO_2$, so it could be useful process for the BTL process.

• Journal of Digital Convergence
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• v.10 no.8
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• pp.201-210
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• 2012

Because sensing odor varies depending on each person, even if the odor is released in line with the legal emission permission concentration levels, it can still become a social issue if a civil complaint is made. The purpose of this research is to study the possibility of putting Mn-Cu metallic oxide catalysts into practical use to economically eliminate acetaldehyde which produces a odor in the industrial process. An optimal operating parameter to eliminate acetaldehyde was deduced through a performance evaluation in the research laboratory and the performance was verified by applying the parameter into an actual facility as an on-the-site experiment through a Scale-up of pilot size. The operating temperature of the metallic oxide catalysts researched so far was at the minimum close to $220^{\circ}C$, and the $220^{\circ}C$ elimination efficiency was 50% or below. However, having experimented by using a Mn-Cu metallic oxide catalyst in this research, optimum elimination efficiency showed when space velocity (GHSV) was equal to or below 6,000 $hr^{-1}$. The average elimination efficiency was 61.2% when the catalyst controlling temperature was $120^{\circ}C$, 93.3% when the catalyst controlling temperature was $160^{\circ}C$, and 94.9% when catalyst controlling temperature was $180^{\circ}C$, thereby reflecting high elimination efficiency. The specific surface area of the catalyst was $200m^2/g$ before use, however, was reduced to $47.162m^2/g$ after 24 months and therefore showed that despite the decrease in specific surface area as time passed, there was no significant influence on the performance. Having operated Mn-Cu metallic oxide catalyst systems for at least two years on a site where there was no inflow of toxins like sulfur compounds and acidic gases, we were able to confirm that elimination efficiency of at least 90% was maintained.

• Membrane Journal
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• v.32 no.6
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• pp.442-455
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• 2022

High-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC) has been studied as an alternative to low-temperature PEMFC due to its fast activation of electrodes and high resistance to electrode poisoning by carbon monoxide. It is highly required to develop stable PEMs operating at high temperatures even doped by ion-conducting materials for the development of high-performance and durable HT-PEMFC systems. A number of studies have been conducted to develop polybenzimidazole (PBI)-based PEMs for applications in HT-PEMFC due to their high interaction with doped ion-conducting materials and outstanding thermomechanical stability under high-temperature operation. This review focused on the development of PBI-based PEMs showing high performance and durability. Firstly, the characteristic behavior of PBI-based PEMs doped with various ion-conducting materials including phosphoric acid was systematically investigated. And then, a comparison of the physicochemical properties of the PEMs according to the different membrane manufacturing processes was conducted. Secondly, the incorporation of porous polytetrafluoroethylene substrate and/or inorganic composites to PBI matrix to improve the membrane performances was studied. Finally, the construction of cross-linked structures into PBI-based PEM systems by polymer blending method was introduced to improve the PEM properties.