• Journal of Environmental Science International
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• v.5 no.5
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• pp.593-603
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• 1996

A dual-porosity filmed agglomerate model for the porous cathode of the molten carbonate fuel has been investigated to predict the cell performance. A phenomenological treatment of molecular, kinetic and electrode parameters has been given. The major physical and chemical phenomena being modeled include mass transfer, ohmic losses and reaction kinetics at the electrode- electrolyte interface. The model predicts steady-state cell performance, given the above conditions that characterize the state of the electrode. Quasi-linearization and finite difference techniques are used to solve the coupled nonlinear differential equations. Also, the effective surface area of electrode pore was obtained by mercury porosimeter. The results of the investigation are presented in the form of plots of overpotential vs. current density with varied the electrode material, gas composition and mechanism. The predicted polarization curves are compared with the empirical data from 1 c$m^2$ cell. A fair correspondence is observed.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 1993.05a
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• pp.87-89
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• 1993

용융탄산염 연료전지 양극 재료인 tape casting된 다공성 Ni-Cr 합금과 Ni-Al 합금의 전기화학적 특성과 소결 및 creep특성이 양극조건의 분위기 $650^{\circ}C$에서 조사되었다. 이들 전극재료의 전류밀도는 100 mV의 과전압에서 약 100~150㎃/$\textrm{cm}^2$의 크기이었다. Ni-Al 합금에서는 Ni 표면에 형성된 $Al_2$O$_3$의 영향으로 소결저항성이 큰 것으로 나타났으며, Creep 특성도 Al 첨가량의 증가에 의해 향상되었다.

• Journal of the Korea Convergence Society
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• v.12 no.5
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• pp.17-22
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• 2021

Eco-friendly magnesium-air battery is a kind of metal-air battery known as a primary battery with a very high theoretical discharge capacity. This battery is also called a metal-fuel cell from the viewpoint of using oxygen in the atmosphere as a cathode active material and magnesium alloy as a fuel. Since battery performance is determined by the properties of the magnesium alloy used as a anode, more research and development of the magnesium alloy electrode as a anode material are required in order to commercialize it as a high-performance battery. In this study, the commercialized magnesium alloys(AZ31, AZ61) were selected and then electrochemical measurements and discharge test were conducted. Electrochemical properties of magnesium alloys were investigated by OCP changes, Tafel parameters and CV measurement, and the feasibilities of AZ61 alloy with excellent discharge capacity(1410mAhg^-1) as electrode materials were evaluated through CC discharge experiments.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.28-28
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• 2018

수전해(electrochemical water splitting)는 연료전지의 가역적 역반응을 이용하여 물로부터 수소와 산소를 발생시키는 기술이다. 산소는 음극에서 발생하는데, 이 때 음극 표면은 고농도의 산소 음이온 및 라디칼에 장시간 노출된다. 때문에 기계적, 화학적 내구성이 우수한 전극재를 사용할 필요가 있다. 불용성 전극 (dimensionally stable anode, DSA)은 이러한 기술적 요구사항을 잘 만족하는 상용화 된 전극이다. 티타늄이나 티타늄 합금 표면에 촉매를 미량 반복 살포하여 산화물 형태의 매우 견고한 표면을 형성함으로서 내구성을 확보한다. 그러나, 보통 DSA 제조 기법의 특징에 따라 다공성 표면 구조를 사용하지는 않기 때문에 생산 과정이 복잡하고 비용이 많이 발생하는 문제를 여전히 나타내고 있다. 본 연구는 상기 문제를 개선하기 위한 수전해용 음극 제조 기술에 관한 연구이다. 티타늄과 티타늄 합금은 동일한 양극산화 기술 적용이 가능하다는 점을 이용하여 티타늄 기판으로부터 다공성 구조를 형성함으로써 바인더의 사용을 배제하였다. 단일공정양극산화기법 (single-step anodization)을 이용하여 $IrO_2$와 $RuO_2$를 도핑함으로써 TiO2에 촉매능을 부여하였다. 제조된 나노튜브들의 구조적 특징을 HR-TEM (High-resolution transmission electron microscope)과 FE-SEM (Field-emission scanning electron microscope)으로 분석하고 SAED (selective area electron diffraction) 패턴을 분석하여 전극재의 결정성을 확인하였다. 알칼라인 분위기에서 일으킨 산소발생반응 (oxygen evolution reaction, OER)의 LSV (linear sweep voltammetry) 결과를 XPS (X-ray photoelectron microscoscopy) 결과와 연관지어 촉매 표면 구조와 과전압의 관계를 해석하였다. LSV 결과로부터 Tafel 분석을 연달아 수행함으로써 전극의 속도결정단계를 정의하였다. 최종적으로 사이클 테스트 통하여 DSA로써의 성능을 평가하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2016.11a
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• pp.186-186
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• 2016

수소는 연료전지 등의 에너지원으로 사용될 경우 NOx, SOx, $CO_2$ 등의 한경오염물질, 온실가스를 발생시키지 않기 때문에 친환경 에너지원으로 각광을 받고 있다. 수전해는 수소를 생산하는 가장 간단하고 효율적인 방법 중의 하나로서, 잉여전력 또는 신재생에너지에 의한 전기에너지를 통해 환경오염물질 발생 없이 고순도의 수소를 얻을 수 있으며 분산/대량 생산이 용이하다. 수전해에서 환원전극에서는 수소발생반응이 일어나고, 산화전극에서는 산소발생반응이 일어난다. 이때 주로 산소발생전극 촉매로는 과전압이 작게 걸리고 활성이 우수한 귀금속 계열의 $IrO_2$와 $RuO_2$ 등의 촉매가 현재 사용되고 있다. 본 연구에서는 고분자 용액을 만들어 전기방사를 이용하여 공정변수에 따른 직경과 morphology를 확인하였고, 고가의 귀금속 산화물 대신 저렴한 전이금속산화물인 Cu와 Co를 이용하여 1D 나노섬유를 산소발생 촉매로 합성하였다. 합성된 나노섬유의 구조적, 물리화학적 특성을 분석하고 산소발생반응(OER)에 대한 전기화학적 활성 및 내구성을 평가하였다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.28 no.6
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• pp.330-336
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• 2018

In this study, a membrane electrode assembly(MEA) composed of three electrodes(anode, cathode, and reference electrode) is designed to investigate the effects of methanol concentration on the overpotentials of anode and cathode in direct methanol fuel cells(DMFCs). Using the three-electrode cell, in-situ analyses of the overpotentials are carried out during direct methanol fuel cell operation. It is demonstrated that the three-electrode cell can work effectively in transient state operating condition as well as in steady-state condition, and the anode and cathode exhibit different overpotential curves depending on the concentration of methanol used as fuel. Therefore, from the real-time separation of the anode and cathode overpotentials, it is possible to more clearly prove the methanol crossover effect, and it is expected that in-situ analysis using the three-electrode cell will provide an opportunity to obtain more diverse results in the area of fuel cell research.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.114-114
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• 2018

탄소 재료는 뛰어난 물성에서 다양한 재료로의 응용이 기대되고 있다. 특히, 이종 원소 함유 카본 재료는 전기적 특성과 촉매성의 발현 등 새로운 기능을 카본 재료에 부여할 수 있어서 연료 전지, 에너지 저장, 태양 전지 등에의 응용이 기대되고 있다. 최근, 용액 중의 저온 플라즈마인 솔루션 플라즈마(solution plasma process)를 이용하여 벤젠 용액 등에서 탄소 재료 합성에 성공하였다. 그러나 기존의 연구에서는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용하여 합성한 이종원소 카본은 전도성이 낮아 이종원소의 함유량을 낮추는 고온의 열처리가 필요했다. 따라서 본 연구에서는 우수한 물리적 전기적 특성을 갖는 그래핀(graphene)과 같은 이종 원소 카본 나노시트(heteroatom carbon nanosheets)의 합성 및 메커니즘(mechanism)에 대해 검토하였다. 다양한 이종원소를 포함한 유기용매 안에 바이폴라 펄스 전원에 의한 전압을 두 텅스텐 전극 간에 인가하고, 솔루션 플라즈마를 생성하여 이종원소 카본 재료를 합성했다. 플라즈마 생성은 텅스텐 봉을 전극으로 사용하고 전압을 2.0 kV, 펄스 주파수를 200 kHz, 펄스 폭을 $1.0{\mu}s$, 전극 간 거리를 1.5 mm에서 일정하게 유지하며 200 mL 유기용매 중에서 방전시키는 것으로 재료를 합성했다. 플라즈마 방전 후, 필터을 이용하여 흡인 여과한 뒤 $200^{\circ}C$에서 1 시간 동안 건조 시켰다. 건조 후의 이종원소 카본의 물리적 특성을 원소 분석, X선 회절 법(XRD), 저항률 측정, 투과형 전자 현미경(TEM) 및 라만 분광법, 전자 현미경(SEM), X-선광전자분광기(XPS)등을 이용하여 카본의 형상 및 특성을 분석하였다. 그 결과 다양한 이종원소를 포함한 유기용매 중 2-pyrrolidone을 사용했을 때, 이종 원소 카본 나노시트를 합성하는데 성공하였다. 또한, 이 연구방법을 통해서 솔루션 플라즈마 프로세스를 통한 카본 나노시트 합성의 메커니즘을 규명하였다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.10 no.12
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• pp.831-837
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• 2000

To improve the catalytic activity of platinum on polymer electrolyte fuel cell(PEFC), platinum was alloyed with cobalt and nickel at various temperature. By XRD, it was observed the crystal structure of alloy catalysts were the ordered face centered cubic(f.c.c) due to the superlattice line at $33^{\circ}$. As heat-treatment temperature was increased, the particle size of alloys also were increased and the crystalline lattice parameters were decreased. According to the results from mass activity, specific activity and Tafel slope measured by cell performance test and cyclic voltammogram, the catalyst activities of alloys are higher than that pure platinum.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.54 no.6
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• pp.847-853
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• 2016

Here has been examined a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) modeling in order to investigate the performance analysis of proton exchange membrane (PEM) fuel cells with serpentine flow fields. The present CFD model considers the isothermal transport phenomena in a fuel cell involving mass, momentum transport, electrode kinetics, and potential fields. Co-current flow patterns for a PEMFC are considered for various geometries in the single straight cell. Current density distribution from the calculated distribution of oxygen and hydrogen mass fractions has been determined, where the activation overpotential has been also calculated within anode and cathode. CFD results showed that profiles differ from those simulations subjected to each the calculated activation overpotential. It is interesting that the present serpentine flow field shows the specific distribution of current density with respect to the aspect ratio of depth to width and the ratio of reaction area for various serpentine geometries. Simulation results were considered reasonable with the other CFD results reported in literature and global comparisons of the PEMFC model.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.22 no.5
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• pp.479-485
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• 2011

Pt-Bi/C catalysts supported on carbon black with various Pt/Bi ratios were synthesized by a reduction method. Chloroplatinic acid hydrate ($H_2PtCl_6{\cdot}xH_2O$) and bismuth (III) nitrate pentahydrate ($Bi(NO_3)_3{\cdot}5H_2O$) were used as precursors for Pt and Bi, respectively. Before loading metal on carbon, heat treatment and pretreatment of carbon black in an acidic solution was conducted to enhance the degree of dispersion. The physical property of the synthesized catalysts was investigated by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy. The XRD pattern of untreated Pt-Bi/C catalyst showed BiPt and $Bi_2Pt$ peaks in addition to Pt peaks. These results imply that Bi atoms were incorporated into the Pt crystal lattice by Pt-Bi alloy formation. The catalytic activity for methanol oxidation was measured using cyclic voltammetry in a mixture of 0.5 M $H_2SO_4$ and 0.5 M $CH_3OH$ aqueous solution. The addition of proper amount of Bi was found to significantly improve catalytic activity for methanol oxidation. The catalytic activity for methanol oxidation was closely related to the stability between electrode and electrolyte. In order to investigate the stability of catalysts, chronoamperometry analysis was carried out in the same solution at 0.6 V.