• 한국진공학회:학술대회논문집
• /
• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
• /
• pp.411.2-411.2
• /
• 2016

직접 메탄올 연료전지 (DMFCs)는 친환경적이고 낮은 작동 온도로 인한 빠른 구동, 높은 에너지 밀도 등 다양한 장점을 가지고 있어 차세대 에너지 변환소자로 많은 관심을 받고 있다. 직접 메탄올 연료전지는 메탄올을 연료로 사용하며, 메탄올이 보유하고 있는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로써 음극에서는 백금 촉매로 인한 메탄올 산화반응, 양극에서는 환원 반응이 일어나며 전기화학적 구동을 하게 된다. 하지만 일산화탄소 피독으로 인한 촉매 활성 저하, 메탄올의 cross over, 백금 촉매 사용으로 인한 고비용 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서 많은 연구자들이 백금 사용량을 줄이고 백금 촉매를 고르게 분포하기 위해 값이 저렴하고 넓은 비표면적을 갖는 탄소계 (graphite, graphene, carbon nanotube, carbon nanofiber 등) 지지체 재료를 도입하고 있다. 이 중 탄소나노섬유 (carbon nanofibers, CNFs)는 우수한 전기전도도와 열적/화학적 안정성을 가지고 있으며, 특히 넓은 비표면적을 가지고 있어 백금 촉매의 지지체로서 많은 연구가 진행되고 있다[1]. 따라서 우리는 전기방사법을 활용하여 넓은 비표면적을 보유하는 다공성 탄소나노섬유를 성공적으로 합성하였다. 또한, 이를 백금 촉매의 지지체로 도입하여 직접 메탄올 연료전지를 위한 다공성 탄소나노섬유에 담지된 고분산성 백금 촉매를 제조하였다. 제조한 다공성 탄소나노섬유의 형상 및 구조 분석은 주사전자 현미경 (field-emission scanning electron microscopy)와 투과전자 현미경 (transmission electron microscopy)를 이용하여 분석하였고, 결정구조와 화학적 결합상태는 X-선 회절분석 (X-ray diffraction) 및 X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 규명하였다. 전기화학적 특성은 순환 전압 전류법 (cyclic voltammetry)를 이용하였다. 이러한 실험 결과들을 바탕으로 다공성 탄소나노섬유에 담지된 고분산성 백금 촉매의 자세한 특성을 본 학회에서 다루도록 하겠다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 한국신재생에너지학회 2007년도 춘계학술대회
• /
• pp.141-145
• /
• 2007

Due to their excellent catalytic activity with respect to methanol oxidation on platinum at low temperature, platinum nanosized catalysts have been a topic of great interest for use in direct methanol fuel cells (DMFCs). Since pure platinum is readily poisoned by CO, a by-product of methanol electrooxidation, and is extremely expensive, a number of efforts to design and characterize Pt-based alloy nanosized catalysts or Pt nanophase-support composites have been attempted in order to reduce or relieve the CO poisoning effect. In this review paper, we summarize these efforts based upon our recent research results. The Pt-based nanocatalysts were designed by chemical synthesis and thin-film technology, and were characterized by a variety of analyses. According to bifunctional mechanism, it was concluded that good alloy formation with $2^{nd}$ metal (e.g., Ru) as well as the metallic state and optimum portion of Ru element in the anode catalyst contribute to an enhanced catalytic activity for methanol electrooxidation. In addition, we found that the modified electronic properties of platinum in Pt alloy electrodes as well as the surface and bulk structure of Pt alloys with a proper composition could be attributed to a higher catalytic activity for methanol electooxdation. Proton conducting contribution of nanosized electrocatalysts should also be considered to be excellent in methanol electrooxidation (Spillover effect). Finally, we confirmed the ensemble effect, which combined all above effects, in Pt-based nanocatalsyts especially, such as PtRuRhNi and $PtRuWO_{3}$, contribute to an enhanced catalytic activity.

• 청정기술
• /
• 제11권3호
• /
• pp.141-146
• /
• 2005

초임게 이산화탄소를 용매 및 팽윤제로 사용하여 함침 및 라디칼 중합으로 폴리프로필렌막에 스타이렌(styrene)을 그래프팅 시켰다. 모노머인 스타이렌의 양을 변수로 조절해가면서 막을 제조하였다. 초임계 함침, 중합 공정을 통해 만들어진 술폰화된 폴리스타이렌을 그래프팅한 폴리프로필렌 막 (PP-g-pssa)을 다양한 방범으로 특성화하였다. SEM과 EDS을 통하여 그래프팅 막의 표면 및 구조, 술폰화 여부를 분석하였다. 모노머의 양이 증가할수록 메탄올 투과도는 감소하고 이온 전도도와 전지 성능은 증가하다가, 스타이렌 모노머의 양이 1.5 g이상에서 제조된 막의 메탄올 투과도, 이온 전도도 및 전지 성능은 거의 유사한 값을 보였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
• /
• 제23권2호
• /
• pp.134-142
• /
• 2012

A bipolar plate is a major component of a fuel cell stack, which occupies 50~60% of the total weight and over 50% of the total cost of a typical fuel cell stack. In this study, a composite bipolar plate is designed and fabricated to develop a compact and light-weight direct methanol fuel cell (DMFC) stack for a small-scale Unmanned Aerial Vehicle (UAV) application. The composite bipolar plates for DMFCs are prepared by a compression molding method using resole type phenol resin as a binder and natural graphite and carbon black as a conductor filler and tested in terms of electrical conductivity, mechanical strength and hydrogen permeability. The flexural strength of 63 MPa and the in-plane electrical conductivities of 191 S $cm^{-1}$ are achieved under the optimum bipolar plate composition of phenol : 18%; natural graphite : 82%; carbon black : 3%, indicating that the composite bipolar plates exhibit sufficient mechanical strength, electrical conductivity and hydrogen permeability to be applied in a DMFC stack. A DMFC with the composite bipolar plate is tested and shows a similar cell performance with a conventional DMFC with graphite-based bipolar plate.

• 전기화학회지
• /
• 제6권1호
• /
• pp.23-27
• /
• 2003

본 연구는 휴대용 전원으로 사용 가능성이 높은 소형 직접메탄을 연료전지의 단위전지와 모노폴라 스택의 운전특성을 살펴본 것이다. 공기와 메탄올이 외부에서 강제로 공급되지 않는 수동형(passive)의 운전조건에서 최적 메탄을 농도는 4M이었으며, 촉매 담지량도 $8mg/cm^2$에서 가장 높은 성능을 나타내었다. 상온 상압 수동형 조건에서 얻은 최대 성능은 $55mW/cm^2$이었다. 6개의 단전지로 이루어진 모노폴라 스택에서는 셀간의 성능차이는 크게 나타나지 않았으며, 출력밀도는 $37mW/cm^2$이고, 1W의 출력을 보였다. 또한, 16셀로 구성된 2.4W급 모노폴라 스택을 제작하여 모형 자동차에 장착하고 시범 운전을 성공적으로 수행하였다.

• 전기화학회지
• /
• 제6권1호
• /
• pp.28-35
• /
• 2003

상용 유체 전산모사 코드인 FLUENT ver.6.0을 이용하여 직접 메탄을 연료전지의 전기화학적 해석 및 유로 내에서의 유체의 유동특성을 분석하였다 본 전산모사를 통해 유로 내의 유속, 압력, 온도, 농도 및 전류밀도 분포에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있었으며, 유로 디자인에 따른 반응물 및 생성물의 유동에 대한 정보로부터 최적의 유로 형태를 결정할 수 있었다. 이와 같은 전산모사 방법을 사용하면 직접 메탄을 연료전지의 전극과 분리판 유로의 구조를 최적화하는데 매우 유리하다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 한국신재생에너지학회 2009년도 추계학술대회 논문집
• /
• pp.171-171
• /
• 2009

The electrodes are usually made of a porous mixture of carbon-supported platinum and ionomers. $SnO_2$ particles provide as supports that have been used for DMFCs, and it have high catalytic activities toward methanol oxidation. The main advantage of $SnO_2$ supported electrodes is that it has strong chemical interactions with metallic components. The high activity to a synergistic bifunctional mechanism in which Pt provides the adsorption sites for CO, while oxygen adsorbs dissociative on $SnO_2$. The reaction between the adsorbed species occurs at the Pt/$SnO_2$ boundary. The morphological observations were characterized by FESEM and transmission electron microscopy (TEM). $SnO_2$ particles crystallinity was analyzed by the X-ray diffraction (XRD). The surface bonded state of the $SnO_2$ particles and electrode materials were observed by the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electric properties of the Pt/$SnO_2$ catalyst for methanol oxidation have been investigated by the cyclic voltametry (CV) in 0.1M $H_2SO_4$ and 0.1M MeOH aqueous solution. The peak current density of methanol oxidation was increased as the $SnO_2$ content in the anode catalysts increased. Pt/$SnO_2$ catalysts improve the removal of CO ads species formed on the platinum surface during methanol electro-oxidation.

• 한국수소및신에너지학회논문집
• /
• 제22권1호
• /
• pp.42-50
• /
• 2011

The Montmorillonite (MMT) in the polymer matrix is expected to reduce methanol permeability due to the tortous path formed by dispersed silicate layers. However, the polymer composite membranes containing non-proton conducting inorganic particle tend to show low proton conductivity. To solve this problem, we used an ion exchange method to prepare functionalized MMT with various silane coupling agents. The modified MMT was randomly dispersed in sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) matrix to prepare SPAES/modified MMT composite membranes. The performances of hybrid membranes for DMFCs application were investigated. The SPAES/modified composite membrane showed increased proton conductivity compared with the non-modified MMT composite membrane. However, the methanol permeability of the SPAES/modified membrane was higher than that of the non-modified MMT.

• Macromolecular Research
• /
• 제12권4호
• /
• pp.413-421
• /
• 2004

Sulfonated poly(phthalazinone ether sulfone ketone) (SPPESK) membranes and sol-gel derived SPPESK/silica hybrid membranes have been investigated as potential polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cell (DMFC) applications. In comparison with the SPPESK membrane, the SPPESK/silica membranes exhibited higher water content, improved proton conductivity, and lower methanol permeability. Notably, the silica embedded in the membrane acted as a material for reducing the fraction of free water and as a barrier for methanol transport through the membrane. From the results of proton conductivity and methanol permeability studies, we suggest that the fractions of bound and free water should be optimized to obtain desirable proton conductivities and methanol permeabilities. The highly sulfonated PPESK hybrid membrane (HSP-Si) displayed higher proton conductivity (3.42 ${\times}$ 10$^2$ S/cm) and lower methanol permeability (4.15 ${\times}$ 10$\^$7/ $\textrm{cm}^2$/s) than those of Nafion 117 (2.54 ${\times}$ 10$^2$ S/cm; 2.36 ${\times}$ 10$\^$6/ $\textrm{cm}^2$/s, respectively) at 30$^{\circ}C$. This characteristic of the SPPESK/silica membranes is desirable for future applications related to DMFCs.

• 한국진공학회:학술대회논문집
• /
• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
• /
• pp.403-403
• /
• 2010

The Pt-Ni alloy is an electro-catalyst of interest in the low temperature direct methanol fuel cells(DMFCs). It has been already reported that the Pt-Ni alloy catalysts may even have enhanced activity compared to pure platinum catalyst, depending on how the surfaces are prepared. The order-disorder transition in bimetallic alloy such as $\beta$-CuZn, Cu3Au, and CuAu have been investigated greatly by x-ray diffraction. After annealing the bimetallic alloy, the crystal structure changes as observed in the order-disorder transition of Cu3Au which changes from the face centered cubic to a simple cubic structure. Pt-Ni bimetallic alloy has been already reported to have the face centered cubic structure. However, in nano-scale Pt-Ni bimetallic alloy crystals the crystal structures changes to a simple cubic structure. In this experiment, we have studied the order-disorder transition in Pt-Ni bimetallic nanocrystals. Pt/Ni thin films were deposited on sapphire(0001) substrates by e-beam evaporator and then Pt-Ni alloy were formed by RTA at 500, 600, and $700^{\circ}C$ in a vacuum environment and Pt-Ni nano particles were formed by RTA at $1059^{\circ}C$ in a vacuum environment. We measured the structure of Pt-Ni bimetallic alloy films using synchrotron x-ray diffraction and SEM.