• 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.

• Polymer(Korea)
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• v.35 no.1
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• pp.35-39
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• 2011

In this work, mesoporous carbons (CMK-3) were prepared by a conventional templating method using mesoporous silica (SBA-15) for using catalyst supports in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The CMK-3 were chemically activated to obtain high surface area and small pore diameter with different potassium hydroxide (KOH) amounts, i.e., 0, 1, 3, and 4 g as an activating agent. And then Pt-Ru was deposited onto activated CMK-3 (K-CMK-3) by a chemical reduction method. The characteristics of Pt-Ru catalysts deposited onto K-CMK-3 were determined by surface area and pore size analysis, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and inductive coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS). The electrochemical properties of Pt-Ru/K-CMK-3 catalysts were also analyzed by cyclic voltammetry (CV). From the results, the K3g-CMK-3 carbon supports activated with 3 g KOH showed the highest specific surface areas. In addition, the K3g-CMK-3 led to uniform dispersion of Pt-Ru onto K-CMK-3, resulted in the enhancement of elelctro-catalystic activity of Pt-Ru catalysts.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.17 no.3
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• pp.243-249
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• 2006

Porous polymer gel electrolytes (PGEs) based on poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene) (P(VdF-co-HFP)) as a polymer matrix and polyvinylpyrolidone (PVP) as a pore-forming agent were prepared and electrochemical properties were investigated for an electric double layer capacitor (EDLC) in order to increase a permeability of an electrolyte into the PGE. Propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) as plasticizers, and tetraethylammonium tetrafluoroborate ($TEABF_4$) as a supporting salt for the PGE were used. EDLC unit cells were assembled with the PGE and electrode comprising BP-20 and MSP-20 as activated carbon powders, Super P as a conducting agent, and P(VdF-co-HFP)/PVP as a mixed binder. Ion conductivity of PGEs increased with an increased PVP content and was the best at 7 wt% PVP, whereas electrochemical characteristics such as AC-ESR of unit cell were better in 3 wt%. And electrochemical characteristics of the unit cell with PGE were the best at a 33 : 33 weight ratio of PC to EC. Specific capacitance of a mixed plasticizer system of PE and EC was higher than that of pure PC. Ion conductivity of PGEs with a film thickness of $20{\mu}m$ was higher, but electrochemical characteristics of unit cells were higher for a $50{\mu}m$ membrane thickness. Also, the unit cell has shown the highest capacitance of 31.41 F/g and more stable electrochemical performance when PGE and electrode were hot pressed. Consequently, the optimum composition ratio of PGE for EDLCs was 23 : 66 : 11 wt% such as P(VdF-co-HFP) : PVP = 20 : 3 wt% and PC : EC = 44 : 22 wt%. In this case, $3.17{\times}10^{-3}S/cm$ of ion conductivity was achieved at the $50{\mu}m$ thickness of PGE for EDLCs. And the electrochemical characteristics of unit cells were $2.69{\Omega}$ of DC-ESR, 28 F/g of specific capacitance, and 100% of coulombic efficiency.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.22 no.3
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• pp.409-414
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• 2011

To promote the industry of PEMFC, the commercialization of its parts especially bipolar plate is needed. The bipolar plate is one of key parts for PEMFC, which occupies cost portion of 5~8% in the system. To replace the bipolar plate of machined graphite highly costly, the stamped thin matal or the molded carbon composite has been developed. According to the merits and demerits of each material and its forming process, the stamped metallic plate has been considered to the bipolar plate of PEMFC for automotive, and on the other hand, the molded composite plate has been considered to one for building applications. Hankook Tire Co., Ltd. has developed the carbon composite material and the manufacturing process for the bipolar plates. The developed bipolar plates were proved to be fully applicable to PEMFC of building applications in characteristics and performance, and so government strategic project to develop the mass-production technology for bipolar plates was started and is being conducted by the company. Through the government project for obtaining both the commercialization technology and production capacity for the bipolar plates, the price and the performance of domestic PEMFCs are expected to become competitive in international market.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.127.2-127.2
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• 2010

우리나라는 기후변화 대응을 준비하기위해 2008년도에 수립한'국가에너지기본계획(2008-2030)'에 따라 2030년까지 신재생에너지 비중을 2.4%에서 11%까지 달성을 목표로 정하고 신재생에너지 분야를 성장시키기 위해 국가기술개발 및 산업화 전략을 수립해 추진하고 있다. 이에 발맞추어 건물용 연료전지시스템의 경우, 2006년도부터 1kW급 가정용 연료전지시스템 모니터링 사업의 일환으로 3년간 210대가 도시가스사 및 지자체 등을 중심으로 설치되어 운전되어지고 있다. 특히, 2010년부터 시범보급사업이 추진되어 올해 200대를 시작으로 2011년에 300대, 2012년에 500대가 일반가정에 보급되어질 예정이다. 하지만 현재 6천만원인 연료전지시스템 가격을 실제 보급가능한 가격인 5백만원 이하로 저감시키는 것이 현 시점에서 가장 시급한 문제로 대두되어지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 그린홈 보급확대를 위한 건물용 연료전지의 보조기기인 블로워의 가격저감을 위한 연구의 일환으로 블로워의 안전성능 평가방법을 개발하여 보조기기의 가격저감 및 안전성을 확보하고자 한다. 1kW급 건물용 연료전지시스템의 여러 블로워 중 도시가스용 연료승압 블로워, 선택산화 공기 블로워, 버너 공기 블로워 및 캐소드 공기 블로워의 안전성능 평가방법을 제시함으로서, 국내 블로워 제조사의 설계방향을 제시하고 연료전지시스템의 안전성을 확인하고자 한다. 특히, 내구성, 기밀, 가혹조건시험 및 소음, 진동, 습도, 온도와 같은 내주위환경시험 등의 평가결과를 제조사에 feedback하여 안전성능 개선에 이바지하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 2008.04a
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• pp.101-108
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• 2008

Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are promising power generation devices which are ideal for residential and automobile applications, thanks to their fast transient characteristics. However, liquid water produced in PEM fuel cells should be properly managed to enhance the performances and durabilities of the cells. In this study, a visualization experiment was conducted to investigate the flow behavior of water droplets in cathode channels. The visualization experiment was done with four different model flow channels which were made by varying the material (Acrylic and Teflon) and the channel width (1 mm and 2 mm). Acrylic is hydrophilic (contact angle is about $80^{\circ}$) while Teflon is hydrophobic (contact angle is about $120^{\circ}$). A computational fluid dynamics (CFD) analysis was also performed to compare the observed and the simulated two-phase water/air flow characteristics in cathode channels. The computational models were made to be consistent with the geometries and surface properties of the model flow channels. Both the experimental and numerical results showed that the Teflon cathode channel with 1 mm width has the best water management performance among four model flow channels considered. A close correlation was found between the experimental visualization results and the numerical CFD simulation results.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.24 no.2
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• pp.121-125
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• 2013

In this work, we prepared the carbon paper from chopped carbon fibers using a gas diffusion matrix in polymer electrolyte membrane fuel cells by wet processing. The process of making carbon paper using wet processing is consisted of the three steps involving the dispersion of chopped carbon fibers, the preparation of the carbon fiber web, the impregnating of phenol resin. This work was focused on finding the optimal surfactant to make the carbon paper with 2D orientation of carbon fibers by investigating the dispersion state of carbon fibers in different dispersion solutions. Furthermore, the effect of phenol resin and carbon black contents on properties of electric conductivity was analyzed. As a result, it is confirmed that the carbon fiber was well dispersed when using sodium dodecyl sulfate as a surfactant, and the carbon paper with 8 wt% of phenol and 5 wt% of carbon black contents showed the most excellent electrical property.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.35 no.5
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• pp.487-490
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• 2011

We used X-ray tomography to carry out an experimental study to visualize the effect of freeze and thaw cycles on the gas diffusion layer (GDL) in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). A PEMFC has freeze and thaw cycles if the fuel cell is operating at a below-freezing ambient temperature. The cycle permanently deforms the fuel-cell capillary structures and reduces the ability of the cell to generate electric power and also reduces its service life. The GDL is the thickest capillary layer in the fuel cell, so it experiences the most deformation. The X-ray tomography facility at the Pohang Accelerator Laboratory was used to observe the structural changes in GDLs induced by a freeze and thaw cycle. We discuss the effects of these structural changes on the power production and service life of PEMFCs.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.90.2-90.2
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• 2011

세계 각 국에서는 선진국을 중심으로 기후변화와 치솟는 유가에 대응하기 위하여 다양한 에너지원의 확보를 위해 부단히 노력하고 있다. 특히, 신재생에너지원 중 에너지 지속성이 가장 우수한 연료전지의 경우 1kW급 건물용 연료전지시스템이 도시가스 인프라가 가장 우수한 한국 및 일본을 중심으로 상용화에 가장 근접해 있는 실정이다. 일본의 경우 가정용 연료전지시스템 '에너팜'의 일부 제품이 올해부터 200만엔대로 가격을 내려 보급되어질 예정이고, 아직은 경제성이 떨어지지만 연료전지 조기 상용화를 위해 시스템 가격저감을 통한 기술개발이 한창이다. 또한 700W급 고체산화물형 연료전지시스템을 세계에서 처음 시판 계획을 가지고 있다. 국내의 경우 2009년도부터 시작된 '그린홈 보급확대를 위한 건물용 연료전지 보조기기 가격저감 기술개발'연구를 통해 블로워, 밸브, 유량계 및 펌프 등의 보조기기의 단가를 낮추고자 기술개발에 박차를 가하고 있다. 이에 따른 연료전지 부품 가격저감 기술이 국내 건물용 연료전지 시장보급의 활력소가 되기를 기대한다. 본 연구에서는 건물용 연료전지의 보조기기인 블로워의 가격저감을 위한 연구의 일환으로 블로워의 안전성능 평가를 통한 보조기기의 가격저감 및 안전성을 확보하고자 한다. 1kW급 건물용 연료전지시스템의 여러 블로워 중 도시가스용 연료승압 블로워, 선택산화 공기 블로워, 버너 공기 블로워 및 캐소드 공기 블로워의 안전성능 평가를 수행하였고, 평가결과의 공유를 통하여 국내 블로워 제조사의 설계방향을 제시하고 연료전지시스템의 안전성을 확인하고자 한다. 특히, 내구성, 기밀, 가혹조건시험 및 소음, 진동, 습도, 온도와 같은 내주위환경시험 등의 평가결과 비교를 통하여, 연료전지 부품 인증기준을 재정립하여 연료전지 부품산업의 조기 활성화를 도모하고자 한다.

• Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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• v.23 no.8
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• pp.48-56
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• 2009

This paper presents the power conversion system for TIG-welder using the fuel cell stack Generally, power supply for TIG-welder uses the front-ended diode bridge rectifier by common AC power source. In this case, power supply of TIG-welder increases in volume because of using bulky capacitor and diode-rectifier. Also, input current includes ripple and harmonics. Moreover, TIG-welder will be demand the power supply with lightweight and easy movement in the areas like as the islands and mountainous areas or the special environment are not use common AC power source. Thus, input power of the power conversion system for TIG-welder is used PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), and the power conversion system is comprised of full-bridge converter with function of boost converter and inverter welding source, in this paper. The proposed power conversion system which is power supply for TIG-welder was verified by computer simulations and experiments.