• Korean Chemical Engineering Research
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• 제61권2호
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• pp.189-195
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• 2023

PEMFC(고분자 전해질 막 연료전지) cathode 촉매로 Pt-Co/C가 내구성 향상 때문에 최근에 많이 사용되는 추세이다. 연료전지에서 전극과 전해질은 상호 간에 성능과 내구성 면에서 밀접하게 영향을 준다. Pt/C 전극 촉매에서 Pt-Co/C로 대체되었을 때 고분자 전해질막의 전기화학적 내구성에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. PEMFC 고분자막의 전기화학적 가속 열화 과정에서 Pt-Co/C MEA(막전극접합체)의 내구성이 Pt/C MEA 내구성보다 높았다. FER (불소유출속도)와 수소투과도를 분석한 결과 Pt-Co/C MEA의 고분자막 열화속도가 Pt/C MEA보다 낮음을 보였다. OCV(개회로전압) holding 과정에서 Pt-Co/C 전극의 활성면적 감소속도가 Pt/C 전극보다 낮고, 고분자막에 석출되는 Pt 양도 Pt-Co/C MEA가 Pt/C MEA보다 작았다. 고분자막 내부의 Pt는 라디칼을 생성해서 고분자막을 열화시킴으로 Pt 석출 속도가 높은 Pt/C MEA의 고분자막 열화속도가 높게 나타났다. Pt-Co/C 촉매를 사용하면 전극 내구성도 향상되고, 고분자막에 석출되는 Pt양도 감소해서 고분자막의 전기화학적 내구성을 향상시켰다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2006년도 춘계학술대회
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• pp.99-102
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• 2006

Optimal flow-field design of bipolar-plates for a commercial class PEM(polymer electrolyte membrane) fuel cell stack was carried out on the basis of three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) simulation. A three-dimensional CFD model originally developed by Shimpalee et al., has been utilized for performing large-scale simulation of a single fuel cell consisting of bipolar-plates gas diffusion layers, and a membrane-electrode-assembly(MEA). The CFD model is able to predict the current density, pressure drops, gas velocities, vapor and liquid water contents, temperature distributions, etc. inside a single fuel cell. Depending on simulation results from the CFD modeling of a PEM fuel cell, several flow-fields of bipolar-plates were designed and verified. The final design of the bipolar-plate has been chosen from the simulations and experimental tests and showed the best performance as expected from the simulation results under a normal operating condition. Thus, the CFD simulation approach to design the optimal flow-field of the bipolar-plates was successful. The final design was adopted as the best flow-field to build a commercial scale PEM fuel cell stack, the performance of which shows about 42% higher than that of the older bipolar-plate design.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제27권1호
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• pp.29-35
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• 2016

It is important to uniformly supply the fuel gas into the reaction activity area in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). Recent studies have shown that the cell performance can be significantly improved by employing metal foam gas distributor as compared with the conventional bipolar plate types. The metal foam gas distributor has been reported to be more efficient to fuel transport. In this study, three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations have been performed to examine the effects of metal foam flow field design on the fuel supply to the reaction site. Darcy's law is used for the flow in the porous media. By solving additional advection equation for fluid particle trajectory, the gas transport has been visualized and examined for various geometrical configuration of metal foam gas distributor.

• Design & Manufacturing
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• 제11권3호
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• pp.51-55
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• 2017

Micro fuel cells have high reliability and long usage time. Among them, PEMFC (polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is suitable as a portable power source because it is easy to fix electrolyte and simple structure. The bipolar plate, a key component of the fuel cell, is produced by cutting. In the case of micro fuel cell separator, burr is very small and the flow channel size in the separator is very small. Therefore, it is difficult to remove burrs in the usual way such as a brushing or ultra-sonic method. Therefore, this study proposed electrolytic polishing process and analyzed the characteristics of each condition by introducing the concept of roughness reduction rate. In addition, the ultrasonic process was added to analyze the effect of ultrasonic addition.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제14권2호
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• pp.114-121
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• 2003

Hydrogen generation system using aqueous $NaBH_4$ solution was developed for feeding small polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Ru was selected as a catalyst with its high activity for the hydrogen generation reaction. Hydrogen generation rate was measured with changing the solution temperature, amount of catalyst loading, $NaBH_4$ concentration, and NaOH (a base-stabilizer) concentration. A passive air-breathing 2 W PEMFC stack was operated on hydrogen generated using $20wt%\;NaBH_4+5wt%$ NaOH solution and Ru catalyst.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제22권5호
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• pp.569-578
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• 2011

The $SiO_2$ membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) are preapared by electrospinning method. It leads to high porosity and surface area of membrane to accommodate the proton conducting materials. The composite membrane was prepared by impregnating of Nafion ionomer into the pores of electrospun $SiO_2$ membranes. The $SiO_2$:heteropolyacid (HPA) nano-particles as a inorganic proton conductor were prepared by microemulsion process and the particles are added to the Nafion ionomer. The characterization of the membranes was confirmed by field emission scanning electron microscope (FE-SEM), thermogravimetry analysis (TGA), and single cell performance test for PEMFC. The Nafion impregnated electrospun $SiO_2$ membrane showed good thermal stability, satisfactory mechanical properties and high proton conductivity. The addition of the $SiO_2$:HPA nano-particle improved proton conductivity of the composite membrane, which allow further extension for operation temperature in low humidity environments. The composite membrane exhibited a promising properties for the application in high temperature PEMFC.

• 에너지공학
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• 제25권3호
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• pp.66-72
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• 2016

본 연구에서는 술폰화된 sodium 5,5'-carbonylbis(2-fluorobenzene sulfonate) 단량체를 이용하여 친수성 올리고머를 합성한 뒤 소수성 올리고머와 1:1로 공중합반응을 시켜 sulfonated poly(arylene ether ketone) (SPAEK) 공중합체를 합성하였다. 제조한 공중합체의 구조 분석은 $^1H$-NMR, FT-IR, GPC를 사용하여 실시하였고, GPC에서 공중합체의 평균분자량은 $209,700g\;mol^{-1}$, 다분산지수(PDI)는 1.25이었다. 열적 안정성을 확인하기 위하여 TGA 분석을 실시하였고, $200^{\circ}C$이상에서의 열 안정성을 확인하였다. 고분자 전해질 막의 양이온 전도도는 상대습도 100%, $80^{\circ}C$의 온도에서 약 $9.0mS\;cm^{-1}$이었다. 측정된 결과로부터 본 연구에서 제조한 탄화수소계 전해질 막은 술폰화 정도를 증가시키거나 약간의 구조적 변형을 통해 연료전지용 고분자 전해질 막으로 적용 가능할 것으로 기대된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권3호
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• pp.338-343
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• 2019

고분자전해질 연료전지에서 전해질막의 물이동과 함수율은 고분자막의 성능에 많은 영향을 미친다. 본 연구에서는 간단한 방법에 의해 물이동에 관한 고분자막의 물성(전기삼투계수, 물 확산계수)을 측정하고 이들을 이용해 막을 통한 물의 이동량과 이온전도도를 모델식에 의해 모사한 후 실험값과 비교하였다. 물이동의 구동력은 전기삼투와 확산만이 라고 본 1차원 정상상태 지배방정식을 매트랩으로 수치해석하였다. $144{\mu}m$ 두께의 고분자막의 전기삼투계수를 수소펌핑셀에서 구한 결과 1.11을 얻었다. 물확산계수를 상대습도의 함수로 나타냈고 물확산에 대한 활성화에너지는 $2,889kJ/mol{\cdot}K$였다. 이들 계수를 적용해 모사한 물이동량과 이온전도도 결과는 실험값과 잘 일치함을 보였다.

• 전기화학회지
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• 제16권1호
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• pp.52-58
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• 2013

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 상용화를 위해 해결해야 할 과제 중의 하나인 가격 저감을 이루기 위한 방법으로 백금 촉매를 대신할 비귀금속(non-precious metal) 촉매 제조에 관한 연구를 수행하였다. 비귀금속 촉매의 합성은 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)의 활성점으로 알려져 있는 코발트-질소(Co-N) 결합을 형성하기 위해 질소를 포함하는 폴리아닐린(PANI)과 코발트염(Co precursor), 그리고 카본 블랙(C)을 일정한 비율대로 혼합한 후 특별한 열처리 과정 없이 단순한 화학적 환원법에 제조되었다. 제조된 Co-PANI-C 복합 촉매의 구조 분석을 위해 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)과 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA)을 실시하였고, ORR에 대한 활성을 평가하기 위해 rotating disk electrode(RDE) 및 rotating ring disk electrode(RRDE) 측정을 수행하였다. 그 결과 Co-PANI-C 복합 촉매는 ORR반응에 대한 개시 전압은 백금 촉매보다 60 mV 밖에 낮지 않은 값을 보였지만, 반응에 의해 발생되는 환원 전류는 여전히 백금 촉매보다 낮은 값을 보였다. 이 밖에도 전극 회전 속도에 따른 ORR 특성 변화, 전압 사이클 회수에 따른 내구성 변화, 연료전지 적용 시 성능 변화에 대해 논의할 것이다.

• 청정기술
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• 제14권1호
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• pp.61-68
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• 2008

연료전지기술은 환경적으로 유해한 오염물질을 발생시키지 않으려, 높은 에너지 밀도를 가지는 청정에너지기술이다. 특히 고분자전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 넓은 응용분야로 인해 최근 큰 관심을 받고 있으며, 폭넓은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 단위전지 내 연료극(anode) 및 공기극(cathode) 촉매 층을 대상으로 고분자전해질연료전지의 운전시간 경과에 대한 성능변화 및 안정성을 예측하는 모델링을 수행하였다 촉매층에서 발생하는 단위전지의 주요한 성능감소 원인으로 연료극에서의 일산화탄소 피독 현상을 고려하였다. 전지의 장기간 운전모델링 결과 연료극에 공급되는 기체 내의 일산화탄소 비율이 클수록 단위전지성능의 안정성이 크게 감소되는 것으로 나타났다. 또한 장기 운전시 공기극의 느린 산소환원반응과 백금의 용해와 소결에 의해 전지의 성능이 감소되는 것으로 나타났다. 이들을 극복하는 방안으로 연료극에 공급되는 수소의 비율을 높이고 공기극의 촉매층 내에 있는 백금양을 높이는 것을 제안하고자 한다.