• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제22권1호
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• pp.60-68
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• 2011

[ $ZrO_2-TiO_2$ ]binary oxides with various Zr:Ti molar ratios were prepared by sol-gel method and Nafion$^{(R)}$/$ZrO_2-TiO_2$ composite membranes were fabricated for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) at high temperature and low humidity. Water uptake, Ion exchange capacity (IEC), and proton conductivity of Nafion$^{(R)}$/$ZrO_2-TiO_2$ composite membranes were characterized and these composite membranes were tested in a single cell at $120^{\circ}C$ with various relative humidity (R.H.) conditions. The obtained results were compared with the unmodified membranes (Nafion$^{(R)}$ 112 and Recast Nafion$^{(R)}$). A Nafion$^{(R)}$/$ZrO_2-TiO_2$ composite membrane with 1:3 of Zr:Ti molar ratio showed the highest performance. The performance showed 500 mW/$cm^2$ (0.499V) at $120^{\circ}C$, 50% R. H., and 2 atm.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제15권2호
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• pp.253-260
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• 2024

Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is an efficient method for utilizing renewable energy sources such as wind and solar powers to produce green hydrogen. For PEMWE powered by renewable energy sources, its durability is a crucial factor in its performance since irregular and fluctuating characteristics of renewable energy sources, especially for wind power, can deteriorate the stability of PEMWE. Triangular voltage cycle is well able to simulate fluctuating wind power, but its effect on the durability has not been investigated extensively. In this study, the performance degradation of the PEMWE cell operated with the triangular voltage cycling was investigated at different ramping rates. The measured current responses during the cycling gradually decreased for both ramping rates, and I-V curve measurements before and after the cycling confirmed the degradation of the performances of PEMWE. For both measurements, the degradation rate was larger for 300 mV s^-1 than 30 mV s^-1, and they were determined as 0.36 and 1.26 mV h^-1 (at the current density of 2 A cm^-2) at the ramping rates of 30 and 300 mV s^-1, respectively. The comparison with other studies on triangular voltage cycling also indicate that an increase in the ramping rate accelerates the deterioration of the PEMWE performance. X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy results showed that the Ir catalyst was oxidized and did not dissolve during the voltage cycling. This study suggests that the ramping rate of the triangular voltage cycling is an important factor for the evaluation of the durability of PEMWE cells.

• 멤브레인
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• 제32권5호
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• pp.292-303
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• 2022

이산화탄소 배출이 없는 고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 수송용, 발전용 시스템에 적용 가능한 친환경 에너지 변환장치이다. PEMFC의 주요 구성품 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 구동시간 동안의 높은 수소 이온 전도도와 물리화학적 안정성 갖춘 과불소화계 고분자(perfluorinated sulfonic acid, PFSA) 기반 PEM (PFSA-PEM)이 상용화 되어있다. 하지만 PFSA-PEM의 단점으로 지적되는 낮은 유리전이온도와 높은 기체 투과도의 보완이 요구되고 있다. 이에 본 총설에서는 PFSA-PEM의 성능 향상 및 단점 보완을 위해 1) PFSA의 측쇄부 길이를 조절함으로써 이온교환용량의 증가와 고분자의 결정성을 증가시켜 PFSA-PEM의 능력을 향상시킨 연구와 2) 유/무기 첨가제를 도입하여 수소 이온 전도도 및 물리적 안정성을 향상시키는 복합 막 연구 및 3) 다공성 지지체를 도입하여 PEM의 두께를 효과적으로 감소시켜 막 저항을 효과적으로 줄이고 내구성을 큰 폭으로 개선한 다공-충진막에 관한 연구를 소개하고자 한다.

• 전기화학회지
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• 제25권2호
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• pp.69-80
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• 2022

고순도 수소생산을 위한 음이온 교환막 수전해는 양성자 교환막 수전해 시스템에서 사용되는 기존 귀금속 촉매 대신 저렴한 비귀금속 기반 촉매를 사용하여 차세대 녹색 수소 생산 기술로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 음이온 교환막 수전해 기술은 개발 초기 단계이기 때문에 음이온 교환막 수전해의 핵심 요소인 음이온 교환막, 이오노머, 전극지지체 및 촉매에 관한 연구 수행이 필요하다. 그 중, 현재 촉매 분야에서 진행되고 있는 연구들은 기개발된 알칼리용 반쪽전지 촉매를 음이온 교환막 시스템에 적용하는 방향의 연구가 진행되고 있으며 적용된 촉매는 낮은 활성도와 내구성의 문제점을 가진다. 이에 본 총설은 알칼리성 매질에서 비귀금속 기반 촉매를 사용하여 산소발생반응 및 수소발생반응을 촉진시킨 촉매 합성 기술을 제시하였다.

• 멤브레인
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• 제16권4호
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• pp.241-251
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• 2006

본 연구에서, 랜덤(r-) 및 블록(b-) 구조를 가지는 가교 공중합 폴리이미드를 N,N-bis(2-hyoxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid와 pentanediol을 가교제로 사용하여 제조하였다. 비교를 위하여 가교되지 않은 r- 과 b- 술폰화 공중합 폴리이미드도 제조하였다. 술폰산기의 조성에 강한 의존성을 보이는 이온교환능 값은 r- 과 b- 술폰화 공중합 폴리이미드에서 서로 비슷한 경향을 나타냈다. 카르복실산 기의 dimerization을 통한 물리적 가교현상은, 가교되지 않은 b- 술폰화 공중합 폴리이미드 고분자의 평균 사슬 거리를 감소시켰으며, 결과적으로 함수율과 메탄올 투과도를 r- 술폰화 공중합 폴리이미드보다 감소시켰다. 동시에, 고분자의 평균 사슬 거리의 감소는 단위 부피당 fixed-charged 이온의 함량을 증가시켰고, 이렇게 높아진 liked-charged 이온 밀도는 b- 술폰화 공중합 폴리이미드의 수소이온 전도도의 향상에 기여하였다. 가교제 및 고분자 구조에 상관없이, 가교구조의 도입은 고분자 사슬간의 평균 거리를 감소시켰고, 메탄올 투과도를 낮추었다. 반면에, 수소이온 전도도는 향상되는 경향을 나타내었는데, 이는 수소이온의 전달을 담당하는 친수성 채널이 효과적으로 형성 될 수 있기 때문이다. 특히, 이러한 경향은 술폰산기를 가진 가교제로 가교된, r- 술폰화 공중합 플리이미드에서 뚜렷하게 나타났다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제35권5호
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• pp.473-480
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• 2011

막 가습기는 다른 가습장치와는 달리, 기생 전력의 손실이 없고 가습 성능이 우수하여 이온교환막 연료전지의 외부 가습을 위해 적용되고 있다. 원통형 막 가습기는 특히 가습성능에 비해 요구 체적이 매우 작기 때문에, 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용된다. 막가습기의 최적 설계를 위한 열 및 물질 전달 특성에 대한 이해가 필요하지만, 아직 다양한 연구가 이루어지고 있지 않다. 본 연구에서는 원통형 막가습기의 열 및 물질전달 특성을 이해하기 위한 특성 실험을 수행하였다. 기존의 습도 측정계는 비정상 가습 특성 실험에 한계가 있고, 정상 상태에서도 고온 다습한 환경에서는 오차가 크기 때문에 본 연구에서는 습증기 응축법을 이용하였다. 가습기의 정상상태 특성을 확인하기 위해 압력과 온도 변화에 대한 실험을 수행하였으며, 비정상 특성을 확인하기 위해 순간 유량 변화 시의 가습 성능을 측정하였다. 본 연구에서는 이상의 기초 실험을 통해서 막 가습기의 성능에 영향을 미치는 주요 인자를 확인하였으며, 원통형 막가습기의 기초적인 열 및 물질 전달 특성을 이해하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.98.2-98.2
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• 2011

For optimal performance of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), the membrane electrode assembly (MEA) requires hydration, and the membrane's conductivity depends on water content. A humidifier is required to ensure that the reactant gas, usually hydrogen and air, is hydrated before entering the fuel cell. Dry membrane operation or improper hydration causes performance degradation. Typically, the humidification of a fuel cell is carried out by means of an internal or external humidifier. A membrane humidifier is applied to the external humidification of transportation or residential power generation fuel cell due to its convenience and high performance. In this study, The experiments were constructed with a plate-type membrane humidifier in terms of geometric parameters and operating parameters. The results show that the temperature and pressure, the channel length, the membrane thickness and gas flow rate are critical parameters affecting the performance of the humidifier.

• 전기화학회지
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• 제10권4호
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• pp.235-238
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• 2007

과산화수소의 발생은 일반적으로 유기 산화제를 포함한 산업적 프로세스의 넓은 분야에 응용된다. 과산화수소는 펄프와 제지 공업의 기계적, 화학적 처리를 위하여 사용되고 염소를 기초로 둔 화학제품에 알칼리 처리로 사용된다. 본 연구에서는 Nafiom과 러시아 양이온 교환막인 MK-40, 제조된 SPEEK막을 가스확산전극이 포함된 과산화수소 발생용 전해 셀에서 비교 실험한다. 다른 양성자 교환막에 효과에 따른 과산화수소 발생의 전기화학적 셀의 전압과 전류 효율, 에너지 소모를 연구한다.

• 전기화학회지
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• 제17권1호
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• pp.44-48
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• 2014

양성자교환막연료전지에서 사용할 탄화수소계 전해질 막 (술폰산화 폴리아릴렌에테르설폰)의 산화안정성을 향상시키기 위하여 세륨이온이 도입된 전해질 복합막을 제조하였다. 세륨이온의 함유 농도에 따른 산화안정성의 변화를 관찰하였고, 함수율 및 수소이온전도도에 미치는 영향을 조사하였다. ICP 분석을 통해 세륨이온의 함침여부를 검증하였고, NMR 피크의 화학적 이동으로 금속이온과 술폰산 그룹과의 배위여부를 확인하였다. 세륨이온의 함량이 증가함에 따라 이온전도도 및 함수율은 감소하였으나, 산화안정성은 향상되었다. 특히, 과산화수소폭로 가속화장치를 이용하여, 기존의 펜톤산화실험에 비해 실제 연료전지운전과 매우 유사한 조건에서 전해질 막의 산화안정성을 평가하였다.

• 전기화학회지
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• 제18권2호
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• pp.75-80
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• 2015

방향족 친핵성 치환반응을 이용하여 멀티블록형 sulfonated poly(arylene ether sulfone)(SPAES) 공중합체를 합성하였다. 서로 다른 말단(F- 또는 OH-말단)을 가지는 친수성 및 소수성 올리고머를 합성한 후 이를 이용하여 고분자 전해질 막을 합성하였다. 각기 다른 말단이 블록공중합체의 분자량에 미치는 영향을 분석하였고, 서로 다른 친수성구조가 블록고분자의 특성에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 합성된 멀티블록고분자는 70%이상의 습도에서 나피온 막과 비슷하거나 우수한 이온전도도를 나타내었고, 특히 SPAES 9의 경우 전습도 영역에서 SPAES 10보다 높은 이온전도도를 보였는데, 이는 친수성 블록내의 술폰산기의 부분 농도가 높아짐에 따라 친수성-소수성 간의 상분리가 발달되어 이온전도도가 향상된 것으로 보인다.