• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제34권6호
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• pp.673-681
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• 2023

Hydrocarbon-based polymer membranes to replace perfluorinated polymer membranes are being continuously researched. However, hydrocarbon-based membranes have a problem in that they are less durable than fluorine-based membranes. In this study, we sought to compare the annealing effect to improve the durability of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK). After membranes formation, thermogravimetric analysis and tensile strength were measured to compare changes in membranes properties due to annealing. After manufacturing the membrane and electrode assembly (MEA), the initial performance and chemical durability was compared with unit cell operation. During the 24-hour annealing process, the strength increased due to the increase in-S-O-S-crosslinking, and the sulfonic acid group decreased, leading to a decrease in I-V performance. By annealing, the hydrogen permeability was reduced to less than 1/10 of that of the nafion membrane, and as a result, open circuit voltage (OCV) and durability was improved. The SPEEK membranes annealed for 24 hours showed higher durability than the nafion 211 membranes of the same thickness.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제28권5호
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• pp.471-480
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• 2017

A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) operated at $150^{\circ}C$ was evaluated by a controlling different amount of phosphoric acid (PA) to a membrane-electrode assembly (MEA) without humidification of the cells. The effects on MEA performance of the amount of PA in the cathode are investigated. The PA content in the cathodes was optimized for higher catalyst utilization. The highest value of the active electrochemical area is achieved with the optimum amount of PA in the cathode confirmed by in-situ cyclic voltammetry. The current density-voltage experiments (I-V curve) also shows a transient response of cell voltage affected by the amount of PA in the electrodes. Furthermore, this information was compared with the production variables such as hot pressing and vacuum drying to investigate those effect to the electrochemical performances.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2006년도 추계학술대회
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• pp.316-319
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• 2006

There is a worldwide interest in the development and commercialization of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) for vehicular and stationary applications. One of the major objectives is the reduction of loaded electrode materials, which is comprise of the Pt-based noble metals. In this paper, a novel chemical strategy is described for the preparation and characterization of carbon-supported and surface-alloys, which were prepared by using a successive reduction process. After preparing Au colloid nanoparticles, the deposition of Au colloid nanoparticles occurred spontaneously in the carbon black-dispersed aqueous solution. Then nano-scaled active materials were formed on the surface of carbon-supported Au nanoparticles. The structural and electrochemical analyses indicate that the active materials were deposited on the surface of Au nanoparticles selectively and that an at toying process occurred during the successive reducing process The carbon-supported & surface-alloys showed the higher electrocatalytic activity than those of the particle-alloys and commercial one (Johnson-Matthey) for the reaction of methanol and formic acid oxidation. The increased electrocatalytic activity might be attributed to the effective surface structure of surface-alloys, which have a high utilization of active materials for the surface reaction of electrode.

• 신재생에너지
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• 제2권4호
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• pp.64-69
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• 2006

There is a worldwide interest in the development and commercialization of polymer electrolyte membrane fuel cells [PEMFCs] for vehicular and stationary applications. One of the major objectives is the reduction of loaded electrode materials, which is comprise of the Pt-based noble metals. In this paper, a novel chemical strategy is described for the preparation and characterization of carbon-supported and surface-alloys, which were prepared by using a successive reduction process. After preparing Au colloid nanoparticles, the supporting of Au colloid nanoparticles occurred spontaneously in the carbon black-dispersed aqueous solution. Then nano-scaled active materials were formed on the surface of carbon-supported Au nanoparticles. The structural and electrochemical analyses indicate that the active materials were deposited on the surface of Au nanoparticles selectively and that an alloying process occurred during the successive reducing process. The carbon-supported & surface-alloys showed the higher electrocatalytic activity than those of the particle-alloys and commercial one [Johnson-Matthey] for the reaction of methanol and formic acid oxidation. The increased electrocatalytic activity might be attributed to the effective surface structure of surface-alloys, which have a high utilization of active materials for the surface reaction of electrode.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제22권3호
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• pp.283-291
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• 2011

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) use the bipolar plate of various materials between electrolyte and contact electrode for the stable hydrogen ion exchange activation. The bipolar plate of various materials has representatively graphite and stainless steel. Specially, stainless steels have advantage for low cost and high product rate. In this study, SUS 316 was effectively coated with 600 nm thick F-doped tin oxide (SnOx:F) by electron cyclotron resonance-metal organic chemical vapor deposition and investigated in simulated fuel cell bipolar plates. The results showed that an F-doped tin oxide (SnOx:F) coating enhanced the corrosion resistance of the alloys in fuel cell bipolar plates, though the substrate steel has a significant influence on the behavior of the coating. Coating SUS 316 for fuel cell bipolar plates steel further improved the already excellent corrosion resistance of this material. After coating, the increased ICR values of the coated steels compared to those of the fresh steels. The SnOx:F coating seems to add an additional resistance to the native air-formed film on these stainless steels.

• 에너지공학
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• 제20권3호
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• pp.171-177
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• 2011

본 연구에서는 폴리비닐알코올(PVA)을 전해질 막으로 이용하기 위하여 가교제로서 글루타르알데히드(GLA)와 무기물 첨가제로 알루미늄실리케이트($Al_2O_3{\cdot}3SiO_2$)를 사용하여 PVA/GLA/$Al_2O_3{\cdot}3SiO_2$ 복합막을 제조하였다. PVA/GLA/$Al_2O_3{\cdot}3SiO_2$ 복합막은 GLA의 비율이 증가함에 따라 함수율이 감소되었고, 알루미늄실리케이트 함량이 증가함에 따라 함수율 향상이 예상되어 수소이온 전도도가 향상되는 경향을 보였다. 제조된 고분자의 가교결합은 IR과 함수율의 경향성으로 확인되었다. 제조된 고분자의 열분석은 TGA에 의해 수행되었다. TGA의 분석결과 PVA/GLA 복합막은 가교결합으로 인하여 PVA보다 열안정성이 우수하였으며, 복합막의 알루미늄실리케이트의 비율이 증가할수록 열안정성이 더욱 증대되는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서 제조된 복합막은 열안전성을 갖으며 $60^{\circ}C$까지는 양이온전도도가 증가하는 경향을 갖지만 $90^{\circ}C$로 온도가 높아짐에 따라 성능이 낮아지는 경향을 보였다. 따라서 보다 적극적인 노력을 통하여 향후 이온전도성 복합 전해질막으로 적용 가능성을 타진해야 할 것으로 기대된다.

• 에너지공학
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• 제19권2호
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• pp.73-80
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• 2010

고체산화물연료전지(SOFC)는 청정에너지기술로써 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환한다. SOFC는 열병합발전과 결합하여 80%이상의 효율을 올릴 수 있으며 천연가스와 바이오가스 등 연료에 대한 융통성이 폴리머전해질막연료전지(PEMFC)보다 높다. YSZ전해질과 함께 SOFC에 주로 채용되는 공기극 재료는 아직까지 Sr이 첨가된 $LaMnO_3$(LSM)이다. LSM 이외에, 혼합전도성을 가지는 페로브스카이트로서 Sr첨가 $LaCoO_3$(LSCo), $LaFeO_3$(LSF), $LaFe_{0.8}Co_{0.2}O_3$(LSCF)는 공기극 임피던스가 LSM에 비해 현저히 낮아 연구가 증가하고 있다. 그러나 SOFC전극의 소결온도에서 YSZ과 고체반응을 일으키는 문제점과 열팽창 계수가 YSZ와 격차가 크게 나는 문제점 때문에 전극 제조가 복잡하다. 따라서 전해질과의 화학적 안정성 및 유사한 열팽창계수(TEC)를 가지면서 우수한 전기화학활성을 제공하는 것이 해결해야할 중요한 문제로 남는다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제61권1호
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• pp.58-61
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• 2023

PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)는 초기 성능향상을 위해 활성화(Activation) 과정이 필수적이다. 제일 많이 사용되는 활성화 방법은 전압변화(부하변화) 방법으로 과잉으로 진행될 경우 전극 촉매 열화를 동반할 수 있다. 많은 활성화 과정에서 전압변화 범위를 0.4 V에서 OCV 까지 넓은 범위에서 활성화를 진행시키는데 전극 촉매 열화 방지와 활성화 시간을 단축시키기 위해 전압변화 범위를 감소시키는 연구가 필요하다. 그래서 본 연구에서는 활성화 전압범위를 0.4~0.6 V, 0.4~0.8 V, 0.4~OCV로 했을 때 성능과 전극, 고분자막의 특성 변화를 분석해 효과적인 활성화 방법을 연구개발하고자 하였다. 0.4 V에서 제일 높은 OCV 까지 전압 범위를 넓힌 활성화에서 성능 향상도 제일 낮고 56 사이클 활성화 했을 때 활성화 전보다 오히려 성능이 10% 감소했다. 0.4~0.6 V 활성화 사이클에 의해 성능이 최고 20%까지 제일 높게 향상되고 과잉 활성화에 의한 성능 감소도 제일 작아서 최적 임을 보였다.

• 공업화학
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• 제22권3호
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• pp.255-260
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• 2011

$K^{+}-{\beta}^{{\prime}{\prime}}$-alumina pellet를 이온교환 매체인 ammonium nitrate 수용액과 용융염으로 각각 이온교환하여, 고온형 PEMFC 전해질로 기대되는 무기소재인 $NH_4{^+}-{\beta}^{{\prime}{\prime}}$-alumina를 제조하였다. 고압반응기의 실험조건으로 온도는 130, 150, 170, $200^{\circ}C$ 에서, 시간은 2 h 간격으로 2 h에서 8 h까지 수열반응을 실시하였으며 이 때의 수용액의 농도는 5 M과 10 M을 사용하였다. 또한 $200^{\circ}C$의 가열기 위에서 ammonium nitrate를 완전히 녹여 용융염 상태의 ammonium nitrate를 이용하여 2 h 간격으로 2 h에서 8 h까지 이온교환을 실시하였다. 이온교환반응의 반복횟수에 따른 영향을 알아보기 위하여 재이온교환반응을 3차까지 반복해서 실험하였다. 이후 이온교환 된 $NH_4{^+}-{\beta}^{{\prime}{\prime}}$-alumina 구조체의 상 안정성, 이온교환율을 각각 X선 회절기(Rigaku Rint 2000, Japan)와 ICP-AES (Spectro, Modular EOP)를 사용하여 분석하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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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.