직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 연료의 개질 없이 메탄올 연료를 공급하여 수소이온과 전자 생성을 통해 전류를 생산하는 에너지 변환 장치이다. 현재 DMFC에 적용되고 있는 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 높은 수소이온 전도도와 물리화학적 안정성을 갖는 과불소화계 이오노머를 활용한 PEM이지만, 높 은 메탄올 투과율과 분해 시 발생되는 환경 오염 물질 등의 문제로 인해 신규 소재 개발이 요구되고 있다. 최근 들어, 과불소 화계 이오노머에 비해 낮은 연료 투과율 및 우수한 물리화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 PEM을 DMFC에 적 용하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설에서는 탄화수소계 고분자 기반 PEM 중 1) 친수성/소수성 영역의 뚜렷한 나노 상분 리 구조를 나타내는 가지형 공중합체를 합성하여 수소이온 전도성과 메탄올의 선택도를 향상시킨 연구, 2) 제막 단계에서 가 교 구조를 도입하여 메탄올 투과율을 감소시키고 치수 안정성을 향상시킨 연구, 3) 유/무기계 첨가제 및 다공성 지지체를 도 입하여 성능을 개선한 복합 막 개발 연구에 대해 소개하고자 한다.

Chitosan powder is synthesized by a deasetylation process of chitin, obtained from processing of dried shrimp shell powder. Subsequently, chitosan (CS) membranes filled by montmorillonite (MMT) particles and phosphotungstic acid are prepared, and characterized by FT-IR and SEM. The morphology, obtained by SEM for the composite membrane, showed that MMT filler is successfully incorporated and relatively well dispersed in the chitosan polymer matrix. Water and methanol uptake for the CS/MMT composite membranes decrease with increasing MMT loadings, but IEC value increases. In all prepared CS/ MMT composite membranes, the CS membrane filled by 5 wt% MMT particles exhibits the best proton conductivity, while that with 10 wt% MMT loading exhibits the lowest methanol permeability; these values are 2.67 mS·cm−1 and 3.40 × 10−7 cm2·s−1, respectively. The best membrane selectivity is shown in the CS/MMT10 composite membrane; this shows that 10 wt% filled MMT is the optimum loading to improve the performance of the chitosan composite membrane. These characteristics make the developed chitosan composite membranes a promising electrolyte for direct methanol fuel cell (DMFC) application.

In this study, a membrane electrode assembly(MEA) composed of three electrodes(anode, cathode, and reference electrode) is designed to investigate the effects of methanol concentration on the overpotentials of anode and cathode in direct methanol fuel cells(DMFCs). Using the three-electrode cell, in-situ analyses of the overpotentials are carried out during direct methanol fuel cell operation. It is demonstrated that the three-electrode cell can work effectively in transient state operating condition as well as in steady-state condition, and the anode and cathode exhibit different overpotential curves depending on the concentration of methanol used as fuel. Therefore, from the real-time separation of the anode and cathode overpotentials, it is possible to more clearly prove the methanol crossover effect, and it is expected that in-situ analysis using the three-electrode cell will provide an opportunity to obtain more diverse results in the area of fuel cell research.

Physical and electrochemical qualities were analyzed after KOH activation of a direct methanol fuel cell using needle coke as anode supporter. The results of research on support loaded with platinum-ruthenium suggest that an activated KOH needle coke container has the lowest onset potential and the highest degree of catalyst activity among all commercial catalysts. Through an analysis of the CO stripping voltammetry, we found that KOH activated catalysis showed a 21% higher electrochemical active surface area (ECSA), with a value of 31.37 m2/g, than the ECSA of deactivated catalyst (25.82 m2/g). The latter figure was 15% higher than the value of one specific commercial catalyst (TEC86E86).

Carbon-supported Pt catalyst systems containing defect adsorption sites on the anode of direct methanol fuel cells were investigated, to elucidate the mechanisms of H2 dissociation and carbon monoxide (CO) poisoning. Density functional theory calculations were carried out to determine the effect of defect sites located neighboring to or distant from the Pt catalyst on H2 and CO adsorption properties, based on electronic properties such as adsorption energy and electronic band gap. Interestingly, the presence of neighboring defect sites led to a reduction of H2 dissociation and CO poisoning due to atomic Pt filling the defect sites. At distant sites, H2 dissociation was active on Pt, but CO filled the defect sites to form carbon π-π bonds, thus enhancing the oxidation of the carbon surface. It should be noted that defect sites can cause CO poisoning, thereby deactivating the anode gradually.

본 연구는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있는 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)에 대해 mutiscale 기법을 사용하여 DMFC의 MEA부분에 대한 상세 모델링 및 전산모사를 통한 이론적 고찰을 시도하였다. 본 연구에서 이용한 multiscale 모델링 방법은 공정시스템 공학의 kinetic 중심의 모델링 방법과 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 유동중심의 모델링 방법을 유기적으로 결합하여 모사 중간에 필요한 데이터 교환을 함으로써 정확한 모델링 및 전산모사 결과를 얻었다. CFD 모델링으로 유체 이동현상을 3차원으로 해석하였고, 동시에 복잡한 비선형 대수방정식으로 표현되는 반응속도, 전기화학반응을 DAE (Differential & Algebraic Equation) solver로 계산하였다. 모델은 메탄올의 산화반응과 산소의 환원반응을 중심으로 MEA (Membrane Electorde Assembly)부분에서 물리화학적, 전기적 현상 현상을 규명하고, 반응 메커니즘을 구성하였다. MEA 모델은 3차원 공간에서 변위를 가지는 3차원 모델로 구성하였으며, 정상상태 및 등온공정의 조건하에 수립되었다. 이를 통해 channel을 포함한 MEA 부분에서 발생되는 물리적, 화학적, 전기적 현상을 정확히 예측 할 수 있다. 본 연구를 통해 수행된 결과는 DMFC의 실험계획 및 운전조건을 도출함에 있어 매우 유용한 역할을 할 수 있을 것으로 사료되며, 추가적인 연구를 통해 DMFC의 상용화에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 사료된다.

Carbon nanofiber (CNF) grown catalytically was chemically activated with KOH to attain structural change of CNF. The structural changes of CNF through KOH activation were investigated by using BET and SEM. From the results of BET, it was found that KOH activation was effective to develop particular sizes of pores on the CNF surface, increasing the surface area of CNF. Activated CNF was applied as an anode catalyst support of fuel cell. The effects of different activation conditions including the activation temperature and the activation time on the specific surface area of the CNF activated with KOH were investigated to obtain appropriate structure as a catalyst support. The 60 wt% Pt-Ru catalyst prepared was observed by using TEM and XRD.

본 연구에서는 SEBS와 여러 가지의 유기화물로 처리된 MMT type의 clay를 이용하여 SSEBS-clay 하이브리드 막을 용액법으로 제조하였다. clay의 함량은 5 phr로 고정하였다. 용액법을 사용하여 clay를 SEBS에 분산시켰으며, 제조된 SSEBS-clay 하이브리드에서 clay의 특성피크가 완전히 박리되거나 이동하는 XRD 결과로부터 고분자의 clay 층간삽입을 확인하였다. Clay의 종류에 따라서 제조된 SSEBS-clay 하이브리드 막의 가스투과도, 기계적 물성 및 열적 성질을 측정하였다. SSEBS-clay 하이브리드 막은 clay 자체의 도입과 층간거리의 확대로 기체분자의 tortuosity를 증가시켜서 가스투과도를 저하시키는 것을 확인하였다.

Platinum catalysts for the DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) were impregnated on several carbon supports and their catalytic activities were evaluated with cyclic voltammograms of methanol electro-oxidation. To increase the activities of the Pt/C catalyst, carbon supports with high electric conductivity such as mesoporous carbon, carbon nanofiber, and carbon nanotube were employed. The Pt/e-CNF (etched carbon nanofiber) catalyst showed higher maximum current density of and lower on-set voltage of 0.54 V vs. NHE than the Pt/Vulcan XC-72 in methanol oxidation. Although the carbon named by CNT (carbon nanotube) series turned out to have larger BET surface area than the carbon named by CNF (carbon nanofiber) series, the Pt catalysts supported on the CNT series were less active than those on the CNF series due to their lower electric conductivity and lower availability of pores for Pt loading. Considering that the BET surface area and electric conductivity of the e-CNF were similar to those of the Vulcan XC-72, smaller Pt particle size of the Pt/e-CNF catalyst and stronger metal-support interaction were believed to be the main reason for its higher catalytic activity.

Sulfunated poly(ether ether ketone) (SPEEK) (60%)와 Poly(ether sulfone) (PES) (40%)의 블렌드에 다양한 종류의 polysilsesquioxane (PSQ)구를 첨가하여 전해질 막을 제조하였다. 이 때 PSQ구의 양은 10 wt%로 고정하였다. 제조된 막을 사용하여 PSQ 구의 종류에 따른 메탄올 투과도, 수소 이온 전도도, 그리고 이온 교환 용량의 변화를 측정한 결과 모든 경우에 있어서 수소 이온 전도도와 메탄올 투과도가 Nafion 117보다 낮았으며 PSQ 구를 함유하지 않은 SPEEK/PES(6:4) 블렌드보다는 높았다. 특히, MS64구와 VTMOS구를 포함한 전해질 막의 경우에는 수소 이온 전도도와 메탄올 투과도의 비로 나타내는 선택도가 25℃에서 Nafion 117보다 2배 이상 높았다.

본 연구에서는 polyvinylalcohol(PVA)의 hydroxyl 작용기와 sulfosuccinic acid (SSA)의 carboxylic acid 작용기의 반응을 통하여 열가교된 PVA막을 제조하였다. 설폰산기를 함유한 SSA는 PVA 매트릭스에 대한 가교제의 역할뿐만 아니라 수소이온의 전도도를 높이는 역할 모두를 수행하였다. PVA의 가교도(degree of crosslinking)는 SSA의 함량으로 조절하였고 가교밀도(crosslinking density)는 극성 및 비극성 용매를 이용하여 계산하였다. Xylene 및 benzene과 같은 비극성 용매를 사용한 경우 가교밀도는 SSA함량에 따라 증가하였다. 그러나, 물과 methanol과 같은 극성 용매를 사용한 경우 가교밀도는 SSA함량 20%까지 증가하다가 그 이상의 함량에서는 설폰산기의 영향으로 감소하였다. 가교도와 확산계수, 기계적 물성 및 전도도, 메탄올 투과도 등에 대한 PVA막의 특성을 평가하였고 이들 특성은 SSA함량에 의존하였다.

술폰화 폴리스티렌/테플론(Polystyrene/Teflon, 이하 'PS/PTFE'로 칭함) 복합막을 제조하여 직접 메탄을 연료전지용 막에 관한 특성을 조사하였다. 복합막은 다음과 같이 제조되었다. 먼저 다공성 테플론 필름에 styrene 단량체와 가교제인 diviny benzene (이하 'DVB'로 칭함)의 비율을 달리하면서, 개시제 2,2'-azobis(isobutylonitlie) (AIBN)와 함께 함침시킨 후 열을 가해 폴리스티렌/테플론 복합막을 제조하였다. 그 후 술폰화제인 chlorosulfonic acid와 1,2-dichloroethane혼합용액을 사용하여 술폰화된 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막의 술폰화 전과 후의 물리화학적 구조는 ATR-FTIR, SEM, THF 및 물에 대한 함유율, 이들의 이온교환량을 통하여 확인하였다. 이러한 결과로부터 스티렌/디비닐벤젠의 비율에 따라 복합막이 성공적으로 제조되었음을 확인하였다. 또한 가교제인 디비닐벤젠의 함량이 높을수록, 가교도가 증가하여 물 및 THF에 대한 함유율이 감소하였다. 이온전도도, 메탄올투과도를 조사한 결과, 디비닐벤젠의 함량 증가와 함께 이온전도도는 감소하였으며, 메탄올 투과도가 감소하였다. 제조된 술폰화된 폴리스티렌/테플론 복합막은 Nafion(R) 과 비교할 만한 높은 이온 전도도(0.11∼0.08 S/cm, 25℃)를 보이면서 훨씬 낮은 메탄올 투과도(6.6×10-7∼1.3×10-7 cm2/s)를 나타내었다. 이러한 결과들은 본 연구에서 개발된 복합막이 직접 메탄올 연료전지에 적용될 가능성이 높다는 것을 보여준다.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is considered as a candidate technology for applications in stationary, transportation as well as electronic power generation purposes. To develop a high performance direct methanol fuel cell(DMFC), a competent electrolyte membrane is needed. The electrolyte membrane should be durable and methanol crossover must be low. One of the approaches to increase the stability of generally used polymer electrolyte membranes such as Nafion against swelling or thermal degradation is to bond it with an inorganic material physically or chemically. In Noritake Company, we have developed a novel method of reinforcing the polymer electrolyte matrix with inorganic fibers. Methanol crossover values measured were significantly lower than the original polymer electrolyte membranes. These fiber reinforced electrolyte membranes (FREM) were used for DMFC study and stable power output values as high 160 mW/cm2 were measured. The details of the characteristics of the membranes as well as I-V data of fuel cell stacks are detailed in the paper.

The Pt-Ru/Carbon as an anode catalyst supported on the commercial activated carbon (AC) having high surface area and micropore was characterized for application of Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). The Pt-Ru/AC anode catalyst used in this experiment showed the performance of 600 mA/cm2 current density at 0.3 V. The borohydride reduction process using NaBH4, denoted as a process A, showed much higher current and power densities than process B prepared by changing the reduction and washing process of process A. The particle sizes are strongly affected by the reduction process than the specific surface area of raw active carbon and the sizes are almost constant when the specific surface area of carbon are over than the 1200 m2/g. Smaller particle size of catalyst and more narrow intercrystalite distance increased the performance of DMFC.

본 연구는 직접메탄을 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell DMFC)용 전해질 막으로 이용되는 양이온교환막의 개발에 관한 것이다. 투과증발공정에서 메탄을 Barrier로 잘 알려져 있는 Poly(vinyl alcohol)을 Base polymer로 사용하고 양이온 교환기가 포함되어 있는 Poly(acrylic acid)를 가교제로 사용하여 가교제의 함량변화에 따른 메탄을 투과도(Methanol permeability) 이온전도도(Ion conductivity) 이온교환용량(Ion exchange capacity) 함수율(Water content) 고정이온농도(Fixed ion concentration)를 통해 막 특성을 측정하였다. 메탄올 투과도와 이온전도도는 가교제인 PAA함량이 증가함에 따라 감소하다가 15%이상에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 가교제의 함량증가로 인한 가교의 영향과 가교제에 포함되어 있는 친수성기의 도입으로 이와 같은 결과가 나타난다고 예상된다. 실험결과를 통해 DMFC에 적용가능성이 있는 막은 25℃ 50℃에서의 메탄을 투과도가 6.49×10-8/cm2/s 2.85×10-7/cm2/s 25℃ 50℃에서의 이온전도도가 2.66×10-3S/cm 9.16×10-3S/cm 이온교환용량이 1.32 meq/g membrane 함수율이 0.25 g H2O/g membrane 고정이온농도가 5.25 meq/g H2O인 PVA/PAA-160℃ 15% 막으로 예측된다.

Poly(ether ether ketone)(PEEK)를 황산을 사용하여 설폰화시킨 후 폴리설폰과 다양한 조성으로 혼합하여 블렌드 고분자 전해질 막을 제조하였고 조성의 변화에 따른 메탄을 투과도, 수소이온전도도, 그리고 이온교환용량의 변화를 측정하였다. 폴리설폰의 경우 이온전도도는 낮은 반면에 메탄올에 대한 저항은 우수하였다. 그러나, 설폰화된 PEEK의 양이 증가함에 따라 메탄을 투과도와 수소이온전도도가 함께 증가하였다. 이온전도도와 메탄을 투과도의 비로부터 폴리설폰의 양이 20%일 때 가장 좋은 선택성을 가지는 것을 알 수 있었다.

직접메탄올연료전지에 사용가능한 이온교환막을 개발하기 위하여 본 연구에서는 폴리설폰을 설폰화시켜 양이온교환막을 제조하였고 그에 대한 특성을 150℃에서 열처리 전과 후를 통해 메탄을 투과도, 이온전도도, 이온교환용량 그리고 함수율 등에 대하여 평가하였다. 폴리설폰 고분자의 단량체와 설폰화제의 몰비가 1.4일 때 메탄올 투과도는 2.87×10-7 ;cm2/s(열처리 안함), 1.52×10-7; cm2/s(열처리함)과 이온전도도는 1.10×10-2; S/cm (열처리안함), 0.87×10-2; S/cm(열처리함)을 각각 보여 주었다. 그 이후의 몰비에서는 거의 증가하지 않았으며, 이러한 경향은 함수율과 이온교환용량에서도 같은 경향을 보여주었다.