고온 고분자 전해질막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 CO 내 성이 높고 물 관리가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 높은 온도에서의 작동으로 막의 손상이 쉬우며, 이로 인한 재구매 비용 을 결코 무시할 수 없어 반복 실험에 제약이 따른다는 단점이 있다. 이런 단점을 해결하기 위해, 여러 물리적 현상 간 상호작 용을 정밀하게 계산할 수 있는 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 이용하여 실제 셀의 성능을 예측하는 연 구에 대한 관심이 증가하고 있다. 하지만, HT-PEMFC를 비롯한 여러 연료전지 모델을 모사하는 논문에서는 다차원 모델에 대한 분석이 많이 보고되지 않아 어떤 모델이 실제와 적합한지 알기 힘들다. 따라서, 본 연구에서는 CFD를 활용하여 Butler –Volmer 방정식에 지배받는 1D와 2D HT-PEMFC 모델을 제작하였으며, 전해질막 전도도에 따른 성능을 분석하였다. 이를 통해, 다차원 모델 각각의 특징과 한계를 알아보고자 하였다.

음이온 교환막(AEM) 수전해용 AEM 소재 개발은 재생 에너지를 활용한 수소 생산 기술을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 소재를 설계하고 최적화하는 데 분자동역학 전산모사가 유용하게 사용되지만, 전산모사 결과의 정확도 는 사용된 force-field에 크게 의존한다. 본 연구의 목적은 AEM 소재의 구조와 이온 전도 특성을 예측할 때 force-field 선택 이 미치는 영향을 체계적으로 조사하는 것이다. 이를 위해 poly(spirobisindane-co-aryl terphenyl piperidinium) (PSTP) 구조를 모델 시스템으로 선택하고 COMPASS III, pcff, Universal, Dreiding 등 네 가지 주요 force-field를 비교 분석하였다. 각 force-field의 특성과 한계를 평가하기 위해 298~353 K의 온도 범위에서 수화 채널 형태, 물 분자와 수산화 이온의 분포, 수산 화 이온 전도성을 계산하였다. 이를 통해 AEM 소재의 분자동역학 전산모사에 가장 적합한 force-field를 제시하고, 고성능 AEM 소재 개발을 위한 계산 지침을 제공하고자 한다.