고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 환경오염물질 배출이 없는 친환경 에너지 변환 장치로 주목을 받고 있다. PEMFC의 구성요소 중 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 음 극에서 발생되는 수소이온을 양극으로 전달하는 역할과 동시에 분리막으로써 연료의 투과를 차단하는 역할을 수행하는 핵심 소재이다. 대표적으로 NafionⓇ과 같은 과불소화계 고분자 전해질 막이 상용화 되어있지만 높은 단가 및 분해 시 환경오염물 질이 배출되는 단점이 존재하여, 이를 대체할 탄화수소계 고분자를 활용한 전해질 막 개발에 관한 연구들이 수행되고 있다. 높은 수소이온 전도도를 가지며 동시에 우수한 물리⋅화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 전해질 막을 개발하기 위해 가교 구조가 도입된 전해질 막을 개발하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설은 가교 전해질 막을 제조하기 위해 이온교 환 작용기가 도입된 탄화수소계 고분자를 활용하여 다양한 종류의 가교 전해질 막을 제조하는 방법에 대해 논하였다.

It is necessary to fabricate uniformly dispersed nanoscale catalyst materials with high activity and long-term stability for polymer electrolyte membrane fuel cells with excellent electrochemical characteristics of the oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction. Platinum is known as the best noble metal catalyst for polymer electrolyte membrane fuel cells because of its excellent catalytic activity. However, given that Pt is expensive, considerable efforts have been made to reduce the amount of Pt loading for both anode and cathode catalysts. Meanwhile, the atomic layer deposition (ALD) method shows excellent uniformity and precise particle size controllability over the three-dimensional structure. The research progress on noble metal ALD, such as Pt, Ru, Pd, and various metal alloys, is presented in this review. ALD technology enables the development of polymer electrolyte membrane fuel cells with excellent reactivity and durability.

화석연료 사용이 증가하면서 온실가스 및 대기오염가스 등의 환경오염 문제가 심각해졌다. 이를 해결하기 위한 신재생에너지, 친환경적인 대체에너지원을 찾기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 연료전지는 전기에너지를 발생하며 부산물로 물만이 생성되는 친환경 에너지 발생장치다. 특히, 전해질로 음이온 교환막을 사용하는 음이온 교환막 연료전지(Anion Exchange Membrane Fuel Cell)는 높은 촉매의 활성으로 양이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel cell)와 다르게 저가의 금속 촉매를 사용할 수 있는 장점 때문에 관심이 높아지고 있다. 음이온 교환막으로써 요구되는 주요 특성은 높은 이온(OH-) 전도도 및 높은 pH의 구동조건에서의 안정성이다. 본 연구에서는 PPO계 고분자의 화학적 가교 반응을 이용해 얻어진 가교형 고분자 막의 낮은 기계적인 특성과 치수 안정성을 높이기 위해 보다 높은 분자량을 갖는 고분자 사용과 함께 가교율 증대를 통해 보다 높은 이온 전도도와 기계적인 성질, 높은 화학적인 안정성뿐만 아니라 실제 연료전지 구동조건에서 높은 셀 성능을 갖는 AEMFC용 고분자 전해질 막을 개발했다.

This study investigates the enhancement of the oxygen diffusion rate in the cathode channel of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) by pure oscillating flow, which is the same as the mechanism of human breathe. Three-dimensional numerical simulation, which has the full model of the fuel cell including electrochemical reaction, ion and electronic conduction, mass transfer and thermal variation and so on, is performed to show the phenomena in the channel at the case of a steady state. This model could analysis the oscillating flow as a moving mesh calculation coupled with electrochemical reaction on the catalyst layer, however, it needs a lot of calculation time for each case. The two dimensional numerical simulation has carried on for the study of oscillating flow effect in the cathode channel of PEMFC in order to reduce the calculation time. This study shows the diffusion rate of the oxygen increased and the emission rate of the water vapor increased in the channel by oscillating flow without any forced flow.

고체 알칼리 연료전지에서는 작동 시 물이 생성되어 water flooding 현상이 나타나는 산화극과 반대로 물이 소진되어 water drying 현상이 나타나는 환원 극과의 water balance 가 매우 중요하다. 이번 연구에서는 기존의 상용막(Fuma tech)을 사용하여 막의 양면에 solvent assisted lithography를 통해 서로 엇갈린 라인 패턴을 형성하였다. 양면 패터닝을 통해 오믹저항의 감소와 함께 water back-diffusion을 향상시켰으며, 넓어진 계면에 의해 산화극의 mass transport를 향상시킬 수 있었다. 또한, 환원극에서는 넓어진 계면에 의해 촉매의 활용률이 증가하였고 이러한 복합적인 효과를 통해, 1.0 Wcm-2 라는 고성능을 얻을 수 있었다.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have been studied intensively due to their great potential as a clean and efficient energy conversion device. Especially, considerable attention has been paid to the development of thin polymer electrolyte membranes (PEMs) for the practical application of PEMFCs. However, thin PEMs normally have poor physicochemical stability. It is well-known that the physicochemical stability of polymer membrane can be improved by cross-linking technology. In this presentation two different types of cross-linked membranes from sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) will be introduced: 1) cross-linked SPAES membranes prepared using flexible perfluoropolyether as a cross-linker. 2) End group cross-linked SPAES membranes prepared via simple thiol-ene click reaction.

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.

Membranes techniques used to convert chemical energy into electrical energy from energy sources such as hydrogen, salt water, and water. Membrane materials have transport property of desire molecular and barrier property for satisfy to requirement of cell performance. Typically, PFSA polymer is used to fabricate membrane. Each material has different characteristics depending on the membrane formation conditions. Macroscopic characteristics are difficult to correlation with molecular motion, mobility, and transport within membrane matrices. NMR spectroscopy can analysis about these characteristics by observing the molecule level. In this study, NMR spectroscopy can provide fundamental information of PFSA ionomers and correlation with macroscopic characteristics.

연료 전지 구동 시 전기화학적 활성은 촉매와 연료, 전해질이 만나는 삼상계면에서 일어나며 연료전지의 성능은 이 삼상계면의 수에 영향을 받는다. 인산이 도핑된 Polybenzimidazole (PA-doped PBI)을 기반으로 한 고온 고분자 전해질막 연료전지 (HT-PEMFC)의 경우 막 내의 인산이 전해질의 역할을 하며 삼상계면 및 연료전지의 성능에 영향을 끼친다. PBI 막 내의 인산은 고분자 합성 용매인 폴리인산의 가수분해에 의해 생성된다. 본 연구에서는 Sol-Gel 법(Direct casting 법)으로 제조된 PA-doped PBI 막의 가수분해 조건을 달리하여 이에 따른 연료전지의 성능을 비교하여 보았다.