고온형 고분자 전해질 막 연료전지 (HT-PEMFC)는 100°C 이하의 저온 고분자전해질 운영 시스템에 비해 개선된 전극 반응 동역학, 뛰어난 물 및 열 관리, 연료 불순물에 대한 내성 및 폐열 이용과 같은 많은 이점을 제공한다. 그러나 HT-PEMFC는 구동 중 발생하는 물의 증발과 함께 분리막 내 인산이 증발하여 성능이 낮아진다는 단점이 있다. 때문에 본 연구에서는 이러한 인산의 유출에 대한 핫 프레스 유무, 전극 GDL 종류, 분리막 가수분해 조건, 셀 성능에 따른 영향을 인산의 비색정량을 통해 분석하였다. 그 결과 인산의 유출량은 주로 셀성능에 영향을 받으며 GDL이 치밀할수록 억제됨을 확인하였다.

Polymer electrolyte membrane (PEM) is one of key elements to determine both electrochemical performances and lifetimes of fuel cell electric vehicles (FCEVs). PEM is exposed to a variety of dynamic stimuli (e.g., temperature, humidity, pressure, fuel gases and so on) under their operation conditions and meets unavoidable mechanical damages derived from unequal pressure difference between anode and cathode feed gases. Even though there have been approaches to evaluate the mechanical strength of PEM materials, most of the trials could provide static information on their mechanical strength. In this study, a pressure-loaded blister hybrid system connected with gas chromatography was developed to disclose the efficacy of the system as an evaluation tool of dynamic PEM strength under realistic FCEV operation conditions.

분리막을 이용한 산업은 석유에너지 자원의 고갈과 동시에 친환경 에너지자원의 필요성이 대두되어 최근 들어 많은 연구가 이루어지고 있다. 이온기 그룹을 포함하는 고분자 분리막의 경우 해수담수, 전지 시스템 등 친환경 에너지 자원의 개발과 더불어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이미다졸륨 그룹의 도입을 통해서 이온교환 관능기를 포함하는 폴리에테르에테르케톤계열고분자를 합성하여 음이온교환막 제조를 하였으며 이에 따른 연료전지 적용을 위한 다양한 특성평가를 진행하였다. 이온교환능 및 이온전도도를 분석하였다. 도입된 이미다졸륨기의 함량이 증가함에 따라 이온교환능 및 이온전도도가 향상이 되었음을 확인 할 수 있었다.

연료전지는 친환경적 에너지 발생원으로 미래의 에너지 부족 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결하기 위한 방법으 로 최근 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 별도의 발전 장치를 필요로 하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전 기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 연료전지 시스템에서의 핵심 기술은 고분자 분리막을 제조하는 것으로써 상용 화된 나피온 전해질막은 제조 단가가 높고 고온에서 성능이 급감한다는 단점이 있다. 따라서 많은 학자들이 나피온 전해질 분리막을 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 연료전지용 전해질 분리막의 특허 및 논문의 기술 경 쟁력 평가를 통하여 국가별, 기관별, 기업별 발표 빈도수를 정리하였으며, 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 그 리고 알칼리 연료전지에 대한 평가를 진행하였다.

본 연구에서는 각기 다른 관능기를 가진 유기화된 무기입자를 sol-gel법을 이용해 제조하여 montorillonite가 가진 단점을 보완하였으며, 이를 sulfonated poly(arylene ether sulfone)(SPAES)고분자에 첨가해 복합막을 제막하였다. 제조 된 무기물은 사용한 실란화합물에 따라 상이한 색상 및 물성을 나타내었다. 최 종적으로 물리적 성능, 전기적 성능 등 복합막의 전반적인 물성변화를 나타내었으며 이에 따라 최적화된 관능기를 찾는 연구를 진행하였다.

분리막을 이용한 산업은 석유에너지 자원의 고갈과 동시에 친환경 에너지자원의 필요성이 대두되어 최근들어 많은 연구가 이루어지고 있다. 이온기 그룹을 포함하는 고분자 분리막의 경우 해수담수, 전지시스템 등 친환경 에너지 자원의 개발과 더불어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이온교환 관능기를 포함하는 탄화수소계열 고분자를 합성하여 준비한 후 소수성의 고분자와 블렌 딩을 진행하였으며 이에 따른 이온교환능 및 이온전도도를 분석하여 연료전지용 고분자 전해질 막에 대한 평가가 이루어졌으며, 폴리에테르에테르케톤계 고분자의 내열성 및 우수한 물리적 강도를 가짐과 동시에 우수한 이온전도도를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.

본 발표에서는 고분자막의 열화(Degradation)원인과 열화 조건, 열화방지 방법, 고분자막 내구성 평가 방법 등에 대해서 논의하고자 한다. PEMFC 고분자 막의 열화원인은 전기화학적인 열화를 포함한 화학적인 열화와 물리적인 열화, 열에 의한 열화로 분류할 수 있다. 고분자 막이 전기화학적열화가 잘되는 조건은 OCV와 같은 높은 전압, 저 가습, 고온, 높은 수소/산소 압력 조건이다. 고분 자막의 내구성을 평가하기 위해서 열화 가속화 기법을 사용하는데, 전기화학적 내구성은 OCV holding 기법을, 물리적 내구성은 Wet/Dry 기법을 일반적으로 사용한다. 이들 내구성 평가 방법에 관한 미국의 DOE 프로토콜과 일본의 NEDO 프로토콜을 비교 검토한다.

범세계적인 온실가스저감 노력이 활발하게 움직이고 있다. 이러한 현상은 수송분야에서 친환경자동차 보급이라는 전략으로 이루어지고 있다. 친환경자동차 중 수소연료전지차는 수소라는 신에너지를 활용하는 자동차로 친환경차 중 유일하게 전기를 생산히야 모터를 구동하는 자동차이다. 수소연료전지차는 수소와 공기를 사용하기 때문에 청정하다는 이로운 점도 있지만 아직은 해결해야할 다양한 문제점을 가지고 있다. 수소연료전지차에서 전기를 생산하는 스택 내 부품 중 전해질 막은 수소이온을 전달하고 생성된 물을 활용하는데 매우 중요한 역할을 하고 있으나 불순물, 온도변화, 부하운전, 가습조건 등 다양한 자동차 환경에서 열화가 발생한다. 전해질 막 연구에 있어 자동차 운전환경에서 나타나는 열화 현상과 발생 가능성 및 해결방안에 대한 고찰을 하였다.

본 연구에서는 SPAES를 이용하여 제조된 블렌드막을 이용하여 연료전지용 전해질 막으로써의 응용 가능성을 확인하기 위하여 테스트를 진행하였다. 제조된 분리막은 상용화된 PES,PVdF를 이용하여 제조되었으며, 소수성 고분자가 첨가되어 메탄올 투과도가 감소됨을 확인하였으며 물리적 강도가 증가됨으로써 잠재적 가능성을 확인할 수 있었다.

To study the effects of the gas channel wall contact angle on the behavior of a liquid water slug, numerical simulations are performed with the volume of fluid (VOF) method. Two different contact angle combinations on the side and top channel walls are selected. In comparison to the reference case, the water slug is removed faster when the hydrophobic contact angle is applied selectively in the corner section.

본 연구에서는 탄화수소계열 고분자인 sulfonated poly arylene ether sulfone(SPAES) 고분자를 이용하여 연료전지용 전해질막을 제조하였으며 메탄올 투과도를 최적화 하기 위하여 소수성 고분자인 polyethersulfone(PES), Polyvinylidene fluoride (PVdF) 를 소량 첨가하여 블렌드막을 제조하였다. 제조된 분리막은 연료전지용 전해질 막으로써 요구되는 물리적, 화학적 안정성, 이온전도도, 셀 테스트등의 기본 물성을 측정하여 잠재적인 적용 가능성을 테스트 해보았다 또한 분자동력학 시뮬레이션을 이용하여 소수성 고분자와 SPAES고분자의 혼화성 측정과, 이온 및 메탄올 분자의 투과도를 예측해 보았으며 이를 이용하여 실제 실험 결과와 비교 분석을 진행하였다.

Numerical simulations of liquid water droplets interacting with gas channel walls in a polymer electrolyte membrane fuel cell are performed with the volume of fluid (VOF) method. To investigate the effect of channel wall wettability, the contact angles of gas diffusion layer (GDL) and the side/top walls are varied as 45, 90, and 140 degrees. Two different water injection inlet locations are selected to investigate the interactions of liquid water with the different gas channel walls. As the GDL contact angle increases, the GDL surface water coverage ratio and the water volume ratio decrease. When the water injection hole is located near the side wall, the GDL surface water coverage ratio decreases and the water volume ratio increases as the contact angle of the side and top walls decreases. In conclusion, the GDL surface water coverage ratio and the water volume ratio may compete with each other to determine the fuel cell performance.

A numerical analysis was performed to study PEMFC performance characteristics depending on the flow direction of cathode reactant gas, cathode relative humidity, and porosity of gas diffusion layer. As cathode relative humidity decreases and porosity increases, current density increases due to better diffusion of reactant gas to cathode surface. As current density increases, power density increases initially and then decreases with its maximum located around current density value of 2.2 Amperes per square centimeter. From the analysis of current density distribution inside membrane, the counter-flow cases show more uniform profile across the membrane than the co-flow cases due to more uniform reactant gas supply.

연료전지는 석유엔진과 비교하여 높은 전류밀도와 효율성, 그리고 친환경적이기 때문에 21세기 들어 대체 발전시스템으로서 각광받아왔다. 연료전지 시스템에서 고분자 전해질 막은 핵심부품으로써 현재 Nafion막이 연료전지시스템에서 사용 중이지만 높은 제조단가와 고온에서 낮은 전도도를 가지는 단점을 가지고 있다. 그러므로 많은 학자들이 낮은 제조단가, 높은 물리적 특성들을 달성하기 위한 연구를 진행하여 왔으며 연료전지의 상용화와 동시에 고성능의 연료전지의 개발을 위하여 많은 방법들이 개발되어 왔다. 그중, 유무기 복합막은 유기물과 무기물의 물성을 균일하게 조합할 수 있으므로 잠재성을 가지고 있는 제조방법이다. 본고에서는 다양한 무기물이 사용되어 제조된 유무기 복합막의 연구동향에 대하여 조사하였다.

기질 고분자인 sulfonated PEEK (sPEEK)와 가교제(cross-linking reagent) 4,4'-ethyldianiline (EdAn), 그래프트제(grafting reagent) 2-phenylethylamine (PEA)을 용매 dimethylacetamide (DMAc)에 녹여 용매증발법을 이용하여 제막하였다. 이민화 반응(imination)과 술폰화(sulfonation) 과정을 거쳐 최종 이온교환막인 cross-linked and grafted sPEEK (CG-sPEEK)막을 제조하였다. FT-IR 분석을 통해 술폰화 및 이민화 반응여부를 확인할 수 있었다. Proton conductivity와 water uptake, volume change를 측정하여 상용화된 Nafion115와 비교함으로써 이온교환막으로서의 활용가능성을 평가하였다. 제조된 CG-sPEEK막의 proton conductivity (0.17 S/cm) 값이 Nafion115 (0.10 S/cm) 보다 우수하게 나타나 이온교환막으로서의 적용가능성을 보여주었다. 다만 높은 water uptake (130%)는 CG-sPEEK의 치수안정성을 위해서 저감시킬 필요가 있다.

Different oxidation treatments on CNTs using diluted 4.0 M H2SO4 solution at room temperature and or at 90℃ reflux conditions were investigated to elucidate the physical and chemical changes occurring on the treated CNTs, which might have significant effects on their performance as catalyst supports in PEM fuel cells. Raman spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscope analyses were made for the acid treated CNTs to determine the particle size and distribution of the CNT-supported Pt-Ru nanoparticles. These CNT-supported Pt-based nanoparticles were then employed as anode catalysts in PEMFC to investigate their catalytic activity and single-cell performance towards H2 oxidation. Based on PEMFC performance results, refluxed Pt-Ru/CNT catalysts prepared using CNTs treated at 90℃ for 0.5 h as anode have shown better catalytic activity and PEMFC polarization performance than those of the commercially available Pt-Ru/C catalyst from ETEK and other Pt-Ru/CNT catalysts developed using raw CNT, thus demonstrating the importance of acid treatment in improving and optimizing the surface properties of catalyst support.

본 연구에서는 고분자전해질 연료전지의 연료가습을 위하여 막 증발법을 적용한 막가습기를 제작하여 특징과 성능을 알아보았다. 막가습기 내부 물의 온도를 30~60℃, 연료기체의 유속을 300~3,000 mL/min, 막 가닥수를 10, 50, 100 가닥으로 변화 하였을 때 결과를 dew point로 나타내었다. 그 결과 60℃일 때 51.19℃, 900 mL/min일 때 54.22℃, 100 가닥일 때 60.03℃로 연료 가습성능이 가장 좋았다. 특히, 막 가습기 물질 전달식의 모델링을 통해 연료전지에 적용할 때 막 가습기 공경 크기에 따른 반응기체의 가습량을 예측하는 것이 가능하였다. 100 W급 스택에 적용하였을 때, 전압과 출력값이 변화되지 않고 안정적으로 작동하였으며 제작한 막 가습기는 기존 기포가습기보다 부피는 훨씬 작으면서도 가습 성능은 우수한 것을 알 수 있었다.

Chromium nitride (CrN) samples with two different layer structures (multilayer and single layer) were coated on bipolar plates of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) using the reactive sputtering method. The effects with respect to layer structure on corrosion resistance and overall cell performance were investigated. A continuous and thin chromium nitride layer (Cr0.48 N0.52) was formed on the surface of the SUS 316L when the nitrogen flow rate was 10 sccm. The electrochemical stability of the coated layers was examined using the potentiodynamic and potentiostatic methods in the simulated corrosive circumstances of the PEMFC under 80˚C. Interfacial contact resistance (ICR) between the CrN coated sample and the gas diffusion layer was measured by using Wang's method. A single cell performance test was also conducted. The test results showed that CrN coated SUS316L with multilayer structure had excellent corrosion resistance compared to single layer structures and single cell performance results with 25 cm2 in effective area also showed the same tendency. The difference of the electrochemical properties between the single and multilayer samples was attributed to the Cr interlayer layer, which improved the corrosion resistance. Because the coating layer was damaged by pinholes, the Cr layer prevented the penetration of corrosive media into the substrate. Therefore, the CrN with a multilayer structure is an effective coating method to increase the corrosion resistance and to decrease the ICR for metallic bipolar plates in PEMFC.