본 연구에서는 다공성 폴리에틸렌 지지체를 기반으로 세 가지 가교제를 혼합 도입한 세공충진 이온교환막을 제조 하고 역 전기투석에서 멤브레인의 특성이 발전성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 실험 결과, 분자 크기가 다른 가교제를 혼합 함으로써 이온교환막의 가교도 및 자유체적이 효과적으로 조절됨을 확인하였으며 상관 분석을 통해 멤브레인의 전기화학적 특성 및 이를 적용한 역 전기투석의 발전성능에 복합적인 영향을 미침을 알 수 있었다. 특히 세공충진 양이온 교환막은 최적 가교조건에서 상용막 대비 동등 이상의 발전 성능을 나타내었으며 음이온 교환막 또한 상용막에 근접하는 우수한 성능을 나 타내었다.

본 연구에서는 얇은 폴리에틸렌 계 다공성 필름(두께 = 25 μm)에 이오노머를 충진시킨 세공충진 이온교환막을 개발하였으며 이를 적용한 전 바나듐 레독스 흐름전지의 충방전 특성을 고찰하였다. 특히 분자 크기가 다른 가교제를 혼합함 으로써 이온교환막의 가교도 및 자유체적을 적절히 제어하여 저저항 및 저 바나듐 투과도를 나타내는 이온교환막을 제조하 고자 하였다. 실험 결과, 제조된 세공충진 이온교환막은 상용막 대비하여 동등 수준의 우수한 전기화학적 특성을 나타내었다. 또한 바나듐 이온 투과도 및 전 바나듐 레독스 흐름전지 성능 평가 실험을 통해 얇은 막 두께에도 불구하고 상용막 대비하여 낮은 바나듐 이온 투과도와 높은 충방전 효율을 나타냄을 확인하였다.

전해질막을 사용하는 알칼라인 연료전지는 최근 들어서 시스템 구성이 비슷하고 전해질막의 종류만 다른 기존의 양이온 교환막 연료전지를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 특히, 알칼라인 연료전지에서는 비백금계 저가 촉매가 사용 가능하여 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 알칼라인 연료전지 시스템에 적용하기 위한 고성능, 고내 구성 음이온 교환막을 제조하기 위하여, 두 종류의 다공성 지지체인 폴리벤조옥사졸 지지체와 폴리에틸렌 지지체에 Fumion FAA 이오노머를 함침시켜, 기존의 Fumion 시리즈의 막보다 우수한 기계적 강도를 가지면서 높은 이온전도도를 유지할 수 있는 함침막을 제조하고자 하였다. 이를 통하여 최종적으로 지지체-함침막이 성공적으로 제조되었고, 이온 전도도와 기계적 특성이 지지체의 성질에 따라 서로 다른 결과를 보여 주었다. PE 지지체에 Fumion 이오노머를 함침시킨 함침막에서는 우수 한 기계적 특성이 얻어졌지만, 이온전도도는 감소하였으며 특히 높은 온도에서 성능감소가 더욱 증가하였다. 반면에 PBO 지 지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 경우에는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에 높은 이온 전도도를 보였지만, Fumion-PE막에 비하여 상대적으로 낮은 기계적 특성을 나타내었다. 결과적으로 지지체-함침막 제조 시 알칼라인 연료전지의 운전조건에 따라 지지체의 특성을 충분히 고려하여 연구를 진행할 필요가 있다는 결론을 얻었다.

본 연구에서는 염제거 특성을 가지는 나노여과, 역삼투 및 정삼투 폴리아마이드 TFC 삼투막의 자유부피(공극) 특성을 양전자 소멸분광법을 이용해 측정하여, 이 결과를 바탕으로 용질제거 특성을 해석해봄으로써 활성층 내 존재하는 공극 특성과 물질이동 기작과의 상관관계를 밝혀냈다. 양전자 소멸분광법으로 측정한 폴리아마이드 삼투막의 공극 크기는 약 0.48 ~ 0.62 nm (지름) 내외로, 분리막 활성층 공극의 크기와 보론 제거율은 반비례함을 확인하였다. 압력기반 여과장치에서 수투과도를 증가시켜 보론 제거 실험을 반복한 결과, 0.6 nm 내외의 상대적으로 큰 공극을 가지는 폴리아마이드 분리막에서 확산이 아닌 대류를 통한 물질이동이 주도적으로 일어남을 확인하였고, 이를 무차원수인 Peclet 수의 변화로 증명했다.

Proton-exchange membrane (PEM) water electrolysis is a promising technology for hydrogen production. Meanwhile, recently, hydrogen water production has attracted great attention owing to the increasing demand in healthcare market. Therefore, hydrogen water production via PEM water electrolysis has also gained much interest. The PEM is the key component dominating the hydrogen production efficiency in the system. Although a Nafion meets the criteria for a number of key physical properties required for the operation in PEM water electrolysis, it is too expensive for commercial applications. In this work, therefore, we have developed the membrane electrode assembly (MEA) prepared with cost-effective pore-filled PEMs via a nonequilibrium impregnation-reduction (I-R) method.

While commercial polystyrene-based ion exchange membranes have simple manufacturing processes, they also possess the poor durability due to their brittleness. Poly(ethylene glycol)methyl ether methacrylate with hydrophilic side chain of poly(ethylene glycol) (PEG) was used as a co-monomer to make the membranes have improved flexibility. Hydrophilicity/hydrophobicity of the anion exchange membrane was able to be adjusted by varying the chain lengths of the PEG. For the preparation of the anion exchange membranes, a porous PE substrate was immersed into monomer solutions and thermally polymerized. The prepared membranes were then subsequently post-aminated using trimethylamine. The prepared pore-filled anion exchange membranes were evaluated in terms of ion exchange capacity, electric resistance and water uptake.

Pore filling 기술을 적용한 base 분리막은 평균기공이 5㎛정도를 갖는 대기공 MF막으로써 polyester 재질의 braid로 보강된 PVDF 중공사막을 제조하여 사용하였다. 이렇게 제조된 대기공MF막의 기공내에 기능성이 확보된 친수성 고분자를 채워 넣은 후 화학 반응으로 영구 고정시키거나 유동막으로 고정하여 다양한 기능을 가지는 막을 개발하는 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 친수성 고분자중에서 대표적으로 사용되는 poly viny alcohol을 기공에 채워 넣은 후 Aldehyde로 가교시키는 방법으로 pore filling막을 제조하였다. 이렇게 얻어진 분리막은 입자 제거율은 UF정도 수준으로 되고 투과량은 기존UF 분리막에 비해 1.5배 이상 증가하는 것을 확인하였다.

뛰어난 물성을 가진 poly (vinylidene fluoride) (PVDF)는 정밀여과 (MF)와 한 외여과 (UF) 분리막의 소재로써 많이 연구되고 있다. 기공의 크기를 조절하는 것은 분리막을 제조하는데 있어 중요한 요소이다. 본 연구에서는 매우 간단한 방법으로 분리막의 기공 크기를 조절하는 새로운 방법을 제시하고자 한다. PVDF 한외여과 분리막의 기공 크기는 유리판 위에 150 ㎛의 두께로 주조된 PVDF 도프 용액이 응고조 (증류수)속으로 들어가는 속도를 통해 조절되었다. 이 때 PVDF 한외여과 분리막의 기공 크기는 응고조에 들어가는 PVDF 도프 용액의 속도가 감소될수록 증가하는 경향을 보였다.

Capacitive deionization (CDI) is one of the promising desalination processes. It consumes relatively small energy for operation compared with other competing processes such as reverse osmosis. Additionally, it does not produce any secondary wastes for a re-use. Comparing to the conventional CDI, membrane-CDI (MCDI) which uses porous carbon electrodes together with ion-exchange membranes (IEMs) has gained great interests due to the higher ion selectivity and removal efficiency. In this work, we have developed a pore-filled IEMs (PFIEMs) for the applications to cost and energy efficient CDI processes. As a result, they were shown to possess excellent electrochemical and mechanical properties. Their electrochemical characteristics have also been optimized for the successful applications to MCDI processes. (NRF-2015H1C1A1034436)(MOTIE-No. 10047796)

Recently, there has also been much attention towards ion-exchange membranes (IEMs) for the applications in the energy generation and storage systems such as reverse electrodialysis (RED) and redox flow batteries (RFBs). IEMs are one of the key components dominating the overall performances of both the RED and RFB processes. Low ion transport resistance through membrane, excellent chemical and mechanical stability, high permselectivity, and low cross-over rate of undesirable components are required for the successful applications of the IEMs in the processes. In this work, we have prepared high performance pore-filled IEMs for successful RED and RFB applications. (this work was supported by the project, No. 10047796)

Ionomers are polymeric materials containing fixed charged ions (e.g., – SO3 -) to transport their counter ions (e.g., H+, Li+, Na+ and so on) selectively and have been widely used as key components for membrane and unit cell formation targeted for renewable energy generation (e.g., polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC), redox flow batteries, and reverse electrodialyses) and valued chemical production (e.g., water and brine electrolysis). There are advantages such as high processability, easy solvent evaporation, and chemical inertness, when the ionomers are in the dissolved or dispersed states in water-alcohol mixtures to be applied for these applications. Unfortunately, it is difficult to make homogeneous solution or dispersion using the ionomers with hydrophilic levels undissolved in water. In this study, water-alcohol nanodipsersion with perfluorinated or hydrocarbon sulfonic acid ionomers are fabricated and their feasibilities as PEMFC and electrolysis materials are evaluated.

본 연구에서는 입자크기가 다른 3가지 α-알루미나 분체로부터 주입성형법과 소결법을 혼용하여 튜브형 α-알루 미나 지지체를 제조하여 초기 α-알루미나 분체의 입자크기와 소결 온도가 지지체의 기공구조와 기체투과 특성에 미치는 영 향을 고찰하였다. 평균입경이 0.2, 0.5, 1.7 μm인 α-알루미나 분체를 사용했을 시 제조된 α-알루미나 지지체는 각각 약 80, 130, 200 nm의 평균 기공경을 가졌으며 평균 기공경은 소결 온도 보다는 초기 알루미나 분체의 입자크기에 의존하였다. 모 든 시편에서 소결 온도가 증가할수록 지지체의 부피 밀도는 증가하였고 겉보기 기공률은 감소하였다. He, N2, O2, CO2에 대 하여 30°C에서 단일기체 투과 특성을 평가한 결과, 기체 투과도는 기공경 제곱에 비례하여 증가하였고 기공률이 증가함에 따 라서 직선적으로 증가하였다. 이를 토대로 제조된 α-알루미나 지지체의 기체 투과는 점성유동(viscous flow)에 의하여 이루 어지며, α-알루미나 지지체의 기체 투과 특성은 초기 α-알루미나 분체의 입자크기와 소결온도를 제어함으로써 조절될 수 있 음을 확인할 수 있었다.

The effect of PEMFC trapezoidal channel wall contact angle on water removal characteristics is investigated with the volume of fluid (VOF) method. Two different contact angles 60 and 90 degrees are selected. In the case of the side and top wall contact angle of 60 degrees, stable semi-spherical droplets move along the top wall slowly. In contrast, complex shaped droplets move along the lower edge in the case of 90 degrees. Moreover, it is shown that very complex interaction patterns between different droplets which introduced into the channel at different times.

리튬이온 이차전지는 리튬이온이 이동하면서 전기화학적 충방전사이클을 완성하는 에너지변환장치를 의미한다. 리튬이온 이차전지는 높은 에너지밀도와 낮은 자가방전률, 상대적으로 긴 수명주기 등 다양한 장점을 갖는다. 최근 전기차 수 요증가는 고용량 리튬이온 이차전지 개발을 촉진하고 있으나 음극에서의 dendrite 형성으로 인한 전기적 단락 현상과 전지 폭 발 문제와 같은 심각한 안전문제를 야기한다. 또한, 리튬이온 이차전지 구동시 상승된 온도에서 폴리올레핀계열(예 : 폴리에 틸렌과 폴리프로필렌) 격리막의 열수축 문제가 발생한다. 이와 같이 낮은 열 안정성은 리튬이온 이차전지의 성능과 수명의 감소로 이어진다. 본 연구에서는 폴리올레핀계열 함침격리막 제조를 위한 중요한 소재로서 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 랜 덤 공중합체를 사용하였으며, 제조된 격리막을 이용하여 dendrite 형성과 관련된 금속이온 흡착 능력과 리튬이온전도성, 열적 내구성이 평가되었다.

본 연구에서는 입자크기가 다른 3가지 α-알루미나 분말로 부터 주입성형법과 소결법을 혼용하여 튜브형 α-알루미나 지지체 제작하였고 이때에 초기 α-알루 미나 분말의 입자크기와 소결 온도가 지지체의 기공구조와 기공구조가 투과 특 성에 미치는 영향을 고찰하였다. 제작 된 지지체는 수은함침법과 Archimedes 법을 통하여 기공경과 기공률을 측정하였다. 또한 30°C에서 He, N2, O2, CO2 기체에 대하여 투과 특성을 고찰하여, 각 지지체의 토튜오서티를 계산 하였으며, 지지체의 기공경 및 기공률이 지지체의 기체 투과 특성에 미치는 영향을 고찰 하였다.

The multi-layer combination provides a very narrow pore size distribution in a specific pore size range. By utilizing the multi-layer design equations developed for each individual layer of known pore properties, it is possible to design the multi-layer microfiltration media precisely to a tailor pore size distribution.

Alkaline direct liquid fuel cells (ADLFCs) employing anion-exchange membranes as a fuel barrier have attracted significant attention as promising alternative energy sources. ADLFCs are allowed to use more abundant anode catalysts which are cheaper than the catalyst used in that using hydrogen fuel. In this work, novel pore-filled anion-exchange membranes (PFAEMs) were successfully fabricated by combining a highly porous poly(tetrafluoroethylene) film and cationic polyelectrolytes with structurally stable anion-exchange sites. The results of the membrane characterizations revealed that the optimization in the crosslinking degree and hydrophilicity of membranes should be considered for the successful application of the PFAEMs to ADLFCs. (KETEP)(20153030031720) and (MOTIE) (No. 10047796).

제올라이트 분리막은 미세기공이 결정구조에서 비롯되기 때문에 매우 좁고 균일한 미세기공 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 다공성 지지체 표면에 결함이 없는 균일한 제올라이트 분리층을 안정적으로 형성하기 위한 연구는 매우 중요한 부분이다. 본 연구에서는 다공성 알루미나 지지체 표면에 물/알코올 분리성능이 우수한 투과증발용 NaA, CHA 제올라이트 분리막을 형성시키기 위하여 50-100 nm 크기의 종결정을 도입한 후 수열합성법으로 이차성장시켜 분리막을 제조하였다. 그리고 분리층에 존재하는 비 제올라이트 기공구조(non-zeolitic pore structure)를 상세하게 분석하기 위하여 H2,N2,SF6 등의 단일 가스 투과 거동을 분석함으로써 비제올라이트 기공의 크기를 예측하고자 하였다.

Ultrafiltration membranes are capable of acting as barriers to bacteria, viruses, spores, pollens, colloidal suspensions, high molecular weight solutes, pathogens and pesticides. Pore structure characterization of these include through pore throat diameter, bubble point pore diameter, mean flow pore diameter, pore distribution and liquid permeability. Liquid Liquid Porometery is a novel technique for measuring pores in the Ultrafiltration range without any damage or rupture to the membrane. Liquid Liquid Porometer uses two immiscible & saturated wetting liquids. Pores are filled with first liquid and second liquid is pressurized to displace the first liquid and flow through the pores. The amount of liquid flowing out is measured. Second liquid flow rate and differential pressure are measured. Pore distributions are computed like those in Capillary Flow Porometer.