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.

In anion exchange membrane fuel cells, Pd nanoparticles are extensively studied as promising non-Pt catalysts due to their electronic structure similar to Pt. In this study, to fabricate Pd nanoparticles well dispersed on carbon support materials, we propose a synthetic strategy using mixed organic ligands with different chemical structures and functions. Simultaneously to control the Pd particle size and dispersion, a ligand mixture composed of oleylamine(OA) and trioctylphosphine(TOP) is utilized during thermal decomposition of Pd precursors. In the ligand mixture, OA serves mainly as a reducing agent rather than a stabilizer since TOP, which has a bulky structure, more strongly interacts with the Pd metal surface as a stabilizer compared to OA. The specific roles of OA and TOP in the Pd nanoparticle synthesis are studied according to the mixture composition, and the oxygen reduction reaction(ORR) activity and durability of highly-dispersed Pd nanocatalysts with different particles sizes are investigated. The results of this study confirm that the Pd nanocatalyst with large particles has high durability compared to the nanocatalyst with small Pd nanoparticles during the accelerated degradation tests although they initially indicated similar ORR performance.

Anion exchange membrane (AEM) with fixed charged cationic groups can selectively transport anionic molecules such as hydroxide anions. The AEM materials have been widely used in the wide range of applications such as polymer electrolyte fuel cells, water electrolysis, and reverse electrodialysis and electrodialysis. Commercially available AEM materials show high electrochemical resistance owing to their chemical architectural features leading to less separated hydrocarbon morphologies. Very low solubility to casting solvents and weak chemical durability to alkaline atmosphere of the AEM materials also makes it difficult to make thin and tough AEM membranes. In this study, AEM materials composed of perfluorinated architectures with improved chemical durability and intrinsically well separated morphologies were developed and evaluated.

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 the present work, we synthesize nano-sized ZnO, SnO2, and TiO2 powders by hydrothermal reaction using metal chlorides. We also examine the energy-storage characteristics of the resulting materials to evaluate the potential application of these powders to dye-sensitized solar cells. The control of processing parameters such as pressure, temperature, and the concentration of aqueous solution results in the formation of a variety of powder morphologies with different sizes. Nano-rod, nano-flower, and spherical powders are easily formed with the present method. Heat treatment after the hydrothermal reaction usually increases the size of the powder. At temperatures above 1000oC, a complete collapse of the shape occurs. With regard to the capacity of DSSC materials, the hydrothermally synthesized TiO2 results in the highest current density of 9.1 mA/cm² among the examined oxides. This is attributed to the fine particle size and morphology with large specific surface area.

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.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have attracted particular interest as alternative and enviromentally friendly energy source for both mobile and stationary application. The perfluorosulfonic acid membranes, such as Nafion® are most used PEMs because of their good chemical and electrochemical stability. However they have drawbacks such as high cost, low application temperature, insufficient durability. Sulfonated poly (arylene ether)s, poly (phenylene ether)s, poly (arylene ether ketone)s have beem developed. This work is an attempt to synthesize sulfonated poly (arylene ether)s contained phosphinate moiety which is pendant phenyl structure. Sulfonated poly (arylene ether)s membranes were prepared from DOPO-BPA, 4,4’-sulfonyl diphenol(SFDPS), 1,4-bis(4-fluoro benzoyl)benzene(1,4-FBB).

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.

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.

A composite material was prepared for the bipolar plates of phosphoric acid fuel cells(PAFC) by hot pressing a flake type natural graphite powder as a filler material and a fluorine resin as a binder. Average particle sizes of the powders were 610.3, 401.6, 99.5, and 37.7 μm. The density of the composite increased from 2.25 to 2.72 g/cm3 as the graphite size increased from 37.7 to 610.3 μm. The anisotropy ratio of the composite increased from 1.8 to 490.9 as the graphite size increased. The flexural strength of the composite decreased from 15.60 to 8.94MPa as the graphite size increased. The porosity and the resistivity of the composite showed the same tendencies, and decreased as the graphite size increased. The lowest resistivity and porosity of the composite were 1.99 × 10−3 Ωcm and 2.02 %, respectively, when the graphite size was 401.6 μm. The flexural strength of the composite was 10.3MPa when the graphite size was 401.6 μm. The lowest resistance to electron mobility was well correlated with the composite with lowest porosity. It was possible the flaky large graphite particles survive after the hot pressing process.

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.

고분자 전해질막은 수화상태에서 이온전달채널을 형성하여 연료전지 시스템내에서 수소이온을 전달하는 핵심적인 역할을 한다. 저가습 상태에서는 효과적인 이온전달이 잘 이루어지지 않는 것으로 보고되며, 친수성 및 소수성 영역의 명확한 상분리가 일어나는 불소계 고분자 전해질 막에 비하여, 탄화수소계 고분자 전해질 막에서는 이러한 상분리 현상이 상대적으로 약하게 일어나고, 그 결과로 낮은 수소이온 전도도를 갖는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 낮은 수소이온 전도도를 분자 구조 측면에서 규명하기 위하여, 분자전산모사를 통해 가습 상태 변화에 따른 함수율 조건을 이용하여 고분자 전해질막 모델을 만들고, 이를 서로 비교하여 이온전달 채널의 형성에 어떤 요소들에 영향을 미치는지 규명 하고자 한다.

본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 전해질막의 화학적 안정성의 향상을 위하여 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG)과 poly(arylene ether sulfone)(SPAES)을 이용하여 복합막을 제조하였다. 일반적으로 방향족 탄화수소계 고분자막은 전극 부분에서 발생한 라디컬에 의한 고분자 산화가 일어나 내구성이 감소하게 되는데 이는 대부분 주쇄에 포함 된 에테르 기 부분의 취약성으로 발생한다. 본 연구에서는 이러한 라디칼에 의한 고분자 주쇄의 산화를 방지하기 위해 친수 성의 무기물 입자를 도입하여 이온전도도 감소율을 최소화하고 산화안정성을 높이고자 하였다. 복합막들의 물성 및 전기화학 적 특성을 평가하기 위해 접촉각, FT-IR, 이온전도도, 이온교환용량(IEC), 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 실리카의 함량 이 0에서 0.5%까지 증가함에 따라 이온전도도 및 함수율은 각각 10% 감소한 0.076 S cm-1 및 16% 감소한 24.6 wt%이었으 나, 산화안정성은 10% 향상되었다.

연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 전해질막의 성능향상을 위하여 sulfonated graphene oxide (sGO)와 Nafion을 이용하여 복합막을 개발하였다. sGO/Nafion 복합막 안의 sGO의 균일한 분산을 위해 각기 다른 용매를 사 용한 sGO 분산액과 Nafion 현탁액을 혼합하여 복합막들을 제조하였다. 제조된 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가 하기 위해 SEM, FT-IR, 이온 전도도, 이온 교환 용량, 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 연구 결과 ODB와 DMAc 혼합 용 매로 sGO를 분산하여 고분자 용액 내에서의 분산도를 향상시켰으며, 이 결과 11 wt%의 낮은 함수율에도 불구하고, 0.06 S cm-1의 기존 연구와 유사한 이온 전도도를 나타내었다.

The water removal characteristics in a PEMFC trapezoidal gas channel are investigated with the volume of fluid (VOF) method. For the case of wall contact angle of 60 degree, liquid water attaches on the top wall and moves toward the exit. In contrast, liquid water moves along the channel side corner or GDL surface irregularly for the higher wall contact angles. The hydrophillic wall contact angle of 60 degrees provides more favorable diffusion of reactants to cathode reaction sites as the GDL surface water coverage ratio approaches zero even if the water flow rate increases.

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.