Many researchers have been focused on polymer electrolyte membrane (PEM) to improve performance of a fuel cell. Sulfonpolyimide with hydrocarbon was synthesized from ODA (4,4-diaminodiphenyl ether), ODADS (4,4-diaminodiphenyl ether-2,2-disulfonic acid), NTDA (1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylicdianhydride) and CSA (chlorosulfonic acid). In order to estimate the feasibility as a fuel cell, the performance of sulfonpolyimide was analyzed through a swelling degree, IEC (ion exchange capacity), ion conductivity and TEM (transmission electron microscope). As the results of this performance test, swelling degree, IEC and ion conductivity were 37%, 0.06 meq/g and 0.08 S/cm respectively, when the CSA concentration was 0.4 M. It was thought that sulfonpolyimide could be used as a fuel cell through improvement of electrolyte membrane.

Platinum catalysts for the DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) were impregnated on several carbon supports and their catalytic activities were evaluated with cyclic voltammograms of methanol electro-oxidation. To increase the activities of the Pt/C catalyst, carbon supports with high electric conductivity such as mesoporous carbon, carbon nanofiber, and carbon nanotube were employed. The Pt/e-CNF (etched carbon nanofiber) catalyst showed higher maximum current density of and lower on-set voltage of 0.54 V vs. NHE than the Pt/Vulcan XC-72 in methanol oxidation. Although the carbon named by CNT (carbon nanotube) series turned out to have larger BET surface area than the carbon named by CNF (carbon nanofiber) series, the Pt catalysts supported on the CNT series were less active than those on the CNF series due to their lower electric conductivity and lower availability of pores for Pt loading. Considering that the BET surface area and electric conductivity of the e-CNF were similar to those of the Vulcan XC-72, smaller Pt particle size of the Pt/e-CNF catalyst and stronger metal-support interaction were believed to be the main reason for its higher catalytic activity.

Plasma carbon blacks of 20~30 nm diameter were synthesized by direct decomposition of natural gas using a hybrid plasma torch system with 50 kW direct current and 4 MHz of radio frequency. The insulating rector which inside diameter of 400 mm and length of 1500 mm, respectively was kept at 300~400℃ during the preparation. The ultimate analysis of plasma carbon blacks reveals that the raw plasma carbon blacks contains a large quantity of volatile which is mainly consist of hydrogen. Therefore devolatilization of raw plasma carbon blacks were carried out at 900℃ for one hour under nitrogen atmosphere. The devolatilization leads to the decrease in electrical resistivity and surface oxygen functional groups of plasma carbon black significantly. In order to investigate the plasma carbon as a catalyst support, devolatilized plasma black at 900℃ (DPB) supported PtAu catalyst was synthesized by sodium boronhydride reduction method. Electrochemical measurements and direct formic acid fuel cell test indicated that catalytic activity of DPB supported PtAu catalyst for formic acid oxidation was similar to that of Vulcan XC-72 of commercial carbon black supported one.

본 연구에서는 polyvinylalcohol(PVA)의 hydroxyl 작용기와 sulfosuccinic acid (SSA)의 carboxylic acid 작용기의 반응을 통하여 열가교된 PVA막을 제조하였다. 설폰산기를 함유한 SSA는 PVA 매트릭스에 대한 가교제의 역할뿐만 아니라 수소이온의 전도도를 높이는 역할 모두를 수행하였다. PVA의 가교도(degree of crosslinking)는 SSA의 함량으로 조절하였고 가교밀도(crosslinking density)는 극성 및 비극성 용매를 이용하여 계산하였다. Xylene 및 benzene과 같은 비극성 용매를 사용한 경우 가교밀도는 SSA함량에 따라 증가하였다. 그러나, 물과 methanol과 같은 극성 용매를 사용한 경우 가교밀도는 SSA함량 20%까지 증가하다가 그 이상의 함량에서는 설폰산기의 영향으로 감소하였다. 가교도와 확산계수, 기계적 물성 및 전도도, 메탄올 투과도 등에 대한 PVA막의 특성을 평가하였고 이들 특성은 SSA함량에 의존하였다.

술폰화 폴리스티렌/테플론(Polystyrene/Teflon, 이하 'PS/PTFE'로 칭함) 복합막을 제조하여 직접 메탄을 연료전지용 막에 관한 특성을 조사하였다. 복합막은 다음과 같이 제조되었다. 먼저 다공성 테플론 필름에 styrene 단량체와 가교제인 diviny benzene (이하 'DVB'로 칭함)의 비율을 달리하면서, 개시제 2,2'-azobis(isobutylonitlie) (AIBN)와 함께 함침시킨 후 열을 가해 폴리스티렌/테플론 복합막을 제조하였다. 그 후 술폰화제인 chlorosulfonic acid와 1,2-dichloroethane혼합용액을 사용하여 술폰화된 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막의 술폰화 전과 후의 물리화학적 구조는 ATR-FTIR, SEM, THF 및 물에 대한 함유율, 이들의 이온교환량을 통하여 확인하였다. 이러한 결과로부터 스티렌/디비닐벤젠의 비율에 따라 복합막이 성공적으로 제조되었음을 확인하였다. 또한 가교제인 디비닐벤젠의 함량이 높을수록, 가교도가 증가하여 물 및 THF에 대한 함유율이 감소하였다. 이온전도도, 메탄올투과도를 조사한 결과, 디비닐벤젠의 함량 증가와 함께 이온전도도는 감소하였으며, 메탄올 투과도가 감소하였다. 제조된 술폰화된 폴리스티렌/테플론 복합막은 Nafion(R) 과 비교할 만한 높은 이온 전도도(0.11∼0.08 S/cm, 25℃)를 보이면서 훨씬 낮은 메탄올 투과도(6.6×10-7∼1.3×10-7 cm2/s)를 나타내었다. 이러한 결과들은 본 연구에서 개발된 복합막이 직접 메탄올 연료전지에 적용될 가능성이 높다는 것을 보여준다.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is considered as a candidate technology for applications in stationary, transportation as well as electronic power generation purposes. To develop a high performance direct methanol fuel cell(DMFC), a competent electrolyte membrane is needed. The electrolyte membrane should be durable and methanol crossover must be low. One of the approaches to increase the stability of generally used polymer electrolyte membranes such as Nafion against swelling or thermal degradation is to bond it with an inorganic material physically or chemically. In Noritake Company, we have developed a novel method of reinforcing the polymer electrolyte matrix with inorganic fibers. Methanol crossover values measured were significantly lower than the original polymer electrolyte membranes. These fiber reinforced electrolyte membranes (FREM) were used for DMFC study and stable power output values as high 160 mW/cm2 were measured. The details of the characteristics of the membranes as well as I-V data of fuel cell stacks are detailed in the paper.

본 연구는 직접메탄을 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)에 적용가능한 양이온교환막 개발에 관한 것으로 poly(vinyl alcohol) (PVA)에 가교제로 poly(acrylic acid-co-maleic acid) (PAM)와 hydroquinonesulfonic acid (HQSA)를 이용하여 가교제의 함량을 변화시키면서 막을 제조하였다. 제조한 막은 가교제의 함량 변화에 따라 메탄을 투과도, 이온전도도를 측정하였으며 기본적인 이온교환막의 특성인 함수율, 이온교환용량 그리고 고정이온농도 등을 측정하였다. PAM 함량이 증가함에 따라 메탄을 투과도와 이온전도도 및 함수율이 조금 증가하는 추세를 보이다 9 wt%부터 감소하는 경향을 보였는데 이는 PAM의 친수성기보다는 가교효과의 영향이라 사료되며 HQSA 함량을 변화시켰을 때는 이온전도도, 함수율 그리고 이온교환용량이 전반적으로 증가하였는데 그 증가폭은 미비하였다.

The Pt-Ru/Carbon as an anode catalyst supported on the commercial activated carbon (AC) having high surface area and micropore was characterized for application of Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). The Pt-Ru/AC anode catalyst used in this experiment showed the performance of 600 mA/cm2 current density at 0.3 V. The borohydride reduction process using NaBH4, denoted as a process A, showed much higher current and power densities than process B prepared by changing the reduction and washing process of process A. The particle sizes are strongly affected by the reduction process than the specific surface area of raw active carbon and the sizes are almost constant when the specific surface area of carbon are over than the 1200 m2/g. Smaller particle size of catalyst and more narrow intercrystalite distance increased the performance of DMFC.

본 연구는 직접메탄을 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell DMFC)용 전해질 막으로 이용되는 양이온교환막의 개발에 관한 것이다. 투과증발공정에서 메탄을 Barrier로 잘 알려져 있는 Poly(vinyl alcohol)을 Base polymer로 사용하고 양이온 교환기가 포함되어 있는 Poly(acrylic acid)를 가교제로 사용하여 가교제의 함량변화에 따른 메탄을 투과도(Methanol permeability) 이온전도도(Ion conductivity) 이온교환용량(Ion exchange capacity) 함수율(Water content) 고정이온농도(Fixed ion concentration)를 통해 막 특성을 측정하였다. 메탄올 투과도와 이온전도도는 가교제인 PAA함량이 증가함에 따라 감소하다가 15%이상에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 가교제의 함량증가로 인한 가교의 영향과 가교제에 포함되어 있는 친수성기의 도입으로 이와 같은 결과가 나타난다고 예상된다. 실험결과를 통해 DMFC에 적용가능성이 있는 막은 25℃ 50℃에서의 메탄을 투과도가 6.49×10-8/cm2/s 2.85×10-7/cm2/s 25℃ 50℃에서의 이온전도도가 2.66×10-3S/cm 9.16×10-3S/cm 이온교환용량이 1.32 meq/g membrane 함수율이 0.25 g H2O/g membrane 고정이온농도가 5.25 meq/g H2O인 PVA/PAA-160℃ 15% 막으로 예측된다.

직접메탄올연료전지에 사용가능한 이온교환막을 개발하기 위하여 본 연구에서는 폴리설폰을 설폰화시켜 양이온교환막을 제조하였고 그에 대한 특성을 150℃에서 열처리 전과 후를 통해 메탄을 투과도, 이온전도도, 이온교환용량 그리고 함수율 등에 대하여 평가하였다. 폴리설폰 고분자의 단량체와 설폰화제의 몰비가 1.4일 때 메탄올 투과도는 2.87×10-7 ;cm2/s(열처리 안함), 1.52×10-7; cm2/s(열처리함)과 이온전도도는 1.10×10-2; S/cm (열처리안함), 0.87×10-2; S/cm(열처리함)을 각각 보여 주었다. 그 이후의 몰비에서는 거의 증가하지 않았으며, 이러한 경향은 함수율과 이온교환용량에서도 같은 경향을 보여주었다.

크롬의 첨가에 따른 Raney 니켈의 특성을 파악하여 우수한 성능을 나타낼 수 있는 알칼리형 연료전지용 수소극의 촉매를 제조하였다. 또한 제조된 촉매를 이용, 실제 전극으로 제작하여 전류밀도를 측정한 뒤 최적의 전극재료의 제조조건을 확립하였다. 먼저 Ni-Al합금 제조시 크롬의 첨가량을 달리하여 Raney 니켈을 제조한 뒤 이를 이용하여 수소극을 제작, 전기화학적 특성을 고찰한 결과 크롬 첨가량이 증가함에 따라 mass activity도 증가하여 크롬 첨가량이 1 wt% 인 경우 최고 3.688 A/g을 나타내었다. 전기화학적 측정시 half cell의 운전온도는 80˚C이었으며 전해질은 6N KOH이었다. Raney 니켈 촉매의 입자크기와 비표면 적을 조사한 결과 크롬의 첨가량이 증가함에 따라 Raney 니켈 촉매의 입자크기는 12.11 μm에서 크롬의 첨가량이 1.25 wt%인 경우 11.07 μm로 감소하였고 비표면적은 0.653 m2/g에서 0.685 m2로 중가함을 알 수 있었다. 평균입자 크기가 커짐에 따라 잔존 알루미늄의 함량은 증가함을 알 수 있었다.

고분자전해질형 연료전지에서 촉매의 활성을 증가시키기 위하여 기존에 사용되고 있는 백금과 전이금속인 chromium, nickel과의 합금을 제조하였다. XRD를 이용하여 합금의 구조가 33˚에서 superlattice line을 가지고 있는 것으로 보아 face centered cubic 구조를 가진 ordered alloy로 이루어졌다는 것을 알 수 있었다. 열처리 온도가 증가할수록 합금의 입자 크기는 증가하였으며, 결정 격자 상수는 감소하였다. 전지성능테스트, cyclic voltammogram 등을 통하여 mass activity, specific activity, Tafel slope, 개회로 전압을 측정한 결과, 합금촉매의 활성이 순수한 백금촉매보다 크게 향상되었음을 알 수 있었다.

The molten carbonate fuel cell has conspicuous features and high potential in being used as an energy converter of various fuels to electricity and heat. However, the MCFC which use strongly corrosive molten carbonate at 650℃ have many problem. Systematic investigation on corrosion behavior of Fe/20Cr/Ti has been done in (62+38)mol % (Li+K) CO3 melt at 923K by using. steady state polarization and electrochemical impedance spectroscopy method. It found that the corrosion current of these Febased alloys decreased with increasing Ti content, and this attribute to the formation of LiCrO2 layer at the surface.

MCFC 작동온도인 650˚C에서 음극의 creep과 소결에 의한 구조적 변형을 막기 위해 기계적 합금법에 의한 Ni-WC분말을 합금화하여 변형에 대한 저항성을 증대시키고자 하였다. 80시간동안 어트리션 밀링을 실시한 분말은 XRD 분석결과 결정규칙이 파괴된 비정질 상을 보였다. 제조된 분말은 적당한 점도의 슬러리로 제조후 테이프 캐스팅법에 의해 green sheet를 제조하였다. 제조된 박판의 두께는 0.9mm였고, 평균 기공 크기는 3~5μm, 기공율은 55%였다. 소결체의 XRD 분석결과 2차성은 생성되지 않았으며, SEM 및 dot-Mapping image를 통해 Ni matrix 안에 W 입자가 미세하고 균일하게 분포되어 있어 고용강화 및 분산강화를 통해 Ni 음극의 기계적 특성을 향상시킬 것으로 기대된다.

연료극 지지체식 원통형 고체산화물 연료전지를 개방하기 위해 연료극 지지체와 전해질이 코팅된 연료극 원통관의 제조 및 그것의 특성에 대해 연구하였다- 연료극 지지체는 20-50vol.%의 탄소함량에 따라 만들어졌으며, 탄소량이 증가함에 따라 연 료극 지지체의 기공율도 점차 증가하였으며, 적절한 기공율을 가지기 위한 최적 탄소량은 30vol.%임을 확인하였다. 연료극 지지체 관은 압출법으로 제작하였으며, 전해질은 슬러리 코팅법으로 원통판의 바깥쪽에 코팅하였고, 1400˚C에서 공소결을 성공적으로 실시하였다. 소결후 물리척특성과 미세구조를 조사하였으며, 연료극 지지체관의 기공율은 35%이었고 연료전지의 요구조건을 만족하였다. 기체투과율 시험을 통하여, 연료극 지지체관 자체는 충분히 다공성을 나타내었으나, 전해질층을 코팅한 경우에는 매우 낮은 기체부과율을 나타냄을 확인하였다. 이것은 코팅된 전해질층이 매우 치밀하다는 것을 의미하며, 본 연구를 통해서 연료극 지지체식 원통형 고체산화물 연료전지가 제조될 수 있음을 확인하였다.