Nanosized Pt, Pt-Ru and Pt-CeO2 electrocatalysts supported on acid-treated carbon nanotube (CNT) were synthesized by microwave-assisted heating of polyol process using H2Cl6Pt·6H2O, RuCl3, CeCl3 precursors, respectively, and were characterized by XRD and TEM. And then the electrochemical activity of methanol oxidation for catalyst/CNT nanocomposite electrodes was investigated. The microwave assisted polyol process produced the nano-sized crystalline catalysts particles on CNT. The size of Pt supported on CNT was 7~12 nm but it decreased to 3~5 nm in which 10wt% sodium acetate was added as a stabilizer during the polyol process. This fine Pt catalyst particles resulted in a higher current density for Pt/CNT electrode. It was also found that 10 nm size of PtRu alloys were formed by polyol process and the onset potential decreased with Ru addition. Cyclic voltammetry analysis revealed that the Pt75Ru25/CNT electrode had the highest electrochemical activity owing to a higher ratio of the forward to reverse anodic peak current. And the chronoamperemetry test showed that Pt75Ru25 catalyst had a good catalyst stability. The activity of Pt was also found to be improved with the addition of CeO2.

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance degrades when hydrogen sulfide (H2S) is present in the fuel hydrogen gas; this is referred to as H2S poisoning. This paper reveals H2S poisoning on PEMFC by measuring electrical performance of single cell FC under various operating conditions. The severity of H2S poisoning depended on H2S concentration under best operating conditions(65℃ of cell temperature and 100% of anode humidification). H2S adsorption occured on the surface of catalyst layer on MEA, but not on the gas diffusion layer(GDL) by analyzing SEM/EDX data. In addition, MEA poisoning by H2S was cumulative but reversible. After poisoning for less than 150 min, performance of PEMFC was recovered up to 80% by just inert nitrogen gas purging.

고온 무가습 조건에서 고분자 전해질 막의 수화성 및 수소이온 전도도 향상을 위해 sulfonated poly(aryl ether sulfone) 전해질 고분자에 sulfated ZrO2 (s-ZrO2)를 함침시킨 유-무기 복합막을 제조하였다. X-ray diffraction를 통해 s-ZrO2 의 구조적 특징과 입자크기를 확인하였으며 추가적으로 FT-IR 분석을 통해, s-ZrO2입자에 술폰산기가 화학적으로 결합되어 있음을 확인 할 수 있었다. 다양한 s-ZrO2 조성비를 가진 유-무기 복합막의 이점을 확인하기 위해서 이온교환능력, 함수율, 수소이온 전도도를 측정하였다. 실험결과, s-ZrO2의 조성비를 달리한 유-무기 복합막의 수소이온 전도도는, 5 wt% s-ZrO2를 함유한 유-무기 복합막의 경우에서, 상온 수화조건 뿐만 아니라 100℃ 이상의 무가습 조건에서 매우 높은 수소 이온 전도도를 나타내었다. 특히 120℃ 무가습 조건에서도 5 wt% s-ZrO2를 함유한 유-무기 복합막이 0.0018 S cm -1의 매우 높은 전도도를 나타냄으로써 100℃ 이상의 고온에서도 높은 수화도를 유지하는 유-무기 복합막의 제조가 가능하였다.

Ground source heat pumps are clean, energy-efficient and environment-friendly systems. Although the initial cost of ground source heat pump system is higher than that of air source heat pump, it is now widely accepted as an economical system since the installation cost can be returned within an short period of time due to its high efficiency. In the present study, performances of ground source compound hybrid heat pump system applied to a resort building are simulated. The system design and operation process appropriate for the surrounding circumstance guarantee the high benefit of the heat pump system applied to a resort building. If among several renewable energy sources, ground, river, sea, waste water source are chosen as available alternative energies are combined, COP of the system can be increased largely and hybrid heat pump system can reduced the fuel cost.

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.

술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 고분자 전해질막은 상온(25℃, 100%RH)에서 우수한 수소이온전도도를 나타내는 반면 고온-저가습(120℃, 48%RH) 조건에서 나피온212 보다 낮은 수소이온전도도 값을 나타낸다. 이러한 단점을 극복하기 위해 수분 보유능력이 뛰어난 tetraethyl orthosilicate (TEOS)를 50, 100, 150, 200% 포함하는 SPAES 복합막을 제조하고 각각의 특성을 고찰하였다. FT-IR 및 TEM을 이용한 분석 결과 복합막 내에서 TEOS가 축합반응을 통하여 Si-O-Si 형태로 연결되었음을 확인하였으나, 입자 형태가 성장되지 않고 oligomer 형태로 이루어져 있음을 확인하였다. 또한 이러한 silicon dioxide 화합물이 복합막 내에서 균일하게 잘 분산되어 있음을 EDS 분석을 통해 확인하였다. TEOS를 함유한 복합막의 경우, TEOS의 수분 유지능력에 의해 높은 온도까지 휘발되지 않는 bound water의 함량이 증가함에 따라 고온에서도 높은 전도도를 유지 할 수 있었다. 이에 따라 TEOS 200% 함유된 복합막(ST200)은 120℃, 48%RH에서 나피온보다 높은 수소이온 전도도(0.015 S/cm)를 나타내었다. 또한 순수 SPAES (ST0) 단일막 보다 무기물 첨가로 인해 열 안정성이 증가하였음을 알 수 있었다.

기존 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 단점을 극복하기 위해 고체전해질 알카라인연료전지(SAMFC)가 근래에 많이 연구되고 있다. 본 논문에서는 술폰화 폴리벤지이미다졸(PBI) 유도체를 이용하여 SAMFC용 막을 제조하였다. 술폰화 폴리벤지이미다졸 유도체는 KOH에 의해 쉽게 도핑되고 도핑된 막은 높은 OH-의 전도도와 기계적 강도를 보였다. 특히 sPBI-co-PBI (술폰화 PBI : 비술폰화 PBI = 75 : 25)의 경우, 90℃ 100% 상대습도 하에서 2.98 × 10 -2 S/cm의 높은 OH-의 전도도를 보였다.

미생물 연료전지는 신재생에너지로서 미생물이 유기물을 분해하는 신진대사 과정을 통해서 전기에너지를 생성한다. 각종 유기물이 풍부한 폐수를 이용하여 전력을 생산할 뿐 아니라, 슬러지 발생량도 감축할 수 있는 미래 전도유망한 친환경에너지이다. 하지만 이를 상용화하기 위해서는 전지 내부에서 발생하는 모든 저항요소들을 감소시켜 더 높은 전력밀도를 생산해야 될 필요가 있다. 예를 들어 신진대사가 활발한 미생물의 종류, 미생물과 전극의 효과적인 전자전달 과정, 전극의 재료 및 형태 등의 개선을 통하여 전력밀도를 높일 수 있다. 특히, 고분자 전해질 분리막의 성능개선은 산화, 환원전극조를 완벽히 분리할 뿐만 아니라, 환원전극으로의 수소이온 전도도를 높여 내부저항을 줄일 수 있는 핵심 요소이다.

In developing new generation vehicles, the fuel cell hybrid vehicle has become more important as environmental standards become more stringent. This paper details the Fuel Cell Hybrid Radio Control Car (FCHRC) with proton exchange membrane fuel cell stack(75×55×65mm, 6V, 5A) and a secondary battery(7.4V, 2A) charged up by a solar cell(61mm x 110mm, 1.7V, 450mA). The design work of the FCHRC was made progress by CATIA modeling & assembling before manufacturing it. In this paper, we will focus on the automatic conversion of a power source between the PEMFC and the secondary battery, and finding the optimum conditions (temperature, humidity, airflow rate and hydrogen pressure) through thousands of performance tests in the humidity-temperature program controller. The purpose is that the models and data from the experiments we conducted will contribute to the ongoing development of the fuel cell hybrid car.

본 연구에서는 내열성 고분자인 폴리에테르술폰을 이용하여 전기방사의 방법으로 섬유 형태의 다공성 막을 제조하였다. 여기에 Nafion 용액을 함침 시켜 고분자 전해질 연료전지용 막을 제조하였다. 열중량 분석을 통해, 현재 고분자 전해질 막으로 상용화되어 널리 쓰이고 있는 Nafion 212보다 더 높은 열적 안정성을 갖는 것을 확인하였다. 주사전자현미경 측정을 통하여, 다공성의 폴리에테르술폰 막에 Nafion 용액이 수소이온 전도체로서 잘 함침 되어 있음을 확인할 수 있었다. AC impedance 측정 결과, 100°C 이하의 온도범위에는 수소 이온 전도도가 10 -2 S/cm로 나왔으며, 100°C 이상의 범위에서는 10 -3 S/cm의 값을 나타냈다. 0.6 V, 90°C의 조건에서 389 mA/㎠의 전류밀도를 나타내었다. Nafion 212 상용 막이 75°C에서 최대 성능을 나타내는데 반해, Nafion 용액을 함침시킨 폴리에테르술폰 막은 90°C에서 최대 성능을 갖는 것으로 나타났다.

본 연구는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있는 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)에 대해 mutiscale 기법을 사용하여 DMFC의 MEA부분에 대한 상세 모델링 및 전산모사를 통한 이론적 고찰을 시도하였다. 본 연구에서 이용한 multiscale 모델링 방법은 공정시스템 공학의 kinetic 중심의 모델링 방법과 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 유동중심의 모델링 방법을 유기적으로 결합하여 모사 중간에 필요한 데이터 교환을 함으로써 정확한 모델링 및 전산모사 결과를 얻었다. CFD 모델링으로 유체 이동현상을 3차원으로 해석하였고, 동시에 복잡한 비선형 대수방정식으로 표현되는 반응속도, 전기화학반응을 DAE (Differential & Algebraic Equation) solver로 계산하였다. 모델은 메탄올의 산화반응과 산소의 환원반응을 중심으로 MEA (Membrane Electorde Assembly)부분에서 물리화학적, 전기적 현상 현상을 규명하고, 반응 메커니즘을 구성하였다. MEA 모델은 3차원 공간에서 변위를 가지는 3차원 모델로 구성하였으며, 정상상태 및 등온공정의 조건하에 수립되었다. 이를 통해 channel을 포함한 MEA 부분에서 발생되는 물리적, 화학적, 전기적 현상을 정확히 예측 할 수 있다. 본 연구를 통해 수행된 결과는 DMFC의 실험계획 및 운전조건을 도출함에 있어 매우 유용한 역할을 할 수 있을 것으로 사료되며, 추가적인 연구를 통해 DMFC의 상용화에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 사료된다.

The electrocatalytic characteristics of oxygen reduction reaction of the PtxM(1-x) (M = Co, Cu, Ni) supported on multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) have been evaluated in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). The PtxM(1-x)/MWNTs catalysts with a Pt : M atomic ratio of about 3 : 1 were synthesized and applied to the cathode of PEMFC. The crystalline structure and morphology images of the PtxM(1-x) particles were characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy, respectively. The results showed that the crystalline structure of the Pt alloy particles in Pt/MWNTs and PtxM(1-x)/MWNTs catalysts are seen as FCC, and synthesized PtxM(1-x) crystals have lattice parameters smaller than the pure Pt crystal. According to the electrochemical surface area (ESA) calculated with cyclic voltammetry analysis, Pt0.77Co0.23/MWNTs catalyst has higher ESA than the other catalysts. The evaluation of a unit cell test using Pt/MWNTs or PtxM(1-x)/MWNTs as the cathode catalysts demonstrated higher cell performance than did a commercial Pt/C catalyst. Among the MWNTs-supported Pt and PtxM(1-x) (M = Co, Cu, Ni) catalysts, the Pt0.77Co0.23/MWNTs shows the highest performance with the cathode catalyst of PEMFC because they had the largest ESA.

친전자성 치환반응을 통하여 제조된 술폰화 단량체와 비(非)술폰화 단량체의 직접 중합법을 통하여 서로 다른 술폰화도를 나타내는 술폰화 폴리아릴에테르술폰 공중합체를 합성하고, 이들로부터 직접 메탄올 연료전지용 이중층(層) 고분자 전해질 막을 제조하였다. 우수한 이온 전도특성을 나타내는 술폰화도 50%의 공중합체를 사용하여 전해질 막의 모체(母體) 전도층을 제조하고, 이들의 한쪽 표면에 술폰화도 10%의 공중합체를 도포한 후 건조하여 낮은 메탄올 투과 특성의 코팅층을 형성시켰다. 도포되는 공중합체의 질량비를 5~20%로 조절함으로써 코팅 층 두께에 따른 전해질 막의 특성 변화를 고찰하였으며, 형성된 코팅 층을 막-전극 접합체의 음극 면에 접합시켜 운전 시 메탄올 연료와 직접 접촉하도록 하였다. 이중층 형성 공정을 통하여, 단일 전해질 막과 동등한 수준의 이온 전도 특성을 유지하면서도, 전해질 막을 통한 메탄올 투과 특성이 현저히 개선된 우수한 효율의 고분자 전해질 막 제조가 가능하였다. 작동 온도 60°C, 2 M의 메탄올 공급 환경에서 수행된 연료 전지 성능 평가 결과, 막-전극 접합체 출력 밀도는 5%의 질량비에서 최대 134.01 mW/cm2였으며, 이로부터 상용 나피온 115 대비 105.5%의 향상된 성능 효율을 확인할 수 있었다.

A study of fuelcell hybrid electronic vehicle for improve fuel consumption is used one wheel dynamic vehicle model and make a profound study of control strategy for cuts fuel consumption. For this reason there is a limit to study of real vehicle fuel consumption increase with weight transfer. This study perform a precision multi-body fuelcell hybrid electronic vehicle modeling using functional suspension model have fast analysis time. Verify a improve fuel consumption in urban driving cycle compare with one wheel dynamic model and demonstrate a power loss decrease by weight transfer is causes of fuel consumption rise.

본 연구에서는 연료전지용 전해질 복합체용 지지체 막을 저가의 우수한 기계적 열적 안정성을 가지는 Polysulfone으로 상전이 법을 이용하여 제조하였다. 제조된 막을 이용하여 농도변화와 노출시간의 변화에 따른 열 수축율, 통기도, 모폴로지, 기계적 물성 및 다공도를 측정하였다. 모폴로지를 조절하기 위해 공기 중 노출 시간과 고분자 농도가 제어되었으며, 제조된 막은 고분자 농도 변화에 관계없이 모두 스폰지 구조를 나타내었다. 고분자의 농도가 증가함에 따라 기계적 열적 안정성은 증가하였지만, 다공도는 감소하는 결과를 보였다. 실험결과 20 wt%의 PSf 고분자 용액을 사용하여 2분의 노출시간을 두고 제조된 고분자 막에서 연료전지용 복합막으로 사용되기 위한 충분한 다공도(80%)와 기계적(tensile : 1.3 MPa), 열적(MD, TD shrinkgage < 1%) 안정성을 나타내었다.

본 연구에서는 Poly(vinyl alcohol) (PVA)을 주쇄부(base polymer)로 하여 화학적 가교를 실시하기 위하여 Poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)를 첨가하고, 실리카와 술폰산기를 함유한 3-(trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid (THS-PSA)의 함량변화와 열 가교온도 변화를 통하여 직접 메탄을 연료전지(DMFC)에 적용하기 위한 고분자 전해질 막 소재에 관한 연구를 실시하였다. 제조된 막을 Nafion 115와 함께 비교하기 위하여 동일한 조건에서 함수율, 열 중량 분석(TGA), 이온교환용량, 이온전도도 및 메탄올 투과도를 실시하였다. 실험을 통하여 THS-PSA의 함량과 열 가교 온도변화에 따라서 메탄올 투과도가 10 -6에서 10 -8 cm 2 /s로 감소된 결과를 얻었으며, 이온전도도는 10 -3에서 10 -2 S·cm -1으로 향상되어 Nafion 115보다 우수한 결과를 나타내었다.

친전자성 치환반응으로 제조된 술폰화 단량체, 비(非)술폰화 단량체 및 탄산칼륨을 이용하는 직접 중합법을 통하여 높은 점도의 술폰화 폴리아릴에테르술폰 공중합체를 합성하고, 이들을 원료로 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 디메틸아세트아미드(DMAc)의 혼합 용매 상에서 직접 메탄을 연료전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 막 제조 시의 용매 효과에 주목하여 혼합 용매의 부피 비는 0~100%로 변화시키고 공중합체의 술폰화도는 50%로 고정하였다. 이온 전도도 및 메탄올 투과도 측정을 통하여 최종 전해질 막의 기본 특성을 파악하고, 주사전자현미경 및 원자간력현미경분석을 통한 표면 분석 결과와 비교함으로써 이들의 상관관계를 고찰하였다. 막 제조 시의 용매 혼합 비율을 적절히 조절함에 따라 최종 전해질 막의 이온 전도도를 크게 향상시킬 수 있음이 확인되었는데, 25℃의 100% 가습 환경에서 측정된 수소 이온 전도도는 NMP : DMAc 50:50 부피/부피-%에서 최대 1.38×10 -1 S/cm이었다.

술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체를 직접 중합법으로 합성하고 공유 가교하여 연료전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 최적의 전해질 막 제조를 위하여 가교제의농도를 30~90 v/v% 및 가교시간을 30분 내지 720분의 범위에서 다양한 조성의 전해질 막 제조실험이 수행되었으며 FT-IR분광법 및 열 중량분석, 수소 이온 전도도 측정 등을 통해 전해질 막의 기본 특성들을 평가하였다. 수소 이온 전도도는 가교도에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 물 흡수율 및 메탄올 투과도도 함께 낮아짐을 알 수 있었다.

Pt-loaded carbon black for the catalyst of a PEM fuel cell was synthesized with different molar ratios of polyvinylpyrrolidone and H2PtCl6 solution to improve the dispersion of Pt nanoparticles on carbon black and decrease the size of Pt nanoparticles. From transmission electron microscopy results, Pt nanoparticles of a size of approximately 2 nm were highly dispersed when the polyvinylpyrrolidone concentration was 10mM. The electrochemical activity of the synthesized Pt/C catalysts was investigated by cyclic voltammetry, showing that the as-synthesized Pt-loaded carbon black catalyst had the best activity at a polyvinylpyrrolidone concentration of 10 mM.