The objectives of this paper are: (1) to conduct the thermal analyses of the disposal cell using COMSOL Multiphysics; (2) to determine whether the design of the disposal cell satisfies the thermal design requirement; and (3) to evaluate the effect of design modifications on the temperature of the disposal cell. Specifically, the analysis incorporated a heterogeneous model of 236 fuel rod heat sources of spent nuclear fuel (SNF) to improve the reality of the modeling. In the reference case, the design, featuring 8 m between deposition holes and 30 m between deposition tunnels for 40 years of the SNF cooling time, did not meet the design requirement. For the first modified case, the designs with 9 m and 10 m between the deposition holes for the cooling time of 40 years and five spacings for 50 and 60 years were found to meet the requirement. For the second modified case, the designs with 35 m and 40 m between the deposition tunnels for 40 years, 25 m to 40 m for 50 years and five spacings for 60 years also met the requirement. This study contributes to the advancement of the thermal analysis technique of a disposal cell.

The electrification of transportation is expected to greatly contribute to achieving the global climate change target. This study analyzed technological competitiveness in the fuel cell electric vehicle (FCEV) field based on patent family and citation index. Technology analysis was conducted by dividing FECV into six sub-technology areas based on IPC with fuel cell system, fuel cell technology, vehicle system, hydrogen storage and fueling, catalyst technology and etc. The largest number of patents are being filed in the fuel cell system technology field, and the fields with high growth rates over the past 10 years (2012-2022) were vehicle systems (12.4%) and hydrogen storage fuel field(11.5%). As of 2021, among global automakers, Toyota ranks the first in patent applications for FECV followed by Hyundai Motors in Korea, followed by Honda and Audi, with an average annual growth rate of 19.8%, the highest among competitors.

본 연구에서는 산화 방지 특성이 있는 가리워진 아민기를 함유한 산화 그래핀(hindered amine grafted graphene oxide, HA-GO)을 합성하여 이를 도입한 나피온(Nafion) 기반의 복합 막을 제조한 후 고분자 전해질 막 연료전지 시스템에 응용하였다. HA-GO는 4-아미노-2, 2, 6, 6-테트라메틸-4-피페리딘(4-amino-2, 2, 6, 6-tetramethyl piperidine)에 존재하는 아민 기와 GO 표면에 존재하는 에폭시기의 개환 반응을 통해 제조하였으며, 합성된 HA-GO의 함량을 달리한 복합 막을 제조하여 순수 Nafion 막과 성능 특성을 비교하였다. HA-GO가 첨가된 복합 막은 Nafion 단일 막에 비해 기계적 물성, 화학적 안정성 및 수소이온 전도 특성이 향상되었다. 특히 HA-GO의 산화 방지 특성으로 인해 HA-GO가 첨가된 복합 막은 펜톤 평가 (Fenton’s test) 이후 수소이온 전도도의 유지 특성이 Nafion 단일 막에 비해 큰 폭으로 향상된 것을 확인할 수 있었다.

직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 연료의 개질 없이 메탄올 연료를 공급하여 수소이온과 전자 생성을 통해 전류를 생산하는 에너지 변환 장치이다. 현재 DMFC에 적용되고 있는 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 높은 수소이온 전도도와 물리화학적 안정성을 갖는 과불소화계 이오노머를 활용한 PEM이지만, 높 은 메탄올 투과율과 분해 시 발생되는 환경 오염 물질 등의 문제로 인해 신규 소재 개발이 요구되고 있다. 최근 들어, 과불소 화계 이오노머에 비해 낮은 연료 투과율 및 우수한 물리화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 PEM을 DMFC에 적 용하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설에서는 탄화수소계 고분자 기반 PEM 중 1) 친수성/소수성 영역의 뚜렷한 나노 상분 리 구조를 나타내는 가지형 공중합체를 합성하여 수소이온 전도성과 메탄올의 선택도를 향상시킨 연구, 2) 제막 단계에서 가 교 구조를 도입하여 메탄올 투과율을 감소시키고 치수 안정성을 향상시킨 연구, 3) 유/무기계 첨가제 및 다공성 지지체를 도 입하여 성능을 개선한 복합 막 개발 연구에 대해 소개하고자 한다.

폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반의 막은 내구성이 우수한 네트워크 구조를 가지는 구조재료로서의 우수한 강성과 더 불어서 고온에서의 우수한 내열성, 우수한 기계적 및 인장 특성, 높은 유리전이온도(Tg), 물이 없는 무수 환경에서의 이온 전 도성능, 산화와 화학적 내구성으로 지난 20년 동안 다양한 용도의 대중적인 막 재료로 다양한 문헌에서 보고되어 왔다. 이온 전도성 PBI 기반 막은 고온용 양이온 교환막 연료 전지(HT-PEMFC)에서 광범위하게 사용되어왔다. 또한 PBI 기반 막은 독 특한 특성으로 인해 기체분리막 및 유기용매나노여과(OSN) 막 개발에서 광범위하게 사용되어왔다. 이번 리뷰에서는 고온용 연료전지, 기체분리 및 OSN 적용을 위한 다양한 유형의 PBI 기반 막의 최근 연구동향 및 적용가능성에 대해 설명하고자 한다.

수소는 다양한 신재생에너지 중 환경친화적인 에너지로 각광받고 있지만 농업에 적용된 사례는 드물다. 본 연구는 수소 연료전지 삼중 열병합 시스템을 온실에 적용하여 에너지를 절 약하고 온실가스를 줄이고자 한다. 이 시스템은 배출된 열을 회수하면서 수소로부터 난방, 냉각 및 전기를 생산할 수 있다. 수소 연료 전지 삼중 열 병합 시스템을 온실에 적용하기 위해 서는 온실의 냉난방 부하 분석이 필요하다. 이를 위해서는 온 실의 형태, 냉난방 시스템, 작물 등을 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 건물 에너지 시뮬레이션(BES)을 활용하여 냉 난방 부하를 추정하고자 한다. 전주지역의 토마토를 재배하 는 반밀폐형 온실을 대상으로 2012년부터 2021년까지의 기 상데이터를 수집하여 분석했다. 온실 설계도를 참고하여 피 복재와 골조를 모델화하여 작물 에너지와 토양 에너지 교환을 실시했다. 건물 에너지 시뮬레이션의 유효성을 검증하기 위 해 작물의 유무에 의한 분석, 정적 에너지 및 동적 에너지 분석 을 실시했다. 또한 월별 최대 냉난방 부하 분석에 의해 평균 최 대 난방 용량 449,578kJ·h-1, 냉방 용량 431,187kJ·h-1이 산정 되었다.

본 연구에서는 실리카 복합막 기반 고분자 전해질막을 5단 연료전지 스택에 적용하여 성능 평가를 수행하였다. 이를 통하여, 개별 구성 요소의 성능도 중요하지만, 전체적인 관점에서 공급되는 연료의 유량이 스택 성능에 중요한 역할을 하며, 특히 수소의 유량에 크게 의존한다는 사실이 확인하였다. 산소의 유량을 증가시켜도 성능의 변화는 미미한 반면, 수소 의 유량을 증가시키면 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 그러나 수소의 유량 증가는 수소와 산소 유량 비율의 불균형을 초 래하여 장기적으로는 스택 성능과 내구성을 저하시키는 문제가 관찰되었다. 이러한 현상을 스택 구성 요소 및 개별 단위 셀 에서도 관찰할 수 있었으며, 따라서 스택 운전 시 각 구성 요소의 성능을 최적화하는 것 외에도 균일한 유량 제어를 위해 유 로 설계 및 운전 조건을 최적화하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 실리카 복합막은 최대 출력 기준 25 W 이상의 성능을 나타내어 실제 연료전지 시스템에 적용하기에 충분한 성능을 갖춘 것으로 판단된다.

In this study, a bipolar visible light responsive photocatalytic fuel cell (PFC) was constructed by loading a Z-scheme g-C3N4/ carbon black/BiOBr and a Ti3C2/ MoS2 Schottky heterojunction on the carbon brush to prepare the photoanode and photocathode, respectively. It greatly improved the electron transfer and achieved efficient degradation of organic pollutants such as antibiotics and dyes simultaneously in two chambers of the PFC system. The Z-scheme g-C3N4/carbon black/BiOBr formed by adding highly conductive carbon black to g-C3N4/BiOBr not only effectively separates the photogenerated carriers, but also simultaneously retains the high reduction of the conduction band of g-C3N4 and the high oxidation of the valence band of BiOBr, improving the photocatalytic performance. The exceptional performance of Ti3C2/ MoS2 Schottky heterojunction originated from the superior electrical conductivity of Ti3C2 MXene, which facilitated the separation of photogenerated electron–hole pairs. Meanwhile, the synergistic effect of the two photoelectrodes further improved the photocatalytic performance of the PFC system, with degradation rates of 90.9% and 99.9% for 50 mg L− 1 tetracycline hydrochloride (TCH) and 50 mg L− 1 rhodamine-B (RhB), respectively, within 180 min. In addition, it was found that the PFC also exhibited excellent pollutant degradation rates under dark conditions (79.7%, TCH and 97.9%, RhB). This novel pollutant degradation system is expected to provide a new idea for efficient degradation of multiple pollutant simultaneously even in the dark.

Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) has been operating the Post Irradiation Examination Facility (PIEF) for spent fuel. The facility has pools and hot cells for handling and examining fuel assemblies and rods. In the first hot cell, non-destructive tests such as visual inspection, defect detection, oxide layer thickness measurement, and gamma scanning are performed on a full-length fuel rod. Then, the fuel rod is transported to the next hot cell for measuring the rod internal pressure (RIP). After the RIP measurement, the fuel rod is cut by a cutting machine to make samples for destructive tests. Currently, the existing cutting machine is broken, so a new machine needed to be designed and manufactured. The major considerations for designing the cutting machine were convenience of remote handling and decontamination. The machine was modularized and its handling parts were designed to be easily controlled by manipulators. The cover was designed to prevent radioactive contamination of the surrounding area.

본 연구에서는 낮은 막 저항과 높은 수산화 이온 전도성을 가지는 세공 충진 이온교환막 제조법으로 연구하였다. 알칼리 내구성을 향상하기 위해 폴리 테트라 플로오 에틸렌 소재인 다공성 지지체를 사용하였고 세공에는 단량체 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA), vinylbenzyl chloride (VBC)를 이용하여 copolymer를 제조했다. 가교제는 divinylbenzene (DVB)를 사용하였고 가교제 함량별로 이온교환막을 제조하여 DMAEMA-DVB와 VBC-DMAEMA-DVB copolymer에서 가교제 함량이 미치는 영향에 관해 연구하였다. 그 결과, PTFE 소재 지지체를 이용하여 화학적 안정성이 향상 했고 저압 UV 램프를 사용하여 낮은 온도에서 빠른 광중합이 가능하여 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다. 음이온교환 막 연료전지에 요구되는 이온교환막의 물리적 및 화학적 안정성을 확인하기 위해서 인장강도와 내알칼리성 테스트를 진행하였 다. 그 결과, 가교도가 증가할수록 인장강도 대략 40 MPa가 증가하였고, 최종적으로 이온전도도와 내알칼리성 테스트를 통해 가교제 함량이 증가할수록 알칼리 안정성이 증가하는 것을 확인하였다.

고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 핵심 구성요소 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 수소이온을 애노드(anode)에서 캐소드(cathode)로 이동시키는 전해질의 역 할 및 연료의 투과를 막는 분리막으로서의 역할을 수행하며 PEMFC의 성능 및 효율을 결정짓는 핵심 소재이다. 현재 나피온 (Nafion®)으로 대표되는 과불소화계 전해질 막이 높은 수소이온 전도도 및 화학적 안정성으로 인해 상용화 되었지만, 높은 생 산비용과 구동 시 환경오염 물질이 배출된다는 문제점을 갖고 있다. 이를 대체할 PEM 소재로써 고분자의 구조 조절 및 개질 과정이 용이한 다양한 종류의 탄화수소계 고분자가 제시되고 있지만, 실제 PEMFC에 적용되기 위해서는 성능 및 내구 특성 을 개선해야 하는 과제가 남아있다. 이에 본 총설은 탄화수소계 PEM의 성능 및 내구 특성을 향상시키기 위해 1) 가교 구조 를 도입한 가교 막 개발, 2) 무기 첨가제 도입을 통한 유⋅무기 복합 막 개발 및 3) 다공성 지지체를 활용한 강화 복합 막을 개발하는 연구에 대해 살펴보고자 한다.