본 연구에서는 온실가스 배출을 감축하기 위해 메탄올을 추진 연료로 사용하는 선박에 수소 연료전지 시스템이 추가된 하 이브리드 시스템 공정을 설계하였다. Case1에서는 메탄올 연료 엔진 시스템을 설계하여, 엔진에 가솔린 대신 메탄올을 연료로 공급했 을 때의 배기가스 배출량을 알아보았다. Case2에서는 Case1에 메탄올 개질 시스템을 추가해, 수소연료전지 시스템을 설계하였다. 이 하 이브리드 시스템에서는 그레이 수소를 생산하며, 엔진과 연료전지의 출력을 조합하여 선박을 구동한다. 하지만 그레이 수소는 수소를 생산하는 과정에서 탄소를 배출한다는 단점이 있다. 이 점을 보안하기 위해 Case3에서는 CCU시스템을 추가하였다. Case2에서 배출한 Flue gas의 이산화탄소를 포집한 후, 그레이 수소와 합성해 블루 메탄올을 생산하였다. 본 연구에서는 Case study를 통해 개질 온도22 0℃, 개질 압력500kPa, SCR은 1.0, flow ratio가 0.7일 때 최적의 운전조건임을 알 수 있었다. Case3의 시스템은 Case1에 비해 탄소 배출량 을 42% 감소시켰다. 결과적으로, Case3의 하이브리드 시스템을 통해 선박의 이산화탄소 배출을 유의미하게 저감할 수 있을 것으로 예 상한다.

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.

Chitosan powder is synthesized by a deasetylation process of chitin, obtained from processing of dried shrimp shell powder. Subsequently, chitosan (CS) membranes filled by montmorillonite (MMT) particles and phosphotungstic acid are prepared, and characterized by FT-IR and SEM. The morphology, obtained by SEM for the composite membrane, showed that MMT filler is successfully incorporated and relatively well dispersed in the chitosan polymer matrix. Water and methanol uptake for the CS/MMT composite membranes decrease with increasing MMT loadings, but IEC value increases. In all prepared CS/ MMT composite membranes, the CS membrane filled by 5 wt% MMT particles exhibits the best proton conductivity, while that with 10 wt% MMT loading exhibits the lowest methanol permeability; these values are 2.67 mS·cm−1 and 3.40 × 10−7 cm2·s−1, respectively. The best membrane selectivity is shown in the CS/MMT10 composite membrane; this shows that 10 wt% filled MMT is the optimum loading to improve the performance of the chitosan composite membrane. These characteristics make the developed chitosan composite membranes a promising electrolyte for direct methanol fuel cell (DMFC) application.

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.

Physical and electrochemical qualities were analyzed after KOH activation of a direct methanol fuel cell using needle coke as anode supporter. The results of research on support loaded with platinum-ruthenium suggest that an activated KOH needle coke container has the lowest onset potential and the highest degree of catalyst activity among all commercial catalysts. Through an analysis of the CO stripping voltammetry, we found that KOH activated catalysis showed a 21% higher electrochemical active surface area (ECSA), with a value of 31.37 m2/g, than the ECSA of deactivated catalyst (25.82 m2/g). The latter figure was 15% higher than the value of one specific commercial catalyst (TEC86E86).

This research is to investigate the performance analysis of methanol fuel cell for flow channel with four different types of the channel (Serpentine I, II, Inter-digitated, Parallel) in the fuel cell stack. Velocity, pressure, temperature and density distributions of fluid over the flow domain of the flow channel are numerically calculated for the optimum design of flow channel with uniform inlet velocity. According to better water discharge and mutual gas reaction with low pressure drop and high density difference between inlet and outlet in the flow channel, Serpentine I type is of highest performance of the flow channel shapes in the present methanol fuel cell models.

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells)는 액상의 메탄올을 연료로 직접 사용하는 전기 에너지 전환 장치로서 연료의 값이 싸고 취급이 용이하며 초소형화가 가능하다. Montmorillonite (MMT)가 첨가된 고분자 전해질 분리막의 경우 열적⋅물리적 성질이 개선되며 메탄올 투과도가 감소되는 장점을 가지고 있지만 이온전도도는 감소가 되는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 술폰산기(-SO3H)를 포함하는 MMT를 제조하여 Sulfonated Poly(arylene ether sulfone)(SPAES) 고분자와 sulfonated MMT(sulMMT)를 혼합하여 유⋅무기 복합막을 제조하고 특성평가가 이루어졌다.

Carbon-supported Pt catalyst systems containing defect adsorption sites on the anode of direct methanol fuel cells were investigated, to elucidate the mechanisms of H2 dissociation and carbon monoxide (CO) poisoning. Density functional theory calculations were carried out to determine the effect of defect sites located neighboring to or distant from the Pt catalyst on H2 and CO adsorption properties, based on electronic properties such as adsorption energy and electronic band gap. Interestingly, the presence of neighboring defect sites led to a reduction of H2 dissociation and CO poisoning due to atomic Pt filling the defect sites. At distant sites, H2 dissociation was active on Pt, but CO filled the defect sites to form carbon π-π bonds, thus enhancing the oxidation of the carbon surface. It should be noted that defect sites can cause CO poisoning, thereby deactivating the anode gradually.

본 연구에서는 탄화수소계열 고분자인 sulfonated poly arylene ether sulfone(SPAES) 고분자를 이용하여 연료전지용 전해질막을 제조하였으며 메탄올 투과도를 최적화 하기 위하여 소수성 고분자인 polyethersulfone(PES), Polyvinylidene fluoride (PVdF) 를 소량 첨가하여 블렌드막을 제조하였다. 제조된 분리막은 연료전지용 전해질 막으로써 요구되는 물리적, 화학적 안정성, 이온전도도, 셀 테스트등의 기본 물성을 측정하여 잠재적인 적용 가능성을 테스트 해보았다 또한 분자동력학 시뮬레이션을 이용하여 소수성 고분자와 SPAES고분자의 혼화성 측정과, 이온 및 메탄올 분자의 투과도를 예측해 보았으며 이를 이용하여 실제 실험 결과와 비교 분석을 진행하였다.

In this study, PtRu nanoparticles deposited on binary carbon supports were developed for use in direct methanol fuel cells using carbon blacks (CBs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The particle sizes and morphological structures of the catalysts were analyzed using X-ray diffraction and transmission electron microscopy, and the PtRu loading content was determined using an inductively coupled plasma-mass spectrometer. The electrocatalytic characteristics for methanol oxidation were evaluated by means of cyclic voltammetry with 1 M CH3OHin a 0.5 MH2SO4 solution as the electrolyte. The PtRu particle sizes and the loading level were found to be dependent on the mixing ratio of the two carbon materials. The electroactivity of the catalysts increased with an increasing MWCNT content, reaching a maximum at 30% MWCNTs, and subsequently decreased. This was attributed to the introduction of MWCNTs as a secondary support, which provided a highly accessible surface area and caused morphological changes in the carbon supports. Consequently, the PtRu nanoparticles deposited on the binary support exhibited better performance than those deposited on the single support, and the best performance was obtained when the mass ratio of CBs to MWCNTs was 70:30.

Two types of Pt nanoparticle electrocatalysts were composited on Pt nanowires by a combination of an electrospinning method and an impregnation method with NaBH4 as a reducing agent. The structural properties and electrocatalytic activities for methanol electro-oxidation in direct methanol fuel cells were investigated by means of scanning electron microscopy (SEM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and cyclic voltammetry. In particular, SEM, HRTEM, XRD, and XPS results indicate that the metallic Pt nanoparticles with polycrystalline property are uniformly decorated on the electro-spun Pt nanowires. In order to investigate the catalytic activity of the Pt nanoparticles decorated on the electro-spun Pt nanowires, two types of 20 wt% Pt nanoparticles and 40 wt% Pt nanoparticles decorated on the electro-spun Pt nanowires were fabricated. In addition, for comparison, single Pt nanowires were fabricated via an electrospinning method without an impregnation method. As a result, the cyclic voltammetry and chronoamperometry results demonstrate that the electrode containing 40 wt% Pt nanoparticles exhibits the best catalytic activity for methanol electro-oxidation and the highest electrochemical stability among the single Pt nanowires, the 20 wt% Pt nanoparticles decorated with Pt nanowires, and the 40 wt% Pt nanoparticles decorated with Pt nanowires studied for use in direct methanol fuel cells.

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.

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.

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.

Carbon nanofiber (CNF) grown catalytically was chemically activated with KOH to attain structural change of CNF. The structural changes of CNF through KOH activation were investigated by using BET and SEM. From the results of BET, it was found that KOH activation was effective to develop particular sizes of pores on the CNF surface, increasing the surface area of CNF. Activated CNF was applied as an anode catalyst support of fuel cell. The effects of different activation conditions including the activation temperature and the activation time on the specific surface area of the CNF activated with KOH were investigated to obtain appropriate structure as a catalyst support. The 60 wt% Pt-Ru catalyst prepared was observed by using TEM and XRD.