Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEFCs) are eco-friendly energy conversion systems to convert hydrogen directly into electricity via an electrocatalytic reaction. Representative membrane materials of PEFCs are Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers including NafionⓇ and 3M ionomers. In spite of high proton conductivity, it is difficult to apply PFSA free-standing membranes in real PEFC applications owing to their weak mechanical failures and thermo-chemical decomposition during PFEC operations, in addition to a relatively high production cost. In this study, Nafion nanodispersions in water-alcohol mixtures are fabricated using a supercritical fluid technique. The fundamental membrane characteristics are compared with those of counterpart membranes obtained from a commercially available Nafion emulsion.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used for renewable energy generation, including polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), owing to their excellent resistance to harsh chemicals and good ion-transport properties. PFSA materials experience critical chemical decomposition to radical attacks, and fast hydrogen crossover leading to fairly reduced electrochemical performances, when they are used as membrane materials. Similar chemical degradation also occurs in PEFC electrodes containing PFSA ionomer binders used as both mechanical supporters and proton conductors and shortens PEFC lifetime. In this study, several approaches based on their morphological rearrangement to overcome these economical and technical issues are proposed. They include pore-filling membrane formation, nanodispersion, and their combination.

To study the effects of the gas channel wall contact angle on the behavior of a liquid water slug, numerical simulations are performed with the volume of fluid (VOF) method. Two different contact angle combinations on the side and top channel walls are selected. In comparison to the reference case, the water slug is removed faster when the hydrophobic contact angle is applied selectively in the corner section.

Perfluorinated sulfonic acid ionomers have been used as representative membrane materials in a wide range of applications. Though PFSA ionomers have been well known as chemically durable materials, their chemical resistances should be improved further to apply them to practical fuel cell systems operated under harsh conditions. One plausible solution would be to fabricate reinforced membranes composed of proton-conducting ionomers and chemically durable porous support films. In this study, pore-filling membranes are prepared via the impregnation of PFSA ionomers into porous PTFE support films. The objective of this study is to systematically investigate the influences of pore characteristics on proton transport behavior and electrochemical single performances.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used as membranes in the fields of green power generation and electrolysis. In spite of their high ion-conducting properties, it is difficult to apply them in the freestanding membrane state to harsh operation conditions owing to their chemical and electrochemical degradation issues. A promising membrane concept to satisfy this purpose would be “pore-filling membrane” composed of PFSA ionomers and porous PTFE support films. In this study, the porous PTFE support film treated with a cheap hydrophilic polymer is used as a reinforced material. Interestingly, the resulting PFSA-PTFE pore-filling membranes exhibit an extremely high proton conductivity with a fairly reduced ionomer content, which may give a valuable information to design a desirable pore-filling membrane.

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.

과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomers; PFSAs)는 뛰어난 수소이온전도성과 높은 내화학성으로 인해 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cells)용 고체전해질로 널리 사용되고 있다. 그러나 PFSA 전해질은 가습-건조조건에서 연료전지가 구동에 따라 반복적인 팽윤-수축으로 인해 전극층이 전해질로부터 탈리되어 전기화학적 수명특성이 감소되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 다공성 PTFE support film의 기공특성에 대한 이해를 바탕으 로 기공구조 내 나피온 이오노머를 함침시키는 강화막을 제조하였고, 기본특성을 평가하였다. 제조된 강화막은 매우 높은 수 소이온전도도(~0.5 S cm-1@90°C in liquid water)를 나타내었다.

Numerical simulations of liquid water droplets interacting with gas channel walls in a polymer electrolyte membrane fuel cell are performed with the volume of fluid (VOF) method. To investigate the effect of channel wall wettability, the contact angles of gas diffusion layer (GDL) and the side/top walls are varied as 45, 90, and 140 degrees. Two different water injection inlet locations are selected to investigate the interactions of liquid water with the different gas channel walls. As the GDL contact angle increases, the GDL surface water coverage ratio and the water volume ratio decrease. When the water injection hole is located near the side wall, the GDL surface water coverage ratio decreases and the water volume ratio increases as the contact angle of the side and top walls decreases. In conclusion, the GDL surface water coverage ratio and the water volume ratio may compete with each other to determine the fuel cell performance.

A numerical analysis was performed to study PEMFC performance characteristics depending on the flow direction of cathode reactant gas, cathode relative humidity, and porosity of gas diffusion layer. As cathode relative humidity decreases and porosity increases, current density increases due to better diffusion of reactant gas to cathode surface. As current density increases, power density increases initially and then decreases with its maximum located around current density value of 2.2 Amperes per square centimeter. From the analysis of current density distribution inside membrane, the counter-flow cases show more uniform profile across the membrane than the co-flow cases due to more uniform reactant gas supply.

촉매 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7-ene(DBU)를 이용하여, poly(vinylidenefluoride-co-chlorotrifluoroethylene) P(VDF-co-CTFE) 고분자와 methacrylic acid (MAA)를 반응시켜, P(VDF-co-CTFE)-MAA 공중합체를 제조하였다. 또한 P(VDF-co-CTFE)-MAA와 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA) 단량체를 4’,4’-azobis(4-cyanovaleric acid) (ACVA) 개시제 하에서 자유 라디칼 중합하여 수소 이온 전도성 막을 제조하였다. SEMA 함량이 많아짐에 따라 술폰산 그룹이 증가하였다. SEMA 함량이 50%일 때 최대 이온교환 용량값이 0.82 meq/g에 도달하였으며 이는 함수량 결과와 일치하였다. 또한, SEMA 함량이 50%일 때 수소이온 전도도가 0.041 S/cm까지 도달하였다. 이러한 결과는 분리막에서 SEMA 함량이 증가할수록 수소 이온을 전달시킬 수 있는 이온그룹이 증가하기 때문이다.

연료전지는 석유엔진과 비교하여 높은 전류밀도와 효율성, 그리고 친환경적이기 때문에 21세기 들어 대체 발전시스템으로서 각광받아왔다. 연료전지 시스템에서 고분자 전해질 막은 핵심부품으로써 현재 Nafion막이 연료전지시스템에서 사용 중이지만 높은 제조단가와 고온에서 낮은 전도도를 가지는 단점을 가지고 있다. 그러므로 많은 학자들이 낮은 제조단가, 높은 물리적 특성들을 달성하기 위한 연구를 진행하여 왔으며 연료전지의 상용화와 동시에 고성능의 연료전지의 개발을 위하여 많은 방법들이 개발되어 왔다. 그중, 유무기 복합막은 유기물과 무기물의 물성을 균일하게 조합할 수 있으므로 잠재성을 가지고 있는 제조방법이다. 본고에서는 다양한 무기물이 사용되어 제조된 유무기 복합막의 연구동향에 대하여 조사하였다.

This study is aimed to increase the activity of cathodic catalysts for PEMFCs(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells). we investigated the temperature effect of 20wt% Pt/C catalysts at five different temperatures. The catalysts were synthesized by using chemical reduction method. Before adding the formaldehyde as reducing agent, process was undergone for 2 hours at the room temperature (RT), 40˚C, 60˚C, 80˚C and 100˚C, respectively. The performances of synthesize catalysts are compared. The electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) was studied on 20wt% Pt/C catalysts by using a glassy carbon electrode through cyclic voltammetric curves (CV) in a 1M H2SO4 solution. The ORR specific activities of 20wt% Pt/C catalysts increased to give a relative ORR catalytic activity ordering of 80˚C > 100˚C > 60˚C > 40˚C > RT. Electrochemical active surface area (EAS) was calculated with cyclic voltammetry analysis. Prepared Pt/C (at 80˚C, 100˚C) catalysts has higher ESA than other catalysts. Physical characterization was made by using X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscope (TEM). The TEM images of the carbon supported platinum electrocatalysts (80˚C, 100˚C) showed homogenous particle distribution with particle size of about 2~3.5 nm. We found that a higher reaction temperature resulted in more uniform particle distribution than lower reaction temperature and then the XRD results showed that the crystalline structure of the synthesized catalysts are seen FCC structure.

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.

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.

Poly(vinyl chloride) (PVC) 주사슬과 poly(hydroxyethyl acrylate) (PHEA) 곁사슬로 구성된 가지형 공중합체를 원자전달라디칼 중합을 통해 합성하였다. PVC의 2차 염소원자의 직접적인 개시반응에 의해 친수성인 PHEA 단량체를 그래프팅시켰다. 이렇게 합성된 PVC-g-PHEA을 술포석시닉산(SA)를 사용하여 가교시켰으며, 이는 가지형 공중합체의 -OH 그룹과 SA의 -COOH와의 에스테르 반응임을 FT-IR 분광법을 이용하여 분석하였다. 이온교환능(IEC)은 SA 함량이 증가함에 따라 계속하여 증가하여 0.87 meq/g까지 도달하였고, 이는 전해질막에 이온 그룹수가 증가하기 때문이다. 하지만, 함수 율은 SA 함량이 20 wt%까지는 증가하다 그 이상에서는 감소하였다. 또한 수소 이온 전도도도 SA 함량에 따라 증가하여 20 wt% SA 농도에서 0.025 S/cm의 최대값을 나타내었고, 이는 SA 함량이 증가함에 따라 이온 그룹의 수가 증가하는 효과와 가교가 증가하는 효과가 서로 경쟁적으로 일어나기 때문으로 사료된다.

폴리스티렌-폴리히드록시에틸 아크릴레이트(PS-b-PHEA) 디블록 공중합체와 폴리비닐알콜(PVA)을 1 : 1 무게비로 블렌딩하여 수소 이온 전도성 가교형 고분자 전해질막을 개발하였다. 특히 술포석시닉산(SA)를 사용하여 디블록 공중합체의 PHEA 블록과 PVA와 가교반응을 시켰고, 이를 FT-IR 분광법을 이용하여 분석하였다. 이온교환능(IEC)은 SA 함량이 증가함에 따라 계속하여 증가하여 0.95 meq/g까지 도달하였고, 이는 전해질막에 이온 그룹수가 증가하기 때문이다. 하지만, 함수율은 SA 함량이 20 wt%까지는 증가하다 그 이상에서는 감소하였다. 또한 수소 이온 전도도도 SA 함량에 따라 증가하여 20 wt% SA농도에서 0.024 S/cm의 최대값을 나타내었다. 함수율과 수소이온전도도의 이러한 경향은 SA 함량이 증가함에 따라 이온 그룹의 수가 증가하는 효과와 가교가 증가하는 효과가 서로 경쟁적으로 일어나기 때문으로 생각된다.

Poly(vinyl alcohol-co-ethylene) (PVA-co-PE)와 poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-co-PMA)을 고분자 블렌딩 방법으로 50 : 50의 무게비율로써 수소이온 전도성 가교형 전해질막을 제조하였다. PSSA와 PMA이 3 : 1과 1 : 1의 몰 구성비로 되이 있는 두 가지 종류의 PSSA-co-PMA 고분자를 수소이온 전도성 고분자로 사용하였으며, PVA-co-PE 고분자는 에틸렌의 함량이 0, 27 그리고 44 mol%인 고분자를 사용하였다. 전해질 막은 PVA의 히드록실 그룹과 PMA의 카르복시릭 그룹 사이의 에스테르화 반응을 통한 열가교를 통해 제조하였고, FT-IR을 통하여 이를 확인하였다. PSSA-co-PMA의 몰비율이 3 : 1로 구성되어 제조된 전해질막은 몰비율 1 : 1로 구성되어 제조된 막보다 더 낮은 이온교환용량과 더 높은 함수율, 수소이온 전도도를 나타내었다. 또한, 전해질막에서 PE의 함량이 증가할수록 이온교환용량, 함수율, 수소이온 전도도가 계속해서 감소하는 경향성을 보였다. 전해질막의 이러한 물성들은 술폰산기의 함량과 친수성, 막의 가교구조 사이의 경쟁적인 효과로써 설명하였다.