• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.135.1-135.1
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• 2010

최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 $100^{\circ}C$ 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion$^{(R)}$이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion$^{(R)}$은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-$ZrO_2$)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq $g^{-1}$), 수소이온전도도(s $cm^{-1}$) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 $ZrO_2$에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 $250^{\circ}C$이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. $100^{\circ}C$ 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-$ZrO_2$와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 $100^{\circ}C$ 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-$ZrO_2$/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역($120^{\circ}C$, $50RH{\downarrow}$)에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.

• 한국전기화학회:학술대회논문집
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• 2003.07a
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• pp.147-150
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• 2003

• Journal of the Korean Chemical Society
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• v.59 no.5
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• pp.413-422
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• 2015

Proton exchange membrane (PEM), which transfers proton from the anode to the cathode, is the key component of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Nafion is widely used as PEM due to its high proton conductivity as well as excellent chemical and physical stabilities. However, its high cost and the environmental hazards limit the commercial application in PEMFCs. To overcome these disadvantages, various alternative polymer electrolytes have been investigated for fuel cell applications. We used densely sulfonated polymers to maximize the ion conductivity of the corresponding membrane. To overcome high swelling, dipole-dipole interaction was used by introducing nitrile groups into the polymer backbone. As a result, physically-crosslinked membranes showed improved swelling ratio despite of high water uptake. All the membranes with different hydrophilic-hydrophobic compositions showed higher conductivity, despite their lower IEC, than that of Nafion-117.

• Proceedings of the Korean Ceranic Society Conference
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• 2003.10a
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• pp.119.2-119
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• 2003

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.34 no.2
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• pp.187-195
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• 2023

Data centers not only consume significant electricity to operate IT equipment, but also use a lot of electricity to cool the heat generated by IT equipment. The waste heat of a high-temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEFC) is capable of producing cooling , so it can be effectively applied to data centers that require cooling throughout the year. The energy-saving effects of the proposed combined cooling, heat and power (CCHP) system using HT-PEFC. That was analyzed based on the annual energy consumption data of a specific data center. When the system was running at 100% of the year, It was shown that the installation of 1 MW of the proposed system can save 3,407 MWh of electrical energy per year. In addition, compared to the existing system, the annual power usage effectiveness can be improved from 2.0 to 1.57 and 6,293 MWh of extra heat energy per year can be produced to sell. Furthermore, sensitivity analysis was performed on the fuel cell operating temperature and current density to guide the appropriate installation capacity of the proposed system.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.10a
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• pp.40-43
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• 2008

High temperature polymer electrolyte membranes incorporating ionic liquids (ILs) in different polymers such as commercial fluorinated polymers, sulfonated polymers and recasted nafion have been developed. ILs based on imidazolium cation and different anions possess high ionic conductivity and good thermal stability and have been used in the present study. The membranes containing IL show conductivity ${\sim}10^{-2}S\;cm^{-1}$ above $100^{\circ}C$ under anhydrous conditions and are thermally stable up to $250-300^{\circ}C$. IL acts as a conducting medium in these electrolytes and plays the same role as played by water in fully hydrated nafion membranes. Due to high conductivity and good thermal stability, these membranes are promising materials for PEFCs at higher temperatures under anhydrous conditions.

• Membrane Journal
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• v.26 no.6
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• pp.407-420
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• 2016

The fuel cell technology as a green energy source has been actively studied to solve energy shortages and pollution problems. The generating efficiency of fuel cell is high because the electricity is directly produced by using hydrogen and oxygen and the additional power generator is not needed. The key technology is the manufacturing process of polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system. The Nafion, perfluoro-based polymeric membrane is mainly used as a polymer electrolyte membrane. However, the Nafion is expensive and rapidly decreases the performance of Nafion at high temperature. So, many researchers are lively studying new alternative electrolyte membranes. In this review, through the technology competitiveness evaluation of patents and papers, the frequencies of presentation are filed by country, institution and company. In addition, polymer electrolyte membrane fuel cell, direct methanol fuel cell and alkaline fuel cell are also filed.

• Journal of the Korean Ceramic Society
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• v.40 no.2
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• pp.159-166
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• 2003

The preparation method for composite membranes of high temperature operation above $100^{\circ}C$ for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs ) was presented, using perfluorosulfonylfluoride Nafion resin and mordenite, in addition to the physical properties, proton conductivity and single cells performance for it. The composite membranes were fabricated via melting of Nafion resin with various mordenite content. As the increase of mordenite content, at high temperature range, proton conductivity of the composite membrane increased due to the late dehydration rate of existent water in the mordenite. Also, from the result of the current-voltage relationship for single cells under $130^{\circ}C$ operation condition, the composite membrane cell with l0 wt% mordenite content showed better performance than that of the others over the entire current density range. This result indicated that the existent water in the composite membrane with l0 wt% mordenite content was higher than that with the others, thereby maintains its conductivity. Based upon the results of experiments, therefore, a Nafion/mordenite composite membrane prepared by this work is thought to be a satisfactory polymer electrolyte membrane for PEMFC operation above $100^{\circ}C$.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.11a
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• pp.51-59
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• 2005

수소 분리막의 적용 분야는 석탄가스, 천연가스, 메탄가스 혼합기체이며, 고온/고압 및 수소농도가 낮은 혼합기체에서 고순도의 수소를 제조하는 곳이다. 특히 치밀질 세라믹 멤브레인은 고온에서 가스화한 석탄가스나 차세대의 쓰레기 처리 기술인 가스화 용융처리에서 생긴 고온가스로부터 고순도의 수소를 분리할 수 있다. 분리한 수소는 고온을 유지하기 때문에 연료전지 발전에 최적이다. 종래의 연료전지는 발전을 위해서 수소의 가열이 필요했으나 이것이 불필요하게 되어 발전 전체의 효율이 향상된다. 석유화학 산업에서 발생하는 혼합기체에서 수소를 분리하여 사용하고 남은 기체는 연료로 재사용할 수 있다. 분리막의 재질로는 고분자계가 개발되고 있으며 고분자 지지체에 백금이나 로듐과 같은 촉매를 코팅하는 방법이다. 이는 기공의 제어가 용이하고 대량생산이 가능한 장점이 있지만 고온에서 사용이 불가능하고 입자상 물질에 의해 분리막의 손상이 문제가 되고 있다. 이에 비해 치밀질 세라믹 멤브레인은 세라믹의 특성에 의해 고온 및 고압에서도 적용이 가능하며, 실온이나 저압의 조건에서도 적용이 가능한 특징을 가진다. $900^{\circ}C$의 고온에서 적용시 세라믹 멤브레인에는 특성열화가 없어 수명이 긴 장점을 가지게 된다. 수소가 포함되어 있는 기체에서 수소 만을 분리하는 방법은 흡착이나 분리막을 이용하는 방법이 일반적이며 흡착에 의한 방법은 일부 실용화가 진행되고 있다. 고효율의 수소를 분리하는 방법으로 분리막을 이용하는 방법이 있다. 현재 치밀질 수소 분리막의 연구는 외국(미국, 일본 등)에서도 초기 연구 단계이다. 국내에서도 이런 연구가 선행되어 외국과의 기술 격차를 줄이고 에너지 자원에 대한 확보가 필요하기 때문에 이 연구가 수행되었다. 치밀질 멤브레인의 소재로는 proton 및 전자전도가 가능한 소재로서 Ba-Ce-Y계를 기본조성으로 하여 내구성과 전기전도도를 향상시키기 위해 Ca, La, In, Yb를 치환하였다. 제조한 재료의 물리화학적 특성을 평가하였고, 수소여과 장치를 이용하여 여과 효율을 평가하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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• pp.197-198
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• 2009

고분자 전해질막으로 사용할 수 있는 소수성/친수성 랜덤 멀티블럭 공중합체를 합성하였다. 공중합체는 수산화기를 각 말단에 가지고 있는 소수성 올리고머, 친수성 올리고머 및 반응성이 좋은 커플링 단량체로 친핵성 치환 반응을 활용하여 합성 하였다. 높은 반응성의 커플링 단량체의 존재로 비교적 낮은 온도에서 합성이 됨으로서 고온에서의 에테르-에테르 교환반응에 의한 랜덤화를 억제할 수 있었으며, 높은 중합도의 공중합체를 합성 할 수 있었다. 각 수산화기로 같은 말단으로 조정된 올리고머는 투입 비율의 조정으로 쉽게 이온교환용량을 조정할 수 있었다. 솔루션 캐스팅 방법으로 강도를 가지고 잘 휘어지며 투명한 전해질막을 제조할 수 있었다. 전해질막은 이온전도도, 물흡수율, 부피 변화율, 연료 투과성 등의 측정이 되었다.