• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.97.1-97.1
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• 2011

저온에서 양이온 고분자막을 사용하는 고분자 연료전지의 경우 뛰어난 성능과 다양한 응용분야로 인해 많은 연구와 실증이 이루어지고 있지만 공기극에서의 느린 산소 환원반응으로 인해 백금과 같은 귀금속의 사용이 불가피하고 백금의 제한된 매장량과 높은 가격으로 인해 상용화가 늦어지고 있다. 그래서 많은 연구자들이 합금 촉매 또는 비귀금속 촉매를 이용한 전극 개발에 집중하고 있다. 알칼리 분위기에서 저가의 전이 금속들이 백금과 비슷한 활성을 보이고 고체 음이온 교환막이 개발됨에 따라 최근 알칼리 연료전지가 다시금 큰 주목을 받고 있다. 그러나 고분자 연료전지와는 달리 아직 촉매나 전해질막, 이오노머의 특성 및 메커니즘에 관해 별로 알려진 것이 없다. 본 연구에서는 직접 개발한 세공충진막 형태의 탄화수소계의 음이온 교환막과 비귀금속 공기극 촉매를 이용하여 막전극접합체(MEA)를 개발하였고 촉매 및 이오노머 함량과 같은 전극 조성, 막전극접합체의 제조 및 체결, 가습이나 가스조성 등의 단위전지 운전조건과 같은 다양한 변수에 대해에 최적 조건을 도출하고자 하였다. 공기극 촉매는 Cu-Fe/C를 이용한 상용 촉매를 이용하였고 이오노머의 경우는 탄화수소계의 상용 제품을 사용하였으며 음이온 교환막에 전극층을 형성하기 위해서는 스프레이 공정을 이용하였다. 단위전지를 통해 성능을 확인하였고 임피던스 및 CV를 통해 전기화학적인 특성을 규명하였다. 조건의 최적화를 통해 상당한 성능 향상을 이루었으나 추가적인 성능 향상 및 내구성 확보 등에 대해 계속적인 실험을 진행할 예정이다.

• 공업화학
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• 제33권1호
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• pp.96-102
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• 2022

고분자전해질막 연료전지의 반응물인 수소와 산소는 기체 상태이므로, 반응물이 원활히 전달될수록 작동 전압의 손실을 줄일 수 있다. 높은 전류밀도 영역에서 산소 물질 전달이 전압 손실을 좌우하므로, 환원극 유로의 형상 변경에 대한 연구들이 진행되어 왔다. 환원극 유로 형상 중에서 유로를 막는 블록은 반응물을 다공성 매질인 기체확산층으로 강제 대류 하도록 사용되었다. 본 연구에서는 간단한 단 채널의 연료전지 모델에 블록을 배치하였다. 전산 유체역학을 사용하였고, 공기 공급 유량을 달리하였을 때 블록으로 인한 강제 대류 효과가 전압-전류 곡선과 국부 전류 밀도에 대한 영향을 연구하였다. 기체확산층으로의 강제 대류 현상을 통하여 적은 공기 공급 유량으로도 높은 전류 밀도를 얻을 수 있었다. 다수의 블록을 직렬로 배치한 경우에 1개의 블록만 배치한 것보다 강제 대류 효과를 증가시켜 높은 전류밀도를 얻을 수 있었다.

• 한국제4기학회지
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• 제32권1_2호
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• pp.30-40
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• 2018

화석연료 사용 증가에 의해 북극은 다른 지역보다 온난화가 2-3배 빠르게 진행 중이며 이를 '북극 온난화 증폭'이라 한다 (Overland et al., 2017; Goose et al, 2018). 북극 온난화 증폭과 관련하여 북극 해빙은 급격히 줄고 있고, 그린랜드 빙하도 연안을 중심으로 빠르게 녹고 있다 (State of Climate, 2018). 그렇지만 남극은 기후변화의 양상이 북극과 다르게 나타나는데, 남극 반도와 서남극은 온난화가 빠르고 해빙과 육상 빙하의 감소도 두드러진데 반해 동남극은 온난화가 거의 없고 해빙과 육상빙하는 약간 증가 추세에 있다. 서남극과 동남극이 이와 같이 대조적으로 반응이 나타나는 원인은 아문젠해 저기압 강화(deepening)에 따른 시계방향의 순환 증가로 따뜻한 해양성 공기가 남극 반도와 서남극으로 유입되면서 서남극의 기온은 올라가는 경향을 보이는데 반해, 동남극은 차고 냉각된 남극 대륙의 공기가 로스해 쪽으로 불어나오며 수온을 낮추고 해빙을 확장시키는 역할을 한다. 또한 성층권 오존 농도 감소에 따라 남극 주변을 시계 방향으로 도는 제트기류가 강화됨에 따라 동남극은 약간의 냉각화가 나타나는 것으로 여겨진다. 본 연구에서는 최근 남극의 기후변화가 북극과 다르게 나타나는 현상을 살펴보고 가능한 이유를 고찰해 보고자 한다.

• 에너지공학
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• 제19권2호
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• pp.73-80
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• 2010

고체산화물연료전지(SOFC)는 청정에너지기술로써 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환한다. SOFC는 열병합발전과 결합하여 80%이상의 효율을 올릴 수 있으며 천연가스와 바이오가스 등 연료에 대한 융통성이 폴리머전해질막연료전지(PEMFC)보다 높다. YSZ전해질과 함께 SOFC에 주로 채용되는 공기극 재료는 아직까지 Sr이 첨가된 $LaMnO_3$(LSM)이다. LSM 이외에, 혼합전도성을 가지는 페로브스카이트로서 Sr첨가 $LaCoO_3$(LSCo), $LaFeO_3$(LSF), $LaFe_{0.8}Co_{0.2}O_3$(LSCF)는 공기극 임피던스가 LSM에 비해 현저히 낮아 연구가 증가하고 있다. 그러나 SOFC전극의 소결온도에서 YSZ과 고체반응을 일으키는 문제점과 열팽창 계수가 YSZ와 격차가 크게 나는 문제점 때문에 전극 제조가 복잡하다. 따라서 전해질과의 화학적 안정성 및 유사한 열팽창계수(TEC)를 가지면서 우수한 전기화학활성을 제공하는 것이 해결해야할 중요한 문제로 남는다.

• 전기화학회지
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• 제10권3호
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• pp.207-212
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• 2007

IT-SOFC(중저온형 고체산화물 연료전지)의 공기극으로 적합한 PSCF3737의 물질 특성을 파악하고 그 특성을 이용하여 낮은 ASR을 갖기 위한 소결 온도 및 두께 최적화에 관한 연구를 수행하였다. 분말 사이즈 및 상형성을 고려할 때 GNP 방법으로 합성된 분말의 하소 온도는 $1000^{\circ}C$가 적합함을 알 수 있었다. 산소 분압에 따른 ASR 변화 실험을 통하여 PSCF3737의 저항 성분을 전극 자체의 특성과 관련된 중간 주파수 대역(${\sim}10^2Hz$)과 산소의 확산에 영향 받는 낮은 주파수 대역(${\sim}10^{-1}Hz$) 2가지로 분류할 수 있었다. 공기극의 특성 실험을 통하여 소결 온도는 $1200^{\circ}C$가 가장 적합하며 공기극의 두께는 2번 스크린 프린팅 된 $27\;{\mu}m$가 가장 적합함을 알 수 있었다. 이를 토대로 EIS 측정을 하면 $700^{\circ}C$에서 $0.115\;{\Omega}cm^2$의 낮은 ASR값을 얻을 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제49권6호
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• pp.775-780
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• 2011

50 $cm^2$의 활성면적을 가진 셀을 이용하여 5-셀 DMFC 스택을 제작하고 4 A의 부하로 4,000 시간 운전한 후 성능감소 및 성능 감소 원인을 분석하였다. 4,000 시간 운전 후 10 A에서 스택의 전력 밀도가 28.7% 감소하였으며 다섯개의 셀 중 두 개는 거의 성능저하가 일어나지 않았고 두 개는 약 40%의 성능 저하, 한 개는 약 60%의 성능 저하를 보였으며 각 셀별 성능저하의 정도의 차이는 스택 내에서의 위치와 상관관계가 없었다. 스택 내의 다섯 셀 중 가장 성능감소가 심하였던 셀의 경우 연료극 촉매층의 Pt 입자 크기가 증가하였으며 연료가 들어가는 쪽의 Pt 입자의 크기 증가가 더 심하였다. 그러나 4,000 시간 장기운전 후 공기극 촉매층에서는 Pt 입자 크기의 변화는 거의 없었다. 스택 내의 모든 셀에서 4,000 시간 운전 후 연료극 촉매에서 공기극 촉매로의 루테늄의 크로스오버가 SEM-EDX로 관찰되었으며 특히 성능감소가 심하였던 셀의 경우 공기극 촉매층에서 Ru/Pt의 비율이 가장 컸다.

• 전기화학회지
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• 제12권1호
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• pp.11-25
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• 2009

연료전지는 가까운 미래를 위한 핵심 청정 신에너지원 중의 하나로 기대된다. 그러나 고분자 연료전지에서 공기극은 느린 산소환원반응과 많은 백금 사용 때문에 상업화에 어려움을 겪고 있으며, 이것을 해결하는 것이 최근 당면 과제이다. 또한 연료극은 일산화탄소의 피독 현상과 전극의 안정성이 문제시 되고 있다. 본 총설에서는 고분자 연료전지를 위한 연료극, 공기극 전기화학 촉매의 이론적 접근을 통해 촉매를 설계하는 최근 연구 내용을 소개하려 한다. 촉매 설계는 합금 전기 화학 촉매를 통해 접근 했으며, 이는 electronic, geometric, lateral effects를 손쉽게 조절할 수 있게 한다. 이것은 계산되어진 d-band center의 함수에 의존하며, 촉매의 활성과 큰 관계를 가짐을 발견하였다. 본고에서 지향하는 촉매의 최종 방향은 이론적 접근을 통해서 촉매의 사용량을 줄이면서 효율적으로 사용하는 것이다.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제30권1호
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• pp.146-151
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• 2013

본 연구에서는 연료극 또는 공기극에 함유된 불순물인 황화합물의 도입을 차단할 수 있는 GDL을 제조하여, 이를 평가용 단위전지에 체결하여 $H_2S$와 $SO_2$를 연료극과 공기극에 각각 동시에 공급하여 PEMFC의 성능 저하 및 회복에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과 $H_2S$와 $SO_2$의 농도가 증가함에 따라 전지의 성능이 감소하며 특히 10 ppm 이상의 농도에서는 10분 이내에 약 10-15% 정도 성능이 감소하였다. 특히 GDL 표면의 기공이 없는 CN-2 GDL을 체결한 단위전지의 경우 피독에 의한 성능 감소 속도가 더 빠른 것을 확인하였다. 그리고 단위전지 피독 후 황화합물이 혼합되지 않은 순수 가스를 1시간 이상 공급하였을 때 전지의 성능이 GDL의 종류에 따라 90%에서 95% 이상 회복되며 CN-1 GDL의 경우가 가장 회복이 우수하였다.

• 에너지공학
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• 제8권1호
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• pp.85-94
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• 1999

전력연구원에서 수행 중인 7 kW 용융탄산염형 연료전지 시스템의 운전 조건과 일치하는 모델을 in-Line FORTRAN 블록을 이용하여 상용 소프트웨어인 ASPEN PLUS로 전산 모사한 결과와 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석한 실험적인 값을 비교 분석한 결과 실험치와 거의 일치함을 보였다. 향후 대형 시스템에서 사용하게될 가스 recycle을 위해서 연료극, 공기극의 가스를 recycle할 때와 연료극 가스를 catalytic burner를 이용하여 recycle하였을 때 연료의 전체적인 시스템의 효율 변화를 살펴보았다. 이러한 결과는 용융탄산염 연료전지 대형 시스템의 설계에 중요한 자료가 될 것이다.

• 전기화학회지
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• 제6권1호
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• pp.41-47
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• 2003

본 연구에서는 중저온에서 작동되는 연료극 지지체식 평판형 연료전지를 연구하였으며, 저가의 공정인 테입케스팅법을 이용하여 $0.8\~1mn$의 두께와 $25,\; 100,\;150cm^2$크기의 평판형 연료극 지지체를 제작하였고, 연료극 지지체의 특성을 확인하기 위해서 기공률, 가스 투과율 그리고 전기전도도 등을 측정하였다. $12wt.\%$의 결합제를 사용하여 제작된 지지체의 기공률은 $45.8\%$이고 환원 시 $53.9\%$로 증가함을 보였다. 연료극 지지체는 $850^{\circ}C$에서 900S/cm의 높은 전기전도도를 나타내었으며, 1기압 하에서 공기로 측정하였을 때 6l/min의 기체투과량을 보였다. 단전지의 제조는 테잎케스팅 법으로 제조된 연료극 지지체위에 슬러리 디핑 코팅법을 이용하여 전해질과 공기극을 순차적으로 제조하였다. YSZ의 농도를 $10wt.\%\;와\;20wt.\%$로 하여 제조된 전해질의 두께는 각각 form와 300m이었고, 공기극은 LSM-YSZ/LSM/LSCF의 다층 구조로 구성되었다. $10{\mu}m$두께의 전해질은 매우 치밀하였고 3기압 하에서 가스 투과도는 2.5ml/min을 나타내었다. 단전지의 성능 시험에서 $20\~30{\mu}m$두께의 전해질을 갖는 연료극 지지체식 평판형 연료전지는 $750^{\circ}C$에서 0.6V, $300 mA/cm^2$성능을 보였다.