• Korean Chemical Engineering Research
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• v.57 no.3
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• pp.413-419
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• 2019

In the recent, as a world demand of energy resources has been transformed from fossil fuels to hydrogen-based clean energy resources, a huge attention has been attracted to increase the performance and decrease a production cost of core materials in fuel cell technology. The utilization of reinforced composite membranes as electrolytes in the polymer electrolyte membrane fuel cells can reduce the use of high cost perfluorosulfonic acid (PFSA), mitigate the cell impedance, and improve the dimensional stability as well as the interfacial stability, giving rise to achieve both an improved performance and a reduction of production costs of the fuel cell devices. In this study, we investigate the effects of physical characteristics and cell performances according to the various ionomer solvents in the solution based manufacturing process of reinforced composite electrolyte membrane.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.06a
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• pp.264-267
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• 2005

수소의 소규모 분산 생산 기술은 본격적 인 수소 인프라가 도입되기 전에 연료전지 자동차의 수소 충 전용이나 분산 발전형 연료전지의 수소 공급을 위해 필요하다. 생산 용량은 수소 기준으로 $10\~100 Nm^3/hr$ 정도로 현재로선 천연가스의 수증기 개질법이 가장 경제적인 공정으로 알려져 있다. 소규모 생산에 따른 열효율 저하를 줄이 기 위해 단위 공정들이 통합된 컴팩트 개질 시스템의 개발이 필요하다. 핵심 기술인 컴팩트 리포머의 국산화 기술 확보를 위하여 $20 Nm^3/hr$용량의 동심관형 리포머를 설계, 제작하였다. 내부구조는 제작의 단순화를 고려하여 중첩된 동심관이 배열되었고 압력 손실과 열웅력 발생을 억제하도록 유로를 배치하였다. 수증기개질 반응에 필요한 반응열은 리포머 본체에 부착된 버너를 이용하여 공급하였다. 성능 측정을 위한 부속 기기로 상온 흡착식 탈황기, 폐열 회수형 수증기 발생기, 반응물 예열을 위한 열교환기, 생성 가스 응축기를 설계 제작하여 전체 리포밍 시스템을 구성하였다. 반응 온도 $680\~720^{\circ}C$, 탄소 대 수중기 비(S/C ratio) $2.7\~3.2$ 조건에서 수증기 개질 반응을 수행하였다. 해당 반응 조건에서 메탄 전환율 $89\%$ 이상, 저위 발열량 기준 개질 열효율 $70\%$ 이상을 달성하였고 개질 생성가스 내 수소의 최대 유량은 $23.4Nm^3/h$였다. 개발된 리포밍 시스템은 고순도 수소 생산이 필요한 경우, 수소 수율 향상을 위한 고온 수성 가스 전화 반응기를 통합 가능하도록 열교환기 구성을 조정할 수 있으며 용융 탄산염 연료전지와 같이 고온형 연료전지의 경우 $550^{\circ}C$ 이상으로 개질 생성 가스를 공급하도록 구성할 수도 있다. 향후 리포머 본체의 개질 효율 향상 및 장치 소형화, 부속 기기의 최적화를 통한 전체 리포밍 시스템 개선, 스케일 업 설계를 위한 엔지니어링 설계 패키지 구성을 계획하고 있다.

• Journal of the Korean Institute of Gas
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• v.16 no.3
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• pp.16-21
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• 2012

In this study, the strength safety for 110 liter hydrogen fuel storage tank with 70MPa filling pressure has been analyzed using a FEM technique. The strength safety of a composite fuel tank in which is fabricated by an aluminum liner of 6061-T6 and carbon fiber wound composite layers of T800-24K and T700-12K of Toray, and MR60H-24P of Mitsubishi Ray has been investigated based on the criterion of a strength safety of US DOT-CFFC and Korean Standard. The FEM computed results on the strength safety of 70MPa hydrogen gas tank showed that the hydrogen fuel storage tank in which is fabricated by T800-24K and T700-12K of Toray, and MR60H-24P of Mitsubishi Ray is safe because those two carbon fibers have very similar material properties. But, the composite storage tank with a filling pressure of 70MPa in which is fabricated by T700-12K of Toray may not guaranty the strength safety, and thus this study recommends a composite hydrogen fuel tank under 60MPa.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2012.05a
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• pp.149-152
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• 2012

This paper describes the study of integrated hydrogen supply system for environment friendly propulsion systems of fuel-cell UAV. Diluted hydrochloric acid was used for direct-decomposing solid-state $NaBH_4$ and generating hydrogen. Self-hydrogen pressurized reactor and pressure regulator was introduced for stable hydrogen supply. Prototype of integrated hydrogen supply systems using the solid-state $NaBH_4$ direct-decomposition was designed for performance evaluation and concept demonstration.

• 기계와재료
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• v.21 no.2
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• pp.24-49
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• 2009

분리판은 수소연료전지 스택을 구성하는 부품 중에서 가장 많은 수량이 사용되는 부품의 하나로서 연료전지의 출력밀도(powder density, W/L), 비출력(specific power, W/kg) 및 가격($/kWe) 관점에서 가능한 저가의 소재 및 제조공정으로 경량/박형화가 이루어져야 하는 핵심부품이다. 이러한 저가의 경량/박형화 분리판 개발의 전제 조건은 연료전지 스택에서 요구하는 다양한 물성, 장기 수명 및 신뢰성을 나타내는 내구성을 만족해야 하는 것이다. 본고에서는 지금까지의 수소연료전지, 특히 고분자전해질 연료전지를 중심으로 분리판에서 사용되는 소재 및 제조공정기술의 현황, 분리판 개발에서 요구되는 다양한 기술적인 요소 및 그 문제점을 중심으로 살펴봄으로써 고성능, 고내구성 분리판 소재 및 제조공정 개발의 발전방향에 대하여 고찰하였다.

• 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.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 2002.11a
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• pp.105-110
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• 2002

수소는 환경친화적이며, 재생 가능한 에너지로서의 특징을 가지고 있으므로 미래 에너지원의 하나로 주목받고 있다. 현재 전 세계에서 생산되고 있는 수소의 대부분은 화석연료를 이용하여 제조되고 있으나 제조 과정에서 이산화탄소를 배출함으로써 지구온난화를 가속화시키는 단점을 지니고 있다. 이에 따라 세계 각국은 화석연료 자원에 의존하지 않고 수소를 생산하기 위한 방안들을 개발 중에 있다. 이러한 방안 중에서 원자력은 환경 친화적이며 지속 가능하게 수소를 생산할 수 있는 방안의 하나로 주목받고 있다.(중략)

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.52 no.6
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• pp.720-726
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• 2014

PEM fuel cell vehicles have been getting much attraction due to a sort of highly clean and effective transportation. The onboard fuel processor, however, is inevitably required to supply the hydrogen by conversion from some fuels since there are not enough available hydrogen stations nearby. A lot of studies have been focused on analyses of ATR reactor under the assumption of thermo-neutral condition and those of the optimized process for the minimization of energy consumption using thermal efficiency as an objective function, which doesn't guarantee the maximum hydrogen production. In this study, the analysis of optimization for 100 kW PEMFC onboard fuel processor was conducted targeting various fuels such as gasoline, LPG, diesel using newly defined hydrogen efficiency and keeping simply synthesized heat exchanger network regardless of external utilities leading to compactness and integration. Optimal result of gasoline case shows 9.43% reduction compared to previous study, which shows the newly defined objective function leads to better performance than thermal efficiency in terms of hydrogen production. The sensitivity analysis was also done for hydrogen efficiency, heat recovery of each heat exchanger, and the cost of each fuel. Finally, LPG was estimated as the most economical fuel in Korean market.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.05a
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• pp.558-559
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• 2008

본 논문은 미 일리노이 주립대 어바나-샴페인 캠퍼스에서 주로 군사용 응용 관련하여 개발 중인 마이크로 PEM 연료전지 시스템 개발에 대한 논문이다. 본 연구는 수소 저장 장치까지 포함하여 1 $mm^3$의 초소형 연료전지 시스템을 목표로 진행 중이며 본 논문은 이러한 진행 과정 중 화학적 하이드라이드 기반의 수소 발생기와 10 $mm^3$의 시스템 개발 과정에 대해 보고한다.

• Clean Technology
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• v.23 no.2
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• pp.121-132
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• 2017

The increase of greenhouse gases and the concern of global warming instigate the development and spread of renewable energy and hydrogen is considered one of the clean energy sources. Hydrogen is one of the most elements in the earth and exist in the form of fossil fuel, biomass and water. In order to use hydrogen for a clean energy source, the hydrogen production method should be eco-friendly and economic as well. There are two different hydrogen production methods: conventional thermal method using fossil fuel and renewable method using biomass and water. Steam reforming, autothermal reforming, partial oxidation, and gasification (using solid fuel) have been considered for hydrogen production from fossil fuel. When using fossil fuel, carbon dioxide should be separated from hydrogen and captured to be accepted as a clean energy. The amount of hydrogen from biomass is insignificant. In order to occupy noticeable portion in hydrogen industries, biomass conversion, especially, biological method should be sufficiently improved in a process efficiency and a microorganism cultivation. Electrolysis is a mature technology and hydrogen from water is considered the most eco-friendly method in terms of clean energy when the electric power is from renewable sources such as photovoltaic cell, solar heat, and wind power etc.