고분자 전해질 연료전지의 성능에 영향을 주는 많은 인자들 중에서도 촉매층의 조성과 구조의 최적화는 성능변화에 큰 요인으로 작용 된다. 촉매층내 반응 활성점인 삼상계면을 형성시키기 위해 함침하는 Nafion binder를 anode와 cathode의 두 전극에 이온당량(Equivalent weight, EW)이 동일하게 함침시켜 그 성능을 확인하였다. 그 결과를 토대로 anode와 cathode에 이온당량을 각기 다르게 하여 각각의 전극마다 이온당량이 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다. Anode와 cathode의 이온당량을 동일하게 EW1100, EW1000, EW900으로 변화 시켜주었을 경우 이온당량의 물성치가 상대적으로 향상된 EW900의 단위 전지 성능이 가장 우수하였으며, 이온당량이 EW900이었을 때 최적의 Nafion binder 함침량은 EW1100의 Nafion binder 함침량과 동일하였다. Anode와 cathode에 함침하는 Nafion binder의 이온당량을 각각 EW1100과 EW900, EW900과 EW1100으로 MEA를 제조하여 전극에 따라 이용당량이 미치는 영향을 살펴보았다.
전도도법을 이용하여 물과 에탄올 혼합 용매에서 LiCl, NaCl, KCl 및 KBr의 한계 당량전도도를 측정한 후, TATB법을 이용하여 염을 구성하는 이온들의 한계 당량전도도를 구했다. 이온의 한계 당량전도도와 혼합 용매의 점성도의 항으로 이루어진 식을 사용하여 이온의 Stokes 반지름을 얻었으며, Nightgale법을 사용하여 이온의 보정반지름을얻었다. 또한 이온의 보정 반지름과 결정 반지름으로 부터 이온에 용매화된 용매의 부피를 구하고, 간단한 가정을 이용하여 이온의 여러가지 용매화수를 얻었다. 이들 중에서 가장 타당한 용매화수 (h$_{H_2O}$ + h$_0$)를 구하고, 등용매화점으로부터 물과 메탄올 혼합 중에서 메탄올의 조성이 바뀜에 따라 이온에 선택적 용매화를 하는 용매를 알았다.
물과 에탄올 혼합 용매에서 전도도법으로 염의 한계 당량 전도도를 구한 후, TATB법으로 이온의 당량전도도를 구하고 Nightingale법으로 이온의 보정 유효반지름을 얻고, 이온에 용매화된 용매의 부피를 계산하여 몇가지 용매화수를 제안하고 이들중에서 해당 이온에 가장 타당한 용매화수$(h_{H_2O}/+h_o)$를 구하고, 해당 이온에 대한 등용매화점을 얻었다. 물과 에탄올 혼합 용매에서의 해당 이온에 대한 등용매화점이 물과 메탄올 혼합 용매에서의 해당 이온에 대한 등용매화점보다 높은 곳에서 나타남을 알 수 있었다. 이는 용매의 $E_T$의 경향과 잘 일치했으며, 이 경향으로 결과 해석이 가능했다. 그리고 해당 이온에 가장 타당한 용매화수로부터 물과 에탄올 혼합 용매의 조성이 바뀜에 따라 해당 이온에 선택적으로 용매화하는 용매를 알았다.
정밀 양액제어를 위하여 양액재배시스템 및 고정도의 양액의 계측/제어가 가능한 시스템을 제작하였고, EC 제어하에서 양액중의 각 이온이 EC에 기여하는 비율을 추정하였다. 양액재배시스템에 별도의 측정조를 사용하여 센서의 세척 및 측정이 가능하도록 설계하였고, 1대의 본체로 복수의 양액재배 시스템의 정밀 계측이 가능하였다. 또한 정량조를 이용한 Overflow 방식의 양액공급장치에 의하여 양액제어 결과, $EC{\pm}0.05mS/cm$, $pH{\pm}0.05$ 이하의 범위에서 양액의 정밀 제어가 가능하였다. EC 제어상태에서 양액중의 2가이온의 증가와 활동도계수의 감소가 나타났고, 활동도계수와 당량이온전 도도를 이용한 양액중의 각 이온의 EC기여도의 변화 내용이 확인되었다.
이온교환은 액체상에 존재하는 이온과 고체상에 존재하는 이온이 당량적으로 치환되는 것으로 정의하며, 치환되는 정도는 일반적으로 전하의 크기와 이온이 수화반경에 따라 달라진다. 지금까지의 이온교환 반응에 대한 모델링 연구는 실험식, 질량작용식, 열역학식, 전기이중층이론, 표면착화모델 등을 이용하여 2 성분에 대하여 다양한 시도를 하였다. 본 연구에서는 2, 3, 4성분에 대해 질량작용법칙과 전기이중층이론을 조합한 표면착화모델과 질량작용법칙을 이용한 모델을 수행하였다. 그 결과 표면착화모델이 질량작용법칙을 이용한 것보다 실험치와 일치함을 알 수 있었다.
본 논문은 고분자 전해질 연료전지 공기극 유로 내부에서 당량비에 따라 발생하는 플러딩 현상을 가시화를 통해 확인하고, 전류 변화에 따른 물의 운송 특성에 관한 연구를 수행하였다. 공기극 당량비는 1.5, 2.0, 연료극 당량비는 1.5로 고정하여 실험을 수행하였다. 연료전지 공기측 당량비 2.0로 공급하였을 때 1.5와 비교하여 짧은 시간에 물이 생성되기 시작하였으며, 플러딩 영역이 빠르게 생성되는 결과가 나타났다. 또한, 공기극 당량비 1.5로 유지하는 경우 플러딩 영역 이후에 건조화 7.8A 이후 구간에서 건조화가 진행되며, 8A 이후구간에서 건조화가 시작되는 공기극 당량비 2.0에서 작동하는 연료전지와 비교하여 넓은 영역에서 물 생성이 활발하게 이루어져 MEA의 내구성과 수소이온전도도가 우수한 결과를 확인하였다.
구리이온농도를 117.15 mg/L로 조절한 모의 광산배수용액 제조하고, 세멘테이션제로서 철분을 투입하여 세멘테이션 공정 중 구리이온제거효율에 대한 철분당량, 철분크기, 교반속도의 영향을 조사하였다. 교반속도가 200 rpm의 경우, 온도 $20^{\circ}C$에서 2 당량의 철분을 투입하면 90분에 51 %의 구리가 제거되었으나 16 당량의 철분을 투입하면 60분에 99 % 이상의 구리가 제거되었다. $48{\mu}m$ 이하와 $150{\mu}m$ 크기의 철분을 2당량 투입하여 구리제거율을 관찰한 결과 200 rpm에서는 큰 차이를 나타내지 않았으나 교반속도를 400 rpm으로 증가시킨 경우 두 입도 모두에서 구리제거효율을 크게 증가하였으며, 이는 200 rpm에서 철분의 입자가 응집되어 비표면적이 감소된 것이 원인으로 SEM분석을 통해 확인하였다. 교반속도 600 rpm, 반응온도 $20^{\circ}C$, $48{\mu}m$ 이하 철분 2 당량의 조건에서 60 분에 99 % 이상의 구리가 제거된 것을 확인하였다.
화염중에 존재하는 이온 및 전자의 전기적 성질을 이용하여 연소실내의 화염전파속도를 파악하기 위해 실린더 헤드에 이온 프로브를 삽입하여 천연가스 및 가솔린의 화염전파속도를 측정하였다. 본 연구에 이용된 이온전류장치 설계에 의한 방법은 광학적 측정 장비에 비해 간단하며 쉽게 측정할 수 있고 가격도 저렴하고 응답성도 우수하였다. 이온 프로브의 제작과 신호처리에 관한 기초적인 지식을 얻었으며 천연가스 및 가솔린의 연소시 연소압력의 상승지점과 이온발생지점이 일관성있게 나타났다. 기관회전수의 증가에 따라서 연소실내의 화염전파속도가 증가했으며 같은 연소조건이라고 할 수 있는 동일 기관회전수, 당량비의 조건에서 점화시간에 대한 화염전파속도를 비교해 보면 메탄의 경우가 이론치보다 6 ms∼9 ms 정도 늦었다. 또한, 메탄가스 및 가솔린에 대해 이온 전류강도 및 화염 도달시간을 측정하였으며 연소실 벽면에서는 열전달에 의한 냉각효과로인해 화염 전파속도 및 이온농도가 감소했다.
비양성자성 극성용매인 탄산에틸렌과 아세톤과의 혼합용매에서 NaI, KI,$ NH_4I,\;(CH_3)_4NI,\;(C_2H_5)_4NI$, NaPic(Pic:피크린산이온), KPic, $(C_4H_9)_4NB(ph)_4$의 전기전도도를 $25{\circ}C$에서 측정하였다. 한계당량전도도를 Fuoss-Kraus식에 의하여 구한 결과 그 크기의 순위는 혼합용매의 성분비에 관계없이 $(C_4H_9)_4NB(ph)_4이었다. 이 전해질들의 해리상수로 부터 탄산에틸렌-아세톤 혼합용매는 이들에 대하여 좋은 이온화용매임을 알 수 있었다. 한계이온당량 전도도의 순위, $Na^+는 용매화수의 역순위와 일치하였다. Nightingale 방법에 의하여 구한 각 이온의 유효 용매화반지름에 의하면 피크린산이온은 용매화되어 있지 않으며, 요오드화이온은 탄산에틸렌-아세톤 혼합용매에서 상당히 용매화되어 있음을 알 수 있었다.
동진강 수계의 수질현황을 파악하기 $1994{\sim}1998$년 까지 $4{\sim}9$월에 월 1회에 걸쳐 5개년간 조사한 결과를 요약하면 다음과 같다. 월별로는 빗물에 의한 희석효과로 7, 8월에 수질이 가장 양호하였으며, 4월이 다소 불량하였으나 수도생육 피해 한계농도에는 미치지 못하는 수준이었다. 지점별 수질현황은 생활하수 유입지인 정읍천과 지천의 폭이 좁은 원평천의 무기성분 함량이 높았으며 동진천 상류지역에서 가장 양호하였다. 연도별 현황은 '94년 이후 '95년까지는 수질이 악화되는 경향을 보였으나 '95년 이후로는 각 성분 함량이 낮았지는 등 점점 양호해지고 있으며 COD함량으로 볼 때 특히, 정읍천의 수질이 개선되고 있음을 알 수 있었다. 양이온과 음이온의 총당량온 4월에 가장 높았고 7, 8월에 가장 낮았으며 양이온/음이온의 당량비는 5월에 높았고 7월이 가장 낮았으며 지점에 따라서는 총당량은 정읍천, 원평천, 동진천 하류, 중류, 상류의 순위였으며 양이온/음이온 총당량 비율은 원평천이 상대적으로 작은 수치를 보였지만 지역간 큰 차이는 보이지 않았다. 수질 중 각 성분 상호간의 상관관계를 보면, 대개의 성분 상호간에 유의성이 높게 나타났으나, $NO_4\;^--N$는 대개의 성분과 유의성이 없었고, $PO_4\;^{3-}-P$도 COD, $NH_4\;^+-N$, $NO_3\;^--N$, $SO_4\;^{2-}$과는 유의성을 보이지 않았다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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