• Journal of the Korean Electrochemical Society
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• v.19 no.2
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• pp.45-49
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• 2016

In order to mitigate oxidative degradation of polymer membrane during fuel cell operation, an organic radical quencher was introduced. Rutin was selected as a radical quencher and mixed with sulfonated poly(arylene ether sulfone) to prepare composite membrane. Physicochemical properties of the composite membranes such as water uptake and proton conductivity were characterized. Hydrogen peroxide exposure experiment, which can mimic accelerated oxidative stability test during fuel cell operation, was adopted to evaluate the oxidative stability of the membranes. The composite membranes containing Rutin showed similar proton conductivity and enhanced oxidative stability compared to pristine ones.

• Membrane Journal
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• v.30 no.6
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• pp.395-408
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• 2020

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have gained much attention as eco-friendly energy conversion devices without emission of environmental pollutant. Polymer electrolyte membrane (PEM) that can transfer proton from anode to cathode and also prevent fuel cross-over has been regarded as a key component of PEMFCs. Although perfluorinated polymer membranes such as Nafion® were already commercialized in PEMFCs, their high cost and toxic byproduct generated by degradation have still limited the wide spread of PEMFCs. To overcome these issues, development of hydrocarbon based PEMs have been studied. Incorporation of cross-linked structure into the hydrocarbon based PEM system has been reported to fabricate the PEMs showing both high proton conductivity and outstanding physicochemical stability. This study focused on the various cross-linking strategies to the preparation of cross-linked PEMs based on hydrocarbon polymers with ion conducting groups for application in PEMFCs.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.39 no.5
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• pp.400-407
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• 2011

The stress distribution and stress amplitude of a membrane are major factors to decide the mechanical fatigue life of PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). In this paper, mechanical stresses under operating hygro-thermal condition of the membrane are numerically modelled. Contact analysis between gas diffusion layer (GDL) and the membrane is performed under various temperature-humidity conditions. The structural model has nonlinear material properties depending on temperature and relative humidity. Several geometric conditions are applied to the model. The numerical analysis results indicate that deformations of the membrane are strongly related with assembly conditions of the fuel cell. The fatigue life is predicted for practical operating condition through experimental data.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.51 no.1
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• pp.68-72
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• 2013

Until a recent day, degradation of PEMFC MEA (membrane and electrode assembly) has been studied, separated with membrane degradation and electrode degradation, respectively. But membrane and electrode were degraded coincidentally at real PEMFC operation condition. During simultaneous degradation, there was interaction between membrane degradation and electrode degradation. The effect of electrode degradation on membrane degradation was studied in this work. We compared membrane degradation after electrode degradation and membrane degradation without electrode degradation. I-V performance, hydrogen crossover current, fluoride emission rate (FER), impedance and TEM were measured after and before degradation of MEA. Electrode degradation reduced active area of Pt catalyst, and then radical/$H_2O_2$ evolution rate decreased on Pt. Decrease of radical/$H_2O_2$ reduced the velocity of membrane degradation.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.51 no.3
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• pp.325-329
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• 2013

The membrane and electrode were degraded coincidentally at real PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) operation condition. But the interaction membrane degradation between electrode degradation has not been studied. The effect of membrane degradation on electrode degradation was studied in this work. We compared electrode degradation after membrane degradation and electrode degradation without membrane degradation. I-V performance, hydrogen crossover current, impedance and TEM were measured after and before degradation of MEA. Membrane degradation enhanced hydrogen crossover, and then Pt particle growth rate was reduced. Increase of hydrogen crossover by membrane degradation reduced the electrode degradation rate.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.17 no.3
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• pp.331-337
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• 2006

높은 이온전도도와 충분한 기계적 강도, 전해질 누수가 적은 새로운 형태의 고분자 전해질막(pore-gel SPE)을 연구 개발하였다. 다공성 PVDF-HFP 고분자막의 기공 내에 전해질 용액을 흡수시킨 후 막 내에서 젤화를 진행시켰다. 전해질 용액은 2:2:1의 비를 갖는 PC/EC/DMA에 1M SA(Salicylic acid)를 용해하고 여기에 고분자막을 용해시킬 수 있는 아세톤을 첨가하였다. 초음파를 이용함으로써 고분자막의 용액 흡수율을 증가시키고 또 고분자막에서 젤화를 촉진 시킬 수 있었다. 이렇게 젤화한 막의 이온전도도는 젤화 전 막보다 $1{\sim}2.2$ 배 향상되었고, 인장강도는 gel-type SPE 보다 40 배 증가하였으며, 전해질 누수실험결과 hybrid-type SPE는 13%의 누수를 보였으나 본 연구의 막(pore-gel SPE)은 6%로 감소함을 보였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2006.11a
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• pp.399-402
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• 2006

현재까지 연료전지 전해질 막으로는 Nafion으로 잘 알려져 있는 perfluorosulfonic acid(PFSA)막이 주를 이루고 있다. 이 막들은 $80^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도의 연료전지에서 가장 좋은 성능을 보인다. PFSA 막들은 탄소-불소로 이루어진 사슬의 특성상 산화, 환원의 조건에서도 뛰어난 안정성을 보이며 이온 전도도가 0.1S/cm 이상으로 기존에 알려진 전해질 막들 중 가장 우수한 성능을 나타낸다. 하지만 연료전지의 작동온도가 $100^{\circ}C$ 이상의 높은 온도에서 는 막에 존재하던 수분이 제거되면서 수소이온 전도도가 떨어지며 기계적 물성도 떨어지는 문제점을나타낸다. $100^{\circ}C$ 이상의 온도에서 연료전지를 작동시키면 양쪽의 전극에서 일어나는 촉매반응의 속도가 향상되며, 물의 끓는점 이상에서 작동되므로, 전지 내에서 다양한 상을 고려하지 않고 기화된 물만을 고려하여 설계를 할 수가 있다. 따라서 최근 이러한 고온/저가습 운전을 위 한 전해질 막의 개발을 위해 기존의 Nafion 막에 전도성 무기 입자를 도입하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 전도성 무기 입자로서 $ZrO_2$나노입자를 합성하고, 이를 상용 10 wt.% Nafion 용액에 분산하여 solution casting 방법을 통해 $61{\mu}m$ 두께의 유기-무기 복합막을 제조하였다. 제조한 유기-무기 복합막의 성능 평가를 위하여 함수율, 이온 전도도, 당량무게 및 단위 전지를 이용한 전류-전압 곡선을 측정하여 상용 Nafion 112 막과 비교해 보았다. $ZrO_2$ 입자는 전도성이며 동시에 친수성을 나타내기 때문에 상용 막에 비하여 함수율 및 수소이온 전도도가 우수하게 나타났다. 복합막의 이러한 물성은 $100^{\circ}C$이상의 고온에서 전해질 막 내의 물 관리를 용이하게 한다. 단위 전지 운전 온도 $130^{\circ}C$, 상대습도 37%의 운전 조건에서도 상당히 우수한 전지 성능을 보임에 따라 고온/저가습 조건에서 상용 Nafion 112 막보다 우수한 막 특성을 나타냄을 확인하였다.

• Membrane Journal
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• v.19 no.4
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• pp.291-301
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• 2009

Double-layered polymer electrolyte membranes were prepared from two different sulfonated poly(aryl ether sulfone) copolymers by the two-step solution casting method for direct methanol fuel cells (DMFC). Sulfonation degrees were adjusted 10% (SPAES-10) and 50% (SPAES-50) by controlling monomer ratios, and the weight ratios of SPAES-10 copolymer were varied in the range of 5~20% to investigate the effect of thickness of coating layers on the membranes. Proton conducting layers were fabricated from SPAES-50 solutions of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) by a solution casting technique, and coating layers formed on the semiliquid surface of the conducting layer by pouring of SPAES-10-NMP solutions onto. It was found that double-layered polymer electrolyte membrane could significantly reduce the methanol crossover through the membrane and maintain high proton conductivities being comparable to single-layered SPAES-50 membrane. The maximum power density of membrane-electrolyte assembly (MEA) at the condition of $60^{\circ}C$ and 2 M methanol-air was $134.01\;mW/cm^2$ for the membrane prepared in the 5 wt-% of SPAES-10 copolymer, and it was corresponding to the 105.5% of the performance of the commercial Nafion 115 membrane.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.443-443
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• 2010

액체 표면을 전극으로 하는 플라즈마 방전은 생물학적 살균, 분해 처리 등에 필요한 UV 및 화학적 활성종의 생성에 유리하여 널리 활용되고 있다. 하지만 그 특성 등에 관한 연구는 액체막의 유동 및 기하학적 구조 상 진단의 제한으로 인하여 아직 미비한 상태이다. 전해질 내 방전은 전극 표면의 기포 막 에 인가되고 그 두께에 따라 변한다. 따라서 본 연구에서는 액상 전해질의 인가 전압 및 점성도를 독립적으로 조절하여 기포 막 크기와 인가 전력간의 관계와 이에 따른 전해질 내 플라즈마의 특성이 음극 글로우 방전임을 밝혔다. 실험에서는 전기 전도도 1.6-3.2 S/m의 NaCl 수용액 전해질에 양극성 전극을 삽입하고 350 kHz의 전압을 인가하여 플라즈마를 발생하였다. 인가된 전압은 230 - 280 V이며 전해질의 점성도는 젤라틴을 첨가하여 1E-4-1.1 kg/m${\times}$sec로 조절하였다. 기포 막의 두께 및 변화는 고속카메라를 통하여 관측하였으며 인가되는 전압 및 전류는 고전압 프로브와 전류 프로브를 통하여 관찰하였다. 기포 막은 전극표면에서 막 비등을 통하여 발생됨을 밝혔다. 인가 전력과 손실 열에너지간의 비율에 따라 기포막은 수축과 확장의 진동을 반복하였으며 전기 유체적 모델을 통하여 기포 막의 동적 거동에 따른 플라즈마에 인가된 전력의 변화를 정량적으로 분석할 수 있었다. 기포 막의 평균적인 두께는 인가 전압과 비례하여 약 $150\;{\mu}m$에서 $200\;{\mu}m$로 증가하였으며 진폭은 점성의 증가 시 약 $50\;{\mu}m$에서 $20\;{\mu}m$로 감소하였다. 순간적인 플라즈마 인가 전력은 평균적인 두께에 따른 평균적인 두께에 대해서는 15 - 20 W의 변화를 보였으나 진폭의 감소 시 17 - 70 W의 보다 큰 폭으로 증가하였다. 이를 통하여 점성도가 큰 조건에서 기포 막의 확장이 억제되어 방전이 유지됨을 알 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.55 no.4
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• pp.473-477
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• 2017

The polymer membrane of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has a great influence on PEMFC performance and durability. In this study, hydrogen permeability, fluorine emission rate (FER), lifetime, and performance of Nafion membranes with different thicknesses were measured to investigate the effect of thickness of polymer membrane on performance and durability. The relationship between membrane thickness and lifetime was obtained from the relationships between hydrogen permeability and membrane thickness, hydrogen permeability and FER, FER and lifetime. As the membrane became thicker, the hydrogen permeability and FER decreased and the lifetime increased. On the other hand, the performance decreased with increasing membrane resistance. The membrane thickness range satisfying both performance and durability was 25 to $28{\mu}m$.