• 대한화학회지
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• 제59권5호
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• pp.413-422
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• 2015

연료전지는 수소와 산소를 연료로 하여 전기를 생산해 내는 장치로, 전기분해에 의해 음극에서 생성된 수소이온을 양극으로 전달할 수 있는 전해질을 필요로 한다. 전해질로써 Nafion과 같은 불소계 고체 고분자 막이 개발되어 왔으나, 고온에서의 수소이온 전도도 감소 및 높은 함수율에 따른 안정성 감소 등의 문제로 인해 새로운 연료전지용 고분자 전해질 막의 개발을 필요로 하였다. 본 연구에서는 술폰산기가 밀집된 구조를 갖는 단량체를 이용함으로써 높은 수소이온 전도도를 확보하고 이에 따른 고분자 막의 높은 함수율은 고분자 사슬 내에 나이트릴(CN) 작용기를 친수성 올리고머에 함께 도입함으로써 고분자 사슬간 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통해 극복할 수 있도록 하였다. 결과적으로 물리적 가교가 형성된 고분자 막들은 높은 함수율 대비 우수한 치수안정성을 나타내었으며, 모든 조성에서 Nafion-117 고분자막에 비해 낮은 IEC값을 가짐에도 불구하고 보다 높은 전도도를 나타내었다.

• 멤브레인
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• 제29권3호
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• pp.173-182
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• 2019

화석연료 사용이 증가하면서 온실가스 및 대기오염가스 등의 환경오염 문제가 심각해졌다. 이를 해결하기 위한 신재생에너지, 친환경적인 대체에너지원을 찾기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 연료전지는 전기에너지를 발생하며 부산물로 물만이 생성되는 친환경 에너지 발생장치다. 특히, 전해질로 음이온 교환막을 사용하는 음이온 교환막 연료전지(Anion Exchange Membrane Fuel Cell)는 높은 촉매의 활성으로 양이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel cell)와 다르게 저가의 금속 촉매를 사용할 수 있는 장점 때문에 관심이 높아지고 있다. 음이온 교환막으로써 요구되는 주요 특성은 높은 이온($OH^-$) 전도도 및 높은 pH의 구동조건에서의 안정성이다. 본 연구에서는 PPO계 고분자의 화학적 가교 반응을 이용해 얻어진 가교형 고분자 막의 낮은 기계적인 특성과 치수 안정성을 높이기 위해 보다 높은 분자량을 갖는 고분자 사용과 함께 가교율 증대를 통해 보다 높은 이온 전도도와 기계적인 성질, 높은 화학적인 안정성뿐만 아니라 실제 연료전지 구동조건에서 높은 셀 성능을 갖는 AEMFC용 고분자 전해질 막을 개발했다.

• 설비공학논문집
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• 제24권2호
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• pp.91-101
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• 2012

A 200 W portable polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system is developed. The PEMFC system consists of an air-cooled fuel cell stack module, a fuel supply subsystem, a power management subsystem, and a control electronics subsystem. The control logic is designed for the stable system operation. The system-level performance evaluation discloses that the present PEMFC system provides a rated power output of 200.5 W at 13.4 V with the maximum balance-of-plant (BOP) efficiency of 72%, and maximum system efficiency based on lower heating value (LHV) is 37% at 120.7 W system power output.

• Macromolecular Research
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• 제14권2호
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• pp.214-219
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• 2006

Cast Nafion-based composite membranes containing different amounts of organic, nanorod-shaped polyrotaxane were prepared and characterized, with the aim of improving the properties of polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cell applications. Polyrotaxane was prepared using the inclusion-complex reaction between ${\alpha}$-cyclodextrin and poly(ethylene glycol) (PEG) of different molecular weights. The addition of polyrotaxane to Nafion changed the morphology and reduced the crystallinity. The conductivity of the composite membranes increased with increasing polyrotaxane content up to 5 wt%, but then decreased at higher polyrotaxane contents. Well-dispersed, organic polyrotaxane inside the membrane can provide a tortuous path for the transport of methanol, as the methanol permeability depends on the aspect ratio of polyrotaxane, which is controlled by the molecular weight of PEG. All of the Nafion-based, polyrotaxane composite membranes showed a higher selectivity parameter than the commercial Nafion films did.

• 한국막학회:학술대회논문집
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• 한국막학회 2003년도 The 4th Korea-Italy Workshop
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• pp.37-40
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• 2003

Mesoporous zeolite - heteropolyacid-polymer hybrid membrane was prepared by sol-gel processes to make a proton conducting membrane. The crystallinity of mesoporous zeolite in composite membrane was increased with contents of heteropolyacid. Proton conductivity obtained from impedance measurements increases with contents of heteropolyacid, about 10$^{-3}$ S/cm in ca. 1.5 Wt% heteropolyacid.

• 멤브레인
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• 제33권6호
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• pp.325-343
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• 2023

직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 연료의 개질 없이 메탄올 연료를 공급하여 수소이온과 전자 생성을 통해 전류를 생산하는 에너지 변환 장치이다. 현재 DMFC에 적용되고 있는 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 높은 수소이온 전도도와 물리화학적 안정성을 갖는 과불소화계 이오노머를 활용한 PEM이지만, 높은 메탄올 투과율과 분해 시 발생되는 환경 오염 물질 등의 문제로 인해 신규 소재 개발이 요구되고 있다. 최근 들어, 과불소화계 이오노머에 비해 낮은 연료 투과율 및 우수한 물리화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 PEM을 DMFC에 적용하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설에서는 탄화수소계 고분자 기반 PEM 중 1) 친수성/소수성 영역의 뚜렷한 나노 상분리 구조를 나타내는 가지형 공중합체를 합성하여 수소이온 전도성과 메탄올의 선택도를 향상시킨 연구, 2) 제막 단계에서 가교 구조를 도입하여 메탄올 투과율을 감소시키고 치수 안정성을 향상시킨 연구, 3) 유/무기계 첨가제 및 다공성 지지체를 도입하여 성능을 개선한 복합 막 개발 연구에 대해 소개하고자 한다.

• 공업화학
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• 제30권6호
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• pp.687-693
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• 2019

수소전기차와 발전을 시작으로 수소연료전지 시장이 성장하면서 연료전지와 수소의 수요가 증가하고 있으므로, 조기 상용화와 시장 활성화를 위하여 연료전지의 내구성과 연료 이용효율에 관한 연구가 진행되어야 한다. 본 연구에서는 연료전지의 성능과 연료 이용효율을 최적화하기 위하여 양극 닫힌계의 운전조건에 대한 연구를 수행하였다. 부하 전류에 대한 배출 조건과 수소 공급 압력이 고분자전해질 연료전지의 성능에 미치는 영향에 대하여 평가하였고, 전해질막 두께에 대한 물의 역확산 영향을 분석하였다. 양극 닫힌계에서 수소극에 쌓인 물은 연료전지 전압이 3% 감소한 경우에 솔레노이드 밸브를 열어 배출하였다. 수소 공급 압력은 0.1~0.5 bar, 배출 시간은 0.1~1 s까지 변화시키면서 실험을 수행하였다. NR 211 (25.4 um) 전해질막의 경우 0.1 bar의 수소 공급 압력과 0.1 s 배출 시간 조건에서 수소 이용효율 98.9%의 가장 높은 연료 이용효율을 보였지만 잦은 flooding으로 인하여 장시간 운전 시 연료전지의 성능이 감소하였다. 이에 반해 NR 212 (50.8 um)의 전해질막에서 생성된 물과 질소의 역확산 속도를 늦추어 배출 간격을 늘리고 연료 이용효율을 높일 수 있었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제25권3호
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• pp.271-279
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• 2014

A 25kW-class polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell system has been developed for the propulsion of a leisure boat. The fuel cell system was designed to satisfy various performance requirements, such as resistance to shock, stability under rolling and pitching oscillations, and durability under salinity condition, for its marine applications. Then, the major components including a 30kW-class PEM fuel cell stack, a DC-DC converter, a seawater cooling system, secondary battery packs, and balance of plants were developed for the fuel cell system. The PEM fuel cell stack employs a unique design structure called an anodic cascade-type stack design in which the anodic cells are divided into several blocks to maximize the fuel utilization without hydrogen recirculation devices. The performance evaluation results showed that the stack generated a maximum power of 31.0kW while maintaining a higher fuel utilization of 99.5% and an electrical efficiency of 56.1%. Combining the 30-kW stack with other components, the 25kW-class fuel cell system boat was fabricated for a leisure. As a result of testing, the fuel cell system reached an electrical efficiency of 48.0% at the maximum power of 25.6kW with stable operability. In the near future, two PEM fuel cell systems will be installed in a 20-m long leisure boat to supply electrical power up to 50kW for propelling the boat and for powering the auxiliary equipments.

• 세라미스트
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• 제21권4호
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• pp.331-348
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• 2018

With the expectation to overcome the problem of increasing energy consumption, polymer electrolyte membrane fuel cells are getting more attention as a promising environmentally friendly and sustainable next-generation energy conversion system. In spite of the rapid improvement of polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFCs), there are several critical issues still need to be resolved for practical commercialization. Out of the many issues, the main hurdle comes from oxygen reduction reaction(ORR), thus development of efficient ORR electrocatalysts is the main key for enhancing PEMFC performance. Among various catalysts, 1D nanostructured catalyst is a promising candidate because it holds many advantages that come from nanostructuring while supplementing the disadvantages of other nanostructures such as nanoparticles(0D) or gyroids(3D). This review focused on diverse 1D nanostructures and talks about their advantages as catalyst for ORR. Different 1D nanostructures will be introduced while applying the structures to different materials system showing the prospects of 1D nanostructures for improving PEMFC.

• 한국재료학회지
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• 제19권12호
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• pp.667-673
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• 2009

The electrocatalytic characteristics of oxygen reduction reaction of the $PtxM_{(1-x)}$ (M = Co, Cu, Ni) supported on multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) have been evaluated in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). The $Pt_xM_{(1-x)}$/MWNTs catalysts with a Pt : M atomic ratio of about 3 : 1 were synthesized and applied to the cathode of PEMFC. The crystalline structure and morphology images of the $Pt_xM_{(1-x)}$ particles were characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy, respectively. The results showed that the crystalline structure of the Pt alloy particles in Pt/MWNTs and $Pt_xM_{(1-x)}$/MWNTs catalysts are seen as FCC, and synthesized $Pt_xM_{(1-x)}$ crystals have lattice parameters smaller than the pure Pt crystal. According to the electrochemical surface area (ESA) calculated with cyclic voltammetry analysis, $Pt_{0.77}Co_{0.23}$/MWNTs catalyst has higher ESA than the other catalysts. The evaluation of a unit cell test using Pt/MWNTs or $Pt_xM_{(1-x)}$/MWNTs as the cathode catalysts demonstrated higher cell performance than did a commercial Pt/C catalyst. Among the MWNTs-supported Pt and $Pt_xM_{(1-x)}$ (M = Co, Cu, Ni) catalysts, the $Pt_{0.77}Co_{0.23}$/MWNTs shows the highest performance with the cathode catalyst of PEMFC because they had the largest ESA.