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이온당량(EW)이 다른 Nafion binder가 고분자 전해질 연료전지의 성능에 미치는 영향
김근호(Kim, Kun-Ho),김형준(Kim, Hyoung-Juhn),임태훈(Lim, Tae-Hoon),이관영(Lee, Kwan-Young) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11
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.
Gradient catalyst coating 방법을 이용한 MEA 제조
김근호(Kim, Kun-Ho),김형준(Kim, Hyoung-Juhn),이상엽(Lee, Sang-Yeop),임태훈(Lim, Tae-Hoon),이관영(Lee, Kwan-Young) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.11
고분자 전해질 연료전지의 전극을 gradient catalyst coating 방법을 이용하여 제조하였다. 촉매 잉크제조 시 나피온 이오노머의 함침 구성비를 다르게 하여 조성 비율이 다른 gradient 구조를 갖도록 하여 전극을 제조하였다. Anode Cathode의 두 전극을 각각 나피온 함량비가 다른 두 개의 gradient 층구조의 촉매층으로 9:1, 8:2, 7:3, 6:4 비율의 조성비로 성능을 측정하였으며, 전극의 전기화학적 반응 면적을 알아보기 위해 순위전위법을 그리고 분극 저항(Polarization resistance) 변화를 알아보기 위해서는 0.7V에서 임피던스 측정법의 전기화학분석법으로 전극 제조법에 따른 성능변화를 확인하였다. 특히 Gradient catalyst coating 방법을 이용하여 제조한 MEA는 종래 방식의 MEA보다 high current density(1000mA/cm²)이상에서 향상된 성능을 보였다.
운전 정지 시 보관방법이 고분자 전해질 연료전지의 열화에 미치는 영향 I. 잔류 수소 제거 방법의 영향
임상진,조은애,이상엽,김형준,임태훈,이관영,Lim, Sang-Jin,Cho, Eun-Ae,Lee, Sang-Yeop,Kim, Hyoung-Juhn,Lim, Tae-Hoon,Lee, Kwan-Young 한국전기화학회 2006 한국전기화학회지 Vol.9 No.3
반복적인 작동/멈춤에 의해 고분자전해질 연료전지의 성능 감소가 촉진되며, 이는 연료전지 자동차의 상용화를 위해 반드시 해결되야 한다. 고분자전해질 연료전지 스택의 운전을 정지했을 때 연료극 유로에는 수소가, 공기극 유로에는 공기가 남아 있어 연료전지가 열림회로 전위 상태에 한동안 유지되며 이로 인해 촉매의 소결이 촉진되고 과산화수소 라디칼이 형성되어 전해질를 분해시키는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 반복적인 작동/멈춤이 따라 고분자전해질 연료전지의 성능 감소와 막-전극 접합체의 특성에 미치는 영향을 조사하고, 운전 정지 시 잔존 수소를 제거함으로써 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 방법을 제안하였다. Degradation of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) that is facilitated by on/off cycles is one of the most important issues for commercialization of fuel cell vehicles. When a PEMFC stack is shut down, residual hydrogen and induce high voltage equivalent to open circuit voltage to the cathode side that might cause sintering of Pt catalyst and facilitate formation of hydrogen peroxide at the anode side that might decompose $Nafionc\'{A}$ membrane. In this study, degradation of PEMFC exposed to repetitive on/off cycles was investigated by measuring i-V characteristics, ac impedance, cyclic voltammograms, gas leak, cross-sectional SEM images, and TEM images. To prevent degradation of PEMFC caused by the residual gases, hydrogen was removed from anode gas channel by gas-purging and by using a dummy resistance, that were found to be a very effective method.
임상진(Lim, Sang-Jin),김형준(Kim, Hyoung-Juhn),조은애(Cho, Eun-Ae),이상엽(Lee, Sang-Yeop),임태훈(Lim, Tae-Hoon) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.11
For commercialization of polymer electrolytemembrane fuel cell (PEMFC), durability of membrane electrode assemblies (MEAs) has to be improved. Especially, long-term stability of MEA is one of the most important issues for frequent shut-down and start-up processes of PEMFC. The degradation of MEA could be attributed to chemical attack of hydrogen peroxide radicals that are formed at high cell voltages without any special treatment to remove residual hydrogen from anode gas channel after shut-down of the fuel cell. In this study, we investigated the long-term stability of MEA under different on/off operation conditions. Residential hydrogen gas was removed from the anode flow channel by purging air or nitrogen. Also, a dummy resistance was applied to the fuel cell to exhaust residential hydrogen at the anode. In these cases, MEA showed much more stable durability. Electrochemical characteristics of the fuel cell were measured byrepeating the on/off cycles with the hydrogen removal processes. Also, degradation of MEA components was examined by SEM, TEM and XRD analyses.
공기에 포함된 불순물에 의한 PEMFC 운전 성능 변화
장종현(Jang, Jong-Hyun),김이영(Kim, Yi-Young),한종희(Han, Jong-Hee),이상엽(Lee, Sang-Yeop),조은애(Cho, Eun-Ae),김형준(Kim, Hyoung-Juhn),임태훈(Lim, Tae-Hoon) 한국신재생에너지학회 2008 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.05
The effect of air impurities on PEMFC performances were studied using electrochemical analysis, such as OCV monitoring, polarization, constant current operation, and electrochemical impedance spectroscopy. The nitrogen dioxide in air lowered the operation voltage at 1 A/cm² by 160 mV (10 ppm) and 227 mV (100 ppm), while the carbon monoxide effect was relatively not significant (30 mV at 100 ppm). For both nitrogen dioxide and carbon monoxide, the performances were largely recovered when pure air was provided again. Further study for additional air impurities and simulated air are under progress to provide fundamental data for the design of fuel cell vehicles.
손태양 ( Tae Yang Son ),김태현 ( Tae Hyun Kim ),김형준 ( Hyoung Juhn Kim ),남상용 ( Sang Yong Nam ) 한국공업화학회 2018 공업화학 Vol.29 No.5
화학에너지를 전기에너지로 전환하는 친환경 에너지 자원으로 각광받는 연료전지에서 고분자 전해질 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)의 비싼 백금촉매 사용, 고온가습조건에서의 전도도 감소 등의 문제로 음이온교환연료전지(anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)가 주목을 받고 있다. 음이온교환연료전지는 비백금계 촉매를 사용하고 산소환원반응의 활성화 에너지가 낮아 효율이 더 우수한 장점이 있다. 하지만, 이산화탄소에 노출되어 전극 손상, 이온전도도 감소 등의 문제점을 포함하여 여러 가지 해결해야 할 문제점이 있다. 따라서, 본 미니총설은 음이온 교환연료전지의 다양한 문제점을 여러 연구논문을 통해서 해결방안을 제시하고자 한다. Fuel cells are seen as eco-friendly energy resources that convert chemical energy into electrical energy. However, proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have problems such as the use of expensive platinum catalysts for the reduction of conductivity under high temperature humidification conditions. Thus, an anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) is attracting a great attention. Anion exchange fuel cells use non - Pt catalysts and have the advantage of better efficiency because of the lower activation energy of the oxygen reduction reaction. However, there are various problems to be solved including problems such as the electrode damage and reduction of ion conductivity by being exposed to the carbon dioxide. Therefore, this mini review proposes various solutions for different problems of anion exchange fuel cells through a wide range of research papers.
오대윤 ( Dae Youn Oh ),하성용 ( Seong Yong Ha ),이정무 ( Jeong Moo Lee ),김형준 ( Hyoung Juhn Kim ),남상용 ( Sang Yong Nam ) 한국공업화학회 2011 공업화학전망 Vol.14 No.3
최근 기체분리막에서 가장 크게 관심을 받고 있는 분야는 OBIGGS용 고투과 선택성 기체분리막이다. OBIGGS용 기체분리막 소재로 기존의 polysulfone 보다 내열성, 투과성, 선택성이 우수한 소재개발에 대한 연구가 이루어지고 있다. 내열성이 우수한 고분자 소재로는 PBI, PI, PBO, PBZ, PPy가 있으며 최근에는 미세 기공을 가지는 PIMs계 고분자 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. OBIGGS용 기체분리막은 3개 미만의 업체에서 독점하고 있으며 프리미엄급 소재의 개발은 산업적, 경제적, 기술적인 측면에서 큰 파급효과를 일으키게 될 것으로 예상되며 따라서 국내의 기체분리막에 대한 연구가 활발히 이루어져야 할 것이다.