In Situ NMR 진단용 원통형 직접 메탄올 연료전지

조한익,엄명섭,한기성,한옥희,하흥용,김수길,Joh, Han-Ik,Um, Myung-Sup,Han, Kee-Sung,Han, Oc-Hee,Ha, Heung-Yong,Kim, Soo-Kil 한국전기화학회 2009 한국전기화학회지 Vol.12 No.4

본 연구는 연료전지 운전시 전극 촉매 및 전해질막 내에서 발생하는 연료 및 산화제의 산화/환원 반응 메커니즘, 이동현상, 구성품 열화현상 등을 핵자기 공명 (NMR, Nuclear Magnetic Resonance)을 이용하여 연료전지의 분해나 시료 채취 없이 제자리 (in situ) 분석할 수 있는 진단장치용 연료전지 개발에 관한 것이다. NMR에 사용되는 연료전지는 특수하게 제작된 TCD (Toroid Cavity Detector) 탐침 내부에서 작동하여야 하며, TCD 탐침이 가지는 기하학적 제한 요소들로 인해 일반적인 평판형 연료전지와 달리 원통형으로 제작된다. 이로 인해 반응물의 공급이나 생성물의 제거가 어려우며 누수 현상 및 불균일한 압력 분배가 발생하여 성능이 낮다. 따라서, in situ NMR 분석용 연료전지가 가지는 구조상의 특징인 원통형에 적합한 유로를 설계하고 제작하여 물질 전달 특성을 개선해야 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 NMR 장비 내의 자기장에 영향을 미치지 않는 비자성 물질을 이용해 원 통형 공기극 유로를 개발하여, 산소의 공급 및 반응물의 제거를 원활하게 하였다. 또한, 체결 압력을막-전극 접합체에 균일하게 분배하여 누수 및 누액을 차단하였다. 이를 통해, 상온에서 약 $36mW/cm^2$의 우수한 성능을 나타내는 in situ NMR 진단용 직접 메탄올연료전지 시스템을 개발하였다. This study is to develop a fuel cell system applicable to an in situ NMR (Nuclear magnetic resonance) diagnosis. The in situ NMR can be used in real time monitoring of various reactions occurring in the fuel cell, such as oxidation of fuel, reduction of oxygen, transport phenomena, and component degradation. The fuel cell for this purpose is, however, to be operated in a specifically designed tubular shape toroid cavity detector (TCD), which constrains the fuel cell to have a tubular shape. This may cause difficulties in effective mass transport of reactants/products and uniform distribution of assembly pressure. Therefore, a new flow field designed in a particular way is necessary to enhance the mass transport in the tubular fuel cell. In this study, a tubular-shaped close-type flow field made of non-magnetic material is developed. With this flow field, oxygen is effectively delivered to the cathode surface and the produced water is readily removed from the membrane-electrode assembly to prevent flooding. The resulting DMFC (direct methanol fuel cell) outperforms the open-type flow field and exhibits $36\;mW/cm^2$ even at room temperature.

탄소섬유 전구체를 이용한 투명 전극 및 고전도성 도선 구현 연구

조한익(Han-Ik Joh) 한국고분자학회 2020 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.45 No.2

단섬유 인장시험을 이용한 상용 탄소섬유의 기계적 물성

조한익 ( Han Ik Joh ),송해경 ( Hae Kyung Song ),김기영 ( Ki Young Kim ),구본철 ( Bon Cheol Ku1 ),강필현 ( Phil Hyun Kang ),이성호 ( Sung Ho Lee ) 대한금속재료학회(구 대한금속학회) 2013 대한금속·재료학회지 Vol.51 No.12

Abstract: In this study, mechanical properties of commercial carbon fibers were evaluated using a single filament tensile test with various fiber gauge lengths. Tensile strength increased significantly with a decreasing length of the test specimens possibly due to small defect sites. The compliance method provided more accurate moduli of the carbon fibers, removing system errors during the single filament tensile test. The Weibull modulus revealed that shorter specimens had an inhomogeneous defect distribution, leading to a higher tensile strength and its standard deviation. X-ray diffractograms of carbon fibers showed a similar crystallinity and orientation in spite of significant differences in the fiber modulus and strength, indicating that crystalline structure of the commercial carbon fibers used in the study was not attributable to the difference in their tensile properties.

직접 메탄올 연료전지를 이용한 휴머노이드 로봇의 전원시스템 개발

조한익(Joh, Han-Ik),하태정(Ha, Tae-Jung),조재형(Cho, Jae-Hyung),김종호(Kim, Jong-Ho),채승훈(Chae, Seung-Hoon),황상엽(Whang, Sang-Youp),문상흡(Moon, Sang-Heup),하흥용(Ha, Heung-Yong),조백규(Cho, Baek-Kyu),오준호(Oh, Jun-Ho) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.11

전극 전해질 복합체가 하나로 구성된 단위전지는 전기출력이 낮아 원하는 전기출력을 얻기 위하여 단위전지를 여러 장 직렬로 쌓아 스택을 구성하여야 한다. 본 연구에서는 400W급 직접메탄을 연료전지 스택을 제조하여, 운전 조건의 최적화를 위한 실험을 수행하였고, 한국형 휴머노이드 로봇인 Hubo에 적용하여 그 동특성을 평가하였다. 0.8M 메탄을 용액은 260 ml/min의 유량을, 공기는 42LPM을 스택에 주입하여 400W의 성능을 나타내었다. 연료전지 스택의 온도와 전압의 편차는 작았으며 정상 운전시스템의 온도는 약 70?C를 유지하였다. 로봇의 필요 전력이 높을 경우, 배터리와 연료전지가 동시에 부하 변동에 대응하였다 방전된 배터리는 로봇의 필요 전력이 낮아질 경우, 충전되어 이후의 방전 상황에 대비하였다. 연료전지 시스템 적용 결과 로봇의 성공적인 운전을 확인할 수 있었다.

폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유의 기계적 특성에 미치는 탄화공정 연구

장다원(Dawon Jang),조한익(Han-Ik Joh),구본철(Bon-Cheol Ku),김성룡(SeoungRyoung Kim),방윤혁(YunHyuk Bang),이성호(Sungho Lee) 한국고분자학회 2017 폴리머 Vol.41 No.2

세 종류의 상용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유인 효성(HS), Blue star(BS) 그리고 Jilin(JL) 섬유를 연속식 안정화를 거쳐 안정화 섬유를 제조한 후 튜브형로 내에서 2 및 10 ℃/min의 탄화 속도로 1050 ℃에서 탄화하였다. 제조된 탄소섬유의 구조분석을 위하여, X-ray diffraction(XRD) 및 Raman 분광기를 실행하였다. 승온속도와 PAN 섬유의 종류에 관계없이 구조 특성은 크게 다르지 않았다. 그러나 승온속도가 낮을 때 세 종류의 섬유 모두 인장강도가 증가하는 경향을 보였다. 효성 섬유로 제조된 탄소섬유는 승온속도가 2와 10 ℃/min일 때 각각 ~4.1와 ~2.6 GPa의 인장강도를 나타내었다. 인장 탄성률은 또한 낮은 승온속도로 탄화한 섬유가 더 높은 값을 가졌고, 효성 탄소섬유의 값은 ~253(2 ℃/min)와 ~196 GPa(10 ℃/min)이었다. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 분석을 통하여 승온속도에 따라 탄소함량의 큰 차이는 없었으나 낮은 승온속도로 처리한 탄소섬유가 더 높은 sp3 구조 함량을 갖는 것을 확인하였다. 이는 탄소섬유의 화학적 구조가 기계적 물성에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. Three types of commercially available polyacrylonitrile (PAN) fibers such as Hyosung (HS), Blue star (BS), and Jilin (JL) fibers were stabilized by continuous system and followed by carbonization at 1050 ℃ with heating rates of 2 and 10 ℃/min in a tubular furnace. To investigate structures of resulting carbon fibers (CFs), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy were performed. Without regarding heating rate in carbonization and types of PAN fibers, structural properties were not significantly different. However, a lower heating rate resulted in higher tensile strength with all types of PAN fibers. CFs based on HS PAN fibers showed tensile strength of ~4.1 and ~2.6 GPa with heating rates of 2 and 10 ℃/min, respectively. Tensile modulus also increased with a lower heating rate, and the values of HS CFs are ~253 (2 ℃/min) to ~196 GPa (10 ℃/min). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed that CFs prepared with slow heating contained higher content of sp3 even though there was no significant different in carbon content. These suggest that chemical structure play an important role in mechanical properties of CFs.

직접 메탄올 연료전지용 대면적 막-전극 접합체 공기극의 위치별 열화 현상

김수길,이은숙,김이영,김장미,조한익,하흥용,Kim, Soo-Kil,Lee, Eun-Sook,Kim, Yi-Young,Kim, Jang-Mi,Joh, Han-Ik,Ha, Heung-Yong 한국전기화학회 2009 한국전기화학회지 Vol.12 No.2

대면적 ($150cm^2$) 막전극 접합체(MEA)를 사용하는 직접메탄올연료전지(DMFC)의 내구성과 관련하여, 장시간 운전에 따른 공기극의 열화 현상을 공기극면의 위치별로 고찰하였다. 500시간 동안 정전류 조건으로 운전한 대면적 MEA를 공기극 입구, 중간, 출구의 세 부분으로 분할 하여 각각의 MEA에 대한 성능을 관찰한 결과, 대면적 MEA 운전시 홍수 (flooding) 현상이 심했던 공기극 출구 쪽 MEA의 성능 저하가 두드러졌다. 이는 홍수 현상에 의한 촉매의 열화 및 GDL의 박리에 의한 것으로 판단된다. 이 중 특히 촉매의 열화 현상과 관련하여, 출구 방향으로 갈수록 촉매의 전기화학적 활성 면적의 감소가 관찰되나 이는 촉매 입자의 뭉침 (agglomeration) 현상에 의한 것이라기 보다는 촉매 입자의 용해 (dissolution)와 이동 (migration)으로 인한 촉매의 유실 때문인 것으로 판단된다. 전체적인 성능 감소 및 촉매의 열화 정도는 공기극의 홍수와 직접적인 비례관계가 있으며, 이를 해소하기 위한 물관리 기법 및 분리판 디자인의 개선이 요구된다. With respect to the durability of large scale ($150cm^2$) membrane electrode assembly (MEA) of direct methanol fuel cell (DMFC), degradation phenomena at cathode is monitored and analyzed according to the position on the cathode surface. After constant current mode operation of large scale MEA for 500 hr, the MEA is divided into three parts along the cathode channel; (close to) inlet, middle, and (close to) outlet. The performance of each MEA is tested and it is revealed that the MEA from the cathode outlet of large MEA shows the worst performance. This is due to the catalyst degradation and GDL delamination caused by flooding at cathode outlet of large MEA during the 500 hr operation. Particularly on the catalyst degradation, the loss of electrochemically active surface area (ECSA) of catalyst gets worse along the cathode channel from inlet to outlet, of which the reason is believed to be loss of catalysts by dissolution and migration rather than their agglomeration. The extent of loss in the performance and catalyst degradation has strong relation to the cathode flooding and it is required to develop proper water management techniques and separator channel design to control the flooding.

라지토우 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 안정화 공정에서 열 거동

유성욱(Sung-Uk Yu),박세준(Sejoon Park),조한익(Han-Ik Joh),이성호(Sungho Lee),김환철(Hwan Chul Kim),방윤혁(Yun-Hyuk Bang),구본철(Bon-Cheol Ku) 한국고분자학회 2016 폴리머 Vol.40 No.6

본 연구에서는 폴리아크릴로니트릴계의 48000가닥(48 k) 라지토우 탄소섬유 제조를 위한 여러 안정화 공정변수를 확인하고자 하였다. 이를 위해 탄소섬유 전구체 섬유의 토우 크기, 열 체류시간, 열 처리 온도, 공기흐름 방향 및 속도 등을 조절하였다. 안정화 공정 후 PAN 섬유는 사슬간 가교결합이 형성되며 아크릴로니트릴기가 고리화 반응을 하게 되는데 이때 공기의 섬유 침투가 최종 탄소섬유의 기계적 물성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 정도를 평가하기 위해 적외선 분광광도계(FTIR), 원소분석기, 밀도 구배관 및 X-ray 회절분석기를 이용하였다. 48 k 토우 섬유의 안정화 산화공정을 최적화한 후의 산소 함량은 대략 10%, 밀도 값 1.40 g/cm<SUP>3</SUP>를 보였으며, 이때 탄소섬유의 인장강도는 2.5 GPa, 탄성률 214 GPa로 각각 측정되었다. In this study, we investigated stepwise stabilization process of 48 k filaments PAN precursor to observe thermal behavior of PAN fibers. We also controlled parameters such as oven temperature, air flow direction, velocity, thermal residence time, and tow size to optimize stabilization process for large tow carbon fibers. FTIR, elemental analyzer, density column, X-ray diffractometer were used to evaluate stabilization degree and chemical structural evolution during thermal stabilization. The oxidation process of PAN fibers makes cross-linking reaction more easier between intermolecular chains and enduces cyclization reaction of acrylonitrile. In addition, the degree of air diffusion into fibers affects the mechanical properties of the final carbon fiber. The carbon fiber with ca. 10% of oxygen content and 1.40 g/cm<SUP>3</SUP> of density showed the best mechanical properties with 2.5 GPa tensile strength and 214 GPa tensile modulus.