학술발표회초록 ( 에너지 / 환경 (5) ) : 인산형 단위연료전지의 연속운전에 관한 연구

최경환(Kyoung Hwan Choi),서동우(Dong Woo Sur),설용건(Yong Gun Shul),이태희(Tae Hee Lee) 한국화학공학회 1993 춘계학술발표회 Vol.- No.-

학술발표회 초록 : ( 에너지 / 환경 Poster 발표 ) ; 고분자 전해질막 연료전지의 전기화학적 특성에 관한 연구

최경환,이승재,이태희 ( Kyoung Hwan Choi,Seung Jae Lee,Tae Hee Lee ) 한국화학공학회 1994 추계학술발표회 Vol.- No.-

함침 - 환원법에 의한 고분자 전해질형 연료전지 막/전극 어셈블리의 제조 및 특성화

이태희,이승재,설용건,최경환,박대진 한국화학공학회 1997 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.35 No.1

고분자 전해질형 연료전지의 막/전극 어셈블리를 함침-환원법으로 제조하고, 그 제조 조건과 어셈블리의 구조가 전지의 성능에 미치는 영향을 단전지에서 살펴보았다. 본 실험에서 막/전극 어셈블리의 최적 제조 조건은 1 mM Pt(NH₃)₄Cl₂로 60분 동안 함침 후, 1 mM NaOH₄로 2시간 동안 환원한 경우이었다. 연료전지의 성능은 막 표면에 과도한 입자 성장 및 촉매층 형성이 일어나지 않도록 전극 구조를 만듬으로써 향상시킬 수 있었다. 교류 임피던스법으로부터 산서전극의 제면저항이 작을수록, 이중층 전기용량이 클수록 연료전지의 성능이 향상됨을 알 수 있었다. Membrane/electrode assemblies for polymer electrolyte membrane fuel cell were fabricated by impregnation-reduction method, and effects of fabrication conditions and assembly structures on the cell performance were investigated in a single cell. The optimal fabrication condition of the membrane/electrode assembly was 1 mM Pt(NH₃)₄Cl₂ impregnation for 60 minutes and 1 mM NaOH₄ reduction for 2 hours in this experiment. The fuel cell performance could be improved by making the electrode structure not to have large particle creation and thick catalyst layer formation on the membrane. The AC impedance measurement showed that high cell performance corresponded to low interfacial resistance of the oxygen electrode and to high double layer capacitance.

고분자 전해질형 연료전지에서 Hot Pressing 조건의 영향

이태희,이승재,조원일,노용우,고영태,최경환 한국화학공학회 1996 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.34 No.1

고분자 전해질형 연료전지에서 고분자막/전극 어셈블리를 hot pressing 조건을 달리하여 제조하고 그 성능을 반응면적 5㎠인 단위전지에서 측정하였다. 전지의 성능은 고분자막과 전극간의 접합이 가능한 온도 범위에서 hot pressing온도가 낮을수록, hat Pressing 압력이 높을수록 향상되었다. 즉, 고분자 전해질형 연료전지의 성능은 고분자 전해질 내의 수분 함량 증가, 고분자막/전극간 접촉저항 감소 및 얇은 고분자막을 사용한 전해질의 이온저항 감소 등으로 향상시킬 수 있었다. For a proton exchange membrane fuel cell, membrane and electrode assemblies were fabricated by different hot pressing conditions and those performances were observed in a unit cell having 5 ㎠ active electrode area. The cell performance increased with lower hot pressing temperature in the range of temperature having intimate contact between membrane and electrodes and with higher hot pressing pressure. Namely, the performance of proton exchange membrane fuel cell could be raised with higher water content in the membrane, with lower contact resistance between membrane and electrodes and with lower ion resistance of the electrolyte using thinner membrane.

고분자 전해질형 연료전지의 막 내에서 수분이동에 대한 모델링

이태희,이승재,설용건,최경환 한국화학공학회 1996 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.34 No.2

고분자 전해질형 연료전지에서 수분 및 반응기체가 막과 전극 내에서 정상상태로 흐를 때 1차원 확산모델식으로부터 막 내의 수분분포와 막 저항값을 계산하였다. 막 내의 수분함량은 anode에서 cathode로 갈수록 증가하였으며, 전류밀도가 증가할수록 anode와 cathode사이의 수분의 농도구배차는 크게 나타났다. 또한 전해질막의 두께가 얇을수록 그리고 전지의 작동온도가 높을수록 수분의 함량이 증가하였고 막 저항값은 감소하였다. 모델식으로부터 얻은 성능곡선은 막 저항 분극 영역에서 실험에 의한 성능곡선과 근사하게 일치하였다. When water and reactant gases keep steady-state flow in the membrane and electrode of polymer electrolyte membrane fuel cell, water distribution and membrane resistance in the membrane were calculated from one dimensional diffusion model equations. Water content in the membrane increased from anode to cathode and the difference of the water concentration gradient between anode and cathode increased at higher current density. The thinner membrane and the higher operating temperature, the water concentration increased and the membrane resistance decreased. The performance plot calculated by mathematical modeling approximately agreed with the performance plot measured by experiments in the range of membrane resistance overpotential.

활성탄소섬유 사용에 의한 인산형 연료전지 산소전극의 성능 향상

이태희,유승곤,설용건,최경환,신창섭,유재현 한국화학공학회 1997 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.35 No.3

비표면적이 큰 활성탄소섬유(ACF)를 기존의 전극 구성재인 카본블랙과 혼합하여 인산형 연료전지의 전극으로 제조하였으며, 제조된 각 전극의 성능을 190℃, 100% 인산 전해질하에서 반쪽 전지 실험을 통하여 측정하였다. 활성탄소섬유에 담지된 백금 입자는 30Å 이하로 고분산되어 반응표면적을 증가시켰다. 백금이 담지된 카본블랙에 대한 활성탄소섬유의 질량비가 30%일 때 전극성능은 700 ㎷에서 928 ㎃/㎠를 나타내었으며, Tafel slope은 123 ㎷/decade로 카본블랙만으로 구성된 전극의 145 ㎷/decade와 비교해 볼 때 향상된 전극특성을 나타내었다. The electrodes for phosphoric acid fuel cell were fabricated from the mixture of activated carbon fiber(ACF) and carbon black as an existing electrode constituent. The performance of the electrode was measured through a half cell at 190℃, 100% phosphoric acid electrolyte. Pt particles loaded on ACF were highly distributed below 30 Å, which increased reaction surface area. When the ratio of ACF to carbon black was 30 %, the electrode performance showed the value of 928 ㎃/㎠ at 700 ㎷ and the Tafel slope of 123 ㎷/decade, which proved the enhanced electrode characteristics in comparison with 145 ㎷/decade of the electrode composed of carbon black only.

고분자 전해질형 연료전지에서 Nafion 함침량의 영향

이태희,이승재,조원일,노용우,고영태,최경환 한국화학공학회 1996 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.34 No.2

고분자 전해질형 연료전지 전극에 Nafion 용액을 함침시켜 고분자막/전극 어셈블리를 만들고 그 성능을 단위전지에서 측정하였다. 또 단위전지의 교류 임피던스를 측정하여 고분자막/전극의 계면저항 및 촉매의 유효비표면적을 계산하고 이를 전지성능 실험결과와 비교하였다. 실험결과 1.9㎎/㎠의 Nafion 함침 전극이 가장 높은 단위전지의 성능, 가장 넓은 촉매 유효비표면적 및 가장 작은 고분자막/전극의 계면저항을 보였다. 또한 운전 온도 및 압력 증가는 반응기체의 활성 및 농도의 증가로 인하여 단위전지 성능을 향상시켰다. Membrane/electrode assemblies of proton exchange membrane fuel cell were prepared by impregnating Nafion solution in the electrodes and their performances were investigated in a single cell. The interfacial resistance of membrane/electrodes and the effective specific surface area of catalyst in the single cell were calculated from the AC impedance data and compared with the cell performance results. Experimental results showed that the electrode of 1.9 ㎎/㎠ Nafion loading gave the highest single cell performance, the largest effective specific surface area of catalyst and the lowest interfacial resistance of membrane/electrode. The increase of operating temperature and pressure also improved the single cell performance due to the increment of activity and concentration of reaction gases.

전착법을 이용한 PEMFC 용 전극제조

김한성,최경환,박영준,이태희 한국화학공학회 2000 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.38 No.1

전착법을 이용하여 PEMFC용 저담지 백금촉매전극을 제조하고 단위전지의 성능을 측정하였다. 또한 직류전착과 펄스전착시 백금촉매의 분산도, 백금담지량 및 전착효율 등을 비교하여 최적의 전극제조법을 확립하였다. 전착법은 백금촉매의 입자크기를 15Å 정도로 줄일 수 있고 전극표면에만 촉매를 담지시킬 수 있어 촉매의 분산도를 증가시키고 비표면적을 향상시켰다. 펄스전착은 직류전착보다 전착효율과 분산도가 좋고 동일한 전하량에서 백금담지량을 증가시킬 수 있어 전극의 성능을 향상시킬 수 있었다. 펄스전착으로 촉매의 핵을 생성시킨 후 직류전착으로 핵성장을 시킬 경우 펄스전착 전하량이 3 C/㎠일 때 전류밀도 300 ㎃/㎠(0.7 V)로 가장 좋은 전극성능을 보였다. 0.7 V에서 백금촉매의 mass activity는 분산도가 가장 우수한 펄스전착 전하량 1.8 C/㎠일 때 664w/g Pt으로 가장 큰 값을 보였다. The low Pt loading electrodes for PEMFC were manufactured using electrodeposition and their cell performances were measured. Also an optimal electrode fabrication process was determined by comparing Pt dispersion, loading and electrodeposition efficiency in direct current and pulse electrodeposition. Electrodeposition could reduce Pt particle size about 15 Å, and enhance dispersion and specific surface area of Pt because of impregnating catalyst on the surface of electrode. Pulse electrodeposition was better than direct current one in electrodeposition efficiency and Pt dispersion, and it could increase cell performance due to higher Pt loading at same total passed charge. The electrode, which was made by growing Pt nuclei in direct current electrodeposition after creating Pt nuclei in pulse one at pulse charge of 3 C/㎠, showed the best performance of 300 ㎃/㎠(0.7 V). At 0.7 V the electrode that Pt dispersion was highest and pulse charge was 1.8 C/㎠ had the largest mass activity of 664 W/g Pt.

수소/질소/이산화탄소 혼합기체로부터 전기화학적 수소 분리

이한규,최호열,최경환,이태희 한국화학공학회 2003 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.41 No.1

양이온 교환막을 이용한 전기화학적 막분리법으로 수소/질소/이산화탄소 혼합기체로부터 수소를 분리하고, 운전조건 변화에 따른 수소의 분리특성, 생성 수소의 순도 및 전력효율을 고찰하였고, 2단 공정을 통하여 수소 순도의 향상 및 질소, 이산화탄소의 투과 특성에 관하여 연구하였다. 운전 온도의 상승에 따라 셀 성능, 수소의 순도, 생성량 및 효율의 증가를 가져오나, 생성물의 순도를 저하시켰다. 각각 운전조건에 대하여 전류밀도 300ma/cm^2에서 최대 전력효율을 나타내었다. 2단 공정을 통하여 100mA/cm^2의 낮은 전류 밀도에서도 33%의 도입기체에서 97.39%의 고순도 수소를 얻을 수 있었다. 이산화탄소의 투과가 질소의 투과보다 더 우세하여 수소의 순도에 더 큰 영향을 미쳤다. Hydrogen was separated from hydrogen/nitrogen/carbon dioxide mixture gas by electrochemical method using proton exchange membrane. Separation characteristics. product hydrogen purity and power efficiencies were obtained under different operating cell temperatures and feed pressures. The purity of hydrogen was enhanced using two-staged separation process, and the permeation of nitrogen and carbon dioxide was studied. Cell characteristic, hydrogen purity, flux and efficiencies was increased as cell temperature was raised. The increase of feed pressure caused rising of flux and efficiencies, but dropped hydrongen purity. In all cases, power efficiency had the maximum value at 300 mA/cm^2, high purity, 97.39%, can be achieved from low purity feed, 33%, through two-staged separation process at 100mA/cm^2. The permeability of carbon dioxide was larger than of nitrogen, so the purity of hydrogen was more affected by carbon dioxide than by nitrogen.