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Preparation of pore-filling membranes for polymer electrolyte fuel cells and their cell performances
최영우(Choi, Young-Woo),박진수(Park, Jin-Soo),이미순(Lee, Mi-Soon),박석희(Park, Seok-Hee),양태현(Yang, Tae-Hyun),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06
Proton exchange membrane is the key material for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). Currently widely-used perfluorosulfonic acid membranes have some disadvantages, such as low thermal stability, easy swelling, excessive crossover of methanol and high price etc. Other membranes, including sulfonated polymer, radiation grafted membranes, organic-inorganic hybrids and acid-base blends, do not satisfy the criteria for PEMFC, which set a barrier to the development and commercialization of PEMFC. Pore-filling type proton exchange membrane is a new proton exchange membrane, which is formed by filling porous substrate with electrolytes. Compared with traditional perfluorosulfonic acid membranes, pore-filling type proton exchange membranes have many advantages, such as non- swelling, low methanol permeation, high proton conductivity, low cost and a wide range of materials to choose. In this research, preparation methodology of pore-filling membranes by particularly using all hydrocarbon polymers and fuel cell performances with the membranes are evaluated.
최영우 ( Young-woo-choi ),문병은 ( Byeong-eun-moon ),이건호 ( Gun-ho-lee ),이호민 ( Ho-min-lee ),김나은 ( Na-eun-kim ),최경문 ( Geong-moon-choi ),김현태 ( Hyeon-tae-kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
국내 농업은 4차 산업혁명 기술 적용으로 더욱 발전하고 있다. 4차 산업혁명 기술은 농업환경의 식물 생장 데이터를 실시간 수집하고, 효율적인 데이터의 가공을 통해 작업자에게 효과적인 정보 제공이 가능하게 한다. 정밀하고 효과적인 알고리즘과 새로운 기술을 도입함으로써 기존의 인력 의존적인 문제점을 효율적으로 개선하고 보완하여 현재 농업환경을 발전시키는 것에 의미가 있다. 따라서 본 연구에서는 농업환경에서 설치된 카메라와 환경 센서를 통해 식물의 질병 발생률을 예측하고, 발생한 식물의 질병을 감지하며 적절한 솔루션을 제공하는 시스템을 개발하는 것이 목적이다. 개발 사양은 CPU: Intel i9-10900k 5.0ghz, RAM: 64gb이며, 개발환경은 Python 3.9, Android 9.0을 사용하였다. 환경 센서는 Arduino, Raspberry Pi를 사용하였으며 전원은 외부에서 공급하였다. 카메라는 Raspberry Pi High Quality Camera를 이용하였다. 딥러닝을 이용한 식물의 질병 예측 및 감지 알고리즘은 CNN 모델의 결과와 환경 감지 모델의 결과를 결합하고, 가중치를 통해 식물의 질병을 예측 및 감지하였다. 학습에 필요한 식물의 질병 데이터는 AI Hub에 위치한 식물 시설 작물 질병 진단 이미지를 이용하였고, 환경 감지 모델의 기반 데이터는 NCPMS를 참조하였다. 환경 데이터 수집은 설치된 Raspberry Pi가 Sensor를 통해 수집하였으며, 실시간으로 HTTP 통신 방식을 이용하여 시스템 서버에 전송하여 데이터를 분석하였다. 작업자 제공 인터페이스는 스마트 단말기를 이용한 안드로이드 애플리케이션을 사용하였고, 작업자의 신원을 확인하는 단계를 거쳐 설치되어 있는 농가의 질병 발생확률, 발생한 질병을 시각적으로 확인할 수 있도록 하였다. 또한 농가에 질병이 발생했을 때 발생 질병에 맞는 솔루션을 제공 받을 수 있도록 하였다. 해당 시스템 구축 결과는 테스트 이미지와 환경데이터를 이용한 예측 및 감지 시에는 평균적으로 0.9에 해당하는 정확도를 보여주었으나 실제 환경에서의 테스트 결과 평균적으로 0.6에 미치는 정확도를 보여주었다. 따라서 시스템의 정확도를 개선하기 위해서는 실시간으로 수집되는 이미지 데이터와 학습용 데이터의 오차를 줄이는 방안이 필요하다.
Preparation of pore-filling membranes for polymer electrolyte fuel cells and their cell performances
최영우(Choi, Young-Woo),박구곤(Park, Gu-Gon),임성대(Yim, Sung-Dae),이미순(Lee, Mi-Soon),양태현(Yang, Tae-Hyun),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11
Anion exchange polymer electrolyte pore-filling membranes consisting of the whole hydrocarbon materials were prepared by photo polymerization with various quaternary ammonium cationic monomers and characterized on the properties for applying to solid alkali fuel cell (SAFC). Hydrocarbon porous substrates such as polyethylene were used for the preparation of the pore-filling membranes. The hydroxyl ion conductivity of the polymer electrolyte membranes prepared in this research was dependent on the composition ratio of an electrolyte monomer and crosslinking agents used for polymerization. Furthermore, these pore-filling membranes have commonly excellent properties such as smaller dimensional affects when swollen in solvents, higher mechanical strength, lower fuel crossover through the membranes, and easier preparation process than those of traditional cast membranes.
저가습 고온 고분자 연료전지용 유-무기 복합막에 관한 연구
최영우(Choi, Young-Woo),김미내(Kim, Mi-Nai),임성대(Lim, Sung-Dae),박석희(Park, Seok-Hee),윤영기(Yoon, Young-Gi),양태현(Yang, Tae-Hyun),김창수(Kim, Chang-Soo),남기석(Nam, Ki-Sook) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 100?C 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion^{(R)}이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion^{(R)}은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-ZrO₂)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq g^{-1}), 수소이온전도도(s cm^{-1}) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 ZrO₂에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 250?C이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. 100?C 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-ZrO₂/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-ZrO₂와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 100?C 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-ZrO₂/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-ZrO₂/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역(120?C, 50RH{downarrow})에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.