직접메탄올연료전지에서 메탄올 크로스오버에 미치는 인자 연구

현민수,김상경,임성엽,이병록,백동현,정두환,Hyun, Min-Soo,Kim, Sang-Kyung,Lim, Seong-Yop,Lee, Byung-Rock,Peck, Dong-Hyun,Jung, Doo-Hwan 한국전기화학회 2008 한국전기화학회지 Vol.11 No.1

직접메탄올연료전지의 운전 변수에 따른 메탄올 크로스오버를 메탄올 농도센서를 이용하여 정량적으로 측정하였으며 실제 셀 운전 시 메탄올크로스오버 저감의 측면에서 유리한 운전조건을 분석하였다. 메탄올 농도, 전극 양단의 압력차, 전류의 크기, 온도, stoichiometry등을 변화시켜 diffusion, convection, electro-osmosis의 메커니즘별 기여도와 실제 전지 운전 조건의 영향을 함께 분석하였다. 이상의 세 가지 메커니즘 중에서 농도 차이에 의한 diffusion이 가장 큰 영향을 미쳤으며 electro-osmosis에 의한 영향은 고농도에서만 관찰할 수 있었다. The amount of methanol crossover was measured with changing the operating condition by using a liquid methanol concentration sensor. Appropriate operating condition was discussed in terms of methanol crossover. Mechanism of methanol crossover was classified into three items which are diffusion, convection and electro-osmosis. Contribution of each mechanism to methanol crossover and the effect of operating condition were analyzed with varying methanol concentration, pressure difference between anode and cathode, current, temperature, and stoichiometry of anode fuel. Among the three mechanisms diffusion affected mostly and electro-osmosis effect was observed only under high methanol concentration.

Bar-Coating 방법으로 제조한 직접메탄올 연료전지 MEA의 성능

강세구,박영철,김상경,임성엽,정두환,장재혁,백동현,Kang, Se-Goo,Park, Young-Chul,Kim, Sang-Kyung,Lim, Seong-Yop,Jung, Doo-Hwan,Jang, Jae-Hyuk,Peck, Dong-Hyun 한국전기화학회 2008 한국전기화학회지 Vol.11 No.1

직접메탄올 연료전지 (DMFC)의 핵심 구성 요소 중에서 하나는 고분자 전해질막과 촉매층 (연료극과 공기극)으로 구성된 전해질/전극 접합체 (MEA)이다. 그중에서 촉매층은 브러싱법, 전시법, 스프레이 코팅법, 스크린 프린팅법과 같은 다양한 방법을 사용하여 carbon paper나 carbon cloth등과 같은 전극 지지체 위에 코팅한다. 그러나 이러한 촉매 코팅방법들은 전극 지지체 위에 촉매를 균일한 두께로 코팅하기 어렵고, 촉매의 손실이 많으며, 또한 코팅 시간이 많이 필요하다는 단점들이 있다. 본 연구에서는 DMFC용 MEA의 전극층을 바코팅 방법 (bar-coating method)을 사용하여 한 번에 원하는 양의 촉매가 코팅되도록 제조하였다. 이렇게 제조한 전극 촉매층 표면과 단면의 형태를 SEM을 사용하여 관찰하였다. 제조한 MEA의 성능과 저항은 단위전지와 임피던스 분석기를 사용하여 측정하였다. The key component of a direct methanol fuel cell (DMFC) is the membrane electrode assembly (MEA), which comprises a polymer electrolyte membrane and catalyst layers (anode and cathode electrode). Generally the catalyst layer is coated on the porous electrode supporter (e.g. carbon paper or cloth) using various coating methods such as brushing, decal transfer, spray coating and screen printing methods. However, these methods were disadvantageous in terms of the uniformity of catalyst layer thickness, catalyst loss, and coating time. In this work, we used bar-coating method which can prepare the catalyst layer with uniform thickness for MEA of DMFC. The surface and cross-section morphologies of the catalyst layers were observed by SEM. The performances and resistance of the MEAs were investigated through a single cell evaluation and impedance analyzer.

방사선 그라프트 PFA-폴리스티렌 멤브레인으로 제조한 직접 메탄올 연료전지용 MEA의 성능과 특성

강세구,백동현,김상경,임성엽,정두환,박영철,신준화,강필현,노영창,설용건,Kang, Se-Goo,Peck, Dong-Hyun,Kim, Sang-Kyung,Lim, Seong-Yop,Jung, Doo-Hwan,Park, Young-Chul,Shin, Jun-Hwa,Kang, Phil-Hyun,Nho, Young-Chang,Shul, Yong-Gun 한국전기화학회 2009 한국전기화학회지 Vol.12 No.2

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)용의 새로운 고분자 전해질 멤브레인을 개발하기 위하여 스티렌 단량체를 poly(tetrafluoroethylene perfluoropropyl vinyl ether) (PFA) 필름에 그라프트 중합 반응시킨 후에 술폰화 반응을 진행하였다. $\Upsilon$-ray를 이용하여 방사선 그라프트 중합 반응시킨 방사선 그라프트 필름의 술폰화 반응은 chlorosulfonic acid/dichloroethane (5 v/v%) 혼합 용액에서 진행하였다. PFA 그라프트 폴리스티렌 멤브레인 (PFA-g-PSSA)의 화학적, 물리적, 전기화학적 및 형태의 특성은 푸리에 변환 적외선 분광기 (FTIR), 이온전도도 측정기 및 주사전자현미경 (SEM)으로 분석하고 함수율과 메탄올 투과도도 측정하였다. PFA-g-PSSA 멤브레인으로 제작한 MEA의 단위전지 성능을 평가하였고, 전지의 셀 저항은 임피던스 분석 장치를 이용하여 측정하였다. PFA-g-PSSA 멤브레인으로 제조한 MEA는 Nafion 112로 제조한 MEA보다 우수한 DMFC 성능을 나타내었다. In order to develop a novel polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell (DMFC), styrene monomer was graft-polymerized into poly(tetrafluoroethylene perfluoropropyl vinyl ether) (PFA) film followed by a sulfonation reaction. The graft polymerization was prepared by the $\Upsilon$-ray radiation-grafting method. Subsequently, sulfonation of the radiation-grafted film was carried out in a chlorosulfonic acid/1,2-dichloroethane (2 v/v%) solution. The chemical, physical, electrochemical and morphological properties of the radiation-grafted membranes (PFA-g-PSSA) were characterized by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM). The water uptake, ionic conductivity, and methanol permeability of the PFA-g-PSSA membrane were also measured. The cell performances of MEA prepared with the PFA-g-PSSA membranes were evaluated and the cell resistances were measured by an impedance analyzer. The MEA using PFA-g-PSSA membranes showed superior performance for DMFCs in comparison with the commercial Nafion 112 membrane.

NaOH 활성화된 탄소나노섬유의 직접 메탄올 연료전지용 연료극 촉매의 담지체로서의 특성 고찰

신정희 ( Jung Hee Shin ),임성엽 ( Seong Yop Lim ),김상경 ( Sang Kyung Kim ),백동현 ( Dong Hyun Peck ),이병록 ( Bung Rok Lee ),정두환 ( Doo Hwan Jung ) 한국화학공학회 2011 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.49 No.6

NaOH 활성화법을 이용하여 다공성 탄소나노섬유(carbon nanofibers; 이하 CNF)를 온도 범위 700~900℃ 에서 합성하였고, 상기 제조된 다공성 CNF를 담지체로 하여 직접메탄올 연료전지의 연료극용 촉매를 제조하고 평가하였다. NaOH 활성화에 의한 CNF 표면 특성의 변화를 비표면적 및 기공 크기 분포 자료를 통하여 조사하였고, 형상 및 구조의 변화를 전자현미경을 통하여 관찰하였다. 활성화 CNF에 담지된 촉매의 활성을 메탄올 산화 특성 및 단위전지를 통하여 평가하였다. 본 활성화 방법에 의한 기공의 형성과 이에 담지된 촉매의 활성과의 관계에 대한 고찰을 하였다. Porous carbon nanofibers(CNF) were synthesized via NaOH activation at 700~900 ℃, and the porous CNF-supported PtRu catalysts were evaluated for the anode in direct methanol fuel cells. The change of surface characteristics by NaOH activation was examined by analyses of the specific surface area and pore size distribution. The morphological and structural modification was investigated under scanning electron microscopy. The activity of catalysts supported on porous CNFs was examined by cyclic voltammograms and single cell tests. The pore formation on CNF by the NaOH activation was discussed, concerning the catalyst activity, when they were applied as catalyst supports.

탄소펠트의 산화처리 방법이 바나듐 레독스 흐름 전지의 전극 성능에 미치는 영향

하달용,김상경,정두환,임성엽,백동현,이병록,이관영,Ha, Dal-Yong,Kim, Sang-Kyung,Jung, Doo-Hwan,Lim, Seong-Yop,Peck, Dong-Hyun,Lee, Byung-Rok,Lee, Kwan-Young 한국전기화학회 2009 한국전기화학회지 Vol.12 No.3

레독스 흐름 전지의 전극으로 사용하기 위해 탄소펠트를 열처리와 산처리 방법으로 산화 개질하였다. 열중량 분석결과 열처리 또는 산처리에 의하여 탄소펠트의 섬유 표면에 고분자 물질이 제거되고 산소 관능기가 도입된 것을 확인할 수 있었으며 습식 방법인 산처리 방법보다 건식방법인 열처리 방법이 기계적 안정성을 유지하는데 효과적인 처리 방법으로 나타났다. XPS, 원소분석을 통하여 500$^{\circ}C$에서 4시간 열처리한 탄소펠트의 표면에 산소 관능기가 부가된 것을 확인하였으며 질소흡착실험에서 거의 없던 표면적이 96 $m^2/g$로 증가한 것을 알 수 있었다. CV실험 및 분극 실험을 수행한 결과 500$^{\circ}C$ 열처리 전극의 활성화 저항이 가장 낮게 나타났다. 산처리한 탄소펠트와 400$^{\circ}C$, 500$^{\circ}C$에서 열처리한 탄소펠트를 이용하여 바나듐 레독스 흐름 전지를 구성하고 충/방전 실험을 실시한 결과 충/방전 전압효율이 산처리 전극의 경우 86.6%, 400$^{\circ}C$ 열처리 전극의 경우 89.6%, 500$^{\circ}C$ 열처리 전극의 경우 90.6%로 500$^{\circ}C$ 열처리 전극이 가장 우수하였다. Carbon felt surface was modified by heat or acid treatment in order to use for the electrode of a redox-flow battery. Polymers on the surface of carbon felt was removed and oxygen-containing functional group was attached after the thermal treatment of carbon felt. Thermal treatment was better for the stability of the carbon structure than the acid treatment. Oxygen-containing functional group on the thermally treated carbon felt at 500$^{\circ}C$ was confirmed by XPS and elementary analysis. BET surface area was increased from nearly zero to 96 $m^2/g$. Thermally treated carbon felt at 500$^{\circ}C$ showed lower activation polarization than the thermally treated carbon felt at 400$^{\circ}C$ and the acid-treated carbon felt in the cyclicvoltammetry and polarization experiments. The thermally treated carbon felts at 400$^{\circ}C$ and 500$^{\circ}C$ and the acid-treated carbon felt was applied for the electrode to prepare vanadium redox flow battery. Voltage efficiencies of charge/discharge were 86.6%, 89.6%, and 96.9% for the thermally treated carbon felts at 400$^{\circ}C$ and 500$^{\circ}C$ and the acid-treated carbon felt, respectively.

에너지/환경 : MgO를 이용한 다공성 탄소 섬유 제조 및 이를 이용한 연료전지용 촉매 특성

남기돈 ( Ki Don Nam ),김상경 ( Sang Kyung Kim ),임성엽 ( Seong Yop Lim ),백동현 ( Dong Hyun Peck ),이병록 ( Byoung Rok Lee ),정두환 ( Doo Hwan Jung ) 한국화학공학회 2008 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.46 No.6

장기운전에 의한 직접메탄올 연료전지 스택의 성능 열화 분석

김상경 ( Sang Kyung Kim ),현민수 ( Min Soo Hyun ),이병록 ( Byung Rok Lee ),정두환 ( Doo Hwan Jung ),백동현 ( Dong Hyun Peck ),임성엽 ( Seong Yop Lim ) 한국화학공학회 2011 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.49 No.6

50 cm2의 활성면적을 가진 셀을 이용하여 5-셀 DMFC 스택을 제작하고 4 A의 부하로 4,000 시간 운전한 후 성능 감소 및 성능 감소 원인을 분석하였다. 4,000 시간 운전 후 10 A에서 스택의 전력 밀도가 28.7% 감소하였으며 다섯개의 셀 중 두 개는 거의 성능저하가 일어나지 않았고 두 개는 약 40%의 성능 저하, 한 개는 약 60%의 성능 저하를 보였으며 각 셀별 성능저하의 정도의 차이는 스택 내에서의 위치와 상관관계가 없었다. 스택 내의 다섯 셀 중 가장 성능감소가 심하였던 셀의 경우 연료극 촉매층의 Pt 입자 크기가 증가하였으며 연료가 들어가는 쪽의 Pt 입자의 크기 증가가 더 심하였다. 그러나 4,000 시간 장기운전 후 공기극 촉매층에서는 Pt 입자 크기의 변화는 거의 없었다. 스택 내의 모든 셀에서 4,000 시간 운전 후 연료극 촉매에서 공기극 촉매로의 루테늄의 크로스오버가 SEM-EDX로 관찰되었으며 특히 성능감소가 심하였던 셀의 경우 공기극 촉매층에서 Ru/Pt의 비율이 가장 컸다. 5-cell DMFC stack was fabricated and operated with the load of 4 A for 4000 hrs. After 4000 hrs operation peak power density of the stack reduced by 27.3%. Two of the five cells did now show performance degradation, the performance of other two was reduced by 40% and the performance of the other decreased by 60%. The amount of performance degradation of each cell by long-term operation did not correlate with the position in the stack. Platinum particle size in the anode catalyst layer of the MEA with the strongest degradation increased and the increase was severer on the position of methanol inlet than on the position of methanol outlet. However, platinum particle size in the cathode catalyst layers did not changed for all the MEA`s. Ruthenium crossover from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer through the membrane was observed after 4,000 hrs operation by SEM-EDX and it occurred for all MEA`s regardless of the degree of performance degradation. Atomic ratio of ruthenium to platinum in the cathode catalyst layer was the highest in the MEA with the strongest performance degradation.