초록 ▼

·직접메탄올 연료전지는 연료를 액체인 메탄올을 사용하므로 연료의 운송에 문제점이 없고 100℃ 정도의 저온에서 운전되기 때문에 차세대 수송용 및 이동용 전원으로서는 최적의 시스템으로 판단되는 첨단연료전지임. 그러나 타 연료전지 시스템(인산형, 고분자전해질)에 비해 성능이 떨어지는 단점이 있음.
·본 연구는 전극제조공정 및 특성실험, 단위전지 제작 및 특성실험, 메탄올 산화촉매 실험, 메탄올의 고분자 전해질막 투과방지 등에 관한 연구를 수행하였으며 이 결과 0.55V, 230mA/㎠의 성능을 갖는 우수한 단위전지 제조기술이 확

·직접메탄올 연료전지는 연료를 액체인 메탄올을 사용하므로 연료의 운송에 문제점이 없고 100℃ 정도의 저온에서 운전되기 때문에 차세대 수송용 및 이동용 전원으로서는 최적의 시스템으로 판단되는 첨단연료전지임. 그러나 타 연료전지 시스템(인산형, 고분자전해질)에 비해 성능이 떨어지는 단점이 있음.
·본 연구는 전극제조공정 및 특성실험, 단위전지 제작 및 특성실험, 메탄올 산화촉매 실험, 메탄올의 고분자 전해질막 투과방지 등에 관한 연구를 수행하였으며 이 결과 0.55V, 230mA/㎠의 성능을 갖는 우수한 단위전지 제조기술이 확립되었음.
·단위전지의 운전연구를 통해 운전온도의 상승, 연료농도는 2-3M의 메탄올이 가장 우수한 성능을 보였으며, 공기극과 연료극 차압이 2-3기압 정도일 때 우수한 성능을 보였음.
·고분자 전해질의 사용종류별 특성실험 결과 Nafion 112는 117보다 낮은 OCV 값을 보이나 출력특성은 우수한 결과(0.55V, 230mA/㎠)를 보였으며 이는 Nafion 113가 얇아서 메탄올 Crossover 속도가 크나 이온전달 효과가 크고 전지내부 저항감소로 인해 성능이 우수한 결과를 보였음.
·톈 분석을 통해 RuO/sub x/의 산화상태가 두 가지 이상이 존재함을 확인하였고 메탄올 산화반응성 조사를 통해서 0.62V vs 0.55V, 28.6mA/㎠의 성능을 얻었으며 XRD 자료로부터 Ru/Pt의 농도비에 따라 백금의 결정(100)면의 각도가 거의 같음을 알 수 있었슴.

목차 Contents

• 제1장 서론...45
• 제1절 사업의 배경 및 필요성...45
• 제2절 연구계획 및 금년 연구 목표...48
• 제3절 국내외 개발 동향...51
• 제2장 고분자 전해질 직접메탄올 연료전지의 기술분석...56
• 제1절 발전원리...56
• 1. 연료극의 전극특성...58
• 2. 공기극의 전극특성...62
• 제2절 고분자 전해질 직접메탄올 연료전지 기본 기술...65
• 1. 고분자 전해질 직접메탄올 연료전지 기본 기술...65
• 가. 전극 제조 공정...65
• 나. 고분자 전해질의 이온 전달 특성...77
• 다. Membrane/Electrode (M&E) Assembly 제조...83
• 제3장 고분자 전해질 직접메탄올 단위 전지 개발...97
• 제1절 서론...97
• 제2절 단위전지 구성요소 제조공정 개발 및 실험...98
• 1. 단위전지구성 요소 제조...98
• 가. 전극제조...99
• 나. 고분자 전해질 분리막의 전처리...104
• 다. M&E Assembly 제조...107
• 라. Bipolor Plate 제조...109
• 2. 단위전지 구성...112
• 3. 측정장치 구성 및 실험...117
• 4. 결과 및 분석...121
• 가. 운전 온도의 영향...121
• 나. 메탄올 농도의 영향...121
• 다. 운전 압력의 영향...129
• 라. 연료 공급량의 영향...133
• 제3절 고성능 고분자 전해질 직접메탄올을 단위전지 개발...135
• 1. 단위전지 구성 요소 제조...135
• 가. 전극 및 M&E제조...135
• 나. Bipolor plate 제조...141
• 다. 전극촉매의 전처리 및 단위전지 특성 분석...141
• 2. 단위전지 구성 및 운전...141
• 3. 성능 및 결과 분석...141
• 가. 전극촉매의 영향...141
• 나. 운전온도의 영향...144
• 다. 메탄올 농도의 영향...144
• 라. 운전압력의 영향...147
• 마. 촉매함량의 영향...147
• 바. 촉매의 열처리 효과...151
• 사. membrane에 따른 단위전지 특성...159
• 4. 스택형 단위전지 설계 구성 및 운전...163
• 가. 스택형 단위전지 설계...163
• 나. 스택형 단위전지의 운전 특성...169
• 제4절 결론...171
• 제4장 메탄올 산화 촉매 개발...173
• 제1절 서론...173
• 제2절 전극 촉매 제조 및 특성 분석...176
• 1. $RuO_X$ 촉매 전극 제조...176
• 가. BPG 전극의 전 처리...176
• 나. 전 처리된 전극의 표면 분석...176
• 다. $RuO_X$ 코팅 전극 제조...177
• 2. Pt 및 Pt-Ru 촉매 전극 제조...177
• 3. $RuO_X$, Pt, 및 Pt-Ru 전극의 전해질 효과 및 메탄올 산화 반응성 및 표면분석...178
• 가. $RuO_X$, 전극의 표면 분석...178
• 4. 메탄올 산화 반응에 대한 $RuO_X$ 촉매의 활성 및 안정성 조사...178
• 가. 메탄올 산화반응에 대한 $RuO_X$ 촉매 활성 조사...178
• 나. $RuO_X$ 코팅 전극의 안정성 조사...179
• 5. 메탄올 산화 반응에 대한 Pt 촉매의 전해질 효과 및 Pt 및 Ru 촉매 활성 조사...179
• 가. BPG 전극에서 chloroplatinic acid 용액의 전해질 효과...179
• 나. BPG 전극에서 chloroplatinic acid 용액으로 조사한 메탄올 효과...179
• 다. BPG 전극에 전해석출법으로 만든 Pt 전극의 메탄올 산화 반응성...179
• 라. BPG 전극에 전해석출법으로 만든 Ru 전극의 메탄올Pt-Ru 촉매의 조성, 전해질에 의한 촉매활성 및 표면분석...180
• 가. 메탄올 산화 반응에 대한 Pt-Ru 촉매의 조성비 효과...180
• 나. 메탄올 산화 반응에 대한 Pt-Ru 촉매의 전해질 효과...180
• 다. 메탄올 산화 반응 전후의 Pt-Ru 촉매의 표면분석...180
• 제3절 $RuO_X$ Pt, Ru 및 Pt-Ru 촉매의 성능 평가...181
• 1. 순환 전압전류법(CV)을 이용한 $RuO_X$ 촉매 전극의 특성...181
• 가. 사용한 전극의 background확인...181
• 나. 코팅하지 않은 탄소 전극의 메탄올 산화 반응 특성...181
• 다. 루테늄 산화물 탄소전극의 메탄올 산화 반응 특성...184
• 라. Au-quartz 전극에 입힌 루테늄 산화물 코팅 전극의 특성...184
• 마. 코팅 전극의 안정화 특성...188
• 바. 저 퍼텐셜에서 안정화 시킨 루테늄 산화물 코팅 전극의 메탄올 산화 반응 특성...188
• 2. Pt 및 Ru 촉매 전극의 성능 평가...193
• 가. 탄소 전극(BPG)전극에서 chloroplatinic acid 용액으로 조사한 전해질 및 메탄올의 영향...193
• 나. 전해석출법으로 제조한 Pt 전극의 메탄올 산화반응 특성...193
• 다. 전해석출법으로 제조한 Ru 전극의 메탄올 산화반응 특성...196
• 3. Pt-Ru 촉매 전극의 성능 평가 및 표면 분석 결과...202
• 가. 과연소산($HClO_4$) 전해질 용액에서 메탄올 산화반응 특성 및 표면분석...202
• 나. 황산($H_2SO_4$) 전해질 용액에서 메탄올 산화반응 특성 및 표면분석...221
• 다. 염산(HCl) 전해질 용액에서 메탄올 산화반응 특성 및 표면분석...231
• 라. 인산(H_3PO_4$) 전해질 용액에서 메탄올 산화반응 특성 및 표면분석...236
• 마. 트리플루오우메탄산산($CF_3SO_3OH$) 전해질 용액에서 메탄올 산화반응 특성 및 표면분석...251
• 바. 질산($HNO_3$) 전해질 용액에서 메탄올 산화반응 특성 및 표면분석...257
• 4. 직접 메탄올 단 전지 측정장치...264
• 제4절 결론...265
• 제5장 메탄올 Crossover 방지 및 특성 연구...267
• 제1절 서론...267
• 1. 연구의 필요성...267
• 2. 국내외 기술 현황...269
• 제2절 실험 장치 및 방법...271
• 1. 전극의 제조...271
• 2. 전해질 분리막의 전 처리...272
• 3. 고분자막/전극 어셈블리 제조...272
• 4. 촉매의 특성화...273
• 가. X-선 회절 (X-ray Diffraction) 측정...273
• 나. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석...273
• 5. 단위 전지 측정 장치 구성...274
• 6. 메탄올 crossover 속도 측정...274
• 제3절 실험결과 및 고찰...278
• 1. crossover 속도에 대한 온도의 영향...278
• 2. crossover 속도에 대한 압력의 영향...286
• 3. 촉매의 특성화...286
• 가. X-선 회절 결과...286
• 나. XANEX/EXAFS 분석 결과...289
• 4. 전지의 온도 변화에 대한 영향...295
• 5. $O_2$ 압력의 변화...295
• 6. 메탄올의 농도 변화...297
• 제4절 결론...300
• 제6장 종합 결론 및 향후 연구...301
• 참고문헌...305