초록 ▼

차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있는 수소 연료전지에 대한 핵심요소 기술에 대한 연구를 수행하였다. 현재 상용화에 가장 근접하고 있는 건물용 연료전지에서 시스템의 완성도를 높일 수 있는 중온 저가습 연료전지 시스템을 위한 원천 기술인 전해질막, 촉매, MEA에 대한 핵심기술 들을 연구하였다. 또한 건물용 연료전지 시스템에 수소를 공급하기 위한 10kW급 연료개질기 스케일-업 설계 및 성능평가를 실시하였다. 그리고 열화학적으로 수소를 제조하기 위한 기반 기술로 HI 분해 촉매를 개발하였고 초내식성 Ta 소재 개발도 진행하였다. 마지

차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있는 수소 연료전지에 대한 핵심요소 기술에 대한 연구를 수행하였다. 현재 상용화에 가장 근접하고 있는 건물용 연료전지에서 시스템의 완성도를 높일 수 있는 중온 저가습 연료전지 시스템을 위한 원천 기술인 전해질막, 촉매, MEA에 대한 핵심기술 들을 연구하였다. 또한 건물용 연료전지 시스템에 수소를 공급하기 위한 10kW급 연료개질기 스케일-업 설계 및 성능평가를 실시하였다. 그리고 열화학적으로 수소를 제조하기 위한 기반 기술로 HI 분해 촉매를 개발하였고 초내식성 Ta 소재 개발도 진행하였다. 마지막으로 연료전지 스택의 핵심 부품의 하나인 기체 확산층 제조를 위한 소재를 개발하고 상용화에 응용할 수 있는 공정설계 및 생산기술을 연구하였다.
이러한 연구는 향 후 연료전지의 상업화 및 수소 사회의 도래를 앞당길 수 있는 시금석이될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

The hydrogen as a next-generation energy can be effectively utilized by fuel cell system, and we were mainly investigated the stationary fuel cell and hydrogen production technology from fundamental research to practical applications. As a core technology research, polymer electrolyte membrane, cata

The hydrogen as a next-generation energy can be effectively utilized by fuel cell system, and we were mainly investigated the stationary fuel cell and hydrogen production technology from fundamental research to practical applications. As a core technology research, polymer electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly and gas diffusion medium for middle temperature and low humidity applications were prepared and developed. As a hydrogen supplying system, the compact reformer for natural gas and HI decomposition technology were also developed.
It is expected that the present study can be contributed to realize the commercialization of PEMFC technology and future hydrogen economy.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 13
• CONTENTS ... 21
• 목차 ... 27
• 그림목차 ... 33
• 표 목차 ... 41
• 제 1 장 중온 저가습 건물용 연료전지의 핵심소재 국산화 기술 개발 ... 43
• 제 1 절 서 론 ... 43
• 1. 탄화수소 고분자 전해질막 개발 ... 43
• 2. 고내구성 전극촉매 개발 ... 45
• 3. 중온 저가습용 MEA 개발 ... 48
• 제 2 절 본 론 ... 49
• 1. 탄화수소 고분자 전해질 막 개발 ... 49
• 가. 후술폰산화 멀티블록형 고분자 전해질막의 합성 ... 49
• 1) 소수성/친수성용 올리고머 전구체의 합성 ... 49
• 2) 소수성/친수성용 올리고머 전구체의 합성결과 분석 ... 50
• 3) 멀티블록고분자의 합성 및 술폰산화 반응 ... 51
• 4) 멀티블록고분자의 합성 및 술폰산화 반응 결과 분석 ... 53
• 나. 후술폰산화 멀티블록형 고분자 전해질막의 특성 분석 ... 55
• 1) 함수율, IEC 및 이온전도도 특성 분석 ... 55
• 2) 모폴로지 분석 ... 57
• 다. 후술폰산화 멀티블록형 고분자전해질막의 성능 분석 ... 58
• 1) 펜튼 실험을 통한 산화안정성 평가 ... 58
• 2) OCV 실험을 통한 산화안정성 평가 ... 60
• 2. 고내구성 전극촉매 개발 ... 61
• 가. 고내구성 전극촉매 지지체 ... 61
• 1) 흑연성 다공성 촉매지지체 제조 ... 61
• 2) 백금담지 전극촉매 제조 ... 64
• 나. Pt/GMPC 전극촉매에 대한 내구성 평가 ... 66
• 1) 전극촉매 가속내구성 평가 기준 ... 66
• 2) Pt/GMPC 내구성 평가 ... 69
• 3. 중온 저가습용 MEA 개발 ... 72
• 가. 무기물 담지 전극 촉매층 제조 및 평가 ... 72
• 1) 연구개발 개요 ... 72
• 2) 실험방법 ... 74
• 3) 연구개발 결과 ... 76
• 나. 고온-저가습 운전을 위한 친수성 carbon black 제조 ... 93
• 제 3 절 결 론 ... 96
• 1. 고온용 전해질막 개발 ... 96
• 2. 고내구성 전극촉매 개발 ... 96
• 3. 중온 저가습용 MEA 개발 ... 97
• 제 2 장 20kW급 연료전지용 수소제조 원천기술 및 연료개질기 국산화 설계 ... 98
• 제 1 절 서 론 ... 98
• 1. 연료개질기용 촉매 기술개발 현황 ... 98
• 가. 수증기 개질반응 촉매 ... 98
• 나. 수성가스 전이반응 촉매 ... 99
• 다. 선택적 산화반응 촉매 ... 103
• 2. 연료개질기 기술개발 현황 ... 103
• 제 2 절 본 론 ... 105
• 1. 연료개질기용 촉매 제조기술 개발 ... 105
• 가. 촉매 제조 ... 105
• 1) 수증기 개질반응 촉매 ... 105
• 2) 수성가스 전이반응 촉매 ... 106
• 3) 선택적 산화반응 촉매 ... 107
• 나. 촉매 물성 분석 ... 107
• 1) XRD ... 107
• 2) BET ... 107
• 3) Chemisorption ... 107
• 4) TPR ... 108
• 5) SEM,TEM ... 108
• 6) TGA ... 108
• 다. 촉매 특성 분석 및 반응 실험 결과 ... 108
• 1) 수증기 개질반응 촉매 ... 108
• 2) 수성가스 전이반응 촉매 ... 116
• 3) 선택적 산화반응 촉매 ... 136
• 2. 10Nm3/h급 천연가스 연료개질기 개발 ... 145
• 가. 연료개질기 스케일-업 설계 ... 145
• 1) 연료개질기 구조 및 열교환망 구성 ... 145
• 2) 촉매반응부 및 예열부 스케일-업 설계 ... 148
• 나. 10Nm3/h급 연료개질기 성능 평가 ... 153
• 1) 시동시간 ... 153
• 2) 촉매층 온도 ... 153
• 3) 개질가스 조성 ... 156
• 4) 개질효율 ... 157
• 제 3 절 결 론 ... 158
• 1. 연료개질기용 촉매 제조 기술 개발 ... 158
• 2. 10Nm3/h급 천연가스 연료개질기 개발 ... 158
• 제 3 장 SI 공정 핵심 요소 기술 개발 ... 159
• 제 1 절 서 론 ... 159
• 1. 기술의 개요 ... 159
• 2. 기술 개발의 필요성 ... 160
• 3. 국내외 관련 기술 현황 ... 161
• 가. SI 기술분야 트랜드 ... 161
• 나. 국내외 기술 개발 현황 ... 162
• 1) 국제협력 ... 162
• 2) 미국 ... 162
• 3) 프랑스 ... 162
• 4) 일본 ... 162
• 5) 중국 ... 163
• 6) 국내 기술 개발 현황 ... 163
• 제 2 절 HI 분해 촉매 개발 ... 164
• 1. 서론 ... 164
• 가. 개발 기술의 중요성 및 필요성 ... 165
• 나. HI분해용 백금계 촉매의 표면개질 ... 165
• 다. HI 분해용 비백금계 촉매의 개발 ... 166
• 2. 실험장치 및 방법 ... 166
• 가. 실험장치 ... 166
• 나. 촉매제조 ... 167
• 1) HI분해용 백금계 촉매의 표면개질을 위한 촉매제조 ... 167
• 2) HI분해용 비백금계촉매를 위한 촉매 제조 ... 168
• 3. 실험결과 ... 169
• 가. 특성분석 ... 169
• 1) 분석조건 ... 169
• 2) HI 분해용 백금계촉매의 표면개질 ... 170
• 3) HI 분해용 비백금계 촉매 ... 172
• 나. HI 분해반응 ... 175
• 1) 표면개질을 통한 HI분해용 백금계촉매의 HI분해반응 ... 175
• 2) 비백금계촉매의 HI분해반응 ... 177
• 4. 결 론 ... 179
• 제 3 절 전기 투석 요소 기술 개발 ... 180
• 1. 기술의 개요 ... 180
• 2. 이론적 배경 ... 182
• 3. 실험 방법 ... 184
• 가. 장치 구성 ... 184
• 나. HI 농축 실험 ... 186
• 4. 실험 결과 ... 188
• 가. 온도 변화에 따른 HI 농축 특성 ... 188
• 나. 전류 변화에 따른 HI 농축 특성 ... 190
• 다. I2 농도 변화에 따른 특성 ... 194
• 라. 탄소 전극 변화에 따른 전기투석 셀 운전 특성 ... 196
• 마. 멤브레인 종류에 따른 성능 평가 ... 198
• 바. 금속 전극 소재 전도도 평가 ... 200
• 제 4 절 초 내식성 Ta 합금 코팅기술 개발 ... 202
• 1. 서 론 ... 202
• 가. 기술의 개요 ... 202
• 나. 국내외 관련 기술 ... 203
• 다. 기술개발의 필요성 ... 204
• 라. 기술개발의 목표 ... 205
• 2. 실험 방법 ... 205
• 가. 열화학적 특성평가 ... 205
• 1) 용융염에 대한 열화학적 평가 ... 206
• 2) 구조재에 대한 열화학적 평가 ... 206
• 나. 순환 전압-전류법 ... 207
• 다. 정전류 실험 ... 209
• 라. 용융염 전기도금 실험의 설계 ... 211
• 마. 코팅 피막 두께의 설정 ... 212
• 3. 실험 결과 ... 213
• 가. 전류밀도 변화에 따른 코팅 피막 표면 특성 ... 213
• 나. 전류밀도 변화에 따른 피막 단면 특성 ... 215
• 다. 전류밀도 변화에 따른 경도 특성 ... 216
• 라. 금속화합물의 형성 ... 217
• 마. 전류밀도 5 mA/cm2에서의 코팅 성능 ... 217
• 1) 전류밀도 5mA/cm2 조건에서의 SEM, XRD 분석 ... 218
• 2) 전류밀도 5mA/cm2 조건에서의 부식 실험 ... 219
• 3) 연구 성과물과 Tantaline 사의 시제품 비교 ... 220
• 바. 전산모사 평가 ... 221
• 1) 물질전달 지배방정식 ... 221
• 2) 전하전달 속도론 ... 222
• 3) Butler-Volmer 식 ... 224
• 4) 일차, 이차 전류밀도 분포 개요 ... 224
• 5) 삼차 전류밀도 분포 개요 ... 226
• 6) 전산모사를 통한 전착 특성 분석 ... 226
• 4. 결 론 ... 228
• 제 4 장 탄소섬유를 이용한 PEMFC용 가스확산기재 연속 제조기술 개발 ... 230
• 제 1 절 서 론 ... 230
• 1. 연구의 필요성 ... 230
• 2. 연구목표 및 내용 ... 232
• 3. 국내외 특허분석 및 전략 ... 234
• 가. 특허분석 배경 및 목적 ... 234
• 나. 분석대상 및 기준 ... 235
• 다. 전 세계 탄소섬유를 이용한 PEMFC용 가스확산기재 특허 동향 ... 237
• 라. 탄소섬유를 이용한 PEMFC용 가스확산기재 주요 출원인분석 ... 245
• 마. 특허 동향 분석 결론 ... 247
• 제 2 절 탄소섬유 웹의 제조 ... 249
• 1. 탄소섬유 웹 제조원료 ... 249
• 2. 탄소섬유 웹 제조 ... 251
• 가. 탄소섬유의 분산용액 제조 및 결과 ... 251
• 나. 탄소섬유 웹의 제조 및 결과 ... 267
• 제 3 절 탄소섬유 웹의 레진함침 및 탄화 ... 276
• 1. 탄소섬유 웹의 레진함침 ... 276
• 가. 페놀수지의 경화 온도 ... 277
• 나. 페놀수지 함침을 위한 적정농도 실험 ... 278
• 다. 전도성 흑연분말의 함침 실험 ... 282
• 2. 탄소섬유 웹의 탄화 ... 284
• 3. 탄소종이의 전기전도도와 기체투과도 ... 288
• 가. 상용 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도 측정 ... 288
• 나. 탄소종이의 전기전도도 및 기체투과도 측정 ... 290
• 4. 탄소섬유의 분산특성 및 열경화성수지의 경화조건연구 ... 291
• 가. Lab용 습식초지 제조공정 ... 291
• 나. 초음파 분산 처리시간에 따른 분산특성 확인 실험 ... 291
• 다. 초음파 분산 처리 후 유지시간에 따른 분산성 확인 실험 ... 292
• 라. 분산제 종류에 따른 분산 ... 294
• 마. 열경화성 수지 함량의 최적화 ... 296
• 제 4 절 결 론 ... 299
• 참고문헌 ... 300
• 서지정보양식 ... 307
• BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET ... 308
• 끝페이지 ... 309