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 20kW급 연료개질기 스케일-업 설계 및 성능평가를 실시하였다. 그리고 열화학적으로 수소를 제조하기위한 기반 기술로 HI 분해 촉매를 개발하였고 초내식성 Ta 소재 개발도 진행하였다. 마지막

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 20kW급 연료개질기 스케일-업 설계 및 성능평가를 실시하였다. 그리고 열화학적으로 수소를 제조하기위한 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 시금석이 될 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
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 13
• CONTENTS ... 21
• 목 차 ... 28
• 그 림 목 차 ... 35
• 표 목 차 ... 43
• 제 1 장 중온 저가습 건물용 연료전지의 핵심소재 국산화 기술 개발 ... 45
• 제 1 절 서 론 ... 45
• 1. 탄화수소 고분자 전해질막 개발 ... 45
• 2. 고내구성 전극촉매 개발 ... 48
• 3. 중온 저가습용 MEA 개발 ... 51
• 제 2 절 본 론 ... 52
• 1. 탄화수소 고분자 전해질 막 개발 ... 52
• 가. 후술폰산화 멀티블록형 고분자 전해질막의 합성 ... 52
• 1) 소수성/친수성용 올리고머 전구체의 합성 ... 52
• 2) 친수성용 올리고머 전구체의 합성결과 및 분석 ... 52
• 3) 멀티블록고분자의 합성 및 특성 분석 ... 54
• 나. 합성된 멀티블록형 고분자전해질막의 성능 분석 ... 56
• 1) 함수율, IEC 및 이온전도특성 분석 ... 56
• 2) 모폴로지 분석 ... 58
• 3) 산화안정성 평가 ... 59
• 2. 고내구성 전극촉매 개발 ... 60
• 가. 다기능성 (Bi-functional) 전극촉매 지지체 ... 60
• 1) 다기능성 다공성 촉매지지체 설계 개념 ... 60
• 2) 다기능성 전극촉매 지지체 제조 ... 63
• 3) 다기능성 지지체를 적용한 전극촉매 제조 및 전기화학적 평가 ... 65
• 3. 중온 저가습용 MEA 개발 ... 68
• 가. GDL의 특성에 따른 MEA 성능변화 ... 68
• 나. 고온-저가습 운전을 위한 친수성 애노드 전극 촉매층 제조 및 평가 ... 71
• 제 3 절 결 론 ... 76
• 1. 고온용 전해질막 개발 ... 76
• 2. 고내구성 전극촉매 개발 ... 76
• 3. 중온 저가습용 MEA 개발 ... 76
• 제 2 장 20kW급 연료전지용 수소제조 원천기술 및 연료개질기 국산화 설계 ... 78
• 제 1 절 서 론 ... 78
• 1. 기술 개발의 필요성 ... 78
• 2. 주요 연구내용 ... 79
• 제 2 절 본 론 ... 80
• 1. 20kW급 연료개질기 개발 ... 80
• 가. 구성요소 ... 80
• 1) 연료개질기 구성 ... 80
• 2) 반응기 ... 81
• 3) 촉매 ... 82
• 4) 히터 ... 83
• 5) 버너 ... 84
• 6) 수관 ... 85
• 7) 온도 센서 ... 86
• 8) 열교환기 ... 87
• 9) 촉매 충전 ... 88
• 10) 단열 ... 88
• 나. 연료개질기 평가장치 ... 90
• 다. 성능 평가 결과 ... 94
• 1) 시동 ... 94
• 2) 부하별 운전 결과 ... 95
• 3) 개질가스 조성 ... 96
• 4) 개질 효율 ... 97
• 2. 연료개질기용 촉매 개발 ... 98
• 가. 촉매 제조 ... 98
• 나. 촉매 특성 분석 ... 99
• 1) XRD ... 99
• 2) BET ... 99
• 3) H2-TPR ... 100
• 4) Chemisorption ... 101
• 5) TEM ... 102
• 다. 촉매 반응 장치 ... 103
• 1) 촉매 반응 장치 ... 103
• 2) MFC ... 103
• 3) Pre-heater ... 104
• 4) Syringe pump ... 105
• 5) Furnace & 석영관 ... 105
• 6) 냉각기 ... 106
• 7) Micro-GC ... 106
• 라. 촉매 반응 실험 조건 ... 107
• 1) WGS 반응실험 ... 107
• 2) PrOx 반응실험 ... 108
• 마. 촉매 반응 실험 결과 ... 109
• 1) WGS 반응실험 ... 109
• 2) PrOx 반응실험 ... 127
• 제 3 절 결 론 ... 133
• 제 3 장 SI 공정 핵심 요소 기술 개발 ... 135
• 제 1 절 HI 분해 촉매 개발 ... 135
• 1. 서론 ... 135
• 가. 기술개발의 중요성 및 필요성 ... 135
• 나. 국내 외 관련 기술의 현황 ... 136
• 다. HI 분해용 백금계 촉매의 표면개질 ... 137
• 라. HI분해용 비백금계촉매의 개발 ... 137
• 2. 실험장치 및 방법 ... 138
• 가. 실험장치 ... 138
• 나. 촉매제조 ... 138
• 1) 표면 개질을 통한 HI 분해용 백금계 촉매의 제조 ... 138
• 2)　HI 분해용 비백금계 촉매를 위한 제조 방법 ... 140
• 3. 실험 결과 ... 141
• 가. 촉매 분석 결과 ... 141
• 1) 표면개질 된 백금계 촉매의 특성분석 ... 142
• 2) HI 분해용 니켈과 구리의 이원금속 촉매의 특성분석 ... 144
• 나. 표면개질 된 백금계 촉매의 HI분해반응 ... 147
• 다. 니켈과 구리의 이원금속 촉매의 HI분해반응 ... 147
• 4. 결론 ... 150
• 제 2 절 전기 투석 요소 기술 개발 ... 150
• 1. 기술의 개요 ... 150
• 가. ED Cell 구성과 Cell 내에서의 전기화학적 반응 거동 ... 150
• 나. HI농축 및 물이동도 계산 ... 151
• 2. 실험 방법 ... 152
• 가. 실험장치 ... 152
• 나. HI 농축 실험 ... 154
• 다. 막 제조 방법 ... 156
• 1) Applicator을 이용한 제조 ... 156
• 2) 막 형틀을 사용한 분리 막 제조 ... 157
• 라. 막 열처리 방법 ... 157
• 1) 열처리 과정 ... 157
• 2) 양이온 분리 막과 GDL 열처리 과정 ... 157
• 3. 실험 결과 ... 158
• 가. Ta, Nb 재료를 이용한 전극 실험 ... 158
• 나. 열처리에 따른 물 이동도 실험 결과 ... 159
• 4. 결론 ... 162
• 제 3 절 초 내식성 Ta 합금 코팅 연구 ... 163
• 1. 기술의 개요 ... 163
• 가. 국내외 관련 기술 ... 164
• 2. 기술개발의 필요성 ... 165
• 가. 기술적 측면 ... 166
• 나. 경제 산업적 측면 ... 168
• 다. 정책적 측면 ... 168
• 라. 기존 연구사업과의 차별성 ... 169
• 3. 연구 방법 ... 171
• 가. Ta-W 합금 코팅 기법의 설계 ... 171
• 나. MARC 공정 전극 설계 ... 172
• 다. Ta-W 합금 코팅 피막 두께의 설정 ... 174
• 라. 부식 시험 설계 ... 175
• 4. 연구 결과 ... 176
• 가. Ta-W 합금 코팅 피막 전착 시 문제점 및 해결 방안 ... 176
• 1) 부식 시험 시 용접부 부식 문제 발생 ... 176
• 나. MARC 1 기법을 이용한 Ta-W 코팅 피막 특성 ... 178
• 1) MARC 1 기법을 이용한 Ta-W 코팅 피막의 W 함량 평가 ... 178
• 2) MARC 1 기법을 이용한 Ta-W 코팅 피막의 미세 조직 평가 ... 180
• 3) MARC 1 기법을 이용한 Ta-W 코팅 피막의 경도 평가 ... 181
• 4) 텅스텐 함량에 따른 부식 시험 평가 ... 182
• 다. MARC 2 기법을 이용한 Ta-W 코팅 피막 특성 ... 186
• 1) MARC 2 기법을 이용한 Ta-W 합금 코팅 설계 ... 186
• 2) MARC 2 기법을 이용한 Ta-W 코팅 피막의 SEM·EDS 분석 ... 187
• 3) Ta4W 합금 코팅 피막의 STEM 분석 ... 188
• 4) 부식 시험 후 Ta4W 합금 코팅 시편의 XRD peak 분석 ... 189
• 5) Ta4W 합금 코팅 시편의 내식성 평가 ... 190
• 6) Ta4W 합금 코팅 시편의 균일도 평가 ... 192
• 7) 열처리를 통한 Ta-W 합금 코팅 시편의 인장강도 향상 시험 ... 193
• 라. 전산모사 평가 ... 195
• 1) 물질전달 지배방정식 ... 195
• 2) 전하전달 속도론 ... 196
• 3) Butler-Volmer 식 ... 198
• 4) Primay, Secondary current density distribution(일차, 이차 전류밀도분포)개요 ... 199
• 5) Tertiary current density distribution(삼차전류밀도분포)개요 ... 200
• 6) 전산모사를 통한 전착 특성 분석 ... 201
• 5. 결 론 ... 203
• 제 4 장 탄소섬유를 이용한 PEMFC용 가스확산기재 연속 제조기술 개발 ... 206
• 제 1 절 서 론 ... 206
• 1. 연구의 필요성 ... 206
• 2. 연구목표 및 내용 ... 208
• 제 2 절 PAN계 나노섬유 첨가를 통한 탄소섬유 웹의 제조 및 특성 평가 ... 210
• 1. 서론 ... 210
• 2. 실험방법 ... 211
• 가. 시약 및 장비 ... 211
• 나. PAN계 나노섬유의 제조 ... 211
• 다. 탄소섬유 웹의 제조 ... 212
• 라. 탄소섬유 웹의 인장강도 ... 213
• 마. PAN계 나노섬유 첨가를 통한 탄소종이의 제조 ... 214
• 바. 전도성 탄소분말과 PAN계 나노섬유의 첨가를 통한 탄소종이의 제조 ... 214
• 3. 결과 및 고찰 ... 216
• 가. PAN계 나노섬유를 가진 탄소섬유 웹의 특성 ... 216
• 나. 탄화처리된 탄소섬유 웹의 특성 ... 217
• 다. 탄소종이의 제조 및 특성 ... 219
• 제 3 절 가스확산기재(GDM) 연속제조공정 ... 222
• 1. 탄소섬유 웹 연속제조 ... 222
• 가. 탄소섬유 웹 제조원료 ... 222
• 나. 탄소섬유 웹 연속제조장치 및 제조방법 ... 225
• 다. 탄소섬유 웹 연속제조 결과 ... 230
• 2. 전도성물질 연속함침공정 연구 ... 233
• 가. 전도성물질 연속함침을 위한 원료특성 ... 233
• 나. 전도성물질 연속함침을 위한 장치 및 함침방법 ... 233
• 다. 전도성물질 연속함침 결과 ... 235
• 3. 결 론 ... 237
• 제 4 절 전도성 고분자 첨가를 통한 탄소종이의 제조 ... 238
• 1. 서 론 ... 238
• 2. 실험방법 ... 239
• 가. 재료 및 장비 ... 239
• 나. 탄소종이의 제조 ... 239
• 3. 결과 및 고찰 ... 242
• 4. 결 론 ... 242
• 제 5 절 GDM의 전기적 특성 향상 및 탄화조건 설계 ... 243
• 1. 열경화성 수지의 특성 분석 ... 243
• 2. 열경화성 수지의 함량 최적화 ... 245
• 3. 카본블랙 함량에 따른 전기 전도성의 상관관계 분석 ... 247
• 4. CNT의 함량에 따른 전기 전도성의 상관관계 분석 ... 249
• 5. GDM 탄화 온도에 따른 특성 분석 ... 252
• 참고문헌 ... 255
• 끝페이지 ... 263