보고서 정보
주관연구기관 |
동신대학교 DongShin University |
연구책임자 |
윤영훈
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-11 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700014788 |
과제고유번호 |
1345239919 |
사업명 |
이공학개인기초연구지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-18
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700014788 |
초록
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○ 직접에탄올연료전지용 전해질로서, 고분자를 대체하여 SiC 세라믹 멤브레인을 제작하였고, 이를 활용한 membrane electrode assembly (MEA)를 도입하여, 직접에탄올연료전지(DEFC)시스템을 제작하였음.
○ SiC 세라믹 멤브레인의 FE-SEM 표면 미세구조를 관찰하였음. 40×40×2mm 크기로 제작된 SiC 세라믹 멤브레인의 FE-SEM 표면의 미세구조 관찰에서는, 20∼40㎛ 범위의 조립의 미세구조가 관찰되었으며, 다공성 세라믹으로 제작되어서, 기공 채널이 형성된 다공성 미세구조 형상을 나타냄.
○ 직접에탄올연료전지용 전해질로서, 고분자를 대체하여 SiC 세라믹 멤브레인을 제작하였고, 이를 활용한 membrane electrode assembly (MEA)를 도입하여, 직접에탄올연료전지(DEFC)시스템을 제작하였음.
○ SiC 세라믹 멤브레인의 FE-SEM 표면 미세구조를 관찰하였음. 40×40×2mm 크기로 제작된 SiC 세라믹 멤브레인의 FE-SEM 표면의 미세구조 관찰에서는, 20∼40㎛ 범위의 조립의 미세구조가 관찰되었으며, 다공성 세라믹으로 제작되어서, 기공 채널이 형성된 다공성 미세구조 형상을 나타냄.
○ 직접에탄올연료전지의 제작을 위해, 구성요소로서 collector와 end plate 등의 설계도면을 일반적인 DMFC와 유사하게 설계하여, 제작되었다. 치밀질과 기공율이 대략 30%인 2 종류의 SiC 멤브레인(SiC membrane)이 직접에탄올 연료전지(DEFC)에 적용되었으며, SiC 멤브레인과 촉매층을 접합하여, 건조 시켜 MEA (membrane electrode assembly)로 구성된 연료전지가 제작되었음.
○ 본 연구에서는, 직접 에탄올 연료전지의 젒요 구성요소로서, SiC ceramic membrane의 제작을 위해, SiC(Showa denko, 30㎛, >99.5%, Japan), Si (>99.9%), carbon source로서, carbon black (Korea carbon, 100nm, >99%, Korea)과 phenol resin (carbon content >50%, Korea)을 혼합비율 (wt%) 93.12 : 1.92 : 4.96로 혼합하여, 슬러리를 제조하였다. Ball milling 혼합 후, 50℃에서 건조하였다. Steel mold를 사용하여 30 MPa의 압력으로 성형체를 제조하였다. 성형체에 Si 침윤공정은 진공 분위기(<10-11 torr)하에서 7.5 ℃/min로 승온하여 1600℃에서 1h 동안 유지하여 40×40×5 mm 크기의 SiC 소결체를 제조하였다. 치밀질의 SiC 막은 Si 침윤공정의 시간을 3hrs 조건으로 유지하여 제조하였다.
○ SiC 세라믹 멤브레인의 양단에는 Pt가 로딩된 carbon cloth를 접합하였고, anode 및 cathode, 촉매전극은 18mg/cm2 Pt/C (40 wt%)과 nafion solution 100mg (5wt%), IPA (isopropyl alcohol) 300mg을 혼합액을 도포, 건조하고, 고온에서 압착하여, MEA 형태로 구성한 후, 직접 에탄올 연료전지 (DEFC)를 제작하였다. 에탄올 연료 공급에 따른 출력을 측정하였다. DEFC 출력 측정은 에어블로어를 통해 공기를 지속적으로 주입하면서 상온에서 측정하였다. 에탄올 연료 용액의 농도에 대해서는 전기출력의 변화는 크지 않았으나, 에어블로어를 통한 공기공급이 차단될 경우, 전기출력이 거의 젒단되는 거동을 나타냄, 공기 주입이 실제 시스템 작동에서 주요변수로 작용하였음.
○ 에탄올과 증류수의 혼합액을 연료로 사용하였고, 순환시킨 용액을 아세톤 용매로 하여, NMR(핵자기공명분광법)으로 분석하였다. 직접에탄올 연료전지가 작동하는 과정에서 생성되는 젒간 생성물의 존재 여부를 확인하기 위해 에탄올 혼합용액을 15분 동안 연료전지 내부로 순환시키면서 작동시킨 후, 채취한 혼합용액을 분석한 결과, 에탄올의 존재 이외의 다른 화학종의 검출이 되지 않았다. 이것은 에탄올 분해에 따른 아세트알데히드 (CH3CHO)가 생성되더라도, 분석 이전에 분해되거나, 아세트산(CH3COOH) 등이 미량이어서 검출이 어려웠을 것으로 추정된다.
○ SiC 세라믹 멤브레인을 도입한 직접 에탄올 연료전지를 활용하여 DEFC시스템의 구동 실험의 결과에서, DEFC에서 측정된 전압과 전류 값은 각각 1.289V, 68mA를 나타내었다. 에탄올 용액의 농도 및 작동시간 (5hr)에 따른 출력변화는 거의 나타나지 않았고, 안정적인 출력을 나타냈다. 최대 전류값은 1.10A 까지 증가하는 거동을 나타내었다. 상온에서, maximum power density는 대략 50 mW·cm-2 수준을 나타냈다. 최근 까지, 직접 에탄올 연료전지의 출력(power density)은 alkaline type의 경우, 30mW·cm-2 (25℃), 50mW·cm-2 (60℃), 185mW·cm-2 (80℃), multi walled carbon nanotubes을 활용한 경우의 38.6mW·cm-2 (80℃)외에도, 476mW·cm-2 등의 결과들이 보고된 바 있으며, 본 연구에서 얻어진 출력은 이들 문헌들에서 보고된 출력과 비교할만한 수준인 것으로 판단된다.
(출처 : 연구결과 요약문 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 3
- Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
- Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
- 1. 연구과제의 개요 ... 5
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
- 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
- Ⅲ. 연구성과 ... 9
- 끝페이지 ... 11
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