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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research |
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연구책임자 | 윤하나 |
참여연구자 | 박지찬 , 조원철 , 윤영직 , 전동혁 , 신형기 , 유충열 , 최지연 , 정치영 , 이정인 , 김태영 , 신동원 , 천동현 , 양정일 , 이찬우 , 이동욱 , 강신욱 , 김병현 , 유정준 , 이고운 , 정규남 , 김창희 , 서명원 , 이도연 , 조현석 , 임용훈 , 윤시원 , 서민수 , 김현욱 , 최호경 , 김수현 , 임영준 , 조종재 , 조준현 , 노철우 , 이범준 , 나호상 , 조용현 , 양승철 , 강기환 , 고석환 , 주영철 , 박성은 , 김범준 , 배병찬 , 신성희 , Archi Rifella , Hermawan Prajitno , Adam Febriyanto Nugraha , Mutya Rahmah Arbi , Farid Wijaya |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-12 |
과제시작연도 | 2018 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 | TRKO201900001991 |
과제고유번호 | 1711078990 |
사업명 | 한국에너지기술연구원연구운영비지원(주요사업비) |
DB 구축일자 | 2019-06-08 |
DOI | https://doi.org/10.23000/TRKO201900001991 |
1세부-Ⅰ. 저가 고생산성 나노촉매 핵심 기술 개발 및 성능 실증
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
- 기존의 촉매 기술 대비 보다 친환경적이며 대량생산이 가능한 저가의 고분산, 고담지 나노 촉매 합성 기술을 완성하는 것이 주요 연구 목적임
- 용융 함침 공정의 최적화를 기반으로 하여 신뢰성 있는 나노 촉매 합성에 대한 핵심요소 기술(촉매 및 시스템)개발을 주요 목표로 함
- 촉매의 활성 뿐 만 아니라 높은 안정성과 함께 생성물 생산성(Productivity)을 극대화 할 수 있는 촉매 기술 개발이 중요함
1세부-Ⅰ. 저가 고생산성 나노촉매 핵심 기술 개발 및 성능 실증
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
- 기존의 촉매 기술 대비 보다 친환경적이며 대량생산이 가능한 저가의 고분산, 고담지 나노 촉매 합성 기술을 완성하는 것이 주요 연구 목적임
- 용융 함침 공정의 최적화를 기반으로 하여 신뢰성 있는 나노 촉매 합성에 대한 핵심요소 기술(촉매 및 시스템)개발을 주요 목표로 함
- 촉매의 활성 뿐 만 아니라 높은 안정성과 함께 생성물 생산성(Productivity)을 극대화 할 수 있는 촉매 기술 개발이 중요함
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
- 고분산, 고담지 신규 나노 촉매의 설계 및 합성
- 촉매 제조 시스템 최적화 및 대량 합성 시스템 구축
- 촉매 반응 테스트 및 성능 검증
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
- 신규 촉매 개발과 관련한 학계와의 활발한 기술 교류를 통해 새로운 반응 현상규명 및 이론적 촉매 설계 방안 마련
- 합성된 저가 고성능 촉매의 적용을 통해 반응기의 컴팩트화 및 생성물 생산성 증가를 통한 경제적 이익을 확보
- 향후 TRL 5-6 단계의 연구를 통해 촉매 상용화 기술의 기반을 다지고자 함
(출처 : 요약문 9p)
2세부-Ⅱ. 웨어러블 디바이스용 다공성 실리콘 나노선 기반 온칩형 전기화학커패시터 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
웨어러블 디바이스의 핵심 기술 중 하나인 ‘신축·유연한 에너지변환소자’를 개발하고자 함. 특히, 기존의 반도체 디바이스 및 공정에 적용 가능한 ‘Si 나노선 기반 플렉서블 온칩형 전기화학 커패시터 개발’은 신체부착/생체이식형 등 차세대 웨어러블 디바이스용 전원장치 개발을 위한 핵심 원천 기술로 활용 가능.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
- 온칩형 전기화학 커패시터용 고성능 Si 기반 전극 소재 개발
- 전극 소재 물성 측정, 전기화학적 특성 평가 및 전극 디자인 최적화
- 고에너지 밀도 및 고출력 소자 제작 기술 확보 및 셀 디자인 최적화
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구 개발을 통해 Si 나노선 기반의 고 안전성, 고성능의 온칩형 전기화학 커패시터 개발이 가능할 것으로 기대된다. 개발 된 Si 나노선 기반의 온칩형 에너지변환소자는 차세대 웨어러블 디바이스의 전원 공급 장치로서 중추 역할을 할 것으로 예상된다.
(출처 : 요약문 55p)
3세부-Ⅲ. 기계화학 공정을 이용한 나노 탄화규소 제조기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
전 세계는 온실가스 감축과 경제성장이 동시 달성 가능한 에너지신산업 및 신기술 개발을 절실히 요구하고 있다. 대표적인 물 분해 수소생산 기술인 요오드-황 원자력수소 생산기술(Sulfur-Iodine process)은 고온(800도 이상), 강산(고농도 황산), 가압(10bar이상)에서 운전되므로 내열성 및 내화학성이 뛰어나면서 가공성이 좋은 나노 소재의 개발이 필요한 실정이다.
수소생산 태양 열화학반응기(Solar chemical reactor)는 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변화시키는 우수한 열전도도를 가지며 내열성이 뛰어난 나노 소재가 필요하다. 내열성, 내화학성, 우수한 열전도도를 가지는 대표적인 핵심소재가 탄화규소(Silicon carbide, SiC)이다. 낮은 가공성을 가지는 SiC소재를 반응기, 촉매 등 기능성 소재로 활용하기 위해서 나노SiC 소재개발이 필수적이나 전량 수입 중이다. 전통적인 SiC합성법으로 탄소원을 고체탄소를 사용하는 경우 나노SiC 제조가 매우 어려움(낮은 수율, 복잡한 공정, 많은 전처리 단계 요구)을 겪고 있다. 본 제안 과제는 기존 틀을 깨고 탄소원으로 이산화탄소를 이용하여 원료의 전처리과정 없이 간단하고 빠르게 나노SiC를 제조하는 다상 기계화학공정을 제안한다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
이제까지 SiC입자는 실리카 분말과 탄소 소재 (carbon black, activated carbon 등)를 이용하여 Carbothermic reduction법(SiO2 + 3C → SiC + 2CO(g) 1400∼2400℃)으로 대량 생산해 왔다. 하지만 고온 합성 과정에서 심한 탄소 소결현상이 일어나 SiC의 비표면적(<10 m2/g)이 매우 낮고 Sub-Micro 크기의 SiC입자가 생성되어 저부가가치 ($10/kg 미만) SiC 분말을 제조하는 한계가 있었다. 이에 대하여 학계에서 나노 SiC입자 개발을 위한 많은 연구가 수행되어 왔으나 값비싼 전구체를 이용한 복잡한 합성 단계를 거치는 Lab. scale규모의 연구에 그쳐왔다. 기존 합성법은 고체(SiO2)-고체(C) 확산 반응이 느리고 동시에 생성되는 CO(g)부산물이 평형전환율을 제한하기 때문에 화학 양론비 이상의 탄소를 공급하여 제조하고, 얻어진 SiC는 잔류 탄소가 많이 형성되어 탄소 제거를 위한 후처리 과정이 필요하였다. 따라서 넓은 비표면적의 나노 SiC 입자를 저가의 원료를 이용하여 빠르고 간단하게 합성할 수 있는 친환경 합성 기술이 필요한 실정이다. 경제성장의 핵심기술 중 하나인 고부가가치 나노소재 합성기술은 대부분 고비용 재료, 복잡한 합성단계, 낮은 Scale-up 가능성, 낮은 수율 등의 이유로 Lab. scale 단계에서 답보 중이다.
본 과제의 연구 범위는 기계화학 공정을 이용한 나노 SiC제조 기술개발하며, 고부가가치 ($300/kg 이상)의 나노 SiC (70 nm이하)를 75%이상 수율로 제조하는 기술을 개발하는 것이다.
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1차년도 연구 결과 최적의 조건으로 생성된 SiC분말은 강한 beta-SiC 회절 피크가 관찰되었고 평균적으로 80 nm이하의 SiC 나노 입자를 합성할 수 있었다. Rietveld 분석법을 통하여 약 94wt%가 SiC로 구성되었고. 잔류 탄소는 TGA분석 결과 약 2.3 wt%이었다.
SiC 분말시장의 경우 크게 고순도 SiC 입자 제조를 통한 SiC 단결정 성장 시장과 다공성 SiC 입자 제조를 통한 나노촉매 기술로 나눌 수 있다. SiC 단결정 시장은 LED 산업에서 큰 비중을 차지하고 있으며, 2020년 SiC 단결정 시장만 2조원 정도로 예상되는 고성장 시장이다.
나노 촉매용 β-SiC 분말의 경우 다양한 장점(거시적 형상, 높은 비표면적, 높은 열전도성, 산화에 대한 높은 저항성, 높은 화학적 불활성)으로 인하여 에너지 분야(Coal/Gas-To-Liquid, Fischer-Tropsch, 메탄 전환), 화학 분야의 촉매 지지체로 널리 사용될 수 있다.
(출처 : 요약문 83p)
4세부-Ⅳ. 저온 폐열 회수용 복합기능 열회수 유닛 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
국내 발전소, 주거시설, 수영장, 사우나 등의 시설에서는 연간 235억톤에 달하는 온배수가 배출되고 있다. 최근 온배수의 수열에너지를 신재생에너지원으로 정식 규정할 만큼 그 중요성이 증가하고 있지만 현재 우리나라의 저온 폐열회수 기술 수준은 선진국에 비해 현저히 낮은 실정이다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
저온폐열을 이용한 가로열전 발전장치 개발 (열전재료의 기초특성 실험 수행)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
파이프 형태를 가지는 열전파이프 샘플을 제작하여 성능평가를 수행하였다. 열전파이프의 최대 출력은 약 1.8 mW이고, 무선센서의 독립전원으로 적용 가능함을 확인하였다.
(출처 : 요약문 121p)
5세부-Ⅴ. 석탄으로부터 그래핀 제조 및 잔류석탄 활용기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
본 연구에서는 석탄으로부터 그래핀을 제조하고 이 때 발생하는 다량의 미반응 잔류석탄을 또 다른 탄소재료로 활용하는 기술을 개발하고자 한다. 석탄으로부터 제조되는 그래핀의 수율은 약 1% 정도로 매우 낮아 제조 후 고순도의 그래핀을 분리해내는 것이 매우 중요하며, 미반응 잔류석탄 역시 다공성 탄소재료로의 변환이 가능하다. 석탄에서 그래핀을 제조하는 경우 그래핀 가격을 다른 경쟁 소재와 가격경쟁이 가능한 수준까지 혁신적으로 낮춰 그래핀 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
석탄으로부터 그래핀을 제조하는 경우 품질은 낮지만 대량생산이 가능한 화학적 박리법을 적용하는 것이 적절하다. 제조된 그래핀은 미반응 잔류석탄과 혼합되어 있는데, 비중차이에 의한 원심분리를 통해 대부분의 잔류석탄의 분리가 가능하지만, 미세 입자들은 산화그래핀의 친수성과 석탄의 소수성을 이용하여 분리한다. 본 연구에서는 석탄으로부터 화학적 박리법을 이용하여 제조되는 그래핀을 고순도로 분리하는 방법을 개발하고 이에 대한 최적 공정을 개발하였다. 다양한 석탄에 대한 실험을 통해 그래핀 제조에 적합한 석탄을 검토하였다. 또한, 미량의 그래핀을 박리해낸 잔류석탄을 다공성 탄소재료인 활성탄으로 제조하는 방법에 대해 연구를 수행하였다. 라만 분광분석, X선 회절분석, 주사 전자 현미경 등을 통해 제조된 그래핀의 특성을 분석하였으며, 활성탄의 요오드 흡착력과 비표면적 특성을 분석하였다.
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
그래핀은 분리과정에서 유화반응에 의해 구형의 특이한 형상으로 제조됨을 확인하였으며, 석탄으로부터 그래핀 제조 시 세계 최고수준인 1%의 생산 수율을 달성하였다. 잔류석탄으로 제조된 활성탄은 일반석탄에 비해 흡착능력 및 비표면적이 월등히 높은 것을 확인하였다.
석탄으로부터 그래핀을 제조하는 경우 그래핀 생산 단가를 낮출 수 있어 향후 그래핀의 가격경쟁력을 높이는 데 크게 기여할 것으로 예상된다. 최근 국내 발전 정책 및 국내 무연탄의 높은 생산 단가로 국내 무연탄의 사용량이 감소하고 있으며, 이로 인해 국내 무연탄의 재고량이 쌓여 폐광하는 탄광이 늘어나고 있다. 이는 지역 경제의 축소 뿐 아니라 지역 주민의 생존권과 관련된 심각한 문제이다. 본 연구를 통해 개발된 석탄으로부터 그래핀과 활성탄을 제조하는 기술은 고부가가치산업으로 국내 무연탄에 이 기술을 적용하면 지역경제의 발전 뿐 아니라 국가 경제 성장과 고용 창출의 효과를 볼 수 있을 것이다.
(출처 : 요약문 137p)
6세부-Ⅵ. 냉동기 효율 30% 향상을 위한 신개념 이상류 터빈
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
냉동기, 히트펌프 시장은 대용량 공조 장치 및 냉동 창고 등의 시장으로 이동하고 있으며, 이에 따라 설비의 경량화를 위하여 저압 냉매에서 고압 냉매의 사용으로 기술 추세가 변하고 있다. 또한 지구 온난화 문제로 GWP(Global Warming Potential, 지구 온난화계수)가 높은 기존의 냉매가 아닌 CO2 등의 GWP가 상대적으로 낮은 냉매로 기술 및 시장이 이동하고 있다.
고압 냉매의 경우 팽창변에서 등엔트로피 팽창을 이용한 에너지 회수 및 냉방용량 증가, COP 개선이 가능하며 이의 구현을 위해서는 기존의 단상 상태에서 동작하는 팽창기(터빈)이 아닌 이상(two-phase) 유체 상태에서 동작이 가능한 팽창기의 개발이 요구된다.
이를 위하여 이상(two-phase) 터빈-팽창기의 개발이 성공하여 냉동기/히트펌프에 적용할 시 기존의 설비 변경 없이 팽창 밸브 부분만의 교체를 통하여 냉동기/히트펌프의 성능(COP) 향상 가능하다. 실제로 등엔트로피 효율 40%의 이상(two-phase) 터빈-팽창기의 적용만으로도 냉매에 따라 4∼10% 이상의 COP 개선 가능하다.
이를 위하여 본 과제에서는 냉동기, 히트펌프 등의 팽창변에 적용 가능한 이상류 터빈을 개발하기 위한 기초 기술을 연구하고자 한다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구과제의 최종 목표는 500RT급 이상 냉동기 적용을 위한 100kW급 등엔트로피 효율 40%, 이상(two-phase) 팽창기 설계 및 핵심 부품 성능 시험이다.
주요 연구 내용은 다음과 같다.
√ 이상(two-phase) 유체 적용 팽창기 개발
- Two-phase 팽창기 구현 가능 개념 연구
- 팽창기 설계 및 제작 도면 작성
- 팽창기 핵심부품 성능 시험
당해연도는 연구개발 기간 3년 가운데 2차년도에 해당하며 당해연도 주요 연구 내용은 다음과 같다.
- 팽창기 상세 설계
- 3D CFD를 통한 성능 및 하중 예측
- 터빈-팽창기 핵심 부품 제작
- 시험 설비 제작
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
현재 이상류 노즐에 대한 설계, 전산 해석과 터빈에 대한 설계, 전산 해석이 완료 되었으며 노즐 시험을 위한 시험 모델 제작 및 장치 시험이 완료되었다. 그러나 이상류 유체의 특성으로 전산 해석에 대한 신뢰성이 부족한 관계로 차년도 노즐 시험을 통하여 전산 해석의 신뢰성을 확보하며, 이를 바탕으로 설계 변경이 필요하다.
이의 결과 여부에 따라 차기 과제로 실제 이상류 터빈의 제작 및 실증을 수행하여야 본 연구과제가 완료될 수 있다.
(출처 : 요약문 173p)
7세부-Ⅶ. 3차원 나노구조전극을 통한 고출력/고용량/고안정성 에너지저장시스템 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
- 고용량/고출력/고안전성 특성을 갖는 에너지저장 시스템 개발에 대한 수요 증가.
- 현재의 마이크론 스케일의 입자/필름전극에서는 전자 및 이온의 이동에 제약이 있어서 전극물질 고유의 장점을 100% 활용하지 못하는 실정 임.
- 이러한 이유로 기존의 마이크론 스케일을 갖는 벌크필름 형태의 전극형태보다 10배 이상의 표면적을 갖는 나노전극구조체 개발이 필요.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
- 이차 산화법을 이용한 다공성 산화 알루미늄 템플레이트 제조
- 자기조립법을 이용한 3차원 역오팔 구조체 제조
- 나노템플레이트 분석
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
- 나노구조화를 통하여 이온의 전극 활물질을 이론용량에 가깝게 활용 기반 기술 마련.
- 이온 및 전자의 전달 통로를 전극 구조 최적화 원천 기술 확보.
- 고용량/고출력/고안정성의 에너지저장시스템 구현 가능
(출처 : 요약문 223p)
8세부-Ⅷ. 생체 이식형 RED 배터리 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
역전기 투석(reverse electrodialysis, RED)은 분리막 사이의 전해질 농도차를 이용하여 전기를 생산하는 방식으로 해수와 담수를 동시에 취수할 수 있는 지역에 유리한 시스템이다. 특히, 고/저농도 염수와 전극린스용액은 외부 저장조에서 펌프를 통해 스택 내부로 주입되기 때문에 RED 시스템을 소형화 시키는 것에 한계가 있다. 따라서, 전해질과 린스용액처럼 액체상인 요소들을 하이드로젤과 같은 고체상으로 전환시킬 수 있다면 RED시스템은 다양한 응용처로 확대 적용될 수 있을 것이다. 인구 증가와 함께 인간의 기대수명이 늘어나면서 의료용 디바이스에 대한 수요 또한 증가하는 추세로 의료기기 시장은 꾸준히 성장하고 있다. 인공심장과 같이 체내 이식용 배터리는 소형화 및 독성이 없는 안전한 소재 사용 등이 요구된다. 이에 본 연구는 이온교환막과 고/저농도 전해질을 생체 친화적 소재로 만들고 특히 전해질을 하이드로젤-고분자 전해질 형태로 고체화 시켜 생체 이식 가능한 소형화된 RED 배터리를 개발하고자 한다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
생체 이식형 RED 배터리 개발하기 위해 본 연구의 핵심 개발 내용은 RED 구성요소인 이온교환막과 전해질을 생체 친화적인 소재로 바꾸어 체내 사용도 가능한 배터리를 개발하는 것이다. 이온교환막과 전해질에는 공통적으로 인지질 고분자를 사용하여 생체 친화성을 높이고 소재의 친수성을 높이는 연구를 수행하였다. 이온교환막은 생분해성 고분자를 전기방사 방식을 이용해 다공성 지지체를 만들고 그 속에 이온교환물질을 함침시켜 제조한다. 특히 양이온교환막의 경우 일반적인 이온교환막에서 사용되는 술폰산 그룹 대신 카르복실 그룹을 사용하여 pH 범위를 조절하여 제작하였다. 전해질의 경우, 하이드로젤-고분자 전해질로 대체하여 외부에서 전해질 공급 없이도 배터리 내부의 전해질 농도를 제어할 수 있는 연구를 진행하였다. 또한 하이드로젤-고분자 전해질 내부의 염농도, 하이드로젤의 두께등을 조절하여 이온 이동 제어에 대한 연구를 수행하였다. RED 셀에 만들어진 이온교환막과 하이드로젤-고분자 전해질를 조립하여 OCV와 출력밀도등을 평가하였다.
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
다공성 지지체는 생분해성 고분자를 전기방사를 통해 지체를 제작하였다. 섬유의 굵기는 0.5 ∼ 3미크론으로 확인되었으며, 전기방사 시간에 따라 지지체 두께의 조절이 가능하였다.
이온교환막을 위해 사용된 지지체의 두께는 30 미크론으로 고정하였다. 양이온교환막(CEM)은 양이온교환물질로 polyacrylic acid(PAA)를 사용하여 PAA 함유량별로 제막하였다. 다공성 지지체와 CEM의 표면과 단면이미지는 SEM(scanning electron microscope)을 통해 확보하였다. 또한, FT-IR, TGA를 통해 PAA와 인지질고분자가 함침된 CEM 제막을 확인하였다. 다공성 지지체와 달리 CEM은 200℃에서 부터 PAA의 열분해가 일어나며 함침된 양은 ∼10wt%인 것을 알 수 있었다. 고농도 염수(HC)와 저농도 염수(LC)의 비율이 50인 경우, PAA 함유량이 높을수록 막저항이 낮아졌으며, 이온선택도는 증가되는 것을 확인하였다.
하이드로젤-고분자 전해질은 인지질고분자와 아크릴아마이드가 결합된 형태로 광경화를 통해 제조되었다. 하이드로젤 내부 전해질 농도는 증류수부터 5M NaCl까지 다양한 농도 범위로 만들어 졌으며 각각의 농도에서 하루이상의 정치시켜 하이드로젤을 안정화 시켰다. 하이드로젤 제조시 사용되는 용액의 부피에 따라 젤의 두께 조절이 가능하였다. EIS(electrochemical impedance spectroscopy)분석을 통해 내부 전해질 농도 및 하이드로젤 두께에 따른 저항을 측정하였다. 3M과 5M NaCl에 담지된 하이드로젤의 경우 벌크저항과 내부저항의 차이가 크지 않았지만, 0.5M과 1M NaCl의 경우 내부 저항이 급격하게 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 0.5M이하 및 두께가 증가될수록 이런 경향은 두드러졌다.
전극 직경 15mm의 Ag/AgCl 전극에 HC하이드로젤-고분자 전해질/CEM/LC하이드로젤-고분자 전해질 순으로 적층하여 OCV와 출력밀도를 측정하였다. HC/LC가 100인 경우 OCV는 51mV, 이때 출력밀도는 4.3mW/m2으로 측정되었다. HC/LC비율이 50k인 경우 13.5mW/m2으로 가장 높은 출력밀도 값을 얻을 수 있었다. 결과적으로 이온교환막의 막저항과 이온선택도, 전해질 농도비, 전해질의 두께 등은 RED 배터리의 OCV 및 출력밀도에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
본 연구 결과들을 바탕으로 생체 이식형 RED배터리는 이온교환막의 이온교환관능기 고농도화, 하이드로젤-고분자 전해질의 전해질 농도 유지가 가장 중요한 요소임을 알 수 있었다.
더욱이, 하이드로젤-고분자 전해질의 확산을 통한 이온 농도 제어는 RED 배터리 출력을 안정적이고 일정하게 유지시키기 위해 가장 필요한 인자임을 알게 되었다.
생체 친화적 소재로 만들어진 RED 배터리는 iontophoresis처럼 경피를 통한 생리 활성 물질 전달 및 미세 전류를 이용한 조직공학용 스캐폴더등 응용처가 다양할 것으로 생각된다. 또한 분해성 이온교환막과 하이드로젤 형태의 전해질을 이용한 RED 배터리는 환경 친화적인 에너지원으로서 RED 장점을 부각시켜 줄 것으로 기대된다.
(출처 : 요약문 253p)
9세부-Ⅸ. 단위면적당 백금 0.02 mg 이하 초저담지 고분자 연료전지 전극 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
백금 담지량을 현저히 낮추기 위해서는 백금 표면에 산소환원반응에 필요한 산소 공급이 원활해야 하며, 이를 위해서 백금 표면에 있는 이오노머의 균일한 코팅이 가장 큰 관건이다.
본 연구에서는 전기분무방사 장치를 활용하여 슬러리상에 양전하를 인가하여 이오노머 사이의 반발력을 극대화함으로써 이오노머의 균일 코팅을 유도하고, 공정상에서 가장 큰 문제로 대두되는 고형화된 전극내 매우 빠른 시간 내에 양전하를 제거할 수 있도록 1) 고가습 방사 조건 확보, 2) 수십 나노미터 두께의 이오노머 박막을 기판으로 활용함으로써 전기분무방사 장치가 가지고 있는 근본적인 문제점을 해결하도록 한다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
백금 담지량 0.02 mg/cm2 이하에서 MEA 성능 2.5 A/cm2을 이상의 고 출력밀도를 가 지는 고분자 연료전지 전극 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구에서는 백금 담지량을 0.02 mg/cm2 까지 낮추고 이로 인해 스택 생산 가격을 28% 까지 절감 할 수 있다. 특히, 250 cm2 이상의 대면적 전극으로의 스케일업이 용이함.
성공적으로 구현된다면, 연료전지 전극 분야 원천기술 확보가 가능할 것으로 기대된다.
(출처 : 요약문 305p)
10세부-Ⅹ. 발광형 차세대 컬러 태양전지 모듈 연구
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
태양광 모듈의 심미성 강화 및 수용성 증대를 위해 발광 염료를 태양광 모듈에 적용하여 컬러 태양광 모듈을 구현하는 연구를 수행하였다. 기존 기술 대비 컬러 층 도입으로 인한 효율 저하를 최소화 고효율 컬러 태양광 모듈 구현을 목표로 한다. 향후 건물 일체형 태양광 시장 확대에 따른 컬러 태양광 모듈에 대한 수요 증대와 주민 수용성을 개선 할 수 있는 기술 이기에 도심 분산 발전에 필수적인 기술이다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구 개발은 1) core/shell 양자점을 발광층으로 이용한 컬러 태양광 모듈 고 효율화,
2) 액상 실리콘을 이용한 태양광 모듈 기술 확보, 3) 염료 patterning을 통한 Graphical 컬러 태양광 모듈 구현하였다.
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
발광 효율이 최적화된 양자점 염료를 이용하여, 컬러 도입으로 태양광 모듈 효율 저하율을 3.2% 이하로 감소시켰다. 또한 자외선 영역 (300-350 nm) 의 태양광 모듈 외부 양자효율을 40% 이상 개선하는 기술도 제안하였다. 또한 액상 실리콘을 이용하여 신뢰성 높은 저온봉지 기술에 대해 제안하였다. 본 과제에서 제안된 기술들은 향후 컬러 태양광 모듈 고효율와에 적용 될 수 있는 원천 기술이며, 이를 기반으로 도심형 컬러 태양광 모듈 보급확대에 기여 할 수 있을 것으로 확신한다.
(출처 : 요약문 321p)
11세부-Ⅺ. 초박막 원자층 두께의 이차원 물질을 활용한 수소연료전지 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
수소이온 교환막인 나피온(Nafion) 대체 물질로 2 nm 미만 수준의 초박막 원자층 두께의 이차원 물질을 활용하여 새로운 연료전지 형태를 개발함. 본 연구에서는 이차원 물질인 육방정계 질화붕소 (hexagonal boron nitride, 이하 h-BN)을 활용함. 기존 고분자 연료전지 막으로 사용되고 있는 나피온은 수소이온 교환막으로 가장 많이 활용되고 있지만 라디칼 산화반응을 통해 고분자 사슬이 쉽게 끊어지며 화학적 안정성이 매우 취약한 구조를 가짐. 고분자 연료전지 내에서 나피온을 수소이온 교환막과 바인더로써 활용하지 않고, 본 연구에서 제안한 h-BN 표면위에 소량의 백금을 담지시킨 MEA를 제작함. 기존 나피온 사용으로 인한 연료전지의 구조적 문제를 한번에 해결함
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
1차년도에는 수소가스 투과도가 적은 이차원 물질 개발 및 이를 활용한 MEA 개발함. 이를 위해서 2 nm 미만의 두께를 가진 h-BN의 결함 구조를 최소화 시킬 수 물질을 합성(Single-layer, tri-layer, AA` stacking h-BN 합성) 하고 두께가 얇은 이차원 물질을 손쉽게 다루기 위해 이차원 물질 표면에 박막 이오노머 코팅법을 개발함. 그 위에 기존 전극층을 담지시켜 MEA를 구현함.
2차년도에는 AA` 적층 구조의 h-BN 표면위에 백금을 직접 담지하고 이를 활용한 MEA를 개발하도록 함. 1차년도 연구와 달리 백금 표면에 이오노머를 배제시키고 백금 촉매를 이차원 물질 표면에 직접 촉매를 담지함으로써 촉매 표면에서의 산소 농도를 극대화 시킴. 순수백금/이차원물질 전극 형태를 활용한 성능 및 내구성 평가를 진행함
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
화학적 내구성이 우수한 이차원 물질인 h-BN을 수소이온교환막으로 활용하여 MEA (막전극접합체)를 제작함. 다양한 h-BN 종류중에서도 AA`-stacking된 hBN을 통해 h-BN내부의 defect site가 최소화된 물질을 합성할 수 있었음. 이를 기반으로 전극을 만들었으며 DOE 가속 내구 평가조건에서 100시간 열화 실험을 진행하였을 때 OCV 감소율이 5%로 나타났음. 상대비교를 위해서 Nafion 막을 가지고 열화 실험을 진행할 경우 56% 이상의 OCV 감소율을 보였음. OCV 감소율 뿐만 아니라 Nafion막을 가지고 열화 실험을 진행한 이후에는 iV 성능 곡선 또한 큰 폭의 성능 감소를 보이는 반면, h-BN을 활용한 전극은 열화전후와 비교했을 때 성능 변화가 거의 일어나지 않는 것으로 나타남. 최근 연료전지 내구성 부분에서 막열화에 대한 이슈가 가장 큰 문제로 대두됨. 화학적 내구성이우수한 h-BN을 활용할 경우 막열화에 따른 성능 감소 이슈를 최소화 시킴으로써 내구성이 한차원 높은 새로운 형태의 MEA 개발이 가능할 것으로 기대됨
(출처 : 요약문 351 p)
12세부-Ⅻ. 알칼리 연료전지 전극 바인더용 이오노머 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
알칼리 연료전지는 염기 조건에서 전극 반응이 빨라 비귀금속 촉매를 사용할 수 있어 연료전지의 가격을 절감할 수 있기 때문에 활발하게 연구되고 있다. 하지만 알칼리 연료전지에 사용되는 고분자 이오노머의 경우 양이온 교환막 연료전지에 사용되는 고분자 이오노머에 비해 이온 전도도가 낮고 화학적 내구성이 낮아 상용화되지 못하고 있다. 특히, 알칼리 연료전지용 고분자 이오노머는 상용화 제품이 없고, 전해질막에 대한 연구는 많이 진행되고 있으나 바인더용 이오노머 특성에 맞는 고분자 이오노머 개발은 전무한 상태다. 따라서, 이오노머 특성에 맞는 우수한 이온 전도도 및 화학적 내구성을 갖는 고분자 이오노머 개발이 필요하다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구과제를 통하여 이온 전도도 및 화학적 내구성에 가장 많은 영향을 미치는 양이온기의 최적화 구조 선정을 위하여 다양한 양이온기를 고분자 전구체에 도입하여 최적의 양이온기를 선정하고, 화학적으로 안정하다고 알려진 불소계 고분자 전구체에 최적 양이온기를 도입하여, 바인더 응용을 위한 우수한 이온 전도도 및 화학적 내구성을 갖는 신규 고분자 이오노머 개발을 하고자 한다.
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
암모늄, 피페리디늄, 퀴누클리디늄 세 가지 양이온 중 암모늄의 이온 전도도 및 화학적 내구성이 가장 우수하다는 결과를 얻었다. 이를 바탕으로 암모늄기를 용액 치환법을 이용하여 고압·고온 조건에서 불소계 고분자 전구체에 효과적으로 도입하는 방법을 개발하였다.
불소계 고분자 이오노머는 높은 이온 전도도를 나타냈지만 여전히 양이온기의 안정성이 상용화에 못 미치는 수준으로 앞으로 이 부분을 더욱 개선하고자 한다.
(출처 : 요약문 371 p)
Ⅰ. 저가 고생산성 나노촉매 핵심 기술 개발 및 성능 실증
Ⅱ. Objectives and Significance
- This research mainly focuses on synthesis of the high performance nanocatalysts, which have uniform particle dispersion, high active metal load of small nanoparticles, and low price, based on easy and eco-friendly catalyst prepa
Ⅰ. 저가 고생산성 나노촉매 핵심 기술 개발 및 성능 실증
Ⅱ. Objectives and Significance
- This research mainly focuses on synthesis of the high performance nanocatalysts, which have uniform particle dispersion, high active metal load of small nanoparticles, and low price, based on easy and eco-friendly catalyst preparation routes
- In addition, this research is aim to develop the core technology (catalysts and system) for highly reproducible synthetic ways by optimization of melt-infiltration process
- It is necessary to develop new technologies for highly productive catalysts with stability as well as activity, which can maximize the product yield in many catalytic reactions
Ⅲ. Contents and Scope of Project
- New design and synthesis of high performance nanocatalysts with uniform particle dispersion and high active metal load of small nanoparticles
- Optimization of the automated catalyst synthesis system and large-scale synthesis
- Reaction optimization and catalytic performance evaluation
Ⅳ. Result and Recommendations
- Deep study and understanding of reaction mechanisms for many catalysis and theoretical catalyst design with co-working
- Achievement of higher profits by increased product yields for the catalytic reactions introducing new high performance nanocatalysts and optimized compact reactors
- We are planning a new project including high TRL (Technology Readiness Level) steps from five to six for advanced nanocatalyst technology development and smart integration of the skill.
(출처 : SUMMARY 10p)
Ⅱ. 웨어러블 디바이스용 다공성 실리콘 나노선 기반 온칩형 전기화학커패시터 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
We want to develop 'flexible and stretchable energy conversion device' which is one of core technologies of wearable devices. In particular, 'Si nanowire-based flexible on-chip electrochemical capacitor development' applicable to existing semiconductor devices and processes can be used as a core technology for development of power supply devices for next generation wearable devices such as body attachment/bio-implantable wearable devices.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
- Development of the high-performance Si-based electrode materials for on-chip electrochemical capacitors
- Physical and electrochemical characterization of the Si-based electrode material and optimization of the electrode design
- Demonstration of high energy density and power density device and optimization of the cell design
Ⅳ. Result and Recommendations
Through this research and development, it is expected to develop safe and high performance on-chip electrochemical capacitors based on silicon nanowires. As-developed silicon nanowire-based on-chip energy conversion devices are expected to play an important role as power supplies for next-generation wearable devices.
(출처 : SUMMARY 56p)
Ⅲ. 기계화학 공정을 이용한 나노 탄화규소 제조기술 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
It is urgent to develop new technologies that can achieve greenhouse gas reduction and economic growth at the same time. Iodine-sulfur process technology, which is a representative water-decomposition hydrogen production technology, is operated at high temperature (over 800 ℃), strong acid (high concentration sulfuric acid) and pressurized (over 10bar) condition. Hydrogen production vis solar chemical reactors require nanomaterials that have excellent thermal conductivity to convert radiant energy into thermal energy and have excellent heat resistance. Silicon carbide (SiC) is a core material with high heat resistance, chemical resistance and excellent thermal conductivity. In order to utilize SiC materials for reactors and catalyst supports, the development of nano SiC materials is essential, but all of them are being imported. The preparation of nano SiC is very difficult via the conventional SiC synthesis method due to low yield, complicated process, and requiring many pre-treatment steps. This proposal proposes mechanochemistry that uses carbon dioxide as a carbon source to produce nano SiC easily and quickly without pre-treatment of raw materials.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
SiC particles have been produced using silica powder and carbon materials (carbon black, activated carbon, etc.) using the carbothermic reduction method (SiO2 3C → SiC 2CO 1400∼2400 ℃). However, severe carbon sintering occurs during the high-temperature synthesis process, resulting in a very low specific surface area (<10 m2/g). In this regard, much research has been conducted in the academic community to develop nano-SiC particles. However, but complex synthesis steps using costly precursors incurred the scale-up applications. Moreover, the conventional synthesis method, carbothermic reduction method, showed a restricted equilibrium conversion rate due to CO (g) by-product resulting from a solid(SiO2)- solid(C) diffusion reaction and a post-treatment process for removing carbon. Therefore, there is a need for an environmentally friendly synthesis technique capable of synthesizing nano SiC particles having a large specific surface area quickly and simply using low-cost raw materials. High-value-added nanomaterial synthesis technology is mostly used for high-cost materials, complex synthesis steps, low scale-up possibility, and low yield. scale step.
The research scope of this project is to develop nano SiC manufacturing technology using mechanical chemical process and to develop technology to produce nano SiC (70 nm or less) with high value added (over $300/kg) in 75% yield.
Ⅳ. Result and Recommendations
SiC powders produced under optimum conditions showed strong beta-SiC diffraction peaks, and 80 nm or less SiC nanoparticles. Rietveld analysis showed that about 94 wt% SiC was formed. Residual carbon was about 2.3 wt% as a result of TGA analysis.
In the SiC powder market, it can be largely divided into the market of SiC single crystal growth through the production of high purity SiC particles and the nanocatalyst technology through the production of porous SiC particles. The SiC single crystal market accounts for a large portion of the LED industry, and the market for SiC single crystals is expected to reach W2trn in 2020. In the case of β-SiC powders for nanocatalysts, due to various advantages (macroscopic shape, high specific surface area, high thermal conductivity, high resistance to oxidation and high chemical inertness), the energy field (Coal / Gas-To-Liquid, Fischer-Tropsch, Methane conversion), can be widely used as catalyst supports in the chemical field.
(출처 : SUMMARY 85p)
Ⅳ. 저온 폐열 회수용 복합기능 열회수 유닛 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
Domestic power plants, residential facilities, swimming pools, saunas and other facilities are emitting 23.5 billion tons of hot water per year. Recently, the importance of low temperature waste heat recovering technology in Korea has been significantly lower than that of developed countries.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
Development of a thermoelectric power generation system using low temperature waste heat
Ⅳ. Result and Recommendations
A thermoelectric pipe sample with pipe shape was fabricated and its performance was evaluated. The maximum output of the thermoelectric pipe is about 1.8mW, and it is confirmed that it is applicable as an independent power source of the wireless sensor.
(출처 : SUMMARY 122p)
Ⅴ. 석탄으로부터 그래핀 제조 및 잔류석탄 활용기술 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
In this study, we will develop to synthesize graphene from coal and utilize large amount of unreacted residual coal as another carbon material. Since the yield of graphene produced from coal is very low, about 1%, it is very important to separate graphene with high purity after production, and unreacted residual coal can also be converted into a porous carbon material. In the case of manufacturing graphene from coal, it is anticipated that the graphene will be commercialized by lowing the price of graphene to the level that can compete with other materials.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
When producing graphene from coal, it is appropriate to apply a chemical exfoliation method which is low in quality but capable of mass production. The graphene produced from coal is mixed with unreacted residual coal. Most of the residual coal can be separated by centrifugal separation due to the difference in specific gravity, but the fine particles are separated by utilizing the hydrophilicity of the graphene oxide and the hydrophobicity of the coal. In this study, a method of separating graphene from coal by chemical exfoliation method was developed and the optimal process was developed. Coal suitable for the production of graphene was studied through various experiments on coal. Further, producing activated carbon was studied from the residual coal obtained by exfoliation of a trace amount of graphene. The synthesized graphene was analyzed by Raman spectroscopy, X-ray diffraction analysis, and scanning electron microscopy. The adsorption capacity and specific surface area of activated carbon were analyzed.
Ⅳ. Result and Recommendations
Graphene of this study was confirmed to have a spherical shape by emulsification during the separation process, and the production yield of graphene from coal was 1% which is the world’s highest level. If graphene is produced from coal, it can lower the cost of producing graphene, which is expected to contribute significantly to the price competitiveness of graphene in the future. Recently, the use of domestic anthracite is decreasing due to the domestic policy of electricity and the high production cost of domestic anthracite. As a result, the stock of the anthracite in Korea is increasing, and the coal mine that is abandoned is increasing. This is not only a reduction in the local economy, but also a serious social problem related to the right to survival of local residents. the technology to manufacture graphene and activated carbon from coal developed from this study is a high value-added technology. Applying this technology to domestic anthracite coal will show not only the development of local economy but also the effect of national economic growth and job creation.
(출처 : SUMMARY 139p)
Ⅵ. 냉동기 효율 30% 향상을 위한 신개념 이상류 터빈
Ⅱ. Objectives and Significance
Energy was dissipated at the expansion process in the heat pump cycle. If energy could be recovered as ideal isentropic process at this stage, total COP improvement of about 10∼50% could be expected. But phase change in this process makes it difficult to design an expander. Thus most of heat pump and refrigerator use expansion valve for this expansion process. This research project is about a design of a two-phase expander to apply expansion process in the heat pump cycle. CO2 was chosen as working fluid for effective COP improvement.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
The final objective of this research project is 100kW class two-phase turbine design.
The target efficiency is over 40% isentropic efficiency and tho-phase nozzle test will be carried out.
Main research topics are as followings.
- Two-phase turbine concept design
- Turbine 3D model and Drawings
- Nozzle test
Research scope of this year are as followings
- Turbine detail design
- 3D CFD numerical simulation
- Nozzle prototype manufacturing
- Experiment facility manufacturing
Ⅳ. Result and Recommendations
Research in this year showed that 3 stage Radial Outflow Turbine was most effective layout for two-phase expander and it could have 70% total efficiency. At this condition, maximum 50% COP improvement could be achieved when heat pump was applied to water heater by numerical simulation.
Next year, two-phase nozzle test will be carried out to verify design result and improve design technique.
(출처 : SUMMARY 175p)
Ⅶ. 3차원 나노구조전극을 통한 고출력/고용량/고안정성 에너지저장시스템 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
- The growth of needs to the development of high capacity/power/stability energy storage system.
- At present, in the micron scale, the electrode properties cannot be used entirely due to the limitation of electron and/or ion transport.
- Therefore, new the development of nanostructure electrode is required exhibiting high surface area in comparison with bulk film electrode more than 10 times.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
- Preparation of porous anodize alumina template by means of sencond anodization
- Preparation of 3D inverse opal template by means of self assembly
- Analysis of nano template cells.
Ⅳ. Result and Recommendations
- According to the realization of nanotemplate, establishing basis for the utilization of theoretical capacity of electrode.
- The acquirement of fundamental technology to optimize ion and electron path.
- The realization of high capacity/power/stability energy storage system.
(출처 : SUMMARY 224p)
Ⅷ. 생체 이식형 RED 배터리 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
Reverse electrodialysis (RED) generates electricity from mixing seawater and fresh water and it is membrane-based system for sustainable and renewable power generation.
RED system composed of a RED stack, which is assembled by a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately, electrolyte reservoirs of high/low concentration, and electrode rinse solutions (ERS) for redox reaction. Electrolytes and ERS should be injected into the stack through pumps. As a result, it is thought that external accessaries limits the miniaturization of the RED system. As the population grows and the life expectancy of humans increases, the demand for biomedical devices also increases, and its markets are steadily growing. Most of biomedical devices such as artificial heart and artificial cochlear requires safe and compact battery. This study aims to develop miniaturized RED battery which is biocompatible and implantable into body.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
The aim of this research is to develop a biocompatible and implantable RED battery by fabricating the ion exchange membrane and the hydrogel-electrolyte with biodegradable materials. In order to improve biocompatibility and hydrophilicity of RED battery, phospholipid polymer was used in the ion exchange membrane and the hydrogel-electrolyte, respectively. The ion exchange membrane was prepared by impregnating ion exchange materials into a porous substrate, which was made by electrospinning method with a biodegradable polymer. Especially, carboxyl group was chosen for cation exchange membrane (CEM) instead of sulfonic acid group used in general ion exchange membranes. For the electrolyte of high and low concentration, hydrogel-electrolyte was prepared and the thickness was controlled as well. The open-circuit voltage (OCV) and power density were evaluated by assembling the ion exchange membrane and the hydrogel-polymer electrolyte in the RED cell.
Ⅳ. Result and Recommendations
Microporous substrate was prepared by electrospinning method with biodegradable polymer. The diameter of a fiber was 0.5 ∼ 3 microns and the thickness of microporous substrate was controlled according to the electrospinning time. Cation exchange membranes (CEMs) were fabricated by filling polyacrylic acid (PAA) and phospholipid polymer (MPC) into micropores as a cation exchange material. Surface and cross - sectional images of microporous substrate and CEM were obtained by SEM. In addition, membrane was characterized by FT-IR and TGA. For electrochemical properties of CEM, membrane resistance and ion transport number were measured. When the concentration ratio of seawater and fresh water was 50, the membrane resistance was the lowest and the ion transport number was the highest in case of high PAA content.
Hydrogel - polymer electrolyte was prepared from photocuring by blending phospholipid polymer and acrylamide. The electrolyte concentration in the hydrogel was adjusted to various concentrations ranging from distilled water to 5M NaCl, and the hydrogel was stabilized by immersing into electrolyte chamber for more than one day at each concentration. EIS analysis was used to measure the resistance to internal electrolyte concentration and hydrogel thickness. In the case of hydrogel loaded with 3M and 5M NaCl, the difference between the bulk resistance and the internal resistance was not large, but the internal resistance was drastically increased with 0.5M and 1M NaCl. Also, as the thickness increased, less than 0.5M, this tendency became prominent.
The OCV and the power density were measured by potentiostat and RED cell was composed by stacking HC hydrogel/CEM/LC hydrogel on the Ag/AgCl electrode having an electrode diameter of 15 mm in that order. For concentration ratio, HC/LC = 100, the OCV was 51 mV, and the power density was 4.3 mW/m2. In case of HC/LC = 50k, the highest power density was 13.5mW/m2. As a result, it was confirmed that the membrane resistance, ion selectivity, and electrolyte concentration ratio affect OCV and the power density of RED battery.
Therefore, biocompatible and implantable RED batteries are expected to have a variety of applications such as drug delivery stystem and scaffold for tissue engineering using microcurrents.
(출처 : SUMMARY 256p)
Ⅸ. 단위면적당 백금 0.02 mg 이하 초저담지 고분자 연료전지 전극 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
To reduce platinum mass loading, it is vital that oxygen supply required for oxygen reduction reaction should be facile, and thus homogeneous formation of ionomer film that is coated onto platinum catalyst is of great matter. In this work, we induced a homogeneous coating of ionomer onto platinum catalyst by maximizing electro-repulsive force among ionomers, and also discharge of residual cationic charges by providing 1) hot and humid environment and 2) ultra-thin ionomer film as substrate.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
Development of high-performance and high-durable electrode for polymer electrolyte fuel cells with platinum mass loading lower than 0.02 mg/cm2
Ⅳ. Result and Recommendations
In this work, we can reduce the stack cost by 28%, by reducing the platinum mass loading to 0.02 mg/cm2. Specifically, the electrospray deposition may easily be scaled-up to 250 cm2, which will be a game-changer in the field of fuel cell electrode.
(출처 : SUMMARY 306p)
Ⅹ. 발광형 차세대 컬러 태양전지 모듈 연구
Ⅱ. Objectives and Significance
The purpose of this study is to develop highly efficiency color c-Si photovoltaic modules employing luminescent dyes. The insertion of color dyes in c-Si photovoltaic module allows the module to have aesthetic appeal, which is suitable for building integrated photovoltaic module. Moreover, highly efficient color c-Si PV modules can decrease nimby attitudes to the PV power plant.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
This research consists of three main topics: 1) Improvement in the efficiency of color PV module by employing core/shell qunatun dot luminophores, 2) reliable and stable color PV modules with liquid silicone, and 3) demonstrating inkjet printing based graphical color c-Si PV modules.
Ⅳ. Result and Recommendations
By implementing quantum dot luminophoroes with large stoke-shift and optimized photoluminescence quantum yield, highly efficient color c-Si PV module has been developed, whose efficiency is only 3.2% lower than that of module without color.
Morevoer, external quantum efficiency of color photovoltaic module is higher than 40 % at ultra-violet region (300- 350nm). Finally, reliable device was achieved by introducing liquid silicon encapsulation. Hence, we believe that this work will be a guideline to utilize highly efficient and reliable color PV modules.
(출처 : SUMMARY 322p)
Ⅺ. 초박막 원자층 두께의 이차원 물질을 활용한 수소연료전지 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
Develop a new fuel cell type utilizing a two-dimensional material with an ultra-thin atomic layer thickness of less than 2 nm as proton-exchange membrane, Nafion replacement material.
In this study, hexagonal boron nitride (h-BN) is used as a two-dimensional material. Nafion, which is used as a conventional polymer fuel cell membrane, is most widely used as a proton-exchange membrane, but the polymer chain is easily broken through the radical oxidation reaction, and the structure of the chemical stability is very weak. Instead of using Nafion as proton-exchange membrane and binder in a polymer fuel cell, we fabricated a MEA with a small amount of platinum supported on the surface of the h-BN proposed in this study. Resolve the structural problems of the fuel cell due to the use of existing Nafion
Ⅲ. Contents and Scope of Project
In the first year, the development of two-dimensional materials with low hydrogen gas permeability and the development of MEAs using them. For this purpose, we have synthesized (single-layer, tri-layer, AA` stacking h-BN synthesis) materials that can minimize the defect structure of h-BN with a thickness of less than 2 nm. In order to easily deal with thin two-dimensional materials, we developed thin film ionomer coating on material surface. And the MEA is implemented by supporting the existing electrode layer thereon. In the second year, platinum is directly supported on the h-BN surface of the AA 'laminated structure and the MEA is developed using the platinum. Unlike the first year study, maximizing the oxygen concentration on the catalyst surface by removing the ionomer on the platinum surface and carrying the catalyst directly on the surface of the two-dimensional material.
Ⅳ. Result and Recommendations
MEA (Membrane Electrode Assembly) is fabricated by using h-BN, which is a chemically durable two-dimensional material, as a proton exchange membrane. Among the various types of h-BN, it was possible to synthesize a material with minimal defect site inside h-BN through AA`-stacked hBN. Based on this, electrodes were fabricated and the OCV reduction rate was 5% when the deterioration test was conducted for 100 hours under the DOE acceleration endurance evaluation condition. For comparative comparison, the deterioration test with Nafion membrane showed an OCV reduction rate of over 56%. In addition to the OCV reduction rate, the iV performance curve shows a significant decrease in performance after the deterioration test with the Nafion membrane. On the other hand, the electrode using h-BN shows little change in performance compared to before and after deterioration. Recently, the issue of membrane deterioration in fuel cell durability has become the biggest problem. By using h-BN which is superior in chemical durability, it is expected to develop a new type of MEA with high durability by minimizing the problem of performance degradation due to film degradation
(출처 : SUMMARY 353p)
Ⅻ. 알칼리 연료전지 전극 바인더용 이오노머 개발
Ⅱ. Objectives and Significance
Alkaline membrane fuel cells have been widely studied because the oxygen reduction reaction is very fast under the alkaline condition and non-precious metal catalysts can be used. However, poor ion conductivity and chemical stability of polymer ionomers are the main obstacle for commercialization of alkaline membrane fuel cells. In particular, commercially available polymer ionomer is currently absent. Therefore, development of polymer ionomer is necessary especially for the electrode binder application.
Ⅲ. Contents and Scope of Project
Effects of cations on the ion conductivity and the chemical stability were investigated to select optimized cation structure. Optimized cation was introduced into perfluorinated polymer precursor to prepare polymer ionomer binder for alkaline membrane fuel cell application.
Ⅳ. Result and Recommendations
Three different cations such as ammonium, piperidinium, and quinuclidinium were introduced into hydrocarbon-based polymer and ammonium showed the best ion conductivity and chemical stability. Ammonium substituted perfluorinated polymer iononmer was fabricated using high pressure reactor because of its poor solubility.
Although, perfluorinated polymer ionomer showed high ion conductivity, its chemical stability was not good. The chemical stability of cations should be further improved.
(출처 : SUMMARY 373 p)
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