목차

[표제지 등]=0,1,2

제출문=0,3,1

요약문=i,4,18

총목차=xix,22,2

서론=xxi,24,3

제1장 5kW급 고분자 스택 및 시스템 개발=1,27,2

목차=3,29,4

그림목차=7,33,9

표목차=16,42,1

제1절 서론=17,43,2

제2절 고체고분자 연료전지의 요소기술=19,45,2

1. 연료전지 스택=20,46,2

가. 전극=22,48,1

(1) 연료전지 전극의 전기화학 반응=22,48,1

(가) 반응열역학=22,48,4

(나) 전극전위=25,51,2

(다) 전극반응=26,52,3

(라) 전위 및 전류밀도 특성곡선=28,54,3

(마) 산소전극=30,56,2

(바) 전지성능저하=31,57,3

(2) 전극구조=33,59,1

(가) 전극지지체=33,59,3

(나) 전극촉매층=35,61,2

(3) 전극제조=36,62,2

(가) 공기극의 제조=37,63,4

(나) 연료극의 제조=40,66,10

(4) 전해질막/전극 접합체=49,75,1

(가) 전해질막의 전처리=49,75,2

(나) 전해질막/전극 접합체 제조공정=50,76,19

나. 고체고분자 전해질=68,94,1

(1) 연료전지 전해질의 조건=68,94,1

(2) 고체고분자 전해질의 특성=69,95,2

(3) 고분자 전해질막의 개발 현황=70,96,6

(4) 고분자 전해질막의 성능 분석=75,101,38

(5) 고분자 전해질막 개발 목표=112,138,3

다. 바이폴라판=114,140,5

2. 연료 개질기=118,144,1

가. 발전용 연료=118,144,1

나. 연료 개질=118,144,3

(1) 전처리 공정=120,146,1

(2) 수증기 개질 공정=120,146,1

(3) 후처리 공정=121,147,1

다. 메탄올 개질=121,147,5

3. 전력변환부=125,151,2

가. 전력 변환 기술=126,152,1

(1) DC-DC 컨버터=127,153,3

(2) DC-AC 인버터=129,155,4

4. 공기압축부=132,158,1

제3절 고분자 전해질 연료전지의 운전 특성=133,159,1

1. 고체고분자 연료전지의 물조절=133,159,1

가. 물조절의 효과=133,159,9

나. 물의 역할=141,167,5

다. 물조절 방법=145,171,6

2. 고체고분자 연료전지용 가습기=151,177,1

가. 내부형 가습기=151,177,7

나. 외부 장착형 가습기=158,184,1

3. 연료전지 스택 운전인자=158,184,1

가. 공급 기체 유량의 영향=158,184,5

(1) 수소기체=162,188,1

(2) 산소기체=162,188,2

(3) 반응공기=163,189,1

나. 공급 기체 중단의 영향=164,190,2

다. Oxygen gain의 전기화학적 고찰=165,191,4

제4절 단위전지 및 스택 제작 및 운전=169,195,1

1. 소형 단위전지 운전=169,195,1

가. 실험방법=169,195,1

(1) 전해질막 전처리 공정=169,195,2

(2) 전해질막/전극접합체(MEA)제조=170,196,1

나. 단위전지 성능특성=170,196,2

다. 상용전극의 특성=171,197,7

2. 대면적 전극제조 방법=177,203,1

가. 코팅 및 롤링법에 의한 전극제조=177,203,2

나. 혼합법에 의한 전극제조=178,204,6

다. 탄소천을 이용한 전극 제조=183,209,5

3. 전해질막 전처리=187,213,3

4. 전해질막/전극 접합체(MEA)제조=189,215,1

가. 전형적인 MEA 제작법=189,215,1

나. 직접코팅에 의한 MEA 제조=189,215,5

5. 연료전지 유동장 설계=193,219,1

가. 개요=193,219,2

나. 유동장 해석 기본 방정식=194,220,4

다. 실험을 통한 압력분포 해석=197,223,7

라. 유동장과 압력분포 해석=204,230,9

6. 대면적 단위전지 제작가공=213,239,7

7. 단위전지 성능 시험=219,245,29

8. 스택 제작 및 운전=248,274,13

제5절 5kW 급 스택 및 시스템 제작운전=261,287,1

1. 5kW 급 스택의 제작=261,287,3

2. 5kW 급 개질기 및 운전 시스템 제작=263,289,5

3. 전자부하 및 자료측정 시스템 제작=268,294,5

4. DC/AC 전력변환 장치 제작=272,298,3

가. DC/DC 컨버터=274,300,1

(1) DC/DC 컨버터의 구성=275,301,3

(2) DC/DC 컨버터의 작동=277,303,11

(3) Resistor Block/Dummy Load=287,313,1

나. DC/AC 인버터=287,313,1

(1) DC/AC Inverter의 구성=287,313,3

5. 5kW 급 고분자 연료전지 시스템의 운전=290,316,1

가. 5kW 스택의 운전전 고려사항=290,316,2

나. 5kW 스택의 발전 특성=291,317,8

제6절 결론=299,325,3

참고문헌=302,328,3

제2장 PEMFC용 불소계 프로톤 교환막 개발=305,331,2

목차=307,333,3

그림목차=310,336,4

표목차=314,340,1

제1절 서론=315,341,1

1. 프로톤 교환막의 개발 동향=315,341,5

2. 불소계 프로톤 교환막의 구조 및 특성=319,345,1

가. 불소계 프로톤 교환막의 구조=319,345,3

나. 불소계 프로톤 교환막의 성질=321,347,5

(1) 물 수착 특성=325,351,5

(2) 공중합체 용액=329,355,4

(3) 전도도=332,358,2

(4) 물의 전달=333,359,5

3. 사업의 목표 및 내용=337,363,1

가. 사업의 목표=337,363,1

나. 사업의 내용=338,364,1

제2절 본론=339,365,1

1. 소면적 막의 개발=339,365,1

가. 실험 방법=339,365,1

(1) 막의 제조=339,365,1

(가) 막소재 합성 및 필름 제조=339,365,1

(나) 가수분해=339,365,4

(다) 가수분해 과정에서의 치수 변화=342,368,1

(2) 당량 중량(EW) 측정=342,368,2

(3) 물 수착량 측정=343,369,1

(4) 전해질에서의 이온 전도도 측정=343,369,1

(가) 막의 전처리=343,369,2

(나) 이온 전도도의 측정=344,370,2

(5) 단위 연료 전지 성능 측정=345,371,1

(가) 막의 전처리 및 MEA 제작=345,371,3

(나) 단위 전지 구성 및 성능 측정=347,373,1

나. 결과 및 검토=347,373,1

(1) 막 소재의 물성=347,373,6

(2) 가수분해시 치수 변화=352,378,1

(가) 시간 효과=352,378,1

(나) 팽윤제 첨가 효과=352,378,2

(다) NaOH와 KOH의 비교=353,379,1

(3) 물 수착 특성=353,379,8

(4) 이온 전도도=361,387,2

(5) 단위 연료전지 성능=363,389,5

2. 대면적 막의 개발=368,394,1

가. 실험 방법=368,394,1

(1) 막 소재의 합성=368,394,1

(가) 장치의 대규모화(Scale Up)=368,394,1

(나) 중합=368,394,4

(다) 특성 조사=371,397,1

(2) 대면적 필름의 제조=371,397,1

(가) 압출, 적층 가공 라인의 구축=371,397,1

(나) 압출 가공 실험=371,397,1

(다) 적층 가공 실험=371,397,2

(라) 특성 조사=372,398,1

(3) 가수분해 실험=372,398,3

(4) 대면적 막의 특성 조사=375,401,1

(5) 단위 연료전지 적용 실험=375,401,1

(가) 자체 시험=375,401,1

(나) 한국에너지기술연구소 시험=375,401,1

나. 결과 및 검토=375,401,1

(1) 막 소재의 특성=375,401,4

(2) 대면적 막의 물성=378,404,5

(가) 인장강도=382,408,5

(나) 인열강도=386,412,2

(3) 대면적 막의 이온 전도도=387,413,2

(4) 대면적 막의 전기생산 능력=388,414,1

(가) 자체 시험 결과=388,414,3

(나) 한국에너지기술연구소 시험 결과=390,416,6

제3절 결론=396,422,2

참고문헌=398,424,3

제3장 고분자전해질형 연료전지용 고성능전극 개발=401,427,2

목차=403,429,2

그림목차=405,431,2

표목차=407,433,2

제1절 서론=409,435,4

1. 고분자전해질형 연료전지의 반응=413,439,1

2. 전극의 kinetic parameter=413,439,2

제2절 본론=415,441,1

1. 이온교환법으로 제조한 전극의 연료전지 성능평가(1차년도연구과제)=415,441,2

가. 실험방법=416,442,1

(1) 재료=416,442,2

(2) 백금담지방법=417,443,2

(3) 전해질/전극접합체 제조=418,444,1

나. 연료전지의 측정=418,444,1

(1) 단위전지의 제작=418,444,1

(2) 전극의 분극성능=419,445,1

(3) 연료전지 운전장치=419,445,1

다. 결과 및 고찰=419,445,1

(1) Nafion함침에 의한 전지성능변화=419,445,3

(2) 가스압력에 따른 전지성능변화=421,447,4

2. 백금-크롬-니켈 삼원합금의 촉매특성고찰(2차년도 연구과제)=424,450,2

가. 실험방법=425,451,1

(1) 백금-크롬-니켈 합금촉매의 제조=425,451,2

(2) 촉매의 X선 회절 분석=426,452,1

(3) 전지의 cyclic voltammetry=426,452,1

나. 결과 및 고찰=426,452,1

(1) XRD을 이용한 특성 분석=426,452,4

(2) 합금 촉매의 전지 성능 평가=429,455,6

3. 백금-금속산화물 촉매제조와 전기화학적 특성고찰(3차년도 연구과제)=434,460,2

가. 실험방법=435,461,1

(1) 재료=435,461,1

(2) Pt-TiO₂/C 촉매의 제조=435,461,2

(3) Pt-H₂WO₄/C 촉매의 제조=436,462,1

나. 결과 및 고찰=436,462,1

(1) Pt-TiO₂/C 촉매의 제조와 전지성능분석=436,462,1

(가) Sol-gel법에 의해 제조된 Pt-TiO₂/C 촉매의 XRD분석=436,462,2

(나) TiO₂의 함량에 따른 Pt-TiO₂/C 전극의 성능평가=438,464,4

(다) Pt-TiO₂/C 촉매의 전극반응에 대한 kinetic parameter=441,467,2

(라) Pt-TiO₂/C 전극의 cyclic voltammograms=442,468,3

(2) Pt-H₂WO₄/C 촉매의 제조와 전지성능분석=444,470,1

(가) Pt-H₂WO₄/C 촉매에 대한 XRD데이터를 이용한 특성분석=444,470,3

(나) Pt-H₂WO₄/C 촉매의 전지성능 평가=447,473,1

(다) Pt-H₂WO₄/C 촉매의 cyclic voltammograms=447,473,3

(라) Impedance 측정=450,476,1

(마) Kinetic parameters의 비교=450,476,3

제3절 결론=453,479,2

참고문헌=455,481,4

제4장 전해질악/전극 어셈블리에 관한 연구=459,485,2

목차=461,487,2

그림목차=463,489,2

표목차=465,491,2

제1절 서론=467,493,2

제2절 본론=469,495,1

1. 실험방법=469,495,1

가. 상용전극 및 막의 물성측정=469,495,1

(1) 이온투과실험=469,495,1

(2) 함수율(Water content)=469,495,1

(3) 이온교환 능력(AR(이미지참조))=470,496,1

나. 전극 제조=470,496,1

(1) 직류 도금법 및 펄스 도금법=470,496,1

(2) Spraying법=470,496,3

다. 전극/막 어셈블리 제조 및 단위 전지 구성=472,498,3

라. 단위전지 성능 측정=475,501,1

마. 교류 임피던스 측정=475,501,3

2. 실험결과=478,504,1

가. 상용전극 및 막의 물성 측정=478,504,1

(1) 전극의 구조=478,504,1

(2) 막의 특성=478,504,4

나. 단위전지 성능측정=481,507,1

(1) Hot pressing 온도의 영향=481,507,5

(2) Hot pressing 압력의 영향=485,511,6

(3) 운전조건의 영향=490,516,3

다. 전기도금법에 의한 전극제조=493,519,1

(1) 직류도금시 도금 전류밀도의 영향=493,519,4

(2) 펄스 도금 조건에 따른 전극 성능의 변화=496,522,1

(가) duty cycle의 영향=496,522,1

(나) Pulse frequency의 영향=496,522,5

라. 교류 임피던스법을 이용한 계면저항과 전지성능과의 관계 규명=500,526,1

(1) Nafion 용액 함침 방법의 영향=500,526,5

(2) Nafion 용액 함침량의 영향=504,530,6

(3) 건조온도의 영향=509,535,4

제3절 결론=513,539,1

참고문헌=514,540,3

제5장 메탄올 개질기 특성연구=517,543,2

목차=519,545,2

그림목차=521,547,2

표목차=523,549,2

제1절 서론=525,551,2

제2절 본론=527,553,1

1. 메탄올 수증기 개질반응=527,553,5

2. 부분 산화 반응(partial oxidation reaction)=532,558,1

가. Evaporator을 사용하지 않은 부분 산화 개질반응=532,558,1

(1) 열역학적 평형=532,558,4

(2) 실험장치 및 방법=536,562,2

(3) 결과 및 고찰=538,564,8

나. Evaporator을 사용한 1단계 부분 산화 개질반응=545,571,1

(1) 실험장치 및 방법=545,571,1

(가) 실험장치=545,571,4

(나) 촉매=548,574,1

(다) 실험방법=548,574,3

(2) 결과 및 고찰=550,576,6

다. evaporator를 사용한 2단계 부분 산화 반응=555,581,1

(1) 실험장치 및 방법=555,581,1

(가) 실험장치=555,581,7

(나) 촉매=561,587,1

(다) 실험방법=561,587,1

(2) 결과 및 고찰=562,588,3

3. CO의 선택적 산화 반응(preferential oxidation, PROX)=565,591,1

가. CO의 선택적 산화반응=565,591,1

(1) CO의 제거=565,591,2

(2) 실험장치 및 방법=566,592,1

(가) 실험장치=566,592,1

(나) 촉매=566,592,2

(다) 실험방법=567,593,1

(3) 결과 및 고찰=567,593,9

제3절 결론=576,602,2

참고문헌=578,604,3

서지정보양식=581,607,2

(표1.1) Kuhera E-715 탄소종이의 물성=34,60,1

(표1.2) Toray 탄소종이의 물성=35,61,1

(표1.3) 연료전지에 사용되는 Nafion 의 물성=71,97,1

(표1.4) 온도와 압력에 따른 Aciplex-S, Dow 및 Nafion 막의 물성; 건조 막 두께 약 125μm, H₂-O₂셀의 특성=88,114,1

(표1.5) 온도와 압력에 따른 Aciplex-S, Dow 및 Nafion 막의 물성; 건조 막 두께 약 125μm, H₂-Air 셀의 특성=89,115,1

(표1.6) 세가지 막들의 물리화학적 특성과 이들 막을 사용한 고체고분자 연료전지를 95℃, 5atm, H₂/O₂에서 작동시켜 얻은 특성=90,116,1

(표1.7) 여러 가지 고분자막의 물함량=95,121,1

(표1.8) 여러 가지 고분자 전해질막의 물성=97,123,1

(표1.9) 탈수에 따른 막의 수축율=98,124,1

(표1.10) 수화에 따른 막의 인장강도 변화(Pascals x 107(이미지참조) )=98,124,1

(표1.11) 연료전지 발전에 사용 가능한 연료의 특성 비교=119,145,1

(표1.12) LTS 촉매의 조성=123,149,1

(표1.14) 여러 가지 전해질막=152,178,1

(표1.15) IBIDEN 바이폴라판의 특성=216,242,1

(표1.16) 전력 변환 장치의 기본 사양=273,299,1

(표1.17) DC/DC 컨버터 각 모듈의 사양=277,303,1

(표2.1) 개발되었거나 개발 중에 있는 프로톤 교환막=319,345,1

(표2.2) 불소계 술폰산형 프로톤 교환막 분자 구조=320,346,1

(표2.3) 당량 중량이 1100인 불소계 아이오노머 막의 물 수착량=326,352,1

(표2.4) 당량 중량이 다른 불소계 아이오노머 막의 물 수착량=327,353,1

(표2.5) 합성한 불소계 술폰산 공중합체의 당량 중량 및 용융 지수=349,375,1

(표2.6) 가수분해 용액의 조성 및 처리 시간에 따른 막 면적 팽창률=352,378,1

(표2.7) 합성한 막의 이온 전도도(25℃)=361,387,1

(표2.8) 소면적 막의 단위 연료전지에서의 전기 생산 성능=363,389,1

(표2.9) 준상용 규모 설비에서 제조한 불소계 술폰산형 공중합체의 당량 중량(EW) 및 용융 지수(MI)=378,404,1

(표2.10) 건조 상태에서의 막의 MD방향의 인장 강도 및 신율=382,408,1

(표2.11) 건조 상태에서의 막의 TD방향의 인장 강도와 신율=383,409,1

(표2.12) 젖은 상태에서의 막의 MD방향의 인장 강도 및 신율=386,412,1

(표2.13) 각종 막의 건조 상태에서의 인열 강도 및 신율(MD)=387,413,1

(표2.14) 합성한 막의 이온 전도도=388,414,1

(표2.15) 대면적 막의 단위 연료전지에서의 전기 생산 특성=390,416,1

(표3.1) 황산용액에서의 leaching 과정 전과 후에 변화되는 백금-크롬-니켈 합금촉매의 격자상수와 입자크기=429,455,1

(표3.2) 산소환원반응에 대한 백금-크롬-니켈합금촉매의 kinetic parameter; 전지온도 80℃, 수소/산소 90/85℃ 1/1atm, 0.2mg-Pt/cm²,1.0mg-Nafion/cm²=433,459,1

(표3.3) TiO₂함량변화에 따른 Pt-TiO₂/C 촉매의 교환전류밀도(io(이미지참조)), Tafel 기울기(b), 활성표면적(Sact(이미지참조))=443,469,1

(표3.4) TiO₂함량변화에 따른 Pt-TiO₂/C 촉매의 mass activity(Ag(이미지참조))와 specific activity(Ao(이미지참조))=443,469,1

(표3.5) Pt-H₂WO₄/C 촉매의 산소환원반응에 대한 전극 kinetic parameter=452,478,1

(표4.1) Hot pressing 온도에 따른 막 내의 수분함량=484,510,1

(표4.2) Hot pressing후 건조된 막 내의 수분함량(80℃,47hr)=484,510,1

(표4.3) Nafion 함침 방법에 따른 전극 성능 및 임피던스 Data=506,532,1

(표4.4) Nafion 함침량에 따른 전극의 성능 및 저항값=511,537,1

(표5.1) ICI 53-1의 물성치와 성분조성=549,575,1

(표5.2) 실험조건에 따른 부분산화 반응의 생성물 성분조성(Reactor I)=552,578,1

(표5.3) 5.4kW급 개질기에서의 O₂/CH₃OH에 따른 메탄올 전화율=556,582,1

(표5.4) 실험조건에 따른 부분산화 반응의 생성물 성분조성(Reactor II)=563,589,1

(표5.5) 1단계 PROX에 대한 실험조건과 CO 전화율=568,594,1

(표5.6) 2단계 PROX에 대한 실험조건과 CO 전화율=575,601,1

[그림1.1] 고체고분자 연료전지 스택=21,47,1

[그림1.2] 산소 및 수소 전극의 전위=27,53,1

[그림1.3] 연료전지내에서 전극의 전기화학 반응=27,53,1

[그림1.4] 연료전지에서의 분극 곡선=29,55,1

[그림1.5] 전극촉매 제조 방법(Goodenough 방법)=39,65,1

[그림1.6] PTFE-bonded 전극 제조공정(Goodenough 방법)=41,67,1

[그림1.7] Hamnett이 사용한 Na6Pt(SO₃)₄(이미지참조) 제조법=43,69,1

[그림1.8] Swathirajan이 사용한 Pt-Ru 이원 촉매 제조 방법=43,69,1

[그림1.9] Pt-Ru 촉매층 제조 공정도(Watanabe 법)=47,73,1

[그림1.10] 전해질막의 불순물 제거 방법(Toyota 자동차)=51,77,1

[그림1.11] MEA 제조 공정=54,80,1

[그림1.12] 스프레이법에 의한 MEA 제조 공정도(Japan Storage Battery)=56,82,1

[그림1.13] Hot-press에 의한 MEA 접합 방법(Japan Storage Battery)=57,83,1

[그림1.14] Rolling 법에 의한 MEA 제조 방법(Sanyo)=58,84,1

[그림1.15] Paste에 의한 MEA 제조 방법(Matsushita Battery)=59,85,1

[그림1.16] Screen printing 법에 의한 MEA 제조 공정 (Du Pont)=61,87,1

[그림1.17] 여러 가지 MEA 제조 방법=67,93,1

[그림1.18] Dupont사 Nafion막과 Dow사막의 구조=72,98,1

[그림1.19] 여러 가지 고분자막의 이온전도도=76,102,1

[그림1.20] 여러 가지 고분자막의 Conductance=77,103,1

[그림1.21] Nafion막과 Dow막의 합성과정=79,105,1

[그림1.22] Weak acid functional group을 갖는 고분자막의 구조=79,105,1

[그림1.23] Nafion 및 Dow막을 사용한 Siemens H₂-O₂셀의 특성=82,108,1

[그림1.24] Nafion 및 Dow막을 사용한 Ballard H₂-Air셀의 특성=83,109,1

[그림1.25] 두께가 서로 다른 막을 사용한 H₂-O₂셀의 특성(95℃, 4~5 atm)=84,110,1

[그림1.26] 고체고분자 연료전지의 성능에 미치는 프로톤전도막의 영향(반응가스 H₂-O₂, E-TEK 전극-20%Pt/C, 0.4mg Pt cm-²)(이미지참조), 95℃, 5atm; Aciplex-S 1004 (●); Dow (■); Nafion 115(▲).=85,111,1

[그림1.27] 고체고분자 연료전지의 성능에 미치는 프로톤전도막의 영향(반응가스 H₂-Air, E-TEK 전극-20%Pt/C, 0.4mg Pt cm-²)(이미지참조), 95℃, 5atm; Aciplex-S 1004 (●); Dow (■); Nafion 115(▲).=86,112,1

[그림1.28] 여러 가지 막을 사용한 고체고분자 연료전지의 서로 다른 반응가스 즉, H₂/Air와 H₂/O₂에 따른 성능;(E-TEK 전극(20% Pt/C, 0.4 mg Pt cm-²)(이미지참조), 50℃, latm=91,117,1

[그림1.29] Aciplex-S 막의 Sulfonic acid 함량에 대한 막의 최대 물함량의 관계(●), Dow (■)와 Nafion 115(▲)막=93,119,1

[그림1.30] 0.14mg Pt/cm²의 촉매를 사용한 20μm 두께 GORE-SELECT 막(1100 EW)의 Polarization 및 High-frequency resistance 곡선(Tcell＝80℃, H₂/Air＝2.8/4.2atm)(이미지참조)=100,126,1

[그림1.31] 12μm 두께 GORE-SELECT 막(900 EW)을 사용한 셀의 반응가스 압력에 따른 Polarization 곡선(촉매 0.20mg Pt/cm²,T＝80℃)=101,127,1

[그림1.32] 12μm 두께 GORE-SELECT 막(900 EW)을 사용한 셀을 0.5V에서 연속적으로 측정한 전류밀도의 변화(Tcell＝80℃, H₂/Air＝2.8/4.2atm)(이미지참조)=102,128,1

[그림1.33] Raymion 막의 이상적 화학구조=104,130,1

[그림1.34] Permion 4010 막의 이상적 화학구조=104,130,1

[그림1.35] 여러 종류의 막을 사용한 전기분해전지의 시간에 따른 셀전압의 변화(Nafion 117, Raymion과 Permion 4010 막, 80℃, 1A/cm², 상압)=105,131,1

[그림1.36] Poly(trifluorostyrene) 구조 (a)linear, (b)crosslinked=107,133,1

[그림1.37] Sulphonated BAM3G 합성과정과 화학구조=109,135,1

[그림1.38] BAM3G, Nafion, Dow의 무게당량에 따른 물흡수량 변화=110,136,1

[그림1.39] 여러 종류의 막을 사용한 초기 polarization data의 비교=111,137,1

[그림1.40] Non-perfluorinated membrane 제조공정=113,139,1

[그림1.41] 변성반응의 열역학적 조성=122,148,1

[그림1.42] DC-DC 컨버터의 기본회로=128,154,1

[그림1.43] 단상 브리지 인버터의 기본회로와 파형=130,156,1

[그림1.44] 0.86A/cm²의 35-셀 스택에서 물의 생성을 효율적으로 조절하였을 때와 조절하지 않았을 때 측정된 셀과 셀사이의 전위 차이(전극 면적 232cm², 전해질막 Dow XUS-13204.10, PH₂＝3 bar, Pair＝4.5 bar, Tcell＝80℃)(이미지참조)=134,160,1

[그림1.45] 서로 다른 공기압에 따른 포화온도에서 반응가스의 희석에 미치는 수증기의 영향=136,162,1

[그림1.46] 물을 효율적으로 조절하였을 때와 조절하지 않았을 때 측정된 연료전지의 Polarization 곡선(활성면적 232cm², Dow XUS-13204.10 막, PH2＝Pair＝4.5bar, Tcell＝70℃)(이미지참조)=137,163,1

[그림1.47] 셀 동력밀도와 효율(전압에 비례)에 미치는 효과적인 물조절의 영향(활성면적 232cm², Dow XUS-13204.10 막, PH2＝Pair＝4.5bar, Tcell＝70℃)(이미지참조)=138,164,1

[그림1.48] 셀 성능에 미치는 낮은 공기 양론비에서의 Anode water removal 영향(활성면적 232cm², Dow XUS-13204.10 막, PH2＝Pair＝4.5bar, Tcell＝70℃)(이미지참조)=139,165,1

[그림1.49] Nafion Cluster 구조 (a) hydrated (b) dehydrated=142,168,1

[그림1.50] 고체고분자 연료전지에서 일어나는 이동현상=144,170,1

[그림1.51] 전해질막의 cluster 구조=146,172,1

[그림1.52] 온도에 따른 포화수증기압=148,174,1

[그림1.53] 전해질막의 비전도도와 상대습도의 관계=153,179,1

[그림1.54] Dummy cell 형태의 가습기=155,181,1

[그림1.55] 전해질막에 직접 가습하는 방법=156,182,1

[그림1.56] 다공성 바이폴라판을 이용한 가습장치=157,183,1

[그림1.57] 기체 bubbling에 의한 가습 장치=159,185,1

[그림1.58] 물투과성 튜브를 이용한 가습장치=160,186,1

[그림1.59] 직접 물분사에 의한 가습장치=161,187,1

[그림1.60] Tarasivich 등이 제안한 산소 환원반응 경로=168,194,1

[그림1.61] I-V 특성곡선(전극면적 5cm², E-TEK 전극, 0.4mg Pt/cm²1.2mg Nafion/cm², Nafion 117, cell 온도＝80℃)=172,198,1

[그림1.62] 상용 E-TEK 전극과 Globetech 전극의 촉매층의 주사 전자현미경 사진 (a) E-TEK 전극 (b) Globetech 전극=173,199,1

[그림1.63] 상용 E-TEK 전극과 Globetech 전극의 기체확산층의 전자현미경 사진 (a) E-TEK 전극 (b) Globetech 전극=174,200,1

[그림1.64] 상용 E-TEK 전극과 Globetech 전극의 촉매층의 WDX 결과 (a) E-TEK 전극 (b) Globetech 전극=176,202,1

[그림1.65] 혼합법에 의한 연료전지 전극 제조 공정도=180,206,1

[그림1.66] 혼합법으로 제조한 전극=182,208,1

[그림1.67] 혼합법으로 제조한 전극의 주사전자현미경 사진=182,208,1

[그림1.68] 탄소천을 전극지지체로 사용한 전극제조 공정도=185,211,1

[그림1.69] 탄소천으로 제조한 전극=186,212,1

[그림1.70] 초순수물 제조 장치=186,212,1

[그림1.71] 전해질막 전처리 욕조=188,214,1

[그림1.72] 진공 건조기=188,214,1

[그림1.73] MEA 제조에 사용되는 Hot-press=190,216,1

[그림1.74] 전극 제조용 자동식 스크린 프린터 장치=192,218,1

[그림1.75] 사각 채널 크기=198,224,1

[그림1.76] 채널 유량 및 압력 측정 시스템=199,225,1

[그림1.77] 채널 유량 및 압력 측정 시스템 구성도=200,226,1

[그림1.78] 유량과 압력 저하와의 관계=203,229,1

[그림1.79] 매니폴드가 적을 경우의 유동장 분포=205,231,1

[그림1.80] 매니폴드가 충분히 클 경우의 유동장 분포=206,232,1

[그림1.81] 매니폴드 크기에 따른 채널당 유량 분포 차이=208,234,1

[그림1.82] 유량에 따른 압력 분포=209,235,1

[그림1.83] 대면적 단위전지용으로 가공된 바이폴라판=210,236,1

[그림1.84] 대면적 단위전지용 바이폴라판의 가공치수=211,237,1

[그림1.85] 가스 유로의 상세 치수=212,238,1

[그림1.86] 대면적 단위전지의 전체 구성도=214,240,1

[그림1.87] 대면적 단위전지의 유체 흐름도=215,241,1

[그림1.88] 대면적 단위전지 Stacking 모습=217,243,1

[그림1.89] 조립된 대면적 단위전지=217,243,1

[그림1.90] 단위전지 성능 시험장치 계통도=218,244,1

[그림1.91] 대면적 단위전지의 I-V 곡선=220,246,1

[그림1.92] 전극면적이 300cm²(A)인 단위전지=222,248,1

[그림1.93] 전사 필름에 스크린 프린트한 촉매층 건조(135℃, 120분)시킨 후의 촉매층 표면의 SEM 사진=224,250,1

[그림1.94] MEA의 전극 촉매층 표면의 SEM 사진=225,251,1

[그림1.95] MEA의 전극 촉매층 단면의 SEM 사진=227,253,1

[그림1.96] Nafion 112(▲, △), 115(●, ○) 및 117(■, □) 멤브레인과 20wt. % Pt/C 촉매로 제조한 MEA의 성능 곡선=229,255,1

[그림1.97] 단위전지의 전류밀도에 따른 셀 전압(채워진 기호)과 전력밀도(비워진 기호)에 미치는 셀 온도의 영향(80℃:▲, △; 70℃: ●, ○; 및 25℃: ■, □)=231,257,1

[그림1.98] 단위전지의 성능에 미치는 반응가스 압력의 영향(1/1 atm: ▲, △; 2/2 atm: ●, ○; 및 3/3 atm: ■, □)=232,258,1

[그림1.99] 20wt. % PtNi/C(▲, △)와 20wt. % PtNiCo/C(■, □)를 공기측 촉매, 20wt. % Pt/C를 연료극 촉매로 사용한 MEA를 O₂/H₂셀(채워진 기호)과 공기/H₂셀(비워진 기호)에서 80℃로 운전하여 얻은 성능=234,260,1

[그림1.100] 상용 MEA와 전사코팅법으로 제조한 MEA의 성능 비교=236,262,1

[그림1.101] 여러 종류의 전해질막을 사용하여 전자코팅법으로 제조한 MEA의 성능 비교=237,263,1

[그림1.102] 두께가 서로 다른 3가지 Hanwha 전해질막(EW＝1100)과 Nafion 115(EW＝1100)로 제조한 MEA의 성능 비교=239,265,1

[그림1.103] 당량중량(EW)과 두께가 서로 다른 2가지의 Hanwha 전해질막과 Nafion 112와 115(당량중량; 1100)를 사용하여 제조한 MEA의 성능 비교=240,266,1

[그림1.104] 단위전지의 전류밀도에 따른 셀 전압(채워진 기호)과 전력밀도(비워진 기호)의 변화=242,268,1

[그림1.105] 단위전지에서 H₂+10ppm CO 혼합 가스를 사용하였을 때 시간의 경과(0분: ■, 30분: ●, 60분: ▲, 120분: ▼, 200분: ◆)에 따른 전극의 성능 변화=243,269,1

[그림1.106] Hanwha 114(두께:90μm)를 멤브레인, 공기극 촉매로 40Pt/C, 연료극 촉매로는 30PtRu/C를 사용하여 제조한 MEA의 성능 곡선=246,272,1

[그림1.107] 전극면적이 다른 단위전지에서의 Nafion 115로 제조한 MEA의 성능 (전극면적: 50cm²(▲), 217cm²(■), 300cm²(●)(A), 300cm²(◆)(B)=247,273,1

[그림1.108] 전극면적 300cm²인 직선형 유로의 MEA 30개로 구성된 1단계 2kW 고분자 연료전지 스택과 시스템=249,275,1

[그림1.109] 스택에 사용된 바이폴라판의 유로 형상=250,276,1

[그림1.110] 바이폴라판의 치수=251,277,1

[그림1.111] 스택에 적용된 가스 흐름=252,278,1

[그림1.112] 스택운전용 성능측정장치 계통도=253,279,1

[그림1.113] 전극면적 300cm²이고 MEA 20개인 S자형 유로로 구성된 내부 가습형 2단계 2kW 고분자 시스템의 스택=255,281,1

[그림1.114] 전극면적이 300cm²인 MEA 30개로 구성된 1단계 2kW 스택(▲)과 전극면적이50cm²인 MEA 24개로 구성된 300 스택(●) 성능=257,283,1

[그림1.115] 전극면적이 300cm²인 MEA 20개로 구성된 2단계 2kW 스택에서 전류밀도에 따른 스택 전압(■)과 스택 출력(●)의 변화=258,284,1

[그림1.116] 전극면적이 300cm²인 전극 20개로 구성된 2단계 2kW 스택의 각 셀의 셀 전압(스택 전류: 171A, 작동 온도: 75℃)=260,286,1

[그림1.117] 5kW급 고분자 연료전지 스택=263,289,1

[그림1.118] 5kW급 고분자 연료전지 시스템의 계통도=264,290,1

[그림1.119] 5kW급 고분자 연료전지 시스템의 정면도=266,292,1

[그림1.120] 5kW급 고분자 연료전지 시스템의 측면도=267,293,1

[그림1.121] 5kW급 고분자 연료전지 성능 시험장치=269,295,1

[그림1.122] 자료 측정 결과 표시=270,296,1

[그림1.123] 자동 자료 측정 주프로그램의 구성=271,297,1

[그림1.124] 시스템의 계통도와 장치별 성능=272,298,1

[그림1.125] 전력 변환 시스템의 Block Diagram=274,300,1

[그림1.126] 고분자 전해질 연료전지의 I-V 특성=275,301,1

[그림1.127] DC/DC 컨버터의 block diagram=276,302,1

[그림1.128] Main Power Board=278,304,1

[그림1.129] Full Bridge Converter 의 출력 파형=280,306,1

[그림1.130] MOSFET MODULE=281,307,1

[그림1.131] Primary Side Controller=282,308,1

[그림1.132] Control Power Supply=284,310,1

[그림1.133] Secondary Side Controller=285,311,1

[그림1.134] DC/AC Inverter 블록다이아그램=288,314,1

[그림1.135] 5kW급 고분자 연료전지 스택의 OCV 분포=293,319,1

[그림1.136] 5kW급 고분자 연료전지 스택의 성능곡선(수소/공기운전)=294,320,1

[그림1.137] 일정전류 100A에서 스택의 전위 분포=295,321,1

[그림1.138] 일정전류 200A에서 스택의 전위 분포=296,322,1

[그림1.139] 5kW급 고분자 연료전지 스택의 성능곡선(개질가스/공기운전)=297,323,1

[그림1.140] 일정전류 50A에서 스택의 전위 분포(개질가스/공기운전)=298,324,1

[그림2.1] 불소계 술폰산형 막의 TFE 함량과 결정화도 사이의 관계=322,348,1

[그림2.2] 불소계 술폰산형 폴리머의 H-형, Cs-형에 대한 Dynamic Mechanical Spectra=323,349,1

[그림2.3] 불소계 술폰산형 막에 대한 클러스터 네트�p 모델=324,350,1

[그림2.4] 불소계 술폰산형 막의 30℃ 기상에서의 물의 활동도에 따른 수착량 변화=330,356,1

[그림2.5] NafionR(이미지참조) 117막의 30℃와 80℃ 기상에서의 물에 대한 평형 수착량=331,357,1

[그림2.6] 이온 교환 용량에 따른 전기 전도도 관계=334,360,1

[그림2.7] 가성소다 농도에 따른 막의 전도도의 의존성=335,361,1

[그림2.8] 불소계 술폰산형 막의 수착량에 따른 30℃에서의 프로톤 전도도=336,362,1

[그림2.9] NafionR(이미지참조) 117막의 물의 수착량에 따른 30℃에서의 프로톤 전도도=336,362,1

[그림2.10] 소규모 막 소재의 합성 시스템의 개략도=340,366,1

[그림2.11] FS 공중합체의 조성과 반응 혼합물 조성 관계도=341,367,1

[그림2.12] 전기화학적 특성치 측정을 위한 막의 전처리 절차=344,370,1

[그림2.13] 막의 비저항(AC Specific Resistance) 측정용 셀=346,372,1

[그림2.14] 단위 연료전지의 구성도=348,374,1

[그림2.15] 연료전지 시험 장치의 개략도=348,374,1

[그림2.16] 합성한 FS 공중합체(EW＝1217)의 TGA 그래프=350,376,1

[그림2.17] 합성한 FS 공중합체(EW＝1217)의 DSC 그래프=351,377,1

[그림2.18] NaOH 수용액에서 가수분해시의 막 면적 팽창률=354,380,1

[그림2.19] KOH 수용액에서 가수분해시의 막 면적 팽창률=355,381,1

[그림2.20] 당량 중량이 다른 여러 가지의 FS 막(H-형)의 액상 물에서의 시간에 따른 물 수착량=357,383,1

[그림2.21] 당량 중량이 다른 여러 가지의 FS 막(Na-형)의 액상 물에서의 시간에 따른 물 수착량=358,384,1

[그림2.22] 당량 중량이 다른 여러 가지의 FS 막(H-형)의 액상 물에서의 온도에 따른 물 수착량=359,385,1

[그림2.23] 당량 중량이 다른 여러 가지의 FS 막(Na-형)의 액상 물에서의 온도에 따른 물 수착량=360,386,1

[그림2.24] 제조한 프로톤교환막의 당량 중량과 이온전도도의 관계(1M H₂SO₄, 25℃)=362,388,1

[그림2.25] 제조한 프로톤교환막 #1 (EW＝1100)의 50℃에서의 단위전지에서의 전압-전류밀도 관계=364,390,1

[그림2.26] 제조한 프로톤교환막 #2 (EW＝1200)의 50℃에서의 단위전지에서의 전압-전류밀도 관계=365,391,1

[그림2.27] NafionR(이미지참조) 115막(EW＝1100)의 50℃에서의 단위전지에서의 전압-전류밀도 관계=366,392,1

[그림2.28] 제조한 프로톤교환막 #1 (EW＝1100)의 온도에 따른 단위전지에서의 전압-전류밀도 관계=367,393,1

[그림2.29] TFE 생산장치 사진=369,395,1

[그림2.30] 15리터 반응기 사진:=370,396,1

[그림2.31] 대면적 막의 압출 및 적층 제조 라인=373,399,1

[그림2.32] 기계적 강도 측정용 시편(KS M3001):(a)인열강도, (b) 인열강도=374,400,1

[그림2.33] 연료전지 시험 장치 (Fuel Cell Test Station) 사진=376,402,1

[그림2.34] 제조한 FS 공중합체의 EW와 MI 관계=377,403,1

[그림2.35] 제조한 FS 공중합체의 DSC 그래프=379,405,1

[그림2.36] 제조한 FS 공중합체의 TGA 그래프(FS981030)=380,406,1

[그림2.37] 제조한 Na 교환막 사진=381,407,1

[그림2.38] 제조한 FS 공중합체의 당량중량과 인장 강도와의 관계=384,410,1

[그림2.39] 제조한 프로톤 교환막의 당량 중량과 이온 전도도의 관계=389,415,1

[그림2.40] 제조한 프로톤교환막의 단위 연료전지에서의 전압-전류밀도 관계 (80℃, H₂/O₂＝1atm/1atm)=392,418,1

[그림2.41] 제조한 프로톤 교환막(FS981015H)의 단위 연료전지에서의 운전 시간에 따른 전압-전류밀도 관계(80℃, H₂/O₂＝1atm/1atm)=393,419,1

[그림2.42] 한화 프로톤 교환막의 단위 연료전지에서의 전기 생산 성능(한국에너지기술연구소 시험)=394,420,1

[그림2.43] 한화 프로톤 교환막의 두께에 따른 단위 연료전지에서의 전기 생산 성능(한국에너지기술연구소 시험)=395,421,1

[그림3.1] 고분자전해질형 연료전지의 전지구성과 운전장치=420,446,1

[그림3.2] FC-9촉매(Johnson-Matthey Co.)과 Nafion 담지된 carbon으로 제조된 전극의 성능변화. 전지온도 80℃, 수소/산소 90/85℃, 1/1atm, 0.35mg-Pt/cm²,1.0mg-Nafion/cm²=422,448,1

[그림3.3] Nafion pre-impregnation(0.125/1.0)된 전극의 압력변화에 대한 전지특성변화. 전지온도 80℃, 수소/산소 90/85℃, 0.35mg-Pt/cm²=423,449,1

[그림3.4] 백금-크롬-니켈 합금의 XRD 분석=430,456,1

[그림3.5] 열처리온도에 따른 백금-크롬-니켈 합금촉매의 전지성능 변화=432,458,1

[그림3.6] TiO₂함량비에 따른 Pt-TiO₂/C의 XRD 분석=437,463,1

[그림3.7] TiO₂함량비에 따른 Pt-TiO₂/C촉매의 전류-전위 곡선. 전지온도 80℃, 수소/산소 90/85℃ 1/1atm, 0.3mg-Pt/cm²=439,465,1

[그림3.8] TiO₂함량에 따른 Pt-TiO₂/C촉매의 각각의 전류에 대한 전위 곡선. 전지온도 80℃, 수소/산소 90/85℃ 1/1atm, 0.3mg-Pt/cm²=440,466,1

[그림3.9] Pt-TiO₂/C 전극의 cyclic voltammograms. scan rate 20mV/s, 전지온도 80℃, 수소/질소 90/85℃ 1/1atm, 0.3mg-Pt/cm²=445,471,1

[그림3.10] Pt-H₂WO₄/C 촉매의 XRD 분석=446,472,1

[그림3.11] Pt-H₂WO₄/C 촉매의 전류-전위곡선. 전지온도 80℃, 수소/산소 90/85℃ 1/1atm, 0.3mg-Pt/cm²=448,474,1

[그림3.12] Pt-H₂WO₄/C 전극의 cyclic voltammogram. scan rate 20mV/s, 전지온도 80℃, 수소/질소 90/85℃ 1/1atm, 0.3mg-Pt/cm²=449,475,1

[그림3.13] 다양한 조성으로 제조된 Pt-H₂WO₄/C 전극의 impedance. 전지온도 80℃, 수소/질소 90/85℃ 1/1atm; 0.3mg-Pt/cm²=451,477,1

[그림4.1] 전기도금장치의 개략도=471,497,1

[그림4.2] Spraying법을 이용한 고분자막/전극 어셈블리 제조법=473,499,1

[그림4.3] 단위전지 구성도=474,500,1

[그림4.4] (a) 단위전지의 등가회로도 (b) 고주파의 경우 (c) 저주파의 경우=476,502,1

[그림4.5] E-TEK 전극 SEM 사진 a) 표면 b) 단면=479,505,1

[그림4.6] E-TEK 전극의 Pt/C(Vulcan XC-72) 촉매층 TEM 사진=480,506,1

[그림4.7] Hot pressing 온도에 따른 단위전지 성능 곡선(70℃,2atm,2Metric ton)=482,508,1

[그림4.8] Nafion 양이온 막의 구조변화 a)수화 b)건조=483,509,1

[그림4.9] Hot pressing 온도에 따른 단위전지의 임피던스 측정결과(70℃,0.7V)=486,512,1

[그림4.10] Hot pressing 압력에 따른 단위전지 성능 곡선(70℃,2atm.Hot pressing 온도:120℃)=487,513,1

[그림4.11] Hot pressing 압력에 따른 막/전극 어셈블리의 SEM 사진 a) 1 Metric ton b) 3 Metic ton=488,514,1

[그림4.12] Hot pressing 압력에 따른 단위전지의 임피던스 측정결과(70℃,0.7V)=489,515,1

[그림4.13] 반응압력 변화에 따른 단위전지 성능 곡선(Hot pressing 온도:120℃,2Metric ton)=491,517,1

[그림4.14] 상압에서 온도에 따른 단위전지 성능 곡선(Hot pressing 온도:120℃,2Metric ton)=492,518,1

[그림4.15] 전류밀도에 따른 DC 전기도금 단위전지 성능 곡선=494,520,1

[그림4.16] SEM 사진을 통한 백금촉매의 dendritic 결정=495,521,1

[그림4.17] DC 전기도금법에 의한 전극의 단면에서의 백금촉매 분포 (a) 20 mA/㎠ (b) 50 mA/㎠=497,523,1

[그림4.18] 펄스전기도금법에서 duty cycle에 따른 전극 성능변화=498,524,1

[그림4.19] 펄스전기도금법에서 Pulse frequence에 따른 전극 성능변화=499,525,1

[그림4.20] 펄스전기도금법에 의한 전극표면에서 백금촉매의 TEM 관찰=501,527,1

[그림4.21] Nafion 함침법에 따른 셀 성능곡선=502,528,1

[그림4.22] Nafion 함침법에 따른 전극 구조 비교 (a) Spraying (b) Bushing=503,529,1

[그림4.23] Nafion 함침법에 따른 임피던스 곡선=505,531,1

[그림4.24] Nafion 함침량에 따른 셀 성능 곡선=507,533,1

[그림4.25] Nafion 함침량에 따른 임피던스 곡선=508,534,1

[그림4.26] Nafion 건조온도에 따른 셀 성능 곡선=510,536,1

[그림4.27] Nafion 건조 온도에 따른 임피던스 곡선=512,538,1

[그림5.1] 250℃, 1기압에서의 H₂O/CH₃OH에 따른 평형조성=528,554,1

[그림5.2] H₂O/CH₃OH＝1.0, 1.5기압에서의 온도에 따른 평형조성=530,556,1

[그림5.3] O₂/CH₃OH＝0.25, 200℃, 1기압에서의 H₂O/CH₃OH따른 평형조성=533,559,1

[그림5.4] O₂/CH₃OH＝0.25, H₂O/CH₃OH＝0.5, 1기압에서의 온도에 따른 평형조성=535,561,1

[그림5.5] Evaporator을 사용하지 않은 부분산화 반응기=537,563,1

[그림5.6] H₂O/CH₃OH＝0.5일 때 메탄올의 공급속도에 따른 전화율=539,565,1

[그림5.7] H₂O/CH₃OH＝0.5일 때 생성된 수소의 분율=540,566,1

[그림5.8] O₂/CH₃OH＝0.32, H₂O/CH₃OH＝0.5이 때 반응기 온도분포=541,567,1

[그림5.9] O₂/CH₃OH＝0.30, H₂O/CH₃OH＝0.5이 때 반응기 온도분포=542,568,1

[그림5.10] O₂/CH₃OH＝0.28, H₂O/CH₃OH＝0.5이 때 반응기 온도분포=543,569,1

[그림5.11] 메탄올의 공급속도에 따른 수소의 생성속도=544,570,1

[그림5.12] Evaporator을 사용한 1단계 부분 산화 반응 장치도=546,572,1

[그림5.13] Evaporator=547,573,1

[그림5.14] Reactor I에서의 반응기 내부 온도 분포=553,579,1

[그림5.15] 시간에 따른 생성물의 생성속도=554,580,1

[그림5.16] O₂/CH₃OH에 따른 메탄올의 전환율=557,583,1

[그림5.17] 온도에 따른 생성물의 분율=558,584,1

[그림5.18] O₂/CH₃OH에 따른 반응기 내부의 온도 분포=559,585,1

[그림5.19] Evaporator을 사용한 2단계 부분 산화 반응 장치도=560,586,1

[그림5.20] Reactor II에서의 반응기 내부 온도 분포=564,590,1

[그림5.21] 공기 과잉량에 따른 CO 전화율(W/Fcoo＝7.88g/sec cm-³)(이미지참조)=570,596,1

[그림5.22] 공기 과잉량에 따른 CO 전화율과 hotspot온도(W/Fcoo＝13.45g/sec cm-³)(이미지참조)=571,597,1

[그림5.23] 공기 과잉량에 따른 CO 전화율(W/Fcoo＝23.27g/sec cm-³)(이미지참조)=572,598,1

[그림5.24] W/FCoo(이미지참조) 따른 CO 전화율=573,599,1