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막전극접합체의 물리적 손상이 고분자연료전지 특성에 미치는 영향
임수진(Lim, Soo-Jin),박구곤(Park, Gu-Gon),박진수(Park, Jin-Soo),박석희(Park, Seok-Hee),윤영기(Yoon, Young-Gi),이원용(Lee, Won-Yong),이영무(Lee, Young-Moo),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11
고분자전해질연료전지의 효율과 수명은 고분자 전해질 막과 밀접하게 관련되어있다. 연료전지 상용화를 위해 내구성과 안정성은 반드시 확보되어야 한다. 본 연구에서는 고분자전해질연료전지용 막전극접합체에 대해서 제작과정, 체결과정 및 운전 중에 발생할 수 있는 물리적 손상이 연료전지에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 실제 고분자전해질연료전지 조건에서 구멍이 생기는 경우를 모사하기 위해 막전극접합체에 다양한 크기 및 형상의 물리적 손상을 형성시켰다. 또한 여러 위치에서의 손상도 비교하였다. 손상시킨 막전극접합체에 대해 단위전지 성능평가와 순환전압전류 실험을 비교 분석하였다. 막전극접합체의 결함이 커질수록 수소기체투과도는 증가하고, OCV와 성능은 감소하였다. 또한 성능과 수소기체투과도는 서로 관련이 있음을 알 수 있었다.
안은진,윤영기,박구곤,박진수,이원용,한학수,김창수 한국수소및신에너지학회 2006 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.17 No.3
분자전해질연료전지 내의 다공성 기체확산층은 반응가스의 확산과 전자이동통로의 역할을 수행할 뿐만 아니라 전기화학반응에 의해 공기극에서 생성된 수분(기상 혹은 액상)을 반응면으로부터 분리판 채널 방향으로 이동시켜 배출시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 물관리를 통한 성능향상을 위해서는 기체확산층의 구조 및 재료특성에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다. 실제 단위전지 체결시 기체확산층은 분리판의 리브(rib)에 의해 눌리게 되며, 그 부분의 기공 크기 분포의 변화를 야기한다. 또한 리브 전단부분에서 탄소 섬유가 손상을 입으며, 탄소 섬유를 감싸고 있는 PTFE coating이 벗겨지게 되어 표면화학적 특성이 달라진다. 본 연구에서는 단위전지 체결 시 분리판에 의해 눌리는 기체확산층의 기공 크기 분포 변화를 측정하였으며, 기공의 소수성에서 친수성으로의 변화를 알아보았다. Mercury 기공 측정기와 PMI 기공 측정기는 큰 기공 분포의 변화에, 질소의 흡/탈착을 이용한 BET 방식은 작은 크기의 기공 분포 변화 관찰에 사용되었다. 체결압에 의한 탄소섬유의 구조적 변화와 아울러 표면의 습윤 정도의 변화를 XPS와 물/알콜 uptake를 이용해 알아보았다. 이 연구를 바탕으로 물관리를 통한 연료전지 성능 향상을 위한 최적 GDL 선정에 기반이 되는 자료를 도출하였다.
고분자전해질형연료전지의 가스 채널 최적화를 위한수치적연구(Ⅰ)
주현철(Hyun Chul Ju) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集B Vol.32 No.9
The performance and durability of Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs) are strongly influenced by the uniformity of current density, temperature, species distributions inside a cell In order to obtain uniform distributions in them, the optimal design of flowfield must be a key factor. In this paper, the numerical study of land/channel flowfield optimizations is performed, using a multi-dimensional, multi-phase, non-isothermal PEFC model. Numerical simulations reveal more uniform current density and HFR(High Frequency Resistance) distributions and thus better PEFC performance with narrower land/channel width where the less severe oxygen depletion effect near the land region and more uniform contact resistance variation along the in-plane direction are achieved. The present study elucidates detailed effects of land/channel width and assist in identifying optimal flow-field design strategies for the operation of PEFCs.
임수진(Lim, Soo-Jin),박구곤(Park, Gu-Gon),박진수(Park, Jin-Soo),박석희(Park, Seok-Hee),윤영기(Yoon, Young-Gi),이원용(Lee, Won-Yong),임태원(Lim, Tae-Won),이영무(Lee, Young-Moo),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06
고분자전해질연료전지 시스템이 영하 조건에 노출될 경우, 셀의 성능 및 내구성에 미치는 영향을 실험적으로 확인해 보았다. -30 ?C{sim}70 ?C 조건을 반복 경험시키며, 성능저하 정도를 살펴보았다. 일반적인 운전조건과 동결/해동에 의한 성능저하 요인을 분리하여 확인하기 위해, 30 ?C{sim}70 ?C 범위의 사이클을 진행한 경우에 대해, 위와 통일한 분석을 통하여 성능 및 각종 물성 값의 변화를 비교하였다. 동결조건에서 셀의 성능저하는 형성된 얼음의 물리적 부피팽창으로 인한 계면저항의 증가가 주요 원인임을 밝힐 수 있었다.
제어연구를 위한 고분자 전해질 연료전지의 집중 변수 모델
주건엽(Keonyup Chu),류정환(Junghwan Ryu),선우명호(Myoungho Sunwoo) 한국자동차공학회 2006 한국자동차공학회 Symposium Vol.- No.-
The Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC) is one of the alternative power plants to replace the conventional Internal Combustion Engine (ICE) in vehicles. In order to apply the PEFC to dynamic operating environment such as in automotive applications, it is necessary that the PEFC technologies should be developed together with the control system of the PEFC. The modeling of the PEFC is the first step to develop the control system of the PEFC. In this study, a PEFC model which uses lumped parameters is developed that is mathematically simple, but well represents the essential phenomena which affect PEFC performance. The performance of the PEFC mainly depends on membrane properties and thermodynamics of the gas in the fuel cell system. The PEFC model structure describes water transport phenomena in the membrane and thermal behaviour in the fuel cell system. We consider that the PEFC system consists of three physically distinctive parts: the anode channel, the cathode channel, and the Membrane Electrode Assembly (MEA). The laws of mass conservation and the energy conservation are adopted to describe each physical part as a control volume. In addition, the MEA model contains the steady-state electrochemical model which consists of the membrane hydration model and the stack voltage model.
고분자전해질형연료전지 내부 가스 크로스오버 현상의 수치적 연구
남진무(Jinmoo Nam),주현철(Hyunchul Ju) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2009 No.4
The goal of this paper is to numerically investigate the effects of hydrogen and oxygen crossover in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs). A gas crossover model is newly developed and implemented into a comprehensive multi-dimensional, multi-phase PEFC model developed earlier. A parametric study is carried out with various crossover diffusion coefficients for hydrogen and oxygen. The simulation results demonstrate that the hydrogen crossover induces additional oxygen reduction reaction (ORR) and thereby causes additional voltage loss, while the influence of oxygen crossover on PEFC performance is minimal because it only leads to the hydrogen/oxygen chemical reaction in the anode side. This study clearly elucidates the detailed mechanism of hydrogen and oxygen crossover phenomena inside PEFCs.
고분자전해질형연료전지의 가스 채널 최적화를 위한 수치적 연구 (Ⅱ)
주현철(Hyunchul Ju),남진무(Jinmoo Nam) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集B Vol.33 No.9
Using the multi-dimensional, multi-phase, nonisothermal Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC) model presented in Part I, the effects of land/channel flow-field on temperature and liquid saturation distributions inside PEFCs are investigated in Part II. The focus is placed on exploring the coupled water transport and heat transfer phenomena within the nonisothermal and two-phase zone existing in the diffusion media (DM) of PEFCs. Numerical simulations are performed varying the land and channel widths and simulation results reveal that the water profile and temperature rise inside PEFCs are considerably altered by changing the land and channel widths, which indicates that oxygen supply and heat removal from the channel to the land regions and liquid water removal from the land toward the gas channels are key factors in determining the water and temperature distributions inside PEFCs. In addition, the adverse liquid saturation gradient along the thru-plane direction is predicted near the land regions by the numerical model, which is due to the vapor-phase diffusion driven by the temperature gradient in the nonisothermal two-phase DM where water evaporates at the hotter catalyst layer, diffuses as a vapor form and then condenses on the cooler land region. Therefore, the vapor phase diffusion exacerbates DM flooding near the land region, while it alleviates DM flooding near the gas channel.
동결/해동 조건에서 기체확산층의 물성이 고분자전해질연료전지의 내구성에 미치는 영향
박구곤(Park, Gu-Gon),임수진(Lim, Soo-Jin),박진수(Park, Jin-Soo),손영준(Sohn, Young-Jun),임성대(Yim, Sung-Dae),김창수(Kim, Chang-Soo),양태현(Yang, Tae-Hyun) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06
The effect of the kind of gas diffusion layers (GDLs) on the freeze/thaw condition durability in polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) were investigated. For this purpose, three kinds of GDLs, i.e., felt, paper and cloth types with different basic properties have been first prepared, then the changes in the properties and performance of cells was observed during the freeze/thaw cycles ranging from -30 to 70 ?C. The single cells consisting of different GDLs were evaluated for performance. The performance degradation and the cell resistance increase could be directly correlated. The physical destruction of electrode was shown by SEM analysis. It was presented that mechanical supporting force of interface between materials can help enhancing the durability of PEFCs in the freeze/thaw condition.