• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2007.07a
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• pp.1520-1521
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• 2007

고분자 전해질 연료전지(PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell)는 수소이온특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 무공해 차량의 동력원, 가정용 발전, 우주선용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 부분에서 사용되어질 것으로 사료된다. 하지만 현재 높은 가격과 짧은 수명 등의 문제로 상용화에 이르지 못하고 있다. 고분자전해질 연료전지의 스택 가격을 부품별로 조사하여 보면 분리판이 전체 스택가격의 60% 정도가 가장 높은 비중을 차지하며 기체 확산층으로 사용되는 탄소재료가 12%,전해질이 10%, 촉매가 8% 정도를 차지한다. 촉매 또한 저가의 비귀금속 촉매를 개발하거나 백금 촉매의 성능을 향상시켜 촉매 사용량을 낮춤으로써 가격을 낮추기 위한 연구가 진행되어지고 있으며 전해질로 사용하는 고분자막도 가격이 매우 높은 Nafion 대신 저가 고분자를 개발하거나, 또는 가능한 얇은 전해질을 사용하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 하지만 아직까지는 뚜렷한 진척성과가 없는 것으로 알려져 있다. 그래서 본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 고분자 Membrane의 특성을 향상시키고 또한 박막의 배양성과 특성에 대해서 고찰해 보고자한다.

• Polymer Science and Technology
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• v.18 no.1
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• pp.42-48
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• 2007

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2011.05a
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• pp.36-36
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• 2011

고분자 전해질 연료전지용 분리판은 가격비와 중량비가 높아 부품 가격 및 중량을 낮출 경우 파급 효과가 높을 것으로 예상된다. 일반적인 금속판들은 연료전지 스택 내의 산성 분위기에서 존재하므로 표면 부식이 쉽게 발행한다. 본 연구에서는 연료전지의 사용환경을 고려하여 금속판의 부식방지 및 표면특성 향상을 위해 그라핀을 코팅하였으며, 연료전지 스택 내부와 유사한 산화성 분위기를 모사하여 전기화학적 특성을 분석하였다.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.36 no.8
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• pp.740-746
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• 2008

In this paper, robust structural design of the PEMFC stack gasket is pursued with Taguchi method by considering the noise factor in stack assembly. The study of noise problem in stacking is required to secure the safety and performance improvement of PEMFC stack. The design parameters in the Taguchi method are selected so that the structural responses are insensitive to the noise factors. In the gasket analysis, a Mooney-Rivlin strain energy function is used to consider hyperelasticity between load and displacement. By uni-axial and equi-biaxial tension tests of the gasket, the material properties are determined for the use in robust design of PEMFC gasket. The robust design of the PEMFC stack may provide structural reliability.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.34 no.8
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• pp.767-774
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• 2010

In a passive-type PEMFC stack, axial fans operate to supply both oxidant and coolant to cathode side of the stack. It is possible to make a simple system because the passive-type PEMFC stack does not require additional cooling equipment. However, the performance of a cooling system in which water is used as a coolant is better than that of the air-cooling system. To ensure system reliability, it is essential to make cooling system effective by adopting an optimal stack design. In this study, a numerical investigation has been carried out to identify an optimum cooling strategy. Various channel configurations were applied to the test section. The passive-type PEMFC was tested by varying airflow rate distribution at the cathode side and external heat transfer coefficient of the stack. The best cooling performance was achieved when a channel with thick ribs was used, and the overheating at the center of the stack was reduced when a case in which airflow was concentrated at the middle of the stack was used.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.287-287
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• 2009

연료전지는 전기에너지와 열에너지를 동시에 사용 할 수 있기 때문에 에너지 효율이 높고 유해 배기물이 거의 없으므로 친환경적이다. 따라서 환경문제가 대두되고 있는 오늘날, 고효율 친환경의 연료 전지는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 보일러와 계통선에서 열과 전기를 공급받는 기존방식에 비해 연료전지 코제너레이션 시스템의 경우 20%이상 에너지 절감율을 향상시킬 수 있다. 기존 10kW이하의 소용량 발전설비의 경우 대형 발전소와 같은 수준인 30%이상의 전기 효율을 기대할 수 없으나 고분자 전해질 연료전지를 적용할 경우 1kW급에서도 35%의 전기 효율을 기대할 수 있으며 열회수까지 고려할 경우 80%에 가까운 열효율을 달성할 수 있다.(4)연료전지 시스템은 연료전지 스택 이외에, 연료변환장치, 급기설비, 열 및 물관리 설비, 전력변환장치 그리고 제어 장치 등으로 구성된다. 연료전지 시스템 성능은 연료전지 스택의 성능에 가장 의존적인데 연료전지 스택의 성능은 같은 스택이라도 운전 및 제어 방법에 따라서 다양하게 변할 수 있다. 실제로 연료전지 스택 자체의 전기 변환 효율은 최대 40% 까지로 매우 높으나, 다양한 운전 조건에 따라 효율이 30~40% 수준에서 변화는 것이 현실이다. 때문에 시스템을 설계할 때에는 종합화된 시스템 측면에서의 운전까지 고려한 설계와 성능 해석이 필요하다. 그간 연료전지를 활용한 가정용 열병합 발전분야에서는 시스템 설계를 위한 시뮬레이션 기반 성능 해석에 관한 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만 연료전지 스택의 경우 간이화된 성능 모델식을 사용하여 이로 인한 성능 예측모델의 오차가 크게 발생하여 전체 시스템 최적화의 저해요인으로 작용하여왔다. 따라서 본 연구에서는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템을 자체적으로 설계 개발하였으며 이 중 연료전지 스택의 성능모델을 실험기반으로 구축하였다. 먼저 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 설계는 크게 네 단계로 구분되며 이는 1) 시스템 개념 설계, 2) 연료전지 스택 설계, 3) 주변장치 설계, 4) 제어시스템 설계로 이뤄진다. 연료전지 스택의 성능 모델은 고분자연료전지의 성능에 가장 민감하게 영향을 미치는 온도 및 습도의 변화에 따른 다양한 스택 성능을 예측 가능하도록 개발하였으며 이는 간단한 이론 모델의 구조에 실험 데이터를 기반으로 모델 파라미터를 도출하는 기법으로 이뤄졌다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.274-277
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• 2009

본 논문에서는 소형 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지 스택의 BOS(Balance of Stack) 제어에 관하여 논의한다. 별도의 가습 장치가 필요치 않고 BOS의 구성이 비교적 간단한 소형 PEM 연료전지 시스템에서는 팬과 퍼지밸브만의 제어를 통해 스택 내부 수분의 조절과 열 관리가 수행된다. 따라서 본 논문에서는 부하에 따른 최적의 공기유량을 계산하고 요구되는 유량의 공급을 위해 팬을 제어하는 알고리즘을 통해 소형 연료전지 시스템의 과도응답 특성과 안정성을 향상시키는 방법에 관하여 제안한다. 150W급 소형 연료전지 시스템을 꾸미고, 마이크로컨트롤러를 이용한 제어회로를 구현하여 실험함으로써 제안된 알고리즘의 유용함을 검증하였다.

• Journal of the Korean Institute of Gas
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• v.11 no.1 s.34
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• pp.51-54
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• 2007

78-cell proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) stack with an effective electrode area of $295cm^{2}$ were investigated its operational characteristics and effects of CO poisoning. When power output, 5.4 kW, was released at current density of $325mA/cm^{2}$ for 6 hours, stablility of each cell was showed the small deviation of 2.3%. Carbon monoxide is a conventional contaminant in the fuel obtained from reforming processes with an important influence on the performance of the PEMFC. The studies of continuous injection of CO presented (5-20 ppm) with the time gave information about poisoning and recovery processes of the stack.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.44.2-44.2
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• 2011

고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비해 작동온도가 낮고 전류밀도 및 출력밀도가 높으며 시동시간이 짧아서 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다. 그 중 양극판은 가격비와 중량비가 높아 부품 가격 및 중량을 낮출 경우 파급 효과가 높은 것으로 예상된다. 본 연구에서는 일반적으로 사용하고 있는 스테인리스강보다 가격이 저렴한 저탄소강을 모재로 이용하였다. 저탄소강은 자체로 내식성을 가지지 못하므로, 최근에 차세대 신소재로 각광을 받고 있는 그라핀(graphene)을 전기분무(electro spray coating)법으로 코팅하여 저탄소강의 내식성을 향상시키고자 하였다. 그라핀은 에탄올을 용매로 사용하여 분산하였으며, 분산제로 소량의 다이페닐다이에톡시실란(diphenyldiethoxysilane)을 첨가하여 코팅용액을 제작하였다. 코팅공정은 5~15 kV의 전압을 가하여 1시간동안 코팅을 진행하였으며, 그라핀-저탄소강의 미세구조를 주사전자현미경과 광학현미경을 통하여 관찰하였다. 또한 X-선 회절분석법을 이용하여 그라핀의 결정구조를 분석하였다. 한편 스택의 내부와 유사한 산화성 분위기를 모사하기 위해 $80^{\circ}C$의 0.1N $H_2SO_4$+2ppm $F^-$ 용액에서 내식성 실험을 수행하였고 면간접촉저항을 측정하였다. 그라핀이 코팅된 저탄소강 시편은 고분자 전해질 연료전지 양극판의 요구조건을 만족하였으며, 연료전지 양극판으로서의 사용가능성을 확인하였다.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.36 no.7
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• pp.642-650
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• 2008

In this paper, structural behavior of Gasket and GDL of a PEMFC stack is studied to improve the performance and to secure the safety. In the Gasket analysis Mooney-Rivlin strain energy function is used to consider hyperelasticity of load and displacement. The material properties is determined by testing specimens of the gasket at uni-axial and equi-biaxial mode and compared with finite element analysis results. By measuring a thickness change, the material property of GDL is determined. The pressure drop of a unit cell is measured along the channel for the clamping force. A cross sectional change of channel base on the experimental data is obtained experimentally and compare with FEM analysis results.