High temperature fuel cell system, such as molten carbonate fuel cells(MCFC) and solid oxide fuel cells(SOFC), are capable of operating at MW rated power output. The power output change of high temperature fuel cell imposes the thermal and mechanical stresses on the fuel cell stack. To minimize the thermal-mechanical stresses on the stack, increases in the power output of high temperature fuel cell typically must be made at a slow rate. So, the short time interruption of high temperature fuel cell causes considerable generated energy losses. Because of the characteristic of high temperature fuel cell, we analyzed the impact of electrical fault in the fuel cell plant on other fuel cell generators in the same plant site. A various grounding configuration and voltage sag are analyzed. Finally, we presented the solution to minimize the effect of fault on other fuel cell generators.
Proton exchange membrane Fuel Cells(PEMFCs) have been spotlighted because of their broad potential application for potable electrical devices, automobiles and residential usages. However, their utilization is limited to low temperature operation due to the electrolyte dehydration at high temperature. High temperature PEMFC operation offers high CO tolerance and easy water management. This review presents development of high temperature($120{\sim}200^{\circ}C$) PEMFC. Especially, PEMFC which is based on acid-doped PBI membrane is discussed.
High temperature fuel cell system, such as molten carbonate fuel cells(MCFC) and solid oxide fuel cells(SOFC), are capable of operating at MW rated power output. The power output change of high temperature fuel cell imposes the thermal and mechanical stresses on the fuel cell stack. To minimize the thermal-mechanical stresses on the stack and increase the systems reliability, we should divide the power plant configuration to several banks. However, the improvement of reliability in fuel cell power plant system causes an increase of the investment cost, for example, replacement costs, labor costs, and so on. For this reason - the balance between investment and reliability improvement - many studies about the appropriate level of investment have been conducted. In this paper, we evaluate the cost for operation and installation, the benefit for electric energy and thermal energy sales, and the system reliability for several cases : these cases relate with the bank configuration.
A performance simulator for the fuel cell hybrid electric vehicle (FCHEV) is developed to evaluate the potentials of hybridization for fuel cell electric vehicle. Dynamic models of FCHEV's electric powertrain components such as fuel cell stack, battery, traction motor, DC/DC converter, etc. are obtained by modular approach using MATLAB SIMULINK. In addition, a thermodynamic model of the fuel cell is introduced using bondgraph to investigate the temperature effect on the vehicle performance. It is found from the simulation results that the hybridization of fuel cell electric vehicle (FCEV) provides better hydrogen fuel economy especially in the city driving owing to the braking energy recuperation and relatively high efficiency operation of the fuel cell. It is also found from the thermodynamic simulation of the FCEV that the fuel economy and acceleration performance are affected by the temperature due to the relatively low efficiency and reduced output power of the fuel cell stack at low temperature.
Hydrogen as an energy carrier in fuel cell offers perhaps the largest potential benefits of reduced emissions of pollutants and greenhouse gases. The generation of high-purity hydrogen from hydrocarbon fuels is essential for efficient operation of fuel cell. Reduction of carbon monoxide to an acceptable level of 10ppm involves high temperature and low temperature water gas shift (WGS), followed by selective oxidation of residual carbon monoxide. The WGS reactor was designed and tested in this study to produce hydrogen-rich gas with CO to less than 5000 ppm. In the water gas shift operation, gas emerges from the reformer is taken through a high temperature shift (HTS) catalyst to reduce the CO concentration to about $2{\sim}4%$ followed to about 5000 ppm via a low temperature shift (LTS) catalyst.
High temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) using phosphoric acid (PA) doped polybenzimidazole (PBI) membranes have been concentrated as one of solutions to the limits with traditional low temperature PEMFCs. However, the amount of reported experimental data is not enough to catch the operational characteristics correlated with cell performance and durability. In this study, design of experiments (DOE) based operational optimization method for high temperature PEMFCs has been proposed. Response surface method (RSM) is very useful to effectively analyze target system's characteristics and to optimize operating conditions for a short time. Thus RSM using central composite design (CCD) as one of methodologies for design of experiments (DOE) was adopted. For this work, the statistic models which predict the performance and degradation rate with respect to the operating conditions have been developed. The developed performance and degradation models exhibit a good agreement with experimental data. Compared to the existing arbitrary operation, the expected cell lifetime and average cell performance during whole operation could be improved by optimizing operating conditions. Furthermore, the proposed optimization method could find different new optimal solutions for operating conditions if the target lifetime of the fuel cell system is changed. It is expected that the proposed method is very useful to find optimal operating conditions and enhance performance and durability for many other types of fuel cell systems.
Polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC) are very interesting power source due to high power density, simple construction and operation at low temperature. But they have problems such as high cost, improvement of performance and effect of temperature. This problems can be approached using mathematical models which are useful tools for analysis and optimization of fuel cell performance and for heat and water management, in this paper, transient model consists of various energy terms associated with fuel cell operation using the mass and energy balance equation. And water transfer in the membrane is composed of back diffusion and electro-osmotic drag. The temperature calculated by transient model approximately agreed with the temperature measured by experiment in constant current condition.
As a part of the ongoing effort towards commercial application of high-temperature fuel cell power generation systems, we have recently built a pilot-scale molten carbonate fuel cell power plant and tested it. The stack test system is composed of diverse peripheral units such as reformer, pre-heater, water purifier, electrical loader, gas supplier, and recycling systems. The stack itself was made of 40cells of $6000cm^2$ area each. The stack showed an output higher than 25kW power and a reliable performance at atmospheric operation. A pressurized performance was also tested, and it turned out the cell performance increased though a few cells have shown a symptom of gas crossover. The pressurized operation characteristics could be analyzed with numerical computation results of a stack model.
Research has been proceeded on fuel cell which is fueled by hydrogen. Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is promising power source due to high power density, simple construction and operation at low temperature. But it has problems such as high cost, temperature dependent performance. These problems could be solved by experiment which is useful for analysis and optimization of fuel cell performance and heat management. In this paper, when hydrogen flows constantly at the stoichiometry of ${\xi}=1.6$, the performance of the fuel cell stack was increased and the voltage difference between each cells was decreased according to the increase of air stoichiometry by 2.0, 2.5, 3.0. Therefore, the control of air flow rate in the same gas channel is important to get higher performance. Purpose of this research is to expect operation temperature, flow rate, performance and mass transportation through experiment and to help actual manufacture of PEM fuel cell stack.
In the power plant using high temperature fuel cells such as Molten Carbonate Fuel Cell(MCFC), and Solid Oxide Fuel Cell(SOFC), the generated electric power per area of power generation facilities is much higher than any other renewable energy sources. - High temperature fuel cell systems are capable of operating at MW rated power output. - It also has a feature that is short for length of the line for connecting the interior of the generation facilities. In normal condition, these points are advantages for voltage drops or power losses. However, in abnormal condition such as fault occurrence in electrical system, the fault currents are increased, because of the small impedance of the short length of power cable. Commonly, to minimize the thermal-mechanical stresses on the stack and increase the systems reliability, we divided the power plant configuration to several banks for parallel operation. However, when a fault occurs in the parallel operation system of power main transformer, the fault currents might exceed the interruption capacity of protective devices. In fact, although the internal voltage level of the fuel cell power plant is the voltage level of distribution systems, we should install the circuit breakers for transmission systems due to fault current. To resolve these problems, the SFCL has been studied as one of the noticeable devices. Therefore, we analyzed the effect of application of the SFCL on bus tie in a fuel cell power plants system using PSCAD/EMTDC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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