• 제목/요약/키워드: High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell

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고분자 전해질 막 연료전지 응용을 위한 고성능 과불소화계 전해질 막 개발 연구 동향 (Research Trends on Developments of High-performance Perfluorinated Sulfonic Acid-based Polymer Electrolyte Membranes for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Applications)

  • 최찬희;황선수;김기현
    • 멤브레인
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    • 제32권5호
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    • pp.292-303
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    • 2022
  • 이산화탄소 배출이 없는 고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 수송용, 발전용 시스템에 적용 가능한 친환경 에너지 변환장치이다. PEMFC의 주요 구성품 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 구동시간 동안의 높은 수소 이온 전도도와 물리화학적 안정성 갖춘 과불소화계 고분자(perfluorinated sulfonic acid, PFSA) 기반 PEM (PFSA-PEM)이 상용화 되어있다. 하지만 PFSA-PEM의 단점으로 지적되는 낮은 유리전이온도와 높은 기체 투과도의 보완이 요구되고 있다. 이에 본 총설에서는 PFSA-PEM의 성능 향상 및 단점 보완을 위해 1) PFSA의 측쇄부 길이를 조절함으로써 이온교환용량의 증가와 고분자의 결정성을 증가시켜 PFSA-PEM의 능력을 향상시킨 연구와 2) 유/무기 첨가제를 도입하여 수소 이온 전도도 및 물리적 안정성을 향상시키는 복합 막 연구 및 3) 다공성 지지체를 도입하여 PEM의 두께를 효과적으로 감소시켜 막 저항을 효과적으로 줄이고 내구성을 큰 폭으로 개선한 다공-충진막에 관한 연구를 소개하고자 한다.

온도에 따른 고분자 전해질형 연료전지시스템의 출력 특성 연구 (A Study on Performance Characteristics of PEMFC with Thermal Variation)

  • 박세준;신영식;정성찬;최정식;차인수
    • 대한전기학회:학술대회논문집
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    • 대한전기학회 2009년도 춘계학술대회 논문집 에너지변화시스템부문
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    • pp.212-214
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    • 2009
  • The polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) with the advantages of low-operating temperature, high current density, low cost and volume, fast start-up ability, and suitability for discontinuous operation becomes the most reasonable and attractive power system for transportation vehicle and micro-grid power plant in a household. 200W PEMFC(Polymer electrolyte membrane fuel cell) system applied to middle and small-scaled micro-grid power system was constructed by this study, then the electrical characteristics and diagnosis of the fuel cell were analyzed with thermal variation.

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고온형 고분자전해질형 연료전지에서의 사형 유로와 평행 유로 성능비교에 대한 수치해석적 연구 (Numerical Study on Comparison of Serpentine and Parallel Flow Channel in High-temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells)

  • 안성하;오경민;주현철
    • 한국수소및신에너지학회논문집
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    • 제29권1호
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    • pp.41-55
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    • 2018
  • General polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) operates at less than $80^{\circ}C$. Therefore liquid phase water resulting from electrochemical reaction accumulates and floods the cell which in turn increases the mass transfer loss. To prevent the flooding, it is common to employ serpentine flow channel, which can efficiently export liquid phase water to the outlet. The major drawback of utilizing serpentine flow channel is the large pressure drop that happens between the inlet and outlet. On the other hand, in the high temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEMFC), since the operating temperature is 130 to $180^{\circ}C$, the generated water is in the state of gas, so the flooding phenomenon is not taken into consideration. In HT-PEMFCs parallel flow channel with lower pressure drop between the inlet and outlet is employed therefore, in order to circulate hydrogen and air in the cell less pumping power is required. In this study we analyzed HT-PEMFC's different flow channels by parallel computation using previously developed 3-D isothermal model. All the flow channels had an active area of $25cm^2$. Also, we numerically compared the performance of HT-PEMFC parallel flow channel with different manifold area and Rib interval against the original serpentine flow channel. Results of the analysis are shown in the form of three-dimensional contour polarization curves, flow characteristics in the channel, current density distribution in the Membrane, overpotential distribution in the catalyst layer, and hydrogen and oxygen concentration distribution. As a result, the performance of a real area fuel cell was predicted.

고분자 전해질 막 연료전지를 위한 메탄 개질기에서 형상 변화가 개질 성능에 미치는 영향에 대한 연구 (Effect of Tip Size and Aspect Ratio on Reforming Performance in a Methane Reformer for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC))

  • 서동균;노인규;황정호;최종균;신동훈;김형식
    • 한국수소및신에너지학회논문집
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    • 제21권5호
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    • pp.364-374
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    • 2010
  • Design of a reformer consisting of combustion chamber and reforming chamber was investigated for a 1 kW and a 5 kW polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), respectively, using the computational fluid dynamics (CFD). First, the 1kW reformer was considered to obtain the reliability of the numerical study. It was modeled, calculated and compared with experimental data. Second, the 5kW reformer was considered for a geometric study. Three tip sizes (35, 40, and 45 mm) and five aspect ratios was selected. It was found that the optimum was at tip sizes of 40 and 45 mm, at aspect ratios of -10% and -20% of the standard length.

촉매조성이 PEM용 연료전지의 전극특성에 미치는 영향 (Influence of the Catalyst Composition on Electrode Performance for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)

  • 임재욱;최대규;류호진
    • 마이크로전자및패키징학회지
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    • 제9권3호
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    • pp.43-48
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    • 2002
  • 본 연구는 고분자 전해질 연료전지에 이용하기 위한 membrane electrode assembly를 제조하는데 있어서 핵심소재인 고성능 전극촉매를 개발하기 위한 것이다. 전극 성능에 영향을 미치는 촉매 조성물 중 Nafion용액과 백금 함침량을 변화시켜 I-V특성을 측정하였다. 또한, 연료전지의 운전조건 중 단위전지의 온도에 따른 전극 성능의 변화를 관찰하였다. Nafion 용액이 5 wt%, 백금 함침량이 0.5 mg/$\textrm{cm}^2$의 조성이 될 때, 전극 성능이 가장 우수하였다. Nafion용액의 함량이 증가할수록 전극 성능은 저하하였다. 또한, 단위전지는 온도가 $80^{\circ}C$가 되었을 때, I-V 특성이 가장 우수함을 알 수 있었다. 저전류밀도에서의 성능차이는 거의 없으나, 고전류밀도에서는 온도가 상승됨에 따라 전압값이 향상됨을 알 수 있었다.

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Electrospun $SiO_2$ membrane using covalently cross-linked SPEEK/HPA by impregnation for high temperature PEMFC

  • 나희수;황형권;이찬민;설용건
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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    • pp.85.2-85.2
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    • 2010
  • There is widespread effort to develop polymer membranes in place of Nafion for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC). In our study, SiO2 membranes are arranged by electrospinning method. For impregnation solution, the modified sulfonated poly(ether ether ketone)(SPEEK) polymer is prepared from sulfonation, sulfochlorination, partial reduction and lithiation reaction. The modified polymer is cross-linked with 1,4-diiodobetane in NMP solvent and then blended with Heteropoly acid(HPA). The characterization of membranes is confimed by FT-IR, Thermogravimetry(TGA), water uptake test and single cell performance test for PEMFC, etc. The composite membrane shows satisfactory thermal and mechanical properties. Beside, The membrane exhibits good ion exchange capacity and high proton conductivity. As a result, The composite membrane is promising as an alternative membrane in high temperature PEMFC.

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Synthesis and Characterization of H3PO4 Doped Poly(benzimidazole-co-benzoxazole) Membranes for High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cells

  • Lee, Hye-Jin;Lee, Dong-Hoon;Henkensmeier, Dirk;Jang, Jong-Hyun;Cho, Eun-Ae;Kim, Hyoung-Juhn;Kim, Hwa-Yong
    • Bulletin of the Korean Chemical Society
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    • 제33권10호
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    • pp.3279-3284
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    • 2012
  • Poly(benzimidazole-co-benzoxazole)s (PBI-co-PBO) are synthesized by polycondensation reaction with 3,3'-diaminobenzidine, terephthalic acid and 3,3'-dihydroxybenzidine or 4,6-diaminoresorcinol in polyphosphoric acid (PPA). All polymer membranes are prepared by the direct casting method (in-situ fabrication). The introduction of benzoxazole units (BO units) into a polymer backbone lowers the basic property and $H_3PO_4$ doping level of the copolymer membranes, resulting in the improvement of mechanical strength. The proton conductivity of $H_3PO_4$ doped PBI-co-PBO membranes decrease as a result of adding amounts of BO units. The maximum tensile strength reaches 4.1 MPa with a 10% molar ratio of BO units in the copolymer. As a result, the $H_3PO_4$ doped PBI-co-PBO membranes could be utilized as alternative proton exchange membranes in high temperature polymer electrolyte fuel cells.

고온 고분자 막 전해질 연료전지 캐소드의 가스 확산층 및 바인더 함량에 따른 완화 시간 분포(DRT) 저항 분석 (Resistance Analysis by Distribution of Relaxation Time According to Gas Diffusion Layers and Binder Amounts for Cathode of High-temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)

  • 김동희;정현승;박찬호
    • 한국수소및신에너지학회논문집
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    • 제34권3호
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    • pp.283-291
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    • 2023
  • The physical properties were analyzed for four gas diffusion layers, and gas diffusion electrodes (GDEs) for the cathode of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell were fabricated through bar coating with three binder to carbon (B/C) ratios. Among them, The GDE from JNT30-A6P showed a significant change in secondary pore volume at a B/C ratio of 0.31, which had the largest pore volume among all GDEs. In the polarization curve, JNT30-A6P GDE showed the best membrane electrode assembly (MEA) performance with a peak power density of 384 mW/cm2 at a a B/C ratio of 0.31. From the distribution of relaxation time analysis, the peak 1 corresponding to mass transfer resistance of oxygen reduction reaction (ORR) was significantly reduced in the JNT30-A6P GDE. This is the result that when the binder content decreased, the volume of the secondary pore increased, and the mass transfer resistance of ORR decreased, which played an essential role in the MEA performance.

100℃ 이상에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지용 나피온/Mordenite 복합체 막의 새로운 제조 방법 (A New Preparation Method of Nafion/Mordenite Composite Membrane for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell above 100℃ Operation)

  • 곽상희;양태현;김창수;윤기현
    • 한국세라믹학회지
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    • 제40권2호
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    • pp.159-166
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    • 2003
  • 퍼플루오르설포닐 플로라이드 나피온 레진과 mordenite를 이용하여 $100^{\circ}C$ 이상의 고온에서 작동하는 고분자 전해질형 연료건지용 전해질 막을 제조하고, 물리적 특성, proton전도도 및 단위 전지의 성능을 측정하였다. 나피온/mordenite복합체 막은 나피온 레진을 용융한 후, mordenite를 무게별로 첨가하여 제조하였다. 고온 영역에서 proton 전도도를 측정한 결과, mordenite 함량이 증가할수록 층상 구조를 갖는 mordenite내에 존재하는 층간수의 느린 탈수 속도 때문에 proton 전도도는 증가하였다. 또한, 단위 전지 성능 측정 결과로부터, $130^{\circ}C$의 작동 온도에서 l0wt% mordenite를 함유하고 있는 복합체 막이 전체 영역에 걸쳐 가장 높은 성능을 보임을 알 수 있었다. 이러한 결과는 같은 조건에서. l0wt% mordenite가 함유된 복합체 막 내부에 존재하고 있는 수분이 다른 조성의 막보다 더 많이 존재하게 되어, 복합체 막의 이온 전도도를 유지하기 때문이다. 따라서, 나피온/mordenite복합체 막은 $100^{\circ}C$이상에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지용 전해질 막으로서 적합하다고 생각된다.