• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2011년도 제37회 추계학술대회논문집
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• pp.683-684
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• 2011

연료전지시스템을 항공기 동력원으로 사용하기 위해서는 요구되는 출력에 필요한 스택성능과 한정된 부피 내 연료전지시스템을 탑재하기 위한 운전장치 구성, 그리고 무게를 최소화하기 위한 부품 및 재료 선정이 필요하다. 스택의 기본성능은 MEA(Membrane electrode assembly)와 기체확산층 구조, 분리판 디자인 및 운전조건 등에 의해 결정된다. 스택의 기본성능은 연료전지시스템을 구성하는 운전장치 구성 및 성능에 의해 달라지기 때문에 어떠한 운전장치를 어떠한 구성으로 설계하는가에 따라서 성능이 변한다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 연료전지시스템을 항공기 동력원으로 사용하기 위해서 고려되어야할 스택과 운전장치의 구성이 성능에 미치는 영향과 운전환경(스택 경사, 고도)이 연료전지 스택성능에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.

• 설비공학논문집
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• 제20권3호
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• pp.197-204
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• 2008

DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) is one of promising candidates for power sources of small mobile IT devices like notebook, cell phone, and so on. Efficient operation of fuel cell system is very important for long-sustained power supply because of limited fuel tank size. It is necessary to investigate operation characteristics of fuel cell stack for optimal control of DMFC system. The generated voltage was modeled according to various operating condition; methanol concentration, stack temperature, and load current. It is inevitable for methanol solution at anode to cross over to cathode through MEA(membrane electrode assembly), which reduces the system efficiency and increases fuel consumption. In this study, optimal operation conditions are proposed by analyzing stack performance model, cross-over phenomenon, and system efficiency.

• 전기화학회지
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• 제10권4호
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• pp.295-300
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• 2007

A new characterization method using a porous plug model was proposed to determine the degree of sulfonation (DS) of ionomer binder with respect to the membrane used in membrane-electrode assemblies (MEAs) and to analyze the fraction of proton pathways through ionomer-catalyst combined electrodes in MEAs for polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). Sulfonated poly(ether ether ketone) was prepared to use a polymeric electrolyte and laboratory-made SPEEK solution (5wt.%, DMAc based) was added to catalyst slurry to form catalyst layers. In case of the SPEEK-based MEAs in this study, DS of ionomer binder for catalyst layers should be the same or higher than that of the SPEEK membrane used in the MEAs. The porous plug model suggested that most of protons were via the ionomer binder (${\sim}92.5%$) bridging the catalyst surface to the polymeric electrolyte, compared with the pathways through the alternative between the interstitial water on the surface of ionomer binder or catalyst and the ionomer binder (${\sim}7.3%$) and through only the interstitial water on the surface of ionomer or catalyst (${\sim}0.2%$) in the electrode of the MEA comprising of the sulfonated poly(ether ether ketone) membrane and the 5wt.% SPEEK ionomer binder. As a result, it was believed that the majority of proton at both electrodeds moves through ionomer binder until reaching to electrolyte membrane. The porous plug model of the electrodes of MEAs reemphasized the importance of well-optimized structure of ionomer binder and catalyst for fuel cells.

• 설비공학논문집
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• 제19권1호
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• pp.86-93
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• 2007

The PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell is one of the promising fuel cell systems as a new small power generating device for automobiles and buildings. The optimal design of cooling plates installed between MEA (membrane electrode assembly) is very important to achieve high performance and reliability of the PEMFC because it is very sensitive to temperature variations. In this study, six types of cooling plate models for the PEMFC including basic serpentine and parallel shapes were designed and their cooling performances were analyzed by using three-dimensional fluid dynamics with commercial software. The model 3 designed by revising the basic serpentine model represented the best cooling performance among them in the aspect of uniformity of temperature distribution and thermal reliability, The serpentine models showed higher pressure drop than the parallel models due to a higher flow rate.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2006년도 춘계학술대회
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• pp.99-102
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• 2006

Optimal flow-field design of bipolar-plates for a commercial class PEM(polymer electrolyte membrane) fuel cell stack was carried out on the basis of three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) simulation. A three-dimensional CFD model originally developed by Shimpalee et al., has been utilized for performing large-scale simulation of a single fuel cell consisting of bipolar-plates gas diffusion layers, and a membrane-electrode-assembly(MEA). The CFD model is able to predict the current density, pressure drops, gas velocities, vapor and liquid water contents, temperature distributions, etc. inside a single fuel cell. Depending on simulation results from the CFD modeling of a PEM fuel cell, several flow-fields of bipolar-plates were designed and verified. The final design of the bipolar-plate has been chosen from the simulations and experimental tests and showed the best performance as expected from the simulation results under a normal operating condition. Thus, the CFD simulation approach to design the optimal flow-field of the bipolar-plates was successful. The final design was adopted as the best flow-field to build a commercial scale PEM fuel cell stack, the performance of which shows about 42% higher than that of the older bipolar-plate design.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권5호
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• pp.593-597
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• 2016

고분자전해질 연료전지에서 전해질막의 이온전도도에 미치는 상대습도, 전류밀도, 온도의 영향에 대해 연구하였다. 전해질막의 물의 함량과 물의 이동은 이온전도도에 많은 영향을 미친다. 전기삼투와 역확산만으로 물 이동을 모사하고 해석하였다. 이온전도도는 셀 밖에서 측정 장비로 막 상태에서 그리고 막전극합체로 구동상에서 측정되었다. 상대습도 증가에 따라 막 내 물 함량이 증가하였고 물 함량 증가에 따라 이온전도도도 상승하였다. 전류밀도 증가에 따라 전기삼투와 역확산에 의한 물의 양이 증가해 물 함량이 선형적으로 증가하였고 그 결과 전류밀도 증가에 따라 이온전도도가 선형적으로 상승하였다. 온도가 $50^{\circ}C$에서 $80^{\circ}C$C로 증가함에 따라 이온전도도는 약 40% 증가하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제36권6호
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• pp.625-632
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• 2012

본 논문은 고분자 전해질 연료전지 공기극 유로 내부에서 당량비에 따라 발생하는 플러딩 현상을 가시화를 통해 확인하고, 전류 변화에 따른 물의 운송 특성에 관한 연구를 수행하였다. 공기극 당량비는 1.5, 2.0, 연료극 당량비는 1.5로 고정하여 실험을 수행하였다. 연료전지 공기측 당량비 2.0로 공급하였을 때 1.5와 비교하여 짧은 시간에 물이 생성되기 시작하였으며, 플러딩 영역이 빠르게 생성되는 결과가 나타났다. 또한, 공기극 당량비 1.5로 유지하는 경우 플러딩 영역 이후에 건조화 7.8A 이후 구간에서 건조화가 진행되며, 8A 이후구간에서 건조화가 시작되는 공기극 당량비 2.0에서 작동하는 연료전지와 비교하여 넓은 영역에서 물 생성이 활발하게 이루어져 MEA의 내구성과 수소이온전도도가 우수한 결과를 확인하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제43권1호
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• pp.118-124
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• 2005

본 연구에서는 폴리피롤로 개질된 Nafion 막에 직접적으로 백금촉매를 담지하는 방법을 제시하고 PEMFC로의 응용을 검토하였다. 개시제로 $FeCl_3$ 및 $Na_2S_2O_8$을 사용하여 피롤을 Nafion 막에 중합하였다. 제저된 PPy/Nafion 복합체 막의 양이온 전도도와 함수율을 측정한 결과, $Na_2S_2O_8$을 사용하여 제조된 복합체 막은 피롤 중합시간이 증가할수록 양이온 전도도와 함수율은 감소하였고, $FeCl_3$의 경우 함수율은 감소하지만 양이온 전도도는 유지되었다. 폴리피롤로 개질된 Nafion 막에 백금 촉매를 화학적 환원법에 의해 함침한 결과, 폴리피롤의 전자 전도성 특성에 의해 백금 담지가 향상됨을 알 수 있었다. 또한 Pt/PPy/Nafion 전극촉매와 확산 전극으로 구성된 MEA를 단위 연료전지 성능평가를 행한 결과, 0.3 V의 전위에서 $569mA/cm^2$의 전류밀도 값을 갖는 연료전지 성능을 얻을 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제61권1호
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• pp.45-51
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• 2023

PEMFC(고분자전해질 연료전지) 고분자막의 내구성을 향상시키기 위해서 라디칼 제거제와 지지체가 사용되고 있다. 본 연구에서는 화학적 내구성과 물리적 내구성을 향상시키기 위해서 해조류에서 추출한 후코이단과 가교제 역할을 하는 탄닌산을 첨가한 고분자막의 내구성을 평가하였다. 물리적 내구성은 인장강도를 측정해 확인했고, 화학적 내구성은 Fenton 실험으로 측정하였다. 막과 전극합체(MEA)를 제조하여 셀에서 가속 내구 평가를 통해 기계적 내구성과 화학적 내구성을 평가하였다. 인장강도 측정으로 후코이단과 탄닌산의 변형율과 항복강도 등을 향상시켜 고분자막의 기계적 내구성을 향상시킬 수 있음을 보였다. 후코이단이 라디칼 제거제 역할을 함을 Fenton 실험에서 확인했다. 단위전지에서 가속 내구 실험 결과 후코이단은 화학적 내구와 기계적 내구를 모두 향상시켜 무첨가막보다 가속 내구 평가 시간을 38.1% 증가시켰고, 탄닌산을 추가하면 기계적 내구성 향상에 의해 고분자막의 내구성이 13.9% 향상되었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제24권1호
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• pp.61-69
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• 2013

Polymer exchange membrane (PEM) fuel cells have multifunctional properties, and bipolar plates are one of the key components in these fuel cells. Generally, a bipolar plate has a gas flow path for hydrogen and oxygen liberated at the anode and cathode, respectively. In this study, the influence of iodine applied to a bipolar plate was investigated. Accordingly, we compared bipolar plates with and without iodine coating, and the performances of these plates were evaluated under operating conditions of $75^{\circ}C$ and 100% relative humidity. The membrane and platinum-carbon layer were affected by the iodine-coated bipolar plate. Bipolar plates coated with iodine and a membrane-electrode assembly (MEA) were investigated by electron probe microanalyzer (EPMA) and energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS) analysis. Polarization curves showed that the performance of a coated bipolar plate is approximately 19% higher than that of a plate without coating. Moreover, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis revealed that charge transfer resistance and membrane resistance decreased with the influence of the iodine charge transfer complex for fuel cells on the performance.