One of the problems in using renewable energy sources is great difficulty of stable and sustainable supply. Because the fuel cell can provide stable and sustainable supply of energy sources without regard to external conditions, however, it will become one of the most useful renewable energy sources for buildings that need stable energy supply. For practical application of PEMFC system to common household, the data of household energy consumption are analyzed by electricity, cooking and heating. From the result of the data analysis, practical application methods of PEMFC system to household are designed to several models. The aim of this study is to establish a plan of practical application for applying Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(PEMFC) system to the households.
고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 핵심 구성요소 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 수소이온을 애노드(anode)에서 캐소드(cathode)로 이동시키는 전해질의 역할 및 연료의 투과를 막는 분리막으로서의 역할을 수행하며 PEMFC의 성능 및 효율을 결정짓는 핵심 소재이다. 현재 나피온 (Nafion®)으로 대표되는 과불소화계 전해질 막이 높은 수소이온 전도도 및 화학적 안정성으로 인해 상용화 되었지만, 높은 생산비용과 구동 시 환경오염 물질이 배출된다는 문제점을 갖고 있다. 이를 대체할 PEM 소재로써 고분자의 구조 조절 및 개질 과정이 용이한 다양한 종류의 탄화수소계 고분자가 제시되고 있지만, 실제 PEMFC에 적용되기 위해서는 성능 및 내구 특성을 개선해야 하는 과제가 남아있다. 이에 본 총설은 탄화수소계 PEM의 성능 및 내구 특성을 향상시키기 위해 1) 가교 구조를 도입한 가교 막 개발, 2) 무기 첨가제 도입을 통한 유⋅무기 복합 막 개발 및 3) 다공성 지지체를 활용한 강화 복합막을 개발하는 연구에 대해 살펴보고자 한다.
The Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) operates at ambient temperature as a low-temperature fuel cell. During its operation, voltage losses arise due to factors such as operating conditions and material properties, effecting its performance. Computational simulations of fuel cells can be categorized into 1D simulation and CFD, chosen based on their specific application purposes. In this study, we carried out an analysis validation using 1D geometry and compared its performance with the results from 2D geometry analysis. CFD allows for the representation of pressure, velocity distribution, and fuel mass fraction according to the geometry, enabling the analysis of current density. However, the 1D simulation, simplifying governing equations to reduce time cost, failed to accurately account for fuel distribution and changes in fuel concentration due to fuel cell operations. As a result, it showed unrealistic results in the cell voltage region dominated by concentration loss compared to CFD.
본 논문은 고분자전해질막 연료전지의 공기 공급을 위해 전기침투현상에 기반을 둔 공기 공급 방법을 제안하고 이를 실험적으로 평가하였다. 작동 유체의 구동을 위해서 전기침투펌프를 낮은 주파수의 교류 전기장에서 사용하였다. 작동 유체는 유연한 막에 의해 막 밀봉하였고, 막의 움직임에 의해 연료전지 내로 공기를 공급하였다. 본 연구에서는 전기침투현상 기반 공기펌프를 사용하여 연료전지의 공기 공급을 성공적으로 설명하였다. 펌프의 출력은 연료전지에서 생성되는 출력을 초과하였지만, 본 논문에서는 펌프의 출력 당 연료전지의 출력비를 줄이기 위한 몇 가지 방법들에 대해 설명하였다.
Fuel cells are devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Owing to the high efficiency of the fuel cells, a large number of research work have been done during these years. Among many kinds of the fuel cells, a polymer electrolyte membrane fuel cell is such kind of thing which works under low temperature. Because of the specialty, it stimulated intense global R&D competition. Most of the major world automakers are racing to develop polymer electrolyte membrane fuel cell passenger vehicles. Unfortunately, there are still many problems to be solved in order to make them into the commercial use, such as the thermal and water management in working process of PEMFCs. To solve the difficulites facing the researcher, the analysis of the inner mechanism of PEMFC should be implemented as much as possible and mathematical modeling is an important tool for the research of the fuel cell especially with the combination of experiment. By regarding some of the assumptions and simplifications, using the finite element technique, a two-dimensional electrochemical mode is presented in this paper for the further comparison with experimental data. Based on the principals of the problem, the equations of electronic charge conservation equation, gas-phase continuity equation, and mass balance equation are used in calculating. Finally, modeling results indicate some of the phenomenon in a unit cell, and the relationships between potential and current density.
In this paper, a mathematical modeling was developed to simulate 1kW class air cooled Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(PEMFC) system. The proposed modeling was conducted under SIMULINK based environment. The model ing was developed based on the thermodynamic and chemical equilibrium. The objective is to design and implement the entire fuel cell system model ing including the system controller modeling. The fuel cell process and the control system modeling should have to be connected with each other simultaneously, therefore the two types of modeling influences each other when the system simulator run. The fuel cell modeling libraries are simulated using the SIMULINK under the thermodynamic and chemical equilibrium base. The PID controller application was designed and developed to test the process modeling and verify it. This the prototype development of the fuel cell system to design and test more complicate fuel cell systems, like the residential power generation system. The simulation results was compared to the real PEMFC system performance. We have achieved the reasonable accordance with the Lab test and the simulation results.
An experimental study is carried out to investigate the performance and the efficiency humidifying Membrane Electrolyte Assembly and having the double-tied catalyst layers in a fuel cell system which is taken into account the physical and thermal concept. Subsequently, an electric output produced by PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is measured to assess the performance of a stack, and the efficiency is also evaluated according to the different situation in which unit cell is placed with and without the humidification of the MEA. It is found that the measured values of stack voltage and current are influenced by the stack temperature, humidification, and the double-tied catalyst layers which give more enhanced values to be applied to electric units.
과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomers; PFSAs)는 뛰어난 수소이온전도성과 높은 내화학성으로 인해 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cells)용 고체전해질로 널리 사용되고 있다. 그러나 PFSA 전해질은 가습-건조조건에서 연료전지가 구동에 따라 반복적인 팽윤-수축으로 인해 전극층이 전해질로부터 탈리되어 전기화학적 수명특성이 감소되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 다공성 PTFE support film의 기공특성에 대한 이해를 바탕으로 기공구조 내 나피온 이오노머를 함침시키는 강화막을 제조하였고, 기본특성을 평가하였다. 제조된 강화막은 매우 높은 수소이온전도도(${\sim}~0.5S\;cm^{-1}@90^{\circ}C$ in liquid water)를 나타내었다.
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.
The sulfonated poly(styrene-divinylbenzene-acrylonitrile) (ST-DVB-AN) composite polymer electrolyte membrane based on the original PVC film was successfully synthesized to improve oxidative stability using semi-interpenetrated polymer network (semi-IPN). Weight gain ratio after copolymerization was enhanced by the DVB and AN contents, and the sulfonated membranes were characterized in terms of proton conductivity (k), ion exchange capacity (IEC), and water uptake ($W_U$). The effect of DVB content and AN addition were thoroughly investigated by comparing the resulted properties including oxidative stability. The obtained ST-DVB-AN composited semi-IPN membranes showed relatively high proton conductivity and IEC compared with Nafion117, and greatly improved oxidative stability of the synthesized membrane was obtained. This study demonstrated that a semi-interpenetrated sulfonated ST-DVB-AN composited membrane reinforced by PVC polymer network is a promising candidate as an inexpensive polymer electrolyte membrane for fuel cell applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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