We present two data-driven modeling methods, partial least square (PLS) and artificial neural network (ANN), to predict the major operating and performance variables of a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell stack. PLS and ANN models were constructed using the experimental data obtained from the testing of a 30 kW-class PEM fuel cell stack, and then were compared with each other in terms of their prediction and computational performances. To reduce the complexity of the models, we combined a variables importance on PLS projection (VIP) as a variable selection method into the modeling procedure in which the predictor variables are selected from a set of input operation variables. The modeling results showed that the ANN models outperformed the PLS models in predicting the average cell voltage and cathode outlet temperature of the fuel cell stack. However, the PLS models also offered satisfactory prediction performances although they can only capture linear correlations between the predictor and output variables. Depending on the degree of modeling accuracy and speed, both ANN and PLS models can be employed for performance predictions, offline and online optimizations, controls, and fault diagnoses in the field of PEM fuel cell designs and operations.
Crosslinked polyimides (PIs) were synthesized by reacting 4,4'-(hexafluoroisopropylidene)-diphthalic anhydride (6FDA) and 2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine (TFDB) with various ratios of the cross-linkable, end-capping agent cis-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride (CDBA) via ring-opening metathesis polymerization. Residual stress behaviors were investigated in-situ during thermal imidization of the crosslinked PI precursors using a thin film stress analyzer (TFSA) by wafer bending method. The thermal properties were investigated via differential scanning calorimetry (DSC), thermomechanical analysis (TMA), and thermogravimetric analysis (TGA). The optical properties were measured by ultraviolet-visible spectrophotometer (UV-vis) and spectrophotometry. All properties were interpreted with respect to their morphology of crosslinked networks. With increasing the amounts of the end-capping agent, the residual stress decreased from 27.9 to -1.3 MPa, exhibited ultra-low stress and high thermal properties. The minimized residual stress and enhanced thermal properties of the crosslinked PI makes them potential candidates for versatile high-density multi-layer structure applications.
Wavelength filters are essential components for selecting a certain wavelength channel of a WDM optical communication system. To realize wavelength filters with narrow bandwidth and high reflectivity, an apodized grating structure with length of 15 mm and index modulation of $5{\times}10^{-4}$ was designed. The device exhibited a reflectivity of 95%, 3-dB bandwidth of 0.28 nm, and 20-dB bandwidth of 0.70 nm on an 18 mm grating length.
A cationic surfactant, cetyltrimethylammonium $\rho$-toluenesufonate (CTA$\rho$TS), forms long threadlike micelles in aqueous solution. The threadlike micelles make concentrated entanglement networks, so that the solution shows pronounced viscoelastic behavior as concentrated polymer systems do. However, a mechanism for a process responsible for the longest relaxation time of the threadlike micellar system is different from that of semi-dilute to concentrated polymer systems. The threadlike micellar system exhibits unique viscoelasticity described by a Maxwell model. The longest relaxation time of the threadlike micellar system is not a function of the concentration of CTA$\rho$TS, but changes with that of $\rho$-toluenesufonate ($\rho$$TS^{-}$) ions in the bulk aqueous phase supplied by adding sodium $\rho$-toluenesulfonate (NapTS). The rates of molecular motions in the threadlike micelles are not influenced by the concentration of $\rho$$TS^{-}$ anions, therefore, molecular motions in the threadlike micelles (micro-dynamics) are independent of the longest relaxation mechanism (macro-dynamics). A nonionic surfactant, oleyldimethylamineoxide (ODAO), forms long threadlike micelles in aqueous solution without any additives. The aqueous threadlike micellar system of ODAO also shows Maxwell type viscoelastic behavior. However, the relaxation mechanism for the longest relaxation process in the system should be different from that in the threadlike micellar systems of CTA$\rho$TS, since the system of ODAO does not contain additive anions. Because increase in the average degree of protonation of head groups of ODAO molecules in micelles due to adding hydrogen bromide causes the relaxation time remarkably longer, changes in micro-structure and micro-dynamics in the threadlike micelle are closely related to macro-dynamics in contrast with the threadlike micellar system of CTA$\rho$TS.
Epoxy resin based upon the N,N'-diglycidylaniline which is widely used in optic, electronic and composite material. We modified this epoxy resin with poly(amic acid) (PAA) that is a precursor of polyimide. To improve the mechanical property we controlled PAA content and imidization ratio. PI-modified epoxy blends were prepared for the formation of IPN structure. The possible reaction in the epoxy resin/PAA blends were investigated by FT-IR and inherent viscosity techniques. Thermal properties are measured by TGA, DSC, and TMA. Mechanical properties are measured by UTM and impact test machine. Morphology is investigated by SEM. Thermal stability improved with increasing the content of PAA in blends. As the content of PAA increases in blend, the glass transition temperature and thermal expansion coefficient decreases. Increasing impact strengths in J/m in the range of 920∼2412 were observed in blends. The PAA segment may act as a toughening agent in the epoxy networks, thus contributing the impact strength improvement of the blends.
An amphiphilic diacetylene compound was deposited on the surface of nano sized magnetite particles ($Fe_3O_4$) using a self-assembly method. The diacetylene molecular assembly formed on the surface of nanoparticle was subjected to photopolymerization. This resulted in the formation of a polymeric assembly on the surface of the nanoparticles in which the adjacent diacetylene molecules were connected through conjugated covalent networks. The presence of immobilized polymer species on the surface of nanoparticles is expected to protect them from agglomeration and ripening, thereby stabilizing their physical properties. In this work, $Fe_3O_4$ nanoparticles were prepared by chemical coprecipitation method and the diacetylene molecule 10,12- pentacosadiynoic acid (PCDA) was anchored to the surface of $Fe_3O_4$ nanoparticles through its carboxylate head group. Irradiation of UV light on the nanoparticles containing immobilized diacetylenes resulted in the formation of a polymeric assembly. Presence of diacetylene molecules on the surface of nanoparticles was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and FT-IR measurements. Photopolymerization of the diacetylene assembly was detected by UV-Visible spectroscopy. Magnetic properties of the nanoparticles coated with polymeric assembly were investigated with SQUID and magnetic hysteresis showed superparamagnetic behaviors. The results put forward a simple and effective method for achieving polymer coating on the surface of magnetic nanoparticle.
The addition of alginic acid, a natural polysaccharide, to improve the wettability and the reduction of protein adsorption of hydrogel contact lenses. Hydrogel contact lenses were manufactured with various monomers such as 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) and NVP (N-Vinyl-2-pyrrolidone). Alginic acid was added by by the initial mixing method and the interpenetrating polymer networks(IPN) method. Properties of contact lens such as contact angle, oxygen permeability, and protein adsorption amount were evaluated. The oxygen permeability and wettability of the IPN-treated alginate samples were higher than those of the samples that were not treated with IPN. The physical properties were improved as the concentration of IPN-treated alginic acid increased. Protein adsorption decreased by the addition of alginic acid and further decreased with IPN. In particular, contact lenses containing MPC and NVP significantly decreased protein adsorption. Therefore, the effect of alginate on the functional improvement of contact lens was confirmed.
In this study, the bisphenol-based DGEBA/GEBS blend systems were studied in cure kinetics, thermal stabilities, and fracture toughness of the casting specimen. The content of DGEBA/DCEBS was varied in 100 : 0, 90 : 10, 80 : 20, 70 : 30, and 60 : 40 wt%. The cure activation energies ($E_a$) of the blend systems were determined by Ozawa's equation. The thermal stabilities, including initial decomposed temperature (IDT), temperatures of maximum rate of degradation ($T_{max}$), and integral procedural decomposition temperature (IPDT) of the cured specimen were investigated by thermogravimetric analysis (TGA). For the mechanical interfacial properties of the specimens, the critical stress intensity factor ($K_{IC}$) test was performed and their fractured surfaces were examined by using a scanning electron microscope (SEM). As a result, $E_a$, IPDT, and $K_{IC}$ show maximum values in the 20 wt% DGEBS content compared with the neat DGEBA resins. This was probably due to the fact that the elevated networks were farmed by the introduction of sulfonyl groups of the DCEBS resin.
In this work, the electrical potential (EP) technique with an artificial neural networks (ANNs) for monitoring of nanostructures are used for the first time. This study employs an expert system to identify size and localize hidden nano-delamination (N.Del) inside layers of nano-pipe (N.P) manufactured from Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) laminate composite by using low-cost monitoring method of electrical potential (EP) technique with an artificial neural networks (ANNs), which are combined to decrease detection effort to discern N.Del location/size inside the N.P layers, with high accuracy, simple and low-cost. The dielectric properties of the N.P material are measured before and after N.Del introduced using arrays of electrical contacts and the variation in capacitance values, capacitance change and node potential distribution are analyzed. Using these changes in electrical potential due to N.Del, a finite element (FE) simulation model for N.Del location/size detection is generated by ANSYS and MATLAB, which are combined to simulate sensor characteristic, therefore, FE analyses are employed to make sets of data for the learning of the ANNs. The method is applied for the N.Del monitoring, to minimize the number of FE analysis in order to keep the cost and save the time of the assessment to a minimum. The FE results are in excellent agreement with an ANN and the experimental results available in the literature, thus validating the accuracy and reliability of the proposed technique.
An external cavity laser supporting two wavelengths is demonstrated by incorporating polymer waveguide Bragg reflectors and a superluminescent light-emitting diode. An oversized rib waveguide structure and Bragg gratings are designed by using the effective-index and transmission-matrix methods. Bragg gratings with different periods are inscribed on a polymer waveguide through double-exposure laser interferometry. In order to tune the cavity loss affected by the reflectivity of Bragg gratings, a Bragg reflectors with varying length is incorporated. Two-wavelength-mode lasing is achieved for the device consisting of 2-mm long, 537-nm period gratings and 2.2-mm long, 540-nm period gratings; the lasing wavelengths are 1554 nm and 1564 nm, with an output power close to 0 dBm, a 20-dB bandwidth of 0.2 nm, and a side-mode suppression ratio of 45 dB.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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