Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) generate electricity by electrochemical reactions of hydrogen and oxygen. PEMFCs are expected to alternate electric power generator using fossil fuels with various advantages of high power density, low operating temperature, and environmental-friendly products. PEMFCs have widely been used in a number of applications such as fuel cell vehicles (FCVs) and stationary fuel cell systems. However, there are remaining technical issues, particularly the long-term durability of each part of fuel cells. Degradation of a carbon supported-platinum catalyst in the anode and cathode follows various mechanistic origins in different fuel cell operating conditions, and thus accelerated stress test (AST) is suggested to evaluate the durability of electrocatalyst. In this article, comparable protocols of the AST durability test are intensively explained.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.13
no.6
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pp.469-475
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2008
In this paper, control of small PEM(Proton Exchange Membrane) fuel cell stack by a microprocessor is introduced. The water management of fuel cell stack inside, a key technique in fuel cell control, can be achieved by adjusting the required air flow for fuel and cooling, and by purging the excessive water from the stack. It is very important to precisely control the BOS(Balance of Stack) since the stable operation of the fuel cell system mainly depends on it. In this study the fuel efficiency of the system is improved by the control of the system based on the measured air flow and purge cycle during the optimal operation and its effectiveness is proved by the experiments. The operating stability of the system is improved by the developed controller using a microprocessor and it is expected to be widely used for the control of small PEM fuel cell stack.
In the proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), the development of a reinforced membrane with improved durability by a support is actively in progress in Korea. In this study, the initial performance and characteristics of four types of reinforced membranes were compared. Reinforced membranes with higher amounts of C-F chains in the polymer membrane showed lower water diffusion coefficients due to the hydrophobicity of the C-F chains. The thicker the polymer membrane, the more the hydrogen permeability decreased and the higher the OCV. Membrane with short resistance below 1.5 Ωcm2 showed OCV below 0.9 V and the lowest performance, so short resistance should be above 3.0 Ωcm2. Compared with the current standard membrane, there was a similar domestic membrane, which could confirm the possibility of localization of PEMFC polymer membrane.
Optimum design of flow channel in the separation plate of Proton Exchange Membrane Fuel Cell is very prerequisite to reduce concentration over potential at high current region and remove the water generated in cathode effectively. In this paper, fully 3 dimensional computational model which solves anode and cathode flow fields simultaneously is developed in order to compare the performance of fuel cell with parallel and interdigitated flow channels. Oxygen and water concentration and pressure drop are calculated and i-V performance characteristics are compared between flows with two flow channels. Results show that performance of fuel cell with interdigitated flow channel is hi민or than that with parallel flow channel at high current region because hydrogen and oxygen in interdigitated flow channel are transported to catalyst layer effectively due to strong convective transport through gas diffusion layer but pressure drop is larger than that in parallel flow channel. Therefore Trade-off between power gain and pressure loss should be considered in design of fuel cell with interdigitated flow channel.
Many researches for effects of different flow configurations on performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cell have extensively been done but the effects of flow direction at the same flow channel shape should be considered for optimal operation of fuel cell as well. In this paper a numerical computational methode for simulating entire reactive flow fields including anode and cathode flow has been developed and the effects of different flow direction at parallel flow was studied. Pressure drop along the flow channel and density distribution of reactant and products and water transport, ion conductivity across the membrane and I-V performance are compared in terms of flow directions(co-flow or counter-flow) using above numerical simulation method. The results show that the performance under counter-flow condition is superior to that under co-flow condition due to higher reactant and water transport resulting to higher ion conductivity of membrane.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.21
no.1
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pp.43-50
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2013
The stringent emission regulation and future shortage of fossil fuel motivate the research of alternative powertrain. In this study, a system of proton exchange membrane fuel cell has been modeled to analyze the performance of the fuel cell system for automotive application. The model is composed of the fuel cell stack, air compressor, humidifier, and intercooler, and hydrogen supply which are implemented by using the Matlab/Simulink(R). Fuel cell stack model is empirical model but the water transport model is included so that the system performance can be predicted over various humidity conditions. On the other hand, the model of air compressor is composed of motor, static air compressor, and some manifolds so that the motor dynamics and manifold dynamics can be investigated. Since the model is concentrated on the strategic operation of compressor to reduce the power consumption, other balance of components (BOP) are modeled to be static components. Since the air compressor model is empirical model which is based on curve fitting of experiments, the stack model is validated with the commercial software and the experiments. The dynamics of air compressor is investigated over unit change of system load. The results shows that the power consumption of air compressor is about 12% to 25% of stack gross power and dynamic response should be reduced to optimize the system operation.
Park, Ki-Tae;Chun, Jeong-Hwan;Choi, Dong-Woong;Kim, Sung-Hyun
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.22
no.1
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pp.60-68
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2011
[ $ZrO_2-TiO_2$ ]binary oxides with various Zr:Ti molar ratios were prepared by sol-gel method and Nafion$^{(R)}$/$ZrO_2-TiO_2$ composite membranes were fabricated for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) at high temperature and low humidity. Water uptake, Ion exchange capacity (IEC), and proton conductivity of Nafion$^{(R)}$/$ZrO_2-TiO_2$ composite membranes were characterized and these composite membranes were tested in a single cell at $120^{\circ}C$ with various relative humidity (R.H.) conditions. The obtained results were compared with the unmodified membranes (Nafion$^{(R)}$ 112 and Recast Nafion$^{(R)}$). A Nafion$^{(R)}$/$ZrO_2-TiO_2$ composite membrane with 1:3 of Zr:Ti molar ratio showed the highest performance. The performance showed 500 mW/$cm^2$ (0.499V) at $120^{\circ}C$, 50% R. H., and 2 atm.
Kim, Jong-Min;Kumar, Suchit;Jo, Young-Seung;Park, Joshua Haekyun;Kim, Jeong-Hee;Lee, Chulhyun;Oh, Chang-Hyun
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.36
no.6
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pp.241-250
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2015
Noninvasive temperature monitoring is feasible with Magnetic Resonance Imaging (MRI) based on temperature sensitive MR parameters such as $T_1$ and $T_2$ relaxation times, Proton Resonance Frequency shift (PRFs), diffusion, exchange process, magnetization transfer contrast, chemical exchange saturation transfer, etc. While the temperature monitoring is very useful to guide the thermal treatment such as RF hyperthermia or thermal ablation, the optimization of the MR thermometry method is essential because the range of temperature measurement depends on the choice of the measurement methods. Useful temperature range depends on the purpose of treatment methods, for example, $42^{\circ}C$ to $45^{\circ}C$ for RF hyperthermia and over $50^{\circ}C$ for thermal ablation. In this paper, MR thermometry methods using $T_1$ and $T_2$ relaxation times and PRFs-based MR thermometry are tried on a 3.0 T MRI system and their results are reported and compared. In addition, the scanning protocol and temperature calculation algorithms from $T_1$ and $T_2$ relaxation times and PRFs are optimized for the different temperature ranges for the purpose of RF hyperthermia and/or thermal ablation.
Park, Jeong Ho;Kim, Taeeon;Juon, Some;Cho, Yongil;Cho, Kwangyeon;Shul, Yonggun
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.25
no.1
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pp.28-38
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2014
The organic-inorganic composite membrane in polymer exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have several fascinating technological advantages such as a proton conductivity, thermal stability and mechanical properties. As the inorganic filler, silicon carbide (SiC) fiber have been used in various fields due to its unique properties such as thermal stability, conductivity, and tensile strength. In this study, composite membrane was successfully fabricated by modified-silicon carbide fiber. Modified process, as a novel process in SiC, takes reaction by phosphoric acid after oxidation process (generated homogeniusly $SiO_2$ layer on SiC fiber). The mechanical property which was conducted by tensile test of the 5wt% modified-$SiO_2@SiCf$ composite membrane was better than that of Aquivion casting membrane as well as ion cxchange capacity(IEC) and proton conductivity. In addition, the single cell performance was observed that the 5wt% modified-$SiO_2@SiCf$ composite membrane was approximately $0.2A/cm^2$ higher than that of a Aquivion casting electrolyte membrane and electrochemical impedance was improved with the charge transfer resistance and membrane resistance.
Hydrogen town in Republic of Korea was established in 2013. Hydrogen as a byproduct produced by various processes of factories is used in hydrogen town facilities. As cell performance is affected by contaminations in fuel gas, various standards about impurities of fuel have been determined by many countries. This study shows performance degradation of single cell with impurities concentrations. Traces of carbon monoxide (CO) and hydrogen sulfide ($H_2S$)can cause considerable cell performance losses. For comparing the performances by poisoning of CO, acceleration test, I-V curve, constant current are performed. Both the CO and $H_2S$ poisoning rate are a function of their concentration. With the higher concentrations the higher poisoning rates are observed. And, it was confirmed that, oxidation behavior and side reaction generation are not affected. Under the lower $H_2S$ concentration condition, the poisoning rate is much higher than that of CO because of its different adsorption intensity. It can be possible that the result of this study can be used for enacting regulation as a baseline data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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