Hye Young Jung;Yong Seok Jun;Kwan-Young Lee;Hyun S. Park;Sung Ki Cho;Jong Hyun Jang
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.15
no.2
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pp.253-260
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2024
Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is an efficient method for utilizing renewable energy sources such as wind and solar powers to produce green hydrogen. For PEMWE powered by renewable energy sources, its durability is a crucial factor in its performance since irregular and fluctuating characteristics of renewable energy sources, especially for wind power, can deteriorate the stability of PEMWE. Triangular voltage cycle is well able to simulate fluctuating wind power, but its effect on the durability has not been investigated extensively. In this study, the performance degradation of the PEMWE cell operated with the triangular voltage cycling was investigated at different ramping rates. The measured current responses during the cycling gradually decreased for both ramping rates, and I-V curve measurements before and after the cycling confirmed the degradation of the performances of PEMWE. For both measurements, the degradation rate was larger for 300 mV s-1 than 30 mV s-1, and they were determined as 0.36 and 1.26 mV h-1 (at the current density of 2 A cm-2) at the ramping rates of 30 and 300 mV s-1, respectively. The comparison with other studies on triangular voltage cycling also indicate that an increase in the ramping rate accelerates the deterioration of the PEMWE performance. X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy results showed that the Ir catalyst was oxidized and did not dissolve during the voltage cycling. This study suggests that the ramping rate of the triangular voltage cycling is an important factor for the evaluation of the durability of PEMWE cells.
In the present work, the operating parameters were optimized using Box Behnken Design (BBD) in response surface methodology (RSM) to maximize the hydrogen production rate (R1) and hydrogen production rate per unit watt consumed (R2) of a proton exchange membrane electrolysis cell (PEMEC), a third response (R3) which was the sum of the scaled values of R1 and R2 were selected to be maximized so that both hydrogen production rate and hydrogen production rate per unit watt consumed could be maximized. The major parameters which were influencing the experiment for enhancing the output responses were oxygen electrode/anode electrocatalyst loading (A), current supplied (B) and water inlet temperature (C). The commercial proton exchange membrane Nafion® was used as the electrolyte. The acetylene black carbon (CAB) supported IrO2 was used as the electrocatalyst for preparing oxygen electrode/anode whereas commercial Pt (40 wt%)/CHSA was used as the H2 electrode/cathode electrocatalyst. The quadratic model was developed to predict the output/ responses and their proximity to the experimental output values. The developed model was found to be significant as the P values for both the responses were < 0.0001 and F values were greater than 1. The optimum condition for both the responses were O2 electrode/anode electrocatalyst loading of 1.78 mg/cm2, supplied current of 0.33 A and water inlet temperature of 54℃. The predicted values for hydrogen production rate (R1) and hydrogen production rate per unit watt consumed (R2) were 2.921 mL/min and 2.562 mL/(min·W), respectively obtained from the quadratic model. The error % between the predicted response values and experimental values were 1.47% and 3.08% for R1 and R2, respectively. This model predicted the optimum conditions reasonably in good agreement with the experimental conditions for the enhancement of the output responses of the developed PEM based electrolyser.
To elucidate the mechanism of damage caused by hyphae and organic acids produced by Aspergillus Niger on the surface and internal structure of uranium ore, direct uranium leaching, indirect uranium leaching and semidirect uranium leaching were conducted, and the surface morphology, strength, mineral crystallinity, porosity, and permeability of the ore were analyzed. The results demonstrated that the combination of biomechanical forces exerted by hyphae and the complexation effects of organic acids led to the dissolution of SiO2 and other substances on the surface of ore, resulting in exfoliation from the exterior to the interior, thereby promoting uranium recovery. Furthermore, the proton exchange involving H+ and the complexation of organic acids resulted in the dissolution of cations within the ore, causing destruction to the crystal lattice structure of minerals and increasing the porosity and permeability inside the ore. The dominant factor contributing to ore damage during recovery was organic acids.
Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) imaging is a method to detect solutes based on the chemical exchange of mobile protons with water. The solute protons exchange with three different patterns, which are fast, slow, and intermediate rates. The CEST contrast can be obtained from the exchangeable protons, which are hydroxyl protons, amine protons, and amide protons. The CEST MR imaging is useful to evaluate tumors, strokes, and other diseases. The purpose of this study is to review the mathematical model for CEST imaging and for measurement of the chemical exchange rate, and to measure the chemical exchange rate using a 3T MRI system on several amino acids. We reviewed the mathematical models for the proton exchange. Several physical models are proposed to demonstrate a two-pool, three-pool, and four-pool models. The CEST signals are also evaluated by taking account of the exchange rate, pH and the saturation efficiency. Although researchers have used most commonly in the calculation of CEST asymmetry, a quantitative analysis is also developed by using Lorentzian fitting. The chemical exchange rate was measured in the phantoms made of asparagine (Asn), glutamate (Glu), ${\gamma}-aminobutyric$ acid (GABA), glycine (Gly), and myoinositol (MI). The experiment was performed at a 3T human MRI system with three different acidity conditions (pH 5.6, 6.2, and 7.4) at a concentration of 50 mM. To identify the chemical exchange rate, the "lsqcurvefit" built-in function in MATLAB was used to fit the pseudo-first exchange rate model. The pseudo-first exchange rate of Asn and Gly was increased with decreasing acidity. In the case of GABA, the largest result was observed at pH 6.2. For Glu, the results at pH 5.6 and 6.2 did not show a significant difference, and the results at pH 7.4 were almost zero. For MI, there was no significant difference at pH 5.6 or 7.4, however, the results at pH 6.2 were smaller than at the other pH values. For the experiment at 3T, we were only able to apply 1 s as the maximum saturation duration due to the limitations of the MRI system. The measurement of the chemical exchange rate was limited in a clinical 3T MRI system because of a hardware limitation.
Recently, research on the development of anion exchange membranes (AEMs) has received considerable attention from the scientific community around the world. Here, we fabricated a series of AEMs with branched structures with different alkyl spacers and conducted comparative evaluations. The introduction of these branched structures is an attempt to overcome the low ionic conductivity and stability problems that AEMs are currently facing. To this end, branched polymers with different spacer lengths were synthesized and properties of each membrane prepared according to the branched structure were compared. The chemical structure of the polymer was investigated by proton nuclear magnetic resonance, Fourier transform infrared, and gel permeation chromatography, and the thermal properties were investigated using thermogravimetric analysis. The branched anion exchange membrane with (CH2)3 and (CH2)6 spacers exhibited ionic conductivities of 8.9 mS cm-1 and 22 mS cm-1 at 90℃, respectively. This means that the length of the spacer affects the ionic conductivity. Therefore, this study showing the effect of the spacer length on the ionic conductivity of the membrane in the polymer structure constituting the ion exchange membrane is judged to be very useful for future application studies of AEM fuel cells.
The development of high temperature-proton exchange fuel cell (HT-PEFC) is a key in solving the problem of carbon monoxide poisoning of the platinum at anode as well as water management in PEFCs operated below $90^{\circ}C$. In order to overcome these main issues, PEFCs must be operated at high temperature above $120^{\circ}C$. Ionic liquids are available for HT-PEFC due to exhibiting non-volatility and thermal stability. Ionic liquids are however leached out from polymeric matrix resulting in the increase of gas permeability. In this study, we have prepared and characterized the composite membranes with the ionic liquids consisting of 1-(4-vinylbenzyl)-3-butyl imidazolium chloride immobilized by the cross-linkers in pore-filling membrane to prevent to be leached out from the membrane. We confirmed that cross-linked ionic liquids were not leached out from the composite membranes through the various characteristic analyses. It was also verified that the prepared membranes are thermally stable from the result of TG analysis. The pore-filling membranes with the immobilized ionic liquids have a high proton conductivity over $10^{-2}$ S/cm at high temperature (> $120^{\circ}C$).
The experiments related on structure and water electrolysis performance of HALE UAV stack were conducted in this study. Anode catalyst $IrRuO_2$ was prepared by Adam's fusion methods as 2~3 nm nano sized particles, and the cathode catalyst was used as commercial product of Premetek. The MEA (membrane electrode assembly) was manufactured by decal methods, anode and anode catalytic layers were prepared by electro-spray. HALE stack was composed of 5 multi-cells as $0.2Nm^3/hr$ hydrogen production rate with hydrogen pressure as 10 bar. The water electrolysis performance was investigated at atmospheric pressure and temperature of $55^{\circ}C$. Best performance of HALE UAV stack was recorded as cell voltage efficiency as 86%.
Seo, Seok-Jun;Woo, Jung-Je;Yun, Sung-Hyun;Park, Jin-Soo;Moon, Seung-Hyeon
Korean Membrane Journal
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v.10
no.1
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pp.46-52
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2008
Optimization of ionomer solution was conducted in order to improve the performance of MEAs in PEMPC. The interface between membrane and electrodes in MEAs is crucial region determining fuel cell performance as well as ORR reaction at cathode. Through the modification of Nafion ionomer content at the interface between membrane and electrodes, an optimal content was obtained with Nafion 115 membranes. Two times higher current density was obtained with the outer Nafion sprayed MEA compared with the non-sprayed one. In addition, the symmetrical impedance spectroscopy mode (SM) exhibited that the resistances of membrane area, proton hydration, and charge transfer decreased as the outer Nafion is sprayed. From the polarization curves and SM, the highest current density and the lowest resistance was obtained at the outer ionomer content of $0.15\;mg\;cm^{-2}$.
Park, Dea-Heum;Kim, Du-Hee;Kim, Kyoung-Hoon;Jung, Young-Guan
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.22
no.6
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pp.835-841
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2011
The humidification is essential for performance enhancement of the electrolysis of PEMFC because proton conductivity depends on hydration of the proton exchange membrane. In this study, the humidification experiment did about On/Off control the humidification and dew condensation for PEMFC by using of the membrane humidifiers. As the results, it was possible to approximation control of the humidity by using of the solenoid valve On/Off control on the membrane humidifier. Also the problem on the dew condensation was resolved by approximation humidity control through solenoid valve On/Off control and the removal of the dew condensation in the flow channel was verified through visualization experiment.
Seo, Jae-Seok;Son, Dong-Min;Lee, Han-Na;Kim, Jee-Kwang;Kim, You-Hyuk
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.30
no.11
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pp.2651-2654
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2009
In borohydride-protected nanosilvers in laponite sol, the silver particles aggregate to form short chains and a dumbbell shape. The $^{1}H$ NMR measurements in this study represent, to our knowledge, the first observation of proton resonances of borohydride-protected nanosilvers in aqueous solution. Borohydride on nanosilver can be exchanged with 11-mercaptoundecanoic acid (MUA) or trioctylphosphine (TOP). Transmission electron microscopy and UV-Vis spectroscopy data show that the number of aggregated silver nanoparticles decreases upon addition of aforementioned ligands due to the formation of silver MPCs (monolayer-protected clusters). Adsorption of MUA or TOP on nanosilver is confirmed through the observation of broad proton resonances of MPCs in $^{1}H$ NMR spectra.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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