• 공업화학
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• 제33권6호
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• pp.646-652
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• 2022

Dead ended anode (DEA) 시스템은 수소극(anode) 출구를 막고 압력으로 연료를 공급하는 방식이다. DEA 방식은 시스템 단순화를 통해 연료이용효율과 전력 효율을 향상시킬 수 있다. 하지만 DEA 운전 중 공기극(cathode)에서 수소극으로 질소와 물의 역확산으로 인한 범람(flooding)이 발생한다. 이러한 범람 현상은 연료전지 성능 저하와 전극 열화의 주요 요인이 된다. 따라서 DEA 운전 시 범람을 방지하기 위하여 연료전지 구조와 구성요소가 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 DEA 시스템에서 연료전지의 성능과 연료이용효율 향상을 위해 발포 금속을 적용한 다공성 유로에 대한 영향을 조사하였다. 그 결과, 공기극에 다공성 유로를 사용한 경우 효과적인 물 관리로 연료전지 성능과 배출 간격(purge interval)이 개선되었고, 이를 통하여 공기극 유로 구조가 물 역확산에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이에 반해 수소극의 다공성 유로가 연료전지 성능에 미치는 영향은 미미하였다. DEA 시스템에서는 발포 금속 물성이 배출 간격에 영향을 미치며 cell 크기가 큰 발포 금속에서 안정적인 성능을 나타내었다.

• 공업화학
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• 제28권1호
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• pp.118-124
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• 2017

공랭식 고분자전해질 연료전지는 개방된 cathode구조로 인하여 시스템의 단순화와 부품 수 저감의 장점이 있다. 공랭식 연료전지는 최근에 많이 연구되고 있지만, 성능이 외부 환경에 영향을 받으며, 공기의 상대습도가 낮은 경우 전해질막의 건조로 인한 성능 감소가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 공랭식 연료전지의 성능에 영향을 주는 요인인 cathode 측 공기 유량과 anode 측 purge interval영향에 대해 분석하였으며, 스택을 운전하지 않는 상태로 장기간 보관하는 것이 성능에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 연료전지 외부에 설치한 fan의 전압을 조절하면 cathode 측 공기의 공급유량을 변화시킬 수 있고 스택의 온도도 제어할 수 있으므로, fan전압은 공랭식 연료전지의 성능에 영향을 주는 중요한 인자이다. 연료전지 시스템을 단순화하고 수소의 사용률을 높이기 위하여 anode 측은 dead ended anode (DEA) 기법을 사용하였다. 주기적인 purge를 실행하여 생성된 물과 가스를 배출하였으며, purge 주기를 변경하면서 스택의 성능에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 스택의 보관기간이 길어질수록 membrane dehydration으로 인해 성능이 감소하는 것을 실험을 통해 파악하였고, 단시간에 성능을 회복할 수 있는 기법을 제시하였다.

• 공업화학
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• 제30권6호
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• pp.687-693
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• 2019

수소전기차와 발전을 시작으로 수소연료전지 시장이 성장하면서 연료전지와 수소의 수요가 증가하고 있으므로, 조기 상용화와 시장 활성화를 위하여 연료전지의 내구성과 연료 이용효율에 관한 연구가 진행되어야 한다. 본 연구에서는 연료전지의 성능과 연료 이용효율을 최적화하기 위하여 양극 닫힌계의 운전조건에 대한 연구를 수행하였다. 부하 전류에 대한 배출 조건과 수소 공급 압력이 고분자전해질 연료전지의 성능에 미치는 영향에 대하여 평가하였고, 전해질막 두께에 대한 물의 역확산 영향을 분석하였다. 양극 닫힌계에서 수소극에 쌓인 물은 연료전지 전압이 3% 감소한 경우에 솔레노이드 밸브를 열어 배출하였다. 수소 공급 압력은 0.1~0.5 bar, 배출 시간은 0.1~1 s까지 변화시키면서 실험을 수행하였다. NR 211 (25.4 um) 전해질막의 경우 0.1 bar의 수소 공급 압력과 0.1 s 배출 시간 조건에서 수소 이용효율 98.9%의 가장 높은 연료 이용효율을 보였지만 잦은 flooding으로 인하여 장시간 운전 시 연료전지의 성능이 감소하였다. 이에 반해 NR 212 (50.8 um)의 전해질막에서 생성된 물과 질소의 역확산 속도를 늦추어 배출 간격을 늘리고 연료 이용효율을 높일 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권4호
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• pp.531-538
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• 2019

고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 성능이 개선됨에 따라 생성물인 물과 열의 발생이 증가하고 이를 처리하기 위한 관리기법이 중요해지고 있다. 본 연구에서는 물 관리 기법으로 수소 재순환을 적용하였고, 수소 재순환 유량(flow rate)과 퍼지 간격(purge interval) 및 지속 시간(duration)이 연료전지의 성능에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. Purge 조건의 영향을 해석하기 위하여 수소극의 압력, 연료의 습도, 운전 간의 연료 이용 효율과 물 배출 양을 측정하였다. 수소 재순환 유량이 증가할수록 수소극 출구의 압력 저하로 인하여 스택 성능이 낮아졌다. Purge 조건에 따라서 물을 효과적으로 배출하지 못해 순간적인 전압 강하가 발생하거나 혹은 잦은 purge로 인해 수소극의 습도를 유지하지 못하여 성능이 점차적으로 감소하는 것을 확인하였다. Purge 조건 실험을 통하여 수소극의 습도를 유지하고 응축된 물을 충분히 배출할 수 있는 purge interval과 duration을 선정하였고, 이를 통하여 스택의 성능과 연료 이용 효율을 향상시킬 수 있었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제26권2호
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• pp.136-147
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• 2015

Dead-ended operation of Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC) provides the simplification of fuel cell systems to reduce fuel consumption and weight of fuel cell. However, the water accumulation within the channel prohibits a uniform supply of fuel. Optimization of the purge strategy is required to increase the fuel cell efficiency since fuel and water are removed during the purge process. In this study, we investigated the average voltage output which depends on two interrelated conditions, namely, the supply gas pressure, purging valve open time. In addition, flow visualization was performed to better understand the water build-up on the anode side and cathode side of PEMFC in terms of a variety of the current density. We analyzed the correlation between the purge condition and water flooding.