Proton exchange membrane (PEM) should be sufficiently hydrated with proper water management to maintain a good ionic conductivity and performance of a PEM fuel cell. However. cathode flooding resulting from excess water can impede the transport of reactants and hence deteriorate the fuel cell performance. For the PEM fuel cell to be commercially viable as vehicle or portable applications, the flooding on the cathode side should be minimized during the fuel cell operation. In this study, visualization technique was applied to understand the cathode flooding phenomena on the cathode side of a PEM fuel cell. To this end. a transparent PEM unit fuel cell wi th an act ive area of $25cm^2$ was designed and manufactured to allow for the visualization of cathode channel with performance characteristics. Two-phase flow resulting from the electro-chemical reaction of fuel cell was investigated experimentally. The images photographed by CCD camera with cell operating temperatures $(30\~50^{\circ}C)$ were presented. Results indicated that the flooding on the cathode side first occurs near the exit of cathode channel. As the operating temperature of fuel cell increases. it was found that liquid water droplets tend to evaporate easily and it can have an influence on lowering the flooding level. It is expected that this study can effectively contribute to the detailed researches on modeling water transport of an operating PEM fuel cell including two-phase flow phenomena.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.10
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pp.831-835
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2008
We present a continuous electrical cell lysis chip, using a DC bias voltage to generate the focused high electric field for cell lysis as well as the electroosmotic flow for cell transport. The previous cell lysis chips apply an AC voltage between micro-gap electrodes for cell lysis and use pumps or valves for cell transport. The present DC chip generates high electrical field by reducing the width of the channel between a DC electrode pair, while the previous AC chips reducing the gap between an AC electrode pair. The present chip performs continuous cell pumping without using additional flow source, while the previous chips need additional pumps or valves for the discontinuous cell loading and unloading in the lysis chambers. The experimental study features an orifice whose width and length is 20 times narrower and 175 times shorter than the width and length of a microchannel. With an operational voltage of 50 V, the present chip generates high electric field strength of 1.2 kV/cm at the orifice to disrupt cells with 100% lysis rate of Red Blood Cells and low electric field strength of 60 V/cm at the microchannel to generate an electroosmotic flow of $30{\mu}m/s{\pm}9{\mu}m/s$. In conclusion, the present chip is capable of continuous self-pumping cell lysis at a low voltage; thus, it is suitable for a sample pretreatment component of a micro total analysis system or lab-on-a-chip.
Highly open porous polymer matrices are required for high density cell seeding, efficient nutrient, and oxygen supply to the cells cultured in the three dimensional matrices. However, there are severe problems of mass transfer limitations within the cell/scaffolds culture system. Thus we hypothesize that continuos-flow culture conditioning of cells with the scaffolds may improve the cell viability and the differentiated function. In this study, we fabricated porous PLGA scaffolds by using gas-foaming/salt-leaching method as previous described. Viscous PLGA gel paste contains ammonium bicarbonate particulates, acting as a gas-foaming agent as well as a salt-leaching porogen, were cast into Teflon mold and dried. Ammonium bicarbonate salt upon contact to an acidic aqueous solution evloves gaseous ammonia and carbon dioxide by itself. And we conjugated galactose moiety [AGA; $N-(aminobuty1)-O-{\beta}-D-galactopyranosyl-(1{\rightarrow}4)-D-glucoamide]$ to the terminal end group of a PLGA to increase the cell adhesion and matain the differentiated function of hepatocytes. Cell-seeded scaffolds were secured in a flow bioreactor chamber and exposed to continuous flow at 5 ml/min. As a result of our study, the high yield of hepatocytes attachment was accomplished by increasing the concentration of PLGA-AGA conjugate in polymer scaffolds and cells in the scaffolds under continuos flow condition maintained a high level of viability and albumin secretion rate of cultured hepatocytes showed a higher level that of control groups.
The purpose of this study was to determine optimum condition of Pavlova lutheri and Phaeodactylum tricornutum. Detailed studies were carried out on the effects of various wavelengths of light-emitting diodes (LEDs), light intensities and air flow rations. For the Pa. lutheri, cell growth rates and maximum cell concentrations were similar regardless of wavelengths and air flow rates. Among the different light intensities, cell concentration increased when light intensity of red LED increased. For Ph. tricornutum, red LED was found to be the most effective light source, and light intensity of 3,100 Lux resulted in the most effective for the cultivation of Ph. tricornutum. Different air flow rates were tested to overcome shading effects due to denser cell concentration in the solution. Aeration of 0.8 vvm was determined to be the optimum aeration rate for the cultivation of Ph. tricornutum. Especially, five and two times greater cell concentrations of Pa. lutheri and Ph. tricornutum, respectively, were observed when air was applied.
In this paper, experiments of air-breathing proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) for mobile devices were carried out according to the cathode conditions. These conditions are defined by the cathode flow field plate type (the channel type, the open type) and the cathode surface direction. Single cell and 6-cell stack were used in this experiments. The experimental results showed that the open type cathode flow field plate gave better performance for small size PEMFCs because the open type cathode plate allowed better air convection than the channel type cathode plate. In the experiments related to the direction of the slits on the cathode flow field plate, the horizontal slit cell was better than the vertical slit cell. With respect to the cathode surface direction, when the cathode surface is placed in the direction normal to the ground, PEMFC generated more stable power in the mass transport loss region.
This paper presents a cell formation approach for a cellular manufacturing system to minimize the inter-cell moves considering operation sequences. Two new factors are introduced: (1)flow-similarity(FS) for integrating direct/indirect inter-machine flow and similarity (2)machine cell-part moves (CPM) for exactly computing inter-cell moves. FS is used for combining machines and CPM is used for assigning the parts to the preliminary machine cells. In addition, we develop an aggregated heuristic algorithm to form manufacturing machine cells and assign the parts to those cells based on these concepts. We use performance criterion called total inter-cell moves(TICM), which is the total material flow between internal cells and external cells. Results of computational tests on a number of randomly generated test problems show that the suggested heuristic is superior to existing methods.
The decanter is very useful to harvest biomass from plant cell cultures in large-scale process. It is very important to obtain high yield and low moisture content in recovered biomass so as to minimize solvent usage in subsequent extraction steps. Effluent clarity was also affected by the differential speed although this affect was more dramatic at higher flow rates than at lower flow rates. Moisure content was largely unaffected by flow rate. A decrease in moisture content was evident as differential speed decreased.
The performance of fuel cell is enhanced with increasing reaction surface. Narrow flow channels in flow plate cause increased pumping power. Therefore it is very important to consider the pressure drops in the flow channel of fuel cell. Previous research for pressure drop for micro channel of fuel cell was focused on effects of various configuration of flow channel without electrochemical reaction. It is very important to know pressure loss of micro flow channel with electrochemical reaction because fluid density in micro channel is changed due to chemical reaction. In this paper, it is investigated that the pressure drops in micro channel of various geometries at anode and cathode with electrochemical reaction and compared them to friction coefficient (fRe), velocity, pressure losses for corresponding non reacting flow channel. The results show that friction factors for cold flow channel could be used for parallel and bended flow channel for flow channel design of fuel cell. In the other hand, pressure drop for serpentine flow channel is the lowest among flow channels due to bypass flow across gas diffusion layer under reacting flow condition although its pressure drop is highest for cold flow condition.
An analysis procedure for the MCFC channel flow has been developed to predict the fuel cell performance. As for the electrochemical reaction, among several chemical reaction models, one that fits the data best is adopted after a comprehensive comparative study. The Wavier-Stokes, energy, and species equations are solved to obtain the velocity, temperature and concentration fields for a specified average current density. The procedure is iterative as the local current density, or the reaction rate, is allowed to vary with the gas composition. A series of calculations are then carried out to examine the effects of gas flow rate, gas composition, gas usage rate, inlet gas temperature, and average current density on the fuel cell performance. The fuel cell characteristics, such as the temperature, current density distributions, and the concentration fields, for various operating conditions are presented and discussed.
In a fuel cell vehicle using polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC), hydrogen is over-supplied to gain higher stack efficiency. So it is needed considering fuel efficiency to re-circulate hydrogen which is not reacted in stack. And to re-circulate hydrogen, a blower or an ejector is used. Ejector re-circulation system has several merits compared with blower system, for example no parasite energy, simple structure and no lubrication system. But the secondary flow of an ejector in fuel cell vehicle, has high humidity because of crossover problem in stack. Therefore in this paper, ejector is designed by 1-D modeling and CFD with the primary and secondary flow of hydrogen. And the ejector which has the primary and secondary flow of air, is designed to have the same Reynolds number and Mach number at the nozzle exit as the hydrogen ejector's. And this air ejector is tested while the humidity of the secondary flow is varied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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