Seonyeob Kim;Ji Eon Chae;Jiseon Choi;Sunyeop Lee;Cheolwoong Park
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.27
no.3
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pp.41-51
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2023
As abnormal climatic event occur frequently due to global warming, many nations have proclaimed their commitment to achieving carbon neutrality and are actively pursuing a transition toward a hydrogen economy. At this time, ammonia has garnered significant attention not only as a high-capacity hydrogen carrier but also as a promising candidate as a carbon-free fuel. In particular, anion exchange membrane fuel cells offer the advantage of directly supplying ammonia to the fuel cell, eliminating the necessity for separate ammonia decomposition or hydrogen purification. Therefore, in this study, the operation principle and research trend of the anion exchange membrane fuel cell are reviewed, and several research using ammonia as a fuel in anion exchange membrane fuel cell are also investigated.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The hydrogen yield of sodium borohydride hydrolysis reaction was studied. The effect of temperature, $NaBH_4$ concentration, NaOH concentration and catalyst type on the hydrogen yield from $NaBH_4$ hydrolysis reaction were measured. The catalysts of Co-P/Cu, Co-B/Cu and Co-P-B/Cu were used in this study and there was no different effect of these catalysts on the hydrogen yield from $NaBH_4$. Under the temperature of $60^{\circ}C$, the hydrogen yield decreased as $NaBH_4$ concentration increased due to formation of gel with by-products and reactants. The gel formed during $NaBH_4$ hydrolysis reaction diminished the hydrogen evolution rate and total volume of hydrogen. Addition of NaOH stabilizer enhanced the formation of gel and then decreased the hydrogen yield.
The growing concerns on environmental protection have been constantly demanding cleaner and more energy efficient vehicles without compromising any conveniences provided by the conventional vehicles. The recent significant advances in proton-exchange-membrane (PEM) fuel cell technology have shown the possibility of developing such vehicles powered by fuel cells. Several prototype fuel cell electric vehicles (FCEV) have been already developed by several major automotive manufactures, and all of the favorable features have been demonstrated in the public roads. FCEV is essentially a zero emission vehicle and allows to overcome the range limitation of the current battery electric vehicles. Being motivated by the laboratory and field demonstrations of the fuel cell technologies, variety of fuel cell alliances between fuel cell developers, automotive manufactures, petroleum companies and government agencies have been formed to expedite the realization of commercially viable FCEV. However, there still remain major issues that need to be overcome before it can be fully accepted by consumers. This paper describes the current fuel cell vehicle development status and the staggering challenges for the successful introduction of consumer acceptable FCEVS.
General polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) operates at less than $80^{\circ}C$. Therefore liquid phase water resulting from electrochemical reaction accumulates and floods the cell which in turn increases the mass transfer loss. To prevent the flooding, it is common to employ serpentine flow channel, which can efficiently export liquid phase water to the outlet. The major drawback of utilizing serpentine flow channel is the large pressure drop that happens between the inlet and outlet. On the other hand, in the high temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEMFC), since the operating temperature is 130 to $180^{\circ}C$, the generated water is in the state of gas, so the flooding phenomenon is not taken into consideration. In HT-PEMFCs parallel flow channel with lower pressure drop between the inlet and outlet is employed therefore, in order to circulate hydrogen and air in the cell less pumping power is required. In this study we analyzed HT-PEMFC's different flow channels by parallel computation using previously developed 3-D isothermal model. All the flow channels had an active area of $25cm^2$. Also, we numerically compared the performance of HT-PEMFC parallel flow channel with different manifold area and Rib interval against the original serpentine flow channel. Results of the analysis are shown in the form of three-dimensional contour polarization curves, flow characteristics in the channel, current density distribution in the Membrane, overpotential distribution in the catalyst layer, and hydrogen and oxygen concentration distribution. As a result, the performance of a real area fuel cell was predicted.
In this work, preparation and characterizations of hybrid membranes containing sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPES) and sulfonated poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (SPVdF-co-HFP) (20, 30 or 40 wt%) were carried out. The structure of hybrid membranes was confirmed using X-ray diffraction (XRD) analysis and the Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The prepared SPAES/SPVdF-30 membrane exhibits higher ionic conductivity of 68.9 mS/cm at $90^{\circ}C$ and 100% RH. Besides, the other studies showed that the hybrid membrane has good oxidation stability, thermal stability, and mechanical stability. Thus, we believe that the prepared hybrid membrane is suitable for the development of membranes for fuel cell applications.
The activation of Mg-10 wt%$Fe_2O_3$ was completed after one hydriding-dehydriding cycle. Activated Mg-10 wt%$Fe_2O_3$ absorbed 5.54 wt% H for 60 min at 593 K under 12 bar $H_2$, and desorbed 1.04 wt% H for 60 min at 593 K under 1.0 bar $H_2$. The effect of the reactive grinding on the hydriding and dehydriding rates of Mg was weak. The reactive grinding of Mg with $Fe_2O_3$ is believed to increase the $H_2$-sorption rates by facilitating nucleation (by creating defects on the surface of the Mg particles and by the additive), by making cracks on the surface of Mg particles and reducing the particle size of Mg and thus by shortening the diffusion distances of hydrogen atoms. The added $Fe_2O_3$ and the $Fe_2O_3$ pulverized during mechanical grinding are considered to help the particles of magnesium become finer. Hydriding-dehydriding cycling is also considered to increase the $H_2$-sorption rates of Mg by creating defects and cracks and by reducing the particle size of Mg.
Mg-x wt% $Fe_2O_3-y$ wt% Ni samples were prepared by reactive mechanical grinding in a planetary ball mill, and their hydrogen-storage properties were investigated and compared. Activations of $Mg-5Fe_2O_3-5Ni$ was completed after one hydriding (under 12 bar $H_2$) - dehydriding (in vacuum) cycle at 593 K. At n = 2, $Mg-5Fe_2O_3-5Ni$ absorbed 3.43 wt% H for 5 min, 3.57 wt% H for 10 min, 3.76 wt% H for 20 min, and 3.98 wt% H for 60 min. Activated $Mg-10Fe_2O_3$ had the highest hydriding rate, absorbing 2.99 wt% H for 2.5 min, 4.86 wt% H for 10 min, and 5.54 wt% H for 60 min at 593 K under 12 bar $H_2$. Activated $Mg-10Fe_2O_3-5Ni$ had the highest dehydriding rate, desorbing 1.31 wt% H for 10 min, 2.91 wt% H for 30 min, and 3.83 wt% H for 60 min at 593 K under 1.0 bar $H_2$.
Development of hydrogen station system is an important technology to commercialize fuel cells and fuel cell powered vehicles. Generally, hydrogen station consists of hydrogen production process including desulfurizer, reformer, water gas shift (WGS) reactor and pressure swing adsorption (PSA) apparatus, and post-treatment process including compressor, storage and distributer. In this review, we investigate the R&D trends and prospects of hydrogen station in domestic and foreign countries for opening the hydrogen economy society. Indeed, the reforming of fossil fuels for hydrogen production will be essential technology until the ultimate process that may be water hydrolysis using renewable energy source such as solar energy, wind force etc, will be commercialized in the future. Hence, we also review the research trends on unit technologies such as the desulfurization, reforming reaction of fossil fuels, water gas shift reaction and hydrogen separation for hydrogen station applications.
In this study, successive coating and co-sintering techniques have been used to fabricate LSM/GDC based cathode supported direct carbon fuel cells. The porous LSM/GDC cathode substrate, dense, thin and crack free GDC and ScSZ layers as bi-layer electrolyte, and a porous Ni/ScSZ anode layer was obtained by co-firing at $1400^{\circ}C$. The porous structure of LSM/GDC cathode substrate, after sintering at $1400^{\circ}C$, was obtained due to the presence of GDC phase, which inhibits sintering of LSM because of its higher sintering temperature. The electrochemical characterization of assembled cell was carried out with air as an oxidant and carbon particles in molten carbonate as fuel. The measured open circuit voltages (OCVs) were obtained to be more than 0.99 V, independent of testing temperature. The peak power densities were 116, 195 and $225mWcm^{-2}$ at 750, 800 and $850^{\circ}C$, respectively.
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are currently being used in various transport applications such as drones, unmanned aerial vehicles, and automobiles. The power required is different according to the type of use, purpose, and the conditions adjusted using a cell stack. The fuel cell stack is compressed to reduce the size and prevent fuel leakage. The unit cells that make up the cell stack are subjected to compression by clamping force, which makes geometrical changes in the porous media and it impacts on cell performance. In this study, finite elements method (FEM) and computational fluid dynamics (CFD) analysis for the deformed unit cell considering the effects of clamping force is performed. First, structural analysis using the FEM technique over the deformed gas diffusion layer (GDL) considering compression is carried out, and the resulting porosity changed in the GDL is calculated. The PEMFC model is then verified by a three-dimensional, two-phase fuel cell simulation applying the physical properties and geometry obtained before and after compression. The detailed simulation results showed different concentration distributions of fuel between the original and deformed geometry, resulting in the difference in the distribution of current density is represented at compressed GDL region with low oxygen concentration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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