소형 이송형 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)에 많이 사용되는 cathode 개방형 PEMFC 스택은 내구성이 약한 문제점이 있다. 13개의 셀로 이루어진 PEMFC 스택의 가속 내구성 평가를 통해 스택의 열화 원인을 찾고 cathode 개방형 스택의 내구성 향상에 기여하고자 하였다. Cathode가 대기에 개방되어 있고, 기밀 유지가 어려운 cathode 개방형 스택의 구조적 문제점 때문에 시동/정지 (SU/SD)시 수소/공기 경계가 형성되어 cathode를 열화시킨다. 본 연구에서는 cathode 개방형 스택에 SU/SD 1,800회 반복 후 초기 성능의 54%가 감소하여 비교적 짧은 시간에 내구성을 평가할 수 있었다. 스택 해체 후 각 셀을 2등분하여 성능분석하였다. 전체적으로 공기 유입이 용이한 anode 출구부 MEA가 유입부 MEA보다 전극 열화가 더 심해서 SU/SD시 수소/공기 경계 형성이 주요 열화 원인임을 확인했다.
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.
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.
In this paper, experiments with an air-breathing proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) for mobile devices were carried out according to 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 the experiments. The experimental results showed that the open-type cathode flow field plate gave a better performance than the small channel type. 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 one. With respect to the cathode surface direction, when the cathode surface is placed in the direction normal to the ground, the PEMFC generated more stable power in the mass transport loss region. Since stable power in the mass transport region is closely related to the air supply, computational fluid dynamics (CFD) analysis for air-breathing PEMFC of different cathode surface directions was performed.
Temperature and humidity regulations of an open-cathode PEM fuel cell with balance of plant (BOP) are developed in this study. The axial fan, a bubble humidifier, set of solenoid valves and a controller are used to perform temperature and humidity control simultaneously. A fuzzy controller is designed, and it shows its superiority in real-time controlling for strong non-linear dynamical fuel cell system. The axial fan speed is used for temperature control and solenoid valve on/off signal of the bubble humidifier is used for humidity control. The axial fan speed is controlled to keep the fuel cell temperature within the desired point. Meanwhile, the bubble humidifier is utilized to moisture hydrogen to manage the water content of membrane. The results show that the proposed fuzzy controller effectively increases the output power of 10% for a PEM fuel cell.
The electrical characteristics of galvanic cell which is composed of the cathode electrode(graphite, carbon and copper) and the anode electrode(Zn and Mg) were investigated. For this research as electrolyte 2~12 wt% NaCl aqueous solution were used. At graphite cathode electrodes which use Zn and Mg with the anode electrode, the open circuit voltage was 1.3V most highly. The maximum output power increased as the electrolyte concentration increased, due to a increase in ion density. When Zn and Mg with the anode electrode, the maximum output power respectively was evaluated as 2.2mW and 5.5mW about the graphite cathode electrode in the NaCl 4wt%. The research results indicated that the output power of cell which is composed with graphite with the cathode and Mg with the anode was most excellent and the efficiency of the cell could be enhanced by increasing the electrolyte concentration.
In order to improve applicability of a microbial fuel cell the laboratory-scaled study has been performed by adopting an air-cathode MFC system with high concentrated anaerobic slugies in this study. The concentrations of microbes are grouped into three types, Type A (TS 1.7%), Type B (TS 1.1%) and Type C (TS 0.51%). The open circuit voltage $(V_{oc})$ characteristics showed that the medium microbes concentration of 1.10% (Type B) kept a constant voltage of 1.0 V for 150 hours, which showed the longest time among three types (Type A and Type C). The discharge charge curves for a closed circuit with $500 \Omega$ also showed that Type B generated a stable discharge voltage of 0.8 V for a longer time as in the open circuit voltage case. This could be explained by the relatively large amount of the attached microbes. Under the $V_{oc}$condition the COD removal efficiency of Type B was found to be low for a long time, but those of Type A and C were found to be high for a short period of time. Therefore, the suspended microbes could decrease the coulombic efficiency. It was concluded that the high $V_{oc}$ was caused by low COD and the $V_{oc}$ became low after the COD removal. The COD reduction resulted in an unstable and low working voltage. From the polarization characteristics Type A was found to show the highest power density of $193\;mW/m^2$ with a fill factor of 0.127 due to the relatively high remaining COD even after the MFC reaction.
Water solubility of conjugated polymers may offer many applications. Potential applications of water-soluble conjugated polymers include the polymer light-emitting diode and new materials for nano and micro hollow-capsules, and bio- or chemo-sensors. We synthesized neutral polyfluorenes containing bromo-alkyl groups by the palladium catalyzed Suzuki coupling reaction. Bromo-alkyl side groups in neutral polyfluorenes were quaternized by tri-methyl amine solution. The electrochemical and optical properties of water-soluble conjugated polymers are discussed. This novel synthesized water-soluble conjugated polymers were used as a interfacial dipole layer between active layer and metal cathode in polymer solar cell for enhancement of open-circuit voltage (Voc), which is one of the most critical factors in determining device characteristics. We also investigated the device performance of polymer solar cell with different metal cathode such as Al, Ag, Au and Cu. In polymer solar cell, novel cationic water-soluble conjugated polymers were inserted between active layer and high-work function cathode (Al, Ag, Au and Cu).
In this study, magnesium (Mg), zinc (Zn) and aluminium (Al) as anode electrode and the solution of NaCl dissolved with 2~20 wt% as electrolytes were used for the metal-air cell. The open circuit voltage, short circuit current and I-V characteristics upon different kinds of anode electrode and electrolyte concentration were investigated. The open circuit voltage, initially about 1.45 V, rises to 1.6 V during the first 10 minutes indicating the necessity of an induction time to activate the catalyst on the air cathode. The short circuit current increases with an increased concentration of NaCl, causes an increase in the conductivity of the electrolyte solution, but the open circuit voltage did not under undergo influence of electrolyte. From NaCl 20 wt% electrolyte, the maximum output power of the magnesium electrode materials was measured with 177mW. It is found that the power characteristics of metal-air cell could be improved by using magnesium electrode materials in the NaCl electrolyte.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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