• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• v.39 no.4
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• pp.374-380
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• 2015

In this paper, a dynamic model describing the 2 phase effect on the gas diffusion layer depending on load change of a fuel cell stack was developed to examine the effects of liquid water in fuel cell cathode gas diffusion layer on the fuel cell performance. For the developed model, 2 phase effect on the performance of a fuel cell stack depending on the load changes, concentration distribution of water vapor and oxygen inside a gas diffusion layer, the effect of the thickness and porosity of the gas diffusion layer on the fuel cell stack voltage were examined. As a result, a fuel cell stack voltage for the 2 phase model within the scope of the research become lower than that for the 1 phase model regardless of the load. Although oxygen molar concentration for the gas diffusion layer adjacent to the catalyst layer was the lowest, water vapor concentration is the highest. In addition, as thickness and porosity of the gas diffusion layer increased and decreased, respectively, the fuel cell stack voltage decreased.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.190-190
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• 2000

침질탄화처리는 표면경화처리의 화학열처리 종류로서 지난 수 십년동안 많이 사용된 방법이며 값싼 철강재료 즉 보통탄소강, 저합금강 등에 내마모성, 내부식성 및 내피로성 향상에 사용되어 왔다. 그리고 자동차 부품, 기계류 부품, 공업용 공구 등에 적용할 수 있으며 염욕 및 가스를 매체로 사용한다. 침질 탄화처리는 질소와 탄소가 동시에 철재료로 확산 침투하여 최표면에 탄질화물의 화합물층을 형성하고 화합물층 아래에 확산층을 형성하는데 일반적으로 화합물층이 단상의 $\varepsilon$화합물일 때 내마모성과 내부식성을 확산층이 내피로성질을 향상시킨다. 이러한 염욕과 가스 침질탄화 처리에도 불구하고 플라즈마 화학열처리는 가스방법에 비해 현저하게 가스 소모량이 적고 에너지 효율이 높으며 현제 문제시되는 환경오염이 전혀 없기 때문에 크게 각광받고 있다. 현재 플라즈마 침진탄화처리에 많은 연구를 하였음에도 불구하고 단상의 $\varepsilon$화합물층을 형성시키는 어려운 문제점으로 남아 있으며 대부분의 화합물층은 최표면의 $\varepsilon$상과 ${\gamma}$'상으로 구성되어 있고 이러한 혼합상의 화합물층은 $\varepsilon$상과 ${\gamma}$'상의 방위가 서로 불일치하기 때문에 마모시에 미소크랙을 유발시켜 내마모성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 CH4 가스를 사용하여 내마모성과 내부식성을 향상시키는 단상의 $\varepsilon$화합물층 생성가능성을 고찰하고자 하였다. 침진탄화 처리시간을 변화시켰을 때 화합물층의 생성은 ${\gamma}$'상으로부터 시작되고 $\varepsilon$상은 즉시 ${\gamma}$'상을 소모하면서 생성되어 일정시간이 지난 후 $\varepsilon$상은 안정화되며 질소가스농도가 증가할수록 화합물 층내의 $\varepsilon$상분율은 역시 증가하였다. 한편 CH4 가스농도는 처리되는 강종에 따라 차이를 보이며 적정 CH4 가스농도를 초과시에는 $\varepsilon$상 생성은 억제되고 시멘타이트상이 생성되었다.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.28 no.6
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• pp.691-695
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• 2017

Optimization study was carried out to improve the durability of the gas diffusion layer (GDL) in alkaline fuel cell cathode by the use of highly stable PDMS superhydrophobic coating. Two different commercial GDLs were selected as substrates. Coating temperature and viscosity of PDMS were controlled for the stability of structure in microporous layer of GDL as well as uniform coating according to thermal characteristics of GDL. Regardless of PDMS viscosity, highly stable superhydrophobicities were obtained with both GDLs at $200^{\circ}C$. After the accelerated test, however, 28BC GDL coated with 1000 CS PDMS showed the best durability with the lowest loss of superhydrophobicity.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2015.05a
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• pp.96-97
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• 2015

확산을 이용한 표면 개질법인 Thermo-Reactive Diffusion(TRD) 기술 기반 2단 표면처리를 통해 고경도의 Nb(C,N) 코팅층을 고탄소 베어링강인 JIS-SUJ2강에 형성시켰다. 2단 표면처리는 암모니아 가스 질화와 분말 확산 코팅법으로 구성된 2step 열처리이다. 본 연구에서는 가스질화 화합물층의 두께가 코팅층 성장 거동에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해서 $550^{\circ}C$에서 3, 6시간 암모니아 가스 분위기에서 가스질화를 실시하고, $900^{\circ}C$에서 3시간 분말 확산법을 통해 표면 코팅층을 형성하였다. 생성된 코팅층의 형상과 두께 측정을 광학현미경(OM) 과 주자전자현미경(SEM)을 통해 한 결과, 가스 질화는 약 10uu와 16um, 최종 코팅층은 약 정도 생성이 되었음을 확인하였다. 코팅층의 성분 분석은, EDS, FE-EPMA, XPS 분석을 통해서 실시하였다. EDS와 FE-EPMA 원소 mapping을 통해 모재에 비해 높은 농도의 Nb, C 그리고 N이 코팅층 내부에 존재함을 확인하였다. XPS분석의 결합에너지 peak를 통해 NbC, NbN 그리고 Nb-oxide가 생성이 되었음을 분석하였다. 생성된 코팅층의 경도는 low mode에서 10회 측정한 후 평균값을 내었고, 각각 Hv이었다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.40 no.11
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• pp.689-695
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• 2016

The performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is strongly related to the water flow and accumulation in the gas diffusion layer (GDL) and catalyst layer. Understanding the behavior of fluid from the characteristics of the media is crucial for the improvement of the performance and design of the GDL. In this paper, a numerical method is proposed to calculate the design parameters of the GDL, i.e., permeability, tortuosity, and effective diffusivity. The fluid flow in a channel filled with randomly packed hard spheres is simulated to validate the method. The flow simulation was performed by lattice Boltzmann method with bounce back condition for the solid volume fraction in the porous media, with different values of porosities. Permeability, which affects the flow, was calculated from the average pressure drop and the velocity in the porous media. Tortuosity, calculated by the ratio the average path length of the randomly injected massless particles to the thickness of the porous media, and the resultant effective diffusivity were in good agreement with the theoretical model. The suggested method can be used to calculate the parameters of real GDL accurately without any modification.

• Composites Research
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• v.37 no.1
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• pp.40-45
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• 2024

In this research, we introduce a novel approach that employs a 3D convolutional neural network (CNN) model to predict the permeability of Gas Diffusion Layers (GDLs). For training the model, we create an artificial dataset of GDL representative volume elements (RVEs) by extracting morphological characteristics from actual GDL images obtained through X-ray tomography. These morphological attributes involve statistical distributions of porosity, fiber orientation, and diameter. Subsequently, a permeability analysis using the Lattice Boltzmann Method (LBM) is conducted on a collection of 10,800 RVEs. The 3D CNN model, trained on this artificial dataset, well predicts the permeability of actual GDLs.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.36 no.6
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• pp.579-582
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• 2012

Removing residual water in a fuel cell is a critical operational process for managing its performance and controlling its lifetime. Understanding the mechanism of water transport in fuel cells is essential for the design of the water removal process. In this study, an experimental method for measuring the water evaporation rate through a gas diffusion layer, which is a porous medium, under steady-state conditions was developed. Experimental bench tests were conducted to apply the developed method. Then, the effects of various parameters of the drying gas and the gas diffusion layer were experimentally measured. The water evaporation rate increased as the humidity of the drying gas decreased and the flow rate of the drying gas increased. In addition, a thinner gas diffusion layer yielded a higher water evaporation rate.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.17 no.3
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• pp.347-352
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• 2006

분자전해질연료전지 내의 다공성 기체확산층은 반응가스의 확산과 전자이동통로의 역할을 수행할 뿐만 아니라 전기화학반응에 의해 공기극에서 생성된 수분(기상 혹은 액상)을 반응면으로부터 분리판 채널 방향으로 이동시켜 배출시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 물관리를 통한 성능향상을 위해서는 기체 확산층의 구조 및 재료특성에 대한 심도 릴은 연구가 필요하다. 실제 단위전지 체결시 기체확산층은 분리판의 리브(rib)에 의해 눌리게 되며, 그 부분의 기공 크기 분포의 변화를 야기한다. 또한 리브 전단부분에서 탄소 섬유가 손상을 입으며, 탄소 섬유를 감싸고 있는 PTFE coating이 벗겨지게 되어 표면화학적 특성이 달라진다. 본 연구에서는 단위전지 체결 시 분리판에 의해 눌리는 기체확산층의 기공 크기 분포 변화를 측정하였으며, 기공의 소수성에서 친수성으로의 변화를 알아보았다. Mercury 기공 측정기와 PMI 기공 측정기는 큰 기공 분포의 변화에, 질소의 흡/탈착을 이용한 BET 방식은 작은 크기의 기공 분포 변화 관찰에 사용되었다. 체결압에 의한 탄소섬유의 구조적 변화와 아울러 표면의 습윤 정도의 변화를 XPS와 물/알콜 Uptake를 이용해 알아보았다. 이 연구를 바탕으로 물관리를 통한 연료전지 성능 향상을 위한 최적 GDL 선정에 기반이 되는 자료를 도출하였다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.36 no.2
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• pp.161-170
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• 2012

There are many factors to consider when attempting to improve the efficiency of fuel cell operation, such as the operation temperature, humidity, stoichiometry, operation pressure, geometric features, etc. In this paper, the effects of the operation pressure were investigated to find the current density and water saturation behavior on a cross section designated by the design geometry. A two-dimensional geometric model was established with a gas channel that can provide $H_2$ to the anode and $O_2$ and water vapor to the cathode gas diffusion layer (GDL). The results from this numerical modeling revealed that higher operation pressures would produce a higher current density than lower ones, and the water saturation behavior was different at operation pressures of 2 atm and 3 atm in the cathode GDL. In particular, the water saturation ratios are higher directly below the collector than in other areas. In addition, this paper presents the dependence of the velocity behavior in the cathode on pressure changes, and the velocity fluctuations through the GDL are higher in the output area than in inlet area. This conclusion will be utilized to design more efficient fuel cell modeling of real fuel cell operation.

• Journal of the Korean Institute of Gas
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• v.21 no.2
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• pp.50-57
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• 2017

Shale gas reservoir are composed of very fine grained particles, and their pores are very small, at the scale of nanometers. In this study, a parametric study was implemented to investigate the effect of knudsen diffusion, relative permeability and permeability reduction in shale gas reservoir. Shale gas reservoir model in Horn-River was developed to confirm the productivity for different design parameters such as diffusion, relative permeability, connate water saturation, and permeability reduction.