• Title/Summary/Keyword: 고온 고분자 전해질 연료전지

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An Optimal Design of Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell Process Using Commmercial Simulator (상용 모사기를 이용한 고체 고분자 전해질 연료전지 공정의 최적 설계)

  • 김성준;설용건;이태희
    • Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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    • 1993.05a
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    • pp.96-100
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    • 1993
  • 상용 모사기인 ASPEN PLUS를 이용하여 메탄올을 원료로 한 고체 고분자 전해질 연료전지 발전 시스템의 정상상태 전산 모사를 실시하여 최적의 설계를 시도하였다. 연료전지 본체의 모사를 위하여 USER block과 FORTRAN block을 작성하였으며, 다른 공정은 ASPEN PLUS에서 제공되는 모델을 사용하였다. 모사 결과, 실제 경우와 근사한 값을 얻었으며, 이를 근거로 하여 조업조건에 따른 출력의 변화를 살펴봄으로써 효율을 최대로 하는 각 단위공정의 최적 조업조건을 찾아내었다. 이로부터 향후 실용화될 국내의 고체 고분자 전해질 연료전지 발전 시스템에 대한 기본 자료를 제시할 수 있으며, 개발되는 공정은 고온으로 조작되는 개질기의 열을 효율적으로 회수하여 이용함으로써 공정의 에너지 효율을 높이도록 하여야 한다.

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Development of Polymer Electrolyte Membranes Using Dipole-dipole Interaction for Fuel Cell Applications (쌍극자-쌍극자 상호작용 형성을 이용한 향상된 기능의 연료전지용 고분자 전해질 막의 개발)

  • Won, Mihee;Kwon, Sohyun;Kim, Tae-Hyun
    • Journal of the Korean Chemical Society
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    • v.59 no.5
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    • pp.413-422
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    • 2015
  • Proton exchange membrane (PEM), which transfers proton from the anode to the cathode, is the key component of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Nafion is widely used as PEM due to its high proton conductivity as well as excellent chemical and physical stabilities. However, its high cost and the environmental hazards limit the commercial application in PEMFCs. To overcome these disadvantages, various alternative polymer electrolytes have been investigated for fuel cell applications. We used densely sulfonated polymers to maximize the ion conductivity of the corresponding membrane. To overcome high swelling, dipole-dipole interaction was used by introducing nitrile groups into the polymer backbone. As a result, physically-crosslinked membranes showed improved swelling ratio despite of high water uptake. All the membranes with different hydrophilic-hydrophobic compositions showed higher conductivity, despite their lower IEC, than that of Nafion-117.

A Study on Organic/Inorganic Composite Membrane for Low humidity and High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (저가습 고온 고분자 연료전지용 유-무기 복합막에 관한 연구)

  • Choi, Young-Woo;Kim, Mi-Nai;Lim, Sung-Dae;Park, Seok-Hee;Yoon, Young-Gi;Yang, Tae-Hyun;Kim, Chang-Soo;Nam, Ki-Sook
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • 2010.06a
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    • pp.135.1-135.1
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    • 2010
  • 최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 $100^{\circ}C$ 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion$^{(R)}$이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion$^{(R)}$은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-$ZrO_2$)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq $g^{-1}$), 수소이온전도도(s $cm^{-1}$) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 $ZrO_2$에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 $250^{\circ}C$이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. $100^{\circ}C$ 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-$ZrO_2$와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 $100^{\circ}C$ 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-$ZrO_2$/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역($120^{\circ}C$, $50RH{\downarrow}$)에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.

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Study on PEM-Fuel-Cell Humidification System Consisting of Membrane Humidifier and Exhaust Air Recirculation Units (막가습기와 공기극 재순환을 사용한 고분자 전해질 연료전지의 가습특성 해석)

  • Byun, Su-Young;Kim, Beom-Jun;Kim, Min-Soo
    • Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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    • v.35 no.4
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    • pp.337-344
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    • 2011
  • The humidification of reactant gases is crucial for efficiently operating PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell systems and for improving the durability of these systems. The recycle of the energy and water vapor of exhaust gas improves the system performance especially in the case of automotive application. The available humidification methods are steam injection, nozzle spray, humidification by enthalpy wheel, membrane humidifier, etc. However, these methods do not satisfy certain requirements such as compact design, efficient operation and control. In this study, a hybrid humidification system consisting of a membrane humidifier and exhaust-air recirculation units was developed and the humidification performance of this hybrid humidifier was analyzed. Finally, a new practical method for optimal design of PEM-fuel-cell humidification system is proposed.

Current Patents and Papers Research Trend of Fuel Cell Membrane (특허 및 논문 게재 분석을 통한 연료전지용 전해질막의 연구동향)

  • Woo, Chang Hwa
    • Membrane Journal
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    • v.26 no.6
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    • pp.407-420
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    • 2016
  • The fuel cell technology as a green energy source has been actively studied to solve energy shortages and pollution problems. The generating efficiency of fuel cell is high because the electricity is directly produced by using hydrogen and oxygen and the additional power generator is not needed. The key technology is the manufacturing process of polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system. The Nafion, perfluoro-based polymeric membrane is mainly used as a polymer electrolyte membrane. However, the Nafion is expensive and rapidly decreases the performance of Nafion at high temperature. So, many researchers are lively studying new alternative electrolyte membranes. In this review, through the technology competitiveness evaluation of patents and papers, the frequencies of presentation are filed by country, institution and company. In addition, polymer electrolyte membrane fuel cell, direct methanol fuel cell and alkaline fuel cell are also filed.

Numerical Study of Effects of Operating Conditions on the Performance of High Temperature PEMFC (작동 조건에 따른 고온 고분자 전해질 연료전지의 성능 변화에 대한 전산해석 연구)

  • Kim, Kyoung-Youn;Sohn, Young-Jun;Kim, Min-Jin;Yang, Tae-Hyun
    • Journal of the Korean Electrochemical Society
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    • v.13 no.4
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    • pp.283-289
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    • 2010
  • A two-dimensional isothermal model has been employed for numerical simulations of a high temperature hydrogen fuel cell with proton exchange membrane. The model is validated with existing experimental data and used for examination on the effects of various operating conditions on the fuel cell performance. The present numerical results show that the cell performance increases with increasing exchange current density, ion conductivity of the membrane, inlet gas flow rate as well as operating pressure. Also, higher porosity of gas diffusion layer (GDL) results in higher cell performance due to enhancement of the diffusion through the GDL, where the cathode GDL porosity more influences on the performance as compared with the anode one.

Numerical Study on the Cooling Characteristics of a Passive-Type PEMFC Stack (수동공기공급형 고분자 전해질 연료전지 스택에서의 냉각특성에 대한 전산해석 연구)

  • Lee, Jae-Hyuk;Kim, Bo-Sung;Lee, Yong-Taek;Kim, Yong-Chan
    • Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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    • v.34 no.8
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    • pp.767-774
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    • 2010
  • In a passive-type PEMFC stack, axial fans operate to supply both oxidant and coolant to cathode side of the stack. It is possible to make a simple system because the passive-type PEMFC stack does not require additional cooling equipment. However, the performance of a cooling system in which water is used as a coolant is better than that of the air-cooling system. To ensure system reliability, it is essential to make cooling system effective by adopting an optimal stack design. In this study, a numerical investigation has been carried out to identify an optimum cooling strategy. Various channel configurations were applied to the test section. The passive-type PEMFC was tested by varying airflow rate distribution at the cathode side and external heat transfer coefficient of the stack. The best cooling performance was achieved when a channel with thick ribs was used, and the overheating at the center of the stack was reduced when a case in which airflow was concentrated at the middle of the stack was used.

A New Preparation Method of Nafion/Mordenite Composite Membrane for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell above 100℃ Operation (100℃ 이상에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지용 나피온/Mordenite 복합체 막의 새로운 제조 방법)

  • 곽상희;양태현;김창수;윤기현
    • Journal of the Korean Ceramic Society
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    • v.40 no.2
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    • pp.159-166
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    • 2003
  • The preparation method for composite membranes of high temperature operation above $100^{\circ}C$ for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs ) was presented, using perfluorosulfonylfluoride Nafion resin and mordenite, in addition to the physical properties, proton conductivity and single cells performance for it. The composite membranes were fabricated via melting of Nafion resin with various mordenite content. As the increase of mordenite content, at high temperature range, proton conductivity of the composite membrane increased due to the late dehydration rate of existent water in the mordenite. Also, from the result of the current-voltage relationship for single cells under $130^{\circ}C$ operation condition, the composite membrane cell with l0 wt% mordenite content showed better performance than that of the others over the entire current density range. This result indicated that the existent water in the composite membrane with l0 wt% mordenite content was higher than that with the others, thereby maintains its conductivity. Based upon the results of experiments, therefore, a Nafion/mordenite composite membrane prepared by this work is thought to be a satisfactory polymer electrolyte membrane for PEMFC operation above $100^{\circ}C$.