A 3-cell stacked anode-supported solid oxide fuel cell was designed and fabricated to achieve a complete gas seal and the facile stacking of components. The stack was assembled with a unit cell with $10{\times}10cm^2$ area, and each cell was interconnected by a stainless steel 430 separator using a proprietary sealant sheet. The stack performance was examined at various gas flow rates of $H_2+3.5vol%\;H_2O$, and air at a fixed temperature of $800^{\circ}C$. No gas leakage was found from the sealing between cells and inter-connects within a measurement system in this research during a prolonged time of 500 h in operation. The test resulted in an open circuit voltage of 3.12 V, a peak power of 149 W, and a power density of $0.61W/cm^2$, while the long term durability of the power showed 19.1% degradation during the prolonged time of 500 h when tested at $800^{\circ}C$.
The stability of a solid oxide fuel cell (SOFC) stack is strongly dependent on the magnitude and profile of the internal chemical potential of the solid electrolyte. If the internal partial pressure is too high, the electrolyte can be delaminated from the electrodes. The formation of high internal pressure is attributed to a negative cell voltage, and this phenomenon can occur in a bad cell (with higher resistance) in a stack. This fact implies that the internal chemical potential plays an important role in determining the lifetime of a stack. In the present work, we fabricate planar type anode-supported cells ($25cm^2$) with a bi-layer electrolyte (with locally increased electronic conduction at the anode side) to prevent high internal pressure, and we test the fabricated cells under a negative voltage condition. The results indicate that the addition of electronic conduction in the electrolyte can effectively depress internal pressure and improve the cell stability.
Performance of 20-cell stack for direct methanol fuel cell (DMFC) was tested at constant temperature. Electrode evaluation used to the stack was tested by the performance of a single cell. A new composite electrode prepared from active carbon cloth and high porous active carbon was developed for hydrophilic layer of the cell. Characteristics of a single cell using the composite electrode showed the current density of $500mA/cm^2$ at the cell voltage of 0.4V at $120^{\circ}C$. For the operating of 20 days. the cell voltage at constant cell current densty of $100mA/cm^2$ was slightly reduced from 0.62V to 0.53V with the cell voltage decay rate of 14.5%. Power of 20-cell stack at 5.3V, $100^{\circ}C$ was about 180W.
본 논문에서는 소형 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지 스택의 마이크로프로세서를 이용한 제어에 관하여 소개한다. 연료전지 제어의 핵심 기술인 스택 내부의 수분 관리는 부하에 의해 요구되는 연료와 온도에 따른 냉각용 공기의 유량을 적절하게 조절하고, 잉여수분을 스택으로부터 배출시킴으로써 성취된다. 이러한 주변장치(BOS: Balance of Stack)의 제어는 시스템의 안정적인 운전을 좌우하는 중요한 요소이기 때문에 이를 정확하게 제어하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 최적 운전조건에서 공기유량과 퍼지주기를 측정하고 이를 바탕으로 BOS를 제어함으로써 BOS의 소비전력을 최소화하여 연료 효율을 향상시킬 수 있었으며, 이를 실험을 통해 검증하였다. 마이크로프로세서를 이용하여 개발된 제어기는 시스템의 운전 안정성을 향상시켜 소형 연료전지 스택의 제어에 널리 사용될 것으로 기대된다.
소형 PEM (Proton Exchange Membrane) 연료전지 시스템은 가습이 필요치 않아 상용화의 가능성이 크지만 그 제어 방법은 뚜렷하게 정립되어 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 소형 PEM 연료전지 시스템의 제어를 위해 이중 루프 구조의 제어방식을 정립하고 DSP (Digital Signal Processor)를 이용하여 구현한다. 일반적으로 연료전지 시스템에서 제어의 핵심 요소는 크게 공기와 수소의 공급, 스택 내부의 수분 관리, 스택의 온도 관리로 나뉜다. 별도의 가습이 없이 공랭식으로 구동되는 소형 PEM 연료전지 스택의 제어에 있어서 팬은 스택의 공기 공급과 열관리 및 수분관리를 위한 핵심적인 역할을 하며, 퍼지밸브는 스택 내부의 잉여수분을 배출한다. 제안된 방식은 이중 제어루프를 이용한 팬의 제어를 통해 팬의 과도응답을 빠르게 하여 공기의 공급 속도를 개선시키며, 연료전지 스택의 전압변화를 피드백 하여 보상해줌으로써 연료전지가 부하변동에 대해 신속한 응답 특성을 갖도록 하였다. 제안된 방법의 유용함은 60W급 소형 PEM 연료전지 시스템의 실험과 이를 이용한 노트북 컴퓨터의 구동을 통해 검증된다.
A clear understanding on cell voltage-reversal behavior due to local hydrogen starvation in a stack is of paramount importance to operate the fuel cell vehicle (FCV) stably since it affects significantly the cell performance and durability. In the present study, a novel experimental method to simulate the local cell voltage-reversal behavior caused by local hydrogen starvation, which typically occurs only one or several cells out of several hundred cells in a stack of FCV, has been proposed. Contrary to the conventional method of overall fuel starvation, the present method of local hydrogen starvation caused the local cell voltage-reversal behavior in a stack very well. Degradation of both membrane electrode assembly (i.e., pin-hole formation) and gas diffusion layer due to an excessive exothermic heat under voltage-reversal condition was also observed clearly.
MCFC 발전 기술의 실용화를 위하여 $3,000cm^2$ 면적의 단위전지 20장으로 구성된 5 kW 급 MCFC 스택을 5,760 시간 동안 운전하여 그 운전특성을 파악하였다. 스택은 7.6 kW의 출력을 보여주어 설계치보다 높은 출력을 보여주었다. 아울러 스택 성능 및 스택내 운전온도 분포변화를 해석하기 위하여 열전달, 유동방정식 및 연료전지 반응특성을 고려한 수학적 모델을 완성하였다. 완성된 수학적 모델 전산 모사를 위하여 상용 CFD 코드를 이용한 프로그램을 개발하였고 개발된 스택 전산모사 코드는 실제 운전된 5 kW MCFC 스택 운전 자료와 이론적 계산결과와 비교하여 그 신뢰성을 확인하였다.
In this paper, stack voltage monitoring module is developed which monitor cell voltage of the fuel cell stack and transfer it to the main controller for monitoring fault and stopping drive when the trouble is happened in the fuel cell stack. Especially, the circuit, for monitoring each cell voltage of several hundreds cells in stack, is designed and analyzed. The connector is also developed for making wire harness simple and low cost because wire harness is complicated when the cells are connect each monitoring circuit.
The startup behaviour of PEM fuel cells at subfreeze zero is one of the most challenging tasks to be solved before PEM fuel cell vehicle is commercialized. Automotive companies are trying to increase cold statup capability of fuel cell. In this study, we found out the design factor of the stack to increase cold startup capability using 4kW stack and then cold startup test was performed at the various shutdown condition and the various current. In order to test the cold startup possibility and capability in vehicle, we installed 80kW stack in the vehicle and this 80kW fuel cell vehicle was housed in an environmental chamber to investigate the characteristics of cold startup and driving. We found that it is possible for fuel cell vehicle with 80kW stack to self-heated cold startup and drive at $-15^{\circ}C$.
HT-PEMFC (high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell) using PA (phosphoric acid) doped PBI (polybenzimidazole) membrane has been researched for extending the lifetime. However, the existing work on durability of HT-PEMFC focuses on identifying degradation causes of lab scale. The short life time of HT-PEMFC is still the problem for its commercialization. In this paper, an operating method to maximize life time of 5kW HT-PEMFC stack are proposed. The proposed method includes major steps such as minimization of OCV (Open Circuit Voltage) exposure, control of the proper stack temperature, and N2 purging for the stack. This long life operating method was based on the fragmentary results of degradation from previous research works. Experimentally, the 5 kW homemade HT-PEMFC stack was operated for a long time based on the proposed method and the stack successfully can operate within the desired degradation rate for the target life time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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