전해질 막의 응력 및 변화폭의 분포는 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 피로수명의 중요한 인자이다. 본 논문에서는 연료전지 운전조건의 hygro-thermal 조건에 의해 전해질 막에 발생하는 기계적 응력 해석을 모델링 하였다. 기체확산층과 전해질 막 사이의 접촉해석이 여러 가지 온도, 습도 조건에 대하여 수행되었다. 구조 모델은 온도와 상대습도에 의존하는 비선형 재료물성을 적용하였다. 몇 가지 기하학적 조건들이 모델에 적용되었다. 구조해석 결과는 전해질 막의 변형이 체결조건에 크게 의존함을 보여주었다. 실험 데이터와의 비교를 통해 운전 조건에 대하여 피로수명 예측이 수행되었다.
In a nuclear reactor containment, wall condensation forms with noncondensable gases and their accumulation near the condensate film leads to a significant reduction in heat transfer. In the framework of nuclear reactor safety, the film condensation in the presence of noncondensable gases is of high relevance with regards to safety concerns as it is closely associated with peak pressure predictions for containment integrity and the performance of components installed for containment cooling in accident conditions. In the present study, CUPID code, which has been developed by KAERI for the analysis of transient two-phase flows in nuclear reactor components, is improved for simulating film condensation in the presence of noncondensable gases. In order to evaluate the condensate heat transfer accurately in a large system using the two-fluid model, a mass diffusion model, a liquid film model, and a wall film condensation model were implemented into CUPID. For the condensation simulation, a wall function approach with a heat/mass transfer analogy was applied in order to save computational time without considerable refinement for the boundary layer. This paper presents the implemented wall film condensation model, and then introduces the simulation result using the improved CUPID for a conceptual condensation problem in a large system.
The performance and durability of Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs) are strongly influenced by the uniformity of current density, temperature, species distributions inside a cell In order to obtain uniform distributions in them, the optimal design of flowfield must be a key factor. In this paper, the numerical study of land/channel flowfield optimizations is performed, using a multi-dimensional, multi-phase, non-isothermal PEFC model. Numerical simulations reveal more uniform current density and HFR(High Frequency Resistance) distributions and thus better PEFC performance with narrower land/channel width where the less severe oxygen depletion effect near the land region and more uniform contact resistance variation along the in-plane direction are achieved. The present study elucidates detailed effects of land/channel width and assist in identifying optimal flow-field design strategies for the operation of PEFCs.
Relatively high convective flow exists in the under-rib regions of a gas diffusion layer (GDL) when serpentine flow fields are employed in a PEMFC. This under-rib convection is believed to be favorable for the performance of PEMFCs, by enabling more effective use of catalysts in the under-rib regions. From the fact that the under-rib convection in a GDL is directly proportional to the permeability of the GDL, computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to discover the relationship between the GDL permeability and the PEMFC performance. Single-, triple-, and quintuple-path parallel serpentine flow fields for $9\;cm^2$ active cell area were considered while changing the GDL permeability from $1{\times}10^{-12}$ to $5{\times}10^{-11}m^2$. The results showed that higher GDL permeability generally resulted in better performance of PEMFCs, but the degree of performance enhancement became smaller as the parallel path number increased. The effects of the permeability on the local variables were also discussed.
Proper water management is crucial for the efficient operation of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. Especially, for automotive applications, A novel water management that can avoid both membrane dry-out and flooding is a very important task to achieve good performance and efficiency of PEM fuel cells. The aim of this study is to investigate the liquid water behavior on the gas diffusion layer (GDL) surface and in the cathode flow channel of a PEM unit fuel cell under flooding conditions. For this purpose, a transparent unit fuel cell is devised and fabricated by modifying the conventional PEM fuel cell design. The results of water droplet behavior under flooding conditions are mainly presented. The water distributions in the cathode flow channels with cell operating voltage are also compared and analyzed. Through this work, it is expected that the data obtained from this fundamental study can be effectively used to establish the basic water management strategy in terms of water removal from the flow channels in a PEM fuel cell stack.
A stack in the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) consists of bipolar plates, a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a collector and end plates. High current density is usually obtainable partially from uniform temperature distribution in the fuel cell. A size optimization method considering the thermal expansion effect of stacked plates was developed on the basis of finite element analyses. The thermal stresses in end, bipolar, and cooling plates were calculated based on temperature distribution obtained from thermal analyses. Finally, the optimization method was applied and optimum thicknesses of the three plates were calculated considering both fastening bolt tension and thermal expansion of each unit cell (72 cells, 5kW). The optimum design considering both thermal and mechanical loads increases the thickness of an end plate by 0.64-0.83% the case considering only mechanical load. The effect can be enlarged if the number of stack increases as in an automotive application to 200-300 stacks.
Thin films of vanadium oxide(V$O_x$) have been deposited by r.f. magnetron sputtering from $V_2$$O_5$ prget in gas mixture of argon and oxygen. Crystal structure, surface morphology, chemical composition and bonding properties of films in-situ annealed in $O_2$ ambient with various heat-treatment conditions are characterized through XRD, SEM, AES, RBS and FTIR measurements. The filrns annealed below 200 $^{\circ}C$are amorphous, and those annealed above 30$0^{\circ}C$ are polycrystalline. The growth of grains and the transition of vanadium oxide into the higher oxide have been obsenred with increasing the annealing temperature and time. The increase of O/V ratio with increasing the annealing temperature and time is attributed to the diffusion of oxygen and the partial filling of oxygen vacancies. It is observed that the oxygen atoms located on the V-0 plane of $V_2$$O_5$ layer participate more readily in the oxidation process.
Metal matrix composite (MMC) materials having low electrical contact resistance based on 316L stainless steel (STS) matrix alloy with $ZrB_2$ particles were fabricated for PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) separator by powder metallurgy (PM). The effects of the boride particle addition into the matrix alloy on microstructure, surface morphology, and interfacial contact resistance (ICR) between the samples and gas diffusion layer (GDL) were investigated. Both conventional and PM 316L STS samples showed high ICR due to the existence of non-conductive passive film on the alloy surface. The addition of the boride particles, however, remarkably reduced ICR of the samples. SEM observation revealed that the boride particles were protruded out of the matrix surface and particle density existing on the surface increased with increasing the boride content, causing increase of the total contact area between the conductive particles and GDL. ICR of the samples also decreased with increasing the boride content resulted from the increased contact area.
Boron-containing materials have several excellent properties, such as superlnardness, insulation and non-Rinear optical property. Recently, oxynitride compounds, such as Si(ON), Ti(ON), became the promising materials applied in diffusion barrier layer and solar cell. With the expectation of obtaining the hybrid property, we have firstly grown the BON thin film by radio frequency (R.F.) plasma enhanced metalorganic chemical vapm deposition (PEMOCVD) with 100 kHz frequency and trimethyl borate precursor. The plasma source gases used in this study were Ar and $H_2$, and two kinds of nhmgen source gases, $N_2$ and <$NH_3$, were also employed. The as-grown films were characterized by XPS, IR, SEM and Knoop microlhardness tester. The relationship between the films hardness and the growth rate indicated that the hardness of the film was dependent on several factors such as nitrogen source gas, substrate temperature and film thickness due to the variation of the composition and the structure of the film. Both nitrogen and carbon content could raise the film hardness, on which nitrogen content did stronger effect than carbon. The smooth morphology and continuous structure was benefit of obtaining high hardness. The maximum hardness of BON film was about 10 GPa.
Recent advances in fabrication have enabled radial-junction architectures for cost-effective and high-performance optoelectronic devices. Unlike a planar PN junction, a radial-junction geometry maximizes the optical interaction in the three-dimensional (3D) structures, while effectively extracting the generated carriers via the conformal PN junction. In this paper, we report characterizations of radial PN junctions that consist of p-type Si micropillars created by deep reactive-ion etching (DRIE) and an n-type layer formed by phosphorus gas diffusion. We use electron-beam induced current (EBIC) microscopy to access the 3D junction profile from the sidewall of the pillars. Our EBIC images reveal uniform PN junctions conformally constructed on the 3D pillar array. Based on Monte-Carlo simulations and EBIC modeling, we estimate local carrier separation/collection efficiency that reflects the quality of the PN junction. We find the EBIC efficiency of the pillar array increases with the incident electron beam energy, consistent with the EBIC behaviors observed in a high-quality planar PN junction. The magnitude of the EBIC efficiency of our pillar array is about 70% at 10 kV, slightly lower than that of the planar device (≈ 81%). We suggest that this reduction could be attributed to the unpassivated pillar surface and the unintended recombination centers in the pillar cores introduced during the DRIE processes. Our results support that the depth-dependent EBIC approach is ideally suitable for evaluating PN junctions formed on micro/nanostructured semiconductors with various geometry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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