• 대한기계학회논문집B
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• 제35권5호
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• pp.487-490
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• 2011

본 논문은 동결과 융해가 고분자 전해질 연료전지 내의 기체확산층에 미치는 영향에 대해 X-선 단층 촬영법을 이용하여 수행한 실험적 연구이다. 고분자 전해질 연료전지는 외부 온도가 0 도 이하가 되면 내부의 물이 동결되며, 외부 온도가 0 도 이상으로 상승하면 다시 녹는 과정을 겪게 된다. 이 과정은 연료전지의 내부 구조에 변형을 야기하고 이로 인해 연료전지의 전력과 수명의 감소를 야기하게 된다. 기체확산층은 연료전지 내부에서 가장 두꺼운 다공성층이며, 이로 인해 가장 많은 변형이 발생된다. 본 연구에서는 포항 방사광 가속기의 X-선 단층 촬영법을 이용하여 물의 동결과 융해 과정이 기체확산층의 내부 구조에 미치는 변화를 관찰하였다. 이 기체확산층의 구조 변화가 고분자 전해질 연료전지의 전력 생산과 수명에 미치는 영향에 관해 논의하였다.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제30권1호
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• pp.146-151
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• 2013

본 연구에서는 연료극 또는 공기극에 함유된 불순물인 황화합물의 도입을 차단할 수 있는 GDL을 제조하여, 이를 평가용 단위전지에 체결하여 $H_2S$와 $SO_2$를 연료극과 공기극에 각각 동시에 공급하여 PEMFC의 성능 저하 및 회복에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과 $H_2S$와 $SO_2$의 농도가 증가함에 따라 전지의 성능이 감소하며 특히 10 ppm 이상의 농도에서는 10분 이내에 약 10-15% 정도 성능이 감소하였다. 특히 GDL 표면의 기공이 없는 CN-2 GDL을 체결한 단위전지의 경우 피독에 의한 성능 감소 속도가 더 빠른 것을 확인하였다. 그리고 단위전지 피독 후 황화합물이 혼합되지 않은 순수 가스를 1시간 이상 공급하였을 때 전지의 성능이 GDL의 종류에 따라 90%에서 95% 이상 회복되며 CN-1 GDL의 경우가 가장 회복이 우수하였다.

• 한국항공우주학회지
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• 제36권7호
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• pp.642-650
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• 2008

고분자 전해질 연료전지 스택의 성능향상과 안전성 확보를 위하여 스택의 체결하중으로 인한 가스켓과 GDL의 구조적 거동을 살펴보았다. 가스켓 구조 해석의 경우 하중과 변위의 초탄성 거동을 표현하기 위하여 Mooney-Rivlin의 변형률에너지 함수를 사용하였으며, 재료물성을 구하기 위하여 단축 인장 및 등가 이축 인장 시험을 수행하였고 유한요소 해석과 비교하였다. GDL의 물성측정을 위하여 압축 하중의 변화에 따라 두께변화를 측정하였고 단위 셀을 제작하여 하중의 변화에 따른 채널의 압력차를 측정하였다. 실험 데이터를 바탕으로 채널 단면적의 변화를 계산, 유한요소 해석결과와 비교하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2006년도 추계학술대회
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• pp.313-315
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• 2006

Proper water management is important to achieve high performance and durability of Polymer electrolyte fuel cell (PEFC). Among various stack components, gas diffusion layer (GDL) is considered as a core part to determine the gas and water transportation in a cell. To optimize the water management, the changes of properties as well as basic properties of GDLs were investigated before and after clamping of colls. Thickness, electric conductivity, porosity, hydroppobicity etc. were characterized by the same criteria. The amount of residual water after cell operation also was compared by direct measuring of weight. Based on the amount of residual water the endurance on the freeze condition was evaluated.

• 한국정밀공학회:학술대회논문집
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• 한국정밀공학회 2006년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.553-554
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• 2006

This paper presents the effects of different operating parameters on the performance of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell by a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. The effects of different operating parameters on the performance of PEM fuel cell studied using pure hydrogen on the anode side and air on the cathode side. The various parameters are temperatures, pressures, humidification of the gas steams and various combinations of these parameters. In addition, geometrical and material parameters such as the gas diffusion layer (GDL) thickness and porosity as well as the ratio between the channel width and the land area were investigated.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제32권4호
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• pp.228-235
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• 2021

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are currently being used in various transport applications such as drones, unmanned aerial vehicles, and automobiles. The power required is different according to the type of use, purpose, and the conditions adjusted using a cell stack. The fuel cell stack is compressed to reduce the size and prevent fuel leakage. The unit cells that make up the cell stack are subjected to compression by clamping force, which makes geometrical changes in the porous media and it impacts on cell performance. In this study, finite elements method (FEM) and computational fluid dynamics (CFD) analysis for the deformed unit cell considering the effects of clamping force is performed. First, structural analysis using the FEM technique over the deformed gas diffusion layer (GDL) considering compression is carried out, and the resulting porosity changed in the GDL is calculated. The PEMFC model is then verified by a three-dimensional, two-phase fuel cell simulation applying the physical properties and geometry obtained before and after compression. The detailed simulation results showed different concentration distributions of fuel between the original and deformed geometry, resulting in the difference in the distribution of current density is represented at compressed GDL region with low oxygen concentration.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.131.1-131.1
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• 2010

고분자연료전지(PEMFC)에서 기체확산층(GDL)은 다공성의 카본 종이/천 위에 마이크로한 다공층을 가치는 구조로 촉매층을 지지하고 촉매층과 분리판 사이의 전류전도체 역할을 한다. 또한 촉매층에 연료와 공기 확산 및 생성된 물의 통로 역할을 하며 소수성인 전기전도성 물질로 이루어져 있다. 현재 연료전지에 쓰이는 가스확산층은 대부분 국외 회사에서 제조 수입 사용하는 현황이고 국내에서는 협진 I&C가 연구하고 있으나 상용화는 아직 이루어지지 않고 있다. 본 연구는 탄소섬유의 전도성을 개선하고자 탄소섬유 표면에 금속코팅 시 최적의 접촉계면유지를 위한 표면처리 방법 및 공정을 조사 분석 후 최적 개선방법(농도/온도/압력/시간)을 설정하고자 하였다. 또한 선정된 공정인자별 수준별 시험 후 샘플링 된 시료를 토대로 금속물질이 탄소섬유 표면에 코팅(도금)된 금속-탄소섬유를 대하여 평가하여 최적화시키고자 탄소섬유로부터 carbon paper GDL의 모재를 개발할 계획이다. 앞에서 설명한 바와 같이 탄소섬유를 이용하여 paper making, resin impregnation, molding, carbonization/graphitization의 제조공정을 거쳐 paper형태의 GDL을 생산 및 평가하고자 하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제20권4호
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• pp.323-330
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• 2009

Efficiency of a fuel cell is determined by the generated water. If water is not removed sufficiently, water will be accumulated at GDL, which causes flooding. Therefore, water control is regarded as a crucial factor to sustain fuel ell performance. In this study, PTFE coating on the surface of carbon paper was carried out to establish optimum process for hydrophobic treatment of GDL. Carbon paper was immersed at different concentrations of nano-sized PTFE coating solution. Their characteristics were analyzed systematically by FE-SEM, water contact angle, cyclic voltamogam, XRD and FT-IR. The quantitative correlation between the amount of coated-PTFE on a carbon paper and concentration of coating solution was carefully investigated. It is suggested that the amount of PTFE-coating on a carbon paper can be managed by means of controling concentration of coating solution.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제28권1호
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• pp.57-63
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• 2011

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance degrades when hydrogen sulfide ($H_2S$) is present in the fuel hydrogen gas; this is referred to as $H_2S$ poisoning. This paper reveals $H_2S$ poisoning on PEMFC by measuring electrical performance of single cell FC under various operating conditions. The severity of $H_2S$ poisoning depended on $H_2S$ concentration under best operating conditions($65^{\circ}C$ of cell temperature and 100% of anode humidification). $H_2S$ adsorption occured on the surface of catalyst layer on MEA, but not on the gas diffusion layer(GDL) by analyzing SEM/EDX data. In addition, MEA poisoning by $H_2S$ was cumulative but reversible. After poisoning for less than 150 min, performance of PEMFC was recovered up to 80% by just inert nitrogen gas purging.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제23권5호
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• pp.476-483
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• 2012

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.