The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.58
no.1
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pp.93-99
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2009
In this paper, transient voltage response of Polmer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) stack is analyzed and voltage dynamic characteristic is modeled for optimal design of power conditioning system (PCS). According that the load is changed, the corresponding operating voltage of fuel cell stack is also varied with a certain deep and rising time due to the chemical and mechanical responses. This transient behavior can affect on the operation with respect of PI gain in controller, duty ratio, capacitor of capacitor and so on. So in this paper the detailed theoretical analysis of transient voltage dynamics is explained and the methodology of dynamic modeling is introduced. In addition, the validity and feasibility of the proposed dynamic model is verified by experimental results under various load conditions.
The droplet dynamics in a hydrophilic/hydrophobic microchannel, which is applicable to a typical proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), is studied numerically by solving the equations governing conservation of mass and momentum. The liquid-gas interface or droplet shape is determined by a level set method which is modified to treat contact angles. The matching conditions at the interface are accurately imposed by incorporating the ghost fluid approach based on a sharp-interface representation. The effects of contact angle, inlet flow velocity, droplet size and side wall on the droplet motion are investigated parametrically. Based on the numerical results, the droplet dynamics including the sliding and detachment of droplets is found to depend significantly on the contact angle. Also, a droplet removal process is demonstrated on the combination of hydrophilic and hydrophobic surfaces.
Kim, Jong-Soo;Choe, Gyu-Yeong;Kang, Hyun-Soo;Lee, Byoung-Kuk
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.57
no.9
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pp.1563-1571
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2008
In this paper, dynamics modeling of a PEMFC is performed by electro-chemical equations. The developed PEMFC simulation model is implemented using MATLAB Simulink in order to design an optimal PCS for fuel cell systems. In addition, by use of the developed model as an input source of PCS, the validity of the proposed dynamic characteristic model of the PEMFC is verified by various simulation and experimental results.
In the present paper, a multilevel approach for the local nanobuckling analysis of carbon nanotube (CNT) based composite materials is proposed and described. The approach comprises four levels, all of them at nanoscale. The first level aims to propose the potential that describes the interatomic forces between carbon atoms. In the second level, molecular dynamics simulations are performed to extract the elastic properties of the CNT. The third level aims to determine the stiffness of the material that surrounds the CNT (matrix), using the annular membrane analysis. In the fourth level, finite strip analysis of the CNT elastically restrained by the matrix is performed to calculate the critical strain at which the CNT buckles locally. In order to achieve accurate results and take the CNT-matrix interaction into account, the $3^{rd}$ and $4^{th}$ steps may be repeated iteratively until convergence is achieved. The proposed multilevel approach is applied to several CNTs embedded in a cylindrical representative volume element and illustrated in detail. It shows that (i) the interaction between the CNT and the matrix should be taken into account and (ii) the buckling at nanoscale is sensitive to several types of local buckling modes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.8
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pp.604-612
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2009
Water management has been recognized as a crucial factor for achieving better performance and stability in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Proper water management should provide favorable water conditions, including the local humidity, membrane water content, and liquid water saturation in PEMFCs, thereby leading to more uniform electrochemical reaction and current generation. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulation was conducted to investigate the effects of the cathode relative humidity (RH) on the performance of a 3 by $3\;cm^2$ PEMFC with serpentine flow fields. The CFD results showed that the best performance of the PEMFC was obtained for the cathode RH of 80%, but the performance variation was small for the cathode RH range of $60{\sim}100%$. However, the loss of the PEMFC performance was significant when the cathode RH was reduced below 40%. The reason for such performance variation was investigated through the detailed inspection of ohmic loss, activation and concentration overpotential, and water and current distributions.
Kim, Yoon-Ho;Lee, Yong-Taek;Lee, Kyu-Jung;Kim, Yong-Chan;Choi, Jong-Min;Ko, Jang-Myoun
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.19
no.1
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pp.86-93
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2007
The PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell is one of the promising fuel cell systems as a new small power generating device for automobiles and buildings. The optimal design of cooling plates installed between MEA (membrane electrode assembly) is very important to achieve high performance and reliability of the PEMFC because it is very sensitive to temperature variations. In this study, six types of cooling plate models for the PEMFC including basic serpentine and parallel shapes were designed and their cooling performances were analyzed by using three-dimensional fluid dynamics with commercial software. The model 3 designed by revising the basic serpentine model represented the best cooling performance among them in the aspect of uniformity of temperature distribution and thermal reliability, The serpentine models showed higher pressure drop than the parallel models due to a higher flow rate.
Chemokine receptor (CCR2) is a G protein-coupled receptor that contains seven transmembrane helices. Recent pharmaceutical research has focused on the antagonism of CCR2 and candidate drugs are currently undergoing clinical studies for the treatment of diseases like arthritis, multiple sclerosis, and type 2 diabetes. In this study, we analyzed the time dependent behavior of CCR2 docked with a potent 4-azetidinyl-1-aryl-cyclohexane (4AAC) derivative using molecular dynamics simulations (MDS) for 20 nanoseconds (ns). Homology modeling of CCR2 was performed and the 4AAC derivative was docked into this binding site. The docked model of selected conformations was then utilized to study the dynamic behavior of the 4AAC enzyme complexes inside lipid membrane. MDS of CCR2-16b of 4AAC complexes allowed us to refine the system since binding of an inhibitor to a receptor is a dynamic process and identify stable structures and better binding modes. Structure activity relationships (SAR) for 4AAC derivatives were investigated and reasons for the activities were determined. Probable binding pose for some CCR2 antagonists were determined from the perspectives of binding site. Initial modeling showed that Tyr49, Trp98, Ser101, Glu291, and additional residues are crucial for 4AAC binding, but MDS analysis showed that Ser101 may not be vital. 4AAC moved away from Ser101 and the hydrogen bonding between 4AAC and Ser101 vanished. The results of this study provide useful information regarding the structure-based drug design of CCR2 antagonists and additionally suggest key residues for further study by mutagenesis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.10
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pp.885-891
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2010
Thermal management is important for enhancing the performance and durability of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) and is taken into account in the design of PEMFCs. In general, cooling pates with circulating liquid coolant (water) are inserted between several unit cells to exhaust the reaction heat from PEMFCs. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to characterize the uniform cooling performance of parallel multipass serpentine flow fields (MPSFFs) that were used as coolant flow channels in PEMFCs. The cooling performances of conventional serpentine and parallel flow fields were also evaluated for the purpose of comparison. The CFD results showed that the use of parallel MPSFFs can help reduce the temperature nonuniformity, and thus, can favorably enhance the performance and durability of PEMFCs.
Hoseong, Kang;So Young, Lee;Hyoung-Juhn, Kim;Chang Hyun, Lee;Chi Hoon, Park
Membrane Journal
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v.32
no.6
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pp.475-485
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2022
The continuous excessive consumption of fossil fuels is causing global warming, climate, and environmental crisis. Accordingly, hydrogen energy attracts attention among alternative energies of fossil fuels, because it has the advantage of not emitting pollutants and not having resource restrictions. Therefore, various studies are being conducted on a water electrolysis system for producing hydrogen and a fuel cell system for producing electricity by using hydrogen energy as a fuel. In this study, 3D ionomer models were produced by reflecting the excessive water condition of an anion-conductive ionomer material, which is one of the core materials of water electrolysis systems and fuel cells. Finally, by analyzing the structural stability and performance of the ionomer under an excessively hydrated condition, we suggested a performance improvement factor in the design of an anion conductive ionomer, a key material for water electrolysis systems and fuel cells.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.21
no.1
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pp.43-50
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2013
The stringent emission regulation and future shortage of fossil fuel motivate the research of alternative powertrain. In this study, a system of proton exchange membrane fuel cell has been modeled to analyze the performance of the fuel cell system for automotive application. The model is composed of the fuel cell stack, air compressor, humidifier, and intercooler, and hydrogen supply which are implemented by using the Matlab/Simulink(R). Fuel cell stack model is empirical model but the water transport model is included so that the system performance can be predicted over various humidity conditions. On the other hand, the model of air compressor is composed of motor, static air compressor, and some manifolds so that the motor dynamics and manifold dynamics can be investigated. Since the model is concentrated on the strategic operation of compressor to reduce the power consumption, other balance of components (BOP) are modeled to be static components. Since the air compressor model is empirical model which is based on curve fitting of experiments, the stack model is validated with the commercial software and the experiments. The dynamics of air compressor is investigated over unit change of system load. The results shows that the power consumption of air compressor is about 12% to 25% of stack gross power and dynamic response should be reduced to optimize the system operation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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