In direct methanol fuel cells(DMFCs), it is well known that methanol crossover severely reduces the cell performance and the cell efficiency. There are a number of design and operating parameters that influence the methanol crossover. This indicates that a DMFC demands a high degree of optimization. For the successful design and operation of a DMFC system, a better understanding of methanol crossover phenomena is essential. The main objective of this study is to examine methanol-crossover phenomena in DMFCs. In this study, 1D DMFC model previously developed by Ko et al. is used. The simulation results were compared with methanol-crossover data that were measured by Eccarius et al. The numerical predictions agree well with the methanol crossover data and the model successfully captures key experimental trends.
Park, Kyung-Won;Kim, Young-Min;Kwon, Bu-kil;Choi, Jong-Ho;Park, In-Su;Sung, Yung-Eun
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.5
no.4
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pp.226-231
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2002
Power densities produced by the permeation of methanol through membranes were directly measured by inserting the membrane in front of anode in a membrane-electrode-assembly of a direct methanol fuel cell (DMFC). The power density was closely related to the loss of power in the DMFC and was strongly affected by temperature. As the cell temperature was increased, the power density resulting from methanol crossover was increased. The increase in methanol crossover had be attributed to diffusion caused or affected by temperature. Methanol crossover a major effect on the performance of a DMFC at a relatively low temperature with $26\%\;loss\;at\;30^{\circ}C$. In order to reduce methanol crossover, a conventional Nafion membrane was modified by the incorporation of Pt or Pd. The reduction in methanol crossover was investigated in these modified membranes by our cell performance measurement. Pt and Pd particles incorporated in the Nafion membranes block methanol pathway and prevent methanol transport through the membranes, which was proved by combining with liquid chromatography.
The mitigation or elimination of methanol crossover for perfluorosulfonic acid fuel cell membranes has been investigated extensively for direct methanol fuel cell applications with the aim of increasing the electrochemical performance and enhancing the utilization rate of methanol. Self-assembly modifications by applying an oppositely charged polyelectrolyte to Nafion membranes were attempted in order to block or reduce methanol crossover while maintaining the other advantageous properties of Nafion membranes. It was reported that anionic polyallylamine hydrochloride (PAH) was the most efficient polyelectrolyte in reducing methanol crossover, and considerable cell performance was obtained even at a methanol feed concentration of 10 M.
The amount of methanol crossover was measured with changing the operating condition by using a liquid methanol concentration sensor. Appropriate operating condition was discussed in terms of methanol crossover. Mechanism of methanol crossover was classified into three items which are diffusion, convection and electro-osmosis. Contribution of each mechanism to methanol crossover and the effect of operating condition were analyzed with varying methanol concentration, pressure difference between anode and cathode, current, temperature, and stoichiometry of anode fuel. Among the three mechanisms diffusion affected mostly and electro-osmosis effect was observed only under high methanol concentration.
Sulfonation of polyetheretherketones (PEEK) was carried out in order to fabricate commercial perfluorosulfonic acid membrane alternatives, which were characterized in terms of their ion exchange capacity, ionic conductivity, water swelling, methanol crossover and electrochemical performance in their direct application as a methanol fuel cell. A high ion exchange capacity, 1.88, was achieved with a sulfonation reaction time of 8 h, with a significantly low methanol crossover low compared to that of Nafion. However, the morphological stability was found to deteriorate for membranes with sulfonation reaction times exceeding 8 h. Electrochemical cell tests suggested that the fabrication parameters of the membrane electrode assembly based on the sulfonated PEEK membranes should be optimized with respect to the physicochemical properties of the newly prepared membranes.
A Pt-layer was deposited on the anode side of a Nafion membrane via a sputtering method in order to reduce methanol crossover in a direct methanol fuel cell (DMFC). The methanol permeation and the proton conductivity through the modified membranes were investigated. The performances of the direct methanol fuel cell were also tested using single cells with a Nafion membrane and the modified membranes. The Pt-layers on the membrane blocked both methanol crossover and proton transport through the membranes. Methanol permeability and proton conductivity decreased with an increase of the platinum layer thickness. At methanol concentration of 2 M, the DMFC employing the modified membrane with a platinum layer of 66 nm-thickness showed similar performance to that of a DMFC with a bare Nafion membrane in spite of the lower proton conductivity of the former. The maximum power density of the cell using the modified membrane with a platinum layer of 66 nm-thickness increased slightly while that of the cell with the bare membrane decreased abruptly when a methanol solution of 6M was supplied.
Kim, Seong-Soo;Paik, Youn-Kee;Kim, Sun-Ha;Han, Oc-Hee
Journal of the Korean Magnetic Resonance Society
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v.12
no.2
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pp.96-102
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2008
Direct quantification of methanol in polymer electrolyte membrane (PEM) by solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was studied and the methanol concentrations in PEM produced by crossover and diffusion were compared. The error range of the quantification was not smaller than ${\pm}15%$ and the amount of the methanol crossed over in our direct methanol fuel cells (DMFCs) was less than the methanol diffused to PEM. The methanol concentration in the PEM of the DMFC operated at different current densities were equivalent.
Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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2003.05a
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pp.643-647
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2003
Direct methanol fuel cells (DMFC) employing proton exchange polymer electrolyte have recently gained considerable interest because of their attractiveness as the power source for electronic devices or vehicular applications. However, it suffers from the fuel crossover and its impact on cathode operation and the consequent penalty in system energy efficiency. Efforts to circumvent the methanol crossover in DMFC have been made basically along three different strategies.(Omitted)
This paper investigated environmental effects for passive, air-breathing, and vapor-feeding direct methanol fuel cells. In these experiments, experimental parameters are temperature($30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$ and relative humidity(25%, 50%, 75%). From these experimental results, the water contents play a key role in terms of optimal ionic conductivity at the cathode catalyst layer. In case of pure methanol feeding, the performance is inversely proportional to the relative humidity. The water generation resulting from methanol crossover maintains ionic conductivity at the cathode. On the contrary, diluted methanol solution (50wt.%) lowers methanol crossover to the cathode. In order to increase ionic conductivity, the relatively high humidity is required to the cathode catalyst layer for the water generation. The relative humidity scales with the performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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