The fuel cell market is expected to grow rapidly. Therefore, it is necessary to scale up fuel cells for buildings, power generation, and ships. A multi-stack system can be an effective way to expand the capacity of a fuel cell. Multi-stack fuel cell systems are better than single-stack systems in terms of efficiency, reliability, durability and maintenance. In this research, we developed a residential fuel cell stack and system model that generates electricity using the fuel cell-photovoltaic hybrid system. The efficiency and hydrogen consumption of the fuel cell system were calculated according to the three proposed power distribution methods (equivalent, Daisy-chain, and optimal method). As a result, the optimal power distribution method increases the efficiency of the fuel cell system and reduces hydrogen consumption. The more frequently the multi-stack fuel cell system is exposed to lower power levels, the greater the effectiveness of the optimal power distribution method.
A fuel cell is an electrochemical device in which the energy of a chemical reaction is converted directly into electricity. By combining hydrogen fuel with oxygen from air, electricity is formed, without combustion of any form. Water and heat are the only by-products when hydrogen is used as the fuel source. Fuel cell stack consists of multi-layered unit cells. A unit cell consists of MEA and bipolar plates. The end plate of fuel cell stack should give a uniform distributed pressure to multi unit cell layers so as to reduce the contact resistance and to prevent the leakage of reactant gases and the damage of multi layer components. The current end plate is redundantly large and heavy. It makes the power per unit volume reduced. Topology optimization of end plate is conducted for mass reduction and enhancement of bending rigidity. The evaluation of the current design and the recommendation for the future design is remarked.
The solid oxide fuel cell (SOFC) has attracted great deal of attention due to its high electrical efficiency, high waste-heat utilization, fuel flexibility, and application versatility. However, SOFC technology is still not matured enough to fulfill the practical requirements for commercialization. Therefore, all the research and development activities are mainly focused on a development of practically viable SOFCs with higher performance and better reliability. We were successful in fabricating high-performance anode-supported unit cells by employing hierarchically controlled multi-layered electrodes for both structural reliability and high performance. In addition, a novel composite sealing gasket made it possible to achieve excellent sealing integrity even with considerable surface irregularities in a multi-cell planar arrayed stack.
This study presents the integrated modeling approach to simulate the proton exchange membrane [PEM] fuel cell system for vehicle application. The fuel cell system consisting of stack and balance of plant (BOP) was simulated with MATLAB/Simulink environment to estimate the maximum system power and investigate the effect of BOP component sizing on system performance and efficiency. The PEM fuel cell stack model was established by using a semi-empirical modeling. To maximize the net efficiency of fuel cell system, multi-variable optimization code was adopted. Using this method, the optimized operating values were obtained according to various system net power levels. The fuel cell model established was co-linked to AVL CRUISE, a vehicle simulation package. Through the vehicle simulation software, the fuel economy of fuel cell powered electric vehicle for two types of driving cycles was presented and compared. It is expected that this study can be effectively employed in the basic BOP component sizing and in establishing system operation map with respect to net power level of fuel cell system.
This study presents the integrated modeling approach to simulate the proton exchange membrane (PEM) fuel cell system for vehicle application. The fuel cell system consisting of stack and balance of plant (BOP) was simulated with MATLAB/Simulink environment to estimate the maximum system power and investigate the effect of BOP component sizing on system performance and efficiency. The PEM fuel cell stack model was established by using a semi-empirical modeling. To maximize the net efficiency of fuel cel1 system, multi-variable optimization code was adopted. Using this method the optimized operating values were obtained according to various system net power levels. The fuel cell model established was co-linked to AVL CRUISE, a vehicle simulation package. Through the vehicle simulation software, the fuel economy of fuel cell powered electric vehicle for two types of driving cycles was presented and compared. It is expected that this study tan be effectively employed in the basic BOP component sizing and in establishing system operation map with respect to net power level of fuel cell system.
The one of the major problems in the development of PEMFC was regarding to the assurance of sealing on stack. The failure on the sealing creates the problems of fuel leakage, mixing, internal combustion, damage on parts and can be a direct reason for the degrading the efficiency of fuel cell. This paper studies on the analytical approach for improving the contacting pressure distribution on the gasket at the evaluation on the sealing of fuel cell stack. So, the assembly analysis on multi layered fuel cell stack was performed. The research on the simplification of finite element model was performed for three dimensional analysis at the multi layered state. The improved contact pressure distribution was obtained through the case studies on gasket for better sealing. In addition, the number of the cell was determined for the effective analysis and the structural characteristics were evaluated based on this research.
In PRAM applications, the devices can be made for both binary and multi-state storage. The ability to attain intermediate stages comes either from the fact that some chalcogenide materials can exist in configurations that range from completely amorphous to completely crystalline or from designing device structure such a way that mimics multiple phase chase phenomena in single cell. We have designed stack-structured phase change memory cell which operates as multi-state storage. Amorphous $Ge_xTe_{100-x}$ chalcogenide materials were stacked and a diffusion barrier was chosen for each stack layers. The device is operated by crystallizing each chalcogenide material as sequential manner from the bottom layer to the top layer. The amplitude of current pulse and the duration of pulse width was fixed and number of pulses were controlled to change overall resistance of the phase change memory cell. To optimize operational performance the thickness of each chalcogenide was controlled based on simulation results.
I.H. Oh;S.J. Shin;J.H. Jo;Park, S.K.;H.Y. Ha;S.A. Hong;S.Y. Ahn;Lee, Y.C.;S.A. Cho
에너지공학
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제11권3호
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pp.254-261
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2002
The fabrication method for the main components of the polymer electrolyte membrane fuel cell stack such as electrodes, membrane-electrode assemblies, and bipolar plates was established for the effective electrode area of 240 ㎠. A counter-flow type 100-cell stack was fabricated by using the above components and then a maximum power of 7.44 kW for H$_2$/O$_2$ and 5.56 kW for H$_2$/air could be obtained at 70$\^{C}$ and 1 atm. It was seen that the distribution of the OCV for unit cells in the stack was uniform but the voltage deviation increased as the load increased due to the IR drop and the electrode polarization. The stack was applied to the power source of the fuel cell/battery hybrid electric golf car. It produced about 1 kW at a room temperature operation during the test run, which occupied about 43% of the total power required by the 2.3 kW motor.
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.
Fuel cells convert a fuel together with oxygen in a highly efficient electrochemical reaction to electricity and water. Since the electrochemical reaction in the fuel cell stack dose not generate any noise, Fuel cell systems are expected to operated much quieter than combustion engines. However, the tonal noise and the broad band noise caused by a centrifugal compressor and an electric motor cause which is required to feed the ambient air to the cathode of the fuel cell stack with high pressure. In this study, the multi-camber perforated muffler is used to reduce noise. We propose optimized muffler model using an axiomatic design method that optimizes the parameters of perforated muffler while keeping the volume of muffler minimized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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