• 전기화학회지
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• 제10권1호
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• pp.25-30
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• 2007

고분자전해질 연료전지의 성능은 cell 온도, 전체 압력, 반응 기체의 부분 압력 상대습도와 같은 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다. 이온화된 수소 이온은 $H_3O^+$의 형태로 membrane을 통과하여 물을 생성하는 반응으로 전기를 발생시킨다. 대용량 연료전지에서는 부수적으로 생성되는 열을 제거하거나 다른 용도로 사용할 목적으로 냉각시스템이 필요하다. 냉각수의 전도도가 상승할 경우에 연료전지에서 발생된 전류의 일부가 냉각수를 통하여 누설되어 연료전지의 성능을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 3차 증류수와 ethylene glycol이 함유되어 있는 부동액을 사용하여 저항 수치 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다. 3차 증류수의 경우 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 약 28일이 소요되었고, 연료전지의 운전에 의한 영향은 관찰되지 않았다. 부동액을 냉각수로 사용한 경우는 43일이 지나도 저항값이 설정치 이하로 내려가지는 않았지만, stack 분리판의 접착부에 이상이 생긴 것으로 추정되는 연료전지의 성능 저하가 발생하여 전도도 실험을 중단하였다. 고분자전해질 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 소용량 연료전지에서는 무가습 조건을 적용하여 연료전지의 효율을 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으나 대용량 연료전지에서는 양측 무가습인 경우에 $50{\sim}60^{\circ}C$ 이상의 고온에서 성능이 발현되기 어려운 것으로 관찰되었다. 냉각수의 유량을 다르게 하여 실험을 수행한 경우에는 0.78L/min과 같은 낮은 유량에서 출구온도와 입구온도를 측정하여 본 결과 두 온도 사이에 ${\Delta}T$가 다른 유량에서보다 크게 발생하여 성능이 감소된 것으로 사료된다. 이와 같이 냉각수의 온도와 유량을 다르게 하여 양측 무가습 실험을 수행한 결과, 연료전지의 성능이 cell 온도에 직접적인 연관이 있는 것으로 관찰되었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권6호
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• pp.847-853
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• 2016

본 연구에서는 3차원 전산유체역학 모델을 적용하여 서펜타인 유로를 갖는 고분자 전해질 분리막(PEM) 연료전지의 성능평가를 수행하였다. PEM 연료전지의 전산 모델은 등온조건하에서의 이동현상을 고려하여, 물질 및 운동량 전달, 전극에서의 반응속도론 그리고 전기적 흐름을 모두 포함하였다. 한편, 병류로 흐르도록 형성된 구조의 유로 형태는 본 연료전지모델에서 유로의 폭과 높이의 비인 종횡비와 유로와 립 폭의 비인 반응면적비를 변화시키며 다양한 형상으로 고려되었다. 유로의 형상이 변화될 경우 연료전지 내부의 수소와 산소의 질량분율 분포가 계산되었으며, 이에 따라, 활성화과전압의 계산 값이 변하게 되며 전류밀도 분포가 최종적으로 결정되었다. CFD 결과는 종횡비가 클수록 성능이 증가하고 반응면적비가 클수록 성능이 감소하는 것을 보였다. 본 연구의 모델에 의하면 서펜타인 유로의 형상에 의해, 성능특성이 경향성을 보이는 결과를 보여주었으며, 이와같은 결과는 다른 문헌에 보고 된 CFD 결과들과 전반적으로 잘 부합하는 것으로 나타났다.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제14권4호
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• pp.333-348
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• 2023

In this study, a 3D model of the proton exchange membrane fuel cell is established, and a new 3D baffle structure is designed, which is combined with the parallel flow field and then optimized by numerical simulation methods. The number of baffles and the cross-sectional trapezoidal base angle are taken as the main variables, and their impacts on the performance indexes of the cathode side are analyzed. The results show that the 3D baffle can facilitate the convection and diffusion mass transfer of reactants, improve the uniformity of oxygen distribution, enhance the drainage capacity, and make the cell performance superior; however, too small angle will lead to excessive local convective mass flux, resulting in the decrease of the overall uniformity of oxygen distribution and lowering the cell performance. Among them, the optimal number of baffles and angle are 9 and 58°, respectively, which improves the net output power density by 10.8% than conventional flow field.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제25권4호
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• pp.393-404
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• 2014

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have been applied to not only military missions like surveillance and reconnaissance but also commercial missions like meteorological observation, aerial photograph, communication relay, internet network build and disaster observation. Fuel cells make UAVs eco-friendly by using hydrogen. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) show low operation temperature, high efficiency, low noise and high energy density and those characterisitcs are well fitted with UAVs. Thus Fuel cell based UAVs have been actively developed in the world. Recently, fuel cell UAVs have started to develope for high altitude UAVs because target altitude of UAVs is expanded upto stratosphere altitude. Long endurance of UAVs is essential to improve effects of the missions. Improvement of UAV endurance time could be fulfilled by developing a hydrogen fuel storage system with high energy density and reducing the weight of UAVs. In this paper, research trend and analysis of fuel cell UAVs are introduced in terms of their altitude and endurance time and then the prospect of fuel cell UAVs are shown.

• 에너지공학
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• 제25권4호
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• pp.251-258
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• 2016

연료전지는 전기를 발전하면서 동시에 열도 생산하며, 본 고는 이 두 가지를 함께 이용하는 가정용의 마이크로 연료전지-열병합발전(${\mu}FC$-CHP) 시스템에 관한 조사보고서이다. 열병합발전 시스템을 구성하는 몇 가지 방안 중에서 연료전지는 전기와 열 효율을 합쳐 90%가 넘는 가장 높은 에너지 효율을 갖는 시스템을 구현할 수 있어 유용성이 높다. 연료전지에는 크게 다섯 가지 종류가 있으며, 이 중 가정용 ${\mu}FC$-CHP로 적합한 것은 프로톤교환 막연료전지(PEMFC)와 고체산화물연료전지(SOFC)이다. ${\mu}FC$-CHP시스템은 독립전원으로서 송배전 손실을 줄일 수 있고 전기생산단가를 낮출 수 있으며, 오염물질을 배출하지 않는 친환경 기술이란 점 등의 장점이 많다. 단점은 초기 투자비용이 높다는 점인데, 기술의 발달로 제작 단가를 줄여 이를 해결해나가고 있다. 현재는 일본이 시장을 선점하고 있으나 우리나라도 100만대 보급 계획을 가지고 있고, 정부가 반 정도의 설치보조금을 제공하여 시장을 견인하고 있다. 본 고에서는 이와 함께 연료전지와 열병합발전을 연결하는 기술적 내용 및 각국의 동향을 기술한다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제28권5호
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• pp.471-480
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• 2017

A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) operated at $150^{\circ}C$ was evaluated by a controlling different amount of phosphoric acid (PA) to a membrane-electrode assembly (MEA) without humidification of the cells. The effects on MEA performance of the amount of PA in the cathode are investigated. The PA content in the cathodes was optimized for higher catalyst utilization. The highest value of the active electrochemical area is achieved with the optimum amount of PA in the cathode confirmed by in-situ cyclic voltammetry. The current density-voltage experiments (I-V curve) also shows a transient response of cell voltage affected by the amount of PA in the electrodes. Furthermore, this information was compared with the production variables such as hot pressing and vacuum drying to investigate those effect to the electrochemical performances.

• 한국항공우주학회지
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• 제32권3호
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• pp.22-29
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• 2004

박막연의 변형은 고분자 전해질 연료전지의 성능에 상당한 영향을 미친다. 탄소공기판의 응력 분포는 고분자 전해질 연료전지의 안정성과 작동 효율의 중요변수이다. 본 논문에서는 작동 조건에서의 공기판과 박막면의 구조해석을 수행하였다. 박막면의 구조적 변형은 연료전지의 변수들의 분포에 영향을 미친다. 본 연구에서는 두 가지 모델에 대한 해석을 수행하였다. 한가지는 박막면의 물성치를 비선형으로 가정한 것이고, 나머지 한가지는 박막면의 물성치를 비선형으로 가정하고 공기판과 박막면의 접촉면에 접촉 조건을 적용한 경우이다. 이 두 가지 경우에 대해서 해석해본 결과 각각의 응력과 변형율의 분포에서 차이가 있음을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 연료전지의 연구에서 비선형 접촉 해석이 필요함을 알 수 있다.

• 한국항공우주학회지
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• 제32권5호
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• pp.41-49
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• 2004

연료전지의 박막면은 공기판에 비해 변형이 쉬운 재질로 이루어져 있다. 박막면의 구조적 변형에 따라 채널 단면의 형상이 바뀔 수 있고, 채널의 형상이 변하면 유통특성은 크게 달라질 수 있다. 연료전지의 공기판을 설계할 때에 유동 특성은 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 설계된 공기판의 검증을 위해서는 유동 특성을 파악하고, 유동 특성이 효율적인 성능을 갖기 위한 조건을 만족시키는가를 알아보아야 한다. 본 연구에서는 공기판의 유동 특성을 파악하기 위해 유동해석을 수행하였고, 동일한 조건에서의 실험을 수행하여 해석결과를 검증하였다. 그리고 박막면의 구조적 변형에 의한 유동 특성의 변화를 알아보기 위하여 박막면과 공기판의 구조해석을 수행한 결과를 이용하여 박막면의 구조적 변형을 고려한 유동해석을 수행하여 박막면의 구조적 변형을 고려하지 않은 유동해석의 결과와 그 특성을 비교하였다. 그 결과 상당한 차이가 발생함을 알 수 있었다. 연료전지의 설계를 위해 해석 및 실험시 구조변형이 고려되어야 함을 규명할 수 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권1호
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• pp.1-5
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• 2018

본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 실제 구동되는 고전류밀도 범위까지 임피던스를 분석해 이온전도도에 대해 연구하였다. 가스확산층(GDL)유무가 임피던스에 미치는 영향을 수소투과도 측정에 의해 간접적으로 검토하였다. 저전류 범위(<$80mA/cm^2$)에서 상대습도(RH)가 60% 이상 높을 때는 고분자 막의 수분 함량이 충분해 막의 이온전도도가 전류 변화의 영향을 받지 않았다. 그러나 RH가 낮을 때는 전류밀도가 증가하면서 수분 생성에 의해 이온전도도가 증가했다. 고전류 영역($100{\sim}800mA/cm^2$)에서 HFR (High Frequency Resistance)로 구한 막의 이온전도도 실험값과 수치해석에 의해 구한 값을 비교하였다. RH 100%에서는 실험값과 모사한 값 모두 전류 변화에 영향을 받지 않고 일정한 이온전도도를 유지함을 보였다. RH 30~70%에서는 전류밀도 증가에 따라 이온전도도가 증가하다 일정해 지는 경향을 나타냈다.

• 신재생에너지
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• 제6권1호
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• pp.46-52
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• 2010

Membrane electrode assemblies (MEAs) for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have been extensively studied to improve their initial performance as well as their durability and to facilitate the commercialization of fuel cell technology. To improve the MEA performance, particularly at low Pt loadings, many approaches have been made. In the present study, MEA performance improvement was performed by adding $TiO_2$ particles into the catalyst layer of MEA. Most of previous studies have focused on the MEA performance enhancement under low humidity conditions by adding metal oxides into the catalyst layer mainly due to the water keeping ability of those metal oxides particles such as $Al_2O_3$, $SiO_2$ and zeolites. However, this study mainly focused on the improvement of MEA performance under fully humidified normal conditions. In this study, the MEA was prepared by decal method aiming for a continuous MEA fabrication process. The decal process can make very thin and uniform catalyst layer on the surface of electrolyte membrane resulting in very low interfacial resistance between catalyst layer and the membrane surface and uniform electrode structure in the MEA. It was found that the addition of $TiO_2$ particles into the catalyst layer made by decal method can minimize water flooding in the catalyst layer, resulting in the improvement of MEA performance.