고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 전극의 빠른 활성과 피독 현상에 대한 높은 저항성으로 인해 저온 구동형 PEMFC의 대안으로 많은 연구가 진행되고 있다. 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 기반으로 한 PEM의 경우 고온 구동 조건에서 이온 전도성 물질과의 높은 상호 작용과 우수한 열적ㆍ기계적 안정성 특징으로 인해 HT-PEMFC용 PBI 기반 전해질 막 개발과 관련된 다양한 연구들이 진행되고 있다. 본 총설에서는 고성능/고내구성의 PBI 기반 PEM을 개발하기 위해 1) 인산 및 다양한 이온전도성 물질이 도핑된 PBI 막의 특성 분석과 막 제조법에 따른 PBI 막의 물성 비교에 관한 연구를 우선적으로 살펴본 후 2) 다공성 폴리테트라플루 오르에틸렌 지지체 및 무기 입자 혼입을 통한 PBI 복합 막의 성능 개선 연구 및 3) 고분자 블렌딩을 통해 가교 구조가 도입된 PBI 기반 가교 막의 내구성 향상에 관한 연구 동향에 대하여 소개하고자 한다.
이산화탄소 배출이 없는 고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 수송용, 발전용 시스템에 적용 가능한 친환경 에너지 변환장치이다. PEMFC의 주요 구성품 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 구동시간 동안의 높은 수소 이온 전도도와 물리화학적 안정성 갖춘 과불소화계 고분자(perfluorinated sulfonic acid, PFSA) 기반 PEM (PFSA-PEM)이 상용화 되어있다. 하지만 PFSA-PEM의 단점으로 지적되는 낮은 유리전이온도와 높은 기체 투과도의 보완이 요구되고 있다. 이에 본 총설에서는 PFSA-PEM의 성능 향상 및 단점 보완을 위해 1) PFSA의 측쇄부 길이를 조절함으로써 이온교환용량의 증가와 고분자의 결정성을 증가시켜 PFSA-PEM의 능력을 향상시킨 연구와 2) 유/무기 첨가제를 도입하여 수소 이온 전도도 및 물리적 안정성을 향상시키는 복합 막 연구 및 3) 다공성 지지체를 도입하여 PEM의 두께를 효과적으로 감소시켜 막 저항을 효과적으로 줄이고 내구성을 큰 폭으로 개선한 다공-충진막에 관한 연구를 소개하고자 한다.
This study focuses on a determination of amount of Pt in the Pt/C for catalysts of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). PEMFC offer low weight and high power density and being considered fur automotive and stationary power applications. The PEMFC behavior is quite complex is influenced by several factors, including catalysts and structure of electrode and membrane type. Catalyst of electrode is important factor for PEMFC. One of the obstacles preventing polymer electrolyte membrane fuel cells from commercialization is the high cost of noble metals to be used as catalyst, such as platinum. To effectively use these metals, they have to be will dispersed to small particles on conductive carbon supports. The optimal amount of Pt in Pt/C was investigated by using polarization curves in single cell with $H_2/O_2$ operation.
연로로부터 화학에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 연료전지(Fuel Cells)중 고체형 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 효율이 높고, zero emission 가능성으로 차세대 수송용 전원으로 각광받고 있는 미래 환경친화적 에너지원이다. 수소와 산소(또는 공기)와의 반응을 이용한 것이 PEMFC이고, 수소를 연료로 쓰지 않고 액체상 메탄올을 직접 연료로 사용하는 것이 DMFC이다. (중략)
The effective water management in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is one of the key strategies for improving cell performance and durability. In this work, an ex situ measurement was carried out to understand the water droplet behavior on the surface of gas diffusion layer (GDL) as a fundamental study for establishing novel water management. For that purpose, simplified cell including one rib and two flow channels was designed and fabricated. Using this ex situ device, the water droplet emergence through the GDL of the PEMFC was emulated to understand liquid water transport through the porous diffusion medium. Through the visualization experiment, the emergence and growth of water droplets at the channel/GDL interface are mainly observed with the surface characteristics of GDL (SGL 10BA, 24BA) and rib when the liquid water passes through the GDL and is expelled to the flow channel. It is expected that the results obtained from this study can contribute to the better understanding on the water droplet behavior (emergence and removal) in the flow channels of PEMFC.
With the expectation to overcome the problem of increasing energy consumption, polymer electrolyte membrane fuel cells are getting more attention as a promising environmentally friendly and sustainable next-generation energy conversion system. In spite of the rapid improvement of polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFCs), there are several critical issues still need to be resolved for practical commercialization. Out of the many issues, the main hurdle comes from oxygen reduction reaction(ORR), thus development of efficient ORR electrocatalysts is the main key for enhancing PEMFC performance. Among various catalysts, 1D nanostructured catalyst is a promising candidate because it holds many advantages that come from nanostructuring while supplementing the disadvantages of other nanostructures such as nanoparticles(0D) or gyroids(3D). This review focused on diverse 1D nanostructures and talks about their advantages as catalyst for ORR. Different 1D nanostructures will be introduced while applying the structures to different materials system showing the prospects of 1D nanostructures for improving PEMFC.
Fuel cells have been spotlighted in the world for being highly efficient and environmentally friendly. A hydrogen which is the fuel of fuel cell can be obtained from a number of sources. Hydrogen source for operating the polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) in the current underwater environment, such as a submarine and unmanned underwater vehicles are currently from the metal hydride cylinder. However, metal hydride has many limitations for using hydrogen carrier, such as large volume, long charging time, limited storage capacity. To solve these problems, we suggest diesel reformer for hydrogen supply source. Diesel fuel has many advantages, such as high hydrogen storage density, easy to transport and also well-infra structure. However, conventional diesel reforming system for PEMFC requires a large volume and complex CO removal system for lowering the CO level to less than 10 ppm. In addition, because the preferential oxidation(PROX) reaction is the strong exothermic reaction, cooling load is required. By changing this PROX reactor to hydrogen separation membrane, the problem from PROX reactor can be solved. This is because hydrogen separation membranes are small and permeable to pure hydrogen. In this study, we conducted the pressurized diesel reforming and water-gas shift reaction experiment for the hydrogen separation membrane application. Then, the hydrogen permeation experiments were performed using a Pd alloy membrane for the reformate gas.
고분자 전해질 연료전지를 자동차용 동력원으로 사용하는 경우 겨울철 운전 시 연료전지 내에 존재하는 물이 결빙하여 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다. 물의 결빙이 연료전지의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 연료전지의 온도를 운전온도인 $80^{\circ}C$에서 물이 결빙하기에 충분한 온도인 $-10^{\circ}C$까지 열순환하면서 전류전압 곡선을 측정했다. 열순환이 반복됨에 따라 물의 상변화와 이에 따른 부피변화로 인해 연료전지의 성능이 감소했다. 물의 결빙이 연료전지의 성능을 저하시키는 원인을 규명하기 위해 BET분석과 순환전류전압법, 임피더스 분석을 이용해 열순환이 전극의 구조와 분극 저항에 미치는 영향을 조사했다.
This paper proposes a stand alone type single-phase fuel cells micro-source with a voltage sag compensator for compensating the ac output voltage variations (sag or swell) of micro-source. The proposed micro-source is consist of a PEM(polymer electrolyte membrane) fuel cells simulator, a full bridge de converter, a 60Hz PWM(pulse width modulation) VSI(voltage source inverter), and a voltage sag compensator. Voltage sag compensator is similar to the configuration of hybrid series active power filter, and it is directly connected to micro-source through the injection transformer. Compensation algorithm of a voltage sag compensator adopts a single phase p-q theory. Effectiveness of the proposed the system is verified by the PSIM(power electronics simulation tool) simulation in the steady state and transient state which the proposed system is able to simultaneously compensate the harmonic current and source voltage sag or swell.
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) is one of the leading advanced energy conversion technology for the use in transport. It generates water droplets through the catalytic processes and dispenses the water through the gas-flowed microchannels. The droplets in the dispensing microchannel experience g-forces from different directions during the operation in transport. Therefore, this paper reviews the computational modelling topics of droplet dynamics behaviour specifically for three categories, i.e. (i) the droplet sliding down a surface, (ii) the droplet moving in a gas-flowed microchannel, and (iii) the droplet jumping upon coalescence on superhydrophobic surface; in particular for the parameters like hydrophobicity surfaces, droplet sizes, numerical methods, channel sizes, wall conditions, popular references and boundary conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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