• 해양환경안전학회지
• /
• 제28권4호
• /
• pp.657-666
• /
• 2022

국제해사기구(IMO)는 국제해운 분야의 온실가스(Green House Gas, GHG) 감축을 위하여 각국의 기술 개발 및 에너지 효율성 제고에 관한 정책 시행을 적극적으로 권장하고 있다. 이러한 IMO의 환경규제와 관련된 정책들은 해운 분야 전반에 큰 영향을 미치고 있으며, 선주들에게도 막대한 부담으로 작용하고 있다. 선박에서 발생하는 GHG 배출을 억제하기 위한 가장 합리적인 방안은 탄소제로배출(Zero Emission) 선박의 개발로 귀결된다. 즉 친환경 연료로 추진하는 연료전지선박(Fuel Cell Ship, FCS)의 개발이 IMO의 규제를 벗어날 수 있는 대안인 것이다. 아시아, 북미, 유럽 등의 각국에서는 독자적으로 PEMFC를 개발 및 생산하여 국제공인등록 기관으로부터 형식승인인증을 획득함으로써 국제표준화의 선점을 추구하고 있다. 현재 다양한 연료전지(Fuel Cell, FC) 중에서 선박용으로 권장하는 것은 크게 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등의 세종류가 있다. 본 연구에서는 글로벌 FC 시장에서 지속적인 성장이 예상되는 PEMFC를 대상으로 하여 국내외 개발 동향, 제조업체별 규격, 성능 및 선박에 적용한 실증적 사례를 분석하였다. 그리고 PEMFC를 선박에 적용할 경우, 고려해야 할 사항과 개발 방향에 관하여 제안하고자 하였다.

• Korean Journal of Chemical Engineering
• /
• 제35권11호
• /
• pp.2290-2295
• /
• 2018

An acceleration stress test (AST) was performed to evaluate the durability of a polymer membrane in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) for 500 hours. Previous studies have shown that hydrogen crossover measured by linear sweep voltammetry (LSV) increases when the polymer membrane deteriorates in the AST process. On the other hand, hydrogen crossover of the membrane often decreases in the early stages of the AST test. To investigate the cause of this phenomenon, we analyzed the MEA operated for 50 hours using the AST method (OCV, RH 30% and $90^{\circ}C$). Cyclic voltammetry and transmission electron showed that the electrochemical surface area (ECSA) decreased due to the growth of electrode catalyst particles and that the hydrogen crossover current density measured by LSV could be reduced. Fourier transform infrared spectroscopy and thermogravimetric/differential thermal analysis showed that -S-O-S- crosslinking occurred in the polymer after the 50 hour AST. Gas chromatography showed that the hydrogen permeability was decreased by -S-O-S- crosslinking. The reduction of the hydrogen crossover current density measured by LSV in the early stages of AST could be caused by both reduction of the electrochemical surface area of the electrode catalyst and -S-O-S- crosslinking.

• 한국수소및신에너지학회논문집
• /
• 제29권1호
• /
• pp.41-55
• /
• 2018

General polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) operates at less than $80^{\circ}C$. Therefore liquid phase water resulting from electrochemical reaction accumulates and floods the cell which in turn increases the mass transfer loss. To prevent the flooding, it is common to employ serpentine flow channel, which can efficiently export liquid phase water to the outlet. The major drawback of utilizing serpentine flow channel is the large pressure drop that happens between the inlet and outlet. On the other hand, in the high temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEMFC), since the operating temperature is 130 to $180^{\circ}C$, the generated water is in the state of gas, so the flooding phenomenon is not taken into consideration. In HT-PEMFCs parallel flow channel with lower pressure drop between the inlet and outlet is employed therefore, in order to circulate hydrogen and air in the cell less pumping power is required. In this study we analyzed HT-PEMFC's different flow channels by parallel computation using previously developed 3-D isothermal model. All the flow channels had an active area of $25cm^2$. Also, we numerically compared the performance of HT-PEMFC parallel flow channel with different manifold area and Rib interval against the original serpentine flow channel. Results of the analysis are shown in the form of three-dimensional contour polarization curves, flow characteristics in the channel, current density distribution in the Membrane, overpotential distribution in the catalyst layer, and hydrogen and oxygen concentration distribution. As a result, the performance of a real area fuel cell was predicted.

• 멤브레인
• /
• 제30권6호
• /
• pp.395-408
• /
• 2020

고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 환경오염물질 배출이 없는 친환경 에너지 변환 장치로 주목을 받고 있다. PEMFC의 구성요소 중 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 음극에서 발생되는 수소이온을 양극으로 전달하는 역할과 동시에 분리막으로써 연료의 투과를 차단하는 역할을 수행하는 핵심 소재이다. 대표적으로 Nafion®과 같은 과불소화계 고분자 전해질 막이 상용화 되어있지만 높은 단가 및 분해 시 환경오염물질이 배출되는 단점이 존재하여, 이를 대체할 탄화수소계 고분자를 활용한 전해질 막 개발에 관한 연구들이 수행되고 있다. 높은 수소이온 전도도를 가지며 동시에 우수한 물리·화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 전해질 막을 개발하기 위해 가교 구조가 도입된 전해질 막을 개발하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설은 가교 전해질 막을 제조하기 위해 이온교환 작용기가 도입된 탄화수소계 고분자를 활용하여 다양한 종류의 가교 전해질 막을 제조하는 방법에 대해 논하였다.

• 대한기계학회논문집B
• /
• 제34권10호
• /
• pp.885-891
• /
• 2010

고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 열관리는 성능 향상과 내구성 측면에서 중요한 문제이다. 일반적으로 냉각수 순환 유로를 가진 냉각판이 여러 개의 단전지 사이에 삽입되어 PEMFC 내부에서 발생하는 반응열을 외부로 배출한다. 본 연구에서는 개선된 병렬 사형유로(MPSFF)를 향상된 냉각성능을 가진 냉각판 유로형상으로 제안하고, 이를 전산유체역학(CFD) 해석을 통하여 평가하였다. 비교를 위하여 냉각수 유로로 일반적으로 사용되는 사형유로 및 병렬형유로의 냉각성능에 대한 계산도 수행하였다. CFD 결과는 개선된 병렬 사형유로가 냉각판 표면에서의 온도의 비균일도를 상당히 감소시키고, 따라서 PEMFC의 내구성과 성능을 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

• 한국세라믹학회지
• /
• 제40권2호
• /
• pp.159-166
• /
• 2003

퍼플루오르설포닐 플로라이드 나피온 레진과 mordenite를 이용하여 $100^{\circ}C$ 이상의 고온에서 작동하는 고분자 전해질형 연료건지용 전해질 막을 제조하고, 물리적 특성, proton전도도 및 단위 전지의 성능을 측정하였다. 나피온/mordenite복합체 막은 나피온 레진을 용융한 후, mordenite를 무게별로 첨가하여 제조하였다. 고온 영역에서 proton 전도도를 측정한 결과, mordenite 함량이 증가할수록 층상 구조를 갖는 mordenite내에 존재하는 층간수의 느린 탈수 속도 때문에 proton 전도도는 증가하였다. 또한, 단위 전지 성능 측정 결과로부터, $130^{\circ}C$의 작동 온도에서 l0wt% mordenite를 함유하고 있는 복합체 막이 전체 영역에 걸쳐 가장 높은 성능을 보임을 알 수 있었다. 이러한 결과는 같은 조건에서. l0wt% mordenite가 함유된 복합체 막 내부에 존재하고 있는 수분이 다른 조성의 막보다 더 많이 존재하게 되어, 복합체 막의 이온 전도도를 유지하기 때문이다. 따라서, 나피온/mordenite복합체 막은 $100^{\circ}C$이상에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지용 전해질 막으로서 적합하다고 생각된다.

• 전기화학회지
• /
• 제13권4호
• /
• pp.277-282
• /
• 2010

자동차용 고분자전해질 연료전지의 열화는 시동 또는 정지 시에 'reverse-current condition'이라 불리는 현상에 의해 촉진된다. 연료전지 자동차의 운전 종료 후 장시간동안 주차를 해 두면, 대기 중의 공기가 스택 내로 서서히 유입되어 시간이 경과함에 따라 산소분압이 점차 높아져 궁극적으로는 연료극과 공기극의 유로가 모두 공기로 충진된다. 이때 재시동하면서 연료극으로 수소가 공급되면, 연료극 유로 내에 수소와 공기가 공존하게 되고, 연료극에 공기가 존재하는 부위의 공기극에 1.4 V 이상의 높은 전압이 발생하는데, 이를 reverse-current condition 이라고 하며 공기극의 탄소담지체와 백금 촉매 산화의 원인으로 작용한다. 본 연구에서는 재시동시 스택 내에 존재하는 산소의 농도에 따른 열화 현상을 규명하고자 하였다.

• 전기화학회지
• /
• 제9권3호
• /
• pp.118-123
• /
• 2006

반복적인 작동/멈춤에 의해 고분자전해질 연료전지의 성능 감소가 촉진되며, 이는 연료전지 자동차의 상용화를 위해 반드시 해결되야 한다. 고분자전해질 연료전지 스택의 운전을 정지했을 때 연료극 유로에는 수소가, 공기극 유로에는 공기가 남아 있어 연료전지가 열림회로 전위 상태에 한동안 유지되며 이로 인해 촉매의 소결이 촉진되고 과산화수소 라디칼이 형성되어 전해질를 분해시키는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 반복적인 작동/멈춤이 따라 고분자전해질 연료전지의 성능 감소와 막-전극 접합체의 특성에 미치는 영향을 조사하고, 운전 정지 시 잔존 수소를 제거함으로써 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 방법을 제안하였다.

• 전기화학회지
• /
• 제19권1호
• /
• pp.9-13
• /
• 2016

Electrospun poly(ether sulfone) (PES) membrane impregnated with Nafion (PES-N) have been developed for high-temperature polymer-electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC). The PES-N obtains highly thermal stability up to $430^{\circ}C$, which is higher than that of the commercial Nafion 212. The PES-N membrane shows a good proton conductivity of about $10^{-2}S\;cm^{-1}$ in a temperature range from $75^{\circ}C$ to $120^{\circ}C$. The membrane-electrode assembly (MEA) with the PES-N membrane exhibits a current density of $1.697A\;cm^{-2}$ at $75^{\circ}C$, and $0.813A\;cm^{-2}$ at $110^{\circ}C$ when the applied voltage is 0.6 V, whereas the MEA with the Nafion 212 membrane shows the current density of $0.647Acm^{-2}$ at $110^{\circ}C$. The results suggest that the PES-N can be a good candidate for a polymer electrolyte membrane of the HT-PEMFC.

• 한국수소및신에너지학회논문집
• /
• 제35권2호
• /
• pp.205-215
• /
• 2024

This study introduced a direct contact heat exchanger to enhance the efficiency of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) systems. According to previous research, 28% of the operating costs of fuel cell systems are attributed to heat exchanger devices, prompting the design of a direct contact heat exchanger to address this issue. Optimal configurations were determined through computational fluid dynamics analysis and experimental device fabrication, and the enhanced heat exchange performance of the heat exchanger was experimentally confirmed. Through this, the contribution of the direct contact heat exchanger to the heat management and efficiency enhancement of PEMFC systems was established.