Lee, Kyu Ha;Chu, Ji Young;Kim, Ae Rhan;Nahm, Kee Suk;Yoo, Dong Jin
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.34
no.6
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pp.1763-1770
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2013
A series of the block copolymers were successfully synthesized from post-sulfonated hydrophilic and hydrophobic macromers via three-step copolymerization. The degrees of sulfonation (DS) of the copolymers (10%, 30%, or 50%) were controlled by changing the molar ratio of the hydrophilic and hydrophobic parts. The resulting block copolymers were characterized by $^1H$ NMR and other technologies. The membranes were successfully cast using dimethyl sulfoxide (DMSO) solution at $100^{\circ}C$. The copolymers were characterized to confirm chemical structure by $^1H$ NMR and FT-IR. Thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) demonstrated that all sulfonated block copolymers exhibited good thermal stability with an initial weight loss at temperatures above $240^{\circ}C$. The membranes showed acceptable ion exchange capacity (IEC) and water uptake values in accordance with DS. The maximum proton conductivity was 184 mS $cm^{-1}$ in block copolymer-50 at $60^{\circ}C$ and 100% relative humidity, while the conductivity of Nifion-115 was 160 mS $cm^{-1}$ under the same measurement conditions. AFM images of the block copolymer membranes showed well separated the hydrophilic and hydrophobic domains. From the observed results it is that the prepared block membranes can be considered as suitable polymer electrolyte membranes for the application of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC).
This paper presents a two stage three-phase proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) generation system. When the system is connected to a three-phase load, it is very sensitive to the characteristics and type of the load. Especially unbalanced three-phase loads, which result in a pulsating power that is twice the output frequency at the inverter output, and cause the dc-link to generate low frequency ripples. This penetrates to the fuel cell side through the front-end dc-dc converter, which makes the fuel cell work in an unsafe condition and degrades its lifespan. In this paper, the generation and propagation mechanism of low frequency ripple is analyzed and its impact on fuel cells is presented based on the PEMFC output characteristics model. Then a novel method to evaluate low frequency current ripple control capability is investigated. Moreover, a control scheme with bandpass filter inserted into the current feed-forward path, and ripple duty ratio compensation based on current mode control with notch filter is also proposed to achieve low frequency ripple suppression and dynamic characteristics improvement during load transients. Finally, different control methods are verified and compared by simulation and experimental results.
Water management is one of many operating parameters, which influences the performance and stability of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Local humidity condition including liquid water saturation has profound impacts on the distributions of overpotentials, current density, and membrane water content. Computational fluid dynamics simulations were conducted to investigate the effect of the inlet humidity variation on the performance of a PEMFC of $9\;cm^2$ active cell area with serpentine flow fields. The results showed that the performance of the simulated PEMFC remained at an almost same level when the cathode inlet humidity was changed from 100% to 60%, while reaching its maximum at air humidity of 80%. However, further decrease in the cathode inlet humidity below 40% started to significantly deteriorate the performance of the PEMFC. The variations of overpotentials, membrane water content, etc. due to the change in the cathode inlet humidity were also discussed.
Dead-ended operation of Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC) provides the simplification of fuel cell systems to reduce fuel consumption and weight of fuel cell. However, the water accumulation within the channel prohibits a uniform supply of fuel. Optimization of the purge strategy is required to increase the fuel cell efficiency since fuel and water are removed during the purge process. In this study, we investigated the average voltage output which depends on two interrelated conditions, namely, the supply gas pressure, purging valve open time. In addition, flow visualization was performed to better understand the water build-up on the anode side and cathode side of PEMFC in terms of a variety of the current density. We analyzed the correlation between the purge condition and water flooding.
To develop a membrane electrode assembly (MEA) with lower Pt loading and higher performance in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), it is an important research issue to understand interfacial structure of Pt/C catalyst and ionomer and design the catalyst layer structure. In this study, we prepared short-side-chain Nafion-based ionomer dispersion using propylene glycol (PG) as a solvent instead of water which is commonly used as a solvent for commercially available ionomers. Cathode catalyst layers with different ionomer content from 20 to 35 wt% were prepared using the ionomer dispersion for the fabrication of four different MEAs, and their fuel cell performance was evaluated. As the ionomer content increased to 35 wt%, the performance of the prepared MEAs increased proportionally, unlike the commercially available water-based ionomer, which exhibited an optimum at about 25 wt%. Small size micelles and slow evaporation of PG in the ionomer dispersion were effective in proton transfer by inducing the formation of a uniformly structured catalyst layer, but the low oxygen permeability problem of the PG-based ionomer film should be resolved to improve the MEA performance.
In this paper, experiments with an air-breathing proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) for mobile devices were carried out according to cathode conditions. These conditions are defined by the cathode flow field plate type (the channel type, the open type) and the cathode surface direction. Single-cell and 6-cell stack were used in the experiments. The experimental results showed that the open-type cathode flow field plate gave a better performance than the small channel type. In the experiments related to the direction of the slits on the cathode flow field plate, the horizontal slit cell was better than the vertical one. With respect to the cathode surface direction, when the cathode surface is placed in the direction normal to the ground, the PEMFC generated more stable power in the mass transport loss region. Since stable power in the mass transport region is closely related to the air supply, computational fluid dynamics (CFD) analysis for air-breathing PEMFC of different cathode surface directions was performed.
In the process of long-term use of PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells), chemical degradation of membrane electrode assembly (MEA) occurs due to corrosion of stack elements and contamination of supply gas. In this study, we investigated whether chemically degraded MEA can be recovered by acid washing. The performance was measured and compared in a PEMFC cell after contamination with iron ions and washing with an aqueous sulfuric acid solution. The performance was reduced by about 25% by 0.5 ppm iron ion contamination, and 97.1% performance recovery was possible by washing of 0.15 M sulfuric acid. The membrane resistance was increased due to iron ion contamination of the polymer membrane, and the ionic conductivity was restored by washing the iron ions from the membrane while minimizing the loss of the electrode catalyst by washing with a low-concentration sulfuric acid aqueous solution. The possibility of solving the decrease in durability caused by chemical contamination of PEMFC MEA by the acid washing was confirmed.
Park, Se-Joon;Choi, Hong-Jun;Kim, Gwang-Yeol;Cha, In-Su;Lim, Jung-Yeol
Proceedings of the KIEE Conference
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2008.10c
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pp.191-193
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2008
A fuel cell power system among various alternative power sources has many advantages such as low-polluted, high-efficient, and heat-recyclable, thus it is now able to be up to hundreds MWh-scaled through improving feasibility and longevity of it. During the last few years of the twentieth century, much changed to stimulate new and expanding interest in fuel cell technology. This paper presents optimal design and operational features of stand-alone 500W PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) system which can be a substitute instead fossil fuel. The stack of PEMFC is composed of 35 laminated graphite, and a unit cell of the stack has electrical characteristics as below; 14W, 0.9V, 15A. The other components of BOP(Balance of Plant) are composed of hydrogen and nitrogen tanks, regulators, 3way 5solenoid valves, mass flow meters, etc.
The water transport and water content of the electrolyte membrane greatly affect the performance of the membrane in PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell). In this study, the parameters (electroosmotic coefficient, water diffusion coefficient) of polymer membranes for water transport were measured by a simple method, and water flux and ion conductivity were simulated by using a model equation. One dimensional steady state model equation was constructed by using only the electro-osmosis and diffusion as the driving force of water transport. The governing equations were simulated with MATLAB. The electro-osmotic coefficient of $144{\mu}m$ thick polymer membranes was measured in hydrogen pumping cell, the value was 1.11. The water diffusion coefficient was expressed as a function of relative humidity and the activation energy for water diffusion was $2,889kJ/mol{\cdot}K$. The water flux and ion conductivity results simulated by applying these coefficients showed good agreement with the experimental data.
The modeling of PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell system consisting of fuel cell stack and BOP (Balance of Plant) is presented in this paper. The effects of temperature, pressure (air, hydrogen), and humidity on the fuel cell system performance were mainly investigated using thermo-dynamical and electro-chemical equations. To understand the power distribution characteristics of fuel cell system, the effects of operating temperature and air pressure on maximum power and system power were also demonstrated. Through this study, we can get the basic insight into the fuel cell stack and BOP component sizing and it can be used effectively for the optimization of the practical fuel cell systems in purpose.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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