We present a MEMS-based portable Direct Methanol Fuel Cell (micro-DFMC), featured by a platinum sputtered microcolumn electrode and a built-in fuel chamber containing a limited amount of methanol fuel. Also presented is a micro-DMFC stack structure having a common electrolyte sandwiched by the microcolumn electrodes. The single cells with ME16 and PE16 electrodes show the maximum power densities of $31.04{\pm}0.29{\mu}W/cm^2$ and $9.75{\pm}0.29{\mu}W/cm^2$, respectively; thus indicating the microcolumn electrode (ME16) generates the power density (3.2 times) higher than the planar electrode (PE16). The single cell tests of ME16 and ME4 electrodes (Fig.8) show the maximum power of $31.04{\pm}0.29{\mu}W/cm^2$, and $25.23{\pm}2.7{\mu}W/cm^2$, respectively; thus demonstrating the increased window frame reduces the normalized standard power deviation (standard deviation over the average power). The normalized deviation of 0.11 in ME4 cell has been reduced to 0.01 in ME16 cell due to the increased window frames. The maximum power density of 4-cell stack is 15.7 times higher than that of the single cell. 4-cell stack produces the power capacity of 20.3mWh/g during 980min operation at the voltage of 450mV with the load resistance of $800{\Omega}$.
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.
The development and improvement of advanced fuel cell systems is a major topic of current research, since fuel cells are considerably more efficient than other energy converters$^1$. In proton exchange membrane fuel cell and direct methanol fuel cell the polymer membrane represents a key component. The membrane materials fulfill complex requirements. It has to combine electrochemical stability, workability, high ionic conductivity, low permeation of the reactants (methanol etc.) (omitted)
Ruthenium catalysts modified by selenium have been introduced as alternative materials to Pt in Direct methanol fuel cells (DMFCs). RuSe nano-particles were synthesized on the Vulcan XC72R carbon supports via polyol method. The prepared catalysts were electrochemically and physically characterized by cyclic voltammetry (CV,) linear sweep voltammetry, methanol tolerance test, X-ray diffraction (XRD), Transmission electron microscopy (TEM), Energydispersive Spectrometer (EDS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Increasing the Se concentration up to 20 at % increased the electro-catalytic activity for the oxygen reduction. By increasing Se amount, Ru metallic form on the surface was increased. The $Ru_{80}Se_{20}$/C catalysts showed the highest oxygen reduction reaction (ORR) activity and outstanding methanol tolerant property in half cell tests as well as single cell test.
Pt nanoparticle catalysts incorporated on $RuO_2$ nanowire support were successfully synthesized and their electrochemical properties, such as methanol electro-oxidation and electrochemically active surface (EAS) area, were demonstrated for direct methanol fuel cells (DMFCs). After fabricating $RuO_2$ nanowire support via an electrospinning method, two different types of incorporated Pt nanoparticle electrocatalysts were prepared using a precipitation method via the reaction with $NaBH_4$ as a reducing agent. One electrocatalyst was 20 wt% Pt/$RuO_2$, and the other was 40 wt% Pt/$RuO_2$. The structural and electrochemical properties of the Pt nanoparticle electrocatalysts incorporated on electrospun $RuO_2$ nanowire support were investigated using a bright field transmission electron microscopy (bright field TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and cyclic voltammetry. The bright field TEM, XRD, and XPS results indicate that Pt nanoparticle electrocatalysts with sizes of approximately 2-4 nm were well incorporated on the electrospun $RuO_2$ nanowire support with a diameter of approximately 50 nm. The cyclic voltammetry results showed that the Pt nanoparticle catalysts incorporated on the electrospun $RuO_2$ nanowire support give superior catalytic activity in the methanol electro-oxidation and a higher electrochemically active surface (EAS) area when compared with the electrospun Pt nanowire electrocatalysts without the $RuO_2$ nanowire support. Therefore, the Pt nanoparticle catalysts incorporated on the electrospun $RuO_2$ nanowire support could be a promising electrode for direct methanol fuel cells (DMFCs).
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)
Maritime transportation is going to transfer to alternative fuels as a result of the worldwide demands toward decarbonization and tougher maritime emissions regulations. Methanol is considered as a potential marine fuel, which has the ability to reduce SOx and CO2 emissions, reduce climate change effects, and achieve the objective of green shipping. This work proposes and combines the innovative combination system of direct methanol solid oxide fuel cells (SOFC), proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), gas turbines (GT), and organic Rankine cycles (ORC) for maritime vessels. The system's primary power source is the SOFC, while the GT and PEMFC use the waste heat from the SOFC to generate useful power and improve the system's ability to use waste heat. Each component's thermodynamics model and the combined system's model are established and examined. The multigeneration system's energy and exergy efficiency are 76.2% and 30.3%, respectively. When compared to a SOFC stand-alone system, the energy efficiency of the GT and PEMFC system is increased by 19.2%. The use of PEMFC linked SOFC has significant efficiency when a ship is being started or maneuvered and a quick response from the power and propulsion plant is required.
Kim Han-Joo;Kalappa Prashantha;Son Won-Keun;Park Jong-Eun;Oshaka Tetsuya;Kim Hyun-Hoo;Hong Ji-Sook;Park Soo-Gil
KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications
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제5C권4호
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pp.165-170
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2005
A series of inorganic-organic hybrid membranes were prepared with a systematic variation of titanium dioxide nanoparticle content. Their water uptake, methanol permeability and proton conductivity as a function of temperature were investigated. The results obtained show that the inorganic oxide network decreases the proton conductivity and water swelling. It is also found that increase in inorganic oxide content leads to decrease of methanol permeability. In terms of the morphology, membranes are homogeneous and exhibit good adhesion between inorganic domains and the polymer matrix. The properties of the composite membranes are compared with the standard nafion membrane.
PtRu alloy and $PtRu-WO_3$ nanocomposite thin-film electrodes for methanol electrooxidation were fabricated by means of a sputtering method. The structural and electrochemical properties of well-defined PtRu alloy thin-film electrodes were characterized using X-ray diffraction, Rutherford backscattering spectroscopy. X-ray photoelectron spectroscopy, and electrochemical measurements. The alloy thin-film electrodes were classified as follows: Pt-based and Ru-based alloy structure. Based on structural and electrochemical understanding of the PtRu alloy thin-film electrodes, the well-controlled physical and (electro)chemical properties of $PtRu-WO_3$, showed superior specific current to that of a nanosized PtRu alloy catalyst, The homogeneous dispersion of alloy catalyst and well-formed nanophase structure would lead to an excellent catalytic electrode reaction for high-performance fuel cells. In addition, the enhanced catalytic activity in nanocomposite electrode was found to be closely related to proton transfer in tungsten oxide using in-situ electrochemical transmittance measurement.
마그네트론 스퍼터링 방법에 의하여 Nanophase 촉매층을 형성하여 Direct Methanol Fuel Cell(DMFC)에 적용하였다. 일반적인 박막 증착 방법보다 높은 압력 (Ar/He혼합기체)에서 금속 Target과 탄소 Target을 동시에 스퍼터링하여 내피온막 위에 직접 코팅함으로써 기공성 있는 PtRu혹은 Pt및 탄소입자를 포함한 새로운 구조의 촉매층을 형성하였다. 본 방법에 의하여 $1.5mg/cm^2$의 PtRu(Anode) 및 $1mg/cm^2$ Pt(Cathode) 로딩으로 2M Methanol, 1 Bar공기, $80^{\circ}C$조건에서 $45mW/cm^2$의 출력을 얻을 수 있었으며, 이는 기존의 상용방법에 의하여 제조된 전극보다 같은 조건에서 $30\%$의 성능향상을 제시한 것이다. 이는 Nanophase촉매층 구조로 인하여 초미세 분말을 적용하였고, 많은 량의 원자들이 입계에 배열하게 됨으로써 촉매반응을 원활하게 하고,연료의 공급을 효율적으로 해준 것에 기안한 것으로 판단된다. 그러므로, 본 연구의 결과를 응용할 경우 DMFC를 휴대용 전자기기에 적용함에 있어서 성능향상 및 가격경쟁력 확보에 도움을 줄 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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