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.
The design of a fuel cells stack is important to get optimal output power. This study focuses on the evaluation of fuel cell system for unmaned aerial vehicles (UAVs). Low temperature proton exchange membrane (LTPEM) fuel cells are the most promising energy source for the robot applications because of their unique advantages such as high energy density, cold startup, and quick response during operation. In this paper, a 600 W open cathode LTPEM fuel cell was tested to evaluate the performance and to determine optimal operating conditions. The open cathode design reduces the overall size of the system to meet the requirement for robotic application. The cruise power requirement of 600 W was supported entirely by the fuel cell while the additional power requirements during takeoff was extended using a battery. A peak of power of 900 W is possible for 10 mins with a lithium polymer (LiPo) battery. The system was evaluated under various load cycles as well as start-stop cycles. The system response from no load to full load meets the robot platform requirement. The total weigh of the stack was 2 kg, while the overall system, including the fuel processing system and battery, was 4 kg.
폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반의 막은 내구성이 우수한 네트워크 구조를 가지는 구조재료로서의 우수한 강성과 더불어서 고온에서의 우수한 내열성, 우수한 기계적 및 인장 특성, 높은 유리전이온도(Tg), 물이 없는 무수 환경에서의 이온 전도성능, 산화와 화학적 내구성으로 지난 20년 동안 다양한 용도의 대중적인 막 재료로 다양한 문헌에서 보고되어 왔다. 이온 전도성 PBI 기반 막은 고온용 양이온 교환막 연료 전지(HT-PEMFC)에서 광범위하게 사용되어왔다. 또한 PBI 기반 막은 독특한 특성으로 인해 기체분리막 및 유기용매나노여과(OSN) 막 개발에서 광범위하게 사용되어왔다. 이번 리뷰에서는 고온용 연료전지, 기체분리 및 OSN 적용을 위한 다양한 유형의 PBI 기반 막의 최근 연구동향 및 적용가능성에 대해 설명하고자 한다.
The fuel cell is one of the promising environment-friendly energy sources for the next generation. The fuel cell provides good energy efficiency above 40% without pollution or noise. Different fuel cell types are usually distinguished by the kind of electrolyte. Among these, the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has advantages of high power density. low operating temperature, relatively quick start-up, and rapid response to varying loads. The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, and it takes a large portion of stack volume, weight and cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding and by machining. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity. Flow channels were fabricated by compression molding with design of experiments (DOE) to evaluate moldability. The cost for compression molding of graphite-composite bipolar plate was compared with machining cost to make the same bipolar plate.
The reaction characteristics of an integrated reactor with steam reformer and catalytic combustor using anode offgas for high temperature fuel cells such as MCFC and SOFC have been experimentally investigated in the present study. The coupled reactor had a coaxial cylindrical shape, and the inner and the outer tube was packed with combustion catalysts and reforming catalysts, respectively. Thus, the endothermic steam reforming could proceed by absorbing heat from catalytic combustion of anode offgas. Results show that increasing inlet temperature and decreasing excess air ratio increased the reformer temperature, which led to the increase in $H_2$ yield. The reforming performance for SOFC conditions was better than that for MCFC conditions since the composition of flammable components became smaller for MCFC cases. Measured reformate composition under various test conditions correlated well with thermal equilibrium composition.
Electron Beam Physical Vapor Deposition (EB-PVD) was applied to fabricate a thin film YSZ electrolyte with large area on the porous NiO-YSZ anode substrate. Microstructural and thermal stability of the as-deposited electrolyte film was investigated via SEM and XRD analysis. In order to obtain an optimized YSZ film with high stability, both temperature and surface roughness of substrate were varied. A structurally homogeneous YSZ film with large area of $12\times12\;cm^2$ and high thermal stability up to $900^{\circ}C$ was fabricated at the substrate temperature of $T_s/T_m$ higher than 0.4. The smoother surface was proved to give the better film quality. Precise control of heating and cooling rate of the anode substrate was necessary to obtain a very dense YSZ electrolyte with high thermal stability, which affords to survive after post heat treatment for fabrication a cathode layer on it as well as after long time operation of solid oxide fuel cell at high temperature.
A sintering aid, $B_{2}O_{3}$ have been included into a $LiAlO_{2}$ electrolyte support by a tape casting method in order to reinforce mechanical strength of the support for molten carbonate fuel cells [MCFCs). Starting idea originates from the low melting point of $B_{2}O_{3}$ ($450^{\circ}C$), which can provide the low temperature consolidation of ceramic materials. The mechanical properties and the microstructure changes of the $B_{2}O_{3}$-included electrolyte support were examined by scanning electron microscope, mercury porosimetry, X-ray powder diffraction [XRD], high temperature differential scanning calorimeter and three-point bending strength measurement. The mechanical strength was clearly improved by addition of $B_{2}O_{3}$. The increase of mechanical strength results from the neck growth of a new $LiAlO_{2}$ phase between $LiAlO_{2}$ particles by the liquid phase sintering. Average pore size and porosity of the electrolyte support reinforced by addition of the sintering aid, $B_{2}O_{3}$, was $0.24{\mu}m$ and 59%, respectively which were suitable microstructure of a matrix for an application of MCFCs.
A 50W class MCFC stack was operated in order to test a new design of the circular shaped separator. in the new design, the anode gas was supplied into the stack and was exhausted out of the stack after the anode reaction. The exhausted gas was reacted with the cathode gas supplied with excess oxygen in the vessel in which the stack was placed. Then the reacted gas flowed into the cathode side of the stack and was exhausted through the outlet located in the center of the stack. The average voltage of the single cells in the stack was 0.835V under the current density of $150mA/cm^2$, initially, and the degradation rate of the stack voltage was 1.7%/1,000h. High stack voltage with good stability of the present stack was due to the small temperature gradient in the stack. The small temperature gradient as well as the easiness of temperature control was the result of the new configuration of the separator which utilized the heat of the combustion reaction between anode outlet gas and the cathode inlet gas for heating the stack.
The composite membranes using Nafion as matrix and 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMITCB) as ion-conducting medium in replacement of water were prepared and characterized. The amount of EMITCB in Nafion varied from 30 to 50wt%. The composite membranes are characterized by ion conductivity, thermogravitational analyses (TGA) and small-angle X-ray scattering (SAXS). The composite membranes containing EMITCB of 40wt% showed the maximum ionic conductivity which was ~0.0146 S $cm^{-1}$ at 423.15 K. It is inferred that the decrease in ionic conductivity of all the composite membranes might be due to the decomposition of a tetracyanoboric acid formed in the composite membranes. The results of SAXS indicated that the ionic clusters to conduct proton in the composite membranes were successfully formed. In accordance with the results of ionic conductivity as a function of a reciprocal temperature, SAXS showed a proportional decrease in scattering maximum $q_{max}$ as the amount of EMITCB increases in the composite membranes, which results in the increase in ionomer cluster size. The TGA showed no significant decomposition of the ionic liquid as well as the composite membranes in the range of operating temperature ($120-150^{\circ}C$) of high temperature proton exchange membrane fuel cells (HTPEMFC). As a result, EMITCB is able to play an important role in transferring proton in the composite membranes at elevated temperatures with no external humidification for proton exchange membrane fuel cells.
A reformer is a device for producing hydrogen used in fuel cells. Among them, methanol steam reformer uses methanol as fuel, which is present as a liquid at room temperature. It has the advantage of low operating temperature, high energy density, and high hydrogen production. The purpose of this study is to improve the internal flow of the pressure vessel when a bundle of methanol steam reformer in the pressure vessel goes out to a single outlet. An analysis of equilibrium reaction to methanol steam reforming reaction was conducted using Aspen HYSYS® (Aspen Technology Inc., Bedford, USA), and based on the results, computational analysis was conducted using ANSYS Fluent® (ANSYS, Inc., Canonsburg, USA). For comparison of the results, the height of the pressure vessel, outlet diameter, and fillet was set as variables, and the optimum geometry was selected by comparing the effects of gravity and the amount of negative pressure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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