• 제목/요약/키워드: pem

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선박 추진용 25kW급 고분자전해질 연료전지 시스템 개발 (Development of a 25kW-Class PEM Fuel Cell System for the Propulsion of a Leisure Boat)

  • 한인수;정지훈;고백균;최청훈;유성주;신현길
    • 한국수소및신에너지학회논문집
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    • 제25권3호
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    • pp.271-279
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    • 2014
  • A 25kW-class polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell system has been developed for the propulsion of a leisure boat. The fuel cell system was designed to satisfy various performance requirements, such as resistance to shock, stability under rolling and pitching oscillations, and durability under salinity condition, for its marine applications. Then, the major components including a 30kW-class PEM fuel cell stack, a DC-DC converter, a seawater cooling system, secondary battery packs, and balance of plants were developed for the fuel cell system. The PEM fuel cell stack employs a unique design structure called an anodic cascade-type stack design in which the anodic cells are divided into several blocks to maximize the fuel utilization without hydrogen recirculation devices. The performance evaluation results showed that the stack generated a maximum power of 31.0kW while maintaining a higher fuel utilization of 99.5% and an electrical efficiency of 56.1%. Combining the 30-kW stack with other components, the 25kW-class fuel cell system boat was fabricated for a leisure. As a result of testing, the fuel cell system reached an electrical efficiency of 48.0% at the maximum power of 25.6kW with stable operability. In the near future, two PEM fuel cell systems will be installed in a 20-m long leisure boat to supply electrical power up to 50kW for propelling the boat and for powering the auxiliary equipments.

PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 거동에 대한 CFD 해석과 가시화 실험의 비교 연구 (A Comparison Study of CFD Analysis and Flow Visualization on Behavior of Liquid Water in Cathode Channels of PEM Fuel Cells)

  • 김현일;남진현;신동훈;정태용;김영규;서원석;이정운
    • 한국에너지공학회:학술대회논문집
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    • 한국에너지공학회 2008년도 춘계학술 발표회
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    • pp.101-108
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    • 2008
  • Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are promising power generation devices which are ideal for residential and automobile applications, thanks to their fast transient characteristics. However, liquid water produced in PEM fuel cells should be properly managed to enhance the performances and durabilities of the cells. In this study, a visualization experiment was conducted to investigate the flow behavior of water droplets in cathode channels. The visualization experiment was done with four different model flow channels which were made by varying the material (Acrylic and Teflon) and the channel width (1 mm and 2 mm). Acrylic is hydrophilic (contact angle is about $80^{\circ}$) while Teflon is hydrophobic (contact angle is about $120^{\circ}$). A computational fluid dynamics (CFD) analysis was also performed to compare the observed and the simulated two-phase water/air flow characteristics in cathode channels. The computational models were made to be consistent with the geometries and surface properties of the model flow channels. Both the experimental and numerical results showed that the Teflon cathode channel with 1 mm width has the best water management performance among four model flow channels considered. A close correlation was found between the experimental visualization results and the numerical CFD simulation results.

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고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 합성 전략 (Synthetic Strategies for High Performance Hydrocarbon Polymer Electrolyte Membranes (PEMs) for Fuel Cells)

  • 이소영;김형준;남상용;박치훈
    • 멤브레인
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    • 제26권1호
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    • pp.1-13
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    • 2016
  • 연료전지는 화석연료, 특히 내연기관을 대체할 수 있는 가장 대표전인 에너지 기술이다. 가장 중요한 핵심 재료 중 하나로서 연료기체의 장벽 역할을 함과 동시에 수소이온전달 역할을 하는 고분자 전해질 막(PEM)이 있다. PEM 내부에서 수화 채널은 수소이온의 전달통로 역할을 하기 때문에, 많은 연구자들은 높은 함수율을 저가습 상태에서도 유지하여 우수한 수소이온 전달 능력을 보유할 수 있는 상분리현상을 통한 친수성 채널 형성에 대하여 초점을 맞추어 왔다. 본 총설에서는 이러한 낮은 가습조건에서도 높은 수소이온전도도를 갖는 술폰화 PEM들의 합성 전략에 대하여 논의 하여보고, 다른 연구자들의 고성능 탄화수소계 PEM의 설계에 도움을 주고자 하였다.

수전해 수소충전소 부품별 유해위험요인 분석 (A Study on the Analysis of Hazardous Risk Factors for Component in Hydrogen Station with Water Electrolysis Device)

  • 서두현;이광원;김태훈
    • 한국가스학회지
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    • 제23권6호
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    • pp.33-38
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    • 2019
  • 제조식 수소충전소에서 생산되는 수소가스는 일반적으로 석탄연료의 개질 및 부생가스 등을 활용하지만 순수물을 활용한 수전해 기술의 경우 청정한 기술로 각광 받고 있다. 전기에너지를 이용하여 순수한 물로부터 수소를 생산하는 기술 중에는 향후 가격 및 성능 경쟁에서 우수한 PEM(Polymer Electrolyte Membrane electrolysis)을 이용한 개발이 주로 이루어지고 있다. 이에 본 연구에서는 국내 수소충전소 중 개발단계에 있는 PEM 수전해 수소충전소에 대해 잠재된 유해위험요소를 확인하여 안전한 수소생산 및 수소충전소의 활성화를 도모하고자 한다. 유해위험요소를 도출하기 위해서는 수전해 수소충전소의 설비 및 장치의 안전성이 우선 확보되어야하기에 FMEA(Failure Mode & Effect Analysis)를 수행함으로써 수전해 및 수소충전소의 설비에서의 유해위험요인을 분석하였다.

섬유강화 복합재를 사용한 PEM 연료전지 분리판의 전기적.기계적 특성 평가 (Evaluation of Mechanical and Electrical Properties of Bipolar Plate Made of Fiber-reinforced Composites for PEM Fuel Cell)

  • 이희섭;안성훈;전의식;안상열;안병기
    • 한국자동차공학회논문집
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    • 제14권5호
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    • pp.39-46
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    • 2006
  • The fuel cell is one of promising environment-friendly energy sources for the next generation. The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, which takes a large portion of stack cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity To achieve desired electrical properties, specimens made with different mixing ratio, processing pressure and temperature were tested. To increase mechanical strength, one or two layers of woven carbon fabric were added to the graphite and resin composite. Thus, the composite material was consisted of three phases: graphite particles, carbon fabric, and epoxy resin. By increasing mixing ratio of graphite, fabricated pressure and process temperature, the electric conductivity of the composite was improved. The results of tensile test showed that the tensile strength of the two-phase graphite composite was about 4MPa, and that of three-phase composite was increased to 57MPa. As surface properties, contact an91e and surface roughness were tested. Graphite composites showed contact angles higher than $90^{\circ}$, which mean low surface energy. The average surface roughness of the composite specimens was $0.96{\mu}m$.

고정 부하를 갖는 PEM 연료전지 발전기에 있어서의 수분 평형에 관한 연구 (A Study on Water Balance in Stationary Load Proton Exchange Membrane(PEM) Fuel Cell Power Generator)

  • 아궁 박타아르;오후규;윤정인;김영복;최광환
    • 한국태양에너지학회 논문집
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    • 제31권4호
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    • pp.128-135
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    • 2011
  • 일반적으로 PEM 연료전지에서는 수분 균형이 시스템의 효율에 결정적으로 영향을 미치기 때문에, 이에 대한 균형(balance)을 잡는 것이 매우 중요하다. 특히, 촉매 층에서 물이 넘치는 익수현상(flooding)이나 건조현상(drying)이 발생하게 되면 연료전지의 효율이 급격하게 저하하므로, 항상 수분의 균형이 잡히도록 시스템을 제어하는 것이 일반적이다. 이 때,수분의 익수현상이나 건조현상은 PEM 연료전지의 용량과 주위의 환경, 즉 온도와 습도에 많은 영향을 받게 된다. 금번 논문에서는 가정용 규모인 3kW급에서 10kW급까지의 PEM 연료전지를 설치하였을 때, 주위의 환경(온도와 습도)이 수분 이동에 어떠한 영향을 미치는 지를 시간에 따라서 시뮬레이션(simulation)한 결과를 보여주고 있다. 결과에서 유입공기의 온도가 $50^{\circ}C$ 이하일 경우, 고정부하가 5kW급 이하이면 대부분이 건조현상이 발생하였으나, 고정부하가 6kW급 이상이 되면 익수현상이 운전시간이 20분 이내에서 발생하였다. 또한 고정부하를 최고 10kW급까지 올린 경우, 유입공기의 온도가 $50^{\circ}C$까지는 익수현상이 발생하였으나 $60^{\circ}C$ 이상인 경우에는 거의 건조현상이 발생함을 알 수 있었다.

기울어진 그루브 믹서가 고분자 전해질 연료전지 성능에 미치는 영향에 대한 기초연구 (A PRELIMINARY STUDY ON THE EFFECT OF SLANTED GROOVE MIXER (SGM) ON THE PERFORMANCE OF A PEM FUEL CELL)

  • 윤성찬;박재완;강관형
    • 한국전산유체공학회:학술대회논문집
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    • 한국전산유체공학회 2009년 추계학술대회논문집
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    • pp.93-96
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    • 2009
  • In the cathode channel of a PEM fuel cell, the local concentration of oxygen near the gas diffusion layer (GDL) decreases in streamwise direction due to chemical reactions, which degrades the efficiency of the oxygen consumption and overall fuel cell efficiency. We numerically studied the influence of the swirling flow generated by a slanted groove mixer (SGM) on the concentration distribution of oxygen. We found that the swirling flow can increase the concentration of oxygen near the GDL, and subsequently improves the oxygen consumption rate.

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PEM 연료전지시스템의 동특성 해석 (Dynamic Analysis of PEM fuel cell system)

  • 김범수;전순일;임원식;박영일
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • 한국신재생에너지학회 2005년도 춘계학술대회
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    • pp.353-356
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    • 2005
  • We developed a dynamic model of PEM fuel cell system which can analyze its transient response to dynamic load current. System components such as compressor, air cooler, humidifier, and stack were modeled based on their dynamic equations and performance maps by using Matlab Simulink platform. Through this simulation model, dynamic characteristics of fuel cell system including oxygen excess rat io, stack voltage, and system efficiency were shown. In addition to that, we briefly analyzed the humidity effect on cathode pressure and system efficiency, expecting that this model can be further used to optimize fuel cell system parameters just like operating pressure and temperature, humidity and oxygen excess ratio.

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수소 발생기를 포함한 마이크로 PEM 연료전지 시스템 (A Micro PEM Fuel Cell System Including a Hydrogen Generator)

  • 김대중
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • 한국신재생에너지학회 2008년도 춘계학술대회 논문집
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    • pp.558-559
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    • 2008
  • 본 논문은 미 일리노이 주립대 어바나-샴페인 캠퍼스에서 주로 군사용 응용 관련하여 개발 중인 마이크로 PEM 연료전지 시스템 개발에 대한 논문이다. 본 연구는 수소 저장 장치까지 포함하여 1 $mm^3$의 초소형 연료전지 시스템을 목표로 진행 중이며 본 논문은 이러한 진행 과정 중 화학적 하이드라이드 기반의 수소 발생기와 10 $mm^3$의 시스템 개발 과정에 대해 보고한다.

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고분자연료전지 발전시스템의 제어기설계에 관한 연구 (A Study on the Controller Design for PEM Fuel Cell Systems)

  • 김응석;김철진
    • 대한전기학회:학술대회논문집
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    • 대한전기학회 2009년도 제40회 하계학술대회
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    • pp.1132_1133
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    • 2009
  • In this paper, a observer-based PI controller will be developed for PEM fuel cell system. Nonlinear model of PEM fuel cell system is introduced to study the controller design problems. Sliding mode observer will be designed to estimate the cathode and anode pressures of PEMFC system. And a nonlinear state observer is also designed to estimate the other states such as supply manifold pressure, Oxygen pressure, Hydrogen pressure, return manifold pressure, etc. These estimated states are used to design the observer-based PI controller. The validity of the proposed controller will be verified by using computer simulation.

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