The role of empirical equation to predict the performance of polymer electrolyte membrane fuel cell is important. The activation, ohmic and mass transfer losses were separated in a polarization curve, and the curve fitting according to each region was performed using Kim's model and Hao's model. Changes of each loss were compared according to operation variables of the temperature, pressure, oxygen concentration and membrane thickness. The existing model showed a good fitting convergence, but less fitting accuracy in the separated loss region. A new model using the convergence coefficient was suggested to improve the accuracy of performance prediction of fuel cells of which results were demonstrated.
A simple solid state incorporation method was employed in order to incorporate Pd nanocatalyst into a Nafion film for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) via the reduction of palladium (II) bis (acetylacetonate), $Pd(acac)_2$. It was sublimed, penetrated into Nafion film and then reduced to Pd nanoparticles simultaneously in a glass reactor of N2 atmosphere at $180^{\circ}C$ for 1, 3 and 5 min. This reaction was took place without any reducing agent and any solvent. The morphology of the Pd nanoparticles was observed by transmission electron microscopy (TEM), and Pd distribution was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). And 23% modification of tensile strength of Pd/Nafion composite film was measured by universal testing machine and I-V curve was estimated by using a unit cell with $5{\times}5cm^2$ active area.
This study quantitatively assessed the environmental impacts of fuel cell (FC) systems by performing life cycle assessment (LCA) and analyzed their energy efficiencies based on energy return on investment (EROI) and electrical energy stored on investment (ESOI). Molten carbonate fuel cell (MCFC) system and polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system were selected as the fuel cell systems. Five different paths to produce hydrogen ($H_2$) as fuel such as natural gas steam reforming (NGSR), centralized naptha SR (NSR(C)), NSR station (NSR(S)), liquified petroleum gas SR (LPGSR), water electrolysis (WE) were each applied to the FCs. The environmental impacts and the energy efficiencies of the FCs were compared with rechargeable batteries such as $LiFePO_4$ (LFP) and Nickel-metal hydride (Ni-MH). The LCA results show that MCFC_NSR(C) and PEMFC_NSR(C) have the lowest global warming potential (GWP) with 6.23E-02 kg $CO_2$ eq./MJ electricity and 6.84E-02 kg $CO_2$ eq./MJ electricity, respectively. For the impact category of abiotic resource depletion potential (ADP), MCFC_NGSR(S) and PEMFC_NGSR(S) show the lowest impacts of 7.42E-01 g Sb eq./MJ electricity and 7.19E-01 g Sb eq./MJ electricity, respectively. And, the energy efficiencies of the FCs are higher than those of the rechargeable batteries except for the case of hydrogen produced by WE.
WON, JINYEON;KIM, MINJIN;LEE, WON-YONG;CHOI, YOON-YOUNG;HONG, JONG SUP;OH, HWANYEONG
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.30
no.6
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pp.556-566
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2019
Recently, as the supply of residential polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) increases, the durability and lifetime of the PEMFC system are becoming important. The related studies have been mainly focused on the durability and lifetime of materials while the research on the durability and maintenance of the system level is insufficient. In this paper, a model-based fault detection method is developed considering an air supply system that is dominant to the system performance and efficiency. A commercial 1 kW residential fuel cell system is built, and experiments are conducted under various operation loads and states (normal, 6 faults). From the experimental data, nominal models and residuals are generated. With the residual pattern obtained from real-time data, the detection and classification of various faults can be possible. The technical importance of this paper is to minimize extra sensor installation by using the empirical model rather than a complex mathematical model, and to decrease the number of models by using the applicable model at three loads. Finally, the model-based fault detection method for the air supply system of a PEMFC is established and is expected to be applicable to other subsystems.
Kim, Kyoung-Ju;Lee, Moo-Seok;Yun, Joon-Khee;Shin, Yong-Cheol
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2007.11a
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pp.177-179
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2007
An object of the present study is to provide a hollow fiber membrane humidifier capable of improving the humidification efficiency while lowering the pressure loss, and is suitably usable for PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). The performance of PEMFC is decisively dependent on the humidity of the electrolyte membrane(fluorinated membrane) and a humidifier plays an important role in moisturizing electrolyte membrane. Especially, this humidifier is a passive type(power-free) item and is volumetrically optimized. In this research, we propose the substitutes for the expensive fluorinated humidifier materials and the optimum dry-jet wet spinning conditions of hollow fiber membrane. In addition to that, This study will present an performance of an humidifier and compare computational results with the experimental data.
KIM, JIHUN;KIM, MINJIN;SOHN, YOUNG-JUN;YU, SANGSEOK
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.27
no.2
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pp.144-154
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2016
HT-PEMFC (high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell) using PA (phosphoric acid) doped PBI (polybenzimidazole) membrane has been researched for extending the lifetime. However, the existing work on durability of HT-PEMFC focuses on identifying degradation causes of lab scale. The short life time of HT-PEMFC is still the problem for its commercialization. In this paper, an operating method to maximize life time of 5kW HT-PEMFC stack are proposed. The proposed method includes major steps such as minimization of OCV (Open Circuit Voltage) exposure, control of the proper stack temperature, and N2 purging for the stack. This long life operating method was based on the fragmentary results of degradation from previous research works. Experimentally, the 5 kW homemade HT-PEMFC stack was operated for a long time based on the proposed method and the stack successfully can operate within the desired degradation rate for the target life time.
Cation exchange polymer electrolyte membrane for the application of direct methanol fuel cell (DMFC) was studied. Poly(vinyl alcohol)(PVA) well known as a methanol barrier in pervaporation separation was used fur the base materials and poly(acrylic acid)(PAA) was used for the crosslinking agent with various concentration. Methanol permeability, ion conductivity, ion exchange capacity, water contents and fixed ion concentration of the membranes were investigated to evaluate the performance of the fuel cell electrolyte membrane. Methanol permeability and ion conductivity of the membranes were decreased with increasing PAA content and were increased over 15% of PAA content. These phenomena would be explained with the introduction of hydrophilic crosslinking agent. The membranes with 15% content of PAA showed methanol permeability of $6.49{\times}10^{-8}/cm^2/s,\; 2.85{\times}10^{-7}CM^2/s$ at $25^{\circ}C,\; 50^{\circ}C$ of operating temperatures, respectively. ion conductivities of the membrane were $2.66{\times}10^{-3}\;S/cm,$$9.16{\times}10^{-3}\;S/cm$ at $25^{\circ}C,\; 50^{\circ}C$ of operating temperatures, respectively. ion exchange capacity, water content and fixed ion concentration of the membrane were revealed 1.32 meq/g membrane,0.25 g $H_2$O/g membrane and 5.25 meq/g $H_2O$, respectively.
Current distribution measurement technique based on a segmented bipolar plate (BP) has been widely adopted to visualize the distribution of current density in a polymer electrolyte membrane. However, a concern is raised how closely the current density of a segmented BP can approach that of a corresponding non-segmented membrane. Therefore, in this paper, the accuracy of the measurement technique is numerically evaluated by applying a three-dimensional, two-phase fuel cell model to a $100\;cm^2$ area fuel cell geometry in which segmented BPs and non-segmented membrane are combined together. The simulation results reveal that the errors between the current densities of the segmented BPs and non-segmented membrane indeed exist, predicting the maximum relative error of 33% near the U-turn regions of the flow-field. The numerical study further illustrates that the erroneous result originates from the BPs segmented non-symmetrically based on the flow channels that allows some currents bypassing flow channels to flow into its neighboring segment. Finally, this paper suggests the optimal way for bipolar plate segmentation that can minimize the deviation of current measured in a segmented BP from that of a corresponding membrane region.
A PFCB-containing biphenylene ether polymer was synthesized and sulfonated using chlorosulfonic acid and then cast into membranes from their solutions for fuel cell applications. Sulfonation reactions were carried out by changing the molar ratio of chlorosulfonic acid and the PFCB-containing biphenylene ether polymer under fixed time and temperature. The resulting sulfonated polymers showed different sulfonation degree (SD), ion exchange capacity (IEC), and water uptake. With the increment of the content of chlorosulfonic acid, the SD, IEC, water uptake of the sulfonated polymer membranes increased. The ion conductivity of the sulfonated PFCB-containing biphenylene ether polymers was compared with that of Nafion 115.
Chromium nitride (CrN) samples with two different layer structures (multilayer and single layer) were coated on bipolar plates of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) using the reactive sputtering method. The effects with respect to layer structure on corrosion resistance and overall cell performance were investigated. A continuous and thin chromium nitride layer ($Cr_{0.48}\;N_{0.52}$) was formed on the surface of the SUS 316L when the nitrogen flow rate was 10 sccm. The electrochemical stability of the coated layers was examined using the potentiodynamic and potentiostatic methods in the simulated corrosive circumstances of the PEMFC under $80^{\circ}C$. Interfacial contact resistance (ICR) between the CrN coated sample and the gas diffusion layer was measured by using Wang's method. A single cell performance test was also conducted. The test results showed that CrN coated SUS316L with multilayer structure had excellent corrosion resistance compared to single layer structures and single cell performance results with $25\;cm^2$ in effective area also showed the same tendency. The difference of the electrochemical properties between the single and multilayer samples was attributed to the Cr interlayer layer, which improved the corrosion resistance. Because the coating layer was damaged by pinholes, the Cr layer prevented the penetration of corrosive media into the substrate. Therefore, the CrN with a multilayer structure is an effective coating method to increase the corrosion resistance and to decrease the ICR for metallic bipolar plates in PEMFC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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