Nickel / Metal Hydride 전지의 열관리기술 개발

김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 1997 공업화학 Vol.8 No.4

고용량 Nickel/Metal hydride 전지의 온도 거동을 3차원 유한요소법 software인 NISA를 사용하여 해석하였다. 전지 내부의 열전도에는 미분형 에너지 수지식을, 외부 대기와의 접촉면은 대류 열전달 방식을 사용하였다. 전지 온도에 영향을 미치는 요소인 열발생량과 대류 열전달계수에 대한 실험을 행하였고, 이 결과로부터 일반식을 도출하였다. 금속 재질의 cooling fin을 사용하므로써 급속한 충전이나 방전시 야기될 수 있는 온도 상승을 상당 부분 방지할 수 있었다. 전지 외벽에 열전도도가 낮고 얇은 절연물질을 부착하여도 최고온도의 상승에 미치는 영향은 미미하였다. Thermal behavior of high capacity Nickel / Metal hydride battery is analyzed using the NISA software which is based on the three dimensional finite element method. Differential energy balance equation is used for the conduction heat transfer of the battery, while convective heat transfer equation is used for the interface between the battery and air. Heat generation rate and convective heat transfer coefficient are tested as variables to investigate thermal behavior, and the generalized equation for maximum temperature inside the battery is developed. The abrupt rise of the battery temperature due to the quick charge or discharge can be prevented from the use of metallic cooling fin. In addition, temperature augmentation of the battery is negligible when the low thermal conductive and thin insulating material is used outside of the battery case.

고분자전해질형 연료전지의 가습 저감방안 연구

김준범(Kim, Junbom),이홍주(Lee, Heungjoo),권준택(Kwon, Juntaek),김광현(Kim, Kwanghyun),송현도(Song, Hyundo),한재진(Han, Jaejin) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

고분자 전해질형 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 가습에 소요되는 부품을 일부라도 제거할 경우 연료전지의 효율은 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으며, 정확한 data의 수집과 시험장비의 자동제어를 위하여 National Instrument사의 compact field point (cFP)를 사용하였다. 무가습 실험 중 stack의 안정성 측면을 고려하기 위하여 수소연료가 부족하거나 갑작스런 voltage drop이 발생할 경우 LabVIEW logic에 의한 stack 보호용 자동차단 시스템을 구현하였다. Humidifier와 heater의 온도를 조절하여 공급유체의 상대습도 및 온도를 각각 조절하였으며, 이에 필요한 이론적 온도는 Antoine equation을 사용하여 산정하였다. Anode와 cathode 양측 100% 가습 경우를 기준으로 가습량을 조절하면서 실험을 수행하였으며 성능 차이를 그래프로 도시하여 양측의 변화에 대한 영향을 볼 수 있도록 하였다. Stack의 온도가 70?C이고 양측 무가습일 경우에 성능 측정이 불가능하여 stack의 온도를 저온에서부터 변화시키면서 무가습 성능을 실시간으로 측정하여 보았다 일반적으로 hydronium ion은 anode측에서 cathode측으로 계속 이동하여야 전기를 생성할 수 있으므로 cathode측 무가습이 anode측 무가습보다 성능이 더 잘 나오는 것으로 예측하였으나 이와 반대되는 경향의 실험 결과를 얻었다. Anode측 무가습과 cathode측 무가습의 standard deviation은 anode 무가습일 경우가 크게 발생하였고 양측 무가습일 경우는 stack의 온도가 높을수록 크게 관찰되었다. 이와 같은 현상은 공기중의 상대습도와 back diffusion등에 영향을 받을 수 있으므로 각종 변수들의 영향을 분리하여 관찰할 수 있는 실험을 수행중에 있다.

수소산업 선도도시 조성전략

김준범(Junbom Kim) 한국신재생에너지학회 2020 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.8

전기자동차용 Ni / MH 전지 Module 의 열관리기술

김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 1997 공업화학 Vol.8 No.6

전기자동차의 동력원으로 사용되는 90Ah급 Nicke1/Metal hydride 전지 11개로 구성된 module의 온도특성을 상용 software인 NISAII를 사용하여 해석하였다. 전지 module에 대한 element수를 감축하기 위하여 열전도도가 다른 여러 층을 통하여 전달되는 열흐름에 대한 해석을 전기저항 등가식을 사용하여 단순화하였으며, Cartesian coordinate의 축별로 다른 열전도도를 삽입하는 orthotropic model을 사용하였다. 전지 module의 온도를 낮추기 위하여 알루미늄 재질의 cooling fin을 전지와 전지사이에 삽입하여 실험을 수행하였고, 전지 module 최외곽에 위치한 fin에 의한 최고온도의 강하 효과는 미미하다는 결과를 얻었다. 전지 module내 전지별 온도차이를 극소화하기 위하여 cooling fin의 개수와 두께, 그리고 측면 fin의 복합적인 영향에 대한 실험을 수행하였으며, 1mm 두께의 알루미늄 fin을 4개 사용하여 module내 전지별 최고온도의 차이를 3℃ 이내로 줄일 수 있었다. Temperature distribution of battery module consists of 11 batteries of 90Ah rate is analyzed using commercial software NISA II. Equivalent thermal resistance network is used to reduce the number of element in calculating heat transfer through a medium composed of several different thermal conductivity layers. Orthotropic model is used to put different thermal conductivity values according to Cartesian coordinate. Aluminum cooling fins are inserted in the middle of batteries to reduce battery module temperature. The cooling fin at the end of the module does not necessary in reducing maximum temperature. Combined effect of front and side cooling fin is analyzed to reduce the temperature difference among batteries. The maximum temperature difference among batteries is reduced within 3℃ when 4 aluminum cooling fin of lmm thickness is inserted in battery module.

금속 폼 유로가 고분자전해질 연료전지 성능에 미치는 영향

김준섭 ( Junseob Kim ),김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.4

고분자전해질 연료전지에서 분리판 유로 형상은 유체 공급과 물 및 열 확산, 접촉 저항 등에 영향을 주는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 25 ㎠ 단위 전지를 이용하여 공기극에 구리폼을 적용한 분리판을 이용하여 연료전지 성능 평가를 수행하였다. 압력과 상대습도 조건에 대한 영향을 분극 곡선과 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 분석하였다. 구리폼의 ohmic 저항이 높아 사형유로형상 보다 연료전지 성능은 낮았지만, 다공성 구조로 인한 균일한 연료 분포로 활성화 손실과 물질전달 손실이 적은 것을 확인하였다. 구리폼의 소수성이 높아 물 배출이 유리한 장점이 있지만, 저가습 조건에서는 사형유로에 비하여 전해질막 수화도가 낮은 것을 확인하였다. 다공성 금속 분리판은 균일한 압력 분포와 효과적인 수분 배출로 연료전지 성능을 개선할 수 있을 것으로 판단되며, 저항을 최소화할 수 있도록 금속폼의 물성에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다. Flow field is an important parameter for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance to have an effect on the reactant supply, heat and water diffusion, and contact resistance. In this study, PEMFC performance was investigated using Cu foam flow field at the cathode of 25 ㎠ unit cell. Polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy were performed at different pressure and relative humidity conditions. The Cu foam showed lower cell performance than that of serpentine type due to its high ohmic resistance, but lower activation and concentration loss due to the even reactant distribution of porous structure. Cu foam has the advantage of effective water transport because of its hydrophobicity. However, it showed low membrane hydration at low humidity condition. The metal foam flow field could improve fuel cell performance with a uniform pressure distribution and effective water management, so future research on the properties of metal foam should be conducted to reduce electrical resistance of bipolar plate.

기체확산층 압축률과 상대습도가 고분자전해질 연료전지 성능에 미치는 영향

김준섭 ( Junseob Kim ),김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.1

고분자전해질 연료전지 성능에서 기체확산층 압축률은 계면 접촉 저항과 전극으로의 반응물 전달 및 전극 내 수분포화도에 영향을 주는 중요한 변수이다. 본 연구에서는 국내 상용 제품인 JNT20-A3를 이용하여 기체확산층 압축률에 대한 연료전지의 성능 평가를 수행하였다. 전극면적 25 cm² 단위 전지를 이용하여 상대습도 조건과 압축률에 대한 전기화학 임피던스 분광법과 분극 곡선을 측정하였다. 기체확산층을 18.6%에서 38.1%으로 압축시켰을 때 상대습도 100, 25% 조건에서 ohmic 저항이 각각 8, 30 mΩ·cm²이 감소하여 기체확산층 압축률이 증가할수록 접촉 저항이 감소하는 것과 동시에 막의 수화도가 증가하는 것을 확인하였다. 상대습도 조건에 대한 ohmic 저항의 변화 경향을 통하여, 압축률을 증가시켰을 때 기체확산층의 기공이 감소하여 공기극에서의 물 역확산과 전해질 막의 수화도가 증가하는 것을 확인하였다. Gas diffusion layer (GDL) compression is important parameter of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance to have an effect on contact resistance, reactants transfer to electrode, water content in membrane and electrode assembly (MEA). In this study, the effect of GDL compression on fuel cell performance was investigated for commercial products, JNT20-A3. Polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy was performed at different relative humidity and compression ratio using electrode area of 25 cm² unit cell. The contact resistance was reduced to 8, 30 mΩ·cm² and membrane hydration was increased as GDL compression increase from 18.6% to 38.1% at relative humidity of 100 and 25%, respectively. It was identified through ohmic resistance change at relative humidity conditions that as GDL compression increased, water back-diffusion from cathode and electrolyte membrane hydration was increased because GDL porosity was decreased.

Dead ended anode 시스템에서 다공성 유로가 연료전지 성능에 미치는 영향

김준섭 ( Junseob Kim ),김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 2022 공업화학 Vol.33 No.6

Dead ended anode (DEA) 시스템은 수소극(anode) 출구를 막고 압력으로 연료를 공급하는 방식이다. DEA 방식은 시스템 단순화를 통해 연료이용효율과 전력 효율을 향상시킬 수 있다. 하지만 DEA 운전 중 공기극(cathode)에서 수소극으로 질소와 물의 역확산으로 인한 범람(flooding)이 발생한다. 이러한 범람 현상은 연료전지 성능 저하와 전극 열화의 주요 요인이 된다. 따라서 DEA 운전 시 범람을 방지하기 위하여 연료전지 구조와 구성요소가 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 DEA 시스템에서 연료전지의 성능과 연료이용효율 향상을 위해 발포 금속을 적용한 다공성 유로에 대한 영향을 조사하였다. 그 결과, 공기극에 다공성 유로를 사용한 경우 효과적인 물 관리로 연료전지 성능과 배출간격(purge interval)이 개선되었고, 이를 통하여 공기극 유로 구조가 물 역확산에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이에 반해 수소극의 다공성 유로가 연료전지 성능에 미치는 영향은 미미하였다. DEA 시스템에서는 발포 금속 물성이 배출 간격에 영향을 미치며 cell 크기가 큰 발포 금속에서 안정적인 성능을 나타내었다. The dead-end anode (DEA) system is a method that closes the anode outlet and supplies fuel by pressure. The DEA method could improve fuel usage and power efficiency through system simplification. However, flooding occurs due to water and nitrogen back diffusion from the cathode to the anode during the DEA operation. Flooding is a cause of decreased fuel cell performance and electrode degradation. Therefore, tthe structure and components of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) should be optimized to prevent anode flooding during DEA operation. In this study, the effect of a porous flow field with metal foam on fuel cell performance and fuel efficiency improvement was investigated in the DEA system. As a result, fuel cell performance and purge interval were improved by effective water management with a porous flow field at the cathode, and it was confirmed that cathode flow field structure affects water back-diffusion. On the other hand, the effect of the porous flow field at the anode on fuel cell performance was insignificant. Purge interval was affected by metal foam properties and shown stable performance with large cell size metal foam in the DEA system.

SUS316L 분리판 부식에 의한 접촉저항 및 고분자전해질 연료전지 성능에 미치는 영향

김준섭 ( Junseob Kim ),김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.6

스테인리스강은 기계적 강도와 전기 전도성이 우수하고 가공이 용이하여 고분자전해질 연료전지의 분리판으로 적용되고 있다. 하지만 스테인리스강의 부식으로 인하여 접촉 저항이 증가하여 연료전지 성능이 저하하는 문제점이 있고, 귀금속 재료를 코팅하여 내식성을 높일 수 있으나 비용이 증가하는 단점이 있다. 금속 분리판의 내구성 확보와 경제성 개선을 위하여 고분자전해질 연료전지에서 스테인리스 강 분리판의 부식 거동과 부동태막에 의한 영향을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 반응 면적이 25 ㎠인 SUS316L 분리판을 제작하였고, 수소극과 공기극에 대한 SUS316L 분리판의 부식 거동을 분석하였다. SUS316L 분리판 부식이 연료전지 성능에 미치는 영향을 분극 곡선과 임피던스, 접촉저항을 측정하여 평가하였다. 연료전지 구동 간에 배출 수를 포집하여 SUS316L 분리판에서 용출된 금속 이온의 농도를 분석하였다. SUS316L 분리판에 대하여 공기극에서보다 수소극에서 부식이 활발하게 발생하는 것을 확인하였다. 연료전지 반응에 따라 부동태막이 형성되어 접촉 저항이 증가하였고, 부동태막이 형성된 이후에도 지속적으로 금속 이온이 용출되었다. Stainless steel was applied as bipolar plate (BP) of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) due to high mechanical strength, electrical conductivity, and good machinability. However, stainless steel was corroded and increased contact resistance resulting PEMFC performance decrease. Although the corrosion resistance could be improved by surface treatment such as noble metal coating, there is a disadvantage of cost increase. The stainless steel corrosion behavior and passive layer influence on PEMFC performance should be studied to improve durability and economics of metal bipolar plate. In this study, SUS316L bipolar plate of 25 ㎠ active area was manufactured, and experiments were conducted for corrosion behavior at an anode and cathode. The influence of SUS316L BP corrosion on fuel cell performance was measured using the polarization curve, impedance, and contact resistance. The metal ion concentration in drained water was analyzed during fuel cell operation with SUS316L BP. It was confirmed that the corrosion occurs more severely at the anode than at the cathode for SUS316L BP. The contact resistance was increased due to the passivation of SUS316L during fuel cell operation, and metal ions continuously dissolved even after the passive layer formation.

금속 폼 압축에 의한 자가 가압 효과 및 PEMFC 성능 개선

김현우 ( Hyeonwoo Kim ),김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 2022 공업화학 Vol.33 No.6

분리판은 반응물 및 전자를 전달하고 부산물인 물과 열을 배출하며, 막전극접합체의 지지체 역할을 하는 고분자전해질 연료전지의 핵심 구성요소이다. 따라서 분리판의 유로 구조는 연료전지의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 압축률이 다른 구리 폼을 cathode 분리판에 적용한 25 cm2 단위 전지를 이용하여 성능 평가를 수행하였다. 금속 폼의 압축률이 증가할수록 총 저항이 감소하였으며, 특히 전하전달과 물질전달 저항이 사형 유로에 비해 크게 개선되어 중전류밀도 및 고전류밀도 영역에서 전압 손실을 줄일 수 있었다. 가압한 공기를 사용한 사형 유로 구조의 경우 연료전지의 성능이 압축한 금속 폼(S3)을 적용한 유로와 중전류밀도 영역까지는 큰 차이가 없었으나, 고전류밀도 영역에서는 유로 구조의 한계로 낮은 성능을 보였다. The bipolar plate is a key component of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) that transfers reactants and electrons, discharges water and heat as by-products, and serves as a mechanical support for the membrane electrode assembly (MEA). Therefore, the flow field structure of the bipolar plate plays an important role in improving fuel cell performance. In this study, PEMFC performance was investigated with copper foams with different compressibility ratios applied to cathode bipolar plates using a 25 cm2 unit cell. The total resistance decreased as the compressibility ratio of the metal foams increased, and, in particular, the charge transfer and mass transfer resistance were significantly improved compared to the serpentine flow field, lowering voltage loss in medium and high current density region. In the case of pressurized air reactant flow with serpentine structure, fuel cell performance was similar to that of a compressed metal foam flow field (S3) up to the medium current density region, but low performance appeared in the high current density region due to flow field structure limitations.

기체확산층 물성이 고분자전해질 연료전지 성능에 미치는 영향

김준섭 ( Junseob Kim ),김준범 ( Junbom Kim ) 한국공업화학회 2020 공업화학 Vol.31 No.5

기체확산층은 유로에서 전극으로 반응물을 전달하고, 반응으로 생성되는 물을 배출하는 통로이며 열 배출과 전극 지지대 등의 역할을 하는 고분자전해질 연료전지의 핵심 구성요소이다. 본 연구에서는 국내외 기체확산층 상용 제품인 39BC와 JNT30-A3에 대한 연료전지의 성능 평가를 수행하였다. 25 cm² 단위 전지를 이용하여 유량, 상대습도 조건에 대한 분극 곡선을 측정하였고, empirical equation을 이용하여 운전 조건에 대한 성능 인자를 도출하였다. 기체확산층의 PTFE 함량이 높을수록 저항이 증가하였고, 미세다공층의 크랙은 물의 이동 통로로서 농도 손실에 영향을 미쳤다. 또한 상대습도가 낮을수록 Ohmic 저항이 증가하였지만, 전류밀도가 증가할수록 이온전도도가 증가하여 Ohmic 저항이 감소하였다. Empirical equation을 이용한 fitting curve을 통하여 기체확산층의 운전 조건에 대한 성능 인자 경향을 해석할 수 있었다. Gas diffusion layer (GDL) is one of the main components of PEMFC as a pathway of reactants from a flow field to an electrode, water transport in reverse direction, heat management and structural support of MEA. In this study, the effect of GDL on fuel cell performance was investigated for commercial products such as 39BC and JNT30-A3. Polarization curve measurements were performed at different flow rates and relative humidity conditions using 25 cm² unit cell. The parameters on operating conditions were calculated using an empirical equation. The electrical resistance increased as the GDL PTFE content increased. The crack of microporous layer had influence on the concentration loss as water pathway. In addition, the ohmic resistance increased as the relative humidity decreased, but decreased as the current density increased due to water formation. Curve fitting analysis using the empirical equation model was applied to identify the tendency of performance parameters on operating conditions for the gas diffusion layer.