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- 저자 : 김준섭(Junseob Kim) (검색결과 14 건)
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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 cm<sup>2</sup> 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 cm<sup>2</sup> 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.
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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 cm<sup>2</sup> 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·cm<sup>2</sup>이 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 cm<sup>2</sup> unit cell. The contact resistance was reduced to 8, 30 mΩ·cm<sup>2</sup> 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.
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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.
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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.
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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.
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