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Thermal managing effects by cooling channels on performance of a PEMFC
손영준(Sohn, Young-Jun),김민진(Kim, Min-Jin),박구곤(Park, Gu-Gon),김경연(Kim, Kyoung-Youn),이원용(Lee, Won-Yong) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06
Relative humidity, membrane conductivity and water activity are critical parameters of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) for high performance and reliability. These parameters are closely related with temperature. Moreover, the ideal values of these parameters are not always identical along the channels. Therefore, the cooling channel design and its operating condition should be well optimized along the all location of the channels. In the present study, we have performed a numerical investigation on the effects of cooling channels on performance of a PEMFC. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved with the energy equation including heat generated by the electrochemical reactions in the fuel cell. The present numerical model includes the gas diffusion layers (GDL) and serpentine channels for both anode and cathode gas flows, as well as cooling channels. To accurately predict the water transport across the membrane, the distribution of water content in the membrane is calculated by solving a nonlinear differential equation with a nonlinear coefficient, i.e., the water diffusivity which is a function of water content as well as temperature. Main emphasis is placed on the heat transfer between the solid bipolar plate and coolant flow. The present results show that local current density is affected by cooling channels due to the change of the oxygen concentration and the membrane conductivity as well as the water content. It is also found that the relative humidity is influenced by the generated water and the gas temperature and thus it affects the distribution of fuel concentration and the conductivity of the membrane, ultimately fuel cell performance. Unit-cell experiments are also carried out to validate the numerical models. The performance curves between the models and experiments show reasonable results.
공기 호흡형 고분자 전해질 연료전지 제작 및 발전 특성 연구
손영준(SOHN, Young-Jun),박구곤(PARK, Gu-Gon),엄석기(UM, Sukkee),임성대(YIM, Sung-Dae),양태현(Yang, Tae-Hyun),윤영기(YOON, Young-Gi),이원용(LEE, Won-Yong),김창수(KIM, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06
Air-breathing polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are highly promising particularly for small-power applications up to tens watts class. A distinctive feature of the air-breathing PEMFC is its simple system configuration in which axial fans operate for dual purposes, supplying both oxidant and coolant in a single manner. In the present study, a nominal SOW air-breathing PEMFC system is developed and investigated to determine the optimal operating strategy through parametric studies (i.e., reactant humidity, and fan-blowing flow rate). The cell voltage distributions are examined as a function of time to evaluate the system performance under various operating conditions.
이동 전원용 공랭식 고분자 연료전지의 제작 및 운전 특성 연구
손영준(Sohn, Young-Jun),박구곤(Park, Gu-Gon),양태현(Yang, Tae-Hyun),윤영기(Yoon, Young-Gi),이원용(Lee, Won-Yong),임성대(Yim, Sung-Dae),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2005 신재생에너지 Vol.1 No.1
Optimal design and proper operation are important to get aimed output power of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stack. An air cooling fuel cell stack is widely used in sub kW PEMFC systems. The purpose of this study is to analyze operating conditions affecting the performance of the air cooling PEMFC which is designed for portable application. In portable applications, air cooling stack is difficult to maintain well balanced operating conditions. The importart parameters are the relative humidity, the temperature of the stack, the utilization of reactant gas and so on. in this study, a 500W air cooling PEMFC was fabricated and tested to evaluate the design performance and to determine optimal operating conditions. Moreover, basic modeling also is carried out. These results can be used 3s design criteria and optimal operating conditions for portable PEMFCs
손영준(Sohn, Young-Jun),임성대(Yim, Sung-Dae),박구곤(Park, Gu-Gon),김경연(Kim, Kyoung-Youn),김민진(Kim, Min-Jin),이원용(Lee, Won-Yong) 한국신재생에너지학회 2008 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.10
Air-breathing polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are highly promising particularly for small-power applications up to tens watts class. A distinctive feature of the air-breathing PEMFC is its simple system configuration in which axial fans operate for dual purposes, supplying both oxidant and coolant in a single manner. In the present study, a nominal 80W air-breathing PEMFC system is developed and investigated to determine the optimal operating strategy through parametric studies (i.e., reactant humidity, and fanblowing flow rate). The cell voltage distributions are examined as a function of time to evaluate the system performance under various operating conditions.
작동 조건에 따른 고온 고분자 전해질 연료전지의 성능 변화에 대한 전산해석 연구
김경연,손영준,김민진,양태현,Kim, Kyoung-Youn,Sohn, Young-Jun,Kim, Min-Jin,Yang, Tae-Hyun 한국전기화학회 2010 한국전기화학회지 Vol.13 No.4
2차원 전산 해석 모델을 사용하여 고온 고분자 전해질 연료전지의 전산해석을 수행하였다. 해석 모델은 기존의 실험데이터와의 비교를 통해 검증하였으며, 다양한 작동 조건이 연료전지의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 일련의 전산해석을 수행하였다. 본 전산해석의 결과를 통해 교환전류밀도, 이온전도도, 공급유량 및 작동압력이 증가할수록 연료전지의 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한, 기체 확산층의 기공율이 높을수록 기체의 확산이 향상되어 연료전지의 성능이 향상되었으며, 양극 기체 확산층의 기공율에 의한 효과가 음극에 비해 더 두드러지게 나타났다. A two-dimensional isothermal model has been employed for numerical simulations of a high temperature hydrogen fuel cell with proton exchange membrane. The model is validated with existing experimental data and used for examination on the effects of various operating conditions on the fuel cell performance. The present numerical results show that the cell performance increases with increasing exchange current density, ion conductivity of the membrane, inlet gas flow rate as well as operating pressure. Also, higher porosity of gas diffusion layer (GDL) results in higher cell performance due to enhancement of the diffusion through the GDL, where the cathode GDL porosity more influences on the performance as compared with the anode one.
1kW급 가정용 연료전지 시스템 설계 및 스택 성능 예측 모델 개발
김민진(Kim, Min-Jin),손영준(Sohn, Young-Jun),이원용(Lee, Won-Yong) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06
연료전지는 전기에너지와 열에너지를 동시에 사용 할 수 있기 때문에 에너지 효율이 높고 유해 배기물이 거의 없으므로 친환경적이다. 따라서 환경문제가 대두되고 있는 오늘날, 고효율 친환경의 연료 전지는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 보일러와 계통선에서 열과 전기를 공급받는 기존방식에 비해 연료전지 코제너레이션 시스템의 경우 20%이상 에너지 절감율을 향상시킬 수 있다. 기존 10kW이하의 소용량 발전설비의 경우 대형 발전소와 같은 수준인 30%이상의 전기 효율을 기대할 수 없으나 고분자 전해질 연료전지를 적용할 경우 1kW급에서도 35%의 전기 효율을 기대할 수 있으며 열회수까지 고려할 경우 80%에 가까운 열효율을 달성할 수 있다.(4)연료전지 시스템은 연료전지 스택 이외에, 연료변환장치, 급기설비, 열 및 물관리 설비, 전력변환장치 그리고 제어 장치 등으로 구성된다. 연료전지 시스템 성능은 연료전지 스택의 성능에 가장 의존적인데 연료전지 스택의 성능은 같은 스택이라도 운전 및 제어 방법에 따라서 다양하게 변할 수 있다. 실제로 연료전지 스택 자체의 전기 변환 효율은 최대 40% 까지로 매우 높으나, 다양한 운전 조건에 따라 효율이 30~40% 수준에서 변화는 것이 현실이다. 때문에 시스템을 설계할 때에는 종합화된 시스템 측면에서의 운전까지 고려한 설계와 성능 해석이 필요하다. 그간 연료전지를 활용한 가정용 열병합 발전분야에서는 시스템 설계를 위한 시뮬레이션 기반 성능 해석에 관한 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만 연료전지 스택의 경우 간이화된 성능 모델식을 사용하여 이로 인한 성능 예측모델의 오차가 크게 발생하여 전체 시스템 최적화의 저해요인으로 작용하여왔다. 따라서 본 연구에서는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템을 자체적으로 설계 개발하였으며 이 중 연료전지 스택의 성능모델을 실험기반으로 구축하였다. 먼저 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 설계는 크게 네 단계로 구분되며 이는 1) 시스템 개념 설계, 2) 연료전지 스택 설계, 3) 주변장치 설계, 4) 제어시스템 설계로 이뤄진다. 연료전지 스택의 성능 모델은 고분자연료전지의 성능에 가장 민감하게 영향을 미치는 온도 및 습도의 변화에 따른 다양한 스택 성능을 예측 가능하도록 개발하였으며 이는 간단한 이론 모델의 구조에 실험 데이터를 기반으로 모델 파라미터를 도출하는 기법으로 이뤄졌다.
An Empirical Study about the Segmented Cell in Anode Side of PEMFC
김재호(Kim, Jae-Ho),손영준(Sohn, Young-Jun),김민진(Kim, Min-Jin),박구곤(Park, Gu-Gon),임성대(Yim, Sung-Dae) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06
The present study focused on the segmented cell which has the similar performance to unaltered (not segmented) cell in real operating condition. Many literatures have been made the segmented cell to observe the behavior of local current density distribution in the single cell. However, it has been lack of scheme to segment the cell in that the detailed interpretation of segmenting in analytic point of view was insufficient. Hence, the basic idea of segmenting was introduced to determine the component to be segmented in anode side of unit cell. The electrical contact/bulk resistance was measured by using four wire/probe method through each part of cell components including MEA, GDL, Bipolar Plate and Current Collector. Electron transport mechanism was predicted by comparing resistance values which were obtained from the experiment. As a result, this offered a great benefit to segment the cell efficiently. With this method further experiments would be conducted in research areas which require current density distribution at the same operating condition as unaltered cell.
고분자 전해질 막의 수화 및 열팽창에 따른 응력분포의 해석에 관한 연구
양정환(Junghwan Yang),손영준(Young-Jun Sohn),박구곤(Gu-Gon Park),김민진(Minjin Kim),박정선(Jungsun Park) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.11
Behavior of membrane has influenced on performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The stress distribution and deformation of membrane are major factors for performance and mechanical fatigue life of PEMFC. In this paper, numerical modeling of mechanical stresses under the operating hygro-thermal condition of membrane is provided. Contact analysis of gas diffusion layer (GDL) and membrane is performed under various temperature-humidity conditions. Structural model has nonlinear material properties depended on temperature and relative humidity. Several kinds of geometric conditions are applied to the model. The numerical analysis results indicate that the deformation of membrane is strongly related with the assembly conditions of fuel cell.