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Analysis on the freeze/thaw cycled polymer electrolyte fuel cells
박구곤,Soo-Jin Lim,박진수,임성대,박석희,양태현,윤영기,김창수 한국물리학회 2010 Current Applied Physics Vol.10 No.2
Enhancement of system durability at the sub-freezing temperature is one of critical issues for the commercialization of polymer electrolyte fuel cell (PEFC) applications. In this work, effects of residual water at the sub-freeze condition on the gas diffusion layer (GDL)/membrane-electrode assembly (MEA) were investigated for the successful cold start-up of PEFC. The performance changes of MEAs were observed by 300 times of freeze/thaw (F/T) cycles with well designed single cell. The post analysis for the (-30 to 70) ℃ F/T cycled MEA were conducted. The gradual decreases of I–V performance were observed after the F/T cycle number of 70. About 0.4 mV/cycle of degradation at 1 A/㎠ could be obtained at the controlled operating conditions. The main cause of performance decrease was in the weakened adhesion between the electrodes and membrane interface. The SEM images as well as cell resistance changes directly supported the degradation reasons of cell performance in the freeze condition.
동결/해동 조건에서 기체확산층의 물성이 고분자전해질연료전지의 내구성에 미치는 영향
박구곤(Park, Gu-Gon),임수진(Lim, Soo-Jin),박진수(Park, Jin-Soo),손영준(Sohn, Young-Jun),임성대(Yim, Sung-Dae),김창수(Kim, Chang-Soo),양태현(Yang, Tae-Hyun) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06
The effect of the kind of gas diffusion layers (GDLs) on the freeze/thaw condition durability in polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) were investigated. For this purpose, three kinds of GDLs, i.e., felt, paper and cloth types with different basic properties have been first prepared, then the changes in the properties and performance of cells was observed during the freeze/thaw cycles ranging from -30 to 70 ?C. The single cells consisting of different GDLs were evaluated for performance. The performance degradation and the cell resistance increase could be directly correlated. The physical destruction of electrode was shown by SEM analysis. It was presented that mechanical supporting force of interface between materials can help enhancing the durability of PEFCs in the freeze/thaw condition.
Microchannel Reformer for Micro Fuel Cell
S.P.Yu(유상필),S.D.Lim(임성대),Y.K.Yoon(윤영기),W.Y.Lee(이원용),C.S.Kim(김창수) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5
Micro PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) needs to be supplied with high purity hydrogen to produce electricity. Each microstructured stainless steel foil for the purpose of micro reformer was brazed in vacuum for stacking. Inner surface of micro channels was coated with Al₂O₃ layer to support reforming catalysts by sol-gel method. The stack reactor was designed like a heat exchanger to perform the combination of exothermic and endothermic reactions simultaneously. As the first step in our study, we measured experimentally the heat transfer rate and the conversion of the reaction in the channels. The combustion heat of LPG-air was transferred to the other channels where cold air flowed. As a consequence, quantitative and qualitative thermal characteristics of the stack for reaction were investigated.
저가습 고온 고분자 연료전지용 유-무기 복합막에 관한 연구
최영우(Choi, Young-Woo),김미내(Kim, Mi-Nai),임성대(Lim, Sung-Dae),박석희(Park, Seok-Hee),윤영기(Yoon, Young-Gi),양태현(Yang, Tae-Hyun),김창수(Kim, Chang-Soo),남기석(Nam, Ki-Sook) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 100?C 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion^{(R)}이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion^{(R)}은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-ZrO₂)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq g^{-1}), 수소이온전도도(s cm^{-1}) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 ZrO₂에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 250?C이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. 100?C 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-ZrO₂/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-ZrO₂와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 100?C 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-ZrO₂/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-ZrO₂/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역(120?C, 50RH{downarrow})에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.