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고분자 전해질막 연료 전지에서 분리판 제거와 상대습도에 따른 성능 변화 연구
차현진(H. J. Cha),김재연(J. Kim),권오빈(O. Kwon),최희수(H. S. Choi),유홍녕(H. N. Yoo),김혜옥(H. O. Kim),정석훈(S. H. Jeong),박태현(T. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
고분자 전해질막 연료 전지(PEMFCs)는 다른 연료 전지에 비해 낮은 작동 온도, 높은 전류 및 전력 밀도, 짧은 시동 시간으로 인해 운송 및 발전에 광범위하게 사용될 수 있다. 분리판은 반응 가스를 공급하고 생성된 물을 제거하는 연료 전지 스택의 중요한 구성 요소이다. 또한 스택 전체 가격의 20%를 차지하기 때문에 원가 절감을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 산화극과 환원극의 분리판을 각각 제거하여 상대 습도에 따른 성능 변화를 기준 셀과 비교했다. 각각의 경우에 분극곡선과 전기화학적 임피던스 분광법을 측정하였고, 연료전지의 활성화, 저항, 농도 손실로 성능 경향을 분석하였다. 그 결과, 환원극 분리판을 제거하면 100% 가습 조건에서 기준 셀보다 50% 이상 성능이 향상됐다. 또한, 기존의 PEMFC 에서는 가습이 환원극에 미치는 영향이 우세하였으나 환원극 분리판을 제거하면 반대로 산화극의 가습이 더 중요하게 된다. 이는 환원극 분리판 제거 시 공기의 가습이 중요하지 않게 됨과 함께 원가 절감에 대한 장점이 있다. 반대로 산화극 분리판을 제거했을 경우 기존 PEMFC 성능의 약 20% 미만으로 증가하였고, 가습의 경향성이 동일했다. 이를 통해 환원극 분리판을 제거하는 것이 산화극 분리판을 제거하는 것 보다 성능 증가의 큰 영향을 주었고, 공기 가습의 영향이 줄어드는 것을 확인했다.
고주파 임피던스의 변동을 통한 고분자 전해질막 연료전지의 물 범람 진단
최희수(H. S. Choi),김재연(J. Kim),권오빈(O. Kwon),차현진(H. J. Cha),유홍녕(H. Y. Yoo),김혜옥(H. O. Kim),정석훈(S. H. Jeong),박태현(T. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
Proton Exchange Fuel Cells (PEMFCs)의 Flooding 을 진단할 수 있는 일반적인 In-situ 방법으로 Low-frequency Resistance (LFR)의 변동이 널리 사용되고 있다. 하지만 느린 주사속도의 한계점을 가진 LFR 은 Flooding 상태 진단에 있어서 즉각적으로 반응하지 않고, 동일 시간 기준 얻을 수 있는 데이터가 적기 때문에 신뢰성을 확보하기 쉽지 않다. 본 연구에서는 고 주사속도의 High-frequency Resistance (HRF)의 변동을 통한 PEMFC 의 Flooding 상태 진단법을 제안한다. PEMFC 에 3, 6, 9, 그리고 12 A 의 전류가 각각 20 분 동안 인가되었으며, 모든 전류밀도 영역에서 전압이 급감하는 Flooding 발생시 LFR, HFR, 그리고 공기극 Flow Channel 의 차압이 변동하였다. 높은 주사 속도의 HFR 로 임피던스 분광 시 다수의 데이터가 변동하는 경향성을 바탕으로 Flooding 진단에 있어 LFR 에 비해 높은 신뢰성을 확보하였다. 또한 Flooding 상태에서 수 초 지연되는 LFR 에 비해 HFR 은 즉각적으로 반응하기 때문에 실시간으로 연료전지의 상태를 파악할 수 있었다. 결과적으로 모든 전류 밀도 영역과 변동 부하에서 Flooding 진단이 가능한 이점을 통해 PEMFCs 를 탑재한 다양한 응용 장치에서 즉각적이고 신뢰성 높은 Flooding 진단이 이루어질 것이라 기대된다.
Evaluation of Performance in a Low Humidity Environment Using Ultra-fine Gaps in Carbon Nanotube
S. H. Jeong(정석훈),O. Kwon(권오빈),J. Kim(김재연),H. S. Choi(최희수),H. J. Cha(차현진),H. N. Yoo(유홍녕),H. O. Kim(김혜옥),T. H. Park(박태현) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
To efficient fuel cell operation, reactants are spread to the catalyst layer in the order of bipolar plates, gas diffusion backing layer (GDBL), and micro porous layer (MPL). When reactants move from GDBL to MPL, the gap is decreased. This narrower gap allows uniform diffusion. In this study, an additional layer is fabricated having gaps smaller than MPL. The advantages are observed that of making reactants more uniformed. This layer is made using carbon nanotube (CNT). Also, this layer will maximize the diffusion of the gap of the 2 nm tube and will help wet of the membrane by hindering the movement of water due to the fine layer. The presence or absence of CNT layers was compared to determine diffusion characteristics, and each experiment was performed with 30, 65, and 100% RH to compare the performance at low humidity in the experiment. The electrochemical performance of various samples were evaluated through polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis.
탄소 나노튜브 나노다공성 시트 기반 고분자 전해질막 연료전지의 성능 향상에 대한 연구
권오빈(O. Kwon),정석훈(S. H. Jeong),최희수(H. Choi),차현진(H. Cha),박태현(T. H. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs)에서 사용되는 Perfluorosulfonic Acid (PFSA) 계열 멤브레인은 전기화학적 성능과 수명을 결정짓는 중요한 부품 중 하나로 여겨진다. 본 연구는 Direct Spinning 방식을 활용하여 제작된 Carbon Nanotube (CNT) 시트를 (두께: ~30 μm)로 합성했으며, 연료전지 내의 분리판과 Gas Diffusion Layer(GDL) 사이에 삽입했다. 이렇게 제작된 CNT 중간층 PEMFCs 의 전기화학 성능은 3가지 운전 조건에서 온도와 상대습도를 변화하여 수행 및 평가되었다. 분극곡선을 통한 성능은 운전온도 80°C 및 상대습도 100% 조건에서, 기존 Membrane Electrode Assembly (MEA)대비 3.3% 상승한 574 mW/㎠을 보여주었다. 하지만, 온도 상승과 상대습도 감소를 수반한 가혹한 운전 환경(120oC 및 상대습도 25%)에선 108.3% 향상된 276 mW/㎠을 보였다. 이것은 CNT 시트의 나노스케일 기공크기에 기인하는데, 반응물이 균질하게 분산 될 수 있는 환경을 만들어 준다. 그러나 생성물이 액체로 완전히 가습된 80℃에선 물 관리에 제한이 발생했다. 반면, 가혹한 온도와 낮은 상대습도가 수반될 경우, 생성물은 대체로 기체상이다. 따라서 이런 물관리 제한으로부터 자유로워지므로, 더 큰 성능 향상이 얻어진 것으로 판단된다. 추가로 수행된 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)분석을 통해, CNT 시트의 옴저항이 기존 대비 크게 감소된 것을 확인했다. PEMFCs 에서 낮은 옴저항은 좋은 멤브레인 수화 상태를 의미한다. 게다가, CNT 시트의 전기적 물성은 기존 GDL 보다 우위에 있다. 따라서 CNT 중간층을 통해 향상된 멤브레인 수화 상태와 전기 전도도를 바탕으로 성능 향상이 달성되었음을 확인했다.
사용자중심의 참여 미디어 교육시스템 프로토타입 개발 전략
안미리(Mi-Lee Ahn),조영찬(Y.C. Cho),황윤자(Y.J. Hwang),차현진(H.J. Cha),김희진(H.J. Kim) 한국HCI학회 2009 한국HCI학회 학술대회 Vol.2009 No.2
최근 연구보고에 의하면 많은 박물관, 미술관 등은 작은 모바일 기기를 활용하여 좀 더 깊이 있는 전시 정보를 제공할 뿐 만 아니라, 더욱 개별화된 학습 공간과 협동 및 발견학습이 가능한 참여 미디어로 활용이 확대 되고 있다. 모바일 기기의 다양한 특성과 기능들을 활용하여 전시 정보를 제공하면서도 유의미한 학습 체험을 유도하고 인터넷 등의 기능을 활용해 사회적 참여소통 경험을 유도할 수 있는 교육 시스템으로의 활용 가능성을 모색하고 있다. 이에 본 연구는 박물관에서 사용되는 모바일 시스템이 박물관내의 전시물에 대한 안내라는 제한적인 사용성과 사용자와의 일방적인 상호작용 외에도 더욱 다양한 각도에서 사용자가 필요로 하는 서비스를 제공할 필요가 있음을 전재하고 있다. 학교 밖에서의 경험을 학습으로 끌어 들이는 참여 미디어로서의 교육적 도구로 활용될 수 있는 시스템이 필요하다는 사용자의 요구를 반영한 박물관 안내 시스템의 인터페이스 개선 프로토타입을 개발하기 위한 전략과 연구방법에 대해 제고하였다. 본 연구는 프로토타입을 개발하기 위해 도입한 질적연구 방법과 양적연구방법과정을 실제 상황 안에서의 관찰과 인터뷰(contextual observation & inquiry), 그리고 설문 결과 등 사용자의 요구를 수용할 수 있는 다양한 데이터를 수집한 결과와 과정에 대해 구체적으로 설명하고 이를 반영한 인터페이스 디자인 전략을 제시하고자 한다. 관찰에서 파악된 사용자와 시스템간의 상호작용, 인터뷰를 통해 언급된 사용자의 요구와 불편사항 등을 분석하였다. 본 연구는 박물관 안내 시스템을 사용하는 초등학생과 중학생들의 요구사항과 불편사항을 끌어내어 좀 더 사용자 친화적인 모바일 인터페이스 설계 방안을 모색함으로써 기술 중심의 (technology-driven)에서 벗어나 사용자 중심의 참여미디어를 가능하게 하는 교육용 시스템 디자인 요소를 추출하고 프로토타입을 개발하는 과정을 제시하는데 그 의의가 있다. Recently many research reports on effective use of mobile devices for museums to provide information on displayed artifacts providing individualized learning space, collaborative learning, and discovery learning, Such devices have many possibilities to support learning as a participatory media and social network. Mobile devices are used, however, limited for its usability and lack in providing expected learning experiences. It offers one-way interaction and they are often limited in providing customized services for different patrons to experience learning and entertainment. In this research, we have adopted user centered design approach to identify the needs and possible usage of PDA system in the museum. Research methods include contextual observation and inquiry with symbolic interactionism for qualitative research and its epistemology. We have developed conceptual model with scenario and storyboard method, and developed vertical prototype with Flash.