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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.
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.
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.
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.