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표제지
목차
1. 서론 11
2. 이론 23
2.1. Direct Methanol Fuel Cells(DMFC) 23
2.2. DMFC의 구성 25
2.2.1. 촉매(catalyst) 25
2.2.2. 전극(electrode) 28
2.2.2.1. anode 28
2.2.2.2. cathode 30
2.2.3. 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane) 31
2.2.4. MEA(Membrane and Electrode Assembly) 36
2.2.5. 유로(flow field) 38
2.3. DMFC의 발전원리 41
2.4. OCV(Open Circuit Voltage)와 효율 43
2.5. 수분조절 46
2.6. 메탄올 크로스오버(crossover) 46
2.7. Actual Performance 48
2.7.1. Activation Losses 48
2.7.2. Ohmic Polarization 50
2.7.3. Mass Transport-Related Losses 52
2.7.4. Summing of Cell Voltage 54
2.8. Fuel Cell System 55
2.8.1. Fuel Cell stack 55
2.8.1.1. MEA(Membrane electrode assembly) 58
2.8.1.2. 분리판(bipolar plate) 58
2.8.1.3. 밀봉부문 58
2.8.1.4. 전류 집전체(Current Collector)와 엔드 플레이트(End Plate) 59
2.8.2. Fuel Cell stacking 60
2.8.3. BOP(Balance of Plant) 62
3. 실험 63
3.1. 고분자 전해질막의 전처리 63
3.2. 전극의 제조 65
3.3. MEA(Membrane(Membarane) Electrode Assembly) 제조 67
3.4. DMFC unit cell 측정장치 구성 69
3.5. DMFC unit cell 성능의 최적화 실험 71
3.5.1. gasket 두께에 따른 MEA 성능 실험 71
3.5.2. 유로에 따른 MEA 성능 실험 71
3.6. DMFC stack 제조 74
3.7. DMFC stack 성능 및 안정성 실험 77
3.8. DMFC stack의 최적 조건을 위한 실험 77
3.9. DMFC stack의 self-heating에 대한 실험 78
4. 결과 80
4.1. Gasket 두께에 따른 성능 80
4.2. 유로에 따른 MEA 성능 85
4.3. DMFC stack의 성능 87
4.4. DMFC stack의 pulse current에 대한 양상 90
4.5. DMFC stack의 step current에 대한 양상 94
4.6. DMFC stack의 유량에 대한 양상 96
4.7. DMFC stack의 농도 변화에 대한 양상 102
4.8. DMFC stack의 온도 변화에 대한 양상 104
5. 결론 107
6. 참고문헌 109
Abstract 113
표 1. 주요 에너지원의 가채 년수(2002년 기준) 12
표 2. 대륙별 석유채굴 가능 년수 12
표 3. 주요국의 수입에너지 의존도 및 석유 의존도 14
표 4. 연료전지의 종류 18
표 5. 미국 및 유럽의 DMFC 개발 현황 21
표 6. 일본의 DMFC 개발 현황 22
표 7. 상용고분자 분리막의 특성 32
표 8. Planar-bipolar stack에서 연료의 흐름 61
표 9. Toray carbon paper의 물성 66
표 10. 유로의 구조 72
그림 1. 에너지 변환 16
그림 2. 메탄올의 흡착과 산화 26
그림 3. 메탄올의 산화반응 경로 26
그림 4. 전극의 삼상 계면 구조(Three-phase boundary) 29
그림 5. 불소계 이온 교환막의 구조식 34
그림 6. Nafion의 구조 35
그림 7. MEA(Membrane Electrode Asembly) 37
그림 8. 유로의 구조 40
그림 9. Direct methanol fuel cell(DMFC)의 원리 42
그림 10. 메탄올 크로스오버 47
그림 11. (a)voltage versus current density(anode and cathode overpotentials) (b)power density versus current density 49
그림 12. Tafel plot의 예 51
그림 13. fuel cell system 개략도 56
그림 14. Nafion 전해질 막의 전처리 64
그림 15. MEA 제작순서 68
그림 16. unit cell 측정장치 구성 70
그림 17. 유로의 형태 73
그림 18. 일렬로 구성된 stack 75
그림 19. 조립된 stack 모형 76
그림 20. 스택의 heating과정을 살펴보기 위한 실험 장치도 79
그림 21. Polarization and power density curves vs current density at room temperature 81
그림 22. Polarization and power density curves vs current density at 50℃ 82
그림 23. MEA 단면도 83
그림 24. Cell 구성시 gasket(gaske) 두께에 따른 구조 84
그림 25. 유로에 따른 MEA 성능 비교 86
그림 26. The polarization curve and power density-current density curve of unit cells 88
그림 27. The polarization curve and power density-current density curve of a stack 89
그림 28. Dynamic performance(pulse current output) 92
그림 29. Dynamic behavior of stack voltage for current step changes 93
그림 30. Dynamic performance(step current output) 95
그림 31. MeOH 2M 8ml/min공급시 cathode의 유량에 따른 변화 98
그림 32. MeOH 2M 2ml/min공급시 cathode의 유량에 따른 변화 99
그림 33. air(5L/min) 공급시 anode의 유량에 따른 변화 100
그림 34. air(2 L/min) 공급 시 anode의 유량에 따른 변화 101
그림 35. 농도 변화에 따른 양상 103
그림 36. 온도 변화에 따른 양상 106
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The dynamic behavior of fuel cells is of importance to insure the stable operation of the fuel cells under various operating conditions. In particular, knowledge of the dynamic behavior of fuel cells, stacks, and systems is critical to their engineering and design. Among a few different fuel cell types, the direct methanol fuel cell (DMFC) has been known to have advantages especially for portable applications. For the portable applications, two types of DMFC system have been usually utilized which are a stack system and a flat micro system. While a flat micro system utilizes air breathing for the cathode reaction, the stack system normally uses mechanical pumps for fuels so that the stack system is suitable for rather higher power portable applications than the flat-pack system. In order for the small DMFC systems to be used for the portable electronic application, the transient responses upon abrupt load changes should be well understood for ensuring its stable operation. Since the time constants of the transient responses could be varied with operating load conditions, special care should be addressed when the DMFC system is operated at the conditions of high time constants.
The transient response of DMFC is inherently slower and consequently the performance is worse than that of the hydrogen fuel cell, since the electrochemical oxidation kinetics of methanol are inherently slower due to intermediates formed during methanol oxidation. In addition, unlike the hydrogen fuel cell, the DMFC utilizes the liquid methanol solution as a fuel. Since the methanol solution should penetrate a diffusion layer toward the anode catalyst layer for oxidation, it is inevitable for the DMFC to experience the high mass transport resistance. The carbon dioxide produced as the result of the oxidation reaction of methanol could also partly block the narrow flow path to be more difficult for the methanol to diffuse toward the catalyst. All these resistances and limitations can alter the cell characteristics and the power output when the cell is operated under variable load conditions. Especially when the DMFC stack is considered, the fluid dynamics inside the fuel cell stack is more complicated and so the transient stack performance could be more dependent of the variable load conditions.
In this paper we report the effect of varying loads on a small size DMFC stack (10 cells with 9 cm2 active-area each). The transient responses of the stack voltage have been investigated upon variable current load conditions to obtain the information on the dynamic characteristics of the stack. Also, the transient responses of the stack current upon changing fuel flow rates have been monitored to obtain the optimal operating conditions for the stack.
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