Fuel Cell System

Non-uniformity in Open Cathode PEMFC stack

  Compared to typical Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs), which have fewer balance of plant components, achieving optimal control and high performance is challenging. Specifically, challenges arise in managing heat, supplying oxygen, and controlling humidity. Another significant issue is the lack of uniformity in fuel supply and temperature distribution when using fuel cells in a stack configuration. This non-uniformity can lead to performance disparities, and if left unaddressed, certain cells may deteriorate faster, ultimately resulting in decreased overall stack performance. Therefore, for Open Cathode PEMFCs, which are particularly sensitive to temperature and fuel supply variations, improving stack-level uniformity is crucial. 

  This research aims to propose a fuel cell stack design that enhances durability and energy efficiency by introducing gradient designs tailored to the characteristics of each cell's position within the stack, thereby mitigating these performance imbalances.

 양극개방형 PEMFC 스택 내 출력 불균형 특성 및 이에 대한 개선 연구

  양극개방형 PEMFC의 경우 일반적인 PEMFC에 비해 BOP를 제거하였기 때문에 상대적으로 제어를 통한 고성능을 운전이 어렵고, 특히 열관리, 산소공급 그리고 습도 조절에 어려운 점이 있어 이러한 점들을 개선하는 것이 주요 쟁점입니다. 또한 연료전지를 스택으로 사용하면 연료 공급과 온도 분포가 균일해지지 않아 출력 불균형이 일어날 수 있습니다. 이러한 출력 불균형이 지속될 경우 열화가 가속되는 셀이 존재하고 결국에는 전체 셀의 성능이 감소하는 결과를 가져옵니다. 때문에 앞서 말한 문제가 있었던 양극 개방형 PEMFC의 경우 온도와 연료 공급에 더욱 민감하기 때문에 스택내 출력 불균형을 개선하는 것이 중요합니다.

  본 연구는 스택 내의 셀 위치에 따라 각 위치 특성에 맞게 형상을 달리하는 구배 설계를 도입함으로써 이러한 출력 불균형을 개선하여 더 내구성이 높고 에너지 효율이 높은 연료전지 스택 설계 방안을 제시하는 데에 목표를 두고 있습니다.

Improvement of water management ability of titanium felt gas diffusion layer and enhancement of PEM-URFC performance/round trip efficiency through micro-nano size titanium powder coating

  A Polymer Electrolyte Membrane-Unitized Reversible Fuel Cell (PEM-URFC) is an electrochemical device, capable of both hydrogen production and electricity generation within a single cell or stack configuration. The PEM-URFC addresses intermittent power generation in renewable energy by converting surplus electricity generated from sources like solar or wind into hydrogen, which can then be reconverted back into electricity when needed. A titanium felt is commonly employed as an oxygen electrode gas diffusion layer in PEM-URFC due to preventing oxidation during electrolysis, but, due to limited water management ability of the titanium felt during fuel cell operation, research efforts are needed to improve the issue.
  In this study, we aim to improve water management ability and enhance the fuel cell performance and round trip efficiency of PEM-URFC. This will be achieved by coating titanium felt with micro-nano sized titanium powder as a microporous layer (MPL). The incorporation of this MPL seeks to enhance water management and ultimately improve the fuel cell performance and round trip efficiency of the PEM-URFC.

마이크로-나노 사이즈의 티타늄 분말 코팅을 통한 티타늄 펠트 기체확산층 물 관리 능력 개선 및 PEM-URFC 성능/교환효율 향상

  고분자 전해질막 일체형 가역 연료전지 (PEM-URFC)는 하나의 셀 또는 스택으로 수소 생산과 발전이 둘 다 가능한 전기화학 장치입니다. PEM-URFC는 태양광이나 풍력발전 등으로 생산된 잉여 전력을 수소로 변환하고 이를 필요할 때 다시 전력으로 변환함으로써 신재생에너지의 간헐적인 전력 생산을 보완할 수 있습니다. PEM-URFC는 수전해시 산화 방지를 위해 산소극 기체확산층으로서 티타늄 펠트를 많이 사용하는데 티타늄 펠트는 연료전지 운전시 물 관리 능력이 좋지 않기 때문에 이를 개선하기 위한 연구가 필요합니다.
  본 연구에서는 마이크로-나노 사이즈의 티타늄 분말을 티타늄 펠트에 미세다공층(MPL)으로 코팅하여 물 관리 능력을 개선하고 PEM-URFC의 연료전지 성능 및 교환효율을 향상시키고자 합니다.

Development of Fuel Cell System with Oxygen Concentrator

  Using oxygen enrichment is a way to improve fuel cell performance. This approach tackles fuel cells' slow oxygen reduction reaction and mass transport issues. An oxygen concentrator that utilizes pressure swing adsorption leverages ambient air to create an oxygen-rich stream. This stream boosts the power output of PEM fuel cells. However, running the concentrator requires extra energy, increasing overall power consumption. The PEM fuel cell and oxygen concentrator need a combined assessment to ensure a positive power output.

  This study shows that using PSA oxygen concentrators with PEM fuel cells can increase net power. This concept could lead to more efficient and cost-effective PEM fuel cell systems for transportation and stationary power generation.

산소발생기가 포함된 연료전지 시스템 개발

  산소 농도를 높여서 연료전지에 공급하면 산소 환원 반응속도와 촉매로의 산소전달이 개선됨에 따라 출력이 크게 향상됩니다. 압력변동흡착식 산소 발생기를 활용하면 대기중의 공기로를 사용하여 산소 농도가 높은 기체를 만드는 가능하지만 소모 동력이 추가로 발생하게 됩니다.

  본 연구는 전체적인 연료전지 시스템을 향상시킬 수 있는 산소 발생기 개발을 목표를 두고 있습니다. 

Liquid Hydrogen Tank Modeling

  Hydrogen is being recognized as an environmentally friendly and efficient future energy storage solution. Liquid hydrogen, with approximately 1.8 times the hydrogen storage density compared to highly compressed gaseous hydrogen, presents advantages as a fuel in the realm of mobility. However, securing effective insulation performance to minimize evaporative losses due to external heat influx, as well as attaining a comprehensive understanding of hydrogen behavior within the tank during charging and discharging, becomes imperative. Through investigation of these facets, the potential utilization of liquid hydrogen can be further enhanced.

  In our laboratory, the objective is the design of a vehicle-oriented liquid hydrogen tank, employing computational modeling, to achieve both high storage density and extended dormancy.

액체수소탱크 모델링

  수소는 친환경적이고 효율적인 미래 에너지 저장 솔루션으로 주목받고 있습니다. 액체수소는 가압 기체수소에 비해 약 1.8배의 수소 저장 밀도를 가져 모빌리티 분야의 연료로써 장점을 가집니다. 그러나 외부 열유입으로 인한 증발 손실을 최소화하기 위한 단열성능 확보와, 수소 충전과 방출시 탱크 내부 수소 거동에 대한 이해도 필수적입니다. 이러한 측면을 연구함으로써 액체수소의 활용 가능성을 더욱 높일 수 있습니다.

  본 연구실에서는 전산 모델링을 통하여 높은 충전 밀도를 가지고, 긴 운휴기를 확보할 수 있는 차량용 액체수소탱크를 설계를 목표합니다. 

High-Performance Fuel Cell Development through Flow Path Modification

  A fuel cell generates electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen. In order to operate the fuel cell more effectively, reactant gas should be provided properly to a membrane electrode assembly(MEA) where the chemical reaction occurs. The fuel cell makes water as a by-product after the chemical reaction, however, this water interrupts gas diffusion. This phenomenon causes the performance decline of the fuel cell.

  In this study, we suggest a novel flow field for the fuel cell to expel water product and diffuse reactant gas efficiently.

유로 형상 개선을 통한 고출력 고분자 전해질막 연료전지 개발

  연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 발전시스템으로, 효과적인 운전을 위해서는 실제 반응이 이루어지는 연료전지 내부의 전해질막에 기체가 효과적으로 공급되어야 합니다. 하지만 연료전지는 반응의 결과물로 물이 발생하므로 액체상태의 물이 기체의 공급을 방해하여 결과적으로 연료전지의 성능이 감소하는 현상이 발생합니다.

  본 연구는 독창적인 연료전지 유로 형상을 개발하여 효과적인 물 제거 및 기체 확산을 통해 고출력 연료전지를 개발하는데 그 목표를 두고 있습니다. 

Next Generation Vehicle: Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)

  A Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) is one of the advanced vehicles that replace conventional internal combustion engine vehicles. The FCEV, which includes a fuel cell stack and its Balance of Plant (BOP) in a smaller battery size than typical electric vehicles, compensates for the short travel distance the electric vehicle has.

  In our lab, FCEV's fuel cell/battery hybrid system is accomplished on lab-scale, optimized, and stabilized. In addition, researchers develop a more progressive FCEV by applying cooling/humidifying integrated systems with water injection systems, fuel management through dead end/purge control, and real-time hybrid control via CompactRIO.

차세대 자동차: 연료전지차 (FCEV)

  연료전지 전기자동차 (Fuel Cell Eletric Vehicle, FCEV)는 기존의 내연기관 자동차를 대체하는 차세대 운송 수단입니다. FCEV는 보통의 전기자동차보다 작은 크기의 배터리에 연료전지 스택과 그 부속 시스템이 포함되어 있어 전기자동차가 가지고 있는 짧은 주행거리라는 단점을 상쇄시킵니다.

  본 연구실에서는 FCEV의 연료전지/배터리 하이브리드시스템을 랩스케일로 구현하고, 최적화, 안정화 합니다. 이와 더불어 연구원들은 독자적인 물 직접 분사 시스템을 통한 냉각/가습 통합시스템, 데드엔드/퍼지 컨트롤을 통한 연료 관리, CompactRIO를 통한 리얼타임 하이브리드 제어를 적용하여 보다 향상된 FCEV를 개발합니다. 

Optimizing Water Saturation in Gas Supplied

  In a PEMFC, a proton traverses a polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode. This transport mechanism is accomplished by water molecules inside of the membrane. It leads that hydrating the polymer electrolyte membrane is one of the essential techniques to achieve the optimized performance of the PEMFC. A PEMFC humidifying system which is built in a fuel cell electric vehicle released these days, however, occupies relatively excessive space compared with other components. Accordingly, minimizing the humidifying system and attaining effective water management for PEMFC are demanded in the industry related.

  In our lab, the optimal water saturation experiment for a fuel cell is conducted while the water recirculation is also being studied to efficiently humidify the fuel cell system.

연료전지 공급기체의 포화 수증기압 최적화

  PEMFC 연료전지에서는 산화극에서 발생된 양성자가 고분자 전해질막을 통해 환원극으로 이동합니다. 이러한 양성자의 이동은 고분자 전해질막 내부의 물 분자들에 의해 이루어집니다. 따라서 고분자 전해질막의 적절한 수화는 연료전지의 최적화된 성능을 위해 필수적입니다. 그러나 현재 출시되고 있는 연료전지 차량의 가습 시스템은 차량에 비해 매우 큰 체적을 차지합니다. 따라서 연료전지 가습시스템의 소형화, 효과적인 연료전지 물관리 기술이 요구됩니다.

  연료전지시스템 연구실에서는 PEMFC에 공급되는 수소, 산소의 포화도를 매개변수로 고분자 전해질막의 최적 수화 실험을 진행하고 있습니다. 또한 연료전지의 유일한 부산물인 물의 재순환을 이용한 가습 방안도 연구하고 있습니다. 

System Start-up under the Cold Temperature

  The water inside of the cell is able to be frozen at sub-freezing temperature especially in transportation fuel cell systems. It also causes to crack the structure of a Gas Diffusion Layer (GDL) and a catalyst layer. Therefore, it is necessary to eliminate the residual water inside of the fuel cell in order to start a vehicle successfully.

  The purge method is the most general way to eliminate the water inside of PEMFC. If the water is eliminated properly, the capacity of ice storage and the start-up are improved. Consequently, the possibility of effective cold start-up increase.

  In our lab, we are developing an initiative purge method for the cold start. Moreover, we are giving an effort to decrease the period of the cold start time so that the cell degradation is prevented.

영하의 온도 조건에서 시스템 시동

  대기 온도가 영하로 떨어지면 수송용 연료전지 시스템 내부의 물이 얼어붙는 경우가 발생한다. 이러한 경우 연료전지의 가스확산층, 촉매층에 균열이 생길 수 있는데 이는 연료전지 시동 간에 매우 치명적입니다.

  퍼지 방법은 연료전지 내부의 물제거를 위한 가장 보편적인 방법으로 알려져 있습니다. 연료전지 물제거가 적절히 이루어진다면 연료전지의 얼음 수용 능력, 시동 능력을 증가시킬 수 있다. 결과적으로 퍼지 방법은 연료전지 시스템의 냉시동 능력을 향상시킵니다.

  본 연구실에서는 냉시동을 위한 독자적인 퍼지 방법을 개발하고 있습니다. 이와 함께, 냉시동 시간을 줄여 연료전지의 열화를 예방하는 방법도 연구 중에 있습니다. 

System Stabilization/Optimization through Temperature Control

  Improper temperature control causes malfunction of components or even breakdown of the whole fuel cell system. Especially in summer, releasing the heat from a high power-generation system is a challenge due to a small temperature difference between the system and the atmosphere. Therefore, the effective cooling performance of the system under various conditions is required in industries.

  In this lab, we are conducting research on the thermal management of a variety of systems such as fuel cell and vehicles considering dynamic circumstance changes and compact system arrangement.

온도 제어를 통한 시스템 안정화/최적화

  시스템에서의 부적절한 온도 컨트롤은 부품의 고장을 유발하기도 하며 시스템 전체의 통제 불능을 야기할 수도 있습니다. 특히 여름 철에는 대기와의 온도차가 매우 작기 때문에 고출력의 시스템에서는 열방출이 매우 큰 이슈입니다. 따라서 다양한 조건에서의 효과적인 시스템 냉방 성능은 산업계에서 매우 중요합니다. 

  현재 우리 연구실은 동적인 상황에서도 차량, 연료전지 등의 시스템을 안정화 시킬 수 있는 독창적인 시스템 열관리 기법을 연구하고 있습니다. 

PEMFC Boiling Cooling Method

  Conventional thermal management for PEMFC has been being conducted with passive, air cooling or water coolant cooling system. In accordance with the increasing demand for high performance, but the compact size fuel cell system, however, an innovative cooling method for the system is now becoming necessary.

  The boiling cooling method is regarded as one of the creative cooling ways to overcome the limitation of fuel cell cooling capacity of traditional ones because it takes advantage of latent heat, rather than the sensible one. Furthermore, this cooling technique shows uniform temperature distribution inside a fuel cell stack.

  We perform research on PEMFC boiling cooling by applying HFE-7100, which has chemical stable, eco-friendly and dielectric properties. Our team also study the cooling performance of the working fluid in mini-channel, the cooling effect under the various conditions such as heat flux, mass flux, and pressure, and at the same time, in a condition of failure circumstance of the cooling to guarantee the entire system stability.

고분자 전해질막 연료전지 비등 냉각

  고분자 전해질막 연료전지의 열관리는 패시브, 공기 냉각 또는 수냉각 시스템으로 수행되어지고 있습니다. 하지만 연료전지 시스템이 고출력, 고전류를 목표로 하고 동시에 소형화함에 따라 시스템의 효율적인 냉각에 대한 요구가 점차적으로 높아지고 있는 추세입니다.

  기존의 연료전지 냉각용량의 한계를 극복하기 위한 방법의 하나로 비등냉각이 있습니다. 비등냉각 기술은 냉각 물질의 잠열을 최대한 활용하므로 냉각 용량이 우수하다는 장점이 있습니다. 또한 상변화 과정에서 냉각이 이루어지므로 연료전지 스택 내부에서의 온도가 균등하게 분포합니다.

  현재 연구실에서는 화학적 안정성, 친환경, 비전도성의 HFE-7100을 활용한 연료전지 비등냉각 연구가 진행되고 있습니다. 또한 미니 채널에서의 작동유체의 비등 냉각 성능, 다양한 열유속, 질량 유속 및 압력 조건에서의 냉각 효과 및 고장 상황에서의 냉각 수행 능력이 연구되고 있습니다.

Fuel Cell System Fault Diagnosis through Machine Learning

  A commercial cogeneration system or a fuel cell electric vehicle using PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) are now being proliferated in the market by governmental effort and, at the same time, technically developing. However, national PEMFC technology is still following the target for its commercialization, so not only the design or manufacturing engineering but also the operation or maintenance skills are gradually demanding. Specifically, the reliability of the fuel cell system of the country is apparently unsatisfactory because the failure rate of the system is about 2 per year, which is relatively inferior to 0.1 per year of the target level of developed countries.

  The fuel cell system fault diagnosis is considered to contribute early commercialization of the fuel cell because of its real-time monitoring method on the fuel cell stack as well as the entire system. The technique will dramatically save the maintenance cost and lead to improved competitiveness of the fuel cell power generation system relative to others by enhanced its durability.

  Our fuel cell system research team investigates the fault/degradation diagnosis specialized on each component in the complex PEMFC system. Especially, we developed expertized fault diagnosis technique analyzing linkings of one another and considering the properties of own parts. We also apply the fuel cell system modeling describing the fault/degradation situation to machine learning.

기계 학습을 통한 연료 전지 고장 진단

  고분자전해질 연료전지를 이용한 가정용 코제너레이션 시스템과 연료전지 자동차는 정책적인 보급과 더불어 상용화를 위한 기술 개선이 이루어지는 단계입니다. 하지만 국내 고분자전해질 연료전지 기술은 상용화 목표 대비 미흡한 수준으로 설계 제조 기술과 더불어 운영 및 유지 보수 기술의 개발이 필요한 상태입니다. 특히 국내 연료전지의 신뢰성 수준은 고장률이 연 2 건/시스템 정도로 선진국 목표인 연 0.1건/시스템에 훨씬 못 미치는 수준입니다.

  연료 전지 고장진단 기술은 연료 전지 스택 뿐만이 아니라 시스템 전체에 대한 실시간 고장 진단을 가능케 하여 연료전지 상용화 목표 조기 달성에 기여할 것으로 평가 받습니다. 고장 진단 기술은 또한 향후 보급 될 연료 전지 시스템에 대한 유지 보수 비용을 크게 절감 할 것으로 예상되며 합리적인 가격의 향상된 내구 수명은 타 발전 설비 대비 연료 전지 시스템의 향상된 경쟁력으로 이어 질 것입니다.

  연료 전지 시스템 연구팀은 복합 시스템인 고분자 전해질 연료 전지 시스템의 주요 부위 특성에 맞는 고장/열화 진단기술을 연구하고 있습니다. 특히, 시스템을 기능별로 부위와 부품으로 구분하여 각 부분의 특성과 연계성을 고려한 전문가 고장진단 기술을 확립하고 있습니다. 또한 모델링을 통해 구축한 가상 시스템을 통한 고장/열화 현상을 분석하여 인공지능 기반의 기계 학습에 활용하고 있습니다.