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.

Hydrogen Storage System Based on Internal Hydrogen Recirculation

  Hydrogen storage alloys are one of the methods for storing hydrogen, wherein heat is either absorbed or released during the absorption and desorption processes. As the temperature of the alloy increases, the pressure required to store hydrogen rises, and as the temperature decreases, the pressure required for hydrogen desorption decreases. Therefore, managing the heat of the alloy during these processes is crucial. This research proposes a method where hydrogen circulates within the system, utilizing external devices such as heat pumps to recycle the heat entering and exiting the alloy. The ultimate goal is to enhance the storage efficiency of hydrogen storage alloys.

 수소 내부 순환 기반 수소 저장 합금 시스템 연구

  수소 저장 합금은 수 저장 방법 중 하나로, 수소의 흡착 및 탈착 과정에서 열을 흡수하거나 방출합니다. 합금의 온도가 상승하면 수소 저장에 필요한 압력이 증가하고, 온도가 감소하면 수소 탈착에 필요한 압력이 낮아지므로, 이러한 과정에서 합금의 열 관리는 매우 중요합니다. 본 연구에서는 수소가 시스템 내에서 순환하면서 외부 장치인 히트펌프 등을 활용하여 합금의 열을 재활용하는 방법을 제시합니다. 이를 통해 수소 저장 합금의 저장 효율을 극대화하고자 합니다.

Pressure and Thermal Control Strategy for Liquid Hydrogen Stroage Systems

  Liquid hydrogen is stored at cryogenic temperatures (below 30 K). When hydrogen is extracted from the storage tank for use, the internal pressure of the tank decreases rapidly. Therefore, to ensure stable supply, it is necessary to maintain the tank pressure at an appropriate level by supplying adequate thermal energy. Furthermore, the fuel cell stack requires hydrogen in a gaseous state at a certain temperature, necessitating an additional heating process. To achieve this, a heat exchanger is utilized to warm the low-temperature hydrogen extracted from the storage tank, which is then recirculated to the tank to provide thermal energy. This method offers an effective solution for maintaining the required conditions.

 This study aims to enhance the efficiency of this approach by optimizing the heat exchange process and developing a control strategy to regulate hydrogen flow, ensuring that both the storage tank pressure and the temperature and pressure of the hydrogen supplied to the fuel cell stack remain within optimal ranges.

 액체수소 저장시스템의 압력과 온도 제어

  수소액체수소는 극저온(30 K 이하)에서 저장되며, 저장탱크에서 수소를 빼내어 사용할 경우 저장탱크 내부 압력이 급격히 감소하는 특징이 있습니다. 따라서 안정적인 공급을 위해서는 저장탱크 내부의 압력을 일정 수준으로 유지할 수 있도록 적절한 열에너지를 공급해야 합니다. 또한, 연료전지 스택에는 일정 온도 이상의 기체 수소가 공급되어야 하므로, 저장탱크에서 기화된 수소를 추가로 가열하는 과정이 필요합니다. 이를 위해 열교환기를 활용하여 저장탱크에서 나온 저온의 수소를 가열한 뒤, 다시 저장탱크로 순환시켜 열을 공급하는 방식이 해결책이 될 수 있습니다..

 본 연구에서는 이러한 방식의 효율성을 높이고, 저장탱크의 압력과 스택으로 공급되는 수소의 온도와 압력을 유지할 수 있도록 열교환량을 조절하고 최적의 시스템 제어 방안을 모색합니다.