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The improvement of cold start capability is one of the most challenging tasks to be solved for commercialization of fuel cell vehicle. In this study, cold start test and ice blocking test(IBT) of fuel cell stack were carried out under various operating conditions. This fuel cell stack can be thawed ...

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제안 방법

  • 연료전지 스택의 운전을 위해 스택 온도는 냉각수 온도 입구 기준 65°C로 하였고, 가습기의 온도 조절을 통해 상대습도 50% 의 반응가스가 들어가게 하였다. 30분 이상의 안정화 후 정지조건에서 셀내 물제거를 위해 가스 퍼지를 50A의 SR 1.5/2.0 유량, 즉 Anode는 는 수소를 이용하여 11 1pm으로, cathode는 공기를 이용하여 341pm으로 20초간 실시하였다. Soaking 후냉시동시 저온의 건조가스를 100A의 SR1.
  • 0 유량, 즉 Anode는 는 수소를 이용하여 11 1pm으로, cathode는 공기를 이용하여 341pm으로 20초간 실시하였다. Soaking 후냉시동시 저온의 건조가스를 100A의 SR1.5/2.0 으로 공급한 후 100A의 전류를 인가함으로 전기 화학반응을 일으켜 스택 온도를 상승시켰다. 냉시동결과 -20°C에서 자체발열 냉시동이 가능함을 확인하였고, 가스공급 후 25초 내에서 최저 전압을 나타내며 이후 전극이 해동되면서 ice blocking은 없어지고 전압이 상승함을 알 수 있었다.
  • 냉시동 후 생성된 물이 배관 출구에서 얼어 가스 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 단열시켰다. 겨울철 연료전지 차량 시동 조건과 동일하게 모사하기 위해 가습기 전단에 가습기 통과 밸브를 두고, 환경챔버 내 배관을 이용하여 공급가스의 온도를 낮추어 무가습의 저온 가스가 공급될 수 있도록 하였다. 냉동시에는 스택중앙부에 설치된 온도센서를 이용하여 환경챔버온도와 스택온도가 같아질 때까지 냉동시간을 유지시켜 스택 전체온도가 챔버 온도와 같아 진 후 냉 시동을 실시하였다.
  • 이것을 20셀로 적층하고 연료전지 차량에서 사용하는 엔드플레이트와 체결기구를 이용하여 연료전지 스택을 제작하였다. 냉동시간 선정 및 냉시동시 스택의 온도를 측정하기 위해 일부 분리판 내부에 온도센서를 넣어 온도를 측정하였다.
  • 겨울철 연료전지 차량 시동 조건과 동일하게 모사하기 위해 가습기 전단에 가습기 통과 밸브를 두고, 환경챔버 내 배관을 이용하여 공급가스의 온도를 낮추어 무가습의 저온 가스가 공급될 수 있도록 하였다. 냉동시에는 스택중앙부에 설치된 온도센서를 이용하여 환경챔버온도와 스택온도가 같아질 때까지 냉동시간을 유지시켜 스택 전체온도가 챔버 온도와 같아 진 후 냉 시동을 실시하였다.
  • 스택 운전을 위한 반응가스로 수소와 공기를 사용하였고, 냉각수는 연료전지용 냉각 부동액을 적용하였다. 냉시동 후 생성된 물이 배관 출구에서 얼어 가스 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 단열시켰다. 겨울철 연료전지 차량 시동 조건과 동일하게 모사하기 위해 가습기 전단에 가습기 통과 밸브를 두고, 환경챔버 내 배관을 이용하여 공급가스의 온도를 낮추어 무가습의 저온 가스가 공급될 수 있도록 하였다.
  • 평가하였다. 또한 ice blocking test(IBT) 방법을 이용하여 각 운전기술들이 연료전지 스택의 냉 시동 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
  • 본 실험에서는 스택온도를 환경챔버와 부동 냉각수를 이용하여 T5°C 이하로 맞추고, 반응 가스공급 후 10A를 인가하여 측정하였다.
  • 본 연구에서는 연료전지 스택 냉시동 성능을 향상 시키 는데 있어 성 능에 영 향을 주는 시 동/정 지운 전 변수들을 찾았고, 필요한 운전기술들을 적용하여 평가하였다. 또한 ice blocking test(IBT) 방법을 이용하여 각 운전기술들이 연료전지 스택의 냉 시동 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
  • 정상운전 및 정지 단계에서는 가습 가스공급과 전류인가를 통한 전기 화학반응, 생성열 제거를 위한 냉각수 순환, 운전 후 셀내 잔존 수 제거를 위한 퍼지가 포함된다. 스택 운전온도, SR 그리고 퍼지조건을 변수로 하여 평가한 다음 냉동 단계에서는 환경챔버의 냉동 온도를 설정하고 냉동시간은 스택 중앙부에 있는 온도 센서의 온도와 환경챔버 온도가 같아질 때를 기준으로 한다. 냉동 후 환경 챔버내 온도와 스택 온도가 같아지게 되면 마지막 단계로 무가습 저온가스를 공급하고, 전류를 인가하여 냉시동 한다.
  • 1은 연료전지 스택을 환경챔버에 넣고 가스라인, 냉각수라인, 전자부하, 전압센서, 온도센서 등을 연결한 사진이다. 스택 운전을 위한 반응가스로 수소와 공기를 사용하였고, 냉각수는 연료전지용 냉각 부동액을 적용하였다. 냉시동 후 생성된 물이 배관 출구에서 얼어 가스 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 단열시켰다.
  • 연료전지 스택은 공급가스가 흐를 수 있는 유로가 형성된 흑연 분리판 사이에 백금촉매를 이용한대 면적(250cnj이상) 상용 막-전극 접합체(MEA, membrane electrode assembly) 와 felt type의 가스확산층(GDL, gas diffusion layer)을 두어 단위 셀을 제작하였다. 이것을 20셀로 적층하고 연료전지 차량에서 사용하는 엔드플레이트와 체결기구를 이용하여 연료전지 스택을 제작하였다.
  • 제작하였다. 이것을 20셀로 적층하고 연료전지 차량에서 사용하는 엔드플레이트와 체결기구를 이용하여 연료전지 스택을 제작하였다. 냉동시간 선정 및 냉시동시 스택의 온도를 측정하기 위해 일부 분리판 내부에 온도센서를 넣어 온도를 측정하였다.
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참고문헌 (10)

  1. D. Picot, R. Metkemeijer, J.J. Bezian, L. Rouveyre, 'Impact of the water symmetry factor on humidification and cooling strategies for PEM fuel cell stacks', J. Power Source, Vol.75, pp. 251-260 

  2. Trung Van Nguyen, Mack W. Knobbe 'A liquid water management strategy for PEM fuel cell stacks', J. Power Source, Vol. 114, pp. 70-79 

  3. EA Cho, J.J. Ko, RY. Ha, SA Hong, K.Y. Lee, T.W. Lim, And LH. Oh, 'Effects of water removal on the performance degradation of PEMFCs repetitively brought to $ ', J. elecrochem. Soc. Vol. 151, pp. 661-665 

  4. Qunhui Guo, Zhigang Qi, 'Effect of freeze-thaw cycles on the properties and performance of membrane-electrode assemblies', J. Power Source, Vol. 160, pp. 1269-1274 

  5. Charles Lee, Walter Merida, 'Gas diffusion layer durability under steady-state and freezing conditions', J. Power Source, Vol. 164, pp.141-153 

  6. Qiangu Yan, Hossein Toghiani, Young- Whan Lee, Kaiwen Liang, Heath Causey, 'Effect of sub-freezing temperature on a PEMFC performance, startup and fuel cell components' J. Power Source, Vol. 160, pp. 1242-1250 

  7. M. Oszcipok, M.Zedda, D. Riemann, D. Geekeler, 'Low temperature operation and influence parameters on the cold start ability of portable PEMFCs' J. Power Source, Vol. 154, pp. 404-411 

  8. Y. Ishikawa, H.. Hamada, M. Uehara, M. Shiozaw, 'Super-cooled water behavior inside polymer electrolyte' J. Power Source, Vol. 179, pp. 547-552 

  9. Hongwei Wang, Junbo Houa, Hongmei Yu, Shucheng Sun, 'Effects of reverse voltage and subzero startup on the membrane electrode assembly of a PEMFC' J. Power Source, Vol. 165, pp. 287-292 

  10. J. larminie, A. Dicks, 'Fuel cell systems explained, second ed.,' Wiley, 2003 

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