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연료 전지 전해질 막의 수분 확산성은 막의 이온전도도를 결정하는 가장 중요한 요소이다. 연료 전지의 운전 조건에 따라 수분 투과 구동력인 전기삼투 및 비선형 영역의 역확산으로 인한 막의 수분 투과에 대해 정확한 이해와 계산 방법이 필요하다. 온도 및 습도에서의 전해질 막의 수분 확산성은 확산 계수에 의해 결정될 수 있다. 본 연구에서는 수분 확산을 결정하기 위한 3가지 접근 방법을 평가한다. 수분 확산 계수의 첫 번째 접근법은 수분함유도를 이용한 계산이며, 두 번째 접근법은 테스트 지그 양단 평균 농도 계산 방식에 따른 NMR 방법과 비교, 세 번째 접근법은 막 표면 물질전달계수의 저항을 이용하는 것이다. 실험은 기체의 3가지 온도(30˚C, 50˚C, 70˚C)와 습도(0%~100%)에 대해 수행했으며, 지그의 입구 습공기 농도를 기준으로 계산을 진행했을 때 기존 NMR 결과와 잘 맞았다. 대류물질전달 계수의 영향은 10-¹²~10-¹⁴cm²/s 정도로 매우 미미한 것을 알 수 있다.
The water diffusivity of the fuel cell electrolyte membrane is the most important factor that determines the ionic conductivity of the membrane. Owing to the existence of electro-osmosis, which is a water-permeable driving force, and reverse diffusion, which is a nonlinear region, depending on the operating conditions of the fuel cell, an accurate understanding and calculation method for water permeation of the membrane is required. The water diffusivity of the electrolyte membrane is determined by the water diffusion coefficient in terms of temperature and humidity. In this study, three different approaches are evaluated to determine water diffusion. In the first approach, water diffusivity is calculated with measured water content. In the second approach, experimental data is compared with the NMR method. In the third approach, the membrane surface resistance and mass transfer coefficient are used. Experiments are carried out at three different temperatures (30˚C, 50˚C, and 70˚C) and humidities (0~100) of gases. The test jig is well fitted with the existing NMR results when the calculation is based on the inlet water concentration. The effect of convective mass transfer coefficient is also small enough to be negligible.
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PEMFC, Nafion® 117, Diffusion Coefficient, Diffusivity, Membrane, Humidity
