[학위논문]고분자 전해질 연료전지용 막가습기의 가습 특성에 관한 연구 (A) study on humidification characteristics of the membrane humidifier for polymer electrolyte membrane fuel cells원문보기
고분자 전해질 연료전지의 전해질을 가습하기 위해 일반적으로 사용하고 있는 기포가습기를 대체하기 위한 막가습기에 대한 연구를 수행하였다. 기포가습기는 연료전지의 전체 시스템에서 많은 부피를 차지하며, 가습기를 가열하기 위한 부가적인 에너지가 필요한 반면, 막가습기의 경우 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용함으로써 별도의 에너지가 필요하지 않고 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 두 가습기의 가습특성을 살펴보고, 전지운전을 통해 기포가습기를 사용한 경우와 ...
고분자 전해질 연료전지의 전해질을 가습하기 위해 일반적으로 사용하고 있는 기포가습기를 대체하기 위한 막가습기에 대한 연구를 수행하였다. 기포가습기는 연료전지의 전체 시스템에서 많은 부피를 차지하며, 가습기를 가열하기 위한 부가적인 에너지가 필요한 반면, 막가습기의 경우 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용함으로써 별도의 에너지가 필요하지 않고 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 두 가습기의 가습특성을 살펴보고, 전지운전을 통해 기포가습기를 사용한 경우와 한외여과막을 이용한 막가습기와의 연료전지 성능을 비교하였다. 또한 막가습에 적합한 막을 찾기 위해 한외여과막 및 여러 두께의 나피온 상용막을 사용하여 각각의 가습성능을 비교하였다. 한편, 막가습기의 물질수지를 이용하여 기체 유로 내에서 위치에 따른 반응기체의 상대습도를 예측할 수 있는 수학적 모델을 제시하였다. 기포가습기의 경우 수위가 높아질수록 상대습도가 증가하는 경향을 보였으나, 본 연구의 실험범위 내에서는 여러 유속과 온도에서 80% 이상의 높은 상대습도를 나타내었다. 한외여과막을 이용한 막가습기의 경우 가장 우수한 가습특성을 보여주었으며, 전지의 성능 또한 동일한 운전 조건하에서 산화제의 종류에 관계없이 기포가습기와 유사한 성능을 나타내었다. 한편, 막가습기의 모델링을 통해 반응기체의 유속, 가습기의 온도 및 가습기 채널 길이에 따른 영향을 살펴보았는데, 모델식은 실험결과와 비교하여 잘 일치하였다. 따라서 본 모델식을 이용하여 연료전지 운전시 막가습기 기체유로내의 위치에 따른 반응기체의 상대습도를 예측하는 것이 가능하였다.
고분자 전해질 연료전지의 전해질을 가습하기 위해 일반적으로 사용하고 있는 기포가습기를 대체하기 위한 막가습기에 대한 연구를 수행하였다. 기포가습기는 연료전지의 전체 시스템에서 많은 부피를 차지하며, 가습기를 가열하기 위한 부가적인 에너지가 필요한 반면, 막가습기의 경우 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용함으로써 별도의 에너지가 필요하지 않고 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 두 가습기의 가습특성을 살펴보고, 전지운전을 통해 기포가습기를 사용한 경우와 한외여과막을 이용한 막가습기와의 연료전지 성능을 비교하였다. 또한 막가습에 적합한 막을 찾기 위해 한외여과막 및 여러 두께의 나피온 상용막을 사용하여 각각의 가습성능을 비교하였다. 한편, 막가습기의 물질수지를 이용하여 기체 유로 내에서 위치에 따른 반응기체의 상대습도를 예측할 수 있는 수학적 모델을 제시하였다. 기포가습기의 경우 수위가 높아질수록 상대습도가 증가하는 경향을 보였으나, 본 연구의 실험범위 내에서는 여러 유속과 온도에서 80% 이상의 높은 상대습도를 나타내었다. 한외여과막을 이용한 막가습기의 경우 가장 우수한 가습특성을 보여주었으며, 전지의 성능 또한 동일한 운전 조건하에서 산화제의 종류에 관계없이 기포가습기와 유사한 성능을 나타내었다. 한편, 막가습기의 모델링을 통해 반응기체의 유속, 가습기의 온도 및 가습기 채널 길이에 따른 영향을 살펴보았는데, 모델식은 실험결과와 비교하여 잘 일치하였다. 따라서 본 모델식을 이용하여 연료전지 운전시 막가습기 기체유로내의 위치에 따른 반응기체의 상대습도를 예측하는 것이 가능하였다.
The membrane humidifier for PEMFC has been investigated to replace the bubble humidifier. While the bubble humidifier occupies a large volume in plants and is required to supply the additional power for heating, the membrane humidifier has no need of the additional power and smaller volume compared ...
The membrane humidifier for PEMFC has been investigated to replace the bubble humidifier. While the bubble humidifier occupies a large volume in plants and is required to supply the additional power for heating, the membrane humidifier has no need of the additional power and smaller volume compared to the bubble one. In this study, humidification characteristics of two humidifiers were elucidated. To find a suitable membrane for membrane humidifiers, UF(ultrafiltration) membrane and three types of Nafion^□ membranes with different thickness were selected and RH(relative humidities) of the reactant gases passing through the membrane humidifier embedded them were measured. Also, the cell performances for the bubble humidifier and the UF membrane humidifier were compared. Besides, from the mass balance of the membrane humidifier, a mathematical model was developed to predict RH of the reactant gases. As the height of water in the bubble humidifier increased, RH of reactant gases augmented. The bubble humidifier showed RH above 80% at the various flow rates and temperatures. The UF membrane, which is inexpensive compared to Nafion^□ membranes, showed superior humidification characteristics. In addition, it had low gas permeability when it was hydrated. And as the water pressure increased at the water side of the membrane, RH of the reactant gases was incremented together. Cell performances using the UF membrane humidifier and the bubble humidifier were almost similar regardless of oxidants. Modeling of the membrane humidifier was also carried out for the different conditions of flow rates, temperatures, and channel lengths. This model was found to be in good agreement with the experimental data and it is possible to predict RH of the humidified reactant gases in the membrane humidifier.
The membrane humidifier for PEMFC has been investigated to replace the bubble humidifier. While the bubble humidifier occupies a large volume in plants and is required to supply the additional power for heating, the membrane humidifier has no need of the additional power and smaller volume compared to the bubble one. In this study, humidification characteristics of two humidifiers were elucidated. To find a suitable membrane for membrane humidifiers, UF(ultrafiltration) membrane and three types of Nafion^□ membranes with different thickness were selected and RH(relative humidities) of the reactant gases passing through the membrane humidifier embedded them were measured. Also, the cell performances for the bubble humidifier and the UF membrane humidifier were compared. Besides, from the mass balance of the membrane humidifier, a mathematical model was developed to predict RH of the reactant gases. As the height of water in the bubble humidifier increased, RH of reactant gases augmented. The bubble humidifier showed RH above 80% at the various flow rates and temperatures. The UF membrane, which is inexpensive compared to Nafion^□ membranes, showed superior humidification characteristics. In addition, it had low gas permeability when it was hydrated. And as the water pressure increased at the water side of the membrane, RH of the reactant gases was incremented together. Cell performances using the UF membrane humidifier and the bubble humidifier were almost similar regardless of oxidants. Modeling of the membrane humidifier was also carried out for the different conditions of flow rates, temperatures, and channel lengths. This model was found to be in good agreement with the experimental data and it is possible to predict RH of the humidified reactant gases in the membrane humidifier.
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