일반적으로 알려진 연료전지는 에너지 절약과 안경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위해 고효율, 저공해 동력장치이며 기존의 내연기관을 대체하기 위한 청정·무공해 발전기로서 주목을 받고 있다. 연료전지는 연소반응 없이 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로서 ...
일반적으로 알려진 연료전지는 에너지 절약과 안경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위해 고효율, 저공해 동력장치이며 기존의 내연기관을 대체하기 위한 청정·무공해 발전기로서 주목을 받고 있다. 연료전지는 연소반응 없이 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로서 연료전지 자동차 동력기관으로 적용할 경우 카르노사이클의 제한이 없고 현재의 내연기관에 비해 효율이 저위발열량 기준 40%로 높으며 조용하고 안정적이다. 연료전지 중에서 나피온을 이용하여 고분자막을 형성하는 것으로 고분자 전해질형과 직접 메탄올형이 있으며, 이 두 형태의 연료전지는 작동온도가 저온(100℃이하)이고 소형화가 가능하여 현재 상용화 단계를 위한 연구개발 경쟁이 국내외적으로 본격화되고 있다. 직접메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 주로 휴대용, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 가정용 분산전원 및 자동차용으로 이용하기 위해 개발되고 있으며, 그 외에 다양한 용도로 응용이 가능하다. 하지만 고분자전해질형 연료전지에 사용되는 백금촉매(Pt/C)와 그 외의 주변장치(BOP) 등의 고가의 제작비용 때문에 연료전지의 상용화를 제한하고 있는 실정이다. 이에 앞으로 상용화를 위해서는 성능향상 방안제시와 더불어 비용 절감을 위하여 개선할 많은 문제를 가지고 있다. 소형 전원용 고분자 전해질형 연료전지는 연료인 수소의 저장성 문제 해결, 최적의 작동조건 분석 그리고 상온 및 상압 하에서 운전이 가능하여야 하며, 이와 같은 절차에 의해 연료전지는 자체의 원하는 성능을 얻을 수 있고 소형화도 가능할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 고분자 전해질형 연료전지를 소형 전원용, 자동차용으로 사용하기 위한 방안으로 연료전지 내에 작용하는 열·유체역학적, 전기·화학적 지배방정식과 경계조건을 정립하였고 유한요소해석 프로그램 (Multiphysics)을 이용하여 성능모사를 실시하였으며, 더불어 연료전지의 최적의 작동조건을 찾기 위해 다양한 변수를 적용하여 성능모사와 실험결과를 비교 분석하였다. 또한 실험을 위한 5cm²크기의 샘플 단위전지 제작을 통하여 최적의 작동조건을 분석하고 여기서 얻어진 최적 변수를 200cm²의 단위전지와 스택에 적용하여 실험을 실시하였다. 실험결과로서는 연료전지의 V-i 성능곡선과 전력(Power)에 대한 데이터를 산출하여 시뮬레이션과의 비교 및 소형 이동전원용으로서의 적용 가능성을 제시하였다.
일반적으로 알려진 연료전지는 에너지 절약과 안경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위해 고효율, 저공해 동력장치이며 기존의 내연기관을 대체하기 위한 청정·무공해 발전기로서 주목을 받고 있다. 연료전지는 연소반응 없이 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로서 연료전지 자동차 동력기관으로 적용할 경우 카르노사이클의 제한이 없고 현재의 내연기관에 비해 효율이 저위발열량 기준 40%로 높으며 조용하고 안정적이다. 연료전지 중에서 나피온을 이용하여 고분자막을 형성하는 것으로 고분자 전해질형과 직접 메탄올형이 있으며, 이 두 형태의 연료전지는 작동온도가 저온(100℃이하)이고 소형화가 가능하여 현재 상용화 단계를 위한 연구개발 경쟁이 국내외적으로 본격화되고 있다. 직접메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 주로 휴대용, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 가정용 분산전원 및 자동차용으로 이용하기 위해 개발되고 있으며, 그 외에 다양한 용도로 응용이 가능하다. 하지만 고분자전해질형 연료전지에 사용되는 백금촉매(Pt/C)와 그 외의 주변장치(BOP) 등의 고가의 제작비용 때문에 연료전지의 상용화를 제한하고 있는 실정이다. 이에 앞으로 상용화를 위해서는 성능향상 방안제시와 더불어 비용 절감을 위하여 개선할 많은 문제를 가지고 있다. 소형 전원용 고분자 전해질형 연료전지는 연료인 수소의 저장성 문제 해결, 최적의 작동조건 분석 그리고 상온 및 상압 하에서 운전이 가능하여야 하며, 이와 같은 절차에 의해 연료전지는 자체의 원하는 성능을 얻을 수 있고 소형화도 가능할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 고분자 전해질형 연료전지를 소형 전원용, 자동차용으로 사용하기 위한 방안으로 연료전지 내에 작용하는 열·유체역학적, 전기·화학적 지배방정식과 경계조건을 정립하였고 유한요소해석 프로그램 (Multiphysics)을 이용하여 성능모사를 실시하였으며, 더불어 연료전지의 최적의 작동조건을 찾기 위해 다양한 변수를 적용하여 성능모사와 실험결과를 비교 분석하였다. 또한 실험을 위한 5cm²크기의 샘플 단위전지 제작을 통하여 최적의 작동조건을 분석하고 여기서 얻어진 최적 변수를 200cm²의 단위전지와 스택에 적용하여 실험을 실시하였다. 실험결과로서는 연료전지의 V-i 성능곡선과 전력(Power)에 대한 데이터를 산출하여 시뮬레이션과의 비교 및 소형 이동전원용으로서의 적용 가능성을 제시하였다.
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most attractive energy conversion devices. It is regarded as a power source for stationary and mobile applications. Thanks to their high power density performance at low temperature (70~90°C), PEMFCs are very promising as energy source...
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most attractive energy conversion devices. It is regarded as a power source for stationary and mobile applications. Thanks to their high power density performance at low temperature (70~90°C), PEMFCs are very promising as energy source for electric vehicles. Nevertheless, the cost of a PEMFC stack is still prohibitive for mass production and the introduction of low cost materials and/or process is necessary. Moreover, industrial production needs a further quality control to guarantee that every PEMFC stack will have well-defined performance. One of the main objective of the present study is to demonstrate the feasibility of fuel cell power source such as current density, potential etc. for electric units. In this paper, therefore, a simple single-phase two-dimensional steady-state model of a PEM fuel cell is presented. The equation of the system model is formulated by using the finite element method and the boundary condition is set up for the proposed model. This model used current balances, mass balances and momentum balances to simulate the PEM fuel cell behavior for the satisfactory results. To compare with the simulation, 5cm² unit cell and 200cm² stack with the serpentine channel is developed. This work is also included unit cell and 300W stack experiment to evaluate the accuracy of the fuel cell simulation. From the simulation results, optimal variables is applied into the experiment condition for obtaining better current density vs. potential performance. At first, the simulation for unit cell is implemented under the ambient STP condition and the dependent variable change such as flow rate, pressure and temperature. As a result of the simulation, it is found that the variation of the flow rate does not influence the cell performance and the increasing pressure of the fuel such as hydrogen and oxygen enhanced the cell performance as the pressure augmented. But the increment in pressure and temperature infinitely did not increase the cell performance. And second, after finding the optimal thickness of the active layer, it is found that the active layer of 80μm is more useful for the optimal operation and the active layer thickness around from 80μm to 100μm worked best. 200cm² stack analysis shows that the performance is increased when oxygen is supplied into cathode. At this point, it is estimated that power is maximized around 32W in 80A. As results, this paper includes obtaining the optimal variable to enhance the performance of the PEM fuel cell.
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most attractive energy conversion devices. It is regarded as a power source for stationary and mobile applications. Thanks to their high power density performance at low temperature (70~90°C), PEMFCs are very promising as energy source for electric vehicles. Nevertheless, the cost of a PEMFC stack is still prohibitive for mass production and the introduction of low cost materials and/or process is necessary. Moreover, industrial production needs a further quality control to guarantee that every PEMFC stack will have well-defined performance. One of the main objective of the present study is to demonstrate the feasibility of fuel cell power source such as current density, potential etc. for electric units. In this paper, therefore, a simple single-phase two-dimensional steady-state model of a PEM fuel cell is presented. The equation of the system model is formulated by using the finite element method and the boundary condition is set up for the proposed model. This model used current balances, mass balances and momentum balances to simulate the PEM fuel cell behavior for the satisfactory results. To compare with the simulation, 5cm² unit cell and 200cm² stack with the serpentine channel is developed. This work is also included unit cell and 300W stack experiment to evaluate the accuracy of the fuel cell simulation. From the simulation results, optimal variables is applied into the experiment condition for obtaining better current density vs. potential performance. At first, the simulation for unit cell is implemented under the ambient STP condition and the dependent variable change such as flow rate, pressure and temperature. As a result of the simulation, it is found that the variation of the flow rate does not influence the cell performance and the increasing pressure of the fuel such as hydrogen and oxygen enhanced the cell performance as the pressure augmented. But the increment in pressure and temperature infinitely did not increase the cell performance. And second, after finding the optimal thickness of the active layer, it is found that the active layer of 80μm is more useful for the optimal operation and the active layer thickness around from 80μm to 100μm worked best. 200cm² stack analysis shows that the performance is increased when oxygen is supplied into cathode. At this point, it is estimated that power is maximized around 32W in 80A. As results, this paper includes obtaining the optimal variable to enhance the performance of the PEM fuel cell.
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