열, 유동 현상을 고려한 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC)의 Bipolar Plate 유로 해석 Multidisciplinary Optimization of Gas Flow Channels in a Bipolar Plate of an Automotive Fuel Cell원문보기
폴리머 전해질막 연료전지의 구성을 살펴보면 Bipolar Plate, MEA(Membrane Electrode Assembly), GDL(Gas Diffusion Layer), Gasket, Collector, End Plate등의 조합으로 Stack이 구성된다. 이 중, End Plate는 Stack의 균일한 체결력을 제공하기 위해 단위전지의 양 끝단에서 단위전지를 체결하는 역할을 한다. Bipolar Plate는 크게 수소를 공급해주는 Anode와 공기를 공급해 주는 Cathode가 있어서 ...
폴리머 전해질막 연료전지의 구성을 살펴보면 Bipolar Plate, MEA(Membrane Electrode Assembly), GDL(Gas Diffusion Layer), Gasket, Collector, End Plate등의 조합으로 Stack이 구성된다. 이 중, End Plate는 Stack의 균일한 체결력을 제공하기 위해 단위전지의 양 끝단에서 단위전지를 체결하는 역할을 한다. Bipolar Plate는 크게 수소를 공급해주는 Anode와 공기를 공급해 주는 Cathode가 있어서 전기화학 반응을 하는 유로가 형성되어 있다. 본 연구의 첫 번째 목적은 End Plate에서 균일한 체결력을 단위 전지에 제공하면서 경량화 된 End Plate를 만들기 위한 최적화 연구와 Bipolar plate가 여러 장 연결될 때의 두께로 인한 Stack의 부피 및 크기가 커진다는 문제점을 해결하기 위해 Bipolar Plate의 두께를 최적화한 연구를 하였다. 이를 위하여 연구에서는 72Cell 5kW의 제원을 가지는 연료전지의 1/9 스케일 모델의 Stack을 모델링 후 Stack 운전 시 발생하는 내부의 열로 인한 열팽창을 고려하여 End Plate 볼트 체결부위에 미치는 힘을 계산하였고, 열팽창으로 볼트 체결부위에 발생되는 힘을 End Plate의 볼트 체결력에 포함시킨 후 End Plate 두께 최적화시 최소화된 두께가 허용응력을 초과하지 않도록 하면서 두께최적화를 실행하여 보다 향상된 End Plate설계에 반영할 수 있는 End Plate두께를 얻었다. 또한, Bipolar Plate의 유로 반응면에서의 전기화학 반응열을 입력하고 열팽창으로 인하여 Bipolar Plate에서 발생되는 힘을 계산하고 최적화시에 Bipolar Plate가 End Plate의 체결력으로 인하여 받는 압력을 계산한 후 열팽창으로 발생한 힘을 더하여 Bipolar Plate 유로 채널이 파여진 부분을 제외한 부분의 두께를 허용응력을 초과하지 않는 범위 내에서 최소화하였다. 연구의 두 번째 목적은 Bipolar Plate의 유로의 형상 및 치수를 개선함으로써 전류밀도 향상으로 인한 연료전지의 출력향상을 연구하였다. 이를 위하여 연구에서는 운전온도인 70~80°C에서 유로단면의 열전달 및 전기화학반응식을 고려한 Bipolar Plate의 유로 폭, 높이, 유로형상을 모델링하여 변수인 유속, 압력, 유량을 변화시켜 그 결과를 확인하였다. 이러한 연구방법이 연료전지 개발에 적용된다면 저비용, 고효율, 소형화된 연료전지 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.
폴리머 전해질막 연료전지의 구성을 살펴보면 Bipolar Plate, MEA(Membrane Electrode Assembly), GDL(Gas Diffusion Layer), Gasket, Collector, End Plate등의 조합으로 Stack이 구성된다. 이 중, End Plate는 Stack의 균일한 체결력을 제공하기 위해 단위전지의 양 끝단에서 단위전지를 체결하는 역할을 한다. Bipolar Plate는 크게 수소를 공급해주는 Anode와 공기를 공급해 주는 Cathode가 있어서 전기화학 반응을 하는 유로가 형성되어 있다. 본 연구의 첫 번째 목적은 End Plate에서 균일한 체결력을 단위 전지에 제공하면서 경량화 된 End Plate를 만들기 위한 최적화 연구와 Bipolar plate가 여러 장 연결될 때의 두께로 인한 Stack의 부피 및 크기가 커진다는 문제점을 해결하기 위해 Bipolar Plate의 두께를 최적화한 연구를 하였다. 이를 위하여 연구에서는 72Cell 5kW의 제원을 가지는 연료전지의 1/9 스케일 모델의 Stack을 모델링 후 Stack 운전 시 발생하는 내부의 열로 인한 열팽창을 고려하여 End Plate 볼트 체결부위에 미치는 힘을 계산하였고, 열팽창으로 볼트 체결부위에 발생되는 힘을 End Plate의 볼트 체결력에 포함시킨 후 End Plate 두께 최적화시 최소화된 두께가 허용응력을 초과하지 않도록 하면서 두께최적화를 실행하여 보다 향상된 End Plate설계에 반영할 수 있는 End Plate두께를 얻었다. 또한, Bipolar Plate의 유로 반응면에서의 전기화학 반응열을 입력하고 열팽창으로 인하여 Bipolar Plate에서 발생되는 힘을 계산하고 최적화시에 Bipolar Plate가 End Plate의 체결력으로 인하여 받는 압력을 계산한 후 열팽창으로 발생한 힘을 더하여 Bipolar Plate 유로 채널이 파여진 부분을 제외한 부분의 두께를 허용응력을 초과하지 않는 범위 내에서 최소화하였다. 연구의 두 번째 목적은 Bipolar Plate의 유로의 형상 및 치수를 개선함으로써 전류밀도 향상으로 인한 연료전지의 출력향상을 연구하였다. 이를 위하여 연구에서는 운전온도인 70~80°C에서 유로단면의 열전달 및 전기화학반응식을 고려한 Bipolar Plate의 유로 폭, 높이, 유로형상을 모델링하여 변수인 유속, 압력, 유량을 변화시켜 그 결과를 확인하였다. 이러한 연구방법이 연료전지 개발에 적용된다면 저비용, 고효율, 소형화된 연료전지 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.
A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack, which is potently applicable to future cars, consists mainly of a bipolar plate, a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a collector, and end plates. High current density of a fuel cell can result in good electric power and be obtaine...
A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack, which is potently applicable to future cars, consists mainly of a bipolar plate, a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a collector, and end plates. High current density of a fuel cell can result in good electric power and be obtained partly from uniform temperature distribution in the fuel cell. How to choose the shape and size of gas flow channels on a bipolar plate may make the temperature distribution more uniform. There might be a lot of choices in a flow channel such as a serpentine model, rectangular base model, and variously distributed roots in shape and a length, a height, a width, a space, and a thickness in size, depending on heat transfer and thermal deformation. Additionally, there are other process variables such as gas flow velocity, pressure, and flow rate in the gas flow channel. The shape and dimension was calculated based on multi-variable design optimization considering gas flow and operating flow temperature of 70-80℃. Several highly improved optimum channel models were introduced in the paper. The thickness of end plates was also optimized, considering both the fastening bolt tensions and thermal expansion of each unit cell (72 cells, 5kW) caused by electrochemical reaction. The end plates make fasten many unit cells in between and uniformity of fastening compression forces on each bolt is important to prevent from early failure of channel sections. As a result of end plate optimization, its overall thickness and weight reduced. The temperature uniformity of the optimum bipolar plate was improved much and in turn, its electric density showed higher. The developed designs can contribute to the advent of a high performance fuel cell for an automobile.
A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack, which is potently applicable to future cars, consists mainly of a bipolar plate, a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a collector, and end plates. High current density of a fuel cell can result in good electric power and be obtained partly from uniform temperature distribution in the fuel cell. How to choose the shape and size of gas flow channels on a bipolar plate may make the temperature distribution more uniform. There might be a lot of choices in a flow channel such as a serpentine model, rectangular base model, and variously distributed roots in shape and a length, a height, a width, a space, and a thickness in size, depending on heat transfer and thermal deformation. Additionally, there are other process variables such as gas flow velocity, pressure, and flow rate in the gas flow channel. The shape and dimension was calculated based on multi-variable design optimization considering gas flow and operating flow temperature of 70-80℃. Several highly improved optimum channel models were introduced in the paper. The thickness of end plates was also optimized, considering both the fastening bolt tensions and thermal expansion of each unit cell (72 cells, 5kW) caused by electrochemical reaction. The end plates make fasten many unit cells in between and uniformity of fastening compression forces on each bolt is important to prevent from early failure of channel sections. As a result of end plate optimization, its overall thickness and weight reduced. The temperature uniformity of the optimum bipolar plate was improved much and in turn, its electric density showed higher. The developed designs can contribute to the advent of a high performance fuel cell for an automobile.
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