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문제 정의
- 본 연구에서는 단일채널을 가진 고체산화물 연료전지의 단위전지에 대해 연결자 소재, 반응가스의 유입방향, 입구온도와 관련한 조건을 적용하여 열분포 및 성능특성에 대한 해석을 수행하였다. 해석 결과 스테인리스 연결자를 사용하여 상대적으로 저온인 923 K의 반응물을 대향류 방식으로 유입하는 것이 단위전지의 열 및 성능 측면에서 유리한 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 열유동 및 전기화학 통합 모델을 이용하여 단일채널을 가진 단위전지에 대해 분리판 소재 (LaCrO3/AISI430), 반응가스의 유입방향 (평행류/대향류) 및 입구온도 (923 K/1173 K)에 따른 열분포 및 전기적인 성능의 변화를 해석하였다. 또한 이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 열응력 및 전기적인 성능 측면에서 가장 효율적인 조건을 확인한 후, 다채널(multi-channel)로 이루어진 단위스택(unit stack)에 적용하여 반응물의 채널내의 유동현상과 단위스택내의 열 및 전류밀도 분포 등을 확인할 수 있었다.
가설 설정
- 있다.© 전기화학반응과 관계가 있는 전극 및 전해질은 다공성 매질로 가정하였으며, 전해질의 기공률을 0.001 로 두어 연료극/공기극에 비해 상대적으로 치밀한 구조를 가진다고 생각하였다. 또한 전극, 전해질의 열전도도는 연결자에 비해 상대적으로 두께가 얇기 때문에 일정하다고 가정하였으며, 예상되는 온도 해석 결과 범위인 873-1273 K에서의 내부저항은 온도에 대한 5차식으로 근사할 수 있었다.
- 연결자를 포함한 단위전지의 형상은 채널을 중심으로 주기적으로 반복되므로, 단위전지 전 영역을 해석하는 것은 계산소요 시간 측면에서 비효율적이다. 따라서 각 채널 입구의 경계조건이 동일하고, 채널리브(channel rib)의 중앙부분에서 Y축에 대하여 대칭적인 경계조건을 가졌다고 가정하여, 유동채널 및 채널리브의 절반을 경계로 하여 해석영역을 설정하였다. 이때 단일유로 모델은 연료극 지지체형 타입이며, 총 17, 760개의 격자로 이루어졌다.
- 001 로 두어 연료극/공기극에 비해 상대적으로 치밀한 구조를 가진다고 생각하였다. 또한 전극, 전해질의 열전도도는 연결자에 비해 상대적으로 두께가 얇기 때문에 일정하다고 가정하였으며, 예상되는 온도 해석 결과 범위인 873-1273 K에서의 내부저항은 온도에 대한 5차식으로 근사할 수 있었다. 이에 반해 연결자는 기공이 없는 고체로 가정하여 매질 내에 기체의 이동이 존재하지 않는다고 생각하였으며, 열전도도 및 전기 저항은 873-1273 K의 범위에서 온도에 대한 함수로 표현할 수 있었다.
- 대기압으로 고정하였다. 또한 전류집전판 외부표면에서 전압은 일정하며, 연료극/공기극의 연결자 사이에는 일정한 전압차가 유지된다고 가정하였다.
- 또한 전극, 전해질의 열전도도는 연결자에 비해 상대적으로 두께가 얇기 때문에 일정하다고 가정하였으며, 예상되는 온도 해석 결과 범위인 873-1273 K에서의 내부저항은 온도에 대한 5차식으로 근사할 수 있었다. 이에 반해 연결자는 기공이 없는 고체로 가정하여 매질 내에 기체의 이동이 존재하지 않는다고 생각하였으며, 열전도도 및 전기 저항은 873-1273 K의 범위에서 온도에 대한 함수로 표현할 수 있었다.
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