[논문]연료전지 냉각판의 냉각 특성에 대한 수치해석적 연구

김윤호; 이용택; 이규정; 김용찬; 최종민; 고장면

문제 정의

본 연구에서는 3차원 전산해석 기법을 이용하여 연료전지 스택의 냉각기 형상설계 및 성능분석을 수행하였다. 본 연구를 통하여 연료전지 스택의 열신뢰성 확보를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 단위 전지와 냉각판의 적충갯수가 3:1인 연료전지 스택의 열신뢰성 확보를 위하여 스택 냉각용 냉각 판에 대하여 6개의 모델을 제안하고, 냉각 판에 대하여 3차원 전산유체역학 기법을 이용하여 냉각성능 분석을 실시하여 다음의 결론을 얻었다.

가설 설정

적층을 시킬 수 있지만 실제 적용 분야에서는 스택의 소형화 및 경량화를 위해 단위 전지와 냉각판의 설치를 3:1~5:1의 비율로 설계한다. 본 연구에서는 단위전지와 냉각판을 3: 1 의 비율로 가정하였고, 스택 내의 냉각판 적층 구조는 Fig. 1(b)에 나타내었다.
25V로 설정하였고. 스택 내의 단위전지의 전압은 0.6 V로 가정하였다.⑼
작동유체로 물을 사용하고 층류유동 범위 내에서 유량을 변화시켰으며, 열유속 및 입출구 경계조건을 제외한 외부 벽면조건은 단열로 가정하였다. 냉각액 출구압력은 lOlkPa로 고정하였으며, 냉각액의 물성 및 전산해석 모델에 사용된 변수와 운전조건은 Table 2와 Table 3에 나타내었다.
유동모듈을 이용하여 지배 방정식인 질량보존방정식, 운동량방정식에 SIMPLEC(semi-implicit method for pressure-linked equations consistent) 알고리즘을 적용하여 유동장과 속도장을 계산하였으며, 열전달 모듈을 이용하여 냉각판의 열전도와 채널로의 대류 열전 달을 엔탈피방정식 형태인 에너지 보존방정식을 풀어 온도장을 해석하였다(12) 유속과 압력 등의 유동 관련 변수 계산결과를 이용하여 열전달 방정식을 순차적으로 해석하였다. 전산해석시 유체유동은 레이놀즈수가 2300 이하인 층류(laminar flow) 모델을 적용하였으며 비압축성 유동(incompressible flow)으로 가정하였다.

제안 방법

모델. 1과 모델 4의 해석 결과로부터 각각의 구조에 대한 개선모델을 추가 설계하였다, .서펜타인 기본구조인 모델 1의 출구 냉각성능 저하를 극복하기 위하여 Fig.
냉각판은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 연료전지 스택 내부의 다수의 MEA 사이에 반복적으로 설치되지만 냉각판을 기준으로 주위 형상 및 운전조건은 동일하므로 단위 냉각판에 대하여 좌우로부터의 열유속을 고려하여 냉각판 한 장에 대한 전산해석을 수행하였다. 냉각판 재질의 물성은 연료전지에서 가장 많이 사용되고 있는 흑연(graphite) 을 사용하였고 단위 냉각판의 구조 및 물성치는 각각 Fig.
하지만, 입구측 유로 간격 증대로 입구영역에서의 국부적 온도 상숭이 발생했다. 모델 3은 서폔타인 모델 1을 수정하여 냉각수가 입구 측과 출구 측을 교번하도록 유로를 설계하였다. 냉각수의 온도가 낮은 유로와 높은 유로가 냉각판 전체적으로 교차됨에 따라 전 영역에 대해서 모델 1과 모델 2에 우수한 냉각 성 능과 균일 온도분포를 나타냈다.
모델 4의 평행류의 유량분배에 따른 불균일 냉각을 개선하고자 2개의 평행유로와 3개의 평행유로를 갖는 모델 5와 모델 6에 대하여 전산해석을 수행하였다. 평행류와 서펜타인 형상의 조합 모델인 모델 5와 모델 6은 Fig.
연구성과는 매우 미흡하다. 본 연구에서는 3차원 전산해석 기법을 이용하여 연료전지 스택의 냉각기 형상설계 및 성능분석을 수행하였다. 본 연구를 통하여 연료전지 스택의 열신뢰성 확보를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
1과 모델 4의 해석 결과로부터 각각의 구조에 대한 개선모델을 추가 설계하였다, .서펜타인 기본구조인 모델 1의 출구 냉각성능 저하를 극복하기 위하여 Fig. 3의 모델 2와 모델 3를 추가설계하였으며, 평행류 기본구조인 모델 4의 냉매 불균일 분배를 개선하고자 2 패스와 3패스를 갖는 모델 5와 모델 6을 추가로 설계하였다.
압력강하 측면에서 장점을 가진 평행류 로델 모델 4를 기본 모델로 선정하고 전산해석을 수행하였다. Fig.
4 에 나타내었다. 약 8, 000, 000개 이상의 격자를 사용하여 전산해석을 실시하면 동일한 결과가 나타났으므로 본 연구에서는 8, 000, 000 이상의 격자를 생성하여 전산해석을 수행하였다.
연료전지 스택용 냉각판 전산해석의 정확도를 검토하기 위해 격자 의존성을 평가하였다. 냉각 판의 기본 형상인 모델 1를 검중대상으로 하였고, 격자구조는 정육면체 격자(structured grid) 로생성하였다.
냉각판 해석모델에 유동모듈(flow module)과 열전달 모듈(heat transfer module)을 이용하였다. 유동모듈을 이용하여 지배 방정식인 질량보존방정식, 운동량방정식에 SIMPLEC(semi-implicit method for pressure-linked equations consistent) 알고리즘을 적용하여 유동장과 속도장을 계산하였으며, 열전달 모듈을 이용하여 냉각판의 열전도와 채널로의 대류 열전 달을 엔탈피방정식 형태인 에너지 보존방정식을 풀어 온도장을 해석하였다(12) 유속과 압력 등의 유동 관련 변수 계산결과를 이용하여 열전달 방정식을 순차적으로 해석하였다. 전산해석시 유체유동은 레이놀즈수가 2300 이하인 층류(laminar flow) 모델을 적용하였으며 비압축성 유동(incompressible flow)으로 가정하였다.
냉각 판의 기본 형상인 모델 1를 검중대상으로 하였고, 격자구조는 정육면체 격자(structured grid) 로생성하였다. 입구 경계조건은 레이놀즈수 1500에 대해 격자수를 늘려가면서 해석을 수행하여 입출구의 온도차, 냉각판 내부의 최대온도, 압력강하를 검토하였다.
택의용량을 5kW급으로 설정하여 단위전지 개수와 냉각 판 개수를 선정하였고, 각 단위전지 전력과 열 발생량을 계산하였다. 전지내의 연료 및 공기 공급 형상에 따라 열발생분포는 매우 다양하므로 본연구에서는 단위전지 열발생량과 냉각판 전체 면적을 이용하여 냉각판에 가해지는 열유속을 구하였다. 열유속계산식은 식(2)에 나타내었다.
냉각판의 채널은 기존에 수행된 분리 판 유로 형 상인 서 펜타인(seipentine) - 구조와 평행 류(parallel). 채널을 기본 형상으로 선정하고 이에 대한 수정 모델을 설계하였다. 서펜타인 및 평 행류 기본 채널은 Fig.
모델 1은 단일 패스 구조로 인해서 온도구배가 커서 열분포가 균일하지 못하고 냉각수 출구 쪽에서의 온도가 높게 나타났다. 출구 쪽에서의 온도 상승을 보완하고자 모델 1의 냉각판 구조를 개선하여 모델 2와 모델 3 을 설계하였다.
스. 택의용량을 5kW급으로 설정하여 단위전지 개수와 냉각 판 개수를 선정하였고, 각 단위전지 전력과 열 발생량을 계산하였다. 전지내의 연료 및 공기 공급 형상에 따라 열발생분포는 매우 다양하므로 본연구에서는 단위전지 열발생량과 냉각판 전체 면적을 이용하여 냉각판에 가해지는 열유속을 구하였다.

대상 데이터

격자구성은 유동해석에 있어 속도장 및 압력장에 변화가 큰 냉각수 유로부분에 세밀한 격자를 구성하였다. 126, 000개의 최소 격자를 생성하고 격자 수를 증가시키며 전산해석을 실시하였다.
냉각 판의 기본 형상인 모델 1를 검중대상으로 하였고, 격자구조는 정육면체 격자(structured grid) 로생성하였다. 입구 경계조건은 레이놀즈수 1500에 대해 격자수를 늘려가면서 해석을 수행하여 입출구의 온도차, 냉각판 내부의 최대온도, 압력강하를 검토하였다.
1에 나타낸 바와 같이 연료전지 스택 내부의 다수의 MEA 사이에 반복적으로 설치되지만 냉각판을 기준으로 주위 형상 및 운전조건은 동일하므로 단위 냉각판에 대하여 좌우로부터의 열유속을 고려하여 냉각판 한 장에 대한 전산해석을 수행하였다. 냉각판 재질의 물성은 연료전지에서 가장 많이 사용되고 있는 흑연(graphite) 을 사용하였고 단위 냉각판의 구조 및 물성치는 각각 Fig. 2와 Table 1에 나타내었다. 냉각수는 냉각판 좌측 상단에서 유입되어 우측 하단으로 배출된다.
+ (12)를 사용하였다. 냉각판 해석모델에 유동모듈(flow module)과 열전달 모듈(heat transfer module)을 이용하였다. 유동모듈을 이용하여 지배 방정식인 질량보존방정식, 운동량방정식에 SIMPLEC(semi-implicit method for pressure-linked equations consistent) 알고리즘을 적용하여 유동장과 속도장을 계산하였으며, 열전달 모듈을 이용하여 냉각판의 열전도와 채널로의 대류 열전 달을 엔탈피방정식 형태인 에너지 보존방정식을 풀어 온도장을 해석하였다(12) 유속과 압력 등의 유동 관련 변수 계산결과를 이용하여 열전달 방정식을 순차적으로 해석하였다.

데이터처리

126, 000개의 최소 격자를 생성하고 격자 수를 증가시키며 전산해석을 실시하였다. 격자 수 변화에 따른 냉각수의 입 .

이론/모형

본 연구에서 연료전지 스택 내의 냉각판 해석을 수행하기 위하여 열유체 CFD 상용 코드인 CFD-ACE + (12)를 사용하였다. 냉각판 해석모델에 유동모듈(flow module)과 열전달 모듈(heat transfer module)을 이용하였다.

성능/효과

(1) 서폔타인 기본 형상인 모델 1의 경우 출구 쪽의 냉각액 온도 상숭으로 냉각판의 출구측 온도가 상숭하였으며, 평행류 기본 형상인 모델 4 의 경우 냉각액의 유량분배가 불균일하여 냉각 판 중심부의 열제거 능력이 크게 저하되어 중심부 온도가 크게 상승하였다.
(2) 서펜타인 기본 유로형상 모델 1의 출구 온도 상승을 보완하기 위하여 유로가 입구 및 출구를 교번하도록 냉각수 유로를 설계한 모델 3이 가장 우수한 냉각성능을 나타내었다.
(3) 평행류 기본 유로형상인 모델 4의 유량 불균일 분배를 개선하여 평행류와 서펜타인의 조합 형태인 모델 5와 모델 6을 설계하였으며, 유량분배 개선으로 모델 4보다 우수한 균일 냉각성능을 얻었으나, 서펜타인 형상의 모델 3보다는 균일 냉각성능이 우수하지 않았다.
(4) 서펜타인 유로의 냉각기(모델 1~모델 3) 의각 유로 냉각수 유량이 평행류 모델(모델 4~모델 6)보다 커서 압력강하가 크게 나타났으며, 입구 레이놀즈수 증가에 따른 압력강하 증가율도 크게 나타났다.
(5) 연료전지 냉각판 설계시 압력강하 및 균일냉각성능이 평가되어야 하며, 스택의 성능향상과 신뢰성 확보 측면에서 균일 냉각을 통한 온도 균일성 확보가 가장 중요한 파라미터이다. 본 연구에서 제안된 연료전지 스택용 냉각판 모델 및 해석 결과는 연료전지 시스템 설계의 기초자료로 적용 가능할 것으로 판단된다.
출구 온도가 유사하여 전체 냉각용량은 서펜타인 형상과 유사한 열 제거 능력을 갖는다. Fig.5에서 보여지듯이 개선 모델은 평행류 기본 모델 4보다 유량분배가 개선되어 열분포의 균일도가 크게 향상되었다. 하지만, 서펜타인 모델에 비하여 균일 냉각 측면에서는 성능이 향상되지 못하였다.
5에서 보여지둣이 모델 3의 온도 균일성이 .가장 우수하게 나타났다.
서펜타인의 유로 형상인 모델 1~모델 3은 단일 유로를 가지므로 유로 내의 유량이 커서 평행류 형상인 모델 4~모델 6보다 냉각 판에서의 압력강하가 크게 나타났다. 모델 1 ~모델 3은 레이놀즈수 500에서 약 10kPa 이하의 압력강하를 나타냈고, 레이놀즈수 2100에서 약 80~90 kPa의 압력강하를 나타내어 냉각수 유량이 증가할수록 압력강하가 크게 상승하였다. 평형 류 유로 형상인 모델 4~6은 입구 레이놀즈수 500-2100 범위에서 30kPa 이하의 압력강하를 나타내었다.
모델 2는 모델 1보다 입출구 온도구배 및 열분포가 개선되었다. 하지만, 입구측 유로 간격 증대로 입구영역에서의 국부적 온도 상숭이 발생했다.

후속연구

확보가 가장 중요한 파라미터이다. 본 연구에서 제안된 연료전지 스택용 냉각판 모델 및 해석 결과는 연료전지 시스템 설계의 기초자료로 적용 가능할 것으로 판단된다.

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