[논문]PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 가동에 대한 CFD 해석

김현일; 남진현; 신동훈; 정태용; 김영규

문제 정의

본 논문에서는 공기극 유로내의 평균 수분량과 수분의 정체 및 거동을 연구하기 위하여, 유로 내에서의 물의 거동에 대한 VOF 이상유동 모델과 접촉각을 고려하여 표면장력을 처리하는 wall adhesion 모델을 사용하여 CFD 해석을 수행하였다. 본 해석을 통하여 연료전지 유로 내에서의 물의 배출에 미치는 유로 형상, 표면 재질 및 공기 속도의 영향에 대하여 연구하였으며, 이를 통해 물의 원활한 배출과 연료전지 효율 향상을 위한 최적의 유로 설계의 기본 자료를 제시한다.
본 연구는 PEM 연료전지 스택의 단전지에서 공기극 유로에서의 물의 거동 특성을 파악하기 위해 CFD를 이용하여 전산해석을 수행하였다. 공기극에서의 유동은 기상(phased)과 액상(phase-2)에 대하여 각각 Navier-Stokes 방정식과 액체 및 고체 (wall)에서 계면의 표면장력 (surface tension)및 접촉각(contact angle)의 조건을 고려하여 표현하였다.
wall adhesion 모델을 사용하여 CFD 해석을 수행하였다. 본 해석을 통하여 연료전지 유로 내에서의 물의 배출에 미치는 유로 형상, 표면 재질 및 공기 속도의 영향에 대하여 연구하였으며, 이를 통해 물의 원활한 배출과 연료전지 효율 향상을 위한 최적의 유로 설계의 기본 자료를 제시한다.

가설 설정

Fig. 4(b)는 벽면은 소수성 재질로서 검사 체적 내 물의 양은 적지만, 물은 큰 물방울의 형태로 유로 내에서 거동을 하여 공기의 흐름을 방해할 것이라 사료된다.

제안 방법

유로 형상의 경우 직각 유로와 곡선 유로로 형상을 다르게 하였으며, 재질의 경우 친수성 재질 과소 수성 재질로 나누어 전산 해석을 수행하였다. 곡선 유로에서는 속도를 15m/s, 10m/s, 5m/s로 다양한 해석을 수행하였다.본 전산해석을 통해 유로 내에서 물의 거동은 유로 형상에도 많은 영향을 받지만, 유로의 재질도 물의 거동에 있어서 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
다음 해석 시에는 속도에 변화를 주어 전산 해석을 수행하였다.
두 가지의 유로 형상에 대해 소수성(θ_W=150°)과 친수성(0 w=30°)으로 나누어 전산 해석을 수행하였으며, 각 경우마다 약 2만개의 격자를 가지고 있다. 본 전산해석은 검사체적 내 물의 증가가 나타나는데 약 0.
첫 번째 해석 모델의 경우는 직각 유로의 형상을 가지며, 재질은 친수성과 소수성으로 재질의 변화를 주었다. 두 번째 모델의 경우는 유로 형상에 곡률(curvature)을 주어 해석을 하였으며, 곡선 유로를 가지는 해석 모델의 경우에는 공기 유입 속도를 15m/s, 10m/s, 5m/s 로 각각 다르게 하여 본 전산해석을 수행하였다. 본 모델의 형상은 10x10cm 유로의 형상에서 물의 정체가 가장 많이 나타날 것으로 예상되는 마지막 굴절 부분에 대하여 상용CFD 코드인 FLUENT 6.
2에서는 PEM 연료전지 스택 내 물의 양이 가장 많을 것으로 추정되는 유로의 끝단에서의 경계조건을 나타내었다.바닥면은 실제 확산층의 재질과 같게 소수성(θ_W=150°)으로 선정하였으며, 나머지 벽면들은 소수성과 친수성으로 재질의 변화를 주었다.
07N/m을 사용하였다. 벽면과 액상의 각이 달라짐에 따라 친수성과 소수 성으로 나누어 전산 해석을 수행하였으며, 이에 따라 경계면에서의 물과 벽면의 접촉각은 달라지게 된다. 액체방울이 고체 표면과 더불어 형성하는 각이 접촉각이며, 일반적으로 접촉각이 90도 이하일 때는 친수성 재질이며, 90도 이상일 때는 소수성 재질이다.
두 번째 모델의 경우는 유로 형상에 곡률(curvature)을 주어 해석을 하였으며, 곡선 유로를 가지는 해석 모델의 경우에는 공기 유입 속도를 15m/s, 10m/s, 5m/s 로 각각 다르게 하여 본 전산해석을 수행하였다. 본 모델의 형상은 10x10cm 유로의 형상에서 물의 정체가 가장 많이 나타날 것으로 예상되는 마지막 굴절 부분에 대하여 상용CFD 코드인 FLUENT 6.2를 사용하여 전산 해석을 수행하였다. 아래의 Pic.
본 연구는 PEM 연료전지 스택 단전지 유로의 형상 및 재질에 변화를 주며, 공기의 유입 속도를 다르게 하여 모델의 다양화를 통한 전산 해석을 수행하였다. 본 모델은 확산층에서 물이 생성된다.
본 연구에 앞서 선행되어진 전산 해석에서는 0.05초의 짧은 시간에 걸쳐 물의 거동을 파악하였다. 해석 시간이 짧아서 정상 상태에 이르지 못했지만, 본 전산해석은 약 0.
본 연구에서는 PEM 연료전지 스택에서 단전지의 유로 형상 및 재질에 변화를 주었으며, 공기의 유입 속도를 다르게 하여 전산 해석을 수행하였다. 유로 형상의 경우 직각 유로와 곡선 유로로 형상을 다르게 하였으며, 재질의 경우 친수성 재질 과소 수성 재질로 나누어 전산 해석을 수행하였다.
00008169 nf/s이며, 1 mm x 1 mm 정사각형 유로로 공기가 유입된다. 본 전산해석에서는 직각 유로에서 10m/s로 공기가 유입되며, 곡선 유로의 경우는 공기 유입 속도에 변화를 주어 전산해석을수행하였다.
해석을 수행하였다. 유로 형상의 경우 직각 유로와 곡선 유로로 형상을 다르게 하였으며, 재질의 경우 친수성 재질 과소 수성 재질로 나누어 전산 해석을 수행하였다. 곡선 유로에서는 속도를 15m/s, 10m/s, 5m/s로 다양한 해석을 수행하였다.
71/m이이다. 유로를 따라서 산소가 소모되는 것을 감안하여 공기 과잉률 λair를 3으로 설정하였다. 유입 공기의 유량은0.
액체방울이 고체 표면과 더불어 형성하는 각이 접촉각이며, 일반적으로 접촉각이 90도 이하일 때는 친수성 재질이며, 90도 이상일 때는 소수성 재질이다. 이를 고려하여 전산 해석을 수행하였다. 아래의 Fig.
이에 따라 전산 해석 수행 시에 바닥면은 소 수성 재질을 가지며, 벽면의 재질을 변화시켰다. 첫 번째 해석 모델의 경우는 직각 유로의 형상을 가지며, 재질은 친수성과 소수성으로 재질의 변화를 주었다. 두 번째 모델의 경우는 유로 형상에 곡률(curvature)을 주어 해석을 하였으며, 곡선 유로를 가지는 해석 모델의 경우에는 공기 유입 속도를 15m/s, 10m/s, 5m/s 로 각각 다르게 하여 본 전산해석을 수행하였다.

이론/모형

수행하였다. 공기극에서의 유동은 기상(phased)과 액상(phase-2)에 대하여 각각 Navier-Stokes 방정식과 액체 및 고체 (wall)에서 계면의 표면장력 (surface tension)및 접촉각(contact angle)의 조건을 고려하여 표현하였다.(4)
본 해석 모델에서는 wall adhesion 모델을 사용하여 표면장력은 액상과 기상에 대해 일반적인 값인 0.07N/m을 사용하였다. 벽면과 액상의 각이 달라짐에 따라 친수성과 소수 성으로 나누어 전산 해석을 수행하였으며, 이에 따라 경계면에서의 물과 벽면의 접촉각은 달라지게 된다.

성능/효과

5(b)에서의 경우에는 물은 물방울의 형태로 물의 거동이 나타났다. 곡선 유로, 소수성 재질에서 검사 체적 내 물의 총 체적 분율은 0.97% 로 가장 적었다. 이와 같은 결과는 친수성 재질의 경우 물은 벽면에 붙어서 거동을 보이는 반면 소수성 재질에서는 물이 벽면에 붙지 않고 흐르기 때문이다.
16%로서 가장 큰 물의 체적 분율을 가진다. 곡선 유로, 소수성 재질에서 공기의 유입 속도가 10m/s일때 물의 체적 분율은 0.97%로서 가장 적은 양을 나타냈다.
이와 같은 결과로 볼 때 공기의 유입 속도가 물의 거동에 많은 영향을 미치는 것을 볼 수 있었다. 또한, 공기의 유입 속도가 느리면, 재질의 변화에 따라 검사 체적 내 물의 양의 변화가 큼을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 직각 유로에서보다 곡선 유로일 때 검사 체적 내 물의 양이 적게 나타났으며, 곡선 유로에서의 경우 소 수성 재질을 가지고 있을 때 유로 내 축적된 물의 양이 가장 적게 나타났다. 유로 벽면이 소수성 재질을 가지고 있을 때는 물은 물방울의 형태로 물의 거동이 나타났으며, 친수성 재질에서는 유리판에서 물이 필름과 같이 넓게 퍼지는 현상처럼 물은 벽면에 넓게 퍼져 흐르는 물의 거동이 나타났다.
본 전산해석을 통해 유로 내에서 물의 거동은 유로 형상에도 많은 영향을 받지만, 유로의 재질도 물의 거동에 있어서 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 본 전산해석은 약 0.2초 이내에서 정상상태에 도달하는 것을 볼 수 있었다.
곡선 유로에서는 속도를 15m/s, 10m/s, 5m/s로 다양한 해석을 수행하였다.본 전산해석을 통해 유로 내에서 물의 거동은 유로 형상에도 많은 영향을 받지만, 유로의 재질도 물의 거동에 있어서 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 본 전산해석은 약 0.
세 가지의 인자가 적절하게 선정될 때 연료전지의 효율이 향상 될 수 있을 것임을 본 전산 해석을 통해 알 수 있었다. 유로의 형상이 곡선을 가지고 있어도 재질의 변화에 따라 많은 영향을 받으며, 속도에 의해서도 많은 영향을 받는다.
유로 내 축적된 물의 양을 보면 직각유로에서 축적된 물의 양이 증가하고, 친수성 재질에서 검사 체적 내 물의 양이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한, 공기 유입 속도가 느려지면서 검사 체적 내 물의 양이 증가한다.
이 결과로서 연료전지 유로의 형상이 곡선일 때, 재질은 소수성 재질이고 공기의 속도가 10m/s일 때 물의 흐름이 가장 좋은 것으로 나타났다. 다양한 전산해석을 통해 연료전지 유로 내 물의 양이 증가함에 따라 공기의 흐름을 방해하고 전체적으로는 연료전지의 효율을 저하시 키는 원인이 될 것으로 사료된다.
6(a)의 경우는 공기의 유입속도가 느리며, 벽면은 친수성 재질을 가지고 있다. 체적 분율은 4.16%로서 검사 체적 내 가장 많은 물의 총 체적 분율을 나타내었다. Fig.
05초의 짧은 시간에 걸쳐 물의 거동을 파악하였다. 해석 시간이 짧아서 정상 상태에 이르지 못했지만, 본 전산해석은 약 0.2초 이내의 시간을 가지고 정상상태에 도달하는 것을 볼 수 있었다.

후속연구

받을 것이라 사료된다. 하지만, 연료전지 내 공기의 유입속도가 빠르게 되면 물의 정체는 적게 나타나겠지만, 공기를 유입시키기 위한 송풍기의 전력 소비가 커짐으로서 결과적으로 연료전지에서 발생되는 전기를 많은 부분 소비해야할 것이다. 따라서 공기의 유입량을 크게 하면, 연료전지의 총 효율은 떨어지게 되므로 공기의 유량은 적정 수준으로 선정해야하는 필요성이 있다.
향후 연구에서는 물의 거동 가시화 및 검사 체적 내 물의 양을 측정하고 본 전산해석 결과와 실험결과를 비교 검증하여, 연료전지 유로 형상 및 재질을 최적화하며 공기의 적정한 유입속도를 결정하는데 있어서 기본 자료로 활용할 수 있을 것이다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 가동에 대한 CFD 해석
CFD Analysis on Two-phase Flow Behavior of Liquid Water in Cathode Channel of PEM Fuel Cell 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 가동에 대한 CFD 해석 CFD Analysis on Two-phase Flow Behavior of Liquid Water in Cathode Channel of PEM Fuel Cell 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김현일 (1) 남진현 (11) 신동훈 (26) 정태용 (20) 김영규 (34)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 가동에 대한 CFD 해석
CFD Analysis on Two-phase Flow Behavior of Liquid Water in Cathode Channel of PEM Fuel Cell 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper