선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 연료전지 스택에 수소를 공급한다. 본 연구에서는 연료극 측의 영향을 배제하기 위하여, 스택으로 공급된 수소가 외부로 배출되지 않는 방식을 선정하였다. 연료전지의 상류 측과 하류 측 압력을 측정하여 연료전지 스택 내부의 연료 압력을 1.
- 앞서 언급한 바와 같이 각 셀들로 공기를 원활하게 공급하기 위한 방안으로 여러 가지가 있겠으나, 본 연구에서는 10개의 셀들로 구성된 스택의 입구 헤더 형상 변경에 의한 공기공급 유량분포 개선을 통하여 연료전지의 성능 향상을 수치해석으로 예측하고 실험으로 확인하고자 한다.
- 연료전지 스택의 성능 향상을 위한 한 가지 방안으로 공기 입구 헤더 형상의 개선을 제안하였다. 입구 헤더 .
제안 방법
- 열선 유속계를 이용하여 연료전지 스택의 공기극 출구 유속을 측정하였다. 각 셀들의출구에서 유속측정을 수행하여 3분간 시간 평균한 값이 일정한 값에 도달한 경우 정상상태에 도달한 것으로 판정하여, 공기극 출구 유속으로 결정하였다.
- 실제 연료전지 스택의 경우 화학반응으로 인하여 공기극의 산소농도가 감소하고, 수분이 공급되어 유체의 밀도와 점성계수 등이 변화하게 된다. 그러나, 셀들의 공기극들 사이의 유량분포를 예측하는 것이 수치해석의 목적이므로, 본 연구에서는 화학반응의 영향은 고려하지 않았으며, 동작유체는 비압축성 공기로 설정하였다.
- 이 후연료전지 스택의 OCV를 측정하고 연료전지 스택의 전류부하를 증가시킨다. 다시 연료전지 스택의 온도와 발생전압이 정상상태에 도달하면 전압을 즉정하고, 다시 연료전지의 전류부하를 증가시키는 단계를 반복하는 방식으로 특성 곡선의측정을 수행하였다.
- 단순한 기본 형태(Type 1)와 모서리 부위를 타원형 곡선으로 대체한 형상을 가진 헤더(Type 2, 3, 4)들에 대한 공기유량 분포를 구하였다. 이 입구 헤더들의 형상은 Fig.
- 있다. 로터미터를 이용하여 입구 헤더로 공급되는 유량을 제어하여 입구 헤더의 입구 평균유속을 0.57 m/s로 유지하였고, 온도 제어장치를이용하여 연료전지 스택에 공급되는 공기의 온도는 30℃, 습도는 12.0±0.5%로 유지하였다.
- 실제 연료전지 실험장치의 동작조건을 바탕으로 입구유속은 0.57m/s로 설정하였으며, 출구 측에는 균일 압력조건을 적용하였고, 모든 고체 벽면에서는 점착조건을 적용하였다. 실제 연료전지 스택의 경우 화학반응으로 인하여 공기극의 산소농도가 감소하고, 수분이 공급되어 유체의 밀도와 점성계수 등이 변화하게 된다.
- 앞서 언급한 바와 같이 연료극의 조건을 배제하기 위하여 dead end 방식으로 연료를 공급하였으며, Fig.2에 나타낸 형태의 입구 헤더들을 적용하여 연료전지 스택에 공기를 공급하였다. 입구 헤더의 형상변화에 따른 연료전지의 성능을 관찰하기 위하여 연료전지의 특성 곡선을 측정하여 Fig.
- 본 연구에서는 연료극 측의 영향을 배제하기 위하여, 스택으로 공급된 수소가 외부로 배출되지 않는 방식을 선정하였다. 연료전지의 상류 측과 하류 측 압력을 측정하여 연료전지 스택 내부의 연료 압력을 1.5기압으로 유지하였다.
- 연료전지의 특성을 나타낼 수 있는 특성 곡선측정을 위한 실험을 수행하기에 앞서 항상 연료전지 스택의 초기화를 수행하였으며, 연료전지 스택의 초기화는 다음과 같이 수행하였다.
- 열선 유속계를 이용하여 연료전지 스택의 공기극 출구 유속을 측정하였다. 각 셀들의출구에서 유속측정을 수행하여 3분간 시간 평균한 값이 일정한 값에 도달한 경우 정상상태에 도달한 것으로 판정하여, 공기극 출구 유속으로 결정하였다.
- 측정을 종료한 후에는 연료전지 스택의 연료극에 잔류한 수소의 크로스오버(crossover)에 의한 MEA 파손을 방지하기 위하여, 연료 공급부의 출구 밸브를 열고 연료전지 스택의 연료극에 질소를 공급하여 연료극의 수소를 제거한다. 이와 동시에 상온의 실내 공기를 이용하여 연료전지 스택의 냉각을 수행한다.
- 입구 헤더 .형상의 개선에 따른 연료전지 스택의 공기측 유동장의 거동을 수치해석을 통하여 분석하였다. 개선된 공가 입구 헤더를 적용할 경우, 기본 형상의 입구 헤더에 비하여 유량분배의 균일도가 약 8.
- 이 .후연료 공급부의 출구 밸브를 닫고, 연료극의 수소압력을 1.5 기압으로 유지하여 연료전지 스택의초기화를 마치고 특성 곡선측정을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 연료전지 스택은 헬리오 센트 리스 에너지 시스템사의 NP50(6) 연료전지 스택이다. 10개의 셀이 직렬로 연결되어 있으며 공기극의 유동장은 직선형이다.
데이터처리
- 수치해석 결과를 검증하기 위하여 연료전지 스택의 공기극 출구에서의 유속 측정을 수행하였으며, 가장 나쁜 경우인 Type 1과 가장 좋은 Type 4에 대한 셀별 유속분포를 Fig. 6에 나타내었으며, 수치해석 결과와도 비교하였다. 평균 유속 eave 는 2.
- 수치해석 결과의 검증을 위하여 유속측정을 수행하였다. 열선 유속계를 이용하여 연료전지 스택의 공기극 출구 유속을 측정하였다.
이론/모형
- 경계층 내부의 유동모사를 위하여 벽면에 격자를 집중시킨 비균일 격자계를 적용하였으며, 압력방정식과 유동방정식의 연결을 위하여 SIMPLE(3) 알고리즘을 적용하였다. 대류항 차분을 위하여 고차 도식인 MUSCL(4) 도식을 적용하였으며, 상용프로그램인 FLUENT(5)를 이용하여 정상상태 Na- vier-Stokes 식의 수치해를 구하였다.
- 적용하였다. 대류항 차분을 위하여 고차 도식인 MUSCL(4) 도식을 적용하였으며, 상용프로그램인 FLUENT(5)를 이용하여 정상상태 Na- vier-Stokes 식의 수치해를 구하였다.
성능/효과
- 셀별로 공급되는 유량의 편차는 크게 개선되었으나, 최소 유량이 공급되는 첫 번째 셀로 공급되는 공기유량은 소폭 증가에 그쳤다. Type 3의 결과를 바탕으로 유로의 곡률을 감소 시켜 유동 방향의 변화를 더욱 완만하게 개선한 Type 4의 경우, 유량분포가 Type 3에 비해서도 더욱 균일해졌으며, 최소 유량이 공급되는 첫 번째 셀로 공급되는 공기유량이 증가하였다. 연료전지 스택의 전체 성능은 최소 공기유량이 공급되는 첫번째 셀에 공급되는 공기유량의 영향을 받게 된다.
- Type 1의 경우, 수치해석 결과와 유사하게, 첫번째 셀에 최소 유량이 공급되며, 점차 공급유량이 증가하여 8번째 셀에서 최대 값을 가지며, 이후 감소하는 분포를 보인다. Type 4 의 경우도 수치해석과 유사한 분포를 보이나, 가장자리 셀들인 첫번째 셀과 10번재 셀에서의 유량이 수치해석 결과보다 큰 것으로 측정되었다. 즉, 최소 유량이 수치해석 결과에 비하여 큰 값을 가지게 되어, 수치해석을 통하여 예측한 것보다 더욱 균일하게 공기가 공급되어 수치해석 결과인 8.
- 앞서 수행한 수치해석의 결과와 마찬가지로 Type 1, 2, 3, 4의 순으로 발생전력 측면에서 우수한 성능을 보이고 있으며, 이는 수치해석을 통한 예상과 일치한다. 가장 우수한 성능을 보이는 Type 4의 경우 Type 1에 비하여 공기 공급조건이 8.5% 개선되는 것으로 예측한 수치해석 결과처럼, 실험을 통하여 측정한 최대 발생전력도 Type 4의 경우가 Type 1에 비하여 약 10.3% 향상되었다.
- 각 경우에 대하여 최소 공기유량이 공급되는 셀인 첫번째 셀로 공급되는 공기유량을 분석해 보면, Type 1에 비하여 개선된 Type 2, 3, 4의 적용을 통하여 최소 공기유량이 공급되는 첫번째셀로 공급되는 공기유량이 증가하였다. 수치해석결과 공기유량 분포 측면에서 Type 4가 가장 유리하며, 이 경우 가장 나쁜 성능을 가지는 Type 1에 비하여 첫번째 셀로 공급되는 공기유량이 8.
- 형상의 개선에 따른 연료전지 스택의 공기측 유동장의 거동을 수치해석을 통하여 분석하였다. 개선된 공가 입구 헤더를 적용할 경우, 기본 형상의 입구 헤더에 비하여 유량분배의 균일도가 약 8.5% 개선됨을 확인하였다.
- 연료전지 스택의 전체 성능은 최소 공기유량이 공급되는 첫번째 셀에 공급되는 공기유량의 영향을 받게 된다. 따라서 첫번째 셀에 공급되는 공기 유량이 가장 많은 Type 4의 입구 헤더를 적용할 때, 연료전지 스택의 성능이 가장 우수할 것으로 예상할 수 있다.
- 이 경우, 3번째 셀부터 8번째 셀까지 균일한 유량이 셀별로 공급된다. 셀별로 공급되는 유량의 편차는 크게 개선되었으나, 최소 유량이 공급되는 첫 번째 셀로 공급되는 공기유량은 소폭 증가에 그쳤다. Type 3의 결과를 바탕으로 유로의 곡률을 감소 시켜 유동 방향의 변화를 더욱 완만하게 개선한 Type 4의 경우, 유량분포가 Type 3에 비해서도 더욱 균일해졌으며, 최소 유량이 공급되는 첫 번째 셀로 공급되는 공기유량이 증가하였다.
- 수치해석 결과로부터 가장 우수한 성능을 보이는 입구 헤더를 제작 적용한 연료전지스택에서 발생전력이 기본 헤더 형상을 적용한 경우보다 약 10.3% 증가하였다.
- 7m/s이다. 수치해석 결과와 실험을 통하여 얻은 연료전지 스택의 셀별 공기극 유속분포는 다소 차이가 있으나, 정성적으로 유사한 분포를 보이고 있다. Type 1의 경우, 수치해석 결과와 유사하게, 첫번째 셀에 최소 유량이 공급되며, 점차 공급유량이 증가하여 8번째 셀에서 최대 값을 가지며, 이후 감소하는 분포를 보인다.
- 수치해석결과 공기유량 분포 측면에서 Type 4가 가장 유리하며, 이 경우 가장 나쁜 성능을 가지는 Type 1에 비하여 첫번째 셀로 공급되는 공기유량이 8.5 % 증가하는 것으로 계산되었다.
- 수치해석을 통하여 얻은 연료전지 스택의 셀별유량분포는 실험을 통하여 측정한 결과와 잘 일치하였다. 수치해석 결과로부터 가장 우수한 성능을 보이는 입구 헤더를 제작 적용한 연료전지스택에서 발생전력이 기본 헤더 형상을 적용한 경우보다 약 10.
- 실험을 통하여 측정한 입구 헤더 형태별 최대 발생전력 Fg를 분석해 보면, Type 1에 비하여 공기 공급조건이 개선된 Type 2, 3, 4의 경우가 Type 1에 비하여 최대 전력이 상승하였다. 앞서 수행한 수치해석의 결과와 마찬가지로 Type 1, 2, 3, 4의 순으로 발생전력 측면에서 우수한 성능을 보이고 있으며, 이는 수치해석을 통한 예상과 일치한다.
- 7에 나타낸 바와 같이 전류가 증가할수록전압이 감소하는 연료전지의 전형적인 거동을 관찰할 수 있다. 저전류 부하조건에서 전류 증가에따라 전압이 급격히 감소하는 activation polari-ziontion dominated(1,2) 영역과 전류 증가에 따라 전압이 선형적으로 감소하는 Ohmic polarizaion do- minated(1, 2)영역, 그리고 이후 계속적인 전류 증가에 의하여 전압이 급격히 감소하는 concentration polarization dominated(1,2) 영역의 발생이 관찰되었다. Type 1에 비하여 입구 헤더 형상을 개선한 Type 2, 3, 4의 경우, 같은 전류 부하조건에 .
- Type 4 의 경우도 수치해석과 유사한 분포를 보이나, 가장자리 셀들인 첫번째 셀과 10번재 셀에서의 유량이 수치해석 결과보다 큰 것으로 측정되었다. 즉, 최소 유량이 수치해석 결과에 비하여 큰 값을 가지게 되어, 수치해석을 통하여 예측한 것보다 더욱 균일하게 공기가 공급되어 수치해석 결과인 8.5% 이상의 성능 개선을 예상할 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.