[논문]고분자연료전지의 냉각수 운전 조건에 관한 실험적 연구

정성일; 김태완; 이창건; 김두현; 안영철; 이재근; 황유진

[국내논문] 고분자연료전지의 냉각수 운전 조건에 관한 실험적 연구
An Experimental Study of Coolant Operating Conditions in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.20 no.8, 2008년, pp.541 - 546

정성일 (부산대학교 기계공학부) , 김태완 (부산대학교 기계공학부) , 이창건 (부산대학교 기계공학부) , 김두현 (부산대학교 기계공학부) , 안영철 (부산대학교 건축학부) , 이재근 (부산대학교 기계공학부) , 황유진 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A coolant operating condition in al fuel cell stack was an important factor to determine the temperature distribution which affected the fuel cell performance and relative humidity. In this study, the fuel cell performance was evaluated as a function of the coolant flow rate with the range of $0.1{\sim}0.8$ liter/min cell and the coolant inlet temperature of $20{\sim}82^{\circ}C$. The cell temperature increased with increasing the coolant inlet temperature and with decreasing the coolant flow rate. The coolant inlet temperature and flow rate to maintain the better performance of the fuel cell were in the range of $45{\sim}60^{\circ}C$ and $0.2{\sim}0.4$ liter/min cell, respectively. The experimental results showed that the optimal heat removal rate from the stack by coolant was $0.4{\sim}0.6W/cm^2$ cell.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 냉각수의 유량 및 입구 측 온도에 따른 스택의 출력을 평가하고, 또한 스택의 열 수지를 분석하여 냉각수 운전 특성과 냉각수에 의한 열제거량과의 상관관계를 도출하고 적절한 열제거 범위를 제시함으로써 향후 연료전지 냉각수 운전의 중요한 지침을 제공하고자 한다.
본 연구에서는 냉각수 운전 특성에 따른 냉각수의 열제거량을 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 냉각수 운전에 대한 적절한 지침을 제공하고자 냉각수 입구측 온도 및 유량에 따른 출력 특성을 분석하고, 적절한 출력 특성을 유지하기 위한 냉각수의 열제거량 범위를 도출하였으며 주요 결과는 다음과 같다.

제안 방법

Chen et al?0와 Kim et al."은 냉각판 구조에 따른 스택의 온도, 반응기체의 농도 및 출력을 수치해석을 통해 분석하였다. 그러나 스택의 온도를 결정하는 냉각수의 적절한 운전 조건에 대한 연구는 미흡한 실정이며 이에 대한 연구가 필요하다.
연료전지의 운전을 위해서는 크게 Hz, Air 공급부, 전력제어부, 냉각부가 필요하다. H₂와 Air는 압축 탱크에서 mass flow meter(Bronkhorst, F-201)를 통해 유량을 제어하고 bubbler 타입의 가습기(CNL, Humidifier)로 유입되는 반응 기체에 가습을 실시하였다. 또한 유로를 이동하면서 수분의 응축을 막고 온도를 조절하기 위하여 line heater(MTOPE, LH-300)를 부착하였다.
H₂와 Air는 압축 탱크에서 mass flow meter(Bronkhorst, F-201)를 통해 유량을 제어하고 bubbler 타입의 가습기(CNL, Humidifier)로 유입되는 반응 기체에 가습을 실시하였다. 또한 유로를 이동하면서 수분의 응축을 막고 온도를 조절하기 위하여 line heater(MTOPE, LH-300)를 부착하였다. 출력을 제어하기 위하여 전력제어부로 load controller(EPL, ESL-5K)를 이용하여 constant current mode로 제어하였다.
출력을 제어하기 위하여 전력제어부로 load controller(EPL, ESL-5K)를 이용하여 constant current mode로 제어하였다. 냉각수의 운전을 위하여 pumpCIwaki, MDG)의 입력 전압을 제어하여 유량을 조절하였으며, 냉각수 온도 조절을 위해 line heater(MTOPE, LH-1000)와 자체 제작한 응축기를 부착하였다. 스택의 습도 및 열량 분석을 위하여 각 유체의 입 , 줄구에 습도 센서 (E+E electronik, EE99T), 온도센서 (Headong, T type thermocouple), 압력센서 (Sen-sys, PTCD) 를 부착하였다.
냉각수의 운전을 위하여 pumpCIwaki, MDG)의 입력 전압을 제어하여 유량을 조절하였으며, 냉각수 온도 조절을 위해 line heater(MTOPE, LH-1000)와 자체 제작한 응축기를 부착하였다. 스택의 습도 및 열량 분석을 위하여 각 유체의 입 , 줄구에 습도 센서 (E+E electronik, EE99T), 온도센서 (Headong, T type thermocouple), 압력센서 (Sen-sys, PTCD) 를 부착하였다. 본 실험에 사용된 스택은 Gore 57 Series MEA(membrane electrolyte assembly)를 사용하여 5cell로 제작하였으며 반응 면적은 200 cm2이다.
조건을 나타내고 있다. I*, Air의 운전 조건은 입구 측 온도를 60 "C, 상대습도를 100%, 당량비를 각각 L5, 2.5로하였다. 전류는 0.
7A/cm²로 고정하여 constant current mode에서 출력 전압을 통해 스택의 성능을 분석하였다' 또한 연료전지의 열수지를 분석하기 위하여 H₂, Air의 입 . 출구에서 습도, 온도 및 압력을 측정하였고, 냉각수의 유량 및 입 . 출구의 온도를 측정하였다.
출구에서 습도, 온도 및 압력을 측정하였고, 냉각수의 유량 및 입 . 출구의 온도를 측정하였다.
1 ~ 031iter/min . cell로 변화시키면서 스택의 출력을 분석하였다. 각 측정 결과는 정상상태에 도달한 후 1초 간격으로 총 10분 간의 data를 획득하여 평균한 값이다.
이러한 냉각수 운전에 대한 정보와 출력 전력에 대한 정보를 통해 연료전지의 에너지 수지를 분석하였다. 연료전지에서 에너지 수지는 반응 기체의 엔탈피가 전기와 열로 변환되고 잔류 엔탈피가 배출되게 되므로 식(1)과 같다.

대상 데이터

스택의 습도 및 열량 분석을 위하여 각 유체의 입 , 줄구에 습도 센서 (E+E electronik, EE99T), 온도센서 (Headong, T type thermocouple), 압력센서 (Sen-sys, PTCD) 를 부착하였다. 본 실험에 사용된 스택은 Gore 57 Series MEA(membrane electrolyte assembly)를 사용하여 5cell로 제작하였으며 반응 면적은 200 cm2이다.

데이터처리

cell로 변화시키면서 스택의 출력을 분석하였다. 각 측정 결과는 정상상태에 도달한 후 1초 간격으로 총 10분 간의 data를 획득하여 평균한 값이다.

성능/효과

따라서 적절한 범위의 열제거량을 유지하여야 되며 본 연구의 결과 0.4~0.6W/cm² - cell 범위로 열제거가 이루어질 때 적절한 냉각수 운전상태로 판단된다.
(1) 연료전지의 온도는 냉각수 운전 조건에 의해 결정되며, 냉각수 입구측 온도에 비례하고 유량과 반비례한다. 냉각수 유량에 따라 안정적인 성능을 나타내는 냉각수 입구측 온도 구간은 다르게 나타나며, 냉각수 입구측 온도가 45~65 ℃ 범위에서 냉각수 유량은 0.

참고문헌 (7)

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Dong, Q., Mench, M. M., Cleghorn, S. and Beuscher, U., 2005, Distributed performance of polymer electrolyte fuel cells under low humidity conditions, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 152, No. 11, pp. A2114-A2122

상세보기
Buchi, F. N., Geiger, A. B. and Neto, R. P., 2005, Dependence of current distribution on water management in PEFC of technical size, Journal of Power Sources, Vol. 145, pp. 62-67

상세보기
Hyun, D. and Kim, J., 2008, Study of external humidification method in proton exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, Vol. 126, pp. 98-103

상세보기
Chen, F. C., Gao, Z., Loutfy, R. O. and Hecht, M., 2003, Analysis of optimal heat transfer in a PEM fuel cell cooling plate, fuel cells, Vol. 3, No. 4, pp. 181-188

상세보기
Kim, Y., Lee, Y., Lee, K., Kim, Y., Choi, J. and Ko, J., 2007, Numerical simulation on cooling plates in a fuel cell, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 19, No. 1, pp. 86-93

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