[논문]Six sigma 기법을 이용한 PEMFC Cathode 유로설계 최적화

김선회

Six sigma 기법을 이용한 PEMFC Cathode 유로설계 최적화
Optimization of Cathode Flow Field Design for a PEMFC with Six Sigma Technique 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.6, 2009년, pp.492 - 498

Abstract ▼ AI-Helper

Six sigma methode was applied for optimization of flow field design of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The optimization between number of channel and channel/rib width was suggested in this paper with six sigma method. With the help of six sigma design of experiment (DOE) the number of experiments may be reduced dramatically. The fuel cell channel design optimization with results of these experiments with a 100 $cm^2$ serpentine flow field indicates a optimization data for a given constant operating conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Six sigma를 이용한 최적화에 있어서 언뜻 보기에는 복잡한 통계적 지식이 필요한 것으로 판단되지만, six sigma의 학문적 이해를 위한 것이 아니라면, 실험상의 최적화를 위하여 간단한 minitab®의 조작만으로도 최적점을 구할 수 있는 과정을 본 연구에서 소개 하도록 한다10).
결과적으로 4번의 실험이 두 번 반복되어 총 실험횟수는 8번이 되고 모든 실험은 무작위로 진행되었으며, minitab^®의 random 기능을 이용하여 무작위의 실험순서를 정하였다. 본 연구에서의 목표는 200mA/cm²의 전류밀도 하에서 압력강하는 줄이고(40 mbar 이하) cell voltage는 증가(0.7V이상) 시킬 수 있는 최적점을 구하는 것이고, 그를 위한 요인과 인자의 나열은 Table 1에 특성치와 제어인자에 관하여 나열하였다.
위에서 언급한 변수인 유로의 개수와 폭을 기준으로 하여 그에 관한 결과인 성능(cell voltage)과 압력강하 간의 최적점을 찾으려 한다. 본 연구에서의 목표는 40mbar 이하의 압력강하와 전류밀도 200 mA/cm²에서의 0.7V이상의 성능이고, 이를 위하여 유로의 개수와 폭간의 최적점을 six sigma의 기법중 design of experiment(DOE)를 이용하여 연료 전지 분리판 유로의 최적점을 찾는 것 이라고 할 수 있다. 이를 위해 연료전지 stack의 최적화에 필요한 최소한의 실험 결과를 이용하여 최적화를 이루는 과정을 살펴보도록 한다.
본 연구에서는 R&D six sigma를 사용하여 연료전지의 최적화를 찾으려 하고 있다. 위에서 언급한 변수인 유로의 개수와 폭을 기준으로 하여 그에 관한 결과인 성능(cell voltage)과 압력강하 간의 최적점을 찾으려 한다. 본 연구에서의 목표는 40mbar 이하의 압력강하와 전류밀도 200 mA/cm²에서의 0.

제안 방법

200mA/cm2에서의 전류밀도와 압력강하의 값들을 분석대상으로 minitab®을 이용하여 분석하였다.
결과적으로 4번의 실험이 두 번 반복되어 총 실험횟수는 8번이 되고 모든 실험은 무작위로 진행되었으며, minitab®의 random 기능을 이용하여 무작위의 실험순서를 정하였다.
그러므로 동일 cell을 2명의 실험자가 체결하여 5가지의 다른 조건에서 그 때의 cell의 성능과 압력강하를 각각 2회씩 측정하여 측정자에 따른 성능 특성 차이를 압력과 성능 대하여 계수gage R&R로 측정해보았다.
이를 위해 연료전지 stack의 최적화에 필요한 최소한의 실험 결과를 이용하여 최적화를 이루는 과정을 살펴보도록 한다. 단위전지를 이용하여 유로설계상의 핵심적인 요소인 유로의 폭과 개수의 최적화를 진행하려 한다.
4에 나타냈다. 모든 실험 가능한 전류밀도대 에서의 최적화를 기대하기 보다는 목표로 하고 있는 운전영역대인 200mA/cm²에서의 전압과 압력강하를 8번의 모든 실험에서 비교해 보았다. Fig.
본 연구는 six sigma 를 사용하여 많지 않은 실험 결과를 통하여 통계적으로 최적점을 찾는 과정을 제시하고 있다. 향 후 유로의 깊이를 포함한 여러 가지 인자들의 최적화를 진행할 계획이다.
본 연구에서는 R&D six sigma를 사용하여 연료전지의 최적화를 찾으려 하고 있다.
이 때 사용된 cell은 5가지의 다른 전류밀도 상에서 그 때의 전압과 압력강하를 측정하였다. 실험자별 습관에 따른 영향성을 파악하기 위하여 각기 다른 두 사람이 다섯 가지의 다른 전류밀도 하에서의 전압과 압력강하를 각각 2회씩 측정한 결과를 입력하여 실험자에 따른 측정을 실시하였다. 그 입력과정을 minitab^® worksheet에 Fig.
13은 최적화된 유로의 monte carlo 모델링 결과이다. 압력강하의 목표치인 40mbar 이하를 만족시켰으며, 실제로 시스템이 요구하는 압력강하는 50mbar 이상은 불량으로 처리하므로 50mbar 를 불량으로 규정하였다. 요구되어지는 값은 현재의 요구수준으로서는 작을수록 유리하므로 lower limit 은 규정하지 않았다.
그러므로 동일 cell을 2명의 실험자가 체결하여 5가지의 다른 조건에서 그 때의 cell의 성능과 압력강하를 각각 2회씩 측정하여 측정자에 따른 성능 특성 차이를 압력과 성능 대하여 계수gage R&R로 측정해보았다. 이 때 사용된 cell은 5가지의 다른 전류밀도 상에서 그 때의 전압과 압력강하를 측정하였다. 실험자별 습관에 따른 영향성을 파악하기 위하여 각기 다른 두 사람이 다섯 가지의 다른 전류밀도 하에서의 전압과 압력강하를 각각 2회씩 측정한 결과를 입력하여 실험자에 따른 측정을 실시하였다.
72 L/min 이었다. 이런 동일한 조건하에 유로의 개수가 다른 두 가지(8, 12개)의 cell과 폭이 다른 두 가지의(0.8, 1.2mm) cell, 즉 2인자 2수준(4가지 조합)의 반복실험을 통하여 유로의 개수와 폭간의 최적화를 도모하였다.
7V이상의 성능이고, 이를 위하여 유로의 개수와 폭간의 최적점을 six sigma의 기법중 design of experiment(DOE)를 이용하여 연료 전지 분리판 유로의 최적점을 찾는 것 이라고 할 수 있다. 이를 위해 연료전지 stack의 최적화에 필요한 최소한의 실험 결과를 이용하여 최적화를 이루는 과정을 살펴보도록 한다. 단위전지를 이용하여 유로설계상의 핵심적인 요소인 유로의 폭과 개수의 최적화를 진행하려 한다.

성능/효과

Six sigma의 기법중 하나인 design of experiment 를 이용하여 연료전지 유로의 최적화를 시도해본 결과, 2인자 2수준의 반복실험을 통하여 200mA/cm²의전류밀도 하에서 압력강하는 줄이고(40 mbar 이하) cell voltage는 증가(0.7V 이상)시킬 수 있는 최적점이 도출 되었다. 그 최적점은 유로의 개수 10, 11, 12개 그리고 유로의 폭은 0.
7V 이상)시킬 수 있는 최적점이 도출 되었다. 그 최적점은 유로의 개수 10, 11, 12개 그리고 유로의 폭은 0.80mm 이상 0.82mm 이하에서 target을 만족할 수 있었다.
그에 대한 결과를 분석한 결과 Fig. 2에 나타난 것과 같이 시험횟수와 사용자간의 영향성이 거의 없는 것으로 나타났으므로 본 실험에서 실험자에 따른 장치의 영향성은 무시할 수준이라고 할 수 있다.

후속연구

본 연구에 있어서 유로의 개수와 폭에 따른 각기 다른 시료의 사용에 따라 나머지의 운전조건은 정량화된 비교가 가능할 수 있도록 일반화가 요구 된다. 본 실험에 있어서 cell의 온도는 70℃이고 anode 와 cathode의 가습은 각각 100%RH로 모든 시료에 동일하게 적용된다.
향 후 유로의 깊이를 포함한 여러 가지 인자들의 최적화를 진행할 계획이다. 이뿐만이 아니라 가습, 이용률 등의 본 연구에서 다루지 않은 변수 들의 최적화의 구현이 용이할 것으로 판단된다.
본 연구는 six sigma 를 사용하여 많지 않은 실험 결과를 통하여 통계적으로 최적점을 찾는 과정을 제시하고 있다. 향 후 유로의 깊이를 포함한 여러 가지 인자들의 최적화를 진행할 계획이다. 이뿐만이 아니라 가습, 이용률 등의 본 연구에서 다루지 않은 변수 들의 최적화의 구현이 용이할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체고분자형 연료전지란 어떠한 기술 방식인가?	연료전지는 그 자체의 청정성과 고 효율성으로 인하여 현재 각종 연구 분야에 각광 받고 있는 미래의 에너지원이다. 그 중 고체고분자형 연료전지 (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 여타의 여러 가지 연료전지 중에서 가장 그 기술적 성숙도가 가장 높은 기술 방식으로서 90℃ 이하의 낮은 운전온도에 따른 우수한 시동 및 운전특성과 이동형전원에서 수송용 그리고 분산발전시스템 까지 응용될 수 있는 폭넓은 응용분야 때문에 현재의 기술로서는 가장 상용화에 근접해 있는 기술이라 할 수 있다. 또한 전기발생의 부산물은 순수한 물로써 공해를 유발시키지 않기 때문에 미래의 청정에 너지 기술로서 각광받고 있으며 현재 자동차 업계 및 가정용 연료전지 분야에서 연구가 활발히 진행 중에 있다1-6).
	초기의 Six sigma는 어떠한 목적으로 사용되어 왔는가?	Six sigma는 초기 공장공정의 불량률을 줄이기 위한 최적화로 사용되었는데, six sigma는 진화를 거듭하여 현재에는 연구개발 분야에서도 최적화를 위해 사용 중이다. 본 연구에서는 R&D six sigma를 사용하여 연료전지의 최적화를 찾으려 하고 있다.
	Gas 유로의 설계에서 압력강하가 너무 낮은 경우 어떠한 문제를 야기할 수 있는가?	Gas 유로의 설계에 있어 유로의 도입부와 출구구부간의 압력차가 크다면 liquid water의 배출이 용이하고 유로에서 전극까지의 gas의 diffusion 이 용이해 질 수 있으나 system의 설계에 있어서 고출력의 공기 공급장치를 사용하게 되어 그에 따른 부품의 cost의 증가와 운전상의 높은 소비전력을 요구하게 된다. 반대로 압력강하가 너무 낮은 경우는 수분의 배출이 어렵고 또한 전극방향으로의 공기의 확산이 어렵기 때문에 stack 성능의 불안정성을 야기하게 되어 결과적으로 system의 문제를 야기할 수 있기 때문에 압력강하와 연료전지 성능의 핵심 인자라 할 수 있는 유로의 설계상의 최적화가 요구된다.

참고문헌 (10)

S. S. Yu, Y. D. Lee, D. J. Hong, K. Y. Ahn : 'A Dynamic Simulation Model for the Operating Strategy Study of 1 kW PEMFC', Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 19, No. 4, 2008, pp. 313-321
Y. W. Noh, S. H. Kim, K. S. Jeong, I. J. Son, K. I. Han, B. K. Ahn : 'Modeling and parametric studies of PEM fuel cell performance', Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 19, No. 3, 2008, pp. 209-216
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T. Nguyen, and R. White : 'A water and heat management model for proton exchange membrane fuel cells', Journal of Electrochemical Society, Vol. 140, pp. 2178-2186

상세보기
S. Y. Hwang, M. J. Kim, J. H. Lee, W. Y. Lee : 'A Simulation based Study on the Economical Operating Strategies for a Residential Fuel Cell System', Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 2, 2009, pp. 104-115
W. Y. Lee, J. K. Jeong, S. P. Yu, S. K. Um, C. S. Kim : 'Operation Performance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell Cogeneration System for Residential Application', Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 16, No. 4, 2005, pp. 364-371
H. S. Kim, K. T. Kang, Y. K. Choi, S. D. Lee : 'Research Papers : Numerical and Experimental Analysis of Pressure Drop in a Bipolar Plate channel of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell', Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 15, No. 2, 2004, pp. 159-165
S. Shimpalee, D. Spuckler, J. W. Van Zee : 'Prediction of transient response for a 25-cm2 PEM fuel cell', Journal of Power Sources, Vol. 167, Issue 1, 2007, pp. 130-138

상세보기
W-k. Lee, C-H. Ho, J. W. Van Zee, M. Murthy : 'The effects of compression and gas diffusion layers on the performance of a PEM fuel cell', Journal of Power Sources, Vol. 84, Issue 1, 1999, pp. 45-51

상세보기
D. K. Park : 'Design of Experiment using minitab', Gijeon, 2008, pp. 12-20, 63-81

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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