[논문]작동 조건에 따른 고온 고분자 전해질 연료전지의 성능 변화에 대한 전산해석 연구

김경연; 손영준; 김민진; 양태현

doi:10.5229/jkes.2010.13.4.283

작동 조건에 따른 고온 고분자 전해질 연료전지의 성능 변화에 대한 전산해석 연구
Numerical Study of Effects of Operating Conditions on the Performance of High Temperature PEMFC 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.13 no.4, 2010년, pp.283 - 289

김경연 (한밭대학교 기계공학과) , 손영준 (한국에너지기술연구원 연료전지연구단) , 김민진 (한국에너지기술연구원 연료전지연구단) , 양태현 (한국에너지기술연구원 연료전지연구단)

초록
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2차원 전산 해석 모델을 사용하여 고온 고분자 전해질 연료전지의 전산해석을 수행하였다. 해석 모델은 기존의 실험데이터와의 비교를 통해 검증하였으며, 다양한 작동 조건이 연료전지의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 일련의 전산해석을 수행하였다. 본 전산해석의 결과를 통해 교환전류밀도, 이온전도도, 공급유량 및 작동압력이 증가할수록 연료전지의 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한, 기체 확산층의 기공율이 높을수록 기체의 확산이 향상되어 연료전지의 성능이 향상되었으며, 양극 기체 확산층의 기공율에 의한 효과가 음극에 비해 더 두드러지게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

A two-dimensional isothermal model has been employed for numerical simulations of a high temperature hydrogen fuel cell with proton exchange membrane. The model is validated with existing experimental data and used for examination on the effects of various operating conditions on the fuel cell performance. The present numerical results show that the cell performance increases with increasing exchange current density, ion conductivity of the membrane, inlet gas flow rate as well as operating pressure. Also, higher porosity of gas diffusion layer (GDL) results in higher cell performance due to enhancement of the diffusion through the GDL, where the cathode GDL porosity more influences on the performance as compared with the anode one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고온 PEMFC의 전산해석을 위한 2차원 isothermal 모델을 적용하여 다양한 작동 인자 및 설계 변수가 연료전지 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 기존 문헌의 실험 결과와의 비교를 통해 본 전산해석 모델의 타당성을 확보하였다.
본 연구에서 수행한 2차원 전산해 석을 통해 예측한 연료전지의 성능 곡선은 실험결과와 잘 일치하며, 이를 통해 본 연구에서 수행한 전산해석 결과의 타당성을 확인하였다. 본 전산해석 모델을 이용하여 고온연료전지의 다양한 작동 인자 및 설계 변수가 연료 전지 성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
그러나, 대부분의 전산해석연구는 개발된 고온 PEMFC 모델의 타당성 확보에 집중되어있으며, 다양한 작동 조건에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 고온 PEMFC의 전산해석을 위한 2차원 isothermal 모델을 적용하여 연료전지의 다양한 작동 인자 및 설계 변수가 연료전지 성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 기존 문헌의 실험 결과와의 비교를 통해 본 전산해석 모델의 타당성을 확보하였으며, 이온전도도, 교환전류밀도, 작동 압력, 연료 공급율, 기체 확산층의 기공율과 같은 다양한 작동 인자들이 고온 PEMFC의 성능 변화에 미치는 영향을 파악하였다.

제안 방법

공급되는 연료의 유량에 대한 효과를 살펴보기 위해서 연료 공급 유로의 입구 경계조건의 유랑을 변화시켜 전산해석을 수행하였다. 전류밀도 i = 8000 A/m² 기준 화학양론수가 대략 0.
본 연구에서는 고온 PEMFC의 전산해석을 위한 2차원 isothermal 모델을 적용하여 다양한 작동 인자 및 설계 변수가 연료전지 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 기존 문헌의 실험 결과와의 비교를 통해 본 전산해석 모델의 타당성을 확보하였다. 전류 밀도가 낮은 영역에서는 교환 전류밀도가 감소할수록 활성과전압으로 인한 손실이 감소하여 연료전지의 성능이 증가하였으며, 이온전도도가 증가할수록 셀 전압 또한 증가하였다.
이에 본 연구에서는 고온 PEMFC의 전산해석을 위한 2차원 isothermal 모델을 적용하여 연료전지의 다양한 작동 인자 및 설계 변수가 연료전지 성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 기존 문헌의 실험 결과와의 비교를 통해 본 전산해석 모델의 타당성을 확보하였으며, 이온전도도, 교환전류밀도, 작동 압력, 연료 공급율, 기체 확산층의 기공율과 같은 다양한 작동 인자들이 고온 PEMFC의 성능 변화에 미치는 영향을 파악하였다.
마지막으로 기체 확산층의 기공율에 따른 연료전지의 성능 변화를 조사하였다. 작동압력 1기압, 전류밀도 i = 8000 A/m² 기준 화학양론수 1의 경우, 음극 및 양극 기체 확산층의 기공율 0.
0^-1 에 대한 고온 연료전지의 실험을 수행하였으며, isothermal 모델을 사용 하여 그들의 실험결과를 잘 예측함을 보고하였다. 본 연구에서는 이에 해당하는 작동 조건 및 입구 경계 조건을 부과하여 2차원 전산해석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 2에서 나타내었다. 본 연구에서 수행한 2차원 전산해 석을 통해 예측한 연료전지의 성능 곡선은 실험결과와 잘 일치하며, 이를 통해 본 연구에서 수행한 전산해석 결과의 타당성을 확인하였다.
우선, 교환전류밀도의 변화에 따른 고온연료전지의 성능변화를 조사하였다. 일반적으로 음극 활성과전압은 양극 활성과전압에 비해 크기가 매우 작으므로, 양극의 교환전류밀도만을 변화시켜 전산해석을 수행하여 그 결과를 Fig.

데이터처리

우선, 수치해석 방법의 타당성을 검증하기 위해서 기존 문헌의 실험 결과와 비교하였다. Ubong et al.

이론/모형

앞서 기술한 고온 PEMFC 전산해석 모델은 유한요 소법 (FEM: finite element method)에 기반한 상용 수치 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 사용하여 해석되었다. 각 지배방정식은 weakly compressible Navier-Stokes, Maxwell-Stefan diffusion and convection, conductive media DC 모듈을 통해 반영되었으며, PARDISO (parallel sparse direct linear solver) 기법을 사용하여 해석된다. 각 방정식의 반복계산을 통해 해의 상대적 갱신값이 10^-6 보다 작으면 해가 수렴하였다고 판정하였다.
연료 공급 유로 내부의 유동을 이상기체로 이루어진 혼합 기체의 정상 상태의 층류 유동으로 가정하면 지배방정식은 아래와 같이 연속방정식 (식 (1)) 과 압축성 유체에 대한 Navier-Stokes 방정식 (식 (2)) 이다. 또한, 연료 기체의 물질 전달 현상은 Maxwell-Stefan 방정식 (식 (3))에 의해 기술된다.
앞서 기술한 고온 PEMFC 전산해석 모델은 유한요 소법 (FEM: finite element method)에 기반한 상용 수치 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 사용하여 해석되었다. 각 지배방정식은 weakly compressible Navier-Stokes, Maxwell-Stefan diffusion and convection, conductive media DC 모듈을 통해 반영되었으며, PARDISO (parallel sparse direct linear solver) 기법을 사용하여 해석된다.
위의 전하량 보존 방정식의 생성항으로 부여되는 전류 밀도는 아래와 같이 단순화된 Butler-Volmer 방정식으로 모델링한다.⁷⁾

성능/효과

고온에서 작동되는 연료전지는 저온 연료전지에 비해 다양한 장점을 지니고 있다.²⁾ 전기화학적인 반응이 고온으로 인해 향상되며, 고온에서는 양극에서 발생하는 물이 기상으로 존재하므로 기상과 액상이 공존하는 저온 연료전지에 비해 물관리가 비교적 용이하다. 또한, 연료전지의 높은 작동온도로 인해 스택과 냉각수 사이의 온도 구배가 크므로 상대적으로 냉각 시스템이 단순화될 수 있다.
전류 밀도가 낮은 영역에서는 교환 전류밀도가 감소할수록 활성과전압으로 인한 손실이 감소하여 연료전지의 성능이 증가하였으며, 이온전도도가 증가할수록 셀 전압 또한 증가하였다. 동일한 이용률의 조건에서는 산소의 확산 전달현상이 전체 연료전지 성능에 미치는 영향이 크게 됨을 확인하였다. 동일한 연료 공급량의 경우, 높은 작동 압력에서 연료전지의 성능이 향상되었다.
특히, 전류밀도가 높은 영역에서의 농도 손실이 감소하여 성능이 향상 되는데 이는 기공율이 증가함에 따라 다공성 매질로 이루어진 기체 확산층 내에서의 유효 확산계수가 증가하여 촉매층으로 연료가 효과적으로 전달되기 때문이다. 또한, 음극와 양극 기체 확산층의 기공율 변화를 살펴보면, 음극의 기공율의 변화에 따른 성능의 차이는 거의 미비한 반면, 양극 기체 확산층의 기공율의 증가로 인한 성능 향상은 뚜렷하게 나타난다. 이는 산소의 확산 계수가 수소의 확산 계수보다 훨씬 작아서 산소의 기체 확산층을 통한 전달이 농도손실에 보다 직접적으로 연관되어 있음을 보여준다.
2에서 나타내었다. 본 연구에서 수행한 2차원 전산해 석을 통해 예측한 연료전지의 성능 곡선은 실험결과와 잘 일치하며, 이를 통해 본 연구에서 수행한 전산해석 결과의 타당성을 확인하였다. 본 전산해석 모델을 이용하여 고온연료전지의 다양한 작동 인자 및 설계 변수가 연료 전지 성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
따라서 연료 공급량을 일정 하게 유지하기 위해선, 압력의 증가만큼 연료공급 속도를감소시켜야 한다. 본 전산해석 결과에 따르면, 동일한 연료 공급량의 경우, 입구 유속이 낮더라도 작동 압력을 증가시키는 것이 고온 연료전지의 성능 향상 방안의 하나임을 제시한다. 반면, 저온 연료전지의 경우, 양극에서 생성되는 물이 일부 액상으로 존재하여 연료 공급 채널을막게 되므로, 이로 인한 농도 손실을 초래하게 된다.
동일한 연료 공급량의 경우, 높은 작동 압력에서 연료전지의 성능이 향상되었다. 음극와 양극 기체 확산층의 기공율 변화에 따른 연료전지의 성능 변화를 조사한 결과, 음극의 기공율의 변화에 따른 성능의 차이는 거의 미비한 반면, 양극 기체 확산층의 기공율의 증가로 인한 성능 향상은 뚜렷하게 나타났다.
기존 문헌의 실험 결과와의 비교를 통해 본 전산해석 모델의 타당성을 확보하였다. 전류 밀도가 낮은 영역에서는 교환 전류밀도가 감소할수록 활성과전압으로 인한 손실이 감소하여 연료전지의 성능이 증가하였으며, 이온전도도가 증가할수록 셀 전압 또한 증가하였다. 동일한 이용률의 조건에서는 산소의 확산 전달현상이 전체 연료전지 성능에 미치는 영향이 크게 됨을 확인하였다.
8에 나타내었다. 전체적으로 기공율이 증가할수록 연료전지의 성능은 향상된다. 특히, 전류밀도가 높은 영역에서의 농도 손실이 감소하여 성능이 향상 되는데 이는 기공율이 증가함에 따라 다공성 매질로 이루어진 기체 확산층 내에서의 유효 확산계수가 증가하여 촉매층으로 연료가 효과적으로 전달되기 때문이다.
반면, 셀 전압이 낮아져 발생 전류 밀도가 증가할수록 공급 연료의 부족으로 연료전지의 성능이 매우 낮아진다. 화학양론수가 1인 경우에는 이론 값인 i = 8000 A/m² 부근 에서 농도손실에 의해 성능이 급격히 감소하게 되며, 본전산해석 모델이 농도손실을 잘 예측함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지가 각광받는 이유는?	수소와 공기를 연료로 하는 고분자 전해질 막을 이용 하는 연료전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)는 높은 전력 밀도, 빠른 시동, 고효율 등과 같은 다양한 장점을 지니고 있어 유망한 청정에너지원으로 각광받고 있다. 최근 많은 연구가 PEMFC 기술개발에 집중되고 있음에도 불구하고, 여전히 현재의 PEMFC 의성능을 더 향상시켜야 할 필요가 있다.
	PBI계열의 막을 사용하는 고온연료전지의 장점은?	또한, 연료전지의 높은 작동온도로 인해 스택과 냉각수 사이의 온도 구배가 크므로 상대적으로 냉각 시스템이 단순화될 수 있다. 또한, PBI (polybenzimidazole) 계열의 막을 사용하는 고온 연료 전지에서는 Nafion과 같은 일반적인 저온 연료전지 막과는 달리 막의 이온 전도도가 가습 정도에 영향을 받지 않는다. 이러한 이유로 고온 PEMFC 시스템에서는 별도의 가습장치가 필요하지 않아 시스템을 단순화 할 수 있다.
	고온 고분자 전해질 연료전지의 성능을 향상시키는 요인들은 무엇이 있었는가?	해석 모델은 기존의 실험데이터와의 비교를 통해 검증하였으며, 다양한 작동 조건이 연료전지의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 일련의 전산해석을 수행하였다. 본 전산해석의 결과를 통해 교환전류밀도, 이온전도도, 공급유량 및 작동압력이 증가할수록 연료전지의 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한, 기체 확산층의 기공율이 높을수록 기체의 확산이 향상되어 연료전지의 성능이 향상되었으며, 양극 기체 확산층의 기공율에 의한 효과가 음극에 비해 더 두드러지게 나타났다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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F. Y. Zhang, X. G. Yang, and C. Y. Wang, 'Liquid water removal from a polymer electrolyte fuel cell', J. Electrochem. Soc., 153, A225 (2006).

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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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