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문제 정의
- 확산이 지배적인 영역에서는 확산량의 증감이 총 플럭스의 변화에 영향을 준다. 본 연구에서는 공기의 공급 시 평균 유량의 흐름이 없는 상태에서 확산을 증대시키기 위해서 왕복 유동을 적용 시켰으며, 이러한 왕복유동에 의한 확산 증대 효과가 스택의 성능에 미치는 영향을 알아보았다.
- 본 연구에서는 송풍기나 압축기등의 사용이 어려운 상황에서 주변 환경에 영향을 덜 받으며, 최적의 스택 성능을 얻기 위해 연료전지 시스템에 가진자를 부착하여 스택으로 공급되는 연료 및 공기의 확산을 조절하는 연료공급기에 대해 연구를 수행하였다. 주기적 반복성을 갖는 왕복 유동에서의 유동형태 및 물질전달의 형태는 일방향 정상유동의 경우와는 많은 차이가 있다.
- 본 연구에서는 왕복 유동 시 물질 전달을 지배하는 두 가지 요소인 왕복 유동 주파수와 왕복 유동 거리가 채널 내의 길이방향 확산에 어떤 영향을 미치는지에 대해 선행연구 결과를 이용한 이론적 해석을 통하여 보여주었으며, 이러한 채널 내의 길이방향 확산 량의 증가가 스택 성능에 미치는 영향에 대해 알 수 있었다. 스택의 채널 내 길이방향 확산량은 연료전지가 반응하는 반응량에 비례하게 되며, 따라서 스택내의 길이방향 확산 량을 늘려주는 만큼 연료전지의 최고 파워 밀도가 늘어나게 된다.
- 하지만, 휴대용 연료전지 분야에서는 시스템 부피의 최소화 문제 때문에 송풍기나 압축기의 사용이 어렵게 되어 스택 운전 시 산소의 공급이 원활하지 않을 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 진동자를 이용하여 확산을 증대시키는 방법을 고안하였으며, 이러한 진동자는 얼마든지 그 크기를 작게 하는 것이 가능하고 기생전력 또한 낮출 수 있는 장점이 있다.
- 주기적 반복성을 갖는 왕복 유동에서의 유동형태 및 물질전달의 형태는 일방향 정상유동의 경우와는 많은 차이가 있다. 왕복 유동에서의 물질전달 특성에 대한 연구는 Chatwin, Jaeger, Watson등에(4~6) 의하여 잘 알려져 있으며, 본 연구에서는 이들의 연구 결과를 정리 이용하여 연료전지 내 확산의 조절 및 왕복유동을 지배하는 인자에 대해 고찰하며, 순수 왕복 유동을 이용한 확산 증대 효과가 연료전지 스택에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다.
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