막가습기와 공기극 재순환을 사용한 고분자 전해질 연료전지의 가습특성 해석 Study on PEM-Fuel-Cell Humidification System Consisting of Membrane Humidifier and Exhaust Air Recirculation Units원문보기
고분자 전해질막 연료전지에서 공급 기체의 가습은 연료전지의 효율과 수명 향상 측면에서 필수적이다. 기존의 고분자 전해질막 연료전지의 가습 방법으로 물 분사나 막가습기, 엔탈피 휠 등이 사용되었다. 하지만, 이러한 외부 가습 방법은 시스템 부피를 크게 하고 고출력 구간에서 가습량이 부족한 단점이 있다. 가습 장치의 효율과 전체 연료전지 시스템 효율을 높이려면, 연료전지의 고온다습한 배출기체로부터 열과 수분을 회수할 필요가 있다. 본 연구에서는 연료전지의 고온다습한 배출공기를 재순환하여 공급공기를 1 차로 가습하고 소형의 막가습기로 2 차 가습하는 복합가습에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 그리고 최적의 가습 시스템 설계를 위한 새로운 방법을 제안하였다.
고분자 전해질막 연료전지에서 공급 기체의 가습은 연료전지의 효율과 수명 향상 측면에서 필수적이다. 기존의 고분자 전해질막 연료전지의 가습 방법으로 물 분사나 막가습기, 엔탈피 휠 등이 사용되었다. 하지만, 이러한 외부 가습 방법은 시스템 부피를 크게 하고 고출력 구간에서 가습량이 부족한 단점이 있다. 가습 장치의 효율과 전체 연료전지 시스템 효율을 높이려면, 연료전지의 고온다습한 배출기체로부터 열과 수분을 회수할 필요가 있다. 본 연구에서는 연료전지의 고온다습한 배출공기를 재순환하여 공급공기를 1 차로 가습하고 소형의 막가습기로 2 차 가습하는 복합가습에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 그리고 최적의 가습 시스템 설계를 위한 새로운 방법을 제안하였다.
The humidification of reactant gases is crucial for efficiently operating PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell systems and for improving the durability of these systems. The recycle of the energy and water vapor of exhaust gas improves the system performance especially in the case of automot...
The humidification of reactant gases is crucial for efficiently operating PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell systems and for improving the durability of these systems. The recycle of the energy and water vapor of exhaust gas improves the system performance especially in the case of automotive application. The available humidification methods are steam injection, nozzle spray, humidification by enthalpy wheel, membrane humidifier, etc. However, these methods do not satisfy certain requirements such as compact design, efficient operation and control. In this study, a hybrid humidification system consisting of a membrane humidifier and exhaust-air recirculation units was developed and the humidification performance of this hybrid humidifier was analyzed. Finally, a new practical method for optimal design of PEM-fuel-cell humidification system is proposed.
The humidification of reactant gases is crucial for efficiently operating PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell systems and for improving the durability of these systems. The recycle of the energy and water vapor of exhaust gas improves the system performance especially in the case of automotive application. The available humidification methods are steam injection, nozzle spray, humidification by enthalpy wheel, membrane humidifier, etc. However, these methods do not satisfy certain requirements such as compact design, efficient operation and control. In this study, a hybrid humidification system consisting of a membrane humidifier and exhaust-air recirculation units was developed and the humidification performance of this hybrid humidifier was analyzed. Finally, a new practical method for optimal design of PEM-fuel-cell humidification system is proposed.
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문제 정의
위에 나열한 가습방법들은 단독으로 사용할 경우, 공간활용도 및 배출 에너지의 사용 및 제어성의 관점에서 만족할 만한 결과를 얻기 힘들다. 따라서, 본 연구에서는 막가습기와 공기 재순환 장치를 함께 사용하였을 경우, 가습 특성을 살펴보고, 실제 연료전지에 적용 하였을 때, 운전 영역에 따른 최적의 가습 방법을 고찰하고자 한다.
은 막가습기만을 단독으로 사용할 경우, 가습을 위한 공간이 과다하기 때문에 물분사 가습 등을 포함한 여러가지 방식과 하이브리드 타입의 가습장치의 필요성을 제안한 바 있다. 본 연구에서는 막가습기에 공기재순환 시스템을 하이브리드화하여 막가습기의 부피를 줄이고, 배출 연료 및 수분의 재사용함으로써 가습에 따르는 소요에너지의 감소를 추구할 수 있는 방법을 연구하였다.
제안 방법
차량용 고분자 전해질 연료전지를 위한 가습 시스템에서는 공간활용도가 좋고 배출되는 수증기를 효율적으로 사용하는 것이 중요하다. 따라서, 현재 가습용으로 사용되는 막가습기 및 공기 재순환 장치를 병행 사용하여, 막가습 효율과 재순환율에 따른 가습 특성을 분석하고 최적화 하였다.
성능/효과
Fig. 5(a)는 산소 과잉률이 커지면, 기본운전 조건과 동일한 양의 수증기가 공급되어도 상대습도가 낮아지므로, 동일 상대습도 수준을 유지하기 위해서는 재순환율 및 막가습 효율이 높아야 한다는 것을 보여준다. Fig.
3 으로 감소하게 된다. Fig. 3 으로부터 가습량은 재순환율이 적으면 막가습 효율의 영향을 크게 받지만, 재순환율이 커질수록 막가습 효율의 영향이 줄어들게 되는 것과 막가습 효율이 낮을수록 재순환의 효과가 크게 나타남을 확인할 수 있다.
작동압력을 높이면, 포화 수증기량이 감소하고,연료전지 출구에서 완전가습이 이루어지는 것을 확인하였다. 연료전지 시스템의 출력을 높이기 위해서 산소 과잉률을 높이거나, 연료전지 작동온도를 올리는 과정에서 가습의 필요성이 증가하게 되고 Fig.
6 에서는 연료전지의 작동온도가 80℃로 높아지는 경우, 재순환율 및 막가습 효율의 변화에 따른 입구공기 상대습도의 영향을 살펴보았다. 포화시 요구되는 가습량이 크게 증가하면서, 70℃에서 작동하는 경우에 비해, 동일 재순환율 및 막가습 효율일 때, 상대습도가 약 20~30% 감소하였다. 또한, 50% 이상으로 입구공기의 상대습도를 유지하기 위해서는 재순환이 없을 경우, 막가습 효율을 0.
후속연구
5 일 때, 질소유량은 50% 증가하게 된다. 산소의 유량이 일정한 경우에, 질소 분압증가에 따른 연료전지의 성능 감소를 고려하여 재순환율의 허용 범위를 한정할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지는 높은 전력밀도를 얻기 위하여 몇 도 이상의 온도에서 운전되어야 하는가?
그 중의 하나가 가습과 관련된 사항이다. 연료전지가 높은 전력밀도를 얻기 위해서는 60℃ 이상의 온도에서 운전이 되어야 하지만, 고분자 전해질의 건조에 따른 문제로 인해, 가습이 불가피하다. (1) 뿐만 아니라, 과다한 가습이 이루어 질 경우, 공급기체의 이동을 방해하여 성능의 저하를 초래할 수 있기 때문에, 적절한 수준의 가습량 조절이 필수적이다.
노즐을 사용한 직접 스프레이 방법은 어떤 방법인가?
이에 따라 여러 가지 가습방법과 제어방법들이 연구되고 있다. 노즐을 사용한 직접 스프레이 방법은 냉각수나 반응 후 생성된 물을 공급기체에 직접 분사하는데, 가습 효과가 작동 온도에 크게 영향을 받게 되며, 미세 액적의 기화에 필요한 공간 확보와 잠열의 공급이 필요하다. 가스 버블링 방법은 공급가스를 가열한 물에 통과시키는 것으로 압력 강하가 큰 문제점이 있어서, 소규모의 실험에 주로 사용되고 있다.
연료전지에 과다한 가습이 이루어질 경우 어떤 문제가 발생하는가?
연료전지가 높은 전력밀도를 얻기 위해서는 60℃ 이상의 온도에서 운전이 되어야 하지만, 고분자 전해질의 건조에 따른 문제로 인해, 가습이 불가피하다. (1) 뿐만 아니라, 과다한 가습이 이루어 질 경우, 공급기체의 이동을 방해하여 성능의 저하를 초래할 수 있기 때문에, 적절한 수준의 가습량 조절이 필수적이다. (2)
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