[논문]입구온도 변화가 중공사형 나피온 막가습기의 성능에 미치는 영향에 대한 연구

황준영; 장효선; 강경태; 강희석

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.4.361

[국내논문] 입구온도 변화가 중공사형 나피온 막가습기의 성능에 미치는 영향에 대한 연구
Study on Effect of Increase in Inlet Temperature on Nafion Membrane Humidifier 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.4 = no.307, 2011년, pp.361 - 369

황준영 (한국생산기술연구원) , 장효선 (한국생산기술연구원) , 강경태 (한국생산기술연구원) , 강희석 (한국생산기술연구원)

초록
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실험과 수치해석을 이용하여 차량용 PEMFC 시스템의 공기 공급부 운전환경에 따른 막 가습기의 성능 특성에 대한 연구를 수행하였다. Nafion 막을 이용한 Shell-and-Tube 형 막가습기의 입구온도변화에 따른 열 및 물 전달 특성에 알아보기 위한 실험을 수행하였으며, 이로부터 가습기 막을 통한 물전달 성능이 입구 온도에 대하여 비선형적으로 변화하는 특성을 확인하였다. Nafion 막의 물전달 계수를 경계면의 온도와 상대습도의 함수로서 모델링하여 단일 튜브형 막에 대한 수치해석을 수행하였으며, 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 막을 통한 국소물질량유속 분포가 튜브 내에서 급격하고도 비선형적으로 변화하는 해석 결과를 얻을 수 있었으며, 이로부터 입구 온도가 가습기 성능에 미치는 영향을 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of an increase in the temperature of inlet air on the performance of a membrane humidifier for a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) vehicle was investigated both experimentally and numerically. A shell-and-tube type gas-to-gas humidifier with Nafion membrane was tested. The experimental result showed that water transfer varies nonlinearly with the temperature elevation. Numerical analysis based on detailed modeling was also conducted in simplified geometry of a single tube to explain this nonlinear behavior. The simulation revealed that the local water flux varies nonlinearly and dramatically along the tube. The analysis was based on the inverse relationship between the increase in temperature and decrease in relative humidity, both of which seriously affect the water conductivity of the membrane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다수의 나피온 중공사막으로 이루어진 shell-and-tube 형 가습기(Permapure, FC-150-480-7PP)에 대한 연구를 수행하였다. 튜브(tube) 형태의 투수성 중공사막 내부로는 건조한 신기가 공급되고, 원통(shell)으로 둘러싸인 중공사막 외부에는 연료전지 출구로부터 배출되는 습한 공기가 공급된다.
실험과 수치해석을 통하여 중공사형 Nafion 막을 사용하는 PEMFC용 Gas-to-Gas 막가습기의 입구온도 변화에 따른 열 및 물 전달 특성을 이해하기 위한 연구를 수행하였다. 온도 변화에 따른 가습기 성능을 분석하기 위한 실험을 수행하였으며, 그 결과로부터 다음과 같은 성능 특성을 확인하였다.

가설 설정

각 실험은 스택운전 온도가 70 라고 설정하되 배관에서의 열손실 등을 고려하여 가습기로 공급되는 습배기가스의 온도와 노점온도를 각각 65 와 67 로 고정하였으며, 가습기로 유입되는 외기는 노점온도는 0 인 건조한 상태로 설정하였다. 다만, 건공기 유입 온도는 외기 온도와 공기 공급기의 운전 조건에 따라서 변화할 수 있다고 가정하였으며, 이에 따라 유입 온도를 30~50 로 변화시키며 가습기 성능 시험을 수행하였다. Table 2에 가습기 성능 실험 조건을 요약하였다.
식 (13)에서, 막을 통한 물 이동에 의한 에너지 전달을 고려하기 위한 Tavg는 간단히 모든 입·출구의 평균온도로 가정하였다.

제안 방법

가습기 내부에서의 열·물 전달현상을 보다 자세히 알아보기 위하여 단순화된 기하학 조건 및 경계조건에 대한 열·유동해석을 수행하였으며, 이로부터 막 튜브에서의 전달현상을 알아보았다.
가습기 입구의 온도 조건이 막 내부의 국소 전달률의 변화에 미치는 영향을 알아 보기 위하여 단일 튜브의 내부와 외부에 대한 단상(single phase) 열유동 수치해석을 수행하였다. 본 해석에서는 시스템을 2차원 축대칭 원통형 좌표계로 단순화 하였으며, 막 내에서 축방향 전달을 무시하였다.
가습기의 성능을 분석하기 위한 평가장치는 각 입구 유동의 온도, 습도, 유량을 독립적으로 제어하고, 각 입구 및 출구에서의 습도, 온도, 압력을 측정할 수 있도록 설계되었으며, (주)오선테크에서 제작을 담당하였다. 유로 입출구 및 주요 제어부에서 센서를 통하여 측정된 데이터는 RS232 통신을 통하여 초당 1회 실시간으로 PC에 저장된다.
각 실험은 스택운전 온도가 70 라고 설정하되 배관에서의 열손실 등을 고려하여 가습기로 공급되는 습배기가스의 온도와 노점온도를 각각 65 와 67 로 고정하였으며, 가습기로 유입되는 외기는 노점온도는 0 인 건조한 상태로 설정하였다. 다만, 건공기 유입 온도는 외기 온도와 공기 공급기의 운전 조건에 따라서 변화할 수 있다고 가정하였으며, 이에 따라 유입 온도를 30~50 로 변화시키며 가습기 성능 시험을 수행하였다.
단순화된 기하학적 조건을 적용함으로써, 비록 실제 가습기에서 발생하는 각 튜브 간의 불균일성과 튜브 외부 유동의 비축대칭성 및 쉘을 통한 열 및 운동량 손실은 반영하지 못하였으나, 입구 조건과 축방향 튜브 위치에 따른 국소 전달률의 변화를 이해하는데 주력하였다.
본 연구에서는 입구 온도에 따른 가습기 성능 특성 변화에 대한 실험을 수행하였으며, 단순화된 기하학적 조건에 대하여 상세모델링을 적용한수치 해석 결과와 비교하였다. 수치해석을 위하여 단일 튜브의 나피온 중공사막에 대하여 국소물전달계수(local water transfer coefficeint)를 모델링하였으며, 이로부터 튜브 내외측의 유동장, 온도장 및 농도장을 구하였다.
가습기 입구의 온도 조건이 막 내부의 국소 전달률의 변화에 미치는 영향을 알아 보기 위하여 단일 튜브의 내부와 외부에 대한 단상(single phase) 열유동 수치해석을 수행하였다. 본 해석에서는 시스템을 2차원 축대칭 원통형 좌표계로 단순화 하였으며, 막 내에서 축방향 전달을 무시하였다. 단순화된 기하학적 조건을 적용함으로써, 비록 실제 가습기에서 발생하는 각 튜브 간의 불균일성과 튜브 외부 유동의 비축대칭성 및 쉘을 통한 열 및 운동량 손실은 반영하지 못하였으나, 입구 조건과 축방향 튜브 위치에 따른 국소 전달률의 변화를 이해하는데 주력하였다.
본 연구에서는 입구 온도에 따른 가습기 성능 특성 변화에 대한 실험을 수행하였으며, 단순화된 기하학적 조건에 대하여 상세모델링을 적용한수치 해석 결과와 비교하였다. 수치해석을 위하여 단일 튜브의 나피온 중공사막에 대하여 국소물전달계수(local water transfer coefficeint)를 모델링하였으며, 이로부터 튜브 내외측의 유동장, 온도장 및 농도장을 구하였다. 이러한 해석 기법을 이용하여 막을 통한 국소열유속(local heat flux)과 국소물질량유속(local water mass flux)의 분포를 관찰하였으며, 입국 온도가 국소열유속과 국소물질량유속의 분포 변화에 미치는 영향에 대하여 논의하였다.
실험과 수치해석을 통하여 중공사형 Nafion 막을 사용하는 PEMFC용 Gas-to-Gas 막가습기의 입구온도 변화에 따른 열 및 물 전달 특성을 이해하기 위한 연구를 수행하였다. 온도 변화에 따른 가습기 성능을 분석하기 위한 실험을 수행하였으며, 그 결과로부터 다음과 같은 성능 특성을 확인하였다.
온도에 따른 가습기 성능 특성 변화를 좀더 자세히 알아보기 위하여, 측정된 입구, 출구의 온도, 습도 데이터로부터 아래의 에너지 및 물 보존식을 이용하여 평균열유속(average heat flux), q“avg 과 물의 평균질량유속(average mass flux), m"avg 을 구하여 Fig. 4에 나타내었다.
이러한 실험결과를 보다 자세히 이해하기 위하여 단순화된 기하학 조건에 대한 열•유동해석을 수행하였으며, 이로부터 막 튜브에서의 전달현상을 알아보았다.
수치해석을 위하여 단일 튜브의 나피온 중공사막에 대하여 국소물전달계수(local water transfer coefficeint)를 모델링하였으며, 이로부터 튜브 내외측의 유동장, 온도장 및 농도장을 구하였다. 이러한 해석 기법을 이용하여 막을 통한 국소열유속(local heat flux)과 국소물질량유속(local water mass flux)의 분포를 관찰하였으며, 입국 온도가 국소열유속과 국소물질량유속의 분포 변화에 미치는 영향에 대하여 논의하였다.

대상 데이터

유로 입출구 및 주요 제어부에서 센서를 통하여 측정된 데이터는 RS232 통신을 통하여 초당 1회 실시간으로 PC에 저장된다. 온도 센서는 T-type 열전대를 사용하였으며, 습도센서는 Vaisala 사의 HMP233 상대습도계를 사용하였고, 압력센서는 Keller 사의 DR-23R 센서를 사용하였으며, 질량유량제어기는 Bronkhorst사의 제품을 사용하였다.⁽⁹⁾

이론/모형

해석 툴은 COMSOL Multiphysics 3.2(10)을 사용하였으며, 막의 내 외부 영역에서 질량, 운동량, 에너지 및 화학종 보존에 대한 지배방정식과 상호관계식은 각각 다음과 같다.

성능/효과

(1) 막을 통한 국소열유속은 입구온도가 증가할수록 전반적으로 감소하였으며, 튜브 입구에서는 상대적으로 낮고 출구에 가까워질수록 단조적으로 증가하는 분포를 나타내었다.
(2) 입구 온도가 증가하면 근접노점온도가 증가하다 다시 감소하는 비선형적인 특성이 나타났다.
(2) 입구온도가 40 ℃인 경우, 막을 통한 국소 물질량유속은 튜브 입구와 출구에서 높은 값을 갖고 튜브 중앙 부분에서 낮은 값을 갖는 비선형적인 분포를 나타내었다. 튜브 입구에서 높은 값을 갖는 것은 막의 함수도가 적정 값일 때 막의 물확산 계수가 증가하는 특성에 기인하고, 튜브 출구에서 높은 값을 갖는 것은 온도가 증가할수록 물확산 계수가 증가하는 특성에 기인한다.
(3) 입구온도가 40 ℃보다 감소하면 막의 함수도가 적정 범위에 도달하는 위치가 입구 측에 지나치게 근접하고 이때의 온도가 낮아서 국소물질량유속의 크기가 제한된다.
(4) 입구온도가 40 ℃보다 증가하면 입구 부분에서 막의 양 표면에서 상대습도와 함수도가 낮아지는 건조 현상이 발생하여 실질적인 물전달 영역이 튜브의 출구 영역으로 국한되는 현상이 발생한다.
Fig. 5(a)의 국소열전달유속은 건공기 입구 측에서 출구 측으로 진행할수록 단조롭게 증가하는 특성을 보인다. 이는 건공기 출구에 가까울수록 튜브 및 쉘 유동 온도가 증가함으로 인하여 막 양 면에서의 평균유속이 증가하고, 결국 국소 열 전달계수가 증가하기 때문이다.
그러나, 수증기의 농도 감소와 더불어 온도도 함께 감소하기 때문에 대분분의 영역에서 수증기가 포화된 상태로 존재하고, 따라서 막 표면의 함수도도 높은 값을 유지하게 된다. 결과적으로 T_i 가 30 ℃ 이하에서는, Fig. 7(b)에 표시되지 않았으나, 전 튜브 영역에서 해석 조건에서 정한 최대의 함수도 값을 갖았으며, T_i 가 40 ℃ 인 경우도 건공기 입구 근처의 극히 일부 영역만 약간 낮은 값을 갖는 결과를 얻었다. 그러나, 건공기 입구 온도가가 50 ℃ 이상에서는 온도의 손실이 상대적으로 적어짐에 따라 건공기 입구 또는 습공기 출구에 가까운 지역에서 습공기의 상대습도가 감소하고, 이로 인하여 막 표면의 함수도가 현저하게 감소하는 현상이 발생한다.
건공기 입구온도, T_i 가 과도하게 높으면 습공기 측의 막 표면 함수도가 급격히 감소함에 따라 막 양면의 함수도 차이가 감소한다. 결과적으로 T_i 에 따라 증가하는 물 확산계수와 T_i가 어느 이상 높으면 급격히 감소하는 습공기 측 함수도의 상호작용에 의하여 T_i 가 약 40 ℃인 조건에서 막을 통한 물 전달이 가장 활발히 이루어진다.
건공기 입구 온도가 40 ℃ 이하로서 상대적으로 낮은 경우, 국소물질량유속이 입구와 출구 부근에서 높은 값을 갖고 중간에 낮은 값을 갖는 분포 특성을 보이는 것과는 달리, 건공기 입구 온도가 50 ℃ 이상인 경우 입구 부분에서의 물질량유속은 낮은 값을 갖는 것을 볼 수 있다. 특히, 극대값을 갖는 위치가 입구 온도 증가에 따라 입구 부분에서 점차 출구부분으로 이동하면서 출구 부분의 물질량유속은 조금씩 증가하였으나, 결국 50 ℃ 이상에서는, 온도 증가에 따라 전반적인 물전달이 감소하는 특성을 알 수 있다.

후속연구

상기의 연구들은 가습기를 집중계(lumped system)로 근사한 단순모델을 적용하여 가습기 출구에서의 성능을 성공적으로 예측함으로써 주목을 받았다. 그러나 이러한 집중계 모델로는 막 위치에 따른 국소 전달률을 확인할 수 없다는 한계가 있으며, 가습기 내부에서 이루어지는 복잡한 전달현상을 보다 자세히 이해하기 위해서는 막의 국소 전달률 분포가 도움이 될 것이다.
향후, 보다 정밀한 해석을 위해서는 shell 내의 유동의 불균일성과 이차 유동의 영향, 튜브 간의 유동 편차 등을 고려한 보다 현실적이고 다양한 유동 조건에 대한 수치해석이 요구된다. 본 실험 결과와 전달 현상 모델링은 앞으로 수행될 정밀 해석을 위한 자료로서 활용될 수 있을 것이다.
본 연구의 수치해석은 현상에 대한 이해에 초점을 맞추었으며, 이를 위하여 단순화된 기하학 조건과 유동 경계조건을 적용한 한계가 있다. 향후, 보다 정밀한 해석을 위해서는 shell 내의 유동의 불균일성과 이차 유동의 영향, 튜브 간의 유동 편차 등을 고려한 보다 현실적이고 다양한 유동 조건에 대한 수치해석이 요구된다.
본 연구의 수치해석은 현상에 대한 이해에 초점을 맞추었으며, 이를 위하여 단순화된 기하학 조건과 유동 경계조건을 적용한 한계가 있다. 향후, 보다 정밀한 해석을 위해서는 shell 내의 유동의 불균일성과 이차 유동의 영향, 튜브 간의 유동 편차 등을 고려한 보다 현실적이고 다양한 유동 조건에 대한 수치해석이 요구된다. 본 실험 결과와 전달 현상 모델링은 앞으로 수행될 정밀 해석을 위한 자료로서 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가습기 입구 온도의 변화에 따라 전달 현상에 큰 영향을 미칠 것이라 생각하는 근거는 무엇인가?	특히, 전해질로서뿐만 아니라 가습기용 막으로도 널리 사용되는 나피온 막의 경우, 막을 통한 물 전달계수는 막의 온도 및 수분함유량에 크게 좌우되는 특성이 있다(5,6) . 기체의 상대 습도와 막의 수분 함유량 자체역시 온도에따라 민감하게 변화한다는 점을 고려할 때, 결국, 가습기 입구 온도의 변화는 전달 현상 전반에 매우 커다란 영향을 미칠 것이다.
	열교환 및 가습을 통한 열 및 물 제어기술은 고분자연료전지 시스템에서 어떤 영향을 주는 요소인가?	고분자연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 시스템에서의 열교환 및 가습을 통한 열 및 물 제어기술은 연료전지 스택 내의 전기화학반응을 비롯하여, 시스템 전반적인 열역학적 효율에 커다란 영향을 미치는 중요한 요소기술이다. 다양한 주변 환경과 급변하는 사용 환경에서의 손쉬운 운전을 위하여 온도와 습도의 사용범위가 큰 PEMFC 소재개발을 위하여 많은 연구가 이루어져 왔음에도 불구하고, 가습기를 이용한 공급가스의 온도 및 습도 제어기술은 현재까지도 PEMFC 시스템에 있어서 필수적인 요소로 자리매김하고 있다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
Chen, D. and Peng, H., 2005, "A Thermodynamic Model of Membrane Humidifiers for PEM Fuel Cell Humidification Control," J. Dyn. Sys., Meas. Ctrl., Vol. 127, pp. 424-432.

상세보기
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Park, S. K., Choe, S.Y. and Choi, S. H., 2008, "Dynamic Modeling and Analysis of a Shell-and-Tube Type Gas-to-Gas Membrane Humidifier for PEM Fuel Cell Application." J. Hydrogen Energy, Vol. 33, pp. 2273-2282.

상세보기
Springer, T. F., Zatwodzinski, T. A. and Gonesfeld, S., 1991, "Polymer Electrolyte Fuel Cell Model," J. Electrochem. Soc., Vol. 138, No. 8, pp. 2234-2342.
Pukrushpan, J. T., Peng, H. and Stenfanopoulou, A. G., 2002, "Simulation and Analysis of Transient Fuel Cell System Performance Based on a Dynamic Reactant Flow Model," Proceeding of ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, New Orleans, USA.
Perma Pure LLC .
Khandelwal, M. and Mench, M. M., 2006, "Direct Measurement of Through-Plane Thermal Conductivity and Contact Resistance in Fuel Cell Materials," J. Power sources, Vol. 161, pp 1106-1105.

상세보기
Hwang, J. Y., Kang, K. and Park, M., 2007, "A Study on the Characteristics of Heat and Water Transfer in a Membrane Humidifier for PEMFC," J. Industrial Technology, Vol. 16, pp. 127-138.
Comsol Inc. .

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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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