[국내논문]이온교환막 연료전지용 원통형 막 가습기의 열 및 물질전달특성 기초 연구 Basic Analysis of Heat and Mass Transfer Characteristics of Tubular Membrane Humidifier for Proton Exchange Membrane Fuel Cell원문보기
막 가습기는 다른 가습장치와는 달리, 기생 전력의 손실이 없고 가습 성능이 우수하여 이온교환막연료전지의 외부 가습을 위해 적용되고 있다. 원통형 막 가습기는 특히 가습성능에 비해 요구 체적이 매우 작기 때문에, 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용된다. 막가습기의 최적 설계를 위한 열 및 물질 전달 특성에 대한 이해가 필요하지만, 아직 다양한 연구가 이루어지고 있지 않다. 본 연구에서는 원통형 막가습기의 열 및 물질전달 특성을 이해하기 위한 특성 실험을 수행하였다. 기존의 습도 측정계는 비정상 가습 특성 실험에 한계가 있고, 정상 상태에서도 고온 다습한 환경에서는 오차가 크기 때문에 본 연구에서는 습증기 응축법을 이용하였다. 가습기의 정상상태 특성을 확인하기 위해 압력과 온도 변화에 대한 실험을 수행하였으며, 비정상 특성을 확인하기 위해 순간 유량 변화 시의 가습 성능을 측정하였다. 본 연구에서는 이상의 기초 실험을 통해서 막 가습기의 성능에 영향을 미치는 주요 인자를 확인하였으며, 원통형 막가습기의 기초적인 열 및 물질 전달 특성을 이해하였다.
막 가습기는 다른 가습장치와는 달리, 기생 전력의 손실이 없고 가습 성능이 우수하여 이온교환막 연료전지의 외부 가습을 위해 적용되고 있다. 원통형 막 가습기는 특히 가습성능에 비해 요구 체적이 매우 작기 때문에, 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용된다. 막가습기의 최적 설계를 위한 열 및 물질 전달 특성에 대한 이해가 필요하지만, 아직 다양한 연구가 이루어지고 있지 않다. 본 연구에서는 원통형 막가습기의 열 및 물질전달 특성을 이해하기 위한 특성 실험을 수행하였다. 기존의 습도 측정계는 비정상 가습 특성 실험에 한계가 있고, 정상 상태에서도 고온 다습한 환경에서는 오차가 크기 때문에 본 연구에서는 습증기 응축법을 이용하였다. 가습기의 정상상태 특성을 확인하기 위해 압력과 온도 변화에 대한 실험을 수행하였으며, 비정상 특성을 확인하기 위해 순간 유량 변화 시의 가습 성능을 측정하였다. 본 연구에서는 이상의 기초 실험을 통해서 막 가습기의 성능에 영향을 미치는 주요 인자를 확인하였으며, 원통형 막가습기의 기초적인 열 및 물질 전달 특성을 이해하였다.
The proton exchange membrane (PEM) fuel cell system is critically dependent on the humidity, which should be properly maintained over the entire operating range. A membrane humidifier is used for the water management in the PEMFC because of the membrane humidifier's reliable performance and zero par...
The proton exchange membrane (PEM) fuel cell system is critically dependent on the humidity, which should be properly maintained over the entire operating range. A membrane humidifier is used for the water management in the PEMFC because of the membrane humidifier's reliable performance and zero parasitic power loss. In the PEMFC system, the membrane humidifier is required to provide appropriate humidity for the design point of the fuel cell. Although the performance of the fuel cell depends on the performance of the humidifier, few studies have provided a systematic analysis of the humidifier. We carry out an experimental analysis of the membrane humidifier using a vapor condensation bottle. The dry air pressure, water flow temperature, and air flow rate were chosen as the operating parameters. The results show that the time constant for the dynamic response of the membrane humidifier is relatively short, but additional analysis should be carried out.
The proton exchange membrane (PEM) fuel cell system is critically dependent on the humidity, which should be properly maintained over the entire operating range. A membrane humidifier is used for the water management in the PEMFC because of the membrane humidifier's reliable performance and zero parasitic power loss. In the PEMFC system, the membrane humidifier is required to provide appropriate humidity for the design point of the fuel cell. Although the performance of the fuel cell depends on the performance of the humidifier, few studies have provided a systematic analysis of the humidifier. We carry out an experimental analysis of the membrane humidifier using a vapor condensation bottle. The dry air pressure, water flow temperature, and air flow rate were chosen as the operating parameters. The results show that the time constant for the dynamic response of the membrane humidifier is relatively short, but additional analysis should be carried out.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 막 가습기의 성능 특성을 이해하기 위해 열 및 물질 전달 기초 성능 실험을 수행할 수 있는 실험장치와 실험기법을 개발하고자 한다. 개발된 장치를 통해 정상 상태 및 과도 상태에서의 출구 습도와 온도, 유량을 측정함으로써 가습기 성능 특성을 이해하고자 하였다.
본 연구에서는 막 가습기의 성능 특성을 이해하기 위해 열 및 물질 전달 기초 성능 실험을 수행할 수 있는 실험장치와 실험기법을 개발하고자 한다. 개발된 장치를 통해 정상 상태 및 과도 상태에서의 출구 습도와 온도, 유량을 측정함으로써 가습기 성능 특성을 이해하고자 하였다. 이때 선택된 원통형 막 가습기는 Liguid-to-Gas 방식의 Shell-and-Tube형을 선택하였고, 가습기의 내구성을 고려하여 운전 조건을 선별하고 기초 성능 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 비정상 상태에서의 막을 통한 습증기 수송 특성을 이해하기 위해 건공기의 유량을 매우 짧은 시간에 급격히 변화시키고 막을 통한 습증기 수송 특성을 확인하였다. 건공기 유량이 급격히 변화하는 것을 모사하기 위해 필터를 거친 압축 공기 후단을 두 개로 나눠 각각 솔레노이드 밸브를 연결하고 각각의 밸브가 열렸을 때 흐르는 유량은 니들 밸브를 이용하여 조절하였으며 유량을 확인하기 위해 유량계를 설치하였다.
수초 미만의 응답특성을 갖는 막가습기의 과도 응답 특성은 상용으로 판매되는 습도센서를 이용해 측정할 경우 신뢰도가 매우 낮은 결과를 보인다. 본 연구에서는 과도상태에서의 습도 변화를 측정하기 위해 가습기 출구단의 수분을 응축 시켜 그 질량을 측정하고 그 질량을 이용하여 습도를 계산하였다. 과도 응답구간을 8개 구간으로 나누어 솔레노이드 밸브 제어를 통해 8번에 거쳐 측정을 하여 각각의 워터트랩의 질량 변화 를 이용해 습공기 질량을 계산하였다.
특히, 연료전지의 비정상 운전시에 가습 기가 적절한 수분을 공급해 주지 못하게 되면, 막의 열화현상이 심화될 수 있다. 그러므로, 연료 전지의 비정상 운전에 따른 가습기의 응답 특성에 대한 이해가 매우 중요하며, 본 연구에서는 이러한 가습기의 비정상 응답 특성을 확인하기 위해 공기 유량을 순간 변화 시키면서 물질 전달 특성을 확인하였다. Fig.
가설 설정
실험장치도에서는 가습기를 거친 습공기는 워터 트랩을 거치며 워터 트랩 내에 물을 응축시키고 밖으로 배출된다. 본 연구에서는 이 습공기의 상대 습도를 100%로 가정하였으며, 가습기 후단에서 습공기가 함유하고 있는 습증기의 총질량은 워터 트랩 내에 응축된 수분의 질량과 워터트랩을 통 해 상대 습도 100%로 배출된 공기 중에 포함된 습증기 유량이 된다. 이때 항온조의 크기를 충분 히 크게 하였기 때문에 워터 트랩의 온도와 워터 트랩을 통해 배출되는 가스의 온도는 항온조의 온도와 같다고 가정하였다.
본 연구에서는 이 습공기의 상대 습도를 100%로 가정하였으며, 가습기 후단에서 습공기가 함유하고 있는 습증기의 총질량은 워터 트랩 내에 응축된 수분의 질량과 워터트랩을 통 해 상대 습도 100%로 배출된 공기 중에 포함된 습증기 유량이 된다. 이때 항온조의 크기를 충분 히 크게 하였기 때문에 워터 트랩의 온도와 워터 트랩을 통해 배출되는 가스의 온도는 항온조의 온도와 같다고 가정하였다. 항온조로부터 배출되는 건공기의 질량은 가습기 입구단의 유량계로부터 결정되므로, 건공기 압력과 온도를 측정한 후 다음과 같이 공기의 질량 유량을 구하였다.
제안 방법
2는 막가습기의 운전특성을 측정하기 위한 실험장치도를 보여주고 있다. 열 및 물질전달을 극대화 시킬 수 있는 대향류 방식을 선택하였고 두 유체의 입구와 출구에서의 압력과 온도를 압력 센서와 열전대를 이용하여 측정하였다. 공급되는 공기는 압축 공기를 이용하였고 필터를 사용하여 수분과 기타 입자상 물질 등을 제거하였다.
가습기 출구부의 후단에는 연속적인 시료 채취를 위한 9개의 솔레노이드 밸브와 8개의 워터 트랩을 연결하였다. 워터 트랩은 가습기를 거쳐 습해진 공기 속의 수분을 응축시키기 위해 설치하였고, 착탈이 가능하도록 고안하여 실험에 의해 트랩의 물이 증가한 량을 정밀저울을 이용해 측정하였다. 하지만, 1회 실험으로 측정할 수 있는 시료의 양이 매우 작은데 시료 채취를 위한 트랩이 크기 때문에 정밀 저울로 1회 채취량을 재는 데는 한계가 있다.
하지만, 1회 실험으로 측정할 수 있는 시료의 양이 매우 작은데 시료 채취를 위한 트랩이 크기 때문에 정밀 저울로 1회 채취량을 재는 데는 한계가 있다. 그러므로, 재현성이 있는 연속 실험을 수행하여 수분의 량을 측정하였다. 이러한 연속실험시 뜨거운 습공기로 인한 워터 트랩의 온도 변화를 방지하기 위해 항온조를 이용하여 워터 트랩의 온도를 일정하게 유지시켰다.
그러므로, 재현성이 있는 연속 실험을 수행하여 수분의 량을 측정하였다. 이러한 연속실험시 뜨거운 습공기로 인한 워터 트랩의 온도 변화를 방지하기 위해 항온조를 이용하여 워터 트랩의 온도를 일정하게 유지시켰다. 검출된 신호를 처리하기 위해 National Instrument 사의 Compact Field Point®를 이용하여 데이터를 검출하고 처리하였으며, RT Labview를 통해 제어패널을 구축하고, 제어로직을 이식하여 전체 실험 과정을 제어 하였다.
막 가습기의 기초 특성 평가 실험을 위해서 가습수의 온도, 건공기의 압력, 건공기의 유량을 변화시켜 가면서 건공기 출구에서의 상대습도를 측정하였다. 이슬점은 일정한 압력 하에서 수증기가 포화되는 순간의 온도이므로, 주어진 온도와 압력 조건하에서는 막을 통과한 수증기의 이송량을 정량적으로 비교하기에 적합하다.
이슬점 계산에 있어서는 가습기를 거쳐 배출된 습공기에 함유된 수분의 질량을 이용하였다. 실험장치도에서는 가습기를 거친 습공기는 워터 트랩을 거치며 워터 트랩 내에 물을 응축시키고 밖으로 배출된다.
이때 항온조의 크기를 충분 히 크게 하였기 때문에 워터 트랩의 온도와 워터 트랩을 통해 배출되는 가스의 온도는 항온조의 온도와 같다고 가정하였다. 항온조로부터 배출되는 건공기의 질량은 가습기 입구단의 유량계로부터 결정되므로, 건공기 압력과 온도를 측정한 후 다음과 같이 공기의 질량 유량을 구하였다.
본 연구에서는 비정상 상태에서의 막을 통한 습증기 수송 특성을 이해하기 위해 건공기의 유량을 매우 짧은 시간에 급격히 변화시키고 막을 통한 습증기 수송 특성을 확인하였다. 건공기 유량이 급격히 변화하는 것을 모사하기 위해 필터를 거친 압축 공기 후단을 두 개로 나눠 각각 솔레노이드 밸브를 연결하고 각각의 밸브가 열렸을 때 흐르는 유량은 니들 밸브를 이용하여 조절하였으며 유량을 확인하기 위해 유량계를 설치하였다. 순간적인 유량의 변화를 보다 정확히 확인하기 위해 가습기 전단의 압력 변화를 측정하였으며, 시간에 따른 유량의 변화 양상을 예측하였다.
건공기 유량이 급격히 변화하는 것을 모사하기 위해 필터를 거친 압축 공기 후단을 두 개로 나눠 각각 솔레노이드 밸브를 연결하고 각각의 밸브가 열렸을 때 흐르는 유량은 니들 밸브를 이용하여 조절하였으며 유량을 확인하기 위해 유량계를 설치하였다. 순간적인 유량의 변화를 보다 정확히 확인하기 위해 가습기 전단의 압력 변화를 측정하였으며, 시간에 따른 유량의 변화 양상을 예측하였다.
본 연구에서는 과도상태에서의 습도 변화를 측정하기 위해 가습기 출구단의 수분을 응축 시켜 그 질량을 측정하고 그 질량을 이용하여 습도를 계산하였다. 과도 응답구간을 8개 구간으로 나누어 솔레노이드 밸브 제어를 통해 8번에 거쳐 측정을 하여 각각의 워터트랩의 질량 변화 를 이용해 습공기 질량을 계산하였다. 하지만, 1 회 측정을 통해 변하는 습공기 질량은 매우 소량이므로, 과도응답을 연속적으로 반복 재현하여 매회 응축된 습공기의 누적 질량을 측정하는 방법을 사용하였다.
과도 응답구간을 8개 구간으로 나누어 솔레노이드 밸브 제어를 통해 8번에 거쳐 측정을 하여 각각의 워터트랩의 질량 변화 를 이용해 습공기 질량을 계산하였다. 하지만, 1 회 측정을 통해 변하는 습공기 질량은 매우 소량이므로, 과도응답을 연속적으로 반복 재현하여 매회 응축된 습공기의 누적 질량을 측정하는 방법을 사용하였다. 각각의 워터트랩으로 유입되는 유량은 정상상태 실험을 먼저 수행하여 재현성이 있음을 확인하였다.
하지만, 1 회 측정을 통해 변하는 습공기 질량은 매우 소량이므로, 과도응답을 연속적으로 반복 재현하여 매회 응축된 습공기의 누적 질량을 측정하는 방법을 사용하였다. 각각의 워터트랩으로 유입되는 유량은 정상상태 실험을 먼저 수행하여 재현성이 있음을 확인하였다.
2 ℃을 나타내고 있다. 그러므로 본 연구에서는 500회를 1회 과도 응답 측정을 위한 반복 횟수로 정하였다.
반복 실험에 의해 워터 트랩의 온도가 상승하는 것을 막기 위해 항온조를 설치하는 것 외에도 반복실험 사이의 간격도 조절할 필요가 있다. 1회 반복이 8개의 시료를 채취하는데 여기에 소요 되는 시간을 40초 이상으로 하게 되면 워터트랩 의 온도변화가 없음을 관찰하였으며, 40초를 1회 반복 시간으로 정하였다.
본 논문에서는 막 가습기의 열 및 물질 전달 특성을 실험적으로 확인하기 위해 가습수의 온도, 공기의 압력 및 유량을 변수로 하여 실험하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
열 및 물질전달을 극대화 시킬 수 있는 대향류 방식을 선택하였고 두 유체의 입구와 출구에서의 압력과 온도를 압력 센서와 열전대를 이용하여 측정하였다. 공급되는 공기는 압축 공기를 이용하였고 필터를 사용하여 수분과 기타 입자상 물질 등을 제거하였다. 가습수의 경우 별도의 히터를 통해 외부에서 가열한 후 가습기에 펌프를 이용해 공급하였으며, 출구단의 배압을 조절하여 가습기 운전압을 조절하였다.
즉, 양단의 압력이 동일할 경우에는 수분을 수송하는 구동력은 순방향(가습수→건공기)으로 작용하는 양단의 수분의 농도차가 되지만, 역방향 압력 변화가 발생하게 되면 전체 수송력은 감소하게 된다. 본 논문에서는 이러한 역방향 압력 변화에 따른 이슬점 변화를 조사하였으며, 가습수의 작동온도가 50℃인 경우와 60℃인 경우에 대해 압력 변화에 따른 결과를 Fig. 5과 Fig. 6에 각각 나타내었다. 두 경우에서 가습수의 압력은 1.
6 bar, 온도는 50℃로 유지하였고, 4초가 되는 순간 건공기의 유량을 증가시켰으며 그 때 압력은 115 kPa에서 168 kPa로 증가 하였다. 건공기 유량의 계단형 입력에 대한 가습기의 응답은 유량이 변화한 후 1초 이내에 정상상태로 변화 하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 막 가습기는 원통 모양 실린더 내부에 25㎛ 두께의 Nafion®재질의 얇은 튜브 480개 관군을 가지고 있다.
(19) Tdp는 이슬점 [℃]을 뜻하고 Ta,o는 가습기 후단에서 습증기의 온도[℃]이다. 실험에 사용된 변수 및 그 범위는 Table 1에 나타내었으며, 유량은 가습기 정격 유 량과 내구한도를 고려하여 선정하고 압력과 운전 온도는 가습기의 내구한도를 고려하여 선정하였 다.
데이터처리
검출된 신호를 처리하기 위해 National Instrument 사의 Compact Field Point®를 이용하여 데이터를 검출하고 처리하였으며, RT Labview를 통해 제어패널을 구축하고, 제어로직을 이식하여 전체 실험 과정을 제어 하였다.
이론/모형
개발된 장치를 통해 정상 상태 및 과도 상태에서의 출구 습도와 온도, 유량을 측정함으로써 가습기 성능 특성을 이해하고자 하였다. 이때 선택된 원통형 막 가습기는 Liguid-to-Gas 방식의 Shell-and-Tube형을 선택하였고, 가습기의 내구성을 고려하여 운전 조건을 선별하고 기초 성능 실험을 수행하였다.
성능/효과
(3) 건공기 유량을 급격히 증가시키고 감소시킬 때의 막의 습증기 수송 특성을 관찰한 결과, 유량을 급격히 감소시킬때에만 습증기의 2차적인 수송 지연이 관측되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이온교환막 연료전지의 외부 가습을 위해 막 가습기가 사용되는 이유는?
막 가습기는 다른 가습장치와는 달리, 기생 전력의 손실이 없고 가습 성능이 우수하여 이온교환막 연료전지의 외부 가습을 위해 적용되고 있다. 원통형 막 가습기는 특히 가습성능에 비해 요구 체적이 매우 작기 때문에, 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용된다.
PEMFC가 적절한 성능을 내기 위해서는 전지 내부의 열관리와 물관리가 중요한데 이 중 물관리를 위한 가습법에는 무엇이 있으며 각각의 특징은 무엇인가?
이 중 물관리를 위해서는 외부 가습이 필요하며, 가습법은 크게 내부 가습과 외부 가습, 두 가지로 분류할 수 있다. 내부 가습은 연료전지 스택의 일부를 가습층으로 사용하고, 냉각수를 이용하여 수분을 공급하는 방법으로 가습 성능 측면에서는 불리하지만, 일체형으로 제작이 가능하다는 장점이 있다. 이에 비해, 외부 가습은 별도의 가습 장치를 통해 수분을 공급하는 방법으로 액적 분무 방식, 엔탈피 휠 방식, 버블러 방식, 그리고 친수성 투과막을 이용한 막 가습 방식이 있다.
원통형 막 가습기가 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용되는 이유는?
막 가습기는 다른 가습장치와는 달리, 기생 전력의 손실이 없고 가습 성능이 우수하여 이온교환막 연료전지의 외부 가습을 위해 적용되고 있다. 원통형 막 가습기는 특히 가습성능에 비해 요구 체적이 매우 작기 때문에, 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용된다. 막가습기의 최적 설계를 위한 열 및 물질 전달 특성에 대한 이해가 필요하지만, 아직 다양한 연구가 이루어지고 있지 않다.
참고문헌 (19)
Lamenie, J. and Dicks, A., 2003, Fuel Cell Systems Explaned, John Wiley & Sons Ltd.
Springer, T. F., Zawodzinski, T. A. and Gonesfeld, S., 1991, "Polymer Electrolyte Fuel Cell Model," J. Electrochem. Soc., 138, No. 8, pp. 2334-2342.
Ceraolo, M., Miulli, C. and Pozio, A., 2003, "Modeling Static and Dynamic Rehavior of Proton Exchange Membrane Fuel Cell on the Basis of Electrochemical Description," J. Power Sources, 113, pp. 131-144
Pukrushpan, J. T., Peng, H. and Stefanopoulou, A., 2002, "Simulation and Analysis of Transient Fuel Cell System Performance Based on a Dynamic Reactant Flow Model," Proceeding of ASME Internatioinal Mechanical Engineering Congress & Exposition, New Orleans, Loutsiana.
Picot, D., Metkemeijer, R., Bezian, J.J. and Rouveyre, L., 1998, "Impact of the Water Symmetry Factor on Humidification and Cooling Strategies for PEM Fuel Cell Stacks," Journal of Power Sources, Vol. 75, pp. 251-260.
Staschewski, D. and Mao, Z. Q., 1999, "PEMFC Operation with Extraordinarily Low Gas Pressures and Internal Humidification-Conception and Experimantal Prototype Stack," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 24, pp.543-548.
Buchi, F. N. and Srinivasan, S., 1997, "Operating Proton Exchange Membrane Fuel Cells without External Humidification of the Reactant Gases-Fundamental Aspects," Journal of Electrochemical Society, Vol. 144, No. 8, pp. 2767-2772.
Chen, D. and Peng, H., 2005, "A Thermodynamic Model of Membrane Humidifiers for PEM Fuel Cell Humidification Control," Journal of Dynamic Systems, Measurement, Vol. 127, pp. 424-432.
Chu, D., Jiang, R. and Walker, C., 1999, "Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(PEMFC) Stacks Part 1. Evaluation and Simulation of an Air-Breathing PEMFC Stack," Journal of Power Sources, 83, pp. 128-133.
Ha, T. H., Kim, H. S. and Min, K. D., 2006. "Experimental and Modeling Study of Humidification Performance of Membrane Humidifier for PEM Fuel Cell," J. of KSAE, pp. 1766-1771.
Cave, P. and Merida, W., 2008, "Water Flux in Membrane Fuel Cell Humidifier: Flow Rate and Channel Location Effects," Journal of Power Sources 175, pp. 408-418.
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 Applications," International Journal of Hydrogen Energy, 33, pp. 2273-2282.
Chen, D., Li, W. and Peng, H., 2008, "An Experimental Study and Model Validation of a Membrane Humidifier for PEM Fuel Cell Humidification Control," 180, pp. 61-467.
Park., S. and Oh, I.-H., 2009, "An Analytic Model of Nafion TM Membrane Humidifier for Proton Exchange Membrane Fuel Cells," 188, pp. 498-501.
Kang, S., Min, K. and Yu, S., 2010, "Two Dimensional Dynamic Modeling of a Shell-and-Tube Water-to-Gas Membrane Humidifier for Proton Exchange Membrane Fuel Cell," 35, pp. 1727-1741.
Yu, S., Lee, Y., Bae, H., Hwang, J. and Ahn, K., 2009, "Mass and Heat Transfer Analysis of Membrane Humidifier with a Simple Lumped Mass Model," Trans. of the KSME, B, Vol. 33, No. 8, pp. 596-603
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.