[논문]박판형 미세다공 표면에서의 미소액적의 동결

박 천완; 이동규; 백종현; 강채동

doi:10.6110/kjacr.2011.23.3.173

박판형 미세다공 표면에서의 미소액적의 동결
Freezing of Micro-size Water Droplet on Micro Porous Surface 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.23 no.3, 2011년, pp.173 - 178

박 천완 (전북대학교 대학원) , 이동규 (전북대학교 대학원) , 백종현 (한국생산기술연구원) , 강채동 (전북대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Gas diffusion layer(GDL) in PEMFC performs the discharge of water vapor smoothly. When GDL is revealed to cold environment, the freezing of the water droplet or water net in GDL occurs. The purpose of this work is to observe the cooling and freezing behavior of the water droplet which meets to the microporous surface and air under the various low temperature conditions. GDL was coated with waterproof material, which has three types of coating rate, 0, 40 and 60%. Water droplets in series of sizes on GDL were supercooled, frozen and crystalized orderly by circulating low temperature brine. The process of cooling was investigated with the temperature and the snapshot of the water droplet.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

PEMFC 연료전지의 저온시동시의 문제점으로 지적되고 있는 미세다공질층 내 수분동결 거동을 파악하기 위해 GDL 표면상의 액적에 대한 냉각 동결 실험으로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.
GDL 표면 상에 놓인 액적 가운데 과냉각 해소된 액적이 주변의 과냉각 상태 액적의 해소에 영향을 미치는 것을 억제하기 위해 가급적 액적 간 간격을 띄웠다. 또한 액적과 접촉하는(엄밀하게는 액적 내 함입되는) 열전대의 선단부는 미세 용접된 구형형태로 하여 과냉각 해소에 미치는 영향을 줄이고자 하였다. 예비실험을 통하여 가급적 과냉각 해소의 영향을 적게 받도록 설치하였다.
이에 본 연구에서는 미소액적을 갖는 미세 다공질성 GDL이 저온환경에 노출될 때 동결에 영향을 주는 인자를 파악하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 각 조건에 대한 냉각실험에서 온도측정을 통해 동결과정을 파악하였고, 동결현상의 부분가시화를 통해 GDL 표면에서 액적의 동결현상을 관찰하였다.
19 mm의 종잇장(sheet) 형태로 PEMFC의 정상적인 작동을 위해서는 물의 적정 배출 및 수분의 적정유지 뿐만 아니라 내구성 측면을 갖추는 것이 중요하다. 이에 코팅된 GDL에 대하여 동일한 냉각 및 동결실험을 반복하였을 때 평균 과냉도가 어떻게 달라지는지 살폈다.

제안 방법

액적은 증류수를 이용하여 각각 6, 15,30 μL로 정량화 하였으며, 정량화된 액적은 GDL에 고정된 열전대에 접촉시켰다. GDL 표면 상에 놓인 액적 가운데 과냉각 해소된 액적이 주변의 과냉각 상태 액적의 해소에 영향을 미치는 것을 억제하기 위해 가급적 액적 간 간격을 띄웠다. 또한 액적과 접촉하는(엄밀하게는 액적 내 함입되는) 열전대의 선단부는 미세 용접된 구형형태로 하여 과냉각 해소에 미치는 영향을 줄이고자 하였다.
GDL 표면의 조건 및 액적의 크기에 따른 냉각․ 동결 특성을 파악하기 위하여 Table 1과 같이 실험조건을 구성하였으며 각 조건마다 20회의 액적 냉각실험을 수행하였다. GDL(TGPH-060, Toray사.
GDL과 열전대는 아크릴을 이용하여 직경이 ±0.1 mm의 크기를 갖는 균일한 교점 내에 고정 되도록 제작하였다.
GDL은 일반적인 단위전지 셀의 면적과 동일한 크기인 5×5(㎠)로 절단하여 고정하였으며, GDL 표면에 열전대와 마이크로 피펫을 이용하여 정량화하였다.
냉각판의 입구와 출구의 온도를 측정하여 냉각온도를 조절하였으며, 바이패스 밸브를 이용하여 냉각속도를 일정하게 고정하였다. 가시화된 실험 장치에서 과냉각이 해소되는 순간과 동결이 이루어진 이 후 액적 주변에서의 빙 결정 성장을 실체 현미경을 통하여 관찰하였다. 또한 GDL 표면에서 측정된 온도는 데이터 수집장치를 통해 PC에 기록하였다.
12 mm)의 측정부, 그리고 실체현미경(Leica M165C×120), 데이터 수집장치(Agilent 34970A, 20Ch) 및 PC로 구성된 자료수집부로 되어 있다. 냉각/가시화부는 주위를 발포폴리스틸렌수지로 단열하였으며, 간헐적인 현미경 관찰을 위해 단열재 내측 상부를 투명아크릴수지로 창을 구성하여 실험 및 관찰이 이루어지는 동안 외부환경의 영향을 최소화 하였다. GDL과 열전대는 아크릴을 이용하여 직경이 ±0.
한편 단열튜브를 통해 단열상자 내 냉각 시험부까지 순환되는 저온항온수조의 브라인에 의해 약 275 W의 냉각열전달률로 냉각시켜 냉각면 온도를 -20℃로, 상대습도를 40% RH로 일정하게 유지시켰다. 냉각열전달률은 냉각장치의 입구와 출구의 온도차를 이용하여 계산하였다. 또한 GDL 표면에 접촉한 액적의 냉각 및 동결현상은 1초간격으로 수집되는 온도데이터와 현미경에 의해 1분간격으로 PC에 수집되는 영상을 통하여 파악하였다.
연료전지 스택이 저온환경에 노출되는 상황을 구현하기 위해서 저온항온조에서 냉각된 브라인이 냉각/가시화부로 순환되어 GDL을 냉각시키도록 구성하였다. 냉각판의 입구와 출구의 온도를 측정하여 냉각온도를 조절하였으며, 바이패스 밸브를 이용하여 냉각속도를 일정하게 고정하였다. 가시화된 실험 장치에서 과냉각이 해소되는 순간과 동결이 이루어진 이 후 액적 주변에서의 빙 결정 성장을 실체 현미경을 통하여 관찰하였다.
냉각열전달률은 냉각장치의 입구와 출구의 온도차를 이용하여 계산하였다. 또한 GDL 표면에 접촉한 액적의 냉각 및 동결현상은 1초간격으로 수집되는 온도데이터와 현미경에 의해 1분간격으로 PC에 수집되는 영상을 통하여 파악하였다.
액적은 증류수를 이용하여 각각 6, 15,30 μL로 정량화 하였으며, 정량화된 액적은 GDL에 고정된 열전대에 접촉시켰다.
연료전지 스택이 저온환경에 노출되는 상황을 구현하기 위해서 저온항온조에서 냉각된 브라인이 냉각/가시화부로 순환되어 GDL을 냉각시키도록 구성하였다. 냉각판의 입구와 출구의 온도를 측정하여 냉각온도를 조절하였으며, 바이패스 밸브를 이용하여 냉각속도를 일정하게 고정하였다.
또한 액적과 접촉하는(엄밀하게는 액적 내 함입되는) 열전대의 선단부는 미세 용접된 구형형태로 하여 과냉각 해소에 미치는 영향을 줄이고자 하였다. 예비실험을 통하여 가급적 과냉각 해소의 영향을 적게 받도록 설치하였다. 한편 단열튜브를 통해 단열상자 내 냉각 시험부까지 순환되는 저온항온수조의 브라인에 의해 약 275 W의 냉각열전달률로 냉각시켜 냉각면 온도를 -20℃로, 상대습도를 40% RH로 일정하게 유지시켰다.
이에 본 연구에서는 미소액적을 갖는 미세 다공질성 GDL이 저온환경에 노출될 때 동결에 영향을 주는 인자를 파악하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 각 조건에 대한 냉각실험에서 온도측정을 통해 동결과정을 파악하였고, 동결현상의 부분가시화를 통해 GDL 표면에서 액적의 동결현상을 관찰하였다.
접촉각은 접촉각 측정기(SEO, Phoenix 300, ±0.1°)를 통해 화상처리에 의해 구하였다.

대상 데이터

PEMFC내 GDL에서 발생하는 플러딩 및 액적의 동결 현상을 관찰하기 위하여 Fig. 1과 같이 냉각 및 가시화 실험장치를 구성하였다.
본 실험에서 사용한 GDL은 두께가 0.19 mm의 종잇장(sheet) 형태로 PEMFC의 정상적인 작동을 위해서는 물의 적정 배출 및 수분의 적정유지 뿐만 아니라 내구성 측면을 갖추는 것이 중요하다. 이에 코팅된 GDL에 대하여 동일한 냉각 및 동결실험을 반복하였을 때 평균 과냉도가 어떻게 달라지는지 살폈다.
실험장치는 크게 냉각/가시화부, 저온 항온조(Jeio Tech-RBC31, 0∼-45℃)로 구성된 온도조절부, GDL 층 및 T형 열전대(ϕ0.12 mm)의 측정부, 그리고 실체현미경(Leica M165C×120), 데이터 수집장치(Agilent 34970A, 20Ch) 및 PC로 구성된 자료수집부로 되어 있다.
1(a)에 나타내었다. 열전대는 냉각판 입출구 2개소, 냉각판 상에 5개소, 단열상자 내부 1개소에 설치하여 온도를 측정하였다.

성능/효과

1) 발수성(PTFE)코팅의 유무에 관계없이 액적의 양을 6, 15, 30 μL로 증가시킴에 따라 액적의 평균과 냉도는 감소하였다.
2) GDL의 PTFE 코팅률이 0, 40, 60 wt%로 높아짐에 따라 표면에서 액적의 평균과냉도는 각각 6.9, 7.5, 10.1 K으로 증가하였다.
3) 반복 냉각 실험을 실시한 결과 GDL 표면에서 PTFE 코팅의 박리가 발생하였으며, 이러한 박리현상으로부터 접촉각이 감소하였고 과냉도가 점진적으로 감소하였다.
4) 반복실험으로부터 GDL 내 PTFE 코팅의 부분 박리가 발생하였고 반복실험 횟수가 증가함에 따라 GDL 표면에서 액적의 접촉각은 점차 감소하였으며 동결 해동의 반복이 발수성 약화를 가져오는 것으로 확인되었다.
과냉도는 3∼12 K사이에 나타나지만 PTFE가 40 wt% 코팅된 GDL에서 높은 과냉도에 분포하는 것을 확인할 수 있다.
6는 PTFE 코팅이 이루어진 GDL 표면에서 반복 냉각실험의 누계에 따른 평균 과냉도의 변화를 나타낸 것이다. 그 결과 동결 및 해동이 반복되는 실험이 반복될수록 평균과냉도는 지수적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 GDL에 PTFE 코팅을 하여 발수성을 개선시켰을 지라도 GDL 상의 액적에 대한 동결실험을 반복함에 따라 GDL을 구성하는 탄소섬유에 코팅된 PTFE는 부분적 박리를 일으켜 GDL의 발수성을 감소시키게 되고 GDL과 액적의 접촉면적 증가 및 액적의 GDL 내부로의 침투 증가로 이어짐으로서, 결국 과냉각 해소인자가 증가되어 평균 과냉도가 감소한 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기체확산층이란?	수송용 및 가정용으로 많이 사용되고 있는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 스택 내부에 잔존하는 물의 비율은 성능에 큰 영향을 미친다.(1,2) 여기에 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)은 두께 0.5 mm 이하의 다공층으로서 전기전도성, 기계적 강도성, 소수성 등의 성질을 가지며 MEA와 분리판 사이에 위치하여 전해질막의 수분조절과 스택내부의 생성된 물을 분산, 배출시켜 적정수분을 유지시키는 등 PEMFC에서 핵심적인 구성요소이다. 그러나 GDL 표면에서 MPL 도포나 PTFE 코팅을 사용하여 스택 내부의 수분을 적절히 조절하는 방법이 제안되었으며(3,4) 수분 배출의 지연에 따른 플러딩(flooding)-유로폐색현상을 확인하고 이를 개선시키기 위한 시도가 보고되고 있다.
	PEMFC 연료전지의 저온시동시의 문제가 되는 요소는?	PEMFC 연료전지의 저온시동시의 문제점으로 지적되고 있는 미세다공질층 내 수분동결 거동을 파악하기 위해 GDL 표면상의 액적에 대한 냉각 동결 실험으로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.
	GDL 표면상의 액적에 대한 냉각 동결 실험 결과는 어떠한가?	1) 발수성(PTFE)코팅의 유무에 관계없이 액적의 양을 6, 15, 30 μL로 증가시킴에 따라 액적의 평균과 냉도는 감소하였다. 2) GDL의 PTFE 코팅률이 0, 40, 60 wt%로 높아짐에 따라 표면에서 액적의 평균과냉도는 각각 6.9, 7.5, 10.1 K으로 증가하였다. 3) 반복 냉각 실험을 실시한 결과 GDL 표면에서 PTFE 코팅의 박리가 발생하였으며, 이러한 박리현상으로부터 접촉각이 감소하였고 과냉도가 점진적으로 감소하였다. 4) 반복실험으로부터 GDL 내 PTFE 코팅의 부분 박리가 발생하였고 반복실험 횟수가 증가함에 따라 GDL 표면에서 액적의 접촉각은 점차 감소하였으며 동결 해동의 반복이 발수성 약화를 가져오는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (9)

Urbani, F., Barbera, O., Giacoppo, G., Squadrito, G., and Passalacqua, E., 2008, Effect of operative conditions on a PEFC stack performance International Journal of Hydrogen Energ, Vol. 33, No. 12, pp. 3137-3141.

상세보기
Kraytsberg, A. and Ein-Eli, Y., 2006, PEM FC with improved water management, Journal of Power Sources, Vol. 160, No. 1, pp. 194-201.

상세보기
Krishnamurthy, B. and Deepalochania, S., 2009, Effect of PTFE content on the performance of a Direct Methanol fuel cell International J. Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 1, pp. 446-452.

상세보기
Tang, H., Wanga, S., Pana, M., and Yuana, R., 2007, Porosity-graded micro-porous layers for polymer electrolyte membrane fuel cells, Journal of Power Sources, Vol. 166, No. 1, pp. 41-46.

상세보기
Zhang, L., 2008, Model predictive control of water management in PEMFC, J. Power Sources, Vol. 180, No. 1, pp. 322-329.

상세보기
Jiao, K. and Li, X., 2010, Cold start analysis of polymer electrolyte membrane fuel cells International journal of hydrogen energy, Vol. 35, No. 10, pp. 5077-5094.

상세보기
Lim, N.-Y., Park, G.-G., Park, J.-S., Yoon, Y.- G., Lee, W.-Y., Lim, T.-W., and Kim, C.-S., 2006, Freeze/Thaw cycle effects on GDLs and MEAs of PEFC, proceedings of KSNRE 2006 Spring Annual Conference, pp. 96-98.
Lu, Z., Kandlikar, S. G., Rath, C., Grimm, M., Domigan, W., White, A. D., Hardbarger, M., Owejan, J. P., and Trabold, T. A., Water management studies in PEM fuel cells, Part II：Ex situ investigation of flow maldistribution, pressure drop and two-phase flow pattern in gas channels, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 8, pp. 3445-3456.

상세보기
Toray GDL material catalog http://www.torayca.com/properties/en/images/report_eng09_2.html.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증