[논문]대면적 고분자전해질연료전지의 병렬계산 시뮬레이션

곽건희; 푸루소타마; 강경문; 주현철

doi:10.7316/khnes.2011.22.6.868

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This paper presents a parallel computing methodology for polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) and detailed simulation contours of a real-scale fuel cell. In this work, a three-dimensional two-phase PEFC model is applied to a large-scale 200 $cm^2$ fuel cell geometry that requires roughl...

This paper presents a parallel computing methodology for polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) and detailed simulation contours of a real-scale fuel cell. In this work, a three-dimensional two-phase PEFC model is applied to a large-scale 200 $cm^2$ fuel cell geometry that requires roughly 13.5 million grid points based on grid-independence study. For parallel computing, the large-scale computational domain is decomposed into 12 sub-domains and parallel simulations are carried out using 12 processors of 2.53 GHz Intel core i7 and 48GB RECC DDR3-1333. The work represents the first attempt to parallelize a two-phase PEFC code and illustrate two-phase contours in a representative industrial cell.

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문제 정의

5백만개의 격자를 가지고 있으며, 12개의 PC 클러스터에 나누어 병렬계산이 수행되었다. 본 연구는 2상 연료전지 모델을 병렬계산에 적용한 첫 번째 사례이며 대면적 연료전지 내부의 물 분포 및 플러딩 예측을 가능하게 하였다. 2상 대면적 연료전지 시뮬레이션 결과물을 통해 도출된 결론을 정리하면 다음과 같다.
본 연구를 통해 도출된 결론들은 실재 상업용 연료전지크기에서 발생하는 여러 현상들에 대해 포괄적인 이해를 제공하였다. 즉, 대면적 연료전지의 최적화 과정은 대면적 MEA 및 분리판 채널에서 발생하는 2상 유동 및 플러딩, 이에 따른 물질분포 영향성들이 종합적으로 고려되어서 진행되어야 할 것이다.

가설 설정

그리고 온도 계산을 위해 분리판(bipolar plate, BP)의 외부는 등온(60℃) 경계조건이 적용되었다. 그리고 연료전지에 공급되는 수소의 몰농도(molar concentration)는 개질 후 30%의 농도로 공급된다고 가정하였으며 나머지 70%의 가스는 반응하지 않은 불활성 질소 기체로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 기존에 개발된 다차원, 2상 PEFC 모델을 병렬형태로 전환하여 대면적 연료전지형상에 적용하였다. 고려된 대면적 연료전지는 24개의 유로를 갖는 200cm² MEA면적의 PEFC로서, 대략 13.
지금까지 수행된 연료전지 병렬계산은 단상모델에 한정되어 있으며 플러딩(flooding) 현상을 예측할 수 있는 2상 연료전지 모델에 적용한 사례는 아직까지 보고되고 있지 않다. 본 연구에서는 좀 더 복잡한 지배방정식과 관련식들로 구성되어 있는 2상 연료전지 모델을 실재 상업적으로 사용되고 있는 200cm²면적의 PEFC 단위전지에 적용하여 병렬계산을 수행하였다. 여기서 특히 강조되어야 할 부분은 연료전지 내부의 플러딩 현상을 정확히 예측하기 위해서는 반드시 실제크기의 대면적 PEFC 전산해석이 필요하다는 사실이다.
이는 PEFC 내부 물 분포와 그에 따른 플러딩 및 연료전지성능은 채널들 사이의 압력차에 의한 bypass에 의해 큰 영향을 받고, 그 bypass 현상은 간소화된 소면적 PEFC에서는 예측이 불가능하기 때문이다. 전산해석 결과물은 실재 대면적 연료전지에서의 압력강하, 수소 및 산소 농도, 액체포화도(liquid saturation), 전류밀도(current density) 분포들을 보여주며, 이를 통해 관련 현상에 대한 기본적 지식을 제공한다. 2상 모델은 단상모델보다 PEFC내에서 발생하는 물리적 현상을 더욱 정확하게 모사할 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 기존에 개발된 다차원, 2상 PEFC 모델을 병렬형태로 전환하여 대면적 연료전지형상에 적용하였다. 고려된 대면적 연료전지는 24개의 유로를 갖는 200cm² MEA면적의 PEFC로서, 대략 13.5백만개의 격자를 가지고 있으며, 12개의 PC 클러스터에 나누어 병렬계산이 수행되었다. 본 연구는 2상 연료전지 모델을 병렬계산에 적용한 첫 번째 사례이며 대면적 연료전지 내부의 물 분포 및 플러딩 예측을 가능하게 하였다.
본 연구에 사용된 PEFC 모델의 연료극(anode)과 공기극(cathode)에는 각각 30%의 수소와 공기가 공급되었으며, 셀의 물성치와 작동조건은 Table 4에 나열되어 있다. 또한, 본 시뮬레이션에 적용된 물질 전달 변수는 Ju⁴⁾의 연구에서 사용된 것들과 동일하며 Table 5에 요약되어 있다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 연료전지 모델은 상용 STAR-CD ver 3.26 전산유체(computational fluid dynamics, CFD) 패키지를 이용하여 실행되었으며, 질량(mass), 운동량(momentum), 화학종(chemical species), 전하(charge) 보존방정식들(conservation equation) 및 관련된 생성항(source term)들을 유저코드(user code) 기능을 이용해 코드화 되었다.
본 연구에서 이용될 다차원(multi-dimensional), 다상(multi-phase) PEFC모델은 기존에 Wang과 Cheng³⁾에 의해 개발된 다상혼합(multi-phase mixture, M²)모델을 기반으로 한다. 이러한 M² 모델을 기초로 한 연료전지 해석모델의 지배방정식(governing equation) 및 생성항(source term)과 전기화학반응 관련식들은 Table 1, Table 2, Table 3에 각각 요약되어 있다.

성능/효과

1) 고려된 연료극 입구 수소가스농도는 개질가스 기준으로 30%로 가정되었음에도 대면적 연료전지의 물 및 전류밀도분포는 공기극 산소가스농도 분포에 의해 결정됨을 해석결과를 통해 알 수 있다. 이는 수소의 확산속도 및 전기화학반응속도가 산소에 비해 매우 빠르게 때문이다.
2) 채널방향(along-channel direction)을 따라서 GDL 및 CL 내부 액체포화도는 전류밀도가 높은 지역에서 크게 나타났으며 이는 ORR에 의한 물 생성률이 GDL과 CL 기공을 차지하는 물의 양을 결정짓는 주요 인자임을 말해준다.
3) 하지만 in-plane 방향으로는, 전류밀도는 채널부분이 높은 반면, GDL 및 CL 내부 액체포화도는 랜드부분이 높은 것으로 계산되었다. 이는 전류밀도는 산소농도에 의해 주로 결정되지만 GDL과 CL에 축적된 물의 양은 채널에 흐르는 가스를 통해 제거될 수 있는 거리에 비례함을 알 수 있다.
3과 4의 수소 및 산소농도 분포경향성과도 일치한다. 마지막으로 연료극과 공기극의 액체포화도 크기를 비교해보면, 공기극에서 ORR 반응으로 인한 물 생성과 수소이온의 전도에 기인한 EOD(electro-osmotic drag) 효과로 인해 공기극의 물의 양이 연료극보다더 높음을 알 수 있다.
그들은 5개의 사형유로 채널(serpentine flow channel)을 가진 PEFC로 공급되는 가스의 가습조건에 따라 셀 성능의 변화를 분석하였다. 이러한 결과는 10개의 CPU를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였을 때 기존의 컴퓨터보다 7배가 빠른 계산 결과를 얻을 수 있다고 설명하였다. Y.

후속연구

2상 모델은 단상모델보다 PEFC내에서 발생하는 물리적 현상을 더욱 정확하게 모사할 수 있다. 본 연구를 통해 개발된 2상 PEFC 병렬계산용 전산코드는 대면적 연료전지 구성부품의 소재/디자인 및 작동조건 등을 최적화하는데 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
본 연구를 통해 도출된 결론들은 실재 상업용 연료전지크기에서 발생하는 여러 현상들에 대해 포괄적인 이해를 제공하였다. 즉, 대면적 연료전지의 최적화 과정은 대면적 MEA 및 분리판 채널에서 발생하는 2상 유동 및 플러딩, 이에 따른 물질분포 영향성들이 종합적으로 고려되어서 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대면적 연료전지의 전산모사가 컴퓨터의 병렬 계산이 적용되어야 하는 이유는 무엇인가?	하지만 기존에 개발된 대부분의 해석 모델들은 활성 면적이 작은 단위전지(3×3cm2, 5×5cm2) 수준의 현상을 모사하는데만 적용되고 있다. 실제 산업용에 적용되는 연료전지의 크기(100cm2 이상)를 해석하기 위해서는 많은 수의 격자(mesh)가 필요하며, 빠르고 효율적인 결과물을 도출하기 위해서는 컴퓨터 계산 효율이 중요한 요소가 된다. 따라서 대면적 연료전지의 전산모사는 컴퓨터의 병렬 계산이 적용되어 수행되어야 한다.
	지금까지 수행된 연료전지 병렬계산은 무엇에 한정되는가?	지금까지 수행된 연료전지 병렬계산은 단상모델에 한정되어 있으며 플러딩(flooding) 현상을 예측할 수 있는 2상 연료전지 모델에 적용한 사례는 아직까지 보고되고 있지 않다. 본 연구에서는 좀 더 복잡한 지배방정식과 관련식들로 구성되어 있는 2상 연료전지 모델을 실재 상업적으로 사용되고 있는 200cm2면적의 PEFC 단위전지에 적용하여 병렬계산을 수행하였다.
	고분자전해질연료전지의 장점은 무엇인가?	최근 친환경 에너지의 필요성이 대두되면서 연료전지에 대한 관심이 집중되고 있다. 특히, 연료전지 분야 가운데 고분자전해질연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC)는 다른 형태의 연료전지보다 저온의 작동조건(주로 100℃ 이하의 온도)에서 높은 출력전류밀도를 갖고 있다. 또한 운영비, 배기가스, 소음이 적은 장점이 있어 가정용발전설비, 차세대 차량용 동력원 등 다양한 산업에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 이러한 연료전지가 다양한 산업에 적용 가능하기 위해서는 연료전지 작동 시 발생하는 물리적 현상들을 이해하고 연료전지 주요 컴포넌트(component)들의 소재 및 디자인의 설계를 최적화해야 한다.

참고문헌 (16)

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Y. Wang and C. Y. Wang : "A Nonisothermal, Two-phase Model for Polymer Electrolyte, Fuel Cells", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 153, No. 6, 2006, pp. A1193-A1200.

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H. Ju and C. Y. Wang : "Experimental Validation of a PEM Fuel Cell Model by Current Distribution Data", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 151, 2004, pp. A1954-A1960.

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H. Ju, C. Y. Wang, S. Cleghorn and U. Beuscher : "Non-isothermal Modeling of Polymer Electrolyte Fuel Cells Part I: Experimental Validation", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 152, No. 8, 2005, pp. A1645-A1653.
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