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문제 정의
- 본 연구는 이러한 GDL 내 물질전달에 관한 연구의 한계를 극복하고자 연료전지에 사용되는 GDL을 고해상도의 3 차원 스캐닝 장비를 활용해 GDL의 다공구조를 실측하고, 측정된 Data의 노이즈를 제거하는 과정을 거쳐, GDL Carbon-fiber 구조로 자동변환하는 알고리즘을 개발, 실제 GDL 구조를 구현하였다. 또한 체결압에 의해 변형된 GDL 구조를 예측하기 위해 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용해 GDL 탄소섬유(carbon-fiber) 구조의 변형을 예측하고 변화된 기공도(Porosity), 기공 크기(Pore-size) 등의 특성값을 도출하였다.
- 본 연구에서는 이러한 일련의 과정을 자동화하는 알고리즘 및 프로그램을 개발하였다. 측정된 데이터를 탄소섬유의 형상으로 개별화하는 과정은 Fig.
- (5) Pore-network 모델을 통하여 채널과 랜드의 비율, GDL 두께, MPL의 두께 등의 설계 인자에 따른 GDL 의 수분포화율 및 기체확산도를 평가하였다. 이러한 결과를 이용해 설계 인자에 대한 Data 맵을 작성하고 최적의 GDL 설계를 위한 방향을 제시하였다.
제안 방법
- (1) 고해상도의 3 차원 스캐닝 장비로 측정한 GDL 형상 데이터에서 노이즈를 제거하고 실제에 가까운 GDL 구조를 생성할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 이를 통하여 GDL의 구조, 공극률 및 기공 사이즈 등의 특성값을 도출하였으며 구조 해석 및 유동 해석에 이용할 수 있었다.
- (3) 실제 GDL 구조를 고려한 유동 해석을 통하여 실험적으로 측정하기 어려운 방향별 기체투과도를 도출하였다. 이를 통해 두께 방향의 기체투 과도가 가장 작음을 알 수 있었다.
- (5) Pore-network 모델을 통하여 채널과 랜드의 비율, GDL 두께, MPL의 두께 등의 설계 인자에 따른 GDL 의 수분포화율 및 기체확산도를 평가하였다. 이러한 결과를 이용해 설계 인자에 대한 Data 맵을 작성하고 최적의 GDL 설계를 위한 방향을 제시하였다.
- CFD 기법을 이용한 유동해석을 하기 앞서, 기공의 사이즈가 10~100μm 인 GDL의 유동 해석에 Navier-Stokes 방정식을 적용하는 것이 가능한지의 여부를 확인하였다.
- 이를 실험적으로 증명하고자 GDL 내부의 물거동에 대한 상사 실험을 실행하였다. GDL 내부 조건과 유사한 실험 조건을 설정하기 위해 압력과 관성력의 비를 나타내는 Ca 수와 점성계수의 비를 나타내는 Mv 수, 그리고 표면장력과 중력의 영향을 나타내는 Bo 수를 고려하여 상사 실험을 진행하였으며 가로, 세로, 높이의 길이가 30cm, 30cm, 20cm인 수조를 제작하여 내부에 지름이 약 1cm인 하이드로겔 구를 적층함으로써 GDL의 다공성 구조와 공극을 모사하였다. 또한 수조 하부에는 촉매층을 통하여 유입되는 수분을 모사하기 위한 혼합액 저장장치를 구성하고, 물에 섞이지 않으며 물과 유사한 밀도를 갖는 혼합액을(콩기름-사염화탄소(CCl4)혼합물) 주입하였다.
- 4와 같이 구성하였다. GDL 다공 구조 형상의 위 아래면에 평판으로 가정된 분리판을 배치하고, 분리판과 GDL 사이의 contact을 설정하였으며, GDL 내의 탄소섬유들 간에도 Contact pair를 설정하였다. 탄소섬유 간의 contact pair의 수를 감소시키기 위하여 탄소섬유의 상대 위치를 고려하여 하나의 탄소섬유에서 인접한 탄소섬유들을 선택하여 contact pair를 지정하였다.
- GDL 모델 변환 프로그램을 사용하여 GDL의 형상을 구현함으로써 GDL 종류에 따라 탄소섬유 배열의 방향성 및 밀집도, 탄소섬유의 두께, 부피, 기공도, 기공 사이즈 등의 GDL 구조상의 특징을 알 수 있다. 이러한 GDL 내부의 상세 형상을 데이터화하여 GDL 의 성능 예측 및 최적의 구조 도출에 이용할 수 있다.
- 48mm이며 격자의 수는 약 1000 만개이다. GDL 을 통과하는 기체의 정상상태 유동 해석을 통하여 계산된 유량과 차압 결과를 이용해 기체 투과도를 계산하였다. GDL과 같이 유로가 미세한 유동의 경우 차압이 유량에 따라 선형적으로 증가하므로 이를 이용하여 기체투과도를 간단하게 구할 수 있으며, 이와 관련된 식은 식 (1)에서 (3)과 같다.
- GDL 탄소섬유의 배열 방향 및 분리판 채널 폭의 영향을 살펴보기 위하여 탄소섬유와 분리판 채널이 직각일 때와 평행일 때 채널의 폭을 기존 0.25mm에서 0.45mm로 증가시켜 비교하였다. 탄소섬유의 주 배열 방향이 분리판의 채널과 직각이고 채널 폭이 0.
- GDL의 두께를 50μ m~350μm 로 50μm 씩 변화 시켰으며 이때 촉매 층의 수분포화율은 GDL의 두께변화와 관계없이 일정하게 하였다.
- 공극 네트워크(Pore-network)기법은 다공성 매체를 통과하는 유동을 미시적 관점에서 수치적으로 재현하는 모델로 다공성 매체 내부의 다상 유동 해석을 효과적이고 빠른 시간 내에 하기 위하여 개발된 기법이다. 공극과 이를 연결하는 통로로 구성하며, 삼투압 현상을 통해 이동한 물이 공극을 채우고 난 뒤 공극 내의 압력이 연결되어 있는 통로의 모세관 입구 압력 이상이 되는 통로를 통해 침투하는 투과-삼투 경로 찾기 모델을 통해서 액상 수분의 유동 경로를 결정한다. 이러한 Porenetwork 기법은 GDL의 기공과 같이 유속이 낮아 점성에 의한 압력 강하가 작고 모세관 입구 압력의 지배력이 큰 유동의 경우 높은 신뢰도를 가진 결과를 얻을 수 있다.
- 구조해석을 통해 예측된 GDL의 변형 구조를 활용하여 해석 모델을 구성하고, GDL 내의 물질전달에 대한 해석적 연구를 위해서 2 가지 방법을 사용하였다. 첫번째로 기상과 액상이 혼재된 상태에서 물질의 거동을 예측할 수 있는 CFD 기법 중 하나인 VOF(Volume of Fluid)모델을 사용하여 GDL 내의 물질거동을 보다 실제에 가깝게 예측하였다.
- 공극률은 실제보다 크게 계산이 되었는데 이는 GDL 샘플을 3 차원 측정장비에서 스캐닝하면서 데이터의 일부가 변환되지 못하고 누락되었기 때문이다. 기존의 실험적인 연구에서는 간접적인 방법으로 탄소섬유의 정렬도나 기체투과도를 측정하여 유추할 수 밖에 없었으나, 본 연구를 통하여 GDL 실측 데이터 자동 변환 프로그램을 개발함으로써 실제 GDL의 구조적인 특성을 파악하고 설계에 활용할 수 있었다.
- 첫번째로 기상과 액상이 혼재된 상태에서 물질의 거동을 예측할 수 있는 CFD 기법 중 하나인 VOF(Volume of Fluid)모델을 사용하여 GDL 내의 물질거동을 보다 실제에 가깝게 예측하였다. 두번째로는 다공성 구조에서 기공과 기공 사이의 모세관 압력 계산을 통해 물거동 예측이 가능한 Pore-network 모델을 활용하여, GDL 내의 물질 거동 및 영향도를 평가하고 설계에 활용 할 수 있었다. 또한 해석 결과의 검증을 위하여 상사 모델을 만들어 GDL 내의 물거동을 실험적으로 검증하였다.
- 본 연구를 통하여 연료전지에 사용되는 GDL의 다공구조를 실측하고, 실제 GDL 구조를 모델링하였다. 또한 GDL 탄소섬유 구조의 변형을 해석적으로 예측하고 변화된 특성값을 도출하였다. 이를 활용하여 GDL 내의 물질전달에 대한 해석을 VOF (Volume of Fluid)모델과 Pore-network 모델을 이용해 수행하고 GDL 내의 물거동 특성과 기체 확산에 대한 결과를 도출하였다.
- 이를 위해 micro~macro 유동 영역에서 정확성을 유지하는 Generalized Hydro-dynamics 기법과 일반적인 Navier-stokes 기법의 유동 해석 결과를 비교하였다. 또한 Micro 유동의 기준이 되는 Kn(Knudsen) 무차원수를 비교하였다. 탄소섬유 주위를 통과하는 유동의 해석에서 N-S 방정식과 G– H 방정식의 해가 매우 유사하였고, Kn 수의 값은 약 10-5 이하로 매우 작은 것으로 계산되었다.
- GDL 내부 조건과 유사한 실험 조건을 설정하기 위해 압력과 관성력의 비를 나타내는 Ca 수와 점성계수의 비를 나타내는 Mv 수, 그리고 표면장력과 중력의 영향을 나타내는 Bo 수를 고려하여 상사 실험을 진행하였으며 가로, 세로, 높이의 길이가 30cm, 30cm, 20cm인 수조를 제작하여 내부에 지름이 약 1cm인 하이드로겔 구를 적층함으로써 GDL의 다공성 구조와 공극을 모사하였다. 또한 수조 하부에는 촉매층을 통하여 유입되는 수분을 모사하기 위한 혼합액 저장장치를 구성하고, 물에 섞이지 않으며 물과 유사한 밀도를 갖는 혼합액을(콩기름-사염화탄소(CCl4)혼합물) 주입하였다. 혼합액 저장장치와 관찰수조는 균일한 공극 크기를 갖는 유리섬유로 결합하여 균일한 수분의 입구조건을 모사하였다.
- 본 연구는 이러한 GDL 내 물질전달에 관한 연구의 한계를 극복하고자 연료전지에 사용되는 GDL을 고해상도의 3 차원 스캐닝 장비를 활용해 GDL의 다공구조를 실측하고, 측정된 Data의 노이즈를 제거하는 과정을 거쳐, GDL Carbon-fiber 구조로 자동변환하는 알고리즘을 개발, 실제 GDL 구조를 구현하였다. 또한 체결압에 의해 변형된 GDL 구조를 예측하기 위해 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용해 GDL 탄소섬유(carbon-fiber) 구조의 변형을 예측하고 변화된 기공도(Porosity), 기공 크기(Pore-size) 등의 특성값을 도출하였다. 마지막으로 GDL 내의 물질전달에 대한 해석적 연구를 위해서 구조해석을 통해 예측된 GDL의 변형 구조를 활용하였다.
- 두번째로는 다공성 구조에서 기공과 기공 사이의 모세관 압력 계산을 통해 물거동 예측이 가능한 Pore-network 모델을 활용하여, GDL 내의 물질 거동 및 영향도를 평가하고 설계에 활용 할 수 있었다. 또한 해석 결과의 검증을 위하여 상사 모델을 만들어 GDL 내의 물거동을 실험적으로 검증하였다.
- 탄소섬유 개별화 과정을 마치고 나서 추출된 Node 외의 노이즈를 가진 데이터는 제거하고 선택된 Node를 사용해 원통형 격자를 생성한다. 또한, 원통형 격자를 생성할 시에 탄소섬유 간의 간섭이 발생하면 간섭부를 탐색하여 Node 를 간섭량만큼 이동시키고 곡선을 완만화하여 격자를 재생성하는 알고리즘도 포함을 하였다. 원본의 Node 수는 415959 개이며 일반 PC 기준으로 작업 시 Node 간 거리에 근거한 Pregrouping 에 18 시간, 탄소섬유 개별화에 2 시간, 격자 생성 소요 시간 4 시간으로 약 24 시간 이내에 원본 스캔 데이터에서 원통형의 격자 데이터로 변환이 가능 하며 변환 데이터의 node 수는 90058 개, element 수는 792990 개 이다.
- 또한 체결압에 의해 변형된 GDL 구조를 예측하기 위해 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용해 GDL 탄소섬유(carbon-fiber) 구조의 변형을 예측하고 변화된 기공도(Porosity), 기공 크기(Pore-size) 등의 특성값을 도출하였다. 마지막으로 GDL 내의 물질전달에 대한 해석적 연구를 위해서 구조해석을 통해 예측된 GDL의 변형 구조를 활용하였다. 물질전달 해석 기법으로는 다공성 구조에서 기공과 기공 사이의 모세관 압력 계산을 통해 물거동을 예측하는 Porenetwork 모델과 기상과 액상이 혼재된 상태에서 액상의 거동을 예측할 수 있는 CFD 기법 중 하나인 VOF(Volume of Fluid)모델을 사용하였다.
- 먼저 GDL 압축량 및 방향에 따른 반응 기체의 투과도를 계산하였다. 이를 위하여 앞에서 기술한 GDL 구조해석 기법을 통하여 GDL 의 압출량 별로 3 가지 유동 격자를(0%, 28%, 56% 압축) 형성하였다.
- 본 연구를 통하여 연료전지에 사용되는 GDL의 다공구조를 실측하고, 실제 GDL 구조를 모델링하였다. 또한 GDL 탄소섬유 구조의 변형을 해석적으로 예측하고 변화된 특성값을 도출하였다.
- 이러한 Porenetwork 기법은 GDL의 기공과 같이 유속이 낮아 점성에 의한 압력 강하가 작고 모세관 입구 압력의 지배력이 큰 유동의 경우 높은 신뢰도를 가진 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 실제 GDL의 공극과 통로의 크기 범위가 일치하도록 모델을 구성하고 공극과 통로가 소수성 표면을 가지도록 하였다. 이러한 모델을 바탕으로 공극 네트워크 기법을 이용하여 채널과 랜드의 영향, GDL 및 MPL 의 두께 변화에 의한 물거동 특성을 계산하였다.
- 연료전지 가스확산층(GDL)의 실제 형상을 측정하고 측정된 데이터를 사용하여 Carbon-fiber 의 기공 구조를 재현하기 위해 고해상도의 3 차원 스캐닝 장비를 이용해 GDL 의 스캐닝 데이터를 얻었다. 스캐닝 촬영 장비는 일본의 100CT 장비를 사용하였다.
- 본 연구에서는 실제 GDL의 공극과 통로의 크기 범위가 일치하도록 모델을 구성하고 공극과 통로가 소수성 표면을 가지도록 하였다. 이러한 모델을 바탕으로 공극 네트워크 기법을 이용하여 채널과 랜드의 영향, GDL 및 MPL 의 두께 변화에 의한 물거동 특성을 계산하였다. Fig.
- CFD 해석 기법 중 하나인 VOF 모델 및 공극 네트워크 기법을 사용하여 해석한 물거동은 모두 촉매 층에서 올라온 물이 GDL 내의 기공을 통과하면서 병합되고 일정한 주유동 통로를 통해 채널로 배출되는 양상을 보였다. 이를 실험적으로 증명하고자 GDL 내부의 물거동에 대한 상사 실험을 실행하였다. GDL 내부 조건과 유사한 실험 조건을 설정하기 위해 압력과 관성력의 비를 나타내는 Ca 수와 점성계수의 비를 나타내는 Mv 수, 그리고 표면장력과 중력의 영향을 나타내는 Bo 수를 고려하여 상사 실험을 진행하였으며 가로, 세로, 높이의 길이가 30cm, 30cm, 20cm인 수조를 제작하여 내부에 지름이 약 1cm인 하이드로겔 구를 적층함으로써 GDL의 다공성 구조와 공극을 모사하였다.
- 먼저 GDL 압축량 및 방향에 따른 반응 기체의 투과도를 계산하였다. 이를 위하여 앞에서 기술한 GDL 구조해석 기법을 통하여 GDL 의 압출량 별로 3 가지 유동 격자를(0%, 28%, 56% 압축) 형성하였다. 해석 영역의 크기는 가로, 세로 0.
- CFD 기법을 이용한 유동해석을 하기 앞서, 기공의 사이즈가 10~100μm 인 GDL의 유동 해석에 Navier-Stokes 방정식을 적용하는 것이 가능한지의 여부를 확인하였다. 이를 위해 micro~macro 유동 영역에서 정확성을 유지하는 Generalized Hydro-dynamics 기법과 일반적인 Navier-stokes 기법의 유동 해석 결과를 비교하였다. 또한 Micro 유동의 기준이 되는 Kn(Knudsen) 무차원수를 비교하였다.
- (4) VOF 모델을 활용하여 GDL의 물거동 해석을 할 수 있는 새로운 방안을 제시하였으며, GDL 내의 물거동 및 기체 확산과 관련된 속도, 압력 등의 비정상상태 해석 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여 GDL 내부 구조 형성에 대한 설계 방안을 제시하였다.
- (1) 고해상도의 3 차원 스캐닝 장비로 측정한 GDL 형상 데이터에서 노이즈를 제거하고 실제에 가까운 GDL 구조를 생성할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 이를 통하여 GDL의 구조, 공극률 및 기공 사이즈 등의 특성값을 도출하였으며 구조 해석 및 유동 해석에 이용할 수 있었다.
- 또한 GDL 탄소섬유 구조의 변형을 해석적으로 예측하고 변화된 특성값을 도출하였다. 이를 활용하여 GDL 내의 물질전달에 대한 해석을 VOF (Volume of Fluid)모델과 Pore-network 모델을 이용해 수행하고 GDL 내의 물거동 특성과 기체 확산에 대한 결과를 도출하였다.
- 구조해석을 통해 예측된 GDL의 변형 구조를 활용하여 해석 모델을 구성하고, GDL 내의 물질전달에 대한 해석적 연구를 위해서 2 가지 방법을 사용하였다. 첫번째로 기상과 액상이 혼재된 상태에서 물질의 거동을 예측할 수 있는 CFD 기법 중 하나인 VOF(Volume of Fluid)모델을 사용하여 GDL 내의 물질거동을 보다 실제에 가깝게 예측하였다. 두번째로는 다공성 구조에서 기공과 기공 사이의 모세관 압력 계산을 통해 물거동 예측이 가능한 Pore-network 모델을 활용하여, GDL 내의 물질 거동 및 영향도를 평가하고 설계에 활용 할 수 있었다.
- GDL 내부에서의 물거동을 모사하기 위해서는 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였다. 촉매층에서 생성된 수분이 시간에 따라 GDL 내부에서 어떻게 거동하여 외부로 배출 될 것인가를 보기 위하여, 압축되지 않은 상태의 GDL 유동 모델의 상부에 분리판 채널을 추가하였으며, GDL 하부에서 일정하게 수분이 유입되고, 채널의 한쪽 면에서 반대면으로 기체가 통과하는 것으로 모사하였다. 해석 영역의 크기는 가로 0.
- GDL 다공 구조 형상의 위 아래면에 평판으로 가정된 분리판을 배치하고, 분리판과 GDL 사이의 contact을 설정하였으며, GDL 내의 탄소섬유들 간에도 Contact pair를 설정하였다. 탄소섬유 간의 contact pair의 수를 감소시키기 위하여 탄소섬유의 상대 위치를 고려하여 하나의 탄소섬유에서 인접한 탄소섬유들을 선택하여 contact pair를 지정하였다. 이렇게 함으로서 130 만개 이상이 필요한 contact pair 를 분리판과 GDL 사이에 약 2 천개, 탄소섬유간에 약 17000개를 구성하여 약 2 만 개의 contact으로 줄일 수 있었다.
- 탄소섬유의 주배열 방향과 분리판 위치에 따른 GDL의 하중-변형 특성을 파악하기 위하여 탄소 섬유의 주배열 방향과 분리판이 수직일 경우와 수평일 경우의 구조해석을 진행하였다. 분리판과 GDL 탄소 섬유간의 위치는 Fig.
- 이렇게 함으로서 130 만개 이상이 필요한 contact pair 를 분리판과 GDL 사이에 약 2 천개, 탄소섬유간에 약 17000개를 구성하여 약 2 만 개의 contact으로 줄일 수 있었다. 해석 모드는 Abaqus/Explicit를 사용하여 분리판 변위에 따른 GDL 탄소섬유의 형상 변화를 모사하였다.
- 7mm이며 격자의 평균 크기는 약 3μm, 총 격자수는 약 1000 만개로 비정상 상태 해석을 진행하였다. 해석 시간을 줄이기 위하여 액상의 유속은 증가 시키고 기체의 유속을 크게 감소시켜 GDL 에서의 기체 확산을 모사하였으며 CFL 수를 고려하여 time step 은 0.00005sec로 하고 총 10 sec를 계산하였다. 해석 소요 시간은 32cpu를 사용하여 병렬 계산 하였을 때 약 3.
- 또한 수조 하부에는 촉매층을 통하여 유입되는 수분을 모사하기 위한 혼합액 저장장치를 구성하고, 물에 섞이지 않으며 물과 유사한 밀도를 갖는 혼합액을(콩기름-사염화탄소(CCl4)혼합물) 주입하였다. 혼합액 저장장치와 관찰수조는 균일한 공극 크기를 갖는 유리섬유로 결합하여 균일한 수분의 입구조건을 모사하였다. 가시화를 통하여 관측한 상사 실험 결과는 Fig.
대상 데이터
- 실측한 GDL의 3 차원 변환 데이터를 활용하여 연료전지의 체결력에 의한 다공 구조의 변화를 상용 구조해석 프로그램인 Abaqus 를 이용하여 해석하였다. 실제 분리판 채널의 영향을 고려하기 위해서는 2mm 이상의 시편 크기가 요구되지만 GDL 스캔 데이터의 크기 제한으로 인하여 해석에는 가로, 세로 폭은 0.5mm 의 GDL이 사용되었다. 탄소섬유 배열 방향의 영향과 분리판 채널 폭의 영향을 보기 위한 구조해석 모델을 Fig.
- 또한, 원통형 격자를 생성할 시에 탄소섬유 간의 간섭이 발생하면 간섭부를 탐색하여 Node 를 간섭량만큼 이동시키고 곡선을 완만화하여 격자를 재생성하는 알고리즘도 포함을 하였다. 원본의 Node 수는 415959 개이며 일반 PC 기준으로 작업 시 Node 간 거리에 근거한 Pregrouping 에 18 시간, 탄소섬유 개별화에 2 시간, 격자 생성 소요 시간 4 시간으로 약 24 시간 이내에 원본 스캔 데이터에서 원통형의 격자 데이터로 변환이 가능 하며 변환 데이터의 node 수는 90058 개, element 수는 792990 개 이다.
- 해석 영역의 크기는 가로 0.45mm, 세로 0.7mm이며 격자의 평균 크기는 약 3μm, 총 격자수는 약 1000 만개로 비정상 상태 해석을 진행하였다.
- 이를 위하여 앞에서 기술한 GDL 구조해석 기법을 통하여 GDL 의 압출량 별로 3 가지 유동 격자를(0%, 28%, 56% 압축) 형성하였다. 해석 영역의 크기는 가로, 세로 0.48mm이며 격자의 수는 약 1000 만개이다. GDL 을 통과하는 기체의 정상상태 유동 해석을 통하여 계산된 유량과 차압 결과를 이용해 기체 투과도를 계산하였다.
데이터처리
- 실측한 GDL의 3 차원 변환 데이터를 활용하여 연료전지의 체결력에 의한 다공 구조의 변화를 상용 구조해석 프로그램인 Abaqus 를 이용하여 해석하였다. 실제 분리판 채널의 영향을 고려하기 위해서는 2mm 이상의 시편 크기가 요구되지만 GDL 스캔 데이터의 크기 제한으로 인하여 해석에는 가로, 세로 폭은 0.
이론/모형
- 추후에서는 이를 고려해 신뢰도를 높여야 할 것이다. GDL 내부에서의 물거동을 모사하기 위해서는 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였다. 촉매층에서 생성된 수분이 시간에 따라 GDL 내부에서 어떻게 거동하여 외부로 배출 될 것인가를 보기 위하여, 압축되지 않은 상태의 GDL 유동 모델의 상부에 분리판 채널을 추가하였으며, GDL 하부에서 일정하게 수분이 유입되고, 채널의 한쪽 면에서 반대면으로 기체가 통과하는 것으로 모사하였다.
- 마지막으로 GDL 내의 물질전달에 대한 해석적 연구를 위해서 구조해석을 통해 예측된 GDL의 변형 구조를 활용하였다. 물질전달 해석 기법으로는 다공성 구조에서 기공과 기공 사이의 모세관 압력 계산을 통해 물거동을 예측하는 Porenetwork 모델과 기상과 액상이 혼재된 상태에서 액상의 거동을 예측할 수 있는 CFD 기법 중 하나인 VOF(Volume of Fluid)모델을 사용하였다. 이를 통하여 GDL 내의 물거동 특성과 기체의 확산을 예측하여 보다 실제에 가까운 결과를 구하고, GDL 내의 물분포 및 거동의 영향도를 평가하여 설계에 활용할 수 있었다.
- 따라서 적절한 MPL 층의 두께를 설정하는 것이 중요한 설계 인자가 된다. 최적의 MPL 두께를 알기 위해서 본 연구에서는 MPL을 포함한 GDL 내의 물거동을 공극 네트워크 기법을 통해서 계산하였다. Fig.
성능/효과
- (2) GDL의 압축 변형에 대한 해석을 통하여 탄소섬유(Carbon-fiber)의 정렬에 따라 채널로 침투하는 탄소섬유의 침투량의 차이를 확인하고, GDL과 채널이 수직 방향일 때 채널 침투가 상대적으로 작음을 확인하였다.
- (4) VOF 모델을 활용하여 GDL의 물거동 해석을 할 수 있는 새로운 방안을 제시하였으며, GDL 내의 물거동 및 기체 확산과 관련된 속도, 압력 등의 비정상상태 해석 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여 GDL 내부 구조 형성에 대한 설계 방안을 제시하였다.
- CFD 해석 기법 중 하나인 VOF 모델 및 공극 네트워크 기법을 사용하여 해석한 물거동은 모두 촉매 층에서 올라온 물이 GDL 내의 기공을 통과하면서 병합되고 일정한 주유동 통로를 통해 채널로 배출되는 양상을 보였다. 이를 실험적으로 증명하고자 GDL 내부의 물거동에 대한 상사 실험을 실행하였다.
- 과 같다. GDL 의 섬유 정렬방향에 따른 기체투과도가 가장 높으며 두께 방향의 기체 투과도가 가장 낮았다. 또한 압축량에 따라 기체 투과도가 감소하여 56% 압축된 GDL의 기체투과도는 0% 압축의 1/4 수준으로 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 탄소섬유 주위를 통과하는 유동의 해석에서 N-S 방정식과 G– H 방정식의 해가 매우 유사하였고, Kn 수의 값은 약 10-5 이하로 매우 작은 것으로 계산되었다. 따라서 기존 CFD 기법 및 이를 이용한 상용 해석 프로그램을 적용해도 무방한 것으로 판단을 할 수 있었다.
- 본 연구에서는 MPL 의 적정 두께는 약 60μm임을 도출하였으며, 이를 GDL 설계에 반영할 수 있었다. 또한 공극 네트워크 기법을 통하여 GDL 내의 물거동 특성 및 채널, 랜드의 차이, GDL 두께 변화에 따른 물거동 특성을 파악하여 설계에 활용할 수 있는 Data를 가질 수 있었다.
- 실제 GDL과 분리판의 배열에 따른 압축량, 차압, 접촉저항 측성 실험 시 GDL과 분리판이 수직인 경우 변형량과 차압, 전기저항이 약 10%이상 작음을 알 수 있었다. 또한 성능 시험 시에도 수직인 경우 더 나은 출력 성능을 가짐을 확인하였다.
- GDL 의 섬유 정렬방향에 따른 기체투과도가 가장 높으며 두께 방향의 기체 투과도가 가장 낮았다. 또한 압축량에 따라 기체 투과도가 감소하여 56% 압축된 GDL의 기체투과도는 0% 압축의 1/4 수준으로 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. GDL의 기체투과도를 얻을 수 있는 실험에는 한계가 있어 해석 결과와 직접 비교가 어렵지만 경향은 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 MPL 의 적정 두께는 약 60μm임을 도출하였으며, 이를 GDL 설계에 반영할 수 있었다.
- 탄소섬유의 밀도 차이와 채널의 침투량에 의해 기체 확산성이나 채널로의 물배출성의 차이가 발생하므로 GDL과 분리판의 배열에 의하여 연료전지 성능의 차이가 발생함을 유추할 수 있다. 실제 GDL과 분리판의 배열에 따른 압축량, 차압, 접촉저항 측성 실험 시 GDL과 분리판이 수직인 경우 변형량과 차압, 전기저항이 약 10%이상 작음을 알 수 있었다. 또한 성능 시험 시에도 수직인 경우 더 나은 출력 성능을 가짐을 확인하였다.
- 해석의 결과와 유사하게 유리섬유층(촉매층)에서 유입된 수분은 하이드로겔구 적층부(GDL)를 거치며 병합되어 일정한 주유동 통로를 가지며 수조 상부(채널)로 이동하였다. 이러한 실험 결과를 통하여 VOF 모델과 공극 네트워크 기법의 물거동 해석 결과가 타당함을 알 수 있다.
- 물질전달 해석 기법으로는 다공성 구조에서 기공과 기공 사이의 모세관 압력 계산을 통해 물거동을 예측하는 Porenetwork 모델과 기상과 액상이 혼재된 상태에서 액상의 거동을 예측할 수 있는 CFD 기법 중 하나인 VOF(Volume of Fluid)모델을 사용하였다. 이를 통하여 GDL 내의 물거동 특성과 기체의 확산을 예측하여 보다 실제에 가까운 결과를 구하고, GDL 내의 물분포 및 거동의 영향도를 평가하여 설계에 활용할 수 있었다.
- 45mm로 하였을 때 GDL의 변형 해석 결과를 나타내었다. 채널의 폭이 커질수록 채널로 침투하는 양이 증가하는 결과를 보이고 있었으나, 분리판 랜드부의 밀도 변화에도 영향을 미쳐 채널 하부의 탄소섬유가 압축되는 양은 작아지게 되는 결과를 얻었다. 이와 같은 GDL의 구조 변형은 물거동 및 기체확산에 영향을 미치기 때문에 채널 폭의 크기와 방향에 의한 구조 변형이 연료전지 성능 변화에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 9는 채널과 랜드의 수분분포율 및 기체 확산량을 비교한 것이다. 촉매층에서는 채널과 랜드 모두 수분 분포율이 0.81이었으나 분리판과 맞닿는 채널에서의 수분 분포율은 0.05, 랜드부 0.19로 랜드 하부에서의 수분분포율이 큰 것으로 나타나 랜드부의 수분이 배출되지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 건조한 GDL에서의 기체 유량을 1로 하였을 때 수분이 존재하는 GDL을 통과하는 유량은 0.
- 11은 MPL의 두께 변화에 따른 GDL의 배수 성능과 기체확산량을 비교한 것이다. 촉매층에서의 수분포화율은 MPL의 두께 변화에 관계없이 일정한 값을 가지며 MPL의 두께가 커질 수록 GDL과의 경계면까지 유로의 병합이 일어날 확률이 높아져 MPL 내부의 평균 수분포화율이 감소 하는 것을 알 수 있다. MPL 의 수분포화율은 최대 96% 수준까지 변화하며, 이로 인해서 동일한 GDL 두께 상에서도 GDL 내의 수분포화율이 최대 37%까지 변화하는 것으로 나타난다.
- 측정된 GDL 의 탄소섬유 직경은 평균 8µm 이며, 공극률은 약 93%로 계산되었다.
- 탄소섬유 주위를 통과하는 유동의 해석에서 N-S 방정식과 G– H 방정식의 해가 매우 유사하였고, Kn 수의 값은 약 10-5 이하로 매우 작은 것으로 계산되었다.
- 45mm로 증가시켜 비교하였다. 탄소섬유의 주 배열 방향이 분리판의 채널과 직각이고 채널 폭이 0.25mm 일 때 탄소섬유의 채널 침투량을 기준값 1로 하면, 탄소섬유와 분리판이 평행일 때 채널의 침투량은 1.1이 되며, 채널 폭을 0.45mm로 증가했을 때 탄소섬유와 분리판 채널이 직각일 때는 2.35, 평행일 때는 2.64로 섬유가 채널로 침투하는 양이 약 135~150% 증가하고 분리판 채널과 평행일 때 침투하는 경향이 더 커지는 것을 알 수 있었다. Fig.
후속연구
- 기존의 연구에서 VOF 모델을 활용하여 GDL 의 물거동을 연구한 결과가 없고 주로 LBM 기법을 이용한 결과만을 얻을 수 있었다. VOF 기법은 LBM 에 비하여 상대적으로 계산 시간 단축 및 해석 영역을 크게 할 수 있는 장점이 있기 때문에 VOF를 이용한 GDL의 물거동 해석 기법을 개발했다는 것으로 의미가 있으며, 향후 조금 더 신뢰성 있는 결과를 얻기 위하여 화학반응을 고려한 경계조건 설정, PTFE를 고려한 GDL의 상세 구조 반영, 해석 영역의 확장 등을 진행할 예정이다.
- 이와 같은 GDL의 구조 변형은 물거동 및 기체확산에 영향을 미치기 때문에 채널 폭의 크기와 방향에 의한 구조 변형이 연료전지 성능 변화에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 본연구에서는 다루지 못하였지만 추후 연구를 통하여 채널의 가공면이 곡률을 가질 경우의 GDL 압축 변형의 차이도 진행할 예정이다.
- 채널의 폭이 커질수록 채널로 침투하는 양이 증가하는 결과를 보이고 있었으나, 분리판 랜드부의 밀도 변화에도 영향을 미쳐 채널 하부의 탄소섬유가 압축되는 양은 작아지게 되는 결과를 얻었다. 이와 같은 GDL의 구조 변형은 물거동 및 기체확산에 영향을 미치기 때문에 채널 폭의 크기와 방향에 의한 구조 변형이 연료전지 성능 변화에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 본연구에서는 다루지 못하였지만 추후 연구를 통하여 채널의 가공면이 곡률을 가질 경우의 GDL 압축 변형의 차이도 진행할 예정이다.
- 정량적인 차이는 해석 모델에서 고려하지 못한 PTFE의 영향과 해석 모델의 크기가 작아 모서리 부분의 빈 공간이 과대평가된 것에서 기인한 것으로, 실제 GDL 보다 기공도가 큰 것으로 처리되어 영향을 받은 것으로 보인다. 추후에서는 이를 고려해 신뢰도를 높여야 할 것이다. GDL 내부에서의 물거동을 모사하기 위해서는 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였다.
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