[논문]연료전지 채널 내 균일한 유량분배를 위한 연료전지 스택의 매니폴드 디자인 최적화 연구

조아래; 강경문; 오성진; 주현철

doi:10.5293/kfma.2012.15.5.011

연료전지 채널 내 균일한 유량분배를 위한 연료전지 스택의 매니폴드 디자인 최적화 연구
Optimizing the Manifold Design of a Fuel Cell Stack for Uniform Distribution of Reactant Gases within Fuel Cell Channels 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.15 no.5 = no.74, 2012년, pp.11 - 19

조아래 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 강경문 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 오성진 ((주)퓨얼셀 파워) , 주현철 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The main function of fuel cell manifold is to render reactants distribution as uniform as possible into a fuel cell stack. The purpose of this study is to numerically investigate the effects of stack manifold design on reactants distribution within a fuel cell stack. Four manifold designs with different manifold entrance shapes (expansion or diffuser) and different values of the extra width between the cell outer channel and manifold side wall are considered and applied to the fuel cell stack consisting of 50 cells. Since the fuel cell stack geometry involves several millions of grid points for numerical calculations, a parallel computing methodology is employed to substantially reduce the computational time and overcome the memory requirement. The numerical simulations are carried out and calculated results clearly demonstrate that both the manifold entrance shape and extra width have a substantial influence on manifold performance, controlling the degree of flow separation and entrance length for fully developed flow in the manifold channel. Finally, we suggest the optimum design of fuel cell manifold based on the simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문의 목적은 이러한 매니폴드 형상에 따른 연료전지 스택의 유동 해석을 수행하여 각 셀 및 각각의 채널로의 균등한 유동 분포를 이룰 수 있는 최적화된 매니폴드 형상을 제시하는데 있다.
또한, 제시된 매니폴드 형상들의 유량 분배 특성을 확인하기 위하여 약 550만개의 육면체 형상의 격자가 본 형상에 적용되었으며 시뮬레이션의 수행 시간을 단축하기 위하여 8개의 PC 클러스터에 나누어 병렬계산이 수행되었다. 본 연구를 통해 스택의 성능을 향상시키기 위해서 매니폴드내의 불안정한 유동 흐름 및 각 셀에 분배되는 유량의 불균일성을 해결할 수 있는 최적의 매니폴드 형상을 제시하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 정리하면 다음과 같다.
반응 가스가 튜브 관에서 매니폴드로 들어갈 때 유동의 단면적이 증가하여 매니폴드 내에서 실속(stall)이 발생된다. 본 연구에서는 Agarwal등(15)이 제시한 것과 마찬가지로 매니폴드 내에서 형성된 유동분포의 특징을 영역별로 구분하기 위해 난류유동에서의 면적 변화에 따른 유동분포 영역을 다음과 같이 정의하였다. 반응물이 매니폴드를 따라 이동하는 동안 단면적이 확장되면서 유동의 실속이 발생되어 유동의 분리 현상이 관측되는 영역을 분리영역(Separated region), 유동이 발달되기 전까지의 영역을 회복영역(Recovery region), 유동이 더 이상 변하지 않는 영역을 완전발달영역(Fully developed flow region)으로 구분하였다.
본 연구에서는 제안된 매니폴드 형상에서의 유동 특성 및 각 셀에 분배되는 유량 분배 특성을 확인하였다. 또한, 제시된 매니폴드 형상들의 유량 분배 특성을 확인하기 위하여 약 550만개의 육면체 형상의 격자가 본 형상에 적용되었으며 시뮬레이션의 수행 시간을 단축하기 위하여 8개의 PC 클러스터에 나누어 병렬계산이 수행되었다.

가설 설정

즉, 분리판 유로의 형상을 단순화하기 위해서는 단순화된 유로채널의 압력강하와 실제 유로 채널에서 발생하는 압력강하의 크기가 동일해야 한다. 단순화된 채널에 유동 저항을 높이기 위해 단순화 채널을 다공성 미디어(porous media)로 가정하였고 동일한 크기의 압력강하 효과를 나타내기 위해 가스투과도를 결정하였다. 가스 투과도는 식 (6)와 같이 Darcy의 법칙(law)를 이용하여 구할 수 있다.
1(a)에 나타나있으며 스택의 작동 조건 및 치수는 Table 1에 나열되어 있다. 스택 내부 전체 유동의 흐름은 U 타입으로 가정되었다.

제안 방법

은 단위전지 10개로 구성된 스택을 제작하고 매니폴드 형상을 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행하여 측정된 실험결과와 비교하였다. 또한, 공기극의 매니폴드 형상에 따라 매니폴드에서 각 셀의 입구의 유동분포가 연료전지 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다. Koh 등⁽¹²⁾은 2차원 연료전지 스택 모델을 이용하여 매니폴드와 채널의 압력강하 및 유동분포에 대해 수치 해석 결과와 실험 결과를 비교/분석하였다.
본 연구에서는 Agarwal등(15)이 제시한 것과 마찬가지로 매니폴드 내에서 형성된 유동분포의 특징을 영역별로 구분하기 위해 난류유동에서의 면적 변화에 따른 유동분포 영역을 다음과 같이 정의하였다. 반응물이 매니폴드를 따라 이동하는 동안 단면적이 확장되면서 유동의 실속이 발생되어 유동의 분리 현상이 관측되는 영역을 분리영역(Separated region), 유동이 발달되기 전까지의 영역을 회복영역(Recovery region), 유동이 더 이상 변하지 않는 영역을 완전발달영역(Fully developed flow region)으로 구분하였다.
본 연구에서는 매니폴드 폭과 입구형상을 설계인자로 고려하여 유동분배 특성을 분석하였다. Table 2에 매니폴드 형상에 대한 제원 값들을 나타냈으며, 매니폴드 형상 제원들에 대한 매니폴드 입구의 기하학적 형상들은 Fig.
본 연구에서는 연료전지 스택의 유동의 특성을 확인하기 위하여 범용소프트웨어인 ANSYS-FLENT 6.3 전산유체(Computational Fluid Dynamics, CFD) 패키지를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 본 모델의 수렴 조건은 각 수치 셀(Cell)의 레지듀얼(Residual)의 최대값이 10^-9 이하로 떨어질 때 이며, 대부분의 시뮬레이션 경우 대략 15,000번의 반복횟수(Iteration)이내로 상기 조건을 만족하여 수렴하였다.
한편, 연료전지 스택의 유동의 특성에 대한 시뮬레이션을 수행하기 위하여 약 550만개의 육면체(hexahedral) 형상의 격자가 스택 형상에 적용되었다. 본 연료전지 스택 시뮬레이션의 수행시간을 단축하기 위하여 다수의 CPU를 이용하여 병렬 계산을 수행하였다. 병렬 계산은 48GB의 메인 노드(인텔 Ⓡ 코어 Xeon 2.
8은 최적화 매니폴드의 기하학적 형상을 나타낸 그림이다. 연료전지 스택의 셀 간 유량의 편차를 줄이기 위하여 매니폴드 입구 형상은 디퓨져 형상을 선택하였고, 매니폴드 폭은 Fig. 5(b)와 Fig. 7을 통해 분석한 결과를 토대로 매니폴드 벽면의 폭을 2.5 mm로 정하였다. 그리고 유동의 실속이 일어나는 영역을 피하고 디퓨져의 원추각을 임계각(=18^∘)이하로 줄이기 위해 매니폴드 입구의 길이는 20mm에서 40 mm로 증가시켰다.

대상 데이터

본 연구에서는 제안된 매니폴드 형상에서의 유동 특성 및 각 셀에 분배되는 유량 분배 특성을 확인하였다. 또한, 제시된 매니폴드 형상들의 유량 분배 특성을 확인하기 위하여 약 550만개의 육면체 형상의 격자가 본 형상에 적용되었으며 시뮬레이션의 수행 시간을 단축하기 위하여 8개의 PC 클러스터에 나누어 병렬계산이 수행되었다. 본 연구를 통해 스택의 성능을 향상시키기 위해서 매니폴드내의 불안정한 유동 흐름 및 각 셀에 분배되는 유량의 불균일성을 해결할 수 있는 최적의 매니폴드 형상을 제시하였다.
본 연구에서 고려된 연료전지 스택은 50개의 셀이 적층된 구조이며 각 셀의 채널 수는 8개로 구성되어 있다. 각 셀의 반응 면적은 133 cm² , 작동온도 60 ℃에서 스택의 출력은 1.
한편, 연료전지 스택의 유동의 특성에 대한 시뮬레이션을 수행하기 위하여 약 550만개의 육면체(hexahedral) 형상의 격자가 스택 형상에 적용되었다. 본 연료전지 스택 시뮬레이션의 수행시간을 단축하기 위하여 다수의 CPU를 이용하여 병렬 계산을 수행하였다.

이론/모형

단순화된 채널에 유동 저항을 높이기 위해 단순화 채널을 다공성 미디어(porous media)로 가정하였고 동일한 크기의 압력강하 효과를 나타내기 위해 가스투과도를 결정하였다. 가스 투과도는 식 (6)와 같이 Darcy의 법칙(law)를 이용하여 구할 수 있다.
본 연구에서는 매니폴드에서의 유동의 특성을 확인하기 위하여 난류 모델인 k-ε모델을 이용하였고 각 셀에서의 발생하는 전기화학반응 등은 고려하지 않았다.

성능/효과

(1) 매니폴드 입구의 형상은 사각 단면으로 확장되는 형상이나 디퓨져 형상과 관계없이 유동의 실속이 발생되는 것을 알 수 있으며, 튜브의 폭과 매니폴드 입구 면적의 차이가 클수록 실속이 발생하는 영역이 넓어진다는 것을 해석 결과를 통해 알 수 있다. 하지만, 사각 단면으로 확장되는 형상은 매니폴드 폭에 상관없이 실속이 발생하지만 디퓨져 형상에서는 원추 각의 크기에 따라 유량 분배 특성이 차이가 발생한다.
(2) 매니폴드 벽면과 채널 사이의 폭의 길이 변화에 따른 유량 분배 특성은 매니폴드 폭의 길이가 너무 커지거나 없으면 각 셀의 채널 간 유량 편차가 크다는 것을 알 수 있다. 매니폴드 벽면과 채널 사이에 폭이 없으면 실속으로 인한 수두 손실은 없으나 각 셀에서 최외각 채널이 상대적으로 많은 유량이 유입되어 채널 간 유량 편차가 발생한다.
(3) 균일한 유량이 스택을 구성하는 각 셀에 공급되기 위해서는 매니폴드 입구의 길이와 튜브의 폭의 비율에 따른 원추 각의 설계가 가장 중요한 인자임을 확인할 수 있고, 이것은 스택 설계에 있어서 유동의 입구 영역을 차지하는 엔드판(end plate)의 입구 형상 설계에도 고려되어야 하는 중요 인자임을 말해준다.
4(a)와 Fig. 4(b)의 속도분포를 비교할 때 입구 형상에 관계없이 두 경우 모두 매니폴드 단면적이 확장되면서 1번 셀부터 11번 셀까지 실속이 형성되어 유동이 분리 현상이 관측되고 12번 셀 이후부터는 유동이 회복되어 20번 셀 이후에는 유동이 완전 발달된 모습을 보여주고 있다.
Chen 등⁽¹³⁾은 가스 채널에 다공성 미디어 영역을 설정하여 연료전지 스택에서의 압력강하와 유동 분포를 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 그들의 연구 결과는 각 셀에서 채널의 폭이 클수록 균등한 유량분포가 나타남을 보였고 매니폴드의 폭이 클수록 각 셀로의 균등한 유량 분포 특성이 나타난다고 설명하였다.
2에 나타내었다. 모든 매니폴드들의 높이(Manifold height)는 14 mm, 매니폴드들의 길이(Manifold length)는 20 mm, 매니폴드 입구면적(Manifold inlet area)은 45.36 mm²로 일정한 반면 폭은 각각의 경우마다 달라짐을 알 수 있다. 즉 매니폴드의 폭은 단위전지 채널/랜드의 길이의 합인 14.
5에서 관측된 결과를 살펴보면 셀 간 유량의 편차는 디퓨져 형상이 비교적 적다는 것을 확인할 수 있다. 위의 결과를 토대로 사각 단면으로 확장되는 매니폴드 형상보다 디퓨져 형상의 매니폴드 형상이 스택에서의 매니폴드 형상으로 더 적합하다고 할 수 있다. 또한, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자전해질형 연료전지의 장점은?	고분자전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cells, PEFCs)는 고분자 전해질을 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 비교적 낮은 작동 온도(∼100℃)에서 운전이 가능하고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 부하변화에 대한 응답특성이 빠르다는 장점이 있다. 고분자전해질형 연료전지는 이러한 특성 이외에도 넓은 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 가정용 발전장치, 이동용 전원 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 이러한 연료전지가 다양한 분야에 응용되기 위해서는 연료전지 작동 시 연료전지 내부에서 발생하는 물리적 현상들을 이해하고 복잡한 열 및 물질 전달 메커니즘을 정확히 규명하여 고효율, 고성능 연료전지 시스템을 개발해야 한다.
	연료전지 스택 형식으로 설계하는 이유는?	한편, 단위전지로 얻을 수 있는 출력은 그리 크지 않기 때문에 연료전지 시스템으로부터 고출력의 전력을 생산하기 위해서는 수 십장의 단위전지를 직렬로 연결한 연료전지 스택(stack)으로 제작되어야 한다. 연료전지 스택의 성능은 반응물의 유량에 민감하므로, 매니폴드에서 각 셀에 같은 양의 반응 가스를 공급할 수 있는 매니폴드의 형상을 설계하는 것이 필수적이다.
	분리판 유로 형상을 단순화하는 과정을 위해 필요한 조건은?	1(b)는 스택의 매니폴드에서 유동해석에 필요한 격자(mesh) 수를 줄이기 위하여 각 셀의 분리판 유로 형상을 단순화하는 과정을 모사하였다. 즉, 분리판 유로의 형상을 단순화하기 위해서는 단순화된 유로채널의 압력강하와 실제 유로 채널에서 발생하는 압력강하의 크기가 동일해야 한다. 단순화된 채널에 유동 저항을 높이기 위해 단순화 채널을 다공성 미디어(porous media)로 가정하였고 동일한 크기의 압력강하 효과를 나타내기 위해 가스투과도를 결정하였다.

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저자의 다른 논문 :

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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