[논문]연료전지용 판형 막 가습기의 유동방향에 따른 열 및 물질전달 특성에 관한 해석적 연구

윤성호; 변재기; 최영돈

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.5.503

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연료전지 시스템에서 공급기체 가습은 연료전지 성능효율과 전해질막 수명 향상 측면에서 중요하다. 판형 막 가습기는 일반적으로 유동 방향에 따라 직교류와 대향류로 구분되고 판과 막 사이에서 고온 다습한 공기와 저온 건조한 공기의 열 및 물질전달이 이루어진다. 본 연구에서는 현열 및 잠열 ${\varepsilon}$-NTU 법을 이용하여 입구 온도와 유량 변화에 따른 열 및 물질전달 성능 변화를 유동 방향에 따라 비교하였다. 이를 통하여 저유량 일 때 대향류는 직교류 보다 열 및 물질전달 성능이 높은 것을 알 수 있었고 유량이 증가함에 따라 성능 차이가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 입구온도가 증가함에 따라 열전달 성능 변화는 작은 반면 물질전달 성능 변화는 비선형으로 크게 감소되는 결과를 얻었다.

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The humidifying supply gas is important in terms of the performance efficiency and membrane life improvement of a PEM fuel cell. A planar membrane humidifier is classified as a cross-flow and counter-flow type depending on the flow direction, and heat and mass transfer occur between the plate and th...

The humidifying supply gas is important in terms of the performance efficiency and membrane life improvement of a PEM fuel cell. A planar membrane humidifier is classified as a cross-flow and counter-flow type depending on the flow direction, and heat and mass transfer occur between the plate and the membrane. In this study, the changes in heat and mass transfer for various inlet temperatures and flow rates are compared according to the flow direction by using the sensible and latent ${\varepsilon}$-NTU method. The obtained results indicate that the counter flow shows higher heat and mass transfer performance than the cross flow at a low flow rate, and the difference in performance decreases as the flow rate increases. Furthermore, changes in the mass transfer performance decrease considerably with a nonlinear increase in the inlet temperature, and variations of the heat transfer performance are small.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 판형 막 가습기의 입구 유량 증가에 따른 직교류와 대향류를 함께 고려한 열 및 물질전달 성능 변화에 대한 해석을 수행하였고, 입구 온도변화에 따른 열전달 성능과 물질전달 성능 변화를 비교하였다. 전산해석모델은 열 및 물질전달을 동시에 해석할 수 있는 현열 및 잠열 ε-NTU 법을 이용하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 판형 막 가습기가 직교류와 대향류 구조 일 때 열 및 물질전달 성능특성을 고찰하기 위하여 ε-NTU 법으로 막 가습기 성능에 영향을 미치는 유량 및 입구온도 변화에 대하여 연구를 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

전산해석에 사용되는 막 가습기 형상의 수치와 입구조건에 관한 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다. 전산해석 시 입구와 출구의 압력은 대기압으로 가정하였다. 그리고 막 가습기의 열 및 물질전달 성능해석을 위해서 Fortran code를 이용하여 전산해석을 수행하였다.

제안 방법

관 내부 열전달 계수는 입구 구경에 대한 관 길이가 충분히 길기 때문에 입구효과는 무시하였다. 유로 내부의 유동이 공급량에 따라 층류와 난류영역이 되므로 h(Convective heat transfer coefficient)을 유도하기 위해 층류와 난류 유동에 관한 전산해석을 수행하였다.

데이터처리

전산해석 시 입구와 출구의 압력은 대기압으로 가정하였다. 그리고 막 가습기의 열 및 물질전달 성능해석을 위해서 Fortran code를 이용하여 전산해석을 수행하였다.
Fig. 2는 전산 해석 프로그램 Fluent Ver. 13.0을 이용하여 유로의 높이와 넓이 비율이 5.58일 때 층류 모델과 난류 모델을 이용해서 Reynolds 수의 변화에 따른 Nusselt 수를 계산하였다. 일반적으로 원형 관내 완전 발달한 난류유동의 Nusselt 수는 Reynolds 수와 Prandtl 수로 정리된 Dittus-Boelter 식으로 나타난다.

이론/모형

전산해석모델은 열 및 물질전달을 동시에 해석할 수 있는 현열 및 잠열 ε-NTU 법을 이용하여 연구를 수행하였다.
막 가습기로 공급되는 저온 건조한 공기와 연료전지로부터 배출되는 고온 다습한 공기의 온도, 습도, 압력에 대한 입구 조건으로 ε-NTU 법을 이용하여 양단 출구에서의 변수를 유도할 수 있다.
입구조건은 상대습도가 주어지므로 이를 절대습도로 계산하기 위해 식 (21)을 이용하고 여기서P_sat(Saturation vapor pressure)는 Hyland-Wexler 식을 사용하였다.⁽²⁰⁾

성능/효과

본 해석 결과 직교류와 대향류 모두 입구 온도가 증가함에 따라 εS가 조금씩 감소하는 것을 볼 수 있다.
(2) 유동방향에 따른 εL를 비교했을 때 입구 유량이 20 LPM 인 경우 직교류 εL보다 대향류 εL가 높게 나타났다.
(1) 유동방향에 따른 εS를 비교하였을 때 입구 유량이 20 LPM 인 경우 직교류 εS 보다 대향류 εS가 높게 나타났고 유량이 증가함에 따라 그 차이가 조금씩 감소하는 것을 알 수 있었다.
(3) 저온 건조한 공기 입구온도를 증가시켰을 때 εS의 변화는 크지 않지만, εL은 비선형으로 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.
가 높게 나타났다. 그리고 직교류와 대향류의 NTU_L이 NTU_S 보다 낮은 영역에 위치하고 있기 때문에 총물질관류계수가 총열관류계수보다 작게 나타나는 것을 알 수 있었다.
(4) 따라서, 저온 건조한 공기 입구온도가 증가하면 포화수증기압은 증가하고 상대습도는 감소하는데 상대적으로 온도 증가에 따라 포화수증기압의 증가율이 상대습도 감소율에 비해 크므로 막 수분 확산저항계수가 커진다고 예상할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판형 막 가습기의 구분과 열전달 과정은?	연료전지 시스템에서 공급기체 가습은 연료전지 성능효율과 전해질막 수명 향상 측면에서 중요하다. 판형 막 가습기는 일반적으로 유동 방향에 따라 직교류와 대향류로 구분되고 판과 막 사이에서 고온 다습한 공기와 저온 건조한 공기의 열 및 물질전달이 이루어진다. 본 연구에서는 현열 및 잠열 ${\varepsilon}$-NTU 법을 이용하여 입구 온도와 유량 변화에 따른 열 및 물질전달 성능 변화를 유동 방향에 따라 비교하였다.
	고분자 전해질 연료전지는 전류를 어떻게 생산하는가?	고분자 전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막 전해질을 사용함으로서 전기화학 반응을 통하여 전류를 생성한다. 연료전지의 성능효율 향상을 위해서는 급변하는 사용 환경에서 전해질막에 적절한 온도와 수분을 유지시켜주어야 한다.
	공급가스의 가습 방법의 각 특징은?	공급가스의 가습을 위해서는 크게 내부 가습과 외부 가습 방법이 있다. 내부 가습은 연료전지 스택의 일부를 가습층으로 사용하고, 냉각수를 이용하여 수분을 공급하는 방법으로 가습 성능 측면에서는 불리하지만, 일체형으로 제작이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 외부 가습은 별도의 가습 장치를 통해 수분을 공급하는 방법으로 액적 분무 방식, 엔탈피 휠 방식, 버블링 방식 그리고 친수성 투과막을 이용한 막 가습 방식을 사용한다.(3,4) 하지만 기존 가습기 관련 연구들은 장치가 복잡하고 시스템 설치가 어려워 최근에 이러한 단점을 보완하기 위한 막 가습기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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