[논문]전산유체역학 (CFD)을 이용한 PEMFC의 성능분석

김선회

doi:10.14400/jdpm.2013.11.8.199

전산유체역학 (CFD)을 이용한 PEMFC의 성능분석
Performance Analysis of PEMFC Using Computational Flow Dynamics (CFD) 원문보기

디지털정책연구 = The Journal of digital policy & management, v.11 no.8, 2013년, pp.199 - 204

초록
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단순한 모델링이 아닌 3차원의 정밀한 모델링을 이용하여 연료전지 내부에서의 상황을 모사하였다. 자동차 엔진, 비행기 등의 설계에 있어서 실제 실험의 횟수를 줄여주기 위하여 매우 정밀한 전산유체역학(CFD)이 사용된다. 본 연구에서는 CD-ADAPCO사의 STAR-CD를 이용하여 고체고분자전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 분석하였다. PEMFC 단위전지의 형상과 유로의 흐름의 변화에 따른 성능의 영향성을 분석하였다. 그 결과 rectangular cell 의 성능이 square cell 보다 높게 나타났으며 유체흐름의 방향은 성능에 큰 영향을 미치지 못했다. 또한 공기의 과잉률에 따른 전체적인 연료전지의 성능을 비교하였으며, 또한 PEMFC 내부에서의 전류밀도의 분포에 관한 분석을 실시하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 그 결과 flip-flow의 경우가 co-flow의 경우에 비하여 최대치와 최고치의 값의 편차가 작은 것으로 확인되어 보다 균일한 분포를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Computational fluid dynamics (CFD) is used to reduce number of experiments. The CFD tools are widely used for engine design and flow pattern analysis to reduce experiments. In this study the performance of a PEMFC single cell was analyzed by using STAR-CD, product of CD-ADAPCO. The effect of cell design and flow pattern on the performance of a PEMFC was analyzed with the 3-D simulation. As a result the performance of rectangular cell was the higher than that of square cell, while the flow direction scarcely affected on the performance of a PEMFC. Also the current density according to different excess ratio of air flow rate was compared and analyzed. The difference between maximum and minimum current density of flip-flow was lower than that of co-flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 온도, 가습, 압력, 유량 등의 운전과 설계상의 인자들 간의 최적화가 이루어져야 하지만, 모든 경우의 수를 실험하게 된다면 비용과 시간이 막대하게 필요하기 때문에 실험의 숫자를 줄이기 위하여 본 연구를 실시하였다. 본 연구에서는 STAR-CD의 모듈인 espemfc를 이용하여 연료전지의 성능에 중요한 영향을 미치는 유로의 설계에 관련된 3차원 해석을 통하여 연료전지 설계의 핵심 인자를 도출하였다. [4,5,6,7,8]
연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 온도, 가습, 압력, 유량 등의 운전과 설계상의 인자들 간의 최적화가 이루어져야 하지만, 모든 경우의 수를 실험하게 된다면 비용과 시간이 막대하게 필요하기 때문에 실험의 숫자를 줄이기 위하여 본 연구를 실시하였다. 본 연구에서는 STAR-CD의 모듈인 espemfc를 이용하여 연료전지의 성능에 중요한 영향을 미치는 유로의 설계에 관련된 3차원 해석을 통하여 연료전지 설계의 핵심 인자를 도출하였다.

제안 방법

3차원 전산모사를 통하여 연료전지의 구조와 유동장에 따른 성능의 영향성을 모사하였다. 그 결과 여러 가지의 유동장의 형상에 따른 성능의 영향성을 확인할 수 있었고, 반응 가스의 흐름에 따른 연료전지의 성능의 영향성도 분석할 수 있었다.
본 연구에 있어서 운전조건에 있어서 연료전지 단위전지의 온도는 70℃로 설정하였다. 또한 anode 와 cathode의 가습은 모두 상대습도 100% 로 맞추어 놓았으며, anode 에서의 수소의 유량은 필요량에 대비하여 20% 과량을 공급 하였으며 cathode의 공기는 100% 과량 그리고 200% 과량으로 공급하여 그 결과를 비교 하였다. 본 연구에서 는 steady state에서 전산모사가 이루어졌다.
또한 유체의 흐름에 변화를 주어 그 결과를 분석하였다. Fig.
본 연구에 사용되는 물리적 법칙은 질량보존의 법칙, 에너지보존의 법칙, 수분의 이동 그리고 열의 전달방정식 등으로 지배방정식을 설정하였다. 그 방정식들은 참고문헌 [9]에 명시되어 있다.
본 연구에 있어서 운전조건에 있어서 연료전지 단위전지의 온도는 70℃로 설정하였다. 또한 anode 와 cathode의 가습은 모두 상대습도 100% 로 맞추어 놓았으며, anode 에서의 수소의 유량은 필요량에 대비하여 20% 과량을 공급 하였으며 cathode의 공기는 100% 과량 그리고 200% 과량으로 공급하여 그 결과를 비교 하였다.
또한 anode 와 cathode의 가습은 모두 상대습도 100% 로 맞추어 놓았으며, anode 에서의 수소의 유량은 필요량에 대비하여 20% 과량을 공급 하였으며 cathode의 공기는 100% 과량 그리고 200% 과량으로 공급하여 그 결과를 비교 하였다. 본 연구에서 는 steady state에서 전산모사가 이루어졌다.
2는 실제로 사용되고 있는 serpentine 구조를 가지는 연료전지의 기체의 유로의 일반적인 형상이다. 본 연구에서는 CFD 모델링의 도구 중 하나인 CD-adapco사의 STAR-CD의 연료전지용 모듈인 espemfc를 이용하여 그 결과를 비교하였다.
그림 3의 경우 사용되고 있는 연료전지의 단위전지 설계의 일반적인 형상이다. 본 연구에서는 앞서 나열한 지배방정식을 3차원모델링 도구인 CD ADAPCO 사의 STAR-CD와 그에 적용되고 있는 연료전지 모듈인 espemfc를 이용하여 Fig. 1과 같은 고체와 유체의 유동, 그리고 그의 실제 형상인 Fig. 2 왼쪽의 직사각형 단위전지와 Fig. 2 오른쪽의 정사각형 단위전지의 성능을 비교 분석하였고, 그 전산모사의 결과로서 단위전지 내의 전류밀도, 압력 그리고 온도 등의 분포를 살펴보았다.
그 결과 여러 가지의 유동장의 형상에 따른 성능의 영향성을 확인할 수 있었고, 반응 가스의 흐름에 따른 연료전지의 성능의 영향성도 분석할 수 있었다. 이런 계산 과정을 통하여 연료전지 내부에서의 기체의 전류밀도의 분포를 분석하였다. rectangular cell 에서의 성능이 square 에서의 성능에 비하여 보다 높은 성능을 나타내었다.

이론/모형

이런 simulation을 가능하게 한 기술 중 전산유체역학(computational flow dynamics, CFD)의 도움을 통하여 3차원 방정식의 풀이가 가능해져 있다. CFD는 Navier-stock 방정식을 여러 가지의 기법을 이용하여 이산화하여 대수방정식으로 변환하고 이를 수치기법(numerical methode)의 알고리즘을 이용하여 유체유동 문제를 해석한다. 특히 CFD는 3차원 으로 풀이가 가능하여 복잡한 유동의 해석이 가능하고, 단상 및 다상유동(single or multi phase flow), 연소 및 여러 가지의 화학반응을 동반하는 유동의 해석까지 가능하다.

성능/효과

3차원 전산모사를 통하여 연료전지의 구조와 유동장에 따른 성능의 영향성을 모사하였다. 그 결과 여러 가지의 유동장의 형상에 따른 성능의 영향성을 확인할 수 있었고, 반응 가스의 흐름에 따른 연료전지의 성능의 영향성도 분석할 수 있었다. 이런 계산 과정을 통하여 연료전지 내부에서의 기체의 전류밀도의 분포를 분석하였다.
rectangular cell 에서의 성능이 square 에서의 성능에 비하여 보다 높은 성능을 나타내었다. 비록 여러 가지의 가정을 동원하여 식을 단순화 하였으나, 본 연구의 결과를 통하여 시간과 비용이 많이 소모되는 실험을 줄일 수 있는 신뢰할 수 있는 전산모사의 결과를 도출하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전산유체역학이 쓰이는 목적은 무엇인가?	단순한 모델링이 아닌 3차원의 정밀한 모델링을 이용하여 연료전지 내부에서의 상황을 모사하였다. 자동차 엔진, 비행기 등의 설계에 있어서 실제 실험의 횟수를 줄여주기 위하여 매우 정밀한 전산유체역학(CFD)이 사용된다. 본 연구에서는 CD-ADAPCO사의 STAR-CD를 이용하여 고체고분자전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 분석하였다.
	친환경적인 에너지원인 연료전지는 어떠한 장치인가?	최근 화석연료의 사용에 의한 온실가스의 발생으로 인한 대기오염 및 지구온난화로 인하여 친환경적인 에너지원으로서 신․재생에너지가 주목을 받고 있다. 여러 종류의 신․재생에너지 중 연료전지가 가장 각광을 받고 있는데 연료전지란 수소와 산소의 전기화학반응을 통하여 전기를 생산하는 발전장치 중 하나이다. 연료전지는 배터리와 같은 전기화학장치와는 달리 반응물질을 연속적으로 공급받아 발전하는 장치이므로 오랜시간을 충전해야 하는 일반적인 배터리와는 달리 충전시간이 필요없고 연료가 지속적으로 공급되는 한 계속적으로 발전이 가능하기 때문에 발전용과 수송용에서 매우 각광을 받고있는 기술이다.
	고체고분자전해질형 연료전지 성능을 분석하기 위해 어떠한 장치를 이용하였는가?	자동차 엔진, 비행기 등의 설계에 있어서 실제 실험의 횟수를 줄여주기 위하여 매우 정밀한 전산유체역학(CFD)이 사용된다. 본 연구에서는 CD-ADAPCO사의 STAR-CD를 이용하여 고체고분자전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 분석하였다. PEMFC 단위전지의 형상과 유로의 흐름의 변화에 따른 성능의 영향성을 분석하였다.

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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