[논문]열전달 및 열하중을 고려한 자동차 연료전지(PEMFC) 분리판의 두께 최적설계

김영성; 김철

doi:10.7467/ksae.2015.23.1.034

열전달 및 열하중을 고려한 자동차 연료전지(PEMFC) 분리판의 두께 최적설계
Optimization of Automotive PEMFC Bipolar Plates considering Heat Transfer and Thermal Loads 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.23 no.1, 2015년, pp.34 - 40

김영성 (경북대학교 기계공학부) , 김철 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A stack in the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) consists of bipolar plates, a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a collector and end plates. High current density is usually obtainable partially from uniform temperature distribution in the fuel cell. A size optimization method considering the thermal expansion effect of stacked plates was developed on the basis of finite element analyses. The thermal stresses in end, bipolar, and cooling plates were calculated based on temperature distribution obtained from thermal analyses. Finally, the optimization method was applied and optimum thicknesses of the three plates were calculated considering both fastening bolt tension and thermal expansion of each unit cell (72 cells, 5kW). The optimum design considering both thermal and mechanical loads increases the thickness of an end plate by 0.64-0.83% the case considering only mechanical load. The effect can be enlarged if the number of stack increases as in an automotive application to 200-300 stacks.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한, 연료전지 단위 스택의 체결압력을 변화시키면서 GDL 및 MEA에 미치는 압력의 영향을 평가하기위한 실험 및 해석적 연구가 수행되었다.⁸⁾ 단위전지가 적층되었을 때일정한 체결력하에서 끝판의 두께 변화시 밀봉가능한 체결력과 온도의 상관관계를 연구하였고,⁹⁾ 연료전지 분리판의 두께를 변화시키면서 접촉압력이 작용할 때 전해질의 변형을 파악하여 분리판의 두께를 최적화하는 연구도 수행되었다.
요소기술 중 재료기술은 촉매성능향상³⁾ 및 재료특성향상을⁴⁾ 위한 연구가 진행되고 있다. 요소기술 중제조기술로는 분리판(bipolar plate)의 설계에 대한 연구가 진행되고 있으며, 반응표면 법을 이용한 최적설계 등에 관해서 연구하였다.

가설 설정

4) 유한요소해석을 통한 열하중 반영한 치수 최적화는 3 ~ 4번의 반복계산으로 쉽게 수렴하기 때문에 최적설계방법의 도입으로 인해서 해석시간이 더 길어지지 않기 때문에 설계효율을 저해하진 않을 것이다.
4,9) 여기서해석에 사용된 스택의 두께는 90.35 mm이며 온도분포는 0 ~ 80°C이다.

제안 방법

5 kW급72셀스택의끝판, 분리판, 냉각판에 대하여 열팽창 하중을 고려한 FEM 해석에 기초한 두께 최적설계 방법을 개발하여 적용하였다.
5 mm로 하여 최적화를 수행하였다. 7,260 유한요소로 모델링된 냉각판에 관해서도 같은 방법으로 최적화하였고, 초기 두께는 1.5 mm로 하였다.
재료의 물성값은 Table 1에 정리하였다. 구속조건으로는 판 내의 모든 유한요소들이 안전계수2.5를 고려한 허용응력이100 MPa 이하가 되도록 설정하였다. 설계변수는 두께로 하여 최적화를 수행하였다.
두께 최적화를 하기 위해 다음과 같이 질량을 목적함수로 설정하고, 응력에 대한 구속조건을 설정하였다.
분리판은 6면체 유한요소 4,840개로 모델링되었다. 목적함수는 질량을 최소화 시키는 것이고 제한조건으로는 분리판 내의 허용응력이 68 MPa이하가 되도록 설정하였다. 설계변수는 판의 두께로 설정하고 초기 두께 0.
이상의 이전 연구를 살펴보면 판의 열팽창을 고려한 두께의 최적화에 대한 연구는 거의 찾을 수 없다. 본 논문에서는 단위전지 내에서 발생하는 열 팽창력에 의한 반력을 계산하여 끝판(end plate)의 체결력에 반영시킨 후 중량감소 및 파손방지를 위한 부피 및 두께 최적화를 수행하며, 열팽창으로 발생하는 힘을 체결압력에 합산하여 끝판, 분리판, 냉각 판의최적화를 수행하여 최적의 두께를 구하였다.
4와 같이 볼트 체결점이 전후 끝판에 걸쳐서 모두 12개이고, 해석상 볼트 체결점에 유한요소 절점을 생성하였다. 볼트 체결점의 x,y,z 자유도를 구속하고 열팽창으로발생하는 볼트 체결점의 반력을 구하였다. 이후, 운전온도에 의한 열팽창으로 인하여가운데 부분이 약간 볼록하게 변형된 모습이 Fig.
5를 고려한 허용응력이100 MPa 이하가 되도록 설정하였다. 설계변수는 두께로 하여 최적화를 수행하였다.
목적함수는 질량을 최소화 시키는 것이고 제한조건으로는 분리판 내의 허용응력이 68 MPa이하가 되도록 설정하였다. 설계변수는 판의 두께로 설정하고 초기 두께 0.5 mm로 하여 최적화를 수행하였다. 7,260 유한요소로 모델링된 냉각판에 관해서도 같은 방법으로 최적화하였고, 초기 두께는 1.
열전달 해석을 통해 계산된 온도 분포를 사용하여 열하중을 계산하였다. Figs.
최적화는 열하중 및 체결력, 최적화 정식을 이용하여 Optistruct로 수행하였다. 최적화를 위해 17178.
최적화는 열하중 및 체결력, 최적화 정식을 이용하여 Optistruct로 수행하였다. 최적화를 위해 17178.34N의 힘을 각각의 볼트고정점에 체결력으로 작용시켰고, 면에 닿는 단위셀의 면 전체 절점의 자유도를 고정시켰다. 재료의 물성값은 Table 1에 정리하였다.
치수 최적설계를 위한 초기 체결력은 기존에 모델링한 스택을 기준으로 구하였다. 분리판과 냉각 판에 작용하는 체결압력은, 개별 볼트 체결력17024.

대상 데이터

분리판은 6면체 유한요소 4,840개로 모델링되었다. 목적함수는 질량을 최소화 시키는 것이고 제한조건으로는 분리판 내의 허용응력이 68 MPa이하가 되도록 설정하였다.
최적화의 대상은 Fig. 1과 같은 단위 스택의 PEMFC(고분자 전해질 연료전지)이며, 이러한 단위 셀(cell)은 총 72 셀 35단으로 구성된 5kW의 출력을 내는 연료전지의 일부를 대상으로 하여 모델링한 것이다.⁹⁾

성능/효과

1) 단위 셀 판 두께 최적화의 결과, 열팽창 하중을 반영한 두께는 열하중의 추가로 인하여 이를 고려하지 않은 경우보다 좀 더 두꺼워졌다. 끝판은 0.
2) 이러한 두께의 증가는 더 큰 출력을 가지는 200셀 이상의 자동차용 연료전지에 적용시에는 더 큰 열팽창과 열하중으로 최적화 두께에 대한 파급효과가 더 커질 수 있다.
3) 열하중을 반영하는 것이 기존에 적용중인 기계 하중(볼트체결력)만 고려하는 방법보다 설계의 정확도를 높일 수 있음을 알 수 있다.
45 mm로 줄어들었다. 냉각판의 최적화 결과, 초기 두께 1.50 mm에서 4회 반복계산 후 1.30 mm로 수렴하였다.
최적화 결과, 분리판은 2번만에 수렴했으며 초기 두께 0.50 mm에서 시작하여 1회 계산 후 0.47 mm, 2 회 계산 및 수렴시0.45 mm로 줄어들었다. 냉각판의 최적화 결과, 초기 두께 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지가 대체 에너지원으로 부각되는 이유는 무엇인가?	연료전지는 NOx, SOx를 거의 배출하지 않으므로 친환경적이고 다양한 산업 전반에서 활용가능하기 때문에 대체에너지원으로 부각되고 있다. 이 중 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 높은 효율, 높은 출력밀도(power density), 빠른 응답속도와 낮은 온도(10~150°C)에서 운전이 가능하여 주택용, 휴대용, 자동차용 등의 전원으로 응용하기 위한 연구가 진행 되어오고 있다.
	고분자 전해질형 연료전지의 장점은 무엇이며 어디에 응용하기 위한 연구가 진행되고 있는가?	연료전지는 NOx, SOx를 거의 배출하지 않으므로 친환경적이고 다양한 산업 전반에서 활용가능하기 때문에 대체에너지원으로 부각되고 있다. 이 중 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 높은 효율, 높은 출력밀도(power density), 빠른 응답속도와 낮은 온도(10~150°C)에서 운전이 가능하여 주택용, 휴대용, 자동차용 등의 전원으로 응용하기 위한 연구가 진행 되어오고 있다.1,2)
	PEMFC관련 요소기술의 연구는 어떻게 진행되고 있는가?	PEMFC에 관한 연구는 크게 요소기술과 적층기술로 나눌 수 있다. 요소기술 중 재료기술은 촉매성능향상3) 및 재료특성향상을4) 위한 연구가 진행되고 있다. 요소기술 중제조기술로는 분리판(bipolar plate)의 설계에 대한 연구가 진행되고 있으며, 반응표면 법을 이용한 최적설계 등에 관해서 연구하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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W. S. Choi, S. J. Oh, S. J. Kim and B. S. Hong, "Topology Optimization for End Plate of Fuel Cell Stack," Proc. the KSME Spring Annual Meeting, pp.456-461, 2003.
J. Y. Yoon and J. S. Park, "Structural Robust Design of PEMFC Gasket Using Taguchi Method," J. the KSAS, Vol.36, No.8, pp.740-746, 2008.

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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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