본 연구에서는 연료전지캐소드 가스 확산층에서의 물의 영향이 연료전지 성능에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연료전지 스택의 부하 변동에 따른 가스 확산층에서의 2상 현상의 구현이 가능한 동적 모델을 개발하였다. 개발된 모델에 대하여 2상의 영향에 의한 연료전지 부하변동에 따른 연료전지 스택 성능, 가스 확산층 내부에서의 물 증기와 산소의 농도분포, 가스 확산층의 두께 및 다공성이 연료전지 스택 전압에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 그 결과 본 연구의 범위 내에서 연료전지 스택 전압은 부하에 관계없이 2상 모델이 1상 모델보다 낮아짐을 알 수 있다. 촉매층 부근 가스 확산층에서의 산소 농도는 가장 낮고 물 증기의 농도는 가장 높음을 알 수 있었다. 또한, GDL의 두께가 두꺼울수록 GDL의 다공성이 작을수록 연료전지 스택 전압이 낮아짐을 알 수 있었다.
본 연구에서는 연료전지 캐소드 가스 확산층에서의 물의 영향이 연료전지 성능에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연료전지 스택의 부하 변동에 따른 가스 확산층에서의 2상 현상의 구현이 가능한 동적 모델을 개발하였다. 개발된 모델에 대하여 2상의 영향에 의한 연료전지 부하변동에 따른 연료전지 스택 성능, 가스 확산층 내부에서의 물 증기와 산소의 농도분포, 가스 확산층의 두께 및 다공성이 연료전지 스택 전압에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 그 결과 본 연구의 범위 내에서 연료전지 스택 전압은 부하에 관계없이 2상 모델이 1상 모델보다 낮아짐을 알 수 있다. 촉매층 부근 가스 확산층에서의 산소 농도는 가장 낮고 물 증기의 농도는 가장 높음을 알 수 있었다. 또한, GDL의 두께가 두꺼울수록 GDL의 다공성이 작을수록 연료전지 스택 전압이 낮아짐을 알 수 있었다.
In this paper, a dynamic model describing the 2 phase effect on the gas diffusion layer depending on load change of a fuel cell stack was developed to examine the effects of liquid water in fuel cell cathode gas diffusion layer on the fuel cell performance. For the developed model, 2 phase effect on...
In this paper, a dynamic model describing the 2 phase effect on the gas diffusion layer depending on load change of a fuel cell stack was developed to examine the effects of liquid water in fuel cell cathode gas diffusion layer on the fuel cell performance. For the developed model, 2 phase effect on the performance of a fuel cell stack depending on the load changes, concentration distribution of water vapor and oxygen inside a gas diffusion layer, the effect of the thickness and porosity of the gas diffusion layer on the fuel cell stack voltage were examined. As a result, a fuel cell stack voltage for the 2 phase model within the scope of the research become lower than that for the 1 phase model regardless of the load. Although oxygen molar concentration for the gas diffusion layer adjacent to the catalyst layer was the lowest, water vapor concentration is the highest. In addition, as thickness and porosity of the gas diffusion layer increased and decreased, respectively, the fuel cell stack voltage decreased.
In this paper, a dynamic model describing the 2 phase effect on the gas diffusion layer depending on load change of a fuel cell stack was developed to examine the effects of liquid water in fuel cell cathode gas diffusion layer on the fuel cell performance. For the developed model, 2 phase effect on the performance of a fuel cell stack depending on the load changes, concentration distribution of water vapor and oxygen inside a gas diffusion layer, the effect of the thickness and porosity of the gas diffusion layer on the fuel cell stack voltage were examined. As a result, a fuel cell stack voltage for the 2 phase model within the scope of the research become lower than that for the 1 phase model regardless of the load. Although oxygen molar concentration for the gas diffusion layer adjacent to the catalyst layer was the lowest, water vapor concentration is the highest. In addition, as thickness and porosity of the gas diffusion layer increased and decreased, respectively, the fuel cell stack voltage decreased.
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문제 정의
본 연구에서는 Matlab 상용프로그램을 활용하여 아래에 기술되는 방정식을 기반으로 모델을 개발하였다. 연료전지 단셀 전압(Vcell)은 개회로 전압에서 활성화, 저항 및 농도과전압을 뺀 값이며 단셀 전압의 합이 스택의 전압(Vstack)이 된다.
본 연구에서는 연료전지 캐소드 GDL에서의 물(Water)이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연료전지 스택의 부하 변동에 따라 GDL영역에서의 액체 물과 물 증기 2상의 물질전달 현상을 수학적으로 구현할 수 있는 동적 모델의 개발을 목표로 하고 있다. 개발된 모델에 대하여 연료전지 부하변동에 따라 2상의 영향 1상일 때와 비교하여 연료전지 스택 성능에 미치는 영향, 연료전지 부하변동에 따른 GDL 내부에서의 물 증기와 산소의 농도분포에 대한 검토, 연료전지 부하변동에 따른 GDL의 두께 및 GDL의 다공성이 스택 전압에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 연료전지 캐소드측 GDL 내부의 물이 연료전지 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 GDL 내부의 물에 대한 2상의 구현이 가능한 수치해석 모델을 개발하여, 2상의 영향에 따른 연료전지 스택 성능에 관하여 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
가설 설정
캐소드 GDL 내부에서 화학반응에 의해서 생성되는 물의 상태가 기체일 경우와 액체일 경우에 따라서 반응물인 산소의 물질 확산에 영향을 줄 것이다. 본 연구에서는 캐소드 GDL 내부에서 물과 물의 증기상태가 동시에 존재하는 2상의 경우를 고려하였다.
제안 방법
본 연구에서는 연료전지 캐소드 GDL에서의 물(Water)이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연료전지 스택의 부하 변동에 따라 GDL영역에서의 액체 물과 물 증기 2상의 물질전달 현상을 수학적으로 구현할 수 있는 동적 모델의 개발을 목표로 하고 있다. 개발된 모델에 대하여 연료전지 부하변동에 따라 2상의 영향 1상일 때와 비교하여 연료전지 스택 성능에 미치는 영향, 연료전지 부하변동에 따른 GDL 내부에서의 물 증기와 산소의 농도분포에 대한 검토, 연료전지 부하변동에 따른 GDL의 두께 및 GDL의 다공성이 스택 전압에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.
Figure 3은 1상 모델과 2상 모델에 대하여 수치해석을 수행한 결과를 보여주고 있다. 본 연구에서의 수치해석 조건은 애노드 가스인 수소가스의 공급에 대하여 화학양론비 = 1.2, 온도 = 333.15(K), 압력 1(atm) 및 상대습도 = 0(%)이고, 캐소드 가스인 공기에 대하여 화학양론비 = 3.0, 온도 = 333.15(K), 압력 1(atm) 및 상대습도 = 100(%)로 계산을 수행하였다. 연료전지 스택에 시간에 따라 부하를 0.
15(K), 압력 1(atm) 및 상대습도 = 100(%)로 계산을 수행하였다. 연료전지 스택에 시간에 따라 부하를 0.5, 0.6 및 0.8 (A/cm2)로 변화를 주어 그에 따른 스택 전압의 변동을 검토하였다. 스택 전압은 각각의 부하에서 2상 모델이 1상 모델보다 낮음을 알 수 있다.
본 연구에서는 캐소드 GDL 내부에서 물과 물의 증기상태가 동시에 존재하는 2상의 경우를 고려하였다. 캐소드 GDL을 Figure 1에서 보이는바와 같이 3영역(3point)으로 분리하여 반응물질인 산소와 생성물질인 물에 대한 물질전달에 대하여 검토하였다.
대상 데이터
캐소드 GDL 내부에서 화학반응에 의해서 생성되는 물의 상태가 기체일 경우와 액체일 경우에 따라서 반응물인 산소의 물질 확산에 영향을 줄 것이다. 본 연구에서는 캐소드 GDL 내부에서 물과 물의 증기상태가 동시에 존재하는 2상의 경우를 고려하였다. 캐소드 GDL을 Figure 1에서 보이는바와 같이 3영역(3point)으로 분리하여 반응물질인 산소와 생성물질인 물에 대한 물질전달에 대하여 검토하였다.
성능/효과
(1) 본 연구의 연구범위 내에서 연료전지 부하 변동에 따른 스택 전압은 액체 물의 영향을 포함한 2상 모델이 물 증기만을 표현한 1상 모델보다 낮아짐을 알 수 있다.
(2) 연료전지 스택의 부하에 관계없이 촉매층에서 화학반응에 의하여 산소는 소비되고, 물 증기는 생성되기 때문에 촉매층 부근에서 산소의 농도는 가장 낮고, 물 증기의 농도분포는 가장 높음을 알 수 있다.
(3) 캐소드 GDL의 두께가 두꺼울수록 산소의 물질 확산이 어려워져 농도과전압이 증가하고, GDL의 다공성이 작을수록 GDL 내부를 확산하여 통과하는 산소의 압력손실이 증가하기 때문에 연료전지 스택전압이 낮아진다.
2 (A/cm2)로 부하를 주었을 경우 2상 모델의 캐소드 GDL 내부 3영역에서의 물 증기와 산소의 농도변화를 보여주고 있다. 각각의 영역에서 부하가 높아질수록 물 증기의 농도는 높아지고, 산소의 농도는 낮아짐을 알 수 있다. 이는 부하가 높아짐에 따라서 화학반응이 증가하여 물 증기의 생성량이 증가되기 때문이며, 산소의 농도는 부하가 높아짐에 따라서 많은 양이 화학반응으로 소비되어지기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GDL 내부의 물에 대한 2상에 대한 수치해석 결과로 산소의 농도가 가장 낮은 곳은?
(2) 연료전지 스택의 부하에 관계없이 촉매층에서 화학반응에 의하여 산소는 소비되고, 물 증기는 생성되기 때문에 촉매층 부근에서 산소의 농도는 가장 낮고, 물 증기의 농도분포는 가장 높음을 알 수 있다.
고체고분자형 연료전지의 특징은?
연료전지(Fuel Cell) 수소와 산소의 화학반응에 의하여 전기, 열 및 물을 생산하는 친환경 기술로 대기오염물질을 저감하기 위한 동력원으로 주목받고 있다[1]-[3]. 다양한 종류의 연료전지 중에서 고체고분자형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 운전온도, 짧은 시동시간 등의 특징을 가지고 있어 자동차 및 소형 선박 등에 사용되어지고 있는 기존의 내연기관을 대체할 동력 발생장치로 주목받고 있다[4]-[6]. PEMFC는 스택의 운전온도, 가스 공급압력 및 습도 등과 같은 다양한 요인에 따라서 발전성능에 차이가 발생한다.
연료전지 기술은 무엇인가?
연료전지(Fuel Cell) 수소와 산소의 화학반응에 의하여 전기, 열 및 물을 생산하는 친환경 기술로 대기오염물질을 저감하기 위한 동력원으로 주목받고 있다[1]-[3]. 다양한 종류의 연료전지 중에서 고체고분자형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 운전온도, 짧은 시동시간 등의 특징을 가지고 있어 자동차 및 소형 선박 등에 사용되어지고 있는 기존의 내연기관을 대체할 동력 발생장치로 주목받고 있다[4]-[6].
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