$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

가스 확산층(GDL)내부의 물이 연료전지 성능에 미치는 영향
The Effect of Liquid Water in Fuel Cell Cathode Gas Diffusion Layer on Fuel Cell Performance 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.4, 2015년, pp.374 - 380  

박상균 (Division of Marine Information Technology, Korea Maritime and Ocean University)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

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.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

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].
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (19)

  1. M. H. Kim, "Analysis on the technology R&D of the fuel cell systems for power generation in ships," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 31, no. 8, pp. 924-931, 2007 (in Korean). 

  2. S. K. Park and M. E. Kim, "A study on thermal management of stack supply gas of solid oxide fuel cell system for ship applications," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 6, pp. 765-772, 2011 (in Korean). 

  3. K. C. T. Lawrence, W. Steven, M. Niall, U. Bernhard, and M. B. Ricardo, "Soild oxide fuel cell/gas turbine trigeneration system for marine application," Journal of Power Sources, vol. 196, no. 6, pp. 3149-3162, 2011. 

  4. K. J. Park, H. J. Ji, and J. M. Bae, "Study of operation strategy for hybrid PEM fuel cell and supercapacitor," Transactions of the Korean Society fo Mechanical Engineers (B), vol. 30, no.8, pp. 756-763, 2006 (in Korean). 

  5. S. Gunter, "Fuel cells going on-board," Journal of Power Sources, vol. 86, no. 1-2, pp. 61-67, 2000. 

  6. D. Y. Park, H. K. Yang, and J. S. Oh, "Power system using the fuel cell (PEMFC) for the leisure ship," Proceedings of the Korean Society for Power System Engineering Conference, 225-225, 2012 (in Korean). 

  7. J. H. Lee, M. Y. Lee, S. S. Lee, I. S. Nam, and D. H. Lee, "An experimental study on the performance of PEMFC stack depending on operating conditions," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 33, no. 5, pp. 770-777, 2009 (in Korean). 

  8. K. Y Kim, Y. J. Sohn, M. J. Kim, and W. Y. Lee, "Numerical study on the effects of GDL porosity on the PEMFC performance," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers (B), vol. 33, no.12, pp. 1022-1030, 2009 (in Korean). 

  9. M. Khandelwal, S. H. Lee, and M. M. Mench, "One dimensional thermal model of cold-start in a polymer electrolyte fuel cell stack," Journal of Power Sources, vol. 172, no. 2, pp. 816-830, 2007. 

  10. M. Sundaresan and R. M. Moore, "Polymer electrolyte fuel cell stack thermal model to evaluate sub-freezing startup," Journal of Power Sources, vol. 145, no. 2, pp. 534-545, 2005. 

  11. Y. Shan and S. Y. Choe, "Modeling and simulation of a PEM fuel cell stack considering temperature effects," Journal of Power Sources, vol. 158, no. 1, pp. 274-286, 2006. 

  12. A. J. del Real, A. Arce, and C. Bordons, "Development and experimental validation of a PEM fuel cell dynamic model," Journal of Power Sources, vol. 173, no. 1, pp. 310-324, 2007. 

  13. J. C. Amphlett, R. M. Baumert, R. F. Mann, B. A. Peppley, P. R. Roberge, and T. J. Harris, "Performance modeling of the ballard mark IV solid polymer electrolyte fuel cell," Journal of the Electrochemical Society, vol. 142, issue. 1, pp. 1-8, 1995. 

  14. Z. H. Mo, X. J. Zhn, L. Y. Wei and G. Y. Cao, "Parameter optimization for a PEMFC model with a hybrid genetic algorithm," International Journal of Energy Research, vol. 30, no. 8, pp. 585-597, 2006. 

  15. J. M. Correa, F. A. Farret, L. N. Canha and M. G. Simoes, "Performance modeling of the ballard mark IV solid polymer electrolyte fuel cell," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, no. 5, pp. 1103-1112, 2004. 

  16. T. E. Springer, T. A. Zawodzinski, S. Gottesfeld, "Polymer electrolyte fuel cell model," Journal of the Electrochemical Society, vol. 138, no. 8, pp. 2334-2342, 1991. 

  17. T. V. Nguyen and R. E. White, "A water and heat management model for proton-exchange-membrane fuel cells," Journal of the Electrochemical Society, vol. 140, no. 8, pp. 2178-2186, 1993. 

  18. D. A. McKay, W. T. Ott, and A. G. Stefanopoulou, ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, no. IMECE 2005-81484, 2005. 

  19. J. H. Nam and M. Kaviany, "Effective diffusivity and water-saturation distribution in single- and two-layer PEMFC diffusion medium," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 46, no. 24, pp. 4595-4611, 2003. 

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

GOLD

오픈액세스 학술지에 출판된 논문

섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로