[논문]다공성 분리판을 적용한 고분자 전해질 연료전지의 유동 분포에 관한 전산해석 연구

송명호; 김경연

doi:10.7316/khnes.2016.27.1.029

다공성 분리판을 적용한 고분자 전해질 연료전지의 유동 분포에 관한 전산해석 연구
Numerical Study on Flow Distribution in PEMFC with Metal foam Bipolar Plate 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.1, 2016년, pp.29 - 35

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It is important to uniformly supply the fuel gas into the reaction activity area in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). Recent studies have shown that the cell performance can be significantly improved by employing metal foam gas distributor as compared with the conventional bipolar plate types. The metal foam gas distributor has been reported to be more efficient to fuel transport. In this study, three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations have been performed to examine the effects of metal foam flow field design on the fuel supply to the reaction site. Darcy's law is used for the flow in the porous media. By solving additional advection equation for fluid particle trajectory, the gas transport has been visualized and examined for various geometrical configuration of metal foam gas distributor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 고분자 전해질 연료전지의 성능향상을 위해 연료공급 측면에서 전산해석을 수행하였다. 다공성 매질에서의 유동을 해석하기 위하여 Darcy’s law를 사용하였으며, 다공성 매질의 투과도를 예측 하여 실험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 유동지역의 다공성 분리판의 설계에 따른 연료공급 효과를 알아보기 위해 상용 소프트웨어 FLUENT를 사용하여 3차원 전산해석을 수행하였으며, Tsai et al.⁹⁾의 실험 결과를 비교대상으로 하여 기존 그라파이트 사행유로의 형상과 메탈 폼을 적용한 기본적인 구조의 유동 필드 형상을 재연하여 전산해석결과를 검증하였으며, 이를 토대로 각 유형의 유동장을 가시화하여 살펴보았다. 다공성 매질에서의 유동을 해석하기 위해 Darcy’s law를 사용하였고, Tsai et al.

가설 설정

2에 나타내었다. 공급 유량이 증가할수록 압력 강하는 증가한다. 유형 C의 압력강하가 높게 나타났는데, 이는 C가 다른 유형들에 비해 긴 유동 경로를 가지고 있기 때문이다.
본 연구에서는 채널 내의 유동은 정상 상태, 등온, 층류의 3차원 유동으로 가정하였으며, 흐르는 유체에서 변화의 방정식은 유체 내의 미소체적 성분에 대한 질량과 운동량 보존을 나타내는 연속 방정식과 Navier-Stokes 방정식으로 다음과 같다.
회색으로 표현된 부분이 다공성 매질로 이루어진 메탈 폼을 나타낸다. 유형 A는 하나의 영역으로 구성되어 있으며, 유동이 대각선으로 흐른다. 유형 B는 유형 A와 마찬가지로 하나의 영역이지만 유동이 위에서 아래로 흐른다.

제안 방법

1) 5가지 유형에 따른 압력강하와 유동 패턴, 압력 분포를 비교하였다. 메탈 폼 내부에서의 압력강하를 살펴보면, 유형 C가 가장 높은 압력강하를 보였으며, 유형 A와 B가 가장 낮은 압력강하를 나타냈다.
연료분배에 대한 정량적 비교를 위해, 입구에서 공급되는 염료(dye)가 메탈 폼 내부로 전달되는 과정을 아래의 대류방정식으로 해석하였다.
유선을 통해 유동분포를 가시화하여 알아보았다. Fig.

대상 데이터

Fig. 1은 전산해석 영역이며, 이때 해석에 사용된 격자 수는 약 280만개이다. 격자 해상도를 테스트하기 위해 격자 수를 50% 증가시켜 전산해석을 수행하였다.

데이터처리

1은 전산해석 영역이며, 이때 해석에 사용된 격자 수는 약 280만개이다. 격자 해상도를 테스트하기 위해 격자 수를 50% 증가시켜 전산해석을 수행하였다. 그 결과 압력강하의 변화가 3%로 사용된 격자가 충분히 조밀함을 확인하였다.
본 연구는 고분자 전해질 연료전지의 성능향상을 위해 연료공급 측면에서 전산해석을 수행하였다. 다공성 매질에서의 유동을 해석하기 위하여 Darcy’s law를 사용하였으며, 다공성 매질의 투과도를 예측 하여 실험결과와 비교하였다. 또한, 편미분 방정식을 이용해 연료분포를 시각화, 정량화하여 비교하였다.
다공성 매질에서의 유동을 해석하기 위하여 Darcy’s law를 사용하였으며, 다공성 매질의 투과도를 예측 하여 실험결과와 비교하였다. 또한, 편미분 방정식을 이용해 연료분포를 시각화, 정량화하여 비교하였다. 전산해석 결과는 다음과 같다.

이론/모형

⁹⁾의 실험 결과를 비교대상으로 하여 기존 그라파이트 사행유로의 형상과 메탈 폼을 적용한 기본적인 구조의 유동 필드 형상을 재연하여 전산해석결과를 검증하였으며, 이를 토대로 각 유형의 유동장을 가시화하여 살펴보았다. 다공성 매질에서의 유동을 해석하기 위해 Darcy’s law를 사용하였고, Tsai et al.⁹⁾의 실험과 동일한 작동조건으로 수행되었다. 해석결과를 통해 새로운 형상을 도출하였다.
⁹⁾에서 투과도와 공극률 값이 명시 되어있지 않다. 본 연구에서는 시행착오법과 최소자승법을 활용하여 투과도(K=1.29E-8 m²)를 선정하였다. 이 투과도 값은 대표적인 메탈폼 투과도 값 범위 안에 속한다.

성능/효과

2) 정량화한 유동분포 비교에서는 유형 E가 가장 고른 분포를 보였고, 다음으로 유형 C, A, D는 비슷한 연료 분포를 보였으며, 실험결과를 통해 도출한 유형 E는 유형 D처럼 연료를 병렬 공급하여 연료의 고른 분포가 이루어졌으며, 유형 A, B처럼 연료 유동의 방향을 일치하게 하여 압력강하도 낮게 발생하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그라파이트를 분리판 재질로 사용하는 것의 단점은?	최근에 가장 많이 사용되고 있는 분리판의 재질은 그라파이트이다. 그러나 그라파이트는 기계적 강도가 매우 약하고 비용이 비싸다6). Kumar and Reddy7,8)는 분리판 유동 필드에 그라파이트 대신에 메탈 폼을 사용하여, 기존의 분리판보다 좋은 작동을 보여, 메탈 폼이 분리판 재료로서의 가능성을 확인하였다.
	고분자 전해질 연료전지의 장점은 무엇인가?	최근에는 환경보호에 대한 관심이 높아지면서 저공해 에너지 개발의 필요성이 높아짐에 따라 연료전지의 개발 필요성이 증가하고 있다1-3). 그 중에서도 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 수명이 길고 저온에서도 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다3-5). PEMFC가 작동을 하기 위해서는 채널 (GC; gas channel)을 통해 확산되고, 촉매층(CL; catalyst layer)에 도달하여 전기화학반응이 일어난다.
	PEMFC의 분리판 내부에서 균일성을 확보하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?	그 중에서도 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 수명이 길고 저온에서도 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다3-5). PEMFC가 작동을 하기 위해서는 채널 (GC; gas channel)을 통해 확산되고, 촉매층(CL; catalyst layer)에 도달하여 전기화학반응이 일어난다. 수소 이온은 전기화학반응으로 인하여 전해질막(MEM;membrane)을 통해 양극으로 이동하게 되고 양극에 공급된 산소와 반응함으로써 물을 생성하게된다. 이 때 들어가는 수소는 유동장을 통하여 MEA의 표면에 고르게 분포된다. 이때 반응의 효율은 유동이 잘 분포 되었는지에 따라 비례한다. 이와 같은 이유로 분리판 내부에서의 유동은 균일성을 확보해야 한다.

참고문헌 (9)

Hayre RO CS, Collela W, Prinz FB, "Fuel Cell Fundamentals", New york, John Wiley and sons, 2005.
J.O'M. Bockris SS. Fuel Cells, "Their Electrochemistry", McGraw-Hill, New York, 1969.
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Patil PG, "US Department of Energy fuel cell program for transportation applications", Journal of power sources, 1992, 37, 171-9.

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Chang H-P, Chou C-L, Chen Y-S, Hou T-I, Weng B-J, "The design and cost analysis of a portable PEMFC UPS system" International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32, 316-22.

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Kumar A, Reddy R, "Modeling of polymer electrolyte membrane fuel cell with metal foam in the flow-field of the bipolar/end plates" Journal of power sources, 2003, 114, 54-62.

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Tsai B-T, Tseng C-J, Liu Z-S, Wang C-H, Lee C-I, Yang C-C, et al, "Effects of flow field design on the performance of a PEM fuel cell with metal foam as the flow distributor" International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37, 13060-6.

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