공개소스 전산유체 해석 라이브러리인 OpenFOAM을 이용하여 음극 지지체형 고체산화물 연료전지의 온도균일성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지 유형의 유동흐름(병행류, 대향류, 직교류)에 대하여 수치해석이 이루어졌다. 다공성 물질내에서의 기체의 흐름은 유효확산계수를 이용하여 계산하였고 분리판의 리브 영향도 고려하였다. 전기화학반응의 계산을 위하여 실험식으로부터 얻은 집중내부저항 모델이 사용되었다. 수치해석 결과 대향류가 가장 균일한 온도분포를 나타내었다.
공개소스 전산유체 해석 라이브러리인 OpenFOAM을 이용하여 음극 지지체형 고체산화물 연료전지의 온도균일성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지 유형의 유동흐름(병행류, 대향류, 직교류)에 대하여 수치해석이 이루어졌다. 다공성 물질내에서의 기체의 흐름은 유효확산계수를 이용하여 계산하였고 분리판의 리브 영향도 고려하였다. 전기화학반응의 계산을 위하여 실험식으로부터 얻은 집중내부저항 모델이 사용되었다. 수치해석 결과 대향류가 가장 균일한 온도분포를 나타내었다.
We investigated the temperature uniformity in an anode-supported solid oxide fuel cell, using the open source computational fluid dynamics (CFD) toolbox, OpenFOAM. Numerical simulation was performed in three different flow paths, i.e., co-flow, counter-flow, and cross-flow paths. Gas flow in a porou...
We investigated the temperature uniformity in an anode-supported solid oxide fuel cell, using the open source computational fluid dynamics (CFD) toolbox, OpenFOAM. Numerical simulation was performed in three different flow paths, i.e., co-flow, counter-flow, and cross-flow paths. Gas flow in a porous electrode was calculated using effective diffusivity while considering the effect of interconnect rib. A lumped internal resistance model derived from a semi-empirical correlation was implemented for the calculation of electrochemical reaction. The result showed that the counter-flow path displayed the most uniform temperature distribution.
We investigated the temperature uniformity in an anode-supported solid oxide fuel cell, using the open source computational fluid dynamics (CFD) toolbox, OpenFOAM. Numerical simulation was performed in three different flow paths, i.e., co-flow, counter-flow, and cross-flow paths. Gas flow in a porous electrode was calculated using effective diffusivity while considering the effect of interconnect rib. A lumped internal resistance model derived from a semi-empirical correlation was implemented for the calculation of electrochemical reaction. The result showed that the counter-flow path displayed the most uniform temperature distribution.
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문제 정의
1) anode substrate layer(ASL), 2) anode functional layer(AFL), 3) electrolyte, 4) cathode functional layer(CFL), 5) cathode current collect layer(CCCL). SOFC의 구조상 연료와 공기는 매니폴드(manifold)를 통하여 채널(channel)로 들어오므로 유동의 균일성에 중요한 역할을 하나 본 연구는 유동방향에 따른 온도 균일성을 알아보기 위한 연구이므로 manifold의 영향은 무시하기로 한다. 반응면적이 100 cm2(10 cm×10 cm)이며 channel의 단면이 1mm × 1 mm인 단위전지가 모델링 되었다.
본 연구는 음극지지체형 고체산화물 연료전지의 유동방향에 따른 온도 균일성을 알아보는데 목적이 있다. 병행류, 대향류, 직교류(co-flow, counter-flow, cross-flow)의 세가지 유동 방향을 대상으로 수치해석이 이루어졌다.
제안 방법
공개 소스 전산유체 해석 도구인 OpenFOAM을이용하여 평판형 SOFC의 유동방향에 따른 온도균일성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지 유형의 유동흐름(co-flow, counter-flow, cross-flow)에 대한 온도분포를 알아보았고 온도균일성에 대한 고찰이이루어졌다. 본 연구결과 counter-flow가 가장 균일한 온도분포를 보였으며 평균온도도 가장 높은 것으로 나타냈다.
격자가 조밀할수록 해석의 정확도는 높아지나 해석비용이 높아지므로, 계산격자의 독립성 파악과 적절한 격자의 선택을 위하여 격자 의존성 테스트가 이루어졌다. 해석은 두 case로 나누어 수행하였다.
본 연구는 음극지지체형 고체산화물 연료전지의 유동방향에 따른 온도 균일성을 알아보는데 목적이 있다. 병행류, 대향류, 직교류(co-flow, counter-flow, cross-flow)의 세가지 유동 방향을 대상으로 수치해석이 이루어졌다. 각각의 구조는 Fig.
대상 데이터
하지만 계산에 소요된 시간은 case1의 경우 28919 s이며 case 2의 경우 173528 s으로 상당한 차이를 보인다. 따라서 본 연구에서는 2,080,000개의 격자로 구성된 case 1을 적용하여 수치해석에 이용하였다.
본 연구에 사용된 음극 지지체형 고체산화물 연료전지는 Fig. 1과 같다.
데이터처리
공개소스 전산유체해석 라이브러리인 OpenFOAM을 이용하여 다중스케일에서의 해석을 시행하였다. 지배방정식들은 C++ 프로그래밍 언어로 구성된 유한체적구조(finite volume scheme)를 이용하여 계산되었다.
이론/모형
해석 알고리즘은 순차적이고 반복적으로 구성되어 있다. Sparse matrices를 풀기 위하여 conjugate-gradient(CG) 법(method)이 사용되었고, symmetric matrices의 계산을 위하여 IncompleteCholensky preconditioning method가 사용되었으며 asymmetric matrices의 계산을 위하여 BI-CGSTAB method가 사용되었다.
공개 소스 전산유체 해석 도구인 OpenFOAM을이용하여 평판형 SOFC의 유동방향에 따른 온도균일성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지 유형의 유동흐름(co-flow, counter-flow, cross-flow)에 대한 온도분포를 알아보았고 온도균일성에 대한 고찰이이루어졌다.
다중스케일(multi-scale)과 복잡한 전달현상을 내포하는 고체산화물 연료전지의 수치해석을 위하여 질량 보존식(conservation of mass), 운동량 보존식(conservation of momentum), 기체수송 보존식(conservation of species transport), 에너지보존식(conservation of energy)이 사용되었으며 각각의 식은 다음과 같다.
3에 설명이 되어 있다. 수치해석은 공개소스 전산유체해석(Computational fluid dynamics, CFD) 라이브러리인 OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation)에서 이루어졌으며 열-유체-전기화학을 고려한 물질전달 해석이 포함되었다. 온도분포가 비교되었고 온도의 균일성을 판단하기 위하여 통계적 기법이 사용되었다.
여기서 ri는 집중내부저항(lumped internal resistance)을 나타내며 Global Thermoelectric Inc.에서 측정된 자료를 최소자승법(least-squares method)을 이용하여 4차항까지 polynomial fit 하였으며 다음과 같다.(17)
수치해석은 공개소스 전산유체해석(Computational fluid dynamics, CFD) 라이브러리인 OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation)에서 이루어졌으며 열-유체-전기화학을 고려한 물질전달 해석이 포함되었다. 온도분포가 비교되었고 온도의 균일성을 판단하기 위하여 통계적 기법이 사용되었다.
공개소스 전산유체해석 라이브러리인 OpenFOAM을 이용하여 다중스케일에서의 해석을 시행하였다. 지배방정식들은 C++ 프로그래밍 언어로 구성된 유한체적구조(finite volume scheme)를 이용하여 계산되었다. 해석 알고리즘은 순차적이고 반복적으로 구성되어 있다.
성능/효과
3가지 유형의 유동흐름(co-flow, counter-flow, cross-flow)에 대한 온도분포를 알아보았고 온도균일성에 대한 고찰이이루어졌다. 본 연구결과 counter-flow가 가장 균일한 온도분포를 보였으며 평균온도도 가장 높은 것으로 나타냈다. 이는 균일한 온도분포로 인하여 전기화학반응이 활발히 이루어져 전체적으로 온도가 높아진 것으로 판단된다.
후속연구
하지만 Recknagle 등(11)과 Xia 등(12)의 연구결과에서 알 수 있듯이, 온도 균일성은 해석모델의 단순화, 경계조건 및 작동조건의 차이, 그리고 셀형상 등에 따라 다소 차이가 있을 수 있으므로 설계시 주의를 기울여야 한다. 또한 본 해석에 사용된OpenFOAM을 이용한 공개소스 SOFC 해석 프로그램은 다양한 사용자들에 의해 더 많은 검증과 개선이 되어야 할 과제가 남아 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
음극 지지체형 고체산화물 연료전지는 셀 형상에 따라 어떻게 구분되는가?
음극 지지체형 고체산화물 연료전지(Anode supported Solid Oxide Fuel Cells)는 비교적 낮은 온도에서 작동할 수 있으며 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있어 중/저온형 고체산화물 연료전지(Intermediate temperature Solid Oxide Fuel Cells, IT-SOFCs)분야에서 많은 연구가 진행되고 있다.(1) 음극 지지체형 고체산화물 연료전지는 셀 형상에 따라 평판형(planar type), 원통형(tubular type), 그리고 평관형(flat-tubular type)으로 구분된다. 평판형 음극 지지체형 고체산화물 연료전지는 높은 출력을 낼 수 있고 비교적 저렴하게 제조할 수 있어 많은 관심을 받고 있으나, 소재간 열팽창률 차이 또는 온도구배에 의한 열응력과 밀봉재의 취약성, 반복된 열사이클에 의한 크랙(crack) 등은 아직도 해결해야 할 문제로 남아있다.
평판형 음극 지지체형 고체산화물 연료전지의 열응력을 최소화하기 위해 어떤 노력이 이루어지고 있는가?
평판형 음극 지지체형 고체산화물 연료전지는 높은 출력을 낼 수 있고 비교적 저렴하게 제조할 수 있어 많은 관심을 받고 있으나, 소재간 열팽창률 차이 또는 온도구배에 의한 열응력과 밀봉재의 취약성, 반복된 열사이클에 의한 크랙(crack) 등은 아직도 해결해야 할 문제로 남아있다.(2,3) 작동조건이나 물성 등과 같은 설계변수의 최적화를 통하여 열응력을 최소화 하려는 노력이 이루어지고 있다. 그 중 PEN(positive electrode/electrolyte/negative electrode)구조에서의 열응력 최소화는 전지수명의 향상과 밀접한 관계가 있기 때문에 열균일성을 일정하게 유지하려는 연구가 활발히 진행중이다.
음극 지지체형 고체산화물 연료전지의 장점은 무엇인가?
음극 지지체형 고체산화물 연료전지(Anode supported Solid Oxide Fuel Cells)는 비교적 낮은 온도에서 작동할 수 있으며 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있어 중/저온형 고체산화물 연료전지(Intermediate temperature Solid Oxide Fuel Cells, IT-SOFCs)분야에서 많은 연구가 진행되고 있다.(1) 음극 지지체형 고체산화물 연료전지는 셀 형상에 따라 평판형(planar type), 원통형(tubular type), 그리고 평관형(flat-tubular type)으로 구분된다.
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