[논문]전산 가시화를 통한 무인 항공기용 연료전지 양극 산소 유로 최적화 연구

전지아; 이재준; 송영수; 김민수; 김건우; 나영승; 리광훈

doi:10.5407/jksv.2019.17.1.085

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Numerical visualization is conducted to confirm the variation of flow characteristics and pressure drop by the shape of channels on the cathode flow path in hydrogen fuel cells for unmanned aerial vehicles(UAVs). Generally, a light-weight fan is commonly used rather than a heavy air compressor at UA...

Numerical visualization is conducted to confirm the variation of flow characteristics and pressure drop by the shape of channels on the cathode flow path in hydrogen fuel cells for unmanned aerial vehicles(UAVs). Generally, a light-weight fan is commonly used rather than a heavy air compressor at UAVS. However, in case of blower fan, a large pressure drop in the flow path causes the blocking of the oxygen supply to the fuel cell. Therefore, the uniformity of flow inside the cathode has to be achieved by changing the shape of the cathode. The flow channel, the duct shape, and the diameter of the fan are changed to optimize the flow path. As a result, it is confirmed that the optimal flow path can decrease the velocity difference between the center and outer flow by 1.8%. However, It should be noted that the channel size can increase the pressure drop.

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표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Geometry of 1/4 PEMFC with open cathode and ducts
표 Table 1. Grid dependency table
그림 Fig. 2. Cross section of open cathode channels for PEMFC with three cases of duct (a) flat (b) spherical (c) concave
그림 Fig. 4. Geometry of PEMFC with three cases of duct diameter(a) 20 mm (b) 40 mm (c) 60 mm
그림 Fig. 5. Channel divisions of 1/4 Geometry cross section(a) Center (b) Outer edge
그림 Fig. 3. Cross section of open cathode channels for PEMFC with three cases of channel depth
그림 Fig. 6. Channel depth-Velocity distribution Diagram
그림 Fig. 7. Velocity distribution of PEMFC cross section (x, y axis)
그림 Fig. 8. The difference of flow pattern due to Duct Shape(a) flat (b) spherical (c) concave
그림 Fig. 9. Duct diameter - Velocity distribution Diagram
그림 Fig. 10. Velocity distribution of PEMFC cross section (z axis)
표 Table 2. Velocity distribution
그림 Fig. 11. Channel depth - Pressure drop diagram
그림 Fig. 12. Duct diameter – Pressure drop diagram

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문제 정의

본 연구에서는 덕트와 채널의 세로길이를 기준으로 하여 연료전지에 사용되는 유동공간의 최적형태를 찾기 위해 수치해석적 연구를 진행 하였다.
본 연구에서는 연료전지 음극 산소 공급의 균일유동을 실현하기 위해 채널의 깊이, 덕트의 형상, 덕트의 직경 세 가지 변수를 설정하여 각 조건에 따른 유동균일도 차이를 확인하였다. 연구 결과 재순환 영역의 존재 때문에 덕트 형상에 의한 효과는 크지 않으나 채널의 깊이는 작을수록, 덕트의 직경은 클수록 유동이 균일한 경향을보였다.

제안 방법

전체 스택은 24개의 셀이 합쳐진 형상이다. 여기서 덕트를 포함하여 만든 연료전지 형상은 상하좌우 방향으로 대 칭인 형태이기 때문에 두 개의 면에 Symmetric 조건을 적용하여 전체의 1/4 모델만 해석했다. 해석의 Inlet 조건은 constant velocity로, Outlet 조건은 constant pressure로, 이외의 부분은 no-slip condition의 wall로 설정하였다.
여기서 덕트를 포함하여 만든 연료전지 형상은 상하좌우 방향으로 대 칭인 형태이기 때문에 두 개의 면에 Symmetric 조건을 적용하여 전체의 1/4 모델만 해석했다. 해석의 Inlet 조건은 constant velocity로, Outlet 조건은 constant pressure로, 이외의 부분은 no-slip condition의 wall로 설정하였다. 압력보정에는Simple Algorithm을 사용하였으며, Convection term은 2차 Up-wind scheme을 사용했다.
형상의 해석에 사용한 질량 방정식 (4) 과 운동량 방정식 (5) 은 다음과 같다. 정상, 비압축성유동해석이며, 채널에서의 유동을 기준으로 층류로 결정하였다.
mesh 생성 조건은 Surface remesher, Polyhedral mesher, Prism layer로 설정하였으며, 유동의 Physics 조건은 3-Demensional, Steady, Gas, Segregated flow, Constant Density, Laminar flow로 설정하였다.
유동해석에서 채널의 깊이는 1.4 mm로 고정시키고, 덕트의 형상만 변화시킴으로써 그에 따른 유동특성 변화를 확인하였다.
깊이가 다른 세 가지의 채널 크기를 설정하고 유동해석을 진행했다. 가로 길이는 모두 2.
과 같다. 총 120개의 채널을 30개의 구간으로 나눠 속도평균을 비교했다. Inlet의 중심부인 x5y1의 속도평균과 Inlet에서 가장 먼 x1y6의 속도평균을 측정하고, 이 차이를 통해 유동 균일도를 판단했다.
총 120개의 채널을 30개의 구간으로 나눠 속도평균을 비교했다. Inlet의 중심부인 x5y1의 속도평균과 Inlet에서 가장 먼 x1y6의 속도평균을 측정하고, 이 차이를 통해 유동 균일도를 판단했다.
먼저 세 가지 변수 중 채널의 깊이와 덕트의 형상에 의한 효과를 동시에 비교했다. Figure 6.
다음으로 덕트의 형상에 의한 효과를 분석했다. Fig.
다음으로 덕트의 직경 의한 효과를 분석하였다. Fig.
세 가지 변수에 의한 유동균일도 변화 경향성을 분석한 결과 유동균일에 큰 영향을 미치는 인자는 채널의 깊이, 덕트의 직경 두 가지였다. 이 두 인자에 의한 효과를 함께 분석하였다. Table 2.

대상 데이터

해석에서 사용된 연료전지의 총 셀 개수는 24개이고 각 셀당 반응 면적은 45 cm²이다. 셀 하나의 반응 면적은 가로 90 mm, 세로는 50 mm이고 셀의 크기는 반응면적에서 좌우로 10 mm씩의 여유를 추가하여 가로 110 mm, 세로 70 mm로 구성되어 있다.
수치해석에 사용한 셀은 총 30개의 채널로 이루어져 있으며 반응면적은 가로 90 mm, 세로 50 mm로 직사각형 형태이다. 각 채널의 크기는 가로 2.
1 Geometry의 격자의존 테스트결과이다. 채널의 중간지점에서의 평균 속도를기준으로 격자 의존성 테스트를 진행하였으며, 전체 상대오차가 1% 내외가 되는 약 73만개의 격자를 선택했다. 전산해석에는 상용소프트웨어 Star-CCM+ 11.
의 위쪽 형상부터 20 mm, 40 mm, 60 mm이다. 2.1 형상에서 선정한 팬의 직경인 60 mm를 기준으로 직경이 20 mm씩 줄어들도록 선정하였다.

이론/모형

해석의 Inlet 조건은 constant velocity로, Outlet 조건은 constant pressure로, 이외의 부분은 no-slip condition의 wall로 설정하였다. 압력보정에는Simple Algorithm을 사용하였으며, Convection term은 2차 Up-wind scheme을 사용했다. 이와 같은 모델링 형상은 Fig.

성능/효과

[2] 배터리를 사용한 드론의 비행시간은 최대 약 30분으로 드론을 사용하는 산업분야에 활용하기에는 충분하지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 연료전지를 사용한 드론에 관한 연구가 다방면으로 진행되고 있다.
이는 유동에 수직한 방향이다. 네 가지를 비교한 결과 채널의 깊이가 0.6 mm일 때 1.4 mm 에 비해 X, Y 방향 속력이 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 유동이 가장자리로 더 잘 퍼진다는 의미이며, 채널이 좁을수록 통과할 때의 차압이 크고 그에 따라 주변 채널로 확산되는 유동이 증가하기 때문이다.
유동장 위에 나타난 하얀 선을 기준으로 상단 부분에 재순환 영역이 형성되는 것을 확인 할 수 있다. Flat이나 Spherical형태의 경우 채널에 이르는 공간이 Concave 형태보다 더 넓고 커서 유동이 더 균일하게 흐를 것으로 보이지만 그림에서와 같이 재순환 영역이 크게 발생하여 Concave 덕트보다 오히려 유동균일도가 좋지 않다는 것을 확인할 수 있다.
10은 Cathode 입구 영역에서의 유동방향 속도분포를 나타낸다. 속도가 크고 직경이 작은 팬 보다는 속도가 작더라도 넓은 팬을 쓰는 것이 균일유동 실현에 유리하다는 것을 해석적으로 확인하였다.
세 가지 변수에 의한 유동균일도 변화 경향성을 분석한 결과 유동균일에 큰 영향을 미치는 인자는 채널의 깊이, 덕트의 직경 두 가지였다. 이 두 인자에 의한 효과를 함께 분석하였다.
4 mm 인 경우의 그래프이다. 두 가지 유의인자를 고려한 9개의 경우에서 속도편차의 최댓값은 39%였으며덕트 직경이 60 mm 일 때 채널 깊이에 의한 경향성은 그대로지만 최대 1.8%, 최소 0.1%로 큰 차이를 보이지 않았다.
본 연구에서는 연료전지 음극 산소 공급의 균일유동을 실현하기 위해 채널의 깊이, 덕트의 형상, 덕트의 직경 세 가지 변수를 설정하여 각 조건에 따른 유동균일도 차이를 확인하였다. 연구 결과 재순환 영역의 존재 때문에 덕트 형상에 의한 효과는 크지 않으나 채널의 깊이는 작을수록, 덕트의 직경은 클수록 유동이 균일한 경향을보였다. 하지만 채널 깊이는 압력 강하의 증가를 수반하기 때문에 유로 설계에 있어 주의할 필요가 있다.

후속연구

그러나 이 경우 팬을 사용하기 때문에 연료전지 각 셀에 공급되는 유량이 동일하지 않게 된다. 따라서 셀의 반응면적을 모두 사용 할 수 없고, 결과적으로 효율이 떨어지게 된다는 것이 지금 수소연료전지 드론의 한계점이다. 이러한 Cathode 유로 설계는 연료전지 성능에 큰 영향을 주기 때문에 이전부터 많은 연구가 진행되어 왔다.
하지만 채널 깊이는 압력 강하의 증가를 수반하기 때문에 유로 설계에 있어 주의할 필요가 있다. 본 결과는 유동균일을 통해 연료전지의 최대 성능을 발휘함과 동시에 팬의 활용도를 높일 수 있는 기반이 될 것이다. 이를 통해 수소를 사용한 드론의 활용도를 높일 수 있으며 최종적으로 드론을 활용한 산업 발전에 기여할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEFC의 특성은?	PEFC는 고분자 재질의 분리 막을 적용한 연료전지로 수소와 산소를 사용하여 전기에너지를 생산하여 친환경적이며 부피와 무게가 적고 상온에서 작동한다는 특성을 가지고 있다.[3] 그러나 PEFC 모듈을 포함하는 개념인 파워팩 구성에는 무게가 많이 나가는 펌프를 산소 공급에 사용하기 때문에 저중량 고효율 드론 설계에 큰 문제가 될 수 있다.
	무인 항공기의 단점은 무엇인가	이러한 수요에도 불구하고, 무인 항공기(드론) 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 것은 짧은 비행시간이다.[2] 배터리를 사용한 드론의 비행시간은 최대 약 30분으로 드론을 사용하는 산업분야에 활용하기에는 충분하지 않다.
	연료전지 음극 산소 공급은 채널의 깊이, 덕트의 형상, 덕트의 직경에따라 어떻게 달라지는가?	본 연구에서는 연료전지 음극 산소 공급의 균일유동을 실현하기 위해 채널의 깊이, 덕트의 형상, 덕트의 직경 세 가지 변수를 설정하여 각 조건에 따른 유동균일도 차이를 확인하였다. 연구 결과 재순환 영역의 존재 때문에 덕트 형상에 의한 효과는 크지 않으나 채널의 깊이는 작을수록, 덕트의 직경은 클수록 유동이 균일한 경향을보였다. 하지만 채널 깊이는 압력 강하의 증가를 수반하기 때문에 유로 설계에 있어 주의할 필요가 있다. 본 결과는 유동균일을 통해 연료전지의 최대 성능을 발휘함과 동시에 팬의 활용도를 높일 수 있는 기반이 될 것이다.

참고문헌 (14)

https://www.hankyung.com/article/2017022687761 [2019.04.09. accessed)]
http://www.asiae.co.kr/news/view.htm?idxno2018042410160107178 [2019.04.09. accessed]
http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_tablebd_035&wr_id211&page11 [2019.04.09. acce ssed]
S. Shimpalee, S. Greenway, and J. W. Van Zee, "The impact of channel path length on PEMFC flow-field design," J. Power Sources, vol. 160, no. 1, pp. 398-406, 2006.

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F. Tiss, R. Chouikh, and A. Guizani, "A numerical investigation of reactant transport in a PEM fuel cell with partially blocked gas channels," Energy Convers. Manag., vol. 80, pp. 32-38, 2014.

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B. Kim, Y. Lee, A. Woo, and Y. Kim, "Effects of cathode channel size and operating conditions on the performance of air-blowing PEMFCs," Appl. Energy, vol. 111, pp. 441-448, 2013.

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A. P. Sasmito, E. Birgersson, K. W. Lum, and A. S. Mujumdar, "Fan selection and stack design for open-cathode polymer electrolyte fuel cell stacks," Renew. Energy, vol. 37, no. 1, pp. 325-332, 2012.

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Y. Na et al., "Stable operation of air-blowing direct methanol fuel cell stacks through uniform oxidant supply by varying fluid flow fixtures and developing the flow sensor," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 36, no. 15, pp. 9205-9215, 2011.

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W. Ying, T. H. Yang, W. Y. Lee, J. Ke, and C. S. Kim, "Three-dimensional analysis for effect of channel configuration on the performance of a small air-breathing proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)," J. Power Sources, vol. 145, no. 2, pp. 572-581, 2005.

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O. A. Obeisun et al., "Development of open-cathode polymer electrolyte fuel cells using printed circuit board flow-field plates: Flow geometry characterisation," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 39, no. 32, pp. 18326-18336, 2014.

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J. Wu et al., "An air-cooled proton exchange membrane fuel cell with combined oxidant and coolant flow," J. Power Sources, vol. 188, no. 1, pp. 199-204, 2009.

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Q. Meyer et al., "Combined current and temperature mapping in an air-cooled, open-cathode polymer electrolyte fuel cell under steady-state and dynamic conditions," J. Power Sources, vol. 297, pp. 315-322, 2015.

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A. P. Sasmito, K. W. Lum, E. Birgersson, and A. S. Mujumdar, "Computational study of forced air-convection in open-cathode polymer electrolyte fuel cell stacks," J. Power Sources, vol. 195, no. 17, pp. 5550-5563, 2010.

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A. M. Lopez-Sabiron, J. Barroso, V. Roda, J. Barranco, A. Lozano, and F. Barreras, "Design and development of the cooling system of a 2 kW nominal power open-cathode polymer electrolyte fuel cell stack," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 37, no. 8, pp. 7289-7298, 2012.

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