[논문]캐소드 유로에서 블록과 서브 채널의 고분자전해질 연료전지의 성능에 관한 전산해석 연구

조성훈; 김준범

doi:10.14478/ace.2021.1077

캐소드 유로에서 블록과 서브 채널의 고분자전해질 연료전지의 성능에 관한 전산해석 연구
Numerical Study on Performance of PEMFC with Block and Sub-channel of Cathode Flow Field 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.32 no.6, 2021년, pp.613 - 620

초록
AI-Helper

고분자전해질 연료전지의 유로 형상은 내부 유동의 균일성에 영향을 주는 변수이다. 유로 내에서 반응물 분포가 균일하지 않을 경우, 지속적인 운전 과정에서 촉매의 열화 및 고분자 막의 기계적 손상이 야기되며 연료전지의 내구 수명 저하로 이어진다. 연료전지에서 원활한 반응물 공급과 균일한 농도 분포를 위하여 유로 형상에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 유로의 배플은 유체의 강제 대류를 야기해 연료전지의 성능을 개선할 수 있고, 유로 중간에 새로운 반응물 공급 통로(서브 채널)를 만들어 반응물 농도 증가와 원활한 물 배출로 물질 전달 손실을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 전산 유체 계산을 통하여 블록과 서브 채널을 적용한 유로가 연료전지의 전류밀도와 산소 농도에 미치는 영향을 분석하였다. 블록과 서브 채널이 유로에 구성되었을 때, 한계전류밀도가 증가하였고 블록 후단의 산소 농도가 회복되었다. 블록이 2개 이상 있을 때 블록 사이에 서브 채널을 배치할 경우 전류밀도 증가 폭이 더욱 커졌다. 또한 추가 공급되는 공기의 공급 위치에 따른 산소 농도를 분석하여 서브 채널이 블록 후단의 낮아진 산소 농도를 회복할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A flow channel shape of PEMFC has an influence on the internal flow uniformity. If the reactant distribution in a flow path is not uniform during operation, both catalyst deactivation and mechanical damage of membrane could occur resulting in decreasing the membrane electrode assembly (MEA) durability. Numerous studies concerning flow design have been conducted to make smooth supply and uniform distribution of reactants in fuel cells. The baffle of flow path could improve fuel cell performance through the forced convection effect. A sub-channel, as an additional air flow path, could increase the reactant concentration and reduce the mass transfer loss via a smooth water discharge. In this study, computational fluid dynamics (CFD) was used to analyze the effect of blocks and sub-channels on the current density and oxygen concentration of the fuel cell. As a result, the limit current density and oxygen concentration at a rear block increased when using blocks and sub-channels in a flow channel. In particular, the current density increased significantly when the sub-channel was placed between two blocks. Also, the sub-channel position was optimized by analyzing the oxygen concentration, and the oxygen concentration was recovered at a rear block in the fuel cell.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Schematic of (a) domain geometry, (b) block and sub-channel configuration, (c) cross-section mesh.
그림 Figure 2. Aspect ratio and number of grid effect (a) maximum aspect ratio with y-axis mesh length, (b) number of grid effect.
표 Table 1. Geometry Information of PEMFC Model
표 Table 2. PEMFC Analysis Parameters and Operating Conditions
그림 Figure 3. Cell performance and oxygen distribution on cathode flow field with a block (a) effect of block on polarization curve, (b) effect of block on oxygen molar concentration at 0.45 V.
그림 Figure 4. Oxygen concentration and pressure on cathode inlet at 0.45 V.
$Figure 5. Block effect on flow field at 0.45 V (a) oxygen mass fraction at interface between GDL and catalyst layer, (b)velocity streamline on flow field.$ 그림 Figure 5. Block effect on flow field at 0.45 V (a) oxygen mass fraction at interface between GDL and catalyst layer, (b)velocity streamline on flow field.
그림 Figure 6. Cell performance and oxygen distribution on cathode flow field with a block and a sub-channel (a) effect of block on polarization curve, (b) effect of block on oxygen molar concentration at 0.45 V.
$Figure 7. Block and sub-channel effect on oxygen mass fraction at interface between GDL and catalyst layer.$ 그림 Figure 7. Block and sub-channel effect on oxygen mass fraction at interface between GDL and catalyst layer.
그림 Figure 8. Air supply position effect on polarization curve and oxygen distribution (a) polarization curve, (b) oxygen molar concentration with sub-channel, (c) oxygen molar concentration with main cathode inlet.
표 Table 3. Additional Air Supply Position Effect on Mass Flow Rate

참고문헌 (19)

R. O'Hayre, S. W. Cha, W. Colella, and F. B. Prinz, Fuel Cell Fundamentals, 3rd ed., 275-277, Wiley, NJ, USA (2016).
J. Wang, H. Wang, Flow-field designs of bipolar plates in PEM fuel cells: Theory and applications, Fuel Cells, 12, 989-1003 (2012).

상세보기
X. Li and I. Sabir, Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs, Int. J. Hydrogen Energy, 30, 359-371 (2005).

상세보기
J. Wu, X. Z. Yuan, J. J. Martin, H. Wang, J. Zhang, J. Shen, S. Wu, and W. Merida, A review of PEM fuel cell durability: Degradation mechanisms and mitigation strategies, J. Power Sources, 184, 104-119 (2008).

상세보기
M. Marappan, K. Palaniswamy, T. Velumani, B. C. Kim, R. Velayutham, P. Shivakumar, and S. Sundaram, Performance studies of proton exchange membrane fuel cells with different flow field designs-review, Chem. Rec., 21, 663-714 (2021).
H. Li, Y. Tang, Z. Wang, Z. Shi, S. Wu, D. Song, J. Zhang, K. Fatih, J. Zhang, H. Wang, Z. Liu, R. Abouatallah, and A. Mazza, A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell. J. Power Sources, 178, 103-117 (2008).

상세보기
A. P. Manso, F. F. Marzo, J. Barranco, X. Garikano, M. G. Mujika, Influence of geometric parameters of the flow fields on the performance of a PEM fuel cell. A review. Int. J. Hydrogen Energy, 37, 15256-15287 (2012).

상세보기
A. Kazim, H. T. Liu, and P. Forges, Modelling of performance of PEM fuel cells with conventional and interdigitated flow fields, J. Appl. Electrochem., 29, 1409-1416 (1999).

상세보기
M. Sauermoser, N. Kizilova, B. G. Pollet, and S. Kjelstrup, Flow field patterns for proton exchange membrane fuel cells, Front. Energy Res., 8:13 (2020).
H. Heidary and M. J. Kermani, Performance enhancement of fuel cells using bipolar plate duct indentations, Int. J. Hydrogen Energy, 38, 5485-5496 (2013).

상세보기
S. H. Han. N. H. Choi, and Y. D. Choi, Simulation and experimental analysis on the performance of PEM fuel cell by wave-like surface design at the cathode channel, Int. J. Hydrogen Energy, 39, 2628-2638 (2014).
M. Rahimi-Esbo, A. A. Ranjbar, A. Ramiar, E. Alizadeh, and M. Aghaee, Improving PEMfuel cell performance and effective water removal by using novel gas flow field, Int. J. Hydrogen Energy, 41, 3023-3037 (2016).
E. Alizadeh, M. Rahimi-Ebso, S. M. Rahgoshay, S. H. M. Saadat, and M. Khorshidian, Numerical and experimental investigation of cascade type serpentine flow field of reactant gases for improving performance of PEM fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, 42, 14708-14724 (2017).

상세보기
M. Ghasabehi, M. Ashrafi, and M. Shams, Performance analysis of an innovative parallel flow field design of proton exchange membrane fuel cells using Multiphysics simulation, Fuel, 285, 119194 (2021).

상세보기
A. Azarafza, M. S. Ismail, M. Rezakazemi, and M. Pourkashanian, Comparative study of conventional and unconventional designs of cathode flow fields in PEM fuel cell, Renew. Sustain. Energy Rev., 116, 109420 (2019).
S. A. Atyabi and E. Afshari, Three-dimensional multiphase model of proton exchange membrane fuel cell with honeycomb flow field at the cathode side, J. Clean. Prod., 214, 738-748 (2019).

상세보기
P. Wawdee, S. Limtrakul, T. Vatanatham, and M. W. Fowler, Water transport in a PEM fuel cell with slanted channel flow field plates, Int. J. Hydrogen Energy, 40, 3739-3748 (2015).

상세보기
Y. Yin, X. Wang, X. Shangguan, J. Zhang, and Y. Qin, Numerical investigation on the characteristics of mass transport and performance of PEMFC with baffle plates installed in the flow channel, Int. J. Hydrogen Energy, 43, 8048-8062 (2018).

상세보기
C. Y. Soong, W. M. Yan, C. Y. Tseng, H. C. Liu, F. Chen, and H. S. Chu, Analysis of reactant gas transport in a PEM fuel cell with partially blocked fuel flow channels, J. Power Sources, 143, 36-47 (2005).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증