[논문]채널 단면형상 변화에 따른 PEMFC 성능 수치 연구

최치환; 문정은; 이규정

문제 정의

본 연구에서는 단면채널에 따른 연료전지 성능변화를 알아보기 위하여 사각 단면채널의 폭과 높이, 종횡비를 변화시켜 계산을 하였으며, 유량을 변화시켜 그 성능을 평가 하였다. 또한 실제 유로의 여러 단면적형상을 고려하여 연료전지의 성능을 평가하였다.

가설 설정

3. 연료전지 벽면의 온도는 일정하다.
4. 모든 기체는 이상기체로 가정하고 상변화는 없는 것으로 하였다.
6. 전해질막은 완전가습된 것으로 하였다.
해석 모델을 전기적 중성을 가정하고 전류 보존식 식(6)만을 이용하여 계산을 수행하였다. 연료전지의 전극은 다공성 물질이어서 전류가 고체와 유체를 따라 다르다.

제안 방법

srivnivasan et al.(2)은 적은 양의 백금(Platinum)을 이용하여 전극을 제조하는 방법과 전해질막과 전극의 최적화 접합방법인 Hot Pressing을 제시하였다. Dilip Natarajan et al.
Pekula et al.(5)는 연료전지 내부 2상유동을 볼 수 있는 neutron imaging 장치를 제작하여 내부 물 유동을 실험을 통해 알아내었다. Xianguo Li et al.
수행 하였다. 각 Case의 연료전지 채널 모델 높이는 5000㎛, 집전체기둥의 폭 길이는 500㎛, 채널 길이는 50000㎛로 고정하여 계산하였다. Fig 7.
1과 같이 해석모델을 구성하였다. 각 모델은 전해질막(Membrane)을 중심으로 촉매층(catalyst layer), 가스 확산층 (Gas Diffusion Layer), 유로판(Flow field or current collector plate)을 적층하여 연료전지를 형상화하였고, 채널 단면이 정삼각형, 사다리꼴, 반원, 장구형인 3차원 단위 연료전지는 Fig. 2와 같이 모델을 구성했다.
springer et al.">는 Nafion* 117을 membrane으로 사용하여 실험을 하였고 전해질 막 (membrane) 안에서의 전기 삼투 (electro osmotic drag) 현상과 여러 특징들을 측정하였다. 이 실험값을 기초로 가습이 일정할 때 전해질막 (membrane)의여러 성질들을 수식으로 제시하였다.
또한 3차원 연료전지 모델 격자수를 70,000개에서 부터 250, 000개 까지 변화하며 계산을 수행하였다. Fig.
변화시켜 그 성능을 평가 하였다. 또한 실제 유로의 여러 단면적형상을 고려하여 연료전지의 성능을 평가하였다.
밀링을 이용 하여 만든 직사각형, 정삼각형, 사다리꼴과 등방식각으로 인하여 생기는 반원 및 장구 형태 채널단면 연료전지의 성능을 해석하였다. 채널 밑면적 860㎛ 이고, 집전체기둥의 폭 250㎛ 집전체의 두께 750㎛, 채널 길이 50000㎛ 이다.
반응면적에 따른 연료전지 성능을 비교하기 위해 채널 폭 넓이를 250 ~ 4000㎛ 변화하며 계산을 수행 하였다. 각 Case의 연료전지 채널 모델 높이는 5000㎛, 집전체기둥의 폭 길이는 500㎛, 채널 길이는 50000㎛로 고정하여 계산하였다.
본 연구에서는 시간과 효율성, 정확성을 고려하여 격자밀도에 따라 계산 값이 변하지 않는 70,000개의 격자를 가지는 모델을 이용 계산을 수행하였고 이는 위의 Fig 3. 과 Fig.
사각단면 채널 연료전지에 Over potential-a 변화시키며 연료전지 전류를 계산하였다. Fig.
상용 CFD 프로그램인 CFD-ACE+를 이용하여 PEMFC 연료전지 채널의 폭과 넓이, 유량, 단면 형상을 변화하며 성능을 계산 하였다. 유량이 일정량 이상 연료전지에 공급이 되면 성능에 크게 영향을 미치지 않으며, 채널 높이 또한 아주 낮은 종횡비 경우를 제외하고는 연료전지 성능에 크게 영향을 미치지 않았다.
연료전지 내에서의 물리, 화학, 전기적 현상을 나타낼 수 있도록 아래와 같은 지베방정식을 적용 계산을 수행하였다.
유량에 따른 연료전지 성능을 알아보기 위해단면직이 정사각형(Immxlinni)인 채널 연료전지 모델의 유량을 변화 하여 성능을 계산하였다.
">는 Nafion* 117을 membrane으로 사용하여 실험을 하였고 전해질 막 (membrane) 안에서의 전기 삼투 (electro osmotic drag) 현상과 여러 특징들을 측정하였다. 이 실험값을 기초로 가습이 일정할 때 전해질막 (membrane)의여러 성질들을 수식으로 제시하였다. S.
연료전지의 전극은 다공성 물질이어서 전류가 고체와 유체를 따라 다르다. 이에 고체로 흐르는 전류와 액체로 흐르는 전류 두 가지 전류를 고려 한식(7)을 적용하였다.
채널 단면적은 1mm(반응채널의 단면적 일정)이고, 채널 길이 50000㎛, 집전체기둥 폭 250㎛, 집전체의 두께(채널 윗면에서 집전체 윗면 까지 길이) 750㎛로 일정하게 고정하고 채널의 종횡비를 변화시키며 해석을 수행 하였다.
채널 단면형상에 따른 성능을 평가하기 위해 채널 사각 단면 폭을 0.25mm에서 4mm까지, 높이를 0.25mm에서 3mm까지 변화하여 형상화 하였고, 채널 형상이 삼각형, 사다리꼴, 반원, 장구형 연료전지는 채널 밑면과 가스 확산층이 만나는 넓이가 같도록 모델을 구성하였다.
채널 형상에 따른 연료전지 성능을 해석하기 위하여 직사각형 채널 폭 1000㎛, 집전체기둥 폭 250㎛, 채널 길이 50000㎛ 로 일정하게 고정하고 채널 높이만을 250㎛ ~ 3000㎛ 변화시키며 계산하였다. 밑면적이 일정하므로 종횡비가 커지면 단지 채널의 높이가 높아지는 것을 나타낸다.

대상 데이터

채널 단면 형상에 따른 연료전지의 성능을 평가하기 위해 Fig. 1과 같이 해석모델을 구성하였다. 각 모델은 전해질막(Membrane)을 중심으로 촉매층(catalyst layer), 가스 확산층 (Gas Diffusion Layer), 유로판(Flow field or current collector plate)을 적층하여 연료전지를 형상화하였고, 채널 단면이 정삼각형, 사다리꼴, 반원, 장구형인 3차원 단위 연료전지는 Fig.

이론/모형

온도와 반응물의 분압, 그리고 Over potential 관계는 Butler-Volmer식 식(11)을 이용하여 계산하였다.
해석 방법은 범용 CFD solver인 CFD-ACE+(2004)를 이용하여 해석모델의 각 영역에 물성치와 경계조건을 지정한 후 SIMPLEC algorithm을 이용하여 유동해석을 한다. 유동해석으로 얻어진 각 변수들을 에너지보존방정식, 전기화학반웅에 관련된 식에 대입하여 순차적으로 푼다.

성능/효과

Dilip Natarajan et al.(3) 은 이상 유동을 고려한 연료전지의 유동에 대한 전산해석 방식을 제시하였고, 이를 바탕으로 한 수치해석으로 가스 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)이 얇을수록 공극률이 높을수록 (higher porosity) 연료전지 성능이 향상됨을 보였다. A.
5. 확산층, 촉매 층, 전해질막은 등방성이며 균일하다.
Su, et al(4)은 2종류의 PEMFC 채널 패턴에 대하여 3차원 전산해석과 실험 통해 연료전지 성능을 분석 하였다. 직관 채널 패턴 보다는 S자 모양의 꾸불꾸불한(serpentine) 채널 패턴이 더 높은 물질 전달 성능을 나타냄을 보였다. N.

후속연구

한편 채널 형상에 의한 연료전지 성능 변화는 미미 한 것을 계산을 통해 알 수 있었다. 계산 결과는 실험결과와 잘 일치하는 것을 데이터를 비교하여 알 수 있었으며, 채널의 연료전지에 미치는 영향을 제시함으로써 새로운 유로를 설계하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

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