[논문]고분자 전해질 연료전지용 분리판 최적 설계

한인수; 정지훈; 임종구; 임찬; 정광섭

고분자 전해질 연료전지용 분리판 최적 설계
Optimal Design of Bipolar-Plates for a PEM Fuel Cell 원문보기

한인수 (GS칼텍스 신에너지연구센터) , 정지훈 (GS칼텍스 신에너지연구센터 연료전지 Stack 개발팀) , 임종구 (GS칼텍스 신에너지연구센터 연료전지 Stack 개발팀) , 임찬 (GS칼텍스 신에너지연구센터 연료전지 Stack 개발팀) , 정광섭 (GS칼텍스 중앙기술연구소)

Optimal flow-field design of bipolar-plates for a commercial class PEM(polymer electrolyte membrane) fuel cell stack was carried out on the basis of three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) simulation. A three-dimensional CFD model originally developed by Shimpalee et al., has been utilized for performing large-scale simulation of a single fuel cell consisting of bipolar-plates gas diffusion layers, and a membrane-electrode-assembly(MEA). The CFD model is able to predict the current density, pressure drops, gas velocities, vapor and liquid water contents, temperature distributions, etc. inside a single fuel cell. Depending on simulation results from the CFD modeling of a PEM fuel cell, several flow-fields of bipolar-plates were designed and verified. The final design of the bipolar-plate has been chosen from the simulations and experimental tests and showed the best performance as expected from the simulation results under a normal operating condition. Thus, the CFD simulation approach to design the optimal flow-field of the bipolar-plates was successful. The final design was adopted as the best flow-field to build a commercial scale PEM fuel cell stack, the performance of which shows about 42% higher than that of the older bipolar-plate design.

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문제 정의

본 연구에서는 12개의 Intel Xeon 3.6GHz CPU를 갖는 Linux 클러스터를 사용하여 파라메터추정 및 대면적 연료전지 모사를 수행하였다. Fig.
본 연구의 목적은 고분자 전해질 연료전지에 대한 3차원 전산유채역학 기술을 활용하여 분리판, 기체확산층(gas diffusion layer) 및 막전극접합체 (MEA: membrane-electrode-assembly) 로 구성 된대멱적 단위전지의 성능을 예측함으로써 최적의 분리판 설계를 얻고, 이를 5 ~ 30kW급의 상업용규모 셀스택에 적용하여 검증하는데 있다.

제안 방법

3차원 전산유체역학 기술을 활용하여 대면적 (200cm²이상)의 활성면적을 갖는 상업용 규모의 고분자전해질 연료전지의 분리판 유로를 설계하였다. 각 단위전지에 대한 물질 및 에너지 수지를 기반으로 채널 규격 (채널 폭 및 깊이, 립의 폭, 채널 길이)을 달리하여 여러 유형의 분리판을 설계한 후 CFD 모사를 통하여 성능을 예측 및 검증함으로써 최종 분리판 디자인을 결정하였다.
각 단위전지에 대한 물질 및 에너지 수지를 기반으로 채널 규격 (채널 폭 및 깊이, 립의 폭, 채널 길이)을 달리하여 여러 유형의 분리판을 설계한 후 CFD 모사를 통하여 성능을 예측 및 검증함으로써 최종 분리판 디자인을 결정하였다. 각 분리판 유로 디자인에 대하여 고분자 전해질 연료전지의 전극 및 채널 내에서 전류밀도분포, 압력분포, 온도분포, 수소 및 산소 기체의 농도 분포, 물분포를 예측함으로써 분리판 디자인의 성능의 적절성을 판단하였다.
6GHz 클러스터에서 계산을 수행하였으며, 모델의 규모에 따라 10시간에서 15시간의 계산시간이 소요되었다. 각각의 채널 디자인을 사용한 모델로부터 예측된 각 평균전류밀도 중 가장 높은 값으로 예측된 디자인을 최종 채널 디자인을 선정하였다. Fig.
폭, 채널의 길이로 구성된다. 본 연구에서는 먼저 채널 디자인 파라메터를 달리하여 4가지 유형의 분리판을 설계하였다. 설계된 4가지 유형의 유로는 분리판 채널을 통한 물질 및 에너지수지식으로부터 각 채널의 압력강하, anode와 cathode 채널 출구에서 상대습도, 생성된 물에 의한 채널 도포 면적 등을 고려하여 얻어졌다.
분리판, 기체확산층 및 막전극접합체로 구성된 단위전지에 대한 3차원 CFD 해석을 위해서 대면적을 갖는 연료전지의 전류밀도분포, 반응 기체의 속도분포, 압력분포, 수증기 및 액상의 물 분포, 온도 분포의 예측이 가능한 모델을 도입하였다 먼저, CFD 모델을 검증하기위하여 50cm² 크기의 단위전지에 대하여 여러 운전조건에서 얻은 실험결과와 CFD 모사로부터 얻은 결과를 비교하였다. 초기 CFD 모사 결과 실험으로부터 얻은 polarization (I-V) 곡선을 잘 설명하지 못하였으나, 전기화학 반응에 관련된 모델 파라메터인 anode 와 cathode의 전류교환밀도(Ⅰ-Ⅴ)와 운동전달계수(a) 를 조절함으로써 Fig.
본 연구에서는 먼저 채널 디자인 파라메터를 달리하여 4가지 유형의 분리판을 설계하였다. 설계된 4가지 유형의 유로는 분리판 채널을 통한 물질 및 에너지수지식으로부터 각 채널의 압력강하, anode와 cathode 채널 출구에서 상대습도, 생성된 물에 의한 채널 도포 면적 등을 고려하여 얻어졌다. 설계한 각 분리판의 성능을 예측하기 위하여 200cm² 이상의 활성면적을 갖는 단위전지에 대하여 분리판 채널 형상의 복잡도에 따라 5백만개에서 1600 만개의 격자수를 갖는 4개의 유한체적 (finite volume) 모델을 형성하였다6).
설계된 4가지 유형의 유로는 분리판 채널을 통한 물질 및 에너지수지식으로부터 각 채널의 압력강하, anode와 cathode 채널 출구에서 상대습도, 생성된 물에 의한 채널 도포 면적 등을 고려하여 얻어졌다. 설계한 각 분리판의 성능을 예측하기 위하여 200cm² 이상의 활성면적을 갖는 단위전지에 대하여 분리판 채널 형상의 복잡도에 따라 5백만개에서 1600 만개의 격자수를 갖는 4개의 유한체적 (finite volume) 모델을 형성하였다6). 각 모델의 해를 얻기 위해서 12개의 CPU를 갖는 Intel Xeon 3.
설계한 분리판 유로 디자인에 대한 성능을 검증하기 위하여 최종 분리판 유로 디자인을 적용하여 5kW급의 셀스택을 제작하였다. 셀스택은 200cm² 이상의 활성 면적에 60단 이상으로 구성하였다.

대상 데이터

셀스택은 200cm² 이상의 활성 면적에 60단 이상으로 구성하였다. 제작한 셀스택의 성능을 평가하기 위하여 초기 활성화 후 수소이용율 83%, 공기이용율 50%, 셀온도 650에서 운전하였다.

성능/효과

각 단위전지에 대한 물질 및 에너지 수지를 기반으로 채널 규격 (채널 폭 및 깊이, 립의 폭, 채널 길이)을 달리하여 여러 유형의 분리판을 설계한 후 CFD 모사를 통하여 성능을 예측 및 검증함으로써 최종 분리판 디자인을 결정하였다. 각 분리판 유로 디자인에 대하여 고분자 전해질 연료전지의 전극 및 채널 내에서 전류밀도분포, 압력분포, 온도분포, 수소 및 산소 기체의 농도 분포, 물분포를 예측함으로써 분리판 디자인의 성능의 적절성을 판단하였다. 설계한 최종 유로 디자인을 활용하여 상업용 규모의 셀스택 (5kW급) 제작에 적용한 결과 기존 디자인과 비교하여 약 42%의 성능 향상을 얻을 수 있었다.
7은 셀 스택의 초기 활성화 후 운전 성능을 기존 디자인의 분리판을 사용한 셀스택과 비교한 결과를 보여주고 있다. 그림에 나타내 바와 같이 기존 디자인과 비교하여 42%(@0.65V) 이상 향상된 성능을 나타내고 있어, CFD 모사로부터 얻어진 분리판 디자인이 매우 성공적임을 알 수 있다.
각 분리판 유로 디자인에 대하여 고분자 전해질 연료전지의 전극 및 채널 내에서 전류밀도분포, 압력분포, 온도분포, 수소 및 산소 기체의 농도 분포, 물분포를 예측함으로써 분리판 디자인의 성능의 적절성을 판단하였다. 설계한 최종 유로 디자인을 활용하여 상업용 규모의 셀스택 (5kW급) 제작에 적용한 결과 기존 디자인과 비교하여 약 42%의 성능 향상을 얻을 수 있었다.
셀스택은 200cm² 이상의 활성 면적에 60단 이상으로 구성하였다. 제작한 셀스택의 성능을 평가하기 위하여 초기 활성화 후 수소이용율 83%, 공기이용율 50%, 셀온도 650에서 운전하였다. Fig.
초기 CFD 모사 결과 실험으로부터 얻은 polarization (I-V) 곡선을 잘 설명하지 못하였으나, 전기화학 반응에 관련된 모델 파라메터인 anode 와 cathode의 전류교환밀도(Ⅰ-Ⅴ)와 운동전달계수(a) 를 조절함으로써 Fig.1에 보인 바와 같이 비교적 낮은 오차 범위(<3.1%)에서 CFD 모사 결과와 실험 결과를 일치시킬 수 있었다.
최종적으로 선정된 분리판 유로 디자인을 사용하여 CFD 모사를 수행한 결과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 평균전류밀도가 0.65Volt에서 518mA/cm² 로 가장 높은 모사 결과를 얻었으며, 분리판 전체영역에 걸쳐서 매우 균일한 전류밀도 분포를 얻을 수 있었다 채널을 통한 과도한 압력강하는 셀스택에 연료가스 및 산화제를 공급하는 주변장치 (BOP: Balance of Plant)를 작동하는데 많은 에너지를 필요로 하게하여 연료전지 시스템의 총괄효율(overall efficiency)을 떨어뜨린다. 반면, 채널을 통한 압력강하가 너무 낮을 경우 전기화학 반응에 의하여 생성된 물을 배출시킬 수 있는 충분한 에너지를 공급하지 못해 연료전지 스택의 성능을 떨어뜨린다.

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