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연료전지 스택의 기밀성 향상을 위한 가스켓 모델링과 해석 기법
Numerical Modeling of Fuel Cell Gasket for Sealing Performance 원문보기

한국신재생에너지학회 2007년도 춘계학술대회, 2007 June 21, 2007년, pp.97 - 100  

김헌영 (강원대학교 기계 메카트로닉스공학부) ,  김정민 (강원대학교 기계 메카트로닉스공학과) ,  김대영 (강원대학교 기계 메카트로닉스공학과) ,  서정도 (현대 기아자동차) ,  양유창 (현대 기아자동차) ,  임철호 (현대 기아자동차)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Fuel Cell Stack performance, which is influenced by the maintenance of a constant internal environment, requires high levels of air tightness. Used for analysis, gasket for fuel cell is made of elastic rubber materials and placed over separator, and shape of deformation of a gasket affects the trans...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 1) 2차원 평면변형요소와 셀요소를 사용하여 단위 셀 체결 해석을 수행하였다. 체결력에 의하여 약 20% 의 가스켓의 변형이 발생하였으며, 가스켓 부근에 는 사용된 요소의 특성에 띠라 접촉압력에 차이를 보였으나, 중심부에서는 동일한 접촉압력을 보였다.
  • 단면 해석을 수행하였다. 단면해석을 통하여 단 위셀과 적층모델의 압축량, 반력 및 각 단품의 변형양상을 확인하고 부분모델 해석에 참고하였다.
  • 단면 해석을 수행하였다. 단면해석을 통하여 단 위셀과 적층모델의 압축량, 반력 및 각 단품의 변형양상을 확인하고 부분모델 해석에 참고하였다.
  • 본 연구에서는 유한요소 해석 기술을 통하여 연료전지 스택의 기밀성 평가를 수행하였고, 해석 시간의 절약과 적층 해석을 위하여 단면/부분 모델의 해석 및 모델링을 수행하였다.
  • 해석모델의 길이, 폭 방향으로 대칭조건을 적 용하였고 , 엔드플레이트는 요소수를 최소화하기 위하여 강체(Rigid Wall) 처리 하였다. 스택의 체 결을 위하여 시험에 적용되는 하중(변위)을 적용 하였으며 , 가스확산층과 전해질면은 Fig. 6과 같은 접촉압력을 적용하였다. 단면모델과 부분모델 의 경계조건은 Fig.
  • 연료전지 스택은 단위셀을 적층한 구조로 되 어있으며, 단위셀의 해석도 의미가 었지만, 적층 상태의 결과가 중요하기 때문에 적층해석이 가능한 방법을 모색하였다. 일반적으로 적층모델의 시험 및 해석은 3-5셀 이상 적층되어야 의미를 부여할 수 있으나 가스확산층, 전해질막, 유로의 형상을 자세히 모델링할 경우 요소의 수가 너무 많아 해석 시간이 오래 소요되며, 적층 해석수행이 불가능해 지므로 해석시간 단축을 위하여 모델의 단순화가 필요하다.
  • 일반적으로 적층모델의 시험 및 해석은 3-5셀 이상 적층되어야 의미를 부여할 수 있으나 가스확산층, 전해질막, 유로의 형상을 자세히 모델링할 경우 요소의 수가 너무 많아 해석 시간이 오래 소요되며, 적층 해석수행이 불가능해 지므로 해석시간 단축을 위하여 모델의 단순화가 필요하다. 이를 위하여 분리판 의 면적 중 대부분을 차지하는 유로부분의 중앙 부분에 단면해석을 적용하였으며, 이를 검증하기 위하여 부분모델 해석을 수행하였다.
  • 4와 같이 단면해석과 부분 모델 해석에 사용될 단위셀 모델을 구성하였으며, 모델 구성시 해석시간 단축 및 적층해석을 위하여 가스확산층과 전해질막의 압축 시험 결과를 접촉력 (Contact Force)으로 적용하여 모델링 에서 제외하였다. 적층 해석은 단위셀 모델을 적 층하여 수행하였고, 부분모델 해석에서 분리판은 유로 부분이 전체 면적의 대부분이므로 길이, 폭 방향으로 대칭 (Symetry)조건을 부여하여 요소수 를 최소화 하였다.
  • 적층해석은 부분모델로 5개의 Cell을 사용하여 수행하였으며, 가장 위쪽과 가장 아래쪽 분리 판, 그리고 중앙부의 분리판에 작용하는 접촉압 력을 측정하였다. 그 결과 Fig.
  • 해석모델의 길이, 폭 방향으로 대칭조건을 적 용하였고 , 엔드플레이트는 요소수를 최소화하기 위하여 강체(Rigid Wall) 처리 하였다. 스택의 체 결을 위하여 시험에 적용되는 하중(변위)을 적용 하였으며 , 가스확산층과 전해질면은 Fig.

대상 데이터

  • 해석에 사용된 가스켓은 합성고무 중 가스켓과 시일(Seal)에 주로 사용되는 니트릴-부타디엔 고 무(NBR : Nitrile Butadiene Rubber)를 사용하였 고, 금속분리판과 엔드플리에트의 재질은 스테인 레스강으로 재료의 물성은 Fig. 5와 같다.
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