[논문]PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 거동에 대한 CFD 해석과 가시화 실험의 비교 연구

김현일; 남진현; 신동훈; 정태용; 김영규; 서원석; 이정운

문제 정의

PEM 연료전지에 주로 사용되는 분리판 재료인 흑연(graphite)계열의 분리판은 약 90º의 접촉각을 가지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 연구에서는 소수성과 친수성 재질의 표면이 물의 배출에 미치는 영향을 파악하기 위하여 아크릴과 테프론을 선정하여 유로를 제작하고 실험하였다. 각각의 유로에서의 물의 배출 거동 특성을 가시화 실험을 통하여 정성적인 비교 평가를 수행하였다.
그러나 연료전지의 고출력 운전이 필요한 현재에는 액상의 물이 성능을 저하시키는 flooding 결함의 방지가 더욱 중요한 문제로 부각되고 있다. 따라서 본 연구에서는 수분이 생성되는 공기극(cathode)을 대상으로 하여, 공기극 유로에서의 액상의 물의 배출 거동에 대한 연구를 수행하였다. 유로를 통한 물의 거동은 차량용 PEM 연료전지의 동파를 막기 위한 잔류 수분의 배출(purge) 과정과도 밀접한 관계가 있다.
본 연구는 공기극 유로에서 물의 배출을 원활하게 해주기 위한 기초적인 조건들에 대한 파악을 목표로 한다. 이를 위하여 PEM 연료전지의 전형적인 유로 형상을 고려하여 모델 유로로 구성된 실험장치를 만들었으며 이를 이용하여 유로를 따라 흐르는 액상의 물의 거동을 가시화하였다.
본 연구는 국민대학교 교내 연구 지원비와 산업자원부 신재생에너지기술개발.사업의 일환(2006-N-HY12_P-01)으로 수행되었습니다.
본 연구에서는 PEM 연료전지의 유로 형상 및 유로 표면의 재질이 물의 배출 거동 특성에 미치는 영향을 실험 및 해석적으로 확인하였다. 친수성 재질의 아크릴과 소수성 재질의 테프론을 가지고 직사각형 유로 단면의 폭을 1 mm, 2 mm 변화시킨 총 4가지 유로를 제작하여 유동 가시화 실험을 수행하고 또한 이를 CFD를 통해 해석하였다.
실험 및 해석을 통하여 물의 배출 속도에 영향을 미치는 유로의 형상, 유로 표면의 재질에 대한 정성적인 평가를 수행하였으며, 또한 가시화 실험과 전산해석 결과의 비교를 통해 해석의 타당성을 검증하였다. 이상의 연구를 통해 향후에는 원활한 물의 배출을 통해 PEM 연료전지 효율을 향상시킬 수 있는 공기극 유로의 설계의 기본 자료를 제시하도록 한다.^(1-3)

가설 설정

0.6 A/cm2의 전류밀도로 운전되는 10 cm × 10 cm의 셀을 가정하여 전류 I는 60 A로 설정하였다.
본 연구에서는 PEM 연료전지가 65℃, 1 atm의 작동조건 및 완전 포화된 공기를 사용하는 것으로 가정하였다. 이 경우 식 (2)의 습공기중 산소의 몰분율 #는 약 0.

제안 방법

CFD를 이용한 전산해석은 최대한 가시화 실험과 동일한 조건하에서 수행되도록 하였다. 즉, 유로의 형상은 가시화 실험과 마찬가지로 폭 1 mm 및 2 mm의 두가지 모델로 구성하였으며, 유로의 깊이는 1 mm로 고정하였다.
그러나, 본 연구에서는 소수성과 친수성 재질의 표면이 물의 배출에 미치는 영향을 파악하기 위하여 아크릴과 테프론을 선정하여 유로를 제작하고 실험하였다. 각각의 유로에서의 물의 배출 거동 특성을 가시화 실험을 통하여 정성적인 비교 평가를 수행하였다. 보다 정량적인 물 배출 능력의 평가를 위하여 물방울이 주입되어 약 300 mm의 유로를 통해 배출되는데 걸린 시간을 10회에 걸쳐 반복 측정하였다.
가시화 실험 결과, 유로에서 물의 거동은 표면 재질에 따라 매우 큰 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 각각의 유로의 물 배출 능력의 정량적인 비교 평가를 위하여 물이 유입되어 배출되기까지 걸린 시간이 가시화 실험 동안 측정되었다. 소수성 재질의 1 mm 폭을 가지는 유로가 평균 2 초의 가장 빠른 배출 시간을 보였으며, 굴곡 부분을 포함한 약 60 mm 길이의 유로에 대한 전산 해석의 결과에서도 약 0.
즉, 유로의 형상은 가시화 실험과 마찬가지로 폭 1 mm 및 2 mm의 두가지 모델로 구성하였으며, 유로의 깊이는 1 mm로 고정하였다. 공기의 유입 속도는 입구에서 10 m/s로 설정하였으며, 전산해석 모델에서는 물방울이 유로 내에 미리 존재하는 것으로 초기조건을 설정하고 해석을 수행하였다. 전산해석에는 상용 CFD 코드인 FLUENT 6.
본 연구에서는 실제 PEM 연료전지가 운전되지 않으므로 물이 생성되지 않는다. 따라서 정밀한 유량제어가 가능한 주사기 펌프(syringe pump)를 이용하여 직접 유로 내로 물을 주입하여 실험을 수행하였다. 또한 유로를 흐르는 공기의 유량은 볼 유량계를 이용하여 제어하였으며 디지털 현미경(AM313, Dino-digital)을 사용하여 물의 거동을 가시화 하였다.
따라서 정밀한 유량제어가 가능한 주사기 펌프(syringe pump)를 이용하여 직접 유로 내로 물을 주입하여 실험을 수행하였다. 또한 유로를 흐르는 공기의 유량은 볼 유량계를 이용하여 제어하였으며 디지털 현미경(AM313, Dino-digital)을 사용하여 물의 거동을 가시화 하였다.
CFD 해석을 통하여 가시화 실험에서 관찰된 일반적인 물의 거동 특성과 유사한 계산 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 정량적인 결과의 비교를 위하여 해석모델의 검사체적에서 물방울이 배출되는데 걸린 시간을 계산하였다.
모델 유로는 우선 확산층인 발수 처리된 탄소지(carbon paper)를 제일 아래에, 다음으로 유로 패턴 부분을 제거한 1 mm 두께의 아크릴 또는 테프론 판을 가운데에, 그리고 관찰창 역할을 수행하는 투명한 아크릴 판을 제일 위에 두고 단단히 체결하여 구성하였다. 실험에 사용된 아크릴은 물과의 접촉각이 약 80°인 친수성 재질이며 반대로 테프론은 약 120°의 접촉각을 가지는 전형적인 소수성 재질이다.
각각의 유로에서의 물의 배출 거동 특성을 가시화 실험을 통하여 정성적인 비교 평가를 수행하였다. 보다 정량적인 물 배출 능력의 평가를 위하여 물방울이 주입되어 약 300 mm의 유로를 통해 배출되는데 걸린 시간을 10회에 걸쳐 반복 측정하였다.
1×10^-5 l/s로 계산된다. 본 실험에서는 이상에서 계산된 물의 유량을 정량 주사기 펌프를 이용하여 유로 내로 주입하였다.
본 연구에서는 1 mm × 1 mm 크기의 정사각형 유로에 공기가 평균 10 m/s의 속도로 흐르는 것을 표준조건으로 설정하여 전산 해석 및 가시화 실험을 수행하였다.
소수성과 친수성 표면에 대하여, 또한 폭이 1 mm와 2 mm로 다른 두 가지의 유로 형상에 대하여, 즉 가시화 실험과 동일하게 총 4가지의 경우에 대하여 전산 해석을 수행하였다. 기하학적 해석 모델은 굴곡 부분을 포함한 약 60 mm 길이의 유로로 설정하였다.
액상의 물이 고체 표면에 접하여 기상과 형성하는 각을 접촉각이라 하며, 일반적으로 접촉각이 90° 이하일 때는 친수성 재질, 90° 이상일 때는 소수성 재질이라 칭한다. 아크릴 및 테프론의 재질에 따라 친수성과 소수성으로 나누어 접촉각을 달리하여 전산 CFD 해석을 수행하였다.^(6-8)
1(a)에서 보여진 것와 같은 PEM 연료전지의 전형적인 분리판 형상을 고려하여 실험 장치를 구성하였다. 유로의 형상은 일반적으로 많이 채용되는 직사각형 단면으로 가정하였으며, 높이는 1 mm로 고정되고 폭은 각각 1 mm 또는 2 mm를 가지는 2 종류의 직사각형 유로로 제작하였다. 제작된 모델 유로판의 크기는 100 mm × 100 mm이며 그 전체적인 형상이 Figs.
본 연구는 공기극 유로에서 물의 배출을 원활하게 해주기 위한 기초적인 조건들에 대한 파악을 목표로 한다. 이를 위하여 PEM 연료전지의 전형적인 유로 형상을 고려하여 모델 유로로 구성된 실험장치를 만들었으며 이를 이용하여 유로를 따라 흐르는 액상의 물의 거동을 가시화하였다. 또한 CFD 해석을 통해 유로 내 물의 거동을 해석하였으며, 정확한 계산을 위하여 이상유동 모델인 VOF(volume of fluid) 모델과 고체 표면에서의 접촉각을 고려하여 표면장력을 처리하는 wall adhesion 모델을 사용하였다.
본 연구에서는 PEM 연료전지의 유로 형상 및 유로 표면의 재질이 물의 배출 거동 특성에 미치는 영향을 실험 및 해석적으로 확인하였다. 친수성 재질의 아크릴과 소수성 재질의 테프론을 가지고 직사각형 유로 단면의 폭을 1 mm, 2 mm 변화시킨 총 4가지 유로를 제작하여 유동 가시화 실험을 수행하고 또한 이를 CFD를 통해 해석하였다. 가시화 실험 결과, 유로에서 물의 거동은 표면 재질에 따라 매우 큰 차이를 보이는 것으로 확인되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig. 1(a)에서 보여진 것와 같은 PEM 연료전지의 전형적인 분리판 형상을 고려하여 실험 장치를 구성하였다. 유로의 형상은 일반적으로 많이 채용되는 직사각형 단면으로 가정하였으며, 높이는 1 mm로 고정되고 폭은 각각 1 mm 또는 2 mm를 가지는 2 종류의 직사각형 유로로 제작하였다.
소수성과 친수성 표면에 대하여, 또한 폭이 1 mm와 2 mm로 다른 두 가지의 유로 형상에 대하여, 즉 가시화 실험과 동일하게 총 4가지의 경우에 대하여 전산 해석을 수행하였다. 기하학적 해석 모델은 굴곡 부분을 포함한 약 60 mm 길이의 유로로 설정하였다. CFD 해석을 통하여 가시화 실험에서 관찰된 일반적인 물의 거동 특성과 유사한 계산 결과를 얻을 수 있었다.
실험에 사용된 아크릴은 물과의 접촉각이 약 80°인 친수성 재질이며 반대로 테프론은 약 120°의 접촉각을 가지는 전형적인 소수성 재질이다.
CFD를 이용한 전산해석은 최대한 가시화 실험과 동일한 조건하에서 수행되도록 하였다. 즉, 유로의 형상은 가시화 실험과 마찬가지로 폭 1 mm 및 2 mm의 두가지 모델로 구성하였으며, 유로의 깊이는 1 mm로 고정하였다. 공기의 유입 속도는 입구에서 10 m/s로 설정하였으며, 전산해석 모델에서는 물방울이 유로 내에 미리 존재하는 것으로 초기조건을 설정하고 해석을 수행하였다.

데이터처리

또한 CFD 해석을 통해 유로 내 물의 거동을 해석하였으며, 정확한 계산을 위하여 이상유동 모델인 VOF(volume of fluid) 모델과 고체 표면에서의 접촉각을 고려하여 표면장력을 처리하는 wall adhesion 모델을 사용하였다. 실험 및 해석을 통하여 물의 배출 속도에 영향을 미치는 유로의 형상, 유로 표면의 재질에 대한 정성적인 평가를 수행하였으며, 또한 가시화 실험과 전산해석 결과의 비교를 통해 해석의 타당성을 검증하였다. 이상의 연구를 통해 향후에는 원활한 물의 배출을 통해 PEM 연료전지 효율을 향상시킬 수 있는 공기극 유로의 설계의 기본 자료를 제시하도록 한다.

이론/모형

공기극 유로를 통해 흐르는 액상(lqiuid-phase) 물과 기상(gas-phase) 공기의 이상 유동은 VOF(volume of fluid) 모델을 적용하여 해석하였다. VOF 모델에서는 기상과 액상의 혼합유체에 대하여 Navier-Stokes 방정식을 해석한다. 또한 이상 경계에서의 표면 장력 및 고체 표면에서의 adhesion을 포함하기 위하여 접촉각(contact angle) 조건을 고려한 wall adhesion 모델을 사용한다.
공기극 유로를 통해 흐르는 액상(lqiuid-phase) 물과 기상(gas-phase) 공기의 이상 유동은 VOF(volume of fluid) 모델을 적용하여 해석하였다. VOF 모델에서는 기상과 액상의 혼합유체에 대하여 Navier-Stokes 방정식을 해석한다.
이를 위하여 PEM 연료전지의 전형적인 유로 형상을 고려하여 모델 유로로 구성된 실험장치를 만들었으며 이를 이용하여 유로를 따라 흐르는 액상의 물의 거동을 가시화하였다. 또한 CFD 해석을 통해 유로 내 물의 거동을 해석하였으며, 정확한 계산을 위하여 이상유동 모델인 VOF(volume of fluid) 모델과 고체 표면에서의 접촉각을 고려하여 표면장력을 처리하는 wall adhesion 모델을 사용하였다. 실험 및 해석을 통하여 물의 배출 속도에 영향을 미치는 유로의 형상, 유로 표면의 재질에 대한 정성적인 평가를 수행하였으며, 또한 가시화 실험과 전산해석 결과의 비교를 통해 해석의 타당성을 검증하였다.
VOF 모델에서는 기상과 액상의 혼합유체에 대하여 Navier-Stokes 방정식을 해석한다. 또한 이상 경계에서의 표면 장력 및 고체 표면에서의 adhesion을 포함하기 위하여 접촉각(contact angle) 조건을 고려한 wall adhesion 모델을 사용한다.⁽⁵⁾
공기의 유입 속도는 입구에서 10 m/s로 설정하였으며, 전산해석 모델에서는 물방울이 유로 내에 미리 존재하는 것으로 초기조건을 설정하고 해석을 수행하였다. 전산해석에는 상용 CFD 코드인 FLUENT 6.2를 사용하였다.

성능/효과

본 논문의 가시화 실험 및 전산해석 결과, PEM 연료전지의 공기극 유로를 통한 물의 원활한 배출을 위해서는 유로의 형상과 표면의 재질을 적절하게 선정하여야 함을 확인할 수 있었다. 2 mm의 폭을 가지는 유로에서는 굴곡 부분에 물의 정체가 빈번하게 발생함을 가시화 실험 및 전산해석 모두에서 확인할 수 있었으며, 또한 물의 원활한 배출을 위해서는 소수성 재질의 유로 표면이 더욱 유리함을 실험을 통해 확인하였다.
기하학적 해석 모델은 굴곡 부분을 포함한 약 60 mm 길이의 유로로 설정하였다. CFD 해석을 통하여 가시화 실험에서 관찰된 일반적인 물의 거동 특성과 유사한 계산 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 정량적인 결과의 비교를 위하여 해석모델의 검사체적에서 물방울이 배출되는데 걸린 시간을 계산하였다.
친수성 재질의 아크릴과 소수성 재질의 테프론을 가지고 직사각형 유로 단면의 폭을 1 mm, 2 mm 변화시킨 총 4가지 유로를 제작하여 유동 가시화 실험을 수행하고 또한 이를 CFD를 통해 해석하였다. 가시화 실험 결과, 유로에서 물의 거동은 표면 재질에 따라 매우 큰 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 각각의 유로의 물 배출 능력의 정량적인 비교 평가를 위하여 물이 유입되어 배출되기까지 걸린 시간이 가시화 실험 동안 측정되었다.
PEM 연료전지 내의 물의 양이 충분하지 않은 경우, 고분자 전해질 막으로부터 수분의 증발이 심화된다. 그 결과 전해질 막의 수소이온 전도도가 너무 낮아져 성능이 저하되는 dry-out 결함이 발생할 가능성이 증가한다. 반대로 연료전지 내부에 축적된 물의 양이 너무 많은 경우, 특히 수분이 지속적으로 생성되는 공기극에서는, 액상의 물이 확산층과 촉매층에서 확산을 저해하거나 유로에서 공기의 흐름을 방해함으로써 연료전지의 성능을 저하시키는 flooding 결함이 발생할 가능성이 커진다.
본 논문의 가시화 실험 및 전산해석 결과, PEM 연료전지의 공기극 유로를 통한 물의 원활한 배출을 위해서는 유로의 형상과 표면의 재질을 적절하게 선정하여야 함을 확인할 수 있었다. 2 mm의 폭을 가지는 유로에서는 굴곡 부분에 물의 정체가 빈번하게 발생함을 가시화 실험 및 전산해석 모두에서 확인할 수 있었으며, 또한 물의 원활한 배출을 위해서는 소수성 재질의 유로 표면이 더욱 유리함을 실험을 통해 확인하였다.
각각의 유로의 물 배출 능력의 정량적인 비교 평가를 위하여 물이 유입되어 배출되기까지 걸린 시간이 가시화 실험 동안 측정되었다. 소수성 재질의 1 mm 폭을 가지는 유로가 평균 2 초의 가장 빠른 배출 시간을 보였으며, 굴곡 부분을 포함한 약 60 mm 길이의 유로에 대한 전산 해석의 결과에서도 약 0.0195 초의 가장 빠른 물의 배출 시간이 계산되었다. 친수성 유로에서 폭이 넓어지는 경우 점성저항이 작아져 물 배출 시간이 느리게 나타났으며, 소수성 유로에서는 폭이 좁아질수록 배출 시간이 빨라지는데 이는 유동항력이 커지지 때문이라 사료된다.
8과 9에는 2 mm 폭의 친수성 및 소수성 유로의 전산 해석 결과가 제시되어 있다. 유로의 폭이 커지는 경우, 표면의 친수성, 소수성과 관계없이 유로 패턴의 굴곡 부분에서 물이 정체되는 현상이 심화됨을 확인하였다. 이러한 현상으로 인해 물의 배출 특성은 폭이 좁은 유로 보다 나빠지는 것으로 판단된다.
2에서 나타낸 1 mm 폭의 아크릴 유로에서는 액상의 물이 벽면에 붙어서 필름(막)의 형태로 이동하는 거동 특성을 확인할 수 있다. 이는 아크릴 재질의 특성인 친수성에 의한 결과이며, 전체 유로를 거쳐 물방울의 배출에 걸린 평균 시간은 대략 20 초 정도로 관찰되었다. 반면에 Fig.
3에서 나타낸 테프론 유로에서의 결과는 소수성 재질 표면특성으로 표면과 접촉면을 줄이는 물방울의 형태로 움직이는 물의 거동 특성이 관찰되었다. 전체 300 mm 유로 길이에서 물의 배출에 걸린 시간은 평균 2 초 정도로 측정되었으며 모든 실험 중에서 가장 좋은 배출 능력을 보였다.
특히 유로 패턴의 굴곡 부분에는 물이 장시간 정체하는 것을 관찰할 수 있었다. 측정된 물방울의 평균 배출시간은 약 19 초 정도로 측정되었다. 폭 2 mm 테프론 유로에서 물방울이 배출되는데 걸린 평균 시간은 약 3 초로 양호하게 나타났다.
7에 나타내었다. 해석 결과, 액상의 물은 물방울의 형태로 유로 내를 마치 떠다니는 것 처럼 이동하는 거동을 보였다. 물방울이 해석모델의 출구로 배출되는데 걸린 시간은 0.

후속연구

적절한 유로 형상의 설계 및 분리판 재질의 선정은 유동에 의한 물의 배출을 원활하게 할 수 있으며, 그 결과 연료전지의 효율 향상에 기여할 것이다. 본 연구에서 제시한 PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 거동 특성에 대한 가시화 결과와 전산해석과의 비교는, 향상된 물 배출 능력을 갖춘 분리판을 제작하고 유로 형상을 설계하는 데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
PEM 연료전지의 적절한 수분 관리는 연료전지의 효율 및 내구성 을 향상시키는 데 필수적인 요소이다. 적절한 유로 형상의 설계 및 분리판 재질의 선정은 유동에 의한 물의 배출을 원활하게 할 수 있으며, 그 결과 연료전지의 효율 향상에 기여할 것이다. 본 연구에서 제시한 PEM 연료전지 공기극 유로에서 물의 거동 특성에 대한 가시화 결과와 전산해석과의 비교는, 향상된 물 배출 능력을 갖춘 분리판을 제작하고 유로 형상을 설계하는 데 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEM 연료전지의 성능에 있어서 매우 중요한 요소는?	PEM 연료전지의 성능에 있어서 물은 매우 중요한 요소이다. PEM 연료전지 내의 물의 양이 충분하지 않은 경우, 고분자 전해질 막으로부터 수분의 증발이 심화된다.
	PEM 연료전지 내의 물의 양이 충분하지 않은 경우, 고분자 전해질 막으로부터 수분의 증발이 심화되는데 그 결과 결함이 발생할 확률이 증가하는가?	PEM 연료전지 내의 물의 양이 충분하지 않은 경우, 고분자 전해질 막으로부터 수분의 증발이 심화된다. 그 결과 전해질 막의 수소이온 전도도가 너무 낮아져 성능이 저하되는 dry-out 결함이 발생할 가능성이 증가한다. 반대로 연료전지 내부에 축적된 물의 양이 너무 많은 경우, 특히 수분이 지속적으로 생성되는 공기극에서는, 액상의 물이 확산층과 촉매층에서 확산을 저해하거나 유로에서 공기의 흐름을 방해함으로써 연료전지의 성능을 저하시키는 flooding 결함이 발생할 가능성이 커진다.
	화석연료 자원의 고갈과 연소 부산물로 어떤 연구가 진행중인가?	화석연료 자원의 고갈과 연소 부산물로 생성되는 온실가스로 인한 기후변화, 환경오염의 심화로 인해 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 수소는 친환경적이고 재생 가능한 특성으로 인해 미래의 가장 유력한 연료로 각광받고 있다.

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