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제안 방법
- 개발된 분리판은 자동차라는 공간제약을 극복하고 연료전지 스택의 조립 및 유지/보수성을 확보하면서 고출력밀도를 달성하기 위하여 분리판의 두께를 최소화 할 수 있는 Manifold 부분과 Flow Field 부분 및 Sealing 부분의 연결구조 뿐만 아니라 기존의 80kW급에 비해 좀더 길이가 길고 높이가 낮은 형태로 형상설계를 진행하여 반응면적을 증가시켰다.
- 기존 분리판의 180도 회전부 및 냉각수 인접부에서의 수분 응축을 확인하고 가습 조건 및 양론비에 따른 셀 내 수분양을 정량화 하였다. 변형된 직선유로 구조와 반응기체 유로들의 높이조정 및 Manifold 부분의 면적 조정을 통하여 기존 분리판과 동일한 수준으로 낮춤과 동시에 Flooding을 저감시키는 냉각수 유로 개념을 적용한 신규 개발 분리판에 대해 중성자 가시화를 통한 구조분석을 실시하여 기존 분리판에 비해 수분분포가 개선되고 1A/㎠의 전류밀도 조건에서 단위면적(㎠)당 약 12.
- 또한, 차량의 구동에 필요한 전기에너지의 생산을 위한 연료전지반응에서 수소이온의 이동특성과 밀접한 관련이 있는 수분분포를 분리판의 반응면적 전체에 고르게 유지시키고, 반응생성수 및 공급된 가습수의 이동에 의해 발생되는 성능에 나쁜영향을 미치는 Flooding을 저감시키는 방향으로 냉각수 유로를 설계하였다.
- 신규로 개발된 스택에 적용된 분리판은 중성자 가시화를 통한 구조진단 결과를 적용하여 변형된 직선유로를 도입하여 180도 회전부에 의한 수분 응축을 제거하고, 냉각수 입구와 인접한 부분에서 교차하게 되는 수소 출구 부분의 냉각에 따른 수분응축에 의한 Flooding 현상을 완화하는 냉각수 유로를 적용하여 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 중성자 가시화 기법을 통하여 동일한 가습 조건에서 부하에 따른 분리판 반응면적 전체에 대한 수분분포를 조사하였다.
- 이러한 형상설계는 Manifold 부분에서 Flow Field 부분으로 연결되는 통로의 전체 단면적을 줄여서 연료전지 스택의 부하운전중 유량증가에 따른 차압 증가로 인해 연료전지 시스템의 운전 압력을 높이고 공기공급기의 소모동력을 증가시켜 시스템의 효율을 낮추는 문제점을 일으키므로, 연료전지 스택의 안정적인 운전에 필요한 SR을 고려하여 연료인 수소의 Manifold 부분과 공기의 Manifold 부분의 면적비율을 1:1.5~3.0으로 조정하고, 각각의 Flow Field 부분의 유로 깊이를 조정함과 동시에 변형된 직선유로를 도입하여 반응면적의 증가에 따라 동일한 전류밀도에서 반응기체들의 유량을 증가되더라도 전체적인 분리판의 차압이 기존의 80kW급 스택에 적용된 분리판에 비해 동일 수준 이하가 되도록 설계하였다.
- 차량 및 BB시스템에서 약 80kW의 출력을 내고 1000시간 이상의 장기운전이 가능한 것으로 확인된 연료전지 스택에 적용된 분리판에 대하여 연료전지 내부의 수분분포 및 수분양을 측정할 수 있는 중성자 가시화 기법을 이용하여 구조진단을 실시하여 Fig.1에 나타낸 바와 같이 수소 유로의 분기부 및 180도 회전부의 수분 응축과 같은 국부적인 Flooding 현상과 분리판의 반응면적 전체에 대한 불균일한 수분분포를 확인하였다.
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