[논문]PEM 연료전지 평행류 채널에서 Baffle의 영향

오창묵; 이규정

PEM 연료전지 평행류 채널에서 Baffle의 영향
Effects of baffles through the parallel flow channel in a PEM fuel cell 원문보기

오창묵 (고려대학교 기계공학과 대학원) , 이규정 (고려대학교 기계공학과)

The effects of baffles in PEM fuel cell with parallel flow channel has been simulated by using conmmercial program. The simulation has been conducted through the channel and there are four different heights of baffles, No Baffle($H_b$=0), Partially Blocked Baffle(0.25, 0.5, 0.75), Fully Blocked Baffle(1) conditions. The result shows that current density changes while placing a baffle at the various positions along the channel. Current density with a single baffle is higher than that without baffle and current density using Fully Blocked Baffle(FBB) is much higher than current density using Partially Blocked Baffle(PBB). When the baffle is closer to outlet of the channel, current density increases. It is found that pressure is related to current density. If the pressure is higher, the better performance will be expected.

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문제 정의

본 연구에서는 Partially-Blocked Baffle의 영향과 Fully-Blocked Baffle의 영향을 알아보기 위해 각각 산소극과 수소극에서의 Baffle 한 개의 영향을 채널 위치에 따라 알아보고 이를 통해 Baffle이 동시에 적용이 될 경우의 영향을 분석하고 연료전지의 성능에 어떠한 영향을 주는지 조사하였다.

가설 설정

3. 연료전지 벽면의 온도는 일정하다.
4. 모든 기체는 이상기체로 가정하고 상변화는 없는 것으로 하였다.
6. 전해질막은 완전가습된 것으로 하였다. 해석 방법은 범용 CFD solver인 CFD-ACE+(2008)를 이용하여 해석모델의 각 영역에 물성치와 경계조건을 지정한 후 SIMPLEC algorithm을 이용하여 유동해석을 한다.
해석 모델은 전기적 중성으로 가정하고 전류 보존식 식(6)만을 이용하여 계산을 수행하였다. 연료전지의 전극은 다공성 물질이어서 전류가 고체와 유체를 따라 다르다.

제안 방법

Liu et al.⁽²⁾은 산소극에서 2차원 유동해석을 통하여 Fully-Blocked Baffle을 개수와 간격에 따른 전류 밀도를 조사하였다. 고전압 상태일 때와 저전압 상태일 때의 전류밀도를 알아본 결과 저전압상태일 때 Baffle의 밑에서 전류밀도가 채널전체에 걸쳐 크게 향상되었고 저전압에서의 물효과(liquid water effect)가 전류밀도에 크게 영향을 준다고 하였다.
Soong et al.⁽³⁾은 2차원 유동해석을 통해 Partially-Blocked Baffle을 영향을 알아보기 위해 Baffle과 GDL의 사이의 간격과 GDL의 다공률(Porosity)와 압력손실과의 관계를 제시하였다. Wang et al.
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 형상화 하였고, 채널 단면이 정삼각형, 사다리꼴, 반원, 장구형인 3차원 단위 연료전지는 Fig. 2와 같이 모델을 구성했다.
^(4)-(5)은 기존의 SFF(serpentine flow field) 유동구조와 SBFF(serpentine-baffle flow field) 구조와의 비교를 통해 성능향상을 측정하였다. 계속된 연구를 통해 parallel 유동구조와 interdigitated 유동구조와의 성능 및 물 제거에 관하여 분석하였다. 고전압 상태일 때는 성능에 차이가 거의 없었으나 저전압 상태일 때에는 성능에 큰 차이가 나타났으며 이는 산소 소모율이 증가함에 따른 물 발생이 원인으로 예측하였다.
⁽⁶⁾은 serpentine 유동 구조의 채널 출구 부분을 축소시켜서 연료전지의 성능이 향상됨을 연구하였다. 높이와 길이에 따른 성능분석을 최적화하였다.
연료전지 내에서의 물리, 화학, 전기적 현상을 나타낼 수 있도록 아래와 같은 지배방정식을 적용 계산을 수행하였다.
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.

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 형상화 하였고, 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.
전해질막은 완전가습된 것으로 하였다. 해석 방법은 범용 CFD solver인 CFD-ACE+(2008)를 이용하여 해석모델의 각 영역에 물성치와 경계조건을 지정한 후 SIMPLEC algorithm을 이용하여 유동해석을 한다. 유동해석으로 얻어진 각 변수들을 에너지보존방정식, 전기화학반응에 관련된 식에 대입하여 순차적으로 푼다.

성능/효과

5. 확산층, 촉매층, 전해질막은 등방성이며 균일하다.
⁽²⁾은 산소극에서 2차원 유동해석을 통하여 Fully-Blocked Baffle을 개수와 간격에 따른 전류 밀도를 조사하였다. 고전압 상태일 때와 저전압 상태일 때의 전류밀도를 알아본 결과 저전압상태일 때 Baffle의 밑에서 전류밀도가 채널전체에 걸쳐 크게 향상되었고 저전압에서의 물효과(liquid water effect)가 전류밀도에 크게 영향을 준다고 하였다. Soong et al.
이때 발생한 전류밀도의 증가는 Baffle간에 서로 비슷한 값으로 증가한다. 따라서 채널길이방향으로 전류밀도가 가장 크게 감소하는 채널의 출구부분에 Baffle이 있을 경우 평균전류밀도가 크게 증가하고 연료전지의 성능을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
Baffle이 없을 때보다 Baffle이 있을 때 평균전류밀도가 더 높고 Anode극에서는 FBB일 때가 PBB보다 더 높은 평균전류밀도를 가진다. 특히 Anode와 Cathode극 모두 출구 쪽으로 갈수록 평균전류밀도가 크게 증가하고 FBB의 평균전류밀도가 PBB일 때보다 높은 것을 알 수 있다. PBB의 높이 차는 Cathode극이 Anode극보다 평균전류밀도에 더 많은 영향을 준다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

평균 전류밀도는 무엇에 큰 영향을 주는가?

평균 전류밀도는 연료전지의 성능에 큰 영향을 준다. Fig.

PBB의 특징은?

PBB는 높이가 높아짐에 따라 전류밀도가 증가하게 된다. 하지만 낮은 초기압력에서는 높이에 따른 전류밀도의 증가효과가 크게 나타나지 않음을 알 수 있다.

전류밀도가 낮은 출구 가까이에 FBB를 위치함에 따라 보다 높은 평균밀도를 얻을 수 있는 이유는?

채널 내부에 반응기체가 흘러갈수록 길이 방향으로 기체 확산과 함께 농도가 떨어짐에 따라 전류밀도도 감소하게 된다. FBB로 인한 전류밀도 상승효과는 채널 위치에 상관없이 비슷하게 나타난다. 따라서 전류밀도가 낮은 출구 가까이에 FBB를 위치함에 따라 보다 높은 평균밀도를 얻을 수 있다.

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