초록 ▼

본 연구는 연료전지자동차, 가정용 코제너레이션 연료전지, 휴대용 연료전지 등에 적용되는 고분자 전해질 연료전지 시스템의 실용화를 위해 필요한 연료전지 스택 설계 및 시스템 해석 기술을 개발하기 위한 것이다. 반응가스 공급과 집전체 역할을 하는 분리판 설계를 위해서는 유로 채널 크기와 유동장 형상설계를 위한 프로그램을 개발하였으며 설계된 분리판의 유동장과 압력, 온도분포 등을 3차원으로 계산하여 성능을 검증하기 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 스택의 경우도 분리판과 마찬가지로 설계를 위한 프로그램과 설계된 형상을 해석하기 위한 별

본 연구는 연료전지자동차, 가정용 코제너레이션 연료전지, 휴대용 연료전지 등에 적용되는 고분자 전해질 연료전지 시스템의 실용화를 위해 필요한 연료전지 스택 설계 및 시스템 해석 기술을 개발하기 위한 것이다. 반응가스 공급과 집전체 역할을 하는 분리판 설계를 위해서는 유로 채널 크기와 유동장 형상설계를 위한 프로그램을 개발하였으며 설계된 분리판의 유동장과 압력, 온도분포 등을 3차원으로 계산하여 성능을 검증하기 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 스택의 경우도 분리판과 마찬가지로 설계를 위한 프로그램과 설계된 형상을 해석하기 위한 별도의 프로그램을 개발하여 사용하였다. 분리판의 열유체 해석을 위해서는 질량, 운동량, 에너지 보존방정식과 더불어 전기화학반응을 모델에 포함시켰으며 유동장은 물론 온도와 전기적인 특성도 동시에 해석할 수 있도록 하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 고분자 전해질 연료전지의 대표적인 적용 시스템인 가정용, 자동차용, 그리고 휴대용 연료전지에 대한 해석을 수행하였다. 시스템 설계 기술 개발을 위해서는 독립적으로 운전 가능한 코제너레이션 고분자 연료전지 시스템을 대상으로 해석 프로그램을 개발하였다. 이를 위하여 스택을 비롯하여 연료변환기, 공기 공급장치, 냉각장치, 이차전지 보조전원, 열저장조, 전력변환기 등에 대한 모델식을 유도하였으며 이를 이용한 해석 프로그램을 작성하여 종합적인 연료전지의 개념설계와 성능예측이 가능하도록 하였다.
본 연구 결과는 연료전지 자동차, 연료전지 이용 소형 코제너레이션 시스템, 무정전 전원장치, 그리고 IT용 연료전지 시스템 시스템의 설계와 성능 예측 기술로 활용될 수 있다.

Abstract ▼

In order to develop the practical PEFC systems, not only core elementary technology for materials, such as electrode and membrane, separator and membrane and electrode assemblies(MEAs), but also design and analysis technologies are necessary. The approach for developing computer-aided design scheme

In order to develop the practical PEFC systems, not only core elementary technology for materials, such as electrode and membrane, separator and membrane and electrode assemblies(MEAs), but also design and analysis technologies are necessary. The approach for developing computer-aided design scheme includes two paths: i)determine the configuration and channel and rib size of bipolar plate, and manifold size of stacks with the simplified design program and ii) numerical analysis of bipolar plate and stacks to evaluate the performance and rigidity as followings.
$\circ$ Develop the flow field analysis program for bipolar plate optimization
- develop models for bipolar plate including electro chemical reaction
- establish three dimensional numerical analysis scheme based on computational fluid dynamics
- design and analyze flow fields of oxidant, fuel and coolant plate
- establish numerical analysis program for air-breathing PEFCs, which include natural convection equations
- optimal design of flow configuration and channels for bipolar plates
- decide flow pattern in a bipolar plate
- design flow channel and validate flow and pressure distributions
- channel optimization for an air-breathing PEFC
$\circ$ Design and validate fuel cell stack based on numerical analysis
- choose optimal manifold configuration
- compare two different types of manifolds, U-type and Z-type manifold
- analyze flow distribution depending on the length of the stack entrance pipe
- analyze the effect of channel size on the flow distribution
- design and analyze a coolant plate including heat transfer effect
$\circ$ Performance analysis of integrated PEFC systems using the computer program
- develop the computer simulation program for hybrid PEFC systems including a stack, a reformer, BOPs, a battery pack, a thermal storage system, and a controller.
- estimate thermal and electric performances of PEFC systems for combined heat and electric power

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...11
• CONTENTS...16
• 목차...18
• 그림목차...20
• 표목차...26
• 제 1 장 서론...28
• 제 1 절 연구 배경 및 필요성...28
• 제 2 절 연구 내용 및 범위...31
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...35
• 제 1 절 분리판, 스택 기술...35
• 제 2 절 시스템 기술...56
• 제 3 장 수냉식 분리판 설계 및 해석...62
• 제 1 절 유동 해석...62
• 제 2 절 공기호흡식 연료전지의 3차원 수치 해석 및 설계...106
• 제 3 절 분리판 구조해석...137
• 제 4 장 연료전지 스택 설계 및 해석...168
• 제 1 절 매니폴드와 인 입구 설계 및 해석...168
• 제 2 절 스택 설계 및 해석 기술...186
• 제 5 장 연료전지 시스템 설계 및 해석...194
• 제 1 절 시스템 해석 기술 개요...194
• 제 2 절 시스템 모델 및 부하 분석...196
• 제 3 절 해석 결과 분석...222
• 제 6 장 연구 결과 목표 달성도 및 활용계획...236
• 제 1 절 연구 결과...236
• 제 2 절 연구 개발 목표 달성도 및 대외 기여도...240
• 제 3 절 연구개발 결과의 활용 계획...242
• 제 7 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...245
• 제 1 절 세계 수소학회(World Hydrogen Energy Conference)...245
• 제 2 절 2004 연료전지 세미나...255
• 제 3 절 2005 연료전지 세미나...261
• 제 4 절 중국 연료전지 기술...267
• 제 5 절 PBFC2 고분자 연료전지기술...274
• 참고문헌...280