초록 ▼

에너지 문제 해결에 있어서 유망한 대안 중의 하나인 고분자 연료전지에서 성능을 좌우하는 중요한 요소는 물수송 현상의 해석이다. 실험적 방법으로는 고분자 연료전지 기체수송층 내에서 발생하는 물수송 현상을 해석하는데 한계가 존재하므로 수치해석적 방법을 통한 접근이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 입자기반 수치해법의 하나로 시간 및 길이 스케일이 아주 작은 영역의 해석에 강점을 가지고 복잡한 물리적 현상을 모사할 수 있는 lattice Boltzmann method (LBM)를 적용하여 다차원 다상 LBM 해석코드를 개발하여

에너지 문제 해결에 있어서 유망한 대안 중의 하나인 고분자 연료전지에서 성능을 좌우하는 중요한 요소는 물수송 현상의 해석이다. 실험적 방법으로는 고분자 연료전지 기체수송층 내에서 발생하는 물수송 현상을 해석하는데 한계가 존재하므로 수치해석적 방법을 통한 접근이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 입자기반 수치해법의 하나로 시간 및 길이 스케일이 아주 작은 영역의 해석에 강점을 가지고 복잡한 물리적 현상을 모사할 수 있는 lattice Boltzmann method (LBM)를 적용하여 다차원 다상 LBM 해석코드를 개발하여 연료전지 내에서의 물수송 현상을 최적화하여 연료전지의 최적 내부유로를 디자인 할 수있는 수치해석 시스템을 개발하는 연구를 수행하였다. 과제의 목표를 달성하기위해 1차년도에는 LBM을 적용한 열유동 해석 코드 개발 및 전산해석시스템 구축하고 2차년도에는 연료전지 유로 내에서 발생하는 multi-component, multi-phase 해석 모델을 개발 및 검증하며 3차년도에는 파일롯 연료전지 설계에 연구결과를 적용하였다.
1차년도에는 LBM을 적용한 2차원 열유동 해석코드를 개발 및 검증하고 2D drag induced rotating flow 유동에 대한 검증계산 실시하였으며 Reynolds 수 증가에 대한 유동변화 검증계산을 실시하였다. 또한, 개발된 코드를 hard disk drive의 head disk interface에서 발생하는 air bearing modeling에 적용하여 공기와 헬륨의 혼합비율에 따른 유량을 예측하고 실험결과와 비교하는 연구를 수행하였다. 이를 통해 개발된 LBM 코드의 정확도와 유용성을 확인할 수 있었다.
2차년도에는 1차년도 연구를 통해 개발된 LBM 해석코드를 확장하였다. 복잡한 열유체 전달현상의 해석을 위해 multi-component, multi-phase 해석기능을 강화하였으며 연료전지 내부구조설계에 필요한 water droplet 운동을 모사하는 physics 모델을 개발하여 적용하였다. 또한, water 액적과 주위 공기의 상호작용을 기술하는 물리모델의 모델상수를 검증하고 water 액적과 벽면의 상호작용을 기술하는 물리모델 및 수치경계조건을 검증하였다. 개발 확장된 모델을 참고문헌 및 공동연구그룹의 실험데이타를 통해 검증하는 작업도 수행하였다.
3차년도에는 다상 LBM 코드의 3차원 액적거동 해석기능 추가하였으며 액적주위 mean flow가 존재하는 경우 액적거동을 예측하는 모델을 개발하였다. 또한, 상용 열유체 해석코드를 활용한 파일롯 연료전지의 성능을 수치적으로 해석하였다. 파일롯 연료전지의 작동압력, 작동온도에 따른 성능을 분석하였으며 파일롯 연료전지의 가스채널 형상변화에 따른 성능도 해석하였다. 파일롯 연료전지의 가스확산층의 기공율과 전기전도도, 가스채널의 가습도에 따른 성능분석도 실시하였다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용 계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8