PE 연료전지에서유로형상변화에따른수치해석적연구 전동협 1) 김병문 *,1) 남진현 2) 동국대학교원자력및에너지공학과 1) 대구대학교기계공학과 2) Numercal study of PE fuel cell accordng to the araton of flow felds Dong Hyup Jeon 1) Byung oon Km *,1) Jn Hyun Nam 2) 1) College of Energy and Enronment, Dongguk Unersty, Gyeongju 780-714, Korea 2) chool of echancal and Automote Engneerng, Daegu Unersty, Gyeongsan 712-714, Korea Abstract : A lab-scale proton exchange membrane fuel cells (PEFCs) s nestgated at automote operatng condton. The comparson of the straght-parallel and serpentne PEFCs s carred out wth detaled descrpton of these flow-feld confguratons. A three-dmensonal model was deeloped takng nto account the electrochemcal reacton and the eaporaton/condensaton of water whch can nfluence on the oerall flow feld. The straght-parallel PEFC has consderably low nternal pressure drop whch s benefcal to automote applcaton. Non-unform temperature and current densty due to flow maldstrbuton are dentfed as a challenge to the straght-parallel PEFC. Key words : PEFCs, CFD, Flow Feld, Automote Operaton Nomenclature A CV : specfc surface area of the control olume (CV), m 2 F : Faraday constant, 96487 C mol -1 h form : enthalpy of formaton for water, kj kmol -1 h fg : enthalpy of aporzaton for water, kj kg -1 : local current densty, A m -1 m : mass fracton of speces : molecular weght of speces,kgmol -1 P : pressure, Pa : source term T : temperature, K ubscrpts and superscrpts a : anode c : cathode H 2 : hydrogen H 2O : water O 2 : oxygen l : lqud 1) 1. 서론고분자전해질연료전지 (PEFC) 는고효율과고 * 김병문, E-mal: kbm713@dongguk.ac.kr
에너지밀도로인하여차세대전기자동차의동력원으로서주목받고있다. 이런이유로인하여 PEFC 를자동차의동력원으로활용하기위하여실험이나시뮬레이션등을통하여많은연구가진행되어오고있다. 이들연구를살펴보면 PEFC의성능은작동조건, 물질의특성그리고유로디자인에많은영향을받는다고보고되고있다. 1-4) PEFC의유로로 serpentne형과 straght-parallel 형의유로가가장많이사용되고있다. erpentne형의경우성능과연료이용률이높다는장점을가지고있으나내부압력강하가높고유로가바뀌는 bend에서의불균일한유동으로인하여온도분포가불균일한단점이있다. traght-parallel의경우성능이낮은단점이있으나단순한디자인과낮은내부압력강하로인하여비교적낮은 spec. 의 compressor 나 blower를사용할수있다는장점때문에자동차용으로이용하기에적합한유로디자인으로선호되어이에대한연구가진행중이다본연구에서는 serpentne형유로와 straghtparallel형유로의장단점을각각비교하고자동차용에적합한유로디자인에대하여기술한다. Table 1 Propertes and parameters Propertes and parameter Value Wdth (mm) 1.0 Channel Heght (mm) 1.0 Current Rb wdth (mm) 1.12 collector Thermal conductty (W m -1 K -1 ) 5.7 Thckness (μm) 250 Porosty 0.7 GDL Permeablty (m 2 ) 1 10-12 Thermal conductty (W m -1 K -1 ) 0.25 Thckness (μm) 50 Thermal conductty (W m -1 K -1 ) 0.15 Open crcut oltage (V) 0.96 Cathode exchange current densty (A cm -2 ) 0.02 EA Cathode transfer coeffcent 0.6 Anode exchange current densty (A cm -2 ) 0.2 Anode transfer coeffcent 1.2 Reactng area (cm 2 ) 50 2. 모델설명 CFD 상용소프트웨어인 TAR-CD와 module인 es-pemfc를이용하여 3차원시뮬레이션이이루어졌다. 2.1 구조및작동조건 erpentne형과 straght-parallel형의유로를가진 PEFC는 Fg. 1과같다. 3차원모델의면적은 50cm2이고 1cmX1cm의유로단면적을가지며수소와공기의유동방향은같다. 계산영역은 GDL, EA, channel, bpolar plate이다. serpentne형과 straght-parallel형모두 33개의유로를가지고있으며 straght-parallel형의경우입구와출구에 5mm의 manfold를가지고있다. 작동조건은일반적인자동차운전조건에서시뮬레이션되었다. 2) 시뮬레이션에사용된물성값과구체적치수는 Table 1과같다. Fg. 1 (a) serpentne 형과 (b) straght-parallel 형
2.2 모델식본모델은연료전지내의 flud flow, heat/mass transfer, electrochemcal reacton을모두고려해서이루어져있다. 각각의과정은모두밀접하게 couple 되어있으며그식은다음과같다. 1) ass conseraton ( ρu) ( ρ) ( ρw) + + = m p p e m = H ( or O ) + H O, + H O, l + 2 2 2 2 H2O, 2) omentum conseraton ( ρu) ( ρu) ( ρu) P u u u u + + w = + μ + μ + μ + ( ρ) ( ρ) ( ρ) P u + + w = + μ + μ + μ + ( ρw) ( ρw) ( ρw) P w w w u + + w = + μ + μ + μ + px μ = u β x, py μ = β y, pz μ = w β 3) peces conseraton ( ρm ) ( ρm ) ( ρm ) ( J ) ( J y, ) ( J ) x, z, u + + w = + + + I = y) H 2 H 2 2F I = y) O 2 O2 4F A A CV CV p e H O, = H O, + 2 2 H 2O, y) I ( x y ) H O ACV α F e H o, =, 2 2, 1+ 2α = 2F y) I y ) H O, ACV mass P 2 P H 2O sat p of of H 2O, H 2O, H O = H O = sat 2, 2, 1 PH O, / P P 2 4) Energy conseraton ( ρuh) ( ρh) ( ρwh) T T T e p + + = k + k + k + h + h of e 1 h = h form I, 2F h p h = H2 O, l y) ACV I( x y) Vcell ACV fg z r px py pz 3. erpentne형과 straght-parallel형의비교 3.1 전기화학반응이유동에미치는영향전기화학반응으로인한반응물의소모와생성물의생성은유체의밀도변화를일으킴으로유동과압력변화에영향을미친다. 이에그영향도를알아본다. Fgs. 2와 3은 straght-parallel형유로에서전기화학반응을고려할때와하지않았을때각각에대한유속의변화를나타낸다. (a) 는입구에서, (b) 는가운데, (c) 는출구에서의속도프로파일이다. Fg. 2 는 =0.6A/cm2일때공기극에서의속도프로파일을나타낸것이다. 그림에서보는바와같이입구에서는속도프로파일의변화가적으나유로를따라속도프로파일의변화가심하며공기의입구에서멀어질수록그변화는더심하게나타난다. Fg. 3는 =0.6A/cm2일때연료극에서의속도프로파일을나타낸것이다. Fg. 2와비슷하게입구에서는속도프로파일의변화가많지않으나입구에서멀어질수록그변화가심함을알수있다. 공기극에서보다연료극에서의속도프로파일의변화가심한이유는연료극에서의 stochometry가크기때문에, 즉유속이빠르기때문이다. Fg. 2와 3에서본바와같이전기화학반응을고려하지않고시뮬레이션을실행한경우실제속도프로파일의차가크므로연료전지의유로디자인시반드시전기화학반응을고려해야함을알수있다.
Fg. 2 공기극에서의속도프로파일 (=0.6A/cm2). (a) 입구, (b) 가운데, (c) 출구 Fg. 3 연료극에서의속도프로파일 (=0.6A/cm2). (a) 입구, (b) 가운데, (c) 출구 3.2 내부압력강하 erpentne 형과 straght-parallel 형유로를가지는 PEFC에서의내부압력강하를 Fg. 4에나타내었다. 그림에서보는바와같이 straght-parallel형의경우내부압력강하는적은반면, serpentne형의경우내부압력강하는상당히높았다. 이는 serpetne형의경우 flow path가상대적으로길기때문이다. anode
보다 cathode에서의내부압력강하가높게나타나는이유는 cathode channel에서의 stochometry가높기때문이다. 높은압력강하는연료전지시스템구성시높은단가나내부공간문제로인하여불리하게작용할것이다. Fg. 5는목표전류밀도가 0.2A/cm2, 0.6A/cm2, 1.0A/cm2인경우 serpentne형과 straght-parallel형에서의전류밀도분포를나타낸다. 그림에서보는바와같이전류밀도가출구에서높게나타나고입구에서낮게나타났다. 저전류밀도 (=0.2A/cm2, 0.6A/cm2) 의경우최대전류밀도와최소전류밀도의차가적게나타나지만고전류밀도 (=1.0A/cm2) 에서는 straght-parallel형이 serpentne형에비해전류밀도의차가높게나타났다. 이는불균일한반응기체의분포로인한것으로서반응기체를균일하게분포할수있도록설계한다면이는해결될것으로사료된다. Fg. 5 전류밀도분포 (a) serpentne, (b) straght-parallel, (1) =0.2A/cm2, (2) =0.6A/cm2, (3) =1.0A/cm2 4. 결론 erpentne형과 straght-parallel형의유로를가진 PEFC를대상으로자동차운전조건에서의장점과단점에대해연구하였으며결과는다음과같다 1) 전기화학반응은유동에영향을미치므로 PEFC 의시뮬레이션시반드시전기화학반응을고려한해석이이루어져야한다. 2) erpentne형 PEFC의경우내부압력강하가크나 straght-parallel형 PEFC의경우내부압력강하가크지않으므로차량용으로적용시많은이점이있다. 3) traght-parallel형의경우고전류밀도에서전류밀도분포가불균일해지는경향이있어균일한유동설계가필요하다. Fg. 4 전류밀도에따른내부압력강하 (a)anode, (b)cathode
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