Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2016. 2), Vol. 27, No. 1, pp. 29~35 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2016.27.1.029 ISSN 1738-7264 eissn 2288-7407 송명호 1 ㆍ김경연 2 1 한밭대학교대학원, 2 한밭대학교기계공학과 Numerical Study on Flow Distribution in PEMFC with Metal foam Bipolar Plate MYEONGHO SONG 1, KYOUNGYOUN KIM 2 1 Graduate School of Hanbat National University 2 Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University, Daejeon 34158, South Korea Abstract >> It is important to uniformly supply the fuel gas into the reaction activity area in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). Recent studies have shown that the cell performance can be significantly improved by employing metal foam gas distributor as compared with the conventional bipolar plate types. The metal foam gas distributor has been reported to be more efficient to fuel transport. In this study, three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations have been performed to examine the effects of metal foam flow field design on the fuel supply to the reaction site. Darcy's law is used for the flow in the porous media. By solving additional advection equation for fluid particle trajectory, the gas transport has been visualized and examined for various geometrical configuration of metal foam gas distributor. Key words : Computational fluid dynamics( 전산유체역학 ), PEMFC( 고분자전해질연료전지 ), Metal foam( 메탈폼 ), Flow field( 유동필드 ), Permeability( 투과도 ), Bipolar plate( 분리판 ) Nomenclature Subscripts P : pressure, Pa g : gravitational acceleration, m/s 2 K : permeability, m 2 S i ε μ : momentum source : porosity : dynamic viscosity, kg/m s Corresponding author : kkim@hanbat.ac.kr MEM : membrane MEA : membrane electrode assembly PEM : polymer electrolyte membrane; proton exchange membrane GC : gas channel GDL : gas diffusion layer CL : catalyst layer Received : 2016.1.29 in revised form : 2016.2.22 Accepted : 2016.2.28 Copyright c 2016 KHNES 29
30 1. 서론 최근에는환경보호에대한관심이높아지면서저공해에너지개발의필요성이높아짐에따라연료전지의개발필요성이증가하고있다 1-3). 그중에서도고분자전해질연료전지 (PEMFC) 는수명이길고저온에서도높은전류밀도를얻을수있는장점을가지고있다 3-5). PEMFC가작동을하기위해서는채널 (GC; gas channel) 을통해확산되고, 촉매층 (CL; catalyst layer) 에도달하여전기화학반응이일어난다. 수소이온은전기화학반응으로인하여전해질막 (MEM;membrane) 을통해양극으로이동하게되고양극에공급된산소와반응함으로써물을생성하게된다. 이때들어가는수소는유동장을통하여 MEA의표면에고르게분포된다. 이때반응의효율은유동이잘분포되었는지에따라비례한다. 이와같은이유로분리판내부에서의유동은균일성을확보해야한다. 최근에가장많이사용되고있는분리판의재질은그라파이트이다. 그러나그라파이트는기계적강도가매우약하고비용이비싸다 6). Kumar and Reddy 7,8) 는분리판유동필드에그라파이트대신에메탈폼을사용하여, 기존의분리판보다좋은작동을보여, 메탈폼이분리판재료로서의가능성을확인하였다. 앞선연구들은기존그라파이트분리판의형상에따른유동분포에관한연구들이주를이루며, 최근떠오르는메탈폼을적용한분리판에관한연구는미미한실정이다. 본연구에서는유동지역의다공성분리판의설계에따른연료공급효과를알아보기위해상용소프트웨어 FLUENT 를사용하여 3차원전산해석을수행하였으며, Tsai et al. 9) 의실험결과를비교대상으로하여기존그라파이트사행유로의형상과메탈폼을적용한기본적인구조의유동필드형상을재연하여전산해석결과를검증하였으며, 이를토대로각유형의유동장을가시화하여살펴보았다. 다공성매질에서의유동을해석하기위해 Darcy s law를사용하였 고, Tsai et al. 9) 의실험과동일한작동조건으로수행되었다. 해석결과를통해새로운형상을도출하였다. 2. 해석방법본연구에서는채널내의유동은정상상태, 등온, 층류의 3차원유동으로가정하였으며, 흐르는유체에서변화의방정식은유체내의미소체적성분에대한질량과운동량보존을나타내는연속방정식과 Navier-Stokes 방정식으로다음과같다. ( V ) 0 (1) t V ( VV) p+ ( ) g Si (2) t P는압력이고 ρ는밀도를나타내며, ε는기공율, 는점성응력텐서, V는유체의속도, g는중력가속도이다. S i 는 Darcy s law로표현된운동량 Source 항이운동량방정식에추가된것이다. 여기서 Darcy s law란다공성매질을통과하는유체의단위시간당유량과유체의점성, 유체가흐르는거리와그에따는 inlet inlet inlet A B C inlet inlet D E Fig. 1 Flow field designs >> 한국수소및신에너지학회논문집
송명호ㆍ김경연 31 압력차이사이의비례관계를의미한다. 다공질흐름장에서는 Darcy s law로압력강하를구할수있다. 1 Si ( V C V V) K 2 (3) 이 Source 항은점성손실항과관성손실항으로이루어져있으나, 낮은유속에서는압력강하는주로점성손실에의해서만영향을받으며, 다공성매체에서는유체의속도에비례하여압력강하를일으킨다. μ는점성계수, K는투과도 (Permeability) 를나타낸다. 투과도란유체가다공성재를얼마나쉽게통과하는지를나타내는척도이다. Tsai et al. 9) 에서투과도와공극률값이명시되어있지않다. 본연구에서는시행착오법과최소자승법을활용하여투과도 (K=1.29E-8 m 2 ) 를선정하였다. 이투과도값은대표적인메탈폼투과도값범위안에속한다. 공극률은메탈폼의일반적인공극률 0.9를적용하였다. 연료전지로공급되는기체는 Tsai et al. 9) 의실험과동일하게 100% 가습된공기이며, 기체의밀도는다음과같다. P RT / M (4) P는압력, R은이상기체상수이고, M은각기체들의몰질량을나타낸다. 이에따른공기의밀도는 1.039 kg/m 3 이다. 혼합기체의점성계수는아래식으로계산된다. x N i i N (5) i 1 x j 1 j ij 1 M M ij (1 ) [1 ( ) ( ) ] 8 M M i 1/2 i 1/2 i 1/4 2 j j j (6) 여기서 Φ는무차원상수이다. N은혼합물에들어있는화학종들의총수이고, x i, x j 은 i와 j종의몰분율이며, M i, M j, 은 i, j 종의분자량이다. 위식에의한점성계수는 1.96E-5 kg/m s이다. 채널입구에서는유량에의해산출된일정한속도가부과되며, 채널출구에서는유출조건이적용되었다. 입구와출구를제외한경계조건은점착조건으로설정하였다. Fig. 1은전산해석영역이며, 이때해석에사용된격자수는약 280만개이다. 격자해상도를테스트하기위해격자수를 50% 증가시켜전산해석을수행하였다. 그결과압력강하의변화가 3% 로사용된격자가충분히조밀함을확인하였다. 모든유형의활성면적은 5 cm x 5 cm, 다공질분리판의두께는 1 mm, 공급유로의단면적은 1 mm x 1 mm이다. 회색으로표현된부분이다공성매질로이루어진메탈폼을나타낸다. 유형 A는하나의영역으로구성되어있으며, 유동이대각선으로흐른다. 유형 B는유형 A와마찬가지로하나의영역이지만유동이위에서아래로흐른다. 유형 C와 D에서표시된검은색부분은유동의고른분배를목적으로설치된격벽을나타낸다. 유형 C는유형 A에서 9가지영역으로나뉘어진형태이다. 유형 D는세군데로영역이나뉘어져있고연료의입출구가 3개씩인병렬형태이다. 유형 A, B, C, D는 Tsai et al. 9) 의실험과동일한형태의유동필드이고, 유형 E는본연구에서새롭게제시한형상으로, 낮은압력강하와고른유동분포를목적으로고안되었다. 3. 해석결과 메탈폼의입출구에서측정한압력강하그래프를 Fig. 2에나타내었다. 공급유량이증가할수록압력강하는증가한다. 유형 C의압력강하가높게나타났는데, 이는 C가다른유형들에비해긴유동경로를 제 27 권제 1 호 2016 년 2 월
32 유로에서의압력강하가크게일어나며, 유형 C에서는유동경로가다른유형들에비해상당히길기때문에아주큰차이를보인다. 유형 A와 B의압력강하가가장낮은수치를나타냈다. 유선을통해유동분포를가시화하여알아보았다. Fig. 4는유량이 1800 cc/min 일때, 각유형의유선을중심평면에나타낸그림이다. 유형 E가다른유형들에비해정성적으로고른분포임을알수있다. 연료분배에대한정량적비교를위해, 입구에서공급되는염료 (dye) 가메탈폼내부로전달되는과정을아래의대류방정식으로해석하였다. Fig. 2 Pressure drop in the porous media of metal foam flow field 가지고있기때문이다. 다음으로유형 D가높은압력강하를나타냈다. 유형 A, B는거의같은수치를보였다. 유형 E는유형 D와유형 A, B 사이의압력강하수치를나타냈다. 유형 E는유형 D보다연료분배가많은형상이지만, 연료의입구와출구의방향이일치하여유형 D보다낮은압력강하가발생했다. Fig. 3은유량 1800 cc/min일때, 유형별압력분포를중심평면에나타내었다. 모든유형에서입출구 DC Dt 2 C (7) C는염료의질량분율, α는확산계수로대류현상만을고려하므로확산계수의값은 0 이어야한다. 수치적안전성을위해임의로매우작은값 (1E-30) 을이용하였다. 초기조건은 C(x, t=0)=0으로부과하고, 입구경계조건은 C=1을부과하였다. 이때해석에사용된시간간격은 1E-4초이다. Fig. 5는시간에따른염료의질량분율분포를나타내었다. 검은색부분이연 Fig. 3 Pressure contours in metal foam flow field designs >> 한국수소및신에너지학회논문집
송명호ㆍ김경연 33 Fig. 4 Streamline in metal foam flow field designs Fig. 5 Visualization of dye injected from the inlet for Q=1800cc/min 제 27 권제 1 호 2016 년 2 월
34 1) 5가지유형에따른압력강하와유동패턴, 압력분포를비교하였다. 메탈폼내부에서의압력강하를살펴보면, 유형 C가가장높은압력강하를보였으며, 유형 A와 B가가장낮은압력강하를나타냈다. 실험결과를통하여도출한새로운유형 E 는유형 D와유형 A, B 사이의압력강하를나타내었다. 2) 정량화한유동분포비교에서는유형 E가가장고른분포를보였고, 다음으로유형 C, A, D는비슷한연료분포를보였으며, 실험결과를통해도출한유형 E는유형 D처럼연료를병렬공급하여연료의고른분포가이루어졌으며, 유형 A, B처 Fig. 6 Volume averaged mass fraction of injected dye in the metal foam 럼연료유동의방향을일치하게하여압력강하도낮게발생하였다. 료가공급되지않은부분이다. 유선으로살펴본유동분포와같은패턴으로입자가퍼지는것을확인할수있다. E 형상에서염료가가장고르게분포되었다. 시간에따른연료의분배를정량적으로분석하기위해, 메탈폼내부에서평균된염료의질량분율을시간에따라 Fig. 6에나타내었다. 유형 E가가장빠른질량분율의상승을보이며, 이는유동이입구에서공급되는연료가빠른시간내에메탈폼내부로고르게분배됨을의미한다. 4. 결론 본연구는고분자전해질연료전지의성능향상을위해연료공급측면에서전산해석을수행하였다. 다공성매질에서의유동을해석하기위하여 Darcy s law를사용하였으며, 다공성매질의투과도를예측하여실험결과와비교하였다. 또한, 편미분방정식을이용해연료분포를시각화, 정량화하여비교하였다. 전산해석결과는다음과같다. 후기 본연구는산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행되었음 (No. 20148520120160). References 1. Hayre RO CS, Collela W, Prinz FB, Fuel Cell Fundamentals, New york, John Wiley and sons, 2005. 2. J.O'M. Bockris SS. Fuel Cells, Their Electrochemistry, McGraw-Hill, New York, 1969. 3. Parthasarathy A, Srinivasan S, Appleby AJ, Martin CR, Electrode kinetics of oxygen reduction at carbon-supported and unsupported platinum microcrystallite / Nafion interfaces, Journal of Electroanalytical Chemistry, 1992, 339, 101-21. 4. Patil PG, US Department of Energy fuel cell program for transportation applications", Journal of power sources, 1992, 37, 171-9. 5. Prater KB, Solid polymer fuel cell developments >> 한국수소및신에너지학회논문집
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