PEM 연료전지공기극유로에서물의거동에대한 CFD 해석과 가시화실험의비교연구 김현일, 남진현, 신동훈, 정태용, 김영규 *, 서원석 *, 이정운 * 국민대학교, * 한국가스안전공사 A Comparison Study of CFD Analysis and Flow Visualization on Behavior of Liquid Water in Cathode Channels of PEM Fuel Cells Hyun-il Kim, Jin Hyun Nam, Donghoon Shin, Tae-Yong Chung, Young-Gyu Kim, Won-Seok Seo and Jung-Woon Lee Key word : PEM fuel cell( 고분자전해질연료전지 ), CFD( 전산유체역학 ), Cathode channel ( 공기극유로 ), Hydrophobic( 소수성 ) Abstract Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are promising power generation devices which are ideal for residential and automobile applications, thanks to their fast transient characteristics. However, liquid water produced in PEM fuel cells should be properly managed to enhance the performances and durabilities of the cells. In this study, a visualization experiment was conducted to investigate the flow behavior of water droplets in cathode channels. The visualization experiment was done with four different model flow channels which were made by varying the material (Acrylic and Teflon) and the channel width (1 mm and 2 mm). Acrylic is hydrophilic (contact angle is about 80 ) while Teflon is hydrophobic (contact angle is about 120 ). A computational fluid dynamics (CFD) analysis was also performed to compare the observed and the simulated two-phase water/air flow characteristics in cathode channels. The computational models were made to be consistent with the geometries and surface properties of the model flow channels. Both the experimental and numerical results showed that the Teflon cathode channel with 1 mm width has the best water management performance among four model flow channels considered. A close correlation was found between the experimental visualization results and the numerical CFD simulation results. 1. 서론 화석연료자원의고갈과연소부산물로생성되는온실가스로인한기후변화, 환경오염의 심화로인해화석연료를대체할수있는에너지원에대한연구가활발히진행중이다. 특히 - 101 -
수소는친환경적이고재생가능한특성으로인해미래의가장유력한연료로각광받고있다. 현재수소연료를기반으로하는수소경제시대가가까운미래에도래할것이많은연구자들에의해예측되고있다. 연료전지는수소와산소의직접전기화학반응을통해전기를생산하는에너지변환장치로써, 부산물로물과열만을발생시킨다. 이러한고효율및친환경적인특성으로인해연료전지는수소경제시대의가장핵심적인동력발생장치가될것으로기대되고있다. 고분자전해질 (PEM) 연료전지는현재가장진보된형태의연료전지기술로서차량용및가정용열병합 (CHP) 발전시스템에의적용이연구되고있다. PEM 연료전지의성능에있어서물은매우중요한요소이다. PEM 연료전지내의물의양이충분하지않은경우, 고분자전해질막으로부터수분의증발이심화된다. 그결과전해질막의수소이온전도도가너무낮아져성능이저하되는 dry-out 결함이발생할가능성이증가한다. 반대로연료전지내부에축적된물의양이너무많은경우, 특히수분이지속적으로생성되는공기극에서는, 액상의물이확산층과촉매층에서확산을저해하거나유로에서공기의흐름을방해함으로써연료전지의성능을저하시키는 flooding 결함이발생할가능성이커진다. 고분자전해질막, 확산층, 촉매층을결합한전극전해막접합체 (MEA) 의수분함량은또한연료전지의내구성에큰영향을주는것으로확인되고있다. 이러한이유로 PEM 연료전지의열및수분관리는성능및내구성향상을위한매우중요한이슈로서활발히연구되고있다. 이전의 PEM 연료전지의수분관리에관한연구는주로저출력운전시문제가되는전극전해막접합체의 dry-out 결함의방지에집중되었다. 그러나연료전지의고출력운전이필요한현재에는액상의물이성능을저하시키는 flooding 결함의방지가더욱중요한문제로부각되고있다. 따라서본연구에서는수분이생성되는공기극 (cathode) 을대상으로하여, 공기극유로에서의액상의물의배출거동에대한연구를수행하였다. 유로를통한물의거동은차량용 PEM 연료전지의동파를막기위한잔류수분의배출 (purge) 과정과도밀접한관계가있다. 본연구는공기극유로에서물의배출을원활하게해주기위한기초적인조건들에대한파악을목표로한다. 이를위하여 PEM 연료전지의전형적인유로형상을고려하여모델유로로구성된실험장치를만들었으며이를이용하여유로를따라흐르는액상의물의거동을가시화하였다. 또한 CFD 해석을통해유로내물의거동을해석하였으며, 정확한계산을위하여이상유동모델인 VOF(volume of fluid) 모델과고체표면에서의접촉각을고려하여표면장력을처리하는 wall adhesion 모델을사용하였다. 실험및해석을통하여물의배출속도에영향을미치는유로의형상, 유로표면의재질에대한정성적인평가를수행하였으며, 또한가시화실험과전산해석결과의비교를통해해석의타당성을검증하였다. 이상의연구를통해향후에는원활한물의배출을통해 PEM 연료전지효율을향상시킬수있는공기극유로의설계의기본자료를제시하도록한다. (1-3) 2. 가시화실험 본연구에서는 Fig. 1(a) 에서보여진것와같은 PEM 연료전지의전형적인분리판형상을 - 102 -
고려하여 실험 장치를 구성하였다. 유로의 형상은 일반적으로 많이 채용되는 직사각형 단면 으로 가정하였으며, 높이는 1 mm로 고정되고 폭은 각각 1 mm 또는 2 mm를 가지는 2 종 류의 직사각형 유로로 제작하였다. 제작된 모델 유로판의 크기는 100 mm 100 mm이며 그 전체적인 형상이 Figs. 1(b)와 1(c)에 제시되어 있다. Fig. 1(b)는 아크릴(Acrylic) 재질로 만들어진 모델 유로를 보여주는데, 유로 단면 크기에 따른 2 종류, 유로 패턴 변화에 따른 2 종류로 모두 4종류를 확인 할 수 있다. Fig. 1(c)는 테프론(Teflon) 재질로 만들어진 유로 패 턴을 보여준다. (a) Sample flow channel (b) Acrylic flow channel (c) Teflon flow channel Fig. 1 Model flow fields for flow visualization experiment. 모델 유로는 우선 확산층인 발수 처리된 탄소지(carbon paper)를 제일 아래에, 다음으로 유로 패턴 부분을 제거한 1 mm 두께의 아크릴 또는 테프론 판을 가운데에, 그리고 관찰창 역할을 수행하는 투명한 아크릴 판을 제일 위에 두고 단단히 체결하여 구성하였다. 실험에 사용된 아크릴은 물과의 접촉각이 약 80 인 친수성 재질이며 반대로 테프론은 약 120 의 접 촉각을 가지는 전형적인 소수성 재질이다. 탄소지의 경우 일반적으로 약 150 정도의 접촉 각을 가지는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 실제 PEM 연료전지가 운전되지 않으므로 물이 생성되지 않는다. 따라서 정밀한 유량제어가 가능한 주사기 펌프(syringe pump)를 이 용하여 직접 유로 내로 물을 주입하여 실험을 수행하였다. 또한 유로를 흐르는 공기의 유량 은 볼 유량계를 이용하여 제어하였으며 디지털 현미경(AM313, Dino-digital)을 사용하여 물 의 거동을 가시화 하였다. 2.1 물의 유량 PEM 연료전지의 양극에서는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 수분이 지속적으로 생 성된다. 이러한 수분은 완전 가습 조건에서 액상의 물로서 연료전지로부터 배출되며, 이때 양극에서 배출되는 물의 유량은 다음의 식 (1)과 같이 결정된다. (1) 여기서 는 Faraday 상수로 96485 C/mol이다. 식 (1)에서 는 유효 전기삼투(electroosmosis) 계수로 일반적인 값인 0.5로 가정하였다. 0.6 A/cm2의 전류밀도로 운전되는 10 cm - 103 -
10 cm의셀을가정하여전류 는 60 A로설정하였다. 따라서출구근처유로에서의물의유량은식 (1) 에의해약 1.1 10-5 l/s로계산된다. 본실험에서는이상에서계산된물의유량을정량주사기펌프를이용하여유로내로주입하였다. 2.2 공기의유량공기극유로를흐르는물의거동특성은공기의유량에의해큰영향을받는다. 공기극으로투입되는공기의유량은 PEM 연료전지에서생산되는전류에비례하여증가시켜야하며, 따라서다음식 (2) 와같이계산된다. (4) (2) 본연구에서는 PEM 연료전지가 65 C, 1 atm의작동조건및완전포화된공기를사용하는것으로가정하였다. 이경우식 (2) 의습공기중산소의몰분율 는약 0.16이되며, 는 27.7 l/mol로계산된다. PEM 연료전지에서는유로를따라산소가소모되는것을고려하여공기과잉률 을약 3 정도로설정하여운전한다. 따라서공기의유량은대략 0.08169 l/s 정도이며, 이유량이정해진갯수의병렬유로를통하여흐르게된다. 본연구에서는 1 mm 1 mm 크기의정사각형유로에공기가평균 10 m/s의속도로흐르는것을표준조건으로설정하여전산해석및가시화실험을수행하였다. 3. 전산해석 CFD를이용한전산해석은최대한가시화실험과동일한조건하에서수행되도록하였다. 즉, 유로의형상은가시화실험과마찬가지로폭 1 mm 및 2 mm의두가지모델로구성하였으며, 유로의깊이는 1 mm로고정하였다. 공기의유입속도는입구에서 10 m/s로설정하였으며, 전산해석모델에서는물방울이유로내에미리존재하는것으로초기조건을설정하고해석을수행하였다. 전산해석에는상용 CFD 코드인 FLUENT 6.2를사용하였다. 3.1 지배방정식 공기극유로를통해흐르는액상 (lqiuid-phase) 물과기상 (gas-phase) 공기의이상유동은 VOF(volume of fluid) 모델을적용하여해석하였다. VOF 모델에서는기상과액상의혼합유 체에대하여 Navier-Stokes 방정식을해석한다. 또한이상경계에서의표면장력및고체표 면에서의 adhesion 을포함하기위하여접촉각 (contact angle) 조건을고려한 wall adhesion 모델을사용한다. (5) (3) 위의식 (3) 은 VOF 모델에서의질량보존에대한연속방정식이며, 아래의식 (4) 는표면장 력과접촉각을고려한혼합유체의운동량방정식이다. - 104 -
(4) 해석을 위하여 물의 표면장력은 상온에서의 일반적인 값인 0.07 N/m을 사용하였다. 액상 의 물이 고체 표면에 접하여 기상과 형성하는 각을 접촉각이라 하며, 일반적으로 접촉각이 90 이하일 때는 친수성 재질, 90 이상일 때는 소수성 재질이라 칭한다. 아크릴 및 테프론 의 재질에 따라 친수성과 소수성으로 나누어 접촉각을 달리하여 전산 CFD 해석을 수행하 였다.(6-8) Fig. 2 Visualization of liquid water flow in an Acrylic channel (1 mm width) Fig. 3 Visualization of liquid water flow in a Teflon channel (1 mm width) Fig. 4 Visualization of liquid water flow in an Acrylic channel (2 mm width) Fig. 5 Visualization of liquid water flow in a Teflon channel (2 mm width) 4. 실험 결과 PEM 연료전지에 주로 사용되는 분리판 재료인 흑연(graphite)계열의 분리판은 약 90 의 접촉각을 가지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 연구에서는 소수성과 친수성 재질의 표면 이 물의 배출에 미치는 영향을 파악하기 위하여 아크릴과 테프론을 선정하여 유로를 제작하 - 105 -
고실험하였다. 각각의유로에서의물의배출거동특성을가시화실험을통하여정성적인비교평가를수행하였다. 보다정량적인물배출능력의평가를위하여물방울이주입되어약 300 mm의유로를통해배출되는데걸린시간을 10회에걸쳐반복측정하였다. Fig. 2에서나타낸 1 mm 폭의아크릴유로에서는액상의물이벽면에붙어서필름 ( 막 ) 의형태로이동하는거동특성을확인할수있다. 이는아크릴재질의특성인친수성에의한결과이며, 전체유로를거쳐물방울의배출에걸린평균시간은대략 20 초정도로관찰되었다. 반면에 Fig. 3에서나타낸테프론유로에서의결과는소수성재질표면특성으로표면과접촉면을줄이는물방울의형태로움직이는물의거동특성이관찰되었다. 전체 300 mm 유로길이에서물의배출에걸린시간은평균 2 초정도로측정되었으며모든실험중에서가장좋은배출능력을보였다. Figs. 4와 5에서는 2 mm 폭을가지는유로에서의물의거동특성을보였다. 우선 Fig. 4 의아크릴유로에서도폭 1 mm 유로의가시화결과와유사하게친수성재질에대한영향으로벽면에붙어서물이이동하는거동을확인할수있었다. 특히유로패턴의굴곡부분에는물이장시간정체하는것을관찰할수있었다. 측정된물방울의평균배출시간은약 19 초정도로측정되었다. 폭 2 mm 테프론유로에서물방울이배출되는데걸린평균시간은약 3 초로양호하게나타났다. 하지만물방울은유로내에정체하는부분이많아지는것으로관찰되었으며, 이는속도가일정한상황에서유로의단면적이증가하면물방울이받는힘이상대적으로작아져물의배출이원활하지못하게되는것이라사료된다. 5. 전산해석결과소수성과친수성표면에대하여, 또한폭이 1 mm와 2 mm로다른두가지의유로형상에대하여, 즉가시화실험과동일하게총 4가지의경우에대하여전산해석을수행하였다. 기하학적해석모델은굴곡부분을포함한약 60 mm 길이의유로로설정하였다. CFD 해석을통하여가시화실험에서관찰된일반적인물의거동특성과유사한계산결과를얻을수있었다. 또한, 정량적인결과의비교를위하여해석모델의검사체적에서물방울이배출되는데걸린시간을계산하였다. 1 mm의폭을가지는친수성재질의유로에서의결과가 Fig. 6에제시되었으며, 가시화실험과유사하게벽면을따라물이이동하는거동을확인할수있다. 해석모델로부터물방울이배출되기까지걸린시간은약 0.0443 초로계산되었다. 동일한형태의유로에서표면이소수성인경우의결과를 Fig. 7에나타내었다. 해석결과, 액상의물은물방울의형태로유로내를마치떠다니는것처럼이동하는거동을보였다. 물방울이해석모델의출구로배출되는데걸린시간은 0.0195 초로가시화실험결과와마찬가지로가장빠른배출특성을보였다. Figs. 8과 9에는 2 mm 폭의친수성및소수성유로의전산해석결과가제시되어있다. 유로의폭이커지는경우, 표면의친수성, 소수성과관계없이유로패턴의굴곡부분에서물이정체되는현상이심화됨을확인하였다. 이러한현상으로인해물의배출특성은폭이좁 - 106 -
은 유로 보다 나빠지는 것으로 판단된다. Fig. 8의 친수성 유로(폭 2 mm)의 경우에 물방울 의 배출 시간이 약 0.0366 초로 계산되었으며, Fig. 9의 소수성 유로의 경우에는 배출 시간 이 약 0.0290 초로 계산되었다. Fig. 6 Simulation of liquid water flow in a hydrophilic channel (1 mm width) Fig. 7 Simulation of liquid water flow in a hydrophobic channel (1 mm width) Fig. 8 Simulation of liquid water flow in a hydrophilic channel (2 mm width) Fig. 9 Simulation of liquid water flow in a hydrophobic channel (2 mm width) 6. 결론 본 연구에서는 PEM 연료전지의 유로 형상 및 유로 표면의 재질이 물의 배출 거동 특성 에 미치는 영향을 실험 및 해석적으로 확인하였다. 친수성 재질의 아크릴과 소수성 재질의 테프론을 가지고 직사각형 유로 단면의 폭을 1 mm, 2 mm 변화시킨 총 4가지 유로를 제작 하여 유동 가시화 실험을 수행하고 또한 이를 CFD를 통해 해석하였다. 가시화 실험 결과, 유로에서 물의 거동은 표면 재질에 따라 매우 큰 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 각각의 유로의 물 배출 능력의 정량적인 비교 평가를 위하여 물이 유입되어 배출되기까지 걸린 시 - 107 -
간이가시화실험동안측정되었다. 소수성재질의 1 mm 폭을가지는유로가평균 2 초의 가장빠른배출시간을보였으며, 굴곡부분을포함한약 60 mm 길이의유로에대한전산 해석의결과에서도약 0.0195 초의가장빠른물의배출시간이계산되었다. 친수성유로에서폭이넓어지는경우점성저항이작아져물배출시간이느리게나타났으며, 소수성유로에서는폭이좁아질수록배출시간이빨라지는데이는유동항력이커지지때문이라사료된다. 본논문의가시화실험및전산해석결과, PEM 연료전지의공기극유로를통한물의원활한배출을위해서는유로의형상과표면의재질을적절하게선정하여야함을확인할수있었다. 2 mm의폭을가지는유로에서는굴곡부분에물의정체가빈번하게발생함을가시화실험및전산해석모두에서확인할수있었으며, 또한물의원활한배출을위해서는소수성재질의유로표면이더욱유리함을실험을통해확인하였다. PEM 연료전지의적절한수분관리는연료전지의효율및내구성을향상시키는데필수적인요소이다. 적절한유로형상의설계및분리판재질의선정은유동에의한물의배출을원활하게할수있으며, 그결과연료전지의효율향상에기여할것이다. 본연구에서제시한 PEM 연료전지공기극유로에서물의거동특성에대한가시화결과와전산해석과의비교는, 향상된물배출능력을갖춘분리판을제작하고유로형상을설계하는데있어기초자료로활용될수있을것이다. 후기 본연구는국민대학교교내연구지원비와산업자원부신재생에너지기술개발. 사업의일환 (2006-N-HY12_P-01) 으로수행되었습니다. References [1] Kordesch, K. and Simader, G., 1996, Fuel Cells and Their Applications, VCH. [2] Sammes, N., 2006, Fuel Cell Technology Reaching towards Commercialization, Springer. [3] Busby, R. L., 2005, Hydrogen and Fuel Cells: A Comprehensive Guide, PennWell. [4] Barbir, F., 2005, PEM Fuel Cells Theory and Practice, Elsevier. [5] Riley, N., 2006, The Navier-Stokes Equations: A Classification of Flows and Exact Solutions, Cambridge. [6] Larminie, J. and Dicks, A., 2003, Fuel Cell Systems Explained, 2nd ed., Wiley. [7] Li. X., 2006, Principles of Fuel Cells, T&F Informa. [8] Ken, K., 2006, Keith, E., Fuel Cell Electronics Packaging, Springer. [9] Cai, Y. H., Hu, J., Ma, H. P., Yi, B. L., and Zhang, H. M., 2006, "Effects of hydrophilic/hydrophobic properties on the water behaviors in the micro-channels of a proton exchange membrane fuel cell", J. Power Sources, Vol. 161, pp. 843-848. [10] Kumbur, E. C., Sharp, K. V., and Mench, M. M., 2006, "Liquid droplet behavior and instability in a polymer electrolyte fuel cell flow channel", J. Power Source, Vol. 161, pp. 333-345. [11] Quan, P., Zhou, B., Sobisiak, A., and Liu, Z. S., 2005, "Water behavior in serpentine micro-channel for proton exchange membrane fuel cell cathode", J. Power Sources, Vol. 152, pp. 131-145. - 108 -