분리판 내 가스 및 냉각채널 형상에 의한 고분자 전해질 연료전지 영향성 연구

Title
분리판 내 가스 및 냉각채널 형상에 의한 고분자 전해질 연료전지 영향성 연구
Authors
최용준
Keywords
분리판내가스및냉각채널형상에의한고분자전해질연료전지영향성연구
Issue Date
2011
Publisher
인하대학교
Abstract
고분자 전해질 연료전지의 내부 열 및 물관리는 연료전지 성능에 큰 영향을 미친다. 특히 가스채널 내의 플러딩(flooding) 현상, 전류밀도 분포의 불균형 등은 연료전지의 성능에 저하시키므로 이를 개선하기 위한 여러 연구가 수행되어 왔다. 그 중 가스채널 및 분리판 형상을 통한 연구는 열 및 물 전달 현상을 제어하기 위해 널리 연구되어 왔다. 본 연구에서는 2개의 시뮬레이션 모델을 세우고 분리판 형상에 따른 영향성을 연구하였다. 먼저 분리판 배면에 위치한 냉각채널을 통한 플러딩 현상 감소방안에 대하여 수치해석 연구를 수행하였다. 서로 다른 유로 길이를 가지는 2개의 냉각채널 영역이 3차원, 200cm2 의 면적에 대하여 적용되었고, 공기극에 대한 열 해석 결과를 도출하였다. 시뮬레이션 결과 긴 채널을 가지는 냉각채널 영역이 짧은 냉각채널 영역보다 출구쪽 온도가 높았으며, 이는 상대적으로 열 회수량이 다르기 때문으로 분석되었다. 결과적으로 이러한 온도분포 차이가 출구쪽에 응결된 물을 효과적으로 증발시킬 수 있다는 결론을 도출하였다. 두 번째로 분리판 분할을 통한 연료전지 전류밀도 분포 측정법에 대해 수치적 검증을 수행하는 연구를 수행하였다. 각 구역별로 분할될 분리판에 전도된 전류밀도분포를 측정하는 방법은 전해질의 전류밀도분포를 관찰하기 위해 널리 쓰이는 방법이다. 그러나 전해질 전류밀도분포와 분리판 전류밀도분포가 정확히 일치한다고 가정하기에는 무리가 있고, 오차를 최소화하기 위한 방법이 강구되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 100cm2의 단면적을 가지는 3차원, 2상(two-phase) 수치모델을 이용하여 분할된 분리판 전류밀도분포와 전해질 전류밀도 분포를 비교하였고, 그 결과 유턴 부근에서 최대 33%의 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 이는 전류가 채널부근에서 가까운 랜드(land) 방향으로 우회(bypass)하여 타 구역으로 유입됐기 때문으로 분석되었다. 마지막으로 시뮬레이션과 더불어 9cm2 의 PEMFC 막-전극 접합체(MEA)를 직접 제작하여 실험을 통한 성능 평가 및 분석 연구를 수행하였다. 작동조건에 따른 연료전지 단위전지 성능변화를 측정하였고, 실험결과 온도, 압력이 증가할수록 성능이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 온도증가에 따른 kinetic, 물질전달 효과가 개선되는 결과를 가져오며, 작동 압력이 증가됨에 따라 반응물 농도가 증가되어 물질전달 손실이 현저히 개선됨으로 분석하였다.
Description
요약문 3 List of Figures 8 List of Tables 10 Nomenclature 11 제 1 장. 서 론 14 1-1. 연구배경 및 동향 14 1-2. 연료전지의 기본원리 18 1-3. 연구목적 및 내용 23 제 2 장. 냉각채널을 포함한 분리판 열 해석 연구 25 2-1. 수치모델 25 2-2. 셀 기하학적 형상 및 분할구역 설정 26 2-3. 모델 시뮬레이션 26 2-4. 결과 및 고찰 26 제 3 장. 연료전지 전류밀도분포 측정법에 대한 수치적 검증 29 3-1. 수치모델 29 3-2. 셀 기하학적 형상 및 냉각채널 설정 30 3-3. 모델 시뮬레이션 30 3-4. 결과 및 고찰 30 제 4 장. 실험을 통한 고분자전해질 연료전지 성능평가 및 분석 34 4-1. 막-전극 접합체 제작 34 4-2. 단일셀 체결 및 활성화 36 4-3. 결과 및 고찰 36 제 5 장. 결 론 39 참고문헌 73
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/22435
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College of Engineering(공과대학) > Mechanical Engineering(기계공학) > Theses(기계공학 석박사 학위논문)
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