PEM Fuel Cell의 성능 및 동작물질 거동에 관한 전산해석

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 먼저 고분자 전해질 연료전지의 최소 구성요소 즉, 가스채널이 입구와 출구가 각각 1개, 집전체인 전극이 1개인 단위 셀을 설계하고 이에 대하여 동작 압력을 변화하면서 공급되는 동작 물질의 농도를 몰 비율 및 질량 비율로 계산하면서 전산해석을 진행하여 각 압력에 따른 전지의 성능과 수분의 거동 및 전류밀도의 분포 비율을 해석하였으며, 이를 발전시켜 가스 채널의 구조에 영향을 주는 전극의 모양을 2차원적으로 확대하고 사형 채널 구조를 갖는 연료전지를 설계하고, 동일한 가스채널에서 압력을 4종류로 변화시키면서 각 압력에 대한 성능해석과 수분분포 및 전류밀도 분포를 각각 해석하였으며, 이를 기반으로 다시 4종류로 가스 채널의 유로에 변형을 주면서 각 종류에 대한 성능 및 수분의 거동과 전류밀도를 해석하였다. 또한 2차원 유로변형에 의한 해석을 3차원에서 동일한 유로 패턴으로 모델링하여 사형 카운터 흐름에 대한 4종류의 압력해석 결과와 비교하여 각 종류별 성능 분석과, 공기극에서 3차원 위치별 전류밀도의 분석과 온도분포 및 수분거동, 동작물질의 속도 및 농도에 대한 거동 특성 및 성능해석을 진행하였다. 이를 위하여 연료극과 공기극에 동작물질을 공급하는 가스 채널을 개방형으로 설계하였다. 최소 단위 연료전지의 압력에 따른 성능해석 결과는 압력이 높을수록 연료전지의 성능이 높게 나타나는 일반적인 연료전지 성능해석 실험과 이론을 잘 추종하였으며 2차원 유로 패턴의 변화에 따른 해석은 압력별 해석과 수분거동이 전극의 모형과 가스채널의 비율에 관련이 있음을 해석하였다. 또한 2차원 해석을 기본으로 한 3차원 모델링을 통한 전산해석에서는 각 위치별 전류밀도 분포 결과로 전지의 내부 쪽보다는 연료극과 공기극의 입구와 출구 쪽에서 더 많은 분포를 보이고 있으며 온도 분포 또한 전기화학 반응이 활발하게 일어나는 입 출구 측이 더 높게 나타났으며 수분의 거동은 일반적으로 동일한 채널과 전극 선상에서는 고르게 분포됨을 해석하였다. 본 논문에서 2차원부터 3차원까지 유로 패턴을 변화하면서 전지의 효율에 영향을 주는 요인을 변화시키면서 전산 해석한 각종 결과는 향후 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 실험 및 제작을 위한 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• <제목 차례>
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 5
• 1.2 연구경향 7
• 1.3 연구 목적 및 방법 10
• 제 2 장 이론적 배경 11
• 2.1 연료전지 시스템 11
• 2.1.1 연료전지의 개요 11
• 2.1.2 연료전지의 종류 11
• 2.2 고분자 연료전지의 작동원리 및 구성요소 13
• 2.3 전기화학적 분석 21
• 2.3.1 과전압(Overpotential) 21
• 2.4 연료전지의 효율 24
• 2.5 고분자 전해질에서 구성요소별 유동에너지 26
• 2.5.1 유로 26
• 2.5.2 가스 확산 전극층(Gas diffusion electrode layer)과 촉매층 27
• 2.5.3 전해질 (Membrane) 28
• 제 3 장 고분자 전해질 연료전지 전산해석 29
• 3.1 수학적 모델 29
• 3.1.1 열 및 전기 에너지 모델 29
• 제 4 장 고분자 전해질의 2차원 단위 셀 모델링 38
• 4.1 기하학적 모델 38
• 4.2 전산 수치해석 결과 40
• 4.2.1 2차원 단위전지 성능 41
• 4.2.2 단위 전지 내에서 압력 및 동작물질의 농도 42
• 4.2.3 전류밀도 분석 46
• 4.2.4 수분 분포 분석 50
• 4.2.5 가스 확산층에서 동작물질 속도 54
• 4.3 단위 셀 2차원 해석의 결론 57
• 제 5 장 고분자 연료전지 가스 채널 다변화 해석 58
• 5.1 기하학적 모델 58
• 5.2 수치해석 결과 61
• 5.2.1 연료전지의 동일채널성능 분석 61
• 5.2.2 연료전지의 다변채널 성능분석 63
• 5.2.3 단위 전지의 전류밀도 분포 65
• 5.2.3.1 압력 변화와 전류밀도 분포 65
• 5.2.3.2 다른 채널에서 전류밀도 분석 70
• 5.2.4 단위 전지 내에서 동작물질의 농도 76
• 5.2.5 수분 분포 분석 81
• 5.2.6 공기극 가스 확산층의 온도 분포 88
• 5.2.7 동작물질의 속도와 방향 90
• 5.3 다변 가스 채널의 수치해석 결론 94
• 제 6 장 고분자 전해질의 3차원 모델링 95
• 6.1 3차원 해석을 위한 수학적 모델 99
• 6.2 3차원 모델링 분석 100
• 6.2.1 수치해석 된 연료전지 성능 100
• 6.2.2 전하교환 반응과 전류밀도 102
• 6.2.3 공기극 가스 확산층에서 수분분포 117
• 6.2.4 3차원 연료전지 공간에서 온도 분포 125
• 6.2.5 3차원 연료전지 가스 채널에서 압력분포 132
• 6.2.6 3차원 연료전지 가스 채널에서 속도 분포 143
• 6.3 고분자 전해질연료전지의 3차원 수치해석 결과 145
• 제 7 장 결 론 146
• References 148
• (Abstract) 156