연료전지 스택구조 진동 특성 분석을 통한 진동 내구성 분석에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 연료전지 스택구조의 진동 특성 분석을 통해 스택구조의 진 동 내구성 및 체결력 저감 원인을 분석하는 연구를 진행하였다. 먼저 실제 파 워팩의 진동 응답 측정을 통해 연료전지에 인가된 진동이 주요 부품인 스택으 로 전달됨을 확인하였다. 스택구조에서의 진동 특성을 자세히 분석하기 위해, 간이모델을 제작하였다. 스택구조 간이모델에서 발생하는 진동 응답 측정을 통해 기울림 모드와 압축판 대칭 모드가 스택구조 간이모델에서 발생하는 주 요 모드이며, 해당 모드에 의한 거동은 연료전지의 내구성의 감소 및 체결구조의 체결력 감소를 유발할 것으로 판단되었다. 이후 스택구조의 진동 특성 및 거동을 예측하기 위하여 스펙트럴요소법(SEM)을 활용하여 해석 모델 구 축을 진행하였다. 스택구조 간이모델의 형상 및 특징을 적용하여 해석 모델의 진동 특성이 스택구조 간이모델과 유사하게 발생함을 확인하였다. 또한 구축 한 모델을 활용하여 스택구조의 체결력 저감에 따른 거동을 분석하였다. 해석 결과, 체결력 저감에 의해 스택 간의 상대운동이 발생하며 이는 스택구조의 불안정성 및 체결구조 전단 방향으로 인가되는 하중 증가를 유발하였다. 진동 인가 시 발생하는 스택구조의 체결력 저감 원인을 고찰하기 위해 스택 구조 스케일 모델을 제작하였다. 구조 특성 변화에 따른 차이를 분석하기 위해 스 택 질량 및 Gasket 삽입 유무를 실험 변수로 고려하였고, 분석 결과 스택 질 량이 크고 Gasket이 삽입되는 경우 체결력 저감이 감소하는 것을 확인하였다. 추가적으로 진동 피로 해석에 주로 사용되는 Dirlik method를 적용하여 스택 에서 발생하는 전단력을 분석하였다. 분석 결과, 스택 질량이 작고 Gasket을 삽입하는 경우 발생하는 전단력이 감소함을 확인하였다. 이를 통해 스택의 질 량 및 Gasket의 삽입 여부가 진동 내구성 및 스택구조의 체결력에 영향을 미 치는 인자임을 확인하였다. 이후 Basquin’s law를 통해 진동 인가 시 구조 특 성에 따른 체결력 저감율을 예측하였으며, 스택 구조의 체결력 감소 분석은 재료에서의 피로 손상과 유사한 방식으로 분석할 수 있음을 확인하였다.|In this paper, vibration durability and clamping force reduction of stack structure were investigated by analysis of vibration properties of stack structure. It was verified that vibration applied to fuel cell power pack was transferred to fuel cell stack through experiment. To analyze vibration properties of stack structure, stack structure simple model was fabricated. It was shown that main vibration modes of stack structure were tilted and compression plate symmetry mode which induce reduction of vibration durability and clamping force of stack structure. To predict vibration properties and motion of stack structure, analysis model of stack structure simple model was developed based on Spectral Element Method(SEM). It was confirmed that vibration properties of analysis model was similar to stack structure simple model under same geometric size and material properties. Through analysis model, It was verified that relative motion of stack which induce instability and applied shear load was caused by reduction of clamping force. Scale model of stack structure was fabricated to analyze the factors that affect the reduction in the clamping force on the stack under vibration condition. Stack mass and insertion of the gasket was considered as variables of the experiment to verify differences in structure property variations. It was shown that the more stack mass, the more reduction in clamping force was caused. Insertion of the gasket decreased reduction in the clamping force. Additionally, shear load induced between stack was studied by Dirlik method which was used to vibration fatigue analysis. Shear load induced between stack was reduced under the lower stack mass and insertion of gasket. Consequently, it was confirmed that stack mass and insertion of gasket was factors which affect vibration durability and clamping force of stack structure. After that, the reduction in the stack clamping force was estimated using the Basquin’s power law. It was shown that clamping force reduction of stack structure could be analyzed similarly as fatigue analysis method.