전기화학에너지 시스템에 적용하는 다공성 유동장에서의 유체역학적 특성에 대한 전산해석

Abstract

연료전지는 수소와 산소를 연료로 사용하여 전기화학 반응을 일으켜 전기를 발생시키는 전기화학 시스템이다. 특히 고분자 전해질 연료전지는 작동온도가 낮고 효율이 높기 때문에 수송용이나 발전용으로 많은 가능성이 예상되고 있다. 고분자 전해질 연료전지는 전해질막과 전극 그리고 분리판으로 구성되어 있고, 연료전지의 원활한 물질 전달을 위하여 분리판 유로와 가스확산층의 설계가 중요하다. 반응 가스의 균일분포 유동과 기체확산층으로 원활한 전달을 위해 연료전지 분리판에 다공성 물질을 적용하여 연구를 진행하였다. 다공성 물질을 구성하고 있는 기공률과 투과도는 다공성 매질에서의 유동 특성에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 본 논문에서는 확산층 내부에서 분포하는 반응가스 체적유량을 조사하여 cathode측 단위 전지에서의 성능을 분석하였다. 특히 기체확산층의 경우 이방성 구조로 방향에 따른 투과도의 값이 다르기 때문에 이에 대한 영향을 조사하였다. 전산해석을 통하여 다공성 분리판과 기체확산층의 중요 설계변수인 투과도를 각각 변화시켜 반응 가스 공급률을 도출하였다. 그 결과 다공성유로 분리판의 투과도가 감소할 경우 확산층 내부의 체적유량이 최대 60배 이상 증가하였으며 그에 따라 압력 강하량 또한 50배 증가하였다. 그리고 기체확산층의 방향에 따른 투과도 변화 결과, in-plane 투과도가 증가할 경우, 기체확산층에 분포하는 체적유량은 입구유량 대비 1.3%에서 최대 55.6% 까지 증가하였다. 따라서 기체 공급률을 증가시키는데 in-plane 투과도가 더 중요한 인자임을 확인하였다. 최종적으로 다공성 유로와 기체확산층 투과도를 조합하여 최대 설계 압력 값을 만족시키며 반응가스 공급률을 증가시키는 최적기준을 얻었다.