이젝터 내장형 고출력 연료전지 시스템용 반응가스 공용분배기 최적 설계

Abstract

연료전지 시스템의 효율 및 성능을 향상시키는 방법으로 시스템 구성요소의 중량 혹은 체적을 줄임으로써 전력밀도를 높이거나 연료의 사용 효율을 높이는 방법이 제시되어 왔다. 특히 연료의 사용 효율을 높이는 방법으로 스택 내부에서 반응 후 배출되는 잔여수소를 재순환 시키는 방법이 제시되고 있는데, 이젝터를 기반으로 하여 재순환 블로워(Blower) 및 가습기(Humidifier)로 이루어진 수소 연료 재순환 시스템이 많이 연구되어 왔다. 본 논문에서는 연료전지 시스템의 성능 및 효율을 향상시키기 위해 이젝터 내장형 반응가스 공용분배기로 구성된 수소 연료 재순환 시스템의 최적 설계안을 제안한다. 독립형 재순환 블로워 및 가습기는 기생전력을 요구하고 중량 과 체적을 차지하므로 연료전지 시스템의 효율성과 성능을 저하시키게 된다. 하지만 공용분배기는 스택 중앙에 일체형으로 탑재되며, 내부에 판상형으로 제작된 이젝터는 무 동력, 무 가습으로 구동되기에 기존 BOP로 분류되었던 수소 연료 재순환 시스템을 스택으로 일체화 시킨다. 따라서 연료전지 시스템의 중량 및 공간 활용도를 극대화 시키면서도 수소 재순환 시스템의 역할을 수행하므로 전체적인 시스템의 효율 향상을 기대할 수 있다. 반응가스 공용분배기 설계의 핵심인 이젝터의 설계를 위해서 6가지 설계인자를 선정하고 직교배열표에 적용하여 설계 사례를 36가지로 분류하였다. 상기 사례들을 전산해석을 통해 분석함으로써 각 설계인자들이 이젝터 내부 유동 특성에 미치는 영향력을 확인하고 이젝터의 최적 설계안을 도출하였다. 도출된 이젝터 최적형상의 유동 특성 분석 결과 이론적으로 설계된 기준 이젝터 형상에 비해 혼합 정도와 와류크기의 특성에 있어서 종합적으로 25% 성능이 개선됨을 확인하였다. 마지막으로 최적화 모델에 대해 레이놀즈 상사성을 이용하여 실험모델을 제작, 실험을 수행하여 전산해석 결과와 비교함으로써 최적화 모델에 대한 타당성을 검증하였다.| Hydrogen recirculation systems with external ejectors, recycle blowers and humidifiers have been suggested to improve fuel efficiency of fuel cell systems in recent studies. Although the recirculation systems enhance fuel efficiency, the additional devices make fuel cell systems complex and have disadvantages in volume, weight and power consumptions. In this thesis, a hydrogen fuel recirculation system with an internal ejector in a central flow distributor is proposed to promote fuel and system efficiency. A central flow distributor with an internal ejector is located in the center of fuel cell stack and drives with no power supplier and no humidifier. Thus, the utilization of weight and volume in a fuel cell system is maximized while the function of a fuel recirculation system is performed. DOE (design of experiment) is applied to find out optimal configuration of internal ejector. Two design parameters which are influenced by six design factors of an ejector are defined to express the degree of flow mixing degree and vortex size in figures. With an orthogonal array , 36 cases of ejector designs are classified and optimal case is figured out through a CFD (Computational fluid dynamics) method. The performance of an optimized ejector model is represented 25 % higher than reference model and the secondary flow nozzle diameter is proved as the most influential design factor from the results of numerical analysis. Finally, similitude model of optimized ejector is manufactured with Reynolds similarity and experimented to verify the numerical result.; Hydrogen recirculation systems with external ejectors, recycle blowers and humidifiers have been suggested to improve fuel efficiency of fuel cell systems in recent studies. Although the recirculation systems enhance fuel efficiency, the additional devices make fuel cell systems complex and have disadvantages in volume, weight and power consumptions. In this thesis, a hydrogen fuel recirculation system with an internal ejector in a central flow distributor is proposed to promote fuel and system efficiency. A central flow distributor with an internal ejector is located in the center of fuel cell stack and drives with no power supplier and no humidifier. Thus, the utilization of weight and volume in a fuel cell system is maximized while the function of a fuel recirculation system is performed. DOE (design of experiment) is applied to find out optimal configuration of internal ejector. Two design parameters which are influenced by six design factors of an ejector are defined to express the degree of flow mixing degree and vortex size in figures. With an orthogonal array , 36 cases of ejector designs are classified and optimal case is figured out through a CFD (Computational fluid dynamics) method. The performance of an optimized ejector model is represented 25 % higher than reference model and the secondary flow nozzle diameter is proved as the most influential design factor from the results of numerical analysis. Finally, similitude model of optimized ejector is manufactured with Reynolds similarity and experimented to verify the numerical result.