전해질막이 없는 연료전지의 연료 이용률 향상을 위한 수치적 연구

Abstract

본 연구에서는 전해질막이 없는 연료전지(Membraneless Fuel Cell)의 연료 이용률(Fuel Utilization)을 높이기 위한 채널 설계를 수행하였다. 전해질막이 없는 연료전지는 마이크로 채널 내 층류유동을 이용한 형식으로 구조가 매우 간단하고 전해질막을 사용하지 않음으로 인해서 기존 고분자 전해질막형 연료전지(PEMFC)의 전해질막에 기인한 문제점을 해소하여 각광받고 있는 분야이다. 하지만 유동을 층류로 유지시킴에 따라서 내부 유동은 확산에 지배되며, 전해질 용액에 섞여 있는 연료가 전극으로 확산되는 속도가 전극에서 화학반응에 의해 연료가 소모되는 속도보다 낮기 때문에 전극면에서 고갈층(Depletion Zone)이 형성되고 공급되는 연료를 충분히 사용하지 못하여 현재 약 3% 미만의 연료이용률을 갖는다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해서 마이크로 채널 양 옆에 그루브(Groove)를 설치하여 전극으로 충분한 연료가 공급될 수 있도록 하였다. Choban et al.의 기존 연구에 따라 연료와 산화제 및 전해질은 각각 포름산(Formic acid, HCOOH), 산소(Oxygen, O2), 황산(Sulfuric acid, H2SO4)이 사용되었고, 비압축성, 등온, 정상상태의 층류 유동과 화학반응을 수치적으로 계산하였다. 수치해석 결과의 검증을 위해 Bazylak 등의 결과와 비교하였으며, 약 2%의 오차 범위 내에서 동일한 경향을 보임을 확인하였다. 또한 본 연구에서 제안한 그루브 타입을 통해 연료 이용률을 최대 13.89%까지 향상시켰다.