Mathematical modeling for two-phase transport in polymer electrolyte fuel cells

Abstract

고분자전해질형 연료전지에 대한 정상상태 및 등온의 수학적 삼차원 모델이 전산유체역학 기법과 이상 (two-phase)의 물 전달 모델에 기반하여 개발되었다. 기존 연구에서와 다르게 개발된 모델은 고분자 전해질 내부에서 고분자 막의 수화를 지속시키고 양극 전극의 플러딩 (flooding)을 억제시키는 물 관리 (water management)에 초점을 두고 있다. 본 연구에서 개발된 모델을 통해 고분자 전해질 막과 촉매층 내부에서의 중요 전달 및 전기화학 반응에 의한 현상을 규명하고 국부적인 분포를 예측할 수 있었다. 전산 모사의 해석 결과, 유입 가습도와 고분자 전해질 막의 두께는 전지 내부의 물의 전달 현상을 지배하는 중요한 인자로, 그 성능에도 큰 영향을 주었다. 고분자 전해질 막을 통한 물의 전달 현상은 막의 국부적인 수분함유량 및 전류 밀도 분포를 결정하였다.; The steady-state and isothermal mathematical modeling of polymer electrolyte fuel cells was conducted based on the two-phase water transport using a computational fluid dynamics technique. Unlike previous researches, the presented model focuses on the water management that maintains a hydration of polymer membrane and controls flooding in a cathode electrode. With the presented model, a key transport and electrochemical phenomena inside the proton exchange membrane and catalyst layers were investigated to understand the reasons for the local distribution of each phenomenon. The results from the analysis show that the inlet humidification and membrane thickness are crucial parameters for water transport inside a polymer electrolyte fuel cell, which affects the cell performance, severely. This transport phenomenon through a polymer electrolyte membrane governs the local distribution of water content and current density.