크로스오버 현상 해석을 위한 직접메탄올 연료전지의 모델링 및 모사

Abstract

연료전지(Fuel cell)란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜주는 전지이다. 일반 배터리와는 달리, 연료 전지는 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템이다. 연료전지는 전해질(electrolyte)과 두 개의 전극(electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소(or Methanol)가 각각의 전극으로 흘러갈 때, 전기와 열 그리고 물이 만들어진다. 연료전지에는 여러 종류가 있는데 여기에선 특별히 Direct methanol fuel cell(DMFC)에 대해서 자세히 알아보고자 한다. DMFC는 메탄올을 직접 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 본 전산모사 연구에서는 Direct methanol fuel cell(DMFC) 내에서 일어나는 process의 특성을 분석하였다. 본 연구는 Methanol이 Anode내의 Layer(Flow Channel, Diffusion Layer, Catalyst Layer, Membrane)를 지나면서 일어나는 확산현상, Oxygen이 Cathode내의 Layer(Flow Channel, Diffusion Layer, Catalyst Layer, Membrane)를 지나면서 일어나는 확산현상을 통해 일어나는 물리화학적 및 전기화학적 현상을 기초로 수학적 모델을 개발하였다. 본 연구의 모든 전산모사는 사용자 정의 함수들(UDFs)을 사용한 전산유체역학용 상용코드인 FLUENT로 실행되었다.; A three-dimensional, single-phase, isothermal model for a direct methanol fuel cell (DMFC) is presented. The traditional continuity, momentum, and species conservation equations are coupled with electrochemical kinetics in both the anode and cathode catalyst layer. Methanol is considered that is the liquid phase at the anode side, and Oxygen is considered that is only the gas phase at the cathode side. Diffusion and crossover of methanol are modeled and the mixed potential of the oxygen cathode due to methanol crossover is included. Kinetic and diffusional parameters are estimated by comparing the model data from experimental data. The model is used to study the effects of methanol cross over and the effects of different Nafion of membrane. This CFD model can be solved rapidly so that is suitable for inclusion in real-time system level direct methanol fuel cell (DMFC) simulations. The model is implemented in CFD code, FLUENT, using user-define-functions (UDFs).