양이온 교환막 수전해 다상 전달 현상 전산 모델링

Abstract

양이온 교환막 수전해(Proton Exchange Membrane Water Elec-trolyzer) 셀의 성능을 향상하기 위해서 가장 중요한 것은 생성된 기체를 효과적으로 제거하여 유효 표면적을 최대한 확보하는 것이다. 기존 연구에서는 VOF(Volume Of Fraction) 모델이나 오일러(Leonhard Paul Euler) 모델을 사용하여 셀 내부의 다상 유동을 설명하였으나 다양한 유동 특성을 반영하지 못하여, 각각 유동 특성에 대한 통합 모델이 필요하다. 또한 촉매에서의 표면 전기화학 반응을 구현할 수 없다는 한계가 있다. 본 연구에서는 양이온 교환막 수전해 셀 내부 유동을 추정하고 전기화학 셀 성능을 분석하기 위해서 물질 전달과 전기화학 반응을 결합할 수 있는 모델을 사용자 정의 함수(User Defined Function)를 사용해 적용하였다. 이를 통해 유동 채널, 다공성 수송층 및 촉매층에서의 다상 유체 흐름과 농도 분포, 셀 성능을 나타내고자 한다. 양이온 교환막 수전해에 사용되는 다공성 수송층(Porous Transport Layer)은 물속에서 기체가 제거될 수 있는 핵심적인 통로 역할을 한다. 높은 압력과 강산성 조건에서 작동되는 양이온 교환막 수전해에서 사용되는 다공성 수송층은 높은 내구성과 효과적인 기체 제거 특성이 요구된다. 본 논문에서는 다상 모델에 다양한 소재의 다공성 수송층을 적용하고, 다공성 수송층이 물질전달 특성 및 셀 성능에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 우선적으로 양이온 교환막 수전해의 기하학적 조건을 기반으로 목표 수소 압력과 제한 조건을 선정하였다. 다상 유체의 유동학적 특성과 지배방정식을 바탕으로, 다시(Henry Darcy)의 법칙에 따라 물 속에서의 기체의 확산과 모세관 압력을 적용하여 물 속에서의 기체의 물질 전달 특성을 예측하였다. 해당 결과를 바탕으로 줄(James Prescott Joule)의 법칙에 따라 각 소재의 열역학적 특성을 적용하고, 셀 내부 저항을 계산하여 영역별 발생하는 열을 추정하였다. 이를 통해 소재별 물질전달 특성 및 열역학적 특성과 전기화학 셀 성능에 대한 관계를 확인하고 양이온 교환막 수전해용 성능 분석에 대한 관계를 정의하였다. 이 논문에서 제안한 모델을 활용하여 각 소재의 온도 분포를 예측하고, 이를 토대로 셀의 성능을 평가하는 것은 셀 성능 예측 및 평가에 주요한 역할을 수행할 것으로 기대된다. 더불어, 모델은 기체 부피까지 예측 가능하여, 이는 향후 셀 내부 유동 가시화에 대한 추가적인 지침을 제공할 수 있다.