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체결압력이 작용하는 탄소 다공성 확산 물질의 비 균일 기계적 변형에 대한 수치해석적 분석

Title
체결압력이 작용하는 탄소 다공성 확산 물질의 비 균일 기계적 변형에 대한 수치해석적 분석
Other Titles
Numerical estimation of non-uniform mechanical deformation through composite-porous diffusion media
Author
박상호
Alternative Author(s)
Sangho Park
Advisor(s)
엄석기
Issue Date
2019-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
연료 전지의 핵심 부품 중 하나인 가스확산층은 탄소 섬유 복합재료의 다공성 매체이다. 본 연구에서는 가스확산층을 비 등방성 섬유 배열을 가진 미세 구조 형상으로 모델링하여 내부의 비균일한 변형을 분석하였다. 비 등방성 물질의 기계적 변형에 대한 특성을 충분히 고려할 수 있는 크기인 대표 요소 체적(Representative Elementary Volume)을 통계적 방법으로 선정하였다. 선정된 REV 크기를 선정한 후, 드 무아브르-라플라스 이론(De Moivre-Laplace limit theorem)으로 신뢰도 95 %의 미세 구조모델을 제작하였다. 미세 구조의 각 위치별 변형률 및 가스확산층의 탄성계수를 모든 가스확산층 모델에 적용하기 위하여 두께 방향(Through-plane)의 길이를 무차원 수로 나타내었다. 수치해석적 가스확산층 모델의 각 위치 별 변형률을 2차 방정식의 함수로서 추세를 예측할 수 있었고, 이 변형률을 후크의 법칙(Hooke’s law)에 적용시켜 위치 별 탄성 계수를 나타내는 함수를 제시하였다. 이 함수는 거시적 가스확산층 모델에 입력 변수로서 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 가스확산층의 형상변수(가스확산층 두께, 기공도 등)는 스택(Stack) 내부의 물질 전달량과 시스템 효울의 증감을 좌우할 수 있는 중요한 요소이므로 각 변수에 대한 변형률 추세 및 내부 변형에 대해 조사하였다. 첫번째로 가스확산층의 두께 10, 20, 30, 40, 50층에 따른 변형률을 비교하였다. 두께가 감소함에 따라 가스확산층의 변형률은 감소하였다. 50층의 모델의 변형률은 24.6 %, 10층의 모델은 16.7 % 로 현저하게 낮은 변형률이 도출되었다. 10층을 제외한 20~50층 모델의 위치 별 탄성계수는 하나의 함수로서 표현이 가능하여 위치 별 변형률의 추세를 나타낼 수 있었다. 두번째는 바둑판식 배열과 엇갈림식 배열의 2가지 방법으로 20, 40, 60, 80 % 기공도의 가스확산층 모델의 기계적 변형을 예측하였다. 바둑판식 배열의 모델은 기공도에 따라 변형률의 증가율이 완만하게 변화하였고, 엇갈림식 배열은 60~80% 기공도 모델의 구간에서 4087.3 % 로 급격하게 증가하였다. 두 배열 방식에 따라 변형률의 증가율은 다르지만 내부 위치에 따른 변형의 추세는 가스확산층의 중간부분으로 갈수록 에너지흡수에 의해 변형이 적게 발생하는 유사한 결과가 도출됨을 확인하였다. 이러한 가스확산층의 형태학적 변수에 대한 변형 및 내부 변형의 추세는 연료 전지 효율 증대를 위한 최적의 가스확산층 설계를 하는데 유용한 정보를 제안하는데 도움이 되기를 기대한다.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/99510http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000435359
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MECHANICAL CONVERGENCE ENGINEERING(융합기계공학과) > Theses (Master)
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