고분자 전해질 연료전지의 I-V 곡선 및 가스채널 Water Dynamics에 관한 수치해석 :Numerical Analysis of the I-V Curve and the Gas Channel Water Dynamics on Ploymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

조재혁

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조재혁 (공주대학교, 공주대학교 대학원)

지도교수: 김우태

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2015

고분자 전해질 연료전지의 I-V 곡선 및 가스채널 Water Dynamics에 관한 수치해석

조재혁 기계공 2015.01 학위논문

2014

가스채널 단면 종횡비에 따른 고분자 전해질 연료전지 성능분석

조재혁 , 김선우 , 김우태 한국산학기술학회 학술대회논문집 2014.05 학술저널

Cathode 입구 상대습도에 따른 고분자 전해질 연료전지 성능분석

조재혁 , 김우태 한국기계기술학회지 2014.01 학술저널

2013

작동압력, 작동온도 변화에 따른 고분자 전해질 연료전지 성능해석

조재혁 , 김우태 한국기계기술학회지 2013.01 학술저널

기공률, 상대습도, 전기전도도 변화에 따른 고분자 전해질 연료전지 성능해석

조재혁 , 김우태 한국기계기술학회지 2013.01 학술저널

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본 논문에서는 높은 과전압상태에서 PEMFC 성능에 영향을 미치는 변수들과 GC내에서 액적거동에 대한 수치해석연구를 진행하였다. 성능에 영향을 미치는 변수에 대한 연구를 위해서 GDL과 CL 기공률, anode와 cathode의 상대습도, GDL과 CL의 전기전도도, 작동압력, 작동온도가 선정되었다. GC내에서 액적거동에 대한 연구를 위해서 공기 유입속도, 물 유입속도, 접촉각이 선정되었으며, VOF(Volume Of Fluid) 방법을 이용하였다. 기공률에 따른 분석에서는 기공률이 증가할수록 전기화학반응에 참여하는 반응물의 양이 증가하여 성능이 증가하였다. Anode 입구상대습도에 따른 분석에서는 상대습도가 증가할수록 drying 현상 방지 및 membrane의 수화도 증가로 인해 성능이 증가하였다. Cathode 입구상대습도에 따른 분석에서는 상대습도가 0%에서 60%까지는 성능이 증가하였으나 60%에서 100%까지는 flooding 현상에 의한 O2의 확산이 저하되어 성능이 하락되었다. 전기전도도에 따른 분석에서는 전기전도도가 증가할수록 GDL과 CL의 저항값이 낮아져 전자가 외부회로로 원활하게 이동할 수 있기 때문에 성능이 증가하였다. 작동압력에 따른 분석에서는 작동압력이 증가함에 따라 GDL과 CL로 확산되는 반응물의 양이 증가하여 성능이 증가하였다. 작동온도에 따른 분석에서는 작동온도가 증가함에 따라 성능이 감소되는 것이 확인되었다. PEMFC의 전기화학반응에 의해 생성된 액적 거동에 대한 분석에서 공기 유입속도, 물 유입속도, 접촉각이 클수록 액적이 출구방향으로 빠르게 이동하였다. 물관리 측면에서는 공기 유입속도와 접촉각은 크고 물 유입속도는 작은 것이 유리하다.

In this paper, the numerical analysis is performed to study the variables that affect the PEMFC performance in high overvoltage condition and the liquid droplet behavior in the GC. The porosity of the GDL and CL, the relative humidity of the anode and cathode inlet, the electrical conductivity of the GDL and CL, the operating pressure, and the operating temperature is selected as simulation parameters for studying variables that affect the PEMFC performance. And also air inlet velocity, water inlet velocity, contact angle is selected as simulation parameters using volume of fluid method for studying the liquid droplet behavior in the GC. As the porosity of GDL and CL increases, the performance increases because the amount of the reaction participating in the electrochemical reaction is increased. As the anode relative humidity increases, the performance increases because of the prevention of the drying phenomenon and the improvement of the membrane hydration. As the cathode relative humidity increases from 0 percent to 60 percent, the performance increases. As the cathode relative humidity increases from 60 percent to 100 percent, the performance decreases. The reason is a decline of the oxygen diffusion caused by the flooding phenomenon. As the electrical conductivity increases, the performance is increases because the electron is easily moved to an external circuit due to the low resistance value of the GDL and CL. As the operating pressure increases, the performance increases because the amount of the reactants diffusing to GDL and CL is increases. As the operating temperature increases, the performance decreases. As the air inlet velocity, the water inlet velocity, and the contact angle increase, the liquid droplets produced by the electrochemical reaction are moved fast. The high air inlet velocity, the high contact angle, and the low water inlet velocity is advantageous in terms of the water management.

#PEMFC #Porosoty #Relative humidity #electrical conductivity #operating pressure #operating temperature #air inlet velocity #water inlet velocity #contact angle

Nomenclature
표 목 차
그 림 목 차
Ⅰ. 서론
1. 개요
1) 연료전지의 원리
2) 연료전지의 특징
(1) 연료전지의 장점
(2) 연료전지의 단점
3) 연료전지의 종류
4) 연료전지의 성능
2. 문헌조사
1) PEMFC
2) PEMFC VOF
3. 연구목적
Ⅱ. 연구방법
1. 연구방법(PEMFC)
1) 지배방정식
(1) Continuity equation
(2) Momentum conservation equation
(3) Energy conservation equation
(4) Species transport equation
(5) Butler-Volmer equation
(6) Current conservation equation
(7) Liquid water formation and transport
2) 해석조건
(1) 모델가정
(2) 모델형상
(3) 경계조건
(4) 물성치 및 물리적 변수
(5) 계산조건
2. 연구방법(PEMFC VOF)
1) 지배방정식
(1) Continuity equation
(2) Momentum conservation equation
2) 해석조건
(1) 모델가정
(2) 모델형상
(3) 경계조건
(4) 계산조건
Ⅲ. PEMFC 해석결과
1. 기공률에 따른 성능분석
1) GDL 기공률에 따른 성능분석
2) CL 기공률에 따른 성능분석
2. 상대습도에 따른 성능분석
1) Anode 입구상대습도에 따른 성능분석
2) Cathode 입구상대습도에 따른 성능분석
3. 전기전도도에 따른 성능분석
1) GDL 전기전도도에 따른 성능분석
2) CL 전기전도도에 따른 성능분석
4. 작동압력에 따른 성능분석
1) 작동압력에 따른 성능분석
5. 작동온도에 따른 성능분석
1) 작동온도에 따른 성능분석
Ⅳ. PEMFC VOF 해석결과
1. Air inlet velocity의 영향
1) Air inlet velocity의 영향
2. Water inlet velocity의 영향
1) Water inlet velocity의 영향
3. Contact angle의 영향
1) Contact angle의 영향
Ⅴ. 결론
참 고 문 헌
요약문(국문)
요약문(영문)
감사의 글
이력서

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	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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