목차

1. 서론· · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · 1
2. 본론· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4
2.1. 유사 2차원 모델링· · · · · · · · · · · · · · · · 4
2.1.1. 수소 소모율 모델링· · · · · · · · · · · · · · · ·4
2.1.2. 전해질막 모델링· · · · · · · · · · · · · · · · ·6
2.1.2.1. 반응면의 수화도 모델링· · · · · · · · · · · · · ·7
2.1.2.2. 물 확산계수 모델링· · · · · · · · · · · · · · · 7
2.1.2.3. 막 두께방향 수화도 모델링 · · · · · · · · · · · · 8
2.1.2.4. 면저항 모델링 · · · · · · · · · · · · · · · · 10
2.1.3. 과전압 모델링 · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
2.1.4. 기체확산층 모델링· · · · · · · · · · · · · · · · 12
2.1.5. 전기화학반응종 보존 검토 · · · · · · · · · · · · · 13
2.1.5.1. 기체유출입량 보존· · · · · · · · · · · · · · · 14
2.1.5.2. 반응물 소모량과 전기화학 반응량 간 보존 · · · · · · · 15
2.1.6. 수치해석인자 최적화 · · · · · · · · · · · · · · · 16
2.2. 유사 2차원 모델 검증· · · · · · · · · · · · · · · 19
2.2.1. 검증을 위한 모델링· · · · · · · · · · · · · · · 20
2.2.2. 실험과 모델링 결과 비교· · · · · · · · · · · · · · 20
2.3. 운전 조건에 따른 성능평가 · · · · · · · · · · · · · · 27
2.3.1. 모델링 변경사항· · · · · · · · · · · · · · · · · 27
2.3.1.1. 공급유량 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 27
2.3.1.2. 물 확산계수· · · · · · · · · · · · · · · · · ·27
2.3.1.3. 교환 전류 밀도· · · · · · · · · · · · · · · · 28
2.3.2. 운전 조건에 따른 평가 결과· · · · · · · · · · · · · 28
2.3.2.1. 가압압력에 따른 비교 · · · · · · · · · · · · · · · 28
2.3.2.2. 막 두께별 운전 온도에 따른 비교· · · · · · · · · · · 34
2.3.2.3. 상대습도에 따른 비교 · · · · · · · · · · · · · · 42
2.3.2.4. 공급 유량에 따른 비교 · · · · · · · · · · · · · ·46
2.3.2.5. 전해질막의 물 확산계수 비율에 따른 비교 · · · · · · · 48
2.3.2.6. 교환 전류 밀도 비율에 따른 비교· · · · · · · · · · 48
2.4. 3차원 모델링· · · · · · · · · · · · · · · · · · 53
2.4.1. 3차원 형상 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 53
2.4.2. 전해질막의 두께방향 수화도· · · · · · · · · · · · · 55
2.4.3. 기체확산층· · · · · · · · · · · · · · · · · · 58
2.4.4. 격자의존성 테스트· · · · · · · · · · · · · · · · 59
2.5. 전해질막 건조현상 관찰· · · · · · · · · · · · · · · 62
2.6. 물관리막 설치 효과 분석· · · · · · · · · · · · · · · 67
2.6.1. 물관리막 모델링· · · · · · · · · · · · · · · · · 67
2.6.2. 유사 2차원 모델을 통한 물관리막 적용 효과 분석 · · · · · · 67
2.6.3. 3차원 모델 유효성 검증 · · · · · · · · · · · · · · 68
2.6.4. 3차원 모델을 통한 물관리막 설치 효과 분석· · · · · · · · 73
3. 결론· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·75
명명법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 77
참조문헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 82
Abstract · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 85
감사의 글 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 87
< List of Table >
표 1 유사 2차원 모델링에 공통적으로 사용된 변수· · · · · · · · 4
표 2 전해질막 모델링에 사용된 변수 · · · · · · · · · · · · ·7
표 3 전해질막의 물 확산계수 모델링에 사용된 변수· · · · · · · · ·8
표 4 과전압 모델링에 사용된 변수 · · · · · · · · · · · · · ·12
표 5 기체확산층(GDL)에서의수증기의확산을적용하기위한Maxwell-Stefan 모델에 사용된 변수값· · · 14
표 6 유사 2차원 모델을 Sadanghi 등[11]의 실험결과와 비교하기 위해 단일 직선유로 모델에 사용된 변수값· · · · · 19
표 7 3차원 단일 직선유로 및 단일사형유로 원형셀의 치수 및 분리판의 전도도· · · · · · · · · · · · · · 54
표 8 3차원 모델에 적용되는 기체확산층 (GDL) 물성치· · · · · · · · · · · · · · · · 58
표 9 3차원 단일 직선유로 모델의 격자의존성 테스트 결과· · · · · · · · · · · · · 59
표 10 3차원 사형유로 원형셀 모델의 격자의존성 테스트 결과 · · · · · · · · · · 61
표 11 물관리막 (WaMM) 모델에 적용된 치수와 물성치 · · · · · · · · · · · · · · · · 68
< List of Figures >
그림 1 유사 2차원 전기화학적 수소압축기에 대한 개략도; 유로길이방향과 막의 두께 방향으로 2개의 격자가 독립적으로 존재함; 산화극유로로 공급되는 저압의 수소기체 (H2LP)는 전기화학반응에 의해 환원극에서 생성 및 가압됨 (HHP2 ); 수증기도 전해질막을 통해 산화극에서 환원극으로 이송됨 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5
그림 2 전해질막의 두께방향수화도를 푸는 알고리즘· · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
그림 3 유사 2차원 전기화학적 수소압축기의 보존식 모델링에 대한 개략도· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
그림 4 수치해석인자 최적화를 위한 그래프: (a) 유로길이방향 격자수별 길이방향으로의 양성자당 물분자 이송비 (αv)의 변화; (b) 전해질막 두께 방향 격자수별 막두께방향으로의 수화도 변화; (c) 전해질막에서 물 확산계수 (Dw)값 반복 계산 횟수 (k)별 전해질막 두께방향으로의 수화도 (λ(k)i ) · · · · · · · · · · · · · · · 18
그림 5 공급연료의 상대습도에 따른 Sdanghi 등[11]의 실험결과와 본연구의 유사 2차원 모델 결과 비교: (a) RHin = 30%, (b)RHin = 50%; (일정한 평균 전류 밀도 (iave = 0.66 A cm-2)에서 측정하였으며, 그래프의 y축은 국부 전류 밀도 ÷ 평균 전류 밀도 (ilocal/iave)이고, x축은 산화극유로 입구로부터의거리) · · · · · · · · · · · 23
그림 6 공급연료의 상대습도 90% 조건에서 Sdanghi 등[11]의 실험결과와 유사 2차원 모델 결과 비교: (일정한 평균 전류 밀도 (iave= 0.66 A cm-2)에서 측정하였으며, 그래프의 y축은 국부 전류 밀도 ÷ 평균 전류 밀도 (ilocal/iave)이고, x축은 산화극유로 입구로부터의 거리) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· 24
그림 7 운전 온도 조건에 따른 Sdanghi 등[11]의 실험결과와 유사 2차원 모델 결과 비교: (a) 333.15K 그리고 (b) 353.15 K; (일정한 평균 전류 밀도 (iave=0.66Acm?2)에서 측정하였으며,그래프의 y축은 국부 전류 밀도 ÷ 평균 전류 밀도 (ilocal/iave)이고, x축은 산화극유로 입구로부터의 거리) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25
그림 8 전해질막 두께에 따른 Sdanghi 등[11]의 실험결과와 유사 2차원 모델 결과 비교: (a) 175 μm 그리고 (b) 25 μm; (일정한평균 전류 밀도 (iave =0.66Acm?2)에서 측정하였으며, 그래프의 y축은 국부 전류 밀도 ÷ 평균 전류 밀도 (ilocal/iave)이고, x축은 산화극 유로 입구로부터의 거리) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26
그림 9 수소가압압력 (PC)이 0, 5 그리고 25 barg일 때 평균 전류 밀도-전체인가전위(Etotal)그래프; (운전조건: Tcell = 323.15 K,RHin = 100%, SR = 1, tm = 125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · 29
그림 10 산화극 유로 입구로부터 거리에 따른 (a) 국부 전류밀도와 (b) 산화극 유로로부터 막을 투과하여 빠져나가는 물의 몰유량 (Δnnetw,m); (운전 조건: PC = 0 barg Tcell = 323.15 K, RHin= 100%, SR = 1, tm = 125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1 · · · · · · · · · · 31
그림 11 산화극 유로 입구로부터 거리에 따른 (a) 산화극측 막의 반응면에서 수화도 (λA)와 (b) 전체 면저항 (ASRtotal); (운전조건: PC = 0 barg Tcell = 323.15 K, RHin = 100%, SR =1, tm = 125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 32
그림 12 산화극 유로 입구로부터 거리에 따른 오믹 과전압 (ηΩ)의 전체 인가전위 (Etotal) 차지 비중; (운전 조건: PC = 0 barg Tcell= 323.15 K, RHin = 100%, SR = 1, tm = 125 μm, RDw =1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 33
그림 13 전해질막의 수화도에 따라 Olesen 등[15]에 의해 정의된 물확산계수의 온도대별 그래프· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 33
그림 14 운전온도(Tcell)가303.15 K, 323.15 K, 343.15K그리고353.15K일 때 시뮬레이션 결과 비교; (운전 조건: Pc = 10 barg, RHin= 100%, SR = 1, tm = 50 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · 34
그림 15 운전온도(Tcell)가303.15 K, 323.15 K, 343.15K그리고353.15K일 때 막두께별 시뮬레이션 결과 비교; 막두께 (tm)는 (a)125 μm와 (b) 175 μm; (운전 조건: Pc = 10 barg, RHin =100%, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35
그림 16 운전온도(Tcell)가303.15 K, 323.15 K, 343.15K그리고353.15K일 때 (a) 전체 인가전위 (Etotal)와 평균 오믹 과전압 (?ηΩ); (b)산화극 유로로 공급되는 수증기의 유량 (nw,in); (운전 조건:iave = 0.3 A cm-2, Pc = 10 barg, RHin = 100%, SR = 1,tm = 125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 38
그림 17 운전온도(Tcell) 303.15 K, 323.15 K, 343.15K그리고353.15K에서 (a) 산화극측 막의 반응면에서 평균 수화도 (?λA)와 (b)평균 전체 면저항 (ASRtotal); (운전 조건: iave = 0.3 A cm-2,Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K, RHin = 100%, SR = 1, tm= 125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 39
그림 18 전해질막 두께 (tm)가 50, 125, 그리고 175 μm일 때 평균 오믹과전압; (운전 조건: iave = 0.3 A cm-2, Pc = 10 barg, Tcell =323.15 K, RHin = 100%, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · 40
그림 19 전해질막 두께 (tm)가 50, 125, 그리고 175 μm일 때 (a) 평균전체 면저항 (ASRtotal)과 (b) 평균 전체 면저항을 막 두께로나눈 비저항; (운전 조건: iave=0.3 A cm-2, Pc = 10 barg, Tcell= 323.15 K, RHin = 100%, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · 41
그림 20 상대습도 (RHin)가 70%, 80%, 그리고 90%일 때의 시뮬레이션 결과 비교: (a) 전류밀도에 따른 전체 인가전위 (Etotal)그래프, (b) 평균 전류밀도 iave = 0.3 A cm-2조건에서 상대습도에 따른 전체 인가전위 (Etotal)와 평균 오믹 과전압 (?ηΩ);(운전 조건: Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K, SR = 1, tm =125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · 43
그림 21 상대습도 (RHin)가 70%, 80%, 그리고 90%일 때 막을 투과하는 물분자의 몰유량 (nnetw,m); (운전 조건: iave = 0.3 A cm-2,Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K, SR = 1, tm = 125 μm, RDw= 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44
그림 22 상대습도 (RHin)가 70%, 80%, 그리고 90%일 때의 시뮬레이션 결과 비교: (a) 산화극측 막의 반응면에서 평균 수화도(?λA)와 (b) 평균 전체 면저항 (ASRtotal); (운전 조건: iave =0.3 A cm-2, Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K, SR = 1, tm =125 μm, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 45
그림 23 수소의 과급률 (SR)을 0.7, 0.9, 1.1, 그리고 1.3으로하여 수소를 공급했을 때 시뮬레이션 결과 비교; (운전 조건: Pc =10 barg, Tcell = 323.15 K, RHin = 100%, tm = 125 μm, RDw= 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 47
그림 24 전해질막의 물 확산계수의 상대비율 (RDw)이 0.7, 0.9, 그리고 1.1배일 때: (a) 전류밀도에 따른 전체 인가전위 (Etotal) 그래프, (b) 평균 전류밀도 iave = 0.3 A cm-2에서 물 확산계수의 상대비율에 따른 전체 인가전위 (Etotal)와 평균 오믹 과전압(?ηΩ); (운전 조건: Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K, RHin =100%, tm = 125 μm, Ri0 = 1) · · · · · · · · · 49
그림 25 전해질막의 물 확산계수의 상대비율 (RDw)이 0.7, 0.9, 그리고 1.1배일 때 막을 투과하는 물분자의 몰유량 (nnetw,m); (운전조건: iave = 0.3 A cm-2, Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K,RHin = 100%, tm = 125 μm, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 50
그림 26 전해질막의 물 확산계수의 상대비율 (RDw)이 0.7, 0.9, 그리고 1.1배일 때: (a) 산화극측 막의 반응면에서 평균 수화도 (?λA)와 (b) 평균 전체 면저항 (ASRtotal); (운전 조건: iave = 0.3 A cm-2, Pc = 10 barg, Tcell = 323.15 K, RHin = 100%, tm= 125 μm, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 51
그림 27 교환 전류 밀도의 상대비율 (Ri0)이 0.2, 0.5, 그리고 0.8일 때 평균 전류밀도-전체 인가전위 비교 그래프; (운전 조건: Pc =10 barg, Tcell = 323.15 K, RHin = 100%, tm = 125 μm, RDw= 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 52
그림 28 3차원 EHC 모델 형상: (a) 단일 직선유로와 (b) 단일사형유로 원형셀· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 53
그림 29 막의 수화도에 대한 유한차분 모델과 단순화된 모델에 따른결과 비교; (a) EHC의 온도가 303.15K일 때와 (b) 323.15K일 때의 전체 인가전위 (Etotal); (운전 조건: PC = 10 barg,RHin = 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · 57
그림 30 3차원 단일 직선유로와 사형유로 원형셀에 대한 격자의존성 테스트: (a) 단일 직선유로와 (b) 사형유로 원형셀 모델; x축은격자수이며 y축은 인가전위의 상대비율 (RE,g); (운전 조건:PC = 10 barg, Tcell = 303.15 K, RHin = 100%, tm = 125 μm,SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · 60
그림 31 3차원 단일 직선유로의 산화극 유로 입구부터 출구까지 수증기 활동도; (a) 303.15K와 (b) 323.15K 운전 온도 조건에 대한 결과 비교; (운전 조건: PC = 10 barg, RHin = 100%,tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 64
그림 32 3차원 단일 직선유로의 산화극 유로 입구 부근 반응면에서 수화도 분포; (a) 303.15K와 (b) 323.15K 운전 온도 조건에 대한 결과 비교; (운전 조건: PC = 10 barg, RHin = 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 65
그림 33 3차원 단일 직선유로의 산화극 유로 입구 부근 반응면에서의 면저항 분포; (a) 303.15K와 (b) 323.15K 운전 온도 조건에 대한 결과 비교; (운전 조건: PC = 10 barg, RHin = 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 66
그림 34 산화극측에 물관리막을 추가했을 때의 성능 변화에 대한 유사 2차원 (Pseudo-2D) 모델의 시뮬레이션 예측 결과; (a) 평균 전류밀도-전체 인가전위 그래프, (b) 평균 오믹 과전압 (?ηOmega) 그래프; (운전 조건: PC = 10 barg, Tcell = 303.15 K, RHin= 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1)· · · · · · · · · · 69
그림 35 단일 직선유로 모델 검증을 위한 유사 2차원 모델의 시뮬레이션 결과값과 비교; (a) 물관리막 미설치시와 (b) 물관리막설치시; (운전 조건: PC = 10 barg, Tcell = 303.15 K, RHin=100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1)· · · · · · · · · · 70
그림 36 사형유로 원형셀 모델 검증을 위한 단일 직선유로 모델의 시뮬레이션 결과값 비교; (a) 물관리막 미설치시와 (b) 물관리막설치시; (운전 조건: PC = 10 barg, Tcell = 303.15 K, RHin= 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1)· · · · · · · · · · 71
그림 37 평균 전류밀도 (iave)별 물관리막 설치 유무에 따른 전체 인가전위의 상대비율 (RE); (운전 조건: PC = 10 barg, Tcell =303.15 K, RHin = 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1,Ri0 = 1) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 72
그림 38 303.15K의 운전 온도 하에서 평균 전류밀도가 0.26Acm?2일때 물관리막의 설치 유무에 따른 산화극측 전해질막의 수화도(a, b)와 면저항(c, d) 분포 비교; 좌측 (a, c)은 물관리막이 없는 경우이고 우측 (b, d)은 물관리막이 있는 경우에 해당함: 모든 그림에서 산화극유로의 입구는 좌측에 출구는 우측에 위치함; (운전조건: PC = 10 barg, RHin = 100%, tm = 125 μm, SR = 1, RDw = 1, Ri0 = 1) · · · ·· 74