1kWe급 음극지지체 평판형 고체산화물 연료전지 스택의 유동 수치 해석 :Numerical Analysis for the flow phenomena of 1kWe class SOFC stack using anode-supported planar cells

윤호원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 윤호원 (한남대학교, 한남대학교 대학원)

지도교수: 김영진

발행연도: 2023

저작권: 한남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

1kWe급 음극지지체 평판형 고체산화물 연료전지 스택의 유동 수치 해석

윤호원 기계공학과 2023.01 학위논문

2022

1kWe급 평판형 고체산화물 연료전지 스택에서의 유동해석

윤호원 , 이근우 , 김영진 외 3명 대한기계학회 춘추학술대회 2022.11 학술대회자료

분리판의 채널 높이에 따른 1 kWe 급 고체산화물 연료전지 스택 수치 해석

윤호원 , 김영진 , 이근우 외 3명 한국수소및신에너지학회논문집 2022.10 학술저널

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연료전지는 수소를 직접 이용해 전기를 생산할 수 있는 장치로 주목받고 있다. 연료전지는 전해질에 따라 인산염 연료전지(PAFC), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)의 5가지 유형으로 나눌 수 있다. 연료전지는 대부분 동일한 전기화학적 원리에 기초하지만 작동온도가 다르고 사용되는 전해질 소재에 따라 연료전지마다 특성이 다르다.
SOFC의 높은 작동 온도로 인해 스택 내부에 휨이 발생하기 쉽다. 관련 문헌 및 실험에 따르면 스택 내부의 불균일한 온도 분포는 불균일한 가스 분포로 인해 발생한다. 따라서 스택 내부의 가스 흐름의 균일성을 향상시키는 것은 스택 효율을 높이고 스택 수명을 연장하는 데 매우 중요하다. 최근 몇 년 동안 시뮬레이션 기술이 점차 성숙함에 따라 시뮬레이션을 사용하여 연료전지 스택의 세부 사항을 설계하고 최적화하는 데 점점 더 많은 연구자의 관심을 끌고 있다. CFD의 사용은 실험 주기와 실험 비용을 크게 단축할 수 있다.
본 논문은 주로 평판형 고체산화물 연료전지 스택 내부의 기체 흐름 균일성에 대한 다양한 크기의 가스 매니폴드 및 단위셀 가스 채널 높이의 영향을 연구하였다. 스택의 3차원 모델을 만들고 CFD 소프트웨어를 사용하여 기체 분포의 균일성에 영향을 미치는 여러 매개변수를 분석했다. 기체 분포의 균일성과 기하학적 매개변수 사이의 관계를 연구하였다.
제1장에서는 주로 연구 배경을 소개한 다음 일반적인 SOFC 스택 모델과 단위셀의 가스 채널 모델을 소개하였다.
제2장은 CFD를 사용하여 SOFC를 연구한 관련 문헌을 요약한 것이다.
제3장에서는 평판형 SOFC 스택의 3차원 모델을 제작하여 스택 매니폴드의 크기와 연료 및 공기 이용률을 변경하여 매니폴드 크기의 변화가 스택 내부의 가스 유동 균일성에 미치는 영향을 관찰하였다. 그리고 동일한 매니폴드 크기에서 서로 다른 연료 및 공기 이용률에서 유량 균일성의 변화를 비교하였다.
제4장은 제3장에 기초하여 매니폴드의 크기를 일정하게 유지하고 단위 셀의 가스 채널 높이와 연료 및 공기 이용률을 변경하여 스택 내부의 가스 유량 균일성의 변화를 관찰하였다.
제5장에서는 본 논문에서 수행한 연구 작업을 요약하였다.

Fuel cells are gaining attention as devices that can generate electricity directly from hydrogen gas. Depending on the electrolyte, fuel cells can be divided into five major types: phosphate fuel cells (PAFC), Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC), Alkaline Fuel Cells (AFC), Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC), and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). Although fuel cells are mostly based on the same electrochemical principle, the characteristics of different types of fuel cells differ from each other due to different operating temperatures and the use of different electrolyte materials.
The high operating temperature of SOFC makes warpage very likely to occur within the stack under uneven temperature distributions. Relevant literature and experiments show that the uneven temperature distribution inside the reactor is caused by the uneven gas distribution. Therefore, it is important to improve the uniformity of gas flow inside the stack to enhance the efficiency and extend the life of the stack. In recent years, with the gradual maturity of simulation technology, the use of simulation experiments to design and optimize the details of the stack has received more and more attention from researchers, and the utilization of CFD has greatly reduced the experimental cycle and experimental cost.
In this study, the effects of different sizes of gas manifolds and unit cell gas channel heights on the gas flow uniformity inside a flat-plate solid oxide fuel cell stack are investigated. A 3-dimensional model of the stack was developed and several parameters affecting the gas distribution uniformity were systematically optimized using CFD software. The relationship between gas distribution uniformity and key geometrical parameters is studied.
The first chapter introduces the research background of fuel cell cell, the SOFC stack model and the gas channel model commonly used in fuel cell.
Chapter 2 is a summary of the literature related to the study of SOFC using CFD.
In Chapter 3, a three-dimensional flat plate SOFC stack model is first developed to observe the effect of manifold size variation on the gas flow uniformity inside the stack by varying the stack manifold size and fuel/air utilization. The changes in flow uniformity are also compared for different fuel/air utilization rates for the same manifold size.
Chapter 4 builds on Chapter 3 by keeping the manifold size constant and varying the gas channel thickness and fuel / air utilization of the unit cell to observe the change in gas flow uniformity inside the stack.
Chapter 5 summarizes the research work conducted in this thesis.

#고체산화물 연료전지 #스택 #내부 매니폴드 #매니폴드 크기 #유량 균일성 #CFD

1. Introduction 1
1.1 Research Background 1
1.2 Common SOFC conformations 3
1.2.1 SOFC Theoretical Research 7
1.2.2 SOFC efficiency 10
1.3 Research status on SOFC numerical simulation 12
2. Computational Fluid Dynamics (CFD) Overview 19
2.1 CFD control equations 19
2.2 CFD turbulence models 20
2.3 Standard k-ε Turbulence Model 20
3. SOFC manifold optimization design 22
3.1 SOFC stack design 22
3.2 SOFC stack flow analysis 25
3.3 Results and considerations 28
3.4 Conclusion 33
4. SOFC separation plate gas channel height optimization design 34
4.1 SOFC stack design 34
4.2 Experimental methods 36
4.3 Calculation results 37
4.4 Conclusion 43
5. Summary of this thesis 44
6. References 46
Abstract 50
국문요약 52

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