The solid oxide fuel cell(SOFC) is expected to be very effective power generation system in the future, due to its high efficiency, high-temperature waste heat utilization, quiet operation and low emission of pollutants to the environment. In present study, the flow phenomena are simulated using commercial CFD code, STAR-CD, and the performance of the unit cell including the electrochemical reaction is constructed in the user-subroutine. In the study, it is assumed that the gas flow in the porous anode is governed by Darcy's Law, and the reactant species are transported to the catalytic layer mainly by diffusion. Two-dimensional single unit cell with double channel and three-dimensional flat-tube SOFC are analyzed to obtain the concentrations of the chemical species, the temperature distribution, the potential distribution, and the current density distribution. It is shown that the activation overpotential mostly appeared in the cathode electrode. It is also found that the efficiency increases, as the flow rate of reactant gas decreases due to the fuel utilization. The results are good agreement with the experimental data. Finally, the flow analysis of 100W flat-tube SOFCs' stack was executed to obtain the uniform flow rate on the reaction zone. The fuel cell characteristics are presented and discussed.
고체 산화물 연료전지는 고효율, 높은 폐열 사용, 조용한 운전. 낮은 공해물질 배출등의 장점을 지니고 있어 미래의 가장 효과적인 발전 시스템으로 각광받고 있다. 본 연구에서는 상용코드인 STAR-CD를 사용하였으며, 전기화학반응을 포함한 내부사용자프로그램을 이용하여 연료전지 내부 현상을 모사하였다. 다공성 전극에서의 가스 투과식은 Darcy's Law를 적용하였으며, 반응가스의 반응층으로의 유입은 확산에 의해 물질전달이 이루어 짐을 확인할 수 있었다. 2차원 및 3차원 단위전지 해석을 통해 화학종, 온도장, 평형기전력, 그리고 전류밀도 분포등을 얻을 수 있었다. 이를 통해 과전압 손실의 대부분이 공기극에서 일어남을 볼 수 있었으며, 연료 이용률 측면에서 효율은 유량이 작을 수록 효율이 증가함을 알 수 있었다. 결과적으로 실험값과의 비교를 통해 전기화학모델식이 잘 적용되었다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 100W급 고체산화물 연료전지 스택의 유동해석을 통해 반응영역에서 균일한 유량을 얻을 수 있었다. 그 외 연료전지의 특징에 관해 나타내고 논의하였다.
