A parametric study on a unit MCFC cell has been carried out. Using the analysis procedure developed earlier, the cell characteristics are numerically examined for various channel heights for fixed usage rates of anode and cathode gases. The effects of change in load for fixed flow rates are also scrutinized for various channel heights.
As the channel height decreases, the local current density increases in the upstream region which decreases in the downstream region.
The local current density distribution deviates rather sharply from its mean as the usage rate goes up. The concentration distribution of various species in the channel and the cell performance for different cases are also discussed in this thesis.
선행 연구에서는 사다리꼴 지지대의 아랫부분에서 생기는 recirculation 현상으로 인해, 아래 형상을 완전한 solid 로 가정하여, 해석을 수행하였으나, 본 논문에서는 실제 형상을 가지고, 이전 연구에서 행해졌던, 전기 화학 반응식과 반응층 모델을 바탕으로, 전류밀도를 정하고 $V_{cell}$을 구하는 방법을 사용하여 채널 높이 변화에 따른 용융탄산염 연료 전지의 3차원 열 유동 해석과 성능 해석을 수행하였다.
기존의 연구에서는 Inertia resistance factor 와 permeability 값, 열전도 계수를 차용하였고, 전류밀도에 관계없이, 일정한 유량을 사용하여 계산하였으나, 실제로는 사다리꼴 지지대의 형상의 크기와 모양에 따라 Inertia resistance factor 와 permeability 값, 열전도 계수가 달라진다. 또한, 전류밀도에 따라 유량이 변하고, 엔탈피는 온도의 함수이므로, 물리 현상을 보다 정확하게 모사하기 위해 위의 사항들을 고려하였다.
채널 높이에 따른, 전체적인 cell performance 는, 채널 높이가 낮을수록 조금은 향상시키거나, 그보다 높은 높이에서의 성능과 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. 그렇기 때문에, 어느 특정 높이에서의 cell performance를, 그보다 채널 높이를 낮추어도, 비슷하거나, 조금 향상된 값을 얻을 수 있을 것이다. 이와 같은 이유로, cell 의 높이를 줄이는 것이 바람직하지만, 압력강하는 채널 높이가 낮을수록 커지기 때문에 연료와 공기를 공급하는 펌프의 용량이 커져야 하는 문제가 발생한다. 그렇기 때문에, 연료와 공기에 공급되는 에너지까지 포함한다면, 채널 높이가 낮을수록 전체적인 효율은 더 떨어질 수가 있다. 그러므로, cell 의 적정 높이를 좀 더 정확하게 결정하기 위해선 이런 점을 감안해야 할 것이다.
특정 전류밀도에서의 유량을, 특정 전류밀도보다 더 높은 전류밀도에서 운전할 경우, 공급한 연료를 거의 소모하여, 연료의 낭비를 줄일 수 있지만, 전류밀도가 cell 의 중반부에 집중되고, 온도 또한 상대적으로 높아지기 때문에, cell 의 안정성에 문제가 생길 수 있다. 반면에, 낮은 전류밀도에서는 거의 고른 분포를 보이나, 상대적으로 연료를 낭비 할 수 있다는 문제가 발생한다.
MCFC에서 cell 의 성능을 높이기 위해서는, 반응물의 유동이 원활하도록 cell 을 설계하는 것이 필요하다. 특히, cell 의 성능은 반응물의 유동 특성에 따른다고 해도 과언은 아닐 것이다. 채널 높이 따른 성능 변화의 연구는 그 중 하나가 된다. MCFC stack 의 크기가 작아지기 위해서는 채널 높이를 줄이는 방법이 있다. 이렇게 채널 높이에 대한 열유동 특성과 성능을 연구를 함으로써, stack 설계 시 유용하게 사용할 것을 기대한다.
