To overcome energy crisis in foreseeable future, human focused on clean and efficient energy source. Hydrogen fuel cells are recognized as typically clean energy source because there is no emission of harmful gas (i.e. $CO_2$ and $NO_x$). Fuel cells can production power, and heat as well as water by electro-chemical reaction of hydrogen and oxygen. However, only power and heat is typically used and generated water is not considered for its use. Because 1kW proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which is applied to residential use, can generate 11.52 l/min of water, generated water may be used for drinking water. So, researches for investigating water balance of PEMFC and becoming combined water and power production (CWPP) system is needed.
Water balance of PEMFC is comprised of input, output, generation, and accumulation in steady state. Input water is ionized water for membrane hydration, and generated water denotes theoretically produced water (11.52 l/day for 1 kW PEMFC). Accumulated water denotes the water to be isolated in fuel cells, not to discharge to outlets. Operation parameters such as inflow rate of reactants ($H_2$, and $O_2$), temperature, pressure, and relative humidity (RH) of reactants can affect input water and generated water. Design parameter such as cell design and channel design can have effect on generated and accumulated water. Because the ionized water is used for input water, the research for increasing generated water and increasing accumulated water is necessary for CWPP system. This means that effect of design parameter on fuel cell should be investigated and this research focused on it.
For analysis of water balance in fuel cell, computational fluid dynamics (CFD) model was developed. This model is solved with simple electro-chemical reaction as well as governing equations. Power production of the model is verified by previous researches’data with I-V curve and water balance is verified by experimental data with RH of outlets. Moreover, new channel design is suggested for uniform distribution of reactants. It is called by ‘multi-inlet design’and many inlets are installed as compared with typical channel design (serpentine design). With this verified model and channel design, the effects of design parameters such as cell design (GDL porosity, channel cross-sectional area, and cell size) and channel design, were estimated.
Before explanation of them, operation, the effect of design parameter on CWPP system should be compared with that of operation parameters. Design parameter denotes as two channel designs (i.e. serpentine design and multi-inlet design) and operation parameter does RH. Although multi-inlet design generated more power and water than serpentine design, in high RH condition net water cannot be produced in both designs. Namely, because high RH condition needs much input water, the amount of output water is greater than that of input water. Thus, to become CWPP system, operation to reduce input water such as low humidification is inevitable.
In this research, studied factors of cell design are gas diffusion layer (GDL)porosity, channel cross-sectional area, and cell size. Three levels of GDL porosity are applied to both channel design. The results show that power production has no relation with varying GDL porosity in the serpentine design and net water production slightly increases in high porosity condition. In the multi-inlet design, high porosity leads to decrease of net water and power production. This is because the water removal effect of high GDL reaches to the membrane. In case of the effect of cell size, similar patterns are observed in both channel designs. The smaller is cell size, the higher net water and power can be produced. Decrease of net water production in both designs is caused by decrease of generated water and increase of accumulated water in cathode side. Also, net water production of the serpentine design is more sharply decreased than that of the multi-inlet design. Three types of channel cross-sectional area are applied to estimate its effect on net water and power production. In the serpentine design, 1X0.8 $mm^2$ of cross-sectional area has highest power and water generation. It means that it has optimum Reynolds number in the serpentine design. On the other hands, larger cross-sectional area makes power and water generation to decrease in the multi-inlet design. Net water production increases in both designs as cross-sectional area becomes large.
Lastly, the effect of channel design on CWPP system is surveyed. Besides serpentine and multi-inlet design, three types of channel design such as parallel, multi-serpentine, and interdigitated design are applied. The results show that power and water generation is similar in all channel designs but net water production is observed only in serpentine, multi-inlet, and multi-serpentine design. It means that water accumulation in water balance equation is more important on CWPP system than water generation. Moreover, higher water accumulation in anode sides is observed and it is potentially because of difference of flow path.
In conclusion, to decrease input water and cell size is important for net water production from PEMFCs. Also, channel design for efficient water removal should be chosen. In future study, low cell voltage condition should be investigated for higher water generation and stack design for efficient water removal will be needed.
향후 에너지 문제를 대비하기 위하여, 수소연료전지의 활용가치는 계속적으로 증가하고 있다. 수소 연료전지는 전기 화학반응식에 의하여, 에너지 뿐만 아니라, 열과 물을 발생시키지만, 일반적으로 에너지와 열만을 이용하고, 생성된 물에 대한 이용 필요성은 느끼지 못하고 있다. 가정용 연료전지 크기인 1kW의 고분자막 연료전지는 약 11.52 l/일의 물을 생성하기 때문에, 연료전지에서 발생하는 물을 식수로 이용할 수도 있을 것이다. 이러한 연료전지에서 발생한 물의 식수로의 전환은 향후 물부족문제 등을 해결할 수 있는 신기술일 것이다.
고분자막 연료전지는 membrane의 수화를 위하여, 반응가스를 가습시켜주는 것이 일반적이다. 즉, membrane수화를 통하여, 이온교환 저항을 줄이고, 이는 곧 많은 에너지가 생산되게 한다. 초순수가 이러한 가습에 이용되기 때문에, 실제로 이용가능한 물은 연료전지에서 생성되는 물이 아닐 것이다. 또한, 정상상태에서는 연료전지에서 발생되는 물이 모두 배출되지 않고, 연료전지 셀 내부에 축적될 수 있다. 결국, 연료전지 내 물발생 및 물축적에 영향을 주는 설계인자들을 이용하여, 같은 가습조건에서 물발생을 높이고, 물축적량을 줄이기 위한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 셀설계인자, 채널설계인자와 같은 설계방식이 연료전지 물생산에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 본 연구에서는 CFD model을 개발하여, 이전 연구결과와, 본 연구에서의 실험 결과와 검증하였다. 검증은 에너지 생산(전류밀도)과 물 생산(유출부 상대습도)으로 하였고, 그 결과 매우 높은 상관관계를 도출할 수 있었다. 또한, 기존의 채널설계방식인 serpentine design의 문제점인 반응물질의 불균등 분포를 없애기 위하여, 다수의 유입구를 가진 ‘multi-inlet design`을 제시하였다.
설계인자에 대한 검토전에 연료전지내 유입수량을 결정하는 운전인자에 대한 검토가 필요하다. 즉, 설계인자가 연료전지 물생산에 큰 영향을 끼칠 수 있지만, 운전인자 조절과 같은 선행 조건에 필요 여부를 판단하기 위하여, 운전인자와 설계인자의 물생산 영향을 비교 검토하였다. 여기서, 운전인자는 유입수의 상대습도, 설계인자는 채널설계방식으로 설명하였다. 그 결과, multi-inlet design은 기존의 채널설계방식보다 더 많은 물을 생산할 수 있지만, 높은 유입수량 조건에서는 물생산이 이루어지지 않았다. 이는 증가되는 유입수량에 비하여, 물생산량이 적고, 또한 물축적량이 증가하기 때문이다. 결국, 연료전지 물생산을 위해서는 저가습조건과 같은 유입수량을 줄이는 운영방식이 선행되어야 할 것이다.
셀 설계인자의 경우, 기존 연구에서 중요시되었던 가스 확산층내 공극률, 셀크기, 채널단면적과 같은 인자가 검토되었다. 가스 확산층 내 공극률의 경우, 채널 설계방식에 따라 조금씩 다른 경향을 나타내었다. serpentine design 에서는 공극률 변화에 따라, 에너지 및 물 생성에는 변함이 없었지만, 큰 공극률에서는 물제거효과가 커짐에 따라, 물생산이 커지는 것을 확인할 수 있었다. multi-inlet design에서는 큰 공극조건에서 물/에너지 생성량 줄어들었고, 이에 따라 물생산이 감소한다는 것을 확인하였다. 셀크기의 경우, 두가지 채널설계 방식 모두 셀크기가 증가할수록, 물/에너지 생산이 감소하였다. 이는 물생성량 감소뿐만 아니라, cathode측 채널부분과 가스확산층에서 물축적량이 증가하기 때문이었다. 채널 단면적은 Reynolds 값에 영향을 주어, 채널내의 물생성 및 제거효과에 큰 영향을 주는데, serpentine design의 경우 1X0.8$mm^2$에서 가장 많은 물/에너지가 생성되었다. 이는 곧 이 값에서, 최적의 Reynolds 값을 가진다는 것을 나타내며, 이 값은 셀크기에 따라 조금씩 차이를 보였다. Multi-inlet design에서는 채널 단면적이 클수록 물/에너지 생성량이 줄어드는 것을 확인할 수 있는데, 이는 채널단면적이 커질수록, membrane으로의 물전달 효과가 감소하기 때문이었다. 결국, 셀크기가 작을수록, 채널단면적이 클수록 serpentine design에 유리하고, 셀크기가 크고, 채널 단면적이 좁을 수록 multi-inlet design이 물생산에 유리하다.
채널설계방식의 영향을 알아보기 위하여, 두가지 설계방식 외에, parallel design, interdigitated design, multi-serpentine design과 같은 여러가지 설계방식을 비교/검토하였다. 그 결과, 일반적인 연료전지 운영조건에서는 모든 채널설계방식에서 비슷한 에너지 생산량을 나타내었지만, 물 생산의 경우 채널마다 다른 특성을 나타내었다. serpentine design, multi-inlet design, multi-serpentine design에서는 순물생산이 가능하였으나, 그 외의 채널설계방식에서는 정상상태에서 물생산이 불가능하였다. 이는 에너지생산으로 직접적으로 연관되는 물생성량 보다는 물축적량이 물생산을 위한 더 중요한 요소임을 나타내는 것이고, 연료전지 모델을 검증하기 위한 방안으로써, 기존 I-Vcurve 를 통한 검증외에 유출구에서의 상대습도 측정이 더 상세한 검증방안이 될 것 있다는 것이다. 또한, 앞선 연구와 달리, anode측에서의 물축적이 더 많이 이루어지는 것을 확인할 수 있는데, 이는 곧 두 유입부분의 흐름방향이 다르기 때문일 것이다. 즉 membrane을 통하는 물이동에서, anode 부분과 cathode부분의 압력차에 의한 물이동이 가장 중요한 요소가 될 것이다.
결론적으로, 유입수량 조절과, 설계인자 조절이 고분자막 연료전지에서 물생산에 있어서 중요한 요소이며, 물제거 효과를 높이기 위한 채널설계방식이 필요하다. 위 연구에서는 일반적인 운영조건 (즉 약 0.6~0.7V의 셀전압)에 대한 각 설계인자의 영향을 알아봤지만, 향후 연구에서는 더 많은 물 생성이 가능한 낮은 셀전압에서의 설계/운전인자의 영향 연구가 필요할 것이다. 또한, 단위셀 연구를 확장시킨 stack 크기에서의 연구 또한, 물/에너지 동시생산을 위하여 필요하다.
