An experimental and theoretical study on the cathode flow pulsation in a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is performed. The cathode flow pulsation is considered to reduce the stoichiometry of air. The polarization curve of a 10-cell PEM fuel cell stack at various operating conditions is obtained to understand the fundamental PEM fuel cell characteristics. Then, the effects of the cathode flow pulsation on the fuel cell stack performance are examined both experimentally and theoretically. Emphasis is given to explicit role of the flow pulsation on the oxygen dispersion enhancement in a cathode flow channel.
In chapter 2, a 10-cell PEM fuel cell stack with open-air cathode channels is employed to investigate the effects of operating conditions on the overall performance. The polarization and corresponding power curves reveal that the fuel cell performance is strongly affected by operating conditions such as the cathode flow rate, the anode flow rate and the stack temperature. The experiments on the cathode flow pulsation are also carried out to compare the polarization curves between the non-pulsating case and the pulsating case. The polarization behavior at low current loadings is unchanged by cathode flow pulsation. However, the pulsating cathode flow dramatically increases the stack voltage at the concentration loss region. Thus, it is indicated that the maximum power density is increased by not only an increasing flow rate but also a pulsating flow. Even in the case of a zero time-mean flow, the cathode flow reciprocation enables the fuel cell stack to generate electricity.
In chapter 3, the effects of the Womersley number and the Reynolds number in the cathode channel on the performance of the PEM fuel cell stack are experimentally examined. The time-variant pulsating velocity in the cathode channel is measured by a hot-wire anemometry to determine the pulsating frequency, the pulsating amplitude and the time-averaged flow velocity. The experimental results obtained show that both the limiting current density and the maximum power density are substantially enhanced when the pulsating component is added to cathode mainstream flow. The flow pulsation provides the maximum increment of 40% in the limiting current density. The maximum power density increases up to 35.5% with a slightly reduced fuel cell efficiency. The enhancement of the overall performance is more distinct as the Reynolds number decreases.
In chapter 4, a theoretical analysis is conducted to verify the previous experimental results. The momentum and species conservation equations are analytically solved for the pulsating flow in the cathode channel. The effective time-averaged dispersion coefficient is defined by using the velocity and concentration solutions, and it accounts for the enhanced mass transport by the flow pulsation. The dispersion coefficient ratio estimated from the experimental results under the assumption of the constant axial concentration gradient follows the same tendency as the theoretical ones. Also, an analogy between momentum and mass transfer is employed to evaluate the oxygen dispersion enhancement by flow pulsation in the cathode channel. Comprehensive analytic solutions show that the mass transfer rate and the effective time-averaged dispersion coefficient are augmented by the flow pulsation. Enhancement of the mass transport is more pronounced at lower Reynolds number. The experimental results of a 10-cell PEM fuel cell stack show that the effect of the relevant parameters is in well accordance with the theoretical mass transport analysis.
본 연구에서는 연료전지 공기극 맥동유동이 고분자 전해질막 연료전지의 발전 성능에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 맥동유동에 의한 열전달 및 물질전달의 증가에 대한 연구는 광범위한 분야에서 이루어져 왔으며 관 내부유동에 맥동 성분을 인가할 경우 유체의 주기적인 움직임에 의하여 물질전달이 증대되는 것을 다양한 선행 연구결과에서 찾아볼 수 있다. 따라서 연료전지 공기극의 물질전달을 증가시키기 위한 방법으로 기존의 송풍기에 비해 주변장치의 부피를 줄이고 소음을 완화할 수 있는 공기극 유동 가진을 고려하였다. 공기극 맥동유동이 고분자 전해질막 연료전지 발전 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 고분자 전해질막 연료전지 스택에 대한 공기극 가진 실험을 수행하였고 이를 해석적인 방법으로 분석하여 실험결과의 타당성을 검증하였다.
고분자 전해질막 연료전지 공기극 가진 실험을 수행하기에 앞서 연료전지의 기본적인 특성을 이해하고자 다양한 운전조건에서의 발전 성능을 측정하였다. 연료극에 공급되는 수소가 충분히 가습이 되지 않은 경우에 있어 수소 유량을 증가시키는 것은 연료전지 성능의 감소를 초래하였다. 이로부터 습도가 낮은 수소가 많이 공급될수록 유로 내의 수소 농도는 증가하지만 전해질막이 마르는 현상이 증대되어 연료전지의 발전 성능이 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나 공기극 유량을 증가시켰을 경우 분극 곡선과 전력 곡선에 있어 활성화 분극 및 저항 분극 영역에서는 어떠한 변화도 없었지만 농도 분극 영역에서는 한계 전류밀도 및 최대 전력밀도 증대의 뚜렷한 발전 성능의 증가가 발생하였다. 따라서 공기 유량의 변화는 물질전달 한계에 의해 발생되는 농도 분극 영역에만 그 영향을 미치며 공기 유량을 늘릴 경우 공기극 물질전달이 증대되어 한계 전류밀도가 증가되는 것을 알 수 있다. 또한 작동온도가 50oC에서 70oC로 증가함에 따라 습도가 낮은 수소와 공기 공급으로 인해 전해질막이 마르게 되어 연료전지 성능이 감소하는 결과를 나타내었다.
연료전지 공기극 맥동유동이 발전 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 공기극 유동에 맥동 성분을 인가하여 연료전지 성능을 측정하였다. 공기극 유량을 증가시켰을 때와 마찬가지로 분극 곡선과 전력 곡선에 있어 활성화 분극과 저항 분극 영역에서는 어떠한 변화도 나타나지 않았으며 농도 분극 영역에서는 한계 전류밀도 및 최대 전력밀도가 향상되는 뚜렷한 성능 증가가 발생하였다. 맥동 변위를 증가시킬수록 발전 성능은 더욱더 증대되었고, 송풍기에 의한 공기 공급이 전혀 없는 순수 왕복 유동의 경우에 있어서도 맥동 변위와 주파수를 증가시킬수록 유동 가진에 의한 발전 성능 증가는 더욱 극대화 되었다. 이로부터 공기극 유동 가진은 송풍기에 의한 공기 공급과 마찬가지로 공기극 물질전달을 향상시키는 것을 알 수 있다.
공기극 맥동유동에 의한 연료전지 발전 성능 증가를 보다 자세히 분석하기 위해 공기극 입구에서의 시간 주기적인 맥동 속도를 측정하였다. 이로부터 공기극 주 유동에 유입되는 맥동 성분의 크기를 정량화하여 Wo수와 Re수가 연료전지 성능에 미치는 영향을 분석하였다. Wo수가 증가할수록 한계 전류밀도 및 최대 전력밀도가 더욱더 증가하였고 이로부터 공기극을 빠르게 가진할수록 맥동효과에 의한 물질전달이 증대되는 것을 알 수 있다. 본 실험 영역에 있어 공기극 맥동 유동에 의한 한계 전류밀도 증가비는 최대 40.0%로 측정되었으며 최대 전력밀도는 최대 35.5%까지 증대됨을 확인하였다. 공기극 맥동 유동에 의한 발전 성능 증가는 Re수가 낮아질수록 더욱 확연히 나타나는데 이는 Re수가 높은 경우에는 공기극 내의 산소 농도가 맥동 성분 없이도 충분히 높아 맥동에 의해 높아지는 농도 증가분이 상대적으로 낮아지기 때문이다. 즉, 공기극 맥동 유동은 송풍기에 의한 공기공급과 마찬가지로 유로 내의 농도를 증가시켜 유로로부터 전해질막으로의 확산 물질전달을 향상시키는 것을 알 수 있다.
공기극 맥동 유동에 의한 연료전지 발전 성능 증가의 타당성을 확보하고 물질전달의 증가를 지배하는 중요 인자의 영향을 살펴보기 위해 이에 대한 이론적인 해석을 수행하였다. 운동량 방정식과 종의 방정식으로부터 속도와 농도에 대한 이론적인 해를 구하였고 그로부터 맥동에 의한 공기극 유로 내의 유체 속도 변화와 그에 따른 농도 변화를 분석하였다. Wo수와 맥동 변위가 증가할수록 속도장과 농도장에 큰 변화가 나타났으며 시간에 따라 변화하는 진폭 또한 증대되었다. 따라서 Wo수와 맥동 변위가 증가함에 따라 맥동 효과가 강해지고 이로부터 유로 내의 물질전달이 향상되는 것을 알 수 있다. 그러나 Re수의 증가는 맥동 변위의 감소를 초래하여 맥동에 의한 물질전달 증가를 둔화시킨다. 맥동 유동에 의해 증대되는 연료전지의 발전 성능을 보다 자세히 분석하기 위해 확산계수 증가비를 속도 및 농도 해로부터 유도하였으며, 운동량전달과 물질전달의 상사를 통해 한계 전류밀도 증가비를 도출하였다. 이와 같은 물질전달 분석 결과는 앞선 고분자 전해질막 연료전지의 공기극 유동 가진 실험결과와 잘 일치하였고 공기극 물질전달 해석을 통하여 연료전지 발전 성능에 미치는 맥동 유동의 중요 인자가 Wo수와 맥동 변위임을 알 수 있었다.
