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용융탄산염 연료전지 스택의 균일화를 위한 3차원 유동 해석 = Three-dimensional fluid flow analysis for flow uniformity of molten carbonate fuel cell stack
서명 / 저자 용융탄산염 연료전지 스택의 균일화를 위한 3차원 유동 해석 = Three-dimensional fluid flow analysis for flow uniformity of molten carbonate fuel cell stack / 김형섭.
저자명 김형섭 ; Kim, Hyung-Sop
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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DME 14003

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초록정보

A three-dimensional (3D) analysis has been developed and applied to obtain performance characteristics of a molten carbonate fuel cell (MCFC) of complex geometry. The equations are solved to obtain the velocity, temperature, pressure, and concentration distributions in the cathode/anode channel. The channel with uniformly distributed trapezoidal supports, is approximated by an anisotropic porous medium, and the effective permeability and conductivity are obtained by separate three-dimensional finite volume method (FVM) calculations for a single periodic module. Reverse water-gas-shift reaction(r-WGS) is added MCFC analysis and result is gained more exact to real system. The current density distribution for a given cell voltage is calculated iteratively by coupling it to the local chemical reaction rate. Thus, the current-voltage relation can be successfully obtained. Here, the cell characteristics for various operating conditions are presented and discussed. The calculation is carried out by increasing the electric load until the fuel-depleted region appears on the electrode surface. This procedure is capable of predicting essential cell features and may be used in finding the optimal cell design and/or operating conditions. With this procedure, a improved separator design is suggested and showed better performance than conventional one. A conventional separator (6,000 cm2) was estimated about temperature, pressure, species concentrations and performance. It is found that the conventional separator had large pressure difference, which is related cathode gas cross-over problem. In addition, it is exists non-uniform flow distributions in unit cell. It is found that the fuel depleted region was predicted at high fuel utilization. A new separator design (7,500 cm2) was suggested and it was improved pressure drop in cathode gas channel. Co-flow type and counter flow type in 7,500 cm2 separator was calculated and compared performance and temperature, pressure drop, species concentrations distirbutions for each flow type. Another support component, which is wavy shape for gas channel, was proposed and estimated volumetric flow and heat properties. It was found appropriate 7,500 cm2 separator design with parametric study of ten cases was calculated and compared number of void zones and widths. 10,000 cm2 separator was designed and was used same channel support for 7,500 cm2 separator. Four cases was computed and obtained proper design for 10,000 cm2 separator. It is obtained successfully for temperature, pressure, species concentration distributions and IV curve. A simulation tool for predicting flow, pressure distributions in fuel cell stack developed. The equations are solved to obtain the velocity, pressure, turbulent kinetic energy (TKE) and turbulent specific dissipation (TSD) with a finite volume method (FVM) using 3D model in manifold. Calculations of flow field are carried out for eleven cells placed in the fully developed region of a manifold instead of a full stack model. With several results for different Reynolds numbers, the pressure profile from the bottom to the top cell is obtained. Once the relation between the flow rate and the pressure loss in a unit cell are known, the mass flow to each cell of a stack is estimated by coupling the manifold flow and the flow within the unit cell. The procedure is applied with inverse U-type 150-cells stack for 6,000cm2, 7,500cm2, 10,000cm2 are predicted the flow to each cell. The procedure can also be used in finding the optimal gas channel and manifold designs for flow uniformity of a fuel cell stack. The ratio of inlet manifold pressure deviation outlet manifold pressure deviation is discovered to be a key parameter effecting flow uniformity to each cell. In this paper, the equation, related pressure of manifold and unit cell, is suggested and it is found that reuslts are agreed between equation and result of hybrid model.

3차원 분석이 개발되었고, 복잡한 형상을 지닌 용융탄산염 연료전지의 성능 특성을 얻었다. 공기극과 연료극 채널에서 속도, 온도, 압력, 화학종 농도를 얻기 위해서 여러 방정식들을 풀었다. 균일하게 배열된 사다리꼴 지지대를 가지는 채널은 비등방성 다공성 매질로 대치하였고, 독립적인 3차원 유한체적법을 이용하여 단일모듈을 유동평균 체적과 열 평균 체적 물성치들을 얻을 수 있었다. 역WGS 반응은 용융탄산염 연료전지 분석에 추가 되었고, 결과가 실제 시스템에 보다 더 가깝게 모사할 수 있었다. 주어진 전압에 따라서 전류밀도 분포는 화학반응과 결합하여 반복계산을 통해 얻었다. 이렇게 전류밀도-전압의 관계를 성공적으로 찾을 수 있었다. 본 연구에서는 다양한 운전조건에 따른 셀 특성을 보여주었고, 논의 되었다. 전극 표면에 나타난 연료 희소 지역이 나타날까지 전압을 증가시켜서 계산을 수행하였다. 이와 같은 과정은 핵심적인 셀의 특성을 예측할 수 있게 되었고, 아마도 적절한 운전조건에 따른 유효한 셀 디자인의 데이터를 찾게 되었다. 일련의 과정을 통해서 향상된 분리판 디자인이 제시되었고, 상용의 것 보다 더 낫은 성능을 보여주었다. 상용디자인 (6,000cm2)의 온도, 압력, 화학종 농도와 성능을 예측하였다. 공기극 크로스오버 현상을 야기시키는 큰 압력차이가 상용디자인에서 발생하였다. 게다가 단위전지 내에서 불균일한 유동이 사용디자인에서 나타났다. 그리고 높은 연료이용율에서 연료희박 지역이 예측되었다. 새로운 디자인(7,500cm2) 이 제시되었으며, 공기극의 가스채널에서 압력강하 값이 기존보다 향상되었다. 역시 고 연료이용률시에 연료 희박 영역을 예측할 수 있었다. 또한 counter flow-type과 co-flow type에 대한 여러 물성치 비교및 성능에 대한 비교를 실시하였다. 새 디자인에서는 물결모양을 띤 채널 지지대를 고안하였고, 이를 새 디자인에 적용하여 계산을 수행하였다. 10가지의 매개변수법 연구를 통해서 최적 성능을 가지는 분리판 디자인을 찾을 수 있었다. 10,000cm2 분리판이 제작되었으며, 7,500cm2 분리판와 같은 채널 지지대래를 형성하였다. 4가지의 경우를 통해서 적절한 디자인을 찾았고, 온도, 압력, 화학종 분포, 성능곡선을 성공적으로 얻을 수 있었다. 연료전지 스택에서의 유동과 안력분포를 예측하는 방법을 고안하였다. 속도, 압력, turbulent kinetic energy 와 turbulent specific dissipation 을 3차원 분기관 모델로 유한체적법을 이용하여 방정식을 풀었다. 유동장의 계산은 전체 스택을 다 푸는 대신에 11개의 셀을 포함하는 분기관 모델을 통해서 수행하였다. 레이놀즈수에 따라서 여러개의 결과를 토대로 밑에서 꼭대기 까지의 셀의 압력 분포를 얻었다. 만약 단위전지내의 압력변화와 유량과의 관계를 안다면, 이 결과와 매니폴드 결과를 결합시켜서 각 셀로 공급되는 가스의 유량을 예측할수 있게 된다. 이와 같은 과정을 6,000 , 7,500, 10,000cm2 의 분리판 디자인의 역 U-type 셀에 적용하여 각 셀로 흘러가는 유량을 예측하였다. 이러한 과정을 통해서 연료전지 스택의 유량 균일화를 위한 적절한 가스채널과 분기관 디자인을 찾는데 쓰이게 된다. 입구 분기관과 출구분기관 그리고 단위전지 내의 압력의 상대값이 각 셀로 균일하게 흘려주는 중요한 핵심 디자인 요소가 됨을 발견하였다. 본 연구에서는 분기관과 단위전지 내의 압력값을 이용한 식을 제시하였고, 제시한 식이 실제 하이브리드 모델을 적용하여 계산한 결과와 일치함을 발견하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 14003
형태사항 153 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hyung-Sop Kim
지도교수의 한글표기 : 배중면
지도교수의 영문표기 : Joong-Myeon Bae
수록잡지명 : "An analysis for a molten carbonate fuel cell of complex geometry using three-dimensional transport equations with electrochemical reactions". International Journal of Hydrogen Energy, 38, 4782-4791(2013)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 142-149
주제 전산유체
연료전지스택
모델링
용융탄산염 연료전지
분기관
MCFC
Fuel cell stack
CFD
Modeling
manifold
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