Korean Chemical Engineering Research, Vol.54, No.6, 847-853, December, 2016
전산유체역학을 이용한 PEMFC의 성능에 대한 3차원 유로 구조의 영향
Effects of 3D Flow-Channel Configurations on the Performance of PEMFC using Computational Fluid Dynamics
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초록
본 연구에서는 3차원 전산유체역학 모델을 적용하여 서펜타인 유로를 갖는 고분자 전해질 분리막(PEM) 연료전지의 성능평가를 수행하였다. PEM 연료전지의 전산 모델은 등온조건하에서의 이동현상을 고려하여, 물질 및 운동량 전달, 전극에서의 반응속도론 그리고 전기적 흐름을 모두 포함하였다. 한편, 병류로 흐르도록 형성된 구조의 유로 형태는 본 연료전지모델에서 유로의 폭과 높이의 비인 종횡비와 유로와 립 폭의 비인 반응면적비를 변화시키며 다양한 형상으로 고려되었다. 유로의 형상이 변화될 경우 연료전지 내부의 수소와 산소의 질량분율 분포가 계산되었으며, 이에 따라, 활성화과전압의 계산 값이 변하게 되며 전류밀도 분포가 최종적으로 결정되었다. CFD 결과는 종횡비가 클수록 성능이 증가하고 반응면적비가 클수록 성능이 감소하는 것을 보였다. 본 연구의 모델에 의하면 서펜타인 유로의 형상에 의해, 성능특성이 경향성을 보이는 결과를 보여주었으며, 이와같은 결과는 다른 문헌에 보고 된 CFD 결과들과 전반적으로 잘 부합하는 것으로 나타났다.
Here has been examined a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) modeling in order to investigate the performance analysis of proton exchange membrane (PEM) fuel cells with serpentine flow fields. The present CFD model considers the isothermal transport phenomena in a fuel cell involving mass, momentum transport, electrode kinetics, and potential fields. Co-current flow patterns for a PEMFC are considered for various geometries in the single straight cell. Current density distribution from the calculated distribution of oxygen and hydrogen mass fractions has been determined, where the activation overpotential has been also calculated within anode and cathode. CFD results showed that profiles differ from those simulations subjected to each the calculated activation overpotential. It is interesting that the present serpentine flow field shows the specific distribution of current density with respect to the aspect ratio of depth to width and the ratio of reaction area for various serpentine geometries. Simulation results were considered reasonable with the other CFD results reported in literature and global comparisons of the PEMFC model.
- Wang Y, Chen KS, Mishler J, Cho SC, Adroher XC, Appl. Energy, 88(4), 981 (2011)
- Li XG, Sabir M, Int. J. Hydrog. Energy, 30(4), 359 (2005)
- Shimpalee S, Greenway S, Van Zee JW, J. Power Sources, 160(1), 398 (2006)
- Li XG, Sabir I, Park J, J. Power Sources, 163(2), 933 (2007)
- Park J, Li XG, J. Power Sources, 163(2), 853 (2007)
- Hashemi F, Rowshanzamir S, Rezakazemi M, Mathematical Computer Modelling, 55, 1540 (2012)
- Nguyen TV, J. Electrochem. Soc., 143(5) (1996)
- Ahmed DH, Sung HJ, J. Power Sources, 162(1), 327 (2006)
- Peng LF, Lai XM, Liu DA, Hu P, Ni J, J. Power Sources, 178(1), 223 (2008)
- Jeon DH, Greenway S, Shimpalee S, Van Zee JW, Int. J. Hydrog. Energy, 33(3), 1052 (2008)
- Yang H, Zhao TS, Electrochim. Acta, 50(16-17), 3243 (2005)
- Ferng YM, Su A, Int. J. Hydrog. Energy, 32(17), 4466 (2007)
- Choi HJ, Ahn SY, Cho SA, Lee JK, Shim JP, Cha SY, Ha HY, Hong SA, Lim TW, Oh IH, HWAHAK KONGHAK, 38(4), 550 (2000)