직접 메탄올 연료전지의 전산모사에 관한 연구

김영진*, 오인환, 홍성안, 김혁년**, 이태희*, 하흥용

한국과학기술연구원 연료전지센터, 연세대학교 화학공학과*,

배터리 R & D 센터 LG화학**

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Simulation of direct methanol fuel cells employing computational fluid dynamics

Kim Young-Jin*, Oh In-Hwan, Hong Seong-An, Kim Huk-Nyun**, Lee Tae-Hee*, Ha Heung-Yong

Korea Institute of Science and Technology, Fuel cell center, Seoul 130-650, Korea

Department of Chemical Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea*

Battery R & D Center, LG Chemical, Ltd.**

Abstract

An analytical study on DMFCs  was carried out by employing the computational fluid dynamics(CFD) method.  In this study, the commercial CFD code Fluent(ver. 5.5) was used, and many assumptions were adopted to simplify the situation in the fuel cell.  From the simulation, many valuable informations were obtained in terms of distributions of velocity, pressure, temperature, density and current density over the flow field.  And thus, it was anticipated that the simulation results were very helpful in developing DMFCs by facilitate optimization of structures of electrodes and flow field of the separator.

Introduction

연료전지는 여러 가지 종류가 있으며, 그 종류와 용량에 따라 다양한 용도로 사용이 가능할 것으로 예상되고 있다.  연료전지 중에서는 현재 자동차용 엔진으로 사용하기 위해 개발 중인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 가장 활발히 연구되고 있으며, 휴대용으로는 연료개질기나 수소 실린더 등이 필요 없는 직접메탄올연료전지(DMFC)가 개발되고 있다.  직접 메탄올 연료전지는 수 와트급에서 수백 와트급까지의 크기로 개발되고 있으며, 휴대폰용 전원이나 노트북 컴퓨터 등에 사용이 가능할 것으로 보인다.  그러나, 아직까지는 직접메탄올 연료전지의 성능을 향상시키기 위한 연구에 초점이 맞추어져 있는 상태로서, 메탄올 저투과성 전해질막, 고성능 촉매, 고성능 전극 등에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

직접 메탄올 연료전지의 구조는 Fig.1.과 같으며, 고분자 전해질 연료전지와 거의 같은 구조를 갖고 있다.  DMFC 셀의 구조는 크게 전해질막-전극 접합체 (MEA, membrane- electrode assembly)와 분리판으로 이루어져 있는데, 분리판은 그래파이트판으로 제조되며, 표면에 기체 또는 액체의 반응물이 공급되는 골(flow field)이 형성되어 있다.

본 연구에서는 상용 시뮬레이터를 이용하여 직접 메탄올 연료전지의 셀 내에서 유체의 유동을 전산모사함으로써 DMFC에서의 유체의 흐름을 분석하고, 이를 통해 DMFC의 성능을 예측하기 위한 연구를 수행하였다.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Fig.1.Schematic diagram of DMFC system

Model development

본 연구에서는 DMFC의 전기화학적 반응 및 유체의 유동을 해석하기 위해 상용 code인 Fluent ver. 5.5(Fluent. Inc., Lebanon, NH, USA)를 이용하였다. 확산층의 투과도에 따른 확산층 내에서의 물질의 유동을 통해 전류의 생성을 계산하였고, 반응물의 공급 속도에 따른 확산층 내에서의 반응물의 확산에 대해 해석하였다. Fig.2.는 본 연구에서 사용된 직접 메탄올 연료전지의 분리판 구조를 보여주고 있다.  그래파이트 분리판의 유로를 통해 반응물 및 생성물이 이동하며 전극에서 생성된 전자는 기체확산층을 통해 분리판으로 전달된다. Fig.3.은 이러한 분리판 내에서 유체가 흐르는 유로를 전산 모사하기 위해 메쉬(mesh)를 형성시킨 그림이다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig. 2. Schematic diagram           of the graphite

Fig. 3. Mesh generation of            the flow field

직접 메탄올 연료전지의 확산층의 투과도에 따른 전극 내 유체의 유동에 대한 전산 모사 및 유로의 전산모사를 위해 다음과 같은 가정을 사용하였다. 직접 메탄올 연료전지 내 반응 및 유체의 유동은 정상 상태를 유지하고 등온 상태를 유지하며, 모든 전기화학 반응은 전해질과 촉매층의 경계면에서 일어나고, 반응전환율은 100% 이다.

Results and Discussion

직접 메탄올 연료전지 산화극내에서 반응물인 메탄올과 물이 분리판의 유로를 통해 공급되고, 전극과 확산층을 통해 반응물은 확산되며, 촉매층에서 전기 화학적 반응을 통해 수소 이온과 전자가 형성된다. 유로를 통해 공급된 반응물이 촉매층까지 확산될 때 유로 및 전극과 촉매층 내에서의 반응물의 밀도는 변하게 된다. Fig.4.는 유로를 통해 공급된 반응물의 밀도 변화를 보여주고 있다. 전기 화학적 반응에 의해 입구에서 출구쪽으로 갈수로 유체의 밀도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이는 액상의 반응물인 메탄올 및 물이 전기 화학적 반응을 통해 이산화탄소로 전환됨으로 인해 반응물의 밀도가 낮아지기 때문이다. Fig.5.는 산화극 내 전극에서의 반응속도에 대한 결과를 보여주고 있다.

Fig.4.Density profile

Fig.5. Reaction profile in        the anode electrode

유로 내에 공급되는 반응물의 유속에 따른 압력손실에 대한 결과는 Fig.7.과 같다. 압력손실을 줄이기 위해서는 압력손실을 최소화할 수 있는 유로의 설계가 매우 중요하다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig.6. Pressure profile

Fig.7. Pressure changes according to         change velocity

Fig.8.은 유로의 입구에서 유속에 따른 압력손실에 대한 결과를 보여주고 있다. 유체의 유속이 클수록 압력손실이 큼을 볼 수 있다.

Conclusion

직접 메탄올 연료전지 내에서의 유체흐름 및 전기화학반응에 대한  전산 모사를 통해 연료전지 셀 내 에서의 유체의 유동 및 반응을 해석할 수 있었으며, 이를 통해 직접 메탄올 연료전지의 성능향상을 위한 유로의 설계 및 최적의 운전을 위한 조건들을 분석할 수 있었다. 이러한 전산모사를 활용하면 전극 구조 및 유로의 형태에 따른 전지 내에서의 반응 및 유체흐름에 대한 해석이 가능하며, 이를 통해 최적의 전극 구조 및 유로형태를 설계하므로써 연료전지의 성능향상에 기여할 수 있다.  또한, 단위전지 뿐만 아니라 스택에 대한 모델링과 전산모사도 가능하기 때문에 연료전지 연구에 있어서 비용 및 시간을 절약하고, 최적화된 고성능의 스택제작이 가능할 것이다.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

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