CFD를 이용한 용융탄산염 연료전지 스택의 수치모사 = Numerical Analysis of Molten Carbonate Fuel Cell Stack Using Computational Fluid Dynamics

국문 초록 (Abstract)

상용 CFD 프로그램인 FLUENT v5.3을 이용하여 용융탄산염 연료전지 스택의 수치 모사를 행하였다. FLUENT에 포함되어 있는 보존식들을 이용하면서, 사용자 정의함수를 이용하여 포함시킨 코드를 통해 전기화학적 반응과 부반응인 수성가스전이반응에 의한 질량과 가스 조성 변화 및 열이동을 고려하여 정확한 계산 결과를 얻고자 하였다. 모사에 사용된 스택은 6kW급과 25kW급 스택으로 각각 20개와 40개의 단위전지를 수직으로 적층한 형태이며 스택내로 주입되는 가스는 coflow형태로 각각의 채널을 흘러가게 설계되어 있다. 모사를 통해 알아본 스택 내 압력분포는 가스 흐름방향으로 압력강하가 일어나며 anode 채널보다 cathode 채널에서의 압력차가 더 크게 나타났다. 채널 내 속도분포는 전극 반응에 의한 질량 및 부피변화로 인해 anode 채널에서는 가스흐름 방향으로 속도가 증가하는 반면 cathode 채널에서는 속도가 감소하는 경향을 보였다. 스택 내 온도분포는 가스 흐름방향으로 증가하는 경향을 보였고, 계산결과와 실험결과가 대체로 일치함을 확인할 수 있었다. 수성가스전이반응을 포함한 모델과 그렇지 않은 모델을 비교한 결과 가스의 주입구 부분에서는 수성가스전이반응에 의해 흡열 반응이, 출구 부분에서는 발열반응이 일어나고, 이로 인해 입구와 출구의 온도차가 더 커짐을 확인하였다. 따라서 상용화 스택인 수백 kW급 이상의 대형 스택을 모사하기 위해서는 수성가스전이반응을 고려해야할 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, commercial CFD program FLUENT v5.3 is used for simulation of MCFC stack. Besides using conservation equations included in FLUENT by default, mass change, mole fraction change and heat added or removed due to electrochemical reactions and water gas shift reaction are considered by adding several equations using user defined function. The stacks calculated are 6 and 25 kW class coflow stack which are composed of 20 and 40 unit cells respectively. Simulation results showed that pressure drop took place in the direction of gas flow, and the pressure drop of cathode side is more larger than that of anode side. And the velocity of cathode gas decreased along with the gas flow direction, but the velocity of anode gas increased because of the mass and volume changes by the chemical reactions in each electrodes. Simulated temperature profile of the stack tended to increase along with the gas flow direction and it showed similar results with the experimental data. Water gas shift reaction was endothermic at the gas inlet side but it was exothermic at the outlet side of electrode respectively. Therefore water gas shift reaction played a role in increasing temperature difference between inlet and outlet side of stack. This results suggests that the simulation of large scale commercial stacks need to consider water gas shift reaction.

참고문헌 (Reference)

1 C. Y. Yuh, "The Plarization of Molten Carbonate Ful Cell Electrodes" 138 : 3642-, 1991

2 J. M. Smith, "Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics" mcgraw-hill : 1996

3 C. Berger, "Handbook of Fuel Cell Technology" Prentice-Hall nj : 1968

4 D. Linden, "Handbook of Batteries and Fuel Cells" McGraw-Hill ny : 1984

5 H. Hirata, "Gas-flow Uniformity and Cell Performance in a Molten Carbonate Fuel Cell Stack" 63 : 115-, 1996

6 K. Kinoshita, "Fuel Cells A Handbook" ca : 1998