냉각 채널을 통한 PEMFC 성능 향상 수치해석

강민식,박성군 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.12

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a device that converts chemical energy into electrical energy owing to the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. The heat and water generated by the electrochemical reaction can lower the performance of the PEMFC; therefore, the cooling channel design should be considered to prolong its lifespan and improve its stability and power generation. In this study, PEMFC with/without a cooling channel is numerically simulated and compared to analyze the effect of the cooling channel on its performance. When the voltage is constant, the PEMFC with a cooling effect shows higher current and power densities, where the oxygen diffusion and electrochemical reaction rates increase. The performance of the PEMFC with the cooling channel improved by 165% as compared with that without the cooling channel. 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 화학 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치다. 전기화학 반응에 의해 발생하는 열과 물은 PEMFC의 성능을 저하시킬 수 있으므로 PEMFC의 성능 및 수명을 향상시키기 위해 냉각 채널 설계는 중요하다. 본 연구에서는 냉각 채널이 존재하지 않는 구조와 냉각 채널이 존재하는 구조의 PEMFC를 시뮬레이션하고 수치적으로 비교하여 냉각 채널이 PEMFC에 미치는 영향을 분석한다. 전압이 일정할 때 냉각 채널이 존재하는 PEMFC는 산소 확산과 전기화학적 반응 속도가 증가하여 더 높은 전류 밀도와 전력 밀도를 보인다. 냉각 채널이 존재하는 PEMFC의 성능은 냉각 채널이 없는 구조에 비해 전력 밀도가 약 165% 향상함을 보였다.

냉각채널의 각도와 직경 변화에 따른 채널 내 압력 손실에 관한 수치적 연구

박진,이현섭,김홍집,안규복 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.2

The pressure loss in a cooling channel was investigated by conducting a numerical analysis, which was performed with a different channel angle in the axial direction , velocity of flow, and diameter of channels. The pressure loss did not change much with respect to the different channel angle. However, the pressure loss tended to decrease if the diameter of the channel increased and the velocity of the flow decreased. The results were quantified by a nondimensional method and compared to an existing experimental equation to validate them. The data obtained by this study would be helpful in the design process of a cooling channel considering the pressure loss. 냉각채널에서의 압력 손실을 수치적으로 연구하기 위하여 채널의 축 방향에 대한 각도, 채널 내부의 유체의 유속, 채널의 직경을 변화시키며 수치해석을 진행하였다. 채널의 축 방향에 대한 각도 변화에 따라서 압력 손실은 큰 변화가 없었다. 하지만 일반적으로 알려진 대로 채널의 직경이 커지면 압력손실이 감소하고, 유체의 유속이 느려지면 압력손실이 감소하는 경향은 두드러지게 나타났다. 이러한 결과는 무차원화 하여 정량화하였고, 기존 채널내부의 압력손실에 대한 경험식과 비교하여 기존 경험식의 타당성을 확인하였다. 본 연구에서 획득한 정보는 향후 냉각채널을 설계할 때 압력손실을 고려함에 있어 도움이 될 것으로 판단된다.

니켈 전주공공정을 이용한 평판형 액체엔진 연소기의 재생냉각채널제작과 채널 접합강도 평가

김인곤,최환석 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

재생냉각방식의 액체엔진 연소기의 냉각채널을 니켈전주공정으로 제작하여, 냉각채널 내벽(동)과 외벽(니켈)의 접합강도를 평가하였다. 니켈전주공정의 주요단계는 다음과 같다. (1) 평판 크롬동소재에 냉각 채널가공 (2) 채널의 골(groove)에 왁스 채우기 (3) 왁스표면 전도성막 코팅 (4) 두께 2㎜ 니켈도금 (5) 왁스제거하여 냉각채널 형성 (6) 채널 접합강도시험 및 평가. 냉각채널 연소기의 동합금내벽에 결합될 니켈 외벽의 인장물성 목표치는, 최대인장강도 483㎫, 항복강도 276㎫, 연신률 최소 12%였으며, 이 물성을 만족시키는 니켈도금은 설파민산 니켈도금욕에서 도금온도 50℃, 전류밀도 30㎃/㎠에서 얻어졌다. 100×100㎜크기의 크롬동에 냉각채널 3종류를 제작하고, 니켈전주공정으로 제작된 니켈외벽과 동채널간의 접합강도를 시험하였다. 접합강도 시험은 채널내에 고압의 물을 가하여 채널 파손시의 파손압력으로 평가하였다. 그 결과 채널 1과 3은 각각 170bar와 580bar에서 파손되었고, 채널3은 내압시험장치의 최대압력인 600bar에서도 파손되지 않아 목표값인 175bar를 달성할 수 있었다. Liquid engine combustion chamber, regeneratively-cooled channels was fabricated by nickel electroforming process and the joint strength between inner (copper) and outer (nickel) jackets was evaluated. Important electroforming steps are as follows: (1) machining the cooling channels in the copper alloy (2) filling the wax within the channel groove (3) coating the conductive film on the wax surface (4) 2㎜ thick nickel plating (5) cooling channel formed by removing the wax (6) channel joint strength test and its evaluation. Target tensile properties of nickel electrodeposit were set at UTS 483㎫, YS 276㎫ and minimum 12% elongation. They could be achieved in sulfamate nickel plating solution deposited at 50℃ and 30㎃/㎠. 3 sets of flat type cooling channel, 100×100㎜ in size were fabricated using nickel electroforming process. Joint strength was evaluated as a fracture pressure caused by applying water pressure within the channel. Fracture pressures of 170bar and 580bar were recorded in #1 and #3. And 3# channel was not fractured even at the maximum pressure of 600bar. Therefore all channels accomplished the target joint strength value of 175bar.

모사 냉각채널 내 압력손실에 대한 연구

윤원재(Wonjae Yoon),이봄(Bom Lee),안규복(Kyubok Ahn),김현웅(Hyun Wung Kim),방정석(Jeong Seok Bang) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

냉각채널은 유체의 유동상태와 채널 단면의 형상에 따라 압력손실에 변화가 생기게 된다. 본 연구에서는 모사 냉각채널을 제작하였고, 모사 냉각채널 내의 압력 손실을 알기 위하여 냉각 채널의 형상과 내부 유동 조건을 변화시켜 연구를 진행하였다. 서로 다른 단면 형상을 가지는 5개의 냉각 채널을 설계하였다. 채널에 곡률이 있는 시편과 없는 시편을 설계하여 커터와 엔드밀로 가공하여 제작하였다. 채널 내의 유속을 변화시켜 채널의 형상에 따른 압력손실을 실험적으로 연구하였다. 실험 결과 직선형 채널에서는 거칠기가 작고, 나선형 채널에서는 곡률이 작을수록 압력손실이 작게 측정됨을 알 수 있었다. Cooling channel cross-sectional shape and inside fluid flow affect pressure loss. The 5 cooling channels were designed to have different cross-sectional features. The cooling channels had straight and spiral curvature, and was manufactured by cutter or end mill. Experimentally, by changing fluid velocity, pressure loss inside the cooling channel was investigated. The result of an experiment showed that the lower roughness and lower curvature caused the low pressure loss in the cooling channels.

모델 스크램제트 엔진 연소실 벽면 냉각 채널 개념 설계

진상욱(Sangwook Jin),최호진(Hojin Choi),이형주(Hyung Ju Lee),배주현(Juhyun Bae),박동창(Dongchang Park) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

직접 연결식으로 시험이 수행될 모델 스크램제트 엔진의 연소실 벽면 냉각을 위한 냉각채널의 개념 설계에 필요한 유동해석을 상용유동해석 프로그램인 Solidworks FLoworks를 이용하여 수행하였다. 냉각 채널간의 유동을 균일하게 만드는 것을 목표로 입구와 출구 면적 변화, 입구 후단 정체영역과 출구 전방 정체영역의 크기와 유무, 오리피스 유무, 오리피스와 냉각 채널 결합 유무 등의 다양한 형상에 대해 유동해석을 실시하였다. 해석 결과로부터 냉각 채널과 결합된 오리피스가 유속을 결정하는데 중요한 역할을 하며 오리피스와 냉각 채널이 결합된 형태에서 오리피스 면적이 동일하면 냉각채널 간의 유속이 균일해진다는 사실을 발견하였다. The flow analysis required for the conceptual design of the cooling channel on combustor wall in a model scramjet engine has been conducted by a commercial flow analysis software tool, Solidworks FLOWORKS. In order to make the flow between the cooling channels uniform, flow analysis is carried out for various shapes such as inlet and outlet area change, size of inlet stagnation area and exit stagnation area, with or without orifice, with or without combination of orifice and cooling channel . From the analysis results, it was found that the orifice combined with the cooling channel plays an important role in determining the flow velocity, and when the orifice area and the cooling channel are combined, the flow rate between the cooling channels becomes uniform.

연소기 냉각을 위한 냉각채널의 형상 변화와 냉각제의 유속 변화에 따른 냉각효과에 대한 수치적 연구

박진(Jin Park),조성휘(Sunghwi Jo),김홍집(Hongjip Kim),양희성(Heesung Yang) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

연소기의 외벽을 냉각하기 위한 채널을 설계하고 작동함에 있어서 연소기 벽의 두께, 냉각채널의 두께, 냉각제의 유속 변화에 대한 특성을 파악하기 위하여 수치해석을 진행하였다. 연소기 벽의 두께가 증가하면 연소실 내벽의 최대온도는 증가하고, 냉각제의 최대온도는 감소하였다. 그리고 냉각채널의 두께는 열전달 특성에 큰 영향을 미치지 않았다. 또한, 냉각제의 유속이 증가할수록 연소기 벽의 두께가 열전달 특성에 미치는 영향이 줄어들었다. 본 연구에서 획득한 정보는 향후 연소기 냉각을 위한 채널을 설계하고 구동 할 때 도움이 될 것으로 판단된다. To study the cooling effect in a combustor, numerical analysis was performed with different thickness of combustor wall, thickness of channel and the flow rate of coolant. The heat transfer characteristics hasn"t been changed a lot about thickness of channel. But if the thickness of combustor wall was increased, the temperature of the inner wall tended to increase and the temperature of the coolant tended to decrease. Also, if the coolant flow rate was increased, the effects of thickness of the combustor wall for cooling tend to decrease. Acquired data in this study would be helpful on the design of cooling channel for combustor.

냉각채널의 각도와 직경 변화에 따른 채널 내 압력 손실에 관한 수치적 연구

박진(Jin Park),이현섭(Hyunseob Lee),김홍집(Hongjip Kim),안규복(Kyubok Ahn) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

냉각채널에서의 압력 손실을 수치적으로 연구하기 위하여 채널의 축 방향에 대한 각도, 채널 내부의 유체의 유속, 채널의 직경을 변화시키며 수치해석을 진행하였다. 채널의 축 방향에 대한 각도 변화에 따라서 압력 손실은 큰 변화가 없었다. 하지만 채널의 직경이 커지면 압력손실이 감소하고, 유체의 유속이 느려지면 압력손실이 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 무차원화 하여 정량화하였고, 기존 채널내부의 압력손실에 대한 이론식과 비교하여 기존 이론식의 타당성을 확인하였다. 본 연구에서 획득한 정보는 향후 냉각채널을 설계 할 때 압력손실을 고려함에 있어 도움이 될 것으로 판단된다. To study the pressure loss in a cooling channel, numerical analysis was performed with different angle of channel to an axial-direction, the velocity of flow and the diameter of channels. The pressure loss hasn"t been changed a lot about different angle of channel. But if the diameter of channel increased and the velocity of flow decreased, the pressure loss tended to decrease. The results were quantified by non-dimensional method and compared with existing theory equation to validate it. Acquired data in this study would be helpful on the design of cooling channel considering pressure loss.

전산유체역학을 활용한 핫스탬핑 금형 냉각채널의 건전성 평가방법

정믿음(Midum Jung),이경훈(Kyunghoon Lee) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

핫스탬핑은 경도와 강도가 높은 마르텐사이트 조직의 초고장력강 부품을 생산하기 위한 공법이다. 마르텐사이트는 부품의 소재가 상변태를 시작하는 온도에서 특정 수치 이상의 냉각 속도를 유지하면 얻을 수 있다. 핫스탬핑 금형에는 냉각수가 흐르는 채널이 설계되어 있어 부품을 성형하는 동시에 금형과 차가운 냉각수의 대류 열전달로 고온의 소재로 인한 금형의 온도 상승을 억제하고 낮은 온도를 유지시킨다. 핫스탬핑 금형이 부품을 충분한 속도로 냉각하기 위해서는 금형과 부품의 접촉, 프레스의 압력, 냉각수의 유속, 냉각채널의 설계 등 여러 조건이 충족되어야 한다. 본 연구에서는 이 중 냉각수의 유속과 냉각채널의 설계를 검증하기 위한 해석방법을 제시한다. 대류 열전달을 표현하는 Newton의 냉각법칙은 대류 열전달 계수와 온도차로 전달되는 열량을 표현하는데 냉각수의 유속은 이 대류열전달 계수와 온도차 모두에 영향을 준다. 유속이 빠를수록 대류열전달 계수가 높아지고 금형 내에 머무는 시간이 짧아져 낮은 온도를 유지하기 때문이다. 그러므로 유속만으로 냉각수가 금형에 충분한 열손실을 주고 있는지 판단하는 것이 가능하다. 그래서 해석적으로 냉각수의 유속을 측정하는 방법을 연구하였다. 간단하지만 유동의 문제 있는 부분을 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있어, 핫스탬핑 금형의 냉각 채널 설계를 검토하는 데 사용되고 있다. 냉각수 유동해석에서 금형과 부품을 추가로 고려하면 냉각 채널의 설계를 보다 정확하게 검증할 수 있다. 채널과 부품 사이의 거리가 반영된 열전달 계산을 수행하고 부품 내부를 포함한 모든 위치에서 온도 변화를 관찰하는 것이 가능하기 때문이다. 특히, 부품의 경사진 부분이나 위치 별로 두께가 다른 Tailored Blank의 상변태를 검토할 때 유용하다. 냉각에 취약한 부분에서는 표면에서만 마르텐사이트 상변태가 일어나는 경우가 있어 두꺼우면서 오히려 강도는 약한 부품이 만들어질 수 있기 때문이다.

채널 내 돌출된 열원의 냉각특성 실험

신지영,손영석,김상민 대한설비공학회 2004 설비공학 논문집 Vol.16 No.9

Cooling characteristics of protruding heat sources in a parallel channel with or without baffles are studied experimentally. The test section consists of two channels formed by two covers and one board made of polycarbonate which has three uniform heat source blocks. Five different cooling methods are considered to find out the most efficient cooling method in a given geometry and heat sources. The velocity and temperature of cooling medium, the temperature of the block surface are measured. The results are compared to examine the cooling characteristics of the different cooling methods.

냉각채널 형상과 유동조건에 따른 냉각채널 내압력손실에 관한 연구

윤원재(Wonjae Yoon),안규복(Kyubok Ahn) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

냉각채널의 형상과 유동조건 변화에 따른 압력손실을 알아보기 위한 연구를 진행했다. 일정한 넓이에서 높이가 달라질 때의 변화와, 일정한 높이에서 넓이가 달라질 때의 변화, 채널 내 유속이 변화할때 압력손실이 어떻게 변화하는지 수치해석과 이론식을 통해 확인하였다. 해석결과 동일한 유속임에도 채널 단면적이 증가할수록 압력손실은 줄었으며, 유속이 증가하면 압력손실은 크게 증가하였다. The study was performed to investigate pressure loss in cooling channels by channel dimensions and flow conditions using numerical analysis and theoretical equation. As a results, it is pound that pressure loss decreases as cross area of channel increases though same flow velocity in channel, and pressure loss considerably increases as fluid velocity increases in same geometry of channels.