이온교환막 연료전지용 원통형 막 가습기의 열 및 물질전달특성 기초 연구

배호준(Hojune Bae),안국영(Kook Young Ahn),이영덕(Young Duk Lee),강상규(Sang Kyu Kang),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.5

막 가습기는 다른 가습장치와는 달리, 기생 전력의 손실이 없고 가습 성능이 우수하여 이온교환막 연료전지의 외부 가습을 위해 적용되고 있다. 원통형 막 가습기는 특히 가습성능에 비해 요구 체적이 매우 작기 때문에, 수송용 및 가정용 이온교환막 연료전지에 적용된다. 막가습기의 최적 설계를 위한 열 및 물질 전달 특성에 대한 이해가 필요하지만, 아직 다양한 연구가 이루어지고 있지 않다. 본 연구에서는 원통형 막가습기의 열 및 물질 전달 특성을 이해하기 위한 특성 실험을 수행하였다. 기존의 습도 측정계는 비정상 가습 특성 실험에 한계가 있고, 정상 상태에서도 고온 다습한 환경에서는 오차가 크기 때문에 본 연구에서는 습증기 응축법을 이용하였다. 가습기의 정상상태 특성을 확인하기 위해 압력과 온도 변화에 대한 실험을 수행하였으며, 비정상 특성을 확인하기 위해 순간 유량 변화 시의 가습 성능을 측정하였다. 본 연구에서는 이상의 기초 실험을 통해서 막 가습기의 성능에 영향을 미치는 주요 인자를 확인하였으며, 원통형 막가습기의 기초적인 열 및 물질 전달 특성을 이해하였다. The proton exchange membrane (PEM) fuel cell system is critically dependent on the humidity, which should be properly maintained over the entire operating range. A membrane humidifier is used for the water management in the PEMFC because of the membrane humidifier’s reliable performance and zero parasitic power loss. In the PEMFC system, the membrane humidifier is required to provide appropriate humidity for the design point of the fuel cell. Although the performance of the fuel cell depends on the performance of the humidifier, few studies have provided a systematic analysis of the humidifier. We carry out an experimental analysis of the membrane humidifier using a vapor condensation bottle. The dry air pressure, water flow temperature, and air flow rate were chosen as the operating parameters. The results show that the time constant for the dynamic response of the membrane humidifier is relatively short, but additional analysis should be carried out.

연료전지용 가습기의 막 종류에 따른 성능 특성에 관한 해석적 연구

윤성호(Sungho Yun),변재기(Jae Ki Byun),최영돈(Young Don Choi),신종근(Jong Keun Shin) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.11

Humidifying supply gas is important to look at fuel cell performance efficiency and improvement of membrane life from the side in PEMFC. The method of humidifying gas were bubbling, water spray and enthalpy wheel. But these were complex device and difficult to install. Therefore, the study about membrane humidifier that is supplementation these weakness is currently underway. Membrane that is important part in mass transfer of membrane humidifier was used nafion membrane which was used PEMFC. However, nafion is high-priced and low moisture transfer. Therefore, in this study, we carry out the study about evaluated performance of humidifier from ε-NTU method used PDMS membrane and SPEEK membrane for improving moisture transfer. Also, moisture diffusivity variation of PDMS membrane to various effectiveness are investigated.

중공사 막 가습기의 수분 투과 해석을 위한 CFD 모델링

최유라,응웬 쑤언 린,유상석 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.4

In the PEMFC fuel cell system, proper humidity control is a major factor for maintaining the performance and durability of the cell. Therefore, a separate humidifier for humidity control is required, and a shell-and-tubes humidifier using hollow fiber membranes is mainly adopted. Water permeation of hollow fiber membranes is affected by various factors such as temperature or humidity, flow characteristics and surface area. Understanding the moisture transfer characteristics of membrane humidifiers is essential for humidity control. In this study, an Ansys Fluent® computational model was developed to understand the water vapor transfer of membranes. The water transfer was predicted from the concentration difference at both ends of the membrane, and the reliability of the analysis was secured through the experimental results and validation. The vapor transfer according to the number of membranes, air flow rate and relative humidity was discussed through the mass fraction and velocity characteristics around the membrane. 양성자 교환막 연료전지(PEMFC: proton exchange membrane fuel cell) 시스템에서 적절한 습도 제어는 전지의 성능과 내구성을 유지하기 위한 주요 인자이다. 따라서 습도 제어를 위한 별도의 가습장치를 필요로 하며, 중공사형 막을 이용한 원통 다관형 가습기가 주로 사용된다. 중공사 막의 수분 투과는 온습도, 유동 특성 및 표면적 등 다양한 인자에 영향을 받는다. 적절한 습도 제어를 위해서는 막 가습기의 수분 투과 특성 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 막의 수분 투과 특성을 이해하기 위한 Ansys Fluent® 전산해석 모델을 개발하였다. 막의 양단의 농도차부터 수분 투과를 예측하고, 실험 결과와 검증을 통해 해석의 신뢰도를 확보하였다. 막의 개수, 공기의 유량 및 상대습도 조건에 따른 수분 전달을 막 주위의 질량분율과 속도 특성을 통해 논의하였다.

막가습기와 공기극 재순환을 사용한 고분자 전해질 연료전지의 가습특성 해석

변수영(Su Young Byun),김범준(Beom Jun Kim),김민수(Min Soo Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.4

고분자 전해질막 연료전지에서 공급 기체의 가습은 연료전지의 효율과 수명 향상 측면에서 필수적이다. 기존의 고분자 전해질막 연료전지의 가습 방법으로 물 분사나 막가습기, 엔탈피 휠 등이 사용되었다. 하지만, 이러한 외부 가습 방법은 시스템 부피를 크게 하고 고출력 구간에서 가습량이 부족한 단점이 있다. 가습 장치의 효율과 전체 연료전지 시스템 효율을 높이려면, 연료전지의 고온다습한 배출기체로부터 열과 수분을 회수할 필요가 있다. 본 연구에서는 연료전지의 고온다습한 배출공기를 재순환하여 공급공기를 1 차로 가습하고 소형의 막가습기로 2 차 가습하는 복합가습에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 그리고 최적의 가습 시스템 설계를 위한 새로운 방법을 제안하였다. The humidification of reactant gases is crucial for efficiently operating PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell systems and for improving the durability of these systems. The recycle of the energy and water vapor of exhaust gas improves the system performance especially in the case of automotive application. The available humidification methods are steam injection, nozzle spray, humidification by enthalpy wheel, membrane humidifier, etc. However, these methods do not satisfy certain requirements such as compact design, efficient operation and control. In this study, a hybrid humidification system consisting of a membrane humidifier and exhaust-air recirculation units was developed and the humidification performance of this hybrid humidifier was analyzed. Finally, a new practical method for optimal design of PEM?fuel-cell humidification system is proposed.

Performance Evaluation of a Plate-Type Membrane Humidifier for PEMFC

고백균(Kho, Back Kyun),박종철(Park, JongCheol),한인수(Han, In-Su),신현길(Shin, Hyun Khil),허태욱(Hur, Tae Uk),조성백(Cho, Sungbaek) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

For optimal performance of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), the membrane electrode assembly (MEA) requires hydration, and the membrane's conductivity depends on water content. A humidifier is required to ensure that the reactant gas, usually hydrogen and air, is hydrated before entering the fuel cell. Dry membrane operation or improper hydration causes performance degradation. Typically, the humidification of a fuel cell is carried out by means of an internal or external humidifier. A membrane humidifier is applied to the external humidification of transportation or residential power generation fuel cell due to its convenience and high performance. In this study, The experiments were constructed with a plate-type membrane humidifier in terms of geometric parameters and operating parameters. The results show that the temperature and pressure, the channel length, the membrane thickness and gas flow rate are critical parameters affecting the performance of the humidifier.

입구온도 변화가 중공사형 나피온 막가습기의 성능에 미치는 영향에 대한 연구

황준영(Jun Young Hwang),장효선(Hyosun Chang),강경태(Kyungtae Kang),강희석(Heuiseok Kang) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.4

실험과 수치해석을 이용하여 차량용 PEMFC 시스템의 공기 공급부 운전환경에 따른 막 가습기의 성능 특성에 대한 연구를 수행하였다. Nafion 막을 이용한 Shell-and-Tube 형 막가습기의 입구온도변화에 따른 열 및 물 전달 특성에 알아보기 위한 실험을 수행하였으며, 이로부터 가습기 막을 통한 물전달 성능이 입구 온도에 대하여 비선형적으로 변화하는 특성을 확인하였다. Nafion 막의 물전달 계수를 경계면의 온도와 상대습도의 함수로서 모델링하여 단일 튜브형 막에 대한 수치해석을 수행하였으며, 해석결과를 실험 결과와 비교하였다. 막을 통한 국소물질량유속 분포가 튜브 내에서 급격하고도 비선형적으로 변화하는 해석 결과를 얻을 수 있었으며, 이로부터 입구 온도가 가습기 성능에 미치는 영향을 논의 하였다. The effect of an increase in the temperature of inlet air on the performance of a membrane humidifier for a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) vehicle was investigated both experimentally and numerically. A shell-and-tube type gas-to-gas humidifier with Nafion membrane was tested. The experimental result showed that water transfer varies nonlinearly with the temperature elevation. Numerical analysis based on detailed modeling was also conducted in simplified geometry of a single tube to explain this nonlinear behavior. The simulation revealed that the local water flux varies nonlinearly and dramatically along the tube. The analysis was based on the inverse relationship between the increase in temperature and decrease in relative humidity, both of which seriously affect the water conductivity of the membrane.

PEMFC시스템의 공기 공급 온도 변화에 따른 중공사형 나피온 막가습기의 성능특성

윤재은(Yoon, Jae-Eun),장효선(Jang, Hyo-sun),황준영(Hwang, Jun-Young),강경태(Kang, Kyung-Tae) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

Maintaining proper membrane humidity is crucial to ensure optimal operation of a PEMFC system. A gas-to-gas membrane humidifier is popular technology for external humidification of PEMFC reactant gases. Characteristics of heat and water transfer in shell-and-tube Nafion membrane humidifiers has been experimentally investigated for various dry side inlet temperature of membrane humidifier. The results show that heat flux decreases linearly with dry side inlet temperature of membrane humidifier. The water flux through the membrane varies nonlinearly with the temperature elevation.

고분자전해질연료전지용 판형막가습기 성능 평가

고백균(Kho, Back Kyun),박종철(Park, JongCheol),임종구(Lim, Jongkoo),권기욱(Kwon, Ki Wook),신현길(Shin, Hyun Khil),허태욱(Hur, Tae Uk),조성백(Cho, Sungbaek) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

고분자전해질연료전지(PEMFC)의 성능은 고분자막의 이온전도도에 따라 큰 영향을 받으며 가습조건에 따라 연료의 수화정도에 비례하여 증가하는 경향을 보인다. 현재 고분자막을 가습하는 방법에는 여러 가지가 있는데, PEMFC에 많이 사용되고 있는 Bubbler 형태의 가습장치는 고온이 필요하며 가습 효율이 수동적인 단점을 가지고 있다. 이에 비해서 막을 이용한 가습방법은 스택의 냉각시스템을 이용하여 가습 시, 별도의 에너지가 필요하지 않다. 이에 본 연구에서는 비교적 저온에서도 가습 효율이 증대하고 시스템 간소화의 장점을 가진 막가습기를 제작하여 고분자전해질 연료전지에서 열 및 습도조절에 대한 효율성을 비교 연구하였다. 막가습기에 사용된 가습막의 두께에 따른 가습도 변화 및 유로 구조에 따른 압력강화를 관찰하였으며 막가습기를 판형 모듈 형태로 제작하여 고분자전해질연료전지에 적용하여 성능을 평가하였다.

수송용 연료전지 시스템 적용을 위한 기체-기체 막가습기 구조 최적화

이무석,김경주,신용철,김동현,서상훈,김현유 한국수소및신에너지학회 2010 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.21 No.2

In this study, the structural analysis was performed to optimize the membrane humidifier with hollow fiber membrane for polymer electrolyte membrane fuel cell system. The main design factors were considered by evaluating the humidifying performance according to various structural parameters such as packing density and length. The effects of operation conditions of membrane humidifier were also elucidated experimentally. Results imply that there are optimum points for the packing density and length of humidifier. It was also found that among operation conditions, relative humidity of wet exhaust gas and temperature of dry inlet gas have major effects on the humidifying performance.

중공사형 막 가습기의 선택적 수분투과 특성

박다인(Da In Park),채종민(Jongmin Chae),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.9

중공사형 막 가습기는 수분 투과 특성 성능이 우수하고 크기가 작아 수소 연료 전지 자동차의 공기극 가습용으로 사용되고 있다. 막의 수분 투과 특성은 중공사형 막 가습기의 중요한 특성으로, 주요 영향 인자에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 막 가습기의 성능에 영향을 미치는 다양한 인자와 수분 투과율 사이의 상관관계를 확인하기 위한 전산 해석을 수행하였다. 중공사형 막 가습기는 원통중공관형 물질교환기의 형상을 선정하였으며, 3차원 대칭 구조 격자를 이용하였다. 입구 온도 조건과 가습조건, 양 단의 유량 조건을 변경하면서 전산해석을 진행하였고, 또 평행류와 대향류 유동 배열에 대한 특성도 확인하였다. 그 결과, 대향류 유동이 물질 전달에 유리하며, 습공기의 온도 및 유량이 건공기 보다 높을 경우 수분 투과 효율이 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 유동 방향, 유량, 온도 조건 중에 온도 조건이 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. The hollow fiber membrane humidifier has excellent moisture permeability characteristics and is small in size, and is used for air electrode humidification of a hydrogen fuel cell vehicle. Moisture permeability of membranes is an important characteristic of hollow fiber membrane humidifiers. In this study, numerical analysis was performed to confirm the correlation between various factors affecting performance of membrane humidifier and water permeability. In the hollow fiber membrane humidifier, the shell and tube material exchanger was selected and a 3-dimensional symmetric structure grating was used. Computational analysis was performed while changing the inlet temperature, humidification condition, and flow rate condition of both ends. Also, characteristics of parallel flow and counter flow arrangement were confirmed. As a result, it was confirmed that the counter flow is advantageous for mass transfer and the water permeation efficiency is improved when the temperature and the flow rate of the humidifier are higher than the dry air. Also, it was confirmed that the temperature condition had the greatest influence on flow direction, flow rate and temperature condition.