고체산화물 연료전지의 유동방향에 따른 온도 균일성 영향

전동협(Dong Hyup Jeon),신동열(Dong-Ryul Shin),유광현(Kwang-Hyun Ryu),송락현(Rak-Hyun Song) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.10

공개소스 전산유체 해석 라이브러리인 OpenFOAM을 이용하여 음극 지지체형 고체산화물 연료전지의 온도균일성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지 유형의 유동흐름(병행류, 대향류, 직교류)에 대하여 수치해석이 이루어졌다. 다공성 물질내에서의 기체의 흐름은 유효확산계수를 이용하여 계산하였고 분리판의 리브 영향도 고려하였다. 전기화학반응의 계산을 위하여 실험식으로부터 얻은 집중내부저항 모델이 사용되었다. 수치해석 결과 대향류가 가장 균일한 온도분포를 나타내었다. We investigated the temperature uniformity in an anode-supported solid oxide fuel cell, using the open source computational fluid dynamics (CFD) toolbox, OpenFOAM. Numerical simulation was performed in three different flow paths, i.e., co-flow, counter-flow, and cross-flow paths. Gas flow in a porous electrode was calculated using effective diffusivity while considering the effect of interconnect rib. A lumped internal resistance model derived from a semi-empirical correlation was implemented for the calculation of electrochemical reaction. The result showed that the counter-flow path displayed the most uniform temperature distribution.

다공성 전극 내 전해액 함침성에 따른 리튬이온전지의 전기화학 성능

전동협(Dong Hyup Jeon) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.6

리튬이온전지의 전극 내 발생하는 전해액 함침성이 전지성능에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 상용유한요소 해석 프로그램을 이용하여 전해액 함침도에 따른 방전용량을 관찰할 수 있는 전기화학 모델을 개발하였다. 전산 모사의 결과는 실험결과와 유사한 경향을 보이며, 전기화학 모델을 이용하여 양극과 음극에서의 함침도에 따른 성능변화를 알아보았다. 그 결과, 양극에서의 함침도가 전지성능에 미치는 영향이 크며, 음극에서의 함침도가 전지성능에 미치는 영향은 미미하였다. 하지만 음극에서의 불충분한 전해액 함침은 전지의 안전성과 수명열화에 영향을 주므로 설계시 주의가 요구된다. The effect of electrolyte wetting in the electrode of a lithium-ion battery on cell performance was studied. An electrochemical model that enables determining discharge capacity according to electrolyte wettability was developed using a commercial finite element analysis program. The result of numerical simulation was in good agreement with the result of experiment. Using the developed electrochemical model, the variations of cell performance were investigated for different wettability of the cathode and anode. The effect of wettability on the cathode was significant, whereas that on the anode was small. However a substantial consideration should be given for designing a lithium-ion battery because insufficient wetting on the anode may affect the safety and degrades the cycle life.

회전 실린더의 편심이 테일러-쿠에트 유동에 미치는 영향

전동협(Dong Hyup Jeon) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.2

테일러 반응기 내 회전 실린더의 편심에 따른 테일러-쿠에트 유동의 영향을 알아보기 위하여 전산유체해석을 수행하였다. TTVF 영역에서 편심 변화에 따른 유동 특성과 전단률 분포를 알아보았다. 편심 발생 시 비대칭적 유동 분포와 불안정한 테일러 와류가 형성되었다. 편심이 커질수록 유동의 비대칭성이 커지고 외부 실린더 표면에 높은 압력이 분포되었으나 테일러 와류의 개수에는 변화가 없었다. 편심비가 60%인 경우, 테일러 와류가 사라지고 불규칙한 유선이 나타났다. We conducted a computational fluid dynamics simulation to understand the effect of the eccentricity of a rotating cylinder on the Taylor-Couette flow in a Taylor reactor. We investigated the flow characteristics and shear rate distributions at the TTVF region according to the variation of eccentricity. When the eccentricity occurs, an asymmetric flow distribution and unstable Taylor vortex appear. As the eccentricity increases, the asymmetry of the flow increases and high pressure is distributed at the surface of the outer cylinder, however, the number of Taylor vortices does not change. When the eccentric ratio is 60%, the Taylor vortices disappear and irregular streamlines are observed.

격자 볼츠만법을 이용한 리튬이온전지의 활물질 혼합비에 대한 함침성의 영향

전동협(Dong Hyup Jeon) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.1

격자 볼츠만법을 이용하여 리튬이온전지의 전극 내 발생하는 전해액 함침 현상에 관하여 연구하였다. 최근 리튬이온전지는 용량 증가 및 에너지밀도 향상을 위하여 전극 설계시 활물질에 미세입자를 혼합하고 있어, 이로 인하여 전해액 함침성에 영향을 미치게 될 수 있다. 본 연구에서는 활물질 혼합율에 따른 전해액 분포와 포화도 변화를 알아보았다. 활물질 혼합비의 변화는 전극 내 전해액 함침 메커니즘에 영향을 주어, 전해액 함침속도와 함침도가 변화함을 확인하였다. The electrolyte wetting phenomena occurring in the electrode of lithium-ion battery was studied using lattice Boltzmann method (LBM). Recently, lithium-ion batteries are being mixed with small particles on the active material to increase the capacity and energy density during the electrode design stage. The change to the mixing ratio may influence the wettability of electrolyte. In this study, the changes in electrolyte distribution and saturation were investigated according to various mixing ratios of active material. We found that the variations in mixing ratio of active material affect the wetting mechanism, and result in changes to the wetting speed and wettability of electrolyte.

격자 볼츠만법을 이용한 다공성 구조체에서의 상승 기포 동역학 연구

전동협(Dong Hyup Jeon) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.2

격자 볼츠만법을 이용하여 다공성 구조체에서의 기포 이동 현상에 관하여 연구하였다. 최근 수전해 기술이 관심을 받으며, 성능 및 에너지 밀도 향상을 위하여 다공성 전달층에서의 기포 이동 현상에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 다공성 전달층에서 기포 상승에 따른 기포 분포와 기포 부피 변화를 알아보았다. 또한 Eo 수와 초기 기포 크기 변화에 따른 기포 거동 영향도 고찰하였다. The bubble transport phenomena in a porous structure was studied using lattice Boltzmann method. While water electrolysis technology has recently received much attention, the study of bubble transport phenomena in a porous transport layer is being conducted actively to increase performance and energy density. In this study, the variations of bubble distribution and volume change were investigated according to the bubble rising through a porous transport layer. We also investigated the effect of Eo and initial bubble size on the bubble behavior.

SEI 성장 모델을 이용한 리튬 이온 배터리의 캘린더 노화 연구

전동협 ( Dong Hyup Jeon ),채병만 ( Byungman Chae ),이상우 ( Sangwoo Lee ) 한국공업화학회 2024 공업화학 Vol.35 No.1

전기화학 기반의 SEI 성장 모델을 이용하여 리튬이온 배터리의 캘린더 노화 및 장기 수명을 예측하였다. 네 가지 유형의 장기 SEI 성장 모델(용매 확산 제한 모델, 전자 이동 제한 모델, 리튬-간극 확산 제한 모델, 반응 제한 모델)을 적용하여 수치해석이 이루어졌고, 캘린더 에이징 동안의 용량 감소와 리튬 재고 손실을 계산하였다. 수치해석 결과, 전자 이동 제한 모델과 리튬-간극 확산 제한 모델이 낮은 용량 감소를 보였으며, 용매 확산 제한 모델과 반응 제한 모델은 10년이내에 80%의 용량 감소를 보였다. 캘린더 노화 중 저온 보관 시 SEI의 성장을 저하시켜 용량 감소가 적었다. 사이클링 중 C-rate가 증가할수록 SEI 두께 증가로 수명 하락이 크게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. We predicted the calendar aging and long-term lifetime of lithium-ion batteries using an electrochemical-based SEI growth model. Numerical simulation was carried out employing the four different long-term SEI growth models (i.e., solvent diffusion limited model, electron migration limited model, Li-interstitial diffusion limited model, reaction limited model), and we calculated the capacity fade and loss of lithium inventory during calendar aging. The result showed that the electron migration limited model and Li-interstitial diffusion limited model showed lower capacity fade, while the solvent diffusion limited model and reaction limited model reached 80% of capacity fade within 10 years. During calendar aging, the lower storage temperature showed less capacity fade due to the hindrance of SEI growth rate. During cycling, the higher C-rate showed a shorter life cycle; however, the differences were not significant.

PEM연료전지에서 유로형상 변화에 따른 수치해석적 연구

전동협(Dong Hyup Jeon),김병문(Byung Moon Kim),남진현(Jin Hyun Nam) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2012 No.5

A lab-scale proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is investigated at automotive operating condition. The comparison of the straight-parallel and serpentine PEMFCs is carried out with detailed description of these flow-field configurations. A three-dimensional model was developed taking into account the electrochemical reaction and the evaporation/condensation of water which can influence on the overall flow field. The straight-parallel PEMFC has considerably low internal pressure drop which is beneficial to automotive application. Non-uniform temperature and current density due to flow maldistribution are identified as a challenge to the straight-parallel PEMFC.

고체산화물 연료전지에서 가스채널/리브 폭의 영향에 관한 연구

전동협(Dong Hyup Jeon),신동열(Dong-Ryul Shin),유광현(Kwang-Hyun Ryu),송락현(Rak-Hyun Song) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.2

전산유체해석(CFD) 기법을 이용하여 음극 지지체형 고체산화물 연료전지(SOFC)에 대한 수치해석을 수행하였다. 평판형 구조의 SOFC 에서 가스채널과 리브폭 변화에 따른 성능과 온도균일성에 관한 연구가 이루어졌다. 전산해석 툴로서는 공개소스 전산유체해석 툴박스인 OpenFOAM 을 이용하였다. 수치해석결과, 산소고갈이 일어나지 않는 범위 내에서 가스채널과 리브폭의 증가는 성능과 온도 균일성에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 하지만 넓은 리브폭의 사용과 고전류밀도에서의 작동은 산소 고갈로 인한 성능저하의 가능성이 있음을 확인하였다. Using the computational fluid dynamics (CFD) technique, we performed a numerical simulation in anodesupported solid oxide fuel cell (SOFC). The effect of gas channel/rib width on the cell performance and temperature uniformity was investigated in planar type SOFC. The open source CFD toolbox, OpenFOAM, was used as a numerical analysis tool. As a result, the effect of gas channel/rib width on the cell performance and temperature uniformity was not significant if the oxygen depletion is not occurring. On the other hand, the usage of a wide rib and operation at high current density may lead to performance degradation due to oxygen depletion.

격자 볼츠만법을 이용한 리튬이온전지의 전극내 전해액 함침현상에 관한 수치적 연구

이상건(Sang Gun Lee),전동협(Dong Hyup Jeon) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.4

리튬이온전지의 다공성 전극내에서 전해액 주입 후 발생하는 함침현상에 관하여 격자 볼츠만법을 이용하여 수치해석적으로 연구하였다. 다공성 전극은 전극 제조 중 압연공정을 거치므로 압축된 전극의 공극률과 두께변화가 발생하여 전해액 함침성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 2 차원 격자 볼츠만법을 통하여 압축률에 따른 전해액 분포와 포화도 변화를 제시하였다. 압축된 전극에서의 전해액 침투경로의 변화는 기공의 두께방향 크기 감소에 기인하며, 따라서 전극의 함침성이 크게 감소하였음을 확인하였다. The electrolyte wetting phenomena in the electrode of lithium ion battery is studied numerically using a multiphase lattice Boltzmann method (LBM). When a porous electrode is compressed during roll-pressing process, the porosity and thickness of the compressed electrode are changed, which can affect its wettability. In this study, the change in electrolyte distribution and degree of saturation as a result of varying the compression ratio are investigated with two-dimensional LBM approach. We found that changes in the electrolyte transport path are caused by a reduction in through-plane pore size and result in a decrease in the wettability of the compressed electrode.

테일러 반응기 내의 입자응집과 분해에 관한 수치 연구

이승훈(Seung Hun Lee),전동협(Dong Hyup Jeon) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.6

전산유체역학(CFD)을 이용하여 테일러 반응기 내 입자간 응집과 분해반응을 고려한 유동해석을 수행하였다. 입자크기분포를 파악하기 위하여 모멘트 적분법(QMOM)을 이용하여 집합체 균형방정식(Population Balance Equation)을 계산하였다. 초기 여섯 개의 모멘트를 이용하였으며, 응집커널은 Brownian kernel 과 turbulent kernel의 합을, 그리고 분해커널은 멱법칙 커널(power-law kernel)을 사용하였다. 입자의 초기 부피분율에 따른 최종 입자크기를 예측하였다. 그 결과, 초기 부피분율이 증가할수록 입자의 크기와 초기 성장속도가 증가하는 것을 확인하였다. Using the computational fluid dynamics (CFD) technique, we simulated the fluid flow in a Taylor reactor considering the aggregation and breakage of particles. We calculated the population balance equation (PBE) to determine the particle-size distribution by implementing the quadrature method-of-moment (QMOM). It was used that six moments for an initial moments, the sum of Brownian kernel and turbulent kernel for aggregation kernel, and power-law kernel for breakage kernel. We predicted the final mean particle size when the particle had various initial volume fraction values. The result showed that the mean particle size and initial growth rate increased as the initial volume fraction of the particle increased.