5kW PEMFC의 2차 열교환기 시스템 설계 및 열회수 능력 분석

국문 초록 (Abstract)

근래에 들어서 대체에너지 중 연료전지가 쟁점이 되고 있다. 그중에 연료전지 내부의 열에 관해서 연구를 진행하였다. 연료전지를 구동할 때 폐열과 물을 방출하는데, 이때 초기 열은 스택 내부에 쌓이게 된다. 이렇게 장시간 고온에 노출된 연료전지는 당연히 모든 면에서 좋은 모습이 되질 못 한다. 따라서 열교환기를 연료전지에 추가 설치하여 열회수를 통한 CHP(Combined Heat and Power: 열병합 발전) 시스템을 구성하여 보았다.
연료전지가 열교환기 시스템의 외부 수조에 얼마나 많은 열의 양을 전달할 수 있는지를 확인해보고, 전달된 수조 내부의 물이 생활 온수로 적합 여부를 확인해보았다. 열교환기 수치해석에 필요한 무차원수인 Reynolds Number(Re), Prandtl Number(Pr), Dean Number(De), Nusselt Number(Nu)는 각 상황에 맞는 계산식을 이용하였고, 전체 열전달 계수인 U를 구하여 각 매개변수를 비교하여 보았다.
2차 외부 열교환기의 냉각에 대한 열효율을 해석하였고, 최종적으로 열교환을 마친 열교환기의 외부 수조의 온도를 측정하는 것을 중점으로 두었다. 실험하기에 앞서 수치해석에 필요한 매개변수를 찾기 위해 초기 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 시뮬레이션 결과로 수치해석을 진행하였다. 수치해석에서 나온 결과는 다른 문헌들과 비교가 될 수 있었고, 비교된 결과는 제작된 2차 열교환기의 성능 및 효율에 대해 찾을 수 있었다. 시뮬레이션 결과를 통해 2차 외부 열교환기의 수조의 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 생활온수로 사용 가능한지 1차 확인을 할 수 있었고, 실험을 통해 확실한 증명을 진행하였다. 또한 연료전지를 이용함과 동시에 CHP를 구축할 수 있다는 사례보고로 확인할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, fuel cells among alternative energy sources have become an issue. Among them, a study was conducted on the heat inside the fuel cell. When running a fuel cell, waste heat and water are released, and the generated heat accumulates inside the stack. Fuel cells that have been exposed to such high temperatures for a long period of time are not, of course, well-behaved in every way. Therefore, we installed additional heat exchangers in the fuel cell to construct a CHP (Combined Heat and Power) system through heat recovery.
We checked how much heat the fuel cell could deliver to the external tank of the heat exchanger system and checked whether the water inside the tank was suitable for domestic hot water. For the numerical analysis of the heat exchanger, Reynolds Number (Re), Prandtl Number (Pr), Dean Number (De), and Nusselt Number (Nu) were used for each situation and the total heat transfer coefficient, U was used.
The thermal efficiency of the cooling of the secondary external heat exchanger was analyzed and the temperature of the external water tank of the heat exchanger after the heat exchange was finally measured. Prior to the experiment, the simulation was carried out to find the parameters required for the numerical analysis, and numerical analysis was carried out as a result of the simulation. The results of the numerical analysis could be compared with other literature, and the comparative results were found about the performance and efficiency of the fabricated secondary heat exchanger. From the simulation results, it was confirmed that the temperature of the water tank of the secondary external heat exchanger rises. It can be confirmed that the developed system can be used as a hot water in the living, and test was conducted to probable water use. In addition, it can also be confirmed by this thesis that the CHP can be built into the fuel cell.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• (국문 초록)
• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 연구 목적 2
• 2. 이론적 배경 3
• 가. 연료전지 메커니즘 3
• 나. 열교환기 메커니즘 8
• 1) 헬리컬코일 열교환기 해석 8
• 2) 헬리컬코일 외부 수조 해석 10
• 3. 2차 외부 열교환기 14
• 가. 2차 외부 열교환기 제작 14
• 나. 2차 외부 열교환기 시뮬레이션 19
• 4. 실험 결과 및 고찰 30
• 가. 실험 방법 30
• 나. 실험 결과 35
• 1) 헬리컬코일 열교환기 해석 35
• 2) 수조 내부 물의 해석 38
• 5. 결론 42
• 참고문헌
• 영문초록