0차원, 유사 2차원, 3차원 모델링을 통한 온도, 습도, 압력 및 고분자 전해질 막 두께가 전기화학적 수소압축기의 성능에 미치는 영향 연구 = Effect of temperature, humidity, pressure and polymer electrolyte membrane thickness on the performance of the electrochemical hydrogen compressor by 0-D, pseudo 2-D, 3-D modeling

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 고분자 전해질 막으로 만들어진 전기화학적 수소 압축기(Electrochemical Hydrogen Compressor, EHC)에 대한 연구를 다루고 있다. EHC는 전기화학 반응을 통해 산화극에 저압의 수소를 공급하고 환원극에서 고압의 수소로 환원하여 저장할 수 있게 해준다.
EHC는 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 첫째는 산화극에만 물이 공급되고 환원극에는 물이 직접적으로 공급되지 않기 때문에 고분자 전해질 막의 건조 또는 과수화가 일어나 성능 저하가 발생하고, 그로 인해 물관리가 필요하다는 점이다. 두 번째는 환원극과 산화극간의 큰 압력차로 인해 수소 막 투과 현상이 발생하여, 수소 생산 효율의 저하가 발생한다는 점이다. 그리고 이러한 문제점들로 인해 전기화학적 수소압축기의 성능이 변하게 된다는 것이 다양한 연구들에서 파악되었다.
본 논문은 EHC에서 발생하는 문제점들로 인한 성능 변화를 구체적으로 파악하기 위해 0차원, 유사 2차원, 3차원으로 모델링을 진행했다. 그리고 온도, 압력, 상대 습도와 같은 다양한 작동 조건들과 고분자 전해질 막의 두께의 변화에 따른 성능을 해석하였다. 성능 변화의 원인은 투과도와 막의 물 함량의 변화에 따른 것이라고 판단하였다. 따라서 이 두 가지 주안점에 관점을 두어 조건에 따른 성능 분석을 진행했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, the electrochemical hydrogen compressor (EHC) made of a polymer electrolyte membrane was studied. EHC enables storage by reducing low-pressure hydrogen at the anode to high-pressure hydrogen at the cathode by electrochemical reaction.
EHC has several problems. First, since water is supplied only to the anode and not directly to the cathode, the polymer electrolyte membrane is dried or overhydrated, which leads to deterioration in performance, which requires water management. Second, a hydrogen membrane crossover phenomenon occurs due to a large pressure difference between the anode and the cathode, resulting in a decrease in hydrogen production efficiency. And it has been identified in various studies that the performance of the electrochemical hydrogen compressor is changed due to these problems.
In this paper, 0-dimensional, pseudo-2-dimensional, and 3-dimensional modeling was carried out in order to understand the performance change caused by problems occurring in EHC in detail. And the performance according to various operating conditions such as temperature, pressure, and relative humidity and the change in the thickness of the polymer electrolyte membrane was analyzed. It was determined that the cause of the performance change was due to the change in permeability and the water content of the membrane. Therefore, the performance analysis according to the conditions was conducted focusing on these two main points.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 전기화학적 수소압축기 모델링 5
• 2.1 0차원 모델링 5
• 2.2 유사 2차원 모델링 10
• 2.3 3차원 모델링 15
• 3. 결과 및 고찰 19
• 3.1 0차원 모델링 해석 및 고찰 19
• 3.1.1 0차원 모델에서 작동 온도에 따른 성능 분석 19
• 3.1.2 0차원 모델에서 작동 압력에 따른 성능 분석 21
• 3.1.3 0차원 모델에서 상대 습도에 따른 성능 분석 22
• 3.1.4 0차원 모델에서 고분자 전해질 막의 두께에 따른 성능 분석 23
• 3.2 유사 2차원 모델링 해석 및 고찰 24
• 3.2.1 유사 2차원 모델에서 작동 온도에 따른 성능 분석 25
• 3.2.2 유사 2차원 모델에서 작동 압력에 따른 성능 분석 27
• 3.2.3 유사 2차원 모델에서 상대 습도에 따른 성능 분석 30
• 3.2.4 유사 2차원 모델에서 고분자 전해질 막의 두께에 따른 성능 분석 32
• 3.2.5 0차원 모델과 유사 2차원 모델의 비교 34
• 3.3 3차원 모델링 해석 및 고찰 36
• 3.3.1 3차원 모델에서 작동 온도에 따른 성능 분석 36
• 3.3.2 3차원 모델에서 작동 압력에 따른 성능 분석 39
• 3.3.3 3차원 모델에서 상대 습도에 따른 성능 분석 41
• 3.3.4 3차원 모델에서 고분자 전해질 막의 두께에 따른 성능 분석 44
• 3.3.5 유사 2차원 모델과 3차원 모델의 비교 49
• 4. 결론 54
• 참고문헌 56
• 영문초록 58
• 감사의 글 60
• < List of Table >
• 표 1. 0차원 모델 사용 변수 5
• 표 2. Kyung Don Baik등과 Ashish Chohan등의 연구와의 수소 투과율 비교 8
• 표 3. 유사 2차원 모델 추가 사용 변수 12
• 표 4. 3차원 모델 추가 사용 변수 16
• 표 5. G.Sdanghi등의 실험결과와 3차원 단일 직선 유로 해석의 결과값 비교 18
• 표 6. 0차원 모델 작동 조건 19
• 표 7. 유사 2차원 모델 작동 조건 24