3차원 비정상 유동해석을 통한 작동 조건, 막 두께, GDL의 다공도가 전기화학적 수소 압축기의 수화도 및 전력 소모에 미치는 영향 = Effect of Operating Conditions, Membrane Thickness and GDL Porosity on Water Content and Power Consumption of Electrochemical Hydrogen Compressor by 3D Unsteady CFD Simulation

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 국소적인 부분의 고분자 전해질 막으로 이루어진 전기 화학적 수소 압축기의 온도, 상대 습도, 막 두께, 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)의 다공도 등이 압축 효율에 미치는 영향에 관한 연구를 진행하였다. EHC는 연료전지와 같은 전기화학적 반응을 통해 수소를 환원극으로 전달하여 압축 및 정제가 가능하다.
EHC의 효과적인 활용을 위해서는 낮은 손실이 필요하기 때문에 이번 연구는 여러 가지 작동 변수를 통한 손실 중 막의 수화와 관련 있는 오믹 손실에 대한 효과를 알아보기 위해 진행되었다. EHC에서 성능에 가장 큰 변화를 미치는 것은 막의 물 관리이다. 막은 너무 건조하거나 과수화가 일어날 경우 성능 저하가 필연적이다. 또한 산화,환원극의 압력차가 클 경우 수소의 역확산 또한 일어나 생산 효율을 저하시킬 수 있다. 막의 수화가 빠를수록 막의 전도도는 증가하여 오믹 저항을 감소시키며 오믹 손실을 빠르게 최소화가 가능하다.
이전의 연구는 실험을 통해서는 막의 변화를 시각적으로 관찰하지 못하였고 시뮬레이션을 통해 해석한 경우에는 Steady 상태에서의 Water Content가 일정한 상태에서의 관찰만 가능하였다. 본 논문은 국소적인 EHC의 3차원 모델링을 진행하였고 시간에 따른 압축 시뮬레이션을 통해 온도, 상대 습도, 막 두께, GDL의 다공도 등 각각의 변수에 따른 압축 과정에서의 시간에 따라 나타나는 막 투과도, 막 수화, 압축량 등의 변화들을 확인하고 효율적인 압축 방법에 관하여 분석을 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper studied the effect of the temperature, relative humidity, film thickness, and porosity of the gas diffusion layer (GDL) on the compression efficiency of the electrochemical hydrogen compressor consisting of a polymer electrolyte membrane in a local part. EHC can compress and purify hydrogen by transferring it to the reducing electrode through an electrochemical reaction such as a fuel cell.
Since low loss is required for effective utilization of EHC, this study was conducted to find out the effect on ohmic loss related to the signification of membranes through various operating variables. The biggest change in performance in EHC is membrane water management. If the membrane is too dry or overhydrated, performance degradation is inevitable. In addition, when the pressure difference between the oxidation and reduction electrodes is large, hydrogen may also be reversely diffused, thereby lowering production efficiency. The faster the membrane hydration, the higher the membrane conductivity, which reduces the ohmic resistance and can quickly minimize ohmic loss.
Previous studies did not visually observe the membrane change through experiments, and in the case of simulation, only the water content in the steady state could be observed. This paper conducted a three-dimensional modeling of local EHC and examined changes in membrane permeability, membrane hydration, and compression according to each variable, such as temperature, relative humidity, membrane thickness, and porosity of GDL, and analyzed the efficient compression method.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 전기화학적 수소압축기 모델링 5
• 2.1 3차원 모델링 5
• 2.2 지배 방정식 및 수식 7
• 2.3 모델 적합성 12
• 2.3.1 CFL Number 12
• 2.3.2 격자 의존성 14
• 2.4 파라미터 15
• 3. 결과 및 고찰 16
• 3.1 작동온도 변수에 따른 결과 비교 및 분석 16
• 3.2 작동 상대 습도 변수에 따른 결과 비교 및 분석 30
• 3.3 다공도 변수에 따른 결과 비교 및 분석 37
• 3.4 막 두께 변수에 따른 결과 비교 및 분석 40
• 4. 결론 46
• 참고문헌 47
• 영문초록 48