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Dynamics >>23
New simulation tool for solid oxide fuel cell design
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells(PEMFCs)는 자동차 응용분야에서 가장 장래성 있는 연료 전지입니다. PEMFC에서의 가스유동의 가습은 내구성을 향상시키고 전력 밀도를 증가시키는 데 있어서 중요한 역할을 합니다. 이를 달성할 수 있는 길은 배기가스 유동에서 흡기가스 유동까지의 수증기의 선택적인 수송에 있습니다. Ionomer(Nafion) 혹은 다공성 중합체와 같은 다른 재료도 사용 가능합니다.
Fig. 1: Normalized
mass transfer between wet and dry side plotted against dry side
inlet temperature.
Fig. 2: Normalized wet side outlet
temperatures plotted against normalized dry inlet temperatures.
At the lowest dry side inlet
temperature water vapor condensation
occurs leading to a higher wet side outlet temperature compared
to the trend.
Gas
humification units
Fig. 3: Distribution
of water vapor mass fraction on wet and dry side at the highest
dry side inlet temperature. The arrows
depict
the position of the inlets and outlets on either side.
Fig. 4:
Distribution of volumetric mass transfer rate on wet and dry side
at the highest dry side inlet temperature. The arrows
depict
the position of the inlets and outlets on either side.
상업적으로 사용되는 Humification 장치는 튜브로 차 있는 실린더와 같은 것이 있습니다. 튜브 안에는 건조 가스가 Stack으로 흘러가고 있습니다. 이 가스유동의 수분성분은 증가될 것입니다. Stack으로부터의 습한 가스는 튜브 주위로 흘러갑니다. 이 가스는 부분적인 수증기 압력의 차이로 인해막으로 된 재료 바깥에 만들어져 있는 튜브의 벽을 통해 교환됩니다.
비대칭의 다공성 막 재료는 0.5nm보다 작은 미세공을 가진 얇고 조밀한 층으로 이루어져 있습니다. 이 층의 두께는 1 µm 이하이며, 일반적으로 2배 크기의 두께를 가진 수송층에 의해 지지됩니다[1]. 작은 미세공의 크기로 인해 수증기의 모세관 응축이 얇은 층에서 발생합니다. 그러므로 다른 가스의 침투는 차단됩니다. 따라서, 이 얇은 층은 선택적인 수증기 수송과 관련되어 있습니다.
Meshing
and model strategy
거대한 격자를
피하기 위해 실린더의 Heat 및 Mass Transfer가 발생하는 Volume은 다공성
매체로 가정되었습니다. 이 방법은 또한 열교환기의 시뮬레이션에도
사용됩니다. Contact Volume에서의 건조 및 습한 가스를 분리하기 위해
Cell은 복제되고 다른 유체에 지정됩니다. 따라서, 가스 흐름은 다른
것들과 상호작용하지 않습니다.
이러한 접근은 User Subroutine에서 Heat 및 Mass Transfer를 다루는 것이 필요합니다. Mass Transfer를 위한 모델은 얇은 층에서의 모세관 응축에 대한 고려 하에서의 Convection/Diffusion Transport Mechanism에 기본을 두고 있습니다. Heat는 튜브 벽을 통하여 엔탈피 교환 및 전도에 의해 전달됩니다.
더우기, 튜브 벽에서의 수증기 응축에 대한 영향은 반드시 고려하여야합니다. 열전도와 엔탈피의 전달에 의해 습한 쪽이 냉각됩니다. 습한 가스쪽에서의 국부적 포화압력이 수증기 부분 압력보다 낮아진다면, 응축이 일어납니다. 이러한 상황에서, Nusselt Water Skin Theory에 의해 지배됩니다. 질량의 전달은 다공성 벽이 물로 포화되어 진행됩니다. 응축은 건조한 쪽에서의 난은 온도를 가진 건조 및 습한 쪽의 상당한 입구 온도 차이에 의해 발생됩니다.
Comparison
with experiments
Heat & Mass
Transfer Mechanism의 달성 후에 알려지지 않은 재료의 파라메터(다공성,
비틀림, 막 재료의 열전도도 등)는 질량유동률과 건조 및 습한쪽의 출구
온도를 실험 결과와 맞춤으로써 결정되어야 합니다. 테스트 형상으로써
실린더 1개를 사용하였습니다. 입구 및 출구의 위치로 인해, 적당한
Symmetric Boundary Condition을 가진 60° 각도의 실린더를 고려하는
것이 필요합니다.
그림 1은 파라메터를 맞춘 후의 실험값과 계산된 Normalized Mass Transfer Rate를 비교한 것입니다. Normalized Mass Transfer Rate는 건조한 쪽의 Normalized된 입구 온도에 대해 그려졌습니다. 수치해석값과 실험값과의 차이는 5% 미만이었습니다.
습한 쪽 출구 온도의 실험값에 대한 비교는 그림 2에 나와있습니다. 차이는 커졌으나 건조한 쪽의 최저 입구 온도에서의 경향은 정확하게 나타났습니다. 습한 쪽의 출구 온도의 감소는 수증기 응축에 의해 천천히 나타났습니다. 응축에 의해 방출된 열은 건조 및 습한 가스 둘다 Additional Energy Source Heating입니다.
그림 3과 4는 수증기의 Mass Fraction 및 가장 높은 건조한 측의 입구 온도에서의 Volumetric Heat & Mass Transfer Rate 분포를 나태냅니다. 수증기의 Mass Fraction은 건조한 쪽의 입구에서 출구로의 축방향에서 연속적으로 증가함을 볼 수 있습니다. 이것은 튜브 내에서의 축방향 유동에 의한 것입니다. 수증기의 Mass Fraction의 원주방향 Layering은 원주방향의 습한 가스의 주입에 따른 습한 쪽에서 보여집니다.
Volumetric Heat & Mass Transfer Rate는 습한 쪽에서 건조한 쪽까지의 엔탈피 전달이 열전달을 지배하는 것을 보여주는 유사한 공간적 분포를 가집니다. 가장 높은 Volumetric Heat & Mass Transfer Rate는 습한 쪽의 입구 및 출구 근처에서 나타납니다. 입구쪽에서는 튜브 측에 수직 방향으로 분사된 습한 가스의 속도는 가장 큰 Sherwood Number에서 가장 높게 나타납니다. 건조한 쪽 입구 근처에 있는 출구쪽에서는 수증기의 차이와 부분 압력의 차이가 가장 높습니다. 두 효과는 관찰된 Volumetric Heat & Mass Transfer Rate의 분포를 보여줍니다.
실험결과와 수치해석결과를 비교함으로써, 우리는 Gas Humification Device의 실린더 내부의 Heat & Mass Transfer의 물리적인 묘사가 가능해집니다. 이제 이러한 모델은 매우 짧은 시간에 최적화할 준비가 되어 있습니다.
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