금속 폼 유로에서 매니폴드 크기에 따른 고분자 전해질 연료전지의 성능 분석

Abstract

최근 화석 연료에 의존하는 기존 발전 시스템을 청정하고 재생 가능한 에너지 발전 시스템으로 전환하는 것은 인류의 지속 가능성을 보장하기 위해 각광받고 있다. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 고효율, 저공해 특성으로 인해 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 친환경적인 에너지 변환 장치이다. 고분자 전해질 연료전지의 성능은 반응물의 물질 전달에 의존하며, 이는 분리판의 유로에 큰 영향을 받는다. 기존의 채널/립 형태의 유로에 비교하여, 다공성 유로는 립 영역에서의 불균일한 압력 및 수분 응축을 방지하고, 전극 면적에 반응물을 균일하게 공급하며, 생성수를 효과적으로 배출할 수 있는 장점을 제공한다. 이에 따라 최근 다공성 유로에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 금속 폼 유로에서 매니폴드 크기가 연료전지 성능에 미치는 영향에 관한 실험을 수행하였고, 실험 과정에서 상대습도와 공기의 화학양론비를 조절하였다. 고습도 조건에서 매니폴드의 크기가 작아지면 물질 전달 손실이 감소하였으나, 매니폴드 크기가 가장 작은 샘플의 경우 생성수 배출의 한계로 인해 물질 전달 손실이 오히려 증가하였다. 저습도 조건에서는 물질 전달 손실의 영향이 적어 매니폴드 크기에 따른 성능 차이가 크지 않았다. 공기의 화학양론비를 증가시켰을 때, 상대습도에 관계없이 매니폴드 크기가 가장 작은 샘플의 성능이 가장 크게 향상되었지만, 저습도 조건에서는 상대적으로 성능 개선 효과가 미미하였다. 따라서 매니폴드 크기는 주로 물질 전달 손실과 관련이 있고, 매니폴드 크기의 최적화는 고전류밀도에서의 수소 연료 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.|In recent years, the transformation of conventional power generation systems that rely on fossil fuels to clean and renewable energy generation systems has gained prominence to ensure human sustainability. Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is an environmentally friendly energy conversion device that is attracting attention as a next-generation energy source due to its high efficiency and low emission characteristics. The performance of PEMFC relies on the mass transfer of reactants, which is strongly influenced by the flow field of the bipolar plates. Compared to conventional channel/rib flow fields, porous flow fields have the advantages of preventing uneven pressure and water condensation in the rib area, uniformly supplying reactants to the electrode area, and effectively discharging water. As a result, porous flow fields have been extensively studied in recent years. In this study, the effect of manifold size on fuel cell performance in a metal foam flow field was investigated. The experiments controlled the relative humidity and air stoichiometry. Under high relative humidity conditions, mass transfer losses decreased with smaller manifold sizes. However, for the sample with the smallest manifold size, mass transfer losses increased due to limitations in water discharge. In low relative humidity conditions, mass transfer losses were less affected, resulting insignificant performance differences based on manifold size. Increasing the air stoichiometry improved the performance of the sample with the smallest manifold size the most, regardless of relative humidity. However, the performance enhancement was relatively minor under low humidity conditions. Thus, the study confirmed that manifold size primarily affects mass transfer loss, and optimizing the manifold size can enhance hydrogen fuel efficiency at high current densities.