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Modeling of Oxygen Transport Resistance in PEM Fuel Cell
고분자전해질형 연료전지의 산소전달저항에 대한 모델링

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Authors
Yoo-il Lee
Advisor
민경덕
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2016-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
PEM fuel celloxygen transport resistancegas diffusion layerquasi-three-dimensional model
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부 기계전공, 2016. 8. 민경덕.
Abstract
고분자 전해질형연료전지(PEMFC)는 기존 내연기관을 대체할 차세대 자동차 친환경 에너지원으로 주목을 받고 있다. 하지만 이는 아직은 높은 연료전지 스택의 가격 때문에 자동차 시장에서 큰 경쟁력을 갖지 못하고 있다. 따라서 스택의 가격 절감을 위하여 각각의 단위 셀의 성능을 개선시키는 등의 많은 연구가 진행되어 왔다. 이러한 연구는 크게 두 가지로 요약될 수 있는데, 첫째는 접촉저항 및 전해질막 저항에서 유발되는 저항손실(Ohmic loss)을 낮추는 연구이며, 둘째는 셀 내부에서의 산소전달저항을 줄여, 반응기체인 산소의 전달을 향상시킴으로 활성화손실(Activation loss)과 물질전달손실(Mass transport loss)을 줄이는 연구이다. 최근 들어, 후자인 반응기체의 효과적인 전달을 개선하는 연구가 재조명 받고 있다. 산소의 전달은 연료전지 내의 산소 전달저항에 비례하게 되는데 이 산소전달저항을 구하기 위하여는 위치에 따른 정확한 산소의 농도 및 산소의 전달 속도를 필요로 하기에 직접 측정하기에는 한계가 있다. 따라서 산소확산저항을 측정하는 방법으로 컴퓨터 모델링 방법이 진행되고 있다.

이번 연구는 기존의 준 3차원 모델을 개선하여 다양한 운전영역에 따른 산소전달저항을 분석할 수 있는 도구를 만드는 것을 목적으로 한다. 따라서 산소확산 메커니즘을 분자확산, 크누센확산, 이오노머 확산으로 세부화하여 모델에 반영하였으며, 또한 구형의 촉매집적체(Agglomerate) 모델을 반영하여 산소 이동 현상을 더욱 자세히 묘사하였다.

이 모델은 다른 물성을 가진 두 종류의 기체확산층(GDL)에 대한 검증을 진행하였다. 첫째, 산소 2퍼센트를 포함한 질소와 헬륨, 두 종류의 혼합가스를 사용하여 한계전류밀도 값을 측정하였고 전체 산소전달저항 및 확산저항의 비율을 검증하였다. 둘째, 대기 중의 공기를 반응 기체로 사용하여 전압-전류 곡선을 측정한 후 이를 모델에서 도출된 값과 비교하였다. 검증된 모델은 기체확산층의 물리적 특성이 연료전지 산소전달저항에 미치는 영향을 다양한 전류밀도에서 분석하였다.

본 연구를 통하여 기존의 준 3차원 모델을 다양한 작동전류밀도에서 산소전달저항을 예측할 수 있도록 개선하였다. 이와 같이 개선된 모델은 연료전지의 부품에 따른 산소전달저항의 변화를 측정함으로써 부품들의 성능을 측정하는 하나의 도구로서의 잠재적 가능성을 보여주었다.
A Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell is recognized as one of the promising clean energy sources that can replace internal combustion engine in the upcoming future. Unfortunately, the widespread usage of the fuel cell has not yet reached due to its high cost. Numerous studies have attempted to lower the overall cost of the fuel cell stack by analyzing and improving an individual cell. The studies can be roughly classified into two main streams of research.
1. Improvement in electrical conductivity by reducing the ionic resistance
2. Reduction of oxygen transport resistance

Recently, the latter has received significant attention. Unfortunately, the oxygen transport resistance is a tough parameter to obtain due to the difficulty involved in the measurement of oxygen concentration or a transfer rate. Therefore, the modeling approach has attracted the scholars attention.

The aim of this study is to modify an existing quasi-three-dimensional model to analyze the oxygen transport resistance of the PEM fuel cell under various operating conditions. The model considered three difference kinds of transport mechanism: (1) molecular diffusion
(2) Knudsen diffusion
and (3) liquid-phase diffusion through ionomer film. Also, the model adopted a spherical agglomerate catalyst layer structure in order to estimate the oxygen transport phenomenon, more accurately.

The model was validated against two sets of gas diffusion layers (GDLs) by initially comparing the molecular diffusion resistance at the under-saturated condition and secondly, by comparing polarization curves at the fully saturated condition. The developed model was used to discern the effect of GDL structure on the oxygen transport resistance in a range of current density.

In conclusion, the modified model was able to separate and analyze the individual oxygen transport resistance in PEM fuel cell. The model shows the potential of evaluating the component of the cell by providing the results in quantitative values.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/123912
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