금속지지체형 SOFC 단위전지의 열유동해석

Abstract

본 논문은 금속지지체형 SOFC 단위전지에 대한 3차원 열유동해석을 FVM 방법을 이용하여 수행하였다. 세부 채널을 anisotropic porous medium으로 가정하였으며, Forchheimer`s modification of Darcy law를 이용하여 permeability를 구하였고, Fourier`s law of conduction을 이용하여 effective thermal conductivity를 각각 구하였다. 단위전지의 해석은 continuity, Navier-Stokes, energy, and species equation과 전기화학 반응 모델을 모두 적용하여 수행하였다. 전기화학반응에서 Activation overpotential을 모사하기 위해서 Butler-Volmer equation이 사용되었으며, 전극 내부의 concentration overpotential은 ordinary diffusion과 Knudsen diffusion을 고려하여 모사하였다. 제시한 모델을 이용하여 전기적 부하, 전류밀도를 변화시켜가며 단위 전지의 성능을 얻을 수 있었다. 또한 다양한 형상 변화가 성능에 미치는 영향에 대한 결과를 비교해 보았다. 해석의 결과는 연료전지의 주요 성능이라고 할 수 있는 전류밀도, 온도, 압력 분포에 대해서 본 논문에 기술하였다. 3가지 형태의 다른 입구 영역을 가지는 형상에 대해서 비교한 결과, 전지의 전압, 온도분포는 매우 비슷하였지만, 입구가 점점 넓어지는 형상에서 공기극 채널의 압력 강하를 줄일 수 있었다. 또한 co-flow 형태의 단위전지가 cross-flow 형태의 단위전지 보다 온도분포가 균일하고, 온도 변화가 적은 장점이 있는 것을 발견하였다.