탄소섬유지의 섬유 구조가 가스확산층의 유효열전도도와 유동 특성에 미치는 영향에 관한 수치적 연구 (Numerical Study of the Effect of Fiber Structure of Carbon Fiber Paper on the Effective Thermal Conductivity and Flow Characteristics of Gas Diffusion Layer)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 48권 / 6호 / 321 ~ 332페이지
· 저자명 : 김형민

초록

고분자전해질 연료전지의 기체확산층은 반응기체인 수소와 산소를 촉매 층에 공급하며 반응으로 생성된 수분과 열을 적절히 배출시켜 전지가 안정적인 운전상태를 유지할 수는 있는 특성을 가지고 있어야한다. 기체확산층에서 열의 확산과 기체 및 수분의 거동을 분석하는 것은 최적의 기체확산층을 만들기 위한 필수적인 요소이다. 이 연구에서는 실린던 형상의 탄소섬유 수와 배향을 적용한 확률적 재생성법으로 모델링한 탄소 섬유 지를 이용하여 열전도 및 단상, 다상 격자볼츠만해석 결과로부터 탄소섬유의 방위각의 범위에 따라 생성된 탄소섬유의 구조가 유효열전도도, 투과도 및 수분포화도에 미치는 영향을 평가하였다. 탄소섬유의 방위각의 범위가 에서 로 커지면 탄소섬유가 관통방향으로 더 기울어져 유효열전도도는 커지고, 수분포화도 기울기가 낮아져 열과 수분 배출이 원활해진다. 또한 공극률이 커지면 투과도는 커지지지만 유효전도도는 감소한다. 따라서 최적의 기체확산층 섬유구조는 탄소섬유의 방위각 범위가 이고 공극률이 0.76인 것으로 평가되었다.

영어초록

The gas diffusion layer in a polymer electrolyte membrane fuel-cell must supply reaction gases—hydrogen and oxygen—to the catalytic layer and effectively release the generated water and heat from the reaction to maintain stable cell operation. To optimize the gas diffusion layer, it is crucial to analyze heat diffusion, gas behavior, and the dynamics of water within it. This study used carbon fiber paper modeled into a cylindrical shape and fibers were oriented using a stochastic regeneration method. The structure of carbon fibers was evaluated for its thermal conductivity, permeability, and saturation rate. This evaluation was based on the range of fiber orientation angles and conducted using multiphase lattice Boltzmann analysis. Based on this analysis, it was found that as the fiber orientation angle range increases and the structure of the carbon fiber inclines in the flow direction, effective heat conductivity increases, and the moisture saturation gradient decreases; thereby, promoting heat and moisture discharge. Furthermore, as porosity increases, effective conductivity decreases, and permeability increases. Thus, the optimal fiber structure for the gas diffusion layer is determined as having an orientation angle range of π/3 and a porosity of 0.76.

참고자료

· 없음