다공체의 다상유동 특성해석방법 개발에 관한 연구 (Development of a Numerical Technique to Analyze Multiphase Flow Characteristics of Porous Media)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 42권 / 4호 / 267 ~ 275페이지
· 저자명 : 김형민

초록

연료전지의 촉매층과 고분자전해질로 구성된 전극전해막의 수소이온 전도성은 전지의 성능에 영향을 미치는 매우 중요한 요소이며 공기극에서 산소와 수소의 반응으로 생성된 수분에 의해서 결정된다. 따라서 기체확산층에서 적절한 수분량을 유지하는 것은 전지의 운전성능을 유지하기 위해 필수적이며 이를 위해서는 이 층에서 유동의 다상적 특성을 이해하는 것이 선행되어야 한다. 이 연구에서는 가스확산층과 같은 다공체의 기공도, 액체 포화도, 기체의 투과도, 굴곡도 및 유효확산계수변화를 격자볼쯔만법에 Shan-Chen모델과 다공체의 접촉각을 적용한 다상유동해석과 액체가 포화된 다공체을 따라 흐르는 기체의 유동해석 결과로부터 예측할 수 있는 해석법을 제안하였다. 지름이 일정한 다수의 구를 이용하여 만든 다공체를 이용한 해석결과로부터 다공체의 다상적 특성은 친, 소수성을 결정하는 접촉각뿐만 아니라 임계기공도 0.75를 기준으로 접촉각의 변화에 따른 유동특성이 서로 상반되가 나타나는 것을 확인하였으며 이 임계기공도는 다공체의 구조와 형상에 따라 차이가 있을 것으로 판단된다.

영어초록

Fuel cell performance strongly correlates to the hydrogen ion conductivity of membrane electrode assembly at the fuel cell. Conductivity is controlled by the water generated from the reaction of oxygen and hydrogen at the cathode. Thus, it is necessary to understand the multiphase characteristics of the gas diffusion layer to effectively manage the water in the battery during operation. We propose a lattice Boltzmann method with the Shan-Chen model and the contact angle effect of the porous media to numerically predict liquid saturation. Numerical techniques have been proposed to measure gas permeability, tortuosity, and effective diffusivity from the results of gas flow through liquid saturated porous media. From the analysis of simulation results, the multiphase flow characteristics of the porous media are affected by hydrophilicity and hydrophobicity, as determined by the contact angle. Furthermore, the characteristics are opposite when the contact angle changes, based on a critical porosity of 0.75. Critical porosity differs, depending on the structure and shape of the porous media.

참고자료

· 없음