• 공업화학
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• 제34권3호
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• pp.241-246
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• 2023

Fuel cells are one of the renewable energy sources that have sparked a lot of scientific attention for solving problems related to the energy crisis and environmental pollution. One of the most crucial subjects concerning the utilization of fuel cells is modeling. Therefore, an analytical steady-state and dynamic fuel cell model was described in this study. The parameter for the identification process was investigated, and the MATLAB/Simulink implementation was demonstrated. A 15-W proton exchange membrane fuel cell was used to apply the suggested modeling methodology. Comparing experimental and simulation findings indicated that the model error was constrained to 3%. This study showed that temperature and humidity affect fuel cell performance.

• 에너지공학
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• 제29권2호
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• pp.1-9
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• 2020

최근 탄화수소를 에너지원으로 사용하는 엔진을 대체할 동력원으로 연료 전지가 주목을 받게 되면서 수소 생산 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 수소를 생산하는 다양한 방법 중에 고체 산화물 수전해 시스템(SOEC)은 수소를 생산하기 위한 기초적이고, 친환경적인 방법이다. 고체 산화물 수전해 시스템은 고온, 고압 조건에서 운전이 가능하여 낮은 에너지 수요와 높은 열효율을 지니기 때문에 실험적인 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 실험적인 연구 성과에 비해 수치모델 연구는 비교적 부진하다. 이에 대한 원인으로 기존의 수치모델이 온도와 압력의 변화에 따른 성능 예측의 유효성이 상당히 낮기 때문으로 판단하였다. 이에 본 연구에서는 고체 산화물 수전해 시스템의 셀 성능 예측의 유효성을 높일 수 있는 방안을 제시하기 위해서 Patterened Ni-YSZ cermet electrode(40 wt%, Ni-60 wt% YSZ)/8-YSZ (TOSOH, TZ8Y)/LSM (La_0.9Sr_0.1MnO₃)로 구성된 상용 막-극 접합체의 기존의 연구 데이터를 활용하였다. 온도에 따른 전기화학적 특성의 영향을 수치적으로 분석한 결과, 유효성에 가장 큰 편차를 가져오는 변수들은 charge transfer coefficient(CTC), exchange current density, diffusion coefficient, electrical conductivity인 것으로 나타났다. 온도와 압력에 따른 해당 변수들의 영향 및 경향성을 분석하여 과전압 모델을 제시하였다. 다양한 모델의 적용과 타당성을 확보하기 위해서 교차-검증이 도입되었다. 그 결과, 체계화된 유효성 검증 과정에 기초한 고체 산화물 수전해 시스템의 수치 모델은 뛰어난 성능의 예측 결과를 보여주었다.

• 한국태양에너지학회 논문집
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• 제34권1호
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• pp.91-97
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• 2014

This paper proposes a modeling of fuel cell which replaces dc source during simulation. Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy in fuels into electrical energy. This system has high efficiency and heat, no environmental chemical pollutions and noise. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are commonly used as a residential generator. These fuel cells have different electrical characteristics such as a low voltage and high current compared with solar cells. And there are different behaviors in the V-I curve in the temperature and pressure. Therefore, the modeling of fuel cell should consider wide voltage range and slow current response and the resulting electrical model is applied to boost converter with fuel cell as an input source.

• 대한기계학회논문집B
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• 제34권2호
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• pp.157-163
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• 2010

고체산화물연료전지는 세라믹 물질로 이루어지며, 세라믹 물질의 물성치는 작동조건에 따라 달라진다. 따라서, 높은 신뢰성을 가지는 시뮬레이션 모델을 개발하기 위해서는 세라믹 물질의 물성치를 정확하게 예측할 수 있어야한다. 본 논문에서는 고체산화물연료전지의 성능에 영향을 미치는 여러가지 물성치를 선택하고 그 물성치를 위한 시뮬레이션 모델이 개발되었다. 개회로전압을 위한 깁스에너지, 활성화손실을 위한 교환전류밀도, 저항손실을 위한 전기전도도가 계산되었다. 또한, 다공성 전극 내부의 물질전달 해석을 위해서 분자확산과 누센확산을 함께 고려하는 유효확산계수가 계산되었다. 이러한 계산과정 후에 물성치 모델과 전기화학반응 모델이 동시에 시뮬레이션 되었다. 해석코드의 검증을 위해서 전산해석 결과는 실험결과 및 Chan 등에 의해서 수행된 이전 연구결과와 비교되었다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제12권3호
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• pp.245-251
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• 2014

사용후핵연료 파이로 공정은 전기화학 이론들에 기초하여 개발되고 있다. 공정 모사는 공정 개발과 실험데이터 해석에 주요한 방법 중 하나로 파이로 공정에서도 필요한 접근 방법 중 하나이다. 현재까지 파이로 공정의 공정 모사는 전해정련 공정 위주로 진행되어 왔으며 전해환원 공정에 대한 연구는 많지 않았다. 전해환원 공정은 전해정련 공정과 달리 기체 발생과 다공성 전극의 특징을 지니고 있기 때문에 공정 모사를 위한 모델 개발을 위해서는 이를 고려한 수식들이 필요하게 된다. 본 연구에서는 전기화학 셀 해석에 필요한 열역학, 물질전달, 반응공학 이론 중 전해환원 공정 모델 개발에 필요한 개념과 수식들을 정리하여 제시하였다. 전해환원 셀을 구분하여 각 부분에 적용해야하는 수식들을 나열했으며 각 부분들 연결에 사용되는 경계조건들 역시 제시하였다. 이들 수식들은 추후 모델 개발에 기초로 사용될 수 있으며 실험데이터와 결합시켜 결정되어야 하는 매개변수 파악에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• International Journal of Automotive Technology
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• 제7권7호
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• pp.867-872
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• 2006

Fuel cells are devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Owing to the high efficiency of the fuel cells, a large number of research work have been done during these years. Among many kinds of the fuel cells, a polymer electrolyte membrane fuel cell is such kind of thing which works under low temperature. Because of the specialty, it stimulated intense global R&D competition. Most of the major world automakers are racing to develop polymer electrolyte membrane fuel cell passenger vehicles. Unfortunately, there are still many problems to be solved in order to make them into the commercial use, such as the thermal and water management in working process of PEMFCs. To solve the difficulites facing the researcher, the analysis of the inner mechanism of PEMFC should be implemented as much as possible and mathematical modeling is an important tool for the research of the fuel cell especially with the combination of experiment. By regarding some of the assumptions and simplifications, using the finite element technique, a two-dimensional electrochemical mode is presented in this paper for the further comparison with experimental data. Based on the principals of the problem, the equations of electronic charge conservation equation, gas-phase continuity equation, and mass balance equation are used in calculating. Finally, modeling results indicate some of the phenomenon in a unit cell, and the relationships between potential and current density.

• 전기화학회지
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• 제16권3호
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• pp.177-183
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• 2013

고전압에서도 사용 가능한 바인더 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라 이에 적합한 내산화성이 우수한 바인더를 양자화학적 모델링에 기반하여 제안하고자 하였다. 각 고분자 poly(acryl amide)(PAM), poly(methyl acrylate)(PMA), poly(vinylidene fluoride)(PVDF), poly(hexafluropropylene)(PHFP)에 대하여 반경험적 방법(Semi-empirical method) 및 밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT) 방법을 이용하여 단량체부터 사량체까지의 고분자 바인더에 대한 최고 점유 분자 궤도함수(Highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지와 이온화 에너지(Ionization Potential, IP) 값을 구하여 실험 값과 비교하였다. 밀도범함수 방법으로 해석한 결과, PHFP, PVDF, PMA, PAM 순으로 고분자의 내산화성이 좋은 것으로 시뮬레이션을 통해 예측되었고, 이러한 결과는 선형 훑음 전압-전류법(Linear Sweep Voltametry, LSV)으로부터 얻은 실험값과 일치하였다. 또한 이 결과는 HOMO 오비탈의 구조를 분석하여 내산화성이 좋은 원인을 규명하였다.

• 에너지공학
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• 제22권2호
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• pp.175-183
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• 2013

차량 전기 시스템의 최적 설계를 위해 납축전지의 동적 거동을 예측하는 것은 중요하다. 동적 거동을 예측하기 위해서는 믿을만한 모델링 프로그램이 필요하다. 본 연구에서는 1차원 모델링을 통하여 12V 차량용 납축전지의 동적거동을 예측하였다. 수학적 모델에는 전기화학반응과 전지 내부에서 일어나는 이온 물질전달을 포함하였다. 모델링을 검증하기 위해 용량이 다른 2개(68Ah, 90Ah)의 납축전지 모델링 결과를 실험 결과와 비교하였다. 본 연구에서 사용한 납축전지는 현대자동차 차량에 적용되는 납축전지를 사용하였다. 방전 실험의 조건은 C/3, C/5, C/10, C/20의 방전율을 조합하여 진행하였다. 그리고 충전과 방전이 연속적으로 일어나는 동적 실험을 수행하였다. 모델링 결과와 실험 결과를 비교하여 보면 모델링 결과가 실험결과를 잘 예측하는 것을 볼 수 있다. 모델링은 고체상과 액체상에서의 전위분포와 전극 내에서 전류밀도에 근거한 모델링은 충 방전 시간의 함수로 예측할 수 있다.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2007년도 춘계학술대회B
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• pp.3377-3382
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• 2007

In proton exchange membrane fuel cell, the heat is generated at the catalyst layer as result of exothermic electrochemical reaction. This heat increases temperature of gas diffusion layer and membrane whose conductivity is very sensitive to humidity, function of temperature. So it is very important to analysis heat transfer through fuel cell to maintain temperature at specified range. In this paper numerical simulation was done including reversible, irreversible, ionic resistance, water formation loss to source term of energy equation. Results show that irreversible and water formation loss contributes mainly to energy source term and as current density increases, all of energy source terms become increased and Nusselt number is increased as results of more heat generation. Particularly irreversible loss is found to be predominant among the all energy source and water formation at cathode channel influences the temperature distribution of fuel cell greatly.

• 전기화학회지
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• 제2권3호
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• pp.163-170
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• 1999

AFC 단전지에서 운전조건의 영향은 이제까지 자세히 연구된 바 없다. 본 연구에서는 초기 전해질 농도와 가스 운전압력의 영향을 살펴보기 위하여 1차원 등온 모델을 이용해 전산모사를 수행하였다. 결과에 의하면, base-case에서 최적 전해질 농도는 $3.0\~3.5M$사이에 있는 것으로 발견되었다. 전해질 농도에 따른 전지 성능의 변화는 주로 양쪽 전극의 전하전달 저항과 용해된 기체의 헨리상수 및 액상확산이 원인인 것으로 밝혀졌다. 또한, 운전 압력의 증가는 반응속도와 가스의 용해도를 증가시켰으며, 이것으로 인해 전지 성능이 상당히 향상되는 것으로 조사되었다