• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제20권4호
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• pp.265-273
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• 2009

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has low operating temperature and high efficiency. And PEMFC consists of many components as bipolar plate, gas diffusion layer, membrane etc.. Flow-field in bipolar plate roles path for transporting reactants to membrane. Therefore a design of flow-field has an effect on PEMFC's performance. In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed for comparing mixed multiple serpentine (MMS) flow-field and multiple serpentine (MS) flow-field. And we studied an effect according to change mixing region design in MMS flow-field. Finally the applicability of results is verified by performing CFD simulation about fixed MMS flow-field which is combined good designs.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제45권1호
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• pp.93-102
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• 2007

본 연구에서는 직접 메탄올 연료전지의 전기 화학 반응에 의해 발생하는 이산화탄소와 물의 조절을 위해 기체 발생과 흐름 현상을 관찰할 수 있는 3차원 모델을 개발하였다. 산화극 쪽에 발생한 기체의 조절은 직접 메탄올 연료전지를 설계하는데 중요한 문제이며, 연료 전지의 성능에 커다란 영향을 준다. 유로는 기체의 조절과 아주 밀접한 관계가 있으나 다양한 유로를 설계하고 실험하여 최적의 디자인을 찾는 것은 어렵고 바이폴라 플레이트의 높은 가격 때문에 많은 비용이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 전산 유체역학 모델링 기법을 도입하였다. 전산 유체역학을 기반으로 하여 개발된 two-fluid 모델을 이용하여 유체의 흐름 패턴을 시각화 하여 분석함으로써 실험의 횟수를 줄일 수 있었고, 대표적인 4가지 연료전지 유로인 serpentine, zigzag, parallel, semi-serpentine 형태에 개발된 모델을 적용하여 속도, 압력, 메탄올 몰분율, 기체 몰분율 등을 계산하였다. 계산 결과를 이용하여 각 형태의 특성과 장단점을 파악하였고, 이를 바탕으로 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 최적 유로를 설계 하였다.

• 전기화학회지
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• 제15권2호
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• pp.74-82
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• 2012

고분자전해질 연료전지의 성능은 매우 복잡한 물리 현상들에 의해 변화하게 된다. 반응면적이 25 $cm^2$인 5-pass, 4-turn 사행성 유동유로의 립 부분에 보조유동유로를 가지는 형상에 대하여 물관리 측면에서의 연료전지 성능을 수치해석을 통해 비교하였다. 보조유동유로를 추가함에 따라 촉매층 공급 대류의 유동 방향이 변경되어 유로 내부의 물 배출 특성을 향상시키는 결과를 나타내었다. 또한 입구에서의 공급기체를 보조유동유로로 분산시킴에 따라 입구에서의 전류 밀도는 낮아지며 보조유동유로로 이동하는 공급기체들은 주 유동유로의 내에서의 체류시간보다 길어져서 전체적인 전류밀도 분포가 균일해지는 것을 확인하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제26권9호
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• pp.1201-1208
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• 2002

A numerical flow-field analysis is performed to investigate flow configurations in the anode, cathode and cooling channels on the bipolar plates of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Continuous open-faced flow channels are formed on the bipolar plate surface to supply hydrogen, air and water. In this analysis, two types of channel pattern are considered: serpentine and spiral. The averaged pressure distribution and velocity profiles of the hydrogen, air and water channels are calculated by two-dimensional flow-field analysis. The equations for the conservation of mass and momentum in the two-dimensional fluid flow analysis are slightly modified to include the characteristics of the PEMFC. The analysis results indicate that the serpentine flow-fields are locally unstable (because two channels are cross at right angles). The spiral flow-fields has more stable than the serpentine, due to rotational fluid-flow inertia forces. From this study, the spiral channel pattern is suggested for a channel pattern of the bipolar plate of the PEMFC to obtain better performance.

• 대한기계학회논문집B
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• 제33권4호
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• pp.288-297
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• 2009

A serpentine channel geometry often used in a fuel cell has a strong pressure gradient between adjacent channels in specific regions. The pressure gradient helps some amount of reactant gas penetrate through a gas diffusion layer(GDL). As a result, the overall serpentine flow structure is slightly different from the intention of a designer. The purpose of this paper is to examine the effect of serpentine flow structure on current density distribution. By using a commercial code, STAR-CD, a numerical simulation is performed to analyze the fuel cell with high aspect ratio of active area. To increase the accuracy of the numerical simulation, GDL permeabilities are measured with various compressive forces. Three-dimensional flow field and current density distribution are calculated. For the verification of the numerical simulation results, water condensation process in the cathode channel is observed through a transparent bipolar plate. The result of this study shows that the region of relatively low current density corresponds that of dropwise condensation in cathode channels.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.147-151
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• 2007

A serpentine channel geometry often used in a polymer electrolyte membrane fuel cell has a strong pressure gradient between adjacent channels in specific regions. The pressure gradient helps some amount of reactant gas penetrate through a gas diffusion layer(GDL). As a result, the overall serpentine flow structure is slightly different from intention of a designer. The purpose of this paper is to examine the effect of serpentine flow structure on current density distribution. By using a commercial code, STAR-CD, a numerical simulation is performed to analyze the fuel cell with relatively high aspect ratio active area. To increase the accuracy of the numerical simulation, GDL permeabilities are measured with various compression conditions. Three-dimensional flow field and current density distribution are calculated. For the verification of the numerical simulation results, water condensation process in the cathode channel is observed through a transparent bipolar plate. The result of this study shows that the region of relatively low current density corresponds to that of dropwise condensation in cathode channels.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권6호
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• pp.847-853
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• 2016

본 연구에서는 3차원 전산유체역학 모델을 적용하여 서펜타인 유로를 갖는 고분자 전해질 분리막(PEM) 연료전지의 성능평가를 수행하였다. PEM 연료전지의 전산 모델은 등온조건하에서의 이동현상을 고려하여, 물질 및 운동량 전달, 전극에서의 반응속도론 그리고 전기적 흐름을 모두 포함하였다. 한편, 병류로 흐르도록 형성된 구조의 유로 형태는 본 연료전지모델에서 유로의 폭과 높이의 비인 종횡비와 유로와 립 폭의 비인 반응면적비를 변화시키며 다양한 형상으로 고려되었다. 유로의 형상이 변화될 경우 연료전지 내부의 수소와 산소의 질량분율 분포가 계산되었으며, 이에 따라, 활성화과전압의 계산 값이 변하게 되며 전류밀도 분포가 최종적으로 결정되었다. CFD 결과는 종횡비가 클수록 성능이 증가하고 반응면적비가 클수록 성능이 감소하는 것을 보였다. 본 연구의 모델에 의하면 서펜타인 유로의 형상에 의해, 성능특성이 경향성을 보이는 결과를 보여주었으며, 이와같은 결과는 다른 문헌에 보고 된 CFD 결과들과 전반적으로 잘 부합하는 것으로 나타났다.

• 한국항공우주학회지
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• 제49권8호
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• pp.689-698
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• 2021

현대 전장의 탐지기술 발달로 인해 항공기의 생존성이 크게 위협받고 있다. 그중 적외선(IR) 추적 미사일은 항공기의 생존성에 큰 영향을 끼치며, 항공기 임무 성공률을 저하시키는 주된 요인이다. 항공기 생존성을 증가시키기 위하여 곡률을 추가한 형상 변형 노즐에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 항공기 생존성을 증가시키기 위한 형상 변형 노즐 중 Double Serpentine 노즐을 선정한 다음, 노즐의 최대 면적변화율의 위치 효과를 분석하였다. 노즐의 최대 면적변화율이 노즐의 추력과 출구의 평균 온도에 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 또한 최대 면적변화율이 노즐 후방에 위치함에 따라 추력 페널티가 줄어드는 것을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2008년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.572-575
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• 2008

Flow-field design has much influence over the performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) because it affects the pressure magnitude and distribution of the reactant gases. To obtain the pressure magnitude and distribution of reactant gases in four kinds of flow-field designs without additional measurement equipment, computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed. After the CFD analysis, the performance values of PEMFC according to the flow-field configurations were measured via a single cell test. As expected, the pressure differences due to different flow-field configurations were related to the PEMFC performance because the actual performance results showed the same tendency as the results of the CFD analysis. A large pressure drop resulted in high PEMFC performance. So, the single serpentine configuration gave the highest performance. On the other hand, the parallel flow-field configuration gave the lowest performance because the pressure difference between inlet and outlet was the lowest.

• 대한기계학회논문집B
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• 제33권8호
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• pp.604-612
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• 2009

Water management has been recognized as a crucial factor for achieving better performance and stability in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Proper water management should provide favorable water conditions, including the local humidity, membrane water content, and liquid water saturation in PEMFCs, thereby leading to more uniform electrochemical reaction and current generation. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulation was conducted to investigate the effects of the cathode relative humidity (RH) on the performance of a 3 by $3\;cm^2$ PEMFC with serpentine flow fields. The CFD results showed that the best performance of the PEMFC was obtained for the cathode RH of 80%, but the performance variation was small for the cathode RH range of $60{\sim}100%$. However, the loss of the PEMFC performance was significant when the cathode RH was reduced below 40%. The reason for such performance variation was investigated through the detailed inspection of ohmic loss, activation and concentration overpotential, and water and current distributions.