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가정용 연료 전지 열병합 시스템은 전기와 열을 발생시키는 새로운 방법입니다. 이 시스템은 개인 주택의 현장에 설치할 수 있으며 수소와 산소 간의 전기 화학 반응을 사용하여 에너지를 생산합니다. 또한 본질적으로 환경 친화적인 가정용 발전 장

치입니다. 필요한 수소는 배관을 통해 주택으로 공급되는 천연 가스(사용 가능한 경우)에서 얻으며 산소는 대기에서 얻습니

다. 이와 같은 시스템은 필요한 전기 출력이 낮은 경우에도 높은 효율로 전력을 생성하고 에너지를 절감하며 CO2 배출을 줄일 것으로 기대됩니다.

Panasonic Corporation은 Ene-Farm이라고 하는 가정용 연

료 전지 열병합 시스템을 개발하고 있으며, 대규모 배포 전에 시스템 비용 및 신뢰성 과제를 극복해야 합니다. 비용을 줄이려

면 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)의 핵심인 분리막 전극 접합체(MEA)에서 수소 이온이 분리막을 통과하는 방식을 정확하

게 파악해야 합니다. Panasonic 공학 팀은 ANSYS의 시뮬레이션 소프트웨어와 사내에서 개발한 몇 가지 소프트웨어를 사용하여 다양한 재료 및 연료 전지에 대한 MEA를 모델링했습니다. 이 팀은 시뮬레이션을 통해 Ene-Farm에 필요한 재료 비용을 절감하

면서 효율성을 높이고 상업성을 개선할 수 있었습니다.MEA에서 수소 원자는 전지의 양극 측에서 산화 전극 물질

층을 통과할 때 전자를 방출하고 양성자는 촉매 물질층에 도달

합니다. 전자는 양극 집전기로 반환되어 부하 회로를 통해 음극

또한 본질적으로 환경 친화적인 가정용 발전 장치입니다.

연료 전지 시스템의 기술 개요: 설계 기간을 단축하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 방법 — 백서ansys.com/fuelcell101

가정용 연료 전지

연료 전지 시스템을 사용하면 가정에서 전기를 생산할 수 있습니다. Panasonic Corporation은 이러한 시스템의 비용을 절감하여 상용화 가능성을 높이기 위해 시뮬레이션을 적용했습니다.

TK에너지

작성자: 케이이치 야마모토, 에이이치 야스모토, 관리자 및 마사타카 오제키, 총괄 관리자, 일본 오사카 소재 Panasonic Corporation, Appliances Company Corporate Engineering Division, Air-Conditioning and Cold Chain Development Center

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(대기)으로 이동하기 때문에 전기 에너지

가 발생합니다. 남은 수소 이온은 고분자 전해질막을 통과하게 되고 음극 측에서 전자 및 산소와 반응하여 연료 전지 반응의 최종 생성물인 수증기를 발생시킵니다.

2H2 → 4H+ + 4e–(양극)O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O(음극)

이러한 반응은 비교적 단순하지만 다양한 MEA 층을 통과하는 종(원자, 이온) 수송 특성이 복잡하기 때문에 PEMFC의 성능

을 극대화할 수 있도록 적절한 균형을 유지해야 합니다.

정밀한 기체 확산 모델 개발

얇은 막을 통한 확산을 시뮬레이션하

려면 최적화의 거시적 효과와 미시적 효과

를 모두 해결하는 접근 방식이 필요합니다. 거시적 규모 시뮬레이션에는 전체 다중 성분 확산을 포함하는 ANSYS Fluent 연료 전지 및 전기 분해 애드온 모델이 사용되었

습니다. 미시적 규모를 모델링할 경우 여러 옵션을 사용할 수 있습니다. Panasonic 엔지니어들은 MC-LBM(MultiComponent Lattice Boltzmann Method)이라는 다중 성분 가스 확산을 지원하는 알고리즘을 개발

하기로 했습니다. 팀은 실험 결과와 비교

하여 미시적 모델을 검증한 후 MC-LBM을 결합하는 사용자 정의 함수(UDF)를 사용

하여 ANSYS Fluent 연료 전지 및 전기 분해 모델을 수정했습니다.

기체 확산 모델에서 중요한 파라미터

는 다공성 물질의 투수성을 나타내는 투수 계수입니다. Panasonic 엔지니어들은 미시적 모델을 사용하여 다양한 막 재료의 투수 계수를 계산하고 이러한 값을 CFD 모델의 입력으로 사용했습니다. 이 방식으로 엔지니어들은 종합적인 성능을 정확하게 예측하는 데 필요한 연료 전지의 각 계층

에 대한 유효 모델을 만들었습니다. 이러

한 모델에는 다공성 물질의 투수 계수 외에도 유효 전도율, 유효 열전도율 및 유효 확산 계수 같은 다른 파라미터가 포함됩

니다. 엔지니어들은 이러한 파라미터 값 모두를 계산했지만 여기에서는 PEMFC 성능에서 가장 중요한 역할을 하는 계수인 다공성 물질의 유효 확산 계수를 Fluent

및 MC-LBM을 사용하여 결정하는 공정만 설명합니다.

유효 확산 계수 결정 다공성 물질의 계수를 계산하기 위해

Panasonic 엔지니어들은 두 유동 채널 사이에 다공성 물질이 샌드위치 형태로 끼워

져 있어 양쪽으로 서로 다른 기체가 흐를 수 있는 유동 도메인 모델을 만들었습니

다. 엔지니어들은 사내에서 개발한 미시적 규모 알고리즘을 사용하는 시뮬레이션을 실행하여 채널의 출구 단면에서 각 기체의 몰분율(mole fraction) 값을 계산했습니다.

그런 다음, 전체 다중 성분 확산을 포함하는 연료 전지 및 전기 분해 모델을 사용했습니다. 팀에서는 재료 계층마다 다공성 물질 단면에 대한 균질(벌크) 확산 계수를 설정하고 이 계수를 변수로 사용

하여 해당 계층의 유효 확산 계수 값을 계산했습니다. 팀에서는 각 기체 종의 몰분

율이 사내의 미시적 규모 시뮬레이션에서 얻은 결과와 일치할 때까지 CFD 소프트웨

연료 전지 시스템 본체

수소

산소

물

전기열

전기화학반응

2H2 + O2 2H2O + 4e

�Panasonic의 Ene-Farm 가정용 발전 시스템에서는 연료 전지 스택을 사용하여 전력을 생성합니다. �연료 전지가 에너지를 생성하는 방식

Panasonic은 대규모 배포 전에 시스템 비용 및 신뢰성 과제를 극복해야 합니다.

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어에서 벌크 확산 계수 값을 변경했습니

다. 이렇게 계산된 유효 확산 계수 값은 벌크 물질 확산 계수 값의 10~80% 사이였습

니다. PEMFC 시뮬레이션에는 일반적으로 유효 확산 계수가 공극율에 비례하고 값이 벌크 물질의 약 60~80% 사이에 있는 모델이 채택되었습니다. 하지만 이러한 계산 결과는 단순히 공극율에 비례하는 유효 확산 계수 모델링만으로는 부족하

다는 것을 보여주었습니다. 최종적으로, Panasonic 팀은 PEMFC

의 각 계층에 대한 시뮬레이션을 개선하

는 UDF를 사용하여 연료 전지 및 전기 분해 모델에 사내에서 개발한 미시적 규모 MC-LBM 알고리즘을 적용했습니다. 엔지

니어들은 특정 조건에서 직선 유동 채널

의 연료 전지 전압 동작을 확인하여 정확

도를 검증했습니다.

연료 전지 전압 동작 예측

연구를 완성하기 위해 팀에서는 연료 전지 산소 소비량(Uo)의 두 가지 조건

(65°C 및 35°C의 가습 이슬점)에 대해 연료 전지 전압 동작을 예측했습니다. 산소 소

연료 전지를 빠르고 효율적이며 정확하게 모델링하는 능력은 궁극적으로 생산 비용 감소와 가정용 연료 전지 열병합 시스템의 폭넓은 확산을 가져올 것입니다.

기체 채널(H2)

기체 채널(공기)

냉각 채널

전해질막

O2 + 4H+ + 4e 2H2O

2H2 4H+ = 4e

e

H+ H+부하

양극 집전기

양극 기체 확산층(전극)

양극 촉매층(TPB)

음극 촉매층(TPB)

음극 기체 확산층(전극)

음극 집전기냉각 채널

�분리막 전극 접합체(MEA)를 구성하는 다양한 계층을 보여주는 PEMFC 계통도

분할 선

O2N2

1CM

�ANSYS Fluent 결과를 사내 시뮬레이션 툴을 사용한 MC-LBM(MultiComponent Lattice Boltzmann Method) 시뮬레이션과 비교하기 위해 사용된 약 1cm의 거시적 유동 채널

�질소 및 산소에 대한 0.1m/s 기체 유량의 ANSYS Fluent 및 MC-LBM 계산 몰분율 비교

�배터리 성능 예측의 정확도를 검증하기 위한 실험 및 시뮬레이션 결과

에너지

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�질소 및 산소에 대한 0.1m/s 기체 유량의 ANSYS Fluent 및 MC-LBM 계산 몰분율 비교

�배터리 성능 예측의 정확도를 검증하기 위한 실험 및 시뮬레이션 결과

비량은 전기를 생성하는 데 사용된 가용 산소의 백분율입니다. 산소 소비량 값이 낮을수록 제공되는 산소의 양이 많아집니다. 소비량 값을 변화시키면 연료 전지 내의 산소 농도가 변하며 연료 전지 전압의 증가 또는 감소를 예측할 수 있습니다. 특정 산소 소비량 값에 대한 PEMFC의 전압 동작은 실험에서 구할 수 있으

며 시뮬레이션 결과와 비교하여 연료 전지 내에서 발생하는 기체 확산이 정확하게 모델링되었는지 여부를 간접적으로 검증할 수 있습니다. 가습 이슬점의 산소 소비량 종속성에 대한 Fluent 예측은 실험 결과와 매우 잘 일치했습니다.

매우 정밀한 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 Panasonic은 PEMFC 특성 예측의 정확성을 높였습니다. 이는 연료 전지 스택을 개발하는 공정의 효율성을 개선하는 데 큰 도움이 되었습

니다. 연료 전지를 빠르고 효율적이며 정확하게 모델링하는 능력은 궁극적으로 생산 비용 감소와 가정용 연료 전지 열병합 시스템의 폭넓은 확산을 가져올 것입니다.

�Permeometer 테스트 측정값과 MC-LBM 계산의 투수 계수

물질 A 물질 B 물질 C 물질 D

측정 결과(m2) 1.52 E-15 1.15 E-15 6.8 E-12 5.7 E-12

시뮬레이션 결과(m2) 1.49 E-15 1.17 E-15 6.6 E-12 5.6 E-12

정확도 0.98 1.01 0.97 0.98(시뮬레이션과 측정 비교)

연료 전지 설계 솔루션연료 전지 개발자들은 이 재생 에너지원 기술을 운송, 고

정식 발전기, 자재 관리 기계 및 기타 분산 전력 응용 분야에

서 발전시키면서 연료 전지 시스템 및 부품의 신뢰성, 성능 및 내구성을 재정의해야 합니다. 연료 전지를 작동하려면 연료원(대개 수소)에 대한 지속적인 접근이 필요하며 많은 종류의 연료 전지는 소비 가능한 형태로 현장에서 재가공할 수 있습니다. 연료 전지에는 가동 부품이 없으며 화석 연료 기반 동력원보다 배출 가스를 훨씬 적게 발생시킵니다(수소 발생

에 사용되는 필수 탄화수소 변환 포함). 예를 들어 고정식 발전기는 자동차 산업에 비해 실행 계

획과 인프라스트럭처가 훨씬 단순하기 때문에 연료 전지 개발이 훨씬 많이 진전되었습니다. 하지만 고정식 발전 분야의 성공을 확대하여 운송 산업의 광범위한 채택을 촉진하려면 두 산업 모두에서 지속적인 혁신과 기능 향상이 필요합니다.

연구, 개발 및 설계에서 한 가지 중요 영역은 연료 전지 분리막입니다. ANSYS는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 양자 교환막(PEM) 연료 전지뿐만 아니라 다른 종류의 연료 전지

에 대한 솔루션도 계속 개발합니다. PEM 연료 전지의 경우 분리막 전극 접합체(MEA)가 무한소의 얇은 한 평면이라고 가정

하는 대신 촉매층과 분리막을 별도로 해석하는 완전한 3D 모

델에 중점을 둡니다. MEA 내에서 3D 효과를 해석하는 기능

을 사용하여 주요 파라미터의 공간 변이를 보다 정확하게 파악할 수 있습니다. 엔지니어들은 이 심층 정보를 사용하여 재료를 선택하고, 다양한 연료의 성능을 결정하며, 물 및 수증

기 관리를 지원하고, 물질 전달 및 상 변화의 효과를 해석하

며, 교환 전류 밀도에 미치는 온도 변화의 영향을 확정할 수 있습니다.

개발에서 중점을 두는 다른 영역은 개별 화학 모델뿐만 아니라 화학, 전기화학 및 유체 역학을 결합하여 상호 작용이 전체 연료 전지에 미치는 영향을 정확하게 파악하는 기능입

니다. 이 기능은 보조 동력 장치용으로 사용되고 데이터 센터 또는 분산 전력 응용 분야의 전기 생성에 사용되는 SOFC 스택 개발자에게 특히 중요합니다. 스택 설계를 최적화하고, 전기 저항을 개선하며, 전체 동력 장치 시스템을 설계하기 위해 개별 구성요소 또는 전체 연료 전지 스택을 연구하는 데 ANSYS 솔루션을 사용할 수 있습니다.

— 아마드 하이다리, ANSYS 에너지 산업 마케팅 책임자