5.2 연료전지 모델의 조건별 시뮬레이션 결과
5.2.1 온도에 따른 영향
스택의 운전온도에 따른 영향을 확인하고자 아래의 Table. 5.2와 같은 운전조 건에서 산소와 공기를 사용하였을 때 3가지 작동 온도(333, 353, 363K)에 대하 여 각각 시뮬레이션을 진행하였다.
Fig. 5.4는 스택의 운전온도 변화에 따른 출력 전압을 나타내었다. 산소의 경 우 80℃를 기준으로, 60℃와 90℃ 운전 시 각각 0~3.18V와 0~1.61V의 전압 차 이가 있었으며 공기의 경우 각각 0~5.35V와 0~5.36V의 차이로 산소의 경우보다 온도에 의존도가 더 높은 것을 알 수 있다.
Fig. 5.5는 스택의 운전온도 변화에 따른 출력을 나타낸다. 스택 출력의 경우 산소 운전 시 그 차이가 60~80℃에서 0~1.07kW, 80~90℃에서 0~1.00kW의 차이 를 보였으며 공기 운전 시 동일 온도 조건에서 0~2.83kW, 0~2.44kW의 차이를 보였다. 90℃로 운전한 경우 60℃로 저온 운전한 경우보다 산소와 공기 운전 시 각각 2kW, 5kW만큼 출력이 높은 것을 확인할 수 있다.
Model Calculation condition and unit Data
PEMFC stack
Number of cells [-] 320 Maximum hydrogen conversion rate [-] 0.8 Operating temperature of stack [K] 333, 353, 363 Active cell area of one cell [] 0.16 Thickness of membrane [] 0.03 Pressure Cathode Inlet [] 253312
Anode Inlet [] 253312 Stoichiometric
ratio
Fuel [-] 1.2
Oxidant [-] 2
Humidity Anode Inlet gas [%] 100 Cathode Inlet gas [%] 100 Table 5.2 Simulated conditions according to temperature
Fig. 5.4 Comparison of model voltage according to various running temperature
Fig. 5.5 Comparison of model power according to various running temperature
Fig. 5.6은 스택의 운전온도 변화에 따른 Overvoltage를 비교하였다. 스택의 출력 전압이 Fig. 5.4 과 같이 차이가 발생하는 이유는 Fig. 5.6을 통해서 설명 이 가능하다. 단 셀에서 생성되는 개회로 전압은 작동 온도 60℃일 때 산소를 사용했을 경우가 가장 높게 확인이 된다. 그러나 활성화손실 전압이 크기 때문 에 단 셀 전압이 낮게 생성되며, 활성화손실 전압이 가장 작은 작동 온도 90℃
일 때 산소를 사용한 경우가 단 셀 전압이 가장 큰 것으로 확인된다. 개회로 전압의 경우 온도가 낮은 경우 더 높게 나타나는 것이 확인되었다. 이는 식(5) 에서 확인할 수 있다. 활성화손실 전압의 경우 식(6)에서 온도와 각 물질의 포 화압력에 의한 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 온도 변화에 따른 그래프의 경우 옴 전압손실과 농도 전압손실의 경우 차이가 없이 동일하였다. 따라서 단 셀 전압은 (개회로 전압) - (활성화손실 전압)으로 그 크기를 비교할 수 있는데 결과적으로 Fig. 5.4의 전압 그래프와 같은 양상을 띄는 것을 알 수 있다.
Fig. 5.7의 전류밀도 - 단 셀 전압 그래프와 Fig. 5.8의 전류밀도 – 스택 효율 그래프의 경우 유사한 경향과 나타내며 전류밀도가 증가할수록 수치가 감소하 는 방향으로 진행한다. 전류밀도가 커질수록 수치가 감소하는 까닭은 부하 증 가에 따라 옴 저항손실이 크게 증가하기 때문이며 각각 물질별로 전류밀도 증 가에 따라 차이가 더 커지는 것은 개회로 전압의 증가 폭보다 활성화손실 전압 의 증가 폭이 더 크기 때문이다.
Fig. 5.6 Comparison of model overvoltage according to various running temperature
Fig. 5.7 Comparison of model I-V curve according to various running temperature
Fig. 5.8 Comparison of model efficiency according to various running temperature