추가 적립 안내

연료전지는 차세대 에너지 시스템과 수송용 차량에서 중요한 역할을 하리라고 기대된다. 그러기 위해서는 제조단가를 감소시키고 성능을 개선하는 데 있어 획기적인 진전이 요구된다. 현재는 고체산화물 연료전지, 수소이온교환막 연료전지,그리고 직접메탄올 연료전지, 등이 주목을 받고 있다. 이 책은 SOFC, PEMFC 및 DMFC에서의 수송과정을 이해하는 데 도움이 되고자 한다. [양장본]

이 책은 SOFC, PEMFC 및 DMFC에서의 수송과정을 이해하는 데 도움이 되고자 한다. 9 개로 이루어진 각 장(chapter)은 광범위한 주제를 다루고 있으며, 각 분야에서 뛰어난 전문가들이 집필한 것이다.
1 장은 SOFC의 열역학 및 전기화학적 기초를 다루고 있다. 효율, 에너지 분포, 전기화학적 평형, 전압손실, 저항손실 및 물질전달 저항에 의한 손실 등을 설명하고 있다. 또한 SOFC에서 국소 기전력(electromotive force, EMF) 및 전체 기전력을 결정하는 결합된 수송과정에 대한 모델링과 시뮬레이션이 제시된다. 2 장은 평판형 SOFC의 단일셀(single cell)과 스택(stack)을 모델링하기 위한 다양한 수치적 기법을 설명한다. 3 장에서는 간접내부개질을 포함한 관형(管形, tubular) SOFC의 해석을 위한 수치모델이 제시되며, 셀의 최대 온도와 온도구배를 줄이기 위한 연구 결과와 이에 대한 전략이 논의된다. 4 장은 열, 물질전달, 2상(two-phase)수송과 SOFC와 PEMFC에 대한 영향을 수치적으로 분석한다. 5 장에서는 PEMFC 전극에서의 수송현상에 대해 다루고, 전극의 물리적 특성 또한 논의된다. 초점이 되는 것은 물질의 구동력 및 다양한 유동체제(flow regime)과 함께 다공질 물질에서의 2상 흐름이다. 수학적 모델 또한 제시된다. 6 장은 다양한 설계구조와 운전 파라메터가 연료전지 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 PEMFC를 수학적으로 모델링하고 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 3 차원 모델은 설계와 운전의 최적화에 이용될 수 있고, PEMFC 스택과 시스템의 모델링과 이해를 위한 중요한 요소가 된다. 7 장은 간략화된 모델을 얻기 위해 지배적인(governing) 파라메터를 규명함에 있어 스케일링(scaling, 일정한 비율로 크기를 줄이거나 늘이는 것) 영향과 무차원화(nondimensionalization) 및 점근적 기법을 이용하며, 이를 PEMFC와 DMFC에서 실제 적용한 결과를 제시하고 있다. 8장에서는 PEMFC 스택에 대한 수학적 모델을 다룬다. 스택에서의 압력, 연료와 산화물질의 유량에 대한 분포가 수력학적(水力學的, hydraulic) 네트워크 해석에 의해 결정된다. 마지막으로, 9 장은 DMFC 기술의 최근 개발동향에 대해 설명한다. 2상 마이크로 유체역학(microfluidics), 열과 물질수송을 포함하여 중요한 물질수송 현상을 밝히기 위한 실험과 모델링 작업이 제시된다.
모든 장에서는 이해를 쉽게 하기 위해 일관된 단어와 기호를 사용하고 있으며, 이 책은 산업 및 연구 분야의 대학원생과 엔지니어에게 귀중한 지식을 제공할 것이다.

Chapter1
SOFC에서의 다중 물질수송 1

1 서론 1
2 SOFC에 대한 열역학적 및 전기화학적 기초 3
2.1 수소연료에 의한 운전 5
3 전위 손실(Electrical potential losses) 13
3.1 활성화분극 14
3.2 저항손실 16
3.3 물질수송과 농도 분극 21
4 관형 SOFC의 컴퓨터 모델링 22
4.1 계산 영역의 개요 24
4.2 지배방정식과 경계 조건 25
4.3 수치 계산 30
4.4 관형 SOFC에 대한 수치 계산의 대표적인 결과 31
4.4.1 SOFC 단자전압 32
4.4.2 셀의 온도분포 34
4.4.3 유동장, 온도장 및 농도장 36
5 맺음말 39

Chapter 2
평판형 고체산화물 연료전지의 수치 모델 51

1 서 문 52
1.1 고체산화물 연료전지의 형태와 역사 52
1.2 모델링 기법 54
1.3 SOFC의 열역학 55
1.4 전지 전압과 전류 59
1.5 활성화 손실 (Activation losses) 62
1.6 확산 손실(Diffusion losses) 65
1.7 기본적인 계산 알고리즘 69
2 컴퓨터에서의 설계 70
2.1 일반 스칼라방정식 72
2.2 연속성(continuity) 73
2.3 운동량(Momentum) 74
2.4 열전달(Heat transfer) 75
2.5 물질전달 78
2.6 수치적분 방법 79
2.7 반복계산과정(Iterative procedure) 80
2.8 화학 및 전기화학에 대한 추가 지식 81
2.9 다공질 재질에서의 유동 82
2.10 전류와 전압 분포 84
2.11 심화 확산모델 86
2.12 열 복사 87
3 스택모델 90
4 결론 93

Chapter 3
간접 내부 연료개질식 관형 SOFC의 전기화학적 및 열유체 모델링 103

1 서 론 104
2 IIR-T-SOFC의 메카니즘에 대한 개요 106
2.1 관형 셀 107
2.2 내부개질 과정 108
2.3 전기화학적 과정 109
2.4 해석의 목적과 핵심사항 111
3 수치적 모델링 112
3.1 열 및 물질 전달의 계산영역과 일반 가정 112
3.2 전기화학적 반응 모델 114
3.3 내부연료개질 모델 116
3.4 속도장, 온도장 및 농도장의 지배방정식과 경계조건 117
3.5 이산화 방법 120
3.6 전위 및 전기회로 식 123
3.7 전기화학적 반응과 개질반응을 통한 각 화학물질의 생성율과 소비율 125
3.8 열역학적 열발생율에 대한 모델 126
3.9 저항성 열발생 127
3.10 복사 모델 127
3.11 전체 모델 131
4 결과 및 토의 132
4.1 간접내부개질이 없는 공기극 지지 관형 SOFC에 대한 결과[16, 43, 44] 132
4.2 간접내부개질이 포함된 기본경우에 대한 결과 137
4.2.1 열장 및 농도장 139
4.2.2 전위장 및 전류장 143
4.2.3 전력발생 특성 144
4.3 이상적인 열장에 대한 방법 146
4.3.1 가스 입구온도의 영향 147
4.3.2 공기유량의 영향 149
4.3.3 촉매의 밀도 분포의 영향 150
5 결론 152

Chapter 4
PEMFC와 SOFC의 열 및 물질전달현상과 모델링 방법들 161

1 서론 161
2 연료전지 모델링의 발전 163
2.1 SOFC와 PEMFC의 기초 163
2.2 모델링 발전 166
2.2.1 모델링 방법 166
2.2.2 현재 존재하는 여러 가지 모델들 167
3 SOFC와 PEMFC의 주요 과정 170
3.1 가스수송 171
3.2 전기화학적 반응 171
3.3 열전달 172
3.4 전극(다공질층)에서의 다양한 수송과정 173
3.5 연료전지 구성요소에서 나타나는 다른 과정들 173
4 SOFC와 PEMFC에서의 과정과 문제 174
4.1 PEMFCs에서의 물관리 174
4.2 SOFC에서의 연료개질 문제 175
5 SOFC와 PEMFC에서의 수송과정에 대한 모델링 방법론 176
5.1 일반적인 고려사항 176
5.2 가정 176
5.3 지배방정식 177
5.4 경계조건 179
5.5 부가적인 방정식 181
5.6 해를 구하는 방법 182
6 결과 및 검토 183
6.1 가스흐름과 열전달에 미치는 물질전달효과 183
6.2 수송과정에 미치는 다공질층의 영향 188
6.2.1 PEMFC에서의 수송과정 188
6.2.2 SOFC에서의 수송 과정 194
6.3 2상 유동 및 그것이 셀 성능에 미치는 영향 197
7 결론 202

Chapter 5
다공질 가스확산전극에서의 2상 수송 211

1 소개 211
1.1 PEMFC 211
1.2 다공질 물질 213
1.3 PEMFC 전극의 다공질 물질 214
2 단일 상(相) 수송 217
2.1 단일성분의 단일상 수송 217
2.1.1 투과도 217
2.2 두 가지 성분을 갖는 단일상의 수송 218
2.2.1 다공질 물질에서의 유효확산도 220
2.2.2 2 종 확산계수의 결정 222
2.2.3 두 가지 이상의 성분을 갖는 가스의 단일상 수송 222
2.3 Knudsen 확산 223
2.4 Knudsen 확산도의 결정 224
2.5 Knudsen 천이체제 225
2.5.1 확산도의 비교 225
3 2상 시스템 226
3.1 2상 체적 227
3.2 2상 시스템에서의 수력학과 모세관현상 229
3.2.1 모세관압력 곡선 235
3.3 상대투과도 237
4 다상유동 모델 240
4.1 다중유체 모델 240
4.1.1 상변화 241
4.1.2 응용 245
4.2 혼합물 모델 247
4.3 습도확산 모델 249
4.4 기공도정정 모델 250
4.5 여러 문헌의 다상모델의 평가 250
5 미해결 문제와 결론 251

Chapter 6
수소이온교환막 연료전지의 시뮬레이션 257

1 서 론 258
2 1 차원(1-D) 모델 258
2.1 일반적인 1 차원 모델 259
2.1.1 모델 설명 259
2.1.2 모델 가정 260
2.1.3 지배방정식 261
2.1.4 촉매층 261
2.1.5 막 263
2.1.6 경계조건 264
2.1.7 결과와 토의 267
2.1.8 요약 270
2.2 일반적인 2 차원(2-D) 모델 271
2.2.1 모델 수식 및 가정 271
2.2.2 수학적 모델 272
2.2.3 경계조건 275
2.2.4 수치 과정 275
2.2.5 결과 및 토의 276
2.2.6 결언 278
2.3 3 차원(3-D) 모델 279
2.3.1 모델 수립 279
2.3.2 수학적 모델 280
2.3.3 경계 조건 284
2.3.4 이산화 전략 284
2.3.5 해를 구하기 위한 알고리즘 285
2.3.6 결과 및 토의 286
2.3.7 이차유동 패턴 287
2.4 요약 및 결론 291

Chapter 7
연료전지의 수학적 모델링 해석에서 수치계산까지 295

1 서론 295
2 PEFC 299
2.1 공기극의 흐름에 대한 수식화 300
2.1.1 유로 300
2.1.2 다공질 지지체 302
2.1.3 경계조건 303
2.2 무차원화 306
2.3 파라메터 308
2.4 좁은 간극의 근사화(narrow-gap approximation) 309
2.5 또 다른 간소화와 관찰 311
2.6 계산 및 결과 315
2.6.1 와 의 효과 316
2.6.2 ʻ분극표면(polarization surfaces)ʼ 319
3 DMFC 322
3.1 연료극에서의 유동에 대한 수식화 323
3.1.1 유로 323
3.1.2 다공질 지지체 324
3.1.3 경계조건 324
3.2 무차원화 325
3.3 파라메터 325
3.4 좁은 간극의 근사화 326
3.5 또 다른 간소화와 관찰 326
3.6 수치연산과 결과 331
4 결론 332


Chapter 8
수력학적 네트워크 방법에 의한 PEMFC 스택의 모델링 339

1 소개 340
2 모델 수식화 341
2.1 스택 유동모델 345
2.2 매니폴드 압력손실 347
2.3 셀 압력손실 348
2.4 촉매층에서 소모된 질량 350
2.5 경계조건 352
3 수치적 과정 352
3.1 외부루프 반복과정 353
3.2 내부루프 반복과정 355
3.3 수치 과정 요약 356
4 결과 및 토의 357
5 Conclusions 368

Chapter 9
직접메탄올 연료전지의 2상 마이크로유체역학, 열과 물질 수송 377

1 소 개 378
2 DMFC의 기초 380
2.1 셀의 구성요소와 분극곡선 380
2.2 열역학 383
2.3 메탄올 산화와 산소환원 동력학 385
3 2상 유동 현상 386
3.1 연료극에서의 기포동역학 386
3.1.1 유동 가시화 387
3.1.2 기포직경과 표류속도 390
3.1.3 압력 강하 391
3.2 공기극에서의 액상 물의 수송 391
3.2.1 공기극에서의 물의 넘침 391
3.2.2 물 범람의 가시화 393
4 물질수송 현상 395
4.1 메탄올 교차 395
4.2 휴대용 DMFC 시스템에서의 물 관리 398
5 열 수송 400
6 수학적 모델링과 실험적 진단 402
6.1 수학적인 모델링 403
6.2 실험적 진단 404
6.3 모델 검증 406
7 응용 : 마이크로 DMFC 408
8 요약과 전망 414