연료전지는 수소를 직접 이용해 전기를 생산할 수 있는 장치로 주목받고 있다. 연료전지는 전해질에 따라 인산염 연료전지(PAFC), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)의 5가지 유형으로 나눌 수 있다. 연료전지는 대부분 동일한 전기화학적 원리에 기초하지만 작동온도가 다르고 사용되는 전해질 소재에 따라 연료전지마다 특성이 다르다.
SOFC의 높은 작동 온도로 인해 스택 내부에 휨이 발생하기 쉽다. 관련 문헌 및 실험에 따르면 스택 내부의 불균일한 온도 분포는 불균일한 가스 분포로 인해 발생한다. 따라서 스택 내부의 가스 흐름의 균일성을 향상시키는 것은 스택 효율을 높이고 스택 수명을 연장하는 데 매우 중요하다. 최근 몇 년 동안 시뮬레이션 기술이 점차 성숙함에 따라 시뮬레이션을 사용하여 연료전지 스택의 세부 사항을 설계하고 최적화하는 데 점점 더 많은 연구자의 관심을 끌고 있다. CFD의 사용은 실험 주기와 실험 비용을 크게 단축할 수 있다.
본 논문은 주로 평판형 고체산화물 연료전지 스택 내부의 기체 흐름 균일성에 대한 다양한 크기의 가스 매니폴드 및 단위셀 가스 채널 높이의 영향을 연구하였다. 스택의 3차원 모델을 만들고 CFD 소프트웨어를 사용하여 기체 분포의 균일성에 영향을 미치는 여러 매개변수를 분석했다. 기체 분포의 균일성과 기하학적 매개변수 사이의 관계를 연구하였다.
제1장에서는 주로 연구 배경을 소개한 다음 일반적인 SOFC 스택 모델과 단위셀의 가스 채널 모델을 소개하였다.
제2장은 CFD를 사용하여 SOFC를 연구한 관련 문헌을 요약한 것이다.
제3장에서는 평판형 SOFC 스택의 3차원 모델을 제작하여 스택 매니폴드의 크기와 연료 및 공기 이용률을 변경하여 매니폴드 크기의 변화가 스택 내부의 가스 유동 균일성에 미치는 영향을 관찰하였다. 그리고 동일한 매니폴드 크기에서 서로 다른 연료 및 공기 이용률에서 유량 균일성의 변화를 비교하였다.
제4장은 제3장에 기초하여 매니폴드의 크기를 일정하게 유지하고 단위 셀의 가스 채널 높이와 연료 및 공기 이용률을 변경하여 스택 내부의 가스 유량 균일성의 변화를 관찰하였다.
제5장에서는 본 논문에서 수행한 연구 작업을 요약하였다.