현재의 에너지 위기는 제한된 화석 연료로 인해 어느 나라에서나 가장 중요한 문제 중 하나로 간주된다. 그린 에너지는 화석 연료의 부정적인 영향을 보다 환경 친화적인 대안으로 대체하므로 환경에 중요하다. 수소 저장 및 고분자 전해질막 연료전지는 고효율 에너지 변환 장치이며, 화석 연료 시스템을 대체할 수 있는 장치들로 주목받고 있다. 이 논문에서는 고분자 전해질막 연료 전지 시스템과 금속 수소화물 시스템의 설계 효율성에 대한 포괄적인 연구가 진행되었다.
본 논문의 앞부분에선 고분자 전해질막 연료 전지에 사용되는 백금 (Pt) 촉매입자와 그 지지체로 이산화티타늄 (TiO₂)을 첨가했을 때의 영향성에 초점을 두었다. 지지체로서 TiO₂ 는 전기 전도성이 좋지 않은 반도체 금속임에도 불구하고 탄소 (C) 부식 및 Pt 입자 뭉침 현상에 대해 우수한 내성을 보였다. 기존 구축된 마이크로 스케일 촉매층 모델은 더욱 개발되어 Pt/TiO₂/C 촉매 구조에서 전자 수송의 영향을 분석하는 데 사용되었다. 모델 예측은 Pt/TiO₂/C 촉매 구조를 통한 Pt 입자 성장의 억제가 장기간 PEM 연료 전지를 작동하는 동안 우수한 촉매 성능을 유지하는 데 있어서 분명히 유리하다는 것을 강조한다.
또한, 논문의 다음 단계에서는 원통형 구리 폼 기반 감손 우라늄 (DU) 베드를 확장하고 DU 로딩을 9.3kg 으로 증가시키기 위해 Scale - up 수치해석을 수행하였다. 다양한 종횡비를 가진 3 개의 확장된 DU 베드 형상이 3D DU 수소화물 모델에 사용되었으며, 신뢰도 확보를 위해 실험데이터와 비교되어 타당성을 입증하였고 이를 기반으로 자세한 분석이 이루어졌다. DU 베드의 더 큰 종횡비는 모델에 의해 더 빠른 DU 수소화 성능과 DU 배드 내 평균 온도의 더 낮은 상승을 초래할 것으로 예측되었다.
또한, PEM 연료 전지에 대한 설계 매개변수의 영향이 논문의 다섯 번째 장에서 조사되었으며, 4 가지 주요 설계 매개변수(가스 확산층 두께, 채널 깊이)에 대한 최적화 문제가 진행되었다. 본 최적화 문제에서 진행된 목적함수는 각각 셀 성능과 압력강하로 선정되었다. (채널 너비 및 랜드 너비에 대한 다목적함수 최적화). 이를 위해 다양한 설계점에서 PEM 연료 전지 모델의 셀 전압 및 압력 강하를 도출했다. 셀 전압과 압력 강하에 대한 설계 매개변수의 상호 작용 효과를 먼저 조사한 결과 랜드 너비와 채널 깊이의 동시 감소는 셀 전압을 향상시킬 수 있는 반면 채널 깊이와 채널 너비의 동시 증가는 압력 강하를 감소시키는 것으로 나타났다.
금속 수소화물의 베드 성능에 대한 설계 매개변수의 영향은 마지막 연구에서 다목적함수 최적화를 사용하여 진행되었다. 금속 수소화물 베드 성능을 최대화하기 위해 3 가지 주요 설계 매개변수(DU 에 대한 팽창 부피의 비율, 금속 폼의 기공도 및 베드의 직경)가 반영되었다. 다양한 설계에서 DU 에 대한 수소 흡장 비율과 금속 수소화물 베드 모델의 부피에 대한 응답을 조사했다. 이 연구의 결과는 세가지 설계 매개변수를 사용하여 금속 수소화물 베드의 성능을 예측하기 위한 2 차 다항식을 유도하는 것이다.