[논문 리뷰] Parameter Estimates for a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Cathode

Qingzhi Guo, Vijay A. Sethuraman외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 21.

Heat Transfer and Numerical Methods참고 문헌 3인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 고분자 전해질 막 연료전지의 음극에서 실험적 극화 곡선에 대한 최소 제곱 피팅을 통해 기체 확산층 다공도, 촉매층 다공도, 산소 환원 반응의 교환 전류 밀도, 유효 이온 전도도, 산소 확산 계수와 반지름의 비율의 다섯 가지 핵심 매개변수를 결정한다. 결과적으로 모든 전류 밀도 범위에서 이온 전도가 성능을 지배하는 것으로 나타났으며, 기체상 확산은 높은 전류 밀도에서만 성능에 상당한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Five parameters of a model of a polymer electrolyte membrane fuel cell cathode (the porosity of the gas diffusion layer, the porosity of the catalyst layer, the exchange current density of the oxygen reduction reaction, the effective ionic conductivity of the electrolyte, and the ratio of the effective diffusion coefficient of oxygen in a flooded spherical agglomerate particle to the squared particle radius) were determined by the least square fitting of experimental polarization curves. The values of parameters obtained in this work indicate that ionic conduction and gas-phase transport are two processes significantly influencing the performance of PEMFC air cathodes. While ionic conduction influences cathode performance over a wide range of current densities, gas-phase transport influences cathode performance only at high current densities.

연구 동기 및 목표

• 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC) 음극에서 가장 영향력 있는 물질 이동 및 반응 동역학 매개변수를 규명하고 정량화하는 것.
• 다양한 전류 밀도에서 음극 성능을 정확하게 모델링하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해 모델 매개변수를 실험 데이터에 캘리브레이션하는 것.
• 이온 전도와 기체상 확산이 음극 성능 제한에 기여하는 상대적 역할을 명확히 하는 것.
• PEMFC 음극의 예측 모델링 및 설계 최적화에 활용할 수 있는 검증된 매개변수 추정치를 제공하는 것.

제안 방법

• 제어된 조건 하에서 PEMFC 음극의 실험적 극화 곡선을 측정하였다.
• 다공성 매체의 물질 이동과 전기화학적 반응 동역학을 포함한 음극에 대한 수학적 모델을 개발하였다.
• 캘리브레이션을 위한 다섯 가지 핵심 매개변수를 식별하였다: 기체 확산층과 촉매층의 다공도, 교환 전류 밀도, 유효 이온 전도도, 그리고 유효 산소 확산 계수와 제곱 입자 반지름의 비율.
• 모델 예측값과 실험 데이터 간의 일치를 확보하기 위해 다양한 전류 밀도 범위에서 최소 제곱 피팅을 적용하였다.
• 모의와 측정된 극화 곡선 간 잔차 오차를 최소화하는 과정을 수행하였다.
• 각 매개변수가 모델 출력에 미치는 영향을 평가함으로써 민감도 분석을 암묵적으로 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PEMFC 음극의 성능에 가장 크게 영향을 미치는 물질 이동 및 반응 동역학 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 다양한 전류 밀도에서 이온 전도와 기체상 확산은 극화 손실에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 실제 실험 데이터에 피팅된 경우 핵심 음극 매개변수의 최적 값은 무엇인가?
• RQ4 응집입자 스케일의 물질 이동을 모델링할 때 유효 확산 계수의 영향은 무엇인가?
• RQ5 기체 확산층과 촉매층의 다공도 변화는 극화 거동에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 산소 환원 반응의 교환 전류 밀도는 저·중전류 성능에 영향을 미치는 중요한 반응 동역학 매개변수로 추정되었다.
• 유효 이온 전도도는 모든 전류 밀도 범위에서 지배적인 요소로 나타나, 옴 손실에 강력한 영향을 미친다.
• 기체상 확산 제한은 고전류 밀도에서만 뚜렷한 영향을 미치며, 질량 전달 과전압 경향과 일치한다.
• 유효 산소 확산 계수와 제곱 입자 반지름의 비율은 응집입자 스케일의 물질 이동을 모델링하는 데 핵심적인 매개변수로 규명되었다.
• 기체 확산층과 촉매층의 다공도는 이온 전도와 기체상 확산에 모두 중요한 영향을 미치며, 극화 곡선에 명백한 영향을 미쳤다.
• 최소 제곱 피팅 과정을 통해 모든 다섯 가지 매개변수를 성공적으로 캘리브레이션하였으며, 실험 극화 데이터와 밀도 높은 일치를 보이는 모델을 확보하였다.