보 이론을 적용한 다공성 섬유 구조의 미세 기계적 변형에 대한 불균일 압축 효과의 전산 해석 = Computational analysis of non-uniform compression effects on the deformation of inhomogeneous fibrous porous diffusion layers using Winkler’s foundation beam theory|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

고분자 전해질막 연료전지의 셀 내부에서의 물질 전달 성능에 중추적인 역할을 하는 기체확산층은 탄소 섬유로 이루어진 다공성 섬유 구조이다. 본 연구에서는 연료전지 체결 상태에서의 기체확산층의 불균일한 형상 변화를 분석하고 이를 통해 기체확산층의 기계적, 열적, 전기적, 그리고 물질 전달 특성을 추정한다. 무작위로 분포되는 탄소 섬유에 대해서 신뢰도 확보를 위해 통계적 반복 시행을 기반으로 기체확산층의 3차원 변형 형상이 전산적으로 모델링 및 시뮬레이션 되었다.
기체확산층은 탄소 섬유와 소수성 물질인 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene), 그리고 기공 구조로 구성되며 섬유 구조와 다공성 구조로 나누어 압축 변형 해석을 진행하였다. 탄소 섬유는 단면이 원형으로 일정한 직선 보로 가정하여 오일러-베르누이 보 이론을 통해 섬유의 순수한 변형량을 도출하였다. 에너지 분산 특성을 가지고 있는 다공성 구조에 대해서는 윙클러의 지반 이론을 적용하였고, 다공성 구조를 스프링의 분포로 나타내어 압력에 대한 반발력을 도출하였다.
우선적으로, 일반적인 기체확산층의 물성치를 적용한 기본 조건에 대한 기계적 특성 분포를 분석하였다. 이 후, 외부 압력의 증가에 따른 기체확산층의 각 섬유 층 별 비선형적인 변형 특성을 도출하였고, 섬유의 굽힘 변형으로 인한 기공 크기의 감소가 수분 포화 영역에 미치는 영향을 분석하였다.
최종적으로, 다공성 구조의 에너지 분산에 영향을 미치는 요소인 공극률과 두께 변화에 따른 기계적 변형 특성을 분석하였다. 특히, 두께 측면에서는 통계적 분석을 기반으로 하여 압력 작용 후 일관된 기계적 특성을 나타내는 기준 두께를 도출하였다. 공극률의 변화에 따른 섬유의 굽힘 변형 정도가 전기화학반응으로 발생한 열 및 전기 전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로 본 연구는 거시 규모에서 연료전지 셀 해석 시 요구되는 기체확산층의 유효 특성을 제공한다.

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고분자 전해질막 연료전지의 셀 내부에서의 물질 전달 성능에 중추적인 역할을 하는 기체확산층은 탄소 섬유로 이루어진 다공성 섬유 구조이다. 본 연구에서는 연료전지 체결 상태에서의 ...

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A statistical numerical modeling was conducted to predict the microscopic non-uniform deformation of fibrous porous media under external compression. The fibrous porous media are constructed by randomly distributed carbon fibers and a hydrophobic binder, PTFE. Carbon fibers are considered as cylindrical straight beams with a constant cross-sectional area and the bending deformation morphology of the fiber is deduced by beam element stiffness matrix based on the Euler-Bernoulli beam theory. The porous structure is characterized by morphologically dissipating compression energy and energy dissipation mechanisms is determined by spring reactions based on Winkler’s foundation theory. Subsequently, deformation simulations under external clamping pressure are conducted to figure out mechanical characteristics of fibrous porous media and the effect of porosity and thickness variations on the mass transport area. The results elucidated that the external clamping pressure and mechanical deformation properties have a non-linear relationship in the fibrous porous media. This deformation model provides statistically consistent deformation characteristics of randomly generated fibrous media and can be utilized to predict mass transport performance in fuel cells under various compression conditions.

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목차 (Table of Contents)

목차 ⅰ
LIST OF TABLES ⅲ
LIST OF FIGURES ⅳ
NOMENCLATURE ⅶ
국문 요지 xi

목차 ⅰ
LIST OF TABLES ⅲ
LIST OF FIGURES ⅳ
NOMENCLATURE ⅶ
국문 요지 xi
제 1장 고분자 전해질막 연료전지 소개 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연료전지 구성 및 역할 3
1.2.1 연료전지의 원리 및 구성 3
1.2.2 기체확산층의 역할 및 중요성 4
1.3 선행연구조사 및 연구 목적 5
제 2장 기체확산층 기계적 변형 모델링 7
2.1 다공성 섬유 구조의 변형 형상 모델링 이론 7
2.1.1 가정 및 지배방정식 7
2.1.2 오일러-베르누이 보 이론 8
2.1.3 윙클러의 지반 이론 11
2.1.4 폴리테트라플루오로에틸렌 형상 13
2.2 기계적 변형 형상 구현 및 검증 16
제 3장 기체확산층 기계적 변형 해석 21
3.1 기본 조건에 대한 기계적 특성 분석 21
3.1.1 기공 및 섬유 구조 변화 21
3.1.2 기계적 변형 특성 및 에너지 분포 25
3.2 외부 압력 증가에 따른 기계적 특성 분석 28
3.2.1 섬유의 굽힘 변형 및 에너지 분포 28
3.2.2 기공 크기 변화에 의한 수분 포화 영역 변화 33
제 4장 변형 에너지 소산의 핵심 요소 분석 35
4.1 공극률 변화에 따른 기계적 특성 분석 35
4.1.1 외부 압력에 의한 기공 구조 변화 35
4.1.2 공극률에 따른 기계적 변형 및 에너지 분포 분석 38
4.1.3 수분 포화 영역 분석 41
4.2 섬유층 수에 따른 기계적 특성 분석 42
4.2.1 다공성 섬유 구조의 평탄도 분석 42
4.2.2 기체확산층 두께 별 기계적 거동 분석 46
4.3 기체확산층의 전기적, 열적 특성 분석 49
제 5장 결론 및 제언 57
참고 문헌 59
ABSTRACT 65

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