전기화학 반응을 포함한 장치 내 유동 해석을 위한

Ansys Fluent 기능 알아보기

 

서론

글로벌 에너지 패러다임이 탄소 중립으로 전환됨에 따라 수소는 미래 에너지 인프라의 핵심 자원으로 부상하고 있다. 특히 신재생에너지의 대표적 한계인 간헐성을 해결하기 위해 잉여 전력을 수소로 변환하여 저장하는 P2G(Power-to-Gas) 메커니즘이 수소 경제에서 중요한 역할을 하고 있다.

[그림 1] 수소 경제 밸류체인 개요도

수소를 생산하는 다양한 방식 가운데 전기에너지를 직접 이용하는 수전해(Electrolysis) 방식은 고순도 수소를 생산할 수 있으며, 탄소를 배출하지 않는 친환경적인 방법이다. 그러나 수전해 장치는 전하의 이동 및 전달, 기-액 다상 유동, 이온 투과, 전기화학 반응 등 다양한 물리 현상이 결합된 시스템이므로 설계와 최적화가 쉽지 않다.

이와 같은 요구에 대응하기 위해 Ansys Fluent®는 수소 생산 및 활용 장치 내부의 유체 거동을 해석할 수 있는 기능을 지속적으로 확장해 왔다. 대표적인 수소 활용 장치로는 연료전지가 있으며, Fluent 에서는 연료전지 모듈을 10여 년 전부터 add-on 모듈 형태로 제공해 왔다. 또한 연소 분야에서도 기존 화석연료에 수소를 혼합하여 탄소 배출을 저감하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 수소의 급격한 연소 특성을 고려한 연소 해석 모델(Thickened Flame Model)도 추가되었다. 수소 생산 관련 장치에 대한 해석 모델은 Fluent 2023 R1부터 지속적으로 업데이트되었으며, 2026 R1에서는 다양한 수전해 장치와 더불어 연료전지도 해석할 수 있는 모델이 추가되었다.

이번 장에서는 Fluent 2026 R1에서 제공하는 수소 생산 장치 해석 모델과 모델 설정 시 입력해야 하는 항목들을 설명한다.

 

수전해 장치 개요

수전해 장치는 아래 [그림 2]와 같이 구성되어 있다.

[그림 2] 전기화학 반응을 활용한 장치의 구성 요소 및 명칭

전기화학 반응을 포함한 장치는 산화전극(Anode)와 환원전극(Cathode)로 나눌 수 있으며, 산화전극에서는 반응 물질에서 전자(e-)가 분리되고(전자를 잃고), 환원전극에서는 반응 물질이 전자와 결합하는(전자를 얻는) 반응이 발생한다.

수전해 장치의 구성 요소를 살펴보면 맨 위와 아래쪽에 금속판 형태의 Current Collector가 있으며, 이 영역을 통해 전류가 공급되거나 방출된다. Flow Channel 영역은 실제 구조에서 유체가 흐르는 빈 공간이며, Porous Layer는 스펀지와 같은 다공성 매질로 이루어져 물질 확산을 담당하는 영역이다. Catalyst Layer 영역은 실제적으로 촉매에 의해 반응이 발생하는 영역이며, 수전해 장치의 유형에 따라 서로 다른 반응이 발생한다. Electrolyte는 선택된 물질만 통과시키는 분리막(Separator)으로서 주로 이온화된 물질의 이동을 담당한다.

수전해 장치는 분리막을 기준으로 양측이 동일한 구성으로 배치되어 있다.

 

Fluent 수전해 해석 설정

수전해 장치 해석 모델은 기존 연료전지 모델과 달리 GUI에서 직접 설정할 수 있다. Fluent 화면 왼쪽의 Outline View 하단 Model 항목 또는 상단 리본 메뉴의 Physics 탭에서 Models > More > Potential/Electrochemistry 경로를 통해 설정한다.

[그림 3] 수전해 장치의 CFD 해석을 위한 모델

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Model 탭

Electrochemistry 설정에서 수전해 장치 해석 모델은 2026 R1부터 Electrochemical Devices로 표시되며, Fluent 2025 R2까지는 Electrolysis and H2 Pump Model로 표기되었다. 2026 R1부터 명칭이 변경되면서 Model 탭의 Device Type에는 수전해 장치뿐 아니라 연료전지 해석 모델도 함께 포함되었다. 각 Device Type에 대한 개요는 다음과 같다.

[그림 4] Electrochemical Devices 설정 화면 – Model 탭

 Device Type

- PEM Electrolysis : 고분자 전해질막(PEM)을 사용해 수소를 생성하는 수전해 장치 모델. Anode에서 물(H₂O)이 분해되어 산소(O₂)와 수소 이온(H⁺)을 생성하고 생성된 수소 이온은 분리막을 통과하여 Cathode에서 수소가 생성됨.

- Alkaline Electrolysis : KOH와 같은 알칼라인(염기성) 수용액을 전해질로 사용하는 수전해 장치 모델. Anode와 Cathode로 전해액이 공급되고 Cathode에서 물이 분해되어 수소와 OH^-를 생성하고 분리막을 통해 OH^-가 통과하여 Anode에서 산소와 물이 생성됨.

- H2 Pump : 수소를 Anode에서 Cathode로 전달하여 순도를 높이는 장치 모델. Anode에 있는 수소가 이온과 전자로 분해되어 수소 이온이 분리막을 통과해 Cathode에서 전자를 받아들여 다시 수소 가스로 생성됨.

- PEM Fuel Cell : 고분자 전해질막(PEM)을 분리막으로 사용하여 수소와 산소를 통해 전기를 생성하는 장치 모델. Anode에서 수소가 전자를 내놓으면서 수소 이온으로 변환되고, 수소 이온이 분리막을 통해 Cathode로 넘어가 산소와 반응해 물이 생성됨.

- High Temperature PEMEC : PEM EC는 작동 온도가 100℃ 이하인 반면에 High Temperature PEM EC는 100℃~ 200℃에서 작동. 고온에서 작동하여 필요한 전기 에너지가 낮고, 다양한 촉매를 활용할 수 있는 가능성이 있음.

- SOFC : 분리막으로 고체산화물을 사용하고, Anode에서는 수소나 메탄(CH₄)이 공급되고 Cathode에서는 공기나 산소를 공급하여 전기를 발생하는 장치 모델. Cathode의 산소가 전자를 받아 이온화되고 산소 이온(O^2-)이 분리막을 통과하여 Anode로 전달됨. 전달된 산소 이온은 수소와 반응해 전자를 방출하고 물이 생성됨.

- SOEC : SOFC는 수소와 산소로 전기를 생산하는 장치라면 SOEC는 전기를 사용하여 고온의 수증기를 공급해 수소와 산소를 생성하는 장치 모델. Cathode에 공급된 수증기가 수소와 산소 이온으로 분리되고, 산소 이온은 분리막을 통해 Anode로 전달되고 Anode에서 산소 가스가 생성됨.

- Customized : 사용자가 전기화학 반응과 반응 메커니즘을 직접 정의하여 전기화학 장치를 해석할 수 있는 기능. 다상 유동을 포함한 해석까지 수행 가능.

 

Device Type에 따라 단상 유동 해석과 다상 유동 해석을 선택할 수 있으며, Membrane의 경우 실제 형상을 반영할지 또는 단순화하여 해석할지에 따라 Resolved와 Unresolved로 구분할 수 있다. MEA Layer Modeling Method 옵션의 의미는 다음과 같다.

MEA Layer Modeling Method

- Resolved : 분리막 영역을 실제로 모델링하고 격자를 생성하여 해석에 직접 반영하는 방식.

- Unresolved 0D : 분리막 형상을 해석 모델에 직접 반영하지 않고, Fluent에서 분리막 영역에 해당하는 경계면(Wall과 Wall-Shadow)을 선택하는 방식. 이후 Electrolyte 탭에서 전도도와 두께 등의 정보 입력.

- Unresolved 1D : Unresolved 0D와 동일한 개념이지만, 두께 방향의 전위 및 물질 이동 방정식을 반영하여 보다 상세한 물리 현상을 계산하는 방식.

 

Options에서는 연료전지 및 수전해 장치 셀에서 발생하는 현상의 반영 여부를 선택할 수 있다.

Options

- Electrochemistry Source : 전기화학 반응에 따른 소스항(화학종, 에너지, 전류 등)을 활성화하는 기능이다. 이 옵션을 비활성화하면 기본 전위장만 계산하고 전기화학적 효과는 고려하지 않는다. 수렴 안정성을 높이기 위해 계산 초기에는 이 옵션을 비활성화한 상태로 유동 해석을 수행한 뒤, 해석이 안정화되면 다시 활성화하여 전기화학 반응을 포함한 계산을 수행할 수 있음.

- Butler-Volmer Rate : 촉매층의 전기화학 반응 속도를 Butler-Volmer 방정식을 사용하여 계산. 비활성화하면 반응 속도는 Tafel 방정식으로 계산됨.

- Multicomponent Diffusion : Full Multicomponent Diffusion Method를 사용하여 개별 가스 화학종의 확산을 계산.

- Half Cell Voltage : Nernst 방정식을 이용한 Anode와 Cathode의 반쪽 전지 전위 계산을 활성화함. 비활성화 시 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)를 설정.

- Osmotic Drag : 분리막 내 이온 이동 시 물 분자가 함께 이동하는 전기삼투 현상을 반영.

- Capillary Pressure : Porous Layer와 Catalyst Layer에서 다공성 매질에 의한 모세관 현상 반영. 이는 스펀지가 물을 흡수하는 것과 유사한 현상을 모사.

- Reaction Heat : 전해조에서 발생하는 수전해 반응열을 반영.

- Phase Change : 다상 유동 모델을 사용하는 장치 해석에서 수증기와 물 사이의 상변화 현상을 반영.

- Water Content : 수전해 또는 H2 Pump 장치에서 분리막 내 수분의 함량과 이동을 반영하는 기능. 분리막의 수화 정도에 따른 전해질 전도도 변화는 UDF를 통해 모사.

 

Electrochemical Devices 모델은 전기에 의해 유도되는 화학반응을 고려하므로 전기적 경계 조건도 함께 설정해야 한다. 전기적 경계 조건은 Electrical System Setup에서 사용 목적에 맞는 방식으로 지정할 수 있다.

Electrical System Setup

- Set Up in B.C. Panels : 사용자가 각 전극 외벽(Electrical Tab)에 대해 전위 또는 전류 밀도와 같은 전기적 경계 조건을 Boundary Condition 설정에서 직접 지정하는 방식.

- Specify Total Voltage : 셀 또는 스택의 전체 전압(V)을 설정하는 방식. 사용자가 입력한 값을 바탕으로 Anode와 Cathode의 전압 조건을 자동으로 설정.

- Specify Total Current : 셀 또는 스택의 전체 전류(A)를 설정하는 방식. 사용자가 설정한 전류값은 Anode의 Electrical Tab으로 지정한 경계면에 적용되며, Electrical Tab 면적에 의해 전류 밀도(A/m²)가 계산됨.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Parameters 탭

Model 탭에서 설정을 완료한 뒤에는 다음 단계인 Parameters 탭으로 이동하여 전기화학 반응 속도 계산에 필요한 파라미터를 설정한다. 전기화학 반응 속도는 앞선 설정에 따라 Butler-Volmer Equation에 필요한 파라미터를 지정하거나, 더 단순한 형태의 Tafel Slope Equation에 사용되는 계수를 설정하여 계산한다. Butler-Volmer Rate 옵션의 활성 여부와 관계없이 Parameters 탭 내 Electrochemistry 영역의 입력 항목은 동일하므로, 해석 대상에 맞는 파라미터 값을 정확히 입력해야 한다.

[그림 5] Electrochemical Devices 설정 화면 – Parameters 탭

 

전기화학 반응 속도를 계산하기 위한 식은 아래와 같다.

Butler-Volmer Equation

     

[수식 1]

 

참조 전류 교환 밀도 ( j(T) )

[수식 2]

 

Tafel Formulation

   

[수식 3]

 

각 항의 변수 설명

[수식 4]

Electrochemistry 입력 항목을 보면 Cathode 열의 C_ref와 Con. Exponent 값은 비활성화되어 있는데, PEM Electrolysis의 경우 Anode극으로 공급되는 물에 의해 전체적인 반응이 발생하므로 Anode극에서만 물의 농도와 농도항의 지수를 입력할 수 있다. Fluent에서는 기본적으로 몰농도(kmol/m³)를 분자량으로 계산하므로 액체상의 물의 농도를 반영할 수 없기 때문에 물의 밀도를 바탕으로 계산된 몰농도이다.

Global 항목에서는 Model 탭의 Options에서 선택한 기능에 따라 추가 파라미터를 입력한다. [그림 5]에는 2개의 입력 항목만 표시되어 있지만, Model 탭의 Options에서 어떤 기능을 선택했는지에 따라 추가 입력 항목이 나타난다.

Global

- Open Voltage (V) : 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)을 설정하는 항목. Model 탭에서 Half Cell Voltage 옵션을 선택하지 않은 경우 사용하며, 회로가 연결되지 않았을 때 셀 내부 전위 차를 입력.

- Mod. Coef. OSM_drag : Model 탭에서 Osmotic Drag 옵션을 선택했을 때, 전기삼투 현상에 의해 물이 분리막을 통과하는 과정에 사용되는 계수.

- Standard Temperature : Model 탭에서 Half Cell Voltage 옵션을 선택했을 때 Nernst 식에 사용되는 표준 상태 기준 온도.

- Standard Pressure : Model 탭에서 Half Cell Voltage 옵션을 선택했을 때 Nernst 식에 사용되는 표준 상태 기준 압력.

- Vaporization Rate : Model 탭에서 Phase Change 옵션을 선택했을 때 표시되는 증발 속도.

- Condensation Rate : Model 탭에서 Phase Change 옵션을 선택했을 때 표시되는 응축 속도.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Anode 탭 (Cathode 탭과 동일)

Anode 탭에서는 수전해 장치의 Anode 측을 구성하는 요소를 정의한다. [그림 2]와 같이 연료전지와 수전해 장치는 비슷한 영역으로 구성되어 있으며, Anode와 Cathode는 분리막을 기준으로 대칭 구조를 이룬다. 가장 바깥쪽에는 전도성을 갖는 금속판 형태의 Current Collector가 있고, 내부에는 전해액이 흐르는 Flow Channel, 금속 스펀지 형태의 Porous Layer, 그리고 실제 전기화학 반응이 발생하는 Catalyst Layer가 배치된다. 각 구성 요소는 실제 장치의 형상 특성이나 CFD 해석상 모델링 범위에 따라 제외하고 해석할 수 있다.

[그림 6] Electrochemical Devices 설정 화면 – Anode 탭 Current Collector 설정

[그림 6]은 Current Collector 설정 화면으로, Anode 측 Current Collector에 해당하는 Solid Cell Zone을 선택한다. 화면 오른쪽의 Cell Zone Conditions에서는 Update Cell Zones 선택 여부에 따라 Electrochemical Devices 모델이 자동으로 설정한 물질을 사용하거나, 사용자가 Materials에서 물질을 직접 생성하여 적용할 수 있다. Electrochemical Devices 모델을 처음 사용하는 경우에는 Update Cell Zones 기능을 사용하는 것을 추천한다.

 

[그림 7] Electrochemical Devices 설정 화면 – Anode 탭 Flow Channel 설정

[그림 7]은 Flow Channel 설정 화면으로, Anode 측 Flow Channel에 해당하는 Fluid Cell Zone을 선택한다. Flow Channel이 없는 경우에는 해당 항목을 선택하지 않고 넘어갈 수 있다. Cathode 탭에서도 동일한 방식으로 Cathode Flow Channel 영역을 선택한다.

 

[그림 8] Electrochemical Devices 설정 화면 – Anode 탭 Porous Layer 설정

[그림 8]은 Porous Layer 설정 화면으로 해당 영역에 대응하는 Fluid Cell Zone을 선택한다. 이후 Cell Zone Conditions 영역에서 기공률(Porosity)과 다공성 매질의 절대 침투계수(Absolute Permeability)를 직교 좌표계 기준으로 입력한다. 기공률은 화학종 확산(Multicomponent Diffusion), 상변화(Phase Change), 분리막 수화 현상(Water Content) 계산에 사용된다. 절대 침투계수의 역수는 Porous Layer 영역으로 지정된 Fluid Cell Zone의 Viscous Resistance 값으로 적용된다.

하단의 Capillary Pressure는 Model 탭의 Options에서 Capillary Pressure 옵션을 선택했을 때 표시되는 항목으로, 스펀지와 같은 물질이 액체를 흡수하는 모세관 현상을 계산하기 위한 설정이다. 기본적으로 Leverett function을 사용하며, Contact Angle 값으로 모세관 압력을 조절할 수 있다. 모세관 압력은 전해액의 부피 분율에 따라 달라진다.

 

 

[그림 9] Electrochemical Devices 설정 화면 – Anode 탭 Catalyst Layer 설정

[그림 9]는 Catalyst Layer 설정 화면으로, 해당 영역에 대응하는 Fluid Cell Zone을 선택한 뒤 Porous Layer와 유사하게 기공률과 절대 침투계수를 입력하고, 옵션에 따라 모세관 압력 계산에 필요한 계수도 함께 입력한다. 추가적으로 Catalyst Layer에서는 전기화학 반응이 발생하므로 단위 체적당 반응 표면적(m²/m³) 값을 입력해야 한다. 실제 Catalyst Layer는 반응성을 높이기 위해 거친 표면을 가지며, 그 결과 비표면적이 매우 크다.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Electrolyte 탭

[그림 10] Electrochemical Devices 설정 화면 – Electrolyte 탭

[그림 10]은 Electrolyte(전해질) 탭의 설정 화면이다. Electrolyte는 장치 유형에 따라 분리막(Separator), 다공성 격막(Diaphragm), 멤브레인(Membrane), 고체산화물 또는 세라믹 분리막(Solid Oxide Electrolyte) 등으로 명명된다.

전해질은 앞서 Model 탭의 MEA Layer Modeling Method에서 선택한 옵션에 따라 지정 방식이 달라진다. Resolved를 선택한 경우에는 Fluid Cell Zone에서 해당 영역을 직접 선택하고, Unresolved를 선택한 경우에는 Anode와 Cathode Catalyst Layer가 맞닿는 경계면(Wall type)을 선택한다.

전해질 탭에서도 기공률과 절대 침투계수를 설정한다. 기공률은 화학종 확산(Multicomponent Diffusion), 상변화(Phase Change), 수화 현상(Water Content) 계산에 사용된다.

또한 Species/Water Permeation 옵션을 사용하면 Anode와 Cathode 사이의 압력 차에 의한 화학종 및 수분의 침투 현상을 고려할 수 있다. 이 기능은 앞서 설명한 Osmotic Drag와 달리 압력 차에 따른 물질의 침투 및 투과량을 반영한다.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Cathode 탭

[그림 11] Electrochemical Devices 설정 화면 – Cathode 탭

[그림 11]은 Cathode 영역 설정 화면으로, [그림 6]부터 [그림 9]까지 설명한 Anode 설정과 동일한 방식으로 Cathode 측 구성 영역과 관련 파라미터를 입력한다.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Electrical Tabs 탭

[그림 12] Electrochemical Devices 설정 화면 – Electrical Tabs 탭

[그림 12]는 Electrical Tabs 탭 설정 화면으로 전류가 공급되고 방출되는 경계면을 지정한다. [그림 2]에 제시된 수전해 장치를 기준으로 하면, Current Collector의 최상단 면과 최하단 면을 각각 Anode와 Cathode의 Electrical Tab으로 지정한다. 이와 같이 설정하려면 Geometry 또는 Meshing 단계에서 해당 경계면의 이름을 미리 정의해야 한다.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Customization 탭  

[그림 13] Electrochemical Devices 설정 화면 – Customization 탭

[그림 13]은 Customization 탭 설정 화면으로, UDF를 이용해 전기화학 반응 속도를 조절하는 계수나 전해액의 부피 분율에 따른 상대 침투계수를 설정할 수 있다.

UDF에서는 C 언어를 기반으로 특정 영역을 구분하여 서로 다른 값을 부여할 수 있다는 장점이 있다.

 

Fluent 수전해 해석 설정화면 – Advanced 탭  

[그림 14] Electrochemical Devices 설정 화면 – Advanced 탭

[그림 14]는 Advanced 탭 설정 화면으로, Advanced Setup을 통해 아래 항목을 설정할 수 있다.

Advanced Setup

- Contact Resistivity : 구성 요소 사이의 벽면(Wall Type Boundary)에서 접촉 저항(ohm-m²)을 입력하는 항목.

- Membrane Species Diffusion : 분리막에서 확산에 의해 반대 전극으로 이동하는 현상을 반영하는 기능.

 

수전해 모델 설정 완료 시 자동 설정된 항목 확인 – Models, Materials, Cell Zone Condition 

[그림 14]까지 설정한 뒤 설정 창 하단의 OK 버튼을 클릭하면, 선택한 전기화학 장치에 맞추어 다상 유동 모델, 난류 모델, 화학종 모델이 자동으로 설정된다. 또한 Material 설정에는 전해액으로 사용되는 Water-liquid와 수소, 산소, 수증기, 질소로 구성된 가스 혼합물 그리고 Current Collector, Porous Layer, Catalyst Layer, Electrolyte를 구성하는 고체 및 다공성 매질 물질도 함께 추가된다.

[그림 15] Electrochemical Devices 설정으로 자동 지정된 모델 및 물질

생성된 Material의 물성은 해석 대상에 맞게 수정하여 사용해야 한다. 예를 들어 전해액의 농도나 촉매 종류에 따라 서로 다른 전해질 전도도(=이온 전도도)를 설정해야 한다. [그림 15]에 표시된 Water-liquid는 해석에서 전해액으로 사용되며, Electrical Conductivity와 Electrolyte Conductivity에는 실제 물성과 무관한 값이 입력되어 있으므로 반드시 해석 모델에 적합한 물성으로 수정해야 한다.

다상 유동 모델이 사용되면 Mixture Multiphase가 활성화되며, 이 경우 Primary Phase는 가스 혼합물이고 Secondary Phase는 Water-liquid로 지정된다.

또한 Cell Zone Condition에서는 Porous Layer와 Catalyst Layer로 지정한 Cell Zone에 대해 Porous Media 기능이 적용되며, 이 과정에서 침투계수와 기공률이 입력된다.

Electrolyte에서 설정한 분리막으로 지정된 Cell Zone에서는 유체가 투과되지 않도록 Fixed Value 기능을 사용하여 X, Y, Z-Velocity를 0 m/s로 고정한다.

[그림 16] Electrochemical Devices 설정으로 자동 설정된 분리막 영역

그 이후에는 일반적인 유동 해석과 동일하게 경계 조건을 설정한다.

계산 수행 과정에서 초기 단계에 Potential과 온도가 급격히 상승하며 발산하는 경우에는 Solution Controls > Equation에서 방정식을 순차적으로 적용하여 계산을 안정하게 진행할 수 있다.

방정식의 순차적 적용 방법은 첫 번째로 Energy와 Volume Fraction을 제외한 상태에서 먼저 계산을 수행하여 Residual을 안정화한 뒤, 두 번째 단계에서 Energy Equation을 추가하고, 마지막으로 Volume Fraction을 활성화하는 방식이 안정적인 계산에 도움이 된다.

계산 결과에서는 전기화학 반응과 관련된 대부분의 주요 변수를 확인할 수 있다. 예를 들어 전압, 전류 밀도, 과전압, 반응 생성물의 생성 속도, 온도, 부피 분율, 몰 분율, 몰농도 등 Electric Potential 및 Chemical Reaction 해석에서 활용되는 주요 변수를 확인할 수 있다.

 

맺음말

Ansys는 기술 동향에 맞추어 관련 현상과 장치를 모델링하고 해석할 수 있는 기능을 지속적으로 확장하고 있다. 이번 장에서는 복합적인 물리 현상을 수반하는 전기화학 장치 가운데, 전기를 이용해 물에서 수소를 생산하는 수전해 장치에 대해 Fluent에서 제공하는 해석 기능과 주요 설정 항목을 살펴보았다. 본 내용이 수전해 장치 해석을 처음 수행하는 Fluent 사용자에게 초기 모델 설정에 도움이 되길 바란다.