IMSL 로고 지능형 다중물리 시스템 연구실Dongguk University
Dongguk University | Mechanical, Robotics and Energy Engineering

Intelligent Multiphysics
Systems Laboratory

지능형 다중물리 시스템 연구실

Integrate Physics. Empower Design.
Multiphysics CFD for Energy Systems: from fundamental modeling to AI-driven design

About IMSL

물리를 이해하고, 정량적으로 모델링하고, 설계로 연결합니다

에너지 변환 장치는 반응, 열, 유동, 전기가 동시에 얽혀 있는 시스템입니다. 반응만 보거나 유동만 보아서는 실제 성능을 예측할 수 없습니다. IMSL은 다중물리(Multiphysics) CFD로 이 현상들을 함께 풀어 내고, AI와 결합해 SOFC/SOEC 스택과 같은 차세대 수소, 무탄소 발전 장치를 설계합니다.

"Understand the Fundamental Physics, Model it Quantitatively, and Translate it into Engineering Design"

Physics understanding

  • 지배방정식 정립
  • 질량/화학종, 운동량
  • 에너지, 반응

Quantitative CFD modeling

  • CAD, 해석 영역
  • 격자 생성
  • 초기/경계조건

Design & optimization

  • 속도장, 온도장, 반응장
  • 운전 맵 도출
  • AI 기반 최적화

Prototyping

  • 제작 및 실험 검증
  • 성능 평가
  • 데이터베이스 구축
Fluid flowHeat transferMass transfer Surface / thermochemical reactionElectrochemistryAI / surrogate model
28SCI(E) 논문 (주저자 9, 공저 19)
12등록 특허 (국내 7, 미국 3, 일본 2)
4기술이전
4연구책임 과제
Research

연구 분야

일관된 CFD 방법론 위에서 다루는 물리를 확장해 왔습니다. 유체역학에서 표면반응, 전기화학, 그리고 AI 통합 설계로 이어집니다.

SOFC 스택 셀별 온도 분포
01

Multiphysics CFD for SOFC/SOEC

고체산화물 연료전지/전해전지 3차원 다중물리 해석
  • 질량, 운동량, 에너지, 전하, 반응을 연성한 고정밀 3D 모델 (Ansys Fluent + UDF)
  • 단일 채널(1 cm x 10 cm)부터 상용 셀(15 x 15 cm2), 스택(15 x 15 x 25 cm3)까지
  • 부하 변동 시 과도(transient) 열/전기화학 거동 해석
  • 열저항, 유동저항 제어를 통한 분리판(BP)/매니폴드 설계
온도 편차 65% 감소유량 편차 60% 감소스택 ΔT 66 -> 45 °C
CH4 개질 표면반응 경로
02

Reacting Flow & Reaction Kinetics

표면반응 유동 해석과 반응 메커니즘 도출
  • 유동 + 표면반응 2D 모델, CH4 개질 촉매 반응기 해석
  • 유전 알고리즘(GA)을 이용한 표면반응 메커니즘 자동 최적화
  • In-situ XPS, FT-IR, DFT 계산과 연계한 반응 경로 규명
  • GC/MS 잔류가스 분석(RGA)으로 실험 검증
Micro-kineticsGenetic algorithmCatalytic reactor
AI와 CFD 통합 스택 해석
03

AI-CFD Integrated Design

AI와 CFD를 결합한 다목적 최적 설계
  • 베이지안 최적화와 능동학습(active learning)으로 CFD 계산 비용 절감
  • 가우시안 프로세스(GP) 다목적 대리모델, ε-PAL 기반 Pareto 탐색
  • SOEC 운전조건 최적화: 온도 구배(ΔT)는 줄이고 효율(η)은 높이기
  • PINN(Physics-Informed Neural Network) 기반 스택 설계 플랫폼
Bayesian optimizationSurrogate modelPINN
1 kW NH3-SOFC 스택
04

Stack & System for Green H2

NH3-SOFC, SOEC 스택 제작과 시스템 해석
  • 1 kW급 NH3-SOFC 풀스택(40셀) 자체 제작 및 장기 운전 검증
  • 가압(3 bar) NH3-SOFC 전기/수소 동시 생산 시스템
  • Internal cascade 스택으로 연료 이용률 극대화
  • 공기극 스팀 sweep gas를 적용한 차세대 SOEC
셀 전압 편차 31 mV총 효율 88.1%스택 FU 93.75%
2014-2016 | M.S.

Fluid dynamics

관상동맥 혈류 해석, 횡류팬 공력소음(uRANS) 해석

공기 유동 해석
2017-2021 | Ph.D.

Fluid + Surface reaction

Micro-kinetics, 반응 메커니즘 도출

반응기 해석
2022-2026 | KIMM

+ Electrochemistry

다중물리 모델, SOFC 모델링, 스택 설계

SOFC 스택 구성
2026 - | Dongguk

AI-integrated design

베이지안 최적화, 대리모델, CFD/AI 통합

AI 통합 설계
Highlights

주요 연구 성과

"CFD is a tool for solving real problems." 해석에서 끝나지 않고 설계, 제작, 검증, 기술이전까지 연결합니다.

스택 온도차 감소
NH3-SOFC 스택 설계 최적화

Dual alternative cross-flow 설계로 스택 내부 온도차를 66 °C에서 45 °C로 31.8% 줄였습니다. (Energy Conversion and Management, 2023)

5셀 스택 성능 비교
스택 적층 기술 개선

분리판 표면 거칠기, 실링, 정렬 가이드를 개선해 5셀 스택의 셀 간 전압 편차를 0.36 V에서 0.045 V로 줄이고 출력을 23.3% 높였습니다.

가압 챔버와 스택
가압 NH3-SOFC 전기/수소 동시 생산

3 bar 가압 챔버에서 운전하여 전기와 고순도 수소를 함께 생산하고, 총 효율 88.1%를 확인했습니다.

AI-CFD 통합 최적화 흐름도
AI-CFD 통합 SOEC 운전조건 최적화

CFD 결과를 능동학습으로 GP 대리모델에 추가하며 ΔT와 효율의 Pareto 최적점을 찾습니다. (Applied Thermal Engineering, 2026)

Vision

연구 비전

CFD/AI 플랫폼을 기반으로 장치 안전성 설계, 그리고 우주 자원 활용까지 단계적으로 확장합니다.

Short-termCFD + AI Platform
CFD AI 플랫폼
  • Physics-based AI (PINN)
  • 무탄소 발전 (NH3-SOFC)
  • 그린수소 생산 (SOEC)
Mid-termSafety-driven Design
배터리 열전달 해석
  • SOFC, SOEC, 배터리 안전성 예측
  • 배터리 열폭주 해석
  • AI 기반 진단, 실험실과의 협업
Long-termSpace Engineering
화성 탐사 로버
Image: NASA/JPL-Caltech
  • Mars ISRU (In-Situ Resource Utilization)
  • H2O/CO2 공전해
  • 연료/산화제(CH4 + O2) 현지 생산
Principal Investigator

연구책임자

배용균 교수
배용균Yonggyun Bae, Ph.D.조교수, 기계로봇에너지공학과

Education

  • Ph.D., Mechanical Engineering, Yonsei Univ.2021
    Advisor: Prof. Jongsup Hong
  • M.S., Mechanical Engineering, Korea Univ.2016
    Advisor: Prof. Young J. Moon
  • B.S., Mechanical Engineering, Korea Univ.2014

Professional Experience

  • Assistant Professor, 동국대학교 기계로봇에너지공학과2026-
  • Senior Researcher, 한국기계연구원(KIMM)2022-2026
  • Postdoctoral Researcher, Yonsei Univ.2021-2022
  • Research Assistant, KIST2016-2018
  • 신재생에너지 전문가 자문위원, 서울특별시2025-2027
  • 신규과제 기획자문단 위원, 한국에너지기술평가원(KETEP)2025, 2026년 사업

Research Projects (P.I.)

  • 양극/음극 동시 수증기 공급형 고효율 SOEC 스택 개발 (KETEP 국제공동연구)2025-2026
  • SOEC 스팀극 열화 억제를 위한 분리판 유로 최적 설계 (NRF H2GATHER)2025-2026
  • 암모니아 SOFC 시스템 시동 및 AI 기반 건전성 기술 (KIMM ACE)2026
  • 수전해용 다중물리 전산해석 모델 개발 (POSCO Holdings)2023

Awards

  • Best Paper Award, 한국수소및신에너지학회(KHNES)2023, 2025
  • Best Paper Award, 연세대학교 기계공학부2018
  • 우수박사논문 표창, 연세대학교 대학원2018
  • Best Paper Award, 한국세라믹학회(KCerS)2025

Expertise

  • Fundamental 3D numerical simulation
  • Multiphysics reacting-flow phenomena (CFD)
  • SOC stack design (bipolar plate, stacking)

Papers & Patents

  • SCI(E) papers: 주저자 9, 공저 19
  • Registered patents: 12 (KR 7, US 3, JP 2)
  • Patent applications: KR 15, PCT 2
  • Technology transfer: 4
Publications

논문

국제 저널 29편, 국내 저널 15편. Y.G. Bae는 굵게, 교신저자는 *로 표시했습니다.

    * "주저자"는 제1저자 또는 교신저자 논문입니다. 전체 목록: Google Scholar, ORCID

    Network & Teaching

    협력 네트워크와 교육

    Research Network

    University
    국내: 연세대, 고려대, KENTECH, 인천대
    해외: University of Toronto, Stanford, KIT
    National Lab.
    국내: KIMM, KIER, KIMS, KICET
    해외: NRCan, DLR, KIST Europe
    Industry
    HD그룹, 삼성그룹

    실험, 소재, 합성 분야 협력 연구실과 함께 계산, 모델링, 설계를 담당하며 배터리, e-fuel, 우주 산업으로 연구를 넓혀 갑니다.

    Teaching

    기계공학을 위한 MATLAB/Python열역학유체역학열전달 연소 및 연료전지에너지변환공학신재생에너지
    Tier 1. Physics기초 물리, 기본 모델링
    Tier 2. CFD다중물리 CFD, 해석과 분석
    Tier 3. Device장치 설계와 구현
    Members

    구성원

    배용균
    배용균Principal Investigator
    +
    석사/박사과정모집 중
    +
    석박사 통합과정모집 중
    +
    학부연구생모집 중

    Join IMSL

    대학원생(석사, 박사, 석박사 통합)과 학부연구생을 모집합니다.

    열유체, CFD, 수소/연료전지, AI에 관심 있는 학생이라면 전공 배경과 관계없이 환영합니다.

    • Ansys Fluent 기반 다중물리 CFD와 Python/MATLAB 프로그래밍
    • SOFC/SOEC, 배터리 등 실제 에너지 장치 설계 과제 참여
    • 국내외 연구기관, 기업과의 공동연구 및 국제학회 발표

    Career Pathways

    한국기계연구원 등 정부출연연구소, HD그룹, 삼성그룹 등 산학 협력 네트워크를 통한 진로 연계를 지원합니다.

    How to apply

    CV와 간단한 자기소개(관심 분야)를 ygbae@dgu.ac.kr로 보내 주세요.

    연락처 보기
    Contact

    연락처

    Intelligent Multiphysics Systems Laboratory

    동국대학교 기계로봇에너지공학과

    04620 서울특별시 중구 필동로1길 30 동국대학교 만해관 B103

    Email: ygbae@dgu.ac.kr

    Tel: +82-2-2260-3705

    ORCID: 0000-0002-4394-3194

    Research Keywords

    Multiphysics CFDSOFCSOECNH3 fuel cell Green hydrogenReacting flowReaction kineticsStack design Bayesian optimizationPINNBattery safetyMars ISRU