KR100948254B1 - 피이엠에프씨용 이젝터의 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PEMFC용 이젝터의 설계 방법에 관한 것으로서, 2차 유동에 의해 물이 포함된 무거운 유체를 용이하게 재순환시키는 노즐목 및 일정면적부 등의 이젝터 주요 설계치를 계산하는데 있다. 상기 PEMFC용 이젝터의 설계 방법은, 1차 및 2차 유동의 압력, 온도, 유량 및 이젝터의 출구 압력을 PEMFC의 설계치에 맞춰 초기화하는 단계와, 2차 유동의 마하수를 초기화하는 단계와, 연료와 물의 혼합물에 대한 열용량, 기체상수 및 열용량비를 계산하는 단계와, 상기와 같이 주어진 데이터를 이용하여 이젝터 노즐목, 일정면적부의 직경과 이젝터 출구 압력을 계산하는 단계와, 상기와 같이 계산된 이젝터의 출구 압력이 원하는 이젝터 출구 압력에 근접했는지 확인하는 단계와, 상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하지 못하면 1차 유동의 압력을 변경하고 다시 계산하는 단계와, 상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하면, 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계를 만족하는지 확인하는 단계와, 상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하지 못하면, 2차 유동의 마하수를 변경하고 다시 계산하는 단계와, 상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하면, 그 때 계산된 노즐 목과 일정면적부의 직경을 설계치로 결정하는 단계를 포함한다.

Description

피이엠에프씨용 이젝터의 설계 방법{Designing method of an ejector used to polymer electrolyte membrane fuel cell}
본 발명은 PEMFC용 이젝터의 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 유동에 의해 물이 포함된 무거운 유체를 용이하게 재순환시키는 노즐목 및 일정면적부 등의 이젝터 주요 설계치를 계산할 수 있는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 사용하는 연료 전지시스템은 도 1 에 도시된 바와 같이 수소탱크 (100) 로부터 방출된 수소 가스가 이젝터 (200) 로 공급되어 연료전지 스택 (300) 으로 유입된다. 연료전지 스택 (300) 으로 공급되는 수소가스의 양은 제어부 (400) 에서 조절하는 신호에 따라 구동부 (500) 가 작동하여 이젝터 (200) 를 조절함으로써 제어된다.
한편, 연료전지에 필요한 공기는 압축기 (600) 에서 방출되어 연료전지스택 (300) 으로 공급된다. 연료전지스택 (300) 에 공기와 수소를 공급할 때에는 연료전지스택 (300) 의 성능 확보 및 수명증대를 위하여 전지 반응에 필요한 양보다 더 많은 공기와 수소를 공급한다. 연료전지 스택에서 사용되고 남은 수소는 연료의 낭 비를 막아 시스템의 효율을 높이기 위해 이젝터 (200) 로 다시 재유입된다. 특히, 연료전지스택 (300) 을 통과한 미반응 수소를 재순환하는 기술은 연료전지시스템의 연비향상을 위해 매우 중요한 바, 연료전지용 스택에서 나오는 미반응 수소가스를 스택입구로 재순환하기 위한 용도로 수소 재순환 이젝터가 사용되었다.
도 2를 참조하면, 2006년10월31일자로 출원된 대한민국 특허출원번호 10-2006-0105983호에 개시된 이젝터가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 이젝터는 디퓨저부 (10) 와, 상기 디퓨저부 (10) 에 연결되는 챔버 (20) 와, 상기 챔버 (20) 에 고정되는 고정부 (30) 와, 상기 고정부 (30) 에 이동가능하게 연결되는 노즐바디부 (40) 와, 상기 노즐 바디부 (40) 의 내부에 관통하여 고정되는 노즐 (50) 과, 상기 고정부 (30) 와 상기 노즐바디부 (40) 를 밀봉되도록 연결하는 밀봉부 (60) 를 구비한다. 이러한 구성에 의해 노즐 (50) 을 통해 기본적인 수소 공급유량을 그대로 유지하면서 노즐바디부 (40) 의 슬라이딩 이동만으로 재순환되는 수소 유량을 조절할 수 있게 되어, 간단한 구성만으로 재순환 수소의 유량을 조절할 수 있다.
도 3을 참조하면, 2006년9월19일자로 출원된 대한민국 특허출원번호 10-2006-0090549호에 개시된 이젝터가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 이젝터는 내부에 소정의 유로(113)를 형성 하는 석션챔버(110)와, 상기 석션챔버(110)의 유입구(111)측에 장착되어 고압의 구동유체(Q1)를 분사시켜 제트 기류를 형성하는 1차 노즐(120)과, 상기 1차 노즐(120)의 축 중심에 수평 왕복운동 되도록 축 결합되어 1차 노즐(120)의 축단면적이 가변되도록 개별 제어되는 제1 니들(130)과, 상기 1차 노즐(120)에서 분사되는 제트기류의 압력강하로 유입된 흡입유체(Q2)가 구동유 체(Q1)와 혼합 배출되는 유로(113) 내에 형성되는 2차 노즐(140) 및 상기 2차 노즐(140)의 축 중심에 수평 왕복운동 되도록 축 결합되어 2차 노즐(140)의 축단면적이 가변되도록 개별 제어되는 제2 니들(150)을 포함하고, 상기 제2 니들(150)의 확장된 헤드부(153)가 1차 노즐(120)과 2차 노즐(140) 사이에 설치되어 왕복 운동되는 구성으로 이루어진다. 이와 같이 하여 석션 챔버에 설치되는 1차 노즐과 2차 노즐의 단면적을 변화시키는 제1, 2 니들이 서로 독립적으로 제어되도록 하여 이젝터의 성능을 향상시키는 한편, 이와 같은 이젝터를 연료전지의 연료 재순환 공정에 적용함으로써, 연료전지의 운전조건 변화에 따른 가변적 대응이 가능하도록 한다.
이와 같이 수소 재순환 이젝터 방식은 블로어 방식에 비해 구조가 간단하고 회전체가 없으므로 윤활이 불필요하며 소음 및 진동에 강하다. 게다가, 유지 보수가 간단하고 수명이 길며 냉시동 특성이 뛰어난 장점을 갖는다.
그러나 종래의 이러한 이젝터는 기생 전력을 사용하여 노즐 바디부를 슬라이딩시키거나, 제1,2니들을 서로 독립적으로 제어해야 함으로써, 시스템 전체의 효율을 저하시키고, 장치의 운전 및 유지보수가 어려워지는 문제가 있다.
더욱이, 종래의 이러한 이젝터는 PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 만의 고유 운전 특징을 만족시키지 못한다. 즉, 종래에는 PEMFC의 고유 운전 특징에 적합하게 이젝터를 설계하지 않았다. 종래에 이젝터를 적용했던 장치에 비 해 PEMFC가 지니는 가장 큰 차이점은 재순환되는 2차 유동에 다량의 물이 함유되어 있다는 점이다. 이와 같이 2차 유동에 물이 포함되면 건조한 연료에 비해 수배나 더 무거워지며 이와 같이 더 무거운 유체를 순환시키기 위해서는 노즐목, 일정면적부 등의 이젝터 주요 설계치가 달라져야 함에도 불구하고, 종래에는 이에 대한 연구 및 조사가 없었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 2차 유동에 의해 물이 포함된 무거운 유체를 용이하게 재순환시키는 노즐목 및 일정면적부 등의 이젝터 주요 설계치를 계산할 수 있는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기생 전력을 전혀 사용하지 않아 시스템 전체의 효율을 높이고, 장치의 운전 및 유지보수가 쉬운 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 PEMFC용 이젝터의 설계 방법은 1차 및 2차 유동의 압력, 온도, 유량 및 이젝터의 출구 압력을 PEMFC의 설계치에 맞춰 초기화하는 설계치 초기화 단계; 2차 유동의 마하수를 초기화하는 2차 유동 마하수 초기화 단계; 연료와 물의 혼합물에 대한 열용량, 기체상수 및 열용량비를 계산하는 열역학적 물성치 계산 단계; 상기와 같이 주어진 데이터를 이용하여 이젝터 노즐목, 일정면적부의 직경과 이젝터 출구 압력을 계산하는 설계치 계산 단계; 상기와 같이 계산된 이젝터의 출구 압력이 원하는 이젝터 출구 압력에 근접했는지 확인하는 이젝터 출구 압력 확인 단계; 상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하지 못하면 1차 유동의 압력을 변경하고 다시 계산하는 1차 유동 압력 재계산 단계; 상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하면, 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계를 만족하는지 확인하는 상관 관계 확인 단계; 상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하지 못하면, 2차 유동의 마하수를 변경하고 다시 계산하는 2차 유동 마하수 재계산 단계; 및, 상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하면, 그 때 계산된 노즐 목과 일정면적부의 직경을 설계치로 결정하는 설계치 결정 단계를 포함한다.
상기 2차 유동 마하수 초기화 단계는 2차 유동의 마하수를 1로 초기화하여 이루어질 수 있다.
상기 열역학적 물성치 계산 단계는 연료 및 물의 혼합물의 포화수증기압과 그에 따른 무게비를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 이젝터 출구 압력 확인 단계는 아래의 수학식에 의해 이루어질 수 있다.
|Pe - P e_set| < k
여기서, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, P e_set는 원하는 이젝터 출구 압력이며, k는 이젝터 출구 압력의 공차
상기 1차 유동 압력 재계산 단계는 아래의 수학식에 의해 이루어질 수 있다.
Pp = Pp - △Pp, Pe ≥ Pe_set
Pp = Pp + △Pp, Pe < Pe _ set
여기서, Pp는 1차 유동의 압력이고, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, P e_set는 원하는 이젝터 출구 압력
상기 상관 관계 확인 단계는 아래의 수학식에 의해 이루어질 수 있다.
Figure 112008015384812-pat00001
여기서, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, γm은 1,2차 혼합 유동의 열용량비이며, Pp는 1차 유동의 압력
상기 2차 유동 마하수 재계산 단계는 아래의 수학식에 의해 이루어질 수 있다.
Msy = Msy - △Msy
여기서, Msy는 2차 유동의 마하수
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 PEMFC용 이젝터의 설계 방법은 2차 유동에 의해 물이 포함된 무거운 유체를 용이하게 재순환시키는 노즐목 및 일정면적부 등의 이젝터 주요 설계치를 계산할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 기생 전력을 전혀 사용하지 않아 시스템 전체의 효율을 높이고, 장치의 운전 및 유지보수가 쉽다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 이젝터가 만족시켜야할 3가지 운전 조건을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터는 연료 전지 스택과의 연계로 인하여 다음의 3가지 운전 조건을 만족하여야 한다. 여기서 Mp는 1차 유동을, Ms는 2차 유동을, Mt는 혼합 유동을, Mstack은 연료전지 스택 후단 유동을 각각 의미한다.
첫째, 연료전지 스택 내부에서 물이 발생하여 이젝터의 2차 유동이 가습기체가 된다.
둘째, 연료 전지 스택 내부의 채널을 유체가 통과하면서 압력이 강하하여 이젝터의 2차 유동의 압력은 이젝터 출구 압력보다 낮아진다.
셋째, 연료 전지 스택 입구 압력을 정압으로 유지해야하므로 이젝터 후단의 압력을 연료 전지 스택의 입구 압력의 설계치로 맞춰줘야 한다.
본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법은 상기와 같은 3가지 운전 조건을 전제로 하고, 설계 과정에서 도출되는 계산값이 특정 조건에 일치할 때까지 반복 계산하도록 구성된다. 구체적인 본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 아래에서 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법은 설계치 초기화 단계(S1)와, 2차 유동 마하수 초기화 단계(S2)와, 열역학적 물성치 계산 단계(S3)와, 설계치 계산 단계(S4)와, 이젝터 출구 압력 확인 단계(S5)와, 1차 유동 압력 재계산 단계(S6)와, 상관 관계 확인 단계(S7)와, 2차 유동 마하수 재계산 단계(S8)와, 설계치 결정 단계(S9)를 포함한다.
상기 설계치 초기화 단계(S1)에서는 1차 및 2차 유동의 압력(Pp,Ps), 온도(tp,ts), 유량(fp,fs) 및 이젝터의 출구 압력(Pe_set)을 PEMFC의 설계치에 맞춰 초기화한다.
상기 2차 유동 마하수 초기화 단계(S2)에서는 2차 유동의 마하수를 아래의 수학식과 같이 1로 초기화한다.
Msy = 1
상기 열역학적 물성치 계산 단계(S3)에서는 연료와 물의 혼합물에 대한 열용량(CPs,CPm), 기체상수(Rs,Rm) 및 열용량비(γs,γm)와 같은 열역학적 물성치를 계산한다.
여기서, 수소 탱크로부터 공급되는 1차 유동은 건조 기체이고 연료 전지 스택에서 나오는 2차 유동은 가습 기체이며, 이젝터를 통해 1,2차 유동이 섞이는 혼 합 유동은 가습 기체이다.
한편, 수소와 물의 혼합물의 포화수증기압과 그에 따른 무게비는 도 6을 이용한다.
상기 설계치 계산 단계(S4)에서는 상기와 같이 주어진 데이터를 이용하여 이젝터 노즐목(Dp), 일정면적부의 직경(Dm)과 이젝터 출구 압력(Pe)을 계산한다.
단, 세부 계산식은 "B.J. Huang, J.M. Chang, C.P. Wang, V.A. Petrenko, A 1-D analysis of ejector performance, Int. J. Refrigeration 22 (1999) 354-364"를 따른다.
상기 이젝터 출구 압력 확인 단계(S5)에서는 상기와 같이 계산된 이젝터의 출구 압력이 원하는 이젝터 출구 압력에 근접했는지 아래의 수학식을 이용하여 확인한다.
|Pe - P e_set| < k
여기서, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, P e_set는 원하는 이젝터 출구 압력이며, k는 이젝터 출구 압력의 공차
상기 1차 유동 압력 재계산 단계(S6)에서는 상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하지 못하면 아래의 수학식을 이용하여 1차 유동의 압력을 변경하고 다시 계산한다.
Pp = Pp - △Pp, Pe ≥ Pe_set
Pp = Pp + △Pp, Pe < Pe _ set
여기서, Pp는 1차 유동의 압력이고, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, P e_set는 원하는 이젝터 출구 압력
상기 상관 관계 확인 단계(S7)에서는 상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하면, 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계를 아래의 수학식처럼 만족하는지 확인한다.
Figure 112008015384812-pat00002
여기서, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, γm은 1,2차 혼합 유동의 열용량비이며, Pp는 1차 유동의 압력
상기 2차 유동 마하수 재계산 단계(S8)에서는 상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하지 못하면, 2차 유동의 마하수를 아래의 수학식처럼 변경하고 다시 계산한다.
Msy = Msy - △Msy
여기서, Msy는 2차 유동의 마하수
마지막으로, 상기 설계치 결정 단계(S9)에서는 상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하면, 그 때 계산된 노즐 목(Dp)과 일정면적부의 직경(Dm)을 설계치로 결정함으로써, 본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 완료한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 연료전지시스템을 도시한 블럭도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 이젝터를 도시한 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 다른 이젝터를 도시한 단면도이다.
도 4는 이젝터가 만족시켜야할 3가지 운전 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 PEMFC용 이젝터의 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 수소와 물의 혼합물에 대한 포화수증기압과 그에 따른 무게비를 도시한 그래프이다.

Claims (7)

1차 및 2차 유동의 압력, 온도, 유량 및 이젝터의 출구 압력을 PEMFC의 설계치에 맞춰 초기화하는 설계치 초기화 단계와,
2차 유동의 마하수를 초기화하는 2차 유동 마하수 초기화 단계와,
연료와 물의 혼합물에 대한 열용량, 기체상수 및 열용량비를 계산하는 열역학적 물성치 계산 단계와,
상기와 같이 주어진 데이터를 이용하여 이젝터 노즐목, 일정면적부의 직경과 이젝터 출구 압력을 계산하는 설계치 계산 단계와,
상기와 같이 계산된 이젝터의 출구 압력이 원하는 이젝터 출구 압력에 근접했는지 확인하는 이젝터 출구 압력 확인 단계와,
상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하지 못하면 1차 유동의 압력을 변경하고 다시 계산하는 1차 유동 압력 재계산 단계와,
상기 계산된 이젝터 출구 압력이 원하는 출구 압력에 근접하면, 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계를 만족하는지 확인하는 상관 관계 확인 단계와,
상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하지 못하면, 2차 유동의 마하수를 변경하고 다시 계산하는 2차 유동 마하수 재계산 단계와,
상기 이젝터 출구 압력과 1차 유동 압력 사이의 상관 관계가 만족하면, 그 때 계산된 노즐 목과 일정면적부의 직경을 설계치로 결정하는 설계치 결정 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 2차 유동 마하수 초기화 단계는
2차 유동의 마하수를 1로 초기화하여 이루어짐을 특징으로 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열역학적 물성치 계산 단계는
연료 및 물의 혼합물의 포화수증기압과 그에 따른 무게비를 이용하여 이루어짐을 특징으로 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이젝터 출구 압력 확인 단계는
아래의 수학식에 의해 이루어짐을 특징을 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
|Pe - P e_set| < k
여기서, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, P e_set는 원하는 이젝터 출구 압력이며, k는 이젝터 출구 압력의 공차
제 1 항에 있어서,
상기 1차 유동 압력 재계산 단계는
아래의 수학식에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
Pp = Pp - △Pp, Pe ≥ Pe_set
Pp = Pp + △Pp, Pe < Pe _ set
여기서, Pp는 1차 유동의 압력이고, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, P e_set는 원하는 이젝터 출구 압력
제 1 항에 있어서,
상기 상관 관계 확인 단계는
아래의 수학식에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
Figure 112008015384812-pat00003
여기서, Pe는 계산된 이젝터의 출구 압력이고, γm은 1,2차 혼합 유동의 열용량비이며, Pp는 1차 유동의 압력
제 1 항에 있어서,
상기 2차 유동 마하수 재계산 단계는 아래의 수학식에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 PEMFC용 이젝터의 설계 방법.
Msy = Msy - △Msy
여기서, Msy는 2차 유동의 마하수
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논문: 개발비용 감소를 위한 연료전지용 이젝터의 설계 및 성능평가, 한국수소 및 신에너지학회 논문집, 제17권 제3호, p.279-285 (2006.09)
논문: 초음속 지상추진시험설비의 이젝터 설계 기법 및 유동특성연구, 한국추진공학회지, p.54-63 (2006.09)

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