KR101592656B1 - 연료전지용 공기공급 장치 및 방법 - Google Patents

연료전지용 공기공급 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터보 타입 압축기를 적용한 연료전지시스템에서 터보 타입 압축기의 써지 현상을 회피하면서 공기의 압력을 상승시켜 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 압축기 출구부에서 토출되는 고압의 공기 일부를 압축기 입구부로 재순환시킴과 더불어 압력을 높여서 공급하는 새로운 형태의 공기공급 방식을 구현함으로써, 연료전지시스템에서 요구하는 공급 공기의 높은 압력과 낮은 유량의 조건에서도 터보 타입 압축기의 써지 발생을 효과적으로 막을 수 있는 연료전지용 공기공급 장치 및 방법을 제공한다.

Description

연료전지용 공기공급 장치 및 방법{AIR SUPPLY APPARATUS AND METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 공기공급 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터보 타입 압축기를 적용한 연료전지시스템에서 터보 타입 압축기의 써지 현상을 회피하면서 공기의 압력을 상승시켜 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 시스템으로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 이루어진 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
이러한 연료전지시스템은 전기에너지를 발생시키는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료공급 장치, 스택으로 공기를 공급하는 공기공급 장치, 스택의 발전 반응 시에 발생하는 수분, 공기, 연료 등을 배출시키는 배기 장치, 스택으로 공기를 공급하는 공기공급 장치 등을 포함한다.
그리고, 상기 공기공급 장치의 경우 연료전지 운전에 있어서 가장 많은 일을 필요로 하는 장치로서, 연료전지시스템 최대 출력의 5∼20% 정도를 사용하며, 또한 압축성 유체를 다루는 특성상 공기공급 장치의 운전효율은 작동 압력에 민감하다.
이와 같은 연료전지시스템에 사용되는 공기공급 장치는 일본공개특허 2009-123550호, 일본공개특허 2008-103228호, 한국공개특허 10-2013-0078697호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.
보통 연료전지시스템은 대기온도, 고도에 따른 대기압, 대기 습도 등과 같은 외부의 환경 조건과 운전자의 요구출력에 따라 연료전지시스템에 요구되는 출력을 제공하면서 효율적으로 운전하기 위해서는 운전조건(운전온도, 운전압력, 공기량/공기SR, 공급공기의 RH 등)을 최적화하여야 한다.
예를 들면, 외기온도가 높고 고출력이 요구될 때에는 차량의 원활한 방열을 위하여 운전 온도(냉각수 온도)를 상향하는데, 이 경우 원활한 가습 유지(물균형 유지) 및 시스템 효율 향상 등을 위해서 운전 압력(공기공급 압력)을 높이고, 공기SR(공기량)을 줄이는 것이 효과적이다.
도 4는 종래의 연료전지용 공기공급 장치를 나타내는 개략도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지용 공기공급 장치는 연료전지 스택(100)의 공기유입측 라인(110)에는 압축기(120) 등이 설치되고, 연료전지 스택(100)의 공기유입측 라인(110)과 공기배출측 라인(130) 사이에는 바이패스 라인(140)이 연결되는 동시에 이때의 바이패스 라인(140)에는 바이패스 밸브(150)가 설치되는 구조로 이루어진다.
여기서, 미설명 부호 160과 170은 에어플로미터이고, 180과 190은 압력센서와 압력컨트롤밸브를 각각 나타낸다.
이에 따라, 고압 작동일 조건 하에서 바이패스 밸브를 오픈시켜서, 작동 라인을 도 5에 도시한 바와 같이 변경함으로써, 공기공급장치의 써지조건을 회피하여 안정적인 운전을 도모할 수 있게 된다.
그리고, 고 습도 하에서 또는 다른 조건들 하에서 바이패스 밸브는 닫혀있게 되며, 이러한 방식은 압축기의 동력소모를 감소시킨다.
다른 예로서, 일본공개특허 2004-235076호에서는 연료전지 스택에 공기를 흡입 및 압축하여 공급하는 압축기의 방출부에서 일부 공기를 어큐물레이터에 저장하고, 대기압이 저하되는 경우에 어큐물레이터로부터 압축기의 흡입부에 저장한 공기를 방출하여 압축기의 흡입압력을 상승시키는 기술을 제시하고 있다.
이와 같이, 외부의 환경조건과 운전자 요구출력에 맞게 연료전지 시스템의 운전조건을 최적화하기 위한 상황에서, 터보 타입(Turbo type) 압축기를 채택하고 있는 연료전지시스템의 경우, 연료전지시스템에서의 요구 조건인 공급공기의 높은 압력 조건과 상대적으로 낮은 유량 조건을 만족시키기 위해 이에 맞게 시스템을 운용하게 되면, 터보 타입 압축기의 써지(Surge) 현상이 일어나게 되는 등 전체 시스템의 불안정성을 초래하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 압축기 출구부에서 토출되는 고압의 공기 일부를 압축기 입구부로 재순환시킴과 더불어 압력을 높여서 공급하는 새로운 형태의 공기공급 방식을 구현함으로써, 연료전지시스템에서 요구하는 공급 공기의 높은 압력과 낮은 유량의 조건에서도 터보 타입 압축기의 써지 발생을 효과적으로 막으면서 공기공급장치의 효율 및 성능 향상이 가능하도록 흡입압력을 높일 수 있는 연료전지용 공기공급 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지용 공기공급 장치는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 연료전지용 공기공급 장치는 연료전지의 스택으로 공기를 공급하는 압축기, 예를 들면 터보 타입의 압축기를 포함하며, 상기 압축기의 출구단과 입구단 사이에는 바이패스 라인이 연결되고, 상기 바이패스 라인에는 바이패스 밸브가 설치되는 동시에 바이패스되는 공기와 외부 공기를 혼합하여 압력을 높인 후에 압축기의 입구단으로 공급하는 이젝터가 설치되는 구조로 이루어진다.
여기서, 이젝터는 작동유체의 압력에너지를 다른 유체가 끌려 들어갈 수 있는 낮은 압력으로 형성하는 속도에너지를 바꾸는 축소-확대 노즐의 벤추리 효과를 사용하는 일련의 장치를 의미한다.
따라서, 상기 연료전지용 공기공급 장치는 압축기 출구에서 공기 일부를 압축기 입구로 재순환시키면서 대기 중의 공기를 흡입하여 압력이 상승된 다량의 공기를 압축기 입구로 공급할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 이젝터는 바이패스 공기가 유입되는 바이패스공기 유입홀 및 외부 공기가 유입되는 챔버 입구를 가지면서 바이패스 공기와 외부 공기를 혼합하는 석션챔버와, 확대되는 관 형태의 스로트를 포함하는 형태로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 이젝터의 입구단에는 외부에서 유입되는 공기량 측정과 이물질 제거를 위한 필터/유량 센서가 설치될 수 있고, 또 상기 바이패스 라인에 설치되는 바이패스 밸브의 경우 연료전지시스템의 제어기에 의한 제어를 받아, 압축공기 재순환 여부 및 유량이 조절될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지용 공기공급 방법은 다음과 같은 특징이 있다.
상기 연료전지용 공기공급 방법은 연료전지 고온 운전 조건에서, 압축기로부터 제공되는 공기가 가습기를 거쳐 스택으로 공급되는 과정에서, 상기 압축기 출구에서 공기의 일부를 압축기 입구로 재순환시키는 과정을 포함하며, 상기 공기 재순환 과정 시에 재순환되는 공기와 외부에서 들어오는 공기를 혼합하여 압력을 높인 상태에서 압축기 입구로 공급함으로써, 압축기 써지 영역을 회피하면서 높은 압력과 낮은 유량의 공기 공급이 가능하도록 하는 방법으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 압축기 입구로 공급되는 공기는 벤츄리 효과를 이용하는 이젝터의 내부에서 압력이 높아진 후에 압축기로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 연료전지용 공기공급 장치 및 방법은 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 압축기 출구에서 고압의 공기 일부를 압축기 입구로 재순환시키고, 이렇게 재순환되는 고압의 공기와 대기 중의 공기와 혼합하여 일정부분 압력이 상승된 다량의 공기를 압축기 입구에 공급함으로써, 연료전지에 적용되는 터보 타입 압축기가 연료전지시스템에서 요구하는 낮은 유량에서도 높은 공기의 압력을 유지할 수 있어 압축기가 써지 영역을 회피하면서 운전될 수 있다.
둘째, 재순환되는 공기를 이용하여 압축기로 공급되는 공기의 압력을 높임으로써, 압축기의 소모동력을 저하시켜 시스템 효율 향상을 도모할 수 있다.
셋째, 연료전지시스템의 제어기에서 조절되는 바이패스 밸브는 압축공기 재순환이 필요한 경우, 재순환 여부 및 유량을 결정할 수 있는 등 시스템 상황에 맞게 적절하게 운용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급 장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급 장치의 작동상태를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급 장치의 작동 시 공기유량과 압축비의 관계를 나타내는 그래프
도 4는 종래의 연료전지용 공기공급 장치를 나타내는 개략도
도 5는 종래의 연료전지용 공기공급 장치에서 바이패스 밸브의 효과를 나타내는 그래프
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급 장치를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지용 공기공급 장치는 터보 타입의 압축기를 적용하고 있는 연료전지시스템에 구비되어 스택측에 압축 공기를 공급하는 장치로서, 연료전지시스템에서 요구하는 낮은 유량에서도 높은 공기의 출구압력을 유지할 수 있는 구조와 운전 방식을 포함한다.
이를 위하여, 스택(10)으로 공기를 공급하기 위한 압축기(11)와, 스택(10)으로 공급되는 공기의 가습을 위한 가습기(21)와, 가습기(21)로부터 배출되는 배기의 압력을 조절하기 위한 압력조절 밸브(22) 등이 마련되고, 상기 압축기(11)로부터 공급되는 압축 공기는 가습기(21)를 경유하여 스택(10)으로 공급된다.
그리고, 상기 스택(10)으로부터 배출되는 수분을 함유한 공기는 가습기(21) 내에서 스택(10)으로 공급되는 공기를 가습한 후에 압력조절 밸브(22)를 거쳐 대기로 배출된다.
또한, 상기 압축기(11), 예를 들면 터보 타입 압축기(11)의 출구단과 입구단 사이에는 바이패스 라인(12)이 연결된다.
즉, 상기 압축기(11)의 출구와 가습기(21)를 연결하는 라인상에서 바이패스 라인(12)이 분기되고 이렇게 분기되는 바이패스 라인(12)은 압축기(11)의 입구에 연결된다.
또한, 상기 바이패스 라인(12)에는 바이패스 밸브(13)가 설치되고, 이때의 바이패스 밸브(13)는 연료전지시스템의 제어기(미도시)로부터 제어를 받을 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 바이패스 밸브(13)의 작동 여부에 따라 압축기(11)에서 스택(10)측으로 공급되는 고압의 공기가 바이패스 라인(12)을 통해 일부 빠져나와 재순환될 수 있게 된다.
여기서, 상기 바이패스 밸브(13)는 바이패스 라인(12)을 따라 흐르는 공기의 유량을 조절할 수 있는 유량조절 밸브를 사용할 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 밸브(13)는 연료전지시스템의 제어기에 의한 제어를 받아 작동되면서 바이패스 라인(12)을 통해 압축 공기를 재순환시킬 수 있게 되고, 또 이때의 바이패스 라인(12)을 통해 재순환되는 압축 공기의 유량을 조절할 수 있게 된다.
특히, 상기 압축기(11)의 입구로 공급되는 공기의 압력을 높여주면서 다량의 공기를 공급하는 수단으로 이젝터(14)가 마련된다.
상기 이젝터(14)는 벤츄리 효과를 이용하여 압축기(11)의 입구로 공급되는 공기를 일정부분 압력을 상승시키면서 다량의 공기를 압축기(11)의 입구로 공급하는 역할을 하게 된다.
이를 위하여, 상기 이젝터(14)는 바이패스 공기의 유입을 위한 바이패스공기 유입홀(15) 및 외부 공기의 유입을 위한 챔버 입구(20)를 가지면서 바이패스 공기와 외부 공기를 혼합하기 위한 석션챔버(16), 확대되는 관 형태의 스로트(17) 등을 포함하는 구조로 이루어진다.
즉, 일측에 외부의 공기를 도입할 수 있는 챔버 입구(20)를 가지는 석션챔버(16)가 마련되고, 상기 석션챔버(16)의 후단부, 즉 챔버 입구(20)로는 외부의 공기가 유입되고, 상기 석션챔버(16)의 선단부에는 앞쪽으로 갈수록(공기가 진행되는 방향으로 갈수록) 직경이 점차적으로 확대되는 관 형태로 이루어진 스로트(17)가 일체 형성된다.
이러한 이젝터(14)는 바이패스 라인(12)상의 바이패스 밸브(13)의 뒷쪽 위치에 설치되고, 이렇게 설치되는 이젝터(14)의 측면부에 설치되어 있는 바이패스공기 유입홀(15)에는 바이패스 라인(12)이 연결되는 동시에 이젝터(14)의 스로트(17)는 압축기(11)의 입구측과 연결된다.
그리고, 상기 이젝터(14)의 챔버 입구(20)로부터 연장되는 라인, 즉 외부의 공기가 유입되는 라인에는 필터/유량 센서(19)가 설치되며, 이때의 필터/유량 센서(19)는 외부에서 유입되는 공기량 측정과 이물질을 제거하는 역할을 하는 것으로서, 공지의 필터 센서 및 유량 센서를 적용할 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 바이패스 라인(12)을 흐르는 공기는 바이패스공기 유입홀(15)을 통해 석션챔버(16)의 내부로 토출되고, 이때의 석션챔버(16)의 챔버 입구(20)를 통해 챔버 내부로 유입되는 외부 공기와 혼합된 후에 스로트(17)를 거치면서 압력이 높아진 상태로 빠져나가서 압축기(11)에 공급될 수 있게 된다.
예를 들면, 압축기(11)의 출구에서 일부 빠져나온 고압의 공기는 바이패스 라인(12)을 경유하여 이젝터(14)로 보내지게 되고, 계속해서 석션 챔버(16)의 목 부분에서 바이패스공기 유입홀(15)을 통해 빨려들어가게 된다.
이때, 석션챔버(16)의 목 부분은 고속으로 진행되는 외부 공기에 의해 매우 낮은 압력으로 형성되고, 이때의 석션챔버(16)의 챔버 입구(20)를 통해 유입되는 외부의 공기는 바이패스공기 유입홀(15)을 통해 빨려 들어오는 바이패스 공기와 혼합된다.
계속해서, 이렇게 혼합된 바이패스 공기와 외부 공기는 스로트(17)를 경유한 후에 그 출구에서 코안다 효과(Coanda Effect)에 따라 압축 및 배출되어, 압축기(11)측으로 공급된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급 장치의 작동상태를 나타내는 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급 장치의 작동 시 공기유량과 압축비의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지시스템의 운전 시 필요에 따라, 예를 들면 외기온도가 높고 고출력이 요구되는 경우 연료전지시스템에서 요구되는 상대적인 고 운전압력(공기공급압력)과 저공기SR(공기량) 조건에서 운전하기 위하여, 압축기(11)의 출구에서 고압의 공기 일부를 바이패스 라인(12)을 통해 압축기(11)의 입구로 재순환시키고, 이때의 재순환되는 고압의 공기를 이젝터(14)의 내부로 공급하며, 이와 동시에 석션챔버(16)의 내부로 대기 중의 공기가 흡입되도록 하여, 일정부분 압력이 상승된 다량의 공기를 압축기(11)의 입구로 공급되도록 한다.
이렇게 함으로써, 압축기가 써지 영역을 피하면서 운전을 할 수 있도록 공기량을 증가시킬 수 있고, 재순환되는 공기를 이용하여 공급되는 공기를 압축함으로써, 압축기의 소모동력을 저하시켜 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 도 3의 그래프에서 볼 수 있듯이, 정상 운전 시에서 고온 운전 시로 시스템 운전이 전환되는 경우, ⓐ→ⓑ→ⓒ→ⓓ→ⓔ의 경로를 갖도록 시스템을 운전함으로써, 압축기가 써지 영역으로 진입하는 것을 방지하면서 시스템을 효율적으로 운전할 수 있게 된다.
이와 같이, 연료전지시스템의 고온운전(고출력 요구) 조건에서, 써지 영역을 회피하면서 상대적으로 고압/저유량의 공기공급이 가능한 운전을 할 수 있고, 이젝터의 작동을 통하여 압축기의 입구 압력이 상승하므로 압축기의 소모 동력을 줄일 수 있다.
아래의 식 (1)과 식 (2)와 같이, Pin(압축기 흡입압력)이 증가할수록 압축기 소모 동력은 획기적으로 감소한다.
식 (1)
Figure 112013120464487-pat00001
여기서, air_usage : 공기소모량(kg/s), SR_air : 공기 화학양론비(stoichiometry), Pe : 스택 출력(Watts), Vc : 셀 평균전압(Volt)을 각각 나타낸다.
식 (2)
Figure 112013120464487-pat00002
여기서, Pcompressor : 압축기 소모 동력, Cp_air : 공기 정압비열(1004J/kgK), Tin : 흡입공기 온도(K), ηc_overall : 압축기 전체 효율, k : 공기 비열비(Cp/Cv, 1.4), Pout : 압축기 토출압력(kPa), Pin : 압축기 흡입압력(kPa)를 각각 나타낸다.
따라서, 이와 같은 연료전지용 공기공급 장치의 전체적인 운전방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.
일 예로서, 연료전지시스템의 운전과 함께 압축기로부터 토출되는 고압의 공기가 가습기를 거쳐 스택으로 공급되는 과정이 이루어지고 있는 상황에서 고출력이 요구되는 고온 운전 조건 시, 먼저 압축기 출구에서 공기의 일부를 압축기 입구로 재순환시키는 과정이 수행된다.
이때, 공기 재순환 과정 시에 재순환되는 공기와 외부에서 들어오는 공기를 석션챔버 내에서 혼합함과 동시에 압력을 높인 상태에서 압축기 입구로 공급하는 과정이 수행된다.
여기서, 상기 압축기 입구로 공급되는 공기의 경우 벤츄리 효과를 이용하는 이젝터의 내부에서 압력이 높아진 후에 압축기로 공급된다.
이에 따라, 압축기가 써지 영역을 회피하면서 운전이 가능하게 되며, 이와 더불어 공급공기의 높은 압력과 상대적으로 낮은 유량을 필요로 하는 연료전지시스템의 요구조건을 만족시키면서 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
10 : 스택 11 : 압축기
12 : 바이패스 라인 13 : 바이패스 밸브
14 : 이젝터 15 : 바이패스공기 유입홀
16 : 석션챔버 17 : 스로트(Throat)
18 : 스로트 출구 19 : 필터/유량 센서
20 : 챔버 입구 21 : 가습기
22 : 압력조절 밸브

Claims (7)

  1. 연료전지의 스택으로 공기를 공급하는 압축기를 포함하고,
    상기 압축기의 출구단과 입구단 사이에는 바이패스 라인이 연결되고, 상기 바이패스 라인에는 바이패스 밸브가 설치되어 압축기에서 스택측으로 공급되는 고압의 공기 일부가 바이패스 라인을 통해 압축기 입구단으로 재순환되며, 상기 바이패스 라인을 통해 바이패스되어 재순환되는 공기에 외부 공기를 혼합하여 압력이 대기압 보다 높게 상승된 공기를 압축기의 입구단으로 공급하는 이젝터가 설치되어 압축기 써지 영역을 회피하면서 높은 압력과 낮은 유량의 공기 공급이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이젝터는 바이패스 공기의 유입을 위한 바이패스공기 유입홀과 외부 공기 유입을 위한 챔버 입구를 가지면서 바이패스 공기와 외부 공기를 혼합하는 석션챔버와, 축소되는 관 형태의 스로트 및 스로트 출구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이젝터의 입구단에는 외부에서 유입되는 공기량 측정과 이물질 제거를 위한 필터/유량 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스 라인에 설치되는 바이패스 밸브는 연료전지시스템의 제어기에 의한 제어를 받아, 압축공기 재순환 여부 및 유량이 조절될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 터보 타입 압축기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 장치.
  6. 연료전지 고온 운전 조건에서,
    압축기로부터 제공되는 공기가 가습기를 거쳐 스택으로 공급되는 과정에서, 압축기 출구에서 압축된 공기의 일부를 이젝터를 통해 압축기 입구로 재순환시킴과 함께, 상기 공기 재순환 과정시에 재순환되는 공기와 외부에서 들어오는 공기를 혼합하여 대기압 보다 높게 압력을 높인 상태에서 압축기 입구로 공급하여, 압축기 써지 영역을 회피하면서 높은 압력과 낮은 유량의 공기 공급이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 압축기 입구로 공급되는 공기는 벤츄리 효과를 이용하는 이젝터의 내부에서 압력이 높아진 후에 압축기로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급 방법.
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