KR102002910B1 - 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치 - Google Patents

연료 전지 자동차용 공기 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치에 관한 것으로, 구체적으로 연료 전지 자동차 시스템에서 필요로 하는 압축 공기 유량에 따라 원심식 압축부와 스크롤식 압축부를 선택적으로 가동하여 연료 전지 자동차 시스템의 성능요구조건을 충족시킬 수 있는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치에 관한 것이다.

Description

연료 전지 자동차용 공기 공급 장치{AIR SUPPLY DEVICE OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치에 관한 것으로, 구체적으로 연료 전지 자동차 시스템에서 필요로 하는 압축 공기 유량에 따라 원심식 압축부와 스크롤식 압축부를 선택적으로 가동하여 연료 전지 자동차 시스템의 성능요구조건을 충족시킬 수 있는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치에 관한 것이다.
연료 전지 차량에서의 에너지원은 연료 전지이며, 연료 전지에 수소와 산소를 공급해 주기 위해 현재 개발 중인 대부분의 연료 전지 차량은 수소 탱크를 구비하도록 되어 있다. 산소의 경우, 산소 탱크를 따로 구비하는 대신 대기 중의 산소를 이용할 수 있도록, 외부 공기를 압축하여 연료 전지로 공급하는 방식을 취하고 있다. 대기에는 20% 정도의 산소가 포함되어 있으며, 다른 성분은 연료 전지 스택에서 특별한 반응을 일으키지 않기 때문에, 수소 탱크와 함께 산소 탱크까지 차량에 싣고 다니는 것보다는 공기를 압축하여 연료 전지 스택으로 공급하는 것이 효율적이기 때문이다.
도 1은 종래의 연료 전지의 공기 공급계를 간략히 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 종래의 연료 전지 자동차용 공기 공급 시스템은 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(10), 공기를 압축시키는 압축부(30) 및 산소와 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지 스택을 포함하여 이루어진다.
도 2는 종래의 연료 전지 자동차용 압축부로서 블로워의 개략도로, 도 2를 참조하면 블로워는 구동부(31)와, 컴프레서부(32)와, 샤프트(33)를 포함한다.
구동부(31)는 케이스(34)와, 로터(36)와, 스테이터(37)를 포함한다. 케이스(34)는 외부의 공기가 흡입될 수 있도록 흡입구(35a)를 구비한다. 또한 케이스(34)는 흡입된 외부의 공기가 컴프레서부(32)로 이동할 수 있도록 공기 이동로를 내장한다. 로터(36)는 샤프트(33)의 외주면에 장착되고, 영구자석을 구비한다. 스테이터(37)는 로터(36)와 이격된 상태로 케이스(34)에 장착되고, 연료전지 스택으로부터 전력을 공급받아 로터(36)의 주변에 전기장을 형성한다. 상기 전기장과 상기 영구자석에 의해 형성된 자기장의 상호작용으로 인해 로터(36) 및 샤프트(33)가 회전하게 된다.
컴프레서부(32)는 볼류트(volute, 38)와, 임펠러(39)를 포함한다. 상기 임펠러(39)는 샤프트(33)의 외주면에 장착되어 샤프트(33)와 함께 회전하면서 공기를 흡입한다. 볼류트(38)는 구동부(31)의 케이스(34)와 결합한 상단을 구비하고, 상기 임펠러(39)를 내장하며, 압출구(35b)를 구비한다. 임펠러(39)가 회전하면 상기 흡입구(35a)를 통해 공기가 흡입되고, 흡입된 공기는 구동부(31)의 케이스(34)를 통과하여 볼류트(38)로 이동한다. 이후 공기는 임펠러(39)를 경유하면서 가속되고, 임펠러(39)를 경유한 후 압축되어 상기 압출구(35b)를 통해 외부로 배출된다.
이러한 구조의 블로워는 압축기의 특성상 공기의 압력이 높고 유량이 적은 시스템 요구 조건에서 구동이 어려운 문제가 있었다.(도 3참조)
또한, 상기 시스템 요구 조건을 충족시키기 위해서는 구동부 샤프트의 회전수를 높여야 하지만 이는 베어링 내구성에 제한을 받을 뿐 아니라, 과부하에 의한 블로워 부품 파손의 문제가 있었다.
한국공개특허 제10-2012-0027726호 한국등록특허 제10-0435925호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연료 전지 자동차의 운전 조건에 따라 저압력·고유량의 압축 공기 요구 조건 뿐 아니라 고압력·저유량의 압축 공기 요구 조건 하에서도 구동 가능한 압축기를 이용하는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 압축기 부품의 내구성이 향상되고, 적은 동력으로도 압축기를 가동할 수 있어 자동차의 연비 향상이 가능한 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부와, 흡입된 공기를 압축하여 연료 전지 스택에 공급하는 압축부를 포함하는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치에 있어서, 상기 압축부는 상기 연료 전지 스택에 요구되는 공기 유량에 따라 원심식 압축부와 스크롤식 압축부를 선택적으로 가동시키는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 개시한다.
이때, 상기 압축부는 요구되는 공기 유량이 기설정된 유량 이상인 경우 원심식 압축부를 가동시키고, 요구되는 공기 유량이 기설정된 유량 미만인 경우 스크롤식 압축부를 가동시킬 수 있다.
이때, 상기 기설정된 공기 유량은 0.05 kg/s일 수 있다.
또한, 상기 흡입부에서 흡입된 공기를 상기 압축부로 이송하는 덕트에 설치되어, 상기 공기가 상기 원심식 압축부 또는 스크롤식 압축부 측으로 선택적으로 배출되도록 제어하는 제1 유로제어수단 및 상기 압축부에서 압축된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 이송하는 덕트에 설치되어, 상기 제1 유로제어수단의 개도에 따라 상기 공기가 선택적으로 유입되도록 제어하는 제2 유로제어수단을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 원심식 압축부 가동시, 상기 제1 유로제어수단은 제1 원심식 압축부 유로측 출구를 개도하고 상기 제2 유로제어수단은 제2 원심식 압축부 유로측 입구를 개도하며, 상기 스크롤실 압축부 가동시, 상기 제1 유로제어수단은 제1 스크롤식 압축부 유로측 출구를 개도하고 상기 제2 유로제어수단은 제2 스크롤식 압축부 유로측 입구를 개도할 수 있다.
본 발명은 연료 전지 자동차의 운전 조건에 따라 고압력·저유량의 압축 공기 요구 조건 뿐 아니라 저압력·고유량의 압축 공기 요구 조건 하에서도 구동 가능하며, 적은 동력으로도 압축기를 가동할 수 있어 자동차의 연비 향상이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 연료 전지의 공기 공급계의 개략도이다.
도 2는 종래의 연료 전지 자동차용 압축부로서 블로워의 개략도이다.
도 3은 종래의 연료 전지 자동차 시스템의 요구 조건과 블로워의 운전 영역을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 이용하는 공기 공급계의 개략도이다.
도 5은 본 발명의 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치의 압축부의 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명의 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 이용한 압축 공기 공급 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 8는 연료 전지 자동차 시스템의 요구 조건과 본 발명의 압축부의 운전 영역을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 이용하는 공기 공급계의 개략도이다.
도 4를 참조하면 본 발명에 따른 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 이용하는 공기 공급계는 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(100), 흡입된 공기를 압축시키는 압축부(300)를 포함하며, 연료 전지 스택(500)의 적정 운전 조건에 맞출 수 있도록 압축 공기에 가습을 하는 가습기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 흡입부(100)는 에어 필터(110) 및 소음기(130)를 포함하며, 에어 필터(110)는 외부로부터 공기를 흡입하여 공기 중의 먼지를 포함하는 이물질을 제거하며, 덕트는 여과된 공기를 압축부(300)로 유동시킨다. 소음기(130)는 에어 필터(110)와 연결되도록 설치되며 유입 공기의 유동 소음을 감소시킨다.
압축부(300)는 덕트로부터 공기를 유입받아 압축시키며, 압축 공기는 가습기(미도시)를 통과하면서 가습되어 연료 전지 스택(500)의 음극(cathode)으로 유입된다.
연료 전지 스택(500) 음극(cathode)에 압축 공기 중의 산소가 공급되고, 연료 전지 스택의 양극(anode)에 수소 탱크로부터 수소가 공급되어, 화확 반응이 일어남으로써 발전이 이루어지게 되는 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치의 압축부(300)는 원심식 압축부(310)와 스크롤식 압축부(350)를 포함한다.
압축부(300)의 원심식 압축부(310)와 스크롤식 압축부(350)는 로터(320)를 동일 회전축으로 연결되며, 압축부(300)는 연료 전지 스택(500)에서 필요로 하는 공기의 유량 및 압력에 따라 원심식 압축부(310)와 스크롤식 압축부(350)를 선택적으로 가동시킨다.
원심식 압축부(310) 및 스크롤식 압축부(350)는 널리 알려진 기술로서 각 구성에 대한 자세한 도시와 설명은 생략한다.
도 5은 본 발명의 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 제1 덕트(331)가 흡입부(100)와 압축부(300) 사이에 설치되며, 제1 덕트(331)는 흡입부(100)에서 흡입된 공기를 압축부(300)로 이송한다.
이때, 제1 유로제어수단(330)이 제1 덕트(331)에 설치되며, 제1 유로제어수단(330)은 흡입 공기가 원심식 압축부(310) 또는 스크롤식 압축부(350) 측으로 선택적으로 배출되도록 한다.
구체적으로, 제1 유로제어수단(330)의 입구는 제1 덕트(331)에 연결되며, 제1 유로제어수단(330)의 한쪽 출구는 흡입 공기를 원심식 압축부(310) 쪽으로 이송하기 위한 제1 원심식 압축부 유로(333)에 연결되고 다른쪽 출구는 스크롤식 압축부(350) 쪽으로 이송하기 위한 제1 스크롤식 압축부 유로(335)에 연결된다.
이때, 제1 유로제어수단(330)의 개도 전환을 제어하는 제어부가 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 덕트(371)는 압축부(300)와 연료 전지 스택(500) 사이에 설치되며, 제2 덕트(371)는 압축부(300)에서 압축된 공기를 연료 전지 스택(500)으로 이송한다.
이때, 제2 유로제어수단(370)이 제2 덕트(371)에 설치되며, 제2 유로제어수단(370)은 원심심 압축부(310) 또는 스크롤식 압축부(350)에서 압축된 공기가 제2 덕트(371)로 선택적으로 유입되도록 한다.
구체적으로, 제2 유로제어수단(370)의 출구는 제2 덕트(371)에 연결되며, 제2 유로제어수단(370)의 한쪽 입구는 원심식 압축부(310)와 연결된 제2 원심식 압축부 유로(373)에 연결되고, 다른쪽 입구는 스크롤식 압축부(350)와 연결된 제2 스크롤식 압축부 유로(375)에 연결된다.
이때, 제2 유로제어수단(370)은 제어부에 의해 제1 유로제어수단(330)의 출구 개도에 대응하여 제어된다. 구체적으로, 제1 유로제어수단(330)에 의해 제1 원심식 압축부 유로(333)측 출구가 개도되면 제2 유로제어수단(370)은 제2 원심식 압축부 유로(373)측 입구를 개도하며, 제1 유로제어수단(330)에 의해 제1 스크롤식 압축부 유로(335)측 출구가 개도되면 제2 유로제어수단(370)은 제2 스크롤식 압축부 유로(375)측 입구가 개도되는 것이다.
이때, 제1 유로제어수단(330) 및 제2 유로제어수단(370)은 삼방 밸브일 수 있다.
도 6은 연료 전지 스택에서 필요로 하는 압축 공기 유량에 따른 압축부의 작동 상태도이며, 도 7은 본 발명의 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치를 이용한 압축 공기 공급 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6 (a)는 원심식 압축부(310)가 가동되는 상태로서, 연료 전지 스택(500)에서 고유량(공기 유량이 0.05kg/s 이상)·저압(공기 압력이 2bar 미만)의 공기가 요구되는 경우 원심식 압축부(310)가 가동된다.
구체적으로, 제1 유로제어수단(330)에 의해 제1 원심식 압축부 유로(333)측 출구가 개도되면 흡입 공기가 원심식 압축부(310)로 유동하고, 원심식 압축부(310)에 의해 압축된 공기는 제2 원심식 압축부 유로(373)를 따라 유동한다. 이때, 제2 유로제어수단(370)은 제2 원심식 압축부 유로(373)측 입구를 개도하여 고유량·저압의 압축 공기가 제2 덕트(371)를 통해 연료 전지 스택(500)으로 유입되도록 한다.
도 6 (b)는 스크롤식 압축부(350)가 가동되는 상태로서, 연료 전지 스택(500)에서 저유량(공기 유량이 0.05kg/s 미만)·고압(공기 압력이 2bar 이상)의 공기가 요구되는 경우 스크롤식 압축부(350)가 가동된다.
구체적으로, 제1 유로제어수단(330)에 의해 제1 스크롤식 압축부 유로(335)측 출구가 개도되면 흡입 공기가 스크롤식 압축부(350)로 유동하고, 스크롤식 압축부(350)에 의해 압축된 공기는 제2 스크롤식 압축부 유로(375)를 따라 유동한다. 이때, 제2 유로제어수단(370)은 제2 스크롤식 압축부 유로(375)측 입구를 개도하여 저유량·고압의 압축 공기가 제2 덕트(371)를 통해 연료 전지 스택(500)으로 유입되도록 한다.
상기한 구성의 압축부(300)를 포함하는 공기 공급 장치에 의하면, 도 8와 같이 시스템에서 고유량·저압이 요구되는 경우 뿐 아니라 저유량·고압이 요구되는 경우에도 구동 가능하다.
또한, 종래 시스템에 저유량·고압의 공기를 공급하기 위해 블로워를 무리하게 가동시켜 발생할 수 있는 블로워 파손의 문제를 해결할 수 있고, 스크롤식 압축부를 이용하여 적은 동력으로도 저유량·고압의 압축 공기를 공급할 수 있어 연료 전지 자동차의 연비 향상이 가능하다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
100: 흡입부 110: 에어 필터 130: 소음기
300: 압축부 310: 원심식 압축부 320:로터
330: 제1 유로제어수단 331: 제1 덕트
333: 제1 원심식 압축부 유로 335: 제1 스크롤식 압축부 유로
350: 스크롤식 압축부 370: 제2 유로제어수단
371: 제2 덕트 373: 제2 원심식 압축부 유로
375: 제2 스크롤식 압축부 유로 500: 연료 전지 스택

Claims (5)

  1. 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(100)와, 흡입된 공기를 압축하여 연료 전지 스택에 공급하는 압축부(300)를 포함하는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치에 있어서,
    상기 압축부(300)는 상기 연료 전지 스택에 요구되는 공기 유량에 따라 원심식 압축부(310)와 스크롤식 압축부(350)를 선택적으로 가동시키는 것을 특징으로 하고,
    상기 압축부(300)는, 요구되는 공기 유량이 기설정된 유량 이상인 경우 원심식 압축부(310)를 가동시키고, 요구되는 공기 유량이 기설정된 유량 미만인 경우 스크롤식 압축부(350)를 가동시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 흡입부(100)에서 흡입된 공기를 상기 압축부(300)로 이송하는 제1 덕트(331)에 설치되어, 상기 공기가 상기 원심식 압축부(310) 또는 스크롤식 압축부(350) 측으로 선택적으로 배출되도록 제어하는 제1 유로제어수단(330); 및 상기 압축부(300)에서 압축된 공기를 상기 연료 전지 스택으로 이송하는 제2 덕트(371)에 설치되어, 상기 제1 유로제어수단(330)의 개도에 따라 상기 공기가 선택적으로 유입되도록 제어하는 제2 유로제어수단(370)을 더 포함하고,
    상기 원심식 압축부(310) 가동시, 상기 제1 유로제어수단(330)은 제1 원심식 압축부 유로(333)측 출구를 개도하고, 상기 제2 유로제어수단(370)은 제2 원심식 압축부 유로(373)측 입구를 개도하며,
    상기 스크롤실 압축부(350) 가동시, 상기 제1 유로제어수단(330)은 제1 스크롤식 압축부 유로(335)측 출구를 개도하고, 상기 제2 유로제어수단(370)은 제2 스크롤식 압축부 유로(375)측 입구를 개도하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기설정된 공기 유량은 0.05 kg/s인 것을 특징으로 하는 연료 전지 자동차용 공기 공급 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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