KR20060070092A

KR20060070092A - 연료전지용 공기압축기의 구동시스템

Info

Publication number: KR20060070092A
Application number: KR1020040108718A
Authority: KR
Inventors: 안상열
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-23

Abstract

본 발명은 연료전지스택의 미반응 공기의 고압 배기압력에 의해 구동되는 터보차저에 의해 공기압축기를 구동하는 한편, 그 구동축에 모터를 연결하여 시동초기 및 고속주행에서 그 동력을 보충하도록 구성된 연료전지용 공기압축기의 구동시스템에 관한 것으로서, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지스택으로부터 배출되는 공기의 배기압력에 의해 동력을 얻고, 그 동력을 구동축을 통해 공기압축기로 제공하는 터보차저와; 상기 터보차저와 공기압축기를 연결하는 구동축상에 설치된 모터와; 상기 모터의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 더 작은 용량의 모터를 사용할 수 있고, 수소가스의 소모가 없으므로 동일 수소량에 대하여 주행거리가 길어져 연비를 극대화 시킬수 있으며, 수소가스의 폭발에 의한 소음 및 진동을 방지함으로서 승차감 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.

연료전지, 배출공기, 배기압력, 공기압축기

Description

연료전지용 공기압축기의 구동시스템{Drive System of an Air Compressor for Fuel Cell}

도 1은 종래기술에 따른 공기압축기의 구동시스템을 나타내는 구성도,

도 2는 종래기술에 따른 또 다른 공기압축기의 구동시스템을 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 공기압축기의 구동시스템을 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 연료전지스택 11: 수소유입관

12: 공기유입관 13: 공기압축기

14: 구동축 15, 30: 모터

20: 연소실 21: 수소배출관

22, 40: 터보차저 31: 기어

41: 공기배출관 43: 전환밸브

44: 클러치 50: 제어부

본 발명은 연료전지용 공기압축기의 구동시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지스택의 미반응 공기의 고압 배기압력에 의해 구동되는 터보차저에 의해 공기압축기를 구동하는 한편, 그 구동축에 모터를 연결하여 시동 초기 및 고속주행에서 그 동력을 보충하도록 구성된 연료전지용 공기압축기의 구동시스템에 관한 것이다.

내연기관 자동차가 화석연료와 공기중의 산소를 엔진내에서 연소시켜 그 폭발력으로 자동차를 구동시키는 것과는 달리, 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle)는 고압수소탱크 또는 개질기를 통해 공급되는 수소와 공기압축기를 통해 공급되는 공기중의 산소를 연료전지스택내에서 전기화학반응시켜 생성된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하게 되는 것이다.

통상적으로 승용연료전지 자동차는 80㎾ 급의 연료전지스택을 탑재하고 있는데, 연료전지스택의 운전을 가압조건에서 할 경우 연료전지스택에 공급되는 공기는 1.2∼3.0 bar의 고압으로 공급되기 때문에 이를 위해서 5천 내지 10만 rpm의 회전수를 갖는 공기압축기를 사용하여야 한다.

또한, 공기압축기의 높은 회전수 때문에 그 내부온도가 수백도 이상으로 사승하여 연료전지스택에 공급되는 공기의 밀도가 낮아지는 것을 방지하기 위하여 공기압축기에 냉각시스템이 설치되어 있다.

앞서 살펴본 바와 같이, 공기압축기는 연료전지 운전에 있어서 가장 많은 일을 필요로 하는 장치로서, 연료전지 시스템 최대 출력의 5∼20 %를 사용한다.

따라서, 공기압축기에 소요되는 일량이 매우 크므로, 연료전지스택에서 생성 된 전기에너지 중 실제로 자동차의 주행에 사용될 전기에너지는 그 공급양이 대폭 줄어들게 된다.

도 1에 도시된 종래의 공기압축기의 구동시스템은, 단순히 모터(15)의 힘에 의해서만 공기유입관(12)에 설치된 공기압축기(13)를 구동하도록 구성된 것으로, 연료전지스택(10)에서 생성된 전기에너지 중 많은 양이 상기 모터(15)의 구동에 사용된다.

상기 문제점을 해결하고 연료전지 자동차의 에너지 효율을 높이기 위하여 고안된 또 다른 공기압축기의 구동시스템은, 도 2에 도시된 것처럼, 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 미반응 수소가스를 연소실(20)에서 연소시켜 그 폭발력을 이용하여 터보차저(22)를 회전시킴으로써 구동축(14)에 의해 연결된 공기압축기(13)를 구동시키는 것이다.

그러나 상기한 종래 연료전지 자동차의 공기압축기 구동방식은, 모터에 의해 구동하거나 미반응 수소가스의 폭발력을 이용하여 구동시키는 방식으로서, 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째 방식인 모터만을 이용하는 경우는 전력소모가 높아 자동차의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있고, 둘째 방식인 연료전지스택에서 배출되는 미반응 수소를 연소실에서 폭발시켜 구동시키는 방식은, 폭발에 의한 소음 및 진동에 의해 연료전지 시스템의 내구성을 저하시키고 수소가스의 일부가 자동차 주행에 이용되지 못하므로 동일한 수소가스를 대비할 경우 주행거리가 짧아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지스택으로부터 배출되는 공기의 고압 배기압력에 의해 공기압축기를 구동하는 한편, 그 구동축에 모터를 연결하여 시동초기 및 고속주행에서 공기압축기를 구동하기에 부족한 동력을 보충하도록 구성된 연료전지용 공기압축기의 구동시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지스택으로부터 배출되는 공기의 배기압력에 의해 동력을 얻고, 그 동력을 구동축을 통해 공기압축기로 제공하는 터보차저와; 상기 터보차저와 공기압축기를 연결하는 구동축상에 설치된 모터와; 상기 모터의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예로는, 공기배출관은, 터보차저로 연통되는 제1배출관과 외부로 직접 연결된 제2배출관으로 나뉘고, 그 연결점에 설치된 전환밸브에 의해 배기공기의 배출방향을 결정하며, 상기 전환밸브는 상기 제어부에 의해 그 작동이 제어되는 것을 특징으로 한다.

그 외 본 발명의 다른 특징은, 상기 제어부는, 시동후 운전초기단계에서는 모터만을 이용하여 공기압축기를 구동하고, 저·중속주행단계에서는 터보차저만으로 공기압축기를 구동하며, 고속주행단계에서는 터보차저와 모터를 동시에 작동시켜 공기압축기를 구동하도록 제어하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명 한다.

도 3은 본 발명에 따른 공기압축기의 구동시스템을 나타내는 구성도이고, 일부의 도면부호는 종래기술의 설명에서 사용된 부호가 인용된다.

본 발명에 따른 연료전지용 공기압축기의 구동시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 공기의 배기압력에 의해 회전되면서 동력을 얻고 그 동력을 구동축(14)을 통해 공기압축기(13)로 제공하는 터보차저(40)와, 상기 구동축(14)상에 설치된 모터(30)와, 이 모터(30)의 작동을 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성된 것이다.

더욱 상세히 설명하면, 상기 터보차저(40)는 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 미반응 공기의 배기 압력으로부터 동력을 얻기위한 장치로서, 상기 연료전지스택(10)의 공기배출관(41)에 설치되고, 상기 터보차저(40)는 구동축(14)에 의해 공기압축기(13)와 연결되어 있다.

따라서, 상기 연료전지스택(10)에서 외부로 배출되는 공기는 터보차저(40)를 회전시키면서 외부로 배출되고, 상기 터보차저(40)에 의해 얻어지는 회전 동력은 구동축(14)에 의해 연결된 공기압축기(13)에 전달된다.

본 발명의 또 다른 구성으로는, 상기 연료전지스택(10)의 공기배출관을 터보차저(40)로 연통되는 제1배출관(41-1)과 직접 외부로 연통되는 제2배출관(41-2)으로 나뉘고, 그 연결점인 공기배출관의 입구에 전환밸브(43)를 설치하여, 이 전환밸브(43)에 의해 배기 공기의 배출방향을 결정하도록 한다. 이렇게 함으로써 연료전지스택(10)에 공급되는 공기의 양이 적은 시동초기에는, 연료전지스택(10)으로부터 미반응 공기의 배출이 용이하도록 함으로써, 연료전지스택(10) 내부에서 전기화학반응이 원활이 이루어지도록 할 수 있다.

한편, 상기 전환밸브(43)는 제어부(50)에 의해 그 동작이 제어되는데, 그 제어작용을 설명하면, 시동 초기와 같이 미반응 공기의 원활한 배출이 요구되는 때에는 터보차저(40)에 연결된 제1배출관(41-1)의 입구를 닫고, 제2배출관(41-2)의 통로만을 열어 미반응 공기가 외부로 곧 바로 배출되도록 한다.

그 후, 공기압축기(13)가 일정 회전속도 이상으로 가속되면, 연료전지스택(10)에 공급되는 공기의 압력이 높으므로, 제어부(50)가 전환밸브(43)를 제어하여 제1배출관(41-1)을 열고 제2배출관(41-2)을 닫도록 함으로써 배출공기의 배기압력이 모두 터보차저(40)에 제공되도록 한다.

상기 모터(30)는 기어(31)를 매개로 상기 구동축(14)에 연결되고, 상기 모터(30)의 온오프(On/Off)가 직접 제어부(50)에 의해 제어되도록 구성하여, 상기 터보차저(40)의 회전력만으로 공기압축기(13)를 구동하기 어려운 경우에 상기 모터(30)가 보조동력으로 사용될 수 있도록 한다.

한편 또 다른 실시예로는 상기 모터(30)가 자동차의 다른 구동부에 작용할 경우를 고려하여, 모터(30)의 온오프(On/Off)를 직접 제어부(50)에서 제어하는 것이 아니라 상기 모터(30)와 상기 기어(31)의 사이에 클러치(44)를 구비시키고, 상기 제어부(50)가 클러치(44)의 접속을 제어함으로써 공기압축기(13)로의 동력 전달을 제어할 수 있도록 구성한다.

즉, 상기 모터(30)에 의해 공기압축기(13)가 연결된 구동축(14)에 동력을 제 공할지 여부가 클러치(44)에 의해 제어되고, 상기 클러치(44)는 다시 제어부(50)에 의해 제어된다.

상기 제어부(50)는 상기 모터(30) 및 클러치(44)를 제어하는 한편, 연료전지스택(10)의 공기배출관(41) 입구에 설치된 전환밸브(43)의 개폐작용을 제어하기 위해 설치된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

시동후 운전초기단계에서는 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 미반응 공기의 배기압력이 매우 낮으므로 모터(30)를 이용하여 공기압축기(13)를 구동시킨다.

그 후, 상기 공기압축기(13)에 의해 많은 양의 공기가 연료전지스택(10)에 공급됨으로써 스택에 공급되는 공기의 압력이 충분히 높아진 경우, 스택으로부터 배출되는 공기의 배기압력이 커져 터보차저(40)의 회전속도가 함께 상승하므로, 상기 터보차저(40)의 회전력만으로 공기압축기(13)를 구동시킬 수 있는 상태가 된다.

따라서, 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 공기의 배기압력이 높은 저,중속 주행단계에서는 배출공기의 배기압력에 의해 작동하는 터보차저(40)만으로 공기압축기(13)를 구동시킨다.

점차 자동차의 주행속도가 높아져 고속주행단계가 되면, 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 배기공기의 압력에 의한 터보차저(40)의 힘만으로는 공기압축기(13)가 충분한 동력을 얻을 수 없게 되므로, 이 경우 모터(30)를 보조동력으로 사용한다.

이때 제어부(50)는 상기 모터(30)를 직접 제어하거나 상기 모터(30)와 구동축(14)사이에 설치된 클러치(44)를 제어함으로써 상기 모터(30)의 구동력을 공기압축기(13)의 구동축에 전달한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.

상술한 본 발명에 따른 연료전지용 공기압축기의 구동시스템에 의하면, 종래의 전동 모터만을 이용하여 공기압축기를 구동하던 방식에 비하여 더 작은 용량의 모터를 사용할 수 있으므로, 전기소모량을 감소시켜 연료전지의 효율을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

수소가스의 소모가 없으므로 동일 수소량에 대하여 주행거리가 길어져 연비를 극대화 시킬수 있고, 수소가스의 폭발에 의한 소음 및 진동을 방지함으로서 승차감 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 연료전지스택으로부터 배출되는 미반응 공기의 경우, 연료전지의 전기화학반응에서 생성된 수분을 함유하고 있으므로 터보차저의 회전에 의해 발생되는 열을 일부 흡수할 수 있고, 따라서 공기 압축기 및 터보차저에 대한 냉각 효과를 갖는다.

Claims

차량에 탑재되는 연료전지 시스템에 있어서,

연료전지스택으로부터 배출되는 공기의 배기압력에 의해 동력을 얻고, 그 동력을 구동축을 통해 공기압축기로 제공하는 터보차저와;

상기 터보차저와 공기압축기를 연결하는 구동축상에 설치된 모터와;

상기 모터의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기압축기의 구동시스템.
제1항에 있어서,

상기 연료전지스택의 공기배출관은, 터보차저로 연통되는 제1배출관과 외부로 직접 연결된 제2배출관으로 나뉘고, 그 연결점에 설치된 전환밸브에 의해 배기공기의 배출방향을 결정하며, 상기 전환밸브는 상기 제어부에 의해 그 작동이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기압축기의 구동시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 터보차저에 공급되는 배기공기는 터보차저를 회전시키고, 외부로 배출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기압축기의 구동시스템.
제1항에 있어서,

상기 모터는, 기어(치차)를 매개로 상기 구동축에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기압축기의 구동시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 모터는, 구동축에 동력을 제공할지 여부가 클러치에 의해 제어되고, 상기 클러치는 다시 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기압축기의 구동시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어부는, 시동후 운전초기단계에서는 모터만을 이용하여 공기압축기를 구동하고, 저·중속주행단계에서는 배출공기의 배기압력에 의해 회전되는 터보차저만으로 공기압축기를 구동하며, 고속주행단계에서는 터보차저와 모터를 동시에 동작시켜 공기압축기를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.