KR20210007731A - 연료 전지 시스템용 공기 압축기 - Google Patents

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김종명
박정희
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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템용 공기 압축기에 관한 것으로, 구동원에 의해 회전하며 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 로터; 상기 로터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(air foil bearing); 및 상기 에어 포일 베어링과 상호 협조적으로 상기 로터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 베어링(air bearing);을 포함하는 것에 의하여, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료 전지 시스템용 공기 압축기{AIR COMPRESSOR FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템용 공기 압축기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 안전성 및 신뢰성을 향상시키고, 수명을 연장할 수 있는 연료 전지 시스템용 공기 압축기에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 시스템, 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치, 연료전지 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.
연료전지 시스템은, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치를 포함하여 구성된다.
공급공급장치는, 연료전지 스택에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기를 포함하며, 공기 압축기는 로터의 회전에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축시켜 공급하도록 구성된다.
일반적으로, 공기 압축기에는, 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링 수단으로서 볼 베어링과 같은 접촉식 베어링이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 접촉식 베어링은 마찰로 인해 고속 운전의 제한이 따르고, 작동 소음이 발생하는 문제점이 있다.
최근에는 공기 압축기의 고속 운전 성능을 향상시키고, 작동 소음을 저감시킬 수 있도록, 로터의 베어링 수단으로서 에어 포일 베어링(AIR FOIL BEARING)을 적용한 공기 압축기가 개발되고 있다.
그러나, 기존 공기 압축기의 에어 포일 베어링은, 초기 구동(예를 들어, 정지 상태에서 저속 운전 구간 사이)시, 로터의 느린 회전 속도로 인해 로터의 피베어링면에 충분한 유막(에어갭)을 형성하기 어려운 문제점이 있으며, 로터와 에어 포일 베어링 간의 접촉에 의한 마모 및 손상이 발생하여 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 기존에는 공기 압축기에 진동(예를 들어, 차량의 오프 로드 주행에 의한 진동) 및 충격이 발생하면, 에어 포일 베어링과 로터 간에 접촉이 발생함에 따라 공기 압축기의 안전성 및 신뢰성이 저하되고, 수명이 단축되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 시스템용 공기 압축기의 내구성을 향상시키고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 내구성을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템용 공기 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 로터와 에어 포일 베어링 간의 접촉을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지 시스템의 구조 변경을 최소화하면서 공기 압축기의 베어링 성능을 향상시킬 수 있으며, 장치를 소형화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템용 공기 압축기는, 구동원에 의해 회전하며 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 로터; 상기 로터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(air foil bearing); 및 상기 에어 포일 베어링과 상호 협조적으로 상기 로터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 베어링(air bearing);을 포함한다.
이는, 연료 전지 시스템용 공기 압축기의 마모 및 손상을 최소화하고 내구성을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 연료 전지 시스템용 공기 압축기의 초기 운전 구간에서, 로터의 느린 회전 속도로 인해 로터의 피베어링면에 충분한 유막(에어갭)을 형성하기 어려운 문제점이 있으며, 로터와 에어 포일 베어링 간의 접촉에 의한 마모 및 손상이 발생하여 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 연료 전지 시스템용 공기 압축기의 로터가 에어 포일 베어링에 의해 지지됨과 동시에 에어 베어링에 의해 지지되도록 하는 것에 의하여, 로터의 피베어링면에 충분한 유막을 신속하게 형성하고, 로터와 에어 포일 베어링 간의 접촉에 의한 마모 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
에어 포일 베어링은, 로터의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지하는 저널 에어 포일 베어링, 및 로터의 축선을 따른 하중을 지지하는 스러스트 에어 포일 베어링을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에어 포일 베어링이 저널 에어 포일 베어링 및 스러스트 에어 포일 베어링 중 어느 하나만을 포함하는 것도 가능하다.
에어 베어링은, 로터의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지하는 저널 에어 베어링, 및 로터의 축선을 따른 하중을 지지하는 스러스트 에어 베어링을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에어 베어링이 저널 에어 베어링 및 스러스트 에어 베어링 중 어느 하나만을 포함하는 것도 가능하다.
바람직하게, 저널 에어 베어링은 회전축의 피베어링면을 따라 저널 에어 포일 베어링에 공압을 인가하도록 구성된다.
이와 같이, 저널 에어 베어링을 저널 에어 포일 베어링에 인접하게 장착하는 것에 의하여, 저널 에어 베어링으로부터 배출된 공압을 저널 에어 포일 베어링으로 공급할 수 있으므로, 로터의 초기 회전시 저널 에어 포일 베어링에 의한 로터의 부상 시간을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 스러스트 에어 베어링은 로터의 축선 방향을 따라 스러스트 에어 포일 베어링의 외측에 중첩되게 배치될 수 있다.
바람직하게, 스러스트 에어 포일 베어링은, 포일 패드(foil pad), 포일 패드의 일면에 구비되는 범프 포일(bump foil), 및 회전축의 피베어링면을 마주하며 범프 포일을 덮도록 포일 패드에 결합되는 탑포일(top foil)을 포함하고, 포일 패드에는 스러스트 에어 베어링으로부터 공압이 인가되는 관통홀이 형성된다.
이와 같이, 스러스트 에어 포일 베어링과 스러스트 에어 베어링을 중첩되게 배치하고, 관통홀을 통해 스러스트 에어 베어링의 공압이 스러스트 에어 포일 베어링으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 로터의 초기 회전시 스러스트 에어 포일 베어링에 의한 로터의 부상 시간을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
에어 베어링은 차량의 구동력에 의해 공기를 압축하는 차량용 공기 압축기로부터 공압을 공급받도록 구성된다.
바람직하게, 로터의 회전 속도가 미리 설정된 목표 속도에 도달하면, 에어 베어링에 공급되는 공압이 차단된다.
이와 같이, 로터가 목표 속도에 도달하면, 에어 베어링으로 공급되는 공압을 차단하는 것에 의하여, 차량용 공기 압축기의 공압을 이용하는 여타 부품(예를 들어, 브레이크, 도어 개폐 장치, 서스펜션)의 공압 부족 현상을 최소화하고, 그에 따른 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
연료 전지 시스템용 공기 압축기는, 로터의 진동을 감지하는 진동감지부, 및 진동감지부에서 감지된 신호에 따라 에어 베어링으로 공급되는 공압을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 진동감지부에 미리 설정된 진동 범위보다 큰 진동이 감지되면, 제어부는 에어 베어링에 공압을 인가하도록 구성된다.
이와 같이, 회전축의 회전 속도가 목표 속도에 도달하여 에어 베어링으로의 공압 공급이 중단된 상태이더라도, 진동감지부에 미리 설정된 진동 범위보다 큰 진동이 감지되면, 에어 베어링에 공압이 인가되도록 하는 것에 의하여, 진동 발생에 따른 로터의 회전축과 에어 포일 베어링의 접촉을 억제하고, 내구성 및 안전성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템용 공기 압축기는, 로터의 온도를 감지하는 온도감지부, 및 온도감지부에서 감지된 신호에 따라 에어 베어링으로 공급되는 공압을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 온도감지부에 미리 설정된 온도 범위보다 높은 온도가 감지되면, 제어부는 에어 베어링에 공압을 인가하도록 구성된다.
이와 같이, 온도감지부에 미리 설정된 온도 범위보다 높은 온도가 감지되면, 에어 베어링에 공압을 인가하는 것에 의하여, 로터 및 베어링(에어 포일 베어링 및 에어 베어링)의 과열 현상을 억제하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 로터와 에어 포일 베어링 간의 접촉을 최소화하고, 로터와 에어 포일 베어링 간의 접촉에 의한 마모 및 손상을 최소화할 수 있으며, 수명을 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 연료전지 시스템의 구조 변경을 최소화하면서 공기 압축기의 베어링 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 압축기가 적용된 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 스러스트 에어 포일 베어링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 초기 구동시 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 정상 구동시 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 진동 발생(또는 과열)시 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 압축기가 적용된 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 스러스트 에어 포일 베어링을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기는, 구동원에 의해 회전하며 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 로터(210), 로터(210)의 회전축(212)을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(air foil bearing), 및 에어 포일 베어링(300)과 상호 협조적으로 로터(210)의 회전축(212)을 회전 가능하게 지지하는 에어 베어링(air bearing)(400)을 포함한다.
본 발명에 따른 공기 압축기는 연료 전지 시스템으로 흡입되는 유입가스(공기)를 압축시켜 연료전지 스택으로 공급하기 위해 마련된다.
참고로, 연료전지 스택(100)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(100)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(100)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
로터(210)는 하우징(미도시)의 내부에 회전 가능하게 배치되며, 구동원(예를 들어, 모터)에 의해 회전하며 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급한다.
일 예로, 로터(210)의 일단에는 임펠러(impeller)(211)가 마련되며, 로터(210)가 회전함에 따라 임펠러(211)로 빨려 들어가는 공기가 원심력에 의해 중심의 바깥쪽으로 밀리면서 압력 상승과 운동 에너지가 발생된다.
에어 포일 베어링(air foil bearing)(300)은, 로터(210)의 회전축(212)을 회전 가능하게 지지하도록 마련된다.
에어 포일 베어링(300)은 로터(210)의 회전축(212)과 베어링(에어 포일 베어링)의 사이에 배치되는 포일을 이용하여 공기유동을 압력으로 변환시켜 회전축(212)을 뜨게 하여 하중을 지지하도록 구성된다.
일 예로, 에어 포일 베어링(300)은, 로터(210)의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지하는 저널 에어 포일 베어링(journal air foil bearing)(310), 및 로터(210)의 축선을 따른 하중을 지지하는 스러스트 에어 포일 베어링(thrust air foil bearing)(320)을 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는, 에어 포일 베어링(300)이 저널 에어 포일 베어링(310) 및 스러스트 에어 포일 베어링(320)을 모두 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에어 포일 베어링이 저널 에어 포일 베어링 및 스러스트 에어 포일 베어링 중 어느 하나만을 포함하는 것도 가능하다.
저널 에어 포일 베어링(310)으로서는, 로터(210)의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지할 수 있는 통상의 포일 베어링 부재가 사용될 수 있으며, 저널 에어 포일 베어링(310)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 저널 에어 포일 베어링(310)은, 원통형 포일 패드(미도시), 포일 패드의 내주면에 구비되는 범프 포일(미도시), 및 회전축(212)의 피베어링면(외주면)을 마주하며 범프 포일을 덮도록 포일 패드에 결합되는 탑포일(미도시)을 포함한다. 참고로, 범프 포일의 구조 및 형상은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 저널 에어 포일 베어링(310)은, 로터(210)의 축선 방향을 따라 이격되게 복수개가 마련될 수 있다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 로터(210)의 회전축(212) 상에 2개의 저널 에어 포일 베어링(310)이 장착된 예를 들어 설명하고 있지만, 저널 에어 포일 베어링(310)의 개수 및 이격 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
스러스트 에어 포일 베어링(320)으로서는, 회전축(212)의 축선을 따른 하중을 지지할 수 있는 통상의 포일 베어링 부재가 사용될 수 있다.
일 예로, 스러스트 에어 포일 베어링(320)은, 포일 패드(foil pad)(322), 포일 패드(322)의 일면에 구비되는 범프 포일(bump foil)(324), 및 회전축(212)의 피베어링면을 마주하며 범프 포일(324)을 덮도록 포일 패드에 결합되는 탑포일(top foil)(326)을 포함한다.
바람직하게, 포일 패드(322)에는 후술할 스러스트 에어 베어링(420)으로부터 공압이 인가되는 관통홀(322a)이 형성된다.
에어 베어링(air bearing)(400)은, 에어 포일 베어링(300)과 상호 협조적으로 로터(210)의 회전축(212)을 회전 가능하게 지지하도록 마련된다.
에어 베어링(400)은 로터(210)의 회전축(212)과 베어링(에어 베어링)의 사이에 공급되는 고압 공기를 매체로 로터(210)의 회전축(212)을 뜨게 하여 하중을 지지하도록 구성된다.
일 예로, 에어 베어링(400)은, 로터(210)의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지하는 저널 에어 베어링(journal air bearing)(410), 및 로터(210)의 축선을 따른 하중을 지지하는 스러스트 에어 베어링(thrust air bearing)(420)을 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는, 에어 베어링(400)이 저널 에어 베어링(410) 및 스러스트 에어 베어링(420)을 모두 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에어 베어링이 저널 에어 베어링 및 스러스트 에어 베어링 중 어느 하나만을 포함하는 것도 가능하다.
저널 에어 베어링(410)은, 저널 에어 포일 베어링(310)에 인접하게 복수개가 마련될 수 있다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 로터(210)의 회전축(212) 상에 2개의 저널 에어 베어링(410)이 장착된 예를 들어 설명하고 있지만, 저널 에어 베어링(410)의 개수 및 이격 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
바람직하게, 저널 에어 베어링(410)은 회전축(212)의 피베어링면을 따라 저널 에어 포일 베어링(310)에 공압을 인가하도록 구성된다.
이와 같이, 저널 에어 베어링(410)을 저널 에어 포일 베어링(310)에 인접하게 장착하는 것에 의하여, 저널 에어 베어링(410)으로부터 배출된 공압을 저널 에어 포일 베어링(310)으로 공급할 수 있으므로, 로터(210)의 초기 회전시 저널 에어 포일 베어링(310)에 의한 로터(210)의 부상 시간을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 스러스트 에어 베어링(420)은 로터(210)의 축선 방향을 따라 스러스트 에어 포일 베어링(320)의 외측에 중첩되게 배치되며, 스러스트 에어 베어링(420)의 공압은 스러스트 에어 포일 베어링(320)으로 공급되도록 구성된다.
보다 구체적으로, 스러스트 에어 포일 베어링(320)의 포일 패드(322)에는 스러스트 에어 베어링(420)으로부터 공압이 인가되는 관통홀(322a)이 형성된다. 일 예로, 스러스트 에어 포일 베어링(320)의 범프 포일(324)은 포일 패드(322)의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성되고, 범프 포일(324) 간의 사이 영역에는 복수개의 관통홀(322a)이 형성된다.
이와 같이, 스러스트 에어 포일 베어링(320)과 스러스트 에어 베어링(420)을 중첩되게 배치하고, 관통홀(322a)을 통해 스러스트 에어 베어링(420)의 공압이 스러스트 에어 포일 베어링(320)으로 공급되도록 하는 것에 의하여, 로터(210)의 초기 회전시 스러스트 에어 포일 베어링(320)에 의한 로터(210)의 부상 시간을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 에어 베어링(400)은 차량(예를 들어, 상용 차량)의 구동력에 의해 공기를 압축하는 차량용 공기 압축기(20)로부터 공압을 공급받도록 구성된다.
일 예로, 차량용 공기 압축기(20)로서는 왕복식 압축기와 같은 용적형 공기압축기(positive displacement compressor)가 사용된다.
차량용 공기 압축기(20)에 의해 압축된 공기는 리저버(22)에 저장되고, 리저버(22)에 저장된 공압은 필요에 따라 연료 전지 시스템용 공기 압축기의 에어 베어링(400) 또는 차량의 여타 부품(예를 들어, 브레이크, 도어 개폐 장치, 서스펜션)에 공급될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 연료 전지 시스템용 공기 압축기의 로터(210)가 에어 포일 베어링(300)에 의해 지지됨과 동시에 에어 베어링(400)에 의해 지지되도록 하는 것에 의하여, 로터(210)의 피베어링면에 충분한 유막을 신속하게 형성하고, 로터(210)와 에어 포일 베어링(300) 간의 접촉에 의한 마모 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 로터(210)의 회전축(212)과 에어 포일 베어링(300)의 사이에 안정적인 유막(에어갭)이 형성되기 어려운 로터(210)의 초기 회전시(도 5 참조), 로터(210)의 회전축(212)이 에어 베어링(400)에 의해 지지되도록 하는 것에 의하여, 초기 회전시 로터(210)의 회전축(212)과 에어 포일 베어링(300) 간의 접촉을 최소화하고, 내구성 및 안정성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 로터(210)의 회전 속도가 미리 설정된 목표 속도에 도달(정상 구동 모드)하면, 에어 베어링(400)에 공급되는 공압이 차단된다.(도 6 참조)
여기서, 로터(210)의 회전 속도가 미리 설정된 목표 속도에 도달한다 함은, 로터(210)의 회전축(212)과 에어 포일 베어링(300)의 사이에 안정적인 유막(에어갭)이 형성될 수 있는 속도로 로터(210)가 회전하는 것으로 정의된다.
참고로, 에어 베어링(400)으로의 공압 중단 시점은, 로터(210)의 회전축(212)이 에어 포일 베어링(300)과 접촉하지 않는 부상(lift-off) 시점에 맞춰 행해질 수 있으며, 로터(210)의 부상 시점은 로터(210)를 회전시키는 모터의 토크 또는 전력 소모 등을 측정하여 알 수 있다.
이와 같이, 로터(210)가 목표 속도에 도달하면, 에어 베어링(400)으로 공급되는 공압을 차단하는 것에 의하여, 차량용 공기 압축기(20)의 공압을 이용하는 여타 부품(예를 들어, 브레이크, 도어 개폐 장치, 서스펜션)의 공압 부족 현상을 최소화하고, 그에 따른 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기는, 로터(210)의 진동을 감지하는 진동감지부(510), 및 진동감지부(510)에서 감지된 신호에 따라 에어 베어링(400)으로 공급되는 공압을 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.
진동감지부(510)로서는 차량 또는 연료 전지 시스템용 공기 압축기에 장착되는 통상의 진동 센서가 사용될 수 있으며, 진동감지부(510)의 종류 및 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 진동감지부(510)에 미리 설정된 진동 범위보다 큰 진동이 감지되면, 제어부(500)는 에어 베어링(400)에 공압을 인가하도록 구성된다.
이와 같이, 회전축(212)의 회전 속도가 목표 속도에 도달하여 에어 베어링(400)으로의 공압 공급이 중단된 상태이더라도, 진동감지부(510)에 미리 설정된 진동 범위보다 큰 진동(예를 들어, 차량의 오프 로드 주행에 의한 진동)이 감지되면, 에어 베어링(400)에 공압이 인가되도록 하는 것에 의하여, 진동 발생에 따른 로터(210)의 회전축(212)과 에어 포일 베어링(300)의 접촉을 억제하고, 내구성 및 안전성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기는, 로터(210)의 온도를 감지하는 온도감지부(520), 및 온도감지부(520)에서 감지된 신호에 따라 에어 베어링(400)으로 공급되는 공압을 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.
온도감지부(520)로서는 연료 전지 시스템용 공기 압축기에 장착되는 통상의 온도 센서가 사용될 수 있으며, 온도감지부(520)의 종류 및 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 온도감지부(520)에 미리 설정된 온도 범위보다 높은 온도가 감지되면, 제어부(500)는 에어 베어링(400)에 공압을 인가하도록 구성된다.
이와 같이, 온도감지부(520)에 미리 설정된 온도 범위보다 높은 온도가 감지되면, 에어 베어링(400)에 공압을 인가하는 것에 의하여, 로터(210) 및 베어링(에어 포일 베어링 및 에어 베어링)의 과열 현상을 억제하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 초기 구동시 작동 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 정상 구동시 작동 상태를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 공기 압축기로서, 진동 발생(또는 과열)시 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 로터(210)의 회전 속도가 낮은 초기 구동시에는, 저널 에어 베어링(410) 및 스러스트 에어 베어링(420)에 공압이 인가된다.
로터(210)의 초기 구동시에는, 로터(210)가 에어 포일 베어링(300)에 의해 지지됨과 동시에 에어 베어링(400)(저널 에어 베어링 및 스러스트 에어 베어링)에 의해 지지될 수 있으므로, 로터(210)와 에어 포일 베어링(300) 간의 접촉에 의한 마모 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 로터(210)의 초기 구동시에는, 에어 베어링(400)의 공압을 이용하여 에어 포일 베어링(300)을 작동시킬 수 있으므로, 로터(210)의 피베어링면에 충분한 유막을 신속하게 형성하고, 로터(210)의 부상 시간을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 6을 참조하면, 로터(210)의 회전 속도가 미리 설정된 목표 속도에 도달(정상 구동 모드)하면, 로터(210)의 회전축(212)과 에어 포일 베어링(300)의 사이에 안정적인 유막(에어갭)(A)이 형성된다.
로터(210)의 정상 구동 모드에서는, 에어 베어링(400)으로 공급되는 공압이 차단되고, 차량용 공기 압축기(20)의 공압은 차량의 여타 부품(예를 들어, 브레이크, 도어 개폐 장치, 서스펜션)으로 충분하게 공급될 수 있다.
도 7을 참조하면, 로터(210)의 정상 구동 모드에서 진동이 감지되거나 설정 온도 범위보다 높은 온도가 감지되면, 다시 에어 베어링(400)에 공압을 공급하는 것에 의하여, 진동 발생에 따른 로터(210)의 회전축(212)과 에어 포일 베어링(300)의 접촉을 억제할 수 있으며, 로터(210) 및 베어링(에어 포일 베어링 및 에어 베어링)의 과열 현상을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
20 : 차량용 공기 압축기
22 : 리저버
100 : 연료전지 스택
200 : 연료 전지 시스템용 공기 압축기
210 : 로터
212 : 회전축
300 : 에어 포일 베어링
310 : 저널 에어 포일 베어링
320 : 스러스트 에어 포일 베어링
322 : 포일 패드
322a : 관통홀
324 : 범프포일
356 : 탑포일
400 : 에어 베어링
410 : 저널 에어 베어링
420 : 스러스트 에어 베어링
500 : 제어부
510 : 진동감지부
520 : 온도감지부

Claims (13)

  1. 구동원에 의해 회전하며 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 로터;
    상기 로터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(air foil bearing); 및
    상기 에어 포일 베어링과 상호 협조적으로 상기 로터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 베어링(air bearing);
    을 포함하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어 베어링은 차량의 구동력에 의해 공기를 압축하는 차량용 공기 압축기로부터 공압을 공급받는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 로터의 회전 속도가 미리 설정된 목표 속도에 도달하면, 상기 에어 베어링에 공급하는 공압을 차단하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로터의 진동을 감지하는 진동감지부; 및
    상기 진동감지부에서 감지된 신호에 따라 상기 에어 베어링으로 공급되는 공압을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진동감지부에 미리 설정된 진동 범위보다 큰 진동이 감지되면,
    상기 제어부는 상기 에어 베어링에 공압을 인가하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 로터의 온도를 감지하는 온도감지부; 및
    상기 온도감지부에서 감지된 신호에 따라 상기 에어 베어링으로 공급되는 공압을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도감지부에 미리 설정된 온도 범위보다 높은 온도가 감지되면,
    상기 제어부는 상기 에어 베어링에 공압을 인가하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에어 포일 베어링은, 상기 로터의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지하는 저널 에어 포일 베어링을 포함하고,
    상기 에어 베어링은, 상기 로터의 축선에 수직한 방향을 따른 하중을 지지하는 저널 에어 베어링을 포함하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 저널 에어 베어링은 상기 로터의 피베어링면을 따라 상기 저널 에어 포일 베어링에 공압을 인가하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 에어 포일 베어링은, 상기 로터의 축선 방향을 따른 하중을 지지하는 스러스트 에어 포일 베어링을 포함하고,
    상기 에어 베어링은, 상기 로터의 축선 방향을 따른 하중을 지지하는 스러스트 에어 베어링을 포함하는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스러스트 에어 베어링은 상기 로터의 축선 방향을 따라 상기 스러스트 에어 포일 베어링의 외측에 중첩되게 배치되는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스러스트 에어 포일 베어링은,
    포일 패드(foil pad);
    상기 포일 패드의 일면에 구비되는 범프 포일(bump foil); 및
    상기 로터의 피베어링면을 마주하며, 상기 범프 포일을 덮도록 상기 포일 패드에 결합되는 탑포일(top foil);을 포함하고,
    상기 포일 패드에는 상기 스러스트 에어 베어링으로부터 공압이 인가되는 관통홀이 형성되는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 범프 포일은 상기 포일 패드의 원주 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성되고,
    상기 관통홀은 상기 포일 패드 간의 사이 영역에 형성되는 연료 전지 시스템용 공기 압축기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023198400A1 (de) * 2022-04-14 2023-10-19 Zf Cv Systems Global Gmbh Fahrzeug und brennstoffzellensystem für selbiges
WO2023222471A1 (de) * 2022-05-17 2023-11-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum betreiben eines elektrisch angetriebenen verdichters, steuergerät

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