KR20230146581A - 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기, 연료 전지 시스템 및 사이드 채널 압축기의 사용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 매체, 특히 수소 또는 수소 함유 가스를 이송 및/또는 압축하기 위한 연료 전지 시스템(2)용 사이드 채널 압축기(1)에 관한 것으로, 이 사이드 채널 압축기는 하우징(3) 및 전기 모터에 의해 구동 가능한 임펠러 휠(4)을 포함하며, 이 임펠러 휠은 임펠러 휠(4)에 대해 축방향으로 배치된 적어도 하나의 사이드 채널(5)의 형성하에 하우징(3) 내에 수용되며, 사이드 채널(5)은 하우징(3)과 임펠러 휠(4) 사이에 잔존하는 축방향 갭(6)을 통해 임펠러 휠(4)에 대해 반경방향으로 배치된 환형 채널(7)과 연결된다. 본 발명에 따라, 환형 채널(7)은 적어도 하나의 하우징 보어(8, 9)를 통해 사이드 채널 압축기(1)의 배출구(10)와 연결된다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기(1)를 갖는 연료 전지 시스템(2) 및 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기(1)를 연료 전지 시스템(2)에서 재순환 팬으로서 사용하는 것에 관한 것이다.

Description

연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기, 연료 전지 시스템 및 사이드 채널 압축기의 사용

본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따른, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기를 갖는 연료 전지 시스템 및 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기의 바람직한 사용에 관한 것이다.

수소 기반 연료 전지는 에너지 생성을 위해 수소와 산소를 사용한다. 연료 전지의 도움으로 생성된 에너지는 예를 들어 차량을 구동하는 데 사용될 수 있다. 이를 위해 차량에는 수소를 저장하는 탱크를 포함하는 연료 전지 시스템이 장착된다. 더 필요한 산소는 주변 공기에서 취할 수 있다.

연료 전지 시스템은 성능 향상을 위해 일반적으로 적층 배열체 내 복수의 연료 전지, 즉, 연료 전지 스택 또는 "스택"을 갖는다. 수소는 애노드 경로를 통해 스택의 애노드에 공급된다. 수소 소비를 줄이기 위해, 아직 사용되지 않은 수소를 함유하고 있는, 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스가 재순환 경로를 통해 재순환된다. 충분한 수소 공급을 보장하기 위해, 재순환된 애노드 배기 가스에 탱크로부터 새로운 수소(fresh hydrogen)가 첨가된다. 재순환은 예를 들어 흡입 제트 펌프의 도움으로 수동적으로, 그리고/또는 재순환 경로 내에 배치된 재순환 팬의 도움으로 능동적으로 구현될 수 있다. 재순환 팬으로서 특히 사이드 채널 압축기가 사용될 수 있다.

사이드 채널 압축기는 유체의 이송 및/또는 압축을 위해 회전 임펠러 휠을 포함한다. 임펠러 휠의 구성 및/또는 사이드 채널 압축기를 통한 유체 흐름에 따라 스타 휠 압축기(star wheel compressor)와 주변 압축기(peripheral compressor)가 구분될 수 있다. 두 경우 모두, 이송될 그리고/또는 압축될 유체는 유입 커넥터를 통해 회전 임펠러 휠이 수용되어 있는 작동 챔버로 공급된다. 임펠러 휠을 통해 운동 에너지가 유체로 전달되어 압력 에너지로 변환됨에 따라, 사이드 채널 압축기의 배출 커넥터 영역에서 압력이 유입 커넥터의 압력보다 높다. 임펠러 휠의 구동은 일반적으로 전기 모터에 의해 수행된다.

연료 전지 시스템의 애노드 가스 혼합물에는 수소, 질소 및 수증기 외에도 액체 상태 물도 포함되어 있다. 이 액체 상태 물을 분리하기 위해, 재순환 팬의 상류에 일반적으로 수동(passive) 물 분리기가 설치된다. 이 수동 물 분리기는 약 80% 내지 95%의 분리도를 가지므로, 재순환된 양극 가스 내에는 일부 액체 상태 물이 남는다. 사이드 채널 압축기의 높은 원심력으로 인해, 남아있는 액체 상태 물 분량이 임펠러 휠과 하우징 사이의 축방향 갭을 통해 임펠러 휠을 둘러싸는 반경방향 갭 내로 압축되고, 그에 따라 상기 반경방향 갭이 물로 채워진다. 이는 임펠러 휠과 물과 하우징 사이의 전단 마찰을 증가시키며, 그 결과 경우에 따라 재순환 팬의 목표 속도 및 그와 더불어 요구되는 재순환량이 더 이상 달성되지 않는다.

또한, 임펠러 휠과 재순환 팬의 하우징 사이의 반경방향 갭 내에 모이는 액체 상태 물은 외부 온도가 낮을 때 동결되어 연료 전지 시스템의 저온 시동 적합성을 위태롭게 할 수 있다.

본 발명의 과제는, 위에서 언급한 단점을 초래하지 않거나 이를 방지하는 데 도움이 되는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기를 제시하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 청구항 제1항의 특징을 갖는 사이드 채널 압축기를 제안한다. 본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항에 명시되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기를 갖는 연료 전지 시스템 및 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기의 바람직한 사용을 제안한다.

기체 매체, 특히 수소 또는 수소 함유 가스를 이송 및/또는 압축하기 위한, 연료 전지 시스템용으로 제안되는 사이드 채널 압축기는 하우징 및 전기 모터에 의해 구동 가능한 임펠러 휠을 포함하며, 이 임펠러 휠은 임펠러 휠에 대해 축방향으로 배치된 적어도 하나의 사이드 채널의 형성하에 하우징 내에 수용된다. 사이드 채널은 하우징과 임펠러 휠 사이에 잔존하는 축방향 갭을 통해 임펠러 휠에 대해 반경방향으로 배치된 환형 채널과 연결된다. 본 발명에 따라, 환형 채널은 적어도 하나의 하우징 보어를 통해 사이드 채널 압축기의 배출구와 연결된다.

제안된 사이드 채널 압축기는 임펠러 휠과 하우징 사이에 잔존하는 반경방향 갭 대신 소정의 환형 채널을 갖는다. 따라서, 환형 채널의 도움으로 사이드 채널 압축기의 작동 중에 적어도 하나의 사이드 채널로부터 반경방향 외측으로 변위되는 액체 상태 물이 흡수되어 적어도 하나의 하우징 보어를 통해 사이드 채널 압축기의 배출구로 배출될 수 있다. 물은 상기 방식으로 사이드 채널 압축기로부터 확실하게 제거될 수 있다. 이는 임펠러 휠과 물과 하우징 사이의 전단 마찰이 증가할 우려가 없음을 의미한다. 그에 따라, 사이드 채널 압축기의 요구 목표 속도의 달성이 전단 마찰 증가로 인해 방해되지 않는다. 동시에, 외부 온도가 낮으면 동결되어 저온 시동 능력을 위태롭게 하는 물이 임펠러 휠과 하우징 사이에 남지 않는 점이 보장된다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 환형 채널은 주연 방향으로 변하는 유동 단면을 갖는다. 이를 통해, 사이드 채널 압축기의 작동 중에 환형 채널 내에 도달하는 물이 목표한 대로 적어도 하나의 하우징 보어에 그리고 그에 따라 배출구에 공급될 수 있다. 적어도 하나의 하우징 보어는 물 수집 지점의 역할을 담당할 수 있다. 바람직하게 유동 단면적은 임펠러 휠의 회전 방향으로 연속으로 증가하고, 적어도 하나의 하우징 보어의 영역에서 급격히 감소한다. 이는, 회전 방향으로 적어도 하나의 하우징 보어 앞에서 환형 채널의 유동 단면적이 가장 크고, 적어도 하나의 하우징 보어 뒤에서 가장 작음을 의미한다. 이는 적어도 하나의 하우징 보어 뒤에서 환형 채널 내에 동압력(dynamic pressure)이 형성되도록 하며, 이 동압력은 물이 적어도 하나의 하우징 보어를 통해 배출구로 더 높은 압력 레벨에 대항하여 자체 배출될 수 있게 한다.

제안된 사이드 채널 압축기의 임펠러 휠은 외주면이 폐쇄되도록 형성된다. 이를 통해, 환형 채널이 주연 축방향 갭을 통해서만 적어도 하나의 사이드 채널과 연결되는 점이 보장된다. 그에 따라, 설명된 추가 기능으로 인해 사이드 채널 압축기의 기능이 저하되지 않는다.

또한, 바람직하게 적어도 하나의 하우징 보어가 블라인드 홀로서 형성된다. 그에 따라, 환형 채널로부터 블라인드 홀로서 형성된 하우징 보어 내로 흐르는 물의 흐름이 블라인드 홀에서 급격히 둔화되어 동압의 형성을 유도하거나 동압의 형성을 지원한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 적어도 하나의 하우징 보어가 임펠러 휠에 대해 실질적으로 반경방향으로 또는 접선 방향으로 정렬되는 구성이 제안된다. 물은 하우징 보어의 실질적으로 반경방향의 정렬에 의해 환형 채널로부터 하우징 보어 내로 편향된다. 이 편향은 재차, 하우징 보어 영역에서의 흐름이 둔화되는 결과로 이어진다. 하우징 보어의 접선 방향 배치는 물이 환형 채널 내로 역류하는 것을 방지한다.

또한, 적어도 하나의 하우징 보어가 제1 하우징 보어에 비해 감소된 직경을 갖는 추가 하우징 보어를 통해 배출구와 연결되는 구성이 제안된다. 이 조치도 동압력의 형성에 기여한다. 적어도 하나의 추가 하우징 보어는 또한 사이드 채널 압축기의 배출구에 대한 제1 하우징 보어의 연결을 단순화하며, 그 결과 제1 하우징 보어의 위치와 관련하여 더 큰 설계 자유도가 존재한다.

바람직하게 적어도 하나의 하우징 보어는 사용 위치에서 하우징의 측지학적으로 가장 낮은 지점에 배치된다. 따라서 적어도 하나의 하우징 보어의 위치는 사이드 채널 압축기의 각각의 설치 상황에 따라 달라진다. 측지학적으로 가장 낮은 지점의 영역에 배치하면, 셧다운 시, 즉, 사이드 채널 압축기의 비활성화 시, 중력에 의해 구동되는 물이 환형 채널을 통해 적어도 하나의 하우징 보어에 도달하여 그곳에 수집된다. 이러한 방식으로, 외부 온도가 낮을 때 임펠러 휠의 동결이 방지된다.

한 바람직한 실시예에 따라, 임펠러 휠의 양측에 배치된 사이드 채널은 각각 축방향 갭을 통해 환형 채널과 연결된다. 따라서 단일 환형 채널을 통해 2개의 사이드 채널로부터 물이 제거될 수 있다.

또한, 바람직하게 임펠러 휠은 전기 모터의 회전자와 연결된다. 전기 모터의 도움으로 임펠러 휠과 회전자가 회전 운동으로 구동될 수 있다.

또한, 제안된 사이드 채널 압축기는 특히 연료 전지 시스템에서 사용될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기를 갖는 연료 전지 시스템이 제안된다. 이 경우, 사이드 채널 압축기는 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택의 애노드 배기 가스를 이송 및/또는 압축하기 위해 연료 전지 시스템의 재순환 경로 내에 배치된다. 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기의 장점은 연료 전지 시스템으로도 확장된다. 특히, 요구되는 재순환량은 사이드 채널 압축기의 도움으로 제공될 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 저온 시동 능력이 개선될 수 있다.

또한, 동일한 이유로, 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기를 연료 전지 시스템 내 재순환 팬으로서 사용하는 점이 제안된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기의 개략적 종단면도이다.
도 2는 도 1의 환형 채널 영역을 확대한 섹션의 도면이다.
도 3은 도 1의 사이드 채널 압축기의 개략적 단면도이다.
도 4는 재순환 팬으로서의 사이드 채널 압축기를 포함하는 차량 내 연료 전지 시스템의 개략도이다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 사이드 채널 압축기(1)는 임펠러 휠(4)이 수용된 하우징(3)을 포함한다. 임펠러 휠(4)은 전기 모터(12)의 회전자(11)와 연결되어 회전 운동으로 구동될 수 있다. 도 1에 도시된 사이드 채널 압축기(1)는 특히 연료 전지 시스템(2) 내 재순환 팬으로서 사용될 수 있다(도 4 참조).

특히 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 사이드 채널 압축기(1)는 임펠러 휠(4)의 양쪽에 배치된 사이드 채널(5)과 임펠러 휠(4)에 대해 반경방향으로 외측에 배치된 환형 채널(7)을 갖는다. 도 4와 유사한 연료 전지 시스템(2)에서 재순환 팬으로서 사이드 채널 압축기(1)를 사용할 때, 재순환된 물 함유 애노드 가스가 사이드 채널(5) 내에 도달한다. 그곳에서 우세한 순환 흐름(화살표 "16" 참조)과 원심력(화살표 "17" 참조)으로 인해 애노드 가스에 포함된 액체 상태 물이 축방향 갭(6)을 통해 환형 채널(7) 내로 변위된다.

환형 채널(7)의 유동 단면적이 주연 방향으로 변화하고, 특히 도 3에 도시된 바와 같이 블라인드 홀로서 형성된 하우징 보어(8)를 향하는 임펠러 휠(4)의 회전 방향으로(화살표 "13" 참조) 연속적으로 증가하기 때문에, 물이 하우징 보어(8)에 공급된다. 회전 방향으로 하우징 보어(8)의 전방보다 하우징 보어(8)의 후방에서 환형 채널(7)의 유동 단면적이 훨씬 더 작기 때문에, 물이 하우징 보어(8) 내에 수집되고 환형 채널(7) 내 흐름은 급격히 둔화된다. 그로 인해 물이 환형 채널(7) 내로 역류하는 것을 방지하는 동압력이 형성된다. 그 대신 물은 배출구(10)로 공급되며, 이 배출구에는 블라인드 홀로서 형성된 하우징 보어(8)가 또 다른 하우징 보어(9)를 통해 연결된다. 동압력은 증가된 압력 레벨에 대항하여 물이 배출될 수 있게 한다.

도 3은 사이드 채널 압축기(1)만을 도시하고 있고 사이드 채널 압축기(1)의 설치 상황을 도시하고 있지는 않으므로, 본 도면에서는 하우징 보어(8, 9)와 배출구(10)가 바람직하게 사이드 채널 압축기(1)의 측지학적으로 가장 낮은 지점의 영역에 배치되어 있는 점을 추론할 수 없다. 따라서, 셧다운 시 사이드 채널 압축기(1) 내에 존재하는 물이 중력에 의해 하우징 보어(8, 9)와 배출구(10)로 공급된다. 이로써 외부 온도가 낮을 때 임펠러 휠(4)의 동결이 방지될 수 있다.

예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 사이드 채널 압축기(1)는 특히 연료 전지 시스템(2) 내 재순환 팬으로서 사용될 수 있다. 도 4의 연료 전지 시스템(2)은 전기 모터로 구동되는 차량의 전기 에너지를 생성하는 데 사용된다. 이를 위해 연료 전지 시스템(2)은, 캐소드 경로(18)를 통해 산화제로서 공기가 공급되고 애노드 경로(19)를 통해 연료로서 수소가 공급되는 연료 전지 스택(15)을 갖는다. 공기는 주변으로부터 취해지고, 캐소드 경로(18) 내에 배치된 압축기(20)의 도움으로 압축된다. 연료 전지 스택(15)으로부터 배출되는 공기는 에너지 회수를 위해 배기 가스 터빈(21)에 공급된다. 그 전에, 배기 가스에 포함된 물이 분리되어 가습 장치(22)에서 압축 공기를 가습하는 데 사용된다. 셧다운 시 연료 전지 스택(15)으로의 공기 공급을 차단하기 위해, 캐소드 경로(18) 내에 차단 밸브(23)가 배치된다.

연료 전지 스택(15)에 수소를 공급하기 위해, 상기 연료 전지 스택은 애노드 경로(19)를 통해 수소 탱크 시스템의 복수의 압축 가스 용기(24)에 연결된다. 또한, 연료 전지 스택(15)으로부터 배출되는 감손된 애노드 가스가 재순환 경로(14)를 통해 재순환되어 새로운 수소와 혼합된다. 재순환은 본 경우에 애노드 경로(19)에 배치된 제트 펌프(25)의 도움으로 수동적으로 구현될 뿐만 아니라, 재순환 경로(14) 내에 배치된 사이드 채널 압축기(1)의 도움으로 능동적으로도 구현된다. 여기서 상기 사이드 채널 압축기는 본 발명에 따라 구성된다. 수소 공급을 차단하기 위해 애노드 경로(19) 내에 또 다른 차단 밸브(26)가 배치된다.

Claims (10)

1. 기체 매체, 특히 수소 또는 수소 함유 가스를 이송 및/또는 압축하기 위한 연료 전지 시스템(2)용 사이드 채널 압축기(1)이며, 이 사이드 채널 압축기는 하우징(3) 및 전기 모터에 의해 구동 가능한 임펠러 휠(4)을 포함하고, 이 임펠러 휠은 임펠러 휠(4)에 대해 축방향으로 배치된 적어도 하나의 사이드 채널(5)의 형성하에 하우징(3) 내에 수용되며, 사이드 채널(5)은 하우징(3)과 임펠러 휠(4) 사이에 잔존하는 축방향 갭(6)을 통해 임펠러 휠(4)에 대해 반경방향으로 배치된 환형 채널(7)과 연결되는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기에 있어서,
   환형 채널(7)은 적어도 하나의 하우징 보어(8, 9)를 통해 사이드 채널 압축기(1)의 배출구(10)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
2. 제1항에 있어서, 환형 채널(7)은 주연 방향으로 변화하는 유동 단면적을 가지며, 이 유동 단면적은 바람직하게 임펠러 휠(4)의 회전 방향으로 연속적으로 증가하고 적어도 하나의 하우징 보어(8, 9)의 영역에서 급격히 감소하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 임펠러 휠(4)은 외주면이 폐쇄되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 하우징 보어(8)가 블라인드 홀로서 형성되고, 그리고/또는 임펠러 휠(4)에 대해 실질적으로 반경방향으로 또는 접선 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 하우징 보어(8)가 제1 하우징 보어(8)에 비해 감소된 직경을 갖는 추가 하우징 보어(9)를 통해 배출구(10)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 하우징 보어(8, 9)는 사용 위치에서 하우징(3)의 측지학적으로 가장 낮은 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 임펠러 휠(4)의 양측에 배치된 사이드 채널(5)은 각각 축방향 갭(6)을 통해 환형 채널(7)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 임펠러 휠(4)은 전기 모터(12)의 회전자(11)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템용 사이드 채널 압축기(1).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 사이드 채널 압축기(1)를 갖는 연료 전지 시스템(2)이며,
   사이드 채널 압축기(1)는 연료 전지 시스템(2)의 연료 전지 스택(15)의 애노드 배기 가스를 이송 및/또는 압축하기 위해 연료 전지 시스템(2)의 재순환 경로(14) 내에 배치되는, 연료 전지 시스템(2).
10. 연료 전지 시스템(2) 내 재순환 팬으로서의, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 사이드 채널 압축기(1)의 사용.

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