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KR101966449B1 - 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법 Download PDF

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KR101966449B1
KR101966449B1 KR1020130048406A KR20130048406A KR101966449B1 KR 101966449 B1 KR101966449 B1 KR 101966449B1 KR 1020130048406 A KR1020130048406 A KR 1020130048406A KR 20130048406 A KR20130048406 A KR 20130048406A KR 101966449 B1 KR101966449 B1 KR 101966449B1
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 공급되는 공기의 유량을 유지한 상태로 고유량 조건 뿐 아니라 저유량 조건에서도 에어 블로어(120)로 유입되는 공기의 압력을 높일 수 있도록 구성하여, 연료전지 시스템이 건조되는 것을 방지하고 에어 블로어(120)의 서지 발생을 억제할 수 있도록 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법에 관한 것으로, 유량계(100)를 통해 유입량이 조절된 외부 공기를 연료전지의 스택(130)으로 공급하는 에어 블로어(120)와, 상기 에어 블로어(120)의 출구측으로 배출되는 공기의 일부를 상기 에어 블로어(120)의 입구측으로 바이패스시키는 바이패스관(140) 및 상기 바이패스관(140)의 일측에 설치되어, 상기 에어 블로어(120)의 입구측으로 바이패스되는 공기의 압력을 조절하는 바이패스 밸브(150)를 포함하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 이를 이용한 에어 블로어 압력 조절방법을 제공한다.

Description

연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법{AIR SUPPLY DEVICE FOR FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR ADJUSTING PRESSURE OF AIR BLOWER}
본 발명은 연료전지(FUEL CELL)의 스택(STACK)으로 공기를 공급하는 에어 블로어(AIR BLOWER)의 서지 발생을 억제하여 스택으로 공급되는 공기의 유량을 최적으로 제어할 수 있도록 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(FUEL CELL)는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 구성된다.
이러한 연료전지의 전기에너지 생성을 위해 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(ANODE)으로 운전 중 공급되고, 에어 블로어와 같은 공기공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(CATHODE)으로 공급된다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
통상, 연료전지 스택의 공기극에 공급되는 공기량은 화학양론비(SR; Stoichiometry Ratio)의 약 2배 내외로 공급되고 있으며, 공급되는 공기량은 연료전지 스택의 출력, 시스템 효율, 공기의 상대습도, 물균형(WATER BALANCE) 등에 영향을 미친다.
예컨데, 연료전지 시스템의 기동시나 웜엄(WARM-UP)시와 같이 운전온도가 낮을 경우 플러딩(FLOODING: 과잉응축)을 발생시킬 수 있으며, 고출력 운전시와 같이 운전온도가 상승할 때에는 스택 내 멤브레인 건조 상태(DRY-OUT)를 발생시킬 수 있다.
특히, 연료전지 시스템이 고온/고출력 조건이거나, 고온/저출력과 같이 연료전지 시스템이 건조되는 운전조건일 경우에는 전해질막의 함수율이 지속적으로 저하되어 연료전지의 성능감소를 유발하게 되므로, 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유입량을 최적으로 제어하는 것은 연료전지 성능 유지를 위해 매우 중요하다.
이러한 연료전지 시스템의 건조 상태를 억제하기 위한 방법으로, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 줄여 외부로 배출되는 물의 양을 감소시키는 방법과, 운전 압력을 높여 연료전지 스택 내의 증기압을 떨어뜨림으로써, 물이 증발되어 외부로 배출되는 것을 억제하는 방법이 사용되고 있다.
이러한 연료전지 스택의 건조 상태 억제 방법에서는 연료전지 시스템에서 사용되는 공기공급 장치를 이루는 터보블로어 또는 컴프레셔가 고(HIGH)유량 조건 뿐 아니라 저(LOW)유량에서도 압력을 높일 수 있어야 한다.
그러나, 터보 유체기계의 특성상 모든 유량조건에서 압력을 높일 수는 없으며, 특히 저(LOW)유량에서 억지로 압력을 높이려면 공기 공급장치에 서지가 발생되어, 연료전지 시스템의 작동 불능을 발생시킬 수 있으므로, 공기 공급장치인 터보 유체기계의 설계 시 고정된 압축선도 영역 내에서만 운전이 가능한 문제점이 있다.
또한, 고압/저유량 조건 운전이 필요한 경우 서지마진을 확보하기 위해 에어 블로어를 다단으로 설계하거나, 공기 공급장치에서 토출되는 공기를 시스템 외부로 배출 또는 바이패스시켜 공기 유량을 증대시키는 방식으로 서지를 억제하였다.
이 경우, 바이패스 배관의 구성을 복잡하게 하여, 공기 공급장치의 길이 및 무게를 증가시키며, 실제 연료전지 스택에 공급되는 공기의 바이패스되는 공기의 양을 알아야만 조절이 가능하므로, 이를 위한 별도의 유량 센서의 부착이 필요로 되어, 비용을 증가시키고 시스템의 복잡화를 발생시키는 문제점이 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 연료전지 시스템에 공급되는 공기의 유량을 유지한 상태로 고유량 조건 뿐 아니라 저유량 조건에서도 에어 블로어로 유입되는 공기의 압력을 높일 수 있도록 구성하여, 연료전지 시스템이 건조되는 것을 방지하고 에어 블로어의 서지 발생을 억제할 수 있도록 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 유량계를 통해 유입량이 조절된 외부 공기를 연료전지의 스택으로 공급하는 에어 블로어와, 상기 에어 블로어의 출구측으로 배출되는 공기의 일부를 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스시키는 바이패스관 및 상기 바이패스관의 일측에 설치되어, 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스되는 공기의 압력을 조절하는 바이패스 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치가 제공된다.
상기 에어 블로어를 통해 상기 연료전지 스택으로 공급된 공기를 배출하는 배출관의 배출 압력을 조절하여, 상기 바이패스 밸브와 함께 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 배출 밸브가 더 포함될 수 있다.
상기 바이패스관으로 유입되는 공기를 냉각시켜, 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스되는 공기의 압력 상승 시 상기 연료전지 스택으로 투입되는 공기의 온도가 상승하는 것을 억제하는 공기 냉각기가 더 포함될 수 있다.
상기 공기 냉각기는 상기 바이패스관에서 상기 바이패스 밸브 보다 앞쪽에 설치될 수 있다.
상기 바이패스관은 상기 에어 블로어와 일체로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지의 스택으로 공기를 공급하는 에어 블로어를 작동시키는 단계 및 상기 에어 블로어로 유입되는 공기의 유량을 일정하게 유지한 상태로 상기 에어 블로어의 출구측으로 배출되는 공기를 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스시켜 상기 에어 블로어의 작동 압력을 조절하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 에어 블로어 압력 조절방법이 제공된다.
상기 에어 블로어의 작동 압력을 조절하는 단계는 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기 유량을 동시에 조절하여 상기 에어 블로어로 유입되는 공기 압력을 조절하는 것이 포함될 수 있다.
상기 에어 블로어의 작동 압력을 조절하는 단계는 상기 에어블로어의 입구측으로 바이패스되는 공기를 냉각시키 것이 포함될 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 에어 블로어의 동일한 유량조건에서 작동 압력을 상승시킬 수 있어, 연료전지 시스템의 가습 확보 및 출력 상승을 위한 최적의 공기 유량의 제어가 가능하며, 에어 블로어의 서지 현상을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유량계로부터 에어 블로어로 공급되는 유량이 연료전지 시스템으로 공급되는 유량과 동일하므로, 바이패스되는 공기 유량을 측정하기 위한 별도의 장치가 필요 없어 부품비를 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 에어 블로어와, 바이패스관이 일체화되어, 연료전지 시스템의 구조를 간단하게 할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 공기 공급장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 실시예에 따른 공기 공급장치의 가압 작동 상태를 나타낸 블록도.
도 3은 본 실시예에 따른 공기 공급장치의 작용에 따른 에어 블로어의 압력과 유량에 대한 관계를 나타낸 그래프.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 공기 공급장치의 구성을 블록화하여 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)의 공기 공급장치는 연료전지 시스템에 외부 공기를 일정 유량으로 조절하여 공급하는 유량계(100)와, 상기 유량계(100)로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택(130)으로 공급하는 에어 블로어(120)와, 상기 에어 블로어(120)의 출구측으로 배출되는 공기의 일부를 바이패스(BYPASS)시키는 바이패스관(140)과, 상기 바이패스관(140)으로 유입되는 공기의 압력을 조절하는 바이패스 밸브(150)를 포함한다.
상기 유량계(100)와, 상기 에어 블로어(120) 및 상기 연료전지 스택(130)은 공기 공급관(110)이 서로 연결되어 상기 유량계(100)를 통해 외부로부터 유입된 공기가 상기 에어 블로어(120) 및 상기 연료전지 스택(130)으로 순차로 공급된다.
이때, 상기 에어 블로어(120)의 출구측에는 상기 연료전지 스택(130)으로 투입되는 공기에 적정습도를 가하기 위한 가습기가 설치될 수 있다.
상기 연료전지 스택(130)은 상기 에어 블로어(120)로부터 공급된 공기 중 포함된 산소의 화학반응을 일으킨 후 남은 공기를 배출할 수 있도록 배출관(170)이 일측에 연결된다.
그리고, 상기 배출관(170)에는 상기 연료전지 스택(130)으로부터 배출되는 공기의 배출 압력의 조절을 통해 상기 연료전지 스택(130)으로 공급되는 공기의 유량을 조절할 수 있도록 하는 배출 밸브(170)가 설치된다.
즉, 상기 유량계(100)를 통해 일정 유량으로 조절되어 상기 에어 블로어(120)로 투입된 공기를 상기 에어 블로어(120) 및 상기 배출 밸브(170)를 통해 상기 연료전지 스택(130)에서 필요로 하는 적정 유입량으로 조절하여 투입시키도록 구성된다.
상기 바이패스관(140)은 상기 에어 블로어(120)의 출구측과 상기 연료전지 스택(130) 사이의 공기 공급관(110)으로부터 분기되어, 상기 에어 블로어(120)로부터 배출되는 공기의 일부를 바이패스시켜 상기 에어 블로어(120)의 입구측으로 유입시키도록 연결된다.
그리고, 상기 바이패스관(140)의 일측에는 상기 바이패스관(140)으로 유입되는 공기의 유입을 차단하거나, 유입량을 조절하는 바이패스 밸브(150)가 설치된다.
상기 바이패스 밸브(150)는 전기적 신호에 의해 동작하여 상기 바이패스관(140)를 개폐하는 전자식 밸브 또는 상기 바이패스관(140)의 역류를 방지하면서 내부를 통과하는 공기의 압력이 일정 이상으로 상승하는 경우에 상기 바이패스관(140)을 개방시키는 수동형의 압력밸브가 사용될 수 있다.
또한, 상기 바이패스관(140)의 일측에는 상기 에어 블로어(120)의 출구측으로부터 유입되는 공기를 냉각시키는 공기 냉각기가 더 포함된다.
상기 공기 냉각기(160)는 상기 바이패스관(140)을 통해 상기 에어 블로어(120)의 입구측으로 바이패스된 공기의 압력 상승에 의해 공기의 온도가 상승될 경우, 상기 바이패스관(140)으로 유입되는 공기를 냉각시켜 상기 에어 블로어(120)의 입구측으로 순환시킴으로써, 상기 연료전지 스택(130)으로 투입되는 공기의 온도가 상승되는 것을 억제한다.
이때, 상기 공기 냉각기(160)는 상기 바이패스관(140)에서 상기 바이패스 밸브(150) 보다 앞쪽에 설치되는 것이 바람직하다.
상기한 구성에 의해 본 발명의 연료 전지 시스템의 정상 작동 시에는 상기 바이패스 밸브(150)를 닫아 상기 에어 블로어(120)의 출구측에서 입구측으로 바이패스시키는 공기의 유입을 차단함으로써, 상기 유량계(100)를 통해 유입되는 공기의 유량이 그대로 연료전지 스택(130)으로 공급되도록 한다.
도 2는 본 실시예에 따른 공기 공급장치의 가압 작동 상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 연료전지 시스템으로 공기를 공급하는 상기 에어 블로어(120)의 가압 작동이 필요로 되는 경우, 즉, 상기 에어 블로어(120)가 고압/저유량의 작동 조건에 있는 경우에는 상기 바이패스 밸브(150)를 열어 상기 에어 블로어(120)를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량(Q1) 중의 일부 유량(Q2)을 상기 에어 블로어(120)의 입구측으로 바이패스시키도록 한다.
이때, 상기 바이패스관(140)을 통해 바이패스되는 유량(Q2)에 의해 상기 유량계(100)를 통해 유입되는 공기 유량(Q1)이 그대로 유지되어, 상기 연료전지 스택으로 공급된다.
그리고, 상기 에어 블로어(120)의 입구측은 상기 유량계(100)를 통해 유입되는 공기 유량(Q1)에 출구측으로부터 바이패스된 유량(Q2)가 추가되어 가압됨으로써, 상기 에어 블로어(120)를 고압/저유량 조건으로 작동될 수 있도록 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 공기 공급장치의 작용에 따른 에어 블로어의 압력과 유량에 대한 관계를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 상기 에어 블로어의 입구측에 바이패스된 Q2의 공기 유량을 추가하여, 상기 에어 블로어의 압력이 Q1에서 Q1'으로 증가하게 되면, 상기 에어 블로어의 작동 가능영역이 P2에서 P1으로 확대되어, 연료전지 시스템에서 요구되는 압력으로 운전을 가능하게 한다.
따라서, 상기 에어 블로어(120)의 고압/저유량 작동 조건에서 연료전지 스택(130)에 공급되는 유량은 유지하면서 상기 에어 블로어(120)로 유입되는 공기의 유량만을 높여줌으로써, 상기 에어 블로어(120)를 강제 승압에 따른 서지 발생을 억제할 수 있으며, 이를 통해 연료전지 시스템에 필요로 되는 최적의 공기 유량을 공급하여, 연료전지 스택이 건조되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(130)에 공급되는 유량은 상기 바이패스관(140)으로 유입되는 유량과 동일하므로, 상기 바이패스관(140)으로 유입되는 공기의 유량을 측정하기 위한 별도 부품의 설치 없이, 1개의 유량계(100)로 최적의 공기 유량을 제어할 수 있으며, 이를 통해 부품 비용을 줄이고, 배관의 구성을 간단하게 할 수 있다.
100: 유량계
110: 공기 공급관
120: 에어 블로어
130: 연료전지 스택
140: 바이패스관
150: 바이패스 밸브
160: 공기 냉각기
170: 배출 밸브

Claims (8)

  1. 유량계를 통해 유입량이 조절된 외부 공기를 연료전지의 스택으로 공급하는 에어 블로어;
    상기 에어 블로어의 출구측으로 배출되는 공기의 일부를 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스(BYPASS)시켜 상기 에어 블로어의 작동 압력을 조절할 수 있는 바이패스관; 및
    상기 바이패스관의 일측에 설치되어, 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스되는 공기의 압력을 조절하는 바이패스 밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이패스관으로 유입되는 공기를 냉각시켜, 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스되는 공기의 압력 상승 시 상기 연료전지 스택으로 투입되는 공기의 온도가 상승하는 것을 억제하는 공기 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 냉각기는 상기 바이패스관에서 상기 바이패스 밸브 보다 앞쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 바이패스관은 상기 에어 블로어와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 에어 블로어를 통해 상기 연료전지 스택으로 공급된 공기를 배출하는 배출관의 배출 압력을 조절하여, 상기 바이패스 밸브와 함께 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 배출 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급장치.
  6. 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 에어 블로어를 작동시키는 단계; 및
    상기 에어 블로어로 유입되는 공기의 유량을 일정하게 유지한 상태로 상기 에어 블로어의 출구측으로 배출되는 공기를 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스시켜 작동 압력을 조절하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 에어 블로어 압력 조절방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 에어 블로어의 작동 압력을 조절하는 단계는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기 유량을 동시에 조절하여 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량과 상기 에어 블로어로 유입되는 공기 압력을 조절하는 것;
    을 포함하는 연료전지 시스템의 에어 블로어 압력 조절방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 에어 블로어의 작동 압력을 조절하는 단계는 상기 에어 블로어의 입구측으로 바이패스되는 공기를 냉각시키는 것;
    을 포함하는 연료전지 시스템의 에어 블로어 압력 조절방법.
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