KR100633540B1

KR100633540B1 - 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템

Info

Publication number: KR100633540B1
Application number: KR1020040069655A
Authority: KR
Inventors: 민경덕; 김한상; 방정환; 이동훈; 안상열; 안병기
Original assignee: 현대모비스 주식회사; 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-10-13
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: KR20060020928A; US20060046116A1

Abstract

본 발명은 저속용 공기공급기와 고속용 공기공급기를 직렬로 연결하여 다단압축을 행함으로써 연료전지 시스템의 일효율을 향상시킬 뿐 아니라, 연료전지스택의 출력범위에 따라 공기공급기를 가변적으로 전환시킬 수 있는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템에 관한 것으로서, 에어필터와 연료전지스택의 사이를 연결하는 공기통로와, 상기 공기통로의 입구쪽에 설치된 저속용 공기공급기와, 상기 공기통로의 출구쪽에 설치된 고속용 공기공급기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 연료전지스택의 출력값에 따라 효율이 좋은 공기공급기를 가변적으로 구동시킬 수 있으므로 연료전지 자동차의 모든 주행모드에서 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 가속 주행모드에서는 저속용 공기공급기와 고속용 공기공급기의 2단 압축에 의해 공기를 압축함으로써, 압축일을 줄여 연료전지 시스템의 전체 효율을 증대시킬 수 있다.

직렬형, 공기공급시스템, 출력범위, 다단압축, 일효율

Description

연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템{Series type system for supplying air in fuel cell automobiles}

도 1은 종래의 연료전지 자동차용 공기공급시스템을 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 나타내는 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 효율 증대를 설명하기 위한 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 에어필터 11: 공기통로

12: 바이패스관 13: 주 공기통로

14,15,16,17: 개도조절밸브 20: 공기공급기

21: 저속용 공기공급기 22: 고속용 공기공급기

26: 제 1 개도조절밸브 28: 제 2 개도조절밸브

30: 연료전지스택 40: 출력감지수단

50: 제어부

본 발명은 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저속용 공기공급기와 고속용 공기공급기를 직렬로 연결하여 다단압축을 행함으로써 연료전지 시스템의 일효율을 향상시킬 뿐 아니라, 연료전지스택의 출력범위에 따라 공기공급기를 가변적으로 전환시킬 수 있는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

이러한 고분자 전해질 연료전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다.

즉, 고분자 전해질 연료전지의 연료중에 함유된 수소 가스가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하는 동시에, 촉매반응으로 생성된 전자들은 외부회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성된다.

그리고, 연료전지 자동차의 운전장치(BOP, Balance of Plant)는 공기공급부와 수소공급부와 물공급부와 연료전지스택 및 제어부와 함께 연료전지 시스템을 구성하는데, 통상적으로 연료전지 시스템에서는 내연기관과 같이 피스톤의 행정운동에 의해 공기를 자연스럽게 흡입하는 기능이 없기 때문에, 공기를 강제로 불어 넣어 주는 장치가 필요하다.

이와 같은 장치를 공기공급기라고 하며, 이러한 공기공급기는 연료전지 운전에 있어서 가장 많은 일을 필요로 하는 장치로서, 연료전지 시스템 최대 출력의 5~20 %를 사용한다.

또한, 자동차에 사용되는 공기공급기로는 모터로 작동하는 송풍기 또는 공기 압축기 등이 사용되는데, 그 장착성을 고려하여 작게 만드는 것이 필수적이므로 연료전지스택의 출력범위에 따라 최대효율이 달라지게 된다.

한편, 80~90 ㎾ 급의 고분자 전해질 연료전지스택을 탑재한 자동차의 경우, 시동, 감속 또는 정지 모드에서는 0~5 ㎾의 출력범위이고, 정속주행에서는 10~15 ㎾의 출력범위이며, 출발, 등판, 가속 모드에서는 20~90 ㎾의 출력범위이다.

상기한 종래의 공기공급기는 하나의 공기공급만을 사용하므로 발생일의 측면에서 효율이 낮고, 연료전지스택의 출력범위에 따라 최대 효율이 달라지므로 비효율적으로 작동하는 구간이 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점에 의해 연료전지 시스템의 전체의 효율이 낮아짐은 물론, 공기공급기를 비롯한 각 구성부품의 내구성을 떨어뜨리는 원인으로 작용하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저속용 공 기공급기와 고속용 공기공급기를 직렬로 연결하여 다단압축을 행함으로써 연료전지 시스템의 전체 일효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 연료전지스택의 출력이 0~15 ㎾ 범위인 경우 효율이 좋은 저속용 공기공급기와 연료전지스택의 출력이 15~90 ㎾ 범위에서 효율이 좋은 고속용 공기공급기를 직렬로 연결하여, 자동차의 주행조건에 따라 가변적으로 공기공급기가 전환 작동되도록 하여 최적의 효율로 공기공급시스템을 작동시킬 수 있는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따르면, 연료전지 공기공급시스템에 있어서;
에어필터와 연료전지스택 사이를 직접 연결해 에어필터를 지난 외부 공기를 연료전지스택으로 공급하는 공기통로와;
상기 공기통로 상에서 에어필터 쪽으로 설치되어, 연료전지스택의 출력이 15 ㎾ 에서 최대 효율로 작동되는 저속용 공기공급기와;
상기 공기통로 상에서 저속용 공기공급기에 간격을 두고 연료전지스택 쪽으로 설치되어, 연료전지스택의 출력이 15 ㎾를 기준으로 이 보다 높은 출력 값을 가질 때 최대 효율로 작동되는 고속용 공기공급기와;
연료전지스택의 출력값을 측정하는 출력감지수단과,
상기 출력감지수단의 측정 출력 값이 14㎾에서 16㎾ 구간이면, 출력 값 14㎾에서 저속용 공기공급기가 완전 정지되는 출력 값 16㎾로 상승될 때까지 저속용 공기공급기의 구동력을 줄이면서, 출력 값 14㎾부터 고속용 공기공급기를 구동시켜 출력 값이 16㎾를 넘어 증가 된 후 고속용 공기공급기를 최대 구동력을 갖도록 제어하는 반면, 상기 출력감지수단의 측정 출력 값이 16㎾에서 14㎾구간이면, 출력 값 16㎾에서 고속용 공기공급기가 완전 정지되는 출력 값 14kW로 저하될 때까지 고속용 공기공급기의 구동력을 줄이면서, 출력 값 16㎾로부터 저속용 공기공급기를 구동시켜 출력 값이 14㎾로 저하된 후 저속용 공기공급기를 최대 구동력을 갖도록 제어하는 제어부;
로 구성된 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 에어필터와 연료전지스택의 사이를 연결하는 공기통로와, 상기 공기통로의 입구쪽에 설치된 저속용 공기공급기와, 상기 공기통로의 출구쪽에 설치된 고속용 공기공급기와, 연료전지스택의 출력값을 측정하는 출력감지수단과, 상기 출력감지수단에 의해 측정된 출력값에 따라 상기 저속용 공기공급기와 고속용 공기공급기의 전환을 제어하는 제어부와, 공기통로의 측부에 고속용 공기공급기의 전,후에서 연결되는 바이패스관을 포함하여 구성되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 나타내는 구성도이며, 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템을 나타내는 구성도이다.

본 발명에 따른 제1실시예는 도 2에 도시된 바와 같이, 에어필터(10)와 연료전지스택(30)의 사이를 연결하는 공기통로(11)와, 상기 공기통로(11)의 입구쪽에 설치된 저속용 공기공급기(21)와, 상기 공기통로(11)의 출구쪽에 설치된 고속용 공기공급기(22)로 구성된다.
여기서, 상기 공기통로(11)의 입구라는 의미는 에어필터(10)쪽으로 저속용 공기공급기(21)가 설치됨에 따라 공기가 저속용 공기공급기(21)를 통해 흡입된다는 것이고, 상기 공기통로(11)의 출구라는 의미는 저속용 공기공급기(21)를 통해 배출되는 압축공기를 유입하는 위치에 고속용 공기공급기(22)가 설치된다는 의미이다.

또한, 상기 공기통로(11)는 외부로부터 유입되는 공기에서 먼지등을 필터링하는 에어필터(10)를 통과한 공기를 연료전지스택(30)으로 공급하기 위해 설치된 관형태의 통로이다.

그리고, 상기 저속용 공기공급기(21)는 연료전지스택(30)의 출력범위가 0~15 ㎾ 범위인 경우 효율이 좋은 공기공급기로서 상기 공기통로(11)의 입구쪽에 설치되고, 상기 고속용 공기공급기(22)는 연료전지스택(30)의 출력범위가 15~90 ㎾ 범위인 경우 효율이 좋은 공기공급기로서 상기 공기통로(11)의 출구쪽에 설치된다.

한편, 본 발명의 제2실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 에어필터(10)와 연료전지스택(30)의 사이를 연결하는 공기통로(11)와, 상기 공기통로의 입구쪽에 설치된 저속용 공기공급기(21)와, 상기 공기통로의 출구쪽에 설치된 고속용 공기공급기(22)와, 연료전지스택(30)의 출력값을 측정하는 출력감지수단(40)과, 상기 출력감지수단(40)에 의해 측정된 출력값에 따라 상기 저속용 공기공급기(21)와 고속용 공기공급기(22)의 전환을 제어하는 제어부(50)로 구성된다.

즉, 상기 출력감지수단(40)은 전력계 또는 전압계를 포함하여 구성되어 연료전지스택(30)의 출력량을 측정하여 제어부(50)로 그 측정값을 송신하도록 설치된것이다.

또한, 상기 제어부(50)는 상기 출력감지수단(40)으로부터 입력된 연료전지스택(30)의 출력범위에 따라 상기 저속용 공기공급기(21) 또는 고속용 공기공급기(22)의 온/오프(ON 또는 OFF) 작동을 제어하는 작용을 한다.

다른 한편, 본 발명의 제3실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2실시예의 구성이외에 주 공기통로(13)의 측부에서 고속용 공기공급기(22)의 전,후에 연결된 바이패스관(12)과, 상기 바이패스관(12)의 입구 및 출구에 설치된 개도조절밸브(14,15)와, 상기 고속용 공기공급기(22)가 설치된 주 공기통로(13)의 입구 및 출구에 설치된 개도조절밸브(16,17)를 더 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 제어부(50)는 상기 출력감지수단(40)으로부터 입력된 연료전지스택(30)의 출력범위에 따라 상기 저속용 공기공급기(21) 또는 고속용 공기공급기(22)의 온/오프(ON 또는 OFF) 작동을 제어하는 동시에, 바이패스관(12) 및 주 공기통로(13)의 입구 및 출구에 설치된 개도조절밸브(14,15,16,17)의 개폐를 조절하는 기능을 수행한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

연료전지 운전에 있어 가장 많은 일을 필요로 하는 공기공급기는 연료전지스택의 일정 영역 출력범위에 최대 효율을 갖도록 설계될 수 밖에 없는 특성으로 인하여, 15 ㎾ 영역에서 최대 효율을 갖는 저속용 공기공급기(21)와 15 ㎾ 초과한 영역에서 최대 효율을 갖도록 된 고속용 공기공급기(22)로 구분된다.

따라서, 본 발명의 제1실시예에서는 연료전지스택(30)을 탑재한 자동차가 감속 모드에서 운행하여 그 출력 값이 15 ㎾ 이하의 출력범위라면, 저속용 공기공급기(21) 만을 가동시키고 고속용 공기공급기(22)는 정지시키며, 자동차가 점차 가속하여 연료전지스택의 출력 값이 15 ㎾ 이상으로 상승하는 경우에는, 저속용 공기공급기(21)와 고속용 공기공급기(22)를 모두 가동시켜 다단 압축에 의해 일 효율이 향상되도록 한다.

도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명하면, 하나의 공기공급기를 사용하여 공기를 압축하는 경우에는 1→4→2→6을 따라 이동하게 되는 반면, 2개의 공기공급기를 사용하여 공기를 압축하는 경우에는 1→4→5→6을 따라 이동하게 되므로, 2개의 공기공급기를 사용하여 2단 압축을 행하는 경우에는 부피-압력 곡선에서 2-4-5-6 면적만큼 일이 감소된다.

본 발명의 제2실시예에서는, 저속용 공기공급기(21)와 고속용 공기공급기(22)의 전환 과정에서 갑작스런 정지와 구동으로 인하여 연료전지스택(30)에 공급되는 공기량이 부족하게 되는 것을 방지할 수 있도록, 저속용 공기공급기(21)와 고속용 공기공급기(22)의 전환을 정밀하게 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.

더욱 상세하게 설명하면, 연료전지스택(30)에 부착된 출력감지수단(40)은 연료전지스택(30)에서 발생되는 출력값을 측정하여 제어부(50)에 송신한다.

이에 따라, 상기 제어부(50)는 연료전지스택(30)의 출력이 증가 즉, 출력 값이 14㎾에서 16㎾ 구간이면, 출력 값 14㎾에서 저속용 공기공급기가 완전 정지되는 출력 값 16㎾로 상승될 때까지 저속용 공기공급기의 구동력을 줄이면서, 출력 값 14㎾부터 고속용 공기공급기를 구동시켜 출력 값이 16㎾를 넘어 증가 된 후 고속용 공기공급기를 최대 구동력을 갖도록 제어하는 반면, 상기 출력감지수단의 측정 출력 값이 16㎾에서 14㎾구간이면, 출력 값 16㎾에서 고속용 공기공급기가 완전 정지되는 출력 값 14kW로 저하될 때까지 고속용 공기공급기의 구동력을 줄이면서, 출력 값 16㎾로부터 저속용 공기공급기를 구동시켜 출력 값이 14㎾로 저하된 후 저속용 공기공급기를 최대 구동력을 갖도록 제어한다.

본 발명의 제3실시예에서는, 저속용 공기공급기(21)만 작동하고 고속용 공기공급기(22)가 정지된 경우에, 출구쪽에 설치된 고속용 공기공급기(22)가 공기의 흐 름을 방해하는 요인으로 작용하는 것을 방지하기 위하여, 주 공기통로(13)의 측부에 고속용 공기공급기(22)의 전,후를 통해 바이패스관(12)을 연결시키고, 상기 바이패스관(12)의 입,출구와 고속용 공기공급기가 구비된 주 공기통로(13)의 입,출구에 개도조절밸브를 각각 설치한 것이다.

따라서, 연료전지스택(30)의 출력이 15 ㎾ 이하로서 저속용 공기공급기(21)만 작동하는 경우에는, 주 공기통로(13) 입구의 개도조절밸브(16)를 닫고 바이패스관(12) 입구의 개도조절밸브(14) 및 출구의 개도조절밸브(15)를 열어 저속용 공기공급기(21)에서 압축된 공기가 원활히 연료전지스택(30)으로 공급되도록 한다.

물론 이경우에 필요에 따라, 바이패스관(12)을 통과해 공급되는 압축공기가 역류하여 고속용 공기공급기(22)쪽으로 향하는 것을 방지하기 위하여 주 공기통로(13) 출구의 개도조절밸브(17)는 닫도록 조절할 수도 있다.

한편, 연료전지스택(30)의 출력이 15 ㎾ 이상인 경우에는, 바이패스관(12) 입구의 개도조절밸브(14)를 닫고 주 공기통로(13) 입구의 개도조절밸브(16)를 여는 동시에, 저속용 공기공급기(21) 및 고속용 공기공급기(22)를 구동시켜 다단압축에 의해 공기를 압축하므로, 연료전지 시스템의 일 효율이 증대된다.

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 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템에 의하면, 연료전지스택의 출력값에 따라 효율이 좋은 공기공급기를 가변적으로 구동시킬 수 있으므로 연료전지 자동차의 모든 주행모드에서 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

특히, 가속 주행모드에서는 저속용 공기공급기와 고속용 공기공급기의 2단 압축에 의해 공기를 압축함으로써, 압축일을 줄여 연료전지 시스템의 전체 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 주 공기통로의 측부에 바이패스관을 설치함으로써, 저속용 공기공급기만 작동하는 감속 주행모두에서 공기 통로의 출구쪽에 설치된 고속용 공기공급기가 공기이동의 방해요소로 작용하는 것을 방지할 수 있다.

Claims

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삭제
연료전지 공기공급시스템에 있어서;

에어필터와 연료전지스택 사이를 직접 연결해 에어필터를 지난 외부 공기를 연료전지스택으로 공급하는 공기통로와;

상기 공기통로 상에서 에어필터 쪽으로 설치되어, 연료전지스택의 출력이 15 ㎾ 에서 최대 효율로 작동되는 저속용 공기공급기와;

상기 공기통로 상에서 저속용 공기공급기에 간격을 두고 연료전지스택 쪽으로 설치되어, 연료전지스택의 출력이 15 ㎾를 기준으로 이 보다 높은 출력 값을 가질 때 최대 효율로 작동되는 고속용 공기공급기와;

연료전지스택의 출력값을 측정하는 출력감지수단과,

상기 출력감지수단의 측정 출력 값이 14㎾에서 16㎾ 구간이면, 출력 값 14㎾에서 저속용 공기공급기가 완전 정지되는 출력 값 16㎾로 상승될 때까지 저속용 공기공급기의 구동력을 줄이면서, 출력 값 14㎾부터 고속용 공기공급기를 구동시켜 출력 값이 16㎾를 넘어 증가 된 후 고속용 공기공급기를 최대 구동력을 갖도록 제어하는 반면, 상기 출력감지수단의 측정 출력 값이 16㎾에서 14㎾구간이면, 출력 값 16㎾에서 고속용 공기공급기가 완전 정지되는 출력 값 14kW로 저하될 때까지 고속용 공기공급기의 구동력을 줄이면서, 출력 값 16㎾로부터 저속용 공기공급기를 구동시켜 출력 값이 14㎾로 저하된 후 저속용 공기공급기를 최대 구동력을 갖도록 제어하는 제어부;

로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템.
제4항에 있어서,

상기 공기통로의 측부에는 고속용 공기공급기의 전,후에서 바이패스관이 별도로 추가 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템.
제5항에 있어서,

상기 바이패스관의 입구 및 출구에는 개도조절밸브가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템.
제5항에 있어서,

상기 공기통로에는, 상기 고속용 공기공급기의 전, 후에 각각 개도조절밸브 가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 직렬형 공기공급시스템.