[논문]연료전지용 베인 로타리 공기 압축기 설계

김현진; 이용호; 김호영

doi:10.5293/kfma.2008.11.2.029

[국내논문] 연료전지용 베인 로타리 공기 압축기 설계
Design of Vane Rotary Air Compressor for Fuel Cell Application 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.11 no.2 = no.47, 2008년, pp.29 - 37

김현진 (인천대학교 기계공학과) , 이용호 (인천대학교 기계공학과 대학원) , 김호영 (인천대학교 기계공학과 대학원)

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Air supply is required to the cathode of fuel cells for the provision of oxygen to produce electricity through chemical reaction with hydrogen in the cell, and supplied air should be free of impurities such as oil mist and tiny particles separated from sliding surfaces. Hence, air compressor for fuel cell air supply must be oil-less type and have no severe sliding surfaces inside. This paper introduces the concept of single-vane type rotary air compressor whose structure is particularly suitable for the fuel cell application: sliding action of the vane against the cylinder wall, which causes severe friction in the conventional vane rotary compressors, is made to be prevented by attaching the vane to the driving shaft with the compliant device between the vane and the rotor in this new design. For 2 kW fuel cell application, preliminary design has been carried out, and its performance has been estimated by using computer simulation program: for discharge pressure of 2 bar, the volumetric, adiabatic, and mechanical efficiencies are calculated to be 82.5%, 92.5%, and 96.3%, respectively.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 새로운 구조의 연료전지용 공기압축기에 대한 개념 설계를 수행하여 주어진 용량 및 운전조건에서의 개략적인 크기 및 성능을 추정해 보고, 실용화 가능성에 대해 검토해 보고자 한다.

가설 설정

가스 압축이 진행되면서 등엔 트로피 과정에 비해 압력이 낮게 나타나는 것은 앞서 언급한 베인 주위의 간극들을 통해 일어나는 압축 실로부터의 누설 때문이다. 간극의 크기는 베인 선단 및 측면에서 모두 각각 로 가정하였다.
여기서 '。'로 표시된 데이터는 베인 이 4개 있는 무급유식 로타리 베인형 공기압축기의 성능곡선⑵으로부터 동일한 유량과 토출압의 운전조건에서 소요되는 압축기 입력을 얻은 것이다. 이때이 압축기에 사용된 모터의 효율을 85%로 가정하였다. 본 논문에서 제안하는 구조로 설계된 압축기의 입력이 연료전지용으로 개발된 기존의 공기압축기보다 월등히 작은 것을 알 수 있다.
정격 운전속도를 N= 3500 Tpm으로 잡고 체적효율을 %=75%로 가정하면 행정체적은 식⑵에서 *=45.7 cc가 된다.

제안 방법

2) 2kW급 연료전지를 대상으로 1-베인 로타리 압축기의 기본설계를 수행하였다.
3) 압축기 성능해석 프로그램을 작성하여 설계된 압축기의 성능을 예측하였다. 토출압 2bar의 설계 점에서 압축기의 체적 효율은 82.
베인이 토출 개시각을 지나는 시점에는 과압축이 일어나지 않지만 그 후, 즉 베인 이 토출 개시점을 지나고 난 후에는 토출실 내의 가스가 토출 포트를 통해 베인 뒤쪽에 새로이 형성되고 있는 포켓(압력실)으로 역류하는 현상이 발생하게 된다. 따라서 설계압력비가 2라고 하더라도 토출 개시 각을 늦추어 주어야만 역류의 영향을 적게 받게 되므로 본 설계에서는 토출 개시각을 0d = 310o가 되도록 하였다. 이럴 경우 낮은 압력비에서는 상대적으로 큰과압축 손실을 감수해야 하지만 역류가 감소하게 되므로 전체적인 압축기 성능에서는 유리해진다.
토출포트는 토출되는 공기의 평균 유속이 20m/s 이하로 되도록 직경을 lOmrn로 하였고 토출밸브는 이에 맞춰 Fig. 2와 같은 형상으로 설계하였다. 이러한 형상에서 밸브의 두께를 0.

성능/효과

4) 토출압 6bar 이하의 범위 내에서 토출압이 증가하면 체적효율은 완만하게 감소하지만 단열 압축효율은 증가하는 등, 운전영역 변화에 대해서도 설계된 압축기의 성능이 뛰어난 것으로 나타났다.
5) 가스 압축 토크의 변동폭은 350% 이내로서 일반적인 왕복동 압축기와 비교하면 1/4 수준으로 상당히 작게 나타났다.
6) 베인 간극이 증가하면 체적효율은 급격히 감소한다. 그러나 압축기 소요 동력이 이에 상응하여 줄어들지는 않는다.
이때이 압축기에 사용된 모터의 효율을 85%로 가정하였다. 본 논문에서 제안하는 구조로 설계된 압축기의 입력이 연료전지용으로 개발된 기존의 공기압축기보다 월등히 작은 것을 알 수 있다.
성능을 예측하였다. 토출압 2bar의 설계 점에서 압축기의 체적 효율은 82.4%, 단열 압축효율은 95.6%, 기계효율은 96.3%, 압축기 전효율은 92.1%로 나타났다..

참고문헌 (8)

Larminie, J., Dicks A., 2003, "Fuel Cell Systems Explained," Wiley
http://www.vairex.com
Nakamoto, T., Sakuda, A., Sawai, K., Iida, N., Ishii, N., 2006, "Development of air pump for fuel cells," Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Purdue, Paper No. C158
Kim, H.Y., Lee, Y.H., Kim, H.J., Joo, B.S., 2007, "A study on the friction loss reduction in a rotary vane air compressor," Proceedings of the SAREK 2007 Summer Annual Conference, 2007-S-002, pp. 9-14
Mori, H., Kawaguchi, R., 2002, "Compressor and regenerator for fuel cell," US Patent 6,425,746
Scroll Giken Catalogue, 2007, "Spinning Scroll Blower: 1 kW class targeted for fuel cell cathode air blowers."
Stoisic N., Smith I.K., 2003, A. Kovacevic, "Combined screw compressor-expander in fuel cell application," International Conference on Compressors and Their Systems, pp.369-378
Kim, H. J., 1998, "Development of computer simulation program or the performance of a variable speed scroll compressor," University of Incheon Report

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