[논문]연료전지용 터보 공기압축기의 설계 및 시험평가

최재호

문제 정의

및 성능 예측이 수행되었다. 그러나 보다 정밀한 성능시험을 위해 압축기의 크기를 원형대비 크게 하는 상사시험을 하고자 하였다. 압축기의 시험 모형에서의 설계 결과는 Table 1과 같다.
설계의 주요 목적 중의 하나는, 연료전지 자동차의 정격 운전 점 및 아이들링 운전 점에서 요구되는 유량 및 압력비를 고려하여 가능한 넓은 유량 범위에서 운전 가능한 압축기를 개발하고자 하는 것이며, 이를 위해 압축기는 사 류형의 출구를 갖는 임펠러와 입구는 사류형, 출구는 반경 방향으로 된 곡률을 갖는 디퓨저 및 스크롤로 구성되어 있다. 또한 출구 배관의 체적에 따른 스톨 및 서지 특성도 시험을 통해 비교하고자 한다.
본 연구에서는 승용차용 가압식 연료전지 자동차의 공기공급장치로 적용 가능한 터보형 공기압축기의 설계 및 시험 평가를 수행하였다. 압력비를 2.
상압식의 경우 압력비가 약 1.5, 가압식의 경우 약력 비가 약 2.5 내외에서 많이 개발되고 있는 추세 맞춰, 본 연구에서는 압력비 2.2의 원심압축기에 대한 연구를 수행하였다. 이 압축기는 약간의 설계 변경이나 회전수의 변경으로 압력비 2.
압력비를 2.7까지 고려하여 공력설계 및 구조설계 등을 수행하였으나, 여기에서는 압력비 2.2를 정격 압력으로 한 공력설계 및 시험 결과에 대해 기술하고 고찰하고자 한다. 설계의 주요 목적 중의 하나는, 연료전지 자동차의 정격 운전 점 및 아이들링 운전 점에서 요구되는 유량 및 압력비를 고려하여 가능한 넓은 유량 범위에서 운전 가능한 압축기를 개발하고자 하는 것이며, 이를 위해 압축기는 사 류형의 출구를 갖는 임펠러와 입구는 사류형, 출구는 반경 방향으로 된 곡률을 갖는 디퓨저 및 스크롤로 구성되어 있다.
한편 출구 배관 체적에 따른 시험시 안정적인 영역을 지나 약한 스톨이 있는 상태까지 시험을 수행하여 약한 스톨 하에서의 압축기 특성을 파악해 보고자 하였다. 이는 실제 운전상태에서 급격한 입구 유동 왜곡과 서지 회피 제어가 실패할 경우에 압축기 거동 및 연료전지의 거동을 예측하는 자료로서 활용될 수 있다.
한편, 압축기 출구 배관 체적의 형상이나 크기가 압축기 스톨 및 서지에 상당한 영향을 미치는 것으로 보고(2)되고 있는 바와 같이 압축기 출구 배관이 스톨 및 서지에 미치는 영향을 분석하고 스톨 상태하에서의 성능을 측정해 보고자 배관의 체적을 변경해 가며 시험을 수행할 수 있도록 하였다. Fig.

제안 방법

동일한 보정 회전수에서 성능을 즉정하기 위해 입구 온도에 따라 모터 회전수를 변경하여 보정회전수를 정밀하게 제어하였으며, 온도 등 측정 부분의 온도가 충분히 수렴되도록 매 측정점마다 충분한 시간을 두었다.
또한 디퓨저는 연료전지 자동차의 아이들링 운전 점과 정격 운전점 등 여러 운전 점들이 압축기 특성곡선상에서 매우 넓은 범위에 걸쳐 있기 때문에 이에 잘 부합할 수 있는 베인 없는 디퓨저를 우선 적용하고, 익형 디퓨저도 고려하였다. 압축기의 구성은 Fig.
본 압축기의 임펠러는 비속 도가 높은 범위 또는 제한된 직경 제한조건에 후방의 디퓨저 설계의 자유도를 높이기 위해 사류형으로 설계하였다. 또한 디퓨저는 연료전지 자동차의 아이들링 운전 점과 정격 운전점 등 여러 운전 점들이 압축기 특성곡선상에서 매우 넓은 범위에 걸쳐 있기 때문에 이에 잘 부합할 수 있는 베인 없는 디퓨저를 우선 적용하고, 익형 디퓨저도 고려하였다.
본 연구에도 11만 rpm 수준을 설계 회전수로 하였으며, 정밀한 실험을 위해 상사법칙을 사용하여 스케일을 증가시킨 시험 장치를 설계, 제작하였다. 시험용 모델에서는 정격회전수가 약 63, 000 rpm 이다.
본 연구에서는 Fig. 9와 같이 출구 배관의 직경과 유량 조절 밸브의 위치를 변경하면서 압축기 스톨 특성을 측정하였다. Fig.
본 연구에서의 사류형 압축기는 임펠러 경사각을 약 70도로 선정하였는데, 경사각이 90도인 압축기와 비교적 유사하므로 기본적으로 원심압축기설계 이론m을 적용하였다.
압축기 성능시험을 위해 측정한 회전수는 온도에 따른 영향을 배제하기 위해 온도 보정을 하여 압축기 특성곡선을 도출할 수 있도록 하였다.
압축기 성능을 측정하기 위해 회전수를 저회전 수부터 정격회전수까지 변경할 수 있도록 인터버를 사용하여 전기모터의 회전수를 변경하였으며, 각 회전수에서 서지 유량점부터 초킹 유량점까지 유량을 변경해 가면 압축기 특성곡선을 얻을 수 있도록 밸브로서 유량을 조절하였다.
압축기 출구의 성능은 디퓨저 후방의 스크롤 출구에서 전압력 레이크와 전 온도 레이크로서 압축기 출구물리량을 측정함으로써 계산되었다. 베인 없는 디퓨저를 장착한 압축기의 전체 성능을 측정하여 Fig.
압축기의 성능을 측정하기 위한 주요 파라미터로는 압축기 입구 전압력 및 전 온도, 임펠러 출 구정압력, 임펠러 및 디퓨저 유로에 따른 정압력, 압축기 출구에서의 정압력, 전압력 및 전온도 등이 있으며, 압축기 구동 회전수와 입구에서의 유량을 측정하였다. 한편 리그 시스템은 안정성을 확인하기 위한 각종 위치에서의 진동 센서 및 윤활 장치에서의 온도 및 압력을 측정하였다.
한편 리그 시스템은 안정성을 확인하기 위한 각종 위치에서의 진동 센서 및 윤활 장치에서의 온도 및 압력을 측정하였다.
047* -°以이며, 레이놀즈수 Re 정의를 위해 속도는 임펠러 팁 속도를 사용했으며, 길이는 임펠러 출구 반경을 사용하였다. 한편 임펠러의 스톨의 예측은 임펠러 입구 상대 마하수와 영각과의 관계를 2차 함수로 정의하고 영각이 한계영각보다 커질 때를 스톨로 판단하였다.

데이터처리

설계된 임펠러의 공력성능을 평가하는 첫 번째 파라미터로서 임펠러 출구에서의 정압력을 비교하였다. Fig.

이론/모형

디스크에서의 마찰손실은 식 (9) 와 같이 Daily Lece 모델을 사용하였다.
이 확산비의 모델링을 위해서는 Primitive TEIS 모델을 사용하였다. 이 모델은 임펠러 유로를 임펠러 입구부터 목까지의 디퓨저 혹은 노즐 역할을 하는 첫 번째 요소와 이곳으로부터 임펠러 출구까지 주로 디퓨저 역할을 하는 두 번째 요소 등 두 개의 요소를 직렬 배치하여 모델링한 것이며, 각 요소의 유효도는 각각 n。및 n , 로 정의하였다.
임펠러 출구의 계산을 위해서는 임펠러 출구 유동을 주 영역과 이차영역으로 나누어 모델링하는 두 영역 모델(Two- Zone Mod이)을 사용하였다. 이 모델에서 중요한 모델 계수로는 임펠러 입구 팁 상대속도와 임펠러 출구 주영역에서의 상대속도의비로서 정의되는 확산비(Diffusion Ratio, DR2) 가있다.
한편 벽면 마찰계수는 레이놀즈수의 함수로 정의된 다음 식을 사용하였다.
회전수 및 유량에 따른 압력비 및 효율 등의 예측을 위해 평균 유선 성능해석법을 사용하였다. 임펠러 출구의 계산을 위해서는 임펠러 출구 유동을 주 영역과 이차영역으로 나누어 모델링하는 두 영역 모델(Two- Zone Mod이)을 사용하였다.

성능/효과

1) 사류형 임펠러와 입구부에 곡률을 가진 디퓨저로 구성된 압축기의 공력설계를 수행하여 예측 결과와 시험 결과를 비교한 결과, 잘 일치하는 경향을 보였으나, 비교적 시험 결과가 예측 결과에 비해 대부분의 운전 영역에서 압력비가다소 높게 나타났다.
그러나, 예측된 성능곡선에서는 유량대 압력비의 기울기, a pr/d m 가 o이되는 지점이 시험 값보다 크게 나타나고 있다. 100% 회전수에서의 결과는 설계 유량점, 즉 유량 계수 0.17 인근에서 시험 값이 설계값보다 더 높은 압력비를 보이고 있는 반면, 서지점에서는 더 낮은 압력비를 보여 전체적으로 시험을 통해 얻은 특성 곡선이 더 평편하게 나타나고 있다, 100% 회전수에서의 초킹점부터 서지점까지의 유량 범위는 약 48% 이다.
2) 압축기 시험 결과는 압력비 약 2.2의 정격 회전수에서 초킹-서지 유량 마진은 약 48%, 그리고 45% 회전수에서의 초킹-서지 유량 마진은 80%로 나타나서 비교적 넓은 운전 범위를 갖는 것으로 타나났다.
3) 압축기 출구 배관 체적에 따른 스톨 점 측정 및 스톨 상태하에서의 운전 결과, 작은 출구부 체적을 갖는 압축기가 더 넓은 운전 범위를 갖는 것으로 나타났으며, 연료전지 시스템의 구성 시 고려할 필요가 있는 것으로 사료된다.
6 및 7에 회전수 45%와 100%에서의 입구 전압력대 출구 전압력의 비를 얻었다. 45% 회전수에서는 임펠러 출구 정 압력비와 유사하게 모든 구간에 걸쳐 예측값과 시험 값이 잘 일치되는 결과를 보이고 있다. 그러나, 예측된 성능곡선에서는 유량대 압력비의 기울기, a pr/d m 가 o이되는 지점이 시험 값보다 크게 나타나고 있다.
Wiartalla 등°은 슈퍼 차져, 터보 차져와 2단 차징 개념을 포함한 각종 압축기-팽창기 개념들이 연료전지에 응용하기가 적합한지를 분석하고자 하였는데, 고분자 전해질 형(PEM) 연료전지 스택이 가압하에서 운전되면 산소 분압이 증가함에 따라 셀 전압도 어느 정도 한계까지는 비례하여 증가하게 되며 물관리와 관련하여 현저한 장점이 있고 사이즈도 작아지는 잠재적인 장점이 있다고 보고하였다. 다양한 시스템에 대해 검토한 결과, 팽창기 버너를 사용할 때 스택 압력이 2.5barabs 이상일 경우 최대 효율을 얻는 것으로 분석하였다. 또한 부분 부하 조건인 저유량 영역에서의 압축기 또는 블로어의 성능 개선도 중요한 기술적 이슈 중의 하나이다.
위에서 언급된 유량 범위로 볼 때 약 80% 수준을 보이고 있다. 본 결과로 볼 때 본 연구에서 설계된 사류 형 압축기는 매우 적은 유량에서도 비교적 높은 압력비를 보이는 것으로 생각된다.
이와 같은 결과로 볼 때, 앞에서 기술된 바와 같이 본 연구에서 설계한 경사각이 큰 사류형 임펠러와 곡률이 있는 디퓨저의 구성은 압력비 약 2.2 를 갖는 설계 회전수에서는 48% 수준의 유량 범위와 84% 효율을 보이는 등 비교적 좋은 성능을 나타내고 있으며, 45% 회전수에서는 압력비가 약 L1 내지 1.2이고 유량 범위가 약 80%까지 넓어지고 있음을 알 수 있다.
장과 강$은 고분자 전해질 형 연료전지의 급기시스템의 모델링 및 분석을 통해, 공기압축기의 당량 비와 압력비가 각각 2~2.5 및 3atm 이하에서 유지되는 것이 최적의 운전 및 제어조건임을 알아내었으며, 압축기 서지를 회피하면서 스택과 압축기의 효율을 고려한 최고의 시스템 효율을 얻도록 압축기의 작동선을 찾았다.
10은 앞에서 기술된사류형 임펠러와 디퓨저 입구에 경사지고 곡률이 있는 베인 없는 디퓨저에 이어 익형의 디퓨저가 있는 압축기에 대한 시험 결과를 보여주고 있다. 큰 체적을 갖는 압축기에서는 스톨과 동시에 서지가 발생하는 반면, 작은 체적을 갖는 압축기에서는 더 작은 유량까지 비교적 안정적인 운전이 되다가 스톨이 발생한 후에 유량을 더 감소시켰을 때 압력비가 약 2.5에서 2.2로 급격히 감소하고 넓은 유량 영역에서 그 압력비를 유지하는 것으로 나타났다. 넓은 출구 체적이 있는 경우 심한 스톨 현상이 발생하지 않고 바로 서지가 발생하는 등의 현상은 저 비속 도의 산업용 원심압축기에서도 동일하게 나타나는 것으로 보고된 바 있다(3)

후속연구

보고자 하였다. 이는 실제 운전상태에서 급격한 입구 유동 왜곡과 서지 회피 제어가 실패할 경우에 압축기 거동 및 연료전지의 거동을 예측하는 자료로서 활용될 수 있다.

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