[논문]연료전지 내구성능 향상을 위한 공기차단밸브 개발

박정희; 이창하; 권혁률; 김치명; 최규성

doi:10.7467/ksae.2015.23.1.049

문제 정의

이렇게 공기차단밸브는 차량 시동 온/오프시 작동해야 하기 때문에 연속작동내구에 대한 대책도 필요하다. 본 연구에서는 DOE(U.S. Department of Energy)에서 발표한 내구 기준 250,000회 연속작동 내구 후 당사 필요토크 이상이 출력되는지를 확인하였다.³⁾
본 연구에서는 공기차단밸브 개발을 통해 시스템 셧다운 시 공기극 공기유로를 차단하여 산소농도를 떨어뜨려 계면형성을 줄여 연료전지의 내구성을 향상시키고자 한다. 그러나 연료전지 시스템의 작동조건 상 통상적인 밸브의 적용이 쉽지 않다.
현재수소연료전지 자동차에 있어서 반드시 풀어야 할 이슈는 성능보다는 가격과 내구성이다. 본 연구에서는연료전지의 다양한 내구저하 시나리오 중 수소/공기 계면 형성에 의한 공기극 탄소 담체 산화 및 촉매 열화에 대한 대책을 연구하였다.¹⁾
8V까지 도달하는 시간을 증대된다. 이에 따라 공기극 촉매 열화가 노출되는 경우를 줄여 최종적으로 연료전지의 내구성을 키울 수 있는 것이다.⁵⁾
첫 번째는 차량 주차 시 밸브를 열었을 때와 닫았을 때 개회로 전압이 연료전지 내구성에 영향을 미치는 전압 0.8V (단위 셀 전압)까지 몇 시간 후에 도달하는지 확인하는 것이다. 밸브를 완전 닫힘 하였을 때는 약 45시간 뒤, 밸브를 반 정도 열었을 때는 10시간, 밸브를 완전 열었을 때는 1시간 안에 도달하는 것을 확인하였다.

제안 방법

1) 밸브 디스크 주변에 결빙된 얼음을 깨기 위해 필요한 토크는 5.2Nm이며 이 측정된 데이터를 바탕으로 기어비 및 모터 구속 토크(Stall torque)를 결정하였다.
2) 연료전지 차량 운행 안전성을 확보하기 위해 운행 중 밸브의 전원을 차단하는 조건을 적용하였고, 이 조건 하에서 밸브 디스크가 열림 위치를 유지하기 위해 웜을 적용하였다.
4) 구속토크 측정장비를 도입하여 밸브 디스크 토크 저하에 영향을 미칠 수 있는 모든인자를 검증 할 수 있는 방법을 제시하였다.
4와 같이 이중 씰 내장 베어링을 적용하여 기밀성능을 만족시켰다. 그 외 제어기를 비롯한 모든 전기단자는 베어링의 기밀이파괴되더라도 완전기밀을 만족시킬 수 있도록 설계하였다. 참고로 베어링에 내장된 씰은 H-NBR 재질로 내한-40°C, 내열 +150°C까지 보장되는 사양이다.
차량 시스템에서 밸브의 냉시동 조건을 미리 판단하여(외기온도 또는 연료전지 냉각수온도 등으로) 밸브 물고임 하단에 있는 히터를 밸브 열림 명령과 동시에 작동시켜 열림 성능을 향상시켰다. 그리고 모터에 지속적인 전류인가는 화재의 위험이 있기 때문에 권선 온도를 고려 연속 인가최대 시간은 20초로 제한하였고 2초 휴지시간 후 재열림 명령을 인가하도록 하였다.
두 번째는 실제 일반인에게 차량 주차 시 밸브가 완전 닫히는 차량과 그렇지 않은 차량(완전 열림 상태로 주차)을 대여하여 스택이 데미지 전압까지 도달하는 횟수를 비교하는 시험을 하였습니다. 11년 11월부터 13년 2월까지 총 16개월 간 시험을 통해 밸브가 완전히 닫히는 차량이 그렇지 않은 차량보다 약 1/3정도 데미지 전압까지의 노출이 적은 것을 확인하였다.
이 토크를 이용하면 밸브 디스크에 순간적인 충격을 가해 얼음을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 일정 시간 내일정 각도 이상을 움직이지 않으면 구속조건이라고 판단하여 2초 열림/1초 닫힘 명령 시퀀스를 적용하여 충격토크를 최대한 활용할 수 있도록 하였다. 추가적으로 냉시동 시에는 제어기에서 출력되는 최대 전압을 상향시켜 냉시동 성능을 향상시키고 그 외 조건에서는 출력 전압을 최소화하여 소모전력을 줄였다.
공기차단밸브에서 가장 중요한 것은 온도나 결빙여부에 관계없이 일정하게 열림 성능을 확보하는 것이다. 따라서 실제 토크가 필요한 밸브 디스크에서 Fig. 8과 같은 구속토크 측정장비를 사용하여 5.2Nm 이상의 토크가 출력되는지 확인한다. 이 평가방법은 기어조립이나 모터성능 편차 등 토크 저하를 발생시킬 수 있는 모든 인자를 선 검수하여 밸브토크의 품질을 안정화시킬 수 있어 유사 버터플라이 형식의 밸브에서 토크 품질 확보에 매우 유용하다.
또한 차량 정상운행 상태에서 전원 및 신호단 노이즈에 의한 밸브 이상작동을 방지하기 위해 웜기어(Worm Gear)을 적용하여 전원이 차단되더라고 마지막 명령에 대한 위치를 유지하도록 하였다. 이러한 구조를 통하여 차량 운행시에는 전원을 차단할 수 있어 외부 노이즈에 의한 이상작동 방지 및 시스템 효율 증대 등의 부가적인 효과를 얻었다.
1에서 보듯이 많은 물이 고일수록 밸브 디스크에서 필요한 토크는 커지게 되기 때문에 물고임 현상을 최대한 줄일 수 있는 구조가 필요하다. 본 연구에서 Fig. 3과 같이 밸브 보어측에 물고임 방지턱을 적용하여 물고임 현상을 최소화하고, 그 하단부에는 히터를 적용하여 밸브에 결빙된 물을 녹일 수 있도록 구조화하였다. 하지만 밸브의 응결된 물은 밸브의 토크에 의해 깨뜨리는 것이 주이고 히터는 기타 예측하지 못한 환경에서 밸브 열림을 보조하기 위한 장치이다.
본 연구에서 저온 시동 시 잔류수분에 의한 밸브 결빙 시 원활한 작동 성능 확보를 위해 모터 구속토크(Stall Torque)및 기어비 최적화, 물고임 방지용 밸브 보어 구조 등의 적용을 통해 24hr soaking@-40°C에서5초 이내 밸브 열림을 확인하였다.
이러한 경우는 특히 겨울철 냉시동 즉 밸브가 결빙되었을 때 주로 발생하게 된다. 위와 같은 로직이 적용되더라도 기타 예측하지 못한 조건에 의해 밸브 열림 실패를 방지하기 위해 밸브 작동 명령을 인가하는 상위제어기에도 밸브 열림을 위한 로직을 추가 적용하였다. 차량 시스템에서 밸브의 냉시동 조건을 미리 판단하여(외기온도 또는 연료전지 냉각수온도 등으로) 밸브 물고임 하단에 있는 히터를 밸브 열림 명령과 동시에 작동시켜 열림 성능을 향상시켰다.
이러한 결빙된 디스크를 깨뜨릴 수 있는 토크의 크기를 구하기 위해 로드셀을 이용하여 단품 시험을 실시하였다. 평가 결과 -40°C에서 24시간 방치한 후 5초 이내에 밸브를 작동할 수 있는 적정 토크는 최소 5.
2Nm 임을 확인하였다. 이러한 토크를 전달하기 위해 작은 공간 내 큰 기어비를 얻을 수 있는 웜기어와 영구 자석형 직류전동기를 적용하였다.

대상 데이터

제어 로직 설계에 필요한 모터의 설계 인자는 저항(Ra)과 인덕턴스(La), 토크상수(Kt), 마찰계수(Bm), 관성모멘트(Jm)이다. 저항과토크상수는Fig.
제어 로직 설계에 필요한 모터의 설계 인자는 저항(Ra)과 인덕턴스(La), 토크상수(Kt), 마찰계수(Bm), 관성모멘트(Jm)이다. 저항과토크상수는Fig.
참고로 베어링에 내장된 씰은 H-NBR 재질로 내한-40°C, 내열 +150°C까지 보장되는 사양이다.

이론/모형

마지막으로 모터 작동을 위한 제어기는 PWM 스위칭 방식을 적용하였으며 열림과 닫힘 양방향 제어를 위해 유니폴라 방식을 적용하였다.⁴⁾

성능/효과

밸브를 완전 닫힘 하였을 때는 약 45시간 뒤, 밸브를 반 정도 열었을 때는 10시간, 밸브를 완전 열었을 때는 1시간 안에 도달하는 것을 확인하였다. (본 연구에서 적용된 밸브의 보어 직경 mm 기준) 즉 밸브 적용을 통해 데미지 전압까지 가는 경우를 줄일 수 있다.
두 번째는 실제 일반인에게 차량 주차 시 밸브가 완전 닫히는 차량과 그렇지 않은 차량(완전 열림 상태로 주차)을 대여하여 스택이 데미지 전압까지 도달하는 횟수를 비교하는 시험을 하였습니다. 11년 11월부터 13년 2월까지 총 16개월 간 시험을 통해 밸브가 완전히 닫히는 차량이 그렇지 않은 차량보다 약 1/3정도 데미지 전압까지의 노출이 적은 것을 확인하였다.
3) 공기차단밸브는 작동유체의 특수성(수증기를 포함한공기) 때문에 타 유사 밸브보다 높은 기밀성능과 구조적인 단순함을 요구하기 때문에 이중씰 내장 베어링을 적용하여 이것을 만족시켰다.
5) 시스템 적용 평가를 통해 공기차단밸브 적용 시 공기유입 속도가 감소하여 연료전지 계회로 전압상승이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 공기극 촉매 열화가 감소되어 연료전지 내구성능을 향상시킬 수 있었다.
5.2Nm 이상의 토크가 보증된 밸브는 영하 40°C에서 24시간 방치 조건에서 밸브 열림을 확인(히터 동작 없음)하면 Fig. 9의 파란색 신호와 같이 5초 이내에 모든 밸브 동작이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 연속작동내구 만족을 위해서는 웜기어에 대한 재질이 가장 중요하게 영향을 미쳤다. 여러 시험을 통해 도금을 하지 않은 단일 재질 가공 후 조도를 높이는 것이 수소 연료전지자동차 환경 내 밸브기어 재질로 최적임을 확인하였다.
8V (단위 셀 전압)까지 몇 시간 후에 도달하는지 확인하는 것이다. 밸브를 완전 닫힘 하였을 때는 약 45시간 뒤, 밸브를 반 정도 열었을 때는 10시간, 밸브를 완전 열었을 때는 1시간 안에 도달하는 것을 확인하였다. (본 연구에서 적용된 밸브의 보어 직경 mm 기준) 즉 밸브 적용을 통해 데미지 전압까지 가는 경우를 줄일 수 있다.
마지막으로 연속작동내구 만족을 위해서는 웜기어에 대한 재질이 가장 중요하게 영향을 미쳤다. 여러 시험을 통해 도금을 하지 않은 단일 재질 가공 후 조도를 높이는 것이 수소 연료전지자동차 환경 내 밸브기어 재질로 최적임을 확인하였다.
이 데이터를 바탕으로 보면 전압(모터의 전기 시정수가 밸브의 기계 시정수보다 매우 빠르기 때문에 스텝전압을 스텝토크로 생각해도 됨)에 대한 위치값이 선형적인 것을알 수 있다. 또한 기어와 밸브 샤프트 및 디스크 등에 대한 관성모멘트는 기어 백래쉬에 의한 영향 때문에 무시할 수 있다.
또한 차량 정상운행 상태에서 전원 및 신호단 노이즈에 의한 밸브 이상작동을 방지하기 위해 웜기어(Worm Gear)을 적용하여 전원이 차단되더라고 마지막 명령에 대한 위치를 유지하도록 하였다. 이러한 구조를 통하여 차량 운행시에는 전원을 차단할 수 있어 외부 노이즈에 의한 이상작동 방지 및 시스템 효율 증대 등의 부가적인 효과를 얻었다.
5) 시스템 적용 평가를 통해 공기차단밸브 적용 시 공기유입 속도가 감소하여 연료전지 계회로 전압상승이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 공기극 촉매 열화가 감소되어 연료전지 내구성능을 향상시킬 수 있었다.
위와 같은 로직이 적용되더라도 기타 예측하지 못한 조건에 의해 밸브 열림 실패를 방지하기 위해 밸브 작동 명령을 인가하는 상위제어기에도 밸브 열림을 위한 로직을 추가 적용하였다. 차량 시스템에서 밸브의 냉시동 조건을 미리 판단하여(외기온도 또는 연료전지 냉각수온도 등으로) 밸브 물고임 하단에 있는 히터를 밸브 열림 명령과 동시에 작동시켜 열림 성능을 향상시켰다. 그리고 모터에 지속적인 전류인가는 화재의 위험이 있기 때문에 권선 온도를 고려 연속 인가최대 시간은 20초로 제한하였고 2초 휴지시간 후 재열림 명령을 인가하도록 하였다.
평가 결과 -40°C에서 24시간 방치한 후 5초 이내에 밸브를 작동할 수 있는 적정 토크는 최소 5.2Nm 임을 확인하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소연료전지 자동차에서 시스템 셧다운 시 발생하는 것은?	시스템 셧다운 시 공기극 유로 내에 잔존하는 수소와 산소에 의해 계면이 형성되어 막전극접합체(MEA, Membrane electrode assembly)를 사이에 두고 산소/산소가 마주하게 되면 공기극에 2V 가량의 전압이 발생하고 이것에 의해 탄소 담체 및 백금 촉매가 산화/유실된다. 이것으로 인해 활성면적이 감소되고, 전기적 연결 단절되어 연료전지의 내구성을 급격히 떨어뜨린다.2)
	공기차단밸브는 어떻게 구성되어 있는가?	공기차단밸브는 크게 영구자석형 직류전동기, 제어기, 기어박스, 밸브로 구성되어있다.
	수소연료전지 자동차에서 탄소 담체 및 백금 촉매가 산화/유실됨으로써 발생하는 문제점은?	시스템 셧다운 시 공기극 유로 내에 잔존하는 수소와 산소에 의해 계면이 형성되어 막전극접합체(MEA, Membrane electrode assembly)를 사이에 두고 산소/산소가 마주하게 되면 공기극에 2V 가량의 전압이 발생하고 이것에 의해 탄소 담체 및 백금 촉매가 산화/유실된다. 이것으로 인해 활성면적이 감소되고, 전기적 연결 단절되어 연료전지의 내구성을 급격히 떨어뜨린다.2)

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