[논문]연료전지 차량용 공기 블로워의 공력 설계

김우준; 박창호; 지용준; 조경석; 김영대; 박세영; 오창훈

연료전지 차량용 공기 블로워의 공력 설계
Aerodynamic Design of Cathode Air Blower for Fuel Cell Electric Vehicle 원문보기

김우준 (한라공조 기술연구소) , 박창호 (한라공조 기술연구소) , 지용준 (한라공조 기술연구소) , 조경석 (한라공조 기술연구소) , 김영대 (한라공조 기술연구소) , 박세영 (한라공조 기술연구소) , 오창훈 (한라공조 기술연구소)

FCEV uses electric energy generated from fuel cell stack, thus all consisting parts must be re-designed to be suitable for electricity based system. Cathode air blower which supplies compressed air into fuel cell stack has similar shape of turbocharger, but a radial turbine of traditional turbocharger is removed and high speed BLDC motor is installed . Generally, maximum 10% of electric power of fuel cell stack is consumed in air blower, therefore an effective design of air blower can improve the performance of FCEV directly. This study will present an aerodynamic design process of an air blower and compare computational results with experimental data.

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문제 정의

따라서 공기 블로워의 효율 향상은 연료전지 차량 시스템 전체의 성능 향상과도 직결되는 중요한 과제이다. 스택에서 요구하는 공기의 압력 및 유량 수준에서 블로워의 효율 향상 방안은 크게 압축부와 구동 모터부로 나누어 생각할 수 있다, 일반적으로 압축부가 확정이 되어야 구동에 필요한 모터의 상세 설계가 가능하므로, 요구성능 달성을 위한 정확하고 효율적인 압축부 설계가 선행되어야 할 것이다, 본 연구에서는 압축부의 핵심 구성부품인 임펠러의 설계 인자를 변경하면서 공력 효율 향상 방안을 검토하겠다.

제안 방법

기준 임펠러와 입출구 유동각을 변경한 임펠러 총 9종에 대한 유동 해석을 실시하였다. 기준임펠러보다 부하가 많은 쪽으로 설계점이 변하면서, 블레이드의 입구각이 큰 경우 효율이 약간상승하였다.
1 kg/s 를 만족하도록 설계되었다. 본 연구에서 요구하는 압력비 및 유량이 기준 임펠러의 설계점 보다 높은 수준이므로 유동 해석은 40, 000 RPM 회전하는 조건에서 비교하였다&rsquo;
본 연구의 성능 타겟은 압력비 1.5, 유량 0.15 kg/s 이며, 지경 140mm 기준 임펠러에 대해 블레이드 입출구의 각도를 변경하며 성능 해석을 실시하였다. 기준 임펠러는 블레이드의 입구각 60 도, 출구각 30도의 제품으로 설계 회전수 30, 000 RPM에서 압력비 1.
임펠러 입출구각의 변화는 기준 임펠러 대비 +/- 10° 로 결정하였고, 총 9개의 임펠러 설계안에 대해 유동 해석을 수행하였다’ 각이 너무 큰 경우 임펠러의 형상이 심하게 왜곡되는 조합이 발생하는 문제가 있다. 입출구 각의 변경에 따른 임펠러설계 조합은 아래 표와 같다.

대상 데이터

15 kg/s 이며, 지경 140mm 기준 임펠러에 대해 블레이드 입출구의 각도를 변경하며 성능 해석을 실시하였다. 기준 임펠러는 블레이드의 입구각 60 도, 출구각 30도의 제품으로 설계 회전수 30, 000 RPM에서 압력비 1.3, 유량 0.1 kg/s 를 만족하도록 설계되었다. 본 연구에서 요구하는 압력비 및 유량이 기준 임펠러의 설계점 보다 높은 수준이므로 유동 해석은 40, 000 RPM 회전하는 조건에서 비교하였다’
본 연구에서 검토한 공기공급시스템의 압축부는 크게 임펠러, 베인리스 디퓨저, 볼루트의 3개부분으로 구성되어 있다. 흡입 공기눈 임펠러에서가속되며 운동에너지를 얻고, 디퓨저 및 볼루트를통과하며 운동에너지를 압력으로 전환한다.
해석을 위한 임펠러 모델링, 격자 생성에는 CFX-BladeGen 및 TurboGrid 를 이용하였다. 아래그림과 같이 1개의 메인 블레이드와 1개의 스플리터로 구성된 유로가 반복되므로, 1개의 유로에대해서만 계산하였다.

이론/모형

입구에는 대기 조건을 적용하였고, 출구는 질량 유량으로 설정하였다. 앞서 기술한 바와 같이 40, 000 RPM에서 k-e 난류 모델을 이용하였다.

성능/효과

기준임펠러보다 부하가 많은 쪽으로 설계점이 변하면서, 블레이드의 입구각이 큰 경우 효율이 약간상승하였다. 또한, 임펠러의 전효율은 블레이드의 출구각보다 입구각의 영향을 더 많이 받는 것을 확인하였다.
기준임펠러보다 부하가 많은 쪽으로 설계점이 변하면서, 블레이드의 입구각이 큰 경우 효율이 약간상승하였다. 또한, 임펠러의 전효율은 블레이드의 출구각보다 입구각의 영향을 더 많이 받는 것을 확인하였다.
또한, 입구 각이 일정할 때는 출구각의 변화하여도 전체효율은 거의 변하지 않았지만, 출구각을 동일하게 유지하면서 입구각을 변경시키는 경우 효율은 약 2% 가량 차이를 보인다. 전효율 계산 결과로 추론해 볼 때 임펠러의 전효율에 미치는 영향은 블레이드의 입구각이 더 큰 것으로 판단된다.
해석 결과에서 보는 것 처럼 기준 임펠러와 출구 각은 동일하나, 입구각이 10도 증가한 경우 미세하게 효율이 증가하였으나, 큰 차이를 보이지 않는다. 그러나, 입구각은 작아지고 출구각은 커지는 경우 효율이 약 1.

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