[논문]연료전지용 로터리 베인 공기 블로워 개발

주병수; 심재휘; 서석호; 오시덕

연료전지용 로터리 베인 공기 블로워 개발
Development of rotary vane air blower for fuel cell 원문보기

주병수 ((주)효성) , 심재휘 ((주)효성) , 서석호 ((주)효성) , 오시덕 ((주)효성)

A rotary vane blower was developed as an air supply system for fuel cell application. As one way of improving the blower efficiency, a roller was adapted between vanes and cylinder housing. The performance of blower was investigated experimentally. The blower power input was about 115W to compress the air at normal atmospheric condition to 0.2 bar with the flow rate of 140 NLPM, resulting in the blower overall efficiency of 43%. After 400 hours of operation, the performance of blower was not changed. The result showed that developed blower was confirmed to be suitable for fuel cell application.

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문제 정의

본 개발에서는 로터리 베인 압축기의 최대의 단점인 베인과 실린더 사이의 마찰손실을 줄여주기 위한 방법으로 베인을 따라 회전하는 롤러를 실린더의 내벽으로 활용하는 형태의 블로워에 대해 설계 제작하고 시험을 수행하였다.(5)

가설 설정

설계사양을 바탕으로 압축기의 요구 행정체적은 식(1)을 통해 계산하였다. 흡입유량은 NLPM의 단위를 흡입조건에 맞추어 환산하였으며 체적효율은 무급유 타입의 블러워의 일반적인 값으로 가정하였다. 베인 4개의 로터리 베인 블로워의 경우 1회전시 4회의 토출이 일어나므로각 압축실의 행정체적을 계산하기 위해 토출회수를 이용하였다.

제안 방법

1과 같이 베인의 두께와 베인의 돌출 길이로 정의 되는 값을 나타낸다. 계산된 행정체적과 압축실을 구성하는 부품의 치수관계를 통해 설계를 수행하였다. 흡입구 형상은 압축실의 형상이 최대가 되었을 때 압축이 개시되도록 하였고 토출구 형상은 압축실의 체적변화에 따른 압력 변화가 토출압에 만족할 때 토출이 이루어 질 수 있도록 설계를 수행하여 Table 2와 같은 압축부의 주요 형상을 얻을 수 있었다.
도출된 설계사양을 바탕으로 상세설계를 수행하였고 시험품을 제작하였다. Fig.
이렇게 측정된 데이터들은 데이터 로거를 통해 취합되고 저장된다. 또한 데이터 로거에서 전동기 드라이버로 전압신호를 주어 회전속도를 조절하였으며 토출압 조절을 위해 블로워 토출부에 밸브를 설치하였다.
흡입유량은 NLPM의 단위를 흡입조건에 맞추어 환산하였으며 체적효율은 무급유 타입의 블러워의 일반적인 값으로 가정하였다. 베인 4개의 로터리 베인 블로워의 경우 1회전시 4회의 토출이 일어나므로각 압축실의 행정체적을 계산하기 위해 토출회수를 이용하였다.
3에서는 블로워 시험을 위한 시험장치 구성을 보여준다. 블로워 토출부위에 압력계와 유량계를 설치하여 압력과 유량을 측정하였고 전동기의 소모파워 측정을 위해 전동기 드라이버의 입력 측에 전력분석기를 설치하였다. 이렇게 측정된 데이터들은 데이터 로거를 통해 취합되고 저장된다.
설계하고자 하는 블로워는 로터로부터 돌출된 베인에 순응하는 롤러를 포함하므로 롤러는 볼베어링을 이용하여 회전이 가능하며 또한 축방향의 이동을 억제하도록 구성하였다.

성능/효과

스택 음극 공기 블로워는 압축기에 비해 토출압이 낮아서 누설과 압축열 발생이 상대적으로 적은 반면, 청정한 공기를 배출해야 하기 때문에 오일이 섞이지 않아야 한다.(2) 이런 조건을 만족 시키는 블로워의 형식은 왕복동형과 회전형이 있으며 수백 LPM급 용량인 경우 크기와 효율을 고려시 무급유 로터리 베인 블로워가 적당하다.
(3) 340시간 내구성 시험을 수행하였으며 연속 운전 200시간까지 체적효율과 시스템효율의 변화가 있었으나 200시간 운전이 경과하면서 마찰에 의한 반경방향 마모 진행이 수렴되어 효율도 변화 없이 일정하게 유지되었다.
Gilland Shouman(3)은 원형의 실린더 대신에 타원형 형상을 적용하였고, Fulin et al.(4)은 타원과 원형상부를 조합한 실린더를 적용 하여 베인 회전 시 반경방향 가속도가 원만하게 변화도록 하여 마찰 손실을 줄여 주었다.
2) 토출압 0.2bar에서 유량 140 NLPM을 발생 하는 블로워를 개발하였으며 체적효율 76%, 시스템 전효율 43%를 얻었다.
4는 각각의 동일 회전수에서 토출유량대 압력의 성능특성 곡선을 보여준다. 2760RPM, 0.2bar에서 최대유량은 146NLPM이였으며 최대압력은 약 0.6bar로 설계조건을 만족하였다. Fig.
개발된 블로워의 장기 성능 변화 및 내구성을 확인하기 위해 최대 회전속도 2760RPM, 토출 압력 0.2bar에서 정지 없이 연속으로 340시간 운전을 완료 하였고 일반적인 무급유 로타리 베인 블로워의 보증 수명인 3,000시간을 목표로 운전 중이다.
시스템 효율은 구동기의 손실을 포함한다. 시스템 효율은 설계압력인 0.2bar 부근에서 효율이 높으며 그전후로는 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 설계압 부근에서 단열효율이 높기 때문이다.

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