공기 공급 시스템 - 소프트웨어 융합

수소 전지 시스템에서 공기 공급 시스템은 매우 중요한 역할을 담당한다. 연료전지가 작동하기 위해서는 산소가 필요한데, 이 산소는 공기 중에서 공급된다. 따라서, 공기 공급 시스템은 수소 전지 스택에 적절한 양의 산소를 공급하기 위해 설계되어야 한다. 공기 공급 시스템은 주로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다.

1. 공기 압축기

공기 압축기는 외부에서 공기를 받아들이고 이를 압축하여 전지 스택에 필요한 압력으로 공급한다. 공기 압축기의 효율성은 연료 전지 시스템 전체의 성능에 직접적인 영향을 미치며, 공기 흐름과 압력 조절이 매우 중요하다.

수소 전지에서의 공기 흐름은 아래의 수식을 통해 산출될 수 있다.

$\dot{n}_{\text{air}} = \frac{\dot{n}_{\text{H}_2} \cdot \text{O}_2/\text{H}_2}{y_{\text{O}_2}}$

여기서:

$\dot{n}_{\text{air}}$ : 공기 흐름량 (mol/s)
$\dot{n}_{\text{H}_2}$ : 수소의 흐름량 (mol/s)
$y_{\text{O}_2}$ : 공기 중 산소의 몰 비율 (약 0.21)
$\text{O}_2/\text{H}_2$ : 스토이키오메트리 비율 (연료 전지에 따라 달라질 수 있음)

2. 공기 필터

공기 필터는 공기 중의 불순물을 제거하여 연료 전지 스택 내부에 깨끗한 공기를 공급하는 역할을 한다. 필터링되지 않은 공기가 전지 스택에 들어가면 성능 저하와 함께 전지 스택의 손상을 유발할 수 있으므로, 공기 필터의 선택과 유지 보수가 중요하다.

3. 공기 유량 조절기

공기 유량 조절기는 연료 전지의 요구에 맞게 공기 흐름을 제어한다. 이는 전지의 전력 생산량에 따라 변화하는 공기 요구량을 만족시키기 위해 중요한 역할을 한다. 공기 유량은 전지의 작동 상태에 따라 다르며, 연료 전지의 효율을 극대화하려면 유량을 정밀하게 제어할 수 있어야 한다.

유량 제어의 기본 방정식

공기 유량은 압력과 온도에 의해 결정된다. 기본적인 이상 기체 방정식은 다음과 같다.

$Q = \frac{\dot{n}_{\text{air}} \cdot R \cdot T}{P}$

여기서:

$Q$ : 공기 유량 (m³/s)
$\dot{n}_{\text{air}}$ : 공기의 몰 흐름량 (mol/s)
$R$ : 기체 상수 (8.314 J/(mol·K))
$T$ : 온도 (K)
$P$ : 압력 (Pa)

4. 가습기

연료 전지에서 공기는 특정 습도를 유지해야 한다. 건조한 공기가 연료 전지에 들어가면, 전지 내부의 막이 건조해지면서 전기 전도도가 떨어져 성능 저하를 일으킬 수 있다. 따라서 가습기는 공기를 적절하게 가습하여 수소 전지의 성능을 유지하는 중요한 요소이다.

가습 장치의 성능은 가습된 공기의 상대 습도 $RH$ 로 표현할 수 있다.

$RH = \frac{P_{\text{H}_2\text{O}}}{P_{\text{sat}}} \times 100$

여기서:

$P_{\text{H}_2\text{O}}$ : 물의 분압 (Pa)
$P_{\text{sat}}$ : 물의 포화 압력 (Pa)

가습기의 선택에 따라 공기 공급 시스템 전체의 효율성과 연료 전지의 수명이 결정될 수 있다.

5. 공기 분배 시스템

공기 분배 시스템은 공기가 균일하게 연료 전지 스택 내에 분포되도록 설계되어야 한다. 연료 전지의 각 셀은 산소를 필요로 하며, 셀 간 산소 분포의 불균형은 전지의 출력과 효율성에 영향을 미친다. 공기 분배 시스템은 공기의 흐름을 최적화하고, 셀 전체에 걸쳐 고르게 분포되도록 하기 위해 다양한 설계가 적용될 수 있다.

공기 분배 설계

공기 분배의 효율을 극대화하기 위해 설계 시 고려해야 할 중요한 요소는 다음과 같다:

압력 강하 최소화: 공기가 스택을 통과할 때 압력 강하가 최소화되도록 설계되어야 한다.
공기 흐름의 균일성: 각 셀에 동일한 양의 공기가 공급되도록 흐름을 균일하게 유지해야 한다.

이를 수식으로 나타내면, 각 셀에 공급되는 공기의 유량 $\dot{V}_i$ 는 다음과 같은 관계식을 만족해야 한다.

$\dot{V}_i = \frac{\dot{V}_{\text{total}}}{n_{\text{cell}}}$

여기서:

$\dot{V}_i$ : 각 셀에 공급되는 공기의 유량 (m³/s)
$\dot{V}_{\text{total}}$ : 총 공기 유량 (m³/s)
$n_{\text{cell}}$ : 전지 스택의 셀 수

6. 공기 배출 시스템

공기 공급 시스템에서 사용된 공기는 다시 배출되어야 하며, 배출 시스템은 전지 스택의 효율성에 영향을 줄 수 있다. 배출 공기는 수분과 열을 포함하고 있으므로, 이를 적절하게 처리하고 외부로 배출해야 한다.

공기 배출의 열 회수

배출되는 공기는 고온이며, 이 열 에너지를 회수하여 시스템의 효율을 높일 수 있다. 열 회수 장치는 배출된 공기에서 열을 회수하여, 공기 공급 시스템으로 다시 공급하거나 다른 시스템에 활용할 수 있다. 열 회수율 $\eta_{\text{rec}}$ 은 다음과 같이 정의된다.

$\eta_{\text{rec}} = \frac{Q_{\text{rec}}}{Q_{\text{out}}} \times 100$

여기서:

$\eta_{\text{rec}}$ : 열 회수율 (%)
$Q_{\text{rec}}$ : 회수된 열량 (J)
$Q_{\text{out}}$ : 배출된 열량 (J)

이 과정에서 회수된 열은 시스템의 전체 효율을 높이는 데 기여할 수 있다.

7. 공기 배출 습도 관리

공기를 배출할 때, 배출 공기 내의 습도를 관리하는 것도 중요한 요소이다. 연료 전지 스택 내부에서 생성된 물은 배출 공기와 함께 시스템 밖으로 배출되며, 습도가 너무 높거나 낮을 경우 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있다. 습도 관리는 배출 공기의 수분 함량을 적절하게 조절하여 전지 스택의 성능 저하를 방지하는 데 중요한 역할을 한다.

배출되는 공기의 습도는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

$H_{\text{out}} = \frac{m_{\text{H}_2\text{O}}}{m_{\text{air}} + m_{\text{H}_2\text{O}}} \times 100$

여기서:

$H_{\text{out}}$ : 배출 공기의 습도 (%)
$m_{\text{H}_2\text{O}}$ : 배출된 물의 질량 (kg)
$m_{\text{air}}$ : 배출된 공기의 질량 (kg)

배출 공기의 습도를 적절하게 유지하는 것은 연료 전지 시스템의 수명을 연장하고, 배출 공기에서 발생할 수 있는 응축 현상을 방지하는 데 도움이 된다.