연료 전지 수소 재순환 시스템

Sep 12, 2025

수소 공급 시스템은 차량 안전과 작동 수명에 상당한 영향을 미칩니다.

수소 재순환 시스템은 다음의 핵심 구성 요소 역할을 합니다. 연료 전지 엔진의 수소 공급 시스템. 이 시스템의 주요 기능은 애노드 출구에서 스택 입구로 고습도 가스를 재순환시키는 것입니다. 이 과정은 미반응 수소의 재사용을 가능하게 할 뿐만 아니라 유입되는 수소 흐름의 가습을 가능하게 하여 외부 가습 시스템의 필요성을 없애고 연료 전지 시스템 구조를 간소화합니다. 현재 주류를 이루는 수소 재순환 펌프에는 루츠형, 클로형, 스크롤형, 베인형이 있으며, 베인형 펌프는 국내 시장에서 비교적 흔하지 않습니다.

고성능 수소 공급 시스템은 연료전지 차량의 주행 거리 연장과 내구성을 보장하기 위해 상당한 수소 저장 용량, 운영 안정성, 그리고 높은 안전 기준을 갖춰야 합니다. 차량 탑재 수소 공급 시스템은 압력/유량 조절 부품, 수소 누출 센서, 공급 파이프라인, 제어 시스템, 그리고 수소 재순환 시스템(일반적으로 수소 저장 용기 제외)으로 구성됩니다. 운영 워크플로는 연료 재충전, 저장, 그리고 공급의 세 단계로 구성됩니다.

1. 연료 공급: 수소 연료 공급소는 체크 밸브를 통해 수소를 선내 저장 탱크로 공급합니다.

2. 보관: 탱크는 35MPa 또는 70MPa 압력에서 고순도(99.999%) 수소를 유지합니다.

3. 공급: 연료 전지 작동 중 수소는 감압/조절 밸브를 통과하여 작동 압력에 도달한 후 전자 제어 밸브, 압력 센서, 유량계, 가습기를 거쳐 스택으로 유입됩니다. 잉여 수소는 재순환 시스템으로 유입되거나 대기 방출 전에 처리됩니다.

중요 시스템 요구 사항:

1. 안정적인 수소 공급으로 연료 전지 내구성 향상

저장 탱크 출구 압력(35/70 MPa)은 스택 작동 요구 사항을 상당히 초과합니다.

부적절한 압력 조절은 양성자 교환막 손상을 초래하여 돌이킬 수 없게 만들 수 있으므로 정밀한 압력 제어가 필요합니다.

2. 본질적인 안전이 필수입니다. 수소 시스템은 가연성이 매우 높은 가스이므로 압력, 온도 및 흐름 매개변수에 대한 포괄적인 모니터링이 필요합니다.

안전 구성요소(예: 센서, 압력 방출 밸브)를 구현하면 누출, 과압, 과열 및 흐름 이상을 방지할 수 있습니다.

수소 재순환 장치: 활용 및 물 관리 최적화

수소 재순환 장치는 스택 물 관리 문제를 해결하는 동시에 수소 활용도를 크게 향상시켜 연료전지 엔진의 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 표준 방식은 작동 중 생성된 물을 기액 분리를 통해 추출하고, 회수된 수소를 시스템에 다시 주입하는 것입니다. 이 과정은 다음과 같습니다.

재순환 가스의 수증기를 통해 내재적 가습을 제공합니다.

물 축적("홍수")을 방지하기 위해 양극 흐름 속도를 증가시킵니다.

전반적인 수소 활용 효율성을 향상시킵니다.

재순환 시스템 구성:

현재 구현에서는 주로 수소 재순환 펌프와 이젝터를 개별적으로 또는 조합하여 활용합니다.

1. 수소 재순환 펌프 :

동적 흐름 조정을 위해 가변 주파수 모터 제어를 사용합니다.

장점: 전력 범위 전반에 걸쳐 수소 순환 유연성 향상

단점: 추가적인 전력 소모

2. 이젝터 :

보조 전원 요구 사항 없는 수동 작동

장점: 간단한 구조, 작동 안정성, 연장된 서비스 수명