KR101091893B1 - Turbo generator apparatus and fuel cell system with the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 하우징과; 상기 하우징으로부터 차례로 연장된 콤프레서 스크롤 및, 터빈 스크롤과; 상기 하우징, 상기 콤프레서 스크롤 및, 상기 터빈 스크롤을 통하여 연장되고 회전 가능하게 설치된 타이 샤프트와; 상기 하우징 내에서 상기 타이 샤프트에 결합된 로터와; 상기 콤프레서 스크롤에 대응하여 상기 타이 샤프트에 결합된 임펠러와; 상기 터빈 스크롤에 대응하여 상기 타이 샤프트에 결합된 터빈 휠과; 상기 로터에 대응하여 상기 하우징의 내측에 설치된 고정자 권선부와; 상기 임펠러로부터 이격된 상기 타이 샤프트의 제 1 단부의 위치 및, 상기 임펠러에 근접한 위치에서 상기 타이 샤프트를 각각 회전 가능하게 유지하는 제 1 및, 제 2 라디얼 베어링과; 상기 타이 샤프트의 제 1 단부에 결합된 쓰러스트 디스크와; 상기 쓰러스트 디스크의 전방 및, 후방에 각각 배치된 제 1 및, 제 2 쓰러스트 베어링;을 구비하는 터보 제네레이터 장치 및, 그것을 구비한 연료 전지 시스템이 제공된다.
According to the invention, the housing; A compressor scroll and a turbine scroll extending sequentially from the housing; A tie shaft extending and rotatably installed through the housing, the compressor scroll, and the turbine scroll; A rotor coupled to the tie shaft in the housing; An impeller coupled to the tie shaft corresponding to the compressor scroll; A turbine wheel coupled to the tie shaft corresponding to the turbine scroll; A stator winding part installed inside the housing corresponding to the rotor; First and second radial bearings respectively rotatably holding said tie shaft at a position at said first end of said tie shaft spaced from said impeller and at a position proximate to said impeller; A thrust disk coupled to the first end of the tie shaft; A turbogenerator device having first and second thrust bearings disposed at the front and rear of the thrust disc, respectively, and a fuel cell system having the same are provided.
Description
도 1 에 도시된 것은 종래 기술에 따른 터보 제네레이터 장치에 대한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a turbogenerator device according to the prior art.
도 2 에 도시된 것은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 제네레이터 장치에 대한 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a turbogenerator device according to an embodiment of the present invention.
도 3 에 도시된 것은 도 2 에 도시된 터보 제네레이터 장치의 길이 방향의 일부분을 확대하여 도시한 단면도이다.3 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the turbo generator device shown in FIG. 2 in the longitudinal direction.
도 4 에 도시된 것은 타이 샤프트의 전방 부분에서 쓰러스트 디스크와 베어링들이 상호 조립된 상태를 확대하여 도시한 단면도이다.4 is an enlarged cross-sectional view showing a state where the thrust disk and the bearings are assembled to each other at the front portion of the tie shaft.
도 5 에 도시된 것은 쓰러스트 디스크와 베어링들을 분해 상태로 도시한 것이다.5 shows the thrust disk and bearings in an exploded state.
도 6 은 터보 제네레이터 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.6 is a schematic structural diagram of a fuel cell system having a turbo generator device.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 ><Brief Description of Major Codes in Drawings>
31. 타이 샤프트 32. 로터31.Tie Shaft 32.Rotor
33. 임펠러 34. 터빈 휠33.
본 발명은 터보 제네레이터 장치 및, 그것을 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조립 및, 분해가 용이하고 베어링의 냉각 효율이 우수한 터보 제네레이터 시스템 및, 그것을 구비한 연료 전지 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 터보 제네레이터 장치는 콤프레서, 개스 터빈 및, 모터-제네레이터가 동축선상에 결합된 장치로서, 압축된 공기와 연료를 연소시켜서 발생된 연소 개스로 개스 터빈을 회전시킴으로써 콤프레서 및, 모터-제네레이터의 회전력을 얻을 수 있는 장치이다. 상세하게는, 콤프레서의 작동에 의해서 압축된 공기가 연소기로 공급됨과 동시에 연료가 분사됨으로써 연소가 이루어지고, 연소에 의해 발생된 고온 고압의 배출 개스를 이용하여 개스 터빈을 회전시키며, 개스 터빈의 회전축과 동축선상에 설치된 콤프레서와 모터-제네레이터를 회전됨으로써 공기의 압축과 전력을 얻을 수 있도록 되어 있다. 이러한 터보 제네레이터 장치는 소형 발전기로 응용될 수도 있으며, 최근에는 연료 전지와 결합된 연료 전지 시스템으로 구성될 수 있다. In general, a turbogenerator device is a device in which a compressor, a gas turbine, and a motor-generator are coaxially coupled to each other, and the rotational force of the compressor and the motor-generator by rotating the gas turbine with a combustion gas generated by burning compressed air and fuel. To get the device. Specifically, the compressed air is supplied to the combustor by the operation of the compressor and the fuel is injected to burn the fuel, and the gas turbine is rotated by using the high-temperature and high-pressure discharge gas generated by the combustion. Compressors and motor-generators on coaxial lines can be rotated to obtain air compression and power. Such a turbogenerator device may be applied as a small generator, and recently, may be configured as a fuel cell system combined with a fuel cell.
도 1 에 도시된 것은 종래 기술에 따른 터보 제네레이터 장치에 대한 개략적인 단면도로서, 이것은 미국 특허 제 6,198,174 호에 개시된 것이다.Shown in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a turbogenerator device according to the prior art, which is disclosed in US Pat. No. 6,198,174.
도면을 참조하면, 모터-제네레이터의 로터(12), 콤프레서의 임펠러(13) 및, 개스 터빈의 터빈 휠(14)이 타이 샤프트(11)에 의해서 동축선상에 결합된 것이 도 시되어 있다. 모터-제네레이터의 로터(12)는 영구 자석이며, 상기 모터-제네레이터의 로터(12)의 주변에는 고정자 권선부(22)가 설치된다. 따라서 로터(12)가 회전하면 상기 고정자 권선부(22)에는 유도 기전력이 발생될 수 있다. 임펠러(13)의 외주에는 콤프레서의 스크롤(15)이 형성되어 있으며, 공기 유입구(20)로부터 유입되는 공기가 임펠러(13)의 회전에 의해서 압축되어 상기 스크롤(15)을 통해 유출된다. 스크롤(15)을 통해 유출된 압축 공기는 도시되지 않은 연소기로 공급되어 연료와 함께 연소된다. Referring to the drawings, it is shown that the
터빈 휠(14)의 외주에는 개스 터빈의 터빈 스크롤(16)이 형성되어 있다. 연소기(미도시)에서 연료의 연소에 의해 발생된 고온 고압의 연소 개스는 터빈 스크롤(16)로 유입되며, 연소 개스의 작용에 의해서 터빈 휠(14)이 회전될 수 있다. 터빈 휠(14)의 회전은 타이 샤프트(11)를 통하여 임펠러(13)와 로터(12)를 회전시키게 된다. 터빈 스크롤(16)에서 팽창된 연소 개스는 배출 디퓨저(21)를 통하여 배출된다. The turbine scroll 16 of a gas turbine is formed in the outer periphery of the
도시된 바와 같은 터보 제네레이터 장치에서, 타이 샤프트(11)를 회전 가능하게 유지하는 것은 타이 샤프트(11)의 길의의 중간 부분에서 임펠러(13)에 근접하여 설치된 에어 포일 베어링(17,18) 및, 타이 샤프트(11)의 일 단부에 위치한 다른 에어 포일 베어링(19)이다. 특히 에어 포일 베어링(17)은 쓰러스트 베어링의 역할을 수행 하게 된다.In the turbogenerator device as shown, the rotatably holding the
위에 설명된 바와 같은 터보 제네레이터의 장치는 베어링 구조와 관련하여 다음과 같은 문제점을 가진다. 우선, 에어 포일 베어링(18)이 임펠러(13)와 로터 (68)의 사이에 존재하므로, 장치 전체의 길이가 불필요하게 길어지는 경향이 있다. 또한 에어 포일 베어링(18)의 조립 및, 분해 구조가 에어 포일 베어링 이외의 다른 부품들의 조립 및, 분해를 수반하는 적층 구조를 가지므로 분해 조립이 곤란하다는 문제점이 있다. The apparatus of the turbogenerator as described above has the following problems with respect to the bearing structure. First, since the air foil bearing 18 exists between the
한편, 쓰러스트 베어링의 역할을 하는 에어 포일 베어링(18)이 임펠러(13)와 터빈 휠(14)에 근접 배치된 것은 베어링의 열적 관리를 어렵게 한다. 즉, 임펠러(13)와 터빈 휠(14)에 근접한 부근에서는 고온의 분위기가 이루어지며, 더욱이 쓰러스트 베어링 자체에서도 열이 많이 발생하므로 베어링의 작용의 한계 상황에 보다 쉽게 도달할 수 있다. 따라서 에어 포일 베어링(18) 및, 다른 부품들의 교환 시기가 빨라지는등의 문제가 발생할 수 있는 것이다.On the other hand, the arrangement of the air foil bearing 18 serving as the thrust bearing in close proximity to the
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 개선된 터보 제네레이터 장치를 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention to provide an improved turbogenerator device.
본 발명의 다른 목적은 베어링의 수명이 보장되고, 베어링 교환시의 분해 조립이 용이한 터보 제네레이터 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a turbogenerator device which ensures the life of a bearing and facilitates disassembly and assembly at the time of bearing replacement.
본 발명의 다른 목적은 분리형으로 개선된 쓰러스트 베어링을 구비한 터보 제네레이터 장치를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a turbogenerator device with a thrust bearing which is improved separately.
본 발명의 다른 목적은 개선된 터보 제네레이터 장치를 구비한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system with an improved turbogenerator device.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,In order to achieve the above object, according to the present invention,
하우징과;A housing;
상기 하우징으로부터 차례로 연장된 콤프레서 스크롤 및, 터빈 스크롤과;A compressor scroll and a turbine scroll extending sequentially from the housing;
상기 하우징, 상기 콤프레서 스크롤 및, 상기 터빈 스크롤을 통하여 연장되고 회전 가능하게 설치된 타이 샤프트와;A tie shaft extending and rotatably installed through the housing, the compressor scroll, and the turbine scroll;
상기 하우징 내에서 상기 타이 샤프트에 결합된 로터와;A rotor coupled to the tie shaft in the housing;
상기 콤프레서 스크롤에 대응하여 상기 타이 샤프트에 결합된 임펠러와;An impeller coupled to the tie shaft corresponding to the compressor scroll;
상기 터빈 스크롤에 대응하여 상기 타이 샤프트에 결합된 터빈 휠과;A turbine wheel coupled to the tie shaft corresponding to the turbine scroll;
상기 로터에 대응하여 상기 하우징의 내측에 설치된 고정자 권선부와;A stator winding part installed inside the housing corresponding to the rotor;
상기 임펠러로부터 이격된 상기 타이 샤프트의 제 1 단부의 위치 및, 상기 임펠러에 근접한 위치에서 상기 타이 샤프트를 각각 회전 가능하게 유지하는 제 1 및, 제 2 라디얼 베어링과;First and second radial bearings respectively rotatably holding said tie shaft at a position at a first end of said tie shaft spaced from said impeller and at a position proximate to said impeller;
상기 타이 샤프트의 제 1 단부에 결합된 쓰러스트 디스크와;A thrust disk coupled to the first end of the tie shaft;
상기 쓰러스트 디스크의 전방 및, 후방에 각각 배치된 제 1 및, 제 2 쓰러스트 베어링;을 구비하는 터보 제네레이터 장치가 제공된다.Provided are a turbogenerator device including first and second thrust bearings disposed in front and rear of the thrust disc, respectively.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제 1 라디얼 베어링과 상기 제 2 쓰러스트 베어링은 일체로 형성된다. According to one feature of the invention, the first radial bearing and the second thrust bearing are integrally formed.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 및, 제 2 라디얼 베어링과, 상기 제 1 및, 제 2 쓰러스트 베어링은 에어 포일 베어링이다.According to another feature of the invention, the first and second radial bearings and the first and second thrust bearings are air foil bearings.
또한 본 발명에 따르면, 하우징내에 배치된 것으로서, 모터-제네레이터를 구 성하는 로터와 고정자 권선부, 콤프레서를 구성하는 임펠러 및, 개스 터빈을 구성하는 터빈 휠이 동일축의 타이 샤프트상에 회전 가능하도록 설치됨으로써 이루어지며, 상기 타이 샤프트는 상기 임펠러로부터 이격된 상기 타이 샤프트의 제 1 단부의 위치 및, 상기 임펠러에 근접한 위치에 각각 배치된 제 1 및, 제 2 라디얼 베어링과, 상기 타이 샤프트의 제 1 단부에 결합된 쓰러스트 디스크와, 상기 쓰러스트 디스크의 전방 및, 후방에 각각 배치된 제 1 및, 제 2 쓰러스트 베어링에 의해 회전 가능하게 유지되는 터보 제네레이터와; Further, according to the present invention, a rotor disposed in a housing, a stator winding portion, an impeller constituting a compressor, and a turbine wheel constituting a gas turbine are rotatably installed on a coaxial tie shaft. And the tie shaft comprises first and second radial bearings disposed at positions of a first end of the tie shaft spaced apart from the impeller and at positions close to the impeller, respectively, and a first of the tie shaft. A thrust disk coupled to an end, and a turbo generator rotatably held by first and second thrust bearings disposed respectively in front of and behind the thrust disk;
상기 콤프레서에서 압축된 공기가 공급되는 연료 전지와; A fuel cell supplied with compressed air from the compressor;
상기 연료 전지에서 가열된 공기와 연료 공급기로부터 공급되는 연료를 연소시켜서 고온 고압의 연소 개스를 발생시키는 연소기와; A combustor configured to combust the heated air in the fuel cell and the fuel supplied from the fuel supply to generate a combustion gas of high temperature and high pressure;
상기 모터-제네레이터에서 발생된 전류로써 충전되거나 또는 충전된 전류를 상기 모터-제네레이터에 공급하기 위한 배터리와; A battery for supplying or charged with the current generated in the motor-generator to the motor-generator;
상기 배터리로부터 상기 모터-제네레이터에 대하여 전류의 공급을 개시하기 위한 시작 신호를 인가하는 시작 신호 인가부와; A start signal applying unit for applying a start signal for starting supply of current from the battery to the motor-generator;
상기 배터리와 상기 모터-제네레이터 사이에서 전류의 방향을 변환시키기 위한 스위치부와; A switch unit for converting a direction of current between the battery and the motor-generator;
상기 스위치부에서의 전류의 방향 변환 작동을 제어하기 위한 제어부와; A control unit for controlling an operation of changing the direction of the current in the switch unit;
상기 터보 제네레이터의 작동 상태를 감지하여 작동 상태 정보를 상기 제어부에 전달하기 위한 센서부;를 구비하는 연료 전지 시스템이 제공된다.Provided is a fuel cell system comprising: a sensor unit for detecting an operating state of the turbo generator and transmitting operating state information to the control unit.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세히 설 명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings.
도 2 에 도시된 것은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 제네레이터 장치에 대한 개략적인 단면도이며, 도 3 에 도시된 것은 도 2 에 도시된 터보 제네레이터 장치의 길이 방향의 일부분을 확대하여 도시한 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a turbogenerator device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the turbogenerator device shown in FIG. 2 in the longitudinal direction. .
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 터보 제네레이터는 하우징(41)과, 상기 하우징(41)의 제 1 측에 설치된 공기 유입부(50)와, 상기 하우징(41)의 제 2 측에서 상기 하우징(41)에 연장되어 설치된 콤프레서 스크롤(35)과, 상기 콤프레서 스크롤(35)에 근접하여 설치된 터빈 스크롤(36)과, 상기 하우징(41), 상기 콤프레서 스크롤(35) 및, 상기 터빈 스크롤(36)을 통하여 연장되어 회전 가능하게 설치된 타이 샤프트(31)와, 상기 하우징(41) 내에서 타이 샤프트(31)에 결합된 로터(32)와, 상기 콤프레서 스크롤(35)에 대응하여 상기 타이 샤프트(31)에 설치된 임펠러(33)와, 상기 터빈 스크롤(36)에 대응하여 상기 타이 샤프트(31)에 결합된 터빈 휠(34)과, 상기 로터(32)에 대응하여 상기 하우징(31)의 내측에 설치된 고정자 권선부(42)를 구비한다. 로터(32)는 통상적으로 영구 자석으로 이루어지고, 로터(32)는 실질적으로 타이 샤프트(31)와 일체형으로 형성된다. 고정자 권선부(42)는 도전성 코일을 감아서 만든 것이다. 터빈 휠(34)의 회전력에 의해 고정자 권선부(42)의 내측에서 로터(32)가 회전하면 고정자 권선부(42)를 형성하는 도전성 코일에 전류가 발생하므로 제네레이터의 역할을 하게 된다. 반대로, 외부의 전류를 고정자 권선부(42)에 인가하면 로터(32)를 회전시킬 수 있는 모터의 역할을 할 수 있으므로, 그에 의해 임펠러(33) 및, 터빈 휠(34)을 회전시켜서 터보 제네레이터를 기동시킬 수 있다.
Referring to FIG. 2, the turbogenerator according to the present invention includes a
도 3 을 참조하면, 본 발명의 일 특징에 따라서, 타이 샤프트(31)의 제 1 단부에서 상기 타이 샤프트(31)를 회전 가능하게 유지하는 제 1 라디얼 베어링(48)과, 상기 임펠러(33)에 근접한 위치에서 상기 타이 샤프트(31)를 회전 가능하게 유지하는 제 2 라디얼 베어링(45)이 구비된다. 상기 제 1 및, 제 2 라디얼 베어링(48,45)은 에어 포일 베어링인 것이 바람직스럽다. 도면에 도시된 바로부터 알 수 있는 바로서, 상기 타이 샤프트(31)는 상기 로터(32)와 실질적으로 일체로 형성되어 있으며, 따라서 양 단부에서는 단면 직경이 작은 타이 샤프트(31)가 로터(32)에 근접한 부분에서는 단면 직경이 단계적으로 증가되어 있다. 따라서 상기 제 1 및, 제 2 라이얼 베어링(48,45)은 실질적으로 상기 타이 샤프트(31)에서 직경이 증가된 부분에 대응하여 배치됨으로써 타이 샤프트(31)를 회전 가능하게 유지할 수 있다. Referring to FIG. 3, according to one feature of the invention, the first
또한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 타이 샤프트(31)의 제 1 단부에 결합된 쓰러스트 디스크(49)와, 상기 쓰러스트 디스크(49)의 전방에 배치된 제 1 쓰러스트 베어링(46)과, 상기 쓰러스트 디스크(49)의 후방에 배치된 제 2 쓰러스트 베어링(47)을 구비한다. 제 1 쓰러스트 베어링(46)은 그것의 외측 가장자리가 하우징(41)의 내표면에 고정됨으로써 설치되고, 제 2 쓰러스트 베어링(47)은 상기 제 1 라디얼 베어링(48)과 실질적으로 일체로 형성되는 것이 바람직스럽다. 제 2 쓰러스트 베어링(47)의 외측 가장자리도 상기 하우징(41)의 내표면에 고정된다. 제 1 및, 제 2 쓰러스트 베어링(46,47)은 공지의 에어 포일 베어링으로서 구성될 수 있다.According to another feature of the present invention, the
도 4 에 도시된 것은 타이 샤프트의 전방 부분에서 쓰러스트 디스크와 베어링들이 상호 조립된 상태를 확대하여 도시한 단면도이고, 도 5 에 도시된 것은 쓰 러스트 디스크와 베어링들을 분해 상태로 도시한 것이다.4 is an enlarged cross-sectional view of a state in which the thrust disk and the bearings are assembled to each other at the front portion of the tie shaft, and FIG. 5 shows the thrust disk and the bearings in an exploded state.
도 4를 참조하면, 타이 샤프트(31)의 전방에 쓰러스트 디스크(49)가 결합되고, 쓰러스트 디스크(49)를 정위치에 고정시키기 위해서 타이 샤프트(31)의 단부에 체결구(31)가 고정된다. 쓰러스트 디스크(49)는 타이 샤프트(31)를 통해 전달되는 전방향 및, 후방향의 축 쓰러스트(thrust)를 제 1 쓰러스트 베어링(46)과 제 2 쓰러스트 베어링(47)을 통하여 유지할 수 있다. 도 5를 통하여 각 베어링 및, 쓰러스트 디스크의 개별 구조를 이해할 수 있다.Referring to FIG. 4, the
위에 설명된 터보 제네레이터의 작용을 도면들을 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다. The operation of the above-described turbo generator will be described schematically with reference to the drawings.
도 2를 참조하면, 하우징(41)의 제 1 측에 설치된 공기 유입부(50)를 통하여 외부의 공기가 하우징(41) 안으로 유입될 수 있다. 이때, 공기 유입부(50)의 전방에는 공기 필터(미도시)등이 설치될 수 있으며, 공기 필터의 작용에 의해서 공기가 여과될 수 있다. Referring to FIG. 2, outside air may be introduced into the
하우징(41)으로 유입되는 외부 공기는 상대적으로 온도가 낮은 유체이므로, 공기가 하우징(41)의 다른 측에 설치된 콤프레서 스크롤(35)을 향하여 유동하는 동안에 베어링들을 냉각시키는 작용을 할 수 있다. 즉, 하우징(41)의 내측으로 유입되는 공기는 우선 제 1 쓰러스트 베어링(46)과 제 2 쓰러스트 베어링(47) 및, 제 1 라디얼 베어링(48)을 냉각시키며, 다음에 임펠러(33)에 근접하여 배치된 제 2 라디얼 베어링(45)을 냉각시킬 수 있다. Since the outside air flowing into the
유입된 공기는 임펠러(33)에 의한 압축 작용을 받은 후에 고압의 상태로 콤 프레서 스크롤(35)에 유입된다. 압축된 공기는 콤프레서 스크롤(35)에 연결된 유로를 통해서 외부의 다른 구성 요소로 공급될 수 있다. 위에서 언급된 미국 특허 제 6,198,174 호의 경우에, 콤프레서에 의해 압축된 고압의 공기를 이용하여 개스 터빈으로부터 배출되는 고온의 배출 개스와 열교환을 수행하였다. 본원 발명에서는 특히 콤프레서에 의해 압축된 공기가 연료 전지(미도시)의 작동 유체로서 사용될 것이며, 이에 관해서는 이후에 보다 상세하게 설명될 것이다.The introduced air flows into the
콤프레서에 의해 압축된 공기는 열교환에 이용되거나 또는 연료 전지의 반응에 이용된 이후에 연소기(미도시)에서 연료와 함께 연소되며, 그에 의해 발생된 고온 고압의 연소 개스는 개스 터빈의 터빈 스크롤(36)로 유입된다. 터빈 스크롤(36)로 유입된 연소 개스는 터빈 휠(34)을 회전시키게 되며, 이후에 배출 디퓨저(36)를 통하여 외부로 배출된다. The air compressed by the compressor is combusted with fuel in a combustor (not shown) after it is used for heat exchange or for the reaction of the fuel cell, whereby the high temperature and high pressure combustion gas generated is produced by the turbine scroll of the gas turbine. Flows into). The combustion gas entering the
도 6 에는 위에 설명된 터보 제네레이터 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 6 shows a schematic diagram of a fuel cell system having a turbogenerator device as described above.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 터보 제네레이터를 구비한 연료 전지 시스템은, 공기 유입부가 일측에 형성된 하우징(41)내에 배치된 것으로서, 모터-제네레이터를 구성하는 로터(32)와 고정자 권선부(42), 콤프레서를 구성하는 임펠러(33) 및, 개스 터빈을 구성하는 터빈 휠(34)이 동일축의 타이 샤프트(31)상에 회전 가능하도록 설치됨으로써 이루어진 터보 제네레이터(61)와; 상기 하우징(41)의 공기 유입부에 여과된 공기를 공급하도록 배치된 공기 필터(69)와; 상기 콤프레서에서 압축된 공기가 공급되는 연료 전지(62)와; 상기 연료 전지(62)에서 가열된 공기가 공 급되는 연소기(63)와; 상기 개스 터빈에 고온 고압의 연소 개스를 배출시킬 수 있도록 상기 연소기(63)에 연료를 공급하는 연료 공급기(64)와; 상기 모터-제네레이터에서 발생된 전류로써 충전되거나 또는 충전된 전류를 상기 모터-제네레이터에 공급하기 위한 배터리(74)와; 상기 배터리(74)로부터 상기 모터-제네레이터에 대하여 전류의 공급을 개시하기 위한 시작 신호를 인가하는 시작 신호 인가부(73)와; 상기 배터리(74)와 상기 모터-제네레이터 사이에서 전류의 방향을 변환시키기 위한 스위치부(72)와; 상기 스위치부(72)에서의 전류의 방향 변환 작동을 제어하기 위한 제어부(75)와; 상기 터보 제네레이터(61)의 작동 상태를 감지하여 작동 상태 정보를 상기 제어부(75)에 전달하기 위한 센서부(76)를 구비한다. Referring to the drawings, the fuel cell system including the turbo generator according to the present invention is disposed in the
공기 필터(69)를 통해 여과된 공기는 하우징(41)을 통하여 콤프레서에 공급되고, 이후에 차례로 연료 전지(62)에서 가열되고, 연소기(63)에서 연료와 함께 연소되며, 개스 터빈에 공급되어 터빈 휠(34)을 회전시킨 후에 외부로 배출된다. The air filtered through the
연료 전지(62)는 공지된 바와 같이 메탄올을 연료로 하여 열과 전기를 동시에 얻거나, 수소와 산소의 반응 등을 통해 전력을 얻는 장치이다. 연료 전지에서 발생하는 산화 환원 반응은 발열반응이므로, 상기 콤프레서로부터 공급되는 압축 공기는 그러한 산화 환원 반응으로부터 발생된 열에 의해서 가열될 수 있다. 그로 인해, 상기 압축 공기는 고온 고압의 작동 유체로서 배출된다. 그러나, 비록 연료 전지(63)에서 배출된 작동 유체가 온도가 고온 고압의 상태이기는 하나, 개스 터빈(34)을 구동하기에는 온도 및, 압력이 충분하지 않으므로, 상기 고온 고압의 작동 유체는 연소기(170)로 유입되어 연료 공급기(64)로부터 공급된 연료와 함께 연소됨 으로서 압력과 온도를 상승시킨다.As is well known, the
연소기(63)에서 연료를 연소시킴으로써 발생된 연소 개스는 개스 터빈으로 유입되어 터빈 휠(34)을 회전시킨다. 터빈 휠(34)의 회전은 타이 샤프트(31)를 통하여 콤프fp서의 임펠러(33) 및, 모터-제네레이터의 로터(42)를 함께 회전시킨다. 그로 인하여 모터-제네레이터에서 전기가 발생한다. 전류는 스위칭부(72)의 스위치 작동에 따라서 배터리(74)를 충전시키는 방향으로 인가될 수 있다.Combustion gas generated by burning fuel in the
도면 번호 65 로 표시된 것은 압축기에서 압축된 공기들중 일부가 개스 터빈으로 유입되어 개스 터빈의 냉각에 사용되는 것을 표시하는 것이다. 압축기에서 임펠러(33)에 의해 압축된 공기들중 일부는 개스 터빈으로 공급되어 개스 터빈에서 발생된 열을 냉각시키는데 사용될 수 있다. 이를 위해서 개스 터빈에서는 냉각 공기가 순환될 수 있는 공지의 에어 재킷(air jacket)과 같은 것이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에서도 위에서 설명된 바와 같이 공기 유입부가 터보 제네레이터(61)의 하우징(41)의 일측에 형성되어 있으며, 따라서 터보 제네레이터(61)의 콤프레서로 유입되는 공기는 하우징(41)을 통해서 공급된다. 따라서, 타이 샤프트(32)를 지지하는 베어링에 대한 냉각이 효과적으로 이루어질 수 있다. On the other hand, in the fuel cell system according to the present invention as described above, the air inlet is formed on one side of the
본 발명에 따른 터보 제네레이터 장치 및, 그것을 구비한 연료 전지 시스템은 터보 제네레이터의 타이 샤프트를 회전 가능하게 유지하는 라디얼 베어링 및, 쓰러스트 베어링을 용이하게 분해 조립할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 쓰러스트 베어링과 쓰러스트 디스크가 콤프레서 및, 개스 터빈의 고온부로부터 이격된 위치에 배치되므로, 열에 의한 열화 가능성이 줄어들고 그에 의해서 사용 수명이 연장되는 장점을 가진다. 더욱이, 쓰러스트 베어링의 전체적인 길이를 감소시켜서 제작할 수 있으므로 터보 제네레이터 장치를 더욱 소형화할 수 있으며, 가공성도 크게 향상된다는 장점이 있다. The turbogenerator device and the fuel cell system having the same according to the present invention have the advantage that the radial bearing for rotatably holding the tie shaft of the turbogenerator and the thrust bearing can be easily disassembled and assembled. In addition, since the thrust bearing and the thrust disc are disposed at a position spaced apart from the high temperature part of the compressor and the gas turbine, the possibility of deterioration due to heat is reduced and thereby the service life is extended. In addition, since the overall length of the thrust bearing can be reduced, the turbogenerator device can be further miniaturized, and the workability is greatly improved.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예지적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is only illustrative, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Could be. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
Claims (8)
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