Feasibility study of turbo-compressor application in polymer electrolyte membrane fuel cell powered aircraft propulsion system

Abstract

With growing concern of environmental pollution and depletion of fossil fuels, industries are searching for greener power sources. For this reason, theres a lot of research on eco-friendly energy use in the aircraft field. Using hydrogen and electricity is the most representative way to use ecofriendly power source. Fuel cell is an energy converter which uses hydrogen and oxygen to generate electricity, and recently, it is one of the technologies that are getting attention in aircraft industry. To minimize the adverse effects of changes in atmospheric pressure due to transitions of altitude on the operation of the fuel cell stack, using turbo-compressor is one of the approaches to increase system efficiency compared to conventional systems. When the fuel cell operated at pressurized system, compressor uses power generated from turbine, so it reduces the amount of consumed power from motor. In this study, a polymer electrolyte membrane fuel cell system is considered as a propulsion system for urban air mobilities (UAMs). At first, conventional compressor system and turbo-compressor system designed for fuel cell aircraft propulsion using GT-Suite program are introduced, and parametric study is conducted by changing the parameters of the two systems in air supply line. After that, the applicability of using a turbo-compressor in a specific mission profile for UAM propulsion is presented through a system modeling analysis. By proposing the useful sections to use turbo-compressor in UAM mission profile, it discusses the aspect to consider in practical applications.

환경오염의 문제성과 화석연료 고갈의 우려가 증가함에 따라, 산업 분야에서 친환경 동력을 쓰고자 하는 노력이 커지고 있다. 이로 인해, 항공기 분야에서도 친환경 동력 연구가 많이 진행되고 있고, 친환경 동력을 이용하는 방법으로는 수소와 전기를 이용하는 기술이 각광받고 있다. 연료전지는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산해내는 에너지 변환 장치로, 항공기 분야에서는 중요시되고 있다. 고도 변화에 따른 대기압의 변화가 연료전지 스택 운전에 미치는 악영향을 최소화하기 위해 압축기를 통한 가압 운전을 수행함에 있어서, 압축기 운행에 필요한 BOP 전력 소모를 줄이는 데 터빈에서 발생된 축 동력을 활용함으로써 기존 시스템 대비 전반적으로 효율을 높일 수 있다. 해당 논문에서는 고분자 전해질 막 연료전지 시스템을 도심형 항공기 (UAM) 추진 시스템으로 이용한다. GT-Suite 를 이용하여 연료전지 추진 시스템 내의 기존 압축기 시스템 모델과 터보 컴프레서 시스템 모델 구성을 소개한다. 그 다음으로, 두 시스템의 공기라인에서 나타나는 변수인 과급률과 후단압력 밸브의 시스템 효율 영향을 분석해본다. 시스템 모델 분석을 통해 특정 UAM 비행 프로필에서 터보 컴프레서 설계의 적용 가능성을 설명한 뒤, 이를 이용하여 UAM 비행 프로파일 중, 터보 컴프레서가 유용할 수 있는 운전 영역을 제시함으로써 실제 적용에서 고려해야 할 측면에 대해 논의한다.