KR100509818B1 - A Method and device for performing internal purge in fuel cell system - Google Patents

A Method and device for performing internal purge in fuel cell system Download PDF

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KR100509818B1 KR10-2003-0021601A KR20030021601A KR100509818B1 KR 100509818 B1 KR100509818 B1 KR 100509818B1 KR 20030021601 A KR20030021601 A KR 20030021601A KR 100509818 B1 KR100509818 B1 KR 100509818B1
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Abstract

본 발명은 스택전압과 스택내의 셀간 편차를 이용하여 연료 재순환 펌프와 퍼지 밸브를 제어하는 내부 퍼징을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 전극반응에서 발생된 물의 배출시 스택 후단에서 진공에 가까운 압력차를 이용해 반응가스인 수소, 산소(또는 공기)와 생성된 물을 외부로 유출시키지 않고 100% 재순환시킬 수 있다. 이러한 퍼지 방법은 (a) 복수개의 셀을 포함하는 스택의 셀 전압을 감지하는 단계, (b) 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생 유무를 판단하는 단계, (c) 플러딩 발생시, 스택 후단에 결합된 퍼지밸브와 재순환 펌프를 제어하여 퍼지밸브와 재순환 펌프 사이의 압력을 감압함으로써, 스택 내부와 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이에 압력차를 형성시키는 단계, (d) 퍼지 밸브를 개방함으로써, 압력차를 이용하여 스택 내부의 수분을 포함하는 가스 혼합물을 스택 외부로 방출시키는 단계, (e) 스택 후단과 퍼지 밸브 전단 사이에 구비된 수분리기에서 가스 혼합물을 수분 및 가스로 분리하는 단계, (f) 수분을 스택에 결합된 물 저장 탱크를 통하여 스택으로 재공급하며, 가스는 재순환 펌프를 통하여 스택으로 재공급하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention relates to a method and apparatus for performing internal purging to control a fuel recycle pump and a purge valve using a stack voltage and intercell variation within a stack. The present invention can be recycled 100% without flowing out the reaction gas of hydrogen, oxygen (or air) and the generated water by using a pressure difference close to the vacuum at the rear end of the stack during the discharge of water generated in the electrode reaction. The purge method includes (a) detecting a cell voltage of a stack including a plurality of cells, (b) determining whether there is a flooding occurrence using the cell voltage, and (c) a fuzzy coupled to the rear end of the stack when flooding occurs. Controlling the valve and the recirculation pump to reduce the pressure between the purge valve and the recirculation pump, thereby creating a pressure difference between the stack and the purge valve and the recirculation pump, (d) by opening the purge valve, (E) separating the gas mixture into water and gas in a water separator provided between the rear end of the stack and the front of the purge valve; (f) stacking the moisture Resupplying to the stack via a water storage tank coupled to the gas, and gas may be resupplied to the stack via a recycle pump.

Description

연료 전지 시스템에서 내부 퍼지를 수행하기 위한 방법 및 장치{A Method and device for performing internal purge in fuel cell system} A method and device for performing internal purge in fuel cell system

본 발명은 연료 전지 시스템에서 내부 퍼지를 수행하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 스택전압과 스택내의 셀간 편차를 이용하여 연료 재순환 펌프와 퍼지 밸브를 제어하는 내부 퍼징을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for performing an internal purge in a fuel cell system, and more particularly, to an internal purge controlling a fuel recycle pump and a purge valve using a stack voltage and an intercell variation within a stack. A method and apparatus for the same.

연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(수소) 및 공기(산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열로 변환시키는 장치이다. 현재, 연료 전지는 대체 전원으로서 다양한 용도로 사용되고 있으며, 이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자형 연료 전지를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 상기 고분자형 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등의 전원으로서 매우 다양한 분야에 사용되고 있다.A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using hydrogen gas and oxygen gas, and converts fuel (hydrogen) and air (oxygen) continuously supplied from the outside into electrical energy and heat by an electrochemical reaction. to be. Currently, fuel cells have been used for various purposes as alternative power sources. Hereinafter, polymer fuel cells of such fuel cells will be described below for convenience of description. The polymer fuel cell has a high power density and energy conversion efficiency and can be operated at a low temperature below 80 ° C., and can be miniaturized and encapsulated. It is used in a wide variety of fields.

이러한 고분자형 연료전지에서, 전기 에너지의 출력은 수소이온인 프로톤이 Nafion™이라는 고분자막을 통해 이동되는 정도에 의존하는데, 상기 고분자막이 수소이온을 전도하기 위하여는 적당한 수분으로 수화되어야 한다. 고분자막의 수화는 연료전지 스택의 작동온도에서 100%의 상대습도가 되도록, 별도의 가습장치를 통하여 연료전지의 애노드와 캐소드로 입력되는 반응가스를 각각 가습하게 된다. In such polymer fuel cells, the output of electrical energy depends on the extent to which protons, hydrogen ions, are transported through a polymer membrane called Nafion ™, which must be hydrated with adequate moisture to conduct the hydrogen ions. The hydration of the polymer membrane humidifies the reaction gas input to the anode and the cathode of the fuel cell through a separate humidifier so that the relative humidity is 100% at the operating temperature of the fuel cell stack.

연료전지의 운전 중에 캐소드의 반응 생성물로 물이 발생하며 과다한 물이 존재할 수 있는 조건이 발생하기도 한다. 상기 캐소드에서 생성된 과량의 물에 의하여, 고분자막을 통해 애노드의 역확산이 발생할 수 있으므로, 고분자막을 경계로 캐소드 및 애노드의 수분 조절이 연료 전지 운전에서 중요한 요소이다.During operation of the fuel cell, water is generated as a reaction product of the cathode, and a condition may occur in which excessive water may exist. Due to the excessive amount of water produced in the cathode, since the back diffusion of the anode may occur through the polymer membrane, the moisture control of the cathode and the anode around the polymer membrane is an important factor in the fuel cell operation.

즉, 애노드 및 캐소드를 포함하는 전극의 가습이 부족하면, 고분자막을 건조(dehydrate)시켜 상기 고분자막의 저항값이 올라간다. 이러한 고분자막의 저항값의 상승은 프로톤의 이동을 억제하므로 연료전지의 전기 효율을 감소시키는 문제점이 발생할 수 있다. 또한 과다한 물의 존재(flooding)는 전극으로의 가스의 이동 및 프로톤의 확산을 방해하여, 연료전지의 안정성을 떨어뜨림과 동시에 전기 변환 효율을 감소시킬 수 있다. 일반적으로 고분자형 연료전지에서는 건조 현상(dehydrate)보다는 과다의 수분(flooding, 이하 '플러딩'이라 칭함) 문제가 중요하다. That is, when the electrode and the cathode including the cathode lacks humidification, the polymer film is dehydrated to increase the resistance value of the polymer film. Increasing the resistance value of the polymer membrane may inhibit the movement of protons, thereby reducing the electrical efficiency of the fuel cell. In addition, the presence of excessive water (flooding) can interfere with the movement of gas to the electrode and the diffusion of protons, can reduce the stability of the fuel cell and at the same time reduce the electrical conversion efficiency. In general, in a polymer fuel cell, a problem of excess (flooding) problem is more important than dehydrate.

특히, 고전류 영역에서의 운전 환경에서는 캐소드에서 반응물의 생성이 과다해지며, 과량의 수분인 물방울로 인하여 촉매층으로의 가스의 공급 및 고분자막으로의 프로톤의 확산이 억제되므로 스택 전체의 성능 저하가 나타난다. 더욱 심각한 것은 스택 내에 존재하는 단위 셀(cell) 별로 균질하지 않은 물 분포로 인한 일부 셀의 성능 저하로 정상적인 운전이 어려워지는 문제점이 발생한다. 이와 같이, 고분자형 연료전지에서 발생되는 플러딩은 반응 효율의 저하는 물론 연료전지의 안정적인 운전을 어렵게 하는 중요한 인자이므로, 상기 과량의 수분을 스택 밖으로 배출시키는 것이 필수적으로 요구된다.In particular, in the operating environment in the high current region, the reactant is excessively generated in the cathode, and the excessive drop of water causes the supply of gas to the catalyst layer and the diffusion of protons into the polymer membrane to suppress the performance of the entire stack. More seriously, normal cell is difficult to operate due to deterioration of some cells due to inhomogeneous water distribution per unit cell existing in the stack. As such, flooding generated in the polymer fuel cell is an important factor that makes it difficult to stably operate the fuel cell as well as to decrease the reaction efficiency, and it is essential to discharge the excess water out of the stack.

기존 방식에 따른 연료 전지 물 배출 방법은 구조적인 방법 및 퍼지 방법으로 구분할 수 있다. 구조적인 방법이란, 분리판의 유로를 물 배출이 용이한 사형(serpentine) 형태로 설계하여 압력 강하와 유속에 따라 물 배출을 용이하게 하는 방법이 있다. 그리고 퍼지(purge) 방법은 스택 후단에 설치한 퍼지 밸브를 이용하여, 물과 가스의 혼합 형태로 물 배출을 촉진시키는 방법을 지칭한다. 퍼지 방법과 관련된 종래의 기술은 다음과 같다.Fuel cell water discharge method according to the conventional method can be divided into a structural method and a purge method. In the structural method, there is a method of designing the flow path of the separator plate in the form of a serpentine that facilitates the discharge of water, thereby facilitating the discharge of water according to the pressure drop and the flow rate. The purge method refers to a method of promoting water discharge by mixing water and gas by using a purge valve installed at the rear of the stack. The prior art associated with the purge method is as follows.

첫째, 스택 후단에서 주기적으로 솔레노이드 밸브의 개폐를 수행하여, 가스의 압력을 저하시킨 후, 차압에 의하여 스택 내에 존재하는 물이 가스와 함께 스택 외부로 배출되게 하는 방법이다. 그러나 이 방법은 퍼지 밸브가 열려 있는 시간 및 퍼지 간격이 일정하게 고정되어 있어 물 배출 효과가 높지 않다는 단점이 있다. First, after opening and closing the solenoid valve periodically at the rear end of the stack to reduce the pressure of the gas, the water present in the stack is discharged out of the stack together with the gas by the differential pressure. However, this method has a disadvantage in that the time for opening the purge valve and the purge interval are fixed fixedly so that the water discharge effect is not high.

스택에서의 물 생성량은 작동 전류와 스택의 온도에 의존하기 때문에 퍼지 조건과 물 배출이 비례관계가 아니므로, 미리 설정된 시간에 상응하여 수행하는 일률적인 퍼지는 효율적이지 못하다. 예를 들어, 고전류 영역에서 운전 시에는 물 발생이 많아 미리 설정된 퍼지 사이클에도 불구하고 여전히 플러딩 상황이 이어질 수 있으며, 물 생성량보다 퍼지 사이클이 짧거나 퍼지 간격이 길 경우에는 필요 이상으로 물과 가스의 배출이 이루어져 반응 가스의 손실이 발생 될 수 있다. 특히 애노드의 경우는 과도한 물의 손실로 막의 건조를 유발하여 고분자막의 이온 전도도를 감소시킬 가능성이 있다. Since the amount of water produced in the stack depends on the operating current and the temperature of the stack, the purge condition and the water discharge are not proportional to each other, so that the uniform purge performed corresponding to the preset time is not efficient. For example, when operating in a high current region, water generation is high and a flooding situation may still occur despite a preset purge cycle, and if the purge cycle is shorter than the water generation or the purge interval is longer than the water generation, Emissions can result in loss of reactive gases. In the case of the anode in particular, there is a possibility of reducing the ion conductivity of the polymer membrane by causing the membrane to dry due to excessive water loss.

둘째, 이러한 문제점을 보완하기 위한 퍼지 방법이 미국특허 US 6,242,120에 개시되어 있다. 즉, 생성되는 물의 양에 비례하는 스택의 성능 항목을 측정하여, 퍼지 밸브가 열리는 시점을 결정하는 방법이다. 즉 미리 정해진 일정한 값에 스택의 측정 값이 도달하면 퍼지 밸브가 열리게 하는 방법이다. 여기서 스택의 성능을 표현하는 측정 항목으로는 물 생성 정도를 나타낼 수 있는 수소 소모율, 전류, 전력 등의 항목을 제시하였다. 성능 측정의 방법으로는 실시간 측정치와 이들 값의 일정 시간동안의 적분값(cumulative value)을 기준으로 한 방법이 제시되어 있다. 이 방법은 미리 평균적으로 정해진 퍼지 간격 대신에 스택에서의 성능 신호를 받아 물이 과다한 조건에 도달하면 퍼지를 해준다는 장점은 있으나, 스택 전체의 평균값을 제어 신호로 받아들임으로서 실제의 플러딩에서 문제가 되는 셀간 불균일에 대한 대응을 하지 못하는 문제점이 있다. Secondly, a purge method for solving this problem is disclosed in US Pat. No. 6,242,120. That is, by measuring the performance items of the stack proportional to the amount of water generated, it is a method of determining when the purge valve is opened. In other words, when the measured value of the stack reaches a predetermined value, the purge valve is opened. Here, as the measurement items expressing the stack performance, items such as hydrogen consumption rate, current, and power that can indicate the degree of water generation were presented. As a method of performance measurement, a method based on real-time measurements and cumulative values of these values for a predetermined time is presented. This method has the advantage of receiving a performance signal from the stack instead of a predetermined average purge interval and purging when the water reaches an excessive condition.However, it is a problem in actual flooding by taking the average value of the entire stack as a control signal. There is a problem that can not respond to the non-uniformity between cells.

좀 더 상세히 설명하면, 스택에서의 플러딩은 스택 전체의 성능 저하가 나타나기 이전에 먼저 셀간 전류 및 전압의 불균일이 수반되므로, 스택의 평균값으로 퍼지를 제어하는 것은 효율적이지 못하다. 또한, 퍼지 시에 배출되는 가스와 물을 외부로 배출시키므로 손실이 발생하여 연료 이용률을 저하시켜 결국 스택 효율 및 시스템 효율이 저하된다. 특히, 외부와 물 공급 라인이 단절된 재생형 연료전지 시스템이나 이동형 연료전지 시스템의 경우는 가습에 필요한 물의 손실을 의미한다.In more detail, flooding in a stack involves unevenness of inter-cell currents and voltages before degrading the stack as a whole, and controlling the purge to the average value of the stack is not efficient. In addition, since the gas and water discharged at the time of purge is discharged to the outside, a loss occurs to lower the fuel utilization rate, which in turn lowers stack efficiency and system efficiency. In particular, in the case of a regenerative fuel cell system or a mobile fuel cell system in which the external water supply line is disconnected, it means the loss of water required for humidification.

상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 퍼지는 연료를 외부로 배출함으로써 연료의 낭비를 초래하며 동시에, 배출된 수소 또는 산소가 외부 공기에 영향을 미칠 수 있다. 또한 퍼지시 물을 외부로 배출함에 따라 물을 수거하지 못하는 문제점이 있다. 이와 같은 연료 및 물의 낭비는 가스 이용률 저하, 연료전지 효율저하, 성능저하 등과 같은 문제점을 발생시킨다. 특히, 실내 사용시 환기가 중요한 운전 환경(발라드사의 Nexa는 연료의 외부 배출에 따라 실내 사용시 환기가 매우 중요함)에서 사용이 제한되는 문제점이 있다.As described above, the purge according to the prior art causes waste of the fuel by discharging the fuel to the outside, and at the same time, the discharged hydrogen or oxygen can affect the outside air. In addition, there is a problem that can not be collected as the water is discharged to the outside during purge. Such waste of fuel and water causes problems such as lower gas utilization, lower fuel cell efficiency, and lower performance. In particular, there is a problem that the use is limited in the operating environment (ventilation Nexa is very important for indoor use according to the external discharge of the fuel), the ventilation is important when using indoors.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료의 이용률이 100%인 퍼지 방법 및 장치를 제공함에 있다. 즉, 본 발명은 스택의 물 배출을 용이하게 해주는 내부 퍼지 방법 및 장치를 통하여, 퍼지의 효과를 향상시킴과 동시에 연료 이용률이 100%인 연료의 완전 이용이 가능한 퍼지 방법 및 장치를 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and provides a purge method and apparatus having a fuel utilization of 100%. That is, the present invention provides a purge method and apparatus which can fully utilize fuel having 100% fuel utilization while improving the effect of purging through an internal purge method and apparatus for facilitating discharge of water from the stack.

또한, 본 발명의 다른 목적은 퍼지 작동에 필요한 스택의 측정 신호를 스택의 평균 전압뿐 아니라, 스택내의 셀간 전압편차를 이용하여 판단함으로서, 연료전지의 운전 안정성과 스택 효율을 개선할 수 있는 퍼지 방법 및 장치를 제공함에 있다. In addition, another object of the present invention is to determine the measurement signal of the stack required for the purge operation using not only the average voltage of the stack, but also the voltage difference between cells in the stack, thereby purging the operation stability and stack efficiency of the fuel cell. And providing an apparatus.

본 발명의 또 다른 목적은 연료와 물의 100% 활용이 가능한 차단 시스템을 구성하여, 배출된 물을 100% 재활용하는데 있다. 즉, 본 발명은 연료 전지 시스템이 지속적인 물 공급이 가능한 인프라와 연결되어 있지 않은 동작 환경에서도 내부의 물을 자체적으로 이용하여 가습하므로, 효율이 높은 재생형 연료전지, 이동형 연료전지 등에 사용될 수 있다. Still another object of the present invention is to construct a blocking system capable of utilizing 100% of fuel and water, and to recycle 100% of the discharged water. That is, the present invention can be used in a highly efficient renewable fuel cell, a mobile fuel cell, etc., because the fuel cell system humidifies using internal water by itself even in an operating environment in which the fuel cell system is not connected to an infrastructure capable of continuously supplying water.

상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료 전지 시스템의 플러딩을 제거하기 위한 퍼지 방법이 제공될 수 있다. According to one aspect of the present invention to achieve the above objects, there can be provided a purge method for removing the flooding of the fuel cell system.

상기 퍼지 방법은 (a) 복수개의 셀을 포함하는 스택의 셀 전압을 감지하는 단계, (b) 상기 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생 유무를 판단하는 단계, (c) 플러딩 발생시, 상기 스택 후단에 결합된 퍼지밸브와 재순환 펌프를 제어하여 상기 퍼지밸브와 재순환 펌프 사이의 압력을 감압함으로써, 상기 스택 내부와 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이에 압력차를 형성시키는 단계, (d) 상기 퍼지 밸브를 개방함으로써, 상기 압력차를 이용하여 상기 스택 내부의 수분을 포함하는 가스 혼합물을 상기 스택 외부로 방출시키는 단계, (e) 상기 스택 후단과 상기 퍼지 밸브 전단 사이에 구비된 수분리기에서 상기 가스 혼합물을 수분 및 가스로 분리하는 단계, (f) 상기 수분을 상기 스택에 결합된 물 저장 탱크를 통하여 상기 스택으로 재공급하며, 상기 가스는 상기 재순환 펌프를 통하여 상기 스택으로 재공급하는 단계를 포함할 수 있다.The purge method includes the steps of (a) detecting a cell voltage of a stack including a plurality of cells, (b) determining whether flooding is generated using the cell voltage, and (c) when flooding occurs, coupled to a rear end of the stack. Controlling the purge valve and the recirculation pump to reduce the pressure between the purge valve and the recirculation pump, thereby forming a pressure difference between the inside of the stack and the purge valve and the recirculation pump, (d) by opening the purge valve. Using the pressure difference to discharge a gas mixture containing moisture in the stack to the outside of the stack, (e) water and the gas mixture in a water separator provided between the rear end of the stack and the front end of the purge valve. Separating into gas, (f) refeeding the moisture to the stack through a water storage tank coupled to the stack, the gas being recirculated It may comprise the step of re-supplied to the stack through the pump.

여기서, 상기 (b)단계는 상기 셀 전압의 평균 전압을 기준으로 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 편차 범위를 벗어나는지 여부를 판단함으로써, 수행될 수 있다. 그리고 상기 (b)단계는 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 셀 하한값 이하인지 여부 및 상기 스택의 전압이 미리 설정된 스택 하한값 이하인지 여부 중 적어도 하나를 더 판단하는 과정을 포함할 수 있다.Here, step (b) may be performed by determining whether at least one of the plurality of cell voltages is out of a preset deviation range based on the average voltage of the cell voltages. The step (b) may further include determining at least one of whether at least one of the plurality of cell voltages is less than or equal to a preset cell lower limit and whether the voltage of the stack is less than or equal to a preset stack lower limit. have.

또한, 상기 (c)단계는 상기 퍼지 밸브가 열려있고, 상기 재순환 펌프가 작동 중인 경우, 상기 퍼지 밸브를 미리 설정된 시간동안 닫는 과정을 수행하고, 상기 퍼지 밸브가 닫혀 있고, 상기 재순환 펌프가 작동하지 않는 경우, 상기 재순환 펌프를 미리 설정된 시간 동안 작동시키는 과정을 수행하도록 구성될 수 있다.In addition, in the step (c), when the purge valve is open and the recirculation pump is in operation, the step of closing the purge valve for a predetermined time is performed, the purge valve is closed, and the recirculation pump is not operated. If not, it may be configured to perform a process of operating the recirculation pump for a predetermined time.

그리고 상기 (c) 단계는 배출라인이 아니라, 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 구비되는 버퍼부에서 이루어지도록 구성될 수 있다.And step (c) may be configured to be made in the buffer unit provided between the purge valve and the recirculation pump, not the discharge line.

상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료 전지 시스템의 플러딩을 제거하기 위한 퍼지 장치가 제공될 수 있다. According to another aspect of the present invention to achieve the above objects, a purge device for removing flooding of a fuel cell system can be provided.

상기 퍼지 장치는 (a) 복수개의 셀을 포함하는 스택, (b) 상기 스택에 포함된 셀의 전압을 감지하기 위하여, 상기 복수개의 셀 각각에 연결되는 센싱부, (c) 상기 스택의 후단에 결합되며, 상기 스택에서 배출되는 수분을 포함한 가스 혼합물을 수분 및 가스로 분리하는 수분리기, (d) 상기 수분리기 후단에 결합되며, 상기 센싱부의 제어 신호에 상응하여 개방 및 차단 동작을 수행하기 위한 퍼지 밸브, (e) 상기 퍼지 밸브의 후단에 결합되며, 상기 제어 신호에 상응하여 상기 퍼지 밸브와 연동하여 동작하여, 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 압력을 상기 스택 내부에 형성된 압력보다 낮은 압력으로 형성하며, 상기 가스를 상기 스택으로 재공급하는 재순환 펌프, (f) 상기 스택에 결합되며, 상기 수분을 상기 스택에 재공급하기 위한 물 저장 탱크, (g) 상기 센싱부에서 전달받은 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생 여부를 감지하고, 플러딩 발생에 상응하여 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프를 제어하여 상기 스택 내부와 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이에 압력차를 형성시키고, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 스택 내부의 수분을 포함하는 가스 혼합물을 상기 스택 외부로 방출시키는 시스템 제어부를 포함할 수 있다.The purge device includes (a) a stack including a plurality of cells, (b) a sensing unit connected to each of the plurality of cells to sense a voltage of a cell included in the stack, and (c) a rear end of the stack. And a water separator for separating a gas mixture including water discharged from the stack into water and gas, (d) coupled to a rear end of the water separator, and configured to perform opening and blocking operations in response to a control signal of the sensing unit. A purge valve, (e) coupled to a rear end of the purge valve and operated in conjunction with the purge valve in response to the control signal, thereby reducing the pressure between the purge valve and the recirculation pump to a pressure lower than the pressure formed within the stack. And a recirculation pump for resupplying the gas to the stack, (f) a water storage tank coupled to the stack, for resupplying the moisture to the stack, and (g) on Detects whether flooding is generated using the cell voltage received from the sensing unit, and controls the purge valve and the recirculation pump in response to the flooding to form a pressure difference between the stack and the purge valve and the recirculation pump, And a system controller for opening a purge valve to discharge a gas mixture including moisture in the stack to the outside of the stack.

여기서, 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 압력을 상기 스택 내부에 형성된 압력보다 낮은 압력으로 감압하기 위하여, 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 구비되는 버퍼부를 더 포함할 수 있다.Here, in order to reduce the pressure between the purge valve and the recirculation pump to a pressure lower than the pressure formed in the stack, a buffer unit provided between the purge valve and the recirculation pump may be further included.

또한, 상기 시스템 제어부는 상기 셀 전압의 평균 전압을 기준으로 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 편차 범위를 벗어나는지 여부를 판단하거나, 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 셀 하한값 이하인지 여부 및 상기 스택의 전압이 미리 설정된 스택 하한값 이하인지 여부 중 적어도 하나를 더 판단하도록 구성될 수 있다.The system controller may determine whether at least one of the plurality of cell voltages is out of a preset deviation range based on the average voltage of the cell voltages, or at least one of the plurality of cell voltages is previously determined. The electronic device may be configured to further determine at least one of whether the value is less than or equal to a set cell lower limit value and whether the voltage of the stack is less than or equal to a preset stack lower limit value.

그리고 상기 시스템 제어부는 상기 퍼지 밸브가 열려있고, 상기 재순환 펌프가 작동 중인 경우, 상기 퍼지 밸브를 미리 설정된 시간동안 닫아서, 상기 압력차를 형성하고, 상기 퍼지 밸브가 닫혀 있고, 상기 재순환 펌프가 작동하지 않는 경우, 상기 재순환 펌프를 미리 설정된 시간 동안 작동시켜서, 상기 압력차를 형성하도록 구성될 수 있다.And when the purge valve is open and the recirculation pump is in operation, closing the purge valve for a predetermined time to form the pressure difference, the purge valve is closed, and the recirculation pump is not operated. If not, the recirculation pump may be operated for a predetermined time to form the pressure difference.

상술한 목적들을 달성하기 위하여 이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. DETAILED DESCRIPTION In order to achieve the above objects, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings, and in the following description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components regardless of reference numerals are the same reference numerals. The numbering and duplicate description thereof will be omitted.

전체 시스템 구성도 및 동작 절차Overall System Diagram and Operation Procedure

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부 퍼지 방법을 수행하기 위한 연료전지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.1A is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system for performing an internal purge method according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 내부 퍼지 방식은 연료 전지 시스템 내부에서 퍼지를 수행하므로, 물 및 연료가 전혀 낭비되지 아니하며, 재활용율이 100%인 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 퍼지 방법을 기존 방식에 따른 퍼지와 구별하여 '내부 퍼지(Internal Purge)'라 칭하기로 한다. Since the internal purge method according to the present invention performs purging in the fuel cell system, water and fuel are not wasted at all, and a fuel cell system having a recycling rate of 100% can be provided. Hereinafter, the purge method according to the present invention will be referred to as 'internal purge' to distinguish the purge according to the existing method.

즉, 본 발명에 따른 내부 퍼지에 의하면, 물이 낭비되지 않고, 전량 수거되므로, 특히 재생형 연료전지 또는 이동형 연료전지에서 외부로부터 물공급이 이루어지지 않는 환경에서 사용할 수 있다. 또한, 퍼지를 내부에서 행함으로써 수소, 산소가 외부로 유출되지 아니하므로 연료낭비가 없어, 연료전지 효율을 증대시킬 수 있을 뿐 아니라, 밀폐된 공간 및 환기가 중요한 장소 등 실내에서 제한없이 사용할 수 있다.That is, according to the internal purge according to the present invention, since the water is not wasted, and the whole amount is collected, it can be used especially in an environment in which water is not supplied from the outside in a renewable fuel cell or a mobile fuel cell. In addition, since purging is performed internally, hydrogen and oxygen do not flow to the outside, so there is no fuel waste, thereby increasing fuel cell efficiency, and it can be used indoors without restriction such as an enclosed space and a place where ventilation is important. .

이하, 연료 전지 시스템이 도시된 도 1a를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 내부 퍼지가 적용된 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(130)에 연료를 공급하기 위한 연료 주입부(122), 상기 주입된 연료를 가습하기 위한 가습기(123), 상기 가습기(123)에 연결된 연료 전지 스택(130), 상기 연료 전지 스택(130)의 스택 전압 또는 스택을 구성하는 단위 셀의 전압을 각각 센싱하기 위한 센싱부(132), 스택의 후단에 구비되며 수화된 수소와 산소(공기)에서 물을 분리하기 위한 수 분리기(125), 내부 퍼지를 수행하기 위한 퍼지 밸브(126) 및 재순환 펌프(127), 퍼지 밸브(126) 및 재순환펌프(127)와 통신라인(148) 및 제어라인(149)을 통하여 연결된 시스템 제어부(140)로 구성되어 있다. 그리고, 상기 구성 요소는 가스 공급 라인(141), 가스 배출 라인(142), 가스 재순환 라인(143), 물 재순환 라인(144), 물 공급라인(145) 및 물 배출라인(146)으로 서로 결합되어 있다. 여기서, 상기 퍼지 밸브(126)는 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다.Hereinafter, referring to FIG. 1A, in which the fuel cell system is illustrated, the fuel cell system 100 to which the internal purge is applied according to the present invention includes a fuel injection unit 122 for supplying fuel to the fuel cell stack 130. Sensing a humidifier 123 for humidifying the injected fuel, a fuel cell stack 130 connected to the humidifier 123, a stack voltage of the fuel cell stack 130, or a voltage of a unit cell constituting the stack, respectively. Sensing unit 132 for, the rear end of the stack and the water separator 125 for separating water from hydrated hydrogen and oxygen (air), the purge valve 126 and the recirculation pump 127 for performing an internal purge The system control unit 140 is connected to the purge valve 126 and the recirculation pump 127 through the communication line 148 and the control line 149. The components are coupled to each other by a gas supply line 141, a gas discharge line 142, a gas recycle line 143, a water recycle line 144, a water supply line 145, and a water discharge line 146. It is. Here, the purge valve 126 may be implemented as a solenoid valve.

본 발명의 실시예에 의할 때, 상술한 연료 전지 시스템의 구성 요소는 주입되는 가스, 즉 산소 및 수소에 상응하여 각각 구성되며, 보다 상세히 설명하면, 연료 주입부(122)는 수소 연료 주입부(122a) 및 산소 연료 주입부(122b), 가습기(123)는 수소 가습기(123a) 및 산소 가습기(123b), 수 분리기는 수소수 분리기(125a) 및 산소수 분리기(125b), 퍼지 밸브(126)는 수소 퍼지 밸브(126a) 및 산소 퍼지 밸브(126b) 그리고, 재순환 펌프(127)는 수소 재순환 펌프(127a) 및 산소 재순환 펌프(127b)로 구성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the components of the fuel cell system described above are respectively configured to correspond to the gas to be injected, that is, oxygen and hydrogen, and in more detail, the fuel injection unit 122 is a hydrogen fuel injection unit The hydrogen humidifier 123a and the oxygen humidifier 123b and the water separator are the hydrogen water separator 125a and the oxygen water separator 125b and the purge valve 126. ) May be composed of a hydrogen purge valve 126a and an oxygen purge valve 126b, and a recycle pump 127 may include a hydrogen recycle pump 127a and an oxygen recycle pump 127b.

마찬가지로, 상술한 라인도 산소 및 수소에 상응하여 각각 구성되며, 가스 공급 라인(141)은 수소 공급 라인(141a) 및 산소 공급 라인(141b), 가스 배출 라인(142)은 수소 배출 라인(142a) 및 산소 배출 라인(142b), 가스 재순환 라인(143)은 수소 재순환 라인(143a) 및 산소 재순환 라인(143b), 물 재순환 라인(144)은 수소수 분리기(125a)와 연결된 물 재순환라인(144a) 및 산소수 분리기와 연결된 물 재순환라인(144b)으로 구성될 수 있다.Similarly, the above-described lines are also configured to correspond to oxygen and hydrogen, respectively, the gas supply line 141 is a hydrogen supply line 141a and an oxygen supply line 141b, and the gas discharge line 142 is a hydrogen discharge line 142a. And an oxygen discharge line 142b, a gas recycle line 143, a hydrogen recycle line 143a, an oxygen recycle line 143b, and a water recycle line 144 are connected to a hydrogen water separator 125a. And a water recycle line 144b connected to the oxygen water separator.

이하, 도 1b를 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체 동작 절차를 설명하기로 한다.Hereinafter, the overall operating procedure of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. 1B.

도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작 절차를 나타낸 순서도이다. 1B is a flowchart illustrating an operating procedure of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1b를 참조하여 설명하면, 단계 S150에서 반응가스인 수소, 산소(또는 공기)가 연료 전지 스택(130)에 공급된다. 즉, 수소(또는 연료)는 수소 공급 라인(141a)과 수소 가습기(123a)를 거쳐 연료 전지 스택(130)의 애노드로 공급되고, 산소(또는 공기)는 산소 공급라인(141b) 및 산소 가습기(123b)를 거쳐 연료 전지 스택(130)의 캐소드로 공급된다.Referring to FIG. 1B, in step S150, hydrogen and oxygen (or air), which are reaction gases, are supplied to the fuel cell stack 130. That is, hydrogen (or fuel) is supplied to the anode of the fuel cell stack 130 via the hydrogen supply line 141a and the hydrogen humidifier 123a, and oxygen (or air) is supplied to the oxygen supply line 141b and the oxygen humidifier ( It is supplied to the cathode of the fuel cell stack 130 via 123b.

단계 S160에서 공급된 가스는 스택 내부에 구성된 매니폴드와 유로를 통하여 상기 연료 전지 스택(130)에 포함된 각 셀에 공급되고, 각 셀의 막전극접합체에서는 수소와 산소가 고분자막을 경계로 전기 화학 반응을 수반하여, 전기와 물 및 열을 생성한다. 여기서, 상기 연료 전지 스택(130)에는 반응 중 생성된 열을 감소시키기 위하여, 물 저장 탱크(134)의 물이 물 공급라인(145)을 통하여 연료 전지 스택(130)으로 공급되고, 냉각에 사용된 물은 물 배출라인(146)을 통하여 물 저장 탱크(134)로 복귀된다. The gas supplied in step S160 is supplied to each cell included in the fuel cell stack 130 through a manifold and a flow path configured inside the stack, and in the membrane electrode assembly of each cell, hydrogen and oxygen are electrochemically bounded by the polymer membrane. Accompanying the reaction produces electricity, water and heat. Here, in order to reduce heat generated during the reaction, the fuel cell stack 130 is supplied with water from the water storage tank 134 to the fuel cell stack 130 through the water supply line 145 and used for cooling. The collected water is returned to the water storage tank 134 through the water discharge line 146.

상기 단계S160의 전기 화학 반응에서 생성된 물로 인하여, 플러딩이 발생하므로, 단계 S170에서 본 발명은 센싱부(132)에서 감지한 스택 또는 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생 여부를 판단한다. 본 발명은 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생을 감지하므로, 기존 방식에 따른 플러딩 발생 감지 방법보다 빨리 플러딩 발생을 감지할 수 있다.Since flooding occurs due to the water generated in the electrochemical reaction of step S160, in step S170, the present invention determines whether flooding occurs using the stack or cell voltage sensed by the sensing unit 132. Since the present invention detects flooding using the cell voltage, the flooding can be detected earlier than the flooding detection method according to the conventional method.

단계 S170의 판단 결과, 플러딩이 발생되었다고 판단되면, 단계 S180에서 시스템 제어부(140)는 본 발명에 따른 내부 퍼지에 의하여 상기 플러딩을 제거할 수 있다(도 4 및 도 5참조). If it is determined in step S170 that flooding has occurred, the system controller 140 may remove the flooding by the internal purge according to the present invention in step S180 (see FIGS. 4 and 5).

그리고 단계 S190에서 배출된 수분을 포함한 가스는 수 분리기(125)에서 물은 분리되고, 가스는 재순환되어 다시 반응가스로 사용된다.And the gas containing the water discharged in step S190 is separated from the water in the water separator 125, the gas is recycled and used again as a reaction gas.

즉, 연료 전지 스택(130) 내부에서 반응에 사용되지 아니한 수소가 수분을 포함한 채로 배출되면, 먼저 수소수 분리기(125a)를 거치면서 수분이 분리된다. 수분이 제거된 수소는 수소 퍼지 밸브(126a), 수소 재순환 펌프(127a)에 의하여 수소 재순환라인(143a)을 통하여 수소 가습기(123a)에 공급되고, 다시 가습된 수소는 연료 전지 스택(130)의 애노드에 공급된다. That is, when hydrogen, which is not used for the reaction, is discharged in the fuel cell stack 130 while containing water, water is first separated through the hydrogen water separator 125a. The moisture-depleted hydrogen is supplied to the hydrogen humidifier 123a through the hydrogen recycle line 143a by the hydrogen purge valve 126a and the hydrogen recycle pump 127a, and the humidified hydrogen is again supplied to the fuel cell stack 130. Supplied to the anode.

마찬가지로, 연료 전지 스택(130) 내부에서 반응에 사용되지 아니한 산소는 수분을 포함한 채로 배출되면, 먼저 산소수 분리기(125b)를 거치면서 수분이 분리된다. 수분이 제거된 산소는 산소 퍼지 밸브(126b), 산소 재순환 펌프(127b)에 의하여 산소 재순환라인(143b)을 통하여 산소 가습기(123b)에 공급되고, 다시 가습된 산소는 연료 전지 스택(130)의 캐소드에 공급된다. Similarly, when the oxygen not used for reaction in the fuel cell stack 130 is discharged while containing water, the water is first separated through the oxygen water separator 125b. The moisture-depleted oxygen is supplied to the oxygen humidifier 123b through the oxygen recycle line 143b by the oxygen purge valve 126b and the oxygen recycle pump 127b, and the humidified oxygen is again supplied to the fuel cell stack 130. Supplied to the cathode.

그리고, 상기 수소수 분리기(125a) 및 산소수 분리기(125b)에서 분리된 수분은 물 재순환라인(144a, 144b)을 통하여 물 저장 탱크(134)에 공급된다.The water separated in the hydrogen water separator 125a and the oxygen water separator 125b is supplied to the water storage tank 134 through the water recycling lines 144a and 144b.

플러딩 감지Flooding detection

기존 방식은 스택 전체의 평균값을 제어 신호로 이용하였으나, 실제 플러딩에서 문제가 되는 것은 셀간 불균일 및 셀 각각에서 발생하는 전압 강하이다. 즉, 스택에서의 플러딩은 스택 전체의 성능 저하가 나타나기 이전, 먼저 셀내의 전류분포 및 전압의 불균일이 수반된다. 본 발명은 셀 각각의 전압불균일을 감지하여 신속하고 효율적으로 플러딩 발생을 감지하고, 이를 제거할 수 있다.In the conventional method, the average value of the entire stack is used as a control signal. However, the problem in actual flooding is the intercell nonuniformity and the voltage drop occurring in each cell. In other words, flooding in a stack is accompanied by nonuniformity of current distribution and voltage in the cell before the performance degradation of the entire stack occurs. The present invention can detect the voltage unevenness of each cell to quickly and efficiently detect the occurrence of flooding, and eliminate it.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플러딩 발생 여부 판단 방법을 나타낸 도면이다.2 is a view showing a method for determining whether flooding according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 2를 참조하여 설명하기로 하면, 연료 전지 스택(130)의 센싱부(132)에서 실시간으로 측정한 스택 전압 또는 각 셀의 전압 측정치를 시스템 제어부(140)와 연결된 통신라인을 통하여 시스템 제어부(140)에 전달된다. 제어부(140)에서는 플러딩 발생 여부를 판단하기 위하여 미리 설정된 기준값(threshold) 또는 하한값을 실시간으로 입력된 측정치와 비교하여 플러딩 발생 여부를 판단할 수 있다.Hereinafter, referring to FIG. 2, the stack voltage measured in real time by the sensing unit 132 of the fuel cell stack 130 or the voltage measurement of each cell is measured through a communication line connected to the system controller 140. It is transmitted to the control unit 140. In order to determine whether flooding has occurred, the controller 140 may determine whether flooding has occurred by comparing a preset threshold or lower limit with a measured value input in real time.

본 발명에 의한 내부 퍼지 방법은 스택 전지에 포함한 복수개의 셀(200-1, 200-2, 200-3,...)의 전압을 감지하여, 플러딩 발생 여부를 판단함으로써, 기존 방식보다 신속하고 효율적으로 퍼지 타이밍을 잡을 수 있다. The internal purge method according to the present invention detects the voltages of the plurality of cells 200-1, 200-2, 200-3,. The purge timing can be efficiently set.

즉, 전체 스택 전위가 소정의 전압을 유지하더라도 셀간 편차가 크거나 단위 셀의 출력 전압이 하강하면, 플러딩이 발생되었다고 감지할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의할 때, 각 단위셀에 연결된 감지 라인을 통하여 단위 셀의 전압을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 감지된 셀 전압은 미리 설정된 인터페이스 화면을 통하여 디스플레이할 수 있다. That is, even if the total stack potential maintains a predetermined voltage, it may be detected that flooding has occurred when the variation between cells is large or the output voltage of the unit cell decreases. According to an exemplary embodiment of the present invention, not only the voltage of the unit cell can be sensed through a sensing line connected to each unit cell, but the sensed cell voltage can be displayed through a preset interface screen.

실시예에 의할 때, 상기 판단 기준은 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 상기 평균 전압을 중심으로 미리 설정된 기준값, 기준 편차를 벗어나는지 여부를 이용하여 플러딩 발생 여부를 판단할 수 있다. 본 발명에 의할 때 상기 기준 편차는 0.01volt 내지 0.2 volt 범위로 설정하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.05에서 0.1volt 범위에 상응하여 설정할 수 있다.According to an embodiment, the determination criterion may determine whether flooding occurs by using at least one of the plurality of cell voltages being out of a predetermined reference value and a reference deviation based on the average voltage. According to the present invention, the reference deviation is preferably set in the range of 0.01 volt to 0.2 volt, and more preferably in the range of 0.05 to 0.1 volt.

그리고, 플러딩 감지의 효율을 증가시키기 위하여 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 하한값(셀 하한값) 이하이거나, 스택 전압이 미리 설정된 하한값(스택 하한값) 이하인지 여부를 판단하여 플러딩 발생 여부를 판단하도록 구성할 수 있다. 여기서, 상기 기준값 및 하한값은 상기 셀의 성능에 상응하여 설정할 수 있음은 당연하다.In order to increase the efficiency of flooding detection, it is determined whether at least one of the plurality of cell voltages is equal to or less than a preset lower limit (cell lower limit) or whether the stack voltage is equal to or less than a preset lower limit (stack lower limit). It can be configured to determine. In this case, the reference value and the lower limit value may be set according to the performance of the cell.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인터페이스 화면을 나타낸 도면이다.3 is a view showing an interface screen according to a preferred embodiment of the present invention.

상술한 바와 같이, 고전류 영역에서의 운전시에는 캐소드에서 반응물의 생성이 과다해 지며, 과량의 수분인 물방울로 인하여 촉매층으로의 가스공급이 억제되어, 스택 전체의 성능 저하가 나타난다. 더욱이, 스택 내에 존재하는 단위 셀별로 균질하지 않은 물 분포로 인한 일부 셀의 성능 저하로 정상적인 운전이 어려워지는 문제를 안게 된다. 본 발명은 셀간 불균일을 감지하고 플러딩 초기에 플러딩 발생을 방지 또는 제거할 수 있다.As described above, during the operation in the high current region, the reactant is excessively generated at the cathode, and the gas supply to the catalyst layer is suppressed due to the excess water droplets, resulting in deterioration of the overall stack performance. Moreover, there is a problem that normal operation becomes difficult due to deterioration of some cells due to inhomogeneous water distribution for each unit cell present in the stack. The present invention can detect inter-cell nonuniformity and prevent or eliminate occurrence of flooding at the beginning of flooding.

이하, 도 3을 참조하여, 15개의 단위 셀로 구성된 스택을 기준으로 인터페이스 화면을 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 인터페이스 화면은 스택 전압(310), 스택에서 외부로 흐르는 스택 전류(320) 및 외부 부하에 인가되는 출력을 나타내는 스택 출력(330)을 제공할 수 있다.Hereinafter, the interface screen will be described based on a stack composed of 15 unit cells with reference to FIG. 3. The interface screen according to the present invention may provide a stack output 310 indicating a stack voltage 310, a stack current 320 flowing out of the stack, and an output applied to an external load.

또한, 상기 인터페이스 화면은 각 셀 전위는 막대 그래프(350)로 표시하여 제공할 수 있고, 셀 평균 전압(340)도 제공할 수 있다.In addition, the interface screen may provide each cell potential by displaying a bar graph 350, and may also provide a cell average voltage 340.

본 발명의 실시예에 의할 때, 상기 전위 편차가 미리 설정된 기준값을 벗어나면, 내부 퍼지를 수행하여, 셀간 편차를 감소시키는 기능을 수행한다. 따라서, 플러딩 발생의 초기에 이를 감지하고, 플러딩 발생을 방지할 수 있다. 즉, 상술한 판단 방법을 통하여 플러딩이 발생되었다고 판단되면, 도1a에서 나타낸 바와 같이 시스템 제어부(140)는 제어라인(149)을 통하여 제어 신호를 전송하여 퍼지 밸브(126) 및 재순환 펌프(127)를 제어하여 플러딩을 제거할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, when the potential deviation is out of a preset reference value, an internal purge is performed to reduce the deviation between cells. Therefore, it is possible to detect this at the beginning of flooding occurrence and prevent flooding occurrence. That is, when it is determined that flooding has occurred through the above-described determination method, as shown in FIG. 1A, the system controller 140 transmits a control signal through the control line 149 to purge the valve 126 and the recirculation pump 127. Can be controlled to eliminate flooding.

내부 퍼지 절차Internal purge procedure

본 발명은 플러딩 발생이 감지되면, 미리 설정된 방법에 의하여 퍼지 밸브(126) 및 재순환 펌프(127)를 제어하며, 효율적으로 플러딩을 방지 또는 제거할 수 있다. When the occurrence of flooding is detected, the present invention controls the purge valve 126 and the recirculation pump 127 by a preset method, and can effectively prevent or eliminate flooding.

물 배출만을 목적으로 하는 종래의 퍼징 방법의 가장 큰 단점은 퍼지 중에 배출되는 수소 혹은 산소(또는 공기)는 물론 생성된 수분이 외부로 배출되는 것이다. 이로 인해 스택의 연료 이용률이 감소하여 결과적으로 스택 효율의 감소 원인이 된다. 본 발명은 퍼지 밸브(126)의 전단에 수 분리기(125)를 구비하여, 물의 100% 회수와 재순환 방식을 통한 연료의 100% 이용을 가능하게 한다.The biggest disadvantage of the conventional purging method, which is only for water discharge, is that the hydrogen or oxygen (or air) discharged during the purge as well as the generated water are discharged to the outside. This reduces the fuel utilization of the stack, resulting in a reduction in stack efficiency. The present invention includes a water separator 125 at the front of the purge valve 126 to allow 100% recovery of water and 100% use of fuel through a recirculation scheme.

또한 재순환 펌프(127)를 상기 퍼지 밸브(126)의 후단에 위치시켜 퍼지 밸브(126)와 재순환 펌프(127)사이의 가스 배출 라인(142)의 압력 저하를 이용하여 효과적으로 플러딩을 제거할 수 있다. 여기서, 퍼지 밸브(126)와 재순환 펌프(127)사이에 별도의 공간을 가지는 버퍼부를 구비하여, 퍼지 효율을 더 증가시킬 수 있음은 당연하다.In addition, the recirculation pump 127 may be positioned at the rear end of the purge valve 126 to effectively remove flooding by utilizing the pressure drop of the gas discharge line 142 between the purge valve 126 and the recirculation pump 127. . Here, it is natural that the buffer unit having a separate space between the purge valve 126 and the recirculation pump 127 may further increase the purge efficiency.

이하, 본 발명에 따른 내부 퍼지 방법을 도시한 도 4 및 기존의 데드엔드(dead end) 방식에 내부 퍼지를 적용한 방법을 도시한 도 5를 참조하여 내부 퍼지 절차를 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명에 따른 퍼지 흐름 중 임의의 한 사이클만을 추출하여 설명하기로 하며, 상기 사이클이 연료 전지 운전 중에는 계속 반복될 수 있다.Hereinafter, an internal purge procedure will be described in detail with reference to FIG. 4 illustrating an internal purge method and a method of applying an internal purge to a conventional dead end method. Here, only one cycle of the purge flow according to the present invention will be extracted and described, and the cycle may be repeated during fuel cell operation.

도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 재순환 및 퍼징의 제어 흐름도를 나타내고 있다.4 shows a control flow diagram of recycling and purging according to the first preferred embodiment of the present invention.

기존의 퍼지에서는 퍼지 작동의 신호로서 스택 전체의 성능과 관련된 데이터, 예를 들어 스택 전류, 스택 출력, 수소 소모량 등의 데이터를 이용하여 퍼지를 수행하였다. 그러나 과다한 물로 인한 플러딩 현상이 발생되면 셀간의 플러딩 상황에 차이가 발생되어 특정한 몇몇의 단위 셀이 먼저 상대적으로 심한 플러딩 현상을 나타내는 것이 일반적이다. 따라서 스택의 평균 성능값을 신호로 퍼지가 작동되는 것은 바람직하지 못하다. 또한, 기존 외부 퍼지 방식은 배출시킨 가스 및 물을 연료 전지 시스템 외부로 배출함으로써, 물 및 연료의 이용률이 비효율적인 문제점이 있다.In the conventional purge, purging is performed using data related to the performance of the entire stack as a signal of purge operation, for example, stack current, stack output, and hydrogen consumption. However, when flooding occurs due to excessive water, there is a difference in flooding between cells, and it is common for some specific unit cells to exhibit relatively severe flooding first. Therefore, it is not desirable to purge the signal with the average performance value of the stack. In addition, the conventional external purge method has a problem that the utilization rate of water and fuel is inefficient by discharging the discharged gas and water to the outside of the fuel cell system.

본 발명에서는 스택의 전체 전압 또는 각 셀의 전압이 미리 설정된 하한값이하이거나, 적어도 하나의 셀 전압이 평균값의 비하여 일정수준 이하로 벗어나면 퍼지가 작동되도록 하여 연료전지의 안정적인 운전을 보장할 수 있음은 물론, 스택을 보호할 수 있다. In the present invention, when the total voltage of the stack or the voltage of each cell is below a predetermined lower limit or at least one cell voltage is out of a predetermined level compared to the average value, the purge may be operated to ensure stable operation of the fuel cell. Of course, you can protect the stack.

또한, 본 발명은 퍼지 밸브 후단의 압력을 진공 상태에 가까운 상태로 형성하여, 퍼지에 필요한 차압을 증가시킨 후, 본 발명에 따른 내부 퍼지를 수행함으로써, 퍼지의 효과를 개선할 수 있다. 아울러 퍼지로 배출된 가스 및 물을 다시 재활용하여 100%의 연료 이용률을 가능하게 한다.In addition, the present invention forms the pressure at the rear end of the purge valve in a state close to the vacuum state, increases the differential pressure required for purging, and then performs the internal purge according to the present invention, thereby improving the effect of the purge. In addition, the gas and water discharged from the purge are recycled again, enabling 100% fuel utilization.

이하, 도 4를 참조하여 설명하면, 단계 S400에서, 연료 전지 시스템(100)은 운전 중에 있다. 즉, 도면에 도시되지 않은 공급 밸브를 열어, 반응 가스를 공급하면, 연료 전지 스택(130)은 전기화학 반응을 수행하여 전기를 발생하며, 이러한 동작 상태에서 퍼지 밸브(126)는 개방 상태에 있다. 그리고 재순환펌프(127)는 동작 중에 있어, 평상시 배출된 가스 및 물을 100% 재활용하고 있다.Hereinafter, referring to FIG. 4, in step S400, the fuel cell system 100 is in operation. That is, when the supply valve (not shown in the figure) is opened to supply the reaction gas, the fuel cell stack 130 performs an electrochemical reaction to generate electricity, and in this operating state, the purge valve 126 is in an open state. . The recirculation pump 127 is in operation to recycle 100% of the gas and water normally discharged.

단계 S410에서, 본 발명은 실시간으로 연료 전지 스택 및 셀을 모니터하여 플러딩이 발생하는지 여부를 판단한다. 바람직한 실시예에 의할 때, 셀간 편차가 미리 설정된 편차를 벗어나는 경우, 스택 전압이 미리 설정된 스택 전압의 하한값 이하인 경우, 또는 적어도 하나의 셀 전압이 미리 설정된 셀 전압의 하한값 이하인 경우를 더 포함하여 플러딩 발생 여부를 판단할 수 있다. In step S410, the present invention monitors the fuel cell stack and cells in real time to determine whether flooding has occurred. According to a preferred embodiment, when the deviation between the cells deviates from the preset deviation, the flooding further comprises a case where the stack voltage is less than the lower limit of the preset stack voltage, or if at least one cell voltage is less than the lower limit of the preset cell voltage The occurrence can be determined.

단계 S410의 판단 결과, 미리 설정된 플러딩 발생 기준에 해당되면, 단계 S420에서 시스템 제어부(140)는 퍼지 밸브의 차단 명령을 제어라인(149)을 통하여 퍼지 밸브(126)에 전달하면, 퍼지 밸브(126)는 차단된다. 상기 퍼지 밸브는 즉각적으로 미리 정해진 시간동안만 퍼지 밸브를 닫게 된다. 여기서, 상기 시간은 0.5초에서 5초의 범위에 포함되도록 구성할 수 있다.As a result of the determination in step S410, if it corresponds to a predetermined flooding generation criterion, the system controller 140 transmits a shutoff command of the purge valve to the purge valve 126 through the control line 149 in step S420, and the purge valve 126. ) Is blocked. The purge valve immediately closes the purge valve only for a predetermined time. Here, the time may be configured to be included in the range of 0.5 seconds to 5 seconds.

단계 S430에서 퍼지 밸브(126)가 차단된 상태에서 재순환 펌프(127)는 계속 동작하므로, 재순환펌프(127)와 퍼지 밸브(126) 사이에는 압력이 급격히 감소하여 재순환 펌프(127)와 퍼지 밸브(126) 사이의 압력이 스택 내부 압력보다 낮아진다. 바람직한 실시예에 의할 때, 상기 재순환 펌프(127)와 퍼지 밸브(126) 사이의 압력이 진공에 가까운 상태가 되도록 구성할 수 있다.Since the recirculation pump 127 continues to operate in the state in which the purge valve 126 is blocked in step S430, the pressure decreases rapidly between the recirculation pump 127 and the purge valve 126 so that the recirculation pump 127 and the purge valve ( The pressure between 126 is lower than the pressure inside the stack. According to a preferred embodiment, the pressure between the recirculation pump 127 and the purge valve 126 may be configured to be close to vacuum.

단계 S440에서 미리 정해진 시간이 경과하면 시스템 제어부(140)는 퍼지 밸브를 개방하라는 명령을 제어 라인(149)을 통하여 퍼지 밸브(126)로 전송한다. 여기서, 상기 미리 정해진 시간은 재순환 펌프의 성능 및 재순환 펌프(127)와 퍼지 밸브(126)에 상응하여 설정될 수 있다. 여기서, 상기 시간은 0.01초에서 5초의 범위에 포함되도록 구성할 수 있으며, 상기 시간은 재순환 펌프의 용량 및 가스 라인의 용적에 따라 조절할 수 있다.When a predetermined time elapses in step S440, the system controller 140 transmits a command to open the purge valve to the purge valve 126 through the control line 149. Here, the predetermined time may be set corresponding to the performance of the recirculation pump and the recirculation pump 127 and the purge valve 126. Here, the time can be configured to be included in the range of 0.01 seconds to 5 seconds, the time can be adjusted according to the capacity of the recycle pump and the volume of the gas line.

단계 S450에서 퍼지 밸브의 개방으로 인하여 스택 내부에 발생된 플러딩이 제거될 수 있다. 즉, 퍼지 밸브(126)가 열리면 스택내부와 압력차이, 즉 차압으로 인하여 스택 내부에서의 플러딩의 원인인 과도한 수분이 가스와 함께 급격히 배출된다. Flooding generated in the stack may be removed due to the opening of the purge valve in step S450. That is, when the purge valve 126 is opened, excessive moisture, which is a cause of flooding in the stack due to the pressure difference, that is, the differential pressure, is rapidly discharged together with the gas.

여기서, 압력차이를 크게 하기 위하여 스택 내부의 가스 압력을 미리 설정된 기압, 예를 들면 1기압까지 가압할 수 있으며, 이 경우 연료전지 스택의 성능이 향상됨은 물론 물 배출도 촉진시킬 수 있다.Here, in order to increase the pressure difference, the gas pressure inside the stack may be pressurized to a predetermined pressure, for example, 1 atm, and in this case, the performance of the fuel cell stack may be improved and water discharge may be promoted.

상기와 같은 구성을 통하여 연료전지에서 발생된 물의 전량 수거 및 반응가스를 100% 이용할 수 있다. 한편 연료전지 후단의 퍼지밸브와 재순환 펌프를 이용하여 연료전지 후단의 라인(142)을 연료전지 스택내의 압력보다 낮게, 혹은 재순환 펌프에 의해 진공에 가까운 상황을 형성하여, 신속하고 효과적으로 과도한 수분을 효율적으로 배출할 수 있다. Through the above configuration, it is possible to use 100% of the total amount of the water generated by the fuel cell and the reaction gas. On the other hand, the purge valve and the recirculation pump at the rear of the fuel cell are used to form the line 142 at the rear of the fuel cell at a lower pressure than the pressure in the fuel cell stack, or to form a situation close to vacuum by the recirculation pump to quickly and effectively remove excess moisture Can be discharged.

도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 재순환 및 퍼징의 제어 흐름도를 나타낸 도면이다. 5 is a flowchart illustrating a control of recycling and purging according to a second preferred embodiment of the present invention.

스택의 후단을 막아 주고 스택의 전단에서 필요한 만큼의 가스만을 공급해주는 데드엔드(Dead End) 방식에서는 플러딩 발생시 제어부(140)에서 발생된 신호를 먼저 재순환 펌프(127)로 전달되어 펌프를 작동시킨 후, 닫혀 있는 퍼지 밸브(126)와 재순환 펌프(127)사이 공간의 압력을 강하시킨다. 그리고, 미리 정해진 시간이 지나면 퍼지 밸브(126)를 개방하여, 스택(130)에 존재하는 과도한 수분과 가스의 혼합체를 제거하도록 구성된다. In the dead end method which prevents the rear end of the stack and supplies only as much gas as necessary at the front end of the stack, a signal generated from the controller 140 is first transmitted to the recirculation pump 127 when the flooding occurs to operate the pump. The pressure in the space between the closed purge valve 126 and the recirculation pump 127 is lowered. Then, the purge valve 126 is opened after a predetermined time passes to remove a mixture of excess moisture and gas present in the stack 130.

이하, 도 5를 참조하여 설명하면, 단계 S500에서 연료 전지 시스템(100)은 데드엔드(Dead End) 방식으로 운전 중에 있다. 즉, 반응 가스가 공급되어 연료 전시 스택(140)은 전기를 발생하고 있으며, 퍼지 밸브(126)는 차단 상태에 있다. 그리고 재순환펌프(127)는 오프상태이다. Hereinafter, referring to FIG. 5, in operation S500, the fuel cell system 100 is operating in a dead end manner. That is, the reactant gas is supplied to the fuel exhibit stack 140 to generate electricity, and the purge valve 126 is in a blocked state. And the recirculation pump 127 is off.

단계 S510에서 연료전지 운전 중 스택에서 과다한 물로 인한 플러딩 발생여부를 감지한다. 단계 S510의 판단 결과, 미리 설정된 플러딩 기준에 해당되면, 단계 S520에서 시스템 제어부(140)는 재순환 펌프(127)의 작동 명령을 제어라인(149)을 통하여 재순환 펌프(127)에 전달한다. In operation S510, it is detected whether flooding occurs due to excessive water in the stack during operation of the fuel cell. As a result of the determination in step S510, if it corresponds to a preset flooding criterion, the system controller 140 transmits an operation command of the recirculation pump 127 to the recirculation pump 127 through the control line 149 in step S520.

단계 S530에서 퍼지 밸브(126)가 차단된 상태에서 재순환 펌프(127)가 동작하기 시작하면, 재순환펌프(127)와 퍼지 밸브(126) 사이의 압력이 급격히 감소한다.When the recirculation pump 127 starts to operate in the state in which the purge valve 126 is shut off in step S530, the pressure between the recirculation pump 127 and the purge valve 126 decreases rapidly.

단계 S520에서 재순환 펌프를 미리 정해진 시간만큼 작동시켜 압력이 강하하면 시스템 제어부(140)는 퍼지 밸브(126)를 개방하라는 명령을 제어 라인(149)을 통하여 퍼지 밸브(126)로 전송한다. 상기 미리 정해진 시간은 재순환 펌프의 용량 및 배출 라인의 용적에 따라 조절 가능하며, 대체로 0.1초에서 5초 범위의 시간이면 충분하다. In operation S520, when the recirculation pump is operated for a predetermined time and the pressure drops, the system controller 140 transmits a command to the purge valve 126 through the control line 149 to open the purge valve 126. The predetermined time is adjustable according to the capacity of the recirculation pump and the volume of the discharge line, and generally a time in the range of 0.1 seconds to 5 seconds is sufficient.

단계 S550에서 퍼지 밸브의 개방으로 인하여 스택 내부에 발생된 플러딩이 제거될 수 있다. 그 외의 동작은 도 4에서 상술한 절차와 동일 또는 유사하므로, 설명을 생략하기로 한다.Flooding generated inside the stack may be removed due to the opening of the purge valve in step S550. Since other operations are the same as or similar to those described above with reference to FIG. 4, descriptions thereof will be omitted.

성능 비교Performance Comparison

이하, 본 발명에 따른 내부 퍼지를 적용한 연료 전지 시스템의 실시예 및 기존 방식에 의한 연료 전지 시스템의 비교예의 성능을 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 상세히 비교하기로 한다. 여기서, 상기 연료 전지 시스템의 동작 환경은 공통된 조건에서 수행하고, 퍼지 방법만을 상이하게 적용하여 비교하기로 한다. Hereinafter, the performance of the embodiment of the fuel cell system to which the internal purge according to the present invention is applied and the comparative example of the conventional fuel cell system will be described in detail with reference to FIGS. 6A to 6C. Here, the operating environment of the fuel cell system is performed under common conditions, and only the purge method will be differently compared.

상기 실시예 및 비교예의 공통 조건은 활성면적 300㎠, 촉매는 애노드와 캐소드에 0.4mgPt/㎠ 이 담지된 상태이며, 고분자막으로는 Dupont사의 N112막(두께 50㎛)을 사용한 15 셀로 구성된 스택을 이용하여 비교하였다. 그리고, 연료 전지 시스템은 도 1a에 도시된 연료 전지 시스템 하에서 실험한 결과이다. 이하, 운전시간에 따른 셀간 전압을 나타낸 그래프가 도시된 도 6a, 본 발명의 비교예에 의한 운전시간에 따른 셀간 전압을 나타낸 그래프가 도시된 도 6b 및 도 6c를 참조하여 설명하기로 한다.The common conditions of the examples and the comparative examples are the active area 300 cm 2, the catalyst is a state of 0.4 mgPt / cm 2 supported on the anode and the cathode, as a polymer film using a stack consisting of 15 cells using Dupont's N112 membrane (thickness 50 ㎛) By comparison. The fuel cell system is the result of the experiment under the fuel cell system shown in FIG. 1A. 6A and 6C are graphs showing the inter-cell voltages according to the operating time, and the graphs showing the inter-cell voltages according to the operating time according to the comparative example of the present invention.

<실시예-본 발명에 따른 내부 퍼지>Example-Internal purge according to the present invention

도 6a를 참조하면, 운전시간에 따른 셀간 전압을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. Referring to FIG. 6A, there is shown a graph showing intercell voltages according to operation time.

여기서, 상기 운전 조건은 스택온도 60℃, 가습온도는 애노드 50℃, 캐소드 50℃, 연료 유량은 수소는 15 lpm, 산소는 7.5 lpm 이며, 운전 중 가스 압력은 0.2 bar 이다. 퍼지 신호는 스택의 평균 셀 전압보다 적어도 한 개의 셀이 0.05 volt 편차 이상이면, 도 4에 도시한 운전 순서에 따라 0.1초에서 5초간 퍼지 밸브를 차단한 후 퍼지 밸브를 개방하여 플러딩을 제거하였다. 도 6a는 충분히 활성화를 위하여, 10시간 동안 스택 운전을 수행한 후, 실험한 그래프이다. 하기의 표 1에는 본 발명의 실시예에 따른 측정 결과가 정리되어 있다.Here, the operating conditions are the stack temperature 60 ℃, humidification temperature anode 50 ℃, cathode 50 ℃, fuel flow rate is 15 lpm hydrogen, 7.5 lpm oxygen, gas pressure is 0.2 bar during operation. In the purge signal, if at least one cell is 0.05 volt deviation or more than the average cell voltage of the stack, the purge valve is removed by opening the purge valve after removing the purge valve for 0.1 to 5 seconds according to the operation sequence shown in FIG. 4. 6A is a graph of experiments after performing a stack operation for 10 hours to fully activate. Table 1 below summarizes the measurement results according to the embodiment of the present invention.

스택전압Stack voltage 11.5 V at 150 A (단위전지로 0.75V at 500mA/cm2) 11.5 V at 150 A (0.75V at 500mA / cm2 as a unit cell) 셀간 편차Cell-to-cell variation ≤±|0.05|V (운전시간 10시간)  ≤ ± | 0.05 | V (operating time 10 hours) 셀 전압 변화Cell voltage changes 안정적 stable 스택효율Stack efficiency 60% (based on LHV) 60% (based on LHV) 연료이용률Fuel utilization 100% (수소 & 산소) 100% (Hydrogen & Oxygen) 물 회수율Water recovery 100% 100%

도 6a를 참조하면, 스택전압은 150A에서 11.5V 이었으며 셀 평균값은 500mA/cm2에서 0.75V 이다. 운전 테스트 시간인 10시간동안 셀간 편차는 0.05V 이내를 유지하며, 도 6a에 도시된 바와 같이 셀 전압이 스택 전체에 균질함을 알 수 있다. 스택효율은 LHV 기준, 즉, 연료 이용률 x (셀 전압/1.25)를 이용하여 산출하면, 60% 임을 알 수 있다.Referring to FIG. 6A, the stack voltage was 11.5 V at 150 A and the cell average value was 0.75 V at 500 mA / cm 2. During 10 hours of operation test time, the variation between cells is kept within 0.05V, and as shown in FIG. 6A, it can be seen that the cell voltage is uniform throughout the stack. The stack efficiency is calculated based on the LHV criterion, that is, the fuel utilization rate x (cell voltage / 1.25).

<제1 비교예-기존의 퍼지 방법><Comparative Example 1-Existing Fuzzy Method>

도 6b를 참조하면, 기존 퍼지 방법에 따른 셀간 운전 전압 그래프가 도시되어 있다. 상기 비교예는 실시예에서 구성한 스택과 동일한 스택을 사용하였으며, 기존의 데드엔드(dead-end) 방식으로 운전하도록 설정된다. 운전 중에 퍼지는 신호를 이용한 제어 방식을 이용하지 않고 20초 간격으로 1초간 퍼지 밸브를 개방하도록 설정하고, 퍼지된 연료와 수분은 외부로 배출하도록 구성된다. 하기의 표 2에는 제1 비교예에 따른 측정 결과가 정리되어 있다.Referring to FIG. 6B, an intercell operating voltage graph according to a conventional purge method is illustrated. The comparative example used the same stack as the stack configured in the embodiment, and is set to operate in the existing dead-end method. It is configured to open the purge valve for 1 second at 20 second intervals without using a control method using a signal spreading during operation, and the purged fuel and water are discharged to the outside. Table 2 below summarizes the measurement results according to the first comparative example.

스택전압Stack voltage 11.5 V at 150 A (단위전지로 0.75V at 500mA/cm2) 11.5 V at 150 A (0.75V at 500mA / cm2 as a unit cell) 셀간 편차Cell-to-cell variation ≤±|0.05|V (평균 셀 전압으로부터 편차) (2시간유지) ≤±|0.05|V(평균 셀 전압으로부터 편차) (8시간유지) ≤ ± | 0.05 | V (deviation from average cell voltage) (2 hours maintenance) ≤ ± | 0.05 | V (deviation from average cell voltage) (8 hours maintenance) 셀 전압 변화Cell voltage changes 시간에 따라 편차 증가 Deviation increases with time 스택효율Stack efficiency 59.4% (based on LHV) 59.4% (based on LHV) 연료이용률Fuel utilization 99% (수소와 산소) 99% (hydrogen and oxygen) 물 회수율Water recovery 95% 95%

도 6b를 참조하면, 제1 비교예의 스택 전압은 실시예에서와 같이 150A에서 11.5V 이며, 셀 평균값은 500mA/cm2에서 0.75V 이었다. 그러나 운전 테스트 시간인 10시간동안 셀간 편차는 실시예보다 크고, 0.05V 이내를 유지한 시간이 2시간이고 시간이 지날수록 셀간 편차가 증가함을 알 수 있다. 그리고 운전 시간이 8시간을 경과하면, 셀간 편차가 0.05V를 벗어나는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6B, the stack voltage of the first comparative example was 11.5 V at 150 A as in the example, and the cell average value was 0.75 V at 500 mA / cm 2. However, it can be seen that the deviation between cells during the 10 hour operation test time is larger than that of the embodiment, and the deviation between cells increases as the time maintained within 0.05 V is 2 hours and over time. And when 8 hours of operation time passes, it turns out that the deviation between cells deviates from 0.05V.

즉, 기존 퍼지 방법에 의할 때, 셀 전압의 시간에 따른 변화가 증대하며, 셀간 불균일 정도가 크다. 제1 비교예에 따른 스택 효율은 LHV 기준으로 산출하면, 59.4% 이다.That is, according to the conventional purge method, the change of the cell voltage with time increases, and the degree of non-cell nonuniformity is large. The stack efficiency according to the first comparative example is 59.4% based on the LHV standard.

<제2 비교예-퍼지를 적용하지 않은 경우><Comparative Example 2-Without Fuzzy>

이하, 도 6c를 참조하여 퍼지를 실시하지 않은 제2 비교예를 설명하기로 한다. 제2 비교예는 실시예에서 구성한 스택과 동일한 스택을 사용하였으며 재순환펌프를 이용하지 않고 상압 운전을 하였다. 운전 중에 퍼지를 하지 않았으며 연료 이용률을 수소의 경우 70%, 산소의 경우 50% 조건에서 동작하며, 반응에 쓰이고 남은 가스와 수분은 외부로 배출하도록 설정된다. 하기의 표 3에는 제2 비교예에 따른 측정 결과가 정리되어 있다.Hereinafter, a second comparative example without purging will be described with reference to FIG. 6C. In Comparative Example 2, the same stack as that used in the example was used, and normal pressure operation was performed without using a recirculation pump. There was no purge during operation, and the fuel utilization rate was operated at 70% for hydrogen and 50% for oxygen, and the remaining gas and water used for the reaction were set to discharge to the outside. Table 3 below summarizes the measurement results according to the second comparative example.

스택전압Stack voltage 10.5 V at 150 A (단위전지로 0.70V at 500mA/cm2) 10.5 V at 150 A (0.70V at 500mA / cm2 as a unit cell) 셀간 편차Cell-to-cell variation ≤±|0.05|V (평균 셀 전압으로부터 편차) (2시간유지) ≥±|0.05|V (평균 셀 전압으로부터 편차) (8시간유지) ≤ ± | 0.05 | V (deviation from average cell voltage) (2 hours maintenance) ≥ ± | 0.05 | V (deviation from average cell voltage) (8 hours maintenance) 셀 전압 변화Cell voltage changes 불안정 Instability 스택효율Stack efficiency ≤40% (based on LHV) (이용률 70% 고려) ≤40% (based on LHV) (considering 70% utilization) 연료이용률Fuel utilization 70% (수소와 산소) 70% (hydrogen and oxygen) 물 회수율Water recovery 70% 70%

도 6c를 참조하면, 스택전압은 실시예와 같이 150A에서 10.5V 이었으며 셀 평균값은 500mA/cm2에서 0.70V 임을 알 수 있다. 여기서, 운전 테스트 시간인 15시간동안 셀간 편차는 실시예나 제1 비교예보다 낮고, 셀간 편차 또한 0.05V 이내를 유지하고 있으나, 플러딩이 발생하면 셀간 편차가 급격히 증가하고, 스택 전압이 강하하며 불안정하게 동작할 수 있다. 또한, 제2 비교예에 의하면, 연료 전지 시스템의 가스이용율이 낮고 상당량의 물을 외부로 배출하므로 비효율적이다. 이러한 제2 비교예의 스택 효율을 가스이용율을 고려하여 LHV 기준으로 산출하면 39.2% 이다. Referring to FIG. 6C, it can be seen that the stack voltage was 10.5 V at 150 A and the cell average value was 0.70 V at 500 mA / cm 2 as in the embodiment. In this case, the variation between cells is lower than that of the embodiment or the first comparative example and the variation between cells is maintained within 0.05 V during the operation test time of 15 hours. However, when flooding occurs, the variation between cells increases rapidly, and the stack voltage drops and becomes unstable. It can work. Further, according to the second comparative example, the gas utilization rate of the fuel cell system is low and a considerable amount of water is discharged to the outside, which is inefficient. The stack efficiency of the second comparative example is 39.2% based on the LHV standard in consideration of the gas utilization rate.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 내부 퍼지의 실시예는 종래 퍼지 방식 및 퍼지를 하지 않는 운전 조건에 비하여 현저한 스택 성능 향상과 안정적인 운전성능을 제공함을 알 수 있다. As described above, it can be seen that the embodiment of the internal purge according to the present invention provides remarkable stack performance and stable driving performance in comparison with the conventional purging method and the non-purging operation conditions.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속함은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. It belongs to the scope of the invention.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스택전압과 스택내의 셀간 편차를 이용하여 연료 재순환 펌프와 퍼지 밸브를 제어하는 내부 퍼징을 수행하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 즉, 본 발명은 연료 및 물의 100% 이용률을 제공하면서도, 효율적인 물 배출을 통하여 스택을 안정적인 운전할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.As described above, the present invention provides a method and apparatus for performing internal purging to control a fuel recycle pump and a purge valve using a stack voltage and an intercell variation within a stack. That is, the present invention may provide an environment capable of stably operating the stack through efficient water discharge while providing 100% utilization of fuel and water.

또한, 본 발명은 내부 퍼지를 수행하기 위한 판단 방법으로서, 단위 셀 각각의 전압을 감지한 후, 각 셀의 편차를 이용하여 판단하기 때문에 신속하게 효율적으로 퍼지 타이밍을 산출하고 퍼지를 수행할 수 있는 효과도 있다.In addition, the present invention is a determination method for performing an internal purge, after detecting the voltage of each of the unit cells, it is determined by using the deviation of each cell it is possible to quickly and efficiently calculate the purge timing and perform the purge It also works.

특히, 본 발명은 외부의 인프라를 통한 별도의 물 공급이나 연료의 공급이 불가능한 경우, 자체적으로 차단 회로를 통하여 물을 활용할 수 있으므로, 재생형 연료 전지 또는 이동용 연료전지와 같이 외부 물 공급이 불가능한 환경에서도 제한없이 사용할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 물뿐만 아니라, 연료의 100% 활용이 가능하여, 태양광과 수전해 장치를 통합한 재생형에너지시스템에서 우수한 성능을 제공할 수 있다. In particular, in the present invention, when a separate water supply or fuel supply through an external infrastructure is not possible, water may be used through a cutoff circuit by itself, so that external water supply is impossible such as a renewable fuel cell or a mobile fuel cell. Can be used without restrictions. Moreover, the present invention can utilize 100% of fuel as well as water, and can provide excellent performance in a renewable energy system incorporating solar and electrolytic devices.

또한, 본 발명에 따른 내부 퍼지 방법은 물 및 연료의 전량 재활용을 통하여 물 및 연료의 낭비를 방지할 수 있다, 특히, 밀폐된 공간에서 사용 가능하므로, 실내에서 사용 가능하며, 완전 밀폐된 공간에서도 제한없이 사용할 수 있다. In addition, the internal purge method according to the present invention can prevent the waste of water and fuel through the entire amount of water and fuel recycling, in particular, since it can be used in a closed space, can be used indoors, even in a completely closed space Can be used without limitation.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below It will be appreciated that modifications and variations can be made.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도면.1A illustrates a fuel cell system in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작 절차를 나타낸 순서도.1B is a flow chart illustrating an operation procedure of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플러딩 발생 여부 판단 방법을 나타낸 도면.2 is a view showing a method for determining whether flooding according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인터페이스 화면을 나타낸 도면.3 is a view showing an interface screen according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 내부 퍼지 절차를 나타낸 순서도.4 is a flow chart showing an internal purge procedure according to the first preferred embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 내부 퍼지 절차를 나타낸 순서도.5 is a flow chart showing an internal purge procedure according to a second preferred embodiment of the present invention.

도 6a는 본 발명의 실시예에 의한 운전 시간에 따른 셀간 전압을 나타낸 그래프.Figure 6a is a graph showing the inter-cell voltage according to the operating time according to an embodiment of the present invention.

도 6b 및 도 6c는 본 발명의 비교예에 의한 운전 시간에 따른 셀간 전압을 나타낸 그래프.6B and 6C are graphs showing intercell voltages according to operating times according to a comparative example of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 연료 전지 시스템 122 : 연료 주입부100: fuel cell system 122: fuel injection unit

123 : 가습기 125 : 수분리기123: humidifier 125: water separator

126 : 퍼지 밸브 127 : 재순환 펌프126: purge valve 127: recirculation pump

130 : 연료 전지 스택 132 : 센싱부130: fuel cell stack 132: sensing unit

140 : 시스템 제어부140: system control unit

Claims (12)

연료 전지 시스템의 플러딩을 제거하기 위한 퍼지 방법에 있어서,A purge method for removing flooding of a fuel cell system, (a) 복수개의 셀을 포함하는 스택의 셀 전압을 감지하는 단계;(a) sensing a cell voltage of a stack comprising a plurality of cells; (b) 상기 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생 유무를 판단하는 단계;(b) determining whether flooding has occurred using the cell voltage; (c) 플러딩 발생시, 상기 스택 후단에 결합된 퍼지밸브와 재순환 펌프를 제어하여 상기 퍼지밸브와 재순환 펌프 사이의 압력을 감압함으로써, 상기 스택 내부와 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이에 압력차를 형성시키는 단계;(c) when the flooding occurs, controlling the purge valve and the recirculation pump coupled to the rear end of the stack to reduce the pressure between the purge valve and the recirculation pump, thereby forming a pressure difference between the stack and the purge valve and the recirculation pump. step; (d) 상기 퍼지 밸브를 개방함으로써, 상기 압력차를 이용하여 상기 스택 내부의 수분을 포함하는 가스 혼합물을 상기 스택 외부로 방출시키는 단계;(d) opening the purge valve to use the pressure differential to discharge a gas mixture containing moisture within the stack out of the stack; (e) 상기 스택 후단과 상기 퍼지 밸브 전단 사이에 구비된 수분리기에서 상기 가스 혼합물을 수분 및 가스로 분리하는 단계; 및(e) separating the gas mixture into water and gas in a water separator provided between the rear end of the stack and the front of the purge valve; And (f) 상기 수분을 상기 스택에 결합된 물 저장 탱크를 통하여 상기 스택으로 재공급하며, 상기 가스는 상기 재순환 펌프를 통하여 상기 스택으로 재공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼지 방법.(f) purging the moisture to the stack through a water storage tank coupled to the stack, wherein the gas is supplied to the stack through the recirculation pump. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (b)단계는,In step (b), 상기 셀 전압의 평균 전압을 기준으로 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 편차 범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 퍼지 방법.And determining whether at least one of the plurality of cell voltages is out of a preset deviation range based on the average voltage of the cell voltages. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 (b)단계는,In step (b), 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 셀 하한값 이하인지 여부 및 상기 스택의 전압이 미리 설정된 스택 하한값 이하인지 여부 중 적어도 하나를 더 판단하는 것을 특징으로 하는 퍼지 방법.And at least one of whether the at least one voltage of the plurality of cell voltages is equal to or less than a preset cell lower limit value and whether the voltage of the stack is equal to or less than a preset stack lower limit value. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c)단계는,Step (c) is, 상기 퍼지 밸브가 열려있고, 상기 재순환 펌프가 작동 중인 경우, 상기 퍼지 밸브를 미리 설정된 시간동안 닫는 것을 특징으로 하는 퍼지 방법.And the purge valve is closed for a preset time when the purge valve is open and the recirculation pump is in operation. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c) 단계는,In step (c), 상기 퍼지 밸브가 닫혀 있고, 상기 재순환 펌프가 작동하지 않는 경우, 상기 재순환 펌프를 미리 설정된 시간 동안 작동시키는 것을 특징으로 퍼지 방법.And if the purge valve is closed and the recirculation pump does not operate, operating the recirculation pump for a preset time. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c) 단계는,In step (c), 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 구비되는 버퍼부에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 퍼지 방법.The purge method characterized in that the buffer portion provided between the purge valve and the recirculation pump. 연료 전지 시스템의 플러딩을 제거하기 위한 퍼지 장치에 있어서,A purge apparatus for removing flooding of a fuel cell system, (a) 복수개의 셀을 포함하는 스택;(a) a stack comprising a plurality of cells; (b) 상기 스택에 포함된 셀의 전압을 감지하기 위하여, 상기 복수개의 셀 각각에 연결되는 센싱부;(b) a sensing unit connected to each of the plurality of cells to sense a voltage of a cell included in the stack; (c) 상기 스택의 후단에 결합되며, 상기 스택에서 배출되는 수분을 포함한 가스 혼합물을 수분 및 가스로 분리하는 수분리기;(c) a water separator coupled to the rear end of the stack and separating a gas mixture including water discharged from the stack into water and gas; (d) 상기 수분리기 후단에 결합되며, 상기 센싱부의 제어 신호에 상응하여 개방 및 차단 동작을 수행하기 위한 퍼지 밸브;(d) a purge valve coupled to a rear end of the water separator and configured to perform an opening and closing operation according to a control signal of the sensing unit; (e) 상기 퍼지 밸브의 후단에 결합되며, 상기 제어신호에 상응하여 상기 퍼지 밸브와 연동하여 동작하여, 상기 퍼지 밸브 및 상기 재순환 펌프 사이의 압력을 상기 스택 내부에 형성된 압력보다 낮은 압력으로 형성하며, 상기 가스를 상기 스택으로 재공급하는 재순환 펌프;(e) coupled to a rear end of the purge valve and operated in conjunction with the purge valve in response to the control signal to form a pressure between the purge valve and the recirculation pump to a pressure lower than the pressure formed in the stack. A recirculation pump for resupplying said gas to said stack; (f) 상기 스택에 결합되어 상기 수 분리기로부터 분리된 수분을 상기 스택에 재공급하는 물 저장 탱크; 및(f) a water storage tank coupled to the stack for resupplying the water separated from the water separator to the stack; And (g) 상기 센싱부에서 전달받은 셀 전압을 이용하여 플러딩 발생 여부를 감지하고, 플러딩 발생에 상응하여 상기 퍼지 밸브 및 상기 재순환 펌프를 제어하여 상기 스택 내부와 상기 퍼지 밸브 및 상기 재순환 펌프 사이에 압력차를 형성시키고, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 스택 내부의 수분을 포함하는 가스 혼합물을 스택 외부로 방출시키는 시스템 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼지 장치. (g) detecting whether flooding is generated by using the cell voltage received from the sensing unit, and controlling the purge valve and the recirculation pump in response to the flooding to control the pressure between the stack and the purge valve and the recirculation pump. And a system control to form a difference and to open the purge valve to release a gas mixture containing moisture within the stack out of the stack. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 압력을 상기 스택 내부에 형성된 압력보다 낮은 압력으로 감압하기 위하여, 상기 퍼지 밸브 및 재순환 펌프 사이의 구비되는 버퍼부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼지 장치.And a buffer provided between the purge valve and the recirculation pump to reduce the pressure between the purge valve and the recirculation pump to a pressure lower than the pressure formed in the stack. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 시스템 제어부는,The system control unit, 상기 셀 전압의 평균 전압을 기준으로 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 편차 범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 퍼지 장치.And a method for determining whether at least one of the plurality of cell voltages is out of a predetermined deviation range based on the average voltage of the cell voltages. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 시스템 제어부는.The system control unit. 상기 복수개의 셀 전압 중 적어도 하나의 전압이 미리 설정된 셀 하한값 이하인지 여부 및 상기 스택의 전압이 미리 설정된 스택 하한값 이하인지 여부 중 적어도 하나를 더 판단하는 것을 특징으로 하는 퍼지 장치.And at least one of whether the voltage of at least one of the plurality of cell voltages is equal to or less than a predetermined cell lower limit value and whether the voltage of the stack is equal to or less than a preset stack lower limit value. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 시스템 제어부는, The system control unit, 상기 퍼지 밸브가 열려있고, 상기 재순환 펌프가 작동 중인 경우, 상기 퍼지 밸브를 미리 설정된 시간동안 닫아서, 상기 압력차를 형성하는 것을 특징으로 하는 퍼지 장치. And the purge valve is open and the recirculation pump is in operation to close the purge valve for a preset time to form the pressure difference. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 시스템 제어부는,The system control unit, 상기 퍼지 밸브가 닫혀 있고, 상기 재순환 펌프가 작동하지 않는 경우, 상기 재순환 펌프를 미리 설정된 시간 동안 작동시켜서, 상기 압력차를 형성하는 것을 특징으로 퍼지 장치.And if the purge valve is closed and the recirculation pump does not operate, operating the recirculation pump for a preset time to form the pressure difference.
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