KR100633876B1 - Ambient pressure fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상압형 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 공기 및 수소의 유입/배출부가 마련된 연료 전지 스택과, 공기 유입구에 공기를 공급하도록 장착되는 에어 블로워와, 수소 압력 레귤레이터와, 수소 정화밸브 및 수소 재순환 블로워를 구비하는 상압형 연료 전지 장치에 있어서, 연료 전지 스택의 공기 유입부와 상기 에어 블로워 사이에 장착되어 상기 연료 전지 스택으로 유입되는 공기량을 조절하도록 하는 공기량 센서와, 연료 전지 스택의 공기 배출부에 장착되는 공기 유량 제어밸브와, 배출되는 공기 압력의 센싱 및 피드백을 통한 상기 공기 배출부의 압력을 조절 가능하도록 장착되는 압력센서와, 압력센서의 센싱값을 전달받고 상기 공기 유량 제어밸브를 제어하여 상기 연료 전지 스택의 운전 압력을 제어하는 제어부를 구비한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atmospheric pressure fuel cell device, comprising a fuel cell stack provided with air and hydrogen inlet / outlet, an air blower mounted to supply air to an air inlet, a hydrogen pressure regulator, a hydrogen purification valve, and hydrogen recycling An atmospheric pressure type fuel cell apparatus having a blower, comprising: an air mass sensor mounted between an air inlet of the fuel cell stack and the air blower so as to control the amount of air flowing into the fuel cell stack, and an air outlet of the fuel cell stack; An air flow rate control valve mounted on the air pressure sensor, a pressure sensor mounted to adjust the pressure of the air discharge unit through sensing and feedback of the discharged air pressure, and receiving a sensing value of the pressure sensor to control the air flow rate control valve And a control unit for controlling an operating pressure of the fuel cell stack.

연료 전지, 상압형 연료 전지, 물수지, 압력센서, 공기량 센서Fuel Cell, Atmospheric Pressure Fuel Cell, Water Balance, Pressure Sensor, Air Volume Sensor

Description

상압형 연료 전지 장치{AMBIENT PRESSURE FUEL CELL SYSTEM}AMBIENT PRESSURE FUEL CELL SYSTEM

도 1은 종래 기술에 따른 상압형 연료 전지 장치를 개략적으로 도시한 도면.1 is a schematic view of an atmospheric pressure fuel cell device according to the prior art.

도 2는 상대습도 100%에서 압력 및 온도 변화에 대한 절대 습도 변화를 도시한 그래프 도면.Figure 2 is a graph showing the absolute humidity change with respect to pressure and temperature changes at 100% relative humidity.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상압형 연료 전지 장치를 개략적으로 도시한 도면.3 is a schematic view of an atmospheric pressure fuel cell apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10...공기량 센서 12...연료 전지 스택10 Air flow sensor 12 Fuel cell stack

13...공기 유입부 14...공기 배출부13 air inlet 14 air outlet

15...수소 유입부 16...수소 배출부15 ... hydrogen inlet 16 ... hydrogen outlet

18...에어 블로워 20...제어부18 Air blower 20 Control unit

30...공기 유량 제어밸브 40...압력센서30.Air flow control valve 40 ... Pressure sensor

본 발명은 상압형 연료 전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대기 압력이 낮은 곳에서도 연료 전지 스택의 작동 압력을 능동적으로 제어하고, 스택으로 유입되는 공기의 질량 유량을 측정에 의한 블로워 속도 제어를 통해 필요한 공기의 양을 정확히 연료 전지 스택에 공급하도록 하는 상압형 연료 전지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an atmospheric pressure fuel cell device, and more particularly, to actively control an operating pressure of a fuel cell stack even at a low atmospheric pressure, and to control a blower speed by measuring a mass flow rate of air flowing into the stack. It relates to an atmospheric pressure fuel cell device to supply the required amount of air to the fuel cell stack accurately.

일반적으로 자동차용으로 사용되는 PEM 연료 전지 장치에서는 공급 공기와 공급 수소의 가습이 필요하다.In general, PEM fuel cell devices used for automobiles require humidification of supply air and supply hydrogen.

도 1은 종래 기술에 따른 상압형 연료 전지 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a normal-pressure fuel cell device according to the prior art.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 상압형 연료 전지 장치(1)는, 공기 및 수소의 유입/배출부(3,5,7,9)가 마련된 연료 전지 스택(2)과, 공기 유입구(3)에 공기를 공급하도록 장착되는 에어 블로워(4)와, 수소 압력 레귤레이터(6)와, 수소 정화밸브(8) 및 수소 재순환 블로워(11)를 구비한다.As shown in FIG. 1, the conventional atmospheric pressure fuel cell apparatus 1 includes a fuel cell stack 2 provided with air / hydrogen inlets / outlets 3, 5, 7, and 9, and an air inlet 3. Air blower (4), a hydrogen pressure regulator (6), a hydrogen purifying valve (8), and a hydrogen recirculation blower (11).

통상 공기를 가습할 경우 필요한 물의 양은 공기의 압력과 온도에 따라 도 2에 도시한 바와 같이 큰 차이가 난다. 예를 들어 80℃에서 절대 압력 3bar의 공기를 상대 습도 100%로 만들기 위해서는 약 공기 1kg 당 0.1kg의 물이 필요하며, 1bar의 공기를 상대 습도 100%로 하기 위해서는 공기 1kg 당 약 0.52kg의 물이 필요하다. 현재 일반적인 PEM 연료 전지 장치의 운전 온도는 약 70~80℃ 정도이다. 그리고 상압형 시스템은 절대 압력 1.1bar 미만으로 작동하고 가압형 시스템은 약 3bar 정도에 작동한다. 이때 가압형 시스템에 비해 상압형 시스템은 가습을 위해서 약 5배의 물이 필요하다.In general, when the air is humidified, the amount of water required varies greatly as shown in FIG. 2 depending on the pressure and temperature of the air. For example, at 80 ° C, 0.1 kg of water per kg of air is required to make 3 bar absolute air at 100% relative humidity, and 0.52 kg of water per kg of air to make 1 bar of air 100% relative humidity. This is necessary. Currently, the operating temperature of a typical PEM fuel cell device is about 70 to 80 ℃. The atmospheric system operates at less than 1.1 bar absolute and the pressurized system operates at about 3 bar. At this time, the atmospheric pressure system requires about five times as much water as the humidification system.

통상적으로, 공기 블로워를 사용하는 상압형 연료 전지는 에어 콤프레서를 사용하는 가압형 연료 전지에 비해 작은 양의 보기류 파워를 사용하기 때문에 효율이 매우 좋은 특성을 갖고 있다.In general, an atmospheric pressure fuel cell using an air blower has a very good efficiency because it uses a small amount of auxiliary power compared to a pressurized fuel cell using an air compressor.

그러나 공급 공기의 압력이 낮은 관계로 충분한 가습을 위해서는 가압형 시스템에 비해 많은 양의 물을 필요로 하는 단점이 있다. 대기 압력은 고도가 올라가면서 감소한다. 약 2000m 고도에서 대기압은 0.8bar 정도가 되고 이때 가습을 위해 필요한 물의 양은 도 1에 의하면 대략 60% 정도가 더 필요하다. 그렇기 때문에 고지에서는 가습수가 많이 필요하여 물 수지 불균형 현상이 발생할 수 있는 문제점이 있다.However, due to the low pressure of the supply air, a sufficient amount of water is required in comparison to the pressurized system for sufficient humidification. Atmospheric pressure decreases with elevation. At about 2000m altitude, the atmospheric pressure is about 0.8 bar, and the amount of water required for humidification is about 60% more according to FIG. For this reason, there is a problem in that high humidification water is required in the highlands, so that a water resin imbalance may occur.

본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 대기 압력이 낮은 곳에서도 연료 전지 스택의 작동 압력을 능동적으로 제어하고, 스택으로 유입되는 공기의 질량 유량을 측정에 의한 블로워 속도 제어를 통해 필요한 공기의 양을 정확히 연료 전지 스택에 공급하도록 하는 상압형 연료 전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and actively controls the operating pressure of the fuel cell stack even at a low atmospheric pressure, and controls the blower speed by measuring the mass flow rate of air flowing into the stack. It is an object of the present invention to provide an atmospheric pressure fuel cell device for supplying the fuel cell stack with the required amount of air accurately.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상압형 연료 전지 장치는, 공기 및 수소의 유입/배출부가 마련된 연료 전지 스택과, 공기 유입구에 공기를 공급하도록 장착되는 에어 블로워와, 수소 압력 레귤레이터와, 수소 정화밸브 및 수소 재순환 블로워를 구비하는 상압형 연료 전지 장치에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 공기 유입부와 상기 에어 블로워 사이에 장착되어 상기 연료 전지 스택으로 유입되는 공기량을 조절하도록 하는 공기량 센서; 상기 연료 전지 스택의 공기 배출부에 장착되는 공기 유량 제어밸브; 상기 배출되는 공기 압력의 센싱 및 피드백을 통한 상기 공기 배출부의 압력을 조절 가능하도록 장착되는 압력센서; 및 상기 압력센서의 센싱값을 전달받고 상기 공기 유량 제어밸브를 제어하여 상기 연료 전지 스택의 운전 압력을 제어하는 제어부;를 구비하고, 이때, 상기 제어부는 상기 공기량 센서의 센싱값을 전달받아 상기 블로워의 컨트롤을 통한 필요 공기량의 적절한 공급을 하도록 제어하는 것을 그 특징으로 한다.The atmospheric pressure type fuel cell apparatus of the present invention for achieving the above object comprises a fuel cell stack provided with air and hydrogen inlet / outlet, an air blower mounted to supply air to the air inlet, a hydrogen pressure regulator, and hydrogen purification An atmospheric pressure fuel cell apparatus having a valve and a hydrogen recirculation blower, the atmospheric pressure type fuel cell apparatus comprising: an air mass sensor mounted between an air inlet of the fuel cell stack and the air blower to adjust an amount of air flowing into the fuel cell stack; An air flow rate control valve mounted to an air outlet of the fuel cell stack; A pressure sensor mounted to adjust the pressure of the air outlet through sensing and feedback of the discharged air pressure; And a control unit receiving the sensing value of the pressure sensor and controlling the air flow rate control valve to control the operating pressure of the fuel cell stack, wherein the control unit receives the sensing value of the air quantity sensor and the blower It is characterized by controlling to ensure the proper supply of the required amount of air through the control of.

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이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상압형 연료 전지 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, an atmospheric pressure fuel cell device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상압형 연료 전지 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a schematic view of an atmospheric pressure fuel cell apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상압형 연료 전지 장치(100)는, 공기 및 수소의 유입/배출부(13,14,15,16))가 마련된 연료 전지 스택(12)과, 공기 유입구(13)에 공기를 공급하도록 장착되는 에어 블로워(18)와, 수소 압력 레귤레이터(21)와, 수소 정화밸브(23) 및 수소 재순환 블로워(25)를 구비하는 상압형 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 연료 전지 스택(12)의 공기 유입부(13)와 에어 블로워(18) 사이에 장착되어 연료 전지 스택(12)으로 유입되는 공기량을 조절하도록 하는 공기량 센서(10)와, 연료 전지 스택(12)의 공기 배출부(14)에 장착되는 공기 유량 제어밸브(30)와, 배출되는 공기 압력의 센싱 및 피드백을 통한 공기 배출부(14)의 압력을 조절 가능하도록 장착되는 압력센서(40)와, 압력센서(40)의 센싱값을 전달받고 공기 유량 제어밸브(30)를 제어하여 연료 전지 스택의 운전 압력을 제어하는 제어부(20)를 구비한다.As shown in FIG. 3, the atmospheric pressure fuel cell apparatus 100 according to the present invention includes a fuel cell stack 12 provided with inlet / outlet portions 13, 14, 15, and 16 of air and hydrogen; An air blower (18) mounted to supply air to an air inlet (13), a hydrogen pressure regulator (21), a hydrogen purifying valve (23) and a hydrogen recirculation blower (25) The air volume sensor 10 is mounted between the air inlet 13 and the air blower 18 of the fuel cell stack 12 to adjust the amount of air flowing into the fuel cell stack 12, and the fuel cell stack ( An air flow rate control valve 30 mounted on the air outlet 14 of 12) and a pressure sensor 40 mounted to adjust the pressure of the air outlet 14 through sensing and feedback of the discharged air pressure. And, by receiving the sensing value of the pressure sensor 40 to control the air flow control valve 30 fuel And a control unit 20 for controlling the operating pressure of the paper stack.

상기 공기량 센서(10)는 연료 전지 스택(12)의 공기 유입부(13)와 에어 블로워(18) 사이에 장착된다. 상기 공기량 센서(10)는 연료 전지 스택(12)으로 유입되는 공기량을 조절하기 위한 센서를 말한다. 상기 공기량 센서(10)의 센싱 신호는 제어부(20)로 전달된다. 즉, 제어부(20)는 공기량 센서(10)의 센싱 신호를 통하여 에어 블로워(18)를 제어함으로써, 연료 전지 스택(12)으로 유입되는 공기량을 조절한다. 즉, 연료 전지 스택(12)의 공기측 작동 압력과 대기의 압력과의 차이가 변화하게 되면, 에어 블로워(18)의 속도 제어만으로는 필요한 양의 공기를 공급할 수 없기 때문에 공기량 센서(10)를 설치하여 연료 전지 스택(12)으로 유입되는 공기의 질량 유량을 제어하도록 한다.The air mass sensor 10 is mounted between the air inlet 13 and the air blower 18 of the fuel cell stack 12. The air amount sensor 10 refers to a sensor for adjusting the air amount flowing into the fuel cell stack 12. The sensing signal of the air mass sensor 10 is transmitted to the controller 20. That is, the controller 20 controls the air blower 18 through the sensing signal of the air mass sensor 10 to adjust the amount of air flowing into the fuel cell stack 12. That is, when the difference between the air side operating pressure and the atmospheric pressure of the fuel cell stack 12 changes, the air volume sensor 10 is installed because the required amount of air cannot be supplied only by the speed control of the air blower 18. To control the mass flow rate of air flowing into the fuel cell stack 12.

상기 공기 유량 제어밸브(30)는 연료 전지 스택(12)의 공기 배출부(14)에 연결 장착되어 공기 유량을 제어한다. The air flow control valve 30 is connected to the air outlet 14 of the fuel cell stack 12 to control the air flow rate.

상기 압력센서(40)는 연료 전지 스택(12)의 배출되는 공기 압력의 센싱 및 피드백을 하고 공기 유량 제어밸브(30)와 함께 연료 전지 스택(12)의 압력을 조절 하도록 한다. The pressure sensor 40 senses and feeds back the air pressure discharged from the fuel cell stack 12 and adjusts the pressure of the fuel cell stack 12 together with the air flow rate control valve 30.

상기 제어부(20)는 압력센서(40)의 센싱 신호를 전달받고, 공기 유량 제어밸브(30)의 제어를 통하여 공기를 가습하기 위한 물의 양이 회수되는 물의 양보다 적을 경우, 작동 압력을 좀더 높게 제어하여 필요한 가습수의 양을 줄임으로써, 가습수 수지를 개선하도록 한다. 이에 따라 본 발명의 상압형 연료 전지 장치를 통하여 대기압이 낮은 고지 운전에서 운전하여도 가습수의 수지를 원활하게 조절 가능하다.The control unit 20 receives the sensing signal of the pressure sensor 40, and when the amount of water for humidifying the air through the control of the air flow control valve 30 is less than the amount of water to be recovered, the operating pressure is higher The control is made to improve the humidifying resin by reducing the amount of humidifying water required. Accordingly, the resin of the humidified water can be smoothly adjusted even when operating at high atmospheric pressure with low atmospheric pressure through the atmospheric pressure fuel cell device of the present invention.

상기 구성을 갖는 본 발명의 상압형 연료 전지 장치의 작용을 설명한다.The operation of the atmospheric pressure fuel cell device of the present invention having the above configuration will be described.

연료 전지 스택(12)의 공기측 작동 압력과 대기의 압력과의 차이가 변화하면, 공기량 센서(10)의 센싱 신호를 통하여 연료 전지 스택(12)으로 유입되는 공기의 질량 유량을 제어하며, 공기를 가습하기 위한 물의 양이 회수되는 물의 양보다 적을 때는 작동 압력을 좀더 높게 제어하여 필요한 가습수의 양을 줄임으로써 가습수 수지를 개선한다.When the difference between the air side operating pressure of the fuel cell stack 12 and the atmospheric pressure changes, the mass flow rate of the air flowing into the fuel cell stack 12 is controlled through the sensing signal of the air mass sensor 10, and the air When the amount of water to be humidified is less than the amount of water to be recovered, the operating pressure is controlled higher to reduce the amount of humidifying water required to improve the humidifying resin.

상기와 같은 본 발명에 따른 상압형 연료 전지 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.The atmospheric pressure fuel cell device according to the present invention as described above has the following effects.

고도가 높은 곳 등의 대기 압력이 낮은 곳에서도 연료 전지 스택의 작동 압력을 능동적으로 제어하여, 연료 전지 스택으로 유입되는 공기의 질량 유량을 측정하여 블로워의 속도 제어를 통해 필요한 공기의 양을 정확히 연료 전지 스택에 공급함으로서 가습수 부족 현상을 방지할 수 있다.Actively controls the operating pressure of the fuel cell stack even at low atmospheric pressures, such as at high altitudes, and measures the mass flow rate of air flowing into the fuel cell stack to accurately control the amount of air needed by controlling the speed of the blower. Supplying to the battery stack can prevent the lack of humidification water.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications or other embodiments falling within the scope equivalent to the present invention are possible by those skilled in the art. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined by the following claims.

Claims (2)

공기 및 수소의 유입/배출부가 마련된 연료 전지 스택과, 공기 유입구에 공기를 공급하도록 장착되는 에어 블로워와, 수소 압력 레귤레이터와, 수소 정화밸브 및 수소 재순환 블로워를 구비하는 상압형 연료 전지 장치에 있어서,A fuel cell stack provided with air and hydrogen inlet / outlet, an air blower mounted to supply air to the air inlet, a hydrogen pressure regulator, a hydrogen purge valve, and a hydrogen recirculation blower, comprising: 상기 연료 전지 스택의 공기 유입부와 상기 에어 블로워 사이에 장착되어 상기 연료 전지 스택으로 유입되는 공기량을 조절하도록 하는 공기량 센서;An air mass sensor mounted between an air inlet of the fuel cell stack and the air blower to adjust an air amount flowing into the fuel cell stack; 상기 연료 전지 스택의 공기 배출부에 장착되는 공기 유량 제어밸브;An air flow rate control valve mounted to an air outlet of the fuel cell stack; 상기 배출되는 공기 압력의 센싱 및 피드백을 통한 상기 공기 배출부의 압력을 조절 가능하도록 장착되는 압력센서; 및A pressure sensor mounted to adjust the pressure of the air outlet through sensing and feedback of the discharged air pressure; And 상기 압력센서의 센싱값을 전달받고 상기 공기 유량 제어밸브를 제어하여 상기 연료 전지 스택의 운전 압력을 제어하는 제어부;를 구비하고,And a control unit receiving the sensing value of the pressure sensor and controlling the air flow rate control valve to control an operating pressure of the fuel cell stack. 이때, 상기 제어부는 상기 공기량 센서의 센싱값을 전달받아 상기 블로워의 컨트롤을 통한 필요 공기량의 적절한 공급을 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 상압형 연료 전지 장치.At this time, the control unit receives the sensing value of the air mass flow sensor, characterized in that for controlling the proper supply of the required amount of air through the control of the blower, characterized in that the normal-pressure fuel cell device. 삭제delete
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