KR100763143B1 - Apparatus for preventing power down of fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명 연료전지의 출력저하방지장치는 연료전지의 출력저하를 검출하기 위한 전압검출센서(41)와, 스택(10)내의 산소가 소진된 공기를 배출하기 위한 공기배출라인(51)과, 그 공기배출라인(51) 상에 설치되는 펌프(52) 및 밸브(53)로 구성되어, 연료전지의 재가동시 출력저하가 감지되면 스택(10)내의 산소가 소진된 공기를 신속하게 외부로 배출하여, 새로운 공기로 교체되도록 함으로써, 출력저하에 따른 비정상적인 발전이 신속하게 정상상태로 회복된다.The apparatus for preventing the output drop of the fuel cell of the present invention includes a voltage detection sensor 41 for detecting the output drop of the fuel cell, an air discharge line 51 for discharging the oxygen-depleted air in the stack 10, and It is composed of a pump 52 and a valve 53 installed on the air discharge line 51, if the output decrease is detected when the fuel cell is restarted to quickly discharge the oxygen exhausted air in the stack 10 to the outside By replacing it with fresh air, the abnormal power generation due to the decrease in power is quickly restored to the normal state.

Description

연료전지의 출력저하방지장치{APPARATUS FOR PREVENTING POWER DOWN OF FUEL CELL}Output deterioration prevention device of fuel cell {APPARATUS FOR PREVENTING POWER DOWN OF FUEL CELL}

도 1은 본 발명 출력저하방지장치가 구비된 연료전지의 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell equipped with an output reduction prevention device of the present invention.

도 2는 연료전지의 단일셀 구조를 보인 종단면도.2 is a longitudinal sectional view showing a single cell structure of a fuel cell;

도 3은 본 발명에서 저하된 출력을 회복시키는 순서를 보인 흐름도.Figure 3 is a flow chart showing the procedure for recovering the reduced output in the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 스택 41 : 전압검출센서10: stack 41: voltage detection sensor

51 : 공기배출라인 52 : 펌프51: air discharge line 52: pump

53 : 밸브53: valve

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택의 출력이 저하된 상태가 감지되면 스택내의 산소가 소진된 공기를 신속하게 배출하여 저하된 출력을 신속하게 회복시키도록 향상시키도록 하는데 적합한 연료전지의 출력저하방지장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside. More specifically, when a state in which the output of the stack is lowered is detected, the air in which the oxygen is depleted in the stack is quickly removed. The present invention relates to an apparatus for preventing a decrease in output of a fuel cell, which is suitable for quickly discharging and improving the reduced output.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있으며, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. Is attached, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode) and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다. Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of direct methanol fuel cell (DMFC), which is used in the form or uses liquid methanol as a direct fuel.

또한, 연료전지에 공급되는 연료는 반응하고난 후에 CO2와H2O 가스 형태로 외부로 배출되어 진다.In addition, the fuel supplied to the fuel cell is discharged to the outside in the form of CO 2 and H 2 O gas after the reaction.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지에서는 일정시간 정지된 상태에서는 내부에 존재하는 공기가 반응하여 산소가 소진된 상태의 공기가 잔류하게 되는데, 이와 같이 산소가 소진된 상태의 반응공기가 존재하는 상태에서 발전을 재개하는 경우에 반응이 활발하게 일어나지 않기 때문에 발전효율이 저하되는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell as described above, in a state where the air is stopped for a predetermined time, the air present in the interior reacts and the air in which oxygen is exhausted remains. In the case of restarting the power generation in the reaction did not occur actively, there was a problem that the power generation efficiency is lowered.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료전지의 출력이 저하되면 스택내의 산소가 소진된 공기를 외부로 신속하게 배출하여 출력을 정상상태로 회복시켜서 발전효율이 향상되도록 하는데 적합한 연료전지의 출력저하방지장치를 제공함에 있다.An object of the present invention devised in view of the above problems is that when the output of the fuel cell is lowered, the fuel suitable for improving the power generation efficiency by quickly exhausting the oxygen-depleted air in the stack to the outside to restore the output to the normal state An object of the present invention is to provide a battery output preventing device.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 스택에 연료를 공급하고, 그 연료의 화학반으로 부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In the fuel cell for supplying fuel to the stack to generate power in order to achieve the object of the present invention as described above, and to obtain an electromotive force from the chemistry of the fuel,

상기 스택의 출력을 검출하기 위한 출력검출수단과,Output detecting means for detecting an output of the stack;

그 출력검출수단에 의하여 출력이 저하된 상태가 검출이 되면 스택의 내부에 존재하는 공기를 배출하여 산소가 소진된 공기를 새로운 공기로 교체되도록 하는 공기배출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 출력저하방지장치가 제공된다. When the output is detected by the output detection means is detected by the air discharge means for exhausting the air present in the interior of the stack to replace the oxygen-depleted air with new air Output reduction prevention device is provided.                     

이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS To make the construction and operation of the present invention described above clearer, a preferred embodiment of the present invention will be described below.

도 1은, 본 발명의 일실시예로서 본 발명에 따른 출력저하방지장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell in which an output reduction prevention device according to the present invention is installed as an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 액체연료를 스택(10)에 공급하기 위한 연료공급수단(11)과, 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 스택(10)에서 발생되는 H2O를 배출하기 위한 배출라인(13)과, 상기 스택(10)의 출력을 검출하기 위한 출력검출수단과, 그 출력검출수단에 의하여 출력이 저하된 상태가 검출이 되면 스택(10)의 내부에 존재하는 공기를 배출하여 산소가 소진된 공기를 새로운 공기로 교체되도록 하는 공기배출수단 및 각 종류의 제어처리를 실행하는 전자제어부(미도시)를 구비한다.As shown, the overall configuration of the fuel cell 1 includes a stack 10 of a polymer-like polymer generating electricity, fuel supply means 11 for supplying liquid fuel to the stack 10, and a stack 10. An air line 12 for supplying air to the air, a discharge line 13 for discharging H 2 O generated from the stack 10, an output detection means for detecting an output of the stack 10, and Air discharge means and each type of control process for discharging air existing in the stack 10 to replace the exhausted air with new air when a state in which the output is reduced by the output detection means is detected. An electronic control unit (not shown) for executing.

상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다. The stack 10 may be a single cell in which an electrochemical reaction occurs or a plurality of single cells may be sequentially stacked and assembled into bolts. Referring to FIG. 2, a single cell structure will be described. A membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 24 formed by bonding the anode 22 and the cathode 23 to diffuse gas on both sides of the membrane 21, and both sides of the membrane-electrode assembly 24. A separator 25 which is assembled so as to be in close contact with each other and forms a flow path of fuel gas and an oxygen-containing gas at the anode 22 and the cathode 23, and is disposed on both sides of the separator 25 and the anode 22. ) And current collector plates 26 and 27 serving as current collector electrodes of the cathode 23.                     

막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다. The electrolyte membrane 21 of the membrane-electrode assembly 24 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and an electrolyte membrane 21 commercially available includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, and contacts oxygen with hydrogen. The anode 22 and the cathode 23 serve as a support for the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper or carbon cloth is bonded to both sides of the electrolyte membrane 21. Structure.

분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료가스 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.The separation plate 25 is formed of a dense carbon plate, and a plurality of ribs are formed to form a fuel gas flow path groove 31 on the surface of the anode 22 during assembly, and oxygen on the surface of the cathode 23. The containing gas flow path groove 32 is formed.

집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.It is preferable that the current collector plates 26 and 27 have excellent electrical conductivity, excellent corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. good.

상기 연료공급수단(11)은 탄화수소계 가스를 개질처리하여 수소(H2)를 정제하기 위한 개질기(41)와, 그 개질기(41)에서 정제된 수소를 스택(10)에 공급하기 위한 수소가스공급라인(42) 및 그 수소가스공급라인(42) 상에 설치된 전자밸브(43)로 구성되어 있다.The fuel supply means 11 is a reformer 41 for purifying hydrogen (H 2 ) by reforming a hydrocarbon-based gas, and a hydrogen gas for supplying hydrogen purified from the reformer 41 to the stack 10. The solenoid valve 43 provided on the supply line 42 and the hydrogen gas supply line 42 is comprised.

또한, 상기 수소가스공급라인(42)은 스택(10)의 연료가스 유로홈(31)에 접속되어 있고, 그 연료가스 유로홈(31)은 스택(10)의 외측으로 연결되어 있는 배출라인(13)에 접속되어 있으며, 에어라인(12)은 산소함유가스 유로홈(32)에 접속되어 있다. In addition, the hydrogen gas supply line 42 is connected to the fuel gas flow path groove 31 of the stack 10, and the fuel gas flow path groove 31 is connected to an outside of the stack 10. 13, and the air line 12 is connected to the oxygen-containing gas flow path groove 32.                     

한편, 상기 스택(10)에는 출력검출수단으로서 전압검출센서(41)가 설치되어 있고, 그와 같은 전압검출센서(41)의 검출값에 의하여 출력저하가 검출되면 공기를 배출하기 위한 공기배출수단으로서 산소함유가스 유로홈(32)에 연통되도록 결합되어 있는 공기배출라인(51)과 그 공기배출라인(51) 상에 설치되는 펌프(52) 및 밸브(53)가 구비되어 있다.On the other hand, the stack 10 is provided with a voltage detection sensor 41 as an output detection means, and the air discharge means for discharging air when the output decrease is detected by the detection value of such a voltage detection sensor 41 As an air exhaust line 51 coupled to communicate with the oxygen-containing gas flow path groove 32, the pump 52 and the valve 53 is provided on the air discharge line 51 is provided.

도면중 미설명 부호 14는 에어라인(12) 상에 설치된 전자밸브이다.In the figure, reference numeral 14 denotes a solenoid valve provided on the air line 12.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지는 조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 수소공급라인 상의 전자밸브()(를 열어서 수소가스와 공기가 스택(10)에 공급된다.The fuel cell equipped with the fuel supply device of the present invention configured as described above may operate on the air line 12 and the hydrogen supply line according to a control program preset by an electronic controller (not shown) when an operator operates a switch of the fuel cell 1. By opening the solenoid valve () (), hydrogen gas and air are supplied to the stack 10.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수소가스는 연료 유로홈(31)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, the hydrogen gas supplied to the stack 10 flows along the fuel flow path groove 31 and diffuses to the entire surface of the anode 22 of the membrane-electrode assembly 24 to proceed with electrochemical oxidation of hydrogen. It flows along the oxygen-containing gas flow path 32 and diffuses across the cathode 23 of the membrane-electrode assembly 24 to cause electrochemical reduction of oxygen, and electricity is generated due to the movement of electrons generated. The electricity is collected in the current collector plates 26 and 27 to be used as an energy source.

이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.At this time, the reaction formula and total reaction formula at each pole are as follows.

양극(ANODE): H2(g) → 2H+ + 2e- Anode (ANODE): H 2 (g ) → 2H + + 2e -

음극(CATHODE): 1/2O2(g) + 2H+ + 2e_ → H2O Cathode (CATHODE): 1 / 2O 2 (g) + 2H + + 2e _ → H 2 O

총반응식 : H2 + 1/2O2 → H2OTotal Reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

그리고, 상기와 같이 발전이 이루어지는 연료전지는 경우에 따라 일정시간 정지하는 경우가 발생되는데, 이때 스택(10)의 음극에서는 공기의 환원반응이 계속 일어나서 스택(10) 내부에 존재하는 공기는 산소가 소진된 상태로 존재하게 되고, 그와 같은 상태에서 발전을 재개하는 경우에 반응이 활발하게 일어나지 못하여 일정시간동안 출력이 저하되므로, 전압검출센서(41)에서 그러한 출력저하가 감지되면 밸브(53)를 열고 펌프(52)을 동작시켜서 공기배출라인(51)을 통하여 산소가 소진된 공기를 신속하게 배출하고 새로운 공기로 교체되도록 하여 출력저하를 방지한다.In addition, a fuel cell in which power generation is performed as described above may be stopped for a predetermined time. In this case, a reduction reaction of air occurs continuously at the cathode of the stack 10 so that the air present in the stack 10 is oxygen. If the output is depleted and the output is decreased for a predetermined time when the power generation is resumed in such a state, the valve 53 is detected when the output drop is detected by the voltage detection sensor 41. Open and operate the pump 52 to quickly discharge the oxygen exhausted air through the air discharge line 51 to be replaced with new air to prevent output degradation.

도 3은 이러한 출력저하를 방지하기 위한 일련의 제어순서를 보인 흐름도로서, 이를 참고로 상세히 설명하면 그러한 출력저하를 방지하기 위한 제어는 정지되어 있던 연료전지가 발전을 재개하고 일정시간(약5초) 경과된 후에 시작된다.3 is a flow chart showing a series of control procedures for preventing such a decrease in output power, which will be described in detail with reference to this. In order to prevent such a decrease in power, the fuel cell in which the control is stopped resumes power generation for a predetermined time (about 5 seconds). It starts after elapsed.

즉, 발전을 시작하고 5초 정도의 시간이 경과된 후에 전압검출센서(41)에서 스택(10)의 출력전압을 검출하고 그 검출된 전압을 전자제어부에서 논리제어처리를 하여 발전량으로 환산한 다음 기준값과 비교하여 기준값의 이하인 경우에는 밸브(53)를 열고 펌프(52)를 일정시간(30초) 펌핑하여 스택(10)의 내부에 존재하는 산소가 소진된 공기를 외부로 배출하고 새로운 공기가 스택(10)의 내부로 투입되도록 한다. That is, after about 5 seconds have elapsed from the start of power generation, the voltage detection sensor 41 detects the output voltage of the stack 10 and converts the detected voltage into an amount of power generation by performing a logic control process in the electronic controller. When the reference value is lower than the reference value, the valve 53 is opened and the pump 52 is pumped for a predetermined time (30 seconds) to discharge oxygen-depleted air present in the stack 10 to the outside and fresh air is discharged. To be introduced into the stack 10.

그런 상태에서 발전을 계속하며 주기적으로 전압을 검출하여 출력되는 발전량이 기준값 이상이 되면 이러한 출력저하를 복원하기 위한 일련의 제어를 종료함으로써, 연료전지의 비정상적인 발전을 빠르게 정상적인 발전이 이루어지도록 회복 시키게 되어 발전효율이 향상되게 된다.In such a state, the power generation continues and the voltage is periodically detected and the output power exceeds the reference value. Then, the series of control for restoring the decrease in power is terminated, so that the abnormal power generation of the fuel cell can be quickly restored to the normal power generation. Power generation efficiency will be improved.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 출력저하방지장치는 스택에서 출력되는 전압을 검출하기 위한 전압검출센서와, 스택내의 산소가 소진된 공기를 배출하기 위한 공기배출라인과, 그 공기배출라인 상에 설치되는 펌프 및 밸브로 구성되어, 연료전지의 출력되는 발전량이 기준값 이하인 경우에 스택내의 산소가 소진된 공기를 일정시간 외부로 강제배출하여 새로운 공기가 투입되어 반응이 활발하게 일어나도록 함으로써, 연료전지의 출력저하를 신속하게 회복시키게 되어 발전효율을 향상시키는 효과가 있다.As described above in detail, the output reduction prevention device of the fuel cell of the present invention includes a voltage detection sensor for detecting a voltage output from a stack, an air discharge line for discharging oxygen exhausted in the stack, and an air discharge. It is composed of a pump and a valve installed on the line, when the output power of the fuel cell is less than the reference value by forcibly discharging the oxygen-depleted air in the stack to the outside for a certain time, so that the new air is introduced to actively react As a result, the output reduction of the fuel cell can be quickly recovered, thereby improving the power generation efficiency.

Claims (4)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 발전이 이루어지는 스택에 연료를 공급하고, 그 연료의 전기화학적 반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In a fuel cell that supplies fuel to a stack on which power generation takes place and obtains electromotive force from an electrochemical reaction of the fuel, 상기 스택의 출력전압을 검출하는 전압검출센서;A voltage detection sensor detecting an output voltage of the stack; 상기 스택내의 공기를 배출하는 공기배출라인;An air discharge line for discharging air in the stack; 상기 공기배출라인에 설치되어 상기 스택내의 공기를 강제로 펌핑하는 펌프;A pump installed in the air discharge line to forcibly pump air in the stack; 상기 공기배출라인을 개폐하는 밸브; 및A valve for opening and closing the air discharge line; And 상기 전압검출센서에서 검출된 상기 스택의 출력전압을 발전량으로 환산한 다음, 기준값과 비교하여 기준값의 이하인 경우에는 상기 밸브를 열고 상기 펌프를 펌핑하여 상기 스택 내부에 존재하는 공기를 외부로 배출하는 전자제어부;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 출력저하방지장치.The output voltage of the stack detected by the voltage detection sensor is converted into the amount of power generation, and when the reference value is less than the reference value, the electron is discharged to the outside by opening the valve and pumping the pump to discharge the air present in the stack to the outside. Output control device of the fuel cell, characterized in that it comprises a control unit.
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