KR100968506B1 - Differential pressure simulator for fuel cell stack - Google Patents

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김민진
손영준
이원용
박구곤
박석희
임성대
양태현
윤영기
김창수
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한국에너지기술연구원
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Abstract

PURPOSE: A differential pressure simulator for fuel cell stack is provided to simulate the differential pressure which is generated due to the load of the fuel cell stack in which an ejector is mounted without electrochemical reaction and to enforce performance evaluation of the ejector according to various power range of the fuel cell. CONSTITUTION: A differential pressure simulator(15) for fuel cell stack includes multi-tubes(17) which is installed in an adiabatic container. The load according to an output power of the fuel cell is same as an application range of the differential pressure by varying the number of the multi-tubes. A set value is variable according to the number of the tubes. The multi-tubes is installed to pass through the adiabatic container. The tube includes a tube opening/closing valve(18) and a differential manometer(16).

Description

연료전지 스택의 차압 모사 장치{Differential pressure simulator for fuel cell stack}Differential pressure simulator for fuel cell stack

본 발명은 연료전지 시스템의 이젝터 성능을 평가하는 연료전지 차압 모사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 부하에 따라 차압 변화가 생기는 연료전지용 이젝터의 성능평가를 실시함에 있어서, 고가의 연료전지 스택을 대체하여 실제 전기화학반응을 수반하지 않고도 상기 이젝터가 장착된 실제 연료전지 스택의 차압을 모사할 수 있도록 하는 멀티 튜브를 구비한 것을 특징으로 하는 차압 모사장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell differential pressure simulation apparatus for evaluating the ejector performance of a fuel cell system. More particularly, the present invention relates to a fuel cell ejector for evaluating a differential pressure depending on a load of a fuel cell stack. The present invention relates to a differential pressure simulation apparatus having a multi-tube which can substitute the battery stack and simulate the differential pressure of the actual fuel cell stack equipped with the ejector without involving an actual electrochemical reaction.

연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 전지로, 닫힌 계 내에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 계 외로 제거되는 장치이다. A fuel cell is a battery that directly converts chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy. Unlike a chemical cell that performs a cell reaction in a closed system, a reactant is continuously supplied from the outside to remove a reaction product. Device.

연료전지는 종래의 내연기관에 비해 효율이 높고, 대기오염의 원인이 되는 질소산화물과 아황산화물의 배출량이 적으며, 이산화탄소의 배출을 크게 감소시킬 수 있어 환경 보전상 효과가 크다. Fuel cells are more efficient than conventional internal combustion engines, have less emissions of nitrogen oxides and sulfide oxides that cause air pollution, and can significantly reduce carbon dioxide emissions, resulting in greater environmental conservation.

상기 연료전지는 연료극과 공기극 및 이들 양 극 사이에 전해질막을 포함하 여 구성된다. The fuel cell includes an electrolyte membrane between the anode, the cathode, and the anode.

전기가 생성되는 원리는 수소가스 또는 연료가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소이온(H+)이 되고, 이 수소이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하는 동시에 촉매반응으로 생성된 전자(e-)들은 외부회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성된다.The principle of generating electricity is that hydrogen gas or fuel desorbs electrons through the reaction with the catalyst on the surface of the anode and becomes hydrogen ions (H + ). Electrons (e − ) generated in the reaction are generated by moving along an external circuit.

연료전지는 내연기관에 연료 및 공기 공급, 냉각, 배기를 위한 장치로 구성된 엔진 운전 장치가 있는 것처럼, 열 및 물질 수지 개념이 적용되는 화학 공정의 연료전지 시스템은 전기를 발생하는 연료 전지 스택과 함께 연료전지 주변장치(Balance of plant ; BOP)로 구성된다. 상기 연료전지 BOP는 크게 공기공급계, 열 및 물 관리계, 수소공급계로 나눌 수 있으며, 상기 수소공급계는 연료 전지 스택에 수소를 공급하는 시스템으로, 수소 탱크, 압력 조절기, 수소재순환기 등으로 구성되어 있다. Just as a fuel cell has an engine operating unit composed of fuel and air supply, cooling, and exhaust in an internal combustion engine, a fuel cell system in a chemical process that applies the concept of heat and mass balance is accompanied by a fuel cell stack that generates electricity. It consists of a fuel cell peripheral (Balance of plant). The fuel cell BOP can be divided into air supply system, heat and water management system, and hydrogen supply system. The hydrogen supply system is a system for supplying hydrogen to a fuel cell stack, and is composed of a hydrogen tank, a pressure regulator, and a hydrogen recycler. It is.

연료전지 스택에서의 산화환원반응은 수소나 공기가 적당한 양이 공급된다고 하더라도 모든 수소가 반응하지는 못한다. 이렇게 연료전지 스택에 공급되는 수소가 100% 반응하지 않고 배기가스에 상당 부분 섞여 있을 때 그냥 배출해 버린다면 폭발의 위험이 있을 뿐만 아니라 비효율적인 운용이 되므로, 수소 측의 배출구가 스택의 수소 입구와 연결되어 연료의 재순환이 이루어지도록 해야 한다. 따라서 연료전지 스택을 통과하면서 미 반응된 수소를 재순환시켜 수소이용률을 증대시키는 장치로 이젝터(ejector)가 사용되고 있다. Redox reactions in fuel cell stacks do not react with all hydrogen, even if adequate amounts of hydrogen or air are supplied. If the hydrogen supplied to the fuel cell stack is not 100% reacted and mixed with the exhaust gas, if it is just discharged, there is a risk of explosion and inefficient operation. Therefore, the hydrogen outlet is connected to the hydrogen inlet of the stack. Recirculation of the fuel must be achieved. Therefore, an ejector is used as an apparatus to increase hydrogen utilization by recycling unreacted hydrogen while passing through the fuel cell stack.

상기 이젝터는 연료전지의 효율을 측정하여 향상된 기술을 개발에 이용할 수 있도록 그 성능에 대한 평가가 필요하며, 이젝터의 성능 평가는 실제와 동일하게 제작된 연료전지 목업스택(mock up stack)을 이용하여 이젝터에서 연료의 공급, 순환되는 과정을 통해 실시된다.The ejector needs to evaluate the performance of the ejector to measure the efficiency of the fuel cell so that the improved technology can be used in development. This is done by supplying and circulating fuel in the ejector.

상기 종래의 이젝터 성능 평가는 실제 연료전지 스택을 사용하면 고가 장비 구입 부담과 오작동 및 에러 등으로 인한 파손의 위험이 있어 목업스택을 이용하는 방법을 적용해왔다. In the conventional ejector performance evaluation, the use of a mock-up stack has been applied since actual fuel cell stacks may be damaged due to expensive equipment purchase burdens and malfunctions and errors.

상기 연료전지 이젝터의 성능평가는 효율을 극대화하기 위해서 저출력내지 고출력에 해당하는 운전 영역에 따른 최적 조건을 찾는 목적으로 실시한다.Performance evaluation of the fuel cell ejector is carried out for the purpose of finding the optimum conditions according to the operating range corresponding to low output to high output in order to maximize efficiency.

연료전지 스택은 부하에 따라 입구와 출구 사이에 압력차(차압)의 변화가 일어나며, 이를 조절하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 연료전지 스택의 입구 압력은 이젝터의 후단압력을 결정하고, 출구 압력은 이젝터의 2차 유동 압력을 결정짓기 때문이다.In the fuel cell stack, the pressure difference (differential pressure) changes between the inlet and the outlet depending on the load, and it is important to control the fuel cell stack. This is because the inlet pressure of the fuel cell stack determines the rear pressure of the ejector, and the outlet pressure determines the secondary flow pressure of the ejector.

따라서, 이젝터의 성능이 후단압력과 2차 유동 압력에 따라 많이 달라질 수 있기 때문에 상기 목업스택을 이용한 연료전지용 이젝터의 성능을 평가할 시 이들 압력들을 실제 연료전지 스택의 차압과 맞춰주도록 해야한다.Therefore, since the performance of the ejector may vary greatly depending on the back pressure and the secondary flow pressure, it is necessary to match these pressures with the actual pressure of the fuel cell stack when evaluating the performance of the fuel cell ejector using the mock-up stack.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지 시스템의 부하변동에 따른 연료전지 스택 차압 변화를 모사하는 장치를 제시하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an apparatus for simulating the fuel cell stack differential pressure change according to the load variation of the fuel cell system.

상기 차압 모사장치는 단열용기 내에 멀티 튜브를 설치하는 것을 특징으로 하며, 상기 멀티 튜브는 튜브의 개수를 달리하여 연료전지 출력에 따른 부하와 차 압의 적용범위를 실제와 동일한 조건으로 만들어 준다. The differential pressure simulating device is characterized in that the multi-tube is installed in the insulated container, the multi-tube makes the application range of the load and the differential pressure according to the output of the fuel cell by varying the number of tubes to the same conditions as the actual.

멀티 튜브는 튜브의 개수를 두 개 이상으로 하며, 개수에 따라 설정값을 달리 할 수 있고, 설정값은 연료전지의 출력양의 변화에 따라 제시된다. In the multi-tube, the number of tubes is two or more, and the set value can be changed according to the number, and the set value is presented according to the change of the output amount of the fuel cell.

본 발명에서 상기 멀티 튜브는 단열처리된 용기 내를 통과하도록 하며, 상기 튜브에는 튜브 개폐 밸브 및 차압계를 포함하여 구비한다. In the present invention, the multi-tube is to pass through the insulated container, the tube is provided including a tube opening and closing valve and a differential pressure gauge.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 스택의 차압 모사장치는 실제 전기화학반응을 수반하지 않고도 상기 이젝터가 장착된 실제 연료전지 스택의 부하에 따른 차압을 모사할 수 있다. 이로써 연료전지 시스템이 운전영역에 따라 효율을 극대화할 수 있도록 최적조건을 찾을 수 있게 되며, 연료전지의 다양한 출력범위에 따라 이젝터의 성능 평가를 실시할 수 있는 효과가 있다. The differential pressure replica of the fuel cell stack according to the present invention configured as described above can simulate the differential pressure according to the load of the actual fuel cell stack on which the ejector is mounted without involving an actual electrochemical reaction. As a result, the fuel cell system can find the optimum conditions for maximizing the efficiency according to the operation region, and the effect of the ejector performance can be evaluated according to the various output ranges of the fuel cell.

도 1은 본 발명에 의한 차압 모사장치를 구비한 이젝터 성능 평가장치의 배관 구성도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a piping block diagram of the ejector performance evaluation apparatus provided with the differential pressure simplicity according to this invention.

상기 이젝터 성능 평가장치는 연료공급장치(FPS)와 목업 스택(mock up stack)으로 구성된다.The ejector performance evaluation device is composed of a fuel supply device (FPS) and a mock up stack.

상기 FPS(1)는 이젝터(11,12), 1차 유동부(21), 2차 유동부(22)로 구성되며, 상기 1차 유동부(21)는 구동유체를 이젝터(11,12)로 공급하는 상황을 모사하고, 2차 유동부(22)는 이젝터(11,12)의 흡입력에 의해 연료전지 내에서 사용되고 남은 유체를 흡입하는 상황을 모사하기 위한 구성이다. 구성은 배관으로 연결되어 있으 며, 상기 각 유동부는 이젝터1(11)과 이젝터2(12)에 배관이 연결된 지점을 기준으로 1차 유동부(21)와 2차 유동부(22)로 구분된다.The FPS (1) is composed of an ejector (11, 12), the primary flow portion 21, the secondary flow portion 22, the primary flow portion 21 is the ejector (11, 12) The second flow section 22 is configured to simulate the situation of supplying the remaining fluid used in the fuel cell by the suction force of the ejectors 11 and 12. The configuration is connected by a pipe, and each flow part is divided into a primary flow part 21 and a secondary flow part 22 based on the point where the pipe is connected to the ejector 1 (11) and the ejector 2 (12). .

상기 구성에서 이젝터는 연료 전지의 규격 및 용량 등에 연료의 부하 요인에 따라 다수개로 적용될 수 있으며, 상기 구동유체가 진행되는 1차 유동부(21)의 배관은 다수개소로 분지되어 상기 이젝터(11,12)가 분지된 배관에 설치된다. 또한, 각각의 이젝터(11,12)는 연료기능이 수행된 후 잔류하는 흡입유체를 흡입하는 2차 유동부(22)의 배관에 연결된다.In the above configuration, the ejector may be applied in plural numbers according to the fuel load and the size of the fuel cell, and the pipe of the primary flow part 21 through which the driving fluid proceeds is branched into plural places so that the ejector 11, 12) is installed in the branched pipe. In addition, each ejector (11, 12) is connected to the pipe of the secondary flow section 22 for sucking the remaining suction fluid after the fuel function is performed.

상기 목업스택(2)은 흡입유체를 연료전지의 스택 기능을 모사하기 위한 장치로, 본 발명에 의한 차압 모사장치(15)를 비롯하여, 가습장치(14)와 릴리프 밸브(relief valve)(54), 진공펌프(56) 및 질소탱크에서 유량계(44)를 거쳐 나오는 퍼지 질소로 구성된다. The mock-up stack 2 is a device for simulating the stacking function of the fuel cell by the suction fluid, including the differential pressure simulation device 15 according to the present invention, the humidifier 14 and the relief valve 54. And purge nitrogen exiting the flow meter 44 from the vacuum pump 56 and the nitrogen tank.

상기 차압 모사장치(15)와 가습장치(14)는 실제 잔류연료가 갖는 유체특성과 동일한 조건을 형성하기 위한 것으로, 차압 모사장치(15)는 흡입유체가 목업스택(2)으로 진입하여 차압이 발생하고, 가습장치(14)는 연료기능을 수행한 실제 연료의 수분발생 현상을 발생시킨다. The differential pressure simulation apparatus 15 and the humidifier 14 are for forming the same conditions as the fluid characteristics of the actual residual fuel, the differential pressure simulation apparatus 15 is the suction fluid enters the mock-up stack (2), The humidification device 14 generates a water generation phenomenon of the actual fuel that performs the fuel function.

상기 퍼지 질소는 연료전지 내부에 수소가 잔류하거나 수분이 잔류하는 것을 방지하기 위한 것이다. The purge nitrogen is for preventing hydrogen or moisture from remaining in the fuel cell.

보다 구체적으로, 상기 1차 유동부(21)는 수소 탱크의 후단에 설치되어 구동유체가 공급되고 구동유체의 압력강하를 조절하는 압력조절기와 상기 압력조절기의 후단에 설치되어 진행압력을 검출하고 변환하는 압력변환기(PT1) 및 온도센서(T1) 를 포함한다.More specifically, the primary flow portion 21 is installed at the rear end of the hydrogen tank and the pressure regulator for supplying the driving fluid and adjusting the pressure drop of the driving fluid and the rear end of the pressure regulator to detect and convert the traveling pressure And a pressure transducer PT1 and a temperature sensor T1.

다음으로 상기 2차 유동부(22)는 1차 유동부(21)에 의해 제공된 구동유체가 노즐을 통과하면서 발생되는 제트기류에 연동되어 실제 연료전지에서 사용되고 남은 잔류연료와 같은 조건을 갖는 잔류연료가 이젝터(11,12)내에 흡입된다.Next, the secondary flow part 22 is connected to the jet stream generated by the driving fluid provided by the primary flow part 21 passing through the nozzle, and the residual fuel having the same conditions as the residual fuel used in the actual fuel cell. Is sucked into the ejectors (11, 12).

또한, 2차 유동부(22)는 실제 연료전지 스택의 공급 유량에서 연료전지 스택의 소비유량을 차감한 연료유량 값이 초과되지 않도록 하는 유량조절기(45), 역류를 방지하는 체크밸브(51,52), 워터트랩(31,32), 압력변환기(PT5,PT6) 및 온도센서(T5,T6)를 포함한다.In addition, the secondary flow part 22 is a flow regulator 45 to prevent the fuel flow rate value obtained by subtracting the consumption flow rate of the fuel cell stack from the actual supply flow rate of the fuel cell stack, a check valve 51 to prevent backflow. 52), water traps 31 and 32, pressure transducers PT5 and PT6 and temperature sensors T5 and T6.

다음으로 상기 목업스택은 본 발명에 의한 차압 모사장치(15), 가습장치(14)및 퍼지 질소로 나눌 수 있다. 상기 이젝터를 통과한 구동유체가 혼합용기(13)에서 취합되고, 압력변환기(PT4)와 온도계(T4)를 거쳐 차압 모사장치(15)에 도달한다. Next, the mock-up stack may be divided into a differential pressure simulation apparatus 15, a humidifier 14 and purge nitrogen according to the present invention. The driving fluid passing through the ejector is collected in the mixing vessel 13 and reaches the differential pressure simulation apparatus 15 via the pressure transducer PT4 and the thermometer T4.

도2는 본 발명에 의한 차압 모사장치이다. 2 is a differential pressure simulation apparatus according to the present invention.

상기 차압 모사장치(15)는 다수개의 멀티 튜브(17)가 단열용기 내부를 통과하고, 통과 전후의 압력을 측정하는 차압계(16)와 튜브개폐밸브(18)를 포함한다. The differential pressure simulation apparatus 15 includes a differential pressure gauge 16 and a tube opening / closing valve 18 through which a plurality of multi-tubes 17 pass through the inside of the heat insulation container and measure pressure before and after the passage.

상기 튜브개폐밸브(18)는 구동유체를 진행 또는 차단하는 수동식 또는 자동식 밸브를 적용할 수 있다. The tube opening and closing valve 18 may apply a manual or automatic valve for advancing or blocking the driving fluid.

상기 튜브의 길이와 직경은 한정되지 않으며, 상기 구동유체는 수소가스를 사용할 수 있다. The length and diameter of the tube is not limited, and the driving fluid may use hydrogen gas.

도3은 상기 차압 모사장치를 이용하여 실험한 그래프이다.3 is a graph experimenting with the differential pressure replica.

상기 그래프는 연료전지의 출력을 2kW 내지 100kW로 변화시키면서, 출력의 변화에 따른 차압을 튜브의 개수별로 설정값을 제시하고 그에 따른 차압 모사장치의 실험값을 비교한 것이다. In the graph, the output of the fuel cell is changed from 2 kW to 100 kW, the differential pressure according to the change in the output is set for each number of tubes, and the experimental values of the differential pressure simulator are compared.

상기 실험에서 차압 설정값과 본 발명에 의한 차압 모사장치의 실험값은 유사한 변화를 나타낸 것이며, 따라서 실제 연료전지 스택의 차압의 변화를 모사할 수 있음을 확인할 수 있다.In the above experiments, the differential pressure set value and the experimental value of the differential pressure simulation apparatus according to the present invention showed similar changes, and thus, it can be seen that the actual differential pressure of the fuel cell stack can be simulated.

도 1은 본 발명에 의한 차압 모사장치를 구비한 이젝터 성능 평가장치의 배관 구성도이며, 도 2는 상기 차압 모사장치(15)의 구성도이다.1 is a piping configuration diagram of an ejector performance evaluation apparatus having a differential pressure simulating device according to the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of the differential pressure simulation apparatus 15.

도 3은 차압 모사장치의 실험값이다.3 is an experimental value of the differential pressure simulation apparatus.

-도면의 주요 부분에 대한 설명-Description of the main parts of the drawing

1 : 연료공급장치 (FPS;Fuel process system), 2 : 목업스택(mockup stack)1: Fuel process system (FPS), 2: Mockup stack

11 : 이젝터1, 12 : 이젝터2, 13 : 혼합용기, 14 : 가습장치11: ejector 1, 12: ejector 2, 13: mixing container, 14: humidifier

15 : 차압모사장치15: differential pressure simulation apparatus

16 : 차압계, 17 : 튜브, 18 : 튜브 개폐기16: differential pressure gauge, 17: tube, 18: tube switch

21 : 1차 유동부, 22 : 2차 유동부, 31-33 : 워터트랩, 21: 1st flow part, 22: 2nd flow part, 31-33: water trap,

41-45 : 유량조절기, 46 : 히터, 47 : 냉각기41-45: Flow regulator, 46: Heater, 47: Cooler

51, 52 : 체크밸브, 53 : 밸브, 54 : 릴리프 밸브51, 52: check valve, 53: valve, 54: relief valve

55 : 가스 분석기, 56 : 진공펌프55 gas analyzer, 56 vacuum pump

PT1~PT6 : 압력변환기, T1-T6 : 온도계, PR : 압력조절기PT1 ~ PT6: Pressure transducer, T1-T6: Thermometer, PR: Pressure regulator

FC : 유량제어기, PC : 압력제어기, IC : 전류제어기, ctrl : 제어기FC: Flow controller, PC: Pressure controller, IC: Current controller, ctrl: Controller

Claims (5)

실제 연료전지에서 사용되고 남은 잔류연료가 이젝터를 통해 재순환되는 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 부하에 따른 차압을 모사할 수 있도록 목업스택(mock-up)은 멀티 튜브, 튜브 개폐 밸브 및 차압계를 구비한 단열용기를 포함하며, 상기 연료전지 스택의 부하에 따른 차압은 실제 연료전지의 출력 변화에 따른 차압을 개폐되는 튜브의 개수별로 설정되는 것을 특징으로 하는 차압 모사장치.Mock-ups are equipped with multi-tubes, tube shut-off valves and differential pressure gauges to simulate the differential pressure according to the load of the fuel cell stack in a fuel cell system in which the residual fuel used in the actual fuel cell is recycled through the ejector. A differential pressure simulation apparatus comprising a heat insulation container, wherein the differential pressure according to the load of the fuel cell stack is set for each number of tubes that open and close the differential pressure according to a change in output of the actual fuel cell. 삭제delete 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이젝터의 노즐에 분사시켜 제트기류를 형성하기 위한 구동유체를 제공하는 1차유동부;A primary flow unit which provides a driving fluid for spraying the nozzle of the ejector to form a jet stream; 상기 제트기류에 연동되어 이젝터에 흡입되는 잔류연료를 제공하는 2차유동부;A secondary flow unit linked with the jet stream to provide residual fuel sucked into the ejector; 상기 2차유동부 상에 설치되어 실제 전기화학반응을 수반하지 않고도 상기 이젝터가 장착된 실제 연료전지 스택의 부하에 따른 차압을 모사할 수 있도록 하는 차압 모사장치.And a differential pressure simulation apparatus installed on the secondary flow unit to simulate the differential pressure according to the load of the actual fuel cell stack on which the ejector is mounted without involving an actual electrochemical reaction. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 목업스택(mock-up)은 실제 이젝터를 구비한 연료전지의 잔류연료와 동일한 조건의 물 발생을 모사하는 가습장치를 더 포함하는 차압 모사장치.Wherein the mock-up (mock-up) is differential pressure simulation apparatus further comprises a humidifier for simulating the generation of water in the same condition as the residual fuel of the fuel cell having the actual ejector. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 구동유체는 수소가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 차압 모사 장치.The driving fluid is differential pressure simulation apparatus, characterized in that the hydrogen gas is used.
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