KR101060282B1 - Purge Method of Fuel Cell System - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택 내부의 산소를 용이하게 제거할 수 있도록 연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계와, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계, 및 상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계를 포함한다.The purge method of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention is a fuel supply reduction step of reducing the amount of fuel supplied to the stack of the fuel cell system so that the oxygen in the stack can be easily removed, and is supplied to the stack An air supply reducing step of preventing air discharge while reducing an air supply amount, a nitrogen filling step of filling an inside of the stack with nitrogen in air while consuming oxygen under a load, and a stop step of stopping supply of the fuel.

연료 전지, 퍼지, 질소, 산소, 공기, 스택 Fuel cell, purge, nitrogen, oxygen, air, stack

Description

연료 전지 시스템의 퍼지 방법{PURGING METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}Purging method of fuel cell system {PURGING METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템의 퍼지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택 내부의 산소를 용이하게 배출시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for purging a fuel cell system, and more particularly, to a method for purging a fuel cell system capable of easily releasing oxygen inside a stack.

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using fuel (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air), and converts fuel and oxidant continuously supplied from outside into electric energy directly by electrochemical reaction. Device.

연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.As the oxidant of a fuel cell, pure oxygen or air containing a large amount of oxygen is used, and as a fuel, a large amount of hydrogen generated by reforming pure hydrogen or a hydrocarbon fuel (LNG, LPG, CH 3 OH) or a hydrocarbon fuel is used. The reformed gas contained is used.

이러한 연료 전지는 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)와 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.These fuel cells can be broadly classified into Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs), Direct Oxidation Fuel Cells and Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs). have.

고분자 전해질형 연료 전지는 연료전지스택(이하 '스택'이라 한다)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기 펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.The polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell body called a fuel cell stack (hereinafter referred to as a 'stack'), and an electrochemical reaction between hydrogen gas supplied from a reformer and air supplied by operation of an air pump or fan. It is made as a structure for generating electrical energy through. Here, the reformer functions as a fuel treatment apparatus for reforming fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplying the hydrogen gas to the stack.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.Unlike the polymer electrolyte type fuel cell, the direct oxidation type fuel cell is directly supplied with alcohol, which is a fuel, without using hydrogen gas. The direct energy fuel cell is supplied by the electrochemical reaction of hydrogen contained in the fuel and separately supplied air. It is made as a structure for generating a. The direct methanol fuel cell refers to a cell using methanol as a fuel in a direct oxidation fuel cell.

이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지를 중심으로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.Hereinafter, for the convenience of description, the polymer electrolyte fuel cell will be described. The polymer electrolyte fuel cell has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at low temperature below 80 ℃, and can be miniaturized and encapsulated so that it can be used in a variety of pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, medical equipment, etc. It is used as a power source for the field.

이러한 고분자 전해질형 연료 전지는 개질기를 구비하여 연료로부터 수소를 다량으로 함유한 개질가스를 생산하고, 스택을 구비하여 상기한 개질가스로 전기를 생산한다.Such a polymer electrolyte fuel cell includes a reformer to produce a reformed gas containing a large amount of hydrogen from the fuel, and a stack to produce electricity from the reformed gas.

스택으로는 개질가스와 함께 공기가 공급되어 공기 중의 산소와 수소의 반응 으로 전기를 생산한다. 이와 같은 연료 전지 시스템에서 운전 정지 시에, 개질가스 및 산소가 스택 내에 잔류하면 고분자 전해질 막이나 애노드극과 캐소드극에 형성되어 있는 촉매층이 열화되는 문제가 있다.The stack is supplied with air along with reforming gas to produce electricity through the reaction of oxygen and hydrogen in the air. In operation of such a fuel cell system, when the reformed gas and oxygen remain in the stack, there is a problem of deterioration of the catalyst layer formed in the polymer electrolyte membrane or the anode electrode and the cathode electrode.

연료 전지 시스템의 재기동 시에 애노드 촉매에서는 환원 분위기를 조성하여 산화물을 제거할 수 있으나, 캐소드 촉매에서는 계속 산화물이 결합된 상태이며 재기동 시에 리버스 전류에 의하여 캐소드 촉매 지지체 부식 현상 등이 발생하여 스택의 내구성이 저하되는 문제가 있다.When the fuel cell system is restarted, the anode catalyst may form a reducing atmosphere to remove the oxide. However, the cathode catalyst is continuously bonded to the oxide, and upon restarting, the cathode catalyst support may be corroded by reverse current. There is a problem that durability is lowered.

이와 같이 연료 전지 시스템의 정지 시에는 애노드극 보다 캐소드극에서 잔류하는 산소로 인하여 캐소드 촉매 지지체의 부식 및 고분자 전해질막 분해 등 연료전지 내구성을 저해하는 문제가 더 크게 발생한다.As described above, when the fuel cell system is stopped, a problem that impairs fuel cell durability such as corrosion of the cathode catalyst support and decomposition of the polymer electrolyte membrane due to oxygen remaining at the cathode rather than the anode occurs.

이를 방지하기 위해서 종래에는 개질가스의 공급을 중단하고 비활성가스인 질소(N2)를 공급하여 연료전지 스택 내에 잔류하는 개질가스를 퍼지(purge)하였다.In order to prevent this, conventionally, the reformed gas is stopped and the inert gas (N 2 ) is supplied to purge the reformed gas remaining in the fuel cell stack.

하지만 질소를 이용한 퍼지 방법은 질소가스를 외부에서 공급해야 하는 불편과 더불어 이로 인한 부대장치가 구성되어야 하므로 제작 비용이 증가할 뿐만 아니라, 질소용기를 설치할 공간 상의 제약으로 연료전지 상용화의 걸림돌로서 작용하였다.However, the purge method using nitrogen not only increased the production cost because of the inconvenience of supplying nitrogen gas from the outside, but also caused additional equipments, and acted as an obstacle to the commercialization of fuel cells due to the limitation of space for installing nitrogen containers. .

본 발명의 목적은 용이하게 스택을 퍼지할 수 있는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a method of purging a fuel cell system that can easily purge a stack.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계와, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계, 및 상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of purging a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention provides a fuel supply reduction step of reducing a fuel supply amount supplied to a stack of a fuel cell system, and an air supply amount supplied to the stack. A reduction of the air supply to prevent air discharge while reducing, a nitrogen filling step of filling the stack with nitrogen in the air while consuming oxygen under a load, and a stopping step of stopping supply of the fuel.

상기 연료 공급 감소 단계는 부하에서 소모하는 전력을 선형적으로 감소시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료 공급을 감소한 이후에 부하와의 전기적인 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.The reducing fuel supply may include linearly reducing power consumed by the load, and the reducing fuel supply may include disconnecting electrical connection with the load after reducing the fuel supply. Can be.

상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료의 공급량을 정상 운전 시의 1/3 내지 1/5로 감소시킬 수 있으며, 상기 공기 공급 감소 단계는 공기의 공급량을 정상 운전 시의 30% 내지 50%로 감소시킬 수 있다.The step of reducing fuel supply may reduce the supply of fuel to 1/3 to 1/5 of normal operation, and the step of reducing air supply may reduce the supply of air from 30% to 50% of normal operation. Can be.

상기 공기 공급 감소 단계는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하여, 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 큰 경우에는 공기의 공급을 중단하고 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교할 수 있이며, 상기 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪일 수 있다. The air supply reducing step reduces the air supply amount, while comparing the air supply pressure supplied to the stack with the upper limit pressure, when the air supply pressure is greater than the upper limit pressure, stops supply of air and supplies the air supply. When the pressure is smaller than the upper limit pressure, the air supply pressure can be compared with the upper limit pressure while supplying the air supply amount by decreasing the upper limit pressure, and the upper limit pressure may be 8 kPa to 15 kPa.

상기 질소 충진 단계는 전압 감소기와 스택을 연결하여 산소를 소모하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 질소 충진 단계는 전압 감소기를 이용하여 상기 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하를 적용할 수 있다.The nitrogen filling step may include connecting the voltage reducer and the stack to consume oxygen. The nitrogen filling step may include 5 kW / cm 2 to 20 catalyst active areas of the cell constituting the stack using the voltage reducer. A load of ㎃ / cm 2 can be applied.

상기 질소 충진 단계는, 질소를 충진하면서 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하여, 상기 공기 공급 압력이 상기 하한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급한 후, 질소를 충진할 수 있다. 여기서 상기 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪일 수 있다.In the nitrogen filling step, when the air supply pressure is smaller than the lower limit pressure when the air supply pressure supplied to the stack while filling the nitrogen is lower than the lower limit pressure, the air supply amount is reduced and then supplied with nitrogen. Can be. The lower limit pressure may be 2 kPa to 5 kPa.

상기 정지 단계는 공기를 스택으로 공급하는 공기 펌프의 작동을 중지하고, 전압 감소기와 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.The stopping step may include stopping the operation of the air pump for supplying air to the stack, and disconnecting the voltage reducer from the stack.

또한, 상기 연료 전지 시스템은 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급관과 스택에서 배출된 연료를 회수하는 회수관 및 상기 연료 공급관과 회수관을 연결하는 바이패스관을 포함하고, 상기 정지 단계는 상기 바이패스관과 상기 연료 공급관을 연결하고, 상기 연료 공급관 및 상기 회수관과 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.The fuel cell system also includes a fuel supply pipe for supplying fuel to a stack, a recovery pipe for recovering fuel discharged from the stack, and a bypass pipe for connecting the fuel supply pipe and the recovery pipe, and the stopping step includes the bypass. And connecting the pipe and the fuel supply pipe, and disconnecting the fuel supply pipe and the recovery pipe from the stack.

상기 정지 단계는 상기 스택의 셀전압을 기준 전압과 비교하여 상기 셀전압이 상기 기준 전압보다 더 큰 경우에는 상기 질소 충진 단계를 반복하고, 상기 셀전압이 기준 전압보다 작은 경우에는 연료 공급을 중단할 수 있다. 여기서 상기 기준 전압은 0.1V 내지 0.4V일 수 있다. 또한, 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급관에는 가습기가 설치될 수 있다.The stopping step is to compare the cell voltage of the stack with a reference voltage and repeat the nitrogen filling step if the cell voltage is greater than the reference voltage, and stop the fuel supply if the cell voltage is less than the reference voltage. Can be. The reference voltage may be 0.1V to 0.4V. In addition, a humidifier may be installed in the air supply pipe for supplying air to the stack.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 별도의 저장 용기에 저장된 질소를 사용하지 않고 공기 중에 포함된 질소로 연료 전지 스택을 퍼지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the fuel cell stack may be purged with nitrogen contained in the air without using nitrogen stored in a separate storage container.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment generates a hydrogen by reforming a fuel, and generates a polymer electrolyte fuel cell by electrochemically reacting hydrogen and oxygen (Polymer Electrode Membrane Fuel). Cell; PEMFC) method can be adopted.

다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 전지 시스템은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 이루어질 수 있다.However, the present invention is not limited thereto, and the fuel cell system may include a direct methanol fuel cell that generates electric energy by a direct reaction of methanol and oxygen.

또한, 연료 전지 시스템은 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells), 또는 고체산화물형 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells), 또는 200℃ 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료 전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells)로 이루어질 수 있다.Fuel cell systems may also be used at molten carbonate fuel cells (MCFCs) or solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at high temperatures of 600 ° C. or higher, or at relatively low temperatures of 200 ° C. or lower. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) can be operated.

이러한 연료 전지 시스템에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.The fuel used in such a fuel cell system generally refers to a hydrocarbon-based fuel made in a liquid or gaseous state such as methanol, ethanol or natural gas, LPG, and the like.

그리고 본 연료 전지 시스템은 수소와 반응하는 산화제로서 공기를 사용한다.The fuel cell system uses air as an oxidant to react with hydrogen.

본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기(120)와 개질기(120)와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 스택(110)과 스택(110)에 연결된 부하(161)와 전압 감소기(163)를 포함한다.The fuel cell system according to the present exemplary embodiment is connected to a reformer 120 and a reformer 120 that generates reformed gas using fuel, and includes a stack 110 and a stack 110 that generate power using reformed gas and an oxidant. And a voltage reducer 163 and a load 161 connected thereto.

개질기(120)는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소가스를 발생시키고, 수소가스를 스택(110)으로 공급하는 연료처리장치를 말한다. 개질기(120)에는 연료를 공급하는 포트(131)와 물을 공급하는 포트(132), 및 공기를 공급하는 공기 공급원(135)이 연결 설치되어 있다.The reformer 120 refers to a fuel processor that reforms fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplies hydrogen gas to the stack 110. The reformer 120 is connected to a port 131 for supplying fuel, a port 132 for supplying water, and an air supply source 135 for supplying air.

개질기(120)는 공급된 연료를 이용하여 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하여 연료와 촉매층의 산화반응으로 연료로부터 수소를 다량으로 포함하는 개질가스를 발생시킨다.The reformer 120 generates heat using the supplied fuel, and generates reformed gas containing a large amount of hydrogen from the fuel by an oxidation reaction between the fuel and the catalyst layer using the generated heat.

개질가스는 스택(110)과 개질기(120) 사이에 설치된 연료 공급관(152)을 통해서 스택(110)으로 공급된다. 본 실시예에 따른 스택(110)은 복수 개의 셀(미도시)이 적층되어 산화 환원 반응에 의하여 전력을 생산하는 통상적인 구조의 스택(110)으로 이루어진다. 본 발명의 연료 전지 시스템에는 다양한 구조의 스택(110)이 적용될 수 있으며, 특정한 구조에 제한되는 것은 아니다.The reformed gas is supplied to the stack 110 through a fuel supply pipe 152 installed between the stack 110 and the reformer 120. The stack 110 according to the present exemplary embodiment includes a stack 110 having a conventional structure in which a plurality of cells (not shown) are stacked to produce power by a redox reaction. The stack 110 of various structures may be applied to the fuel cell system of the present invention, but is not limited to a specific structure.

스택(110)은 개질가스와 더불어 공기 펌프(141)를 통해서 공기를 포함하는 공기를 공급받는데, 공기에 포함된 산소와 개질가스에 포함된 수소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.The stack 110 receives air including air through the air pump 141 together with the reformed gas. The stack 110 electrochemically reacts oxygen contained in the air with hydrogen contained in the reformed gas to generate electrical energy.

이러한 스택(110)은 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전지 셀을 구비하는 바, 이 전지 셀은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터를 밀착 배치하여 구성될 수 있다. The stack 110 includes a battery cell having a minimum unit for generating electrical energy. The battery cell may be configured by closely placing separators on both sides of a membrane-electrode assembly (MEA). Can be.

스택(110)에서 발생된 전기 에너지를 소비하는 부하(161)가 스택(110)과 전기적으로 연결 설치되는데, 부하(161)는 자동차의 모터, 직류전기를 교류전기로 변환하는 인버터, 또는 가정용 전열기기 등 다양한 전기기기로 이루어질 수 있다.A load 161 that consumes electrical energy generated by the stack 110 is electrically connected to the stack 110. The load 161 is a motor of an automobile, an inverter that converts direct current electricity to alternating current electricity, or home electric heat. It may be made of a variety of electrical equipment such as appliances.

또한, 스택(110)에는 전압 감소기(163)가 연결 설치되는데, 전압 감소기(163)는 스택(110)을 퍼지할 때, 전기 에너지를 소비하며, 셀 전압을 감소시키면서 셀 전압을 감시하는 역할을 한다.In addition, a voltage reducer 163 is connected to the stack 110. The voltage reducer 163 consumes electrical energy when purging the stack 110, and monitors the cell voltage while reducing the cell voltage. Play a role.

본 실시예에 따른 전압 감소기(163)는 스택(110)의 각 셀에 미세한 부하(load)를 가할 수 있는 기기로서 전압 감소기(163)의 동작은 동작명령신호가 입력되면 4개 단위 셀 묶음으로 되어 있는 회로들이 직렬로 연결되어 동시에 동작되며, 직렬로 연결된 포토 커플러의 포토 다이오드 측에 전류를 흘려 동작시킴으로써 포토 커플러의 내부 트랜지스터가 도통되어 전압 감소기 회로가 동작될 수 있다. 전압 감소기(163)는 스택의 손상을 방지할 수 있도록 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하가 가해지도록 이루어진다.The voltage reducer 163 according to the present exemplary embodiment is a device capable of applying a minute load to each cell of the stack 110. The operation of the voltage reducer 163 is performed by four unit cells when an operation command signal is input. Bundled circuits are connected in series to operate simultaneously, and by operating a current through the photodiode side of the series-coupled photo coupler, the internal transistor of the photo coupler can be conducted to operate the voltage reducer circuit. The voltage reducer 163 is configured such that a load of 5 kW / cm 2 to 20 kW / cm 2 is applied to the catalytically active area to prevent damage to the stack.

또한, 스택(110)에는 스택(110)의 구동을 제어하는 제어기(165)가 연결 설치 되는데, 제어기(165)는 부하(161)와 전압 감소기(163)에 연결 설치되어 부하(161) 및 전압 감소기(163)의 작동을 제어할 수 있다.In addition, the stack 110 is connected to the controller 165 for controlling the driving of the stack 110, the controller 165 is connected to the load 161 and the voltage reducer 163 is installed in the load 161 and Operation of the voltage reducer 163 may be controlled.

한편, 개질기(120)와 스택(110) 사이에는 연료 공급관(152) 이외에 스택(110)에서 소모되지 않은 미반응 개질가스를 개질기(120)로 회수할 수 있도록 스택(110)의 출구단과 개질기(120)를 연결하는 회수관(154), 및 회수관(154)과 연료 공급관(152)을 연결하는 바이패스관(156)이 설치된다.On the other hand, between the reformer 120 and the stack 110, in addition to the fuel supply pipe 152, the outlet end of the stack 110 and the reformer (not shown) to recover the unreacted reformed gas not consumed in the stack 110 to the reformer 120 ( A recovery pipe 154 connecting the 120 and a bypass pipe 156 connecting the recovery pipe 154 and the fuel supply pipe 152 are provided.

바이패스관(156)은 3방향 밸브(3-way valve)(151)를 매개로 연료 공급관(152)에 설치되는데, 3방향 밸브(151)는 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연통을 제어하고, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)의 연통을 제어한다. 또한, 회수관(154)에는 회수관(154)과 스택(110)의 연통을 제어하는 회수 밸브(153)가 설치된다.The bypass pipe 156 is installed in the fuel supply pipe 152 via a 3-way valve 151, and the three-way valve 151 communicates with the fuel supply pipe 152 and the stack 110. To control the communication between the fuel supply pipe 152 and the bypass pipe 156. In addition, the recovery pipe 154 is provided with a recovery valve 153 for controlling communication between the recovery pipe 154 and the stack 110.

본 실시예에서는 3방향 밸브(151)가 설치된 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)에 각각 밸브가 설치될 수 있다.In this embodiment, the three-way valve 151 is illustrated as being installed, but the present invention is not limited thereto, and the valve may be installed at the fuel supply pipe 152 and the bypass pipe 156, respectively.

바이패스관(156)은 회수 밸브(153) 보다 더 개질기(120)와 인접하게 배치되는데, 이에 따라 연료 공급관(152)이 바이패스관(156)에만 연통되고, 회수 밸브(153)가 폐쇄되면 개질기(120)에서 나온 개질가스는 바이패스관(156)을 통해서 다시 개질기(120)로 이동할 수 있다. 그리고 상기한 3방향 밸브(151)와 회수 밸브(153)는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 이루어진다.The bypass pipe 156 is disposed closer to the reformer 120 than the recovery valve 153, whereby the fuel supply pipe 152 communicates only with the bypass pipe 156, and the recovery valve 153 is closed. The reformed gas from the reformer 120 may move back to the reformer 120 through the bypass pipe 156. In addition, the three-way valve 151 and the recovery valve 153 is composed of a solenoid valve (solenoid valve).

스택(110)에는 공기의 공급을 위한 공기 공급관(142)이 연결 설치되는데, 공 기 공급관(142)에는 공기를 밀어내는 공기 펌프(141)와 공기의 유량을 측정하는 공기 유량계(143), 및 공기의 습도를 상승시키는 가습기(146)가 설치된다.An air supply pipe 142 for supplying air is connected to the stack 110, and the air supply pipe 142 includes an air pump 141 for pushing air and an air flow meter 143 for measuring the flow rate of air, and A humidifier 146 is installed to increase the humidity of the air.

공기 펌프(141)는 통상적으로 스택(110)에 공기를 공급하는 펌프로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에 따른 공기 펌프(141)는 최대 압력이 10㎪ 내지 15㎪로 이루어질 수 있다.The air pump 141 may be typically formed of a pump for supplying air to the stack 110. The air pump 141 according to the present embodiment may have a maximum pressure of 10 kPa to 15 kPa.

가습기(146)와 스택(110) 사이에는 공기 공급관(142)의 압력을 측정하는 압력계(145)가 설치된다.A pressure gauge 145 is installed between the humidifier 146 and the stack 110 to measure the pressure of the air supply pipe 142.

또한, 스택(110)에는 공기 배출관(144)이 설치되는데, 공기 배출관(144)은 가습기(146)와 연결되어 가습기(146)에 수분을 공급하고 외부로 배출된다. 공기 배출관(144)에는 공기의 배출을 제어하는 배출 밸브(147)가 설치된다.In addition, the stack 110, the air discharge pipe 144 is installed, the air discharge pipe 144 is connected to the humidifier 146 to supply moisture to the humidifier 146 and is discharged to the outside. The air discharge pipe 144 is provided with a discharge valve 147 for controlling the discharge of air.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 나타내는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택(110)으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계(S101)와 스택(110)과 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하는 차단 단계(S102)와, 스택(110)으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계(S103)와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 충진하는 질소 충진 단계(S104), 및 연료의 공급을 중단하는 정지 단계(S105)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the purging method of the fuel cell system according to the present exemplary embodiment includes a fuel supply reducing step (S101) of reducing a fuel supply amount supplied to the stack 110, a stack 110, and a load 161. Blocking step (S102) to cut off the electrical connection, air supply reduction step (S103) to prevent the discharge of air while reducing the amount of air supplied to the stack 110, and stacks with nitrogen in the air while consuming oxygen under load Nitrogen filling step (S104) for filling the inside and the stop step (S105) for stopping the supply of fuel.

연료 공급 감소 단계(S101)에 있어서, 연료의 양은 정상 운전 시에 스 택(110)으로 공급되는 연료 양의 1/3 내지 1/5 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료의 양의 1/4 수준으로 감소시킬 수 있다. 연료 공급을 감소하면서 부하에서 소모하는 전력도 감소시키는데, 부하(161) 전력 및 연료의 공급은 선형적으로 감소된다. 이와 같이 선형적으로 감소시키면 스택(110)에 무리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.In the fuel supply reducing step S101, the amount of fuel can be reduced to a level of 1/3 to 1/5 of the amount of fuel supplied to the stack 110 in normal operation, and preferably in the normal operation. May be reduced to a quarter of the amount of fuel supplied to 110. Reducing the fuel supply also reduces the power consumed at the load, with the load 161 power and the supply of fuel being linearly reduced. In such a linear reduction, it is possible to prevent the generation of a bunch in the stack 110.

부하(161)의 전력이 선형적으로 감소되면 스택(110)과 부하(161)와의 연결을 차단한다(S102). 상기한 연결이 차단되는 부하(161)는 스택(110)의 정상 운전 시에 스택(110)과 연결되어 전력을 소모하는 주된 부하를 의미한다.When the power of the load 161 is linearly reduced, the connection between the stack 110 and the load 161 is cut off (S102). The load 161 in which the above connection is blocked means a main load connected to the stack 110 and consuming power in the normal operation of the stack 110.

본 실시예에서는 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하고 전압 감소기(163)를 연결하는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 일부 부하(161)와 연결을 유지하면서 부하(161)를 이용하여 전압을 감소시킬 수도 있다.In the present exemplary embodiment, the electrical connection with the load 161 is cut off and the voltage reducer 163 is connected. However, the present invention is not limited thereto, and the load 161 may be maintained while maintaining a connection with some load 161. May be used to reduce the voltage.

공기 공급 감소 단계(S103)에서는 공기 펌프(141)의 출력을 낮추어서 소량의 공기를 스택(110)으로 공급하며, 공기의 공급 양을 감소하면서 배출 밸브(147)를 폐쇄하여 스택(110)에서 공기가 배출되지 못한다.In the air supply reduction step (S103), the output of the air pump 141 is lowered to supply a small amount of air to the stack 110, and the air discharge from the stack 110 is closed by closing the discharge valve 147 while reducing the supply amount of air. Is not discharged.

이때, 공기 펌프(141)는 최대 공급 압력이 10㎪ 내지 15㎪인 펌프를 사용하는 바, 이에 따라 스택(110)에 큰 압력이 걸려서 스택(110)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.In this case, the air pump 141 uses a pump having a maximum supply pressure of 10 kPa to 15 kPa, and accordingly, a large pressure is applied to the stack 110, thereby preventing the stack 110 from being damaged.

공기의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 공기 양의 30% 내지 50% 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 공기의 양의 40% 수준으로 감소시킬 수 있다.The amount of air can be reduced to a level of 30% to 50% of the amount of air supplied to the stack 110 in normal operation, preferably 40% of the amount of air supplied to the stack 110 in normal operation. Can be reduced.

질소 충진 단계에서는 전압 감소기(163)와 스택(110)을 연결하여 부하를 연결함으로써 산소를 소모하고, 공기 중의 질소로 스택 내부를 충진한다. 이때 부하라 함은 스택(110)과 연결되어 스택(110)에서 생성된 전력을 소비하는 모든 종류의 전기 기기가 될 수 있으며, 본 실시예에서는 전압 감소기(163)가 된다.In the nitrogen filling step, oxygen is consumed by connecting the voltage reducer 163 and the stack 110 to connect the load, and the inside of the stack is filled with nitrogen in the air. In this case, the load may be connected to the stack 110 and may be any kind of electric device that consumes power generated by the stack 110. In this embodiment, the load may be a voltage reducer 163.

전압 감소기(163)는 스택(110)에서 발생된 전력을 소모하여 스택(110)이 낮은 부하에서 발전을 수행하도록 하며, 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하가 가해지도록 전력을 소모한다.The voltage reducer 163 consumes the power generated in the stack 110 to allow the stack 110 to generate power at a low load, and 5 to 20 mW / cm 2 to the catalytically active area of the cells constituting the stack. It consumes power so that a load of cm 2 is applied.

촉매활성면적에 적용된 부하가 5㎃/㎠ 보다 더 작으면 산소가 제대로 감소되지 못하는 문제가 있으며, 촉매활성면적에 적용된 부하가 20㎃/㎠ 보다 더 크면 촉매활성영역이 손상되는 문제가 있다.If the load applied to the catalytically active area is smaller than 5 mW / cm 2, there is a problem that oxygen is not properly reduced. If the load applied to the catalytically active area is greater than 20 mW / cm 2, the catalytically active area is damaged.

공기 중에는 산소가 21% 정도, 질소가 78%정도 포함되어 있는 바, 발전을 통해서 산소를 소모하면 스택(110) 내부는 점차 불활성 가스인 질소로 채워진다. 이때, 질소의 충진은 스택(110)의 셀 전압이 0.1V 내지 0.4V가 될 때까지 지속한다. 셀 전압이 0.4V보다 크면 잔류 산소량이 많아서 촉매가 산화되는 문제가 있으며, 셀 전압이 0.1V보다 작으면 셀에 역전압이 걸려서 오히려 촉매가 산화되는 문제가 발생할 수 있다. 이 때 셀 전압이라 함은 스택을 구성하는 셀의 평균 전압을 의미한다.The air contains about 21% oxygen and about 78% nitrogen. When oxygen is consumed through power generation, the inside of the stack 110 is gradually filled with nitrogen which is an inert gas. At this time, the filling of nitrogen is continued until the cell voltage of the stack 110 is 0.1V to 0.4V. If the cell voltage is greater than 0.4V, there is a problem that the catalyst is oxidized due to a large amount of residual oxygen. If the cell voltage is less than 0.1V, a problem occurs that the catalyst is oxidized due to a reverse voltage applied to the cell. In this case, the cell voltage means an average voltage of cells constituting the stack.

정지 단계(S105)는 공기 펌프(141)의 작동을 중지하고, 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하는 단계와, 바이패스관(156)과 연료 공급관(152)을 연결하고, 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연결을 차단하는 단계를 포함한다.The stop step (S105) is to stop the operation of the air pump 141, to cut off the connection of the voltage reducer 163 and the stack 110, and connect the bypass pipe 156 and the fuel supply pipe 152. And disconnecting the fuel supply pipe 152 from the stack 110.

정지 단계(S105)에서는 공기 배출관(144)에 설치된 배출 밸브(147)를 폐쇄하여 질소의 유출 및 산소의 유입을 차단하며, 공기 펌프(141)의 작동이 중지되면 가습기(146)의 압력 차손(pressure drop)으로 더 이상 스택(110)으로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이 상태에서 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하면 스택(110)은 더 이상 발전을 수행하지 않고 정지한다.In the stop step (S105) to close the discharge valve 147 installed in the air discharge pipe 144 to block the outflow of nitrogen and the inflow of oxygen, and when the operation of the air pump 141 is stopped pressure loss of the humidifier 146 ( pressure drop) can further prevent air from flowing into the stack 110. When the voltage reducer 163 is disconnected from the stack 110 in this state, the stack 110 stops without generating power.

또한, 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연결을 차단하면 연료가 더 이상 스택(110)으로 유입되지 아니하며, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)을 연결시키면 연료가 바이패스관(156)을 통해서 개질기(120)로 회수된다. 이때, 회수관(154)의 회수 밸브(153)를 폐쇄하여 연료 전지 스택(110)과 개질기(120)의 연결을 완전히 차단한다.In addition, when the fuel supply pipe 152 is disconnected from the stack 110, the fuel is no longer introduced into the stack 110. When the fuel supply pipe 152 and the bypass pipe 156 are connected, the fuel is bypassed. Through 156 is recovered to the reformer 120. At this time, the recovery valve 153 of the recovery pipe 154 is closed to completely block the connection between the fuel cell stack 110 and the reformer 120.

본 실시예와 같이 산소를 소모하여 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 채우면 산소로 인하여 캐소드 촉매 등이 산화되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다. 또한, 공기 중의 질소를 이용하여 퍼지함으로써 별도로 질소 저장 장치 등을 설치할 필요가 없다.When the inside of the stack 110 is filled with nitrogen in the air by consuming oxygen as in the present embodiment, it is possible to stably prevent the cathode catalyst and the like from being oxidized due to oxygen. In addition, by purging with nitrogen in the air, there is no need to provide a nitrogen storage device or the like separately.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.3 is a schematic diagram illustrating a fuel cell system according to a second exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 공기 공급관(142)에 설치된 공기 공급 밸브(148)를 포함한다. 상기한 공기 공급 밸브(148)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell system according to the second embodiment includes an air supply valve 148 installed in the air supply pipe 142. Except for the air supply valve 148, since the fuel cell system has the same structure as the fuel cell system according to the first embodiment, a duplicate description of the same structure is omitted.

공기 공급 밸브(148)는 압력계(145)와 가습기 사이에 설치된다. 이와 같이 공기 공급 밸브(148)를 설치하면 발전을 완전히 정지한 후에 공기 공급 밸브(148)를 폐쇄하여 확산 등에 의하여 공기 중의 산소가 스택(110)으로 유입되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.The air supply valve 148 is installed between the pressure gauge 145 and the humidifier. When the air supply valve 148 is installed as described above, the air supply valve 148 is closed after the power generation is completely stopped, thereby stably preventing the oxygen in the air from flowing into the stack 110 by diffusion or the like.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 나타내는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a second exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택(110)으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계(S201)와 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하는 차단 단계(S202)와, 공기량을 감소하여 스택(110)으로 공급하는 공기 공급 감소 단계(S203)와, 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하는 제1 압력 비교 단계(S204)와, 공기의 공급을 중단하는 공기 공급 중단 단계(S205)와 산소를 소모하여 질소를 충진하는 질소 충진 단계(S206)와, 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하는 제2 압력 비교 단계(S207)와 셀 전압을 기준 전압과 비교하는 전압 비교 단계(S208)를 포함한다.Referring to FIG. 4, in the fuel cell system purging method according to the second exemplary embodiment, the fuel supply reduction step S201 for reducing the fuel supply amount supplied to the stack 110 and the electrical connection between the load 161 and the fuel supply reduction step S201 are performed. Blocking step (S202) for blocking the, air supply reduction step (S203) for reducing the air supply to the stack 110, the first pressure comparison step (S204) for comparing the air supply pressure with the upper limit pressure, and air The air supply stop step (S205) for stopping the supply of nitrogen and the nitrogen filling step (S206) for filling nitrogen by consuming oxygen, the second pressure comparison step (S207) for comparing the air supply pressure with the lower limit pressure and the cell voltage A voltage comparison step S208 for comparing with the reference voltage is included.

연료 공급 감소 단계(S201)에 있어서, 연료의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료 양의 1/3 내지 1/5 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료의 양의 1/4 수준으로 감소시킬 수 있다.In the fuel supply reduction step S201, the amount of fuel can be reduced to a level of 1/3 to 1/5 of the amount of fuel supplied to the stack 110 in normal operation. 110) to a quarter of the amount of fuel supplied.

제1 압력 비교 단계(S204)에서 공기 배출을 막고 공기량을 감소하여 공급할 때, 압력계(145)를 이용하여 공기 공급관(142) 내부의 압력 상승을 검출한다. 공 기를 지나치게 많이 공급하면 스택(110)이 파손되거나 손상될 수 있기 때문이다. 공기량을 감소하여 공급함에 있어서 공기 공급 압력이 상한 압력보다 크면 공기의 공급을 중단하고(S207), 공기 공급 압력이 상한 압력보다 작으면 계속 공기를 공급한다(S205).When the first pressure comparison step (S204) prevents the discharge of air and reduces the amount of air to be supplied, a pressure gauge 145 is used to detect a rise in pressure inside the air supply pipe 142. This is because supplying too much air may damage or damage the stack 110. When supplying by reducing the air amount, the supply of air is stopped when the air supply pressure is greater than the upper limit pressure (S207), and when the air supply pressure is lower than the upper limit pressure, air is continuously supplied (S205).

여기서 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪로 설정된다. 상한 압력이 8㎪보다 더 작으면 스택(110) 내부에 공기가 충분히 공급되지 못하는 문제가 있으며, 상한 압력이 15㎪보다 더 크면 스택(110)에 큰 압력이 가해져서 스택(110)이 파손되는 문제가 있다.The upper limit pressure is set here from 8 kPa to 15 kPa. If the upper limit pressure is less than 8 kPa, there is a problem that the air is not sufficiently supplied to the inside of the stack 110. If the upper limit pressure is larger than 15 kPa, a large pressure is applied to the stack 110 and the stack 110 is broken. there is a problem.

공기 공급 중단 단계(S207)는 공기 공급 압력이 상한 압력보다 클 때, 공기 공급 밸브(148)를 폐쇄하여 공기가 스택(110)으로 유입되는 것을 차단한다. When the air supply stop step S207 is larger than the upper limit pressure, the air supply valve 148 is closed to block air from flowing into the stack 110.

이와 같이 제1 압력 비교 단계와 공기 공급 중단 단계는 공기 공급 감소 단계에서 공기를 공급하는 과정에서 거의 동시에 수행될 수 있는 바, 제1 압력 비교 단계와 공기 공급 중단 단계는 공기 공급 감소 단계에 포함될 수 있다.As such, the first pressure comparing step and the air supply stopping step may be performed at the same time in the process of supplying air in the air supply reducing step, and the first pressure comparing step and the air supply stopping step may be included in the air supply reducing step. have.

공기의 공급이 중단되면 전압 감소기(163)와 스택(110)을 연결하여 부하를 연결함으로써 산소를 소모하고, 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 충진한다(S206).When the supply of air is stopped, oxygen is consumed by connecting the load by connecting the voltage reducer 163 and the stack 110, and the inside of the stack 110 is filled with nitrogen in air (S206).

질소를 충진하는 과정에서 산소가 소모되면 스택 내부의 압력이 감소하는 바, 제2 압력 비교 단계(S207)에서 공기 공급관(142)의 압력과 하한 압력을 비교하여 공기 공급 압력이 하한 압력보다 크면 공기 공급 밸브(148)를 개방하여 다시 공기를 공급하고, 상한 압력과 비교하여 공기가 충분히 채워졌다고 판단되면 공기의 공급을 중단하고 부하인 전압 감소기를 걸어 산소를 소모하면서 질소를 충진한다. 여기서 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪이 된다.When oxygen is consumed in the process of filling nitrogen, the pressure inside the stack decreases. In the second pressure comparison step (S207), when the air supply pressure is greater than the lower limit pressure, air is compared with the lower limit pressure. The supply valve 148 is opened to supply air again, and when it is determined that the air is sufficiently filled in comparison with the upper limit pressure, the supply of air is stopped and the nitrogen is charged while consuming oxygen by walking the voltage reducer as a load. The lower limit pressure is 2 kPa-5 kPa here.

제2 압력 비교 단계는 질소를 충진하는 과정에서 질소 충진 단계와 동시에 수행될 수 있는 바, 제2 압력 비교 단계는 질소 충진 단계에 포함될 수 있다.The second pressure comparing step may be performed simultaneously with the nitrogen filling step in the process of filling the nitrogen, and the second pressure comparing step may be included in the nitrogen filling step.

이와 같이 스택(110)의 압력 변화에 따라 공기의 공급과 차단을 반복하면 스택(110)의 손상을 방지하면서 지속적으로 스택(110) 내부에 공기를 공급할 수 있다.As described above, if air supply and interruption are repeated according to the pressure change of the stack 110, air may be continuously supplied into the stack 110 while preventing damage to the stack 110.

또한, 공급된 공기 중에서 산소만을 소모하여 질소로 스택(110) 내부를 충진함으로써 스택(110) 캐소드극 유로 내의 산소를 안정적으로 제거하여 스택(110)내 촉매층이 열화되는 것을 방지할 수 있다.In addition, by consuming only oxygen from the supplied air and filling the inside of the stack 110 with nitrogen, oxygen in the stack 110 cathode electrode flow path may be stably removed to prevent deterioration of the catalyst layer in the stack 110.

전압 비교 단계(S208)에서는 질소를 충진하면서 셀의 전압을 기준 전압과 비교하여 셀 전압이 기준 전압보다 크면 계속해서 질소를 충진하고 충진하다가 압력을 비교하여 공기 공급 압력이 하한 압력 보다 낮아지면 다시 공기를 공급한 후, 질소를 충진한다. 이와 같이 질소를 충진하는 단계를 행함에 있어서 제2 압력 비교 단계와 전압 비교 단계는 동시에 수행될 수 있다.In the voltage comparing step (S208), while charging nitrogen, the cell voltage is compared with the reference voltage, and when the cell voltage is higher than the reference voltage, the nitrogen is continuously charged and charged, and the pressure is compared. After supplying nitrogen, it is filled with nitrogen. In the nitrogen filling step as described above, the second pressure comparing step and the voltage comparing step may be performed simultaneously.

기준 전압은 0.1V 내지 0.4V로 이루어진다. 전압 비교 단계는 스택(110) 내부에 잔존하는 산소의 양을 확인하는 단계로서 셀의 전압이 기준 압력 이하가 되도록 하면 스택(110) 내부의 산소를 안정적인 수준으로 제거하여 촉매층에서 산화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.The reference voltage is comprised between 0.1V and 0.4V. The voltage comparison step is to check the amount of oxygen remaining in the stack 110. When the voltage of the cell is lower than the reference pressure, the oxygen in the stack 110 is removed to a stable level so that oxidation occurs in the catalyst layer. You can prevent it.

여기서 전압 비교를 통해서 스택(110)의 셀전압이 기준 전압보다 작으면 전 압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하고, 연료의 공급을 중단한다. 연료 공급의 중단은 바이패스관(156)과 상기 연료 공급관(152)을 연결하고, 연료 공급관(152)과 스택(120)의 연결을 차단하며 회수 밸브(153)를 닫아서 개질기(120)와 스택(110)의 연결을 차단한다. 이에 따라 연료는 연료 공급관(152)과 바이스패관(156) 및 회수관(154)을 거쳐서 다시 개질기(120)로 회수된다.If the cell voltage of the stack 110 is lower than the reference voltage through the voltage comparison, the voltage reducer 163 is disconnected from the stack 110 and the fuel supply is stopped. Interruption of the fuel supply connects the bypass pipe 156 and the fuel supply pipe 152, cuts off the connection between the fuel supply pipe 152 and the stack 120, and closes the recovery valve 153 to close the reformer 120 and the stack. Block the connection of 110. Accordingly, the fuel is recovered to the reformer 120 through the fuel supply pipe 152, the bypass pipe 156 and the recovery pipe 154.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 퍼지방법을 나타낸 순서도이다. 2 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.3 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 퍼지방법을 나타낸 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a second exemplary embodiment of the present invention.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 - -Explanation of symbols for the main parts of the drawing-

110: 스택 120: 개질기110: stack 120: reformer

141: 공기 펌프 142: 공기 공급관141: air pump 142: air supply line

144: 공기 배출관 145: 압력계144: air discharge pipe 145: pressure gauge

146: 가습기 147: 배출 밸브146: humidifier 147: discharge valve

148: 공기 공급 밸브 151: 3방향 밸브148: air supply valve 151: three-way valve

152: 연료 공급관 153: 회수 밸브152: fuel supply pipe 153: recovery valve

154: 회수관 156: 바이패스관154: recovery pipe 156: bypass pipe

161: 부하 163: 전압 감소기161: load 163: voltage reducer

165: 제어기 156: 바이패스관165: controller 156: bypass tube

Claims (16)

연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계;A fuel supply reduction step of reducing a fuel supply amount supplied to a stack of the fuel cell system; 상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계;An air supply reduction step of preventing air discharge while reducing an air supply amount supplied to the stack; 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계; 및A nitrogen filling step of filling the stack with nitrogen in air while consuming a load; And 상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계;A stop step of stopping supply of the fuel; 를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The purge method of the fuel cell system comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 공급 감소 단계는 부하에서 소모하는 전력을 선형적으로 감소시키는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And reducing the fuel supply comprises linearly reducing the power consumed at the load. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료 공급을 감소한 이후에 부하와의 전기적인 연결을 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And reducing the fuel supply comprises disconnecting electrical connections to the load after reducing the fuel supply. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료의 공급량을 정상 운전 시의 1/3 내지 1/5로 감소시키는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And the fuel supply reducing step reduces the supply amount of the fuel to 1/3 to 1/5 in normal operation. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 공기 공급 감소 단계는 공기의 공급량을 정상 운전 시의 30% 내지 50%로 감소시키는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The air supply reducing step is a purge method of the fuel cell system to reduce the supply of air to 30% to 50% in normal operation. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 공기 공급 감소 단계는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 기 설정된 상한 압력과 비교하여,In the air supply reducing step, the air supply pressure supplied to the stack is compared with a preset upper limit pressure while supplying by reducing the air supply amount. 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 큰 경우에는 공기의 공급을 중단하고 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The supply of air is stopped when the air supply pressure is greater than the upper limit pressure, and when the air supply pressure is lower than the upper limit pressure, the air supply amount is reduced and supplied. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪인 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The upper limit pressure is a fuel cell system purge method of 8 kPa to 15 kPa. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 질소 충진 단계는 전압 감소기와 스택을 연결하여 산소를 소모하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The nitrogen filling step includes connecting the voltage reducer and the stack to consume oxygen. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 질소 충진 단계는 상기 전압 감소기를 이용하여 상기 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하를 적용하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.In the nitrogen filling step, a load of 5 kW / cm 2 to 20 kW / cm 2 is applied to the catalytically active area of the cell constituting the stack using the voltage reducer. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 정지 단계는 공기를 스택으로 공급하는 공기 펌프의 작동을 중지하고, 상기 전압 감소기와 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The stopping step includes stopping operation of an air pump supplying air to the stack and disconnecting the voltage reducer from the stack. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 질소 충진 단계는, 질소를 충진하면서 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 기 설정된 하한 압력과 비교하여,In the nitrogen filling step, the air supply pressure supplied to the stack while filling with nitrogen is compared with a predetermined lower limit pressure. 상기 공기 공급 압력이 상기 하한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급한 후, 질소를 충진하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And purifying the fuel cell system after supplying by reducing the air supply amount when the air supply pressure is smaller than the lower limit pressure. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪인 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.Said lower limit pressure is 2 kPa-5 kPa, The purge method of a fuel cell system. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 전지 시스템은 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급관과 스택에서 배출된 연료를 회수하는 회수 및 상기 연료 공급관과 회수관을 연결하는 바이패스관을 포함하고,The fuel cell system includes a fuel supply pipe for supplying fuel to the stack, a recovery for recovering fuel discharged from the stack, and a bypass pipe for connecting the fuel supply pipe and the recovery pipe, 상기 정지 단계는 상기 바이패스관과 상기 연료 공급관을 연결하고, 상기 연료 공급관 및 상기 회수관과 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The stopping step includes connecting the bypass pipe and the fuel supply pipe, and disconnecting the fuel supply pipe and the recovery pipe from the stack. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스택의 셀전압을 기 설정된 기준 전압과 비교하여 상기 셀전압이 상기 기준 전압보다 더 큰 경우에는 상기 질소 충진 단계로 이동하고, 상기 셀전압이 기준 전압보다 작은 경우에는 연료 공급을 중단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.Comparing the cell voltage of the stack with a preset reference voltage and moving to the nitrogen filling step if the cell voltage is greater than the reference voltage, and stopping fuel supply if the cell voltage is less than the reference voltage. A purge method of a fuel cell system comprising. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 기준 전압은 0.1V 내지 0.4V인 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The reference voltage is between 0.1V and 0.4V. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급관에는 가습기가 설치된 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.A purge method of a fuel cell system having a humidifier installed in an air supply pipe for supplying air to the stack.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107946614B (en) * 2017-11-13 2019-09-03 天津大学 The design method of anode of proton exchange membrane fuel cell nitrogen purging strategy
CN113479066B (en) * 2021-08-17 2023-03-24 金华氢途科技有限公司 High-integration-level multifunctional high-voltage distribution box for forklift

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008078140A (en) 2006-09-22 2008-04-03 Gm Global Technology Operations Inc Dismissal (purging) method at stack stoppage
JP2008084849A (en) 2006-08-29 2008-04-10 Canon Inc Power generation stopping method of fuel cell system, and fuel cell system provided with power generation stopping means

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5832903B2 (en) * 1978-07-28 1983-07-15 富士電機株式会社 How to stop a fuel cell
JP2001132901A (en) * 1999-10-29 2001-05-18 Toyo Radiator Co Ltd Vapor generator
JP2005100846A (en) * 2003-09-25 2005-04-14 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2005259664A (en) * 2004-03-15 2005-09-22 Ebara Ballard Corp Operation method of fuel cell stack and fuel cell system
JP4839596B2 (en) * 2004-10-26 2011-12-21 日産自動車株式会社 Stopping storage method of fuel cell system
KR100945945B1 (en) * 2007-07-06 2010-03-05 (주)퓨얼셀 파워 Fuel cell system and purging method thereof
JP5382408B2 (en) * 2008-07-22 2014-01-08 アイシン精機株式会社 Fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008084849A (en) 2006-08-29 2008-04-10 Canon Inc Power generation stopping method of fuel cell system, and fuel cell system provided with power generation stopping means
JP2008078140A (en) 2006-09-22 2008-04-03 Gm Global Technology Operations Inc Dismissal (purging) method at stack stoppage

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