KR101144045B1 - Cold starting device and method for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소와, 벤튜리관을 통해 유입되는 공기를 혼합하여 연료전지의 공기극(cathode)측에 공급함으로써, 혼합가스와 공기극 촉매간의 반응을 통해 발생되는 열에 의하여 연료전지의 온도를 높일 수 있도록 한 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell cold start apparatus and method, and more particularly, by mixing hydrogen and air introduced through a venturi tube and supplying it to the cathode side of the fuel cell, the reaction between the mixed gas and the cathode catalyst. The present invention relates to a fuel cell cold start apparatus and method for increasing the temperature of a fuel cell by heat generated through the fuel cell.

이를 위해, 본 발명은 수소공급수단으로부터 연료전지의 수소극으로 연장되는 수소공급라인과; 공기공급수단으로부터 연료전지의 공기극으로 연장되는 공기공급라인간에 연결되는 혼합가스라인과; 상기 혼합가스라인의 소정 위치에 설치되는 믹싱밸브와; 상기 혼합가스라인의 믹싱밸브의 출구측 위치에 설치되어 대기중의 공기를 유입시키는 벤튜리관; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 장치 및 방법을 제공한다.To this end, the present invention includes a hydrogen supply line extending from the hydrogen supply means to the hydrogen electrode of the fuel cell; A mixed gas line connected between the air supply lines extending from the air supply means to the cathode of the fuel cell; A mixing valve installed at a predetermined position of the mixed gas line; A venturi tube installed at an outlet side of the mixing valve of the mixed gas line to introduce air into the atmosphere; It provides a fuel cell cold start device and method comprising a.

연료전지, 수소, 공기, 혼합가스, 냉시동, 벤튜리관, 믹싱밸브 Fuel Cell, Hydrogen, Air, Mixed Gas, Cold Start, Venturi Tube, Mixing Valve

Description

연료전지 냉시동 장치 및 방법{Cold starting device and method for fuel cell}Cold starting device and method for fuel cell

본 발명은 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소와, 벤튜리관을 통해 유입되는 공기를 혼합하여 연료전지의 공기극(cathode)측에 공급함으로써, 혼합가스와 공기극 촉매간의 반응을 통해 발생되는 열에 의하여 연료전지의 온도를 높일 수 있도록 한 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell cold start apparatus and method, and more particularly, by mixing hydrogen and air introduced through a venturi tube and supplying it to the cathode side of the fuel cell, the reaction between the mixed gas and the cathode catalyst. The present invention relates to a fuel cell cold start apparatus and method for increasing the temperature of a fuel cell by heat generated through the fuel cell.

연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 3을 참조로 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(100)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(102: cathode) 및 연료극(104: anode)으로 구성되어 있다.Referring to Figure 3 attached to the configuration of the fuel cell stack, the innermost electrode membrane assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) is located, the electrode membrane assembly is a polymer that can move the hydrogen cation (Proton) An electrolyte membrane 100 and a catalyst layer coated on both surfaces of the electrolyte membrane to allow hydrogen and oxygen to react, that is, a cathode 102 and an anode 104.

또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극(102) 및 연료극(104)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(106) 및 개스킷(Gasket)(108)이 차례로 적층되고, 상기 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(200)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)(300)가 결합된다.In addition, a gas diffusion layer (GDL) 106 and a gasket 108 are sequentially stacked on an outer portion of the electrode layer, that is, an outer portion where the cathode 102 and the anode 104 are located, and the gas On the outside of the diffusion layer 16 is a separation plate 200 in which a flow field is formed to supply fuel and discharge the water generated by the reaction, and at the outermost side to support and fix the above components. End plate 300 is coupled to.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(104)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(100)과 분리판(200)을 통하여 공기극(102)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(102)에서는 연료극(104)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.Accordingly, the oxidation of hydrogen proceeds in the anode 104 of the fuel cell stack to generate hydrogen ions (Proton) and electrons (Electron), and the generated hydrogen ions and electrons are separated from the electrolyte membrane 100, respectively. It moves to the cathode 102 through the plate 200, and at the same time, the cathode 102 generates water through an electrochemical reaction involving hydrogen ions, electrons, and oxygen in the air. Electric energy is generated from the flow of electrons.

현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는데, 그 중 가장 시급하고도 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략에 있으며, 냉시동성 확보를 위한 해결책의 일환으로서, 히터를 이용하여 스택내의 순수를 급속 해동하는 방법과, 연료전지 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법 등이 있으며, 그 밖에 여러가지 방법이 시도되고 있다.There are many problems to be solved in the hydrogen fuel cell vehicle that is currently being developed. The most urgent and difficult problem is the strategy to secure cold startability, and as part of the solution for securing cold startability, the heater is used in the stack. There are a method of rapidly thawing pure water, a method of using an antifreeze for fuel cell stack as cooling water, and various other methods have been tried.

이러한 냉시동성 확보 방법에도 불구하고, 연료전지 자동차가 영하의 저온 환경에 방치되면 연료전지 스택의 온도로 영하로 떨어지게 되어, 결국 연료전지 스택의 동결로 이어지는 문제점이 있다.In spite of such a cold start method, when a fuel cell vehicle is left in a low temperature environment below zero, the temperature of the fuel cell stack drops below zero to a temperature of the fuel cell stack, which leads to freezing of the fuel cell stack.

이러한 점을 해결하기 위한 종래기술의 일례로서, 미국특허(US 5798186)에는 연료전지가 냉시동 조건에 있을 때, 연료전지에서 외부 회로(External Circuit)로 전류를 공급하여 전극막 어셈블리(MEA)의 연료극(Anode) 또는 공기극(Cathode) 중 어느 하나의 온도를 물의 용융온도 이상으로 올리는 방법으로서, OCV와 현재 전류에서의 전압 차이가 히트(Heat)등의 손실(Loss) 열로 발생할 때, 이 열을 이용하여 연료전지를 데우는 방법이 개시되어 있는 바, 이러한 종래의 방법은 연료전지 냉시동과 관련하여 당분야에서 널리 알려져 범용되고 있는 기술이며, 채널이 얼어 반응가스(수소)가 채널에 충분히 공급되지 않은 경우에 부하를 통해 연료전지의 출력을 사용하면 촉매층의 손상이 발생하여, 연료전지의 성능 감소가 발생할 확률이 높은 단점이 있고, 한 번의 시동 실패 후, 채널 내의 생성수 동결로 인해 가스 공급이 제대로 이루어지지 않아 재시동이 어려운 단점이 있다.As an example of the prior art to solve this problem, US Patent (US 5798186), when the fuel cell is in a cold start condition, supplying a current from the fuel cell to an external circuit (External Circuit) of the electrode membrane assembly (MEA) A method of raising the temperature of either the anode or the cathode above the melting temperature of water.When the voltage difference between the OCV and the current is caused by heat loss such as heat, Since a method of warming a fuel cell using a conventional method has been disclosed, such a conventional method is a technique widely known and widely used in the art with respect to fuel cell cold start, and the channel is frozen so that the reaction gas (hydrogen) is not sufficiently supplied to the channel. If you do not use the output of the fuel cell through the load, the catalyst layer may be damaged, resulting in a high probability of reducing the performance of the fuel cell. , Due to the freezing can generate in the channel does not work properly there is a gas supply is difficult to restart.

종래기술의 다른 예로서, 미국특허(US 6358638)에는 연료전지를 냉시동하기 위해 연료극(Anode)측 수소 공급라인에 산소를 공급하거나, 공기극(Cathode)측 공기 공급라인에 수소를 공급하여, 촉매에 직접 발열 반응을 일으켜 온도를 증가시키는 방법이 개시되어 있는 바, 이 방법은 전극막 어셈블리(MEA) 양단에 붙어있는 촉매에 수소와 공기의 혼합가스를 주입하여, 그 반응열을 이용하여 스택의 온도를 높이는 냉시동 기술로서, 냉시동시 공기 공급수단(에어 컴프레서, 또는 공기 블로워 등)이 구동되어 필요 이상의 에너지를 소모하는 단점이 있다.As another example of the prior art, the US patent (US 6358638), the oxygen supply to the anode (side) hydrogen supply line to cool the fuel cell, or the hydrogen supply to the cathode (side) air supply line, the catalyst A method of raising the temperature by directly exothermic reaction is disclosed. The method injects a mixed gas of hydrogen and air into a catalyst attached to an electrode membrane assembly (MEA), and uses the heat of reaction to use the temperature of the stack. As a cold start technology to increase the, there is a disadvantage that the air supply means (air compressor, air blower, etc.) is driven during cold start to consume more energy than necessary.

즉, 혼합가스를 만들기 위해 공기와 수소를 혼합해 주는데, 수소는 단순히 수소공급라인상의 밸브만을 열어주면 연료전지로 공급되나, 공기의 경우에는 공기 공급수단(에어블로워 또는 컴프레셔) 등을 구동해 주어야 공급되므로, 결국 냉시동 시 필요 이상의 에너지 소모를 야기하고, 공기공급수단을 구동할 수 있는 보조전원이 부족한 경우에는 냉시동 자체가 불가능해 질 수 있는 문제점이 있다. In other words, air and hydrogen are mixed to make a mixed gas. Hydrogen is supplied to the fuel cell by simply opening a valve on the hydrogen supply line, but in the case of air, an air supply means (air blower or compressor) must be driven. Since it is supplied, eventually causing cold energy consumption when cold start, there is a problem that the cold start itself can be impossible when the auxiliary power for driving the air supply means is insufficient.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 수소와 공기를 혼합하여 연료전지의 공기극쪽으로 공급하되, 공기공급수단의 구동없이 벤튜리관을 통해 유입되는 공기를 수소와 혼합하여 연료전지의 공기극측에 공급함으로써, 혼합가스와 공기극 촉매간의 반응을 통해 발생되는 열에 의하여 연료전지의 온도를 높일 수 있고, 공기공급수단이 구동되지 않음에 따른 에너지 소모를 줄일 수 있도록 한 연료전지 냉시동 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, while mixing hydrogen and air to supply to the cathode of the fuel cell, mixing the air introduced through the venturi tube without driving the air supply means with hydrogen By supplying the fuel cell to the cathode side of the fuel cell, the temperature of the fuel cell can be increased by the heat generated through the reaction between the mixed gas and the cathode catalyst, and the fuel cell can reduce energy consumption due to the air supply means not being driven. It is an object of the present invention to provide a cold start apparatus and method.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수소공급수단으로부터 연료전지의 수소극으로 연장되는 수소공급라인과; 공기공급수단으로부터 연료전지의 공기극으로 연장되는 공기공급라인간에 연결되는 혼합가스라인과; 상기 혼합가스라인의 소정 위치에 설치되는 믹싱밸브와; 상기 혼합가스라인의 믹싱밸브의 출구측 위치에 설치되어 대기중의 공기를 유입시키는 벤튜리관; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 장치를 제공한다.The present invention for achieving the above object is a hydrogen supply line extending from the hydrogen supply means to the hydrogen electrode of the fuel cell; A mixed gas line connected between the air supply lines extending from the air supply means to the cathode of the fuel cell; A mixing valve installed at a predetermined position of the mixed gas line; A venturi tube installed at an outlet side of the mixing valve of the mixed gas line to introduce air into the atmosphere; It provides a fuel cell cold start device comprising a.

바람직하게는, 상기 벤튜리관의 가장 협소한 중앙부분에 대기중의 공기와 연통되는 유입관이 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.Preferably, the inlet tube communicating with the air in the air is formed integrally at the narrowest central portion of the venturi tube.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지의 온도가 냉시동 조건 범위내인지를 판단하는 단계와; 냉시동 조건이면, 수소공급수단에서 연료전지의 공기극측에 수소를 공급하는 단계와; 연료전지의 공기극으로 수소가 공급되는 라인 구간중 벤튜리 구간에서 대기중의 공기가 유입되어, 수소와 공기가 혼합되는 단계와; 수소와 공기가 혼합된 혼합가스가 연료전지 공기극으로 공급되는 동시에 공기극 촉매와 반응하여 반응열을 발생시키는 단계와; 반응열에 의하여 연료전지의 온도가 냉시동 조건 범위를 벗어나면, 혼합가스의 공급을 중지하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object comprises the steps of determining whether the temperature of the fuel cell is within the cold start condition range; Supplying hydrogen to the cathode side of the fuel cell by the hydrogen supply means under the cold start condition; Air in the atmosphere is introduced in the venturi section of the line section in which hydrogen is supplied to the cathode of the fuel cell, and hydrogen and air are mixed; Supplying a mixed gas of hydrogen and air to the fuel cell cathode and reacting with the cathode catalyst to generate heat of reaction; Stopping the supply of the mixed gas when the temperature of the fuel cell is outside the cold start condition range by the reaction heat; It provides a fuel cell cold start method characterized in that consisting of.

또한, 상기 혼합가스의 공급이 중지된 후, 수소공급수단으로부터의 수소가 연료전지의 연료극으로 공급되는 동시에 공기공급수단의 구동에 의한 공기가 연료전지의 공기극으로 공급되는 정상 시퀀스가 진행되는 것을 특징으로 한다.In addition, after the supply of the mixed gas is stopped, the normal sequence in which hydrogen from the hydrogen supply means is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and at the same time air from the air supply means is supplied to the cathode of the fuel cell is performed. It is done.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above problem solving means, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 연료전지 냉시동 조건에서 수소 및 공기를 혼합하여 연료전지의 공기극으로 공급하되, 공기공급수단이 구동되지 않는 상태에서 벤튜리관을 통해 유입되는 대기중의 공기를 수소와 혼합하여 공급함으로써, 혼합가스와 공기극 촉매간의 반응열에 의하여 연료전지의 온도가 상승하여 냉시동이 원할하게 이루어 질 수 있다.According to the present invention, in a fuel cell cold start condition, hydrogen and air are mixed and supplied to the cathode of the fuel cell, but the air in the air flowing through the venturi tube is supplied with hydrogen while the air supply means is not driven. As a result, the temperature of the fuel cell is increased by the reaction heat between the mixed gas and the cathode catalyst, and thus cold start can be smoothly performed.

특히, 수소와 공기를 혼합할 때, 공기공급수단을 구동하지 않은 상태에서 대기중의 공기를 수소와 혼합함으로써, 정상시동 전까지는 공기공급수단을 구동할 필요가 전혀 없고, 그에 따라 공기공급수단을 구동하기 위한 구동용 에너지를 아낄 수 있고, 공기공급수단을 구동시키기 위한 구동원인 배터리(슈퍼캡)의 SOC가 낮은 상태에서도 냉시동이 원할하게 이루어질 수 있다.Particularly, when mixing hydrogen and air, by mixing air in the atmosphere with hydrogen without driving the air supply means, there is no need to drive the air supply means until normal startup, and thus the air supply means The driving energy for driving can be saved, and the cold start can be smoothly performed even when the SOC of the battery (supercap), which is the driving source for driving the air supply means, is low.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 냉시동 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 냉시동 방법을 설명하는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a fuel cell cold start apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a fuel cell cold start method according to the present invention.

본 발명은 연료전지 냉시동 조건에서 수소가 흐르는 라인의 벤튜리관을 통해 수소 흐름 압력차에 의한 대기중의 공기가 유입되도록 하고, 유입된 공기가 수소와 혼합되어 연료전지의 공기극으로 공급되도록 함으로써, 혼합가스와 공기극 촉매간의 반응열에 의하여 연료전지의 온도가 상승하여 냉시동이 원할하게 이루어질 수 있도록 하는데 주안점이 있다.The present invention allows the air in the atmosphere due to the hydrogen flow pressure difference is introduced through the venturi tube of the hydrogen flow line in the fuel cell cold start condition, and the introduced air is mixed with hydrogen and supplied to the cathode of the fuel cell, The main point is that the temperature of the fuel cell is increased by the reaction heat between the mixed gas and the cathode catalyst so that the cold start can be smoothly performed.

이를 위해, 수소공급라인(14)과 공기공급라인(18)간에 수소와 공기가 혼합되는 구간이 되는 혼합가스라인(20)이 연결된다.To this end, a mixed gas line 20 which is a section in which hydrogen and air are mixed between the hydrogen supply line 14 and the air supply line 18 is connected.

즉, 상기 수소공급수단(12)으로부터 연료전지(10)의 수소극으로 연장되는 수 소공급라인(14)과, 상기 공기공급수단(16)으로부터 연료전지(10)의 공기극으로 연장되는 공기공급라인(18)간에 혼합가스라인(20)을 연결하여, 이 혼합가스라인(20)에서 수소와 공기가 혼합되도록 한다.That is, the hydrogen supply line 14 extending from the hydrogen supply means 12 to the hydrogen electrode of the fuel cell 10 and the air supply extending from the air supply means 16 to the air electrode of the fuel cell 10. The mixed gas line 20 is connected between the lines 18 so that hydrogen and air are mixed in the mixed gas line 20.

이때, 상기 혼합가스라인(20)의 소정 위치에는 믹싱밸브(22)가 설치되는 바, 제어기(미도시됨)의 제어 명령에 따라 상기 믹싱밸브(22)는 수소공급라인(14)으로부터의 수소가 공기공급라인(18)쪽으로 흐르도록 열림 작동되거나, 더 이상 수소가 공기공급라인(18)으로 흐르는 것을 차단하도록 닫힘 작동된다.At this time, the mixing valve 22 is installed in a predetermined position of the mixed gas line 20, the mixing valve 22 is a hydrogen from the hydrogen supply line 14 in accordance with the control command of the controller (not shown) Is opened to flow towards the air supply line 18 or closed to prevent further hydrogen from flowing into the air supply line 18.

특히, 상기 혼합가스라인(20)의 구간중 믹싱밸브(22)의 출구측 위치에는 벤튜리관(24)이 장착되고, 이 벤튜리관(24)의 가장 협소한 중앙부분에 대기중의 공기와 연통되는 유입관(26)이 일체로 형성되되, 수소가 외기로 빠져나가지 않도록 수소의 흐름방향의 반대방향으로 경사지게 형성된다.In particular, a venturi tube 24 is mounted at the outlet side of the mixing valve 22 in the section of the mixed gas line 20, and communicates with air in the air at the narrowest central portion of the venturi tube 24. Inlet pipe 26 is formed integrally, but is inclined in the opposite direction of the flow direction of hydrogen so that hydrogen does not escape to the outside air.

상기 벤튜리관(24)은 자동차의 기화기와 같은 작동 원리를 발휘하게 되는데, 상기 혼합가스라인(20)의 믹싱밸브(22)를 통과한 수소가 공기공급라인(18)으로 흐를 때, 즉 벤튜리관(24)을 지날 때, 속도가 빨라지며 그 결과 압력이 낮아지게 되므로, 그 압력차에 의하여 대기중에 오픈된 유입관(26)을 통해 공기가 벤튜리관내로 유입되어, 수소와 용이하게 혼합된다. The venturi tube 24 exhibits the same operating principle as a car vaporizer. When hydrogen passing through the mixing valve 22 of the mixed gas line 20 flows into the air supply line 18, that is, the venturi tube When passing (24), the speed increases and the pressure decreases, so that air is introduced into the venturi tube through the inlet pipe 26 open to the atmosphere by the pressure difference, and is easily mixed with hydrogen. .

도 1 및 도 2에서, 도면부호 28은 수소공급수단(12)의 출구와 인접한 수소공급라인(14)상에 설치되는 수소 개폐밸브이고, 도면부호 30은 공기공급수단(16)의 출구와 인접한 공기공급라인(18)상에 설치되는 공기 개폐밸브이다.1 and 2, reference numeral 28 denotes a hydrogen on / off valve installed on the hydrogen supply line 14 adjacent to the outlet of the hydrogen supply means 12, and reference numeral 30 is adjacent to the outlet of the air supply means 16. It is an air open / close valve installed on the air supply line 18.

여기서, 본 발명의 연료전지 냉시동 방법을 순차적으로 설명하면 다음과 같 다.Here, the fuel cell cold start method of the present invention will be described sequentially.

먼저, 연료전지 스택내에 장착된 온도센서(32)에서 연료전지의 온도를 감지하고, 감지된 신호를 기반으로 제어부에서 연료전지의 온도가 냉시동 조건 범위내인지를 판단하는 연산을 한다.First, the temperature sensor 32 mounted in the fuel cell stack senses the temperature of the fuel cell, and calculates whether the temperature of the fuel cell is within the cold start condition range by the controller based on the detected signal.

제어부의 연산 결과 냉시동 조건으로 판정되면, 상기 수소개폐밸브(28)를 열어서 수소공급수단(12)으로부터의 수소가 수소공급라인(14)을 따라 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되도록 하고, 동시에 상기 혼합가스라인(20)상에 설치된 믹싱밸브(22)를 열어서, 수소공급수단(12)으로부터의 수소가 수소공급라인(14)에서 혼합가스라인(20)을 경유하여 공기공급라인(18)으로 흐르도록 한다.If it is determined that the operation condition of the control unit is a cold start condition, the water introduction and closing valve 28 is opened so that hydrogen from the hydrogen supply means 12 is supplied to the anode of the fuel cell along the hydrogen supply line 14. At the same time, the mixing valve 22 installed on the mixed gas line 20 is opened so that the hydrogen from the hydrogen supply means 12 passes through the mixed gas line 20 in the hydrogen supply line 14 to the air supply line 18. To flow).

이때, 상기 공기공급수단(16) 즉, 에어 컴프레서 또는 공기블로워는 미작동되는 상태이고, 공기공급라인(18)에 설치된 공기개폐밸브(30)는 닫힘 상태로 유지된다.At this time, the air supply means 16, that is, the air compressor or the air blower is in an inoperative state, and the air open / close valve 30 installed in the air supply line 18 is maintained in the closed state.

특히, 상기 혼합가스라인(20)을 따라 수소가 흐를 때, 혼합가스라인(20)상에 설치된 벤튜리관(24)을 통과하게 되는 바, 수소가 벤튜리관(24)을 지날 때, 속도가 빨라지며 그 결과 벤튜리관(24)의 중심부 압력이 대기압보다 낮아지게 되므로, 그 압력차에 의하여 대기중에 오픈된 유입관(26)을 통해 공기가 벤튜리관(24)내로 유입되어, 수소와 용이하게 혼합되어진다.In particular, when hydrogen flows along the mixed gas line 20, the hydrogen passes through the venturi tube 24 installed on the mixed gas line 20, and when hydrogen passes through the venturi tube 24, the speed is high. As a result, the central pressure of the venturi tube 24 is lower than atmospheric pressure, so that the air flows into the venturi tube 24 through the inlet tube 26 opened in the air by the pressure difference, and is easily mixed with hydrogen. It is done.

한편, 완전 연소를 위해서 수소와 공기는 1:2.5로 혼합되고, 공기 대신 산소라면 수소와 산소는 1:0.5로 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.Meanwhile, for complete combustion, hydrogen and air are mixed at 1: 2.5, and if oxygen is used instead of air, hydrogen and oxygen are preferably mixed at 1: 0.5.

이렇게 수소와 공기가 혼합된 혼합가스가 공기공급라인(16)을 따라 연료전 지(10)의 공기극으로 공급되는 동시에 공기극 촉매와 반응하여 반응열을 발생시키게 된다.The mixed gas in which hydrogen and air are mixed is supplied to the cathode of the fuel cell 10 along the air supply line 16 and simultaneously reacts with the cathode catalyst to generate heat of reaction.

즉, 본래 연료전지는 연료극(Anode)에서 [H2 → 2H+ + 2e-]와 같은 반응식과 같이 촉매의 작용에 의해 전자와 H+이온으로 분리되는 반응이 일어나고, 공기극(Cathode)에서 [O.5*02 + 2H+ + 2e- → H2O]와 같은 반응식과 같이 물이 발생되는 바, 상기와 같이 수소와 공기를 혼합하여 공기극에 공급함에 따라 혼합가스가 공기극 촉매와 반응하여 [H2 + O2 → H2O + 전류 + 열]과 같은 반응식과 같이 반응열이 발생하게 된다.That is, in the original fuel cell, a reaction in which electrons and H + ions are separated by the action of a catalyst occurs as in the reaction equation [H 2 → 2H + + 2 e- ] in the anode, and in the cathode [ O.5 * 0 2 + 2H + + 2 e- → H 2 O] As water is generated, the mixed gas reacts with the cathode catalyst as a mixture of hydrogen and air is supplied to the cathode as described above. The reaction heat is generated as in the reaction formula [H 2 + O 2 → H 2 O + current + heat].

이어서, 위와 같은 반응열에 의하여 연료전지의 온도가 냉시동 조건 범위를 벗어나면, 제어부는 냉시동이 원할하게 이루어진 것으로 판정하는 동시에 믹싱밸브를 닫힘으로 제어하여 혼합가스의 공급을 중지시킨다.Subsequently, when the temperature of the fuel cell is out of the cold start condition range by the reaction heat as described above, the controller determines that the cold start is smoothly performed and simultaneously controls the mixing valve to close to stop the supply of the mixed gas.

이렇게 상기 혼합가스의 공급이 중지된 후, 수소공급수단(12)으로부터의 수소가 연료전지(10)의 연료극으로 공급되는 동시에 공기블로워와 같은 공기공급수단(16)이 작동하여 공기가 연료전지(10)의 공기극으로 공급되는 정상적인 연료전지 작동이 이루어진다.After the supply of the mixed gas is stopped in this way, hydrogen from the hydrogen supply means 12 is supplied to the anode of the fuel cell 10 and at the same time, the air supply means 16 such as an air blower operates to supply air to the fuel cell ( Normal fuel cell operation to the cathode of 10) takes place.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 냉시동 장치를 나타내는 개략도,1 is a schematic view showing a fuel cell cold start apparatus according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 냉시동 방법을 설명하는 개략도,2 is a schematic view illustrating a fuel cell cold start method according to the present invention;

도 3은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도.3 is a schematic view illustrating a configuration of a fuel cell stack.

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

10 : 연료전지 12 : 수소공급수단10 fuel cell 12 hydrogen supply means

14 : 수소공급라인 16 : 공기공급수단14: hydrogen supply line 16: air supply means

18 : 공기공급라인 20 : 혼합가스라인18: air supply line 20: mixed gas line

22 : 믹싱밸브 24 : 벤튜리관22: mixing valve 24: venturi tube

26 : 유입관 28 : 수소개폐밸브26: inlet pipe 28: water introduction valve

30 : 공기개폐밸브 32 : 온도센서30: air open and close valve 32: temperature sensor

Claims (4)

삭제delete 수소공급수단(12)으로부터 연료전지(10)의 수소극으로 연장되는 수소공급라인(14);A hydrogen supply line 14 extending from the hydrogen supply means 12 to the hydrogen electrode of the fuel cell 10; 공기공급수단(16)으로부터 연료전지(10)의 공기극으로 연장되는 공기공급라인(18)간에 연결되는 혼합가스라인(20);A mixed gas line 20 connected between the air supply lines 18 extending from the air supply means 16 to the cathode of the fuel cell 10; 상기 혼합가스라인(20)에 설치되는 믹싱밸브(22);A mixing valve 22 installed in the mixed gas line 20; 상기 혼합가스라인(20)의 믹싱밸브(22)의 출구측 위치에 설치되어 대기중의 공기를 유입시키는 벤튜리관(24);A venturi tube (24) installed at an outlet side of the mixing valve (22) of the mixed gas line (20) to introduce air in the atmosphere; 을 포함하여 구성되고, It is configured to include, 상기 벤튜리관(24)의 가장 협소한 중앙부분에 대기중의 공기와 연통되는 유입관(26)이 수소의 흐름방향과 반대방향을 향해 경사지며 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 장치. Fuel cell cold start device characterized in that the inlet pipe (26) which is in communication with the air in the air in the narrowest central portion of the venturi tube (24) is inclined toward the opposite direction to the flow direction of hydrogen. 연료전지의 온도가 냉시동 조건 범위내인지를 판단하는 단계와;Determining whether a temperature of the fuel cell is within a cold start condition range; 냉시동 조건이면, 수소공급수단(12)에서 연료전지(10)의 공기극측에 수소를 공급하는 단계와;Supplying hydrogen to the cathode side of the fuel cell 10 in the hydrogen supply means 12 under the cold start condition; 연료전지(10)의 공기극으로 수소가 공급되는 라인 구간중 벤튜리 구간에서 대기중의 공기가 유입되어, 수소와 공기가 혼합되는 단계와;Air in the atmosphere is introduced in the venturi section of the line section in which hydrogen is supplied to the cathode of the fuel cell 10, and hydrogen and air are mixed; 수소와 공기가 혼합된 혼합가스가 연료전지(10)의 공기극으로 공급되는 동시에 공기극 촉매와 반응하여 반응열을 발생시키는 단계와;Supplying a mixed gas of hydrogen and air to the cathode of the fuel cell 10 and reacting with the cathode catalyst to generate heat of reaction; 반응열에 의하여 연료전지의 온도가 냉시동 조건 범위를 벗어나면, 혼합가스의 공급을 중지하는 단계;Stopping the supply of the mixed gas when the temperature of the fuel cell is outside the cold start condition range by the reaction heat; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 방법.Fuel cell cold start method characterized in that consisting of. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 상기 혼합가스의 공급이 중지된 후, 수소공급수단(12)으로부터의 수소가 연료전지(10)의 연료극으로 공급되는 동시에 공기공급수단(16)의 구동에 의한 공기가 연료전지(10)의 공기극으로 공급되는 정상 시퀀스가 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 방법.After the supply of the mixed gas is stopped, hydrogen from the hydrogen supply means 12 is supplied to the anode of the fuel cell 10, and air by driving the air supply means 16 is supplied to the cathode of the fuel cell 10. Fuel cell cold start method characterized in that the normal sequence is supplied to proceed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110021768B (en) * 2018-01-09 2021-03-30 上海汽车集团股份有限公司 Cold start control method, device and system for fuel cell
CN114361528B (en) * 2020-10-13 2024-01-09 中国科学院大连化学物理研究所 Method and system for effectively improving low-temperature starting capability of proton exchange membrane fuel cell

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004178902A (en) 2002-11-26 2004-06-24 Denso Corp Fuel cell system
JP2006147225A (en) 2004-11-17 2006-06-08 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
KR20070076097A (en) * 2006-01-17 2007-07-24 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system using butane
JP2007329056A (en) 2006-06-09 2007-12-20 Toyota Motor Corp Operation method of fuel cell and fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004178902A (en) 2002-11-26 2004-06-24 Denso Corp Fuel cell system
JP2006147225A (en) 2004-11-17 2006-06-08 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
KR20070076097A (en) * 2006-01-17 2007-07-24 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system using butane
JP2007329056A (en) 2006-06-09 2007-12-20 Toyota Motor Corp Operation method of fuel cell and fuel cell system

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