KR101190717B1 - Water management system for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 물관리 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 시스템에서 발생한 물을 효과적으로 제거하여 연료전지 스택 내부의 플러딩 발생을 방지하고, 연료전지 시스템의 안정성 및 내구성 향상을 달성할 수 있는 연료전지 물관리 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 스택의 애노드 출구단에 설치되어 수소 채널로부터 배출되는 물 및 배기 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 애노드 출구단 워터트랩과; 애노드에서 배기되어 수소재순환장치에 의해 재순환되는 수소와, 수소공급부에서 공급되는 새로운 수소가 혼합되는 애노드 입구단 위치에 설치되어, 재순환 수소와 새로운 공급 수소가 혼합된 혼합 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 애노드 입구단 워터트랩;을 구비하여 구성되는 연료전지 물관리 시스템이 개시된다.The present invention relates to a fuel cell water management system, which effectively removes water generated in a fuel cell system to prevent flooding in a fuel cell stack, and to improve fuel cell water stability and durability. The main purpose is to provide a system. In order to achieve the above object, the anode outlet end water trap is installed in the anode outlet of the fuel cell stack and collects and discharges water discharged from the hydrogen channel and water condensed from the exhaust hydrogen; It is installed at the anode inlet end where hydrogen discharged from the anode and recycled by the hydrogen recirculation unit and new hydrogen supplied from the hydrogen supply unit are collected, and water condensed from the mixed hydrogen mixed with the recycle hydrogen and the new supply hydrogen is collected. Disclosed is a fuel cell water management system including an anode inlet end water trap for discharging.

Description

연료전지 물관리 시스템{Water management system for fuel cell}Water management system for fuel cell

본 발명은 연료전지 물관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 발생한 물을 효과적으로 제거하여 연료전지 스택 내부의 플러딩 발생을 방지하고, 연료전지 시스템의 안정성 및 내구성 향상을 달성할 수 있는 연료전지 물관리 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell water management system, and more particularly, to effectively remove the water generated in the fuel cell system to prevent flooding in the fuel cell stack, and to improve the stability and durability of the fuel cell system. A fuel cell water management system.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력을 공급하는 데에도 적용할 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to power electrical / electronics, especially portable devices.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학 반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.As an example of such a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently studied as a power supply source for driving a vehicle, has an electrochemical reaction on both sides of the membrane centered on an electrolyte membrane to which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with attached catalytic electrode layer, Gas Diffusion Layer (GDL), which serves to distribute the reaction gases evenly and deliver the generated electrical energy, and the reaction gases and cooling water And a gasket and fastening mechanism for maintaining airtightness and proper fastening pressure, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

한편, 연료전지 반응에 의해 생성된 물(생성수)이나 반응가스에서 응축된 물(응축수)이 연료전지의 가스 채널 내에 존재할 경우 수소와 산소의 흐름을 방해하므로 연료전지로부터 제거하는 것이 필요하며, 연료전지 스택에서 나오는 물을 워터트랩(Water Trap)에 모아 외부로 배출하도록 되어 있다.On the other hand, if water (generated water) produced by the fuel cell reaction or water (condensed water) condensed in the reaction gas is present in the gas channel of the fuel cell, it is necessary to remove it from the fuel cell because it disturbs the flow of hydrogen and oxygen. Water from the fuel cell stack is collected in a water trap and discharged to the outside.

도 1은 애노드 워터트랩이 설치된 통상의 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a conventional fuel cell system provided with an anode water trap.

이를 참조하면, 연료전지 시스템의 주된 구성으로, 반응가스(수소와 공기 중 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10)과 더불어, 연료전지 스택(10)에 연료인 수소를 공급하기 위한 수소공급장치(20), 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치(30), 그리고 연료전지 스택(10)의 적정 운전온도 유지를 위한 냉각장치(40)가 도시되어 있다. Referring to this, the main configuration of the fuel cell system, in addition to the fuel cell stack 10 for generating electrical energy from the electrochemical reaction of the reaction gas (hydrogen and oxygen in the air), hydrogen as fuel in the fuel cell stack 10 Hydrogen supply device 20 for supplying the air, the air supply device 30 for supplying air to the fuel cell stack 10, and the cooling device 40 for maintaining the proper operating temperature of the fuel cell stack 10 Is shown.

수소공급장치(20)는 수소탱크 등의 수소공급부(21), 수소공급부(21)에서 연료전지 스택(10)으로 수소를 공급하기 위한 수소공급라인(22), 수소공급라인(22) 상에 설치되는 밸브(도시하지 않음) 및 압력조절기(도시하지 않음) 등을 포함한다. 이와 더불어, 수소공급장치(20)는 수소재순환장치, 즉 수소재순환라인(23) 및 수소재순환블로워(24) 등을 포함한다. The hydrogen supply device 20 is on a hydrogen supply line 22, a hydrogen supply line 22 for supplying hydrogen from the hydrogen supply unit 21, such as a hydrogen tank, to the fuel cell stack 10. Valves (not shown) and pressure regulators (not shown) and the like are installed. In addition, the hydrogen supply device 20 includes a hydrogen recycle device, that is, a hydrogen recycle line 23 and a hydrogen recycle blower 24.

이에 수소공급장치(20)에서는 연료전지 운전 중 수소공급부(21)에서 공급되는 고압 수소가 압력 조절되어 수소공급라인(22)을 통해 연료전지 스택(10)의 애노드로 공급되며, 연료전지 스택(10)의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 수소재순환블로워가(24) 수소재순환라인(23)을 통해 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모한다.In the hydrogen supply device 20, the high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 21 is regulated under pressure during operation of the fuel cell, and supplied to the anode of the fuel cell stack 10 through the hydrogen supply line 22. The remaining unreacted hydrogen used at the anode of 10) is recycled back to the anode through a hydrogen recycling blower (24) and a hydrogen recycling line (23) to promote hydrogen reuse.

공기공급장치(30)는 공기블로워 등의 공기공급부(31), 공기공급부(31)로부터 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하기 위한 공기공급라인(33), 공기공급라인(33)을 통해 공급되는 공기의 가습을 위한 가습장치(32) 등을 포함한다.The air supply device 30 is provided through an air supply unit 33 such as an air blower, an air supply line 33 for supplying air from the air supply unit 31 to the fuel cell stack 10, and an air supply line 33. And a humidifier 32 or the like for humidifying the supplied air.

공기공급장치(30)에서는 공기공급부(31)로부터 공급되는 공기가 가습장치(32)에서 가습된 뒤 공기공급라인(33)을 통해 연료전지 스택(10)의 캐소드로 공급되며, 캐소드에서 배출되는 과포화 습공기는 가습장치(32)에서 연료전지 스택(10)에 공급될 공기를 가습하는데 사용된다.In the air supply device 30, the air supplied from the air supply unit 31 is humidified in the humidifier 32 and then supplied to the cathode of the fuel cell stack 10 through the air supply line 33, and discharged from the cathode. Supersaturated humid air is used to humidify the air to be supplied to the fuel cell stack 10 in the humidifier 32.

이와 더불어, 연료전지 스택(10)의 애노드 출구단에는 수소퍼지밸브(50)가 구비되어 애노드에 축적된 질소 및 물 등의 이물질을 배출시키며, 냉각장치(40)에서는 냉각수순환라인(41)에 설치되는 물펌프(43)가 연료전지 스택(10)과 방열기(40) 사이에서 냉각수를 순환시킨다.In addition, a hydrogen purge valve 50 is provided at the anode outlet of the fuel cell stack 10 to discharge foreign substances such as nitrogen and water accumulated in the anode, and the cooling device 40 is connected to the cooling water circulation line 41. The installed water pump 43 circulates the coolant between the fuel cell stack 10 and the radiator 40.

또한 연료전지 스택(10)의 애노드에서 응축수를 제거하기 위한 워터트랩(60)이 설치되며, 이는 애노드 출구단에 설치되어 수소 채널로부터 배출되는 물 및 배기 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 역할을 한다.In addition, a water trap 60 for removing condensed water from the anode of the fuel cell stack 10 is installed, which is installed at the anode outlet and collects and discharges water discharged from the hydrogen channel and water condensed from the exhaust hydrogen. Do it.

상기 애노드 워터트랩은 물이 저장되는 하우징(61), 하우징(61) 내 수위 감지를 위한 수위센서(62), 그리고 하우징(61)에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브(63)를 주된 구성으로 한다.The anode water trap may include a housing 61 in which water is stored, a water level sensor 62 for detecting a water level in the housing 61, and a discharge valve 63 opened to discharge water stored in the housing 61. It is a constitution.

연료전지 스택(10)의 캐소드에서 수소 이온과 산소가 만나 물이 발생하는 것으로 알려져 있으나, 캐소드와 애노드 간 물의 농도차 또는 압력차에 의해 발생하는 역확산(Back Diffusuion)으로 인하여 캐소드에서 생성된 물의 상당량이 전해질막을 통해 애노드로 이동된다.It is known that water is generated when hydrogen ions and oxygen meet at the cathode of the fuel cell stack 10, but due to back diffusion caused by a difference in concentration or pressure difference between water between the cathode and the anode, A significant amount is transferred to the anode through the electrolyte membrane.

애노드 쪽은 순수 수소가 공급되고 불순물 제거를 위한 주기적인 수소 퍼징(Purging)과 수소 순환을 위한 수소재순환블로워(24)가 동작하지만 캐소드에서 넘어온 물과 응축수가 상당부분 제거되지 않고 계속 쌓이게 된다. On the anode side, pure hydrogen is supplied and a periodic hydrogen purging (24) for removing impurities and a hydrogen recycling blower (24) for hydrogen circulation are operated, but water and condensed water from the cathode is continuously accumulated without being removed.

따라서, 연료전지 스택(10) 하부에 워터트랩(60)을 설치하여 주기적으로 물을 배출해주는데, 애노드에서 배출되는 물(애노드 배기가스에서 응축된 물 포함)을 워터트랩(60)에 저장한 뒤 일정량 이상의 물이 채워지면 배출밸브(63)를 열어 배출하게 된다.Therefore, the water trap 60 is installed at the bottom of the fuel cell stack 10 to periodically discharge the water. The water discharged from the anode (including water condensed in the anode exhaust gas) is stored in the water trap 60. When a predetermined amount or more of water is filled, the discharge valve 63 is opened and discharged.

그러나, 상기와 같은 물 배출 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있다.However, the above water discharge system has the following problems.

1) 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료전지 스택(10)의 수소 배기측, 즉 애노드 출구단에 주기적인 개폐 동작으로 애노드 내 물을 포함한 이물질을 배출시키는 수소퍼지밸브(50)가 설치되고 있다. 이와 더불어, 수소 채널 내 물로 인한 수소 공급 차단 현상(Flooding)을 방지하기 위해 연료전지 스택(10)의 애노드 출구단에 1개의 워터트랩(60)을 장착하여 응축수를 배출시킨다. 1) As shown in FIG. 1, a hydrogen purge valve 50 is installed at the hydrogen exhaust side of the fuel cell stack 10, that is, at the anode outlet end to discharge foreign substances including water in the anode by periodic opening and closing operations. In addition, one water trap 60 is installed at an anode outlet of the fuel cell stack 10 to prevent condensate from being discharged due to water supply in the hydrogen channel.

이 경우, 연료전지 시스템이 어느 정도 운전되고 나면 애노드 내부의 수소 농도(분압)이 낮아지므로 수소퍼지밸브(50)를 동작시켜 수소를 배출해주어야 하나, 수소 퍼지시 애노드 출구측 라인의 급격한 유동 발생으로 인하여 워터트랩(60) 내 응축수가 수소재순환라인(23)으로 유입될 수 있고, 이 응축수가 수소 공급 및 재순환시 재순환 수소와 함께 연료전지 스택(10)에 공급되면서 애노드 전체로 퍼지는 문제점이 있다.In this case, since the hydrogen concentration (partial pressure) inside the anode is lowered after the fuel cell system is operated to some extent, the hydrogen purge valve 50 should be operated to discharge hydrogen. However, due to the rapid flow of the anode outlet line during hydrogen purge, Due to this, the condensed water in the water trap 60 may be introduced into the hydrogen recycle line 23, and the condensed water is supplied to the fuel cell stack 10 together with the recycled hydrogen during the hydrogen supply and recycling, thereby spreading to the entire anode.

2) 연료전지 시스템의 운전시 연료전지 반응 후 배출되는 수소는 고온 다습한 상태의 수소가 된다. 이 고온 다습한 수소를 수소재순환장치가 스택(10)에 재공급하게 되는데, 재순환 수소가 수소공급부(21)로부터 공급되는 저온의 건조 수소와 혼합된 후 스택(10)의 애노드에 공급된다. 2) During operation of the fuel cell system, the hydrogen released after the fuel cell reaction becomes hydrogen in a high temperature and high humidity state. The high temperature and high humidity hydrogen is re-supplied to the stack 10, and the recycle hydrogen is mixed with low temperature dry hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 21 and then supplied to the anode of the stack 10.

이에 반응 후 재순환되는 수소 내에서 충분한 응축수가 제거되었다 하더라도 상대적으로 고온 다습한 재순환 수소가 저온의 건조 수소와 혼합되면 혼합 수소의 온도가 낮아지면서 재순환 수소 내에 있던 수분이 다량 응축되어 스택(10)에 공급되는 문제점이 있게 된다.Even though sufficient condensed water is removed from the recycled hydrogen after the reaction, when the relatively high temperature and high temperature recycle hydrogen is mixed with the low temperature dry hydrogen, the temperature of the mixed hydrogen is lowered and much of the moisture in the recycle hydrogen condenses on the stack 10. There is a problem with the supply.

연료전지 스택(10)에서 물이 원활히 배출되지 않거나 스택의 애노드 내에 기체 상태가 아닌 액체 상태의 수분이 다량 존재하는 경우 스택을 구성하는 각 셀의 미세한 채널이 막히게 되어 연료인 수소의 유로가 차단되며(플러딩), 이에 연료전지 스택에서 전류를 출력할 수 없는 상태가 발생한다.If the water is not discharged smoothly from the fuel cell stack 10 or if there is a large amount of non-gas-liquid liquid in the anode of the stack, fine channels of each cell constituting the stack are blocked to block the flow path of hydrogen as a fuel. (Flooding), a state in which a current cannot be output from the fuel cell stack occurs.

이에 스택 성능 저하 및 출력 제한에 따른 차량 주행감 저하의 문제가 나타날 수 있고, 지속적인 플러딩 발생시 연료전지 촉매의 열화로 내구성이 저하될 수 있으며, 연료전지의 내구성 악화로 교체 비용이 증가하는 문제가 있게 된다.
As a result, the performance of the vehicle may be degraded due to the stack performance deterioration and the power limitation, and the durability may be degraded due to deterioration of the fuel cell catalyst when continuous flooding occurs. .

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 시스템에서 발생한 물을 효과적으로 제거하여 연료전지 스택 내부의 플러딩 발생을 방지하고, 연료전지 시스템의 안정성 및 내구성 향상을 달성할 수 있는 연료전지 물관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, it is possible to effectively remove the water generated in the fuel cell system to prevent flooding in the fuel cell stack, it is possible to achieve the stability and durability of the fuel cell system The aim is to provide a fuel cell water management system.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 애노드 출구단에 설치되어 수소 채널로부터 배출되는 물 및 배기 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 애노드 출구단 워터트랩과; 애노드에서 배기되어 수소재순환장치에 의해 재순환되는 수소와, 수소공급부에서 공급되는 새로운 수소가 혼합되는 애노드 입구단 위치에 설치되어, 재순환 수소와 새로운 공급 수소가 혼합된 혼합 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 애노드 입구단 워터트랩;을 구비하여 구성되는 연료전지 물관리 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, the anode outlet end water trap is installed in the anode outlet of the fuel cell stack and collects and discharges water discharged from the hydrogen channel and water condensed from the exhaust hydrogen; It is installed at the anode inlet end where hydrogen discharged from the anode and recycled by the hydrogen recirculation unit and new hydrogen supplied from the hydrogen supply unit are collected, and water condensed from the mixed hydrogen mixed with the recycle hydrogen and the new supply hydrogen is collected. It provides a fuel cell water management system comprising; an anode inlet end water trap for discharging.

바람직한 실시예에서, 상기 애노드 입구단 워터트랩은 수소가 재순환되는 수소재순환라인과, 수소공급부로부터 연료전지 스택의 애노드로 수소를 공급하기 위한 수소공급라인이 연결되는 지점에 설치된다.In a preferred embodiment, the anode inlet end water trap is installed at the point where the hydrogen recycle line where hydrogen is recycled and the hydrogen supply line for supplying hydrogen from the hydrogen supply to the anode of the fuel cell stack.

이때, 상기 애노드 입구단 워터트랩은, 상부에 수소재순환라인, 수소공급부에서 연결되는 상류측 수소공급라인, 연료전지 스택으로 연결되는 하류측 수소공급라인이 각각 연결되는 하우징과; 상기 하우징 내에 수집된 물의 수위를 검출하기 위한 수위센서와; 상기 하우징에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되고 수위센서의 검출신호에 기초하여 개폐시점을 판단하는 제어기에 의해 개폐 제어되는 배출밸브;를 포함하여 구성될 수 있다.
At this time, the anode inlet end water trap, the hydrogen recycling line, the upstream hydrogen supply line connected from the hydrogen supply unit, the downstream hydrogen supply line connected to the fuel cell stack is connected to the housing; A level sensor for detecting a level of water collected in the housing; And a discharge valve which is opened to discharge water stored in the housing and controlled to be opened and closed by a controller that determines an opening and closing time based on a detection signal of the water level sensor.

이에 따라, 본 발명에 따른 물관리 시스템에 의하면, 연료전지 스택의 애노드 입구단과 출구단에서 수분이 응축될 수 있는 위치에 수분 응축 및 물 배출을 위한 복수개의 워터트랩이 설치되어 구성됨으로써 연료전지 시스템에서 발생한 물을 종래에 비해 더욱 효과적으로 제거할 수 있고, 연료전지 스택 내부의 플러딩 발생을 미연에 방지할 수 있게 된다.Accordingly, according to the water management system according to the present invention, a plurality of water traps for condensing water and draining water are installed at positions where water can be condensed at the anode inlet and outlet of the fuel cell stack. It is possible to more effectively remove the water generated from the conventional, and to prevent the occurrence of flooding in the fuel cell stack in advance.

이에 플러딩으로 인한 스택 성능의 저하, 출력 제한시 차량 주행감 저하의 문제가 해소될 수 있고, 연료전지의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
As a result, the problem of deterioration of stack performance due to flooding and deterioration of vehicle driving feeling when output is limited can be solved, and durability of the fuel cell can be improved.

도 1은 워터트랩이 설치된 통상의 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 물관리 시스템을 나타내는 도면이다.1 is a block diagram showing a conventional fuel cell system provided with a water trap.
2 is a view showing a fuel cell water management system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.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 may easily implement the present invention.

본 발명은 연료전지 시스템에서 발생한 물을 효과적으로 제거하여 연료전지 스택 내부의 플러딩 발생을 방지하고, 연료전지 시스템의 안정성 및 내구성 향상을 달성할 수 있는 연료전지 물관리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell water management system that can effectively remove the water generated in the fuel cell system to prevent flooding in the fuel cell stack and to improve the stability and durability of the fuel cell system.

특히, 본 발명은 연료전지 시스템에서 발생하는 물을 모아 배출하는 복수개의 워터트랩을 설치하여, 연료전지 스택 내부에 수분이 과다해지는 상황을 미연에 방지하고, 연료전지 시스템의 안정성 및 내구성 향상을 도모하고자 하는 것이다.In particular, the present invention provides a plurality of water traps for collecting and discharging water generated in the fuel cell system, thereby preventing the excessive moisture in the fuel cell stack and improving the stability and durability of the fuel cell system. I would like to.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 물관리 시스템을 나타내는 도면으로서, 본 발명에 따른 물관리 시스템과 더불어, 연료전지 시스템의 주된 구성요소, 즉 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 연료인 수소를 공급하기 위한 수소공급장치(20), 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치(30), 연료전지 스택(10)의 적정 운전온도 유지를 위한 냉각장치(40)가 도시되어 있다. 2 is a view showing a fuel cell water management system according to the present invention. In addition to the water management system according to the present invention, a main component of the fuel cell system, that is, a fuel cell generating electric energy from an electrochemical reaction of a reaction gas The stack 10, the hydrogen supply device 20 for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack 10, the air supply device 30 for supplying air to the fuel cell stack 10, and the fuel cell stack 10. Cooling device 40 for maintaining the proper operating temperature of the) is shown.

도시된 바와 같이, 본 발명에서는 연료전지 시스템에서 응축수가 발생할 수 있는 위치에 복수개의 워터트랩을 설치하는 것에 주된 특징이 있으며, 특히 본 발명의 물관리 시스템은 연료전지 스택(10)의 애노드 출구단과 입구단에 각각 워터트랩(60,70)을 설치하여 구성된다. As shown, the main feature of the present invention is to install a plurality of water traps in the position where the condensate can occur in the fuel cell system, in particular the water management system of the present invention and the anode outlet end of the fuel cell stack (10) It is configured by installing water traps 60 and 70 at the inlet end, respectively.

이하, 본 명세서에서는 애노드 워터트랩으로서 애노드 출구단에 설치되는 워터트랩(60)을 애노드 출구단 워터트랩, 애노드 입구단에 설치되는 워터트랩(70)을 애노드 입구단 워터트랩이라 칭하기로 한다.Hereinafter, in the present specification, the water trap 60 installed at the anode outlet end as the anode water trap is referred to as the anode outlet water trap and the water trap 70 installed at the anode inlet end.

애노드 출구단 워터트랩(60)의 경우 연료전지 시스템에 적용되고 있는 통상의 애노드 워터트랩으로, 기본적인 구성은 물이 저장되는 하우징(61), 하우징(61) 내 수위 감지를 위한 수위센서(62), 그리고 하우징(61)의 물배출구측에 설치되어 하우징(61)에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브(63)를 포함한다.The anode outlet water trap 60 is a conventional anode water trap applied to a fuel cell system. The basic configuration is a housing 61 in which water is stored, and a water level sensor 62 for detecting a water level in the housing 61. And a discharge valve 63 installed at the water outlet side of the housing 61 to open to discharge the water stored in the housing 61.

상기 애노드 출구단 워터트랩(60)에는 연료전지 스택(10)의 애노드 출구측에서 배기되는 배기가스(H2+Water[Vapor+Liquid])의 물이 분리되어 모이게 된다. 이렇게 액적이 제거된 배기가스(H2+Water[Vapor])(즉, 고온 다습한 재순환 수소)는 연료로 사용될 수 있도록 수소재순환장치에 의해 연료전지 스택(10)의 애노드 입구측 수소공급라인(22)으로 공급되어, 수소공급부(21)에서 공급되는 새로운 수소(저온의 건조 수소)와 혼합된 다음 연료전지 스택(10)의 애노드로 재투입된다. Water of the exhaust gas (H 2 + Water [Vapor + Liquid]) exhausted from the anode outlet side of the fuel cell stack 10 is separated and collected in the anode outlet end water trap 60. The exhaust gas (H 2 + Water [Vapor]) from which the droplets are removed (ie, high temperature and high humidity recycle hydrogen) may be used as a fuel so that the hydrogen inlet side of the fuel cell stack 10 is supplied with a hydrogen supply line. 22, mixed with fresh hydrogen (low temperature dry hydrogen) supplied from the hydrogen supply section 21, and then re-introduced to the anode of the fuel cell stack 10.

또한 애노드 출구단 워터트랩(60)에 일정량 이상의 물이 저장되면 하측의 배출밸브(63)가 열리면서 물의 배출이 이루어진다. 이러한 워터트랩(60)에서는 중요한 전제 조건이 하우징(61)에 응축수만을 배출하고 연료인 수소를 최대한 배출하지 않는 것이므로, 수위센서(62)를 통해 하우징(61) 내 응축수의 수위를 판정하여 정확한 시점에서 배출밸브(63)를 개폐 동작시키게 된다. In addition, when a predetermined amount or more of water is stored in the anode outlet water trap 60, the discharge valve 63 on the lower side is opened to discharge the water. In this water trap 60, an important precondition is to discharge only condensate into the housing 61 and not discharge hydrogen as fuel, so that the water level of the condensate in the housing 61 is determined by the water level sensor 62, so that the correct timing is achieved. In operation to open and close the discharge valve (63).

이러한 배출밸브(63)의 개폐 동작은 워터트랩(60) 내 응축수가 과도하게 모아지거나 응축수가 모두 배출된 뒤 수소가 배출되는 일이 없도록 제어기(도시하지 않음)가 수위센서(62)의 검출신호에 기초하여 정확한 개폐시점을 판단한 뒤 제어하게 된다.The opening and closing operation of the discharge valve 63 is such that the controller (not shown) detects the detection signal of the water level sensor 62 so that condensed water in the water trap 60 is not excessively collected or hydrogen is not discharged after all the condensed water is discharged. After determining the exact opening and closing time based on the control.

한편, 상기 애노드 입구단 워터트랩(70)은 연료전지 스택(10)의 애노드 입구단에서도 수소재순환블로워(24)에 의해 공급되는 고온 다습한 재순환 수소와, 수소공급부(21)에 의해 새로이 공급되는 저온 건조 수소가 서로 혼합되는 위치에 설치된다.On the other hand, the anode inlet end water trap 70 is newly supplied by the high-temperature and humid recycle hydrogen supplied by the hydrogen recycle blower 24 and the hydrogen supply unit 21 also at the anode inlet end of the fuel cell stack 10. The low temperature dry hydrogen is installed at a position where they are mixed with each other.

이때, 상기 애노드 입구단 워터트랩(70)은 수소재순환라인(23)과 수소공급라인(22)이 연결되는 지점에 설치되거나, 이 지점에서 연료전지 스택(10)으로 연결된 하류측 수소공급라인(22)의 도중에 설치될 수 있다.In this case, the anode inlet end water trap 70 is installed at a point where the hydrogen recycle line 23 and the hydrogen supply line 22 are connected, or at this point, a downstream hydrogen supply line connected to the fuel cell stack 10 ( Can be installed in the middle of 22).

상기 애노드 입구단 워터트랩(70) 내에서는 상대적으로 고온 다습한 재순환 수소와 상대적으로 저온인 건조 수소가 혼합된 상태가 되는데, 고온 다습한 재순환 수소와 저온의 건조 수소가 만나게 되면, 전체 혼합 수소의 온도가 낮아지면서 재순환 수소에 포함되어 있던 수분이 응축되어 포집될 수 있다.In the anode inlet end water trap 70, relatively high temperature and high humidity recycle hydrogen and relatively low temperature dry hydrogen are mixed. When high temperature and high temperature recycle hydrogen and low temperature dry hydrogen meet, As the temperature decreases, the moisture contained in the recycle hydrogen may condense and collect.

상기 애노드 입구단 워터트랩(70)의 경우에도 기본적인 구성은 물이 저장되는 하우징(71), 하우징(71) 내 수위 감지를 위한 수위센서(72), 그리고 하우징(71)의 물배출구측에 설치되고 하우징(71)에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 배출밸브(73)를 포함하며, 하우징(71) 내에 일정량 이상의 물이 저장되면 하측의 배출밸브(73)가 열리면서 물의 배출이 이루어지도록 구비된다.Even in the case of the anode inlet water trap 70, the basic configuration is installed in the housing 71 in which water is stored, the water level sensor 72 for detecting the water level in the housing 71, and the water outlet side of the housing 71. And a discharge valve 73 which is opened to discharge water stored in the housing 71, and when a predetermined amount or more of water is stored in the housing 71, the lower discharge valve 73 is opened to discharge water. .

바람직한 실시예에서, 애노드 입구단 워터트랩(70)이 수소재순환라인(23)과 수소공급라인(22)이 연결되는 지점에 설치되는 경우, 상기 하우징(71)에는 상부에 수소재순환라인(23)과 상류측 수소공급라인(22)이 연결되어야 하고, 이와 더불어 혼합 가스를 연료전지 스택(10)의 애노드에 공급하기 위한 하류측 수소공급라인, 즉 연료전지 스택(10)으로 연결되는 하류측 수소공급라인이 하우징(71) 상부에 연결되어야 한다.In a preferred embodiment, when the anode inlet end water trap 70 is installed at the point where the hydrogen recycle line 23 and the hydrogen supply line 22 is connected, the housing 71 has a hydrogen recycle line 23 at the top. And an upstream hydrogen supply line 22 to be connected, together with a downstream hydrogen supply line for supplying a mixed gas to the anode of the fuel cell stack 10, that is, downstream hydrogen connected to the fuel cell stack 10. The supply line should be connected above the housing 71.

이러한 애노드 입구단 워터트랩(70)에서도 포집된 응축수의 외부 배출시 중요한 전제 조건이 응축수만을 배출하고 연료인 수소를 최대한 배출하지 않는 것이므로, 수위센서(72)를 통해 하우징(71) 내 응축수의 수위를 판정하여 배출밸브(73)를 개폐 동작시킨다.In the anode inlet end water trap 70, an important precondition for the external discharge of the condensate collected is that only the condensate is discharged and the hydrogen is not discharged as much as possible, so that the level of the condensate in the housing 71 through the level sensor 72 It is determined that the discharge valve 73 is opened and closed.

즉, 워터트랩(70) 내 응축수가 과도하게 모아지거나 응축수가 모두 배출된 뒤 수소가 배출되는 일이 없도록 제어기(도시하지 않음)가 수위센서(72)의 검출신호에 기초하여 정확한 개폐시점을 판단한 뒤 배출밸브(73)의 개폐시점을 제어하는 것이다. 이러한 애노드 입구단 워터트랩(70)의 응축수 배출 제어는 애노드 출구단 워터트랩(60)의 응축수 배출 제어와 비교하여 차이가 없다. That is, the controller (not shown) determines the correct opening and closing time based on the detection signal of the water level sensor 72 so that condensed water in the water trap 70 is not excessively collected or hydrogen is not discharged after all of the condensed water is discharged. It is to control the opening and closing time of the rear discharge valve (73). The condensate discharge control of the anode inlet water trap 70 is no difference compared to the condensate discharge control of the anode outlet water trap 60.

이와 같이 하여, 본 발명에서는, 연료전지 스택의 애노드에서 배기되는 고온 다습한 수소를 수소공급부에서 공급되는 저온의 건조 수소와 혼합하여 연료전지 반응의 연료로 사용하는 연료전지 시스템에서, 연료전지 스택의 애노드 출구단과 애노드 입구단에 각각 워터트랩을 설치하여, 애노드 출구단의 워터트랩이 애노드에서 배출되는 물을 수집, 배출함과 동시에, 애노드 입구단의 워터트랩이 고온 다습한 재순환 수소와 수소공급부의 저온 건조 수소가 혼합되면서 발생하는 응축수를 수집, 배출하도록 함으로써, 스택 내에서 응축수의 양을 최소한으로 줄일 수 있고, 스택 내 물에 의해 수소 흐름이 차단되는 플러딩 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다. Thus, in the present invention, in the fuel cell system in which the high temperature and high humidity hydrogen exhausted from the anode of the fuel cell stack is mixed with the low temperature dry hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and used as fuel for fuel cell reaction, Water traps are installed at the anode outlet and the anode inlet, respectively, so that the water trap at the anode outlet collects and discharges the water discharged from the anode, and the water trap at the anode inlet has a high temperature and high humidity. By collecting and discharging the condensate generated when the low-temperature dry hydrogen is mixed, the amount of condensate in the stack can be reduced to a minimum, and the flooding phenomenon in which hydrogen flow is blocked by the water in the stack can be effectively prevented.

이상으로 본 고안의 실시예에 대해 상술하였는바, 본 고안의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 실용신안등록청구범위에서 정의하고 있는 본 고안의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 고안의 권리범위에 포함된다.
As described above with respect to embodiments of the present invention, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following Utility Model Registration Claims Also included in the scope of the present invention.

10 : 연료전지 스택 20 : 수소공급장치
21 : 수소공급부 22 : 수소공급라인
23 : 수소재순환라인 24 : 수소재순환블로워
30 : 공기공급장치 31 : 공기공급부
32 : 가습장치 33 : 공기공급라인
40 : 냉각장치 41 : 냉각수순환라인
43 : 물펌프 50 : 수소퍼지밸브
60 : 애노드 입구단 워터트랩 61 : 하우징
62 : 수위센서 63 : 배출밸브
70 : 애노드 출구단 워터트랩 71 : 하우징
72 : 수위센서 73 : 배출밸브10: fuel cell stack 20: hydrogen supply device
21: hydrogen supply unit 22: hydrogen supply line
23: hydrogen recycle line 24: hydrogen recycle blower
30: air supply unit 31: air supply unit
32: humidifier 33: air supply line
40: cooling device 41: cooling water circulation line
43: water pump 50: hydrogen purge valve
60: anode inlet water trap 61: housing
62: water level sensor 63: discharge valve
70: anode outlet water trap 71: housing
72: water level sensor 73: discharge valve

Claims (3)

연료전지 스택(10)의 애노드 출구단에 설치되어 수소 채널로부터 배출되는 물 및 배기 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 애노드 출구단 워터트랩(60)과;
연료전지 스택(10)의 애노드에서 배기되어 수소재순환장치에 의해 재순환되는 수소와, 수소공급부(21)에서 공급되는 새로운 수소가 혼합되는 애노드 입구단 위치에 설치되어, 재순환 수소와 새로운 공급 수소가 혼합된 혼합 수소로부터 응축되는 물을 수집하여 배출하는 애노드 입구단 워터트랩(70);
을 구비하여 구성되는 연료전지 물관리 시스템.
An anode outlet end water trap 60 installed at the anode outlet end of the fuel cell stack 10 to collect and discharge water discharged from the hydrogen channel and water condensed from the exhaust hydrogen;
Hydrogen exhausted from the anode of the fuel cell stack 10 and recycled by the hydrogen recirculation device and the anode inlet end where the new hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 21 is mixed, and the recycle hydrogen and the new supply hydrogen are mixed. An anode inlet water trap 70 for collecting and discharging water condensed from the mixed hydrogen;
Fuel cell water management system comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 애노드 입구단 워터트랩(70)은 수소가 재순환되는 수소재순환라인(23)과, 수소공급부(21)로부터 연료전지 스택(10)의 애노드로 수소를 공급하기 위한 수소공급라인(23)이 연결되는 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 물관리 시스템.
The method according to claim 1,
The anode inlet water trap 70 is connected to a hydrogen recycling line 23 through which hydrogen is recycled, and a hydrogen supply line 23 for supplying hydrogen from the hydrogen supply unit 21 to the anode of the fuel cell stack 10. Fuel cell water management system, characterized in that is installed at the point.
청구항 2에 있어서,
상기 애노드 입구단 워터트랩(70)은,
상부에 수소재순환라인(23), 수소공급부(21)에서 연결되는 상류측 수소공급라인(22), 연료전지 스택(10)으로 연결되는 하류측 수소공급라인이 각각 연결되는 하우징(71)과;
상기 하우징(71) 내에 수집된 물의 수위를 검출하기 위한 수위센서(72)와;
상기 하우징(71)의 물배출구측에 설치되고 수위센서(72)의 검출신호에 기초하여 개폐시점을 판단하는 제어기에 의해 개폐 제어되는 배출밸브(73);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물관리 시스템.

The method according to claim 2,
The anode inlet water trap 70,
A housing 71 connected to a hydrogen recycling line 23, an upstream hydrogen supply line 22 connected to the hydrogen supply unit 21, and a downstream hydrogen supply line connected to the fuel cell stack 10 at an upper portion thereof;
A water level sensor (72) for detecting the water level collected in the housing (71);
A discharge valve 73 installed at a water outlet side of the housing 71 and controlled to be opened and closed by a controller that determines an opening and closing time based on a detection signal of the water level sensor 72;
Fuel cell water management system comprising a.

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