KR101251278B1 - System for improved cold start performance of fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 냉시동 향상 장치에 관한 것으로서, 차량용 연료전지 시스템에서 기존의 장치 요소를 최대한 이용하여 냉시동 성능을 향상시킬 수 있는 냉시동 향상 장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지의 냉시동 조건을 검출하기 위한 온도센서와; 연료전지 스택의 애노드 출구에서 연료전지 스택의 공기공급라인으로 연결되도록 설치되는 수소배기라인과; 시동키 신호와 상기 온도센서의 검출값에 기초하여 연료전지의 냉시동 상태임을 판정하게 되면 공기와 수소의 혼합기를 생성하여 연료전지 스택에 공급하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와; 상기 수소배기라인에 설치되고, 상기 혼합기의 생성을 위해 연료전지 스택의 애노드에서 배출된 수소가 수소배기라인을 통해 공기공급라인으로 공급되도록 상기 제어기의 제어신호에 따라 개폐동작되는 퍼지밸브;를 포함하는 연료전지 냉시동 향상 장치가 개시된다.The present invention relates to a fuel cell cold start improving device, and to provide a cold start improving device that can improve the cold start performance by utilizing the existing device elements in a vehicle fuel cell system. In order to achieve the above object, a temperature sensor for detecting a cold start condition of the fuel cell; A hydrogen exhaust line installed to be connected to an air supply line of the fuel cell stack at an anode outlet of the fuel cell stack; A controller for generating a mixture of air and hydrogen and outputting a control signal for supplying the fuel cell stack based on the start key signal and the detection value of the temperature sensor; A purge valve installed in the hydrogen exhaust line and open / closed according to a control signal of the controller such that hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack is supplied to the air supply line through the hydrogen exhaust line to generate the mixer. A fuel cell cold start improving device is disclosed.

Description

연료전지 냉시동 향상 장치{System for improved cold start performance of fuel cell}System for improved cold start performance of fuel cell

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량용 연료전지 시스템에서 기존의 장치 요소를 최대한 이용하여 부품 수를 최소화하면서도 연료전지의 냉시동 성능을 향상시킬 수 있는 냉시동 향상 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell system. More particularly, the present invention relates to a cold start apparatus that can improve the cold start performance of a fuel cell while minimizing the number of components by making the most of existing device elements in a vehicle fuel cell system. .

연료전지란 일종의 발전장치로서 기본적인 원리는 화학전지와 같이 산화ㆍ환원반응을 이용한 것이나, 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 계속적으로 공급되며, 반응물로 연료와 산화제를 공급받아 애노드와 캐소드에서 각각 발생하는 산화ㆍ환원 반응을 통해 전기에너지를 발생시킨다. A fuel cell is a kind of power generation device. The basic principle is to use an oxidation / reduction reaction like a chemical cell.However, unlike a chemical cell, a reactant is continuously supplied from the outside, and a fuel and an oxidant are supplied to the reactant to generate the anode and the cathode, respectively. Electrical energy is generated through oxidation and reduction reactions.

현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간의 특성을 갖는다. Currently, as a power source for driving a vehicle, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) having a high power density has been most studied, which is a fast start-up time and a fast power conversion reaction time due to a low operating temperature. Has the characteristics of.

수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템의 구성은, 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급시스템과, 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하기 위한 열 및 물 관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있다.The configuration of a fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle includes a fuel cell stack for generating electrical energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a fuel supply system for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack, and a fuel cell stack. Air supply system for supplying air containing oxygen, an oxidant required for electrochemical reactions, and heat and water management to remove heat, a by-product of electrochemical reactions from the fuel cell stack, and to control the operating temperature of the fuel cell stack. It can be divided into a system and the like.

통상의 차량용 연료전지 시스템에서 수소공급시스템은 수소탱크, 고압/저압 레귤레이터, 수소공급밸브, 수소재순환장치 등을 포함하고, 공기공급시스템은 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.In a typical vehicle fuel cell system, the hydrogen supply system includes a hydrogen tank, a high pressure / low pressure regulator, a hydrogen supply valve, a hydrogen recirculation device, and the air supply system includes an air blower, a humidifier, and the like. All animal pumps (cooling water pumps), water tanks, radiators and the like.

이와 같은 구성을 통해 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기에너지를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.Through such a configuration, the fuel cell system generates electric energy by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

또한 연료전지 스택의 애노드 출구측 수소배기라인에는 퍼지밸브를 설치하여 연료전지의 운전 중 주기적으로 개폐작동시키는데, 이러한 퍼지밸브는 제어기로부터 수소 퍼지 요구가 있는 경우 일시적으로 열리도록 구비되어, 연료전지 스택의 애노드에 존재하는 물 및 질소 등의 불순물들을 애노드 내 가스와 함께 대기로 배출하게 된다.In addition, a purge valve is installed at the hydrogen outlet line of the fuel outlet of the fuel cell stack to periodically open and close the fuel cell during operation. The purge valve is provided to temporarily open when there is a hydrogen purge request from the controller. Impurities such as water and nitrogen present in the anode of the gas are discharged to the atmosphere together with the gas in the anode.

한편, 수소 연료전지 자동차에서 해결해야 할 여러 문제점 중 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보이다. Meanwhile, the most urgent and difficult problem among the problems to be solved in a hydrogen fuel cell vehicle is securing cold startability.

냉시동성 확보를 위한 해결책의 일환으로, 외부 부하를 이용해 스택을 자체 발열시키는 방법, 히터를 이용해 스택을 순환하는 냉각수를 가열하여 스택 내부를 급속 해동하는 방법, 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법, 스택에 공급되는 공기 또는 수소를 압축기나 발열수단 등을 이용하여 가열하는 방법 등 여러 방법이 시도되고 있다.As part of the solution to secure cold startability, a method of self-heating the stack using an external load, a method of rapidly thawing the inside of the stack by heating the coolant circulating the stack using a heater, a method of using the antifreeze for the stack as the coolant, Various methods have been attempted, such as a method of heating air or hydrogen supplied to a stack by using a compressor or a heat generating means.

또한 연료전지 냉시동시 스택의 빠른 웜업(Warm-up)을 위해 애노드 입구측 수소공급라인에 산소를 공급하거나 캐소드 입구측 산소(공기)공급라인에 수소를 공급하는 방식으로 막전극접합체 양단의 촉매에 수소 + 산소의 혼합가스를 주입하여 촉매의 발열반응을 유도함으로써 그 반응열을 이용하여 스택 온도를 높이는 기술이 개시되어 있다. In addition, by supplying oxygen to the anode inlet hydrogen supply line or hydrogen in the cathode inlet oxygen supply line for fast warm-up of the stack during cold cell start-up of the fuel cell, A technique of increasing the stack temperature using the heat of reaction by inducing an exothermic reaction of a catalyst by injecting a mixed gas of hydrogen + oxygen is disclosed.

연료전지 냉시동을 위해 수소와 산소의 혼합가스를 만들어주는 방법으로는 도 1에 나타낸 바와 같이 외부에 추가적인 믹싱 밸브(Mixing Valve)(34)를 두어 수소와 공기를 섞어주는 방법이 이용될 수 있다.As a method of producing a mixed gas of hydrogen and oxygen for cold start of the fuel cell, a method of mixing hydrogen and air by placing an additional mixing valve 34 on the outside as shown in FIG. 1 may be used. .

그러나, 이러한 시스템은 간단한 구성임에도 불구하고 별도의 밸브를 추가해야하는 단점과 추가적인 밸브의 사용 및 별도의 제어로직 적용으로 페일이 발생할 수 있는 확률이 높아지는 단점을 가진다.
However, such a system has the disadvantage of having to add a separate valve despite the simple configuration, and the possibility of failure due to the use of additional valves and the application of a separate control logic increases.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 차량용 연료전지 시스템에서 기존의 장치 요소를 최대한 이용하여 부품 수를 최소화하면서도 동등한 냉시동 향상 효과를 얻을 수 있는 개선된 냉시동 향상 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, an improved cold start improving device that can obtain the equivalent cold start improving effect while minimizing the number of components by maximizing the existing device elements in a vehicle fuel cell system The purpose is to provide.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지의 냉시동 조건을 검출하기 위한 온도센서와; 연료전지 스택의 애노드 출구에서 연료전지 스택의 공기공급라인으로 연결되도록 설치되는 수소배기라인과; 시동키 신호와 상기 온도센서의 검출값에 기초하여 연료전지의 냉시동 상태임을 판정하게 되면 공기와 수소의 혼합기를 생성하여 연료전지 스택에 공급하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와; 상기 수소배기라인에 설치되고, 상기 혼합기의 생성을 위해 연료전지 스택의 애노드에서 배출된 수소가 수소배기라인을 통해 공기공급라인으로 공급되도록 상기 제어기의 제어신호에 따라 개폐동작되는 퍼지밸브;를 포함하는 연료전지 냉시동 향상 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a temperature sensor for detecting a cold start condition of the fuel cell; A hydrogen exhaust line installed to be connected to an air supply line of the fuel cell stack at an anode outlet of the fuel cell stack; A controller for generating a mixture of air and hydrogen and outputting a control signal for supplying the fuel cell stack based on the start key signal and the detection value of the temperature sensor; A purge valve installed in the hydrogen exhaust line and open / closed according to a control signal of the controller such that hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack is supplied to the air supply line through the hydrogen exhaust line to generate the mixer. Provided is a fuel cell cold start improving device.

또한 바람직한 실시예에서, 상기 퍼지밸브는 연료전지 스택의 애노드에서 수소배기라인으로 배출된 수소를 외부로 배출하기 위한 별도의 출구포트를 추가로 갖는 3-웨이 밸브이고, 상기 제어기는 연료전지의 냉시동 후 정상 운전시에는 상기 출구포트가 개폐되도록 퍼지밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.Also in a preferred embodiment, the purge valve is a three-way valve further having a separate outlet port for discharging hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack to the hydrogen exhaust line to the outside, the controller is cold During normal operation after starting, the operation of the purge valve is characterized in that the outlet port is opened and closed.

이때, 상기 제어기는 냉시동 후 정상 운전시의 상기 출구포트 개폐주기에 비해 혼합기의 생성을 위한 퍼지밸브의 개폐주기를 짧게 하여 공기공급라인으로 충분한 수소가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.At this time, the controller is characterized in that the hydrogen supply to the air supply line by shortening the opening and closing period of the purge valve for the generation of the mixer compared to the outlet port opening and closing period in the normal operation after cold start.

또한 바람직한 실시예에서, 상기 제어기는 연료전지의 정상 운전시 연료전지 스택의 애노드 내 수소 및 불순물 배출을 위해 상기 퍼지밸브를 정해진 개폐주기로 개폐동작시키는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the controller is characterized in that for opening and closing the purge valve in a predetermined opening and closing cycle for the discharge of hydrogen and impurities in the anode of the fuel cell stack during normal operation of the fuel cell.

이때, 냉시동시 퍼지밸브의 개폐주기가 정상 운전시 퍼지밸브의 개폐주기에 비해 짧게 설정되어 냉시동시 상대적으로 많은 양의 수소가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.At this time, the opening and closing cycle of the purge valve during cold start is set shorter than the opening and closing cycle of the purge valve in normal operation, so that a relatively large amount of hydrogen is supplied during cold start.

여기서, 상기 퍼지밸브는 연료전지 스택의 애노드에서 수소배기라인으로 배출된 수소를 외부로 배출하기 위한 별도의 출구포트를 추가로 갖는 3-웨이 밸브이고, 온도센서가 연료전지 스택의 온도를 검출하기 위한 온도센서이며, 상기 제어기가 연료전지의 운전 동안 상기 온도센서의 검출값이 설정 온도 이상인 조건에서 상기 출구포트가 개폐되도록 퍼지밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
Here, the purge valve is a three-way valve having a separate outlet port for discharging the hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack to the hydrogen exhaust line to the outside, the temperature sensor to detect the temperature of the fuel cell stack And a temperature sensor for controlling the operation of the purge valve to open and close the outlet port under the condition that the detection value of the temperature sensor is higher than or equal to a predetermined temperature during operation of the fuel cell.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 냉시동 향상 장치에서는 연료전지의 냉시동시 스택의 신속한 웜업을 위해 설치되던 종래의 믹싱 밸브(수소와 공기를 혼합하기 위한 밸브임)가 삭제되고 대신 기 장착된 퍼지밸브를 이용하여 혼합기 생성을 위한 퍼징을 수행하도록 구성됨으로써 냉시동성 향상이라는 기본적인 목적 달성과 더불어 부품 수 최소화(믹싱 밸브 삭제로 인한 최소화) 및 원가 절감을 달성할 수 있게 된다.Accordingly, in the fuel cell cold start improving apparatus of the present invention, the conventional mixing valve (which is a valve for mixing hydrogen and air), which is installed for rapid warming up of the stack during cold start of the fuel cell, is eliminated, and the pre-installed purge valve is replaced. It is configured to carry out purging to create a mixer, thereby achieving the basic purpose of improving cold startability, and minimizing the number of parts (minimization due to the elimination of mixing valves) and cost reduction.

또한 연료전지의 정상 운전온도 범위에서 스택으로부터 배출되는 수소를 캐소드 입구측의 공기공급라인으로 보낸 뒤 스택 내부에서 화학적으로 소진할 수 있으므로 배출가스의 수소를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
In addition, since the hydrogen discharged from the stack in the normal operating temperature range of the fuel cell is sent to the air supply line at the cathode inlet side and chemically exhausted in the stack, there is an advantage of minimizing hydrogen in the exhaust gas.

도 1은 연료전지 냉시동을 위한 종래의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉시동 향상 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에서 퍼지밸브의 작동상태를 나타내는 도면이다.1 is a schematic diagram showing a conventional configuration for fuel cell cold start.
2 is a schematic view showing the configuration of a cold start improving apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an operating state of the purge valve in the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 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, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명은 차량용 연료전지 시스템에서 기존의 장치 요소를 최대한 이용하여 연료전지의 냉시동 성능을 향상시킬 수 있는 냉시동 향상 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cold start improving device that can improve the cold start performance of a fuel cell by utilizing the existing device elements in a vehicle fuel cell system.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉시동 향상 장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 3은 본 발명에서 퍼지밸브의 작동상태를 나타내는 도면이다. Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the cold start improving apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a view showing the operating state of the purge valve in the present invention.

도면부호 10은 반응가스(수소와 공기 중 산소)의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지 스택을 나타낸다.Reference numeral 10 denotes a fuel cell stack that generates electricity through an electrochemical reaction of a reaction gas (hydrogen and oxygen in the air).

도시된 바와 같이, 연료전지의 냉시동시 스택(10)의 빠른 웜업(Warm-up)을 위해 스택의 캐노드 입구측에 연결된 공기공급라인(32)에 애노드측의 수소배기라인(24)이 연결되고 상기 수소배기라인(24)에 설치된 퍼지밸브(25)를 이용하여 공기공급라인(32)에서 수소와 산소의 혼합기를 만들어준 다음 스택(10)에 공급하는 시스템이 개시된다.As shown, the hydrogen exhaust line 24 on the anode side is connected to an air supply line 32 connected to the cathode inlet side of the stack for fast warm-up of the stack 10 during cold start-up of the fuel cell. And a system for making a mixer of hydrogen and oxygen in the air supply line 32 using the purge valve 25 installed in the hydrogen exhaust line 24 and then supplying the stack 10 to the stack 10.

이러한 본 발명은 스택 웜업을 위한 종래의 믹싱 밸브와 같은 추가적인 장치 없이 기 장착된 퍼지밸브(25)를 이용하여 혼합기를 생성 및 스택(10)으로 공급할 수 있게 구성됨으로써 연료전지의 냉시동 향상과 더불어 부품 수 최소화 및 원가 절감을 달성할 수 있게 한 것이다.The present invention is configured to supply the mixer to the stack 10 by using a pre-installed purge valve 25 without any additional device such as a conventional mixing valve for stack warm-up, thereby improving cold start of the fuel cell. Minimizing the number of parts and reducing the cost.

냉시동 조건에서 수소와 공기를 혼합하여 스택(10)의 캐소드에 공급하면 캐소드 전극의 촉매와 혼합기가 반응하여 반응열을 발생시킬 수 있고, 이 반응열을 통해 빠른 시간에 스택(10)의 온도를 원하는 온도로 상승시킬 수 있다.When hydrogen and air are mixed and supplied to the cathode of the stack 10 under cold start conditions, the catalyst and the cathode of the cathode electrode may react to generate heat of reaction, and through this reaction heat, the temperature of the stack 10 may be quickly obtained. Can be raised to temperature.

이를 위해 본 발명에서는 스택(10)의 애노드 출구측에서 캐소드 입구측의 공기공급라인(32)으로 연결된 수소배기라인(24), 및 이 수소배기라인(24)에 설치된 퍼지밸브(25)가 수소와 공기를 혼합하는 역할을 수행하도록 하여 시스템을 단순화한다.To this end, in the present invention, the hydrogen exhaust line 24 connected to the air supply line 32 at the cathode inlet side from the anode outlet side of the stack 10, and the purge valve 25 installed in the hydrogen exhaust line 24 is hydrogen To simplify the system by mixing air with air.

도 2를 참조하면, 연료인 수소를 공급하기 위해 수소공급수단(21)으로부터 연료전지 스택(10)의 애노드 입구측에 연결된 수소공급라인(22)과, 이 수소공급라인(22)에 설치된 수소공급밸브(시동/정지용 솔레노이드 밸브)(23)가 도시되어 있고, 또한 산화제인 공기(산소)를 공급하기 위해 공기공급수단(31)으로부터 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구측에 연결된 공기공급라인(32), 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구측에 연결된 공기배기라인(33), 애노드 출구측에 연결된 수소배기라인(24) 등의 기본 구성이 도시되어 있다. Referring to FIG. 2, a hydrogen supply line 22 connected to an anode inlet side of the fuel cell stack 10 from a hydrogen supply means 21 to supply hydrogen as a fuel, and hydrogen installed in the hydrogen supply line 22. A supply valve (starting / stopping solenoid valve) 23 is shown and an air supply line connected from the air supply means 31 to the cathode inlet side of the fuel cell stack 10 for supplying air (oxygen) which is an oxidant. (32), an air exhaust line 33 connected to the cathode outlet side of the fuel cell stack 10, a hydrogen exhaust line 24 connected to the anode outlet side, and the like are shown.

이러한 구성에서 수소배기라인(24)은 공기공급라인(32)으로 연결되고, 수소배기라인(24)에 설치된 퍼지밸브(25)가 개폐동작시 애노드에서 배기되는 수소를 공기공급라인(32)으로 공급하여 혼합기를 생성하는 용도로 사용된다.In such a configuration, the hydrogen exhaust line 24 is connected to the air supply line 32, and the hydrogen exhausted from the anode when the purge valve 25 installed in the hydrogen exhaust line 24 opens and closes to the air supply line 32. It is used to create a mixer by feeding.

바람직한 실시예에서, 상기 퍼지밸브(25)는 1개의 입구포트와 이에 연통된 2개의 출구포트를 가지는 3-웨이 밸브가 될 수 있는데, 입구포트에는 스택(10)의 애노드 출구측으로부터 연결된 상류측 수소배기라인(도면부호 24 중 상류측)이, 2개의 출구포트 중 하나에는 공기공급라인(32)으로 연결된 하류측 수소배기라인(도면부호 24 중 하류측)이, 나머지 하나의 출구포트에는 수소를 외부로 배출하기 위해 외부로 연결된 별도의 외부배기라인(24a)이 각각 연결된다. In a preferred embodiment, the purge valve 25 may be a three-way valve having one inlet port and two outlet ports in communication with the inlet port, which is connected upstream from the anode outlet side of the stack 10. A hydrogen exhaust line (upstream of reference numeral 24), a downstream hydrogen exhaust line (downstream of reference numeral 24) connected to one of the two outlet ports by an air supply line 32, and a hydrogen outlet on the other outlet port. In order to discharge the outside to a separate external exhaust line (24a) connected to each other is connected.

이와 같은 퍼지밸브(25)는 제어기(도시하지 않음)의 제어신호에 따라 개폐동작시 2개의 출구포트가 모두 닫힘상태를 유지하거나 어느 하나만이 선택적으로 개폐될 수 있는 전자식 3-웨이 밸브로서, 상류측 수소배기라인이 연결된 출구포트를 주기적으로 개폐할 경우 혼합기 생성을 위한 퍼징을 수행하게 되고(도 2에서 '냉시동시 퍼징'), 외부배기라인(24a)이 연결된 출구포트를 주기적으로 개폐할 경우 애노드 내 가스 및 불순물을 외부로 배출하기 위한 퍼징(도 2에서 '일반 주행시 퍼징')을 수행하게 된다. The purge valve 25 is an electronic three-way valve in which both outlet ports are kept closed or only one can be selectively opened and closed during the opening and closing operation according to a control signal of a controller (not shown). In the case of periodically opening and closing the outlet port connected to the side hydrogen exhaust line is purging to generate a mixture ('purging at cold start' in Figure 2), when the outlet port connected to the external exhaust line 24a periodically open and close Purging ('purging during normal driving' in FIG. 2) to discharge the gas and impurities in the anode to the outside is performed.

또한 본 발명은 연료전지의 냉시동 조건을 검출하기 위한 온도센서(11)를 포함하며, 이 온도센서(11)는 연료전지 스택(10)의 온도를 검출하기 위한 온도센서가 될 수 있고, 이때 온도센서(11)의 검출값, 즉 연료전지 스택(10)의 온도가 제어기로 입력될 수 있도록 구비된다.In addition, the present invention includes a temperature sensor 11 for detecting a cold start condition of the fuel cell, the temperature sensor 11 may be a temperature sensor for detecting the temperature of the fuel cell stack 10, The detection value of the temperature sensor 11, that is, the temperature of the fuel cell stack 10 may be provided to the controller.

상기와 같은 구성에서 제어기는 시동키 신호와 온도센서(11)의 검출값을 분석하여 냉시동 여부를 판정하며, 냉시동 상태로 판정되면, 수소공급수단(21) 및 공기공급수단(31)으로부터 반응가스인 수소와 공기가 공급되는 상태에서, 애노드측에서 배기되는 수소를 공기공급라인(32)에 공급하기 위한 제어신호를 출력하게 된다.In the configuration as described above, the controller analyzes the start key signal and the detected value of the temperature sensor 11 to determine whether to start cold, and if determined to be in the cold start state, from the hydrogen supply means 21 and the air supply means 31. In a state where hydrogen and air, which are reaction gases, are supplied, a control signal for supplying hydrogen exhausted from the anode side to the air supply line 32 is output.

이때, 퍼지밸브(25)는 제어기의 제어신호에 따라 애노드측에서 배기된 수소가 공기공급라인(32)으로 공급될 수 있도록 하류측 수소배기라인이 연결된 출구포트를 주기적으로 개폐하는 동작을 하게 된다.At this time, the purge valve 25 operates to periodically open and close the outlet port connected to the downstream hydrogen exhaust line so that the hydrogen exhausted from the anode side can be supplied to the air supply line 32 according to the control signal of the controller. .

이러한 동작은 스택(10)의 애노드측에서 배기되는 수소를 공기가 공급되는 공기공급라인(32)으로 공급하여 수소와 공기의 혼합기를 생성하는 퍼징 동작이 되며, 이러한 혼합기 생성을 위한 퍼징시에는 도 3에 나타낸 바와 같이 퍼지밸브(25)의 개폐주기를 짧게 하여 시간당 개폐횟수가 많아지도록 설정되는바, 이를 통해 수소 퍼징량(공기공급라인(32)으로 공급되는 수소량)을 일반 주행시의 퍼징량에 비해 크게 한다.This operation is a purging operation of supplying hydrogen discharged from the anode side of the stack 10 to the air supply line 32 to which air is supplied to generate a mixture of hydrogen and air, and when purging for the generation of such a mixer, FIG. As shown in FIG. 3, the opening / closing period of the purge valve 25 is shortened so that the number of opening and closing times per hour is increased, thereby purging the hydrogen purging amount (the amount of hydrogen supplied to the air supply line 32) during normal driving. Make it larger than

이에 따라 공기공급수단(31)에 의해 공급되는 공기와 퍼지밸브(25)를 통해 공급되는 수소가 자연스럽게 혼합되어 스택(10)의 캐소드로 공급될 수 있고, 캐소드 내에서 화학반응에 의해 생성되는 열로 스택(10)의 온도를 올려줄 수 있게 된다.Accordingly, the air supplied by the air supply unit 31 and the hydrogen supplied through the purge valve 25 may be naturally mixed and supplied to the cathode of the stack 10, and the heat generated by the chemical reaction in the cathode may be provided. It is possible to raise the temperature of the stack 10.

제어기가 냉시동 조건을 판정하도록 함에 있어서 스택(10)의 온도, 즉 온도센서(11)의 검출값이 미리 설정된 기준온도 미만일 경우, 예컨대 빙점 미만의 온도일 경우 냉시동 상태로 판정하도록 설정될 수 있다. The controller may be configured to determine the cold start condition when the temperature of the stack 10, that is, the detected value of the temperature sensor 11 is below a preset reference temperature, for example, when the temperature is below the freezing point in determining the cold start condition. have.

또한 스택(10)의 온도를 검출하는 온도센서 대신 외기온센서가 사용될 수도 있으며, 이 경우에도 외기온센서의 검출값이 미리 설정된 기준온도 미만일 경우, 예컨대 빙점 미만의 온도일 경우 냉시동 상태로 판정하도록 설정될 수 있다. In addition, an outside air temperature sensor may be used instead of the temperature sensor for detecting the temperature of the stack 10. In this case, when the detected value of the outside air temperature sensor is less than a preset reference temperature, for example, the temperature is below the freezing point, it is set as a cold start state. Can be.

또한 냉시동 후 일반 주행시(연료전지의 정상 운전시)에는 제어기가 애노드측에서 배기되는 수소 및 불순물을 외부로 배출하기 위한 제어신호를 출력하게 되며, 이때 퍼지밸브(25)는 제어기의 제어신호에 따라 통상적인 로직에 따른 퍼징 동작, 즉 미리 설정된 개폐주기로 외부배기라인(24a)이 연결된 출구포트를 주기적으로 개폐하는 동작을 하게 된다.In addition, during normal driving (after normal operation of the fuel cell) after the cold start, the controller outputs a control signal for discharging hydrogen and impurities exhausted from the anode to the outside, and the purge valve 25 is connected to the control signal of the controller. Accordingly, a purging operation according to conventional logic, that is, an operation of periodically opening and closing the outlet port to which the external exhaust line 24a is connected at a predetermined opening and closing cycle.

일반 주행시의 퍼징 로직에 따른 퍼징 동작시에는 퍼지밸브(25)의 개폐주기가 상대적으로 길게 설정되며, 물 및 질소 등의 애노드측 불순물을 수소 퍼지를 통해 외부로 배출하여 스택(10)의 수소 이용률을 높이게 된다.In the purging operation according to the purging logic during normal driving, the opening / closing period of the purge valve 25 is set relatively long, and the hydrogen utilization rate of the stack 10 is discharged to the outside through the hydrogen purge of anode-side impurities such as water and nitrogen. Will increase.

이와 같이 냉시동시에는 퍼징량을 늘려주고 일반 주행시에는 퍼징량을 줄이는 방식으로 퍼지밸브(25)의 개폐동작이 제어되도록 설정될 수 있다.As such, the opening and closing operation of the purge valve 25 may be controlled by increasing the purging amount during cold start and reducing the purging amount during normal driving.

한편, 개폐동작의 다른 실시예로서, 제어기가 냉시동 상태임을 판정한 경우 스택(10)의 빠른 온도 상승을 위해 상술한 혼합기 생성을 위한 퍼징 동작(하류측 수소배기라인이 연결된 출구포트의 개폐)이 수행되도록 퍼지밸브(25)의 개폐동작을 제어하는 것은 동일하나, 냉시동 후 일반 주행시에도 스택(10)의 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우라면 퍼지밸브(25)가 하류측 수소배기라인을 통한 퍼징 동작을 계속해서 수행하도록 설정될 수 있다.On the other hand, as another embodiment of the opening and closing operation, when it is determined that the controller is in the cold start state purging operation for generating the above-described mixture for the rapid temperature rise of the stack 10 (opening and closing of the outlet port connected to the downstream hydrogen exhaust line) It is the same to control the opening and closing operation of the purge valve 25 so as to be carried out, but if the temperature of the stack 10 is less than the preset temperature even during normal driving after cold start, the purge valve 25 is passed through the downstream hydrogen exhaust line. The purging operation may be set to continue.

즉, 일반 주행시의 경우에도 하류측 수소배기라인이 연결된 출구포트를 미리 설정된 주기에 따라 개폐하도록 퍼지밸브(25)를 제어하는 것이며, 다만 냉시동시에는 도 3에 나타낸 바와 같이 공기공급라인(32)으로 스택 웜업을 위한 충분한 수소를 공급하기 위해 퍼지밸브(25)의 개폐주기를 짧게 설정하여 수소 퍼징량을 크게 하되, 일반 주행시에는 개폐주기를 상대적으로 길게 설정하여 수소 퍼징량을 줄인다.That is, in the case of normal driving, the purge valve 25 is controlled to open and close the outlet port to which the downstream hydrogen exhaust line is connected according to a predetermined cycle. However, during cold start, the air supply line 32 is controlled as shown in FIG. 3. In order to supply sufficient hydrogen for stack warm-up, the opening / closing period of the purge valve 25 is shortened to increase the hydrogen purging amount, and the opening and closing period is relatively long during normal driving to reduce the hydrogen purging amount.

이러한 개폐 제어는 배출가스에 수소가 남아있지 않도록 하기 위한 것으로, 종래에는 냉시동 혹은 차량 정상 주행시 퍼지밸브를 통해 배출되는 수소를 대기 중으로 바로 버리거나, 별도의 장치를 이용하여 발화 가능 농도 비율인 4% 이하로 희석하여 배출하였으나, 본 발명에서는 스택(10)으로부터 퍼지를 통해 배출되는 수소를 공기공급라인(32)에 직접 버리게 되고, 이로써 공기공급라인(32)으로 버려진 수소가 스택(10) 내부에서 화학적으로 연소 및 소진되도록 하는바, 결과적으로 배출가스에는 수소가 남아있지 않게 된다.This open / close control is to prevent hydrogen from remaining in the exhaust gas. In the related art, the hydrogen discharged through the purge valve is discharged directly into the atmosphere during cold start or normal driving of a vehicle, or a separate device is used to ignite the concentration of 4%. Diluted and discharged below, in the present invention, the hydrogen discharged through the purge from the stack 10 is directly discarded in the air supply line 32, whereby the hydrogen discarded in the air supply line 32 in the stack 10 It chemically burns and burns out, resulting in no hydrogen remaining in the exhaust gas.

다만, 스택(10)의 온도가 높은 경우에도 수소를 스택(10)의 캐소드 입구측인 공기공급라인(32)으로 배출할 경우 스택(10)의 온도가 더욱 높아질 수 있으므로 스택(10)의 온도가 정상 운전온도 범위 이상으로 높아지지 않도록 하는 것이 필요하며, 이를 위해 제어기가 온도센서(11)의 검출값(스택의 운전온도)이 미리 설정된 온도 이상인 조건에서는 외부배기라인(24a)을 통한 수소 배출이 이루어지도록 퍼지밸브(25)의 동작을 제어하게 된다.However, even when the temperature of the stack 10 is high, when the hydrogen is discharged to the air supply line 32 at the cathode inlet side of the stack 10, the temperature of the stack 10 may be further increased. Is required not to rise above the normal operating temperature range, and for this purpose, the controller discharges hydrogen through the external exhaust line 24a under the condition that the detection value (the operating temperature of the stack) of the temperature sensor 11 is higher than the preset temperature. The operation of the purge valve 25 is controlled to achieve this.

연료전지의 운전시 외부배기라인(24a)을 통한 수소 퍼징이 이루어지도록 외부배기라인(24a)이 연결된 출구포트를 정해진 퍼징 로직에 따라 주기적으로 개폐시키는 것이다.When the fuel cell operates, the outlet port to which the external exhaust line 24a is connected is periodically opened and closed according to a predetermined purging logic so that hydrogen purging through the external exhaust line 24a is performed.

상기와 같은 제어 방법을 적용할 경우 스택 외부로 배출되는 배출가스 내에서 수소를 최소화시킬 수 있게 된다. When applying the control method as described above it is possible to minimize the hydrogen in the exhaust gas discharged to the outside of the stack.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
The embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims and Improved forms are also included in the scope of the present invention.

10 : 연료전지 스택 11 : 온도센서
21 : 수소공급수단 22 : 수소공급라인
23 : 수소공급밸브 24 : 수소배기라인
25 : 퍼지밸브 31 : 공기공급수단
32 : 공기공급라인 33 : 공기배기라인10: fuel cell stack 11: temperature sensor
21: hydrogen supply means 22: hydrogen supply line
23: hydrogen supply valve 24: hydrogen exhaust line
25: purge valve 31: air supply means
32: air supply line 33: air exhaust line

Claims (6)

연료전지의 냉시동 조건을 검출하기 위한 온도센서(11)와;
연료전지 스택(10)의 애노드 출구에서 연료전지 스택(10)의 공기공급라인(32)으로 연결되도록 설치되는 수소배기라인(24)과;
시동키 신호와 상기 온도센서(11)의 검출값에 기초하여 연료전지의 냉시동 상태임을 판정하게 되면 공기와 수소의 혼합기를 생성하여 연료전지 스택(10)에 공급하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와;
상기 수소배기라인(24)에 설치되고, 상기 혼합기의 생성을 위해 연료전지 스택(10)의 애노드에서 배출된 수소가 수소배기라인(24)을 통해 공기공급라인(32)으로 공급되도록 상기 제어기의 제어신호에 따라 개폐동작되는 퍼지밸브(25);
를 포함하는 연료전지 냉시동 향상 장치.
A temperature sensor 11 for detecting cold start conditions of the fuel cell;
A hydrogen exhaust line 24 installed to be connected to the air supply line 32 of the fuel cell stack 10 at an anode outlet of the fuel cell stack 10;
A controller for generating a mixture of air and hydrogen and outputting a control signal for supplying the fuel cell stack 10 when it is determined that the fuel cell is cold started based on the start key signal and the detected value of the temperature sensor 11. Wow;
The controller is installed in the hydrogen exhaust line 24 so that the hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack 10 is supplied to the air supply line 32 through the hydrogen exhaust line 24 to generate the mixer. A purge valve 25 which is opened and closed according to a control signal;
Fuel cell cold start improving device comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 퍼지밸브(25)는 연료전지 스택(10)의 애노드에서 수소배기라인(24)으로 배출된 수소를 외부로 배출하기 위한 별도의 출구포트를 추가로 갖는 3-웨이 밸브이고;
상기 제어기가 연료전지의 냉시동 후 정상 운전시에는 상기 출구포트가 개폐되도록 퍼지밸브(25)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 향상 장치.
The method according to claim 1,
The purge valve 25 is a three-way valve further having a separate outlet port for discharging hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack 10 to the hydrogen exhaust line 24 to the outside;
And the controller controls the operation of the purge valve to open and close the outlet port during normal operation after the cold start of the fuel cell.
청구항 2에 있어서,
상기 제어기는 냉시동 후 정상 운전시의 상기 출구포트 개폐주기에 비해 혼합기의 생성을 위한 퍼지밸브(25)의 개폐주기를 짧게 하여 공기공급라인(32)으로 충분한 수소가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 향상 장치.
The method according to claim 2,
The controller shortens the opening / closing period of the purge valve 25 for generating the mixer as compared to the outlet port opening / closing period in the normal operation after cold start, so that sufficient hydrogen is supplied to the air supply line 32. Fuel cell cold start improving device.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기는 연료전지의 정상 운전시에도 연료전지 스택(10)의 애노드 내 수소 및 불순물 배출을 위해 상기 퍼지밸브(25)를 정해진 개폐주기로 개폐동작시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 향상 장치.
The method according to claim 1,
The controller is a fuel cell cold start improving device, characterized in that for opening and closing the purge valve (25) at a predetermined opening and closing cycle for the discharge of hydrogen and impurities in the anode of the fuel cell stack (10) even during normal operation of the fuel cell.
청구항 4에 있어서,
냉시동시 퍼지밸브(25)의 개폐주기가 정상 운전시 퍼지밸브(25)의 개폐주기에 비해 짧게 설정되어 냉시동시 상대적으로 많은 양의 수소가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 향상 장치.
The method of claim 4,
The opening and closing cycle of the purge valve (25) during cold start is set shorter than the opening and closing cycle of the purge valve (25) in normal operation, so that a relatively large amount of hydrogen is supplied during cold start fuel cell cold start improving device.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 퍼지밸브(25)는 연료전지 스택(10)의 애노드에서 수소배기라인(24)으로 배출된 수소를 외부로 배출하기 위한 별도의 출구포트를 추가로 갖는 3-웨이 밸브이고;
온도센서(11)가 연료전지 스택(10)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(11)이며;
제어기가 연료전지의 운전 동안 상기 온도센서(11)의 검출값이 설정 온도 이상인 조건에서 상기 출구포트가 개폐되도록 퍼지밸브(25)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 향상 장치.
The method according to claim 4 or 5,
The purge valve 25 is a three-way valve further having a separate outlet port for discharging hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack 10 to the hydrogen exhaust line 24 to the outside;
The temperature sensor 11 is a temperature sensor 11 for detecting the temperature of the fuel cell stack 10;
And a controller controls the operation of the purge valve (25) so that the outlet port is opened and closed under the condition that the detection value of the temperature sensor (11) is higher than or equal to a predetermined temperature during operation of the fuel cell.
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