KR101575364B1 - Apparatus and method for removing water of fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 연료전지의 물 제거 장치 및 방법에 관한 것으로서, 시스템 비용을 상승시키는 바이패스라인이나 감압펌프 등 장치의 추가 및 사용 없이 연료전지의 셧다운 과정에서 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 냉시동성을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 물의 전기분해를 위한 전류를 인가하는 전류인가장치와; 연료전지 스택의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부와; 상기 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 전류 인가시 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 제어기;를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치를 제공한다.The present invention relates to an apparatus and a method for removing water in a fuel cell for a vehicle, and more particularly, to a system and a method for removing water in a fuel cell stack in a shutdown process of a fuel cell without adding or using a bypass line or a pressure reducing pump, The present invention relates to an apparatus and a method capable of rapidly removing cold air and improving cold running. To this end, the present invention provides a fuel cell stack comprising: a current application device connected to a cathode electrode and an anode electrode of a fuel cell stack to apply a current for electrolysis of water between a cathode electrode and an anode electrode; A cell voltage detector for detecting a cell voltage of the fuel cell stack; And a controller for controlling the current output of the current applying device so that the cell voltage at the time of current application does not become equal to or higher than a reference voltage set for preventing catalyst corrosion of the electrode while monitoring the cell voltage detected by the cell voltage detecting section. Thereby providing a water removing device for the battery.
연료전지, 셧다운, 시스템 오프, 운전 정지, 냉시동, 물 제거, 전기분해, 촉매층 Fuel cell, shutdown, system off, shutdown, cold start, water removal, electrolysis, catalytic layer

Description

차량용 연료전지의 물 제거 장치 및 방법{Apparatus and method for removing water of fuel cell} Technical Field [0001] The present invention relates to an apparatus and a method for removing water from a fuel cell for a vehicle,
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동 실패의 근본 원인이 되는 연료전지 스택 내부의 물을 신속하고 확실하게 제거해줄 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to an apparatus and method for quickly and reliably removing water inside a fuel cell stack that is a root cause of a cold start failure.
수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템과, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.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 hydrogen supply device for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack, An air supply device for supplying air containing oxygen, which is an oxidizing agent required for the reaction, to the outside, for discharging heat as a by-product of the electrochemical reaction of the fuel cell stack to the outside to optimally control the operating temperature of the fuel cell stack, A heat and water management system, and a fuel cell system controller for controlling overall operation of the fuel cell system.
여기서, 수소공급장치는 수소탱크, 고압/저압 레귤레이터, 수소밸브, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 공기밸브, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.Here, the hydrogen supply device includes a hydrogen tank, a high-pressure / low-pressure regulator, a hydrogen valve, a hydrogen recirculation device, and the air supply device includes an air blower, an air valve, a humidifier, Radiators, and the like.
수소공급장치에서는 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소가 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택에 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인의 블로워가 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모한다. In the hydrogen supply device, high-pressure hydrogen supplied from a hydrogen tank is supplied to the fuel cell stack at low pressure after passing through a high-pressure / low-pressure regulator in turn. In the hydrogen recirculation device, the blower of the recycle line uses unreacted hydrogen Is recycled back to the anode to reuse the hydrogen.
공기공급장치에서는 공기블로워에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기를 통과하는 동안 스택의 캐소드 출구에서 배출된 배출가스(습윤공기)와 수분 교환하여 가습된 뒤 연료전지 스택의 캐소드 입구로 공급된다.In the air supply apparatus, the dry air supplied by the air blower is humidified by moisture exchange with the exhaust gas (humid air) discharged from the cathode outlet of the stack while passing through the humidifier, and then supplied to the cathode inlet of the fuel cell stack.
한편, 연료전지 차량에서 해결해야 할 여러 과제 중 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보이다. 연료전지 시스템이 빙점 이하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관되면, 연료전지를 포함하여 밸브류 등 시스템 각 구성부에 존재하는 물이 얼어붙게 되면서 시동이 어렵게 된다. 차량 운행을 마친 뒤에 빙점 이하의 온도에서는 연료전지의 보관상태에 따라 연료전지의 내구성과 냉시동성이 결정된다. On the other hand, the most urgent and difficult problem among the various tasks to be solved in the fuel cell vehicle is securing the cold stability. When the fuel cell system is stored for a long period of time while being exposed to a temperature below the freezing point, the water present in each constituent part of the system including the fuel cell, including the fuel cell, is frozen and the starting becomes difficult. At the temperature below the freezing point after completion of the vehicle operation, the durability and cold startability of the fuel cell depend on the storage state of the fuel cell.
고분자 전해질 연료전지의 성능을 나타내는 전해질막의 이온전도성은 전해질막의 가수화 정도가 클수록 증가하게 된다. 따라서, 연료전지의 운전시 전해질막의 가수화를 위해 재순환 장치나 가습기를 도입하고 있는데, 가습을 통해 공급된 물과 반응에 의해 생성된 물은 연료전지의 온도가 빙점인 0℃ 이하로 떨어지게 되면 얼게 된다. 이렇게 물이 얼음으로 변할 때의 부피팽창은 기공구조를 갖는 막전극접합체(MEA)와 가스확산층(GDL)에 손상을 줄 수 있다. 또한 냉시동시 생성수 가 전극 내에서 얼어 있게 되면 해동 전까지는 배출되지 못하기 때문에 반응가스의 이동통로를 막게 된다. The ionic conductivity of the electrolyte membrane showing the performance of the polymer electrolyte fuel cell increases as the degree of hydrolysis of the electrolyte membrane increases. Therefore, a recirculating device or a humidifier is introduced for the hydrolysis of the electrolyte membrane during the operation of the fuel cell. Water generated by the reaction with the water supplied through the humidification causes the temperature of the fuel cell to fall below 0 ° C, do. The volumetric expansion when the water turns into ice can damage the membrane electrode assembly (MEA) and the gas diffusion layer (GDL) having a pore structure. In addition, if the simultaneous cold water is frozen in the electrode, it can not be discharged until thawing, thus blocking the reaction gas flow path.
따라서, 상기한 문제점을 해결하고 냉시동성을 향상시키기 위해 운전 정지 후 연료전지 내 물을 제거하기 위한 다양한 방법들이 제시되어 있다.Accordingly, various methods for removing water in the fuel cell after stopping the operation to solve the above-described problems and improve the cold-live performance have been proposed.
가장 기본적인 방법으로는, 1) 별도의 건조질소를 이용하는 방법(US 6,479,177), 2) 바이패스라인을 통해 장시간 건조가스를 공급하는 방법(US 6,479,177), 3) 감압을 이용하여 물을 제거하는 방법(US 6,358,637), 4) 펄스 퍼지를 이용하여 물을 제거하는 방법(US 6,960,401)들이 있다.(US 6,479,177), 2) a method of supplying dry gas for a long time through a bypass line (US 6,479,177), 3) a method of removing water using reduced pressure (US Pat. No. 6,358,637), and 4) methods for removing water using pulse purge (US Pat. No. 6,960,401).
도 1은 스택 내 물 제거를 위해 바이패스라인을 통해 건조가스를 공급하는 일 예를 도시한 도면으로, 공기블로워 등의 공기공급부(10)에 의해 공급되는 공기를 가습기(21)를 통과하지 않도록 바이패스라인을 통해 바이패스시켜 연료전지 스택(1)에 공급하는 방법을 도시한 것이다.FIG. 1 is a view showing an example of supplying dry gas through a bypass line for removing water in a stack, in which air supplied by an air supply unit 10 such as an air blower is not passed through the humidifier 21 Bypassing through the bypass line, and supplying the fuel gas to the fuel cell stack 1.
그러나, 건조질소를 공급하는 방법은 별도의 질소통을 차량에 장착해야 하는 단점이 있고, 바이패스라인을 이용하는 방법은 직경이 큰 바이패스배관(22)과 밸브(22a)를 설치하여 제어해야 하는 단점이 있다.However, in the method of supplying dry nitrogen, there is a disadvantage in that a separate gas communication must be mounted on the vehicle. In the method using the bypass line, it is necessary to control by installing a bypass pipe 22 and a valve 22a having a large diameter There are disadvantages.
또한 감압을 이용하는 방법에서는 큰 감압펌프가 필요한 단점이 있고, 펄스 퍼지를 이용하는 방법은 스택의 애노드에만 적용이 가능하거나 캐소드를 위해서는 별도의 밸브가 추가되어야 하는 단점이 있다. 또한 퍼징만으로는 스택의 셀 내의 물 제거가 어렵고, 긴 퍼징시간이 필요하며, 특히 저온 정지시 물 제거가 거의 불가능하다. Also, there is a disadvantage in that a decompression pump requires a large decompression pump, and the method using pulse purge can only be applied to the anode of the stack or a separate valve must be added to the cathode. In addition, purging alone is difficult to remove water in the cells of the stack, requires a long purging time, and is especially difficult to remove during cold shutdown.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 시스템 비용을 상승시키는 바이패스라인이나 감압펌프 등 장치의 추가 및 사용 없이 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a fuel cell system which can quickly remove water present in a cell of a fuel cell stack without adding or using a bypass line, And to provide an apparatus and a method capable of improving the cold rolling of the compressor.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 물의 전기분해를 위한 전류를 인가하는 전류인가장치와; 연료전지 스택의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부와; 상기 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 전류 인가시 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 제어기;를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack comprising: a current application device connected to a cathode electrode and an anode electrode of a fuel cell stack to apply a current for electrolysis of water between a cathode electrode and an anode electrode; A cell voltage detector for detecting a cell voltage of the fuel cell stack; And a controller for controlling the current output of the current applying device so that the cell voltage at the time of current application does not become equal to or higher than a reference voltage set for preventing catalyst corrosion of the electrode while monitoring the cell voltage detected by the cell voltage detecting section. Thereby providing a water removing device for the battery.
또한 본 발명은, 반응가스의 공급을 중지한 상태에서 전류인가장치를 구동하여 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전류를 인가함으로써 셀 내의 물을 전기분해하는 단계와; 상기 셀 내의 물을 전기분해하는 동시에 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하는 단계와; 물의 전기분해 및 셀 전압의 모니터링과 동시에 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 단계;를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell stack, comprising: electrolyzing water in a cell by applying a current between a cathode electrode and an anode electrode of a fuel cell stack by driving a current applying unit in a state of stopping supply of a reaction gas; Electrolyzing water in the cell and monitoring a cell voltage detected by the cell voltage detection unit; And controlling the current output of the current application device so that the cell voltage does not exceed the reference voltage set for preventing the catalyst corrosion of the electrode at the same time as the electrolysis of water and the monitoring of the cell voltage. to provide.
이에 따라, 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 물 제거 장치 및 방법에 의하면, 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 빙점 이하의 온도에서 정지(콜드 셧다운)시 보다 신속하고 확실하게 셀 내의 물을 제거할 수 있다. Thus, according to the apparatus and method for removing water of a fuel cell for a vehicle according to the present invention, the water present in the cells of the fuel cell stack can be quickly removed to improve the cold rolling of the fuel cell. In particular, the water in the cell can be removed more quickly and reliably in the case of stopping at a temperature below the freezing point (cold shutdown).
또한 겨울철 짧은 거리 주행 후 정지시에도 셀 내부의 물 제거가 용이해지며, 겨울철 짧은 거리 주행 후 스택 온도를 올리기 위해 사용하던 낮은(스택의 전류 출력을 크게 할 수 있는) 저항값을 갖는 저항체가 필요 없게 된다. In addition, it is easy to remove the water inside the cell even after stopping after a short distance in the winter, and it is necessary to use a resistor having a low resistance value (which can increase the current output of the stack) used for raising the stack temperature after short- I will not.
또한 냉시동시 캐소드 물 제거를 위해 필요한 건조공기 퍼징을 위한 구성, 즉 바이패스배관 및 밸브 등이 필요 없으며, 이에 공기공급계 관련 패키징이 용이해진다. 또한 건조질소를 공급하기 위한 구성이나 감압 이용을 위해 필요했던 감압펌프 등이 불필요해진다.Also, there is no need for a configuration for drying air purging required for simultaneous cold cathode water removal, ie, bypass piping and valves, thus facilitating air supply system related packaging. In addition, the structure for supplying dry nitrogen or the decompression pump, which is necessary for using the reduced pressure, becomes unnecessary.
또한 본 발명에서는 물의 전기분해시 셀 전압을 모니터링하여 전류량을 조절하므로 촉매층의 카본 부식을 방지하면서 물을 제거할 수 있게 된다. Further, in the present invention, water is removed while preventing the carbon corrosion of the catalyst layer by monitoring the cell voltage and controlling the amount of current during electrolysis of water.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be easily understood by those skilled in the art.
본 발명은 연료전지 스택의 각 셀 내에 존재하는 물을 신속하고 확실하게 제거하여 냉시동성을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method capable of rapidly and reliably removing water present in each cell of a fuel cell stack to improve cold-live.
특히, 본 발명의 장치 및 방법은 연료전지 차량에서 연료전지 셧다운(시스템 오프/운전 정지) 프로세스에 이용될 수 있는 것으로, 셧다운시 연료전지에 전류를 인가하여 물의 전기분해(Electrolysis)를 유도함으로써 연료전지 스택의 셀 내에 잔존하는 물을 제거하는데 주안점이 있다.In particular, the apparatus and method of the present invention can be used in a fuel cell shutdown (system off / shut down) process in a fuel cell vehicle, and by applying current to the fuel cell during shutdown to induce electrolysis of water, There is a point of removing water remaining in the cell of the cell stack.
도 2는 전해질막, 촉매층을 갖는 애노드 및 캐소드 전극을 포함하는 막전극접합체(MEA)에서 전기분해와 연료전지 반응의 메커니즘을 나타낸 도면으로서, (a)는 고분자 전해질막(PEM:Polymer Electrolyte Membrane/Proton Exchange Membrane)의 표면에 형성된 애노드 및 캐소드 전극 사이에 전류를 인가하였을 때 물이 수소와 산소로 분해되는 전기분해 반응을, (b)는 애노드와 캐소드에 반응가스인 수소와 산소를 공급하여 전류 및 물이 생성되는 통상의 연료전지 반응을 나타내고 있다.FIG. 2 is a view showing a mechanism of electrolysis and a fuel cell reaction in a membrane electrode assembly (MEA) including an electrolyte membrane, an anode having a catalyst layer, and a cathode electrode, wherein FIG. 2A illustrates a polymer electrolyte membrane (PEM: Polymer Electrolyte Membrane / (B) shows the electrolysis reaction in which water is decomposed into hydrogen and oxygen when an electric current is applied between an anode and a cathode electrode formed on the surface of a proton exchange membrane And a typical fuel cell reaction in which water is produced.
도 2의 (a)와 같이 연료전지 스택의 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전류를 인가하면 전기분해에 의해 물을 제거할 수 있으며, 종래의 퍼징 방법에 비해 촉매층 등 셀 내에 존재하는 물을 보다 신속하고 확실히 제거할 수 있다. 특히, 빙점 이하 온도의 콜드 셧다운(저온 정지)시 신속한 물 제거가 가능하여 이후 냉시동성을 향상시키는데 기여할 수 있게 된다. If an electric current is applied between the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell stack as shown in FIG. 2 (a), water can be removed by electrolysis and the water present in the cells of the catalyst layer, etc., And can be surely removed. Particularly, it is possible to rapidly remove water at a cold shutdown (freezing stop) at a temperature below the freezing point, thereby contributing to improvement of cold rolling.
냉시동 성능을 증가시키기 위해서는 겨울철과 같이 외기 온도가 영하일 때 연료전지 시스템이 정지되기 전 스택 내부의 물 제거가 필요한데, 종래 스택 내에 잔존하는 물을 제거하기 위해 다양한 퍼징 기술들이 적용되고 있으나, 퍼징 구성을 적용하는 경우 시스템 비용 및 공간적인 제약이 있고, 특히 짧은 거리 주행으로 정상 운전온도까지 충분히 도달하지 못한 상태로 저온에서 정지되었을 때 퍼징 효과가 매우 적기 때문에 물 제거가 용이하지 않다.In order to increase the cold start performance, it is necessary to remove the water inside the stack before the fuel cell system is stopped when the outside air temperature is below the freezing temperature as in the winter. Various purging techniques have been applied to remove the water remaining in the stack. There is a system cost and space limitation when applying the structure, and water removal is not easy because the purging effect is very small especially when the vehicle is stopped at a low temperature in a state in which the normal operation temperature is not sufficiently reached by a short distance travel.
따라서, 본 발명에서는 냉시동성 향상을 위해 연료전지 셧다운시 연료전지 스택에 전류를 강제 인가함으로써 스택 내부, 좀더 구체적으로는 캐소드 전극 내에 있는 물을 전기분해하여 기체로 배출, 제거하며, 이를 위해 스택의 전극 사이에 전류를 인가할 수 있는 전류인가장치를 구비한다. 전류인가장치의 전류공급원에는 별도의 파워 서플라이가 사용되거나 연료전지 차량에 기 탑재된 고전압 배터리가 사용될 수 있다. Therefore, in the present invention, in order to improve cold-live, water is electrolyzed inside the stack, more specifically, in the cathode electrode by forcibly applying a current to the fuel cell stack during shutdown of the fuel cell, And a current applying device capable of applying a current between the electrodes. A separate power supply may be used as the current source for the current applicator, or a high voltage battery pre-installed in the fuel cell vehicle may be used.
우선, 도 3은 본 발명에 따른 물 제거 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a block diagram showing the structure of a water removing apparatus according to the present invention, and FIG. 4 is a view showing a water removing apparatus and method according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 물 제거 장치는, 연료전지 스택(1)의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전기분해를 위한 전류를 인가하는 전류인가장치(4)와; 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부(2)와; 상기 셀 전압 검출부(2)를 통해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 상기 셀 전압이 전극의 촉매 부식을 방지하기 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치(4)의 전류 출력을 제어하는 제어기(3)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the water removing apparatus according to the present invention includes a current applying device 4 (current applying device) connected to the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack 1 for applying a current for electrolysis between the cathode electrode and the anode electrode )Wow; A cell voltage detection section (2) for detecting a cell voltage of the fuel cell stack (1); A controller (not shown) for controlling the current output of the current applying device 4 so as to monitor the cell voltage detected through the cell voltage detecting part 2 so that the cell voltage does not exceed a reference voltage set to prevent catalyst corrosion of the electrode 3).
본 발명에서 상기 제어기(3)는 기본적으로 연료전지가 셧다운될 때 전류인가장치(4)를 구동하여 연료전지 스택(1)으로 전기분해를 위한 전류를 인가하나, 온도센서(도시하지 않음)의 검출값을 기초로 빙점 이하 온도의 셧다운(콜드 셧다운)을 판단하는 경우에만 전류를 인가하도록 설정될 수도 있다. In the present invention, the controller 3 basically applies a current for electrolysis to the fuel cell stack 1 by driving the current applying device 4 when the fuel cell is shut down, but the temperature of the temperature sensor (not shown) And may be set to apply the current only when determining the shutdown (cold shutdown) of the sub-freezing point temperature based on the detected value.
그리고, 본 발명에서 전류인가장치(4)는 후술하는 바와 같이 촉매의 카본 부식을 방지하기 위해 전류의 출력 제어가 가능하도록 구성되는데, 이를 위해 전류인가장치(4)의 전류공급원으로서 도 4의 실시예와 같이 출력 전류량을 조절할 수 있는 직류 파워 서플라이(Power Supply)(40)가 사용될 수 있다.In the present invention, the current applying device 4 is configured so as to be capable of controlling the current output to prevent carbon corrosion of the catalyst as described later. For this purpose, A DC power supply 40 capable of adjusting the amount of output current can be used as shown in FIG.
이때, 연료전지 스택(1)의 캐소드 및 애노드 전극에 도선을 통해 파워 서플라이(40)를 연결하되, 캐소드 내 물을 제거하기 위해 캐소드 전극을 (+)로 연결한다.At this time, the power supply 40 is connected to the cathode and the anode electrode of the fuel cell stack 1 via conductors, and the cathode electrode is connected to (+) in order to remove water in the cathode.
본 발명에서 전류인가장치(4)의 구동 제어는 제어기(3), 예컨대 연료전지 시스템의 셧다운시 전류인가장치를 구동시킬 수 있는 연료전지 시스템 제어기에 의해 수행되며, 따라서 도 4의 실시예에서 제어기(도 3의 도면부호 3임)에 의해 파워 서플라이(40)의 온/오프 및 전류 출력 제어가 수행된다. In the present invention, drive control of the current applying device 4 is performed by a controller 3, for example a fuel cell system controller capable of driving a current application device in shutdown of the fuel cell system, (3 in Fig. 3), on / off and current output control of the power supply 40 are performed.
또한 후술하는 바와 같이 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하여 연료전지 스택에 인가되는 전류량을 제어해야 하므로, 본 발명의 장치는 전류인가장치(4) 및 제어기(3)와 더불어 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하기 위한 셀 전압 검출부(2)를 더 포함한다. 여기서, 셀 전압 검출부(2)는 연료전지 시스템에 사용되고 있는 기존의 셀 전압 모니터링 장치가 사용될 수 있다.The apparatus of the present invention is applicable to the fuel cell stack 1 in addition to the current applying device 4 and the controller 3 since the cell voltage of the fuel cell stack 1 is to be monitored to control the amount of current applied to the fuel cell stack, (2) for monitoring the cell voltage of the cell (1). Here, the cell voltage detection unit 2 may be an existing cell voltage monitoring device used in a fuel cell system.
전극의 촉매 부식, 즉 연료전지 촉매의 카본 부식은 퍼징에 의한 물 배출이 힘든 상온 이하의 저온에서는 운전 온도 60℃ 이상의 정상 운전시에 비해 현저히 줄기 때문에 전류 인가 및 전기분해를 통한 물 제거 방법의 적용이 가능하지만, 전류 인가시 스택 내에 고전압의 셀 전압이 발생하면 촉매의 카본 부식이 발생할 우려가 있다. The catalyst erosion of the electrode, that is, the carbon corrosion of the fuel cell catalyst, is remarkably reduced at a low temperature below room temperature, which is difficult to discharge due to purging, compared with the normal operation temperature of 60 ° C. or more. However, when a cell voltage of high voltage is generated in the stack at the time of current application, carbon corrosion of the catalyst may occur.
따라서, 본 발명에서는 촉매의 카본 부식을 방지하기 위해 셀 전압을 모니터링하는 동시에 카본 부식이 발생할 수 있는 전압 이내로 셀 전압이 유지되도록 스택에 인가되는 전류를 제어하는 것에 주된 특징이 있다.Therefore, in the present invention, the cell voltage is monitored in order to prevent carbon corrosion of the catalyst, and at the same time, the current applied to the stack is controlled so that the cell voltage is maintained within a voltage at which carbon corrosion can occur.
전기분해시 인가되는 전류량이 높을수록 전극 내에서 기체로 변하는 물의 양은 증가하지만, 이때 스택의 셀 전압이 높아지기 때문에, 카본 부식에 대한 내구성을 고려하여 스택의 셀 전압을 부식이 발생할 수 있는 전압, 예컨대 1.3V 이상이 되지 않도록 전류량을 제어해야 한다.Since the cell voltage of the stack increases at this time, the amount of water in the electrode increases as the amount of current applied in the electrolysis increases. Therefore, considering the durability against carbon corrosion, the cell voltage of the stack may be set to a voltage The amount of current should be controlled so that it does not exceed 1.3V.
이에 따라, 도 4의 실시예에서는 파워 서플라이(40)를 통해 전류 인가시 제어기(3)가 셀 전압 검출부(2)를 통해 셀 전압을 모니터링하면서 셀 전압이 카본 부식 방지를 위해 설정한 기준전압 이상이 되면 전류인가장치(4), 보다 명확히는 전류인가장치의 전류공급원인 파워 서플라이(40)에서 스택에 인가되는 전류량을 줄여 셀 전압을 기준전압 이내로 낮추는 제어 과정이 수행된다. 이러한 제어 과정을 통해 전류를 인가하는 시간을 길게 유지하여 낮은 전압에서 충분한 전기분해가 일어나도록 한다.Accordingly, in the embodiment of FIG. 4, when the controller 3 monitors the cell voltage through the cell voltage detection unit 2 when the current is applied through the power supply 40, the cell voltage exceeds the reference voltage A control process of lowering the cell voltage to the reference voltage is performed by reducing the amount of current applied to the current application device 4, more specifically, the power supply 40, which is the current supply source of the current application device. Through this control process, the time for applying the current is maintained to be long so that sufficient electrolysis occurs at a low voltage.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내 는 도면으로서, 전류인가장치(도 3에서 도면부호 4임)의 전류공급원으로 연료전지 차량에 기 탑재된 고전압 배터리(30)를 사용하는 실시예를 도시한 것이다. 5 shows a water removing apparatus and method according to another embodiment of the present invention. The apparatus includes a high-voltage battery (not shown) mounted in a fuel cell vehicle as a current source of a current application device (reference numeral 4 in FIG. 3) 30) is used.
상기 고전압 배터리(30)는 연료전지 스택(1)에서 생성된 전력을 저장하거나 회생제동시 구동모터(미도시됨)에서 생성된 전력을 저장하는 배터리로서, 제어기(도 3에서 도면부호 3임)에 의해 충/방전이 제어되면서 연료전지 차량의 주 동력원인 연료전지 스택(1)과 함께 구동모터 및 각종 고전압 전장부품을 구동하는 보조 동력원으로 사용되는 배터리이다.The high-voltage battery 30 is a battery for storing power generated in the fuel cell stack 1 or storing power generated in a drive motor (not shown) during regenerative braking, and is a controller (3 in FIG. 3) Is a battery used as an auxiliary power source for driving a drive motor and various high-voltage electric components together with the fuel cell stack 1 as a main power source of the fuel cell vehicle.
도시된 바와 같이 DC/DC 컨버터(31)를 매개로 연료전지 스택(1)에 연결된 고전압 배터리(30)가 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전류를 인가하는데 사용된다. As shown, a high voltage battery 30 connected to the fuel cell stack 1 via the DC / DC converter 31 is used to apply a current between the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack.
이때, DC/DC 컨버터(31)를 통해 배터리 전류가 인가될 수 있도록 DC/DC 컨버터가 도선을 통해 연료전지 스택(1)의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되고, 이때 캐소드 내 물 제거를 위해 캐소드 전극을 (+)로 연결한다.At this time, a DC / DC converter is connected to a cathode electrode and an anode electrode of the fuel cell stack 1 through a conductor so that a battery current can be applied through the DC / DC converter 31, Connect the positive (+) terminal.
이와 같이 파워 서플라이(40) 대신 연료전지 스택(1)보다 전압이 높은 고전압 배터리(30)를 전류공급원으로 사용하는 것이 가능하며, 스택의 전압에 비해 배터리의 전압이 높기 때문에 스택과 연결시 전류를 인가할 수 있고, 이를 통해 전기분해 반응을 일으킬 수 있다.As such, it is possible to use a high-voltage battery 30 having a voltage higher than that of the fuel cell stack 1 instead of the power supply 40 as a current source. Since the voltage of the battery is higher than the voltage of the stack, And can thereby cause an electrolytic reaction.
도시된 실시예에서는, 배터리(30)로부터 인가되는 전류의 출력 제어를 위해, 제어기(3)의 제어신호에 따라 온/오프 제어가 가능한 스위치(32)로서 릴레이가 구비되며, 이는 연료전지 스택(1)에 전류가 인가되는 도선에 설치된다.In the illustrated embodiment, a relay is provided as a switch 32 capable of ON / OFF control in accordance with the control signal of the controller 3 for controlling the output of the current applied from the battery 30, 1) to which a current is applied.
이러한 본 발명의 실시예에서, 제어기(3)는 셧다운시 전류 인가 및 전기분해가 진행되는 상태에서, 셀 전압 검출부(2)를 통해 모니터링되는 스택의 셀 전압이 카본 부식 방지를 위해 설정된 기준전압(예, 1.3V) 이상이 되면, 릴레이(32)를 오프시켜 전기분해를 중지한다. In this embodiment of the present invention, the controller 3 determines that the cell voltage of the stack, which is monitored through the cell voltage detector 2, is higher than the reference voltage (" For example, 1.3 V), the relay 32 is turned off to stop the electrolysis.
이와 같이 배터리(30)와 릴레이(32)를 이용하는 것으로 스택(1)에 전류를 인가하면서 전기분해를 통해 물 제거를 수행하되, 스택의 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 릴레이(32)를 오프시켜 전기분해를 중지함으로써 촉매의 부식을 방지하게 된다.In this way, water is removed through electrolysis while current is applied to the stack 1 by using the battery 30 and the relay 32. When the cell voltage of the stack becomes equal to or higher than the reference voltage, the relay 32 is turned off By stopping the electrolysis, corrosion of the catalyst is prevented.
다음으로, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치 및 방법을 나타내는 도면으로서, 도 5의 실시예와 동일하게 전류공급원으로 기 탑재된 고전압 배터리(30)를 사용하도록 구성되되, 전류 출력 제어를 위한 회로 개폐용 스위치(32)와 더불어 전류량 제어가 가능하도록 도선 상에 저항(33)을 설치한 예를 도시한 것이다. 도 6의 실시예에서 전류공급원인 배터리(30)는 파워 서플라이로 대체될 수 있다.Next, FIG. 6 shows an apparatus and method according to another embodiment of the present invention, which is configured to use a high voltage battery 30 precharged with a current source as in the embodiment of FIG. 5, A circuit for opening / closing the circuit 32 for control is provided, and a resistor 33 is provided on the wire so that the amount of current can be controlled. In the embodiment of FIG. 6, the battery 30 as a current supply source may be replaced by a power supply.
셀 전압 검출부(2)를 통해 모니터링되는 셀 전압이 기준전압 이상이 될 때 전류를 차단하여 촉매층의 카본 부식을 방지하는 도 5의 실시예와 비교할 때, 셀 전압이 기준전압을 넘지 않도록 스택(1)에 인가되는 전류량을 제한하기 위한 저항(33)을 도선에 설치한 것에 차이가 있다.Compared with the embodiment of FIG. 5 in which the cell voltage of the catalyst layer is cut off when the monitored cell voltage exceeds the reference voltage through the cell voltage detector 2 to prevent carbon corrosion of the catalyst layer, And the resistor 33 for limiting the amount of current applied to the conductor is provided on the conductor.
본 실시예에서는 셀 전압이 기준전압을 넘지 않도록 저항(33)을 이용하여 배터리(30)로부터 인가되는 전류량을 제한하는 동시에, 셀 전압이 기준전압 이상이 되는 경우 릴레이(32)를 오프시켜 전기분해를 중지함으로써 촉매의 부식을 방지하게 된다.In this embodiment, the amount of current applied from the battery 30 is limited by using the resistor 33 so that the cell voltage does not exceed the reference voltage, and when the cell voltage becomes equal to or higher than the reference voltage, the relay 32 is turned off, Thereby preventing corrosion of the catalyst.
다음으로, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치 및 방법을 나타내는 도면으로서, 도 5의 실시예와 동일하게 전류공급원으로 기 탑재된 고전압 배터리(30)를 사용하도록 구성되되, 모니터링되는 셀 전압 전압에 대해 제어기(3)가 보다 능동적인 전류량 제어를 수행할 수 있도록 복수개의 스위치(예, 릴레이)(32a~32c) 및 저항(33a~33c)이 병렬로 설치되어 구성된 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에서 배터리(30)는 파워 서플라이로 대체될 수 있다.Next, Fig. 7 shows an apparatus and method according to another embodiment of the present invention, which is configured to use a high voltage battery 30 precharged with a current source, similar to the embodiment of Fig. 5, An example in which a plurality of switches (e.g., relays) 32a to 32c and resistors 33a to 33c are installed in parallel so that the controller 3 can perform more active current amount control with respect to the cell voltage It is. In this embodiment, the battery 30 may be replaced with a power supply.
본 실시예에서, 도선 상에 병렬로 설치되는 복수개의 스위치(32a~32c) 및 저항(33a~33c)은 전기분해 반응을 일으키기 위해 연료전지 스택(1)으로 인가되는 배터리 전류량을 단계적으로 조절하기 위한 전류량 조절수단이 된다.In this embodiment, the plurality of switches 32a to 32c and the resistors 33a to 33c provided in parallel on the lead wire are used to stepwise adjust the amount of battery current applied to the fuel cell stack 1 to cause an electrolysis reaction As shown in Fig.
이에 따라, 셧다운 과정에서 배터리 전류를 인가하여 물을 전기분해 및 제거함에 있어서, 제어기(도 3에서 도면부호 3)는 전체 스위치(32a~32c) 중 미리 설정된 스위치를 온(on) 시켜 배터리 전류를 인가하되, 셀 전압 검출부(2)에 의해 모니터링되는 셀 전압이 기준전압 이상이 되면, 스위치를 추가로 온(on) 시켜 도선 상의 저항값을 증가시키고, 이로써 전류량을 줄이는 동시에 셀 전압을 낮추게 된다.
즉, 셀 전압 검출부에서 모니터링되는 셀 전압이 기준 전압 이상이 되면, 스위치를 추가로 온(on) 시켜 도선 상의 저항값을 증가시켜서 전류량을 줄임으로써, 상기 기준전압보다 낮은 전압에서 전기분해가 일어나도록 하는 전류의 인가 시간을 길게 유지하는 것이다.
Accordingly, in the process of electrolyzing and removing water by applying the battery current in the shutdown process, the controller (reference numeral 3 in FIG. 3) turns on a preset switch among all the switches 32a to 32c, When the cell voltage monitored by the cell voltage detector 2 becomes equal to or higher than the reference voltage, the switch is further turned on to increase the resistance value on the wire, thereby reducing the amount of current and lowering the cell voltage.
That is, when the cell voltage monitored by the cell voltage detection unit becomes equal to or higher than the reference voltage, the switch is further turned on to increase the resistance value on the wire to reduce the amount of current so that electrolysis occurs at a voltage lower than the reference voltage The time for which the current is applied is kept long.
이와 같이 제어기(3)가 연료전지 스택(1)의 셀 전압 상태에 따라 병렬로 설치된 복수개의 스위치(32a~32c)를 적절히 온/오프 제어하는 방식으로 연료전지 스택에 인가되는 전류량을 촉매의 카본 부식이 발생하지 않는 조건으로 제어할 수 있으며, 특히 촉매의 카본 부식을 방지하면서 전류 인가를 셧다운시 정해진 시간 동 안 유지하여 보다 신속하게 물의 전기분해 및 제거를 수행할 수 있게 된다.In this way, the controller 3 controls the amount of current applied to the fuel cell stack in a manner that appropriately turns on / off a plurality of switches 32a to 32c provided in parallel according to the cell voltage state of the fuel cell stack 1, In particular, it is possible to control the electrolysis and removal of water more quickly by maintaining the current application for a predetermined time in shutdown while preventing carbon corrosion of the catalyst.
도 7에서 스위치(32a~32c)와 저항(33a~33c)을 병렬로 설치하여 연료전지 스택(1)에 인가되는 전류량을 능동적으로 제어하는 전류량 제어수단은 도 4와 같이 파워 서플라이를 전류공급원으로 사용하는 구성에서도 동일하게 적용될 수 있다.7, the current amount control means for actively controlling the amount of current applied to the fuel cell stack 1 by providing the switches 32a to 32c and the resistors 33a to 33c in parallel is constituted by a power supply The same can be applied to the configuration to be used.
즉, 도면으로 예시하지는 않았으나, 파워 서플라이와 연료전지 스택을 연결하는 도선 상에 스위치와 저항을 병렬로 설치하고, 제어기가 셀 전압 검출부를 통해 모니터링되는 셀 전압에 따라 스위치를 온/오프 제어하여 저항을 변동시킴으로써 전류량을 조절할 수 있도록 하는 것이다.That is, although not shown in the drawing, a switch and a resistor are provided in parallel on a lead connecting the power supply and the fuel cell stack, and the controller controls on / off of the switch according to the cell voltage monitored through the cell voltage detector, So that the amount of current can be adjusted.
한편, 도 8과 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 연료전지 스택이 복수개의 스택 모듈(1a,1b)로 구성될 때 각 스택 모듈(1a,1b)에 전류를 인가하는 구성을 도시한 것이다.8 and 9 illustrate another embodiment of the present invention. When a fuel cell stack is composed of a plurality of stack modules 1a and 1b, current is applied to each stack module 1a and 1b Fig.
도 8에 도시된 바와 같이, 각 모듈(1a,1b)이 전류공급원인 파워 서플라이(40)에 독립적으로 전류를 인가받도록 연결되며, 이는 복수개의 모듈(1a,1b)로 구성된 연료전지 스택에 대해 물의 전기분해 및 제거를 수행함에 있어서 저용량의 파워 서플라이가 이용될 수 있도록 한다.As shown in Fig. 8, each module 1a and 1b is connected to receive a current independently from the power supply 40, which is a current supply source, and this is connected to a fuel cell stack composed of a plurality of modules 1a and 1b A low power supply can be used to perform electrolysis and removal of water.
도시된 바와 같이, 전류공급원인 파워 서플라이(40)에 복수개의 스택 모듈(1a,1b)이 독립적으로 연결되고, 이때 앞의 실시예와 마찬가지로 캐소드 내 물을 제거하기 위해 파워 서플라이(40)의 (+)극 단자가 각 스택 모듈(1a,1b)의 캐소드 전극에 연결된다.As shown in the figure, a plurality of stack modules 1a and 1b are independently connected to the power supply 40, which is a current supply source. In this case, the power supply 40 +) Pole terminals are connected to the cathode electrodes of the respective stack modules 1a and 1b.
또한 각 모듈(1a,1b)로 연결되어 전류가 인가되는 도선 상에는 제어기(도 3 에서 도면부호 3)에 의해 온/오프 제어가 가능한 스위치(32-1,32-2) 및 전류량 제어를 위한 저항(33-1,33-2)이 설치된다.Switches 32-1 and 32-2 capable of ON / OFF control by a controller (reference numeral 3 in FIG. 3) and resistors for controlling the amount of current are connected to the conductors connected to the modules 1a and 1b, (33-1, 33-2).
상기 스위치와 저항이 설치될 때 도시된 바와 같이 촉매의 카본 부식이 발생하지 않는 조건으로 전류량을 제한하기 위한 단수의 스위치(32-1,32-2)와 저항(33-1,33-2)이 설치될 수 있으며, 또는 각 스택 모듈(1a,1b)에 대해 도 7의 실시예와 마찬가지로 복수개의 스위치와 저항이 병렬로 설치될 수 있다.As shown when the switch and the resistor are installed, the switches 32-1 and 32-2 and the resistors 33-1 and 33-2, which limit the amount of current in a condition that the carbon corrosion of the catalyst does not occur, Or a plurality of switches and resistors may be provided in parallel to the stack modules 1a and 1b as in the embodiment of FIG.
또한 촉매의 카본 부식 방지를 위해 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 전류 인가를 차단하여 전기분해 반응을 중지하기 위한 스위치만을 각 스택 모듈에 대해 설치하는 것이 가능하다(도 5의 실시예 참조).In order to prevent carbon corrosion of the catalyst, when the cell voltage becomes equal to or higher than the reference voltage, it is possible to install only the switch for stopping the electrolysis reaction to the stack module by interrupting the current application (see the embodiment of FIG. 5).
또한 파워 서플라이(40)로서 도 4의 실시예와 마찬가지로 제어기의 제어신호에 따라 출력 전류량이 조절될 수 있는 파워 서플라이를 사용하는 경우, 스위치나 저항이 생략 가능하다. Also, as in the embodiment of FIG. 4, when a power supply capable of adjusting the amount of output current according to a control signal of the controller is used as the power supply 40, a switch or a resistor can be omitted.
도 9는 전류공급원으로 파워 서플라이 대신 배터리 전류를 사용하는 실시예로서, 배터리 전류가 인가되도록 각 스택 모듈(1a,1b)이 DC/DC 컨버터(31)를 매개로 전류공급원인 배터리(30)에 독립적으로 연결되는데, 스위치(32-1,32-2)나 저항(33-1,33-2)의 구성은 도 8의 실시예와 차이가 없다.9 shows an embodiment in which a battery current is used instead of a power supply as a current supply source. Each stack module 1a and 1b is connected to a battery 30 serving as a current supply source through a DC / DC converter 31, The configurations of the switches 32-1 and 32-2 and the resistors 33-1 and 33-2 are not different from those of the embodiment of FIG.
도 9의 실시예와 같이 복수개의 스택 모듈(1a,1b)이 직렬로 연결된 경우에서 각 스택 모듈이 전류공급원으로부터 독립적으로 전류를 인가받도록 도선이 연결되면 배터리 전압이 전체 스택의 전압보다 낮은 경우에도 각 스택 모듈에 전류가 인가될 수 있고, 물의 전기분해가 가능해지게 된다.In a case where a plurality of stack modules 1a and 1b are connected in series as in the embodiment of FIG. 9, when the conductors are connected such that each stack module receives a current independently from a current source, even if the battery voltage is lower than the voltage of the entire stack A current can be applied to each stack module, and electrolysis of water becomes possible.
이상으로, 본 발명에서는 상기와 같은 구성의 전류인가장치가 연료전지 시스템에 구비되어, 연료전지 스택이 전류인가장치에 의해 전기분해에 필요한 전류를 인가받도록 함으로써 연료전지 스택 내 물의 신속한 제거가 가능해진다.As described above, in the present invention, the current application device having the above-described configuration is provided in the fuel cell system, and the fuel cell stack receives the current required for electrolysis by the current application device, thereby enabling quick removal of water in the fuel cell stack .
이러한 물의 전기분해는 냉시동성 향상을 위해 연료전지 시스템의 셧다운 과정에서 실시될 수 있으며, 특히 빙점 이하 온도의 콜드 셧다운시 매우 효과적으로 이용될 수 있다.This electrolysis of water can be carried out during the shutdown process of the fuel cell system to improve the cold-live performance, and can be very effectively used especially in the cold shutdown of sub-freezing temperatures.
도 10은 운전 온도별 아이스 블로킹 평가 결과를 나타내는 도면으로서, -20℃와 같은 극저온에서 냉시동을 위해 스택 해동 전 약 200mg/cell 이상의 물(또는 열)이 생성되어야 한다면, 30℃ 이하의 저온에서는 스택을 공기 등으로 퍼지하더라도 약 30 ~ 80mg/cell 정도 밖에 생성되지 않는다. 즉, 안정적인 전압을 유지하면서 냉시동을 할 수 있는 시간이 짧기 때문에 냉시동이 불가해지나, 본 발명의 적용시에는 약 100초(12A 기준, 전류량에 따라 다름)의 시간이면 200mg/cell의 물 생성이 가능하며, -20℃에서 냉시동이 가능하다.FIG. 10 is a graph showing the result of ice blocking evaluation according to the operation temperature. When water (or heat) of about 200 mg / cell or more is generated before cold-start at a cryogenic temperature such as -20 ° C, Even if the stack is purged with air or the like, only about 30 to 80 mg / cell is produced. That is, cold start is impossible because the time for cold start is short while maintaining a stable voltage. However, when the present invention is applied, water generation (200 mg / cell) occurs for about 100 seconds It is possible to start cold at -20 ℃.
도 10을 참조하면, 연료전지 스택에서 운전 정지(셧다운) 전 운전온도가 낮을수록 냉시동시 생성 가능한 최대 물량이 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한 30 ~ 50℃에서 운전이 정지되었을 경우 -20℃에서는 냉시동이 안되기 때문에 스택을 정지시킨 후 물을 제거해주어야만 냉시동이 가능해짐을 알 수 있다. 30 ~ 40℃로 운전이 정지되었을 경우 추가적으로 물을 100mg/cell 이상 제거해야만 -20℃에서 냉시동이 가능하며, 이 물량을 본 발명에서와 같이 전기분해를 통해 운전 정지 후 제거해주면 냉시동 문제가 해결될 수 있다.Referring to FIG. 10, it can be seen that the lower the operating temperature before shutdown in the fuel cell stack, the smaller the maximum amount of water that can be generated simultaneously in the cold state. Also, if the operation is stopped at 30 ~ 50 ℃, since cold start is not possible at -20 ℃, cold start is possible only if water is removed after stopping the stack. If the operation is stopped at 30 ~ 40 ℃, it is necessary to remove more than 100 mg / cell of water to start cold start at -20 ℃. If this water is removed after the operation is stopped by electrolysis as in the present invention, Can be solved.
도 11은 본 발명의 물 제거 방법을 나타내는 순서도이다.11 is a flowchart showing the water removing method of the present invention.
우선, 연료전지 시동 후 연료전지 운전상태에서(S11) 제어기(3)가 키 오프(Key-off) 신호를 검출하면 반응가스(수소와 공기)의 공급을 중지하는 등 통상의 연료전지 셧다운(연료전지 운전 정지) 과정을 진행하되(S12), 셧다운 과정에서 전류 인가 및 전기분해를 통해 물을 제거하는 과정을 실시한다.First, when the controller 3 detects a key-off signal in the fuel cell operating state (S11) after the fuel cell is started, the supply of the reaction gas (hydrogen and air) is stopped and the normal fuel cell shutdown (S12), a process of removing water is performed through current application and electrolysis in the shutdown process.
냉시동 후 주행을 통해 연료전지의 운전온도가 정상적으로 올라가지 않은 상태에서 다시 연료전지의 운전이 정지되면 셀 내 물량은 과량으로 존재하게 된다. When the operation of the fuel cell is stopped again after the cold start-up and the operation temperature of the fuel cell is not normally increased through the running, the amount of water in the cell is excessive.
따라서, 반응가스의 공급을 중지한 뒤 퍼지가스로 연료전지 퍼징을 우선 실시하여 연료전지 스택 내 채널 및 배관의 물을 제거하는 것이 바람직한데, 예컨대 공기공급부의 블로워 또는 컴프레서로 스택 내에 공기를 공급하는 공기 퍼징을 실시하되, 가습기를 통과하지 않도록 바이패스된 공기를 공급하는 무가습 퍼징(바이패스배관 설치 등 추가 비용 필요)이 아닌, 가습 퍼징으로 실시 가능하다(S13).Therefore, it is preferable to stop the supply of the reaction gas and then to purge the fuel cell with the purge gas to remove the water in the channel and the piping in the fuel cell stack. For example, the blower or the compressor of the air supply unit supplies air The air purging is performed, but the humidifying purging (S13) can be performed instead of the non-humidifying purging (additional cost such as bypass piping installation) for supplying the bypassed air so as not to pass through the humidifier.
이후 반응가스의 공급을 중지한 상태에서 전류인가장치를 구동하여 연료전지 스택에 전류를 인가하는 동시에 셀 전압 검출부를 통해 연료전지 스택의 셀 전압을 모니터링한다(S14).After the supply of the reaction gas is stopped, the current application unit is driven to apply a current to the fuel cell stack, and at the same time, the cell voltage of the fuel cell stack is monitored through the cell voltage detection unit (S14).
연료전지 스택에 전류를 인가하게 되면 전술한 바와 같이 스택의 셀 내에 존재하는 물이 전기분해되면서 기체로 전환되어 제거된다. When current is applied to the fuel cell stack, the water existing in the cells of the stack is electrolyzed and converted into gas and removed as described above.
이와 같이 전류 인가 및 전기분해가 이루어지는 동안에는 셀 전압을 모니터링하여, 셀 전압이 기준전압 이상이 되지 않는 조건으로 유지될 수 있도록 스택에 인가되는 전류량을 조절하게 되고, 이로써 촉매의 카본 부식을 방지하게 된 다(S15). During the current application and electrolysis, the cell voltage is monitored and the amount of current applied to the stack is controlled so that the cell voltage can be maintained under a condition that the cell voltage does not exceed the reference voltage, thereby preventing carbon corrosion of the catalyst (S15).
이후 상기와 같은 전류 인가 및 전기분해 과정을 일정시간 동안 실시한 뒤 스택에 인가되는 전류를 차단하고(S16), 캐소드 내 산소를 제거하는 과정을 진행한 뒤 시스템을 오프시킨다(S17,S18). Thereafter, the current application and electrolysis process are performed for a predetermined time, the current applied to the stack is cut off (S16), oxygen is removed from the cathode, and the system is turned off (S17, S18).
즉, 애노드에 수소를 공급하는 상태에서 스택 부하(COD)를 구동시켜 스택 전류를 소모시킴으로써 캐소드 산소 소진 및 스택 전압을 제거하는 과정을 진행하여 시스템을 완전 오프시킨다.That is, in the state where hydrogen is supplied to the anode, the stack load (COD) is driven to consume the stack current, thereby eliminating the cathode oxygen and removing the stack voltage.
이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 물 제거 장치 및 방법에 의하면, 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 빙점 이하의 온도에서 정지(콜드 셧다운)시 보다 신속하고 확실하게 셀 내의 물을 제거할 수 있다. As described above, according to the apparatus and method for removing fuel cell water of the present invention, the water present in the cells of the fuel cell stack can be quickly removed, thereby improving the cold rolling of the fuel cell. In particular, the water in the cell can be removed more quickly and reliably in the case of stopping at a temperature below the freezing point (cold shutdown).
또한 겨울철 짧은 거리 주행 후 정지시에도 셀 내부의 물 제거가 용이해지며, 겨울철 짧은 거리 주행 후 스택 온도를 올리기 위해 사용하던 낮은(스택의 전류 출력을 크게 할 수 있는) 저항값을 갖는 저항체가 필요 없게 된다. In addition, it is easy to remove the water inside the cell even after stopping after a short distance in the winter, and it is necessary to use a resistor having a low resistance value (which can increase the current output of the stack) used for raising the stack temperature after short- I will not.
또한 냉시동시 캐소드 물 제거를 위해 필요한 건조공기 퍼징용 구성, 즉 바이패스배관 및 밸브 등이 필요 없으며, 이에 공기공급계 관련 패키징이 용이해진다. 또한 건조질소를 공급하기 위한 구성이나 감압 이용을 위해 필요했던 감압펌프 등이 불필요해진다.In addition, there is no need for dry air purging, ie, bypass piping and valves, required for simultaneous cold cathode water removal, thus facilitating packaging of the air supply system. In addition, the structure for supplying dry nitrogen or the decompression pump, which is necessary for using the reduced pressure, becomes unnecessary.
또한 본 발명에서는 물의 전기분해시 셀 전압을 모니터링하여 전류량을 조절하므로 촉매층의 카본 부식을 방지하면서 물을 제거할 수 있게 된다. Further, in the present invention, water is removed while preventing the carbon corrosion of the catalyst layer by monitoring the cell voltage and controlling the amount of current during electrolysis of water.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modified forms are also included within the scope of the present invention.
도 1은 스택 내 물 제거를 위해 종래 바이패스라인을 통해 건조가스를 공급하는 일 예를 도시한 도면이다.1 is a view showing an example of supplying dry gas through a conventional bypass line for removing water in a stack.
도 2는 전기분해와 연료전지 반응의 메커니즘을 비교하여 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing a comparison of the mechanisms of electrolysis and fuel cell reaction.
도 3은 본 발명에 따른 물 제거 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram showing a configuration of a water removing apparatus according to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.4 is a view illustrating an apparatus and method for removing water according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.5 is a view showing a water removing apparatus and method according to another embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.6 to 9 are views showing an apparatus and method for removing water according to another embodiment of the present invention.
도 10은 운전 온도별 아이스 블로킹 평가 결과를 나타내는 도면이다.10 is a diagram showing the result of the ice blocking evaluation according to the operation temperature.
도 11은 본 발명의 방법을 이용한 연료전지 셧다운(시스템 오프) 과정을 나타내는 순서도이다.11 is a flow chart illustrating a fuel cell shutdown (system off) process using the method of the present invention.

Claims (15)

  1. 연료전지 스택의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 물의 전기분해를 위한 전류를 인가하는 것으로 배터리 또는 파워 서플라이로 구성되는 전류공급원을 포함하는 전류인가장치와; A current application device connected to a cathode electrode and an anode electrode of the fuel cell stack, the current application device comprising a current source configured by a battery or a power supply by applying a current for electrolysis of water between a cathode electrode and an anode electrode;
    연료전지 스택의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부와;A cell voltage detector for detecting a cell voltage of the fuel cell stack;
    상기 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 전류 인가시 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 제어기;A controller for controlling the current output of the current application unit so that the cell voltage at the time of current application does not exceed a reference voltage set for preventing corrosion of the electrode of the electrode while monitoring the cell voltage detected by the cell voltage detection unit;
    를 포함하고, Lt; / RTI >
    상기 전류공급원에서 전류가 인가되는 도선에 복수 개의 스위치 및 저항이 병렬로 설치되어, 상기 각 스위치가 제어기에 의해 온/오프 제어됨에 따라 연료전지 스택에 인가되는 전류량이 단계적으로 제어되도록 하되, 상기 제어기는 셀 전압 검출부에서 모니터링되는 셀 전압이 기준 전압 이상이 되면, 스위치를 추가로 온(on) 시켜 도선 상의 저항값을 증가시켜서 전류량을 줄임으로써, 상기 기준전압보다 낮은 전압에서 전기분해가 일어나도록 하는 전류의 인가 시간을 길게 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Wherein a plurality of switches and resistors are provided in parallel on a wire to which a current is supplied from the current source so that the amount of current applied to the fuel cell stack is controlled step by step as the switches are turned on and off by the controller, When the cell voltage monitored by the cell voltage detector exceeds the reference voltage, the switch is further turned on to increase the resistance value on the wire to reduce the amount of current, thereby causing the electrolysis to occur at a voltage lower than the reference voltage So that the current application time can be kept long.
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  5. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 전류공급원은 캐소드 내 물을 제거하기 위해 캐소드 전극이 (+)로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Wherein the current source is connected to the cathode electrode (+) to remove water in the cathode.
  6. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 전류공급원으로서 배터리는 연료전지 스택 및 구동모터에서 생성된 전력을 저장하는 보조 동력원의 배터리인 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Wherein the battery as the electric current supply source is a battery of a fuel cell stack and an auxiliary power source for storing electric power generated in the drive motor.
  7. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 전류인가장치는 전류공급원으로서 상기 제어기에 의해 출력 전류량이 조절되는 파워 서플라이를 포함하고, Wherein the current application apparatus includes a power supply whose amount of output current is regulated by the controller as a current supply source,
    상기 제어기가 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 파워 서플라이의 출력 전류량을 줄여주어 상기 셀 전압이 기준전압 이내가 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Wherein when the cell voltage becomes equal to or higher than the reference voltage, the controller reduces the amount of output current of the power supply to maintain the cell voltage within the reference voltage.
  8. 청구항 7에 있어서,The method of claim 7,
    상기 파워 서플라이는 캐소드 내 물을 제거하기 위해 캐소드 전극이 (+)로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Wherein the power supply is connected to the cathode electrode (+) to remove water in the cathode.
  9. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,The method of claim 1 or claim 7,
    상기 연료전지 스택이 복수개의 스택 모듈로 구성되는 경우 각 스택 모듈이 상기 전류공급원으로부터 독립적으로 전류를 인가받도록 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치. Wherein when the fuel cell stack is composed of a plurality of stack modules, each of the stack modules is connected to receive a current independently from the current source.
  10. 반응가스의 공급을 중지한 상태에서 전류인가장치를 구동하여 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전류공급원을 통해 전류를 인가함으로써 셀 내의 물을 전기분해하는 단계와;Electrolyzing water in the cell by applying current through a current source between a cathode electrode and an anode electrode of the fuel cell stack by driving a current applying device in a state of stopping the supply of the reaction gas;
    상기 셀 내의 물을 전기분해하는 동시에 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하는 단계와;Electrolyzing water in the cell and monitoring a cell voltage detected by the cell voltage detection unit;
    물의 전기분해 및 셀 전압의 모니터링과 동시에 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 단계;Controlling the current output of the current application device such that cell voltage is not equal to or higher than a reference voltage set for catalytic corrosion prevention of the electrode simultaneously with electrolysis of water and monitoring of cell voltage;
    를 포함하고,Lt; / RTI >
    상기 전류공급원에서 전류가 인가되는 도선에 복수 개의 스위치 및 저항을 병렬로 설치하여, 상기 각 스위치를 온/오프 제어함에 따라 연료전지 스택에 인가되는 전류량을 단계적으로 제어하되, 셀 전압 검출부에서 모니터링되는 셀 전압이 기준 전압 이상이 되면, 스위치를 추가로 온(on) 시켜 도선 상의 저항값을 증가시켜서 전류량을 줄임으로써, 상기 기준전압보다 낮은 전압에서 전기분해가 일어나도록 하는 전류의 인가 시간을 길게 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.Wherein a plurality of switches and resistors are provided in parallel on a wire to which a current is supplied from the current source, and the amount of current applied to the fuel cell stack is controlled step by step by controlling ON / OFF of each switch, When the cell voltage becomes equal to or higher than the reference voltage, the switch is further turned on to increase the resistance value on the wire to reduce the amount of current, thereby maintaining the application time of the current for causing electrolysis at a voltage lower than the reference voltage to be long Wherein the fuel cell is provided with a plurality of fuel cells.
  11. 청구항 10에 있어서,The method of claim 10,
    상기 전류인가장치의 구동 전에 연료전지 스택 및 배관 내 물 제거를 위해 퍼지가스로 연료전지 스택을 퍼징하는 단계를 우선 실시하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.And purging the fuel cell stack with a purge gas for removing water in the fuel cell stack and the pipe before driving the current application device.
  12. 청구항 11에 있어서,The method of claim 11,
    상기 연료전지 스택의 캐소드에 퍼지가스로서 공기를 공급하여 퍼징하는 공 기 퍼징을 실시하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.Wherein air purging is performed by supplying air as a purge gas to the cathode of the fuel cell stack and purging the air.
  13. 청구항 10 또는 청구항 12에 있어서,The method according to claim 10 or 12,
    상기 연료전지 스택의 캐소드 내 물을 제거하기 위해 전류 인가시 캐소드 전극을 (+)로 연결하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.(+) When the current is applied to remove water in the cathode of the fuel cell stack.
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