KR101610063B1 - Fuel cell system - Google Patents

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KR101610063B1 KR1020100088943A KR20100088943A KR101610063B1 KR 101610063 B1 KR101610063 B1 KR 101610063B1 KR 1020100088943 A KR1020100088943 A KR 1020100088943A KR 20100088943 A KR20100088943 A KR 20100088943A KR 101610063 B1 KR101610063 B1 KR 101610063B1
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅵ)상기 스택으로 냉각수를 공급하여 스택을 냉각시키기 위한 냉각유닛과, ⅶ)상기 배출 공기를 배출하는 배출라인에 설치되며, 상기 수소 공급유닛의 수소 공급라인에 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 수소의 열 및 수분 교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추고, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키는 제1 열교환부와, ⅷ)상기 배출라인에 설치되며, 상기 냉각유닛의 냉각수라인과 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 냉각수의 열교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추는 제2 열교환부를 포함한다.A fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention comprises: a stack as a collection of fuel cells; ii) an air supply unit for supplying air to the air electrode of the fuel cell; and iii) A humidifier for humidifying the supply air supplied from the air supply unit through the high-temperature discharge air, iv) a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell, v) A hydrogen recirculation unit for mixing the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and supplying the hydrogen to the fuel electrode; vi) a cooling unit for supplying cooling water to the stack to cool the stack; and And is configured to be connected to the hydrogen supply line of the hydrogen supply unit, A first heat exchanger for lowering the temperature of the exhaust air through heat and moisture exchange and for increasing the temperature and the relative humidity of the hydrogen; and a second heat exchanger installed in the discharge line and connected to the cooling water line of the cooling unit, And a second heat exchanger for lowering the temperature of the exhaust air through heat exchange between the exhaust air and the cooling water.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 배출 공기 온도를 낮출 수 있도록 한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.Exemplary embodiments of the present invention are directed to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that is capable of lowering the exhaust air temperature of the stack.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료 전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.As is known, a fuel cell, which is a main power supply source of a fuel cell system, is a device that generates electricity by generating water by receiving oxygen in the air and hydrogen as a fuel. The hydrogen is supplied from a hydrogen storage tank to a fuel cell The air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell using an air supply device such as an air blower.

이에, 연료 전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.Accordingly, the hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, the separated hydrogen ions are passed to the cathode through the polymer electrolyte membrane, It combines with the electrons entering the air electrode through the conductor to generate water and generate electric energy.

연료 전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.The polymer electrolyte membrane used in the fuel cell vehicle has a higher ionic conductivity and a smaller loss due to the resistance as it is wetted with water. However, if the supply of the reactant gas having a lower relative humidity continues, the polymer electrolyte membrane will eventually become unusable Therefore, in the polymer electrolyte membrane fuel cell, the supplied gas must be humidified.

또한, 연료 전지 시스템의 높은 효율과 내구성 및 운전 안정성을 위해 수소 및 공기 공급 가스의 압력(분압)과 습도, 그리고 시스템의 운전 온도 등을 적절히 제어해야 하는데, 상기 사항 중 공기 공급 가스의 가습은 운전 중 발생하는 연료전지 시스템 내의 생성수를 이용한다.In order to achieve high efficiency, durability and operational stability of the fuel cell system, it is necessary to appropriately control the pressure (partial pressure) and humidity of the hydrogen and air supply gas, and the operating temperature of the system. Generated water in the fuel cell system.

그리고 연료 전지의 연료극에 대한 가습 방법은 연료 전지 시스템의 운전 시, 전기화학 반응에 의해 공기극 영역에서 생성된 물이 연료극 영역으로 농도 차에 의해 일부 확산되는데, 도 2에서와 같이 수소 재순환 장치(140)를 통하여 재순환되는 수소가 상기와 같이 연료극으로 확산된 물을 함유하면서 수소 공급장치(130)를 통해 연료극 입구로 공급되는 건조 수소와 혼합되어, 연료극 입구측의 공급 수소가 가습되어 이루어진다.In the method of humidifying the fuel electrode of the fuel cell, water generated in the air electrode region is partially diffused into the fuel electrode region by the electrochemical reaction during operation of the fuel cell system. As shown in FIG. 2, Is mixed with dry hydrogen supplied through the hydrogen supply unit 130 to the inlet of the fuel electrode, and the supplied hydrogen on the fuel electrode inlet side is humidified.

반면에, 연료 전지의 공기극(Cathode)측 가습을 위해서 최고 유량을 적정 수준 이상으로 가습할 수 있는 별도의 가습기(120)가 포함되는 바, 상기 가습기(120)는 연료전지 스택(110)의 공기극 입출구 간에 장착되어 있다.The humidifier 120 includes a humidifier 120 capable of humidifying the fuel cell at a maximum flow rate to an appropriate level for humidifying the cathode of the fuel cell. It is installed between the entrance and exit.

따라서, 연료전지 스택(110)의 공기극으로부터 배출되는 습윤기체 즉, 반응을 마친 가습공기는 가습기(120) 내로 유입되고, 이와 함께 공기 공급장치(116)에 의하여 외기로부터의 건조공기가 가습기(120) 내로 유입되는 바, 상기 반응을 마친 가습공기의 수분이 중공사막의 내부로 침투되는 동시에 중공사막의 내부를 흐르는 건조공기를 가습시키게 되고, 가습된 공기는 연료전지 스택(110)의 공기극으로 공급되어진다.Therefore, the humidified air discharged from the air pole of the fuel cell stack 110, that is, the humidified air that has been reacted, flows into the humidifier 120, and at the same time, the air supplied from the outside air by the air supply device 116 is humidified by the humidifier 120 The humidified air is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 110, and the humidified air is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 110. As a result, .

한편, 상기 연료전지 스택(110)에서는 배출라인(111)을 통해 물을 배출하는데, 그 물은 물 펌프(171)를 통해 라디에이터(173)로 공급되고, 그 라디에이터(173)에 의해 냉각된 냉각수는 냉각수라인(179)을 통해 연료전지 스택(110)으로 공급되면서 그 연료전지 스택(110)을 냉각시킨다.In the fuel cell stack 110, water is discharged through the discharge line 111. The water is supplied to the radiator 173 through the water pump 171, and the cooling water cooled by the radiator 173 Is supplied to the fuel cell stack 110 through the cooling water line 179 to cool the fuel cell stack 110.

그런데, 종래 기술에서는 연료 전지 시스템이 고출력으로 요구될 경우, 운전 온도의 상승에 따라 연료 전지의 공기극에서 배출되는 배출 공기의 온도가 높아지고, 이에 따라 배출 공기의 상대 습도가 저하되어 가습기(120)의 성능 저하를 초래한다. 이러한 가습기(120)의 성능 저하는 연료전지 스택(110)에 공급되는 공기의 상대 습도 저하를 초래하여 스택의 성능 및 내구성을 저하시키는 원인이 된다.However, in the related art, when the fuel cell system is required to have a high output, the temperature of the exhaust air discharged from the air electrode of the fuel cell increases with the increase of the operation temperature. As a result, the relative humidity of the exhaust air decreases, Resulting in performance degradation. The performance degradation of the humidifier 120 causes the relative humidity of the air supplied to the fuel cell stack 110 to be lowered, thereby degrading the performance and durability of the stack.

또한, 종래 기술에서는 수소 공급장치(130)에서 공급되는 수소와 수소 재순환 장치(140)를 통하여 재순환되는 수소가 합쳐져서 연료전지 스택(110)으로 공급되는데, 이 때 연료전지 스택(110)에 공급되는 수소의 상대 습도는 포화 상태에 근접하는 온도는 매우 낮은 상태가 된다.In the prior art, the hydrogen supplied from the hydrogen supply device 130 and the hydrogen recirculated through the hydrogen recirculation device 140 are combined and supplied to the fuel cell stack 110, The relative humidity of hydrogen becomes a state in which the temperature is close to the saturation state and the temperature is in a very low state.

따라서, 연료전지의 연료극에 공급되는 수소의 온도를 높일 필요가 있는데, 이러한 상태에서는 연료극으로 공급되는 수소의 온도가 상승하고 상대 습도는 저하되면서 연료극의 입구가 드라이 아웃된다.Therefore, it is necessary to raise the temperature of hydrogen supplied to the fuel electrode of the fuel cell. In this state, the temperature of the hydrogen supplied to the fuel electrode rises and the relative humidity drops, so that the inlet of the fuel electrode is dry out.

이로 인하여 연료전지의 공기극 측에서 생성된 물이 백-디퓨전(back-diffusion)에 의해 연료극 측으로 넘어가 오히려 연료전지 스택(110)으로부터 배출되는 배출 공기의 수분 함량을 감소시켜 더욱더 가습기(120)의 가습 성능 저하를 초래하게 된다.Accordingly, the water generated at the air electrode side of the fuel cell is transferred to the fuel electrode side by back-diffusion, and thus the water content of the exhaust air discharged from the fuel cell stack 110 is reduced to further lower the moisture content of the humidifier 120 Resulting in performance degradation.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료전지 스택에서 배출되는 고온 건조한 배출 공기의 온도를 낮추어 상대 습도를 향상시킴으로써 가습기의 가습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템을 제공한다.Therefore, the exemplary embodiments of the present invention have been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the humidification performance of the humidifier by improving the relative humidity by lowering the temperature of the high- Thereby providing a fuel cell system.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 수소 공급장치로부터 공급되는 건조 수소와 연료전지 스택에서 배출되는 배출 공기와의 열교환 및 수분 교환을 통해 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 온도 및 상대 습도를 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템을 제공한다.The exemplary embodiments of the present invention also improve the temperature and relative humidity of the hydrogen supplied to the fuel cell stack through heat exchange and moisture exchange between the dry hydrogen supplied from the hydrogen supply device and the exhaust air discharged from the fuel cell stack Fuel cell system.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅵ)상기 스택으로 냉각수를 공급하여 스택을 냉각시키기 위한 냉각유닛과, ⅶ)상기 배출 공기를 배출하는 배출라인에 설치되며, 상기 수소 공급유닛의 수소 공급라인에 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 수소의 열 및 수분 교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추고, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키는 제1 열교환부와, ⅷ)상기 배출라인에 설치되며, 상기 냉각유닛의 냉각수라인과 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 냉각수의 열교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추는 제2 열교환부를 포함한다.To this end, the fuel cell system according to the exemplary embodiment of the present invention comprises a stack comprising: i) a stack of fuel cells, ii) an air supply unit for supplying air to the air electrode of the fuel cell, iii) A humidifier for humidifying the supply air supplied from the air supply unit through discharged high temperature exhaust air; iv) a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell; and v) And a hydrogen recirculation unit for mixing the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and supplying the hydrogen to the fuel electrode, vi) a cooling unit for supplying cooling water to the stack to cool the stack, and And is connected to the hydrogen supply line of the hydrogen supply unit, A first heat exchanger for lowering the temperature of the exhaust air through heat and water exchange of hydrogen and for increasing the temperature and the relative humidity of the hydrogen; and a second heat exchanger installed in the discharge line and connected to the cooling water line of the cooling unit And a second heat exchanger for lowering the temperature of the exhaust air through heat exchange between the exhaust air and the cooling water.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각유닛은 상기 스택으로부터 배출되는 물을 물 펌프를 통해 라디에이터로 공급하고, 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 열교환부로 공급할 수 있다.In the fuel cell system, the cooling unit supplies water discharged from the stack to a radiator through a water pump, and supplies cooling water cooled by the radiator to the stack and the second heat exchange unit.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각수라인에는 상기 스택과 제2 열교환부의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브로서의 개폐 밸브가 설치될 수 있다.In the fuel cell system, the cooling water line may be provided with an on-off valve as a three-way valve for selectively opening and closing the connection flow path of the stack and the second heat exchange unit.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 스택으로 공급되는 공기와 수소의 온도 및 상대 습도를 제1 및 제2 열교환부를 통해 적절하게 유지하여 가습기의 성능 저하를 막고, 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.According to the exemplary embodiments of the present invention as described above, it is possible to appropriately maintain the temperature and the relative humidity of air and hydrogen supplied to the stack through the first and second heat exchanging portions to prevent the performance degradation of the humidifier, Durability can be improved.

또한, 본 실시예에서는 가습기에서 대기로 방출되는 공기의 온도를 더욱 낮출 수 있기 때문에, 높은 온도에서도 연료 전지 시스템의 물 균형을 만족시킬 수 있다.Further, in this embodiment, since the temperature of the air discharged from the humidifier to the atmosphere can be further lowered, the water balance of the fuel cell system can be satisfied even at a high temperature.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically showing a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a block diagram schematically showing a fuel cell system according to the prior art.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.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. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. .

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지를 통한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 구성된다.Referring to the drawings, a fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is configured as a power generation system that generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen through a fuel cell.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(20)과, 가습기(30)와, 수소 공급유닛(40)과, 수소 재순환유닛(50)과, 냉각유닛(60)과, 제1 열교환부(70)와, 제2 열교환부(80)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 according to the present embodiment basically includes a stack 10, an air supply unit 20, a humidifier 30, a hydrogen supply unit 40, a hydrogen recirculation unit 50, A cooling unit 60, a first heat exchanging unit 70, and a second heat exchanging unit 80. The first heat exchanging unit 70,

이러한 연료 전지 시스템(100)은 고출력이 요구되는 경우, 스택(10)에서 배출되는 고온 건조한 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 높임과 동시에, 스택(10)으로 공급되는 수소의 온도 및 상대 습도를 높여 가습기(30)의 성능 저하를 막고, 스택(10)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.Such a fuel cell system 100 is capable of reducing the temperature and relative humidity of hydrogen supplied to the stack 10, while lowering the temperature of the hot dry exhaust air discharged from the stack 10 and increasing the relative humidity, So that the performance of the humidifier 30 is prevented from deteriorating and the performance and durability of the stack 10 can be improved.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)을 구성 별로 설명하면, 상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 공기극 및 연료극이 배치되는 연료 전지들의 집합체 구조로서 이루어진다.The fuel cell system 100 will be described in detail. The fuel cell system 100 includes a stack structure of fuel cells in which air electrodes and fuel electrodes are disposed on both sides of the membrane-electrode assembly.

여기서, 상기 연료 전지의 공기극에서는 고온 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지의 연료극에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.Here, the high-temperature dry air (hereinafter referred to as "discharged air" for convenience) is discharged from the air electrode of the fuel cell, and the high temperature and high-humidity hydrogen as unreacted hydrogen is discharged from the fuel electrode of the fuel cell.

상기 공기 공급유닛(20)은 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극으로 공급할 수 있는 공기 블로워(21)를 포함할 수 있다.The air supply unit 20 supplies air to the air electrode of the fuel cell. The air supply unit 20 includes an air blower 21 (hereinafter, referred to as "supply air" ).

상기 가습기(30)는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 공기 블로워(21)를 통해 공급되는 공급 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 공기극으로 공급하기 위한 것이다.The humidifier 30 is for humidifying the exhaust air discharged from the air electrode of the fuel cell and the supply air supplied through the air blower 21 and supplying the humidified air to the air electrode.

이러한 가습기(30)는 중공사막을 내장한 막 가습기로서 구비되는 바, 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 배출 공기를 도입하고, 공기 블로워(21)를 통해 공급되는 공급 공기를 도입하며, 그 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 배출하고, 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출할 수 있는 구조로 이루어진다.The humidifier 30 is provided as a membrane humidifier with a built-in hollow fiber membrane. The humidifier 30 introduces the exhaust air discharged from the air electrode of the fuel cell, introduces the supply air supplied through the air blower 21, The humidifying air which has been humidified through the water exchange of the exhaust air is discharged, and the exhaust air from which moisture is removed is discharged into the atmosphere.

여기서, 상기 가습기(30)는 배출라인(31)을 통해 스택(10)의 공기 배출부(도면에 도시되지 않음)와 연결되며, 공기 공급라인을 통해 스택(10)과 공기 블로워(21)에 연결될 수 있다.Here, the humidifier 30 is connected to an air outlet (not shown in the figure) of the stack 10 through a discharge line 31 and is connected to the stack 10 and the air blower 21 through an air supply line Can be connected.

상기 수소 공급유닛(40)은 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극으로 공급할 수 있는 수소 탱크(41)를 포함할 수 있다.The hydrogen supply unit 40 may include a hydrogen tank 41 for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell and storing the hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the fuel electrode.

이 경우, 상기 수소 탱크(41)는 수소 공급라인(43)을 통해 스택(10)의 수소 주입부(도면에 도시되지 않음)와 연결될 수 있다.In this case, the hydrogen tank 41 may be connected to the hydrogen injection unit (not shown in the figure) of the stack 10 through the hydrogen supply line 43.

상기 수소 재순환유닛(50)은 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(41)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극으로 공급하기 위한 것이다.The hydrogen recirculation unit 50 mixes the hot and humid hydrogen discharged from the fuel electrode of the fuel cell with the dry hydrogen supplied from the hydrogen tank 41 and supplies the humidified mixed hydrogen to the fuel electrode.

이러한 수소 재순환유닛(50)은 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(51)와, 그 수소 블로워(51)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(41)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하는 믹서(53)와, 미반응한 수소를 대기 중으로 방출시키기 위한 퍼지 밸브(도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.The hydrogen recirculation unit 50 includes a hydrogen blower 51 for sucking hot and humid hydrogen discharged from a fuel electrode and a dry air supply unit 52 for supplying hot and humid hydrogen and hydrogen supplied from the hydrogen tank 51, A mixer 53 for mixing hydrogen, and a purge valve (not shown) for releasing unreacted hydrogen to the atmosphere.

상기 냉각유닛(60)은 스택(10)으로 냉각수를 공급하여 그 스택(10)을 냉각시키기 위한 것으로서, 스택(10)으로부터 배출되는 물을 물 펌프(61)를 통해 라디에이터(63)로 공급하고, 그 라디에이터(63)에 의해 냉각된 냉각수를 스택(10)과 뒤에서 더욱 설명될 제2 열교환부(80)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.The cooling unit 60 supplies cooling water to the stack 10 to cool the stack 10 and supplies water discharged from the stack 10 to the radiator 63 through the water pump 61 And the cooling water cooled by the radiator 63 can be supplied to the stack 10 and the second heat exchanger 80 to be described later.

이 경우, 상기 냉각유닛(60)은 냉각수라인(65)을 통해 스택(10)의 물 배출부(도면에 도시되지 않음)와 물 펌프(61)를 연결하며, 라디에이터(63)와 스택(10)의 냉각수 주입부(도면에 도시되지 않음)를 연결하고, 스택(10)의 냉각수 주입부와 물 배출부를 연결할 수 있다.In this case, the cooling unit 60 connects the water discharge portion (not shown in the figure) of the stack 10 with the water pump 61 via the cooling water line 65, and the radiator 63 and the stack 10 (Not shown), and connect the cooling water injection unit of the stack 10 and the water discharge unit.

그리고, 상기 냉각수라인(65)에는 스택(10)의 냉각수 주입부와 물 배출부를 연결하는 연결 유로와 라디에이터(63)와 스택(10)의 냉각수 주입부(도면에 도시되지 않음)를 연결하는 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브(3-way valve)로서의 개폐 밸브(67)가 설치된다.The cooling water line 65 is connected to a connection channel for connecting the cooling water injection unit of the stack 10 to the water discharge unit and a connection for connecting the radiator 63 and the cooling water injection unit Off valve 67 as a three-way valve for selectively opening and closing the flow path.

상기 개폐 밸브(67)는 제어기(도면에 도시되지 않음)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 상기한 연결 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있다.The on-off valve 67 can selectively open and close the connection channel in accordance with a control signal from a controller (not shown).

본 실시예에서, 상기 제1 열교환부(70)는 스택(10)으로부터 배출되는 고온 건조한 배출 공기와, 수소 공급유닛(40)으로부터 공급되는 수소의 열교환 및 수분 교환을 통해 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 상승시키며, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키기 위한 것이다.In the present embodiment, the first heat exchanging unit 70 lowers the temperature of the exhaust air through heat exchange and moisture exchange between the hot dry exhaust air discharged from the stack 10 and hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 40 To raise the relative humidity, and to raise the temperature and relative humidity of the hydrogen.

상기 제1 열교환부(70)는 위에서 언급한 바 있는 배출라인(31)에 설치되며, 수소 공급유닛(40)의 수소 공급라인(43)에 연결되게 구성될 수 있다. The first heat exchanger 70 may be installed in the discharge line 31 as described above and may be connected to the hydrogen supply line 43 of the hydrogen supply unit 40.

본 실시예에서, 상기 제2 열교환부(80)는 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기와, 냉각유닛(60)을 통해 순환되는 냉각수의 열교환을 통해 배출 공기의 온도를 낮추고 상대 습도를 향상시키기 위한 것이다.In the present embodiment, the second heat exchanging unit 80 is configured to heat the exhaust air discharged from the stack 10 and the cooling water circulated through the cooling unit 60 to lower the temperature of the exhaust air and improve the relative humidity .

이러한 제2 열교환부(80)는 상기 배출라인(31)에 설치되며, 위에서 언급한 바 있는 냉각수라인(65)과 연결되게 구성될 수 있다.The second heat exchange unit 80 may be installed in the discharge line 31 and may be connected to the cooling water line 65 described above.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(10)의 연료 전지를 통한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료 전지의 공기극에서는 미반응 공기로서의 고온 건조한 배출 공기를 배출한다.Therefore, according to the fuel cell system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above, in the process of generating electrical energy as an electrochemical reaction between hydrogen and air through the fuel cell of the stack 10 , And discharges high temperature dry air as unreacted air from the air electrode of the fuel cell.

여기서, 수소 공급유닛(40)을 통해 스택(10)으로 수소가 공급되는데, 그 수소는 제1 열교환부(70)를 통과하며 수소 재순환유닛(50)을 통해 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 믹싱되면서 연료극으로 공급된다.Here, hydrogen is supplied to the stack 10 through the hydrogen supply unit 40, which passes through the first heat exchange unit 70 and is discharged from the fuel electrode of the fuel cell through the hydrogen recirculation unit 50, Mixed with one hydrogen and supplied to the fuel electrode.

그리고, 공기 블로워(21)를 통해 공급 공기를 가습기(30)로 공급하며, 스택(10)으로부터 배출되는 물을 물 펌프(61)를 통해 라디에이터(63)로 공급하고, 그 라디에이터(63)에 의해 냉각된 냉각수를 스택(10)으로 공급한다.The supply air is supplied to the humidifier 30 through the air blower 21 and the water discharged from the stack 10 is supplied to the radiator 63 through the water pump 61, And supplies the cooling water cooled by the cooling water to the stack 10.

이 경우, 개폐 밸브(67)는 제어기(도면에 도시되지 않음)에 의해 제어되며 스택(10)의 물 주입부와 라디에이터(63)를 연결하는 연결 유로를 개방하고, 제2 열교환부(80)로 연결되는 연결 유로를 폐쇄한 상태에 있다.In this case, the on-off valve 67 is controlled by a controller (not shown) and opens the connection flow path connecting the water injection portion of the stack 10 and the radiator 63, and the second heat exchange portion 80, Is closed.

상기한 과정에서, 배출 공기는 배출라인(31)을 통해 가습기(30)로 공급되는데, 이 과정에서 제1 열교환부(70)를 통해 수소 공급유닛(40)으로부터 공급되는 수소와 열교환 및 수분 교환이 이루어지면서 온도가 낮아지게 되고, 상대 습도는 높아지게 된다.In this process, the exhaust air is supplied to the humidifier 30 through the exhaust line 31. In this process, heat exchange with the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 40 through the first heat exchange unit 70 and water exchange The temperature is lowered and the relative humidity is increased.

또한, 수소 공급유닛(40)을 통해 스택(10)으로 공급되는 수소는 제1 열교환부(70)를 통해 배출 공기와 열교환 및 수분 교환이 이루어지면서 온도 및 상대 습도가 상승하게 된다.The hydrogen supplied to the stack 10 through the hydrogen supply unit 40 is subjected to heat exchange and water exchange with the exhaust air through the first heat exchange unit 70, so that temperature and relative humidity rise.

이 후, 상기 배출 공기는 가습기(30)로 공급되면서 공기 블로워(21)를 통해 공급되는 공급 공기와 수분 교환이 이루어진다. 이렇게 가습된 공기는 연료 전지의 공기극으로 공급된다.Thereafter, the discharged air is supplied to the humidifier 30, and water exchange is performed with the supplied air supplied through the air blower 21. [ The humidified air is supplied to the air electrode of the fuel cell.

한편, 본 실시예에서는 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기가 제2 열교환부(80)로 공급될 수 있는데, 이 과정에 개폐 밸브(67)는 제어기(도면에 도시되지 않음)에 의해 제어되며 제2 열교환부(80)로 연결되는 연결 유로를 개방한다.On the other hand, in this embodiment, the exhaust air discharged from the stack 10 can be supplied to the second heat exchanger 80. In this process, the on-off valve 67 is controlled by a controller (not shown) And opens the connection flow channel connected to the second heat exchange unit (80).

그러면, 냉각수는 냉각수라인(65)을 통하여 제2 열교환부(80)로 공급됨에 따라, 상기 배출 공기는 제2 열교환부(80)를 통해 냉각수와 열교환이 이루어지면서 온도가 낮아지게 되고, 상대 습도는 높아지게 된다.As the cooling water is supplied to the second heat exchanging unit 80 through the cooling water line 65, the temperature of the exhaust air is lowered due to heat exchange with the cooling water through the second heat exchanging unit 80, .

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(10)으로 공급되는 공기와 수소의 온도 및 상대 습도를 제1 및 제2 열교환부(70, 80)를 통해 적절하게 유지하여 가습기(30)의 성능 저하를 막고, 스택(10)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.According to the fuel cell system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention as described so far, the temperature and the relative humidity of air and hydrogen supplied to the stack 10 can be controlled by the first and second heat exchange units 70 and 80 So that the performance of the humidifier 30 can be prevented from deteriorating and the performance and durability of the stack 10 can be improved.

또한, 본 실시예에서는 가습기(30)에서 대기로 방출되는 공기의 온도를 더욱 낮출 수 있기 때문에, 높은 온도에서도 연료 전지 시스템의 물 균형을 만족시킬 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 운전 온도에서 물 균형을 이룰 수 있고, 운전 온도를 높일 수 있어 방열 성능도 증가시킬 수 있다.Further, in the present embodiment, since the temperature of the air discharged to the atmosphere from the humidifier 30 can be further lowered, the water balance of the fuel cell system can be satisfied even at a high temperature. That is, the water balance can be achieved at a relatively high operating temperature, the operating temperature can be increased, and the heat radiation performance can be increased.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10... 스택 20... 공기 공급유닛
21... 공기 블로워 30... 가습기
31... 배출라인 40... 수소 공급유닛
41... 수소 탱크 43... 수소 공급라인
50... 수소 재순환유닛 51... 수소 블로워
53... 믹서 60... 냉각유닛
61... 물 펌프 63... 라디에이터
65... 냉각수라인 67... 개폐 밸브
70... 제1 열교환부 80... 제2 열교환부10 ... stack 20 ... air supply unit
21 ... air blower 30 ... humidifier
31 ... exhaust line 40 ... hydrogen supply unit
41 ... hydrogen tank 43 ... hydrogen supply line
50 ... hydrogen recirculation unit 51 ... hydrogen blower
53 ... mixer 60 ... cooling unit
61 ... water pump 63 ... radiator
65 ... cooling water line 67 ... opening / closing valve
70 ... first heat exchanging part 80 ... second heat exchanging part

Claims (3)

연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택;
상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
상기 공기극으로부터 배출되는 고온의 배출 공기를 통해 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 공급 공기의 가습이 이루어지는 가습기;
상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛;
상기 연료극으로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛;
상기 스택으로 냉각수를 공급하여 스택을 냉각시키기 위한 냉각유닛;
상기 배출 공기를 배출하는 배출라인에 설치되며, 상기 수소 공급유닛의 수소 공급라인에 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 수소의 열 및 수분 교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추고, 수소의 온도 및 상대 습도를 상승시키는 제1 열교환부; 및
상기 배출라인에 설치되며, 상기 냉각유닛의 냉각수라인과 연결되게 구성되어 상기 배출 공기와 냉각수의 열교환을 통해 상기 배출 공기의 온도를 낮추는 제2 열교환부;를 포함하며,
상기 냉각유닛은 상기 스택으로부터 배출되는 물을 물 펌프를 통해 라디에이터로 공급하고, 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 열교환부로 공급하며,
상기 냉각수라인에는 상기 스택과 제2 열교환부의 연결 유로를 선택적으로 개폐하는 3-웨이 밸브로서의 개폐 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.A stack as a collection of fuel cells;
An air supply unit for supplying air to the air electrode of the fuel cell;
A humidifier for humidifying the supply air supplied from the air supply unit through the high-temperature discharge air discharged from the air electrode;
A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell;
A hydrogen recirculation unit which mixes hydrogen discharged from the fuel electrode and hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and supplies the hydrogen to the fuel electrode;
A cooling unit for supplying cooling water to the stack to cool the stack;
A hydrogen supply unit that is connected to a hydrogen supply line of the hydrogen supply unit to lower the temperature of the discharged air through heat and water exchange of the discharged air and hydrogen, A first heat exchanger for increasing the humidity; And
And a second heat exchanger installed in the discharge line and connected to the cooling water line of the cooling unit to lower the temperature of the discharge air through heat exchange between the discharge air and the cooling water,
The cooling unit supplies water discharged from the stack to a radiator through a water pump, supplies cooling water cooled by the radiator to the stack and the second heat exchanger,
Wherein the cooling water line is provided with an on-off valve as a three-way valve for selectively opening and closing the connecting flow path of the stack and the second heat exchanging part. 삭제delete 삭제delete
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