KR101637478B1 - Fuel cell system and control method of the same - Google Patents

Fuel cell system and control method of the same Download PDF

Info

Publication number
KR101637478B1
KR101637478B1 KR1020140097518A KR20140097518A KR101637478B1 KR 101637478 B1 KR101637478 B1 KR 101637478B1 KR 1020140097518 A KR1020140097518 A KR 1020140097518A KR 20140097518 A KR20140097518 A KR 20140097518A KR 101637478 B1 KR101637478 B1 KR 101637478B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
electrode
air
air electrode
cold start
Prior art date
Application number
KR1020140097518A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20160015503A (en
Inventor
김민수
김성일
공임모
황성훈
김영상
김범준
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020140097518A priority Critical patent/KR101637478B1/en
Publication of KR20160015503A publication Critical patent/KR20160015503A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101637478B1 publication Critical patent/KR101637478B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은, 냉시동 운전 조건에서 공기극과 연료극의 역할을 바꾸어 교차 운전하는 냉시동 운전모드를 설정횟수동안 실시함으로써, 상기 공기극 측의 수분의 결빙을 방지하거나 생성된 얼음의 표면 결합력을 약화시켜 얼음의 분리가 쉽게 이루어지도록 함으로써, 냉시동 문제를 해결할 수 있다. 또한, 냉시동 운전모드로 전환시 공기극 내의 산소를 소모시키고 공기극 내의 잔류 질소를 통해 연료극을 퍼지함으로써, 수소와 산소의 직접 반응을 방지할 수 있다. 또한, 히터 등의 설치가 불필요하여 추가적인 전력 소요가 없으면서 냉시동 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다. 또한, 냉시동으로 인한 운전 중단이 없어지므로 전력 생산 효율이 향상될 수 있다.A cold start operation mode in which the roles of the air electrode and the fuel electrode are changed in the cold start operation condition for a set number of times is performed for a predetermined number of times to prevent freezing of water on the air electrode side or to weaken the surface bonding force of the generated ice, So that the cold start problem can be solved. Further, when the mode is switched to the cold start operation mode, the direct reaction between hydrogen and oxygen can be prevented by consuming oxygen in the air electrode and purging the fuel electrode through the residual nitrogen in the air electrode. In addition, since there is no need to install a heater or the like, there is an advantage that a cold start problem can be solved without additional power consumption. In addition, since the operation stop due to the cold start is eliminated, the power generation efficiency can be improved.

Description

연료전지 시스템 및 그의 제어방법{Fuel cell system and control method of the same}[0001] Fuel cell system and control method thereof [0002]

본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혹한의 날씨에서 발생되는 냉시동 문제를 해결할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and more particularly, to a fuel cell system and a control method thereof that can solve a cold start problem occurring in cold weather.

일반적으로 연료전지는 외부에서 공급되는 공기중의 산소와 수소의 산화, 환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 장치이다. 연료전지에 산소와 공기가 각 공급 매니폴드를 통해 각 단위 셀로 공급되면, 연료극인 애노드(Anode)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온과 전자가 발생하게 되고, 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통해 공기극인 캐소드(Cathode)로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하고, 이러한 전자 흐름에서 전기 에너지가 생성된다.Generally, a fuel cell is an apparatus that generates electricity by using oxidation and reduction reactions of oxygen and hydrogen in the air supplied from the outside. When oxygen and air are supplied to each unit cell through the respective supply manifolds, the oxidation reaction of hydrogen proceeds at the anode, which is a fuel electrode, to generate hydrogen ions and electrons. And moves to the cathode (cathode) through the electrolyte membrane and the separator. In the cathode, water is generated through the electrochemical reaction in which hydrogen ions moved from the anode and oxygen in the air and air participate, and electric energy is generated in such an electron flow.

한편, 기온이 0℃이하로 떨어지는 겨울철이나 혹한의 날씨에서는 상기 연료전지의 스택 내부의 생성수가 얼게 되어 촉매층을 덮어 반응을 억제하여, 시동이 걸리지 않는 냉시동 문제가 발생하게 된다. On the other hand, in the winter or cold weather where the temperature falls below 0 캜, the generated water inside the stack of the fuel cell is frozen to cover the catalyst layer to suppress the reaction, thereby causing a problem of cold starting which does not start.

종래에는 이러한 냉시동 문제를 해결하기 위하여 히터나 압축기 등 별도의 장치를 추가하여 연료전지 시스템을 가열시키는 방법과, 수소와 산소의 직접 반응을 이용하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 별도의 장치를 추가할 경우 소요 동력을 필요로 하는 문제점이 있으며, 수소와 산소의 직접 반응을 이용할 경우 촉매나 기체 확산층의 수명에 악영향을 미치는 문제점이 있다. Conventionally, a method of heating a fuel cell system by adding a separate device such as a heater or a compressor and a method of using a direct reaction of hydrogen and oxygen have been used in order to solve the cold starting problem. However, when a separate device is added, there is a problem in that power is required, and when the direct reaction of hydrogen and oxygen is used, the life of the catalyst or gas diffusion layer is adversely affected.

일본공개특허 2010-182469Japanese Patent Application No. 2010-182469

본 발명의 목적은, 냉시동 문제를 해결할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법을 제공한다.An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method thereof capable of solving the cold start problem.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지 스택과, 상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 수소를 공급하는 수소 공급부와, 정상 운전 모드시 상기 공기 공급부의 공기가 상기 공기극으로 안내되고 상기 수소 공급부의 수소가 상기 연료극으로 안내되도록 유로를 연결하고, 냉시동 운전모드시 상기 수소 공급부의 수소가 상기 공기극으로 안내되고 상기 공기 공급부의 공기가 상기 연료극으로 교차 안내되도록 유로를 전환하는 유로전환수단과, 외기의 온도와 상기 연료전지 스택 내부 온도 중 적어도 하나에 따라 정상 운전모드와 냉시동 운전모드를 판단하고, 그에 따라 상기 유로전환수단의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack including an air electrode and a fuel electrode, an air supply unit for supplying air to either the air electrode or the fuel electrode, A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode and a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the air electrode in the normal operation mode, And a control unit for determining a normal operation mode and a cold start operation mode according to at least one of a temperature of the outside air and a temperature inside the fuel cell stack, And a control unit for controlling the operation of the flow path switching means.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단하는 냉시동 판단단계와, 상기 냉시동 운전 조건이라고 판단되면, 연료전지 스택의 공기극에 수소를 공급하고, 상기 연료전지 스택의 연료극에 공기를 공급하여, 상기 공기극과 상기 연료극의 역할을 서로 바꾸어 전력을 생산하는 냉시동 운전단계를 포함한다.A control method of a fuel cell system according to the present invention includes: a cold start determination step of determining whether a cold start operation condition is satisfied; and a step of supplying hydrogen to an air electrode of a fuel cell stack, And a cold start operation step of supplying air to the fuel electrode of the stack to convert the roles of the air electrode and the fuel electrode to produce electric power.

본 발명은, 냉시동 운전 조건에서 공기극과 연료극의 역할을 바꾸어 교차 운전하는 냉시동 운전모드를 설정횟수동안 실시함으로써, 상기 공기극 측의 수분의 결빙을 방지하거나 생성된 얼음의 표면 결합력을 약화시켜 얼음의 분리가 쉽게 이루어지도록 함으로써, 냉시동 문제를 해결할 수 있다.A cold start operation mode in which the roles of the air electrode and the fuel electrode are changed in the cold start operation condition for a set number of times is performed for a predetermined number of times to prevent freezing of water on the air electrode side or to weaken the surface bonding force of the generated ice, So that the cold start problem can be solved.

또한, 냉시동 운전모드로 전환시 공기극 내의 산소를 소모시키고 공기극 내의 잔류 질소를 통해 연료극을 퍼지함으로써, 수소와 산소의 직접 반응을 방지할 수 있다.Further, when the mode is switched to the cold start operation mode, the direct reaction between hydrogen and oxygen can be prevented by consuming oxygen in the air electrode and purging the fuel electrode through the residual nitrogen in the air electrode.

또한, 히터 등의 설치가 불필요하여 추가적인 전력 소요가 없으면서 냉시동 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다. In addition, since there is no need to install a heater or the like, there is an advantage that a cold start problem can be solved without additional power consumption.

또한, 냉시동으로 인한 운전 중단이 없어지므로 전력 생산 효율이 향상될 수 있다.In addition, since the operation stop due to the cold start is eliminated, the power generation efficiency can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉시동 운전모드시 공기극의 입,출구가 폐쇄된 상태가 도시된 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉시동 운전모드시 공기극에만 수소를 공급하고, 연료극에는 공기를 공급하지 않는 상태가 도시된 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉시동 운전모드시 공기극에 수소를 공급하고, 연료극에 공기를 공급하는 상태가 도시된 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 냉시동 운전모드에서 정상 운전모드로 전환시 연료극에만 수소가 공급되고, 공기극에는 공기가 공급되지 않는 상태가 도시된 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전극 교차 운전의 제어방법이 도시된 순서도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a state where the inlet and the outlet of the air electrode are closed in the cold start operation mode of the fuel cell system shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a view showing a state in which hydrogen is supplied only to the air electrode in the cold start operation mode of the fuel cell system shown in FIG. 1, and air is not supplied to the fuel electrode.
FIG. 4 is a view showing a state in which hydrogen is supplied to the air electrode and air is supplied to the fuel electrode in the cold start operation mode of the fuel cell system shown in FIG. 1;
5 is a view illustrating a state in which hydrogen is supplied only to the fuel electrode and air is not supplied to the air electrode when the mode is changed from the cold start operation mode to the normal operation mode in the fuel cell system shown in FIG.
6 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system shown in Fig.
7 is a flowchart showing a control method of the electrode intersection operation shown in FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(2), 공기 공급부(30), 연료 공급부(40), 유로전환수단(50) 및 제어부(미도시)를 포함한다.1, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 2, an air supply unit 30, a fuel supply unit 40, a flow path switching unit 50, and a control unit (not shown) .

상기 연료전지 스택(2)은, 복수의 셀들이 적층되어 이루어지고, 각 셀들의 내부에는 연료가 공급되는 연료극(Anode)과 공기가 공급되는 공기극(Cathode)이 각각 구비된다. 본 실시예에서는, 상기 연료로서 수소를 공급하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 각 셀들의 연료극들은 연료극 매니폴드로 연결되고, 상기 각 셀들의 공기극들은 공기극 매니폴드로 연결된다. 상기 연료극 매니폴드를 통해 상기 연료극으로 수소 또는 공기가 공급되고, 상기 공기극 매니폴드를 통해 상기 공기극으로 수소 또는 공기가 공급된다.In the fuel cell stack 2, a plurality of cells are stacked, and an anode for supplying fuel and a cathode for supplying air are provided in each cell. In this embodiment, hydrogen is supplied as the fuel, for example. The fuel electrodes of the respective cells are connected to a fuel electrode manifold, and the air electrodes of the respective cells are connected to an air electrode manifold. Hydrogen or air is supplied to the fuel electrode through the fuel electrode manifold, and hydrogen or air is supplied to the cathode through the air electrode manifold.

상기 공기극 매니폴드의 입구(11)에는 공기극 흡입유로(12)가 연결된다. 상기 공기극 흡입유로(12)는 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)와 상기 유로전환수단을 연결한다. 상기 공기극 흡입유로(12)는 2개의 제1,2공기극 흡입유로(12a)(12b)를 포함한다. 상기 제1공기극 흡입유로(12a)는 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)와 후술하는 제4삼방밸브(64)를 연결하고, 상기 제2공기극 흡입유로(12b)는 상기 제4삼방밸브와 유로전환수단을 연결한다. An air inlet line 12 is connected to the inlet 11 of the air electrode manifold. The air inlet line 12 connects the inlet 11 of the air electrode manifold to the line switching means. The air-pole suction passage 12 includes two first and second air-pole suction passages 12a and 12b. The first air electrode suction passage 12a connects the inlet 11 of the air electrode manifold to a fourth four-way valve 64 to be described later, and the second air electrode suction passage 12b connects the fourth three- Connect the conversion means.

상기 공기극 매니폴드의 출구(13)에는 공기극 배출유로(14)가 연결된다. 상기 공기극 배출유로(14)는 2개의 제1,2공기극 배출유로(14a)(14b)를 포함한다. 상기 제1공기극 배출유로(14a)는 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)와 후술하는 제1삼방밸브(61)를 연결하고, 상기 제2공기극 배출유로(14b)는 상기 제1삼방밸브(61)와 외부를 연결한다.The air electrode discharge path 14 is connected to the outlet 13 of the air electrode manifold. The air electrode discharge passage 14 includes two first and second air electrode discharge passages 14a and 14b. The first air electrode discharge passage 14a connects the outlet 13 of the air electrode manifold to a first three-way valve 61 described later, and the second air electrode discharge passage 14b connects the first three- ) And the outside.

상기 연료극 매니폴드의 입구(21)에는 연료극 흡입유로(22)가 연결된다. 상기 연료극 흡입유로(22)는 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)와 상기 유로전환수단을 연결한다. 상기 연료극 흡입유로(21)는 2개의 제1,2연료극 흡입유로(21a)(21b)를 포함한다. 상기 제1연료극 흡입유로(21a)는 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)와 후술하는 제2삼방밸브(62)를 연결하고, 상기 제2연료극 흡입유로(21b)는 상기 제2삼방밸브(62)와 유로전환수단을 연결한다. A fuel electrode suction path (22) is connected to the inlet (21) of the fuel electrode manifold. The fuel electrode suction path (22) connects the inlet (21) of the fuel electrode manifold to the flow path switching means. The fuel electrode suction passage 21 includes two first and second fuel electrode suction passages 21a and 21b. The first fuel electrode suction passage 21a connects the inlet 21 of the fuel electrode manifold to a second three-way valve 62 described later and the second fuel electrode suction passage 21b connects the second three- ) And the channel switching means.

상기 연료극 매니폴드의 출구(23)에는 연료극 배출유로(24)가 연결된다. 상기 연료극 배출유로(24)는 2개의 제1,2연료극 배출유로(24a)(24b)를 포함한다. 상기 제1연료극 배출유로(24a)는 상기 연료극 매니폴드의 출구(23)와 후술하는 제3삼방밸브(63)를 연결하고, 상기 제2연료극 배출유로(24b)는 상기 제3삼방밸브(63)와 외부를 연결한다.A fuel electrode discharge passage (24) is connected to an outlet (23) of the fuel electrode manifold. The fuel electrode discharge passage 24 includes two first and second fuel electrode discharge passages 24a and 24b. The first fuel electrode discharge passage 24a connects the outlet 23 of the fuel electrode manifold to a third three-way valve 63 described later and the second fuel electrode discharge passage 24b connects the third three-way valve 63 ) And the outside.

상기 공기 공급부(30)는, 공기가 저장되는 공기공급장치(32)와, 상기 공기공급장치(32)에 연결되고 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 연료극 흡입유로(22) 중 어느 하나로 공기를 공급하기 위한 공기공급유로(32a)를 포함한다.The air supply unit 30 includes an air supply unit 32 for storing air and an air supply unit 32 connected to the air supply unit 32 to supply air to either the air intake path 12 or the fuel- And an air supply passage 32a for supplying air.

상기 연료 공급부(40)는, 수소가 저장되는 수소공급장치(42)와, 상기 수소공급장치(42)에 연결되고 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 연료극 흡입유로(22) 중 다른 하나로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유로(42a)를 포함한다.The fuel supply unit 40 includes a hydrogen supply device 42 that stores hydrogen and a hydrogen supply device 42 that is connected to the hydrogen supply device 42 and supplies hydrogen to the other of the air electrode intake path 12 and the fuel electrode suction path 22. [ And a hydrogen supply passage 42a for supplying hydrogen.

상기 유로전환수단은, 정상운전모드와 냉시동 운전모드에 따라 상기 공기 공급부(30)와 상기 연료 공급부(40)를 선택적으로 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 연료극 흡입유로(22)에 연결하기 위해 유로를 전환한다. 상기 유로전환수단(50)은, 상기 공기공급유로(32a), 상기 수소공급유로(42a), 상기 제2공기극 흡입유로(12b) 및 상기 제2연료극 흡입유로(22b)가 연결된 사방밸브(50)이다. The flow path switching unit selectively connects the air supply unit 30 and the fuel supply unit 40 to the air electrode suction path 12 and the fuel electrode suction path 22 according to a normal operation mode and a cold start operation mode We will switch the euro. The flow path switching means 50 is connected to the four-way valve 50 connected to the air supply flow path 32a, the hydrogen supply flow path 42a, the second air pole suction path 12b and the second fuel electrode suction path 22b, )to be.

상기 사방밸브(50)는, 정상 운전모드시 상기 공기 공급유로(32a)를 상기 제2공기극 흡입유로(12b)로 연결하고, 상기 수소 공급유로(42a)는 상기 제2연료극 흡입유로(22b)로 연결한다. 한편, 냉시동 운전모드시 상기 사방밸브(50)는, 상기 공기 공급유로(32a)를 상기 제2연료극 흡입유로(22b)로 연결하고, 상기 수소 공급유로(42a)는 상기 제2공기극 흡입유로(12b)로 연결한다. 즉, 상기 사방밸브(50)는, 정상운전모드시 상기 공기극으로 공기가 공급되고 상기 연료극으로 수소가 공급되도록 하고, 냉시동운전 모드시 상기 공기극으로 수소가 공급되고 상기 연료극으로 공기가 공급되도록 유로를 전환한다.The four-way valve 50 connects the air supply passage 32a to the second air electrode intake passage 12b in a normal operation mode and the hydrogen supply passage 42a connects the second fuel electrode intake passage 22b, . In the cold start operation mode, the four-way valve 50 connects the air supply passage 32a with the second fuel electrode suction passage 22b, and the hydrogen supply passage 42a connects the second air- (12b). That is, in the normal operation mode, the four-way valve 50 supplies air to the air electrode and supplies hydrogen to the fuel electrode in the normal operation mode. In the cold start operation mode, hydrogen is supplied to the air electrode, .

한편, 상기 연료전지 시스템은, 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)와 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)를 연결하기 위한 제1바이패스 유로(71)와, 상기 제1바이패스 유로(71)의 개폐를 단속하는 제1밸브수단을 더 포함한다.The fuel cell system includes a first bypass path 71 for connecting the outlet 13 of the air electrode manifold and an inlet 21 of the fuel electrode manifold, And a first valve means for interrupting opening and closing of the valve.

상기 제1바이패스 유로(71)는, 상기 공기극 배출유로(14)와 상기 연료극 흡입유로(22)를 연결하도록 형성된다. The first bypass passage (71) is formed to connect the air electrode discharge passage (14) and the fuel electrode suction passage (22).

상기 제1밸브수단은, 상기 공기극 배출유로(14)상에서 상기 제1바이패스 유로(71)가 연결된 지점에 설치된 제1삼방밸브(61)와, 상기 연료극 흡입유로(22)상에서 상기 제1바이패스 유로(71)가 연결된 지점에 설치된 제2삼방밸브(62)를 포함한다. Wherein the first valve means comprises a first three-way valve (61) provided at a point where the first bypass flow path (71) is connected on the air electrode discharge flow path (14) And a second three-way valve 62 provided at a point where the path flow path 71 is connected.

또한, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료극 매니폴드의 출구(23)와 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)를 연결하기 위한 제2바이패스 유로(72)와, 상기 제2바이패스 유로(72)의 개폐를 단속하는 제2밸브수단을 더 포함한다.The fuel cell system further includes a second bypass passage 72 for connecting the outlet 23 of the fuel electrode manifold and the inlet 11 of the air electrode manifold, And second valve means for interrupting opening and closing of the valve.

상기 제2바이패스 유로(72)는, 상기 연료극 배출유로(24)와 상기 공기극 흡입유로(12)를 연결하도록 형성된다.The second bypass flow path 72 is formed to connect the fuel electrode discharge path 24 and the air electrode intake path 12.

상기 제2밸브수단은, 상기 연료극 배출유로(24)상에서 상기 제2바이패스 유로(72)가 연결된 지점에 설치된 제3삼방밸브(63)와, 상기 공기극 흡입유로(12)상에서 상기 제2바이패스 유로(72)가 연결된 지점에 설치된 제4삼방밸브(64)를 포함한다.The second valve means includes a third three-way valve (63) provided at a point where the second bypass passage (72) is connected on the fuel electrode discharge passage (24) And a fourth three-way valve 64 provided at a point where the path flow path 72 is connected.

또한, 상기 연료전지 시스템은, 냉시동 운전여부를 판단하기 위해 온도를 감지하는 온도센서(미도시)와, 생산된 전력을 측정하기 위한 전력 측정기(미도시)를 더 포함한다. 상기 온도센서는, 상기 연료전지 스택(2) 내부에 설치되어 상기 연료전지 스택(2)내부의 온도를 감지하는 내부온도센서(미도시)와, 상기 연료전지 스택(2) 외부에 설치되어 외기 온도를 감지하는 외기온도센서(미도시) 중 적어도 하나를 더 포함한다. 상기 제어부(미도시)는 상기 내부온도센서와 상기 외기온도센서에서 각각 감지된 값 중 적어도 하나를 고려하여 상기 연료전지 시스템의 정상 운전모드나 냉시동 운전모드를 판단할 수 있다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 연료전지 시스템에서 생산된 전력을 측정하고, 측정된 전력값(V)에 따라 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단한다.
The fuel cell system further includes a temperature sensor (not shown) for detecting the temperature to determine whether the engine is in the cold start operation, and a power meter (not shown) for measuring the produced power. The temperature sensor includes an internal temperature sensor (not shown) installed inside the fuel cell stack 2 to sense a temperature inside the fuel cell stack 2, And an outside temperature sensor (not shown) for detecting the temperature. The control unit (not shown) may determine a normal operation mode or a cold start operation mode of the fuel cell system by considering at least one of the values detected by the internal temperature sensor and the external temperature sensor. Also, the controller (not shown) measures the electric power produced by the fuel cell system and determines whether it is a cold start operation condition in accordance with the measured electric power value (V).

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하면, 다음과 같다.The control method of the fuel cell system of the present invention having the above-described configuration will now be described.

먼저, 도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 연료전지 시스템이 시동되면, 상기 제어부(미도시)는 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)로 공기를 공급하고, 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 수소를 공급하도록 제어한다. (S1)(S2)1 and 6, when the fuel cell system is started, the control unit (not shown) supplies air to the inlet 11 of the air electrode manifold, and the inlet 21 of the fuel electrode manifold, To supply hydrogen. (S1) (S2)

상기 제어부(미도시)는, 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단한다. 즉, 상기 온도센서(미도시)에서 감지된 온도값(T)이 미리 설정된 설정 온도(Tref)를 미리 설정된 설정 온도(Tref)와 비교하고, 상기 전력 측정기(미도시)에서 측정한 전력값(V)을 미리 설정된 설정 전력값(Vref)과 비교한다.(S3)The control unit (not shown) determines whether or not the engine is in a cold starting operation condition. That is, the temperature value T sensed by the temperature sensor (not shown) is compared with a predetermined set temperature Tref, which is set in advance, and the power value measured by the power meter (not shown) V) with a predetermined set power value Vref (S3)

상기 온도센서(미도시)에서 감지된 온도값(T)이 상기 설정 온도(Tref) 이상이고, 상기 전력 측정기(미도시)에서 측정한 전력값(V)이 상기 설정 전력값(Vref) 이상이면, 정상 운전모드를 유지한다.(S4)If the temperature value T sensed by the temperature sensor (not shown) is equal to or higher than the set temperature Tref and the power value V measured by the power meter (not shown) is equal to or higher than the set power value Vref , And the normal operation mode is maintained (S4)

한편, 상기 온도센서(미도시)에서 감지된 온도값(T)이 상기 설정 온도(Tref) 미만이고, 상기 전력 측정기(미도시)에서 측정한 전력값(V)이 상기 설정 전력값(Vref) 미만이면, 냉시동 운전 조건이라고 판단하여 냉시동 운전모드로 전환한다.(S5) Meanwhile, when the temperature value T detected by the temperature sensor (not shown) is less than the set temperature Tref and the power value V measured by the power meter (not shown) is less than the set power value Vref, , It is determined that the cold start operation condition is satisfied and the mode is switched to the cold start operation mode. (S5)

상기 냉시동 운전모드는, 상기 연료극으로 공기를 공급하고 상기 공기극으로 수소를 공급하여, 상기 연료극과 상기 공기극의 역할을 바꾸어 사용하는 전극 교차 운전을 하는 모드이다. 상기 냉시동 운전모드는 미리 설정된 설정 횟수(Ns)만큼 실시된다. 여기서는, 상기 설정 횟수는 2회인 것으로 예를 들어 설명한다.(S6)The cold start operation mode is a mode in which air is supplied to the fuel electrode and hydrogen is supplied to the air electrode to perform an electrode cross operation in which the roles of the fuel electrode and the air electrode are changed. The cold start operation mode is performed by a preset number of times Ns. Here, the set number of times is two, for example. (S6)

이하, 도 2 내지 도 4, 도 7을 참조하여, 상기 냉시동 운전모드에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the cold start operation mode will be described in detail with reference to FIG. 2 to FIG. 4 and FIG.

먼저, 도 2를 참조하면, 상기 냉시동 운전모드가 시작되면, 상기 사방밸브(50)를 전환하기 이전에 미리 설정된 제1설정시간동안 상기 공기극으로 공기가 공급되는 것을 차단하고, 상기 연료극으로는 수소의 공급을 유지한 상태로 운전을 지속한다. (S51) 이 때, 상기 제4삼방밸브(64)는 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 제2바이패스 유로(72)를 모두 차폐한다. 상기 제1삼방밸브(61)는 상기 공기극 배출유로(14)와 상기 제1바이패스 유로(71)를 모두 차폐한다. 한편, 상기 제2삼방밸브(62)는 상기 연료극 흡입유로(22)는 개방하고 상기 제1바이패스 유로(71)는 차폐한다. 상기 제3삼방밸브(63)는 상기 연료극 배출유로(24)는 개방하고, 상기 제2바이패스 유로(72)는 차폐한다. Referring to FIG. 2, when the cold start operation mode is started, air is prevented from being supplied to the air electrode for a first preset time before switching the four-way valve 50, Continue operation while maintaining supply of hydrogen. (S51) At this time, the fourth three-way valve (64) shields both the air intake path (12) and the second bypass path (72). The first three-way valve (61) shields both the air discharge path (14) and the first bypass path (71). On the other hand, the second three-way valve (62) opens the fuel electrode suction passage (22) and shields the first bypass passage (71). The third three-way valve (63) opens the fuel electrode discharge flow passage (24) and shields the second bypass flow passage (72).

상기 공기극으로 공기가 공급되지 않고, 상기 연료극으로 수소가 공급되는 상태에서, 전력 생산을 위한 운전을 계속한다.(S52) In the state where hydrogen is supplied to the fuel electrode without supplying air to the air electrode, the operation for power production is continued (S52)

상기 운전이 계속되면 전기화학 반응에 의해 상기 공기극 내부에 있는 잔류하는 공기 중의 산소가 소모되어, 상기 공기극 내부의 질소 농도가 높아진다. 이후, 상기 공기극 내부에는 잔류 질소만이 남게 된다. 상기 제1설정시간은 상기 공기극 내부에 잔류하는 산소가 소모될 때까지의 시간으로 실험 등에 의해 미리 설정된다. (S53)When the operation is continued, oxygen in the remaining air inside the air electrode is consumed by the electrochemical reaction, so that the nitrogen concentration inside the air electrode is increased. Thereafter, only residual nitrogen remains in the air electrode. The first predetermined time is preset by experiment or the like as the time until oxygen remaining in the air electrode is consumed. (S53)

도 3을 참조하면, 상기 제1설정시간이 경과하면, 상기 사방밸브(50)를 전환한다. 상기 사방밸브(50)를 전환하면, 상기 공기 공급유로(32a)는 상기 연료극 흡입유로(22)에 연결되고, 상기 수소 공급유로(42a)는 상기 공기극 흡입유로(12)로 연결된다. (S54)Referring to FIG. 3, when the first set time has elapsed, the four-way valve 50 is switched. When the four-way valve 50 is switched, the air supply passage 32a is connected to the fuel electrode suction passage 22, and the hydrogen supply passage 42a is connected to the air electrode suction passage 12. [ (S54)

이 때, 상기 제2삼방밸브(62)는 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 공기 공급유로(32a)를 차폐한다. 따라서, 상기 연료극으로 공기의 공급을 차단한다.At this time, the second three-way valve 62 shuts off the air supply passage 32a for a second preset time. Thus, the supply of air to the fuel electrode is cut off.

한편, 상기 제4삼방밸브(64)는 상기 수소 공급유로(42a)와 상기 공기극 흡입유로(12)를 모두 개방한다. 따라서, 상기 수소 공급유로(42a)로부터 공급되는 수소는 상기 공기극 흡입유로(12)를 통해 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)로 흡입된다. (S55)On the other hand, the fourth three-way valve 64 opens both the hydrogen supply passage 42a and the air electrode intake passage 12. Therefore, the hydrogen supplied from the hydrogen supply passage 42a is sucked into the inlet 11 of the air electrode manifold through the air intake passage 12. (S55)

상기 공기극 매니폴드의 입구(11)를 통해 흡입된 수소는 상기 공기극 내에 잔류하고 있던 잔류 질소를 밀어내게 되고, 밀려난 잔류 질소는 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)를 통해 배출된다.(S56) 따라서, 상기 공기극의 퍼지가 이루어진다.The hydrogen sucked through the inlet 11 of the air electrode manifold pushes the residual nitrogen remaining in the air electrode and the pushed residual nitrogen is discharged through the outlet 13 of the air electrode manifold. Therefore, the air electrode is purged.

이 때, 상기 제1삼방밸브(61)는 상기 제2설정시간동안 상기 제2공기극 배출유로(14b)는 차폐하고, 상기 제1바이패스 유로(71)는 개방한다. 따라서, 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)를 통해 배출되는 잔류 질소는 상기 제1바이패스 유로(71)를 통해 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 흡입된다. (S57)At this time, the first three-way valve (61) shuts off the second air cathode discharge passage (14b) during the second set time, and the first bypass passage (71) opens. Therefore, the residual nitrogen discharged through the outlet 13 of the air electrode manifold is sucked into the inlet 21 of the fuel electrode manifold through the first bypass flow path 71. (S57)

상기 연료극 매니폴드의 입구(21)를 통해 흡입된 잔류 질소는 상기 연료극 내에 잔류하고 있던 잔류 수소를 밀어내게 된다. 상기 연료극 내에 잔류하다가 밀려난 잔류 수소는 상기 연료극 매니폴드의 출구(23)를 통해 배출된다. (S58) 따라서, 상기 연료극의 퍼지가 이루어진다. The residual nitrogen sucked through the inlet 21 of the fuel electrode manifold pushes out residual hydrogen remaining in the fuel electrode. The remaining hydrogen remaining in the fuel electrode is discharged through the outlet 23 of the fuel electrode manifold. (S58) Thus, the fuel electrode is purged.

상기 연료극 매니폴드의 출구(23)를 통해 배출된 잔류 수소는 상기 제3삼방밸브(63)와 상기 연료극 배출유로(24)를 통해 외부로 배출된다.Residual hydrogen discharged through the outlet 23 of the fuel electrode manifold is discharged to the outside through the third three-way valve 63 and the fuel electrode discharge flow path 24.

도 4를 참조하면, 상기 제2설정시간이 경과하면, 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 공기 공급을 시작한다.(S59) Referring to FIG. 4, when the second set time has elapsed, air supply to the inlet 21 of the fuel electrode manifold is started (S59)

이 때, 상기 제2사방밸브(62)는 상기 연료극 흡입유로(22)를 개방하고, 상기 제1바이패스 유로(71)는 차폐한다. 따라서, 상기 연료극 흡입유로(22)를 통해 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 공기가 공급된다. At this time, the second four-way valve (62) opens the fuel electrode suction passage (22) and shields the first bypass passage (71). Thus, air is supplied to the inlet 21 of the fuel electrode manifold through the fuel electrode suction path 22.

따라서, 상기 공기극으로는 수소가 공급되고, 상기 연료극으로는 공기가 공급되어, 상기 공기극과 상기 연료극의 역할이 바뀌는 전극 교차 운전이 실시되어 전력을 생산한다.(S60)(S61)Therefore, hydrogen is supplied to the air electrode, air is supplied to the fuel electrode, and an electrode crossing operation is performed in which the roles of the air electrode and the fuel electrode are changed (S60) (S61)

상기와 같이, 냉시동 운전 모드에서 상기 공기극과 상기 연료극의 역할이 바뀜으로써, 상기 공기극 측의 수분의 결빙이 방지될 수 있으며, 이미 생성된 얼음의 표면 결합력이 약화되어 얼음의 분리가 쉽게 이루어질 수 있는 효과가 있다. As described above, when the role of the air electrode and the fuel electrode is changed in the cold start operation mode, it is possible to prevent the freezing of water on the air electrode side, and the surface bonding force of the already generated ice is weakened, There is an effect.

또한, 상기 제1,2,3,4삼방밸브(61)(62)(63)(64)의 개폐를 통해 잔류 질소로 상기 연료극을 퍼지할 수 있으므로, 수소와 산소의 직접 반응을 방지할 수 있다. Further, since the fuel electrode can be purged with the residual nitrogen through opening and closing of the first, second, third, and fourth three-way valves 61, 62, 63, 64, have.

한편, 상기 냉시동 운전모드를 상기 설정횟수만큼 반복한 후, 다시 상기 정상운전모드로 전환한다.On the other hand, after the cold start operation mode is repeated by the set number of times, the mode is switched again to the normal operation mode.

상기 정상운전모드로 전환시, 상기 사방밸브를 전환하기 이전에 상기 제1설정시간동안 상기 연료극으로 공기의 공급을 차단한 상태로 운전을 유지한다. 상기 연료극으로 공기가 공급되지 않고, 상기 공기극으로 수소가 공급되는 상태에서 전력 생산을 위한 운전이 계속되면, 전기 화학 반응에 의해 상기 연료극 내부에 잔류하는 공기 중의 산소가 소모되어, 상기 연료극 내부에는 질소만 남게 된다.When the mode is switched to the normal operation mode, the operation is maintained in a state in which supply of air to the fuel electrode is cut off for the first set time before switching the four-way valve. If air is not supplied to the fuel electrode and hydrogen is supplied to the air electrode, oxygen in the air remaining in the fuel electrode is consumed by the electrochemical reaction, and nitrogen Only.

도 5를 참조하면, 상기 제1설정시간이 경과하면, 상기 사방밸브(50)를 전환한다. 상기 사방밸브(50)를 전환한 이후에도 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 공기 공급유로(32a)를 차폐한다. 따라서, 상기 공기극으로 공기의 공급을 차단한다.Referring to FIG. 5, when the first set time has elapsed, the four-way valve 50 is switched. The air supply passage 32a is shielded for a second preset time even after the four-way valve 50 is switched. Accordingly, the supply of air to the air electrode is interrupted.

한편, 상기 제2삼방밸브(62)는 상기 수소 공급유로(42a)와 상기 연료극 흡입유로(22)를 모두 개방한다. 따라서, 상기 수소 공급유로(42a)로부터 공급되는 수소는 상기 연료극 흡입유로(22)를 통해 상기 연료극 매니폴드의 입구(22)로 흡입된다. 상기 연료극 매니폴드의 입구(22)를 통해 흡입된 수소는 상기 연료극 내에 잔류하고 있던 잔류 질소를 밀어내게 된다. 밀려난 잔류 질소는 상기 연료극 매니폴드의 출구(24)를 통해 배출된다. 따라서, 상기 연료극의 퍼지가 이루어진다.On the other hand, the second three-way valve (62) opens both the hydrogen supply passage (42a) and the fuel electrode suction passage (22). Therefore, the hydrogen supplied from the hydrogen supply passage 42a is sucked into the inlet 22 of the fuel electrode manifold through the fuel-electrode-suction-flow passage 22. The hydrogen sucked through the inlet 22 of the fuel electrode manifold pushes out residual nitrogen remaining in the fuel electrode. The purged residual nitrogen is discharged through the outlet 24 of the fuel electrode manifold. Thus, the fuel electrode is purged.

또한, 상기 제4삼방밸브는 상기 제2설정시간동안 상기 제2연료극 배출유로(24b)는 차폐하고 상기 제2바이패스 유로(72)를 개방한다. 따라서, 상기 연료극 매니폴드의 출구(24)를 통해 배출되는 잔류 질소는 상기 제2바이패스 유로(72)를 통해 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)로 흡입된다. 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)를 통해 흡입된 잔류 질소는 상기 공기극 내에 잔류하고 있던 잔류 수소글 밀어낸다. 밀려난 잔류 수소는 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)를 통해 배출된다. 따라서, 상기 공기극의 퍼지가 이루어진다. 상기와 같이, 상기 공기극과 상기 연료극의 퍼지를 실행한 이후에, 상기 공기극으로 공기의 공급을 개시하여 정상 운전을 실시한다.Also, the fourth three-way valve shields the second fuel electrode discharge passage (24b) and opens the second bypass passage (72) during the second set time. Therefore, the residual nitrogen discharged through the outlet 24 of the fuel electrode manifold is sucked into the inlet 11 of the air electrode manifold through the second bypass passage 72. The residual nitrogen sucked through the inlet 11 of the air electrode manifold pushes out residual hydrogen remaining in the air electrode. The residual hydrogen that has been pushed out is discharged through the outlet 13 of the air electrode manifold. Therefore, the air electrode is purged. As described above, after purging the air electrode and the fuel electrode, supply of air to the air electrode is started to perform normal operation.

상기와 같이, 겨울철 등 영하의 날씨에 연료전지 스택의 내부에서 생성되는 생성수가 얼어서 시동이 걸리지 않는 냉시동 문제를 해결하기 위하여, 공기극과 연료극의 역할을 바꾸어 운전하는 냉시동 운전모드를 설정횟수동안 실시함으로써, 냉시동으로 인한 운전 중단이 없어지므로 운전시간이 확보되어 전력 생산 효율이 향상될 수 있다.As described above, in order to solve the cold starting problem in which the generated water generated in the fuel cell stack is frozen in freezing weather such as the winter season, the cold start operation mode in which the roles of the air electrode and the fuel electrode are changed and operated, The operation is not interrupted due to cold start, so that the operation time can be secured and the power production efficiency can be improved.

또한, 밸브와 유로의 추가 구성만으로 냉시동을 해결할 수 있으므로 히터 등의 설치가 불필요하여 추가적인 전력 소요가 없어 효율이 향상될 수 있다.
Since the cold start can be solved only by the additional configuration of the valve and the flow path, installation of a heater or the like is unnecessary, and efficiency can be improved due to no additional power requirement.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

2: 연료전지 스택 11: 공기극 매니폴드의 입구
12: 공기극 흡입유로 13: 공기극 매니폴드의 출구
14: 공기극 배출유로 21: 연료극 매니폴드의 입구
22: 연료극 흡입유로 23: 연료극 매니폴드의 출구
24: 연료극 배출유로 30: 공기 공급부
40: 연료 공급부 50: 사방밸브
61: 제1삼방밸브 62: 제2삼방밸브
63: 제3삼방밸브 64: 제4삼방밸브
71: 제1바이패스유로 72: 제2바이패스유로2: Fuel cell stack 11: inlet of air electrode manifold
12: air electrode suction flow path 13: outlet of air electrode manifold
14: cathode discharge channel 21: inlet of fuel electrode manifold
22: fuel electrode suction flow path 23: outlet of the fuel electrode manifold
24: anode discharge flow path 30: air supply section
40: fuel supply part 50: four way valve
61: first three-way valve 62: second three-way valve
63: third three-way valve 64: fourth three-way valve
71: first bypass passage 72: second bypass passage

Claims (10)

공기극과 연료극을 포함하는 연료전지 스택과;
상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 공기를 공급하는 공기 공급부와;
상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 연료를 공급하는 연료 공급부와;
정상 운전 모드시 상기 공기 공급부의 공기가 상기 공기극으로 안내되고 상기 연료 공급부의 연료가 상기 연료극으로 안내되도록 유로를 연결하고, 냉시동 운전모드시 상기 연료 공급부의 연료가 상기 공기극으로 안내되고 상기 공기 공급부의 공기가 상기 연료극으로 교차 안내되도록 유로를 전환하는 유로전환수단과;
외기의 온도와 상기 연료전지 스택 내부 온도 중 적어도 하나에 따라 정상 운전모드와 냉시동 운전모드를 판단하고, 그에 따라 상기 유로전환수단의 작동을 제어하는 제어부와;
상기 공기극의 출구와 상기 연료극의 입구를 연결하는 제1바이패스유로와;
상기 제1바이패스 유로의 개폐를 단속하는 제1밸브수단을 포함하고,
상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드시 상기 공기극으로 공급된 연료에 의해 상기 공기극의 출구로부터 배출되는 잔류공기가 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 제1바이패스유로를 통해 상기 연료극의 입구로 안내되도록 상기 제1밸브수단을 제어하는 연료전지 시스템. A fuel cell stack including an air electrode and a fuel electrode;
An air supply unit for supplying air to either the air electrode or the fuel electrode;
A fuel supply unit for supplying fuel to any one of the air electrode and the fuel electrode;
In the normal operation mode, the air of the air supply unit is guided to the air electrode and the fuel of the fuel supply unit is guided to the fuel electrode, and in the cold start operation mode, the fuel of the fuel supply unit is guided to the air electrode, A flow path switching means for switching the flow path so that the air of the fuel electrode is cross-guided to the fuel electrode;
A control unit for determining a normal operation mode and a cold start operation mode according to at least one of a temperature of the outside air and a temperature inside the fuel cell stack and controlling the operation of the flow path switching unit accordingly;
A first bypass passage connecting an outlet of the air electrode and an inlet of the fuel electrode;
And first valve means for interrupting opening and closing of the first bypass passage,
The control unit may control the fuel supply unit so that residual air discharged from the outlet of the air electrode is guided to the inlet of the fuel electrode through the first bypass flow path by a fuel supplied to the air electrode in the cold start operation mode for a second preset time And controls said first valve means. 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지 스택과;
상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 공기를 공급하는 공기 공급부와;
상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 연료를 공급하는 연료 공급부와;
정상 운전 모드시 상기 공기 공급부의 공기가 상기 공기극으로 안내되고 상기 연료 공급부의 연료가 상기 연료극으로 안내되도록 유로를 연결하고, 냉시동 운전모드시 상기 연료 공급부의 연료가 상기 공기극으로 안내되고 상기 공기 공급부의 공기가 상기 연료극으로 교차 안내되도록 유로를 전환하는 유로전환수단과;
외기의 온도와 상기 연료전지 스택 내부 온도 중 적어도 하나에 따라 정상 운전모드와 냉시동 운전모드를 판단하고, 그에 따라 상기 유로전환수단의 작동을 제어하는 제어부와;
상기 연료극의 출구와 상기 공기극의 입구를 연결하는 제2바이패스유로와;
상기 제2바이패스유로의 개폐를 단속하는 제2밸브수단을 포함하고,
상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드에서 상기 정상 운전모드로 전환시, 상기 연료극으로 공급된 연료에 의해 상기 연료극의 출구로부터 배출되는 잔류공기가 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 제2바이패스 유로를 통해 상기 공기극의 입구로 안내되도록 상기 제2밸브수단을 제어하는 연료전지 시스템.A fuel cell stack including an air electrode and a fuel electrode;
An air supply unit for supplying air to either the air electrode or the fuel electrode;
A fuel supply unit for supplying fuel to any one of the air electrode and the fuel electrode;
In the normal operation mode, the air of the air supply unit is guided to the air electrode and the fuel of the fuel supply unit is guided to the fuel electrode, and in the cold start operation mode, the fuel of the fuel supply unit is guided to the air electrode, A flow path switching means for switching the flow path so that the air of the fuel electrode is cross-guided to the fuel electrode;
A control unit for determining a normal operation mode and a cold start operation mode according to at least one of a temperature of the outside air and a temperature inside the fuel cell stack and controlling the operation of the flow path switching unit accordingly;
A second bypass passage connecting an outlet of the fuel electrode and an inlet of the air electrode;
And second valve means for interrupting opening and closing of the second bypass passage,
Wherein the control unit is configured to cause the residual air discharged from the outlet of the fuel electrode by the fuel supplied to the fuel electrode to flow through the second bypass flow passage for a second predetermined time set in advance when the mode is changed from the cold start operation mode to the normal operation mode And the second valve means is controlled to be guided to the inlet of the cathode. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 공기극의 입구에 연결된 공기극 흡입유로와, 상기 연료극의 입구에 연결된 연료극 흡입유로를 더 포함하고,
상기 유로전환수단은, 상기 공기 공급부와 상기 연료 공급부를 상기 공기극 흡입유로와 상기 연료극 흡입유로에 연결하는 유로상에 설치된 사방밸브를 포함하는 연료전지 시스템. The method according to claim 1 or 2,
Further comprising an air electrode suction flow path connected to an inlet of the air electrode and a fuel electrode suction flow path connected to an inlet of the fuel electrode,
Wherein the flow path switching means includes a four-way valve provided on a flow path that connects the air supply portion and the fuel supply portion to the air electrode suction flow path and the fuel electrode suction flow path. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드가 시작되면, 미리 설정된 제1설정시간동안 상기 공기극의 입구와 출구를 차폐시키고 상기 연료극으로 연료만을 공급하는 상태로 운전을 제어하는 연료전지 시스템. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the control unit controls the operation in a state in which the inlet and the outlet of the air electrode are shielded and only the fuel is supplied to the fuel electrode for a first preset time period when the cold start operation mode is started. 청구항 1에 있어서,
상기 공기극의 출구에 연결된 공기극 배출유로와, 상기 연료극의 입구에 연결된 연료극 흡입유로를 더 포함하고,
상기 제1밸브수단은, 상기 공기극 배출유로상에서 상기 제1바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제1삼방밸브와, 상기 연료극 흡입유로상에서 상기 제1바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제2삼방밸브를 포함하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A cathode discharge channel connected to the outlet of the cathode, and a fuel electrode suction channel connected to an inlet of the anode,
Wherein the first valve means includes a first three-way valve provided at a point where the first bypass passage is connected to the air electrode discharge passage, and a second three-way valve provided at a point where the first bypass passage is connected to the fuel- Fuel cell system. 청구항 1에 있어서,
상기 연료극의 출구와 상기 공기극의 입구를 연결하는 제2바이패스유로와,
상기 제2바이패스유로의 개폐를 단속하는 제2밸브수단을 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드에서 상기 정상 운전모드로 전환시, 상기 연료극으로 공급된 연료에 의해 상기 연료극의 출구로부터 배출되는 잔류공기가 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 제2바이패스 유로를 통해 상기 공기극의 입구로 안내되도록 상기 제2밸브수단을 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A second bypass passage connecting the outlet of the fuel electrode and the inlet of the air electrode,
Further comprising second valve means for interrupting opening and closing of the second bypass passage,
Wherein the control unit is configured to cause the residual air discharged from the outlet of the fuel electrode by the fuel supplied to the fuel electrode to flow through the second bypass flow passage for a second predetermined time set in advance when the mode is changed from the cold start operation mode to the normal operation mode And the second valve means is controlled to be guided to the inlet of the cathode. 청구항 2 또는 청구항 6에 있어서,
상기 연료극의 출구에 연결된 연료극 배출유로와, 상기 공기극의 입구에 연결된 공기극 흡입유로를 더 포함하고,
상기 제2밸브수단은, 상기 연료극 배출유로 상에서 상기 제2바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제3삼방밸브와, 상기 공기극 흡입유로 상에서 상기 제2바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제4삼방밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.The method according to claim 2 or 6,
A fuel electrode discharge flow path connected to an outlet of the fuel electrode, and an air electrode suction flow path connected to an inlet of the air electrode,
Wherein the second valve means comprises a third three-way valve provided on the anode discharge passage at a point where the second bypass passage is connected and a fourth three-way valve provided at a point where the second bypass passage is connected on the air- Further comprising a fuel cell system. 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단하는 냉시동 판단단계와;
상기 냉시동 운전 조건이라고 판단되면, 연료전지 스택의 공기극에 연료를 공급하고, 상기 연료전지 스택의 연료극에 공기를 공급하여, 상기 공기극과 상기 연료극의 역할을 서로 바꾸어 전력을 생산하는 냉시동 운전단계를 포함하고,
상기 냉시동 운전단계는,
상기 공기극에 연료를 공급하기 이전에, 상기 공기극의 입구와 출구를 차폐하는 과정과,
상기 공기극의 입구와 출구가 차폐된 상태에서 미리 설정된 제1설정시간동안 전력을 생산하여 산소를 제거하는 과정과,
상기 제1설정시간이 경과한 이후, 상기 공기극에 미리 설정된 제2설정시간동안 연료를 공급하는 과정과,
상기 제2설정시간이 경과한 이후, 상기 연료극에도 공기를 공급하는 과정을 포함하고,
상기 제2설정시간동안 상기 공기극에 연료를 공급하는 동안, 상기 공기극에서 배출되는 잔류 공기는 상기 연료극으로 공급하는 연료전지 시스템의 제어방법.A cold start determination step of determining whether the cold start operation condition is satisfied;
A cold start operation step of supplying fuel to the air electrode of the fuel cell stack and supplying air to the fuel electrode of the fuel cell stack to exchange power between the air electrode and the fuel electrode, Lt; / RTI >
In the cold start-up operation step,
Shielding the inlet and the outlet of the air electrode before supplying fuel to the air electrode;
Removing oxygen by producing electric power for a first preset time while the inlet and the outlet of the air electrode are shielded;
Supplying fuel to the air electrode for a second predetermined time after the first predetermined time has elapsed;
And supplying air to the fuel electrode after the second set time has elapsed,
Wherein the residual air discharged from the air electrode is supplied to the fuel electrode while supplying fuel to the air electrode during the second set time. 삭제delete 삭제delete
KR1020140097518A 2014-07-30 2014-07-30 Fuel cell system and control method of the same KR101637478B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140097518A KR101637478B1 (en) 2014-07-30 2014-07-30 Fuel cell system and control method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140097518A KR101637478B1 (en) 2014-07-30 2014-07-30 Fuel cell system and control method of the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160015503A KR20160015503A (en) 2016-02-15
KR101637478B1 true KR101637478B1 (en) 2016-07-08

Family

ID=55356444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140097518A KR101637478B1 (en) 2014-07-30 2014-07-30 Fuel cell system and control method of the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101637478B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210073378A (en) 2019-12-10 2021-06-18 현대자동차주식회사 Driving control system and control method of fuel cell

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102676737B1 (en) * 2016-11-08 2024-06-19 현대자동차주식회사 Controlling method for cold start of fuel cell
KR102406510B1 (en) 2017-07-03 2022-06-10 현대자동차주식회사 Hydrogen supply method for fuel cell system
KR102496644B1 (en) 2017-10-17 2023-02-07 현대자동차주식회사 Fuel cell system and control method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005158554A (en) 2003-11-27 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
KR100814367B1 (en) 2007-03-12 2008-03-18 고려대학교 산학협력단 Method for purging the remaining gas of fuel cell during the shutdown process
JP2008159299A (en) 2006-12-21 2008-07-10 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system and its purging method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010182469A (en) 2009-02-04 2010-08-19 Toshiba Corp Fuel cell system for cold region

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005158554A (en) 2003-11-27 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2008159299A (en) 2006-12-21 2008-07-10 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system and its purging method
KR100814367B1 (en) 2007-03-12 2008-03-18 고려대학교 산학협력단 Method for purging the remaining gas of fuel cell during the shutdown process

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210073378A (en) 2019-12-10 2021-06-18 현대자동차주식회사 Driving control system and control method of fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160015503A (en) 2016-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101646417B1 (en) Fuel cell system and control method thereof
JP4644064B2 (en) Fuel cell system
KR102496256B1 (en) Control method and control system of hydrogen purging
KR101637478B1 (en) Fuel cell system and control method of the same
US10158132B2 (en) Fuel cell system and method of controlling the fuel cell system
US9660281B2 (en) Method for controlling startup of fuel cell system
JP2008269841A (en) Fuel cell system
CN105336969A (en) Fuel cell system and shutdown control method therefor
JP5125135B2 (en) Fuel cell system
JP2008077955A (en) Fuel battery system
JP5407132B2 (en) Start-up control device and start-up control method for fuel cell system
JP4887408B2 (en) Fuel cell system
JP2009129793A (en) Fuel cell system, and control method thereof
KR102614135B1 (en) Air supply control method and control system for fuel cell
JP2007324071A (en) Fuel cell system
JP2009252593A (en) Fuel cell system and method of scavenging the fuel cell system
JP2010153246A (en) Fuel cell system
JP5181709B2 (en) Fuel cell system
KR101592414B1 (en) Hydrogen purge unit for fuel cell system
JP2013125626A (en) Fuel cell system
JP2009076261A (en) Fuel cell system and its starting method
JP5233126B2 (en) Fuel cell system
JP2012209154A (en) Control device for controlling fuel cell system
JP5410766B2 (en) Fuel cell system and cathode pressure control method for fuel cell system
JP2013246935A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190625

Year of fee payment: 4