KR101896808B1 - Fuel cell system - Google Patents

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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택, 공기극으로 공급될 공기를 가습하는 가습기, 가습기에 공기를 공급하는 공기 공급부, 공기 공급부로부터 공기를 가습기로 안내하는 제1 유로, 가습기에서 가습되어 배출된 공기를 연료전지 스택으로 안내하는 제2 유로, 제1 유로와 제2 유로를 연결하는 제3 유로, 제1 유로와 제3 유로의 연결지점에 마련되어, 제1 유로 중의 공기가 제3 유로로 바이패스 되는 양을 조절하는 제1 바이패스 밸브, 연료전지 스택의 플러딩을 방지하기 위해, 연료전지 스택의 운전 상황에 기초해서 제1 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack having an air electrode and a fuel electrode, a humidifier for humidifying air to be supplied to the air electrode, an air supply unit for supplying air to the humidifier, a first flow path for guiding air from the air supply unit to the humidifier, A second flow path for guiding the air humidified and discharged from the humidifier to the fuel cell stack, a third flow path for connecting the first flow path and the second flow path, a second flow path provided at a connection point between the first flow path and the third flow path, The first bypass valve controls the amount by which the first bypass valve is bypassed to the third flow path. The control unit controls the first bypass valve based on the operation state of the fuel cell stack to prevent flooding of the fuel cell stack.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system.

일반적으로 연료전지의 스택은 다수의 셀이 적층되어 구성되며, 각 셀은 연료극과 전해질막 및 공기극으로 이루어진 막전극 조합체(MEA)와 그 양측에 반응가스 유로를 형성하는 분리판으로 이루어진다.Generally, a stack of fuel cells is constituted by stacking a plurality of cells, each cell comprising a membrane electrode assembly (MEA) composed of a fuel electrode, an electrolyte membrane and an air electrode, and a separator plate forming a reaction gas flow path on both sides thereof.

연료극(anode)측에는 보통 순수 수소가스 또는 수소리치가스가 공급되어 공기극(cathode)으로 공급되는 공기중의 산소와 전해질막을 통해 반응하게 된다.A pure hydrogen gas or a hydrogen rich gas is supplied to the anode side to react with oxygen in the air supplied to the cathode through the electrolyte membrane.

전해질막은 일정 수분을 함유하여야 이온전도성이 향상되어 활발한 수소이온의 이동이 발생되므로 전해질막에 필요 수분을 부여하기 위하여 공기극측에 수증기를 포함한 공기를 공급하고 있다.The electrolyte membrane must contain a certain amount of water to improve the ionic conductivity and to generate active hydrogen ions, so that air containing water vapor is supplied to the air electrode side in order to impart necessary moisture to the electrolyte membrane.

그런데, 장기 정차 또는 저온 운전 후 급 발진 시, 공기 공급부의 공기가 가습기를 통과하면서 공기를 대략 60~80℃로 가열시켜, 상대습도가 100%가 넘는 상태로 공기극에 공기를 과급하도록 구성된다. 이는, 전극에 플러딩(flooding) 현상이 발생하여 정상적인 이온 교환이 이루어지지 못함으로써 스택의 안정적인 출력을 확보할 수 없게 되는 문제점이 있었다.However, in a rapid start after a long-term stop or low-temperature operation, the air in the air supply unit is heated to approximately 60 to 80 캜 while passing through the humidifier, and the air is supercharged in the state that the relative humidity exceeds 100%. This results in a problem that flooding occurs in the electrode and normal ion exchange can not be performed, so that a stable output of the stack can not be secured.

과도한 수분의 공급은 스택 내에 잉여수분을 발생시킴으로써 시간이 경과함에 따라 스택의 성능 열화를 유발하는 문제점이 있었다.Excessive moisture supply causes excessive moisture in the stack, resulting in deterioration of the performance of the stack over time.

따라서, 공기극에 공기가 유입되는 양을 조절할 수 있는 장치 개발이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to develop a device capable of controlling the amount of air introduced into the air electrode.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 가습기 내의 응축수가 공기극으로 허용량 이상 공급되는 것을 방지함으로써, 플러딩이 발생되는 것을 예방할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of preventing the generation of flooding by preventing the condensed water in the humidifier from being supplied to the air electrode at an allowable amount or more.

또한, 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황으로 변경되면, 제어부는 가습공기의 바이패스 되는 양을 증가시켜, 공기극으로 가습된 공기가 허용량 이상 공급되는 것을 방지하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.If the operation state of the fuel cell stack is changed to a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated to a predetermined speed or more for a predetermined time during a stop state or a low temperature operation state, To thereby prevent the humidified air from being supplied to the air electrode at an allowable amount or more.

일 예에서 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택, 공기극으로 공급될 공기를 가습하는 가습기, 가습기에 공기를 공급하는 공기 공급부, 공기 공급부로부터 공기를 가습기로 안내하는 제1 유로, 가습기에서 가습되어 배출된 공기를 연료전지 스택으로 안내하는 제2 유로, 제1 유로와 제2 유로를 연결하는 제3 유로, 제1 유로와 제3 유로의 연결지점에 마련되어, 제1 유로 중의 공기가 제3 유로로 바이패스 되는 양을 조절하는 제1 바이패스 밸브, 연료전지 스택의 플러딩을 예방하기 위해, 연료전지 스택의 운전 상황에 기초해서 제1 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.In one example, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack having an air electrode and a fuel electrode, a humidifier for humidifying air to be supplied to the air electrode, an air supply unit for supplying air to the humidifier, A second flow path for guiding the air humidified and discharged from the humidifier to the fuel cell stack, a third flow path for connecting the first flow path and the second flow path, a second flow path provided at a connection point between the first flow path and the third flow path, A first bypass valve for controlling an amount by which air in the flow path is bypassed to the third flow path, a control unit for controlling the first bypass valve based on the operation state of the fuel cell stack to prevent flooding of the fuel cell stack .

이에 따라, 가습기 내의 응축수가 공기극으로 허용량 이상 공급되는 것을 방지함으로써, 플러딩이 발생되는 것을 예방할 수 있는 특징이 있다.Accordingly, the condensed water in the humidifier is prevented from being supplied to the air electrode by an allowable amount or more, thereby preventing flooding from occurring.

또한, 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되더라도, 가습공기의 바이패스 되는 양이 조절되어, 공기극으로 유입됨으로써, 스택이 열화되는 것을 방지할 수 있다.Further, even when the driving state of the fuel cell stack is a state in which the fuel cell stack is accelerated to a predetermined speed or more for a predetermined time in a stationary state or a low-temperature operation state, the amount by which the humidifying air is bypassed is adjusted, It is possible to prevent the stack from deteriorating.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 스택의 운전 상황에 기초하여, 제1 바이패스 밸브를 제어하는 것을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료전지 스택의 운전 상황에 기초하여, 제1 바이패스 밸브를 제어하는 것을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 스택의 운전 상황에 기초하여, 제2 바이패스 밸브를 제어하는 것을 나타낸 흐름도이다.1 is a view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing the control of the first bypass valve based on the operating state of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention. FIG.
3 is a flowchart showing control of the first bypass valve based on the operating state of the fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
4 is a flowchart showing control of the second bypass valve based on the operating state of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the difference that the embodiments of the present invention are not conclusive.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다. 도1을 참고하여 설명한다. 1 is a view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Will be described with reference to Fig.

도1 에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택(30), 가습기(20), 공기 공급부(10), 제1 유로(101), 제2 유로(102), 제3 유로(103), 제1 바이패스 밸브(41), 제어부(100)를 포함한다.1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 30 having an air electrode and a fuel electrode, a humidifier 20, an air supply unit 10, a first flow path 101, a second flow path 102, A third flow path 103, a first bypass valve 41, and a control unit 100.

가습기(20)는 공기극으로 공급될 공기를 가습하도록 구성될 수 있으며, 공기 공급부(10)는 가습기(20)에 공기를 공급하도록 구성될 수 있다. The humidifier 20 may be configured to humidify the air to be supplied to the air electrode, and the air supply unit 10 may be configured to supply air to the humidifier 20.

제1 유로(101)는 공기 공급부(10)로부터 공기를 가습기(20)로 안내하도록 구성될 수 있으며, 제2 유로(102)는 가습기(20)에서 가습되어 배출된 공기를 연료전지 스택(30)으로 안내하도록 구성될 수 있다. 제3 유로(103)는 제1 유로(101)와 제2 유로(102)를 연결하도록 구성될 수 있으며, 제1 유로(101)와 제3 유로(103)의 연결지점에, 제1 바이패스 밸브(41)가 마련될 수 있다. The first flow path 101 may be configured to guide the air from the air supply section 10 to the humidifier 20 and the second flow path 102 may be configured to humidify air discharged from the humidifier 20 into the fuel cell stack 30 As shown in FIG. The third flow path 103 may be configured to connect the first flow path 101 and the second flow path 102. The third flow path 103 may be formed at the connection point between the first flow path 101 and the third flow path 103, A valve 41 may be provided.

제1 바이패스 밸브(41)는 제1 유로(101) 중의 공기를 제3 유로(103)로 바이패스 되는 양을 조절하도록 구성될 수 있다. The first bypass valve 41 may be configured to regulate the amount of air in the first flow path 101 bypassed to the third flow path 103.

일예로, 제1 유로(101) 중의 공기가 제3 유로(103)로 유동하게 되면, 공기 공급부(10)의 건조 공기가 가습기(20)를 거치지 않고, 바이패스 되어, 연료전지 스택(30)으로 공급될 수 있다.For example, when the air in the first flow path 101 flows into the third flow path 103, the dry air in the air supply part 10 bypasses the humidifier 20, As shown in FIG.

일예로, 제어부(100)는 공기 공급부(10)에서 배출된 공기 중에 가습기(20)에 의해 가습될 공기의 양, 무 가습 양 중의 적어도 하나를 판단하여, 제1 바이패스 밸브(41)를 제어하도록 구성될 수 있다.For example, the control unit 100 determines at least one of the amount of the air to be humidified by the humidifier 20 and the amount of humidification in the air discharged from the air supply unit 10, and controls the first bypass valve 41 .

제어부(100)는 연료전지 스택(30)의 플러딩을 방지하기 위해, 연료전지 스택(30)의 운전 상황에 기초하여, 제1 바이패스 밸브(41)를 제어하도록 구성될 수 있다. The control unit 100 may be configured to control the first bypass valve 41 based on the operating state of the fuel cell stack 30 to prevent flooding of the fuel cell stack 30. [

제어부(100)는 운전 상황에 기초해서, 제1 바이패스 밸브(41)를 통해, 제1 유로(101)와, 제3 유로(103)를 연결하는 지점의 개방 정도와 개방 시간을 조절하도록 구성될 수 있다. 제어부(100)는 연료전지 스택(30)의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택(30)에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 기준속도에서 소정속도 이상으로 가속되는 상황으로 변경되면, 가습기(20)를 통과하는 공기에 의해 가습기(20) 내의 응축수가 공기극으로 허용량 이상으로 전달되어 플러딩이 발생되게 되는 것을 방지하기 위해, 제3 유로(103)로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되도록 제1 바이패스 밸브(41)를 제어하도록 구성될 수 있다.The control unit 100 is configured to adjust the opening degree and the opening time of the point connecting the first flow path 101 and the third flow path 103 through the first bypass valve 41, . The control unit 100 controls the fuel cell stack 30 such that the driving state of the fuel cell stack 30 is a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack 30 is accelerated to a predetermined speed or more at a reference speed for a predetermined time The amount of air to be bypassed to the third flow path 103 is reduced in order to prevent the condensed water in the humidifier 20 from being transmitted to the air electrode by more than an allowable amount and flooding due to the air passing through the humidifier 20, The first bypass valve 41 may be controlled so as to be increased.

일예로, 소정시간은 5초 이내일 수 있으며, 소정속도는 100~150kph일 수 있다. 차량은 원래의 속도에서, 5초 내에 100~150kph를 주행할 경우, 제어부(100)는 차량이 급발진, 급가속 주행임을 판단할 수 있다.For example, the predetermined time may be 5 seconds or less, and the predetermined speed may be 100 to 150 kph. When the vehicle travels at 100 to 150 kph within 5 seconds at the original speed, the control unit 100 can judge that the vehicle is a rapid acceleration or a rapid acceleration running.

일예로, 가속되는 상황은 소정시간 동안 기준 전류에서 소정전류 이상 증가하거나, 기준 출력에서 소정 출력이상 증가하는 것일 수 있다. For example, the accelerated state may be increased by a predetermined current or more at a reference current for a predetermined time, or may be increased by a predetermined output or more at a reference output.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 스택의 운전 상황에 기초하여, 제1 바이패스 밸브를 제어하는 것을 나타낸 흐름도이다. FIG. 2 is a flowchart showing the control of the first bypass valve based on the operating state of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention. FIG.

도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황으로 판단하면(S110), 공기 공급부에서 배출된 공기 중에 가습기에 의해 가습될 공기의 양을 조절하기 위해, 제3 유로로 바이패스될 공기의 양을 판단하도록 구성될 수 있다(S120).As shown in FIG. 2, the control unit 100 judges that the driving state of the fuel cell stack is a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated at a predetermined speed or more for a predetermined time in a stationary state or a low- (S110), the amount of air to be bypassed to the third flow path may be determined in order to adjust the amount of air to be humidified by the humidifier in the air discharged from the air supply unit (S120).

제어부(100)는 제1 바이패스 밸브를 제어하여(S130), 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 될 공기의 양을 조절하도록 구성될 수 있다(S140).The control unit 100 may control the first bypass valve (S130) so that the air of the first flow path is configured to adjust the amount of air to be bypassed to the third flow path (S140).

일예로, 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황이 아니라고 판단하면, 제1 유로를 완전 개방시키도록 제어할 수 있다(S150).For example, if the operating state of the fuel cell stack is determined not to be a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated to a predetermined speed or more during a stop state or a low temperature operation state, the first flow path is completely opened (S150).

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료전지 스택의 운전 상황에 기초하여, 제1 바이패스 밸브를 제어하는 것을 나타낸 흐름도이다. 3 is a flowchart showing control of the first bypass valve based on the operating state of the fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 공기가, 공기극으로 기준유량 이상으로 공급되는 상태가 제1 기준시간 동안 지속되면(S210), 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가하도록, 제1 바이패스 밸브를 제어하여(S220), 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 될 공기의 양을 조절하도록 구성될 수 있다(S230).As shown in FIG. 3, when the state in which the air is supplied to the air electrode at a reference flow rate or more is maintained for a first reference time period (S210), the controller 100 increases the amount of air bypassed to the third flow path , The first bypass valve may be controlled (S220), and the first flow path may be configured to adjust the amount of air to be bypassed to the third flow path (S230).

일예로, 제어부(100)는 공기극으로 공급되는 공기유량을 확인하기 위하여, 공기 공급부의 출구단 혹은 공기극 입구단에 공기 유량을 측정하는 측정수단(미도시)을 통하여, 기준유량 이상인지 미만인지를 인지할 수 있다. For example, in order to check the air flow rate to be supplied to the air electrode, the control unit 100 determines whether the air flow rate is equal to or greater than the reference flow rate through measurement means (not shown) for measuring the air flow rate at the outlet end of the air supply unit or the inlet end of the air electrode It can be recognized.

일예로, 공기 공급부의 전단에 공기 유량 센서가 구비될 수 있으며, 제어부는 공기 유량 센서를 통하여, 공기가 기준유량 이상인지, 미만인지를 판단할 수 있다.For example, an air flow rate sensor may be provided at the front end of the air supply unit, and the controller may determine whether the air is greater than or less than the reference flow rate through the air flow rate sensor.

일예로, 기준유량은 대체적으로 180kg 일 수 있으며, 제1 기준시간은 1~3초 일 수 있다.For example, the reference flow rate may be approximately 180 kg, and the first reference time may be 1 to 3 seconds.

일예로, 공기가, 공기극으로 기준유량 이상으로 공급되는 상태가 아니라고 판단하면, 제어부(100)는 제1 유로를 완전 개방시키도록 조절할 수 있다(S240).For example, if it is determined that air is not supplied to the air electrode at a reference flow rate or more, the controller 100 may adjust the first flow path to be fully opened (S240).

제어부(100)는 공기극으로 공급되는 공기의 유량의 증가율이 기준증가율 이상인 상태가 제2 기준시간 동안 지속되면(S210), 제1 바이패스 밸브를 제어하여(S220), 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 될 공기의 양을 조절하여(S230), 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되도록 제어할 수 있다.The control unit 100 controls the first bypass valve (S220) to control the flow rate of the air supplied to the air electrode to a predetermined value when the rate of increase of the flow rate of the air supplied to the air electrode is greater than the reference increase rate The amount of air to be bypassed by the third flow path is controlled (S230), and the amount of air bypassed to the third flow path is controlled to be increased.

일예로, 기준증가율은 대체적으로 60kg/h~180kg/h 일 수 있다.For example, the reference increase rate may be generally from 60 kg / h to 180 kg / h.

일예로, 제어부(100)는 공기의 유량의 증가율이 기준증가율 이상이 아니라고 판단하면, 제1 유로를 완전 개방시키도록 조절할 수 있다(S240).For example, if the controller 100 determines that the rate of increase of the flow rate of the air is not equal to or greater than the reference increase rate, the controller 100 may adjust the first flow rate to be fully opened (S240).

제어부(100)는 연료전지 스택의 출력전류가 기준출력 이상인 상태가 제3 기준시간 동안 지속되면(S210), 제1 바이패스 밸브를 제어하여(S220), 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양을 증가시키도록 제어할 수 있다(S230).If the output current of the fuel cell stack exceeds the reference output for the third reference time period (S210), the controller (100) controls the first bypass valve (S220) So that the amount of air to be bypassed can be increased (S230).

여기에서의, 출력전류는 연료전지 스택의 출력을 내기 위한 인가전류일 수 있다.Here, the output current may be an applied current for outputting the output of the fuel cell stack.

일예로, 스택의 출력전류가 기준출력 이상일 경우, 공기극에 생성되는 물의 양이 많아, 플러딩(flooding)의 원인이 될 수 있으므로, 제어부(100)는 공기극에 많은 양의 물이 공급되는 것을 방지하기 위하여, 제3 유로(103)로 바이패스 되는 공기의 양을 증가되게, 제1 바이패스 밸브(41)를 제어하도록 구성될 수 있다.For example, when the output current of the stack is equal to or greater than the reference output, the amount of water generated in the air electrode is large, which may cause flooding, so that the controller 100 prevents a large amount of water from being supplied to the air electrode The first bypass valve 41 may be configured to control the amount of air bypassed to the third flow path 103 to be increased.

일예로, 기준출력은 대체적으로 60kw~100kw 범위일 수 있으며, 제3 기준시간은 1초~3초일 수 있다.For example, the reference output may range generally from 60 kW to 100 kW, and the third reference time may be from 1 second to 3 seconds.

일예로, 연료전지 스택의 출력전류가 기준출력 이상이 아니라고 판단하면, 제1 유로를 완전 개방시키도록 조절할 수 있다(S240).For example, if it is determined that the output current of the fuel cell stack is not equal to or greater than the reference output, the first flow path may be fully opened (S240).

제어부(100)는 연료전지 스택의 출력전류의 증가율이 기준증가율 이상인 상태가 제4 기준시간 동안 지속되는 조건에 해당하면(S210), 제1 바이패스 밸브를 제어하여(S220), 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양을 증가시키도록 제어할 수 있다(S230).If the condition that the rate of increase of the output current of the fuel cell stack is equal to or greater than the reference increase rate continues for the fourth reference time (S210), the control unit 100 controls the first bypass valve (S220) The air can be controlled to increase the amount of air bypassed to the third flow path (S230).

일예로, 제어부는 출력이 기준값 이상인 상태가 일정시간 동안 지속되면, 제1 바이패스 밸브를 제어하여, 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양을 증가시키도록 제어할 수 있다. 여기에서의 출력은 "스택 전류 x 스택 전압"일 수 있다.For example, the control unit can control the first bypass valve to increase the amount of air bypassed to the third flow path by controlling the first bypass valve when the output of the control unit exceeds the reference value for a predetermined period of time . The output here may be "stack current x stack voltage ".

일예로, 출력 증가율이 기준값 이상인 상태가 일정시간 동안 지속되면, 제1 바이패스 밸브를 제어하여, 제1 유로의 공기가 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양을 증가시키도록 제어할 수 있다. For example, when the output increase rate is equal to or greater than the reference value for a predetermined period of time, the first bypass valve may be controlled so that the air of the first flow path increases the amount of air bypassed to the third flow path.

일예로, 출력 측정부(미도시)가 연료전지 스택에서 발생하는 출력전류량을 측정하여 출력 전류량을 제어부에 전달하도록 구성될 수 있다. 제어부(100)는 출력 전류량이 기준증가율 이상인지를 판단하여, 제1 바이패스 밸브(41)를 제어하도록 구성될 수 있다.For example, an output measuring unit (not shown) may measure the amount of output current generated in the fuel cell stack and transmit the amount of output current to the control unit. The control unit 100 may be configured to determine whether the output current amount is equal to or greater than the reference increase rate and to control the first bypass valve 41. [

일예로, 출력전류의 증가율은 최소 20kw/sec 이상일 수 있다.For example, the rate of increase of the output current may be at least 20 kw / sec.

일예로, 연료전지 스택의 출력전류의 증가율이 기준증가율 이상이 아니라고 판단하면, 제1 유로를 완전 개방시키도록 조절할 수 있다(S240).For example, if it is determined that the rate of increase of the output current of the fuel cell stack is not equal to or greater than the reference increase rate, the first flow path may be fully opened (S240).

도1 에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 제4 유로(104), 제5 유로(105), 제2 바이패스 밸브(42)를 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment may further include a fourth flow path 104, a fifth flow path 105, and a second bypass valve 42.

제4 유로(104)는 연료전지 스택(30)에서 배출된 공기를 가습기로 안내하도록 구성될 수 있다. The fourth flow path 104 may be configured to guide the air discharged from the fuel cell stack 30 to the humidifier.

제5 유로(105)는 제2 유로(102)와, 제4 유로(104)를 연결하도록 구성될 수 있다. 제2 유로(102)와, 제5 유로(105)의 연결지점에 제2 바이패스 밸브가 마련될 수 있다. 제2 바이패스 밸브(42)는 제2 유로(102) 중의 공기가, 제5 유로(105)로 바이패스 되는 양을 조절하도록 구성될 수 있다. The fifth flow path 105 may be configured to connect the second flow path 102 and the fourth flow path 104. A second bypass valve may be provided at a connection point between the second flow path 102 and the fifth flow path 105. [ The second bypass valve 42 may be configured to adjust the amount of air in the second flow path 102 bypassed to the fifth flow path 105.

제어부(100)는, 연료전지 스택의 운전 상황에 기초해서, 제1 및 제2 바이패스 밸브(41,42)를 제어하도록 구성될 수 있다.The control unit 100 may be configured to control the first and second bypass valves 41 and 42 based on the operating state of the fuel cell stack.

일예로, 가습기(20)와 연료전지 스택(30) 사이에 제5 유로(105)가 배치됨으로써, 연료전지 스택(30)의 운전 상황에 따라, 가습된 공기를 연료전지 스택(30)에 미공급 또는 공기 양을 조절하여 공급할 수 있어, 연료전지 스택(30)의 플러딩을 방지할 수 있는 특징이 있다.For example, the fifth flow path 105 is disposed between the humidifier 20 and the fuel cell stack 30, so that the humidified air is supplied to the fuel cell stack 30 in accordance with the operating conditions of the fuel cell stack 30. And the fuel cell stack 30 can be prevented from being flooded.

제어부(100)는 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황으로 판단하면(S310), 가습기에 의해 가습된 공기 중에, 연료전지 스택으로 공급될 공기의 양을 판단하여(S320), 제2 바이패스 밸브를 제어하여(S330), 제2 유로중의 공기가 제5 유로(105)로 바이패스되도록 공기의 양을 조절할 수 있다(S340).When the control unit 100 determines that the operation state of the fuel cell stack is a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated at a predetermined speed or more in a stop state or a low temperature operation state (S310) The amount of air to be supplied to the fuel cell stack in the humidified air is determined in step S320 and the second bypass valve is controlled in step S330 so that air in the second flow path is bypassed to the fifth flow path 105 The amount of air can be adjusted (S340).

제어부(100)는 공기극으로 공급될 공기의 양을 조절하기 위해, 공기 공급부(10)를 제어할 수 있다. 제어부(100)는 제2 바이패스 밸브(42)에 의해, 제5 유로(105)로 바이패스 되는 공기의 양에 기초하여, 공기 공급부(10)에서 배출되는 공기의 양이 조절되게, 공기 공급부(10)를 제어하도록 구성될 수 있다.The control unit 100 may control the air supply unit 10 to adjust the amount of air to be supplied to the air electrode. The control unit 100 controls the amount of air discharged from the air supply unit 10 to be adjusted by the second bypass valve 42 based on the amount of air that is bypassed to the fifth flow path 105, (Not shown).

본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 입구 공분기(미도시)와, 출구 공분기(미도시)를 포함할 수 있다. The fuel cell system according to the present embodiment may include an inlet shunt (not shown) and an outlet shunt (not shown).

일예로, 연료전지 스택(30)에 입구 공분기(미도시)와, 출구 공분기(미도시)가 마련될 수 있다. 입구 공분기(미도시)는 가습기(20)에서 공급된 공기를 복수의 공기극으로 분배하도록 구성될 수 있으며, 배출 공분기(미도시)는 복수의 공기극에서 배출된 공기를 모아 배출하도록 구성될 수 있다. 제5 유로(105)는 입구 공분기(미도시)와 출구 공분기(미도시)를 연통하도록 구성될 수 있다. For example, an inlet bore (not shown) and an outlet bore (not shown) may be provided in the fuel cell stack 30. The inlet ball branch (not shown) may be configured to distribute the air supplied from the humidifier 20 to a plurality of air electrodes, and the discharge ball branch (not shown) may be configured to collect and discharge the air discharged from the plurality of air electrodes have. The fifth flow path 105 may be configured to communicate an inlet common channel (not shown) and an outlet common channel (not shown).

일예로, 제2 유로(102)는 입구 공분기(미도시)와 연결될 수 있으며, 제4 유로(104)는 배출 공분기(미도시)와 연결될 수 있다.For example, the second flow path 102 may be connected to an inlet bore (not shown), and the fourth flow path 104 may be connected to a discharge bore (not shown).

제어부(100)는 연료전지 스택(30)의 플러딩을 방지하기 위하여, 공기 공급부(10)에서 배출되는 공기가 공기극으로 과량 공급되지 못하도록 제1 및 2 바이패스 밸브(41,42)를 조절하여, 공기극으로 공급될 공기의 양을 조절시킬 수 있는 특징이 있다. The control unit 100 adjusts the first and second bypass valves 41 and 42 so as to prevent the air discharged from the air supply unit 10 from being excessively supplied to the air electrode in order to prevent flooding of the fuel cell stack 30, The amount of air to be supplied to the air electrode can be adjusted.

또한, 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되더라도, 가습기(20) 내의 응축수가 공기극으로 허용량 이상 공급되는 것을 방지함으로써, 플러딩이 발생되는 것을 방지할 수 있어, 연료전지 스택(30)이 열화되는 것을 방지할 수 있는 특징이 있다.Further, even if the operation state of the fuel cell stack is such that the condenser water in the humidifier 20 is supplied to the air electrode at an allowable amount or more even if the vehicle driven by the fuel cell stack accelerates at a predetermined speed or more in a stationary state or a low- It is possible to prevent the occurrence of flooding and to prevent the fuel cell stack 30 from being deteriorated.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10: 공기 공급부 20: 가습부
30: 스택 41: 제1 바이패스 밸브
42: 제2 바이패스 밸브 101: 제1 유로
102: 제2 유로 103: 제3 유로
104: 제4 유로 105: 제5 유로10: air supply part 20: humidification part
30: stack 41: first bypass valve
42: second bypass valve 101: first bypass valve
102: second flow path 103: third flow path
104: fourth flow path 105: fifth flow path

Claims (12)

공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택;
상기 공기극으로 공급될 공기를 가습하는 가습기;
상기 가습기에 공기를 공급하는 공기 공급부;
상기 공기 공급부로부터 상기 공기를 상기 가습기로 안내하는 제1 유로;
상기 가습기에서 가습되어 배출된 공기를 상기 연료전지 스택으로 안내하는 제2 유로;
상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연결하는 제3 유로;
상기 제1 유로와 상기 제3 유로의 연결지점에 마련되어, 상기 제1 유로 중의 공기가 상기 제3 유로로 바이패스 되는 양을 조절하는 제1 바이패스 밸브;
상기 연료전지 스택에서 배출된 공기를 상기 가습기로 안내하는 제4 유로;
상기 제2 유로와 상기 제4 유로를 연결하는 제5 유로; 및
상기 제2 유로와 상기 제5 유로의 연결지점에 마련되어, 상기 제2 유로 중의 공기가 상기 제5 유로로 바이패스 되는 양을 조절하는 제2 바이패스 밸브; 및
상기 연료전지 스택의 플러딩을 예방하기 위해, 상기 연료전지 스택의 운전 상황에 기초해서 상기 제1 및 2 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.A fuel cell stack having an air electrode and a fuel electrode;
A humidifier for humidifying air to be supplied to the air electrode;
An air supply unit for supplying air to the humidifier;
A first flow path for guiding the air from the air supply unit to the humidifier;
A second flow path for guiding the air humidified and discharged from the humidifier to the fuel cell stack;
A third flow path connecting the first flow path and the second flow path;
A first bypass valve provided at a connection point between the first flow path and the third flow path to adjust an amount by which air in the first flow path is bypassed to the third flow path;
A fourth flow path for guiding air discharged from the fuel cell stack to the humidifier;
A fifth flow path connecting the second flow path and the fourth flow path; And
A second bypass valve provided at a connection point between the second flow path and the fifth flow path to adjust an amount by which air in the second flow path is bypassed to the fifth flow path; And
And a control unit for controlling the first and second bypass valves based on an operation state of the fuel cell stack to prevent flooding of the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 상기 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황으로 변경되면, 상기 가습기를 통과하는 공기에 의해 상기 가습기 내의 응축수가 상기 공기극으로 허용량 이상으로 전달되어 플러딩이 발생되게 되는 것을 예방하기 위해, 상기 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되게 상기 제1 바이패스 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
If the operation state of the fuel cell stack is changed to a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated to a predetermined speed or more for a predetermined time during a stop state or a low temperature operation state, The amount of air to be bypassed to the third flow path is increased to prevent the condensation water in the humidifier from being transmitted to the air electrode by more than an allowable amount and causing flooding by the air, Battery system. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 상기 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황으로 변경되면, 상기 공기 공급부에서 배출된 공기 중에 상기 가습기에 의해 가습될 공기의 양을 조절하기 위해, 상기 제1 바이패스 밸브를 통해 상기 제3 유로로 바이패스 될 공기의 양을 조절하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
If the operation state of the fuel cell stack is changed to a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated at a predetermined speed or more for a predetermined time during a stop state or a low temperature operation state, And adjusts the amount of air to be bypassed to the third flow path through the first bypass valve so as to adjust the amount of air to be humidified by the humidifier in the air. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 공기가 상기 공기극으로 기준유량 이상으로 공급되는 상태가 제1 기준시간 동안 지속되면, 상기 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되게 상기 제1 바이패스 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the controller controls the first bypass valve to increase the amount of air bypassed to the third flow passage when the state in which the air is supplied to the air electrode at a reference flow rate or more is maintained for a first reference time, Battery system. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 공기극으로 공급되는 공기의 유량의 증가율이 기준증가율 이상인 상태가 제2 기준시간 동안 지속되면, 상기 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되게 상기 제1 바이패스 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls the first bypass valve to increase the amount of air bypassed to the third flow passage when the rate of increase of the flow rate of the air supplied to the air electrode is equal to or greater than the reference increase rate for a second reference time, Fuel cell system. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력전류가 기준출력 이상인 상태가 제3 기준시간 동안 지속되면, 상기 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되게 상기 제1 바이패스 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the controller controls the first bypass valve to increase the amount of air bypassed to the third flow path when the output current of the fuel cell stack exceeds the reference output for a third reference time, system. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력전류의 증가율이 기준증가율 이상인 상태가 제4 기준시간 동안 지속되면, 상기 제3 유로로 바이패스 되는 공기의 양이 증가되게 상기 제1 바이패스 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls the first bypass valve so that the amount of air bypassed to the third flow path increases when the increase rate of the output current of the fuel cell stack exceeds the reference increase rate for a fourth reference time Fuel cell system. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 운전 상황에 기초해서 상기 제1 바이패스 밸브를 통해 상기 제1 유로와 상기 제3 유로를 연결하는 지점의 개방 정도와 개방 시간을 조절하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit adjusts an opening degree and an opening degree of a point connecting the first flow path and the third flow path via the first bypass valve based on the operation state. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 운전 상황이, 정지 상황이나 저온운전 상황에서, 상기 연료전지 스택에 의해 구동되는 차량이 소정 시간 동안 소정 속도 이상으로 가속되는 상황으로 변경되면, 상기 가습기에 의해 가습된 공기 중에 상기 연료전지 스택으로 공급될 공기의 양을 조절하기 위해, 상기 제2 바이패스 밸브를 통해 상기 제5 유로로 바이패스 될 공기의 양을 조절하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit changes the state of operation of the fuel cell stack to a state in which the vehicle driven by the fuel cell stack is accelerated at a predetermined speed or more for a predetermined time during a stop state or a low temperature operation state, And adjusts the amount of air to be bypassed to the fifth flow path through the second bypass valve to adjust the amount of air to be supplied to the fuel cell stack in the air. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 공기극으로 공급될 공기의 양을 조절하기 위해 상기 공기 공급부를 제어하며, 또한 상기 제2 바이패스 밸브에 의해 상기 제5 유로로 바이패스 되는 공기의 양에 기초해서, 상기 공기 공급부에서 배출되는 공기의 양이 조절되게 상기 공기 공급부를 제어하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls the air supply unit to adjust the amount of air to be supplied to the air electrode and further controls the amount of air to be supplied to the air supply unit based on the amount of air that is bypassed to the fifth flow path by the second bypass valve, And controls the air supply unit so that the amount of air discharged from the air supply unit is controlled. 청구항 1에 있어서,
상기 가습기에서 공급된 공기를 복수의 상기 공기극으로 분배하는 입구 공분기와, 복수의 상기 공기극에서 배출된 공기를 모아서 배출하는 출구 공분기를 더 포함하고,
상기 제5 유로는 상기 입구 공분기와 상기 출구 공분기를 연통하는 연료전지 시스템. The method according to claim 1,
Further comprising: an inlet ball branch for distributing the air supplied from the humidifier to a plurality of the air electrodes; and an outlet ball branch for collecting and discharging the air discharged from the plurality of air electrodes,
And said fifth flow path communicates said inlet bore and said outlet bore.
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