KR20050001671A - Fuel electric cell device having variable pressure device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a variable pressure control fuel cell device to allow the pressure of a fuel cell stack to be controlled mechanically and simply by a check valve without using a complex control system. CONSTITUTION: The variable pressure control fuel cell device(100) comprises a discharge pipe line which is provided with a main line(12) provided at one side of a fuel cell stack(10) of an electrical automobile and a plurality of branch lines(14, 16, 18) connected with each main line, and discharges gas; and a pressure control member(20) which is mounted on the branch lines of the discharge pipe line and selectively opens and closes the discharge pipe line according to the pressure of the fuel cell stack. Preferably the pressure control member opens a minimum number of branch lines at the low pressure setting of branch lines and opens a maximum number of branch lines at the high pressure setting of branch lines when the pressure of the fuel cell stack reaches the set value from a low voltage to a high voltage step by step.

Description

가변 가압장치가 구비된 연료 전지장치{FUEL ELECTRIC CELL DEVICE HAVING VARIABLE PRESSURE DEVICE}FUEL ELECTRIC CELL DEVICE HAVING VARIABLE PRESSURE DEVICE}

본 발명은 가변 압력조절 연료 전지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지 스택의 압력조절을 복잡한 제어시스템의 사용없이 체크밸브를 통하여 기계적으로 간단하게 구현할 수 있는 가변 압력조절 연료 전지장치에 관한 것이다.The present invention relates to a variable pressure regulating fuel cell apparatus, and more particularly, to a variable pressure regulating fuel cell apparatus which can simply and mechanically implement pressure regulation of a fuel cell stack through a check valve without using a complicated control system. .

일반적으로 고체 고분자 연료 전지를 운전하는 시스템은 크게 상압형 및 가압형으로 나뉘어 개발되고 있다.In general, a system for operating a solid polymer fuel cell has been largely developed into a normal pressure type and a pressurized type.

상기 상압형 연료 전지의 경우 연료 전지의 환원극에 상압의 공기를 공급하기 위해 많은 전력이 필요하지 않는 공기 블로어를 사용하고 있다. 이는 연료 전지 시스템을 운전하기 위한 주변 장치들의 전원을 스택에서 공급받아야 된다는 사실로볼 때 연료 전지 스택의 전력손실이 줄어든다는 장점이 있는 반면 운전압력이 높아질수록 연료 전지의 효율이 높아진다는 관점에서 볼 때는 전력밀도가 낮아진다는 단점이 있다.In the case of the atmospheric pressure fuel cell, an air blower that does not require much electric power is used to supply atmospheric pressure air to the cathode of the fuel cell. This has the advantage that the power loss of the fuel cell stack is reduced in view of the fact that the peripheral devices for operating the fuel cell system must be supplied from the stack, whereas the higher the operating pressure, the higher the fuel cell efficiency. In this case, the power density is lowered.

이에 따라, 전술한 문제점을 보완하기 위하여 가압형 연료 전지 시스템을 개발하고 있는데, 이는 환원극에 상압보다 높은 압력으로 공기를 공급하기 위해 콤프레셔를 사용하고 있고, 연료 전지 스택을 통과하고 나오는 가스배관에 압력제어장치인 백 프레슈어 레귤레이터(BACK PRESSURE REGULATOR)를 장착하여 연료 전지 스택에 공급되는 가스 및 냉각수의 압력을 제어한다.Accordingly, in order to supplement the above-mentioned problems, a pressurized fuel cell system has been developed, which uses a compressor to supply air to the cathode at a pressure higher than normal pressure, and passes through the fuel cell stack to the gas pipe. Back pressure regulator, a pressure control device, is installed to control the pressure of gas and coolant supplied to the fuel cell stack.

도 1은 종래 기술에 따른 백 프레슈어 레귤레이터가 장착된 가압형 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view of a pressurized fuel cell system equipped with a back pressure regulator according to the prior art.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 백 프레슈어 레귤레이터가 장착된 가압형 연료 전지 시스템(1)은, 연료 전지스택(3)과, 연료 전지스택(3)의 일측에 연결된 유입관로(5)와, 유입관로(5)를 통하여 연료 전지스택(3)에 공기를 공급하는 컴프레셔(7)와, 유입관로(5)를 통하여 연료 전지스택(3)에 냉각제를 공급하는 펌프(9)와, 유입관로(5)를 통하여 연료 전지스택(3)에 수소를 공급하는 수소탱크(2)와, 상기 연료 전지스택(3)의 타측에 연결된 배출관로(4)와, 배출관로(4) 각각에 장착된 백 프레슈어 레귤레이터(6)로 구비된다.As shown in FIG. 1, the pressurized fuel cell system 1 equipped with the back pressure regulator according to the related art includes a fuel cell stack 3 and an inlet pipe connected to one side of the fuel cell stack 3. 5), a compressor 7 for supplying air to the fuel cell stack 3 through the inlet conduit 5, and a pump 9 for supplying coolant to the fuel cell stack 3 through the inlet conduit 5; And a hydrogen tank (2) for supplying hydrogen to the fuel cell stack (3) through the inlet pipe (5), a discharge pipe line (4) connected to the other side of the fuel cell stack (3), and a discharge pipe line (4). It is provided with the back pressure regulator 6 attached to each.

이러한 연료 전지 스택(3) 내의 운전압력은 도시된 바와 같이, 배출관로(4)에 압력제어장치인 백 프레슈어 레귤레이터(6)를 이용하여 연료 전지 스택에 부과되는 운전압력을 제어한다. 이러한 운전압력이 가변적으로 변동 될 경우 공급되는수소등의 가스들은 연료 전지 스택이 출력하는 전력에 비례하여 증가하게 되는데, 이에 따른 운전 압력은 가스의 유량을 측정하거나 출력을 측정하여 전기적 제어신호를 압력제어장치에 보내어 적절한 운전압력을 이루도록 한다.As shown in the drawing, the operating pressure in the fuel cell stack 3 controls the operating pressure applied to the fuel cell stack by using the back fresh regulator 6 as a pressure control device in the discharge line 4. When the operating pressure is variably changed, the gas such as hydrogen supplied increases in proportion to the power output from the fuel cell stack. Accordingly, the operating pressure measures an electric control signal by measuring a gas flow rate or an output. Send to control device to achieve proper operating pressure.

그러나 전술한 시스템은 연료 전지 시스템의 운전압력이 일정하게 고정되어 있는 경우에는 적합하지만 연료 전지 스택에서 생산되는 전력의 변동에 따라 낮은 출력 전력에서는 수소등의 가스의 양이 적으므로 높은 운전압력을 유지하기가 어렵게 되므로 가변적인 운전압력이 시스템에 적용되는 것이 적합하다. 그러나, 연료 전지 시스템에 가변적인 운전압력을 적용하기 위해서는 출력전류에 따른 공기량 또는 수소량을 측정 및 계산하여 그에 따른 압력범위를 전기적 방법으로 압력제어장치에 보내야하나 이는 시스템을 제어하기가 복잡해지는 문제점이 있다.However, the above-described system is suitable when the operating pressure of the fuel cell system is fixed, but the high operating pressure is maintained because the amount of gas such as hydrogen is small at low output power due to the fluctuation of the power produced in the fuel cell stack. Since it is difficult to do this, it is appropriate to apply a variable operating pressure to the system. However, in order to apply the variable operating pressure to the fuel cell system, it is necessary to measure and calculate the amount of air or hydrogen according to the output current and send the corresponding pressure range to the pressure control device by an electrical method, which is complicated to control the system. There is this.

본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 연료 전지 스택의 압력조절을 복잡한 제어시스템의 사용없이 체크밸브를 통하여 기계적으로 간단하게 구현할 수 있도록 하는 가변 압력조절 연료 전지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a variable pressure regulating fuel cell apparatus which enables the pressure regulation of a fuel cell stack to be simply mechanically implemented through a check valve without using a complicated control system. Its purpose is to.

도 1은 종래 기술에 따른 백 프레슈어 레귤레이터가 장착된 가압형 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면.1 is a schematic illustration of a pressurized fuel cell system equipped with a back pressure regulator according to the prior art;

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 압력조절 연료 전지장치를 개략적으로 도시한 도면.2 is a view schematically showing a variable pressure control fuel cell apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 압력조절 연료 전지장치는, 전기 자동차의 연료 전지 스택의 일측에 구비되는 메인라인과, 상기 메인라인의 각각에 연통되는 다수개의 브렌치 라인을 구비하여 가스가 배출되는 배출관로; 및 상기 배출관로의 브렌치 라인에 장착되어 상기 연료 전지 스택의 압력에 따라 상기 배출관로를 선택적으로 개폐하는 압력조절부재;가 장착된 것을 특징으로 한다.The variable pressure regulating fuel cell apparatus of the present invention for achieving the above object is provided with a main line provided on one side of the fuel cell stack of the electric vehicle, and a plurality of branch lines connected to each of the main lines to discharge the gas. Discharge pipe; And a pressure regulating member mounted on a branch line of the discharge pipe path to selectively open and close the discharge pipe path according to the pressure of the fuel cell stack.

본 발명에 있어서, 상기 압력조절부재는,In the present invention, the pressure regulating member,

상기 연료 전지스택의 압력이 저압에서 고압으로 단계적으로 설정된 설정치에 순차적으로 도달시에, 상기 다수의 브렌치 라인을 저압 설정치에서는 최소 갯수의 브렌치 라인을 개방하고, 고압 설정치에서는 최대 갯수의 브렌치 라인을 개방하는 것을 특징으로 한다.When the pressure of the fuel cell stack sequentially reaches a set value set in steps from low pressure to high pressure, the plurality of branch lines are opened with a minimum number of branch lines at a low pressure set point, and a maximum number of branch lines at a high pressure set point. Characterized in that.

본 발명에 있어서, 상기 압력조절부재는 체크밸브로 구비되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the pressure regulating member is characterized in that it is provided with a check valve.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 압력조절 연료 전지장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, a variable pressure control fuel cell apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 압력조절 연료 전지장치를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a view schematically showing a variable pressure control fuel cell apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 압력조절 연료 전지장치(100)는, 가스가 배출될 수 있는 배출관로를 구비한 연료 전지 스택에 있어서, 배출관로(19)에는 연료 전지 스택(10)의 압력에 따라 배출관로(19)를 선택적으로 개폐하는 압력조절부재(20)가 구비된다.As shown in FIG. 2, the variable pressure regulating fuel cell apparatus 100 according to the present invention includes a fuel cell stack having a discharge pipe path through which gas can be discharged. According to the pressure of 10) is provided with a pressure control member 20 for selectively opening and closing the discharge pipe (19).

상기 연료 전지스택(10)의 일측에는 유입관로(11)가 구비되며, 타측에는 배출관로(19)가 구비된다. 상기 유입관로(11)는 연료 전지 스택(10)으로 유입되는 가스, 냉각제 및 공기등이 유입될 수 있는 관로를 말한다. 상기 유입관로(11)는 가스가 유입될 수 있는 수소탱크(13)와, 공기가 유입되도록 하는 컴프레서(15)와, 냉각제가 유입되도록 하는 펌프(17)가 연결되어 가스, 공기 및 냉각제등을 연료 전지 스택(10)에 유입될 수 있도록 한다.One side of the fuel cell stack 10 is provided with an inlet conduit 11, and the other side is provided with a discharge conduit 19. The inflow pipe 11 refers to a pipe through which gas, coolant, air, and the like introduced into the fuel cell stack 10 may be introduced. The inlet pipe 11 is connected to a hydrogen tank 13 through which gas can be introduced, a compressor 15 through which air is introduced, and a pump 17 through which a coolant is introduced, thereby providing gas, air, and a coolant. To be introduced into the fuel cell stack 10.

상기 배출관로(19)는 유입관로(11)를 통하여 유입된 가스, 공기 및 냉각제가 배출되는 관로를 말한다. 상기 배출관로(19)는 유입관로(11)의 설치 개수와 동일 개수로 구비되는 메인라인(12)과, 메인라인(12)에 연통되며 압력조절부재(20)가 장착된 브렌치 라인으로 구비된다. 상기 브렌치 라인은 압력조절을 위하여 다수개, 바람직하게는 제1/제2/제3브렌치 라인(14)(16)(18)의 3개로 구비되며, 이 브렌치 라인의 개수는 3개로 한정되지 않고 압력조절의 세분화의 요구에 따라 그 개수의 변동이 가능함은 물론이다.The discharge pipe line 19 refers to a pipe line through which gas, air, and coolant introduced through the inlet pipe 11 are discharged. The discharge line 19 is provided with a main line 12 provided with the same number as the installation number of the inlet line 11, and a branch line communicating with the main line 12 and equipped with a pressure regulating member 20. . The branch line is provided with a plurality of branch lines, preferably three of the first, second and third branch lines 14, 16 and 18, and the number of branch lines is not limited to three. It is a matter of course that the number can be changed according to the demand of the subdivision of the pressure control.

상기 압력조절부재(20)는 제1/제2/제3브렌치 라인(14)(16)(18)의 각각에 장착되어 제1/제2/제3브렌치 라인(14)(16)(18)을 선택적으로 개폐하는 것으로서 체크밸브로 구비됨이 바람직하다. 상기 압력조절부재(20)는 연료 전지 스택(10)에 공급된 가스등으로 연료 전지 스택(10)의 압력이 기설정치 이상으로 상승되면 제1/제2/제3브렌치 라인(14)(16)(18)을 단계적으로 개방하여 압력을 조절한다.The pressure regulating member 20 is mounted to each of the first / second / third branch lines 14, 16 and 18 and is the first / second / third branch lines 14, 16 and 18. ) Is selectively provided as a check valve. The pressure regulating member 20 is a gas supplied to the fuel cell stack 10, and when the pressure of the fuel cell stack 10 rises above a predetermined value, the first / second / third branch lines 14 and 16 are applied. Open 18 stepwise to adjust the pressure.

구체적으로, 연료 전지 스택(10)의 압력이 기설정된 제1압력설정치에 도달되면, 압력조절밸브(20)의 선택적인 작동을 통하여 제1브렌치 라인(14)을 개방하고, 제2압력설정치에 도달하면 제1/제2브렌치 라인(14)(16)을 개방하며, 제3압력설정치에 도달하면 제1/제2/제3브렌치 라인(14)(16)(18)을 함께 개방하도록 한다. 이에 따라, 상기 연료 전지스택(10)의 압력이 기설정된 제1/제2/제3압력설정치에 단계적으로 도달할 경우 압력조절밸브(20)를 통한 제1/제2/제3브렌치 라인(14)(16)(18)의 선택적인 개방을 통하여 연료 전지 스택(10)의 운전압력을 별도의 제어없이 단순화된 구조로서 운전압력을 제어할 수 있는 구조를 갖는다.Specifically, when the pressure of the fuel cell stack 10 reaches the first preset pressure set point, the first branch line 14 is opened through the selective operation of the pressure regulating valve 20, and the second pressure set point is opened. The first / second branch lines 14, 16 are opened when they are reached and the first / second / third branch lines 14, 16, 18 are opened together when the third pressure set point is reached. . Accordingly, when the pressure of the fuel cell stack 10 reaches the predetermined first / second / third pressure set value step by step, the first / second / third branch line through the pressure regulating valve 20 ( By selectively opening the 14, 16 and 18, the operating pressure of the fuel cell stack 10 can be controlled as a simplified structure without additional control.

상기와 같은 본 발명에 따른 가변 압력조절 연료 전지장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.The variable pressure control fuel cell apparatus according to the present invention as described above has the following effects.

연료 전지 스택의 운전압력조절을 기계적으로 구현된 복수의 압력조절용 체크밸브를 통하여 압력을 조절함으로써, 복잡한 제어 알고리즘의 사용없이 운전압력제어가 가능하다.By adjusting the pressure through a plurality of pressure regulating check valves mechanically implemented to adjust the operating pressure of the fuel cell stack, the operating pressure can be controlled without using a complicated control algorithm.

또한, 연료 전지 스택의 운전압력조절을 기계적으로 구현된 체크밸브를 통하여 간단하게 압력조절이 가능하도록 하여 설비를 단순화시킬 수 있음으로써 원가절감이 가능하다.In addition, it is possible to reduce the cost by simplifying the installation by simply adjusting the pressure through the mechanically implemented check valve to adjust the operating pressure of the fuel cell stack.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications or other embodiments falling within the scope equivalent to the present invention are possible by those skilled in the art. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined by the following claims.

Claims (2)

전기 자동차의 연료 전지 스택의 일측에 구비되는 메인라인과, 상기 메인라인의 각각에 연통되는 다수개의 브렌치 라인을 구비하여 가스가 배출되는 배출관로; 및A discharge line having a main line provided at one side of the fuel cell stack of the electric vehicle, and a plurality of branch lines communicating with each of the main lines to discharge gas; And 상기 배출관로의 브렌치 라인에 장착되어 상기 연료 전지 스택의 압력에 따라 상기 배출관로를 선택적으로 개폐하는 압력조절부재;가 장착된 것을 특징으로 하는 가변 압력조절 연료 전지장치.And a pressure regulating member mounted on a branch line of the discharge pipe to selectively open and close the discharge pipe according to the pressure of the fuel cell stack. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압력조절부재는,The pressure control member, 상기 연료 전지스택의 압력이 저압에서 고압으로 단계적으로 설정된 설정치에 순차적으로 도달시에, 상기 다수의 브렌치 라인을 저압 설정치에서는 최소 갯수의 브렌치 라인을 개방하고, 고압 설정치에서는 최대 갯수의 브렌치 라인을 개방하는 것을 특징으로 하는 가변 압력조절 연료 전지장치.When the pressure of the fuel cell stack sequentially reaches a set value set in steps from low pressure to high pressure, the plurality of branch lines are opened with a minimum number of branch lines at a low pressure set point, and a maximum number of branch lines at a high pressure set point. A variable pressure control fuel cell device, characterized in that.
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