KR20070098072A

KR20070098072A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20070098072A
Application number: KR1020060029254A
Authority: KR
Inventors: 김상현; 오형석; 오승찬; 이종현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-05
Also published as: KR101274446B1

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 연료 전지 시스템의 운전정지시에 그 내부에 잔류하는 가연성 가스를 퍼지하는 장치에 관한 것으로서, 스택에서 배출되는 반응가스(배출가스)를 이용하여 연료 전지 시스템의 퍼지계통의 구조를 간단하게 한 것이다.

본 발명은 수소저장수단(10)에 저장된 수소와, 공압발생수단에서 생성한 공기를 수소 및 공기공급도관(13)(14)을 통하여 스택(12)에 공급하고, 상기 스택(12)은 일측에 촉매층을 형성한 전해질막과, 상기 전해질막의 양측에 아노드와 캐소드를 배치한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택(12)에 반응가스 배출관(21)을 연결하여 상기 반응가스 배출관(21)에 수소재순환도관(16)에 연결한 도관(23)과, 제 2 공기공급도관(24)을 연결하고, 상기 반응가스 배출관(21)의 출구에 설치하여 반응가스 중의 질소를 선별하며, 산소 및 수소센서(28)(29)를 설치한 질소선별수단(20)과; 상기 질소선별수단(20)에 메인배출도관(32)을 연결하여 삼방변(34)을 설치하고, 상기 삼방변(34)의 출구측에 설치되며 내부에 압력센서(31)를 내장한 질소저장탱크(30)와; 상기 질소저장탱크(30)에 퍼지용 메인도관(41)의 일단을 솔레노이드 밸브(42)와 함께 연결하고, 상기 퍼지용 메인도관(41)의 타단에 병렬설치하여 상기 수소 및 공기공급도관(13)(14)에 각각 연결한 퍼지용 도관(40a)(40b)과; 상기 산소 및 수소센서(28)(29)의 출력신호에 의하여 상기 도관(23)과 제 2 공기공급도관(24)을 개폐하여 질소선별수단(20)에 수소와 공기를 선택적으로 공급하고, 상기 압력센서(31)의 출력신호에 의하여 상기 삼방변(34)의 방향을 전환하며, 시스템의 정지시 충돌센서(51)의 출력신호에 의하여 상기 수소 및 공기공급도관(13)(14)에 질소를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브(42)를 일정시간 개방 제어토록 한 제어기(50)를 포함하여 구성한 것이다.

스택, 질소선별수단, 질소저장탱크, 버퍼 탱크, 삼방변, 콤프레서, 퍼지용 도관, 제어기

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예의 개략 구성도

도 2는 본 발명의 실시예의 제어 블록도

< 도면의 주요부분에 대한 부호설명 >

12 : 스택 20 : 질소선별수단 30 : 질소저장탱크

33 : 버퍼 탱크 34 : 삼방변 35 : 콤프레서

40a,40b : 퍼지용 도관 50 : 제어기

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 연료 전지 시스템의 운전정지시에 그 내부에 잔류하는 가연성 가스를 퍼지(purge)하는 장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 연료 전지 시스템은 개질기, 봄베, 수소저장합금 등의 수소저장수단에 저장된 수소와, 콤프레서, 블로워 등의 공압발생수단에 의하여 발생한 공기를 스택(연료전지본체)에 공급하고, 상기 스택은 고체고분자막의 일측에 촉매층을 형성한 전해질막과 상기 전해질막의 양측에 수소가스가 공급되는 아노 드(anode)와 산화제 가스인 공기가 공급되는 캐소드(cathode)를 배치하여서, 상기 수소와 산소가 반응하여 전기와 물을 생성하는 것이며, 이는 물의 전기분해의 반대반응이고, 상기 수소의 공급라인에는 재순환 블로워를 설치하여 스택에서 반응하지 않는 수소를 재순환하여 그 사용효율을 증대하고 있다.

상기한 연료 전지 시스템은 운전정지시 또는 충돌사고시에 스택, 수소공급라인 등에 가연성 가스(주로 수소를 포함한 가스)가 잔류되며, 상기와 같이 가연성 가스가 잔류된 상태로 연료 전지 시스템을 방치하면 가연성 가스가 반응하여 스택 등의 부식을 초래하여 수명을 단축하고 화재 등의 위험을 초래하고 있다.

상기한 실정을 감안하여 연료 전지 시스템에 불활성 가스를 저장하는 봄베(통상 질소 봄베)를 연결하여 운전정지 중에 상기 봄베에 저장된 불활성 가스를 스택과 수소공급라인 등에 공급하여 연료 전지 시스템 내에 잔류된 가연성 가스를 퍼지하고 있다.

그러나 상기한 연료 전지 시스템의 퍼지장치는 불활성 가스 봄베에 충전한 불활성 가스의 양이 한정됨으로 이를 수시로 교환 또는 재충전하여야함으로 번거로운 문제점이 있는 것이다.

상기한 불활성 가스 봄베의 교환 또는 재충전의 번거로움을 해결한 연료 전지 시스템이 일본국 특허출원공개 평 6-203864 호 공보에 개시되어 있다.

상기 연료 전지 시스템의 퍼지계통은 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질장치와; 상기 개질장치에서 생성된 수소와, 공기 중의 산소의 전기화학적 반응에 의하여 발전을 하는 연료전지본체와; 상기 연료전지본체의 운전정지 중에 연료 전 지 시스템 내에 잔류하고 있는 가연성 가스를 퍼지하는 불활성 가스를 저장하는 탱크와; 상기 탱크 내에 저장하는 불활성 가스를 발생함과 아울러 상기 탱크 내의 가스압에 의하여 불활성 가스의 발생량을 변화하도록 구성한 불활성 가스 발생장치와; 상기 탱크와 개질장치를 연결하는 통로와; 상기 통로의 도중에 설치하여 상기 연료 전지본체의 운전이 정지되면 개방하고 가연성 가스의 퍼지가 종료되면 폐쇄하도록 구성한 밸브를 구비한 것이다.

그러나 상기한 연료 전지 시스템의 퍼지계통의 불활성 가스 발생장치는 원료공기를 압축하는 콤프레서와, 상기 콤프레서에 의하여 압축된 공기로부터 산소가스, 탄산가스, 수분 등을 분리하는 흡착제가 충진된 흡착조를 주구성으로 함으로써, 불활성 가스 발생장치의 구성이 복잡하고 원가가 상승되며, 차량에 탑재할 때 그 탑재공간을 많이 차지하는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 스택에서 배출되는 반응가스(배출가스)를 이용하여 연료 전지 시스템의 퍼지계통의 구조를 간단하게 한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소저장수단에 저장된 수소와, 공압발생수단에서 생성한 공기를 수소 및 공기공급도관을 통하여 스택에 공급하고, 상기 스택은 일측에 촉매층을 형성한 전해질막과, 상기 전해질막의 양측에 아노드와 캐소드를 배치한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택에 반응가스 배출관을 연결하여 상기 반응가스 배출관에 수소재순환도관에 연결한 도관과, 제 2 공기공급 도관을 연결하고, 상기 반응가스 배출관의 출구에 설치하여 반응가스 중의 질소를 선별하며, 산소 및 수소센서를 설치한 질소선별수단과; 상기 질소선별수단에 메인배출도관을 연결하여 삼방변을 설치하고, 상기 삼방변의 출구측에 설치되며 내부에 압력센서를 내장한 질소저장탱크와; 상기 질소저장탱크에 퍼지용 메인도관의 일단을 솔레노이드 밸브와 함께 연결하고, 상기 퍼지용 메인도관의 타단에 병렬설치하여 상기 수소 및 공기공급도관에 각각 연결한 퍼지용 도관과; 상기 산소 및 수소센서의 출력신호에 의하여 상기 도관과 제 2 공기공급도관을 개폐하여 질소선별수단에 수소와 공기를 선택적으로 공급하고, 상기 압력센서의 출력신호에 의하여 상기 삼방변의 방향을 전환하며, 시스템의 정지시 충돌센서의 출력신호에 의하여 상기 수소 및 공기공급도관에 질소를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브를 일정시간 개방 제어토록 한 제어기를 포함하여 구성한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예의 제어 블록도로서, 10은 개질기, 봄베, 수소저장합금 등의 수소저장수단이고, 11은 콤프레서, 블로워 등의 공압발생수단이며, 12는 스택(연료전지본체)으로서, 상기 수소저장수단(10)과 공압발생수단(11)을 수소 및 공기공급도관(13)(14)으로 연결하여 스택(12) 내에서 수소와 산소가 반응하여 전기와 물을 생성하는 것이며, 상기 스택(12)은 종래의 것과 동일하다.

그리고 상기 수소공급도관(13)에는 재순환 블로워(15)를 설치한 수소재순환도관(16)을 연결하여 스택(12)의 수소사용 효율을 증대한 것이며, 상기 수소 및 공 기공급도관(13)(14)에는 각각 솔레노이드 밸브(미도시)를 설치함과 아울러 수소공급도관(14)에는 압력조절기(미도시)를 설치한 것이다.

20은 질소선별수단으로서, 상기 질소선별수단(20)은 상기 스택(12)에 체크 밸브(22)를 설치한 반응가스 배출관(21)으로 연결하고, 상기 반응가스 배출관(21)에 상기 수소재순환도관(16)에 연결한 도관(23)과 공압발생수단(11)에 연결된 제 2 공기공급도관(24)을 연결함과 아울러 상기 도관(23)(24)에 각각 퍼지 밸브(25)와 솔레노이드 밸브(26)를 설치하며, 상기 질소선별수단(20)은 주지된 스택(12)에서 집전판만을 제거한 것으로서, 스택(12)에서 배출되는 반응가스(상기 반응가스는 공기 중의 산소가 수소와 반응한 후 배출되는 것임으로 다량의 질소가 남아있음) 중에서 수소와 산소를 소모하면서 물을 생성하여 드레인관(27)으로 배출하고, 질소는 그 농도를 적정 질소분포율(예 순도 95%)로 유지시키는 것이다.

그리고 상기 질소선별수단(20)에는 산소센서(28) 및 수소센서(29)를 설치하여 질소선별수단(20)에 유입되는 반응가스 중의 질소분포율을 판단하여 상기 퍼지 밸브(25) 또는 솔레노이드 밸브(26)를 개방하여 반응가스 배출관(21)을 통하여 질소선별수단(20)에 수소 또는 산소를 추가 공급하는 것이다.

30은 질소저장탱크로서, 상기 질소저장탱크(30)는 내부에 압력센서(31)를 설치하여서 상기 질소선별수단(20)과 메인배출도관(32)으로 연결하고, 상기 메인배출도관(32)의 질소선별수단(20)측으로부터 질소선별수단(20)에서 생성한 질소의 완충기능을 수행하는 버퍼 탱크(33)와, 질소를 질소저장탱크(30)에 공급하거나 대기로 배출하는 삼방변(34)과, 상기 질소저장탱크(30) 내의 압력이 소정치 이하일 때, 질 소를 고압으로 압송하는 콤프레서(35)를 설치한 것이다.

40a, 40b는 퍼지용 도관으로서, 상기 퍼지용 도관(40a)(40b)은 상기 질소저장탱크(30)에 퍼지용 메인도관(41)의 일단을 솔레노이드 밸브(42)와 함께 연결하고, 상기 퍼지용 메인도관(41)의 타단에 병렬설치하여 상기 수소 및 공기공급도관(13)(14)에 각각 연결하여서, 시스템의 퍼지시에 솔레노이드 밸브(42)를 일정시간 개방하여 질소저장탱크(30)에 저장된 질소를 수소 및 공기공급도관(13)(14)에 공급하는 것이다.

50은 제어기로서, 상기 제어기(50)는 상기 질소선별수단(20)에 설치한 산소센서(28) 및 수소센서(29)의 출력신호를 입력받아 상기 도관(23)(24)에 설치한 퍼지 밸브(25) 또는 솔레노이드 밸브(26)를 선택적으로 개폐 제어하여 질소선별수단(20)에 수소와 공기를 선택적으로 공급하여 수소와 산소를 적절하게 반응시키며, 또한 상기 삼방변(34)의 방향을 전환하여 질소를 질소저장탱크(30)에 공급하거나 대기로 방출하는 것이다.

또한 시스템의 정지 또는 충돌사고시 그 시동스위치의 "오프" 또는 충돌센서(51)의 출력신호에 의하여 상기 솔레노이드 밸브(42)를 일정시간동안 개방 제어하여 질소저장탱크(30)에 저장된 질소를 수소 및 공기공급도관(13)(14)에 공급하여 스택(12) 및 수소공급라인 등에 잔류하고 있는 불활성 가스를 퍼지하도록 한 것이다.

이상과 같은 본 발명은 스택(12)에 수소저장수단(10)의 수소와 공압발생수단(11)에서 생성한 공기를 수소 및 공기공급도관(13)(14)을 통하여 공급하여서 수 소와 산소의 반응에 의하여 전기를 발생하고, 스택(12)에서 반응하고 남은 반응가스(주성분이 질소가스임)는 반응가스 배출관(21)을 통하여 질소선별수단(20)에 유입시켜 적정 질소분포율(예 순도 95%이상)에 부합되게 조정한 후 버퍼 탱크(33)에 모이도록 하며, 상기 버퍼 탱크(33)에 모인 질소가스는 콤프레서(35)에 의하여 질소저장탱크(30)에 충전 저장되며, 상기와 같이 운전할 때 삼방변(34)은 콤프레서(35)측으로 연통되고 솔레노이드 밸브(42)는 폐쇄상태를 유지하는 것이다.

그리고 질소저장탱크(30) 내의 압력이 설정압력에 도달되면 압력센서(31)의 출력신호를 입력받은 제어기(50)의 출력에 의하여 콤프레서(35)의 구동을 정지함과 동시에 삼방변(34)을 화살표와 같이 대기 개방으로 조작하여 반응가스를 대기로 배출하고, 상기 삼방변(34)과 콤프레서(35)는 후술하는 바와 같이 질소저장탱크(30)에 충전한 질소가스가 스택(12) 등에 잔류하고 있는 가연성 가스를 퍼지하여 소모되면 초기상태로 전환되는 것이다.

상기 적정질소분포율 조정은 스택(12)에서 반응을 마친 반응가스(배출가스)가 질소선별수단(20)에 유입되면 산소센서(28) 및 수소센서(29)가 그 반응가스에 포함된 산소와 수소의 함량을 제어기(50)에 입력하여 수소가 많을 경우 솔레노이드 밸브(26)를 개방하여 질소선별수단(20)에 공기를 추가 공급하고, 산소가 많을 경우 퍼지 밸브(25)를 개방하여 질소선별수단(20)에 수소를 추가 공급하여서, 반응가스 중의 질소분포율을 양호하게 즉 순도가 양호한 질소가스를 유지토록하는 것이다.

상기와 같이 질소가스를 적정 질소분포율로 조정하면 그 질소가스는 연소를 돕지 않고 비활성상태를 유지함으로써 가연성 가스의 퍼지시에 안정되게 사용할 수 있는 것이다.

한편 연료 전지 시스템의 운전을 정지하거나 충돌사고시에는 시동스위치의 "오프" 또는 충돌센서(51)의 출력신호를 입력받은 제어기(50)가 솔레노이드 밸브(42)를 일정시간 개방함으로써 질소저장탱크(30)에 저장된 질소가스가 퍼지용 도관(40a)(40b)을 통하여 수소 및 공기공급도관(13)(14)에 공급됨과 동시에 스택(12) 등에 공급되어 가연성 가스를 퍼지하는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 스택에서 배출되는 반응가스를 적정 질소분포율이 되게 선별하여 그 질소가스를 질소저장탱크에 충전하였다가 시스템 내의 가연성 가스를 퍼지함으로써, 퍼지계통의 구조를 간단하게 할 수 있고, 퍼지계통의 구조가 간단하며 경량화하고 소형화할 수 있음으로 원가를 절감하고, 차량에 탑재할 때에는 그 탑재공간을 작게 차지함으로 설계의 자유도를 증대할 수 있는 것이다.

Claims

수소저장수단에 저장된 수소와, 공압발생수단에서 생성한 공기를 수소 및 공기공급도관을 통하여 스택에 공급하고, 상기 스택은 일측에 촉매층을 형성한 전해질막과, 상기 전해질막의 양측에 아노드와 캐소드를 배치한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택에 반응가스 배출관을 연결하여 상기 반응가스 배출관에 수소재순환도관에 연결한 도관과, 제 2 공기공급도관을 연결하고, 상기 반응가스 배출관의 출구에 설치하여 반응가스 중의 질소를 선별하며, 산소 및 수소센서를 설치한 질소선별수단과; 상기 질소선별수단에 메인배출도관을 연결하여 삼방변을 설치하고, 상기 삼방변의 출구측에 설치되며 내부에 압력센서를 내장한 질소저장탱크와; 상기 질소저장탱크에 퍼지용 메인도관의 일단을 솔레노이드 밸브와 함께 연결하고, 상기 퍼지용 메인도관의 타단에 병렬설치하여 상기 수소 및 공기공급도관에 각각 연결한 퍼지용 도관과; 상기 산소 및 수소센서의 출력신호에 의하여 상기 도관과 제 2 공기공급도관을 개폐하여 질소선별수단에 수소와 공기를 선택적으로 공급하고, 상기 압력센서의 출력신호에 의하여 상기 삼방변의 방향을 전환하며, 시스템의 정지시 충돌센서의 출력신호에 의하여 상기 수소 및 공기공급도관에 질소를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브를 일정시간 개방 제어토록 한 제어기를 포함하여 구성한 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 질소선별수단은 주지된 스택에서 집전판을 제거한 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 질소선별수단에서 배출되는 질소가스는 적정 질소분포율을 유지하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 질소선별수단의 출구측에 버퍼 탱크를 설치한 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 질소저장탱크의 입구측에 콤프레서를 설치한 연료 전지 시스템.