KR20080044429A - Fuel cell system and emergency driving method - Google Patents

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KR20080044429A KR1020060113282A KR20060113282A KR20080044429A KR 20080044429 A KR20080044429 A KR 20080044429A KR 1020060113282 A KR1020060113282 A KR 1020060113282A KR 20060113282 A KR20060113282 A KR 20060113282A KR 20080044429 A KR20080044429 A KR 20080044429A
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Abstract

A fuel cell system is provided to prevent degradation of the quality of a stack (particularly an electrolyte membrane) caused by long-term shut-down and to enable emergency driving. A fuel cell system comprises: a timer(210) for measuring a time interval from the endpoint of the last driving of the fuel cell system; and an operation managing and controlling section(220), which causes the fuel cell system to be in an emergency driving state for a predetermined period, if the time measured by the timer reaches a predetermined reference value, and resets the endpoint of the driving of the fuel cell system so that the timer is reoperated.

Description

연료 전지 시스템 및 그 비상 운행 방법{Fuel Cell System and Emergency Driving Method}Fuel Cell System and Emergency Driving Method {Fuel Cell System and Emergency Driving Method}

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 블록도.1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the present invention can be applied.

도 2는 본 발명의 사상에 따른 비상 운행을 수행하는 구조를 도시한 세부 블록도. Figure 2 is a detailed block diagram showing a structure for performing emergency operation according to the spirit of the present invention.

도 3은 본 발명의 사상에 따른 비상 운행 방법을 도시한 흐름도.3 is a flow chart illustrating an emergency driving method according to the spirit of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols for the main parts of the drawings

130 : 구동 제어부130: drive control unit

150 : 배터리150: battery

210 : 타이머210: timer

220 : 운행관리 제어부220: operation management control unit

본 발명은 운행 정지 중 성능 유지를 위한 비상 운행을 수행하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히, 스택 전해질막의 건조를 방지하기 위해 운행 정지 중에도 주기적으로 비상 운행하는 연료 전지 시스템 및 그 비상 운행 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system for performing emergency operation for maintaining performance during a driving stop, and more particularly, to a fuel cell system and a method for emergency driving that periodically run during a driving stop to prevent drying of the stack electrolyte membrane. will be.

연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 균형잡힌 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that generates electrical energy by a balanced electrochemical reaction between hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol and natural gas and oxygen in the air.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 알칼리 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkaline fuel cells, and the like, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 상기 고분자 전해질 연료전지는 가스 상태(주로 수소 분자)의 연료를 사용하여 발전을 수행한다. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) has a much higher output characteristic, lower operating temperature, and faster start-up and response characteristics than other fuel cells. It has a wide range of applications such as transportation power sources such as power sources and automotive power sources, as well as distributed power sources such as stationary power plants in houses and public buildings. The polymer electrolyte fuel cell performs power generation using a gaseous fuel (mainly hydrogen molecules).

한편, 연료 전지에는 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료, 일반적으로 메탄올 수용액 상태의 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메 탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 연료에서 수소를 얻기 위한 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.Meanwhile, a fuel cell includes a direct methanol fuel cell (DMFC), which is similar to a polymer electrolyte fuel cell but can directly supply a liquid methanol fuel, typically a fuel in an aqueous methanol solution, to a stack. Direct methanol fuel cells, unlike polymer electrolyte fuel cells, are more advantageous for miniaturization because they do not use a reformer to obtain hydrogen from the fuel.

상술한 직접 메탄올 연료전지는 예를 들어 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 수소를 함유한 연료와 산소나 공기 등의 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.The above-described direct methanol fuel cell includes, for example, a stack, a fuel tank and a fuel pump. The stack generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel containing hydrogen with an oxidant such as oxygen or air. Such a stack typically has a structure in which several to tens of unit fuel cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator are stacked. Here, the membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Has

그런데, 연료 전지가 가동되지 않는 정지 시간이 길어질 수록, 연료 전지의 스택은 성능 저하가 일어나고, 이는 특히 액체 메탄올을 연료로 사용하는 DMFC의 스택의 경우 더 현저하다.By the way, the longer the downtime the fuel cell is idle, the lower the performance of the stack of fuel cells, especially in the case of a stack of DMFCs using liquid methanol as fuel.

이를 방지하기 위해, 연료 전지 시스템이 장시간 사용되지 않는다고 판단하는 경우에는, 연료 전지시스템의 종료 과정 중 소정의 장기 보관 절차를 수행한다. 예컨대, DMFC의 경우 스택 전해질막을 소정 농도의 메탄올로 채운다던지, 물이나 특정 액체로 채워두는 방법을 사용한다.In order to prevent this, when it is determined that the fuel cell system is not used for a long time, a predetermined long-term storage procedure is performed during the termination of the fuel cell system. For example, in the case of DMFC, the stacked electrolyte membrane is filled with methanol of a predetermined concentration, or filled with water or a specific liquid.

그러나, 사용자가 짧은 시간 정지시킨 후, 장시간 사용하지 않는 경우에는 상기 보관 절차는 수행되지 않으며, 보관 절차가 수행되더라도 스택의 전해질막에 채워진 액체가 자연적으로 건조될 가능성이 높다. 또한, 구현의 복잡성 및 종료 시간의 단축을 위해 상기 보관 절차를 수행하지 않는 경우도 있을 수 있다.However, if the user does not use for a long time after a short time stop, the storage procedure is not performed, and even if the storage procedure is performed, the liquid filled in the electrolyte membrane of the stack is likely to dry naturally. In addition, the storage procedure may not be performed in order to reduce the complexity of the implementation and the termination time.

상기와 같은 경우에 장시간 정지된 연료 전지 스택의 성능 저하를 방지할 수단이 요망되었다. In such a case, a means for preventing the performance deterioration of the fuel cell stack suspended for a long time has been desired.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 장시간 운행 정지로 인한 스택(특히, 전해질막)의 성능 저하를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 비상 운행 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system and an emergency driving method thereof capable of preventing performance degradation of a stack (particularly, an electrolyte membrane) due to prolonged stoppage.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템의 마지막 가동 종료시점부터 경과한 시간을 측정하는 타이머; 및 상기 타이머가 측정한 시간이 소정의 기준치에 도달하면 연료 전지 시스템을 소정 시간 비상 운행시키고 연료 전지 시스템의 가동 종료시점을 갱신하여 타이머를 재작동시키는 운행 관리 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell system according to the present invention for achieving the above object comprises a timer for measuring the time elapsed since the last operation end of the fuel cell system; And an operation management control unit configured to emergencyly operate the fuel cell system for a predetermined time and update an operation end time of the fuel cell system to restart the timer when the time measured by the timer reaches a predetermined reference value.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 비상 운행 방법은, 연료 전지 시스템의 정지 후 경과 시간을 카운팅하는 단계; 카운팅한 경과 시간이 기준 시간을 초과하는지를 검사하는 단계; 기준 시간을 초과하였으면 연료 전지 시스템을 구동시키는 단계; 상기 연료 전지 시스템의 구동 후 경과 시 간을 카운팅하는 단계; 카운팅한 경과 시간이 최소 구동 시간을 초과하는지를 검사하는 단계; 및 최소 구동 시간을 초과하였으면 연료 전지 시스템을 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Emergency operation method of the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of counting the elapsed time after the stop of the fuel cell system; Checking whether the counted elapsed time exceeds the reference time; Driving the fuel cell system if the reference time has been exceeded; Counting an elapsed time after driving the fuel cell system; Checking whether the counted elapsed time exceeds the minimum drive time; And stopping the fuel cell system if the minimum drive time has been exceeded.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

예컨대, 하기 실시예에서는 직접 메탄올 연료 전지 및 PEM 연료 전지로 구체화하여 본 발명의 사상을 설명하고 있지만, 스택의 건조를 방지하기 위한 연료 전지라면 고체 메탄올 연료 전지, 수소 흡장 용액 연료 전지 등 다른 연료 전지에도 적용가능함은 물론이다.For example, in the following examples, the idea of the present invention is described by embodying a direct methanol fuel cell and a PEM fuel cell, but any fuel cell such as a solid methanol fuel cell and a hydrogen storage solution fuel cell may be used as long as it is a fuel cell for preventing drying of the stack. Of course, also applicable to.

또한, 하기 실시예의 설명에서는 연료 전지의 발전부를 스택이라고 통칭하고 있으나 이는 단순히 용어의 사용상 편의에 따른 것이기 때문에, 하기 설명에서 스택은 적층형 셀 뿐만 아니라 단일 셀도 포함하는 개념이다.In addition, in the description of the following embodiments, the power generation unit of the fuel cell is collectively referred to as a stack, but this is merely for convenience of use of the term. In the following description, the stack includes a single cell as well as a stacked cell.

(실시예)(Example)

도 1은 본 발명의 사상이 적용될 수 있는 간략한 구조로 연료 전지 시스템을 도시한다. 도시한 연료 전지 시스템은 연료 탱크의 연료를 직접 스택으로 공급하는 구조를 가지지만, 직접 메탄올 연료 전지의 경우 스택에 수소 대신 메탄올이 공급 되는 구조 및 캐소드의 미반응 연료를 회수하기 위한 리사이클 탱크를 더 구비할 수 있으며, PEM 연료 전지의 경우 부탄 등에서 수소 가스를 발생시키기 위한 개질기 및 스택 전해질막에 공급되는 수소가스를 수화시키기 위한 수화부를 더 구비할 수 있다.1 illustrates a fuel cell system in a simplified structure to which the spirit of the present invention can be applied. The illustrated fuel cell system has a structure for directly supplying fuel from a fuel tank to a stack, but in the case of a direct methanol fuel cell, a structure for supplying methanol instead of hydrogen to a stack and a recycling tank for recovering unreacted fuel of the cathode are further provided. The PEM fuel cell may further include a reformer for generating hydrogen gas from butane and a hydration unit for hydrating hydrogen gas supplied to the stacked electrolyte membrane.

도시한 전지 시스템은, 수소 함유 연료를 저장하는 연료 탱크(120); 수소와 산소의 전기화학 반응으로 발전하는 연료 전지 스택(110); 상기 연료 전지 스택(110)의 출력을 외부 부하(18)로 전달하기 위한 전력 변환 장치(140); 2차 전지로 이루어진 배터리(150); 및 연료 탱크(120)에서 스택(110)으로의 펌프(160)를 비롯한 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 동작을 제어하는 구동 제어부(130)를 포함한다.The illustrated battery system includes a fuel tank 120 for storing hydrogen-containing fuel; A fuel cell stack 110 generating electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A power converter (140) for delivering the output of said fuel cell stack (110) to an external load (18); A battery 150 made of a secondary battery; And a drive controller 130 that controls the operation of each component of the fuel cell system, including the pump 160 from the fuel tank 120 to the stack 110.

연료 전지 스택(110)은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료 전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 상기 세퍼레이터는 다수개의 막-전극 어셈블리 각각을 전기적으로 분리하기 위한 것으로 구현에 따라서는 생략이 가능하다.The fuel cell stack 110 has a structure in which a unit fuel cell including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator is stacked to several tens to several tens. Here, the membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Has The separator is for electrically separating each of the plurality of membrane-electrode assemblies, and may be omitted depending on the implementation.

도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(110)의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질막(12), 연료극 촉매층(14) 및 공기극 촉매층(16)을 포함한다. 연료 전지(10) 에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 연료극 촉매층(14)에 공급되면 연료극 촉매층(14)에서 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온(H+)과 전자 (e-)로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 연료극 촉매층(14)에서 고분자 전해질막(12)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하고, 전자는 연료극 촉매층(14)에서 외부 전선(18)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하게 된다. 공기극 촉매층(16)으로 이동한 수소 이온은 공기극 촉매층(16)에 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.Referring to FIG. 1, the membrane-electrode assembly 20 of the fuel cell stack 110 includes the polymer electrolyte membrane 12, the anode catalyst layer 14, and the cathode catalyst layer 16. When hydrogen gas or a fuel containing hydrogen is supplied to the anode catalyst layer 14 in the fuel cell 10, an electrochemical oxidation reaction occurs in the anode catalyst layer 14 and ionized with hydrogen ions (H + ) and electrons (e ). And oxidize. Ionized hydrogen ions move from the anode catalyst layer 14 through the polymer electrolyte membrane 12 to the cathode catalyst layer 16, and electrons move from the anode catalyst layer 14 through the outer wire 18 to the cathode catalyst layer 16. Done. The hydrogen ions transferred to the cathode catalyst layer 16 cause an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode catalyst layer 16 to generate heat of reaction and water. And electric energy is generated by the movement of electrons.

상술한 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 각각 나타내면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.Representative electrochemical reactions of the above-described polymer electrolyte fuel cell and direct methanol fuel cell are shown in Schemes 1 and 2 below.

애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e- The anode: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -

캐소드 전극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Cathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O

한편, 상기 연료 전지 스택(110)은 양단 또는 최외곽에 위치하는 집전부(미도시)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 외부 부하(18)에 공급한다. 일례 로, 외부 부하(200)는 노트북 컴퓨터, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 휴대용 전자기기를 포함한다. 그리고 연료 전지 스택(110)은 사용하고 남은 연료와 반응 생성물을 배출한다. 남은 연료는 재활용 수단에 의해 연료로 재활용될 수 있고, 이산화탄소 등의 반응 생성물은 대기중으로 배출된다.Meanwhile, the fuel cell stack 110 supplies the external load 18 with electrical energy having a predetermined potential difference through current collectors (not shown) positioned at both ends or the outermost sides. For example, the external load 200 includes a portable electronic device such as a notebook computer, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia player (PMP), or the like. The fuel cell stack 110 then discharges the remaining fuel and reaction products. The remaining fuel can be recycled to fuel by recycling means, and reaction products such as carbon dioxide are discharged into the atmosphere.

본 실시예에서는 상기 연료 전지 스택(110)에서 생산된 전원을 외부 부하로 전달하기 위한 전력 변환부로서 전력 변환 장치(140)를 사용하였으나, 출력 전압의 안정화가 중요치 않는 구현의 경우에는 LDO(Low Drop Output Regulator) 같은 보다 단순한 출력단 회로로 대체가능하다. 일반적으로 상기 전력 변환 장치(140)는 DC/DC 컨버터이나, 외부 부하가 교류 전원을 사용하는 장치인 경우에는 DC/AC 컨버터로 대체될 수도 있다.In this embodiment, although the power converter 140 is used as a power converter for transferring the power produced by the fuel cell stack 110 to an external load, in the case of the implementation where stabilization of the output voltage is not important, LDO (Low) It can be replaced by a simpler output stage circuit such as Drop Output Regulator. In general, the power converter 140 may be replaced by a DC / DC converter or a DC / AC converter when the external load is a device using an AC power source.

상기 전력 변환 장치(140)는 스택 출력 전압의 변동과는 무관하게 일정한 직류 전압 전원을 유지하여 외부 부하(18)로 출력하기 위한 것으로, 구현에 따라서는 비단 외부 부하에 대해서만 출력을 수행할 뿐만 아니라 상기 배터리(150) 및/또는 구동 제어부(130)에도 일정한 전압의 충전 전원 또는 구동 전원을 공급할 수 있다. 상기 전력 변환 장치(140)는 연료 전지 스택(110) 전압보다 낮은 출력단 전압을 생성하거나, 스택(110) 전압보다 높은 출력단 전압을 생성하도록 구현할 수 있으며, 후자의 경우 스택(100)에서 출력되는 직류를 스위칭시켜 교류로 만들고 이 교류를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등을 이용해 승압시킨 다음 다시 정류시켜 출력용 직류로 만드는 방식, 또는 STEP-UP 방식의 스위칭 등 공지된 다양한 방법으로 구현할 수 있다.The power conversion device 140 is to maintain a constant DC voltage power source and output it to the external load 18 irrespective of fluctuations in the stack output voltage. In some embodiments, the power converter 140 may not only output the external load. The battery 150 and / or the driving controller 130 may also be supplied with a charging power or driving power having a constant voltage. The power converter 140 may be configured to generate an output terminal voltage lower than the fuel cell stack 110 voltage or to generate an output terminal voltage higher than the stack 110 voltage. In the latter case, a direct current output from the stack 100 may be used. It can be implemented by a variety of known methods such as switching to make an alternating current, and boosting the alternating current using a coil, transformer, capacitance, etc., and then rectifying it to output DC directly, or switching the STEP-UP method.

상기 배터리(150)는 적어도 1회 이상 충방전이 가능한 2차 전지를 적용 가능하지만, 본 발명의 연료 전지 시스템의 원할한 동작을 보장하기 위해서는 충분한 회수의 충방전이 가능한 것으로 적용하는 것이 바람직하다. 상기 배터리(150)는 리튬-이온 전지, 리튬-폴리며 전지, 니켈-수소 전지, 납축전지, 대용량 커패시터 또는 전해 커패시터 등 공지된 다양한 2차 전지로 구현이 가능하다. The battery 150 may be a secondary battery capable of charging and discharging at least once, but in order to ensure smooth operation of the fuel cell system of the present invention, it is preferable to apply a sufficient number of charge / discharge cycles. The battery 150 may be implemented as a variety of secondary batteries known in the art, such as lithium-ion batteries, lithium-poly batteries, nickel-hydrogen batteries, lead acid batteries, large capacity capacitors, or electrolytic capacitors.

상기 배터리(150)에 대한 충전은 상기 연료 전지 스택(110)의 출력을 직접 연결하여 수행시키거나, 도시한 바와 같이 상기 전력 변환 장치(140)로 하여금 수행토록 구현할 수 있다. 보다 안정적인 충전 동작을 위해 상기 전력 변환 장치(140)는 상기 스택(110)에서 생성된 전원으로 상기 배터리(130)를 충전시키기 위한 배터리 충전 회로(150)를 더 구비할 수 있다. The charging of the battery 150 may be performed by directly connecting the output of the fuel cell stack 110, or may be implemented to be performed by the power converter 140 as illustrated. For more stable charging operation, the power converter 140 may further include a battery charging circuit 150 for charging the battery 130 with the power generated by the stack 110.

상기 연료 전지 스택(110)과 전력 변환 장치(140) 사이의 전력 전달 경로 및 상기 전력 변환 장치(140)와 외부 부하(18) 사이의 전력 전달 경로를 도면에서는 하나의 라인으로 표시하였지만, 실제로는 플러스 라인과 마이너스 라인의 1쌍의 라인으로 구현된다.Although the power transfer path between the fuel cell stack 110 and the power converter 140 and the power transfer path between the power converter 140 and the external load 18 are shown as one line in the drawing, in practice, It is implemented with a pair of lines, plus and minus lines.

도 2는 본 발명의 사상에 따른 운행 정지 중 스택 성능 유지를 위한 비상 운행을 지원하는 구조를 도시하고 있다. 도시한 구조는 도 1의 구동 제어부(130)의 일부 모듈로서 구현할 수도 있으나, 도 2와 같이 별도의 모듈로 구현하는 것이 구동전원 관리가 용이하다.2 illustrates a structure for supporting emergency driving to maintain stack performance during stoppages according to the spirit of the present invention. Although the illustrated structure may be implemented as some modules of the driving controller 130 of FIG. 1, it is easy to manage the driving power by implementing it as a separate module as shown in FIG. 2.

즉, 본 발명의 사상에 따른 운행 정지 중 스택 성능 유지를 위한 비상 운행 구조를 구비한 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템의 마지막 가동 종료시점부터 경과한 시간을 측정하는 타이머(210); 및 상기 타이머(210)가 측정한 시간이 소정의 기준치에 도달하면, 연료 전지 시스템을 소정 시간 가동시키고, 연료 전지 시스템의 가동 종료시점을 갱신하여 타이머를 재작동시키는 운행 관리 제어부(220)를 포함한다.That is, the fuel cell system having the emergency driving structure for maintaining the stack performance during the driving stop according to the spirit of the present invention, the timer 210 for measuring the time elapsed since the last operation of the fuel cell system; And an operation management controller 220 for operating the fuel cell system for a predetermined time, updating the end point of operation of the fuel cell system to restart the timer when the time measured by the timer 210 reaches a predetermined reference value. do.

상기 타이머(210) 및 운행관리 제어부(220)는 연료 전지 시스템의 운행 정지 중에도 동작하고 있어야 하므로, 배터리(150)로부터 전원을 공급받도록 구현한다. 도 1의 배터리(150)는 연료 전지 스택(110)의 발전 전원으로 충전되는 연료 전지 시스템의 초기 기동을 위한 배터리인데, 도 2에서는 상기 도 1의 배터리(150)를 상기 타이머(210) 및 운행관리 제어부(220)의 구동전원 공급 수단으로 사용하였지만, 구현에 따라서는 건전지 같은 별도의 수단을 적용할 수도 있다.Since the timer 210 and the driving management controller 220 must be operated even while the fuel cell system is stopped, the timer 210 and the driving management controller 220 are implemented to receive power from the battery 150. The battery 150 of FIG. 1 is a battery for initial startup of a fuel cell system that is charged with the power generation of the fuel cell stack 110. In FIG. 2, the battery 150 of FIG. 1 is operated with the timer 210. Although used as a driving power supply means of the management control unit 220, depending on the implementation may be applied to a separate means such as a battery.

상기 운행관리 제어부(220)는 연료 전지 시스템이 비상 운행되어야 한다고 판단하면, 상기 구동 제어부(130)를 활성화시켜, 전체 연료 전지 시스템을 가동토록 구현할 수도 있고, 비상 운행하는 부분을 최소화하기 위해 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프만을 구동시키도록 구현하거나, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프 및 배터리에 대한 충전 회로만을 구동시키도록 구현할 수도 있다. 여기서, 상기 충전 회로는 도 1의 전력 변환 장치(140)의 일부 모듈이다.When the operation management control unit 220 determines that the fuel cell system should be emergency operated, the driving control unit 130 may be activated to implement the entire fuel cell system to operate, and to minimize the emergency operation part. It may be implemented to drive only a pump for supplying fuel to the stack, or only to drive a charging circuit for the pump and a battery for supplying fuel to the fuel cell stack. Here, the charging circuit is a part of the power converter 140 of FIG.

또한, 상기 타이머는 상기 연료 전지 시스템의 비상 운행 시점부터 경과 시간을 카운팅하며, 상기 운행 관리 제어부는 상기 비상 운행 시점부터 경과 시간이 소정의 최소 운행 시간을 초과하면 상기 연료 전지 시스템을 정지시키도록 구현할 수 있다. 이는 상기 타이머 및 운행 관리 제어부를 운행 정지 중 비상 운행 여부를 판단하고 수행하는데 이용할 뿐만 아니라, 비상 운행을 개시 후 종료를 판단하고 수행하는데 이용하기 위함이다.In addition, the timer counts the elapsed time from the emergency operation time of the fuel cell system, and the operation management control unit may be configured to stop the fuel cell system when the elapsed time exceeds the predetermined minimum operation time from the emergency operation time. Can be. This is to use the timer and the operation management control unit not only to determine and perform the emergency operation during the suspension, but also to determine and perform the emergency operation after the start.

도 3은 상기 도 2의 비상 운행 구조에 따른 구체적인 비상 운행 방법을 도시하고 있다.FIG. 3 illustrates a specific emergency driving method according to the emergency driving structure of FIG. 2.

상기 비상 운행 방법은 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템의 정지(S10) 후 경과 시간을 카운팅하는 단계(S20); 카운팅한 경과 시간이 기준 시간을 초과하는지를 검사하는 단계(S30); 기준 시간을 초과하였으면 연료 전지 시스템을 구동시키는 단계(S40); 상기 연료 전지 시스템의 구동 후 경과 시간을 카운팅하는 단계(S50); 카운팅한 경과 시간이 최소 구동 시간을 초과하는지를 검사하는 단계(S60); 및 최소 구동 시간을 초과하였으면 연료 전지 시스템을 정지시키는 단계(S70)를 포함한다.The emergency driving method may include: counting an elapsed time after stopping (S10) the fuel cell system (S20); Checking whether the counted elapsed time exceeds the reference time (S30); If the reference time is exceeded, driving the fuel cell system (S40); Counting an elapsed time after driving the fuel cell system (S50); Checking whether the counted elapsed time exceeds the minimum driving time (S60); And stopping the fuel cell system if the minimum driving time is exceeded (S70).

상기 S20 단계에서 도 2의 타이머가 연료 전지 시스템의 정지를 판단하면 카운팅을 개시하며, 상기 S30 단계에서 도 2의 운행 관리 제어부가 상기 타이머가 카운팅한 경과시간과 미리 기록된 기준 시간과 비교한다.In operation S20, when the timer of FIG. 2 determines the stop of the fuel cell system, counting is started. In operation S30, the operation management controller of FIG. 2 compares the elapsed time counted by the timer with a previously recorded reference time.

상기 S40 단계에서는, 비상 운행하는 부분을 최소화 하기 위해 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프만을 구동시키거나, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프 및 배터리에 대한 충전 회로만을 구동시킬 수 있다. 후자의 경 우는 비상 운행으로 생성되는 전력을 낭비하지 않기 위한 구현이다.In operation S40, only a pump for supplying fuel to the fuel cell stack may be driven or only a charging circuit for the pump and a battery for supplying fuel to the fuel cell stack may be driven to minimize an emergency running portion. The latter is an implementation to avoid wasting power generated by emergency operations.

상기 S40 단계에서 직접 메탄올 연료 전지의 경우, 상기 연료 펌프는 스택의 애노드로 희석 메탄올 용액을 공급하는 펌프를 칭하며, 상기 스택으로 공급되는 희석 메탄올 수용액에 의해 스택 전해질막의 건조가 방지된다. In the case of the direct methanol fuel cell in step S40, the fuel pump refers to a pump for supplying a dilute methanol solution to the anode of the stack, and drying of the stack electrolyte membrane is prevented by the dilute methanol solution supplied to the stack.

상기 S40 단계에서 PEM 연료 전지의 경우, 상기 연료 펌프는 스택의 애노드로 수화된 수소가스를 공급하는 펌프를 칭하며, 상기 스택으로 공급되는 수소가스와 함께 공급되는 수증기 분자에 의해 스택 전해질막의 건조가 방지된다. In the case of the PEM fuel cell in the step S40, the fuel pump refers to a pump for supplying hydrogen gas hydrated to the anode of the stack, the drying of the stack electrolyte membrane is prevented by the water vapor molecules supplied with the hydrogen gas supplied to the stack do.

상기 S50 단계 및 S60 단계는 비상 운행시 스택 전해질막의 습기 유지에 충분한 최소한의 구동시간인 최소 운행 시간을 확보하기 위한 것이다.The steps S50 and S60 are to ensure a minimum driving time which is a minimum driving time sufficient to maintain moisture of the stack electrolyte membrane during emergency driving.

상기 S70 단계는 연료 전지 시스템의 정상 운행 중 정지(S10) 과정과 동일하게 수행될 수 있으며, 예컨대 연료 전지 스택 보호를 위해 연료 전지 스택을 소정 농도의 연료 수용액으로 채우는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소정 농도는 일반적으로 정상 운행시 스택으로 공급되는 연료 농도보다 낮으며, 이를 달성하기 위해 스택에 채워진 연료 수용액이 소정 농도로 될 때까지 추가 연료 공급없이, 스택을 발전시키는 방법을 이용할 수 있다. 또는 혼합 탱크가 있는 경우 혼합 탱크내 수용액 농도를 상기 소정 농도에 맞추어 스택에 공급하는 방법을 이용할 수도 있다.The step S70 may be performed in the same manner as the stop (S10) process of the normal operation of the fuel cell system, and may include, for example, filling the fuel cell stack with a fuel aqueous solution having a predetermined concentration to protect the fuel cell stack. The predetermined concentration is generally lower than the fuel concentration supplied to the stack during normal operation, and in order to achieve this, a method of developing the stack without supplying additional fuel until the aqueous solution of fuel filled in the stack becomes a predetermined concentration may be used. Alternatively, if there is a mixing tank, it is also possible to use a method in which the concentration of the aqueous solution in the mixing tank is supplied to the stack according to the predetermined concentration.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범 위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

상기 구성에 따른 본 발명의 연료 전지 시스템을 실시하면, 연료 전지 시스템이 장시간 운행 정지하더라도, 스택 전해질막이 건조되는 시점에 스택에 연료를 공급하게 되어, 장시간 운행 정지로 인한 스택의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.By implementing the fuel cell system of the present invention according to the above configuration, even if the fuel cell system stops running for a long time, fuel is supplied to the stack at a time when the stack electrolyte membrane is dried, thereby preventing the performance degradation of the stack due to long stop operation. It can be effective.

Claims (9)

연료 전지 시스템의 마지막 가동 종료시점부터 경과한 시간을 측정하는 타이머; 및A timer for measuring the time elapsed since the last operation termination of the fuel cell system; And 상기 타이머가 측정한 시간이 소정의 기준치에 도달하면, When the time measured by the timer reaches a predetermined reference value, 연료 전지 시스템을 소정 시간 비상 운행시키고, Emergency operation of the fuel cell system, 연료 전지 시스템의 가동 종료시점을 갱신하여 타이머를 재작동시키는 Update the end point of the fuel cell system to restart the timer. 운행 관리 제어부;A driving management controller; 를 포함하는 연료 전지 시스템.Fuel cell system comprising a. 제1항에 있어서, 상기 운행 관리 제어부는,According to claim 1, wherein the operation management control unit, 상기 연료 전지 시스템을 소정 시간 비상 운행시킬때, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프만을 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.And, when the fuel cell system is emergency run for a predetermined time, only a pump for supplying fuel to the fuel cell stack is driven. 제2항에 있어서, 상기 운행 관리 제어부는, According to claim 2, The operation management control unit, 상기 연료 전지 시스템을 소정 시간 운행시킬 때, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프 및 배터리에 대한 충전 회로만을 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.And driving a charging circuit for a battery and a pump for supplying fuel to a fuel cell stack when the fuel cell system is operated for a predetermined time. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 타이머는, 상기 연료 전지 시스템의 비상 운행 시점부터 경과 시간을 카운팅하며,The timer counts the elapsed time from the emergency operation time of the fuel cell system, 상기 운행 관리 제어부는, 상기 비상 운행 시점부터 경과 시간이 소정의 최소 운행 시간을 초과하면, 상기 연료 전지 시스템을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.And the operation management control unit stops the fuel cell system when the elapsed time exceeds the predetermined minimum operation time from the emergency operation time point. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 연료 전지 시스템의 운행 정지중에도 상기 타이머 및 운행 관리 제어부에 구동 전원을 공급하기 위한 전원공급 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.And a power supply means for supplying driving power to the timer and the operation management control part while the fuel cell system is stopped. 제5항에 있어서, 상기 전원공급 수단은,The method of claim 5, wherein the power supply means, 연료 전지 스택의 발전 전력에 의해 충전되는 배터리인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system, characterized in that the battery is charged by the generated power of the fuel cell stack. (a) 연료 전지 시스템의 정지 후 경과 시간을 카운팅하는 단계;(a) counting elapsed time after stopping of the fuel cell system; (b) 카운팅한 경과 시간이 기준 시간을 초과하는지를 검사하는 단계;(b) checking whether the counted elapsed time exceeds the reference time; (c) 기준 시간을 초과하였으면 연료 전지 시스템을 구동시키는 단계;(c) driving the fuel cell system if the reference time has been exceeded; (d) 상기 연료 전지 시스템의 구동 후 경과 시간을 카운팅하는 단계;(d) counting an elapsed time after driving the fuel cell system; (e) 카운팅한 경과 시간이 최소 구동 시간을 초과하는지를 검사하는 단계; 및(e) checking whether the counted elapsed time exceeds the minimum drive time; And (f) 최소 구동 시간을 초과하였으면 연료 전지 시스템을 정지시키는 단계(f) stopping the fuel cell system if the minimum run time has been exceeded 를 포함하는 연료 전지 시스템의 비상 운행 방법.Emergency operation method of the fuel cell system comprising a. 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계에서는,The method of claim 7, wherein in step (c), 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프만을 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 비상 운행 방법.A method of emergency operation of a fuel cell system, characterized by driving only a pump for supplying fuel to the fuel cell stack. 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계에서는,The method of claim 7, wherein in step (c), 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 펌프 및 배터리에 대한 충전 회로만을 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 비상 운행 방법.A method of emergency operation of a fuel cell system, characterized in that it only drives a charging circuit for a pump and a battery for supplying fuel to the fuel cell stack.
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