KR20090036014A - Method of purging stack of fuel cell system - Google Patents

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이현재
박명석
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엘지전자 주식회사
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Abstract

A method of purging a stack of a fuel cell system is provided to purify the fuel cell system without the use of nitrogen and to prevent the degradation of the performance in a fuel battery caused by excess of moisture and waste gas. A method for purifying a stack of a fuel cell system removing an excess of moisture and waste gas comprises a step of purifying inner channels of a stack periodically during the operation of the stack, wherein the stack of the fuel cell system is purified by increasing the amount of air supplied to an air electrode in cycles; the stack is purified by increasing the amount of hydrogen supplied to a fuel electrode in cycles; the stack is purified by increasing the pressure of hydrogen supplied to the fuel anode of stack; and the stack is purified by increasing the amount of hydrogen discharged to the fuel anode of stack.

Description

연료전지시스템의 스택정화방법{METHOD OF PURGING STACK OF FUEL CELL SYSTEM}Stack Purification Method of Fuel Cell System {METHOD OF PURGING STACK OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지시스템의 스택정화방법에 관한 것이다.The present invention relates to a stack purification method of a fuel cell system.

도 1은 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 종래 연료전지시스템을 나타낸 개략도이다.1 is a PEMFC (Proton Exchange Membrane) which purifies only hydrogen (H 2 ) as a fuel through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process using hydrocarbon fuels such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline. It is a schematic diagram showing a conventional fuel cell system of a fuel cell).

도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, 공급된 수소 및 공기로 전기를 생성하는 스택(30)과, 연료(LNG)에서 수소(H2)만을 추출하여 스택(30)에 공급하는 수소공급유닛(10)과, 공기를 스택(30) 및 수소공급유닛(10)에 공급하는 공기공급유닛(20)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the conventional fuel cell system includes a stack 30 that generates electricity from supplied hydrogen and air, and hydrogen that extracts only hydrogen (H 2 ) from the fuel (LNG) and supplies the stack 30 to the stack 30. And a supply unit 10 and an air supply unit 20 for supplying air to the stack 30 and the hydrogen supply unit 10.

상술한 수소공급유닛(10)에서 연료와 수증기가 개질반응하여 수소가 발생된다. 이때, 개질반응에 필요한 수증기를 생성하기 위해 수소공급유닛(10)는 수증기발생기(10b)와, 수증기발생기(10b)에 필요한 열을 공급하는 버너(10a)를 구비한다. 버너(10a)를 구동시키기 위해 초기에는 연료(LNG)가 버너(10a)에 공급되고, 이후에는 스택(30)에서 발전을 위해 사용하고 남은 오프개스(OFF-GAS)가 공급된다.In the hydrogen supply unit 10 described above, fuel and steam are reformed to generate hydrogen. At this time, the hydrogen supply unit 10 includes a steam generator 10b and a burner 10a for supplying heat required for the steam generator 10b to generate steam for the reforming reaction. The fuel LNG is initially supplied to the burner 10a to drive the burner 10a, and then the remaining off-gas (OFF-GAS) is supplied to the burner 10a.

한편, 상술한 종래의 연료전지시스템은 운전 정지 후에 질소(N2)을 사용하여 스택(30) 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거한다.On the other hand, the conventional fuel cell system described above uses nitrogen (N 2 ) to remove excess water and waste gas remaining inside the stack 30 after the operation is stopped.

그러나, 이렇게 질소를 사용하여 스택을 정화할 경우, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요하게 되어 비용이 상승하게 된다. 또한, 질소 소진시 질소를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 따른다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간 확보가 어렵다는 문제점이 발생한다.However, the purification of the stack using nitrogen in this way requires a separate nitrogen container to store the nitrogen, thereby increasing the cost. In addition, the inconvenience of having to periodically fill the nitrogen when the nitrogen is exhausted. In particular, when the fuel cell system is used for home use, it is difficult to secure a separate space for installing a nitrogen container.

또한, 운전 정지 후에 비로소 스택(30) 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하므로, 연료전지시스템의 운전 중에는 스택(30)의 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거할 수 없다. 이로 인해, 운전 중에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택의 전류 및 전압이 떨어지는 등 스택 성능이 저하되는 것을 막을 수 없다는 문제점이 있었다.In addition, since the excess water and waste gas remaining in the stack 30 are removed after the operation stops, the excess water and waste gas remaining in the stack 30 during the operation of the fuel cell system are removed. It cannot be removed. For this reason, there is a problem in that stack performance, such as a drop in current and voltage of the stack, cannot be prevented from being deteriorated due to excess water remaining during operation and waste gas.

본 발명은 상기와 같은 종래의 연료전지시스템이 가지는 스택 정화방법의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 질소를 사용하지 않고도 연료전지시스템을 정화할 수 있는 연료전지시스템의 스택 정화방법을 제공하는 데 목적이 있다. 또한, 연료전지시스템의 운전 중에 스택의 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 연료전지시스템의 스택 정화방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the stack purification method of the conventional fuel cell system as described above, to provide a stack purification method of a fuel cell system that can purify the fuel cell system without using nitrogen. There is a purpose. Another object of the present invention is to provide a method for purifying a stack of a fuel cell system that removes excess water and waste gas remaining inside the stack during operation of the fuel cell system.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 스택 정화방법은, 스택 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 스택의 정화(淨化)방법에 있어서, 스택의 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a stack purifying method of a fuel cell system according to the present invention is a stack purifying method for removing excess water and waste gas remaining in a stack. Periodically purging the flow path inside the stack.

여기서, 상기 스택의 공기극에 공급되는 공기의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하거나, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하거나, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 압력을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하거나, 상기 스택의 연료극으로 배출되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 것이 바람직하다.In this case, the amount of air supplied to the cathode of the stack is periodically increased to purify the stack, or the amount of hydrogen supplied to the anode of the stack is periodically increased to purify the stack or supplied to the anode of the stack. It is desirable to purify the stack by periodically increasing the pressure of hydrogen to be used, or to purify the stack by periodically increasing the amount of hydrogen discharged to the anode of the stack.

또한, 상기 스택의 정화시작시점은 누적전하량(C,A*sec)이 기준값에 도달한 경우나, 누적발전량(KW*hr)이 기준값에 도달한 경우나, 누적수소량(lpm.min)이 기준값에 도달한 경우가 바람직하다.Further, when the stack starts to purify, the accumulated charge amount (C, A * sec) reaches the reference value, the accumulated power generation amount (KW * hr) reaches the reference value, or the accumulated hydrogen amount (lpm.min) It is preferable when the reference value is reached.

본 발명에 따른 연료전지시스템의 스택 정화방법에 의하면, 질소를 사용하지 않고 스택에 공급되는 공기 또는 수소의 양을 증가시키거나, 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 증가시키거나, 스택에 공급되는 수소의 압력을 증가시켜 스택을 정화한다. 따라서, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요 없게 되어 비용이 감소한다. 또한, 질소 소진시 질소용기를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 없다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간을 확보할 필요 없어 연료전지시스템의 설치가 용이하다.According to the stack purifying method of the fuel cell system according to the present invention, the amount of air or hydrogen supplied to the stack without using nitrogen, the amount of hydrogen discharged from the stack, or the hydrogen supplied to the stack is increased. Purify the stack by increasing its pressure. Therefore, there is no need for a separate nitrogen container to store nitrogen, which reduces costs. In addition, there is no inconvenience to periodically fill the nitrogen container when nitrogen is exhausted. In particular, when the fuel cell system is used for home use, it is easy to install the fuel cell system because it is not necessary to secure a separate space for installing the nitrogen container.

또한, 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화한다. 따라서, 운전 중에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다.In addition, the stack internal flow path is periodically cleaned during operation. Therefore, it is possible to prevent the stack performance from being lowered, such as the current and voltage of the stack falling due to the excess water remaining during the operation and the waste gas.

이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 스택 정화방법을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 정화방법이 적용된 연료전지시스템의 계통도이고, 도 3은 도 2의 스택의 단일셀을 나타낸 도면이다.Hereinafter, a stack purifying method of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system to which a stack purifying method is applied according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating a single cell of the stack of FIG. 2.

도 2를 참조하면, 본 발명인 연료전지시스템의 스택 정화방법이 적용된 연료전지시스템은, 공급된 수소 및 공기로 전기를 생성하는 스택(130)과, 연료(LNG)에서 수소(H2)만을 추출하여 스택(130)에 공급하는 수소공급유닛(110)과, 공기를 스택(130) 및 수소공급유닛(110)에 공급하는 공기공급유닛(120)을 포함하여 구성된 다.Referring to FIG. 2, the fuel cell system to which the stack purification method of the fuel cell system of the present invention is applied includes a stack 130 for generating electricity from supplied hydrogen and air, and extracts only hydrogen (H 2 ) from fuel (LNG). And a hydrogen supply unit 110 for supplying the stack 130, and an air supply unit 120 for supplying air to the stack 130 and the hydrogen supply unit 110.

상기 수소공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택(130)에 공급하며, 개질기(111)와 연료공급라인(112)와 연료배출라인(113)을 포함한다.The hydrogen supply unit 110 purifies hydrogen (H 2 ) from LNG and supplies the hydrogen to the stack 130, and includes a reformer 111, a fuel supply line 112, and a fuel discharge line 113.

상기 개질기(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(111a)와, 연료와 수증기가 개질 반응시켜 수소를 발생시키는 개질반응기(111b)와, 개질반응기(111b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(111c) 및 저온수반응기(111d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(111e)와, 개질반응기(111b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(111f)와, 수증기발생기(111f)에 필요한 열을 공급하는 버너(111g)를 포함한다.The reformer 111 includes a desulfurization reactor 111a for removing sulfur contained in the fuel, a reforming reactor 111b for reforming and reacting the fuel and steam to generate hydrogen, and carbon monoxide generated through the reforming reactor 111b. A high temperature water reactor 111c and a low temperature water reactor 111d for further generating hydrogen by re-reacting, a partial oxidation reactor 111e for purifying hydrogen by removing carbon monoxide from fuel using air as a catalyst, and a reforming reactor ( A steam generator 111f for supplying steam to 111b), and a burner 111g for supplying heat required for the steam generator 111f.

상기 연료공급라인(112)에는 탈황반응기(111a)로 연료가 공급 또는 차단되게하는 제1밸브(V1)와, 버너(111g)로 연료가 공급 또는 차단되게 하는 제2밸브(V2)와, 스택(130)으로 개질되어 공급되는 수소의 양을 조절하는 제3밸브(V3)와, 스택(130)으로 공급되는 수소의 압력을 조절하는 제3컴프레서(C3)가 설치된다.The fuel supply line 112 has a first valve V1 for supplying or blocking fuel to the desulfurization reactor 111a, a second valve V2 for supplying or blocking fuel to the burner 111g, and a stack. A third valve V3 for regulating the amount of hydrogen supplied to the reactor 130 and a third compressor C3 for regulating the pressure of the hydrogen supplied to the stack 130 are installed.

상기 연료배출라인(113)은 스택(130)에서 반응하고 남은 수소가 외부로 배출되는 라인으로, 연료배출라인(113)상에는 배출되는 수소의 양을 조절하는 제4밸브(V4)가 설치된다.The fuel discharge line 113 is a line through which the remaining hydrogen reacted in the stack 130 is discharged to the outside, and a fourth valve V4 is installed on the fuel discharge line 113 to adjust the amount of hydrogen discharged.

상기 공기공급유닛(120)은 수소공급유닛(110) 및 스택(130)에 공기를 공급하며, 제1컴프레서(C1), 제1공급라인(121), 제2컴프레서(C2), 제2공급라인(122), 공 기배출라인(123)을 포함한다.The air supply unit 120 supplies air to the hydrogen supply unit 110 and the stack 130, the first compressor (C1), the first supply line 121, the second compressor (C2), the second supply Line 122, the air discharge line 123.

상기 제1컴프레서(C1)는 제1공급라인(121)에 의해 버너(111g)와 연결되며, 버너(111g)에 대기중의 공기를 공급한다.The first compressor C1 is connected to the burner 111g by the first supply line 121 and supplies air in the atmosphere to the burner 111g.

상기 제2컴프레서(C2)는 제2공급라인(122)를 통해 제2예열기(162)를 거쳐 스택(120)의 공기극(132)과 연결되며, 스택(120)의 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급한다. 제2공급라인(122)에는 스택(120)으로 공급되는 공기의 양을 조절하는 제5밸브(V5)가 설치된다.The second compressor C2 is connected to the cathode 132 of the stack 120 through the second preheater 162 through the second supply line 122, and is in the atmosphere of the cathode 132 of the stack 120. To supply air. The second supply line 122 is provided with a fifth valve V5 for adjusting the amount of air supplied to the stack 120.

상기 스택(130)은 전기화학반응이 일어나는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 구성되며, 수소와 공기를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성한다.The stack 130 is configured by stacking a plurality of single cells in a series of electrochemical reactions. The stack 130 electrochemically reacts hydrogen and air to generate electrical energy and thermal energy simultaneously.

도 3을 참조하면, 상기 단일셀은, 전해질 막(131)의 양측에 수소 및 공기를 확산시키기 위한 연료극(132)과 공기극(133)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)와, 그 막-전극 접합체의 양측에 밀착되도록 조립되어 연료극(132)과 공기극(133)에 수소 및 공기가 공급되는 내부 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(135,136)과, 그 분리판(135,136)의 양측에 배치되어 연료극(132)과 공기극(133)의 집전극이 되는 집전판(137,138)으로 구성되어 있다.Referring to FIG. 3, the single cell includes a membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) formed by bonding an anode 132 and an anode 133 for diffusing hydrogen and air to both sides of an electrolyte membrane 131. And separators 135 and 136 which are assembled to be in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly and form an internal flow path through which hydrogen and air are supplied to the anode 132 and the cathode 133, and the separators ( It is comprised by the collector plates 137 and 138 arrange | positioned at both sides of the 135 and 136, and become a collecting electrode of the fuel electrode 132 and the air electrode 133, respectively.

상기 막-전극 접합체의 전해질 막(131)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질 막(131)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며, 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 한다. The electrolyte membrane 131 of the membrane-electrode assembly is an ion exchange membrane made of a polymer material, and the commercially available electrolyte membrane 131 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions and at the same time contacts oxygen with hydrogen. It acts as a blocker.

상기 연료극(132)과 공기극(133)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(131)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.The anode 132 and the cathode 133 have a structure in which a porous carbon paper or carbon cloth is bonded to both sides of the electrolyte membrane 131 as a support for supporting the platinum (Pt) catalyst layer.

상기 분리판(135,136)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 연료극(132)의 표면에서 수소가 흐르는 스택 내부 유로(135a)를 형성하고, 공기극(133)의 표면에서는 공기가 흐르는 스택 내부 유로(136a)를 형성한다.The separation plates 135 and 136 are formed of dense carbon plates, and a plurality of ribs are formed to form a stack internal flow path 135a through which hydrogen flows on the surface of the fuel electrode 132 during assembly. The surface forms a stack internal flow path 136a through which air flows.

상기 스택 내부 유로(135a)의 입구는 연료공급라인(112, 도 2참조)에, 출구는 연료배출라인(113, 도 2참조)에 각각 연결되어 있다.An inlet of the stack internal passage 135a is connected to a fuel supply line 112 (see FIG. 2) and an outlet is connected to a fuel discharge line 113 (see FIG. 2).

상기 스택 내부 유로(136a)의 입구는 제2공급라인(122, 도 2참조)에, 출구는 공기배출라인(123, 도 2참조)에 각각 연결되어 있다.The inlet of the stack internal passage 136a is connected to the second supply line 122 (see FIG. 2), and the outlet is connected to the air discharge line 123 (see FIG. 2).

상기 집전판(137,138)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직하며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.The current collector plates 137 and 138 are preferably excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. Specifically, any of the current collector plates 137 and 138 may be used as long as the required performance is satisfied.

도 2를 참조하면, 상기 전기출력유닛(140)은 스택(130)에서 생성된 전기에너지를 교류로 변환시켜 부하에 공급한다.Referring to FIG. 2, the electrical output unit 140 converts electrical energy generated in the stack 130 into alternating current and supplies the load to the load.

상기 급수유닛(150)은 개질기(111) 및 스택(130)을 냉각하고, 스팀발생기(111f)로 상수를 공급하다. 이를 위해 급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치하여 급수통(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(153)와, 물순환라인(152)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(154) 및 방열팬(155)과 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 스팀발생기(111f)에 공급하는 상수공급라인(156)를 포함한다. 상수공급라인(156)에는 스팀발생기(111f)로 상수가 공급 또는 차단되도록 하는 제6밸브(V6)가 설치된다.The water supply unit 150 cools the reformer 111 and the stack 130 and supplies a constant to the steam generator 111f. To this end, the water supply unit 150 has a water supply line 151 for filling a predetermined amount of water, a water circulation line 152 connecting the stack 130 and the water supply tank 151 in a circulating manner, and a water circulation line. A water circulation pump 153 installed in the middle of 152 to pump water from the water supply tank 151, and a heat exchanger 154 provided in the middle of the water circulation line 152 to cool the water circulated and supplied; And a constant supply line 156 for supplying water or a general constant (in the drawing, a general constant) of the heat radiating fan 155 and the water supply tank 151 to the steam generator 111f. The water supply line 156 is provided with a sixth valve V6 for supplying or blocking water to the steam generator 111f.

이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 정화방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method for purifying a fuel cell system having the above-described configuration will be described.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 정화방법은, 스택(130)의 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로(135a, 136a,)의 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택(130)의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택(130)의 성능이 저하되는 것을 방지한다.2 and 3, the method for purifying a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention may include over-water in the stack internal flow paths 135a and 136a periodically during operation of the stack 130. Due to the excess gas, the current and the voltage of the stack 130 are dropped, such that the performance of the stack 130 is prevented from being lowered.

보다 구체적으로, 운전 중 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 연료극(132)에 공급되는 수소의 양을 주기적으로 증가시킨다. 공급되는 수소의 양을 증가시키기 위해서는, 제3밸브(V3)의 개도(開度)를 크게 한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(135a)에 흐르는 수소의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 수소의 흐름에 의해 쓸려서 제거된다.More specifically, the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 132 of the stack 130 is periodically increased in order to remove excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a during operation. In order to increase the amount of hydrogen supplied, the opening degree of the 3rd valve V3 is made large. As a result, the amount of hydrogen flowing in the stack internal flow path 135a is increased, and the excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a are swept away by the flow of hydrogen.

또는, 운전 중 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 연료극(132)으로부터 배출되는 수소의 양을 주기적으로 증가시킨다. 배출되는 수소의 양을 증가시키기 위해서는, 제4밸브(V4)의 개도(開度)를 크게 한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(135a)에 흐르는 수소의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 수소의 흐 름력에 의해 쓸려서 제거된다.Alternatively, the amount of hydrogen discharged from the fuel electrode 132 of the stack 130 is periodically increased in order to remove excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a during operation. In order to increase the amount of hydrogen discharged, the opening degree of the fourth valve V4 is increased. As a result, the amount of hydrogen flowing in the stack internal flow path 135a is increased, and the excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a are swept away by the flow force of hydrogen.

또는, 운전 중 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 연료극(132)에 공급되는 수소의 압력을 주기적으로 증가시킨다. 공급되는 수소의 압력을 증가시키기 위해서는, 제3컴프레서(C3)을 가동한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(135a)에 흐르는 수소의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 수소의 흐름력에 의해 쓸려서 제거된다.Alternatively, the pressure of hydrogen supplied to the fuel electrode 132 of the stack 130 is periodically increased in order to remove excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a during operation. In order to increase the pressure of hydrogen supplied, the third compressor C3 is operated. As a result, the amount of hydrogen flowing in the stack internal flow path 135a is increased, and the excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a are swept away by the flow force of hydrogen.

한편, 운전 중 스택 내부 유로(136a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 공기극(132)에 공급되는 공기의 양을 주기적으로 증가시킨다. 공급되는 공기의 양을 증가시키기 위해서는, 제5밸브(V5)의 개도(開度)를 크게 한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(136a)에 흐르는 공기의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(136a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 공기의 흐름에 의해 쓸려서 제거된다. 이러한, 운전 중 스택 내부 유로(136a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 방법은 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 방법과 동시에 사용될 수도 있음은 물론이다.Meanwhile, the amount of air supplied to the cathode 132 of the stack 130 is periodically increased in order to remove excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 136a during operation. In order to increase the amount of air supplied, the opening degree of the fifth valve V5 is increased. As a result, the amount of air flowing in the stack internal flow path 136a is increased, and the excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 136a are swept away by the flow of air. Such a method of removing excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 136a during operation may be used simultaneously with the method of removing excess water and waste gas remaining in the stack internal flow path 135a. Of course you can.

이와 같이, 질소를 사용하지 않고 스택(130)에 공급되는 공기 또는 수소의 양을 증가시키거나, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양을 증가시키거나, 스택(130)에 공급되는 수소의 압력을 증가시켜 스택을 정화하므로, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요 없게 되어 비용이 감소한다. 또한, 질소 소진시 질소용기를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 없다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사 용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간을 확보할 필요 없어 연료전지시스템의 설치가 용이해 진다.As such, increase the amount of air or hydrogen supplied to the stack 130 without using nitrogen, increase the amount of hydrogen discharged from the stack 130, or pressure of the hydrogen supplied to the stack 130. By increasing the clarification of the stack, there is no need for a separate nitrogen container to store nitrogen, which reduces costs. In addition, there is no inconvenience to periodically fill the nitrogen container when nitrogen is exhausted. In particular, when the fuel cell system is used for home use, it is not necessary to secure a separate space for installing the nitrogen container, which facilitates the installation of the fuel cell system.

도 4는 도 2의 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력 및 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 4의 스택의 정화에 따른 스택의 전압 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the amount of air supplied to the stack of FIG. 2, the amount of hydrogen, the pressure of hydrogen, and the amount of hydrogen discharged from the stack over time, and FIG. 5 is a diagram of the stack according to the purification of the stack of FIG. 4. This graph shows the voltage change over time.

도 4 및 도 5를 참조하면, 스택(130)의 정화시작시점(ti)은 운전 중 스택(130)이 생성한 누적전하량(C,A*sec)이 기준값(대략 6000C 이상)에 도달한 경우나, 누적발전량(KW*hr)이 기준값(대략 10KW*hr이상)에 도달한 경우나, 누적수소량(lpm.min)이 기준값(대략 60lpm*min)에 도달한 경우이다.4 and 5, when the purification start time ti of the stack 130 reaches the reference value (about 6000C or more) when the accumulated charge amount C, A * sec generated by the stack 130 during operation is reached. The cumulative amount of generation (KW * hr) has reached the reference value (about 10 KW * hr or more), or the cumulative hydrogen amount (lpm.min) has reached the reference value (about 60lpm * min).

스택(130)의 정화시작시점(ti)이 되면, 이용율에 근거한 일반적인 정상운전시 스택(130)에 제공되는 공기의 양(대략 80 lpm), 수소의 양(대략 100 lpm), 수소의 압력(대략 100 mmbar), 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양을(이하, 이를 Vn으로 통일하여 칭하기로 한다.), 스택(130)의 정화에 필요한 만큼의 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(이하, 이를 Vp로 통일하여 칭하기로 한다.)만큼 증가시킨다.When the stack 130 starts to purify (ti), the amount of air (approximately 80 lpm), the amount of hydrogen (approximately 100 lpm), and the pressure of the hydrogen ( Approximately 100 mmbar), the amount of hydrogen discharged from the stack 130 (hereinafter, referred to collectively as Vn), the amount of air required to purify the stack 130, the amount of hydrogen, the amount of hydrogen Pressure, the amount of hydrogen discharged from the stack 130 (hereinafter referred to collectively as Vp).

이때, Vp는 정상 운전시의 스택(130)에 제공되는 공기의 양(대략 80 lpm), 수소의 양(대략 100 lpm)보다 20 lpm 이상 더 증가된 공기의 양 또는 수소의 양이되거나, 또는, 스택(130)의 정화시점에서 밸브(V4, 도 2참조)를 열어 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양이 되거나, 수소의 압력(대략 100 mmbar)보다 10 mmbar 이상 더 증가 된 수소의 압력이 될 수 있다.At this time, Vp is the amount of air provided to the stack 130 in the normal operation (about 80 lpm), the amount of air or at least 20 lpm more than the amount of hydrogen (about 100 lpm) or the amount of hydrogen, or At the time of purification of the stack 130, the valve V4 (see FIG. 2) is opened to become the amount of hydrogen discharged from the stack 130, or the pressure of the hydrogen is increased by at least 10 mmbar more than the pressure of the hydrogen (about 100 mmbar). This can be

한편, 스택(130)의 정화에 필요한 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(Vp)을 증가시키는 방법은, 제3밸브(V3), 제4밸브(V4), 제5밸브(V5)의 개도 조절 및 컴퓨레서(C3)의 작동에 의한다는 것을 이미 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.On the other hand, the method of increasing the amount of air, the amount of hydrogen, the pressure of hydrogen, the amount of hydrogen discharged from the stack 130 (Vp) required for purification of the stack 130, the third valve (V3), the fourth Since it has already been explained that the opening of the valve V4 and the fifth valve V5 is controlled and the operation of the compressor C3, the description thereof is omitted.

이렇게 증가 된 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(Vp)을 정화종료시점(tf)까지 유지시킨다.The increased amount of air, the amount of hydrogen, the pressure of hydrogen, the amount of hydrogen (Vp) discharged from the stack 130 is maintained until the end of purification (tf).

그리고, 정화종료시점(tf)이 지나면, 증가 된 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택으로부터 배출되는 수소의 양(Vp)을, 일반적인 정상운전시의 스택(130)에 제공되는 공기의 양(대략 80lpm), 수소의 양(대략 100lpm), 수소의 압력(대략 100 mmbar), 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(Vn)으로 다시 줄인다.Then, after the end of purification (tf), the increased amount of air, the amount of hydrogen, the pressure of hydrogen, the amount of hydrogen discharged from the stack (Vp) of the air provided to the stack 130 during normal operation Reduce again to the amount (approximately 80lpm), the amount of hydrogen (approximately 100lpm), the pressure of hydrogen (approximately 100 mmbar), and the amount of hydrogen (Vn) discharged from the stack 130.

그리고, 운전 중 스택(130)이 생성한 누적전하량(C,A*sec)과, 누적발전량(KW*hr)과, 누적수소량(lpm.min)을 초기화하여, 누적전하량(C,A*sec)과, 누적발전량(KW*hr)과, 누적수소량(lpm.min)이 다시 기준값에 다시 도달하기를 기다린다.The accumulated charge amount (C, A * sec), the cumulative generation amount (KW * hr), and the accumulated hydrogen amount (lpm.min) generated by the stack 130 during operation are initialized to accumulate the accumulated charge amount (C, A *). sec), cumulative generation (KW * hr) and cumulative hydrogen (lpm.min) wait to reach the reference value again.

이렇게 스택(130)의 정화를 시작하고 끝마치고, 다시 시작하고 끝마치는 과정을 주기적(P)으로 반복하여, 스택(130)의 정화를 운전 중에 실행한다.Thus, the process of starting and ending the purification of the stack 130, starting and ending again and again to repeat the process periodically (P), the purification of the stack 130 is carried out during operation.

이로 인해, 운전 중에 스택 내부 유로(135a, 136a, 도 3참조)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택(130)의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택(130)의 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 스택(130)의 전류가 한계 전류(limit C, 대략 30A)로 떨어지기 전에 스택(130)을 정화함으로써, 스택(130)의 운전 중 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다.As a result, the performance of the stack 130 is degraded, such as the current and voltage of the stack 130 dropping due to excess moisture and waste gas remaining in the stack internal flow paths 135a and 136a (see FIG. 3) during operation. Can be prevented. That is, as shown in Figure 5, by purifying the stack 130 before the current of the stack 130 falls to the limit current (limit C, approximately 30A), the performance of the stack 130 during operation is reduced You can stop it.

도 1은 종래 연료전지시스템을 나타낸 개략도,1 is a schematic view showing a conventional fuel cell system,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 정화방법이 적용된 연료전지시스템의 계통도,2 is a schematic diagram of a fuel cell system to which a stack purifying method is applied according to an embodiment of the present invention;

도 3은 도 2의 스택의 단일셀을 나타낸 도면,3 illustrates a single cell of the stack of FIG. 2;

도 4는 도 2의 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력 및 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 시간에 따라 나타낸 그래프,4 is a graph showing the amount of air supplied to the stack of FIG. 2, the amount of hydrogen, the pressure of hydrogen, and the amount of hydrogen discharged from the stack over time;

도 5는 도 4의 스택의 정화에 따른 스택의 전압 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating a change in voltage of a stack over time according to the purification of the stack of FIG. 4.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **

110 : 수소공급유닛 112: 연료공급라인110: hydrogen supply unit 112: fuel supply line

113: 연료배출라인 130 : 스택113: fuel discharge line 130: stack

132: 연료극 133: 공기극132: fuel electrode 133: air electrode

V3 : 제3밸브 V4: 제4밸브V3: third valve V4: fourth valve

V5: 제5밸브 C3 : 제3컴퓨레서V5: 5th valve C3: 3rd compressor

ti: 정화시작시점 tf: 정화종료시점ti: start of purification tf: end of purification

Claims (8)

스택 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 스택의 정화(淨化)방법에 있어서, 스택의 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 스택정화방법.A stack purification method for removing excess water and waste gas remaining inside a stack, the stack purification method of a fuel cell system, characterized in that the internal flow path of the stack is periodically purified during operation of the stack. 제1항에 있어서, 상기 스택의 공기극에 공급되는 공기의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.The method of claim 1, wherein the amount of air supplied to the cathode of the stack is periodically increased to purify the stack. 제1항에 있어서, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.The method of claim 1, wherein the amount of hydrogen supplied to the anode of the stack is periodically increased to purify the stack. 제1항에 있어서, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 압력을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.The method of claim 1, wherein the pressure of hydrogen supplied to the anode of the stack is periodically increased to purify the stack. 제1항에 있어서, 상기 스택의 연료극으로 배출되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.The method of claim 1, wherein the amount of hydrogen discharged to the anode of the stack is periodically increased to purify the stack. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택의 정화시작시점은 누적전하량(C,A*sec)이 기준값에 도달한 경우인 연료전지시스템의 스택정화방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the start time of purifying the stack is when the accumulated charge amount (C, A * sec) reaches a reference value. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택의 정화시작시점은 누적발전량(KW*hr)이 기준값에 도달한 경우인 연료전지시스템의 스택정화방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the start time of purifying the stack is when the cumulative generation amount (KW * hr) reaches a reference value. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택의 정화시작시점은 누적수소량(lpm.min)이 기준값에 도달한 경우인 연료전지시스템의 스택정화방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the start of purification of the stack is when the cumulative amount of hydrogen (lpm.min) reaches a reference value.
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