KR20090070838A - Fuel cell system having hydrogen recycling apparatus - Google Patents

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Abstract

A fuel cell system is provided to improve hydrogen availability, to prevent flooding phenomenon and the degradation of a fuel cell stack, and to suppress corrosion of a catalyst supporter and deterioration of a catalyst. A fuel cell system(100) comprises a fuel cell stack(110) generating electric energy; a hydrogen supply part(120) supplying hydrogen to the fuel cell stack through a hydrogen supply line(171); and a hydrogen recycling part(160) which supplies residual gas discharged from the fuel cell stack to the hydrogen supply line through a hydrogen recycle line(173) connected to the hydrogen supply line. The hydrogen supply part comprises a first multiple-orientation valve(140) flowing hydrogen in one direction or inletting external air.

Description

수소 재순환 장치를 구비한 연료전지 시스템{Fuel Cell System Having Hydrogen Recycling Apparatus}Fuel Cell System Having Hydrogen Recycling Apparatus

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 내부로 수소가 재순환되도록 구성하면서도 연료전지 스택 내의 불순물을 외부로 배출시키는 퍼지 작업도 수행할 수 있는 수소 재순환 장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and more particularly, a purge that discharges impurities in the fuel cell stack to the outside while being configured to recycle hydrogen into the fuel cell stack. The present invention relates to a fuel cell system having a hydrogen recycling apparatus that can also perform work.

연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 여러 종류의 연료전지로 구분된다.A fuel cell system is a power generation device that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Fuel cells are various types of fuel cells such as polymer electrolyte membrane fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells, depending on the type of electrolyte. Are distinguished.

고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유하는 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지와 열을 연속적으로 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력특성이 탁월하며, 작 동온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 갖는다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지를 이용하여 구성한 연료전지 시스템은 이동용 전원 또는 배터리 대체전원과 같은 여러 분야에 이용되는데, 대략적으로 산화제 가스와 연료 가스를 각각 연료전지 스택에 공급하는 구조를 갖는다. 특히, 연료가스로서 순수(純粹) 수소를 사용하는 연료전지 시스템은 수소의 이용률을 극대화하기 위해서 연료전지 스택으로부터 배출되는 수소를 다시 연료전지 스택으로 유입시키는 수소 재순환 장치를 구비한다. A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell continuously generates electrical energy and heat by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen. . The polymer electrolyte fuel cell has superior output characteristics than other fuel cells, has a low operating temperature, and has fast startup and response characteristics. A fuel cell system constructed using such a polymer electrolyte fuel cell is used in various fields such as a mobile power source or a battery alternative power source, and has a structure of supplying an oxidant gas and a fuel gas to a fuel cell stack, respectively. In particular, a fuel cell system using pure hydrogen as a fuel gas includes a hydrogen recycling apparatus for introducing hydrogen discharged from the fuel cell stack back into the fuel cell stack in order to maximize utilization of hydrogen.

이런 연료전지 시스템은 전해질막의 이온 전도성을 향상시키기 위해서 산화제 가스와 연료가스를 일정 수준으로 가습한 상태로 공급한다. 그리고, 반응가스는 전기화학반응이 진행됨에 따라 반응가스의 소모에 의한 분압이 감소되기 때문에, 반응가스의 상대습도는 하류방향으로 진행할수록 점차 증가하게 되고 연료전지 스택의 출구 부근에서 상당량의 수분이 존재한다. 이로 인해 연료전지 시스템은 일반적으로 연료전지 스택 내에서 전기화학반응에 의해 생성된 물이 반응가스인 수소와 산소의 공급을 방해하여, 연료전지 스택의 발전 성능을 저하시키는 플러딩 현상과 같은 문제점이 유발된다. Such a fuel cell system supplies oxidant gas and fuel gas in a humid state to a certain level in order to improve ion conductivity of the electrolyte membrane. In addition, since the partial pressure of the reaction gas decreases as the electrochemical reaction proceeds, the relative humidity of the reaction gas gradually increases as it flows in the downstream direction, and a considerable amount of water is generated near the exit of the fuel cell stack. exist. As a result, fuel cell systems generally cause problems such as flooding, which degrades the power generation performance of the fuel cell stack because water generated by electrochemical reactions in the fuel cell stack interferes with the supply of hydrogen and oxygen, which are reaction gases. do.

그리고, 산화제 가스로 공급되는 공기는 79% 이상의 질소를 함유하고 있다. 이러한 질소는 전기화학반응에 사용되지 않아서 연료전지 스택의 출구 부근으로 진행할수록 함유 분압이 높아지고, 전해질막을 통해 연료 가스의 유로인 애노드 측으로 크로스 오버(cross-over)된다. 캐소드 측에서 애노드 측으로 넘어온 질소는 촉매 주위에 존재하면서 수소의 분압을 떨어뜨려 수소와 촉매가 반응하는 것을 방해 하는 작용을 한다. The air supplied to the oxidant gas contains 79% or more of nitrogen. This nitrogen is not used for the electrochemical reaction, so that the partial pressure increases as it proceeds toward the exit of the fuel cell stack, and cross-overs through the electrolyte membrane to the anode side, which is a flow path of fuel gas. Nitrogen flows from the cathode side to the anode side is present around the catalyst to reduce the partial pressure of hydrogen to prevent the reaction between the hydrogen and the catalyst.

따라서, 연료전지 시스템은 연료 이용률을 향상시키기 위해서 연료전지 스택으로부터 배출되는 수소를 다시 연료전지 스택으로 유입시키도록 구성되면, 수소와 함께 배출되는 물과 질소에 의해 플러딩 현상 및 수소 분압 저하가 더욱 심각해지는 문제점이 있다. 종래의 연료전지 시스템은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 수소 재순환 장치를 구비하더라도, 추가적으로 퍼지 밸브를 적용해 주기적으로 사전에 설정된 조건으로 일정 기간 퍼지 밸브를 개방하는 퍼지 작업을 수행한다. Therefore, when the fuel cell system is configured to introduce hydrogen discharged from the fuel cell stack back into the fuel cell stack in order to improve fuel utilization, the flooding phenomenon and the hydrogen partial pressure drop due to the water and nitrogen discharged with hydrogen are more serious. There is a problem. Conventional fuel cell systems have a hydrogen recirculation device in order to solve this problem, but additionally applies a purge valve to periodically perform a purge operation to open the purge valve for a predetermined period of time.

하지만, 이와 같이 수소 재순환 장치를 구비한 연료전지 시스템은 여전히 다음과 같은 문제점이 있는 것으로 알려지고 있다. 첫째, 종래의 연료전지 시스템은 퍼지 작업을 수행하더라도, 이런 퍼지 작업의 효율이 수소의 공급압력에 따라 달라진다. 즉, 수소의 공급압력이 낮으면, 연료전지 시스템은 물 또는 질소와 같은 불순물이 수소와 함께 배출되지 못하여 그 퍼지 효율이 저하된다. 반면, 수소의 공급압력이 높으면, 연료전지 시스템은 그 퍼지 효율이 향상될 수 있으나 애노드 측과 캐소드 측의 압력 차이로 인해 전해질막이 손상될 수 있는 문제점을 수반한다.However, it is known that the fuel cell system having the hydrogen recycle device still has the following problems. First, although the conventional fuel cell system performs the purge operation, the efficiency of such purge operation depends on the supply pressure of hydrogen. That is, when the supply pressure of hydrogen is low, the fuel cell system does not discharge impurities such as water or nitrogen together with hydrogen, and the purge efficiency thereof is lowered. On the other hand, if the supply pressure of hydrogen is high, the fuel cell system may improve its purge efficiency, but the problem is that the electrolyte membrane may be damaged due to the pressure difference between the anode side and the cathode side.

둘째, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 스택이 정지된 상태에서 애노드 측에 채워진 수소에 의해 작동 전압 이상의 개방전압(OCV) 상태가 유지된다. 이와 같은 개방전압(OCV)은 촉매 지지체인 탄소의 부식과 함께 촉매의 손실을 촉진시키는 원인이 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래의 연료전지 시스템은 애노드 측에 질소와 같은 비활성가스를 충진하는 방법이 적용될 수도 있으나, 질소 저장장치와 같은 별도의 구성요소들로 인해 장치의 구성이 복잡해지는 문제점이 있 다. Second, the conventional fuel cell system maintains an open voltage (OCV) state above the operating voltage by hydrogen filled on the anode side while the fuel cell stack is stopped. This open voltage (OCV) is a cause of promoting catalyst loss along with corrosion of carbon as a catalyst support. In order to solve this problem, the conventional fuel cell system may be applied with a method of filling an inert gas such as nitrogen on the anode side, but the components of the device are complicated due to separate components such as nitrogen storage. have.

셋째, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 스택이 정지된 상태에서 애노드 측에 공기를 충진하여, 애노드 측과 캐소드 측의 전위 차이를 해소하고자 하는 방법이 적용되기도 한다. 하지만, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 스택이 재기동되는 과정에서 애노드 측에 공급되는 수소와 애노드 측에 충진되는 공기가 상호 반응하여, 촉매 지지체의 부식과 촉매의 열화를 촉진시키는 문제점이 있다. 더욱이 종래의 연료전지 시스템은 퍼지 밸브를 통해 연료전지 스택의 애노드 측에 충진된 공기를 외부로 배출시키더라도, 수소 재순환 장치의 배관에 채워진 공기는 결국 연료전지 스택의 애노드 측으로 다시 유입될 수 밖에 없는 문제점이 있다.Third, in the conventional fuel cell system, a method of resolving a potential difference between the anode side and the cathode side by applying air to the anode side while the fuel cell stack is stopped may be applied. However, the conventional fuel cell system has a problem in that the hydrogen supplied to the anode side and the air charged to the anode side react with each other in the process of restarting the fuel cell stack, thereby promoting corrosion of the catalyst support and deterioration of the catalyst. Moreover, even though the conventional fuel cell system exhausts the air filled to the anode side of the fuel cell stack through the purge valve, the air filled in the piping of the hydrogen recirculation device is forced to flow back to the anode side of the fuel cell stack. There is a problem.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 스택 내로 수소가 재순환되도록 구성하면서도 연료전지 스택 내부에 존재하는 불순물을 외부로 원활하게 배출시킬 수 있는 퍼지 작업 구성요소들을 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is proposed to solve the conventional problems as described above, it is configured to recycle the hydrogen into the fuel cell stack while purging the components that can smoothly discharge impurities present in the fuel cell stack to the outside The purpose is to provide a fuel cell system provided.

또한, 본 발명은 연료전지 스택이 정지된 상태에서 연료전지 스택의 애노드 측과 수소 재순환 장치의 배관에 충진되는 공기를 연료전지 스택의 재가동 과정에서 신속하게 외부로 배출시키면서 수소를 다시 공급할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention is a fuel that can supply hydrogen while the fuel cell stack is stopped while the air charged to the anode side of the fuel cell stack and the piping of the hydrogen recirculation apparatus quickly discharged to the outside in the process of restarting the fuel cell stack Another object is to provide a battery system.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택의 애노드 입구에 연결되는 수소 공급 라인을 통해 상기 연료전지 스택에 상기 수소를 공급하는 수소 공급부, 및 상기 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되는 수소 배출 라인에 위치하면서 상기 수소 공급 라인에 연결되는 수소 재순환 라인을 통해 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 잔여 가스를 다시 상기 수소 공급 라인으로 공급하는 수소 재순환부를 포함한다. 상기 수소 공급부는 상기 수소를 일방향으로 유동시키거나 외부의 공기를 유입시키는 제1 다중 방향 밸브를 포함하고, 상기 수소 재순환부는 상기 잔여 가스를 외부로 배출시키거나 상기 수소 재순환 라인을 통해 상 기 수소 공급 라인으로 유입시키는 제2 다중 방향 밸브를 포함하는 특징이 있다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention is a fuel cell stack that generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and the fuel cell stack is connected to the fuel cell stack through a hydrogen supply line connected to an anode inlet of the fuel cell stack. The hydrogen supply unit supplies a residual gas discharged from the fuel cell stack through a hydrogen supply unit supplying hydrogen and a hydrogen recycle line connected to the hydrogen supply line while being positioned at a hydrogen discharge line connected to an anode outlet of the fuel cell stack. Hydrogen recycle to the line. The hydrogen supply unit includes a first multi-directional valve for flowing the hydrogen in one direction or introducing external air, and the hydrogen recycle unit discharges the residual gas to the outside or supplies the hydrogen through the hydrogen recycle line. And a second multi-directional valve for entering the line.

상기 수소 재순환부는 상기 연료전지 스택과 상기 제2 다중 방향 밸브 사이에 위치하면서 상기 잔여 가스를 기 설정된 압력으로 유동시키는 수소 재순환 펌프를 더 포함한다.The hydrogen recycle unit further includes a hydrogen recycle pump positioned between the fuel cell stack and the second multi-directional valve to flow the residual gas at a predetermined pressure.

상기 수소 재순환 라인은 상기 제1 다중 방향 밸브와 상기 연료전지 스택 사이의 지점에서 상기 수소 공급 라인에 연결된다.The hydrogen recycle line is connected to the hydrogen supply line at a point between the first multi-directional valve and the fuel cell stack.

상기 제1 다중 방향 밸브와 상기 제2 다중 방향 밸브는 기체 또는 액체를 삼방향(3-way)으로 유입시키거나 배출시키는 삼방향 밸브 타입으로 이루어진다.The first multi-directional valve and the second multi-directional valve are of a three-way valve type for introducing or discharging gas or liquid in three-way.

상기 수소 공급부는 순수(純粹) 수소가 충진된 수소 저장원을 더 포함하고, 상기 수소 저장원은 상기 수소 공급 라인을 통해 상기 순수 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급한다.The hydrogen supply unit further includes a hydrogen storage source filled with pure hydrogen, and the hydrogen storage source supplies the pure hydrogen to the fuel cell stack through the hydrogen supply line.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소 재순환 장치를 구비하더라도 삼방향 밸브 타입으로 수소 공급밸브와 퍼지 밸브를 다음과 같이 구성함으로써, 연료전지 스택의 운전 중에도 수소 퍼지 방법으로 연료전지 스택 내부에 존재하는 불순물을 외부로 원활하게 배출시킨다. 이로 인해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 종래에 비해 수소 이용률이 향상되면서도, 플러딩 현상 및 연료전지 스택의 내구성 저하도 방지할 수 있는 장점이 있다.The fuel cell system according to the embodiment of the present invention has a hydrogen supply valve and a purge valve in the three-way valve type as follows, even if the hydrogen recirculation device is provided, so that the fuel cell stack may be stored in the fuel cell stack by the hydrogen purge method even during operation of the fuel cell stack. Existing impurities are smoothly discharged to the outside. As a result, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention has an advantage of preventing the flooding phenomenon and the deterioration of durability of the fuel cell stack while improving the hydrogen utilization rate compared with the related art.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 삼방향 밸브 타입으로 수소 공급밸브와 퍼지 밸브를 다음과 같이 구성함으로써, 연료전지 스택의 재기동 과 정에서 연료전지 스택의 애노드 측과 수소 재순환 장치의 배관에 충진되는 공기를 외부로 신속하게 배출시키면서 수소를 다시 공급한다. 이로 인해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 정지 상태에서 발생될 수 있는 높은 개방전압 및 재기동 과정에서 애노드 측에 산소가 존재할 가능성을 방지함으로써, 촉매 지지체의 부식과 촉매의 열화를 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention comprises a hydrogen supply valve and a purge valve in a three-way valve type as follows, so that the anode side of the fuel cell stack and the hydrogen recirculation apparatus in the process of restarting the fuel cell stack. Hydrogen is resupplied while quickly discharging the air filled in the pipe to the outside. As a result, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention prevents the presence of oxygen on the anode side during the high open voltage and the restart process, which may occur in the stopped state of the fuel cell stack, thereby deteriorating the catalyst support and deteriorating the catalyst. There is an advantage to prevent.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 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.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating components of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택(110)을 구비한다. 이런 연료전지 스택(110)은 수소 공급부의 구성요소인 수소 저장원(120)으로부터 수소를 공급 받으며, 산소 공급부(130)로부터 산소를 공급 받는다. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 110 that generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. The fuel cell stack 110 receives hydrogen from the hydrogen storage source 120, which is a component of the hydrogen supply unit, and receives oxygen from the oxygen supply unit 130.

수소 공급부는 탄화수소계열(LNG, LPG)와 같이 수소를 함유하는 연료 가스를 연료전지 스택(110)으로 공급할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소의 이용률을 극대화하기 위해서 연료전지 스택(110)으로부 터 배출되는 잔여 가스를 다시 연료전지 스택(110)으로 유입시키는 수소 재순환 구성이며, 이런 수소 재순환 구성에서 수소의 이용률을 극대화될 수 있는 순수 수소를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 순수 수소는 수소 저장원(120)에 충진되고, 수소 공급 라인(171)을 통해 연료전지 스택(110)의 애노드 입구로 유입된다.The hydrogen supply unit may supply fuel gas containing hydrogen, such as hydrocarbon series (LNG, LPG), to the fuel cell stack 110. However, the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention has a hydrogen recycling configuration for introducing the residual gas discharged from the fuel cell stack 110 back to the fuel cell stack 110 in order to maximize the utilization of hydrogen. In this hydrogen recycling configuration, it is preferable to use pure hydrogen that can maximize the utilization of hydrogen. The pure hydrogen is filled in the hydrogen storage source 120 and flows into the anode inlet of the fuel cell stack 110 through the hydrogen supply line 171.

산소 공급부(130)는 공기 펌프와 같은 장비를 이용하여, 산소를 함유하는 대기 중의 공기를 연료전지 스택(110)에서 공급한다. 그러면, 연료전지 스택(110)은 공기에 함유된 산소를 전기화학적으로 반응시키고, 미반응된 잔여 공기를 외부로 배출시킨다.The oxygen supply unit 130 supplies air in the atmosphere containing oxygen from the fuel cell stack 110 using equipment such as an air pump. Then, the fuel cell stack 110 electrochemically reacts oxygen contained in the air and discharges unreacted residual air to the outside.

그리고, 수소 공급부는 연료전지 스택(110)과 수소 저장원(120) 사이에 설치되는 제1 다중 방향 밸브(140)를 수소 공급밸브로서 구비한다. 제1 다중 방향 밸브(140)는 보다 바람직하게 기체 또는 액체가 삼방향으로 유입되거나 배출되는 삼방향(3-way) 밸브 타입으로 이루어진다.The hydrogen supply unit includes a first multi-directional valve 140 provided between the fuel cell stack 110 and the hydrogen storage source 120 as a hydrogen supply valve. The first multi-directional valve 140 is more preferably made of a three-way valve type in which gas or liquid is introduced or discharged in three directions.

수소 재순환부는 연료전지 스택(110)의 애노드 출구에 연결되는 수소 배출 라인(172)에 위치한다. 이런 수소 재순환부는 수소 공급 라인(171)에 연결되는 수소 재순환 라인(173)을 통해 연료전지 스택(110)으로부터 배출되는 잔여 가스를 다시 수소 공급 라인(171)으로 공급함으로써, 수소의 이용률을 극대화한다. 이를 위해 수소 재순환부는 잔여 가스를 외부로 배출시키거나 수소 재순환 라인(173)을 통해 수소 공급 라인(171)으로 유입시키는 제2 다중 방향 밸브(150)를 구비한다. The hydrogen recycle section is located in the hydrogen discharge line 172 that is connected to the anode outlet of the fuel cell stack 110. The hydrogen recycle part maximizes the utilization rate of hydrogen by supplying the remaining gas discharged from the fuel cell stack 110 back to the hydrogen supply line 171 through the hydrogen recycle line 173 connected to the hydrogen supply line 171. . To this end, the hydrogen recirculation unit has a second multi-directional valve 150 for discharging residual gas to the outside or for introducing the hydrogen recirculation line 173 into the hydrogen supply line 171.

그리고, 수소 재순환부는 연료전지 스택(110)과 제2 다중 방향 밸브(150) 사이에 설치되는 수소 재순환 펌프(160)를 구비한다. 이와 같이 수소 재순환 펌 프(160)는 연료전지 스택(110)의 애노드 출구로부터 배출되는 잔여 가스를 기 설정된 압력으로 유동시킴으로써, 종래에 비해 높은 압력으로 보다 짧은 시간동안 잔여 가스를 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다. 그리고, 수소 재순환 펌프(160)는 잔여 가스가 수소 재순환 라인(173)을 통해 연료전지 스택(110)으로 다시 재순환되도록 가압하는 역할도 한다. 이때, 수소 재순환 라인(173)은 제1 다중 방향 밸브(140)와 연료전지 스택(110) 사이의 수소 공급 라인(171)에 연결됨으로써, 재순환되는 잔여 가스(미반응된 수소)가 수소 저장원(120)으로부터 유입되는 수소와 함께 연료전지 스택(110)으로 공급되는 것이 바람직하다.The hydrogen recirculation unit includes a hydrogen recirculation pump 160 installed between the fuel cell stack 110 and the second multi-directional valve 150. As such, the hydrogen recirculation pump 160 flows residual gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 110 to a predetermined pressure, thereby rapidly discharging the residual gas to the outside for a shorter time at a higher pressure than in the related art. You can. The hydrogen recycle pump 160 also pressurizes the remaining gas to be recycled back to the fuel cell stack 110 through the hydrogen recycle line 173. At this time, the hydrogen recycle line 173 is connected to the hydrogen supply line 171 between the first multi-directional valve 140 and the fuel cell stack 110, so that the remaining gas (unreacted hydrogen) to be recycled is a hydrogen storage source. It is preferable that the fuel cell stack 110 is supplied to the fuel cell stack 110 together with the hydrogen flowing from the 120.

연료전지 시스템(100)은 수소 재순환부에 열교환기 또는 워터 트랩(water trap)과 같은 추가 구성요소들을 더 구비할 수도 있다(도시 안됨). 열교환기는 열교환을 통해 잔여 가스를 기 설정된 온도 이하로 저하시키고, 워터 트랩은 잔여 가스로부터 분리되는 수분을 제거한다.The fuel cell system 100 may further include additional components such as a heat exchanger or a water trap in the hydrogen recycle (not shown). The heat exchanger lowers the residual gas to below a predetermined temperature through heat exchange, and the water trap removes moisture separated from the residual gas.

이와 같은 연료전지 시스템(100)은 시스템 제어기의 제어 신호에 따라 사전에 설정된 조건 하에서 제1 다중 방향 밸브(140)와 제2 다중 방향 밸브(150)가 기체 또는 유체의 유동방향 흐름을 자동적으로 전환하도록 조작된다. 이로 인해 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택의 작동 조건 하에서 아래와 같이 제1 다중 방향 밸브(140)와 제2 다중 방향 밸브(150)가 조작됨으로써, 수소 재순환 작업과 퍼지 작업을 보다 원활하게 수행할 수 있다. 다만, 연료전지 시스템(100)은 수동 조작에 의해 제1 다중 방향 밸브(140)와 제2 다중 방향 밸브(150)가 작동되더라도, 기체 또는 유체의 유동방향 흐름을 전환할 수도 있다.In the fuel cell system 100, the first multi-directional valve 140 and the second multi-directional valve 150 automatically switch the flow direction of gas or fluid under a preset condition according to a control signal of the system controller. To be manipulated. As a result, the fuel cell system 100 operates the first multi-directional valve 140 and the second multi-directional valve 150 as described below under operating conditions of the fuel cell stack, thereby more smoothly performing hydrogen recycling and purging. can do. However, even if the first multi-directional valve 140 and the second multi-directional valve 150 is operated by manual operation, the fuel cell system 100 may switch the flow direction of the gas or the fluid.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 수소의 재순환 흐름을 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a recycle flow of hydrogen in the fuel cell system shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 수소 공급 라인(171)을 통해 수소 저장원(120)의 수소가 연료전지 스택(110)의 애노드 입구로 유입되고, 산소 공급부(130)에 의해 대기 중의 공기가 연료전지 스택(110)의 캐소드 입구로 유입된다. 이때, 제1 다중 방향 밸브(140)는 제1 입출구(141)와 제2 입출구(142)가 각각 개방된 상태로 유지되어, 수소 저장원(120)으로부터 유입되는 수소가 연료전지 스택(110)의 방향으로 유동된다. 한편 제1 다중 방향 밸브(140)는 제3 입출구(143)가 폐쇄된 상태로 유지되어, 외부와 소통되는 제3 입출구(143)를 통해 공기가 유입되지 않는다.1 and 2, in the fuel cell system 100, hydrogen of the hydrogen storage source 120 is introduced into the anode inlet of the fuel cell stack 110 through a hydrogen supply line 171, and an oxygen supply unit is provided. The air in the atmosphere is introduced into the cathode inlet of the fuel cell stack 110 by the 130. In this case, the first multi-directional valve 140 is maintained in the first inlet and outlet 141 and the second inlet and outlet 142, respectively, so that the hydrogen flowing from the hydrogen storage source 120 is the fuel cell stack 110 It flows in the direction of. Meanwhile, the first multi-directional valve 140 maintains the third inlet and outlet 143 in a closed state so that air does not flow through the third inlet and outlet 143 in communication with the outside.

그리고, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110)의 애노드 출구로 미반응된 수소가 배출되는데, 수소의 이용률을 향상시키기 위해 이러한 미반응된 수소를 연료전지 스택(110)의 애노드 입구로 다시 유입시키도록 작동된다. 즉, 제2 다중 방향 밸브(150)는 수소 배출 라인(172)에 연결되는 제1 입출구(151)와, 수소 재순환 라인(173)에 연결되는 제3 입출구(153)가 각각 개방된 상태로 유지되고, 외부와 소통되는 제2 입출구(152)가 폐쇄된 상태로 유지된다. 수소 재순환 펌프(160)는 연료전지 스택(110)으로부터 배출되는 미반응된 수소를 기 설정된 압력으로 상승시켜서, 수소 공급 라인(171)으로 다시 재순환되도록 한다. 이로 인해 연료전지 스택(110)으로부터 배출되는 미반응된 수소는 수소 재순환 라인(173)을 통해 연료전지 스택(110)으로 다시 유입될 수 있다. In addition, the fuel cell system 100 discharges unreacted hydrogen to the anode outlet of the fuel cell stack 110. The unreacted hydrogen is transferred to the anode inlet of the fuel cell stack 110 to improve the utilization of hydrogen. It is activated to reenter. That is, the second multi-directional valve 150 maintains the first inlet and outlet 151 connected to the hydrogen discharge line 172 and the third inlet and outlet 153 connected to the hydrogen recycle line 173, respectively. And, the second entrance and exit 152 in communication with the outside is maintained in a closed state. The hydrogen recirculation pump 160 raises the unreacted hydrogen discharged from the fuel cell stack 110 to a preset pressure to be recycled back to the hydrogen supply line 171. As a result, unreacted hydrogen discharged from the fuel cell stack 110 may be introduced back into the fuel cell stack 110 through the hydrogen recycle line 173.

연료전지 스택(110)의 애노드 출구로부터 배출되는 수소는 전기화학반응 후에 잔여 가스 형태로 배출되는데, 이런 잔여 가스는 미반응된 수소 뿐만 아니라 물(수분)과 질소 같은 물질도 함께 포함한다. 이러한 물과 질소는 캐소드 측의 유로로부터 생성되어, 전해질막을 통해 애노드 측의 유로로 유입되기 때문이다. 물은 열교환기 또는 워터 트랩과 같은 추가 구성요소에 의해 분리 제거될 수도 있으나, 잔여 가스에 함유된 수분 및 질소를 완벽하게 제거할 수는 없다. 이로 인해, 연료전지 시스템(100)은 수소 재순환 장치를 구비하더라도, 플러딩 현상 및 연료전지 스택의 내구성 저하를 방지하기 위해서 일정 주기 또는 연료전지 스택(110)의 성능이 저하되는 조건에서 도 3에 도시된 바와 같은 수소 퍼지 동작을 실시한다.Hydrogen discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 110 is discharged in the form of residual gas after the electrochemical reaction, which includes not only unreacted hydrogen but also substances such as water (moisture) and nitrogen. This is because such water and nitrogen are generated from the flow path on the cathode side and flow into the flow path on the anode side through the electrolyte membrane. The water may be separated off by additional components such as heat exchangers or water traps, but may not completely remove the moisture and nitrogen contained in the residual gas. For this reason, even if the fuel cell system 100 includes a hydrogen recirculation apparatus, the fuel cell system 100 is shown in FIG. The hydrogen purge operation as described above is performed.

도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 수소의 퍼지 흐름을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a purge flow of hydrogen in the fuel cell system shown in FIG. 1.

도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 제2 다중 방향 밸브(150)의 제3 입출구(153)가 폐쇄된 상태로 전환되면서, 그와 동시에 제2 다중 방향 밸브(150)의 제2 입출구(152)가 개방된다. 그러면, 연료전지 스택(110)의 애노드 출구로부터 배출되는 잔여 가스는 수소 재순환 라인(173)을 통해 재순환되지 않고, 제2 입출구(152)를 통해 외부로 배출된다. 특히, 연료전지 시스템(100)은 종래와 달리 연료전지 스택(110)의 후방에 설치된 수소 재순환 펌프(160)가 잔여 가스를 가압함으로써, 퍼지 작동을 보다 신속하면서도 보다 확실하게 실시할 수 있다. As shown in FIGS. 1 and 3, the fuel cell system 100 is switched to the closed state of the third inlet and outlet 153 of the second multi-directional valve 150, and at the same time, the second multi-directional valve ( The second entrance and exit 152 of 150 is opened. Then, the remaining gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 110 is discharged to the outside through the second inlet and outlet 152 without being recycled through the hydrogen recycle line 173. In particular, the fuel cell system 100 may perform the purge operation more quickly and reliably by pressurizing the residual gas by the hydrogen recycle pump 160 installed at the rear of the fuel cell stack 110, unlike the conventional art.

도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 연료전지 정지 단계에서 공기의 유 입 흐름을 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram showing an inflow of air in the fuel cell stop step of the fuel cell system shown in FIG.

도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 시스템 제어기로부터 정지 신호가 전달됨에 따라 산소 공급부(130)를 정지시켜서, 연료전지 스택(110)으로의 공기 공급을 차단한다. 이와 함께 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110)이 정지된 상태에서 애노드 측과 캐소드 측의 전위 차이가 발생되는 것을 방지하도록, 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 공기를 충진한다. As shown in FIG. 1 and FIG. 4, the fuel cell system 100 stops the oxygen supply unit 130 as a stop signal is transmitted from the system controller to block air supply to the fuel cell stack 110. In addition, the fuel cell system 100 fills air in the anode flow path of the fuel cell stack 110 to prevent the potential difference between the anode side and the cathode side from occurring while the fuel cell stack 110 is stopped.

이를 위해 연료전지 시스템(100)은 제1 다중 방향 밸브(140)의 제1 입출구(141)가 폐쇄된 상태로 전환되고, 그와 함께 제1 다중 방향 밸브(140)의 제3 입출구(143)가 개방된다. 이때, 제2 다중 방향 밸브(150)는 도 2에 도시된 바와 같이 정상적인 수소 재순환 구조로 유지되는 상태라면, 도 3에 도시된 바와 같이 퍼지 작동 구조로 전환되어야 한다. 그러면, 제1 다중 방향 밸브(140)의 제3 입출구(143)를 통해 유입되는 외부의 공기는 수소 재순환 펌프(160)에 의해 흡입되어 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 충진되고, 시스템 정지 신호 이전에 연료전지 스택(110)로 유입된 수소를 비롯한 잔여 가스는 제2 다중 방향 밸브(150)의 제2 입출구(152)를 통해 외부로 배출된다. 수소 재순환 펌프(160)는 지속적으로 작동되다가, 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 공기가 채워진 조건에서 비로소 작동 정지된다. 그리고, 연료전지 시스템(100)은 제2 다중 방향 밸브(150)의 제2 입출구(152)를 다시 폐쇄된 상태로 전환하고서, 시스템 정지 상태로 유지한다.To this end, the fuel cell system 100 is switched to the closed state of the first inlet / outlet 141 of the first multi-directional valve 140, and with the third inlet / outlet 143 of the first multi-directional valve 140. Is opened. At this time, if the second multi-directional valve 150 is maintained in the normal hydrogen recycle structure as shown in FIG. 2, it should be switched to the purge operation structure as shown in FIG. 3. Then, the outside air introduced through the third inlet and outlet 143 of the first multi-directional valve 140 is sucked by the hydrogen recycle pump 160 and filled in the anode flow path of the fuel cell stack 110, and the system stops. Residual gas, including hydrogen, introduced into the fuel cell stack 110 before the signal is discharged to the outside through the second inlet and outlet 152 of the second multi-directional valve 150. The hydrogen recirculation pump 160 is continuously operated, and is stopped when the anode flow path of the fuel cell stack 110 is filled with air. In addition, the fuel cell system 100 switches the second inlet and outlet 152 of the second multi-directional valve 150 back to the closed state and maintains the system stop state.

이와 같이 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110)이 작동 정지된 상태에서도 애노드 유로에 수소가 잔류하지 않기 때문에, 연료전지 스택(110)의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 전위차가 발생되지 않으며, 이러한 전위차로 인해 발생될 수 있는 종래의 촉매 성능 열화나 촉매 지지체의 부식도 방지할 수 있다. As described above, since the hydrogen does not remain in the anode flow path even when the fuel cell stack 110 is stopped, no potential difference is generated between the anode side and the cathode side of the fuel cell stack 110. In addition, it is possible to prevent the deterioration of the conventional catalyst performance or the corrosion of the catalyst support, which may occur due to the potential difference.

도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 연료전지 재기동 단계에서 공기의 배출 흐름을 나타낸 개략도이다.FIG. 5 is a schematic diagram showing the discharge flow of air in the fuel cell restart step of the fuel cell system shown in FIG. 1.

도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 시스템 제어기로부터 재기동 신호가 전달됨에 따라 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 충진된 공기를 다음과 같이 배출한다.As shown in FIG. 1 and FIG. 5, the fuel cell system 100 discharges air filled in the anode flow path of the fuel cell stack 110 as a restart signal is transmitted from the system controller as follows.

즉, 연료전지 시스템(100)은 제1 다중 방향 밸브(140)의 제1 입출구(141)를 개방된 상태로 전환시키고, 제1 다중 방향 밸브(140)의 제3 입출구(143)를 폐쇄된 상태로 유지한다. 그리고, 연료전지 시스템(100)은 제2 다중 방향 밸브(150)의 제2 입출구(152)를 개방된 상태로 전환시키고, 제2 다중 방향 밸브(150)의 제3 입출구(153)를 폐쇄된 상태로 유지한다. 연료전지 시스템(100)은 수소 재순환 펌프(160)를 정상적으로 작동시키고, 수소 저장원(120)으로부터 유입되는 수소를 연료전지 스택(110)에 공급한다. 그러면, 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 충진된 공기는 제2 다중 방향 밸브(150)를 통해 외부로 배출되고, 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에는 수소가 충진된다. 이때 수소 재순환 펌프(160)의 작동에 의해서 애노드 유로에 충진된 공기의 배출은 더욱 촉진된다. That is, the fuel cell system 100 switches the first inlet and outlet 141 of the first multi-directional valve 140 to the open state, and closes the third inlet and outlet 143 of the first multi-directional valve 140. Keep it in a state. In addition, the fuel cell system 100 switches the second inlet and outlet 152 of the second multi-directional valve 150 to an open state, and closes the third inlet and outlet 153 of the second multi-directional valve 150. Keep it in a state. The fuel cell system 100 normally operates the hydrogen recycle pump 160, and supplies the hydrogen flowing from the hydrogen storage source 120 to the fuel cell stack 110. Then, air filled in the anode flow path of the fuel cell stack 110 is discharged to the outside through the second multi-directional valve 150, and hydrogen is filled in the anode flow path of the fuel cell stack 110. At this time, the discharge of the air filled in the anode flow path by the operation of the hydrogen recycle pump 160 is further promoted.

연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 수소가 충진된 조건 하에서 도 2에 도시된 바와 같이 제2 다중 방향 밸브(150)의 제2 입출구(152)를 폐쇄된 상태로 전환시키고, 제2 다중 방향 밸브(150)의 제3 입출구(153)를 개방 한다. 그리고, 연료전지 시스템(100)은 산소 공급부(130)를 가동하고서, 연료전지 스택(110)으로부터 배출되는 잔여 가스를 재순환시키면서 연료전지 스택(110)의 발전 작용을 유지한다.The fuel cell system 100 is closed with the second inlet and outlet 152 of the second multi-directional valve 150 as shown in FIG. 2 under hydrogen filled conditions in the anode flow path of the fuel cell stack 110. And the third inlet / outlet 153 of the second multi-directional valve 150 is opened. In addition, the fuel cell system 100 operates the oxygen supply unit 130 to maintain the power generation function of the fuel cell stack 110 while recirculating residual gas discharged from the fuel cell stack 110.

이와 같이 연료전지 시스템(100)은 시스템 정지 상태에서 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 공기를 충진함으로써, 개방전압이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 연료전지 시스템(100)은 시스템 재가동 과정에서도 상기와 같은 제1 다중 방향 밸브(140)와 제2 다중 방향 밸브(150)를 이용하여, 연료전지 스택(110)의 애노드 유로에 충진된 공기를 보다 신속하게 외부로 배출시키면서 수소를 다시 공급할 수 있다. As such, the fuel cell system 100 may fill the air in the anode flow path of the fuel cell stack 110 in a system stop state, thereby preventing the open voltage from being generated. In addition, the fuel cell system 100 may be filled in the anode flow path of the fuel cell stack 110 by using the first multi-directional valve 140 and the second multi-directional valve 150 as described above. Hydrogen can be resupplied while releasing air to the outside more quickly.

즉, 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 범위에 속하는 것이 당연하다.That is, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating components of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 수소의 재순환 흐름을 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a recycle flow of hydrogen in the fuel cell system shown in FIG. 1.

도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 수소의 퍼지 흐름을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a purge flow of hydrogen in the fuel cell system shown in FIG. 1.

도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 연료전지 정지 단계에서 공기의 유입 흐름을 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating an inflow flow of air in a fuel cell stop step of the fuel cell system illustrated in FIG. 1.

도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 연료전지 재기동 단계에서 공기의 배출 흐름을 나타낸 개략도이다.FIG. 5 is a schematic diagram showing the discharge flow of air in the fuel cell restart step of the fuel cell system shown in FIG. 1.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 연료전지 시스템 110 : 연료전지 스택100: fuel cell system 110: fuel cell stack

120 : 수소 저장원 130 : 산소 공급부120: hydrogen storage source 130: oxygen supply unit

140 : 제1 다중 방향 밸브 150 : 제2 다중 방향 밸브140: first multi-directional valve 150: second multi-directional valve

160 : 수소 재순환 펌프160: hydrogen recycle pump

Claims (5)

수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택;A fuel cell stack configured to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen; 상기 연료전지 스택의 애노드 입구에 연결되는 수소 공급 라인을 통해 상기 연료전지 스택에 상기 수소를 공급하는 수소 공급부; 및 A hydrogen supply unit supplying the hydrogen to the fuel cell stack through a hydrogen supply line connected to an anode inlet of the fuel cell stack; And 상기 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되는 수소 배출 라인에 위치하면서 상기 수소 공급 라인에 연결되는 수소 재순환 라인을 통해 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 잔여 가스를 다시 상기 수소 공급 라인으로 공급하는 수소 재순환부;를 포함하고,A hydrogen recycle unit positioned at a hydrogen discharge line connected to an anode outlet of the fuel cell stack and supplying the remaining gas discharged from the fuel cell stack to the hydrogen supply line through a hydrogen recycle line connected to the hydrogen supply line; Including, 상기 수소 공급부는 상기 수소를 일방향으로 유동시키거나 외부의 공기를 유입시키는 제1 다중 방향 밸브를 포함하고, 상기 수소 재순환부는 상기 잔여 가스를 외부로 배출시키거나 상기 수소 재순환 라인을 통해 상기 수소 공급 라인으로 유입시키는 제2 다중 방향 밸브를 포함하는 연료전지 시스템.The hydrogen supply portion includes a first multi-directional valve for flowing the hydrogen in one direction or introducing external air, and the hydrogen recycle portion discharges the residual gas to the outside or through the hydrogen recycle line. A fuel cell system comprising a second multi-directional valve to flow into. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 재순환부는 상기 연료전지 스택과 상기 제2 다중 방향 밸브 사이에 위치하면서 상기 잔여 가스를 기 설정된 압력으로 유동시키는 수소 재순환 펌프를 더 포함하는 연료전지 시스템.The hydrogen recycle unit further comprises a hydrogen recycle pump positioned between the fuel cell stack and the second multi-directional valve to flow the residual gas at a predetermined pressure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 재순환 라인은 상기 제1 다중 방향 밸브와 상기 연료전지 스택 사이의 지점에서 상기 수소 공급 라인에 연결되는 연료전지 시스템.And the hydrogen recycle line is connected to the hydrogen supply line at a point between the first multi-directional valve and the fuel cell stack. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 다중 방향 밸브와 상기 제2 다중 방향 밸브는 기체 또는 액체를 삼방향으로 유입시키거나 배출시키는 삼방향 밸브 타입으로 이루어지는 연료전지 시스템.And the first multi-directional valve and the second multi-directional valve are three-way valve types for introducing or discharging gas or liquid in three directions. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 공급부는 순수(純粹) 수소가 충진된 수소 저장원을 더 포함하고, 상기 수소 저장원은 상기 수소 공급 라인을 통해 상기 순수 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료전지 시스템.The hydrogen supply unit further includes a hydrogen storage source filled with pure hydrogen, and the hydrogen storage source supplies the pure hydrogen to the fuel cell stack through the hydrogen supply line.
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