KR20100056940A - 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법 - Google Patents

서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100056940A
KR20100056940A KR1020080115963A KR20080115963A KR20100056940A KR 20100056940 A KR20100056940 A KR 20100056940A KR 1020080115963 A KR1020080115963 A KR 1020080115963A KR 20080115963 A KR20080115963 A KR 20080115963A KR 20100056940 A KR20100056940 A KR 20100056940A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
purge valve
sub
valve
Prior art date
Application number
KR1020080115963A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101080782B1 (ko
Inventor
성우석
은상수
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020080115963A priority Critical patent/KR101080782B1/ko
Publication of KR20100056940A publication Critical patent/KR20100056940A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101080782B1 publication Critical patent/KR101080782B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법에 관한 것으로서, 냉시동시에 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브의 신속한 해빙이 가능하고, 밸브 히팅을 위한 저전압 배터리의 에너지 소모 및 그에 따른 냉시동 신뢰도 저하의 문제점이 해결되며, 좀더 신속하고 효율적인 저온 시동이 가능한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에서는 건조한 수소가 통과하는 수소공급라인의 소정 위치에 서브 퍼지밸브를 추가 설치하여, 연료전지 시스템의 냉시동시에 일정 압력까지 스택의 수소극에 수소를 공급한 뒤 상기 서브 퍼지밸브를 우선 동작시켜 수소극에 축적된 불필요한 이물질들, 즉 질소 및 액적(물) 등을 수소 퍼지를 통해 배출시키고, 이후 공기블로워를 통해 공기를 공급하여 연료전지를 운전시킨 뒤 연료전지의 운전에 의해 생성된 고전압 전류를 이용하여 히터를 작동시킴으로써 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브를 급속 해빙하며, 이후 이들 밸브의 정상 동작과 동시에 연료전지의 정상 운전이 이루어지도록 한다.
연료전지, 냉시동, 서브 퍼지밸브, 급속 해빙, 수소 퍼지

Description

서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법{Fuel cell system provided with sub-purge valve and cold start method of the same}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동시에 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브의 신속한 해빙이 가능하고, 밸브 히팅을 위한 저전압 배터리의 에너지 소모 및 그에 따른 냉시동 신뢰도 저하의 문제점이 해결되며, 좀더 신속하고 효율적인 저온 시동이 가능한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
이와 같은 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[캐소드에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다.
상기 환원극 반응을 위해 수소이온은 전해질막을 통과해 지나가야만 하는데, 이때 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물이 발생하여 반응기체와 막을 가습하게 된다.
가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 전해질막이 말라 버리며, 이에 연료전지를 적절하게 가동하기 위해서는 전해질막이 습하게 유지되어야 한다. 막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물 함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.
연료전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는데, 대기의 공기 습도는 막을 젖어 있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료전지로 공 급되기 전에 공기는 원활한 작동을 위해서 충분히 가습된다.
한편, 연료전지 차량에서 스택의 운전에 따라 연료전지반응의 산화제로 사용한 공기 중의 질소와 캐소드(공기극)에서 생성된 생성수들이 전해질막을 통해 크로스 오버되어 애노드(수소극) 측으로 이동해 온다.
이때 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 수소극의 퍼지를 통해 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다. 이를 위해 통상 연료전지 시스템에는 수소 퍼지를 위한 장치가 구비된다.
첨부한 도 1은 종래기술에 따른 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템의 구성도로서, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS), 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
여기서 수소공급장치는 수소탱크, 고압(미도시)/저압 레귤레이터, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리계는 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.
상기 수소공급장치의 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택으로 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인에 블로워를 설치하여 스택의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
스택에서 나온 미반응 수소는 수소 재순환 라인을 통해 다시 스택으로 공급되지만, 그 일부는 퍼지밸브를 통해 희석장치인 가습기로 이동하여 공기에 의해 규정치 이하로 희석된 뒤 외부로 배출된다.
도 1을 참조하면, 수소 재순환 라인, 보다 명확히는 수소 재순환 블로워 전단 위치에 퍼지밸브를 설치하였는 바, 이 퍼지밸브는 FPS 배관 내 수소 농도를 관리하기 위해서 연료전지 시스템 제어기의 명령에 따라 개폐를 하는 밸브로서, 퍼지밸브를 통해 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 분리판의 액적들을 제거하고 수소 이용률을 높이게 된다.
또한 도 1을 참조하면, 공기극 환원반응에 의해 발생한 물이 수소극으로 역확산(Back-diffuse)됨을 볼 수 있는데, 수소공급장치에서 수소공급밸브 및 저압레귤레이터(LPR)를 통해 연료전지 스택으로 공급된 건조한 수소가 공기극에서 수소극으로 역확산된 물에 의해 습윤한 수소 상태가 된다.
따라서, 수소 출구에 연결된 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브가 습윤한 상태에 노출되고, 특히 빙점 이하에서는 상기 밸브들이 결빙된다. 이에 저온 냉시동시에는 상기 밸브들을 히터로 해빙할 필요가 있게 된다.
통상 연료전지 차량에서는 저온 냉시동시에 밸브에 구비된 히터를 작동시켜 밸브를 히팅해줌으로써 해빙하고, 이를 통해 밸브의 정삭적인 작동이 가능하도록 하고 있다.
특히, 저온에 장시간 방치된 콜드 소오킹(cold soaking) 상태에서는 스택의 수소극에 축적된 수소 이외의 물질(질소, 액적 등)을 배출하기 위해 저온 냉시동 초기에 퍼지밸브의 동작은 필수적이며, 이에 밸브 히팅은 반드시 필요한 과정이다.
그러나, 상기와 같이 연료전지 차량의 저온 냉시동시에 밸브에 구비된 히터를 작동시켜 밸브를 해빙시키는 경우, 해빙 에너지가 과다하게 소요되는 문제가 있다. 즉, 직결형 슈퍼캡 하이브리드 구조에서 연료전지 운전 전 모든 에너지 소모는 저전압 배터리(12V)에 의존할 수밖에 없는데, 빙점 이하의 온도에서 필연적으로 성능 저하를 수반하는 저전압 배터리에 부담을 더하여 저온 시동의 신뢰도에 악영향을 미치게 된다.
또한 저전압 배터리의 전력을 이용하여 밸브의 히터(저전압 히터)를 작동시키므로, 밸브를 해빙하는데 소요되는 시간이 과다하여 시동 전체의 소요시간이 길어질 수밖에 없다. 특히, 냉시동 전체 소요시간의 절반 가까이가 퍼지밸브의 해빙에 사용되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 냉시동시에 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브의 신속한 해빙이 가능하고, 밸브 히팅을 위한 저전압 배터리의 에너지 소모 및 그에 따른 냉시동 신뢰도 저하의 문제점이 해결되며, 좀더 신속하고 효율적인 저온 시동이 가능한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료인 수소와 산화제인 공기 중 산소의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급장치를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 수소공급장치에 의해 연료전지 스택으로 연료인 건조 수소가 공급되는 수소공급라인에 수소극에 축적된 질소 및 액적 등의 물질을 수소 퍼지에 의해 배출할 수 있는 별도의 서브 퍼지밸브가 추가로 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 서브 퍼지밸브는 수소공급장치에 의해 스택에 수소가 우선 공급된 후 스택 내 수소극의 소정 압력 도달 상태에서 제어기의 제어하에 반복 개폐되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 연료전지 스택으로 연료인 건조 수소가 공급되는 수소공급라인에 서브 퍼지밸브가 추가 장착된 상태에서 수소공급장치에 의해 상기 연료전지 스택에 수소가 공급되는 단계와; 수소 공급 후 상기 서브 퍼지밸브가 동작하여 스택의 수소극에 축적된 질소 및 액적 등의 물질이 수소 퍼지에 의해 상기 수소극으로부터 배출되는 단계와; 공기공급장치를 구동하여 연료전지 스택으로 공기를 공급하고 연료전지를 운전하는 단계와; 운전 중인 연료전지에 의해 생성된 전력을 밸브 히팅용 히터에 공급하여 스택 수소극 출구측의 퍼지밸브를 해빙하는 단계와; 상기 퍼지밸브의 해빙 후 이를 동작시켜 수소 퍼지가 이루어지도록 하면서 연료전지의 정상 운전이 이루어지는 단계;를 포함하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템의 냉시동 방법을 제공한다.
여기서, 상기 서브 퍼지밸브는 수소공급장치에 의해 스택에 수소가 우선 공급된 뒤 수소극의 소정 압력 도달 상태에서 제어기의 제어하에 수소 공급이 차단된 상태에서 반복 개폐되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 운전 중인 연료전지에 의해 생성된 전력을 수소 재순환 밸브에 설치된 히터에 공급하여 수소 재순환 밸브를 해빙하고, 상기 연료전지의 정상 운전시에 상기 수소 재순환 밸브가 개방되어 수소 재순환이 수행되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법에 의하면, 냉시동 시에 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브의 신속한 해빙이 가능하고, 밸브 히팅을 위한 저전압 배터리의 에너지 소모 및 그에 따른 냉시동 신뢰도 저하의 문제점이 해결되며, 좀더 신속하고 효율적인 저온 시동이 가능해진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 저온 냉시동시에 즉각 동작이 가능한 서브 퍼지밸브를 장착하고 연료전지 시스템의 냉시동시에 이를 이용하는 것에 주된 기술적 특징이 있는 것이다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 수소공급장치(10)의 수소공급라인(11)에 별도의 퍼지밸브(이하, 서브 퍼지밸브라 칭함)(14)를 추가로 장착하여 구성된다.
본 발명에서 서브 퍼지밸브(14)가 장착되는 위치는 건조한 수소가 공급되는 위치가 되며, 장착위치가 건조한 위치가 되므로 서브 퍼지밸브(14)는 콜드 소오킹 이후에도 즉시 개폐 동작이 가능하다.
상기 서브 퍼지밸브(14)는, 습윤 상태의 수소가 통과하는 기존의 퍼지밸브(18) 및 수소 재순환 밸브(16)와 달리, 건조한 수소가 공급되는 위치에 설치되므로 동작이 불가능할 정도로 결빙되지 않는다. 즉, 물기가 없으므로 콜드 소오킹 이후 등과 같은 저온시에도 결빙이 일어나지 않으며, 따라서 히터에 의한 밸브 해빙 과정 없이도 즉시 동작이 가능하고, 결국 동작을 위해 해빙 등에 소요되는 시간 및 에너지의 소모가 불필요하다.
상기와 같은 서브 퍼지밸브(14)가 장착된 연료전지 시스템의 냉시동 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 전체 연료전지 시스템을 도시한 구성도로서, 전술한 바와 같이 수소공급라인(11)에 결빙이 일어나지 않는, 즉시 저온에서 즉시 동작이 가능한 서브 퍼지밸브(14)가 장착되고 있다.
도면부호 22는 막가습기로서, 외기의 건조공기를 공기블로워(21)로 강제 송풍하여 막가습기(22)에 통과시킨다. 즉, 연료전지 스택(1)의 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 가습공기를 막가습기(22)에 통과시켜, 과포화 가습공기와 건조공기 간 수분 교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지도록 하고, 여기서 가습된 공기를 연료전지 스택(1)에 공급하는 것이다.
막가습기(22)의 역할은 연료전지 스택(1)에서 고온으로 배출되는 미반응가스에 포함된 수분과 열을 막 표면을 통해 연료전지 스택에 공급되는 상온의 건조한 반응가스에 공급함으로써, 연료전지 스택의 가습과 온도 유지를 달성하는 것이다.
막가습기의 경우 접촉표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지 스택의 가습이 충분히 가능하며, 막가습기를 통해 연료전지 스택에서 고온으로 배출되는 미반응가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 재사용하게 되므로 연료전지 스택의 가습에 들어가는 별도의 수분과 에너지를 절약할 수 있다.
우선, 수소공급밸브(12)가 개방되어 수소탱크의 수소가 압력 레귤레이터(13)를 거쳐 연료전지 스택(1)에 공급되고, 이때 스택의 수소극 압력이 1.3ba까지 상승하게 된다.
이후 수소공급밸브(12)를 차단하고, 콜드 소오킹 중 연료전지 스택(1) 내 수소극에 축적된 질소 및 액적(물)을 배출하기 위하여, 결빙되어 작동 불능상태인 기존 수소극 출구측의 퍼지밸브(18) 대신에 서브 퍼지밸브(14)를 열어준다.
이와 같이 서브 퍼지밸브(14)를 열어주게 되면, 수소극에 축적된 질소, 액적 등이 수소극 압력에 의해 일부 수소와 함께 서브 퍼지밸브를 통해 신속히 배출되게 된다.
이때, 서브 퍼지밸브(14)를 기존의 퍼지밸브(18)와 유사하게 주기적으로 반복 개폐하여(약 2 ~ 3회) 배출시키는데, 이후 서브 퍼지밸브(14)가 닫혀진 상태로 퍼지 과정을 종료하여 연료전지 내의 수소극을 충분히 퍼지한 다음에는 다시 수소공급밸브(12)를 개방하고 공기블로워(21)를 구동하는 바, 일시적으로 데드-엔드 운전(퍼지밸브와 재순환 밸브가 차단된 상태에서 연료전지 운전)을 하여 연료전지를 우선 가동시킨다.
그리고, 연료전지를 운전시켜 연료전지로부터 고전압의 전력이 생성되면, 기존의 퍼지밸브(18)와 재순환 수소 밸브(24)에 설치된 히터를 연료전지의 고전압으로 작동시켜 밸브를 급속히 해빙한다.
상기와 같이 밸브의 해빙이 된 이후에 수소 재순환 밸브(16)가 개방되고 수소 재순환 블로워(17)가 구동되는 상태에서 정상적인 연료전지의 운전이 이루어지 며, 연료전지의 정상적인 운전이 이루어지는 상태에서는 주기적으로 퍼지밸브(18)를 개폐 동작시켜 수소 퍼지를 시행한다.
상기와 같이 본 발명의 냉시동 과정에서는 연료전지 시스템의 냉시동시에 일정 압력까지 스택(1)의 수소극에 수소를 공급한 뒤 상기 서브 퍼지밸브(14)를 우선 동작시켜 수소극에 축적된 불필요한 이물질들, 즉 질소 및 액적(물) 등을 수소 퍼지를 통해 배출시키고, 이후 공기블로워(21)를 통해 공기를 공급하여 연료전지를 운전시킨 뒤 연료전지의 운전에 의해 생성된 고전압 전력을 이용하여 히터를 작동시킴으로써 퍼지밸브(18) 및 수소 재순환 밸브(16)를 급속 해빙하며, 이후 이들 밸브의 정상 동작과 동시에 연료전지의 정상 운전이 이루어지도록 한다.
이러한 본 발명의 냉시동 과정에 의하면, 밸브의 신속한 해빙이 가능하고, 종래와 같이 저전압 배터리의 에너지 소모 및 그에 따른 냉시동 신뢰도 저하의 문제점이 해결되며, 신속하고 효율적인 저온 시동이 가능해진다.
도 1은 종래기술에 따른 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 전체 연료전지 시스템을 도시한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소공급장치 11 : 수소공급라인
12 : 수소공급밸브 13 : 압력 레귤레이터
14 : 수소퍼지밸브 20 : 공기공급장치
21 : 공기블로워 22 : 가습기
23 : 수소 재순환 라인 24 : 수소 재순환 밸브
25 : 수소 재순환 블로워 26 : 퍼지밸브

Claims (5)

  1. 연료인 수소와 산화제인 공기 중 산소의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택(1), 연료전지 스택(1)에 수소를 공급하는 수소공급장치(10), 연료전지 스택(1)에 공기를 공급하는 공기공급장치(20)를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 수소공급장치(10)에 의해 연료전지 스택(1)으로 연료인 건조 수소가 공급되는 수소공급라인(11)에 수소극에 축적된 질소 및 액적 등의 물질을 수소 퍼지에 의해 배출할 수 있는 별도의 서브 퍼지밸브(14)가 추가로 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브 퍼지밸브(14)는 수소공급장치(10)에 의해 스택(1)에 수소가 우선 공급된 후 스택 내 수소극의 소정 압력 도달 상태에서 제어기의 제어하에 반복 개폐되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템.
  3. 연료전지 스택으로 연료인 건조 수소가 공급되는 수소공급라인에 서브 퍼지밸브가 추가 장착된 상태에서 수소공급장치에 의해 상기 연료전지 스택에 수소가 공급되는 단계와;
    수소 공급 후 상기 서브 퍼지밸브가 동작하여 스택의 수소극에 축적된 질소 및 액적 등의 물질이 수소 퍼지에 의해 상기 수소극으로부터 배출되는 단계와;
    공기공급장치를 구동하여 연료전지 스택으로 공기를 공급하고 연료전지를 운전하는 단계와;
    운전 중인 연료전지에 의해 생성된 전력을 밸브 히팅용 히터에 공급하여 스택 수소극 출구측의 퍼지밸브를 해빙하는 단계와;
    상기 퍼지밸브의 해빙 후 이를 동작시켜 수소 퍼지가 이루어지도록 하면서 연료전지의 정상 운전이 이루어지는 단계;
    를 포함하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템의 냉시동 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 서브 퍼지밸브는 수소공급장치에 의해 스택에 수소가 우선 공급된 뒤 수소극의 소정 압력 도달 상태에서 제어기의 제어하에 수소 공급이 차단된 상태에서 반복 개폐되는 것을 특징으로 하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템의 냉시동 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 운전 중인 연료전지에 의해 생성된 전력을 수소 재순환 밸브에 설치된 히터에 공급하여 수소 재순환 밸브를 해빙하고, 상기 연료전지의 정상 운전시에 상기 수소 재순환 밸브가 개방되어 수소 재순환이 수행되는 것을 특징으로 하는 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템의 냉시동 방법.
KR1020080115963A 2008-11-20 2008-11-20 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법 KR101080782B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080115963A KR101080782B1 (ko) 2008-11-20 2008-11-20 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080115963A KR101080782B1 (ko) 2008-11-20 2008-11-20 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100056940A true KR20100056940A (ko) 2010-05-28
KR101080782B1 KR101080782B1 (ko) 2011-11-07

Family

ID=42280871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080115963A KR101080782B1 (ko) 2008-11-20 2008-11-20 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101080782B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170128681A (ko) 2016-05-12 2017-11-23 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템
CN112490472A (zh) * 2020-10-27 2021-03-12 广西玉柴机器股份有限公司 一种燃料电池低温运行停机吹扫方式
CN115117402A (zh) * 2022-08-26 2022-09-27 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法
KR20230009036A (ko) * 2021-07-08 2023-01-17 주식회사 현대케피코 스택 생성수 배출타입 공기차단밸브

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020126150A1 (de) 2020-10-06 2022-04-07 Hoerbiger Antriebstechnik Holding Gmbh Verfahren zum nach einem Stillstand erfolgenden Hochfahren eines Brennstoffzellensystems

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002093449A (ja) 2000-09-12 2002-03-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP3578148B2 (ja) 2002-02-08 2004-10-20 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4049706B2 (ja) 2003-05-29 2008-02-20 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP4220925B2 (ja) * 2004-03-26 2009-02-04 アイシン精機株式会社 燃料電池発電システム

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170128681A (ko) 2016-05-12 2017-11-23 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템
KR101878033B1 (ko) * 2016-05-12 2018-07-16 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템
US10622648B2 (en) 2016-05-12 2020-04-14 Hyundai Motor Company Constant voltage control method and system of fuel cell vehicle
CN112490472A (zh) * 2020-10-27 2021-03-12 广西玉柴机器股份有限公司 一种燃料电池低温运行停机吹扫方式
KR20230009036A (ko) * 2021-07-08 2023-01-17 주식회사 현대케피코 스택 생성수 배출타입 공기차단밸브
CN115117402A (zh) * 2022-08-26 2022-09-27 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101080782B1 (ko) 2011-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4656947B2 (ja) カソード電極燃料パージを用いる燃料電池発電プラント用の起動システム及び方法
CN102270766B (zh) 用于关停时耗尽氧的燃料电池操作方法
KR101592391B1 (ko) 연료 전지 스택의 수소 공급 장치
KR100534698B1 (ko) 연료전지 시스템
CN107004876B (zh) 用于断开燃料电池堆叠的方法以及燃料电池系统
KR101080782B1 (ko) 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법
KR100969064B1 (ko) 공기흡입밸브를 이용한 연료전지의 열화 방지 방법
KR100974734B1 (ko) 연료전지 차량의 수소 퍼지 장치
KR101610063B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR20180068159A (ko) 연료전지 시스템
JP5354942B2 (ja) 燃料電池システム
KR20120009631A (ko) 공급가스 조절이 가능한 연료전지 시스템
KR20030073679A (ko) 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치
US8828616B2 (en) Life extension of PEM fuel cell using startup method
JP4797346B2 (ja) 燃料電池システム
JP2009129879A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
KR101534920B1 (ko) 연료전지 시동 장치 및 방법
JP5166907B2 (ja) 固体高分子型燃料電池の運転方法及び燃料電池エージングシステム
KR101361254B1 (ko) 연료전지 스택의 연료극 불순물 배출 장치
KR101113644B1 (ko) 연료전지 시스템의 퍼징 방법
KR101144045B1 (ko) 연료전지 냉시동 장치 및 방법
KR20100058739A (ko) 연료전지용 공기분리장치
KR101988054B1 (ko) 통합형 배기 밸브를 포함하는 연료 전지 배출 시스템
KR101113653B1 (ko) 연료전지 시스템의 퍼징 방법
KR101755907B1 (ko) 연료전지 스택 수분 응축 방지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee