KR20100063247A - System to manage water and fuel for dead-end mode pem fuel cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A water and fuel management system for a polymer electrolyte membrane fuel cell is provided to reduce an unnecessary loss of fuel and an oxidizer, and to improve the efficiency of the fuel cell. CONSTITUTION: A water and fuel management system for a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead-end mode comprises the following: a fuel cell system(1) including an anode(11) for supplying fuel, and a cathode(12) for supplying an oxidizer around a polymer electrolyte membrane(13); a pulsating inductor(40) inducing the pulsating with a constant cycle and amplitude on the cathode while being connected with a discharging path(38b); a voltage measurement unit(16) measuring the voltage generated from the fuel cell; and a controller(17) controlling the cycle and the amplitude from the pulsating inductor.

Description

데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템{SYSTEM TO MANAGE WATER AND FUEL FOR DEAD-END MODE PEM FUEL CELL}System to manage water and fuel of polymer electrolyte membrane fuel cell using dead end mode {SYSTEM TO MANAGE WATER AND FUEL FOR DEAD-END MODE PEM FUEL CELL}

본 발명은 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 내에 발생되는 물을 배출시키도록, 고분자 전해질막 연료전지에 맥동유발수단(pulsator) 및 선택적 투과막을 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode, and more particularly, to discharge water generated in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode. A polymer electrolyte membrane fuel cell system using a pulsator and a selective permeable membrane in a polymer electrolyte membrane fuel cell.

수요량에 비해 생산량이 현저히 줄어든 석유 에너지는 심각한 자연 환경 문제를 일으킬 뿐 아니라 매장량이 유한하기 때문에 최근에는 대체에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 수소에너지를 사용하는 연료전지 시스템은 현재의 내연 기관에 비하여 열효율이 높을 뿐 아니라 생성물 또한 청정하여 환경 친화적인 우수한 대체에너지로 각광 받고 있다.Petroleum energy, which has significantly reduced production compared to demand, not only causes serious natural environmental problems but also has a limited amount of reserves. Among them, the fuel cell system using hydrogen energy has a high thermal efficiency as compared to the current internal combustion engine, and the product is also clean and is being spotlighted as an excellent environmentally friendly alternative energy.

연료전지는 전기화학적 반응을 수행하여 전력을 생성한다. 전형적인 연료전지 반응물은 수소 또는 탄화수소와 같은 연료와, 공기와 같은 산화제이다. The fuel cell generates electric power by performing an electrochemical reaction. Typical fuel cell reactants are fuels such as hydrogen or hydrocarbons and oxidants such as air.

구체적으로, 연료전지는 전형적으로 3개의 기본 요소인 애노드(Anode), 캐쏘 드(Cathode) 및 전해질(Electrolyte)을 포함한다. 애노드 및 캐쏘드는 다공성이며 통상 전기촉매를 포함하며, 연료는 다공성 애노드를 통해 이동하고, 산화제는 다공성 캐쏘드를 통해 이동한다. 다공성 애노드를 통해 이동하는 연료는 고압 연료 탱크에 저장된 수소나 탄화수소 등이다.Specifically, the fuel cell typically includes three basic elements: an anode, a cathode, and an electrolyte. The anode and cathode are porous and usually comprise an electrocatalyst, the fuel travels through the porous anode and the oxidant travels through the porous cathode. Fuel traveling through the porous anode is hydrogen or hydrocarbons stored in a high pressure fuel tank.

그 중 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 시스템의 운영 방법에 따라 오픈모드(Open Mode)와 데드앤드모드(Dead-End Mode)로 나눌 수 있으며, 대부분의 연구가 오픈모드에서 운전되는 연료전지를 대상으로 이루어지고 있다.Among them, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) can be divided into Open Mode and Dead-End Mode depending on how the system is operated. It is aimed at fuel cells that are operated at.

오픈모드를 사용하는 연료전지 시스템에서는, 연료의 이용율이 100% 이하이므로, 필요한 전류를 생산하기 위한 연료의 양보다 공급되는 연료의 양이 많아야 한다. 또한, 가스 확산층으로 흡수 되지 못한 미반응 연료는 시스템 밖으로 물과 함께 배출되므로 별도의 재순환 시스템이 존재하게 된다. In the fuel cell system using the open mode, since the utilization rate of the fuel is 100% or less, the amount of fuel supplied must be larger than the amount of fuel for producing the required current. In addition, unreacted fuel that is not absorbed into the gas diffusion layer is discharged with water out of the system, so there is a separate recycling system.

반면, 데드앤드모드로 운전되는 연료전지는 별도의 블로워(blower) 없이 압력으로만 연료를 공급하며, 연료의 이용율이 극대화될 수 있다. 또한, 반응 이후 생성된 수분이 항상 채널 내부에 존재하기 때문에 별도의 연료 공급 장치, 재순환 장치가 필요 없으며 가습 장치 또한 작아질 수 있는 장점이 있다. 또한 압력 손실이 적어 연료전지 채널 내부에 균일하게 압력이 가해지므로 오픈모드 보다 항상 출력이 높게 나온다. On the other hand, the fuel cell operated in the dead end mode supplies fuel only by pressure without a separate blower, and the utilization rate of the fuel may be maximized. In addition, since the moisture generated after the reaction is always present in the channel, there is no need for a separate fuel supply device and a recirculation device, and the humidification device may also be small. In addition, since the pressure loss is less, the pressure is applied evenly inside the fuel cell channel, so the output is always higher than in the open mode.

데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템은 3가지 정도로 분류할 수 있다. 첫째는, 애노드 측은 데드앤드모드로 운전하고, 캐쏘드 측은 오픈모드로 연료전지 를 운전하는 경우이다. 둘째는, 캐쏘드 측은 데드앤드모드로 운전하고, 애노드 측은 오픈모드로 연료전지를 운전하는 경우이다. 세째는, 애노드 측과 캐쏘드 측이 모두 데드앤드모드로 연료전지를 운전하는 경우이다.Fuel cell systems using dead end mode can be classified into three categories. First, the anode side operates in dead end mode and the cathode side operates fuel cell in open mode. Secondly, the cathode side operates in the dead end mode and the anode side operates the fuel cell in the open mode. Third, the anode side and the cathode side both operate the fuel cell in the dead end mode.

이러한 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서는, 연료전지의 애노드로부터 배출되는 연료의 유로 및/또는 연료전지의 캐쏘드로부터 배출되는 산화제의 유로가 패쇄된 상태에서 연료전지가 작동하기 때문에, 시간의 경과에 따라 연료 및 산화제의 유로에 모이는 물의 양이 증가한다. In the fuel cell system using the dead end mode, since the fuel cell operates in a state in which the flow path of the fuel discharged from the anode of the fuel cell and / or the flow path of the oxidant discharged from the cathode of the fuel cell is closed, Over time, the amount of water that collects in the flow path of fuel and oxidant increases.

예를 들면, 연료와 산화제가 반응하여 애노드에서 전자가 생성되며, 전자는 전해질을 통과할 수 없고, 외부 회로로 향하여 전류를 형성한다. 캐쏘드는 외부 회로로부터 전자를 받아들이고, 전자는 산소와 재결합하여 캐쏘드에는 다량의 물이 형성된다. 또한, 캐쏘드 측에 형성된 다량의 물이 삼투현상에 의해 전해질을 통과하여 애노드로 공급되어 애노드 측에서 물이 생성될 수 있다.For example, fuel and oxidant react to produce electrons at the anode, which cannot pass through the electrolyte and form a current towards the external circuit. The cathode accepts electrons from an external circuit, and the electrons recombine with oxygen to form a large amount of water in the cathode. In addition, a large amount of water formed on the cathode side may be supplied to the anode through the electrolyte by osmosis to generate water on the anode side.

데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템은 끝이 막혀 있기 때문에 초기 연료의 유출이 없다. 한편, 반응 초기에는 수소의 분압이 높고, 물의 분압이 낮지만, 연료전지 구동시간이 길어질수록 물의 분압은 높아지고, 수소의 분압은 낮아진다. 이에 따라, 생성된 물에 의해 플러딩(flooding) 현상이 생겨서, 반응해야 할 부분이 물로 뒤덮여서 반응 면적이 줄어들어 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 발생한다. Fuel cell systems using dead end mode are closed and there is no initial fuel outflow. On the other hand, although the partial pressure of hydrogen is high and the partial pressure of water is low at the beginning of the reaction, the partial pressure of water is high and the partial pressure of hydrogen is low as the fuel cell driving time becomes longer. Accordingly, a flooding phenomenon occurs due to the generated water, the portion to be reacted is covered with water, and the reaction area is reduced, thereby degrading the performance of the fuel cell.

즉, 플러딩에 의해 물이 막히거나 수소의 분압이 낮아 반응이 어려워지면 생성된 물이 역반응에 의해 카본과 결합하여 수소를 재생산해내게 되고, 아래의 [반 응식 1]과 같은 반응에 의해 카본의 손실이 발생함으로서 비가역적 손실이 발생한다는 문제점이 있다.In other words, if water is blocked by flooding or the partial pressure of hydrogen is low, the reaction is difficult, and the produced water is combined with carbon by reverse reaction to reproduce hydrogen. There is a problem that irreversible loss occurs as a loss occurs.

Figure 112008083339648-PAT00001
Figure 112008083339648-PAT00001

따라서, 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지에서는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하고자, 퍼징(purging)을 통하여 물을 연료전지 외부로 배출하는 방식을 사용해왔다.Therefore, in order to solve the above problems in the conventional fuel cell using the dead end mode, a method of discharging water to the outside of the fuel cell through purging has been used.

도 1은 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템의 개략도이다. 도 1은 애노드와 캐쏘드 모두가 데드앤드모드인 경우를 나타내고 있으며, 애노드나 캐쏘드 중 어느 하나가 오픈모드일 수 있다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system using a conventional dead and mode. 1 illustrates a case in which both the anode and the cathode are in a dead end mode, and either the anode or the cathode may be in an open mode.

도면에 도시된 바와 같이, 연료는 연료탱크(14)로부터 질량유량제어기(Mass Flow Controller)(31a), 압력조절밸브(32a), 물탱크(34)로부터 수분을 공급받는 막가습기(Membrane Humidifier)(33a) 및 질량유량측정기(Mass Flow Meter; MFM)(35a)를 경유하여 연료전지의 애노드(11)의 입력단(21a)으로 들어간다. As shown in the figure, the fuel is supplied from the fuel tank 14 to the mass flow controller (Mass Flow Controller) 31a, the pressure control valve 32a, the water humidifier 34 (Membrane Humidifier) It enters the input terminal 21a of the anode 11 of the fuel cell via 33a and a mass flow meter (MFM) 35a.

산화제는 산화제탱크(15)로부터 질량유량제어기(31b), 압력조절밸브(32b), 물탱크(34)로부터 수분을 공급받는 막가습기(33b) 및 질량유량측정기(35b)를 경유하여 연료전지의 캐쏘드(12)의 입력단(21b)으로 들어간다. The oxidant is supplied to the fuel cell via the mass flow controller 31b, the pressure regulating valve 32b, the water humidifier 33b and the mass flow meter 35b, which receive water from the oxidant tank 15. It enters the input terminal 21b of the cathode 12.

상기의 질량유량제어기(31a, 31b), 질량유량측정기(35a, 35b) 및 막가습기(33a, 33b)와 막가습기(33a, 33b)에 수분을 공급하기 위한 물탱크(34)는 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지에서 필수적 구성요소는 아니므로, 설계자의 선택에 따라서, 부가하지 않아도 무방하다.The water tank 34 for supplying moisture to the mass flow controllers 31a and 31b, the mass flow meters 35a and 35b, and the membrane humidifiers 33a and 33b and the membrane humidifiers 33a and 33b is conventionally dead. Since it is not an essential component in the fuel cell using the end mode, it is not necessary to add it according to the designer's choice.

연료전지(10)로 입력된 연료 및 산화제는 서로 반응한다. 반응에 의해 발생되는 물은 대부분 캐쏘드(12) 측에 발생되고, 다량의 물이 삼투현상에 의해서 전해질막(13)을 통하여 애노드(11) 측으로 공급된다.The fuel and oxidant input to the fuel cell 10 react with each other. Most of the water generated by the reaction is generated on the cathode 12 side, and a large amount of water is supplied to the anode 11 side through the electrolyte membrane 13 by osmosis.

캐쏘드(12) 측에서 발생한 물은 캐쏘드(12)의 출력단(22b)으로 배출되며, 배출유로(38b), 캐쏘드 밴트(36b)를 경유하여 퍼지밸브(37b)에 이른다.The water generated at the cathode 12 side is discharged to the output end 22b of the cathode 12 and reaches the purge valve 37b via the discharge passage 38b and the cathode vent 36b.

또한, 애노드(11) 측에 공급된 물은 애노드(11)의 출력단(22a)으로 배출되며, 배출유료(38a), 애노드 밴트(36a)를 경유하여 퍼지밸브(37a)에 이른다.In addition, the water supplied to the anode 11 side is discharged to the output end 22a of the anode 11 and reaches the purge valve 37a via the discharge oil 38a and the anode band 36a.

한편, 전압측정수단(16)은 연료전지(10)의 전압을 측정하며, 제어부(17)는 전압이 소정치 보다 낮은 경우에는, 이 퍼지밸브(37a, 37b)를 개방하여, 물을 배출시키고, 전압을 회복하도록 하고 있다. 이와같은 기술은 아래의 [문헌1], [문헌2]에 잘 나타나 있다.On the other hand, the voltage measuring means 16 measures the voltage of the fuel cell 10, and when the voltage is lower than the predetermined value, the control unit 17 opens the purge valves 37a and 37b to discharge water. The voltage is being restored. Such a technique is well shown in [Document 1] and [Document 2] below.

[문헌1] 일본 특허공개공보, 출원번호 2004-536436호[Patent 1] Japanese Patent Laid-Open No. 2004-536436

[문헌2] 국제특허출원, 국제출원번호 PCT/JP2007/072916호[Patent 2] International Patent Application, International Application No. PCT / JP2007 / 072916

도 2는 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서 퍼징 시간에 대한 연료전지의 전압을 나타낸 그래프이고, 도 3은 시간에 대한 전압 및 압력을 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing a voltage of a fuel cell with respect to a purging time in a fuel cell system using a conventional dead and mode, and FIG. 3 is a graph showing voltage and pressure with respect to time.

도 2에서는 연료전지에서 출력되는 전류를 40A로 할 때, 연료전지에서 출력되는 전압값이 연료전지가 가동될수록 감소하는 것을 알수 있다. 즉, 가동시간이 늘어날수록 연료전지 내부에 물이 생성되어 연료전지의 성능이 저하되어, 출력 전압값이 작아진다. 따라서, 일정한 주기로 퍼지 밸브를 개방하여 물을 배출시켜서 원래의 전압값을 회복하도록 하고 있다.In FIG. 2, when the current output from the fuel cell is 40 A, the voltage value output from the fuel cell decreases as the fuel cell operates. That is, as the operation time increases, water is generated inside the fuel cell, which deteriorates the performance of the fuel cell, and thus the output voltage value decreases. Therefore, the purge valve is opened at regular intervals to discharge water to recover the original voltage value.

도 3은 전류밀도 1.8 A/cm2 로 운전시, 한 주기 내에서의 시간에 따른 압력 및 전압의 변화를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing changes in pressure and voltage over time in one cycle when operating at a current density of 1.8 A / cm 2 .

퍼지밸브(37a, 37b)가 개방되는 순간(퍼지시간이 0 일때) 전압이 급격히 회복되고, 퍼지밸브(37a, 37b)가 폐쇄된 후에는 물이 생성되면서 전압은 일정한 기울기로 떨어지게 된다. 하지만 곧 전압이 떨어지는 속도가 줄어들게 되며, 어느 지점부터는 다시 전압이 급격히 떨어진다. 이는 초반에는 채널 안에 생성되어 있는 물이 빠져나가면서 전압이 급격히 회복이 되지만, 퍼지밸브가 닫히게 되면 물이 생성되면서 다시 전압이 떨어지기 때문이다. When the purge valves 37a and 37b are opened (when the purge time is 0), the voltage is rapidly recovered, and after the purge valves 37a and 37b are closed, water is generated and the voltage drops to a constant slope. But soon the voltage drops off, and at some point the voltage drops sharply again. This is because the voltage recovers rapidly as the water generated in the channel escapes, but when the purge valve is closed, the voltage drops again as water is generated.

하지만 퍼지밸브(37a, 37b)가 개방되면, 흐르던 유체의 속도에 의한 동압의 속도가 0이 될 때, 정압은 1.5 bar 로 전환되어 연료의 반응 압력이 높아져 전압이 회복되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 떨어졌던 압력이 상승하면서 전압을 높여주려는 영향에 의해 전체적인 전압이 떨어지는 기울기는 작아지게 된다. 하지만 압력이 모두 회복된 이후에는 다시 물에 의한 영향만을 받게 되어 전압이 급격하게 떨어지는 모습을 볼 수 있다.However, when the purge valves 37a and 37b are opened, when the speed of the dynamic pressure due to the speed of the flowing fluid becomes zero, the positive pressure is converted to 1.5 bar to increase the reaction pressure of the fuel and the voltage is recovered. Therefore, the slope of the drop in the overall voltage becomes smaller due to the effect of increasing the voltage while the pressure dropped. However, after all of the pressure has been restored, only the water is affected again, and the voltage drops sharply.

도 4는 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서 전류에 대한 퍼징시간을 나타낸 그래프이고, 도 5는 전류밀도에 대한 1회 퍼징평균시간을 압력 에 따라 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the purging time for the current in the fuel cell system using a conventional dead and mode, Figure 5 is a graph showing the one time purging average time for the current density according to the pressure.

도 4에서 알 수 있듯이, 연료전지로부터 출력되는 전류값을 높일수록, 퍼징 시간이 짧아지는 것을 나타낸다. 예컨데, 40A의 전류를 얻고자 할 때는 45분 마다 퍼징을 해주어야 하지만, 45A의 전류를 얻고자 할 때는 10분 마다 퍼징을 해야한다.As can be seen from FIG. 4, the higher the current value output from the fuel cell, the shorter the purging time. For example, if you want to get 40A, you have to purge every 45 minutes, but if you want to get 45A, you have to purge every 10 minutes.

같은 압력조건에서는 전류밀도가 증가함에 따라 가스 확산층을 막게 되는 수분량이 증가하여 수분을 배출해 주어야 하는 주기가 감소하는 것을 알 수 있다. Under the same pressure conditions, as the current density increases, the amount of moisture blocking the gas diffusion layer increases, so it can be seen that the cycle of discharging moisture decreases.

도 5에서 알 수 있듯이, 같은 전류밀도에서는 운전 압력이 높아질수록 출력값은 증가하지만 주기는 짧아진다. 이 역시 압력이 높아져 출력이 증가하면 생성되는 물이 많아져서 배출해주어야 하는 수분도 많아지고, 그 결과 더 많이 퍼징을 해야함을 의미한다.As can be seen in Figure 5, at the same current density, as the operating pressure increases, the output value increases but the cycle becomes shorter. This also means that as the pressure increases and the output increases, more water is generated and more water must be discharged, which results in more purging.

한편, 데드앤드모드를 사용하는 연료전지에서 퍼징을 통하여 물을 배출하는 경우, 물의 배출외에 연료도 함께 배출되어 연료가 불필요하게 소모되며, 퍼징시 전압값이 크게 변하게 되어 전압안정성이 떨어지는 문제가 있다. 결과적으로, 데드앤드모드를 사용하는 연료전지의 경우 퍼징으로 인해 연료전지의 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 있다.On the other hand, when the water is discharged through the purging in the fuel cell using the dead-and-mode mode, the fuel is also discharged along with the discharge of water in addition to the fuel is unnecessarily consumed, there is a problem that the voltage value is greatly changed during purging, the voltage stability is inferior . As a result, in the case of a fuel cell using the dead end mode, there is a problem that the efficiency of the fuel cell is reduced due to the purging.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 데드앤드모드를 사용하는 연료전지에 맥동유발수단 및 선택적 투과막을 부가하여, 퍼징의 주기를 늘려서 연료전지 내부에 축척된 물만 배출하여 연료 및 산화제의 불필요한 손실을 막고, 연료전지의 효율을 높이는 데에 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, by adding a pulsation-inducing means and a selective permeable membrane to the fuel cell using the dead end mode, by increasing the period of purging to discharge only the water accumulated in the fuel cell fuel And to prevent unnecessary loss of the oxidant and to improve the efficiency of the fuel cell.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 고분자 전해질막을 사이에 두고 연료가 공급되는 애노드와 산화제가 공급되는 캐쏘드가 형성되며, 상기 캐쏘드의 배출유로를 차단한 상태로 구동하는 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 캐쏘드의 배출유로에 연결되어 상기 캐쏘드 측에 소정의 진폭과 주기를 가지는 맥동을 유발하는 맥동유발수단; 상기 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정수단; 및 상기 맥동유발수단의 진폭과 주기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.In order to achieve the above object, an anode to which fuel is supplied and a cathode to which an oxidant is supplied are formed with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and using a dead end mode for driving in a state in which the discharge flow path of the cathode is blocked. A fuel cell system comprising: pulsation inducing means connected to a discharge passage of the cathode to induce a pulsation having a predetermined amplitude and period on the cathode side; Voltage measuring means for measuring a voltage generated in the fuel cell; And it provides a system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead and mode, characterized in that it comprises a control unit for controlling the amplitude and the period of the pulsation-inducing means.

바람직하기로는, 상기 캐쏘드의 배출유로와 상기 맥동유발수단 사이에 배치되어 물은 통과시키고 산화제의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Preferably, the dead end mode further comprises a selective permeable membrane disposed between the discharge passage of the cathode and the pulsation inducing means to pass water and block passage of the oxidant to discharge only water to the outside of the fuel cell. A system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell to be used is provided.

또한 바람직하기로는, 상기 선택적 투과막은 그 표면에 부착되어 물의 증발 을 유도하는 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Also preferably, the selective permeable membrane is provided with a system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using the dead end mode characterized in that it further comprises a pin attached to the surface to induce the evaporation of water. .

또한 바람직하기로는, 상기 제어부에 의해 제어되며, 상기 전압측정수단으로부터 측정되는 전압이 소정의 값 이하가 되면 상기 캐쏘드의 배출유로를 개방하는 퍼지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Also preferably, the dead end mode is controlled by the control unit, and further comprising a purge valve to open the discharge flow path of the cathode when the voltage measured from the voltage measuring means is less than a predetermined value. A system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell to be used is provided.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 고분자 전해질막을 사이에 두고 연료가 공급되는 애노드와 산화제가 공급되는 캐쏘드가 형성되며, 상기 애노드의 배출유로를 차단한 상태로 구동하는 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드의 배출유로에 연결되어 상기 애노드 측에 소정의 진폭과 주기를 가지는 맥동을 유발하는 맥동유발수단; 상기 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정수단; 및 상기 맥동유발수단의 진폭과 주기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.In order to achieve the object as described above, a fuel anode and a cathode to which the oxidant is supplied are formed with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel using a dead end mode for driving the discharge path of the anode in a blocked state. A battery system comprising: pulsation-producing means connected to a discharge passage of the anode to induce a pulsation having a predetermined amplitude and period on the anode side; Voltage measuring means for measuring a voltage generated in the fuel cell; And it provides a system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead and mode, characterized in that it comprises a control unit for controlling the amplitude and the period of the pulsation-inducing means.

바람직하기로는, 상기 애노드의 배출유로와 상기 맥동유발수단 사이에 배치되어 물은 통과시키고 연료의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Preferably, the dead end mode further comprises an optional permeable membrane disposed between the anode exhaust passage and the pulsation inducing means to allow water to pass through and to block the passage of fuel to discharge only water to the outside of the fuel cell. A system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell is provided.

또한 바람직하기로는, 상기 선택적 투과막은 그 표면에 부착되어 물의 증발을 유도하는 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분 자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Also preferably, the selective permeable membrane is attached to the surface of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode, characterized in that it further comprises a pin for inducing evaporation of water provided by the system for managing the fuel do.

또한 바람직하기로는, 상기 제어부에 의해 제어되며, 상기 전압측정수단으로부터 측정되는 전압이 소정의 값 이하가 되면 상기 애노드의 배출유로를 개방하는 퍼지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Also preferably, the dead end mode is controlled by the control unit and further includes a purge valve which opens the discharge flow path of the anode when the voltage measured by the voltage measuring means becomes less than a predetermined value. A system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell is provided.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 고분자 전해질막을 사이에 두고 연료가 공급되는 애노드와 산화제가 공급되는 캐쏘드가 형성되며, 상기 애노드의 배출유로 및 상기 캐쏘드의 배출유로를 차단한 상태로 구동하는 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드의 배출유로 및 상기 캐쏘드의 배출유로에 각각 연결되어 상기 애노드와 상기 캐쏘드 측에 소정의 진폭과 주기를 가지는 맥동을 유발하는 맥동유발수단; 상기 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정수단; 및 상기 맥동유발수단의 진폭과 주기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.In order to achieve the above object, an anode to which fuel is supplied and a cathode to which an oxidant is supplied are formed with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and the anode is discharged and the cathode is discharged. In a fuel cell system using a dead end mode, a pulsation-producing means connected to the discharge passage of the anode and the discharge passage of the cathode, respectively, to cause pulsation having a predetermined amplitude and period on the anode and the cathode side. ; Voltage measuring means for measuring a voltage generated in the fuel cell; And it provides a system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead and mode, characterized in that it comprises a control unit for controlling the amplitude and the period of the pulsation-inducing means.

바람직하기로는, 상기 애노드의 배출유로와 상기 맥동유발수단 사이 및 상기 캐쏘드의 배출유로와 상기 맥동유발수간 사이에 각각 배치되어 물은 통과시키고 연료 및 산화제의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Preferably, the anode is disposed between the discharge passage of the anode and the pulsation inducing means and between the discharge passage of the cathode and the pulsation triggering water, respectively, allowing water to pass through and blocking the passage of fuel and oxidant so that only water is discharged to the outside of the fuel cell. There is provided a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode, characterized in that it further comprises a selective permeable membrane.

또한 바람직하기로는, 상기 선택적 투과막은 그 표면에 부착되어 물의 증발 을 유도하는 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Also preferably, the selective permeable membrane is provided with a system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using the dead end mode characterized in that it further comprises a pin attached to the surface to induce the evaporation of water. .

또한 바람직하기로는, 상기 제어부에 의해 제어되며, 상기 전압측정수단으로부터 측정되는 전압이 소정의 값 이하가 되면 상기 애노드의 배출유로 및 상기 캐쏘드의 배출유로를 개방하는 퍼지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템이 제공된다.Also preferably, the control unit further comprises a purge valve which opens the discharge flow path of the anode and the discharge flow path of the cathode when the voltage measured from the voltage measuring means becomes less than a predetermined value. A system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode is provided.

상기한 바와 같은 본 발명은, 데드앤드모드를 사용하는 연료전지에 맥동유발수단 및 선택적 투과막을 부가하여, 연료전지 내부에 축척된 물만 배출하여 연료 및 산화제의 불필요한 손실을 방지하고, 연료전지의 효율이 높아지도록 하는 효과가 있다.The present invention as described above, by adding the pulsation-inducing means and the optional permeable membrane to the fuel cell using the dead end mode, to discharge only the accumulated water inside the fuel cell to prevent unnecessary loss of fuel and oxidant, the efficiency of the fuel cell This has the effect of making it higher.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.The above-mentioned objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components have the same number as much as possible even if displayed on different drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에서 캐쏘드 측에 맥동유발부와 선택적 투과막이 부가된 것을 나타내는 개략도이다.Figure 6 is a schematic diagram showing that the pulsation inducing portion and the selective permeable membrane is added to the cathode side in the system for managing water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using the dead end mode according to the present invention.

본 발명의 일실시예에 따라, 고분자 전해질막 연료전지(10)의 캐쏘드(12) 측이 데드앤드모드로 운전되고, 애노드(11) 측은 오픈모드로 운전되는 고분자 전해질막 연료전지 시스템(1)에 있어서, 맥동유발부(40) 및 선택적 투과막(50)이 캐쏘드(12) 측에 부가된다. According to an embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1 in which the cathode 12 side of the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 is operated in a dead end mode, and the anode 11 side is operated in an open mode. ), The pulsation inducing portion 40 and the optional permeable membrane 50 are added to the cathode 12 side.

도 7은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에서 애노드 측에 맥동유발부와 선택적 투과막이 부가된 것을 나타내는 개략도이다.7 is a schematic diagram illustrating a pulsation inducing part and a selective permeable membrane are added to an anode side in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention.

본 발명의 일실시예에 따라, 고분자 전해질막 연료전지(10)의 애노드(11) 측이 데드앤드모드로 운전되고, 캐쏘드(12) 측은 오픈모드로 운전되는 고분자 전해질막 연료전지 시스템(1)에 있어서, 맥동유발부(40) 및 선택적 투과막(50)이 애노드(12) 측에 부가된다. According to an embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1 in which the anode 11 side of the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 is operated in a dead end mode and the cathode 12 side is operated in an open mode. ), A pulsation inducing portion 40 and an optional permeable membrane 50 are added to the anode 12 side.

도 8은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에서 캐쏘드 및 애노드 측에 맥동유발부와 선택적 투과막이 부가된 것을 나타내는 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a pulsation inducing part and a selective permeable membrane are added to the cathode and the anode side in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention.

본 발명의 일실시예에 따라, 고분자 전해질막 연료전지(10)의 애노드(11) 측과 캐쏘드(12) 측이 모두 데드앤드모드로 운전되는 고분자 전해질막 연료전지 시스템(1)에 있어서, 맥동유발부(40) 및 선택적 투과막(50)이 애노드(11)와 캐쏘드(12) 측에 각각 부가된다. According to one embodiment of the present invention, in the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1 in which both the anode 11 side and the cathode 12 side of the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 are operated in the dead end mode, The pulsation inducing part 40 and the selective permeable membrane 50 are added to the anode 11 and the cathode 12 side, respectively.

이하, 본 발명에 사용되는 맥동유발부(40) 및 선택적 투과막(50)에 대해 설 명하기로 한다.Hereinafter, the pulsation inducing portion 40 and the selective permeable membrane 50 used in the present invention will be described.

도 9는 본 발명에 사용되는 맥동유발부의 개략도이고, 도 10은 본 발명에 사용되는 선택적 투과막의 개략도이다.Fig. 9 is a schematic diagram of the pulsation inducing part used in the present invention, and Fig. 10 is a schematic diagram of the selective permeable membrane used in the present invention.

본 발명에 사용되는 맥동유발부는 진동을 유발하는 장치라면 어떠한 장치도 사용될 수 있으며, 가역 펌프, 제어 밸브, 스피커 또는 다른 충격파 생성기와 같은 음향 진동기를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. Any device may be used as long as the pulsation generator used in the present invention is a device for generating vibration, and includes, but is not limited to, an acoustic vibrator such as a reversible pump, a control valve, a speaker, or another shock wave generator.

도 9에 도시된, 맥동유발부(40)는 일정 주기와 왕복 이동의 거리에 의존하여 확산을 증대시키도록 하는 장치로서, 상기 맥동유발부(40)를 사용하여 고분자 전해질막 연료전지(10) 내부의 연료 및 산화제의 확산을 증대시켜서, 이들의 농도분포를 균일하게 만들 수 있다.9, the pulsation inducing part 40 is a device for increasing the diffusion depending on a predetermined period and the distance of the reciprocating movement, using the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 by using the pulsation inducing part 40 The diffusion of the fuel and the oxidant therein can be increased to make their concentration distribution uniform.

맥동유발부(40)의 구동에 의해서 고분자 전해질막 연료전지(10) 내에 존재하는 물, 연료 및 산화제의 분포가 균일해지며, 이로 인해 퍼징 주기를 늘릴 수 있다.By the operation of the pulsation inducing portion 40, the distribution of water, fuel, and oxidant present in the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 becomes uniform, thereby increasing the purging cycle.

맥동유발부(40)는 배출유로(38a, 38b)와 연결되는 진동유동부(41), 맥동유발수단(40)에 동력을 전달하는 모터(45), 모터(45)에 의해 회전하는 디스크(44), 디스크(44) 및 피스톤(42)을 연결시키는 크랭크(43), 크랭크의 수직운동을 진동유동부(41)의 수평운동으로 전환하는 피스톤(42)을 포함하여 구성된다.The pulsation induction part 40 includes a vibration fluid flow part 41 connected to the discharge flow paths 38a and 38b, a motor 45 for transmitting power to the pulsation induction means 40, and a disk rotated by the motor 45 ( 44, a crank 43 for connecting the disk 44 and the piston 42, and a piston 42 for converting the vertical movement of the crank to the horizontal movement of the vibration flow portion 41.

도 9에 나타난 맥동유발부는 본 발명에 사용될 수 있는 맥동유발부의 일실시예를 나타낼 뿐이고, 맥동유발부가 도 9에 도시된 태양으로 한정되지는 않는다.The pulsation inducing part shown in FIG. 9 represents only one embodiment of the pulsation inducing part that can be used in the present invention, and the pulsation inducing part is not limited to the embodiment shown in FIG. 9.

한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따라, 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연 료전지 시스템(1)은 애노드의 배출유로(38a) 및/또는 캐쏘드의 배출유로(38b)와 맥동유발수단 사이에 배치되어 물은 통과시키고 연료 및 산화제의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막(50)을 더 포함하여 구성될 수 있다. On the other hand, according to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1 according to the present invention is provided between the discharge passage 38a of the anode and / or the discharge passage 38b of the cathode and the pulsation causing means. It may be configured to further include an optional permeable membrane 50 disposed in the water passage to block the passage of the fuel and oxidant to discharge only the water to the outside of the fuel cell.

도 10에 도시된, 선택적 투과막(50)은 물은 통과하고 기체는 통과하지 못하게 하는 것으로서, 나피온이나 전열 교환기로 사용될 수 있는 어떤 물질도 상관없다.The selective permeable membrane 50 shown in FIG. 10 allows water to pass through and gas not to pass through, regardless of which material may be used as Nafion or a total heat exchanger.

선택적 투과막(50)을 고분자 전해질막 연료전지 시스템(1)에 부가하여 물을 지속적으로 배출시킴으로서, 고분자 전해질막 연료전지(10) 내에서 물의 분압이 높아지고, 연료의 분압은 낮아지는 것을 방지할 수 있다.By selectively discharging water by adding the selective permeable membrane 50 to the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1, the partial pressure of water in the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 is increased and the partial pressure of fuel is prevented from being lowered. Can be.

즉, 고분자 전해질막 연료전지(10) 내의 온도는 높고, 선택적 투과막(50)의 온도는 낮기 때문에, 선택적 투과막(50)에서 응축이 일어난다. 응축된 물은 선택적 투과막(50)을 통하여 고분자 전해질막 연료전지(10)의 외부로 배출된다.That is, since the temperature in the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 is high and the temperature of the selective permeable membrane 50 is low, condensation occurs in the selective permeable membrane 50. The condensed water is discharged to the outside of the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 through the selective permeable membrane 50.

도면에 도시된 바와 같이, 선택적 투과막(50)은 물이 보다 많이 배출되도록 하기 위해서, 선택적 투과막(50)의 표면에 물의 증발을 유도하는 핀(51)을 더 포함할 수 있다.As shown in the figure, the selective permeable membrane 50 may further include a fin 51 for inducing evaporation of water on the surface of the selective permeable membrane 50 in order to discharge more water.

한편, 도 6 내지 도 8의 제어부(17)는 전압측정수단(16)과 연결되어 있다. 고분자 전해질막 연료전지(10)에서 발생되는 전압을 전압측정수단(16)이 측정하여, 제어부(17)로 전송하면, 제어부(17)가 맥동유발부(40)의 작동 여부 및 작동 방식을 제어한다.Meanwhile, the controller 17 of FIGS. 6 to 8 is connected to the voltage measuring means 16. When the voltage measuring means 16 measures the voltage generated in the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 and transmits the voltage to the control unit 17, the control unit 17 controls whether the pulsation inducing unit 40 is operated and how it is operated. do.

제어부(17)는 맥동유발부(40)가 연료전지의 구동 초기부터 연료전지의 구동이 정지될 때까지, 계속적으로 작동하게 할 수도 있고, 고분자 전해질막 연료전지(10)로부터 측정되는 전압이 낮아지는 경우에만 선택적으로 작동하게 할 수도 있다. The control unit 17 may allow the pulsation inducing unit 40 to operate continuously from the initial stage of driving the fuel cell until the driving of the fuel cell is stopped, and the voltage measured from the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 is low. It may be possible to selectively operate only if it is lost.

제어부(17)는 고분자 전해질막 연료전지(10)가 구동됨에 따라, 연료전지 내부에서 물의 분압이 증가하여 전압측정수단(16)으로부터 측정되는 전압이 낮아지면, 맥동유발부(40)가 작동하도록 제어한다. As the polymer electrolyte membrane fuel cell 10 is driven, the control unit 17 increases the partial pressure of water in the fuel cell so that the voltage measured by the voltage measuring means 16 decreases, so that the pulsation inducing unit 40 operates. To control.

또한, 맥동유발부(40)가 계속적으로 구현이 되는 경우에도, 맥동에 의한 진폭과 주파수를 변경하면서 물의 분압은 떨어뜨리고, 연료 및 산화제의 분압을 높일 수 있다. In addition, even when the pulsation induction part 40 is continuously implemented, the partial pressure of water is reduced while changing the amplitude and frequency due to the pulsation, and the partial pressure of the fuel and the oxidant can be increased.

따라서, 본 발명에 따르면, 종래의 고분자 전해질막 연료전지에 맥동유발부(40) 및 선택적 투과막(50)을 부가하여, 퍼지밸브(37a, 37b)가 없이도 물이 배출될 수 있다. 결국, 퍼지밸브(37a, 37b)가 개방시, 물 뿐만아니라 연료나 산화제도 함께 배출되어 연료전지의 효율이 저하되는 문제점을 극복할 수 있다.Therefore, according to the present invention, water can be discharged without the purge valves 37a and 37b by adding the pulsation inducing unit 40 and the optional permeable membrane 50 to the conventional polymer electrolyte membrane fuel cell. As a result, when the purge valves 37a and 37b are opened, the fuel and the oxidant as well as the water are discharged together to overcome the problem that the efficiency of the fuel cell is lowered.

한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 고분자 전해질막 연료전지 시스템(1)에 맥동유발부(40) 및 선택적 투과막(50) 이외에 퍼지밸브(37a, 37b)를 더 포함하여 구성되며, 제어부(17)가 퍼지밸브(37a, 37b)의 개폐여부를 결정한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane fuel cell system 1 further includes purge valves 37a and 37b in addition to the pulsation inducing part 40 and the selective permeable membrane 50. The controller 17 determines whether the purge valves 37a and 37b are opened or closed.

즉, 선택적 투과막(50)에 의해 완전하게 물이 배출되지 않고, 일부의 물이 잔류한다면 이는 퍼지밸브(37a, 37b)를 개방시키는 방법으로 배출할 수도 있다. 선택적 투과막(50)과 퍼지밸브(37a, 37b)를 동시에 사용하여 물을 배출하는 경우, 퍼 징 주기가 종래 보다 훨씬더 줄어드는 효과가 있다. 결국, 선택적 투과막을 통하여 1차적으로 물이 배출되므로, 퍼지밸브(37a, 37b)를 통하여 잔류하는 물을 2차적으로 배출하는 경우, 퍼지밸브(37a, 37b)를 개방하는 시간(퍼징주기)가 길어져서 효율적으로 연료전지를 구동할 수 있다.That is, if the water is not completely discharged by the selective permeable membrane 50, and some water remains, this may be discharged by opening the purge valves 37a and 37b. When the water is discharged by using the selective permeation membrane 50 and the purge valves 37a and 37b simultaneously, the purging period is much reduced than before. As a result, since water is first discharged through the selective permeable membrane, when the remaining water is discharged secondly through the purge valves 37a and 37b, the time (purging period) for opening the purge valves 37a and 37b is increased. It becomes long and can drive a fuel cell efficiently.

도 11은 맥동유발부를 사용하지 않은 연료전지 시스템에 있어서, 퍼징시간에 대한 전압값을 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따라 맥동유발부를 사용한 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에 있어서, 퍼징시간에 대한 전압값을 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing a voltage value against a purging time in a fuel cell system not using a pulsation inducing unit, and FIG. 12 is a water of a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode using a pulsation inducing unit according to the present invention. In a system for managing excess fuel, the graph shows a voltage value against a purging time.

본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템의 일실시예에 따라서, 도 6에서와 같이, 캐쏘드(12) 측은 데드앤드모드이고, 애노드(11) 측은 오픈모드에서, 운전전류 밀도가 1.8A/cm2일 때, 전압을 측정한 그래프이다.According to one embodiment of a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention, as shown in FIG. 6, the cathode 12 side is a dead end mode, and the anode 11 ) Is a graph measuring voltage when operating current density is 1.8A / cm 2 in open mode.

그래프를 적분한 값은 전력량을 나타낸다. 동일한 실험 조건에서 오픈모드로 연료전지를 구동하는 경우 측정되는 전압값의 평균은 약 0.54V 이다. 한편, 도 11과 같이 종래의 데드앤드모드로 구동되는 연료전지에서 측정되는 전압값은 0.550V~0.615V 인것을 알 수 있다. 즉, 데드앤드모드에서는 퍼징에 의해 버리는 연료가 있지만, 버리는 연료의 양에 비해 시간에 따라 얻는 전력량이 더 높음을 알 수 있다. The integrated value of the graph represents the amount of power. When the fuel cell is operated in open mode under the same experimental conditions, the average of measured voltage values is about 0.54V. On the other hand, as shown in Figure 11 it can be seen that the voltage value measured in the conventional fuel cell driven in the dead and mode is 0.550V ~ 0.615V. That is, in the dead end mode, there is a fuel discarded by purging, but it can be seen that the amount of power obtained over time is higher than the amount of fuel discarded.

이는 캐쏘드(12) 측은 데드앤드모드이고, 애노드(11) 측은 오픈모드에서 구 동되는 연료전지의 경우, 산화제의 압력이 연료 전지 내부에 균등하게 가해지므로 오픈모드에 비해 압력 손실이 적으며 연료의 이용률이 오픈모드에 비해 월등히 높기 때문이다. This is because the cathode (12) side is a dead end mode, the anode (11) side is operated in an open mode, the pressure of the oxidant is equally applied to the inside of the fuel cell, so the pressure loss is less than the open mode and fuel This is because the utilization rate of is much higher than that of open mode.

종래의 데드앤드모드에서의 연료전지 시스템의 경우에 연료는 정해진 압력만큼만 주입된다는 점을 감안하면, 위 결과는 오픈모드에 비해 데드앤드모드에서는 연료를 공급하기 위한 별도의 동력원 없이 보다 높은 출력을 얻을 수 있음을 의미한다.Considering that fuel is injected only by a predetermined pressure in the conventional fuel cell system in the dead end mode, the above result shows that the output is higher in the dead end mode without a separate power source for supplying fuel. Means that you can.

도 12는 전류 밀도가 1.8 A/cm2 일 때, 캐쏘드(12) 측에 맥동 유동을 가했을 때의 주기를 나타낸 그래프이다. 맥동은 10 mm 의 진폭, 2 Hz 의 주파수로 가하였다. 실험결과 퍼징의 평균주기는 900초로 기존의 같은 조건에서 실험하였던 도 11에서 나타난 퍼징의 평균주기에 비교해 약 4배 가량 늘어남을 알 수 있다.12 is a graph showing the period when pulsating flow is applied to the cathode 12 side when the current density is 1.8 A / cm 2 . The pulsation was applied at an amplitude of 10 mm and a frequency of 2 Hz. As a result, the average period of purging is 900 seconds, which is about 4 times larger than the average period of purging shown in FIG.

한 주기의 형태를 보면 전압이 강하하는 속도가 맥동에 의해 줄어드는 모습을 볼 수 있으며, 이로 인하여 주기는 늘어난 것을 알 수 있다. 이는 연료전지(10) 후단에 쌓여 있는 물을 맥동을 통하여 균일하게 채널 내부로 분산시키어 가스 확산층을 막고 있는 수분을 배출시키는 효과가 있기 때문이다. If you look at the shape of one cycle, you can see that the rate of voltage drop decreases due to pulsation, which increases the period. This is because the water accumulated in the rear end of the fuel cell 10 is uniformly dispersed through the pulsation into the channel, thereby releasing moisture blocking the gas diffusion layer.

따라서, 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템(1)에 있어서, 연료 전지의 후단에 맥동유발부(40)를 적용할 경우, 오픈모드에 비해 출력 및 전력량을 증가시키게 되며, 맥동유발부(40)의 적용이 없을 때에 비해 퍼징의 주기를 늘려주게 됨으로써 불필요하게 소모되는 연료를 줄일 수 있다.Therefore, in the fuel cell system 1 using the dead end mode, when the pulsation induction part 40 is applied to the rear end of the fuel cell, the output and the amount of power are increased as compared with the open mode, and the pulsation induction part 40 By increasing the period of purging compared to when there is no application of), unnecessary fuel consumption can be reduced.

도 7에서와 같이 애노드(11) 측에 맥동유발부(40)를 적용하거나, 도 8에서와 같이 애노드(11) 측과 캐쏘드(12) 측이 모두에 맥동유발부(40)를 적용할 경우, 모두 상기와 같이, 퍼징 시간이 늘어나 연료전지의 효율이 증가된다는 점은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명하다 할 것이다.As shown in FIG. 7, the pulsation induction part 40 may be applied to the anode 11 side, or as shown in FIG. 8, the anode 11 side and the cathode 12 side may be applied to both the pulsation induction part 40. In this case, as described above, it will be apparent to those skilled in the art that the purging time is increased to increase the efficiency of the fuel cell.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.

도 1은 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system using a conventional dead and mode.

도 2는 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서 퍼징 시간에 대한 연료전지의 전압을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the voltage of a fuel cell versus a purging time in a fuel cell system using a conventional dead and mode.

도 3은 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서 시간에 대한 전압 및 압력을 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the voltage and pressure over time in a fuel cell system using a conventional dead and mode.

도 4는 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서 전류에 대한 퍼징 시간을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the purging time of the current in the fuel cell system using a conventional dead and mode.

도 5는 종래의 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에서 전류밀도에 대한 1회 퍼징평균시간을 압력에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the time-based one purging average time with respect to the current density in a fuel cell system using a conventional dead end mode.

도 6은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에서 캐쏘드 측에 맥동유발부와 선택적 투과막이 부가된 것을 나타내는 개략도이다.Figure 6 is a schematic diagram showing that the pulsation inducing portion and the selective permeable membrane is added to the cathode side in the system for managing water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using the dead end mode according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에서 애노드 측에 맥동유발부와 선택적 투과막이 부가된 것을 나타내는 개략도이다.7 is a schematic diagram illustrating a pulsation inducing part and a selective permeable membrane are added to an anode side in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에서 캐쏘드 및 애노드 측에 맥동유발부와 선택적 투과막이 부가된 것을 나타내는 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a pulsation inducing part and a selective permeable membrane are added to the cathode and the anode side in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 의 물과 연료를 관리하는 시스템에 사용되는 맥동유발부의 개략도이다.9 is a schematic diagram of a pulsation inducing unit used in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에 사용되는 선택적 투과막의 개략도이다.10 is a schematic diagram of a selective permeable membrane used in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode according to the present invention.

도 11은 맥동유발부를 사용하지 않은 연료전지 시스템에 있어서, 퍼징시간에 대한 전압값을 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing a voltage value against a purging time in the fuel cell system without using the pulsation inducing unit.

도 12는 본 발명에 따른 맥동유발부를 사용한 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템에 있어서, 퍼징시간에 대한 전압값을 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing voltage values versus purging time in a system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode using a pulsation inducing unit according to the present invention.

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

1: 연료전지 시스템 10: 연료전지1: fuel cell system 10: fuel cell

11: 애노드 12: 캐쏘드 11: anode 12: cathode

13: 전해질 14: 연료13: electrolyte 14: fuel

15: 산화제 16: 전압측정수단15: oxidant 16: voltage measuring means

17: 제어부17: control unit

21a: 애노드 입력단 21b: 캐쏘드 입력단21a: anode input 21b: cathode input

22a: 애노드 출력단 22b: 캐쏘드 출력단22a: anode output stage 22b: cathode output stage

31a, 31b: 질량유량제어기 32a, 32b: 압력조절밸브31a, 31b: mass flow controller 32a, 32b: pressure regulating valve

33a, 33b: 막가습기 34: 물탱크33a, 33b: membrane humidifier 34: water tank

35a, 35b: 질량유량측정기35a, 35b: mass flow meter

36a: 애노드밴트 36b: 캐쏘드밴트36a: anodevant 36b: cathodevant

37a, 37b: 퍼지밸브 38a, 38b: 배출유로37a, 37b: purge valve 38a, 38b: discharge flow path

40: 맥동유발부 41: 진동유동부40: pulsation induction part 41: vibration flow part

42: 피스톤 43: 크랭크42: piston 43: crank

44: 디스크 45: 모터 44: disk 45: motor

50: 선택적 투과막 51: 핀50: selective permeable membrane 51: pin

Claims (12)

고분자 전해질막을 사이에 두고 연료가 공급되는 애노드와 산화제가 공급되는 캐쏘드가 형성되며, 상기 캐쏘드의 배출유로를 차단한 상태로 구동하는 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서,In a fuel cell system using a dead end mode for driving a state in which the anode is supplied with a fuel and the cathode is supplied with an oxidant, the polymer electrolyte membrane interposed therebetween, 상기 캐쏘드의 배출유로에 연결되어 상기 캐쏘드 측에 소정의 진폭과 주기를 가지는 맥동을 유발하는 맥동유발수단;Pulsation inducing means connected to the discharge passage of the cathode to cause pulsation having a predetermined amplitude and period on the cathode side; 상기 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정수단; 및Voltage measuring means for measuring a voltage generated in the fuel cell; And 상기 맥동유발수단의 진폭과 주기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.And a control unit for controlling the amplitude and the period of the pulsation-producing means. The system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 캐쏘드의 배출유로와 상기 맥동유발수단 사이에 배치되어 물은 통과시키고 산화제의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.It is disposed between the discharge passage of the cathode and the pulsation inducing means is a polymer electrolyte using a dead end mode characterized in that it further comprises an optional permeable membrane for passing the water and blocking the passage of the oxidant to discharge only the water to the outside of the fuel cell A system for managing water and fuel in membrane fuel cells. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 선택적 투과막은 그 표면에 부착되어 물의 증발을 유도하는 핀을 더 포 함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.The selective permeable membrane is attached to the surface of the system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode, characterized in that it further comprises a pin to induce the evaporation of water. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제어부에 의해 제어되며, 상기 전압측정수단으로부터 측정되는 전압이 소정의 값 이하가 되면 상기 캐쏘드의 배출유로를 개방하는 퍼지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.The polymer electrolyte membrane controlled by the control unit, and further comprising a purge valve to open the discharge flow path of the cathode when the voltage measured from the voltage measuring means is less than a predetermined value. A system for managing water and fuel in fuel cells. 고분자 전해질막을 사이에 두고 연료가 공급되는 애노드와 산화제가 공급되는 캐쏘드가 형성되며, 상기 애노드의 배출유로를 차단한 상태로 구동하는 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서,In a fuel cell system using a dead end mode for driving a state in which the anode and the oxidant is supplied with a fuel supplied between the polymer electrolyte membrane, and the discharge path of the anode is blocked, 상기 애노드의 배출유로에 연결되어 상기 애노드 측에 소정의 진폭과 주기를 가지는 맥동을 유발하는 맥동유발수단;Pulsation inducing means connected to the discharge passage of the anode to induce a pulsation having a predetermined amplitude and period on the anode side; 상기 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정수단; 및Voltage measuring means for measuring a voltage generated in the fuel cell; And 상기 맥동유발수단의 진폭과 주기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.And a control unit for controlling the amplitude and the period of the pulsation-producing means. The system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 애노드의 배출유로와 상기 맥동유발수단 사이에 배치되어 물은 통과시키고 연료의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.A polymer electrolyte membrane using a dead end mode, characterized in that it further comprises an optional permeable membrane disposed between the discharge passage of the anode and the pulsation inducing means to pass water and block the passage of fuel to discharge only water to the outside of the fuel cell. A system for managing water and fuel in fuel cells. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 선택적 투과막은 그 표면에 부착되어 물의 증발을 유도하는 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.The selective permeable membrane is attached to the surface of the system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode, characterized in that it further comprises a pin to induce the evaporation of water. 제5항 또는 제6항에 있어서,The method according to claim 5 or 6, 상기 제어부에 의해 제어되며, 상기 전압측정수단으로부터 측정되는 전압이 소정의 값 이하가 되면 상기 애노드의 배출유로를 개방하는 퍼지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.The polymer electrolyte membrane fuel controlled by the control unit, and further comprising a purge valve for opening the discharge flow path of the anode when the voltage measured from the voltage measuring means is less than a predetermined value A system for managing water and fuel in batteries. 고분자 전해질막을 사이에 두고 연료가 공급되는 애노드와 산화제가 공급되는 캐쏘드가 형성되며, 상기 애노드의 배출유로 및 상기 캐쏘드의 배출유로를 차단한 상태로 구동하는 데드앤드모드를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서,An anode supplied with fuel and a cathode supplied with an oxidant are formed with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel cell system using a dead end mode for driving the anode discharge path and the cathode discharge path in a blocked state. In 상기 애노드의 배출유로 및 상기 캐쏘드의 배출유로에 각각 연결되어 상기 애노드와 상기 캐쏘드 측에 소정의 진폭과 주기를 가지는 맥동을 유발하는 맥동유발수단;Pulsation inducing means connected to the discharge passage of the anode and the discharge passage of the cathode, respectively, to cause pulsations having a predetermined amplitude and period on the anode and the cathode side; 상기 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정수단; 및Voltage measuring means for measuring a voltage generated in the fuel cell; And 상기 맥동유발수단의 진폭과 주기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.And a control unit for controlling the amplitude and the period of the pulsation-producing means. The system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 애노드의 배출유로와 상기 맥동유발수단 사이 및 상기 캐쏘드의 배출유로와 상기 맥동유발수간 사이에 각각 배치되어 물은 통과시키고 연료 및 산화제의 통과는 차단하여 물만 연료전지 외부로 배출시키는 선택적 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.A selective permeable membrane disposed between the discharge passage of the anode and the pulsation inducing means and between the discharge passage of the cathode and the pulsation triggering water, respectively, allowing water to pass through and blocking the passage of fuel and oxidant to discharge only water to the outside of the fuel cell. A system for managing water and fuel in a polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode further comprising. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 선택적 투과막은 그 표면에 부착되어 물의 증발을 유도하는 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.The selective permeable membrane is attached to the surface of the system for managing the water and fuel of the polymer electrolyte membrane fuel cell using a dead end mode, characterized in that it further comprises a pin to induce the evaporation of water. 제9항 또는 제10항에 있어서,11. The method according to claim 9 or 10, 상기 제어부에 의해 제어되며, 상기 전압측정수단으로부터 측정되는 전압이 소정의 값 이하가 되면 상기 애노드의 배출유로 및 상기 캐쏘드의 배출유로를 개방하는 퍼지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데드앤드모드를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지의 물과 연료를 관리하는 시스템.And a purge valve controlled by the controller, the purge valve opening the discharge passage of the anode and the discharge passage of the cathode when the voltage measured by the voltage measuring means is equal to or less than a predetermined value. Water and fuel management system of the polymer electrolyte membrane fuel cell using.
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