KR20110061683A - Apparatus and method for removing water of fuel cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Apparatus and method for removing water within a fuel cell are provided to improve cold starting of a fuel cell by rapidly removing water present in the cell of a fuel cell stack without the addition and use of a bypass line or suction pump. CONSTITUTION: An apparatus for removing water within a fuel cell comprises: a current application device which is connected to a cathode and an anode of a fuel cell stack and applies current for electrolysis of water between the cathode and the anode; a cell voltage detection part for detecting the cell voltage of the fuel cell stack; and a controller for controlling the current output of the current application device so that a set reference voltage is not the set reference voltage or more.

Description

차량용 연료전지의 물 제거 장치 및 방법{Apparatus and method for removing water of fuel cell} Apparatus and method for removing water of fuel cell
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동 실패의 근본 원인이 되는 연료전지 스택 내부의 물을 신속하고 확실하게 제거해줄 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to an apparatus and a method capable of quickly and reliably removing water in a fuel cell stack which is the root cause of a cold start failure.
수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템과, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle includes a fuel cell stack for generating electrical energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a hydrogen supply device for supplying hydrogen as a fuel to the fuel cell stack, and an electrochemistry for the fuel cell stack. An air supply device for supplying air containing oxygen, which is an oxidant required for the reaction, and the heat of the electrochemical reaction by-product of the fuel cell stack are released to the outside to optimally control the operating temperature of the fuel cell stack and perform water management functions. And a fuel cell system controller that controls the overall operation of the fuel cell system.
여기서, 수소공급장치는 수소탱크, 고압/저압 레귤레이터, 수소밸브, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 공기밸브, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수 펌프, 라디에이터 등을 포함한다.Here, the hydrogen supply device includes a hydrogen tank, a high pressure / low pressure regulator, a hydrogen valve, a hydrogen recirculation device, and the air supply device includes an air blower, an air valve, a humidifier, and the like, and a heat and water management system includes a coolant pump, Radiators and the like.
수소공급장치에서는 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소가 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택에 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인의 블로워가 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모한다. In the hydrogen supply device, the high pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank passes through the high pressure / low pressure regulator in turn, and then is supplied to the fuel cell stack at low pressure.In the hydrogen recycle device, the blower of the recycle line is used at the anode of the stack. Recycle back to the anode to promote hydrogen reuse.
공기공급장치에서는 공기블로워에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기를 통과하는 동안 스택의 캐소드 출구에서 배출된 배출가스(습윤공기)와 수분 교환하여 가습된 뒤 연료전지 스택의 캐소드 입구로 공급된다.In the air supply apparatus, the dry air supplied by the air blower is humidified by exchanging moisture with the exhaust gas (wet air) discharged from the cathode outlet of the stack while passing through the humidifier, and then supplied to the cathode inlet of the fuel cell stack.
한편, 연료전지 차량에서 해결해야 할 여러 과제 중 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보이다. 연료전지 시스템이 빙점 이하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관되면, 연료전지를 포함하여 밸브류 등 시스템 각 구성부에 존재하는 물이 얼어붙게 되면서 시동이 어렵게 된다. 차량 운행을 마친 뒤에 빙점 이하의 온도에서는 연료전지의 보관상태에 따라 연료전지의 내구성과 냉시동성이 결정된다. Meanwhile, the most urgent and difficult problem among the various challenges to be solved in a fuel cell vehicle is securing cold startability. If the fuel cell system is stored for a long period of time exposed to a temperature below freezing point, it is difficult to start the water existing in each component of the system, such as valves, including the fuel cell is frozen. At the temperature below freezing point after driving the vehicle, the fuel cell durability and cold startability are determined by the storage condition of the fuel cell.
고분자 전해질 연료전지의 성능을 나타내는 전해질막의 이온전도성은 전해질막의 가수화 정도가 클수록 증가하게 된다. 따라서, 연료전지의 운전시 전해질막의 가수화를 위해 재순환 장치나 가습기를 도입하고 있는데, 가습을 통해 공급된 물과 반응에 의해 생성된 물은 연료전지의 온도가 빙점인 0℃ 이하로 떨어지게 되면 얼게 된다. 이렇게 물이 얼음으로 변할 때의 부피팽창은 기공구조를 갖는 막전극접합체(MEA)와 가스확산층(GDL)에 손상을 줄 수 있다. 또한 냉시동시 생성수 가 전극 내에서 얼어 있게 되면 해동 전까지는 배출되지 못하기 때문에 반응가스의 이동통로를 막게 된다. The ion conductivity of the electrolyte membrane, which shows the performance of the polymer electrolyte fuel cell, increases as the degree of hydrolysis of the electrolyte membrane increases. Therefore, a recirculation device or a humidifier is introduced to hydrolyze the electrolyte membrane during operation of the fuel cell. The water generated by the reaction with water supplied through humidification freezes when the temperature of the fuel cell drops below 0 ° C, the freezing point. do. The volume expansion when water turns to ice may damage the membrane electrode assembly (MEA) and the gas diffusion layer (GDL) having a pore structure. In addition, if the generated water is frozen in the electrode during cold start, it is not discharged until thawing, thereby blocking the flow path of the reaction gas.
따라서, 상기한 문제점을 해결하고 냉시동성을 향상시키기 위해 운전 정지 후 연료전지 내 물을 제거하기 위한 다양한 방법들이 제시되어 있다.Accordingly, various methods for removing water in the fuel cell after stopping operation have been proposed to solve the above problems and to improve cold startability.
가장 기본적인 방법으로는, 1) 별도의 건조질소를 이용하는 방법(US 6,479,177), 2) 바이패스라인을 통해 장시간 건조가스를 공급하는 방법(US 6,479,177), 3) 감압을 이용하여 물을 제거하는 방법(US 6,358,637), 4) 펄스 퍼지를 이용하여 물을 제거하는 방법(US 6,960,401)들이 있다.The most basic method is 1) using separate dry nitrogen (US 6,479,177), 2) supplying dry gas for a long time through the bypass line (US 6,479,177), 3) removing water using reduced pressure (US 6,358,637), 4) There are methods (US 6,960,401) for removing water using pulse purge.
도 1은 스택 내 물 제거를 위해 바이패스라인을 통해 건조가스를 공급하는 일 예를 도시한 도면으로, 공기블로워 등의 공기공급부(10)에 의해 공급되는 공기를 가습기(21)를 통과하지 않도록 바이패스라인을 통해 바이패스시켜 연료전지 스택(1)에 공급하는 방법을 도시한 것이다.1 is a view illustrating an example of supplying dry gas through a bypass line to remove water in a stack, so that air supplied by an air supply unit 10 such as an air blower does not pass through the humidifier 21. A method of bypassing through a bypass line and supplying the fuel cell stack 1 is illustrated.
그러나, 건조질소를 공급하는 방법은 별도의 질소통을 차량에 장착해야 하는 단점이 있고, 바이패스라인을 이용하는 방법은 직경이 큰 바이패스배관(22)과 밸브(22a)를 설치하여 제어해야 하는 단점이 있다.However, the method of supplying dry nitrogen has a disadvantage in that a separate nitrogen tank is mounted on the vehicle, and the method of using the bypass line has to be controlled by installing a large bypass pipe 22 and a valve 22a in diameter. There are disadvantages.
또한 감압을 이용하는 방법에서는 큰 감압펌프가 필요한 단점이 있고, 펄스 퍼지를 이용하는 방법은 스택의 애노드에만 적용이 가능하거나 캐소드를 위해서는 별도의 밸브가 추가되어야 하는 단점이 있다. 또한 퍼징만으로는 스택의 셀 내의 물 제거가 어렵고, 긴 퍼징시간이 필요하며, 특히 저온 정지시 물 제거가 거의 불가능하다. In addition, a method using a reduced pressure requires a large pressure reducing pump, and a method using a pulse purge may be applicable only to the anode of the stack or has a disadvantage in that an additional valve is added for the cathode. In addition, purging alone is difficult to remove water in the cells of the stack, requires a long purging time, especially in the cold stop is almost impossible to remove water.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 시스템 비용을 상승시키는 바이패스라인이나 감압펌프 등 장치의 추가 및 사용 없이 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the above problems, the fuel cell by quickly removing the water present in the cell of the fuel cell stack without the addition and use of a device such as a bypass line or a pressure reducing pump to increase the system cost It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for improving the cold startability of the apparatus.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 물의 전기분해를 위한 전류를 인가하는 전류인가장치와; 연료전지 스택의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부와; 상기 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 전류 인가시 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 제어기;를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a current application device connected to the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack for applying a current for the electrolysis of water between the cathode electrode and the anode electrode; A cell voltage detector for detecting a cell voltage of the fuel cell stack; And a controller controlling a current output of the current application device so that the cell voltage is not higher than a reference voltage set for preventing catalyst corrosion of the electrode when current is applied while monitoring the cell voltage detected by the cell voltage detector. Provided is a battery water removal device.
또한 본 발명은, 반응가스의 공급을 중지한 상태에서 전류인가장치를 구동하여 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전류를 인가함으로써 셀 내의 물을 전기분해하는 단계와; 상기 셀 내의 물을 전기분해하는 동시에 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하는 단계와; 물의 전기분해 및 셀 전압의 모니터링과 동시에 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 단계;를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of electrolyzing water in the cell by applying a current between the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack by driving the current application device in the state of supplying the reaction gas; Monitoring the cell voltage detected by a cell voltage detector while electrolyzing water in the cell; And controlling the current output of the current application device such that the cell voltage does not exceed a reference voltage set for preventing catalytic corrosion of the electrode at the same time as water electrolysis and monitoring of the cell voltage. to provide.
이에 따라, 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 물 제거 장치 및 방법에 의하면, 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 빙점 이하의 온도에서 정지(콜드 셧다운)시 보다 신속하고 확실하게 셀 내의 물을 제거할 수 있다. Accordingly, according to the apparatus and method for removing water of a fuel cell for a vehicle according to the present invention, it is possible to quickly remove water present in a cell of a fuel cell stack to improve cold startability of the fuel cell. In particular, it is possible to remove water in the cell more quickly and reliably at stop (cold shutdown) at a temperature below freezing point.
또한 겨울철 짧은 거리 주행 후 정지시에도 셀 내부의 물 제거가 용이해지며, 겨울철 짧은 거리 주행 후 스택 온도를 올리기 위해 사용하던 낮은(스택의 전류 출력을 크게 할 수 있는) 저항값을 갖는 저항체가 필요 없게 된다. In addition, it is easy to remove the water inside the cell when stopped after a short distance in winter, and a resistor having a low resistance value (which can increase the current output of the stack) that is used to increase the stack temperature after a short distance in winter is required. There will be no.
또한 냉시동시 캐소드 물 제거를 위해 필요한 건조공기 퍼징을 위한 구성, 즉 바이패스배관 및 밸브 등이 필요 없으며, 이에 공기공급계 관련 패키징이 용이해진다. 또한 건조질소를 공급하기 위한 구성이나 감압 이용을 위해 필요했던 감압펌프 등이 불필요해진다.In addition, there is no configuration for purging dry air required for removing cathode water during cold start, that is, bypass piping and a valve, etc. are not required, thereby making it easier to package the air supply system. Moreover, the structure for supplying dry nitrogen, the decompression pump used for pressure reduction use, etc. become unnecessary.
또한 본 발명에서는 물의 전기분해시 셀 전압을 모니터링하여 전류량을 조절하므로 촉매층의 카본 부식을 방지하면서 물을 제거할 수 있게 된다. In addition, in the present invention, it is possible to remove the water while preventing the carbon corrosion of the catalyst layer by controlling the amount of current by monitoring the cell voltage during the electrolysis of water.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.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.
본 발명은 연료전지 스택의 각 셀 내에 존재하는 물을 신속하고 확실하게 제거하여 냉시동성을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for improving cold startability by rapidly and reliably removing water present in each cell of a fuel cell stack.
특히, 본 발명의 장치 및 방법은 연료전지 차량에서 연료전지 셧다운(시스템 오프/운전 정지) 프로세스에 이용될 수 있는 것으로, 셧다운시 연료전지에 전류를 인가하여 물의 전기분해(Electrolysis)를 유도함으로써 연료전지 스택의 셀 내에 잔존하는 물을 제거하는데 주안점이 있다.In particular, the apparatus and method of the present invention can be used in a fuel cell shutdown (system off / stop) process in a fuel cell vehicle, which induces electrolysis of water by applying a current to the fuel cell during shutdown. The focus is on removing water remaining in the cells of the battery stack.
도 2는 전해질막, 촉매층을 갖는 애노드 및 캐소드 전극을 포함하는 막전극접합체(MEA)에서 전기분해와 연료전지 반응의 메커니즘을 나타낸 도면으로서, (a)는 고분자 전해질막(PEM:Polymer Electrolyte Membrane/Proton Exchange Membrane)의 표면에 형성된 애노드 및 캐소드 전극 사이에 전류를 인가하였을 때 물이 수소와 산소로 분해되는 전기분해 반응을, (b)는 애노드와 캐소드에 반응가스인 수소와 산소를 공급하여 전류 및 물이 생성되는 통상의 연료전지 반응을 나타내고 있다.FIG. 2 is a view illustrating a mechanism of electrolysis and fuel cell reaction in a membrane electrode assembly (MEA) including an electrolyte membrane, an anode having a catalyst layer, and a cathode electrode, and (a) illustrates a polymer electrolyte membrane (PEM). When current is applied between the anode and cathode electrodes formed on the surface of the Proton Exchange Membrane, water is decomposed into hydrogen and oxygen, and (b) the anode and cathode are supplied with hydrogen and oxygen as reaction gases. And a typical fuel cell reaction in which water is produced.
도 2의 (a)와 같이 연료전지 스택의 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전류를 인가하면 전기분해에 의해 물을 제거할 수 있으며, 종래의 퍼징 방법에 비해 촉매층 등 셀 내에 존재하는 물을 보다 신속하고 확실히 제거할 수 있다. 특히, 빙점 이하 온도의 콜드 셧다운(저온 정지)시 신속한 물 제거가 가능하여 이후 냉시동성을 향상시키는데 기여할 수 있게 된다. As shown in FIG. 2A, when current is applied between the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell stack, water may be removed by electrolysis, and water present in the cell such as the catalyst layer may be more rapidly compared to the conventional purging method. You can certainly remove it. In particular, it is possible to quickly remove water during cold shutdown (cold stop) at a temperature below freezing point, thereby contributing to improving cold startability.
냉시동 성능을 증가시키기 위해서는 겨울철과 같이 외기 온도가 영하일 때 연료전지 시스템이 정지되기 전 스택 내부의 물 제거가 필요한데, 종래 스택 내에 잔존하는 물을 제거하기 위해 다양한 퍼징 기술들이 적용되고 있으나, 퍼징 구성을 적용하는 경우 시스템 비용 및 공간적인 제약이 있고, 특히 짧은 거리 주행으로 정상 운전온도까지 충분히 도달하지 못한 상태로 저온에서 정지되었을 때 퍼징 효과가 매우 적기 때문에 물 제거가 용이하지 않다.In order to increase the cold start performance, it is necessary to remove water in the stack before the fuel cell system is stopped when the outside temperature is below zero, such as winter, and various purging techniques have been applied to remove water remaining in the stack. The configuration is constrained by system cost and space constraints, and water removal is not easy because the purging effect is very small, especially when stopped at low temperatures without sufficiently reaching the normal operating temperature due to short distance travel.
따라서, 본 발명에서는 냉시동성 향상을 위해 연료전지 셧다운시 연료전지 스택에 전류를 강제 인가함으로써 스택 내부, 좀더 구체적으로는 캐소드 전극 내에 있는 물을 전기분해하여 기체로 배출, 제거하며, 이를 위해 스택의 전극 사이에 전류를 인가할 수 있는 전류인가장치를 구비한다. 전류인가장치의 전류공급원에는 별도의 파워 서플라이가 사용되거나 연료전지 차량에 기 탑재된 고전압 배터리가 사용될 수 있다. Therefore, in the present invention, by forcibly applying a current to the fuel cell stack when the fuel cell shuts down to improve cold startability, the electrolysis of water in the stack, more specifically, the cathode electrode, is discharged and removed as a gas. A current application device capable of applying a current between the electrodes is provided. A separate power supply may be used as the current source of the current application device or a high voltage battery which is mounted in a fuel cell vehicle may be used.
우선, 도 3은 본 발명에 따른 물 제거 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.First, Figure 3 is a block diagram showing the configuration of the water removal apparatus according to the present invention, Figure 4 is a view showing the water removal apparatus and method according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 물 제거 장치는, 연료전지 스택(1)의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전기분해를 위한 전류를 인가하는 전류인가장치(4)와; 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부(2)와; 상기 셀 전압 검출부(2)를 통해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 상기 셀 전압이 전극의 촉매 부식을 방지하기 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치(4)의 전류 출력을 제어하는 제어기(3)를 포함하여 구성된다.As shown, the water removing device according to the present invention is connected to the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack (1) for applying a current for electrolysis between the cathode electrode and the anode electrode (4) )Wow; A cell voltage detector 2 for detecting a cell voltage of the fuel cell stack 1; A controller for controlling the current output of the current application device 4 so as to monitor the cell voltage detected through the cell voltage detector 2 so that the cell voltage does not exceed a reference voltage set to prevent catalyst corrosion of the electrode ( 3) is configured to include.
본 발명에서 상기 제어기(3)는 기본적으로 연료전지가 셧다운될 때 전류인가장치(4)를 구동하여 연료전지 스택(1)으로 전기분해를 위한 전류를 인가하나, 온도센서(도시하지 않음)의 검출값을 기초로 빙점 이하 온도의 셧다운(콜드 셧다운)을 판단하는 경우에만 전류를 인가하도록 설정될 수도 있다. In the present invention, the controller 3 basically drives the current application device 4 when the fuel cell is shut down to apply current for electrolysis to the fuel cell stack 1, but the temperature sensor (not shown) The current may be set only when determining the shutdown of the sub-freezing temperature (cold shutdown) based on the detected value.
그리고, 본 발명에서 전류인가장치(4)는 후술하는 바와 같이 촉매의 카본 부식을 방지하기 위해 전류의 출력 제어가 가능하도록 구성되는데, 이를 위해 전류인가장치(4)의 전류공급원으로서 도 4의 실시예와 같이 출력 전류량을 조절할 수 있는 직류 파워 서플라이(Power Supply)(40)가 사용될 수 있다.And, in the present invention, the current application device 4 is configured to enable the output control of the current to prevent carbon corrosion of the catalyst as described later, for this purpose, the embodiment of Figure 4 as a current supply source of the current application device 4 As an example, a DC power supply 40 capable of adjusting the output current amount may be used.
이때, 연료전지 스택(1)의 캐소드 및 애노드 전극에 도선을 통해 파워 서플라이(40)를 연결하되, 캐소드 내 물을 제거하기 위해 캐소드 전극을 (+)로 연결한다.At this time, the power supply 40 is connected to the cathode and the anode electrode of the fuel cell stack 1 through a conductive wire, but the cathode electrode is connected with (+) to remove water in the cathode.
본 발명에서 전류인가장치(4)의 구동 제어는 제어기(3), 예컨대 연료전지 시스템의 셧다운시 전류인가장치를 구동시킬 수 있는 연료전지 시스템 제어기에 의해 수행되며, 따라서 도 4의 실시예에서 제어기(도 3의 도면부호 3임)에 의해 파워 서플라이(40)의 온/오프 및 전류 출력 제어가 수행된다. In the present invention, the drive control of the current application device 4 is performed by the controller 3, for example, a fuel cell system controller capable of driving the current application device in shutdown of the fuel cell system, and thus the controller in the embodiment of FIG. On / off and current output control of the power supply 40 are performed by reference numeral 3 in FIG.
또한 후술하는 바와 같이 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하여 연료전지 스택에 인가되는 전류량을 제어해야 하므로, 본 발명의 장치는 전류인가장치(4) 및 제어기(3)와 더불어 연료전지 스택(1)의 셀 전압을 모니터링하기 위한 셀 전압 검출부(2)를 더 포함한다. 여기서, 셀 전압 검출부(2)는 연료전지 시스템에 사용되고 있는 기존의 셀 전압 모니터링 장치가 사용될 수 있다.In addition, since the cell voltage of the fuel cell stack 1 should be monitored to control the amount of current applied to the fuel cell stack, as described below, the apparatus of the present invention includes the fuel cell stack together with the current applying device 4 and the controller 3. And a cell voltage detector 2 for monitoring the cell voltage of (1). Here, the cell voltage detector 2 may be a conventional cell voltage monitoring device used in the fuel cell system.
전극의 촉매 부식, 즉 연료전지 촉매의 카본 부식은 퍼징에 의한 물 배출이 힘든 상온 이하의 저온에서는 운전 온도 60℃ 이상의 정상 운전시에 비해 현저히 줄기 때문에 전류 인가 및 전기분해를 통한 물 제거 방법의 적용이 가능하지만, 전류 인가시 스택 내에 고전압의 셀 전압이 발생하면 촉매의 카본 부식이 발생할 우려가 있다. Catalytic corrosion of the electrode, that is, carbon corrosion of the fuel cell catalyst, is significantly lower than normal operation at an operating temperature of 60 ° C. or lower at a low temperature below room temperature, which is difficult to discharge water by purging. This is possible, but there is a risk of carbon corrosion of the catalyst if a high voltage cell voltage is generated in the stack during current application.
따라서, 본 발명에서는 촉매의 카본 부식을 방지하기 위해 셀 전압을 모니터링하는 동시에 카본 부식이 발생할 수 있는 전압 이내로 셀 전압이 유지되도록 스택에 인가되는 전류를 제어하는 것에 주된 특징이 있다.Therefore, the present invention has a main feature in controlling the current applied to the stack so that the cell voltage is maintained within the voltage at which carbon corrosion can occur while monitoring the cell voltage to prevent carbon corrosion of the catalyst.
전기분해시 인가되는 전류량이 높을수록 전극 내에서 기체로 변하는 물의 양은 증가하지만, 이때 스택의 셀 전압이 높아지기 때문에, 카본 부식에 대한 내구성을 고려하여 스택의 셀 전압을 부식이 발생할 수 있는 전압, 예컨대 1.3V 이상이 되지 않도록 전류량을 제어해야 한다.As the amount of current applied during electrolysis increases, the amount of water that turns into gas in the electrode increases. However, since the cell voltage of the stack increases, the cell voltage of the stack is considered in consideration of the durability against carbon corrosion. The amount of current must be controlled so as not to exceed 1.3V.
이에 따라, 도 4의 실시예에서는 파워 서플라이(40)를 통해 전류 인가시 제어기(3)가 셀 전압 검출부(2)를 통해 셀 전압을 모니터링하면서 셀 전압이 카본 부식 방지를 위해 설정한 기준전압 이상이 되면 전류인가장치(4), 보다 명확히는 전류인가장치의 전류공급원인 파워 서플라이(40)에서 스택에 인가되는 전류량을 줄여 셀 전압을 기준전압 이내로 낮추는 제어 과정이 수행된다. 이러한 제어 과정을 통해 전류를 인가하는 시간을 길게 유지하여 낮은 전압에서 충분한 전기분해가 일어나도록 한다.Accordingly, in the embodiment of FIG. 4, when the current is applied through the power supply 40, the controller 3 monitors the cell voltage through the cell voltage detector 2 while the cell voltage is higher than or equal to a reference voltage set for preventing carbon corrosion. In this case, a control process is performed to reduce the amount of current applied to the stack in the current supply device 4, more specifically, the power supply 40, which is a current supply source of the current application device, to lower the cell voltage to within the reference voltage. This control process keeps the time for applying the current long enough to cause sufficient electrolysis at low voltage.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내 는 도면으로서, 전류인가장치(도 3에서 도면부호 4임)의 전류공급원으로 연료전지 차량에 기 탑재된 고전압 배터리(30)를 사용하는 실시예를 도시한 것이다. On the other hand, Figure 5 is a view showing a water removal apparatus and method according to another embodiment of the present invention, a high-voltage battery that is pre-mounted in the fuel cell vehicle as a current supply source of the current application device (reference numeral 4 in Figure 3) ( An embodiment using 30 is shown.
상기 고전압 배터리(30)는 연료전지 스택(1)에서 생성된 전력을 저장하거나 회생제동시 구동모터(미도시됨)에서 생성된 전력을 저장하는 배터리로서, 제어기(도 3에서 도면부호 3임)에 의해 충/방전이 제어되면서 연료전지 차량의 주 동력원인 연료전지 스택(1)과 함께 구동모터 및 각종 고전압 전장부품을 구동하는 보조 동력원으로 사용되는 배터리이다.The high voltage battery 30 is a battery that stores power generated by the fuel cell stack 1 or power generated by a driving motor (not shown) during regenerative braking, and is a controller (reference numeral 3 in FIG. 3). The battery is used as an auxiliary power source for driving the driving motor and various high voltage electric components together with the fuel cell stack 1 which is the main power source of the fuel cell vehicle while the charging / discharging is controlled.
도시된 바와 같이 DC/DC 컨버터(31)를 매개로 연료전지 스택(1)에 연결된 고전압 배터리(30)가 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전류를 인가하는데 사용된다. As shown, a high voltage battery 30 connected to the fuel cell stack 1 via the DC / DC converter 31 is used to apply a current between the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack.
이때, DC/DC 컨버터(31)를 통해 배터리 전류가 인가될 수 있도록 DC/DC 컨버터가 도선을 통해 연료전지 스택(1)의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되고, 이때 캐소드 내 물 제거를 위해 캐소드 전극을 (+)로 연결한다.At this time, the DC / DC converter is connected to the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack 1 through a lead so that the battery current can be applied through the DC / DC converter 31, and at this time, the cathode for removing water in the cathode Connect the electrode with (+).
이와 같이 파워 서플라이(40) 대신 연료전지 스택(1)보다 전압이 높은 고전압 배터리(30)를 전류공급원으로 사용하는 것이 가능하며, 스택의 전압에 비해 배터리의 전압이 높기 때문에 스택과 연결시 전류를 인가할 수 있고, 이를 통해 전기분해 반응을 일으킬 수 있다.As such, it is possible to use the high voltage battery 30 having a higher voltage than the fuel cell stack 1 as a current supply source instead of the power supply 40. Since the voltage of the battery is higher than the voltage of the stack, the current is connected to the stack. It can be applied, through which an electrolysis reaction can be caused.
도시된 실시예에서는, 배터리(30)로부터 인가되는 전류의 출력 제어를 위해, 제어기(3)의 제어신호에 따라 온/오프 제어가 가능한 스위치(32)로서 릴레이가 구비되며, 이는 연료전지 스택(1)에 전류가 인가되는 도선에 설치된다.In the illustrated embodiment, for controlling the output of the current applied from the battery 30, a relay is provided as a switch 32 capable of on / off control according to the control signal of the controller 3, which is a fuel cell stack ( It is installed on the conductor to which current is applied to 1).
이러한 본 발명의 실시예에서, 제어기(3)는 셧다운시 전류 인가 및 전기분해가 진행되는 상태에서, 셀 전압 검출부(2)를 통해 모니터링되는 스택의 셀 전압이 카본 부식 방지를 위해 설정된 기준전압(예, 1.3V) 이상이 되면, 릴레이(32)를 오프시켜 전기분해를 중지한다. In this embodiment of the present invention, the controller 3 is a reference voltage set for preventing the carbon corrosion of the cell voltage of the stack monitored through the cell voltage detection unit 2 in the state of applying current and electrolysis at shutdown For example, when 1.3V) or more, the relay 32 is turned off to stop the electrolysis.
이와 같이 배터리(30)와 릴레이(32)를 이용하는 것으로 스택(1)에 전류를 인가하면서 전기분해를 통해 물 제거를 수행하되, 스택의 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 릴레이(32)를 오프시켜 전기분해를 중지함으로써 촉매의 부식을 방지하게 된다.By using the battery 30 and the relay 32 as described above, water is removed by electrolysis while applying current to the stack 1, but when the cell voltage of the stack becomes higher than the reference voltage, the relay 32 is turned off. Stopping electrolysis prevents corrosion of the catalyst.
다음으로, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치 및 방법을 나타내는 도면으로서, 도 5의 실시예와 동일하게 전류공급원으로 기 탑재된 고전압 배터리(30)를 사용하도록 구성되되, 전류 출력 제어를 위한 회로 개폐용 스위치(32)와 더불어 전류량 제어가 가능하도록 도선 상에 저항(33)을 설치한 예를 도시한 것이다. 도 6의 실시예에서 전류공급원인 배터리(30)는 파워 서플라이로 대체될 수 있다.Next, FIG. 6 is a view showing an apparatus and method according to another embodiment of the present invention, which is configured to use a high voltage battery 30 that is already mounted as a current supply source as in the embodiment of FIG. In addition to the circuit opening and closing switch 32 for the control is shown an example in which a resistor 33 is provided on the conductive wire to enable the amount of current control. In the embodiment of Figure 6 the battery 30, the current source, can be replaced by a power supply.
셀 전압 검출부(2)를 통해 모니터링되는 셀 전압이 기준전압 이상이 될 때 전류를 차단하여 촉매층의 카본 부식을 방지하는 도 5의 실시예와 비교할 때, 셀 전압이 기준전압을 넘지 않도록 스택(1)에 인가되는 전류량을 제한하기 위한 저항(33)을 도선에 설치한 것에 차이가 있다.Compared to the embodiment of FIG. 5, in which the cell voltage monitored by the cell voltage detection unit 2 exceeds the reference voltage to cut off current to prevent carbon corrosion of the catalyst layer, the cell voltage does not exceed the reference voltage. There is a difference in that a resistor 33 is provided in the conducting wire to limit the amount of current to be applied.
본 실시예에서는 셀 전압이 기준전압을 넘지 않도록 저항(33)을 이용하여 배터리(30)로부터 인가되는 전류량을 제한하는 동시에, 셀 전압이 기준전압 이상이 되는 경우 릴레이(32)를 오프시켜 전기분해를 중지함으로써 촉매의 부식을 방지하게 된다.In this embodiment, the resistor 33 is used to limit the amount of current applied from the battery 30 so that the cell voltage does not exceed the reference voltage, and when the cell voltage becomes higher than the reference voltage, the relay 32 is turned off to perform electrolysis. Stopping will prevent corrosion of the catalyst.
다음으로, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치 및 방법을 나타내는 도면으로서, 도 5의 실시예와 동일하게 전류공급원으로 기 탑재된 고전압 배터리(30)를 사용하도록 구성되되, 모니터링되는 셀 전압 전압에 대해 제어기(3)가 보다 능동적인 전류량 제어를 수행할 수 있도록 복수개의 스위치(예, 릴레이)(32a~32c) 및 저항(33a~33c)이 병렬로 설치되어 구성된 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에서 배터리(30)는 파워 서플라이로 대체될 수 있다.Next, FIG. 7 illustrates an apparatus and method according to another embodiment of the present invention, which is configured to use a high voltage battery 30 that is pre-loaded as a current source in the same manner as the embodiment of FIG. FIG. 1 illustrates an embodiment in which a plurality of switches (eg, relays) 32a to 32c and resistors 33a to 33c are installed in parallel so that the controller 3 can perform more active current amount control with respect to the cell voltage. It is. In this embodiment, the battery 30 may be replaced with a power supply.
본 실시예에서, 도선 상에 병렬로 설치되는 복수개의 스위치(32a~32c) 및 저항(33a~33c)은 전기분해 반응을 일으키기 위해 연료전지 스택(1)으로 인가되는 배터리 전류량을 단계적으로 조절하기 위한 전류량 조절수단이 된다.In the present embodiment, the plurality of switches 32a to 32c and the resistors 33a to 33c installed in parallel on the conductors adjust the amount of battery current applied to the fuel cell stack 1 in order to cause an electrolysis reaction. It is a current amount adjusting means for.
이에 따라, 셧다운 과정에서 배터리 전류를 인가하여 물을 전기분해 및 제거함에 있어서, 제어기(도 3에서 도면부호 3)는 전체 스위치(32a~32c) 중 미리 설정된 스위치를 온(on) 시켜 배터리 전류를 인가하되, 셀 전압 검출부(2)에 의해 모니터링되는 셀 전압이 기준전압 이상이 되면, 스위치를 추가로 온(on) 시켜 도선 상의 저항값을 증가시키고, 이로써 전류량을 줄이는 동시에 셀 전압을 낮추게 된다.Accordingly, in the electrolysis and removal of water by applying a battery current in the shutdown process, the controller (reference numeral 3 in FIG. 3) turns on a preset switch of all the switches 32a to 32c to turn on the battery current. If the cell voltage monitored by the cell voltage detector 2 is equal to or greater than the reference voltage, the switch is further turned on to increase the resistance value on the wire, thereby reducing the amount of current and decreasing the cell voltage.
이와 같이 제어기(3)가 연료전지 스택(1)의 셀 전압 상태에 따라 병렬로 설치된 복수개의 스위치(32a~32c)를 적절히 온/오프 제어하는 방식으로 연료전지 스택에 인가되는 전류량을 촉매의 카본 부식이 발생하지 않는 조건으로 제어할 수 있으며, 특히 촉매의 카본 부식을 방지하면서 전류 인가를 셧다운시 정해진 시간 동 안 유지하여 보다 신속하게 물의 전기분해 및 제거를 수행할 수 있게 된다.In this way, the controller 3 controls the amount of current applied to the fuel cell stack in such a manner as to appropriately turn on / off the plurality of switches 32a to 32c installed in parallel according to the cell voltage state of the fuel cell stack 1. It can be controlled under the condition that corrosion does not occur, and in particular, it is possible to perform electrolysis and removal of water more quickly by maintaining the current application for a predetermined time during shutdown while preventing carbon corrosion of the catalyst.
도 7에서 스위치(32a~32c)와 저항(33a~33c)을 병렬로 설치하여 연료전지 스택(1)에 인가되는 전류량을 능동적으로 제어하는 전류량 제어수단은 도 4와 같이 파워 서플라이를 전류공급원으로 사용하는 구성에서도 동일하게 적용될 수 있다.In FIG. 7, the current amount control means for actively controlling the amount of current applied to the fuel cell stack 1 by installing the switches 32a to 32c and the resistors 33a to 33c in parallel, has a power supply as a current source as shown in FIG. The same may be applied to the configuration used.
즉, 도면으로 예시하지는 않았으나, 파워 서플라이와 연료전지 스택을 연결하는 도선 상에 스위치와 저항을 병렬로 설치하고, 제어기가 셀 전압 검출부를 통해 모니터링되는 셀 전압에 따라 스위치를 온/오프 제어하여 저항을 변동시킴으로써 전류량을 조절할 수 있도록 하는 것이다.That is, although not illustrated in the drawings, a switch and a resistor are installed in parallel on the conductor connecting the power supply and the fuel cell stack, and the controller controls the switch on / off according to the cell voltage monitored by the cell voltage detector. By changing the current amount can be adjusted.
한편, 도 8과 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 연료전지 스택이 복수개의 스택 모듈(1a,1b)로 구성될 때 각 스택 모듈(1a,1b)에 전류를 인가하는 구성을 도시한 것이다.8 and 9 illustrate still another embodiment of the present invention, in which a current is applied to each stack module 1a and 1b when the fuel cell stack includes a plurality of stack modules 1a and 1b. The configuration is shown.
도 8에 도시된 바와 같이, 각 모듈(1a,1b)이 전류공급원인 파워 서플라이(40)에 독립적으로 전류를 인가받도록 연결되며, 이는 복수개의 모듈(1a,1b)로 구성된 연료전지 스택에 대해 물의 전기분해 및 제거를 수행함에 있어서 저용량의 파워 서플라이가 이용될 수 있도록 한다.As shown in FIG. 8, each module 1a, 1b is connected to receive current independently from the power supply 40, which is a current source, for a fuel cell stack composed of a plurality of modules 1a, 1b. Low capacity power supplies can be used in carrying out electrolysis and removal of water.
도시된 바와 같이, 전류공급원인 파워 서플라이(40)에 복수개의 스택 모듈(1a,1b)이 독립적으로 연결되고, 이때 앞의 실시예와 마찬가지로 캐소드 내 물을 제거하기 위해 파워 서플라이(40)의 (+)극 단자가 각 스택 모듈(1a,1b)의 캐소드 전극에 연결된다.As shown, a plurality of stack modules (1a, 1b) are independently connected to the power supply 40, which is the current source, at this time as in the previous embodiment of the power supply 40 to remove the water in the cathode ( The positive terminal is connected to the cathode electrode of each stack module 1a, 1b.
또한 각 모듈(1a,1b)로 연결되어 전류가 인가되는 도선 상에는 제어기(도 3 에서 도면부호 3)에 의해 온/오프 제어가 가능한 스위치(32-1,32-2) 및 전류량 제어를 위한 저항(33-1,33-2)이 설치된다.In addition, the switches 32-1 and 32-2 capable of on / off control by a controller (reference numeral 3 in FIG. 3) and a resistance for controlling the amount of current are connected to the respective modules 1a and 1b to which current is applied. 33-1, 33-2 are installed.
상기 스위치와 저항이 설치될 때 도시된 바와 같이 촉매의 카본 부식이 발생하지 않는 조건으로 전류량을 제한하기 위한 단수의 스위치(32-1,32-2)와 저항(33-1,33-2)이 설치될 수 있으며, 또는 각 스택 모듈(1a,1b)에 대해 도 7의 실시예와 마찬가지로 복수개의 스위치와 저항이 병렬로 설치될 수 있다.When the switches and resistors are installed, the single switches 32-1 and 32-2 and the resistors 33-1 and 33-2 for limiting the amount of current to the condition that the carbon corrosion of the catalyst does not occur as shown in FIG. 2 or a plurality of switches and resistors may be installed in parallel with each stack module 1a and 1b as in the embodiment of FIG. 7.
또한 촉매의 카본 부식 방지를 위해 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 전류 인가를 차단하여 전기분해 반응을 중지하기 위한 스위치만을 각 스택 모듈에 대해 설치하는 것이 가능하다(도 5의 실시예 참조).In addition, in order to prevent carbon corrosion of the catalyst, when the cell voltage is higher than the reference voltage, only a switch for stopping the electrolysis reaction and stopping the electrolysis reaction may be installed for each stack module (see the embodiment of FIG. 5).
또한 파워 서플라이(40)로서 도 4의 실시예와 마찬가지로 제어기의 제어신호에 따라 출력 전류량이 조절될 수 있는 파워 서플라이를 사용하는 경우, 스위치나 저항이 생략 가능하다. In addition, when the power supply 40 uses a power supply in which the amount of output current can be adjusted according to the control signal of the controller as in the embodiment of FIG. 4, a switch or a resistor can be omitted.
도 9는 전류공급원으로 파워 서플라이 대신 배터리 전류를 사용하는 실시예로서, 배터리 전류가 인가되도록 각 스택 모듈(1a,1b)이 DC/DC 컨버터(31)를 매개로 전류공급원인 배터리(30)에 독립적으로 연결되는데, 스위치(32-1,32-2)나 저항(33-1,33-2)의 구성은 도 8의 실시예와 차이가 없다.9 illustrates an embodiment in which a battery current is used instead of a power supply as a current source, and each stack module 1a and 1b is connected to a battery 30 as a current source through a DC / DC converter 31 so that battery current is applied. Independently connected, the configurations of the switches 32-1 and 32-2 or the resistors 33-1 and 33-2 are not different from those of FIG. 8.
도 9의 실시예와 같이 복수개의 스택 모듈(1a,1b)이 직렬로 연결된 경우에서 각 스택 모듈이 전류공급원으로부터 독립적으로 전류를 인가받도록 도선이 연결되면 배터리 전압이 전체 스택의 전압보다 낮은 경우에도 각 스택 모듈에 전류가 인가될 수 있고, 물의 전기분해가 가능해지게 된다.In the case where the plurality of stack modules 1a and 1b are connected in series as in the embodiment of FIG. 9, when the conductors are connected so that each stack module receives current independently from the current source, even when the battery voltage is lower than the voltage of the entire stack. A current can be applied to each stack module, allowing electrolysis of water.
이상으로, 본 발명에서는 상기와 같은 구성의 전류인가장치가 연료전지 시스템에 구비되어, 연료전지 스택이 전류인가장치에 의해 전기분해에 필요한 전류를 인가받도록 함으로써 연료전지 스택 내 물의 신속한 제거가 가능해진다.As described above, in the present invention, the current application device having the above-described configuration is provided in the fuel cell system, and the fuel cell stack can receive the current required for electrolysis by the current application device, thereby enabling rapid removal of water in the fuel cell stack. .
이러한 물의 전기분해는 냉시동성 향상을 위해 연료전지 시스템의 셧다운 과정에서 실시될 수 있으며, 특히 빙점 이하 온도의 콜드 셧다운시 매우 효과적으로 이용될 수 있다.This electrolysis of water can be carried out during the shutdown of the fuel cell system to improve cold startability, and can be used very effectively during cold shutdown at temperatures below freezing point.
도 10은 운전 온도별 아이스 블로킹 평가 결과를 나타내는 도면으로서, -20℃와 같은 극저온에서 냉시동을 위해 스택 해동 전 약 200mg/cell 이상의 물(또는 열)이 생성되어야 한다면, 30℃ 이하의 저온에서는 스택을 공기 등으로 퍼지하더라도 약 30 ~ 80mg/cell 정도 밖에 생성되지 않는다. 즉, 안정적인 전압을 유지하면서 냉시동을 할 수 있는 시간이 짧기 때문에 냉시동이 불가해지나, 본 발명의 적용시에는 약 100초(12A 기준, 전류량에 따라 다름)의 시간이면 200mg/cell의 물 생성이 가능하며, -20℃에서 냉시동이 가능하다.10 is a view showing the results of the evaluation of ice blocking by operating temperature, if the water (or heat) of about 200mg / cell or more should be generated before the stack thaw for cold start at a cryogenic temperature, such as -20 ℃, at a low temperature below 30 ℃ Even if the stack is purged with air or the like, only about 30 to 80 mg / cell is produced. In other words, cold start is impossible because the time to start cold while maintaining a stable voltage is short, but in the case of application of the present invention, 200 mg / cell of water is generated in a time of about 100 seconds (based on the current amount of 12A). This is possible and cold start is possible at -20 ℃.
도 10을 참조하면, 연료전지 스택에서 운전 정지(셧다운) 전 운전온도가 낮을수록 냉시동시 생성 가능한 최대 물량이 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한 30 ~ 50℃에서 운전이 정지되었을 경우 -20℃에서는 냉시동이 안되기 때문에 스택을 정지시킨 후 물을 제거해주어야만 냉시동이 가능해짐을 알 수 있다. 30 ~ 40℃로 운전이 정지되었을 경우 추가적으로 물을 100mg/cell 이상 제거해야만 -20℃에서 냉시동이 가능하며, 이 물량을 본 발명에서와 같이 전기분해를 통해 운전 정지 후 제거해주면 냉시동 문제가 해결될 수 있다.Referring to FIG. 10, it can be seen that as the operation temperature before the operation stop (shutdown) is lower in the fuel cell stack, the maximum amount of water that can be generated during cold start decreases. In addition, if the operation is stopped at 30 ~ 50 ℃ cold start at -20 ℃ can be seen that the cold start is possible only after removing the water after stopping the stack. If the operation is stopped at 30 ~ 40 ℃ can be cold start at -20 ℃ only if additional water is removed more than 100mg / cell, if the amount is removed after the operation stop by electrolysis as in the present invention cold start problem Can be solved.
도 11은 본 발명의 물 제거 방법을 나타내는 순서도이다.11 is a flow chart showing the water removal method of the present invention.
우선, 연료전지 시동 후 연료전지 운전상태에서(S11) 제어기(3)가 키 오프(Key-off) 신호를 검출하면 반응가스(수소와 공기)의 공급을 중지하는 등 통상의 연료전지 셧다운(연료전지 운전 정지) 과정을 진행하되(S12), 셧다운 과정에서 전류 인가 및 전기분해를 통해 물을 제거하는 과정을 실시한다.First, in the fuel cell operation state after the start of the fuel cell (S11), when the controller 3 detects a key-off signal, the normal fuel cell shutdown (fuel) is stopped. Stop the battery operation) (S12), but the process of removing the water by applying current and electrolysis in the shutdown process.
냉시동 후 주행을 통해 연료전지의 운전온도가 정상적으로 올라가지 않은 상태에서 다시 연료전지의 운전이 정지되면 셀 내 물량은 과량으로 존재하게 된다. If the operation of the fuel cell is stopped again while the operating temperature of the fuel cell does not normally rise through the driving after the cold start, the quantity in the cell is present in excess.
따라서, 반응가스의 공급을 중지한 뒤 퍼지가스로 연료전지 퍼징을 우선 실시하여 연료전지 스택 내 채널 및 배관의 물을 제거하는 것이 바람직한데, 예컨대 공기공급부의 블로워 또는 컴프레서로 스택 내에 공기를 공급하는 공기 퍼징을 실시하되, 가습기를 통과하지 않도록 바이패스된 공기를 공급하는 무가습 퍼징(바이패스배관 설치 등 추가 비용 필요)이 아닌, 가습 퍼징으로 실시 가능하다(S13).Therefore, it is preferable to stop the supply of the reaction gas and then purge the fuel cell with the purge gas to remove the water in the channel and the pipe in the fuel cell stack, for example, by supplying air into the stack by a blower or a compressor of the air supply unit. Although purging the air, it can be carried out by humidifying purging, not humidification purging (additional cost, such as bypass piping installation) to supply the bypassed air so as not to pass through the humidifier (S13).
이후 반응가스의 공급을 중지한 상태에서 전류인가장치를 구동하여 연료전지 스택에 전류를 인가하는 동시에 셀 전압 검출부를 통해 연료전지 스택의 셀 전압을 모니터링한다(S14).Thereafter, the current application device is driven while the supply of the reaction gas is stopped to apply current to the fuel cell stack, and the cell voltage of the fuel cell stack is monitored through the cell voltage detector (S14).
연료전지 스택에 전류를 인가하게 되면 전술한 바와 같이 스택의 셀 내에 존재하는 물이 전기분해되면서 기체로 전환되어 제거된다. When a current is applied to the fuel cell stack, the water present in the cells of the stack is converted to a gas while being electrolyzed as described above.
이와 같이 전류 인가 및 전기분해가 이루어지는 동안에는 셀 전압을 모니터링하여, 셀 전압이 기준전압 이상이 되지 않는 조건으로 유지될 수 있도록 스택에 인가되는 전류량을 조절하게 되고, 이로써 촉매의 카본 부식을 방지하게 된 다(S15). As such, the cell voltage is monitored during current application and electrolysis to control the amount of current applied to the stack so that the cell voltage is maintained at a condition not exceeding the reference voltage, thereby preventing carbon corrosion of the catalyst. (S15).
이후 상기와 같은 전류 인가 및 전기분해 과정을 일정시간 동안 실시한 뒤 스택에 인가되는 전류를 차단하고(S16), 캐소드 내 산소를 제거하는 과정을 진행한 뒤 시스템을 오프시킨다(S17,S18). Thereafter, the current application and electrolysis process as described above are performed for a predetermined time, and then the current applied to the stack is cut off (S16), and the process of removing oxygen from the cathode is performed, and then the system is turned off (S17, S18).
즉, 애노드에 수소를 공급하는 상태에서 스택 부하(COD)를 구동시켜 스택 전류를 소모시킴으로써 캐소드 산소 소진 및 스택 전압을 제거하는 과정을 진행하여 시스템을 완전 오프시킨다.In other words, the cathode is exhausted by driving the stack load (COD) in the state of supplying hydrogen to the anode to remove the cathode oxygen and the stack voltage to completely turn off the system.
이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 물 제거 장치 및 방법에 의하면, 연료전지 스택의 셀 내에 존재하는 물을 신속히 제거하여 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 빙점 이하의 온도에서 정지(콜드 셧다운)시 보다 신속하고 확실하게 셀 내의 물을 제거할 수 있다. Thus, according to the fuel cell water removing apparatus and method of the present invention, it is possible to quickly remove the water present in the cells of the fuel cell stack to improve the cold startability of the fuel cell. In particular, it is possible to remove water in the cell more quickly and reliably at stop (cold shutdown) at temperatures below freezing point.
또한 겨울철 짧은 거리 주행 후 정지시에도 셀 내부의 물 제거가 용이해지며, 겨울철 짧은 거리 주행 후 스택 온도를 올리기 위해 사용하던 낮은(스택의 전류 출력을 크게 할 수 있는) 저항값을 갖는 저항체가 필요 없게 된다. In addition, it is easy to remove the water inside the cell when stopped after a short distance in winter, and a resistor having a low resistance value (which can increase the current output of the stack) that is used to increase the stack temperature after a short distance in winter is required. There will be no.
또한 냉시동시 캐소드 물 제거를 위해 필요한 건조공기 퍼징용 구성, 즉 바이패스배관 및 밸브 등이 필요 없으며, 이에 공기공급계 관련 패키징이 용이해진다. 또한 건조질소를 공급하기 위한 구성이나 감압 이용을 위해 필요했던 감압펌프 등이 불필요해진다.In addition, the configuration for purging dry air required for removing cathode water during cold start, that is, bypass piping and valves, etc. are not required, thereby making it easier to package the air supply system. Moreover, the structure for supplying dry nitrogen, the decompression pump used for pressure reduction use, etc. become unnecessary.
또한 본 발명에서는 물의 전기분해시 셀 전압을 모니터링하여 전류량을 조절하므로 촉매층의 카본 부식을 방지하면서 물을 제거할 수 있게 된다. In addition, in the present invention, it is possible to remove the water while preventing the carbon corrosion of the catalyst layer by controlling the amount of current by monitoring the cell voltage during the electrolysis of water.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.The embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims and Improved forms are also included in the scope of the present invention.
도 1은 스택 내 물 제거를 위해 종래 바이패스라인을 통해 건조가스를 공급하는 일 예를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an example of supplying a dry gas through a conventional bypass line to remove water in a stack.
도 2는 전기분해와 연료전지 반응의 메커니즘을 비교하여 나타낸 도면이다.2 shows a comparison of the mechanism of electrolysis and fuel cell reaction.
도 3은 본 발명에 따른 물 제거 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a water removal apparatus according to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.4 is a view showing an apparatus and a method for removing water according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.5 is a view showing a water removal apparatus and method according to another embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물 제거 장치 및 방법을 나타내는 도면이다.6 to 9 are views showing the water removal apparatus and method according to another embodiment of the present invention.
도 10은 운전 온도별 아이스 블로킹 평가 결과를 나타내는 도면이다.10 is a diagram illustrating an ice blocking evaluation result for each operating temperature.
도 11은 본 발명의 방법을 이용한 연료전지 셧다운(시스템 오프) 과정을 나타내는 순서도이다.11 is a flowchart illustrating a fuel cell shutdown (system off) process using the method of the present invention.

Claims (15)

  1. 연료전지 스택의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연결되어 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 물의 전기분해를 위한 전류를 인가하는 전류인가장치와; A current application device connected to the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack to apply a current for electrolysis of water between the cathode electrode and the anode electrode;
    연료전지 스택의 셀 전압을 검출하기 위한 셀 전압 검출부와;A cell voltage detector for detecting a cell voltage of the fuel cell stack;
    상기 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하면서 전류 인가시 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 제어기;A controller for controlling the current output of the current application device while monitoring the cell voltage detected by the cell voltage detector so that the cell voltage does not exceed a reference voltage set for preventing catalyst corrosion of the electrode when current is applied;
    를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Water removal apparatus of a vehicle fuel cell comprising a.
  2. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 전류인가장치는, The current application device,
    전류공급원으로서 배터리 또는 파워 서플라이와;A battery or power supply as a current source;
    상기 제어기에 의해 온/오프 제어되어 상기 배터리 또는 파워 서플라이로부터 연료전지 스택에 인가되는 전류를 선택적으로 차단하기 위한 스위치;A switch for on / off control by the controller to selectively block current applied from the battery or power supply to the fuel cell stack;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.Water removal device of a vehicle fuel cell, characterized in that it comprises a.
  3. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2,
    상기 전류공급원에서 전류가 인가되는 도선에 상기 스위치와 함께 전류량 제어를 위해 설치되는 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.The water removal device of the fuel cell for a vehicle, characterized in that it further comprises a resistor which is installed for controlling the amount of current together with the switch on the conductive wire to which the current is applied from the current source.
  4. 청구항 3에 있어서, The method of claim 3,
    상기 스위치와 저항 복수개가 상기 전류가 인가되는 도선에서 병렬로 설치되어 연료전지 스택에 인가되는 전류량이 단계적으로 제어될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.The switch and the plurality of resistors are installed in parallel in the conductor to which the current is applied so that the amount of current applied to the fuel cell stack can be controlled step by step water removal device for a vehicle fuel cell.
  5. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 전류공급원은 캐소드 내 물을 제거하기 위해 캐소드 전극이 (+)로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.The current supply source is a water removal device of a vehicle fuel cell, characterized in that the cathode electrode is connected to the (+) to remove the water in the cathode.
  6. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 전류공급원으로서 배터리는 연료전지 스택 및 구동모터에서 생성된 전력을 저장하는 보조 동력원의 배터리인 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.The battery as the current supply source is a water removal device of a vehicle fuel cell, characterized in that the battery of the auxiliary power source for storing the power generated in the fuel cell stack and the drive motor.
  7. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 전류인가장치는 전류공급원으로서 상기 제어기에 의해 출력 전류량이 조절되는 파워 서플라이를 포함하고, The current application device includes a power supply whose output current is regulated by the controller as a current supply source,
    상기 제어기가 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 파워 서플라이의 출력 전류량을 줄여주어 상기 셀 전압이 기준전압 이내가 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.And the controller reduces the output current of the power supply when the cell voltage is greater than or equal to the reference voltage to maintain the cell voltage within the reference voltage.
  8. 청구항 7에 있어서,The method of claim 7,
    상기 파워 서플라이는 캐소드 내 물을 제거하기 위해 캐소드 전극이 (+)로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치.The power supply is a water removal device of a vehicle fuel cell, characterized in that the cathode electrode is connected to the (+) to remove the water in the cathode.
  9. 청구항 2 또는 청구항 7에 있어서,The method according to claim 2 or 7,
    상기 연료전지 스택이 복수개의 스택 모듈로 구성되는 경우 각 스택 모듈이 상기 전류공급원으로부터 독립적으로 전류를 인가받도록 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 장치. When the fuel cell stack is composed of a plurality of stack modules, each stack module is connected to receive a current independently from the current supply source, characterized in that the water removal device for a vehicle fuel cell.
  10. 반응가스의 공급을 중지한 상태에서 전류인가장치를 구동하여 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전류를 인가함으로써 셀 내의 물을 전기분해하는 단계와;Electrolyzing water in the cell by driving a current application device in a state in which the supply of the reaction gas is stopped to apply a current between the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell stack;
    상기 셀 내의 물을 전기분해하는 동시에 셀 전압 검출부에 의해 검출되는 셀 전압을 모니터링하는 단계와;Monitoring the cell voltage detected by a cell voltage detector while electrolyzing water in the cell;
    물의 전기분해 및 셀 전압의 모니터링과 동시에 셀 전압이 전극의 촉매 부식 방지를 위해 설정된 기준전압 이상이 되지 않도록 상기 전류인가장치의 전류 출력을 제어하는 단계;Controlling the current output of the current application device such that the cell voltage does not exceed a reference voltage set for preventing catalyst corrosion of the electrode simultaneously with the electrolysis of water and the monitoring of the cell voltage;
    를 포함하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.Water removal method of a vehicle fuel cell comprising a.
  11. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10,
    상기 전류인가장치의 구동 전에 연료전지 스택 및 배관 내 물 제거를 위해 퍼지가스로 연료전지 스택을 퍼징하는 단계를 우선 실시하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.And purging the fuel cell stack with a purge gas to remove water in the fuel cell stack and the pipe prior to driving the current application device.
  12. 청구항 11에 있어서,The method of claim 11,
    상기 연료전지 스택의 캐소드에 퍼지가스로서 공기를 공급하여 퍼징하는 공 기 퍼징을 실시하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.And purging the air by supplying air as a purge gas to the cathode of the fuel cell stack.
  13. 청구항 10 또는 청구항 12에 있어서,The method according to claim 10 or 12,
    상기 연료전지 스택의 캐소드 내 물을 제거하기 위해 전류 인가시 캐소드 전극을 (+)로 연결하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.The method of removing water in a vehicle fuel cell, characterized in that to connect the cathode electrode with a positive (+) when the current is applied to remove the water in the cathode of the fuel cell stack.
  14. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10,
    상기 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 촉매의 부식 방지를 위해 전류인가장치로부터 인가되는 전류량을 줄여주어 상기 셀 전압을 기준전압 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.And removing the amount of current applied from the current application device to prevent corrosion of the catalyst when the cell voltage is higher than the reference voltage, thereby maintaining the cell voltage within the reference voltage.
  15. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10,
    상기 셀 전압이 기준전압 이상이 되면 촉매의 부식 방지를 위해 전류인가장치로부터 인가되는 전류를 차단하여 물의 전기분해를 중지하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 물 제거 방법.When the cell voltage is higher than the reference voltage water blocking method of the fuel cell for a vehicle, characterized in that to stop the electrolysis of water by blocking the current applied from the current application device to prevent corrosion of the catalyst.
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