KR20120063802A - Fuel cell system for vehicle - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A fuel cell system for vehicles is provided to enhance driving efficiency of the system by providing electrolyzed hydrogen and purge hydrogen in stacks. CONSTITUTION: A fuel cell system for vehicles(100) comprises a stack(10) which is composed of aggregate of the fuel cell, an air feed unit(30) for providing air to an air electrode of the fuel cell, a hydrogen feed unit(70) for providing hydrogen to fuel anode of the fuel cell, a hydrogen recirculation unit(80) which provides a mixture of high temperature and high humidity hydrogen exhausted from the fuel anode and dry hydrogen which is provided from the hydrogen feed unit to the fuel anode, and a water trap(90) which has an electric decomposition part(93) and stores condensed water exhausted from the fuel anode.

Description

차량용 연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE}Automotive Fuel Cell System {FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회생 제동 에너지를 이용할 수 있도록 한 차량용 연료 전지 시스템에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell vehicle, and more particularly, to a fuel cell system for a vehicle that enables the use of regenerative braking energy.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.As is known, in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system, hydrogen used as fuel is supplied to a fuel cell stack to generate electricity, and the vehicle is driven by operating an electric motor with electricity produced by the fuel cell stack.

여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.Here, the fuel cell system is a kind of power generation system that converts chemical energy of the fuel into electrical energy directly in the fuel cell stack without being converted into heat by combustion.

이러한 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.In such fuel cell systems, high-purity hydrogen is supplied from the hydrogen storage tank to the anode of the fuel cell during operation, and air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell using an air supply device such as an air blower. do.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.Accordingly, hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions are transferred to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and the oxygen supplied to the cathode is external. It combines with the electrons that enter the cathode through the lead to produce water while generating water.

한편, 연료전지의 연료극에서는 미반응된 수소와, 공기극에서 넘어온 수분이 응축된 응축수를 배출하는데, 그 미반응된 수소는 수소 재순환장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되고, 응축수는 워터 트랩에 저장되며 외부로 배출된다.Meanwhile, the fuel electrode of the fuel cell discharges unreacted hydrogen and condensed water condensed with moisture from the air electrode. The unreacted hydrogen is supplied to the fuel cell stack through a hydrogen recirculation device, and the condensed water is stored in a water trap. It is discharged to the outside.

그리고, 연료전지 시스템에서는 미반응 수소의 재순환 시, 연료전지 스택의 연료극에서 발생되는 이물질을 제거하기 위해 수소를 퍼지시키고 있다.In the fuel cell system, hydrogen is purged to remove foreign substances generated at the anode of the fuel cell stack when the unreacted hydrogen is recycled.

다른 한편으로, 상기와 같은 연료 전지 시스템을 채용한 차량에서는 제동 시에 제동력의 일부를 발전에 사용하여 발생된 전기 에너지를 수퍼커패시터 또는 배터리에 충전하는 회생제동이 이루어지며, 이러한 회생 제동 에너지는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 열에너지로서 이용되고 있다.On the other hand, in a vehicle employing the fuel cell system as described above, a regenerative braking is performed in which a part of the braking force is used for power generation during braking to charge electric energy generated in a supercapacitor or a battery, and the regenerative braking energy is super When charging a capacitor or a battery, it is used as thermal energy.

그런데, 종래 기술에서는 상기한 회생 제동 에너지를 열로서 소진하고 있기 때문에 에너지의 손실을 야기시키고, 퍼지 수소의 배출로 인한 연료전지 스택의 수소 이용율 및 발전 효율이 저하된다는 문제점을 내포하고 있다.However, in the related art, since the regenerative braking energy is exhausted as heat, energy loss is caused and the hydrogen utilization rate and power generation efficiency of the fuel cell stack are lowered due to the discharge of purge hydrogen.

본 발명의 예시적인 실시예들은 회생 제동 에너지를 활용하여 전체 시스템의 운전 효율 및 차량의 운전 환경을 개선할 수 있도록 한 차량용 연료 전지 시스템을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention provide a fuel cell system for a vehicle that utilizes the regenerative braking energy to improve the driving efficiency of the entire system and the driving environment of the vehicle.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅳ)상기 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩을 포함하되, 상기 워터 트랩에는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 회생제동으로 발생하는 전기 에너지로서 상기 응축수를 전기 분해하기 위한 전기 분해부가 구성된다.A fuel cell system for a vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention includes: (i) a stack made up of an assembly of fuel cells, ii) an air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell, and A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to a fuel electrode, i) a hydrogen recycling unit for mixing hot and humid hydrogen discharged from the fuel electrode and dry hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and supplying the fuel to the fuel electrode; It includes a water trap for storing the condensate discharged from, wherein the water trap comprises an electrolysis unit for electrolyzing the condensate as electrical energy generated by regenerative braking when the supercapacitor or battery is full.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수소 재순환유닛은 상기 연료 전지 스택에 대하여 수소를 퍼지시키기 위한 퍼지 밸브를 더 포함할 수 있다.In the vehicle fuel cell system, the hydrogen recycle unit may further include a purge valve for purging hydrogen with respect to the fuel cell stack.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 분해부는 제1 연결라인을 통해 상기 수소 재순환유닛과 연결될 수 있다.In the vehicle fuel cell system, the electrolysis unit may be connected to the hydrogen recycle unit through a first connection line.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급될 수 있다.In the vehicle fuel cell system, hydrogen obtained by the electrolysis of condensate in the electrolysis unit may be supplied to the stack through the first connection line.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 퍼지 밸브는 퍼지 라인에 설치되며, 상기 퍼지 라인은 상기 제1 연결라인과 연결될 수 있다.In the vehicle fuel cell system, the purge valve may be installed in a purge line, and the purge line may be connected to the first connection line.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 퍼지 라인으로 배출되는 퍼지 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급될 수 있다.In the vehicle fuel cell system, purge hydrogen discharged to the purge line may be supplied to the stack through the first connection line.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 산소는 제2 연결라인을 통해 차량의 실내로 공급될 수 있다.In the vehicle fuel cell system, oxygen obtained by the electrolysis of condensate in the electrolysis unit may be supplied to the interior of the vehicle through the second connection line.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 워터 트랩에는 상기 응축수를 선택적으로 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치될 수 있다.In the vehicle fuel cell system, the water trap may be provided with a drain valve for selectively discharging the condensate.

상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기를 더 포함할 수 있다.The vehicle fuel cell system may further include a humidifier configured to humidify the exhaust air discharged from the air electrode and the dry air supplied from the air supply unit, and supply the humidified air to the air electrode.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 충전부가 만충된 경우 회생 제동 에너지를 열로서 소진하지 않고 전기 분해부에 회생제동 에너지를 인가하여 워터 트랩의 응축수를 전기 분해할 수 있으며, 전기 분해된 수소를 스택으로 공급하며 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있고, 스택으로부터 배출되는 퍼지 수소를 전기 분해된 수소와 함께 스택으로 공급할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, when the charging part is full, the regenerative braking energy may be applied to the electrolytic part without exhausting the regenerative braking energy as heat, and the condensate of the water trap may be electrolyzed. The decomposed hydrogen may be supplied to the stack and oxygen may be supplied to a vehicle interior, and the purge hydrogen discharged from the stack may be supplied to the stack together with the electrolyzed hydrogen.

따라서, 본 실시예에서는 전기 분해된 수소와 퍼지 수소를 스택으로 공급할 수 있으므로 전체 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있으며, 전기 분해된 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있으므로 차량의 운전 환경을 개선할 수 있다.Therefore, in this embodiment, since the electrolyzed hydrogen and the purge hydrogen can be supplied to the stack, the driving efficiency of the entire system can be improved, and the electrolyzed oxygen can be supplied to the interior of the vehicle, thereby improving the driving environment of the vehicle. have.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a vehicle fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings, and is shown by enlarging the thickness in order to clearly express various parts and regions. It was.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a vehicle fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 차량에 탑재되면서 연료로 사용되는 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산하며, 이렇게 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킬 수 있다.Referring to the drawings, the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention generates electricity through an electrochemical reaction of hydrogen, which is used as fuel, and air, which is an oxidant, mounted on a fuel cell vehicle. The electric motor can be operated to drive the vehicle.

여기서, 상기 연료 전지 차량은 연료 전지 시스템에서 발생되는 전기 에너지를 수퍼커패시터 또는 배터리에 저장하고 그 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동시킬 수 있다.Here, the fuel cell vehicle may store the electric energy generated in the fuel cell system in a supercapacitor or a battery and drive the motor using the stored electric energy.

이 경우, 상기 연료 전지 차량에서는 제동 시에 제동력의 일부를 발전에 사용하여 발생된 전기 에너지를 수퍼커패시터 또는 배터리에 충전하는데, 이러한 방식의 제동 방법을 회생제동(regenerative braking) 이라고 한다.In this case, in the fuel cell vehicle, a part of the braking force is used for power generation during braking to charge the electric energy generated in the supercapacitor or the battery. This method of braking is called regenerative braking.

이하에서는 상기한 회생 제동이 이루어지는 부위를 편의 상 회생 제동부(1) 라고 정의하며, 수퍼커패시터 또는 배터리를 충전부(3) 라고 정의하기로 한다.Hereinafter, a portion of the regenerative braking is defined as a regenerative braking unit 1 for convenience, and a supercapacitor or a battery is defined as a charging unit 3.

상기한 회생 제동부(1)와 충전부(3)는 당 업계에서 전기 자동차 또는 연료 전지 자동차에 주로 채용하는 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the regenerative braking unit 1 and the charging unit 3 are well-known techniques mainly employed in electric vehicles or fuel cell vehicles in the art, further detailed description of the configuration will be omitted herein.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 회생 제동부(1)를 통한 회생 제동 에너지를 효율적으로 활용하여 전체 시스템의 운전 효율, 및 차량의 운전 환경을 개선할 수 있는 구조로서 이루어진다.The fuel cell system 100 according to the present embodiment has a structure capable of improving the driving efficiency of the entire system and the driving environment of the vehicle by efficiently utilizing the regenerative braking energy through the regenerative braking unit 1.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 가습기(50)와, 수소 공급유닛(70)과, 수소 재순환유닛(80)과, 워터 트랩(90)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.To this end, the vehicle fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention basically includes a stack 10, an air supply unit 30, a humidifier 50, a hydrogen supply unit 70, It comprises a hydrogen recycling unit 80, and a water trap 90, which will be described for each configuration as follows.

상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극(13) 및 연료극(15)이 배치되는 단위 연료 전지들(17)의 집합체 구조로서 이루어진다.The stack 10 has an aggregate structure of unit fuel cells 17 in which an air electrode 13 and a fuel electrode 15 are disposed on both sides thereof with a membrane-electrode assembly 11 (MEA) interposed therebetween.

여기서, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지(17)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.Here, the air electrode 13 of the fuel cell 17 discharges hot and humid wet air (hereinafter referred to as "exhaust air" for convenience), and the fuel electrode 17 of the fuel cell 17 serves as unreacted hydrogen. Discharge hot and humid hydrogen.

상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 외부 공기를 공급하기 위한 것이다.The air supply unit 30 is for supplying external air to the cathode 13 of the fuel cell 17.

상기 공기 공급유닛(30)은 대기 중의 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함할 수 있다.The air supply unit 30 may include an air blower 31 capable of sucking dry air in the atmosphere (hereinafter referred to as “supply air” for convenience) and supplying the air to the cathode 13.

본 실시예에서, 상기 가습기(50)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 이용하여, 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기의 가습을 행하고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습 공기" 라고 한다)를 공기극(13)으로 공급하기 위한 것이다.In the present embodiment, the humidifier 50 humidifies the supply air supplied from the air blower 31 by using the high temperature and high humidity exhaust air discharged from the cathode 13 of the fuel cell 17 and humidifies the supplied air. It is for supplying air (hereinafter referred to as "humidified air" for convenience) to the air electrode 13.

상기 가습기(50)는 기본적으로 하우징(51)과, 그 하우징(51)에 내장되는 막 모듈(55)을 포함하여 구성된다.The humidifier 50 basically includes a housing 51 and a membrane module 55 embedded in the housing 51.

상기에서, 하우징(51)은 배출 공기를 도입하는 제1 유입부(53a)와, 공급 공기를 도입하는 제2 유입부(53b)와, 가습 공기를 배출하는 제1 배출부(53c)와, 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부(53d)를 형성하고 있다.In the above, the housing 51 includes a first inlet 53a for introducing exhaust air, a second inlet 53b for introducing supply air, a first outlet 53c for discharging humidified air, A second discharge portion 53d for discharging the discharged air from which moisture is removed through the membrane module 55 to the atmosphere is formed.

즉, 상기 제1 유입부(53a)는 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결되며, 제2 유입부(53b)는 공기 블로워(31)와 연결되고, 제1 배출부(53c)는 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결될 수 있다.That is, the first inlet 53a is connected to the cathode 13 of the fuel cell 17, the second inlet 53b is connected to the air blower 31, and the first outlet 53c is It may be connected to the cathode 13 of the fuel cell 17.

상기 막 모듈(55)은 하우징(51)의 내부에 내장되며, 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막(56)(당 업계에서는 "중공사튜브" 라고도 한다)으로서 구비될 수 있다.The membrane module 55 is embedded in the housing 51, and is a hollow fiber membrane 56 (also referred to as "hollow fiber tube" in the art) in which supply air and humidification of the supply air is performed as moisture exchange between exhaust air. It may be provided.

상기에서, 수소 공급유닛(70)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(71)를 포함할 수 있다.In the above, the hydrogen supply unit 70 is for supplying hydrogen to the fuel electrode 15 of the fuel cell 17. The hydrogen tank 71 may store hydrogen gas and supply the hydrogen gas to the fuel electrode 15. It may include.

그리고, 상기 수소 재순환유닛(80)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.The hydrogen recirculation unit 80 mixes the hot and humid hydrogen discharged from the fuel electrode 15 of the fuel cell 17 with the dry hydrogen supplied from the hydrogen tank 71 to convert the humidified mixed hydrogen into the fuel electrode 15. ) To supply.

여기서, 상기 수소 재순환유닛(80)은 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(81)와, 그 수소 블로워(81)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 연료극(15)으로 공급하는 이젝터(83)와, 그 수소를 대기 중으로 방출(퍼지)시키기 위한 퍼지 밸브(85)를 포함할 수 있다.Here, the hydrogen recirculation unit 80 includes a hydrogen blower 81 for sucking high temperature and high humidity hydrogen discharged from the anode 15, and a high temperature and high humidity hydrogen and hydrogen tank sucked through the hydrogen blower 81. It may include an ejector 83 for mixing the dry hydrogen supplied from the () to supply to the anode 15, and a purge valve 85 for releasing (purging) the hydrogen into the atmosphere.

이 경우, 상기 퍼지 밸브(85)는 스택(10)에 있어 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 연결되는 퍼지 라인(86)에 설치되는데, 이 퍼지 라인(86)은 스택(10)으로부터 퍼지 수소를 배출시키는 배출 라인으로서 이루어진다.In this case, the purge valve 85 is installed in a purge line 86 in the stack 10 which is connected to the fuel electrode 15 of the fuel cell 17, which is purged from the stack 10. As a discharge line for discharging purge hydrogen.

한편, 상기 워터 트랩(90)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 응축수를 저장하기 위한 것이다.On the other hand, the water trap 90 is for storing the condensed water discharged from the anode 15 of the fuel cell 17.

즉, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 수분이 생성되는데, 이렇게 생성된 수분 중의 일부는 액체 또는 기체 형태로 막-전극 어셈블리(11)의 전해질막을 통하여 연료극(15)으로 넘어오게 되며 별도의 워터 트랩(90)에서 응축수로 저장된다.That is, in the cathode 13 of the fuel cell 17, moisture is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and some of the generated moisture is an electrolyte of the membrane-electrode assembly 11 in the form of liquid or gas. It passes over the membrane to the anode 15 and is stored as condensate in a separate water trap 90.

상기 워터 트랩(90)에는 일정 수위로 저장된 응축수를 배출시키기 위한 응축수 드레인 밸브(91)가 연결되게 구성되는 바, 이러한 응축수 드레인 밸브(91)는 전기적인 신호에 의해 밸브 통로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 솔레노이드 밸브로서 구성된다.The water trap 90 is configured to be connected to the condensate drain valve 91 for discharging the condensate stored at a certain level, such a condensate drain valve 91 can selectively open and close the valve passage by an electrical signal. It is configured as a solenoid valve.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)은 위에서 언급한 바 있는 충전부(3)가 만충되었을 경우, 회생 제동부(1)를 통하여 얻어지는 전기 에너지를 열 에너지 등으로 소진하지 않고, 그 전기 에너지를 이용하여 워터 트랩(90) 내의 응축수를 전기 분해할 수 있다.The vehicle fuel cell system 100 according to the present exemplary embodiment configured as described above does not exhaust the electric energy obtained through the regenerative braking unit 1 as heat energy when the charging unit 3 described above is full. Instead, the condensed water in the water trap 90 can be electrolyzed using the electric energy.

이에, 본 실시예에 의한 상기 워터 트랩(90)에는 응축수를 전기 분해할 수 있는 전기 분해부(93)가 구성된다.Thus, the water trap 90 according to the present embodiment is configured with an electrolysis unit 93 capable of electrolyzing condensate.

상기 전기 분해부(93)는 워터 트랩(90)의 내부에서 응축수를 제공받아 그 응축수에 전기 에너지를 가해서 물을 수소와 산소로 분해할 수 있다.The electrolysis unit 93 may receive the condensate from the water trap 90 and apply electrical energy to the condensate to decompose water into hydrogen and oxygen.

이러한 전기 분해부(93)는 양극판과 음극판을 구비하며 양극판에서 산화 반응을 통해 산소를 얻고 음극판에서 환원 반응을 통해 수소를 얻는 공지 기술의 전기 분해 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The electrolysis unit 93 includes a positive electrode plate and a negative electrode plate, and is formed as a known electrolysis device that obtains oxygen through an oxidation reaction at the positive electrode plate and obtains hydrogen through a reduction reaction at the negative electrode plate. The description will be omitted.

여기서, 상기 전기 분해부(93)는 제1 연결라인(94)을 통해 수소 재순환유닛(80)으로 연결되는데, 예를 들면 수소 블로워(81)로 연결될 수 있다.Here, the electrolysis unit 93 is connected to the hydrogen recycling unit 80 through the first connection line 94, for example, may be connected to the hydrogen blower (81).

이 경우, 상기 전기 분해부(93)에서 응축수의 전기 분해로 얻어지는 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 수소 재순환유닛(80)의 수소 블로워(81)로 공급되고, 그 수소 재순환유닛(80)을 통하여 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급될 수 있다.In this case, the hydrogen obtained by the electrolysis of the condensate in the electrolysis unit 93 is supplied to the hydrogen blower 81 of the hydrogen recycling unit 80 through the first connection line 94, the hydrogen recycling unit 80 ) May be supplied to the fuel electrode 15 of the fuel cell 17.

그리고, 상기 제1 연결라인(94)은 위에서 언급한 바 있는 퍼지 라인(86)과 연결될 수 있다. 이에, 퍼지 밸브(85)의 작동으로서 스택(10)으로부터 배출되는 퍼지 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 상기 전기 분해된 수소와 함께 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급될 수 있다.In addition, the first connection line 94 may be connected to the purge line 86 mentioned above. Accordingly, purge hydrogen discharged from the stack 10 as an operation of the purge valve 85 may be supplied to the anode 15 of the fuel cell 17 together with the electrolyzed hydrogen through the first connection line 94. have.

한편, 본 실시예에서는 상기 전기 분해부(93)에서 얻어진 산소를 제2 연결라인(95)을 통하여 차량의 실내로 공급할 수 있다.On the other hand, in the present embodiment it is possible to supply the oxygen obtained from the electrolysis unit 93 to the interior of the vehicle through the second connection line (95).

이러한 제2 연결라인(95)은 공지 기술에 따른 차량의 공조 시스템(도면에 도시되지 않음)으로 연결될 수 있다.This second connection line 95 may be connected to an air conditioning system (not shown) of the vehicle according to the known art.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 공기 공급유닛(30), 수소 공급유닛(70), 및 수소 재순환유닛(80)을 통해 수소와 공기가 스택(10)으로 공급되고, 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.Therefore, according to the fuel cell system 100 for a vehicle according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above, the hydrogen is supplied through the air supply unit 30, the hydrogen supply unit 70, and the hydrogen recycle unit 80. And air are supplied to the stack 10, and the stack 10 generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

이러한 전기 에너지는 수퍼커패시터 또는 배터리의 충전부(3)에 충전되는데, 상기 과정에서 연료 전지(17)의 공기극(13)에서 연료극(15)으로 넘어온 수분은 워터 트랩(90)에 응축수로 저장되고, 그 응축수는 드레인 밸브(91)를 통해 외부로 배출될 수 있다.This electrical energy is charged in the charging section 3 of the supercapacitor or battery, in the process, water that has passed from the cathode 13 of the fuel cell 17 to the anode 15 is stored as condensed water in the water trap 90, The condensed water may be discharged to the outside through the drain valve 91.

그리고, 본 실시예에서는 회생 제동부(1)를 통해 회생 제동 에너지(전기 에너지)를 충전부(3)에 충전하는데, 제어기(도면에 도시되지 않음)를 통해 충전부(3)가 만충되었다고 판단된 경우, 회생 제동에 따른 전기 에너지는 워터 트랩(90)에 구성된 전기 분해부(93)에 인가된다.In the present embodiment, the regenerative braking energy (electrical energy) is charged to the charging unit 3 through the regenerative braking unit 1, and when it is determined that the charging unit 3 is full through the controller (not shown). , The electric energy according to the regenerative braking is applied to the electrolysis unit 93 configured in the water trap 90.

그러면, 상기 전기 분해부(93)는 워터 트랩(90)에 저장된 응축수를 수소와 산소로 전기 분해한다. 이 중에서 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 수소 재순환유닛(80)의 수소 블로워(81)로 공급되고, 그 수소 재순환유닛(80)을 통하여 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급된다.Then, the electrolysis unit 93 electrolyzes the condensed water stored in the water trap 90 into hydrogen and oxygen. Among them, hydrogen is supplied to the hydrogen blower 81 of the hydrogen recycling unit 80 through the first connection line 94 and supplied to the fuel electrode 15 of the fuel cell 17 through the hydrogen recycling unit 80. do.

한편, 상기 스택(10)에서는 퍼지 라인(86)을 통하여 퍼지 수소를 배출하는데, 이 퍼지 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 상기 전기 분해된 수소와 함께 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급된다.On the other hand, the stack 10 discharges purge hydrogen through the purge line 86, which is the fuel electrode 15 of the fuel cell 17 together with the electrolyzed hydrogen through the first connection line 94. Is supplied.

다른 한편으로, 상기 전기 분해부(93)에서 얻어진 산소는 제2 연결라인(95)을 통하여 차량의 실내로 공급되는데, 차량의 공조 시스템(도면에 도시되지 않음)을 통하여 차내로 공급될 수 있다.On the other hand, the oxygen obtained from the electrolysis unit 93 is supplied to the interior of the vehicle through the second connection line 95, it may be supplied into the vehicle through the vehicle air conditioning system (not shown). .

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 충전부(3)가 만충된 경우, 회생 제동 에너지를 열로서 소진하지 않고 전기 분해부(93)에 회생제동 에너지를 인가하여 워터 트랩(90)의 응축수를 전기 분해할 수 있으며, 전기 분해된 수소를 스택으로 공급하고 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있고, 스택(10)으로부터 배출되는 퍼지 수소를 전기 분해된 수소와 함께 스택으로 공급할 수 있다.As described above, according to the fuel cell system 100 for a vehicle according to the exemplary embodiment of the present invention, when the charging unit 3 is full, the regenerative braking energy is regenerated to the electrolysis unit 93 without exhausting the regenerative braking energy as heat. By applying braking energy, the condensate of the water trap 90 may be electrolyzed, the electrolyzed hydrogen may be supplied to the stack, the oxygen may be supplied to the vehicle interior, and the purge hydrogen discharged from the stack 10 may be electrolyzed. It can be fed into the stack with the hydrogen.

따라서, 본 실시예에서는 전기 분해된 수소와 퍼지 수소를 스택(10)으로 공급할 수 있으므로 스택(10)의 수소 이용율 및 발전 효율을 향상시킬 수 있으며, 전기 분해된 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있으므로 차량의 운전 환경을 개선할 수 있다.Therefore, in this embodiment, since the electrolyzed hydrogen and the purge hydrogen can be supplied to the stack 10, the hydrogen utilization rate and power generation efficiency of the stack 10 can be improved, and the electrolyzed oxygen can be supplied to the interior of the vehicle. The driving environment of the vehicle can be improved.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

1... 회생 제동부 3... 충전부
10... 스택 17... 연료 전지
30... 공기 공급유닛 31... 공기 블로워
50... 가습장치 51... 하우징
55... 막 모듈 56... 중공사막
70... 수소 공급유닛 80... 수소 재순환유닛
85... 퍼지 밸브 86... 퍼지 라인
90... 워터 트랩 91... 드레인 밸브
93... 전기 분해부 94... 제1 연결라인
95... 제2 연결라인1 ... Regenerative Braking Unit 3 ... Charging Unit
10 ... Stack 17 ... Fuel Cells
30 ... Air supply unit 31 ... Air blower
50 ... Humidifier 51 ... Housing
55 ... Membrane Module 56 ... Hollow Fiber Membrane
70 ... hydrogen supply unit 80 ... hydrogen recirculation unit
85 ... purge valve 86 ... purge line
90 ... water trap 91 ... drain valve
93 ... Electrolysis part 94 ... First connection line
95 ... 2nd connection line

Claims (7)

연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택;
상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛;
상기 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛; 및
상기 연료극으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩
을 포함하되,
상기 워터 트랩에는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 회생제동으로 발생하는 전기 에너지로서 상기 응축수를 전기 분해하기 위한 전기 분해부가 구성되는 차량용 연료 전지 시스템.A stack formed as an assembly of fuel cells;
An air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell;
A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell;
A hydrogen recirculation unit for mixing the hot and humid hydrogen discharged from the fuel electrode with the dry hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and supplying the mixed hydrogen to the fuel electrode; And
A water trap storing condensate discharged from the fuel electrode
Including,
The water trap is a vehicle fuel cell system comprising an electrolysis unit for electrolyzing the condensate as electrical energy generated by regenerative braking when the supercapacitor or battery is full. 제1 항에 있어서,
상기 수소 재순환유닛은,
상기 연료 전지 스택에 대하여 수소를 퍼지시키기 위한 퍼지 밸브를 더 포함하는 차량용 연료 전지 시스템.The method according to claim 1,
The hydrogen recycling unit,
And a purge valve for purging hydrogen to the fuel cell stack. 제2 항에 있어서,
상기 전기 분해부는 제1 연결라인을 통해 상기 수소 재순환유닛과 연결되며, 상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급되는 차량용 연료 전지 시스템.The method of claim 2,
The electrolysis unit is connected to the hydrogen recycling unit through a first connection line, the hydrogen obtained by the electrolysis of the condensate in the electrolysis unit is supplied to the fuel cell system for a vehicle via the first connection line. 제3 항에 있어서,
상기 퍼지 밸브는 퍼지 라인에 설치되며, 상기 퍼지 라인은 상기 제1 연결라인과 연결되고,
상기 퍼지 라인으로 배출되는 퍼지 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급되는 차량용 연료 전지 시스템.The method of claim 3,
The purge valve is installed in the purge line, the purge line is connected to the first connection line,
The purge hydrogen discharged to the purge line is a vehicle fuel cell system is supplied to the stack through the first connection line. 제4 항에 있어서,
상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 산소는 제2 연결라인을 통해 차량의 실내로 공급되는 차량용 연료 전지 시스템.5. The method of claim 4,
The oxygen obtained by the electrolysis of the condensate in the electrolysis unit is supplied to the vehicle fuel cell system via a second connection line. 제1 항에 있어서,
상기 워터 트랩에는 상기 응축수를 선택적으로 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치되는 차량용 연료 전지 시스템.The method according to claim 1,
The water trap is a vehicle fuel cell system is provided with a drain valve for selectively discharging the condensate. 제1 항에 있어서,
상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기를 더 포함하는 차량용 연료 전지 시스템.The method according to claim 1,
And a humidifier configured to humidify the exhaust air discharged from the air electrode and the dry air supplied from the air supply unit, and supply the humidified air to the air electrode.
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