KR20120116738A - Cascade stack-typed polymer electrolyte membrane fuel cell system recycling crossover gas - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A multi-stage stack type polymer electrolyte fuel cell system is provided to facilitate supply and humidification of humidification water, to reduce the amount that gas mixed into the humidification water, and to reduce the loss of fuel by recycling crossover gas. CONSTITUTION: A multi-stage stack type polymer electrolyte fuel cell system(100) comprises: humidifiers(121, 122), which supply moisture to fuel gas and oxidation gas which are supplied in many interconnected stacks(111, 112, 113, 114) therein ; a main gas-liquid separator(130) installed in an outlet of the oxidation gas of a first stack to separate reaction product water which is generated from the cathode of the first stack, and humidification water in the oxidation gas to supply to the humidifiers; and humidification water storage tanks(141,142) installed in the outlet of the humidification water of the humidifier in order to supply stacks next to the first stack by separating crossover fuel gas and oxidation gas while storing the humidification water. [Reference numerals] (121, 122, 141, 142, 152, 162) Pressure 0.8; (130, 151) Pressure 1.0; (153, 163) Pressure 0.8; (AA, BB, DD, FF) Fuel gas(H2); (CC, EE, GG, HH) Oxidation gas(O2)

Description

크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템{Cascade Stack-typed Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell System Recycling Crossover Gas}Cascade Stack-typed Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell System Recycling Crossover Gas}

본 발명은 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐소드에서 발생되는 물(반응생성수)을 기액분리기에서 분리하여 가습기에 공급하고, 가습기 후단에서 여분의 가스를 보관하고 압력을 유지하며 가습수로 크로스오버된 가스를 다시 스택으로 보내는 다단스택형 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-stack stack type polyelectrolyte fuel cell system for recycling crossover gas. More specifically, water (reaction water) generated from a cathode is separated from a gas-liquid separator and supplied to a humidifier, and an excess is provided after the humidifier. A multistack stack fuel cell system is used to store gas, maintain pressure, and send gas crossover with humidified water back to the stack.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치로서 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.In general, a fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel into electrochemical energy directly in a cell without being converted into heat by combustion, and is a pollution-free power generation apparatus that is being studied with power of an automobile or a power of a laser electric appliance.

이러한 연료전지의 애노드로 연료기체인 수소가 공급되고 캐소드로 산화제인 산소가 공급되는 바, 상기 수소와 산소로부터 전자를 분리시켜 이온화를 촉진시키기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하기 위한 가습장치가 연료전지의 애노드와 캐소드에 각각 장착된다.The hydrogen of the fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell and the oxygen of the oxidant is supplied to the cathode. A humidifier for supplying moisture to hydrogen and oxygen to separate electrons from the hydrogen and oxygen to promote ionization is fuel. It is mounted on the anode and cathode of the battery, respectively.

상기 연료전지는 작동온도, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(Solid Oxiede Fuel Cell)와, 용융탄산염 연료전지(Molton Carbonate Fuel Cell)와, 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분된다.The fuel cell may be directly connected to a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell according to an operating temperature, and a type of electrolyte. It is divided into direct methanol fuel cell.

상기 고분자전해질 연료전지의 성능을 향상하기 위해서는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)의 고분자 전해질 막에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 고분자 전해질 막의 건조로 인해 발전효율이 급격히 저하하는 것을 방지하여야 한다.In order to improve the performance of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to prevent the rapid decrease in power generation efficiency due to drying of the polymer electrolyte membrane by supplying more than a predetermined amount of water to the polymer electrolyte membrane of the membrane electrode assembly (MEA).

일반적으로 다단스택형 연료전지 시스템은, 도1에 도시한 바와 같이 도1에 도시한 바와 같이, 여러 개의 스택 단(stack stage)(1, 2, 3)이 직렬로 연결되어 있다. 상기 각 단(1, 2, 3)은 또한 전기적으로 직렬로 연결되어 있으며 각 단 사이에는 생성수를 제거하기 위한 도시하지 않은 분리기가 설치되어 있다. 각 단(1, 2, 3)은 1 ~ 수백개의 연료전지 셀(cell)로 구성되어 있으며, 마지막 단으로 갈수록 셀의 수는 감소하게 되어 있다. 각 단의 셀의 수는 연료가스/산화가스의 양론비(stoichiometry)가 1.2~1.5가 유지되고 맨 마지막 단의 양론비는 1이 되게 조절된다.In general, in the multi-stack stack type fuel cell system, as illustrated in FIG. 1, a plurality of stack stages 1, 2, and 3 are connected in series. Each stage 1, 2, 3 is also electrically connected in series with a separator, not shown, for removing the product water between the stages. Each stage (1, 2, 3) is composed of one to hundreds of fuel cell (cell), the number of cells is reduced to the last stage. The number of cells in each stage is adjusted so that the stoichiometry of fuel gas / oxidation gas is 1.2 ~ 1.5 and the stoichiometric ratio of the last stage is 1.

그런데, 종래 고분자전해질 연료전지에서는, 가습기에 별도의 가습수를 공급하여야 할 뿐만 아니라 가습기에서 연료가스 및 산화가스가 가습수를 향해 크로스오버되는 양이 많으며, 가습수에 다량의 크로스오버가 발생하게 되면 가습수가 배출될 때 안전에 심각한 문제를 일으킬 수 있으며, 크로스오버된 가스가 그대로 배출하여 연료의 손실이 많게 되며, 가습기에서 가스가 가습되면서 가습수의 압력이 떨어지므로 가습이 원활히 이루어지지 못한다는 문제점이 있었다. However, in the conventional polymer electrolyte fuel cell, not only a separate humidifying water must be supplied to the humidifier, but also a large amount of crossover of the fuel gas and the oxidizing gas toward the humidifying water in the humidifier, and a large amount of crossover occurs in the humidifying water. This can cause serious safety problems when the humidified water is discharged, and the crossover gas is discharged as it is, which leads to a large amount of fuel loss, and the humidification of the humidifier is reduced as the gas is humidified in the humidifier. There was a problem.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 가습수의 공급 및 가습을 원활히 하고 가스가 가습수에 크로스오버되는 양을 감소시키고 안전성을 높이는 한편 크로스오버 가스를 재활용하여 연료의 손실을 줄이는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to facilitate the supply and humidification of humidifying water, reduce the amount of gas crossover to the humidifying water and increase the safety while recycling the crossover gas. The present invention provides a multistack stack type polyelectrolyte fuel cell system which reduces fuel loss.

본 발명은, 연료가스와 산화가스가 순차적으로 공급되는 다수의 스택이 연결되고, 상기 스택에 공급되는 상기 연료가스와 산화가스를 가습하는 가습기를 구비하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템에 있어서, 제1스택의 캐소드에서 발생되는 반응생성수 및 산화가스에 포함된 가습수를 분리하여 상기 가습기에 공급하도록 상기 제1스택의 산화가스 출구측에 구비된 주기액분리기와, 상기 가습기에서 배출되는 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 연료가스 및 크로스오버된 산화가스를 분리하여 상기 제1스택 이후의 스택에 공급하도록 상기 가습기의 가습수 출구측에 구비된 가습수 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a multistack stack type polyelectrolyte fuel cell system having a humidifier configured to connect a plurality of stacks sequentially supplied with a fuel gas and an oxidizing gas, and to humidify the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the stack. A cycle liquid separator provided at an oxidizing gas outlet side of the first stack so as to separate the reaction product water generated in the cathode of the first stack and the humidifying water contained in the oxidizing gas and supply the humidifier water to the humidifier, and the humidifier discharged from the humidifier. And a humidifying water storage tank provided at a humidifying water outlet side of the humidifier to store water and separate the crossover fuel gas and the crossover oxidizing gas and supply the stacked gas to the stack after the first stack. .

상기 가습기는, 상기 연료가스를 가습하는 애노드 가습기와, 상기 산화가스를 가습하는 캐소드 가습기로 나누어져 있다.The humidifier is divided into an anode humidifier for humidifying the fuel gas and a cathode humidifier for humidifying the oxidizing gas.

상기 가습수 저장탱크는, 상기 애노드 가습기에서 배출된 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 연료가스를 분리하는 애노드 가습수 저장탱크와, 상기 캐소드 가습기에서 배출된 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 산화가스를 분리하는 캐소드 가습수 저장탱크로 나누어져 있다.The humidification water storage tank, an anode humidification water storage tank for storing the humidifying water discharged from the anode humidifier and separating the fuel gas cross-over, and a humidification water discharged from the cathode humidifier while crossover oxidation It is divided into cathode humidifying water storage tank to separate gas.

상기 주기액분리기에는 반응 생성수 및 가습수의 양에 따라 상기 애노드 가습기 또는 캐소드 가습기에 가습수를 선택적으로 공급하도록 수위를 감지하는 가습수위센서가 설치된다.The periodic liquid separator is provided with a humidification level sensor for detecting a water level to selectively supply humidification water to the anode humidifier or the cathode humidifier according to the amount of reaction product and humidification water.

상기 가습수 저장탱크에는 저장되는 가습수의 양을 조절하도록 수위를 감지하는 저장 수위센서가 설치된다.The humidification water storage tank is provided with a storage level sensor for sensing the water level to adjust the amount of humidification water stored.

상기 제1스택 이후의 스택의 산화가스 출구측에는 반응 생성수 및 산화가스에 포함된 가습수를 분리하여 배출하도록 캐소드 보조기액분리기가 각각 설치되어 있다.At the oxidizing gas outlet side of the stack after the first stack, a cathode auxiliary gas-liquid separator is installed to separate and discharge the reaction product water and the humidifying water included in the oxidizing gas.

상기 제1스택과 제1스택 이후의 스택의 연료가스 출구측에는 연료가스에 포함된 가습수를 분리하여 배출하도록 애노드 보조기액분리기가 각각 설치되어 있다.An anode auxiliary gas-liquid separator is installed at the fuel gas outlet side of the stack after the first stack and the first stack to separate and discharge humidified water contained in the fuel gas.

본 발명에 의한 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템에 의하면, 가습기의 가습수 압력을 조절할 수 있으므로 압력변동이 낮아서 막의 내구성이 높고 연료가스 및 산화가스가 가습수를 향해 크로스오버되는 양이 적게 되며 가습수가 배출될 때 안전성이 높다. According to the multistage stack type polymer electrolyte fuel cell system for recycling the crossover gas according to the present invention, since the humidification water pressure of the humidifier can be adjusted, the pressure variation is low, the membrane durability is high, and the fuel gas and the oxidizing gas crossover toward the humidifying water. The amount is less and the safety is high when the humidified water is discharged.

그리고, 가습기에 별도의 가습수를 공급하지 않고 반응생성수를 가습수로 사용하므로, 가습기에서 가스가 가습되면서 가습수의 압력이 떨어지더라도 지속적으로 가습수를 공급할 수 있으므로 가습이 원활히 이루어진다.In addition, since the reaction generated water is used as the humidifying water without supplying additional humidifying water to the humidifier, even when the pressure of the humidifying water drops while the gas is humidified in the humidifier, the humidification is smoothly performed.

또한, 가습기에서 크로스오버된 가스를 스택으로 보내어 재활용하므로 연료이용률을 극대화할 수 있다.In addition, the crossover gas from the humidifier is sent to the stack for recycling, thereby maximizing fuel utilization.

도1은 일반적인 다단스택형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도,
도2는 본 발명에 의한 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a general multi-stack stack type fuel cell system;
2 is a block diagram showing a multi-stack stack type polymer electrolyte fuel cell system for recycling a crossover gas according to the present invention.

이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 실시예에서는 연료가스(수소)를 가습하는 애노드 가습기와 산화가스(산소)를 가습하는 캐소드 가습기가 분리되고, 4단의 스택으로 된 고분자 전해질 연료전지 시스템을 예로 들어 설명한다. In this embodiment, an anode humidifier for humidifying fuel gas (hydrogen) and a cathode humidifier for humidifying oxidizing gas (oxygen) are separated, and a polymer electrolyte fuel cell system having four stacks will be described as an example.

본 발명은, 상기 애노드 가습기와 캐소드 가습기가 일체화된 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템에 적용될 수도 있고, 2단 이상의 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템에 모두 적용될 수 있다.The present invention may be applied to a multistage stack type polyelectrolyte fuel cell system in which the anode humidifier and the cathode humidifier are integrated, or may be applied to both of the multistage stack type polymer electrolyte fuel cell system of two or more stages.

도2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템(100)은, 연료가스와 산화가스가 순차적으로 공급되는 4개의 스택(111 : 제1스택, 112 : 제2스택, 113 : 제3스택, 114 :제4스택)이 순차적으로 연결되고, 상기 각 스택(111, 112, 113, 114)에 공급되는 연료가스를 가습하는 애노드 가습기(121)가 상기 제1스택(111)의 연료가스 입구측에 연결되고, 상기 각 스택(111, 112, 113, 114)에 공급되는 산화가스를 가습하는 캐소드 가습기(122)가 상기 제1스택(111)의 산화가스 입구측에 연결되며, 상기 제1스택(111)의 캐소드에서 발생되는 반응생성수 및 산화가스에 포함된 가습수를 분리하여 상기 애노드 가습기(121)과 캐소드 가습기(122)에 공급하는 주기액분리기(130)가 상기 제1스택(111)의 산화가스 출구측에 연결되고, 상기 애노드 가습기(121)에서 배출되는 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 연료가스를 분리하여 상기 제3스택(114)에 공급하는 애노드 가습수 저장탱크(141)가 상기 애노드 가습기(121)의 가습수 출구측에 연결되고, 상기 캐소드 가습기(122)에서 배출되는 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 산화가스를 분리하여 상기 제3스택(114)에 공급하는 캐소드 가습수 저장탱크(142)가 상기 캐소드 가습기(122)의 가습수 출구측에 연결되는 구성이다.As shown in Fig. 2, the multi-stack stack type polymer electrolyte fuel cell system 100 of the present embodiment includes four stacks 111: first stack, 112: second stack, to which fuel gas and oxidizing gas are sequentially supplied. 113: the third stack, 114: the fourth stack) is sequentially connected, the anode humidifier 121 for humidifying the fuel gas supplied to each of the stack (111, 112, 113, 114) is the first stack (111) A cathode humidifier 122 connected to a fuel gas inlet side and humidifying the oxidized gas supplied to each of the stacks 111, 112, 113, and 114 is connected to the oxidized gas inlet side of the first stack 111. The main liquid separator 130 that separates the reaction product water generated from the cathode of the first stack 111 and the humidified water contained in the oxidizing gas and supplies the anode humidifier 121 and the cathode humidifier 122 to the anode humidifier 121 and the cathode humidifier 122. It is connected to the oxidizing gas outlet side of the first stack 111, and is discharged from the anode humidifier 121 An anode humidifying water storage tank 141 that stores the humid water and separates the fuel gas crossover and supplies the crossover fuel gas to the third stack 114, is connected to the humidifying water outlet side of the anode humidifier 121, and the cathode humidifier The humidifying water storage tank 142 for storing the humidifying water discharged from the 122 and separating the crossover oxidized gas and supplying the crossover oxidized gas to the third stack 114 has a humidifying water outlet side of the cathode humidifier 122. It is a configuration that is connected to.

상기 각 스택(111, 112, 113, 114)은 단위전지(cell)가 수십 장 적층되어 이루어지는데, 단위전지는 전해질막과 그 양쪽에 밀착하는 애노드(anode ; 수소극)과 캐소드(cathode ; 산소극)으로 이루어지는데, 이를 막전극조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)라 칭하고, 각각의 막전극조립체는 분리판에 의해 상호 분리되어 있다.Each of the stacks 111, 112, 113, and 114 is formed by stacking dozens of unit cells. The unit cell includes an anode (cathode) and a cathode (oxygen) in close contact with both sides of the electrolyte membrane. Pole), which is called a membrane electrode assembly (MEA), and each membrane electrode assembly is separated from each other by a separator plate.

한편, 상기 분리판의 양쪽 측면에는 각각 수소채널과 산소채널이 형성되어 있어서 각각 접촉한 막전극조합체의 애노드 또는 캐소드에 연료가스(수소)와 산화가스(산소)를 공급하게 되어 있는데, 애노드로 공급된 수소가 이온화되어 전자는 외부도선을 통해 이동하고 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드쪽으로 이동하여 그쪽으로 공급된 산소와 결합하여 물이 생성되는 반응이 일어나며, 이때 상기 전자의 이동에 의해 전류가 생산되고, 물 생성 반응시 열이 발생하게 된다. 따라서, 상기 각 스택(111, 112, 113, 114)에는 운전 중 지속적으로 발생하는 열을 흡수 방출하여 일정한 작동온도를 유지할 수 있도록 냉각수가 공급된다.Meanwhile, hydrogen channels and oxygen channels are formed on both sides of the separator to supply fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen) to the anode or cathode of the membrane electrode assembly, which are in contact with each other. When the hydrogen is ionized, electrons move through the external conductor, and hydrogen ions move toward the cathode through the electrolyte membrane and combine with oxygen supplied thereto to generate water. At this time, current is produced by the movement of the electrons. As a result, heat is generated during the water production reaction. Accordingly, each of the stacks 111, 112, 113, and 114 is supplied with cooling water to absorb and release heat generated continuously during operation to maintain a constant operating temperature.

상기 제1, 제2, 제3스택(111, 112, 113)의 각 연료가스 출구측에는 연료가스에 포함된 가습수를 분리하여 배출하도록 제1, 제2, 제3애노드 보조기액분리기(151, 152, 153)가 각각 연결되어 있다.The first, second, and third anode auxiliary gas-liquid separators 151 to separate and discharge the humidified water included in the fuel gas at each fuel gas outlet side of the first, second, and third stacks 111, 112, and 113. 152 and 153 are connected, respectively.

그리고, 상기 제2, 제3스택(112, 113)의 각 산화가스 출구측에는 반응 생성수 및 산화가스에 포함된 가습수를 분리하여 배출하도록 제2, 제3캐소드 보조기액분리기(162, 163)가 각각 연결되어 있다.The second and third cathode auxiliary gas-liquid separators 162 and 163 may separate and discharge the reaction product water and the humidified water included in the oxidizing gas to the oxidizing gas outlet sides of the second and third stacks 112 and 113. Are each connected.

상기 애노드 가습기(121)의 연료가스(수소) 출구는 상기 제1스택(111)의 연료가스(수소) 입구에 연결되고, 상기 캐소드 가습기(122)의 산화가스(산소) 출구는 상기 제1스택(111)의 산화가스(산소) 입구에 연결된다.The fuel gas (hydrogen) outlet of the anode humidifier 121 is connected to the fuel gas (hydrogen) inlet of the first stack 111, and the oxidizing gas (oxygen) outlet of the cathode humidifier 122 is the first stack. It is connected to the oxidizing gas (oxygen) inlet of (111).

상기 주기액분리기(130)에는 반응 생성수 및 가습수의 양에 따라 상기 애노드 가습기 또는 캐소드 가습기에 가습수를 선택적으로 공급하고 제어하도록 수위를 감지하는 다수의 가습수위센서(131: 고수위 감지, 132 : 중수위 감지, 133 : 저수위 감지)가 설치된다.The cycle liquid separator 130 includes a plurality of humidification level sensors 131 for detecting the level of water to selectively supply and control the humidifying water to the anode humidifier or the cathode humidifier according to the amount of the reaction generating water and the humidifying water. : Middle level detection, 133: low level detection).

상기 주기액분리기(130)의 산화가스(산소) 출구는 상기 제2스택(112)의 산화가스(산소) 입구에 연결되고, 상기 주기액분리기(130)의 일측 가습수 출구는 연결라인(AL1)을 통해 상기 애노드 가습기(121)의 가습수 입구에 연결되고, 상기 연결라인(AL1)에는 애노드 가습기(121)에 공급되는 가습수를 조절하는 애노드 제1제어밸브(171)가 설치되며, 상기 주기액분리기(130)의 타측 가습수 출구는 연결라인(CL1)을 통해 상기 캐소드 가습기(121)의 가습수 입구에 연결되고, 상기 연결라인(CL1)에는 캐소드 가습기(122)에 공급되는 가습수를 조절하는 캐소드 제1제어밸브(181)가 설치된다.An oxidizing gas (oxygen) outlet of the main liquid separator 130 is connected to an oxidizing gas (oxygen) inlet of the second stack 112, and one side humidifying water outlet of the main liquid separator 130 is a connection line AL1. Is connected to the humidifying water inlet of the anode humidifier 121, the connection line AL1 is provided with an anode first control valve 171 for adjusting the humidifying water supplied to the anode humidifier 121, The humidifying water outlet of the other side of the main liquid separator 130 is connected to the humidifying water inlet of the cathode humidifier 121 through a connecting line CL1, and the humidifying water supplied to the cathode humidifier 122 is connected to the connecting line CL1. The cathode first control valve 181 to adjust the is installed.

상기 애노드 가습수 저장탱크(141)에는 저장되는 가습수를 조절하도록 수위를 감지하는 다수의 저장 수위센서(141a : 고수위 감지, 141b : 저수위 감지)가 설치된다.The anode humidifying water storage tank 141 is provided with a plurality of storage level sensors (141a: high water level detection, 141b: low water level detection) for sensing the water level to adjust the stored humidification water.

상기 애노드 가습수 저장탱크(141)에서 분리된 크로스오버 연료가스는 공급라인(AL2)를 통해 상기 제3스택(113)에 공급되어 재활용되고, 애노드 가습수 저장탱크(141)에 저장되는 가습수는 상기 저장 수위센서(141a, 141b)의 수위에 따라 제어되어 여분의 가습수는 도시하지 않은 제어밸브를 통해 외부로 배출된다. The humidifying water crossover fuel gas separated from the anode humidifying water storage tank 141 is supplied to the third stack 113 through a supply line AL2 and recycled, and stored in the anode humidifying water storage tank 141. Is controlled according to the water level of the storage water level sensors 141a and 141b so that the extra humidifying water is discharged to the outside through a control valve (not shown).

상기 공급라인(AL2)에는 상기 제3스택(113)에 공급되는 크로스오버 연료가스를 제어하는 애노드 제2제어밸브(172)가 설치되며, 상기 제2애노드 보조기액분리기(152)의 연료가스 배출구 측에는 애노드 제3제어밸브(173)가 설치되고, 상기 공급라인(AL2)은 상기 애노드 제3제어밸브(173)에 연결된다.An anode second control valve 172 for controlling the crossover fuel gas supplied to the third stack 113 is installed in the supply line AL2, and a fuel gas outlet of the second anode auxiliary gas liquid separator 152 is provided. An anode third control valve 173 is installed at the side, and the supply line AL2 is connected to the anode third control valve 173.

상기 캐소드 가습수 저장탱크(142)에는 저장되는 가습수를 조절하도록 수위를 감지하는 다수의 저장 수위센서(142a : 고수위 감지, 142b : 저수위 감지)가 설치된다.The cathode humidifying water storage tank 142 is provided with a plurality of storage level sensors (142a: high level detection, 142b: low level detection) for sensing the water level to adjust the stored humidification water.

상기 캐소드 가습수 저장탱크(142)에서 분리된 크로스오버 산화가스는 공급라인(CL2)를 통해 상기 제3스택(113)에 공급되어 재활용되고, 캐소드 가습 저장탱크(142)에 저장되는 가습수는 상기 저장 수위센서(142a, 142b)의 수위에 따라 제어되어 여분의 가습수는 도시하지 않은 제어밸브를 통해 외부로 배출된다. The crossover oxidized gas separated from the cathode humidifying water storage tank 142 is supplied to the third stack 113 through a supply line CL2 and recycled, and the humidifying water stored in the cathode humidifying storage tank 142 is The extra humidifying water is controlled according to the water level of the storage water level sensors 142a and 142b and discharged to the outside through a control valve (not shown).

상기 공급라인(CL2)에는 상기 제3스택(113)에 공급되는 크로스오버 산화가스를 제어하는 캐소드 제2제어밸브(182)가 설치되며, 상기 제2캐소드 보조기액분리기(162)의 산화가스 배출구 측에는 캐소드 제3제어밸브(183)가 설치되고, 상기 공급라인(CL2)은 상기 캐소드 제3제어밸브(183)에 연결된다.The supply line CL2 is provided with a cathode second control valve 182 for controlling the crossover oxidizing gas supplied to the third stack 113, and the oxidizing gas outlet of the second cathode auxiliary gas liquid separator 162. A cathode third control valve 183 is installed at the side, and the supply line CL2 is connected to the cathode third control valve 183.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템(100)에서, 상기 애노드 가습기(121)를 통해 가습된 연료가스(수소)는 상기 제1스택(111), 제1애노드 보조기액분리기(151), 제2스택(112), 제2애노드 보조기액분리기(152), 제3스택(113), 제3애노드 보조기액분리기(153) 및 제4스택(114)를 순차적으로 통과하면서 산화가스와 반응하여 전기에너지를 생성하게 된다.In the multistage stack type polyelectrolyte fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention configured as described above, the fuel gas (hydrogen) humidified through the anode humidifier 121 is the first stack 111 and the first anode. The auxiliary gas-liquid separator 151, the second stack 112, the second anode auxiliary gas-liquid separator 152, the third stack 113, the third anode auxiliary gas-liquid separator 153 and the fourth stack 114 in sequence As it passes, it reacts with the oxidizing gas to generate electrical energy.

이때, 각 스택의 후단으로 갈수록 상기 보조기액분리기(151, 152, 153)의 내의 압력은 낮게 유지되는데, 도2에 예시된 바와 같이 제1애노드 보조기액분리기(151)의 압력을 1이라 할 때, 제2애노드 보조기액분리기(152)에는 0.9의 압력이 유지되고, 제3애노드 보조기액분리기(153)에는 0.8의 압력이 유지된다. 상기 제1, 제2, 제3애노드 보조기액분리기(151, 152, 153)을 통과하면서 분리된 물은 도시하지 않은 제어밸브를 통해 외부로 배출된다.At this time, the pressure in the auxiliary gas-liquid separators 151, 152, and 153 is kept lower toward the rear end of each stack. When the pressure of the first anode auxiliary gas-liquid separator 151 is 1 as illustrated in FIG. The pressure of 0.9 is maintained in the second anode auxiliary gas-liquid separator 152 and the pressure of 0.8 is maintained in the third anode auxiliary gas-liquid separator 153. Water separated while passing through the first, second, and third anode auxiliary gas-liquid separators 151, 152, and 153 is discharged to the outside through a control valve (not shown).

상기 캐소드 가습기(122)를 통해 가습된 산화가스(산소)는 상기 제1스택(111), 주기액분리기(130), 제2스택(112), 제2캐소드 보조기액분리기(162), 제3스택(113), 제3캐소드 보조기액분리기(163) 및 제4스택(114)를 순차적으로 통과하면서 상기 연료가스(수소)와 반응하여 전기에너지를 생성하게 된다.Oxidized gas (oxygen) humidified through the cathode humidifier 122 is the first stack 111, the cycle liquid separator 130, the second stack 112, the second cathode auxiliary gas liquid separator 162, the third While passing sequentially through the stack 113, the third cathode auxiliary gas separator 163, and the fourth stack 114, electric energy is generated by reacting with the fuel gas (hydrogen).

이때, 각 스택의 후단으로 갈수록 상기 주기액분리기(130) 및 보조기액분리기(162, 163)의 내의 압력은 낮게 유지되는데, 도2에 예시된 바와 같이 주기액분리기(130)의 압력을 1이라 할 때, 제2캐소드 보조기액분리기(162)에는 0.9의 압력이 유지되고, 제3캐소드 보조기액분리기(163)에는 0.8의 압력이 유지된다. At this time, the pressure in the cycle liquid separator 130 and the auxiliary gas liquid separators 162 and 163 is kept low toward the rear end of each stack. The pressure of the cycle liquid separator 130 is 1 as illustrated in FIG. In this case, a pressure of 0.9 is maintained in the second cathode auxiliary gas liquid separator 162 and a pressure of 0.8 is maintained in the third cathode auxiliary gas liquid separator 163.

한편, 상기 주기액분리기(130)을 통과하면서 분리된 물은 상기 애노드 가습기(121)와 캐소드 가습기(122)에 공급되는 가습수로 활용되는데, 상기 주기액분리기(130)에 모이는 물의 수위에 따라 가습수위센서(131, 132, 133)의 수위감지에 따라 상기 애노드 제1제어밸브(171)와 캐소드 제1제어밸브(172)을 제어하여 상기 애노드 가습기(121)와 캐소스 가습기(122)에 공급되는 가습수를 제어한다.On the other hand, the water separated while passing through the cycle liquid separator 130 is utilized as the humidifying water supplied to the anode humidifier 121 and the cathode humidifier 122, according to the water level collected in the cycle liquid separator 130. The anode first control valve 171 and the cathode first control valve 172 are controlled according to the water level detection of the humidifying water level sensors 131, 132, and 133 to the anode humidifier 121 and the cathode humidifier 122. Control the humidification water supplied.

즉 일예로, 상기 가습수위센서(131)에서 고수위가 감지되면 애노드 제1제어밸브(171)을 열고 캐소드 제1제어밸브(181)를 닫아 애노드 가습기(121)에 가습수를 공급하고, 상기 가습수위센서(132)에서 중수위가 감지되면 애노드 제1제어밸브(171)을 닫고 캐소드 제1제어밸브(181)를 열어 캐소드 가습기(122)에 가습수를 공급하며, 상기 가습수위센서(133)에서 저수위가 감지되면 상기 애노드 제1제어밸브(171)와 상기 캐소드 제1제어밸브(181)를 모두 닫아 상기 애노드 가습기(121)와 상기 캐소드 가습기(122)에 가습수 공급을 중단한다.That is, for example, when the high water level is detected by the humidifying water level sensor 131, the anode first control valve 171 is opened and the cathode first control valve 181 is closed to supply humidification water to the anode humidifier 121, and the humidification is performed. When the heavy water level is detected by the water level sensor 132, the anode first control valve 171 is closed and the cathode first control valve 181 is opened to supply humidification water to the cathode humidifier 122, and the humidification level sensor 133 is provided. When the low water level is sensed, the anode first control valve 171 and the cathode first control valve 181 are closed to stop supplying humidifying water to the anode humidifier 121 and the cathode humidifier 122.

상기 애노드 가습기(121)에서 연료가스(수소)를 가습한 가습수는 애노드 가습수 저장탱크(141)에서 저장되는 한편 가습수에 크로스오버된 연료가스(수소)는 분리되어 공급라인(AL2)을 통해 제3스택(113)에 공급되어 재활용된다. 이때 크로스오버된 연료가스(수소)는 애노드 제2제어밸브(172)와 애노드 제3제어밸브(173)를 통해 제어되어 상기 제3스택(113)에 공급된다.The humidified water humidified by the fuel gas (hydrogen) in the anode humidifier 121 is stored in the anode humidified water storage tank 141 while the fuel gas (hydrogen) crossover to the humidified water is separated to supply the line (AL2) Through the third stack 113 is supplied and recycled. At this time, the cross-over fuel gas (hydrogen) is controlled through the anode second control valve 172 and the anode third control valve 173 is supplied to the third stack 113.

그리고, 상기 크로스오버된 연료가스(수소)는 상기 제2애노드 보조기액분리기(152)의 연료가스 출구측에 연통되므로 상기 애노드 가습기(121)와 상기 애노드 가습수 저장탱크(141) 내의 압력은 0.9로 유지된다.In addition, since the crossover fuel gas (hydrogen) communicates with the fuel gas outlet side of the second anode auxiliary gas-liquid separator 152, the pressure in the anode humidifier 121 and the anode humidifying water storage tank 141 is 0.9. Is maintained.

이때, 상기 주기액분리기(130)의 압력을 1이라 할 때, 상기 애노드 가습기(121)의 압력은 0.9를 유지하므로, 별도의 펌핑수단이 없이 주기액분리기(130)에서 애노드 가습기(121)에 공급되는 가습수는 차압에 의해 상기 애노드 가습기(121)에 공급된다. At this time, when the pressure of the cycle liquid separator 130 is 1, since the pressure of the anode humidifier 121 maintains 0.9, from the cycle liquid separator 130 to the anode humidifier 121 without a separate pumping means. The humidified water supplied is supplied to the anode humidifier 121 by the differential pressure.

그리고, 상기 애노드 가습수 저장탱크(141)에 저장되는 가습수는 상기 저장 수위센서(141a, 141b)의 수위에 따라 제어되어 여분의 가습수는 외부로 배출되는데, 상기 애노드 가습수 저장탱크(141) 내의 수위를 상기 애노드 가습기(121)에서 공급되는 가습수 입구보다 높게 유지하여 상기 애노드 가습기(121)에 항상 가습수가 충분하도록 제어한다.The humidified water stored in the anode humidifying water storage tank 141 is controlled according to the water level of the storage water level sensors 141a and 141b so that the extra humidifying water is discharged to the outside, and the anode humidifying water storage tank 141. The water level in the c) is kept higher than the humidifying water inlet supplied from the anode humidifier 121, so that the humidifying water is always sufficient for the anode humidifier 121.

상기 캐소드 가습기(122)에서 산화가스(산소)를 가습한 가습수는 캐소드 가습수 저장탱크(142)에서 저장되는 한편 가습수에 크로스오버된 산화가스(산소)는 분리되어 공급라인(CL2)을 통해 제3스택(113)에 공급되어 재활용된다. 이때 크로스오버된 산화가스(산소)는 캐소드 제2제어밸브(182)와 애노드 제3제어밸브(183)을 통해 제어되어 상기 제3스택(113)에 공급된다.The humidifying water humidifying the oxidizing gas (oxygen) in the cathode humidifier 122 is stored in the cathode humidifying water storage tank 142 while the oxidizing gas (oxygen) crossover to the humidifying water is separated to provide a supply line (CL2). Through the third stack 113 is supplied and recycled. At this time, the oxidized gas (oxygen) crossover is controlled through the cathode second control valve 182 and the anode third control valve 183 and supplied to the third stack 113.

상기 크로스오버된 산화가스(산소)는 상기 제2캐소드 보조기액분리기(152)의 산화가스 출구측에 연통되므로 상기 캐소드 가습기(122)와 상기 캐소드 가습수 저장탱크(142) 내의 압력은 0.9로 유지된다.Since the crossover oxidized gas (oxygen) communicates with the oxidized gas outlet side of the second cathode auxiliary gas-liquid separator 152, the pressure in the cathode humidifier 122 and the cathode humidifying water storage tank 142 is maintained at 0.9. do.

이때, 상기 주기액분리기(130)의 압력을 1이라 할 때, 상기 캐소드 가습기(122)의 압력은 0.9를 유지하므로, 별도의 펌핑수단이 없이 주기액분리기(130)에서 캐소드 가습기(122)에 공급되는 가습수는 차압에 의해 상기 캐소드 가습기(122)에 공급된다. At this time, when the pressure of the cycle liquid separator 130 is 1, since the pressure of the cathode humidifier 122 maintains 0.9, from the cycle liquid separator 130 to the cathode humidifier 122 without a separate pumping means. The humidified water to be supplied is supplied to the cathode humidifier 122 by the differential pressure.

그리고, 상기 캐소드 가습수 저장탱크(142)에 저장되는 가습수는 상기 저장 수위센서(142a, 142b)의 수위에 따라 제어되어 여분의 가습수는 외부로 배출되는데, 상기 캐소드 가습수 저장탱크(142) 내의 수위를 상기 캐소드 가습기(122)에서 공급되는 가습수 입구보다 높게 유지하여 상기 캐소드 가습기(122)에 항상 가습수가 충분하도록 제어한다.In addition, the humidified water stored in the cathode humidifying water storage tank 142 is controlled according to the water level of the storage water level sensors 142a and 142b so that the extra humidifying water is discharged to the outside, the cathode humidifying water storage tank 142. The water level in the c) is kept higher than the humidifying water inlet supplied from the cathode humidifier 122 to control the cathode humidifier 122 so that the humidifying water is always sufficient.

상기 제2, 제3애노드 보조기액분리기(162, 163)을 통과하면서 분리된 물은 도시하지 않은 제어밸브를 통해 외부로 배출된다.
Water separated while passing through the second and third anode sub-liquid separators 162 and 163 is discharged to the outside through a control valve (not shown).

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능함은 물론이고, 본 발명의 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. The scope of the technical protection shall be determined by the technical idea of the appended claims.

111 : 제1스택 112 : 제2스택
113 : 제3스택 114 : 제4스택
121 : 애노드 가습기 122 : 캐소드 가습기
130 : 주기액분리기 141 : 애노드 가습수 저장탱크
142 : 캐소드 가습수 저장탱크 151,152,153 : 애노드 보조기액분리기
162,163 : 캐소드 보조기액분리기 171 : 애노드 제1제어밸브
181 : 캐소드 제1제어밸브 111: first stack 112: second stack
113: third stack 114: fourth stack
121: anode humidifier 122: cathode humidifier
130: cycle liquid separator 141: anode humidification water storage tank
142: cathode humidifying water storage tank 151, 152, 153: anode auxiliary liquid separator
162, 163: cathode auxiliary liquid separator 171: anode first control valve
181: cathode first control valve

Claims (7)

연료가스와 산화가스가 순차적으로 공급되는 다수의 스택이 연결되고, 상기 스택에 공급되는 상기 연료가스와 산화가스를 가습하는 가습기를 구비하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템에 있어서,
제1스택의 캐소드에서 발생되는 반응생성수 및 산화가스에 포함된 가습수를 분리하여 상기 가습기에 공급하도록 상기 제1스택의 산화가스 출구측에 구비된 주기액분리기와,
상기 가습기에서 배출되는 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 연료가스 및 크로스오버된 산화가스를 분리하여 상기 제1스택 이후의 스택에 공급하도록 상기 가습기의 가습수 출구측에 구비된 가습수 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.In the multi-stack stack type polymer electrolyte fuel cell system having a plurality of stacks that are sequentially supplied with a fuel gas and an oxidizing gas, and a humidifier for humidifying the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the stack,
A cycle liquid separator provided at the oxidizing gas outlet side of the first stack to separate the reaction product water generated in the cathode of the first stack and the humidifying water contained in the oxidizing gas and supply the humidified water to the humidifier;
A humidifying water storage tank provided at a humidifying water outlet side of the humidifier to store humidifying water discharged from the humidifier and to separate the crossover fuel gas and the crossover oxidizing gas and supply the stacked humidifying water to the stack after the first stack. A multistack stack type polymer electrolyte fuel cell system for recycling a crossover gas, comprising: 청구항 1에 있어서,
상기 가습기는,
상기 연료가스를 가습하는 애노드 가습기와,
상기 산화가스를 가습하는 캐소드 가습기로 나누어져 있는 것을 특징으로 하는 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The humidifier,
An anode humidifier for humidifying the fuel gas,
A multistack stack type polyelectrolyte fuel cell system for recycling a crossover gas, characterized in that it is divided into a cathode humidifier for humidifying the oxidizing gas. 청구항 2에 있어서,
상기 가습수 저장탱크는,
상기 애노드 가습기에서 배출된 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 연료가스를 분리하는 애노드 가습수 저장탱크와,
상기 캐소드 가습기에서 배출된 가습수를 저장하는 한편 크로스오버된 산화가스를 분리하는 캐소드 가습수 저장탱크로 나누어져 있는 것을 특징으로 하는 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.The method according to claim 2,
The humidification water storage tank,
An anode humidifying water storage tank for storing humidifying water discharged from the anode humidifier and separating fuel gas crossover;
And a cathode humidifying water storage tank for storing humidifying water discharged from the cathode humidifier and separating the crossover oxidizing gas. 청구항 2에 있어서,
상기 주기액분리기에는 반응 생성수 및 가습수의 양에 따라 상기 애노드 가습기 또는 캐소드 가습기에 가습수를 선택적으로 공급하도록 수위를 감지하는 가습수위센서가 설치되는 것을 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.The method according to claim 2,
The cycle liquid separator is a multi-stack stack type polymer that recycles crossover gas, in which a humidification level sensor for detecting a level of water is selectively installed to selectively supply humidification water to the anode humidifier or the cathode humidifier according to the amount of reaction product and humidification water. Electrolytic Fuel Cell System. 청구항 1에 있어서,
상기 가습수 저장탱크에는 저장되는 가습수의 양을 조절하도록 수위를 감지하는 저장 수위센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The humidification water storage tank is a multi-stage stack type polymer electrolyte fuel cell system for recycling the crossover gas, characterized in that the storage level sensor for detecting the water level is installed to adjust the amount of stored humidification water. 청구항 1에 있어서,
상기 제1스택 이후의 스택의 산화가스 출구측에는 반응 생성수 및 산화가스에 포함된 가습수를 분리하여 배출하도록 캐소드 보조기액분리기가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
At the oxidizing gas outlet side of the stack after the first stack, a cathode auxiliary gas-liquid separator is installed to separate and discharge the reaction product water and the humidifying water included in the oxidizing gas, respectively. Electrolytic Fuel Cell System. 청구항 1에 있어서,
상기 제1스택과 제1스택 이후의 스택의 연료가스 출구측에는 연료가스에 포함된 가습수를 분리하여 배출하도록 애노드 보조기액분리기가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 크로스오버 가스를 재활용하는 다단스택형 고분자전해질 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
An anode auxiliary gas-liquid separator is installed at the fuel gas outlet side of the stack after the first stack and the first stack to separate and discharge the humidified water contained in the fuel gas, respectively. Electrolytic Fuel Cell System.
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