KR20160054634A - Recovery method for performance reduction of fuel cell throughout inflow of outer condensate - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a method for recovery from a reduction in performance of a fuel cell stack attributable to inflow of outer condensate, which can prevent a reduction in performance of an inlet cell of a fuel cell stack attributable to non-uniform supply of air to the inlet cell upon inflow of external condensate. The method for recovery from a reduction in performance of a fuel cell stack according to the present invention comprises the steps of; (a) detecting whether an abnormal condition for a fuel cell stack has occurred; (b) when the abnormal condition for a fuel cell stack has been detected, increasing internal pressure of a cathode by shutting off a cathode exhaust valve of the fuel cell stack; (c) exhausting condensate inside the cathode while decreasing the internal pressure of the cathode by opening the cathode exhaust valve of the fuel cell stack; and (d) normally driving the fuel cell stack.

Description

외부 응축수 유입에 의한 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법{RECOVERY METHOD FOR PERFORMANCE REDUCTION OF FUEL CELL THROUGHOUT INFLOW OF OUTER CONDENSATE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for recovering performance of a fuel cell stack due to external influx of condensed water,

본 발명은 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 응축수 유입에 의해 연료전지 스택의 주입구 셀에 공기 공급이 균일하게 이루어지지 못하는데 기인하여 주입구 셀의 성능이 감소하는 것을 미연에 방지할 수 있는 외부 응축수 유입에 의한 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of reducing the performance of a fuel cell stack, and more particularly, to a method and apparatus for reducing the performance of a fuel cell stack due to uneven supply of air to the inlet cell of the fuel cell stack due to the inflow of external condensate. The present invention relates to a method for recovering performance degradation of a fuel cell stack due to the inflow of external condensed water.

연료전지 스택의 기본적인 구조는 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(MEA)와 반응가스를 막-전극 접합체로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 가스확산층(GDL) 그리고 분리판이 교대로 반복 적층되어 있다. 연료전지 스택 중 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기를 직접 생산하는 발전 장치이다.The basic structure of the fuel cell stack is composed of a membrane-electrode assembly (MEA) where an electrochemical reaction takes place, a gas diffusion layer (GDL) as a porous medium for evenly dispersing the reaction gas into a membrane-electrode assembly, and a separator. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a power generation device that produces electricity directly by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

고분자 전해질막 연료전지 스택에서는 연료극인 애노드(anode)를 통해 수소가 공급되고, 공기극인 캐소드(cathode)로는 산소가 공급된다. 연료극으로 공급된 수소는 전해질의 양쪽에 구성된 애노드 및 캐소드에 의해 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 전해질막을 통과하여 공기극인 캐소드로 전달되며, 전자의 경우 분리판을 통해 외부 도선을 통한 포집이 이루어져서 전류를 생성시킨다. 그리고, 공기극인 캐소드로 전달된 수소 이온은 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물이 형성된다.
In the polymer electrolyte membrane fuel cell stack, hydrogen is supplied through an anode which is a fuel electrode, and oxygen is supplied to a cathode which is an air electrode. The hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons by the anode and the cathode formed on both sides of the electrolyte. The hydrogen ions pass through the electrolyte membrane to the cathode, which is an air electrode. In the case of electrons, the electrons are collected through an outer conductor through a separator to generate a current. The hydrogen ions transferred to the cathode, which is the air electrode, meet with oxygen in the supplied air to form water.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래에 따른 연료전지 스택에서 응축수의 발생 매커니즘에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the mechanism of generating condensed water in the conventional fuel cell stack will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래에 따른 연료전지 스택의 응축수 발생 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a conventional condensed water generating mechanism of a fuel cell stack.

도 1에 도시된 바와 같이, 에어 블로워(10), 가습기(20) 및 연료전지 스택(30)이 차례로 이격되도록 배치되며, 에어 블로워(10), 가습기(20) 및 연료전지 스택(30)은 상호 간은 공기 공급 배관(40)에 의해 연결된다. 이때, 에어 블로워(10)로부터 공급되는 공기는 가습기(20)의 내부에서 가습되고, 가습된 공기는 공기 공급 배관(40)을 통해 연료전지 스택(30)의 공기극으로 공급된다.1, an air blower 10, a humidifier 20, and a fuel cell stack 30 are arranged so as to be spaced apart from each other, and an air blower 10, a humidifier 20, and a fuel cell stack 30 The mutual lines are connected by the air supply pipe 40. At this time, the air supplied from the air blower 10 is humidified in the humidifier 20, and the humidified air is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 30 through the air supply pipe 40.

그러나, 종래에는 가습기(20)를 통과하여 가습된 공기가 공기 공급 배관(40)에서 응축되는 현상에 의해 외부 응축수를 생성시킬 뿐만 아니라, 연료전지 스택(30)의 내부에서 수소 양이온과 산소가 만나 내부 생성수를 생성시키게 된다.However, conventionally, humidified air passing through the humidifier 20 is condensed in the air supply pipe 40 to generate external condensed water, and hydrogen cations and oxygen meet inside the fuel cell stack 30 Thereby generating an internally generated number.

이에 따라, 연료전지 스택(30)의 내부로 외부 응축수가 유입될 시, 연료전지 스택(30)의 주입구 셀에 공기 공급이 균일하게 이루어지지 못하는데 기인하여 주입구 셀의 성능이 감소하는 문제가 있었다. 또한, 연료전지 스택(30)을 장기간 동안 사용하다 보면, 가스확산층(GDL)의 발수성 감소로 내부 생성수의 고임 현상의 발생으로 스택 성능이 저하되는 문제가 있었다.Accordingly, when the external condensate flows into the fuel cell stack 30, there is a problem that the performance of the fuel cell stack 30 is reduced due to the uneven supply of air to the fuel cell stack 30 inlet cell. In addition, when the fuel cell stack 30 is used for a long period of time, the water repellency of the gas diffusion layer (GDL) decreases, resulting in a problem that the stacking performance is lowered due to the occurrence of the phenomenon of the internal generated water.

관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0021049호(2010.02.24. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지 열화 방지 방법이 기재되어 있다.
A related prior art is Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2010-0021049 (published on Feb. 24, 2010), which discloses a fuel cell deterioration preventing method.

본 발명의 목적은 외부 응축수 유입에 의해 연료전지 스택의 주입구 셀에 공기 공급이 균일하게 이루어지지 못하는데 기인하여 주입구 셀의 성능이 감소하는 것을 미연에 방지할 수 있는 외부 응축수 유입에 의한 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack which is capable of preventing the performance of the inlet cells from decreasing due to the uneven supply of air to the inlet cells of the fuel cell stack due to the inflow of external condensate, And to provide a method for recovering performance reduction.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 (a) 연료전지 스택에 대한 이상 조건의 발생 여부를 감지하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택에 대한 이상 조건을 감지할 시, 상기 연료전지 스택의 캐소드 배출 밸브를 차단시켜 캐소드의 내부압력을 증가시키는 단계; (c) 상기 연료전지 스택의 캐소드 배출 밸브를 개방시켜 상기 캐소드의 내부압력을 감소시키면서 상기 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출하는 단계; 및 (d) 상기 연료전지 스택을 정상 운전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of reducing performance degradation of a fuel cell stack, the method comprising: (a) detecting whether an abnormal condition has occurred in a fuel cell stack; (b) increasing the internal pressure of the cathode by shutting off the cathode discharge valve of the fuel cell stack when detecting an abnormal condition for the fuel cell stack; (c) opening the cathode discharge valve of the fuel cell stack to discharge the condensed water inside the cathode together while reducing the internal pressure of the cathode; And (d) normal operation of the fuel cell stack.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 (a) 연료전지 스택에 대한 이상 조건의 발생 여부를 감지하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택에 대한 이상 조건을 감지할 시, 상기 캐소드에 최대 공급유량의 공기를 주입하여 상기 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출하는 단계; (c) 상기 캐소드로 유입되는 유량을 원상 복귀하는 단계; 및 (d) 상기 연료전지 스택을 정상 운전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of reducing performance degradation of a fuel cell stack, the method comprising: (a) detecting whether an abnormal condition has occurred in a fuel cell stack; (b) injecting a maximum supply flow rate of air into the cathode when the abnormal condition of the fuel cell stack is detected, and discharging the condensed water in the cathode together; (c) returning the flow rate to the cathode to the original state; And (d) normal operation of the fuel cell stack.

본 발명에 따른 외부 응축수 유입에 의한 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 외부 응축수 유입에 의해 스택 성능이 감소하는 이상 조건을 감지할 시, 캐소드 배출 밸브를 일정 시간 차단시켜 캐소드 내부압력을 증가시킨 후, 캐소드 배출 밸브를 일시에 개방시켜 캐소드 내부압력을 감소시키면서 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출시키는 방식으로 외부 응축수 및 내부 생성수를 제거함으로써, 외부 응축수 및 내부 생성수에 의한 스택 성능의 저하 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
The method of recovering the performance reduction of the fuel cell stack due to the inflow of external condensed water according to the present invention is characterized in that when the abnormal condition in which the stacking performance is reduced by the inflow of external condensed water is detected, , Eliminating the external condensed water and the internally generated water in such a manner that the cathode discharge valve is opened at the same time to reduce the internal pressure of the cathode while discharging the condensed water inside the cathode together to reduce the stack performance due to the external condensed water and the internally generated water . ≪ / RTI >

도 1은 종래에 따른 연료전지 스택의 응축수 발생 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 나타낸 공정 모식도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 시간별 셀 전압 및 내부 압력 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a view for explaining a conventional condensed water generating mechanism of a fuel cell stack.
FIG. 2 is a flowchart showing a method of recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
3 to 5 are schematic process diagrams illustrating a method of recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating the results of measurement of cell voltage and internal pressure changes over time in the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a process flow diagram illustrating a method of reducing the performance degradation of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외부 응축수 유입에 의한 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for recovering performance reduction of a fuel cell stack by influx of external condensed water according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(제1 실시예)(Embodiment 1)

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 나타낸 공정 모식도이다.FIG. 2 is a process flow diagram illustrating a method for recovering performance reduction of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 5 illustrate a method of recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. Fig.

도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 스택 성능 감지 단계(S110), 캐소드 배출 밸브 차단 단계(S120), 캐소드 배출 밸브 개방 단계(S130) 및 스택 정상 운전 단계(S140)를 포함한다.
Referring to FIG. 2, the method for recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention includes a stack performance sensing step S110, a cathode discharge valve blocking step S120, a cathode discharge valve opening step S130 And a stack normal operation step S140.

스택 성능 감지Stack performance detection

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 스택 성능 감지 단계(S110)에서는 연료전지 스택(130)에 대한 이상 조건의 발생 여부를 감지한다.As shown in FIGS. 2 and 3, in the stack performance sensing step S110, it is detected whether or not an abnormal condition for the fuel cell stack 130 occurs.

이때, 본 발명에서 연료전지 스택(130)에 대한 이상 조건은 연료전지 스택(130)의 주입구 셀 성능이 0.5V 이하로 감소하는 것, 연료전지 스택(130)의 개별 셀 전압이 0.5V 이하인 것이 5개 이상 발생하는 것, 및 연료전지 스택(130)의 정상 운전 후 전압이 1V/hr 이상 감소하는 것 중 적어도 어느 하나 이상을 충족하는 것을 의미한다.The abnormal condition for the fuel cell stack 130 in the present invention is that the inlet cell performance of the fuel cell stack 130 is reduced to 0.5 V or less, the individual cell voltage of the fuel cell stack 130 is 0.5 V or less More than 5 occurrences, and a decrease in the voltage after normal operation of the fuel cell stack 130 by 1 V / hr or more.

이와 같이, 연료전지 스택(130)의 내부로 외부 응축수(134)가 유입될 경우, 연료전지 스택(130)의 주입구 셀의 성능이 저하되는 것을 감지하거나, 연료전지 스택(130)의 개별 셀 전압이 급격히 감소하는 것을 감지하거나, 연료전지 스택(130)의 정상 운전 후 전압이 급격히 감소하는 것을 감지하는 것 중 어느 하나 이상을 측정하는 것에 의해 이상 조건의 발생 여부를 판별하게 된다.In this way, when the external condensate 134 flows into the fuel cell stack 130, the performance of the fuel cell stack 130 inlet cell is deteriorated. Alternatively, By detecting at least one of a sudden decrease in the voltage of the fuel cell stack 130 or a sudden decrease in the voltage after the steady operation of the fuel cell stack 130 is detected.

여기서, 연료전지 스택(130)은 복수의 단위셀이 결합되는 형태를 가지며, 복수의 단위셀의 중심부에는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)가 배치되되, 막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 양면에 각각 도포된 애노드(미도시) 및 캐소드(134)를 포함한다.Here, the fuel cell stack 130 has a plurality of unit cells coupled to each other, and a membrane electrode assembly (MEA) is disposed at the center of the plurality of unit cells. The membrane- And an anode (not shown) and a cathode 134 respectively coated on both sides of the electrolyte membrane.

또한, 도면으로 도시하지는 않았지만, 연료전지 스택(130)은 막-전극 접합체의 외측으로 가스확산층(Gas Diffusion Layer : GDL) 및 가스켓이 차례로 적층되고, 가스켓의 외측에는 공기 또는 수소를 공급하고 반응에 의해 생성되는 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드 플레이트가 결합된다.Although not shown in the drawing, the fuel cell stack 130 includes a gas diffusion layer (GDL) and a gasket sequentially stacked on the outer side of the membrane-electrode assembly, air or hydrogen is supplied to the outside of the gasket, And an end plate for supporting the above-described components is coupled to the outermost portion of the separation plate.

이와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택에 대한 전기에너지 생성 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.The principle of electrical energy generation for a fuel cell stack having such a structure will be briefly described below.

먼저, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드(134)로 이동하게 되며, 이후 캐소드(134)에서는 수소이온과, 전자와, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응이 일어나 물이 생성되고, 애노드와 캐소드(134) 사이의 전자의 흐름에 의해 전기에너지가 발생된다. 즉, 애노드로 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(electron, e-)로 분해되고, 분해된 수소이온은 전해질을 통과하여 캐소드(134)로 이동하게 되고, 이 캐소드(134)에서는 애노드에서 이동해 온 수소이온(H+)과 외부도선을 통하여 이동한 전자(electron, e-) 및 캐소드(134)로 공급된 산소가 전극에서 만나서 물을 생성함과 동시에 열을 발생시키는 반응을 통하여 전기에너지를 생성하게 된다.
First, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode to generate hydrogen ions (protons) and electrons. The hydrogen ions and the electrons move to the cathode 134 through the electrolyte membrane and the separator, respectively, 134, an electrochemical reaction occurs in which hydrogen ions, electrons, and oxygen in the air participate, and water is generated, and electrical energy is generated by the flow of electrons between the anode and the cathode 134. That is, the hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (H + ) and electrons (electron, e - ), and the decomposed hydrogen ions pass through the electrolyte to move to the cathode 134, The hydrogen ions (H + ) migrating from the anode, the electrons (electron, e - ) migrating through the external lead, and the oxygen supplied to the cathode 134 meet at the electrode to generate water and generate heat Electric energy is generated.

캐소드 배출 밸브 차단Cathode discharge valve shutoff

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 캐소드 배출 밸브 차단 단계(S120)에서는 연료전지 스택(130)에 대한 이상 조건을 감지할 시, 연료전지 스택(130)의 캐소드 배출 밸브(150)를 차단시켜 캐소드(134)의 내부압력을 증가시킨다.As shown in FIGS. 2 and 4, when the abnormal condition for the fuel cell stack 130 is sensed in the cathode discharge valve shutoff step S120, the cathode discharge valve 150 of the fuel cell stack 130 is shut off Thereby increasing the internal pressure of the cathode 134.

이때, 캐소드(134)의 내부압력은 30kPa 이상으로 유지시키는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 30 ~ 70kPa로 유지시키는 것이 적절한데, 이는 캐소드(134)의 내부압력이 30kPa 미만일 경우에는 그 압력이 미미한 관계로 캐소드(134) 내부의 응축수를 함께 제거하는데 어려움이 따를 수 있기 때문이다.
At this time, it is preferable to maintain the internal pressure of the cathode 134 at 30 kPa or more, more preferably 30 to 70 kPa, because if the internal pressure of the cathode 134 is less than 30 kPa, Since it may be difficult to remove the condensate inside the cathode 134 together.

캐소드 배출 밸브 개방Cathode discharge valve opening

도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 캐소드 배출 밸브 개방 단계(S130)에서는 연료전지 스택(130)의 캐소드 배출 밸브(150)를 개방시켜 캐소드(134)의 내부압력을 감소시키면서 캐소드(134) 내부의 응축수를 함께 배출한다. 이와 같이, 캐소드(134)의 내부압력을 30kPa 이상으로 증가시킨 상태에서, 캐소드 배출 밸브(150)를 일시에 개방시킬 경우, 순간적으로 강한 내부압력에 의해 공기 공급 배관(140)을 타고 그 내벽에 붙어있던 외부 응축수(F) 및 연료전지 스택(130)의 내부에 정체되어 고여있던 내부 생성수(미도시)가 함께 배출되어 제거될 수 있게 된다.2 and 5, in the cathode discharge valve opening step S130, the cathode discharge valve 150 of the fuel cell stack 130 is opened to reduce the internal pressure of the cathode 134, Condensate water is discharged together. When the cathode discharge valve 150 is opened at a time in a state where the internal pressure of the cathode 134 is increased to 30 kPa or more in this way, the air supply pipe 140 is instantaneously forced to the inner wall The external condensate F attached to the fuel cell stack 130 and the internal generated water (not shown) stagnantly accumulated inside the fuel cell stack 130 can be discharged together and removed.

이 결과, 본 발명에서는 연료전지 스택(130)의 내부로 외부 응축수(F)가 유입되거나, 연료전지 스택(130) 내의 내부 생성수가 고이는 것을 감지할 시, 캐소드(134) 내부압력을 증가시킨 후 일시에 캐소드 배출 밸브(150)를 개방시켜 캐소드(134) 내부의 응축수를 배출시켜 제거함으로써, 외부 응축수 유입 및 내부 생성수의 고임에 의한 연료전지 스택(130)의 성능 저하 문제를 개선할 수 있게 된다.
As a result, in the present invention, when it is sensed that the external condensed water F flows into the fuel cell stack 130 or the internal generated water is accumulated in the fuel cell stack 130, the internal pressure of the cathode 134 is increased The cathode discharge valve 150 is opened at a time to discharge and remove the condensed water in the cathode 134 to improve the performance degradation of the fuel cell stack 130 due to the inflow of the external condensed water and the increase in the internally generated water do.

스택 정상 운전Stack normal operation

도 2에 도시된 바와 같이, 스택 정상 운전 단계(S140)에서는 연료전지 스택을 정상 운전한다. 이때, 전술한 연료전지 스택을 장기간 동안 사용할 시, 스택 성능 감지 단계(S110), 캐소드 배출 밸브 차단 단계(S120), 캐소드 배출 밸브 개방 단계(S130) 및 스택 정상 운전 단계(S140)의 일련의 과정을 반복하여 실시하게 된다.
As shown in FIG. 2, in the stack normal operation step S140, the fuel cell stack operates normally. At this time, when the above-described fuel cell stack is used for a long period of time, a series of steps of the stack performance sensing step S110, the cathode discharge valve blocking step S120, the cathode discharge valve opening step S130 and the stack normal driving step S140 Is repeatedly performed.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 시간별 셀 전압 및 내부 압력 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating the results of measurement of cell voltage and internal pressure changes over time in the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택에 대한 이상 조건의 발생으로 주입구 셀 전압이 0.5V로 측정되었을 시, 연료전지 스택의 캐소드 배출 밸브를 차단시킨 상태에서 일정 시간 동안 유지하게 되면, 캐소드의 내부압력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이후, 캐소드의 내부압력을 42kPa로 증가시킨 상태에서, 캐소드 배출 밸브를 일시에 개방시키는 것에 의해 순간적으로 강한 내부압력에 의해 공기 공급 배관을 타고 그 내벽에 붙어있던 외부 응축수 및 연료전지 스택의 내부에 정체되어 고여있던 내부 생성수가 함께 배출되어 제거되는 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 6, when the inlet cell voltage is measured to be 0.5 V due to the occurrence of an abnormal condition for the fuel cell stack, the cathode discharge valve of the fuel cell stack is kept off for a predetermined time, It can be seen that the internal pressure increases. Thereafter, by increasing the internal pressure of the cathode to 42 kPa, the cathode discharge valve is temporarily opened, instantaneously riding the air supply pipe by the strong internal pressure, and the external condensate attached to the inner wall thereof and the inside of the fuel cell stack It was confirmed that the internal generated water accumulated and accumulated together was discharged and removed.

전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 외부 응축수 유입에 의해 스택 성능이 감소하는 이상 조건을 감지할 시, 캐소드 배출 밸브를 일정 시간 차단시켜 캐소드 내부압력을 증가시킨 후, 캐소드 배출 밸브를 일시에 개방시켜 캐소드 내부압력을 감소시키면서 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출시키는 방식으로 외부 응축수 및 내부 생성수를 제거할 수 있게 되므로 외부 응축수 및 내부 생성수에 의한 스택 성능의 저하 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
In the method of recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention, when detecting an abnormal condition in which the stack performance is decreased due to the influx of external condensed water, the cathode discharge valve is shut off for a predetermined time, The cathode discharge valve can be opened at a time to reduce the internal pressure of the cathode while simultaneously discharging the condensed water inside the cathode. As a result, it is possible to remove the external condensed water and the internally generated water, The problem of deterioration can be prevented in advance.

(제2 실시예)(Second Embodiment)

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법을 나타낸 공정 순서도이다.FIG. 7 is a process flow diagram illustrating a method of reducing the performance degradation of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 스택 성능 감지 단계(S210), 캐소드 최대 공급유량 주입 단계(S220), 캐소드 공급유량 복귀 단계(S230) 및 스택 정상 운전 단계(S240)를 포함한다.
Referring to FIG. 7, the method for recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention includes a stack performance sensing step S210, a cathode maximum supply flow injection step S220, a cathode supply flow returning step S230) and a stack normal operation step S240.

스택 성능 감지Stack performance detection

스택 성능 감지 단계(S210)에서는 연료전지 스택에 대한 이상 조건의 발생 여부를 감지한다.In the stack performance sensing step (S210), it is detected whether or not an abnormal condition has occurred in the fuel cell stack.

이때, 본 발명에서 연료전지 스택에 대한 이상 조건은 연료전지 스택의 주입구 셀 성능이 0.5V 이하로 감소하는 것, 연료전지 스택의 개별 셀 전압이 0.5V 이하인 것이 5개 이상 발생하는 것, 및 연료전지 스택의 정상 운전 후 전압이 1V/hr 이상 감소하는 것 중 적어도 어느 하나 이상을 충족하는 것을 의미한다.The abnormal conditions for the fuel cell stack in the present invention are that the inlet cell performance of the fuel cell stack is reduced to 0.5 V or less, 5 or more individual cell voltages of the fuel cell stack are 0.5 V or less, Means that at least one or more of the voltage of the battery stack after normal operation decreases by 1 V / hr or more is satisfied.

이와 같이, 연료전지 스택의 내부로 외부 응축수가 유입될 경우, 연료전지 스택의 주입구 셀의 성능이 저하되는 것을 감지하거나, 연료전지 스택의 개별 셀 전압이 급격히 감소하는 것을 감지하거나, 연료전지 스택의 정상 운전 후 전압이 급격히 감소하는 것을 감지하는 것 중 어느 하나 이상을 측정하는 것에 의해 이상 조건의 발생 여부를 판별하게 된다.
In this way, when the external condensed water flows into the fuel cell stack, it is possible to detect deterioration of the performance of the inlet cell of the fuel cell stack, to detect a sudden decrease in the individual cell voltage of the fuel cell stack, And whether or not the abnormal condition is generated can be determined by measuring at least one of detecting that the voltage suddenly decreases after the normal operation.

캐소드 최대 공급유량 주입Cathode maximum feed flow injection

캐소드 최대 공급유량 주입 단계(S220)에서는 연료전지 스택에 대한 이상 조건을 감지할 시, 캐소드에 최대 공급유량의 공기를 주입하여 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출한다.In the cathode maximum supply flow injection step (S220), when detecting an abnormal condition for the fuel cell stack, the maximum supply flow rate of air is injected into the cathode to discharge the condensed water inside the cathode together.

이때, 최대 공기 공급유량은 대략 10,000cc/min 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 연료전지 스택의 용량에 따라 최대 공기 공급유량은 변경될 수 있다. 따라서, 최대 공기 공급유량은 정상 운전시 공급되는 공급유량 대비 5% 이상을 더 주입하는 것이 바람직한데, 이는 정상 운전시 공급되는 공급유량 대비 5% 이상은 주입되어야 공기 공급 배관의 내벽에 붙어있던 외부 응축수 및 연료전지 스택의 내부에 정체되어 고여있던 내부 생성수를 함께 배출시킬 수 있는 유량을 확보할 수 있기 때문이다.At this time, the maximum air supply flow rate may be about 10,000 cc / min or more, but the present invention is not limited thereto, and the maximum air supply flow rate may be changed depending on the capacity of the fuel cell stack. Therefore, the maximum air supply flow rate is preferably 5% or more of the supplied flow rate during the normal operation. This means that at least 5% of the supply flow rate in the normal operation must be injected to the outside of the air supply pipe It is possible to secure a flow rate capable of discharging condensed water and internal generated water stagnantly accumulated in the fuel cell stack together.

이에 따라, 본 발명에서는 연료전지 스택의 내부로 외부 응축수가 유입되거나, 연료전지 스택 내의 내부 생성수가 고이는 것을 감지할 시, 캐소드에 최대 공급유량을 주입하여 캐소드 내부의 응축수를 배출시켜 제거함으로써, 외부 응축수 유입 및 내부 생성수의 고임에 의한 연료전지 스택의 성능 저하 문제를 개선할 수 있다.
Accordingly, in the present invention, when the external condensate flows into the fuel cell stack or when the internal generated water in the fuel cell stack is detected, the maximum supply flow rate is injected into the cathode to discharge and remove the condensed water in the cathode, The performance degradation of the fuel cell stack due to the condensed water inflow and the generation of the internally generated water can be improved.

캐소드 공급유량 복귀Cathode feed flow back

캐소드 공급유량 복귀 단계(S230)에서는 캐소드로 유입되는 유량을 원상 복귀한다. 이때, 이러한 캐소드 공급유량의 원상 복귀에 의해 연료전지 스택 성능은 정상화될 수 있다.
In the cathode supply flow rate returning step (S230), the flow rate flowing into the cathode is returned to the original state. At this time, the performance of the fuel cell stack can be normalized by returning the cathode supply flow rate to the original state.

스택 정상 운전Stack normal operation

스택 정상 운전 단계(S240)에서는 연료전지 스택을 정상 운전한다.In the stack normal operation step (S240), the fuel cell stack operates normally.

이때, 전술한 연료전지 스택을 장기간 사용할 시, 스택 성능 감지 단계(S210), 캐소드 최대 공급유량 주입 단계(S120), 캐소드 공급유량 복귀 단계(S230) 및 스택 정상 운전 단계(S240)의 일련의 과정을 반복하여 실시하게 된다.
At this time, when the above-described fuel cell stack is used for a long period, a series of steps of sensing the stack performance (S210), injecting the cathode maximum supply flow rate (S120), returning the cathode supply flow rate (S230) Is repeatedly performed.

전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법은 외부 응축수 유입에 의해 스택 성능이 감소하는 이상 조건을 감지할 시, 캐소드에 최대 공급유량의 공기를 주입하여 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출시키는 방식으로 외부 응축수 및 내부 생성수를 제거할 수 있게 되므로 외부 응축수 및 내부 생성수에 의한 스택 성능의 저하 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
In the method of recovering performance reduction of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention, when detecting an abnormal condition in which the stack performance is decreased due to the inflow of external condensed water, the maximum supply flow rate of air is injected into the cathode, It is possible to remove the external condensed water and the internally generated water by discharging the condensed water together, thereby preventing the degradation of the stack performance due to the external condensed water and the internally generated water.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

S110 : 스택 성능 감지 단계
S120 : 캐소드 배출 밸브 차단 단계
S130 : 캐소드 배출 밸브 개방 단계
S140 : 스택 정상 운전 단계
130 : 연료전지 스택 134 : 캐소드
140 : 공기 공급 배관 150 : 캐소드 배출 밸브
F : 외부 응축수
S210 : 스택 성능 감지 단계
S220 : 캐소드 최대 공급유량 주입 단계
S230 : 캐소드 공급유량 복귀 단계
S240 : 스택 정상 운전 단계S110: Stack performance detection step
S120: Cathode discharge valve blocking step
S130: Cathode discharge valve opening step
S140: Stack normal operation phase
130: fuel cell stack 134: cathode
140: Air supply line 150: Cathode discharge valve
F: External condensate
S210: Stack performance detection step
S220: Cathode maximum feed flow injection step
S230: cathode supply flow return step
S240: Stack normal operation phase

Claims (7)

(a) 연료전지 스택에 대한 이상 조건의 발생 여부를 감지하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택에 대한 이상 조건을 감지할 시, 상기 연료전지 스택의 캐소드 배출 밸브를 차단시켜 캐소드의 내부압력을 증가시키는 단계;
(c) 상기 연료전지 스택의 캐소드 배출 밸브를 개방시켜 상기 캐소드의 내부압력을 감소시키면서 상기 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출하는 단계; 및
(d) 상기 연료전지 스택을 정상 운전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.
(a) detecting whether an abnormal condition has occurred in the fuel cell stack;
(b) increasing the internal pressure of the cathode by shutting off the cathode discharge valve of the fuel cell stack when detecting an abnormal condition for the fuel cell stack;
(c) opening the cathode discharge valve of the fuel cell stack to discharge the condensed water inside the cathode together while reducing the internal pressure of the cathode; And
(d) normal operation of the fuel cell stack.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택은
복수의 단위셀이 결합되는 형태를 가지며, 상기 복수의 단위셀의 중심부에는 막-전극 접합체가 배치되되,
상기 막-전극 접합체는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 각각 도포된 애노드 및 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.
The method according to claim 1,
The fuel cell stack
Wherein a plurality of unit cells are coupled to each other, and a membrane-electrode assembly is disposed at the center of the plurality of unit cells,
Wherein the membrane-electrode assembly comprises an electrolyte membrane and an anode and a cathode, respectively, applied on both sides of the electrolyte membrane.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 연료전지 스택에 대한 이상 조건은
상기 연료전지 스택의 주입구 셀 성능이 0.5V 이하로 감소하는 것, 상기 연료전지 스택의 개별 셀 전압이 0.5V 이하인 것이 5개 이상 발생하는 것, 및 상기 연료전지 스택의 정상 운전 후 전압이 1V/hr 이상 감소하는 것 중 적어도 어느 하나 이상을 충족하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.
The method according to claim 1,
In the step (a)
The abnormal condition for the fuel cell stack
Wherein the fuel cell stack has an inlet cell performance of less than 0.5 V, an individual cell voltage of the fuel cell stack is less than or equal to 0.5 V, lt; RTI ID = 0.0 > hr / hr < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 캐소드의 내부압력은
30 ~ 70kPa 조건으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.
The method according to claim 1,
In the step (b)
The internal pressure of the cathode
And the fuel cell stack is maintained at a temperature of 30 to 70 kPa.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 캐소드 배출 밸브를 일시에 개방시키는 것에 의해,
상기 캐소드 내부의 응축수가 배출되어 제거되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.
The method according to claim 1,
In the step (c)
By opening the cathode discharge valve at a time,
And the condensed water in the cathode is discharged and removed.
(a) 연료전지 스택에 대한 이상 조건의 발생 여부를 감지하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택에 대한 이상 조건을 감지할 시, 상기 캐소드에 최대 공급유량의 공기를 주입하여 상기 캐소드 내부의 응축수를 함께 배출하는 단계;
(c) 상기 캐소드로 유입되는 유량을 원상 복귀하는 단계; 및
(d) 상기 연료전지 스택을 정상 운전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.
(a) detecting whether an abnormal condition has occurred in the fuel cell stack;
(b) injecting a maximum supply flow rate of air into the cathode when the abnormal condition of the fuel cell stack is detected, and discharging the condensed water in the cathode together;
(c) returning the flow rate to the cathode to the original state; And
(d) normal operation of the fuel cell stack.
제6항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 연료전지 스택에 대한 이상 조건은
상기 연료전지 스택의 주입구 셀 성능이 0.5V 이하로 감소하는 것, 상기 연료전지 스택의 개별 셀 전압이 0.5V 이하인 것이 5개 이상 발생하는 것, 및 상기 연료전지 스택의 정상 운전 후 전압이 1V/hr 이상 감소하는 것 중 적어도 어느 하나 이상을 충족하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법.The method according to claim 6,
In the step (a)
The abnormal condition for the fuel cell stack
Wherein the fuel cell stack has an inlet cell performance of less than 0.5 V, an individual cell voltage of the fuel cell stack is less than or equal to 0.5 V, lt; RTI ID = 0.0 > hr / hr < / RTI >
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