KR20180020351A - Fuel cell system and method for controlling the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a fuel cell system and a control method thereof, which can effectively remove condensate generated in a fuel cell when the fuel cell system is operated in a low-temperature or low-current environment. The fuel cell system includes: a fuel cell stack; a humidifier including a heat generating material and controlling the humidity of a supply gas supplied to the fuel cell stack by receiving exhaust gas discharged from the fuel cell stack; a temperature sensor detecting the temperature of the exhaust gas; and a control unit determining whether the heating material generates heat based on the temperature of the exhaust gas.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 시스템이 운용되는 경우 연료전지 셀 내에서 발생하는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and more particularly to a fuel cell system capable of effectively removing condensate generated in a fuel cell when a fuel cell system is operated in a low- And a control method.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동하기 위한 전기 에너지를 발생시켜 차량을 구동시킬 수 있다.Generally, a fuel cell system is a kind of power generation system that generates electric energy as an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (oxygen in the air) by a fuel cell. For example, the fuel cell system may be employed in a fuel cell vehicle to generate electric energy for operating the electric motor to drive the vehicle.

이러한 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치 및 연료전지 스택의 온도가 과도하게 상승되는 것을 방지하기 위한 냉각수 공급 장치를 구비하고 있다. Such a fuel cell system includes a stack which is an electricity generation aggregate of unit fuel cells made up of an air electrode and a fuel electrode, an air supply device for supplying air to the air electrode of the fuel cell, a hydrogen supply device for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell, And a cooling water supply device for preventing the temperature of the fuel cell stack from rising excessively.

한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템의 공기 공급장치는 연료전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다. In the case of a polymer fuel cell, an appropriate amount of moisture is required for the ion exchange membrane of the membrane-electrode assembly (MEA) to function smoothly. To this end, the air supply device of the fuel cell system includes a humidifier .

예를 들면, 가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치의 공기 압축기를 통해 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.For example, the humidifier humidifies the dry air supplied through the air compressor of the air supply apparatus using moisture in the high temperature and high humidity air discharged from the air electrode of the fuel cell, and supplies the humidified air to the air electrode of the fuel cell .

그러나, 연료전지 스택이 초기 시동 등과 같이 연료전지 저온 및 저전류 영역에서 동작하는 경우, 스택 내부에서 발생하는 응축수가 원활하게 증발되지 못하여 셀 내부 물이 고이는 플러딩이 발생할 수 있다. 이러한 플러딩으로 인해 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 일부에서 원하는 출력을 발생하지 못하는 셀빠짐 현상 일어나는 문제가 발생할 수 있다.However, when the fuel cell stack operates in the low-temperature and low-current regions of the fuel cell such as the initial start-up, the condensation water generated in the stack can not be evaporated smoothly and flooding may occur. Such flooding may cause a cell dropout phenomenon that can not generate a desired output in a part of a plurality of cells constituting the fuel cell stack.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

KR 10-2010-0002303 AKR 10-2010-0002303 A KR 10-2011-0063366 AKR 10-2011-0063366 A

이에 본 발명은, 저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 시스템이 운용되는 경우, 연료전지 셀의 성능 저하 없이 연료전지 셀 내에서 발생하는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a control method thereof that can effectively remove condensate generated in a fuel cell without degrading the performance of the fuel cell when the fuel cell system operates in a low temperature or low current environment Which is a technical problem to be solved.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,According to an aspect of the present invention,

연료전지 스택;Fuel cell stack;

상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 제공받아 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공급가스의 습도를 조절하며 발열 소재를 포함하는 가습기;A humidifier including a heat-generating material for controlling the humidity of a supply gas supplied to the fuel cell stack by receiving exhaust gas discharged from the fuel cell stack;

상기 배출가스의 온도를 검출하는 온도 센서; 및 A temperature sensor for detecting the temperature of the exhaust gas; And

상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 제어부;A control unit for determining whether or not the heating material generates heat based on the temperature of the exhaust gas;

를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.And a fuel cell system.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가습기는 상기 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트를 포함하며, 상기 발열 소재는 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the humidifier includes a case having an inner space through which the supply gas passes, and an input port installed in the case and introducing the exhaust gas discharged from the fuel cell stack into the case, The heat generating material may be disposed in the internal space or the input port.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발열 소재는 전기적 에너지를 열 에너지로 변환하는 전도성 발열 소재일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat generating material may be a conductive heat generating material that converts electrical energy into thermal energy.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면 도포되는 전도성 발열 고분자 물질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the conductive heating material may be a conductive heating polymer material applied on the surface of the surface forming the inner space or on the inner surface of the input port through which the exhaust gas passes.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면에 부착되는 전도성 발열 고분자 물질로 이루어진 발열 섬유일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the conductive heating material may be a heating fiber made of a conductive heating polymer material adhered to the surface of the surface forming the inner space or the inner surface of the input port through which the exhaust gas passes.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the conductive heating material may be heated by applying a voltage generated in the fuel cell stack.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련되어 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가 차단하는 스위치부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 온도에 기반하여 상기 스위치부의 온/오프를 제어할 수 있다.The control unit may further include a switch unit provided between the voltage output terminal of the fuel cell stack and the conductive heating material to cut off the voltage of the fuel cell stack to the conductive heating material, The on / off state of the switch unit can be controlled based on the detected temperature.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 스위치부를 온시키고 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the control unit turns on the switch unit when the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor is lower than a predetermined reference temperature, and turns off the switch unit when the temperature is equal to or higher than the reference temperature.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하도록 제어하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller controls the heat generating material to generate heat when the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor is lower than a predetermined reference temperature, and when the temperature is equal to or higher than the reference temperature, .

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높게 결정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reference temperature may be determined to be higher than the target temperature of the cooling water control of the fuel cell stack.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,According to another aspect of the present invention,

연료전지 스택에 공급되는 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트 및 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치되는 발열 소재를 포함하는 연료전지용 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,A case having an inner space through which the supply gas supplied to the fuel cell stack passes; an input port installed in the case for introducing the exhaust gas discharged from the fuel cell stack into the case; A control method for a fuel cell system including a humidifier for a fuel cell including a heat generating material,

상기 배출 가스의 온도를 검출하는 단계; 및Detecting a temperature of the exhaust gas; And

상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 단계;Determining whether or not the heating material generates heat based on the temperature of the exhaust gas;

를 포함할 수 있다.. ≪ / RTI >

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the determining step may determine that the heat generating material generates heat when the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined reference temperature, and does not generate heat when the temperature is equal to or higher than the reference temperature.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열 되는 전도성 발열 소재이며, 상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련된 스위치부를 온 시켜 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프 시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat generating material is a conductive heating material that generates heat when a voltage generated in the fuel cell stack is applied, and the determining step may include a step of, when the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined reference temperature The switch unit provided between the voltage output terminal of the fuel cell stack and the conductive heating material is turned on to apply the voltage of the fuel cell stack to the conductive heating material and the switch unit may be turned off when the temperature is equal to or higher than the reference temperature.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높게 결정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reference temperature may be determined to be higher than the target temperature of the cooling water control of the fuel cell stack.

상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 가습기 내부 공간 또는 연료전지 스택의 배출가스를 공급받는 가습기의 입력 포트에 설치된 전도성 발열 소재를 통해 연료전지 스택으로 제공되는 공급 가스를 가열함으로써, 저온/저전류 환경에서 연료전지 셀 내의 응축수를 증발 제거하여 플러딩을 예방할 수 있다.According to the fuel cell system and the control method of the fuel cell system having the above-described means for solving the above-mentioned problems, it is possible to provide the fuel cell system with the fuel cell stack, which is provided in the fuel cell stack through the conductive heating material provided at the input port of the humidifier, By heating the gas, condensation water in the fuel cell cell can be evaporated and removed in a low-temperature / low-current environment to prevent flooding.

또한, 상기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 가습기 내부 공간 또는 연료전지 스택의 배출가스를 공급받는 가습기의 입력 포트에 설치된 전도성 발열 소재에 선택적으로 전기적 에너지를 공급하여 발열을 제어할 수 있으므로, 저온/저전류 환경에서 플러딩을 예방하는데 그치지 않고, 연료전지 스택이 과도하게 온도 상승하여 성능 저하가 발생하는 것을 방지할 수 있다.In addition, according to the fuel cell system and the control method therefor, the heat generation can be selectively controlled by supplying electrical energy to the conductive heating material provided in the humidifier internal space or the input port of the humidifier supplied with the exhaust gas from the fuel cell stack, It is possible not to prevent flooding in a low-temperature / low-current environment, and to prevent the performance degradation due to excessive temperature rise of the fuel cell stack.

특히, 상기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지 스택의 배출가스 온도에 기반하여 전도성 발열 소재의 발열 여부를 제어함으로써, 공급 가스의 가열 및 비가열이 요구되는 환경을 정확하게 판단하여 제어가 가능하다.Particularly, according to the fuel cell system and the control method thereof, it is possible to precisely determine the environment in which heating and non-heating of the supply gas is required by controlling whether the conductive heating material is heated based on the temperature of the exhaust gas of the fuel cell stack, It is possible.

또한, 상기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지 셀의 가스 확산층에 전도성 발열 고분자 물질을 코팅하여 기공의 구조를 변화시킴으로써 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 영향을 주는 종래 응축수 제거 기술과는 달리, 가습기를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 압축 공기의 온도를 제어하여 셀 내 응축수를 제거함으로써, 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 직접적인 영향을 미치지 않고 그에 따른 성능 저하의 문제를 해소할 수 있다.In addition, according to the fuel cell system and the control method thereof, a conventional condensed water removal technique that affects the electrochemical reaction occurring in the cell itself by changing the structure of the pores by coating the conductive heat generating polymer material on the gas diffusion layer of the fuel cell cell The temperature of the compressed air supplied to the fuel cell stack through the humidifier is controlled to remove the condensed water in the cell so as not to directly affect the electrochemical reaction occurring in the cell itself, have.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지용 가습기에 적용되는 전도성 발열 소재의 설치 구조의 예를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법을 적용한 경우의 연료전지 스택 성능과 통상적인 연료전지 시스템의 연료전지 스택 성능을 비교하는 도면이다.1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a humidifier for a fuel cell applied to a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 and FIG. 4 are views showing an example of an installation structure of a conductive heating material applied to a humidifier for a fuel cell applied to a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are diagrams comparing fuel cell stack performance when a fuel cell system and its control method according to an embodiment of the present invention are applied and fuel cell stack performance of a typical fuel cell system.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a humidifier for a fuel cell and a fuel cell system including the humidifier according to various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 크게 연료전지 스택(1)과 연료전지용 가습기(10)와 온도 센서(20) 및 제어부(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1에서 실선은 연료(수소)/공기 등과 같은 가스의 흐름을 도시한 선이며, 점선은 전기적 에너지, 즉 전력이 흐르는 경로를 도시한 선이며, 일점쇄선은 제어를 위한 신호의 경로를 도시한 선이다.1, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 1, a humidifier 10 for a fuel cell, a temperature sensor 20, and a control unit 30 have. In FIG. 1, a solid line is a line showing a flow of gas such as fuel (hydrogen) / air, a dotted line is a line showing a path through which electric energy, that is, electric power flows, and a chain line, It is a line.

연료전지 스택(1)은 연료극으로 연료(예를 들어, 수소) 공기극으로 공기를 공급받아 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 복수의 셀을 포함할 수 있다. 특히 연료전지 스택(1)은 가습기(10)에 의해 습도가 조절된 공기를 공기극으로 제공받을 수 있다. 경우에 따라서는, 연료가스 역시 또 다른 별도의 가습기에 의해 습도가 조절되어 연료전지 스택(1)의 연료극으로 공급될 수도 있다.The fuel cell stack 1 may include a plurality of cells that receive air from a fuel electrode (for example, hydrogen) air electrode and generate electrical energy as an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (oxygen in the air) . Particularly, the fuel cell stack 1 can be supplied with humidity-regulated air to the air electrode by the humidifier 10. In some cases, the fuel gas may also be supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 with humidity controlled by another separate humidifier.

가습기(10)는 연료전지 스택(1)에 공급되어 전기 화학반응에 사용된 후 배출되는 공기 중의 수분을 이용하여 연료전지 스택(1)으로 제공되는 공기의 습도를 조절하는 요소이다. 통상, 가습기(10)는 공기 압축기(3)를 통해 스택(1)으로 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 가습된 공기를 연료전지 스택(1)으로 제공한다.The humidifier 10 is an element for controlling the humidity of air supplied to the fuel cell stack 1 using moisture in the air supplied to the fuel cell stack 1 and used for electrochemical reaction and then discharged. Normally, the humidifier 10 humidifies the dry air supplied to the stack 1 through the air compressor 3, and provides the humidified air to the fuel cell stack 1.

본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)이 정상동작 온도 범위에서 정상동작 전류로 동작하는 하는 경우, 전술한 것과 같은 습윤 공기를 스택(1)으로 제공하도록 동작하나, 저온 및 저전류 동작환경에서는 공기를 가열하여 습도가 제거된 고온의 공기를 연료전지 스택(1)으로 제공함으로써 스택(1) 내 셀의 응축수를 증발시키도록 작동한다. In one embodiment of the present invention, the humidifier 10 operates to provide wet air as described above to the stack 1 when the fuel cell stack 1 is operating at normal operating current in the normal operating temperature range And operates to evaporate the condensed water in the cells in the stack 1 by supplying air to the fuel cell stack 1 by heating the air in a low temperature and low current operating environment to remove the humidity.

본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)는 전기적 에너지를 공급받아 이를 열 에너지로 변환하여 발열하는 특징을 갖는 요소를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)의 작동에 의해 생성되는 전기적 에너지를 제공받을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the humidifier 10 may include an element that receives electrical energy and converts it to heat energy to generate heat. In particular, in one embodiment of the present invention, the humidifier 10 can be provided with the electrical energy generated by the operation of the fuel cell stack 1. [

이러한, 본 발명의 고유한 가습기(10)에 대한 설명은 이후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.The description of the humidifier 10 unique to the present invention will be described later in more detail.

본 발명의 일 실시형태에서, 온도 센서(20)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 배출가스의 온도를 검출하기 위해 마련된다. 특히, 온도 센서(20)는 연료전지 스택(1)에서 전기 화학반응에 사용된 후 배출되는 공기의 온도를 검출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the temperature sensor 20 is provided for detecting the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 1. [ Particularly, the temperature sensor 20 can detect the temperature of the air discharged after being used in the electrochemical reaction in the fuel cell stack 1.

본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은 초기 운전 시 저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 스택(1)을 신속하게 일정 수준의 온도로 상승시키고자 하는 것이다. 따라서, 연료전지 스택(1)의 배출공기 온도는 연료전지 스택(1)의 온도를 유추할 수 있는 인자가 될 수 있으며, 연료전지 시스템 초기 운전 시 연료전지 스택(1)의 배출 공기의 온도를 상승시키도록 연료전지 시스템을 제어함으로써 연료전지 스택의 온도 상승을 달성할 수 있다. 여기서, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 습윤 공기를 제공받아 연료전지 스택(1)에 공급되는 공기의 습도를 조절하는 요소이므로 연료전지 스택(1)의 공기 출구에서 가습기(10)로 제공되는 습윤 공기의 온도가 중요한 의미를 갖는다.The fuel cell system according to the embodiment of the present invention is intended to rapidly raise the temperature of the fuel cell stack 1 to a predetermined level in a low temperature or low current environment in the initial operation. Therefore, the exhaust air temperature of the fuel cell stack 1 can be a factor that can predict the temperature of the fuel cell stack 1, and the temperature of the exhaust air of the fuel cell stack 1 during the initial operation of the fuel cell system The temperature rise of the fuel cell stack can be achieved by controlling the fuel cell system. Since the humidifier 10 is an element that receives the humid air discharged from the fuel cell stack 1 and regulates the humidity of the air supplied to the fuel cell stack 1, the humidifier 10 at the air outlet of the fuel cell stack 1 The temperature of the humidified air supplied to the humidifier 10 has an important meaning.

따라서, 온도 센서(20)는, 연료전지 스택(1)의 배출공기가 입력되는 가습기(10)의 입력 포트(110)에 설치되어 가습기(1)로 입력되는 연료전지 스택(1) 배출 공기의 온도를 검출하는 것이 바람직하다.The temperature sensor 20 is disposed at the input port 110 of the humidifier 10 to which the exhaust air of the fuel cell stack 1 is input and is connected to the humidifier 1 via the input / It is preferable to detect the temperature.

본 발명의 일 실시형태에서, 제어부(30)는 연료전지 스택(1)의 저온 및 저전류 동작환경에서 고온의 공기를 스택(1)으로 제공하도록 제어할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서 가습기(10)는 연료전지 스택(1)에서 출력되는 전기적 에너지를 공급받아 이를 열 에너지로 변환하여 발열하는 특징을 갖는다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(1)의 전력 출력단과 가습기(10) 사이에 제어부(30)의 제어에 의해 동작하는 스위치부(40)를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the control unit 30 can control to provide hot air to the stack 1 in the low-temperature and low-current operating environment of the fuel cell stack 1. In particular, in one embodiment of the present invention, the humidifier 10 has a characteristic of receiving electrical energy output from the fuel cell stack 1 and converting it into thermal energy to generate heat. To this end, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention further includes a switch unit 40 which is operated under the control of the control unit 30 between the power output terminal of the fuel cell stack 1 and the humidifier 10 can do.

제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 연료전시 스택(1)의 배출 가스 온도를 모니터링하고, 검출된 온도가 사전 설정된 기준 온도 미만일 때 스위치부(40)를 턴온하여 연료전지 스택(1)의 출력 전력이 가습기(10)로 제공되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(30)는 검출된 온도가 사전 설정된 기준 온도 이상이 되는 경우, 스위치부(40)를 턴오프하여 연료전지 스택(1)의 과도한 온도 상승을 차단할 수 있다.The control unit 30 monitors the temperature of the exhaust gas of the fuel cell stack 1 detected by the temperature sensor 20 and turns on the switch unit 40 when the detected temperature is lower than the predetermined reference temperature, Can be provided to the humidifier 10. In addition, when the detected temperature is equal to or higher than a predetermined reference temperature, the control unit 30 may turn off the switch unit 40 to block the excessive temperature rise of the fuel cell stack 1. [

본 발명의 여러 실시형태에서, 연료전지 시스템은, 연료 공급/배출 라인에 마련되는 각종 밸브류, 공기 공급/배출 라인에 마련되는 각종 밸브류(2, 4) 및 연료전지 스택(1)에 공급되는 압축 공기를 생성하는 공기 압축기(3) 등을 포함할 수 있으며, 이들은 제어부(30)의 제어에 의해 동작이 제어될 수 있다.In various embodiments of the present invention, the fuel cell system includes various valves provided in the fuel supply / discharge line, various types of valves 2 and 4 provided in the air supply / discharge line, And an air compressor 3 for generating compressed air, which are controlled by the control of the control unit 30. [

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 가습기(10)는 공기 압축기(3)에서 배출되는 압축 공기가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스(11) 및 내부 공간의 표면에 배치되는 발열 소재(12)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 습윤 공기를 제공받기 위한 입력 포트(110)가 마련될 수 있으며, 발열 소재(12)는 입력 포트(110)의 내면에도 배치될 수 있다.2, a humidifier 10 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a case 11 having an internal space through which compressed air discharged from the air compressor 3 passes, And a heat generating material (12). The humidifier 10 may be provided with an input port 110 for receiving humid air discharged from the fuel cell stack 1 and a heat generating material 12 may be disposed on the inner surface of the input port 110 have.

도 2에 도시된 예에서, 발열 소재(12)는 케이스(11)의 내부 공간 표면과 입력 포트(110)의 내면 전체에 배치되고 있으나, 필요에 따라서 케이스(11)의 내부 공간 표면 중 일부에 배치되거나 입력 포트(110)의 내면에만 배치되는 등 다양한 배치 구조로 변형이 가능하다.2, the heat generating material 12 is disposed on the inner space surface of the case 11 and the entire inner surface of the input port 110. However, if necessary, the heat generating material 12 may be provided on a part of the inner space surface of the case 11 Or disposed only on the inner surface of the input port 110. [0053] FIG.

도 2는 연료전지용 가습기(10)의 단면을 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지 스택(1)으로 공급되는 건조한 압축 공기가 통과하는 내부 공간에는 필요에 따라 공기에 수분을 공급할 수 있는 다양한 구조의 막이 형성되거나, 수분 공급의 효율을 향상시키기 위해 공기가 통과하는 경로를 다양하게 변경하기 위한 구조물들이 배치될 수 있으나, 이해의 편의를 위해 이러한 부수적 요소들은 도시를 생략하였다.2 schematically shows a cross section of the humidifier 10 for a fuel cell. In the internal space through which dry compressed air supplied to the fuel cell stack 1 passes, a membrane having various structures capable of supplying moisture to air, Structures or structures for varying the pathways through which the air passes in order to improve the efficiency of the water supply can be arranged, but these additional elements have been omitted for the sake of clarity.

본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 가습기(10)는 압축 공기가 통과하는 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 발열 소재(12)를 채용함으로써 연료전지 스택(1)으로 공급되는 압축 공기를 가열할 수 있다. 이를 통해, 고온의 압축공기가 연료전지 스택(1)으로 공급될 수 있으며, 연료전지 스택(1)이 저온 또는 저전류 동작 환경인 경우에 고온의 압축 공기가 연료전지 스택(1) 내 각 셀에서 발생하는 응축수를 증발시켜 플러딩이 발생하는 것을 방지할 수 있다.The humidifier 10 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is provided with the heat generating material 12 on the inner wall of the inner space or the inner surface of the input port 110 through which the compressed air passes, The compressed air can be heated. As a result, high-temperature compressed air can be supplied to the fuel cell stack 1, and when the fuel cell stack 1 is in a low-temperature or low-current operating environment, It is possible to prevent flooding from occurring due to evaporation of the condensed water generated in the condenser.

본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)의 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 배치되는 발열 소재는 전술한 것과 같이 연료전지 스택(1)으로부터 제공받은 전기적 에너지를 열 에너지로 변환하는 전도성 발열 소재가 될 수 있다. 특히, 전도성 발열 소재는 케이스(11)의 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 직접 도포되는 전도성 발열 고분자 물질이나, 케이스(11)의 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 부착되는 전도성 발열 고분자 물질로 제작된 발열 섬유가 될 수 있다.In the embodiment of the present invention, the heat generating material disposed on the inner wall of the inner space of the humidifier 10 or on the inner surface of the input port 110 is formed of the electric energy supplied from the fuel cell stack 1 as heat energy Conductive heating material can be converted. In particular, the conductive heating material may be a conductive heating polymer material applied directly to the inner wall of the inner space of the case 11 or the inner surface of the input port 110, the inner wall of the inner space of the case 11, A heat generating fiber made of a conductive heat generating polymer material adhered to the heat generating layer.

전도성 발열 물질이 직접 도포되는 실시형태에서는, 전도성 발열 소재(12)에 전기적 에너지를 공급하기 위해, 가습기(10)의 내부 공간에는 전위차를 갖는 전압이 각각 인가되는 제1 단자부 및 제2 단자부가 배치될 수 있으며, 전도성 발열 소재(12)는 제1 단자부 및 제2 단자부와 접촉하도록 배치될 수 있다. In the embodiment in which the conductive heating material is directly applied, a first terminal portion and a second terminal portion, to which a voltage having a potential difference is applied, are disposed in the inner space of the humidifier 10 in order to supply electrical energy to the conductive heating material 12 And the conductive heating material 12 may be arranged to be in contact with the first terminal portion and the second terminal portion.

또한, 발열 섬유가 부착되는 실시형태에서는, 부착하고자 하는 영역의 형상에 부합하도록 발열 섬유를 성형하고 발명 섬유의 서로 이격된 단부에 제1 단자부 및 제2 단자부를 설치한 후 전위차를 갖는 전압이 제1 단자부 및 제2 단자부에 인가되게 할 수 있다.In the embodiment in which the heat generating fibers are adhered, the heat generating fibers are formed so as to conform to the shape of the region to be attached, and the first terminal portions and the second terminal portions are provided at the ends of the inventive fibers spaced from each other. 1 terminal portion and the second terminal portion.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지용 가습기에 적용되는 전도성 발열 소재의 설치 구조의 예를 도시한 도면이다.FIG. 3 and FIG. 4 are views showing an example of an installation structure of a conductive heating material applied to a humidifier for a fuel cell applied to a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 3은 전도성 발열 물질이 직접 도포되는 실시형태를 도시한 것으로, 가습기(10)의 내부 공간을 형성하는 표면 또는 입력 포트(110)의 내면에는 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)가 배치될 수 있으며, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14) 사이에 소정의 패턴을 갖도록 전도성 발열 소재(12)가 배치될 수 있다. 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)는 전도성 발열 소재(12)를 통해 전력이 흐를 수 있는 통로를 형성하게 되고, 이를 통해 제1 단자부(13), 전도성 발열 소재(12) 및 제2 단자부(14)의 순으로 흐르는 전류에 의해 전도성 발열 소재(12)에서 발열이 이루어지게 할 수 있다.3, the conductive heating material is directly applied to the first terminal portion 13 and the second terminal portion (not shown) on the inner surface of the input port 110 or the surface forming the inner space of the humidifier 10, The conductive heating material 12 may be disposed between the first terminal portion 13 and the second terminal portion 14 to have a predetermined pattern. The first terminal portion 13 and the second terminal portion 14 form a passage through which the electric power can flow through the conductive heating material 12 and through which the first terminal portion 13, the conductive heating material 12, The conductive heating material 12 can generate heat by the current flowing in the order of the two terminal portions 14 in this order.

더욱 구체적으로, 복수의 제1 단자부(13)와 복수의 제2 단자부(14)는 서로 번갈아 나란히 소정 간격 이격 되어 가습기(10) 내부 공간을 형성하는 면에 부착되는 형태로 배치될 수 있으며, 전도성 발열 소재(12)는 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14) 사이에 일정한 패턴을 갖도록 배치될 수 있다.More specifically, the plurality of first terminal portions 13 and the plurality of second terminal portions 14 may be disposed in such a manner that they are attached to the surface forming the inner space of the humidifier 10 alternately and spaced apart from each other by a predetermined distance, The heat generating material 12 may be arranged to have a predetermined pattern between the first terminal portion 13 and the second terminal portion 14. [

도 3은 본 발명의 여러 실시형태 중 하나의 예를 도시한 것으로, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14) 및 전도성 발열 소재(12)의 배치구조는 가습기의 내부 구조나 공기가 흐르는 내부공간의 형상에 따라 다양하게 변형될 수 있을 것이다.FIG. 3 illustrates one example of various embodiments of the present invention. The arrangement structure of the first terminal portion 13, the second terminal portion 14, and the conductive heat generating material 12 is not limited to the internal structure of the humidifier, It may be variously modified depending on the shape of the inner space.

또한, 도 3의 예에서, 제1 단자부(13)가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단에 연결되고, 제2 단자부(14)가 접지된 것으로 도시된다.3, the first terminal portion 13 is connected to the power output terminal of the fuel cell stack 1, and the second terminal portion 14 is shown as grounded.

본 발명의 여러 실시형태는, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)는 상호 전위차를 갖도록 구성되어 두 단자부 사이에 배치된 전도성 발열 소재(12)로 전류가 흘러 전도성 발열 소재(12)에서 발열이 발생하면 되는 것으로, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)는 도 3에 도시된 것 이외에 다른 방식으로 전기적 에너지를 공급받도록 전기적 연결이 형성될 수 있다.The first terminal portion 13 and the second terminal portion 14 are configured to have a potential difference so that the current flows to the conductive heating material 12 disposed between the two terminal portions to form the conductive heating material 12, The first terminal portion 13 and the second terminal portion 14 may be electrically connected to receive electrical energy in a manner other than that shown in FIG.

다음으로, 도 4는 발열 섬유가 부착되는 실시형태에서 적용되는 발열 소재의 예를 도시한 것이다. 특히, 도 4의 예는 입력 포트(110)의 내벽에 설치되는 발열 소재의 구조를 도시한 것으로, 전도성 발열 고분자 물질로 이루어진 발열 섬유(12')는 그것이 부착되는 입력 포트(110)의 내면 형상과 같이 원통형으로 말린 형태로 성형될 수 있으며, 원통의 상단과 하단에는 제1 단자부(13')와 제2 단자부(14')가 형성될 수 있다. Next, Fig. 4 shows an example of a heat generating material applied in an embodiment in which heat generating fibers are attached. 4 illustrates the structure of the heat generating material provided on the inner wall of the input port 110. The heat generating fiber 12 'made of the conductive heating polymer material has an inner surface shape of the input port 110 to which the heat generating fiber 12' And a first terminal portion 13 'and a second terminal portion 14' may be formed at the upper and lower ends of the cylinder.

도 4에 도시된 것과 같이, 설치하고자 하는 위치에 대응되는 형상으로 성형된 발열 소재는 해당 위치에 접착제 등을 이용하여 부착될 수 있으며, 전위차를 갖는 전압이 제1 단자부(13') 및 제2 단자부(14')에 인가되게 함으로써 발열 섬유에 의한 가열이 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 4, the heat generating material formed in a shape corresponding to the position to be installed can be attached to the corresponding position using an adhesive or the like, and a voltage having a potential difference is applied to the first terminal portion 13 ' Heating by the heating fibers can be performed by being applied to the terminal portions 14 '.

가습기(10)가 연료전지 시스템 내부에 구비되는 점을 고려하고, 충분한 크기의 전위차를 제1 단자부(13, 13')와 제2 단자부(14, 14')에 공급하기 위해서, 발열 소재(12, 12')는 전술한 바와 같이 연료전지 스택(1)의 전력 출력단으로부터 전기적 에너지를 공급받도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 제1 단자부(13, 13')가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단에 연결되고, 제2 단자부(14, 14')가 접지될 수 있다. 다른 예로, 제1 단자부(13, 13')가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단 중 (+) 단자에 연결되고 제2 단자부(14, 14')가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단 중 (-) 단자에 연결되는 구성도 가능하다.Considering that the humidifier 10 is provided inside the fuel cell system, in order to supply a sufficiently large potential difference to the first terminal portions 13, 13 'and the second terminal portions 14, 14' , 12 'are preferably supplied with electrical energy from the power output terminal of the fuel cell stack 1 as described above. 3 and 4, the first terminal portions 13 and 13 'are connected to the power output terminal of the fuel cell stack 1, and the second terminal portions 14 and 14' are grounded have. As another example, when the first terminal portions 13 and 13 'are connected to the positive output terminal of the fuel cell stack 1 and the second terminal portions 14 and 14' are connected to the positive output terminal of the fuel cell stack 1 (-) terminal is also possible.

특히, 가습기(10) 내부 공간에 설치된 단자부(13, 13', 14, 14')로 전기적 에너지를 공급하는 외부의 전력 공급라인에는 전술한 스위치부(40)가 설치되어, 연료전지 스택(1)의 배출 공기의 온도에 기반하여 제어부(30)가 스위치부(40)를 제어함으로써 필요한 상황에 적절하게 발열 소재(12, 12')의 발열 여부를 제어할 수 있다. Particularly, the external power supply line for supplying electrical energy to the terminal portions 13, 13 ', 14 and 14' provided in the internal space of the humidifier 10 is provided with the above-described switch portion 40, The control unit 30 controls the switch unit 40 based on the temperature of the exhaust air of the heat generating material 12 or 12 '.

제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 온도에 기반하여 발열 소재(12, 12')의 발열 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 온도 센서(20)에서 배출되는 배출공기의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우, 연료전지 스택(1)이 저온 상태인 것으로 판단하고 신속한 승온을 위해서 발열 소재(12, 12')의 발열이 이루어지도록 제어할 수 있다. 도 1과 같은 실시형태에서, 제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 배출공기의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 스위치부(40)를 온 시켜 연료전지 스택(1)의 출력 전력이 가습기(10)에 설치된 발열 소재(12, 12')에 인가되게 함으로써 발열 소재(12, 12')의 발열이 이루어지게 한다. 또한, 제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 배출공기의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 높은 경우 스위치부(40)를 오프 시켜 연료전지 스택(1)의 출력을 차단함으로써 발열 소재(12, 12')의 발열을 중단시킬 수 있다. The control unit 30 can determine whether or not the heat generating materials 12 and 12 'generate heat based on the temperatures detected by the temperature sensor 20. [ For example, when the temperature of the exhaust air discharged from the temperature sensor 20 is lower than a predetermined reference temperature, the control unit 30 determines that the fuel cell stack 1 is in a low temperature state, 12, 12 ') can be controlled to be controlled. 1, when the temperature of the exhaust air detected by the temperature sensor 20 is lower than a predetermined reference temperature, the control unit 30 turns on the switch unit 40 to control the output power of the fuel cell stack 1 Is applied to the heat generating material (12, 12 ') provided in the humidifier (10), so that the heat generating material (12, 12') is heated. When the temperature of the exhaust air detected by the temperature sensor 20 is higher than a predetermined reference temperature, the control unit 30 turns off the switch unit 40 to shut off the output of the fuel cell stack 1, , 12 ') can be stopped.

여기서, 기준 온도는 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택의 냉각수 제어 목표 온도를 설정하여 냉각수 온도 제어를 수행하는데, 가습기 자체에 이한 냉각분을 고려하여 기준 온도는 연료전지 스택 냉각수 제어의 목표 온도보다 높게 결정되는 것이 바람직하다. 다만, 기준 온도가 과도하게 높게 설정되는 경우 연료전지 스택(1)의 과열이 발생할 수 있으므로 연료전지 스택 냉각수 제어의 목표 온도보다 높은 범위에서 적절하게 결정되어야 할 것이다.Here, the reference temperature may be determined based on the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell stack 1. For example, in the fuel cell system, the cooling water temperature control is performed by setting the cooling water control target temperature of the fuel cell stack, and the reference temperature is determined to be higher than the target temperature of the fuel cell stack cooling water control in consideration of the cooling water to the humidifier itself . However, if the reference temperature is set to be excessively high, overheating of the fuel cell stack 1 may occur, so it should be appropriately determined in a range higher than the target temperature of the fuel cell stack cooling water control.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 가습기(10) 내부 공간에 설치된 전도성 발열 소재에 선택적으로 전기적 에너지를 공급할 수 있으므로, 저온/저전류 환경에서 플러딩을 예방하는데 그치지 않고, 연료전지 스택(1)이 과도하게 온도 상승하여 성능 저하가 발생하는 것을 방지할 수 있다.As described above, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention can selectively supply electrical energy to the conductive heating material disposed in the space inside the humidifier 10, so that the fuel cell system not only prevents flooding in a low temperature / It is possible to prevent the fuel cell stack 1 from excessively raising its temperature and causing performance deterioration.

이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 가스 확산층에 전도성 발열 고분자 물질을 코팅하여 기공의 구조를 변화시킴으로써 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 영향을 주는 종래 기술과는 달리, 가습기(10)를 통해 연료전지 스택(1)으로 공급되는 압축 공기의 온도를 제어하여 셀 내 응축수를 제거함으로써, 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 직접적인 영향을 미치지 않고 그에 따른 성능 저하의 문제를 해소할 수 있다.In addition, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention differs from the prior art in that the gas diffusion layer is coated with a conductive heating polymer material to change the structure of pores to thereby affect an electrochemical reaction occurring in the cell itself. The temperature of the compressed air supplied to the fuel cell stack 1 through the humidifier 10 is controlled to remove the condensed water in the cell so as not to directly affect the electrochemical reaction occurring in the cell itself, Can be solved.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템 및 연료전지 제어 방법이 적용된 연료전지 스택 성능과 일반적인 연료전지 시스템의 연료전지 스택 성능을 비교하는 도면이다. 특히, 도 5는 셀 내부 응축수를 제거하기 위한 구성을 포함하지 않는 일반적인 연료전지 시스템의 실험결과를 도시한 것이고 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 실험결과를 도시한 것이다.FIGS. 5 and 6 are diagrams for comparing fuel cell stack performance with a fuel cell system and a fuel cell control method according to an embodiment of the present invention and a fuel cell stack performance of a general fuel cell system. FIG. Particularly, FIG. 5 shows experimental results of a general fuel cell system not including a configuration for removing condensed water inside a cell, and FIG. 6 shows experimental results of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6에 도시된 결과를 도출한 실험에서, 연료전지 시스템의 운전온도는 -20 ℃이고, 공기 양론비는 2:2이며, 공기 가습 방식은 막가습기를 적용하였고, 수소공급계 운전 방식은 수소 재순환 방식을 적용하였다.5 and 6, the operating temperature of the fuel cell system was -20 ° C, the stoichiometric ratio was 2: 2, the air humidification method was applied to the membrane humidifier, and the hydrogen supply system operation The hydrogen recirculation method was applied.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 일반적인 연료전지 시스템에서는 저온의 운전환경에 의해 셀 내부의 응축수가 다량 발생하여 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 4 개의 셀이 정상적인 출력이 이루어지지 않는 셀 빠짐 현상이 발생하였으며, 각 셀간의 출력 편차도 크게 나타났다.First, as shown in FIG. 5, in a general fuel cell system, a large amount of condensed water is generated in a cell due to a low-temperature operating environment, so that four cells among a plurality of cells constituting the fuel cell stack And the output deviation between each cell was also large.

이에 반해, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은 가습기(10) 내부의 발열 소재에 의해 연료전지 스택(1) 내로 고온의 압축 공기가 공급됨으로써 셀 내부의 응축수를 증발 제거시킴으로써 셀 빠짐 현상이 완전하게 제거되었으며, 특히 각 셀간의 출력도 거의 일정하게 유지되었다.6, in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the high-temperature compressed air is supplied into the fuel cell stack 1 by the heating material inside the humidifier 10, By removing the condensate water by evaporation, the cell dropping phenomenon was completely eliminated, and the power between the cells was kept almost constant.

본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although the present invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as hereinafter claimed It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

1: 연료전지 스택 10: 연료전지용 가습기
11: 케이스 12, 12': 발열 소재
110: 입력 포트 13, 13': 제1 단자부
14, 14': 제 2 단자부 20: 온도센서
30: 제어부 40: 스위치부1: Fuel cell stack 10: Humidifier for fuel cell
11: Case 12, 12 ': Heat-generating material
110: input port 13, 13 ': first terminal portion
14, 14 ': second terminal portion 20: temperature sensor
30: control unit 40: switch unit

Claims (15)

연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 제공받아 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공급가스의 습도를 조절하며 발열 소재를 포함하는 가습기;
상기 배출가스의 온도를 검출하는 온도 센서; 및
상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 제어부;
를 포함하는 연료전지 시스템.Fuel cell stack;
A humidifier including a heat-generating material for controlling the humidity of a supply gas supplied to the fuel cell stack by receiving exhaust gas discharged from the fuel cell stack;
A temperature sensor for detecting the temperature of the exhaust gas; And
A control unit for determining whether or not the heating material generates heat based on the temperature of the exhaust gas;
And a fuel cell system. 청구항 1에 있어서,
상기 가습기는 상기 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트를 포함하며,
상기 발열 소재는 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the humidifier includes a case having an inner space through which the supply gas passes, and an input port installed in the case and introducing the exhaust gas discharged from the fuel cell stack into the case,
Wherein the heat generating material is disposed in the internal space or the input port. 청구항 1에 있어서,
상기 발열 소재는 전기적 에너지를 열 에너지로 변환하는 전도성 발열 소재인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat generating material is a conductive heat generating material for converting electrical energy into thermal energy. 청구항 3에 있어서,
상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면 도포되는 전도성 발열 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
Wherein the conductive heating material is a conductive heating polymer material to be applied to a surface of a surface forming the inner space or an inner surface of the input port through which the exhaust gas passes. 청구항 3에 있어서,
상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면에 부착되는 전도성 발열 고분자 물질로 이루어진 발열 섬유인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
Wherein the conductive heating material is a heat generating fiber composed of a conductive heating polymer material adhered to a surface of a surface forming the inner space or an inner surface of the input port through which the exhaust gas passes. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 전도성 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 4 or 5,
Wherein the conductive heating material is heated by applying a voltage generated in the fuel cell stack. 청구항 6에 있어서,
상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련되어 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가 차단하는 스위치부를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 온도에 기반하여 상기 스위치부의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 6,
And a switch unit provided between the voltage output terminal of the fuel cell stack and the conductive heating material to cut off the voltage of the fuel cell stack to the conductive heating material,
Wherein the control unit controls ON / OFF of the switch unit based on a temperature detected by the temperature sensor. 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 스위치부를 온시키고 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 7,
Wherein the control unit turns on the switch unit when the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor is lower than a predetermined reference temperature and turns off the switch unit when the temperature is equal to or higher than the reference temperature. 청구항 8에 있어서,
상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 8,
Wherein the reference temperature is higher than the target temperature of the cooling water control of the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하도록 제어하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls the heating material to generate heat when the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor is lower than a predetermined reference temperature and controls the heating material not to generate heat when the temperature is equal to or higher than the reference temperature. Battery system. 청구항 10에 있어서,
상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 10,
Wherein the reference temperature is higher than the target temperature of the cooling water control of the fuel cell stack. 연료전지 스택에 공급되는 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트 및 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치되는 발열 소재를 포함하는 연료전지용 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 배출 가스의 온도를 검출하는 단계; 및
상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 단계;
를 포함하는 연료전지 시스템 제어 방법.A case having an inner space through which the supply gas supplied to the fuel cell stack passes; an input port installed in the case for introducing the exhaust gas discharged from the fuel cell stack into the case; A control method for a fuel cell system including a humidifier for a fuel cell including a heat generating material,
Detecting a temperature of the exhaust gas; And
Determining whether or not the heating material generates heat based on the temperature of the exhaust gas;
And a fuel cell system. 청구항 12에 있어서,
상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
Wherein the determining step comprises the step of: heating the heat generating material when the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined reference temperature, and not heating the heat generating material when the temperature of the exhaust gas is higher than the reference temperature. 청구항 12에 있어서,
상기 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열 되는 전도성 발열 소재이며,
상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련된 스위치부를 온 시켜 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
Wherein the heat generating material is a conductive heat generating material that generates heat when a voltage generated in the fuel cell stack is applied,
Wherein the determining step comprises the step of turning on a switch unit provided between the voltage output terminal of the fuel cell stack and the conductive heating material to lower the voltage of the fuel cell stack to the conductive heating material And turns off the switch unit when the temperature is equal to or higher than the reference temperature. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
The method according to claim 13 or 14,
Wherein the reference temperature is higher than the target temperature of the cooling water control of the fuel cell stack.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1151427A (en) * 1997-08-01 1999-02-26 Mitsubishi Rayon Co Ltd Humidifying member, and humidifier using the same
JP2006313665A (en) * 2005-05-06 2006-11-16 Kawamura Electric Inc Warming system of fuel cell
KR20100002303A (en) 2007-06-07 2010-01-06 도요타 지도샤（주） Humidifier and fuel cell system
KR20110063366A (en) 2009-12-04 2011-06-10 코오롱인더스트리 주식회사 Humidifier for fuel cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3502940B2 (en) * 1995-05-23 2004-03-02 富士電機ホールディングス株式会社 Operating method of fuel cell power generator and auxiliary power supply circuit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1151427A (en) * 1997-08-01 1999-02-26 Mitsubishi Rayon Co Ltd Humidifying member, and humidifier using the same
JP2006313665A (en) * 2005-05-06 2006-11-16 Kawamura Electric Inc Warming system of fuel cell
KR20100002303A (en) 2007-06-07 2010-01-06 도요타 지도샤（주） Humidifier and fuel cell system
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