KR20200045652A - Fuel cell system for continuously dischaging anode gas - Google Patents

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배호준
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system and, more specifically, to a fuel cell system efficiently discharging anode gas to control the hydrogen concentration of an anode. According to the present invention, to effectively discharge anode gas with a simple structure and control the hydrogen concentration of the anode therethrough, the fuel cell system including a fuel cell having a cathode and the anode comprises an orifice connected to an inlet or outlet side of the anode and discharging the anode gas in accordance with a pressure difference between front and rear ends. Accordingly, the pressure difference between the front and rear ends of the orifice is controlled by a controller, thereby controlling the flow rate of the discharged gas.

Description

연료극 연속 배기형 연료전지 시스템 {Fuel cell system for continuously dischaging anode gas}Fuel cell system for continuously dischaging anode gas}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 연료극 가스를 효과적으로 배기하여 연료극 수소 농도를 제어하기 위한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system for controlling anode hydrogen concentration by effectively exhausting anode gas.

연료 전지 시스템의 주된 구성 중 연료 전지 스택은 일종의 발전 장치로서, 공기 중의 산소와 외부에서 공급된 수소를 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.Among the main components of a fuel cell system, a fuel cell stack is a type of power generation device, and is a device that generates electrical energy by chemically reacting oxygen in the air with hydrogen supplied from the outside.

이러한 연료전지 시스템은 산업용, 가정용으로 사용될 수 있으며, 특히 차량 구동용 전력을 공급하기 위한 전력 공급원으로 사용될 수 있다.Such a fuel cell system can be used for industrial and household use, and in particular, it can be used as a power source for supplying electric power for driving a vehicle.

연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기를 포함한다.The fuel cell system applied to a fuel cell vehicle includes a fuel cell stack that generates electric energy from an electrochemical reaction of reaction gas (hydrogen as fuel and oxygen as an oxidizer), a hydrogen supply device for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack, and fuel An air supply device that supplies air containing oxygen to the cell stack, a heat and water management system that controls the operating temperature of the fuel cell stack and performs water management functions, and a fuel cell controller that controls overall operation of the fuel cell system. Includes.

통상의 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소저장부(수소탱크), 레귤레이터, 수소압력제어밸브, 수소재순환장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수 펌프, 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.In a typical fuel cell system, the hydrogen supply device includes a hydrogen storage unit (hydrogen tank), a regulator, a hydrogen pressure control valve, a hydrogen recirculation device, and the air supply device includes an air blower, a humidifier, and the like, and manages heat and water. The system includes a coolant pump, water tank, radiator and the like.

한편, 연료전지 시스템의 스택 내에서는 수소와 산소의 반응 결과물로 물이 생성되는데, 생성된 물이 스택 내에 누적되는 경우, 스택 내에 잔류하는 생성수로 인해 연료전지 시스템의 성능 저하 문제가 발생할 수 있다. 이러한 연료전지 스택의 성능 저하를 방지하기 위해 응축수 제거를 위한 응축수 리저버 및 배수 밸브가 설치되고 있다.Meanwhile, in the stack of the fuel cell system, water is generated as a reaction product of hydrogen and oxygen. When the generated water is accumulated in the stack, a problem of deterioration of the performance of the fuel cell system may occur due to the generated water remaining in the stack. . In order to prevent deterioration of the performance of the fuel cell stack, a condensate reservoir and a drain valve for removing condensate are installed.

또한, 스택 내부에서는 공기극의 질소가 전해질 막을 통해 연료극으로 크로스오버되는 현상이 나타나고, 이에 따라 연료극의 수소 농도가 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 연료극 내 수소 농도를 유지하기 위해, 연료의 재순환 라인 측에 퍼지 밸브로 불리는 배기 밸브가 설치되고, 이 배기 밸브를 통해 주기적으로 연료극 가스를 배기함으로써 연료극 수소 농도를 유지하고 있다.In addition, a phenomenon in which the nitrogen of the cathode crosses over to the anode through the electrolyte membrane occurs in the stack, and accordingly, the hydrogen concentration of the anode decreases. Therefore, in order to maintain the hydrogen concentration in the anode, an exhaust valve called a purge valve is provided on the recirculation line side of the fuel, and the anode hydrogen concentration is maintained by periodically exhausting the anode gas through the exhaust valve.

도 1은 이러한 연료전지 시스템의 예로써, 연료극의 재순환 라인 상에 응축수 리저버, 배수 밸브 및 배기 밸브가 각각 설치된 예를 도시하고 있다.1 shows an example of such a fuel cell system, in which a condensate reservoir, a drain valve, and an exhaust valve are respectively installed on the recirculation line of the anode.

즉, 공기 공급 장치로, 공기 블로워(101) 및 공기 입구 차단 밸브(102)가 연료전지 스택의 공기극(121) 전단에 설치되고, 공기 배기를 위해, 공기극(121) 후단에는 공기 출구 차단 밸브(103), 공기 압력 제어 밸브(104)가 순차적으로 설치된다.That is, as the air supply device, the air blower 101 and the air inlet shutoff valve 102 are installed at the front end of the anode 121 of the fuel cell stack, and for air exhaust, the air outlet shutoff valve at the rear end of the cathode 121 ( 103), the air pressure control valve 104 is sequentially installed.

또한, 수소가 저장된 수소 저장 시스템(105)에 연결된 수소 공급 장치로, 수소 공급 밸브(106) 및 이젝터(107)가 설치되고, 이젝터(107)를 통해 연료극으로 분사된 연료를 재순환시키기 위한 재순환 라인이 연료극 후단에 형성된다.In addition, a hydrogen supply device connected to the hydrogen storage system 105 in which hydrogen is stored, a hydrogen supply valve 106 and an ejector 107 are installed, and a recirculation line for recirculating fuel injected into the anode through the ejector 107 It is formed at the rear end of the anode.

이러한 재순환 라인 상에는 도 1에서와 같이 응축수 포집을 위한 응축수 리저버(108)가 설치되고, 응축수 리저버 내에 일정 수위 이상의 응축수가 포집된 경우, 이를 배출하기 위한 배수 밸브(110)가 설치된다. 또한, 재순환 라인 상에는 수소 퍼징을 위한 배기 밸브(109)가 설치되고, 이러한 배기 밸브(109)를 개방시킴에 따라 연료극 내 가스를 배기시킬 수 있도록 구성된다.On this recirculation line, a condensate reservoir 108 for collecting condensate is installed as shown in FIG. 1, and when a certain level of condensate is collected in the condensate reservoir, a drain valve 110 for discharging it is installed. In addition, an exhaust valve 109 for purging hydrogen is installed on the recirculation line, and is configured to exhaust gas in the anode by opening the exhaust valve 109.

따라서, 도 1과 같은 연료전지 시스템에서 연료극의 수소 농도 제어는 배기 밸브의 제어를 통해 이루어진다. 즉, 배기 밸브를 노멀리 클로즈드 밸브로 구성하고, 연료극 수소 농도가 낮아질 경우, 일시적으로 배기 밸브를 동작시켜 배기 과정을 진행함으로써 질소를 포함한 불순물을 배출하여 수소 농도를 유지하게 된다.Therefore, in the fuel cell system as shown in FIG. 1, the hydrogen concentration control of the anode is performed through the control of the exhaust valve. That is, when the exhaust valve is configured as a normally closed valve, and the anode hydrogen concentration is lowered, the exhaust valve is temporarily operated to exhaust the impurities including nitrogen, thereby maintaining the hydrogen concentration.

도 2 및 도 3은 도 1에 따른 연료전지 시스템에서 연료극 수소 농도 제어를 실시하는 것으로, 도 2는 도 1에 따른 연료전지 시스템에서의 배기 밸브 제어 및 그에 따른 수소 농도 변화를 도시한 것이고, 도 3은 그에 따른 배기 유량 변화를 도시한 것이다. 2 and 3 are to perform the anode hydrogen concentration control in the fuel cell system according to Figure 1, Figure 2 shows the exhaust valve control in the fuel cell system according to Figure 1 and the resulting hydrogen concentration change, Figure 3 shows the change in the exhaust flow rate accordingly.

도 2의 하단에서와 같이 배기 밸브의 온/오프 제어를 통해 수소 농도를 제어할 경우, 도 2 상단 그래프에서와 같이, 수소 농도를 일정하게 관리하기 어려운 문제가 있으며, 수소 농도가 일시적으로 높아지고 도 3에서와 같이 불필요한 배기량이 많아지게 되어 연비에 악영향을 초래하게 된다.When the hydrogen concentration is controlled through on / off control of the exhaust valve as in the lower part of FIG. 2, as shown in the upper graph of FIG. 2, there is a problem that it is difficult to constantly manage the hydrogen concentration. As in 3, unnecessary displacement increases, which adversely affects fuel economy.

또한, 배기 밸브 동작시에 소음이 발생하고, 원가 상승 및 밸브를 포함한 구동계의 불량 발생 가능성이 존재한다.In addition, noise is generated during the operation of the exhaust valve, and there is a possibility of a rise in cost and a defect in the drive system including the valve.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에서는 별도의 퍼징 밸브를 적용하지 않고, 단순한 구조로도 효과적인 연료극 가스의 배기를 실시하고, 이를 통해 연료극 수소 농도 제어가 가능한 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.In the present invention, to solve the problems as described above, the present invention does not apply a separate purging valve, it is possible to exhaust the anode gas effectively with a simple structure, and through this, the anode continuous exhaust type fuel capable of controlling the anode hydrogen concentration It is an object to provide a battery system.

상기한 목적을 달성함에 있어서, 본 발명에서는 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료극의 입구 또는 출구 측에 연결되며, 전후단의 차압에 따라 연료극 측 가스를 배기할 수 있도록 형성된 오리피스를 포함하고, 제어기에 의해, 상기 오리피스 전후단의 차압을 제어하여 배기 유량을 제어할 수 있도록 구성된 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 제공한다.In achieving the above object, in the present invention, in the fuel cell system including a fuel cell including an air electrode and a fuel electrode, it is connected to the inlet or outlet side of the anode, and exhausts the anode side gas according to the differential pressure at the front and rear ends. It provides an anode continuous exhaust type fuel cell system including an orifice formed so as to be able to control an exhaust flow rate by controlling a differential pressure at the front and rear ends of the orifice.

또한, 상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소공급장치; 및 상기 연료극의 출구 측으로부터 상기 수소공급장치로 연료극 측 가스를 재순환시키기 위한 재순환 라인을 더 포함하고, 상기 오리피스는 상기 재순환 라인과 공기극 출구 측 배기 라인을 연결하는 연속 배기 유로 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 제공한다.In addition, a hydrogen supply device for supplying hydrogen to the anode; And a recirculation line for recirculating the gas on the anode side from the outlet side of the anode to the hydrogen supply device, wherein the orifice is formed on a continuous exhaust flow path connecting the recirculation line and the exhaust line on the cathode outlet side. An anode continuous exhaust type fuel cell system is provided.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-described problem solving means, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 수소 배기를 위한 별도의 구동 부품이 단순한 부품으로 전환되어 원가 절감 효과 기대 가능 하다According to the present invention, a separate driving component for hydrogen exhaust is converted to a simple component, and thus a cost reduction effect can be expected.

또한, 일시적으로 배기 밸브를 동작시켜 배기하는 구동 방식 대비 소음 발생이 없어 NVH 성능 개선이 가능 하다.In addition, it is possible to improve the NVH performance because there is no noise generated compared to the driving method of exhausting by temporarily operating the exhaust valve.

또한, 연료극 농도를 일정한 수준으로 제어가능하기 때문에, 농도 변동 폭이 감소하고, 연료극 수소 농도를 최적 농도로 지속 유지하는 것이 가능 하다.In addition, since the anode concentration can be controlled at a constant level, the concentration fluctuation width is reduced and it is possible to continuously maintain the anode hydrogen concentration at the optimum concentration.

또한, 본 발명에 따르면, 주차시 별도의 배기 퍼징을 필요로 하지 않기 때문에, 주차시 배기 퍼징을 위한 구동품 및 관련 밸브의 결빙 문제를 해소할 수 있다.In addition, according to the present invention, since there is no need for a separate exhaust purging during parking, it is possible to solve the freezing problem of a driving product and related valves for purging exhaust during parking.

또한, 본 발명에 따르면, 일정한 배기를 통해 배기 수소농도의 피크가 없이 낮은 상태로 유지 가능 하다.Further, according to the present invention, it is possible to maintain a low state without a peak of exhaust hydrogen concentration through constant exhaust.

또한, 본 발명에 따르면, 주차시 공기극에 수소공급을 위한 구성이 용이하다. In addition, according to the present invention, the configuration for supplying hydrogen to the cathode during parking is easy.

도 1은 종래의 연료전지 시스템의 일반적인 구성을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 따른 연료전지 시스템에서의 배기 밸브 제어 및 그에 따른 수소 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1에 따른 연료전지 시스템에서의 배기 밸브 제어 및 그에 따른 배기 유량 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제7실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에서의 수소 농도 제어 방법을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에서 오리피스를 통한 배기 유량 변화를 도시한 그래프이다.1 shows a general configuration of a conventional fuel cell system.
FIG. 2 is a graph showing exhaust valve control in the fuel cell system according to FIG. 1 and changes in hydrogen concentration accordingly.
3 is a graph showing exhaust valve control in the fuel cell system according to FIG. 1 and changes in the exhaust flow rate accordingly.
4 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
5 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
6 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
7 shows a cathode continuous exhaust type fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
8 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention.
9 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a sixth embodiment of the present invention.
10 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a seventh embodiment of the present invention.
11 shows a method for controlling hydrogen concentration in an anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention.
12 is a graph showing a change in exhaust flow rate through an orifice in an anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention can be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited to the following embodiments. This embodiment is provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지를 포함한다. 본 발명에서 연료전지라 함은 공기극과 연료극을 포함하는 단일 셀과 이러한 단일 셀들 다수가 적층되어 형성된 연료전지 스택을 총괄하여 지칭한다.The anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention includes an anode and a fuel cell including the anode. In the present invention, a fuel cell collectively refers to a single cell including an air electrode and a fuel cell, and a fuel cell stack formed by stacking a plurality of such single cells.

또한, 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에는 상기 연료극의 입구 또는 출구 측에 연결되며, 전후단의 차압에 따라 연료극 측 가스를 배기할 수 있도록 형성된 오리피스가 형성된다. 이러한 오리피스는 연료극 배기를 위한 구성으로, 질소 크로스오버량에 대응할 수 있는 수준의 연료극 배기량을 제공할 수 있도록 설치된다. 따라서, 본 발명에서의 오리피스는 공기극과 연료극이 제약 없이 직접 연통되는 통로를 의미하는 것으로 해석될 수 있다.In addition, the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention is connected to the inlet or outlet side of the anode, and an orifice formed to exhaust the gas on the anode side is formed according to the differential pressure at the front and rear ends. The orifice is configured to exhaust the anode, and is installed to provide the anode displacement at a level corresponding to the nitrogen crossover amount. Therefore, the orifice in the present invention can be interpreted to mean a passage through which the cathode and the anode are in direct communication without restriction.

이러한 오리피스는 상기 공기극의 출구 측에 형성되는 배기 라인에 연결될 수 있으며, 상기 공기극의 출구 측 배기 라인을 통해 가스를 배출할 수 있도록 구성될 수 있다.The orifice may be connected to an exhaust line formed on the outlet side of the cathode, and may be configured to discharge gas through an exhaust line on the outlet side of the cathode.

또한, 상기 연료전지 시스템을 제어하기 위한 제어기가 포함되며, 이러한 제어기는 오리피스 전후단의 차압을 제어하여 배기 유량을 제어할 수 있도록 구성된다. In addition, a controller for controlling the fuel cell system is included, and the controller is configured to control the differential pressure at the front and rear ends of the orifice to control the exhaust flow rate.

연료극 배기는 질소 크로스오버에 따른 질소 농도 증가를 막기 위한 기능이므로, 질소 크로스오버량에 대응하도록 오리피스 사이즈를 결정하고, 공기극 입구, 혹은 출구에 연결되도록 설치한다.The anode exhaust is a function to prevent the increase in nitrogen concentration due to nitrogen crossover, so the orifice size is determined to correspond to the nitrogen crossover amount, and is installed to be connected to the inlet or outlet of the cathode.

특히 오리피스 사이즈는 연료극 배기를 통해 배출되는 질소량이 공기극과 연료극 간의 질소 크로스오버량보다 크도록 설정하여 크로스오버로 증가된 질소만큼 신규 수소가 공급될 수 있도록 구성한다.In particular, the orifice size is set so that the amount of nitrogen discharged through the anode exhaust is greater than the amount of nitrogen crossover between the cathode and the anode so that new hydrogen can be supplied as much as the nitrogen increased by the crossover.

상기 오리피스의 크기는 아래 수학식 1을 만족하도록 결정한다.The size of the orifice is determined to satisfy Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

(QN2: 연료전지의 질소 크로스오버량, CH2: 수소 농도 관리 목표값, Pdiff: 공기극/연료극 기준 제어 차압, QH2N2: Pdiff 조건에서 배출 가능한 연료극 가스 유량)(Q N2 : Nitrogen crossover amount of fuel cell, C H2 : Hydrogen concentration management target value, P diff : Air / electrode reference control differential pressure, Q H2N2 : Electrode gas flow rate that can be discharged under P diff condition)

즉, 위 수학식 1에서 좌측 텀은 연료전지의 질소 크로스오버량을 의미하는 것이므로, 수학식 1의 우측 텀이 클 경우, 공기극/연료극 기준 제어 차압 조건에서의 연료극 질소 배출 유량이 질소 크로스오버량을 초과하게 되는 것을 의미하고, 따라서, 질소 크로스오버량 이상으로 신규 수소가 공급됨에 따라 수소 농도가 유지될 수 있게 된다.That is, in the above equation (1), the left term means the amount of nitrogen crossover in the fuel cell. Therefore, when the right term of equation (1) is large, the anode nitrogen discharge flow rate at the cathode / anode reference control differential pressure condition is the nitrogen crossover amount. It means exceeding, and thus, the hydrogen concentration can be maintained as new hydrogen is supplied above the nitrogen crossover amount.

이때 오리피스 위치는 배수 밸브와 같은 별도의 밸브 상에 설치될 수 있으며, 이 경우, 밸브 내부에 오리피스로 기능하는 별도 바이패스 홀을 형성하고, 이 바이패스 홀을 통해 일정한 유량의 가스가 배기 측으로 배출되도록 구성할 수 있다. 이 경우, 바이패스 홀의 직경은 배수 밸브의 출구의 직경 보다 작게 형성되어야 한다. 또한, 상기 오리피스는 재순환 유로에 설치될 수 있으며, 또는 연료전지 스택 자체, 즉, 스택의 엔드플레이트나 분리판 상에 직접 형성될 수 있다.At this time, the orifice position can be installed on a separate valve, such as a drain valve, in this case, forming a separate bypass hole that functions as an orifice inside the valve, and through this bypass hole, a constant flow of gas is discharged to the exhaust side It can be configured as much as possible. In this case, the diameter of the bypass hole should be formed smaller than the diameter of the outlet of the drain valve. In addition, the orifice may be installed in the recirculation flow path, or may be formed directly on the fuel cell stack itself, that is, on the end plate or separator plate of the stack.

도 4에서는 본 발명의 제1실시예를 도시하고 있는 바, 이하 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 상세하게 설명한다.4 shows a first embodiment of the present invention, the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4 below.

도 4에 도시된 시스템은 도 1의 구성과 유사하나, 연료극의 재순환 라인과 공기극 출구 측의 배기 라인 사이에 오리피스(430a)가 형성된다는 점에서 차이가 있다. 즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템은 도 1의 구성과는 달리, 재순환 라인 상에 오리피스(430a)를 형성하고, 이 오리피스(430a)의 전후단이 각각 공기극 배기 측 및 연료극 재순환 라인 상에 연결되도록 구성하는 것에 특징이 있다.The system shown in FIG. 4 is similar to the configuration of FIG. 1, but differs in that an orifice 430a is formed between the recirculation line of the anode and the exhaust line at the cathode outlet side. That is, in the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, unlike the configuration of FIG. 1, orifices 430a are formed on a recirculation line, and front and rear ends of the orifices 430a are respectively exhausted from the cathode. It is characterized by being configured to be connected to the side and anode recirculation lines.

구체적으로, 도 4를 참조하면, 공기 공급 장치로, 공기 블로워(401) 및 공기 입구 차단 밸브(402)가 연료전지 스택의 공기극(421) 전단에 설치되고, 공기 배기를 위해, 공기극(421) 후단에는 공기 출구 차단 밸브(403), 공기 압력 제어 밸브(404)가 순차적으로 설치된다.Specifically, referring to FIG. 4, as an air supply device, an air blower 401 and an air inlet shutoff valve 402 are installed at the front end of the cathode 421 of the fuel cell stack, and for exhausting air, the cathode 421 At the rear end, an air outlet shutoff valve 403 and an air pressure control valve 404 are sequentially installed.

또한, 수소가 저장된 수소 저장 시스템(405)에 연결된 수소 공급 장치로, 수소 공급 밸브(406) 및 이젝터(407)가 설치되는데, 도 4에서와 같이, 연료극(422) 후단에는 상기 연료극(422)의 출구 측으로부터 상기 이젝터(407)로 연료극(422) 측 가스를 재순환시키기 위한 재순환 라인이 형성된다. 본 명세서에서는 수소 공급 장치로, 수소 공급 밸브와 이젝터, 그리고 이젝터 측으로 연료극 가스를 재순환시키는 재순환 라인을 포함하는 예를 토대로 설명하고 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐, 다른 형태의 수소 공급 장치가 포함된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.In addition, as a hydrogen supply device connected to the hydrogen storage system 405 in which hydrogen is stored, a hydrogen supply valve 406 and an ejector 407 are installed. As shown in FIG. 4, the anode 422 is disposed at the rear end of the anode 422. A recirculation line for recirculating gas on the anode 422 side from the outlet side of the to the ejector 407 is formed. In the present specification, a hydrogen supply device is described based on an example including a hydrogen supply valve and an ejector, and a recirculation line for recirculating anode gas toward the ejector, but this is only an example, and other types of hydrogen supply devices are included. The same can be applied to the case.

이러한 재순환 라인 상에는 응축수 포집을 위한 응축수 리저버(408)가 설치되고, 응축수 리저버(408) 내에 일정 수위 이상의 응축수가 포집된 경우, 이를 배출하기 위한 배수 밸브(409)가 설치된다. A condensate reservoir 408 for collecting condensate is installed on the recirculation line, and when a certain level of condensate is collected in the condensate reservoir 408, a drain valve 409 for discharging it is installed.

한편, 상기 오리피스(430a)는 상기 재순환 라인과 공기극(421) 출구 측 배기 라인을 연결하는 연속 배기 유로(440a) 상에 형성된다. Meanwhile, the orifice 430a is formed on a continuous exhaust flow path 440a connecting the recirculation line and the exhaust line at the outlet side of the cathode 421.

상기 공기극(421) 출구 측 배기 라인에는 공기출구 차단 밸브(403) 및 공기압력 제어 밸브(404)가 설치되며, 제1실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에서는, 상기 오리피스(430a)가 상기 연속 배기 유로(440a)를 통해 상기 공기출구 차단 밸브(403) 전단에 연결되도록 구성된다.An air outlet shutoff valve 403 and an air pressure control valve 404 are installed in the exhaust line at the outlet side of the cathode 421, and in the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the first embodiment, the orifice 430a is the It is configured to be connected to the front end of the air outlet shut-off valve 403 through a continuous exhaust passage 440a.

또한, 도 4에서와 같이, 상기 연료극과 상기 공기극의 차압을 관리하기 위하여 설치되는 연료극 측 압력센서(411) 및 공기극 측 압력 센서(412)가 설치될 수 있다. 이러한 압력 센서들은 연료극 측 압력 및 공기극 측 압력 정보를 각각 검출하여, 이로부터 연료극과 공기극 간의 차압을 제어하게 된다. 따라서, 이러한 압력 센서들은 각각의 압력 정보를 얻을 수 있는 것이면 족하고, 압력을 직접 검출하는 센서 이외에 압력 추정이 가능한 다른 구성으로 치환이 가능하다. 이 때, 도 4에서 재순환 라인 상에 설치되는 압력 센서를 통해, 연료극 측의 압력 정보를 얻을 수 있으며, 공기극의 배기 측에 설치된 압력 센서를 통해서는 공기극 측 압력 정보를 얻을 수 있다. In addition, as shown in FIG. 4, an anode-side pressure sensor 411 and an anode-side pressure sensor 412 installed to manage the pressure difference between the anode and the cathode may be installed. These pressure sensors detect the pressure on the anode side and the pressure on the anode side, respectively, and control the differential pressure between the anode and the anode. Therefore, these pressure sensors are sufficient as long as each pressure information can be obtained, and it is possible to substitute other configurations capable of estimating pressure, in addition to sensors that directly detect pressure. At this time, in FIG. 4, pressure information on the anode side can be obtained through the pressure sensor installed on the recirculation line, and pressure information on the cathode side can be obtained through the pressure sensor installed on the exhaust side of the cathode.

또한, 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에는 상기 연료극 수소 농도를 확인하기 위한 연료극 농도 측정기(410)를 포함하도록 구성할 수 있다. 이러한 연료극 농도 측정기(410)는 연료극의 수소 농도를 확인할 수 있도록 구성되고, 역시 수소 농도를 직접 검출하거나 또는 수소 농도 정보를 추정할 수 있는 장치일 수 있다. In addition, the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention may be configured to include an anode concentration meter 410 for checking the anode hydrogen concentration. The anode concentration meter 410 is configured to check the hydrogen concentration of the anode, and may also be a device capable of directly detecting hydrogen concentration or estimating hydrogen concentration information.

따라서, 제어기는 이와 같은 압력센서들(412, 412) 및/또는 연료극 농도 측정기(410)가 설치되는 경우에는 이러한 장치들로부터 압력 정보 및/또는 연료극 수소 농도 정보를 제공받을 수 있다. 또한, 상기 제어기는 제공받은 정보를 이용하여, 오리피스(430a) 전후단의 목표 차압, 즉, 연료극과 공기극 간의 차압을 적절히 증감 제어함으로써 연료극 수소 농도를 원하는 수준으로 실시간 제어할 수 있게 된다.Accordingly, the controller may receive pressure information and / or anode hydrogen concentration information from these devices when such pressure sensors 412 and 412 and / or anode concentration meter 410 are installed. In addition, the controller can control the anode hydrogen concentration to a desired level in real time by appropriately increasing or decreasing the target differential pressure between the front and rear ends of the orifice 430a, that is, the differential pressure between the anode and the cathode using the provided information.

이와 관련, 도 11은 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에서의 수소 농도 제어 방법을 도시한 것이다.In this regard, FIG. 11 shows a method for controlling hydrogen concentration in an anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention.

도 4에서와 같이, 연료극/공기극 간 최소 차압이 미리 결정되고, 기결정된 최소 차압 정보는 제어기에 저장된다.As in FIG. 4, the minimum differential pressure between the anode / air pole is predetermined, and the predetermined minimum differential pressure information is stored in the controller.

제어기에서는 공기가 공급 중인지를 확인하고, 공기가 공급 중이라면, 연료극 수소 농도를 측정(또는 추정)하게 된다. The controller checks whether the air is being supplied, and if the air is being supplied, the anode hydrogen concentration is measured (or estimated).

상기 제어기는 목표 수소농도가 상기 연료극 농도 측정기(410)로부터 측정된 연료극 수소 농도, 즉, 측정 수소농도 보다 더 큰 경우, 상기 오리피스 전후단의 목표 차압이 증가하도록 제어하고, 상기 목표 수소농도가 상기 측정 수소농도 보다 작거나 같은 경우, 상기 오리피스 전후단의 목표 차압이 감소하도록 제어한다.When the target hydrogen concentration is greater than the anode hydrogen concentration measured from the anode concentration meter 410, that is, the measured hydrogen concentration, the controller controls to increase the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice, and the target hydrogen concentration is the If it is less than or equal to the measured hydrogen concentration, the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice is controlled to decrease.

이는 목표 수소 농도가 측정 수소 농도 보다 크다면 더욱 많은 량의 연료극 가스의 배기가 필요한 상황이므로, 오리피스 전후단의 목표 차압을 증가시켜 배기량을 증가시키기 위함이다. 반면, 목표 수소 농도가 측정 수소 농도 보다 작거나 같다면 연료극 배기량을 줄여도 되는 상황이므로, 오리피스 전후단의 목표 차압을 감소시켜 배기량을 감소시키게 된다.This is to increase the displacement by increasing the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice, since a larger amount of anode gas exhaust is required if the target hydrogen concentration is greater than the measured hydrogen concentration. On the other hand, if the target hydrogen concentration is less than or equal to the measured hydrogen concentration, the anode displacement may be reduced, so the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice is reduced to reduce the displacement.

이때, 상기 제어기는 수소 공급 밸브(406)의 압력 제어를 실시하여 상기 연료극의 목표 압력을 증감시키게 되고, 연료극의 목표 압력의 증감에 따라 상기 오리피스 전후단의 차압을 제어하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 오리피스 전후단의 목표 차압을 증대시키는 경우라면, 연료극 목표 압력을 올리고 이에 맞게 수소 공급 밸브(406)의 압력 제어 실시하게 된다. 반면, 오리피스 전후단의 목표 차압을 감소시키기 위해서라면, 연료극 목표 압력을 낮추고 이에 맞게 수소 공급 밸브(406)의 압력 제어 실시하게 된다.At this time, the controller may be configured to perform pressure control of the hydrogen supply valve 406 to increase or decrease the target pressure of the anode, and to control the differential pressure of the front and rear ends of the orifice according to the increase or decrease of the target pressure of the anode. For example, if the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice is increased, the target pressure of the anode is raised and pressure control of the hydrogen supply valve 406 is performed accordingly. On the other hand, in order to reduce the target differential pressure at the front end of the orifice, the target pressure of the anode is lowered and pressure control of the hydrogen supply valve 406 is performed accordingly.

한편, 상기 제어기는 상기 목표 차압이 미리 설정된 연료극과 공기극 간의 최소 차압 보다 작은 경우, 상기 목표 차압을 상기 최소 차압으로 하여 제어하게 된다. 이는 연료극과 공기극 간의 차압이 과도하게 낮아질 경우, 공기극에서 연료극으로 공기가 역류할 수 있으므로, 이를 방지하기 위함이다.On the other hand, when the target differential pressure is smaller than the minimum differential pressure between the preset anode and the cathode, the controller controls the target differential pressure as the minimum differential pressure. This is to prevent this, because when the differential pressure between the anode and the cathode is excessively low, air may flow back from the cathode to the anode.

도 12는 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에서 오리피스를 통한 배기 유량 변화를 도시한 그래프이다.12 is a graph showing a change in exhaust flow rate through an orifice in an anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention.

도 12에서 확인할 수 있는 것과 같이, 본 발명에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템에서는 종래의 기술 보다 배기 유량을 일정하게 관리할 수 있으며, 연료극 농도 변화도 큰 폭으로 발생하지 않게 된다. 또한, 배기 밸브를 적용하지 않으므로 소음 발생도 없게 된다. As can be seen in FIG. 12, in the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the present invention, the exhaust flow rate can be managed more consistently than in the prior art, and a change in the anode concentration does not occur significantly. In addition, no noise is generated because the exhaust valve is not applied.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로, 제2실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것이다. 5 is another embodiment of the present invention, and shows the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the second embodiment.

도 5의 제2실시예는 오리피스 해빙용 히터(450)가 추가로 설치되는 것을 제외하고는 도 4의 제1실시예와 동일하다. 즉, 이러한 오리피스 해빙용 히터(450)는 오리피스가 결빙되어 막힐 경우를 대비하여 설치되며, 따라서 오리피스 주변을 가열하여 결빙된 것을 다시 해빙시킬 수 있도록 상기 오리피스 주변에 설치된다.The second embodiment of FIG. 5 is the same as the first embodiment of FIG. 4, except that the heater 450 for orifice thawing is additionally installed. That is, the orifice thawing heater 450 is installed in case the orifice is frozen and clogged, and thus is installed around the orifice to heat the periphery of the orifice to thaw the frozen ones again.

만약 시스템이 정지 상태로 전환될 경우, 예를 들어 주차 상태에서는, 현재의 연료전지 시스템에서는 스택의 전압발생을 억제하기 위해 공기극에 산소를 제거하고 있다. 이를 위해 공기극에 수소가 공급되어 빠른 셀 전압 제거 및 연료전지스 스택 내구성 확보라는 부가 효과를 얻을 수 있는데, 이 경우, 스택 내부에 생성된 물로 인해 오리피스가 결빙될 우려가 있다. If the system is switched to a stationary state, for example in a parking state, current fuel cell systems are removing oxygen from the cathode to suppress voltage build-up in the stack. To this end, hydrogen is supplied to the cathode to obtain an additional effect of rapidly removing cell voltage and securing the durability of the fuel cell stack. In this case, there is a fear that the orifice is frozen due to the water generated inside the stack.

따라서, 제2실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템의 경우, 이러한 오리피스 결빙 시에 히터(450)를 구동시켜 지속적이고 일정한 배기 환경을 제공해 줄 수 있게 된다.Therefore, in the case of the anode continuous exhaust type fuel cell system according to the second embodiment, it is possible to provide a continuous and constant exhaust environment by driving the heater 450 during such orifice freezing.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것으로, 제3실시예의 경우, 오리피스가 연료전지 내부에서 연료극 입구와 공기극 입구 측을 연결하도록 구성된다는 점을 제외하고는 제1실시예와 특별한 차이가 없다.6 illustrates an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a third embodiment of the present invention, except that in the case of the third embodiment, the orifice is configured to connect the anode inlet and the cathode inlet side inside the fuel cell. Is not particularly different from the first embodiment.

즉, 상기 연료전지 내부에는 상기 공기극의 입구 측에서, 상기 연료극과 상기 공기극을 직접 연결하는 연속 배기 유로(440b)가 형성되고, 상기 오리피스(430b)는 상기 연속 배기 유로(440b) 상에 형성되도록 구성된다. 이 경우, 연료극과 공기극의 차압에 의해 공기극 입구 측의 오리피스(430b)를 통해 연료극 측 가스가 배기될 수 있다.That is, inside the fuel cell, a continuous exhaust flow path 440b directly connecting the anode and the cathode is formed at the inlet side of the cathode, and the orifice 430b is formed on the continuous exhaust flow path 440b. It is composed. In this case, the gas on the anode side may be exhausted through the orifice 430b on the cathode inlet side by the pressure difference between the anode and the cathode.

또한, 본 발명의 제4실시예로써, 도 7에서와 같이, 상기 연료전지 내부에는 상기 공기극의 출구 측에서, 상기 연료극과 상기 공기극을 직접 연결하는 연속 배기 유로(440c)가 형성되고, 상기 오리피스(430c)는 상기 연속 배기 유로(440c) 상에 형성되도록 구성할 수도 있다. 이 경우에도 연료극과 공기극의 차압에 의해 공기극 입구 측의 오리피스(430c)를 통해 연료극 측 가스가 지속적으로 배기된다.In addition, as a fourth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, inside the fuel cell, a continuous exhaust flow path 440c connecting the anode and the cathode directly is formed at the outlet side of the cathode, and the orifice 430c may be configured to be formed on the continuous exhaust flow path 440c. Even in this case, the gas on the anode side is continuously exhausted through the orifice 430c on the cathode inlet side by the pressure difference between the anode and the cathode.

도 6 및 도 7의 실시예의 경우, 연료전지 내부에 오리피스를 형성하는 것으로, 바람직하게는 이러한 오리피스를 엔드플레이트, 분리판 등에 직접 형성하고, 상기 오리피스를 통해 연료극과 공기극이 직접 연결되도록 구성할 수 있다.In the case of the embodiment of FIGS. 6 and 7, the orifice is formed inside the fuel cell, preferably such an orifice is directly formed on an end plate, a separation plate, etc., and the anode and the cathode can be directly connected through the orifice. have.

도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것으로, 제5실시예의 경우, 오리피스(430d)가 연속 배기 유로(440d)를 통해 상기 공기압력 제어 밸브(404) 후단에 연결되는 것을 제외하고는 도 5의 제2실시예와 동일하다. 물론, 도 8의 제5실시예의 경우에도 히터(450)를 제외한 제1실시예와 같이 구성될 수 있다.8 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention. In the case of the fifth embodiment, the orifice 430d has the air pressure control valve 404 through the continuous exhaust flow path 440d. It is the same as the second embodiment of Fig. 5 except that it is connected to the rear end. Of course, the fifth embodiment of FIG. 8 can also be configured as in the first embodiment except for the heater 450.

도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것으로, 상기 오리피스(430e)는 상기 재순환 라인과 공기극 입구 측 공기 공급 라인을 연결하는 연속 배기 유로(440e) 상에 형성되는 것을 제외하고는 도 5의 제2실시예와 동일하다. 물론, 도 9의 제6실시예의 경우에도 히터(450)를 제외한 제1실시예와 같이 구성될 수 있다.9 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a sixth embodiment of the present invention, wherein the orifice 430e is on a continuous exhaust passage 440e connecting the recirculation line and the air supply line at the cathode inlet side. It is the same as the second embodiment of Figure 5 except that it is formed. Of course, in the case of the sixth embodiment of FIG. 9, it may be configured as in the first embodiment except for the heater 450.

또한, 도 10은 본 발명의 제7실시예에 따른 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템을 도시한 것으로, 배수 밸브(409)에 오리피스(430f)를 직접 형성한 예이다.10 shows an anode continuous exhaust type fuel cell system according to a seventh embodiment of the present invention, and is an example in which an orifice 430f is directly formed in the drain valve 409.

이러한 예에서는 응축수 리저버(408) 내의 물을 배출할 수 있도록 구성되며, 공기극 출구 측 배기 라인에 연결되는 배수 밸브(409)를 포함하고, 상기 오리피스(430f)는 상기 배수 밸브(409)를 거치지 않고 상기 공기극 출구 측 배기 라인으로 유체를 배출할 수 있도록 상기 배수 밸브(409) 상에 직접 형성된다. 예를 들어, 상기 오리피스(430f)는 배수 밸브(409)의 플런저에 간섭되지 않는 위치에 형성되며, 바이패스 유로로 기능하는 연속 배기 유로(440f)를 통해 공기극 출구 측 배기 라인에 직접 연결된다.In this example, it is configured to discharge water in the condensate reservoir 408, and includes a drain valve 409 connected to the exhaust line on the cathode outlet side, and the orifice 430f does not pass through the drain valve 409 It is formed directly on the drain valve 409 to discharge fluid to the air outlet side exhaust line. For example, the orifice 430f is formed at a position that does not interfere with the plunger of the drain valve 409, and is directly connected to the exhaust line at the cathode outlet side through a continuous exhaust channel 440f functioning as a bypass channel.

이 경우, 배수 밸브(409)를 동작시키기 않더라도 배수 밸브(409) 전단의 연료극 측 압력과 공기극 배기 라인 측의 압력 차이에 의해, 오리피스(430f)를 통해 연속적인 배기 기능이 수행될 수 있다.In this case, even if the drain valve 409 is not operated, a continuous exhaust function may be performed through the orifice 430f by a difference between the pressure at the anode side and the cathode exhaust line side before the drain valve 409.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.As described above, although the embodiments of the present invention have been described and described, those skilled in the art may add, change, delete, or delete components within the scope of the present invention described in the claims. The present invention may be modified and modified in various ways by addition or the like, and this will also be included within the scope of the present invention.

나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.Furthermore, when it is determined that a detailed description of known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in describing embodiments of the present invention, the detailed description is omitted. In addition, the terms used above are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or practice. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification. Therefore, the detailed description of the above invention is not intended to limit the present invention to the disclosed embodiments, and the appended claims should be interpreted to include other embodiments.

401: 공기 블로워 402: 공기 입구 차단 밸브
403: 공기 출구 차단 밸브 404: 공기 압력 제어 밸브
405: 수소 저장 시스템 406: 수소 공급 밸브
407: 이젝터 408: 응축수 리저버
409: 배수 밸브 410: 연료극 농도 측정기
411: 연료극 측 압력 센서 412: 공기극 측 압력 센서
421: 공기극 422: 연료극
423: 냉각유로
430a, 430b, 430c, 430d, 430e, 430f: 오리피스
440a, 440b, 440c, 440d, 440e, 440f: 연속 배기 유로
450: 히터401: air blower 402: air inlet shutoff valve
403: air outlet shutoff valve 404: air pressure control valve
405: hydrogen storage system 406: hydrogen supply valve
407: ejector 408: condensate reservoir
409: drain valve 410: anode concentration meter
411: anode side pressure sensor 412: cathode side pressure sensor
421: air electrode 422: fuel electrode
423: cooling passage
430a, 430b, 430c, 430d, 430e, 430f: Orifice
440a, 440b, 440c, 440d, 440e, 440f: continuous exhaust flow path
450: heater

Claims (16)

공기극과 연료극을 포함하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
상기 연료극의 입구 또는 출구 측에 연결되며, 전후단의 차압에 따라 연료극 측 가스를 배기할 수 있도록 형성된 오리피스를 포함하고,
제어기에 의해, 상기 오리피스 전후단의 차압을 제어하여 배기 유량을 제어할 수 있도록 구성된 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.In the fuel cell system comprising a fuel cell comprising an anode and a cathode,
It is connected to the inlet or outlet side of the anode, and includes an orifice formed to exhaust the gas on the anode side according to the differential pressure at the front and rear ends,
An anode continuous exhaust type fuel cell system configured to control an exhaust pressure by controlling a differential pressure at the front and rear ends of the orifice by a controller. 청구항 1에 있어서,
상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소공급장치; 및
상기 연료극의 출구 측으로부터 상기 수소공급장치로 연료극 측 가스를 재순환시키기 위한 재순환 라인을 더 포함하고,
상기 오리피스는 상기 재순환 라인과 공기극 출구 측 배기 라인을 연결하는 연속 배기 유로 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A hydrogen supply device for supplying hydrogen to the anode; And
Further comprising a recirculation line for recirculating the gas on the anode side to the hydrogen supply from the outlet side of the anode,
The orifice is formed on a continuous exhaust flow path connecting the recirculation line and the exhaust line on the cathode outlet side. The anode continuous exhaust type fuel cell system. 청구항 2에 있어서,
상기 공기극 출구 측 배기 라인에는 공기출구 차단 밸브 및 공기압력 제어밸브가 설치되고, 상기 오리피스는 상기 연속 배기 유로를 통해 상기 공기출구 차단 밸브 전단에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 2,
An anode outlet side exhaust line is provided with an air outlet shut-off valve and an air pressure control valve, and the orifice is connected to the front end of the air outlet shut-off valve through the continuous exhaust flow path, and the anode continuous exhaust type fuel cell system. 청구항 2에 있어서,
상기 공기극 출구 측 배기 라인에는 공기출구 차단 밸브 및 공기압력 제어밸브가 설치되고, 상기 오리피스는 상기 연속 배기 유로를 통해 상기 공기압력 제어밸브 후단에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 2,
An anode outlet side exhaust line is provided with an air outlet shut-off valve and an air pressure control valve, and the orifice is connected to a rear end of the air pressure control valve through the continuous exhaust flow path. 청구항 1에 있어서,
상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소공급장치; 및
상기 연료극의 출구 측으로부터 상기 수소공급장치로 연료극 측 가스를 재순환시키기 위한 재순환 라인을 더 포함하고,
상기 오리피스는 상기 재순환 라인과 공기극 입구 측 공기 공급 라인을 연결하는 연속 배기 유로 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A hydrogen supply device for supplying hydrogen to the anode; And
Further comprising a recirculation line for recirculating the gas on the anode side to the hydrogen supply from the outlet side of the anode,
The orifice is formed on a continuous exhaust flow path connecting the recirculation line and the air supply line on the cathode inlet side. The anode continuous exhaust type fuel cell system. 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 내부에는 상기 공기극의 입구 측에서, 상기 연료극과 상기 공기극을 직접 연결하는 연속 배기 유로가 형성되고, 상기 오리피스는 상기 연속 배기 유로 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
In the fuel cell, a continuous exhaust flow path is formed at the inlet side of the cathode, and a continuous exhaust flow path for directly connecting the anode and the cathode, and the orifice is formed on the continuous exhaust flow path. 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 내부에는 상기 공기극의 출구 측에서, 상기 연료극과 상기 공기극을 직접 연결하는 연속 배기 유로가 형성되고, 상기 오리피스는 상기 연속 배기 유로 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
In the fuel cell, a continuous exhaust flow path is formed at the outlet side of the cathode, and a continuous exhaust flow path connecting the anode and the cathode directly is formed, and the orifice is formed on the continuous exhaust flow path. 청구항 1에 있어서,
상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소공급장치;
상기 연료극의 출구 측으로부터 상기 수소공급장치로 연료극 측 가스를 재순환시키기 위한 재순환 라인;
상기 재순환 라인에 설치되는 응축수 리저버; 및
상기 응축수 리저버 내의 물을 배출할 수 있도록 구성되며, 공기극 출구 측 배기 라인에 연결되는 배수 밸브;를 더 포함하고,
상기 오리피스는 상기 배수 밸브를 거치지 않고 상기 공기극 출구 측 배기 라인으로 유체를 배출할 수 있도록 상기 배수 밸브 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A hydrogen supply device for supplying hydrogen to the anode;
A recirculation line for recirculating the gas on the anode side from the outlet side of the anode to the hydrogen supply device;
A condensate reservoir installed in the recirculation line; And
It is configured to discharge the water in the condensate reservoir, the drain valve connected to the exhaust line on the air outlet side further comprises;
The orifice is formed on the drain valve so that the fluid can be discharged to the exhaust line on the cathode outlet side without going through the drain valve. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오리피스의 크기는 아래 수식을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.
수식:
Figure pat00002

(QN2: 연료전지의 질소 크로스오버량, CH2: 수소 농도 관리 목표값, Pdiff: 공기극/연료극 기준 제어 차압, QH2N2: Pdiff 조건에서 배출 가능한 연료극 가스 유량)The method according to any one of claims 1 to 8,
The size of the orifice is determined to satisfy the following formula. An anode continuous exhaust type fuel cell system.
Equation:
Figure pat00002

(Q N2 : Nitrogen crossover amount of fuel cell, C H2 : Hydrogen concentration management target value, P diff : Air / electrode reference control differential pressure, Q H2N2 : Electrode gas flow rate that can be discharged under P diff condition) 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료극과 상기 공기극의 차압을 관리하기 위하여 설치되는 연료극 측 압력센서 및 공기극 측 압력 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to any one of claims 1 to 8,
An anode continuous exhaust type fuel cell system further comprising an anode side pressure sensor and an anode side pressure sensor installed to manage the pressure difference between the anode and the cathode. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료극 수소 농도를 확인하기 위한 연료극 농도 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to any one of claims 1 to 8,
An anode continuous exhaust type fuel cell system further comprising an anode concentration meter for checking the anode hydrogen concentration. 청구항 11에 있어서,
상기 제어기는 목표 수소농도가 상기 연료극 농도 측정기로부터 측정된 측정 수소농도 보다 더 큰 경우, 상기 오리피스 전후단의 목표 차압이 증가하도록 제어하고, 상기 목표 수소농도가 상기 측정 수소농도 보다 작거나 같은 경우, 상기 오리피스 전후단의 목표 차압이 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 11,
When the target hydrogen concentration is greater than the measured hydrogen concentration measured from the anode concentration meter, the controller controls to increase the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice, and when the target hydrogen concentration is less than or equal to the measured hydrogen concentration, An anode continuous exhaust type fuel cell system, characterized in that the target differential pressure at the front and rear ends of the orifice is controlled to decrease. 청구항 12에 있어서,
상기 제어기는 상기 연료극의 목표 압력을 증감시킴에 따라 상기 오리피스 전후단의 목표 차압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 12,
The controller continuously controls the target differential pressure at the front end of the orifice as the target pressure of the anode increases or decreases, and the anode continuous exhaust type fuel cell system. 청구항 12에 있어서,
상기 제어기는 상기 목표 차압이 미리 설정된 연료극과 공기극 간의 최소 차압 보다 작은 경우, 상기 목표 차압을 상기 최소 차압으로 하여 제어하는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to claim 12,
And the controller controls the target differential pressure as the minimum differential pressure when the target differential pressure is smaller than a preset minimum differential pressure between the anode and the cathode. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오리피스 해빙용 히터가 상기 오리피스 주변에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.The method according to any one of claims 1 to 8,
An orifice continuous exhaust type fuel cell system, wherein the orifice thawing heater is installed around the orifice. 청구항 1에 있어서,
상기 오리피스는 상기 공기극의 출구 측에 형성되는 배기 라인에 연결되고, 상기 공기극의 출구 측 배기 라인을 통해 가스를 배출할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료극 연속 배기형 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
The orifice is connected to an exhaust line formed on the outlet side of the cathode, and the anode continuous exhaust type fuel cell system, characterized in that it is configured to discharge gas through an exhaust side exhaust line.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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