KR20210088363A - Cascade type fuel cell apparatus - Google Patents

Cascade type fuel cell apparatus Download PDF

Info

Publication number
KR20210088363A
KR20210088363A KR1020200001683A KR20200001683A KR20210088363A KR 20210088363 A KR20210088363 A KR 20210088363A KR 1020200001683 A KR1020200001683 A KR 1020200001683A KR 20200001683 A KR20200001683 A KR 20200001683A KR 20210088363 A KR20210088363 A KR 20210088363A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
channel
cell stack
stage
supplied
Prior art date
Application number
KR1020200001683A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김형순
양동근
우형석
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020200001683A priority Critical patent/KR20210088363A/en
Publication of KR20210088363A publication Critical patent/KR20210088363A/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The present invention relates to a structure of a cascade type fuel cell stack configured to allow a change in an inlet and an outlet of hydrogen and air. In a cascade type fuel cell device according to an embodiment of the present invention, a fuel cell stack including a plurality of fuel cells comprises n number of cascade stages, and the forward flow and reverse flow of air and hydrogen supplied and discharged to the fuel cell stack of each stage are alternately changed. In addition, the fuel cell device of the present invention can alternately change the forward flow and reverse flow of coolant for cooling the fuel cell stack.

Description

캐스캐이드 타입 연료전지장치{Cascade type fuel cell apparatus}Cascade type fuel cell apparatus

본 발명은 연료전지장치에 관한 것으로서, 특히 연료 및 공기 입출구의 변경이 가능하도록 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly, to a cascade type fuel cell device configured to be capable of changing fuel and air inlets and outlets.

연료의 연소 에너지를 열로 바꾸지 않고 직접 전기 에너지로 바꾸는 연료전지 시스템은 미래의 전력생산에서 유망한 기술 중 하나로 거론되고 있다. 이러한 연료전지 시스템은 크게 연료개질장치 및 연료전지스택을 포함한다. A fuel cell system that converts the combustion energy of fuel directly into electrical energy without converting it into heat is being discussed as one of the promising technologies for future power generation. Such a fuel cell system largely includes a fuel reformer and a fuel cell stack.

연료개질장치에서는 탈황기에 의해 연료에 함유된 황 성분이 제거되고 개질기에서 탈황된 연료와 물을 반응시켜 수소를 생산한다. 이때, 이러한 반응을 위한 열은 버너에서 연료를 연소시켜서 발생된 열을 이용한다.In the fuel reformer, sulfur components contained in the fuel are removed by the desulfurizer, and hydrogen is produced by reacting the desulfurized fuel in the reformer with water. At this time, the heat for this reaction uses heat generated by burning fuel in a burner.

연료전지는 애노드와 캐소드, 그리고 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 이온을 이동시키는 전해질을 포함하며, 연료개질장치에서 애노드에 공급된 수소와 캐소드에 공급되는 공기에 포함된 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다. 이러한 연료전지는 수 십 내지 수 백개 배열되어 스택(stack) 형태로 형성된다.A fuel cell includes an anode and a cathode, and an electrolyte that is disposed between the anode and the cathode to move ions. In the fuel reformer, electricity is generated through an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the anode and oxygen contained in the air supplied to the cathode. to produce Tens to hundreds of such fuel cells are arranged to form a stack.

최근 연료전지의 크기가 커짐에 따라서 연료전지 내에서 소모되지 않고 방출되는 가스를 연료로 재활용하는 사례가 소개되고 있다. 이에 대한 예로서 한국등록특허 제10-1792254호(선행문헌 1) 및 한국등록특허 제10-1322680호(선행문헌 2)에는 캐스캐이드 타입의 연료전지스택이 개시되어 있다. Recently, as the size of the fuel cell increases, a case of recycling the gas emitted without being consumed in the fuel cell as a fuel has been introduced. As an example, Korean Patent No. 10-1792254 (Prior Document 1) and Korean Patent No. 10-1322680 (Prior Document 2) disclose a cascade type fuel cell stack.

캐스캐이드 타입의 연료전지스택은 연료전지스택을 복수의 단으로 분할하여, 전단에서 배출되는 잔류가스를 후단의 반응가스로 공급함으로써 가스의 활용 효율을 향상시키는 방식이다.The cascade type fuel cell stack is a method of improving the efficiency of gas utilization by dividing the fuel cell stack into a plurality of stages, and supplying the residual gas discharged from the front stage as a reactive gas of the rear stage.

연료전지스택을 캐스캐이드 타입으로 구성할 경우, 전단에서 사용되고 남은 가스를 다음 단에 공급하여 재활용함에 있어서 전단에서 반응에 의해 발생한 응축수를 제거하기 위해 기액분리기의 장착은 필수적이다. 기액분리기에서 분리된 응축수는 필터를 거친 후 가습기에 가습수로 공급되어 사용된 후 외부로 배출된다. When the fuel cell stack is configured as a cascade type, it is essential to install a gas-liquid separator in order to remove condensed water generated by the reaction at the front end in supplying and recycling the remaining gas used in the previous stage to the next stage. The condensed water separated in the gas-liquid separator passes through a filter, is supplied to the humidifier as humidifying water, is used, and then discharged to the outside.

하지만, 종래의 캐스캐이드 타입의 연료전지스택에서는 다중 스택 사이에 상분리기와 필터를 배치해야 하므로 추가적인 비용이 발생하고 필터를 주기적으로 교환해야 하는 문제점이 있다.However, in the conventional cascade type fuel cell stack, since a phase separator and a filter must be disposed between multiple stacks, there is a problem in that additional costs are incurred and the filters must be periodically replaced.

또한, 후단의 연료전지스택은 열악한 환경에 노출되므로 후단의 연료전지스택이 과도한 플러딩(flooding) 현상으로 인해 성능이 저하되는 문제점이 있다.In addition, since the fuel cell stack at the rear end is exposed to a harsh environment, there is a problem in that the performance of the fuel cell stack at the rear end is deteriorated due to excessive flooding.

또한, 후단의 연료전지스택으로 유입되는 수소의 농도가 감소하여 전기생산량이 감소하는 점이 있다.In addition, the concentration of hydrogen flowing into the fuel cell stack at the rear stage decreases, thereby reducing the amount of electricity produced.

또한, 후단 연료전지스택의 성능저하로 인해 전단의 연료전지스택에 부하가 증가하며 수명감소로 이어질 수 있고, 연료전지 시스템 전체의 신뢰성 문제를 야기할 수 있다.In addition, due to the degradation of the performance of the fuel cell stack at the rear end, the load on the fuel cell stack at the front end increases, which may lead to a reduction in lifespan, and may cause reliability problems of the entire fuel cell system.

한국등록특허 제10-1792254호Korean Patent Registration No. 10-1792254 한국등록특허 제10-1322680호Korean Patent No. 10-1322680

본 발명은 복수의 단으로 구성된 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 수소, 공기 및/또는 냉각수의 흐름이 교번하여 순방향 및 역방향이 되도록 하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cascade type fuel cell device in which the flow of hydrogen, air, and/or cooling water alternates in forward and reverse directions in a fuel cell device of a cascade structure composed of a plurality of stages.

본 발명은 후단의 연료전지스택에서의 수소농도의 부족현상을 방지할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a cascade type fuel cell device capable of preventing a shortage of hydrogen concentration in a fuel cell stack at the rear stage.

본 발명은 후단의 연료전지스택이 플러딩(flooding)되는 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cascade type fuel cell device capable of preventing the fuel cell stack from being flooded, thereby preventing performance degradation of the fuel cell stack.

본 발명은 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 수소 및 공기의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cascade type fuel cell device capable of operating so that the flow of hydrogen and air alternates between the fuel cell stack at the front end and the fuel cell stack at the rear end.

본 발명은 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 냉각수의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cascade type fuel cell device capable of operating so that the flow of coolant alternates between the fuel cell stack at the front end and the fuel cell stack at the rear end.

본 발명은 전단 및 후단의 연료전지스택의 수소 및 공기의 흐름을 반대로 제어하여 후단의 연료전지스택의 성능저하를 방지하고 전단의 연료전지스택의 부하증가를 해소하도록 하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.The present invention provides a cascade type fuel cell device that reversely controls the flow of hydrogen and air in the fuel cell stack at the front end and the rear end to prevent the performance degradation of the fuel cell stack at the rear end and solve the increase in the load on the fuel cell stack at the front end. aims to provide

본 발명은 수소 및 공기의 주입과 배출이 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택에서 동일한 조건으로 이루어지도록 하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cascade type fuel cell device in which injection and discharge of hydrogen and air are made under the same conditions in a fuel cell stack at a front stage and a fuel cell stack at a rear stage.

본 발명은 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 복수의 연료전지스택 간 수명의 밸런스를 맞추고 수명감소를 최소화하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cascade type fuel cell device that balances the lifespan between a plurality of fuel cell stacks and minimizes the reduction in lifespan in a fuel cell device having a cascade structure.

본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 타입 연료전지장치는, 복수의 연료전지를 포함하는 연료전지스택이 n개의 캐스캐이드 단으로 구성되고, 각 단의 연료전지스택으로 공급 및 배출되는 수소와 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 변경되도록 한다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택으로 공급되는 수소와 공기의 흐름을 반대로 설정함으로서 각 연료전지스택 간 균형을 유지할 수 있고, 끝단에 설치된 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있다.In a cascade type fuel cell device according to an embodiment of the present invention, a fuel cell stack including a plurality of fuel cells is composed of n cascade stages, and hydrogen supplied and discharged to the fuel cell stack of each stage; Alternating the forward and reverse flow of air to be changed. In this way, by setting the flow of hydrogen and air supplied to each stage of the fuel cell stack in reverse, it is possible to maintain a balance between the respective fuel cell stacks, and it is possible to prevent deterioration of the performance of the fuel cell stack installed at the end.

이를 위하여 본 실시예에 따른 연료전지장치는 연료전지스택으로 공급되는 수소와 공기의 흐름을 변경하기 위한 제1,2사방향밸브를 포함할 수 있다. 제1,2사방향밸브는 각각 수소 및 공기의 흐름이 순방향 및 역방향이 되도록 동작한다.To this end, the fuel cell device according to the present embodiment may include first and second four-way valves for changing the flow of hydrogen and air supplied to the fuel cell stack. The first and second four-way valves operate so that the flow of hydrogen and air becomes forward and reverse, respectively.

제1사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 공급되면, 상기 전단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출되고, 상기 배출된 수소는 다음 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출되도록 한다. When hydrogen is supplied to the first channel of the fuel cell stack of the previous stage for each fuel cell stack of each stage by the operation of the first four-way valve, hydrogen is discharged into the second channel of the fuel cell stack of the previous stage, and the discharged Hydrogen is supplied to the first channel of the fuel cell stack at the rear stage, and hydrogen is discharged through the second channel of the fuel cell stack at the rear stage.

예컨대, 제1,2,...n단으로 순차로 이동되는 수소의 순방향 흐름에서 최후단인 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 배출되는 수소는 제1사방향밸브로 공급되어 외부로 배출된다.For example, in the forward flow of hydrogen sequentially moved to the first, second, ... n stages, hydrogen discharged to the second channel of the fuel cell stack of the nth stage, which is the last stage, is supplied to the first four-way valve and supplied to the outside. is emitted as

반대로, 제1사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출되고 상기 배출된 수소는 다음 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출된다.Conversely, when hydrogen is supplied to the second channel of the fuel cell stack at the rear end for each fuel cell stack by the operation of the first four-way valve, hydrogen is discharged to the first channel of the fuel cell stack at the rear end, and the discharged hydrogen is discharged to the first channel of the fuel cell stack at the rear end. Hydrogen is supplied to the second channel of the fuel cell stack of the next stage, and hydrogen is discharged through the first channel of the fuel cell stack of the previous stage.

예컨대, 제n,...2,1단으로 순차로 이동되는 수소의 역방향 흐름에서 최전단인 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 배출되는 수소는 제1사방향밸브로 공급되어 외부로 배출된다. 이때, 상기 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행된다. 에컨대, 설정된 주기에 도달하거나 제어부에서 의해 제어신호가 출력되면 순방향 흐름과 역방향 흐름이 변경되어 진행될 수 있다.For example, in the reverse flow of hydrogen sequentially moved to the nth, ... 2nd, 1st stages, hydrogen discharged to the first channel of the fuel cell stack of the first stage, which is the most forward stage, is supplied to the first four-way valve is emitted as In this case, the forward flow and the reverse flow of hydrogen are alternately performed whenever the set condition is satisfied. For example, when a set period is reached or a control signal is output by the control unit, the forward flow and the reverse flow may be changed and performed.

본 실시예에서, 상기와 같이 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 변경함으로써 n개의 단으로 구성된 연료전지스택 간의 성능의 균형을 이루고 전체적인 성능 저하를 방지할 수 있다.In this embodiment, by changing the forward flow and the reverse flow of hydrogen as described above, it is possible to balance the performance between the fuel cell stacks composed of n stages and prevent overall performance degradation.

또한, 제2사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 동시에 공급되고, 공급된 공기는 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브로 공급되어 외부로 배출된다.In addition, air is simultaneously supplied to the third channel of the fuel cell stack of each stage by the operation of the second four-way valve, and the supplied air is discharged to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage. As described above, the air discharged to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage is supplied to the second four-way valve and discharged to the outside.

반대로, 제2사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 동시에 공급되면, 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브로 공급된다.Conversely, when air is simultaneously supplied to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage by the operation of the second four-way valve, the air is discharged through the third channel of the fuel cell stack of each stage. In this way, the air discharged to the third channel of the fuel cell stack of each stage is supplied to the second four-way valve.

상기 제2사방향밸브는 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기를 공급하는 공기의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기를 공급하는 공기의 역방향 흐름이 진행되도록 동작한다.The second four-way valve operates so that the forward flow of air supplying air to the third channel of the fuel cell stack of each stage proceeds, and then, when a set condition is satisfied, air flows into the fourth channel of the fuel cell stack of each stage. It operates so that the reverse flow of the air supplying it proceeds.

이때, 상기 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다. 예컨대, 발전운전 시간이 설정된 주기에 도달하거나 또는 제어부에서 제어신호가 출력되는 경우에 교번하여 진행될 수 있다.At this time, the forward flow and the reverse flow of the air may proceed alternately with each other whenever the set condition is satisfied. For example, when the power generation operation time reaches a set period or a control signal is output from the control unit, the operation may be performed alternately.

또는, 제1단 및 제n단의 연료전지스택의 전압차가 설정된 기준치를 초과하는 경우 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름이 변경되도록 동작할 수도 있다.Alternatively, when the voltage difference of the fuel cell stack of the first stage and the nth stage exceeds a set reference value, the forward flow and the reverse flow of air may be changed.

이러한 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 변경함으로써 끝단에 설치된 연료전지스택에서의 플러딩 현상으로 인한 성능저하를 방지할 수 있다.By changing the forward flow and the reverse flow of air, it is possible to prevent performance degradation due to the flooding phenomenon in the fuel cell stack installed at the end.

또한, 본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택을 냉각하기 위한 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 변경할 수도 있다.In addition, the fuel cell device of the present invention may alternately change a forward flow and a reverse flow of coolant for cooling the fuel cell stack.

이를 위해 각 연료전지스택은 냉각수가 출입되는 제5채널 및 제6채널이 더 형성되고, 제5채널 또는 제6채널로 선택적으로 냉각수를 공급하도록 제어되는 제3사방향밸브가 구비될 수 있다. 이러한 제3사방향밸브는 외부에서 공급된 냉각수를 상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널 및 제n단의 연료전지스택의 제6채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 냉각수를 공급받아 외부로 배출한다.To this end, each fuel cell stack may further include a fifth channel and a sixth channel through which the coolant flows, and a third four-way valve controlled to selectively supply coolant to the fifth channel or the sixth channel. The third four-way valve supplies cooling water supplied from the outside to a selected one of the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage and the sixth channel of the fuel cell stack of the nth stage, and the cooling water discharged from the other channel is supplied and discharged to the outside.

제3사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 공급되면, 그 전단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출된다. 그리고 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 배출되는 냉각수는 제3사방향밸브로 공급된다.When cooling water is supplied to the fifth channel of the fuel cell stack of the previous stage for each fuel cell stack of each stage by the operation of the third four-way valve, the cooling water is discharged to the sixth channel of the fuel cell stack of the previous stage, and the discharged cooling water is then supplied to the fifth channel of the fuel cell stack at the rear end, and the coolant is discharged to the sixth channel of the fuel cell stack at the rear end. In addition, the coolant discharged through the sixth channel of the n-th stage fuel cell stack is supplied to the third four-way valve.

반대로, 제3사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출된다. 그리고, 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 배출되는 냉각수는 제3사방향밸브로 공급된다.Conversely, when cooling water is supplied to the sixth channel of the fuel cell stack at the rear end for each fuel cell stack by the operation of the third four-way valve, the coolant is discharged to the fifth channel of the fuel cell stack at the rear end, and the discharged The cooling water is supplied to the sixth channel of the fuel cell stack of the previous stage, and the cooling water is discharged through the fifth channel of the fuel cell stack of the previous stage. In addition, the coolant discharged through the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage is supplied to the third four-way valve.

상기 제3사방향밸브는, 상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 역방향 흐름이 진행되도록 동작한다.The third four-way valve operates so that the forward flow of the coolant for supplying the coolant to the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage proceeds, and then, when a set condition is satisfied, the fuel cell stack of the nth stage It operates so that the reverse flow of the cooling water supplying the cooling water to the second channel of the

이때, 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름도 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다.In this case, the forward flow and the reverse flow of the coolant may be alternately performed whenever the setting conditions are satisfied.

본 발명에 의하면 복수의 단으로 구성된 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 수소, 공기 및/또는 냉각수의 흐름이 교번하여 순방향 및 역방향이 되도록 함으로써 후단에 설치된 연료전지스택에서의 성능저하를 방지할 수 있다.According to the present invention, in a fuel cell device of a cascade structure composed of a plurality of stages, the flow of hydrogen, air, and/or coolant alternates in forward and reverse directions to prevent performance degradation in the fuel cell stack installed at the rear end. have.

본 발명에 의하면 후단의 연료전지스택에서의 수소농도의 부족현상을 방지할 수 있다.According to the present invention, it is possible to prevent a shortage of hydrogen concentration in the fuel cell stack at the rear stage.

본 발명에 의하면 후단의 연료전지스택이 플러딩(flooding)되는 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있다.According to the present invention, it is possible to prevent a phenomenon in which the fuel cell stack at the rear end is flooded, thereby preventing deterioration of the performance of the fuel cell stack.

본 발명에 의하면 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 수소 및 공기의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있도록 하여 연료전지스택 간의 성능, 수명 등의 밸런스를 유지할 수 있다.According to the present invention, it is possible to maintain a balance in performance and lifespan between the fuel cell stacks by allowing the flow of hydrogen and air to alternate between the fuel cell stack at the front end and the fuel cell stack at the rear end.

본 발명에 의하면 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 냉각수의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있으므로 각 연료전지스택 간 냉각효과의 균형을 맞출 수 있고, 냉각효과가 상승될 수 있다.According to the present invention, since the flow of the coolant can be operated to alternate between the fuel cell stack at the front end and the fuel cell stack at the rear end, the cooling effect between the fuel cell stacks can be balanced and the cooling effect can be increased.

본 발명에 의하면 전단 및 후단의 연료전지스택의 수소 및 공기의 흐름을 반대로 제어하여 후단의 연료전지스택의 성능저하를 방지하고 전단의 연료전지스택의 부하증가를 해소할 수 있다.According to the present invention, by controlling the flow of hydrogen and air in the fuel cell stack at the front end and at the rear end, it is possible to prevent deterioration of the performance of the fuel cell stack at the rear end and to solve the increase in the load on the fuel cell stack at the front end.

본 발명에 의하면 수소 및 공기의 주입과 배출이 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택에서 동일한 조건으로 이루어지도록 하여 각 연료전지스택이 동일한 조건으로 동작할 수 있도록 한다.According to the present invention, the injection and discharge of hydrogen and air are made under the same conditions in the fuel cell stack of the front stage and the fuel cell stack of the rear stage, so that each fuel cell stack can operate under the same conditions.

본 발명에 의하면 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 복수의 연료전지스택 간 수명의 밸런스를 맞추어 수명감소를 최소화할 수 있다.According to the present invention, in a fuel cell device having a cascade structure, lifespan reduction can be minimized by balancing the lifespan between a plurality of fuel cell stacks.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지스택의 구성을 개시한 일 예시도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 사방향밸브의 동작을 설명하기 위한 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지장치에서 수소의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 공기의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치의 운전방법을 설명하는 흐름도.1 is a schematic configuration diagram of a cascade type fuel cell device composed of n stages according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary view showing the configuration of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 are exemplary views for explaining the operation of the four-way valve according to the embodiment of the present invention.
6 is an exemplary view for explaining the flow of hydrogen in a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary view for explaining the flow of air in a fuel cell device according to another embodiment of the present invention.
8 is an exemplary view for explaining a flow of coolant in a fuel cell device according to another embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function interferes with the understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms. When it is described that a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but between each component another component It will be understood that may also be "connected", "coupled" or "connected".

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a cascade type fuel cell device composed of n stages according to an embodiment of the present invention.

도 1를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 타입의 연료전지장치는 n(n≥2,정수)개의 캐스캐이드 단으로 구성된 연료전지스택(110,120,130)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a cascade type fuel cell device according to an embodiment of the present invention includes fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 composed of n (n≧2, integer) cascade stages.

각 연료전지스택(110,120,130))은 외부로부터 수소와 공기가 각각 공급되고, 공급된 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다. 이들 연료전지스택(110,120,130)은 복수의 개별 연료전지들이 스택 형태로 구성된다.Each fuel cell stack 110 , 120 , 130 ) is supplied with hydrogen and air from the outside, respectively, and generates electricity through an electrochemical reaction between the supplied hydrogen and oxygen contained in the air. These fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 are configured in the form of a stack of a plurality of individual fuel cells.

연료전지스택에서의 수소와 산소 간의 전기화학반응은 발열반응이므로 연료전지스택을 냉각하기 위한 냉각수가 각 연료전지스택(110,120,130)으로 공급될 수 있다.Since the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell stack is an exothermic reaction, coolant for cooling the fuel cell stack may be supplied to each of the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 .

본 실시예에서 각 연료전지스택(110,120,130))의 연료극인 애노드는 직렬로 연결되고 공기극인 캐소드는 병렬로 연결된다. 이와 같이 직병렬 혼합형 캐스캐이드 타입의 연료전지장치에서는 수소, 공기 및 냉각수를 공급하고 배출할 때, 이들의 흐름을 설정주기에 따라 반대로 변경하도록 한다. 즉, 한 주기에서는 수소, 공기 및 냉각수의 방향이 순방향이 되도록 공급 및 배출을 제어하고, 다음 한 주기에서는 역방향이 되도록 공급 및 배출을 제어할 수 있다.In the present embodiment, the anode as the fuel electrode of each fuel cell stack 110 , 120 , 130 ) is connected in series, and the cathode as the air electrode is connected in parallel. As described above, in the series-parallel hybrid cascade type fuel cell device, when hydrogen, air, and cooling water are supplied and discharged, their flows are reversely changed according to a set period. That is, supply and discharge may be controlled so that the directions of hydrogen, air, and cooling water are in a forward direction in one cycle, and supply and discharge may be controlled in a reverse direction in the next cycle.

본 실시예에 따른 연료전지장치는 수소의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제1사방향밸브(4-way valve)(140)와, 공기의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제2사방향밸브(150)와, 냉각수의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제3사방향밸브(160)를 포함한다.The fuel cell device according to the present embodiment includes a first four-way valve 140 for controlling supply and discharge of hydrogen, and a second four-way valve 150 for controlling supply and discharge of air. ) and a third four-way valve 160 for controlling supply and discharge of cooling water.

즉, 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)은 각각 수소, 공기 및 냉각수의 흐름을 순방향 또는 역방향으로 제어하도록 동작한다. 본 발명에서는 수소, 공기 및 냉각수의 흐름에 대하여 최전단인 제1단부터 최후단인 제n단으로의 흐름을 순방향이라 하고, 그 반대방향인 제n단에서 제1단으로의 흐름을 역방향이라 한다.That is, the first, second, and third four-way valves 140 , 150 and 160 operate to control the flow of hydrogen, air, and cooling water in a forward or reverse direction, respectively. In the present invention, with respect to the flow of hydrogen, air and cooling water, the flow from the first stage, which is the frontmost stage, to the nth stage, which is the last stage, is referred to as the forward direction, and the flow from the nth stage to the first stage in the opposite direction is called the reverse direction do.

먼저, 제1사방향밸브(140)의 동작에 의해 수소가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110) 또는 최후단인 제n단의 연료전지스택(130) 중 선택된 하나로 공급된다. 연료극인 애노드는 직렬로 연결되어 있으므로 수소는 제1단(또는 제n단)의 연료전지스택에서 그 다음 후단(또는 그 전의 전단)으로 순차적으로 전달되고, 최종적으로는 제n단(또는 제1단)의 연료전지스택까지 전달된다.First, by the operation of the first four-way valve 140 , hydrogen is supplied to one selected from the first fuel cell stack 110 , which is the frontmost stage, or the n-th fuel cell stack 130 , which is the last stage. Since the anode, which is the anode, is connected in series, hydrogen is sequentially transferred from the fuel cell stack of the first stage (or the nth stage) to the next stage (or the previous stage), and finally the nth stage (or the first stage) However, it is transmitted to the fuel cell stack of

이와 같이 전단에서 후단으로 또는 후단에서 전단으로 전달된 수소는 최종적으로 제1사방향밸브(140)로 공급된다.As described above, the hydrogen transferred from the front end to the rear end or from the rear end to the front end is finally supplied to the first four-way valve 140 .

구체적으로, 예컨대 제1사방향밸브(140)의 동작에 의해 수소가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110)으로 공급되면, 제1,2,...n단의 연료전지스택으로 순방향으로 순서대로 수소가 전달되고, 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되는 것이다. Specifically, for example, when hydrogen is supplied to the fuel cell stack 110 of the first stage, which is the most forward stage, by the operation of the first four-way valve 140, the fuel cell stack of the first, second, ... n stages is supplied. Hydrogen is delivered sequentially in the forward direction, and hydrogen discharged from the n-th fuel cell stack 130 at the last end is supplied to the first four-way valve 140 again.

반대로, 제1사방향밸브(140)의 동작에 의해 수소가 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)으로 공급되는 경우 제n,...,2,1단의 연료전지스택(130)으로부터 역방향으로 순서대로 수소가 전달되고, 최전단인 제1단의연료전지스택(110)에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되는 것이다. Conversely, when hydrogen is supplied to the n-th fuel cell stack 130 of the last stage by the operation of the first four-way valve 140 , the fuel cell stack 130 of the nth, ..., 2nd, 1st stage ) in the reverse direction, and hydrogen discharged from the fuel cell stack 110 of the first stage, which is the frontmost stage, is again supplied to the first four-way valve 140 .

다음으로, 제2사방향밸브(150)의 동작에 의해 각 연료전지스택(110,120,130)으로 공기가 동시에 공급된다. 공기극인 캐소드는 병렬로 연결되어 있으므로 공기는 각 단의 연료전지스택(110,120,130)으로 병렬로 공급되는 것이다. 이와 같이 공급된 공기는 병렬로 배출되어 제2사방향밸브(150)로 공급된다.Next, air is simultaneously supplied to each of the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 by the operation of the second four-way valve 150 . Since the cathode, which is the cathode, is connected in parallel, air is supplied to the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 of each stage in parallel. The air supplied in this way is discharged in parallel and supplied to the second four-way valve 150 .

다음으로, 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 냉각수가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110) 또는 최후단인 제n단의 연료전지스택(130) 중 선택된 하나로 공급된다. 냉각수는 제1단(또는 제n단)의 연료전지스택에서 그 다음 후단(또는 그 전의 전단)으로 순차적으로 전달되고, 최종적으로는 제n단(또는 제1단)의 연료전지스택까지 전달된다.Next, by the operation of the third four-way valve 160 , the coolant is supplied to a selected one of the fuel cell stack 110 of the first stage, which is the frontmost stage, or the fuel cell stack 130 of the nth stage, which is the last stage. The coolant is sequentially transferred from the fuel cell stack of the first stage (or the nth stage) to the next stage (or the front stage before it), and finally delivered to the fuel cell stack of the nth stage (or the first stage) .

이와 같이 전단에서 후단으로 또는 후단에서 전단으로 전달된 냉각수는 최종적으로 제3사방향밸브(160)로 공급된다.As such, the coolant transferred from the front end to the rear end or from the rear end to the front end is finally supplied to the third four-way valve 160 .

구체적으로, 예컨대 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 냉각수가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110)으로 공급되는 경우 제1,2,...n단의 연료전지스택으로 순방향으로 순서대로 냉각수가 전달되고, 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)에서 배출되는 냉각수는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되는 것이다. Specifically, for example, when the coolant is supplied to the fuel cell stack 110 of the first stage, which is the most forward stage, by the operation of the third four-way valve 160, the fuel cell stack of the first, second, ... n stages Cooling water is delivered sequentially in the forward direction, and the coolant discharged from the fuel cell stack 130 of the nth stage, which is the last stage, is again supplied to the first four-way valve 140 .

반대로, 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 냉각수가 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)으로 공급되는 경우 제n,...,2,1단의 연료전지스택(130)으로부터 역방향으로 순서대로 냉각수가 전달되고, 최전단인 제1단의연료전지스택(110)에서 배출되는 냉각수는 다시 제3사방향밸브(160)로 공급되는 것이다. Conversely, when the coolant is supplied to the n-th fuel cell stack 130 of the last stage by the operation of the third four-way valve 160 , the fuel cell stack 130 of the nth, ..., 2nd, 1st stage ) in the reverse direction, and the cooling water discharged from the fuel cell stack 110 of the first stage, which is the frontmost stage, is again supplied to the third four-way valve 160 .

이때, 본 발명에 따른 연료전지장치에서는 수소, 공기 및 냉각수에 대하여 각각 순방향 및 역방향의 흐름이 교번으로 진행되도록 한다. 예컨대, 설정주기에 따라 한 주기에서는 순방향의 흐름이 진행되도록 하고 다음 주기에서는 역방향의 흐름이 진행되도록 한다. 이러한 순방향 및 역방향 흐름은 설정주기에 따라 계속 반복될 수 있다.At this time, in the fuel cell device according to the present invention, the flow of hydrogen, air, and cooling water in a forward direction and a reverse direction are alternately progressed, respectively. For example, according to the set period, a forward flow is made in one cycle and a reverse flow is made in the next cycle. These forward and reverse flows may be continuously repeated according to a set period.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지스택의 구성도이다.2 is a block diagram of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지스택(110,120,130)은 각각 수소가 출입되는 제1채널(111)과 제2채널(112)을 포함하고, 공기가 출입되는 제3채널(121)과 제4채널(122)을 포함한다. 또한, 연료전지스택(110,120,130)은 각각 냉각수가 출입되는 제5채널(131)과 제6채널(132)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 according to the embodiment of the present invention include a first channel 111 and a second channel 112 through which hydrogen enters and exits, respectively, and a third channel through which air enters and exits ( 121) and a fourth channel 122. In addition, the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 may further include a fifth channel 131 and a sixth channel 132 through which cooling water enters and exits, respectively.

제1채널(111) 및 제2채널(112)은 연료전지스택(110,120,130)으로 수소를 공급(유입) 및 배출하기 위한 입구와 출구의 역할을 한다. 예컨대 제1채널(111)로 수소가 유입되면 제2채널(112)로 수소가 배출된다. 반대로 제2채널(112)로 수소가 유입되면 제1채널(111)로 수소가 배출된다.The first channel 111 and the second channel 112 serve as inlets and outlets for supplying (inflowing) and discharging hydrogen to the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 . For example, when hydrogen is introduced into the first channel 111 , hydrogen is discharged through the second channel 112 . Conversely, when hydrogen is introduced into the second channel 112 , hydrogen is discharged through the first channel 111 .

제3채널(121) 및 제4채널(122)은 연료전지스택(110,120,130)으로 공기를 공급(유입) 및 배출하기 위한 입구와 출구의 역할을 한다. 예컨대 제3채널(121)로 공기가 유입되면 제4채널(122)로 공기가 배출된다. 반대로 제4채널(122)로 공기가 유입되면 제3채널(121)로 공기가 배출된다.The third channel 121 and the fourth channel 122 serve as inlets and outlets for supplying (inflowing) and discharging air to the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 . For example, when air is introduced into the third channel 121 , the air is discharged through the fourth channel 122 . Conversely, when air is introduced into the fourth channel 122 , the air is discharged through the third channel 121 .

제5채널(131) 및 제6채널(132)은 연료전지스택(110,120,130)으로 냉각수를 공급(유입) 및 배출하기 위한 입구와 출구의 역할을 수행할 수 있다. 예컨대 제5채널(131)로 냉각수가 유입되면 제6채널(132)로 냉각수가 배출된다. 반대로 제6채널(132)로 냉각수 유입되면 제5채널(131)로 냉각수가 배출된다.The fifth channel 131 and the sixth channel 132 may serve as inlets and outlets for supplying (inflowing) and discharging coolant to the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 . For example, when cooling water flows into the fifth channel 131 , the cooling water is discharged through the sixth channel 132 . Conversely, when cooling water flows into the sixth channel 132 , the cooling water is discharged through the fifth channel 131 .

도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 사방향밸브의 동작을 설명하기 위한 예시도.3 to 5 are exemplary views for explaining the operation of the four-way valve according to the embodiment of the present invention.

제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 각각 수소, 공기, 냉각수의 흐름을 네 방향으로 조절할 수 있다. 이들 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 각각 수소, 공기, 냉각수가 공급 및 배출되는 4개의 입출구를 구비한다.The first, second, and third four-way valves 140, 150, and 160 may control the flow of hydrogen, air, and cooling water in four directions, respectively. The first, second, and third four-way valves 140, 150, and 160 have four inlets and outlets through which hydrogen, air, and cooling water are supplied and discharged, respectively.

즉, 제1사방향밸브(140)는 수소가 공급 및 배출되는 4개의 입출구(S1~S4)가 구비되고, 제2사방향밸브(150)는 공기가 공급 및 배출되는 4개의 입출구(T1~T4)가 구비되며, 제3사방향밸브(160)는 냉각수가 공급 및 배출되는 4개의 입출구(U1~U4)가 구비된다.That is, the first four-way valve 140 has four inlets and outlets S1 to S4 through which hydrogen is supplied and discharged, and the second four-way valve 150 has four inlets and outlets T1 through which air is supplied and discharged. T4) is provided, and the third four-way valve 160 is provided with four inlets and outlets U1 to U4 through which cooling water is supplied and discharged.

이들 각각의 4개의 입출구는 서로 간에 연결될 수 있으며, 각각 연결된 입출구를 통해 수소, 공기, 냉각수가 전달될 수 있다.Each of these four inlets and outlets may be connected to each other, and hydrogen, air, and cooling water may be transmitted through the connected inlets and outlets, respectively.

도 3을 참조하면, 본 실시예에서 제1사방향밸브(140)는 제1입출구(S1)와 제2입출구(S2)가 연결되고 제3입출구(S3)와 제4입출구(S4)가 연결될 수 있다. 이 경우 제1입출구(S1)로 공급된 수소는 제2입출구(S2)를 통해 배출되고, 제4입출구(S4)로 공급된 수소는 제3입출구(S3)를 통해 배출될 수 있다.Referring to FIG. 3 , in the present embodiment, the first four-way valve 140 has a first inlet/outlet (S1) and a second inlet/outlet (S2) connected, and a third inlet/outlet (S3) and a fourth inlet/outlet (S4) are connected. can In this case, the hydrogen supplied to the first inlet and outlet S1 may be discharged through the second inlet and outlet S2 , and the hydrogen supplied to the fourth inlet and outlet S4 may be discharged through the third inlet and outlet S3 .

또한, 제1사방향밸브(140)는 제1입출구(S1)와 제4입출구(S4)가 연결되고 제2입출구(S2)와 제3입출구(S3)가 연결될 수도 있다. 이 경우 제1입출구(S1)로 공급된 수소는 제4입출기(S4)를 통해 배출되고 제2입출구(S2)로 공급된 수소는 제3입출구(S3)를 통해 배출될 수 있다.In addition, the first four-way valve 140 may have a first inlet/outlet ( S1 ) and a fourth inlet/outlet ( S4 ) connected, and a second inlet/outlet ( S2 ) and third inlet/outlet ( S3 ) may be connected to each other. In this case, the hydrogen supplied to the first inlet/outlet S1 may be discharged through the fourth inlet/outlet S4, and the hydrogen supplied to the second inlet/exit S2 may be discharged through the third inlet/exit S3.

도 3의 좌측에 도시된 연결과 우측에 도시된 각 입출구 간의 연결은 서로 교번하여 진행될 수 있다. 좌측의 연결은 수소의 순방향 흐름을 위한 것이고, 우측의 연결은 수소의 역방향 흐름을 위한 것이다. 이러한 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정주기에 따라 서로 교번하여 이루어지도록 한다. 물론, 후술되는 제어부에 의한 제어신호에 의해 교번될 수도 있다.The connection shown on the left side of FIG. 3 and the connection between the respective entrances and exits shown on the right side may be alternately performed. The connection on the left is for the forward flow of hydrogen, and the connection on the right is for the reverse flow of hydrogen. Such forward flow and reverse flow are made to alternate with each other according to a set period. Of course, it may be alternated by a control signal by a control unit to be described later.

도 4를 참조하면, 본 실시예에서 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(T1)와 제2입출구(T2)가 연결되고 제3입출구(T3)와 제4입출구(T4)가 연결될 수 있다. 이 경우 제1입출구(T1)로 공급된 공기는 제2입출구(T2)를 통해 배출되고, 제4입출구(T4)로 공급된 수소는 제3입출구(T3)를 통해 배출될 수 있다.Referring to FIG. 4 , in the present embodiment, the second four-way valve 150 has a first inlet/outlet T1 and a second inlet/outlet T2 connected, and a third inlet/outlet T3 and fourth inlet/outlet T4 are connected to each other. can In this case, the air supplied to the first inlet and outlet T1 may be discharged through the second inlet and outlet T2 , and the hydrogen supplied to the fourth inlet and outlet T4 may be discharged through the third inlet and outlet T3 .

또한, 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(T1)와 제4입출구(T4)가 연결되고 제2입출구(T2)와 제3입출구(T3)가 연결될 수도 있다. 이 경우에는 제1입출구(T1)로 공급된 수소는 제4입출기(T4)를 통해 배출되고 제2입출구(T2)로 공급된 수소는 제3입출구(T4)를 통해 배출될 수 있다.In addition, the second four-way valve 150 may be connected to the first inlet and outlet T1 and the fourth inlet and outlet T4, and the second inlet and outlet T2 and the third inlet and outlet T3 may be connected to each other. In this case, the hydrogen supplied to the first inlet and outlet T1 may be discharged through the fourth inlet/outlet T4 , and the hydrogen supplied to the second inlet and outlet T2 may be discharged through the third inlet and outlet T4 .

도 4의 좌측에 도시된 연결과 우측에 도시된 각 입출구 간의 연결은 서로 교번하여 진행될 수 있다. 좌측의 연결은 공기의 순방향 흐름을 위한 것이고, 우측의 연결은 공기의 역방향 흐름을 위한 것이다. 이러한 순방향 흐름과 역방향 흐름도 역시 설정주기에 따라 서로 교번하여 이루어지도록 한다. 물론, 제어부에 의한 제어신호에 의해 교번될 수도 있다.The connection shown on the left side of FIG. 4 and the connection between the respective entrances and exits shown on the right side may be alternately performed. The connection on the left is for the forward flow of air, and the connection on the right is for the reverse flow of air. Such forward flow and reverse flow are also alternately performed according to a set period. Of course, it may be alternated by a control signal by the controller.

도 5를 참조하면, 본 실시예에서 제3사방향밸브(160)는 제1입출구(U1)와 제2입출구(U1)가 연결되고 제3입출구(U3)와 제4입출구(U4)가 연결될 수 있다. 이 경우 제1입출구(U1)로 공급된 냉각수는 제2입출구(U2)를 통해 배출되고, 제4입출구(U4)로 공급된 냉각수는 제3입출구(U3)를 통해 배출될 수 있다.Referring to FIG. 5 , in this embodiment, the third four-way valve 160 has a first inlet/outlet U1 and a second inlet/outlet U1 connected, and a third inlet/outlet U3 and fourth inlet/outlet U4 are connected. can In this case, the cooling water supplied to the first inlet and outlet U1 may be discharged through the second inlet and outlet U2 , and the cooling water supplied to the fourth inlet and outlet U4 may be discharged through the third inlet and outlet U3 .

또한, 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(U1)와 제4입출구(U4)가 연결되고 제2입출구(U2)와 제3입출구(U3)가 연결될 수도 있다. 이 경우에는 제1입출구(U1)로 공급된 냉각수는 제4입출기(U4)를 통해 배출되고 제2입출구(U2)로 공급된 냉각수는 제3입출구(U3)를 통해 배출될 수 있다.In addition, the second four-way valve 150 may be connected to the first inlet and outlet U1 and the fourth inlet and outlet U4, and the second inlet and outlet U2 and the third inlet and outlet U3 may be connected to each other. In this case, the cooling water supplied to the first inlet/outlet U1 may be discharged through the fourth inlet/outlet U4, and the cooling water supplied to the second inlet/exit U2 may be discharged through the third inlet/exit U3.

도 5의 좌측에 도시된 연결과 우측에 도시된 연결은 서로 교번하여 진행될 수 있다. 좌측의 연결은 냉각수의 순방향 흐름을 위한 것이고, 우측의 연결은 수소의 역방향 흐름을 위한 것이다. 이러한 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정주기에 따라 서로 교번하여 이루어지도록 한다. 물론, 제어부에 의한 제어신호에 의해 교번될 수도 있다.The connection shown on the left and the connection shown on the right of FIG. 5 may be alternated with each other. The connection on the left is for the forward flow of coolant, and the connection on the right is for the reverse flow of hydrogen. Such forward flow and reverse flow are made to alternate with each other according to a set period. Of course, it may be alternated by a control signal by the controller.

이와 같이 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 4개의 입출구 간의 연결상태에 따라 수소, 공기, 냉각수의 흐름이 달라질 수 있으며, 이에 따라 이들 각각의 순방향 흐름과 역방향 흐름이 결정될 수 있다.As such, in the first, second, and third four-way valves 140, 150, and 160, the flow of hydrogen, air, and cooling water may vary depending on the connection state between the four inlets and outlets, and accordingly, the forward flow and the reverse flow of each of these may be determined.

한편, 일 실시예에서 이들 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 연료전지장치의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(도시되지 않음)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다. Meanwhile, in an embodiment, the operation of the first, second, and third four-way valves 140 , 150 , and 160 may be controlled by a controller (not shown) that controls the overall operation of the fuel cell device.

또한, 다른 실시예에서 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 설정주기에 따라 동작될 수도 있다. 즉, 설정주기에 따라 4개의 입출구 간 연결이 변경될 수 있다.Also, in another embodiment, the first, second, and third four-way valves 140, 150, and 160 may be operated according to a set period. That is, the connection between the four entrances and exits may be changed according to the setting period.

이와 같이 n개의 단으로 구성된 연료전지스택(110,120,130) 및 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)를 포함하는 연료전지장치의 동작을 설명한다.The operation of the fuel cell device including the fuel cell stacks 110 , 120 , and 130 having n stages and the first, second, and third four-way valves 140 , 150 and 160 will be described.

수소의 순방향 흐름을 설명한다. 각 단의 연료전지스택(110,120,130)마다 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 공급되면 그 전단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출된다. 이와 같이 배출된 수소는 다음 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되고, 그 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출된다.Describe the forward flow of hydrogen. For each fuel cell stack 110 , 120 , and 130 of each stage, when hydrogen is supplied to the first channel of the fuel cell stack of the previous stage, hydrogen is discharged through the second channel of the fuel cell stack of the previous stage. The hydrogen discharged in this way is supplied to the first channel of the fuel cell stack at the rear stage, and the hydrogen is discharged to the second channel of the fuel cell stack at the rear stage.

이와 같이 전단의 연료전지스택에서 배출되는 수소가 후단의 연료전지스택으로 전달되며 최종적으로 최후단인 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 배출된다. 상기 제2채널에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되어 외부장치로 배출된다.In this way, hydrogen discharged from the fuel cell stack of the front stage is transferred to the fuel cell stack of the rear stage, and is finally discharged to the second channel of the fuel cell stack of the nth stage, which is the last stage. Hydrogen discharged from the second channel is again supplied to the first four-way valve 140 and discharged to an external device.

또한, 수소의 역방향 흐름을 설명한다. 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 공급되면, 그 후단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출된다. 이와 같이 제1채널로 배출된 수소는 다음 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되고, 그 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출된다.It also describes the reverse flow of hydrogen. When hydrogen is supplied to the second channel of the fuel cell stack at the rear stage for each fuel cell stack, hydrogen is discharged to the first channel of the fuel cell stack at the rear stage. As described above, the hydrogen discharged through the first channel is supplied to the second channel of the fuel cell stack of the next stage, and the hydrogen is discharged through the first channel of the fuel cell stack of the previous stage.

이와 같이 후단의 연료전지스택에서 배출되는 수소가 전단의 연료전지스택으로 전달되며 최종적으로 최전단인 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 배출된다. 상기 제1채널에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되어 외부장치로 배출된다.In this way, the hydrogen discharged from the fuel cell stack at the rear stage is transferred to the fuel cell stack at the front stage, and is finally discharged to the first channel of the fuel cell stack of the first stage, which is the front stage. Hydrogen discharged from the first channel is again supplied to the first four-way valve 140 and discharged to an external device.

이때, 제1사방향밸브(140)는 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 수소를 공급하는 제1과정을 수행한 후, 설정조건이 만족되면 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 수소를 공급하는 제2과정을 수행한다. 이는 제1사방향밸브(140)에서 수소 흐름의 방향을 변경함으로써 제1과정과 제2과정이 진행되는 것이다.At this time, the first four-way valve 140 performs a first process of supplying hydrogen to the first channel of the fuel cell stack of the first stage, and then, when the setting condition is satisfied, the second of the fuel cell stack of the nth stage is satisfied. A second process of supplying hydrogen to the channel is performed. In this case, the first process and the second process are performed by changing the direction of the hydrogen flow in the first four-way valve 140 .

이러한 제1과정과 제2과정은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다. 상기 설정조건으로는 예를 들어 운전시간이 설정주기에 도달하거나 필요에 따라 제어부에서 출력되는 제어신호가 수신되는 경우를 포함한다.The first process and the second process may be alternately performed whenever the set condition is satisfied. The setting condition includes, for example, a case in which the operation time reaches a set period or a control signal output from the control unit is received as necessary.

다음으로 공기의 순방향 흐름을 설명한다. 본 발명의 다른 실시예에서 제2사방향밸브(150)의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 공급되면, 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브(150)로 공급되어 외부장치로 배출된다.Next, the forward flow of air will be described. In another embodiment of the present invention, when air is supplied to the third channel of the fuel cell stack of each stage by the operation of the second four-way valve 150, the air is discharged through the fourth channel of the fuel cell stack of each stage. . As described above, the air discharged to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage is supplied to the second four-way valve 150 and discharged to an external device.

반대로, 공기의 역방향의 경우 제2사방향밸브(150)의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 공급되면, 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브(150)로 공급되어 외부장치로 배출된다.Conversely, in the case of the reverse direction of air, when air is supplied to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage by the operation of the second four-way valve 150, the air is discharged through the third channel of the fuel cell stack of each stage. . As described above, the air discharged to the third channel of the fuel cell stack of each stage is supplied to the second four-way valve 150 and discharged to an external device.

이때, 제2사방향밸브(150)는 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기를 공급하는 제3과정을 수행한 후, 설정조건이 만족되면 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기를 공급하는 제4과정을 수행한다. 이는 제2사방향밸브(150)에서 공기 흐름의 방향을 변경함으로써 제3과정과 제4과정이 진행되는 것이다.At this time, the second four-way valve 150 performs a third process of supplying air to the third channel of the fuel cell stack of each stage, and then, when the set condition is satisfied, flows to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage. The fourth process of supplying air is performed. This is to change the direction of the air flow in the second four-way valve 150, so that the third process and the fourth process are performed.

이러한 제3과정과 제4과정은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다. 예컨대, 운전시간이 설정주기에 도달하거나 필요에 따라 제어부에서 출력되는 제어신호가 수신되면 서로 교번하여 진행될 수 있다.The third process and the fourth process may be alternately performed whenever the set condition is satisfied. For example, when the operation time reaches a set period or when a control signal output from the control unit is received as necessary, the operation may be performed alternately.

다음으로 냉각수의 순방향 흐름을 설명한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 공급되면, 그 전단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출된다. 이와 같이 제6채널로 배출되는 냉각수는 다음 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되고, 그 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출된다.Next, the forward flow of the coolant will be described. In another embodiment of the present invention, when coolant is supplied to the fifth channel of the fuel cell stack of the previous stage for each fuel cell stack of each stage by the operation of the third four-way valve 160, Cooling water is discharged through the sixth channel. As described above, the coolant discharged to the sixth channel is supplied to the fifth channel of the fuel cell stack at the rear stage, and the coolant is discharged to the sixth channel of the fuel cell stack at the rear stage.

이와 같이 전단의 연료전지스택에서 배출되는 냉각수가 후단의 연료전지스택으로 전달되며, 최종적으로 최후단인 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 배출된다. 상기 제6채널에서 배출되는 냉각수는 다시 제3사방향밸브(160)로 공급되어 외부장치로 배출된다.In this way, the coolant discharged from the fuel cell stack of the front stage is transferred to the fuel cell stack of the rear stage, and is finally discharged to the sixth channel of the fuel cell stack of the nth stage, which is the last stage. The cooling water discharged from the sixth channel is again supplied to the third four-way valve 160 and discharged to an external device.

반대로 냉각수의 역방향 흐름의 경우, 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 공급되면, 그 후단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출된다. 이와 같이 제5채널로 배출된 냉각수는 다음 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되고 그 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출된다. Conversely, in the case of the reverse flow of the coolant, when coolant is supplied to the sixth channel of the fuel cell stack at the rear end for each fuel cell stack, the coolant is discharged to the fifth channel of the fuel cell stack at the rear end. The cooling water discharged through the fifth channel in this way is supplied to the sixth channel of the fuel cell stack of the next stage, and the cooling water is discharged through the fifth channel of the fuel cell stack of the previous stage.

이와 같이 후단의 연료전지스택에서 배출되는 냉각수가 전단의 연료전지스택으로 전달되며, 최종적으로 최전단인 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 배출된다. 상기 제5채널에서 배출되는 냉각수는 다시 제3사방향밸브(160)로 공급되어 외부장치로 배출된다.As described above, the coolant discharged from the fuel cell stack at the rear stage is transferred to the fuel cell stack at the front stage, and finally discharged to the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage, which is the front stage. The cooling water discharged from the fifth channel is again supplied to the third four-way valve 160 and discharged to an external device.

이때, 제3사방향밸브(160)는 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 수소를 공급하는 제5과정을 수행한 후, 설정조건이 만족되면 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 수소를 공급하는 제6과정을 수행한다. 이는 제3사방향밸브(160)에서 냉각수 흐름의 방향을 변경함으로써 제5과정과 제6과정이 진행되는 것이다.At this time, the third four-way valve 160 performs a fifth process of supplying hydrogen to the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage, and then, when the setting condition is satisfied, the sixth process of the fuel cell stack of the nth stage is satisfied. A sixth process of supplying hydrogen to the channel is performed. This means that the fifth and sixth processes are performed by changing the direction of the coolant flow in the third four-way valve 160 .

상기 제5과정 및 제6과정은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행된다. 예컨대, 운전시간이 설정주기에 도달하거나 필요에 따라 제어부에서 출력되는 제어신호가 수신되는 경우에 상기 교번이 진행될 수 있다.The fifth and sixth processes are alternately performed whenever the set condition is satisfied. For example, when the operation time reaches a set period or when a control signal output from the control unit is received as necessary, the alternation may be performed.

도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치의 동작을 구체적으로 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치이지만, 이하에서는 설명의 평의상 2단의 연료전지스택에 대하여 동작을 설명하도록 한다.An operation of the fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 8 . As described above, the fuel cell device of the present invention is a cascade type fuel cell device in which the fuel cell stack is composed of n stages, but hereinafter, the operation of the two-stage fuel cell stack will be described for convenience of description.

이는 설명의 편의를 위한 것이며, 이와 동일한 원리로 n개의 연료전지스택에 동일하게 적용됨을 밝혀둔다. 필요시 n개의 단으로 구성된 연료전지스택에 대해서도 설명을 추가하기로 한다.This is for convenience of explanation, and the same principle applies equally to n fuel cell stacks. If necessary, a description of the fuel cell stack composed of n stages will also be added.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지장치에서 수소의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도이다. 도 6에는 일례로 연료전지장치가 2단의 연료전지스택으로 구성된 예를 도시한다.6 is an exemplary view for explaining the flow of hydrogen in a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 6 shows an example in which the fuel cell device is configured by a two-stage fuel cell stack as an example.

도 6의 좌측에는 수소의 순방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제1사방향밸브(140)는 제1입출구(S1)로 수소가 공급되면 상기 공급된 수소가 제1연료전지스택(100)의 제1채널(111)로 공급되도록 동작한다. 제1연료전지스택(100)의 제1채널(111)로 공급된 수소는 제1연료전지스택(100)의 제2채널(112)로 수소가 배출된다.The operation for the forward flow of hydrogen is shown on the left side of FIG. 6 . As shown in the drawing, the first four-way valve 140 operates so that when hydrogen is supplied to the first inlet and outlet S1 , the supplied hydrogen is supplied to the first channel 111 of the first fuel cell stack 100 . do. Hydrogen supplied to the first channel 111 of the first fuel cell stack 100 is discharged through the second channel 112 of the first fuel cell stack 100 .

이때, 상기와 같이 제1연료전지스택(100)의 제2채널(112)로 배출된 수소는 다음 단의 제2연료전지스택(200)의 제1채널(211)로 공급되며, 계속해서 이러한 수소는 제2연료전지스택(200)의 제4채널(212)로 배출된다. 그리고 제4채널(212)로 배출된 수소는 제1사방향밸브(140)로 공급되어 제1사방향밸브(140)의 제3입출구(S3)를 통해 외부장치로 배출된다. At this time, as described above, the hydrogen discharged to the second channel 112 of the first fuel cell stack 100 is supplied to the first channel 211 of the second fuel cell stack 200 of the next stage, and continuously Hydrogen is discharged through the fourth channel 212 of the second fuel cell stack 200 . The hydrogen discharged through the fourth channel 212 is supplied to the first four-way valve 140 and discharged to an external device through the third inlet/outlet S3 of the first four-way valve 140 .

이와 같이 제1사방향밸브(140)에 의해 제1연료전지스택(100)으로 수소가 공급되어 제2연료전지스택(200)을 통해 수소가 배출되는 수소의 순방향 흐름이 진행된다.As described above, the forward flow of hydrogen from which hydrogen is supplied to the first fuel cell stack 100 by the first four-way valve 140 and the hydrogen is discharged through the second fuel cell stack 200 proceeds.

상기 수소의 순방향 흐름이 진행하는 중에 설정주기에 도달하거나 제어부에 의해 제어신호가 수신되면 도 6의 우측과 같이 동작한다.When a set period is reached or a control signal is received by the control unit while the forward flow of hydrogen is in progress, it operates as shown in the right side of FIG. 6 .

도 6의 우측에는 수소의 역방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제1사방향밸브(140)는 순방향과는 반대방향으로 제1입출구(S1)로 공급된 수소를 제2연료전지스택(200)의 제4채널(212)로 공급되도록 동작한다. 이와 같이 제2연료전지스택(200)의 제4채널(212)로 공급된 수소는 제2연료전지스택(200)의 제3채널(211)로 배출된다. The operation for the reverse flow of hydrogen is shown on the right side of FIG. 6 . As shown in the figure, the first four-way valve 140 supplies hydrogen supplied to the first inlet and outlet S1 in the opposite direction to the forward direction to the fourth channel 212 of the second fuel cell stack 200 . It works. As described above, the hydrogen supplied to the fourth channel 212 of the second fuel cell stack 200 is discharged through the third channel 211 of the second fuel cell stack 200 .

이때, 상기와 같이 제2연료전지스택(200)의 제1채널(211)로 배출된 수소는 이전 단의 제1연료전지스택(100)의 제2채널(112)로 공급되며, 계속해서 이러한 수소는 제1연료전지스택(100)의 제1채널(111)로 배출된다. 그리고 제1채널(111)로 배출된 수소는 제1사방향밸브(140)로 공급되어 제1사방향밸브(140)의 제3입출구(S3)을 통해 외부장치로 배출된다.At this time, as described above, the hydrogen discharged to the first channel 211 of the second fuel cell stack 200 is supplied to the second channel 112 of the first fuel cell stack 100 of the previous stage, and continuously Hydrogen is discharged through the first channel 111 of the first fuel cell stack 100 . The hydrogen discharged through the first channel 111 is supplied to the first four-way valve 140 and discharged to an external device through the third inlet/outlet S3 of the first four-way valve 140 .

이와 같이 제1사방향밸브(140)에 의해 제2연료전지스택(200)으로 수소가 공급되어 제1연료전지스택(100)을 통해 수소가 배출되는 수소의 역방향 흐름이 진행된다.In this way, hydrogen is supplied to the second fuel cell stack 200 by the first four-way valve 140 and the hydrogen is discharged through the first fuel cell stack 100 in a reverse direction.

이러한 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정조건에 따라 서로 교번하여 진행된다. The forward flow and the reverse flow of hydrogen alternate with each other according to the set conditions.

본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성되므로, 제1사방향밸브의 동작에 의해, 각 단마다 연료전지스택의 제1채널로 공급된 수소가 제2채널로 배출되어 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되는 순방향이 진행이 진행된다. 그리고, 반대로 각 단마다 연료전지스택의 제2채널로 공급된 수소가 제1채널로 배출되어 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되는 역방향이 진행된다. In the fuel cell device of the present invention, since the fuel cell stack is composed of n stages, the hydrogen supplied to the first channel of the fuel cell stack is discharged to the second channel for each stage by the operation of the first four-way valve, and the rear stage The forward direction supplied to the first channel of the fuel cell stack of . On the contrary, hydrogen supplied to the second channel of the fuel cell stack for each stage is discharged to the first channel and supplied to the second channel of the fuel cell stack of the previous stage in a reverse direction.

도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 공기의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도이다. 도 7에서도 일례로 연료전지장치가 2단의 연료전지스택으로 구성된 예를 도시한다.7 is an exemplary view for explaining the flow of air in a fuel cell device according to another embodiment of the present invention. 7 also shows an example in which the fuel cell device is configured as a two-stage fuel cell stack.

도 7의 좌측에는 공기의 순방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(T1)로 공기가 공급되면, 공급된 공기가 제1,2연료전지스택(100,200)의 제3채널(121)로 동시에 공급되도록 동작한다.On the left side of Fig. 7, the operation for the forward flow of air is shown. As shown in the figure, when air is supplied to the second four-way valve 150 through the first inlet/outlet T1, the supplied air is simultaneously directed to the third channel 121 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200. operate to be supplied.

제1,2연료전지스택(100,200)의 제3채널(121)로 공급된 공기는 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(122)로 수소가 동시에 배출된다. 이때, 상기와 같이 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(122)로 배출된 공기는 제1사방향밸브(150)로 공급되어 제2사방향밸브(150)의 제3입출구(T3)를 통해 외부장치로 배출된다. The air supplied to the third channel 121 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 is simultaneously discharged into the fourth channel 122 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 . At this time, as described above, the air discharged to the fourth channel 122 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 is supplied to the first four-way valve 150 and the third inlet and outlet of the second four-way valve 150 . It is discharged to an external device through (T3).

이와 같이 제2사방향밸브(150)에 의해 제1,2연료전지스택(100,200)의 제3채널(121)로 공기가 동시에 공급되어 제4채널(122)로 동시에 배출되는 공기의 순방향 흐름이 진행된다.As such, air is simultaneously supplied to the third channel 121 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 by the second four-way valve 150 and the forward flow of air simultaneously discharged to the fourth channel 122 is reduced. proceeds

상기 공기의 순방향 흐름이 진행하는 중에 설정주기에 도달하거나 제어부에 의해 제어신호가 수신되면 도 7의 우측과 같이 동작한다.When a set period is reached or a control signal is received by the control unit while the forward flow of air is in progress, it operates as shown in the right side of FIG. 7 .

도 7의 우측에는 수소의 역방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제2사방향밸브(150)는 순방향과는 반대방향으로 제1입출구(S1)로 공급된 공기를 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(212)로 동시에 공급되도록 동작한다. 이와 같이 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(212)로 공급된 수소는 제3채널(211)로 배출된다. The operation for the reverse flow of hydrogen is shown on the right side of FIG. 7 . As shown in the drawing, the second four-way valve 150 directs the air supplied to the first inlet and outlet S1 in the opposite direction to the forward direction to the fourth channel 212 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 . They operate to be supplied simultaneously. As described above, the hydrogen supplied to the fourth channel 212 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 is discharged through the third channel 211 .

이와 같이 제2사방향밸브(150)에 의해 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(122)로 공기가 동시에 공급되어 제3채널(121)로 동시에 배출되는 공기의 역방향 흐름이 진행된다.In this way, air is simultaneously supplied to the fourth channel 122 of the first and second fuel cell stacks 100 and 200 by the second four-way valve 150 and the reverse flow of the air simultaneously discharged to the third channel 121 is reduced. proceeds

이러한 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정조건에 따라 서로 교번하여 진행된다. The forward flow and the reverse flow of the air alternately proceed according to the set conditions.

본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성되므로, 제2사방향밸브의 동작에 의해 n개의 단마다 연료전지스택의 제3채널로 공기가 동시에 공급되어 제4채널로 공기가 배출되는 순방향 흐름이 진행이 진행된다. 그리고, 반대로 n개의 단마다 연료전지스택의 제4채널로 동시에 공기가 공급되어 제3채널로 공기가 배출되는 역방향 흐름이 진행된다. In the fuel cell device of the present invention, since the fuel cell stack is composed of n stages, air is simultaneously supplied to the third channel of the fuel cell stack for every n stages by the operation of the second four-way valve, and air is supplied to the fourth channel by the operation of the second four-way valve. The outgoing forward flow proceeds. On the contrary, the reverse flow in which air is simultaneously supplied to the fourth channel of the fuel cell stack for every n stages and the air is discharged to the third channel proceeds.

도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도이다. 도 8에는 일례로 연료전지장치가 2단의 연료전지스택으로 구성된 예를 도시한다.8 is an exemplary view for explaining a flow of coolant in a fuel cell device according to another embodiment of the present invention. 8 shows an example in which the fuel cell device is configured as a two-stage fuel cell stack as an example.

도 8의 좌측에는 냉각수의 순방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제3사방향밸브(160)는 제1입출구(U1)로 냉각수가 공급되면, 공급된 냉각수가 제1연료전지스택(100)의 제5채널(131)로 공급되도록 동작한다. 이와 같이 제1연료전지스택(100)의 제5채널(111)로 공급된 냉각수는 제1연료전지스택(100)의 제6채널(132)로 수소가 배출된다.On the left side of FIG. 8, the operation for the forward flow of the coolant is shown. As shown in the drawing, the third four-way valve 160 operates so that when coolant is supplied to the first inlet and outlet U1 , the supplied coolant is supplied to the fifth channel 131 of the first fuel cell stack 100 . do. As described above, the coolant supplied to the fifth channel 111 of the first fuel cell stack 100 is hydrogen discharged through the sixth channel 132 of the first fuel cell stack 100 .

이때, 상기와 같이 제1연료전지스택(100)의 제6채널(132)로 배출된 냉각수는 다음 단의 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 공급되며, 계속해서 이러한 냉각수는 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 배출된다. 그리고 제5채널(231)로 배출된 냉각수는 제3사방향밸브(160)로 다시 공급되어 제3사방향밸브(160)의 제3입출구(U3)를 통해 외부장치로 배출된다. At this time, the cooling water discharged to the sixth channel 132 of the first fuel cell stack 100 as described above is supplied to the fifth channel 231 of the second fuel cell stack 200 of the next stage, and continuously The coolant is discharged through the fifth channel 231 of the second fuel cell stack 200 . And the cooling water discharged to the fifth channel 231 is supplied back to the third four-way valve 160 and discharged to an external device through the third inlet and outlet U3 of the third four-way valve 160 .

이와 같이 제3사방향밸브(160)에 의해 제1연료전지스택(100)으로 냉각수가 공급되어 제2연료전지스택(200)을 통해 냉각수가 배출되는 냉각수의 순방향 흐름이 진행된다.As described above, the coolant is supplied to the first fuel cell stack 100 by the third four-way valve 160 and the coolant is discharged through the second fuel cell stack 200 in a forward direction.

상기 냉각수의 순방향 흐름이 진행하는 중에 설정주기에 도달하거나 제어부에 의해 제어신호가 수신되면 도 8의 우측과 같이 동작한다.When a set period is reached or a control signal is received by the control unit while the forward flow of the coolant is in progress, the operation is as shown in the right side of FIG.

도 8의 우측에는 냉각수의 역방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제3사방향밸브(160)는 순방향과는 반대방향으로 제1입출구(S1)로 공급된 냉각수를 제2연료전지스택(200)의 제6채널(232)로 공급되도록 동작한다. 제2연료전지스택(200)의 제6채널(232)로 공급된 냉각수는 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 배출된다. An operation for the reverse flow of the coolant is shown on the right side of FIG. 8 . As shown in the drawing, the third four-way valve 160 supplies the coolant supplied to the first inlet and outlet S1 in the opposite direction to the forward direction to the sixth channel 232 of the second fuel cell stack 200 . It works. The coolant supplied to the sixth channel 232 of the second fuel cell stack 200 is discharged through the fifth channel 231 of the second fuel cell stack 200 .

이때, 상기와 같이 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 배출된 냉각수는 이전 단의 제1연료전지스택(100)의 제6채널(132)로 공급되며, 계속해서 이러한 냉각수는 제1연료전지스택(100)의 제5채널(131)로 배출된다. 그리고 제5채널(131)로 배출된 냉각수는 제1사방향밸브(140)로 다시 공급되어 제1사방향밸브(140)의 제3입출구(U3)을 통해 외부장치로 배출된다.At this time, the coolant discharged to the fifth channel 231 of the second fuel cell stack 200 as described above is supplied to the sixth channel 132 of the first fuel cell stack 100 of the previous stage, and continues to The coolant is discharged through the fifth channel 131 of the first fuel cell stack 100 . The cooling water discharged through the fifth channel 131 is supplied back to the first four-way valve 140 and discharged to an external device through the third inlet and outlet U3 of the first four-way valve 140 .

이와 같이 제3사방향밸브(160)에 의해 제2연료전지스택(100)로 냉각수가 공급되어 제1연료전지스택(100)에서 배출되는 냉각수의 역방향 흐름이 진행된다.As described above, the coolant is supplied to the second fuel cell stack 100 by the third four-way valve 160 , and the coolant discharged from the first fuel cell stack 100 flows in a reverse direction.

이러한 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정조건에 따라 서로 교번하여 진행된다. The forward flow and the reverse flow of the cooling water alternately proceed according to a set condition.

본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성되므로, 제3사방향밸브의 동작에 의해, 각 단마다 연료전지스택의 제5채널로 공급된 냉각수가 제6채널로 배출되어 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되는 순방향이 진행이 진행된다. 그리고, 반대로 각 단마다 연료전지스택의 제6채널로 공급된 냉각수가 제5채널로 배출되어 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되는 역방향이 진행된다. In the fuel cell device of the present invention, since the fuel cell stack is composed of n stages, the coolant supplied to the fifth channel of the fuel cell stack is discharged to the sixth channel for each stage by the operation of the third four-way valve, and the rear stage The forward direction supplied to the fifth channel of the fuel cell stack of . On the contrary, the coolant supplied to the sixth channel of the fuel cell stack for each stage is discharged to the fifth channel and supplied to the sixth channel of the fuel cell stack of the previous stage in a reverse direction.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입의 연료전지장치에서 각 단의 연료전지스택의 수소, 공기 및 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 진행되도록 함으로써 연료전지스택의 성능과 수명을 향상시키고, 장시간 사용으로 인해 뒷단의 연료전지스택에서의 플러딩을 방지하고 수소생산량 감소를 최소화할 수 있다.As described above, in the present invention, in a cascade type fuel cell device composed of n stages, the forward flow and the reverse flow of hydrogen, air, and cooling water of each stage of the fuel cell stack are alternately progressed to progress the fuel cell stack. It is possible to improve the performance and lifespan of the battery, prevent flooding in the fuel cell stack at the rear stage due to long-term use, and minimize the decrease in hydrogen production.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치의 운전방법을 설명하는 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치가 발전운전을 진행하고(S101), 발전운전 시간이 설정주기에 도달하였는지를 판단한다(S103).Referring to FIG. 9 , the fuel cell device according to the embodiment of the present invention performs a power generation operation ( S101 ), and determines whether a power generation operation time reaches a set period ( S103 ).

발전운전이 설정주기에 도달하면 제1,2,3사방향밸브(110,120,130)가 동작하여 수소, 공기, 냉각수의 입출구 연결을 변경함으로써 수소, 공기, 냉각수의 흐름을 변경한다(S105).When the power generation operation reaches the set period, the first, second, and third four-way valves 110, 120, and 130 operate to change the hydrogen, air, and coolant flows by changing the inlet/outlet connection of hydrogen, air, and coolant (S105).

발전운전 시간이 설정주기에 도달하지 않았으면 최끝단부인 제1단의 연료전지스택과 제n단의 연료전지스택에서 발전되는 전압의 차이가 기준치보다 큰지를 판단한다(S107).If the power generation operation time has not reached the set period, it is determined whether a difference in voltage generated by the fuel cell stack of the first stage and the fuel cell stack of the nth stage is greater than a reference value (S107).

제1,2,3사방향밸브(140,150,160)의 동작에 의해 순방향 흐름 또는 역방향 흐름이 진행되는 동안 수소 및 공기가 공급되는 처음의 연료전지스택 대비 수소 및 공기가 배출되는 끝단의 연료전지스택에서의 전력생산량은 차이가 발생된다.During the forward flow or reverse flow by the operation of the first, second, and third four-way valves 140, 150, 160, in the fuel cell stack at the end of which hydrogen and air are discharged compared to the first fuel cell stack to which hydrogen and air are supplied. There is a difference in the amount of electricity produced.

이는 n개의 단으로 구성된 연료전지스택 중 양쪽 끝단에 배치된 연료전지스택에서는 열악한 환경에 노출되므로 플러딩 현상이 발생할 수 있다. 이때, 플러딩 현상으로 제1단과 제n단의 연료전지스택에서의 전기생산량에 차이가 발생하면 순방향 흐름과 역방향 흐름을 변경함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다.This is because a fuel cell stack disposed at both ends of a fuel cell stack composed of n stages is exposed to a harsh environment, and thus a flooding phenomenon may occur. At this time, if there is a difference in the amount of electricity produced in the fuel cell stack of the first stage and the nth stage due to the flooding phenomenon, this problem can be solved by changing the forward flow and the reverse flow.

따라서, 플러딩 현상으로 인하여 공기가 최종적으로 배출되는 연료전지스택의 전압이 공기가 처음으로 공급되는 연료전지스택의 전압대비 기준치 이상 편차가 발생할 경우 공기 공급 및 배출의 채널을 변경하도록 한다(S109). Therefore, when the voltage of the fuel cell stack to which the air is finally discharged due to the flooding phenomenon is more than the reference value deviation from the voltage of the fuel cell stack to which the air is first supplied, the air supply and discharge channels are changed (S109).

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments and may be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

110 : 제1단 연료전지스택 120 : 제2단 연료전지스택
130 : 제n단 연료전지스택 140 : 제1사방향밸브
150 : 제2사방향밸브 160 : 제3사방향밸브110: first stage fuel cell stack 120: second stage fuel cell stack
130: n-th stage fuel cell stack 140: first four-way valve
150: second four-way valve 160: third four-way valve

Claims (22)

수소가 출입되는 제1채널과 제2채널 및 공기가 출입되는 제3채널 및 제4채널이 각각 형성되고, n(n≥2,정수)개의 캐스캐이드 단으로 구성된 연료전지스택;
외부에서 공급된 수소를 제1단의 연료전지스택의 제1채널 및 제n단의 연료전지스택의 제2채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 수소를 공급받아 외부로 배출하는 제1사방향밸브;
외부에서 공급된 공기를 각 단의 연료전지스택의 제3채널 및 제4채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 수소를 공급받아 외부로 배출하는 제2사방향밸브를 포함하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.a fuel cell stack having a first channel and a second channel through which hydrogen enters and a third channel and a fourth channel through which air enters and exits, respectively, and is composed of n (n≥2, integer) cascade stages;
A method for supplying hydrogen supplied from the outside to a selected one of the first channel of the fuel cell stack of the first stage and the second channel of the fuel cell stack of the nth stage, and receiving hydrogen discharged from the other channel and discharging it to the outside 1-way valve;
Casca comprising a second four-way valve that supplies air supplied from the outside to a selected one of the third and fourth channels of the fuel cell stack of each stage and receives hydrogen discharged from the other channel and discharges it to the outside. Id type fuel cell device. 제1항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 공급되면 상기 전단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 수소가 배출되고 상기 배출된 수소는 다음 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 수소가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.According to claim 1,
For each fuel cell stack of each stage, when hydrogen is supplied to the first channel of the fuel cell stack of the preceding stage, the hydrogen is discharged to the second channel of the fuel cell stack of the preceding stage, and the discharged hydrogen is the fuel cell stack of the next stage. A cascade type fuel cell device in which the hydrogen is supplied through a first channel and the hydrogen is discharged through a second channel of the fuel cell stack at the rear end. 제2항에 있어서,
상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 배출되는 수소는 상기 제1사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.3. The method of claim 2,
A cascade type fuel cell device in which hydrogen discharged through the second channel of the n-th stage fuel cell stack is supplied to the first four-way valve. 제1항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제1채널로 상기 수소가 배출되고 상기 배출된 수소는 다음 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제1채널로 상기 수소가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.According to claim 1,
When hydrogen is supplied to the second channel of the fuel cell stack of the rear stage for each fuel cell stack of each stage, the hydrogen is discharged to the first channel of the fuel cell stack of the rear stage, and the discharged hydrogen is the fuel cell stack of the next stage. A cascade type fuel cell device in which the hydrogen is supplied through a second channel and the hydrogen is discharged through a first channel of the fuel cell stack of the previous stage. 제4항에 있어서,
상기 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 배출되는 수소는 상기 제1사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.5. The method of claim 4,
A cascade type fuel cell device in which hydrogen discharged through a first channel of the fuel cell stack of the first stage is supplied to the first four-way valve. 제1항에 있어서,
상기 제1사방향밸브는,
상기 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 상기 수소를 공급하는 수소의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 수소를 공급하는 수소의 역방향 흐름이 진행되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.According to claim 1,
The first four-way valve is
After operating so that the forward flow of hydrogen supplying the hydrogen proceeds to the first channel of the fuel cell stack of the first stage, when a set condition is satisfied, the hydrogen is transferred to the second channel of the fuel cell stack of the nth stage A cascade type fuel cell device that operates so that the reverse flow of supplied hydrogen proceeds. 제6항에 있어서,
상기 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.7. The method of claim 6,
A cascade type fuel cell device in which the forward flow and the reverse flow of hydrogen alternate with each other whenever the set condition is satisfied. 제1항에 있어서
상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 공급되면 상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 상기 공기가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.The method of claim 1
A cascade type fuel cell device in which when air is supplied to the third channel of the fuel cell stack of each stage, the air is discharged to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage. 제8항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출되는 공기는 상기 제2사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.9. The method of claim 8,
The air discharged through the fourth channel of the fuel cell stack of each stage is supplied to the second four-way valve. 제1항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 공급되면 상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 상기 공기가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.According to claim 1,
When air is supplied to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage, the air is discharged to the third channel of the fuel cell stack of each stage. 제10항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 배출되는 공기는 상기 제2사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.11. The method of claim 10,
The air discharged to the third channel of the fuel cell stack of each stage is supplied to the second four-way valve. 제1항에 있어서,
상기 제2사방향밸브는,
상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 상기 공기를 공급하는 공기의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 상기 공기를 공급하는 공기의 역방향 흐름이 진행되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.According to claim 1,
The second four-way valve,
After operating so that the forward flow of the air supplying the air proceeds to the third channel of the fuel cell stack of each stage, when a set condition is satisfied, the air is supplied to the fourth channel of the fuel cell stack of each stage A cascade type fuel cell device that operates so that the reverse flow of air proceeds. 제12항에 있어서,
상기 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.13. The method of claim 12,
A cascade type fuel cell device in which the forward flow and the reverse flow of air are alternately performed whenever the set condition is satisfied. 제12항에 있어서,
상기 제2사방향밸브는,
상기 제1단 및 제n단의 연료전지스택의 전압차가 설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름이 변경되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.13. The method of claim 12,
The second four-way valve,
A cascade type fuel cell device operable to change a forward flow and a reverse flow of the air when the voltage difference between the first and nth fuel cell stacks exceeds a set reference value. 제1항에 있어서,
상기 각 연료전지스택은 냉각수가 출입되는 제5채널 및 제6채널이 더 형성되는 캐스캐이드 타입 연료전지스택.According to claim 1,
Each of the fuel cell stacks is a cascade type fuel cell stack in which a fifth channel and a sixth channel through which the coolant flows are further formed. 제15항에 있어서,
외부에서 공급된 냉각수를 상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널 및 제n단의 연료전지스택의 제6채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 냉각수를 공급받아 외부로 배출하는 제3사방향밸브를 더 포함하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.16. The method of claim 15,
The cooling water supplied from the outside is supplied to one channel selected from among the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage and the sixth channel of the fuel cell stack of the nth stage, and the cooling water discharged from the other channel is supplied and discharged to the outside. A cascade type fuel cell device further comprising a third four-way valve. 제16항에 있어서
상기 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 공급되면 상기 전단의 연료전지스택의 제6채널로 상기 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제6채널로 상기 냉각수가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.17. The method of claim 16
When the coolant is supplied to the fifth channel of the fuel cell stack of the previous stage for each fuel cell stack of each stage, the coolant is discharged to the sixth channel of the fuel cell stack of the previous stage, and the discharged coolant is the fuel cell stack of the next stage. A cascade type fuel cell device in which the coolant is supplied through a fifth channel and the coolant is discharged through a sixth channel of the fuel cell stack at the rear end. 제17항에 있어서,
상기 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 배출되는 냉각수는 상기 제3사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.18. The method of claim 17,
The cascade type fuel cell device in which the coolant discharged to the sixth channel of the nth stage fuel cell stack is supplied to the third four-way valve. 제16항에 있어서
상기 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.17. The method of claim 16
When cooling water is supplied to the sixth channel of the fuel cell stack at the rear stage for each fuel cell stack of each stage, the cooling water is discharged to the fifth channel of the fuel cell stack at the rear stage, and the discharged cooling water is used in the fuel cell stack of the next stage. A cascade type fuel cell device in which the coolant is supplied through a sixth channel and the coolant is discharged through a fifth channel of the fuel cell stack of the previous stage. 제19항에 있어서,
상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 배출되는 냉각수는 상기 제3사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.20. The method of claim 19,
A cascade type fuel cell device in which the coolant discharged to a fifth channel of the fuel cell stack of the first stage is supplied to the third four-way valve. 제16항에 있어서,
상기 제3사방향밸브는,
상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 역방향 흐름이 진행되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.17. The method of claim 16,
The third four-way valve,
After operating so that the forward flow of the coolant for supplying the coolant to the fifth channel of the fuel cell stack of the first stage proceeds, the coolant is supplied to the second channel of the fuel cell stack of the nth stage when a set condition is satisfied A cascade type fuel cell device that operates so that the reverse flow of the supplied cooling water proceeds. 제21항에 있어서,
상기 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.22. The method of claim 21,
A cascade type fuel cell device in which the forward flow and the reverse flow of the coolant alternate with each other whenever the set condition is satisfied.
KR1020200001683A 2020-01-06 2020-01-06 Cascade type fuel cell apparatus KR20210088363A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200001683A KR20210088363A (en) 2020-01-06 2020-01-06 Cascade type fuel cell apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200001683A KR20210088363A (en) 2020-01-06 2020-01-06 Cascade type fuel cell apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210088363A true KR20210088363A (en) 2021-07-14

Family

ID=76863032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200001683A KR20210088363A (en) 2020-01-06 2020-01-06 Cascade type fuel cell apparatus

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210088363A (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101322680B1 (en) 2012-01-12 2013-10-30 지에스칼텍스 주식회사 Gas-liquid separator for cascade type fuel cell
KR101792254B1 (en) 2009-07-30 2017-10-31 지멘스 악티엔게젤샤프트 Fuel cell arrangement with a plurality of cascade stages

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101792254B1 (en) 2009-07-30 2017-10-31 지멘스 악티엔게젤샤프트 Fuel cell arrangement with a plurality of cascade stages
KR101322680B1 (en) 2012-01-12 2013-10-30 지에스칼텍스 주식회사 Gas-liquid separator for cascade type fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3607718B2 (en) Water and inert gas discharge method and apparatus for fuel cell equipment
RU2269842C2 (en) Fuel-cell module using solid polymeric electrolyte, fuel cell pile, and method for feeding chemically active gas to fuel cell
EP2406846B1 (en) Internally reforming fuel cell assembly with staged fuel flow and selective catalyst loading for improved temperature uniformity and efficiency
US7087333B2 (en) Hydrogen recirculation without a pump
WO2014122862A1 (en) Power generation system and method for operating power generation system
US7169491B2 (en) Flexible system for hydrogen recirculation
CN101147289B (en) Fuel cell stack design and method of operation
KR20190016037A (en) Fuel cell load cycling to support the power grid
EP1872429B1 (en) A fuel cell and a method for operating said fuel cell
US8563193B2 (en) Fuel cell system
JP2003123811A (en) Power generating method by fuel cell generating system and fuel cell generating system
CN101416339B (en) Fuel cell system and control method thereof
US7482073B2 (en) Cascade fuel cell system
US6924049B2 (en) Electrolysis fuel cell energy plant
AU773685B2 (en) Methodology and apparatus for supply of reactant fluids to and purging of product and inert fluids from cells of fuel cell stack
KR20210085524A (en) Fuel cell system
KR20210129481A (en) Fuel supply system of fuel cell stack
US7122257B2 (en) Fuel cell reactant supply
KR20210088363A (en) Cascade type fuel cell apparatus
JP2001256993A (en) Fuel cell laminate using high-concentration hydrogen gas
US20230317979A1 (en) Fuel cell, system comprising a fuel cell and method for controlling the system
JP2018129138A (en) Fuel cell system
JP6861340B2 (en) Fuel cell system and how to operate it
JP2006019123A (en) Fuel cell system
CN118299633B (en) Multi-stage fuel cell system and gas control method

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination