KR20230023377A - A Fuel Cell System Using Air Compressor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스크류 방식의 공기압축기에 연료전지에서 순환되는 물을 공급하여 높은 압력의 가습된 공기가 연료전지에 공급되도록 함으로써, 막가습기 등의 별도 가습장치 없이 연료전지 시스템의 소형화가 가능하도록 하며, 연료전지의 성능 및 내구성 향상, 부하 변동성 확보가 가능하도록 하는 공기압축기를 이용한 연료전지시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a separate humidifier such as a membrane humidifier by supplying water circulated in a fuel cell to a screw-type air compressor so that high-pressure humidified air is supplied to the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system using an air compressor that enables miniaturization of the fuel cell system without the use of an air compressor, improves performance and durability of the fuel cell, and secures load variability.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는데에도 이용될 수 있다. A fuel cell is an energy conversion device that electrochemically reacts chemical energy in fuel and converts it into electrical energy. can be used
연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기와 물, 열을 생산하며 이중 공기를 공급하는 조건에 따라 연료전지 스택 및 시스템의 성능/수명에 큰 차이가 발생한다. A fuel cell produces electricity, water, and heat through a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and depending on the air supply condition, a large difference occurs in the performance/lifespan of a fuel cell stack and system.
연료전지에 공급되는 공기는 산화환원 반응을 통해 전압을 형성하고 수분을 연료전지 내부에 전달하며, 압력 제어를 통해 수분 배출 및 제어에 핵심 역할을 하며, 촉매 표면에 전달되는 양이나 농도에 따라 전체 시스템의 성능을 결정한다. The air supplied to the fuel cell forms voltage through redox reactions, delivers moisture to the inside of the fuel cell, plays a key role in releasing and controlling moisture through pressure control, and depends on the amount or concentration delivered to the catalyst surface. determine the performance of the system.
따라서, 연료전지의 주요 성능 인자로 공기의 공급압력, 운전온도, 상대습도를 들 수 있으며, 높은 공급압력, 운전온도, 상대습도를 가질 때 연료전지의 성능을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다. Therefore, the main performance factors of the fuel cell include air supply pressure, operating temperature, and relative humidity, and it is known that the performance of the fuel cell can be improved when the supply pressure, operating temperature, and relative humidity are high.
이에 따라, 연료전지의 개발 초기에는 높은 압력으로 공기를 공급하기 위해 다양한 컴프레서의 개발이 진행되었으나, 컴프레서로 공급되는 오일로 인해 공기 품질이 나빠지고 소비전력이 높다는 문제가 있었으며, 이에 따라 대부분의 연료전지에서 아래 특허문헌과 같은 블로워를 사용하여 공기를 공급하도록 하고 있다. Accordingly, in the early stage of fuel cell development, various compressors were developed to supply air at high pressure, but there was a problem that the air quality was deteriorated and power consumption was high due to the oil supplied to the compressor. In the battery, air is supplied using a blower as described in the patent document below.
다만, 블로워의 경우 공급할 수 있는 공기의 압력에 한계가 있고, 고속회전에 따른 발열에 따라 공기의 온도가 높아져 상대습도가 떨어지게 되며, 이에 따라 막가습기와 같은 별도의 가습장치를 설치하도록 하고 있다. However, in the case of a blower, there is a limit to the pressure of air that can be supplied, and the temperature of the air increases due to heat generated by high-speed rotation and the relative humidity decreases. Accordingly, a separate humidifier such as a membrane humidifier is installed.
따라서, 종래 블로워를 채용한 연료전지 시스템은 복잡하고 굵은 배관의 막가습기로 인해 시스템 전체 부피를 증가시키고 복잡하게 만드는 문제가 있어 연료전지의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 블로워의 압력 한계로 인해 연료전지 성능의 한계가 발생하고, 공기 공급의 불균일 발생으로 전압 불균형이 발생하며, 연료전지 내 물을 적절하게 제거하지 못하여 촉매에 수막을 형성하고 공기와의 접촉을 차단하게 되며, 부하변동에 따라 공기 부족 현상이 발생하여 연료전지의 비가역적 손상을 일으키는 문제가 있었다. Therefore, the conventional fuel cell system employing a blower has a problem of increasing the overall volume and complicating the system due to the membrane humidifier having a complicated and thick pipe, which is an obstacle to miniaturization of the fuel cell. In addition, fuel cell performance is limited due to the pressure limit of the blower, voltage imbalance occurs due to uneven air supply, and water in the fuel cell is not properly removed, forming a water film on the catalyst and preventing contact with air. In addition, there is a problem of causing irreversible damage to the fuel cell due to an air shortage phenomenon according to load fluctuations.
(특허문헌) 등록특허공보 제10-1417098호(2014. 07. 01. 등록)"연료전지 시스템용 공기블로워"(Patent Document) Patent Registration No. 10-1417098 (registered on July 1, 2014) "Air blower for fuel cell system"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, The present invention has been made to solve the above problems,
본 발명은 스크류 방식의 공기압축기에 연료전지에서 순환되는 물을 공급하여 높은 압력의 가습된 공기가 연료전지에 공급되도록 함으로써, 막가습기 등의 별도 가습장치 없이 연료전지 시스템의 소형화가 가능하도록 하며, 연료전지의 성능 및 내구성 향상, 부하 변동성 확보가 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. The present invention supplies water circulated in a fuel cell to a screw-type air compressor so that high-pressure humidified air is supplied to the fuel cell, thereby enabling miniaturization of the fuel cell system without a separate humidifier such as a membrane humidifier, An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving performance and durability of a fuel cell and securing load variability.
본 발명은 공기압축기 내로 공급되는 물이 스크류의 회전에 따라 발생하는 열에 의해 기화되어 공기와 혼합되도록 하고, 혼합된 공기가 연료전지에 공급되도록 하여 별도의 장치 없이도 물순환장치의 냉각수를 공기압축기에 공급하기만 하면 높은 습도의 혼합공기를 연료전지에 공급할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. The present invention allows the water supplied into the air compressor to be vaporized by heat generated by the rotation of the screw and mixed with air, and the mixed air to be supplied to the fuel cell, so that the cooling water of the water circulation device can be supplied to the air compressor without a separate device. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of supplying high-humidity mixed air to a fuel cell simply by supplying it.
본 발명은 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 조절하여 적절한 압력과 습도의 혼합공기가 연료전지로 공급될 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of supplying mixed air at an appropriate pressure and humidity to a fuel cell by adjusting the flow rate of water supplied to an air compressor.
본 발명은 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기에서 응축된 물을 물순환장치로 순환시키도록 함으로써, 응축수가 연료전지로 유입되는 것을 차단하고 시스템에서 순환하는 물의 효율적 이용과 장치의 소형화가 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. The present invention circulates the water condensed in the mixed air supplied from the air compressor to the fuel cell to the water circulation device, thereby blocking the inflow of condensed water into the fuel cell, enabling efficient use of water circulating in the system and miniaturization of the device. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of doing so.
본 발명은 공기압축기의 작동정도와 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 번갈아 상승시키며 혼합공기의 압력을 설정된 압력까지 상승시키도록 하여, 높은 압력의 공기를 효율적으로 공급할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. The present invention provides a fuel cell system capable of efficiently supplying high-pressure air by alternately increasing the operating degree of an air compressor and the flow rate of water supplied to the air compressor, and raising the pressure of mixed air to a set pressure. There is a purpose.
본 발명은 공기압축기로 공급하는 냉각수의 온도와 혼합공기의 온도차에 따라 공기압축기의 고장을 신속하게 검출할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly detecting a failure of an air compressor according to a temperature difference between the temperature of cooling water supplied to the air compressor and mixed air.
본 발명은 공기압축기의 작동정도와 온도차의 상관관계를 산출하고, 이에 따라 온도차에 관한 정상범위를 설정하여 고장을 검출하도록 함으로써, 더욱 정확한 고장의 진단이 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that enables more accurate failure diagnosis by calculating the correlation between the operating degree of an air compressor and the temperature difference and setting a normal range for the temperature difference accordingly to detect failure. there is.
본 발명은 연료전지의 출력에 따라 공기압축기로 공급되는 공기 또는 냉각수의 오염을 확인하여 공기압축기 오염의 신속한 확인이 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly checking contamination of an air compressor by checking contamination of air or cooling water supplied to an air compressor according to the output of a fuel cell.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.The present invention is implemented by an embodiment having the following configuration in order to achieve the above object.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지에 공기를 공급하는 스크류 방식의 공기압축기와; 연료전지로부터 배출되는 물을 순환시켜 연료전지를 냉각시키는 물순환장치와; 시스템의 작동을 조절하는 제어장치와; 산소 및 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지;를 포함하고, 상기 공기압축기는 상기 물순환장치로부터 냉각수를 공급받아 냉각 및 기밀용으로 사용하도록 하는 것을 특징으로 한다. According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system according to the present invention includes a screw-type air compressor for supplying air to a fuel cell; a water circulation device for cooling the fuel cell by circulating water discharged from the fuel cell; A control device for controlling the operation of the system; and a fuel cell generating electricity by a reaction between oxygen and hydrogen, and the air compressor receives cooling water from the water circulation device and uses it for cooling and airtightness.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 공기압축기는 공기압축기 내에 공기가 유입되는 통로를 형성하며, 에어필터를 통해 이물질을 제거하는 공기공급부와; 공기압축기 내에서 회전하며 공기를 압축하는 스크류와; 공기압축기 내부에 상기 물순환장치로부터 공급되는 물을 공급하는 물공급부와; 공기압축기를 통과하는 공기가 연료전지로 공급되도록 하는 혼합기배출부;를 포함하고, 상기 혼합기배출부는, 상기 물공급부를 통해 공급되는 물이 공기압축기의 열에 의해 기화되어 상기 공기공급부를 통해 공급되는 공기에 혼합되는 가습된 혼합공기가 연료전지로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the air compressor includes an air supply unit forming a passage through which air is introduced into the air compressor and removing foreign substances through an air filter; A screw that rotates in the air compressor and compresses air; a water supply unit supplying water supplied from the water circulation device to the inside of the air compressor; and a mixer discharge unit for supplying air passing through the air compressor to the fuel cell, wherein the mixer discharge unit vaporizes water supplied through the water supply unit by the heat of the air compressor and supplies air through the air supply unit. It is characterized in that the humidified mixed air mixed with is supplied to the fuel cell.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 물공급부는 상기 물순환장치로부터 공급되는 물이 공기압축기 내로 공급되도록 하는 공급펌프와, 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 측정하는 유량센서를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the water supply unit includes a supply pump for supplying water supplied from the water circulation device into the air compressor, and a flow rate of water supplied to the air compressor. It is characterized in that it comprises a flow sensor for measuring.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 혼합기배출부는 혼합공기에서 응축된 물을 상기 물순환장치로 배출시키는 응축수배출트랩과, 상기 물순환장치로의 응축수의 배출을 조절하는 순환밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the mixer discharge unit includes a condensate discharge trap for discharging water condensed from the mixed air to the water circulation device, and condensed water to the water circulation device. It is characterized in that it comprises a circulation valve for controlling the discharge of.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는 연료전지의 작동을 위한 혼합공기의 압력을 조절하는 압력조절부를 포함하고, 상기 압력조절부는 상기 공기압축기의 작동을 개시하는 작동개시모듈과, 상기 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기의 압력을 측정하는 압력측정모듈과, 상기 압력측정모듈에 의해 측정된 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 공기압축기의 작동정도를 일정단위 상승시키는 작동상승모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 물공급부에 의한 물공급 유량을 일정단위 증가시키는 물공급추가모듈과, 물공급의 추가에도 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 설정값에 도달할 때까지 상기 작동상승모듈 및 물공급추가모듈을 번갈아 작동시키는 반복작동모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 도달하는 경우 연료전지에 대한 수소의 공급을 통해 연료전지의 작동을 개시하는 연료전지작동모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the control device includes a pressure adjusting unit for adjusting the pressure of mixed air for operation of the fuel cell, and the pressure adjusting unit controls the pressure of the air compressor. An operation start module for starting the operation of the air compressor, a pressure measurement module for measuring the pressure of the mixed air supplied from the air compressor to the fuel cell, and the air compressor when the pressure measured by the pressure measurement module does not reach the set value. An operation rising module that increases the operation degree by a predetermined unit, a water supply addition module that increases the water supply flow rate by a predetermined unit when the pressure of the mixed air does not reach the set value, and the mixed air even when the water supply is added A repetitive operation module that alternately operates the operation rising module and the water supply addition module until the pressure reaches the set value when the pressure of does not reach the set value, and hydrogen for the fuel cell when the pressure of the mixed air reaches the set value It is characterized in that it includes a fuel cell operation module that initiates the operation of the fuel cell through the supply of.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는 상기 공기압축기의 고장을 검출하는 고장판단부를 포함하고, 상기 고장판단부는 상기 물공급부로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수온도측정모듈과, 상기 혼합기배출부에 의해 배출되는 혼합공기의 온도를 측정하는 혼합기온도측정모듈과, 상기 공기압축기의 정상작동시 냉각수 및 혼합공기의 온도차에 대한 정상범위를 설정하는 정상범위설정모듈과, 냉각수 및 혼합공기의 온도차와 설정된 정상범위를 비교하는 온도비교모듈과, 냉각수 및 혼합공기의 온도차가 정상범위를 초과하는 경우 공기압축기의 고장으로 진단하는 고장진단모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the control device includes a failure determination unit for detecting a failure of the air compressor, and the failure determination unit detects a failure of the cooling water supplied to the water supply unit. Set the normal range for the temperature difference between the cooling water temperature measuring module for measuring the temperature, the mixer temperature measuring module for measuring the temperature of the mixed air discharged by the mixer discharge unit, and the temperature difference between the cooling water and the mixed air during normal operation of the air compressor It includes a normal range setting module that compares the temperature difference between the cooling water and mixed air with the set normal range, and a fault diagnosis module that diagnoses the air compressor as a failure when the temperature difference between the cooling water and mixed air exceeds the normal range. It is characterized by doing.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 정상범위설정모듈은 공기압축기의 작동정도를 설정하는 작동정도설정모듈과, 작동정도에 따른 냉각수 및 혼합공기의 온도변화 정보를 수신하는 온도변화수신모듈과, 작동정도에 따른 냉각수 및 혼합공기의 온도차에 관한 변화정도를 산출하는 변화정도산출모듈과, 현재 작동중인 공기압축기의 작동정도에 관한 정보를 수신하는 작동정도수신모듈과, 작동정도에 따른 정상범위를 산출하는 정상범위산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the normal range setting module includes an operation level setting module for setting the operation level of the air compressor, and temperatures of cooling water and mixed air according to the operation level. A temperature change receiving module that receives change information, a degree of change calculation module that calculates the degree of change in the temperature difference between cooling water and mixed air according to the degree of operation, and an degree of operation that receives information about the degree of operation of the currently operating air compressor It is characterized in that it includes a receiving module and a normal range calculation module that calculates a normal range according to the degree of operation.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는 상기 연료전지의 출력에 따라 상기 공기압축기의 오염 상태를 판단하는 오염판단부를 포함하고, 상기 오염판단부는 상기 연료전지의 출력을 측정하는 출력측정모듈과, 출력 저하에 대한 한계값을 설정하는 한계값설정모듈과, 출력 저하가 한계값 이상으로 커지는 경우 공기압축기의 오염을 확인하는 오염확인모듈과, 오염이 확인되는 경우 경고신호를 발생시키는 오염경고모듈을 포함하고, 상기 오염확인모듈은 상기 에어필터를 통과한 공기의 오염도를 측정하는 공기질측정모듈과, 상기 물공급부로 공급되는 냉각수의 오염도를 측정하는 수질측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, in the fuel cell system according to the present invention, the control device includes a contamination determination unit for determining a contamination state of the air compressor according to an output of the fuel cell, and the contamination determination unit An output measurement module for measuring the output of the fuel cell, a limit value setting module for setting a limit value for output deterioration, a contamination check module for confirming contamination of the air compressor when the output deterioration becomes greater than the limit value, and contamination and a contamination warning module generating a warning signal when the contamination detection module is configured to measure the contamination level of the air passing through the air filter and the contamination level of the cooling water supplied to the water supply unit. It is characterized in that it includes a water quality measuring module.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.The present invention can obtain the following effects by combining and using the above embodiments and configurations to be described below.
본 발명은 스크류 방식의 공기압축기에 연료전지에서 순환되는 물을 공급하여 높은 압력의 가습된 공기가 연료전지에 공급되도록 함으로써, 막가습기 등의 별도 가습장치 없이 연료전지 시스템의 소형화가 가능하도록 하며, 연료전지의 성능 및 내구성 향상, 부하 변동성 확보가 가능하도록 하는 효과가 있다. The present invention supplies water circulated in a fuel cell to a screw-type air compressor so that high-pressure humidified air is supplied to the fuel cell, thereby enabling miniaturization of the fuel cell system without a separate humidifier such as a membrane humidifier, There is an effect of enabling performance and durability of the fuel cell to be improved and load variability to be secured.
본 발명은 공기압축기 내로 공급되는 물이 스크류의 회전에 따라 발생하는 열에 의해 기화되어 공기와 혼합되도록 하고, 혼합된 공기가 연료전지에 공급되도록 하여 별도의 장치 없이도 물순환장치의 냉각수를 공기압축기에 공급하기만 하면 높은 습도의 혼합공기를 연료전지에 공급할 수 있도록 하는 효과가 있다. The present invention allows the water supplied into the air compressor to be vaporized by heat generated by the rotation of the screw and mixed with air, and the mixed air to be supplied to the fuel cell, so that the cooling water of the water circulation device can be supplied to the air compressor without a separate device. It has the effect of supplying high-humidity mixed air to the fuel cell simply by supplying it.
본 발명은 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 조절하여 적절한 압력과 습도의 혼합공기가 연료전지로 공급될 수 있도록 하는 효과가 있다. The present invention has the effect of adjusting the flow rate of water supplied to the air compressor so that mixed air of appropriate pressure and humidity can be supplied to the fuel cell.
본 발명은 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기에서 응축된 물을 물순환장치로 순환시키도록 함으로써, 응축수가 연료전지로 유입되는 것을 차단하고 시스템에서 순환하는 물의 효율적 이용과 장치의 소형화가 가능하도록 하는 효과가 있다. The present invention circulates the water condensed in the mixed air supplied from the air compressor to the fuel cell to the water circulation device, thereby blocking the inflow of condensed water into the fuel cell, enabling efficient use of water circulating in the system and miniaturization of the device. has the effect of doing so.
본 발명은 공기압축기의 작동정도와 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 번갈아 상승시키며 혼합공기의 압력을 설정된 압력까지 상승시키도록 하여, 높은 압력의 공기를 효율적으로 공급할 수 있도록 하는 효과가 있다. The present invention has the effect of efficiently supplying high-pressure air by alternately increasing the operating degree of the air compressor and the flow rate of water supplied to the air compressor and increasing the pressure of the mixed air to a set pressure.
본 발명은 공기압축기로 공급하는 냉각수의 온도와 혼합공기의 온도차에 따라 공기압축기의 고장을 신속하게 검출할 수 있도록 하는 효과가 있다. The present invention has the effect of quickly detecting the failure of the air compressor according to the temperature difference between the temperature of the cooling water supplied to the air compressor and the temperature of the mixed air.
본 발명은 공기압축기의 작동정도와 온도차의 상관관계를 산출하고, 이에 따라 온도차에 관한 정상범위를 설정하여 고장을 검출하도록 함으로써, 더욱 정확한 고장의 진단이 가능하도록 하는 효과가 있다. The present invention calculates the correlation between the operating degree of the air compressor and the temperature difference, and accordingly sets a normal range for the temperature difference to detect the failure, thereby enabling more accurate failure diagnosis.
본 발명은 연료전지의 출력에 따라 공기압축기로 공급되는 공기 또는 냉각수의 오염을 확인하여 공기압축기 오염의 신속한 확인이 가능하도록 하는 효과가 있다. The present invention has the effect of enabling rapid confirmation of contamination of the air compressor by checking the contamination of the air or cooling water supplied to the air compressor according to the output of the fuel cell.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도
도 2는 도 1의 공기압축기의 구성도
도 3은 제어장치의 구성을 나타내는 블럭도
도 4는 도 3의 압력조절부의 구성을 나타내는 블럭도
도 5는 도 3의 고장판단부의 구성을 나타내는 블럭도
도 6은 도 5의 정상범위설정모듈의 구성을 나타내는 블럭도
도 7은 도 3의 오염판단부의 구성을 나타내는 블럭도
도 8은 압력조절부의 작동과정을 나타내는 순서도
도 9는 압력조절부의 일 작동예를 나타내는 순서도
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도
도 11은 도 10의 공기압축기의 구성도
도 12는 도 10의 제어장치의 구성을 나타내는 블럭도
도 13은 도 12의 수분제거부의 구성을 나타내는 블럭도
도 14는 도 12의 산소제거부의 구성을 나타내는 블럭도
도 15는 도 12의 수소공급부의 구성을 나타내는 블럭도
도 16은 도 10에 따른 연료전지시스템의 작동 종료 후 산화방지를 위한 작동 과정을 나타내는 순서도
도 17은 도 16의 일 작동예를 나타내는 순서도1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention
Figure 2 is a configuration diagram of the air compressor of Figure 1
3 is a block diagram showing the configuration of a control device
Figure 4 is a block diagram showing the configuration of the pressure regulator of Figure 3
Figure 5 is a block diagram showing the configuration of the failure determination unit of Figure 3
Figure 6 is a block diagram showing the configuration of the normal range setting module of Figure 5
Figure 7 is a block diagram showing the configuration of the contamination determination unit of Figure 3
8 is a flow chart showing the operation process of the pressure control unit
Figure 9 is a flow chart showing an example of the operation of the pressure control unit
10 is a configuration diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention
11 is a configuration diagram of the air compressor of FIG. 10
Fig. 12 is a block diagram showing the configuration of the control device of Fig. 10;
Figure 13 is a block diagram showing the configuration of the water removal unit of Figure 12
Figure 14 is a block diagram showing the configuration of the oxygen removal unit of Figure 12
Figure 15 is a block diagram showing the configuration of the hydrogen supply unit of Figure 12
16 is a flowchart illustrating an operation process for preventing oxidation after operation of the fuel cell system according to FIG. 10 is terminated;
17 is a flow chart showing an example of an operation of FIG. 16
이하에서는 본 발명에 따른 공기압축기를 이용한 연료전지시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하고, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system using an air compressor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated, and also described in the specification. Terms such as "...unit" and "...module" refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기압축기를 이용한 연료전지시스템을 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명하면, 상기 연료전지시스템은 연료전지(4)에 공기를 공급하는 스크류 방식의 공기압축기(1)와; 연료전지(4)로부터 배출되는 물을 순환시켜 연료전지를 냉각시키는 물순환장치(2)와; 시스템의 작동을 조절하는 제어장치(3)와; 산소 및 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지(4);를 포함한다. Referring to FIGS. 1 to 9, a fuel cell system using an air compressor according to an embodiment of the present invention includes a screw-type air compressor (1) for supplying air to a fuel cell (4). and; a
특히, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 물순환장치(2)에 의해 순환되는 냉각수가 공기압축기(1)로 공급되어 냉각 및 기밀을 위한 유체로 사용하도록 함으로써, 공기압축기(1)에서 높은 압력의 가습된 공기를 발생시켜 연료전지(4)로 공급될 수 있도록 한다. 따라서, 상기 연료전지시스템은 막가습기와 같은 복잡하고 많은 부피를 차지하는 가습장치 없이도 높은 상대습도를 가진 공기를 연료전지(4)에 공급하도록 할 수 있고, 이를 통해 전극의 손상을 방지하고 내구성을 향상시키며 장치가 소형화되도록 할 수 있다. 또한, 공기압축기(1)를 통해 높은 압력의 공기를 공급함에 따라 연료전지(4)의 성능을 향상시키고 연료전지(4) 스택 전체에 대한 고른 공기의 공급이 가능하도록 하며, 연료전지(4) 내 물의 배출 또한 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 연료전지시스템은 높은 압력의 공기 공급을 통해 부하의 잦은 변동에도 공기의 부족 현상에 따른 연료전지의 비가역적 손상을 방지하도록 할 수 있으며, 연료전지(4)에서 순환되는 냉각수를 공기압축기(1)로 공급하도록 함에 따라 부하가 증가할 경우 냉각수 유량도 함께 증가하게 되어 공기압축기(1)에 대한 냉각수의 공급이 원환하게 이루어지도록 할 수 있고, 이를 통해 연료전지(4)로 공급되는 공기의 높은 습도 유지가 안정적으로 이루어지도록 할 수 있다. In particular, in the fuel cell system according to the present invention, the cooling water circulated by the
상기 공기압축기(1)는 외부 공기를 압축하여 연료전지(4)로 공급되도록 하는 구성으로, 연료전지(4)의 공기극(Cathode)로 공급되도록 할 수 있다. 상기 공기압축기(1)는 스크류 방식으로 형성되도록 할 수 있으며, 특히 상기 물순환장치(2)로부터 냉각수를 공급받아 냉각 및 기밀 유지용으로 사용되도록 한다. 따라서, 상기 공기압축기(1)는 내부에 공급되는 물이 스크류(12)의 회전에 따른 열에 의해 기화되어 외부 공기와 혼합되며, 높은 습도를 가진 혼합공기가 연료전지(4)로 공급될 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 공기압축기(1)는 공기공급부(11), 스크류(12), 물공급부(13), 혼합기배출부(14)를 포함할 수 있다. The
상기 공기공급부(11)는 외부공기를 공기압축기(1) 내부에 공급되도록 하는 구성으로, 에어필터(111)를 통해 외부공기에 포함된 이물질의 제거가 이루어지도록 할 수 있다. The
상기 스크류(12)는 공기압축기(1) 내부에서 회전하는 구성으로, 회전에 따라 공기를 압축하여 압축된 높은 압력의 공기가 연료전지(4)로 공급될 수 있도록 한다. The
상기 물공급부(13)는 공기압축기(1) 내부에 냉각 및 기밀을 위한 물을 공급하는 구성으로, 상기 물순환장치(2)와 연결되어 연료전지(4)에서 순환되는 냉각수를 공급받도록 할 수 있다. 따라서, 상기 물공급부(13)는 기존 연료전지시스템 내의 물순환장치(2)에 공기압축기(1)와 연결되는 배관만을 연결하여 공기압축기(1)에 대한 물의 공급이 이루어지도록 할 수 있으므로, 연료전지시스템의 소형화가 가능하도록 할 수 있다. 또한, 상기 물공급부(13)에 의해 공기압축기(1) 내부로 공급되는 물은 공기압축기(1)의 열에 의해 기화되어 상기 공기공급부(11)를 통해 유입되는 공기와 혼합되며, 이를 통해 별도의 가습장치 없이도 높은 상대습도를 가진 혼합공기가 연료전지(4)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 물공급부(13)는 공기압축기(1)로 공급되는 물의 유량을 조절하여 적절한 압력과 습도의 혼합공기가 연료전지(4)로 공급되도록 할 수 있으며, 이를 위해 공급펌프(131), 유량센서(132)를 포함하도록 할 수 있다. The
상기 공급펌프(131)는 물순환장치(2)와 연결되어 공기압축기(1)로 냉각수가 공급되는 동력을 제공하는 구성으로, 물순환장치(2)의 이온필터(24)와 연결되도록 할 수 있다. 또한, 상기 공급펌프(131)는 제어장치(3)의 후술할 압력조절부(31)에 의해 그 작동이 조절되도록 할 수 있으며, 작동의 조절을 통해 공기압축기(1)로부터 배출되는 혼합공기가 설정된 압력까지 상승할 수 있도록 한다. The
상기 유량센서(132)는 공기압축기(1)로 공급되는 물의 유량을 측정하는 구성으로, 상기 공급펌프(131)와 공기압축기(1) 사이에 형성되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 유량센서(132)는 공기압축기(1)로 공급되는 물의 유량에 맞추어 공급펌프(131)의 작동을 조절하도록 할 수 있다. 후술할 압력조절부(31)에서 일정단위로 물의 공급이 증가되도록 할 수 있다. The
상기 혼합기배출부(14)는 공기압축기(1)에서 공기를 배출하는 구성으로, 배출된 공기가 연료전지(4)의 공기극(Cathode)으로 공급되도록 한다. 특히, 상기 혼합기배출부(14)는 상기 물공급부(13)에 의해 공급되는 물이 기화되어 공기공급부(11)에 의해 공급되는 공기와 혼합됨으로써 높은 상대습도의 혼합공기가 연료전지(4)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 혼합기배출부(14)는 혼합공기에서 발생되는 응축된 물을 별도로 배출시켜 물순환장치(2)로 순환되도록 하여 응축수가 연료전지(4)로 유입되는 것을 차단하고 효율적인 물의 사용이 가능하도록 하며, 별도의 배출장치를 없애 장치의 소형화에 기여할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 혼합기배출부(14)는 응축수배출트랩(141) 및 순환밸브(142)를 포함할 수 있다. The
상기 응축수배출트랩(141)은 혼합기배출부(14)에서 발생되는 응축수를 배출시키는 구성으로, 일정량의 응축수가 고이는 경우 배출이 이루어지도록 할 수 있다. The
상기 순환밸브(142)는 혼합기배출부(14)와 물순환장치(2) 사이에 형성되어 응축수의 순환을 조절하는 구성으로, 바람직하게는 상기 물순환장치(2)의 냉각수탱크(22)와의 사이에 형성되도록 할 수 있으며, 응축수배출트랩(141)을 통과하는 응축수가 냉각수탱크(22)로 모여져 다시 냉각수로 시스템을 순환할 수 있도록 한다. The
상기 물순환장치(2)는 연료전지(4)를 위한 냉각수를 순환시키는 구성으로, 종래 연료전지시스템과 동일하게 형성될 수 있으며, 다만 순환되는 냉각수가 상기 물공급부(13)를 통해 공기압축기(1)로 공급되어 순환될 수 있도록 한다. 상기 물순환장치(2)는 냉각부(21), 냉각수탱크(22), 순환펌프(23), 이온필터(24)를 포함할 수 있다. The
상기 냉각부(21)는 상기 연료전지(4)를 통과하여 온도가 상승한 냉각수를 다시 냉각시키는 구성으로, 일반적인 라디에이터로 형성될 수 있다. The cooling
상기 냉각수탱크(22)는 시스템에서 순환되는 냉각수를 저장하는 구성으로, 상기 냉각부(21)와 연결되어 냉각된 냉각수를 저장할 수 있다. 또한, 상기 냉각수탱크(22)는 연료전지(4) 내의 반응에 따라 발생되는 물도 수용하여 냉각수로 이용될 수 있도록 하고, 상기 응축수배출트랩(141) 및 순환밸브(142)를 통해 혼합기배출부(14)에서 배출되는 응축수도 수용하여 냉각수로 순환되도록 할 수 있다. The cooling
상기 순환펌프(23)는 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 구성으로, 상기 냉각수탱크(22)로부터 연료전지(4)로 냉각수가 공급될 수 있도록 한다. The
상기 이온필터(24)는 냉각수에서 이온을 제거하는 구성으로, 탈이온수를 생성하여 공기압축기(1) 및 연료전지(4)로 공급되도록 하여 장치의 손상을 방지할 수 있도록 한다. The
상기 제어장치(3)는 연료전지시스템의 작동을 제어하는 구성으로, 시스템 내부에 내장되도록 할 수 있다. 상기 제어장치(3)는 공기압축기(1)로부터 배출되는 공기가 일정 압력을 갖도록 공기압축기(1)를 제어하는 압력조절부(31)와, 공기압축기(1)로부터 배출되는 공기의 온도에 따라 공기압축기(1)의 고장을 검출하는 고장판단부(32)와, 연료전지의 출력 상태에 따라 공기압축기(1)의 오염을 감지하는 오염판단부(33)를 포함할 수 있다. The
상기 압력조절부(31)는 공기압축기(1)로부터 배출되는 공기가 일정 압력을 갖도록 공기압축기(1)를 제어하는 구성으로, 바람직하게는 2 ~ 3barg의 압력을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 상기 압력조절부(31)는 높은 압력의 공기를 연료전지(4)에 공급되도록 하여 연료전지의 성능을 향상시키고, 연료전지(4) 내 물의 배출이 효과적으로 이루어지도록 하며, 잦은 부하 변동에도 안정적인 공기의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 특히, 상기 압력조절부(31)는 공기의 압력을 증가시키기 위해 공기압축기(1)의 작동 정도만을 높이는 것이 아니라 상기 물공급부(13)로부터 공급되는 물의 유량을 함께 번갈아 증가시키도록 하여 효율적인 압력의 상승이 이루어지도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 압력조절부(31)는 작동개시모듈(311), 공기압측정모듈(312), 작동상승모듈(313), 물공급추가모듈(314), 연료전지작동모듈(316)을 포함할 수 있다. The
상기 작동개시모듈(311)은 시스템의 작동을 개시하는 구성으로, 상기 공기압축기(1) 및 물순환장치(2)의 작동이 개시되도록 할 수 있다. The
상기 공기압측정모듈(312)은 상기 혼합기배출부(14)에서 배출되는 혼합공기의 압력을 측정하는 구성으로, 바람직하게는 상기 연료전지(4)로 유입되는 공기의 압력을 측정하도록 할 수 있으며, 혼합공기의 적정 압력을 설정하여 설정된 압력까지 압력의 상승이 이루어질 수 있도록 한다. The pneumatic
상기 작동상승모듈(313)은 공기압측정모듈(312)에 의한 혼합공기의 압력측정 결과, 설정된 압력에 미치지 못하는 경우 공기압축기(1)의 작동정도를 일정 단위 상승시키는 구성으로, 상기 스크류(12)의 회전속도를 높이도록 할 수 있으며, 일 예로 도 9에 도시된 바와 같이 초기 작동정도의 1%를 높이도록 할 수 있다. The
상기 물공급추가모듈(314)은 상기 물공급부(13)에서 공급되는 물의 유량을 증가시키는 구성으로, 상기 공급펌프(131)의 작동 정도를 높이도록 한다. 상기 물공급추가모듈(314)은 일정 단위로 공급펌프(131)의 작동 정도를 높이도록 할 수 있으며, 일 예로 초기 작동정도의 1%를 높이도록 할 수 있고, 상기 유량센서(132)에 의해 측정되는 유량에 따라 작동정도의 상승이 이루어지도록 할 수도 있다. The water
상기 반복작동모듈(315)은 상기 작동상승모듈(313) 및 물공급추가모듈(314)을 반복하여 번갈아 작동시키는 구성으로, 상기 공기압측정모듈(312)에 의해 측정되는 압력이 설정된 압력에 도달할 때까지 반복하여 작동되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 반복작동모듈(315)은 작동상승모듈(313) 및 물공급추가모듈(314)이 일정 단위로 작동정도의 상승이 이루어질 때마다 공기압측정모듈(312)에 의해 혼합공기의 압력을 측정하도록 하며, 설정된 압력으로 상승할 때까지 작동상승모듈(313) 및 물공급추가모듈(314)을 번갈아 작동시키도록 한다. The
상기 연료전지작동모듈(316)은 혼합공기의 압력이 설정된 압력까지 상승한 후 연료전지(4)를 작동시키는 구성으로, 연료전지(4)의 수소극(Anode)를 통한 수소의 공급을 통해 전기의 생산이 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 상기 연료전지작동모듈(316)은 연료전지(4)로 공급되는 공기가 충분한 압력까지 상승한 후 연료전지(4)의 작동이 이루어지도록 하여 성능 및 내구성 향상이 가능하도록 하고, 효율적인 연료전지(4)의 작동이 이루어지도록 할 수 있다. The fuel
상기 고장판단부(32)는 공기압축기(1)의 고장을 판단하는 구성으로, 공기압축기(1)로 공급되는 냉각수의 온도와 혼합공기의 온도차에 따라 공기압축기(1)의 고장을 검출하도록 한다. 상기 공기압축기(1)는 상기 물공급부(13)를 통해 공급되는 물이 공기압축기(1) 내의 열에 의해 기화함에 따라 공기와 혼합되고, 그 온도가 증가하여 냉각수 공급 온도에서 10 ~ 20℃ 상승한 온도를 갖게 되는데, 혼합공기의 온도가 냉각수 온도보다 20℃를 초과하는 경우에는 공기압축기(1)의 작동 이상이나 공기압축기(1) 내 물 공급의 이상으로 판단할 수 있다. 따라서, 상기 고장판단부(32)는 냉각수의 공급온도와 혼합공기의 온도를 모니터링하여 냉각수 온도와 혼합공기의 온도차가 정상상태로 판단할 수 있는 일정정도를 초과하는 경우에는 공기압축기(1)의 고장으로 판단하도록 한다. 이를 위해, 상기 고장판단부(32)는 냉각수온도측정모듈(321), 혼합기온도측정모듈(322), 정상범위설정모듈(323), 온도비교모듈(324), 고장진단모듈(325)을 포함할 수 있다. The
상기 냉각수온도측정모듈(321)은 공기압축기(1)로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 구성으로, 상기 공급펌프(131)를 거친 냉각수의 온도를 측정하도록 할 수 있다. The cooling water
상기 혼합기온도측정모듈(322)은 상기 혼합기배출부(14)를 통해 배출되는 혼합공기의 온도를 측정하는 구성으로, 상기 공기압축기(1)의 출구단에서 혼합공기의 온도를 측정하도록 할 수 있다. The mixer
상기 정상범위설정모듈(323)은 냉각수 및 혼합공기의 온도차에 대한 정상범위를 설정하는 구성으로, 일반적으로 혼합공기는 냉각수보다 10~20℃ 높은 온도를 갖게 되므로, 온도차가 20℃를 넘는 경우 공기압축기(1)의 이상으로 판단하도록 할 수 있다. 다만, 공기압축기(1)의 작동정도가 높아질수록 혼합공기의 온도도 높아지게 되므로, 상기 정상범위설정모듈(323)은 작동정도에 따른 온도차의 변화를 산출하여 그 관계를 분석하고, 이를 온도차의 정상범위에 반영하도록 할 수도 있다. 이를 위해, 상기 정상범위설정모듈(323)은 작동정도설정모듈(323a), 온도변화수신모듈(323b), 변화정도산출모듈(323c), 작동정도수신모듈(323d), 정상범위산출모듈(323e)을 포함할 수 있다. The normal
상기 작동정도설정모듈(323a)은 공기압축기(1)의 작동정도를 설정하는 구성으로, 작동정도에 따른 냉각수와 혼합공기의 온도차의 변화를 산출하기 위해 다양한 작동정도의 설정이 이루어지도록 할 수 있으며, 일 예로 스크류(12)의 회전속도를 단계별로 설정하도록 할 수 있다. The operating
상기 온도변화수신모듈(323b)은 공기압축기(1)의 작동정도에 따른 온도차 정보를 수신하는 구성으로, 상기 냉각수온도측정모듈(321) 및 혼합기온도측정모듈(322)에 의해 측정되는 냉각수 및 혼합공기 온도를 이용하여 온도차 정보를 수집하도록 한다. The temperature change receiving module 323b is a component that receives temperature difference information according to the operating degree of the
상기 변화정도산출모듈(323c)은 공기압축기(1)의 작동정도에 따른 온도차의 변화정도를 산출하는 구성으로, 상기 작동정도설정모듈(323a)에 의해 설정되는 작동정도와 온도변화수신모듈(323b)에 의해 수집되는 작동정도에 따른 온도차 정보를 이용하여 작동정도와 온도차의 상관관계를 도출할 수 있도록 한다. The degree of
상기 작동정도수신모듈(323d)은 현재 작동중인 공기압축기(1)의 작동정도를 수신하는 구성으로, 작동정도에 따라 온도차의 정상범위가 산출될 수 있도록 한다. The operating
상기 정상범위산출모듈(323e)은 공기압축기(1)의 작동정도에 따른 온도차에 관한 정상범위를 산출하는 구성으로, 기준 온도차에 대해 작동정도에 따라 온도차의 변화정도를 반영하여 정상범위가 산출되도록 할 수 있다. 일 예로, 상기 정상범위산출모듈(323e)은 냉각수와 혼합공기의 온도차가 20℃를 넘는 경우 공기압축기(1)의 이상으로 판단하도록 하면서, 공기압축기(1)의 작동정도가 증가할 수록 변하는 온도차의 변화 정도를 반영하여 기준이 되는 20℃의 온도차를 수정하도록 할 수 있다. The normal
상기 온도비교모듈(324)은 상기 정상범위설정모듈(323)에 의해 설정되는 온도차와 실제 작동중인 공기압축기(1)의 온도차 정보를 비교하는 구성으로, 상기 냉각수온도측정모듈(321) 및 혼합기온도측정모듈(322)에 의해 측정되는 냉각수 및 혼합공기 온도정보를 이용하여 온도차를 비교하도록 한다. The
상기 고장진단모듈(325)은 냉각수 및 혼합공기의 온도차가 정상범위를 넘는 경우 공기압축기(1)의 고장으로 진단하는 구성으로, 경고신호를 출력하여 공기압축기(1) 자체의 작동 또는 공기압축기(1)로 공급되는 냉각수의 공급계통에 관한 점검을 실시할 수 있도록 한다. The
상기 오염판단부(33)는 공기압축기(1)로 공급되는 냉각수 또는 공기의 오염을 진단하는 구성으로, 연료전지(4)의 출력에 따라 오염의 확인이 이루어지도록 할 수 있다. 종래 연료전지의 경우 냉각수 또는 공기의 오염이 발생하더라도 장시간에 걸쳐 연료전지의 비가역적 손상을 진행시키게 되어 연료전지의 이상을 발견할 때에는 이미 연료전지가 모두 손상된 상태가 된다. 그러나 본 시스템에 사용되는 스크류 형태의 공기압축기(1)는 공기 또는 냉각수의 오염에 매우 민감한 특징을 갖는바, 공기압축기(1)로 공급되는 공기 또는 냉각수에 오염이 발생할 경우 연료전지(4)의 성능에 즉각적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 상기 오염판단부(33)는 연료전지(4)의 출력이 떨어지는 경우 즉각적으로 공기압축기(1)의 공기 또는 냉각수의 오염정도를 확인하도록 하여 연료전지의 비가역적 손상이 발생하기 전에, 가역적 손상 수준에서 연료전지를 보호하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 오염판단부(33)는 출력측정모듈(331), 한계값설정모듈(332), 오염확인모듈(333), 오염경고모듈(334)을 포함할 수 있다. The
상기 출력측정모듈(331)은 연료전지(4)의 출력을 측정하는 구성으로, 연료전지(4)로부터 발생되는 전압, 전류의 측정이 이루어지도록 할 수 있다. The
상기 한계값설정모듈(332)은 연료전지(4)의 이상으로 판단할 수 있는 출력의 한계값을 설정하는 구성으로, 한계값 이하로 출력이 떨어지는 경우 먼저 공기압축기(1)에 대한 오염의 확인이 이루어질 수 있도록 한다. The limit
상기 오염확인모듈(333)은 공기압축기(1)의 오염을 확인하는 구성으로, 공기압축기(1)로 공급되는 공기 및 냉각수의 오염도를 확인하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 오염확인모듈(333)은 공기질측정모듈(333a), 수질측정모듈(333b)을 포함할 수 있다. The
상기 공기질측정모듈(333a)은 공기압축기(1)로 공급되는 공기의 오염도를 측정하는 구성으로, 공기공급부(11)의 에어필터(111) 후단에 형성되어 공기의 질을 측정하도록 할 수 있다. The air
상기 수질측정모듈(333b)은 공기압축기(1)로 공급되는 냉각수의 오염도를 확인하는 구성으로, 상기 물공급부(13) 상에 형성되어 냉각수의 수질이 측정되도록 할 수 있다. The water quality measurement module 333b is a component that checks the degree of contamination of the cooling water supplied to the
상기 오염경고모듈(334)은 공기질측정모듈(333a) 또는 수질측정모듈(333b)에 의한 확인 결과 공기 또는 냉각수의 오염이 발생한 경우 이에 대한 경고신호를 출력하는 구성으로, 경고신호를 통해 공기 또는 냉각수에 대한 점검이 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 상기 오염판단부(33)는 연료전지(4)의 비가역적 손상이 발생하기 전에 공기 또는 냉각수의 오염을 감지할 수 있어, 공기 또는 냉각수의 오염에 따른 연료전지(4)의 비가역적 손상을 막도록 할 수 있다. The
상기 연료전지(4)는 산소와 수소의 반응을 통해 전기를 발생시키는 구성으로, 스택이 적층되어 형성되는 일반적인 연료전지가 적용될 수 있으며, 상기 공기압축기(1)를 통해 공기를 공급받고, 상기 물순환장치(2)를 통해 냉각수를 공급받으며, 상기 제어장치(3)를 통해 작동이 조절되도록 할 수 있다. The
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템을 도 10 내지 도 17을 참조하여 설명하면, 상기 연료전지시스템은 연료전지(4)의 작동 종료 후 공기극에 대한 수소의 주입을 통해 연료전지(4) 내 전극의 산화를 방지하도록 할 수 있다. 특히, 상기 연료전지시스템은 상기 공기압축기(1)를 통해 수소의 주입이 이루어지도록 하여 저농도의 수소를 일정하게 주입하도록 할 수 있고, 기존 연료전지(4)에 수소를 공급하는 수소공급장치(5)에 공기압축기(1)를 연결하여 공기압축기(1)를 통한 수소의 공급이 이루어지도록 함으로써 별도의 장치 없이 시스템의 소형화가 가능하도록 한다. Referring to a fuel cell system according to another embodiment of the present invention with reference to FIGS. 10 to 17 , the fuel cell system operates by injecting hydrogen into the cathode after the operation of the
종래 연료전지의 경우 운전후 정지시 부하가 제거되면서 스택의 전압은 OCV 상태를 유지하게 되는데, 1Vdc/cell의 전압으로도 전극의 탄소 부식이 발생하는 산화 상태가 유지되어 연료전지 수명을 급격히 단축시키게 된다. In the case of a conventional fuel cell, the voltage of the stack maintains the OCV state as the load is removed when stopped after operation. Even at a voltage of 1Vdc/cell, the oxidation state in which carbon corrosion of the electrode occurs is maintained, which rapidly shortens the lifespan of the fuel cell. do.
따라서, 연료전지의 운전 종료 후 전압이 가능한 0.8V/cell 이하로 유지되도록 하기 위해 공기극의 수분 및 산소를 제거하도록 하고 있으나, 산소의 제거후에도 전극 및 GDL의 미세기공에 남아있는 산소에 의해 셀 전압이 다시 상승하여 산소를 모두 제거하는데에 오랜 시간이 걸리고 그 사이에 전극의 부식이 발생하는 문제가 있으며, 산소의 제거시 공기극이 음압 상태가 됨에 따라 물리적 응력에 연료전지에 구조적 문제를 발생시키고, 대기중의 공기가 다시 유입되어 셀 전압이 상승함에 따라 전극의 부식이 지속적으로 발생하는 문제가 있다. Therefore, in order to keep the voltage below 0.8V/cell as much as possible after the operation of the fuel cell is completed, moisture and oxygen are removed from the cathode, but even after the oxygen is removed, the cell voltage is reduced due to the oxygen remaining in the electrode and the micropores of the GDL. It takes a long time to rise again and remove all the oxygen, and there is a problem that corrosion of the electrode occurs in the meantime. As the cathode becomes negative pressure when oxygen is removed, physical stress causes structural problems in the fuel cell, There is a problem in that the corrosion of the electrode continuously occurs as air in the atmosphere is introduced again and the cell voltage rises.
이에 따라, 본 실시예에서는 연료전지(4)의 보관시 연료전지에 잔존하거나 유입되는 산소에 의해 전압이 생성되어 전극이 부식되는 문제를 차단하기 위해 연료전지(4)의 작동 종료 후 연료전지(4)의 공기극에 수소의 주입이 이루어지도록 한다. 다시 말해, 연료전지(4)의 작동 종료 후 수소 및 산소를 제거하더라도 연료전지 내 미세기공에 잔존하는 산소가 존재하고, 공기극 내 음압 형성으로 인해 외부 공기가 다시 유입되어 전압이 상승하는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 수소 및 산소의 제거 후 공기극에 수소를 주입하여 전압 형성을 차단하도록 한다. Accordingly, in the present embodiment, in order to prevent the problem of electrode corrosion due to voltage being generated by oxygen remaining in or flowing into the
다만, 고농도의 수소가 한꺼번에 공기극으로 공급될 경우 공기극 전체에 수소가 공급되지 못하고 오히려 높은 농도의 수소와 미량의 산소가 반응하여 국부적인 전극 손상을 일으키게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기(1)를 이용하여 저농도의 수소가 공기극으로 일정하게 공급되도록 하여 안정적인 수소의 주입을 통해 전극의 손상을 막을 수 있도록 하였다. However, when high-concentration hydrogen is supplied to the cathode at once, hydrogen is not supplied to the entire cathode, and rather, high-concentration hydrogen reacts with a small amount of oxygen, causing local electrode damage. Therefore, in this embodiment, by using the
다시 말해, 본 발명에서는 스크류 타입의 공기압축기(1)에 수소를 공급하여 공기압축기(1)가 버퍼 탱크의 역할을 하도록 하면서, 공기압축기(1)의 출구에는 가스믹서(143)의 형성을 통해 수소가 일정농도 이하를 유지하면서 연료전지(4)의 공기극으로 공급될 수 있도록 하였으며, 공기압축기(1) 스크류(12)의 저속 회전을 통해 공기압축기(1) 내에 잔존하는 공기와 수소를 고르게 혼합하여 일정농도 이하로의 수소 주입이 원활하고 일정하게 이루어지도록 할 수 있다. In other words, in the present invention, while supplying hydrogen to the screw-type air compressor (1) so that the air compressor (1) serves as a buffer tank, the outlet of the air compressor (1) through the formation of a gas mixer (143) The hydrogen can be supplied to the cathode of the fuel cell (4) while maintaining a certain concentration or less, and the air remaining in the air compressor (1) and hydrogen are evenly mixed through the low-speed rotation of the screw (12) of the air compressor (1) Thus, the injection of hydrogen below a certain concentration can be performed smoothly and consistently.
상기 수소공급장치(5)는 연료전지(4)에 수소를 공급하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동을 위한 수소의 공급뿐만 아니라, 연료전지(4)의 작동 종료후 공기극에도 수소를 주입할 수 있도록 한다. 특히, 상기 수소공급장치(5)는 연료전지(4) 작동 후의 수소 공급시 상기 공기압축기(1)를 통해 공기극으로 수소의 주입이 이루어지도록 하여 저농도의 수소가 일정하게 공기극으로 주입될 수 있도록 하며, 기존 연료전지(4)의 수소극으로 수소를 공급하는 구성에 공기압축기(1)로 연결되는 배관만을 추가하도록 하여 시스템의 소형화를 유지할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 수소공급장치(5)는 수소탱크(51), 수소유량센서(52), 비례제어밸브(53), 전지공급관(54), 압축기공급관(55)을 포함할 수 있다. The
상기 수소탱크(51)는 시스템에 사용되는 수소를 저장하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동시에는 연료전지(4)의 수소극으로, 연료전지(4)의 작동 종료 후에는 공기압축기(1)를 통해 연료전지(4)의 공기극으로 공급되도록 할 수 있다. The
상기 수소유량센서(52)는 상기 수소탱크(51)로부터 공급되는 수소의 유량을 측정하는 구성으로, 일정 유량의 수소가 수소극 또는 공기극으로 공급될 수 있도록 한다. The hydrogen flow sensor 52 is configured to measure the flow rate of hydrogen supplied from the
상기 비례제어밸브(53)는 연료전지(4)의 수소극 또는 공기극에 대한 수소의 공급을 선택적으로 조절하는 구성으로, 상기 전지공급관(54) 및 압축기공급관(55)과 연결되어 각각으로의 수소 공급을 조절하도록 한다. The proportional control valve 53 is configured to selectively control the supply of hydrogen to the hydrogen electrode or the air electrode of the
상기 전지공급관(54)은 비례제어밸브(53)와 연료전지(4)의 수소극(Anode)를 연결하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동시 수소가 공급되는 통로를 형성하도록 한다. The battery supply pipe 54 is configured to connect the proportional control valve 53 and the anode of the
상기 압축기공급관(55)은 비례제어밸브(53)와 공기압축기(1)를 연결하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동 종료시 수소탱크(51)의 수소가 공기압축기(1)를 거쳐 연료전지(4)의 공기극(Cathode)로 공급되도록 할 수 있다. 상기 압축기공급관(55)은 상기 공기압축기(1)의 공기공급부(11)에 연결되도록 할 수 있으며, 공기압축기(1)의 전단에서 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 상기 압축기공급관(55)은 연료전지(4)의 작동 종료 후 공기압축기(1) 전단에 수소를 공급하면서 공기압축기(1) 내부에 남아있는 공기와 수소가 혼합되며 일정농도 이하의 수소가 공기극으로 공급될 수 있도록 한다. 또한, 상기 압축기공급관(55) 상에는 공급밸브(551)가 형성되어 수소의 공급을 조절하도록 할 수 있으며, 특히 공기체크밸브(552)가 추가적으로 형성되어 공기압축기(1)의 공기가 수소공급장치(5)로 역류하는 것을 막을 수 있도록 한다. The
상기 공기압축기(1)는 일 실시예와 동일하게 공기공급부(11), 스크류(12), 물공급부(13), 혼합기배출부(14)의 구성을 가지며, 공기의 공급시 뿐만 아니라 연료전지(4)의 작동 종료 후 수소의 공급시에도 작동하도록 한다. 다만, 수소의 공급시 상기 공기압축기(1)는 스크류(12)를 저속으로 회전시켜 공기압축기(1) 내에 남아있는 공기와 수소의 혼합이 이루어지도록 한다. 따라서, 공기압축기(1)는 수소의 공급시 일정한 농도와 유량으로 공급될 수 있도록 하여 버퍼탱크의 역활을 하도록 할 수 있다.The
상기 공기공급부(11)에는 추가적으로 조절밸브(112)가 형성되어 공기압축기(1)에 대한 공기의 공급을 조절하도록 하고, 공기압축기(1)를 통한 수소의 공급시 조절밸브(112)를 차단하여 공기의 유입을 막을 수 있도록 한다. A
상기 물공급부(13)는 공기압축기(1)를 통한 수소의 공급시 물공급부(13)로 수소 또는 공기가 유입되는 것을 차단하기 위해 체크밸브(133)를 형성하도록 할 수 있다. The
또한, 상기 혼합기배출부(14)는 수소를 일정 농도로 공급시키도록 공기와 혼합시키는 가스믹서(143)와, 수소의 농도를 측정하는 수소센서(144), 혼합기배출부(14)로부터 공기극으로의 공기 공급을 조절하는 공급조절밸브(145)를 추가로 포함할 수 있다. 따라서, 상기 혼합기배출부(14)는 고압·고습도의 공기 공급뿐만 아니라 저농도의 수소 공급을 위한 구성들이 공기압축기(1) 내의 혼합기배출부(14)에 형성되도록 하여 별도 구성의 설치가 필요없도록 하고, 이를 통해 시스템을 소형화하도록 할 수 있다. In addition, the
상기 가스믹서(143)는 공기와 수소를 일정 비율로 혼합하여 수소가 일정농도를 갖도록 하는 구성으로, 바람직하게는 2% 이하의 농도로 유지될 수 있도록 한다. The gas mixer 143 is configured to mix air and hydrogen at a predetermined ratio to have a predetermined concentration of hydrogen, preferably maintaining a concentration of 2% or less.
상기 수소센서(144)는 혼합기배출부(14)를 통과하는 수소의 농도를 측정하는 구성으로, 측정된 농도를 통해 가스믹서(143)의 작동이 조절되도록 하고, 수소가 2% 이하의 농도로 유지될 수 있도록 한다. The hydrogen sensor 144 is configured to measure the concentration of hydrogen passing through the
상기 공급조절밸브(145)는 연료전지(4)의 공기극에 대한 수소 또는 공기의 공급을 조절하는 구성으로, 수소 또는 공기의 공급시 개방되도록 한다. The
상기 제어장치(3)는 공기의 공급을 제어함과 함께 연료전지(4)의 작동 종료 후 공기극에 수소를 주입하도록 한다. 또한, 상기 제어장치(3)는 수소의 주입 전에 공기극 내의 수분 및 잔존산소를 제거하도록 하며, 이를 통해 연료전지(4)에서 전압이 생성되는 것을 차단하고 이를 통해 전극의 산화를 방지할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 제어장치(3)는 수분제거부(34), 산소제거부(35), 수소공급부(36)를 추가로 포함할 수 있다. The
상기 수분제거부(34)는 연료전지(4)의 작동 종료 후 공기극의 수분을 배출시켜 제거하는 구성으로, 공기극을 통한 공기의 공급을 통해 수분의 배출이 이루어지도록 할 수 있다. 상기 수분제거부(34)는 공기극의 압력이 일정압력이 될 때까지 공기를 공급하도록 할 수 있으며, 공기의 공급 후 연료전지(4)를 밀폐시켜, 즉 연료전지(4)와 연결되는 밸브를 모두 폐쇄하여 연료전지(4)가 밀폐된 상태가 되도록 한다. 이를 위해, 상기 수분제거부(34)는 작동정지수신모듈(341), 공기공급모듈(342), 압력감지모듈(343), 공기공급중지모듈(344), 연료전지밀폐모듈(345)을 포함할 수 있다. The
상기 작동정지수신모듈(341)은 연료전지(4)의 작동이 종료되는 정보를 수신하는 구성으로, 상기 공기압축기(1) 및 수소공급장치(5)의 작동이 중단되는 정보를 수신하도록 한다. The operation stop receiving
상기 공기공급모듈(342)은 연료전지(4)의 작동 종료 후 연료전지(4)의 공기극에 공기를 공급하여 수분을 제거하도록 하는 구성으로, 상기 공기압축기(1)만을 다시 작동시켜 공기의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. The
상기 압력감지모듈(343)은 공기극이 일정 압력에 도달하는 것을 감지하는 구성으로, 일정 압력에 도달할 때까지 공기의 공급이 계속되도록 하며, 일 예로 0.3barg의 압력이 될 때까지 공기가 공급되도록 할 수 있다. The
상기 공기공급중지모듈(344)은 공기극에 대한 공기의 공급을 중단하는 구성으로, 상기 압력감지모듈(343)에 의해 일정압력에 도달하는 것이 감지되면 상기 공기압축기(1)의 작동을 중지하여 공기의 공급이 중단되도록 할 수 있다. The air
상기 연료전지밀폐모듈(345)은 수분의 제거 후 연료전지(4)를 밀폐시키는 구성으로, 연료전지(4)와 연결되는 밸브들을 모두 차단하여 연료전지(4) 내가 밀폐된 상태가 되도록 한다. The fuel
상기 산소제거부(35)는 수분제거부(34)에 의한 수분 제거후 연료전지(4) 내에 잔존하는 산소를 제거하는 구성으로, 연료전지(4)에 대한 저항의 연결을 통해 전류가 흐르도록 함으로써 연료전지(4) 내의 산소를 제거하도록 한다. 상기 산소제거부(35)는 연료전지(4)에서 발생되는 전압이 일정전압 이하로 내려가는 것을 감지하여 잔존산소가 제거되는 것을 확인하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 산소제거부(35)는 밀폐정보수신모듈(351), 저항연결모듈(352), 전압감지모듈(353)을 포함할 수 있다. The
상기 밀폐정보수신모듈(351)은 상기 연료전지밀폐모듈(345)에 의해 연료전지(4)가 밀폐되는 정보를 수신하는 구성으로, 수분의 제거를 감지하여 산소의 제거 동작이 개시될 수 있도록 한다. The sealing
상기 저항연결모듈(352)은 연료전지(4) 스택의 +, - 극에 저항을 연결하여 소량의 전류가 흐르도록 하는 구성으로, 공기극 및 채널에 남아있는 잔존 산소들의 소모가 이루어지도록 한다. The
상기 전압감지모듈(353)은 연료전지(4)의 전압이 일정값 아래로 내려가는 것을 감지하는 구성으로, 이를 통해 잔존 산소가 제거되는 것을 확인하도록 할 수 있으며, 일 예로 0.1V 아래로 전압이 내려가는 것을 확인하도록 할 수 있다. 상기 전압감지모듈(353)에 의해 전압이 일정값 아래로 내려가는 것이 확인되는 경우 상기 수소공급부(36)에 의해 수소의 공급이 이루어지도록 한다. The
상기 수소공급부(36)는 상기 산소제거부(35)에 의한 잔존 산소의 제거후 공기극에 수소를 주입하는 구성으로, 수소의 주입을 통해 연료전지 내 전압의 발생을 통한 전극 손상의 문제를 방지하도록 하며 공기극 내 음압을 해소하여 외부 공기의 유입을 차단할 수 있도록 한다. 특히, 상기 수소공급부(36)는 일정 농도 이하로 수소의 공급이 이루어지도록 하여 고농도 수소의 공급을 통한 전극의 국부적인 손상을 막을 수 있도록 한다. 따라서, 상기 수소공급부(36)는 앞서 설명한 바와 같이 공기압축기(1)를 통해 수소의 공급이 이루어지도록 하면서 연료전지(4) 공기극의 부피에 따라 총 수소의 공급량을 먼저 결정하여 공기극의 수소 농도가 일정 농도 이상으로 올라가지 않도록 한다. 또한, 상기 수소공급부(36)는 공기압축기(1)를 통해 수소와 공기를 혼합시키면서 공기극의 일정 압력까지 수소의 공급이 이루어지도록 하고, 이때 수소의 농도가 일정농도를 초과하지 않도록 수소의 공급이 조절되도록 한다. 그리고 상기 수소공급부(36)는 공기극의 전압이 일정값 아래로 떨어지는 경우 연료전지(4) 내에 산소가 완전히 제거된 것으로 판단하여 수소의 공급을 중단하도록 한다. 이를 위해, 상기 수소공급부(36)는 수소공급량결정모듈(361), 수소공급개시모듈(362), 압축기작동모듈(363), 압력인지모듈(364), 수소농도조절모듈(365), 전압측정모듈(366), 수소공급정지모듈(367)을 포함할 수 있다. The
상기 수소공급량결정모듈(361)은 공기극으로 공급되는 총 수소의 양을 결정하는 구성으로, 공기극의 부피를 기준으로 수소의 공급량을 결정하도록 하여 공기극 내 수소의 농도가 일정농도를 초과하지 않도록 한다. 일 예로, 상기 수소공급량결정모듈(361)은 총 수소공급량을 8.0737ln(x) - 38 과 같은 식(x는 공기극의 부피)에 의해 결정하도록 할 수 있다. The hydrogen supply
상기 수소공급개시모듈(362)은 공기극에 대한 수소의 공급을 개시하는 구성으로, 상기 전압감지모듈(353)에 의해 일정전압 감지 후 상기 공기압축기(1)를 통해 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 상기 수소공급개시모듈(362)은 비례제어밸브(53)의 작동을 통해 수소탱크(51)로부터 공기압축기(1)로 수소가 공급되도록 하며 공기압축기(1)의 작동을 통해 공기극으로 수소가 공급될 수 있도록 한다. The hydrogen
상기 압축기작동모듈(363)은 수소의 공급 개시 후 공기압축기(1)를 작동시키는 구성으로, 공기압축기(1)의 스크류(12)를 저속 회전시켜 공기압축기(1) 내에 남아있는 공기와 수소공급장치(5)로부터 공급되는 수소의 혼합이 이루어질 수 있도록 한다. The
상기 압력인지모듈(364)은 공기극의 압력이 일정압력에 도달하는 것을 인지하는 구성으로, 일 예로 0.3barg에 도달하는 것을 인지하도록 할 수 있으며, 일정압력에 도달할 때까지 수소의 공급이 계속되도록 한다. The
상기 수소농도조절모듈(365)은 공기극으로 수소가 공급되는 동안 수소의 농도를 일정농도 이하로 조절시키는 구성으로, 상기 수소센서(144)에 의해 측정되는 농도에 따라 상기 가스믹서(143)의 작동을 조절하여 일정 농도 이하로 조절하도록 할 수 있으며, 바람직하게는 2%의 농도 이하로 조절되도록 한다. The hydrogen
상기 전압측정모듈(366)은 공기극의 전압을 측정하는 구성으로, 전압이 일정전압 이하로 떨어지는 것을 감지하여 공기극에 산소가 완전히 제거되는 것을 확인할 수 있도록 한다. 상기 전압측정모듈(366)은 일 예로 전압이 0.05V 아래로 떨어지는 것을 감지하도록 할 수 있다. The
상기 수소공급정지모듈(367)은 전압이 일정전압 이하로 떨어지는 경우 수소의 공급을 중단하는 구성으로, 상기 수소공급장치(5), 공기압축기(1)의 작동을 중단하도록 한다. 따라서, 연료전지(4)의 공기극에는 산소가 완전히 제거되고 수소가 충진된 상태가 되어 잔존 산소에 의한 전압 발생을 차단하고, 외부 공기의 유입도 차단하여 전극의 산화를 방지하도록 할 수 있다.The hydrogen
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.In the above, the applicant has described various embodiments of the present invention, but such embodiments are only one embodiment for implementing the technical idea of the present invention, and any changes or modifications are made according to the present invention as long as the technical idea of the present invention is implemented. should be construed as falling within the scope of
1: 공기압축기
11: 공기공급부
111: 에어필터
112: 조절밸브
12: 스크류
13: 물공급부
131: 공급펌프
132: 유량센서
133: 체크밸브
14: 혼합기배출부
141: 응축수배출트랩
142: 순환밸브
143: 가스믹서
144: 수소센서
145: 공급조절밸브
2: 물순환장치
21: 냉각부
22: 냉각수탱크
23: 순환펌프
24: 이온필터
3: 제어장치
31: 압력조절부
32: 고장판단부
33: 오염판단부
34: 수분제거부
35: 산소제거부
36: 수소공급부
4: 연료전지
5: 수소공급장치
51: 수소탱크
52: 수소유량센서
53: 비례제어밸브
54: 전지공급관
55: 압축기공급관
551: 공급밸브
552: 공기체크밸브1: air compressor 11: air supply unit 111: air filter
112: control valve 12: screw 13: water supply
131: supply pump 132: flow sensor 133: check valve
14: mixer discharge unit 141: condensate discharge trap 142: circulation valve
143: gas mixer 144: hydrogen sensor 145: supply control valve
2: water circulation device 21: cooling unit 22: cooling water tank
23: circulation pump 24: ion filter 3: control device
31: pressure control unit 32: failure determination unit 33: contamination determination unit
34: moisture removal unit 35: oxygen removal unit 36: hydrogen supply unit
4: fuel cell 5: hydrogen supply device 51: hydrogen tank
52: hydrogen flow sensor 53: proportional control valve 54: battery supply pipe
55: compressor supply pipe 551: supply valve 552: air check valve
Claims (8)
연료전지로부터 배출되는 물을 순환시켜 연료전지를 냉각시키는 물순환장치와;
시스템의 작동을 조절하는 제어장치와;
산소 및 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지;를 포함하고,
상기 공기압축기는 상기 물순환장치로부터 냉각수를 공급받아 냉각 및 기밀용으로 사용하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. a screw type air compressor supplying air to the fuel cell;
a water circulation device for cooling the fuel cell by circulating water discharged from the fuel cell;
A control device for controlling the operation of the system;
A fuel cell that generates electricity by reacting oxygen and hydrogen;
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the air compressor receives cooling water from the water circulation device and uses it for cooling and airtightness.
공기압축기 내에 공기가 유입되는 통로를 형성하며, 에어필터를 통해 이물질을 제거하는 공기공급부와;
공기압축기 내에서 회전하며 공기를 압축하는 스크류와;
공기압축기 내부에 상기 물순환장치로부터 공급되는 물을 공급하는 물공급부와;
공기압축기를 통과하는 공기가 연료전지로 공급되도록 하는 혼합기배출부;를 포함하고,
상기 혼합기배출부는,
상기 물공급부를 통해 공급되는 물이 공기압축기의 열에 의해 기화되어 상기 공기공급부를 통해 공급되는 공기에 혼합되는 가습된 혼합공기가 연료전지로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 1, wherein the air compressor
an air supply unit forming a passage through which air is introduced into the air compressor and removing foreign substances through an air filter;
A screw that rotates in the air compressor and compresses air;
a water supply unit supplying water supplied from the water circulation device to the inside of the air compressor;
A mixer discharge unit for supplying air passing through the air compressor to the fuel cell; includes,
The mixer discharge part,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein water supplied through the water supply unit is evaporated by heat from an air compressor and humidified mixed air mixed with the air supplied through the air supply unit is supplied to the fuel cell.
상기 물순환장치로부터 공급되는 물이 공기압축기 내로 공급되도록 하는 공급펌프와, 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 측정하는 유량센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 2, wherein the water supply unit
The fuel cell system comprising: a supply pump for supplying the water supplied from the water circulation device into the air compressor; and a flow rate sensor for measuring a flow rate of the water supplied to the air compressor.
혼합공기에서 응축된 물을 상기 물순환장치로 배출시키는 응축수배출트랩과, 상기 물순환장치로의 응축수의 배출을 조절하는 순환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 2, wherein the mixer discharge unit
A fuel cell system comprising: a condensed water discharge trap for discharging water condensed from the mixed air to the water circulation device; and a circulation valve for controlling discharge of the condensed water to the water circulation device.
연료전지의 작동을 위한 혼합공기의 압력을 조절하는 압력조절부를 포함하고,
상기 압력조절부는,
상기 공기압축기의 작동을 개시하는 작동개시모듈과, 상기 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기의 압력을 측정하는 압력측정모듈과, 상기 압력측정모듈에 의해 측정된 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 공기압축기의 작동정도를 일정단위 상승시키는 작동상승모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 물공급부에 의한 물공급 유량을 일정단위 증가시키는 물공급추가모듈과, 물공급의 추가에도 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 설정값에 도달할 때까지 상기 작동상승모듈 및 물공급추가모듈을 번갈아 작동시키는 반복작동모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 도달하는 경우 연료전지에 대한 수소의 공급을 통해 연료전지의 작동을 개시하는 연료전지작동모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 2, wherein the control device
A pressure control unit for adjusting the pressure of the mixed air for the operation of the fuel cell,
The pressure regulator,
When the pressure measured by the operation start module for starting the operation of the air compressor, the pressure measurement module for measuring the pressure of the mixed air supplied from the air compressor to the fuel cell, and the pressure measurement module does not reach the set value An operation rising module that increases the operation degree of the air compressor by a predetermined unit, a water supply addition module that increases the water supply flow rate by the water supply unit by a predetermined unit when the pressure of the mixed air does not reach the set value, and the addition of water supply When the mixed air pressure does not reach the set value even when the pressure of the mixed air does not reach the set value, a repeat operation module that alternately operates the operation rising module and the water supply addition module until the set value is reached, and a fuel cell when the pressure of the mixed air reaches the set value A fuel cell system comprising a fuel cell operation module that initiates operation of the fuel cell through the supply of hydrogen to the fuel cell system.
상기 공기압축기의 고장을 검출하는 고장판단부를 포함하고,
상기 고장판단부는,
상기 물공급부로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수온도측정모듈과, 상기 혼합기배출부에 의해 배출되는 혼합공기의 온도를 측정하는 혼합기온도측정모듈과, 상기 공기압축기의 정상작동시 냉각수 및 혼합공기의 온도차에 대한 정상범위를 설정하는 정상범위설정모듈과, 냉각수 및 혼합공기의 온도차와 설정된 정상범위를 비교하는 온도비교모듈과, 냉각수 및 혼합공기의 온도차가 정상범위를 초과하는 경우 공기압축기의 고장으로 진단하는 고장진단모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 2, wherein the control device
Including a failure determination unit for detecting a failure of the air compressor,
The failure determination unit,
A cooling water temperature measuring module for measuring the temperature of the cooling water supplied to the water supply unit, a mixer temperature measuring module for measuring the temperature of the mixed air discharged from the mixer discharge unit, and the cooling water and mixed air during normal operation of the air compressor The normal range setting module that sets the normal range for the temperature difference between the temperature comparison module that compares the temperature difference between the cooling water and mixed air with the set normal range, and the air compressor malfunctions when the temperature difference between the cooling water and mixed air exceeds the normal range A fuel cell system comprising a fault diagnosis module for diagnosing as
공기압축기의 작동정도를 설정하는 작동정도설정모듈과, 작동정도에 따른 냉각수 및 혼합공기의 온도변화 정보를 수신하는 온도변화수신모듈과, 작동정도에 따른 냉각수 및 혼합공기의 온도차에 관한 변화정도를 산출하는 변화정도산출모듈과, 현재 작동중인 공기압축기의 작동정도에 관한 정보를 수신하는 작동정도수신모듈과, 작동정도에 따른 정상범위를 산출하는 정상범위산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 6, wherein the normal range setting module
The operating degree setting module that sets the operating degree of the air compressor, the temperature change receiving module that receives temperature change information of the cooling water and mixed air according to the operating degree, and the change degree of the temperature difference between the cooling water and the mixed air according to the operating degree A fuel cell characterized in that it includes a change degree calculation module that calculates, an operating degree receiving module that receives information on the operating degree of the air compressor currently in operation, and a normal range calculation module that calculates a normal range according to the operating degree system.
상기 연료전지의 출력에 따라 상기 공기압축기의 오염 상태를 판단하는 오염판단부를 포함하고,
상기 오염판단부는,
상기 연료전지의 출력을 측정하는 출력측정모듈과, 출력 저하에 대한 한계값을 설정하는 한계값설정모듈과, 출력 저하가 한계값 이상으로 커지는 경우 공기압축기의 오염을 확인하는 오염확인모듈과, 오염이 확인되는 경우 경고신호를 발생시키는 오염경고모듈을 포함하고,
상기 오염확인모듈은,
상기 에어필터를 통과한 공기의 오염도를 측정하는 공기질측정모듈과, 상기 물공급부로 공급되는 냉각수의 오염도를 측정하는 수질측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 2, wherein the control device
And a contamination determination unit for determining the contamination state of the air compressor according to the output of the fuel cell,
The contamination determination unit,
An output measurement module for measuring the output of the fuel cell, a limit value setting module for setting a limit value for output deterioration, a contamination check module for confirming contamination of the air compressor when the output deterioration becomes greater than the limit value, and contamination Including a contamination warning module that generates a warning signal when this is confirmed,
The contamination confirmation module,
The fuel cell system comprising an air quality measurement module for measuring the degree of contamination of the air passing through the air filter, and a water quality measurement module for measuring the degree of contamination of the cooling water supplied to the water supply unit.
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|---|---|---|---|
| KR1020210105444A KR102625500B1 (en) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | A Fuel Cell System Using Air Compressor |
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| KR1020210105444A KR102625500B1 (en) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | A Fuel Cell System Using Air Compressor |
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|---|---|
| KR20230023377A true KR20230023377A (en) | 2023-02-17 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004211568A (en) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd | Compressed-air supplying system of fuel cell vehicle |
| US20050260480A1 (en) * | 2004-05-18 | 2005-11-24 | Thomas Hild | Cathode humidification of a PEM fuel cell through exhaust gas recirculation into a positive displacement compressor |
| JP2006156251A (en) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell system |
| KR20090097982A (en) * | 2008-03-13 | 2009-09-17 | 현대자동차주식회사 | Humidification and condensation device for fuel cell system |
-
2021
- 2021-08-10 KR KR1020210105444A patent/KR102625500B1/en active IP Right Grant
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| JP2006156251A (en) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell system |
| KR20090097982A (en) * | 2008-03-13 | 2009-09-17 | 현대자동차주식회사 | Humidification and condensation device for fuel cell system |
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|---|---|
| KR102625500B1 (en) | 2024-01-16 |
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