KR20240010989A - System and method for furl cell - Google Patents

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KR20240010989A KR1020220088443A KR20220088443A KR20240010989A KR 20240010989 A KR20240010989 A KR 20240010989A KR 1020220088443 A KR1020220088443 A KR 1020220088443A KR 20220088443 A KR20220088443 A KR 20220088443A KR 20240010989 A KR20240010989 A KR 20240010989A
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박민구
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Abstract

연료전지스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급라인과 반응 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인, 내부에 공기공급라인과 공기배출라인을 연결하는 바이패스라인이 형성된 공기차단밸브, 공기차단밸브 후단의 공기배출라인에 마련되어 공기공급라인, 공기배출라인 및 바이패스라인에 부압을 형성하는 공기압축기 및 캐소드 내부 산소의 배출이 필요한 경우 캐소드의 출구측 또는 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법이 소개된다.An air supply line that supplies air to the cathode of the fuel cell stack, an air discharge line that discharges the air after reaction to the outside, an air shutoff valve formed with a bypass line internally connecting the air supply line and the air discharge line, and an air shutoff valve. An air compressor is provided at the rear air discharge line to create negative pressure in the air supply line, air discharge line, and bypass line, and when it is necessary to discharge oxygen inside the cathode, an air shutoff valve is installed to create negative pressure on the outlet or inlet side of the cathode. A fuel cell system including a controller that controls the opening degree and an air compressor and its control method are introduced.

Figure P1020220088443
Figure P1020220088443

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법 {SYSTEM AND METHOD FOR FURL CELL}Fuel cell system and its control method {SYSTEM AND METHOD FOR FURL CELL}

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 공기배출라인에 마련된 공기압축기를 통해 캐소드의 출구측 또는 입구측에 부압을 형성하여 캐소드 내부의 산소 배출 제어를 실시함으로써, 연료전지스택의 열화를 방지하고 내구성 및 성능을 향상할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and its control method. Specifically, the present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and specifically, to control oxygen emissions inside the cathode by creating negative pressure on the outlet or inlet side of the cathode through an air compressor provided in the air discharge line, It relates to a fuel cell system and its control method that can prevent stack deterioration and improve durability and performance.

최근 내연기관 차량의 환경적인 이슈로 인하여 전기자동차 등 친환경 차량의 보급이 확대되고 있으며, 일반적으로 전기자동차(Electronic Vehicle, EV)는 전기 에너지에 의해 구동되는 모터의 구동력을 이용하여 주행하는 자동차를 가리킨다.Recently, due to environmental issues related to internal combustion engine vehicles, the spread of eco-friendly vehicles such as electric vehicles is increasing. Electric vehicles (Electronic Vehicles, EVs) generally refer to vehicles that run using the driving force of a motor driven by electrical energy. .

이러한 전기자동차에는 기존의 내연기관과 함께 차량용 고전압 배터리에 충전된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지를 통해 생성된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있다.These electric vehicles include hybrid electric vehicles (HEV), which provide driving force to a motor using electrical energy charged in a vehicle high-voltage battery along with a conventional internal combustion engine, and motors using electrical energy generated through a fuel cell. There are fuel cell electric vehicles (FCEV) that provide driving force.

특히 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치를 의미한다.In particular, a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle refers to a device that receives hydrogen and air from the outside and generates electrical energy through an electrochemical reaction inside the fuel cell stack.

연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지스택, 연료전지스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.The fuel cell system applied to fuel cell vehicles includes a fuel cell stack that stacks multiple fuel cell cells used as a power source, a fuel supply system that supplies hydrogen as fuel to the fuel cell stack, and oxygen that supplies oxygen, an oxidizing agent necessary for electrochemical reactions. This includes an air supply system that uses coolant to control the temperature of the fuel cell stack, and a thermal management system that uses coolant to control the temperature of the fuel cell stack.

연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지스택의 애노드(Anode, 연료극)로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기압축기를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지스택의 캐소드(Cathode, 공기극)로 공급한다.The fuel supply system depressurizes the compressed hydrogen inside the hydrogen tank and supplies it to the anode of the fuel cell stack, and the air supply system operates the air compressor to supply external air to the cathode of the fuel cell stack. ) is supplied.

연료전지스택의 애노드에 수소가 공급되면 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물이 생성되며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기 에너지가 생산된다.When hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack, an oxidation reaction of hydrogen proceeds at the anode, generating hydrogen ions (protons) and electrons (electrons). At this time, the generated hydrogen ions and electrons pass through the electrolyte membrane and separator, respectively. Move to cathode. At the cathode, water is created through an electrochemical reaction involving hydrogen ions and electrons moving from the anode and oxygen in the air, and electrical energy is produced from the flow of these electrons.

한편, 연료전지 차량에 적용된 연료전지 시스템은 일반적으로, 연료전지스택의 애노드 및 캐소드에 각각 수소와 공기를 공급하여 특정한 전압(Open Circuit Voltage, 이하, 'OCV 전압'이라 한다.)을 형성한 후, 연료전지스택의 시동을 개시한다.Meanwhile, the fuel cell system applied to a fuel cell vehicle generally supplies hydrogen and air to the anode and cathode of the fuel cell stack, respectively, to form a specific voltage (Open Circuit Voltage, hereinafter referred to as 'OCV voltage'). , Start-up of the fuel cell stack begins.

연료전지스택의 전극, 특히 캐소드 전극의 백금(Pt) 촉매가 상기 OCV 전압에 가까운 높은 전위에 노출되는 경우, 캐소드 내부에서 산소와 수분(물)이 반응하여 산화되는 열화 현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 산화된 촉매에서는 전기화학반응이 더이상 발생하지 않게 되어 연료전지의 성능이 저하되는 문제가 있다.When the electrodes of a fuel cell stack, especially the platinum (Pt) catalyst of the cathode electrode, are exposed to a high potential close to the OCV voltage, a deterioration phenomenon in which oxygen and moisture (water) react and oxidize inside the cathode may occur. In such an oxidized catalyst, electrochemical reactions no longer occur, causing a problem in that the performance of the fuel cell deteriorates.

또한, 연료전지스택의 정지시 또는 시동시와 같은 상황에서 애노드에 수소가 존재하는 동시에 캐소드에 산소가 잔존하는 경우, 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 전해질막(Membrane)을 통해 수소와 산소가 교환되어 전극 열화(애노드 및 캐소드의 촉매층 열화) 현상이 가속화되는 것으로 알려져 있다.In addition, in situations such as when a fuel cell stack is stopped or started, when hydrogen is present at the anode and oxygen remains at the cathode, hydrogen and oxygen are released through the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly (MEA). It is known that oxygen exchange accelerates electrode deterioration (catalyst layer deterioration of the anode and cathode).

더욱이, 연료전지스택의 정지 후에는 일부 공기가 캐소드에 잔류하거나, 연료전지 차량의 장기 주차시 외부로부터 연료전지스택 내부로 공기가 유입될 수 있고, 이러한 비정상적인 유입 공기 또는 잔류 공기로 인하여 차기 시동시 연료전지스택의 캐소드에서 애노드로 수소 이온과 전자가 이동하여 역전류가 발생할 수 있다. 이와 같이 역전류가 발생하는 경우, 동일 전류 대비 연료전지의 출력 강하를 야기하여 연료전지 시스템의 전체 효율이 저하되는 문제가 발생한다.Moreover, after the fuel cell stack is stopped, some air may remain in the cathode, or when the fuel cell vehicle is parked for a long period of time, air may flow into the fuel cell stack from the outside, and such abnormal inflow or residual air may cause damage during the next start. Reverse current may occur as hydrogen ions and electrons move from the cathode of the fuel cell stack to the anode. When a reverse current occurs in this way, the output of the fuel cell decreases compared to the same current, resulting in a decrease in the overall efficiency of the fuel cell system.

따라서 상술한 전극 열화 현상 및 역전류 발생을 방지하여 연료전지의 성능 저하를 개선할 수 있는 기술의 제공이 시급한 실정이다.Therefore, there is an urgent need to provide technology that can improve the performance degradation of fuel cells by preventing the above-described electrode deterioration phenomenon and reverse current generation.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as background technology above are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as acknowledgment that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.

KRKR 10-2018-0050837 10-2018-0050837 AA

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공기배출라인에 마련된 공기압축기를 통해 캐소드의 출구측 또는 입구측에 부압을 형성하여 캐소드 내부의 산소 배출 제어를 실시함으로써, 연료전지스택의 열화를 방지하고 내구성 및 성능을 향상할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.The present invention was proposed to solve this problem, and prevents deterioration of the fuel cell stack by controlling oxygen emissions inside the cathode by creating negative pressure on the outlet or inlet side of the cathode through an air compressor provided in the air discharge line. The goal is to provide a fuel cell system and its control method that can prevent and improve durability and performance.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급라인과 반응 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인, 내부에 공기공급라인과 공기배출라인을 연결하는 바이패스라인이 형성된 공기차단밸브, 공기차단밸브 후단의 공기배출라인에 마련되어 공기공급라인, 공기배출라인 및 바이패스라인에 부압을 형성하는 공기압축기 및 캐소드 내부 산소의 배출이 필요한 경우 캐소드의 출구측 또는 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 제어기를 포함한다.To achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention includes an air supply line that supplies air to the cathode of the fuel cell stack, an air discharge line that discharges the air after reaction to the outside, and an air supply line and air discharge inside. An air shutoff valve with a bypass line connecting the lines, an air compressor provided in the air discharge line downstream of the air shutoff valve to create negative pressure in the air supply line, air discharge line, and bypass line, and when discharge of oxygen inside the cathode is required. It includes a controller that controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed on the outlet or inlet side of the cathode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템에서, 캐소드 내부 산소의 배출이 필요한 경우는, 연료전지스택 시동 모드의 경우 또는 연료전지스택 정지 모드의 경우 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the case where oxygen inside the cathode needs to be discharged can be characterized as either a fuel cell stack start-up mode or a fuel cell stack stop mode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택 시동 모드의 경우, 캐소드의 출구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the fuel cell stack starting mode, the controller of the fuel cell system according to the present invention can control the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed on the outlet side of the cathode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택 시동 모드의 경우, 바이패스라인 내부의 부압이 감소되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 출구측에 부압을 형성할 수 있다.In the case of the fuel cell stack starting mode, the controller of the fuel cell system according to the present invention controls the opening degree of the air blocking valve and the air compressor to reduce the negative pressure inside the bypass line, thereby forming negative pressure on the outlet side of the cathode. .

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택 시동 모드의 경우, 바이패스라인 내부의 부압에 의해 바이패스라인에서 공기배출라인으로 유입되는 기체와 캐소드의 출구측 부압에 의해 캐소드의 출구측에서 공기배출라인으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the case of the fuel cell stack starting mode, the controller of the fuel cell system according to the present invention controls the gas flowing into the air discharge line from the bypass line due to the negative pressure inside the bypass line and the gas flowing into the air discharge line from the outlet side of the cathode due to the negative pressure on the outlet side of the cathode. The opening degree of the air blocking valve and the air compressor can be controlled so that the gas flowing into the air discharge line is mixed by a preset standard amount and discharged to the outside.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택 정지 모드의 경우, 캐소드의 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the case of the fuel cell stack stop mode, the controller of the fuel cell system according to the present invention can control the opening degree of the air blocking valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the inlet side of the cathode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택 정지 모드의 경우, 바이패스라인 내부의 부압이 증대되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 입구측에 부압을 형성할 수 있다.In the case of the fuel cell stack stop mode, the controller of the fuel cell system according to the present invention controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to increase the negative pressure inside the bypass line, thereby forming negative pressure on the inlet side of the cathode. .

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택 정지 모드의 경우, 바이패스라인 내부의 부압과 캐소드의 입구측 부압에 의해 캐소드의 입구측 기체가 공기공급라인, 바이패스라인 및 공기배출라인을 순차적으로 통과하여 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the case of the fuel cell stack stop mode, the controller of the fuel cell system according to the present invention controls the gas on the inlet side of the cathode through the air supply line, bypass line, and air discharge line due to the negative pressure inside the bypass line and the negative pressure on the inlet side of the cathode. The opening degree of the air blocking valve and the air compressor can be controlled so that it passes sequentially and is discharged to the outside.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계 및 제어기에서 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계를 포함한다.The control method of the fuel cell system according to the present invention includes the steps of performing a start-up mode of the fuel cell stack in a controller and performing a stop mode of the fuel cell stack in the controller.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 캐소드의 출구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the step of performing the fuel cell stack starting mode of the fuel cell system control method according to the present invention, the controller may control the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the outlet side of the cathode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압이 감소되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 출구측에 부압을 형성할 수 있다.In the step of performing the starting mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the controller controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to reduce the negative pressure inside the bypass line, thereby reducing the pressure on the outlet side of the cathode. Negative pressure can be formed.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압에 의해 바이패스라인에서 공기배출라인으로 유입되는 기체와 캐소드의 출구측 부압에 의해 캐소드의 출구측에서 공기배출라인으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the step of performing the starting mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the controller controls the gas flowing into the air discharge line from the bypass line by the negative pressure inside the bypass line and the negative pressure at the outlet of the cathode. The opening degree of the air shutoff valve and the air compressor can be controlled so that the gas flowing into the air discharge line from the outlet side of the cathode is mixed by a preset standard amount and discharged to the outside.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 캐소드의 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the step of performing the fuel cell stack stop mode of the fuel cell system control method according to the present invention, the controller may control the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the inlet side of the cathode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압이 증대되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 입구측에 부압을 형성할 수 있다.In the step of performing the fuel cell stack stop mode of the fuel cell system control method according to the present invention, the controller controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to increase the negative pressure inside the bypass line, so that the inlet side of the cathode Negative pressure can be formed.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압과 캐소드의 입구측 부압에 의해 캐소드의 입구측 기체가 공기공급라인, 바이패스라인 및 공기배출라인을 순차적으로 통과하여 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다.In the step of performing the stop mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the gas on the inlet side of the cathode is transferred to the air supply line and bypass by the negative pressure inside the bypass line and the negative pressure on the inlet side of the cathode in the controller. The opening degree of the air blocking valve and the air compressor can be controlled so that the air discharges through the line and air discharge line sequentially and is discharged to the outside.

본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the fuel cell system and its control method of the present invention, the following effects are achieved.

첫째, 공기배출라인에 마련된 공기압축기를 통해 캐소드의 출구측 또는 입구측에 부압을 형성하여 캐소드 내부의 산소 배출 제어를 실시함으로써, 연료전지스택의 열화를 방지하고 내구성 및 성능을 향상할 수 있다.First, by controlling oxygen emissions inside the cathode by creating negative pressure on the outlet or inlet side of the cathode through an air compressor provided in the air discharge line, deterioration of the fuel cell stack can be prevented and durability and performance can be improved.

둘째, 연료전지스택의 시동시 캐소드의 출구측에 부압을 형성하여 캐소드에 잔존하는 산소의 배출 제어를 실시함으로써, 연료전지스택의 캐소드에서 애노드로 수소 이온과 전자가 이동하여 역전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.Second, by controlling the discharge of oxygen remaining in the cathode by creating a negative pressure on the outlet side of the cathode when the fuel cell stack is started, it prevents the generation of reverse current due to the movement of hydrogen ions and electrons from the cathode of the fuel cell stack to the anode. It can be prevented.

셋째, 연료전지스택의 정지시 캐소드의 입구측에 부압을 형성하여 캐소드에 잔존하는 산소의 배출 제어를 실시함으로써, 막전극접합체의 전해질막을 통해 수소와 산소가 교환되어 전극 열화 현상이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.Third, when the fuel cell stack is stopped, a negative pressure is created on the inlet side of the cathode to control the discharge of oxygen remaining in the cathode, thereby minimizing the occurrence of electrode deterioration due to exchange of hydrogen and oxygen through the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly. can do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 공기차단밸브를 나타낸 도면.
도 3은 공기차단밸브의 개도 조절에 따라 바이패스라인으로 흐르는 공기유로의 면적과 캐소드와 연결된 공기공급라인 또는 공기배출라인으로 흐르는 공기유로의 면적의 변동관계를 나타낸 도면.
도 4는 연료전지스택의 애노드 및 캐소드에서 수소와 산소의 반응 및 이동하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 연료전지스택의 시동 모드에서 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 연료전지스택의 정지 모드에서 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도.1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing an air shutoff valve of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the variation relationship between the area of the air passage flowing to the bypass line and the area of the air passage flowing to the air supply line or air discharge line connected to the cathode according to the adjustment of the opening degree of the air shutoff valve.
Figure 4 is a diagram illustrating the process of reaction and movement of hydrogen and oxygen at the anode and cathode of a fuel cell stack.
Figure 5 is a diagram for explaining the process of controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor in the starting mode of the fuel cell stack.
Figure 6 is a diagram for explaining the process of controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor in the stop mode of the fuel cell stack.
7 is a flowchart of a control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이 명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are intended to indicate the presence of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. It should be understood that this does not exclude in advance the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Additionally, terms including ordinal numbers, such as first, second, etc., may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed descriptions will be omitted. In addition, the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention are not limited. , should be understood to include equivalents or substitutes.

본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 제어기(Controller, 600)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기(600)나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.The controller (600) according to the embodiment disclosed in this specification is a communication device that communicates with other controllers (600) or sensors to control the function it is responsible for, a memory that stores operating system or logic commands, input/output information, etc., and a responsible function. It may include one or more processors that perform judgments, operations, decisions, etc. necessary for control.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operating principles of various embodiments of the disclosed invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, regardless of the reference numerals, identical or similar components will be assigned the same reference numbers and duplicate descriptions thereof will be omitted. Do this.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 공기차단밸브(400)를 나타낸 도면이며, 도 3은 공기차단밸브(400)의 개도 조절에 따라 바이패스라인(300)으로 흐르는 공기유로의 면적과 캐소드(11)와 연결된 공기공급라인(100) 또는 공기배출라인(200)으로 흐르는 공기유로의 면적의 변동관계를 나타낸 도면이고, 도 4는 연료전지스택(10)의 애노드(12) 및 캐소드(11)에서 수소와 산소의 반응 및 이동하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 연료전지스택(10)의 시동 모드에서 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 연료전지스택(10)의 정지 모드에서 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도이다.FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an air shutoff valve 400 of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an air cutoff valve 400. Variation relationship between the area of the air passage flowing into the bypass line 300 and the area of the air passage flowing into the air supply line 100 or air discharge line 200 connected to the cathode 11 according to the adjustment of the opening degree of the valve 400 is a diagram showing, and FIG. 4 is a diagram for explaining the process of reaction and movement of hydrogen and oxygen at the anode 12 and cathode 11 of the fuel cell stack 10, and FIG. 5 is a diagram showing the fuel cell stack 10. It is a diagram to explain the opening degree of the air shutoff valve 400 and the process of controlling the air compressor 500 in the start-up mode, and Figure 6 shows the opening degree of the air shutoff valve 400 in the stop mode of the fuel cell stack 10. and a diagram for explaining the process of controlling the air compressor 500, and FIG. 7 is a flowchart of a method for controlling a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지스택(10)의 캐소드(11)에 공기를 공급하는 공기공급라인(100)과 반응 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(200), 내부에 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200)을 연결하는 바이패스라인(300)이 형성된 공기차단밸브(400), 공기차단밸브(400) 후단의 공기배출라인(200)에 마련되어 공기공급라인(100), 공기배출라인(200) 및 바이패스라인(300)에 부압을 형성하는 공기압축기(500) 및 캐소드(11) 내부 산소의 배출이 필요한 경우 캐소드(11)의 출구측 또는 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어하는 제어기(600)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system according to the present invention includes an air supply line 100 that supplies air to the cathode 11 of the fuel cell stack 10 and an air discharge line that discharges the air after reaction to the outside ( 200), an air shutoff valve 400 with a bypass line 300 formed inside to connect the air supply line 100 and the air discharge line 200, and an air discharge line 200 at the rear of the air shutoff valve 400. The air compressor (500) is provided in the air supply line (100), the air discharge line (200), and the bypass line (300) to create negative pressure, and when oxygen inside the cathode (11) needs to be discharged, the outlet of the cathode (11) It includes a controller 600 that controls the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 so that negative pressure is formed on the side or inlet side.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 일반적인 연료전지 시스템의 구성과 이를 제어하는 종래의 제어방법을 간략히 살펴보면서, 본 발명의 각 구성요소 및 단계가 갖는 차별적 특징을 함께 설명하기로 한다.To help understand the present invention, we will briefly look at the configuration of a general fuel cell system and the conventional control method for controlling it, and explain the distinctive features of each component and step of the present invention.

일반적인 연료전지 시스템은, 복수의 연료전지 셀들이 적층된 연료전지스택(10), 연료로서 사용되는 수소를 연료전지스택(10)의 애노드(12)로 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산소를 연료전지스택(10)의 캐소드(11)로 공급하는 공기공급 시스템 등을 포함한다.A general fuel cell system includes a fuel cell stack (10) in which a plurality of fuel cells are stacked, a fuel supply system that supplies hydrogen used as fuel to the anode (12) of the fuel cell stack (10), and a fuel cell stack (10) necessary for electrochemical reaction. It includes an air supply system that supplies oxygen to the cathode 11 of the fuel cell stack 10.

특히 공기공급 시스템은 연료전지스택(10)의 캐소드(11)로 공기를 공급하는 공기공급라인(100)과 캐소드(11)를 통과한 반응 후 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(200)이 형성된다. 이에, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200)을 기본 구성요소로 한다.In particular, the air supply system has an air supply line 100 that supplies air to the cathode 11 of the fuel cell stack 10 and an air discharge line 200 that discharges air to the outside after reaction passing through the cathode 11. is formed Accordingly, the fuel cell system according to the present invention has an air supply line 100 and an air discharge line 200 as basic components.

도 1을 참조하면, 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200) 모두에 걸쳐서 공기가습기(20)와 공기차단밸브(400)가 마련되고, 공기차단밸브(400)의 내부에는 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200)을 연결하는 바이패스라인(300)이 형성된다.Referring to Figure 1, an air humidifier 20 and an air shutoff valve 400 are provided across both the air supply line 100 and the air discharge line 200, and an air supply line is installed inside the air shutoff valve 400. A bypass line 300 is formed connecting 100 and the air discharge line 200.

연료전지에서 수분은 수소 이온의 전달 매개체 역할을 하기 때문에 캐소드(11)로 공급되는 공기는 공기가습기(20)를 통해 적절히 가습된 후 캐소드(11)로 유입된다.Since moisture serves as a transfer medium for hydrogen ions in a fuel cell, the air supplied to the cathode 11 is properly humidified through the air humidifier 20 and then flows into the cathode 11.

참고로, 공기가습기(20)의 내부에는 수분이 투과할 수 있는 별도의 막이 형성된다. 이러한 막을 기준으로 하여 그 내부는 루멘 사이드(Lumen side), 외부는 쉘 사이드(Shell side)라고 한다. 공기공급라인(100)을 통해 공기가습기(20)로 유입되는 공기는 루멘 사이드를 통과하고, 공기배출라인(200)을 통해 가습기로 재유입되는 공기는 쉘 사이드로 유입된다. 공기배출라인(200)을 통해 공기가습기(20)로 재유입되는 공기에는 연료전지스택(10)의 구동에 따라 발생한 소량의 수분이 포함되어 있다. 이러한 수분이 쉘 사이드에서 루멘 사이드로 투과되면서 캐소드(11)로 공급되는 공기를 가습하게 된다.For reference, a separate membrane through which moisture can permeate is formed inside the air humidifier 20. Based on this membrane, the inside is called the lumen side and the outside is called the shell side. Air flowing into the air humidifier 20 through the air supply line 100 passes through the lumen side, and air re-introducing the humidifier through the air discharge line 200 flows into the shell side. The air re-introduced into the air humidifier 20 through the air discharge line 200 contains a small amount of moisture generated as the fuel cell stack 10 is driven. As this moisture permeates from the shell side to the lumen side, it humidifies the air supplied to the cathode (11).

즉, 이러한 작동원리에 따라, 공기가습기(20)는 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200) 모두에 걸쳐서 마련되는 것이다.That is, according to this operating principle, the air humidifier 20 is provided across both the air supply line 100 and the air discharge line 200.

또한, 공기차단밸브(400)는 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200) 각각에 개별적으로 마련될 수 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 공기차단밸브(400)에서 공기공급라인(100)과 연결되는 유로(A)와 공기배출라인(200)과 연결되는 유로(B)를 동시에 구비하도록 형성될 수도 있다.In addition, the air shutoff valve 400 may be provided individually in each of the air supply line 100 and the air discharge line 200, but as shown in FIG. 2, one air shutoff valve 400 is connected to the air supply line. It may be formed to have a flow path (A) connected to (100) and a flow path (B) connected to the air discharge line 200 at the same time.

이 경우, 공기차단밸브(400)가 공기공급라인(100)과 공기배출라인(200)에 동시에 마련됨으로써 연료전지 시스템의 각 구성들의 모듈화가 용이하게 되며, 생상단가를 절감할 수 있다. 따라서 공기차단밸브(400)는 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 마련됨이 바람직하며, 이하의 본 명세서에서는 도 2와 같은 형태로 마련된 공기차단밸브(400)를 기준으로 하여 설명하기로 한다.In this case, the air blocking valve 400 is provided simultaneously in the air supply line 100 and the air discharge line 200, thereby facilitating modularization of each component of the fuel cell system and reducing production costs. Therefore, the air shutoff valve 400 is preferably provided in the form shown in FIG. 2, and the following description will be made based on the air cutoff valve 400 provided in the form shown in FIG. 2.

한편, 일반적으로 공기압축기(500)는 연료전지스택(10)의 캐소드(11)로 공급되는 외부 공기를 흡입하기 위해 공기공급라인(100)에 마련되나, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 공기배출라인(200)에 공기압축기(500)를 구비하고 있다.Meanwhile, the air compressor 500 is generally provided in the air supply line 100 to suck in external air supplied to the cathode 11 of the fuel cell stack 10, but the fuel cell system according to the present invention discharges air. An air compressor 500 is provided in the line 200.

보다 구체적으로, 본 발명의 공기압축기(500)는 공기공급라인(100), 공기배출라인(200) 및 바이패스라인(300)에 부압을 형성하도록 공기차단밸브(400) 후단의 공기배출라인(200)에 마련된다.More specifically, the air compressor 500 of the present invention has an air discharge line ( 200).

그리고 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 캐소드(11) 내부 산소의 배출이 필요한 경우 캐소드(11)의 출구측 또는 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어하는 제어기(600)를 더 포함한다.In addition, the fuel cell system according to the present invention adjusts the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 so that negative pressure is formed on the outlet or inlet side of the cathode 11 when it is necessary to discharge oxygen inside the cathode 11. It further includes a controller 600 that controls.

한편, 차량의 외부로 배출되는 배기가스에는 소량의 미반응 수소가 포함되어 있다. 따라서 과도한 수소 가스의 배출을 방지하기 위해 연료전지 차량의 수소 배기 농도는 현재 전 세계적으로 공통된 법규에 따라 제한되고 있다.Meanwhile, exhaust gas discharged to the outside of the vehicle contains a small amount of unreacted hydrogen. Therefore, in order to prevent excessive hydrogen gas emissions, the hydrogen exhaust concentration of fuel cell vehicles is currently limited according to common laws around the world.

현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR 법규(Global Technical Regulation)에 따른 연료전지 시스템에서 배기되는 수소 가스의 허용 농도는 최대 8% 이하이고, 3초 간 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.The allowable concentration of hydrogen gas discharged from a fuel cell system according to the Global Technical Regulation (GTR) currently in effect worldwide is a maximum of 8% or less, and the average measurement over 3 seconds must not exceed 4%.

상기 GTR 법규 준수를 위해 기존의 상용 연료전지 차량은 연료전지의 정지시 주기적으로 공기압축기(500)를 구동하여 외부 공기와 혼합 배출함으로써 수소의 배기 농도를 낮추도록 제어되고 있다.In order to comply with the GTR regulations, existing commercial fuel cell vehicles are controlled to lower the exhaust concentration of hydrogen by periodically driving the air compressor 500 when the fuel cell is stopped and discharging the hydrogen by mixing it with external air.

또한, 종래에는 연료전지스택(10)의 열화를 최소화하기 위해 연료전지의 정지시 COD 히터를 구동하여 연료전지스택(10) 내부의 산소를 제거하도록 제어되고 있다.In addition, conventionally, in order to minimize deterioration of the fuel cell stack 10, the COD heater is driven when the fuel cell is stopped to remove oxygen inside the fuel cell stack 10.

그러나 이 경우, 공기압축기(500) 및 COD 히터의 구동을 위해 추가적인 전력이 요구되는 문제가 있고, COD 히터의 구동과 동시에 공기압축기(500)가 주기적으로 구동되는 경우 연료전지스택(10) 내부로 산소가 지속적으로 공급되어 COD 히터 구동에 따른 산소 제거 효율이 저하될 수 밖에 없는 한계가 있다.However, in this case, there is a problem that additional power is required to drive the air compressor 500 and the COD heater, and when the air compressor 500 is driven periodically at the same time as the COD heater is driven, the fuel cell stack 10 There is a limit to the inevitable decrease in oxygen removal efficiency due to COD heater operation as oxygen is continuously supplied.

아울러, 종래에는 연료전지의 시동시 연료전지스택(10) 내부의 잔여 생성수(물)를 제거하기 위해 공기압축기(500)를 구동하거나 연료전지스택(10)을 승온시키는 전처리과정이 수행된다. 이러한 전처리과정을 수행하는 경우에도 마찬가지로, 공기압축기(500)의 구동을 위해 추가적인 전력이 요구되어 연료전지의 효율이 저하되는 문제가 있다.In addition, conventionally, when starting a fuel cell, a pretreatment process of operating the air compressor 500 or raising the temperature of the fuel cell stack 10 is performed to remove residual generated water (water) inside the fuel cell stack 10. Likewise, when performing this pretreatment process, additional power is required to drive the air compressor 500, which reduces the efficiency of the fuel cell.

따라서 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 공기배출라인(200)에 마련된 공기압축기(500)를 통해 캐소드(11)의 출구측 또는 입구측에 부압을 형성하여 캐소드(11) 내부의 산소 배출 제어를 실시함으로써, 연료전지스택(10)의 열화를 방지하고 내구성 및 성능을 향상하고자 한다.Therefore, the fuel cell system according to the present invention controls oxygen emissions inside the cathode 11 by forming negative pressure on the outlet or inlet side of the cathode 11 through the air compressor 500 provided in the air discharge line 200. By doing this, it is intended to prevent deterioration of the fuel cell stack 10 and improve durability and performance.

구체적으로, 연료전지스택(10)의 시동시에는 캐소드(11)의 출구측에 부압을 형성하고, 연료전지스택(10)의 정지시에는 캐소드(11)의 입구측에 부압을 형성하여 캐소드(11)에 잔존하는 산소의 배출 제어를 실시할 수 있다.Specifically, when the fuel cell stack 10 is started, a negative pressure is formed on the outlet side of the cathode 11, and when the fuel cell stack 10 is stopped, a negative pressure is formed on the inlet side of the cathode 11 to form a negative pressure at the cathode (11). 11) Emission control of remaining oxygen can be performed.

이와 관련하여, 도 4를 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.In this regard, let's look at it in more detail with reference to FIG. 4.

도 4는 연료전지스택(10)의 애노드(12) 및 캐소드(11)에서 수소와 산소의 반응 및 이동하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도 4에서는 산소가 캐소드(11)에서 애노드(12)로 크로스오버(Cross-over)되는 것(③)을 전제로 한다.FIG. 4 is a diagram for explaining the process of reaction and movement of hydrogen and oxygen at the anode 12 and cathode 11 of the fuel cell stack 10. For reference, Figure 4 assumes that oxygen crosses over from the cathode 11 to the anode 12 (③).

우선, 연료전지스택(10)의 시동시를 살펴보면, 애노드(12)의 입구측으로 유입된 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고(①), 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드(11)로 이동한 후 '캐소드(11)의 출구측'에 공급된 산소와 반응하여 전기에너지와 물을 생성한다(②). 이와 같이 생성된 물은 연료전지스택(10)의 시동시 형성된 OCV 전압에서, 담지체(C)와 반응하여 수소 이온과 전자로 재분해된다(⑤). 이에 따라, 백금(Pt) 촉매가 유실되어 연료전지의 성능이 저하될 수 있다. 또한, 담지체와 물의 반응에 따라 생성된 수소 이온과 전자가 캐소드(11)에서 애노드(12)로 이동하는 경우 역전류가 발생하여(⑥), 동일 전류 대비 연료전지의 출력 강하를 야기하는 문제가 있다.First, looking at the startup of the fuel cell stack 10, the hydrogen flowing into the inlet side of the anode 12 is decomposed into hydrogen ions and electrons (①), and the hydrogen ions and electrons are transferred to the cathode through the electrolyte membrane and separator, respectively. After moving to (11), it reacts with oxygen supplied to the ‘outlet side of the cathode (11)’ to generate electrical energy and water (②). The water produced in this way reacts with the carrier C at the OCV voltage formed when the fuel cell stack 10 is started and is re-decomposed into hydrogen ions and electrons (⑤). Accordingly, the platinum (Pt) catalyst may be lost and the performance of the fuel cell may deteriorate. In addition, when hydrogen ions and electrons generated by the reaction between the carrier and water move from the cathode 11 to the anode 12, a reverse current occurs (⑥), causing a decrease in the output of the fuel cell compared to the same current. There is.

따라서 연료전지스택(10)의 시동시 발생할 수 있는 상기 문제들을 해결하기 위해서는 '캐소드(11)의 출구측' 산소를 배출하여 제거할 필요가 있다.Therefore, in order to solve the above problems that may occur during startup of the fuel cell stack 10, it is necessary to discharge and remove oxygen 'at the outlet side of the cathode 11'.

또한, 연료전지스택(10)의 정지시에는 애노드(12)로 신규 유입되는 수소는 없는 반면, 캐소드(11)에는 배기가스의 배출을 위해 소정의 공기가 유입된다. 이때, 캐소드(11) 내부에 잔존하는 수소와 산소의 반응에 의해 물이 생성되거나(②), 잔여 산소가 캐소드(11)에서 애노드(12)로 크로스오버될 수 있다(③). 크로스오버된 산소는 애노드(12) 내부에 잔존하는 수소와 반응하여 물을 생성한다(④).In addition, when the fuel cell stack 10 is stopped, no new hydrogen flows into the anode 12, while some air flows into the cathode 11 for exhaust gas discharge. At this time, water may be generated by the reaction of hydrogen and oxygen remaining inside the cathode 11 (②), or the remaining oxygen may crossover from the cathode 11 to the anode 12 (③). The crossover oxygen reacts with the hydrogen remaining inside the anode (12) to generate water (④).

연료전지스택(10)의 정지시에는 캐소드(11) 내부로 배기가스의 배출을 위한 신규 공기가 지속적으로 유입됨에 따라, 캐소드(11) 내부에는 '캐소드(11)의 입구측'이 출구측보다 과량의 산소가 존재하게 된다. 따라서 연료전지스택(10)의 정지시에는 '캐소드(11)의 입구측' 산소를 배출하여 제거할 필요가 있다.When the fuel cell stack 10 is stopped, new air for exhaust gas continuously flows into the cathode 11, so that the 'inlet side of the cathode 11' is larger than the outlet side inside the cathode 11. Excess oxygen is present. Therefore, when the fuel cell stack 10 is stopped, it is necessary to discharge and remove oxygen from the 'inlet side of the cathode 11'.

즉, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서, 캐소드(11) 내부 산소의 배출이 필요한 경우는, 연료전지스택(10) 시동 모드의 경우 또는 연료전지스택(10) 정지 모드의 경우 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있는 것이다.That is, in the fuel cell system according to the present invention, when it is necessary to discharge oxygen inside the cathode 11, it is either in the case of the fuel cell stack 10 start-up mode or the fuel cell stack 10 stop mode. This can be a feature.

여기서 연료전지스택(10) 시동 모드는 연료전지스택(10)의 시동시를 의미하며, 연료전지스택(10) 정지 모드는 연료전지스택(10)의 정지시를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.Here, it is preferable to understand that the fuel cell stack 10 starting mode means when the fuel cell stack 10 is started, and the fuel cell stack 10 stop mode means when the fuel cell stack 10 is stopped.

이하, 각 모드에서 캐소드(11) 내부 산소의 배출을 위해 캐소드(11)의 입구측 또는 출구측에 부압을 형성하는 구체적인 제어과정 및 작용원리에 대해 살펴보기로 한다.Hereinafter, we will look at the specific control process and operating principle of forming negative pressure on the inlet or outlet side of the cathode 11 to discharge oxygen inside the cathode 11 in each mode.

우선, 연료전지스택(10) 시동 모드의 경우에 대해 살펴본다.First, let's look at the case of the fuel cell stack 10 startup mode.

도 5는 연료전지스택(10)의 시동 모드에서 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 5 is a diagram for explaining the process of controlling the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 in the startup mode of the fuel cell stack 10.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(600)는 연료전지스택(10) 시동 모드의 경우, 캐소드(11)의 출구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어할 수 있다.Referring to FIG. 5, the controller 600 of the fuel cell system according to the present invention adjusts the opening degree of the air shutoff valve 400 so that negative pressure is formed at the outlet side of the cathode 11 in the fuel cell stack 10 startup mode. and the air compressor 500 can be controlled.

구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(600)는 연료전지스택(10) 시동 모드의 경우, 바이패스라인(300) 내부의 부압이 감소되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어함으로써, 캐소드(11)의 출구측에 부압을 형성할 수 있다.Specifically, in the case of the fuel cell stack 10 starting mode, the controller 600 of the fuel cell system according to the present invention sets the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor to reduce the negative pressure inside the bypass line 300. By controlling 500, negative pressure can be formed on the outlet side of the cathode 11.

도 5에서 F는 캐소드(11)의 출구측을 의미하고, G는 차량의 외부를 의미한다. 연료전지스택(10)의 시동 전 공기차단밸브(400)는 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이 바이패스라인(300)은 완전히 개방되고(개도량 100%), 공기공급라인(100) 및 공기배출라인(200)은 완전히 차단된 상태(개도량 0%)에 있게 된다.In Figure 5, F refers to the outlet side of the cathode 11, and G refers to the exterior of the vehicle. Before starting the fuel cell stack 10, the air shutoff valve 400 is fully opened (opening amount 100%) as shown on the left side of FIG. 5, and the air supply line 100 and the air are The discharge line 200 is in a completely blocked state (0% opening amount).

연료전지스택(10)의 시동시 공기차단밸브(400)는 도 5의 우측에 도시된 바와 같이 바이패스라인(300)은 완전히 차단되고(개도량 0%), 공기공급라인(100) 및 공기배출라인(200)은 완전히 개방된 상태(개도량 100%)로 서서히 변화된다.When starting the fuel cell stack 10, the air shutoff valve 400 completely blocks the bypass line 300 (opening amount 0%), as shown on the right side of FIG. 5, and the air supply line 100 and the air The discharge line 200 gradually changes to a fully open state (opening amount 100%).

이와 동시에 공기압축기(500)의 구동을 통해 공기배출라인(200)에 차량의 외부를 향해 기체의 흐름이 발생하도록 부압을 형성한다.At the same time, the air compressor 500 is driven to create negative pressure in the air discharge line 200 so that gas flows toward the outside of the vehicle.

이와 같이 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)가 제어됨에 따라, 공기배출라인(200)과 연결된 캐소드(11)의 출구측에 부압이 형성되는 것이다. 따라서 연료전지스택(10)의 시동시 캐소드(11) 출구측의 산소를 차량의 외부로 배출할 수 있게 된다.As the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 are controlled in this way, negative pressure is formed on the outlet side of the cathode 11 connected to the air discharge line 200. Therefore, when the fuel cell stack 10 is started, oxygen at the exit side of the cathode 11 can be discharged to the outside of the vehicle.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(600)는 연료전지스택(10) 시동 모드의 경우, 바이패스라인(300) 내부의 부압에 의해 바이패스라인(300)에서 공기배출라인(200)으로 유입되는 기체와 캐소드(11)의 출구측 부압에 의해 캐소드(11)의 출구측에서 공기배출라인(200)으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어할 수 있다.Meanwhile, in the case of the fuel cell stack 10 starting mode, the controller 600 of the fuel cell system according to the present invention moves the air discharge line 200 from the bypass line 300 by the negative pressure inside the bypass line 300. The air shutoff valve (400) so that the gas flowing into the air and the gas flowing into the air discharge line 200 from the outlet side of the cathode 11 due to the negative pressure on the outlet side of the cathode 11 are mixed by a preset standard amount and discharged to the outside. The opening degree and air compressor 500 can be controlled.

이와 관련하여 도 3을 참조하여 살펴보기로 한다.In this regard, let's take a look with reference to FIG. 3.

도 3은 공기차단밸브(400)의 개도 조절에 따라 바이패스라인(300)으로 흐르는 공기유로의 면적과 캐소드(11)와 연결된 공기공급라인(100) 또는 공기배출라인(200)으로 흐르는 공기유로의 면적의 변동관계를 나타낸 도면이다.Figure 3 shows the area of the air flow path flowing into the bypass line 300 and the air flow path flowing into the air supply line 100 or air discharge line 200 connected to the cathode 11 according to the adjustment of the opening degree of the air shutoff valve 400. This is a diagram showing the fluctuation relationship of the area of .

도 3에서 C는 공기차단밸브(400)에서 바이패스라인(300)의 개도량을 의미하고, D는 캐소드(11)와 연결된 공기공급라인(100) 또는 공기배출라인(200)의 개도량을 의미한다.In FIG. 3, C refers to the opening amount of the bypass line 300 in the air shutoff valve 400, and D refers to the opening amount of the air supply line 100 or air discharge line 200 connected to the cathode 11. it means.

즉, 공기차단밸브(400)에서 공기공급라인(100) 또는 공기배출라인(200)의 개도량(D)과 바이패스라인(300)의 개도량(C)은 어느 하나의 개도량이 증가하면 나머지 하나의 개도량은 감소하도록 상호 동시에 제어될 수 있다.That is, in the air shutoff valve 400, the opening amount (D) of the air supply line 100 or the air discharge line 200 and the opening amount (C) of the bypass line 300 increase when either opening amount increases. One opening amount can be simultaneously controlled to decrease.

따라서 도 5에 도시된 바와 같이 공기차단밸브(400)의 개도를 제어하되, 개도량을 적절하게 조절하는 경우 바이패스라인(300)에서 공기배출라인(200)으로 유입되는 기체와 캐소드(11)의 출구측 부압에 의해 캐소드(11)의 출구측에서 공기배출라인(200)으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출될 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 5, the opening degree of the air shutoff valve 400 is controlled, and when the opening degree is appropriately adjusted, the gas flowing from the bypass line 300 to the air discharge line 200 and the cathode 11 Due to the negative pressure on the outlet side, the gas flowing into the air discharge line 200 from the outlet side of the cathode 11 may be mixed by a preset standard amount and discharged to the outside.

즉, 연료전지스택(10)의 시동시점에서 공기차단밸브(400)의 개도량에 따라, 수소의 배기 농도를 낮출 수 있다. 따라서 종래 연료전지 정지시 수행되던 주기적인 공기압축기(500) 구동 제어 없이도 수소의 배기 농도를 낮춤으로써, 앞서 언급한 GTR 법규를 준수할 수 있게 되는 효과가 있다.In other words, the exhaust concentration of hydrogen can be lowered according to the opening amount of the air shutoff valve 400 at the time of startup of the fuel cell stack 10. Therefore, by lowering the exhaust concentration of hydrogen without the periodic air compressor 500 operation control that was performed when the fuel cell was stopped, there is an effect of complying with the aforementioned GTR laws and regulations.

다음으로, 연료전지스택(10) 정지 모드의 경우에 대해 살펴본다.Next, we will look at the case of the fuel cell stack 10 in stop mode.

도 6은 연료전지스택(10)의 정지 모드에서 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for explaining the process of controlling the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 in the stop mode of the fuel cell stack 10.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(600)는 연료전지스택(10) 정지 모드의 경우, 캐소드(11)의 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어할 수 있다.Referring to FIG. 6, the controller 600 of the fuel cell system according to the present invention adjusts the opening degree of the air shutoff valve 400 so that negative pressure is formed at the inlet side of the cathode 11 when the fuel cell stack 10 is in stop mode. and the air compressor 500 can be controlled.

구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(600)는 연료전지스택(10) 정지 모드의 경우, 바이패스라인(300) 내부의 부압이 증대되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어함으로써, 캐소드(11)의 입구측에 부압을 형성할 수 있다.Specifically, the controller 600 of the fuel cell system according to the present invention controls the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor to increase the negative pressure inside the bypass line 300 when the fuel cell stack 10 is in stop mode. By controlling 500, negative pressure can be formed on the inlet side of the cathode 11.

이때, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(600)는 연료전지스택(10) 정지 모드의 경우, 바이패스라인(300) 내부의 부압과 캐소드(11)의 입구측 부압에 의해 캐소드(11)의 입구측 기체가 공기공급라인(100), 바이패스라인(300) 및 공기배출라인(200)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어할 수 있다.At this time, in the case of the fuel cell stack 10 stop mode, the controller 600 of the fuel cell system according to the present invention controls the cathode 11 by the negative pressure inside the bypass line 300 and the negative pressure on the inlet side of the cathode 11. Controls the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 so that the inlet gas sequentially passes through the air supply line 100, bypass line 300, and air discharge line 200 and is discharged to the outside. can do.

도 6에서 H는 캐소드(11)의 입구측을 의미하고, G는 차량의 외부를 의미한다. 연료전지스택(10)의 정지 전 공기차단밸브(400)는 도 6의 좌측에 도시된 바와 같이 바이패스라인(300)은 완전히 차단되고(개도량 0%), 공기공급라인(100) 및 공기배출라인(200)은 완전히 개방된 상태(개도량 100%)에 있게 된다.In FIG. 6, H refers to the inlet side of the cathode 11, and G refers to the exterior of the vehicle. Before stopping the fuel cell stack 10, the air shutoff valve 400, as shown on the left side of FIG. 6, is completely blocked (opening amount 0%), and the air supply line 100 and the air The discharge line 200 is in a completely open state (100% opening amount).

연료전지스택(10)의 정지시 공기차단밸브(400)는 도 6의 우측에 도시된 바와 같이 바이패스라인(300)은 완전히 개방되고(개도량 100%), 공기공급라인(100) 및 공기배출라인(200)은 완전히 차단된 상태(개도량 0%)로 서서히 변화된다.When the fuel cell stack 10 is stopped, the air shutoff valve 400, as shown on the right side of FIG. 6, is completely opened (opening amount 100%), and the air supply line 100 and the air The discharge line 200 gradually changes to a completely blocked state (0% opening amount).

이와 동시에 공기압축기(500)의 구동을 통해 공기배출라인(200)에 차량의 외부를 향해 기체의 흐름이 발생하도록 부압을 형성한다.At the same time, the air compressor 500 is driven to create negative pressure in the air discharge line 200 so that gas flows toward the outside of the vehicle.

이와 같이 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)가 제어됨에 따라, 바이패스라인(300) 내부의 부압이 증대되고, 결과적으로 공기공급라인(100)과 연결된 캐소드(11)의 입구측에 부압이 형성되는 것이다. 따라서 연료전지스택(10)의 정지시 캐소드(11) 입구측의 산소를 차량의 외부로 배출할 수 있게 된다.As the opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 are controlled in this way, the negative pressure inside the bypass line 300 increases, and as a result, the inlet of the cathode 11 connected to the air supply line 100 Negative pressure is formed on the side. Therefore, when the fuel cell stack 10 is stopped, oxygen at the inlet side of the cathode 11 can be discharged to the outside of the vehicle.

한편, 도 6의 우측에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(10) 정지 모드의 경우, 캐소드(11)의 입구측 기체가 공기공급라인(100), 바이패스라인(300) 및 공기배출라인(200)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출된다.Meanwhile, as shown on the right side of FIG. 6, in the case of the fuel cell stack 10 stop mode, the gas on the inlet side of the cathode 11 flows through the air supply line 100, the bypass line 300, and the air discharge line ( 200) sequentially and is discharged to the outside.

즉, 기체의 흐름이 연료전지스택(10)의 구동시 역방향으로 형성되도록 제어되는 것이다. 그리고 일반적으로 수소와 산소의 반응으로 생성된 물을 외부로 배출하는 경우, 캐소드(11)의 출구측에 존재하는 물이 먼저 배출되므로, 캐소드(11)의 입구측에 존재하는 물은 적체 현상으로 인해 제대로 배출되지 않는 문제가 있다.That is, the flow of gas is controlled to be formed in the reverse direction when the fuel cell stack 10 is driven. In general, when water generated by the reaction of hydrogen and oxygen is discharged to the outside, the water existing on the outlet side of the cathode 11 is discharged first, so the water existing on the inlet side of the cathode 11 is accumulated due to a build-up phenomenon. There is a problem with it not being discharged properly.

그러나 위와 같이 기체의 흐름을 역방향으로 형성함으로써, 캐소드(11)의 출구측 적체로 인해 배출이 지연된 캐소드(11)의 입구측에 존재하는 물이 효과적으로 제거될 수 있다.However, by reversing the flow of gas as described above, water existing on the inlet side of the cathode 11, whose discharge has been delayed due to accumulation on the outlet side of the cathode 11, can be effectively removed.

이에 따라, 종래 연료전지의 시동시 수행되던 전처리과정을 최소화할 수 있어, 연료전지의 효율 및 성능이 상승되는 효과가 있다.Accordingly, the preprocessing process performed when starting a conventional fuel cell can be minimized, which has the effect of increasing the efficiency and performance of the fuel cell.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도이다.Figure 7 is a flowchart of a control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계(S100) 및 제어기에서 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계(S200)를 포함한다.Referring to FIG. 7, the control method of the fuel cell system according to the present invention includes a step of performing a start-up mode of the fuel cell stack in the controller (S100) and a step of performing a stop mode of the fuel cell stack in the controller (S200). Includes.

여기서 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계(S100)는, 기본적으로 연료전지 시스템 시동 모드를 개시하는 단계(S110)와 연료전지 시스템 시동을 완료하는 단계(S140)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계(S200)는, 연료전지 시스템 정지 모드를 개시하는 단계(S210)와 연료전지 시스템 정지를 완료하는 단계(S240)를 포함할 수 있다. 이와 같이 연료전지 시스템의 시동 모드 또는 정지 모드를 개시하고 완료하는 단계는, 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항으로서, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Here, the step of performing the startup mode of the fuel cell stack (S100) may basically include the step of starting the fuel cell system startup mode (S110) and the step of completing the fuel cell system startup (S140). Likewise, the step of performing the stop mode of the fuel cell stack (S200) may include the step of initiating the fuel cell system stop mode (S210) and the step of completing the stop mode of the fuel cell system (S240). As such, the steps of starting and completing the starting mode or stopping mode of the fuel cell system are self-evident in the technical field of the present invention, and detailed description thereof will be omitted.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계(S100)에서는 제어기에서 캐소드의 출구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다(S130).Meanwhile, in the step (S100) of performing the starting mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the controller may control the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed on the outlet side of the cathode. There is (S130).

구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계(S100)에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압이 감소되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써(S120), 캐소드의 출구측에 부압을 형성할 수 있다.Specifically, in the step (S100) of performing the starting mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the controller controls the opening degree of the air blocking valve and the air compressor to reduce the negative pressure inside the bypass line. (S120), negative pressure can be formed on the outlet side of the cathode.

이때, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계(S100)에서는 제어기(600)에서 바이패스라인(300) 내부의 부압에 의해 바이패스라인(300)에서 공기배출라인(200)으로 유입되는 기체와 캐소드(11)의 출구측 부압에 의해 캐소드(11)의 출구측에서 공기배출라인(200)으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어할 수 있다.At this time, in the step (S100) of performing the starting mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the controller 600 operates in the bypass line 300 by the negative pressure inside the bypass line 300. The gas flowing into the air discharge line 200 and the gas flowing into the air discharge line 200 from the outlet side of the cathode 11 due to the negative pressure on the outlet side of the cathode 11 are mixed by a preset standard amount and discharged to the outside. The opening degree of the air shutoff valve 400 and the air compressor 500 can be controlled.

계속하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계(S200)에서는 제어기에서 캐소드의 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어할 수 있다(S230).Continuing, in the step (S200) of performing the fuel cell stack stop mode of the control method of the fuel cell system according to the present invention, the controller controls the opening degree of the air blocking valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the inlet side of the cathode. (S230).

구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계(S200)에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압이 증대되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써(S220), 캐소드의 입구측에 부압을 형성할 수 있다.Specifically, in the step (S200) of performing the fuel cell stack stop mode of the fuel cell system control method according to the present invention, the controller controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to increase the negative pressure inside the bypass line. (S220), negative pressure can be formed on the inlet side of the cathode.

이때, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계(S200)에서는 제어기(600)에서 바이패스라인(300) 내부의 부압과 캐소드(11)의 입구측 부압에 의해 캐소드(11)의 입구측 기체가 공기공급라인(100), 바이패스라인(300) 및 공기배출라인(200)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출되도록 공기차단밸브(400)의 개도 및 공기압축기(500)를 제어할 수 있다.At this time, in the step (S200) of performing the stop mode of the fuel cell stack in the control method of the fuel cell system according to the present invention, the negative pressure inside the bypass line 300 and the negative pressure on the inlet side of the cathode 11 are controlled by the controller 600. The opening degree of the air shutoff valve 400 and the air are adjusted so that the gas on the inlet side of the cathode 11 sequentially passes through the air supply line 100, the bypass line 300, and the air discharge line 200 and is discharged to the outside. The compressor 500 can be controlled.

상술한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 각 단계에 있어서, 제어기에 의한 구체적인 제어방법 내지 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.In each step of the control method of the fuel cell system according to the present invention described above, the specific control method or operating principle by the controller is the same as previously described for the fuel cell system according to the present invention, so repeated description thereof will be omitted. do.

따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 공기배출라인(200)에 마련된 공기압축기(500)를 통해 캐소드(11)의 출구측 또는 입구측에 부압을 형성하여 캐소드(11) 내부의 산소 배출 제어를 실시함으로써, 연료전지스택(10)의 열화를 방지함과 동시에, 내구성 및 성능이 향상되는 효과가 있다.Therefore, as described above, according to the fuel cell system and its control method of the present invention, negative pressure is formed on the outlet side or inlet side of the cathode 11 through the air compressor 500 provided in the air discharge line 200 to generate cathode ( 11) By controlling internal oxygen emissions, deterioration of the fuel cell stack 10 is prevented and durability and performance are improved.

구체적으로, 연료전지스택(10)의 시동시에는 캐소드(11)의 출구측에 부압을 형성함으로써 연료전지스택(10)의 캐소드(11)에서 애노드(12)로 수소 이온과 전자가 이동하여 역전류가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 연료전지스택(10)의 정지시에는 캐소드(11)의 입구측에 부압을 형성함으로써, 막전극접합체(E)의 전해질막을 통해 수소와 산소가 교환되어 전극 열화 현상이 발생하는 것을 최소화할 수 있는 장점이 있다.Specifically, when the fuel cell stack 10 is started, a negative pressure is formed on the outlet side of the cathode 11, so that hydrogen ions and electrons move from the cathode 11 of the fuel cell stack 10 to the anode 12, causing a reverse reaction. It is possible to prevent flow from occurring, and when the fuel cell stack 10 is stopped, a negative pressure is formed on the inlet side of the cathode 11, so that hydrogen and oxygen are exchanged through the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly (E), thereby forming the electrode. It has the advantage of minimizing the occurrence of deterioration phenomenon.

발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although the invention has been shown and described in relation to specific embodiments, it is commonly known in the art that the present invention can be modified and changed in various ways without departing from the technical spirit of the invention as provided by the following claims. It will be self-evident to those with knowledge.

10 : 연료전지스택
11 : 캐소드
12 : 애노드
20 : 공기가습기
100 : 공기공급라인
200 : 공기배출라인
300 : 바이패스라인
400 : 공기차단밸브
500 : 공기압축기
600 : 제어기
E : 막전극접합체10: Fuel cell stack
11: cathode
12: anode
20: Air humidifier
100: Air supply line
200: Air discharge line
300: bypass line
400: Air shutoff valve
500: Air compressor
600: Controller
E: Membrane electrode assembly

Claims (15)

연료전지스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급라인과 반응 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인;
내부에 공기공급라인과 공기배출라인을 연결하는 바이패스라인이 형성된 공기차단밸브;
공기차단밸브 후단의 공기배출라인에 마련되어 공기공급라인, 공기배출라인 및 바이패스라인에 부압을 형성하는 공기압축기; 및
캐소드 내부 산소의 배출이 필요한 경우 캐소드의 출구측 또는 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 시스템.
An air supply line that supplies air to the cathode of the fuel cell stack and an air discharge line that discharges the air after reaction to the outside;
An air blocking valve with a bypass line formed inside to connect the air supply line and the air discharge line;
An air compressor provided in the air discharge line behind the air shutoff valve to create negative pressure in the air supply line, air discharge line, and bypass line; and
A fuel cell system including a controller that controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed on the outlet or inlet side of the cathode when it is necessary to discharge oxygen inside the cathode.
 청구항 1에 있어서,
캐소드 내부 산소의 배출이 필요한 경우는,
연료전지스택 시동 모드의 경우 또는 연료전지스택 정지 모드의 경우 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 1,
When exhaustion of oxygen inside the cathode is required,
A fuel cell system characterized in that it is used in either a fuel cell stack start mode or a fuel cell stack stop mode.
 청구항 2에 있어서,
제어기는 연료전지스택 시동 모드의 경우,
캐소드의 출구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 2,
In the fuel cell stack start mode, the controller
A fuel cell system characterized by controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed on the outlet side of the cathode.
 청구항 3에 있어서,
제어기는 연료전지스택 시동 모드의 경우,
바이패스라인 내부의 부압이 감소되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 출구측에 부압을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 3,
In the fuel cell stack start mode, the controller
A fuel cell system characterized in that negative pressure is formed on the outlet side of the cathode by controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to reduce the negative pressure inside the bypass line.
 청구항 4에 있어서,
제어기는 연료전지스택 시동 모드의 경우,
바이패스라인 내부의 부압에 의해 바이패스라인에서 공기배출라인으로 유입되는 기체와 캐소드의 출구측 부압에 의해 캐소드의 출구측에서 공기배출라인으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 4,
In the fuel cell stack start mode, the controller
The gas that flows into the air discharge line from the bypass line due to the negative pressure inside the bypass line and the gas that flows into the air discharge line from the cathode outlet side due to the negative pressure on the outlet side of the cathode are mixed by a preset standard amount and discharged to the outside. A fuel cell system characterized by controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor.
 청구항 2에 있어서,
제어기는 연료전지스택 정지 모드의 경우,
캐소드의 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 2,
In the fuel cell stack stop mode, the controller
A fuel cell system characterized by controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the inlet side of the cathode.
 청구항 6에 있어서,
제어기는 연료전지스택 정지 모드의 경우,
바이패스라인 내부의 부압이 증대되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 입구측에 부압을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 6,
In the fuel cell stack stop mode, the controller
A fuel cell system characterized in that negative pressure is formed on the inlet side of the cathode by controlling the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to increase the negative pressure inside the bypass line.
 청구항 7에 있어서,
제어기는 연료전지스택 정지 모드의 경우,
바이패스라인 내부의 부압과 캐소드의 입구측 부압에 의해 캐소드의 입구측 기체가 공기공급라인, 바이패스라인 및 공기배출라인을 순차적으로 통과하여 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In claim 7,
In the fuel cell stack stop mode, the controller
Controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor so that the gas on the inlet side of the cathode sequentially passes through the air supply line, bypass line, and air discharge line and is discharged to the outside by the negative pressure inside the bypass line and the negative pressure on the inlet side of the cathode. A fuel cell system characterized in that.
 청구항 2의 연료전지 시스템의 제어방법으로서,
제어기에서 연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계; 및
제어기에서 연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
As a control method for the fuel cell system of claim 2,
Performing a startup mode of the fuel cell stack in the controller; and
A method of controlling a fuel cell system comprising: performing a stop mode of the fuel cell stack in a controller.
 청구항 9에 있어서,
연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 캐소드의 출구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
In claim 9,
A method of controlling a fuel cell system, characterized in that in the step of performing the starting mode of the fuel cell stack, the controller controls the opening degree of the air blocking valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the outlet side of the cathode.
 청구항 10에 있어서,
연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압이 감소되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 출구측에 부압을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
In claim 10,
In the step of performing the starting mode of the fuel cell stack, the controller controls the opening degree of the air blocking valve and the air compressor to reduce the negative pressure inside the bypass line, thereby forming negative pressure on the outlet side of the cathode. control method.
 청구항 11에 있어서,
연료전지스택의 시동 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압에 의해 바이패스라인에서 공기배출라인으로 유입되는 기체와 캐소드의 출구측 부압에 의해 캐소드의 출구측에서 공기배출라인으로 유입되는 기체가 미리 마련된 기준량만큼 혼합되어 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
In claim 11,
In the step of performing the starting mode of the fuel cell stack, gas flows from the bypass line into the air discharge line due to the negative pressure inside the bypass line in the controller, and gas flows into the air discharge line from the outlet side of the cathode due to negative pressure on the outlet side of the cathode. A control method of a fuel cell system, characterized in that the opening degree of the air blocking valve and the air compressor are controlled so that the gas is mixed in a preset standard amount and discharged to the outside.
 청구항 9에 있어서,
연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 캐소드의 입구측에 부압이 형성되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
In claim 9,
A method of controlling a fuel cell system, characterized in that in the step of performing the stop mode of the fuel cell stack, the controller controls the opening degree of the air blocking valve and the air compressor so that negative pressure is formed at the inlet side of the cathode.
 청구항 13에 있어서,
연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압이 증대되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어함으로써, 캐소드의 입구측에 부압을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
In claim 13,
In the step of performing the stop mode of the fuel cell stack, the controller controls the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor to increase the negative pressure inside the bypass line, thereby forming negative pressure on the inlet side of the cathode. control method.
 청구항 14에 있어서,
연료전지스택의 정지 모드를 수행하는 단계에서는 제어기에서 바이패스라인 내부의 부압과 캐소드의 입구측 부압에 의해 캐소드의 입구측 기체가 공기공급라인, 바이패스라인 및 공기배출라인을 순차적으로 통과하여 외부로 배출되도록 공기차단밸브의 개도 및 공기압축기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.In claim 14,
In the step of performing the stop mode of the fuel cell stack, the gas on the inlet side of the cathode sequentially passes through the air supply line, bypass line, and air discharge line due to the negative pressure inside the bypass line and the negative pressure on the inlet side of the cathode in the controller and is discharged to the outside. A control method of a fuel cell system, characterized in that the opening degree of the air shutoff valve and the air compressor are controlled to discharge to .
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