KR20240068194A - Purge control system for fuel cell system and purge control method using the same - Google Patents

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KR20240068194A
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최효창
이중호
박진영
이남우
윤희성
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택의 셧 다운(shut down)과정에서 퍼지과정을 통해 공기극에 질소 분위기를 형성한 후, 연료 전지 스택의 재생모드를 구현하는 퍼지 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 퍼지 제어 시스템은 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택의 수소극에 수소를 공급하는 수소 공급부; 상기 연료 전지 스택의 공기극에 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 수소 공급부에 연결되어 상기 연료 전지 스택의 수소극 및 공기극에 퍼지용 질소를 공급하는 질소 공급부; 및 상기 공기 공급부, 수소 공급부 및 질소 공급부에 연결된 밸브의 개폐 동작을 제어하여 상기 연료 전지 스택을 질소 퍼지하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택 시동 오프시 수소극과 공기극을 질소 가스로 퍼지한 후, 상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 분위기로, 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소 분위기로 형성하여 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 수행하도록 제어할 수 있다.The present invention relates to a purge control system and control method that implements a regeneration mode of the fuel cell stack after forming a nitrogen atmosphere in the air electrode through a purge process during the shutdown process of the fuel cell stack. The purge control system silver fuel cell stack; a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to the hydrogen electrode of the fuel cell stack; an air supply unit supplying air to the air electrode of the fuel cell stack; a nitrogen supply unit connected to the hydrogen supply unit to supply purge nitrogen to the hydrogen electrode and air electrode of the fuel cell stack; and a control unit that purges the fuel cell stack with nitrogen by controlling the opening and closing operations of valves connected to the air supply unit, the hydrogen supply unit, and the nitrogen supply unit, wherein the control unit purges the hydrogen electrode and the air electrode with nitrogen gas when the fuel cell stack is turned off. After purging, the hydrogen electrode of the fuel cell stack can be controlled to be in a hydrogen atmosphere and the air electrode of the fuel cell stack can be controlled to be in a nitrogen atmosphere to diagnose the condition of the fuel cell stack and restore performance.

Description

연료 전지 시스템 퍼지 제어 시스템 및 이를 이용한 퍼지 제어 방법 {Purge control system for fuel cell system and purge control method using the same}Fuel cell system purge control system and purge control method using the same {Purge control system for fuel cell system and purge control method using the same}

본 발명은 연료 전지 시스템 퍼지 제어 시스템 및 이를 이용한 퍼지 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 스택의 셧 다운(shut down)과정에서 퍼지과정을 통해 공기극에 질소 분위기를 형성한 후, 연료 전지 스택의 재생모드를 구현하는 퍼지 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system purge control system and a purge control method using the same. More specifically, in the process of shutting down a fuel cell stack, a nitrogen atmosphere is formed in the air electrode through a purge process, and then the fuel cell stack is shut down. It relates to a fuzzy control system and control method that implements a stack regeneration mode.

연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료 전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell)로 구분될 수 있다.A fuel cell system is a power generation device that generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Fuel cells can be classified into polymer electrolyte membrane fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells depending on the type of electrolyte.

고분자 전해질 연료 전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료 전지로서, 수소를 함유한 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지와 열을 연속적으로 발생시킨다. A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. It continuously generates electrical energy and heat by electrochemically reacting fuel gas containing hydrogen and oxidizing gas containing oxygen. .

이런 고분자 전해질 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력특성이 탁월하며, 작동온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 갖는다. 이러한 고분자 전해질형 연료 전지를 이용하여 구성한 연료 전지 시스템은 이동용 전원 또는 배터리 대체전원으로 이용되는데, 비교적 단순한 구성요소들로 이루어진 다음과 같은 구조를 갖는다.These polymer electrolyte fuel cells have excellent output characteristics, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. A fuel cell system constructed using such a polymer electrolyte fuel cell is used as a mobile power source or an alternative battery power source, and has the following structure made up of relatively simple components.

연료 전지 시스템은 산화제 가스로서 공기를 연료 전지 스택에 직접 공급하고, 연료 가스로서 압축용기에 저장된 순수(純粹) 수소를 연료 전지 스택에 공급한다. 그리고, 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택 내에서 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시킴으로 써, 전기 에너지를 발생시킨다. 연료 전지 스택은 캐소드 반응을 통해 공기에 함유된 산소를 사용하고, 캐소드 채널 내에 발생된 물과 미반응된 공기를 외부로 배출시킨다.The fuel cell system directly supplies air as an oxidizing gas to the fuel cell stack, and supplies pure hydrogen stored in a compressed vessel as fuel gas to the fuel cell stack. Additionally, the fuel cell system generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen within the fuel cell stack. The fuel cell stack uses oxygen contained in the air through a cathode reaction and discharges water and unreacted air generated within the cathode channel to the outside.

연료 전지 스택은 연료 가스의 출구를 차단한 데드 엔드(Dead-end) 방식이 적용된다. 하지만, 연료 전지 시스템은 이러한 데드 엔드 방식을 적용하더라도, 애노드 채널 내에 생성된 물을 배출시키기 위해 주기적으로 연료 가스의 출구를 개방하여 수소를 외부로 배출시킨다.The fuel cell stack uses a dead-end method that blocks the outlet of fuel gas. However, even if the fuel cell system uses this dead end method, the outlet of the fuel gas is periodically opened to discharge the water generated in the anode channel, thereby discharging hydrogen to the outside.

이러한 수소 배출 작동은 통상적으로 수소 퍼지 방법이라 한다. 연료 전지 스택 내에 발생되는 물은 주로 캐소드 채널에서 발생되고, 물의 확산 작용에 의해 전해질막을 거쳐 애노드 채널 내로 전달된다. 애노드 채널 내에 존재하는 물은 연료 가스인 수소가 전극으로 공급되는 것을 방해하여, 연료 전지 스택의 발전 성능을 저하시키며, 이를 통상적으로 플러딩(Flooding) 현상이라 지칭한다.This hydrogen discharge operation is commonly referred to as a hydrogen purge method. Water generated within the fuel cell stack is mainly generated in the cathode channel and is transferred into the anode channel through the electrolyte membrane by the diffusion of water. Water present in the anode channel prevents hydrogen, a fuel gas, from being supplied to the electrode, thereby reducing the power generation performance of the fuel cell stack, and this is commonly referred to as a flooding phenomenon.

즉, 기존 연료 전지 시스템은 이러한 플러딩 현상을 방지하기 위해서 수소 퍼지 방법을 수행한다. 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법으로는 일정한 주기로 퍼지 밸브를 개방하는 방법, 연료 전지 전압이 기 설정된 값 이하로 저하된 조건에서 퍼지 밸브를 개방하는 방법, 및 상술한 두 가지 방법을 조합하여 실시하는 방법이 적용되고 있다.That is, the existing fuel cell system performs a hydrogen purge method to prevent this flooding phenomenon. Methods for purging hydrogen in a fuel cell system include a method of opening the purge valve at regular intervals, a method of opening the purge valve under conditions where the fuel cell voltage drops below a preset value, and a method of combining the two methods described above. This is being applied.

연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소 배출 압력이 높을수록, 퍼지 밸브를 개방하는 주기가 짧을수록, 퍼지 밸브를 개방하는 시간이 길수록 좋아진다. 하지만, 이와 같은 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소 배출 압력을 높일수록, 전해질 막 양측에 위치한 수소와 공기 사이의 압력 차이가 높아진다.The hydrogen purge method of the fuel cell system improves as the hydrogen discharge pressure is higher, the purge valve opening cycle is shorter, and the purge valve opening time is longer. However, as the hydrogen purge method of this fuel cell system increases the hydrogen discharge pressure, the pressure difference between hydrogen and air on both sides of the electrolyte membrane increases.

이로 인해 기존 연료 전지 시스템은 전해질 막에 가해지는 물리적인 압력으로 인해 전해질 막의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 퍼지 밸브의 개방 주기를 짧게 설정하거나 퍼지 밸브 개방 시간을 길게 설정할 수도 있지만, 그로 인해 연료 전지 스택에서 사용되지 못하고 외부로 배출되는 수소의 양이 함께 증가하여, 연료 전지 스택의 수소 이용률이 낮아지는 문제점이 있다.As a result, the existing fuel cell system has a problem in that the durability of the electrolyte membrane is reduced due to the physical pressure applied to the electrolyte membrane. In addition, the hydrogen purge method of the fuel cell system may set the opening cycle of the purge valve to be short or the purge valve opening time to be long, but this increases the amount of hydrogen that is not used in the fuel cell stack and is discharged to the outside. There is a problem that the hydrogen utilization rate of the fuel cell stack is lowered.

본 발명은 퍼지 과정에서 재생모드를 구현하여 연료 전지 수명을 연장할 수 있는 연료 전지 퍼지 제어 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a fuel cell purge control system and control method that can extend fuel cell life by implementing a regeneration mode in the purge process.

본 발명의 다른 목적은 단수의 밸브를 수소극에만 연결하여 수소극과 공기극을 모두 퍼지하여 시스템의 원가를 줄일 수 있는 연료 전지 퍼지 제어 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell purge control system and control method that can reduce the cost of the system by connecting a single valve only to the hydrogen electrode to purge both the hydrogen electrode and the air electrode.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택의 수소극에 수소를 공급하는 수소 공급부; 상기 연료 전지 스택의 공기극에 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 수소 공급부에 연결되어 상기 연료 전지 스택의 수소극 및 공기극에 퍼지용 질소를 공급하는 질소 공급부; 및 상기 공기 공급부, 수소 공급부 및 질소 공급부에 연결된 밸브의 개폐 동작을 제어하여 상기 연료 전지 스택을 질소 퍼지하는 제어부를 포함하여 이루어지고, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택 시동 오프시 수소극과 공기극을 질소 가스로 퍼지한 후, 상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 분위기로, 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소 분위기로 형성하여 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell system purge control device according to the present invention for achieving this purpose includes a fuel cell stack; a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to the hydrogen electrode of the fuel cell stack; an air supply unit supplying air to the air electrode of the fuel cell stack; a nitrogen supply unit connected to the hydrogen supply unit to supply purge nitrogen to the hydrogen electrode and air electrode of the fuel cell stack; and a control unit that purges the fuel cell stack with nitrogen by controlling the opening and closing operations of valves connected to the air supply unit, hydrogen supply unit, and nitrogen supply unit, wherein the control unit purges the hydrogen electrode and the air electrode with nitrogen when the fuel cell stack is turned off. After purging with gas, the hydrogen electrode of the fuel cell stack is formed into a hydrogen atmosphere and the air electrode of the fuel cell stack is formed into a nitrogen atmosphere, so that the condition of the fuel cell stack is diagnosed and performance recovery is performed.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 순환전압전류법을 이용하여 반응촉매 표면적을 측정하여 연료 전지 스택의 열화상태를 진단할 수 있다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the control unit can diagnose the deterioration state of the fuel cell stack by measuring the surface area of the reaction catalyst using cyclic voltammetry.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 0.05V 내지 1V 범위의 하한전압과 1.2V의 상한전압 사이를 50mV/s의 일정 전압 속도로 상기 연료 전지 스택에 공급하여 촉매 표면적을 측정한다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the control unit measures the catalyst surface area by supplying a voltage between a lower limit voltage in the range of 0.05V to 1V and an upper limit voltage of 1.2V to the fuel cell stack at a constant voltage rate of 50mV/s. do.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 스텝전압법을 이용하여 상기 연료 전지 스택에 전압을 공급하여 상기 연료 전지의 열화된 성능을 회복한다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the control unit restores deteriorated performance of the fuel cell by supplying voltage to the fuel cell stack using a step voltage method.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 0.3V의 하한전압과 0.6V의 상한전압 사이의 전압을 주기적으로 반복 순환하며 상기 연료 전지 스택에 공급한다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the control unit periodically cycles and supplies a voltage between a lower limit voltage of 0.3V and an upper limit voltage of 0.6V to the fuel cell stack.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복 수행에 앞서 상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 농도 99%이상의 수소 분위기로 형성하도록 제어한다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the control unit controls the hydrogen electrode of the fuel cell stack to be formed into a hydrogen atmosphere with a hydrogen concentration of 99% or more prior to diagnosing the condition of the fuel cell stack and performing performance recovery.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복 수행 후 상기 연료 전지 스택의 수소극의 수소 농도가 1% 미만이 되도록 질소 퍼지를 제어한다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the control unit controls nitrogen purge so that the hydrogen concentration of the hydrogen electrode of the fuel cell stack is less than 1% after diagnosing the condition of the fuel cell stack and recovering performance.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치에서, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 수소극을 질소로 퍼지한 후, 상기 공기 공급부에 연결된 밸브의 개폐 동작을 제어하여 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소로 퍼지한다.In the fuel cell system purge control device according to the present invention, the controller purges the hydrogen electrode of the fuel cell stack with nitrogen and then controls the opening and closing operation of the valve connected to the air supply unit to purge the air electrode of the fuel cell stack with nitrogen. Purge.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법은 상기 연료 전지 스택 시동 오프시 연료 전지 스택의 수소극을 질소로 퍼지하는 제1퍼지과정; 상기 연료 전지 스택에 연결된 밸브를 제어하여 상기 연료 전지 스택의 수소극을 통과한 상기 질소의 경로를 상기 연료 전지 스택의 공기극으로 연결하여 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소로 퍼지하는 제2 퍼지과정; 상기 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 실행하는 재생모드 처리과정: 및 상기 연료 전지 스택의 수소극을 질소로 퍼지하는 제3 퍼지과정을 포함하여 이루어진다.The fuel cell system purge control method according to the present invention includes a first purge process of purging the hydrogen electrode of the fuel cell stack with nitrogen when the fuel cell stack is turned off. A second purge process of purging the air electrode of the fuel cell stack with nitrogen by controlling a valve connected to the fuel cell stack to connect the path of the nitrogen that has passed through the hydrogen electrode of the fuel cell stack to the air electrode of the fuel cell stack; A regeneration mode process for diagnosing the condition of the fuel cell stack and restoring performance; and a third purge process for purging the hydrogen electrode of the fuel cell stack with nitrogen.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법에서 상기 재생모드 처리과정은 상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 분위기로 형성하는 제1 준비단계; 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소 분위기로 형성하는 제2 준비단계; 및 상기 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 실행하는 재생모드 단계를 포함한다.In the fuel cell system purge control method according to the present invention, the regeneration mode processing process includes a first preparation step of forming the hydrogen electrode of the fuel cell stack into a hydrogen atmosphere; A second preparation step of forming the air electrode of the fuel cell stack in a nitrogen atmosphere; and a replay mode step of diagnosing the status of the stack and restoring performance.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법에서 상기 제1 준비단계는 상기 연료 전지 스택의 수소극에 수소를 공급하는 단계; 상기 수소극의 수소 농도가 99%이상이 될 때까지 대기하는 단계; 및 상기 연료 전지 스택의 수소극에 공급되는 수소를 차단하는 단계를 포함한다.In the fuel cell system purge control method according to the present invention, the first preparation step includes supplying hydrogen to the hydrogen electrode of the fuel cell stack; Waiting until the hydrogen concentration of the hydrogen electrode is 99% or more; and blocking hydrogen supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell stack.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치 및 제어 방법은 하나의 질소 공급 밸브를 수소극에만 배치하여 수소극과 공기극을 불활성 기체로 모두 퍼지하므로 시스템의 원가를 줄일 수 있으며, 퍼지과정에서 연료 전지의 열화정도를 파악하고 성능 회복절차를 수행할 수 있다.The fuel cell system purge control device and control method according to the present invention purges both the hydrogen electrode and the air electrode with an inert gas by placing one nitrogen supply valve only on the hydrogen electrode, thereby reducing the cost of the system and purging the fuel cell during the purge process. The degree of deterioration can be identified and performance recovery procedures can be performed.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법 중 시동 절차를 나타낸 흐름도를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시동 절차 중 수소극과 산소극의 산소를 제거하기 위한 질소의 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시동 절차 중 수소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법 중 셧 다운 절차를 나타낸 흐름도를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 셧 다운 절차 중 수소극 퍼지를 위한 질소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 셧 다운 절차 중 공기극 퍼지를 위한 질소의 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 셧 다운 절차 중 재생 모드 수소 공급 과정에서 수소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 셧 다운 절차 중 재생 모드 수소 차단 과정에서 수소 및 공기의 흐름을 제어하기 위한 밸브의 상태를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 셧 다운 절차 중 재생 모드 질소 퍼지를 위한 질소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다.
1 is an exemplary diagram showing the configuration of a fuel cell system purge control device according to the present invention.
Figure 2 is an exemplary flowchart showing a start-up procedure in the fuel cell system purge control method according to the present invention.
Figure 3 is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen to remove oxygen from the hydrogen electrode and oxygen electrode during the startup procedure of the fuel cell system according to the present invention.
Figure 4 is an exemplary diagram showing the flow of hydrogen and air during the startup procedure of the fuel cell system according to the present invention.
Figure 5 is an example flowchart showing a shutdown procedure in the fuel cell system purge control method according to the present invention.
Figure 6 is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen and air for hydrogen electrode purge during the shutdown procedure of the fuel cell system according to the present invention.
Figure 7 is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen for purging the air electrode during the shutdown procedure of the fuel cell system according to the present invention.
Figure 8 is an exemplary diagram showing the flow of hydrogen and air during the regenerative mode hydrogen supply process during the shutdown procedure of the fuel cell system according to the present invention.
Figure 9 is an exemplary diagram showing the state of a valve for controlling the flow of hydrogen and air during the hydrogen blocking process in regeneration mode during the shutdown procedure of the fuel cell system according to the present invention.
Figure 10 is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen and air for regenerative mode nitrogen purge during the shutdown procedure of the fuel cell system according to the present invention.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural and functional descriptions are merely illustrative for the purpose of explaining the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and are not included in the text. It should not be construed as limited to the described embodiments.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms 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. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 없는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but that other components may exist in between. It should be. On the other hand, when a component is referred to as being “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "immediately between" or "neighboring" and "directly adjacent to" should be interpreted similarly.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprises” or “has” are intended to designate the presence of a disclosed feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, and are intended to indicate the presence of one or more other features or numbers, It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 나타내는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as indicating meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an idealized or excessively formal sense. No.

한편, 어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 흐름도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.Meanwhile, if an embodiment can be implemented differently, functions or operations specified within a specific block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be performed substantially simultaneously, or the blocks may be performed in reverse depending on the functions or operations involved.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 시스템 및 이를 이용한 퍼지 제어 방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a fuel cell system purge control system and a purge control method using the same according to the present invention will be described with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치의 구성을 나타낸 예시도이다. 연료 전지 스택(40)은 수소극(Anode: 41)과 공기극(Cathode: 42)을 포함한다. 수소 인입 밸브 (21)를 개방하면 수소(H2)가 인입되어 연료 블록 밸브(Fuel Block Valve: 31)와 연료 공급 밸브(Fuel Supply Valve: 32)를 거쳐 연료 분사부(Fuel Ejector: 33)에 의해 연료 전지 스택(40)의 수소극(41)에 전달된다. 에어 필터(Filter: 11)에 의해 불순물이 걸러진 공기(Air)는 에어 컴프레셔(Air Compressor: 12)에 의해 압축되고 에어 쿨러(Air Cooler: 13)에 의해 온도가 낮추어져 가습기(Air Humidifier: 14)로 이동하고, 에어 입력 밸브(Air Cut-off Valve inlet: 15)를 거쳐 연료 전지 스택(40)의 공기극(42)에 전달된다.1 is an exemplary diagram showing the configuration of a fuel cell system purge control device according to the present invention. The fuel cell stack 40 includes a hydrogen electrode (Anode: 41) and an air electrode (Cathode: 42). When the hydrogen inlet valve (21) is opened, hydrogen (H 2 ) is injected into the fuel ejector (33) through the fuel block valve (31) and the fuel supply valve (32). is transmitted to the hydrogen electrode 41 of the fuel cell stack 40. The air from which impurities have been filtered out by the air filter (Filter: 11) is compressed by the air compressor (12), and the temperature is lowered by the air cooler (Air Cooler: 13) to be used in the humidifier (Air Humidifier: 14). It moves to and is delivered to the air electrode 42 of the fuel cell stack 40 through an air cut-off valve inlet (15).

연료 전지 스택(40)의 수소극(41)으로부터 배출되는 물은 연료 라인 워터 트랩(Fuel-line Water Trap: 34)을 거쳐 연료 라인 배출 밸브(Fuel-line Drain Valve: 35)를 거쳐 가습기(14)로 전달된다.The water discharged from the hydrogen electrode 41 of the fuel cell stack 40 passes through the fuel-line water trap (34) and the fuel-line drain valve (35) to the humidifier (14). ) is transmitted.

연료 전지 스택(40)의 공기극(42)에서 사용되고 남은 공기는 에어 배출 밸브(Air Cut-off Valve outlet: 16)를 거쳐 가습기(14)로 전달된다.The remaining air used in the air electrode 42 of the fuel cell stack 40 is delivered to the humidifier 14 through an air cut-off valve outlet (16).

가습기(14)로 전달된 물과 잔여 공기는 기액 분리기(50)로 전달되어 응축수와 공기로 분리된다. 기액 분리기(50)에 의해 분리된 공기는 에어 압력 컨트롤러(Air Pressure Controller: 18)를 거쳐 외부로 배출된다. 기액 분리기(50)에 의해 분리된 응축수는 응축수 배출 밸브(60)를 거쳐 외부로 배출된다. The water and remaining air delivered to the humidifier 14 are transferred to the gas-liquid separator 50 and separated into condensate and air. The air separated by the gas-liquid separator 50 is discharged to the outside through an air pressure controller (18). The condensate separated by the gas-liquid separator 50 is discharged to the outside through the condensate discharge valve 60.

이때, 설명을 생략한 연료 라인 퍼지 밸브(Fuel-line Purge Valve: 36)는 퍼지 과정에서 연료 전지 스택(40)의 수소극(41)으로부터 제공되는 수소 또는 질소의 이동을 제어하는 기능을 수행한다.At this time, the fuel-line purge valve (36), whose description is omitted, performs the function of controlling the movement of hydrogen or nitrogen provided from the hydrogen electrode 41 of the fuel cell stack 40 during the purge process. .

선박 및 정치형발전용 연료전지 시스템의 인증을 받기 위해서는 비상정지, 유지 보수 및 장기 정지 등 상황에서 시스템 내 잔존 수소를 제거하기 위한 퍼지(purge)가 요구된다. 반대로 시동 시, 스택 내부에 있는 산소를 제거하여 역전압 형성을 방지할 필요가 있다.In order to receive certification for fuel cell systems for ships and stationary power generation, a purge is required to remove remaining hydrogen in the system in situations such as emergency stoppage, maintenance, and long-term stoppage. Conversely, during startup, it is necessary to remove oxygen inside the stack to prevent reverse voltage formation.

시동 절차에서 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 이루어진다. 도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법 중 시동 절차를 나타낸 흐름도를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시동 절차 중 수소극과 산소극의 산소를 제거하기 위한 질소의 흐름을 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시동 절차 중 수소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다.The fuel cell system purge control method in the starting procedure is performed as shown in FIG. 2. Figure 2 is an exemplary flowchart showing a start-up procedure among the fuel cell system purge control method according to the present invention, and Figure 3 is a flow chart for removing oxygen from the hydrogen electrode and oxygen electrode during the start-up procedure of the fuel cell system according to the present invention. This is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen, and Figure 4 is an exemplary diagram showing the flow of hydrogen and air during the starting procedure of the fuel cell system according to the present invention.

이하의 설명에서 각 밸브의 동작은 제어부(도시하지 않음)에 의해 제어된다.In the following description, the operation of each valve is controlled by a control unit (not shown).

연료 전지 시스템의 구동에 앞서 공기극에 잔존하는 공기를 배출하기 위해 공기극의 산소 농도가 기준값 이하가 될 때까지(S102) 질소를 공급한다 (S101).Prior to operating the fuel cell system, nitrogen is supplied (S101) until the oxygen concentration in the air electrode falls below the standard value (S102) in order to discharge the air remaining in the air electrode.

시동에 앞서 수소극에 잔존하는 수소와 공기극에 잔존하는 산소를 시스템 밖으로 배출해야 한다. 질소 공급 밸브(22)를 개방하면 질소(N2)가 인입되어 개방된 연료 블록 밸브(Fuel Block Valve: 31)와 연료 공급 밸브(Fuel Supply Valve: 32)를 거쳐 연료 분사부(Fuel Ejector: 33)에 의해 연료 전지 스택(40)의 수소극(41)에 전달된다. 질소는 수소극(41)을 거쳐 개방된 연료 라인 퍼지 밸브(Fuel-line Purge Valve: 36)에 전달된다. 에어 압력 컨트롤러(Air Pressure Controller: 18)가 닫혀 있고, 에어 배출 밸브(ACV: Air Cut-off Valve outlet: 16)가 개방되어 있으므로, 질소는 공기극(42)으로 전달된다. 공기극(42)을 거친 질소는 개방된 에어 입력 밸브(ACV: Air Cut-off Valve outlet: 15)를 거쳐 에어쿨러(Air Cooler: 13)와, 에어 컴프레셔(Air Compressor: 12) 및 필터(Filter: 11)를 거치는 경로를 형성한다.Before starting, the hydrogen remaining in the hydrogen electrode and the oxygen remaining in the air electrode must be discharged out of the system. When the nitrogen supply valve (22) is opened, nitrogen (N 2 ) is introduced and flows through the open fuel block valve (31) and fuel supply valve (Fuel Supply Valve: 32) to the fuel ejector (Fuel Ejector: 33). ) is transmitted to the hydrogen electrode 41 of the fuel cell stack 40. Nitrogen is delivered to the opened fuel-line purge valve (Fuel-line Purge Valve: 36) through the hydrogen electrode (41). Since the air pressure controller (Air Pressure Controller: 18) is closed and the air cut-off valve outlet (ACV: 16) is open, nitrogen is delivered to the air electrode (42). Nitrogen that has passed through the air gap 42 passes through an open air input valve (ACV: Air Cut-off Valve outlet: 15) to an air cooler (13), an air compressor (12), and a filter (Filter: 11) forms a path that passes through

수소극과 공기극의 질소 퍼지가 완료되면 스택 전압 모니터(도시하지 않음)를 이용하여 스택의 전압이 기준 전압에 도달할 때까지(S104), 수소 및 공기를 공급한다. 질소 공급 밸브(22)를 닫고, 수소 인입 밸브(21)를 개방하여 수소극(41)에 수소(H2)를 공급하고, 공기(Air) 입력 경로를 이루는 에어 필터(11), 에어 컴프레셔(12) 및 에어 쿨러(13)가 동작하여 공기를 공급한다. 가습기(14)를 거친 공기는 에어 입력 밸브(15)를 거쳐 공기극(42)으로 인입되고 에어 배출 밸브(16)를 거쳐 기액 분리기(15))에 의해 분리되고 압력 컨트롤러(18)의 동작에 의해 수소 인클로저(100) 외부로 배출된다 (S103).When nitrogen purge of the hydrogen electrode and air electrode is completed, hydrogen and air are supplied using a stack voltage monitor (not shown) until the voltage of the stack reaches the reference voltage (S104). The nitrogen supply valve 22 is closed, the hydrogen inlet valve 21 is opened to supply hydrogen (H 2 ) to the hydrogen electrode 41, and the air filter 11 and air compressor ( 12) and the air cooler 13 operate to supply air. The air that has passed through the humidifier 14 is drawn into the air electrode 42 through the air input valve 15, is separated by the gas-liquid separator 15 through the air discharge valve 16, and is separated by the operation of the pressure controller 18. Hydrogen is discharged to the outside of the enclosure (100) (S103).

아래의 [표 1]은 시동 절차시의 각 밸브의 개폐 상태를 나타낸 것이다.[Table 1] below shows the open/closed status of each valve during the startup procedure.

동작
상태
movement
situation
수소 인입
밸브
hydrogen inlet
valve
질소
공급
밸브
nitrogen
supply
valve
FBV
/FSV
FBV
/FSV
FPVFPV ACV_in
/ACV_out
ACV_in
/ACV_out
BPVBPV APCAPC ACPACP
시동offignition off ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed -- ClosedClosed StopStop 질소 퍼지nitrogen purge ClosedClosed OpenOpen OpenOpen OpenOpen OpenOpen ClosedClosed ClosedClosed StopStop 수소 및
공기 공급
hydrogen and
air supply
OpenOpen ClosedClosed OpenOpen OpenOpen OpenOpen ClosedClosed OpenOpen OperateOperate
연료전지 운전Fuel cell operation OpenOpen ClosedClosed OpenOpen -- OpenOpen -- OpenOpen OperateOperate

도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법 중 셧 다운 절차를 나타낸 흐름도를 나타낸 예시도이고, 도 6은 수소극 퍼지를 위한 질소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이고, 도 7은 공기극 퍼지를 위한 질소의 흐름을 나타낸 예시도이다.Figure 5 is an example flowchart showing a shutdown procedure among the fuel cell system purge control method according to the present invention, Figure 6 is an example diagram showing the flow of nitrogen and air for hydrogen electrode purge, and Figure 7 is an air electrode purge. This is an example diagram showing the flow of nitrogen for.

연료 전지 시스템의 운전을 마치고 셧 다운 절차를 구현할 때 퍼지를 수행해야 한다. 본 발명은 수소극에 잔존하는 수소를 배출하고, 공기극에 잔존하는 산소를 배출하는 퍼지 동작을 수행한다. 이와 더불어, 불활성 기체를 이용하여 연료전지 열화 상태 측정 및 촉매 재활성화 과정을 수행한다.A purge must be performed when the fuel cell system has been taken out of operation and the shutdown procedure is implemented. The present invention performs a purge operation to discharge hydrogen remaining in the hydrogen electrode and oxygen remaining in the air electrode. In addition, the fuel cell deterioration state is measured and the catalyst reactivation process is performed using an inert gas.

도 6은 수소극 퍼지를 위한 질소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다. 연료 전지 시스템의 운전을 마치고 수소극에 잔존하는 수소를 배출하기 위해 수소극에 잔존하는 수소의 농도가 기준값 이하가 될 때까지(S202) 수소극에 질소를 공급하여 퍼지를 수행한다. 스택 내 수소를 일정 농도 이하로 제거하기 위한 필요시간 혹은 스택 전압 기준 이하를 만족하면 수소극 질소 퍼지가 완료된 것으로 판단할 수 있다.Figure 6 is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen and air for hydrogen electrode purge. After completing the operation of the fuel cell system, purge is performed by supplying nitrogen to the hydrogen electrode until the concentration of hydrogen remaining in the hydrogen electrode falls below the standard value (S202) in order to discharge the hydrogen remaining in the hydrogen electrode. If the time required to remove hydrogen in the stack below a certain concentration or the stack voltage standard is satisfied, the hydrogen electrode nitrogen purge can be judged to be complete.

질소 공급 밸브(22)를 개방하면 질소(N2)가 인입되어 개방된 연료 블록 밸브(Fuel Block Valve: 31)와 연료 공급 밸브(Fuel Supply Valve: 32)를 거쳐 연료 분사부(Fuel Ejector: 33)에 의해 연료 전지 스택(40)의 수소극(41)에 전달된다. 질소는 수소극(41)을 거쳐 개방된 연료 라인 퍼지 밸브(Fuel-line Purge Valve: 36)에 전달된다. 에어 압력 컨트롤러(Air Pressure Controller: 18)가 동작하면서 질소 가스가 배출된다.When the nitrogen supply valve (22) is opened, nitrogen (N 2 ) is introduced and flows through the open fuel block valve (31) and fuel supply valve (Fuel Supply Valve: 32) to the fuel ejector (Fuel Ejector: 33). ) is transmitted to the hydrogen electrode 41 of the fuel cell stack 40. Nitrogen is delivered to the opened fuel-line purge valve (Fuel-line Purge Valve: 36) through the hydrogen electrode (41). Nitrogen gas is discharged as the air pressure controller (18) operates.

공기(Air) 입력 경로를 이루는 에어 필터(11), 에어 컴프레셔(12) 및 에어 쿨러(13)가 동작하여 공기를 공급한다. 가습기(14)를 거친 공기는 에어 입력 밸브(15)를 거쳐 공기극(42)으로 인입되고 에어 배출 밸브(16)를 거쳐 기액 분리기(15))에 의해 분리되고 압력 컨트롤러(18)의 동작에 의해 수소 인클로저(100) 외부로 배출된다 (S202).The air filter 11, air compressor 12, and air cooler 13 that form the air input path operate to supply air. The air that has passed through the humidifier 14 is drawn into the air electrode 42 through the air input valve 15, is separated by the gas-liquid separator 15 through the air discharge valve 16, and is separated by the operation of the pressure controller 18. Hydrogen is discharged to the outside of the enclosure (100) (S202).

수소극과 질소 퍼지가 완료되면 공기극의 질소 퍼지 동작이 이루어진다. 도 7은 공기극 퍼지를 위한 질소의 흐름을 나타낸 예시도이다. 공기극에 잔존하는 산소를 배출하기 위해 공기극에 잔존하는 산소의 농도가 기준값 이하가 될 때까지(S204) 공기극에 질소를 공급하여 퍼지를 수행한다 (S203).When the hydrogen electrode and nitrogen purge are completed, the nitrogen purge operation of the air electrode is performed. Figure 7 is an exemplary diagram showing the flow of nitrogen for air gap purge. In order to discharge the oxygen remaining in the air electrode, purge is performed by supplying nitrogen to the air electrode (S203) until the concentration of oxygen remaining in the air electrode falls below the standard value (S204).

에어 압력 컨트롤러(18)가 닫히고, 에어 배출 밸브(ACV: Air Cut-off Valve outlet: 16)가 개방되면 질소는 공기극(42)으로 전달된다. 공기극(42)을 거친 질소는 개방된 에어 입력 밸브(ACV: Air Cut-off Valve outlet: 15)를 거쳐 에어쿨러(Air Cooler: 13)와, 에어 컴프레셔(Air Compressor: 12) 및 필터(Filter: 11)를 거치는 경로를 형성한다. 스택 내 공기극의 산소가 일정 농도 이하가 될 수 있도록 질소를 공급하는데 필요한 시간이 요구된다.When the air pressure controller 18 is closed and the air cut-off valve outlet (ACV: 16) is opened, nitrogen is delivered to the air electrode 42. Nitrogen that has passed through the air gap 42 passes through an open air input valve (ACV: Air Cut-off Valve outlet: 15) to an air cooler (13), an air compressor (12), and a filter (Filter: 11) forms a path that passes through The time required to supply nitrogen is required so that the oxygen in the air electrode within the stack can be below a certain concentration.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 셧 다운 절차 중 도 8은 재생 모드 수소 공급 과정을, 도 9는 재생 모드 수소 차단 과정을, 도 10는 재생 모드 질소 퍼지를 위한 수소, 질소 및 공기의 흐름을 나타낸 예시도이다.Among the shutdown procedures of the fuel cell system according to the present invention, FIG. 8 shows the regeneration mode hydrogen supply process, FIG. 9 shows the regeneration mode hydrogen blocking process, and FIG. 10 shows the flows of hydrogen, nitrogen, and air for regeneration mode nitrogen purge. This is an example diagram.

본 발명에서는 셧 다운 절차를 수행할 때, 수소극과 공기극의 퍼지를 완료한 상태에서(S205) 단순 퍼지에 그치지 않고, 퍼지 과정에서 순환전류법을 도입하여 반응 촉매 표면적을 측정하여 연료 전지의 열화 정도를 파악하거나, 연료전지 성능 회복절차를 도입하여 연료전지 수명을 늘릴 수 있다. 즉, 본 발명에서는 퍼지 과정에서 연료전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 실행하는 재생모드 처리과정을 수행한다.In the present invention, when performing a shutdown procedure, the purge of the hydrogen electrode and the air electrode is completed (S205), and instead of stopping at a simple purge, the cyclic voltammetry method is introduced in the purge process to measure the surface area of the reaction catalyst to prevent deterioration of the fuel cell. The lifespan of the fuel cell can be increased by identifying the extent or introducing a fuel cell performance recovery procedure. That is, in the present invention, a regeneration mode processing process is performed to diagnose the condition of the fuel cell stack and restore performance during the purge process.

재생모드의 실행에 앞서, 수소극에는 수소를 공급하고, 배출 수소 농도를 희석하기 위한 공기의 유동을 위해 공기를 공급하는 재생 모드 수소 공급 과정은 도 8에 도시한 바와 같이 이루어진다. 재생 모드 수소 공급 과정은 수소 농도가 기준값보다 큰 값을 가질 때까지(S207) 수소극에 수소를 공급한다. 이때, 수소극의 기준 농도는 99% 이상의 값이다.Prior to execution of the regeneration mode, the regeneration mode hydrogen supply process of supplying hydrogen to the hydrogen electrode and supplying air for air flow to dilute the discharged hydrogen concentration is performed as shown in FIG. 8. In the regenerative mode hydrogen supply process, hydrogen is supplied to the hydrogen electrode until the hydrogen concentration is greater than the reference value (S207). At this time, the standard concentration of the hydrogen electrode is a value of 99% or more.

공기극까지 질소가 퍼지 완료되면 질소 공급 밸브(22)를 잠그고 수소 공급 밸브(21)를 개방하여 수소 인클로저(100)로 수소를 공급한다. 수소(H2)는 연료 블록 밸브(Fuel Block Valve: 31)와 연료 공급 밸브(Fuel Supply Valve: 32)를 거쳐 연료 분사부(Fuel Ejector: 33)에 의해 연료 전지 스택(40)의 수소극(41)에 전달된다. 수소극(41)을 거친 수소는 개방된 연료 라인 퍼지 밸브(Fuel-line Purge Valve: 36)를 거쳐 에어 압력 컨트롤러(Air Pressure Controller: 18)의 동작에 의해 수소 인클로저(100)의 외부로 배출된다.When nitrogen is purged to the air electrode, the nitrogen supply valve 22 is closed and the hydrogen supply valve 21 is opened to supply hydrogen to the hydrogen enclosure 100. Hydrogen (H 2 ) passes through the fuel block valve (31) and the fuel supply valve (32) to the hydrogen electrode (of the fuel cell stack 40) by the fuel ejector (33). 41). Hydrogen that has passed through the hydrogen electrode (41) is discharged to the outside of the hydrogen enclosure (100) by the operation of the air pressure controller (18) through the open fuel-line purge valve (36). .

이때, 공기(Air) 입력 경로를 이루는 에어 필터(11), 에어 컴프레셔(12) 및 에어 쿨러(13)가 동작하여 공기가 공급된다. 에어 입력 밸브(15)가 닫혀 있으므로 가습기(14)를 거친 공기는 바이패스 밸브(Bypass Valve: 17)를 거쳐 기액 분리기(15))를 거쳐 에어 압력 컨트롤러(18)의 동작에 의해 수소 인클로저(100) 외부로 배출된다 (S206).At this time, the air filter 11, air compressor 12, and air cooler 13 forming the air input path operate to supply air. Since the air input valve 15 is closed, the air that has passed through the humidifier 14 passes through the bypass valve (17) and the gas-liquid separator (15) into the hydrogen enclosure (100) by the operation of the air pressure controller (18). ) is discharged to the outside (S206).

수소극의 기준 농도가 99% 이상이 되면 도 9에 도시한 바와 같이, 수소의 공급을 차단한다. 수소의 차단과 함께 공기의 공급이 차단된다. 즉, 수소 공급 밸브(21), 연료 블록 밸브(31), 연료 공급 밸브(32) 및 연료 라인 퍼지 밸브(36)가 닫혀 수소극(41)에는 수소가 충진된 상태가 되고, 공기극(42)은 질소가 충진된 상태를 갖는다 (S208).When the standard concentration of the hydrogen electrode reaches 99% or more, the supply of hydrogen is blocked, as shown in FIG. 9. Along with the blockage of hydrogen, the supply of air is cut off. That is, the hydrogen supply valve 21, fuel block valve 31, fuel supply valve 32, and fuel line purge valve 36 are closed, so that the hydrogen electrode 41 is filled with hydrogen, and the air electrode 42 is filled with hydrogen. has a nitrogen-filled state (S208).

이와 같이 준비된 상태에서 연료전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 실행하는 재생모드 처리과정을 수행한다.In this prepared state, a regeneration mode processing process is performed to diagnose the condition of the fuel cell stack and restore performance.

연료 전지의 수소극에 수소가 공기극에 질소가 있는 상태에서 순환전류전압법을 실시하여 유효 촉매 반응면적을 계산할 수 있다. 반응촉매 표면적을 측정하여 연료전지 스택의 열화상태를 진단한다. 반응촉매 표면적 측정은 상기 연료전지 스택에 0.05V 내지 1V 범위의 하한전압과 1.2V의 상한전압 사이를 50mV/s의 일정 전압 속도로 공급하여 측정한다. 계산된 촉매 반응 면적을 초기값 혹은 이전 재생모드에서의 상태 진단값과 비교하여 열화 정도를 파악할 수 있다.The effective catalytic reaction area can be calculated by performing cyclic voltammetry with hydrogen at the hydrogen electrode and nitrogen at the air electrode of the fuel cell. Diagnose the deterioration of the fuel cell stack by measuring the reaction catalyst surface area. The reaction catalyst surface area is measured by supplying the fuel cell stack between a lower limit voltage in the range of 0.05V to 1V and an upper limit voltage of 1.2V at a constant voltage rate of 50mV/s. The degree of deterioration can be determined by comparing the calculated catalytic reaction area with the initial value or the status diagnosis value in the previous regeneration mode.

연료 전지의 열화는 비가역적 열화와 가역적 열화로 구분할 수 있다. 가역적 열화는 특정방법에 의해 회복될 수 있는데, 그 중 하나의 방법이 스텝 전압법이다.Deterioration of fuel cells can be divided into irreversible deterioration and reversible deterioration. Reversible deterioration can be recovered by specific methods, one of which is the step voltage method.

스텝 전압법이란 하한전압(예: 0.4V)과 상한전압(예: 1.0V) 사이의 전압을 반복 순환하며 스택에 전압을 가하는 방법이다. 이때 하한전압이 낮을수록 효과가 좋지만, 실제 연료 전지의 작동환경과 같이 공기극에 산소가 분포할 경우 촉매와의 비가역적인 결합을 유도하여 오히려 연료 전지의 내구에 악영향을 미칠 수 있다.The step voltage method is a method of applying voltage to the stack by repeatedly cycling the voltage between the lower limit voltage (e.g. 0.4V) and the upper limit voltage (e.g. 1.0V). At this time, the lower the lower limit voltage, the better the effect. However, if oxygen is distributed in the air electrode as in the actual operating environment of a fuel cell, it may induce irreversible bonding with the catalyst and have a negative effect on the durability of the fuel cell.

다만, 수소극에 수소, 공기극에는 질소가 있는 상황에서는 산소가 없기 때문에 스텝 전압법을 실시하여도 이산화백금 결합의 추가적인 생성을 염려할 필요가 없다.However, in a situation where there is hydrogen at the hydrogen electrode and nitrogen at the air electrode, there is no need to worry about additional formation of platinum dioxide bonds even if the step voltage method is performed.

따라서, 성능 회복 과정에서는 하한전압(예: 0.2V)과 상한전압(예: 0.6V)를 주기적으로 반복하는 스텝 전압법을 실시하여 연료 전지의 가역열화된 성능감소분을 회복한다. 상태 진단과 성능 회복은 교차하여 이루어지거나 반복하여 실시될 수 있다. 예를 들어, 상태 진단을 수행하고 성능 회복을 실시하고 다시 상태 진단을 실시하여 성능 회복의 정도를 판단하는 것도 가능하다.Therefore, in the performance recovery process, a step voltage method that periodically repeats the lower limit voltage (e.g., 0.2 V) and the upper limit voltage (e.g., 0.6 V) is performed to recover the reversible performance loss of the fuel cell. Condition diagnosis and performance restoration may alternate or be performed repeatedly. For example, it is possible to perform a condition diagnosis, perform performance recovery, and then perform a condition diagnosis again to determine the degree of performance recovery.

재생모드가 수행된 이후, 수소극을 질소로 퍼지해야 한다. 잠겨있던 질소 공급 밸브(22)를 개방하면 질소는 연료 블록 밸브(Fuel Block Valve: 31)와 연료 공급 밸브(Fuel Supply Valve: 32)를 거쳐 연료 분사부(Fuel Ejector: 33)에 의해 연료 전지 스택(40)의 수소극(41)에 전달된다. 수소극(41)을 거친 질소는 에어 압력 컨트롤러(18)의 동작에 의해 수소 인클로저(100)의 외부로 배출된다.After the regeneration mode is performed, the hydrogen electrode must be purged with nitrogen. When the locked nitrogen supply valve (22) is opened, nitrogen passes through the fuel block valve (31) and the fuel supply valve (32) into the fuel cell stack by the fuel ejector (33). It is transmitted to the hydrogen electrode (41) of (40). Nitrogen that has passed through the hydrogen electrode 41 is discharged to the outside of the hydrogen enclosure 100 by the operation of the air pressure controller 18.

에어 필터(Filter: 11)에 의해 불순물이 걸러진 공기(Air)는 에어 컴프레셔(Air Compressor: 12)에 의해 압축되고 에어 쿨러(Air Cooler: 13)에 의해 온도가 낮추어져 가습기(Air Humidifier: 14)로 이동한다. 에어 입력 밸브(15)가 닫혀 있으므로 가습기(14)를 거친 공기는 바이패스 밸브(Bypass Valve: 17)를 거쳐 기액 분리기(15))를 거쳐 에어 압력 컨트롤러(18)의 동작에 의해 수소 인클로저(100) 외부로 배출된다. 재생모드 이후의 질소 퍼지는 수소극의 수소 농도가 기준값 이하가 될 수 있을 때까지(S211) 질소 공급이 유지되어 이루어진다. 이때, 수소극의 기준 수소 농도는 1% 미만이 되도록 질소 유입이 계속된다 (S210).The air from which impurities have been filtered out by the air filter (Filter: 11) is compressed by the air compressor (12), and the temperature is lowered by the air cooler (Air Cooler: 13) to be used in the humidifier (Air Humidifier: 14). Go to Since the air input valve 15 is closed, the air that has passed through the humidifier 14 passes through the bypass valve (17) and the gas-liquid separator (15) into the hydrogen enclosure (100) by the operation of the air pressure controller (18). ) is discharged to the outside. Nitrogen purging after the regeneration mode is achieved by maintaining nitrogen supply until the hydrogen concentration of the hydrogen electrode falls below the standard value (S211). At this time, nitrogen flow continues so that the standard hydrogen concentration of the hydrogen electrode is less than 1% (S210).

아래의 [표 2]는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 퍼지 제어 장치에서 시동 오프 과정에서의 각 밸브의 개폐 상태를 나타낸 것이다.[Table 2] below shows the open/closed status of each valve during the start-off process in the purge control device of the fuel cell system according to the present invention.

동작
상태
movement
situation
수소
인입
밸브
hydrogen
incoming
valve
질소
공급
밸브
nitrogen
supply
valve
FBV
/FSV
FBV
/FSV
FPVFPV ACV_in
/ACV_out
ACV_in
/ACV_out
BPVBPV APCAPC ACPACP
운전상태Driving status OpenOpen ClosedClosed OpenOpen -- OpenOpen -- OpenOpen OperateOperate 수소극 퍼지Hydrogen purge ClosedClosed OpenOpen OpenOpen OpenOpen OpenOpen ClosedClosed OpenOpen OperateOperate 산소극퍼지Oxygen pole purge ClosedClosed OpenOpen OpenOpen OpenOpen OpenOpen ClosedClosed ClosedClosed StopStop 퍼지 완료Purge complete ClosedClosed ClosedClosed OpenOpen OpenOpen ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed StopStop 재생모드수소공급Regenerative mode hydrogen supply OpenOpen ClosedClosed OpenOpen OpenOpen ClosedClosed OpenOpen OpenOpen OperateOperate 재생모드수소차단Regeneration mode hydrogen blocking ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed OpenOpen ClosedClosed StopStop 재생모드Play mode ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed OpenOpen ClosedClosed StopStop 재생모드질소퍼지Play mode nitrogen purge ClosedClosed OpenOpen OpenOpen OpenOpen Closed Closed OpenOpen OpenOpen OperateOperate 시동OffStart-upOff ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed ClosedClosed -- ClosedClosed StopStop

이상에서 설명한 바와 같이, 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치 및 제어 방법은 하나의 질소 공급 밸브를 수소극에 연결하여 수소극과 공기극에 불활성 기체인 질소를 모두 공급할 수 있어, 단순한 시스템을 이용하여 질소를 퍼지할 수 있다. 또한, 장기 보관을 위한 단순 퍼지에 그치지 않고, 퍼지과정에서 순환 전류법을 도입하여 반응 촉매 표면적을 측정하고, 연료전지 성능 회복 절차를 통해 연료 전지 시스템의 수명을 연장시키는 부수적 효과를 기대할 수 있다.As described above, the fuel cell system purge control device and control method connects one nitrogen supply valve to the hydrogen electrode to supply both the hydrogen electrode and the air electrode with nitrogen, an inert gas, and purges nitrogen using a simple system. can do. In addition, beyond simple purging for long-term storage, the side effect of measuring the surface area of the reaction catalyst by introducing the circulating current method in the purging process and extending the lifespan of the fuel cell system through the fuel cell performance recovery procedure can be expected.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art may make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can do it.

11: 에어 필터 12: 에어 컴프레셔
13: 에어 쿨러 14: 가습기
15: 에어 입력 밸브 16: 에어 배출 밸브
17: 바이패스 밸브 18: 에어 압력 컨트롤러
21: 수소 인입 밸브 22: 질소 공급 밸브
31: 연료 블록 밸브 32: 연료 공급 밸브
33: 연료 분사부 34: 연료 라인 워터 트랩
35: 연료 라인 배출 밸브 36: 연료 라인 퍼지 밸브
40: 연료 전지 스택 41: 수소극
42: 공기극 50: 기액 분리기
60: 응축수 배출 밸브 100: 수소 인클로저
11: air filter 12: air compressor
13: air cooler 14: humidifier
15: air input valve 16: air discharge valve
17: Bypass valve 18: Air pressure controller
21: hydrogen inlet valve 22: nitrogen supply valve
31: fuel block valve 32: fuel supply valve
33: fuel injection unit 34: fuel line water trap
35: Fuel line drain valve 36: Fuel line purge valve
40: fuel cell stack 41: hydrogen electrode
42: air electrode 50: gas-liquid separator
60: Condensate discharge valve 100: Hydrogen enclosure

Claims (16)

연료 전지 스택;
상기 연료 전지 스택의 수소극에 수소를 공급하는 수소 공급부;
상기 연료 전지 스택의 공기극에 공기를 공급하는 공기 공급부;
상기 수소 공급부에 연결되어 상기 연료 전지 스택의 수소극 및 공기극에 퍼지용 질소를 공급하는 질소 공급부; 및
상기 공기 공급부, 수소 공급부 및 질소 공급부에 연결된 밸브의 개폐 동작을 제어하여 상기 연료 전지 스택을 질소 퍼지하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 연료 전지 스택 시동 오프시 수소극과 공기극을 질소 가스로 퍼지한 후, 상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 분위기로, 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소 분위기로 형성하여 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 수행하도록 제어하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
fuel cell stack;
a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to the hydrogen electrode of the fuel cell stack;
an air supply unit supplying air to the air electrode of the fuel cell stack;
a nitrogen supply unit connected to the hydrogen supply unit to supply purge nitrogen to the hydrogen electrode and air electrode of the fuel cell stack; and
A control unit that purges the fuel cell stack with nitrogen by controlling the opening and closing operations of valves connected to the air supply unit, hydrogen supply unit, and nitrogen supply unit,
The control unit,
After purging the hydrogen electrode and the air electrode with nitrogen gas when the fuel cell stack is turned off, the hydrogen electrode of the fuel cell stack is placed in a hydrogen atmosphere and the air electrode of the fuel cell stack is placed in a nitrogen atmosphere to diagnose the condition of the fuel cell stack and A fuel cell system purge control unit that controls to perform performance recovery.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
순환전압전류법을 이용하여 반응촉매 표면적을 측정하여 연료 전지 스택의 열화상태를 진단하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 1, wherein the control unit,
A fuel cell system purge control device that diagnoses the deterioration state of the fuel cell stack by measuring the surface area of the reaction catalyst using cyclic voltammetry.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
0.05V 내지 1V 범위의 하한전압과 1.2V의 상한전압 사이를 50mV/s의 일정 전압 속도로 상기 연료 전지 스택에 공급하여 촉매 표면적을 측정하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 2, wherein the control unit,
A fuel cell system purge control device that measures the catalyst surface area by supplying a voltage between a lower limit voltage in the range of 0.05V to 1V and an upper limit voltage of 1.2V to the fuel cell stack at a constant voltage rate of 50mV/s.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
스텝전압법을 이용하여 상기 연료 전지 스택에 전압을 공급하여 상기 연료 전지의 열화된 성능을 회복하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 1, wherein the control unit:
A fuel cell system purge control device that restores deteriorated performance of the fuel cell by supplying voltage to the fuel cell stack using a step voltage method.
제4항에 있어서, 상기 제어부는,
0.3V의 하한전압과 0.6V의 상한전압 사이의 전압을 주기적으로 반복 순환하며 상기 연료 전지 스택에 공급하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 4, wherein the control unit,
A fuel cell system purge control device that periodically cycles and supplies a voltage between a lower limit voltage of 0.3V and an upper limit voltage of 0.6V to the fuel cell stack.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복 수행에 앞서 상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 농도 99%이상의 수소 분위기로 형성하도록 제어하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 1, wherein the control unit,
A fuel cell system purge control device that controls the hydrogen electrode of the fuel cell stack to be formed into a hydrogen atmosphere with a hydrogen concentration of 99% or more prior to diagnosing the condition of the fuel cell stack and recovering performance.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복 수행 후 상기 연료 전지 스택의 수소극의 수소 농도가 1% 미만이 되도록 질소 퍼지를 제어하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 1, wherein the control unit:
A fuel cell system purge control device for controlling nitrogen purge so that the hydrogen concentration of the hydrogen electrode of the fuel cell stack is less than 1% after diagnosing the condition of the fuel cell stack and performing performance recovery.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 수소극을 질소로 퍼지한 후, 상기 공기 공급부에 연결된 밸브의 개폐 동작을 제어하여 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소로 퍼지하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 장치.
The method of claim 1, wherein the control unit:
A fuel cell system purge control device that purges the hydrogen electrode of the fuel cell stack with nitrogen and then purges the air electrode of the fuel cell stack with nitrogen by controlling the opening and closing operation of the valve connected to the air supply unit.
연료 전지 스택 시동 오프시 연료 전지 스택의 수소극을 질소로 퍼지하는 제1퍼지과정;
상기 연료 전지 스택에 연결된 밸브를 제어하여 상기 연료 전지 스택의 수소극을 통과한 상기 질소의 경로를 상기 연료 전지 스택의 공기극으로 연결하여 상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소로 퍼지하는 제2 퍼지과정;
상기 연료 전지 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 실행하는 재생모드 처리과정: 및
상기 연료 전지 스택의 수소극을 질소로 퍼지하는 제3 퍼지과정을 포함하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.
A first purge process of purging the hydrogen electrode of the fuel cell stack with nitrogen when the fuel cell stack is turned off;
A second purge process of purging the air electrode of the fuel cell stack with nitrogen by controlling a valve connected to the fuel cell stack to connect the path of the nitrogen that has passed through the hydrogen electrode of the fuel cell stack to the air electrode of the fuel cell stack;
A regenerative mode process for diagnosing the condition of the fuel cell stack and restoring performance: and
A fuel cell system purge control method comprising a third purge process of purging the hydrogen electrode of the fuel cell stack with nitrogen.
제9항에 있어서, 상기 재생모드 처리과정은,
상기 연료 전지 스택의 수소극을 수소 분위기로 형성하는 제1 준비단계;
상기 연료 전지 스택의 공기극을 질소 분위기로 형성하는 제2 준비단계; 및
상기 스택의 상태 진단 및 성능 회복을 실행하는 재생모드 단계를 포함하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.
The method of claim 9, wherein the play mode processing process is:
A first preparation step of forming the hydrogen electrode of the fuel cell stack in a hydrogen atmosphere;
A second preparation step of forming the air electrode of the fuel cell stack in a nitrogen atmosphere; and
A fuel cell system purge control method comprising a regeneration mode step of diagnosing the status of the stack and restoring performance.
제10항에 있어서, 상기 제1 준비단계는,
상기 연료 전지 스택의 수소극에 수소를 공급하는 단계;
상기 수소극의 수소 농도가 99%이상이 될 때까지 대기하는 단계; 및
상기 연료 전지 스택의 수소극에 공급되는 수소를 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.
The method of claim 10, wherein the first preparation step is,
supplying hydrogen to the hydrogen electrode of the fuel cell stack;
Waiting until the hydrogen concentration of the hydrogen electrode is 99% or more; and
A fuel cell system purge control method comprising blocking hydrogen supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell stack.
제10항에 있어서, 상기 재생모드 단계는 순환전압전류법을 이용하여 반응촉매 표면적을 측정하여 연료 전지 스택의 열화상태를 진단하는 것을 포함하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.The method of claim 10, wherein the regeneration mode step includes diagnosing a deterioration state of the fuel cell stack by measuring the surface area of the reaction catalyst using cyclic voltammetry. 제12항에 있어서, 상기 반응촉매 표면적 측정과정은 상기 연료 전지 스택에 0.05V 내지 1V 범위의 하한전압과 1.2V의 상한전압 사이를 50mV/s의 일정 전압 속도로 공급하여 측정하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.The fuel cell system purge method of claim 12, wherein the reaction catalyst surface area measurement process is measured by supplying the fuel cell stack between a lower limit voltage in the range of 0.05V to 1V and an upper limit voltage of 1.2V at a constant voltage rate of 50mV/s. Control method. 제10항에 있어서, 상기 재생모드 단계는 스텝전압법을 이용하여 상기 연료 전지 스택에 전압을 공급하여 상기 연료 전지 스택의 열화된 성능을 회복시키는 것을 포함하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.The fuel cell system purge control method of claim 10, wherein the regeneration mode step includes restoring deteriorated performance of the fuel cell stack by supplying voltage to the fuel cell stack using a step voltage method. 제14항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 성능을 회복시키기 위해 상기 연료 전지 스택에 0.3V의 하한전압과 0.6V의 상한전압 사이의 전압을 주기적으로 반복 순환하며 공급하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.The fuel cell system purge control method of claim 14, wherein a voltage between a lower limit voltage of 0.3V and an upper limit voltage of 0.6V is periodically and repeatedly supplied to the fuel cell stack to restore performance of the fuel cell stack. 제9항에 있어서, 상기 제3퍼지과정은 상기 연료 전지 스택의 수소극의 수소 농도가 1% 미만이 되도록 질소 퍼지를 제어하는 연료 전지 시스템 퍼지 제어 방법.
The fuel cell system purge control method of claim 9, wherein the third purge process controls nitrogen purge so that the hydrogen concentration of the hydrogen electrode of the fuel cell stack is less than 1%.
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