KR100835305B1 - Fuel cell system and pruging method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택 내에 누적된 수분을 용이하게 배출시킬 수 있도록, 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키며, 연료가 배출되는 연료배출구와 산화제가 배출되는 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급장치와 상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급장치와, 상기 연료 배출구와 상기 산화제 배출구 중 적어도 어느 하나에 연결 설치되는 진공 발생기, 및 상기 진공 발생기와 연결 설치되어 상기 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부를 포함한다.The fuel cell system according to the present invention generates power by using fuel and an oxidant so as to easily discharge moisture accumulated in the fuel cell stack, and has a fuel discharge port through which the fuel is discharged and an oxidant discharge port through which the oxidant is discharged. A battery stack, a fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell stack, an oxidant supply device for supplying an oxidant to the fuel cell stack, a vacuum generator connected to at least one of the fuel outlet and the oxidant outlet, and It is connected to the vacuum generator and includes a compressed gas supply unit for supplying compressed gas to the vacuum generator.

연료 전지, 진공 발생기, 퍼지, 압축 기체 공급부 Fuel Cell, Vacuum Generator, Purge, Compressed Gas Supply

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 퍼지 방법{FUEL CELL SYSTEM AND PRUGING METHOD THEREOF}FUEL CELL SYSTEM AND PRUGING METHOD THEREOF

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 물의 상변화 곡선을 도시한 그래프이다.2 is a graph showing a phase change curve of water.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.3 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.4 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 내부에서 발생한 수분을 용이하게 배출시킬 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of easily discharging moisture generated inside a fuel cell.

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연 료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically using fuel (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air). Fuel cells (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air) continuously supplied from outside ) Is a device that directly converts into electrical energy by an electrochemical reaction.

연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소 계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.As the oxidant of the fuel cell, pure oxygen or air containing a large amount of oxygen is used, and as a fuel, a fuel containing a large amount of hydrogen generated by reforming pure hydrogen or a hydrocarbon-based fuel (LNG, LPG, CH 3 OH) is used. use.

이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지를 중심으로 설명한다. 고분자 전해질형 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.Hereinafter, for the convenience of description, the polymer electrolyte fuel cell will be described. The polymer electrolyte fuel cell has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at low temperature below 80 ℃, and can be miniaturized and sealed, which is very versatile for pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, medical equipment, etc. It is used as a power source for the field.

고분자 전해질형 연료전지의 운전 중에는 식 1과 같은 반응의 생성물로 캐소드 측에 물이 발생한다. During operation of the polymer electrolyte fuel cell, water is generated on the cathode side as a product of the reaction shown in Equation 1.

[식 1][Equation 1]

H2 + ½O2 → H20H 2 + ½O 2 → H 2 0

이러한 고분자 전해질형 연료전지에서 고분자 전해질막을 통해 수소이온이 전도하기 위해서는, 이 고분자 전해질막이 적당한 수분으로 수화되어야 한다. 식 1에서와 같이 반응에 의해 생성된 물이 전해질막을 수화시키기도 하지만, 실제 연료전지 운전 중에는 반응에 이용되는 연료와 산화제의 양보다 훨씬 많은 연료와 산화제가 공급되므로 반응에 의해 생성된 수분은 쉽게 증발되어 버린다.In the polymer electrolyte fuel cell, in order for the hydrogen ions to conduct through the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane must be hydrated with appropriate moisture. As shown in Equation 1, the water produced by the reaction hydrates the electrolyte membrane, but during the actual fuel cell operation, much more fuel and oxidant is supplied than the amount of fuel and oxidant used in the reaction, so the water generated by the reaction evaporates easily. It becomes.

따라서 고분자 전해질막을 적절하게 수화시키기 위해 연료전지의 애노드와 캐소드로 입력되는 반응가스를 각각 가습할 필요가 있다. 이러한 가습은 별도의 가습 장치에 의하여 이루어지며, 연료 또는 산화제 중 어느 하나만 가습될 수 있고, 이들 모두가 가습될 수도 있다.Therefore, in order to properly hydrate the polymer electrolyte membrane, it is necessary to humidify the reaction gas input to the anode and the cathode of the fuel cell, respectively. This humidification is achieved by a separate humidification device, and only one of the fuel or the oxidant can be humidified, and both of them may be humidified.

이와 같이 고분자 전해질막을 경계로 한 애노드와 캐소드의 수분 조절은 연료 전지 운전에서 중요한 요소가 된다. 즉, 애노드와 캐소드를 포함하는 전극의 가습이 부족하면, 고분자막이 건조(dehydrate)되어 프로톤(H+)의 이동이 억제되므로 연료 전지의 발전 효율이 저하되는 문제가 발생한다.As such, moisture control of the anode and the cathode at the boundary of the polymer electrolyte membrane becomes an important factor in fuel cell operation. In other words, when the electrode including the anode and the cathode lacks the humidification, the polymer membrane is dehydrated and the movement of protons (H + ) is suppressed, resulting in a problem that the power generation efficiency of the fuel cell is lowered.

반면에 연료 전지 내부에 과다한 물이 존재하는 플러딩(flooding) 현상이 발생하면, 반응가스가 전극으로 이동하는 것이 물에 의해 방해되어 연료 전지의 안정성이 저하됨과 동시에 효율이 감소된다. 일반적으로 고분자형 연료 전지에서는 건조 현상(dehydrate)보다는 플러딩 문제가 더 자주 발생한다.On the other hand, when a flooding phenomenon in which excessive water is present inside the fuel cell occurs, the movement of the reaction gas to the electrode is prevented by water, which reduces the stability of the fuel cell and reduces efficiency. In general, flooding problems occur more frequently in polymer fuel cells than in dehydrate.

특히, 고전류 영역에서의 운전 시에는 캐소드에서 물이 과다하게 생성되는 바, 이러한 물로 인하여 전극으로 가스의 공급 및 확산이 억제됨으로써 연료 전지 스택 전체의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.In particular, when operating in a high current region, excessive water is generated at the cathode, which causes a problem that the supply and diffusion of gas to the electrode is suppressed, thereby degrading the performance of the entire fuel cell stack.

더욱 심각한 것은 플러딩 현상이 부분적으로 발생할 경우인데, 이 때에는 연료 전지 내에 존재하는 각각의 단위 셀(cell)에 균질하지 않은 수분 분포로 인한 일부 셀의 성능 저하가 추가로 일어나는 문제가 발생한다. More seriously, the flooding phenomenon occurs in part, which causes a problem of additional performance degradation of some cells due to non-homogeneous distribution of moisture in each unit cell existing in the fuel cell.

이와 같이, 고분자형 연료 전지에서 발생되는 플러딩 현상은 연료 전지의 성 능 저하는 물론, 안정적인 운전을 어렵게 하는 원인이 되므로 연료 전지 스택 내에 적체된 과량의 수분을 연료 전지 외부로 배출시키는 것은 무엇보다도 중요하다.In this way, the flooding phenomenon generated in the polymer fuel cell not only causes the performance of the fuel cell but also makes it difficult to operate safely. Therefore, it is important to discharge excess moisture accumulated in the fuel cell stack to the outside of the fuel cell. Do.

연료 전지 내부의 수분 관리가 중요한 또 다른 경우는 운전을 정지하였을 때이다. 전기용 발전장치 또는 자동차 구동용 전원으로 사용되는 연료 전지 시스템은 실외에 설치되는 경우가 많은데, 이 경우에는 연료 전지 시스템이 동절기 동안 영하의 온도에 장시간 노출된다. 이에 따라 연료 전지의 발전을 정지한 상태에서 저온의 환경에 노출된 연료 전지는 내부의 물이 동결되어 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)의 전극 구조가 파괴되거나 유로 채널 내부의 결빙에 의한 팽창으로 분리판이 파손되는 경우가 발생한다.Another case where water management inside the fuel cell is important is when the operation is stopped. Fuel cell systems used as electrical power generators or automotive driving power sources are often installed outdoors, in which case the fuel cell systems are exposed to sub-zero temperatures for a long time during the winter months. As a result, fuel cells exposed to a low temperature environment while the power generation of the fuel cell is stopped, freezes the water inside, and destroys the electrode structure of the membrane electrode assembly (MEA) or expands due to freezing inside the flow channel. This may cause the separator to break.

이러한 문제를 해소하기 위하여 종래에는 플러딩을 제거하는 방법으로 공기 압축기를 통해 연료측과 산화제측에 과량의 건조 공기를 일정기간 공급하여 전극 및 유로에 존재하는 물을 배출시키고 연료 전지 내부를 건조시키는 방법이 사용되었다. 그러나 이러한 방법은 송풍기의 구동에 필요한 부가적인 전원이 필요하며 전극 및 유로 내부의 수분을 완전히 제거하기 어려운 문제가 있다.In order to solve this problem, conventionally, the method of removing flooding is to supply excess dry air to the fuel side and the oxidant side through the air compressor for a predetermined period of time to discharge the water present in the electrode and the flow path and to dry the inside of the fuel cell. This was used. However, this method requires an additional power source for driving the blower and has a problem that it is difficult to completely remove moisture inside the electrode and the flow path.

한편, 동절기에 결빙에 의한 연료 전지의 파손을 방지하기 위한 방법으로는 냉각 매체를 계속 순환시키거나 가열장치를 설치하는 방법이 적용되고 있으나, 이는 연료 전지가 발전을 정지한 상태에서 배터리 등의 부가적인 전원이 지속적으로 필요하다는 문제가 있다.On the other hand, as a method for preventing damage to the fuel cell due to freezing in winter, a method of continuously circulating a cooling medium or installing a heating device is applied. There is a problem that a continuous power supply is required.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발 명의 목적은 연료 전지 내부의 수분을 기화시켜 플러딩 현상 및 동절기의 결빙 현상을 방지할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent flooding and freezing during winter by vaporizing water inside a fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 연료 전지 내부의 압력을 낮추어 연료 전지 시스템 내부의 수분을 용이하게 배출시킬 수 있는 퍼지 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a purge method capable of easily discharging moisture inside a fuel cell system by lowering the pressure inside the fuel cell.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키며, 연료가 배출되는 연료배출구와 산화제가 배출되는 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 스택와, 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급장치와 상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급장치와, 상기 연료 배출구와 상기 산화제 배출구 중 적어도 어느 하나에 연결 설치되는 진공 발생기, 및 상기 진공 발생기와 연결 설치되어 상기 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부를 포함한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention generates power using fuel and an oxidant, and has a fuel cell stack having a fuel outlet for discharging fuel and an oxidant outlet for discharging the oxidant; A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell stack, an oxidant supply device for supplying an oxidant to the fuel cell stack, a vacuum generator connected to at least one of the fuel outlet and the oxidant outlet, and the vacuum generator It is connected to include a compressed gas supply for supplying compressed gas to the vacuum generator.

상기 압축 기체 공급부는, 압축 기체가 저장되는 압축 기체 탱크와, 상기 압축 기체 탱크에 압축 기체를 공급하는 펌프와, 상기 압축 기체 탱크와 상기 진공 발생기와의 개폐를 조절하는 차단 밸브를 포함할 수 있다.The compressed gas supply unit may include a compressed gas tank in which compressed gas is stored, a pump for supplying compressed gas to the compressed gas tank, and a shutoff valve for controlling opening and closing of the compressed gas tank and the vacuum generator. .

상기 압축 기체 공급부는 상기 압축 기체 탱크에서 배출되는 압축 기체의 압력을 조절하는 감압 밸브를 더 포함할 수 있다.The compressed gas supply unit may further include a pressure reducing valve for controlling the pressure of the compressed gas discharged from the compressed gas tank.

상기 연료 배출구와 상기 산화제 배출구에는 각각 진공 발생기가 연결 설치될 수 있다.A vacuum generator may be connected to the fuel outlet and the oxidant outlet, respectively.

상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구와 상기 진공 발생기 사이에는 상 기 진공 발생기와 상기 배출구와의 개폐를 조절하는 퍼지 밸브가 설치될 수 있다.A purge valve may be installed between the fuel outlet or the oxidant outlet and the vacuum generator to control the opening and closing of the vacuum generator and the outlet.

상기 진공 발생기는 아스피레이터(aspirator), 진공 이젝터(ejector), 진공 벤투리(venturi) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.The vacuum generator may be any one selected from an aspirator, a vacuum ejector, and a vacuum venturi.

상기 연료 전지 스택에는 상기 연료 전지 스택으로 냉각 매체를 공급하는 냉각부가 연결 설치될 수 있다.The fuel cell stack may be connected to a cooling unit for supplying a cooling medium to the fuel cell stack.

상기 연료 전지 스택은 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출구를 갖고, 상기 냉각 매체 배출구에는 상기 압축 기체 공급부와 연결된 냉각부 진공 발생기가 연결 설치될 수 있다.The fuel cell stack may have a cooling medium discharge port through which a cooling medium is discharged, and a cooling unit vacuum generator connected to the compressed gas supply unit may be connected to the cooling medium discharge port.

상기 냉각부는, 냉각 매체가 저장되는 냉각 매체 탱크와 상기 냉각 매체 탱크에서 냉각 매체를 연료 전지 스택으로 이송시키는 펌프, 및 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 냉각 매체를 냉각시키는 열교환기를 포함하고, 상기 냉각부 진공 발생기의 출구측 배관은 상기 냉각 매체 탱크과 연결될 수 있다.The cooling unit includes a cooling medium tank in which a cooling medium is stored, a pump for transferring the cooling medium from the cooling medium tank to the fuel cell stack, and a heat exchanger for cooling the cooling medium discharged from the fuel cell stack. The outlet side piping of the vacuum generator can be connected to the cooling medium tank.

상기 산화제 배출구와 상기 연료 전지 스택에서 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출구에는 공유 진공 발생기가 연결 설치될 수 있다.A shared vacuum generator may be connected to the oxidant outlet and the cooling medium outlet through which the cooling medium is discharged from the fuel cell stack.

본 발명의 일 실시예에 연료 전지 스택 내의 수분을 배출하기 위한 퍼지 방법은, 압축 기체 탱크에 압축 기체를 축적시키는 단계와, 압축 기체 탱크와 연결된 차단 밸브를 개방하여 상기 연료 전지 스택과 연통된 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 단계, 및 연료 전지 스택과 진공 발생기 사이에 설치된 퍼지 밸브를 개방하여 수분을 외부로 배출시키는 단계를 포함한다. According to one embodiment of the present invention, a purge method for discharging water in a fuel cell stack includes accumulating compressed gas in a compressed gas tank, and opening a shutoff valve connected to the compressed gas tank to open a vacuum in communication with the fuel cell stack. Supplying compressed gas to the generator, and opening a purge valve installed between the fuel cell stack and the vacuum generator to discharge moisture to the outside.

상기한 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 산화제 및 연료의 입력 및 출력을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of purging the fuel cell system may further include blocking input and output of the oxidant and the fuel.

상기 압축 기체를 공급하는 단계는, 산화제가 배출되는 산화제 배출구와 연료가 배출되는 연료 배출구를 갖는 연료 전지 스택의 상기 산화제 배출구와 상기 연료 배출구에 각각 연결 설치된 진공 발생기에 압축 기체를 공급할 수 있다.In the supplying of the compressed gas, the compressed gas may be supplied to a vacuum generator connected to the oxidant outlet and the fuel outlet of the fuel cell stack having an oxidant outlet through which the oxidant is discharged and a fuel outlet through which the fuel is discharged.

상기한 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은, 연료 전지 스택에 냉각 매체를 공급하는 냉각부의 냉각 매체 배출구와 연결된 냉각부 진공 발생기에 압축 기체를 공급하여 냉각 매체를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.The purge method of the fuel cell system may further include supplying compressed gas to a cooling unit vacuum generator connected to a cooling medium outlet of the cooling unit for supplying the cooling medium to the fuel cell stack to discharge the cooling medium.

상기한 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은, 상기 냉각 매체 배출구와 연결된 냉각부 진공 발생기의 출구측 배관을 상기 냉각부에 설치된 냉각 매체 탱크와 연결 설치하여 냉각 매체를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.The purge method of the fuel cell system may further include connecting the outlet pipe of the cooling unit vacuum generator connected to the cooling medium discharge port with a cooling medium tank installed in the cooling unit to recover the cooling medium.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.1 is a schematic diagram illustrating a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(120)과 연료 전지 스택(120)에 연료를 공급하는 연료 공급 장치(101), 연료 전지 스택(120)에 산화제를 공급하는 산화제 공급 장치(102), 및 연료 전지 스택(120)의 출구 쪽에 연결 설치된 진공 발생기(105, 106)와 이 진공 발생기(105, 106)와 연통된 압축 기체 공급부(150)를 포함한다.Referring to the drawings, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell stack 120 for generating electric power, a fuel supply device 101 for supplying fuel to the fuel cell stack 120, and a fuel cell stack. An oxidant supply device 102 for supplying an oxidant to the 120, and vacuum generators 105 and 106 connected to an outlet side of the fuel cell stack 120 and a compressed gas supply unit communicating with the vacuum generators 105 and 106 ( 150).

본 실시예에 따른 연료 전지 스택(120)은 복수 개의 단위전지 셀(미도시)이 적층되어 산화 환원 반응에 의하여 전력을 생산하는 통상적인 구조의 연료 전지 스택으로 이루어진다.The fuel cell stack 120 according to the present exemplary embodiment includes a fuel cell stack having a conventional structure in which a plurality of unit battery cells (not shown) are stacked to produce power by a redox reaction.

본 발명의 연료 전지 시스템에는 다양한 구조의 연료 전지 스택이 적용될 수 있으며, 본 발명이 특정한 구조의 연료 전지 스택에 제한되는 것은 아니다.Fuel cell stacks of various structures may be applied to the fuel cell system of the present invention, and the present invention is not limited to a fuel cell stack of a specific structure.

연료 공급 장치(101)는 적절한 유량과 습도로 연료를 연료 전지 스택(120)에 공급하는 장치로서 연료 유입구(121)를 통해서 연료 전지 스택(120)과 연결된다.The fuel supply device 101 is a device for supplying fuel to the fuel cell stack 120 at an appropriate flow rate and humidity and is connected to the fuel cell stack 120 through the fuel inlet 121.

그리고 연료는 연료 전지 스택(120)과의 사이에 설치된 연료 입구 밸브(107)에 의하여 그 유량이 조절된다. 또한, 연료 입구 밸브(107)와 연료 전지 스택(120) 사이에는 연료 전지 스택(120) 내부의 압력을 측정하기 위하여 압력계(109)가 설치된다.The flow rate of the fuel is controlled by the fuel inlet valve 107 provided between the fuel cell stack 120 and the fuel inlet valve 107. In addition, a pressure gauge 109 is installed between the fuel inlet valve 107 and the fuel cell stack 120 to measure the pressure inside the fuel cell stack 120.

한편, 산화제 공급 장치(102)는 적절한 유량과 습도로 산화제를 연료 전지 스택(120)에 공급하는 장치로서 산화제 유입구(125)를 통해서 연료 전지 스택(120)과 연결된다.On the other hand, the oxidant supply device 102 is a device for supplying the oxidant to the fuel cell stack 120 at an appropriate flow rate and humidity is connected to the fuel cell stack 120 through the oxidant inlet 125.

그리고 산화제는 연료 전지 스택(120)과의 사이에 설치된 산화제 입구 밸브(108)에 의하여 그 유량이 조절된다. 또한, 산화제 입구 밸브(108)와 연료 전지 스택(120) 사이에는 연료 전지 스택(120) 내부의 압력을 측정하기 위하여 압력계(110)가 설치된다.The flow rate of the oxidant is controlled by the oxidant inlet valve 108 provided between the fuel cell stack 120 and the oxidant inlet valve 108. In addition, a pressure gauge 110 is installed between the oxidant inlet valve 108 and the fuel cell stack 120 to measure the pressure inside the fuel cell stack 120.

연료 전지 스택(120)의 출구 측에는 연료 배출구(123)와 산화제 배출구(127)가 형성되는데, 이 연료 배출구(123)와 산화제 배출구(127)에는 연료 및 산화제의 배출을 조절하는 출구 밸브(115, 116)가 연결 설치된다.A fuel outlet 123 and an oxidant outlet 127 are formed at an outlet side of the fuel cell stack 120, and an outlet valve 115 for controlling the discharge of fuel and oxidant is provided at the fuel outlet 123 and the oxidant outlet 127. 116 is connected and installed.

한편, 연료 배출구(123)에는 연료측 진공 발생기(105)가 연결 설치되고 산화제 배출구(127)에는 산화제측 진공 발생기(106)가 각각 연결 설치되는데, 이러한 진공 발생기(105, 106)는 기체가 오리피스나 벤투리를 통과할 때, 단면적이 작은 부분에서 속도가 최대가 되고 압력은 최소가 되는 원리를 이용한 것으로써, 아스피레이터(aspirator), 진공 벤투리(venturi), 진공 이젝터 등으로 이루어질 수 있다.Meanwhile, a fuel side vacuum generator 105 is connected to the fuel outlet 123 and an oxidant side vacuum generator 106 is connected to the oxidant outlet 127, respectively, and the vacuum generators 105 and 106 are gas orifices. When passing through the venturi, the speed is maximized at the smallest cross-sectional area and the pressure is minimized. It can be composed of an aspirator, a vacuum venturi, a vacuum ejector, or the like. .

본 실시예에서는 연료 배출구(123) 및 산화제 배출구(127)에 각각 진공 발생기(105, 106)가 연통된 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 배출구(123) 또는 산화제 배출구(127) 중 어느 하나의 배출구에만 진공 발생기가 연결 설치될 수도 있다.In the present exemplary embodiment, although the vacuum generators 105 and 106 communicate with the fuel outlet 123 and the oxidant outlet 127, respectively, the present invention is not limited thereto, and the fuel outlet 123 or the oxidant outlet ( The vacuum generator may be connected to only one outlet of any one of 127).

한편, 진공 발생기(105, 106)와 배출구(123, 127) 사이에는 각각 퍼지 밸브(111, 112)가 설치되는 바, 이 퍼지 밸브(111, 112)는 진공 발생기(105, 106)와 배출구(123, 127) 사이의 통로를 개폐하는 역할을 한다.Meanwhile, purge valves 111 and 112 are installed between the vacuum generators 105 and 106 and the outlets 123 and 127, respectively, and the purge valves 111 and 112 are the vacuum generators 105 and 106 and the outlets ( It serves to open and close the passage between 123 and 127.

또한, 진공 발생기(105, 106)와 연통된 압축 기체 공급부(150)는 압축 기체를 저장하는 압축 기체 탱크(154)와 이 압축 기체 탱크(154)로 기체를 공급하는 압축기(151), 압축 기체 탱크(154)에 설치되는 압력계(157), 압축 기체 탱크(154)의 출구측에 설치되어 배출되는 압축 기체의 압력을 조절하는 감압 밸브(153), 및 감압 밸브(153)와 진공 발생기(105, 106) 사이에 설치되는 차단 밸브(156)를 포함한다.In addition, the compressed gas supply unit 150 communicating with the vacuum generators 105 and 106 includes a compressed gas tank 154 for storing compressed gas, a compressor 151 for supplying gas to the compressed gas tank 154, and a compressed gas. A pressure gauge 157 installed in the tank 154, a pressure reducing valve 153 for adjusting the pressure of the compressed gas discharged and installed at the outlet side of the compressed gas tank 154, and a pressure reducing valve 153 and a vacuum generator 105. And a shut-off valve 156 installed between the 106 and.

압축 기체 탱크(154)는 압축된 기체를 보관하는 탱크로서 진공 발생기(105, 106)에 고압의 공기를 공급하여 진공 발생기(105, 106)에서 공기가 고속으로 진행하도록 한다.The compressed gas tank 154 is a tank for storing the compressed gas to supply high pressure air to the vacuum generators 105 and 106 so that the air flows at a high speed in the vacuum generators 105 and 106.

그리고 압축 기체 탱크(154)와 연결 설치된 소형의 압축기(151)는 연료 전지 스택(120)에서 발생된 전력에 의하여 구동되며, 압축 기체 탱크(154)의 내부 압력이 기 설정된 압력에 이를 때까지 지속적으로 기체를 압축하여 압축 기체 탱크(154)로 공급한다.In addition, the compact compressor 151 connected to the compressed gas tank 154 is driven by the power generated from the fuel cell stack 120 and is continuously maintained until the internal pressure of the compressed gas tank 154 reaches a preset pressure. Gas is compressed to be supplied to the compressed gas tank 154.

본 실시예에서는 압축 기체 탱크(154)에 저장되는 기체로서 공기가 사용되나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기한 기체의 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.In this embodiment, air is used as the gas stored in the compressed gas tank 154, but the present invention is not limited thereto, and the type of the gas is not particularly limited.

상기와 같이 압축 기체 탱크(154)에 저장된 기체는 진공 발생기(105, 106)와 압축 기체 탱크(154) 사이에 설치된 감압 밸브(153)에 의하여 적정한 압력으로 제어된 후, 진공 발생기(105)로 공급된다. 이때, 압축 기체의 이동은 진공 발생기들(105, 106)과 연결 설치된 차단 밸브(156)에 의하여 제어된다.As described above, the gas stored in the compressed gas tank 154 is controlled to an appropriate pressure by the pressure reducing valve 153 provided between the vacuum generators 105 and 106 and the compressed gas tank 154, and then the vacuum generator 105 is transferred to the vacuum generator 105. Supplied. At this time, the movement of the compressed gas is controlled by a shutoff valve 156 installed in connection with the vacuum generators 105 and 106.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 먼저 연료 전지 스택(120)이 정상적으로 작동할 때의 연료 및 산화제의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.In such a fuel cell system, the flow of fuel and oxidant when the fuel cell stack 120 operates normally will be described below.

연료 공급 장치(101)에서 공급된 연료는 연료 유입구(121)를 거쳐 연료 전지 스택(120)으로 공급되어 전기화학반응에 사용되며, 반응 후 남은 연료는 연료 배출구(123)를 거쳐 외부로 배출된다. 이때 외부로 배출된 연료는 연료 재순환 장치(도시하지 않음)로 공급되어 다시 반응에 사용될 수도 있으며 연소기 등으로 공급되어 열원으로 사용될 수도 있다.The fuel supplied from the fuel supply device 101 is supplied to the fuel cell stack 120 through the fuel inlet 121 and used for the electrochemical reaction, and the remaining fuel after the reaction is discharged to the outside through the fuel outlet 123. . In this case, the fuel discharged to the outside may be supplied to a fuel recycle device (not shown) and used for reaction again, or may be supplied to a combustor and used as a heat source.

산화제의 경우도 산화제 공급 장치(102)에서 산화제 유입구(125)를 거쳐 연료 전지 스택(120)으로 공급되는데, 전기화학반응에 사용된 후, 남은 산화제와 반응부산물인 물은 산화제 배출구(127)을 거쳐 외부로 배출된다. In the case of the oxidant, the oxidant supply device 102 is supplied to the fuel cell stack 120 via the oxidant inlet 125. After the oxidant is used in the electrochemical reaction, the remaining oxidant and the reaction byproduct water are supplied to the oxidant outlet 127. It is discharged to outside.

상기와 같이 연료 전지 스택(120) 작동 중에는 연료 전지 스택(120) 내부의 압력을 감압할 필요가 없으므로 입구밸브(107, 108)와 출구 밸브(115, 116)는 개방하되, 퍼지 밸브(111, 112) 및 차단 밸브(156)는 개방하지 않는다.As described above, since the pressure inside the fuel cell stack 120 does not need to be reduced during operation of the fuel cell stack 120, the inlet valves 107 and 108 and the outlet valves 115 and 116 are opened, but the purge valve 111, 112 and shutoff valve 156 are not open.

한편, 연료 전지 시스템 내부에 수분이 과도하게 쌓인 경우에는 연료 전지 내부를 감압하여 수분을 제거한다. 도 2는 물의 온도와 압력에 따른 상변화를 나타낸 그래프인데, 이 도면을 참조하여 압력의 변화에 따른 연료 전지 내부의 물의 거동을 설명한다. On the other hand, when moisture is excessively accumulated in the fuel cell system, the fuel cell is decompressed to remove moisture. 2 is a graph showing a phase change according to the temperature and pressure of water, and the behavior of water in the fuel cell according to the change of pressure will be described with reference to this figure.

물(H2O)의 압력이 611Pa 이하로 유지되는 경우, 물은 비등점이 현저하게 낮아져 액체 상태로 존재하지 않으며 매우 낮은 온도까지 안정적으로 기체 상태로 존재하게 된다. 따라서 외부 온도가 낮은 환경에서 연료 전지 시스템을 정지시키더라도 수분이 동결되지 않아, 결빙에 의한 연료 전지의 파손을 방지할 수 있다.When the pressure of the water (H 2 O) is maintained below 611 Pa, the boiling point is significantly lowered so that the water does not exist in the liquid state and stably exists in the gaseous state to a very low temperature. Therefore, even if the fuel cell system is stopped in an environment where the external temperature is low, moisture does not freeze, thereby preventing damage to the fuel cell due to freezing.

또한, 승화온도 이하로 온도가 강하하더라도 기체 상태로 존재하던 수분은 연료 전지 내부에 수없이 많이 존재하는 결정핵으로 미세하게 승화되어 연료 전지 전극 구조나 분리판 유로에 미치는 영향이 최소화된다.In addition, even if the temperature drops below the sublimation temperature, the moisture present in the gas state is sublimed finely into numerous crystal nuclei existing in the fuel cell, thereby minimizing the influence on the fuel cell electrode structure or the separator flow path.

따라서 본 발명에 따른 압축 기체 탱크(154)의 용량은 연료 전지 스택(120) 내부의 각 채널 유로가 갖는 내부 압력을 611Pa 이하로 저하시킬 수 있을 만큼 충 분한 용량이 되는 것이 바람직하다.Therefore, the capacity of the compressed gas tank 154 according to the present invention is preferably sufficient to reduce the internal pressure of each channel flow path inside the fuel cell stack 120 to 611 Pa or less.

본 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 외부 환경이 0℃ 이하인 경우, 연료 전지 내부에서 수분을 제거하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.In the fuel cell system according to the present embodiment, when the external environment is 0 ° C. or less, a process of removing water from the fuel cell will be described below.

먼저, 연료 입, 출구 밸브(107, 115) 및 산화제 입, 출구 밸브(108, 116)를 닫고, 차단 밸브(156)를 개방하여 진공 발생기(105, 106)에 압축 공기를 공급한다. 이때, 퍼지 밸브(111, 112)를 개방하여 진공 발생기(105, 106)에서 발생하는 압력 차를 이용해서 연료 전지 스택(120) 내부를 감압시킨다.First, the fuel inlet and outlet valves 107 and 115 and the oxidant inlet and outlet valves 108 and 116 are closed, and the shutoff valve 156 is opened to supply compressed air to the vacuum generators 105 and 106. At this time, the purge valves 111 and 112 are opened to depressurize the inside of the fuel cell stack 120 using the pressure difference generated in the vacuum generators 105 and 106.

즉, 진공 발생기(105, 106)의 좁은 단면을 지나는 동안 압축 공기의 유동 속도는 최대가 되고 압력은 최소가 되는데, 이 진공 발생기(105, 106)와 연통된 배출구(123, 127)을 통해서 압력이 낮은 쪽으로 연료 전지 스택(120) 내부의 반응가스와 수분이 빠져나가므로 연료 전지 스택(120)의 내부 압력은 강하된다.That is, the flow rate of the compressed air becomes the maximum and the pressure is the minimum while passing through the narrow cross-section of the vacuum generator (105, 106), the pressure through the outlet (123, 127) in communication with the vacuum generator (105, 106) As the reaction gas and moisture in the fuel cell stack 120 escape to the lower side, the internal pressure of the fuel cell stack 120 drops.

연료 전지 스택(120)의 내부 압력이 일정한 정도로 감압된 것을 압력계(109, 110)로 확인한 후, 퍼지 밸브(111, 112)를 닫아서 연료 전지 스택(120)의 내부 압력을 낮은 상태로 유지시킨다.After confirming that the pressure inside the fuel cell stack 120 has been reduced to a certain degree with the pressure gauges 109 and 110, the purge valves 111 and 112 are closed to keep the internal pressure of the fuel cell stack 120 low.

한편, 연료 전지 시스템의 운전 중에 플러딩 현상이 발생한 경우, 수분을 감소시키는 과정을 살펴보면 다음과 같다.Meanwhile, when flooding occurs during operation of the fuel cell system, a process of reducing moisture will be described below.

먼저, 차단 밸브(156)를 개방하여 압축 공기를 진공 발생기(105, 106)로 공급하고, 퍼지 밸브(111, 112)를 개방하여 진공 발생기(105, 106)와 배출구(123, 127)를 연통시킨다.First, the shutoff valve 156 is opened to supply compressed air to the vacuum generators 105 and 106, and the purge valves 111 and 112 are opened to communicate the vacuum generators 105 and 106 and the outlets 123 and 127. Let's do it.

이때, 입구 밸브들(107, 108) 및, 출구 밸브들(115, 116)은 연료 전지스 택(120)이 작동 중이므로 개방한 상태를 유지한다.At this time, the inlet valves 107 and 108 and the outlet valves 115 and 116 remain open because the fuel cell stack 120 is in operation.

이 상태에서 진공 발생기(105, 106)로 압축 공기가 공급되면, 진공 발생기(105, 106) 내부에서 압력 강하가 일어나고, 이 부분과 연통된 배출구(123, 127)와 연료 전지 스택(120)의 내부 압력이 떨어진다. 또한, 퍼지 밸브(111, 112)를 통해서 반응 가스가 유출되므로 연료 전지 스택(120)의 출구측 압력은 대기압보다 떨어지게 되고, 전극 혹은 유로 채널에 물방울 형태로 존재하는 수분은 증발하여 수증기 형태로 반응가스와 함께 배출된다.When compressed air is supplied to the vacuum generators 105 and 106 in this state, a pressure drop occurs inside the vacuum generators 105 and 106, and the outlets 123 and 127 and the fuel cell stack 120 communicated with this portion. Internal pressure drops. In addition, since the reaction gas flows out through the purge valves 111 and 112, the outlet pressure of the fuel cell stack 120 is lower than the atmospheric pressure, and water present in the form of droplets in the electrode or the flow channel evaporates to react in the form of water vapor. Exhausted with gas.

일정 시간 퍼지 밸브(111, 112)를 개방하여 연료 전지 스택(120)의 플러딩 현상이 해소되면 퍼지 밸브(111, 112) 및 차단 밸브(156)를 닫고 다시 정상적인 운전 상태로 복귀한다.When the purge phenomenon of the fuel cell stack 120 is removed by opening the purge valves 111 and 112 for a predetermined time, the purge valves 111 and 112 and the shutoff valve 156 are closed to return to normal operation.

이와 같이 본 실시예에 따르면 연료 전지 스택(120) 내부를 감압하여 연료 전지 스택(120)의 플러딩 현상을 해결할 수 있으므로, 종래와 같이 반응 가스의 유량을 늘리는 방법에 비하여 부가적인 동력 손실이 발생하지 않으며, 운전 온도를 높여서 연료 전지 내부의 수분을 증발시키는 방법에 비하여 응답 속도가 빠르다.As described above, since the flooding of the fuel cell stack 120 may be solved by reducing the pressure inside the fuel cell stack 120, additional power loss does not occur as compared with the conventional method of increasing the flow rate of the reaction gas. In addition, the response speed is faster than the method of increasing the operating temperature to evaporate moisture inside the fuel cell.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.3 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 전기를 발생시키는 연료 전지 스택(320)과 이 연료 전지 스택(320)에 연료를 공급하는 연료 공급 장치(301), 연료 전지 스택(320)에 산화제를 공급하는 산화제 공급 장치(302), 및 연료 전지 스택(320)의 출구측에 연결 설치된 진공 발생기(305, 306)와 이 진공 발생기(305, 306)와 연통된 압축 기체 공급부(350)를 포함한다.Referring to the drawings, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell stack 320 for generating electricity, a fuel supply device 301 for supplying fuel to the fuel cell stack 320, and a fuel cell. An oxidant supply device 302 for supplying an oxidant to the stack 320, and vacuum generators 305 and 306 connected to an outlet side of the fuel cell stack 320 and compressed gas in communication with the vacuum generators 305 and 306. Supply unit 350 is included.

연료 공급 장치(301)는 연료 유입구(321)를 통해서 연료 전지 스택(320)과 연결되며, 연료 유입구(321)에는 연료 유입 밸브(307)가 연결 설치되고 연료 유입 밸브(307)와 연료 전지 스택(320) 사이에는 압력계(309)가 설치된다.The fuel supply device 301 is connected to the fuel cell stack 320 through the fuel inlet 321, and the fuel inlet 321 is connected to and installed with the fuel inlet valve 307 and the fuel inlet valve 307 and the fuel cell stack. A pressure gauge 309 is provided between the 320.

한편, 산화제 공급 장치(302)는 산화제 유입구(325)를 통해서 연료 전지 스택(320)과 연결되며, 산화제 유입구(325)에는 산화제 유입 밸브(308)가 연결 설치되고 산화제 유입 밸브(308)와 연료 전지 스택(320) 사이에는 압력계(310)가 설치된다.On the other hand, the oxidant supply device 302 is connected to the fuel cell stack 320 through the oxidant inlet 325, the oxidant inlet 325 is connected to the oxidant inlet valve 308 is installed, the oxidant inlet valve 308 and the fuel The pressure gauge 310 is installed between the battery stacks 320.

연료 전지 스택(320)의 출구측에는 연료 배출구(323)와 산화제 배출구(327)가 형성되는데, 연료 배출구(323)에는 연료 배출 밸브(315)가 연결 설치되고 산화제 배출구(327)에는 산화제 배출 밸브(316)가 연결 설치된다.A fuel outlet 323 and an oxidant outlet 327 are formed at an outlet side of the fuel cell stack 320, and a fuel outlet valve 315 is connected to the fuel outlet 323 and an oxidant outlet valve is installed at the oxidant outlet 327. 316 is connected and installed.

한편 연료 배출구(323)는 압력을 강하시키는 진공 발생기(305)와 연결되는데, 연료 배출구(323)와 진공 발생기(305) 사이에는 이들의 개폐를 조절하는 퍼지 밸브(311)가 설치된다.On the other hand, the fuel outlet 323 is connected to the vacuum generator 305 for reducing the pressure, a purge valve 311 is installed between the fuel outlet 323 and the vacuum generator 305 to control the opening and closing of them.

또한 산화제 배출구(327)도 압력을 강하시키는 진공 발생기(306)와 연결되는데, 산화제 배출구(327)과 진공 발생기(306) 사이에는 이들의 개폐를 조절하는 퍼지 밸브(312)가 설치된다.In addition, the oxidant outlet 327 is also connected to the vacuum generator 306 to drop the pressure, between the oxidant outlet 327 and the vacuum generator 306 is provided with a purge valve 312 to control the opening and closing of them.

상기한 진공 발생기들(305, 306)은 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부(350)와 연결되는 바, 본 실시예에 따른 압축 기체 공급부(350)는 압축 기체가 저장되는 압축 기체 탱크(354)와 압축 기체 탱크(354)에 기체를 공급하는 압축 기(351), 압축 기체 탱크(354)에 설치되는 압력계(357), 압축 기체 탱크(354)에서 배출되는 압축 기체의 압력을 조절하는 감압 밸브(353), 및 감압 밸브(353)와 진공 발생기들(305, 306) 사이에 설치되는 차단 밸브(356)를 포함한다.The vacuum generators 305 and 306 are connected to the compressed gas supply unit 350 for supplying the compressed gas. The compressed gas supply unit 350 according to the present embodiment includes the compressed gas tank 354 in which the compressed gas is stored. And a pressure reducing valve for regulating the pressure of the compressed gas discharged from the compressed gas tank 354, the compressor 351 for supplying gas to the compressed gas tank 354, the pressure gauge 357 installed in the compressed gas tank 354, and the compressed gas tank 354. 353, and a shutoff valve 356 installed between the pressure reducing valve 353 and the vacuum generators 305 and 306.

한편, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(320)내부로 냉각 매체를 공급하여 연료 전지 스택(320)을 냉각시키는 냉각부(340)를 포함한다.Meanwhile, the fuel cell system according to the present exemplary embodiment includes a cooling unit 340 for cooling the fuel cell stack 320 by supplying a cooling medium into the fuel cell stack 320.

상기한 냉각부(340)는 냉각매체를 저장하는 냉각 매체 탱크(341)와 이 냉각 매체 탱크(341)에서 냉각 매체를 연료 전지 스택(320)으로 이송시키는 이송 펌프(319), 및 연료 전지 스택(320)에서 배출된 냉각 매체를 냉각시키는 열교환기(345)를 포함하여 구성된다.The cooling unit 340 includes a cooling medium tank 341 for storing a cooling medium, a transfer pump 319 for transferring the cooling medium from the cooling medium tank 341 to the fuel cell stack 320, and a fuel cell stack. And a heat exchanger 345 for cooling the cooling medium discharged from 320.

여기서 냉각 매체로는 탈이온수가 사용될 수 있으며, 부동액이 함유된 물이나 미네랄 오일 등이 적용될 수도 있다.Here, deionized water may be used as the cooling medium, and water or mineral oil containing antifreeze may be applied.

한편, 연료 전지 스택(320)의 출구측에 연결되어 냉각매체를 배출시키는 냉각 매체 배출구(346)에는 감압을 위한 냉각부 진공 발생기(343)가 연결 설치된다. 또한, 냉각부 진공 발생기(343)와 냉각 매체 배출구(346) 사이에는 냉각부 진공 발생기(343)와 냉각 매체 배출구(346)의 개폐를 조절하는 퍼지 밸브(342)가 연결 설치된다.Meanwhile, a cooling unit vacuum generator 343 for reducing pressure is connected to the cooling medium outlet 346 connected to the outlet side of the fuel cell stack 320 to discharge the cooling medium. In addition, a purge valve 342 for controlling opening and closing of the cooling unit vacuum generator 343 and the cooling medium discharge port 346 is connected between the cooling unit vacuum generator 343 and the cooling medium discharge port 346.

그리고 이 냉각부 진공 발생기(343)는 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부(350)와 연통되는 바, 이러한 구조로 냉각 매체 배출구(346)와 연결된 냉각부 진공 발생기(343)에 압축 공기를 공급할 수 있어서, 냉각부 진공 발생기(343) 내부를 감압하여 이 냉각부 진공 발생기(343)를 통해서 냉각 매체를 외부로 용이하게 배출 시킬 수 있다.In addition, the cooling unit vacuum generator 343 communicates with the compressed gas supply unit 350 for supplying the compressed gas. Thus, the cooling unit vacuum generator 343 may supply compressed air to the cooling unit vacuum generator 343 connected to the cooling medium outlet 346. Therefore, the inside of the cooling unit vacuum generator 343 can be depressurized, and the cooling medium can be easily discharged to the outside through the cooling unit vacuum generator 343.

또한, 냉각부 진공 발생기(343)의 출구측 배관(347)을 냉각 매체 탱크(341)와 연통하도록 구성하여 냉각 매체가 냉각부 진공 발생기(343)를 통하여 배출될 때, 이 냉각 매체를 회수하여 재사용할 수 있다.In addition, the outlet side pipe 347 of the cooling unit vacuum generator 343 is configured to communicate with the cooling medium tank 341 so that the cooling medium is recovered when the cooling medium is discharged through the cooling unit vacuum generator 343. Can be reused.

이와 같이 본 실시예에 따르면 연료 전지 스택(320) 내부를 감압하여 플러딩 현상을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 연료 전지 시스템의 정지 시에 냉각매체를 연료 전지 스택(320)에서 완전히 배출시키고, 연료 전지 스택(320) 내부를 대기압보다 낮은 압력으로 유지할 수 있으므로, 저온의 환경에서도 수분이 동결되지 않아 결빙으로 인하여 연료 전지 스택(320)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.As described above, according to the present exemplary embodiment, the inside of the fuel cell stack 320 may be decompressed to solve the flooding phenomenon, and the cooling medium is completely discharged from the fuel cell stack 320 when the fuel cell system is stopped. Since the inside of the 320 may be maintained at a pressure lower than atmospheric pressure, moisture may not be frozen even in a low temperature environment, thereby preventing the fuel cell stack 320 from being damaged due to freezing.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.4 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(420)과 이 연료 전지 스택(420)에 연료를 공급하는 연료 공급 장치(401), 연료 전지 스택(420)에 산화제를 공급하는 산화제 공급 장치(402), 및 연료 전지 스택(420)의 출구측에 연결 설치된 진공 발생기(405, 406)와 이 진공 발생기(405, 406)와 연통된 압축 기체 공급부(450)를 포함한다.Referring to the drawings, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell stack 420 for generating electric power, a fuel supply device 401 for supplying fuel to the fuel cell stack 420, and a fuel cell. An oxidant supply device 402 for supplying an oxidant to the stack 420, and vacuum generators 405 and 406 connected to an outlet side of the fuel cell stack 420 and compressed gas in communication with the vacuum generators 405 and 406. Supply unit 450 is included.

연료 공급 장치(401)는 연료 유입구(421)를 통해서 연료 전지 스택(420)과 연결되며, 연료 유입구(421)에는 연료 유입 밸브(407)가 설치되고 연료 유입 밸브(407)와 연료 전지 스택(420) 사이에는 압력계(409)가 설치된다.The fuel supply device 401 is connected to the fuel cell stack 420 through the fuel inlet 421. The fuel inlet 421 is provided with a fuel inlet valve 407, and the fuel inlet valve 407 and the fuel cell stack ( The pressure gauge 409 is installed between the 420.

한편, 산화제 공급 장치(402)는 산화제 유입구(425)를 통해서 연료 전지 스 택(420)과 연결되며, 산화제 유입구(425)에는 산화제 유입 밸브(408)가 설치되고 산화제 유입 밸브(408)와 연료 전지 스택(420) 사이에는 압력계(410)가 설치된다.Meanwhile, the oxidant supply device 402 is connected to the fuel cell stack 420 through the oxidant inlet 425, and the oxidant inlet 425 is provided with an oxidant inlet valve 408 and the oxidant inlet valve 408 and the fuel. The pressure gauge 410 is installed between the battery stacks 420.

연료 전지 스택(420)의 출구측에는 연료 배출구(423)와 산화제 배출구(427)가 설치되는데, 연료 배출구(423)에는 연료 배출 밸브(415)가 설치되고 산화제 배출구(427)에는 산화제 배출 밸브(416)가 설치된다.A fuel outlet 423 and an oxidant outlet 427 are installed at an outlet side of the fuel cell stack 420. A fuel outlet valve 415 is installed at a fuel outlet 423 and an oxidant discharge valve 416 at an oxidant outlet 427. ) Is installed.

한편 연료 배출구(423)는 압력을 강하시키는 진공 발생기(405)와 연결되는데, 연료 배출구(423)와 진공 발생기(405) 사이에는 이들의 개폐를 조절하는 퍼지 밸브(411)가 설치된다.On the other hand, the fuel outlet 423 is connected to the vacuum generator 405 for reducing the pressure, a purge valve 411 for controlling the opening and closing of the fuel outlet 423 and the vacuum generator 405 is provided.

또한 산화제 배출구(427)는 압력을 강하시키는 공유 진공 발생기(406)와 연결되는데, 이 공유 진공 발생기(406)는 산화제의 배출에 사용될 뿐만 아니라 아래에서 설명하는 바와 같이 냉각 매체의 배출에도 사용된다.The oxidant outlet 427 is also connected to a shared vacuum generator 406 that lowers the pressure, which is used not only for the discharge of the oxidant but also for the discharge of the cooling medium as described below.

산화제 배출구(427)와 공유 진공 발생기(406) 사이에는 이들의 개폐를 조절하는 퍼지 밸브(412)가 설치된다.A purge valve 412 is provided between the oxidant outlet 427 and the shared vacuum generator 406 to control their opening and closing.

상기한 진공 발생기들(405, 406)은 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부(450)와 연결되는 바, 본 실시예에 따른 압축 기체 공급부(450)는 압축 기체가 저장되는 압축 기체 탱크(454)와 압축 기체 탱크(454)에 기체를 공급하는 압축기(451), 압축 기체 탱크(454)에 설치되는 압력계(457), 압축 기체 탱크(454)에서 배출되는 압축 기체의 압력을 조절하는 감압 밸브(453), 및 감압 밸브(453)와 진공 발생기들(405, 406) 사이에 설치되는 차단 밸브(456)를 포함한다.The vacuum generators 405 and 406 are connected to the compressed gas supply unit 450 supplying the compressed gas. The compressed gas supply unit 450 according to the present embodiment includes a compressed gas tank 454 in which the compressed gas is stored. And a compressor 451 for supplying gas to the compressed gas tank 454, a pressure gauge 457 installed in the compressed gas tank 454, and a pressure reducing valve for adjusting the pressure of the compressed gas discharged from the compressed gas tank 454 ( 453, and a shutoff valve 456 installed between the pressure reducing valve 453 and the vacuum generators 405 and 406.

한편, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(420) 내부로 냉 각 매체를 공급하여 연료 전지 스택(420)을 냉각시키는 냉각부(430)를 포함하는 바, 본 실시예에 따른 냉각부(430)는 냉각매체를 저장하는 냉각 매체 탱크(431)와 이 냉각 매체 탱크(431)에서 냉각 매체를 연료 전지 스택(420)으로 이송시키는 이송 펌프(419), 및 연료 전지 스택(420)에서 배출된 냉각 매체를 냉각시키는 열교환기(435)를 포함한다On the other hand, the fuel cell system according to the present embodiment includes a cooling unit 430 for cooling the fuel cell stack 420 by supplying a cooling medium into the fuel cell stack 420, the cooling according to the present embodiment The unit 430 includes a cooling medium tank 431 for storing a cooling medium, a transfer pump 419 for transferring the cooling medium from the cooling medium tank 431 to the fuel cell stack 420, and a fuel cell stack 420. Heat exchanger 435 for cooling the cooling medium discharged from the

한편, 연료 전지 스택(420)의 출구측에 연결되어 냉각 매체를 배출시키는 냉각 매체 배출구(436)는 공유 진공 발생기(406)와 연통되는데, 이 공유 진공 발생기(406)는 산화제 배출구(427)와 연결된 진공 발생기로서, 이에 따라 하나의 공유 진공 발생기(406)가 산화제와 냉각 매체 모두를 배출하는데 사용된다.On the other hand, the cooling medium outlet 436 connected to the outlet side of the fuel cell stack 420 to discharge the cooling medium is in communication with the shared vacuum generator 406, which is connected to the oxidant outlet 427. As a connected vacuum generator, one shared vacuum generator 406 is thus used to drain both the oxidant and the cooling medium.

다만, 공유 진공 발생기(406)와 산화제 배출구(427) 사이에 퍼지 밸브(412)가 설치되고 공유 진공 발생기(406)와 냉각 매체 배출구(436) 사이에도 퍼지 밸브(424)가 설치되어 각각의 배출구들(427, 436)은 서로 다른 퍼지 밸브(412, 424)에 의하여 감압 여부가 조절된다.However, a purge valve 412 is installed between the shared vacuum generator 406 and the oxidant outlet 427, and a purge valve 424 is also installed between the shared vacuum generator 406 and the cooling medium outlet 436 so that each outlet is provided. The pressures 427 and 436 are controlled by the different purge valves 412 and 424.

즉, 플러딩 현상이 발생하여 연료 전지 스택(420) 내부의 수분을 제거할 필요가 있을 때에는, 산화제 배출구(427)와 연통된 퍼지 밸브(412)만을 열어서 수분을 배출하고, 동결 방지를 위해 내부 수분을 제거할 필요가 있는 때에는, 산화제 배출구(427)와 연결된 퍼지 밸브(412)뿐만 아니라 냉각 매체 배출구(436)와 각각 연결된 퍼지 밸브(424)도 개방하여 내부 수분을 배출한다.That is, when flooding occurs and the water inside the fuel cell stack 420 needs to be removed, only the purge valve 412 communicating with the oxidant outlet 427 is opened to discharge water, and the internal water is prevented to prevent freezing. When it is necessary to remove N, the purge valve 412 connected to the oxidant outlet 427 as well as the purge valve 424 respectively connected to the cooling medium outlet 436 are opened to discharge internal moisture.

또한, 공유 진공 발생기(406)의 출구측 배관(437)을 냉각 매체 탱크(431)와 연통하도록 구성하여 냉각 매체가 공유 진공 발생기(406)를 통하여 배출될 때, 이 냉각 매체를 회수하여 재사용할 수 있다.In addition, the outlet side pipe 437 of the shared vacuum generator 406 is configured to communicate with the cooling medium tank 431 to recover and reuse the cooling medium when the cooling medium is discharged through the shared vacuum generator 406. Can be.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 플러딩 현상 발생 시에 연료 전지 내부의 수분을 용이하게 배출할 수 있어서 연료 전지의 안정성 및 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, water in the fuel cell can be easily discharged when flooding occurs, thereby improving the stability and performance of the fuel cell.

또한, 동절기에 연료 전지 내부의 수분을 용이하게 제거할 수 있어서 수분의 냉각으로 연료 전지가 파손되는 것을 방지할 수 있다.In addition, moisture in the fuel cell can be easily removed during the winter, thereby preventing the fuel cell from being damaged by the cooling of the moisture.

또한, 시스템의 순간적인 부하의 증가 없이 연료 전지 내부의 압력을 낮추어 연료 전지 내부의 수분을 제거함으로써, 연료 전지의 성능을 극대화할 수 있다.In addition, it is possible to maximize the performance of the fuel cell by removing the moisture in the fuel cell by lowering the pressure inside the fuel cell without increasing the system's instantaneous load.

Claims (15)

연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키며, 연료가 배출되는 연료 배출구와 산화제가 배출되는 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 스택;A fuel cell stack that generates power using fuel and an oxidant, the fuel cell stack having a fuel outlet through which fuel is discharged and an oxidant outlet through which the oxidant is discharged; 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급장치와 상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급장치;A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell stack and an oxidant supply device for supplying an oxidant to the fuel cell stack; 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구와 연결 설치되며 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구를 외기와 연결하여 유입되는 기체를 외부로 배출하는 진공 발생기;A vacuum generator connected to the fuel outlet or the oxidant outlet and configured to discharge the gas introduced by connecting the fuel outlet or the oxidant outlet to the outside; 상기 진공 발생기와 연결 설치되어 상기 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부;A compressed gas supply unit connected to the vacuum generator to supply compressed gas to the vacuum generator; 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구와 상기 진공 발생기 사이에 설치된 퍼지 밸브; 및A purge valve installed between the fuel outlet or the oxidant outlet and the vacuum generator; And 상기 연료 배출구 또는 산화제 배출구에 연결 설치되어 상기 배출구들이 외기와 직접 연통되는 것을 제어하는 출구 밸브;An outlet valve connected to the fuel outlet or the oxidant outlet to control the outlets in direct communication with outside air; 를 포함하는 연료 전지 시스템.Fuel cell system comprising a. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 압축 기체 공급부는,The compressed gas supply unit, 압축 기체가 저장되는 압축 기체 탱크;A compressed gas tank in which compressed gas is stored; 상기 압축 기체 탱크에 압축 기체를 공급하는 펌프;A pump for supplying compressed gas to the compressed gas tank; 상기 압축 기체 탱크와 상기 진공 발생기와의 개폐를 조절하는 차단 밸브;A shutoff valve controlling opening and closing of the compressed gas tank and the vacuum generator; 를 포함하는 연료 전지 시스템.Fuel cell system comprising a. 제2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 압축 기체 공급부는 상기 압축 기체 탱크에서 배출되는 압축 기체의 압력을 조절하는 감압 밸브를 더 포함하는 연료 전지 시스템.The compressed gas supply unit further comprises a pressure reducing valve for adjusting the pressure of the compressed gas discharged from the compressed gas tank. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 연료 배출구와 상기 산화제 배출구에는 각각 진공 발생기가 연결 설치되는 연료 전지 시스템.And a vacuum generator is connected to the fuel outlet and the oxidant outlet, respectively. 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 연료 전지 스택에는 상기 연료 전지 스택으로 냉각 매체를 공급하는 냉각부가 연결 설치되는 연료 전지 시스템.And a cooling unit connected to the fuel cell stack to supply a cooling medium to the fuel cell stack. 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키며, 연료가 배출되는 연료 배출구와 산화제가 배출되는 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 스택;A fuel cell stack that generates power using fuel and an oxidant, the fuel cell stack having a fuel outlet through which fuel is discharged and an oxidant outlet through which the oxidant is discharged; 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급장치와 상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급장치;A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell stack and an oxidant supply device for supplying an oxidant to the fuel cell stack; 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구와 연결 설치되며 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구를 외기와 연결하여 유입되는 기체를 외부로 배출하는 진공 발생기;A vacuum generator connected to the fuel outlet or the oxidant outlet and configured to discharge the gas introduced by connecting the fuel outlet or the oxidant outlet to the outside; 상기 진공 발생기와 연결 설치되어 상기 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부; 및A compressed gas supply unit connected to the vacuum generator to supply compressed gas to the vacuum generator; And 상기 연료 전지 스택에는 상기 연료 전지 스택으로 냉각 매체를 공급하는 냉각부;A cooler configured to supply a cooling medium to the fuel cell stack; 를 포함하고,Including, 상기 연료 전지 스택은 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출구를 갖고, 상기 냉각 매체 배출구에는 상기 압축 기체 공급부와 연결된 냉각부 진공 발생기가 연결 설치되는 연료 전지 시스템.The fuel cell stack has a cooling medium discharge port through which a cooling medium is discharged, and a cooling unit vacuum generator connected to the compressed gas supply unit is connected to the cooling medium discharge port. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 냉각부는, 냉각 매체가 저장되는 냉각 매체 탱크와 상기 냉각 매체 탱크에서 냉각 매체를 연료 전지 스택으로 이송시키는 펌프, 및 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 냉각 매체를 냉각시키는 열교환기를 포함하고,The cooling unit includes a cooling medium tank in which a cooling medium is stored, a pump for transferring the cooling medium from the cooling medium tank to the fuel cell stack, and a heat exchanger for cooling the cooling medium discharged from the fuel cell stack, 상기 냉각부 진공 발생기의 출구측 배관은 상기 냉각 매체 탱크과 연결되는 연료 전지 시스템.The outlet pipe of the cooling unit vacuum generator is connected to the cooling medium tank. 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키며, 연료가 배출되는 연료 배출구와 산화제가 배출되는 산화제 배출구를 갖는 연료 전지 스택;A fuel cell stack that generates power using fuel and an oxidant, the fuel cell stack having a fuel outlet through which fuel is discharged and an oxidant outlet through which the oxidant is discharged; 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급장치와 상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급장치;A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell stack and an oxidant supply device for supplying an oxidant to the fuel cell stack; 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구와 연결 설치되며 상기 연료 배출구 또는 상기 산화제 배출구를 외기와 연결하여 유입되는 기체를 외부로 배출하는 진공 발생기;A vacuum generator connected to the fuel outlet or the oxidant outlet and configured to discharge the gas introduced by connecting the fuel outlet or the oxidant outlet to the outside; 상기 진공 발생기와 연결 설치되어 상기 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 압축 기체 공급부; 및A compressed gas supply unit connected to the vacuum generator to supply compressed gas to the vacuum generator; And 상기 연료 전지 스택에는 상기 연료 전지 스택으로 냉각 매체를 공급하는 냉각부;A cooler configured to supply a cooling medium to the fuel cell stack; 를 포함하고,Including, 상기 산화제 배출구와 상기 연료 전지 스택에서 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출구에는 공유 진공 발생기가 연결 설치되는 연료 전지 시스템.And a shared vacuum generator connected to the oxidant outlet and the cooling medium outlet through which the cooling medium is discharged from the fuel cell stack. 연료 전지 스택 내의 수분을 배출하기 위한 퍼지 방법에 있어서,A purge method for discharging water in a fuel cell stack, the method comprising: 압축 기체 탱크에 압축 기체를 축적시키는 단계;Accumulating compressed gas in the compressed gas tank; 압축 기체 탱크와 연결된 차단 밸브를 개방하여 상기 연료 전지 스택과 연통된 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 단계; 및Supplying compressed gas to a vacuum generator in communication with the fuel cell stack by opening a shutoff valve connected to the compressed gas tank; And 연료 전지 스택과 진공 발생기 사이에 설치된 퍼지 밸브를 개방하여 수분을 외부로 배출시키는 단계;Opening a purge valve installed between the fuel cell stack and the vacuum generator to discharge moisture to the outside; 를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.The purge method of the fuel cell system comprising a. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 산화제 및 연료의 입력 및 출력을 차단하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And blocking input and output of oxidant and fuel. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 압축 기체를 공급하는 단계는,Supplying the compressed gas, 산화제가 배출되는 산화제 배출구와 연료가 배출되는 연료 배출구를 갖는 연료 전지 스택의 상기 산화제 배출구와 상기 연료 배출구에 각각 연결 설치된 진공 발생기에 압축 기체를 공급하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.A purge method of a fuel cell system, wherein compressed gas is supplied to a vacuum generator connected to the oxidant outlet and the fuel outlet of a fuel cell stack having an oxidant outlet for discharging oxidant and a fuel outlet for discharging fuel. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 연료 전지 스택에 냉각 매체를 공급하는 냉각부의 냉각 매체 배출구와 연결된 냉각부 진공 발생기에 압축 기체를 공급하여 냉각 매체를 배출하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And supplying compressed gas to a cooling unit vacuum generator connected to a cooling medium outlet of the cooling unit for supplying the cooling medium to the fuel cell stack to discharge the cooling medium. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 냉각 매체 배출구와 연결된 냉각부 진공 발생기의 출구측 배관을 상기 냉각부에 설치된 냉각 매체 탱크와 연결 설치하여 냉각 매체를 회수하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.And connecting the outlet pipe of the cooling unit vacuum generator connected to the cooling medium outlet with the cooling medium tank installed in the cooling unit to recover the cooling medium.
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