KR101416363B1 - Full cell system and its operating method - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템 및 그 운전방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은 워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기를 산출하는 단계; 스택의 전압강하를 판단하는 단계; 워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기와 스택 전압강하를 모니터링하는 단계; 배출밸브의 퍼지 주기와 스택 출력전압에 따라 스택의 가습상태를 영역별로 구분하는 단계; 스택의 영역에 따라 운전을 제어하는 단계를 포함한다.A fuel cell system and a method of operating the same are disclosed. A method of operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes: calculating a purging period of a discharge valve of a water trap; Determining a voltage drop of the stack; Monitoring a purging period and a stack voltage drop of the discharge valve of the water trap; Dividing the humidification state of the stack into zones according to the purge cycle of the discharge valve and the stack output voltage; And controlling operation according to the area of the stack.

Description

연료전지 시스템 및 그 운전방법{FULL CELL SYSTEM AND ITS OPERATING METHOD}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 워터트랩의 퍼지주기와 스택의 전압강하를 모니터링하여 스택의 가습 상태를 판단하고 그에 따라 운전을 가변 제어하는 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same, and more particularly, to a fuel cell system for monitoring a purging period of a water trap and a voltage drop of a stack to determine a humidifying state of a stack, And a driving method.

일반적으로 연료전지 차량에 적용되고 있는 연료전지 스택은 연료전지 시스템의 스택은 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로서 이루어지며, 각각의 단위 셀은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다.Generally, a fuel cell stack that is applied to a fuel cell vehicle includes a stack of fuel cell systems as an electricity generation assembly in which a plurality of unit cells are successively arranged, and each unit cell is formed by an electrochemical reaction of hydrogen and air And is provided as a unit fuel cell that generates electric energy.

상기 단위 셀들은 막-전극 어셈블리와, 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다.The unit cells include a membrane-electrode assembly and a separator closely disposed on both sides of the membrane-electrode assembly.

이 경우, 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성하고 있다.In this case, the separator is in the form of a plate having conductivity, and each of the channels forms a channel for flowing fuel and air into the close contact surface of the membrane-electrode assembly.

그리고, 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극(이하에서는 편의상 "애노드" 라고 한다)을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극(이하에서는 편의상 "캐소드" 라고 한다)을 형성하며, 이들 애노드와 캐소드 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.An anode electrode (hereinafter, referred to as an anode for convenience) is formed on one surface of the membrane-electrode assembly, and a cathode electrode (hereinafter referred to as a cathode for convenience) is formed on the other surface. Thereby forming an electrolyte membrane.

애노드는 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다.The anode separates the fuel supplied through the channel of the separator into an electron and a hydrogen ion by oxidation reaction, and the electrolyte membrane functions to transfer hydrogen ions to the cathode.

그리고, 캐소드는 애노드 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.The cathode functions to generate water and heat by reducing the oxygen in the air supplied through the channels of the electrons, the hydrogen ions, and the separator received from the anode side.

한편, 연료전지를 적절하게 가동하기 위해서는 스택의 전해질 막이 습하게 유지되어야 하며, 너무 젖어 있을 경우(이하, flooding이라 한다.)는 기체 확산층의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하게 되며, 너무 건조할 경우(이하, dry라 한다.)는 전해질 막이 말라 버려 제대로 작동되지 않는다.On the other hand, in order to properly operate the fuel cell, the electrolyte membrane of the stack must be kept moist, and when it is too wet (hereinafter referred to as flooding), the pores of the gas diffusion layer become clogged, If it is too dry (hereinafter referred to as dry), the electrolyte membrane will dry out and will not work properly.

종래 기술의 일 예로, 일본 특허 제3584511호에서는 연료전지의 내부저항과 산화 가스의 배출 가스 습도를 검출하고 그 검출치가 미리 정한 허용 범위를 벗어나는 경우에 flooding 상태로 판단하고, 산화 가스의 유량과 압력을 증가시키는 것으로 운전을 제어하는 것을 개시하고 있다.In Japanese Patent No. 3584511, for example, Japanese Patent No. 3584511 detects the internal resistance of the fuel cell and the exhaust gas humidity of the oxidizing gas. When the detected value is out of a predetermined allowable range, it is determined as a flooding state. To control the operation.

그러나, 상기와 같은 기술은 연료전지의 가습 상태를 정량적으로 평가하지 못하고, flooding 상태에만 국한된다는 문제가 있으며, 또한, 운전의 제어도 산화 가스의 유량과 압력 조정에만 국한된다는 문제점이 있다.However, the above-described technique has a problem that the humidification state of the fuel cell can not be evaluated quantitatively, but is limited to the flooding state, and the control of the operation is limited to the adjustment of the flow rate and the pressure of the oxidizing gas.

본 발명의 실시 예는 스택의 가습 상태를 단계별로 평가하고, 그에 따라 운전을 가변 제어하여 스택의 가습 상태가 적절히 유지되도록 하고, 연료전지의 셀 성능 저하를 방지하며, 연료전지 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 그 운전방법을 제공하고자 한다.The embodiment of the present invention evaluates the humidifying state of the stack step by step and adjusts the operation accordingly to keep the humidifying state of the stack appropriately, prevent deterioration of the cell performance of the fuel cell, improve the stability of the fuel cell system Fuel cell system and a method of operating the same.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어진 스택; 상기 스택에서 배출된 가스를 재순환시켜 상기 스택으로 다시 공급하는 수소 재순환 블로워; 상기 스택에서 배출된 응축수를 일정시간 간격으로 퍼지하며 배출하는 배출밸브를 가진 워터트랩; 상기 스택의 전압강하와 상기 배출밸브의 퍼지 주기를 모니터링하고 그에 따라 스택의 가습 상태를 영역별로 구분하고 운전을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.In one or more embodiments of the present invention, a stack consisting of a collection of unit cells capable of generating electrical energy by an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant; A hydrogen recirculation blower for recirculating the gas discharged from the stack to supply it back to the stack; A water trap having a discharge valve for purging and discharging the condensed water discharged from the stack at regular time intervals; And a controller for monitoring the voltage drop of the stack and the purging period of the discharge valve, thereby dividing the humidifying state of the stack into regions, and controlling the operation of the fuel cell system.

또한, 상기 제어부는 운전온도에 따른 상기 스택의 출력전압과 상기 배출밸브의 퍼지주기를 그래프로 나타내고, 상기 스택의 가습 상태를 flooding, wet, dry의 영역으로 구분하는 제어로직을 포함할 수 있다.In addition, the controller may include a control logic for indicating an output voltage of the stack and a purging period of the discharge valve according to an operation temperature, and dividing the wet state of the stack into areas of flooding, wet, and dry.

또한, 상기 flooding 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기를 증가시키고 공기 양론 혼합비 및 상기 수소 재순환 블로워의 회전속도를 증가하는 제어로직을 포함할 수 있다.Also, the flooding region may include control logic for increasing the purging period of the discharge valve and increasing the air-to-air mixing ratio and the rotational speed of the hydrogen recirculation blower.

또한, 상기 dry 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기 및 공기 양론 혼합비를 감소하고, 공기 운전 압력을 증가하는 제어로직을 포함할 수 있다.Also, in the dry region, the control logic may include a purge cycle of the discharge valve, an air mixture ratio, and an air operation pressure.

또한, 상기 배출밸브의 퍼지 주기는 전하량을 기준으로 추정한 가중치 합산량과 상기 배출밸브의 오픈 주기와 상기 배출밸브의 오픈 시간을 곱한 값으로 산출할 수 있다.The purging period of the discharge valve can be calculated by multiplying the sum of the weights calculated based on the amount of charge and the open period of the discharge valve and the open time of the discharge valve.

또한, 상기 배출밸브의 퍼지 주기는 상기 배출밸브의 오픈 횟수와 누적 운전 시간 중 어느 하나로 산출할 수 있다.The purging period of the discharge valve may be calculated as one of the number of times of opening of the discharge valve and the cumulative operation time.

또한, 상기 스택 전압강하는 최소 셀 전압비율, 균형 조건 대비 상기 스택의 성능 저하율, 상기 스택 셀 전압 표준편차를 기준으로 하여 판단할 수 있다.The stack voltage drop may be determined based on a minimum cell voltage ratio, a degradation rate of the stack with respect to a balanced condition, and a standard deviation of the stack cell voltage.

그리고, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서, 워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기를 산출하는 단계; 스택의 전압강하를 판단하는 단계; 워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기와 스택 전압강하를 모니터링하는 단계; 배출밸브의 퍼지 주기와 스택 출력전압에 따라 스택의 가습상태를 영역별로 구분하는 단계; 스택의 영역에 따라 운전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법을 제공할 수 있다.And, in one or more embodiments of the present invention, there is provided a method of operating a fuel cell system, comprising: calculating a purging period of a discharge valve of a water trap; Determining a voltage drop of the stack; Monitoring a purging period and a stack voltage drop of the discharge valve of the water trap; Dividing the humidification state of the stack into zones according to the purge cycle of the discharge valve and the stack output voltage; And controlling the operation according to the area of the stack.

또한, 상기 스택의 출력전압과 상기 배출밸브의 퍼지주기를 그래프로 나타내고, 스택의 가습상태를 운전온도에 따라 flooding, wet, dry의 영역으로 구분할 수 있다.Also, the output voltage of the stack and the purging period of the discharge valve are graphically displayed, and the humidifying state of the stack can be divided into flooding, wet, and dry regions according to the operation temperature.

또한, 상기 flooding 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기를 증가시키고 공기 양론 혼합비 및 상기 수소 재순환 블로워의 회전속도를 증가할 수 있다.Also, in the flooding region, the purging period of the discharge valve may be increased, and the air mixing ratio and the rotation speed of the hydrogen recirculation blower may be increased.

또한, 상기 dry 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기 및 공기 양론 혼합비를 감소하고, 공기 운전 압력을 증가할 수 있다.Also, in the dry region, the purging period and the air mixture ratio of the discharge valve may be decreased, and the air operating pressure may be increased.

또한, 상기 배출밸브의 퍼지 주기는 전하량을 기준으로 추정한 가중치 합산량과 상기 배출밸브의 오픈 주기와 상기 배출밸브의 오픈 시간을 곱한 값으로 산출할 수 있다.The purging period of the discharge valve can be calculated by multiplying the sum of the weights calculated based on the amount of charge and the open period of the discharge valve and the open time of the discharge valve.

또한, 상기 배출밸브의 퍼지 주기는 상기 배출밸브의 오픈 횟수와 누적 운전 시간 중 어느 하나로 산출할 수 있다.The purging period of the discharge valve may be calculated as one of the number of times of opening of the discharge valve and the cumulative operation time.

또한, 상기 스택 전압강하는 최소 셀 전압비율, 균형 조건 대비 상기 스택의 성능 저하율, 상기 스택 셀 전압 표준편차를 기준으로 하여 판단할 수 있다.The stack voltage drop may be determined based on a minimum cell voltage ratio, a degradation rate of the stack with respect to a balanced condition, and a standard deviation of the stack cell voltage.

본 발명의 실시 예는 워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기와 스택의 전압강하를 모니터링하여 스택의 가습 상태를 단계별로 구분하고, 그에 따라 운전을 가변 제어하여 스택 내 수분이 적절히 유지되도록 하고, 연료전지의 셀 성능 저하를 방지할 수 있고, 연료전지 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The embodiment of the present invention monitors the purging period of the discharge valve of the water trap and the voltage drop of the stack to divide the humidifying state of the stack in stages and adjust the operation accordingly to maintain moisture in the stack appropriately, It is possible to prevent deterioration in cell performance of the fuel cell system and to improve the stability of the fuel cell system.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 워터트랩의 배출밸브 퍼지주기를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법에 사용되는 스택의 가습 상태 영역을 도시한 그래프이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a discharge valve purging period of a water trap according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a humidifying state region of a stack used in a method of operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention, It should be understood that various equivalents and modifications may be present.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 워터트랩의 배출밸브 퍼지주기를 도시한 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법에 사용되는 스택의 가습 상태 영역을 도시한 그래프이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing a humidified state region of a stack used in a method of operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(2)은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(4), 연료전지 스택(4)에 연료인 수소를 공급하는 연료공급부(6), 연료전지 스택(4)에 전기화학반응에 필요한 공기를 공급하는 공기공급부(8), 연료전지 스택(4)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택(4)의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리부(10), 그리고 연료전지 시스템(2)의 작동 전반을 제어하는 제어부(12)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 2 according to the embodiment of the present invention shown in Fig. 1 includes a fuel cell stack 4 for generating electrical energy, a fuel supply unit 6 for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack 4, An air supply unit 8 for supplying air required for an electrochemical reaction to the fuel cell stack 4, a reaction heat of the fuel cell stack 4 being removed to the outside of the system, an operation temperature of the fuel cell stack 4 being controlled, A heat / water management unit 10 that performs functions of the fuel cell system 2, and a control unit 12 that controls overall operation of the fuel cell system 2.

연료전지 시스템(2)의 연료공급부(6)는 수소탱크(14), 비례제어밸브(16), 수소 재순환부(18) 등을 포함하고, 공기공급부(8)는 공기블로워(32), 가습기(34) 등을 포함하며, 열 및 물 관리부(10)는 냉각수 펌프(36), 라디에이터(38) 등을 포함한다.The fuel supply unit 6 of the fuel cell system 2 includes a hydrogen tank 14, a proportional control valve 16, a hydrogen recirculation unit 18 and the like. The air supply unit 8 includes an air blower 32, (34), and the like. The heat and water management unit (10) includes a cooling water pump (36), a radiator (38), and the like.

연료공급부(6)의 수소탱크(14)로부터 공급되는 고압의 수소는 비례제어밸브(16)를 거쳐 낮은 압력으로 연료전지 스택(4)으로 공급되며, 수소 재순환부(18)에서는 재순환라인(20)에 수소 재순환 블로워(22)를 설치하여 스택(4)의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.The high pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 14 of the fuel supply unit 6 is supplied to the fuel cell stack 4 at a low pressure via the proportional control valve 16 and the hydrogen recirculation unit 18 is supplied with the high- The hydrogen recirculation blower 22 is installed in the anode 4 of the stack 4 and the unreacted hydrogen remaining in the anode 4 is recycled back to the anode to reuse the hydrogen.

연료전지 시스템(2)의 스택(4)은 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로서 이루어지며, 각각의 단위 셀은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다.The stack 4 of the fuel cell system 2 is composed of a plurality of unit cells and a plurality of unit cells arranged in series. Each unit cell includes a unit for generating electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and air. And is provided as a fuel cell.

상기 단위 셀들은 막-전극 어셈블리와, 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다.The unit cells include a membrane-electrode assembly and a separator closely disposed on both sides of the membrane-electrode assembly.

이 경우, 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성하고 있다.In this case, the separator is in the form of a plate having conductivity, and each of the channels forms a channel for flowing fuel and air into the close contact surface of the membrane-electrode assembly.

그리고, 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드를 형성하고, 다른 일면에 캐소드 를 형성하며, 이들 애노드와 캐소드 사이에 전해질 막을 형성하는 구조로 이루어진다.The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode is formed on one surface, a cathode is formed on the other surface, and an electrolyte membrane is formed between the anode and the cathode.

애노드는 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다.The anode separates the fuel supplied through the channel of the separator into an electron and a hydrogen ion by oxidation reaction, and the electrolyte membrane functions to transfer hydrogen ions to the cathode.

그리고, 캐소드는 애노드 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.The cathode functions to generate water and heat by reducing the oxygen in the air supplied through the channels of the electrons, the hydrogen ions, and the separator received from the anode side.

화학반응에 의하여 캐소드에 생성된 물의 일부는 전해질 막을 투과해서 애노드로 이동하고, 애노드로 넘어간 물이 촉매층에 잔류할 경우 촉매 반응량을 감소시키게 되고, 애노드로 넘어간 물이 채널에 머무르게 될 경우는 수소의 공급 경로를 차단하게 된다.Part of the water generated in the cathode by the chemical reaction passes through the electrolyte membrane and moves to the anode. When the water flowing into the anode remains in the catalyst layer, the amount of the catalytic reaction is decreased. When the water passed to the anode stays in the channel, Thereby blocking the supply path of the gas.

따라서, 애노드에는 촉매층이나 채널에 잔존하는 물을 모아서 배출하는 워터트랩(24)과, 애노드 내의 불순물을 가습기(34)로 배출하는 퍼지라인(28)이 더 연결된다.Therefore, the anode includes a water trap 24 for collecting and discharging water remaining in the catalyst layer or the channel, and a purge line 28 for discharging the impurities in the anode to the humidifier 34.

워터트랩(24)에는 가습기(34)로 물을 배출하는 물 배출라인(35)이 연결되며, 물 배출라인(35)에는 퍼지 주기마다 열려서 물을 배출하는 배출밸브(26)가 구비된다. The water trap 24 is connected to a water discharge line 35 for discharging water to the humidifier 34. The water discharge line 35 is provided with a discharge valve 26 for discharging water by opening every purge cycle.

또한, 퍼지라인(28)에는 퍼지밸브(30)가 구비되어 애노드 내의 불순물을 퍼지 주기마다 배출하도록 한다.Further, the purge line 28 is provided with a purge valve 30 so as to discharge the impurities in the anode every purge cycle.

연료전지 시스템(2)의 제어부(12)는 스택(4)의 전압강하와 워터트랩(24)의 배출밸브(26)의 퍼지 주기를 모니터링하여 스택(4)의 가습 상태를 영역별로 구분하고, 그에 따라 운전을 제어한다.The control unit 12 of the fuel cell system 2 monitors the voltage drop of the stack 4 and the purge cycle of the discharge valve 26 of the water trap 24 to divide the wet state of the stack 4 into regions, Thereby controlling the operation.

스택(4)의 가습 상태는 flooding, wet, dry의 영역으로 구분될 수 있다.The humidification state of the stack 4 may be divided into areas of flooding, wet, and dry.

제어부(12)는 상기 영역에 따라 운전 조건을 가변 하도록 주변장치에 제어신호를 보낼 수 있다.The control unit 12 may send a control signal to the peripheral device to vary the operating condition according to the area.

보다 구체적으로 설명하면, 제어부(12)는 배출밸브(26)의 퍼지 주기, 공기 화학 양론비 및 공기 운전 압력을 제어하여 스택(4)의 가습 상태가 균형을 유지하도록 할 수 있다.More specifically, the controller 12 controls the purge cycle, the air stoichiometry ratio, and the air operating pressure of the discharge valve 26 so that the humidifying state of the stack 4 can be balanced.

이제, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(2)의 운전 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Now, a method of operating the fuel cell system 2 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

먼저, 스택(4)의 전하량(C)과 워터트랩(24)의 배출밸브(26)의 open 주기(hz) 및 open 시간(sec)을 측정한다(S101).First, the charge amount C of the stack 4 and the open period hz and open time (sec) of the discharge valve 26 of the water trap 24 are measured (S101).

하기의 표 1은 스택(4)의 전하량(C)에 따른 추정 가중치(1초 기준)를 나타낸 일 예이다.Table 1 below shows an example of the estimated weight (based on 1 second) according to the amount of charge (C) of the stack 4.

전하량(C)Charge amount (C) 추정 가중치Estimated weight 0~500 to 50 1010 50~10050-100 77 100~150100 to 150 55 150~200150 ~ 200 33 200~250200 to 250 1One 250~300250-300 0.50.5 300이상300 or more 0.30.3

상기 표 1에서 스택(4)의 전하량(C)에 따른 추정 가중치를 산출하고, 시간에 따라 추정 가중치를 합산한 가중치 합산량에 배출밸브(26)의 오픈 주기(hz)와 배출밸브(26)의 오픈 시간(sec)을 곱한 값을 구하여 워터트랩(24)의 배출밸브(26)의 퍼지 주기를 산출한다(S102).The open period hz of the discharge valve 26 and the open period hz of the discharge valve 26 are added to the sum of the weights based on the sum of the estimated weights according to the time, (Sec) of the water trap 24 is calculated to calculate the purging period of the discharge valve 26 of the water trap 24 (S102).

배출밸브(26)의 퍼지 주기는 도 3에 도시된 바와 같이, 스택(4)의 전류가 높아질수록 스택(4)내 물이 더 많이 생성되어 퍼지 주기가 잦아지는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3, the purging period of the discharge valve 26 is such that as the current of the stack 4 is increased, more water is generated in the stack 4 and the purging period is increased.

상기와 같은 퍼지 주기는 배출밸브(26)의 오픈 횟수와 누적 운전 시간 중 어느 하나로 산출할 수 있다.The purging period may be calculated as one of the number of openings of the discharge valve 26 and the cumulative operation time.

다음으로는, 최소 셀 전압비율과 스택(4)의 성능 저하율 및 스택(4) 셀 전압의 표준편차를 구한다(S103).Next, the minimum cell voltage ratio, the rate of performance degradation of the stack 4, and the standard deviation of the cell voltage of the stack 4 are obtained (S103).

그리고, 상기의 수치를 기준으로 하여 스택(4)의 전압강하를 판단한다(S104).Then, the voltage drop of the stack 4 is determined on the basis of the above values (S104).

예를 들어, 최소 셀 전압비율은 최소 셀 전압을 셀 평균 전압으로 나눈 값으로 산출할 수 있으며, 상기 최소 셀 전압비율이 0.95 미만일 경우를 기준으로 스택(4)의 전압 강하 여부를 판단할 수 있다.For example, the minimum cell voltage ratio can be calculated as a value obtained by dividing the minimum cell voltage by the cell average voltage, and the voltage drop of the stack 4 can be determined based on the case where the minimum cell voltage ratio is less than 0.95 .

또한, 스택(4)의 가습 상태가 'wet' 영역에서 0.6A/㎠가 나왔다고 할 경우에, 'wet' 조건 대비하여 스택(4) 성능 저하율이 0.6A/㎠ 기준으로 5%이하로 떨어졌을 경우에 전압 강하가 되었다고 볼 수 있다.In the case where the wetting state of the stack 4 is 0.6 A / cm 2 in the 'wet' region, when the performance degradation rate of the stack 4 is lower than 5% based on 0.6 A / cm 2 The voltage drop is observed.

또한, 스택(4) 셀 전압의 표준 편차가 상기 'wet' 조건 수치인 0.6A/㎠ 기준으로 5% 이상이 날 경우에 전압 강하가 되었다고 볼 수 있다.Also, it can be seen that the voltage drop occurs when the standard deviation of the cell voltage of the stack 4 is 5% or more based on the above-mentioned 'wet' condition value of 0.6 A / cm 2.

그리고, 상기와 같이 산출한 워터트랩(24)의 배출밸브(26)의 퍼지 주기와 스택(4) 전압강하를 모니터링한다(S105).Then, the purge cycle of the discharge valve 26 of the water trap 24 calculated as described above and the voltage drop of the stack 4 are monitored (S105).

그리고, 배출밸브(26)의 퍼지 주기와 스택(4) 출력전압에 따라 스택(4)의 가습 상태를 영역별로 구분한다(S106).Then, the humidification state of the stack 4 is classified into zones according to the purging period of the discharge valve 26 and the output voltage of the stack 4 (S106).

스택(4)의 가습 상태는 도 4에 도시된 바와 같이, Y축에 스택(4) 출력(%)과 워터트랩(24)의 배출밸브(26)의 퍼지 주기(%)를 놓고, X축을 운전온도(℃)로 놓아서 그래프로 표현할 수 있다.4, the stack 4 output (%) and the purge cycle (%) of the discharge valve 26 of the water trap 24 are placed on the Y axis, and the X axis It can be expressed graphically by placing it at operating temperature (℃).

이때, 운전온도는 50~60℃ 사이와 70~80℃ 사이에 각각 영역선을 그어서 운전온도가 가장 낮은 영역은 'flooding'으로 표시하고, 가장 높은 영역은 'dry'로 표시하며, 그 중간은 'wet'으로 표시할 수 있다.In this case, the operating temperature ranges between 50 and 60 ° C and between 70 and 80 ° C, and the region with the lowest operating temperature is denoted as 'flooding' and the highest region is denoted as 'dry' 'wet' can be displayed.

그리고, 상기와 같이 구분한 스택(4)의 영역에 따라 운전 조건을 결정하고(S107), 그에 따라 주변장치를 제어한다(S108).The operation conditions are determined according to the area of the stack 4 divided as described above (S107), and the peripheral devices are controlled accordingly (S108).

연료전지를 적절하게 가동하기 위해서는 스택(4)의 전해질 막이 습하게 유지되어야 하며, 너무 젖어 있을 경우는 기체 확산층의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하게 되며, 너무 건조할 경우는 전해질 막이 말라 버려 제대로 작동되지 않는다.In order to properly operate the fuel cell, the electrolyte membrane of the stack 4 must be kept moist. If the electrolyte membrane is too wet, the pores of the gas diffusion layer are clogged and the reaction gas does not contact the catalyst. Dry it does not work properly.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 스택(4)의 상태를 습하게 유지하기 위하여 운전 조건을 제어한다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the operating condition is controlled in order to keep the state of the stack 4 moist.

보다 구체적으로 설명하면, 스택(4)의 상태가 'flooding' 영역에 있을 경우는 공기 양론 혼합비 및 상기 수소 재순환 블로워(22)의 회전속도를 증가시키고, 배출밸브(26)의 퍼지 주기를 증가시켜 스택(4)내 물 배출성을 개선한다.More specifically, when the state of the stack 4 is in the 'flooding' region, the air stoichiometric mixture ratio and the rotational speed of the hydrogen recirculation blower 22 are increased and the purge cycle of the discharge valve 26 is increased Thereby improving the water discharging property in the stack 4.

그리고, 스택(4)의 상태가 'dry' 영역에 있을 경우는 배출밸브(26)의 퍼지 주기 및 공기 양론 혼합비를 감소하고, 공기 운전 압력을 증가하여 스택(4) 공기 입구측 상대습도를 증가하고 산소 분압을 개선하여 스택(4) 성능을 개선한다.
여기서, 상기 공기 양론 혼합비라 함은 단위 셀(연료전지)의 반응으로 물과 전기를 생산하는데 필요한 이론적인 산소량 대비 과급하는 산소량의 비를 나타내는 것으로서, 산소는 공기 중의 약 21%를 포함한다.
이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.If the state of the stack 4 is in the 'dry' region, the purging period and air mixture ratio of the discharge valve 26 are decreased, and the air operating pressure is increased to increase the relative humidity on the inlet side of the stack 4 And improves oxygen partial pressure to improve stack (4) performance.
Here, the air-to-air mixing ratio refers to a ratio of the amount of supercharged oxygen relative to the theoretical amount of oxygen required to produce water and electricity by the reaction of a unit cell (fuel cell), and oxygen includes about 21% of the air.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And all changes to the scope that are deemed to be valid.

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2 : 연료전지 시스템 4 : 스택
6 : 연료공급부 8 : 공기공급부
12 : 제어부 18 : 수소 재순환부
22 : 수소 재순환 블로워 24 : 워터트랩
26 : 배출밸브 34 : 가습기2: Fuel cell system 4: Stack
6: fuel supply part 8: air supply part
12: control unit 18: hydrogen recirculation unit
22: hydrogen recirculation blower 24: water trap
26: exhaust valve 34: humidifier

Claims (14)

연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어진 스택;
상기 스택에서 배출된 가스를 재순환시켜 상기 스택으로 다시 공급하는 수소 재순환 블로워;
상기 스택에서 배출된 응축수를 일정시간 간격으로 퍼지하며 배출하는 배출밸브를 가진 워터트랩;
상기 스택의 전압강하와 상기 배출밸브의 퍼지 주기를 모니터링하고 그에 따라 스택의 가습 상태를 영역별로 구분하고 운전을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.A stack consisting of an aggregate of unit cells capable of generating electrical energy by an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant;
A hydrogen recirculation blower for recirculating the gas discharged from the stack to supply it back to the stack;
A water trap having a discharge valve for purging and discharging the condensed water discharged from the stack at regular time intervals;
And a controller for monitoring the voltage drop of the stack and the purging period of the discharge valve, thereby dividing the humidifying state of the stack into regions and controlling the operation. 제1항에 있어서,
상기 제어부는 운전온도에 따른 상기 스택의 출력전압과 상기 배출밸브의 퍼지주기를 그래프로 나타내고, 상기 스택의 가습 상태를 flooding, wet, dry의 영역으로 구분하는 제어로직을 포함한 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit graphically displays an output voltage of the stack and a purging period of the discharge valve according to an operating temperature and divides the humidifying state of the stack into areas of flooding, wet, and dry. 제2항에 있어서,
상기 flooding 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기를 증가시키고, 단위 셀의 반응으로 물과 전기를 생산하는데 필요한 이론적인 산소량 대비 과급하는 산소량의 비인 공기 양론 혼합비 및 상기 수소 재순환 블로워의 회전속도를 증가하는 제어로직을 포함한 연료전지 시스템.3. The method of claim 2,
In the flooding zone, the purging period of the discharge valve is increased, and the mixing ratio of the air-fuel ratio, which is the ratio of the oxygen amount to the theoretical oxygen amount required to produce water and electricity by the reaction of the unit cells, and the control for increasing the rotation speed of the hydrogen recirculation blower Fuel cell system including logic. 제2항에 있어서,
상기 dry 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기 및 단위 셀의 반응으로 물과 전기를 생산하는데 필요한 이론적인 산소량 대비 과급하는 산소량의 비인 공기 양론 혼합비를 감소하고, 공기 운전 압력을 증가하는 제어로직을 포함한 연료전지 시스템.3. The method of claim 2,
In the dry region, the purge cycle of the discharge valve and the reaction of the unit cell are used to reduce the mixing ratio of the air-fuel ratio, which is the ratio of the theoretical oxygen amount to the supercharged oxygen amount required for producing water and electricity, Battery system. 제1항에 있어서,
상기 배출밸브의 퍼지 주기는 전하량을 기준으로 추정한 가중치 합산량과 상기 배출밸브의 오픈 주기와 상기 배출밸브의 오픈 시간을 곱한 값으로 산출하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the purging period of the discharge valve is calculated by multiplying the sum of weighted values estimated based on the amount of charge and the open period of the discharge valve and the open time of the discharge valve. 제1항에 있어서,
상기 배출밸브의 퍼지 주기는 상기 배출밸브의 오픈 횟수와 누적 운전 시간 중 어느 하나로 산출하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the purging period of the discharge valve is calculated in any one of an open number of the discharge valve and an accumulated operation time. 제1항에 있어서,
상기 스택 전압강하는 최소 셀 전압비율, 균형 조건 대비 상기 스택의 성능 저하율, 상기 스택 셀 전압 표준편차를 기준으로 하여 판단하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the stack voltage drop is determined based on a minimum cell voltage ratio, a degradation rate of the stack with respect to a balanced condition, and the stack cell voltage standard deviation. 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서,
워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기를 산출하는 단계;
스택의 전압강하를 판단하는 단계;
워터트랩의 배출밸브의 퍼지 주기와 스택 전압강하를 모니터링하는 단계;
배출밸브의 퍼지 주기와 스택 출력전압에 따라 스택의 가습상태를 영역별로 구분하는 단계;
스택의 영역에 따라 운전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.A method of operating a fuel cell system,
Calculating a purging period of the discharge valve of the water trap;
Determining a voltage drop of the stack;
Monitoring a purging period and a stack voltage drop of the discharge valve of the water trap;
Dividing the humidification state of the stack into zones according to the purge cycle of the discharge valve and the stack output voltage;
And controlling operation in accordance with an area of the stack. 제8항에 있어서,
상기 스택의 출력전압과 상기 배출밸브의 퍼지주기를 그래프로 나타내고, 스택의 가습상태를 운전온도에 따라 flooding, wet, dry의 영역으로 구분하는 연료전지 시스템의 운전방법.9. The method of claim 8,
Wherein the output voltage of the stack and the purging period of the discharge valve are graphically displayed, and the humidifying state of the stack is divided into flooding, wet, and dry regions according to the operating temperature. 제8항에 있어서,
상기 flooding 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기를 증가시키고, 단위 셀의 반응으로 물과 전기를 생산하는데 필요한 이론적인 산소량 대비 과급하는 산소량의 비인 공기 양론 혼합비 및 수소 재순환 블로워의 회전속도를 증가하는 연료전지 시스템의 운전방법.9. The method of claim 8,
In the flooding region, a purging period of the discharge valve is increased, and a fuel cell which increases the air-to-fuel ratio and the rotation speed of the hydrogen recirculation blower, which are ratios of the oxygen amount to the theoretical oxygen amount required to produce water and electricity by the reaction of the unit cells, How to operate the system. 제8항에 있어서,
상기 dry 영역에서는 상기 배출밸브의 퍼지 주기 및 단위 셀의 반응으로 물과 전기를 생산하는데 필요한 이론적인 산소량 대비 과급하는 산소량의 비인 공기 양론 혼합비를 감소하고, 공기 운전 압력을 증가하는 연료전지 시스템의 운전방법.9. The method of claim 8,
In the dry region, the purge cycle of the discharge valve and the reaction of the unit cell reduce the mixing ratio of the air-fuel ratio, which is the ratio of the theoretical oxygen amount to the supercharged oxygen amount, required for producing water and electricity, Way. 제8항에 있어서,
상기 배출밸브의 퍼지 주기는 전하량을 기준으로 추정한 가중치 합산량과 상기 배출밸브의 오픈 주기와 상기 배출밸브의 오픈 시간을 곱한 값으로 산출하는 연료전지 시스템의 운전방법.9. The method of claim 8,
Wherein the purging period of the discharge valve is calculated by multiplying the sum of the weights calculated based on the amount of charge and the open period of the discharge valve and the open time of the discharge valve. 제8항에 있어서,
상기 배출밸브의 퍼지 주기는 상기 배출밸브의 오픈 횟수와 누적 운전 시간 중 어느 하나로 산출하는 연료전지 시스템의 운전방법.9. The method of claim 8,
Wherein the purging period of the discharge valve is calculated as one of an open number of the discharge valve and an accumulated operation time. 제8항에 있어서,
상기 스택 전압강하는 최소 셀 전압비율, 균형 조건 대비 상기 스택의 성능 저하율, 상기 스택 셀 전압 표준편차를 기준으로 하여 판단하는 연료전지 시스템의 운전방법.9. The method of claim 8,
Wherein the stack voltage drop is determined based on a minimum cell voltage ratio, a degradation rate of the stack versus a balanced condition, and the stack cell voltage standard deviation.
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