KR20100132194A - Control of humidification and dew condensation in the unit cell pemfc - Google Patents
Control of humidification and dew condensation in the unit cell pemfc Download PDFInfo
- Publication number
- KR20100132194A KR20100132194A KR1020090050884A KR20090050884A KR20100132194A KR 20100132194 A KR20100132194 A KR 20100132194A KR 1020090050884 A KR1020090050884 A KR 1020090050884A KR 20090050884 A KR20090050884 A KR 20090050884A KR 20100132194 A KR20100132194 A KR 20100132194A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fuel cell
- relative humidity
- humidity
- supply line
- oxygen
- Prior art date
Links
- 238000009833 condensation Methods 0.000 title abstract description 17
- 230000005494 condensation Effects 0.000 title abstract description 17
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 129
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 88
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 67
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 67
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 66
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 66
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 10
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 7
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical group [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- QLOAVXSYZAJECW-UHFFFAOYSA-N methane;molecular fluorine Chemical group C.FF QLOAVXSYZAJECW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04126—Humidifying
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
- B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
- B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 연료전지에서의 가스 습도 조절장치와 방법에 관한 것으로서, 연료전지에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도 조절을 위해 각 수소와 산소탱크에서 가습기로 공급되는 공급라인에 밸브(제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브)를 설치하고, 그 외에 가습기를 통하지 않고 바로 연료전지로 공급될 수 있는 직렬라인에 밸브(제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브)를 설치하여 밸브의 ON/OFF 제어를 함으로써, 연료전지에 공급되는 수소와 산소(공기)의 습도를 보다 정확하게 조절하여 공급할 수 있도록 함으로써, 출력을 증대시킬 수 있도록 한 연료전지에서의 가스 습도 조절시스템과 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for controlling gas humidity in a fuel cell. The present invention relates to a method for controlling humidity of hydrogen and oxygen (air), which are gases supplied to a fuel cell, to a supply line supplied to a humidifier from each hydrogen and oxygen tank. Valves (first and second main solenoid valves) and valves (first and second bypass solenoid valves) in series lines that can be supplied directly to the fuel cell without going through a humidifier. The present invention relates to a gas humidity control system and a method of controlling the same in a fuel cell, in which the output can be increased by more precisely controlling the humidity of hydrogen and oxygen (air) supplied to the fuel cell.
일반적으로, 연료전지는 연료에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 발전 시스템으로써 저공해와 고효율의 이점이 있다. 특히 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유 에너지, 천연가스, 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형, 융용탄산염형, 고체 산화물형, 고분자 전해질형, 알칼리형 연료전지 등으로 구분되어 지며, 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts fuel energy into electrical energy, which has advantages of low pollution and high efficiency. In particular, fuel cells are attracting attention as next-generation energy sources because they can generate electrical energy using energy sources such as petroleum energy, natural gas, and methanol, which are easy to store and transport. These fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, polymer electrolyte type and alkaline type fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells is basically operated on the same principle. Different fuels, operating temperatures, catalysts, and electrolytes are used.
고분자 전해질형 연료전지는 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로써 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 특성을 가지며, 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고, 아울러 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원, 분산형, 현지설치용 발전기, 군수용 비상전원, 우주선용 전원 등의 다양한 분야에 응용하기에 적합하다. The polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte, and has a high output characteristic with a higher current density than other types of fuel cells, and has a simple structure, fast startup, response characteristics, and excellent durability. In addition, since methanol and natural gas can be used as fuel in addition to hydrogen, it is suitable for various fields such as automobile power source, distributed type, field installation generator, military emergency power supply, spacecraft power supply, and the like.
도 1은 일반적인 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a fuel cell stack using a general polymer membrane as an electrolyte.
도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지 스택은 기본적으로 고분자 전해질막과 이 전해질막의 양면에 접합되는 에노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 전해질막, 에노드 전극 및 캐소드전극은 소위 막-전극 어셈블리(MEA)로 불리는 단위전지를 구성한다. 전기화학적 반응성, 이온 전도성, 전자 전도성, 연료 또는 산화제 전달성, 부산물 전달성, 계면 안정성 등에 대한 성능 향상을 위해 에노드 전극과 캐소드 전극은 백금 촉매층과 확산층을 각각 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 연료전지 스택은 단위전지들 사이에 설치되는 바이폴라 플레이트와 단위전지의 일측면과 엔드 플레이트 사이에 설치되는 모노폴라 플레이트를 포함한다. 이들 플레이트는 전기적 절연 특성을 구비하며 그것들의 일면 또는 양면에는 연료 공급을 위한 유동유로가 설치된다. 복수의 단위전지와 플레이트들의 적층체는 한 쌍의 엔드 플레이트와 체결부재에 의해 가압된 채로 고정된다. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack basically includes a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode bonded to both surfaces of the electrolyte membrane. The electrolyte membrane, anode electrode and cathode electrode constitute a unit cell called a membrane-electrode assembly (MEA). In order to improve performance on electrochemical reactivity, ion conductivity, electron conductivity, fuel or oxidant transfer, by-product transfer, interfacial stability, etc., the anode electrode and the cathode electrode preferably include a platinum catalyst layer and a diffusion layer, respectively. In addition, the fuel cell stack includes a bipolar plate installed between the unit cells and a monopolar plate installed between one side of the unit cell and the end plate. These plates have electrical insulation properties and one or both of them are provided with flow passages for fuel supply. The stack of unit cells and plates is fixed while being pressed by a pair of end plates and fastening members.
전술한 연료전지 스택의 작동원리는 다음과 같다. 먼저 에노드 전극에 수소가 공급되고 캐소드 전극에 산소 혹은 산소를 포함한 공기가 공급되면, 에노드측의 공급된 수소가 백금 촉매층에서 전자와 수소이온으로 불리되어 전자는 외부도선을 따라 이동하고 수소이온은 전해질 막을 통해 이동한 후 캐소드 측에서 산소와 전자 그리고 수소이온이 만나 물을 생성한다. 이때 외부 회로를 통해 이동하는 전자에 의해 전기에너지가 얻어지게 된다. The operating principle of the fuel cell stack described above is as follows. First, when hydrogen is supplied to the anode electrode and oxygen or oxygen-containing air is supplied to the cathode electrode, the supplied hydrogen on the anode side is called electrons and hydrogen ions in the platinum catalyst layer, and the electrons move along the outer conductor and the hydrogen ion After moving through the electrolyte membrane, oxygen, electrons and hydrogen ions meet on the cathode side to generate water. At this time, electrical energy is obtained by electrons moving through an external circuit.
도 1을 참조하면 연료전지 스택은 전기가 발생되는 부분이고, 습도 조절장치는 가스저장탱크로부터 연료전지 스택으로 공급되는 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 장치이다. 연료전지 시스템에서 출력은 공급되는 수소와 산소(공기)의 가습 정도에 따라 변할 수 있기 때문에 가습기가 필요하다. 반응가스의 가습은 연료전지 스택 내의 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)를 구성하고 있는 이온교환막의 이온 전도도를 높여 산화극에서 생성된 수소 프로톤 이온을 쉽게 환원극으로 이동시키고, 환원극으로 공급된 산소(공기)와 외부에서 일을 하고 돌아온 전자와 전기화학 반응을 통해 물을 생성하게 된다. 막 전극 접합체를 구성하고 있는 이온교환막은 가습이 많이 될수록 이온전도도 또한 높아지게 되어 연료전지 스택의 효율을 높이게 된다. 그러나 높은 가습조건은 연료전지 스택으로 반응 가스와 함께 가습기로부터 공급된 수증기의 응축이 일어나 촉매와 반응가스들의 접촉을 방해할 수 있는 상태가 되어 연료전지 스택의 효율을 떨어뜨리게 된다. 반대로 가습의 양이 적을 경우 이온교환막이 건조되어 수소 프로톤 이온의 전달이 줄어들고, 환원극에서 산소와의 반응이 줄어들어 연료전지 스택의 효율을 떨어뜨리게 된다. 따라서, 연료전지 시스템에서는 상기와 같은 이유에 따라 적절한 가습조건을 감안하여 두 가지 상반된 효과의 적절한 점을 찾는 것이 매우 중요하다. Referring to FIG. 1, a fuel cell stack is a portion in which electricity is generated, and a humidity control device is a device for controlling humidity of hydrogen and oxygen (air) supplied from a gas storage tank to a fuel cell stack. In a fuel cell system, a humidifier is needed because the output can vary depending on the degree of humidification of hydrogen and oxygen (air) supplied. Humidification of the reaction gas increases the ion conductivity of the ion exchange membrane constituting the membrane electrode assembly in the fuel cell stack, thereby easily transferring hydrogen proton ions generated from the anode to the cathode, and supplying oxygen to the cathode. After working outside (air) and outside, electrons and electrochemical reactions return to produce water. The more the humidification of the ion exchange membrane constituting the membrane electrode assembly, the higher the ion conductivity is, thereby increasing the efficiency of the fuel cell stack. However, the high humidification condition causes condensation of water vapor supplied from the humidifier together with the reaction gas into the fuel cell stack, thereby preventing the contact between the catalyst and the reaction gases, thereby reducing the efficiency of the fuel cell stack. On the contrary, when the amount of humidification is small, the ion exchange membrane is dried to reduce the transfer of hydrogen proton ions and the reaction with oxygen in the cathode reduces the efficiency of the fuel cell stack. Therefore, in the fuel cell system, it is very important to find an appropriate point of the two opposite effects in consideration of the appropriate humidification conditions for the above reasons.
도2는 종래 기술에 의한 연료전지시스템과 가습시스템의 일례를 보인 계통도이다.2 is a system diagram showing an example of a fuel cell system and a humidification system according to the prior art.
도면을 참조하면, 종래 기술에 의한 연료전지 가습 시스템은 단순히 수소와 산소(공기)의 가습을 시켜 연료전지로 공급되는 구성을 보인다. 이와 같은 가습 시스템에서는 수소와 산소(공기)의 정확한 가습이 어렵고, 가습된 수소와 산소(공기)의 지속적인 공급으로 인해 연료전지 내부에서 수증기의 응축과 화학반응으로 인한 생성수로 인해 연료전지 내부에서 결로가 형성되어 연료전지 스택의 효율을 떨어뜨리게 되는 원인이 된다.Referring to the drawings, the fuel cell humidification system according to the prior art shows a configuration that is supplied to the fuel cell by simply humidifying hydrogen and oxygen (air). In such a humidification system, accurate humidification of hydrogen and oxygen (air) is difficult, and due to the constant supply of humidified hydrogen and oxygen (air), the fuel cell inside the fuel cell is formed due to the condensation of water vapor in the fuel cell and the water produced by the chemical reaction. Condensation may form, causing the fuel cell stack to lose efficiency.
이를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 수소와 산소(공기)의 설정 상대습도(H1)를 설정하고 입구 상대습도(H2)를 측정하여 비교하고 공급되는 수소와 산소(공기)의 공급 방향을 밸브 ON/OFF제어를 통해 조절하면서 공급되는 수소와 산소(공기)의 습도조절을 용이하고 정확하게 할 수 있는 습도 조절장치와 방법을 제공하고 연료전지 내부에 수분의 과다로 인해 내부 결로로 인한 연료전지 시스템 성능저하의 원인이 될 수 있으므로 내부 결로를 예방할 수 있는 습도 조절장치와 제어 방법을 제공하여 연료전지 내부의 결로 현상을 제거하거나 사전에 예방하는 목적이 있다.An object of the present invention for solving this problem is to improve the problems of the conventional fuel cell as described above, by setting the relative humidity (H1) of the hydrogen and oxygen (air) and measuring the inlet relative humidity (H2) Comparing and controlling the supply direction of hydrogen and oxygen (air) to be supplied through valve ON / OFF control, it provides humidity control device and method to easily and accurately control the humidity of hydrogen and oxygen (air) to be supplied. Excessive moisture in the cells may cause the deterioration of fuel cell system performance due to internal condensation. Therefore, moisture condensation and control methods can be provided to prevent internal condensation. The purpose is to.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연료전지 차량에서 연료로 사용되는 수소 및 산소를 연료전지 스택에 가습기를 매개로 가습하여 공급하기 위하여 구비되는 연료전지 차량의 습도 조절 시스템에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention, in the humidity control system of the fuel cell vehicle is provided for humidifying and supplying hydrogen and oxygen used as fuel in the fuel cell vehicle to the fuel cell stack via a humidifier,
상기 연료전지 스택에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)를 공급하는 제1 메인 가스공급라인과,A first main gas supply line supplying hydrogen and oxygen (air), which are gases supplied to the fuel cell stack;
상기 제1 메인 가스공급라인 일측에서 분기되어 병렬라인 연결된 제1 보조 가스공급라인과,A first auxiliary gas supply line branched from one side of the first main gas supply line and connected in parallel;
상기 제1 보조 가스공급라인 상에 설치된 가습기와,A humidifier installed on the first auxiliary gas supply line;
상기 가습기를 통과한 측의 상기 제1 보조 가스공급라인과 제1 메인 가스공급라인의 연통합체 지점 이후의 상기 연료전지 스택의 도입부에 설치된 제1 습도센 서와,A first humidity sensor installed at an introduction part of the fuel cell stack after the integration point of the first auxiliary gas supply line and the first main gas supply line on the side passing through the humidifier;
상기 제1 메인 가스공급라인과 상기 제1 보조 가스공급라인에 각각 설치되는 제1 주 솔레노이드 밸브와 제1 바이패스 솔레노이드 밸브와,A first main solenoid valve and a first bypass solenoid valve installed in the first main gas supply line and the first auxiliary gas supply line, respectively;
상기 각각의 솔레노이드 밸브를 상기 제1 습도센서의 Each solenoid valve of the first humidity sensor;
선택적으로 개방되도록 제어하는 전자제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.It characterized in that it comprises an electronic control unit for controlling to open selectively.
또, 연료전지에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 습도 조절장치 제어 방법에 있어서, 제어부를 통해 공급되는 가스(수소, 산소(공기)의 설정 상대습도(H1)를 설정하는 단계; 상기 가습기를 통해 가습된 수소와 산소(공기)의 입구 상대습도(H2)를 측정하는 단계; 목표 상대습도(H1)와 현재 상대습도(H2)를 비교한 후 밸브 개폐의 운전동작을 판단하여 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the humidity control device control method for controlling the humidity of hydrogen and oxygen (air), which are gases supplied to a fuel cell, setting relative humidity (H1) of gas (hydrogen, oxygen (air)) supplied through a control unit is set. Measuring the inlet relative humidity (H2) of the hydrogen and oxygen (air) humidified by the humidifier; Comparing the target relative humidity (H1) and the current relative humidity (H2) and then operating the operation of opening and closing the valve Determining and controlling; characterized in that it comprises a.
또한, 연료전지에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하고 연료전지 내부 결로 예방을 위한 제어 방법에 있어서, 제어부를 통해 공급되는 가스(수소, 산소(공기)의 설정 상대습도(H1)를 설정하는 단계; 상기 가습기를 통해 가습된 수소와 산소(공기)의 입구 상대습도(H2)를 측정하는 단계; 연료전지 출구에서 반응 후 배출되는 가스(수소, 산소(공기))의 출구 상대습도(H3)를 측정하는 단계; 입구 상대습도(H2)와 출구 상대습도(H3)를 비교한 후 설정 상대습도(H1)를 조절하는 제어하는 단계; 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)를 비교한 후 밸브 개폐의 운전동작을 판단하여 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in a control method for controlling the humidity of hydrogen and oxygen (air), which are gases supplied to a fuel cell, and preventing condensation inside the fuel cell, the relative humidity of the gas (hydrogen and oxygen (air) set through the control unit ( H1) setting, measuring the inlet relative humidity (H2) of hydrogen and oxygen (air) humidified through the humidifier; the outlet of the gas (hydrogen, oxygen (air)) discharged after the reaction at the fuel cell outlet Measuring a relative humidity (H3), controlling the set relative humidity (H1) after comparing the inlet relative humidity (H2) with the outlet relative humidity (H3); and setting the relative humidity (H1) and the inlet relative humidity. And comparing and controlling the operation of opening and closing the valve after comparing (H2).
본 발명에 따르면, 연료전지에서의 가스 습도 조절시스템과 제어 방법은 목표 습도와 실제 습도를 비교하여, 가습기와 연료전지로 통하는 라인에 설치된 밸브의 ON/OFF 제어를 통해 수소극과 공기극의 가습량을 조절할 수 있도록 구성함으로써, 연료전지에 공급하는 수소 및 산소(공기)의 습도를 보다 정확하게 조절할 수 있게 되어, 가습의 과다로 인해 연료전지 내부의 결로로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있는 등의 매우 뛰어난 장점을 달성하게 되는 것이다.According to the present invention, the gas humidity control system and control method in the fuel cell compares the target humidity with the actual humidity, and controls the humidification amount of the hydrogen electrode and the cathode through ON / OFF control of a valve installed in the line connecting the humidifier and the fuel cell. By making it adjustable, the humidity of hydrogen and oxygen (air) supplied to the fuel cell can be adjusted more accurately, and the deterioration of the fuel cell system due to condensation inside the fuel cell due to excessive humidification can be prevented. This is a very good advantage.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템과 가습 시스템의 실시를 보인 계통도이며, 도 5와 6은 각각 본 발명의 도 3과 도 4의 실시예에 따른 연료전지시스템에서 가습 시스템에서의 습도조절 방법에 관한 제어 순서도이다.3 and 4 are schematic diagrams showing an implementation of a fuel cell system and a humidification system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are each a fuel cell system according to the embodiment of FIGS. 3 and 4 of the present invention. Control flow chart related to the humidity control method in the humidification system.
PEMFC는 작동온도가 낮으면서도 효율이 좋을 뿐만 아니라 다른 연료전지에 비해 부피를 줄일 수 있다는 장점 때문에 현재 자동차용 연료전지로서 주목받고 있다. PEMFC 역시 다른 연료전지와 마찬가지로 천연가스나 메탄올 등의 개질을 통해 발생된 수소를 연료로 사용하기 때문에 향후 연료의 안정적 공급 면에서 시장 전망이 매우 밝은 연료전지이다.PEMFC is attracting attention as a fuel cell for automobiles because of its low operating temperature and efficiency, as well as its ability to reduce volume compared to other fuel cells. PEMFC, like other fuel cells, uses hydrogen generated through reforming of natural gas and methanol as a fuel, and thus has a bright market prospect in terms of stable supply of fuel.
PEMFC는 연료전극(anode)에서 수소가 산화되면서 생성된 양성자 또는 수소이온(proton)이 고분자 막을 통해 산소의 환원이 일어나는 음극(cathode) 쪽으로 전달되는 반응을 통해 전기를 생산한다. 하지만 양성자 단독으로 고분자 막을 통과하지 못하기 때문에 양성자는 물 분자 몇 개와 함께 이동한다. 따라서 고분자 막에 수분이 부족하면 양성자 전달이 제대로 이루어지지 않아 전지효율 저하를 초래하게 된다.PEMFC produces electricity through a reaction in which protons or protons, produced by the oxidation of hydrogen at the fuel electrode, are transferred to the cathode through which the reduction of oxygen occurs through the polymer membrane. However, because protons alone do not pass through the polymer membrane, the protons move with some water molecules. Therefore, when the polymer membrane lacks moisture, proton transfer is not performed properly, resulting in a decrease in battery efficiency.
물 분자가 양성자의 고분자 막 통과에 중요한 역할을 하는 것은 분명하다. 하지만 물 분자의 역할과 양성자 전달이 이루어지는 메커니즘에 대해선 자세히 알려져 있지 않다. 연구진은 고전역학적 모델링 기법과 양자역학적 모델링 기법을 총동원해서 물분자의 역할을 규명하고자 했다. It is clear that water molecules play an important role in proton polymer membrane passage. However, little is known about the role of water molecules and the mechanism by which proton transport occurs. The researchers sought to determine the role of water molecules by using both classical and quantum mechanical modeling techniques.
PEMFC에 사용되는 고분자 막은 곁가지 말단에 술폰산(sulfonic acid) 작용기가 있는 불소화탄소골격(fluorinated carbon backbone)으로 이루어진 선형고분자이다. 그래서 본 발명자는 선형 고분자골격을 따라 전도현상(conductivity)이 일어나는 모델을 구성했다.The polymer membrane used in PEMFC is a linear polymer composed of a fluorinated carbon backbone having sulfonic acid functional groups at the ends of the side branches. Thus, the present inventors constructed a model in which conductance occurs along a linear polymer skeleton.
그 결과 본 발명자는 다음과 같은 사실을 알아냈다. As a result, the present inventors found out the following facts.
첫째, 물 분자가 존재하지 않으면 인접한 술폰산 작용기 사이에 결합이 일어 나지 않는다. First, in the absence of water molecules, no bonds occur between adjacent sulfonic acid functional groups.
둘째, 소량의 물이 첨가되면 술폰산 작용기들이 뭉치면서 연결이 형성된다. 하지만 술폰산기 이온화가 일어나지 않아 전도현상이 일어나지 않을 것이다. Second, when a small amount of water is added, the sulfonic acid functional groups aggregate to form a link. However, no sulfonic acid ionization will occur and no conduction will occur.
셋째, 물이 충분히 첨가되면 술폰산기 이온화가 일어나면서 양성자 전달이 일어난다. 이때 필요한 물의 양은 술폰산기가 달려 있는 곁가지 사이의 거리에 의해 결정된다. Third, when enough water is added, sulfonic acid group ionization occurs and proton transfer occurs. The amount of water needed is determined by the distance between the side branches on which the sulfonic acid groups are attached.
넷째, 선형고분자 골격에 따른 전도현상은 인접한 술폰산기 사이의 거리에 영향을 받기 때문에 인접한 술폰산기 사이의 거리를 크게 변화시킬 수 있는 선형고분자 골격구조의 자발적 변형(spontaneous distortions)에 의해서도 전도도가 크게 변한다.Fourth, since the conduction phenomena according to the linear polymer skeleton are affected by the distance between adjacent sulfonic acid groups, the conductivity is also greatly changed by spontaneous distortions of the linear polymer skeleton structure which can greatly change the distance between adjacent sulfonic acid groups. .
도 3에 도시한 바와 같이, 수소와 산소(공기) 탱크에서 가습기(humidifier)로 통하는 공급라인에 각각 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)를 설치하고, 수소와 산소(공기) 탱크에서 연료전지로 바로 연결되는 직렬라인에 제1 및 제2 바이패스 밸브(valve 1, valve 3)를 설치한다. As shown in FIG. 3, the first and second main solenoid valves (
초기에 수소와 산소(공기)탱크에서 공급되는 수소와 산소(공기)는 건조상태로 공급되므로 가습된 가스를 연료전지에 공급하기 위해 평상시에는 가습기(humidifier)로 통하는 공급라인에 설치된 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)는 개방된 상태이며, 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)는 차단된 상태이다.Since hydrogen and oxygen (air), which are initially supplied from the hydrogen and oxygen (air) tanks, are supplied in a dry state, the first and the first installed in the supply line which normally passes through a humidifier to supply humidified gas to the fuel cell. The two main solenoid valves (
다시 말해서, 상기한 연료전지 차량에서 연료로 사용되는 수소 및 산소를 연료전지 스택에 가습기(humidifier)를 매개로 가습하여 공급하기 위하여 구비되는 연료전지 차량의 습도 조절 시스템은, 상기 연료전지 스택에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)를 공급하는 제1 메인 가스공급라인과, 상기 제1 메인 가스공급라인 일측에서 분기되어 병렬라인 연결된 제1 보조 가스공급라인과, 상기 제1 보조 가스공급라인 상에 설치된 가습기(humidifier)와, 상기 가습기(humidifier)를 통과한 측의 상기 제1 보조 가스공급라인과 제1 메인 가스공급라인의 연통합체 지점 이후의 상기 연료전지 스택의 도입부(입구측)에 설치된 제1 습도센서(humidity sensor 1)와, 상기 제1 메인 가스공급라인과 상기 제1 보조 가스공급라인에 각각 설치되는 제1 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)와 제1 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)와, 상기 각각의 솔레노이드 밸브를, 상기 제1 습도센서(humidity sensor 1)의 측정치에 연동하여 습도를 적정하게 조절하도록, 선택적으로 개방 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.In other words, the humidity control system of the fuel cell vehicle, which is provided to humidify and supply hydrogen and oxygen used as fuel in the fuel cell vehicle through a humidifier, is supplied to the fuel cell stack. A first main gas supply line for supplying hydrogen and oxygen (air), which are gasses, a first auxiliary gas supply line branched from one side of the first main gas supply line and connected in parallel to each other, and on the first auxiliary gas supply line And a humidifier installed at an inlet portion (inlet side) of the fuel cell stack after an integrated point of the first auxiliary gas supply line and the first main gas supply line passing through the humidifier. A first main solenoid valve (
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량에서 연료로 사용되는 수소 및 산소를 연료전지 스택에 가습기(humidifier)를 매개로 가습하여 공급하기 위하여 구비되는 연료전지 차량의 습도 조절 시스템은, 상기 연료전지 스택에 공급되는 다른 가스인 산소(공기)를 공급하는 제2 메인 가스공급라인과, 상기 제2 메인 가스공급라인 일측에서 분기되어 병렬라인 연결된 제2 보조 가스공급라인과, 상기 제2 보조 가스공급라인 상에 설치된 상기 가습기(humidifier)와, 상기 가습기(humidifier)를 통과한 측의 상기 제2 보조 가스공급라인과 제2 메인 가스공급라인의 연통합체 지점 이 후의 상기 연료전지 스택의 도입부에 설치된 제2 습도센서(humidity sensor 2)와, 상기 제2 메인 가스공급라인과 상기 제2 보조 가스공급라인에 각각 설치되는 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)와 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)와, 상기 각각의 솔레노이드 밸브를 선택적으로 개방되도록 제어하는 상기 제어부를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.In addition, the humidity control system of the fuel cell vehicle is provided for humidifying and supplying hydrogen and oxygen used as fuel in the fuel cell vehicle according to the present invention via a humidifier (humidifier) to the fuel cell stack, A second main gas supply line for supplying oxygen (air), which is another gas to be supplied, a second auxiliary gas supply line branched from one side of the second main gas supply line and connected in parallel, and on the second auxiliary gas supply line A second humidity installed at an inlet of the fuel cell stack after a point of integration of the humidifier and the second auxiliary gas supply line and the second main gas supply line on the side passing through the humidifier; A second main solenoid valve (
또한, 상기 가습기(humidifier)는 양쪽의 유로판 사이에 막을 삽입하여, 한쪽에는 물을 반대편에는 반응기체를 흘려줌으로써 투과된 물과 열이 반응기체에 공급되도록 하는 막 가습기(humidifier) 로 이루어짐이 바람직하다.In addition, the humidifier (humidifier) is preferably made of a membrane humidifier (Hidifier) to insert the membrane between the two flow path plate, the water on one side and the flow of the reactor on the other side so that the permeated water and heat is supplied to the reactor. Do.
또, 상기 가습기(humidifier)는 상기 가습기(humidifier)에 물을 피드백하여 공급하기 위한 공급라인 상에 물탱크와 펌프가 설치되는 구성으로 되어 있다.In addition, the humidifier (humidifier) is configured to be provided with a water tank and a pump on a supply line for feeding back water to the humidifier (humidifier).
또한, 상기한 연료전지에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 연료전지 차량의 습도 조절 시스템의 제어 방법은, 제어부를 통해 공급되는 가스(수소, 산소(공기)의 설정 상대습도(H1)를 설정하는 단계; 상기 가습기(humidifier)를 통해 가습된 수소와 산소(공기)의 입구 상대습도(H2)를 측정하는 단계; 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)를 비교한 후 밸브 개폐의 운전동작을 판단하여 제어하는 단계; 상기의 단계를 통해 연료전지에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 입구 측정 상대습도(H2)가 설정 상대습도(H1)보다 낮을 경우에는, 상기 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)를 개방하고 상기 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)를 폐색하고, 또 상기 입구 측정 상대습도(H2)가 설정 상대습도(H1)보다 높을 경우에는, 상기 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)를 개방하고 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)를 닫아 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 제어 방식을 채택하고 있다.In addition, the control method of the humidity control system of the fuel cell vehicle for controlling the humidity of the hydrogen and oxygen (air) that is the gas supplied to the fuel cell, the relative setting of the gas (hydrogen, oxygen (air)) supplied through the control unit Setting a humidity (H1), measuring an inlet relative humidity (H2) of hydrogen and oxygen (air) humidified through the humidifier; setting a relative humidity (H1) and an inlet relative humidity (H2) Determining and controlling the operation of opening / closing the valve after comparing with each other; and comparing the inlet measurement relative humidity (H2) of hydrogen and oxygen (air), which are gases supplied to the fuel cell, to the lower than the set relative humidity (H1). In this case, the first and second main solenoid valves (
또한, 상기한 연료전지에 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 연료전지 차량의 습도 조절 시스템의 제어 방법은, 상기 제어부를 통해 공급되는 가스(수소, 산소(공기)의 설정 상대습도(H1)를 설정하는 단계; 상기 가습기(humidifier)를 통해 가습된 수소와 산소(공기)의 입구 상대습도(H2)를 측정하는 단계; 상기 연료전지 스택의 출구에서 반응 후 배출되는 가스(수소, 산소(공기))의 출구 상대습도(H3)를 측정하는 단계; 상기 입구 상대습도(H2)와 출구 상대습도(H3)를 비교한 후, 상기 설정 상대습도(H1)를 조절하는 제어하는 단계; 상기 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)를 비교한 후 상기 밸브들의 개폐동작을 판단하여 제어하는 단계; 상기의 단계를 통해 연료전지에서 배출되는 가스의 출구 상대습도(H3)가 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)보다 낮을 경우에는, 설정 상대습도(H1)를 유지시키며 상기 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)를 개방하고 상기 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)를 닫고, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 가스의 출구 상대습도(H3)가 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)보다 높을 경우에는, 설정 상대습도(H1)를 입구 상대습도(H2)이하로 설정하여 상기 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)를 개방하고 상기 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, 4)를 닫아 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 제어 방식을 채택해도 좋다.In addition, the control method of the humidity control system of the fuel cell vehicle for controlling the humidity of the hydrogen and oxygen (air) that is the gas supplied to the fuel cell, the setting of the gas (hydrogen, oxygen (air)) supplied through the control unit Setting a relative humidity (H1), measuring an inlet relative humidity (H2) of the humidified hydrogen and oxygen (air) through the humidifier (gas) discharged after the reaction at the outlet of the fuel cell stack ( Measuring outlet relative humidity (H3) of hydrogen and oxygen (air), comparing the inlet relative humidity (H2) with the outlet relative humidity (H3), and then controlling to control the set relative humidity (H1). Comparing the set relative humidity (H1) with the inlet relative humidity (H2) and determining and controlling the opening and closing operations of the valves; and the outlet relative humidity (H3) of the gas discharged from the fuel cell through the above steps. Temporary relative humidity (H1) and inlet relative humidity If it is lower than (H2), the set relative humidity (H1) is maintained and the first and second main solenoid valves (
도 5에 도시한 바와 같이, 시동 후 설정 상대습도(H1)를 제어부를 통해 설정을 해주고, 습도 센서를 통해 입구 상대습도(H2)가 측정하게 된다.As shown in FIG. 5, after setting the relative humidity (H1) is set through the control unit, the inlet relative humidity (H2) is measured through the humidity sensor.
상기 두 상대습도를 비교하여 설정 상대습도(H1)가 입구 상대습도(H2)보다 높을 경우, 탱크에서 가습기(humidifier)로 연결되는 공급라인 상에 설치된 상기 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, 4)는 개방된다. 또한, 탱크에서 연료전지로 바로 연결되는 직렬라인 상에 설치된 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)는 폐쇄된 상태이다.The first and second main solenoid valves (valve 2) installed on a supply line connected to a humidifier in a tank when the set relative humidity (H1) is higher than the inlet relative humidity (H2) by comparing the two relative humidity. , 4) is open. In addition, the first and second bypass
상기와 반대로 설정 상대습도(H1)가 입구 상대습도(H2)보다 낮을 경우, 탱크에서 연료전지로 바로 연결되는 직렬라인 상에 설치된 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)는 개방된다. 또한 탱크에서 가습기(humidifier)로 연결되는 공급라인 상에 설치된 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)는 폐쇄된 상태이다.Contrary to the above, when the set relative humidity H1 is lower than the inlet relative humidity H2, the first and second bypass
이와 같은 제어 방법을 통하여 연료전지로 공급되는 가스(수소, 산소(공기))의 습도를 보다 정확하고 일정하게 유지시킬 수 있다. Through such a control method, the humidity of the gas (hydrogen and oxygen (air)) supplied to the fuel cell can be kept more accurate and constant.
도 6에 도시한 바와 같이, 시동 후 설정 상대습도(H1)를 제어부를 통해 설정을 해주고, 습도 센서를 통해 입구 상대습도(H2)를 측정하게 된다. 그리고, 연료전지 내부의 결로를 예방하기 위해 연료전지 출구에 설치된 습도센서에서 반응 후 배 출되는 가스(수소, 산소(공기))의 출구 상대습도(H3)를 측정하게 된다.As shown in FIG. 6, after setting the relative humidity (H1) is set through the control unit, the inlet relative humidity (H2) is measured through the humidity sensor. In order to prevent condensation inside the fuel cell, an outlet relative humidity (H3) of the gas (hydrogen and oxygen (air)) discharged after the reaction is measured by a humidity sensor installed at the fuel cell outlet.
상기의 입구 상대습도(H2)와 출구 상대습도(H3)를 비교하여, 연료전지 출구를 통해 나오는 수소와 산소(공기)의 출구 상대습도(H3)가 입구 상대습도(H2)보다 높을 경우, 이는 연료전지 내부에 많은 수분을 함유하고 있다고 판단할 수 있으며, 이는 연료전지 내부에 결로 발생의 원인이 되며, 연료전지 성능 저하의 원인이 된다.By comparing the inlet relative humidity (H2) and the outlet relative humidity (H3), when the outlet relative humidity (H3) of hydrogen and oxygen (air) exiting the fuel cell outlet is higher than the inlet relative humidity (H2), It can be determined that the fuel cell contains a lot of moisture, which causes condensation inside the fuel cell and causes deterioration of fuel cell performance.
상기의 단계를 통해 연료전지에서 배출되는 가스의 출구 상대습도(H3)가 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)보다 낮을 경우 설정 상대습도(H1)를 유지시키며 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)를 개방하고 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)를 닫고, 공급 가스(수소, 산소(공기))의 가습을 유지시킨다.If the outlet relative humidity (H3) of the gas discharged from the fuel cell through the above step is lower than the set relative humidity (H1) and the inlet relative humidity (H2) to maintain the set relative humidity (H1) and the first and second weeks The
그와 반대로 연료전지에서 배출되는 가스의 출구 상대습도(H3)가 설정 상대습도(H1)와 입구 상대습도(H2)보다 높을 경우 설정 상대습도(H1)를 입구 상대습도(H2)이하로 재설정하여 제1 및 제2 바이패스 솔레노이드 밸브(valve 1, valve 3)를 개방하고 제1 및 제2 주 솔레노이드 밸브(valve 2, valve 4)를 닫아 건가스를 공급하여 상대습도를 조절하는 가습방법이다. On the contrary, if the outlet relative humidity (H3) of the gas discharged from the fuel cell is higher than the set relative humidity (H1) and the inlet relative humidity (H2), the set relative humidity (H1) is reset to the inlet relative humidity (H2) or less. A humidification method of controlling relative humidity by supplying dry gas by opening the first and second bypass solenoid valves (
상기와 같은 제어방법을 반복하면서 공급되는 가스인 수소와 산소(공기)의 습도를 조절하는 제어방법으로 연료전지 내부의 결로 현상을 제거하거나 사전에 예방할 수 있다.By repeating the control method as described above, the control method of controlling the humidity of hydrogen and oxygen (air), which are supplied gases, can remove or prevent condensation inside the fuel cell.
도 5와 도 6에 도시된 제어방법을 혼합하여 동시에 연료전지의 성능 저하를 예방하기 위한 가습과 결로 제어를 위한 방법으로 적용 가능하다.5 and 6 can be applied as a method for controlling humidification and condensation to prevent the performance degradation of the fuel cell by mixing the control method shown in FIG.
따라서, 상기한 구성의 본 발명에 따르면, 연료전지에서의 가스 습도 조절시스템과 제어 방법은 목표 습도와 실제 습도를 비교하여, 가습기(humidifier)와 연료전지로 통하는 라인에 설치된 밸브의 ON/OFF 제어를 통해 수소극과 공기극의 가습량을 조절할 수 있도록 구성함으로써, 연료전지에 공급하는 수소 및 산소(공기)의 습도를 보다 정확하게 조절할 수 있게 되어, 가습의 과다로 인해 연료전지 내부의 결로로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있는 등의 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.Therefore, according to the present invention having the above-described configuration, the gas humidity control system and control method in the fuel cell compares the target humidity with the actual humidity, and controls ON / OFF of the valve installed in the line connecting the humidifier and the fuel cell. By adjusting the humidification amount of the hydrogen electrode and the air electrode through the air, the humidity of hydrogen and oxygen (air) supplied to the fuel cell can be adjusted more precisely, and the fuel cell due to condensation inside the fuel cell due to excessive humidification There is a very good effect, such as preventing the performance degradation of the system.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다. 1 is an exploded perspective view showing the structure of a fuel cell stack according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 의한 연료전지시스템과 가습시스템의 일례를 보인 계통도이다.2 is a system diagram showing an example of a fuel cell system and a humidification system according to the prior art.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지시스템과 가습 시스템의 실시를 보인 계통도이다.3 is a system diagram showing an implementation of a fuel cell system and a humidification system according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지시스템과 가습 시스템의 실시를 보인 계통도이다.4 is a system diagram showing an implementation of a fuel cell system and a humidification system according to the present invention.
도 5는 본 발명의 도 3의 실시예에 따른 연료전지시스템에서 가습 시스템에서의 습도조절 방법에 관한 제어 순서도이다.5 is a control flowchart illustrating a method of controlling humidity in a humidification system in a fuel cell system according to the embodiment of FIG. 3 of the present invention.
도 6은 본 발명의 도 4의 실시예에 따른 연료전지시스템에서 결로 예방을 위한 제어 방법에 관한 제어 순서도이다.6 is a control flowchart illustrating a control method for preventing condensation in the fuel cell system according to the embodiment of FIG. 4 of the present invention.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090050884A KR20100132194A (en) | 2009-06-09 | 2009-06-09 | Control of humidification and dew condensation in the unit cell pemfc |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090050884A KR20100132194A (en) | 2009-06-09 | 2009-06-09 | Control of humidification and dew condensation in the unit cell pemfc |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100132194A true KR20100132194A (en) | 2010-12-17 |
Family
ID=43507916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090050884A KR20100132194A (en) | 2009-06-09 | 2009-06-09 | Control of humidification and dew condensation in the unit cell pemfc |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20100132194A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9225026B2 (en) | 2012-12-28 | 2015-12-29 | Hyundai Motor Company | Humidification apparatus for fuel cell system |
| CN113285095A (en) * | 2021-07-21 | 2021-08-20 | 潍柴巴拉德氢能科技有限公司 | Hydrogen humidifying device |
| CN114142062A (en) * | 2021-11-24 | 2022-03-04 | 中汽创智科技有限公司 | Air conditioning system and control method of fuel cell |
| KR102397331B1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-05-12 | 서울대학교산학협력단 | Fuel cell system supplied with oxygen enriched air using pressure and temperature swing adsorption technology |
| CN114914487A (en) * | 2022-05-10 | 2022-08-16 | 西安交通大学 | Device and method for measuring supplied air humidity of hydrogen fuel cell test board |
| KR20230131592A (en) | 2022-03-07 | 2023-09-14 | 충남대학교산학협력단 | Temperature and humidity evaluation device in flow channel of polymer electrolyte fuel cell |
-
2009
- 2009-06-09 KR KR1020090050884A patent/KR20100132194A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9225026B2 (en) | 2012-12-28 | 2015-12-29 | Hyundai Motor Company | Humidification apparatus for fuel cell system |
| US10038206B2 (en) | 2012-12-28 | 2018-07-31 | Hyundai Motor Company | Humidification apparatus for fuel cell system |
| CN113285095A (en) * | 2021-07-21 | 2021-08-20 | 潍柴巴拉德氢能科技有限公司 | Hydrogen humidifying device |
| CN113285095B (en) * | 2021-07-21 | 2021-11-19 | 潍柴巴拉德氢能科技有限公司 | Hydrogen humidifying device |
| CN114142062A (en) * | 2021-11-24 | 2022-03-04 | 中汽创智科技有限公司 | Air conditioning system and control method of fuel cell |
| KR102397331B1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-05-12 | 서울대학교산학협력단 | Fuel cell system supplied with oxygen enriched air using pressure and temperature swing adsorption technology |
| KR20230131592A (en) | 2022-03-07 | 2023-09-14 | 충남대학교산학협력단 | Temperature and humidity evaluation device in flow channel of polymer electrolyte fuel cell |
| CN114914487A (en) * | 2022-05-10 | 2022-08-16 | 西安交通大学 | Device and method for measuring supplied air humidity of hydrogen fuel cell test board |
| CN114914487B (en) * | 2022-05-10 | 2024-05-17 | 西安交通大学 | Device and method for measuring air supply humidity of hydrogen fuel cell test bench |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2490877C (en) | Humidity controlled solid polymer electrolyte fuel cell assembly | |
| US10038206B2 (en) | Humidification apparatus for fuel cell system | |
| KR20100132194A (en) | Control of humidification and dew condensation in the unit cell pemfc | |
| US10573915B2 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell including the same | |
| JP2004172125A (en) | Fuel cell system by dry cathode supply | |
| KR101127004B1 (en) | Fuel cell stack with internal membrane humidifier | |
| JPH08500931A (en) | Fuel cell and method for humidifying electrolyte thereof | |
| Perry et al. | Evaporatively-cooled pem fuel-cell stack and system | |
| JP4606038B2 (en) | POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND METHOD OF OPERATING THE SAME | |
| US11881604B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5452958B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
| JP2021170484A (en) | Fuel cell system | |
| Luo et al. | Characteristics of dynamic load response of a fuel cell with a dead-ended anode | |
| US11641021B2 (en) | Humidifier for fuel cell | |
| Barbir | Progress in PEM fuel cell systems development | |
| KR101084078B1 (en) | Fuel cell system and driving method the same | |
| US11705559B2 (en) | Fuel cell system | |
| Ubong et al. | A-3D-modeling and experimental validation of a high temperature PBI based PEMFC | |
| US20240105971A1 (en) | Fuel cell system | |
| JP5161650B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM | |
| JP2006318780A (en) | Fuel cell power generation device and fuel cell | |
| KR20230020830A (en) | Apparatus for Controlling the Relative Humidity of Fuel Cell Unit | |
| JP3961430B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
| Uyanga et al. | Exergy analysis of NEXA™ PEM fuel cell module | |
| Vasu et al. | Effect of Humidifier Temperatures on Nafion-XL Membrane Electrode Assemblies (MEA)–An Experimental Study |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |