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KR102575715B1 - Fuel cell system for vehicle - Google Patents

Fuel cell system for vehicle Download PDF

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KR102575715B1
KR102575715B1 KR1020180044466A KR20180044466A KR102575715B1 KR 102575715 B1 KR102575715 B1 KR 102575715B1 KR 1020180044466 A KR1020180044466 A KR 1020180044466A KR 20180044466 A KR20180044466 A KR 20180044466A KR 102575715 B1 KR102575715 B1 KR 102575715B1
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KR
South Korea
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hydrogen
stack
recovery device
purge gas
anode
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KR1020180044466A
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Korean (ko)
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Inventor
권혁률
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 차량용 연료전지시스템에 있어서, 수소저장장치로부터 공급받는 수소와 외기를 통해 공급받는 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산해내는 스택; 및 상기 스택에서 배출되는 퍼지가스에서 수소를 추출하되 추출된 수소를 수소저장장치 또는 스택으로 공급하고 수소를 제외한 물질은 외부로 배출하는 수소회수장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 차량용 연료전지시스템은 스택의 애노드에서 퍼지가스 배출 시 함께 배출되는 수소를 회수하여 다시 사용하므로 차량의 연비를 증대시킬 수 있다.The present invention relates to a fuel cell system for a vehicle, comprising: a stack for generating electricity through a chemical reaction between hydrogen supplied from a hydrogen storage device and oxygen supplied through outside air; and a hydrogen recovery device extracting hydrogen from the purge gas discharged from the stack, supplying the extracted hydrogen to a hydrogen storage device or a stack, and discharging materials other than hydrogen to the outside.
The fuel cell system for a vehicle of the present invention having the configuration described above can increase fuel efficiency of a vehicle by recovering and reusing hydrogen discharged together when purge gas is discharged from the anode of the stack.

Description

차량용 연료전지시스템{Fuel cell system for vehicle}Vehicle fuel cell system {Fuel cell system for vehicle}

본 발명은 차량용 연료전지시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 스택에서 배출되는 퍼지가스에 함유된 수소를 회수하여 스택으로 재공급함으로써 연비를 더욱 증대시킬 수 있는 차량용 연료전지시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system for a vehicle, and more particularly, to a fuel cell system for a vehicle that can further increase fuel efficiency by recovering hydrogen contained in a purge gas discharged from a stack and resupplying it to the stack.

연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.A fuel cell system is a system that continuously produces electrical energy through a chemical reaction of continuously supplied fuel, and continuous research and development is being conducted as an alternative solution to global environmental problems.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell system is classified into a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC). ), polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), alkaline fuel cell (AFC), and direct methanol fuel cell (DMFC). Depending on the operating temperature and output range, it can be applied to various application fields such as mobile power, transportation, and distributed power generation.

이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.Among them, polymer electrolyte fuel cells are being applied to the field of hydrogen vehicles (hydrogen fuel cell vehicles) being developed to replace internal combustion engines.

수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 도 1 에 도시된 바와 같은 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들 뿐만아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다. A hydrogen car generates its own electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen and is configured to drive by driving a motor. Therefore, a hydrogen vehicle has a hydrogen tank (H 2 Tank) in which hydrogen (H 2 ) is stored as shown in FIG. 1 , and a stack (FC STACK: Fuel Cell Stack), various devices for draining the generated water, as well as a battery that stores electricity generated from the stack, a controller that converts and controls the generated electricity, and a motor that generates driving force.

이중, 스택(10)은 수십 또는 수백개의 셀을 직렬로 쌓아올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고, 상기 전해질막의 일측에는 애노드가 타측에는 캐소드가 마련된다. Among them, the stack 10 refers to a fuel cell body in which tens or hundreds of cells are stacked in series, and has a structure in which a plurality of cells are stacked between end plates, and the inside of each cell is partitioned with an electrolyte membrane And, an anode is provided on one side of the electrolyte membrane and a cathode is provided on the other side.

각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동키도록 전도체로 제조된다. A separator is disposed between each cell to limit the flow path of hydrogen and oxygen, and the separator is made of a conductor to move electrons during a redox reaction.

이러한 스택(10)은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.In this stack 10, when hydrogen is supplied to the anode, it is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst, electrons move out of the stack through a separator plate to produce electricity, and hydrogen ions pass through an electrolyte membrane and move to the cathode. Afterwards, it combines with oxygen and electrons supplied from the outside air to form water and is discharged to the outside.

한편, 연료전지의 운전시에는 전해질막을 통해 수소이온이 이동할 때 외기에서 공급되는 다른 성분들 일부도 이동이 발생하는 문제가 있다. 즉, 대기의 성분은 산소가 약 21% 질소가 약 78% 로 구성되므로, 외기에서 유입된 공기에는 산소보다 더 많은 질소가 함유된다. 이때, 캐소드에서 전해질막을 통해 애노드로 넘어간 질소는 애노드 내에 남아있게 되어 수소 농도를 상대적으로 저하시키는 문제를 초래하게 된다. 애노드 내의 수소농도가 일정 수준 이하가 되면 성능저하는 물론 내구성 저하의 원인이 된다.Meanwhile, during operation of the fuel cell, when hydrogen ions move through the electrolyte membrane, some of the other components supplied from outside air also move. That is, since the components of the atmosphere consist of about 21% of oxygen and about 78% of nitrogen, the air introduced from outside air contains more nitrogen than oxygen. At this time, nitrogen passed from the cathode to the anode through the electrolyte membrane remains in the anode, causing a problem of relatively lowering the hydrogen concentration. When the hydrogen concentration in the anode falls below a certain level, it causes degradation of performance as well as degradation of durability.

이러한 문제를 해결하기 위하여 스택 내의 애노드에는 배기라인이 연결되어 퍼지밸브의 개폐에 의해 상기 애노드 내의 가스를 일정주기로 외부로 배출하도록 구성된다. 하지만, 애노드에서 배출되는 퍼지가스에는 상당한 농도의 수소(일반적으로 60~70% 수준)가 포함되어 있다. 이렇게 배출되어 버려지는 수소는 수소이용률의 저하에 따른 연료전지시스템의 효율저하를 초래하는 문제가 있다.To solve this problem, an exhaust line is connected to the anode in the stack, and the gas in the anode is discharged to the outside at regular intervals by opening and closing the purge valve. However, the purge gas discharged from the anode contains a significant concentration of hydrogen (typically 60-70%). There is a problem in that the discharged and discarded hydrogen causes a decrease in efficiency of the fuel cell system due to a decrease in hydrogen utilization.

따라서, 본 발명은 애노드에서 배출되는 퍼지가스에서 수소를 추출하여 재순환시킴으로써 효율저하를 방지할 수 있는 차량용 연료전지시스템을 제공하는 것에 주목적이 있다.Accordingly, the main object of the present invention is to provide a vehicle fuel cell system capable of preventing efficiency degradation by extracting and recirculating hydrogen from a purge gas discharged from an anode.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량용 연료전지시스템에 있어서, 수소저장장치로부터 공급받는 수소와 외기를 통해 공급받는 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산해내는 스택과, 상기 스택에서 배출되는 퍼지가스에서 수소를 추출하되, 추출된 수소를 수소저장장치 또는 스택으로 공급하고, 수소를 제외한 물질은 외부로 배출하는 수소회수장치와, 상기 스택으로부터 배출되는 퍼지가스를 외부로 배출하기 위해 구비되고 배출밸브가 설치되는 제1배기라인과, 상기 수소회수장치와 상기 스택 사이에 구비되고 상기 퍼지가스의 유동을 조절하는 조절밸브가 설치되고, 상기 수소회수장치를 우회하여 퍼지가스를 외부로 배출하는 제2 배기라인과, 상기 수소회수장치의 퍼지가스 중 수소의 농도에 대한 데이터를 획득하고, 획득된 데이터를 기초로 상기 배출밸브와 상기 조절밸브를 제어하도록 구비되는 제어장치를 포함하고, 상기 수소회수장치는, 퍼지가스가 유입되는 애노드와, 상기 수소회수장치로 유입되는 퍼지가스 중 수소의 농도를 측정하는 농도센서를 포함하고, 상기 제어장치는, 상기 수소회수장치에 구비된 상기 애노드 내의 수소 농도가 기설정된 기준치 이하이면, 상기 애노드 내의 유체를 외부로 배출되도록 상기 배출밸브를 개방하고, 상기 수소회수장치에 구비된 상기 애노드 내의 수소 농도가 상기 기준치보다 높으면, 상기 수소회수장치 내의 유체가 상기 스택으로 회수되도록 상기 조절밸브와 상기 배출밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다. The present invention for achieving the above object is, in a vehicle fuel cell system, a stack that generates electricity through a chemical reaction between hydrogen supplied from a hydrogen storage device and oxygen supplied through outside air, and discharged from the stack A hydrogen recovery device for extracting hydrogen from the purge gas, supplying the extracted hydrogen to a hydrogen storage device or a stack, and discharging materials other than hydrogen to the outside, and discharging the purge gas discharged from the stack to the outside. A first exhaust line in which a discharge valve is installed, a control valve provided between the hydrogen recovery device and the stack and controlling the flow of the purge gas, and discharging the purge gas to the outside by bypassing the hydrogen recovery device A second exhaust line and a control device provided to obtain data on the concentration of hydrogen in the purge gas of the hydrogen recovery device and control the discharge valve and the control valve based on the obtained data, The recovery device includes an anode through which purge gas flows and a concentration sensor that measures the concentration of hydrogen in the purge gas flowing into the hydrogen recovery device, and the control device includes hydrogen in the anode provided in the hydrogen recovery device. When the concentration is less than a predetermined reference value, the discharge valve is opened to discharge the fluid in the anode to the outside, and when the hydrogen concentration in the anode provided in the hydrogen recovery device is higher than the reference value, the fluid in the hydrogen recovery device is discharged to the outside. It is characterized in that the control valve and the discharge valve are controlled so as to be returned to the stack.

상기 수소회수장치는, 수소이온은 통과시키고 전자의 이동은 차단하는 전해질막; 상기 전해질막의 일측에 형성되며, 퍼지가스가 유입되면 상기 퍼지가스에 포함된 수소가 전위차에 의해 또는 촉매반응에 의해 수소이온과 전자로 분리되는 애노드; 및 상기 전해질막의 타측에 형성되며, 전해질막을 통과한 수소이온과 전자이동수단을 통해 이동된 전자가 결합되어 수소가 생성되는 캐소드; 포함하는 단위회수장치를 하나 이상 구비하고, 애노드와 캐소드의 양측에는 공간을 폐쇄하는 엔드플레이트가 배치된 것을 특징으로 한다.The hydrogen recovery device includes an electrolyte membrane that allows hydrogen ions to pass through and blocks the movement of electrons; an anode formed on one side of the electrolyte membrane and dissociating hydrogen contained in the purge gas into hydrogen ions and electrons by a potential difference or by a catalytic reaction when the purge gas is introduced; and a cathode formed on the other side of the electrolyte membrane, in which hydrogen is generated by combining hydrogen ions passing through the electrolyte membrane and electrons transferred through the electron transport means; It is characterized in that one or more unit recovery devices are provided, and end plates for closing the space are disposed on both sides of the anode and the cathode.

상기 수소회수장치는 두 개 이상의 단위회수장치가 적층된 구조를 가지며 상기 단위회수장치 사이에는 분리판이 배치된다. 즉, 상기 수소회수장치는 단위회수장치를 증대시켜 회수용량을 증대시킬 수 있다.The hydrogen recovery device has a structure in which two or more unit recovery devices are stacked, and a separator is disposed between the unit recovery devices. That is, the hydrogen recovery device can increase the recovery capacity by increasing the unit recovery device.

상기 수소회수장치는 스택에서부터 퍼지가스를 외부로 배출하는 제1배기라인의 경로상에서 상기 스택과 분리되어 장착될 수 있다. The hydrogen recovery device may be mounted separately from the stack on a path of a first exhaust line through which purge gas is discharged from the stack to the outside.

다른 실시예로써, 상기 수소회수장치는 스택과 일체로 결합장착되어 캐소드에서 생성된 수소가 스택으로 재공급되도록 구성될 수 있다. 이 실시예에서는, 상기 수소회수장치의 애노드를 구성하게 되는 엔드플레이트가 스택의 엔드플레이트와 공용으로 사용되게 결합될 수 있다. 즉, 스택은 양측 각각에 엔드플레이트가 결합된 구조를 갖되, 상기 엔드플레이트들은 서로 전기적으로 연결되어 전류가 이동하게 되므로 양극이 되거나 음극이 된다. 이때 본 발명의 수소회수장치는 스택의 엔드프레이트 중 음극이 되는 엔드플레이트에 결합 또는 일체화되어 음극을 공유할 수 있다.As another embodiment, the hydrogen recovery device may be configured to be coupled and mounted integrally with the stack so that hydrogen generated at the cathode is re-supplyed to the stack. In this embodiment, the end plate constituting the anode of the hydrogen recovery device may be coupled to the end plate of the stack for common use. That is, the stack has a structure in which end plates are coupled to both sides, and the end plates are electrically connected to each other to allow current to flow, so that they become an anode or a cathode. At this time, the hydrogen recovery device of the present invention may share a cathode by being combined or integrated with an end plate serving as a cathode among end plates of the stack.

상기 수소회수장치는 두 개 이상의 단위회수장치가 적층된 구조를 가지며 상기 단위회수장치는 분리판에 의해 구획되고, 상기 분리판 내부를 냉각수가 유동하도록 구성된다.The hydrogen recovery device has a structure in which two or more unit recovery devices are stacked, and the unit recovery device is partitioned by a separator plate, and the cooling water flows through the separator plate.

이 실시예에서는 상기 분리판이 관통되도록 장착되되 상기 분리판과 함께 내부를 구획하며 그 사이에서 애노드와 캐소드가 마련되도록 두 개가 서로 이격되어 장착되는 제1가스켓과 제2가스켓을 포함한다. 상기 제1가스켓은 애노드와 캐소드가 마련된 공간과 스택에서 배출되는 퍼지가스의 통로를 구획하며 각각의 애노드로 퍼지가스가 유입되는 매니폴드입구가 형성되고, 상기 제2가스켓은 애노드와 캐소드가 마련된 공간과 스택으로 배출되는 수소 통로를 구획하며 각각의 캐소드에서 환원된 수소가 배출되는 매니폴드출구가 형성된다.In this embodiment, a first gasket and a second gasket are mounted so as to pass through the separator, divide the interior together with the separator, and are spaced apart from each other so that an anode and a cathode are provided therebetween. The first gasket partitions a space where an anode and a cathode are provided and a passage for a purge gas discharged from the stack, and a manifold inlet through which purge gas flows into each anode is formed, and the second gasket is a space where an anode and a cathode are provided. Manifold outlets are formed to partition hydrogen passages discharged to the stack and to discharge hydrogen reduced at each cathode.

그리고, 상기 퍼지가스 통로의 입구와 스택으로 유입되는 수소 통로의 출구는 스택의 음극판과 공용으로 사용되며 최외각에 배치된 엔드플레이트가 타공되어 형성된다.In addition, the inlet of the purge gas passage and the outlet of the hydrogen passage flowing into the stack are used in common with the cathode plate of the stack, and are formed by perforating an end plate disposed at the outermost part.

상기 퍼지가스의 통로에는 퍼지가스 중 수소의 농도를 계측하는 농도센서 및 상기 퍼지가스가 매니폴드입구에 도달하기 전에 퍼지가스의 흐름을 차단하는 밸브가 설치되고, 수소의 농도에 따라 밸브의 개폐가 제어된다.A concentration sensor for measuring the concentration of hydrogen in the purge gas and a valve for blocking the flow of the purge gas before the purge gas reaches the manifold inlet are installed in the passage of the purge gas, and the opening and closing of the valve is performed according to the concentration of hydrogen. controlled

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 차량용 연료전지시스템은 스택의 애노드에서 퍼지가스 배출 시 함께 배출되는 수소를 회수하여 다시 사용하므로 차량의 연비를 증대시킬 수 있다.The fuel cell system for a vehicle of the present invention having the configuration described above can increase fuel efficiency of a vehicle by recovering and reusing hydrogen discharged together when purge gas is discharged from the anode of the stack.

상기 수소회수장치는 다수 개의 단위회수장치들이 적층되어 구성될 수 있으므로, 스택의 용량 및 차량 내부의 레이아웃에 따라 (단위회수장치들의 갯수를 조절하여) 수소 회수용량을 적절히 디자인할 수 있다.Since the hydrogen recovery device may be configured by stacking a plurality of unit recovery devices, the hydrogen recovery capacity may be appropriately designed (by adjusting the number of unit recovery devices) according to the stack capacity and vehicle interior layout.

상기 수소회수장치는 스택과 분리되거나 통합되도록 설치되어 설치 환경에 따라 유연하게 장착될 수 있고, 수소회수장치를 거치지 않고 우회하여 퍼지가스가 배출되는 제2배기라인을 더 포함하여 차량 운행상태 및 질소누적 상태에 따라 수소 회수를 적절히 조절할 수 있다.The hydrogen recovery device is installed to be separated from or integrated with the stack and can be flexibly mounted according to the installation environment, and further includes a second exhaust line through which purge gas is discharged by bypassing the hydrogen recovery device, and the vehicle operating state and nitrogen Hydrogen recovery can be appropriately adjusted according to the accumulation state.

상기 수소회수장치는 스택의 엔드플레이트와 공용으로 사용되는 엔드플레이트를 가지므로 설치공간을 더욱 줄일 수 있고 부품 공용화를 도모할 수 있다.Since the hydrogen recovery device has an end plate commonly used with the end plate of the stack, an installation space can be further reduced and parts can be shared.

상기 수소회수장치는 냉각수에 의해 냉각되어 반응속도가 더 빠르게 이루어질 수 있고, 상기 수소회수장치에는 수소의 농도를 계측하는 농도센서 및 퍼지가스의 흐름을 차단하는 밸브가 설치되어 퍼지가스의 수소농도에 따라 효율적으로 수소 회수를 조절할 수 있다.The hydrogen recovery device is cooled by cooling water so that the reaction rate can be made faster, and a concentration sensor for measuring the hydrogen concentration and a valve for blocking the flow of the purge gas are installed in the hydrogen recovery device to determine the hydrogen concentration of the purge gas. Therefore, hydrogen recovery can be efficiently controlled.

도 1 은 종래의 차량용 연료전지시스템의 구성이 도시된 도면.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따라 수소회수장치가 포함된 연료전지시스템의 구성이 도시된 도면.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따라 수소회수장치가 스택과 결합된 구성이 도시된 도면.
도 4 는 도 3 의 수소회수장치의 단면모습이 도시된 도면.
도 5 는 도 3 의 수소회수장치의 단면모습들을 나타내되 도 4 의 단면방향과 다른 방향의 단면모습이 도시된 도면.1 is a diagram showing the configuration of a conventional vehicle fuel cell system;
2 is a diagram showing the configuration of a fuel cell system including a hydrogen recovery device according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing a configuration in which a hydrogen recovery device is combined with a stack according to another embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of the hydrogen recovery device of FIG. 3;
5 is a view showing cross-sectional views of the hydrogen recovery device of FIG. 3 but in a direction different from the cross-sectional direction of FIG. 4;

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, based on the accompanying drawings, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.In addition, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to best describe his/her invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.

본 발명은 스택(10)의 애노드에서 배출되는 퍼지가스로부터 선택적으로 수소를 회수하는 수소회수장치(20, 30)를 포함하는 것으로써, 스택(10)의 애노드에서 배출되는 퍼지가스가 수소회수장치(20, 30)로 유입되면 상기 수소회수장치(20, 30) 내에서 (애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층 사이의 전위차에 의해) 퍼지가스 중 수소가 수소이온과 전자로 분리되고, 전해질막을 통과해 애노드에서 캐소드로 이동한 수소이온은 (엔드플레이트 및/또는 전도체와 같은 전자이동수단을 통해) 캐소드로 들어오는 전자에 의해 다시 수소로 환원된 후, 상기 캐소드에서 스택(또는 수소공급라인 및 수소재순환 라인)로 회수되는 것을 특징으로 한다.The present invention includes hydrogen recovery devices 20 and 30 that selectively recover hydrogen from the purge gas discharged from the anode of the stack 10, and the purge gas discharged from the anode of the stack 10 is a hydrogen recovery device. When introduced into (20, 30), hydrogen in the purge gas is separated into hydrogen ions and electrons (by the potential difference between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode) in the hydrogen recovery device (20, 30), and passes through the electrolyte membrane Hydrogen ions that have moved from the anode to the cathode are reduced back to hydrogen by electrons entering the cathode (through electron transfer means such as end plates and/or conductors), and then the stack (or hydrogen supply line and hydrogen recirculation line) in the cathode ) characterized in that it is recovered as.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따라 수소회수장치(20)가 포함된 연료전지시스템의 구성이 도시된 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 차량용 연료전지시스템은 스택(10)과 수소회수장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.2 is a diagram showing the configuration of a fuel cell system including a hydrogen recovery device 20 according to an embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the vehicle fuel cell system of the present invention is characterized by including a stack 10 and a hydrogen recovery device 20.

상기 스택(10)은 수소저장장치로부터 공급받는 수소와 외기를 통해 공급받는 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산해내는 구조를 갖는다. 아울러, 상기 스택(10)은 수소재순환장치, 가습기, 수소포집/희석 장치 등과 연결되며, 배기라인을 통해 캐소드에서 생성된 물과 퍼지가스 등을 배출할 수 있도록 구성된다. 상기 배기라인은 하나만 형성될 수도 있으나, 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 경로를 갖는 제1배기라인과 제2배기라인이 독립적으로 구성된다.The stack 10 has a structure that generates electricity through a chemical reaction between hydrogen supplied from a hydrogen storage device and oxygen supplied through outside air. In addition, the stack 10 is connected to a hydrogen recirculation device, a humidifier, a hydrogen collection/dilution device, etc., and is configured to discharge water and purge gas generated from the cathode through an exhaust line. Although only one exhaust line may be formed, in the embodiment of the present invention, the first exhaust line and the second exhaust line having different paths are independently configured.

본 발명의 실시예에서 상기 수소회수장치(20)는 제1배기라인의 경로상에 설치된다(제1배기라인은 주로 퍼지가스가 배출되도록 수소회수장치의 애노드에 연결되고 제2배기라인은 주로 물이 배출되도록 캐소드에 연결되는 구성인 것이 바람직하되, 제1배기라인과 제2배기라인 모두에서 퍼지가스와 물을 모두 배출할 수 있게 구성할 수 있다).In the embodiment of the present invention, the hydrogen recovery device 20 is installed on the path of the first exhaust line (the first exhaust line is mainly connected to the anode of the hydrogen recovery device so that the purge gas is discharged, and the second exhaust line is mainly It is preferable to be configured to be connected to the cathode so that water is discharged, but it can be configured to discharge both the purge gas and water from both the first exhaust line and the second exhaust line).

상기 수소회수장치(20)는 스택(10)의 애노드에서 배출되는 퍼지가스에서 수소를 추출하고 추출된 수소를 수소저장장치 또는 스택(10)으로 공급하되 수소를 제외한 물질은 제1배기라인을 통해 외부로 배출하도록 구성된다.The hydrogen recovery device 20 extracts hydrogen from the purge gas discharged from the anode of the stack 10 and supplies the extracted hydrogen to the hydrogen storage device or the stack 10, but materials other than hydrogen pass through the first exhaust line. It is configured to be discharged to the outside.

상기 수소회수장치(20)는 스택과 유사하게 전해질막(21), 애노드(22), 캐소드(23), 엔드플레이트(24, 25)를 포함하는 구성을 갖되, 스택(10)은 외부에서 산소가 공급되어 전자가 흐름으로써 전기를 생성시키는 반면에 수소회수장치(20)는 산소가 공급되지 않는 대신에 캐소드(23)와 애노드(22) 사이에 전위차를 발생시키면(캐소드와 애노드 각각의 촉매에 전위차가 형성되면) 애노드(22)에서 수소가 수소이온과 전자로 분해되고 캐소드(23)에서 수소이온과 전자가 수소로 환원되는 구조를 가지며 생성된 수소는 스택(10)으로 재공급되게 구성된다.The hydrogen recovery device 20 has a configuration including an electrolyte membrane 21, an anode 22, a cathode 23, and end plates 24 and 25 similar to the stack, but the stack 10 is oxygenated from the outside. is supplied and electrons flow to generate electricity, while the hydrogen recovery device 20 generates a potential difference between the cathode 23 and the anode 22 instead of oxygen being supplied (to each catalyst of the cathode and anode When a potential difference is formed), hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons at the anode 22, and hydrogen ions and electrons are reduced to hydrogen at the cathode 23, and the generated hydrogen is configured to be re-supplied to the stack 10 .

본 발명의 수소회수장치(20)에서는 전해질막(21)의 양측으로 애노드(22)와 캐소드(23)가 형성되는 구조를 갖되, 상기 전해질막(21)은 수소이온은 통과시키고 전자의 이동은 차단하며, 상기 애노드(22)에서는 퍼지가스가 유입되면 상기 퍼지가스에 포함된 수소가 전위차에 의해 수소이온과 전자로 분리된다. 이때, 애노드(22)와 캐소드(23)의 양측은 엔드플레이트(24, 25)에 의해 폐쇄된 상태에서, 수소이온은 전해질막(21)을 통과하여 캐소드(23)로 이동되고 전자는 엔드플레이트(24, 25)와 전도체(26)를 통해 캐소드(23)로 이동된다. 상기 캐소드(23)에는 수소이온과 전자가 다시 결합되어 수소로 환원반응이 이루어진다. In the hydrogen recovery device 20 of the present invention, the anode 22 and the cathode 23 are formed on both sides of the electrolyte membrane 21, but the electrolyte membrane 21 passes hydrogen ions and the movement of electrons When the purge gas is introduced into the anode 22, the hydrogen contained in the purge gas is separated into hydrogen ions and electrons due to a potential difference. At this time, in a state in which both sides of the anode 22 and the cathode 23 are closed by the end plates 24 and 25, hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 21 and move to the cathode 23, and electrons are transferred to the end plate It travels through (24, 25) and conductor (26) to cathode (23). In the cathode 23, hydrogen ions and electrons are combined again, and a reduction reaction to hydrogen is performed.

이러한 원리는 수소 정제(purification)에 사용되는 대규모 전기화학적 수소압축기(Hydrogen Recovery Device)에 사용되는 원리와 유사한 것으로서 수소의 산화와 환원반응에 요구되는 전위차(셀전압)는 퍼지가스의 온도 및 압력에 따라 변동될 수 있고, 이러한 데이터는 수소회수장치 내에 설치된 센서로 부터 획득될 수 있다. 그리고 획득된 데이터는 제어장치가 연산하여 요구되는 전위차를 결정한 다음에 상기 제어장치는 (배터리 또는 발전기로부터 공급되는 전기에너지로부터) 전압인가를 조절할 수 있다.This principle is similar to that used in a large-scale electrochemical hydrogen recovery device used for hydrogen purification. The potential difference (cell voltage) required for hydrogen oxidation and reduction reactions depends on the temperature and pressure of the purge gas. This data can be obtained from a sensor installed in the hydrogen recovery device. Then, the obtained data is calculated by the control device to determine the required potential difference, and then the control device can adjust the application of voltage (from electric energy supplied from a battery or generator).

한편, 상기 전해질막(21)과 캐소드(23), 애노드(22), 전자이동수단(여기에서는 엔드플레이트(24, 25) 및/또는 전도체(26))를 포함하여 수소의 산화환원반응이 개별적으로 이루어지는 단위회수장치(도 4 의 30a 참조)는 도 2 에서는 하나만 구성되었으나 양측의 엔드플레이트(24, 25) 내에서 복수 개가 배치될 수 있다. 즉, 상기 수소회수장치(20)는 엔드플레이트들(24, 25) 사이에서 단위회수장치를 증대시켜 회수용량을 증대시킬 수 있다.On the other hand, the oxidation-reduction reaction of hydrogen is individually Although only one unit recovery device (see 30a in FIG. 4 ) is configured in FIG. 2 , a plurality of units may be disposed within the end plates 24 and 25 on both sides. That is, the hydrogen recovery device 20 can increase the recovery capacity by increasing the unit recovery device between the end plates 24 and 25 .

그리고, 상기 수소회수장치(20)는 스택(10)에서부터 퍼지가스를 외부로 배출하는 제1배기라인의 경로상에서 상기 스택(10)과 분리되어 장착될 수 있되, 상기 수소회수장치(20)와 스택(10) 사이에는 퍼지가스의 유동을 조절하는 밸브(도 2 에서 Valve1 로 표시된 부분 참조)가 설치되고, 상기 수소회수장치(20)를 우회하여 퍼지가스를 외부로 배출하는 제2배기라인을 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen recovery device 20 may be mounted separately from the stack 10 on the path of the first exhaust line for discharging the purge gas from the stack 10 to the outside, and the hydrogen recovery device 20 and A valve (refer to the part indicated as Valve 1 in FIG. 2) is installed between the stacks 10 to control the flow of the purge gas, and a second exhaust line bypasses the hydrogen recovery device 20 and discharges the purge gas to the outside. can include more.

따라서, 상기 수소회수장치(20)는 수소 농도가 기준치 이하인 경우에는 퍼지가스 전체를 외부로 퍼지시킬 수 있되 수소 농도가 기준치 이상인 경우에는 수소만 선택적으로 회수하여 스택(10)으로 재공급시킬 수 있다. 즉, 수소회수장치(20)의 애노드(22) 내에 수소농도가 기준치 이하일 때는 도 2 에서 Valve2가 개방되어 애노드(22) 내에 있는 기체(수소와 질소)는 외부로 배출된다. 그 후에, Valve2 가 닫힌 상태에서 Valve1 가 개방되면 스택(10)의 애노드에서 수소농도가 높은 가스가 다시 수소회수장치(20)의 애노드(22)로 유입되고 수소의 회수가 이루어진 다음, 위와 동일하게 Valve2 가 재개방되어 수소농도가 기준치 이하로 떨어진 가스는 외부로 배출된다. 그러므로, 본 발명의 상기 수소회수장치(20)는 수소 농도가 기준치 이하인 경우에는 가스 전체를 외부로 배출시키되 수소농도가 기준치 이상인 경우에는 수소만 회수하도록 선택적으로 작동할 수 있다.Therefore, the hydrogen recovery device 20 can purge the entire purge gas to the outside when the hydrogen concentration is below the reference value, but selectively recovers only hydrogen and resupplies it to the stack 10 when the hydrogen concentration is above the reference value. . That is, when the hydrogen concentration in the anode 22 of the hydrogen recovery device 20 is less than the standard value, Valve 2 in FIG. 2 is opened and the gases (hydrogen and nitrogen) in the anode 22 are discharged to the outside. After that, when Valve1 is opened while Valve2 is closed, gas having a high hydrogen concentration from the anode of the stack 10 flows back into the anode 22 of the hydrogen recovery device 20, and hydrogen is recovered, and then the same as above Valve 2 is reopened, and the hydrogen concentration drops below the standard value, and the gas is discharged to the outside. Therefore, the hydrogen recovery device 20 of the present invention can selectively operate to discharge the entire gas to the outside when the hydrogen concentration is below the standard value, but recover only hydrogen when the hydrogen concentration is above the standard value.

아울러, 본 발명의 다른 실시예로써, 상기 수소회수장치(30)는 스택(10)과 일체로 결합장착되어 캐소드(33)에서 생성된 수소가 스택(10)으로 재공급되도록 구성될 수 있다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서는 상기 수소회수장치의 애노드를 구성하게 되는 엔드플레이트가 스택의 엔드플레이트와 공용으로 사용되게 결합될 수 있다. 즉, 스택은 양측 각각에 엔드플레이트가 결합된 구조를 갖되, 상기 엔드플레이트들은 서로 전기적으로 연결되어 전류가 이동하게 되므로 양극이 되거나 음극이 된다. 이때 본 발명의 수소회수장치는 스택의 엔드프레이트 중 음극이 되는 엔드플레이트에 결합 또는 일체화되어 음극을 공유할 수 있다. 즉, 애노드(32)와 연결되어 전자가 나가는 음극판되며 최외각에 배치된 엔드플레이트(34)가 스택(10)의 음극판(14)과 공용으로 사용되게 스택(10)과 결합될 수 있다(참고로, 상기 수소회수장치(30)와 스택(10)은 양극판(15, 35)이 공용으로 사용되게 결합될 수도 있을 것이나 이 경우에는 산소의 출입을 차단하되 퍼지가스의 유입을 허용하기 위해 설계가 복잡해지는 문제가 발생할 수 있다).In addition, as another embodiment of the present invention, the hydrogen recovery device 30 may be integrally coupled and mounted with the stack 10 so that hydrogen generated at the cathode 33 is re-supplyed to the stack 10. As shown in FIG. 3, in this embodiment, the end plate constituting the anode of the hydrogen recovery device can be combined with the end plate of the stack for common use. That is, the stack has a structure in which end plates are coupled to both sides, and the end plates are electrically connected to each other to allow current to flow, so that they become an anode or a cathode. At this time, the hydrogen recovery device of the present invention may share a cathode by being combined or integrated with an end plate serving as a cathode among end plates of the stack. That is, it is a cathode plate connected to the anode 32 and from which electrons exit, and the end plate 34 disposed at the outermost part can be combined with the stack 10 to be used in common with the cathode plate 14 of the stack 10 (Ref. Therefore, the hydrogen recovery device 30 and the stack 10 may be combined so that the positive electrode plates 15 and 35 are used in common, but in this case, the design is designed to block the entry and exit of oxygen but allow the inflow of purge gas complications may arise).

도 4 에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 상기 수소회수장치(30)는 두 개 이상의 단위회수장치(30a)가 적층된 구조를 가지며 상기 단위회수장치(30a)는 분리판(36)에 의해 구획되고, 상기 분리판(36) 내부를 냉각수가 유동하도록 구성된다.As shown in FIG. 4, in this embodiment, the hydrogen recovery device 30 has a structure in which two or more unit recovery devices 30a are stacked, and the unit recovery device 30a is separated by a separator plate 36. partitioned, and configured to allow cooling water to flow inside the partition plate 36.

이 실시예에서는 상기 분리판(36)이 관통되도록 장착되되 상기 분리판(36)과 함께 내부를 구획하며 그 사이에서 각각의 단위회수장치(30a)의 애노드(32)와 캐소드(33)가 마련되도록 두 개가 서로 이격되어 장착되는 제1가스켓(37a)과 제2가스켓(37b)을 포함한다. In this embodiment, the separation plate 36 is mounted so as to pass through, and the inside is partitioned together with the separation plate 36, and the anode 32 and the cathode 33 of each unit recovery device 30a are provided between them. It includes a first gasket 37a and a second gasket 37b, two of which are spaced apart from each other as much as possible.

상기 제1가스켓(37a)은 애노드(32)와 캐소드(33)가 마련된 공간과 스택(10)에서 배출되는 퍼지가스의 통로(38a)를 구획하며 각각의 애노드(32)로 퍼지가스가 유입되는 매니폴드입구(도 4 의 화살표 방향 참조)가 형성되고, 상기 제2가스켓(37b)은 애노드(32)와 캐소드(33)가 마련된 공간과 스택(10)으로 배출되는 수소 통로(38b)를 구획하며 각각의 캐소드(33)에서 환원된 수소가 배출되는 매니폴드출구가 형성된다.The first gasket 37a divides the space where the anode 32 and the cathode 33 are provided and the passage 38a of the purge gas discharged from the stack 10, and the purge gas flows into each anode 32. A manifold inlet (refer to the direction of the arrow in FIG. 4 ) is formed, and the second gasket 37b divides the space where the anode 32 and cathode 33 are provided and the hydrogen passage 38b discharged to the stack 10. And a manifold outlet through which hydrogen reduced by each cathode 33 is discharged is formed.

그리고, 상기 퍼지가스 통로(38a)의 입구와 스택(10)으로 유입되는 수소 통로(38b)의 출구는 스택(10)의 음극판과 공용으로 사용되며 최외각에 배치된 엔드플레이트(34)가 타공되어 형성된다.In addition, the inlet of the purge gas passage 38a and the outlet of the hydrogen passage 38b flowing into the stack 10 are used in common with the cathode plate of the stack 10, and the end plate 34 disposed at the outermost part is perforated. to be formed

상기 퍼지가스의 통로(38a)에는 퍼지가스 중 수소의 농도를 계측하는 농도센서(H2 농도센서) 및 상기 퍼지가스가 매니폴드입구에 도달하기 전에 퍼지가스의 흐름을 차단하는 밸브(39)가 설치되고, 수소의 농도에 따라 밸브(39)의 개폐가 제어된다.In the passage 38a of the purge gas, a concentration sensor (H 2 concentration sensor) for measuring the concentration of hydrogen in the purge gas and a valve 39 for blocking the flow of the purge gas before the purge gas reaches the manifold inlet are provided. It is installed, and the opening and closing of the valve 39 is controlled according to the concentration of hydrogen.

이와 같이 구성된 수소회수장치(30)는 각각의 단위회수장치들(30a)에서 수소의 회수가 가능하며, 각각의 분리판들(36)은 냉각수가 이동하는 통로뿐만아니라 캐소드(33)와 애노드(32) 사이에서 전자가 이동하는 전자이동수단이 될 수 있다.The hydrogen recovery device 30 configured as described above is capable of recovering hydrogen in each of the unit recovery devices 30a, and each of the separators 36 includes a passage for cooling water as well as a cathode 33 and an anode ( 32).

도 5 는 도 3 의 수소회수장치(30)의 단면모습들을 나타내되 도 4 의 단면방향과 다른 방향의 단면모습이 도시된 도면으로써, A 내지 D 위치에서의 단면모습을 각각 나타낸다. FIG. 5 is a view showing cross-sectional views of the hydrogen recovery device 30 of FIG. 3 in a direction different from the cross-sectional direction of FIG. 4, showing cross-sectional views at positions A to D, respectively.

상기 수소회수장치(30)는 음극판이되는 엔드플레이트 부분(A)에서 스택의 애노드입구(An. 입구 매니폴드)와 개통된 입구를 퍼지가스의 통로(38a)로써 가지며, 스택의 출구(An. 출구 매니폴드)와 개통된 출구를 수소 통로(38b)로써 갖는다. 그리고, (도 4 에서는 도시되지 않는 부분에서) 분리판이 내장되어 냉각수가 흐르는 매니폴드를 갖는다. The hydrogen recovery device 30 has an inlet open to the anode inlet (An. inlet manifold) of the stack as a purge gas passage 38a at the end plate portion A serving as the cathode plate, and the outlet of the stack (An. outlet manifold) and an outlet opened as a hydrogen passage 38b. And, it has a manifold in which the separator is built in (at a portion not shown in FIG. 4) through which cooling water flows.

아울러, 캐소드가 위치하는 부분(B), 전해질막이 위치하는 부분(C), 애노드(D)가 위치하는 부분 각각에서는 A부분의 퍼지가스의 통로(38a)와 개통되고 수소 통로(38b)와 개통된 부분을 갖되 이러한 개통은 상기 제1가스켓과 제2가스켓의 타공된 홀에 의해 선택적으로 연결이 가능하다. In addition, in each of the portion (B) where the cathode is located, the portion (C) where the electrolyte membrane is located, and the portion where the anode (D) is located, it is open to the passage 38a of the purge gas of the portion A and opens to the hydrogen passage 38b. However, this opening can be selectively connected by perforated holes of the first gasket and the second gasket.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 차량용 연료전지시스템은 스택의 애노드에서 퍼지가스 배출 시 함께 배출되는 수소를 회수하여 다시 사용하므로 차량의 연비를 증대시킬 수 있다.The fuel cell system for a vehicle of the present invention having the configuration described above can increase fuel efficiency of a vehicle by recovering and reusing hydrogen discharged together when purge gas is discharged from the anode of the stack.

상기 수소회수장치는 다수 개의 단위회수장치들이 적층되어 구성될 수 있으므로, 스택의 용량 및 차량 내부의 레이아웃에 따라 (단위회수장치들의 갯수를 조절하여) 수소 회수용량을 적절히 디자인할 수 있다.Since the hydrogen recovery device may be configured by stacking a plurality of unit recovery devices, the hydrogen recovery capacity may be appropriately designed (by adjusting the number of unit recovery devices) according to the stack capacity and vehicle interior layout.

상기 수소회수장치는 스택과 분리되거나 통합되도록 설치되어 설치 환경에 따라 유연하게 장착될 수 있고, 수소회수장치를 거치지 않고 우회하여 퍼지가스가 배출되는 제2배기라인을 더 포함하여 차량 운행상태 및 질소누적 상태에 따라 수소 회수를 적절히 조절할 수 있다.The hydrogen recovery device is installed to be separated from or integrated with the stack and can be flexibly mounted according to the installation environment, and further includes a second exhaust line through which purge gas is discharged by bypassing the hydrogen recovery device, and the vehicle operating state and nitrogen Hydrogen recovery can be appropriately adjusted according to the accumulation state.

상기 수소회수장치는 스택의 엔드플레이트와 공용으로 사용되는 엔드플레이트를 가지므로 설치공간을 더욱 줄일 수 있고 부품 공용화를 도모할 수 있다.Since the hydrogen recovery device has an end plate commonly used with the end plate of the stack, an installation space can be further reduced and parts can be shared.

상기 수소회수장치는 냉각수에 의해 냉각되어 반응속도가 더 빠르게 이루어질 수 있고, 상기 수소회수장치에는 수소의 농도를 계측하는 농도센서 및 퍼지가스의 흐름을 차단하는 밸브가 설치되어 퍼지가스의 수소농도에 따라 효율적으로 수소 회수를 조절할 수 있다.The hydrogen recovery device is cooled by cooling water so that the reaction rate can be made faster, and a concentration sensor for measuring the hydrogen concentration and a valve for blocking the flow of the purge gas are installed in the hydrogen recovery device to determine the hydrogen concentration of the purge gas. Therefore, hydrogen recovery can be efficiently controlled.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and is described below with the technical spirit of the present invention by those skilled in the art to which the present invention belongs. Various implementations are possible within the scope of equivalents of the claims to be made.

10 : 스택
14 : 음극판
15, 35 : 양극판
20, 30 : 수소회수장치
21, 31 : 전해질막
22, 32 : 애노드
23, 33 : 캐소드
24, 25, 34, 35 : 엔드플레이트
26 : 전도체
36 : 분리판
37a : 제1가스켓, 37b : 제2가스켓
38a : 퍼지가스의 통로, 38b : 수소 통로
39 : 퍼지가스의 흐름을 차단하는 밸브10 : stack
14: negative plate
15, 35: positive plate
20, 30: hydrogen recovery device
21, 31: electrolyte membrane
22, 32: anode
23, 33: cathode
24, 25, 34, 35: end plate
26: conductor
36: separator plate
37a: first gasket, 37b: second gasket
38a: purge gas passage, 38b: hydrogen passage
39: valve blocking the flow of purge gas

Claims (11)

차량용 연료전지시스템에 있어서,
수소저장장치로부터 공급받는 수소와 외기를 통해 공급받는 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산해내는 스택;
상기 스택에서 배출되는 퍼지가스에서 수소를 추출하되, 추출된 수소를 수소저장장치 또는 스택으로 공급하고, 수소를 제외한 물질은 외부로 배출하는 수소회수장치;
상기 스택으로부터 배출되는 퍼지가스를 외부로 배출하기 위해 구비되고 배출밸브가 설치되는 제1배기라인; 및
상기 수소회수장치와 상기 스택 사이에 구비되고 상기 퍼지가스의 유동을 조절하는 조절밸브가 설치되고, 상기 수소회수장치를 우회하여 퍼지가스를 외부로 배출하는 제2 배기라인;
상기 수소회수장치의 퍼지가스 중 수소의 농도에 대한 데이터를 획득하고, 획득된 데이터를 기초로 상기 배출밸브와 상기 조절밸브를 제어하도록 구비되는 제어장치를 포함하고,
상기 수소회수장치는,
퍼지가스가 유입되는 애노드; 및
상기 수소회수장치로 유입되는 퍼지가스 중 수소의 농도를 측정하는 농도센서를 포함하고,
상기 제어장치는,
상기 수소회수장치에 구비된 상기 애노드 내의 수소 농도가 기설정된 기준치 이하이면, 상기 애노드 내의 유체를 외부로 배출되도록 상기 배출밸브를 개방하고,
상기 수소회수장치에 구비된 상기 애노드 내의 수소 농도가 상기 기준치보다 높으면, 상기 수소회수장치 내의 유체가 상기 스택으로 회수되도록 상기 조절밸브와 상기 배출밸브를 제어하는 차량용 연료전지시스템.
In the vehicle fuel cell system,
A stack that generates electricity through a chemical reaction between hydrogen supplied from the hydrogen storage device and oxygen supplied through the outside air;
a hydrogen recovery device that extracts hydrogen from the purge gas discharged from the stack, supplies the extracted hydrogen to a hydrogen storage device or a stack, and discharges materials other than hydrogen to the outside;
a first exhaust line provided to discharge the purge gas discharged from the stack to the outside and equipped with a discharge valve; and
a second exhaust line provided between the hydrogen recovery device and the stack, provided with a control valve for controlling the flow of the purge gas, and discharging the purge gas to the outside by bypassing the hydrogen recovery device;
A control device provided to acquire data on the concentration of hydrogen in the purge gas of the hydrogen recovery device and control the discharge valve and the control valve based on the obtained data,
The hydrogen recovery device,
an anode through which purge gas flows; and
Including a concentration sensor for measuring the concentration of hydrogen in the purge gas flowing into the hydrogen recovery device,
The control device,
When the hydrogen concentration in the anode provided in the hydrogen recovery device is less than a predetermined reference value, opening the discharge valve to discharge the fluid in the anode to the outside;
When the hydrogen concentration in the anode provided in the hydrogen recovery device is higher than the reference value, the control valve and the discharge valve are controlled so that the fluid in the hydrogen recovery device is recovered to the stack.
 제 1 항에 있어서,
상기 수소회수장치는, 하나 이상의 단위회수장치를 포함하고,
상기 단위회수장치는,
수소이온은 통과시키고 전자의 이동은 차단하는 전해질막;
상기 전해질막의 일측에 형성되는 상기 애노드; 및
상기 전해질막의 타측에 형성되며, 전해질막을 통과한 수소이온과 전자이동수단을 통해 이동된 전자가 결합되어 수소가 생성되는 캐소드를 포함하고,
상기 애노드에 유입된 퍼지가스에 포함된 수소는, 전위차에 의해 수소이온과 전자로 분리되고,
상기 애노드와 상기 캐소드의 양측에는 공간을 폐쇄하는 엔드플레이트가 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 1,
The hydrogen recovery device includes one or more unit recovery devices,
The unit recovery device,
An electrolyte membrane that passes hydrogen ions and blocks the movement of electrons;
The anode formed on one side of the electrolyte membrane; and
It is formed on the other side of the electrolyte membrane, and includes a cathode in which hydrogen is generated by combining hydrogen ions passing through the electrolyte membrane and electrons transferred through the electron transfer means,
Hydrogen contained in the purge gas flowing into the anode is separated into hydrogen ions and electrons by a potential difference,
A fuel cell system for a vehicle, characterized in that end plates for closing a space are disposed on both sides of the anode and the cathode.
 제 2 항에 있어서,
상기 수소회수장치는 두 개 이상의 단위회수장치가 적층된 구조를 가지며 상기 단위회수장치 사이에는 분리판이 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 2,
The hydrogen recovery device has a structure in which two or more unit recovery devices are stacked, and a separator is disposed between the unit recovery devices.
 제 2 항에 있어서,
상기 수소회수장치는 상기 제1배기라인의 경로상에 구비되고 상기 스택과 분리되어 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 2,
The hydrogen recovery device is provided on the path of the first exhaust line and mounted separately from the stack.
 삭제delete 제 2 항에 있어서,
상기 수소회수장치는 스택과 일체로 결합장착되어 캐소드에서 생성된 수소가 스택으로 재공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 2,
The hydrogen recovery device is coupled and mounted integrally with the stack, so that hydrogen generated at the cathode is re-supplied to the stack.
 제 6 항에 있어서,
애노드와 연결되어 전자가 나가는 음극판되며 최외각에 배치된 엔드플레이트가 스택의 음극판과 공용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 6,
A fuel cell system for a vehicle, characterized in that a cathode plate connected to the anode and from which electrons exit, and an end plate disposed at the outermost part is used in common with the cathode plate of the stack.
 제 7 항에 있어서,
상기 수소회수장치는 두 개 이상의 단위회수장치가 적층된 구조를 가지며 상기 단위회수장치는 분리판에 의해 구획되고,
상기 분리판 내부를 냉각수가 유동하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 7,
The hydrogen recovery device has a structure in which two or more unit recovery devices are stacked, and the unit recovery device is partitioned by a separator plate,
A fuel cell system for a vehicle, characterized in that the coolant flows inside the separator.
 제 8 항에 있어서,
상기 분리판이 관통되도록 장착되되, 상기 분리판과 함께 내부를 구획하며 그 사이에서 애노드와 캐소드가 마련되도록 두 개가 서로 이격되어 장착되는 제1가스켓과 제2가스켓을 포함하고,
상기 제1가스켓은 애노드와 캐소드가 마련된 공간과 스택에서 배출되는 퍼지가스의 통로를 구획하며 각각의 애노드로 퍼지가스가 유입되는 매니폴드입구가 형성되고,
상기 제2가스켓은 애노드와 캐소드가 마련된 공간과 스택으로 배출되는 수소 통로를 구획하며 각각의 캐소드에서 환원된 수소가 배출되는 매니폴드출구가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 8,
It includes a first gasket and a second gasket mounted so that the separator passes through, partitions the interior together with the separator and is spaced apart from each other so that an anode and a cathode are provided therebetween,
The first gasket partitions a space provided with an anode and a cathode and a passage for a purge gas discharged from the stack, and a manifold inlet through which the purge gas flows into each anode is formed,
The second gasket partitions a space where the anode and the cathode are provided and a hydrogen passage discharged to the stack, and a manifold outlet through which hydrogen reduced from each cathode is discharged is formed.
 제 9 항에 있어서,
상기 퍼지가스 통로의 입구와 스택으로 유입되는 수소 통로의 출구는 스택의 음극판과 공용으로 사용되며 최외각에 배치된 엔드플레이트가 타공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 9,
The fuel cell system for a vehicle, characterized in that the inlet of the purge gas passage and the outlet of the hydrogen passage flowing into the stack are commonly used with the cathode plate of the stack and formed by perforating an end plate disposed at the outermost part.
 제 9 항에 있어서,
상기 농도센서는, 상기 퍼지가스의 통로에는 퍼지가스 중 수소의 농도를 계측하도록 구비되고,
상기 조절밸브는, 상기 퍼지가스가 매니폴드입구에 도달하기 전에 퍼지가스의 흐름을 조절하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.
According to claim 9,
The concentration sensor is provided in the passage of the purge gas to measure the concentration of hydrogen in the purge gas,
The control valve is provided to control the flow of the purge gas before the purge gas reaches the manifold inlet.
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