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KR20140126862A - Fuel cell system and control method of the same which improve cold-startability of a fuel cell vehicle - Google Patents

Fuel cell system and control method of the same which improve cold-startability of a fuel cell vehicle Download PDF

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KR20140126862A
KR20140126862A KR1020130044910A KR20130044910A KR20140126862A KR 20140126862 A KR20140126862 A KR 20140126862A KR 1020130044910 A KR1020130044910 A KR 1020130044910A KR 20130044910 A KR20130044910 A KR 20130044910A KR 20140126862 A KR20140126862 A KR 20140126862A
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KR
South Korea
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fuel cell
cell stack
impedance
hydrogen
anode
Prior art date
Application number
KR1020130044910A
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Korean (ko)
Inventor
정귀성
고재준
금영범
김억수
박현석
Original Assignee
현대자동차주식회사
현대오트론 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system which effectively removes water remaining in an anode (a hydrogen electrode or an anode) of a fuel cell, when a fuel cell vehicle stops at low temperatures, to prevent reverse voltages due to hydrogen shortage during cold start-up, and a method for controlling the same. To this end, one embodiment of the present invention comprises: a fuel cell stack which generates electric energy with the reaction of hydrogen and oxygen; a hydrogen supplying unit which supplies hydrogen to an anode of the fuel cell stack; an air supply unit which supplies air to a cathode of the fuel cell stack; a resistor which selectively consumes the electricity of the fuel cell stack; an impedance measuring unit which measures the impedance of the fuel cell stack; and a controller which supplies hydrogen to the anode of the fuel cell stack to generate electricity when the fuel cell stack′s impedance, which is measured by the impedance measuring unit during stopping of driving or when ignition is off, is over the set value, and which controls the generated electricity to be consumed in the resistor.

Description

냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 {Fuel cell system and control method of the same which improve cold-startability of a fuel cell vehicle} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system for improving cold startability and a control method thereof,

본 발명은 연료전지에 잔존하는 내부 물을 제거하여 냉 시동성을 개선하기 위한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연료 전지 자동차의 저온 정지시 연료전지(또는 연료전지 스택)의 애노드(anode; 수소극 또는 산화전극)에 잔존하는 물을 효율적으로 제거함으로써 냉 시동시 수소부족에 의한 역전압을 방지할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system for improving cold startability by removing internal water remaining in a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell system for controlling a fuel cell (or a fuel cell stack) The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, which can effectively prevent reverse voltage due to hydrogen shortage during cold start by efficiently removing water remaining in an anode (hydrogen electrode or oxidizing electrode).

잘 알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. As is well known, fuel cell systems are a kind of power generation system that converts the chemical energy of fuel directly into electric energy.

연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다. The fuel cell system mainly includes a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen in the air, which is an oxidant required for electrochemical reaction, And a heat and water management device for removing the reaction heat of the fuel cell stack from the system and controlling the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.With this configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction by-products.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.In a fuel cell stack applied to a fuel cell vehicle, unit cells are arranged continuously. Each unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) located at the innermost part thereof. The membrane- An electrolyte membrane capable of moving hydrogen ions (proton), and a catalyst layer coated on both sides of the electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react with each other, that is, a cathode and an anode.

또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 세퍼레이터(Separator)가 위치한다.Further, a gas diffusion layer (GDL) is disposed at an outer portion of the MEA, that is, at an outer portion of the cathode and the anode, and fuel and air are supplied to the cathode and the anode from the outside of the gas diffusion layer A separator having a flow field is disposed to discharge the water generated by the reaction.

따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다.Therefore, hydrogen and oxygen are ionized by the chemical reaction by the respective catalyst layers, so that the hydrogen side carries out an oxidation reaction in which hydrogen ions and electrons are generated, while the oxygen side carries out a reduction reaction in which oxygen ions react with hydrogen ions to generate water .

즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 세퍼레이터를 통하여 캐소드로 전달된다.That is, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as an "oxidizing electrode") and oxygen (air) is supplied to a cathode (also referred to as a reducing electrode), and hydrogen supplied to the anode is supplied to both sides of the electrolyte membrane (Proton, H +) are selectively decomposed into hydrogen ions (Proton, H +) and electrons (Electron, e-) Electrons (e, e) are transferred to the cathode through a gas diffusion layer, which is a conductor, and a separator.

이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 세퍼레이터를 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.Thus, in the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to produce water.

이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.Due to the movement of the hydrogen ions occurring at this time, an electric current is generated by the flow of electrons through the external lead, and the heat is incidentally generated in the water production reaction.

연료전지 시스템의 시동을 오프하는 경우 상기와 같이 막 전극 어셈블리 내에 생성된 물을 제거하여야 차기 시동에서 산화 및 환원반응에 안정성을 제공하여 안정된 시동성을 확보하게 된다.In the case where the start-up of the fuel cell system is turned off, water generated in the membrane electrode assembly is removed as described above to provide stability in the oxidation and reduction reactions at the next start, thereby ensuring stable startability.

특히, 주위의 온도가 빙점(0℃) 이하의 온도에서 막-전극 어셈블리 내에 생성된 물을 제거하지 않은 상태에서 방치한 경우 외부 온도에 의해 막-전극 어셈블리의 애노드 및 캐소드 표면이 얼어붙게 된다.In particular, when the ambient temperature is left without removing water generated in the membrane-electrode assembly at a temperature below the freezing point (0 ° C), the anode and cathode surfaces of the membrane-electrode assembly are frozen by external temperature.

따라서, 연료전지 스택은 연료인 수소와 산화제인 공기가 애노드 및 캐소드로 원활하게 공급되지 못해 정상적인 화학적인 반응이 일어나지 않게 되며, 결과적으로 시동이 불가능해진다.Therefore, the fuel cell stack can not smoothly supply hydrogen, which is a fuel, and air, which is an oxidant, to the anode and the cathode, so that a normal chemical reaction does not occur, and as a result, start-up becomes impossible.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 빙점 이하의 온도에서 시동 오프가 검출되는 경우 연료(수소)나 산화제(공기)의 퍼징을 통해 막-전극 어셈블리 내에 존재하는 물을 제거하여 냉시동성을 향상시키는 기술이 다양하게 제공되고 있다.In order to solve the above-described problems, there is a technique of improving the cold-live state by removing water present in the membrane-electrode assembly through purging of fuel (hydrogen) or oxidizer (air) when the start- .

예를 들어 "US6479177"에는 시동 오프시 영하의 온도조건인 경우 드라이가스를 퍼징하여 연료전지 스택 내부의 물을 제거하는 기술이 개재되어 있고, "US6887598"에는 시동 오프시 가습 정지 및 공기 공급 증대를 통해 연료전지 스택 내부의 수분을 제거하는 기술이 개재되어 있으며, "US7270903"에는 충분한 냉각(Soaking) 상태에서 써모스탯으로 온도를 판단한 후 영하이면 공기 퍼징을 실행하여 연료전지 스택 내부의 물을 제거하는 기술이 개재되어 있고, "US7344795"에는 시동 오프시 연료전지 스택 내의 물을 제거하기 위해 가습기 및 인터쿨러를 바이패스 한 공기를 퍼징시키는 기술이 개재되어 있다.For example, "US6479177" includes a technique for purging the interior of the fuel cell stack by purging the dry gas in the case of a zero-temperature condition at start-off. "US6887598" includes a humidification stop at startup and an increase in air supply And US7270903 discloses a method of removing water from the fuel cell stack by performing air purging after determining the temperature from the thermostat in a sufficient cooling (soaking) state, Quot ;, and "US7344795" discloses a technique for purging the air bypassing the humidifier and the intercooler to remove water in the fuel cell stack during start-off.

그러나, 상기한 기술들은 연료전지 스택 내부의 물을 완전하게 제거하지 못하여 빙점 이하에서 시동성을 저하시키는 문제점이 있다.However, the above-described techniques fail to completely remove the water in the fuel cell stack, thereby lowering the startability below the freezing point.

또한, "US5798186"에는 연료전지 스택이 냉각된 상태에서 시동 온이 요구되는 경우 외부의 회로를 이용하여 연료전지 스택에 전류를 공급하여 막-전극 어셈블리내의 애노드 혹은 캐소드 중 어느 하나의 온도를 물의 용융온도 이상으로 올리는 기술이 제공되고 있다.In addition, "US5798186" discloses that when the fuel cell stack is cooled and startup is required, an external circuit is used to supply current to the fuel cell stack so that the temperature of either the anode or the cathode in the membrane- Techniques for raising the temperature above the temperature are being provided.

그러나, 이러한 기술은 히터의 가열에 따른 전압의 손실로 OCV(Open Circuit Voltage) 발생되어 연료전지 스택의 내구수명을 단축시키고, 출력성능을 감소시키는 문제점을 발생시킨다.However, this technique causes an OCV (Open Circuit Voltage) due to a voltage loss due to the heating of the heater, shortening the durability life of the fuel cell stack and reducing the output performance.

또한, "US6358638"에서는 연료전지 스택이 냉각된 상태에서 시동 온이 요구되는 경우 냉시동성을 높이기 위하여 애노드측의 수소공급라인에 산소를 공급하거나 캐소드측의 산소공급라인에 수소를 공급하여 촉매에서 직접 발열 반응이 일어나도록 하는 기술이 제공되고 있다.In the case of " US6358638 ", when starting-up is required in a state where the fuel cell stack is cooled, oxygen is supplied to the anode side hydrogen supply line or hydrogen is supplied to the cathode side oxygen supply line There is provided a technique for causing an exothermic reaction.

이러한 기술 역시 공기를 공급하기 위한 동작에서 전압의 손실이 발생되므로 OCV(Open Circuit Voltage)가 형성되어 연료전지 스택의 내구수명을 단축시키고, 출력성능을 감소시키는 문제점을 발생시킨다.This technique also causes a loss of voltage in the operation of supplying air, so that an OCV (Open Circuit Voltage) is formed, shortening the durability life of the fuel cell stack and reducing the output performance.

연료전지 스택에서 OCV가 지속적으로 발생되면 도 1에 도시된 바와 같이, 막-전극 어셈블리의 촉매인 Pt가 녹아 내측으로 들어가서 막-전극 멤브레인의 구조를 공격하여 성능을 저하시키며, 내구수명을 단축시키고 출력성능을 저감시키는 문제점을 발생시킨다.When the OCV is continuously generated in the fuel cell stack, as shown in FIG. 1, Pt, which is a catalyst of the membrane-electrode assembly, melts and enters the inside, attacking the structure of the membrane electrode membrane to deteriorate performance, shorten the service life Thereby causing a problem of reducing the output performance.

결국, 연료전지의 냉시동 성공 여부는 연료전지 스택 및/또는 셀 내의 물을 얼마나 잘 제거하느냐에 달려 있다. 이는 연료전지의 운전 온도가 낮을 경우, 가스 출구의 포화 수증기압이 낮기 때문에 증기(Vapor)로 나갈 수 있는 물이 적어 셀 내에서 응축되기 때문이다. As a result, the success of the cold start of the fuel cell depends on how well the fuel cell stack and / or the water in the cell is removed. This is because when the operating temperature of the fuel cell is low, the saturated water vapor pressure at the gas outlet is low, so that water that can flow out to the vapor is condensed in the cell.

예를 들면, 겨울철 냉시동 후 연료전지 스택이 완전히 웜업이 안된 상태에서 짧은 거리 주행(예; 베이커리 모드(Bakery mode)) 후 정지 될 경우 연료전지 셀 내에 다량의 응축수가 발생될 수 있다. 이와 같은 경우, 캐소드(공기극)에는 공기 블로어에 의한 퍼지를 통해 어느 정도 물을 제거 할 수 있지만, 애노드(수소극)의 경우는 배관이 작고, 수소 안전 문제로 많은 양의 퍼지가 어렵기 때문에 물제거가 어려울 수 있다. For example, a large amount of condensed water may be generated in the fuel cell cell when the fuel cell stack is stopped after short-distance travel (for example, bakery mode) in a state where the fuel cell stack is not completely warmed up after cold start in winter. In this case, water can be removed to a certain extent through the purging by an air blower in the cathode (air electrode). However, in the case of the anode (hydrogen electrode), since piping is small and hydrogen purging is difficult, Removal can be difficult.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 운전 정지시 또는 시동 오프시 연료전지 스택의 임피던스 측정을 통해 스택 내부의 잔존 물량을 측정하고 잔존하는 물량에 따라 운행 정지시 저항연결을 통한 EOD(Electro-osmotic drag: 수소 이온이 애노드에서 캐소드로 이동할 때 물분자를 가지고 가는 현상)를 유도함으로 애노드의 물을 효율적으로 제거할 수 있고, 캐소드에 생성된 물은 공기 유량을 증가시켜 제거할 수 있도록 한 는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack that measures the residual amount of the stack through measurement of impedance of the fuel cell stack at the time of stopping operation or startup, The anode water can be efficiently removed by inducing EOD (electro-osmotic drag) through the connection, and the water generated in the cathode increases the air flow rate And to provide a fuel cell system for improving cold startability and a control method thereof.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하는 수소공급부; 상기 연료전지 스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 연료전지 스택의 전력을 선택적으로 소비시키기 위한 저항체; 상기 연료전지 스택의 임피스던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및 운전 정지시 또는 시동 오프시 상기 임피던스 측정부에 의해 측정된 상기 연료전지 스택의 임피던스가 설정값 이상이면, 상기 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하여 전력을 발생시키고, 이때 발생된 전력을 상기 저항체에서 소비되도록 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system for improving cold startability, comprising: a fuel cell stack for generating electric energy by reaction between hydrogen and oxygen; A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack; An air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell stack; A resistor for selectively consuming electric power of the fuel cell stack; An impedance measuring unit measuring impedance of the fuel cell stack; And generating hydrogen by supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack when the impedance of the fuel cell stack measured by the impedance measuring unit is equal to or greater than a predetermined value at the time of stopping the operation or starting the engine, And a controller for controlling the resistor to be consumed in the resistor.

상기 저항체에서 상기 전력이 소비될 때, 상기 제어기에 의해 공급되는 수소가 이온화되어 일렉트로 아즈마틱 드래그(Electro-osmotic drag) 현상에 따라 상기 연료전지 스택의 전해질을 통과하면서 상기 애노드에 있는 물분자를 가지고 가도록 제어된다. When the electric power is consumed in the resistor, the hydrogen supplied by the controller is ionized to pass water molecules in the anode through the electrolyte of the fuel cell stack in accordance with an electro-osmotic drag phenomenon .

상기 제어기는 운전 정지시 또는 시동 오프시에 상기 임피던스 측정부를 제어하여 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정할 수 있다. The controller can measure the impedance of the fuel cell stack by controlling the impedance measuring unit at the time of stopping the operation or turning off the ignition switch.

상기 연료전지 스택과 상기 저항체가 선택적으로 폐회로를 구성하도록 상기 제어기에 의해 제어되는 스위치를 더 포함할 수 있다. The fuel cell stack and the resistor may further include a switch controlled by the controller to selectively constitute a closed circuit.

상기 임피던스 측정부는 상기 연료전지 스택에 존재하는 물의 양에 비례하는 값으로 임피던스 측정값을 출력할 수 있다. The impedance measuring unit may output an impedance measurement value at a value proportional to the amount of water present in the fuel cell stack.

그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은, 상기 연료전지 시스템이 설치된 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프를 검출하는 단계; 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 단계; 상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프가 검출되면, 상기 측정된 연료전지 스택의 임피던스와 설정값을 비교하는 단계; 상기 측정된 상기 연료전지 스택의 임피던스가 설정값 이상이면, 상기 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하여 전력을 발생시키고, 이때 발생된 전력을 저항체에서 소비시키는 단계;를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a fuel cell system, including: detecting a shutdown or start-off of a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system; Measuring an impedance of the fuel cell stack; Comparing an impedance of the measured fuel cell stack with a set value if an operation stop or start-off of the fuel cell vehicle is detected; And supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack to generate electric power when the measured impedance of the fuel cell stack is equal to or greater than a predetermined value, and to consume the generated electric power in the resistor.

상기 연료전지 스택의 임피던스는 상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프 직후에 검출될 수 있다. The impedance of the fuel cell stack can be detected immediately after the fuel cell vehicle is stopped or started.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 운전 정지시 또는 시동 오프시 연료전지 스택의 임피던스 측정을 통해 연료전지 스택 내부의 잔존 물량을 측정하고 잔존하는 물량에 따라 운행 정지시 저항연결을 통한 EOD를 유도함으로 연료전지의 잔존물, 특히 애노드의 물을 효율적으로 제거할 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, the residual amount of the fuel cell stack is measured through the impedance measurement of the fuel cell stack at the time of stopping the operation or during the start-off, and the EOD It is possible to efficiently remove the residues of the fuel cell, particularly the water of the anode.

도 1은 종래기술의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법의 흐름도이다. 1 is a view for explaining a problem of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a method of controlling a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.2 is a view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 적용되는 것으로, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스연료를 포함할 수 있다.The fuel cell system according to an embodiment of the present invention is applied to a fuel cell vehicle and may include a liquid fuel such as methanol, ethanol and the like when it is formed by a direct oxidation fuel cell (Fuel Cell) And hydrocarbon-based liquefied gas fuels based on ethane, propane, butane, and the like.

또한, 산화제는 별도의 저장탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다. 이하에서는 산화제를 편의상 "공기"라고 칭한다.Further, the oxidant may be an oxygen gas stored in a separate storage tank, or may be natural air. Hereinafter, the oxidizing agent is referred to as "air" for convenience.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소와 산소의 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10); 상기 연료전지 스택(10)의 애노드에 수소를 공급하는 수소공급부(20); 상기 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급부(30); 상기 연료전지 스택(10)의 전력을 선택적으로 소비시키기 위한 저항체(120); 상기 연료전지 스택(10)의 임피스던스를 측정하는 임피던스 측정부(110); 및 운전 정지시 또는 시동 오프시 상기 임피던스 측정부(110)에 의해 측정된 상기 연료전지 스택(10)의 임피던스가 설정값 이상이면, 상기 연료전지 스택(10)의 애노드에 수소를 공급하여 전력을 발생시키고, 이때 발생된 전력을 상기 저항체에서 소비되도록 제어하는 제어기(100); 그리고 상기 연료전지 스택(10)과 상기 저항체120)가 선택적으로 폐회로를 구성하도록 상기 제어기(100)에 의해 제어되는 스위치(130);를 포함할 수 있다. A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack (10) for generating electric energy by a reaction between hydrogen and oxygen; A hydrogen supply unit 20 for supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack 10; An air supply unit 30 for supplying air to the cathode of the fuel cell stack 10; A resistor (120) for selectively consuming electric power of the fuel cell stack (10); An impedance measuring unit 110 for measuring an impingement of the fuel cell stack 10; And when the impedance of the fuel cell stack (10) measured by the impedance measuring unit (110) is equal to or greater than a set value at the time of stoppage of operation or start-off, hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack A controller (100) for controlling the generated power to be consumed in the resistor; And a switch 130 controlled by the controller 100 such that the fuel cell stack 10 and the resistor 120 selectively constitute a closed circuit.

상기 연료전지 스택(10), 수소공급부(20) 및 공기공급부(30)는 일반적인 연료전지 시스템에 적용되는 것들일 수 있다. The fuel cell stack 10, the hydrogen supply unit 20, and the air supply unit 30 may be those applied to a general fuel cell system.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예의 연료전지 시스템은, 수소공급부(20)에서 공급되는 수소를 조절 또는 제어하기 위한 밸브(22, 24)와, 공기공급부(30)에서 공급되는 공기를 조절 또는 제어하기 위한 에어 블로어(32) 및 상기 에어 블로어(32)를 통과한 공기를 가습하기 위한 가습기(34)를 포함할 수 있다. 2, the fuel cell system of the embodiment of the present invention includes valves 22 and 24 for regulating or controlling the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 20, Or a humidifier 34 for humidifying the air that has passed through the air blower 32. The humidifier 34 may be a humidifier.

또한, 본 발명의 실시예의 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(10) 및 저항체(120)의 발생열을 냉각하기 위한 냉각펌프(126), 상기 저항체(120)의 발생열을 교환하기 위한 열교환기(122)와 밸브(124)를 포함할 수 있다. The fuel cell system of the embodiment of the present invention further includes a cooling pump 126 for cooling the heat generated by the fuel cell stack 10 and the resistor 120 and a heat exchanger 122 for exchanging heat generated by the resistor 120 And a valve 124.

본 발명의 실시예의 연료전지 시스템에 있어서, 제어기(100), 임피던스 측정부(110), 저항체(120) 및 스위치(130)를 제외한 나머지 다른 구성요소들은 기존의연료전지 시스템에 사용되는 것들에 해당할 수 있다. In the fuel cell system of the embodiment of the present invention, other components except for the controller 100, the impedance measuring unit 110, the resistor 120, and the switch 130 correspond to those used in the existing fuel cell system can do.

상기 임피던스 측정부(110)는, 본 출원인에 의해 출번번호 10-2012-0155394로 출원된 "연료전지 스택의 상태 진단을 위한 임피던스 측정 방법 및 시스템"에 의한 구성으로 구성될 수 있거나, 또는 기타 공지의 구성으로 구성될 수 있다. The impedance measuring unit 110 may be constituted by a configuration and system of impedance measurement for diagnosing the state of the fuel cell stack, which is filed by the present applicant at the position 10-2012-0155394, As shown in FIG.

상기 저항체(120)는 일반적인 발열 저항체일 수 있다. The resistor 120 may be a general heating resistor.

상기 스위치(130)는 상기 제어부(100)의 제어에 의해 제어될 수 있는 릴레이또는 트랜지스터를 포함할 수 있다. The switch 130 may include a relay or a transistor that can be controlled by the control unit 100. [

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 동작은 다음과 같이 실행된다.The control operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention configured as described above is executed as follows.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of controlling a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 제어기(100)는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 설치된 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프 여부를 검출한다(S110). Referring to FIG. 3, the controller 100 detects whether the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is stopped or turned off (S110).

S110에서 상기 제어기(100)는 상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프를 해당 기술분야에 잘 알려져 있는 기존의 방법에 따라 검출할 수 있다. In step S110, the controller 100 may detect an operation stop or start-off of the fuel cell vehicle according to an existing method well known in the related art.

상기 제어기(100)는 상기 임피던스 측정부(110)를 제어하여, 상기 임피던스 측정부(110)로 하여금 연료전지 스택(10)의 임피던스를 측정하게 한다(S120).The controller 100 controls the impedance measuring unit 110 to allow the impedance measuring unit 110 to measure the impedance of the fuel cell stack 10 at step S120.

상기 임피던스 측정부(110)가 상기 연료전지 스택(10)의 임피던스를 측정하는 프로세스는, 예를 들어 본 출원인에 의해 출원된 출번번호 10-2012-0155394에 개시된 "연료전지 스택의 상태 진단을 위한 임피던스 측정 방법 및 시스템"에 따를 수 있다. The process of measuring the impedance of the fuel cell stack 10 by the impedance measuring unit 110 may be performed by, for example, a method of diagnosing the state of the fuel cell stack 10 disclosed in the present application No. 10-2012-0155394 Impedance measurement method and system ".

상기 연료전지 스택(10)의 임피던스 측정은 상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프 직후에 수행되는 것이 바람직하다. The impedance measurement of the fuel cell stack 10 is preferably performed immediately after the fuel cell vehicle is stopped or started.

상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프가 검출되면, 상기 제어기(100)는 상기 임피던스 측정부(110)에 의해 측정된 연료전지 스택(10)의 임피던스와 미리 설정된 설정값을 비교한다(S130).When the operation stop or start-off of the fuel cell vehicle is detected, the controller 100 compares the impedance of the fuel cell stack 10 measured by the impedance measuring unit 110 with a predetermined set value (S130) .

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 임피던스 측정부(110)는 상기 연료전지 스택(10)에 존재하는 물의 양에 비례하는 값으로 상기 연료전지 스택(10)의 임피던스를 측정하거나, 또는 반대로 상기 연료전지 스택(10)에 존재하는 물의 양에 반비례하는 값으로 상기 연료전지 스택(10)의 임피던스를 측정할 수 있지만, 본 명세서에서는 설명의 명확화를 위해 상기 연료전지 스택(10)에 존재하는 물의 양에 비례하는 값으로 임피던스를 측정하는 경우를 예로 하여 설명한다. In the embodiment of the present invention, the impedance measuring unit 110 measures the impedance of the fuel cell stack 10 at a value proportional to the amount of water present in the fuel cell stack 10, or conversely, The impedance of the fuel cell stack 10 can be measured at a value inversely proportional to the amount of water present in the cell stack 10. However, for the sake of clarity of description, the amount of water present in the fuel cell stack 10 And the impedance is measured at a value proportional to the impedance of the antenna.

즉, 본 발명의 실시예에서 상기 임피던스 측정부(110)는 상기 연료전지 스택(10)에 존재하는 물의 양이 많은 경우, 물의 양이 적은 경우보다, 더 큰 임피던스 값을 출력하는 것으로 한다. That is, in the embodiment of the present invention, when the amount of water present in the fuel cell stack 10 is large, the impedance measuring unit 110 outputs a larger impedance value than when the amount of water is small.

S130에서 비교결과, 상기 측정된 연료전지 스택(10)의 임피던스가 상기 설정값 보다 크면, 이는 연료전지 스택(10)에 존재하는 물이 많은 경우에 해당하므로, 제어기(100)는 수소공급부(20) 및 이와 연관된 구성요소들을 제어하여 연료전지 스택(10)에 수소를 공급한다(S140). If the measured impedance of the fuel cell stack 10 is larger than the set value as a result of the comparison at S130, the controller 100 determines that the hydrogen supply unit 20 And the associated components to supply hydrogen to the fuel cell stack 10 (S140).

이때, 제어기(100)는 공기공급부(30)와 이와 연관된 구성요소들을 제어하여 연료전지 스택(10)에 공기를 공급할 수 있음은 물론이다. It is to be understood that the controller 100 may supply air to the fuel cell stack 10 by controlling the air supply unit 30 and the components associated therewith.

상기 연료전지 스택(10)의 임피던스와 비교되는 상기 설정값은 상기 연료전지 스택(10)에 존재하는 물의 양이, 나중에 연료전지 자동차의 냉 시동에 악영향을 줄 정도로 많이 있기 때문에, 제거되어야 할 필요가 있을 정도의 양인 경우를 기준으로 설정될 수 있다. The set value compared with the impedance of the fuel cell stack 10 must be removed because the amount of water present in the fuel cell stack 10 is large enough to adversely affect the cold start of the fuel cell vehicle Is set to be a reference amount.

S140에서 수소공급부(20)를 통해 수소가 연료전지 스택(10)에 공급되면, 연료전지 스택(10)은 전력을 생산하게 되고, 이 전력은 저항체(120)를 통해 소비된다. When hydrogen is supplied to the fuel cell stack 10 through the hydrogen supply unit 20 in S140, the fuel cell stack 10 produces electric power, and this electric power is consumed through the resistor 120. [

즉, 제어기(100)는 상기 연료전지 스택(10)에 수소를 공급하여 전력을 생산할 때, 상기 연료전지 스택(10)과 상기 저항체(120)와 스위치(130)가 폐회로를 형성하도록 상기 스위치(130)를 온(ON) 제어하여 상기 생산된 전력이 저항체(120)를 통해 소비되도록 한다(S150). That is, when the controller 100 supplies hydrogen to the fuel cell stack 10 to produce electric power, the controller 100 controls the switch (not shown) so that the fuel cell stack 10, the resistor 120 and the switch 130 form a closed circuit 130 so that the generated power is consumed through the resistor 120 (S150).

상기 저항체(120)에서 상기 수소 공급에 따른 전력이 소비될 때, 발생하는 열은 열교환기(122), 밸브(124) 또는 냉각 펌프(126) 등에 의해 방열될 수 있음은 물론이다. It is a matter of course that the generated heat can be dissipated by the heat exchanger 122, the valve 124 or the cooling pump 126 when electric power is consumed by the hydrogen supply in the resistor 120.

상기와 같이 상기 저항체(120)에서 소비되는 전력이 생산될 때, 상기 공급된 수소는 수소이온으로 이온화되어 상기 연료전지 스택(10)(바람직하게는 연료전지 셀)의 애노드에서 캐소드로 이동할 때 물분자를 가지고 가기 때문에 상기 연료전지 스택(10)에 존재하는 물, 특히 상기 애노드에 존재하는 물이 제거된다. When the electric power consumed by the resistor 120 is produced as described above, the supplied hydrogen is ionized as hydrogen ion, and when it moves from the anode to the cathode of the fuel cell stack 10 (preferably, the fuel cell) The water existing in the fuel cell stack 10, particularly water present in the anode, is removed.

이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 운전 정지시 또는 시동 오프시 연료전지 스택의 임피던스 측정을 통해 연료전지 스택 내부의 잔존 물량을 측정하고 잔존하는 물량에 따라 운행 정지시 또는 시동 오프시 저항연결을 통한 일렉트로 아즈마틱 드래그(EOD; Electro-Osmotic Drag)를 유도함으로 연료전지, 특히 연료전지 스택의 애노드의 물을 효율적으로 제거할 수 있다.Thus, according to the embodiment of the present invention, the residual amount of the fuel cell stack is measured through the impedance measurement of the fuel cell stack at the time of stoppage of operation or start-off, and the resistance connection (Electro-Osmotic Drag) through the anode of the fuel cell stack, thereby efficiently removing water from the anode of the fuel cell, particularly the fuel cell stack.

10: 연료전지 스택 20: 수소 공급부
30: 공기 공급부 100: 제어기
110: 임피던스 측정부 120: 저항체
130: 스위치10: Fuel cell stack 20: Hydrogen supply part
30: air supply part 100: controller
110: Impedance measuring unit 120: Resistor
130: switch

Claims (7)

수소와 산소의 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하는 수소공급부;
상기 연료전지 스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급부;
상기 연료전지 스택의 전력을 선택적으로 소비시키기 위한 저항체;
상기 연료전지 스택의 임피스던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
운전 정지시 또는 시동 오프시 상기 임피던스 측정부에 의해 측정된 상기 연료전지 스택의 임피던스가 설정값 이상이면, 상기 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하여 전력을 발생시키고, 이때 발생된 전력을 상기 저항체에서 소비되도록 제어하는 제어기;
를 포함하는 연료전지 시스템. A fuel cell stack for generating electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen;
A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack;
An air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell stack;
A resistor for selectively consuming electric power of the fuel cell stack;
An impedance measuring unit measuring impedance of the fuel cell stack; And
When the impedance of the fuel cell stack measured by the impedance measuring unit is equal to or greater than a predetermined value when the fuel cell stack is stopped or turned off, hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack to generate electric power, To be consumed by the controller;
And a fuel cell system. 제1항에서,
상기 저항체에서 상기 전력이 소비될 때, 상기 제어기에 의해 공급되는 수소가 이온화되어 일렉트로 아즈마틱 드래그(Electro-osmotic drag) 현상에 따라 상기 연료전지 스택의 전해질을 통과하면서 상기 애노드에 있는 물분자를 가지고 가도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. The method of claim 1,
When the electric power is consumed in the resistor, the hydrogen supplied by the controller is ionized to pass water molecules in the anode through the electrolyte of the fuel cell stack in accordance with an electro-osmotic drag phenomenon Fuel ratio of the fuel cell. 제1항에서,
상기 제어기는 운전 정지시 또는 시동 오프시에 상기 임피던스 측정부를 제어하여 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. The method of claim 1,
Wherein the controller measures the impedance of the fuel cell stack by controlling the impedance measuring unit when the fuel cell stack is stopped or when the fuel cell stack is turned off. 제1항에서,
상기 연료전지 스택과 상기 저항체가 선택적으로 폐회로를 구성하도록 상기 제어기에 의해 제어되는 스위치;
를 더 포함하는 연료전지 시스템. The method of claim 1,
A switch controlled by the controller such that the fuel cell stack and the resistor selectively constitute a closed circuit;
And a fuel cell system. 제1항에서,
상기 임피던스 측정부는 상기 연료전지 스택에 존재하는 물의 양에 비례하는 값으로 임피던스 측정값을 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. The method of claim 1,
Wherein the impedance measuring unit outputs an impedance measurement value at a value proportional to an amount of water present in the fuel cell stack. 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 연료전지 시스템이 설치된 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프 여부를 검출하는 단계;
상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 단계;
상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프가 검출되면, 상기 측정된 연료전지 스택의 임피던스와 설정값을 비교하는 단계;
상기 측정된 상기 연료전지 스택의 임피던스가 설정값 이상이면, 상기 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하여 전력을 발생시키고, 이때 발생된 전력을 저항체에서 소비시키는 단계;
를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법. A control method for a fuel cell system,
Detecting whether the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system is stopped or turned off;
Measuring an impedance of the fuel cell stack;
Comparing an impedance of the measured fuel cell stack with a set value if an operation stop or start-off of the fuel cell vehicle is detected;
Supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack to generate electric power when the measured impedance of the fuel cell stack is equal to or greater than a predetermined value,
And controlling the fuel cell system. 제6항에서,
상기 연료전지 스택의 임피던스는 상기 연료전지 자동차의 운전 정지 또는 시동 오프 직후에 검출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.The method of claim 6,
Wherein the impedance of the fuel cell stack is detected immediately after an operation stop of the fuel cell vehicle or a start-up of the fuel cell stack.
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