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KR101007153B1 - Optimal Purge Method for Securing Fuel Cell System's Durability in Sub-zero Conditions - Google Patents

Optimal Purge Method for Securing Fuel Cell System's Durability in Sub-zero Conditions Download PDF

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KR101007153B1
KR101007153B1 KR1020090021311A KR20090021311A KR101007153B1 KR 101007153 B1 KR101007153 B1 KR 101007153B1 KR 1020090021311 A KR1020090021311 A KR 1020090021311A KR 20090021311 A KR20090021311 A KR 20090021311A KR 101007153 B1 KR101007153 B1 KR 101007153B1
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Abstract

본 발명은 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법에 관한 것으로, 그 목적은 연료전지 시스템 운전후 내구성을 가지지 위해 물제거를 위한 퍼지시 물제거 수준과 물제거시 소모되는 추가 에너지를 함께 고려하여 보다 적은 에너지로 충분한 물제거가 가능하도록 에너지 효율이 최대인 상황에서의 퍼지방법을 제공하는 데 있다.The present invention relates to an optimal purge method for securing the durability of a fuel cell system in sub-zero conditions. The object of the present invention is to provide a durability after operation of a fuel cell system. In consideration of this, it is to provide a purge method under the maximum energy efficiency to allow sufficient water removal with less energy.

본 발명의 구성은 영하 조건에서 연료전지 시스템내 잔류수분을 제거하는 퍼지방법에 있어서, 연료전지 시스템이 정지시 내부 잔류수분을 제거하기 위해 연료전지시스템의 일반적인 운전상태의 온도보다 높은 75 ℃ - 95 ℃의 온도범위를 유지한 상태에서 공급되는 퍼지 기체의 유량 또는 퍼지 시간을 제어하면서 퍼지함으로서 최대 시스템 효율 및 최소의 잔류수분량을 가지도록 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법을 특징으로 한다.The configuration of the present invention is a purge method for removing residual moisture in a fuel cell system under sub-zero conditions, wherein the temperature of the fuel cell system is higher than that of the general operating state of the fuel cell system to remove internal residual moisture when the fuel cell system is stopped. By purging while controlling the flow rate or purge time of the purge gas supplied while maintaining the temperature range of ℃, the optimal purge method for securing the durability of the fuel cell system in the subzero condition to have the maximum system efficiency and the minimum residual water content It features.

연료전지, 퍼지, 영하조건, 내구성, 퍼지온도 Fuel cell, purge, subzero condition, durability, purge temperature

Description

영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법{Optimized purge method for the durable fuel cell systems in below zero temperature condition}Optimized purge method for the durable fuel cell systems in below zero temperature condition

본 발명은 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법에 관한 것으로, 자세하게는 연료전지 시스템이 운전 후 작동을 정지(shut-down)하여 셀 내부에 남아있는 반응가스를 제거하고 잔류하고 있는 액상의 수분을 제거하여 셀의 내구성을 확보키 위한 퍼지작업시 물제거 수준과 물제거시 소모되는 추가 에너지를 함께 고려하여 보다 적은 에너지로 충분한 물제거가 가능토록 에너지 효율이 최대인 상황에서의 퍼지토록 하는 최적 퍼지방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optimal purge method for securing durability of a fuel cell system in sub-zero conditions. Specifically, the fuel cell system shuts down after operation to remove the remaining reactive gas and to remain in the cell. It is possible to remove enough water with less energy by considering both the water removal level and the additional energy consumed when removing the water in purging operation to remove the moisture in the liquid to ensure the durability of the cell. The present invention relates to an optimal purge method for purging.

연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이는 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있으며 산화 ㅇ환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된 다.A fuel cell refers to a cell that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. This is a kind of power generation device, and it is basically the same as a normal chemical cell, such as using an oxidation-reduction reaction, but is different from a chemical cell that performs a battery reaction in a closed system. Continuously supplied from this outside, the reaction product is continuously removed out of the system.

수소 외에 메탄과 천연기체 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다. 또한 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대 연료전지라고 한다.Gas fuels using fossil fuels such as methane and natural gas in addition to hydrogen and liquid fuels such as methanol (methyl alcohol) and hydrazine have emerged. The thing below about 300 degreeC is called low temperature type, and the higher one is called high temperature type. In addition, the second generation of high-temperature molten carbonate fuel cells, which are intended to improve power generation efficiency, but do not use precious metal catalysts, are the third generation fuel cells. do.

이러한 연료전지의 종류를 살펴보면, 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 고분자전해질형(PEFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 전지 등이 있다.Looking at the type of such fuel cells, there are phosphate (PAFC), alkali (AFC), polymer electrolyte (PEFC), molten carbonate (MCFC), solid oxide (SOFC) battery and the like.

상기한 연료전지의 종류 중 본원발명과 관련한 연료전지는 고분자연료전지이다. 종래 고분자전해질 연료전지의 기본구조는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(anode)과 음극(cathode) 및 기체확산층이 부착되어 있는 형태로 되어 있다.Among the fuel cells described above, the fuel cell related to the present invention is a polymer fuel cell. The basic structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell has a form in which a porous anode, a cathode, and a gas diffusion layer are attached to both sides of the polymer electrolyte membrane, as shown in FIG. 10.

보다 상세히 설명하자면 고분자전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극(anode, cathode), 기체확산층 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator)으로 이루어져 있다. 특히 양극(anode)과 음극(cathode)의 두 전극을 고분자전해질 막에 열간 압착(hot pressing)방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.In more detail, the main components of the polymer electrolyte fuel cell include a polymer electrolyte membrane, an electrode (anode, cathode), a gas diffusion layer, and a separator for forming a stack. In particular, the hot-pressing method of attaching two electrodes, an anode and a cathode, to a polymer electrolyte membrane is called a polymer electrolyte membrane electrode assembly (MEA). It is the core of this polymer electrolyte fuel cell.

연료전지 스택(stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지(single cell)를 수십 또는 수백개씩 적층함으로써 구성되는데 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 타이로드(tie rod)나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, 전원 출력(electric power output)을 위한 커넥션(connection)이 설치되어 있다. A fuel cell stack is composed by stacking dozens or hundreds of unit cells in which electrochemical reactions occur. A unit cell or stack may tie both end plates to reduce contact resistance between components. It is pressed by rod or air pressure. Both end plates are provided with connections for the outlet and inlet coolant circulation ports of the reactor body and for the electrical power output.

도 11은 이러한 Ballard의 고분자전해질 연료전지 스택 개념도를 나타낸 것이다. 물론 실제 시스템은 이러한 스택 외에도 연료개질기, 공기압축기, 열 및 물 처리기, 전력변환기 등으로 이루어진다.11 shows a conceptual diagram of a ballard polymer electrolyte fuel cell stack. Of course, in addition to this stack, the actual system consists of a fuel reformer, an air compressor, a heat and water processor, and a power converter.

고분자전해질 연료전지는 높은 출력 밀도 100℃이하의 낮은 작동 온도와 전해질의 높은 부식저항성 등의 장점을 비롯하여, 설치장소의 제약이 적고, 설비 구조의 단순화 및 소형 설비가능(수 kW 설비), 높은 반복 작동 안전성(편리한 운전 안전성), 상온 작동 및 짧은 시동 시간(비상용 및 군사용 전원) 등의 장점을 지니고 있어 산업용으로 사용하는 250 kW급 모듈에서부터 수십 kW급의 상업용, 수 kW급의 주거용, 80 kW급의 승용차용, 150 kW전후의 버스용에서부터 1 kW 미만의 소형 연료전지뿐 아니라 서브와트(subwatt)급의 IT용까지 넓은 범위의 제품에 적용할 수 있다.The polymer electrolyte fuel cell has the advantages of low operating temperature of less than 100 ℃ and high corrosion resistance of electrolyte and high corrosion resistance of electrolyte, and it has few restrictions on installation place, simplifies the structure of structure and enables small installation (water kW installation), and high repetition. It has the advantages of operational safety (convenient operation safety), room temperature operation and short start-up time (emergency and military power supply), so it is suitable for industrial use from 250 kW class module to several tens of kW commercial, several kW residential, 80 kW class. It can be applied to a wide range of products from passenger cars, buses around 150 kW to small fuel cells below 1 kW, as well as subwatt IT applications.

도 12는 상기한 도 10, 11에서 설명한 연료전지의 구조를 보다 구체적으로 설명한 분해사시도인데, 양측 단에는 전류 집전체(Current collector)가 있고, 가운데에는 고분자전해질 막 전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)가 있으 며, 전류 집전체(Current collector)와 고분자전해질 막 전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA) 사이에는 기체확산층이 각각 위치하고 있는 모습을 보이고 있다. 또한 각각의 전류 집전체(Current collector)는 분리판과 기체 입구 및 출구관이 형성되어 있음을 알 수 있다. FIG. 12 is an exploded perspective view illustrating the structure of the fuel cell described with reference to FIGS. 10 and 11 in more detail. Current collectors are disposed at both ends, and a polymer electrolyte membrane electrode assembly is disposed at the center. MEA), and gas diffusion layers are located between the current collector and the polymer electrolyte membrane electrode assembly (MEA). In addition, each current collector (Current collector) can be seen that the separator and the gas inlet and outlet tubes are formed.

또한 일반적인 연료전지의 단면구조는 구조는 도 13과 같이 유로가 새겨진 분리판, 가스확산층, 촉매층, 전해질 막으로 구성되는데, 도시된 분리판의 유로를 통해서 산소와 수소같은 반응가스가 공급되며, 공급된 반응가스는 매우 많은 기공을 갖고 있는 가스확산층을 통과하여 촉매층으로 확산되고 촉매층에서 반응이 일어나게 된다. 반응가스와 촉매층사이에 존재하는 가스확산층은 높은 다공도를 갖는 다공성매질로 만들어져 반응가스와 생성물인 물이 원활하게 통과되도록 만들어진다. In addition, the cross-sectional structure of a general fuel cell is composed of a separator engraved with a flow path, a gas diffusion layer, a catalyst layer, and an electrolyte membrane as shown in FIG. 13, through which a reaction gas such as oxygen and hydrogen is supplied and supplied. The reacted gas passes through a gas diffusion layer having a large number of pores, diffuses into the catalyst layer, and a reaction occurs in the catalyst layer. The gas diffusion layer existing between the reaction gas and the catalyst layer is made of a porous medium having a high porosity so that the reaction gas and the product water can pass smoothly.

이러한 구조를 가진 종래 고분자 연료전지가 갖고 있는 문제들 중 가장 중요한 사안은 반응의 균일성과 물배출이다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 여러 가지 형태의 분리판 유로형태가 개발 되었는데, 예를 들면 사행유로(serpentine channel), 평행유로 및 평행사행유로(parallel-serpentine channel)가 있다. Among the problems with the conventional polymer fuel cell having such a structure, the most important issue is the uniformity of reaction and water discharge. In order to solve these problems, various types of separator flow paths have been developed, for example, a serpentine channel, a parallel channel and a parallel-serpentine channel.

도 14는 하나의 유로만을 갖는 단일 사행유로를 보여준다. 단일사행유로(single serpentine channel)는 물배출 성능이 우수하다고 알려져 있다. 왜냐하면 단일사행유로에서는 반응가스가 단 하나의 유로만을 통과하기 때문에 상대적으로 높은 유속을 유지할 수 있으며, 결과적으로 기체가 갖고 있는 모멘텀이 증가하 여 유로내부에 응축된 물 액적을 배출하는데 매우 유리해지기 때문이다. 14 shows a single meandering flowpath with only one flow path. Single serpentine channels are known to have good water discharge performance. Because in a single meander flow path, the reaction gas passes through only one flow path, so that a relatively high flow rate can be maintained, and as a result, the momentum of the gas increases, which is very advantageous to discharge condensed water droplets in the flow path. Because.

도 15는 평행사행유로를 보이고 있는데 이러한 유로는 단일 사행유로의 문제점을 해결하기 위한 것으로 평행유로와 사행유로가 서로 혼합된 형태이다. 평행사행유로는 다수의 사행유로를 병렬로 배열한 것으로 유로의 길이와 구부러진 횟수도 적절한 수준으로 줄 일 수 있게 구성된다.FIG. 15 shows a parallel meandering flow path, which is intended to solve the problem of a single meandering flow path, in which a parallel flow path and a meandering flow path are mixed with each other. Parallel meandering flow paths are arranged in parallel with a number of meandering flow paths, which can reduce the length and the number of bends to an appropriate level.

상기에서 살펴본 바와 같은 종래의 고분자전해질연료전지는 높은 발전효율 및 출력밀도를 가지는 친환경 에너지변환 기술로 각광받고 있다. 이 고분자전해질연료전지의 상용화를 위해서는 저가격화 및 내구성 확보가 가장 큰 과제로 알려져 있다.특히, 연료전지 내의 적절한 물관리는 고분자전해질연료전지의 성능과 내구성 확보에 있어 중요한 요인 중 하나이다. The conventional polymer electrolyte fuel cell as described above is spotlighted as an environment-friendly energy conversion technology having a high power generation efficiency and output density. In order to commercialize this polymer electrolyte fuel cell, low cost and durability are known to be the biggest challenges. In particular, proper water management in a fuel cell is one of the important factors in securing performance and durability of the polymer electrolyte fuel cell.

또한 전술한 바와 같이 고분자전해질연료전지는 일반적으로 100 ℃이하에서 운전 되므로 셀 내부에는 항상 액상과 기상의 물이 공존하게 된다. 이때 액상의 물은 존재하는 절대량과 연료전지의 온도에 따라 셀 내부에서 플로딩(flooding) 현상 혹은 드라이(dry) 현상을 일으켜, 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다. 특히, 자동차의 경우 겨울철에 필연적으로 영하조건을 경험하게 되므로, 이 경우 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분이 동결될 경우, 연료전지의 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 이러한 동결에 의한 성능 저하 문제는 연료전지 자동차의 상용화를 위해 반드시 해결되어야 할 문제로 볼 수 있다.In addition, as described above, since the polymer electrolyte fuel cell is generally operated at 100 ° C. or lower, the liquid and gaseous water always coexist in the cell. At this time, the liquid water causes a floating phenomenon or a dry phenomenon in the cell according to the absolute amount and the temperature of the fuel cell, which causes the performance of the fuel cell to be degraded. In particular, in the case of automobiles inevitably experience freezing conditions in winter, in this case, if the moisture remaining in the fuel cell stack is frozen, it may adversely affect the performance of the fuel cell. The performance deterioration problem caused by the freezing can be seen as a problem that must be solved for the commercialization of fuel cell vehicles.

따라서 실제 연료전지 시스템을 운전 후, 정지(shut-down)시킬 때, 일반적으 로 퍼지(purge) 과정을 거치는데, 그 목적은 셀 내부에 남아있는 반응가스를 제거하고, 또한 잔류하고 있는 액상의 수분을 제거하는데 있다. Therefore, when the actual fuel cell system is shut down after operation, a purge process is generally performed. The purpose is to remove the reaction gas remaining in the cell, and also to remove the remaining liquid gas. To get rid of moisture.

퍼지 과정은 일반적인 영상 조건에서는 잔류하는 수분량이 일정 수준 이내에 있으면, 성능이나 내구성에 미치는 영향은 거의 없지만, 물이 동결되는 영하의 조건에서는 셀의 파손 및 운전 특성에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 잔류하는 수분량이 많은 경우는 얼음의 형성으로 인해, 셀에 물리적인 파손이 발생하고, 결과적으로는 성능 및 내구성 측면에서 좋지 않은 결과를 가져온다. 그래서 영하조건에서 연료전지 시스템의 운전을 운전하는 경우는 장치 정지시 물제거를 위한 적절한 퍼지가 반드시 필요하다. The purge process has little effect on performance or durability if the amount of remaining water is within a certain level under normal imaging conditions, but may affect cell breakage and operating characteristics under subzero conditions where water freezes. In particular, when the amount of remaining moisture is large, physical breakage occurs in the cell due to the formation of ice, which results in poor performance and durability. Thus, when the fuel cell system is operated under sub-zero conditions, an appropriate purge is required to remove water when the device is stopped.

구체적으로 영하의 동결조건에서의 연료전지(셀)의 성능저하에 대한 연구가 활발히 이루어져 이에 대한 보고는 최근 그 수가 늘고 있는데, 성능저하의 주요원인으로는 전극의 물리적 파손 혹은 전해질 막과 전극층 사이의 탈리 등으로 보고하고 있다,In particular, research on the deterioration of fuel cells (cells) under subzero freezing conditions has been actively conducted, and the number of reports on this has been increasing recently. The main causes of the deterioration are the physical breakdown of the electrode or the gap between the electrolyte membrane and the electrode layer. We report by tally, etc.

예로 들자면 Los Alamos National Lab.에서 발표한 내용 중 하나로, 성능저하 원인을 계면 박리에 의한 셀 저항 증가로 보고 있다. For example, as reported by Los Alamos National Lab., The cause of performance degradation is the increase in cell resistance due to interfacial peeling.

또한 독일 Fraunhofer ISE에서 발표한 내용으로, 영하조건을 경험한 전극의 표면이 물리적으로 손상된 상황을 발표하였는데 전극층의 손상이 발생한 상황에서 도 GDM(Gas Diffusion Media) 자체는 눈에 띄는 손상을 보이지 않는 것으로 보고하고 있다. In addition, a report presented by Fraunhofer ISE, Germany, revealed a situation where the surface of an electrode that had experienced subzero conditions was physically damaged. Even when the electrode layer was damaged, GDM (Gas Diffusion Media) itself did not show any visible damage. I'm reporting.

또한 Los Alamos National Lab.에서 발표한 내용 중에는, GDM의 종류에 따라 동결조건에서 성능저하의 정도가 다를 수 있음을 보고하고 있는데, 탄소천의 경우, 탄소종이와 비교할 때 성능열화 정도가 훨씬 적음을 보고하고 있다. 또한 동결시 온도변화 속도가 빠른 경우, 성능열화는 더욱 심하게 나타남을 보고하였다. (학술대회 정보 : 3rd Annual International Conference on Fuel Cells Durability & Performance, November 15-16, 2007, Mianmi, FL, USA.)In addition, the report published by Los Alamos National Lab. Reported that the degree of performance degradation under freezing conditions may vary according to the type of GDM. In the case of carbon cloth, the degree of performance deterioration is much lower than that of carbon paper. I'm reporting. In addition, when the temperature change rate at the time of freezing is faster, performance degradation is reported to be more severe. (Conference Information: 3rd Annual International Conference on Fuel Cells Durability & Performance, November 15-16, 2007, Mianmi, FL, USA.)

상기와 같은 연료전지의 스택 또는 스택을 구성하는 단위 셀의 성능저하 또는 내구성 문제를 해결하기 위한 기존의 보고 및 특허(US 6,479,177 등)에서는 스택의 일반적인 운전온도(75 ℃ - 85 ℃) 보다 낮은 조건이 내부에 잔류하는 수분을 제거하기에 유리하다고 보고되고 있다. 특히 바람직한 온도로 15 ℃에서 30 ℃의 온도범위를 제시하고 있다.According to the existing reports and patents (US 6,479,177, etc.) to solve the performance degradation or durability problems of the stack of the fuel cell or the unit cell constituting the stack, the condition lower than the general operating temperature of the stack (75 ℃-85 ℃) It is reported that it is advantageous to remove moisture remaining inside. Particularly preferred temperature ranges from 15 ° C. to 30 ° C. are presented.

참고로 고분자전해질연료전지 스택을 약 70 ℃ - 80 ℃ 조건에서 주로 운전하는 이유는, 일상적인 조건에서 운전시 셀의 플로딩(flooding) 혹은 드라이(dry) 현상이 최소화되게 시스템 차원에서 제어가 용이한 조건이기 때문이다. 즉, 셀이 느끼는 상대습도 조건이 약 100%가 되는 조건을 조성할 경우 셀의 성능이 최대화될 수 있는데, 이 조건을 맞추기 쉬운 셀의 온도조건이라고 할 수 있다.For reference, the reason why the polymer electrolyte fuel cell stack is mainly operated at about 70 ° C. to 80 ° C. is easy to control at the system level to minimize cell floating or dry during normal operation. Because it is a condition. In other words, when a condition in which the relative humidity condition of the cell is about 100% is created, the performance of the cell can be maximized, which is a temperature condition of the cell that is easy to meet.

하지만 후술될 본 발명의 결과에 의하면, 낮은 온도 보다는 높은 온도에서 물제거 퍼지공정을 진행하는 것이 잔류수분의 제거에 훨씬 더 효율적임을 실험적으로 알 수 있었다. 기존의 방식으로 물제거 공정을 진행할 때에는, 동일한 유량 및 시간이 소요될 경우 보다 많은 양의 수분이 잔류하며 이는 연료전지 성능저하의 주요요인으로 작용할 수 있다. 또한 동일한 수준의 물제거 효과를 얻기 위해서는 보다 많은 에너지가 소모되어 전체 연료전지 시스템의 에너지 효율 측면에서 불리하게 작용할 수 있다.However, according to the results of the present invention to be described later, it was experimentally found that the water purge process at a higher temperature than the low temperature is much more efficient in removing residual moisture. When the water removal process is performed in the conventional manner, more water is retained when the same flow rate and time are required, which may act as a major factor in deteriorating fuel cell performance. In addition, to achieve the same level of water removal effect, more energy is consumed, which may be disadvantageous in terms of energy efficiency of the entire fuel cell system.

그러나 아직까지 상기한 종래의 문제점을 고려한 최적화된 퍼지 방법이 제시되지 않아 영하조건에서의 연료전지 성능에 많은 문제점이 야기되고 있는 실정이다.However, since the optimized purge method has not been proposed in consideration of the above-mentioned conventional problems, many problems are caused in fuel cell performance under subzero conditions.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연료전지 시스템 운전후 내구성을 가지지 위해 물제거를 위한 퍼지시 물제거 수준과 물제거시 소모되는 추가 에너지를 함께 고려하여 보다 적은 에너지로 충분한 물제거가 가능하도록 에너지 효율이 최대인 상황에서의 퍼지방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to remove enough water with less energy considering both the water removal level when purging water and the additional energy consumed when removing water in order to have durability after operation of the fuel cell system. It is to provide a purge method in a situation where the energy efficiency is the maximum to enable.

본 발명의 다른 목적은 연료전지 시스템 운전후 내구성을 가지지 위해 물제거를 위한 퍼지시 최적의 퍼지 조건(유량, 시간, 온도) 범위를 가진 퍼지방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a purge method having an optimal purge condition (flow rate, time, temperature) range for purging water to have durability after operation of the fuel cell system.

본 발명의 다른 목적은 종래의 퍼지 조건이 연료전지를 구성하는 스택의 일반적인 운전상태의 온도인 평균 70 ℃ - 80 ℃ 수준보다 낮은 15 ℃ - 30 ℃에서 행하는데 비해, 연료전지를 구성하는 스택의 온도 수준보다 높은 75 ℃ - 95 ℃의 조건에서 수분 제거를 위한 퍼지를 진행하여 스택 혹은 셀 내부의 잔류수분량을 최소화 하는 퍼지방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is that the conventional purge condition is performed at 15 ° C.-30 ° C., which is lower than the average 70 ° C.-80 ° C. level, which is the temperature of the general operating state of the stack constituting the fuel cell. It is to provide a purge method to minimize the residual moisture in the stack or cell by purging the water at a temperature of 75 ℃-95 ℃ higher than the temperature level.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 영하 조건에서 연료전지 시스템내 잔류수분을 제거하는 퍼지방법에 있어서, 연료전지 시스템이 정지시 내부 잔류수분을 제거하기 위해 75 ℃ - 95 ℃의 온도범위를 유지한 상태에서 공급되는 퍼지 기체의 유량 또는 퍼지 시간을 제어하면서 퍼지함으로서 최대 시스템 효율 및 최소의 잔류수분량을 가지도록 하는 방법을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법을 제공함으로써 달성된다.The present invention, which achieves the object as described above and the problem to eliminate the conventional defects in the purge method for removing residual moisture in the fuel cell system under sub-zero conditions, the internal residual moisture is removed when the fuel cell system is stopped In order to purge while controlling the flow rate or purge time of the purge gas supplied while maintaining the temperature range of 75 ℃ to 95 ℃ to ensure the maximum system efficiency and the minimum amount of residual water fuel It is achieved by providing an optimal purge method for ensuring durability of the battery system.

상기 퍼지 기체의 유량은 연료전지시스템의 스택을 구성하는 단위 셀의 활성면적 기준으로 600 ~ 1200 mA/cm2 로 제어하는 것을 특징으로 한다.The flow rate of the purge gas is controlled to 600 ~ 1200 mA / cm 2 based on the active area of the unit cell constituting the stack of the fuel cell system.

상기 퍼지기체의 총 유량은 600 ~ 1200 mA/cm2 값에 스택을 구성하는 단위 셀의 수를 곱한 값으로 결정하는 것을 특징으로 한다.The total flow rate of the purge gas is determined by multiplying the number of unit cells constituting the stack by a value of 600 to 1200 mA / cm 2 .

상기 퍼지 시간은 퍼지기체가 연료전지시스템의 스택을 통과하는 시간을 기준으로 30 ~ 60초가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.The purge time is controlled to be 30 to 60 seconds based on the time the purge gas passes through the stack of the fuel cell system.

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상기 기체는 질소, 공기, 수소, 개질가스 중에서 선택된 어느 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.The gas is characterized in that any one or more than one selected from nitrogen, air, hydrogen, reforming gas.

상기 연료전지 시스템에서 잔류수분이 제거될 대상은 스택의 매니폴더와, 단위 셀을 구성하는 분리판 유로, 기체확산층, 전극촉매층, 전해질막을 포함하는 것을 특징으로 한다.The object to which residual moisture is to be removed in the fuel cell system is characterized by including a manifold of the stack, a separator flow channel, a gas diffusion layer, an electrode catalyst layer, and an electrolyte membrane constituting the unit cell.

상기 퍼지 기체의 유량은 전극촉매층인 연료극 및 공기극 기준으로 각각 이용율 70 ~ 80% 및 40 ~ 50% 값 범위를 가지도록 공급하는 것을 특징으로 한다.The flow rate of the purge gas is characterized in that it is supplied so as to have a value range of 70 to 80% and 40 to 50% of the utilization rate, respectively, based on the anode and the cathode as the electrode catalyst layer.

상기 퍼지 조건은 연료전지 시스템 정상 운전후 정지시 아이들링(idling) 운전 여부에 상관없이 퍼지시키는 것을 특징으로 한다.The purge condition is characterized in that the purge irrespective of whether the idling operation is stopped after the normal operation of the fuel cell system.

상기 퍼지 조건은 연료전지시스템을 정지하기 위한 어떠한 종류의 정지과정을 퍼지과정 전 혹은 후에 거치더라도 상관없이 퍼지시키는 것을 특징으로 한다.The purge condition may be purged regardless of whether any kind of stopping process for stopping the fuel cell system is performed before or after the purging process.

상기 시스템 효율은 퍼지를 위해 추가로 전기적 에너지가 소모되는 양에 대비하여 단위 셀 내부에 잔존하는 수분량을 비교한 것을 특징으로 한다.The system efficiency is characterized in that the amount of water remaining in the unit cell compared to the amount of additional electrical energy consumed for purging.

본 발명은 영하의 운전조건에서 연료전지 시스템이 적용될 경우 내구성을 가지지 위해 물제거를 위한 퍼지시 물제거 수준과 물제거시 소모되는 추가 에너지를 함께 고려한 최적의 퍼지 조건(유량, 시간, 온도) 범위를 가짐으로써 보다 적은 에너지로 충분한 물제거가 가능하여 에너지 효율이 높다는 장점과,The present invention provides a range of optimal purge conditions (flow rate, time, temperature) considering both the water removal level when purging water and the additional energy consumed when water is removed to ensure durability when the fuel cell system is applied under sub-zero operating conditions. By having enough energy to remove enough water with less energy, the energy efficiency is high,

종래의 퍼지방법 보다 스택의 온도가 높은 조건에서 수분 제거를 위한 퍼지를 진행함으로써 종래보다 스택 혹은 셀 내부의 잔류수분량을 최소화 할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.It is a useful invention that is expected to be used industrially as a useful invention having the advantage of minimizing the amount of residual water in the stack or the cell than by the conventional purge for purging moisture at a higher temperature of the stack than the conventional purge method.

본 발명은 영하 조건에서 연료전지 시스템을 정지할 때, 동결에 의한 스택 및 스택을 구성하는 단위 셀(cell)의 성능저하 정도를 저감시키기 위해, 단위 셀 내에 잔류하는 수분량을 최소화 하기 위한 목적으로 퍼지(Purge)를 진행할 때, 최대 시스템 효율 및 최소의 잔류수분량을 획득하기 위한 연료전지 시스템 정지(shut-down) 과정 및 조건에 관한 것이다. The present invention purges for the purpose of minimizing the amount of water remaining in the unit cell in order to reduce the degree of performance degradation of the stack and the unit cell constituting the stack when the fuel cell system is stopped at subzero conditions. When purging, it relates to the fuel cell system shut-down process and conditions for obtaining maximum system efficiency and minimum residual water content.

특히, 본 발명은 온도, 유량, 시간 요소가 일정 수준 이상의 조건을 만족해야만 목적한 효과를 충분히 얻을 수 있다. 특히 온도 조건은 종래 선행기술에 개시된 퍼지시 온도(15 ℃ - 30 ℃)와 달리 스택의 일반적인 운전상태의 온도인 평균 70 ℃ - 80 ℃ 수준보다 높은 75 ℃ - 95 ℃의 조건에서 수분 제거를 위한 퍼지를 진행하는 것을 주된 요지로 한다. 즉, 종래에는 낮은 온도 범위의 퍼지조건이 바람직하다고 개시하고 있지만 본원 발명은 종래의 일반적인 운전조건보다도 높은 온도 를 퍼지시의 온도 조건으로 한다는 것이 주된 특징이다.In particular, the present invention can fully achieve the desired effect only if the temperature, flow rate, and time factors satisfy a condition of a certain level or more. In particular, the temperature conditions are for purging water at 75 ℃-95 ℃ higher than the average 70 ℃-80 ℃ level of the general operating state of the stack, unlike the purge temperature (15 ℃-30 ℃) disclosed in the prior art Promoting purge is the main point. That is, although the prior art discloses that a purge condition of a low temperature range is preferable, the present invention is characterized in that the temperature of the purge is set to a temperature higher than that of the conventional general operation.

본 발명에 따른 연료전지 시스템이란 전술한 고분자연료전지 시스템을 말하는 것으로 특히 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성 중 수분을 제거하는 주요 대상은 통상의 고분자연료전지 시스템을 구성하는 요소 중 스택의 매니폴더와, 단위셀을 구성하는 분리판 유로, 기체확산층, 전극촉매층(공기극과 연료극을 말함), 전해질막을 포함한다.The fuel cell system according to the present invention refers to the above-described polymer fuel cell system. In particular, the main object of removing moisture in the configuration of the fuel cell system according to the present invention is a manifold of the stack among the elements constituting the conventional polymer fuel cell system. And a separation plate flow path, a gas diffusion layer, an electrode catalyst layer (refer to the air electrode and the fuel electrode), and the electrolyte membrane constituting the unit cell.

이때 퍼지조건은 정상 운전후 아이들링(idling) 운전조건에 관계없이 일정한 정해진 조건(유량, 온도, 시간)을 사용할 수 있다. 만약 아이들링 운전조건에 따라 각각의 조건에 적절한 퍼지조건이 실제 시스템에 적용되어야 한다면, 장비의 복잡성 등이 증가할 수 있는데, 본 발명에서는 아이들링 운전조건(장치 정지 직전의 운전이력)에 관계없이 동일한 퍼지조건을 적용한다. 구체적인 조건은 후술한다.At this time, the purge condition may use a predetermined predetermined condition (flow rate, temperature, time) regardless of the idling operation condition after the normal operation. If an appropriate purge condition is applied to the actual system according to the idling operation conditions, the complexity of the equipment may be increased. In the present invention, the same purge regardless of the idling operation condition (operation history immediately before the device stops) may be applied. Apply the conditions. Specific conditions will be described later.

상기 퍼지 조건은 연료전지 시스템을 정지하기 위한 어떠한 종류의 정지과정을 퍼지과정 전 혹은 후에 거치더라도 효과적으로 적용될 수 있다. 만약 정지과정을 퍼지과정 전후에 거칠경울 각각의 조건에 적절한 퍼지조건이 실제 시스템에 적용되어야 한다면, 장비의 복잡성 등이 증가할 수 있는데, 본 발명에서는 정지조건에 관계없이 동일한 퍼지조건을 적용한다.The purge condition may be effectively applied to any kind of stopping process for stopping the fuel cell system before or after the purging process. If the stop process is to be applied to the actual system for each of the rough conditions before and after the purge process, the complexity of the equipment may be increased, the present invention applies the same purge conditions irrespective of the stop conditions.

본 발명에서 연료전지 시스템의 효율이란 퍼지를 위해 추가로 전기적 에너지가 소모되는 양에 대비하여 연료전지(Cell) 내부에 잔존하는 수분량을 비교하는 개념을 말한다.In the present invention, the efficiency of the fuel cell system refers to the concept of comparing the amount of moisture remaining in the fuel cell (Cell) against the amount of additional electrical energy consumed for purging.

본 발명에서 퍼지에 사용하는 기체는 질소, 공기, 수소 및 개질가스(수소 40~80%, 이산화산소 15~25%, 질소 5~10% 및 미량의 일산화탄소 및 하이드로카본으로 구성된 기체)가 사용될 수 있다. 이와 같은 기체를 선택한 이유는 현실적으로 실제 시스템에서 사용할 가능성이 높기 때문이며, 펴지기체는 연료전지 시스템 내부에 장착될 수도 있고, 시스템 외부에서 별도의 공급라인을 통해 공급될 수도 있다. The gas used for purging in the present invention may be nitrogen, air, hydrogen and reformed gas (gas consisting of 40 to 80% hydrogen, 15 to 25% oxygen dioxide, 5 to 10% nitrogen and a small amount of carbon monoxide and hydrocarbon) can be used. have. The reason for choosing such a gas is because it is highly likely to be used in an actual system, and the spreading body may be mounted inside the fuel cell system or supplied through a separate supply line from the outside of the system.

본 발명에서 퍼지 유량은 단위 셀의 활성면적 기준으로 600 ~ 1200 mA/cm2 에 해당하는 유량의 범위를 가지도록 퍼지한다. 이와 같이 수치를 한정한 이유는 하한치보다 작으면 분리판 유로의 입출구 사이에 발생하는 압력저항값이 충분치 못해, 셀 내에 존재하는 수분이 충분히 배출되지 못할 가능성 높다는 문제가 있고 상한치 보다 크면 수분제거용 퍼지 과정에 블로어 등의 작동을 위한 에너지가 과도하게 소모되는 문제점이 있기 때문이다.In the present invention, the purge flow rate purges to have a flow rate range of 600 to 1200 mA / cm 2 based on the active area of the unit cell. The reason for limiting the numerical value is that if it is smaller than the lower limit, there is a problem that the pressure resistance value generated between the inlet and outlet of the separator flow path is not sufficient, and there is a high possibility that the water present in the cell cannot be discharged sufficiently. This is because there is a problem that excessive energy is consumed for the operation of the blower, etc. in the process.

따라서 상기와 같은 단위 셀의 유량이 나오면 스택의 퍼지를 위한 유량은 600 ~ 1200 mA/cm2 값에 스택을 구성하는 셀의 수를 곱한 값으로 결정하면 된다.Therefore, when the flow rate of the unit cells as described above, the flow rate for purging the stack may be determined by multiplying the number of cells constituting the stack by a value of 600 to 1200 mA / cm 2 .

이러한 단위 셀에 대한 퍼지조건(유량, 온도, 시간)이 결정되면, 더 나아가 스택의 매니폴더, 분리판 유로, 기체확산층, 전극촉매층, 전해질 막과 같은 구성요소에 대해서도 충분한 수분제거 가능하게 된다. 즉. 궁극적인 목적은 구성품 내에 존재하는 수분량을 최소화하는 것이며, 이러한 조건을 달성하는 본 발명의 조건은 유량, 시간 및 온도조건이며, 특히 온도 조건이 중요 요소이다.If the purge conditions (flow rate, temperature, time) for such a unit cell are determined, sufficient moisture removal is also possible for components such as a manifold, a separator flow path, a gas diffusion layer, an electrode catalyst layer, and an electrolyte membrane of the stack. In other words. The ultimate goal is to minimize the amount of water present in the components, and the conditions of the invention for achieving these conditions are flow rate, time and temperature conditions, in particular temperature conditions being an important factor.

본 발명에서 유량을 표시하는 단위로 전류밀도 값(mA/cm2)으로 표기한 이유는 연료전지에서는 생산하는 전류의 크기는 공급하는 연료(수소 혹은 공기)의 양과 직접적으로 비례한다. 즉 100A를 얻기 위해서 공급하는 연료량은 1A를 얻기 위해 공급하는 연료양의 100배이다. 실제로 1A의 전류를 얻기 위해서는 수소기준으로 약 7 ml/min의 유량이 필요하다. 그리고, 연료전지에서 얻어낼 수 있는 전류의 크기는 전극의 면적과 비례한다. 즉, 1 cm2의 면적에서 1A를 얻을 수 있다면, 100 cm2 면적의 전극에서는 100 A를 얻을 수 있다. 그래서 단순히 유량의 단위(L/min)로 나타내면, 각각의 시스템 용량에 따라 공급유량이 달라져야 하므로, 면적기준 유량으로 통일해서 나타낼 수 있기 때문이다. In the present invention, the flow rate is expressed as a current density value (mA / cm 2 ) as a unit indicating the magnitude of the current produced in the fuel cell is directly proportional to the amount of fuel (hydrogen or air) to be supplied. That is, the amount of fuel supplied to obtain 100A is 100 times the amount of fuel supplied to obtain 1A. In fact, to obtain a current of 1A, a flow rate of about 7 ml / min is required based on hydrogen. In addition, the magnitude of the current obtainable from the fuel cell is proportional to the area of the electrode. That is, there can be obtained a 1A in an area of 1 cm 2, it is possible to obtain the A 100 of the electrode 100 cm 2 area. Therefore, if simply expressed in units of flow rate (L / min), since the supply flow rate should be changed according to the capacity of each system, it can be represented by the area-based flow rate uniformly.

또한 상기한 유량은 전극촉매층인 연료극 및 공기극 기준으로 각각 이용율 70 ~ 80%, 및 40 ~ 50% 값 범위를 가지는 것이 바람직하다. 여기서 이용율의 개념은 실제 시스템에서는 이론값과 달리 공급하는 연료를 연료전지가 100% 사용하지 못한다. 그래서 실제 연료전지를 운전할 때는 다소 과하게 공급하는데, 예로 이용율 80%의 개념은 이론적으로는 80에 해당하는 연료가 필요한 곳에 20만큼 추가하여, 실제 운전시에는 100에 해당하는 연료를 공급하는 경우다. 이때 20 만큼은 소모되지 않고 스택 외부로 나오게 된다. 만약 이용율 50%라고 하면, 이론적으로 필요한 유량의 2배를 흘려주는 경우이다.In addition, the flow rate preferably has a value range of 70 to 80%, and 40 to 50%, respectively, on the basis of the anode and the cathode, which are the electrode catalyst layers. Here, the concept of utilization rate is different from the theoretical value in the actual system, the fuel cell does not use 100% of the fuel supplied. Therefore, when operating a real fuel cell, it is somewhat excessively supplied. For example, the concept of 80% utilization rate theoretically adds 20 fuels where necessary for 80 fuels and 100 fuels in actual operation. At this point, 20 will not be consumed and will come out of the stack. If the utilization rate is 50%, it is a case where two times the theoretical flow rate is required.

이와 같이 수치를 한정한 이유는 연료극과 공기극에 공통적으로 설명될 수 있는데 하한치보다 작으면 성능을 충분히 얻을 수 없을 뿐만 아니라 연료전지 내구성 저하의 주요 원인이 될 수 있고, 상한치 보다 클 경우는 과도한 수준의 연료 및 공기를 공급하기 위해 큰 에너지가 필요하므로, 전체 연료전지 시스템 측면에서 낮은 에너지 효율의 원인이 된다. The reason for limiting the numerical value can be explained in common with the anode and the cathode. If the value is smaller than the lower limit, the performance may not be sufficiently obtained, and it may be a major cause of deterioration of fuel cell durability. Large energy is needed to supply fuel and air, which contributes to low energy efficiency in terms of the overall fuel cell system.

또한 본 발명에 따른 연료전지를 구성하는 스택 또는 스택을 구성하는 단위셀의 퍼지 시간은 유체(퍼지 기체)가 스택을 통과하는 시간 기준으로 30~60 초 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다.In addition, the purge time of the stack constituting the fuel cell or the unit cell constituting the stack according to the present invention preferably has a value between 30 to 60 seconds based on the time that the fluid (purge gas) passes through the stack.

이와 같이 시간에 대한 수치를 한정한 이유는 하한치보다 작으면 후술될 실험 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 잔여 수분량이 여전히 높은 수준을 유지하는 문제가 있고 상한치 보다 클 경우는 더 이상 긴 시간동안 퍼지를 진행하더라도 눈에 띄는 물제거 효과는 확인할 수 없으므로 시스템 차원에서 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.The reason for limiting the value for time as described above is that if it is smaller than the lower limit, there is a problem that the remaining moisture content is still maintained at a high level, as shown in the experimental results to be described later. Even if the water removal effect is not noticeable, there is a problem that the energy efficiency is reduced at the system level.

또한 상기에서 퍼지 개시 온도는 스택 또는 스택을 구성하는 단위 셀이 심하게 건조되지 않는 범위에서 높은 온도를 유지하는 것이 유리하며, 바람직하게는 75~95 ℃ 범위가 좋다.In addition, the purge start temperature in the above it is advantageous to maintain a high temperature in the range that the stack or the unit cell constituting the stack is not very dry, preferably 75 to 95 ℃ range.

이와 같이 퍼지 개시온도에 대한 수치를 한정한 이유는 하한치보다 작으면 동일한 유량 및 시간 동안 퍼지를 진행하더라도 스택 내부에 존재하는 수분제거 효율이 떨어지는 문제가 있고 상한치 보다 크면 셀을 구성하는 전해질 막 및 전극촉매층의 과도한 건조로 인한 성능 및 내구성의 저하를 가져올 수 있기 때문이다.The reason for limiting the value of the purge initiation temperature is that if the lower limit is lower than the lower limit, even if purging is performed for the same flow rate and time, there is a problem in that the water removal efficiency existing in the stack is lowered. This is because performance and durability may be degraded due to excessive drying of the catalyst layer.

또한 상기에서 스택의 일반적인 운전온도 70 ℃ 보다 높은 온도를 얻기 위해서, 연료전지 시스템 정지 과정에 스택 냉각용 냉매를 먼저 멈추게 운전하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 연료전지의 전기화학적인 반응은 열역학적으로 발열반응이므로, 운전 중 스택 냉각용 냉매를 정지하면, 추가적인 외부의 열공급 없이도 스택의 온도를 충분히 상승시킬 수 있기 때문이다. In addition, in order to obtain a temperature higher than the general operating temperature of 70 ℃ in the above, it is more preferable to stop the refrigerant for stack cooling first in the process of stopping the fuel cell system. That is, since the electrochemical reaction of the fuel cell is thermodynamically exothermic, if the stack cooling refrigerant is stopped during operation, the stack temperature can be sufficiently increased without additional external heat supply.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 다양한 퍼지조건에서 연료전지 내부에 잔류하는 수분량의 변화를 확인하여, 최적의 물제거 조건 찾기위한 실험의 개념을 보인 그래프로, 잔류수분을 제거하기 위한 퍼지 진행시 초기조건에 수분제거량이 많고, 퍼지조건의 값이 커짐에 따라 물제거 효율은 점점 떨어질 것을 예상할 수 있다. 즉, 수분제거량이 일정 수준에 도달하면, 추가적인 에너지를 소모하며 물제거 공정을 계속 진행할 필요가 없으며, 현실적인 적용을 위해서는 고효율 물제거 퍼지를 위한 개별조건의 조합을 찾을 필요가 있다. 과정에 따른 일반적인 경향은 그림과 같이 을 확인하는 개념을 따른 연료전지의 온도 및 퍼지시간을 보인 그래프이다. 1 is a graph showing the concept of an experiment to find the optimum water removal condition by checking the change in the amount of water remaining in the fuel cell under various purge conditions, the amount of water removal in the initial conditions during the purge process to remove residual water In many cases, as the purge condition increases, the water removal efficiency can be expected to decrease gradually. In other words, when the amount of water removal reaches a certain level, it is not necessary to continue the water removal process by consuming additional energy, and for practical application, it is necessary to find a combination of individual conditions for high efficiency water removal purge. The general trend according to the process is a graph showing the temperature and purge time of the fuel cell according to the concept of confirming as shown in the figure.

연료전지 시스템의 운전정지 후 수분퍼지의 목적은 동결 조건에서 내구성 확인과 직접적으로 연계되어 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 도 2와 같이 연료전지의 활성화 및 기본성능평가 확인 후, 운전정지시 특정한 퍼지조건을 거치고 동결/해동 과정을 반복하며, 잔류수분량 정도에 따른 연료전지 성능의 변화를 확인하였다. Since the purpose of the water purge after stopping the fuel cell system is directly linked to the durability check under the freezing condition, in the embodiment of the present invention, after confirming the activation and basic performance evaluation of the fuel cell, as shown in FIG. Through the conditions, the freezing / thawing process was repeated, and the change of fuel cell performance according to the amount of residual water was confirmed.

하기의 표 1은 도 2를 수행하는 측정조건을 나타낸 것이다. 연료전지 셀은 일반적인 연료전지 시스템의 운전조건인 80 ℃ 로 유지하며 상대습도 80% 조건으로 기본성능을 측정하였으며, 이때 공급한 연료의 이용율은 수소 및 공기를 각각 75% 와 50%로 유지하였다. 동결/해동 시험시에는 영하 40℃ 또는 영하 30℃ 에서 영상 80 ℃ 의 범위를 정해진 횟수 동안 반복 운전하였으며, 영하조건에서 유지시간은 30분으로 제어하였다. Table 1 below shows measurement conditions for performing FIG. 2. The fuel cell was maintained at 80 ° C, the operating condition of a typical fuel cell system, and the basic performance was measured at 80% relative humidity. At this time, the utilization rate of the fuel was maintained at 75% and 50%, respectively. In the freezing / thawing test, the range of sub-zero 40 ° C. or minus 30 ° C. to 80 ° C. was repeated for a predetermined number of times, and the retention time was controlled to 30 minutes under sub-zero conditions.

(표 1: 측정 조건)Table 1: Measurement Conditions

Figure 112009015145380-pat00001
Figure 112009015145380-pat00001

도 3은 연료전지 시스템 운전 후 정지 전 거치는 아이들(Idle) 모드가 잔류 수분량에 미치는 영향을 비교하기 위해 실험디자인한 그래프이다.3 is a graph of an experimental design for comparing the effect of the idle mode on the residual moisture after stopping the fuel cell system after operation.

도 3의 (a)는 일반적인 연료전지시스템 운전 후 아이들(idle) 모드를 거치지 않고 바로 정지하는 경우의 그래프이고, (b)는 퍼지전 저전류밀도 범위인 40 mA/cm2 의 조건에서 아이들(idle) 모드를 수행하는 경우를 보인 그래프이고, (c)는 퍼지 전 160 mA/cm2의 전류밀도 값에서 idle 모드를 거친 후 운전정지되는 경우에 대한 실험설계를 나타낸 그래프이다.(A) of FIG. 3 is a graph of a case in which the fuel cell system stops immediately without going through an idle mode after operation of a general fuel cell system, and (b) shows an idle state under a condition of 40 mA / cm 2 , which is a low current density range before purging. idle) mode, and (c) is a graph showing the experimental design for the operation stop after going idle mode at the current density value of 160 mA / cm 2 before purging.

이와 같은 실험은 아이들(Idle) 모드 영향 확인을 위한 실험으로 세 종류의 아이들(idle) 모드 실험후, 동일조건의 퍼지(purge) 후 잔류 수분량의 차이를 확인하는 것이다. 이러한 결과에 따라 잔류수분량의 차이가 거의 없는 경우는 아이들(Idle) 과정이 물제거효과 확인을 위한 실험 변수에서 제거될 수 있기 때문이다.This experiment is to check the effect of the idle mode (Idle) mode after the three types of (idle) experiments, and to check the difference in the residual moisture content after purge (purge) under the same conditions. According to these results, there is almost no difference in the amount of residual water because the idle process can be removed from the experimental variables to confirm the water removal effect.

여기서 아이들(idle) 모드란 연료전지 자동차와 같은 연료전지 시스템의 운전시, 연료전지가 운전에 따른 부하를 추종하지 않고, 최소의 전력을 소모하는 형태로 유지하는 상태를 말한다. 일반적인 자동차를 예를 들자면 시동을 켜고, 엑셀을 밟지 않았을 경우, 기본 rpm 상태를 유지하고 있는 상황과 유사하다.In this case, the idle mode refers to a state in which the fuel cell maintains a mode that consumes the minimum power without following the load according to the driving of the fuel cell system such as a fuel cell vehicle. A typical car, for example, is similar to a situation where the engine is running at its default rpm and has not been pressed down.

상기 실험설계에 따른 아이들(Idle) 모드 변수는 제거 가능함을 알 수 있다. 즉, 도 3에 따른 실험설계에 따른 실험진행 후, 잔류 수분량에 대한 표준편차 및 불확도의 확인 결과, 본 변수는 제거하여도 전체 결과에 영향을 거의 미치지 않음을 확인하였다. 하기 표 2는 그러한 결과를 보여준다.It can be seen that the idle mode variable according to the experimental design can be removed. That is, after the experiment progress according to the experimental design according to Figure 3, as a result of confirming the standard deviation and the uncertainty of the residual water amount, it was confirmed that even if this variable is removed almost does not affect the overall results. Table 2 below shows such results.

(표 2. 아이들 유무에 따른 퍼지후의 수분잔류량 비교)(Table 2. Comparison of Water Residuals after Purging with Children)

Figure 112009015145380-pat00002
Figure 112009015145380-pat00002

도 4는 퍼지과정을 거치지 않은 연료전지의 동결/해동시 즉, 잔류수분이 제거되지 않은 경우 성능저하 수준 변화를 보인 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따라 퍼지과정을 가진 연료전지의 동결/해동시 잔류수분 제거 유무에 따른 성능저하 수준 변화를 보인 그래프이다. 4 is a graph showing a change in performance level when freezing / thawing of a fuel cell that does not undergo a purge process, that is, when residual moisture is not removed, and FIG. 5 illustrates freezing / thawing of a fuel cell having a purge process according to the present invention. This is a graph showing the change in performance degradation level according to the removal of residual moisture.

도시된 바와 같이 도 4는 연료전지 운전 후 물제거 퍼지(purge) 과정 없이 동결/해동 사이클 실험을 하였더니 약 50회의 평가시, 초기 10회부터 성능저하가 나타나며, 시험 횟수가 증가함에 따라 성능저하가 지속적으로 나타났다.As shown in FIG. 4, the freeze / thaw cycle experiment was performed without purging after removing the fuel cell. After about 50 evaluations, the performance decreased from the initial 10 times, and the performance decreased as the number of tests increased. Appeared constantly.

또한 도 5에 따라 연료전지에 대한 물제거 퍼지를 진행한 경우는 50회의 동결/해동 사이클 동안에 눈에 띄는 성능저하는 보이지 않았다.In addition, the water removal purge for the fuel cell according to FIG. 5 did not show any noticeable performance degradation during 50 freeze / thaw cycles.

도 6은 본 발명에 따라 연료전지에 대한 퍼지조건이 잔류수분량에 미치는 영향을 측정하기 위한 장치 구성을 보인 예시도로, 이러한 장치구성을 가지고 측정함에 따라 동결조건에서 연료전지 성능저하의 주요 원인은 잔류수분에 있음을 파악할 수 있고, 어느정도 수준의 잔류수분량은 용인할 수 있는지 확인할 수 있어서 퍼지 조건에 따른 잔류수분량을 실험적으로 파악할 수 있게 된다.6 is an exemplary view showing a device configuration for measuring the effect of the purge condition on the fuel cell on the residual water in accordance with the present invention, the main cause of the fuel cell performance deterioration in the freezing conditions is residual as measured with this device configuration It can be determined that the moisture, and to what extent the residual moisture can be tolerated, it is possible to experimentally determine the residual moisture according to the purge conditions.

측정 방법은 도시된 도면에 나타난 순서와 같이 먼저 연료전지 준비후, 물을 공급하고, 연료전지를 닫고, 한시간동안 80℃에서 습식을 유지하고, 이후 연료전지를 각각의 조건에 따라 퍼지한다.(퍼지 조건은 온도, 유량(Q는 160 mA/cm2에 해당하는 유량), 시간이다) In the measurement method, the fuel cell is prepared first, as shown in the drawing, and then water is supplied, the fuel cell is closed, the wet cell is kept at 80 ° C. for one hour, and then the fuel cell is purged according to each condition. Purge conditions are temperature, flow rate (Q is flow rate equivalent to 160 mA / cm 2 ), time

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지의 퍼지유량에 따른 잔류 수분량 확인 실험 결과이다. 퍼지유량 효과를 확인하기 위한 본 실험에서는 연료전지의 온도는 70 ℃, 퍼지시간은 5초로 고정하고, 유량을 변화시키며, 잔류수분량을 계측하였다. 방수처리 정도가 다소 적은 GDL 1을 연료전지에 사용한 경우와 방수처리시 사용된 PTFE가 약 2배정도 많은 경우, 동일 조건에서 잔류수분량 제거 효과를 확인하였다. 기본적으로 PTFE 함량이 높은 경우 잔류수분량의 절대량이 적게 유지됨을 확인할 수 있었다. 특히 주목할 부분은, 도시된 바와 같이 유량이 증가할 때, 초기에는 잔류수분량이 급격히 감소하다가, 4Q 이상에서는 더 이상 큰 물제거 효과 없음을 알 수 있다. 이는 에너지 효율 측면에서 볼 때, 본 발명에 따른 유량은 4Q ~ 7.5Q 수준의 유량이면 충분함을 알 수 있다. 유량의 상한을 7.5Q로 한정한 이유는 실제 시스템에 장착되는 공기공급장치의 한계용량 및 에너지 효율을 고려할 때, 더 큰 유량은 바람직하지 못하기 때문이다. 7 is a test result of residual moisture amount according to a purge flow rate of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention. In this experiment to check the effect of the purge flow rate, the temperature of the fuel cell was fixed at 70 ° C., the purge time was 5 seconds, the flow rate was changed, and the residual water content was measured. When GDL 1 was used in the fuel cell, which had a little degree of waterproofing, and the PTFE used in the waterproofing was about twice as high, the residual water removal effect was confirmed under the same conditions. Basically, when the PTFE content was high, it was confirmed that the absolute amount of residual moisture was kept small. Particularly noteworthy, as shown, when the flow rate increases, the residual water content is rapidly decreased initially, but it can be seen that there is no great water removal effect any more than 4Q. In view of the energy efficiency, it can be seen that the flow rate according to the present invention is sufficient if the flow rate of 4Q ~ 7.5Q level. The upper limit of the flow rate is limited to 7.5Q because a larger flow rate is not desirable given the limit capacity and energy efficiency of the air supply device mounted in the actual system.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지의 퍼지 온도에 따른 잔류 수분량 확인 실험 결과를 보인 그래프인데, 도시된 바와 같이 퍼지 개시 온도가 높을 수록 물제거에 유리함을 알 수 있다. 이러한 결과는 종래의 특허(US 6,479,177 등) 및 보고서 들과는 반대 추세임을 알 수 있다. 기존의 특허에서는 일반적인 운전상태의 온도보다 낮은 온도조건에서 퍼지를 진행하는 것이 유리하며, 30 ℃ 이하의 온도를 보다 바람직한 조건으로 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 스택 온도 60 ℃ 이하에서는 오히려 물제거 효과가 미미하고, 퍼지개시 온도가 높아짐에 따라 물제거 효과가 매우크게 나타남을 알 수 있다. 특히 높은 온도에서 유량이 큰 경우는 물제거 효과가 더욱 커짐을 확인할 수 있다. 상기의 결과에 따라 본 발명에 따른 퍼지 온도는 75 ~ 95℃의 스택온도에서 퍼지를 하는 것이 유리함을 알 수 있었다. 8 is a graph showing the results of experiments to determine the residual moisture amount according to the purge temperature of the fuel cell according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the higher the purge start temperature, the better the water removal. It can be seen that this result is the opposite of the existing patents (US 6,479,177, etc.) and reports. In the existing patent, it is advantageous to proceed purge at a temperature lower than the temperature of a general operating state, and the temperature below 30 ° C is a more preferable condition. However, according to the embodiment of the present invention, it can be seen that the water removal effect is rather insignificant at the stack temperature of 60 ° C. or lower, and the water removal effect is very large as the purge start temperature is increased. In particular, when the flow rate is large at a high temperature, it can be seen that the water removal effect is greater. According to the above results, the purge temperature according to the present invention was found to be advantageous to purge at a stack temperature of 75 ~ 95 ℃.

퍼지온도가 75℃ 보다 작으면 동일한 유량 및 시간 동안 퍼지를 진행하더라도 스택 내부에 존재하는 수분제거 효율이 떨어지는 문제가 있고, 퍼지 온도를 95 ℃ 이하로 제한하는 것은 이보다 크면 과도한 수분제거 및 고온으로 인해 전해질막의 물리적 손상을 야기할 수 있기 때문에, 스택의 내구성 확보를 위해 퍼지시 최대온도를 제한할 필요가 있다. If the purge temperature is less than 75 ℃, even if purging for the same flow rate and time, there is a problem that the efficiency of water removal existing in the stack is lowered, and limiting the purge temperature to less than 95 ℃ is due to excessive moisture removal and high temperature Since it may cause physical damage to the electrolyte membrane, it is necessary to limit the maximum temperature during purging to ensure durability of the stack.

도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지의 퍼지시간에 따른 잔류 수분량 확인 실험 결과를 보인 그래프인데 도시된 바와 같이 일정한 유량에서는 퍼지 시간에 따라 잔류하는 수분의 양이 급감함을 알 수 있다. 하지만 정해진 유량에서 약 30초 이상의 퍼지를 진행하는 경우는 더 이상 퍼지에 의한 물제거 효과가 크지 않음을 알 수 있다. 바람직한 본 발명에 따른 퍼지 시간은 30 ~ 60초 범위가 적당하다. 30초 이하의 시간범위에서 퍼지시에는 충분한 수준의 물제거 효과를 가질 수 없고, 약 60초 이상의 시간동안은 펴지를 진행하더라도 소요되는 전력 대비 물제거효과가 미미하여, 연료전지 시스템의 전체 에너지 효율 측면에서 볼 때 퍼지 시간에 대한 상한은 본 발명의 실시예와 같이 제한할 수 있다. 9 is a graph showing the results of experiments to confirm the residual moisture amount according to the purge time of the fuel cell according to an embodiment of the present invention, as shown in the figure, it can be seen that the amount of moisture remaining decreases with the purge time at a constant flow rate. . However, if the purge proceeds for about 30 seconds or more at a predetermined flow rate, it can be seen that the water removal effect by purge is no longer great. Preferred purge times according to the invention range from 30 to 60 seconds. When purging in the time range of 30 seconds or less, there is no sufficient level of water removal effect, and even if unfolding is performed for more than about 60 seconds, the water removal effect is small compared to the power consumption, and thus the overall energy efficiency of the fuel cell system. In view of the upper limit for the purge time can be limited as in the embodiment of the present invention.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

도 1은 다양한 퍼지조건에서 연료전지 내부에 잔류하는 수분량의 변화를 확인하여, 최적의 물제거 조건 찾기위한 실험의 개념을 보인 그래프이고,1 is a graph showing the concept of an experiment to find the optimum water removal conditions by checking the change in the amount of water remaining inside the fuel cell under various purge conditions,

도 2는 연료전지의 활성화 및 기본성능평가 확인 후, 운전정지시 특정한 퍼지조건을 거치고 동결/해동 과정을 반복하며, 잔류수분량 정도에 따른 연료전지 성능의 변화를 확인한 그래프이고,2 is a graph confirming the change in fuel cell performance according to the residual water content after a specific purge condition and repeating the freezing / thawing process after the operation of the fuel cell after confirming the activation and basic performance evaluation,

도 3은 연료전지 시스템 운전 후 정지 전 거치는 Idle 모드가 잔류 수분량에 미치는 영향을 비교하기 위해 실험디자인한 그래프이고, 3 is a graph designed to compare the effect of the idle mode after the operation of the fuel cell system before the stop on the residual water content,

도 4는 퍼지과정을 거치지 않은 연료전지의 동결/해동시 즉, 잔류수분이 제거되지 않은 경우 성능저하 수준 변화를 보인 그래프이고, 4 is a graph showing a change in performance degradation level when freezing / thawing of a fuel cell that has not been purged, that is, when residual moisture is not removed.

도 5는 본 발명에 따라 퍼지과정을 가진 연료전지의 동결/해동시 잔류수분 제거 유무에 따른 성능저하 수준 변화를 보인 그래프이고,5 is a graph showing a change in performance degradation level according to the presence or absence of residual moisture during freezing / thawing of a fuel cell having a purge process according to the present invention,

도 6은 본 발명에 따라 연료전지에 대한 퍼지조건이 잔류수분량에 미치는 영향을 측정하기 위한 장치 구성을 보인 예시도이고,6 is an exemplary view showing a device configuration for measuring the effect of the purge conditions for the fuel cell on the residual water in accordance with the present invention,

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지의 퍼지유량에 따른 잔류 수분량 확인 실험 결과이다.7 is a test result of residual moisture amount according to a purge flow rate of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지의 퍼지 온도에 따른 잔류 수분량 확인 실험 결과를 보인 그래프이고,8 is a graph showing the results of experiments to determine the residual moisture amount according to the purge temperature of the fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지의 퍼지시간에 따른 잔류 수분량 확인 실험 결과를 보인 그래프이고,9 is a graph showing the results of experiments to determine the residual moisture amount according to the purge time of the fuel cell according to an embodiment of the present invention,

도 10은 종래 고분자전해질 연료전지의 기본구조도이고,10 is a basic structural diagram of a conventional polymer electrolyte fuel cell,

도 11은 종래 고분자전해질 연료전지 스택 개념도이고,11 is a conceptual diagram of a conventional polymer electrolyte fuel cell stack,

도 12는 종래 연료전지의 구조를 보인 분해사시도이다.12 is an exploded perspective view showing the structure of a conventional fuel cell.

도 13은 일반적인 연료전지의 단면을 보인 구조도이고,13 is a structural diagram showing a cross section of a typical fuel cell,

도 14는 종래 연료전지의 분리판 형태 중 단일사행유로 구조를 보인 예시도이고, 14 is an exemplary view showing a structure of a single meandering flow path in a separator plate form of a conventional fuel cell,

도 15는 종래 연료전지의 분리판 형태 중 평행사행유로 구조를 보인 예시도이다.15 is an exemplary view showing a parallel meandering channel structure of a separator plate of a conventional fuel cell.

Claims (11)

영하 조건에서 연료전지 시스템내 잔류수분을 제거하는 퍼지방법에 있어서,A purge method for removing residual moisture in a fuel cell system under subzero conditions, 연료전지 시스템이 정지시 내부 잔류수분을 제거하기 위해 75 ℃ - 95 ℃의 온도범위를 유지한 상태에서 공급되는 퍼지 기체의 유량 또는 퍼지 시간을 제어하면서 퍼지함으로서 최대 시스템 효율 및 최소의 잔류수분량을 가지도록 하는 방법을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The fuel cell system purges while controlling the flow rate or purge time of the supplied purge gas while maintaining the temperature range of 75 ° C to 95 ° C to remove internal residual water when the fuel cell system is stopped. Optimal purge method for securing durability of fuel cell system under subzero condition, characterized in that the method. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 퍼지 기체의 유량은 연료전지시스템의 스택을 구성하는 단위 셀의 활성면적 기준으로 600 ~ 1200 mA/cm2 로 제어하는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The purge gas flow rate is controlled based on the active area of the unit cell constituting the stack of the fuel cell system 600 ~ 1200 mA / cm 2 characterized in that the optimum purge method for ensuring the durability of the fuel cell system under sub-zero conditions. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 퍼지기체의 총 유량은 600 ~ 1200 mA/cm2 값에 스택을 구성하는 단위 셀의 수를 곱한 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스 템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The total flow rate of the purge gas is determined by multiplying the number of unit cells constituting the stack by a value of 600 ~ 1200 mA / cm 2 value, the optimum purge method for securing the durability of the fuel cell system in sub-zero conditions. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 퍼지 시간은 퍼지기체가 연료전지시스템의 스택을 통과하는 시간을 기준으로 30 ~ 60초가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The purge time is controlled to be 30 to 60 seconds based on the time the purge gas passes through the stack of the fuel cell system, the optimum purge method for ensuring the durability of the fuel cell system in sub-zero conditions. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 기체는 질소, 공기, 수소, 개질가스 중에서 선택된 어느 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The gas is an optimum purge method for securing the durability of the fuel cell system in sub-zero conditions, characterized in that any one or more selected from nitrogen, air, hydrogen, reforming gas. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 연료전지 시스템에서 잔류수분이 제거될 대상은 스택의 매니폴더와, 단위 셀을 구성하는 분리판 유로, 기체확산층, 전극촉매층, 전해질막을 포함하는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.Residual moisture to be removed in the fuel cell system includes a manifold of a stack, a separator flow channel constituting a unit cell, a gas diffusion layer, an electrode catalyst layer, and an electrolyte membrane. Optimal purge method for 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 퍼지 기체의 유량은 전극촉매층인 연료극 및 공기극 기준으로 각각 이용율 70 ~ 80% 및 40 ~ 50% 값 범위를 가지도록 공급하는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The flow rate of the purge gas is an optimum purge method for securing durability of the fuel cell system at subzero conditions, characterized in that the supply rate has a value range of 70 to 80% and 40 to 50%, respectively, based on the anode and the cathode as the electrode catalyst layer. . 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 퍼지 조건은 연료전지 시스템이 정상 운전후 정지시, 아이들링(idling) 운전 여부에 상관없이 퍼지시키는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법. The purge condition is an optimal purge method for securing the durability of the fuel cell system in the sub-zero condition, characterized in that the purge irrespective of whether or not idling operation when the fuel cell system is stopped after normal operation. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 퍼지 조건은 연료전지시스템을 정지하기 위한 어떠한 종류의 정지과정을 퍼지과정 전 혹은 후에 거치더라도 상관없이 퍼지시키는 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The purge condition is purged irrespective of whether or not any kind of stopping process for stopping the fuel cell system before or after the purge process, the optimum purge method for securing the durability of the fuel cell system in sub-zero conditions. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 시스템 효율은 퍼지를 위해 추가로 전기적 에너지가 소모되는 양에 대비하여 단위 셀 내부에 잔존하는 수분량을 비교한 것을 특징으로 하는 영하조건에서 연료전지 시스템의 내구성 확보를 위한 최적 퍼지방법.The system efficiency is an optimal purge method for securing the durability of the fuel cell system in sub-zero conditions, characterized in that the amount of water remaining in the unit cell compared to the amount of additional electrical energy consumed for purging.
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