KR100840443B1 - 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템을 작동 정지시키거나 시동하는 방법 및 연료 전지 시스템을 작동 정지시키고 시동하는 방법 - Google Patents

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Abstract

전지 적층 조립체(102) 냉각수 시스템은 냉각수 펌프(112) 및 냉각수 배출 매니폴드(108)와 유체 연동하는 냉각수 배출 도관(110)을 포함한다. 냉각수 유입 도관(120)은 냉각수 유입 매니폴드로의 냉각수 이송을 가능하게 한다. 냉각수 시스템은 냉각수 배출 매니폴드 및 냉각수 유입 매니폴드와 유체 연통하는 바이패스 도관(132)을 더 포함하며, 추기 밸브(130)는 냉각수 배출 도관 및 가스원과 유체 연통한다. 추기 밸브의 작동은 냉각수 채널로부터 그리고 작동 정지 도관(124)을 통해 냉각수를 배출시킨다. 냉각수와 반응 가스 사이의 차등 압력의 증가는 전극 기판(107, 109)의 세공 외부로 물을 가압한다. 이젝터(250)는 공기가 펌핑를 억제시키는 것을 방지한다. 펄스된 공기는 물을 제거하기 위해 냉각수 채널을 통해 송풍된다(238, 239, 243, 245).
Figure R1020037013038
전지 적층 조립체, 냉각수 시스템, 냉각수 유입 매니폴드, 냉각수 배출 매니폴드, 냉각수 채널, 추기 밸브

Description

연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템을 작동 정지시키거나 시동하는 방법 및 연료 전지 시스템을 작동 정지시키고 시동하는 방법{FUEL CELL SYSTEM, METHOD OF SHUTTING DOWN OR STARTING UP FUEL CELL SYSTEM, AND METHOD OF SHUTTING DOWN AND STARTING UP FUEL CELL SYSTEM}
본 출원은 2001년 4월 5일에 출원된 미국 특허 출원 제09/826,739호의 우선권을 주장한다.
일반적으로, 본 발명은 빙점하 온도 중의 전지 적층 조립체(cell stack assembly)의 작동 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로 전지 적층 조립체가 특히 작동 정지(shut-down) 또는 시동(start-up)의 시간 동안에 가혹한 환경 조건을 겪을 때 그 구성 부분에 대한 구조적 손상을 피할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
전기 화학적 연료 전지 조립체는 애노드에 제공되는 연료와 캐소드에 제공되는 산화제를 반응시켜, 전기 및 후속적 반응물을 생성하여 이 전극들 사이에 포텐셜을 발생시킬 수 있는 것으로 공지되어 있다. 이러한 연료 전지 조립체는, 내연기관 연료 시스템 등과 비교해볼 때, 그 높은 효율로 인해 매우 유용하고 요구된다. 연료 전지 조립체는 물과 같은, 환경 친화적 화학 반응 생성 부산물로 인해 부가적으로 유리하다. 연료 전지 조립체 내의 온도를 제어하기 위해, 냉각수가 연 료 전지 조립체에 제공된다. 일반적으로 물인 냉각수는 연료 전지 조립체 전체에 걸쳐 냉각수 채널 구조를 통해 순환된다. 연료 전지 조립체 내에 물을 사용하는 것은 연료 전지 조립체가 특히 빙점 온도에 민감하게 한다.
일반적으로, 전기 화학적 연료 전지 조립체는 연료로서 수소 농축 가스를 사용하고 산화제로서 산소를 사용하며, 위에서 언급된 바와 같이, 반응 부산물은 물이다. 이러한 연료 전지 조립체는 원하는 전기 화학적 반응을 촉진시키기 위해 그 위에 형성된 촉매층을 갖는, 고상 폴리머 전해질로 이루어진 멤브레인 또는 이온 교환 멤브레인을 사용할 수 있다. 촉매화된 멤브레인은 다공성 전기 전도성 시트 재료, 일반적으로 탄소 섬유 종이로 형성된 두 개의 전극 기판 사이에 배치된다. 또한, 이온 교환 멤브레인은 상표명 NAFIONTM하에서 듀폰(DuPont)에 의해 판매되는 것과 같은, 양성자 교환 멤브레인(이하 PEM)으로 알려져 있다.
작동시, 수소 연료는 애노드의 다공성 전극 기판 재료에 침투하고 촉매층에서 반응하여 수소 이온 및 전자를 형성한다. 수소 이온은 멤브레인을 통해 캐소드로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 유동한다. 또한, 캐소드에서, 산소-함유 가스 서플라이는 다공성 전극 기판 재료를 통해 침투하고 수소 이온 및 애노드로부터의 전자와 촉매층에서 반응하여 부수적인 물을 형성한다. 이온 교환 멤브레인은 이들 수소 이온이 애노드로부터 캐소드로 이동하는 것을 용이하게 할 뿐만 아니라, 이온 교환 멤브레인은 산소-함유 가스 산화제로부터 수소 연료를 격리시키는 역할을 한다. 애노드 및 캐소드 촉매층에서 일어나는 반응은 다음의 식으 로 표현될 수 있다.
애노드 반응: H2 --> 2H+ + 2e-
캐소드 반응: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- --> H2O
종래의 PEM 연료 전지는, PEM 및 전극 기판으로 구성되고 애노드 판과 캐소드 판이라고 하는 2개의 가스-불투과성의 전기 전도성 판 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체를 가진다. 통상, 판은 흑연, 흑연-폴리머 복합물 등으로 형성된다. 판은 2개의 다공성의 전기 전도성 전극에 대한 구조적 지지체로서 작용하며, 또한 전류 수집기로서 작용하고, 연료 및 산화제를 애노드 및 캐소드로 각각 운반하는 수단을 제공한다. 또한, 이들은 연료 전지의 작동 중에 반응 부산물인 물을 멀리 운반하는데 사용된다.
유동 채널이 애노드 판 및 캐소드 판 내의 연료 또는 산화제를 순환시키는 목적을 위해 이들 판 내에 형성될 때, 이들을 유체 유동장 판(fluid flow field plate)이라고 지칭한다. 또한, 이들 판은 특정 연료 전지 구성에서 물 이송 판으로서 기능하고 통상 일체형 냉각수 통로를 포함하여, 이들의 공지된 물 관리 기능 외에 냉각기 판으로서도 작용한다. 유체 유동장 판이 애노드 및 캐소드 다공성 재료 내에 형성된 채널을 단순히 중첩할 때에는, 이들은 분리기 판으로 지칭된다. 더욱이, 유체 유동장 판은 연료를 애노드 유동 채널에 또는 이와 달리 산화제를 캐소드 유동 채널에 공급하는데 사용되는, 내부에 형성된 반응물 공급 매니폴드를 가 질 수 있다. 또한, 이들은 연료 및 산화제 스트림의 반응하지 않은 성분 및 부산물로서 생성된 임의의 물을 연료 전지로부터 유도하기 위한 대응 배출 매니폴드를 가질 수도 있다. 이와 달리, 매니폴드는 쿤즈(Kunz) 등에게 허여된 미국 특허 제3,994,748호에 통상적으로 도시된 바와 같이 연료 전지 자체에 대해 외부에 있을 수도 있다.
연료 전지 조립체 내의 촉매 층은 다른 비부식성 금속 또는 비부식성 금속 합금이 사용될 수도 있지만, 통상적으로 카본 지지 백금 또는 백금 합금이다. 두 개 이상의 애노드 판/멤브레인/캐소드 판 조합으로 구성되는, 다중 전기 접속 연료 전지 조립체는 전지 적층 조립체로 칭하여 질 수도 있다. 전지 적층 조립체는 통상적으로 직렬로 전기 접속된다.
연료 전지 조립체용 연료를 생산함에 있어서의 최근의 노력은, 메탄, 천연 가스, 가솔린 등과 같은 탄화수소 연료의 화학적 전환으로부터 생성되는 수소 농축 가스 스트림의 이용에 집중되었다. 이러한 프로세스는 가능한 효율적으로 수소 농축 가스 스트림을 생산함으로써, 일산화탄소 및 다른 바람직하지 못한 화학적 부산물의 최소량이 생성되는 것을 보장한다. 이러한 탄화수소의 전환은 당해 기술 분야에서 널리 알려진 수증기 개질기(steam reformer) 및 관련 연료 처리 장치를 통해 통상적으로 이루어진다.
전술된 바와 같이, 애노드 및 캐소드 판에는 연료 전지 조립체의 작동의 부산물로서 생산된 물의 원거리 수송 및 윅킹(wicking) 뿐만 아니라 냉각수의 순환용 냉각수 채널이 제공된다. 이렇게 냉각수 채널 내에서 연료 전지 조립체를 통해 수 집되고 순환되는 물은 0 ℃(32 ℉) 이하에서 결빙되기 쉽고, 따라서 결빙 시에 물이 팽창함에 따라 연료 전지 조립체의 작동을 손상 및 훼손시킬 수도 있다. 따라서, 가혹한 환경 조건에서의 시간 동안 연료 전지 조립체를 보호할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 필요가 있다.
1998년 8월 25일에 플렛처(Fletcher) 등에게 허여된 미국 특허 제5,798,186호는 결빙된 연료 전지 적층체를 직접 및 간접으로 녹이기 위한 다양한 전기 가열 구성을 개시한다. 또한, 연료 전지 적층체 내부에서 결빙한 물의 팽창을 수용하도록 적층 매니폴드 헤더 내부에 위치한 탄성 또는 압축 가능한 장치를 구비하는 것도 언급된다. 단지 적층 매니폴드 헤더 내부에 국한된, 이러한 시스템은 냉각수의 결빙 및 팽창의 영향으로부터 연료 전지 적층 또는 냉각수 채널 전체를 완전하게 보호하지는 않는다.
특히, 연료 전지 조립체의 시동이 빙점하의 환경 조건에서 비작동 시간 이후에 요구되는 상황이 존재한다. 이러한 경우에 있어서, 연료 전지 조립체 내부의 결빙 조건을 완화시키기 위해, 냉각수 채널을 통해 냉각수를 순환시키기 위한 시도는 만족스러운 성능 특성을 낳지 못한다. 예를 들어, 물이 냉각수로서 이용되는 경우에, 연료 전지 조립체의 온도는 소형 치수로 제조된 냉각수 채널의 입력부에서 국부 결빙을 일으킴으로써, 부분적으로 순환을 차단하고 시동에 요구되는 시간을 과도하게 연장시킨다. 비다공성 냉각수 채널 또는 판이 부동액 냉각수와 함께 사용되면, 저온에서 부동액의 높은 점도로 인해 시동에 요구되는 시간이 길어지는 유사한 문제가 다시 존재한다.
전술한 문제점을 고려하여, 본 발명의 주목적은 빙점하 온도에서도 전술한 단점을 극복하는 방법 및 장치를 갖는 연료 전지 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각수 시스템은 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 펌프와, 냉각수 유입 매니폴드 및 냉각수 배출 매니폴드를 유체 연통하는 냉각수 채널을 포함하는 전지 적층체가 제안된다. 냉각수 시스템은 냉각수 배출 매니폴드와 냉각수 펌프를 유체 연통하는 냉각수 배출 도관을 포함하고, 냉각수 배출 도관은 냉각수 배출 매니폴드로부터 배출된 냉각수를 멀리 이송하는 것을 가능하게 한다. 냉각수 유입 매니폴드와 냉각수 펌프를 유체 연통하도록 냉각수 복귀 도관이 제공되며, 냉각수 복귀 도관은 냉각수를 냉각수 유입 도관으로 이송하는 것을 가능하게 한다. 또한, 냉각수 시스템은 냉각수 배출 도관 및 냉각수 복귀 도관과 유체 연통하는 바이패스 도관을 포함하고, 추기 밸브는 냉각수 배출 도관 및 기체 상태의 스트림을 연통한다. 냉각수 배출 도관 및 차단된 냉각수 유입 압력 제어 밸브와 함께 추기 밸브의 작동은 냉각수 채널로부터 그리고 상기 바이패스 도관 및 상기 펌프를 통해 냉각수 어큐뮬레이터까지 냉각수를 배출하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 중요한 태양은 냉각수와 반응 가스 사이에 14 kPa 과 같이 정상적인 차등 압력에 의해서는 애노드 및 캐소드 전극 기판 내에 굵은 세공(coarse pore)의 약 50 % 정도가 물로 채워지지만, 차등 압력이 약 28 kPa로 증가되면 애노드 및 캐소드 전극 기판 내에 굵은 세공의 약 5 내지 10 % 정도만이 물로 채워지는 것을 달성하는 것이다. 따라서, 본 발명의 태양은 앞에서 달성되지 않은 방식으로 지지 판 및 분산층의 외부로 상당한 정도까지 물을 가압하고 이후에 냉각수 채널로부터 물을 제거하도록 지향된다. 따라서 연료 전지 작동 정지 절차의 양호한 실시예는, 바이패스 도관을 통해 냉각수 펌프에 의해 배출된 냉각수 채널 외부로 모든 물을 견인하기 전에, 우선 기체 상태의 반응물과 냉각수 사이의 차등 압력을 증가시킨다.
또한 본 발명에 따라서, 냉각수 펌프에 의해 냉각수 채널로부터 인수될 수 있는 모든 물은 냉각수 펌프에 의해 채널로부터 제거되었고, 공기 등의 가스의 펄스는 냉각수 펌프에 의해 제거되지 않은 임의의 잔존한 물을 제거하고 픽업하기 위해서 물 이송 채널을 통과한다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 연료 전지 시스템의 시동은 냉각수를 가열시키는 단계와, 가열된 냉각수를 냉각수 유입 매니폴드를 통해 유동시키고, 그 후 직접 바이패스 도관을 통해 냉각수 배출 매니폴드로 유동시키는 단계를 포함하므로, 연료 전지는 상기 채널을 통한 실질적인 냉각수의 통과없이 매니폴드를 통해 유동하는 냉각수에 의해 가열된다.
본 발명의 다양한 태양 및 양호한 실시예는 명세서, 청구범위 및 도면을 전체적으로 고려하여 명백해질 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 시스템의 개략 단면도이다.
도2는 작동 정지 절차 동안의, 도1의 냉각수 시스템의 작동을 도시하는 플로 우 다이아그램이다.
도3은 작동 정지 절차 동안의, 도1의 냉각수 시스템의 작동을 도시하는 플로우 다이아그램이다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 시스템의 개략도이다.
도5는 도1의 실시예에 대한 개선을 포함한 냉각수 시스템의 개략도이다.
도6은 작동 정지 절차 동안의, 도5의 냉각수 시스템의 작동을 도시하는 플로우 다이아그램이다.
도7은 도5의 냉각수 시스템 변화의 개략도이다.
도1은 시동 및 작동 정지 절차 동안 빙점하 온도의 악영향으로부터 전지 적층 조립체(102)를 보호하기 위해 작용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 시스템(100)을 도시한다. 도1에서 도시된 바와 같이, 전지 적층 조립체(102; 이후 'CSA')는 서로 전기적 연통하는 복수개의 연료 전지 조립체(103)로 구성된다. 연료 전지 조립체는 애노드 전극 기판(또는 지지판) 및 캐소드 전극 기판(또는 지지판) 사이에 배치된 고체 폴리머 전해질로 구성된 이온 교환 멤브레인을 각각 채용할 수 있다. 애노드 지지판(107) 및 캐소드 지지판(109)은 반응 연료 채널(111) 및 반응 산화제 채널(113)에 각각 제공된다. 이온 교환 멤브레인은 대략 0.0254 mm(0.001 in) 두께의 폴리머 막을 포함하는 양성자 교환 멤브레인(PEM)(105)일 수도 있다. 캐소드 및 애노드 전극 기판은 통상적으로 다공성의 전기 전도성 시트 재료, 통상적으로 이들 기판을 친수성이 되게 하는 Teflon?코팅을 갖는 탄소 섬유 종이로 형성된다. 냉각수 채널(104)은 이들 PEM 연료 전지 조립체(103)의 각각에 통상적으로 다공성의 냉각수 판 등 내에 형성되고, 냉각수 채널(104)을 통해 순환하는 냉각수로서는 통상적으로 물이 사용된다.
PEM 연료 전지 조립체를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 멤브레인 및 전극 물질이 택일적으로 사용되어, 반응물 및 부산물 분자, 이온 및 전자의 필수 유동을 허용할 수도 있다. 특히, 비다공성 냉각수 판 내의 냉각수 채널을 통해 순환하는 부동액을 사용하는 연료 전지 조립체가 본 발명의 광범위한 태양으로부터 벗어나지 않고 사용될 수도 있다.
도1을 계속 참조하면, 냉각수 유입 매니폴드(106)는, 전지 적층 조립체(102)를 포함하는 연료 전지 조립체(103)의 각각에 대해 냉각수를 균일하게 순환시키도록 설계된 복수개의 냉각수 채널(104)로 냉각수를 실질적으로 균등하게 분배한다. 냉각수 채널(104) 자체는 냉각수가 전지 적층 조립체(102)를 통해 순환된 후에 냉각수 배출 매니폴드(108)로 배출된다. 배출된 냉각수는 냉각수 펌프(112)의 동적 힘 하에서 냉각수 배출 도관(110)을 거쳐 냉각수 매니폴드(108)를 떠난다. 다음, 냉각수는 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 다양한 비율로 열 교환기(116) 및 순간 히터(118)로 전환되기 전에 배출 어큐뮬레이터(114)로 지향된다. 냉각수 유입 도관(120)은 냉각수를 재차 냉각수 유입 매니폴드(106)로 유입시키기 위해 제공된다.
다공성 냉각수 채널 또는 판을 갖는 PEM 연료 전지 조립체가 전지 적층 조립체(102)에 사용될 때, 도1의 다양한 부품을 통해 순환하는 냉각수는 냉각수 펌프(112) 및 냉각수 유입 압력 제어 밸브(122)에 의해 대기압 이하의 압력으로 유지된다. 반응물을 대기압 이상의 압력으로 유동시키면서 냉각수를 대기압 이하의 압력으로 유지함으로써, 연료 또는 산화제 반응물 스트림에서의 액체 냉각수의 축적이 효과적으로 방지된다. 더욱이, 열 교환기(116)을 포함함으로써, 냉각수가 전지 적층 조립체(102)로 복귀되기 전에 순환 냉각수에 의해 흡수된 열을 제거하는 공지의 수단을 제공한다.
전술한 바와 같이, 도1의 냉각수 시스템(100)은 활성 작동 중에 전지 적층 조립체(102) 전체를 통해 통상적으로 물인 냉각수의 연속적인 공급 및 순환을 제공한다. 전지 적층 조립체(102) 내부에서 물 냉각수를 사용하는 것은 물 및 열 관리를 위하여 유리하다는 것이 아주 명확한 반면, 전지 적층 조립체(102)가 물의 빙점 또는 그 이하, 즉 0 ℃(32 ℉) 또는 그 이하의 온도를 겪게 되면 문제가 발생한다. 전지 적층 조립체(102)가 이러한 온도를 경험하게 되는 시간 동안, 전지 적층 조립체(102) 내부에 함유된 물이 얼어서 팽창하여, 전지 적층 조립체(102)의 부품에 손상을 일으킬 수도 있다. 따라서, 전지 적층 조립체(102)에 물 냉각수의 결빙을 상쇄하여 작동 정지 및 시동의 시간 동안 대응하는 손상을 확실하게 방지할 수 있는 장치를 제공하는 것이 아주 유리할 것이다.
따라서, 빙점하 온도의 시간 동안 전지 적층 조립체(102)를 위한 작동 정지 절차를 안전하게 실행할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이 본 발명의 중요한 태양이다. 공지된 실시예에서, 전지 적층 조립체(102)의 작동 정지가 명령되면, 물 냉각수는 중력 하에서 전지 적층 조립체(102)로부터 배수되도록 된다. 사실상, 이는 냉각수 공급과 반응물 스트림 사이에 압력 차이가 냉각수 펌프(112)와 압력 제어 밸브(122)에 의해 더 이상 유지되지 않아서, 냉각수가 물, 연료 및 산화제의 혼합물 내에 전지 적층 조립체(102)의 일부가 침지되게 두는 반응물 유동장 내에서 갑자기 없어지게 되는 것을 의미한다. 이 상태는 작동 정지 기간동안 무기한으로 계속될 수 있고, 또는 단기간 동안 전지 적층 조립체(102)에 영향을 미칠 수도 있다. 어느 경우에서도, 물 냉각수가 빙점하 온도의 환경에서 전지 적층 조립체(102) 내부에 고이는 것이 허용되는 시간 동안 전지 적층 조립체(102) 상에 손상을 끼칠 수 있다.
도2는 전술된 단점을 회피하고 전지 적층 조립체(102)의 정지 작동이 전지 적층 조립체(102)에 손상을 끼치지 않고 빙점하 온도 동안 수행될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 작동 절차(200)를 도시한다. 본 명세서에 개시된 작동 정지 절차(200)는 바람직하게는 전기 부하가 전지 적층 조립체(102)로부터 제거된 후에 그리고 반응물 유동이 중단되고 임의의 부식 제어 단계가 완료된 후에 시작된다.
작동 정지 절차(200)는 작동 정지 바이패스 도관(shut-down bypass conduit; 124) 및 통풍 공기의 유입 또는 그와 유사한 것을 이용한다. 도1 및 도2를 참조로 조합하여, 본 발명에 따른 작동 정지 절차(200)는 수동으로 또는 자동으로 작동 정지 순서를 착수하는 단계(202)로 시작한다. 단계(202)에서 지시된 바와 같이, 냉 각수 펌프(112)는 냉각수 도관 내에 부대기압을 유지하기 위하여 작동 정지가 개시된 후에도 작동을 계속한다. 이런 방법으로, 본 발명은 반응물 및 냉각수의 유동장 내의 냉각수 부족(slumping)에 대한 상기 언급된 문제를 피한다.
도2의 작동 정지 절차(200) 단계(204)로 돌아가서, 작동 정지 밸브(126)는 작동 정지 바이패스 도관(124)을 통해 냉각수 스트림의 상당량을 전환하기 위해 개방된다. 그 후, 냉각수 배출 도관(110)을 따라 배치된 냉각수 출구 밸브(128)는 전지 적층 조립체(102)를 통한 냉각수의 유동을 막기 위해 후속 단계(206)에서 폐쇄된다. 단계(208)에서, 전지 적층 조립체(102)는 압력 제어 밸브를 폐쇄함으로써 임의의 추가적인 냉각수 공급으로부터 분리되는 반면, 단계(210)에서는 추기 밸브(130)를 개방하도록 작동하여서, 이에 의해 공기 공급부와 연통하는 냉각수 시스템(100)을 배치한다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 추기 밸브(130)는 외부 주변 공기 공급부 또는 대기와 연통하고 주변 공기가 냉각수 도관 및 유동장으로 누출되는 것을 허용함으로써 냉각수 시스템을 통기시키는 역할을 한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 통기 작용은 냉각수 도관 및 유동장에서 진공을 유지하는 냉각수 펌프(112)의 연속 작동에 의해 수행될 수 있다. 만일 필요하다면, 펌프에 영향을 미치는 공기 거품에 의해 발생되는 캐비테이션의 결과로서 펌핑 작업 중단의 가능성을 피하기 위해 원심 펌프보다 오히려 정변위 펌프(112)가 이용되거나, 또는 이하 도7에 대해 설명된 바와 같이 이젝터가 이용될 수 있다. 만일 필요하다면, 대기 대신에 가압 공기가 밸브(239)를 통해 공기 펌프(238)(도5)에 의해 제공될 수 있다.
본 발명이 냉각수 도관 및 유동장을 주변 공기 공급으로 통기하는 것으로 설명하였으나, 냉각수를 냉각수 도관 및 유동장으로부터 소기하기 위한 대체 방법들은 본 발명의 광범위한 태양으로부터 벗어나지 않고 채택될 수 있다. 다르게는, 가압된 공기 공급원은 추기 밸브(130)의 개방 시에 냉각수 도관 및 유동장과 연통하여 배치되어서, 임의의 잔류 냉각수의 유동장 및 냉각수 도관을 세척한다.
상술된 바와 같이, 상술된 냉각수 시스템(100)의 다양한 밸브를 폐쇄함으로써, 추기 밸브(130)를 통해 견인되는 공기는 내부에 잔류한 임의의 냉각수의 냉각수 유입 매니폴드(106), 냉각수 채널(104) 및 냉각수 배출 매니폴드(108)를 통기하는 작용을 한다. 통기된 냉각수는 작동 정지 바이패스 도관(124)을 통해 안내되어 결과적으로 어큐물레이터 안으로 배치되고, 약간의 물이 다공성 물 이송 판 내에 잔류할 수 있지만 전지 적층 조립체(102)의 반응물 및 냉각수 채널에 사실상 모든 물 냉각수가 없게 한다.
통기 공정동안, 전지 적층 조립체(102)의 반응물 및 냉각수 채널의 임의의 냉각수가 잔류하는지를 단계(212)에서 결정한다. 냉각수가 검출되면, 세척 공정은 상술된 바와 같이 연속된다. 전지 적층 조립체(102)에 실제로 어떤 냉각수도 잔류하지 않는다는 것이 결정될 때, 작동 정지 바이패스 도관(124)은 폐쇄되고 냉각수 펌프(112)는 단계(214)에서 사용할 수 없다. 추기 밸브(130)는 작동 정지 절차(200)의 세척 공정을 종료하기 위해 단계(216)에서 실제로 폐쇄된다. 이해된 바와 같이, 다양한 센서 조립체는 단계(212)에 따라 전지 적층 조립체(102)의 임의의 과잉 물 냉각수가 잔류하는지를 결정하기 위해 냉각수 배출 매니폴드(108), 냉 각수 유입 매니폴드(106) 또는 냉각수 유입 도관(120)에 놓일 수 있다.
작동 정지 절차(200)의 효과는 전지 적층 조립체(102)로부터 실제로 모든 냉각수를 제거함으로써, 빙점하 온도에서 작동 정지 이후의 시간동안 전지 적층 조립체(102) 내의 냉각수의 해로운 팽창을 방지한다.
연료 전지 적층 조립체를 작동 정지시키기 위한 향상된 절차는 도5 및 도6에서 설명된다. 시동 바이패스 도관(132)에 더해 열 교환기(116) 및 도1의 가열기(118)는 명료성을 위해 도5로부터 생략되나, 몇몇 시동 장치는 임의의 소정의 적용물에서 도5의 실시예로 정상적으로 이용될 수 있다. 도5에서, 화살표들은 그것이 발생할 때 역유동의 방향이 아니고 정상 유동의 방향을 나타낸다. 작동 정지는 도6의 단계(220)에 의해 도시된 바와 같이 냉각수 펌프가 활성화되면서 착수한다. 제1 단계(221)는 반응 가스와 냉각수 사이에 차등 압력을 증가시킨다. 이는 다소 압력 제어 밸브(122)를 간단히 폐쇄함으로써 행해져서, 냉각수 유입 도관(120)의 냉각수 압력은 연료 및 산화제 반응 가스 모두가 사실상 대기압에서 있으면서 연료 전지가 전형적으로 작동할 수 있는 압력이 대략 -14 kPa(-2 psi)인 대신에, 예를 들어, 대략 -28 kPa(-4 psi)이다. 차등 압력의 이러한 증가는 다공 친수성 캐소드 기판(109) 및 다공 친수성 애노드 기판(107)의 굵은 세공들로부터 냉각수를 가압하는 경향이 있어서, 세공의 상당 부분은 물이 없게 되어, 물이 저압 냉각수 채널 내로 지나간다. 비록 본 발명이 친수성 애노드 및 캐소드 기판을 내장한 전지 내에서 사용되는 것으로 설명되었지만, 이는 상기 기판 중 하나가 소수성인 전지에서도 사용될 수 있다. 폴리테트라플루오르에틸렌과 같은 소수성 폴리 머로써 이들을 처리함으로써 이들을 소수성으로 만드는 것은 방수 전극 기판에 관한 기술 분야에서 알려져 있다.
냉각수 채널과 수소(222)와 같은 연료 반응 가스 및 공기와 같은 산화제 반응 가스 사이의 증가된 차등 압력은 대신에 반응 가스의 압력을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이는 산화제 반응 가스 유동장의 출구에 있는 밸브(225)를 조정하는 것뿐만 아니라, 연료 압력 제어 밸브(223) 또는 연료 배출 밸브(224) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 조정함으로써 차례로 달성될 수 있다.
단계(231)의 세척 중에 유지되는 냉각수 및 반응 가스 사이의 추가적인 차등 압력을 가지는 것이 유익하기 때문에[도6, 단계(221)], 반응 가스의 압력의 증가는 몇몇의 경우에 있어서 바람직할 수 있다. 또는, 물의 압력은 바람직한 28 kPa의 차등 압력을 달성하기 위해 반응 가스의 압력의 증가와 동시에 감소될 수 있다. 연료 시스템은 필요하다면 펌프(226) 및 다른 장치(도시되지 않음)를 포함하는 회복 루프를 포함할 수 있다. 도6의 다음 단계(227)는 바이패스 밸브(126)를 개방함으로써 냉각수를 바이패스하는 것을 허용한다. 그 후, 펌프(112) 및 어큐뮬레이터(114)로부터 냉각수 유입 매니폴드(106) 내로의 냉각수의 유동은 냉각수 유입 압력 제어 밸브(122) 및 냉각수 출구 밸브(128)를 단계(228)에서 차단함으로써 단계(228)에서 방지된다. 그후, 단계(231)는 추기 밸브(130)를 개방함으로써 냉각수 세척 유동을 가능하게 한다. 밸브(122, 128)가 폐쇄되고 밸브(126, 130)는 개방됨으로써, 공기는 대기로부터 밸브(130)를 통해, 냉각수 배출 매니폴드(108)를 통해, 냉각수 채널(104)을 통해, 냉각수 유입 매니폴드(106)를 통해, 냉각수 유입 도관(120)을 통해, 작동 정지 바이패스 도관(124)을 통해, 그리고 작동 정지 밸브(126)를 통해, 펌프(112)로 유동한다. 이로 인해, 이전에 냉각수 채널(104) 및 냉각수 매니폴드(106, 108) 내에 보유되었던 물은 이제 펌프(112)에 의해 어큐뮬레이터(114) 내로 배수된다. 도5 및 도6의 실시예의 방법에 의한 친수성 기판의 큰 세공으로부터 제거된 물의 양은 도1 및 도2의 실시예에 의해 달성된 것보다 현저하게 많다.
또한, 본 발명에 따라서, 단계(232)의 긍적적인 결과로 지시된 바와 같이, 일단 펌프(112)에 의한 세척이 완료되면, 특히 냉각수 채널 내부에 작은 액적의 형태로 여전히 남아 있을 수 있는 물은 공기와 같은 가압 가스에 의해 배수된다. 펌프가 아마도 냉각수 채널(104)로부터의 모든 물을 제거할 때, 물 채널(104)은 단계(236)에 지시된 바와 같이 밸브(122, 126, 128 및 130)를 폐쇄함으로써 밀봉된다. 이러한 방식으로, 펌프 시스템 내의 물은 냉각수 물 채널(104)로 회수되지 않을 것이다. 그 후, 산화제 반응 가스 펌프(238)는 냉각수 배출 매니폴드(108), 냉각수 채널(104) 및 냉각수 유입 매니폴드(106)를 통해 공기를 송풍하는데 사용된다. 통상적으로, 밸브(239)는 펌프(238)로 부터의 공기 유동을 캐소드(109)의 산화제 반응 가스 채널(113)(도5에 도시되지 않음)로, 또한 배출을 위해 밸브(225) 또는 소정의 적절한 회수 시스템을 통해 안내한다. 그러나, 본 발명의 단계(242)(도6)에서, 밸브(239)는 공기 유동을 다른 밸브(243)로 전환하기 위해 절환된다. 밸브(243)는 펌프(238)로부터 대기(ATMS)로 또는 냉각수 채널(104)로 공기를 전환시켜 교번하도록 제어된다. 밸브(243)가 공기 유동을 대기로 전환하여, 펌프(238) 는 사실상 부압을 갖지 않으며, 더 높은 회전속도로 스풀을 증대하며(spool-up), 그 후 밸브(243)는 유동을 냉각수 채널(104), 냉각수 매니폴드(106, 108) 및 밸브(245)를 통해 대기로 안내하도록 변경된다. 그 후 밸브(243)는 밸브(243)가 펌프의 공기를 냉각 채널(104)로 안내한 후, 펌프(238)가 스풀을 증대하도록 공기를 대기로 다시 전환한다. 이것은 대기로 약 10초 정도이고 냉각수 채널로 약 10초 정도일 수 있는 작업 주기로 냉각 채널(104)과 냉각수 매니폴드(106, 108)에 공기의 펄스를 제공한다. 필요시, 필수적으로 사용될 필요가 없어서, 단계(242) 중에 밸브(239)는 펌프(238)로부터의 냉각수 채널(104)로 공기의 정상 유동을 제공할 수 있다. 또한, 필요시, 공기 펌프(238) 이외에 가압 질소와 같은 가압 가스원은 단계(242) 중에 냉각수 채널(104)을 통해 가스의 유동을 제공하는데 사용될 수 있다. 냉각수 채널(104)의 세척 중, 냉각수 채널(104) 내의 가스압은 잔류한 물이 전극 기판으로 가압되지 않는 것을 보장하기 위해 반응 가스 경로 내의 가스압을 초과해서는 안된다. 이를 이루기 위한 방법은, 단계(242)를 위해 밸브(239)가 절환될 때 밸브(225)를 폐쇄함으로써 그리고 연료 경로 내의 연료 유동을 가압된 상태로 유지하거나 밀봉함으로써, 단계(221)(도6)의 차등 압력을 발생시키기 위한 증가된 반응 가스압을 이용하는 것과 압력이 유지되는 동안 산화제 경로를 밀봉하는 것이다.
물이, 펄스 또는 정상류의 방식으로, 펌프(238) 또는 다른 것 등과 함께 냉각수 채널을 빠져나간 후, 펌프(238)는 작동 중지되고 냉각수 채널은 밸브(243)가 대기를 향함에 따라 밀봉 해제되고, 밸브(122, 126, 128, 130, 245)는 닫힌다. 이는 작동 정지 절차를 완료한다. 필요할 경우, 냉각수 채널 및 냉각수 매니폴드는 밸브(245)로부터 냉각수 유입 매니폴드(106)를 통해, 냉각수 채널(104)를 통해, 냉각수 배출 매니폴드(108)를 통해, 그리고 대기를 통해 외부로, 밸브(130 또는 243)와 같은 밸브를 통하는 방향으로 송풍될 수 있다.
도7에서, 이젝터(250)는 밸브(122)가 폐쇄되었을 경우에도 도관(252)으로 인한 펌프 유동에 의해 구동된다. 이는 펌프 유동이 펌프 내로의 공기 주입에 의해 방해되지 않을 것을 보장한다.
작동 정지 후에, 전지 적층 조립체(102)는 빙점하 온도에서 시동 명령을 수행해야하는 것에 관련된 도전에 직면하게 된다. 경제성 및 신뢰성을 포함하는 실제적인 관점에서는, 전지 적층 조립체(102)가 시동 명령을 수용한 후 가능한 한 빨리 전기를 발생시켜야 한다는 것이 중요하다. 또한, 작동적인 면에서는, 전지 적층 조립체(102)가 시동이 개시된 후 즉각적으로 냉각수 및 반응물 유동을 신속하게 순환시킬 수 있는 것이 중요한데, 이는 전지 적층 조립체(102)에 대한 손상이 상기 두 가지 사건 사이에서 발생하는 현저한 시간의 지체를 야기시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 이러한 점은 빙점하 온도의 기간 중에 전지 적층 조립체(102)의 시동 수행을 위한 방법 및 장치를 제공하기 위한 매우 중요한 본 발명의 관점이다.
도3에서는 전지 적층 조립체(102)의 시동 작동이 시동 바이패스 도관(132)을 사용함으로써 빙점하 온도에서 이루어질 수 있는 것을 보장하기 위한 시동 공정(300)을 도시한다. 가온된 냉각수를 유입 및 배출 냉각수 매니폴드(106, 108) 각각을 통해 유동시킴으로써, 냉각수 채널(104)을 통과하는 상당한 유동이 필요하지 않으면서 유도작용에 의해 전지 적층 조립체(102)의 온도를 급격히 상승시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 상기 설명한 것처럼, 전지 적층 조립체의 빙점하에서의 초기 시동 중에 냉각수 채널(104)을 사실상 배제시킴으로써, 냉각수 채널 내에는 결빙 차단물이 형성되어, 전체적으로 전지 적층 조립체(102)에 손상을 입힐 수 있는 것을 효과적으로 피할 수 있다.
도1 및 도3에서, 본 발명에 따른 시동 공정(300)은 시동 시퀀스(sequence)를 수동 또는 자동적으로 개시함으로써 단계(302)에서 시작한다. 단계(302)에서의 시동 시퀀스는 냉각수 펌프(112)를 작동시키는 단계를 포함하며, 작동 정지 밸브(126)는 폐쇄되고 압력 제어 밸브(122)는 개방되는 것을 보장한다. 단계(304)에서, 전지 적층 조립체(102)의 바이패스는 시동 바이패스 도관(132)을 따라 위치된 시동 밸브(136)를 개방함으로써 이루어진다. 이러한 방식으로, 냉각수는 시동 바이패스 도관(132)을 통해 사실상 전체적으로 안내되고, 냉각수 유입 매니폴드(106)에 제공되고 냉각수 배출 매니폴드(108)로 복귀하여, 이에 의해 냉각수 채널(104)을 통과하는 것이 방지된다.
단계(306)에서, 열교환기(116)는 열 바이패스 도관(140)을 따라 위치된 열 바이패스 밸브(138)를 개방함으로써 바이패스된다. 전지 적층 조립체(102)의 시동이 달성되고 및/또는 냉각수 온도가 소정 온도를 초과할 때까지 어떠한 냉각수도 열교환기(116)를 통해 유동하는 것을 허용하지 않는 것을 보장하도록, 서모스탯-밸브 조립체(115)가 이용된다.
도1의 열 바이패스 밸브(138)를 개방하는 것에 이어서, 펌프(112)에 의해 순환된 냉각수는 냉각수 매니폴드(106 및 108)들 각각에 제공된 냉각수의 온도를 신 속하게 상승시키기 위해 단계(308)에서 작동되는 순간 가열기(118)를 통해 안내될 것이다. 상기 설명된 바와 같이, 가열된 냉각수가 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 냉각수 배출 매니폴드(108) 모두를 통해 순환될 때, 전지 적층 조립체(102)는 냉각수 매니폴드(106 및 108)들로부터 기인하는 열 전도로 인해 신속하게 가열되게 된다. 전지 적층 조립체(102)가 소정의 온도(T) 이상으로 상승되면, 온도 센서(142)는 판단하기 위해 단계(310)에서 전지 적층 조립체(102)의 온도를 감시한다. 일단 전지 적층 조립체(102)가 소정의 온도(T) 이상으로 상승되면, 시동 절차(300)의 단계(312)는 순간 가열기(118)를 차단할 뿐만 아니라 시동 밸브(136) 및 열 바이패스 밸브(138)를 폐쇄시킨다.
소정의 온도(T)는 냉각수 채널(104)에 제공된 냉각수가 냉각수 채널(104)을 결빙시켜서 막히게 하지 않도록 하는 온도 임계치로서 양호하게는 설정된다는 것이 쉽게 판단될 것이다. 더 양호하게는, 소정의 온도(T)는 대략 0 ℃(32 ℉)이상으로 설정된다. 또한, 온도 센서(142)는 전지 적층 조립체(102) 내부의 다양한 위치들에서 배향될 수 있지만, 최중심 위치에서의 배향은 전지 적층 조립체 전체의 가온이 실질적으로 달성되는 것을 보장하는데 바람직하다.
본문에 개시된 바와 같이, 시동 절차(300)는 비다공성 물 이송 판들을 구비하는 결빙 방지 냉각수를 이용하는 연료 전지들뿐만 아니라 다공성 물 이송 판들로 물 냉각수를 이용하는 PEM 연료 전지들에 동일하게 적용 가능하다.
하지만 도1에 기술된 바와 같이, 냉각수 시스템(100)의 다른 중요한 특징은 시동 절차를 돕도록 어큐뮬레이터(114)를 이용하는 것이다. 본 발명에 따라, 어큐 뮬레이터(114)는 그 내부에서 상승된 온도로 저장된 냉각수를 유지하도록 절연되도록 설계되어서, 도3에 도시된 시동 절차(300)를 돕는다. 어큐뮬레이터(114)는 다중 벽 구조 또는 저장된 냉각수가 며칠 이상 긴 기간동안 상당한 열 에너지를 보유하는 임의의 대체 설계를 포함하고 열 반사 요소를 갖는 보온병 형식 구조일 수 있다는 것을 손쉽게 알 수 있다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 시스템(400)을 도시한다. 냉각수 시스템(400)은 전지 적층 조립체(410) 내에 제공된 냉각수 스트림을 가열함으로써 전지 적층 조립체(410)의 온도를 신속하게 상승시키도록 활용될 수 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 버너(412)는 연료 배출 도관(411)을 통해 전지 적층 조립체(410)의 도시되지 않은 반응 연료 유동장으로부터 소모된 잔여 연료 공급원을 연소시킨다. 이러한 가열된 버너 배출은 쉘과 튜브 열교환기(420)의 튜브부(414) 내로 사실상 배출된다. 튜브부(414)를 통해 공급되는 가열된 버너 배출과 관련하여, 쉘(416)은 버너 배출과 냉각수 스트림 사이의 열 교환을 증진시키도록 그 내부에 냉각수 스트림을 수용한다. 신규한 냉각수 스트림은 전지 적층 조립체(410) 내로 사실상 도입되어 전지 적층 조립체(410)의 가온률을 증가시킨다.
전지 적층 조립체(410)의 가열률을 더 증가시키기 위해, 본 발명은 또한 가열된 버너 배출을 열 도관(418)을 통해 전지 적층 조립체(410)의 애노드 및/또는 캐소드 유동장으로 채널링하는 것을 의도한다. 본 발명은 또한 본 발명의 넓은 태양으로부터 벗어나지 않고 도4의 냉각수 시스템(400)을 도1의 냉각수 시스템(100)에 합체시키는 것을 의도한다.
본 발명은 버너(412)의 잔류하는 배출된 반응 연료가 연소하는 것을 설명하였지만, 본 발명은 본 발명의 넓은 태양에 벗어나지 않고 버너(412)가 자체 연료 공급원에 공급되는 것과 같이 제한되지 않는다.
따라서, 본 발명의 주된 태양은 작동 정지된 동안 및 전지 적층제 비활성 동안 빙점하 온도의 유해한 영향에 대한 보호뿐 아니라 시동 절차 동안 빙점 온도 이상으로 전지 적층 조립체를 신속하게 상승시키도록 작동하는 전지 적층 조립체용의 냉각수 시스템을 제공하는 것이다.

Claims (24)

  1. 입구를 갖는 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 출구를 갖는 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 상기 유입 매니폴드로부터 상기 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는 적층체(102) 내에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와; 입구를 갖는 냉각수 펌프(112)와; 상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프로부터의 냉각수와 선택적으로 상호 연결하기 위한 냉각수 입구 밸브(122)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)에 있어서,
    상기 펌프의 입구를 상기 배출 매니폴드의 출구와 선택적으로 상호 연결하기 위한 냉각수 출구 밸브(128)와,
    상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프의 입구와 선택적으로 상호 연결하기 위한 작동 정지 밸브(126)와,
    가스가 상기 배출 매니폴드의 출구로 유동하도록 선택적으로 허용하기 위한 추기 밸브(130)를 포함하며,
    이에 의해, 상기 펌프를 가동하면서 상기 작동 정지 밸브 및 상기 추기 밸브를 개방하고 상기 입구 밸브 및 상기 출구 밸브를 폐쇄하여서, 가스를 내부로 흡입시켜서 상기 배출 매니폴드, 상기 냉각수 채널 및 상기 유입 매니폴드 외부로 냉각수를 배출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 냉각수를 축적하기 위해 상기 냉각수 펌프로부터 하류로 지 향된 어큐뮬레이터(114)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 어큐뮬레이터는 단열된 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스는 공기 스트림인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 공기는 주변 공기 및 가압 공기 중 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 입구를 갖는 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 출구를 갖는 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 상기 유입 매니폴드로부터 상기 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는 적층체(102) 내에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와; 입구를 갖는 냉각수 펌프(112)를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    냉각수가 상기 유입 매니폴드의 입구로 들어가지 않도록 상기 펌프로부터의 냉각수의 유동을 차단하기 위한 수단(122)과,
    상기 배출 매니폴드의 출구로부터 상기 펌프의 입구로의 냉각수의 유동을 차단하기 위한 수단(128)과,
    상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프의 입구에 연결하기 위한 수단(126)과,
    상기 배출 매니폴드의 출구를 가스원에 연결하기 위한 수단(130)을 포함하며,
    이에 의해, 가스는 상기 냉각수 채널을 통해 상기 펌프에 의해 견인되어, 그로부터 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 연료 반응 가스 채널(111)을 갖는 다공성 애노드 지지 판(107)과 산화제 반응 가스 채널(113)을 갖는 다공성 캐소드 지지 판(109)을 포함하며,
    상기 펌프로부터 그리고 상기 펌프로의 유동을 차단하기 이전에, 상기 지지판의 세공의 상당 부분으로부터의 물을 상기 냉각수 채널 내로 가압하기에 충분하도록 상기 반응 가스 채널과 상기 냉각수 사이에 차등 압력을 제공하기 위한 수단(122, 223 내지 225)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차등 압력은 14 kPa(2 psi) 및 56 kPa(8 psi)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 물이 상기 펌프에 의해 상기 냉각수 채널을 통해 견인된 후, 그로부터 추가적인 물을 제거하도록 상기 냉각수 채널을 통해 가스를 송풍하기 위한 수단(238, 239, 243, 245)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 가스를 송풍하기 위한 상기 수단은 상기 냉각수 채널을 통해 가스의 펄스를 송풍하기 위한 수단(238, 243)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 산화제 반응 가스를 상기 산화제 반응 가스 채널에 제공하기 위한 공기 펌프(238)를 더 포함하며,
    가스를 송풍하기 위한 상기 수단은 상기 공기 펌프와 밸브(239)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 가스를 송풍하기 위한 상기 수단은 상기 냉각수 배출 매니폴드 내부로 가스를 송풍하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 입구를 갖는 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 출구를 갖는 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 상기 유입 매니폴드로부터 상기 배출 매니폴드까지 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는, 적층체(102) 내에 배열된 복수개의 연료 전지(103)를 포함하고, 입구를 갖는 냉각수 펌프(112)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)을 작동 정지시키는 방법이며,
    (a) 상기 유입 매니폴드의 입구에 들어가지 않도록 상기 펌프로부터 냉각수의 유동을 차단하는 단계(122)와,
    (b) 상기 배출 매니폴드의 출구로부터 상기 펌프의 입구까지 냉각수의 유동을 차단하는 단계(128)와,
    (c) 상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프의 입구에 연결시키는 단계(126)와,
    (d) 상기 배출 매니폴드의 출구를 가스원에 연결시키는 단계(130)를 포함하고,
    이에 의해, 물은 상기 냉각수 채널을 통해 상기 펌프에 의해 견인되어, 이에 의해 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 연료 반응 가스 채널(111)을 갖는 다공 친수성 애노드 지지판(107) 및 산화제 반응 가스 채널(113)을 갖는 다공 친수성 캐소드 지지판(109)을 가지며,
    상기 단계(a) 이전에,
    물을 상기 지지판의 세공의 상당 부분으로부터 상기 냉각수 채널 내로 가압하기에 충분하도록 상기 반응 가스 채널 내의 가스와 상기 냉각수 사이에 차등 압력을 제공하는 단계(122, 223 내지 225)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 차등 압력은 14 kPa(2 psi)와 56 kPa(8 psi)사이인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 물이 상기 단계 (a) 내지 (d)에 의해 상기 냉각수 채널을 통해 상기 펌프에 의해 견인된 후, 그로부터 부가적인 물을 제거하도록 상기 냉각수 채널을 통해 가스를 송풍(238, 239, 243, 245)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 송풍 단계는 상기 냉각수 채널로부터 가스의 펄스(238, 243)를 송풍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 송풍 단계는 상기 냉각수 배출 매니폴드 내부로 가스를 송풍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키는 방법.
  19. 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 상기 유입 매니폴드로부터 상기 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는 적층체(102)에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와,
    냉각수 펌프(112)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)에 있어서,
    상기 펌프로부터의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터(118)와,
    냉각수를 상기 채널로 통과하지 않고 상기 유입 매니폴드로부터 직접 상기 배출 매니폴드로 선택적으로 유동시키는 냉각수 바이패스(132, 136)를 포함하며,
    이에 의해, 상기 히터를 작동시키고 상기 바이패스를 개방시켜, 상기 채널을 통한 실질적인 냉각수의 통과없이 상기 매니폴드를 통해 가열된 냉각수를 유동시키면서 상기 연료 전지를 가열시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 냉각수 스트림의 초과량을 축적하기 위해 상기 냉각수 펌프와 상기 히터 사이에서 상기 냉각수 펌프의 하류로 지향된 단열된 어큐뮬레이터(114)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  21. 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 상기 유입 매니폴드로부터 상기 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는, 적층체(102)에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와,
    냉각수 펌프(112)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)에 있어서,
    상기 펌프로부터의 냉각수를 가열하기 위한 수단(118)과,
    가열된 냉각수를 상기 채널을 통해 유동시키지 않고 상기 유입 매니폴드로부터 직접 상기 배출 매니폴드로 유동시키기 위한 수단(132, 136)을 포함하며,
    이에 의해, 상기 연료 전지는 상기 채널을 통한 실질적인 냉각수의 통과없이 상기 매니폴드를 통해 가열된 냉각수를 유동시키면서 가열되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  22. 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 상기 유입 매니폴드로부터 상기 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는, 적층체(102)에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와, 냉각수 펌프(112)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)을 시동하는 방법에 있어서,
    상기 펌프로부터의 냉각수를 가열시키는 단계(118)와,
    가열된 냉각수를 상기 채널을 통해 유동시키지 않고 상기 유입 매니폴드로부터 직접 상기 배출 매니폴드로 유동시키는 단계(132, 136)를 포함하며,
    이에 의해 상기 채널을 통한 실질적인 냉각수의 통과없이 상기 매니폴드를 통해 가열된 냉각수를 유동시키면서 상기 연료 전지를 가열시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 시동하는 방법.
  23. 입구를 갖는 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 출구를 갖는 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 유입 매니폴드로부터 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널(104)을 포함하는, 적층물(102)에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와,
    입구를 갖는 냉각수 펌프(112)와,
    상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프로부터의 냉각수와 선택적으로 상호 연결하기 위한 냉각수 입구 밸브(122)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)에 있어서,
    상기 펌프의 입구를 상기 배출 매니폴드의 출구와 선택적으로 상호 연결하기 위한 냉각수 출구 밸브(128)와,
    상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프의 입구와 선택적으로 상호 연결하기 위한 작동 정지 밸브(126)와,
    상기 배출 매니폴드의 출구로 가스가 유동하도록 선택적으로 허용하기 위한 추기 밸브(130)와,
    상기 펌프로부터의 냉각수를 선택적으로 가열하는 냉각수 히터(138)와,
    냉각수를 상기 채널을 통해 유동시키지 않고 유입 매니폴드로부터 직접 배출 매니폴드로 선택적으로 유동시키기 위한 하는 냉각수 바이패스(132, 136)를 포함하며,
    이에 의해, 상기 펌프를 가동하면서 상기 작동 정지 밸브 및 상기 추기 밸브를 개방하고 상기 입구 밸브 및 상기 출구 밸브를 폐쇄하여서, 가스를 내부로 견인하여 상기 배출 매니폴드, 상기 냉각수 채널 및 상기 유입 매니폴드 외부로 냉각수를 견인하며, 히터를 작동시키고 바이패스를 개방하여서, 상기 채널을 통한 실질적인 냉각수의 통과없이 매니폴드를 통해 가열된 냉각수를 유동시키면서 연료 전지를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  24. 입구를 갖는 냉각수 유입 매니폴드(106) 및 출구를 갖는 냉각수 배출 매니폴드(108)와, 유입 매니폴드로부터 배출 매니폴드로 냉각수를 유동시키는 냉각수 채널(104)을 포함하는, 적층물(102)에 배열된 복수개의 연료 전지(103)와, 입구를 갖는 냉각수 펌프(112)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)을 작동 정지시키고 시동하는 방법에 있어서,
    작동 정지 중에는,
    상기 유입 매니폴드의 입구로 들어가지 않도록 상기 펌프로부터의 냉각수 유동을 차단하는 단계(126)와,
    상기 배출 매니폴드의 출구로부터 상기 펌프 입구로의 냉각수 유동을 차단하는 단계(128)와,
    상기 유입 매니폴드의 입구를 상기 펌프의 입구에 연결하는 단계(126)와,
    상기 배출 매니폴드의 출구를 가스원에 연결하는 단계(130)를 포함하며,
    이에 의해, 가스는 냉각수 채널을 통해 펌프에 의해 견인되어, 그로부터 물을 제거하며,
    시동 중에는,
    상기 펌프로부터 냉각수를 가열(118)하는 단계와,
    상기 채널을 통해 유동시키지 않고 유입 매니폴드로부터 직접 배출 매니폴드로 가열된 냉각수를 유동시키는 단계(132, 136)를 포함하며,
    이에 의해 상기 채널을 통한 실질적인 냉각수의 통과없이 가열된 냉각수를 상기 매니폴드를 통해 유동시키면서 상기 연료 전지를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 작동 정지시키고 시동하는 방법.
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