KR101235428B1 - 동결 시동 중의 냉각 및 가습을 위한 연료 전지 적층물내의 물 보유 - Google Patents

동결 시동 중의 냉각 및 가습을 위한 연료 전지 적층물내의 물 보유 Download PDF

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Abstract

연료 전지 동력 장치(19, 19a)는 적층물(20, 20c) 내에 배치된 복수의 연료 전지(70, 70a, 70c)을 구비하고, 각각의 연료 전지는 연료(74) 및 산화제(82) 반응물 가스 채널들을 갖는 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 물 수송 플레이트(75, 81)을 구비하며, 물 수송 플레이트와 물을 교환하는 물 채널(78, 85, 78a, 85a, 78c, 85c)이 존재한다. 차단 시에, 물은 마이크로 진공 펌프(46), 1개 또는 2개의 밸브(89, 90, 118, 120), 체크 밸브(95, 99), 물 채널 내의 모세관 힘에 의해 물 채널 및 물 수송 플레이트 내에 보유되어서 물이 반응물 채널로 진입하는 것을 방지하며, 이것은 동결하는 경우 시동 시에 반응물 가스의 유동을 막을 수 있다.
Figure R1020077025414
연료 전지 동력 장치, 적층물, 연료 전지, 물 수송 플레이트, 물 채널, 진공 펌프, 밸브

Description

동결 시동 중의 냉각 및 가습을 위한 연료 전지 적층물 내의 물 보유{RETAINING WATER IN A FUEL CELL STACK FOR COOLING AND HUMIDIFICATION DURING FROZEN STARTUP}
본 발명은, 반응물 유동 영역 또는 반응물 분기관 내로 물의 "드룹(droop)"을 허용하지 않으면서 물이 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 물 수송 플레이트(water transport plate)에 인접한 물 채널(water channel) 또는 다른 물 도관 내에 그리고 그에 상호 연결된 물 분기관(water manifold) 내에 보유됨으로써, 전극으로의 반응물 가스의 유동을 막지 않으면서 동결 시동 중에 냉각 및 가습 양쪽 모두를 제공하는, PEM 연료 전지 동력 장치와 같은 연료 전지 동력 장치에 관한 것이다.
전기 차량의 추진 시스템에 전기를 제공하는 연료 전지 동력 장치는 물이 얼게 되는 온도 이하에서 작동 가능해야만 한다. 어는 온도에 도달할 수 있는 환경에서 작동이 중단된 연료 전지를 작동시키는 종래의 방법은 모든 물을 연료 전지 로부터 임의의 종류의 저장소 내로 배수하는 것을 포함한다. 차후의 작동을 달성하기 이전에, 물은 연료 전지 내로 복귀될 수 있기 전에 용해되어야만 하고, 이것은 대략 10분에서 30분까지 걸린다고 보고되어 있다. 이러한 상당한 지연은 키의 선회와 같은 시동 명령의 수 초의 시동 명령 내에 적어도 부분적인 이동성(mobility)을 요구하도록 고려되는 차량에서 용납할 수 없는 것으로 고려되는 것이 일반적이다.
2004년 1월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제10/763,793호에서, 연료 전지가 어는점 아래의 온도를 겪을 수 있는 환경에서 작동이 중단될 때 연료 전지의 전극 지지 플레이트 기판이 단지 부분적으로 물로 충전됨으로써, 자력(bootstrap) 시동의 초기 단계에서 연료 전지를 가습하도록 박막에 인접하여 물을 제공한다. 공정으로부터의 가열은 연료 전지로의 반응물의 인가와 실질적으로 동시에 물을 용해시킨다. 전체적이라기보다, 단지 부분적으로 기판을 충전하는 것은 기판을 통해 반응물 가스의 통과를 허용한다. 기판 내의 물의 잠재적인 현열 및 용해 열은 냉각제 시스템이 시동 후에 작동되도록 충분히 해동되기 이전의 시간 동안 연료 전지의 냉각에서 도움이 된다. 전체의 약 70%와 같은 기판의 부분적인 충전은 물과 반응물 가스 사이의 연료 전지의 작동에서 비작동으로의 변화 시의 압력 편차가 5kPa 내지 6kPa(0.72psi 내지 0.87psi)의 상태가 되도록 제어함으로써, 또는 기판 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일한 방식으로 기판을 부분적인 친수성 및 부분적인 소수성(hydrophobic)을 갖게 함으로써 달성된다.
미국 특허 제6,673,481호에서, 반응물을 연료 전지에 인가시키는 약 20초 내에 또는 적층물 양단에 개방 회로 전압이 검출될 때 연료 전지의 전기 출력은 차량 추진 시스템에서와 같은 부하(load)에 인가된다. 그러나, 연료 전지 적층물이 물의 어는 온도 이하의 온도에 도달할 수 있는 환경에 있을 때, 물 순환 시스템의 반응물 채널, 냉각제 채널, 물 펌프 및 다른 도관 내의 물은 연료 전지 시스템의 중단시 배수된다. 시동 중 반응물 유동 영역 내로의 물 이동은 시동의 초기 단계에서 반응물 유동 영역을 가압함으로써 회피되는 것으로, 반응물 유동 영역은 이후에 대기압 또는 유사 대기압을 얻게 된다.
발명의 목적은, 특정한 기판 또는 특정한 중단 과정 없이, 연료 전지가 물의 어는 온도 이하의 온도에 도달한 이후에 시동 중에 연료 전지 내에 물을 제공하고, 시동 시에 동결된 연료 전지의 향상된 초기 가습 및 냉각을 제공하고, 반응물 가스 유동 채널을 막히게 하는 얼음이 없는 동결된 연료 전지의 시동에 도움을 주는 물을 제공하며, 물의 어는점 아래의 온도에서 시동을 촉진하기 위해서 연료 전지의 향상된 작동을 제공하는 것을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "물 채널(water channel)"은 물 수송 플레이트 내의 홈(groove), 위킹(wicking), 다공성 층, 또는 다른 액체 물 도관 매체에 의해 형성된 개방 채널을 포함하고, 물 분기관을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 각각의 연료 전지가 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 반응물 가스 유동 영역 플레이트[본 명세서에서 "물 수송 플레이트(water transport plate)"로 지칭됨]를 포함하는 연료 전지 적층물의 차단 시에, 물 수송 플레이트를 통해 반응물 가스 채널 내로 사실상 모든 물이 "드룹핑(drooping)"하는 것을 방지하는 방식으로 물 채널 및 그에 연결된 물 분기관 내에 물이 보유되며, 본 발명의 효과는 반응물 채널을 막는 얼음이 없이, 시동에서의 가습 및 냉각을 위한 물을 제공하여 반응물 가스가 전극 촉매에 접근할 수 있는 것이다.
본 발명에 따르면, 채널의 단면적의 선택, 채널 대신에 다공성 매체가 사용되는 경우에 세공(pore)의 크기, 또는 위킹 또는 직물 재료가 사용되는 경우에 위킹 또는 직물 재료의 유효 유동 단면적에 의해 제어되는 모세관 압력에 의해 물 채널 및 분기관 내에 물이 보유되게 할 수도 있다. 본 발명에 따르면, 둥근 물 튜브 또는 세공 내의 모세관 상승이 튜브 또는 세공의 반경의 함수로서 계산될 수 있고, 이후에 방정식, 그래프 또는 표로부터 결정될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 임의의 종류의 다공성 또는 직물 위킹 또는 물 안내 매체 내에서의 물의 모세관 상승은 쉽게 경험적으로 결정된다.
본 발명에 따르면, 소형의 거주용 물고기 수조에서 사용된 형태와 같이 마이크로 진공 펌프에 의해 연료 전지 동력 장치의 정지되는 동안에 연료 전지 적층물의 물 채널 내에 물이 보유될 수도 있고, 물이 밸브에 의해 적층물 내에 보유될 수 있고 그 후에 마이크로 진공 펌프가 차단될 수도 있으며, 층 격막의 상단 상에 동결 방지 소수성 유체를 갖는 소수성 격막으로 이루어진 수동 체크 밸브를 포함하는 체크 밸브에 의해 적층물 내에 물이 보유될 수도 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부하는 도면에서 도시된 바와 같이 그 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명을 고려하면 더욱 명백해질 것이다.
도1은 마이크로 진공 펌프를 채택하는 본 발명을 포함하는 연료 전지 동력 장치의 일부분의 단순화 형식에 맞춘 사시도이다.
도2는 도1의 실시예에서 채택될 수도 있는 연료 전지의 부분 측면 정면도이다.
도3은 도1의 실시예에서 사용될 수도 있는 대안적인 연료 전지의 부분 측면 정면도이다.
도4는 2개의 제어 밸브를 채택하는 본 발명을 포함하는 연료 전지 동력 장치의 일부분의 단순화 형식에 맞춘 사시도이다.
도5는 단일 제어 밸브를 채택하는 본 발명을 포함하는 연료 전지 동력 장치의 일부분의 단순화 형식에 맞춘 사시도이다.
도6은 체크 밸브를 채택하는 본 발명을 포함하는 연료 전지 동력 장치의 일부분의 단순화 형식에 맞춘 사시도이다.
도7은 도6의 실시예에서 사용될 수도 있는 유체 체크 밸브의 일부분의 단면 사시도이다.
도8은 도7의 체크 밸브의 부분 단면 사시도이다.
도9는 물 채널의 모세관 충전을 촉진하도록 통기구를 채택하는 본 발명을 포함하는 연료 전지 동력 장치의 일부분의 단순화 형식에 맞춘 사시도이다.
도10은 세공 반경의 함수로서 모세관을 도시하는 도표이다.
도11은 전체 물 관리를 하고 본 발명에 채택하는 연료 전지 동력 장치의 일부분의 단순화 형식에 맞춘 측면 정면도이다.
도12는 도10의 실시예에서 채택될 수 있는 연료 전지의 부분 측면 정면도이다.
도1은 연료 전지 적층물(20)을 포함하는 연료 전지 동력 장치(19)의 일부분을 도시한다. 공기는 공기 입구 분기관(22)에 제공되고 산화제 유동 채널을 통해 공기 출구 분기관(23)으로 진행하고 이어서 응축기(24)로 진행한다. 응축기(24)로부터의 배출 유동은 물 축압기(water accumulator, 28)의 물 라인(water line, 27) 위에 있다. 냉각 건조 공기는 물 범람부(32)를 포함할 수 있거나 그렇지 않으면 물 범람부에 인접하여 있을 수 있는 공기 출구(31)에서 배출된다. 응축기(24)를 위한 냉각제는 화살표(34)로 도시된 바와 같이 주변 공기를 포함할 수도 있다. 응축기(24)는 분기관으로서 역할을 할 수도 있으며, 공기 출구 분기관(23)은 생략될 수도 있다.
연료 입구 분기관(36)에 제공된 연료는 왼쪽으로 유동하고, 이어서 연료 선회 분기관(37)을 통하고, 그 이후에 연료는 오른쪽으로 유동하여 연료 출구 분기관(38)을 통해 밖으로 유동한다.
축압기(28)로부터의 물은 물 도관(41)을 통해 하부 물 분기관(42)으로 유동한다. 물은 연료 전지 적층물의 상단까지 (이후에 도2 및 도3에 대하여 기술된 바와 같이) 물 채널 내로 진행하고, 가능한 상부 물 분기관(43) 내로 진행한다.
도1의 실시예는 상부 물 분기관(43) 밖으로 유동하는 물이 없는 증발식 냉각을 채택하는 실시예이다. 하부 물 분기관(42)을 통해 진입하는 물만이, 이후에 도2 및 도3에 대하여 기술된 바와 같이, 공기 채널 내로 증발되는 것을 대체할 것이다. 도관(45)은, 마이크로 진공 펌프(46)에 유체 연통을 제공하고, 마이크로 진공 펌프는 분기관(43)으로부터 임의의 유체를 안내하지 않지만, 적층물의 상단까지 적층물 내의 모든 물 채널을 통해 물이 상승할 수 있는 것을 보장하도록 충분한 진공 압력을 단순히 인가시킨다. 마이크로 진공 펌프(46)는, 예를 들어, 단지 몇 달러의 비용이 드는 소형 주거용 수족관에 사용된 형태의 단순한 펌프를 포함할 수도있다.
도2에 도시된 본원 발명의 일 실시예에서, 적층물(20)은 연료 전지(70)을 포함하고, 그 각각은 대향 측면들 상에 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 촉매와 촉매에 인접한 가스 확산층을 갖는 전해질을 포함하는 종래의 결합된 전극 조립체(unitized electrode assembly, UEA)(72)를 포함한다.
도2의 실시예에서, 연료 반응물 가스는 친수성인 다공성 기판(75) 내의 채널(74)을 통해 유동하고, 기판은 이 실시예에서의 홈(76)을 포함하며, 홈은 인접한 연료 전지의 홈(77)과 함께 미세한 물 채널(78)을 형성한다. 캐소드 측면 상에서, 산화제 반응물 가스 유동 영역 플레이트(81)는 인접한 연료 전지 상의 홈(84)과 함께 미세한 물 채널(85)을 형성하는 홈(83)과 공기 유동 채널(82)을 포함한다.
범람을 방지하기 위해서, 반응물 가스가 통로 내의 물의 압력보다 적어도 몇 kP(1 psi의 일부) 더 높은 것이 바람직하다. 이것은 공기가 대체로 대기압보다 더 높게 되는 종래의 공기 펌프(도시 생략)의 결과로서 연료 전지 동력 장치의 작동 중에 자연스럽게 발생할 것이고, 공지된 바와 같이 연료의 압력은 쉽게 조절된다. 도2의 실시예에서, 채널(78, 85) 내의 물은 대략 대기압에 있다. 그러나, 물은 다양한 종래의 수단에 의해 대기와 다른 압력에서 제공될 수 있고, 제공된 반응물 가 스는 기술된 바와 같이 약간 더 높은 압력을 갖는다.
다른 실시예에서, 물 채널은 도시된 바와 같이 홈과의 결합에 의해서와 다르게 형성될 수도 있다. 물 채널은 인접한 플레이트의 편평한 표면에 의해 떨어져 폐쇄된 반응물 가스 유동 플레이트들 중 단지 하나에서 홈(76, 83)에 의해 제공될 수도 있다. 본 발명은 격리 플레이트(separator plate) 또는 필요하다고 생각되는 경우 냉각기 플레이트를 구비하는 연료 전지 적층물 내에 사용될 수도 있고, 이 경우에 본 명세서의 냉각제 유동은 도1 및 도2에서 도시된 본 발명의 실시예의 증발식 냉각과 완전히 독립적이다.
반응물 가스 유동 영역 플레이트(74, 81)는, 미국 특허 제5,700,595호에서 개시된 바와 같이, 그리고 본 명세서에서 이후에 도11 및 도12에 대하여 기술된, 외부 물 공정과 함께, 물 수송 플레이트를 통해 유동하는 상당한 물을 사용하는 연료 전지 동력 장치에서, 때때로 정밀한 세공 플레이트로서 언급되는 물 수송 플레이트와 동일한 것으로 보인다. 그러나, 전술의 '595 특허의 현열 물 유동 냉각과 비교하여, 증발식 냉각이 사용될 때 물의 체적당 약 100대 1의 비율의 냉각 유효성이 있다는 사실 때문에, 종래에서의 물 채널은 본 실시예의 물 채널(78, 85)의 단면적보다 10배까지 더 큰 단면적을 갖는다. 또한, 물 채널(78, 85)(도2의 실시예에서 연료 전지의 각각의 접합부에서 도시됨)과 다른 실시예에서의 유사한 유동 통로의 측면 부분의 간격은, 전술한 특허 및 도12에서와 같이, 현열 물 유동 냉각 시스템 내의 물 유동 채널의 측면 부분들 사이의 간격보다 몇 배 더 큰 거리로 이격될 수도 있다. 채널(78, 85)의 작은 단면 및 그의 연속하는 측면 부분은 반응물 가스 유동 영역 플레이트의 두께가 약 1/3로 감소되도록 허용한다.
도3은, 채널을 형성하는 홈의 위치에서, 전도성 및 친수성을 갖고 물의 높은 면내 투과성을 갖는 재료(78a, 85a)가 있는, 본 발명의 다른 실시예의 연료 전지(70a)을 도시한다. 이러한 재료는 물 이동 방향으로 정렬된 섬유들을 갖는 탄소 섬유 종이일 수도 있거나, 종래에 연료 전지 확산 매체로서 사용되고 종래에 필요에 따라 친수성을 위해 처리된 다른 재료일 수도 있다. 반응물 가스 압력은 범람을 회피하기 위해서 물 압력보다 더 높아야만 하는 반면에, 물의 압력(수위)은 보충을 보장하도록 적절하게 필요한 임의의 압력일 수 있다.
연료 전지 적층물(20)은 홈이 있는 물 채널 및 홈이 없는 물 채널 양쪽을 구비하는 연료 전지를 채택할 수도 있다.
도1 내지 도3의 실시예에서, 연료 전지 동력 장치가 작동될 때, 반응물 가스는 반응물 가스 채널(74, 82) 내에 유동하고, 물이 존재하지 않는다. 물 수송 플레이트(75, 81) 내에 존재하는 물이 캐소드의 산화제 반응물 가스 유동 영역(82)을 향하여 이동할 것이다. 연료 전지 동력 장치가 차단될 때, 마이크로 진공 펌프(46)에 의해 제공된 작은 진공이 반응물 가스가 유동하는 것을 멈출 때 물 채널 내의 물을 유지한다. 사실상 모든 물은 물 채널, 물 분기관 및 물 수송 플레이트 내에 보유될 것이다. 반응물 유동 영역 채널에서 상당량의 물이 존재하지 않을 것이므로, 온도가 물의 어느 온도 이하로 떨어지면, 반응물 채널에서는 극소량의 얼음이 존재하게 될 것이다. 용어 "극소(insignificant)"는 연료 전지 동력 장치의 동력 또는 수행에 영향을 미치지 않을 정도로 반응물 가스 유동을 방해하는 얼음의 량을 의미한다. 용어 "상당(significant)"은 온도가 어는점 이하로 떨어질 경우 반응물 채널 내의 극소량의 얼음보다 더 많은 양의 얼음을 만들어 낼 물의 양을 의미한다.
도1 내지 도3의 실시예에서, 마이크로 진공 펌프(46)는 연료 전지 동력 장치가 작동되지 않는 시간의 기간에 걸쳐서 작동될 수도 있다. 작은 진공은, 물이 반응물 유동 영역 내로 드룹하는 것을 허용하지 않으면서, 물 채널 내에서의 물, 물 수송 플레이트 내에서의 임의의 물을 유지시킨다. 그러므로, 온도가 물의 어는점 이하로 덜어지더라도 얼음이 존재하지 않을 것이고, 반응물 채널은 반응물 가스가 시동시에 전극 촉매에 도달하도록 개방을 유지할 것이다.
도4에서, 본 발명의 실시예는 연료 전지 적층물의 비작동 기간 동안 마이크로 펌프가 꺼져 있게 한다. 도4에서, 축압기(28) 내의 물 레벨 이하로부터 하부 물 분기관(42)으로 안내하는 도관(41) 내의 밸브(89)와, 상부 물 분기관(43)으로부터 마이크로 진공 펌프(46)로 안내하는 도관(45) 내의 밸브(90)가 존재한다. 차단 시에, 진공 펌프는 제어기(92)가 밸브(89)를 폐쇄하고 그리고 나서 밸브(90)를 폐쇄할 때까지 유지되고, 이어서 마이크로 진공 펌프(46)는 꺼진다. 밸브가 물의 이동을 방지함으로써, 물 채널(78, 85, 78a, 85a) 내의 물과 물 수송 플레이트(75, 81) 내에 있을 수도 있는 임의의 물이 반응물 유동 채널(74, 82) 내로 드룹핑하는 것을 방지한다.
도5에 도시된 바와 같이, 밸브(89)는 원한다면 생략될 수도 있다. 밸브(90)가 폐쇄되면서, 축압기(28) 내에서의 대기압은 드룹을 방지할 것이고, 그에 의해 적소에 물을 유지하여 반응물 유동 채널을 깨끗하게 유지한다. 유사하게, 밸브(89)가 유지되고 밸브(90)가 원한다면 생략될 수도 있다. 어느 한쪽의 밸브(89, 90) 없이, 연료 전지 적층물이 차단되는 동안, 마이크로 진공 펌프(46)는 계속해서 작동한다. 대안적으로, 밸브(89)는 생략되고 밸브(90)는 홀로 사용될 수도 있다.
도6은 체크 밸브(95)가 도5의 동적으로 제어된 밸브(90)의 위치에서 사용될 수도 있다. 따라서, 마이크로 진공 펌프(46)가 작동될 때, 체크 밸브(95)는 물 채널[및/또는 상부 물 분기관(43)]에서 가스를 제거할 필요가 있을 때 개방될 것이지만, 연료 전지 동력 장치가 차단될 때, 마이크로 진공 펌프(46)는 차단될 수도 있고 체크 밸브(95)는 극소량을 제외하고 모든 물이 반응물 가스 유동 영역 내로 물 수송 플레이트를 통해 드룹핑하는 것을 방지할 것이다. 체크 밸브(95)는 종래의 기계적 체크 밸브일 수도 있거나, 도7 및 도8에 대하여 기술된 형태를 취할 수도 있다.
명료하게, 유체 체크 밸브(99)가 먼저 본 명세서에서 소수성 액체가 없는 상태로 도7에 도시되어 있고, 이어서 본 명세서에서 소수성 액체가 있는 상태로 도8에 도시되어 있다. 도7에서, 소수성 유체 체크 밸브(99)는 종래의 종류의 나사부(101, 102)를 구비하는 케이싱(100) 내에서 형성된 것으로 도시되어 있다. 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 격막(105)과 같은 소수성 격막은 케이싱(100) 내의 홈(106) 내부에 배치된다. 소수성인, 격막(105)은 격막 아래의 챔버(109) 내의 임의의 물이 격막 위의 챔버(110) 내로 격막을 관 통하는 것을 방지한다. 그러므로, 도6의 실시예에서와 같이 체크 밸브(95)로서 사용될 때, 물이 마이크로 진공 펌프(46)까지 관통할 수 없을 것이다. 하지만, 가스는 물 채널을 통기하도록 격막(105)을 통해 위쪽으로 유동할 것이다.
체크 밸브를 형성하기 위해서, 가스가 위쪽으로 지나갈 수 있지만 케이싱(100)을 통해 아래쪽으로 지나갈 수 없도록, 소수성 유체, 바람직하게 PEG-400과 같이, 약 -60℃(-27℉) 이상에서 얼지 않는 소수성 유체는 도8에 도시된 바와 같이 격막(105) 위의 케이싱(100) 내부에 배치된다. 가스 또는 증기가 챔버(109) 내의 압력 하에 있을 때마다, 적층물 내에서의 채널 내의 물에 대한 상향 압력이 존재한다면 일어날 수도 있는 바와 같이, 또는 챔버(110)에서의 약간의 진공을 제공하는 마이크로 진공 펌프(46) 때문에, 공기 또는 다른 증기 또는 가스는 격막(105)을 통해 위로 지나갈 것이고 매체(112)를 통해 위쪽으로 단순히 떠오를 것이다. 다른 한편으로, 챔버(109) 내에서의 압력보다 더 높은 압력에 있는, 매체(112) 위의 챔버(110) 내의 가스 또는 증기는 압력이 충분히 큰 경우에 격막(105)을 통해 매체(112)를 단순히 가압할 것이다. 그러나, 도6의 실시예에서의 압력차는 소수성 매체(112)가 격막(105)을 통해 밀리지 않도록 약 20 kPa(3 psi) 미만으로 충분히 작다.
본 발명의 다른 실시예는 도9에서 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상부 냉각제 분기관(43)은 대기에 단순히 통기되어 있고, 이것은 도관(45)의 상부 단부가 주변에 개방되게 함으로써 달성될 수 있다. 도9의 실시예에서, 증발되는 물이 적층물의 상단까지 여러 가지로 보충될 수 있는 것을 보장하는데 필요한 압력은 연료 전지 동력 장치(19)가 작동되는 동안 축압기 내의 대기 이상의 공기압에 의해 제공된다. 동력 장치가 차단될 때, 축압기 내에 대기 이상의 압력이 없음에도 불구하고, 물 채널 내에서 물을 유지하는 것은 물이 적층물의 높이의 적어도 1/3이 될 때, 그리고 바람직하게 적층물의 상단에서[또는 아마도 약간 (스폰지와 같은) 다공성 본체를 포함하는 분기관(43)과 같은 상부 물 분기관 내로], 물의 수위를 조절하기에 충분한 모세관 압력을 달성하도록 물 채널의 세공 크기(또는 동등한 유동 파라미터)를 선택함으로써 달성된다.
모세관 상승이 세공 반경의 함수로서 도10에 그래프로 도시되어 있다. 물 채널은 물 수송 플레이트 내에 홈이 있지 않을 수도 있지만, 본 명세서에서 위에 기술된 플레이트(78a, 85a)와 같은 물 안내 매체의 임의의 다른 형태일 수도 있다. 물이 적층물의 상단에 도달하기에 충분한 모세관 압력을 보장하기 위해서, 탄소 섬유 종이의 간극의 공간을 한정하는 섬유의 밀도 및 크기, 또는 물 채널로서 사용될 수도 있는 임의의 다른 매체의 특성은 여러 가지의 특성들을 갖는 재료의 최소의 시험량에 의해 경험적으로 용이하게 결정될 수 있다. 어느 경우에서, 모세관 압력의 함수로서 계산된 물의 상승은 적층물의 상단에서 물을 보장하도록 충분해야만 한다.
본 발명의 다른 실시예는 도11 및 도12에서 도시되어 있다. 도11에서, 연료 전지 동력 장치(19a)는, 도12에 대하여 이후에 기술되는 바와 같이, 크고 밀접하게 이격된 물 채널들을 갖는 연료 전지 적층물(20a)과, 전체 물 관리 시스템을 제공하기위한 외부 물 구성 요소를 포함한다. 도11에서, 물은 제어기(119)에 의해 조정되는 밸브(118)를 통해 펌프(117)에 의해 이끌어진다. 물은 상부(또는 출구) 물 채널(43a)을 통해, 하부(또는 입구) 물 분기관(42a)으로부터 적층물(20a) 내의 연료 전지의 물 채널을 통해 이끌어진다. 제어기(119)에 의해 조정 가능한 밸브(120)는, 연료 전지 동력 장치가 작동될 때, 연료 전지 적층물 내에서의 물의 압력이 (대체로 주변 부근에 있는) 반응물 가스의 압력보다 더 낮아지게 하는 제한을 제공한다.
펌프(117)로부터 유동하는 물은, 적층물로 되돌아가 순환하는 물의 적절한 온도를 설정하는 것이 필요할 때, 냉각되도록 열교환기(122)를 관통할 수 있거나, 밸브(120)를 제어기 작동 밸브(123)를 통해 우회할 수도 있다.
본 발명과 일치하여, 차단시에, 밸브(120), 그리고 이어서 밸브(118)는 펌프(117)가 꺼지기 전에 매우 짧은 시간 폐쇄될 것이다. 이것은 본 명세서에서 위에서 기술된 바와 같이 반응물 가스 유동 영역 내로 드룹하지 않으면서 물 채널 내에서 물을 보유한다.
도12는 도11의 실시예에서 사용될 수도 있는 연료 전지(70c)을 도시한다. 이들 연료 전지들과 도2에 대하여 기술된 것들 사이의 차이는, 물 채널(78c, 85c)을 형성하는 홈(76c, 77c, 83c, 84c)이 훨씬 더 크고 함께 더 밀접하다는 것이고, 그에 의해 연료 전지를 통해 물의 상당한 유동을 제공한다. 이 실시예에서는, 전술된 '595 특허에서와 같이, 적층물을 냉각하는 것이 필요할 때, 적층물(20a)로부터 열교환기(122)로 열을 전송하는 단순히 물 자체의 잠재적인 현열이 있다.
작동은 도1 및 도2에 대하여 기술된 것과 유사하다. 연료 전지 동력 장 치(19a)가 작동될 때, 물은 펌프(117)에 의해 적층물(20a)을 통해 순환된다. 동력 장치(19a)가 차단될 때, 밸브(118, 120)는 물 채널(78c, 85c) 내에서 물을 유지하고, 반응물 유동 영역(74, 82) 내로 드룹하는 것을 방지한다.
도11 및 도12에 대하여 기술된 형태의 20개의 셀 적층물은, 본 발명에 따른 냉각제 채널(78c, 85c) 내에 유지된 물이 임의의 누수가 없이 -20℃로 냉각된 상태로, 그리고 피해가 없는 상태로, 차단된다.
용어 "차단시에 작동(operative upon shutdown)"은, (존재 한다면) 마이크로 진공 펌프 또는 (항상 존재하는) 모세관 압력의 경우에서와 같이, 연료 전지 동력 장치가 차단되지 않을 때에도 작동을 배제하지 않는 것이다.
용어 "벌크 물(bulk water)"은, 채널 내의 물의 양이 연료 전지 작동을 유지하기에 충분한 가스의 유동을 방해하지 않을 수 있도록 있는 상태를 언급한다.

Claims (14)

  1. 연료 전지 동력 장치(19)이며,
    각각의 연료 전지가, 가스 확산 층을 각각 갖는 애노드 및 캐소드의 촉매들 사이에 배치된 양성자 교환 폴리머 전해질 박막을 구비하는 결합된 전극 조립체(72)와, 애노드 가스 확산 층에 인접한 연료 반응물 가스 유동 채널(74)을 갖는 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 애노드 물 수송 플레이트(75)와, 캐소드 가스 확산 층에 인접한 산화제 반응물 가스 유동 채널(82)을 갖는 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 캐소드 물 수송 플레이트(81)을 포함하는, 적층물(20) 내에 배치된 복수의 연료 전지(70, 70a, 70c)과,
    상기 애노드 물 수송 플레이트와 상기 캐소드 물 수송 플레이트 사이에 배치된 복수의 물 채널과,
    상기 연료 전지 동력 장치가 작동될 때 물을 상기 물 채널로 제공하는 수단을 포함하고, 상기 물은 상기 물 채널과 상기 물 수송 플레이트들 사이에 수송되는 연료 전지 동력 장치에 있어서,
    상기 연료 전지 동력 장치가 작동되지 않을 때, 물은 상향 압력 또는 밸브 차단에 의해 상기 물 채널 및 상기 물 수송 플레이트 내에 보유되어, 상당량보다 작은 양의 물이 상기 반응물 가스 유동 채널 내로 배출됨으로써, 상기 적층물의 온도가 물의 어는점 이하로 떨어지는 경우에 상기 반응물 가스 유동 채널 내의 얼음이 극소량인 것을 보장하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물 채널은 통기되는 연료 전지 동력 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 물 채널은 적층물의 상단에서 통기되는 연료 전지 동력 장치.
  4. 제2항에 있어서, 통기구에 연결된 마이크로 진공 펌프를 더 포함하고, 상기 펌프를 통해 유동 없이 상기 적층물의 상단까지 물이 상승하게 하도록 충분한 진공만을 제공하는 연료 전지 동력 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 펌프는 상기 연료 전지 동력 장치가 작동될 때뿐만 아니라 상기 연료 전지 동력 장치가 차단될 때에도 작동됨으로써, 차단 동안 상기 물 채널 내에 물을 보유하는 연료 전지 동력 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 물 채널의 상단 또는 바닥에 또는 상기 물 채널의 상단 및 바닥 양쪽에 밸브가 있는 연료 전지 동력 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 물 채널은 체크 밸브를 통해 통기되는 연료 전지 동력 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 체크 밸브는 소수성 격막을 포함하고 소수성 유체가 소수성 격막 위에 배치되는 연료 전지 동력 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 소수성 유체는 -50℃ 이상에서 얼지 않는 연료 전지 동력 장치.
  10. 제2항에 있어서, 물 채널의 특성은 상기 연료 전지 동력 장치가 작동되지 않을 때 적층물의 높이의 적어도 1/3까지 물의 모세관 상승을 제공하도록 선택되는 연료 전지 동력 장치.
  11. 연료 전지 동력 장치가 작동되지 않을 때 얼음에 의한 반응물 가스 유동 채널의 막힘이 없도록 연료 전지 동력 장치(19)를 작동시키는 방법이며, 상기 연료 전지 동력 장치는 적층물(20) 내에 배치된 복수의 연료 전지(70, 70a, 70c)을 포함하고, 각각의 연료 전지는 가스 확산 층을 각각 갖는 애노드 및 캐소드의 촉매들 사이에 배치된 양성자 교환 폴리머 전해질 박막을 구비하는 결합된 전극 조립체(72)와, 애노드 가스 확산 층에 인접한 연료 반응물 가스 유동 채널(74)을 갖는 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 애노드 물 수송 플레이트(75)와, 캐소드 가스 확산 층에 인접한 산화제 반응물 가스 유동 채널(82)을 갖는 다공성이고 적어도 부분적으로 친수성인 캐소드 물 수송 플레이트(81)을 포함하고, 상기 애노드 물 수송 플레이트와 상기 캐소드 물 수송 플레이트 사이에 배치된 복수의 물 채널이 있으며,
    상기 연료 전지 동력 장치가 작동할 때 물을 상기 물 채널에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 물은 상기 물 채널과 상기 물 수송 플레이트 사이에 수송되는 연료 전지 동력 장치 작동 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 동력 장치가 작동되지 않을 때 상향 압력 또는 밸브 차단에 의해 상기 물 채널과 상기 물 수송 플레이트 내에 물을 보유하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 동력 장치 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 보유하는 단계는, 상기 연료 전지 동력 장치의 차단 시에, 상기 물 채널의 상부 단부, 상기 물 채널의 하부 단부, 또는 상기 물 채널의 상부 단부 및 하부 단부를 막는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 장치 작동 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 보유하는 단계는 상기 적층물의 높이의 적어도 1/3까지 상기 물 채널 내의 물의 모세관 상승을 제공하도록 상기 물 채널의 특성을 선택하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 장치 작동 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 보유하는 단계는 상기 물 채널에 부압을 인가하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 장치 작동 방법.
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