KR102393673B1 - 수분 분리기 및 물 저수조를 포함하는 매질 관리판 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

수분 분리기 및 물 저수조를 포함하는 매질 관리판 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 어셈블리(5), 매질 관리판 및 연료 전지 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템(10), 및 연료 전지 어셈블리(5)와 매질 관리판(1)을 포함하는 및 연료 전지 시스템(10)의 작동 방법에 관한 것이다. 연료 전지 매질을 공급 및 배출하기 위한 모든 라인 및 연료 전지 매질을 처리하는데 필요한 모든 장치가 매질 관리판(1)에 집적된다. 매질 관리판(1)는 냉매에 의해 가열될 수 있고 수직 및 수평으로 배향될 때 모두 기능한다.

Description

수분 분리기 및 물 저수조를 포함하는 매질 관리판 및 연료 전지 시스템
본 발명은 연료 전지 매질 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 냉매를 공급하고 사용된 매질을 배출하는데 필요한 라인, 센서 및 액츄에이터를 포함하는 매질 관리판, 매질 관리판을 포함하는 연료전지 시스템 및 매질 관리판을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 생성한다. 또한, 연료 전지는 냉각을 위해 물 또는 글리콜/물 혼합물과 같은 냉매가 필요하다. 이들 연료 전지 매질은 연료 전지에 공급되어야 하고 또한 연료 전지를 통해 유동한 후에 다시 배출되어야 한다. 냉각수는 일반적으로 냉각수 서킷에서 유통되며 단지 간혹 보충되거나 배수 및 보충된다. 산소는 일반적으로 공기의 형태로 연속적으로 공급되고, 연료 전지를 통과한 후 산소가 고갈된 공기는 연속적으로 배출된다. 수소 또는 다른 애노드 작동 가스는 가압병 또는 액체 가스 탱크와 같은 저장기로부터 공급되어야 한다. 수소는 연료 전지의 작동에 적합한 압력으로 가져와 유지되어야 하고, 연료 전지를 통과한 후에 소비되지 않은 수소는 단순히 환경으로 방출될 수 없다. 이는 한편으로는 위험하고 다른 한편으로는 너무 비싸다. 따라서, 애노드 배기 가스는 재순환되어 연료 전지에 공급된 새로운 수소에 혼합된다. 그러나, 애노드 배기 가스는 소비되지 않은 수소뿐만 아니라 수증기, 질소, 이산화탄소 및 미량의 다른 가스성 불순물을 함유하며, 이는 부분적으로는 새로 공급된 수소에 불순물로서 이미 존재하고, 부분적으로는 연료 전지 반응에서 생성되며, 부분적으로는 캐소드 측으로부터 전해질을 통해 또는 냉각수로부터 애노드 배기 가스로 전해진다. 애노드 배기 가스가 단순히 연속적으로 재순환된다면, 이들 불순물은 점점 더 축적될 것이고, 연료 전지 성능은 저하될 것이며, 결국 연료 전지 반응은 완전히 정지될 것이다. 따라서, 물은 애노드 배기 가스로부터 계속 분리되고, 때때로 애노드 배기 가스 중 일부는 재순환되지 않고 새로운 수소의 도움으로 내보내지거나 퍼지(purge)된다.
따라서, 가스 압력 및/또는 가스 유량을 모니터링하기 위한 센서, 밸브 또는 레귤레이터와 같은 액츄에이터, 수분 분리기 또는 트랩과 같은 안전 스위치 및 처리 시설을 사용하여 신선한 수소를 공급하고 애노드 배기 가스를 처리, 재순환 및 배출하기 위한 라인 또는 배관 시스템이 필요하다. 이러한 "수소 서킷", 즉 모든 필요한 라인, 센서, 액추에이터 및 처리 시설의 어셈블리는 수소가 확산되는 경향이 높기 때문에 밀봉 기술 면에서 시간 소모적이고 번거롭고 까다롭다.
연료 전지 어셈블리는 종종 중력 작용 방향에 대해 다른 방향으로 설치되어 있기 때문에 영구적으로 어셈블리된 유닛 형태의 수소 서킷의 모든 요소들의 조합은 어렵다. 따라서, 연료 전지 매질을 공급 및 배출하기 위한 포트는 중력 작용 방향에 대해 상이하게 배향될 수 있으며, 이는 차례로 단일 유닛 형태의 수소 서킷의 요소들도 또한 중력 작용 방향에 대해 상이한 배향을 가질 수 있음을 의미한다. 연료 전지 배기 가스는 또한 중력 작용 방향으로 유동하는 경향이 있는 액체 형태의 물을 함유하기 때문에, 라인에서의 연료 전지 매질의 흐름이 액체수에 의해 방해받을 위험이 있다. 연료 전지가 어는점 미만의 주변 온도에서 정지되면, 얼은 물이 라인 또는 다른 요소들을 손상시킬 위험이 더 있다.
연료 전지는 종종 넓은 온도 범위에서 사용된다. 자동차의 연료 전지는 -40℃ 내지 +85℃의 작동 범위를 처리할 수 있어야 한다. 물의 어는점보다 훨씬 낮을 수 있는 온도에서는, 생성된 물이 라인에 결빙될 가능성이 있는 문제만 있는 것은 아니다. 오히려, 결빙 위험이 있는 모든 요소들에, 즉 라인, 센서, 액추에이터(밸브, 레귤레이터 등에) 얼음이 없도록 유지하거나 연료 전지 시스템 시동시 얼음을 매우 빨리 제거해야 할 필요가 있다. 따라서, 모든 결빙 위험이 있는 요소들에 전열 장치를 설비하는 것이 일반적 관행이다. 이를 위해, 결빙 위험이 있는 요소들은 일반적으로 가열 와이어로 싸여 있다. 또한, 가열 카트리지 및 저항기가 사용된다.
종래의 연료 전지 시스템에서, 애노드 작동 가스(예를 들어 수소), 캐소드 작동 가스(산소 또는 공기) 및 냉매를 공급 및 방출하기 위한 라인들은 각각 개별적으로 연료 전지 스택으로 노정되고, 수소 서킷은 라인, 센서, 밸브, 레귤레이터, 수분 분리기 등과 같은 개별 요소들로부터 어셈블리되고, 최종적으로 결빙 위험이 있는 모든 요소들에 가열 코일 또는 기타 전열 장치가 설비된다. 이 전열 장치는 과열에 대해 보호되어야 하며 폭발방지 기능이 있어야 한다. 특히, 장기간 휴지상태 후에 연료 전지 시스템을 시동할 경우, 가동휴지 기간 동안 수소가 확산되어 바로 인접한 연료 전지 환경에 폭발성 수소/공기 혼합물이 형성될 위험이있다. 이 환경에서 전열 장치를 켜면, 산수소(oxyhydrogen) 폭발이 발생할 수 있다.
연료 전지 매질의 공급 및 배출에 필요한 모든 요소들 및 처리 장치가 각각 개별적으로 연료 전지에 연결될 때, 요소들의 방향은 실제로 라인에서 흐르는 매질에 대한 바람직하지 않은 중력 작용으로 인한 문제들이 최소화되도록 선택될 수 있으나, 이 절차는 특히 또한 필요한 안전 장치로 인해 번거롭고 시간 소모적이며 비용이 많이 든다. 더욱이, 결과도 종종 시각적으로 불만족스럽다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 방지하고 연료 전지의 작동에 필요한 매질의 공급 및 배출을 건설적으로 단순화하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 수소 서킷의 구성 및 밀봉을 단순화시키는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 물의 어는점 미만의 온도에서 연료 전지 시스템의 작동성을 개선시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 물의 어는점 미만의 온도에서 연장된 휴지기간 후에 시동걸 때 연료 전지 시스템의 안전성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적에 따르면, 연료 전지의 작동에 필요한 모든 매질의 공급 및 배출은 제공되는 연료 전지의 위치가 상이한 경우에 고장없는 공급 및 배출이 보장되도록 해야 한다.
상기 목적은 청구항 1 및 2에 나타낸 특징을 갖는 매질 관리판, 청구항 21에 나타낸 특징을 갖는 연료 전지 시스템 및 청구항 22에 나타낸 특징을 갖는 연료 전지 시스템의 작동 방법에 의해 충족된다. 본 발명의 실시예는 각각의 종속항에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 필요한 센서, 밸브 및 레귤레이터와 함께 연료 전지의 작동에 필요한 매질의 공급 및 배출을 위한 모든 라인 및 연결부 또는 포트, 및 특히 또한 모든 센서, 액추에이터 및 안전 장치를 갖는 애노드 작동 매질 서킷이 단일 요소인 매질 관리판에 결합되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 연료 전지 매질 중 하나인 냉매는 라인, 센서 및 액츄에이터에 얼음이 없도록 유지하는데 사용된다. 따라서, 매질 관리판의 기능성은 동결 조건에서도 그리고 동결 조건 하에서 콜드 스타트(cold starts)의 경우에도 보장된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 동결 조건 하에서의 매질 관리판의 기능성은 매질 관리판의 요소들의 유리한 배치 및 성형에 의해 개선된다. 이 실시예에서, 매질 관리판의 개별 요소는 연료 전지 매질의 공급 및 사용된 매질의 배출이 수평으로 설치된 연료 전지 및 수직으로 설치된 연료 전지 모두에서 가능하도록 설계되고 배열된다. 이러한 배열 및 설계는 또한 라인에 있는 물이 얼은 물이 아니거나단지 약간 섭동하는 영역으로 흐를 수 있다는 이점이 있다.
매질 관리판은 처리할 요소 수가 적기 때문에 컴팩트하고 매우 사용자 친화적이다. 전열 장치를 생략할 수 있기 때문에, 적용 측면에서도 안전한 한편 그럼에도 불구하고 아무런 문제없이 동결 상태에서도 사용될 수 있다. 중력 작용에 수직 방향 및 중력 작용에 평행 방향으로 모두 연료 전지 매질이 공급 및 배출되게 할 수 있는 매질 관리판은 고도의 유연성을 보장한다. 경험에 따르면 특히 결빙하기 쉬운 적어도 하나의 요소들이 매질 관리판 외부에 가열된 냉매를 수용하기 위한 냉매 라인에 의해 가열될 수 있고, 결빙하기 쉬운 요소들과 접촉하며, 설치 위치에 대해 또한 유연할 수 있는 매질 관리판이 특히 이점적이라 한다.
본 발명에 따른 매질 관리판은 기저판 바디, 밸브, 기저판에 장착된 측정 및 조절 제어 장치 및 매질이 공급 및 배출되게 하고 연료 전지 어셈블리에 연결하기 위한 공급 및 배출용 포트로 구성된다. 공급 및 배출되는 매질은 애노드 작동 가스, 애노드 배기 가스, 상기 애노드 배기 가스로부터 분리된 액체수, 캐소드 작동 가스, 캐소드 배기 가스, 새로운 냉매 및 사용된 냉매이다. 애노드 작동 가스는 전형적으로 수소이고, 캐소드 작동 가스는 전형적으로 공기이다. 그러나, 본 발명은 수소 및 공기의 사용에 국한되지 않으며, 기본적으로 모든 애노드 작동 가스 및 캐소드 작동 가스에 적용 가능하다는 것이 이해된다. 본 발명에서는 냉매로서, 바람직 가령 글리콜 대 물의 비율이 1:1인 에틸렌 글리콜/물 혼합물이 사용되나, 물론 다른 냉매, 예를 들면, 순수한 물 또는 다른 냉매 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 매질 관리판은 금속 또는 플라스틱과 같은 기저판 바디를 포함한다. 판은 2개의 마주보는 주요면과 판 외주에 좁은 측면에 의해 경계가 정해진 평평한 기하학적 형상의 바디인 것으로 이해된다. 기저판 바디는 평면에서 볼 때 임의의 형상을 가질 수 있지만, 일반적으로 부착될 예정인 연료 전지 어셈블리와 유사한 형상, 즉, 직사각형 형상을 갖는다.
연료 전지 어셈블리에 부착되도록 의도된 기저판 바디의 주요면을 본 명세서에서 제 1 주요면이라 한다. 다른 주요면, 즉, 제 2 주요면에는 연료 전지 매질 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 냉매를 공급하고 사용된 연료 전지 매질을 배출하기 위한 라인들을 갖는 매질 라인 또는 도관 시스템이 있다.
제 2 주요면 상에 애노드 작동 가스를 공급하기 위한 애노드 작동 가스 라인은 애노드 작동 가스 공급원에 연결하기 위한 포트를 갖는다. 애노드 작동 가스 라인은 상기 기저판을 관통해 제 1 주요면까지 뻗어 있고, 상기 제 1 주요면에는 연료 전지 어셈블리의 애노드 작동 가스 유입구에 연결하기 위한 포트가 있다. 제 1 주요면상의 애노드 배기 가스 라인은 연료 전지 어셈블리의 애노드 배기 가스 배출구에 연결하기 위한 포트가 있다. 애노드 배기 가스 라인은 기저판 바디를 관통해 기저판 바디의 제 2 주요면 및 수분 분리기까지 뻗어 있다. 여기에서, 애노드 배기 가스에 혼입된 액체수가 분리되고 물 저수조에 집수된다. 저수조로부터, 애노드 배기 가스 라인은 재순환 펌프용 포트로 계속 이어지며, 제 2 주요면에 부착될 수 있거나 개별적으로 제공될 수 있다. 애노드 배기 가스 재순환 서킷을 닫기 위해, 애노드 가스 라인에 개방되고 재순환 펌프에 연결하기 위한 포트를 갖는 제 2 주요면에 추가 라인이 제공된다.
재순환 펌프의 대안으로서, 제트 노즐(벤튜리 노즐)도 또한 제공될 수 있다. 벤츄리 노즐을 사용하는 경우, 이는 애노드 작동 가스 라인에 위치하며, 물 저수조에서 나오는 배기 가스 라인이 벤츄리 노즐로 바로 연결된다.
애노드 배기 가스 블리드 또는 배출 라인이 애노드 배기 가스 라인으로부터 분기되며, 이를 통해 애노드 배기 가스가 시스템으로부터 주기적으로 퍼지될 수 있게 한다. 애노드 배기 가스 블리드 라인은 애노드 배기 가스 처리 장치에 연결하기 위한 포트를 갖는다. 이는, 연료 전지 시스템의 사용 장소가 환경에 애노드 배기 가스의 방출을 허용하는 경우에, 예를 들어, 열적으로 수소를 이용하는 장치, 집수 용기 또는 환경으로 방출하기 위한 라인일 수 있다.
더욱이, 밸브, 측정 장치, 조절 제어 장치뿐만 아니라 애노드 작동 가스의 공급 및 애노드 배기 가스의 배출에 필요한 안전 장치가 기저판 바디의 제 2 주요면에 부착된다. 라인에는 적절한 연결부 또는 포트, 밸브 시트 및 압력 센서 및 온도 센서와 같은 센서를 장착하기 위한 위치가 있다. 이러한 센서는 애노드 작동 가스 또는 애노드 배기 가스를 위한 라인 또는 별도의 측정 분기 라인에 직접 제공될 수 있다.
캐소드 작동 가스를 공급하기 위한 캐소드 작동 가스 라인은 제 2 주요면 상에 캐소드 작동 가스 공급원에 연결하기 위한 포트를 갖는다. 캐소드 작동 가스 공급원은 주로 연료 전지 시스템으로 공기를 공급하는 팬이지만, 산소/질소 혼합물 또는 다른 캐소드 작동 가스 공급원을 갖는 가압 가스 용기를 사용하는 것도 또한 가능하다. 캐소드 작동 가스 라인은 기저판 바디를 통해 연료 전지 어셈블리의 캐소드 작동 가스 유입구용 포트가 있는 제 1 주요면을 지난다.
기저판 바디의 제 1 주요면 상의 캐소드 배기 가스 라인은 연료 전지 어셈블리의 캐소드 배기 가스 배출구에 연결하기 위한 포트를 갖는다. 이 캐소드 배기 가스 라인은 기저판 바디를 통해 제 1 주요면으로부터 캐소드 배기 가스 라인을 캐소드 배기 가스 처리 장치에 연결하기 위한 포트가 있는 제 2 주요면을 지난다. 캐소드 배기 가스 처리 장치는 전형적으로 캐소드 배기 가스가 환경으로 방출되는 라인이다.
애노드 작동 가스 라인 및 캐소드 배기 가스 라인과 같이, 압력 및 온도 또는 유속을 측정하기 위한 센서가 또한 캐소드 작동 가스 라인 및 캐소드 배기 가스 라인에 필요하다. 밸브 또는 안전 장치도 또한 제공될 수 있다. 라인에는 필요한 센서, 액추에이터, 밸브 또는 레귤레이터에 적합한 포트 또는 시트가 있으며, 즉시 사용 가능한 관리판의 경우 기저판 바디의 제 2 주요면에 있다.
기저판 바디의 제 2 주요면에는, 액체수가 집수되는 물 저수조가 또한 있으며, 이 액체수는 물 저수조의 입구에서 수분 분리기에 의해 애노드 배기 가스로부터 분리된다. 물은 수로를 통해 저수조로부터 배출될 수 있다. 바람직하게는, 물 저수조에는 기설정된 충전 레벨에 도달할 때 수로 내의 밸브가 개방되게 하는 레벨 스위치가 설비된다. 물 수로에서 물을 제거하게 하는 레벨 스위치, 배수 밸브 및 포트도 또한 기저판 바디의 제 2 주요면에 부착된다.
냉매 공급 및 배출을 위해, 매질 관리판은 연료 전지 어셈블리에 냉매를 공급하기 위한 냉매 라인 및 연료 전지 어셈블리로부터 냉매를 배출하기 위해 사용된 냉매 라인을 갖는다. 냉매 라인은 기저판 바디의 제 2 주요면 상의 냉매 소스에 연결하기 위한 포트를 갖는다. 이는 기저판 바디를 통해 연료 전지 어셈블리의 냉매 입구에 연결하기 위한 포트가 있는 제 1 주요면으로 뻗어 있다. 제 1 주요면상의 사용된 냉매 라인은 연료 전지 어셈블리의 사용된 냉매 배출구에 연결하기 위한 포트를 갖는다. 사용된 냉매 라인은 제 1 주요면으로부터 기저판 바디를 통해 제 2 주요면으로 이어지고, 여기서 사용된 냉매 처리 장치에 연결하기 위한 포트가 위치된다.
냉매는 순환될 수 있다. 즉, 냉매 공급원은 냉매 처리 장치, 예를 들어, 필요에 따라 냉매의 보충 또는 필요에 따라 냉매의 교체를 가능하게 하는 집수 용기와 동일할 수 있다.
냉매 및 사용된 냉매 라인은 바람직하게는 온도 및 선택적으로 냉매 유량을 측정하기 위한 센서를 갖는다. 이들 센서를 기저판 바디에 부착시키는 것도 또한 제 2 주요면에서 구현된다.
매질 라인 시스템의 가령 물 저수조 및 벤튜리 노즐과 같은 라인 및 나머지 요소들이 기저판 바디의 제 2 주요면 상에 완전히 배치될 수 있거나, 기저판 바디의 체적에 완전히 또는 부분적으로 집적될 수 있다. 물론, 매질 라인 시스템의 요소들의 일부가 또한 기저판 바디에 집적될 수 있는 반면, 다른 부분은 기저판 바디의 제 2 주요면에 위치된다. 예를 들어, "수소 서킷", 즉, 애노드 작동 가스 라인, 애노드 배기 가스 라인, 벤튜리 노즐로 이어지는 애노드 배기 가스 재순환 라인, 벤튜리 노즐 그 자체, 애노드 배기 가스 배출 또는 블리드 라인 및 측정 분기 라인이 기저판 바디의 체적에 완전히 집적될 수 있는 반면, 물 저수조를 갖는 수분 분리기는 기저판 체적에 부분적으로 집적될 수 있다. 연료 전지 어셈블리의 캐소드 작동 가스 유입구, 캐소드 작동 가스 배출구, 냉매 유입구 및 사용된 냉매 배출구의 위치에 따라, 캐소드 작동 가스 라인 및 캐소드 배기 가스 라인뿐만 아니라 냉매 라인 및 사용된 냉매 라인이 기저판 바디를 통한 통로 형태로, 즉 제 1 주요면으로부터 제 2 주요면으로의 개구를 통해 간단히 제공될 수 있다. 유입구 및 배출구에는, 필요한 센서 및/또는 레귤레이터 또는 컨트롤러가 집적된 포트 또는 연결부가 부착될 수 있다.
매질 라인 시스템의 모든 라인 또는 라인의 일부 및 기저판 바디의 체적에 벤튜리 노즐과 같은 다른 요소들이 부분적으로 또는 전적으로 집적되는 것이 요망되는 경우, 기저판 바디는 바람직하게는 3D 프린팅 공정으로 제조된다. 3D 프린팅 공정에서의 제조로 인해 기저판 바디 내에 필요한 모든 공동들이 간단하고 정확하게 형성될 수 있다. 주조에 의한 제조도 또한 가능하다. 매질 라인 시스템의 요소들을 가능한 한 많이 기저판 바디의 체적에 집적시키는 것의 특별한 이점은 기저판 바디 내에 밀봉이 전혀 필요하지 않다는 것이다. 따라서, 누출이 없을 수 있으며, 이는 매우 쉽게 확산되는 수소에 특히 아주 중요한다. 최대 집적도를 갖는 매질 관리판의 경우, 연료 전지 매질을 공급하고 사용된 연료 전지 매질을 배출하기 위한 라인들에 대한 연결 위치뿐만 아니라 밸브, 측정 장치 및 조절 제어 장치들에 대한 연결 위치만 기저판 바디의 제 1 및 제 2 주요면에서 볼 수 있다. 이러한 연결 위치에는, 각각 필요한 연결 요소 또는 밸브, 센서 및 액추에이터가 부착된다.
대안으로, 매질 라인 시스템의 라인을 별도의 요소로서 기저판 바디의 제 2 주요면에 부착하고 이를 서로 연결하는 것도 물론 가능하다. 혼합 형태도 또한 유리할 수 있는데, 즉, 매질 라인 시스템의 요소의 일부가 기저판 바디의 체적에 집적될 수 있는 반면, 상기 부품의 다른 일부는 별도의 요소의 형태로 기저판 바디의 제 2 주요면에 체결되고 기저판 바디에 집적된 매질 라인 시스템의 요소에 연결된다.
본 발명에 따른 매질 관리판의 바람직한 실시예는 결빙 위험 요소들을 냉매로 가열할 수 있도록 설계된다. 알려진 바와 같이, 연료 전지 반응에서, 라인에서 응축될 수 있는 물이 형성된다. 일반적으로 이는 연료 전지 시스템의 작동 중에는 문제가 되지 않지만, 물의 어는점 미만의 온도에서 연료 전지 시스템이 정지될 때, 혼입된 물이 라인 및 다른 공동에서 동결된다. 이는 라인들이 얼음으로 막히거나 밸브가 움직일 수 없거나 심지어 얼은 물의 압력에 의해 센서가 파괴되기 때문에 물의 어는점 미만의 온도에서 연료 전지 시스템을 재시동하는 것이 불가능해질 수 있다. 종래의 연료 전지 시스템에서, 문제는 결빙하기 쉬운 또는 결빙 위험 요소의 전기 가열에 의해 중화된다. 이와 관련하여, 연료 전지의 바로 근처에 전기 스파크가 발생된다.
종래 기술의 문제점은 냉매로부터 매질 관리판의 얼음 또는 결빙 가능한 요소로 열이 전달될 수 있도록 매질 관리판의 냉매 라인이 노정되는 점에서 본 발명에 따라 방지된다. 열전달은 가능한 한 효율적이어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 매질 관리판에서, 냉매 라인은 바람직하게는 결빙 위험 요소들과 접촉하며, 냉매 라인과 가열되는 요소들 간에 접촉면은 가능한 한 커진다. 냉매 라인 및 가열되는 요소에 대한 바람직한 재료는 가령 금속과 같이 열전도성이 우수한 재료이다.
특히 결빙 위험 요소는 필요한 밸브, 측정 장치, 조절 제어 장치 및 물 저수조가 달린 수분 분리기를 포함한 수소 서킷의 라인이다. 캐소드 배기 가스 라인도 또한 결빙에 매우 민감하다. 냉매 라인은 바람직하게는 이들 라인 및 이들의 밸브, 측정 장치 및 조절 제어 장치와 열전도적으로 접촉해 뻗어 있다. 라인이 표면, 즉 기저판 바디의 제 2 주요면에 있을 때, 가열 및 가열된 라인에는 공통 절연이 제공될 수 있다. 가열 및 가열된 라인이 기저판 바디의 체적에 공동(空洞)으로서 형성될 때, 해당 공동은 바람직하게는 제조 기술의 관점에서 가능한 서로 가장 작은 거리로 만들어진다.
냉매 라인을 노정하거나 냉매에 의한 요소들의 가열성이 요구되는 모든 요소들과 접촉하도록 동일한 연장부를 가질 수 있다. 그러나, 냉매 라인으로부터 분기되고 냉매를 통과하는 밸브에 의해 개방되거나 폐쇄될 수 있는 하나 이상의 냉매 분기 라인을 제공하는 것이 더 유리하다. 정상적인 연료 전지 작동 중에, 밸브는 닫히고 냉매가 최단 경로에 의해 연료 전지 어셈블리로 흐른다. 매질 라인 시스템에 얼은 물이 있다고 의심되거나 확실한 경우, 냉매 분기 라인으로 이어지는 밸브가 열리므로 냉매가 결빙된 요소들로 흘러 얼음을 녹일 수 있다. 그런 후, 밸브가 다시 폐쇄되어, 상기 냉매는 최단 경로에 의해 연료 전지 어셈블리로 유동한다. 냉매 분기 라인(들)을 갖는 이 바람직한 실시예에서, 냉매 라인과 관련하여 상술한 설명이 물론 유사하게 적용된다. 즉, 냉매 분기 라인(들)은 냉매에서 결빙 위험 요소로 열이 효율적으로 전달되도록 노정되거나 전개되어야 한다.
냉매는 냉매 저장용기에서 냉매 라인으로 공급된다. 바람직하게는, 사용된 냉매는 동일한 저수조에 공급된다. 즉, 냉매가 순환된다. 냉매 저장용기는 가열될 수 있어, 연료 전지 시스템의 연장된 휴지기간 후에 주변 온도를 취하게 되고 따라서 물의 어는점보다 훨씬 낮은 온도를 가질 수 있거나 심지어는 얼 수도 있는 용기내 냉매는 매질 라인 시스템을 예열하기에 적합한 온도, 예를 들어, 3℃ 내지 8℃의 온도로 가열될 수 있다. 냉매 저장용기의 가열은 전기로 행해질 수 있으며, 예를 들어, 냉매 저장용기는 연료 전지의 바로 근처에 위치할 필요가 없다.
결빙 위험 요소의 가열을 허용하는 매질 관리판은 작동 온도 범위와 관련하여, 즉 주변 온도의 관점에서 설비된 연료 전지 시스템의 유연성을 향상시키며, 신뢰할 수 있고 안전한 작동, 특히 장시간 휴지기간 후 안전한 재시동이 가능하다.
연료 전지 어셈블리는 원칙적으로 단일 연료 전지로 구성될 수 있지만, 전형적으로 연료 전지 스택 또는 다수의 연료 전지 스택으로 구성된다. 연료 전지 어셈블리는 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 냉매용 유입구가 있으며, 이를 통해 각각의 매질이 분배 또는 매니폴드 시스템으로 공급되며, 상기 시스템으로부터 개별 연료 전지로 분배된다. 추가로, 연료 전지 어셈블리는 애노드 배기 가스, 캐소드 배기 가스 및 사용된 냉매용 배출구가 있으며, 이를 통해 해당 집수 장치로부터 나오는 이들 매질이 배출된다.
매질 관리판은 적절한 위치에 애노드 작동 가스 및 애노드 배기 가스, 캐소드 작동 가스 및 캐소드 배기 가스, 및 냉매 및 사용된 냉매에 대한 대응하는 배출구 및 유입구를 가지며, 연료 전지 어셈블리상에 매질 관리판을 배치하고 상기 관리판을 연료 전지 어셈블리에 동일하게 부착시킴으로써, 매질 관리판의 애노드 작동 가스 배출구와 연료 전지 어셈블리의 애노드 작동 가스 유입구 사이, 매질 관리판의 애노드 배기 가스 유입구와 연료 전지 어셈블리의 애노드 배기 가스 배출구 사이, 매질 관리판의 캐소드 배기 가스 배출구와 연료 전지 어셈블리의 캐소드 작동 가스 유입구 사이, 매질 관리판의 캐소드 배기 가스 유입구와 연료 전지 어셈블리의 캐소드 배기 가스 배출구 사이에 가스 기밀 연결이 확립되고, 매질 관리판의 냉매 배출구와 연료 전지 어셈블리의 냉매 유입구 사이 및 매질 관리판의 사용된 냉매 유입구와 연료 전지 어셈블리의 사용된 냉매 배출구 사이에 유체 기밀 연결이 확립된다.
물론, 연료 전지 어셈블리에 매질 관리판의 고정은 연료 전지 어셈블리의 위치 변화, 가령, 회전으로 인해 매질 관리판의 위치도 이에 따라 변하게 되는 결과를 갖는다. 연료 전지 어셈블리는 통상적으로 고립된 유닛으로 동작되지 않고, 가령 연료 전지 어셈블리의 방향이 특정 공간 상황에 따라 변할 수 있는 모터 차량과 같은 일부 위치에 설치된다. 전형적으로, 연료 전지 어셈블리의 설치는 연료 전지의 적층 방향이 중력 작용 방향에 평행하거나 수직이도록 된다. 따라서, 매질 관리판의 기저판 바디의 주요면은 중력 작용 방향에 평행하거나 수직으로 배향된다. 생성된 물과 같은 액체가 중력 작용 방향으로 유동하는 경향이 있으므로, 연료 전지 매질의 공급 및 배출용 라인, 센서 및 액체가 쉽게 배수될 수 있는 매질 관리판의 가능한 물 집수 용기를 배치할 때 주의를 기울여야 한다. 그렇지않으면, 물의 어는점보다 낮은 온도에서, 물이 축적되어 얼어 붙고 어는 동안 팽창하기 때문에 매질 관리판에 상당한 손상을 일으킬 수 있다.
연료 전지 매질의 공급 및 배출에 필요한 모든 라인 및 다른 요소가 연료 전지 어셈블리에 개별적으로 부착될 경우, 액체의 배수를 방해하지 않도록 다르게 지향된 연료 전지 어셈블리들에 이들을 부착하는 것은 문제가 되지 않을 것이다. 이들 라인들 및 다른 요소들 모두가 단일 유닛에 결합되고 따라서 본 발명에 따른 매질 관리판의 경우와 같이 변하지 않는 방식으로 그들의 위치 및 배향의 관점에서 고정될 경우 상황은 상이하다. 중력 방향에 평행하게 설치된 연료 전지 어셈블리(중력 방향에 평행한 적층 방향) 및 중력 방향에 수직으로 설치된 연료 전지 어셈블리 모두에 대해 매질 관리판을 사용할 수 있으려면, 두 방향 중 어느 쪽도 물론 애노드 배기 가스로부터 분리된 생성된 물이 집수되는 물 저수조를 제외하고는 어느 위치에서도 생성된 물이 축적될 수 없음이 보장되어야 한다. 매질 관리판의 양 방향에서, 물 저수조로부터의 물이 애노드 배기 가스 라인으로 들어 가지 않고 애노드 배기 가스가 자유롭게 유입 및 배출될 수 있고 집수된 물이 매질 관리판의 양 방향으로 물 저수조에서 배출될 수 있는 것이 이 물 저수조에 보장되어야 한다.
본 발명에 따른 매질 관리판에서, 이 문제는 매질 라인 시스템의 라인의 적절한 코스, 물 저수조 및 센서 공동의 적절한 형상 또는 배치, 및 물 저수조 안밖으로 공급 라인과 배출 라인의 적절한 배치에 의해 해결된다.
명확히 하기 위해, 본 발명과 관련해 "적절한"은 범위가 정의되어 있고, 이에 의해 매질 관리판의 요소들의 서로에 대한 공간 관계가 정의될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
"근위" 및 "원위"라는 용어는 기저판 바디의 연장방향에 수직 방향으로의 상대 위치를 말한다. 근위 영역은 원위 영역보다 기저판 바디의 제 1 주요면에 더 가깝다. 즉, 매질 관리판이 연료 전지 어셈블리에 부착될 때, "근위"는 "원위"보다 연료 전지 어셈블리에 더 가깝다.
다른 한편으로, "내부" 및 "외부" 또는 "내부 영역" 및 "외부 영역"이라는 용어는 기저판 바디의 연장 방향에 평행 방향으로의 상대 위치를 나타낸다.
외부 영역은 내부 영역보다 매질 관리판의 에지, 즉 외부 원주에 더 가깝다.
"상단" 및 "바닥" 또는 "상부/최상부 영역"및 "하부/최하부 영역"이라는 용어는 중력 작용 방향에 대한 상대 위치를 나타낸다. 정의에 따르면, 중력은 위에서 아래로 작용한다.
용어는 절대적인 용어로 이해되어서는 안되며, 요소의 위치를 서로에 대해 정의하는 것이 중요하다.
"수직" 매질 관리판 또는 "수직" 기저판 바디는 중력 작용 방향에 평행하게 배향되고, "수평" 매질 관리판 또는 "수평" 기저판 바디는 중력 작용 방향에 수직으로 배향된다.
본 발명에 따른 매질 관리판에서, 물 저수조는 기저판 바디의 외부 영역에 위치하고 근위 및 원위 영역을 갖는 형상을 갖는다. 물 저수조의 원위 영역은 동시에 원위 영역이 바닥에 있도록 매질 관리판이 수직으로 배향될 수 있게 가능한 한 바깥쪽에 있어야 한다. 이러한 방식으로, 애노드 배기 가스로부터 분리된 생성된 물이 매질 관리판의 수평 배향의 경우 물 저수조의 원위 영역에 축적되고, 매질 관리판의 수직 방향인 경우 물 저수조의 하부 영역에 축적되는 것이 보장된다.
애노드 배기 가스 유입구 및 애노드 배기 가스 배출구를 갖는 수분 분리기는 물 저수조의 내부 근위 영역에 위치되며, 매질 관리판의 수직 배향의 경우, 동시에 물 저수조의 최상위 영역이다. 이는 저수지의 수위가 상승함에 따라 물이 마지막으로 채워지는 영역이다. 바람직하게는, 저수조에는 또한 원위 영역보다 근위에 더 많이 그리고 저수조의 외부 영역보다 내부에 더 많이 위치하지만, 애노드 배기 가스 유입구 및 애노드 배기 가스 배출구보다 외부를 더 향하여 더 원위로 배치된 레벨 스위치가 제공된다. 이러한 방식으로, 물 저수조는 결코 완전히 채워지지 않고 액체수가 물 저수조로부터 매질 관리판의 수평 방향 및 수직 방향의 경우 모두에서 애노드 배기 가스 유입구 및 애노드 배기 가스 배출구로 나가지 않는 것이 보장된다.
저수조의 물 배출구는 저수조의 원위 외부 영역에 위치되며, 매질 관리판의 수직 배향의 경우 동시에 물 저수조의 하부 영역이다. 따라서, 애노드 배기 가스로부터 분리된 생성된 물이 매질 관리판의 수평 방향 및 수직 방향 모두로 배출될 수 있는 것이 보장된다.
매질 라인 시스템에 흐르는 작동 가스 및 배기 가스의 온도 및 압력 및/또는 유량을 측정하기 위해, 매질 라인 시스템의 라인에는 온도 및 압력 또는 매질 라인 시스템에 흐르는 매질 유량용 센서가 제공된다. 이 센서는 작동 가스와 배기 가스가 흐르는 라인에 직접 수용되지 않지만, 이 라인과 유체 연통하는 별도의 공동(센서 공동)에 수용된다. 센서 공동은 측정이 행해지는 각각의 라인으로부터 원위 방향으로, 즉 매질 관리판의 제 1 주요면으로부터 라인 자체보다 더 이격되어 오프셋된다. 오프셋 또는 스태거 배치는 센서들에 대한 충분한 공간을 제공하기 위해 필요하다. 즉, 센서들이 기저판 바디와 공간 충돌을 일으키지 않는다. 더욱이, 매질 관리판이 저수조가 바닥에 위치된 상태에서 연료 전지 어셈블리에 수직으로 장착될 때, 센서 공동은 이들이 유체 연통하는 라인 위에 위치해야 한다. 따라서, 매질 관리판의 수직 배향의 경우, 물이 센서 공동으로부터 연결된 라인으로 흐르고, 매질 관리판의 수평 배향의 경우, 센서가 영향을 받는 센서 공동에 너무 많은 물이 축적될 수 없도록 보장된다. 물이 얼어도 센서는 온전히 작동한다. 포트에 센서가 집적되어 있는 경우에는 스태거 배열이 필요하지 않다. 매질 관리판의 수평 방향도 수직 방향도 아닌 경우 물이 센서에 축적될 수 없도록만 보장해야 한다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명은 도면에 의해 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면들은 축척에 맞지 않으며 각각의 경우에 본 발명을 이해하는데 필수적인 특징들만을 도시한 것을 적시한다. 추가적인 특징들이 있을 수 있고, 도시된 특징들은 다른 배열로 또는 다른 특징들과 조합하여 선택적으로 있을 수 있는 것으로 이해된다. 결정적인 것은 당업자의 이해이다. 동일한 참조 번호는 각각 동일하거나 대응하는 요소를 나타낸다. 도면에서,
도 1 및 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 대안적인 실시예의 개략적이고 매우 단순화된 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 매질 관리판의 개략적인 사시도를 도시한 것이다.
도 3c는 도 3a 및 도 3b의 매질 관리판의 냉매 분기 라인에서 냉매 흐름의 개략도이다.
도 4a 내지 4c는 매질 관리판의 상이한 배향을 갖는 본 발명에 따른 매질 관리판의 물 저수조의 개략도를 도시한 것이다.
도 5a 내지 5f는 다양한 형태의 물 저수조의 개략도를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6d는 압력 센서 공동 및 매질 관리판에서의 이들의 배치의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 매질 관리판과 연료 전지 어셈블리의 연결의 개략도이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(10)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 연료 전지 시스템(10)은 각각 연료 전지 어셈블리(5)를 가지며, 상기 연료 전지 어셈블리에 작동에 필요한 매질이 본 발명에 따른 매질 관리판(1)에 의해 공급되는 한편, 사용된 매질도 또한 배출되고 선택적으로 처리된다. 도 1의 연료 전지 시스템과 도 2의 연료 전지 시스템은 단지 도 1의 실시예에서는 재순환 펌프(49)가 애노드 배기 가스의 재순환을 위해 사용되는 반면, 도 2의 실시예에서는, 벤튜리 노즐(29)이 애노드 배기 가스의 재순환을 위해 사용된다는 점이 다르다.
먼저, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템을 설명한다. 연료 전지 시스템(10)은 종래의 연료 전지 어셈블리(5)를 포함하며, 상기 연료 전지 어셈블리는 애노드(6), 캐소드(7) 및 냉각판(8)을 갖는 단일 연료 전지로 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 연료 전지 어셈블리(5)에는 애노드 작동 가스 유입구(61), 캐소드 배기 가스 배출구(62), 캐소드 작동 가스 유입구(71), 캐소드 배기 가스 배출구(72), 냉매 유입구(81) 및 사용된 냉매 배출구(82)가 있다.
매질 관리판(1)은 평평한 기저판 바디를 포함하며, 이는 일반적으로 금속 또는 플라스틱으로 만들어진다. 기저판 바디는 연료 전지 어셈블리에 부착되는 제 1 주요면(3)과, 신선한 연료 전지 매질과 사용된 연료 전지 매질을 각각 공급 및 배출하기 위한 라인 시스템 및 필요한 밸브, 센서, 액추에이터 및 처리 장치가 부착된 제 2 주요면(4)을 갖는다. 연료 전지 시스템의 작동 방법과 관련하여 개별 요소들을 설명할 것이다.
연료 전지 시스템(10)의 작동에서, 새로운 애노드 작동 가스, 예를 들어 수소는 애노드 작동 가스 공급원(미도시)으로부터 유입구(12)를 통해 매질 관리판의 애노드 작동 가스 라인(11)으로 공급된다. 라인(11)에서, 애노드 작동 가스는 배출구(15)로 흘러 매질 관리판(1)을 빠져 나간다. 애노드 작동 가스 라인(11)에서 차단 밸브(13)를 작동시킴으로써, 필요에 따라 새로운 애노드 작동 가스의 공급이 시작되거나 종료된다. 차단 밸브(13)와 배출구(15) 사이에는 연료 전지 작동에 필요한 애노드 작동 가스 압력을 조절하는 감압기(14)가 배치되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 애노드 작동 가스 라인(11)은 또한 애노드 작동 가스에 혼입된 입자를 걸러내는 입자 필터(39)를 포함한다. 배출구(15)로부터 유출되는 애노드 작동 가스는 연료 전지 어셈블리(5)의 애노드 작동 가스 유입구(61)로 직접 유입된다.
사용된 애노드 작동 가스는 애노드 배기 가스 배출구(62)를 통해 애노드 배기 가스로서 연료 전지 어셈블리(5)를 빠져 나와서 매질 관리판(1)의 애노드 배기 가스 라인(16)의 애노드 배기 가스 유입구(17)로 직접 유입된다. 애노드 배기 가스 라인(16)을 통해, 애노드 배기 가스는 수분 분리기(30), 예를 들어 선회 분리기(swirl separator)로 흐르고, 상기 선회 분리기에서 혼입된 생성된 물은 애노드 배기 가스로부터 분리된다. 애노드 배기 가스는 애노드 배기 가스 배출구(32)를 통해 저수조(31)를 떠나 애노드 배기 가스 라인(16') 및 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)에 있는 재순환 펌프(49)의 한 연결 지점(23)으로 흐르면서 분리된 물이 저수조(31)에 축적된다. 재순환 펌프(49)가 연결될 때, 애노드 배기 가스는 연결 지점(23)에서 매질 관리판(1)를 떠나 재순환 펌프의 상기 연결 지점(24)을 통해 매질 관리판(1)으로 다시 유입된다. 그로부터, 여전히 소비되지 않은 애노드 작동 가스를 함유한 애노드 배기 가스는 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)이 애노드 작동 가스 라인(11)에 개방되는 위치(25)로 흐른다.
때때로, 애노드 배기 가스에서 바람직하지 않은 가스, 예를 들어 질소 또는 이산화탄소의 축적을 방지하기 위해 라인 시스템으로부터 애노드 배기 가스를 퍼지할 필요가 있다. 퍼징은 애노드 배기 블리드 라인(19)을 통해 발생하고, 상기 블리드 라인은 애노드 배기 가스 라인(16')으로부터 위치(18)에서 분기되고 애노드 배기 가스 배출구(20)로 이어진다. 애노드 배기 가스 퍼징 밸브(21)는 애노드 배기 가스 블리드 라인(19)을 폐쇄하고 연료 전지 작동 중에 애노드 배기 가스를 퍼지하기 위해 정기적으로 개방된다.
애노드 작동 가스 압력 및 애노드 배기 가스 압력을 각각 모니터링하기 위해, 애노드 작동 가스 및 애노드 배기 가스의 라인에 압력 센서가 제공되고, 미리 정해진 최대 압력을 초과하지 않도록 보장하기 위해, 과압 스위치가 제공된다. 예시된 실시예에서, 하나의 압력 센서(28) 뿐만 아니라 애노드 배기 배기 재순환 라인(22)으로부터 분기된 측정 분기 라인(26)에(안전상의 이유로 중복된) 2개의 과압 스위치(27, 27')가 제공된다. 그러나, 그러한 측정 분기 라인이 반드시 제공될 필요는 없다. 오히려, 압력 센서(28) 및 과압 스위치(27, 27')는 또한 애노드 작동 가스 또는 애노드 배기 가스용 라인 시스템의 다른 위치, 예를 들어 애노드 배기 가스 라인(16) 또는 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)에 장착될 수 있다. 연료 전지 작동 동안, 압력 센서(28)는 라인 시스템의 압력을 연속적으로 감지한다. 감지된 압력이 소정의 타겟 압력 미만이면, 감압기(14)의 밸브가 목표 압력이 유지될 때까지 개방된다. 과압 스위치(27, 27')는 라인 시스템의 압력을 모니터링하고, 미리 정해진 최대 압력을 초과할 때, 예를 들어, 애노드 작동 가스 차단 밸브(13)를 폐쇄함으로써 안전 서킷을 통해 시스템을 안전 상태로 전환시킨다.
캐소드 작동 가스 공급원(미도시)으로부터의 캐소드 작동 가스가 유입구(51)를 통해 캐소드 작동 가스 라인(50)으로 공급된다. 상기 캐소드 작동 가스는 배출구(52)를 통해 캐소드 작동 가스 라인을 빠져 나가며, 상기 배출구로부터 연료 전지 어셈블리(5)의 캐소드 작동 가스 유입구(71)에 직접 공급된다. 도시된 실시예에서, 캐소드 작동 가스 라인(50)에는 캐소드 작동 가스 압력을 측정하기 위한 센서(53) 및 캐소드 작동 가스 온도를 측정하기 위한 센서(54)가 설비되어 있다. 캐소드 작동 가스로서, 공기가 전형적으로 사용되며, 공기는 캐소드 작동 가스 공급원으로서 팬으로부터 공급된다. 그러나, 본 발명은 임의의 캐소드 작동 가스에 적용 가능하다.
캐소드 배기 가스는 캐소드 배기 가스 라인(55)의 캐소드 배기 가스 유입구(56) 내로 직접 지나는 캐소드 배기 가스 배출구(72)를 통해 연료 전지를 어셈블리(5)를 나간다. 캐소드 배기 가스는 캐소드 배기 가스 배출구(57)를 통해 매질 관리판(1)를 떠나며, 캐소드 배기 가스의 경우에, 애노드 배기 가스와 달리, 환경으로의 방출이 용이해질 수 있다. 매질 관리판(1)의 도시된 실시예에서, 캐소드 배기 가스 라인(55)에는 온도 센서(58) 및 체크 밸브(59)가 제공된다. 체크 밸브는 캐소드 배기 가스가 원하는 타켓 압력을 초과하는 한 캐소드 배기 가스가 빠져 나갈 수 있게 한다. 압력이 타켓 압력 아래로 떨어지면, 체크 밸브(59)가 폐쇄되어 캐소드 배기 가스 라인(55)으로의 주변 공기 또는 다른 물질이 전혀 침투할 수 없다.
냉매는 매질 관리판(1)의 냉매 라인(40)을 통해 연료 전지 어셈블리(5)에 공급되고, 매질 관리판(1)의 사용된 냉매 라인(65)을 통해 다시 배출된다. 냉매 라인(40)은 냉매 유입구(41)가 있고, 상기 냉매 유입구를 통해 냉매 저장용기(미도시)로부터 냉매가 냉매 라인(40)으로 공급된다. 냉매는 냉매 배출구(47)를 통해 냉매 라인(40)을 떠나, 연료 전지 어셈블리(5)의 냉매 유입구(81)로 직접 공급된다. 가열된 냉매는 사용된 냉매 배출구(82)를 통해 연료 전지 어셈블리(5)를 떠나, 사용된 냉매 라인(65)의 사용된 냉매 유입구(66)로 직접 유입된다. 사용된 냉매는 사용된 냉매 배출구(67)를 통해 라인(65)을 떠나, 바람직하게는 냉매 저장용기로 다시 향하며, 이로부터 냉매 라인(40)에 재공급될 수 있다. 냉매 라인(65) 및 사용된 냉매 라인(65) 내의 센서(42, 68)는 냉매 및 사용된 냉매의 온도를 측정하는 역할을 한다.
냉매 라인(40)으로부터 분기된 것이 분기 라인(45)을 갖는 분기 라인(44)이며, 이는 아래에 더 설명될 것이다.
연료 전지 어셈블리의 작동 중에 애노드 배기 가스로부터 분리되고 물 저수조(31)에서 집수된 물은 수로(34)를 통해 배출될 수 있다. 수로(34)는 일반적으로 배수 밸브(35)에 의해 폐쇄된다. 물 저수조와 연통하는 레벨 스위치(37)가 저수조의 최대 충전 수위에 도달했음을 나타낼 때 밸브(35)가 개방된다. 도시된 실시예에서, 수로(34)는 위치(36)에서 캐소드 배기 가스 라인(55)으로 개방되고, 배출된 물은 캐소드 배기 가스 배출구(57)를 통해 캐소드 배기 가스와 함께 매질 관리판(1)을 빠져 나간다. 소정량의 물을 배출한 후, 배수 밸브(35)는 다시 폐쇄된다.
도 2에 도시된 매질 관리판(1)의 실시예에서, 재순환 펌프(49)는 제트 노즐(벤튜리 노즐)(29)로 대체된다. 도시된 실시예에서, 애노드 배기 가스는 애노드 배기 가스 라인(16')을 통해 물 저수조(31)를 떠나고, 상기 가스 라인은 위치(18)에서 애노드 배기 가스 블리드 라인(19) 및 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)에 병합된다. 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)으로부터, 애노드 배기 가스는 벤튜리 노즐(29)을 통해 애노드 작동 가스 라인(11)에 석션된다. 바람직하게는, 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)은 애노드 배기 가스 퍼징 밸브(21)가 개방될 때마다 폐쇄되는 밸브를 내부에 두고 있다.
본 발명에 따른 매질 관리판의 바람직한 실시예에서, 냉매는 결빙 위험 요소, 특히 생성된 물이 축적될 수 있는 라인 및 다른 공동을 가열하는데 사용된다. 이를 위해, 필요한 경우 위치(43)에 있는 냉매 라인(40)으로부터 분기되고 위치(46)에 있는 사용된 냉매 라인(65)에 개방되는 냉매 분기 라인(44)을 통해 냉매를 통과시킨다. 냉매 분기 라인(44)은 밸브(48)에 의해 개폐될 수 있다. 밸브(48)가 개방될 때, 냉매는 냉매 분기 라인(44)을 통해 그리고 연료 전지 어셈블리(5)로 직접 둘 다 흐른다. 도 1 및 도 2에서, 분기 라인(44)은 명확히 하기 위해 매질 관리판(1)의 다른 요소로부터 별도로 뻗어 있고 분기 라인(45)을 갖는 라인으로 도시되어 있다. 실제로, 냉매 분기 라인(44) 및, 있다면, 분기 라인(45)은 매질 관리판(1)의 결빙 위험 요소들과 열전도성 접촉 상태로 뻗어 있다. 냉매 분기 라인(44)의 예시적인 코스가 도 3a 내지 도 3c에 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b는 도 1 및 도 2와 관련하여 기술된 요소들이 장착된 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)의 평면도를 도시한 것이다. 냉매 분기 라인(44) 및 상기 라인의 분기 라인(45a, 45b)은 빗금친 것으로 도시되어 있다. 이들은 피가열 요소들에 의해 부분적으로 커버되기 때문에, 이들의 코스가 도 3c에 다시 한번 개략적으로 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 매질 관리판(1)의 실시예에서, (냉매 유입구(41), 연결 피스(97) 및 온도 센서(42)가 보이는) 냉매 라인(40), (사용된 냉각수 배출구(67), 연결 피스(98) 및 온도 센서(68)가 보이는) 사용된 냉매 라인(65), (캐소드 작동 가스 유입구(51), 연결 피스(95) 및 센서(53, 54)가 보이는) 캐소드 작동 가스 라인(50), (캐소드 배기 가스 배출구(57), 연결 피스(96), 센서(58) 및 체크 밸브(59)가 보이는) 캐소드 배기 가스 라인(55)이 기저판 바디(2)를 통하는 통로로 형성된다. 냉매 분기 라인(44)은 냉매 유입구(41)에서 시작하여 애노드 배기 가스 배출구(20)(연결 피스(92)), 애노드 작동 가스 차단 밸브(13), 애노드 작동 가스 감압기(14), 압력 센서(28) 및 (도시된 실시예에서 애노드 작동 가스 라인에 배치된) 과압 스위치(27, 27')와 접촉해 이어지다 결국 밸브(48) 및 냉매 배출구(67)에 이른다. 본 실시예의 밸브(48)는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 달리 분기 라인의 끝에 있다. 분기 라인(45a)은 냉매 유입구(41) 직후 분기 라인(44)으로부터 분기되고, 저수조(31) 아래에서 배수 밸브(35), 캐소드 배기 가스 배출구(57) 및 최종적으로 냉매 밸브(48)에 이른다. 또 다른 분기 라인(45b)이 감압기(14)와 압력 센서(28) 사이의 분기 라인(44)으로부터 분기되고(연결 피스(93)가 보이는) 재순환 펌프 포트(23) 및 애노드 배기 가스 퍼징 밸브(21)에 이어지고 결국 분기 라인(45a)에 개방된다.
냉매는 냉매 저장용기에서 가져와 매질 관리판을 통과한 후 냉매 저장용기로 복귀된다. 냉매 저장용기는 바람직하게는 전기적으로 가열될 수 있어서, 냉매는 냉매 라인(40)으로 공급되기 전에 원하는 온도로 가열될 수 있다. 바람직하게는, 냉매는 물의 어는점 미만의 온도에서 연료 전지 시스템의 시동 전에 3℃ 내지 8℃의 온도로 가열된 다음 냉매 라인에 공급된다. 이러한 방식으로, 연료 전지 시스템은 몇 분 내에 "해동"될 수 있다. 즉, 매질 라인 시스템내 어떤 냉동된 물이 액화되고 시스템은 문제없이 작동할 준비가 된다. 밸브(48)가 닫히고 따라서 냉매가 연료 전지 어셈블리(5)에 전적으로 통과될 때, 물 저수조(31) 내의 냉동된 물은 완전히 해동될 필요가 없다.
도 3a 및 3b에서, 매질 관리판(1)의 기저판 바디(2)는 모든 라인, 센서, 밸브 및 저수조가 달린 수분 분리기가 장착된 제 2 주요면(4) 상에 얇은 허니콤 강화 플레이트로서 도시되어있다. 그러나, 대안으로, 매질 라인 시스템의 라인들 전부 또는 일부, 및 필요하다면, 기저판 바디(2)의 부피에 완전히 또는 부분적으로 집적된 수분 분리기 및 저수조를 통합할 수 있다. 이 경우, 기저판 바디(2)는 라인들이 기저판 바디 내부로 완전히 뻗을 수 있는지 또는 제 2 주요면(4)에서 여전히 보여야 하는지, 또는 필요하다면 전체 저수조(31)가 기저판의 체적에 완전히 수용될 수 있는지에 따라 이에 따라 더 큰 두께를 갖는다. 체적에 집적된 라인들 및 가능하게는 체적에 집적된 벤튜리 노즐과 같이 체적에 집적된 다른 요소들을 포함하는 기저판 바디는 바람직하게는 캐스팅 또는 3D 프린팅으로 제조된다. 특히, 임의의 형상의 공동을 갖는 고체 블록을 용이하게 제조할 수 있기 때문에 3D 프린팅이 바람직하다.
매질 라인 시스템의 요소들을 기저판 바디의 부피에 기능한 한 많이 집적시킴으로써, 필요한 스크류 연결부, 용접 또는 기타 연결부의 개수를 최소화하여 특히 수소 서킷에서 밀봉 문제를 상당히 완화시킨다. 매질 관리판로부터 공간적으로 분리된 원하는 온도로 가열될 수 있는 냉매에 의한 가열과 결부하여, 넓은 온도 범위에서 특히 매우 낮은 온도에서 연료 전지 시스템의 안전성 및 유용성이 기존의 연료 전지 시스템에 비해 현저하게 개선된다.
본 발명에 따른 매질 관리판은 각각 기저판 바디의 제 1 주요면이 연료 전지 어셈블리를 향하도록 연료 전지 어셈블리에 각각 고정된다. 연료 전지 매질의 유입구 및 연료 전지 어셈블리에서 사용된 연료 전지 매질의 배출구의 위치는 대응하는 연료 전지 매질의 배출구 및 매질 관리판의 제 1 주요면 상에 있는 사용된 연료 전지의 유입구의 위치를 각각 결정한다. 매질 관리판이 연료 전지 어셈블리의 유입구 및 배출구의 배열에 적합한 연료 전지 어셈블리에 고정되면, 매질 관리판와 연료 전지 어셈블리 간의 새 연료 전지 매질 및 사용된 연료 전지 매질의 교환을 위한 유체 연결부들이 고정과 동시에 확립된다.
따라서, 매질 관리판이 설계된 특정 연료 전지 어셈블리에 부착될 수 있는 위치는 정확히 하나다. 연료 전지 어셈블리의 위치 변화, 예를 들어 회전으로 인해 매질 관리판의 위치가 이에 따라 변화된다.
본 발명에 따른 매질 관리판의 바람직한 실시예는 수평 전개 위치(중력작용 방향에 수직인 시트형 연장부) 및 수직 기립 위치(중력작용 방향에 평행한 시트형 연장부) 모두에서 기능하도록 설계된다. 수직 "기립" 위치에서 매질 관리판은 연료 전지 어셈블리에 측면 부착되고, 수평 "전개" 위치에서는 연료 전지 어셈블리의 하부측에 부착된다. "위" 및 "아래"는 중력 작용 방향을 지칭한다. 정의에 의해, 중력은 위에서 아래로 작용한다.
수평 및 수직 위치 모두에서 기능하는 매질 관리판의 경우, 센서 공동와 같은 공동의 형상 및 배열뿐만 아니라 라인의 코스는 가능한 적은 물이 수직 및 수평 매질 관리판 모두에 축적될 수 있도록 선택된다. 저수조는, 수직 및 수평 매질 관리판의 경우, 애노드 배기 가스의 문제 없는 유입 및 배출 및 축적된 물의 배수가 가능하도록 형성되고 배열된다. 라인에 관한 한, 이는 하방에 돌출부들이 있는 라인 코스를 피함으로써 간단한 방식으로 달성된다. 하기에 물 저수조 및 센서 공동을 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 수평 전개 및 수직 기립 기저판 바디(2)의 물 저수조(31)를 도시한 것이다. 도시된 실시예에서, 저수조(31)는 코너(A, B, C, D)가 있는 실질적인 정사각형 베이스 영역을 가지며, 기저판 바디의 제 2 주요면(4)에 부착된다. 저수조(31)는 기저판 바디(2)로부터 코너(E 및 F)까지 멀어지게 뻗어 있다. 애노드 배기 가스 유입구(38) 및 애노드 배기 가스 배출구(32)는 물 저수조(31)의 영역에 위치되며, 상기 영역은 기저판 바디(2)에 가능한 가깝고(근위) 기저판 바디(2)의 중심에 가능한 한 가깝다(내부). 이러한 방식으로, 애노드 배기 가스 유입구(38) 및 애노드 배기 가스 배출구(32)가 수평 매질 관리판의 경우 및 수직 매질 관리판의 경우 모두에서 "상부"에, 즉, 수위가 상승함에 따라 저수조(31)에서 가능한 한 늦게 도달하는 위치에 있는 것이 보장된다. 애노드 배기 가스로부터 분리된 물은 저수조(31)의 하부 영역에서 중력에 따라 축적된다. 매질 관리판이 수평으로 놓인 상태에서 축적은 에지(E/F)에서 시작되고, 매질 관리판이 수직으로 기립한 상태에서 C-D-F-E 영역에서 축적이 시작된다. 저수조(31)가 수평 및 수직 매질 관리판 모두로 쉽게 비워질 수 있도록, 축적된 물이 수로(34)로 배출되는 저수조의 물 배출구(33)는 코너 E, F(도 4c) 중 하나에 가능한 한 가깝게 배치된다. 도 4c는 도 4a에 도시된 저수조의 C-E-F-D 영역의 평면도를 도시한 것이다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 배출된 물은 중력 방향에 대해 상방으로 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)으로 이어지는 수로(34)로 올라온다. 저수조(31)에 지배적인 애노드 배기 가스의 압력이 이에 대한 원인이다.
저수조(31)는 기저판 바디(2)의 외주에 가능한 한 가깝게 장착된다. 이는 저수조(31)가 "하단"에 위치되도록 수직 매질 관리판이 정렬되거나 회전될 수 있게 보장한다. 수직 매질 관리판은 또한 저수조가 더 이상 "하단"에 있지 않고, 예를 들어 180°만큼 회전되어 정확하게 "상단"에 배치되도록 이론상으로 회전될 수 있는 것으로 이해된다. 그러나, 수직 매질 관리판의 경우, "상단" 및 "하단" 방향은 신선한 연료 전지 매질을 연료 전지 어셈블리에 공급하고 연료 전지 어셈블리로부터 사용된 연료 전지 매질을 배출하기 위한 포트의 위치에 의해 적절하게 지시된다. 이들 포트 또는 연결부는 수직 매질 관리판을 사용하여 저수조(31)가 애노드 배기 가스가 자유롭게 유입 및 유출될 수 있고 집수된 물이 방해받지 않게 배출될 수 있는 것을 보장하는 위치에 배치되도록 배열되어야 한다.
바람직하게는, 물 저수조(31)에는 또한 미리 정해진 충진 수위에 도달하자마자 물 배출구(33)를 개방하는 레벨 스위치가 장착되어있다. 애노드 배기 가스 유입구(38) 및 애노드 배기 가스 배출구(32)가 침수되지 않으면 서, 물 저수조가 수평 및 수직 매질 관리판 모두로 잘 채워질 수 있도록 보장하기 위해, 이 레벨 스위치는 원위 영역에서보다 근위 영역에, 뿐만 아니라 물 저수조(31)의 외부 영역보다 내부 영역에, 하지만 애노드 배기 가스 유입구(38) 및 애노드 배기 가스 배출구(32)보다 더 원위에 그리고 더 외부에 장착된다.
애노드 배기 가스가 방해받지 않는 식으로 유입 및 유출될 수 있고, 필요에 따라 수평 및 수직 매질 관리판 모두로 축적된 물이 배출될 수 있는 것이 보장되는 한, 물 저수조(31)의 형상은 기본적으로 임의적이다. 일부 예시적인 형상이 도 5a 내지 도 5g에 도시되어있다. 삼각형은 각각 레벨 스위치의 가능한 위치를 나타낸다.
도 5a는 도 4에 도시된 저수조를 도시한 것이다. 애노드 배기 가스 유입구(38)는 BCE 영역에 위치하고, 애노드 배기 가스 배출구(32)는 ABEF 영역에 위치하며, 레벨 스위치(37)는 ABEF 영역에 장착되고, 물 배출구(33)는 ADF 영역에 위치한다.
도 5e는 대시-점선을 따라 도 5a에 도시된 물 저수조를 통한 횡단면을 도시한 것이다.
도 5b는 도 5a와 유사한 저수조를 도시하나, 수직 매질 관리판의 경우에서 볼 때 CDFE 영역이 하향 경사져있다. 물 배출구(33)가 저수조의 가장 낮은 지점에 위치하므로, 상기 저수조는 어떤 방향에서 완전히 비워질 수 있다.
도 5f는 대시-점선을 따른 도 5b의 저수조를 관통한 횡단면도를 도시한 것이다.
도 5c에 도시된 저수조(31)는 애노드 배기 가스 유입구(38)가 BEF 영역에 위치되고, 애노드 배기 가스 배출구(32) 및 레벨 스위치(37)가 ABFG 영역에 위치되며, 물 배출구(33)가 AGH 영역에 위치한 다면체이다.
도 5d 및 도 5g에 도시된 저수조(31)의 실시예는 뾰족한 콘 형상을 갖는다. 물 배출구(33)는 콘의 상단에 위치되고, 상기 콘은 물 배출구가 수직 기립 매질 관리판에서 저수조의 가장 깊은 지점에 있도록 왜곡된다.
도 6a 내지 6d는 센서를 수용하기 위한 공동들이 매질 관리판의 수평 방향도 수직 방향도 아니라 저온에서 동결되고 따라서 센서를 손상시킬 수 있는 대량의 물이 그 안에 축적될 수 없도록 어떻게 배열되어야 하는지를 도시한 것이다. 측정 분기 라인(26)의 공동(26')에서 압력 측정 셀(28)이 예로서 도시되어있다. 도 6b 및 도 6d는 수평 방향으로 배향된 기저판 바디(2)(도 6b) 및 수직으로 배향된 기저판 바디(2)(도 6d)에서의 측정 분기 라인(26)의 배열을 도시한 것이다. 물 저수조(31)가 또한 도시되어있다. 측정 분기 라인(26)은 기저판 바디(2)가 수직일 때 물 저수조(31) 위에 위치된다. "위"는 연료 전지 어셈블리(5)에 대한 연결 수단이 그러한 배향을 요구하거나 적어도 허용한다는 것을 의미한다.
센서(28)를 수용하기 위한 공동(26')(센서 공동(26'))은 라인(26)과 유체 연 통하게 배치되지만, 라인(26)으로부터 오프셋된다. 즉, 이는 매질 관리판(1)의 제 1 주요면(3)으로부터 라인(26)보다 더 이격되어있다. 또한, 매질 관리판이 수직으로 배열될 때 라인(26) 위에 위치된다. 따라서, 수직 매질 관리판의 경우, 공동(26')으로부터 물이 라인(26)으로 흘러 들어가고(도 6c, 도 6d), 수평 매질 관리판으로는 얼은 물이 센서(28)를 손상시킬 수 있는 센서 공동(26')에 너무 많은 물은 축적할 수 없는 것이 보장된다(도 6a, 6b).
이러한 센서 공동은 특히 애노드 작동 가스 및 애노드 배기 가스용 라인에서 각각 필요하다. 캐소드 작동 가스 및 캐소드 배기 가스용 라인은 바람직하게는 매질 관리판을 통과하는 것으로 설계되어 있어, 센서들이 일반적으로 연결 요소에 수용된다.
도 7은 본 발명에 따른 매질 관리판이 어떻게 연료 전지 시스템(10)을 형성하기 위해 연료 전지 어셈블리에 연결될 수 있는지를 개략적으로 도시한 것이다. 포트(63)는 기저판 바디(2)의 제 1 주요면 상에 애노드 작동 가스 배출구를 연료 전지 어셈블리(5)의 애노드 배기 가스 유입구에 연결한다. 포트(64)는 기저판 바디(2)의 애노드 배기 가스 유입구를 연료 전지 어셈블리(5)의 애노드 배기 가스 배출구에 연결한다. 포트(73)는 기저판 바디(2)의 캐소드 작동 가스 배출구를 연료 전지 어셈블리(5)의 캐소드 작동 가스 유입구에 연결한다. 포트(74)는 연료 전지 어셈블리(5)의 캐소드 배기 가스 배출구를 연료 전지 어셈블리(5)의 캐소드 배기 가스 유입구에 연결한다. 포트(83)는 기저판 바디(2)의 냉매 배출구를 연료 전지 어셈블리(5)의 냉매 유입구에 연결한다. 포트(84)는 연료 전지 어셈블리(5)의 사용된 냉매 배출구를 기저판 바디(2)의 사용된 냉매 유입구에 연결한다.
기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)에서, 포트(91)는 애노드 작동 가스 유입구(12)에, 포트(92)는 애노드 배기 가스 배출구(20)에, 포트(95)는 캐소드 작동 가스 유입구(51)에, 포트(96)는 캐소드 배기 가스 배출구(57)에, 포트(97)는 냉매 유입구(41)에, 그리고 포트(98)는 사용된 냉매 배출구(67)에 위치된다.
결빙 위험 요소들을 가열하기 위한 냉매 라인(44, 45)이 냉매 라인(40)과 사용된 냉매 라인(65) 사이에 개략적으로 표시되어있다. 도 7에 도시된 실시예는 재순환 펌프용 연결부를 갖지 않는다. 오히려, 도시된 실시예에서, 애노드 배기 가스를 재순환시키기 위해 벤튜리 노즐이 제공된다.

Claims (23)

  1. 연료 전지 어셈블리(5)에 부착하기 위한 제 1 주요면(3) 및 대향하는 제 2 주요면(4)을 갖는 기저판 바디(2);
    연료 전지 매질 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 냉매를 연료 전지 어셈블리(5)에 공급하고, 상기 연료 전지 어셈블리(5)로부터 사용된 연료 전지 매질을 배출하기 위해, 연료 전지 어셈블리(5)에 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 사용된 냉매를 공급하도록 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)으로부터 제 1 주요면(3)으로 뻗어 있는 애노드 작동 가스 라인(11), 캐소드 작동 가스 라인(50) 및 냉매 라인(40); 및 연료 전지 어셈블리(5)로부터 애노드 배기 가스, 캐소드 배기 가스 및 사용된 냉매를 배출하도록 기저판 바디(2)의 제 1 주요면(3)으로부터 제 2 주요면(4)으로 뻗어 있는 애노드 배기 가스 라인(16, 16', 19), 캐소드 배기 가스 라인(55) 및 사용된 냉매 라인(65)을 포함하는 매질 라인 시스템;
    애노드 배기 가스로부터 액체수를 분리하기 위한 저수조(31)를 갖는 수분 분리기(30);
    상기 저수조(31)로부터 물을 배출하기 위한 수로(34); 및
    매질 라인 시스템 또는 물 저수조(31) 또는 수로(34)와 연통하는 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4) 상의 밸브, 측정 장치 및 조절 제어 장치용 시트를 포함하고,
    상기 저수조(31)는 애노드 배기 가스 및 물에 대한 유입 개구(38) 및 배출 개구(32, 33)를 가지며,
    애노드 작동 가스 라인(11), 애노드 배기 가스 라인(16, 16'), 물 저수조(31) 및 선택적으로 수로(34)는 서로 유체 연통하고,
    냉매 라인(40)은 매질 라인 시스템 및/또는 수로(34) 및/또는 밸브용 시트 및/또는 측정 장치 및/또는 조절 제어 장치용 시트와 적어도 부분적으로 열전도적으로 접촉하는 적어도 하나의 냉매 분기 라인(45)을 가지며,
    상기 적어도 하나의 냉매 분기 라인(45)은 적어도 애노드 배기 가스 라인(16, 16') 및 수분 분리기(30)가 달린 물 저수조(31)와 열전도적으로 접촉하여 뻗어 있는 연료 전지 어셈블리(5)용 매질 관리판(1).
  2. 연료 전지 어셈블리(5)에 부착하기 위한 제 1 주요면(3) 및 대향하는 제 2 주요면(4)을 갖는 기저판 바디(2);
    연료 전지 매질 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 냉매를 연료 전지 어셈블리(5)에 공급하고, 상기 연료 전지 어셈블리(5)로부터 사용된 연료 전지 매질을 배출하기 위해, 연료 전지 어셈블리(5)에 애노드 작동 가스, 캐소드 작동 가스 및 사용된 냉매를 공급하도록 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)으로부터 제 1 주요면(3)으로 뻗어 있는 애노드 작동 가스 라인(11), 캐소드 작동 가스 라인(50) 및 냉매 라인(40); 및 연료 전지 어셈블리(5)로부터 애노드 배기 가스, 캐소드 배기 가스 및 사용된 냉매를 배출하도록 기저판 바디(2)의 제 1 주요면(3)으로부터 제 2 주요면(4)으로 뻗어 있는 애노드 배기 가스 라인(16, 16', 19), 캐소드 배기 가스 라인(55) 및 사용된 냉매 라인(65)을 포함하는 매질 라인 시스템;
    애노드 배기 가스로부터 액체수를 분리하기 위한 저수조(31)를 갖는 수분 분리기(30);
    상기 저수조(31)로부터 물을 배출하기 위한 수로(34); 및
    매질 라인 시스템 또는 물 저수조(31) 또는 수로(34)와 연통하는 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4) 상의 밸브, 측정 장치 및 조절 제어 장치용 시트를 포함하고,
    상기 저수조(31)는 애노드 배기 가스 및 물에 대한 유입 개구(38) 및 배출 개구(32, 33)를 가지며,
    애노드 작동 가스 라인(11), 애노드 배기 가스 라인(16, 16'), 저수조(31) 및 선택적으로 수로(34)는 서로 유체 연통하고,
    물 저수조(31)의 형상 및 유입 개구(38) 및 배출 개구(32, 33)의 배치는 중력이 위에서 아래로 작용함에 따라, 애노드 배기 가스용 유입 개구(38) 및 배출 개구(32)가 저수조(31)의 최상부 영역에 위치하고 물의 배출 개구(33)는 저수조(31)의 최하부 영역에 위치하도록 매질 관리판(1)이 중력 작용 방향에 수직이며 중력 작용 방향에 평행하게 모두 배향되도록 선택될 수 있으며,
    물 저수조(31)는 근위 및 원위 영역뿐만 아니라 내부 및 외부 영역을 가지며, 상기 근위 영역은 원위 영역보다 제 1 주요면(3)에 더 가깝고, 상기 외부 영역은 내부 영역보다 매질 관리판(1)의 가장자리에 더 가까운 연료 전지 어셈블리(5)용 매질 관리판(1).
  3. 제 2 항에 있어서,
    냉매 라인(40)은 매질 라인 시스템 및/또는 수로(34) 및/또는 밸브용 시트 및/또는 측정 장치 및/또는 조절 제어 장치와 적어도 부분적으로 열전도적으로 접촉하는 적어도 하나의 냉매 분기 라인(45)을 포함하는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    매질 라인 시스템에 유동하는 매질의 양 및/또는 압력 및/또는 온도 및/또는 물 저수조(31) 내의 물의 양을 측정 및/또는 조절/제어하기 위해 기저판 바디의 제 2 주요면(4)에 장착된 밸브, 측정 장치 및 조절 제어 장치를 더 포함하는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    애노드 작동 가스 라인(11)을 애노드 작동 가스 공급원에 및/또는 캐소드 작동 가스 라인(50)을 캐소드 작동 가스 공급원에 및/또는 냉매 라인(40)을 냉매 공급원에 연결하기 위해 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)에 연결 수단(91, 95, 97)을 더 포함하는 것을 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    애노드 작동 가스 라인(11)을 연료 전지 어셈블리(5)의 애노드 작동 가스 유입구(61)에, 캐소드 작동 가스 라인(50)을 연료 전지 어셈블리(5)의 캐소드 작동 가스 유입구(71)에 및/또는 냉매 라인(40)을 연료 전지 어셈블리(5)의 냉매 유입구(81)에 연결하기 위해 기저판 바디(2)의 제 1 주요면(3)에 연결 수단(63, 73, 83)을 더 포함하는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    애노드 배기 가스 라인(16)을 연료 전지 어셈블리(5)의 애노드 배기 가스 배출구(62)에 및/또는 애노드 배기 가스 라인(16)을 연료 전지 어셈블리(5)의 캐소드 배기 가스 배출구(72)에 및/또는 사용된 냉매 라인(65)을 연료 전지 어셈블리(5)의 사용된 냉매 배출구(82)에 연결하기 위해 기저판 바디(2)의 제 1 주요면(3)에 연결 수단(64, 74, 84)을 더 포함하는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    애노드 배기 가스 라인(16, 16', 19)을 애노드 배기 가스 처리 장치에 및/또는 캐소드 배기 가스 라인(55)을 캐소드 배기 가스 처리 장치에 및/또는 사용된 냉매 라인(65)을 사용된 냉매 처리 장치에 연결하기 위해 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)에 연결 수단(92, 96, 98)을 더 포함하는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    애노드 배기 가스 라인(16, 16')은 애노드 작동 가스 라인(11)에 개방되고 재순환 펌프(49)에 대한 연결 지점(23, 24)을 갖는 애노드 배기 가스 재순환 라인(22)을 갖는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    애노드 작동 가스 라인(11)에 제트 노즐(29)을 더 포함하고, 애노드 배기 가스 라인(16')이 제트 노즐(29) 내로 개방된 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 애노드 작동 가스 라인(11), 애노드 배기 가스 라인(16, 16') 및 수분 분리기(30)를 갖는 물 저수조(31)가 기저판 바디(2)의 제 2 주요면(4)에 장착되는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    매질 라인 시스템 및/또는 수분 분리기(30)를 갖는 물 저수조(31)의 하나 이상의 라인들이 기저판 바디(2)의 체적에 집적되는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  13. 제 10 항에 있어서,
    애노드 작동 가스 라인(11), 애노드 배기 가스 라인(16') 및 제트 노즐(29)이 기저판 바디(2)의 체적에 집적되는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉매 분기 라인(45)은 또한 밸브, 측정 장치 및 제어 조절 장치용 시트 및/또는 측정 장치 뿐만 아니라 제어 조절 장치용 공동과 열전도적으로 접촉한 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  16. 삭제
  17. 제 2 항에 있어서,
    애노드 배기 가스 유입구(38) 및 애노드 배기 가스 배출구(32)와 함께 수분 분리기(30)는 물 저수조(31)의 근위 내부 영역에 위치되는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  18. 제 2 항에 있어서,
    물 배출 개구(33)는 물 저수조의 원위 외부 영역에 위치되는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  19. 제 2 항에 있어서,
    레벨 스위치(37)를 더 포함하고, 상기 레벨 스위치(37)는 원위 영역보다 근위에 위치하고, 물 저수조(31)의 외부 영역보다 내부에 더 위치하나, 애노드 배기 가스 유입구(38) 및 애노드 배기 가스 배출구(32)보다 더 외부에 있는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  20. 제 2 항, 제 17 항, 제18 항 및 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서를 수용하기 위한 적어도 하나의 공동(26')을 포함하고, 상기 센서 공동(26')은 상기 매질 라인 시스템의 라인(26)과 유체 연통하며, 매질 관리판(2)이 중력 작용 방향에 평행하게 배치될 때 상기 라인(26)보다 매질 관리판(2)의 제 1 주요면(3)으로부터 더 이격되고, 물 저수조(31)가 매질 관리판 상부 가장자리보다 매질 관리판(2)의 하부 가장자리에 더 가까이 있을 때 라인(26) 위에 위치되도록 상기 라인(26)으로부터 오프셋 방식으로 배치되는 연료 전지 어셈블리용 매질 관리판(1).
  21. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 어셈블리(5)용 매질 관리판(1)을 포함한 연료 전지 시스템(10)으로서,
    상기 연료 전지 어셈블리(5) 및 매질 관리판(1)은 서로 부착되고, 상기 매질 관리판(1)과 연료 전지 어셈블리(5) 사이에 신선한 애노드 작동 가스, 신선한 캐소드 작동 가스 및 신선한 냉매를 연료 전지 어셈블리체(5) 내에 주입하기 위한 연결부(63, 73, 83) 및 연료 전지 어셈블리체(5)로부터 애노드 배기 가스, 캐소드 배기 가스 및 사용된 냉매를 배출하기 위한 연결부(64, 74, 84)가 있는 연료 전지 시스템(10).
  22. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 어셈블리(5)용 매질 관리판(1)을 포함하는 연료 전지 시스템(10)의 작동 방법으로서,
    매질 관리판(1)의 애노드 작동 가스 라인(11)을 통해 애노드 작동 가스를 연료 전지 어셈블리체(5) 내에 주입하는 단계;
    매질 관리판(1)의 애노드 배기 가스 라인(16, 16')을 통해 연료 전지 어셈블리(5)로부터 애노드 배기 가스를 배출하는 단계;
    애노드 배기 가스 재순환 라인(22)을 통해 상기 애노드 배기 가스를 상기 매질 관리판(1)의 애노드 작동 가스 라인(11)으로 재순환시키는 단계;
    캐소드 작동 가스 라인(50)을 통해 캐소드 작동 가스를 연료 전지 어셈블리(5) 내로 주입하고, 매질 관리판(1)의 캐소드 배기 가스 라인(55)을 통해 연료 전지 어셈블리(5)로부터 캐소드 배기 가스를 배출하는 단계;
    매질 관리판(1)의 냉매 라인(40)을 통해 연료 전지 어셈블리(5)에 냉매를 주입하고, 매질 관리판(1)의 사용된 냉매 라인(65)을 통해 연료 전지 어셈블리(5)로부터 사용된 냉매를 배출하는 단계;
    매질 관리판(1)의 애노드 배기 가스 라인(16, 16')에 물 저수조(31)를 갖는 수분 분리기(30)에 의해 애노드 배기 가스로부터 액체수를 분리하는 단계;
    매질 관리판(1)에 유동하는 작동 가스 및 배기 가스의 온도, 양 및/또는 압력, 및/또는 매질 관리판(1)에 집적된 측정 장치 및 조절 제어 장치에 의해 물 저수조(31) 내의 물의 양을 측정 및/또는 조절/제어하는 단계;
    매질 관리판(1)의 물 저수조(31)에서 애노드 배기 가스 및/또는 물을 주기적으로 배출하는 단계; 및 선택적으로
    적어도 애노드 가스 라인(16, 16') 및 물 저수조(31)를 갖는 수분 분리기(30)와 열전도적으로 접촉해 전개된 냉매 분기 라인(45)에 있는 냉매에 의해 애노드 배기 가스 라인(16, 16') 및 물 저수조(31)를 갖는 수분 분리기(30)를 가열하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템(10)의 작동 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템(10)의 시동 전에, 냉매가 3℃ 내지 8℃의 온도로 가열된 다음 매질 관리판(1)의 냉매 라인(40)으로 공급되는 연료 전지 시스템(10)의 작동 방법.
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