KR20070087679A - 전기화학 연료 전지를 위한 패시브 마이크로냉각제 루프 - Google Patents

전기화학 연료 전지를 위한 패시브 마이크로냉각제 루프 Download PDF

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Abstract

전기화학 연로 전지 시스템을 위한 빙점 및 빙점하의 개시 시간의 향상은 두 개의 기어 펌프 헤드들을 이용하여 패시브 냉각제 마이크로 루프를 가짐으로써 관찰될 수 있다. 냉각 시작 동안, 스택 밸브는 초기에 전체적으로 폐쇄되고, 모듈에 도달하는 모든 시스템 냉각제가 구동 기어 펌프 헤드를 통해 동작하게 한다. 이것은 구동된 기어 펌프 헤드가 모듈 내에서 냉각제를 재순환하게 한다. 실시예에서, 스택 밸브는 냉각제가 따뜻해지기 시작함에 따라 개방되기 시작하는 자동 온도 조절 밸브이다. 이것은 모듈로 작은 블리드의 시스템 냉각제를 허용하고 마이크로루프 재순환의 퍼센트를 감소시킨다. 작동 온도가 도달되면, 자동 온도 조절 밸브는 완전히 개방되고, 구동 기어 펌프 헤드 상에서의 시스템 냉각제 입구 압력은 구동된 기어 펌프 헤드 상의 압력을 방해하고, 따라서 재순환은 정지한다.
냉각제, 전기화학, 기어 펌프, PEM

Description

전기화학 연료 전지를 위한 패시브 마이크로냉각제 루프{Passive microcoolant loop for an electrochemical fuel cell}
본 발명은 전기화학 연료 전지들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시동 동안 연료 전지 시스템의 온도를 제어하는 서브시스템 및 방법들에 관한 것이다.
전기화학 연료 전지들은 전기력 및 반응물들을 생성하기 위해 반응 생성물들, 즉 연료 및 산화제(oxidant) 플루이드 스트림들을 변환한다. 전기화학 연료 전지들은 두 전극들, 즉 음극 및 양극 사이에 배치된 전해질을 이용한다. 전극들은 각각 원하는 전기화학 반응들을 유도하기 위해 전해질 및 전극들 사이의 인터페이스에 배치된 전극촉매(electrocatalyst)를 포함한다. 전극촉매의 위치는 일반적으로 전기화학적으로 활성인 영역을 정의한다.
폴리머 전해질 막(polymer electrolyte membrane; PEM) 연료 전지들은 일반적으로 탄소 섬유 종이 또는 탄소천(carbon cloth)과 같은 플루이드 확산 층들로서 다공성의, 전기적으로 도전성 시트 재료를 포함하는 두 전극층들 사이에 배치된 이온교환 막을 포함한 막 전극 접합체(membrane electrode assembly; MEA)를 이용한 다. 통상적인 MEA에서, 전극 층들은 이온교환막에 대한 구조적 지지를 제공하고, 이것은 일반적으로 얇고 구부리기 쉽다(flexible). 막은 이온 도전성(일반적으로, 양성자 도전성(proton conductive))이고, 또한 반응물 스트림들을 서로 분리시키기 위한 배리어로서 동작한다. 막의 또 다른 기능은 두 전극 층들 사이에 전기 절연체로서 동작한다는 것이다. 전극들은 단락을 방지하기 위해 서로 전기적으로 절연되어야 한다. 전형적인 상업적 PEM은 상업 지정 NAFION®하에 E.I. Du Pont de Nemours and Company에 의해 판매된 술폰화된 퍼플루오르화카본막(solfonated perfluorocarbon membrane)이다.
MEA는 일반적으로 원하는 전기화학 반응물을 유도하기 위해 각각의 막/전극 층 인터페이스에서의 층에 배치된 미세하게 분쇄된 백금 입자들을 포함하는, 전극촉매를 포함한다. 전극은 외부 로드를 통해 전극들 사이의 전극들을 도전시키는 경로를 제공하도록 전기적으로 결합된다.
연료 전지 스택에서, MEA는 일반적으로 반응물 유체 스트림들에 실질적으로 불침투성인 두 개의 분리기 플레이트들(separator plates) 사이에 삽입된다. 플레이트들은 전류 수집기들로서 동작하고 전극들에 대한 지지를 제공한다. 전기화학적으로 활성 영역에 대한 반응물 유체 스트림들의 분배를 제공하기 위해, MEA에 면하는 플레이트들의 표면들은 그 안에 형성된 개방형(open-faced) 채널들을 가질 것이다. 그러한 채널들은 일반적으로 인접한 전기화학적으로 활성 영역에 대응하는 흐름 필드 영역을 정의한다. 그 안에 형성된 반응물 채널들을 갖는, 그러한 분리기 플레이트들은 보편적으로 흐름 필드 플레이트들로서 알려져 있다. 연료 전지 스택 에서, 다수의 연료 전지들은 일반적으로 직렬로 함께 연결되어 접합체의 전체 출력 전력을 증가시키도록 한다. 그러한 배열에서, 플레이트들은 쌍극성 판들로서 칭할 수 있다.
양극에 공급되는 연료 유체 스트림은 일반적으로 수소를 포함한다. 예를 들면, 연료 유체 스트림은 실질적으로 순수한 수소 또는 수소를 포함한 개질유(reformate) 스트림과 같은 기체일 수 있다. 대안적으로, 메탄올 수용액과 같은 액체 연료 스트림이 사용될 수 있다. 산화체 유체 스트림은, 음극에 공급되고, 통상 실질적으로 순수 산호와 같은 산소 또는 공기와 같은 희석된 산소 스트림을 포함한다. 연료 전지 스택에서, 반응물 스트림들이 일반적으로 각각의 공급되어 각각의 공급에 의해 소모되며 매니폴드들을 소모한다. 매니폴드 부들은 흐름 필드 영역 및 전극들에 매니폴드들을 유동적으로 연결하기 위해 제공된다. 매니폴드들 및 대응부들은 또한 발열성 연료 전지 반응물들에 의해 생성된 열을 흡수하기 위해 스택 내의 내부 통로들을 통해 냉각제 유체를 순환시키기 위해 제공될 수 있다. PEM 연료 전지들에 대한 바람직한 작동 온도 범위는 일반적으로 50℃ 내지 120℃이며, 가장 일반적으로는 75℃ 및 85℃이다.
일반적인 환경들 하에서, 전기화학 연료 전지 스택의 시동은 높은 주변 온도들 하에 있고, 연료 전지 스택은 적절한 시간량에서 개시될 수 있으며, 바람직한 작동 온도에 빨리 이른다. 몇몇 연료 전지 적용들에서, 스택 코어 온도가 물의 동결 온도 이하이고 심지어 -25℃ 이하의 빙점하에 있을 때 전기화학 연료 전지 스택의 동작을 개시하는 것이 필요하거나 바람직할 수 있다. 그러나, 그러한 낮은 온도 들에서, 연료 전지 스택은 제대로 작동하지 않으며, 연료 전지 스택의 빠른 시동은 더욱 어렵다. 따라서 효율적인 동작에 대한 물의 동결 온도 이하의 온도에서 시작하는 냉각으로부터 전기화학 연료 전지 스택을 취하도록 상당한 양의 시간 및/또는 에너지를 취할 것이다.
미국 특허출원 제6,358,638호에서, PEM 연료 전지의 냉각 시동을 가속하기 위해 냉각 MEA를 가열하는 방법이 개시된다. '638 특허에서, 연료는 산화제 스트림으로 도입되거나 또는 산화제는 연료 스트림으로 도입된다. 전극들 상의 백금 촉매의 존재는 동결 이하에서 적절한 동작 온도로 이온 교환막을 국소적으로 가열하는 수소 및 산소 사이의 발열성 화학 반응물을 촉진한다. 그러나, 이러한 절차는 조심스럽게 제어되지 않는다면 MEA를 손상시킬 수 있으며, 낮고 빙점하의 온도들에서 연료 전지 스택을 시작하는 보다 효율적인 방법들에 대한 이 기술분야의 요구가 여전히 존재한다.
미국 특허출원 제10/774,748호에서, 전기화학 연료 전지 스택에 유동적으로 연결된 시동 펌프를 갖는 시동 냉각제 루프와 표준 냉각제 루프를 포함하는 냉각 서브시스템이 개시된다. 시동 동안에, 스택 밸브는 전기화학 연료 전지 스택이 표준 냉각제 루프로부터 유동적으로 분리되도록 폐쇄된다. 시동 루프에서 냉각제는 마연료 전지 스택을 통해 순환하고, 스택의 온도가 원하는 온도에 빨리 이르도록 도와준다. 그러나, 별개의 시동 루프는 시동 펌프, 분리 밸브들 및 제어 회로와 같은 부가적인 고가의 구성요소들을 필요로 할 것이다.
본 발명은 상술된 바와 같이 낮고 빙점하의 온도로 연료 전지 스택을 효율적 으로 개시하기 위한 보다 효율적인 방법에 대한 요구를 이행한다. 본 발명은 또한 별개의 마이크로루프에 대한 작은 크기, 감소된 비용, 및 감소된 복잡도를 갖는 서브시스템을 허용하고 또한 연관된 이점들을 제공한다.
동결 또는 빙점하의 온도들로부터 시동 시간에서의 중요한 향상들은 패시브 마이크로 냉각제 루프 냉각 서브시스템을 이용함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 전기화학 연료 전지 시스템에서, 냉각 서브시스템은 전기화학 연료 전지 스택에 유동적으로 연결된 공통 샤프트(shaft)상에 장착된 기어 펌프 헤드들의 구동 및 구동된 세트를 포함하는 시동 냉각제 펌프; 표준 펌프 및 스택 밸브를 포함한 표준 냉각제 루프, 및 표준 냉각제 루프에서의 냉각제가 시동 냉각제 루프의 구동 기어 펌프 헤드를 통해 흐르도록 표준 냉각제 루프에서의 구동 루프를 포함한다.
시동 동안에, 스택 밸브는 전기화학 연료 전지 스택이 표준 냉각제 루프로부터 유동적으로 분리되도록 폐쇄된다. 표준 냉각제 루프에서의 냉각제는 구동 루프에 의해 시동 냉각제 루프의 구동 기어 펌프 헤드를 통해 순환한다. 구동 기어 펌프 헤드는 구동된 기어 펌프 헤드를 차례로 구동한다. 구동 기어 펌프 헤드에 동력을 공급하는 데 요구되는 추가적인 모터가 없기 때문에, 시동 냉각제 루프는 또한 패시브 냉각제 루프로서 설명될 수 있다. 구동된 기어 펌프 헤드는 연료 전지 스택에서 냉각제를 재순화시키고 스택의 온도가 원하는 온도에 빨리 이르도록 돕는다. 냉각제가 스택을 통해 흐르지 않는다면, 스택 내의 국부화된 가열은 스택에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 시동 루프에서 냉각제 볼륨을 최소화함으로써, 특히 표준 냉각제 루프에서보다 더 작은 냉각제 볼륨을 가짐으로써, 보다 효율적인 가열이 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 시동 냉각제 루프는 또한 패시브 마이크로 냉각제 루프로서 설명될 수 있다.
시동 동안 전기화학 연료 전지 시스템에 대한 냉각제 서브시스템을 동작시키는 방법으로서, (a) 표준 냉각제 루프에서 구동 기어 펌프 헤드를 통해 냉각제를 지향하는 단계로서, 상기 펌프는 시동 냉각제 루프를 구동하는, 상기 냉각제 지향 단계; (b) 상기 시동 루프에서 연료 전지 스택을 통해 상기 냉각제를 지향하는 단계; 및 (c) 상기 전기화학 연료 전지 스택 또는 상기 시동 루프에서의 냉각제의 온도가 제 1 미리 정해진 온도에 이를 때 연료 전지 스택을 통해 상기 냉각제에 지향하는 단계를 포함한다. 표준 냉각제 루프에서 냉각제는 초기 단계 (a) 동안 시동 냉각제 루프에서의 냉각제로부터 유동적으로 분리된다. 연료 전지 스택 또는 시동 루프에서의 냉각제의 온도가 미리 정해진 임계값에 도달할 때, 스택 밸브는 전기화학 연료 전지 스택이 표준 냉각제 루프에 유동적으로 연결되고 따라서 연료 전지 스택의 부가적인 냉각을 허용하도록 개방될 것이다.
실시예에서, 제 1 미리 정해진 온도는 연료 전지 시스템의 원하는 동작 온도, 예로써 60 내지 80℃이다. 또 다른 실시예에서, 미리 정해진 온도는 원하는 동작 온도, 예로써 60℃ 이하, 보다 특히 50℃보다 작다. 통상적으로 그러한 미리 정해진 온도는 30℃ 보다 크거나 또는 40℃보다 크다.
시동 루프는 또한 냉각제의 온도가 원하는 온도에 빨리 이르도록 돕기 위해 히터를 포함한다. 또한 시동 냉각제 루프에서 냉각제 볼륨을 최소화하기 위해, 구동 및 구동된 기어 펌프 헤드들을 포함한 루프가 스택 매니폴드(manifold)에 통합된다. 냉각제 서브시스템에서 다른 구성요소들은 압축기(compressor), 음극 공급 가열 교환기(cathode feed heat exchanger), 또는 라디에이터(radiator)를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템이 모터 차량에 이용된다면, 냉각제 서브시스템은 또한 추진 시스템(propulsion system) 및/또는 자동차 가열 시스템(car heating system)을 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 양상들은 첨부된 도면 및 다음의 상세한 설명을 참조하여 명백할 것이다.
제공된 도면들은 본 발명의 특정 비 최적화된 양상들을 설명하지만, 이러한 방식에서의 제한으로서 해석되어서는 안된다.
도 1은 전기화학 연료 전지 시스템에 대한 종래 기술의 냉각제 서브시스템의 개략도이다.
도 2는 전기화학 연료 전지에 대한 냉각 서브시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 1은 종래의 종래 기술의 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스 템(10)의 개략도이다. 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(10)은 연료 전지 스택(20)에 유동적으로 연결된 펌프(50), 압축기(30), 음극 공급 가열 교환기(40), 및 냉각제 저장소(coolant reservoir)(60)를 포함할 수 있다. 냉각제 저장소(60)로부터의 냉각제는 그 후 이들 구성요소들의 온도 조절을 돕기 위해 연료 전지 스택(20), 압축기(30), 및 음극 공급 가열 교환기(40)를 통해 순환될 수 있다. 특히, 압축기(30)에 관해서, 압축기 모터 및 압축기 인버터(미도시)의 온도 조절은 개별적으로 또는 함께 요구될 수 있다. 온도 센서들(미도시)은 연로 전지 스택(20)의 온도 및/또는 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(10)을 통해 순환하는 냉각제의 온도를 측정할 수 있다. 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(10)은 또한 라디에이터(70) 및 라디에이터 밸브(75)를 포함할 수 이TEk. 일단 연료 전지 스택(20) 또는 냉각제의 온도가 특정 미리 정해진 임계값을 초과하면, 라디에이터 밸브(75)는 라디에이터(70)를 통해 순환하는 냉각제가 연료 전지 시스템의 부가적인 냉각을 달성하도록 지향할 것이다.
다른 구성요소들은 또한 요구된 대로, 특히 자동차 응용들에 이용된 바와 같이 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(10)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 추진 시스템(80)은 가역적으로 추진 밸브(85)에 의해 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(10)에 유동적으로 연결될 수 있다. 유사하게, 자동차 가열 시스템(90)은 가역적으로 자동차 가열 밸브(95)에 의해 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(10)에 유동적으로 연결될 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택(20)의 온도를 조절하는데 사용된 동일한 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스 템(10)은 필요할 때 많은 다른 구성요소들의 온도를 조절하는데 사용될 수 있다.
도 2는 전기화학 연료 전지 시스템 냉각제 서브시스템(100)의 실시예에 대한 개략도이다. 펌프(50)는 압축기(30), 음극 공급 가열 교환기(40)와 같은 연료 전지 시스템의 구성요소들을 통해 그리고 도 1에 도시된 냉각제 서브시스템에서와 같은 라디에이터(70), 추진 시스템(80) 및 자동차 가열 시스템(90)과 같은 다른 구성요소들을 통해 가역적으로 냉각제 저장소(60)로부터 냉각제를 순환시킬 수 있다. 이것은 표준 냉각제 루프(B)로서 도 2에 도시된다. 부가적으로, 펌프(50)는 또한 구동 기어 펌프 헤드(53)를 통해 냉각제를 순환시킨다. 이것은 구동 루프(C)로서 도 2에 도시된다.
전기화학 연료 전지 시스템 냉각 서브시스템(100)은 부가적으로 시동 냉각제 루프(A)를 포함하고, 이것은 가역적으로 스택 밸브(65)에 의해 표준 냉각제 루프(B)와 구동 루프(C)로부터 유동적으로 분리될 수 있다. 스택 밸브(65)는 예를 들면 자동 온도 조절 밸브(thermostatic valve) 또는 비례 밸브(proportional valve)일 수 있다. 특히, 시동 냉각제 루프(A)는 연료 전지 스택(20), 공통 샤프트(54)에 장착되고, 구동 루프(C)의 구동 기어 펌프 헤드(53)에 의해 구동된, 구동된 기어 펌프 헤드(55), 및 선택적 히터(25)를 포함할 수 있다. 기어 펌프 헤드는 예로서, 후면 구동(back-driven)될 수 있는 임의의 양의 전위 펌프일 수 있다. 단지 구동 기어 펌프 헤드의 구동 기어들 중 하나만이 구동된 기어 펌프 헤드의 펌프 기어들 중 하나에 비틀리게 연결될 수 있다. 다른 구동 기어 및 펌프 기어 세트는 자유로울 수 있다(free-wheeling).
연료 전지 시스템의 시동 동안에, 특히 시스템이 동결 또는 빙점하의 온도일 때, 스택 밸브(65)는 냉각제 루프(B)에서의 냉각제가 구동 루프(C)의 구동 기어 펌프 헤드(53)를 구동하도록 폐쇄될 수 있다. 그 후, 구동 기어 펌프 헤드는 공통 샤프트(54)의 기계적 연결을 통해 구동된 기어 펌프 헤드(55)를 동작시킨다. 구동된 기어 펌프 헤드는 그 후 냉각제 루프(A)를 통해 냉각제를 순환시킨다. 냉각제 루프(B)는 냉각제 루프(A)로부터 및 연료 전지 스택(20)으로부터 유동적으로 분리되고, 반면 스택 밸브(65)는 여전히 폐쇄된다. 시동 절차들 동안에, 냉각제 루프(A) 및 냉각제 루프(B) 모두에서의 냉각제는 온도가 증가할 것이지만, 스택 밸브(65)가 여전히 폐쇄된 동안 루프(B)에서의 냉각제는 스택에 의해 가열되지 못한다.
냉각제 루프(A)의 비교적 작은 양은 특히 냉각제 루프(B)와 비교하여 빠르고 효과적인 가열을 허용한다. 이것은 연료 전지 스택(20)을 적정 온도에 이르게 하기 위해 요구되는 시간량을 감소시킬 수 있다. 사실상, 냉각제 루프(A)에서의 감소된 양으로, 몇몇 실시예들에서 예열하는 것은 필요하지 않을 것이고, 연료 전지 스택(20)은 동결 온도에서 그 자신을 시작할 것이다. 일반적으로, 전력이 연료 전지 스택(20)으로부터 당겨질 수 있는 적정 온도는 약 5℃일 것이다. 다른 실시예들에서, 히터(25)는 또한 냉각제 루프(A)에서 냉각제를 가열하는데 사용될 수 있고, 연료 전지 스택(20)이 이러한 온도에 이르도록 돕는다.
매우 차가운 온도에서, 냉각제 루프들(A 및 B)에서의 냉각제의 점착성(viscosity)은 보다 따뜻한 온도에서보다 훨씬 더 높을 수 있다. 이러한 증가된 점착성은 냉각제 유속(flow rates)에 영향을 미칠 것이고, 냉각제 루프(B)는 냉각 제 루프(A)에서 충분한 냉각제 유속을 유지하도록 구동 기어 펌프 헤드(53)에 충분한 전력을 제공하도록 관리되어야 한다. 그렇지 않으면, 국부적인 과온(overtemperature)으로부터 개개의 셀들에 대한 손상을 야기하는 국소화된 가열이 연료 셀 스택(20)에 발생할 수 있다. 그러나, 동결 및 빙점하의 온도에 있을 때, 스택(20)에서의 개개의 연료 셀들은 증가된 점착성을 가질 때조차 그렇게 발생되는 상당한 양의 열을 흡수할 것이고, 냉각제 유속은 정상 동작 상태들에서 요구된 것보다 훨씬 더 적을 수 있다. 요구된 유속은 스택 디자인 및 재료들 및 연료 전지 스택(20)에서의 열 발생량에 강하게 종속적이고, 이 기술분야의 숙련자에 의해 쉽게 결정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일반적인 자동차 연료 전지 시스템을 위한 냉시동(cold-start) 단계 동안 냉각제 루프(A)에서의 냉각제 유속은 5 내지 25 slpm(분당 표준 리터)만큼 낮을 수 있고, 보다 상세하게는 85 kW 총 연료 전지 스택에 대해 15 내지 25 slpm이고, 국소적인 문제점들(hot spots) 없이 여전히 전지 냉각 요구사항들을 충족시킨다.
냉각제 루프(A)에서의 냉각제가 가열됨에 따라, 그것은 팽창하며 냉각제 루프(A)(미도시)의 팽창 저장소는 증가된 냉각제 볼륨을 수용하는데 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 그러한 팽창 저장소는 임의의 초과 볼륨이 단지 하나의 밸브로서 냉각제 루프(B)에 직접 누설될 때 필요하지 않으며, 즉 스택 밸브(65)는 냉각제 루프(B)로부터 냉각제 루프(A)를 분리한다. 임의의 사건에서, 증가된 냉각제 볼륨으로 인하여 냉각제 루프(A)에서의 압력 증가는 최소가 될 것으로 기대될 것이다.
히터(25)는 또한 냉각제 루프(A)에서 냉각제를 가열하고, 연료 전지 스택(20)을 동작 온도에 이르도록 도울 수 있다. 히터는 또한 종래의 냉각제 디자인들 또는 냉각제 루프(B)(미도시)에 사용될 수 있다. 히터(25)가 몇몇 연료 전지 시스템들에 유용한 반면, 몇몇 히터들은 히터 그 자체를 수용하는데 요구되는 냉각제의 증가된 열 질량을 보상하기 위해 필요한 열 유속(heat flux)을 가지지 않을 수 있다.
냉각제 루프(A)에서의 냉각제의 열 질량은 연료 전지 스택 매니폴드(미도시)로의 내각제 루프(A)의 통합에 의해 또한 최소화될 수 있다.
냉각제 루프(A)의 냉각제 또는 연료 전지 스택(20)의 온도가 임계 온도에 이를 경우, 스택 밸브(65)는 냉각제 루프(B)에서 연료 전지 스택(20)으로 냉각제를 들여보내기 시작하기 위해 개방할 것이다. 이러한 스택 밸브(65)의 개방은 구동 기어 펌프 헤드(53)를 구동하는데 이용가능한 냉각제(B)의 양을 감소시키며, 따라서 냉각제 루프(A)에서의 냉각제 재순환의 백분율은 감소된다. 냉각제 루프(B)로부터 스택에 도달하는 냉각제에 대한 냉각제 루프(A)에서 재순환된 냉각제의 비(ratio)는 스택 밸브(65)를 가로지르는 압력 강하(pressure drop)의 함수이다. 스택 밸브(65)가 개방되기 시작하는 임계 온도는 예를 들면 30 및 80℃이거나 그 사이일 수 있다. 실시예에서, 임계 온도는 60 및 80℃, 즉 연료 전지 스택(20)의 정상 동작 온도이거나 그 사이의 값이다. 이러한 실시예에서, 연료 전지 스택(20)은 더 큰 전력 밀도가 보다 이전에 연료 전지 스택(20)으로부터 드로잉(draw)되게 하는 최소의 시간량에서의 원하는 동작 온도에 도달한다.
보다 낮은 온도에서, 연료 전지 스택(20)은 일반적으로 임의의 반대 효과(예를 들면 30℃까지의 온도 기울기) 없이 보다 큰 온도 기울기의 영향을 받을 수 있다. 그러나, 60 내지 80℃에서, 일반적인 연료 전지 스택들(20)은 단지 안전하게 보다 작은 온도 기울기들, 예로서, 10℃ 이하의 영향을 받을 수 있다. 따라서, 냉각제 루프(B)로부터 연료 전지 스택(20)으로 들여보내기 위한 보다 낮은 임계 온도(즉, 60 내지 80℃ 대신에 30 내지 60℃)를 가짐으로써, 열 충격으로부터 연료 전지 스택(20)을 손상시키는 위험을 감소시킬 수 있다. 임계 온도에도 불구하고, 열 충격의 위험을 감소시키기 위해 주의되어야 한다. 이것은 예를 들면 냉각제 루프(B)로부터의 냉각제가 냉각제 루프(A)로 도입되는 비율을 제어함으로써 이루어질 수 있다.
연료 전지 스택(20)의 정상 동작 온도에 이를 때, 스택 밸브(65)는 완전히 개방되고 최소 압력 강하를 제공하여야 한다. 완전히 개방된 밸브를 가지고, 구동 기어 펌프 헤드(53)상의 냉각제 루프(B)에서의 냉각제의 압력은 본질적으로 구동된 기어 펌프 헤드(55)에 가해진 압력과 동일하고 방해한다. EK라서, 구동 및 구동된 기어 펌프 헤드들은 회전을 중단하고 냉각제 루프(A)에서의 재순환을 중지한다. 이러한 구성에서, 단지 기어 펌프 헤드들의 지난 비회전 기어들을 누설할 수 있는 냉각제만이 연료 전지 스택 주변을 단락시킬 수 있다. 이러한 누설을 최소화할 수 있고, 따라서 기생적인 로드들은 또한 구성요소 결함허용(tolerance)을 충분히 엄격하게 함으로써 감소된다.
전술한 바로부터, 비록 본 발명의 특정 실시예들이 예시를 목적으로 설명되 었지만 다양한 변경들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들에 의한 바를 제외하고 제한되지 않는다.
본 명세서에 참조된 및/또는 출원 데이터 시트에 열거된 상기 미국 특허, 미국 특허 출원 공개들, 미국 특허 출원들, 외국 특허들, 외국 특허 출원들 및 비-특허 출원 공개들의 모두는 그 전체가 참조로서 본 명세서 통합된다.

Claims (25)

  1. 전기화학 연료 전지 스택을 갖는 전기화학 연료 전지 시스템에 대한 냉각 서브시스템에 있어서,
    상기 전기화학 연료 전지 스택에 유동적으로 연결된 시동 냉각제 루프로서, 상기 시동 냉각제 루프는 구동 기어 펌프 헤드 및 공통 샤프트 상에 장착된 구동 기어 펌프 헤드를 포함하는, 상기 시동 냉각제 루프;
    표준 펌프 및 스택 밸브를 포함하는 표준 냉각제 루프로서, 상기 스택 밸브가 개방될 때 표준 냉각제 루프가 상기 전기화학 연료 전지 스택에 유동적으로 연결되고 상기 스택 밸브가 폐쇄될 때 상기 표준 냉각제 루프가 유동적으로 분리되는, 상기 표준 냉각제 루프; 및
    상기 표준 냉각제 루프에서 냉각제가 상기 시동 냉각제 루프의 상기 구동 기어 펌프 헤드를 통해 흐르도록 상기 표준 냉각제 루프에서의 구동 루프를 포함하는, 냉각 서브시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시동 냉각제 루프에서 상기 냉각제 볼륨은 상기 표준 냉각제 루프의 상기 냉각제 볼륨보다 적은, 냉각 서브시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시동 냉각제 루프는 상기 스택 밸브가 완전히 개방될 때 상기 표준 냉각제 루프로부터 유동적으로 연결해제되는, 냉각 서브시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 시동 냉각제 루프는 상기 스택 밸브가 완전히 개방될 때 상기 전기화학 연료 전지 스택으로부터 유동적으로 연결해제되는, 냉각 서브시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준 냉각제 루프는 상기 표준 펌프에 유동적으로 연결된 압축기를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 시동 냉각제 루프는 히터를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 스택 밸브는 자동 온도 조절 밸브인, 냉각 서브시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 스택 밸브는 비례 밸브(proportional valve)인, 냉각 서브시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기화학 연료 전지 스택은 스택 매니폴드(manifold)를 포함하고, 상기 시동 냉각제 루프는 상기 스택 매니폴드에 통합되는, 냉각 서브시스템.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준 냉각제 루프는 음극 공급 열 교환기(cathode feed heat exchanger)를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 표준 냉각제 루프는 냉각제 저장소(coolant reservoir)를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준 냉각제 루프는 라디에이터를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 라이에이터 밸브가 개방될 때, 라디에이터가 상기 표준 냉각제 루프에 유동적으로 연결되고 상기 라디에이터가 폐쇄될 때, 상기 라디에이터가 상기 표준 냉각제 루프로부터 유동적으로 분리되도록 상기 라디에이터 밸브를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준 냉각제 루프는 추진 시스템(propulsion system)을 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 비례 밸브가 개방될 때, 상기 비례 시스템이 상기 표준 냉각제 루프에 유동적으로 연결되고, 상기 비례 밸브가 폐쇄될 때 상기 비례 시스템이 상기 표준 냉각제 루프로부터 유동적으로 분리되도록 비례 밸브를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준 냉각제 루프는 자동차 가열 시스템을 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    자동차 가열 밸브가 개방될 때, 상기 자동차 가열 시스템이 상기 표준 냉각제 루프에 유동적으로 연결되고, 상기 자동차 가열 밸브가 폐쇄될 때 상기 자동차 가열 시스템이 상기 표준 냉각제 루프로부터 유동적으로 분리되도록 상기 자동차 가열 밸브를 더 포함하는, 냉각 서브시스템.
  18. 제 2 항의 상기 냉각 서브시스템을 포함하는 전기화학 연료 전지 시스템.
  19. 시동 동안에 전기화학 연료 전지 시스템을 위한 냉각제 서브시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    a) 표준 냉각제 루프에서의 구동 기어 펌프 헤드를 통해 냉각제를 지향하는 단계로서, 상기 펌프는 시동 냉각제 루프를 구동하는, 상기 냉각제 지향 단계;
    b) 상기 시동 루프에서의 연료 전지 스택을 통해 상기 냉각제를 지향하는 단계; 및
    c) 상기 전기화학 연료 전지 스택 또는 상기 시동 루프에서의 상기 냉각제의 온도가 제 1 미리 정해진 온도에 도달할 때 상기 연료 전지 스택을 통해 상기 냉각제를 지향하는 단계를 포함하는, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 구동 기어 펌프 헤드는 상기 연료 전지 스택을 통해 상기 냉각제를 지향하는 구동 기어 펌프 헤드를 구동하는, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    시동 이전에 상기 연료 전지 스택의 상기 온도는 0℃ 이하인, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    시동 이전에 상기 연료 전지 스택의 상기 온도는 -25℃ 이하인, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 미리 정해진 온도는 30과 60℃ 사이인, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 미리 정해진 온도는 50℃보다 작은, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 미리 정해진 온도는 60과 80℃ 사이인, 냉각제 서브시스템 동작 방법.
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