KR20070089166A

KR20070089166A - 이중 펌프 연료 전지 온도 관리 시스템

Info

Publication number: KR20070089166A
Application number: KR1020077013532A
Authority: KR
Inventors: 지. 마이클 그론; 파써사라씨 세샤드리; 매튜 피. 윌슨
Original assignee: 유티씨 파워 코포레이션
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-08-30
Also published as: EP1834373A2; DE602005018827D1; ATE454722T1; JP2008524805A; US7128992B2; CN100539274C; US20060134481A1; CN101084596A; WO2006065527A2; WO2006065527A3; EP1834373B1; EP1834373A4

Abstract

연료 전지 스택(15)의 냉각기 또는 물 운반 판의 유출부는 가스/액체 분리기(12)의 입구로 공급되고, 그 액체 출구는 1차 펌프(11a)를 통해 액체 축적기(21)에 연결된다. 액체 축적기의 액체 출구(20)에 연결된 2차 펌프(44)는 이덕터(32)의 1차 입구(31)로 공급되고, 2차 입구는 가스/액체 분리기의 가스 출구에 연결되어 있다. 이덕터의 출구(37)는 도관(38)을 통해 액체 축적기의 액체 수준 이하의 지점으로 공급된다. 따라서, 2차 펌프(44)의 고장 발생은 냉매가 연료 전지 스택을 통해 계속 유동하도록 이덕터를 통해 1차 펌프(11a)에 캐비테이션을 발생시키지 않는다. 탈염기(26)는 압력 감소 오리피스(25)를 통해 2차 펌프 출구로부터 공급된다.

냉매 판, 물 운반 판, 가스/액체 분리기, 이덕터, 액체 축적기, 캐비테이션

Description

이중 펌프 연료 전지 온도 관리 시스템 {Dual Pump Fuel Cell Temperature Management System}

캐비테이션 방지(anti-cavitation)특성을 가지고, 하나는 주요 유동을 위한 것이고 다른 하나는 공기 분리기 이덕터를 위한, 2개의 냉매 펌프를 구비한 온도 관리 시스템에 관한 것이다.

연료 전지 전력 플랜트에 있어서, 통과하는 물 및 반응 가스 모두의 확산을 허용하는 다공성 물 운반 판, 또는 냉매 판, 또는 그 모두에 의해, 연료 전지를 냉각시킬 필요가 있다. 양자 교환 멤브레인(proton exchange membrane : PEM) 연료 전지를 채용하는 연료 전지 전력 플랜트에 있어서, 소형성 및 최소한의 기생 전력은 물 운반 판의 사용을 제안한다.

펌프 캐비테이션을 피하기 위해, 냉매를 펌프로 복귀시키기 전에 메인 냉매 공급부로부터 공기 및 기포수를 분리하도록 분리기를 사용하는 것도 공지되어 있다. 한 형태가 도1에 도시되어 있다. 도1에서, 1차 냉매 펌프(11)는 연료 전지 스택 조립체(15)의 냉매 출구(14)에 연결된 도관(13)으로부터 분리기(12)를 통해 물을 끌어당긴다. 냉매 입구(18)는 도관(19)에 의해 액체 축적기(21)의 냉매 출구(20)와 연결되고, 상기 액체 축적기는 통상적인 통기구(29)를 가진다.

냉매 펌프(11)의 유출은 도관(23)에 의해 축적기(21)로 제공된다. 펌프 유출은 또한 압력 감소 오리피스(25)를 통하는 도관(24)을 거쳐서 탈염기(26)로 제공되어서, 순환수의 일부는 지속적으로 탈염(이온이 제거됨)된다. 펌프(11)의 냉매수 유출은 도관(30)을 거쳐 이덕터(방출기)(32)의 1차 입구(31)로 제공된다. 이덕터의 2차 입구(33)는 분리기(12)와 연결되고, 분리기(12)로부터 기포수 및 공기를 흡인 분리시키는 역할을 한다. 이덕터의 출구(37)는 도관(38)에 의해 축적기(21)에 연결된다.

이러한 종래 기술 시스템의 문제점은 펌프(11)의 물 유동 조건을 이덕터(32)의 입구 압력 조건과 부합시키는 어려움으로부터 발생한다. 분리기(12)를 세척하는 요구 기능을 제공하기 위해 이덕터 입구 압력이 적절히 선택되어야 하는 것은 필수적이다. 또한, 펌프(11)가 적절한 물 유동을 원하는 압력으로 연료 전지 스택(15)의 물 출구(14)에 제공하는 것도 필수적이다.

본 발명의 태양은 적절한 물 유동 및 물/공기 분리기의 적절한 세척을 제공하는 연료 전지 전력 플랜트용 온도 관리 시스템의 제공과, 연료 전지 스택 조립체의 초기 충전의 향상 및 촉진과, 연료 전지 스택 냉매 펌프의 개선된 프라이밍(priming)과, 연료 전지 스택 냉각 시스템에서 이덕터 운전의 최적화와, 연료 전지 스택에서 개선된 냉매 탈염 운전과, 연료 전지 전력 플랜트의 물 온도 관리 시스템의 향상된 성능을 포함한다.

본 발명에 따르면, 연료 전지 전력 플랜트는 2개의 펌프를 포함하는데, 하나는 연료 전지 전력 플랜트의 냉매 출구로부터 축적기로 냉매가 정확히 유동하도록 하기 위해서 오직 선택되었고, 하나는 공기/물 분리기로부터 공기 및 기포수를 세척하는 이덕터의 1차 입구에서의 적절한 압력을 위해 오직 선택되었다. 본 발명에 따르면, 이덕터의 1차 출구는 축적기에서의 액체 수준 이하로 도관 연결됨으로써, 이덕터 펌프의 고장이 발생할 경우에 이덕터의 출구로부터 이덕터의 2차 입구로 끌어당겨지는 공기의 발생을 회피할 수 있고, 그에 따라 냉매는 1차 냉매 펌프의 캐비테이션 없이 연속적으로 순환할 수 있다.

본 발명의 다른 목적들, 특징들, 및 장점들은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 그 예시적 실시예의 후속하는 상세한 설명에 비추어 명백해질 것이다.

도1은 종래 기술로 공지된 연료 전지 전력 플랜트 온도 관리 시스템의 단순화되고 양식화된 개략적 도면이다.

도2는 본 발명을 채용한 연료 전지 전력 플랜트 온도 관리 시스템의 단순화되고 양식화된 개략적 도면이다.

도2에서, 본 발명에 따르면, 2차 펌프(44)는 도관(45, 19)을 거쳐 축적기(21)로부터 물을 수용한다. 냉매 유동은 도관(30a)을 거쳐 이덕터(32)의 1차 도관(31)으로 공급된다. 이러한 본 발명의 태양에 따르면, 메인 펌프(11a)는 원하는 냉매 유동을 제공하기 위해 오직 선택될 수 있는 한편, 2차 펌프(44)는 이덕터(32)의 입구(31)에 원하는 압력으로 냉매를 제공하기 위해 오직 선택될 수 있다. 1차 펌프(11)는 높은 유동율로 저압 냉매를 제공하며, 이는 연료 전지 스택(15)을 통해 충분한 유동의 탈염수를 끌어당기기에 특히 유리하다.

도2의 실시예에서, 탈염기(26)는 오리피스(25)를 통해 2차 펌프(44)로부터 냉매를 공급받는다. 2차 펌프(44)는 고압이지만 낮은 유동율로 냉매를 제공하는데, 이것은 탈염기(26)를 통해 오염된 냉매 처리를 향상시킨다. 그러나, 원한다면, 탈염기(26)는 도관(30a)에서 떨어져서 운전되는 대신에 도관(23)에서 떨어져서 운전될 수 있다.

2차 펌프(44)(도2 참조)는 대체로 경량용 펌프이다. 펌프(44)에 고장이 발생할 경우, 이덕터(32)는 티이 배관(tee fitting)과 같이 작용해서, 축적기(21)에서의 액체 수준 이상으로부터 이덕터 출구(37)를 통해 공기를 끌어당긴다. 종래 기술에서는 도1에 도시된 바와 같이, 도관(38)은 축적기(21)에서의 액체 수준 이상에서 종단한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 이덕터의 출구(37)로부터의 도관(38)은 항상 액체 수준 아래에 있도록 축적기(21) 훨씬 안쪽에서 종단한다. 따라서, 2차 펌프(44)에 고장이 발생하면, 메인 펌프(11a)에 응답하는 분리기(12)를 통한 유동은 도관(38)을 통해 축적기(21)로부터 이덕터를 통해 역행하여 액체를 끌어당기고, 이덕터의 2차 입구(33)로부터 분리기(12)로 물을 끌어당길 것이다. 이러한 구성에 있어서, 공기는 분리기로 들어가지 않고, 그에 따라 메인 펌프(11a)는 2차 펌프(44)의 고장의 결과로 캐비테이션이 발생하지 않는다.

따라서, 2차 펌프(44)에 고장이 발생하였을 때 이덕터의 운전 불능으로 인해 공기 및 기포의 불완전한 분리가 있다 하더라도, 1차 펌프는 캐비테이션이 발생하 지 않고 연장된 기간 동안 냉매를 연료 전지 스택(15)으로 지속적으로 유동시킬 수 있을 것이다. 이러한 것은 2차 펌프(44)에서 발생된 고장이 메인 펌프(11a)의 캐비테이션을 야기하기 전에 여정을 종료하고 목적지로 복귀할 수 있는 차량에 있어서 특히 중요하다.

본 발명에 있어서, 2차 펌프(44)는 방출기가 스택으로부터 공기를 거두어 들이도록 할 뿐만 아니라 시동시에 1차 펌프(11a)의 프라이밍을 돕기 때문에, 시동중에 연료 전지 스택 조립체를 냉매로 초기 충전하는 것을 돕는다. 본 발명의 이중 펌프 시스템은 이덕터(32)가 1차 펌프와는 독립적으로 낮은 냉매 유동 및 고압에서 운전하도록 허용하므로, 이덕터의 운전을 최적화한다. 본 발명은 고압 및 낮은 유동율의 냉매가 탈염기(26)에 들어가도록 하므로, 냉매의 오염 제거를 개선한다.

Claims

스택되어 있는 연료 전지들의 적어도 일부 연료 전지들 사이에 개재되어 있는 냉매 판과 연료 전지의 일부 또는 전부에 있는 물 운반 판으로부터 선택된 냉각 장치(14)를 포함하고, 상기 냉각 장치(14)로부터 냉매를 통과시키는 냉매 출구(14)를 가지는 연료 전지 스택과,

상기 연료 전지 스택의 냉매 출구에 연결된 입구(13)를 가지는 액체/가스 분리기(12)와,

상기 가스/액체 분리기의 액체 출구에 연결된 입구를 가지는 메인 펌프(11a)와,

상기 메인 펌프의 냉매 유출을 수용하는 액체 축적기(21)를

포함하는 온도 관리 시스템을 가지는 연료 전지 전력 플랜트에 있어서,

상기 액체 축적기의 액체 출구(20)에 연결된 입구(45)를 가지는 2차 펌프(44)와,

1차 입구(31)가 상기 2차 펌프의 출구 도관(30a)에 연결되어 있고, 2차 입구(33)가 상기 가스/액체 분리기의 가스 출구에 연결되어 있으며, 출구(37)가 상기 액체 축적기에 도관(38) 연결되어 있는 이덕터(32)를

포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 이덕터(32)의 출구(37)는 상기 액체 축적기(21) 내의 액체 수준 아래의 지점으로 도관(38) 연결되는 연료 전지 전력 플랜트.