KR20110081191A

KR20110081191A - 연료전지 조립체

Info

Publication number: KR20110081191A
Application number: KR1020117008211A
Authority: KR
Inventors: 피터 데이비드 후드; 뮤랄리드하란 아리카라
Original assignee: 인텔리전트 에너지 리미티드
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-07-13
Also published as: CN102177610B; JP2012505496A; WO2010041013A1; EP2338202B1; EP2338202A1; AR073782A1; CA2738738A1; GB0818320D0; WO2010041013A8; JP5438767B2; TWI469436B; BRPI0920886A2; MX2011003673A; TW201015771A; GB2464274A; US20100086810A1; US20110269043A1; CN102177610A

Abstract

본 발명은, 공기 입구(180)와 공기 출구(190) 사이에 연장된 공기 흐름 통로(160)를 포함하는, 연료전지 스택(110)을 내부에 장착하기 위한 용기(120), 및 상기 스택의 제1 면(111)과 상기 제1 면에 대해 반대쪽에 있는 제2 면(112) 사이에 연장된 복수의 음극 공기 냉각제 통로를 가지고 있는 상기 연료전지 스택(110)을 포함하며, 상기 연료전지 스택은, 상기 스택의 상기 제1 면과 상기 용기의 제1 측벽(121) 사이에 제1 테이퍼진 공기 볼륨(140), 및 상기 스택의 상기 제2 면과 상기 용기의 상기 제1 측벽에 대해 반대쪽에 있는 제2 측벽(122) 사이에 제2 테이퍼진 공기 볼륨(150)을 제공하기 위해, 상기 용기 내에 장착되어 있는, 연료전지 조립체를 제공한다.

Description

연료전지 조립체{FUEL CELL ASSEMBLY}

본 발명은 연료전지 조립체, 특히 개방 음극 연료전지 스택을 장착하기 위한 용기에 관한 것이다.

종래의 전기화학 연료전지(electrochemical fuel cell)는, 일반적으로 가스 스트림의 형태의 연료 및 산화제를 전기 에너지 및 반응 생성물로 변환시킨다. 수소와 산소를 반응시키기 위한 일반적 형태의 전기화학 연료전지는, 중합체 이온(양성자) 이송막을 포함하며, 연료와 공기가 막의 양쪽을 통과한다. 양성자(즉, 수소 이온)는 막을 통해 전도되며, 연료전지의 양극과 음극을 연결하는 회로를 통해 전도되는 전자에 의해 균형된다. 이용 가능한 전압을 증가시키기 위해, 별개의 양극과 음극 유체 흐름 통로가 배치되는 다수의 그러한 막을 포함하는 스택이 형성될 수 있다. 그러한 스택은 통상적으로, 스택의 양쪽에 단부 플레이트에 의해 함께 유지되는 여러 개의 개별적 연료전지 플레이트를 포함하는 블럭 형태이다.

연료와 산화제의 반응은 열 및 전력을 발생시키기 때문에, 연료전지 스택은 일단 작동 온도에 도달하면 냉각을 필요로 한다. 냉각은 공기를 유체 흐름 통로를 통해 강제로 통과시킴으로써 달성될 수 있다. 개방 음극 스택에서, 산화제 흐름 통로 및 냉각제 통로는 동일하며, 즉, 공기를 스택을 통해 강제로 통과시켜, 산화제를 음극에 공급하고 스택을 냉각시킨다.

스택이 파워를 다른 장비에 공급하도록 연료전지 스택을 다른 장비와 통합시키기 위해, 스택은, 공기 및 연료 라인과 전기 출구 연결부를 통합시킨 일체식 조립체로서 구비될 수 있다. 조립체는, 산화제 흐름 통로와 동일하거나 다를 수 있으며, 통상적으로 스택으로 연결되거나 스택으로부터 연결되는 매니폴드에 의해 제공되는 냉각제 통로를 필요로 한다. 균일한 공기 흐름 및 최소 압력 강하가 달성되도록, 공기 흐름이 음극 흐름 통로와 간섭하는 방법에 특히 주의할 필요가 있다. 그러한 매니폴드를 디자인하면, 복잡성 및 작동 유닛의 비용이 증가될 수 있다.

각각의 다른 응용을 위해 다른 연료 조립체를 디자인해야 하는 필요성으로 인해 복잡성은 더해지는데, 그것은 각각의 응용이 필요한 전압 및 전류의 면에서 자체 파워 요구사항 및 공간을 가지려 하는 경향이 있기 때문이다. 각각의 응용을 위해 조립체를 다시 디자인하면, 각각의 응용의 비용이 상당히 증가될 수 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제들 중 하나 이상을 해결하는 것이다.

본 발명에 따라, 공기 입구와 공기 출구 사이에 연장된 공기 흐름 통로를 포함하는, 연료전지 스택을 내부에 장착하기 위한 용기, 및 상기 스택의 제1 면과 상기 제1 면에 대해 반대쪽에 있는 제2 면 사이에 연장된 복수의 음극 공기 냉각제 통로를 가지고 있는 상기 연료전지 스택을 포함하며, 상기 연료전지 스택은, 상기 스택의 상기 제1 면과 상기 용기의 제1 측벽 사이 및 상기 스택의 상기 제2 면과 상기 용기의 상기 제1 측벽에 대해 반대쪽에 있는 제2 측벽 사이에, 테이퍼진 공기 볼륨을 제공하기 위해, 상기 용기 내에 장착되어 있는, 연료전지 조립체가 제공된다.

본 발명에 따른 연료전지 조립체의 이점은, 테이퍼진 공기 볼륨이 용기와 스택의 면들의 상대적 배치에 의해 제공되기 때문에, 특별히 디자인된 매니폴드가 필요하지 않아, 전체 조립체의 복잡성 및 비용을 감소시킨다는 것이다.

상기 용기를 통해 밀봉 공기 흐름 통로를 가능하게 하기 위해, 상기 스택의 대각선으로 대향하는 에지들은 상기 용기의 각각의 상기 제1 측벽 및 반대쪽의 상기 제2 측벽에 대해 밀봉될 수 있다.

상기 용기는, 상기 공기 흐름 통로의 제1 단부에 있는 유입 공기 필터, 및 반대쪽 제2 단부에 있는 공기 배기구를 포함할 수 있다. 이것은 조립체의 전체 높이 및 폭을 감소시키는 것을 보조한다. 스택으로의 공기 흐름의 균일성을 향상시키기 위해, 상기 유입 공기 필터로부터 상기 제1 테이퍼진 공기 볼륨으로 연장되어 있는 테이퍼 감소 섹션이 합체될 수 있다.

또한, 공기 흐름을 향상시키고 조립체를 가로지르는 임의의 압력 강하를 감소시키기 위해, 상기 제2 테이퍼진 공기 볼륨으로부터 상기 공기 배기구로 연장되어 있는 테이퍼 증가 섹션이 구비될 수 있다.

상기 공기 흐름 통로를 통해 공기를 유출하기 위해 상기 공기 배기구에 팬이 구비될 수 있다. 또는, 상기 팬은 공기를 상기 공기 흐름 통로를 통해 취입하기 위해 상기 공기 입구에 구비될 수 있다.

상기 스택으로부터 이용 가능한 파워를 증가시키기 위해, 상기 용기는, 복수개의 조립체들이 서로의 위에 적층될 수 있게 하는 실질적으로 육면체의 외부 형상을 가질 수 있다.

상기 연료전지 스택은 상기 용기 내에서, 상기 용기의 길이방향 축에 대해 5도와 45도 사이의 각도로 장착될 수 있다. 이러한 바람직한 범위의 각도는, 상기 용기를 위해 필요한 추가적 높이를 최소화하면서, 공기 흐름이 상기 스택을 따라 균일하게 분배될 수 있게 한다. 특히 바람직한 각도는 약 8.5도이다.

어떤 실시예에서는, 상기 연료전지 스택은, 서로로부터 측방향으로 이격되어 있는 양쪽 단부 플레이트들 사이에 지그재그식 어레이의 평판 연료전지를 포함할 수 있다. 또는, 상기 스택은 형상이 실질적으로 육면체일 수 있고, 상기 단부 플레이트들은 서로 일렬로 되고, 스택은 단부 플레이트들 사이에서 균일한 단면을 가진다.

또는, 상기 연료전지 스택은 평행사변형 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.

스택의 단면 형상이 직사각형이 아니고, 스택이 형상이 실질적으로 육면체인 실시예를 포함하여 바람직한 실시예에서, 연료전지 스택을 구성하는 평면 연료전지는 용기의 길이방향 축에 대해 평행하게 정렬된다. 셀을 용기의 축에 대해 측방향이 아니라 평행하게 정렬하면, 스택을 가로질러 더욱 균일한 압력 분배를 가능하게 하여, 스택을 통한 공기 흐름이 더욱 균일하게 되는 것을 확실하게 한다.

연료전지 조립체는 옵션으로서, 상기 공기 출구와 상기 공기 입구 사이에서 연장된 공기 재순환 덕트, 및 상기 공기 출구에 인접한 격납 가능 칸막이를 더 포함하며, 상기 칸막이는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동될 수 있고, 상기 개방 위치에서, 상기 제2 테이퍼진 공기 볼륨을 통과하는 공기의 일부는 상기 재순환 덕트를 통해 상기 공기 입구를 향해 다시 되돌려 향한다.

공기 편향기 조립체는 옵션으로서, 상기 공기 입구와 상기 연료전지 스택의 상기 제1 면 사이에 구비되어 있고, 상기 공기 편향기 조립체는 바람직하게, 공기를 상기 연료전지 스택의 입구면의 하나 이상의 부분을 향하게 하도록 배치되어 있는 복수의 베인(vane)을 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 복수의 베인은, 상기 테이퍼진 공기 유입 볼륨 내의 난류를 증가시키기 위해, 상기 공기 입구를 통해 흐르는 공기에 대응하여 회전되도록 구성된 하나 이상의 회전 가능 공기 편향기 조립체로서 배치되어 있어, 상기 연료전지 스택의 특정 부분을 통한 우선적 공기 흐름(preferential air flow)을 감소시킨다.

모듈식 연료전지 조립체는, 규칙적 어레로 배치되어 있는 본 발명에 따른 복수의 연료전지 조립체로부터 구성될 수 있다. 상기 규칙적 어레이는 직사각형 어레이일 수 있다.

이제, 본 발명을 포함된 도면을 참조하여 예로서 설명한다.

도 1a는, 연료전지 스택이 장착되는 용기의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 용기의 평면도이다.
도 2는, 연료전지 스택이 장착되는 용기의 절결 사시도이다.
도 3은 도 2의 용기의 사시도이다.
도 4는, 연료전지 스택을 포함하는 용기의 모듈식 조립체의 사시도이다.
도 5는, 다른 연료전지 스택의 사시도이다.
도 6은, 용기의 양쪽 측벽 사이에 장착되는 도 5의 다른 연료전지 스택의 단면도이다.
도 7은, 또 다른 형태의 연료전지 조립체의 부분 투명 사시도이다.
도 8은, 또 다른 형태의 연료전지 조립체의 단면도이다.
도 9는, 또 다른 형태의 연료전지 조립체의 단부 측면도이다.
도 10은, 폐쇄된/비재순환 구조의 공기 재순환 통로를 가진, 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 11은, 부분 개방/재순환 구조의 공기 재순환 통로를 가진, 도 10의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 12는, 공기 유입 매니폴드 내에 제1 형태의 공기 유입 편향기를 가진, 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 13은, 공기 유입 매니폴드 내에 제2 형태의 공기 유입 편향기를 가진, 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 14는, 공기 유출 매니폴드와 함께 공기 유입 매니폴드 내에 제3 형태의 공기 유입 편향기를 가진, 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 15a는, 공기 유입 매니폴드 내에 제4 형태의 공기 유입 편향기를 가진, 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 15b는, 도 15a의 실시예에 사용하기 위한 회전식 공기 편향기의 사시도이다.

도 1a에, 용기(120) 내에 장착되는 연료전지 스택(110)을 포함하는 연료전지 조립체(100)의 단면도가 도시되어 있다. 스택(110)은 용기(120)의 길이방향 축(130)에 대해 바람직하게 5도와 45도 사이의 각도(θ)로, 특히 바람직하게는 8.5도의 각도로 장착된다. 이러한 장착 배치로 인해, 스택(110)의 제1 면(111)과 용기의 제1 벽(121) 사이의 제1 테이퍼진 공기 볼륨(140), 및 스택(110)의 제2 면(112)과 용기(120)의 제2 벽(122) 사이의 제2 테이퍼진 공기 볼륨(150)이 발생된다. 제1 및 제2 테이퍼진 공기 볼륨(140, 150)은, 용기(120)의 공기 입구(180)와 배기구(190) 사이에 공기 흐름 통로(160)의 일부를 형성한다. 감소되는 테이퍼진 유입 매니폴드(145)는, 공기 입구에 있는 공기 필터(185)와 제1 테이퍼진 공기 볼륨(140) 사이에서 연장된다. 증가되는 테이퍼진 유출 매니폴드(155)는, 제2 테이퍼진 공기 볼륨(150)과 공기 배기구(180)에 구비되는 팬(195) 사이에서 연장된다. 팬(195)은 또는, 공기를 용기(120)를 통해 취입하기 위해 공기 입구(180)에 구비될 수도 있다.

용기(120)는 또한, 예를 들면 다르게는 단부 플레이트를 정위치에 클램핑하기 위해 구비되어야 할 타이 볼트(tie bolt)를 대치하기 위한 스택(110)의 구조의 일부를 제공할 수 있다.

스택(110)의 양쪽의 테이퍼진 공기 볼륨(140, 150)은, 스택에 연결되는 공기 흐름 통로 내의 압력 강하를 감소시키는 작용을 하고, 스택(110)을 구성하는 연료전지 내의 공기의 분배를 향상시킨다.

덮개 플레이트(146, 156)는, 스택(110)으로 연결되고 스택(110)으로부터 연결되는 테이퍼진 유입 및 유출 매니폴드(145, 155)를 형성하기 위해 용기(120) 내에 구비될 수 있다. 덮개 플레이트는 도 1a에 도시되어 있듯이 평면일 수 있거나, 스택(110)을 향해 또는 스택(110)으로부터 멀어지는 방향으로 연결되는 바람직한 형상의 공기 흐름 통로를 형성하도록 구부러질 수 있다. 덮개 플레이트(146, 156)는 바람직하게, 공기 흐름 냉각제 통로(160)로부터의 공기의 누수를 막기 위해, 스택(110)의 대각선으로 대향하는 에지에 대해, 또한 용기(120)의 내면에 대해 밀봉된다. 덮개 플레이트(146, 156)의 하나 또는 둘 다 용기(120)의 단면 형상의 일부로서 형성될 수 있다. 덮개 플레이트(146, 156)에 의해 제공되는 추가적 내부 볼륨(147, 157)은, 예를 들면 전기 연결 및/또는 연료 서플라이의 규칙에 관련되는 연료전지 조립체의 다른 컴포넌트를 스택(110)에 포함시키기 위해 사용될 수 있다. 내부 볼륨(147)은 도 1b에서, 연료전지 스택(110) 상에 있는 연결부(148)에 대한 액세스를 가능하게 하기 위해 구비되는 용기(120)의 면 내의 개구 아래에 추가적으로 도시되어 있다.

개방 음극 스택에 대해 냉각제 및 환원제로서 작용하는 공기는, 스택(110)의 제1 면(111)에 연결되는 제1 테이퍼진 공기 볼륨(140)에 들어가기 전에, 필터(185)를 통해 용기(120) 내로 또한 테이퍼진 유입 매니폴드(145) 내로 들어간다. 공기는 스택(110)을 통과하고, 제2면(112)으로부터 나와 스택 위에 있는 제2 테이퍼진 공기 볼륨(150) 내로 통과한다. 다음에는, 공기는 유출 매니폴드(155)를 통과하고, 하나 이상의 팬(195)을 통해 용기로부터 배출된다. 스택(110)을 구성하는 셀 각각으로부터 합리적으로 균일한 공기 흐름이 공급되는 것을 확실하게 하기 위해, 셀은 바람직하게, 도 2에 더욱 명백하게 도시되어 있듯이, 용기(120)의 길이방향 축(130)에 대해 평행하게 정렬된다. 그러나, 예를 들면 도 5 및 도 6에 도시되어 있듯이, 셀이 길이방향 축(130)에 대해 측방향으로 정렬되는 다른 배치도 가능하다.

적어도 개방 음극 공기 냉각 연료전지 스택과 관련하여, 도 1a 및 도 1b에 도시된 배치는, 연료전지 조립체의 전체 높이 및 전체 볼륨이 감소될 수 있게 하고, 최소수의 컴포넌트를 가진 더욱 견고한 패키지를 가능하게 한다. 용기의 길이방향 축에 대한 연료전지 스택(110)의 각도의 선택으로 인해, 유입 매니폴드 및 유출 매니폴드의 면에서 용기 내에 사용되는 공간 및 다른 컴포넌트에 필요한 공간의 최적화가 가능하게 된다.

도 2는, 유입 및 유출 매니폴드(145, 155) 및 추가적 볼륨(147, 157)을 형성하는 덮개 플레이트(146, 156)를 도시하는, 연료전지 스택(110) 및 용기(120)의 절결 사시도이다. 도 3은 조립된 용기(120)의 사시도이다. 용기의 직육면체 형상은, 용기(120)의 양쪽 단부에 구비되는 공기 입구(180) 및 출구(190)와 조합되어, 연료전지 조립체(100)가 모듈 형태로 구비될 수 있게 하며, 즉, 복수의 그러한 연료전지 모듈이 함께 물리적 및 전기적으로 연결될 수 있게 한다. 이것의 예시적 배치는 도 4에 그러한 모듈 조립체의 사시도로 도시되어 있으며, 8개의 그러한 모듈의 직사각형 어레이(400)를 도시하고 있다. 그러한 어레이(400)의 이점은, 여러 가지 레벨의 전기 파워를 필요로 하는 일련의 범위의 응용에 걸쳐 제조 비용이 최소화될 수 있다는 것이다.

본 발명은 연료전지 스택의 개방 음극 공기 냉각 디자인에 특히 적합하지만, 스택을 통한 공기 흐름이 중요한 면모(feature)인 다른 연료전지 스택이, 여기에 설명된 형태의 용기에 합체될 수 있다.

도 5에, 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 연료전지 스택(510)의 다른 배치가 도시되어 있다. 스택(510)은 연료전지(520)의 지그재그식 어레이를 포함하며, 양쪽 평행 단부 플레이트(530a, 530b)는 서로로부터 측방향으로 이격된다. 따라서, 도시된 배치는, 단부 플레이트(530a, 530b)가 용기의 양쪽 면에 대해 직각으로 배치되는 상태로, 용기 내에 장착될 수 있다. 상기 배치는 도 6에 단면도로 도시되어 있고, 단부 플레이트(530a, 530b)는 용기의 측벽(610a, 610b)과 관련하여 도시되어 있으며, 테이퍼진 공기 볼륨(640, 650)은 스택(510)과 측벽(610a, 610b) 사이에 구비된다. 도 5 및 도 6에 도시된 배치를 가지는 연료전지 조립체를 구성하는 다른 컴포넌트는 도 1a 내지 도 4에 도시된 것과 유사할 수 있다.

도 7은, 본 발명에 따른 연료전지 조립체(700)의 또 다른 형태를 도시하고 있는데, 연료전지 스택(710)은, 도 1a와 도 2에 도시된 직사각형이 아닌 평행사변형의 단면 형상을 가진다. 도 8은 연료 스택(710)을 통한 단면도이며, 각각의 개별 연료전지 플레이트의 정렬을 볼 수 있다. 스택(710)의 평행사변형 형상은, 공기 흐름 통로(810)에 의해 표시되는 용기를 통한 공기 흐름 방향을 향해 정렬될 수 있게 하여, 용기(720)의 입구(820)와 출구(830) 사이의 난류와 압력 강하를 감소시키는 것을 목표로 한다. 연료전지 조립체(700)의 출구 단부 측면도가 도 9에 도시되어 있으며, 도 8을 취한 단면(C-C)이 표시되어 있다.

도 10은, 본 발명에 따른 연료전지 조립체(1000)의 또 다른 실시예의 단면도를 도시하고 있다. 연료전지 스택(1010)은, 상술한 조립체와 유사한 방식으로 용기(1020) 내에 장착되고 향하지만, 스택(1010)을 통한 공기 흐름을 향상시키고 필요시에는 공기 재순환을 가능하게 하기 위해, 용기(1020)의 형상이 약간 수정된다. 용기(1020)를 통한 공기 흐름은 화살표(1060)에 의해 표시되어 있으며, 공기가 공기 입구(108)(옵션으로서 공기 필터(1085)를 포함함)를 통해 용기(1020) 내로 유입되고, 테이퍼진 공기 유입 볼륨(1040)을 통해 스택(1010)의 제1 면(1011)에 유입되며, 반대쪽 제2 면(1012)을 통해 스택(1010)으로부터 나오고, 옵션으로서 팬(1095)이 구비되는 공기 출구(1090)를 통해 용기(1020)로부터 나오는 것을 도시한다. 앞에서 설명된 실시예와는 다르게, 도 10에 도시된 실시예의 공기 출구(1090) 단면은, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 공기 재순환 통로를 가능하게 하기 위해, 공기 입구(1090)의 단면보다 작다.

흐름 교정자(1030a, 1030b)는 용기(1020)의 대향하는 내부 측벽(1021, 1022)을 따라 구비되며, 흐름 교정자는 스택(1010)의 반대 면(1011, 1012)과 대면한다. 흐름 교정자(1030a, 1030b)는, 용기(1020)의 대향하는 내부 측벽(1021, 1022)에 의해 정의되는 내부 볼륨의 좁혀진 부분의 형상을 가지며, 흐름 교정자는, 스택(1010)의 양쪽 면(1011, 1012) 근처에서 공기 유입 볼륨(1040)과 공기 유출 볼륨(1050)의 추가적 테이퍼링을 제공하도록 구성된다. 이러한 추가적 테이퍼링은, 스택(1010)을 통한 흐름을 입구면(1011)과 출구면(1012)에 걸쳐 재분배하여, 스택(1010)에 걸쳐 공기 흐름의 더욱 균일한 분배를 가능하게 하기 위한 것이다.

공기 재순환 통로가 조립체(1000) 내에 구비되어, 재순환 덕트(1092)에 의해 공기 출구(1090)를 공기 입구(1080)와 연결한다. 격납 가능 칸막이(1091)가 공기 출구(1090) 근처에 구비되며, 칸막이(1091)는, 도 10에 도시된 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 칸막이를 작동시키기 위한 칸막이 작동기(1096)에 의해 작동되고, 개방 위치에서, 테이퍼진 공기 유출 볼륨(1050)을 통과하는 공기의 일부가 재순환 덕트(1092)를 통해 공기 입구(1080)를 향해 되돌려 다시 향해진다.

도 11은, 격납 가능 칸막이(1091)가 부분 개방 위치에 있는 도 10의 조립체(1000)를 도시하고 있으며, 공기의 일부가 재순환 덕트(1092)를 통해 공기 입구(1080)를 향해 재순환되게 한다(화살표(1061)에 의해 표시됨). 재순환된 공기는, 공기 입구(1080) 근처에 구비되는 하나 이상의 구멍(1093)을 통해 재순환 덕트(1092)로부터 나오며, 구멍(1093)은 예를 들면 일련의 천공의 형상이다. 도 11에 도시된 구성에서, 격납 가능 칸막이(1091)의 일부는 공기를 재순환 덕트(1092) 내로 강제 유입시키기 위해 팬(1095)의 면을 가로질러 연장된다. 칸막이(1091)는 바람직하게 공기 출구(1090)를 가로질러 미끄럼 작동되며, 공기를 재순환 덕트(1092) 내로 향하게 하도록 구성되는 구부러진 단부 부분(1094)을 포함한다.

하나 이상의 칸막이 작동기(1096)는 칸막이(1091)를 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동시키기 위해 구비된다. 작동기(1096)는, 예를 들면 칸막이(1091)를 공기 출구(1090)를 가로질러 미끄럼 작동시키도록 배치되는 선형 또는 회전식 작동기일 수 있다.

칸막이(1091)가 도 10에 도시된 폐쇄 위치에 있을 때, 공기는 연료전지 스택을 통과하여, 정상 작동 동안에 산소를 공급하고 냉각 작용을 한다. 칸막이가 도 11에 도시된 개방 위치에 있을 때, 재순환 덕트(1092)를 통한 공기의 재순환으로 인해, 스택(1010)을 통과함으로써 가열되었던 공기가 예를 들면 저온 시동 절차 동안에 스택을 추가로 가열할 수 있다. 스택의 측정된 온도가 일단 필요한 임계치에 도달하면, 칸막이(1091)는 격납될 수 있어, 스택의 냉각이 가능하게 된다. 칸막이(1091)는 또한, 예를 들면 저온 시동으로부터 정상 작동으로의 점진적 전이 동안에, 부분 개방 위치에서 작동될 수 있다.

도 12에, 도 10 및 도 11의 조립체(1000)와 유사한 다른 실시예가 도시되어 있으며, 흐름 교정자(1030a, 1030b) 대신에 공기 편향기 조립체(1210)가, 테이퍼진 공기 유입 볼륨(1040) 내에 구비된다. 공기 편향기 조립체는, 공기를 테이퍼진 공기 유입 볼륨으로부터 스택(1010)의 입구면(1011)을 가로질러 다시 향하게 하도록 구성되는 복수의 구부러진 베인(vanes)(1211)을 포함하여, 공기 흐름을 입구면(1010)을 가로질러 재분배한다.

다른 연료전지 조립체(1300) 실시예가 도 13에 도시되어 있으며, 공기 편향기 조립체(1310)는, 스택(1010)의 입구면(1011)을 가로질러 규칙적 시리즈의 구부러진 베인의 형태로 구비되고, 구부러진 형상의 베인은, 공기 흐름을 테이퍼진 공기 유입 볼륨을 통해 스택(1010)의 입구면(1011)의 부분을 향해 편향시키도록 구성된다.

또 다른 연료전지 조립체(1400) 실시예가 도 14에 도시되어 있으며, 공기 편향기 조립체(1410a)는, 공기 입구와 스택(1010)의 제1 면(1011) 사이에 복수의 평행 흐름 통로를 제공하는 일련의 구부러진 베인의 형태로 구비된다. 대응하는 공기 편향기 조립체(1410b) 역시 스택의 출구면에 옵션으로서 구비되어, 공기 출구(1090)와 스택(1010)의 출구면(1012) 사이에 복수의 평행 흐름 통로를 제공한다.

다른 형태의 공기 편향기 조립체가, 도 15a에 도시된 연료전지 조립체(1500) 실시예에 도시되어 있다. 공기 편향기는 하나 이상의 회전 가능 블레이드 조립체(1510a, 1510b)의 형태이며, 각각의 조립체는, 유입 공기를 비교적 층류로부터 더욱 난류인 흐름으로 변환하기 위해, 공기 입구(1080)로부터 인입되는 공기 스트림에 의해 구동되도록 구성된다. 각각의 블레이드 조립체(1510a, 1510b)는, 회전축이 공기 입구(1080)로부터의 공기 흐름의 방향에 대해 실질적으로 직각이 되도록, 향한다. 테이퍼진 공기 유입 볼륨 내의 더욱 난류인 공기 흐름은, 스택 내의 특정 채널을 통한 우선적 공기 흐름(preferential air flow)을 감소시키는 것을 보조한다. 다른 단일 공기 편향기(1510)가 도 15b에 도시되어 있으며, 편향기는, 실린더의 축을 따라 길이방향으로 연장되는 복수의 베인을 가진 원통형 부재의 형태이다.

다른 실시예들은, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위 내에 있도록 의도되었다.

Claims

공기 입구와 공기 출구 사이에 연장된 공기 흐름 통로를 포함하는, 연료전지 스택을 내부에 장착하기 위한 용기, 및
상기 스택의 제1 면과 상기 제1 면에 대해 반대쪽에 있는 제2 면 사이에 연장된 복수의 음극 공기 냉각제 통로를 가지고 있는 상기 연료전지 스택
을 포함하며,
상기 연료전지 스택은, 상기 스택의 상기 제1 면과 상기 용기의 제1 측벽 사이에 제1 테이퍼진 공기 볼륨(air volume), 및 상기 스택의 상기 제2 면과 상기 용기의 상기 제1 측벽에 대해 반대쪽에 있는 제2 측벽 사이에 제2 테이퍼진 공기 볼륨을 제공하기 위해, 상기 용기 내에 장착되어 있는,
연료전지 조립체.
제1항에 있어서,
상기 스택의 대각선으로 대향하는 에지들은 상기 용기의 각각의 상기 제1 측벽 및 반대쪽의 상기 제2 측벽에 대해 밀봉되어 있는, 연료전지 조립체.
제1항에 있어서,
상기 용기는, 상기 공기 흐름 통로의 제1 단부에 있는 유입 공기 필터, 및 반대쪽 제2 단부에 있는 공기 배기구를 포함하는, 연료전지 조립체.
제3항에 있어서,
상기 유입 공기 필터로부터 상기 제1 테이퍼진 공기 볼륨으로 연장되어 있는 테이퍼 감소 섹션을 더 포함하는, 연료전지 조립체.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 제2 테이퍼진 공기 볼륨으로부터 상기 공기 배기구로 연장되어 있는 테이퍼 증가 섹션을 더 포함하는, 연료전지 조립체.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 흐름 통로를 통해 공기를 유출하기 위해 상기 공기 배기구에 구비되어 있는 팬을 더 포함하는, 연료전지 조립체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기는 실질적으로 육면체의 외부 형상을 가지고 있는, 연료전지 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료전지 스택은 상기 용기의 길이방향 축에 대해 5도와 45도 사이의 각도로 장착되어 있는, 연료전지 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료전지 스택은, 서로로부터 측방향으로 이격되어 있는 양쪽 단부 플레이트들 사이에 지그재그식 어레이의 평판 연료전지를 포함하는, 연료전지 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료전지 스택은 평행사변형 형태의 단면 형상을 가지고 있는, 연료전지 조립체.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 출구와 상기 공기 입구 사이에서 연장된 공기 재순환 덕트, 및
상기 공기 출구에 인접한 격납 가능 칸막이
를 더 포함하며,
상기 칸막이는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동될 수 있고,
상기 개방 위치에서, 상기 제2 테이퍼진 공기 볼륨을 통과하는 공기의 일부는 상기 재순환 덕트를 통해 상기 공기 입구를 향해 다시 되돌려 향하는,
연료전지 조립체.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 입구와 상기 연료전지 스택의 상기 제1 면 사이에 공기 편향기 조립체가 구비되어 있는, 연료전지 조립체.
제12항에 있어서,
상기 공기 편향기 조립체는, 공기를 상기 연료전지 스택의 입구면의 하나 이상의 부분을 향하게 하도록 배치되어 있는 복수의 베인(vane)을 포함하는, 연료전지 조립체.
제13항에 있어서,
상기 복수의 베인은, 상기 테이퍼진 공기 유입 볼륨 내의 난류를 증가시키기 위해, 상기 공기 입구를 통해 흐르는 공기에 대응하여 회전되도록 구성된 하나 이상의 회전 가능 공기 편향기 조립체로서 배치되어 있는, 연료전지 조립체.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 복수의 연료전지 조립체가 규칙적인 배열을 가지면 배치되어 있는 모듈식 전지 조립체로서, 상기 복수의 연료전지 조립체가 직사각형 어레이로 배열될 수 있는, 모듈식 연료전지 조립체.