KR20140020885A

KR20140020885A - 연료 전지 스택의 가스 흐름 및 흐름 분배를 제어하기 위한 매니폴드 조립체

Info

Publication number: KR20140020885A
Application number: KR1020137022767A
Authority: KR
Inventors: 조셉 피. 매키너니; 루이스 에프 에른스트; 모하마드 패로큐; 라마크리쉬난 벤카타라만; 에릭 한셀; 다니엘라 네두; 케이스 데이비스; 윌리엄 스나이더; 마이클 콰탄네스
Original assignee: 퓨얼 셀 에너지, 인크
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2014-02-19
Also published as: WO2012103064A4; EP2668691B1; WO2012103064A2; EP2668691A4; US20120196202A1; KR101954897B1; WO2012103064A3; EP2668691A2; US8911914B2

Abstract

스택 내의 연료 전지에 원하는 흐름 분배를 보장하기 위해 연료 전지 스택에 사용하기 위한 매니폴드 조립체가 제공되며, 가장 통상적으로 원하는 것은 균일한 흐름 분배이다. 상기 매니폴드 조립체는 연료 전지 스택의 표면과 인접하고 그리고 밀봉 가능하게 둘러싸기 위한 외측 매니폴드; 및 외측 매니폴드의 포위부에 배치된 하나 이상의 배플을 포함하며, 상기 하나 이상의 배플은 (a)미리 결정된 분배 또는 균일한 분배를 달성하기 위해 상기 포위부로부터 상기 연료 전지 스택의 연료 전지까지 입구 가스의 가스 흐름 분배 및 방향을 제어하는 단계; 및 (b)연료 전지 스택의 연료 전지에 가스의 미리 결정된 분배 또는 균일한 분배를 달성하기 위해 포위부 내의 배기 가스 흐름의 가스 흐름 분배를 제어하는 단계 중 하나를 포함하며, 상기 매니폴드는 연료 전지 스택에 입구 가스를 제공하는 것과 그리고 상기 연료 전지 스택으로부터 배기 가스를 수용하는 것 중 하나를 위해 포위부를 포함한다. 연료 전지 시스템의 각각의 연료 전지 스택에 미리 결정된 가스 흐름 분배를 제공하기 위해 하나 이상의 배플을 갖는 배플링 조립체를 포함하는 멀티-스택 연료 전지 시스템도 서술된다. 배플링 조립체는 시스템 레벨로 제공되며 또한 멀티-스택 연료 전지 시스템의 흡입 조립체 및/또는 배기 조립체에 하나 이상의 배플을 포함하므로, 각각의 연료 전지 스택은 미리 결정된 양의 가스를 수용한다.

Description

연료 전지 스택의 가스 흐름 및 흐름 분배를 제어하기 위한 매니폴드 조립체{MANIFOLD ASSEMBLY FOR CONTROLLING GAS FLOW AND FLOW DISTRIBUTION IN A FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료 전지 스택의 가스 흐름 및 흐름 분배를 제어하기 위한 매니폴드 조립체에 관한 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 스택(stack) 및 외측 매니폴드를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 외측으로 매니폴드된(manifolded) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 매니폴드 조립체 또는 흐름 분배 제어 조립체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스택의 복수의 연료 전지들 중에서 가스의 흐름 분배를 제어하기 위해 연료 전지 스택의 하나 또는 둘 이상의 매니폴드에 배치된 하나 또는 둘 이상의 배플 플레이트(baffle plate)를 포함하는 조립체를 포함한다. 2개 이상의 연료 전지 스택을 포함하는 연료 시스템으로의 가스 흐름을 조절하기 위해, 배플링(baffling) 원리의 변화가 시스템 레벨로 적용될 수 있다. 특히 시스템 레벨 배플링 조립체는 시스템의 각각의 연료 전지 스택이 미리 결정된 양의 가스 흐름을 수용하도록 복수의 연료 전지 시스템의 흡입(intake) 조립체 및/또는 배기(exhaust) 조립체에 하나 이상의 배플 플레이트를 포함한다.

연료 전지는 연료 형태의 화학 에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 직접적으로 변환하는 장치이다. 일반적으로, 배터리처럼, 연료 전지는 그들 사이에 전기적으로 하전된(charged) 이온을 도전시키도록 작용하는 전해질에 의해 분리되는, 네거티브 전극 또는 아노드와 포지티브 전극 또는 캐소드를 포함한다. 그러나, 배터리와는 달리, 연료 전지는 연료와 옥시던트(oxidant)가 아노드 및 캐소드에 각각 공급되는 한 전력을 계속 생산할 것이다.

유용한 양의 전력을 생산하기 위해, 개별적인 연료 전지는 전형적으로 각각의 셀 사이의 전기적으로 도전성인 분리기(separator) 플레이트와 직렬로 적층된 관계로 배치된다. 연료 전지 스택은 내측으로 매니폴드된 스택 또는 외측으로 매니폴드된 스택으로서 분류될 수 있다. 내측으로 매니폴드된 스택에 있어서, 연료 및 옥시던트를 운반하기 위한 가스 통로가 연료 전지 플레이트 자체 내에 설치된다. 외측으로 매니폴드된 스택에 있어서, 연료 전지 플레이트는 그 단부상에서 개방된 상태로 존재하여, 또한 가스는 연료 전지 스택의 각각의 표면에 밀봉된 매니폴드 또는 팬(pan)에 의해 운반된다. 매니폴드는 연료 및 옥시던트 가스를 연료 전지에 운반하고 또한 이들 가스를 환경으로의 또는 다른 매니폴드로의 누설로부터 방지하기 위한 밀봉된 통로를 제공한다. 일부 연료 전지 스택 배치에 있어서, 스택은 포위부(enclosure)에 위치되며, 포위부 환경은 프로세스 가스 중 하나를 나타낸다. 이런 시스템에서, 스택을 위한 입구 및 출구 가스 통로를 제공하기 위해 적어도 3개의 매니폴드가 요구되며, 그 각각은 스택에 밀봉되어야만 한다. 어떠한 경우라도, 매니폴드는 연료 전지 스택의 작동을 위해 또한 그 수명의 지속을 위해 요구되는 상태 하에서 위의 기능을 수행해야만 한다.

외측으로 매니폴드된 연료 전지 스택의 성능의 중요한 면(aspect)은 프로세스 가스가 스택의 각각의 연료 전지에 균일하게 분포되도록 복수의 연료 전지 중에서 프로세스 가스, 즉 연료 및 옥시던트 프로세스 가스의 흐름 분배이다. 특히, 연료 전지의 스택에서 스택의 모든 연료 전지는 전기화학 반응을 위해 또한 전지를 균일하게 냉각하기 위해 또는 미리 결정된 지역에서 그것을 통해 동일한 양의 가스 흐름으로 퍼지는(get about) 것이 바람직하다. 종래의 외측으로 매니폴드된 연료 전지 조립체에 있어서, 아노드 배기 파이프에 가장 가깝게 배치된 연료 전지는 배기 파이프로부터 더 멀리 배치된 연료 전지 보다 더욱 많은 연료 가스 흐름을 수용한다. 그 결과, 더 많은 가스 흐름을 갖는 연료 전지가 더 많은 전기화학 반응을 생산하고 따라서 더 많은 전력을 생산할 동안, 그것을 통해 더 적은 가스 흐름을 갖는 연료 전지는 상당한 과열(overheating)을 받는다. 이 불균일한 가스 분배는 감소된 연료 전지 스택 수명으로 이어진다.

따라서, 가스 흐름을 스택의 모든 연료 전지에 더욱 균일하게 분배하기 위해 연료 전지에 대한 가스의 흐름 분배의 더 많은 제어를 위한 외측으로 매니폴드된 연료 전지 스택이 요망되고 있다. 그러나, 스택 내의 개별적인 연료 전지에 대한 연료 가스 공급의 제어는 복잡한 배관(piping) 및 연료 운반 조립체를 요구한다. 또한, 스택의 아노드 입구 영역에 냉각을 제공하기 위해 연료의 분배를 제어하는 것이 요망되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 스택의 연료 전지를 통해 가스 흐름 분배를 제어할 수 있는 매니폴드 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 간단한 구조를 가지며 또한 원하는 흐름 분배 프로필을 위해 조정될 수 있는 매니폴드 조립체를 제공하는 것이다.

시스템 레벨에 있어서, 연료 전지 시스템은 연료 흡입 조립체에 의해 제공된 단일의 연료 소스 및/또는 옥시던트 가스 흡입 조립체에 의해 제공된 단일의 옥시던트 소스 및/또는 단일의 배기 조립체 내의 배기 소비 가스로부터 작동하는 복수의 연료 전지 스택을 포함할 수 있다. 이런 복수의 연료 전지 스택 시스템에서, 각각의 스택은 미리 결정된 양의 연료 및/또는 미리 결정된 공기 내 연료의 백분율(percentage)을 요구한다. 흐름 제어 밸브가 연료 전지 스택을 둘러싸는 고온의 부식 환경에서 값비싸고 부서지기 쉬기 때문에, 이런 값비싸고 부서지기 쉬운 밸브에 의존하지 않는 흐름 제어 조립체를 갖는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 다른 목적은 간단한 구조를 가지며 또한 복수의 연료 전지 스택 시스템에서 연료 전지 스택에 대한 가스 분배를 제어할 수 있는 배플링 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 원리에 따르면, 상기 및 다른 목적은 연료 전지 스택에 사용하기 위한 매니폴드 조립체에 의해 실현되며, 상기 매니폴드 조립체는 연료 전지 스택의 표면과 인접하고 그리고 밀봉 가능하게 둘러싸기 위한 외측 매니폴드; 및 외측 매니폴드의 포위부에 배치된 하나 이상의 배플을 포함하며, 상기 매니폴드는 연료 전지 스택에 입구 가스를 제공하는 것과 그리고 상기 연료 전지 스택으로부터 배기 가스를 수용하는 것 중 하나를 위해 포위부를 포함한다. 상기 하나 이상의 배플은 (a)상기 포위부로부터 상기 연료 전지 스택의 연료 전지로 입구 가스의 가스 흐름 분배를 제어하는 단계; 및 (b)포위부 내의 배기 가스 흐름의 방향을 제어하는 단계 중 하나를 포함한다.

어떤 실시예에 있어서, 외측 매니폴드는 상기 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면으로부터 아노드 배기 가스를 수용하기 위한 아노드 배기 매니폴드이며, 매니폴드의 포위부는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면과 직면하도록 적응되며 또한 매니폴드가 아노드 출구 표면과 인접할 때 이것을 통해 아노드 배기 가스가 아노드 출구 표면으로부터 포위부 내로 출력되는 개구, 및 매니폴드로부터 아노드 배기 가스를 출력하기 위해 포위부에 형성된 적어도 하나의 배기 출구를 포함한다. 이런 실시예에 있어서, 매니폴드로부터 아노드 배기 가스를 출력하기 위해 포위부에 형성되는 적어도 하나의 배기 출구가 제공되며, 또한 적어도 하나의 배플은 배플 둘레의 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지로부터 수용된 아노드 배기 가스 흐름의 방향을 제어하기 위해, 배기 출구와 포위부의 개구 사이의 포위부에 배치된다. 일부 실시예에 있어서, 매니폴드의 포위부의 높이는 연료 전지 스택의 높이와 동일하거나 또는 이 보다 크며, 또한 매니폴드 조립체는 포위부의 높이의 적어도 일부를 따라 포위부에 배치된 다수의 배플을 포함한다. 배플은 연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지에서 아노드 배기의 배압(back pressure)을 제어하고 또한 미리 결정된 연료 전지 내로 입구 연료 흐름의 양을 감소시키기 위해 포위부에 배치된다. 연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지는 매니폴드의 포위부에서 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지, 및 상기 연료 전지 스택이 상기 하나 이상의 배플이 없는 다른 매니폴드 조립체에 사용될 때 연료 전지 스택의 다른 연료 전지 보다 큰 입구 연료 흐름을 수용하는 연료 전지를 포함한다.

일부 실시예에 있어서, 매니폴드의 포위부는 개구와 마주하는 외측 벽, 외측 벽에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측 벽과 상부 및 바닥 벽에 연결되는 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함한다. 다수의 배플의 각각은 포위부의 제1 및 제2측벽에 연결된 마주하는 제1 및 제2단부를 각각 포함하며, 배플은 포위부의 높이의 일부를 따라 연속적으로 배치되고, 상기 연속적인 배플은 통기부(vent)에 의해 분리된다. 일부 실시예에 있어서, 매니폴드 조립체가 아노드 출구 표면에 인접할 때 상기 배플이 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면에 대해 오목하도록, 상기 배플의 각각은 포위부의 외측 벽을 향해 굴곡된다. 하나 이상의 지지 부재가 포위부의 배플을 지지하는데 사용될 수 있으며, 또한 지지 부재(들)는 상부 또는 바닥 벽 중 하나 또는 측벽들 중 하나 또는 모두에 연결될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 배플의 하나 이상은 하나 이상의 미리 결정된 위치에 통기부, 관통부(perforation), 및 그 내부의 개구를 포함한다.

어떤 실시예에 있어서, 내측 매니폴드는 연료 전지 스택의 캐소드 입구 표면을 둘러싸기 위한 또한 옥시던트 가스를 캐소드 입구 표면에 제공하기 위한 캐소드 입구 매니폴드이다. 이런 실시예에 있어서, 매니폴드 조립체가 캐소드 입구 표면과 인접할 때 연료 전지 스택의 아노드 입구 표면에 가장 가까운 연료 전지의 일부가 입구 옥시던트 가스의 증가된 흐름을 수용하도록, 적어도 하나의 배플은 포위부로부터 연료 전지 스택의 연료 전지까지 입구 옥시던트 가스의 가스 흐름 분배를 제어한다. 또한, 이런 실시예에 있어서, 포위부는 외측벽, 상기 외측벽에 연결된 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽 및 상기 상부 및 바닥 벽에 연결된 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며; 포위부의 제1측벽은 매니폴드 조립체가 스택의 캐소드 입구 표면과 인접할 때 스택의 아노드 입구 표면과 가장 가깝게 배치된다. 이런 실시예의 적어도 하나의 배플은 포위부의 제2측벽으로부터 제1측벽의 방향으로 포위부의 폭의 일부를 따라 연장한다. 배플은 스택 요구에 따라 실질적으로 평탄하거나 또는 굴곡질 수 있다.

또한, 위에 서술한 매니폴드 조립체를 갖는 연료 전지 조립체, 및 가스의 흐름 분배를 제어하는 방법이 서술된다. 더욱이, 포위부에 수용된 복수의 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템 및 시스템 레벨로 가스 흐름을 제어하기 위한 하나 이상의 배플도 서술된다.

본 발명의 위에 서술한 특징 및 다른 특징은 첨부의 도면과 함께 하기의 상세한 설명의 판독에 따라 더욱 명확해질 것이다.

도1은 본 발명의 아노드 배기 매니폴드 조립체의 실시예의 사시도이다.
도2는 연료 전지 스택에 사용된 아노드 배기 매니폴드 조립체의 다른 실시예의 개략적인 도면이다.
도3a-3c는 아노드 배기 매니폴드 조립체를 포함하는 연료 전지 스택의 개략적인 측면도, 평면도, 및 정면도이다.
도4a 및 4b는 도1 및 2의 아노드 배기 매니폴드 조립체를 형성하기 위해 아노드 배기 매니폴드 내로의 배플의 설치를 도시하고 있다.
도5는 상이한 스택 높이의 도2 및 도4a-4b의 아노드 배기 매니폴드 조립체 및 종래의 아노드 배기 매니폴드 조립체를 사용하여 연료 전지를 통한 흐름 분배의 그래프를 도시하고 있다.
도6a 및 6b는 아노드 배기 매니폴드 조립체 및 캐소드 입구 매니폴드 조립체를 포함하는 연료 전지 스택의 대안적인 실시예의 개략적인 측면도 및 평면도를 도시하고 있다.
도7a는 도6a 및 6b의 연료 전지 스택에서 캐소드 배기 온도 분포의 막대 그래프를 도시하고 있다.
도7b는 도6a 및 6b의 연료 전지 스택에서 캐소드 입구 온도 분포의 막대 그래프를 도시하고 있다.
도7c는 제어 배플 조립체를 갖지 않는 4개의 연료 전지 스택과 도6a 및 6b의 흐름 제어 배플 조립체를 포함하는 제5스택에 대해, 50% 및 75% 스택 높이에서의 평균 전지 온도와 0% 스택 높이 전지 온도를 비교한 막대 그래프를 도시하고 있다.
도8은 도1-4의 아노드 배기 매니폴드 조립체와 함께 또는 대신에 연료 전지 스택에 사용될 수 있는 연료 및/또는 옥시던트 입구 매니폴드를 개략적으로 도시하고 있다.
도9a, 도9b, 및 도9c는 배플이 가스 흐름을 시스템 레벨로 제어하는데 사용되는 복수의 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하고 있다.

본 발명은 스택의 각각의 연료 전지를 통해 더욱 균일한 가스 흐름 분배를 달성하기 위해 또한 스택의 아노드 입구 영역과 같은 스택의 원하는 영역에 냉각을 제공하기 위해 시스템의 연료 전지 스택을 통해 가스 흐름 분배를 제어하는 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 매니폴드 조립체를 제공한다. 도1-3c는 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 또한 연료 전지 스택을 통해 가스 흐름 분배를 제어하기 위한 아노드 매니폴드 조립체(100)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도1-3c에 도시된 아노드 매니폴드 조립체(100)는 다수의 적층된 연료 전지를 포함하고 또한 일부 경우에는 수백개의 적층된 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택에 사용되거나 또는 그 일부로서 사용된다. 연료 전지 스택은 연료 가스와 아노드 배기를 각각 수용 및 출력하기 위한 입구 및 출구 표면, 및 옥시던트 가스와 캐소드 배기를 각각 수용 및 출력하기 위한 캐소드 입구 및 출구 표면을 포함한다. 스택의 캐소드 입구, 아노드 입구, 및 아노드 출구 표면의 각각은 전형적으로 매니폴드 또는 매니폴드 조립체에 의해 둘러싸이므로, 옥시던트 가스와 연료 가스는 캐소드 입구 및 아노드 입구 표면과 인접한 각각의 매니폴드를 통해 각각 운반되며, 또한 아노드 배기는 아노드 출구 표면과 인접한 매니폴드 내로 출력된다. 도1-3c의 아노드 매니폴드 조립체(100)는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면과 밀봉 가능하게 인접하도록 또한 스택에 의해 출력된 아노드 배기 가스를 수용하도록 적응된다.

전형적으로, 많은 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택에 있어서, 개별적인 연료 전지에 공급된 가스의 양을 제어하기 위해 밸브와 같은 개별적인 가스 흐름 제어 조립체를 각각의 연료 전지에 제공하는 것은 경제적이지 않다. 따라서, 모든 연료 전지 스택에는 연료와 옥시던트 가스가 유니트로서 각각 공급되며, 상기 연료는 아노드 입구 매니폴드로부터 전체 스택에 공급되며, 또한 옥시던트는 캐소드 입구 매니폴드로부터 모든 스택에 공급된다. 유사하게, 도1-3c의 아노드 매니폴드 조립체(100)와 같은 아노드 출구 매니폴드는 전체 스택으로부터의 아노드 배기를 수용하며, 그 후 프로세싱을 위해 또는 배기 출구를 통해 외부로의 통기(vent)를 위해 상기 수용된 아노드 배기를 출력한다. 스택의 각각의 연료 전지가 연료와 옥시던트 가스의 동일한 양을 수용하는 것이 스택의 성능에 중요하다. 위에 서술한 바와 같이, 배기 출구에 가장 가까운 이들 연료 전지들이 대부분의 가스 흐름을 수용하며 또한 배기 출구로부터 가장 먼 연료 전지가 가스 흐름을 덜 수용하며, 흐름 조절 장치 또는 조립체는 가스 흐름, 특히 연료 흐름을 조절하기 위해 필요하므로, 각각의 연료 전지는 배기 출구로부터 그 거리와는 상관 없이 동일한 양의 가스 흐름을 수용한다. 도1-3c의 아노드 매니폴드 조립체는 이런 흐름 조절 조립체를 포함하며, 또한 연료 흐름이 스택의 연료 전지들 사이로 균일하게 분포되도록 연료 전지 스택을 통한 연료의 흐름을 조정할 수 있다.

도1-3c에 도시된 바와 같이, 아노드 매니폴드 조립체(100)는 연료 전지 스택에 사용될 때 스택의 아노드 출구 표면과 인접하는 외측 아노드 배기 매니폴드(102)를 포함한다. 아노드 배기 매니폴드(102)는 매니폴드(102)의 한쪽 단부(102a)에 배치된 배기 출구(104), 및 매니폴드(102)의 단부에 인접하여 또는 그 근처에 배치되는 하나 이상의 배플(106)을 포함한다. 아노드 매니폴드(102)는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면을 둘러싸기 위해 또한 연료 전지 스택으로부터 아노드 배기 가스를 수용하기 위해 격벽(compartment) 또는 포위부를 형성하며, 또한 상기 포위부는 이것을 통해 아노드 배기가 아노드 출구 표면으로부터 수용되는 개구를 갖는다. 아노드 매니폴드(102)의 예시적인 구성이 여기와 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제6,877,611호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용이 여기에 참조인용된다.

예시적인 실시예에 있어서, 매니폴드(102)는 매니폴드의 개구와 마주하는 외측벽(102c), 상기 외측벽(102c)에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽과 상부 및 바닥 벽에 연결되는 마주하는 측벽을 포함한다. 상부 및 바닥벽과 또한 측벽의 외측 단부들은 스택의 아노드 출구 표면과 인접하는 매니폴드의 인접한 표면(102d)을 형성한다. 도1-3c에 도시된 실시예의 배기 출구(104)는 외측벽(102c)에 형성되며 또한 연료 전지 스택의 포지티브 단부 또는 네거티브 단부와 인접하는 매니폴드(102)의 단부(102a) 가까이에 배치된다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 배기 출구(104)는 매니폴드의 다른 영역에 배치될 수 있다.

도시된 바와 같이, 하나 이상의 배플(106)은 매니폴드(102)의 외측벽(102c)과 연료 전지 스택의 아노드 배기 표면과 인접하도록 적응된 매니폴드(102)의 인접 표면(102d) 사이의 공간 내에서 아노드 배기 매니폴드(102)에 배치된다. 하나 이상의 배플(106)이 매니폴드(102)의 외측벽(102c)의 배기 출구(104) 파이프 가까이에 배치된다. 특히, 하나 이상의 배플(106)이 가스 흐름이 더 많은 매니폴드의 지역에 또는 가까이에 전략적으로 배치되며, 이것은 전형적으로 배기 출구(104) 가까이에 있다. 스택의 모든 연료 전지로의 입구 연료의 더욱 균일한 분배를 달성하기 위해, 배플은 연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지로부터 출력된 아노드 배기 가스의 배압을 제어하도록 또한 이들 미리 결정된 연료 전지 내로 입구 연료 흐름의 양을 감소시키도록 매니폴드의 포위부에 배치된다. 스택의 미리 결정된 연료 전지는 매니폴드의 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지, 및 배플을 포함하지 않는 종래의 매니폴드에 스택이 사용될 때 스택의 다른 연료 전지 보다 더 많은 입구 연료 흐름을 수용하는 연료 전지를 포함한다.

도1-3c에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 배플(106)이 매니폴드(102)의 높이의 일부를 따라 연장한다. 그러나, 일부 실시예에 있어서, 매니폴드(102)의 구성과 또한 배기 출구(104)의 개수 및 위치에 따라, 하나 이상의 배플(106)이 매니폴드(102)의 전체 높이를 따라 연장할 수 있다.

어떤 실시예에 있어서, 배플(106)은 하나 이상의 스텐레스 스틸 시트(sheet)로부터 형성된다. 그러나, 매니폴드의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 가지며 또한 고온에서 충분한 강도를 갖는 다른 물질이 배플을 위해 사용될 수 있다.

도1-3c의 실시예는 인접한 또는 연속적인 배플(106) 사이에 통기부(vent) 또는 공간(107)을 갖는 매니폴드의 높이의 적어도 일부를 따라 매니폴드의 포위부에 연속적으로 배치되는 여러개의 배플(106)을 포함한다. 연료 전지 스택을 통한 가스 흐름의 제어를 효과적으로 제어하기 위해, 인접한 배플들(106) 사이의 통기부(107)는 더 많은 흐름이 요구되는 매니폴드의 영역에 제공된다. 도1-3c에 도시되지는 않았지만, 배플은 배플 자체에 통기부, 관통부, 또는 개구를 포함할 수도 있으며, 이들은 추가적인 흐름이 요구되는 미리 결정된 위치에 제공되므로, 연료 전지 스택을 통한 가스 흐름을 추가로 제어할 수 있다.

도1 및 2는 배기 출구(104)를 형성하는 배기 파이프 가까이의 매니폴드(102)에 배치되는 변화하는 크기의 3개 또는 4개의 배플(106)을 포함하는 아노드 출구 매니폴드 조립체의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도1의 실시예에 있어서, 아노드 출구 매니폴드 조립체는 제1, 제2, 및 제3배플(106a-c)을 포함하며, 도2의 실시예에서 아노드 출구 매니폴드 조립체는 제1, 제2, 제3, 및 제4배플(106a-d)을 포함하며, 상기 제1, 제2, 및 제3배플(106a-c)은 도1의 배플(106a-c)과 동일한 또는 유사한 구성을 갖는다. 도1 및 2에 도시된 바와 같이, 각각의 배플(106a-c, 또는 106a-d)은 한쪽 측벽으로부터 다른 쪽 측벽으로 매니폴드(102)의 폭을 가로질러 연장하도록 매니폴드에 위치된다. 도시된 바와 같이, 각각의 배플은 매니폴드의 마주하는 측벽들에 연결되는 2개의 마주하는 단부를 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 각각의 배플의 마주하는 단부는 매니폴드(102) 내에서 매니폴드의 각각의 측부에 연결된다. 더욱이, 각각의 배플(106a-d)은 매니폴드의 외측벽을 향해 굴곡되는 적어도 그에 미세한 곡률을 가지므로, 배플은 연료 전지 스택 표면에 대해 오목하다. 특히, 고온 연료 전지 작동을 위해, 굴곡된 배플 구조는 고온 작동 중 예측 가능한 방식으로 이들이 휘어지기 때문에 또한 다른 장치 구조물과 간섭하지 않기 때문에 바람직하다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 평탄한 또는 볼록한 배플이 사용될 수 있다.

도시된 바와 같이, 배플을 매니폴드(102) 내에 지지하기 위해, 지지 구조물 또는 리브(rob)(108)가 포함된다. 도2에 도시된 바와 같이, 지지 구조물(108)은 배플(106)의 중앙 영역을 따라 매니폴드의 단부(102a)로부터 연장하며, 또한 배플(106)을 위한 지지를 제공하기 위해 배플(106)의 매니폴드측 표면에 연결된다. 지지 리브(108)의 부착 라인이 도2에 점선(205c)으로 도시되어 있다. 지지 리브는 매니폴드의 상부 및 바닥 벽 중 하나에 연결될 수 있다. 도시된 예시적인 실시예는 오직 하나의 지지 구조물(108)을 포함하고 있지만, 다른 실시예에서 배플의 크기와 매니폴드 요구에 따라 추가적인 지지 구조물이 포함될 수 있거나, 또는 지지구조물이 사용되지 않을 수도 있다. 또한, 일부 실시예에 있어서, 지지 리브는 매니폴드의 다른 영역에 부착될 수 있으며 및/또는 매니폴드측 표면 대신에 배플의 연료 전지 측부 표면에 부착될 수 있다.

도1 및 2에 도시된 바와 같이, 배플(106a-d)은 매니폴드의 외측벽(102a)과 매니폴드의 스택-인접 표면(stack-abutting surface)(102d) 사이에서 매니폴드에 의해 형성된 격벽 또는 포위부에 설치된다. 배플(106a-d)은 매니폴드의 스택-인접 표면(102d)을 형성하는 측벽 단부로부터 미리 결정된 거리로 매니폴드의 측벽에 연결된다. 상기 미리 결정된 거리는, 배플(106a-d)이 스택의 아노드 출구 표면에 과도한 압력을 생성하지 않도록, 또한 매니폴드에서 배플의 사용에 의해 단지 미소한(minor) 압력 패널티(penalty)만 유발되도록 구성되어야 한다. 이 예시적인 실시예에 있어서, 아노드 스택 표면과 인접한 측벽 단부로부터 배플을 매니폴드 측벽에 연결하는 지점까지의 미리 결정된 거리는 1 인치이다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 미리 결정된 거리는 매니폴드의 깊이와 연료 전지 스택의 크기에 따라 변할 수 있다.

도1 및 2에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 제1배플(106a)은 매니폴드의 출구 단부(102a)에 또는 그 가까이에 배치되며 또한 제2 및 제3배플(106b, 106c) 보다 작은 높이를 갖는다. 제2배플(106b)은 제1배플(106a)에 인접하여 위치되고 그 사이에 슬롯 또는 통기부(107a)가 형성되며, 또한 제3배플(106c)이 제2배플(106b)에 인접하여 위치되고 그 사이에 슬롯 또는 통기부(107b)가 형성된다. 제2 및 제3배플(106b, 106c)의 높이는 제1배플(106a) 및 제4배플(106d)의 높이 보다 큰데, 그 이유는 제2배플(106b)이 배기 출구(104)와 정반대로 배치되거나 또는 직면하며, 또한 제3배플(106c)이 배기 출구(104) 근처에 배치되고 그리고 전형적으로 더 큰 가스 흐름을 수용하는 연료 전지 스택의 위치에 대응하기 때문이다. 제2 및 제3배플(106b, 106c)의 이런 포지셔닝(positioning)은 배플의 위치에 대응하는 연료 전지를 통한 입구 가스 흐름을 감소시키며 또한 스택의 다른 영역에서 연료 전지를 통한 입구 가스 흐름을 감소시키며, 따라서 스택을 통한 더욱 균일한 가스 흐름을 제공하기 위해 가스 흐름을 제어한다.

도2에 있어서, 제4배플(106d)은 제3배플(106c)에 인접하여 배치되며, 그 사이에 통기부 또는 슬롯(107c)이 있다. 이 예시적인 실시예에서 제4배플(106d)의 높이는 제2 및 제3배플의 높이 보다 작으며, 또한 제1배플(106a)의 높이와 유사하다. 도1에 도시된 실시예가 제4배플(106d)을 포함하지는 않지만, 도1의 아노드 출구 매니폴드 조립체의 구성은 도2에 도시된 실시예와 유사하게 제3배플(106c)을 따르는 제4배플(106d)을 포함하도록 변할 수 있음을 인식해야 한다.

도4a 및 4b는 도2의 아노드 매니폴드의 매니폴드(102)의 포위부에 설치된 배플(106a-d)의 사진을 도시하고 있다. 도1의 아노드 매니폴드 조립체에서 배플(106a-d)의 설치는 유사하며, 제4배플(106d)은 도1의 아노드 매니폴드 조립체로부터 생략되었다. 도4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 제1배플(106a)은 매니폴드의 출구 단부(102a)에 인접하여 설치되며 또한 매니폴드(102)가 인접하는 연료 전지 스택의 고정된 단부 플레이트를 지나 연장한다. 예시적인 이 실시예에 있어서, 매니폴드의 출구 단부(102a)와 제1배플(106a) 사이에는 1/4 또는 1/2 인치 간극(gap)이 있으며, 또한 제1배플은 고정된 단부 플레이트의 외측에 4.5 인치로 위치된다. 제1배플의 높이는 약 7인치 이다. 제2배플(106b)은 스택의 높이를 따라 제1배플(106a)에 인접한 또는 이에 연속한 위치에서 매니폴드(102)가 인접하는 스택의 고정된 단부 플레이트로부터 약 4 인치로 설치된다. 도시된 바와 같이, 제1배플(106a)과 제2배플(106b) 사이에는 슬롯 또는 통기부(107a)가 있으며, 이것은 약 1/4 인치의 높이를 갖는다. 제2배플(106b)의 높이는 약 23.5 인치이다.

도4a에 도시된 바와 같이, 제3배플(106c)은 스택의 높이를 따라 제2배플(106a)에 인접한 또는 이에 연속한 위치에서 매니폴드(102)가 인접하는 스택의 고정된 단부 플레이트로부터 약 28 인치로 설치된다. 제2배플(106b)과 제3배플(106c) 사이에는 슬롯 또는 통기부(107a)가 형성되어 있으며, 이것은 약 1/4 인치의 높이를 갖는다. 제3배플(106c)의 높이는 약 24.5 인치이다. 마지막으로, 제4배플(106d)은 매니폴드가 인접하는 스택의 고정된 단부 플레이트로부터 약 52 인치인 스택의 높이를 따라 제3배플에 인접한 또는 이에 연속한 위치에 설치되며, 또한 스택의 고정된 단부 플레이트로부터 약 59 인치인 위치로 연장한다. 제4배플(106d)의 높이는 약 7 인치이다. 또한, 약 1/4 인치의 높이를 갖는 제3 및 제4배플들(106c, 106d) 사이에는 통기부 또는 슬롯(107c)이 제공된다. 도시된 실시예에 있어서, 제4배플(106d) 이후, 매니폴드의 공간이 추가적인 배플 없이 그 외측벽(102c)으로 개방되며, 또한 배기는 배기 출구(104)를 향해 배플(106)과 매니폴드 외측벽(102c) 사이의 영역으로 매니폴드 내로 자유롭게 흐른다. 도4a 및 4b에 도시된 배플 배치는 퓨얼셀 에너지(FuelCell Energy), 인코포레이티드에 의해 제조된 DFC®300 과 같은 300 kW 연료 전지 스택 시스템에 사용된 아노드 매니폴드 조립체에 적합하다. 그러나, 아노드 매니폴드 조립체 및 그 배치에 사용된 배플의 개수는 연료 전지 시스템의 매니폴드의 치수 및 요구에 따라 변할 수 있음을 인식해야 한다.

도2에 있어서, 매니폴드 조립체(100)를 갖는 연료 전지 시스템(200)을 통한 연료의 흐름이 화살표를 사용하여 도시되어 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)은 연료 가스를 수용하도록 적응된 아노드 입구 표면(202a), 상기 아노드 입구 표면(202a)과 마주하며 또한 아노드 배기를 출력하도록 적응된 아노드 출구 표면(202b), 옥시던드 가스를 수용하도록 적응된 캐소드 입구 표면(202c), 및 캐소드 배기를 출력하도록 적응된 캐소드 출구 표면(202d)을 갖는 연료 전지 스택(202)을 포함한다. 연료 전지 스택(202)은 다공성 블럭(block)으로서 개략적으로 도시되었으며, 이것은 다수의 적층된 연료 전지에 의해 형성된다. 아노드 매니폴드 조립체(100)는 연료 전지 스택(202)의 아노드 출구 표면(202b)과 인접하며 또한 도4a 및 4b의 매니폴드 조립체와 유사한 구성을 가지며, 또한 추가된 제4배플(106d)을 제외하고는 도1의 매니폴드 조립체와 유사하다. 도2에 도시되지는 않았지만, 또한 연료 전지 스택(202)은 아노드 입구 표면(202a)과 인접한 아노드 입구 매니폴드, 캐소드 입구 표면(202c)과 인접한 매소드 입구 매니폴드, 및 일부 실시예에서 캐소드 출구 표면(202d)과 인접한 캐소드 출구 매니폴드를 포함할 수 있다.

연료 전지 스택(202) 내로 연료의 흐름이 도2에 화살표(205a)로 "유입" 으로 도시되어 있다. 특히, 연료 전지 스택(202)은 아노드 입구 표면(202a)을 통해 연료를 수용하며, 이것은 전형적으로 아노드 입구 매니폴드를 거쳐 운반된다. 연료가 연료 전지 스택에 사용된 후, 스택의 연료 전지는 소비된 연료 가스를 포함하는 아노드 배기를 아노드 출구 표면(202b)을 통해 아노드 매니폴드 조립체(101) 내로 출력한다. 스택의 아노드 출구 표면(202b)로부터 아노드 배기의 흐름이 도2의 작은 화살표(205b)를 사용하여 도시되어 있다.

배기 출구(104)의 영역에서 또는 이에 근접하여 연료 전지를 떠나는 아노드 배기(205b)의 흐름은, 아노드 배기가 배플의 둘레로 및/또는 배플들 사이의 통기부(107)를 통해 흐르도록 아노드 매니폴드 조립체(100)의 배플(106)에 의해 재지향(redirect)된다. 즉, 스택으로부터 배기 출구(104)로의 아노드 배기 흐름은, 배플 플레이트 위로 그리고 그 후 아래로 흐르도록 및/또는 인접한 또는 연속적인 배플들 사이의 전략적으로 배치된 통기부를 통해 흐르도록 배플(106)에 의해 유발된다. 이 방법으로, 배플(106)은 배기 출구(104)의 영역에서 아노드 배기의 흐름을 제한하며, 또한 배기 출구(104)의 영역에서 또는 이에 근접하여 위치된 연료 전지를 가로지르는 압력 강하를 감소시킨다. 그 결과, 배기 출구(104)의 영역에서 연료 전지를 가로지르는 압력 강하는 배기 출구로부터 더욱 멀리 배치된 연료 전지를 가로지르는 압력 강하로 더욱 균일하며, 따라서 연료 전지가 매니폴드의 배기 출구에 대해 얼마나 가깝게 또는 멀리 있는 것에 관계 없이 스택의 연료 전지를 통해 연료 흐름의 더욱 균일한 분배를 생성한다.

위에 언급한 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 배플(106)은 배기 출구로의 아노드 배기의 흐름 및 방향을 제어하기 위해 배플 자체에 형성되고 또한 전략적으로 배치된 통기부, 관통부, 및/또는 다른 개구를 포함할 수 있다. 이런 실시예에 있어서, 배기 출구의 영역에서 스택으로부터 배기 출구로의 아노드 배기 흐름도 배플의 상기 통기부, 관통부, 또는 개구를 이동할 것이다. 배플의 통기부, 관통부, 또는 개구는 연료 전지 스택을 통해 연료 흐름 및 연료 흐름 재분배의 추가적인 제어를 제공한다.

도3a, 3b, 및 3c 는 다공성 블럭으로 도시된, 연료 전지 스택(200)과 인접한 아노드 매니폴드 조립체(100)의 측면도, 정면도, 및 평면도를 개략적으로 도시하고 있다. 도3a-3c에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(200)은 입구 매니폴드(208)를 포함하며, 이것을 통해 연료가 연료 전지 스택(200)으로 공급된다. 연료의 흐름은 화살표(205a)를 사용하여 도3a 및 3c에 도시되어 있다. 도3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 아노드 매니폴드 조립체(100)는 다수의 배플, 즉 4개 또는 5개의 배플을 포함하며, 이들은 배기 출구(104)의 영역에서 연료 전지 스택을 떠나는 아노드 배기의 흐름을 제한하도록 배기 출구(104)의 영역에 배치되며, 그 결과 연료가 스택의 연료 전지들 사이에 더욱 균일하게 재분배되도록 스택의 연료 전지 내로의 연료의 흐름을 제어한다.

도5는 종래의 아노드 배기 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택과 또한 도2 및 도4a-4b에 도시된 매니폴드 조립체와 같은 본 발명의 매니폴드 조립체를 갖는 연료 전지 스택에서의 가스 흐름의 그래프를 도시하고 있다. 도5에 있어서, X 축은 스택 높이 백분율, 또는 연료 전지 스택의 높이를 따른 연료 전지의 위치를 나타내고 있으며, Y 축은 연료 전지를 통한 연료의 측정된 흐름을 나타내고 있다. 배플 없이 종래의 매니폴드 조립체를 갖는 연료 전지 스택을 통한 연료 흐름 분배의 구성은 "배플 없음" 으로 명명되며, 본 발명의 아노드 매니폴드 조립체를 포함한 연료 전지 스택을 통한 연료 흐름 분배의 구성은 "배플 있음" 으로 명명된다.

인식할 수 있는 바와 같이, 종래의 매니폴드를 갖는 종래의 연료 전지 스택의 흐름 분배는 스택의 한쪽 단부로부터 스택의 다른쪽 단부까지 변하므로, 연료 흐름은 아노드 배기 출구에 가장 가까운 영역에 대응하는, 스택 높이의 0-10% 의 영역에서 최대가 되며; 아노드 배기 출구로부터 가장 먼 영역에 대응하는, 스택 높이의 80-100%의 영역에서 가장 낮다. 그에 반해, 스택의 아노드 출구 표면과 인접하는 본 발명의 아노드 매니폴드 조립체를 사용한 연료 전지 스택의 연료의 흐름 분배는, 실질적으로 스택을 통해 균일하며, 또한 한쪽 영역으로부터 다른쪽까지 단지 미세하게 변한다. 연료 흐름 분배의 미세한 변화는 스택 높이의 20-30% 의 영역에 전략적으로 배치된 및/또는 스택 높이의 55-75% 의 영역에 전략적으로 배치된 통기부를 사용함으로써 보정될 수 있음을 추가로 인식해야 한다.

일부 실시예에 있어서, 배플은 연료 전지 스택을 통한 가스의 흐름을 추가로 제어하기 위해 또한 스택의 온도를 제어하기 위해 다른 매니폴드 조립체에 사용될 수 있다. 특히, 연료 전지 스택 내로 옥시던트 가스의 흐름을 제어하기 위해 또한 연료 전지 스택의 온도를 제어하기 위해, 하나 이상의 배플이 캐소드 입구 매니폴드 조립체에 사용될 수 있으며, 이것은 스택의 캐소드 입구 표면과 인접하도록 적응된다.

도2에 도시된 바와 같이, 스택의 캐소드 입구 표면(202c)은 스택의 아노드 입구 표면(202a)과 실질적으로 직교하며, 또한 캐소드 입구 표면(202c1)의 일부는 아노드 입구(202a)를 따라 연장하며, 캐소드 입구 표면(202c2)의 일부는 아노드 출구 표면(202b)을 따라 연장한다. 연료 전지 작동 중, 스택의 아노드 입구 지역에 냉각이 필요하며, 또한 스택의 높이를 따라 균일한 캐소드 배기 온도가 요구된다. 이런 온도 특성은, 스택의 아노드 입구 부분 가까이에 있는 캐소드 입구(202c1)의 영역에 더 큰 옥시던트 흐름을 제공하기 위해, 연료 전지 스택으로의 옥시던트 가스 흐름을 제어함으로써 달성될 수 있다. 이 옥시던트 가스 흐름 제어는, 스택의 아노드 입구에 인접한 또는 이에 가까운 캐소드 입구 표면의 영역이 더 큰 옥시던트 흐름을 수용하도록, 캐소드 입구 매니폴드에 하나 이상의 배플을 제공함으로써, 특히 하나 이상의 배플을 캐소드 입구 매니폴드에 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 아노드 입구에 가까운 캐소드 입구(202c1)의 영역에 개구를 제공하기 위해 아노드 출구에 가까운 캐소드 입구(202c2)의 영역에서 캐소드 입구 매니폴드에 하나 이상의 배플이 위치된다.

도6a 및 6b는 도1-4a의 아노드 매니폴드 조립체와 스택의 캐소드 입구 표면(202c)과 인접한 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300)를 모두 포함하는 연료 전지 스택(200)의 측면도 및 평면도를 개략적으로 도시하고 있다. 이 실시예의 아노드 매니폴드 조립체(100)의 구성은 위에 서술한 실시예와 동일하며, 따라서 아노드 매니폴드 조립체(100)의 설명이 생략된다. 도6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300)는 스택(200)의 캐소드 입구 표면(202c)과 인접하고 이를 둘러싸는 캐소드 입구 매니폴드(302)를 포함한다. 캐소드 입구 매니폴드(302)는 옥시던트 가스를 수용하기 위한 포위부 또는 격벽을 형성하며, 또한 옥시던트 가스를 연료 전지 스택의 연료 전지 캐소드에 공급한다. 매니폴드(302)는 본 양수인에게 양도되었으며 또한 여기에 참조인용된 미국 특허 제6,887,611호에 개시된 바와 같은 구성을 가질 수 있다. 특히, 매니폴드(302)는 외측벽, 상기 외측벽에 연결된 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽과 상부 및 바닥벽에 연결된 마주하는 측벽(302a, 302b)을 포함한다.

도6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300)는 옥시던트 입구(304), 및 옥시던트 입구(304)로부터 매니폴드(302)의 포위부를 통해 연료 전지 스택으로의 옥시던트 가스의 흐름을 제어하기 위해 하나 이상의 배플(306)을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300)는 매니폴드(302)의 제1측벽(302a)으로부터 연장하는 하나의 배플(306)을 포함하며, 이것은 스택의 연료 출구 측부를 따라 매니폴드(302)의 마주하는 제2측벽(302b)을 향해 연장하며, 이것은 스택의 연료 입구 측부를 따라 연장한다. 배플(306)은 제1측부(302a)로부터 제2측부(302b)로의 경로의 일부만 연장하므로, 매니폴드 포위부의 제2측부(302b)를 따라 개구(307)를 생성할 수 있다. 배플(306)은 도6a에서 배플(306)에 지지를 제공하기 위해 배플(306)의 단부를 매니폴드의 제2측벽(302b)에 연결하는 하나 이상의 지지 부재(308)를 사용하여 지지될 수 있다.

작동 중, 입구(304)를 통해 캐소드 입구 매니폴드(302)에 공급된 옥시던트 가스는 연료 전지 스택(200)에 도달하기 전에 배플을 따라 또한 배플 둘레로 이동하도록 배플(306)에 의해 지향된다. 개구(307)가 스택의 연료 입구 측부에 인접한 매니폴드(302b)의 제2측벽을 따라 연장하기 때문에, 연료 전지의 영역에 또는 개구(307) 가까이에 더 많은 옥시던트 가스 흐름이 제공된다. 이 방법으로, 스택의 연료 입구 영역에 가까운 캐소드를 통한 옥시던트 흐름과 아노드의 입구 영역을 통한 연료 흐름 사이의 열교환을 통해 연료 전지 스택의 연료 입구 영역에 추가적인 냉각이 제공된다. 도6a 및 6b에 도시되지는 않았지만, 필요 시 스택의 다른 영역에 추가적인 냉각을 제공하도록 배플의 다른 개구 또는 관통부가 전략적으로 제공 및 배치될 수 있다. 더욱이, 도6a 및 6b에 도시된 실시예만 하나의 배플(306)을 포함하고 있지만, 원하는 옥시던트 흐름 제어를 제공하기 위해 복수의 배플이 사용될 수 있다.

아노드 매니폴드 조립체(100) 및 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300)의 배플(106, 306)의 효과가 도7a, 7b, 및 7c에 각각 도시되어 있다. 특히, 도7a 및 7b는 그 캐소드 입구 표면과 인접한 도6a 및 6b의 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300) 및 그 아노드 출구 표면과 인접한 도2 및 도4a-4b의 아노드 매니폴드 조립체(100)를 사용하는 연료 전지 스택의 네거티브 단부로부터 포티지브 단부까지의 캐소드 배기 및 캐소드 입구 온도 분포를 도시하고 있다. 도7a와 7b 사이에서, X 축은 연료 전지 스택이 작동하는 퍼센트 전력 레벨을 나타내며, Y 축은 측정된 온도(℉)를 나타내고 있다. 도7a 및 7b에서, 각각의 막대 그룹, 즉 도7a의 4개의 막대 그룹과 도7b의 5개의 막대 그룹은 스택의 네거티브 단부, 즉 각각의 그룹의 가장 좌측 막대로부터 스택의 포지티브 단부, 즉 각각의 그룹에서 가장 우측 막대로 연장하는, 스택 내의 상이한 위치를 나타내고 있다.

도7c는 그 매니폴드에 어떤 배플도 포함하지 않는 4개의 종래 스택, 즉 스택들(A, B, C, D)과 도2 및 도4a-4b의 아노드 매니폴드 조립체(100)와 도6a 및 6b의 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300) 모두를 포함하는 제5스택, 즉 스택(E) 사이의 비교를 도시하고 있다. 도7c에 있어서, X 축은 5개의 상이한 스택(A, B, C, D, E)을 나타내며, 또한 Y 축은 연료 전지 스택에서 가장 낮은 또는 제로 퍼센트 높이 연료 전지로부터의 연료 전지 캐소드 배기 온도 차이를 나타내고 있다. 0% 높이 연료 전지는 연료 전지 스택의 네거티브 단부에서의 연료 전지에 대응한다. 도7c에 있어서, 각각의 스택(A-E)은 50% 스택 높이 위치와 0% 스택 높이 위치 사이의 캐소드 배기 온도 차이의 측정값, 및 75% 스택 높이 위치와 0% 스택 높이 위치 사이의 캐소드 배기 온도 차이의 측정값을 포함한다.

도7a에 도시된 바와 같이, 테스트된 연료 전지 스택으로부터 출력된 캐소드 배기의 온도는 상이한 현재 밀도에서 스택의 네거티브 단부로부터 스택의 포지티브 단부까지 약 10℉ 의 변화를 갖는다. 이 온도 분포는 어떠한 배플도 갖지 않는 종래 매니폴드를 사용하는 연료 전지에서 전형적으로 나타나는 온도 분포와는 반대이다. 또한, 도7a에 도시된 바와 같이, 캐소드 배기의 가장 높은 온도는 전형적으로 376C 로 명명된 막대에 의해 도시된 바와 같이 연료 전지 스택의 중간으로부터 출력되었다.

도7b에 도시된 바와 같이, 테스트된 연료 전지 스택의 캐소드 입구 영역에서 옥시던트 가스의 온도는 네거티브 단부로부터 포지티브 단부까지 약 12℉ 의 변화를 가졌으며, 이것은 매니폴드에 존재하는 제어 배플를 갖는 연료 전지 스택에서 나타나는 전형적인 변화 범위 내에 있다. 또한, 하부 캐소드 입구 온도는 연료 전지 스택의 네거티브 단부 가까이에서 관찰되었다.

도7c에 도시된 바와 같이, 그 매니폴드에 제어 배플을 갖는 않는 연료 전지 스택, 즉 스택(A, B, C, D)에 있어서, 캐소드 배기 온도는 전형적으로 가장 낮은 연료 전지 또는 스택의 0% 높이 전지의 캐소드 배기 온도에 대해 감소된다. 도시된 바와 같이, 스택(A, B, C, D)에 있어서, 50% 스택 높이에서의 캐소드 배기 온도는 전형적으로 스택의 0% 높이에서 보다 낮은 8℉ 내지 13℉ 이며, 또한 스택(B)의 극한(extreme)의 경우 스택의 0% 높이에서 보다 낮은 15℉ 이상일 수 있다. 스택(A, B, C, D)에 있어서, 75% 스택 높이에서 캐소드 배기 온도는 전형적으로 0% 스택 높이에서 보다 낮은 13℉ 내지 18℉ 이며, 또한 스택(B)의 극한의 경우 0% 스택 높이에서 보다 낮은 25℉ 이상일 수 있다. 도7c는 스택(E)에 대해 측정된 온도 차이를 도시하고 있으며, 이것은 제어 배플을 갖는 캐소드 입구 매니폴드 조립체와 아노드 배기 제어 배플을 갖는 아노드 매니폴드 조립체 모두를 갖는다. 스택(E)에 대한 결과는 50% 및 75% 스택 높이에서 연료 전지로부터의 캐소드 배기의 온도가 0% 스택 높이에서 캐소드 배기 온도 보다 높은 5℉ 내지 6℉ 임을 도시하고 있다. 아노드 매니폴드 조립체 및 캐소드 배기 매니폴드 조립체의 배플의 다른 배치에 있어서, 스택의 임의의 높이와 스택의 0% 높이에서의 네거티브 단부 연료 전지 사이의 캐소드 배기 온도 차이는 4℉ 이하일 수 있다.

도7a, 7b, 7c에 도시된 관찰, 특히 캐소드 배기 온도에 대한 관찰은, 아노드 매니폴드 조립체 및 캐소드 입구 매니폴드 조립체에 각각 사용된 배플(106, 306)이 스택의 온도 분포 뿐만 아니라 스택을 통한 옥시던트 가스의 흐름을 보정할 수 있음을 나타내고 있다. 배플의 치수 변화, 특히 아노드 매니폴드 조립체의 배플(106a-d)의 높이의 변화는 스택 내의 온도의 증가된 균일성을 생산할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에 있어서, 60 인치 대신에 55 인치의 조합된 높이를 갖는 짧은 배플(106a-d)은 스택의 자유로운 배플링되지 않은(unbaffled) 단부를 감소시킬 것이며 또한 캐소드 배기 온도 균일성을 개선시킬 것으로 예상된다. 스택에 더욱 균일한 온도를 제공함과 함께, 캐소드 입구 매니폴드 조립체의 배플(306)은 입구 영역 온도도 감소시킨다.

도8은 입구 매니폴드 조립체(400)의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있으며, 이것은 스택의 캐소드 입구 표면과 인접한 캐소드 입구 매니폴드 조립체(300)로서 또는 스택의 아노드 입구 표면과 인접한 아노드 입구 매니폴드 조립체로서 사용될 수 있다. 입구 매니폴드 조립체(400)는 입구 매니폴드(402)를 포함하며, 이것은 종래의 아노드 및 캐소드 입구 매니폴드와 유사한 구성을 가지며 또한 연료 전지 스택의 입구 표면을 밀봉 가능하게 둘러싸도록 적응된다. 입구 매니폴드(402)는 입구 매니폴드(402)에 입구 가스를 공급하는 입구 파이프(404)를 거쳐 입구 가스를 수용하기 위한 포위부 또는 격벽을 형성한다. 도8에 도시된 바와 같이, 입구 파이프(404)는 매니폴드(402)의 높이의 적어도 일부를 따라 매니폴드(402) 내로 연장한다. 또한, 매니폴드(402)는 매니폴드의 높이를 따라 매니폴드의 포위부 내에 배치되며 또한 입구 가스를 매니폴드의 포위부로부터 스택 표면으로 출력하기 위해 배플들(406) 사이에 다수의 개구 또는 출구(407)을 형성하는 하나 이상의 배플(406)을 포함한다. 고온 적용 시, 배플(406)은 스텐레스 스틸로 형성될 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 장벽 타입(barrier-type) 부재가 배플 대신에 포위부 내에 설치될 수 있으며, 상기 장벽 타입 부재는 포위부 영역의 전부 또는 일부를 덮으며, 상기 장벽 타입 부재는 그 내부에 형성되는 다수의 출구 또는 개구를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 매니폴드의 포위부에 수용된 입구 가스는 장벽 타입 부재에 의해 매니폴드가 인접한 연료 전지 스택으로 직접적으로 흐르는 것이 차단되며, 대신에 원하는 분배를 제공하기 위해 장벽 타입 부재에 형성된 출구 또는 개구(407)를 통해 스택 표면으로 지향된다. 배플 처럼, 장벽 타입 부재는 스텐레스 스틸 시트로부터 형성될 수 있다.

매니폴드 포위부 내의 장벽 타입 부재의 배플(406)의 포지셔닝 및 개수는 원하는 흐름 분배에 따라 또한 매니폴드에 의해 지향된 가스가 연료 입구 가스 또는 옥시던트 입구 가스인지에 따를 것이다. 예를 들어, 일부 실시예에 있어서, 배플 또는 장벽 타입 부재는 한쪽 측벽으로부터 다른쪽으로 스택의 전체 폭을 따라 연장할 것이며, 다른 실시예에서 배플 또는 장벽 타입 부재는 스택 폭의 일부를 따라서만 연장할 것이다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, 배플 또는 장벽 타입 부재는 스택의 전체 높이를 따라 배치된다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 배플 또는 장벽 타입 부재는 스택 높이의 일부를 따라서만 배치될 수 있다.

도8에 도시된 실시예에 있어서, 매니폴드 포위부에 배치된 배플(406) 또는 장벽 타입 부재 사이에 형성된 출구 또는 개구(407)는, 스택 표면에 입구 가스의 더욱 균일한 분배를 제공하기 위해 실질적으로 균일한 간격으로 제공된다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 출구 또는 개구(407)는 연료 전지 스택으로의 주문된 흐름 분배를 제공하기 위해 포위부의 변화하는 간격으로 및 변화하는 위치에 형성될 수 있다. 이 방법으로, 스택으로의 입구 가스의 흐름 분배는 스택 내의 온도를 제어하기 위해, 스택의 연료 전지들 사이에 가스를 더욱 균일하게 분배하기 위해, 또한 스택의 열역학적 프로필을 제어하기 위해, 조정될 수 있다.

도9a, 도9b, 및 도9c는 개별적인 연료 전지 매니폴드가 아니라 가스 흐름을 시스템 레벨로 제어하는데 배플이 사용되는 복수의 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템(900)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도9a는 공통의 포위부(902) 내에 4개의 연료 스택(A-D)을 포함하는 비대칭 멀티-스택 연료 전지 시스템(900)을 도시하고 있으며, 또한 거기에서 모든 스택은 공기 흡입 조립체(910) 및 단일의 비대칭 배기 조립체(904)를 거친 단일의 공기 소스를 공유한다. 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택은 각각 A, B, C, D 로 명명된다. 종래의 비대칭 멀티-스택 연료 전지 시스템에 있어서, 각각의 스택은 상이한 양의 공기를 드로잉(draw)할 것으로 예상된다. 특히, C-D 스택 쌍으로부터의 배기 흐름 경로는 A-B 스택 쌍으로부터의 배기 경로 보다 짧으며, 따라서 종래의 비대칭 멀티-스택 시스템에서 C-D 스택 쌍은 A-B 스택 쌍 보다 더 많은 공기 흐름을 드로잉할 것으로 예상된다. 도9a의 시스템에 있어서, 스택으로의 공기 흐름의 불균일성은 스택(C, D)으로의 공기 흐름의 저항을 증가시키기 위해 포위부 내에 하나 이상의 배플을 전략적으로 배치함으로써 보정된다. 도9a의 예시적인 실시예에 있어서, 배플(906)은 공기가 스택(C, D)의 옥시던트 입구 표면에 도달하기 전에 이들 배플(906) 둘레로 이동하도록, 연료 전지 스택(C, D)의 옥시던트 입구 표면 앞에 배치된다. 이 구성은 다시 스택(C, D)이 스택(A, B)과 동일한 양의 공기 흐름을 드로잉하도록 유발시키는, 압력 평형을 생성한다. 배플(906)은 실질적으로 평탄한 또는 평평한 구성을 가질 수 있으며, 또는 스택의 옥시던트 입구 표면에 대해 볼록하거나 또는 오목할 수 있다. 도9a의 예시적인 실시예에 있어서, 배플(906)은 스텐레스 스틸 시트로부터 형성된다. 배플(906)이 고형물로서 도시되었지만, 배플(906)은 미기 결정된 방식으로 공기의 흐름을 제어하기 위해 그 내부에 개구, 관통부, 또는 통기부를 가질 수 있음을 인식해야 한다.또한, 스택(C, D)의 옥시던트 입구 표면으로부터 각각의 배플(906)의 거리는 미리 결정된 압력 평형을 생성하고 또한 스택들 사이에 더욱 균일한 공기 흐름을 제공하도록 변화될 수 있다. 더욱이, 도9a의 실시예는 스택(C, D)의 각각의 옥시던트 입구 표면 앞에 하나의 배플(906)을 사용하고 있지만, 본 발명의 범위 내에서 원하는 공기 흐름 분배를 제공하기 위해 복수의 배플이 사용될 수 있음도 예상된다.

도9b는 포위부(902) 내에 수용되고 또한 공통의 공기 흡입 조립체(910)로부터 공기가 공급되는 스택(A, B, C, D)을 포함하며 또한 배기를 출력하기 위해 공통의 비대칭 배기 조립체(904)를 갖는, 멀티-스택 연료 전지 시스템(900)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 연료 전지 시스템의 구성은 배플이 사용되는 방법을 제외하고는, 도9a에 도시된 시스템과 실질적으로 동일하다. 도9b에 있어서, 도9a에 다용된 공기 흡입 배플(906)을 사용하는 대신에, 배기 조립체(904)에 전략적으로 배치된 제한기(restrictor) 배플(916)을 사용함으로써 스택 흐름 평형이 보정된다. 도9b에 도시된 바와 같이, 배기 조립체(904)는 배기 출력 라인(914a-914b)에 의해 각각의 연료 전지 스택(A-D)에 연결된 공통의 배기 출구(904a)를 포함하며, 상기 배기 출력 라인(914a)은 연료 전지 스택(A)의 배기 출력을 공통의 배기 출구(904a)에 연결하며, 배기 출력 라인(914b)은 스택(B)의 배기 출력을 공통의 배기 출구(904a)에 연결하며, 배기 출력 라인(914c)은 스택(C)의 배기 출력을 공통의 배기 출구(904a)에 연결하며, 배기 출력 라인(914d)은 스택의 배기 출력을 공통의 배기 출구(904a)에 연결한다.

도9b에 도시된 바와 같이, 배기 출력 라인(914c, 914d), 즉 배기 파이프는 그 내부에 배치된 제한기 배플(916)을 갖는다. 제한기 배플(916)은 스택(C, D)으로부터 오는 배기의 흐름을 제한하고 그에 따라 스택(C, D)을 통한 공기의 흐름이 제한되도록 배기 파이트에 배치된 간단한 차단부(blockage)를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 제한기 배플(916)은 둥근 배기 파이프(914c, 914d)에 배치된 오리피스 플레이트이다. 다른 실시예에 있어서, 각각의 제한기 배플(916)은 스택(C, D)의 배기를 통한 압력 강하를 증가시키기 위해 소형 파이프 또는 거친(rougher) 파이프에 의해, 또는 파이프의 스크린 또는 매트릭스 세트에 의해 교체될 수 있다. 도9b에 도시되지는 않았지만, 만일 스택(A, B)이 가스 흐름을 덜 수용할 필요가 있다면, 제한기 배플 또는 다른 흐름 제한 장치가 스택(A 또는 B)의 배기 파이프에 배치될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 스택(A 및/또는 B)을 통한 가스 흐름은 스택(A 및/또는 B)으로부터 공통의 배기 출구(904a)로 이어지는 배기 파이프(914a, 914b)의 크기나 직경을 증가시킴으로써 증가될 수 있다.

도9b의 예시적인 실시예에 있어서, 배플(916)은 스텐레스 스틸 물질로부터 형성된다. 그러나, 배플을 위해 다른 물질이 사용될 수도 있음을 인식해야 한다. 더욱이, 배플(916)이 도9b에 고형물로서 도시되고 또한 배기 출력 라인(914c, 914d)의 폭을 통해 부분적으로 연장하는 것으로 도시되었지만, 배플(916)은 그 내부에 개구, 관통부, 또는 통기부를 포함할 수 있으며 및/또는 미리 결정된 방식으로 배기 흐름을 제어하기 위해 그 내부에 하나 이상의 개구를 갖는 배기 출력 파이프의 전체 폭을 통해 연장할 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 일부 실시예에 있어서, 미리 결정된 흐름 제어를 제공하기 위해 각각의 출력 라인(914c, 914d)에 복수의 배플(916)이 사용될 수 있다. 또한, 도9b는 공통의 배기 출구(904a) 가까이의 출력 라인(914c, 914d)에 배치되는 배플(916)을 도시하고 있지만, 출력 라인(914c, 914d)에서 배플(916)의 포지셔닝은 시스템 요구에 따라 변할 수도 있음을 인식해야 한다.

도9c는 그 내부에 사용된 배플링을 제외하고는, 도9a 및 9b의 시스템과 동일한 구성을 갖는 멀티 스택 연료 전지 시스템(900)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 시스템(900)은 포위부(902)로 둘러싸이며 또한 각각의 스택의 배기 출력이 각각의 배기 출력 라인(914a-d)에 의해 공통의 배기 출구(904a)에 연결되는 공통의 비대칭 배기 조립체(904)를 갖는 스택(A-D)을 포함한다. 도9c에 도시된 바와 같이, 스택 흐름 평형은 도8에 도시된 조립체의 원리를 사용하는 배플 조립체(926)를 사용하여 보정될 수 있지만, 그러나 흐름은 도8의 흐름과는 반대 방향으로 이동한다. 도9c에 도시된 바와 같이, 4개의 연료 전지 스택(A, B, C, D) 모두는 상이한 경로 길이를 갖는 각각의 배기 출력 라인(914a-d)을 거쳐 공통의 플레넘(plenum)(904a)으로 흐른다. 그러나, 스택 쌍(A-B, C-D)으로부터 각각의 출력 라인(914a-d)의 배기 경로 길이는 각각의 출력 라인의 경로 길이를 연장시키도록 구성된 조정 가능한 슬리브(sleeve)(926a)를 포함하는 배플 조립체(926)를 사용하여 변화될 수 있다.

도9c에 있어서, 조정 가능한 슬리브(926a)는 출력 라인(914c, 914d)의 경로 길이를 미리 결정된 양으로 연장시키는데 사용된다. 도9c에 도시된 실시예에 있어서, 조정 가능한 슬리브(926a)는 배기 출구(904a)의 직경 및 길이 보다 작은 직경 및 길이를 가지며 또한 배기 출구(904a)에 이동 가능하게 끼워질 수 있는, 이동 가능한 파이프 부재(927)를 포함한다. 또한, 조정 가능한 슬리브(926a)는 파이프(927)의 외측 표면과 배기 출구(904a)의 내측 표면 사이에 배치된 배플형 부재(928)를 포함한다. 부재(928)는 스택(A, B)으로부터 가장 먼 파이프(927)의 단부 가까이에 배치된다. 그러나, 부재(928)의 포지셔닝은 배기 출구(904a) 및 출력 라인(914c, 914d)의 구성 및 요구에 따를 것이다. 이전의 실시예에서처럼, 조정 가능한 슬리브(926a)는 스텐레스 스틸로부터 또는 다른 적절한 물질로부터 형성될 수 있다.

슬리브(926a)는 배기 출구(904a) 내에서 이동될 수 있으며, 또한 출력 라인(914c, 914d)의 경로 길이가 연장된 연장량은 슬리브(926a)를 스택(A-B)을 향해 이동시키나 또는 이로부터 멀리 이동시킴으로써 조정된다. 예를 들어, C-D 쌍이 A-B 쌍 보다 더 많은 흐름을 통과한다면, 조정 가능한 슬리브(926)는 파이프(927)의 입구(927a)가 스택(C-D)으로부터 더욱 멀어지도록 스택(A-B)을 향해 이동될 수 있다. 이 출구(exit) 평면 조정은 스택(C, D)으로부터 배기 경로의 연장과 스택(C, D)을 가로지르는 압력 강하로 나타나며, 따라서 스택 쌍(C-D)을 통해서는 적은 흐름을 유발시키고 또한 스택 쌍(A-B)을 통해서는 흐름을 증가시킨다. 파이프 입구(927)가 스택(C, D)에 더 가깝도록 조정 가능한 슬리브(926)를 A-B 로부터 멀리 이동시키는 것은 스택 쌍(C, D)을 통한 흐름을 증가시키고 또한 스택 쌍(A-B)을 통한 흐름을 감소시키는 역효과를 갖는다. 미리 결정된 흐름 평형이 달성된 후, 조정 가능한 슬리브는 제 위치에 로킹(locking)되거나 용접될 수 있으며, 또는 입구(927a) 위치가 표시 및 측정될 수 있으며, 또한 동일한 측정값을 사용하여 호환 가능한 배기 부분으로 대량 생산이 시작될 수 있다. 동일한 흐름 제어는 이부(927a) 대신에 상향하는 입구를 갖는, 또는 그 내부에 조정 가능한 개구 또는 개구들을 구비한 고정된 슬리브를 갖는, 조정 가능한 슬리브 조립체를 사용하여 달성될 수 있다. 일단 원하는 흐름 평형이 원형(prototype)으로 달성되면, 슬리브 입구 또는 다른 개구의 위치가 후속으로 제조되는 배기 조립체로 고정될 수 있다.

도9a, 도9b, 및 도9c는 멀티-스택 연료 전지 시스템을 통해 가스 흐름을 제어하기 위해 도1-8의 단일의 연료 전지 스택 매니폴드 조립체가 배플 조립체에 어떻게 적응될 수 있는지에 대한 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 배플의 특정한 구성 및 포위부 및/또는 멀티-스택 시스템의 배기 조립체에서의 그 포지셔닝은 다양한 구성을 달성하도록, 또한 스택을 통해 연료 및 옥시던트 가스의 흐름을 제어하도록, 변화될 수 있음을 인식해야 한다.

모든 경우에 있어서 위에 서술한 배치는 단지 많은 가능한 특정한 실시예의 예시적인 것이며 이것은 본 발명의 적용을 나타내는 것을 인식해야 한다. 매니폴드 조립체의 부품의 다양한 구성 및 상이한 물질을 포함하여, 많은 그리고 다양한 다른 배치가 본 발명의 정신 및 범위로부터의 일탈 없이 본 발명의 원리에 따라 용이하게 창작될 수 있다.

100: 아노드 매니폴드 조립체 104: 배기 출구
106: 배플 108: 지지 구조물
107c: 슬롯

Claims

연료 전지 스택에 사용하기 위한 매니폴드 조립체로서:
연료 전지 스택의 표면과 인접하고 그리고 밀봉 가능하게 둘러싸기 위한 외측 매니폴드; 및
외측 매니폴드의 포위부에 배치된 하나 이상의 배플을 포함하며,
상기 하나 이상의 배플은
(a)상기 포위부로부터 상기 연료 전지 스택의 연료 전지로 입구 가스의 가스 흐름 분배를 제어하는 단계; 및
(b)포위부 내의 배기 가스 흐름의 방향을 제어하는 단계 중 하나를 포함하며,
상기 매니폴드는 연료 전지 스택에 입구 가스를 제공하는 것과 그리고 상기 연료 전지 스택으로부터 배기 가스를 수용하는 것 중 하나를 위해 포위부를 포함하는
매니폴드 조립체.
제1항에 있어서,
상기 외측 매니폴드는 상기 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면으로부터 아노드 배기 가스를 수용하기 위한 아노드 배기 매니폴드이며,
상기 포위부는, 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면과 마주하도록 적응되며 또한 매니폴드가 아노드 출구 표면과 인접할 때 이것을 통해 아노드 배기 가스가 아노드 출구 표면으로부터 포위부 내로 출력되는 개구, 및 매니폴드로부터 아노드 배기 가스를 출력하기 위해 포위부에 형성된 적어도 하나의 배기 출구를 포함하며,
상기 배플 중 적어도 하나는 상기 배플 중 적어도 하나의 둘레의 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지로부터 수용된 아노드 배기 가스 흐름의 방향을 제어하기 위해, 배기 출구와 개구 사이의 포위부에 배치되는
매니폴드 조립체.
제2항에 있어서,
매니폴드의 포위부의 높이는 연료 전지 스택의 높이와 동일하거나 또는 이 보다 크며, 또한 매니폴드 조립체는 포위부의 높이의 적어도 일부를 따라 포위부에 배치된 다수의 배플을 포함하는
매니폴드 조립체.
제3항에 있어서,
상기 배플은 상기 연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지에서 상기 아노드 배기의 배압을 제어하고 또한 상기 미리 결정된 연료 전지 내로 입구 연료 흐름의 양을 감소시키기 위해 포위부에 배치되는
매니폴드 조립체.
제4항에 있어서,
연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지는 매니폴드의 포위부에서 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지, 및 상기 연료 전지 스택이 상기 하나 이상의 배플이 없는 다른 매니폴드 조립체에 사용될 때 연료 전지 스택의 다른 연료 전지 보다 큰 입구 연료 흐름을 수용하는 연료 전지를 포함하는
매니폴드 조립체.
제3항에 있어서,
매니폴드의 포위부는 개구와 마주하는 외측 벽, 외측 벽에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측 벽과 상부 및 바닥 벽에 연결되는 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며,
다수의 배플의 각각은 포위부의 제1 및 제2측벽에 연결된 마주하는 제1 및 제2단부를 각각 포함하며,
상기 배플은 포위부의 높이의 일부를 따라 연속적으로 배치되고, 상기 연속적인 배플은 통기부에 의해 분리되는
매니폴드 조립체.
제6항에 있어서,
매니폴드 조립체가 아노드 출구 표면에 인접할 때 상기 배플이 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면에 대해 오목하도록, 상기 배플의 각각은 포위부의 외측 벽을 향해 굴곡되는
매니폴드 조립체.
제6항에 있어서,
상기 배플의 하나 이상은 하나 이상의 미리 결정된 위치에 통기부, 관통부, 및 그 내부의 개구를 포함하는
매니폴드 조립체.
제6항에 있어서,
포위부에서 상기 배플을 지지하기 위한 하나 이상의 지지 부재를 추가로 포함하며, 상기 지지 부재 중 적어도 하나는 상부 및 바닥 벽 중 하나에 연결되고 또한 포위부의 높이의 적어도 일부를 따라 연장하는
매니폴드 조립체.
제1항에 있어서,
상기 내측 매니폴드는 연료 전지 스택의 캐소드 입구 표면을 둘러싸기 위한 또한 옥시던트 가스를 캐소드 입구 표면에 제공하기 위한 캐소드 입구 매니폴드이며;
상기 적어도 하나의 배플은, 매니폴드 조립체가 캐소드 입구 표면과 인접할 때 연료 전지 스택의 아노드 입구 표면에 가장 가까운 연료 전지의 일부가 입구 옥시던트 가스의 증가된 흐름을 수용하도록, 포위부로부터 연료 전지 스택의 연료 전지까지 입구 옥시던트 가스의 가스 흐름 분배를 제어하는
매니폴드 조립체.
제10항에 있어서,
상기 포위부는 외측벽, 상기 외측벽에 연결된 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽과 상기 상부 및 바닥 벽에 연결된 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며, 상기 포위부의 제1측벽은 매니폴드 조립체가 스택의 캐소드 입구 표면과 인접할 때 스택의 아노드 입구 표면과 가장 가깝게 배치되며; 및
적어도 하나의 배플은 포위부의 제2측벽으로부터 제1측벽의 방향으로 포위부의 폭의 일부를 따라 연장하는
매니폴드 조립체.
제11항에 있어서,
적어도 하나의 배플은 실질적으로 평탄한
매니폴드 조립체.
연료 전지 스택 조립체로서:
아노드 입구 표면, 연료 입구 표면과 마주하는 아노드 출구 표면, 캐소드 입구 표면, 및 캐소드 입구 표면과 마주하는 캐소드 출구 표면을 포함하는 연료 전지 스택; 및
적어도 하나의 매니폴드 조립체를 포함하며,
상기 각각의 매니폴드 조립체는
연료 전지 스택의 표면들 중 하나와 인접하고 또한 이를 밀봉 가능하게 둘러싸기 위한 외측 매니폴드; 및
외측 매니폴드의 포위부에 배치된 하나 이상의 배플을 포함하며,
상기 하나 이상의 배플은
(a)상기 포위부로부터 상기 연료 전지 스택의 연료 전지까지 입구 가스의 가스 흐름 분배를 제어하며; 및
(b)포위부 내의 배기 가스 흐름의 방향을 제어하며,
상기 외측 매니폴드는 입구 가스를 연료 전지 스택에 제공하는 것과 또한 상기 연료 전지 스택으로부터 배기 가스를 수용하는 것 중 하나를 위해 포위부를 포함하는
연료 전지 스택 조립체.
제13항에 있어서,
적어도 하나의 매니폴드 조립체는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면과 인접한 아노드 배기 매니폴드 조립체를 포함하며,
아노드 배기 매니폴드 조립체의 상기 외측 매니폴드는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면으로부터 아노드 배기 가스를 수용하기 위한 아노드 배기 매니폴드이며,
아노드 배기 매니폴드 조립체의 상기 포위부는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면과 마주하며 또한 아노드 출구 표면으로부터 출력된 아노드 배기 가스를 수용하는 개구, 및 매니폴드로부터 아노드 배기 가스를 출력하기 위해 포위부에 형성된 적어도 하나의 배기 출구를 포함하며,
아노드 배기 매니폴드 조립체의 상기 배플 중 적어도 하나는 상기 배플 중 적어도 하나의 둘레에서 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지로부터 수용된 아노드 배기 가스의 방향을 제어하기 위해, 배기 출구와 개구 사이의 포위부에 배치되는
연료 전지 스택 조립체.
제14항에 있어서,
아노드 배기 매니폴드의 포위부의 높이는 연료 전지 스택의 높이와 적어도 동일하거나 또는 이 보다 크며, 또한 아노드 배기 매니폴드 조립체는 포위부의 높이의 적어도 일부를 따라 포위부에 배치된 다수의 배플을 포함하는
연료 전지 스택 조립체.
제15항에 있어서,
상기 배플은 상기 연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지에서 상기 아노드 배기의 배압을 제어하기 위해, 또한 상기 미리 결정된 연료 전지 내로 입구 연료 흐름의 양을 감소시키기 위해, 포위부에 배치되는
연료 전지 스택 조립체.
제16항에 있어서,
연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지는 아노드 배기 매니폴드의 포위부에서 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지, 및 연료 전지 스택의 다른 연료 전지 보다 더 큰 입구 연료 흐름을 수용하는 연료 전지를 포함하며; 연료 전지 스택은 상기 하나 이상의 배플 없이 다른 매니폴드 조립체에 사용되는
연료 전지 스택 조립체.
제15항에 있어서,
아노드 배기 매니폴드의 포위부는 개구와 마주하는 외측벽, 상기 외측벽에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽과 상부 및 바닥벽에 연결되는 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며;
다수의 배플의 각각은 포위부의 제1 및 제2측벽에 각각 연결되는 마주하는 제1 및 제2단부를 포함하며;
상기 배플은 통기부에 의해 분리되는 연속적인 배플을 갖는 포위부의 높이의 일부를 따라 연속적으로 배치되는
연료 전지 스택 조립체.
제18항에 있어서,
상기 각각의 배플은 상기 배플이 연료 전지 스택의 아노드 외측 표면에 대해 오목하도록, 포위부의 외측벽을 향해 굴곡되는
연료 전지 스택 조립체.
제18항에 있어서,
상기 하나 이상의 배플은 하나 이상의 미리 결정된 위치에 형성된 그 내부의 통기부, 관통부, 및 개구 중 하나 이상을 포함하는
연료 전지 스택 조립체.
제18항에 있어서,
포위부에 상기 배플을 지지하기 위한 하나 이상의 지지 부재를 추가로 포함하며, 상기 지지 부재 중 적어도 하나는 포위부의 상부 및 바닥 벽 중 하나에 연결되며 또한 포위부의 높이의 적어도 일부를 따라 연장하는
연료 전지 스택 조립체.
제14항에 있어서,
캐소드 입구 매니폴드 조립체를 추가로 포함하며,
상기 캐소드 입구 매니폴드 조립체는
연료 전지 스택의 캐소드 입구 표면을 둘러싸기 위한 또한 캐소드 입구 표면에 옥시던트 가스를 제공하기 위한 외측 캐소드 입구 매니폴드; 및
연료 전지 스택의 아노드 입구 표면에 가장 가까운 연료 전지의 부분이 입구 옥시던트 가스의 증가된 흐름을 수용하도록, 캐소드 입구 매니폴드의 포위부로부터 연료 전지 스택의 연료 전지까지 입구 옥시던트 가스의 가스 흐름 분배를 제어하는 적어도 하나의 배플을 포함하는
연료 전지 스택 조립체.
제22항에 있어서,
캐소드 입구 매니폴드의 상기 포위부는 외측벽, 상기 외측벽에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽과 상부 및 바닥벽에 연결되는 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며; 상기 포위부의 제1측벽은 스택의 아노드 입구 표면에 가장 가깝게 배치되며, 상기 캐소드 입구 매니폴드 조립체의 적어도 하나의 배플은 포위부의 폭의 적어도 일부를 따라 포위부의 제2측벽으로부터 제1측벽의 방향으로 연장하는
연료 전지 스택 조립체.
제23항에 있어서,
캐소드 입구 매니폴드 조립체의 적어도 하나의 배플은 실질적으로 평탄한
연료 전지 스택 조립체.
연료 전지 스택에서 가스 흐름 분배를 제어하는 방법으로서:
아노드 입구 표면, 아노드 출구 표면, 캐소드 입구 표면, 및 캐소드 출구 표면을 포함하는 연료 전지 스택을 제공하는 단계;
연료 전지의 적어도 하나의 표면 및 외측 매니폴드의 포위부 내의 적어도 하나의 배플을 밀봉 가능하게 둘러싸기 위해, 상기 외측 매니폴드와 인접하는 외측 매니폴드를 포함하는 적어도 하나의 매니폴드 조립체를 제공하는 단계;
연료 전지 스택의 작동 중 연료 입구 가스를 연료 전지 스택의 아노드 입구 표면에 공급하고 또한 옥시던트 가스를 캐소드 입구 표면에 공급하는 단계; 및
하기의 단계(a) 및 단계(b) 중 적어도 하나를 포함하는
가스 흐름 분배 제어 방법.
(a)외측 매니폴드의 포위부에 연료 입구 가스 또는 옥시던트 입구 가스를 수용하고 또한 적어도 하나의 배플을 사용하여 상기 포위부로부터 연료 전지 스택의 연료 전지까지 입구 가스의 가스 흐름 분배를 제어하는 단계; 및
(b)연료 전지 스택으로부터 외측 매니폴드의 포위부에 배기 가스를 수용하고 또한 적어도 하나의 배플을 사용하여 포위부 내의 배기 가스 흐름의 방향을 제어하는 단계.
제25항에 있어서,
적어도 하나의 매니폴드 조립체를 제공하는 상기 단계는 아노드 배기 외측 매니폴드를 포함하는 아노드 배기 매니폴드 조립체를 제공하는 단계를 포함하며;
상기 수용 단계는 외측 매니폴드의 개구를 통해 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면으로부터 아노드 배기 가스를 수용하는 단계를 포함하며; 및
상기 제어 단계는 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지로부터 수용된 아노드 배기 가스 흐름이 배기 출구로부터 출력되기 전에 적어도 하나의 배플 둘레로 지향되도록, 적어도 하나의 배플을 사용하여 아노드 배기 가스 흐름의 방향을 제어하는 단계를 포함하며,
상기 아노드 배기 외측 매니폴드의 포위부는 연료 전지 스택의 아노드 출구 표면과 마주하는 개구, 및 외측 매니폴드로부터 아노드 배기 가스를 출력하기 위해 포위부에 형성된 적어도 하나의 배기 출구를 포함하는
가스 흐름 분배 제어 방법.
제26항에 있어서,
상기 제어 단계는 상기 연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지에서 아노드 배기의 배압을 제어하고 또한 상기 미리 결정된 연료 전지 내로 연료 입구 가스의 흐름양을 감소시키기 위해, 아노드 배기 흐름의 방향을 제어하는 단계를 포함하는
가스 흐름 분배 제어 방법.
제27항에 있어서,
연료 전지 스택의 미리 결정된 연료 전지는 매니폴드의 포위부에서 배기 출구에 가장 가까운 연료 전지, 및 상기 연료 전지 스택이 상기 하나 이상의 배플이 없는 다른 매니폴드 조립체에 사용될 때 연료 전지 스택의 다른 연료 전지 보다 큰 입구 연료 흐름을 수용하는 연료 전지를 포함하는
가스 흐름 분배 제어 방법.
제26항에 있어서,
아노드 배기 외측 매니폴드의 포위부는 개구와 마주하는 외측 벽, 상기 외측 벽에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측 벽과 상부 및 바닥 벽에 연결되는 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며;
다수의 배플의 각각은 포위부의 제1 및 제2측벽에 연결된 마주하는 제1 및 제2단부를 각각 포함하며;
상기 배플은 포위부의 높이의 일부를 따라 연속적으로 배치되고, 상기 연속적인 배플은 통기부에 의해 분리되는
가스 흐름 분배 제어 방법.
제26항에 있어서,
적어도 하나의 매니폴드 조립체를 제공하는 상기 단계는 캐소드 입구 외측 매니폴드를 포함하는 캐소드 입구 매니폴드 조립체를 제공하는 단계를 추가로 포함하며;
상기 수용 단계는 캐소드 입구 외측 매니폴드에 옥시던트 가스를 수용하는 단계를 포함하며; 및
연료 전지 스택의 아노드 입구 표면에 가장 가까운 연료 전지의 부분이 입구 옥시던트 가스의 증가된 흐름을 수용하도록, 상기 제어 단계는 적어도 하나의 배플을 사용하여 포위부로부터 연료 전지 스택의 연료 전지까지 옥시던트 입구 가스의 가스 흐름 분배를 제어하는 단계를 포함하며,
상기 캐소드 입구 매니폴드 조립체의 포위부는 연료 전지 스택의 캐소드 입구 표면과 마주하는 개구, 및 상기 캐소드 입구 매니폴드 조립체의 포위부에 배치된 적어도 하나의 배플을 포함하는
가스 흐름 분배 제어 방법.
제30항에 있어서,
캐소드 입구 외측 매니폴드의 상기 포위부는 외측벽, 상기 외측벽에 연결되는 마주하는 상부 및 바닥 벽, 및 상기 외측벽과 상부 및 바닥벽에 연결되는 마주하는 제1 및 제2측벽을 포함하며; 상기 포위부의 제1측벽은 스택의 아노드 입구 표면에 가장 가깝게 배치되며; 및
적어도 하나의 배플은 포위부의 폭의 적어도 일부를 따라 포위부의 제2측벽으로부터 제1측벽의 방향으로 연장하는
가스 흐름 분배 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 외측 매니폴드는 연료 전지 스택의 아노드 입구 표면을 둘러싸기 위한 또한 아노드 입구 표면에 연료 가스를 제공하기 위한 아노드 입구 매니폴드이며; 및
상기 매니폴드 조립체는 하기의 (a) 및 (b) 중 하나를 포함하며,
(a)상기 배플이 포위부로부터 아노드 입구 표면까지 연료 입구 가스 흐름 분배를 제어하여 연료 전지 스택의 연료 전지들 중에 연료 입구 가스를 균일하게 분배하도록, 포위부와 배플들 사이의 다수의 개구 사이에 배치된 다수의 배플; 및
(b)포위부에 배치된 적어도 하나의 배플
상기 적어도 하나의 배플은 포위부로부터 아노드 입구 표면까지 연료 입구 가스 흐름 분배를 제어하여 연료 전지 스택의 연료 전지들 중에 연료 입구 가스를 균일하게 분배하도록 그 내부에 다수의 개구를 포함하는
매니폴드 조립체.
연료 전지 시스템으로서:
공통의 포위부 내에 수용된 다수의 연료 전지 스택;
상기 다수의 연료 전지 스택에 옥시던트 가스를 공급하기 위한 공통의 옥시던트 공급 조립체, 및 상기 다수의 연료 전지 스택으로부터 배기를 출력하기 위한 공통의 배기 출구 조립체 중 적어도 하나;
상기 다수의 연료 전지 스택 중에 가스 흐름 분배를 제어하기 위해 상기 포위부와 상기 공통의 배기 출구 조립체 중 하나에 배치된 하나 이상의 배플을 포함하는
연료 전지 시스템.
제33항에 있어서,
상기 다수의 연료 전지 스택은 상기 공통의 옥시던트 조립체로부터 옥시던트 가스를 수용하고 그리고 상기 공통의 배기 출구 조립체로부터 배기를 출력하며; 및
상기 하나 이상의 배플은 상기 공통의 배기 출구 조립체에 가장 가깝게 배치된 상기 연료 전지 스택 중 하나 이상으로의 옥시던트 가스의 흐름을 제한하기 위해, 상기 포위부의 미리 결정된 위치에 배치되는
연료 전지 시스템.
제34항에 있어서,
상기 다수의 연료 전지 스택의 각각은 개방된 옥시던트 입구 표면을 포함하며, 상기 하나 이상의 배플은 상기 하나 이상의 연료 전지 스택의 상기 옥시던트 입구 표면을 따라 배치되는
연료 전지 시스템.
제33항에 있어서,
상기 다수의 연료 전지 스택은 상기 공통의 옥시던트 조립체로부터 옥시던트 가스를 수용하고 그리고 상기 공통의 배기 출구 조립체로부터 배기를 출력하며; 및
상기 하나 이상의 배플은 상기 공통의 배기 출구 조립체에 가장 가깝게 배치된 상기 연료 전지 스택 중 하나 이상으로부터 배기의 흐름을 제한하기 위해, 상기 공통의 배기 출구 조립체의 미리 결정된 위치에 배치되는
연료 전지 시스템.
제36항에 있어서,
상기 공통의 배기 출구 조립체는 공통의 배기 출구 및 다수의 배기 출력 라인을 포함하며, 상기 배기 출력 라인의 각각은 각각의 연료 전지 스택으로부터의 배기를 상기 공통의 배기 출구에 연결하며; 및
상기 하나 이상의 배플은 상기 배기 출구 조립체에 가장 가깝게 배치된 상기 하나 이상의 연료 전지 스택을 연결하는 상기 배기 출력 라인에 배치되는
연료 전지 시스템.
제33항에 있어서,
상기 다수의 연료 전지 스택은 상기 공통의 옥시던트 조립체로부터 옥시던트 가스를 수용하고 그리고 상기 공통의 배기 출구 조립체로부터 배기를 출력하며;
상기 공통의 배기 출구 조립체는 공통의 배기 출구 및 다수의 배기 출력 라인을 포함하며, 상기 배기 출력 라인의 각각은 각각의 연료 전지 스택으로부터의 배기를 상기 공통의 배기 출구에 연결하며; 및
상기 연료 전지 시스템은 상기 공통의 배기 출구 조립체에 가장 가깝게 배치된 상기 하나 이상의 연료 전지 스택으로부터 배기 가스의 흐름 경로를 조정 가능하게 증가시키기 위해 상기 공통의 배기 출구에 배치되며 또한 상기 하나 이상의 배플과 협력하는 슬리브 부재를 포함하는 조정 가능한 슬리브 조립체를 추가로 포함하는
연료 전지 시스템.
제38항에 있어서,
상기 공통의 배기 출구는 제1파이프 부재를 포함하며;
상기 슬리브 부재는 마주하는 제1 및 제2단부를 가지며 또한 상기 제1파이프 부재의 직경 및 길이 보다 작은 직경 및 길이를 갖는 제2파이프 부재를 포함하며;
상기 하나 이상의 배플은 상기 공통의 배기 출구 조립체에 가장 가깝게 배치된 상기 하나 이상의 연료 전지 스택으로부터의 배기 가스가 상기 제2파이프 부재의 둘레로 또한 상기 제2파이프 부재의 제2단부 내로 흐르도록 지향되기 위해, 상기 제2파이프 부재의 상기 제1단부에 인접하여 배치되는
연료 전지 시스템.