KR20140056171A - 내동결성 연료 전지 응축기 - Google Patents

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싯타람 라마스와미
마사키 엠. 요코세
리차드 알. 필립스
마이클 엘. 페리
캐서린 엠. 굿리치
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Abstract

증발 냉각되는 연료 전지 스택(50)의 응축 유체물은 응축물의 고임(pooling)을 방지하기 위해 연장되는 핀[fin, 14, 25a] 또는 튜브(24, 24a)를 갖고, 그리고/또는 물을 안내하는 위킹(32)으로 의해 친수성이 되는 컨덴서의 전체 방출 면을 갖는 열 교환기(12a, 23, 23a) 내에서 응축된다. 응축 유체응축 유체응축 유체응축 유체고, 그것은 부분적으로 또는 전체적으로 친수성이 될 수 있고, 만약 그렇다면, 컨덴서의 친수성 단부면과 액체 연통하고, 컨덴서(49)는 지구의 중력에 대해 수직 배향으로부터 경사질 수 있다.

Description

내동결성 연료 전지 응축기{FREEZE-RESISTANT FUEL CELL CONDENSERS}
증발 냉각을 채용한 연료 전지 시스템에서 사용하기 적합한 컨덴싱 열 교환기와 같은 컨덴싱 열 교환기는 캐소드 배출물 유동이 연료 전지 시스템의 셧다운 동안 또는 저전력 작동 동안 감소함에 따라 축적되는 고인(pooled) 응축물로 막히게 되는 경향을 가진다. 추운 기후에서, 낮은 캐소드 유동에서 응축물 경로를 폐색하는 물은 동결함으로써 캐소드를 통한 공기 유동의 경로를 차단하고, 후속되는 시동을 방해할 수 있다. ⓐ 판 너머로 연장되는 판형 핀(plate fin) 타입의 열 교환기의 핀에 의해, 또는 ⓑ 형상화된 단부를 갖는 핀이 달린 튜브(finned tube) 타입의 열 교환기에 의해, 또는 ⓒ 캐소드 배출물 유동 경로의 단부에 물을 운반하는 위킹(wicking)에 접촉하는 친수성 표면을 제공함으로써, 응축물의 고임이 예방된다.
미국 특허 제7,504,170호(참고문헌으로 인용됨)에서와 같이 증발 냉각을 채용한 연료 전지 시스템은 소형이고 효율적인 콘덴싱 열 교환기를 요구한다. 이는 연료 전지로 작동하는 전기 자동차와 같은 자동차 응용예에 사용되는 연료 전지 시스템에서 특히 그러하다. 판형 핀 타입 열 교환기와 핀이 달린 튜브 열 교환기는 그러한 용도에 적합하다. 그러나, 대체로 이러한 열 교환기는 한정된 공간 내에서, 응축 유동 측(condensation flow side)에서 열 교환 영역을 최대화하기 위해 매우 밀집한 열 교환 핀과 튜브 또는 판을 구비한 매우 좁은 유동 채널로 구성된다.
응축물 채널이 매우 좁기 때문에, 연료 전지 시스템이 셧다운될 때, 응축물을 안내하기 위한 충분한 이동 유체 체적의 부족으로 인해 물은 유동 채널 내에 쉽게 잔류한다. 응축물은 셧다운 후에 좁은 채널을 가로질러 고이는 경향이 있고 빙점하(sub-freezing) 환경에서 동결할 것이다. 공기 유동 채널이 부분적으로 또는 전체적으로 얼음에 의해 차단되기 때문에 후속 시동이 방해된다. 더욱이, 얼음 차단물은 컨덴서를 손상시킬 수 있는 구조적 응력(structural stresses)를 생성할 것이다. 어떤 상황에서, 특히 응축물 유동과 냉각 유동이 모두 수평인 것이 요구될 때, 연료 전지 시스템의 작동 동안, 특히 저전력 작동 동안에 응축수(condensate water)가 고일 수 있고 유동 채널의 일부를 막을 수 있다.
일 실시예에서, 콘덴싱 열 교환기는 응축물 유동 채널의 출구 단부에서 친수성 배수 장치를 구비한다. 적어도 열 교환기의 출구 단부면은 친수성이 되게 하고 물을 단부면으로부터 응축물 어큐뮬레이터(accumulator)와 같은 곳으로 이끄는 위크(wick)와 액체 연통한다. 가능한 처리를 위해 물은 중력에 의해 유동하거나 또는 펌핑될 수 있고, 냉매로써 연료 전지 스택에 복귀될 수 있다. 위킹은 적절히 처리된 친수성 금속 판(hydrophilic metal plates) 또는 로드(rods) 또는 탄소 시트(carbon sheets), 또는 다른 투수성 위킹(water-permeable wicking)일 수 있다. 친수성 단부면과 위킹은 연료 전지 시스템의 셧다운 동안 물의 고임을 방지하고, 정상 동작하는 동안 유동 채널의 막힘(plugging)을 방지한다.
친수성 단부면과 위킹은 수평 응축물 유동 또는 수직 응축물 유동(또는 그 중간)을 가지는 판형 핀 또는 핀이 달린 튜브 컨덴서와 사용될 수 있다. 응축물 유동 경로는 물의 중간 통로 고임을 방지하기 위해 부분적으로 또는 완전히 친수성으로 될 수 있다. 핀 또는 판 또는 이들 모두의 일면 또는 양면, 또는 튜브 내부는 친수성일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 유동 경로의 단부에서 유동이 완전 폐쇄되지 않고 응축물이 핀으로부터 반드시 떨어지도록 판형 핀 타입 열 교환기의 핀은 통로가 물에 의해 차단되지 않게 남겨둔 채로 판 너머로 연장한다. 유사한 실시예에서, 핀이 달린 튜브 열 교환기의 교번하는 핀들이 낮은 유동 고임을 회피하기 위해 인접한 핀 너머로 연장한다. 응축물이 핀이 달린 튜브 타입 열 교환기의 튜브 내에서 유동하는 일 실시예에서, 완전 폐쇄가 발생하지 않도록 튜브는 핀 너머로 연장하고 튜브의 단부에서 튜브의 하향하여 매달린 부분은 제거된다.
또 다른 실시예는 작동 동안과 특히 셧다운 동안에 응축물의 흐름(runoff)를 향상시키기 위해 다소 경사진 컨덴싱 열 교환기를 제공한다. 이러한 실시예에서, 응축물 안내 통로의 단부는 예를 들어 평면 또는 선을 정의하고, 그 평면 또는 선이 연료 전지 파워 플랜트 내부에 연료 스택에 대해 약 0°와 20°사이의 각도로 장착된다. 그 각도는 바람직하게 약 17°일 수 있다.
본 명세서의 다양한 실시예는 연료 전지로 구동되는 전기 모터를 가진 자동차와 같이 자동차 응용예에 매우 적합하다. 그러나, 본 명세서의 실시예들은 또한 고정 연료 전지 파워 플랜트에서 상당히 유용하다.
다른 변형은 첨부된 도면에 도시된 하기 예시적 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명의 관점에서 더욱 명백해 질 것이다.
도 1은 당 분야에 알려진 판형 핀 타입 열 교환기의 부분적으로 확대된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 연장된 핀을 구비한 도 1에 도시된 판형 핀 타입 열 교환기의 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 연장된 수직 응축물 튜브를 구비한 핀이 달린 튜브 타입 열 교환기의 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 연장된 수평 응축물 튜브를 구비한 핀이 달린 튜브 타입 열 교환기의 부분 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 응축물 안내 튜브의 모든 단부면이 친수성이고 응축물 어큐뮬레이터 내로 진행하는 위킹과 액체 연통하는 수평 판형 핀 타입 열 교환기의 사시도이다.
도 6은 셧다운 동안 액체 유동을 향상시키기 위해 경사진 컨덴서를 갖는 전지 스택을 나타내는 양식화된 개략도이다.
도 7은 연료 전지 스택이 수직일 때, 하나의 경사진 콘데서를 구비한 연료 전지 스택을 나타내는 양식화된 개략도이다
도 8은 연료 전지 스택이 경사질 때, 도 7의 연료 전지 스택을 나타내는 양식화된 개략도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 수직 핀들이 교번하여 연장되는 핀이 달린 튜브 타입 열 교환기의 부분 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 알려진 열 교환기(12)의 판형 핀 타입은 복수의 코루게이티드 핀[corrugated fins(14, 15)]을 가지고, 핀(14)은 수직이고 핀(15)은 수평이다. 각각의 핀(14, 15)은 박판(16) 또는 두꺼운 종판(17) 사이에 배치된다. 박판(16)은 측벽들(19, 20) 사이의 주름[corrugations(14, 15)] 상에 놓이고, 수직 주름(14)과 박판(16)[또는 종판(17)] 사이의 공간(18)은 주름(14)의 왼쪽과 오른쪽 모두에서 수증기가 응축되는 캐소드로부터의 배출 유동에 이용된다. 박판들(16)[또는 종판들(17)] 사이의 수평 주름(15)의 왼쪽과 오른쪽으로의 수평 유동(13)은 냉각 유동, 즉 수직 유동으로부터 요구되는 수분을 응축하도록 판과 수직 핀(14)을 충분히 냉각하는 유동을 위한 것이다.
수직 주름(14)의 양쪽에 하강하는 습한 가스의 충분한 유동이 있는 한, 주름(14) 주변에 응축된 모든 물은 어큐뮬레이터(통상적임, 도 5에 도시됨) 내부로 하강 유동할 것이다. 그러나, 연료 전지 전력 플랜트가 셧다운될 때처럼 유동이 잦아들 때마다, (예를 들어)스테인리스 스틸 면에 대한 비교적 높은 물의 접촉각 때문에, 주름들 사이의 매우 미세한 공간(수 밀리미터 정도임)의 물이 고일 것이고, 그리고 유동이 멈춤에 따라서 수직 주름의 많은 또는 모든 단부는 물로 차단될 것이다. 만약 연료 전지 파워 플랜트가 물의 동결 온도 아래로 떨어지는 환경에 있어야 한다면, 얼음이 형성될 것이고, 통로를 차단하고, 이는 캐소드로부터의(그리고 캐소드로의) 공기 유동을 막아서 시동 동작을 방해할 것이다.
도 2를 참조하면, 본원의 일 실시예(21)는 유동 경로의 단부가 더 이상 완전히 폐색되지 않도록 판(16, 17) 너머로 수직 핀(14)을 연장시킨다. 이는 물의 고임를 방지하고 동결을 회피한다. 이 실시예(21)는 도시된 대로 수직 캐소드 배출물 경로를 갖거나, 또는 수평 캐소드 배출물 경로를 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 연장된 핀이 달린 튜브 실시예(23)는 핀(25)을 통해 연장되는 복수의 수직 중공 튜브(24)를 포함하고, 실제로는 많은 핀과 튜브가 필요하지만 단순함을 위해 오직 3개만 도시된다. 튜브는 중공이고 적어도 부분적으로 응축되는 캐소드 배출물의 유동에 의도된 것이다. 완전히 폐색되지 않은 충분한 튜브 표면이 존재하도록 튜브(28)의 단부는 예를 들어 적절하게 낮은 각도로 절결된 형상을 갖고, 그렇게 함으로써 연료 전지 스택의 셧다운 동안과 같이 유체의 유동이 사라질 때 고임이 방지된다. 냉매는 튜브들 사이의 공간(26)에서 유동한다.
도 4는 유사한 실시예(23a)를 도시하지만, 이것은 수평 응축물 튜브(24a)를 갖고, 단부(28a)가 아래로 개방되는 형상을 가짐으로써 폐색과 액체의 고임(pooling)을 회피한다.
도 9에 대해 아래에 기술된 대로, 열의 균형을 고려하여, 핀들 사이를 유동하는 캐소드 배출물이 유동하고 냉매[예를 들어 글리콜(glycol)]가 튜브를 통해 유동하게 하는 것이 바람직할 수 있다.
도 5를 참조하면, 또 다른 실시예(12a)는 응축물 유동 경로의 출구 단부 근처에서(도 5에서 오른쪽으로) 열 교환기의 모든 단부면(31)의 많은 부분(절반 이상)을 친수성이 되게 하고 물을 어큐뮬레이터(34) 내부로 이끄는 실질적으로 투수성인 위킹(32)과 액체 연통하게 함으로써 응축물 핀(14)으로부터 물이 제거되는 것을 도시한다. 단일 위크를 채용하는 대신, 어느 경우에나 적절한 것으로 간주되면 위킹(32)은 수직 스트립(vertical strips)으로 대체될 수 있다. 위킹은 친수성 표면을 갖거나, 또는 더 친수성이 되게 하도록 처리되는 카본지(carbon paper)를 갖는 임의의 적합한 금속, 또는 다른 적당한 위킹일 수 있다. 실시예(12a)는 도시된 대로 수평 캐소드 배출물 유동 경로를 가지거나 또는 수직 캐소드 배출물 유동 경로를 가질 수 있다.
어큐뮬레이터(34)는 명료함을 위해 오직 부분적으로 가상선으로 도시된 캐소드 배출물 출구 매니폴드(37)와 같은 출구 매니폴드의 부분일 수 있다. 매니폴드(37)는 배출물 출구를 가지는 전방(40)과 상부(39)를 가질 수 있고, 상세한 내용은 본 실시예에서 중요하지 않다.
응축물은 어큐뮬레이터(34)로부터 출구(40)를 거쳐서 도관(41, 42)을 따라 유동하고 적절한 곳에서 펌프(45)에 의해 추진될 수 있다. 응축물은 이온제거기를 통과하거나, 가열되거나, 또는 필요에 따라 냉각되는 등의 처리를 거칠 수 있고 연료 전지 스택에 냉매로서 복귀할 수 있다.
어떤 주어진 실시에서 필요하거나 요구되면, 응축물 유동 채널은 모두 친수성 표면을 가질 수 있다. 핀(14)의 상부면 또는 핀(14)의 하부면 또는 둘 모두, 그리고 판(16)(도 1)의 상부면 또는 하부면 또는 둘 모두, 그리고 종판(17)의 내부면은 친수성이 될 수 있다. 응축물 유동 채널의 절반에서만 열 교환기의 친수성 단부면으로 액체가 안내되는 것으로 충분하여, 다른 절반이 얼음에 의해 차단되더라도 연료 전지 스택의 시동이 낮은 공기 유동에서 쉽게 발생한다는 것이 알려졌다. 그 후에, 연료 전지 반응으로 발생된 열은 다른 절반을 녹일 것이고, 그것에 의해 유동 채널의 나머지 절반을 차단해제 할 것이다.
도 5에서 열 교환기의 단부면은, 핀(14)의 최우측단 에지, 도 5에 도시된 측판(20)의 최우측면 표면, 그리고 측판(19)의 최우측단부면을 의미한다. 선택에 따라 바닥판(17)의 최우측 에지 또한 친수성일 수 있다.
실시예(12a)는 친수성 튜브 또는 핀 출구 에지를 가지는 핀이 달린 튜브 컨덴서로 실시될 수 있다.
수직 캐소드 배출물 경로로 배향되면, 실시예(12a)는 도 6에 도시된 대로 에지를 따라(edgewise) 경사짐으로써 향상된 성능을 획득할 수 있다. 한 쌍의 컨덴서(49)는 수평인 연료 전지 스택(50) 아래에 0°보다 크고 약 20°보다 작은 각도로, 바람직하게는 약 17°의 각도로 배치된다. 단일 어큐뮬레이터(52)는 양측 컨덴서(21)로부터 응축물을 수용한다. 경사는 연장된 핀(14)의 바닥 단부 에지가 물을 더 용이하게 방출하도록 허용하여, 접촉각으로 인한 기포압력의 일부를 극복한다.
본원에 정의된 대로, 용어 "에지를 따라(edgewise)"는 핀(15) 주위에 형성된 냉매 유동 채널의 배출 단부가 핀(15)에 의해 형성되는 냉매 채널의 유입 단부보다 지구의 수직 방향으로 높거나 또는 낮은 것을 의미한다.
2개의 컨덴서(21)를 경사지게 하는 대신, 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 하나의 컨덴서만 경사를 가질 필요가 있다. 이는 핀(14)에 의해 형성되는 모든 캐소드 배출물 채널이 적절하게 깨끗하지 않더라도, 경사진 컨덴서 내의 캐소드 배출물 채널은 적절하게 깨끗해질 것이기 때문이다. 그리고 나서, 후속되는 시동에서, 경사진 컨덴서(21) 내의 모든 채널이 개방되어 연료 전지 스택(50)의 후속하는 최초 시동을 위한 상당한 공기 유동을 허용할 것이다. 최초 시동에서, 연료 전지 반응에 의해 발생된 열은 경사지지 않은 컨덴서(21) 내의 얼음을 녹이기 위해 캐소드 출구에 충분한 온기를 제공하여 순차적으로 최대의 공기 유동을 허용할 것이다.
도 8에 도시된 대로, 컨덴서들 중 하나만이 경사져 있으면, 자동차가 특정 지형 위에서의 동작으로 인해 경사지는 경우에, 두 컨덴서의 역할이 간단히 반전될 것이다.
도 9는 교번하는 핀이 달린 튜브 실시예(23b)를 도시하며, 여기서는 글리콜 용액과 같은 냉매가 튜브(24b)[화살표(60)로 도시됨]를 통해 유동하고 캐소드 배출물이 핀(25)과 핀(25a) 사이의 공간(62)에서 유동한다[화살표(62)로 도시됨]. 연료 전지 파워 플랜트의 셧다운과 같이 유체 유동이 낮아질 때, 응축물의 고임을 방지하기 위해 핀(25a)은 핀(25) 너머로 연장된다.
해결하고자 하는 문제는 유동 채널의 출구에서 얼음이 형성되지 않도록 그리고 그에 따라서 연료 전지 스택의 후속되는 시동시에 공기의 유동을 차단하지 않도록 컨덴싱 유체 유동 경로에서 물의 고임을 회피하는 것이다. 연료 전지의 셧다운 동안 캐소드 배출물 유동 경로를 통한 유동이 감소하기 때문에, 증발에 의해 냉각되는 연료 전지 스택 내의 캐소드 배출물 유동 경로에 있어서 특히 그러하다. 이렇게 하기 위한 통상의 수단은 채널의 단부면과 주변 표면을 포함한 반응물 유체 유동 채널의 출구 단부로부터 물의 제거를 향상시키는 것이다. 이는 연장된 채널, 채널의 형상화된 단부, 채널 내부에서만이 아니라 컨덴서의 출구 단부의 모든 에지 표면상의 친수성 코팅 및 컨덴서의 경사와 같은 다양한 수단에 의해 달성된다.
본원에서 사용된 대로, 용어 "실질적으로 수직(substantially vertical)"은 관련 연료 전지 스택이 지구의 중력에 대해 수직 작동 위치로 배향될 때 수직으로부터 20°미만 내에 있음을 의미한다.
개념의 의도를 벗어나지 않고 개시된 실시예의 변경과 변형이 이루어짐에 따라, 첨부된 특허청구 범위에 의해 요구된 것 이외의 것으로 본 개시내용을 제한하는 것을 의도하지 않는다.

Claims (8)

  1. 연료 전지 장치이며,
    정상 동작에서 증발 냉각수를 포함하는 캐소드 배출물을 제공하는 연료 전지 스택(50);
    냉각 유체 유동 경로(13, 24c, 26)를 가지고, 그리고 냉각 유체 유동 경로와 열전도 관계이고 캐소드 배출물을 안내하도록 구성된 응축 유체 유동 경로(18, 24, 24a, 60)를 가지는, 핀이 달린 적어도 하나의 컨덴서(12, 12a, 23, 23a, 23b, 49)를 포함하고,
    적어도 하나의 컨덴서는 판들(16, 17) 사이에 배치되는 코루게이티드 핀(14, 15) 세트를 구비하는 판형 핀 타입 열 교환기(12, 12a) 또는 핀(25, 25a)을 통해 연장되는 튜브(24, 24a, 24c)를 구비한 핀이 달린 튜브 타입 열 교환기(23, 23a, 23b)를 포함하고,
    적어도 하나의 컨덴서는 a) 응축 유체 유동 경로(18)의 유체 출구 단부에서 적어도 하나의 컨덴서의 단부면(31)의 많은 부분이 적어도 하나의 컨덴서의 유체 출구 단부로부터 물을 제거하도록 구성된 실질적으로 투수성인 위킹(32)과 액체 연통하고 친수성을 갖도록 함으로써, 또는 b) 판형 핀 컨덴서의 적어도 몇몇의 코루게이티드 핀(14)이 관련 판 너머로 연장되게 함으로써, 또는 c) 핀이 달린 튜브 컨덴서의 적어도 몇몇의 핀(25a)이 그 양쪽의 핀(25) 너머로 연장되게 함으로써, 또는 d) 핀이 달린 튜브 컨덴서의 적어도 몇몇의 튜브(24, 24a)가 튜브 단부(28)의 아래로 매달린 부분이 제거된 핀(25) 너머로 연장되게 함으로써 낮은 유체 유동 동안 응축물의 고임을 피하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    응축 유체 유동 경로(18)의 유체 출구 단부의 단부면(31)은 친수성이고, 적어도 하나의 컨덴서(49)의 유체 출구 단부로부터 물을 제거하도록 구성된 실질적으로 투수성인 위킹(32)과 액체 연통하며,
    적어도 몇몇의 응축 유체 유동 경로는 친수성이고, 적어도 하나의 컨덴서의 친수성 단부면(31)과 액체 연통하는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    응축 유체 유동 경로(18)의 유체 출구 단부의 단부면(31)은 친수성이고, 적어도 하나의 컨덴서(49)의 유체 출구 단부로부터 물을 제거하도록 구성된 실질적으로 투수성인 위킹(32)과 액체 연통하는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    연료 전지 스택이 지구의 중력에 대해 수직 작동 배향에 있을 때, 적어도 하나의 컨덴서(49)의 단부면(31)은 연료 전지 스택(50)에 대해 0°내지 약 20°로 경사진 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    적어도 하나의 컨덴서(49)의 단부면(31)은 약 17°로 경사진 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 컨덴서(23, 23a)는 핀이 달린 튜브 컨덴서이고, 튜브(24, 24a)는 상기 단부면에서 튜브의 개구가 아래를 향하는 상태에서 튜브의 축에 대해 각도를 갖는 단부면(28, 28a)을 갖는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    연료 전지 스택이 지구의 중력에 대해 수직 작동 배향에 있을 때, 적어도 하나의 컨덴서(12, 23, 23b)는 응축 유체물을 실질적으로 수직하게 안내하도록 연료 전지 스택(50)에 대해 배향되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    연료 전지 스택이 지구의 중력에 대해 수직 작동 배향에 있을 때, 적어도 하나의 컨덴서는 응축 유체물을 실질적으로 수평하게 안내하도록 연료 전지 스택(50)에 대해 배향되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지 장치.
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