KR20150058244A - 연료 전지 스택으로의 초과 냉각제 유체 공급 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택 조립체는 유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지를 갖는다. 냉각제 공급 입구 매니폴드는 냉각제 입구를 가지며, 냉각제 공급 입구 매니폴드는 각각의 연료 전지에 냉각제를 분배하기 위하여 각각의 유체 냉각제 도관에 결합된다. 냉각제 공급 입구 매니폴드는 냉각제 공급 입구 매니폴드의 일 단부에 위치된 배출 도관을 또한 갖는다. 배출 도관은 냉각제 공급 입구 매니폴드로부터 초과 냉각제를 배출하도록 구성된다. 냉각제 공급 입구 매니폴드에 초과 냉각제를 공급함으로써, 연료 전지 내에서 유체 냉각제 도관을 통하여 매우 낮은 냉각제 유동 속도로 인해 발생되는 문제점이 감소 또는 제거될 수 있다.

Description

연료 전지 스택으로의 초과 냉각제 유체 공급{EXCESS COOLANT FLUID FEED TO FUEL CELL STACKS}
본 발명은 스택 형태로 배열된 전기화학 연료 전지, 특히 이러한 연료 전지 스택에 대한 냉각 시스템에 관한 것이다.
종래의 전기화학 연료 전지는 일반적으로 가스 스트림의 형태인 연료 및 산화제를 전기 에너지 및 반응 생성물로 변환시킨다. 수소 및 산소를 반응시키기 위한 통상적인 타입의 전기화학 연료 전지는 막-전극 조립체(MEA) 내에서 또한 양성자 교환 막(PEM)으로 공지된 중합체성 이온 전달 막을 포함하고, 연료 및 공기는 막의 각각의 측면에 걸쳐 이동한다. 양성자(즉, 수소 이온)는 연료 전지의 양극과 음극을 연결하는 회로를 통하여 전달되는 전자에 의해 밸런싱된, 막을 통하여 전달된다. 허용가능 전압을 증가시키기 위하여, 직렬로 전기적으로 배열된 다수의 MEA를 포함하는 스택이 형성된다. 각각의 MEA는 개별 양극 및 음극 유체 유동 경로가 제공된다. 양극 및 음극 유체 유동 경로는 각각 연료 및 산화제를 막에 전달한다. 연료 전지 스택은 전형적으로 스택의 일 단부에서 단부 플레이트에 의해 서로 고정된 다수의 개별 연료 전지 플레이트를 포함한 블록의 형태이다.
연료와 산화제의 반응이 열뿐만 아니라 전력을 생성하기 때문에, 연료 전지 스택은 작동 온도에 도달되면 연료 전지에 대한 손상을 방지하기 위하여 냉각을 필요로 한다. 냉각은 반응물 물과 조합되는 음극 유체 유동 경로 및/또는 양극 유체 유동 경로(양극을 수화시키기 위해 제공됨) 내에서 스택 내에서 개별 전지에 물의 전달에 의해 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 각각의 경우에, 연료 전지의 증발 냉각이 발생될 수 있다.
전형적인 배열에서, 냉각 수는 연료 전지 스택의 측면 아래로 연장되는 하나 이상의 공통 매니폴드로부터 양극 또는 음극 유체 유동 채널 내로 주입된다. 잠재적 문제점이 이러한 매니폴드 내에서 물의 유동 속도로부터 유발된다. 물은 입구 매니폴드의 일 단부에서 입구 내로 공급될 수 있고, 이로부터 물은 스택 내의 개별 전지 내로 공급된다. 이는 입구로부터 떨어져서 매니폴드를 따라 물 유동 속도의 감소를 야기한다. 예를 들어, 100개의 전지 스택이 스택의 일 단부에서 전달된 100 ml/분의 유동을 필요로 하는 경우, 제1 전지에서 매니폴드 내의 유동 속도는 100 ml/분일 것이며, 50번째 전지 이후에 매니폴드 내에서의 유동 속도는 대략 50 ml/분일 수 있고, 최종 전지에서 매니폴드 내의 유동 속도는 단지 1 ml/분일 수 있다. 매니폴드 내에서 이러한 매우 낮은 유동, 예를 들어 1 ml/분이 연료 전지 스택에 대한 신뢰성 문제를 야기할 수 있다. 문제점은 특히 탈이온수를 사용할 때 증가된 부식 위험 및 세균 발생의 증가된 위험으로 인해 정체된 또는 거의 정체된 유동 영역에서 발생될 수 있다.
고급(예를 들어, 18 MΩ)의 탈이온수가 냉각 유체로 사용되는 경우, 그 뒤에 물의 전도성으로 인해 각각의 전지들 간의 전압 차이는 스택 내에서 부식을 악화시키지 않도록 충분히 낮은 것으로 고려될 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택은 탈이온수가 연료 전지 스택에 대한 재유입을 위해 연료 전지 스택의 냉각제 출구로부터 회수될 수 있도록 설치되는 경우, 그 뒤에 물의 전도성은 대기로부터 흡수된 CO2, 이온 및 불순물 또는 연료 전지 스택 내의 금속성 구성요소로부터 그리고 연료 전지 막으로부터의 오염물의 워시아웃(washout)을 포함하는 다양한 인자로 인해 증가되는 경향이 있다. 게다가, 주입된 물에 걸친 전압 차이가 증가될 것이며, 이에 따라 전지 부식이 더욱 발생되는 경향이 있는 환경이 제공된다. 냉각 수 입구로부터 가장 이격된 연료 전지 스택이 단부에서, 입구 매니폴드 내의 냉각 수의 유동 속도는 최소인 경향이 있고, 냉각 수로부터 이온 증착은 연료 전지 스택 내의 유동 플레이트와 같이 금속 구성요소를 형성 및 공격/부식시키는 더 큰 경향이 있다.
본 발명의 목적은 하나 이상의 전술된 문제점에 대한 해결방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 목적은 연료 전지 스택의 냉각제 분배 매니폴드 내에서 매우 느린 냉각제 유동으로부터 발생될 수 있는 문제점을 감소 또는 배제하는 데 있다. 본 발명의 목적은 연료 전지 스택 내에서 적절한 냉각제 유동 수준을 유지하기 위한 해결방법을 제공하는 데 있다.
일 양태에 따라서, 본 발명은
유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지; 및
냉각제 입구를 갖는 냉각제 공급 입구 매니폴드를 포함하고;
냉각제 공급 입구 매니폴드는 각각의 연료 전지에 냉각제를 분배하기 위하여 각각의 유체 냉각제 도관에 결합되며,
냉각제 공급 입구 매니폴드는 냉각제 공급 입구 매니폴드의 일 단부에 위치된 배출 도관을 추가로 포함하며, 배출 도관은 냉각제 공급 입구 매니폴드로부터 초과 냉각제를 배출하도록 구성되는, 연료 전지 스택 조립체를 제공한다.
배출 도관은 연료 전지 스택의 일 단부에 배열되고 스택을 가로질러 연장되는 추가 플레이트를 포함할 수 있다. 추가 플레이트가 히터 플레이트, 집전기 플레이트 또는 절연체 플레이트를 포함할 수 있다. 배출 도관은 배출 도관으로 냉각제 공급 입력 매니폴드로부터의 냉각제 유동 속도가 소정의 유동 속도 범위 내에 있도록 냉각제 공급 입구 매니폴드에 비해 증가된 유동 임피던스의 도관을 포함할 수 있다. 제2 배출 도관은 제1 배출 도관에 대해 냉각제 공급 입구 매니폴드의 마주보는 단부에 배열될 수 있다. 제2 배출 도관은 연료 전지 스택의 마주보는 단부에 배열되고 스택을 가로질러 연장되는 추가 플레이트를 포함할 수 있다. 추가 플레이트가 히터 플레이트, 집전기 플레이트 또는 절연체 플레이트를 포함할 수 있다. 배출 도관은 냉각제 공급 입구 매니폴드에 대해 냉각제의 재순환을 위해 냉각제 입구에 결합된 재순환 경로를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택 조립체는 재순환 경로를 통과하는 냉각제의 저항력을 측정하도록 구성된 냉각제 저항력 모니터를 추가로 포함할 수 있다. 배출 도관은 외부 냉각제 섬프 또는 탱크에 결합될 수 있다. 유동 제어 조립체는 냉각제 공급 입구 매니폴드로부터 배출 도관으로 냉각제 유체의 유동을 제어하도록 구성된 배출 도관에 결합될 수 있다. 유동 제어 조립체는 가변 유동 제한기를 포함할 수 있다. 배출 도관과 연료 전지 스택의 단부는 연료 전지 스택의 전기적으로 양의 단부일 수 있다. 출구 매니폴드는 각각의 연료 전지로부터 냉각제를 수용하기 위하여 복수의 연료 전지의 각각의 유체 냉각제 도관에 결합될 수 있다. 배출 도관은 출구 매니폴드의 일부를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 형태는 첨부 도면을 참조하여 예시로서 이제 기재될 것이다.
도 1은 냉각제 공급 입구 매니폴드 및 배출 출구를 갖는 연료 전지 스택의 도식적 측면도.
도 2는 냉각제 공급 입구 매니폴드 및 배출 출구를 갖는 대안의 연료 전지 스택의 도식적 측면도.
도 3은 2개의 배출 출구 및 냉각제 공급 입구 매니폴드를 포함한 연료 전지 스택의 도식적 측면도.
도 4는 2개의 배출 출구 및 냉각제 공급 입구 매니폴드를 포함한 대안의 연료 전지 스택의 도식적 측면도.
도 5는 냉각제 공급 입구 매니폴드에 전달된 냉각제를 재순환시키기 위해 결합된 도 2의 연료 전지 스택의 도식적인 도면.
도 6은 탱크에 대해 배출된 냉각제의 이동을 위해 결합된 도 2의 연료 전지 스택의 도식적인 도면.
도 7은 가변 유동 제어기를 포함하는 도 1의 연료 전지 스택의 도식적인 도면.
도 8은 가변 유동 제어기를 포함하는 도 2의 연료 전지 스택의 도식적인 도면.
하기 기재된 다양한 실시 형태는 냉각제 공급 입구 매니폴드(coolant feed inlet manifold) 내로 주입된 초과 냉각제를 제공한다. 냉각제는 물, 바람직하게는 탈이온 수일 수 있다. 주입된 냉각제의 일부는 연료 전지 스택 내의 연료 전지 내의 유체 냉각제 도관으로 이동한다. 초과 냉각제로서 기재된 또 다른 부분은 연료 전지를 통과하지 않고 배출 도관을 통하여 냉각제 공급 입구 매니폴드에서 배출된다. 냉각제 입구를 통하여 냉각제 공급 입구 매니폴드에 초과 냉각제를 공급함으로써, 입구로부터 가장 이격된 매니폴드의 단부에서 냉각제의 유동은 매니폴드 내의 정체된 냉각제 또는 매우 느린 냉각제 속도로 인해 발생되는 문제점을 방지 또는 감소시키기에 충분하다.
본 명세서에 기재된 실시 형태는 냉각제 정체(coolant stagnation) 문제점을 완화시키기 위해 필요한 유동 속도를 구현하기 위하여 추가 밸브, 펌프 및/또는 제어기의 사용을 필수적으로 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명은 수송 고려사항, 추가 엔지니어링, 유지보수 고려사항 및 밸브와 같은 추가 구성요소를 포함한 증가된 비용 없이 바람직하게는 향상된 연료 전지 스택 조립체를 제공한다. 그러나, 본 발명은 연료 전지로/연료 전지로부터 냉각제 유체의 추가 제어를 위해 필요한 경우 이러한 밸브의 통합을 허용한다.
추가로, 본 명세서에 기재된 실시 형태는 연료 전지 스택에 대한 다른 설계 변형과 쉽사리 조합될 수 있는 냉각제 정체 및 낮은 냉각제 유동 속도의 문제점에 대한 해결방법을 제공하며, 이에 따라 필요한 특정 조건에 따라 맞춤구성되도록 유연성을 갖는 모듈식 연료 전지 시스템에 기여한다.
도 1은 연료 전지 스택(10)의 도식적인 측면도를 도시한다. 스택(10)은 복수의 연료 전지(11)를 포함하고, 상기 연료 전지 각각은 막-전극 조립체의 양극 표면에 유체를 전달하기 위한 양극 유체 유동 경로 및 막-전극 조립체의 음극 표면에 산화제를 전달하기 위한 음극 유체 유동 경로를 갖는다. 연료 전지는 공지된 방식으로 단부 플레이트(12, 13)에 의해 적층 배열로 보유된다. 양극 유체 유동 경로 또는 음극 유체 유동 경로는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 마주보는 단부에서 배출 도관(16)과 냉각제 입구(15) 사이에 스택(10)의 길이를 하향 연장하는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)를 경유하여 연료 전지 스택의 증발 냉각을 위한 냉각제 주입이 제공된다. 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)는 냉각제/물 전달 매니폴드 또는 갤러리로서 기재될 수 있다.
도 1에서 화살표로 지시된 바와 같이, 냉각제는 냉각제 입구(15)로부터 매니폴드 내로, 그 뒤에 개별 연료 전지(11)의 각각의 유체 유동 경로 내로 유동한다. 바람직하게는, 냉각제는 개별 연료 전지(11) 내의 유동 채널과 냉각제 공급 입구 매니폴드(14) 사이의 일부 지점에서 연료 또는 산화제 유동과 조합된다. 이들 유동 채널은 연료 전지(11)의 활성 표면을 가로질러 연장된다. 연료 및 산화제는 공지된 기술을 사용하여 개별 산화제 매니폴드와 개별 연료 매니폴드를 사용하여 개별 전지(11) 내로 유입될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 미사용 연료 또는 산화제가 연료 전지로부터 출구 매니폴드(17)로 이동할 수 있고, 일부 실시 형태에서, 이로부터 하나 이상의 배출 포트/출구(18, 19)로 이동할 수 있다. 출구 매니폴드(17)는 모든 연료가 연료 전지(11)의 활성 표면에서 소비되는 경우, 특히 양극 배출 라인이 주기적인 퍼징을 위해 제공될 수 있을지라도 냉각제 주입이 연료 전지(11)의 양 측면 상에서 제공되지 않는 경우 양극 유체 유동 경로에 대해 필수적으로 요구되지 않는다. 본 명세서에 기재된 실시 형태에서, 출구 매니폴드(17)가 각각의 연료 전지(11)로부터 적어도 냉각제의 배출을 위해 복수의 연료 전지(11)의 각각의 유체 냉각제 도관에 결합된 것으로 도시된다.
또한, 연료 전지(11)의 유체 냉각제 도관을 통과하지 않고 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)로부터 이동하도록 하는 초과 냉각제(20)에 대한 배출 도관(16)이 도 1에 도시된다. 도 1의 배출 도관(16)은 외부 냉각제 드레인으로서 기재될 수 있다. 이에 따라, 도 1은 냉각제 입구(15)를 갖는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)와 유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지(11)를 포함한 연료 전지 스택 조립체(10)를 도시한다. 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)는 각각의 연료 전지에 냉각제를 분배하기 위하여 연료 전지(11)의 각각의 유체 냉각제 도관에 결합된다. 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 일 단부에 위치된 배출 도관(16)을 추가로 포함한다. 배출 도관(16)은 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)로부터 초과 냉각제(20)를 배출하도록 구성된다.
냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 마주보는 단부에서 배출 도관(16)을 냉각제 입구(15)에 배치시킴으로써, 초과 냉각제가 냉각제 입구(15)를 통하여 연료 전지 스택(10)으로 주입할 수 있고, 냉각제 입구(15)로부터 가장 이격된 매니폴드의 일부가 매우 낮은 냉각제 유동 속도에 노출될 필요가 없다. 냉각제 유체 유동은 전술된 바와 같은 문제점을 유발할 수 있는 냉각제 유체를 방지 또는 완화시키기 위하여 냉각제 입구(14)로부터 가장 이격된 연료 전지 스택(10)의 단부에서도 매니폴드를 통하여 충분한 유동이 있도록 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)에 냉각제 입구(15)에서 제공될 수 있다. 연료 전지(11)를 통과하지 않는 초과 냉각제(20)는 배출 도관(16)에 의해 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)에서 빠져나간다.
도 2는 스택의 일 단부에 냉각제 입구(15)를 갖는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14) 및 유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지(11)를 포함한 연료 전지 스택 조립체(10)를 도시한다. 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)는 스택의 다른 단부에 위치된 배출 도관(16)을 포함하고 배출 도관(16)은 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)로부터 초과 냉각제(20)를 배출하도록 구성된다. 이 예시에서, 배출 도관(16)은 배출 매니폴드(17)를 통과하기 전에 냉각제 입구(15)에 마주보는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 단부로부터 연료 전지 도관에 평행한 연료 전지 스택(10)을 가로질러 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)에 마주보는 스택의 측면으로 이동한다. 도 2, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 8에 대해 기재된 실시 형태에서 배출 도관(16)은 이 경우일 필요는 없을지라도 배출 매니폴드(17)의 일부를 형성하도록 도시되고, 배출 도관(16)은 출구 매니폴드(17)로부터 분리된 경로를 통하여 연료 전지 스택으로부터 외부로 이어질 수 있다.
도 2에 의해 도시된 일부 실시 형태에서, 배출 도관(16)은 연료 전지 스택(10)의 단부에 배열되고 연료 전지에 평행한 스택의 폭을 가로질러 연장되는 추가 플레이트(21) 내에 형성될 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 이 추가 플레이트(21)는 단부 플레이트(13)에 인접한 절연체 플레이트 또는 집전기 플레이트(current collector plate) 또는 히터 플레이트일 수 있다. 도 2에서의 배출 도관(16)은 내부 냉각제 드레인으로서 기재될 수 있다. 배출 도관(16)은 냉각제 입구(15)에 마주보는 연료 전지 스택의 측면으로부터 초과 냉각제의 이동을 허용하기 위하여 추가 플레이트(21) 내에 형성될 수 있다. 배출 도관(16)이 히터 플레이트 내에 포함되는 경우, 배출 도관(16)은 바람직하게는 측면 통합 가열 요소에 대해 히터 플레이트의 마주보는 측면 상에 배치될 수 있다. 히터 플레이트 내에 배출 도관(16)을 제공함에 따라 냉간 시동 및 작동 중에 히터 플레이트가 향상된 시동 및 작동을 허용하는 배출 도관(16) 내에서의 임의의 얼음(ice)의 트레이스(trace)를 디프로스트할 수 있다(defrost).
배출 도관(16)은 배출 도관(16) 내로 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)로부터 냉각제 유동 속도가 소정의 유동 속도 범위 내에 있도록 배압을 형성하기 위한 소정의 감소된 치수(매니폴드(14)의 치수에 비해)의 도관을 포함할 수 있다. 배출 도관(16)은 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)에 대해 특정 치수를 갖는 파이프워크(pipework)의 길이일 수 있고, 적어도 부분적으로 사형(serpentine) 또는 구불구불한 형태일 수 있다. 이에 따라, 배출 도관은 매니폴드에 비해 냉각제 유동에 대한 적절히 증가된 임피던스를 제공하고, 이에 따라 매니폴드에 대한 원하는 유동 속도 및 배압이 구현된다. 이 방식으로, 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)로부터 외부로의 초과 냉각제 유동 및 연료 전지(11) 내의 냉각제 유동을 위한 유동 매개변수가 제어될 수 있다.
도 3은 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 중심을 향하여 위치된 냉각제 입구(15)를 갖는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14), 및 유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지(11)를 포함한 연료 전지 스택 조립체(10)를 도시한다. 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)는 이 실시 형태에서 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 일 단부에 위치된 제1 배출 도관(16) 및 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 마주보는 단부에 위치된 제2 배출 도관(22)을 포함한다. 배출 도관(16, 22)은 둘 모두는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)으로부터 초과 냉각제를 배출하도록 구성된다.
반면에, 도 1 및 도 2의 예시는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 일 단부에 위치된 냉각제 입구(15)를 도시하고, 도 3의 예시는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 중심에 위치된 냉각제 입구(15)를 도시한다. 도 3의 실시 형태는 냉각제 입구(15)로부터 이격된 매니폴드 단부에서 매우 느린 냉각제 유동 속도 또는 정체된 냉각제로부터의 문제점을 완화시키기 위하여 충분히 높은 유동으로 냉각제 입구(15)로부터 가장 이격된 것을 포함하는(연료 전지 스택의 두 단부에서의 것들), 스택(10) 내의 연료 전지 각각으로 냉각제가 유동할 수 있도록 냉각제 공급 입구 매니폴드(15) 내로 초과 냉각제 유동을 위해 제공된다. 연료 전지(11)의 유동 도관을 통과하지 않는 초과 냉각제(20)는 2개의 배출 도관(16, 22)에 의해 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)에서 빠져나간다. 도 3은 또한 출구 매니폴드(17)로부터 외부로 이동하도록 하는 미사용 연료 또는 산화제를 위한 2개의 배출 포트/출구(18, 19)를 도시한다.
도 4는 도 3과 유사하게 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 중심을 향하여 위치된 냉각제 입구(15)를 갖는 냉각제 공급 입구 매니폴드(14) 및 유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지(11)를 포함하는 연료 전지 스택 조립체(10)를 도시한다. 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)는 이 실시 형태에서 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 마주보는 단부에 위치된 제2 배출 도관(22) 및 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 일 단부에 위치된 제1 배출 도관(16)을 포함한다. 제1 배출 도관(16)과 제2 배출 도관(22)은 연료 전지 스택(10)의 단부에 배치된 추가 플레이트(21, 23)를 포함한다. 추가 플레이트(21, 23)는 각각 각각의 단부 플레이트(12, 13)에 인접한 절연체 플레이트 또는 집전기 플레이트 또는 히터 플레이트일 수 있다. 배출 도관(16, 22)은 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)로부터 초과 냉각제를 배출하도록 구성된다.
도 4의 실시 형태는 추가 플레이트(21, 23)가 히터 플레이트로서 제공되는 경우 배출 도관(16, 22) 내에 존재하는 얼음의 임의의 트레이스가 연료 전지 스택(10)에 복잡성을 추가하지 않고 연료 전지 스택(10)의 냉간 시동 시에 디프로스트될 수 있도록 도 2의 이점과 유사한 이점을 제공한다.
원하는 경우, 연료 전지 스택은 직접 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)에서 빠져나가는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 배출 도관(16) 및 도 4에 도시된 바와 같이 추가 플레이트(23) 내에 포함된 제2 배출 도관(22)을 갖도록 형성될 수 있다. 각각의 단부에서 추가 플레이트(21, 23)는 상이한 타입일 수 있다. 냉각제 입구(15)의 위치는 냉각제 공급 입구 매니폴드의 중심에 있을 필요는 없고, 원하는 경우 매니폴드(14)를 따라 일부에 위치될 수 있다.
도 5는 배출 도관(16)이 복수의 연료 전지(11)로의 냉각제의 재순환을 위해 냉각제 입구(15)에 결합된 재순환 통로(24)를 포함하는 도 2의 연료 전지 스택(10)을 도시한다. 도시되지 않은 펌프는 재순환 경로(24) 내에 제공될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각제 저항력 모니터(coolant resistivity monitor, 25)는 재순환 경로(24)를 통과하는 냉각제의 저항력을 측정하기 위해 제공될 수 있다. 냉각제 유체를 재순환시킴으로써, 냉각제 유체의 소모가 줄어든다. 냉각제 유체의 저항력을 모니터링함으로써, 이는 냉각제가 교체 또는 부분 교체를 필요로 할 때 결정될 수 있다. 예를 들어, 탈이온수에 대한 특정 값 미만의 저항력 값은 재순환 수의 희석 또는 재순환 수의 교체를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 최소 값은 예를 들어, 0.1 MOhm.cm일 수 있다. 저항력 모니터(25)의 위치는 재순환된 냉각제의 경로를 따라 어디든지 있을 수 있고, 예를 들어, 이에 따라 연료 전지 스택(10)의 내부에 있는 배출 도관(16) 내에서 또는 재순환 경로(24) 내의 냉각제 입구(15)에 배치될 수 있다. 하나 초과의 이러한 저항력 모니터(25)는 원하는 경우 재순환된 냉각제의 경로를 따라 상이한 위치에서 사용될 수 있다.
도 6은 배출 도관(16)이 외부 냉각제 섬프 또는 탱크(26)에 결합되는 도 2의 연료 전지 스택(10)을 도시한다. 따라서, 더 이상 필요하지 않은 초과 냉각제가 저장 또는 희석을 위해 수집될 수 있고 연료 전지 스택(10) 내에서 재사용될 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시 형태는 원하는 경우 밸브 및 제어기의 사용과 조합될 수 있다. 예를 들어, 냉각제 유체는 냉각제의 저항력의 소정의 값이 도달될 때까지 재순환될 수 있다. 저항력의 소정의 값에 도달될 때, 제어기는 탱크(26)로 배출되는 재순환 경로(24)를 통해 재순환되는 초과 냉각제의 경로를 변경하기 위하여 밸브를 스위칭할 수 있다.
도 7 및 도 8은 유동 제어 조립체(27)를 추가로 각각 포함하는 도 1 및 도 2의 실시 형태를 도시한다. 유동 제어 조립체(27)는 배출 도관(16)에 결합되고 배출 도관(16)에서 냉각제 유체의 압력이 소정의 압력 범위 내에서 유지될 수 있도록 배출 도관(16)에서 매니폴드(14) 내의 냉각제 유체의 배압을 제어하도록 구성된다. 배출 도관(16)은 이에 따라 유동 임피던스, 이에 따라 매니폴드(14)에 대한 배압을 변화시키기 위한 수단으로서 유동 제어 조립체(27)를 포함할 수 있다.
유동 제어 조립체(27)는 예를 들어, 가변 유동 제한기, 오리피스 플레이트, 니들 밸브, 소정 길이의 튜빙, 및 소정 폭의 튜빙 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7 및 도 8의 유동 제어 조립체의 위치에서 냉각제 공급 입구 매니폴드의 단부에서의 압력이 1 바인 경우에, 냉각제의 50 ml/분이 냉각제 입구(15)를 통하여 주입되고, 1 mm 직경을 갖는 3 m의 배출 도관(16)이 이 압력을 구현하기 위하여 냉각제 입구(15)와 냉각제 공급 입구 매니폴드(14)의 출구 사이에서 사용될 수 있다.
냉각제 입구(15)가 도 1, 도 2, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8에 대해 기재된 실시 형태에서 배열되는 연료 전지 스택(10)의 단부는 연료 전지 스택의 음의 극성 단부로서 선택될 수 있고, 연료 전지 스택의 마주보는 단부는 양의 단부로서 선택될 수 있다. 이는 필요에 따라 역전될 수 있다.
다른 실시 형태가 의도적으로 첨부 청구항의 범위 내에 있다.

Claims (16)

  1. 유체 냉각제 도관을 각각 갖는 복수의 연료 전지; 및
    냉각제 입구를 갖는 냉각제 공급 입구 매니폴드를 포함하고;
    냉각제 공급 입구 매니폴드는 각각의 연료 전지에 냉각제를 분배하기 위하여 각각의 유체 냉각제 도관에 결합되며,
    냉각제 공급 입구 매니폴드는 냉각제 공급 입구 매니폴드의 일 단부에 위치된 배출 도관을 추가로 포함하며, 배출 도관은 냉각제 공급 입구 매니폴드로부터 초과 냉각제를 배출하도록 구성되는, 연료 전지 스택 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 배출 도관은 연료 전지 스택의 일 단부에 배열되고 스택을 가로질러 연장되는 추가 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가 플레이트가 히터 플레이트, 집전기 플레이트 또는 절연체 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 도관은 배출 도관으로 냉각제 공급 입력 매니폴드로부터의 냉각제 유동 속도가 소정의 유동 속도 범위 내에 있도록 냉각제 공급 입구 매니폴드에 비해 증가된 유동 임피던스의 도관을 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제 공급 입구 매니폴드의 일 단부에 배열된 배출 도관은 제1 배출 도관이고, 제1 배출 도관에 대해 냉각제 공급 입구 매니폴드의 마주보는 단부에 배열된 제2 배출 도관을 추가로 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 제1 배출 도관에 대해 냉각제 공급 입구 매니폴드의 마주보는 단부에 배열된 제2 배출 도관은 연료 전지 스택의 마주보는 단부에 배열되고 스택을 가로질러 연장되는 추가 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  7. 제5항에 있어서, 추가 플레이트가 히터 플레이트, 집전기 플레이트 또는 절연체 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 도관은 냉각제 공급 입구 매니폴드에 대해 냉각제의 재순환을 위해 냉각제 입구에 결합된 재순환 경로를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 재순환 경로를 통과하는 냉각제의 저항력을 측정하도록 구성된 냉각제 저항력 모니터를 추가로 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 도관은 외부 냉각제 섬프 또는 탱크에 결합되는 연료 전지 스택 조립체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제 공급 입구 매니폴드로부터 배출 도관으로 냉각제 유체의 유동을 제어하도록 구성된 배출 도관에 결합된 유동 제어 조립체를 추가로 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 유동 제어 조립체는 가변 유동 제한기를 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 도관과 연료 전지 스택의 단부는 연료 전지 스택의 전기적으로 양의 단부인 연료 전지 스택 조립체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 연료 전지로부터 냉각제를 수용하기 위하여 복수의 연료 전지의 각각의 유체 냉각제 도관에 결합된 출구 매니폴드를 추가로 포함하는 연료 전지 스택 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 배출 도관은 출구 매니폴드의 일부를 형성하는 연료 전지 스택 조립체.
  16. 도면 및 상세한 설명을 참조하여 본 명세서에 실질적으로 기재된 바와 같은 연로 전지 스택 조립체.
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