KR20230002739A - 동축 연료 전지 캐소드 유로 덕트 - Google Patents

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Abstract

연료 전지와 사용하기 위한 덕트 시스템 및 이를 사용하는 방법의 양태가 개시되어 있다. 본 개시의 일 양태에 따르면, 냉각제 유체를 통해 연료 전지(12)를 냉각시키기 위한 덕트 시스템(10)은 하우징(100); 냉각 챔버(112); 시스템 내로 냉각제를 수용하도록 구성된 유입 포트(120); 시스템으로부터 냉각제를 배출하도록 구성된 배출 포트(130); 및 냉각제를 시스템 내로, 시스템을 통하여, 시스템 외부로 이동시키기 위한 수단을 포함한다.

Description

동축 연료 전지 캐소드 유로 덕트
본 개시는 개괄적으로, 연료 전지 적층체를 냉각시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공기를 이동시켜 연료 전지를 냉각시키기 위한 새로운 설계에 관한 것이다.
종래의 전기 화학 연료 전지는 연료와 산화제를 전기 에너지와 반응 생성물로 변환한다. 일반적인 유형의 전기 화학 연료 전지는, 애노드와 캐소드 유로 또는 가스 확산 구조 사이에 고분자 이온(양성자) 전달 막을 포함하는, 막 전극 조립체(MEA)를 포함한다. 수소와 같은 연료와 공기 중의 산소와 같은 산화제가 MEA의 개개의 측면을 통과하여 전기 에너지와 반응 생성물로서의 물을 생성한다. 별도의 애노드 및 캐소드 유체 유로가 배열된 다수의 이러한 연료 전지를 포함하는 적층체(stack)가 형성될 수 있다. 이러한 적층체는 전형적으로, 적층체의 양단부에 단부 플레이트에 의해 함께 유지되는 수많은 개별 연료 전지 플레이트를 포함하는 블록의 형태이다. 이러한 연료 전지는, 물자 취급 장비(MHE)와 고정형 전력 용례 및 무인 항공기(UAV)와 같은, 다양한 기술에 전력을 제공하는 데 사용될 수 있다.
효율적인 작동을 위해서는 고분자 이온 전달 막이 수화 상태를 유지하는 것이 중요하다. 적층체의 온도를 제어하는 것도 중요하다. 따라서, 냉각 및/또는 수화를 위해 적층체에 냉각제가 공급될 수 있다. 특정 시간에 또는 주기적으로 퍼지 가스를 사용하여 연료 전지의 유로 또는 가스 확산 구조로부터 냉각제, 오염 물질, 또는 반응 부산물을 제거하는 것이 필요할 수 있다. 연료(예컨대, 수소)를 포함할 수 있는 퍼지 가스는 연료 전지를 정화하기 위해 애노드 유로를 통해 유동될 수 있다.
이러한 연료 전지 및 연료 전지 적층체를 활용하는 시스템이 각종 상이한 방식으로 냉각 및 수화될 수 있다. 연료 전지 적층체를 냉각 및 수화시키기 위한 기존의 시스템은 단점이 있다. 기존의 몇몇 기술에서는, 연료 전지 적층체를 냉각 및/또는 수화시키기 위해 가스(예컨대, 공기)가 시스템 내로 흡입될 수 있다. 이 가스는 시스템의 일 단부에서 흡입되어 시스템의 다른 단부로부터 배출될 수 있다. 연료 전지 적층체 시스템 유닛이 매우 조밀하게 채워진 배터리 상자 내로 설치되어야 하는 MHE 용례의 경우, 이러한 장치가 항상 바람직하거나 적합한 것은 아니다. 다수의 조밀하게 채워진 구성요소를 통해 가스를 배출하는 것은 상당한 압력 강하를 초래하며, 따라서 효율성 저하와 시스템 성능 저하를 초래한다. 또한, 기존의 다수의 MHE 용례에서, 기존의 배터리 상자는 설치 및 제거 작업을 위해 하나의 접근 가능한 면만 필요로 하는 경우가 많다는 사실로 인해, 시스템 유닛이 모든 측면에서 접근 가능하지는 않은 경우가 많다. 기존의 MHE 차량을 개조하여 이차적인 면으로부터 가스 배출을 허용하기 위해서는 고객이 막대한 비용을 들여 차량을 재인증하여야 한다. 따라서, MHE에 사용되는 연료 전지 적층체를 냉각 및/또는 수화시키기 위한 개선된 시스템이 요구되고 있다.
연료 전지를 냉각 및/또는 수화시키는 데 사용되는 가스의 양은 다양한 용례에서 다를 수 있다. 경우에 따라서는 연료 전지 적층체로 유도되는 가스의 양을 제어하기가 어렵다. 이 때문에, 연료 전지 적층체를 냉각 및/또는 수화시키는 데 사용되는 개선된 가스 분포 제어도 요구되고 있다.
본 출원 전반에 걸쳐 설명되는 제안되고 있는 바와 같은 해결책은, 모든 가스의 시스템 내외로의 입장 및 퇴장이 단일 면을 통해 이루어지도록, 구성에 따라 연료 전지 유닛의 배출 가스 또는 흡입 가스의 방향을 180도 전환시키는 것에 관한 것이다. 해결책은, 추가로 또는 대안으로서, 연료 전지 적층체를 냉각 및/또는 수화시키기 위해 사용되는 가스의 양을 조절하기 위한 제어 기구를 제공하는 것에 관한 것일 수 있다.
전술한 요구는 본 출원 전반에 걸쳐 개시된 냉각제 분포 시스템, 연료 전지 전력 시스템, 및 사용 방법의 다양한 양태에 의해 충족된다. 본 개시의 일 양태에 따르면, 냉각제 유체를 통해 연료 전지를 냉각시키기 위한 덕트 시스템은 하우징; 냉각 챔버; 시스템 내로 냉각제를 수용하도록 구성된 유입 포트; 시스템으로부터 냉각제를 배출하도록 구성된 배출 포트; 및 냉각제를 시스템 내로, 시스템을 통하여, 시스템 외부로 이동시키기 위한 수단을 포함한다.
선택적으로, 하우징이 외부 표면 및 외부 표면 반대편의 내부 표면을 구비할 수 있다.
선택적으로 내부 표면이 내부 체적을 획정할 수 있다. 냉각 챔버가 내부 표면에 의해 획정될 수 있으며 내부 체적 내부에 있을 수 있다.
선택적으로, 하우징이 제1 면 및 제1 방향을 따라 제1 면으로부터 이격된 제2 면을 포함할 수 있다. 유입 포트 및 배출 포트가 제1 면 상에 있을 수 있다.
선택적으로, 하우징이 유입 채널 및 배출 채널을 포함할 수 있고, 유입 채널 및 배출 채널이 냉각 챔버와 유체 연통하며 또한 서로 유체 연통하고, 유입 채널이 유입 포트와 유체 연통하며 배출 채널이 배출 포트와 유체 연통한다.
선택적으로, 시스템이 복수의 유입 포트를 포함할 수 있다. 복수의 유입 포트 각각이 배출 포트의 주위에 방사상으로 배치될 수 있다.
선택적으로, 하우징 상에, 냉각 챔버 내로 연장되며 냉각제를 냉각 챔버의 소정의 영역으로 유도하도록 구성되는 구성요소가 포함될 수 있다.
선택적으로, 하우징이 유입 채널, 배출 채널, 및 냉각 챔버 중 하나 이상을 통한 난류 기류를 증가시키기 위한 수단을 포함할 수 있다.
선택적으로, 하우징이 하우징으로부터 연장되는 돌출부를 획정할 수 있고, 돌출부가 유입 포트와 배출 포트 중 하나 또는 양자 모두를 획정하며, 돌출부가 냉각제를 소정의 유로를 따라 유도하도록 구성된다.
선택적으로, 시스템은 냉각 챔버와 별개이며 배출 포트와 유체 연통하는 바이패스 챔버를 추가로 포함할 수 있다. 시스템이 냉각제를 시스템의 하나 이상의 구성요소로 유도하도록 구성된 제어 수단을 추가로 포함할 수 있다. 제어 수단은 제어 수단이 냉각제를 전부 냉각 챔버로 유도하며 냉각제를 전혀 바이패스 챔버로 유도하지 않도록 구성되는 제1 구성을 가질 수 있다. 제어 수단은 제어 수단이 냉각제를 전부 바이패스 챔버로 유도하며 냉각제를 전혀 냉각 챔버로 유도하지 않도록 구성되는 제2 구성을 가질 수 있다. 제어 수단은 냉각제의 제1 부분은 냉각 챔버로 유도되는 반면 냉각제의 제2 부분은 바이패스 챔버로 유도되는 제3 구성을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 제어 수단이 밸브일 수 있다. 선택적으로, 밸브가 솔레노이드 밸브일 수 있다. 선택적으로, 밸브가 노브 밸브(knob valve)일 수 있다. 선택적으로, 제어 수단이 루버(louver)일 수 있다.
선택적으로, 시스템의 냉각제가 공기를 포함할 수 있다.
선택적으로, 시스템이 냉각 챔버의 내부에 배치된 연료 전지를 냉각시키도록 구성될 수 있다.
일부 양태에서, 배출 포트가 하나 이상의 유입 포트에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다.
시스템이 하나 이상의 유입 축선을 따라 유입 포트를 통해 냉각제를 수용하도록 구성될 수 있고, 하나 이상의 유입 축선 각각이 서로 평행하다.
일부 양태에서, 시스템이 하나 이상의 유출 축선을 따라 배출 포트를 통해 냉각제를 배출하도록 구성될 수 있고, 하나 이상의 유출 축선 각각이 서로 평행하다.
선택적으로, 시스템이 유입 축선을 따라 유입 포트를 통해 냉각제를 수용하도록 구성될 수 있고, 시스템이 유출 축선을 따라 배출 포트를 통해 냉각제를 배출하도록 구성될 수 있고, 유입 축선과 유출 축선이 제1 방향에 수직인 평면을 따라 서로 이격된다.
선택적으로, 유입 축선과 유출 축선이 서로 평행할 수 있다.
선택적으로, 시스템이 유출 축선의 주위에 방사상으로 배치된 복수의 유입 축선을 가질 수 있다.
일부 양태에서, 유입 포트 및 배출 포트가 하우징의 동일한 면 상에 있을 수 있다. 선택적으로, 유입 포트와 배출 포트가 하우징의 제1 면 상에 있을 수 있다.
일부 양태에서, 냉각제를 이동시키기 위한 수단이 터빈을 포함할 수 있다.
선택적으로, 냉각제를 이동시키기 위한 수단이 펌프를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 유입 포트가 배출 포트와 상이한 하우징의 면 상에 배치될 수 있다.
일부 양태에서, 냉각제가 초당 10 입방미터까지의 유량으로 유입 포트를 통해 시스템 내로 이동될 수 있다. 선택적으로, 냉각제가 초당 5 입방미터까지의 유량으로 이동될 수 있다. 선택적으로, 냉각제가 초당 3 입방미터까지의 유량으로 이동될 수 있다.
일부 양태에서, 유입 포트에서 시스템에 들어가는 냉각제의 유량이 냉각 챔버로 이동되는 냉각제의 유량과 상이할 수 있다. 선택적으로, 유입 포트에서 시스템에 들어가는 냉각제의 유량이 냉각 챔버로 이동되는 냉각제의 유량보다 클 수 있다.
일부 양태에서, 냉각 챔버로 이동되는 냉각제의 유량이 제어 수단에 의해 제어될 수 있다.
일부 양태에서, 시스템이 내부에 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서가 시스템의 파라미터를 검출하도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 센서가 연료 전지 및/또는 연료 전지 적층체의 온도, 시스템에 들어가는 냉각제의 온도, 냉각제가 냉각 챔버 외부로 통과한 후의 냉각제의 온도, 냉각제의 압력, 냉각제의 유량, 냉각제의 조성, 배출 포트 외부로 배출될 때의 냉각제의 속도, 또는 냉각제나 연료 전지 적층체의 다른 파라미터를 검출하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 일부 양태에서, 시스템의 하우징이 내부 표면 상에 배치된 곡면을 포함할 수 있다. 곡면이 냉각 챔버 내로 연장될 수 있다. 곡면이 소정의 형상을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 곡면이 냉각제를 수용하며 또한 냉각제가 소정의 분포 패턴에 따라 냉각 챔버 전체에 걸쳐 유도되도록 냉각제에 코안다(Coanda) 효과를 부여하도록 구성될 수 있다. 소정의 분포 패턴이 냉각 챔버 내부의 연료 전지 적층체의 함수일 수 있다. 일부 양태에서, 소정의 분포 패턴이 연료 전지 적층체의 크기 또는 형상, 연료 전지 적층체와 곡면 사이의 거리, 연료 전지 적층체 내부의 연료 전지의 개수, 시스템의 연료 전지 적층체의 개수, 각각의 연료 전지 적층체의 상대적인 배열, 곡면의 재료, 냉각제와 접촉하는 곡면의 질감, 시스템을 통한 냉각제 유동 속도, 냉각제의 구성, 연료 전지 적층체의 온도, 연료 전지 적층체의 원하는 온도, 시스템의 원하는 용례, 위의 파라미터들의 임의의 조합, 및/또는 냉각제 분포의 필요성에 영향을 미칠 수 있는 임의의 다른 적절한 파라미터에 따라 달라질 수 있다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 연료 전지 시스템은 내부에 하나 이상의 연료 전지를 구비한 연료 전지 적층체; 및 냉각제 유체를 통해 연료 전지를 냉각시키기 위한 덕트 시스템을 포함한다.
덕트 시스템이 전술한 덕트 시스템 중 임의의 하나 이상일 수 있고, 또는 본원에 설명된 실시예의 조합일 수 있다. 덕트 시스템이 본원에 설명된 선택적인 양태를 하나도 포함하지 않거나, 하나 또는 복수를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 연료 전지 시스템은 기계 취급 장비(MHE) 구성요소에 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, MHE 구성요소가 지게차일 수 있다.
일부 양태에서, 연료 전지 시스템이 무인 항공기(UAV)에 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, UAV가 드론일 수 있다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 본 출원 전반에 걸쳐 설명된 양태 중 어느 하나에 따른 덕트 시스템을 통해 냉각제를 유도하기 위한 제어 시스템이 개시된다. 덕트 시스템이 전술한 덕트 시스템 중 임의의 하나 이상일 수 있고, 또는 본원에 설명된 실시예의 조합일 수 있다. 덕트 시스템이 본원에 설명된 선택적인 양태를 하나도 포함하지 않거나, 하나 또는 복수를 포함할 수 있다.
제어 시스템이 프로세서; 전원; 및 센서를 포함할 수 있다. 제어 시스템이 덕트 시스템이 작동하게 하기 위해 작동 신호를 덕트 시스템으로 전송하도록 구성된다.
일부 양태에서, 제어 시스템이 복수의 센서와 통신하도록 구성될 수 있다. 센서가 덕트 시스템 내에 또는 시스템 상에 배치될 수 있다.
선택적으로, 제어 시스템이 프로그램을 기반으로 작동하도록 구성될 수 있다. 프로그램은, 제어 시스템이 덕트 시스템 및/또는 연료 전지 시스템을 작동시키는 데 사용할 수 있는, 작동 지시를 제어 시스템에 제공할 수 있다. 선택적으로, 제어 시스템이 사용자에 의해 작동될 수 있다. 사용자는 시스템을 작동시키기 위해 제어 시스템 및/또는 덕트 시스템으로 하나 이상의 신호를 전송할 수 있다. 선택적으로, 제어 시스템이 하나 이상의 센서에 의해 감지된 파라미터에 응답하여 자율적으로 작동하도록 구성될 수 있다.
연료 전지 시스템은 하우징; 하우징 내부의 챔버; 냉각제 유체를 수용하기 위한 제1 면 및 적층체로부터의 냉각제 유체의 배출을 위한, 제1 면과 이격되고 반대편에 있는 제2 면을 구비한, 챔버 내부의 연료 전지 적층체; 냉각제 유체를 챔버 내로 수용하도록 구성된 유입 포트; 챔버로부터 냉각제 유체를 배출하도록 구성된 배출 포트; 냉각제를 챔버 내부로, 챔버를 통하여, 챔버 외부로 이동시키기 위한 수단; 및 냉각제 유체를 연료 전지 적층체의 제1 면으로 유도하기 위한 수단을 포함하며, 하우징이 챔버 내부에 위치한 곡면을 포함하며, 곡면이 연료 전지 적층체의 제1 면을 향해 유동하는 냉각제 유체의 적어도 일부의 방향을 변경하도록 구성된다.
본 출원이 첨부 도면과 함께 읽음으로써 추가로 이해된다. 대상을 예시하기 위한 목적으로, 주제의 예시적인 양태가 도면에 도시되어 있다: 그러나, 개시된 본 주제가 개시된 특정 방법, 장치 및 시스템으로 제한되는 것은 아니다.
도 1에는 본 개시의 일 양태에 따른 시스템의 등각 사시도가 도시되어 있고;
도 2에는 도 1의 시스템의 등각 단면도가 도시되어 있고;
도 3에는 도 1 및 도 2의 시스템의 상측면에서 본 단면도가 도시되어 있고;
도 4에는 도 1 내지 도 3의 시스템의 다른 등각 사시도가 도시되어 있고;
도 5에는 본 개시의 일 양태에 따른 시스템의 개략도가 도시되어 있고;
도 6에는 본 개시의 다른 양태에 따른 시스템의 등각 사시도가 도시되어 있고;
도 7에는 도 6의 시스템의 측단면 사시도가 도시되어 있고;
도 8에는 본 개시의 다른 양태에 따른 시스템의 등각 사시도가 도시되어 있고;
도 9에는 도 8의 시스템의 측단면 사시도가 도시되어 있고;
도 10a에는 본 개시의 일 양태의 개략적인 전방 사시도가 도시되어 있고;
도 10b에는 본 개시의 다른 양태의 개략적인 전방 사시도가 도시되어 있고;
도 10c에는 본 개시의 다른 양태의 개략적인 전방 사시도가 도시되어 있고;
도 10d에는 본 개시의 다른 양태의 개략적인 전방 사시도가 도시되어 있고;
도 11에는 코안다 효과를 부여하기 위한 곡선형 구조를 보여주는 본 개시의 다른 양태의 상측에서 본 단면도가 도시되어 있고;
도 12에는 본 개시의 일 양태에 따른 시스템을 작동시키기 위한 공정을 보여주는 흐름도가 도시되어 있고;
도 13에는 본 개시의 일 양태에 따른 시스템의 냉각제 흐름의 그래픽 표현이 도시되어 있다.
본 개시의 양태가 이제 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이며, 여기서 유사한 도면 부호는 달리 명시되지 않는 한 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭한다.
본 발명의 목적은 연료 전지 시스템의 체적을 감소시키는 동시에, 유닛의 후방으로부터 가스를 배출하는 것이 실행 가능한 옵션이 아닌 다양한 용례에서의 구현 능력을 증가시키는 것이다. 또한, 본 발명은 차단되어서는 안 되는 면(face)이 단 하나인 것을 의미한다. 이것은 결국 크기가 더 큰 용례의 경우 여러 개의 유닛이 등을 맞대고 또는 나란히 배열될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 목적은 시스템에 들어가 연료 전지 적층체로 공급될 냉각 및/또는 수화 가스의 정확하고 정밀한 제어를 가능하게 하는 것이다. 부정확한 양의 가스는 연료 전지 적층체의 과열 또는 과냉각을 유발할 수 있다.
본 개시의 양태가 이제 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이며, 여기서 유사한 도면 부호는 달리 명시되지 않는 한 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭한다. 특정 용어는 이하의 설명에서 단지 편의상 사용되는 것으로 제한적인 것은 아니다.
특정 용어가 설명에서 단지 편의상 사용되며 제한적인 것은 아니다. "근위" 및 "원위"라는 단어는 일반적으로 각각, 혼합 시스템을 사용하는 개체를 향하는 그리고 개체로부터 멀어지는 위치 또는 방향을 지칭한다. "축방향", "수직", "횡방향", "좌측", "우측", "위" 및 "아래"라는 단어는 참조 도면에서의 방향을 지정한다. "실질적으로"라는 용어는 상당한 정도 또는 대부분을 의미하기 위한 것이지만, 반드시 지정된 것 전체인 것은 아니다. 용어에는 위에 언급된 단어, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어가 포함된다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "복수"는 하나 이상을 의미한다. 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 부정관사 및 정관사는 복수의 의미의 참조어를 포함하며, 특정 숫자 값에 대한 참조어는 적어도 해당 특정 값을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "재료"에 대한 참조어는 당업계의 숙련자에게 공지된 이러한 재료 및 그 등가물 등 중 적어도 하나에 대한 참조어이다.
"~을 포함하는", "~으로 본질적으로 구성되는" 및 "~을 구성하는"이라는 이행 용어는 특허 언어에서 일반적으로 허용되는 의미를 내포하기 위한 것으로서; 즉, (i) "구비하는", "내포하는" 또는 "특징으로 하는"과 동의어인 "~을 포함하는"은 포괄적이거나 개방형인 의미로서, 추가의 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않으며; (ii) "~로 구성되는"은 청구범위에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계, 또는 성분을 배제하며; (ⅲ) "~로 본질적으로 구성되는"은 청구된 발명의 기본적이고 신규한 특징(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 "특정 재료 또는 단계"로 청구 범위를 제한한다. "~을 포함하는"(또는 그 등가물)이라는 문구와 관련하여 설명된 실시예는 또한, "~로 구성되는" 및 "~로 본질적으로 구성되는"의 관점에서 독립적으로 설명되는 것을, 실시예로서, 제공한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 시스템(10)이 도시되어 있다. 출원 전반에 걸쳐, 시스템이 "유닛" 또는 "장치"로서 지칭될 수 있고, 이들 용어가 상호 교환적으로 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 시스템(10)은 외부 표면(102) 및 외부 표면(102) 반대편의 내부 표면(104)을 갖는 하우징(100)을 포함한다. 하우징(100)은 실질적으로 정사각형 프리즘, 정육면체, 사다리꼴 프리즘, 평행육면체, 또는 다른 다면체와 같은 형상을 가질 수 있다. 경우에 따라, 하우징(100)이 다른 하우징(100)에 인접하게 또는 그 상단에 배치될 수 있도록(즉, 적층될 수 있도록) 치수 및 형상이 정해질 수 있다.
내부 표면(104)이 내부 체적(108)을 획정한다. 시스템(10)이 하나 이상의 연료 전지(12)를 포함한다. 연료 전지(12)가 공지된 기술에 따라 함께 배열되어 연료 전지 적층체(14)를 형성할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 연료 전지 적층체(14)는 하우징(100)에 부착된다. 연료 전지 적층체(14)가 제거 가능하게 부착될 수 있어, 연료 전지 적층체(14)가 시스템(10)으로부터 분리 및 제거될 수 있고, 선택적으로 다른 연료 전지 적층체(14)가 하우징(100) 내로 도입되어 연결될 수 있다.
시스템(10)이 내부 체적(108)의 내부에 복수의 연료 전지 적층체(14)를 포함할 수 있다. 연료 전지 적층체(14)가 동일한 양, 유형, 및 배열의 연료 전지(12)를 포함할 수 있고, 또는 대안으로서, 연료 전지의 양, 유형, 및/또는 배열이 연료 전지 적층체(14) 간에 상이할 수 있다. 시스템(10)이 1개, 2개, 3개, … 10개, 또는 다른 적절한 개수의 연료 전지 적층체(14)를 포함할 수 있으며, 본 개시가 특정 양의 연료 전지 적층체(14)로 제한되는 것은 아니다.
하우징(100)의 내부 체적(108)이 냉각 챔버(112)를 추가로 획정한다. 연료 전지 적층체(14)(또는 복수의 연료 전지 적층체(14))가 냉각 챔버(112)의 내부에 적어도 부분적으로 배치된다. 냉각 챔버(112)가 하나 이상의 연료 전지 적층체(14) 내부의 연료 전지(12)를 냉각시키기 위해 냉각제를 수용하도록 구성된다. 본 개시의 예시적인 양태에서는, 냉각제가 가스, 예를 들어, 주변 공기이지만, 이 대신에 연료 전지(12)가 액체로 냉각될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 냉각 챔버(112)는 냉각제가 연료 전지 적층체(14)를 통과하면서 접촉하는 동안 챔버 내부로, 챔버를 통하여, 챔버 외부로 유동할 수 있도록 치수가 정해진다.
하우징(100)은 냉각제(예컨대, 공기)가 시스템 내로, 구체적으로 냉각 챔버(112) 내로 도입될 수 있는 유입 포트(120)를 획정한다. 유입 채널(124)이 하우징의 내부에서, 예컨대 내부 체적(108)의 내부에서, 유입 포트(120)와 냉각 챔버(112)의 사이에서 연장된다. 유입 채널(124)이 유입 포트(120)와 냉각 챔버(112)를 유체 연통시킨다. 유입 채널(124)은 유입 포트(120)에서 냉각제를 수용하며 또한 냉각제가 유입 채널(124)을 통해 냉각 챔버(112)로 이동하게 할 수 있도록 구성된다.
하우징(100)은 냉각제가 배출될 수 있는 배출 포트(130)를 추가로 획정한다. 배출 채널(134)이 하우징 내부에서, 예컨대 내부 체적(108)의 내부에서, 냉각 챔버(112)와 배출 포트(130)의 사이에서 연장된다. 배출 채널(134)이 냉각 챔버(112)와 배출 포트(130)를 유체 연통시킨다. 배출 채널(134)은 냉각 챔버(112)로부터 냉각제를 수용하며 또한 냉각제가 배출 채널(134)을 통해 냉각제가 시스템(10)으로부터 배출되는 배출 포트(130)로 이동하게 할 수 있도록 구성된다.
하우징(100)은 외부 표면(102) 상의 제1 면(116)을 획정한다. 본 개시의 목적을 위해, 하우징(100)의 "면(face)"은 전술한 시스템의 형상의 임의의 기하학적 면일 수 있다. 일부 실시예에서, 유입 포트(120)가 제1 면(116) 상에 획정될 수 있다. 선택적으로, 배출 포트(130)가 제1 면(116) 상에 획정될 수 있다. 일부 실시예에서, 유입 포트(120)와 배출 포트(130)가 모두 동일한 제1 면(116) 상에 획정될 수 있다.
도면을 참조하면, 도시된 실시예는 유입 포트(120)와 배출 포트(130)를 동일한 면, 즉 제1 면(116) 상에 구비한다. 유입 포트(120)와 배출 포트(130)가 하우징(100)의 동일한 면 상에 있을 필요는 없다는 것이 이해될 것이다.
하우징이 제1 방향(D1)을 따라 제1 면(116)으로부터 이격된 제2 면(118)을 획정한다. 본 개시의 목적을 위해, 제1 방향(D1)은 제1 면(116)으로부터 제2 면(118)으로의 방향 및 제2 면(118)으로부터 제1 면(116)으로의 역방향을 포함한다. 제2 면(118)이 전술한 바와 같이 하우징 형상의 상이한 기하학적 면일 수 있다. 냉각 챔버(112)가 제1 면(116)과 제2 면(118)의 사이에서 내부 체적(108)의 내부에 배치될 수 있다. 하우징(100)이 전술한 바와 같이 하우징(100)의 기하학적 형상을 구성하는 다른 면들을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
냉각제(예컨대, 공기)가 제1 면(116)에 있는 유입 포트(120)로 들어가 유입 채널(124) 내로 이동할 수 있다. 냉각제는 유입 포트(120)로부터 냉각 챔버(112)를 향하여, 예컨대 제1 방향(D1)을 따라 이동할 수 있다. 냉각 챔버(112)로부터, 냉각제가 배출 채널(134) 내로 배출되어 배출 포트(130)를 향하여 그리고 이를 통하여 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제가 배출 채널(134)을 따라 제1 방향(D1)으로 이동할 수 있다. 선택적으로, 냉각제가 유입 채널(124)을 따른 냉각제의 이동과 평행하게 배출 채널(134)을 따라 이동될 수 있다. 대안으로서, 유입 채널(124)과 배출 채널(134)은 유입 및 배출 채널(124, 134) 중 하나를 따른 냉각제의 흐름이 유입 및 배출 채널(124, 134) 중 다른 하나를 따른 냉각제의 흐름과 평행하지 않도록 배열될 수 있다.
일부 양태에서, 시스템(10)은 복수의 유입 포트(120), 복수의 배출 포트(130), 또는 복수의 유입 및 배출 포트(120, 130) 양자 모두를 포함할 수 있다. 각각의 유입 포트(120)가 별도의 유입 채널(124)에 개방되어 유체 연통할 수 있고, 따라서 시스템(10)이, 예컨대 유입 채널(124)의 양이 유입 포트(120)의 양에 대응하도록 복수의 유입 채널(124)을 포함할 수 있다. 각각의 배출 포트(130)가 별도의 배출 채널(134)에 개방되어 유체 연통할 수 있고, 따라서 시스템(10)이, 예컨대 배출 채널(134)의 양이 배출 포트(130)의 양에 대응하도록 복수의 배출 채널(134)을 포함할 수 있다. 임의의 적절한 양의 유입 포트(120) 및 그 개개의 유입 채널(124)이, 예컨대 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 다른 적절한 개수로 이용될 수 있다. 유사하게, 임의의 적절한 개수의 배출 포트(130) 및 그 개개의 배출 채널(134)이, 예컨대 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 다른 적절한 개수로 이용될 수 있다.
도 1 내지 도 4의 예시적인 실시예를 참조하면, 시스템(10)은 복수의 유입 포트(120)(및 개개의 유입 채널(124)) 및 단일 배출 포트(130)(및 개개의 배출 채널(134))를 포함할 수 있다. 상이한 개수의 유입 포트(120) 및 배출 포트(130)(및 그 개개의 채널(124, 134))가 이용될 수 있고, 도면에 도시된 실시예가 제한을 위한 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 일부 특정 실시예에서, 시스템(10)이 2개의 유입 포트(120)를 포함할 수 있다. 모든 유입 및 배출 포트(120, 130)가 제1 면(116) 상에 배열될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 유입 포트들(120)이 배출 포트(130)를 둘러싸도록 배출 포트(130)가 제1 면(116) 상에 배치될 수 있다. 배출 포트(130)가 2개의 유입 포트(120)의 사이에 배치될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 시스템(10)이 4개의 유입 포트(120) 및 단일 배출 포트(130)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 적절한 배열에는, 예를 들어 4개의 유입 포트(120)에 의해 배출 포트(130)가 둘러싸이는 것이 포함될 수 있다.
유입 포트(120) 및 배출 포트(130)가 하우징(100)의 동일한 면 상에 있는 도면에 도시된 바와 같은 배열에 의하면, 하우징(100)이, 유입 및 배출 모두용의 냉각제(예컨대, 공기)에 개방되어 있는 하나의 면(예컨대, 제1 면(116))을 제외한, 모든 면에서 덮이거나 차단될 수 있다. 이것은 시스템(10)이 조밀하게 채워지는 배열로 배치되는 것을 허용하며, 여기서 다른 구성요소가 시스템(10)을 둘러쌀 수 있다. 이러한 배열은 또한, 복수의 시스템(10)이 함께 배열될 수 있는 실시예에서 시스템(10)의 적층을 허용한다.
시스템은 냉각제를 시스템 내부로, 시스템을 통하여, 시스템 외부로 이동시키기 위한 수단을 더 포함한다. 일부 양태에서, 상기 수단이 임펠러 또는 팬(138)을 포함할 수 있다. 임펠러(138)가 하우징(100) 상에 배치될 수 있다. 일부 양태에서, 임펠러(138)가 하우징(100)의 외부 표면(102) 상에 배치될 수 있다. 일부 양태에서, 임펠러(138)가 하우징(100)의 내부 표면(104) 상에 배치될 수 있다. 임펠러(138)가 내부 체적(108)에 배치될 수 있고, 하우징(100)에 연결될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 실시예를 참조하면, 임펠러(138)가 배출 채널(134)에 인접하게 또는 배출 채널(134) 내에 배치될 수 있다. 선택적으로, 임펠러(138)가 배출 포트(130)에 인접하게 배치될 수 있다. 임펠러(138)는 회전할 때 냉각제가 배출 채널(134)을 통해 그리고 배출 포트(130)를 향하여 이동되도록 배치될 수 있다.
이러한 실시예에서, 임펠러(138)(또는 냉각제를 이동시키기 위한 대안의 또는 추가의 수단)가 냉각 챔버(112)의 하류에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제를 이동시키기 위한 복수의 수단, 예컨대 복수의 임펠러 또는 팬(138)이 시스템(10)에 포함될 수 있다. 임펠러(138)는, 예컨대 하나 이상의 임펠러(138)가 냉각 챔버(112)의 상류에 있도록, 하나 이상의 임펠러(138)가 냉각 챔버(112)의 하류에 있도록, 하나 이상의 임펠러(138)가 냉각 챔버(112)의 내부에 있도록, 또는 하나 이상의 임펠러(138)가 냉각 챔버(112)의 상류, 하류, 또는 내부에 배치될 수 있는 상기 구성 중 어느 하나의 조합으로 시스템(10) 전체에 걸쳐 배열될 수 있다.
임펠러(138) 또는 냉각제를 이동시키기 위한 다른 수단이 유입 채널(124)의 내부에 또는 이에 인접하게 배치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 선택적으로, 상기 수단이 유입 포트(120)에 인접하게 배치될 수 있다.
냉각제를 이동시키기 위한 수단이, 예컨대 전원에 의해 충분한 전력을 공급받아, 원하는 양의 냉각제가 시스템(10)을 통해 이동될 수 있다는 것이 추가로 이해될 것이다. 일부 양태에서, 유량으로 특징지어지는 시스템(10)을 통해 이동되는 냉각제의 원하는 양은 초당 3 입방미터까지의, 초당 5 입방미터까지의, 초당 10 입방미터까지의, 또는 다른 적절한 유량일 수 있다. 냉각제를 이동시키기 위한 수단의 치수, 배치, 개수, 전력 필요량, 및 기타 파라미터가 시스템(10)의 특정 용도 및 이동될 냉각제의 원하는 양 및 유량에 따라 달라질 것이다.
대안의 실시예가 도 6 내지 도 11에 도시되어 있다. 도시된 상이한 실시예가 제한적인 것은 아니며, 각각의 실시예가 하나 이상의 중첩 요소를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 동일한 구성요소가 동일한 도면 부호로 지칭되어 라벨링되며, 각각의 요소의 설명이, 달리 설명되지 않는 한, 개시된 실시예 중 어느 하나에 유사하게 적용될 수 있다.
작동 시에, 냉각제를 이동시키기 위한 수단(예컨대, 임펠러(138))이 작동되어 냉각제(예컨대, 공기)가 하나 이상의 유입 포트(120)를 통해 시스템(10) 내로 이동되도록 한다. 그 후 냉각제가 하나 이상의 유입 채널(124) 내로 그리고 이를 통해 냉각 챔버(112) 내로 이동된다. 냉각 챔버(112)의 냉각제는 하나 이상의 연료 전지 적층체(14)를 통과하며 및/또는 접촉한다. 냉각제와 연료 전지 적층체(14)의 상호 작용에 의해 열 교환이 발생하여, 예를 들어, 연료 전지 적층체(14)로부터 방출되는 열이 연료 전지 적층체(14)로부터 냉각 챔버(112)를 통과하는 냉각제 스트림으로 끌어당겨져, 연료 전지 적층체(14)와 그 내부의 연료 전지(12)를 냉각시킨다.
냉각제 유체가 연료 전지 적층체(14)보다 더 따뜻하며(또는 시스템(10)의 다른 구성요소보다 더 따뜻함), 시스템(10)을 통과하는 냉각제의 열 에너지가 연료 전지 적층체(14)(또는 다른 구성요소) 상으로 끌어당겨질 수 있어, 적층체(14)(또는 다른 구성요소)를 따뜻하게 만드는, 전술한 바와 반대되는 대안의 배열이 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 배열은 연료 전지(12) 또는 연료 전지 적층체(14)의 특정 설정값 온도를 상승시키거나 유지하려는 경우에 유리할 수 있다.
냉각 챔버(112)로부터, 냉각제가 배출 채널(134) 내로 이동된다. 냉각제가 배출 채널(134)을 통하여 배출 포트(130)를 향해 그리고 배출 포트(130)를 통하여 이동한다. 도면에 도시된 바와 같이, 배출 포트(130)가 유입 포트(120)(또는 복수의 유입 포트(120))와 동일하게 제1 면(116) 상에 배치될 수 있다. 이와 같이, 냉각제가 하우징(100)의 동일한 면에서(예컨대, 제1 면(116)에서) 시스템(10)으로 들어가며 시스템을 빠져나간다.
일부 양태에서, 냉각제 유체의 재순환을 최소화하는 것이 유리할 수 있다. 즉, 배출 포트(130)를 통해 시스템(10)을 빠져나가는 냉각제의 양이 동일한 제1 면(116) 상의 유입 포트(120)를 통해 시스템(10)에 다시 들어가는 것을 감소시키는 것이 유리할 수 있다.
일부 실시예에서, 이 효과는 임계 거리(TD)를 지나 냉각제를 추진하기에 충분히 큰 속도로 냉각제를 배출함으로써 조절된다(도 5의 개략도 참조). 이 임계 거리(TD) 이상에서는 배출된 냉각제가 환경으로 분산되어 주변 가스와 혼합된다. 냉각제가 임계 거리(TD) 이상으로 배출되면, 허용 가능한 소량의 또는 적은 비율의 배출된 냉각제에 대해 유입 포트(120)의 흡입이 이루어진다. 정확한 임계 거리(TD)는 시스템(10)의 원하는 용도에 기초하여 허용 가능한 것으로 간주되는 재순환 냉각제의 양 또는 비율에 기초하여 계산될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 배출 포트(130)를 통한 냉각제의 배출은 임펠러(138)의 치수 및 구조, 임펠러(138)의 전력 용량, 임펠러(138)의 회전 속도, 배출 포트(130)의 크기, 유입 포트(들)(120)의 크기 및/또는 양, 배출 포트(130)와 유입 포트(들)(120) 사이의 개개의 거리, 냉각제의 예상 온도, 냉각제의 조성, 또는 기타 요인에 의해 제어될 수 있다.
일부 양태에서, 재순환을 추가로 제한하기 위해, 하우징(100)이 냉각제를 유입 포트(120) 내로 유도하고 및/또는 냉각제를 배출 포트(130) 외부로 유도하지 않기 위한 하나 이상의 구조체(142)를 포함할 수 있다. 구조체(142)가 시스템(10)으로부터 배출된 냉각제와 시스템(10) 내로 흡입되고 있는 냉각제가 덜 혼합되도록(구조체(142)를 구비하지 않는 것에 비해) 하기 위해 핀(fin), 배플, 레지(ledge), 오버행(overhang), 또는 기타 돌출부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구조체(142)가 하우징(100)의 제1 면(116) 상에 또는 다른 면 상에 배치될 수 있다. 구조체(142)가 유입 포트(120), 배출 포트(130) 또는 양자 모두에 인접하게 및/또는 그 내부에 배치될 수 있다.
일부 예시적인 양태에서, 시스템(10)의 작동이, 유리하게는, 내부의 하나 이상의 구성요소의 가열이 증가됨으로 인한 이득을 얻을 수 있다. 이러한 시나리오에서는, (냉각 챔버(112)를 통과한 후 열을 흡수한) 배출된 냉각제의 재순환이 바람직할 수 있다. 이러한 양태에서는, 시스템(10)이 배출 포트(130)의 외부로 이동되는 냉각제가 전술한 임계 거리 이상으로 이동하는 것을 방지하는 도어와 같은 폐쇄 기구(도시 생략)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 더 큰 비율(폐쇄 기구 없이 재순환되는 비율에 비해)의 배출된 냉각제가 유입 포트(120)를 통해 시스템(10)으로 다시 이동된다. 폐쇄 기구가 시스템(10)의 개별 구성요소(예컨대, 하우징(100)의 일부)일 수 있고, 또는 대안으로서, 폐쇄 기구가 전술한 바와 같이 기능하도록 배출 포트(130)에 근접하게 배치된 상이한 구성요소(예컨대, 다른 시스템(10))일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
냉각제가 냉각 챔버(112) 내부로 그리고 이를 통해 이동됨에 따라, 연료 전지 적층체(14)의 일부가 적절하게 냉각되지 않을 수 있다. 일부 예에서, 냉각제 흐름이 연료 전지 적층체(14)를 가로질러 불균일하게 분포될 수 있어, 일관되지 않은 에너지 사용, 연료 전지의 손상, 효율 손실, 또는 기타 문제를 유발할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 흐름을 균일하게 하기 위해 냉각 챔버(112) 내에 또는 이에 인접하여 하나 이상의 물리적 구성요소가 존재할 수 있다. 도 7의 예시적이고 비제한적 실시예에 도시된 바와 같이, 냉각 챔버(112)의 내부에서 냉각제의 흐름을 유도하는 것을 돕기 위해 릿지(ridge)(180)가 하우징(100) 상에 배치될 수 있다. 불균일하게 냉각될 것으로 예상되는 냉각 챔버(112) 내의 예상 구역("데드" 구역으로 지칭됨)으로 냉각제 흐름을 유도하기 위해 다른 구성요소 또는 복수의 구성요소가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
선택적으로, 전술한 구성요소에 추가하여 또는 그 대신에, 하우징(100)이 냉각 챔버(112) 내로 그리고 이를 통해 이동할 때 냉각제에 코안다 효과를 제공하도록 구성된 곡면(190)을 포함할 수 있다. 충분한 구조에 의해, 코안다 효과는 냉각제 흐름이 평평한 표면 또는 곡면을 따르게 할 것이다. 이러한 배열은 냉각제가 연료 전지 적층체(14)와 접촉하여 이를 지나쳐 이동함에 따라 고르게 분포되도록 냉각제 흐름을 균일하게 하는 데 도움이 될 것이다. 예시적인 곡면(190)을 보여주는 예시적인 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 곡면(190)이 하우징(100)의 내부 표면(104) 상에 배치될 수 있으며 냉각 챔버(112) 내로 돌출될 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각제의 흐름이 유입 통로(124)를 통해 냉각 챔버(112)로 이동함에 따라, 냉각제의 흐름이 곡면(190)과 접촉하여 곡선을 따른다. 곡면(190)은 냉각 챔버(112) 내부의 원하는 영역, 예컨대 연료 전지 적층체(14)로 냉각제 흐름을 유도하는 것을 돕는다. 이러한 배열은 연료 전지 적층체(14)가 균일한 냉각제 흐름을 수용하지 않는 시나리오에서 유리할 수 있다. 곡면(190)을 통해 코안다 효과에 따라 냉각제의 흐름을 유도함으로써, 연료 전지 적층체(14)가 냉각제 흐름에 균일하게 충분히 노출될 수 있다.
곡면(190)이 소정의 형상을 가질 수 있다. 상기 형상이 수학 함수에 따라 곡선형일 수 있다. 상기 소정의 형상이 본 출원 전반에 걸쳐 설명된 임의의 파라미터와 같은 시스템의 하나 이상의 파라미터에 따라 달라질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
곡면(190)이 냉각제를 수용하며 또한 냉각제가 소정의 분포 패턴에 따라 냉각 챔버(112) 전체에 걸쳐 유도되도록 냉각제에 코안다 효과를 부여하기 위해 구성될 수 있다. 소정의 분포 패턴이 냉각 챔버 내부의 연료 전지 적층체의 함수일 수 있다. 일부 양태에서, 소정의 분포 패턴이 연료 전지 적층체의 크기 또는 형상, 연료 전지 적층체와 곡면 사이의 거리, 연료 전지 적층체 내부의 연료 전지의 개수, 시스템의 연료 전지 적층체의 개수, 각각의 연료 전지 적층체의 상대적인 배열, 곡면의 재료, 냉각제와 접촉하는 곡면의 질감, 시스템을 통한 냉각제 유동 속도, 냉각제의 구성, 연료 전지 적층체의 온도, 연료 전지 적층체의 원하는 온도, 시스템의 원하는 용례, 위의 파라미터들의 임의의 조합, 및/또는 냉각제 분배의 필요성에 영향을 미칠 수 있는 임의의 다른 적절한 파라미터에 따라 달라질 수 있다.
일부 양태에서, 시스템(10)을 통한 냉각제의 양 및/또는 유량이 특정 요구에 기초하여 조절될 수 있다. 시스템(10) 내로 끌어당겨져 시스템(10)을 통해 이동되는 냉각제의 양이 팬 파라미터(예컨대, 팬의 회전 속도)를 제어함으로써 제어될 수 있긴 하지만, 팬 파라미터를 변경하지 않고 냉각 챔버(112)로 이동되는 냉각제의 양을 조정하는 것이 유리할 수 있다. 이렇게 하면 팬의 수명을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 원하는 파라미터를 계산하고 팬을 해당 파라미터로 조정하는 데 있어서의 어려움을 감소시킬 수 있다. 일부 양태에서, 배출 포트(130)를 덮거나 달리 억제할 경우 더 큰 압력 강하를 초래한다. 배출 포트(130)를 차단하는 것은 시스템(10) 외부로의 냉각제의 강제 분사에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 필요한 양의 배출 유체가 전술한 거리 임계값에 도달하는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 본 개시의 일부 양태에서는, 배출 포트(130)를 차단하거나, 배출 포트(130) 외부로 냉각제가 소정의 임계 거리(TD)까지 이동하는 것을 억제하거나, 임펠러(138)의 속도를 감소시킴으로써 시스템(10)을 빠져나가는 냉각제의 배출 속도를 감소시키는 것이 유리하지 않을 수 있다. 냉각제가 임계 거리(TD)까지 배출되도록 냉각제의 적절한 배출을 유지하는 한 가지 방법은 임펠러(138)의 크기 및 형상뿐만 아니라 작동 파라미터를 유지하는 것이다. 이와 같이, 임펠러(138)의 작동 파라미터를 조정하지 않고 냉각 챔버(112)로 들어가는 냉각제의 양을 조절하는 것이 바람직할 수 있다.
본 출원 전반에 걸쳐 설명되는 일부 예시적인 양태에서, 시스템(10)이 유입 포트(120)에 들어가는 냉각제 중 얼마나 많은 양이 냉각 챔버(112) 내로 이동하도록 허용되는지를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 수단(164)을 포함할 수 있다. 일부 비제한적인 양태에서, 제어 수단(164)이 선택적으로 밸브일 수 있다. 추가 옵션으로서, 밸브가 게이트 밸브, 글로브 밸브, 플러그, 볼 밸브, 버터플라이 밸브 또는 다른 적절한 밸브 유형일 수 있다. 밸브가 선택적으로, 제어부에 의해 제어되도록 구성된 솔레노이드 밸브일 수 있다. 일부 양태에서, 제어 수단(164)이 선택적으로 루버일 수 있다.
제어 수단(164)이 시스템(10)에 들어가는 냉각제를 2개 이상의 경로로 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 제1 경로가 (예컨대, 흡입 채널(124)을 통해) 냉각 챔버(112)로 이어질 수 있다. 제2 경로가 냉각 챔버(112)와 별개의 상이한 챔버로 이어질 수 있다. 일부 양태에서, 하우징(100)의 내부 체적(108)이 냉각 챔버(112)와 별개의 바이패스 챔버(160)를 획정할 수 있다. 바이패스 챔버(160)가 배출 채널(134)과 유체 연통할 수 있다. 일부 양태에서, 바이패스 챔버(160)가 배출 채널(134) 내부에 있을 수 있다. 일부 양태에서, 바이패스 챔버(160)가 배출 채널(134)의 일부 또는 전체를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 바이패스 챔버(160)와 배출 채널(134)이 동일한 체적일 수 있다.
제어 수단(164)이 시스템(10)에 들어가는 냉각제를 냉각 챔버(112) 또는 바이패스 챔버(160) 중 하나로 선택적으로 유도하도록 구성될 수 있다. 제어 수단(164)은, 시스템(10)에 들어가는 냉각제가 전부 냉각 챔버(112)로 유도되는 제1 위치(또는 제1 구성), 시스템(10)에 들어가는 냉각제가 전부 바이패스 챔버(160)로 유도되는 제2 위치(또는 제2 구성), 또는 제1 위치와 제2 위치 사이에 있는 제3 위치(또는 제3 구성)를 갖도록 구성될 수 있다. 제1 위치와 제2 위치 사이에, 시스템(10)에 들어가는 냉각제의 일부가 냉각 챔버(112)로 유도되며 냉각제의 다른 부분은 바이패스 챔버(160)로 유도되는 무한한 개수의 제3 위치가 있을 수 있다.
제어 수단(164)이 유입 채널(124)의 내부에 또는 이에 인접하게 배치될 수 있다. 시스템(10)이 복수의 유입 채널(124)을 포함하는 일부 양태에서는, 시스템(10)이 복수의 제어 수단(164), 예컨대 복수의 유입 채널(124) 각각의 내부의 제어 수단(164)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 각각의 유입 채널(124)이 복수의 제어 수단(164)을 포함할 수 있다. 추가로 선택적으로, 시스템(10)이 임의의 제어 수단(164)을 갖지 않는 하나 이상의 유입 채널(124) 및 하나 이상의 제어 수단(164)을 갖는 하나 이상의 유입 채널(124)을 구비할 수 있다.
선택적으로, 제어 수단(164)이 유입 채널(124)과 바이패스 챔버(160)의 사이에서 연장되는 중간 바이패스 채널(162)에 인접할 수 있다.
일부 양태에서, 제어 수단(164)이, 예컨대 제어 수단(164)을 제1 위치, 제2 위치, 또는 무한히 가능한 제3 위치들 중 어느 하나로 이동시킴으로써 사용자에 의해 수동으로 조정될 수 있다. 선택적으로, 제어 수단(164)이 제어부에 의해 조정될 수 있다. 이러한 조정은 냉각 챔버(112)에 들어가기 위한 냉각제의 원하는 양 및 냉각제의 원하는 유로에 기초하여 이루어질 수 있다. 일부 양태에서, 시스템(10)에 들어가는 냉각제의 양 및/또는 냉각제의 유량은 시스템(10)에 들어가는 냉각제의 약 90%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 80%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 70%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 60%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 50%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 40%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 30%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 20%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 약 10%까지 냉각 챔버(112)로 유도되도록; 또는 다른 적절한 비율로 조절될 수 있다. 냉각제의 원하는 분포 및/또는 냉각제의 유량이 시스템(10)의 의도한 용도, 연료 전지 적층체(14), 냉각제 유형 및 파라미터, 및/또는 시스템(10), 연료 전지(12) 내부의 연료 전지 구성요소, 및 냉각제 특성의 임의의 다른 파라미터에 따라 달라질 것이라는 것이 이해될 것이다.
일부 양태에서, 냉각제의 이러한 분포가 연료 전지 적층체(14) 내부의 수소를 적절히 희석하는 데 유용할 수 있다. 냉각제가 너무 많으면 수소가 유리한 수준 이상으로 희석될 수 있고 시스템(10)의 효율이 감소할 수 있다.
하나 이상의 제어 수단(164)에 의해 바이패스 챔버(160)로 우회된 냉각제는 하나 이상의 배출 포트(130)를 통해 시스템(10) 외부로 이동된다.
본 개시의 일부 양태에서는, 시스템(10)이 시스템(10)의 작동을 제어하기 위한 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 일부 비제한적인 실시예에서, 시스템(10)은 냉각제의 유량, 냉각제의 온도, 연료 전지 적층체(14)의 온도, 연료 전지(12) 내부의 수소의 농도, 전류, 또는 연료 전지 시스템에서 전형적으로 모니터링되는 다른 파라미터를 결정하기 위한 하나 이상의 센서(도시 생략)를 포함할 수 있다. 시스템(10)이 프로세서, 메모리 및 시스템 내부의 구성요소, 예컨대 임펠러(138), 연료 전지 적층체(14) 및/또는 제어 수단(164)을 제어하도록 구성된 입출력 능력을 갖춘 제어부를 포함할 수 있다. 제어부가 시스템(10)의 작동 파라미터를 표시하며 및/또는 사용자로부터 입력 명령을 수신하기 위해 외부 장치와 상호 작용하도록 구성될 수 있다. 제어부가 본 출원 전반에 걸쳐 설명된, 예컨대 시스템(10)의 작동을 위한 지시 및/또는 하나 이상의 구성요소의 원하는 작동 파라미터를 제공하는 메모리에 저장된 하나 이상의 프로그램에 기초하여 작동할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 유입 포트(120) 및/또는 배출 포트(130) 중 하나 이상이 제1 면(116)과 상이한 하우징(100)의 면 상에 배치될 수 있다. 이러한 배열은 하우징(100)의 적어도 하나의 다른 면이 냉각제의 흡입 및/또는 배출을 허용하기 위해 주변 환경에 충분히 개방되도록 시스템(10)이 위치되는 용례에서 이용될 수 있다. 배출 포트(들)(130)가 상이한 면 상에 있고 및/또는 유입 포트(들)(120)로부터 멀어지게 기울어질 수 있기 때문에, 이러한 배열은 냉각제의 재순환 보급을 감소시키는 데 유리할 수 있다. 이러한 예시적인 배열에서, 모든 배출 포트(130)가 모든 유입 포트(120)와 상이한 하우징(100)의 면 상에 있도록; 일부 배출 포트(130)가 유입 포트(120)의 일부 또는 전부와 동일한 하우징(100)의 면 상에 있는 반면, 일부 배출 포트(130)는 유입 포트(120)와 상이한 하우징(100)의 면 상에 있도록; 또는 일부 유입 포트(120)가 배출 포트(130)의 일부 또는 전부와 동일한 하우징(100)의 면 상에 있는 반면, 일부 유입 포트(120)는 배출 포트(130)와 상이한 하우징(100)의 면 상에 있도록 배출 포트(130)와 유입 포트(120)가 배치될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 하나의 면(예컨대, 제1 면(116))만이 환경에 충분히 개방되는 조밀하게 채워진 영역에 시스템(10)이 배치되는 용례에서 이러한 배열이 항상 적합한 것은 아니다.
일부 예시적인 양태에서, 냉각제의 흡입이 제1 면(116)에 인접하여 발생하며 냉각 챔버(112)로부터의 냉각제의 배출가 제2 면(118)에 인접하여 발생하도록 시스템(10)의 하우징(100)이 제거 가능할 수 있다. 하우징(100)이 유입 포트(120) 및/또는 배출 포트(130)가 냉각제의 유입 및 배출를 각각 용이하게 하기 위해 원하는 방향으로 기울어지도록 형상 및 치수가 정해질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 8 및 도 9의 예시적인 실시예를 참조하면, 대안의 시스템(20)이 도시되어 있고, 여기서 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지칭한다. 본 출원 전반에 걸쳐 설명된 시스템(10)에 관한 세부 사항은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 시스템(20)에도 적용될 수 있다. 상이한 도면 부호가 예시적인 실시예 간의 구별을 돕기 위해 이용되며, 하나 또는 다른 하나를 제한하기 위한 것이 아니며, 하나 또는 다른 하나에 대한 참조어가 양자 모두를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 8 및 도 9에 도시된 실시예에서, 시스템(20)이 유입 포트(120)를 포함하며, 유입 포트(120)가 그 주위에 방사상으로 배치된 복수의 배출 포트(130)에 의해 둘러싸여 있다. 시스템(20)의 작동 시에, 임펠러(138)가 유입 포트(120)를 통해 유입 채널(124) 내로 냉각제를 끌어들인다. 냉각 챔버(112)가 유입 채널(124)에 인접하거나 그 내부에 있을 수 있다. 냉각제가 냉각 챔버(112)로 내로 통과하며 연료 전지 적층체(14)와 접촉하여 그 주위에서 유동한다. 그 후 냉각제가 냉각 챔버(112)와 유체 연통하는 하나 이상의 배출 채널(134) 내로 이동된다. 냉각제가 하나 이상의 배출 채널(134)을 통해 배출 포트(130) 외부로 이동된다. 시스템(20)이 임의의 적절한 개수의 유입 포트(120) 및 개개의 유입 채널(124)뿐만 아니라 임의의 적절한 개수의 배출 포트(130) 및 개개의 배출 채널(134)을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 출원 전반에 걸쳐 도시된 시스템이 유입 및 배출 포트(120, 130)의 다양한 배열을 가질 수 있다. 도 10a 내지 도 10d를 참조하면, 몇 가지 예시적인 배열이 도시되어 있다. 도시된 배열의 변형뿐만 아니라 기타 배열이 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 10a 내지 도 10d에서, 포트 유형이 "A" 또는 "B"의 기호로 나타내어지며, 유입 포트(120) 또는 배출 포트(130)일 수 있다. 일부 양태에 따르면, 도 10a 내지 도 10d는 참조 문자 "A"가 유입 포트(120)(또는 포트들(120))를 지칭하며 참조 문자 "B"가 배출 포트(130)(또는 포트들(130))를 지칭하는 것으로 해석되어야 한다. 대안의 실시예에서는, 참조 문자 "A"가 배출 포트(130)(또는 포트들(130))를 지칭하며 참조 문자 "B"가 유입 포트(120)(또는 포트들(120))를 지칭하는 것으로 도 10a 내지 도 10d가 해석되어야 한다. 도시된 포트의 형상 및 치수는 제한을 위한 것이 아니며, 상이한 형상 및 상대 위치가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 13에는 시스템(10) 내로의, 시스템(10)을 통한, 시스템(10) 외부로의 공기 흐름 표현이 도시되어 있다. 기류 파라미터가, 이하로만 제한되는 것은 아니지만, 유입 포트의 배치 및/또는 개수, 배출 포트의 배치 및/또는 개수, 하우징의 형상, 하우징 상의 추가 구성요소(예컨대, 도어), 제어 수단(164) 및 그 작동, 냉각제의 온도 및/또는 조성, 및/또는 본 출원 전반에 걸쳐 설명된 바와 같은 시스템의 다른 구성요소와 같은, 본 출원 전반에 걸쳐 설명된 하나 이상의 구성요소의 변경에 기초하여 상이할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 출원 전반에 걸쳐 시스템(10)을 작동시키는 방법도 개시되어 있다. 예시적인 작동 방법이 도 12에 도시된 공정(200)에 도시되어 있다. 시스템(10)이 단계 204에서 작동될 수 있다. 작동은 버튼을 누르거나, 스위치를 젖히거나, 연결된 제어부에 전자 명령을 송신하는 것과 같은 임의의 공지된 방법을 통해 달성될 수 있다. 일부 양태에서, 시스템(10)은 연료 전지(12)의 하나 이상의 파라미터의 시스템(10) 내부의 하나 이상의 센서에 의한 판독과 같은 자극에 응답하여 자동으로 켜지도록 구성될 수 있다. 상기 작동 단계가 시스템(10)을 통해 냉각제를 이동시키기 위한 임펠러(138) 또는 기타 수단을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
단계 208에서, 임펠러(138)는 냉각제가 하나 이상의 유입 포트(120)에 들어가 하나 이상의 유입 채널(124) 내로 이동하게 함으로써 시스템(10) 내로의 냉각제의 이동을 유발할 수 있다. 냉각제가 하우징(100) 상의 유입 포트(120)의 주변 환경으로부터 유입 포트(120)로 흡입될 수 있다. 냉각제가 유입 채널(124)을 통해 냉각 챔버(112)를 향해 이동될 수 있다. 선택적으로, 냉각제의 일부 또는 전부가 바이패스 채널(162) 및/또는 바이패스 챔버(160)로 유도될 수 있다.
단계 212에서, 냉각제가 냉각 챔버(112) 내로 그리고 이를 통하여 이동된다. 냉각제가 하나 이상의 연료 전지 적층체(14)와 접촉하여 옆을 지나며, 적층체를 관통하며, 및/또는 적층체의 주위를 통과한다. 냉각제가 연료 전지 적층체(14)로부터 열을 빼앗아 연료 전지 적층체(14)를 냉각시킨다. 냉각제가 냉각 챔버(112)를 통하여 순환할 수 있다.
단계 216에서, 냉각제가 냉각 챔버(112)로부터 배출 채널(134)로 이동된다. 위에서 설명된 바와 같이, 배출 채널(134)이 바이패스 챔버(160)에 인접하거나, 바이패스 챔버와 중첩되거나, 바이패스 챔버와 동일할 수 있다. 냉각제가 배출 채널(134) 내로 그리고 배출 포트(130)를 향해 이동된다.
단계 220에서, 냉각제가 배출 포트(130)로부터 환경으로 배출된다. 냉각제의 재순환을 최소화하기 위해 냉각제의 적어도 일부가 적어도 임계 거리(TD)로 이동되도록 냉각제가 소정의 속도로 배출될 수 있다.
선택적으로, 공정(200)이 연료 전지의 하나 이상의 구성요소를 시스템(10) 내로 도입하는 하나 이상의 단계를 추가로 포함할 수 있다.
선택적으로, 공정(200)이 냉각 챔버(112) 및 바이패스 챔버(160)로, 냉각제의 전부 또는 일부를 유도하거나 냉각제를 전혀 유도하지 않도록 구성된, 제어 수단(164)을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
선택적으로, 공정(200)이 시스템(10)으로부터 장치로 전력을 제공하기 위해 시스템(10)을 장치와 연결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐 단어는 관련 기술 분야의 숙련자에 의해 이해되는 바와 같은 정상적인 의미를 부여받아야 한다. 그러나, 오해를 피하도록, 특정 용어의 의미가 구체적으로 정의하거나 명료화될 것이다.
본 개시가 다양한 도면의 다양한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 광범위한 개념을 벗어나지 않고 전술한 실시예에 대한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 개시가 개시된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 개시의 사상 및 범위 이내의 변형을 포함하도록 의도되는 것으로 이해된다.
개별 실시예의 맥락에서 위에서 설명된 본 개시의 특징이 단일 실시예에서 조합되어 제공될 수 있다. 반대로, 단일 실시예의 맥락에서 설명된 본 개시의 다양한 특징이 또한 개별적으로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수 있다. 마지막으로, 실시예가 일련의 단계의 일부 또는 보다 일반적인 구조의 일부로서 설명될 수 있지만, 각각의 상기 단계가 또한 기타 등등과 조합 가능한, 그 자체로 독립적인 실시예로 간주될 수 있다.
본원에서의 값의 범위에 대한 언급은, 본원에 달리 지시되지 않는 한, 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 참조하는 축약된 방법으로서의 역할을 하기 위한 것일 뿐이며, 각각의 개별 값은 본원에 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다. 본원에 설명된 모든 방법은 본원에 달리 지시되지 않거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다.

Claims (14)

  1. 냉각제 유체를 통해 연료 전지를 냉각시키기 위한 덕트 시스템으로서,
    제1 면 및 제1 방향을 따라 상기 제1 면으로부터 이격된 제2 면을 구비한 하우징;
    냉각 챔버;
    시스템 내로 냉각제를 수용하도록 구성된 복수의 유입 포트;
    시스템으로부터 냉각제를 배출하도록 구성된 배출 포트; 및
    냉각제를 시스템 내로, 시스템을 통하여, 시스템 외부로 이동시키기 위한 수단;
    상기 냉각 챔버와 별개이며, 상기 배출 포트와 유체 연통하는 바이패스 챔버;
    냉각제를 시스템의 하나 이상의 구성요소로 유도하도록 구성된 제어 수단
    을 포함하고,
    상기 제어 수단은, 제어 수단이 냉각제를 전부 냉각 챔버로 유도하며 냉각제를 전혀 바이패스 챔버로 유도하지 않도록 구성되는 제1 구성, 제어 수단이 냉각제를 전부 바이패스 챔버로 유도하며 냉각제를 전혀 냉각 챔버로 유도하지 않게 하도록 구성되는 제2 구성, 및 냉각제의 제1 부분은 냉각 챔버로 유도되는 반면 냉각제의 제2 부분은 바이패스 챔버로 유도되는 제3 구성을 가지며,
    상기 복수의 유입 포트 및 상기 배출 포트는 상기 제1 면 상에 있고,
    상기 복수의 유입 포트 각각이 상기 배출 포트의 주위에 방사상으로 배치되는 것인 덕트 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 제1 면 및 제1 방향을 따라 상기 제1 면으로부터 이격된 제2 면을 포함하는 것인 덕트 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 유입 포트 및 상기 배출 포트는 상기 제1 면 상에 있는 것인 덕트 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 유입 채널 및 배출 채널을 포함하고, 상기 유입 채널 및 상기 배출 채널은 상기 냉각 챔버와 유체 연통하며 또한 서로 유체 연통하고, 상기 유입 채널은 상기 유입 포트와 유체 연통하며 상기 배출 채널은 상기 배출 포트와 유체 연통하는 것인 덕트 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 유입 포트를 포함하는 덕트 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 유입 포트 각각은 상기 배출 포트의 주위에 방사상으로 배치되는 것인 덕트 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 상에, 상기 냉각 챔버 내로 연장되며 냉각제를 냉각 챔버의 미리 정해놓은 영역으로 유도하도록 구성되는 구성요소가 포함되는 것인 덕트 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 하우징으로부터 연장되는 돌출부를 획정하며, 상기 돌출부는 상기 유입 포트와 상기 배출 포트 중 하나 또는 양자 모두를 획정하고, 상기 돌출부는 냉각제를 미리 정해놓은 유로를 따라 유도하도록 구성되는 것인 덕트 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 챔버와 별개이며 상기 배출 포트와 유체 연통하는 바이패스 챔버를 추가로 포함하는 덕트 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 냉각제를 시스템의 하나 이상의 구성요소로 유도하도록 구성된 제어 수단을 추가로 포함하며,
    상기 제어 수단은, 제어 수단이 냉각제를 전부 상기 냉각 챔버로 유도하며 냉각제를 전혀 상기 바이패스 챔버로 유도하지 않도록 구성되는 제1 구성; 제어 수단이 냉각제를 전부 상기 바이패스 챔버로 유도하며 냉각제를 전혀 상기 냉각 챔버로 유도하지 않도록 구성되는 제2 구성; 및 냉각제의 제1 부분은 상기 냉각 챔버로 유도되는 반면 냉각제의 제2 부분은 상기 바이패스 챔버로 유도되는 제3 구성 중 적어도 2개의 구성을 갖는 것인 덕트 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 내부 표면 상에 배치되며 상기 냉각 챔버 내로 연장되는 곡면을 포함하며, 상기 곡면은 미리 정해놓은 형상을 갖는 것인 덕트 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 곡면은, 냉각제를 수용하고 냉각제가 미리 정해놓은 분포 패턴에 따라 상기 냉각 챔버 전체에 걸쳐 유도되도록 냉각제에 코안다(Coanda) 효과를 부여하도록 구성되어 있는 것인 덕트 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 냉각 챔버 내에 배치된 연료 전지를 냉각시키도록 구성되는 덕트 시스템.
  14. 제12항의 덕트 시스템을 통하여 냉각제를 유도하기 위한 제어 시스템으로서,
    프로세서;
    전원; 및
    센서
    를 포함하며,
    상기 덕트 시스템을 작동시키기 위해 작동 신호를 상기 덕트 시스템으로 전송하도록 구성되어 있는 것인 제어 시스템.
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