JP2005216848A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現し、セパレータの全体領域に対して適切な温度勾配を提供してシステムの性能及び効率を向上させ、スタック及び改質器で発生する熱を効率的に利用することができる構造を有する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタックと、燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を供給する空気供給部と、前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部と、前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池システムに係り、より詳しくは、燃料電池のスタックと、このスタックに対する冷却構造に関するものである。
一般的に、燃料電池(fuel cell)は、メタノール、エタノール又は天然ガスなど、炭化水素系列の物質に含まれている水素と空気中の酸素とを燃料として起こる電気化学反応によって、化学エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する発電システムである。特に、燃料電池は、燃焼過程なしで、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学的な反応によって生成される電気とその副産物である熱を同時に用いることができるという特徴を有する。
このような燃料電池は用いられる電解質の種類によって、１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池、常温ないし１００℃以下で作動する高分子電解質型及びアルカリ型燃料電池などに分類され、これら各々の燃料電池は根本的に同じ原理によって作動するが、燃料の種類、作動温度、触媒、及び電解質が互いに異なる。
この中で近来に開発されている高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ)は、他の燃料電池に比べて出力特性が優れており、作動温度が低いのみならず早い始動及び応答特性を有しており、メタノール、エタノール、天然ガスなどを改質して作った水素を燃料として使用して、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源、及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有している。
前記のような高分子電解質型燃料電池が基本的にシステムの構成を備えるためには、スタック(stack)と呼ばれる燃料電池本体（以下、便宜上スタックと称する）、燃料タンク、及びこの燃料タンクから前記スタックに燃料を供給するための燃料ポンプなどが必要である。そして、燃料タンクに保存された燃料をスタックに供給する過程で燃料を改質して水素ガスを発生させ、その水素ガスをスタックに供給する改質器(reformer)がさらに含まれる。したがって、高分子電解質型燃料電池は、燃料ポンプのポンピング力により燃料タンクに保存された燃料を改質器に供給し、改質器が燃料を改質して水素ガスを発生させ、スタックが水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生産する。
一方、燃料電池は、水素を含有した液状の燃料を直接スタックに供給して電気を生産することができる直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ)方式を採用することもできる。このような直接メタノール型燃料方式の燃料電池は高分子電解質型燃料電池とは違って、改質器が排除される。
前記のような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜−電極アセンブリー(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)とセパレータ（又はバイポーラプレート(Bipolar Plate)）からなる単位セルが数個ないし数十個が積層された構造を有する。膜−電極アセンブリーは、電解質膜を隔ててアノード電極（“燃料極”又は“酸化電極”という）とカソード電極（“空気極”又は“還元電極”という）とが付着された構造を有する。セパレータは、燃料電池の反応に必要な酸素と水素ガスが供給される通路の役割と、各膜−電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の役割とを同時に遂行する。したがって、このセパレータにより、アノード電極には水素ガスが供給される一方、カソード電極には酸素が供給される。この過程で、アノード電極では水素ガスの酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の還元反応が起こるようになり、この時に生成される電子の移動によって電気と熱、そして水を同時に得ることができる。
このような燃料電池システムは、スタックを常に適正温度に管理しなければ、電解質膜の安定性を保証することができないだけでなく、性能低下も未然に防止できない。このために、従来の燃料電池システムは通常の空冷式冷却装置を備え、運転中にスタックで発生する熱を比較的低温まで冷却させたり、又は冷却水を供給してスタックで発生する熱を冷却させる水冷式冷却装置を備えている。
しかし、従来の燃料電池システムは、例えば、水冷式冷却装置によってスタックで発生する熱を冷却させる場合、スタック内に冷却水を通過させるための別途の冷却プレートを設置しなければならないため、全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現できなくなる問題点がある。
また、従来の燃料電池システムは、スタックから多量の水分を含有した状態で排出された未反応空気が相対的に低い温度を維持する大気に放出される場合、未反応空気が大気と接触しながら凝縮が起こる。したがって、未反応空気が凝縮しながら生成される水を保存したりリサイクルするための別途の装置を設置しなければならないため、全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現できず、別途の装置を駆動するのに伴う熱又は電気の負荷が加重されて、全体的なシステムの効率及び性能が低下する問題点がある。
また、従来の燃料電池システムは、電気生成に必要な液状の燃料を別途に加熱して、改質器を通じて水素ガスを発生させる構造を有する。これにより、液状の燃料を改質器で要求される温度に別途加熱するのに伴う熱負荷の増加によって、全体システムの効率及び性能が低下する問題点もある。
本発明は前述の問題点を勘案したものであって、その目的は、全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現し、セパレータの全体領域に対して適切な温度勾配を提供してシステムの性能及び効率を向上させ、スタック及び改質器で発生する熱を効率的に利用することができる構造を有する燃料電池システムを提供することにある。
本発明による燃料電池システムは、膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタックと、燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を供給する空気供給部と、前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部と、前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部とを含む。
前記燃料供給部は、前記改質器に連結設置され、水素を含有した液状の燃料を保存する燃料タンクと、前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプとを含む。
前記空気供給部は、前記スタックに連結設置される空気ポンプを含む。
前記冷却水供給部は、前記流路部に連結設置され、前記冷却水を保存する冷却水タンクと、前記冷却水タンクに連結設置される冷却水ポンプとを含む。
前記セパレータには、前記空気を膜−電極アセンブリーに流動させる第１チャンネルがこのセパレータのいずれか一つの面に形成され、前記水素ガスを膜−電極アセンブリーに流動させる第２チャンネルが前記セパレータの他の一つの面に形成されることができる。
前記セパレータは、前記第１チャンネルに空気を供給する第１流入部と、前記第１チャンネルを通過しながら未反応の空気を排出する第１排出部と、前記第２チャンネルに水素ガスを供給する第２流入部と、前記第２チャンネルを通過しながら未反応の水素ガスを排出する第２排出部とを含む。
前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が供給される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第１流路部と、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が流動する領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第２流路部とを含む。
前記第１流路部は、前記冷却水が流入する第１貫通孔と、前記冷却水が流出する第２貫通孔と、前記第１貫通孔と第２貫通孔を連結する第１溝とを含む。
前記第２流路部は、前記冷却水が流入する第３貫通孔と、前記冷却水が流出する第４貫通孔と、前記第３貫通孔と第４貫通孔を連結する第２溝とを含む。
前記流路部は、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルから前記水素ガス及び空気が排出される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第３流路部をさらに含む。
前記第３流路部は、前記第１、第２流路部を通過した冷却水が流入する第５貫通孔と、前記冷却水が排出される第６貫通孔と、前記第５貫通孔と第６貫通孔を連結する第３溝とを含む。
また、本発明による燃料電池システムは、膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタックと、燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を供給する空気供給部と、前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部と、前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部と、及び前記空気供給部と前記スタックとの間に配置されて前記空気供給部と前記スタックに連結設置されるだけでなく、前記冷却水供給部と前記流路部に連結設置される第１熱交換部とを含む。
前記第１熱交換部は、前記空気供給部と前記セパレータに連結設置されて前記セパレータに前記空気を供給する第１供給管と、前記冷却水供給部と前記第１、第２流路部に各々連結設置され、前記第１供給管に接触するように配置される少なくとも一つの第２供給管とを含む。
また、本発明による燃料電池システムは、膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタックと、燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を供給する空気供給部と、前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部と、前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部と、前記空気供給部と前記スタックとの間に配置されて前記空気供給部と前記スタックに連結設置されるだけでなく、前記冷却水供給部と前記流路部に連結設置される第１熱交換部と、及び前記改質器と前記スタックとの間に配置されて前記改質器とスタックに連結設置されるだけでなく、前記流路部に連結設置される第２熱交換部とを含む。
前記第２熱交換部は、前記改質器と前記セパレータに連結設置され、前記セパレータに前記水素ガスを供給する第３供給管と、前記第１、第２、第３流路部に各々連結設置され、前記第３供給管に接触するように配置される少なくとも一つの第４供給管とを含む。
前記燃料電池システムは、前記燃料供給部と前記改質器との間に配置されて前記燃料供給部と前記改質器に連結設置されるだけでなく、前記流路部に連結設置される第３熱交換部をさらに含む。
前記第３熱交換部は、前記燃料供給部と前記改質器に連結設置されて前記燃料を前記改質器に供給する第５供給管と、前記第３流路部に連結設置され、前記第５供給管に接触するように配置される少なくとも一つの第６供給管とを含む。
前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池方式からなることができる。
本発明による燃料電池システムによれば、セパレータの全体領域に対して所定の温度勾配を提供して、電気生成時に発生する熱により膜−電極アセンブリーが損なわれることを防止するのはもちろん、スタックから多量の水分を含有した状態で排出される未反応空気を蒸気化させることにより、究極的にスタック及び改質器から発生する熱を全体的なシステムの駆動に必要なエナジー源として活用することができる。
したがって、全体的なシステムの性能及び熱効率をさらに向上させることができる効果がある。
また、従来のような別途の冷却プレートを排除し、セパレータ自体に冷却水が通過する流路部を備えるので、全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相違した形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。
図１は、本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
図１によれば、本発明の燃料電池システム１００は、メタノール、エタノール又は天然ガスのような炭化水素系列の燃料を改質して水素が豊富な改質ガスを発生させ、その水素ガスと外部空気を電気化学的に反応させて生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる高分子電解質型燃料電池方式を採用している。
本発明の燃料電池システム１００は基本的に、水素ガスと空気の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産するスタック１０と、水素を含有した燃料を改質して水素ガスを発生させ、その水素ガスをスタック１０に供給する改質器２０と、前記燃料を改質器２０に供給する燃料供給部３０と、外部の空気をスタック１０に供給する空気供給部４０とを含む。
本発明は、液状の燃料を直接スタック１０に供給して電気を生産することができる直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ)方式のシステムでも構成することができる。このような直接メタノール型方式の燃料電池は前記のような高分子電解質型燃料電池とは異なって、改質器２０が排除された構造を有する。
以下、高分子電解質型燃料電池システムを例に挙げて本発明を説明する。
前記燃料供給部３０は、水素を含有した液状の燃料を保存する燃料タンク３１と、燃料タンク３１に保存された燃料を排出させるように燃料タンク３１に連結設置される燃料ポンプ３３とを備える。本発明による燃料電池システム１００において燃料とは、搭載と保存が容易な炭化水素系列の燃料、例えば、メタノール、エタノール、天然ガスなどを含む。しかし、前記燃料は前記のようなメタノール、エタノール又は天然ガスに水が混合されたものも利用可能であり、以下の説明では、便宜上、メタノール、エタノール又は天然ガスを液状の燃料と定義する。
そして、空気供給部４０は、所定のポンピング力で外部空気を吸入する空気ポンプ４１を含む。
前述の改質器２０は、燃料供給部３０から供給される燃料を改質反応によって水素ガスに転換するだけでなく、水素ガスから一酸化炭素のような有害物質を除去する通常の改質器の構造を有する。
つまり、改質器２０は、燃料を改質する改質部と、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とを含む。改質部は、水蒸気改質、部分酸化、自熱反応などの触媒反応を通じて前記燃料を水素が豊富な改質ガスに転換する。一酸化炭素除去部は、水性ガス転換方法と選択的酸化方法のような触媒反応、又は分離膜を利用した水素の精製などのような方法で改質ガスから一酸化炭素を除去する。
前記改質器２０は、流入口２１と流出口２３を有する本体部２５を含む。本体部２５には、前記改質部及び一酸化炭素除去部が設置される。これにより、燃料供給部３０から供給される燃料は流入口２１を通じて本体部２５に流入し、前記本体部２５において改質部及び一酸化炭素除去部を経て改質された水素ガスは、流出口２３を通じて排出される。
図２は、図１に示したスタック部位を示した分解斜視図であり、図３は、図２に示したセパレータ部位を示した斜視図であり、図４は、図３に示したセパレータの正面図であり、図５は、図３に示したセパレータの背面図である。
図１ないし図５によれば、本発明によるスタック１０は、改質器２０を通じて改質された水素ガスと空気供給部４０によって吸入された外部空気の供給を受けて、これらの電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部１１を備える。
前記電気発生部１１は電気を発生させる単位のセルを意味し、水素ガスと空気を酸化/還元させる膜−電極アセンブリー(Membrane Electrode assembly：ＭＥＡ)１２と、水素ガスと空気を膜−電極アセンブリー１２に供給するためのセパレータ１３とからなる。このような電気発生部１１は、膜−電極アセンブリー１２を中心にしてその両側にセパレータ１３が各々配置される。スタック１０は、前記のような複数の電気発生部１１が連続的に配置されることによって一つの燃料電池を構成する。
膜−電極アセンブリー１２は、両側面をなすアノード電極とカソード電極との間に電解質膜が介された通常の膜−電極アセンブリーの構造を有する。アノード電極は、セパレータ１３を通じて水素ガスの供給を受ける部分であって、酸化反応によって水素ガスを電子と水素イオンとに変換させる触媒層と、電子と水素イオンの円滑な移動のための気体拡散層(Gas Diffusion Layer：ＧＤＳ)とで構成される。カソード電極は、セパレータ１３を通じて空気の供給を受ける部分であって、還元反応によって酸素を電子と酸素イオンとに変換させる触媒層と、電子と酸素イオンの円滑な移動のための気体拡散層とで構成される。そして、電解質膜は、その厚さが５０〜２００μｍである固体ポリマー電解質であって、アノード電極の触媒層で生成された水素イオンをカソード電極の触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。
セパレータ１３は、いずれか一つの面（以下、“第１面”という）が膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に密着され、他の一つの面（以下、“第２面”という）が膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に密着される。このようなセパレータ１３は、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の機能を有する。また、セパレータ１３は、膜−電極アセンブリー１２の酸化/還元反応に必要な水素ガスと空気をアノード電極とカソード電極に供給する通路の機能も有する。
このために本実施例によるセパレータ１３は、第１面１３ａに膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に空気を供給する第１チャンネル１４を形成し（図４参照）、第２面１３ｂに膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に水素ガスを供給する第２チャンネル１５を形成している（図５参照）。
ここで、スタック１０の最外側には、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極及びカソード電極のうちのいずれか一つの電極に密着されるエンドプレート（図示せず）が各々配置される。このエンドプレートにおいて、膜−電極アセンブリー１２に密着される密着面には、カソード電極に空気を供給するためのチャンネルを形成することができ、アノード電極に水素ガスを供給するためのチャンネルを形成することができる。
そして、セパレータ１３には、第１チャンネル１４に空気を供給するための第１流入部１６と、第１チャンネル１４を通過しながら未反応の空気を排出させるための第１排出部１７と、第２チャンネル１５に改質器２０から生成された水素ガスを供給するための第２流入部１８と、第２チャンネル１５を通過しながら未反応の水素ガスを排出させるための第２排出部１９とが形成される。前記第１、第２流入部１６，１８及び第１、第２排出部１７，１９はセパレータ１３に各々貫通形成される。
言い換えれば、第１流入部１６は、第１チャンネル１４の開始端に連通するように前記セパレータ１３の一側に配置され、これに貫通形成される。第２流入部１８は、第２チャンネル１５の開始端に連通するように前記セパレータ１３の他の一側に配置され、これに貫通形成される。
これに対して、第１排出部１７は、第１チャンネル１４の端部に連通するように前記セパレータ１３の他の一側に配置され、これに貫通形成される。第２排出部１９は、第２チャンネル１５の端部に連通するように前記セパレータ１３の他の一側に配置され、これに貫通形成される。
言い換えれば、セパレータ１３は、第１面１３ａを基準に第１流入部１６が第１チャンネル１４に連通し、第２流入部１８は、第１流路チャンネル１４に連通しない構造を有する。反対に、セパレータ１３は、第２面１３ｂを基準に第２流入部１８が第２チャンネル１５に連通し、第１流入部１６は、第２チャンネル１５に連通しない構造を有する。
また、セパレータ１３は、第１面１３ａを基準に第１排出部１７が第１チャンネル１４に連通し、第２排出部１９は第１チャンネル１４に連通しない構造を有する。反対に、セパレータ１３は、第２面１３ｂを基準に第２排出部１９が第２チャンネル１５に連通し、第１排出部１７が第２チャンネル１５に連通しない構造を有する。
したがって、前記のような構成を有する電気発生部１１は、次の反応式１のような反応によって電気と水を生成する。
＜反応式１＞
正極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
負極反応：1/2Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応：Ｈ２＋1/2Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋電流＋熱
反応式１を参照すれば、セパレータ１３を通じて膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に水素ガスが供給され、カソード電極に空気が供給される。前記水素ガスがアノード電極に流れると、触媒層で水素が電子とプロトン（水素イオン）とに分解される。プロトンが電解質膜を通じて移動すれば、また触媒の作用により、カソード電極で電子と酸素イオン、及び移動したプロトンが結合して水を生成する。ここで、アノード電極で生成された電子は電解質膜を通じて移動せず、外部回路を通じてカソード電極に移動する。
電気発生部１１はこのような過程を経て電気を生成する。
このような本発明の燃料電池システム１００の作用時、スタック１０の電気発生部１１では付加的に熱が発生する。このような熱は膜−電極アセンブリー１２を乾燥させ、スタック１０の性能を低下させる要因に作用する。そして、前記スタック１０は、電気発生部１１から未反応の水分を多量含有した未反応空気を排出させる。
したがって、本発明の燃料電池システムは、冷却水供給部５０から供給される冷却水をセパレータ１３に循環させてセパレータ１３の全体領域に対して適切な温度勾配を提供することにより、前記熱によって膜−電極アセンブリー１２が乾燥することを防止するのはもちろん、未反応空気を蒸気化させることができる構造を有する。
前記構造として、セパレータ１３には、冷却水供給部５０から供給される冷却水が通過されるようにする少なくとも一つの流路部が形成されている。
前述の冷却水供給部５０は、冷却水、例えば、水又はそれ以外の通常の冷却水を保存する冷却水タンク５１と、冷却水タンク５１に保存された水を所定のポンピング力により排出させるように冷却水タンク５１に連結設置される冷却水ポンプ５３とを含んで構成できる。
本実施例による流路部は、第１、第２チャンネル１４，１５を基準に、水素ガス及び空気が供給される領域に対応する第１、第２チャンネル１４，１５の外側に各々形成される第１流路部６１と、第１、第２チャンネル１４，１５に沿って水素ガス及び空気が流動する領域に対応する第１、第２チャンネル１４，１５の外側に各々形成される第２流路部６２と、第１、第２流路チャンネル１４，１５を基準に、水素ガス及び空気が排出される領域に対応する第１、第２チャンネル１４，１５の外側に形成される第３流路部６３とを含む。
ここで、第１流路部６１は、図面のＸ軸方向に対応する第１、第２流入部１６，１８側の余裕部分に形成される。第２流路部６２は、第１、第２流入部１６，１８を基準に、図面のＹ軸方向に対応するチャンネル１４，１５の外側の余裕部分に形成される。第３流路部６３は、図面のＸ軸方向に対応する第１、第２排出部１７，１９側の余裕部分に形成される。ここで‘余裕部分’とは、第１、第２チャンネル１４，１５と前記第１、第２流入部１６，１８、及び第１、第２排出部１７，１９が形成されていないセパレータ１３の残りの部分を意味する。
第１流路部６１は、冷却水供給部５０から供給される冷却水が流入する第１貫通孔６１ａと、前記冷却水が実質的に流出する第２貫通孔６１ｂと、第１貫通孔６１ａと第２貫通孔６１ｂを連結する第１溝６１ｃとを備える。ここで、第１溝６１ｃは、セパレータ１３の第１面１３ａを基準に第１貫通孔６１ａと第２貫通孔６１ｂを連結し、第２面１３ｂを基準に第１貫通孔６１ａと第２貫通孔６１ｂを連結する。
第２流路部６２は、冷却水供給部５０から供給される冷却水が流入する第３貫通孔６２ａと、前記冷却水が実質的に流出する第４貫通孔６２ｂと、第３貫通孔６２ａと第４貫通孔６２ｂを連結する第２溝６２ｃとを備える。ここで、第２溝６２ｃは、セパレータ１３の第１面１３ａを基準に第３貫通孔６２ａと第４貫通孔６２ｂを連結し、第２面１３ｂを基準に第３貫通孔６２ａと第４貫通孔６２ｂを連結する。
第３流路部６３は、第１、第２流路部６１，６２を通過した冷却水が流入する第５貫通孔６３ａと、前記冷却水が実質的に流出する第６貫通孔６３ｂと、第５貫通孔６３ａと第６貫通孔６３ｂを連結する第３溝６３ｃとを備える。ここで、第３溝６３ｃは、セパレータ１３の第１面１３ａを基準に第５貫通孔６３ａと第６貫通孔６３ｂを連結し、第２面１３ｂを基準に第５貫通孔６３ａと第６貫通孔６３ｂを連結する。
一方、本発明による燃料電池システム１００は、冷却水供給部５０から供給される冷却水を、空気供給部４０から供給される空気との熱交換によってさらに冷却させ、前記冷却水を第１、第２流路部６１，６２に供給して、セパレータ１３に作用する熱を実質的に冷却させることができる第１熱交換部７０を備える。
図６は、図１に示した第１熱交換部を概略的に示した断面構成図である。
図１ないし図６によれば、本実施例による第１熱交換部７０は、空気供給部４０とセパレータ１３に連結設置される第１供給管７３と、冷却水供給部５０と第１、第２流路部６１，６２に各々連結設置される少なくとも一つの第２供給管７５とを備える。
第１供給管７３は、電気発生部１１の電気生成に必要な空気をセパレータ１３の第１チャンネル１４に供給するためのものである。このような第１供給管７３は、空気供給部４０の空気ポンプ４１とセパレータ１３の第１流入部１６に連結されるパイプタイプの配管として備えられる。また、第１供給管７３は、この供給管７３の外径より相対的に大きな内径を有する第１配管７１内に配置される。
第２供給管７５は、冷却水供給部５０から供給される冷却水を第１、第２流路部６１，６２に供給するためのものである。このような第２供給管７５は、冷却水供給部５０の冷却水タンク５１と、第１、第２流路部６１，６２に各々連結されるパイプタイプの配管で構成される。また、第２供給管７５は、第１流路部６１の第１貫通孔６１ａと第２流路部６２の第３貫通孔６２ａとに各々連結される。本実施例で第２供給管７５は、第１配管７１の内部で第１供給管７３の外周面と第１配管７１の内周面との間に複数配置され、第１供給管７３の外周面に接触設置される。
これにより、冷却水供給部５０から第２供給管７５を通じて供給される冷却水と第１供給管７３を通じて供給される空気との熱交換により、前記冷却水がさらに冷却された状態で第１、第２流路部６１，６２に供給される。
したがって、比較的に温度の低い冷却水が第１、第２流路部６１，６２を通過しながら、セパレータ１３に対して水素ガスと空気が流入する領域での温度上昇を緩やかにし、セパレータ１３の大略中間領域以上については温度を一定に維持させる。
一方、本発明による燃料電池システム１００は、第１熱交換部７０によって第１、第２流路部６１，６２を通過しながら温められた冷却水を、改質器２０を通じて比較的高い温度に排出される水素ガスと熱交換し、これをさらに加熱した状態で第３流路部６３に供給してセパレータ１３の第１排出部１７側を加熱することにより、前記第１排出部１７を通じて排出される未反応空気を蒸気化させる第２熱交換部８０を備える。
図７は、図１に示した第２熱交換部を概略的に示した断面構成図である。
図１ないし図７によれば、本実施例による第２熱交換部８０は、改質器２０とスタック１０に連結設置される第３供給管８３と、セパレータ１３の第１、第２、第３流路部６１，６２，６３に各々連結設置される少なくとも一つの第４供給管８５とを備える。
第３供給管８３は、改質器２０から発生する水素ガスをセパレータ１３の第２チャンネル１５に供給するためのものである。このような第３供給管８３は、改質器２０の流出口２３とセパレータ１３の第２流入部１８に連結されるパイプタイプの配管として備えられる。また、第３供給管８３は、この供給管８３の外径より相対的に大きな内径を有する第２配管８１内に配置される。
第４供給管８５は、第１、第２流路部６１，６２を経ながら所定の温度に加熱された冷却水を回収して、改質器２０から発生する水素ガスとの熱交換によって前記冷却水をさらに加熱し、この加熱された冷却水を第３流路部６３に供給するためのものである。このような第４供給管８５は一つの端が閉鎖され、他の端が開放されたパイプタイプの配管として備えられ、その開放された端部が第１、第２、第３流路部６１，６２，６３に各々連結される。また、第４供給管８５は、第１流路部６１の第２貫通孔６１ｂと、第２流路部６２の第４貫通孔６２ｂと、第３流路部６３の第５貫通孔６３ａとに各々連結される。そして第４供給管８５は、第２配管８１の内部で第３供給管８３の外周面と第２配管８１の内周面との間に複数配置され、第３供給管８３の外周面に接触設置される。
これにより、第１熱交換部７０によって第１、第２流路部６１，６２を通過しながら温められた冷却水は第４供給管８５を通じて流出し、改質器２０から第３供給管８３を通じて供給される比較的高い温度の水素ガスとの熱交換を通じてさらに加熱された状態で第３流路部６３に供給され、セパレータ１３の第１排出部１７を通じて排出される未反応空気を蒸気化させる。
つまり、前記加熱された冷却水が第３流路部６３を通過しながら、セパレータ１３の未反応空気が排出される領域を所定の温度に加熱することによって、セパレータ１３の第１排出部１７を通じて排出される未反応空気を蒸気化させる。
一方、本発明による燃料電池システム１００は、第２熱交換部８０によってセパレータ１３の第１排出部１７から排出される未反応空気を蒸気化させた比較的高い温度の冷却水と、燃料供給部３０から改質器２０に供給される燃料との熱交換により、前記燃料を予熱させる第３熱交換部９０を備える。
図８は、図１に示した第３熱交換部を概略的に示した断面構成図である。
図１ないし図８によれば、本実施例による第３熱交換部９０は、燃料供給部３０と改質器２０に各々連結設置される第５供給管９３と、第３流路部６３に連結設置される少なくとも一つの第６供給管９５とを備える。
第５供給管９３は、燃料供給部３０から排出される燃料を改質器２０に供給するためのものである。このような第５供給管９３は、燃料供給部３０の燃料タンク３１と改質器２０の流入口２１とに連結されるパイプタイプの配管として備えられる。また、第５供給管９３は、この供給管９３の外径より相対的に大きな内径を有する第３配管９１内に設置される。
第６供給管９５は、第２熱交換部８０によって第３流路部６３を通過しながらセパレータ１３の第１排出部１７に排出される未反応空気を蒸気化させた比較的高い温度の冷却水を、第５供給管９３側に供給するためのものである。このような第６供給管９５は一つの端が閉鎖され、他の端が開放されたパイプタイプの配管として備えられ、その開放された端部が第３流路部６３の第６貫通孔６３ｂに連結される。そして第６供給管９５は、第３配管９１の内部で第５供給管９３の外周面と第３配管９１の内周面との間に複数配置され、第５供給管９３の外周面に接触設置される。
これにより、第２熱交換部８０によって第３流路部６３を通過しながらセパレータ１３の第１排出部１７に排出される未反応空気を蒸気化させた比較的高い温度の冷却水が第６供給管９５を通じて流出し、燃料供給部３０から第５供給管９３を通じて供給される比較的低い温度の燃料との熱交換によって前記燃料を予熱させるようになる。
前記のように構成された本発明の実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
まず、本発明の燃料電池システム１００の初期駆動モード時、燃料供給部３０の燃料ポンプ３３を稼動させ、燃料タンク３１内に保存された液状の燃料を第５供給管９３を通じて改質器２０に供給する。そうすると、改質器２０は前記燃料を改質して水素ガスを生成する。
次に、前記水素ガスを第３供給管８３を通じてセパレータ１３の第２流入部１８に供給し、これと同時に空気供給部４０の空気ポンプ４１を稼働させ、外部空気を第１供給管７３を通じてセパレータ１３の第１流入部１６に供給する。
そうすると、セパレータ１３の第１チャンネル１４を通じて空気が膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に供給され、セパレータ１３の第２チャンネル１５を通じて水素ガスが膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に供給される。ここで、前記燃料と水素ガスは、燃料ポンプ３３の所定のポンピング力によって前記のようなチャンネルに沿って流動することができる。
このように水素ガスと空気が前記電気発生部１１に提供されれば、この電気発生部１１では、前記水素ガスと空気の電気化学的な反応によって電気と水を生成する。このような過程を経る間、電気発生部１１では所定の熱が発生する。
この熱を冷却させるために冷却水ポンプ５３が稼働させられ、冷却水タンク５１から冷却水が第２供給管７５を通じて排出される。この時、空気供給部４０は空気ポンプ４１を稼働させ、外部空気を第１供給管７３を通じてセパレータ１３の第１流入部１６に供給している状態である。
したがって、前記冷却水は、第１供給管７３を通じて供給される空気と熱交換されるので、この冷却水は初期状態よりさらに冷却された状態を維持することができる。
引き続き、前記冷却水は第２供給管７５を通じて第１、第２流路部６１，６２に供給され、この第１、第２流路部６１，６２を通過しながら、セパレータ１３に対して水素ガスと空気が流入する領域では温度上昇を緩やかにし、セパレータ１３の大略中間領域以上では温度を一定に維持させる。ここで前記冷却水は、冷却水ポンプ５３の所定のポンピング力によって前記のような流路に沿って流動することができる。
次に、前記第１、第２流路部６１，６２を通過した冷却水は第４供給管８５を通じて排出される。この時、改質器２０は、燃料供給部３０から供給される燃料を改質して比較的高い温度の水素ガスを発生させ、その水素ガスを第３供給管８３を通じてセパレータ１３の第２流入部１８に供給している状態である。
したがって、第４供給管８５を通じて第１、第２流路部６１，６２から排出される冷却水は、第３供給管８３を通じて供給される水素ガスと熱交換されるので、この排出冷却水は、前記水素ガスとの熱交換によってさらに加熱された状態を維持するようになる。
この加熱された冷却水は、第４供給管８５を通じて第３流路部６３に供給される。この時、スタック１０は、セパレータ１３の第１排出部１７を通じて水分を多量含有した未反応空気を排出している状態である。
つまり、水素ガスとの熱交換によって比較的高い温度を維持する冷却水が、第３流路部６３を通過しながら未反応空気が排出される領域を所定の温度に加熱するので、セパレータ１３の第１排出部１７を通じて排出される未反応空気が蒸気化され、従来のように凝縮されない。
次に、第３流路部６３を通過した冷却水は第６供給管９５を通じて排出される。この時、燃料供給部３０は、第５供給管９３を通じて液状の燃料を改質器２０に供給している。
つまり、第６供給管９５を通じて第３流路部６３から排出される冷却水が第５供給管９３を通じて供給される燃料と熱交換され、これを予熱する。この時、この冷却水は、別途の経路を通じて冷却水タンク５１に再供給されることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。
本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 図１に示したスタック部位を示した分解斜視図である。 図２に示したセパレータ部位を示した斜視図である。 図３に示したセパレータの正面図である。 図３に示したセパレータの背面図である。 図１に示した第１熱交換部を概略的に示した断面図である。 図１に示した第２熱交換部を概略的に示した断面図である。 図１に示した第３熱交換部を概略的に示した断面図である。
符号の説明
１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリー
１３ セパレータ
１３ａ セパレータの第１面
１３ｂ セパレータの第２面
１４ 第１チャンネル
１５ 第２チャンネル
１６ 第１流入部
１７ 第１排出部
１８ 第２流入部
１９ 第２排出部
２０ 改質器
２１ 流入口
２３ 流出口
２５ 改質器の本体部
３０ 燃料供給部
３１ 燃料タンク
３３ 燃料ポンプ
４０ 空気供給部
４１ 空気ポンプ
５０ 冷却水供給部
５１ 冷却水タンク
５３ 冷却水ポンプ
６１ 第１流路部
６１ａ 第１貫通孔
６１ｂ 第２貫通孔
６１ｃ 第１溝
６２ 第２流路部
６２ａ 第３貫通孔
６２ｂ 第４貫通孔
６２ｃ 第２溝
６３ 第３流路部
６３ａ 第５貫通孔
６３ｂ 第６貫通孔
６３ｃ 第３溝
７０ 第１熱交換部
７１ 第１配管
７３ 第１供給管
７５ 第２供給管
８０ 第２熱交換部
８１ 第２配管
８３ 第３供給管
８５ 第４供給管
９０ 第３熱交換部
９１ 第３配管
９３ 第５供給管
９５ 第６供給管
１００ 燃料電池システム

Claims (25)

  1. 膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタック；
    燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器；
    前記改質器に燃料を供給する燃料供給部；
    前記スタックに空気を供給する空気供給部；
    前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部；及び
    前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部；
    を含む燃料電池システム。
  2. 前記燃料供給部が、前記改質器に連結設置され、水素を含有した液状の燃料を保存する燃料タンクと、前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプとを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記空気供給部が、前記スタックに連結設置される空気ポンプを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記冷却水供給部が、前記流路部に連結設置され、前記冷却水を保存する冷却水タンクと、前記冷却水タンクに連結設置される冷却水ポンプとを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記空気を膜−電極アセンブリーに流動させる第１チャンネルが前記セパレータのいずれか一つの面に形成され、前記水素ガスを膜−電極アセンブリーに流動させる第２チャンネルが前記セパレータの他の一つの面に形成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記セパレータが、前記第１チャンネルに空気を供給する第１流入部と、前記第１チャンネルを通過しながら未反応の空気を排出する第１排出部と、前記第２チャンネルに水素ガスを供給する第２流入部と、前記第２チャンネルを通過しながら未反応の水素ガスを排出する第２排出部とを含む、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が供給される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第１流路部と、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が流動する領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第２流路部とを含む、請求項５に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第１流路部が、前記冷却水が流入する第１貫通孔と、前記冷却水が流出する第２貫通孔と、前記第１貫通孔と第２貫通孔を連結する第１溝とを含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第２流路部が、前記冷却水が流入する第３貫通孔と、前記冷却水が流出する第４貫通孔と、前記第３貫通孔と第４貫通孔を連結する第２溝とを含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
  10. 前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルから前記水素ガス及び空気が排出される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第３流路部をさらに含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
  11. 前記第３流路部が、前記第１、第２流路部を通過した冷却水が流入する第５貫通孔と、前記冷却水が排出される第６貫通孔と、前記第５貫通孔と第６貫通孔を連結する第３溝とを含む、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタック；
    燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器；
    前記改質器に燃料を供給する燃料供給部；
    前記スタックに空気を供給する空気供給部；
    前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部；
    前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部；及び
    前記空気供給部と前記スタックとの間に配置されて前記空気供給部と前記スタックに連結設置されるだけでなく、前記冷却水供給部と前記流路部に連結設置される第１熱交換部；
    を含む燃料電池システム。
  13. 前記空気を膜−電極アセンブリーに流動させる第１チャンネルが前記セパレータのいずれか一つの面に形成され、前記水素ガスを膜−電極アセンブリーに流動させる第２チャンネルが前記セパレータの他の一つの面に形成される、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が供給される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第１流路部と、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が流動する領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第２流路部とを含む、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記第１熱交換部が、前記空気供給部と前記セパレータに連結設置されて前記セパレータに前記空気を供給する第１供給管と、前記冷却水供給部と前記第１、第２流路部に各々連結設置され、前記第１供給管に接触するように配置される少なくとも一つの第２供給管とを含む、請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を有するスタック；
    燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスを前記スタックに供給する改質器；
    前記改質器に燃料を供給する燃料供給部；
    前記スタックに空気を供給する空気供給部；
    前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給部；
    前記セパレータに形成され、前記冷却水供給部から供給される冷却水が通過するようにする流路部；
    前記空気供給部と前記スタックとの間に配置されて前記空気供給部と前記スタックに連結設置されるだけでなく、前記冷却水供給部と前記流路部に連結設置される第１熱交換部；及び
    前記改質器と前記スタックとの間に配置されて前記改質器とスタックに連結設置されるだけでなく、前記流路部に連結設置される第２熱交換部；
    を含む燃料電池システム。
  17. 前記空気を前記膜−電極アセンブリーに流動させる第１チャンネルが前記セパレータのいずれか一つの面に形成され、前記水素ガスを前記膜−電極アセンブリーに流動させる第２チャンネルが前記セパレータの他の一つの面に形成される、請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が供給される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第１流路部と、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が流動する領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第２流路部と、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルから前記水素ガス及び空気が排出される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第３流路部とを含む、請求項１７に記載の燃料電池システム。
  19. 前記第２熱交換部が、前記改質器と前記セパレータに連結設置されて前記セパレータに前記水素ガスを供給する第３供給管と、前記第１、第２、第３流路部に各々連結設置され、前記第３供給管に接触するように配置される少なくとも一つの第４供給管とを含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  20. 前記燃料供給部と前記改質器との間に配置されて前記燃料供給部と前記改質器に連結設置されるだけでなく、前記流路部に連結設置される第３熱交換部をさらに含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  21. 前記第３熱交換部が、前記燃料供給部と前記改質器に連結設置されて前記燃料を前記改質器に供給する第５供給管と、前記第３流路部に連結設置され、前記第５供給管に接触するように配置される少なくとも一つの第６供給管とを含む、請求項２０に記載の燃料電池システム。
  22. 前記燃料電池システムが、高分子電解質型燃料電池方式からなる、請求項１又は請求項１２又は請求項１６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  23. 膜−電極アセンブリーを隔ててその両側に配置されるセパレータを含む電気発生部を含み、
    空気を前記膜−電極アセンブリーに流動させる第１チャンネルが前記セパレータのいずれか一つの面に形成され、水素ガスを前記膜−電極アセンブリーに流動させる第２チャンネルが前記セパレータの他の一つの面に形成され、前記セパレータに冷却水が通過する流路部が形成される燃料電池システムのスタック。
  24. 前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が供給される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第１流路部と、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルに前記水素ガス及び前記空気が流動する領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第２流路部とを含む、請求項２３に記載の燃料電池システムのスタック。
  25. 前記流路部が、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルから前記水素ガス及び空気が排出される領域に対応し、前記セパレータ上に形成される第３流路部をさらに含む、請求項２４に記載の燃料電池システムのスタック。
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