KR100469039B1 - 보습화되는 고체 고분자막 연료 전지, 연료 전지 시스템,및 연료 전지를 위한 보습화 방법 - Google Patents

보습화되는 고체 고분자막 연료 전지, 연료 전지 시스템,및 연료 전지를 위한 보습화 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지는 고체 고분자로 이루어진 전해질막(1)의 어느 한 쪽에 양극(3)과 음극(5)을 가진다. 연료 공급판(7)과 공기 공급판(9)은 전해질막(1)의 어느 한 쪽에 제공되어, 고체 고분자막을 갖는 연료 전지를 형성한다. 연료 공급 경로(11)는 연료 공급판(7)의 양극(3) 쪽에 제공되며, 공기 공급 경로(13)는 공기 공급판(9)의 음극(5) 쪽에 제공된다. 수분 공급 경로(21)는 연료 공급판(7)의 연료 공급 경로(11) 사이에 제공되며, 이들 수분 공급 경로는 양극(3)을 경유하여 전해질막(1)에 직접적으로 수분을 공급한다. 수분 압력 조정 밸브는 연료 전지로부터 배출된 냉각제 온도에 반응하여 개방 또는 닫힘에 의해 수분의 공급량을 조정하며, 수분 공급 경로(21)에 수분을 도입하는 수분 도입부에서 제공된다.

Description

보습화되는 고체 고분자막 연료 전지, 연료 전지 시스템, 및 연료 전지를 위한 보습화 방법 {Fuel cell with solid polymer membrane to be moisturized, fuel cell system, and moisturizing method for fuel cell}
전해 물질로 이루어진 PEM(양자 교환막(proton exchange membrane))으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지에 있어서, "전해질막은 양극 활동을 증진하기 위해 해리된 연료가 공급되는 영역"(여기서 "양극"이라 불림)과 "음극 활동을 증진하기 위해 옥시던트(oxydant)로서 공기가 공급되는 영역"(여기서 "음극"이라 불림) 사이에 배치된다. 양이온에서, 수소가 연료로 공급되며, 이 수소(H2)는 수소이온(H+)과 전자(e-)로 해리되며, 즉 H2→2H++ 2e-이다. 수소 이온은 양극 쪽에서 음극 쪽으로 전해질막을 통하여 수송된다. 전자는 양극과 음극 사이의 외부 회로를 통하여 양극으로부터 음극으로 유도되며, 그것에 의해 회로의 부하에 전력을 공급한다.
음극에서, 그것에 공급된 공기 중의 산소(O2)는 그것에 수송된 수소 이온(H+)과 그것에 유도된 전자(e-)와 반응하며, 연료 전지 밖으로 배출되는 물(H2O)을 만들며, 즉 1/2O2+ 2H++ 2e-→ H2O 이다. 따라서, 연료 전지에서 대개 물(H2O)은 양극에 연료로서 공급되는 수소(H2)와 음극에 공급되는 공기 중의 산소(O2)로부터 만들어지며, 즉 H2+ 1/2O2→ H2O 이다. 수소와 공기는 때때로 각각을 "반응 가스"로 불려진다.
전해질막은 이온 수송 전해질로서 작용하기 위해서 그곳에 함유된 물로 흠뻑 스며들게 되는 것과, 양극에 반응 가스로서의 수소와 음극에 반응 가스로서의 산소 사이의 격리를 위해 작용하는 것이 필요하다. 만약 물 함량이 충분하지 않으면, 전해질막은 이온 이동성 감소 및 또는 반응 가스 사이의 바람직하지 않은 혼합을 야기하며, 결과적으로 충분한 전력을 생산하지 못하는 연료 전지된다.
해리된 수소 이온이 전해질막을 통하여 양극 쪽에서 음극 쪽으로 수송될 때, 물도 함께 이동되어, 본질적으로 전해질막은 양극 쪽이 건조한 경향을 갖는다. 전해질막의 물 함량은 반응 가스 중에 함유된 수분에 의해 보충되며, 반응 가스는 전해질막 가까이에 있는 가스 흡입구를 통하여 공급된다. 만약 반응 가스의 수분 함량이 충분하지 않으면, 전해질막은 가스 흡입구 근방 영역이 건조하기 쉬워진다.
따라서, 연료 전지의 전해질막으로서 고체 고분자막이 외부로부터 공급되는 "수분 또는 수화작용 물"(이하 집합적으로 "수분"으로 명시)에 의해 보습화되는 것이 필요하다. 이러한 "보습화 또는 수화작용"(이하 집합적으로 "보습화"로 명시)에 대한 기술이 미국 특허 No. 5,284,718에 공개되고 있으며, 연료와 공기는 연료 전지 가습 부분의 반침투성 층을 통하여 공급되며, 거기서 그들은 이들 반응을 위한 활성 부분에 들어가기 전에 가습되고, 일본국 특허출원 공개 공보 No. 11-162490에서, 연료와 공기는 공급 파이프를 통하여 공급되며, 거기서 그들은 외부로부터 공급된 수증기에 의해 가습된다.
본 발명은 보습화되는 고체 고분자막 연료전지, 연료 전지의 스택(stack)을 포함하는 연료 전지 시스템 및 연료 전지를 위한 보습 방법에 관한 것이다. 더욱더 상세히는, 본 발명은 음극과 양극 사이에 배치된 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지며 보습화되는 것이 필요한 연료전지, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 각각 가지는 연료 전지의 스택을 포함하는 연료 전지 시스템, 및 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지를 위한 보습화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 그리고 추가적인 목적과 새로운 특징은 첨부하는 도면과 더불어 읽을 때, 다음의 구체화의 상세한 설명으로부터 더욱더 완전히 나타나게 된다.
도 1은 본 발명의 구체화에 따른 연료 전지 시스템의 개략 투시도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 1의 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택 집합체의 개략 투시도이다.
도 4는 도 3의 연료 전지 스택 집합체에서 연료 전지 하단부의 수직 단면도이다.
도 5는 도 4의 연료 전지 전체의 개략 수평 단면도이다.
도 6은 도 4의 연료 전지 주요부의 수평 단면도이다.
도 7은 도 4의 연료 전지의 연료 공급판의 주요부 일부분의 확대 투시 배면도이다.
도 8은 도 5의 연료 전지 적층부의 분해 투시 정면도이다.
도 9는 도 8의 적층부의 분해 투시 배면도이다.
도 10은 도 7의 연료 공급판의 전체 정면도이다.
도 11은 도 10의 연료 공급판의 배면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 구체화에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택 집합체의 주요부의 세로 단면도이다.
도 13은 도 12의 연료 전지 스택 집합체에서 형상 기억 부재로 동작 가능한 수분 압력 조정 밸브의 투시도이다.
도 14a와 도 14b는 본 발명의 다른 구체화에 따른 연료 전지 시스템에서 바이메탈로 작동 가능한 수분 압력 조정 밸브의 단면도이며, 여기서 도 14a는 밸브의 닫음 상태, 도 14b는 밸브의 개방 상태를 도시한다.
도 15는 본 발명의 다른 구체화에 따른 연료 전지 시스템에서 수분 압력 조정 밸브 제어기의 설명 블록도이다.
도 16은 본 발명의 다른 구체화에 따른 연료 전지 시스템에서 수분 압력 조정 밸브 제어기의 설명 블록도이다.
미국 특허 No. 5,284,718에서, 가습 부분은 연료 전지 몸체에 만들어지며, 증가된 무게와 더불어, 증가된 몸체 크기를 필요로 하기 때문에, 크기에 있어서 콤팩트한 자동차 연료 전지의 적용에는 문제를 갖는다. 게다가, 적당한 전해질막의 수분을 위하여, 가습 부분은 반침투성 층의 표면적뿐만 아니라 온도의 정밀한 제어를 필요로 하지만, 이것은 비실용적이다. 연료와 공기의 일정한 100% 상대 습도를 위한 실용적 고안은 어떤 작동 조건하에서 전해질막의 수분을 과잉으로 만들지도 모르며, 연료 전지 성능의 저하뿐만 아니라 연료 경로 및 또는 공기 경로에서 물에 의한 막힘이 일어날지 모른다.
일본국 특허 출원 공개 공보 No. 11-162490에서, 연료와 공기 공급 파이프에 공급되는 수증기에 의한 가습은 수증기 공급을 위한 부분과 연료와 공기의 반응을 위한 부분 사이에서 파이핑 길이에 비례하는 전해질막의 수분 제어에서 지연을 동반한다. 게다가, 시동시에, 연료 전지의 온도가 낮으면, 가습된 연료와 공기 중의 수분은 그들의 공급 파이프 또는 내부의 전지 반응 영역으로의 진로에서 응결하기 쉬우며, 연료 전지 성능의 저하뿐만 아니라 이러한 경로에서 물에 의한 막힘이 결과적으로 일어나기 쉽다.
따라서, 본 발명의 목적은 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 갖는 연료 전지, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 각각 가지는 연료 전지의 스택을 포함하는 연료 전지 시스템, 및 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지를 위한 보습화 방법을 제공하는 것이다. 여기서 보습화는 전해질막 또는 전해질막 세트에, 연료 전지 또는 연료 전지 스택을 크게 또는 저성능을 동반하지 않고, 이룰 수 있다.
목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시에 따라서, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지가 제공되며, 전지 프레임, 전지 프레임에 제공된 양극과 음극의 조합, 양극과 음극 사이에 배치된 전해질막, 음극에 공기를 공급하는 공기 공급 경로, 양극에 연료를 공급하는 연료 공급 경로, 전지 프레임을 통하여 뻗치고 양극에 접촉하는 전지 프레임의 1차 벽에 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로, 및 전해질막에 양극을 통하여 가동성 수분을 공급하는 1차 수분 공급 경로, 전지 프레임을 통하여 뻗치고 연료 공급 개구로부터 다른 위치에서의 1차 벽에 수분 공급 출구의 1차 세트를 가지는 1차 수분 경로가 제공된다.
본 발명의 다른 실시에 따라서, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 각각 가지는 연료 전지의 스택을 포함하는 연료 전지 시스템이 제공되며, 적층된 전지 프레임 세트로 구성되는 연료 전지 시스템, 적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극의 양극 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극의 음극 세트의 조합, 대응 양극과 대응 음극 사이에 배치된 대응 전해질막의 전해질막 세트, 양극 세트에 연료를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 양극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽에 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크, 음극 세트에 공기를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽에 공기 공급 개구를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크, 및 대응 양극과 대응 음극 중의 각각의 하나를 통하여 대응 전해질막에 가동성 수분을 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 1차 벽과 2차 벽 중의 하나에 제공된 수분 공급 출구 세트를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크가 1차 벽과 2차 벽 중의 하나에 대응하는 연료 공급 개구와 공기 공급 개구 중의 하나로부터 다른 곳에 위치하여 구성된다.
본 발명의 다른 실시에 따라서, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지를 위한 보습화 방법이 제공되며, 양극에 접촉하는 전지 프레임의 1차 벽의 1차 위치를 경유하여, 전지 프레임의 양극에 전지 프레임을 통하여 연료를 공급하는 것으로 구성되는 보습화 방법, 음극과 접촉하는 전지 프레임의 2차 벽의 2차 위치를 경유하여, 전지 프레임의 음극에 전지 프레임을 통한 공기의 공급, 및 전지 프레임을 통하고 1차와 2차 벽 중의 하나에 대응하는 1차와 2차 위치 중의 하나와 다른 1차와 2차 벽 중의 하나의 위치를 경유하여, 양극과 음극의 중의 각각의 하나를 통하여 양극과 음극 사이에 배치된 전해질막에 가동성 수분의 공급이 제공된다.
본 발명의 바람직한 구체화는 관련한 첨부 도면을 그대로 참조하여 하기에 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 1차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-1)을 개략 형태로 도시한다. 도 2는 연료 전지 시스템(FCS-1)의 블록도이다. 그리고 도 3은 연료 전지 시스템(FCS-1)에서 연료 전지 스택 집합체(FSA)를 개략 형태로 도시한다.
연료 전지 시스템(FCS-1)은 연료 전지 스택 집합체(FSA)로 형성되며, 전기 배선(도시되지 않음)과 4가지형의 유체를 위한 유체 파이핑과 연결된다. 여기서 4가지형의 유체는 연료(F)로서 H2가스, 옥시던트로서 공기(A), 수분(M)으로서 물, 냉각제(C)로서 물이다.
연료 전지 스택 집합체(FSA)는 연료 전지 스택(47)과 유체 파이핑의 연결 파이프의 집합체로서 형성된다. 연료 전지 스택(47)은 실질적으로 직사각형 평행육면체의 구성으로 연료 전지(FC1, ..., FCi(i는 1과 N을 포함한 임의의 정수), ..., FCN)로 적층된 모든 N개("N"은 주어진 정수)의 스택, 및 그곳에 고정되는 정면과 배면의 단판(49, 50)의 한 쌍에 의해 형성된다. 정면 단판(49)은 4가지형 유체(F, A, M, C)의 매니폴드판(manifold plate)으로서 구성되며, 그곳에 고정된 연결 파이프를 갖는다. 본 구체화에 있어서, 연료 전지 스택 집합체(FSA)는 수평 위치로 배치되며, 수평 좌우 방향과 수평 횡단 방향을 갖는다. 연료 전지 스택(47)은 하방으로 돌출하는 또는 이의 저면에 횡으로 중심 영역에 융기되는 좌우로 뻗치는 수분 도입구(63)를 갖는다.
유체 파이핑은 연료(F)의 유입 또는 공급 라인(51), 연료(F)의 유출 또는 배출 라인(53), 공기(A)의 유입 또는 공급 라인(55), 공기(A)의 유출 또는 배출 라인(57), 냉각제(C)의 유입 또는 공급 라인(59), 냉각제(C)의 유출 또는 배출 라인(61), 및 수분(M)의 유입 또는 공급 라인(65)을 포함한다. 연료 공급 라인(51)은 정면 단판(49)으로서의 매니폴드판의 하단부의 왼쪽 모서리에 연결되며, 연료 배출 라인(53)은 매니폴드판(49)의 상단부의 오른쪽 모서리에 연결되어, 연료 전지 스택 집합체(FSA)(예를 들면, 도 8∼11 중의 구(port) 또는 구멍(hole)(23, 123, 223, 25, 125, 225)으로 도시함)에서 연결되는 연결 요소는 오른쪽 대각선 방향으로 오프셋되어 있다. 공기 공급 라인(55)은 매니폴드판(49)의 상단부의 왼쪽 모서리에 연결되며, 공기 배출 라인(57)은 매니폴드판(49)의 하단부의 오른쪽 모서리에 연결되어, 연료 전지 스택 집합체(FSA)(예를 들면, 도 8∼11 중의 구 또는 구멍(27, 127, 227, 29, 129, 229)으로 도시함)에서 연결되는 연결 요소는 왼쪽 대각선 방향으로 오프셋되어 있다. 냉각제 공급 라인(59)은 매니폴드판(49)의 상단부의 중심 영역에 연결되며, 반면에 냉각제 배출 라인(61)은 매니폴드판(49)의 하단부의 중심 영역에 연결된 외쪽 분기(61a)와 오른쪽 분기(61b)의 한 쌍을 갖게 분기되어, 연료 전지 스택 집합체(FSA)(예를 들면, 도 8∼11 중의 구 또는 구멍(31, 131, 231, 33, 133, 233, 333)으로 도시함)에서 연결되는 연결 요소는 수직으로 오프셋되어 있다. 수분 공급 라인(65)은 연료 전지 스택(47)의 수분 도입부(63)에서 연결 요소(예를 들면, 도 8∼11 중의 구 또는 구멍(37, 137, 237)으로 도시함)에 연결된다. 냉각제 배출 라인(61)의 분기(61a, 61b)들과 연결된 연결 요소는 평면도에서 수분 도입부(63)를 오버랩하게 구성되며, 수분 도입부(63)로부터 수직으로 약간 떨어지는 것이 주목된다. 공기 배출 라인(57)은 수분 공급 라인(65)에 펌프(P)를 경유하여 보내지는 물(W)을 저장하기 위한 저장소를 갖게 형성된 컨테이너의 부분으로서 수분 응결 분리기(67)를 갖는다. 분리기(67)를 지나서, 공기 배출 라인(57)은 후면 압력 조정 밸브(V)와 더불어 설치된 공기 회로로서 뻗친다.
도 4는 임의의 연료 전지(FCi)의 연료 전지 하단부의 수직 단면을 도시한다. 도 5는 연료 전지(FCi) 전체의 수평 단면을 도시한다. 도 6은 연료 전지(FCi)의 다른 레벨에서의 상세한 수평 단면을 도시한다. 도 7은 거듭 연료 전지(FCi)의 연료 공급판(7)의 상세한 부분도를 도시한다. 도 8은 도 5의 연료 전지(FCi)의 분해 투시 정면도를 도시한다. 도 9는 연료 전지(FCi)의 분해 투시 배면도를 도시한다. 도 10은 연료 공급판(7)의 정면도를 도시한다. 도 11은 연료 공급판(7)의 배면도를 도시한다.
연료 전지(FCi)는 다음을 포함한다: 전지 프레임(1+7+9)은 양극판(bipolar plate)으로서 실질적으로 직사각형 정면 유체 공급판(7)(이하 "연료 공급판"이라 명시), 대립의 양극판으로서 실질적으로 직사각형 배면 유체 공급판(9)(이하 "공기 공급판"이라 명시), 및 실질적으로 직사각형 고체 고분자막(1)의 주변부; 연료 공급판(7)과 공기 공급판(9) 사이의 전지 프레임에 제공된 양극(3)과 음극(5)의 조합; 및 고체 고분자막(1)의 실질(또는 잔존)부로 형성되며, 상기 고체 고분자막(1)은 PET로서 작용하고 주변부에 의해 운반되고 지지되는 "전해질막"이라 불리며, 양극(3)과 음극(5) 사이에 배치되고, 보습화되는 것이 필요하다. 고체 고분자막(1)은 동질이어서, 실제적으로 전해질막은 고체 고분자막(1)으로 구성되며, 역 또한 마찬가지인 것이 주목된다. 양극(3)은 촉매 운반의 실질적인 직사각형 다공성 부재로서 구성되며, PET부와 외형 치수가 동일하고, 그곳에 공급된 연료(F)와 수분(M)의 확산에 적합하다. 음극(5)은 다른 촉매 운반의 실질적인 직사각형 다공성 부재로서 구성되며, 또한 PET부와 외형 치수가 동일하고, 이 구체화에서 그곳에 공급된 공기(A)의 확산에 적합하다. 연료 전지(FCi)는 추가로 연료 공급판(7)과 고분자막(1) 주변부 사이의 필수적인 밀봉을 위한 밀봉제 부분(130)과, 공기 공급판(9)과 고분자막(1) 주변부 사이의 필수적인 밀봉을 위한 밀봉제 부분(140)을 포함한다.
도 4에서 상세히 도시하는 바와 같이, 밀봉제 부분(130, 140)은 각각 전면 평형 개스킷(110)과 배면 평형 개스킷(120)으로서 구성된다. 연료 전지 스택(47)의 수분 도입부(63)는 연료 전지(FCi)에서 대응하는 적층물 또는 층부를 가지며, 이것은 연료 공급판(7), 전면 개스킷(110), 고체 고분자막(1), 배면 개스킷(120), 및 공기 공급판(9)의 각각의 하방 돌출부에 의해 형성된다.
전지 프레임(1+5+9)은 그것을 통하여 흐르는 4가지형 유체(F, A, C, M)를 위한 유체 회로로 형성되며, 집합적인 어구표현으로, 연료 공급 라인(51)에 연결된 연료 공급 경로, 연료 배출 라인(53)에 연결된 연료 배출 경로, 공기 공급 라인(55)에 연결된 공기 공급 경로, 공기 배출 라인(57)에 연결된 공기 배출 경로, 냉각제 공급 라인(59)에 연결된 냉각제 공급 경로, 냉각제 배출 라인(61)에 연결된 냉각제 배출 경로, 및 수분 공급 라인(65)에 연결된 수분 공급 경로를 갖는다.
연료 공급 경로는 다음의 조합으로 구성된다: 전지 프레임의 하단 좌변을 통하여 뻗치고, 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기 공급판(9)의 하단 왼쪽 모서리에 형성된 연료 공급구(23, 123, 223)의 연속적인 연결로서 구성되는 스택 길이(longitudinal) 연료 공급구(23+123+223); 연료 공급판(7)의 배면 벽에 채널로서 형성되는, 연료 공급구의 한 구멍(23)에 연결되는 평면적으로 배열된 연료 공급 분기(예를 들면, 긴 수직 홈(11))의 수직 트리(tree)로 구성된다. 연료 공급 분기는 양극(3)의 길이를 따라서 노출되고 개방되며, 양극(3)의 촉매 운반 다공성 부재에 확산되는 연료(F)를 양극(3)에 공급하기 위한 것이다. 연료 공급판(7)의 배면 벽은 아일랜드부(19)의 배열이 연료 공급 분기 사이에 배치되게 하며, 연료 공급 분기에 의해 경계를 정하게 한다.
연료 배출 경로는 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기 공급판(9)의 상단 오른쪽 모서리에 형성된 연료 배출구(25, 125, 225)의 연속적인 연결로서 구성되며, 연료 공급판(7)의 배면 벽의 연료 공급 분기의 수직 트리에 연결된다.
공기 공급 경로는 다음의 조합으로 구성된다: 전지 프레임의 상단 좌변을 통하여 뻗치고, 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기 공급판(9)의 상단 왼쪽 모서리에 형성된 공기 공급구(27, 127, 227)의 연속적인 연결로서 구성되는 스택 길이 공기 공급구(27+127+227); 음극(5)에 접촉하는 공기 공급판(9)의 정면 벽에 채널로서 형성되는 평면적으로 배열된 공기 공급 분기(예를 들면, 긴 수직 홈(327, 329), 및 긴 수평 아일랜드(219) 사이에 그리고 그것에 의해 경계가 정해진 수평 홈(13))의 수직 트리로 구성된다. 공기 공급 분기는 음극(5)의 길이를 따라서 노출되고 개방되며, 음극(5)의 촉매 운반 다공성 부재에 확산되는 공기(A)를 음극(5)에 공급하기 위한 것이다.
공기 배출 경로는 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기 공급판(9)의 하단 오른쪽 모서리에 형성된 공기 배출구(29, 129, 229)의 연속적인 연결로서 구성되며, 공기 공급판(9)의 정면 벽의 공기 공급 분기의 수직 트리에 연결된다.
냉각제 공급 경로는 다음의 조합으로 구성된다: 전지 프레임의 상단 중심부를 통하여 뻗치고, 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기 공급판(9)의 상단 중심부에 형성된 냉각제 공급구(31, 131, 231)의 연속적인 연결로서 구성되는 스택 길이 냉각제 공급구(31+131+231); 냉각제 공급구의 한 구멍(231)에 연결되며, 바로 다음 연료 전지(FCi+1)의 전지 프레임에 접촉하는 공기 공급판(9)의 배면 벽에 채널로서 형성되는 평면적으로 배열된 냉각제 순환 분기(예를 들면, 긴 수직 홈(334), 긴 수평 홈(335), 및 짧게 나뉜 아일랜드(320) 사이에 그리고 그것에 의해 경계가 정해진 홈 내부 연결 짧은 수직 홈(321)(도 5와 도 6에 도시함)의 비교적 긴 대각선 배열(336) 또는 비교적 짧은 경사 배열(533))의 수직 트리로 구성된다.
냉각제 배출 경로는 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기 공급판(9)의 하단 중심부에 형성된 냉각제 배출구(33, 133, 233)의 좌우 한 쌍의 연속적인 연결로서 구성되며, 공기 공급판(9)의 배면 벽의 냉각제 순환 분기의 수직 트리에 수직 홈(333)을 경유하여 연결된다.
수분 공급 경로는 다음의 조합으로 구성된다: 연료 전지 스택(47)의 수분 도입부(63)의 대응 층을 통하여 뻗치고, 각각 연료 공급판(7), 고분자막(1), 및 공기공급판(9)의 돌출된 저면부에 형성된 수분 공급구(37, 137, 237)의 연속적인 연결로서 구성되는 스택 길이 수분 공급구(37+137+237); 수분 공급구의 한 구멍(37)에 연결되며, 연료 공급판(7)의 정면 벽에 채널로서 형성되는 평면적으로 배열된 수분 공급 분기(예를 들면, 수평 홈(43)과 수직 홈(41, 39)의 수직 트리; 양극(3)에 접촉하는 연료 공급판(7)의 배면 벽의 수직 아일랜드(19)의 배면 쪽에 개방되며, 연료 공급판(7)의 정면 벽의 수분 공급 분기의 수직 홈(39)과 교통하는 직경 감소구 또는 출구로서 수분 공급구(21)의 수직 매트릭스 또는 다수의 수직 배열로 구성된다. 수분 공급구(21)는 양극(3)의 촉매 운반 다공성 부재를 통하여 고분자막(1)으로 확산하거나 이동하는 수분(M)을 양극(3)에 공급하는 것으로 구성된다. 도 4에서 상세히 도시하는 바와 같이, 수분 공급구(37, 237)는 중계항(100)에 의해 내부 연결되며, 정면 개스킷(110)으로 형성되는 정면구(111), 고체 고분자막(1)에서 형성되는 수분 공급구(137), 및 배면 개스킷(120)에서 형성되는 배면구(121)의 조합에 연결된다.
연료 전지 시스템(FCS-1)은 연료 전지(FCi)의 스택(47)을 포함하며, 연료 전지(FCi)의 각각은 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막(1)을 갖는다. 따라서, 연료 전지 시스템(FCS-1)은 다음으로 형성된다: 적층된 전지 프레임 세트; 적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극(3)의 양극(3) 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극(5)의 음극(5) 세트의 조합; 대응 양극(3)과 대응 음극(5) 사이에 배치되는 대응 전해질막(1)의 전해질막(1) 세트; 양극(3) 세트에 연료(F)를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 양극(3)과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽으로서 연료 공급판(7)의 배면 벽에 연료 공급 개구(11)를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크; 음극(5) 세트에 공기(A)를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극(5)과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽으로서 공기 공급판(9)의 정면 벽에 공기 공급 개구(13)를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크; 및 대응 전해질막(1)에 대응 양극(3)을 통하여 가동성 수분(M)을 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 연료 공급 개구(11)로부터 다른 곳에 위치하고, 1차 벽에 제공된 수분 공급 출구(21) 세트를 가지는 수분 공급 네트워크로 형성된다.
도 12는 세로 단면도로, 본 발명의 2차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-2)에서 연료 전지 스택 집합체(FSA)의 주요부를 도시한다. 도 13은 투시도로, 도 12의 연료 전지 스택 집합체(FSA)에 열 감지 부재(77)로서 형상 기억 부재로 동작 가능한 수분 압력 조정 밸브(66)를 도시한다. () 속의 참조 문자는 다른 구체화에서 그들에 참조하며, 부재 또는 요소 등을 지정한다. 열 감지 부재(77)는 형상 기억 부재로 구성되는 것을 주목한다.
2차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-2)은 1차 구체화인 연료 전지 시스템(FCS-1)과 다르며, 거기서 각각의 연료 전지(FCi)는 그 음극 쪽으로부터 고체 고분자막(1)을 보습화하기 위해 공기 공급판(9)을 통하여 수분(M)을 공급하기 위한부가적인 수분 공급 경로를 가지며, 연료 전지 스택 집합체(FSA)는 그 연료 전지 스택(47)의 매니폴드판으로서 정면 단판(49)에 설치된 압력 조정 밸브(69)를 갖는다.
부가적인 수분 공급 경로는 다음과 같은 조합으로서 구성된다: 연료 공급판(9)의 배면 벽에 채널로서 형성되고, 수분 공급구(37+100(137을 포함한)+237)의 한 구멍(237)에 연결되는 평면적으로 배열된 수분 공급 분기(예를 들면, 수평 홈과 수직 홈(239)의 부가적인 수직 트리; 음극(5)에 접촉하는 공기 공급판(9)의 정면 벽의 수평 아일랜드(219)의 정면 쪽에 개방되며, 공기 공급판(9)의 배면 벽의 수분 공급 분기의 수직 홈(239)과 교통하는 직경 감소구 또는 출구로서 수분 공급구(221)의 수직 매트릭스 또는 다수의 수평 배열로 구성된다. 수분 공급구(221)는 음극(5)의 촉매 운반 다공성 부재를 통하여 고분자막(1)으로 확산하거나 이동하는 수분(M)을 음극(5)에 공급하는 것으로 구성된다.
따라서 연료 전지 시스템(FCS-2)은 연료 전지(FCi)의 스택(47)을 포함하며, 각각의 연료 전지(FCi)는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막(1)을 갖는다. 연료 전지 시스템(FCS-2)은 다음으로 형성된다: 적층된 전지 프레임 세트; 적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극(3)의 양극(3) 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극(5)의 음극(5) 세트의 조합; 대응 양극(3)과 대응 음극(5) 사이에 배치되는 대응 전해질막(1)의 전해질막(1) 세트; 양극(3) 세트에 연료(F)를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임세트를 통하여 뻗치고 대응 양극(3)과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽으로서 연료 공급판(7)의 배면 벽에 연료 공급 개구(11)를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크; 및 음극(5) 세트에 공기(A)를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극(5)과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽으로서 공기 공급판(9)의 정면 벽에 공기 공급 개구(13)를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크; 및 대응 전해질막(1)에 대응 양극(3)과 대응 음극(5) 중의 각각의 1개(3, 5)를 통하여 가동성 수분(M)을 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 1차 벽과 2차 벽 중의 어느 하나에 제공된 수분 공급 출구(21 또는 221) 세트를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크가 상술된 1차 벽과 2차 벽 중의 어느 하나에 대응하는 연료 공급 개구(11)와 공기 공급 개구(13) 중의 어느 1개(11, 13)로부터 다른 곳에 위치하여 형성된다.
연료 전지 시스템(FCS-2)은 그곳에 도입되는 수분(M)을 위한 수분 도입 경로(71)를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 순환되는 냉각제(C)를 위한 냉각제 순환 경로의 네트워크, 그곳으로부터 유출되는 냉각제(C)를 위한 냉각제 배출 경로(61a, 61b)를 가지는 냉각제 순환 경로의 네트워크, 냉각제 배출 경로(61a, 61b)에서 냉각제(C)의 온도에 의존하여 변형하는 것으로 구성된 열 감지 부재(77)로서 형상 기억 부재, 및 수분 도입 경로(71)에서 수분(M)의 유속을 조정하는 열 감지 부재(77)의 변형에 의해 작동되는 압력 조정 밸브(75)로서 밸브 부재를 포함한다. 열 감지 부재(77)는 이의 윗면에서 배출 냉각제(C)에 노출된다는 것을 주목한다. 열 감지 부재(77)의 윗면은 각각의 냉각제 배출 경로(61a, 61b)로 분기될 수도 있고, 냉각제(C)에 노출되지 않을 수도 있지만, 배출된 냉각제(C)의 온도 변화에 민감한 냉각제 배출 경로의 근방과 같은 적당한 위치에 배치되는 것이 필요하다.
도 14a와 도 14b는 단면으로, 본 발명의 3차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-3)에서 열 감지 부재(77)로서 바이메탈 부재로 작동 가능한 수분 압력 조정 밸브(69)를 도시하며, 여기서 도 14a는 밸브(69)의 닫음 상태, 도 14b는 밸브(69)의 개방 상태를 도시한다. 3차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-3)은 2차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-2)과 다르며, 여기서 열 감지 부재(77)는 바이메탈 부재로 구성된다.
도 15는 설명 블록도로, 본 발명의 4차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-4)에서 수분 압력 조정 밸브 제어기(69)의 전기 제어기(80)를 도시한다. 4차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-4)은 3차 구체화에서의 연료 전지 시스템(FCS-3)과 다르며, 여기서 열 감지 부재(77)는 바이메탈 부재로 구성되며, 열 손실 제어 히터(79)는 열 감지 부재(77)의 가까이에 배치된다. 전기 제어기(80)는 정면 단판(49)에서 배출된 냉각제(C)의 온도를 검출을 위한 열전대 또는 온도 측정 저항기(84), 온도 측정 저항기(84)로부터 검출 신호의 증폭을 위한 트랜지스터 증폭기(81), 및 제어된 전력을 히터(79)에 공급하기 위한 전원 공급기(85)를 가진다. 참조 문자(82)에 의해 지정된 것은 수동 스위치이며, 참조 문자(83)는 드라이브 코일이다. 밸브(69)의 열 감지 부재(77)는 그 윗면에서라도, 배출 냉각제(C)에 노출되지 않을 수도 있다.
도 16은 설명 블록도로, 본 발명의 5차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-5)에서 수분 압력 조정 밸브(69)의 전기 제어기(90)를 도시한다. 5차 구체화에 따른 연료 전지 시스템(FCS-5)은 4차 구체화에서의 연료 전지 시스템(FCS-4)과 다르며, 수분 공급 라인(65)에서 수분(M)은 수분 공급 라인(65)을 가열하는 히터(91)에 의해 가열된다. 제어기(90)는 연료 전지 스택(47)의 정면 단판(49)에서 배출 냉각제 경로(61a, 61b) 가까이 또는 안에 배치된 열전대 또는 온도 측정 저항기(84)를 가지는 것, 및 그것으로부터의 검출 신호는 히터(91)를 제어하기 위해 처리되는 것이 주목된다. 제어된 온도의 수분(M)은 정면 단판(49)에서 수분 공급 경로를 통과하며, 수분 압력 조정 밸브(69)를 제어한다.
상기의 구체화는 하기에 다른 관점으로 설명된다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 그들 중심에 전해질막(1)과 더불어, 전지 시스템(FCS-1)은 일차 전극으로서 양극(3), 2차 전극으로서 음극(5)을 갖는다. 연료(F)로서 양극(3)에 공급된 수소는 전극에서 수소 이온과 전자로 해리되며, 여기서 수소 이온은 전해질막(1)을 통과하고, 전자는 외부 회로를 통과하며, 그들은 음극(5)에 공급된 공기(A) 중의 산소와 반응하여 물을 형성한다. 외부 회로를 통과하는 전자는 전류를 형성하며, 전력을 공급하다.
연료 공급판(7)은 양극(3) 쪽에 공급판으로서 배치되며, 공기 공급판(9)은 음극(5) 쪽에 공급판으로서 배치된다. 연료 공급판(7)은 수소 공급을 위한 연료 경로로서 다수의 홈 형상 연료 공급 경로(11)를 가지며, 도 6에서 종이 면에 수직인 방향으로 형성되며, 공기 공급판(9)은 공기 공급을 위한 다수의 홈 형상 공기공급 경로(13)를 가지며, 도 6에서 종이 면에 수직인 방향으로 형성된다.
도 7은 연료 공급판(7)의 양극(3)을 도시하는 투시도이며, 이것은 표면의 연료 공급판(7)의 부분이며, 연료 공급 경로(11)는 연료 전지(FCi)에서 고체 고분자막과 일체가 되어 형성된다. 도 10은 연료 공급판(7)의 정면도이다. 도 11은 연료 공급판(7)의 양극(3) 쪽으로부터 보이는 배면도이다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 다수의 연료 공급 경로(11)는 연료 공급판(7)의 하단부와 상단부에 형성된 하단 교통 경로(15)와 상단 교통 경로(17)를 경유하여 상호 교통된다. 이 구성을 채택함으로써, 아일랜드부(19)가 형성되며, 연료 공급 경로(11)와 하단 교통 경로(15), 상단 교통 경로(17)에 의해 둘러싸이게 되며, 여기에 형성된 각각의 이들 아일랜드부(19)는 다수의 수분 공급 경로(21)를 가지며, 연료 공급판(7)의 정면과 배면 쪽 사이를 통과한다.
도 11에서 하단 교통 경로(15)의 오른쪽 끝에서, 연료 공급구(23)는 도 11에서 종이 면에 수직인 방향으로 연료 공급판(7)을 통과시키게 형성되며, 도 11에서 상단 교통 경로(17)의 왼쪽 끝에서, 연료 배출 또는 배수구(25)는 도 11에서 종이 면에 수직인 방향으로 연료 공급판(7)을 통과시키게 형성된다. 더욱더 자세히는, 연료 공급판(7)의 정면 쪽으로부터 연료 공급구(23)를 경유하여 연료 공급판(7)에 공급된 연료(F)는 하단 교통 경로(15), 연료 공급 경로(11), 및 상단 교통 경로(17)를 통과하여, 양극(3)에 공급되며, 반응하지 않은 연료 부분은 연료 배수구(25)로부터 연료 공급판(7)의 정면 쪽으로 배수된다.
도 11에서 연료 공급판(7)의 상단 오른쪽 단부에서, 공기 공급구(27)는 도 11에서 종이 면에 수직인 방향으로 연료 공급판(7)을 통과시키게 형성되며, 연료 공급판(7)의 하단 왼쪽 단부에서, 공기 배출 또는 배수구(29)는 도 11에서 종이 면에 수직인 방향으로 연료 공급판(7)을 통과시키게 형성된다. 공기 공급구(27)와 공기 배수구(29)는 도 6에서 상방과 하방으로 뻗치는 공기 공급 경로와 공기 배수 경로를 통과하며, 각각 공기 공급 경로(13)와 교통한다. 공기 공급 경로(13)는 그 양쪽 끝이 왼쪽과 오른쪽의 교통 경로에 연결되며, 이들 교통 경로는 다수의 공기 공급 경로 사이의 상호 교통을 제공한다. 즉, 연료 공급판(7)의 정면 쪽으로부터 공기 공급구(27)에 공급된 공기는 세로의 공기 공급 경로, 왼쪽 교통 경로, 공기 공급 경로(13), 및 오른쪽 교통 경로를 통과하며, 그 위에서 음극(5)에 공급되며, 반응하지 않은 공기 부분은 정면 쪽에 배수되도록 세로의 공기 배수 경로를 통과하여, 공기 배수구(29)를 통과한다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 냉각제 공급구(31)는 연료 공급판(7)의 윗면 중심부에 형성되며, 2개의 냉각제 배출 또는 배수구(33)는 도 11에서 종이 면에 수직인 방향으로 연료 공급판(7)의 저면 중심부에 형성된다. 냉각제 공급구(31)를 통하여 연료 공급판(7)의 전면 쪽으로부터 공급된 냉각제는 세로의 냉각제 공급 경로를 통과하며, 예를 들면, 공기 공급판(9)의 배면 쪽에 형성된 냉각제 경로로 흐른다. 그 때, 반응에 의해 가열되었던 연료 전지를 냉각한 후, 냉각제는 공기 공급판(9) 안의 냉각제 배출 또는 배수 경로를 통과하며, 냉각제 배수구으로부터 배수된다.
도 11에서 하방으로 돌출된 돌출부(35)는 연료 공급판(7)의 2개의 냉각제 배수구(33)를 포함하는 영역에 형성되며, 세로의 수분 도입구 또는 구멍(37)은 돌출부(35)에 형성된다.
아일랜드부(19)의 정면 쪽에, 수분 공급 경로(21)가 형성되며, 수분 경로(21)와 교통하는 홈(39)이 형성되며, 아일랜드부(19)의 연장의 방향을 따라서 배열된다. 중심 홈(39)은 2개의 냉각제 배수구(33) 사이의 연장된 홈(41)의 한 끝과 교통하고, 반면에 연장된 홈(41)의 한 끝은 수분 도입구(37)와 교통한다. 수직 홈(39)은 도 10에서 수평인 방향으로 연장된 교통 홈(43)을 경유하여 그들의 하단 끝에 서로 교통한다. 즉, 수분(M)은 수분 도입구(37)를 경유하여 정면 쪽으로부터 도입되며, 연장된 홈(41)으로부터 교통 홈(43)을 통과하여, 수분 공급 경로(21)로부터 양극(3)에 공급된다.
상술의 양극(3)과 음극(5)은 각각 전해질막(1)의 정면과 배면 쪽에 집중되며, 연료 공급판(7)과 공기 공급판(9)을 따라서 각각 뻗쳐서 1개의 전지(FCi)를 구성한다. 세로 방향으로 이러한 전지를 성공적으로 적층하여, 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 스택(47)은 형성된다.
도 2에서, 연료 전지 스택(47)의 오른쪽 단판은 매니폴드판(49)으로서 형성된다. 매니폴드판(49)은 1차 연료 전지(FCi)의 연료 공급판(7)과 밀접히 접촉하여 부착된다. 매니폴드판(49)은 연료 공급구(23), 연료 배수구(25), 공기 공급구(27), 공기 배수구(29), 냉각제 공급구(31), 냉각제 배수구(33), 및 수분 도입구(37)와 교통하는 매니폴드 경로가 서로 각각 분리되어 제공된다. 연료(F), 공기(A), 및 냉각제(C)에 대하여, 매니폴드판(49)은 연료 전지의 스택에서 연료 공급구(23)와 연료 배수구(25)와 각각 교통하는 연료 라인(51, 53)에 연결을 가지며, 연료 전지의 스택에서 공기 공급구(27)와 공기 배수구(29)와 각각 교통하는 공기 라인(55, 57)에 연결을 가지며, 및 연료 전지의 스택에서 냉각제 공급구(31)와 냉각제 배수구(33)와 각각 교통하는 냉각제 라인(59, 61)에 연결을 가진다.
수분(M)이 도입되는 수분 도입부(63)는 매니폴드판(49)에서, 냉각제 라인(61)의 배수 출구의 영역에 제공되며, 도 2에서 저면부에 냉각제를 배수한다. 수분 공급 라인(65)의 한 끝은 수분 도입부(63)에 연결되며, 수분 공급 라인(65)의 다른 끝은 물탱크(67)에 연결된다. 매니폴드판(49)으로부터 배수된 공기(A)가 통과하는 공기 라인(57)은 물탱크(67)의 윗면부에 연결되며, 물(W)은 배수된 공기를 응결시켜서 얻는다. 매니폴드(49)에 수분(M)의 공급은 펌프(P)에 의해 이루어지며, 수분 공급 라인(65)을 통하여 수분(M)으로서 물(W)을 펌프한다. 이것은 배수된 공기의 잔류 압력에 의한 압력의 적용으로 행하여 질 수도 있다.
도 12는 상술의 수분 도입부(63)를 둘러싸는 범위를 도시하는 확대 종단면도이다. 수분 압력 조정 밸브(69)는 수분 도입부(63)에 제공된다. 이 밸브는 수분(M)의 공급량을 조정한다. 수분 도입 경로(71)는 N개의 연료 전지의 수분 도입구(37)의 연속된 연결로서 수분 도입부(63)의 하단부에 형성되며, 수분 압력 조정 밸브(69)가 제공된다.
도 14a와 도 14b는 수분 압력 조정 밸브(69)를 상세히 도시하며,제한부(restriction part)(73)의 개방과 닫음이 가능한 밸브 몸체(75)는 바이메탈 부재(77)에 의해 지지되며, 이것은 온도 감지 부재로서 작동한다. 바이메탈 부재(77)는 매니폴드판(49)의 하단 끝에 부착되며, 냉각제 배수 출구의 영역에서 밸브 몸체(74)로부터 상방으로 연장하며, 매니폴드(49)의 하단부에서 온도에 반응하게 배치되며, 즉, 연료 전지의 온도를 대표하는 배수된 냉각제의 온도에 의해서 이다. 더욱더 상세히는, 연료 전지로부터 배수된 냉각제의 온도가 낮을 때, 바이메탈 부재(77)는 좌방 방향에 배치되어, 밸브 몸체(75)가 제한부(73)에 더 가깝게 이동하여, 수분량을 감소시킨다. 반대로, 만약 배수된 냉각제의 온도가 높다면, 바이메탈 부재(77)는 우방 방향으로 배치되어, 밸브 몸체(75)는 제한부(73)에서 떨어지게 이동하여, 수분량을 증가시킨다.
상기 설명된 바와 같이 구성된 본 발명은 다음과 같이 작동한다.
예를 들면, 연료 전지 시스템(FCS-1)에서, 연료 전지 스택(47)에 매니폴드판(49)을 통하여 연료(F)와 공기(A)의 양쪽이 공급되며, 부가적으로 그곳에서의 반응에 의해 생긴 열을 억제하는 냉각제(C)도 공급된다. 공급된 공기(A)는 공기 라인(57)으로부터 물탱크(67)에 통과되고, 거기서 응결이 일어나며, 수분(M)으로서 제공하는 물(W)을 생산한다. 수분(M)은 펌프(P)의 작용에 의해 압박되어, 수분 공급 라인(65)을 통과하도록 하며, 뒤이어 수분 도입부(63)에 도달한다.
수분 도입부(63)에 도달하였을 때, 수분(M)은 매니폴드판(49)의 온도에 반응하여 압력을 조정하는 수분 조정 밸브(69)를 통과하며, 수분(M)은 제한부(73)를 통과하여, 매니폴드판(49)의 온도에 반응하여 수분 압력 조정 밸브(69)에 의해 개방되거나 닫히고, 각각의 연료 전지(FCi)의 수분 도입구(37)로부터 통과하고, 그런후 교통 홈(43, 39)을 통과하고, 이어서 수분 공급 경로(21)에 도달한다.
수분 공급 경로(21)에 도달하였을 때, 수분(M)은 직접 양극(3)에 제공되며, 확산되거나 골고루 퍼지게 이동되어, 전해질막(1)에 도달하여, 전해질막(1)을 보습화하거나 습윤시킨다.
연료 전지 시스템(FCS-3)을 시동하는 경우에, N개의 연료 전지의 평균 온도가 낮다. 왜냐하면 수분 압력 조정 밸브(69)에서의 개방이 작으며, 수분(M)의 공급 압력이 낮기 때문이며, 수분 과잉에 의해 야기된 성능 저하도 없으며, 양극(3)까지의 코스에서 수분(M)에 의한 연료(F)의 직접적 접촉 없이, 수분(M)은 직접적으로 양극(3)에 공급되어, 결과적으로 연료 공급 경로나 공기 공급 경로 속에서 연료 전지의 성능을 저하시키는 물 막힘을 야기하는 수분(M)의 응결이 발생하는 상황을 모면하게 된다. 평균 연료 전지 온도가 높을 때, 수분 압력 조정 밸브(69)에서의 개방은 수분 공급 압력을 증가시켜, 그래서 요구된 수분(M)량이 전해질막(1)에 공급된다. 전해질막(1)에 흡수되며, 그곳으로부터 제거되는 수분(M)량은 공급된 수분(M)의 압력에 의해 제어되기 때문에, 물탱크(67)로부터 일정한 보충이 있으며, 배수 공기의 잔류 압력을 받게 된다.
따라서, 전해질막(1)에 흡수되는 수분(M)량이 N개의 연료 전지의 평균 온도에서의 변화에 반응하여 변화하기 때문에, 수화의 양을 제어하며, 전해질막(1)의 적당하고 확실한 보습화를 행하는 것이 가능하다. 부가적으로, 수분 경로와 수분압력 조정 밸브(69)의 한 구조는 매니폴드판(49) 내에 단지 제공되기 때문에, 연료 전지가 크게 되는 것을 피할 수 있어, 이것은 특히, 콤팩트한 것이 요구되는 자동차 연료 전지의 적용에 바람직하다.
비록 높은 출력이 연료 전지의 온도가 낮을 때 얻게 되는 경우가 가능하다 할지라도, 수분(M)량에 대하여 불충분하면, 결과적으로 전기 생산 효율이 감소하며, 전압이 연료 전지에 대해 작동 범위 내와 규정된 하한 전압의 미만이지 않는 한, 발생한 열의 양은 증가하여, 연료 전지의 온도가 상승하고, 이것은 결과적으로 수분 압력 조정 밸브(69)에서의 개방을 증가시키며, 따라서 요구된 수분(M)량을 얻게 된다.
이러한 이유 때문에, 어떠한 부가적인 피드백 제어를 제공하는 것이 불필요하여, 수분(M)량의 독립적인 제어를 행할 수 있게 한다.
FCS-1의 구조뿐만 아니라, 연료 전지 시스템(FCS-2, FCS-3)의 경우에, 수분(M)은 공기 공급판(9)에서 공급 경로를 제공함으로써 전해질막(1)에 또한 공급되며, 게다가 음극(5)을 통과한다. 이것은 즉, 연료 공급판(7)에서 수분 공급 경로를 갖지 않고, 공기 공급판(9)을 경유하여 수분(M)이 단순히 공급될 수도 있게 보일 것이다.
도 15는 전기 히터(79)가 매니폴드판(49) 위 또는 내의 가열 수단으로서 제공되는, 수분 도입부(63)에서 바이메탈 부재(77)가 부착되는 실례의 도면을 도시한다. 이 경우에, 히터(79)를 통과하는 전류량을 제어함으로써, 바이메탈 부재(77)의 변위를 증진시키는 것이 가능하여, 수분 압력 조정 밸브(69)의 감응성을 향상시켜, 공급된 수분(M)량을 제어에서 제어 응답을 향상시키는 것이다.
도 16에 도시한 구체화에서, 전기 히터(91)는 수분 공급 라인(65)에 가열 수단으로서 공급된다. 이 경우에, 수분 공급 라인(65)을 가열하는 전기 히터(91)뿐만 아니라, 그것을 통하여 흐르는 수분(M) 그 자체의 가열도 또한 행하여진다. 가열된 수분 공급 라인(65)과 가열된 수분은 차례로 바이메탈 부재(77)를 가열한다. 이 가열 작용의 결과는 즉, 도 16에서 도시한 실례를 들 수 있으며, 공급된 수분(M)량의 제어에서 제어 응답이 더 향상한다. 하지만, 이 경우에, 수분 공급 라인(65) 내의 수분(M)을 끓게 하는 레벨 내로 가열을 유지하는 것이 필요하다.
연료 전지 시스템(FCS-2)에서, 형상 기억 합금이 바이메탈 부재(77)를 대신한다는 것은 주목되어야 한다.
부가적으로, 수분(M)을 압축공기탱크(accumulator)에 펌프하는 펌프(P)에 의해 제공된 축적 압력은 압축기에 의해 제공될 수 있어, 공기(A)를 연료 전지 자체에 공급하는데 또한 사용되며, 따라서, 전체의 연료 전지 시스템의 간소화를 이룰 수 있다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다양한 형태를 채택할 수 있다.
제1 실시예는 고체 고분자막을 갖는 연료 전지이며, 고체 고분자로 만들어진 전해질막은 연료가 공급되는 1차 전극과 공기가 공급되는 2차 전극 사이에 배치되며, 연료 또는 공기를 공급하는 공급 경로를 가지는 공급판은 적어도 전극의 1개에 배치되며, 전극의 1개를 경유하여 전해질막에 가습을 직접 공급하는 가습 공급 경로 다른 공급 경로를 방해하지 않는 공급판의 위치에 제공된다.
상술의 구성을 가지는 고체 고분자막을 갖는 연료 전지의 제1 실시예에 따라서, 연료나 공기의 어느 하나와 직접적인 접촉을 하지 않고, 수분은 수분 공급 경로로부터 전극을 경유하여 전해질막에 직접적으로 공급되며, 전극을 경유하여 전해질막에 적당하고 확실한 직접적인 공급을 성취할 뿐만 아니라, 연료 전지가 커지거나 무거워지는 것을 피할 수 있다.
제2 실시예는 제1 실시예의 연료 전지에서의 변화이며, 수분 공급 경로는 연료를 공급하는 공급 경로 가지는 공급판에 제공된다.
본 발명의 2차 실시의 구성을 가지는 고체 고분자막을 갖는 연료 전지의 제2 실시예에 따라서, 수분은 연료와 직접적인 접촉을 하지 않고, 연료를 공급하는 전극을 경유하여 수분 공급 경로로부터 전해질막에 직접적으로 공급된다. 연료 공급 쪽에 충분한 수화를 제공할 수 있는 이 배열의 결과는 수소 이온이 전해질막을 통과할 때, 물이 협력하여 이동하기 때문에, 보통 건조해지기 쉽다.
제3 실시예는 제1 실시예 또는 제2의 실시예 중의 어느 하나의 연료 전지에서의 변화이며, 공급 경로는 전극을 향해 개방하는 다수의 홈을 가지며, 수분 경로는 각각의 홈 사이의 공급판을 통과하도록 형성되고 있다.
본 발명의 3차 실시의 구성을 가지는 고체 고분자막을 갖는 연료 전지의 제3 실시예에 따라서, 연료 또는 공기는 공급판에서 전극에 공급되도록 다수의 홈을 통하여 흐르며, 수분은 연료판을 통과하는 수분 공급 경로를 통과하고 전해질막에 직접적으로 공급된다.
제4 실시예는 제1 실시예 내지 제3 실시예 중의 어느 것의 연료 전지에서의변화이며, 수분을 수분 경로에 도입하는 수분 도입부는 연료 전지에 공급된 냉각제의 배수를 위한 구멍(port) 영역에서 배치되며, 배수된 냉각제의 온도 변화로 변위를 나타내는 온도 감지 물질은 수분 도입구에 제공되며, 유량 조정 밸브는 온도 감지 물질의 변위에 반응하여 수분 도입구에 흐르는 수분의 유량을 조정하도록 제공되고 있다.
제4 실시예에 따라서, 연료 전지의 온도를 대표하는 연료 전지로부터 배수된 냉각제의 온도가 낮을 때는, 온도 감지 물질은 위치가 움직여 유량 조정 밸브가 수분 도입부를 닫아, 수분 공급량을 감소시킨다. 배수된 냉각제의 온도가 높을 때는, 온도 감지 물질은 위치가 움직여 유량 조정 밸브가 수분 도입부를 개방시켜, 수분 공급량을 증가시킨다.
제5 실시예는 제4 실시예의 연료 전지에서의 변화이며, 온도 감지 물질의 영역에 제공된 가열을 위한 수단을 추가로 갖는다.
연료 전지의 제5 실시예에 따라서, 온도 감지 물질을 가열하는 시간은 가열 수단에 의해 제어되며, 향상된 제어 응답으로 제공된 수분량을 제어한다.
제6 실시예는 제4 실시예의 연료 전지에서의 변화이며, 수분 도입 파이프는 수분 도입부와 교통하도록 연결되고, 가열 수단이 수분 도입 파이프에 제공된다.
연료 전지의 제6 실시예에 따라서, 수분 도입 파이프를 가열하는 가열 수단을 제공함으로써, 수분 도입 파이프를 경유한 열전도와 이 파이프를 흐르는 수분에 의해, 온도 감지 물질이 가열된다. 온도 감지 물질에 관하여 가열 시간을 제어함으로써, 공급된 수분량의 신속한 제어가 이루어진다.
제7 실시예는 제4 실시예 내지 제6 실시예 중의 어느 하나에 따른 연료 전지에서의 변화이며, 온도 감지 물질은 바이메탈 부재이다.
제7 실시예에 따라서, 바이메탈 부재는 냉각제 온도 영향의 결과로 위치가 움직이며, 따라서 확실하게 유량 조정 밸브를 개방과 닫음을 하게 한다.
제8 실시예는 제4 실시예 내지 제6 실시예 중의 어느 하나에 따른 연료 전지에서의 변화이며, 온도 감지 물질은 형상 기억 합금이다.
제8 실시예에 따라서, 형상 기억 합금은 냉각제 온도 영향의 결과로 위치가 움직이며, 따라서 확실하게 유량 조정 밸브를 개방과 닫음을 하게 한다.
제9 실시예는 제1 실시예 내지 제8 실시예 중의 어느 것에 따른 연료 전지에서의 변화이며, 연료 전지로부터의 배출된 공기는 응결되어 얻어진 물은 수분으로서 사용된다.
제9 실시예에 따라서, 연료 전지로부터의 배출된 공기는 응결하여 얻어진 물은 수분으로서 사용되며, 전극을 경유하여, 연료나 공기의 어느 것과 직접적인 접촉이 이루어지는 것 없이, 수분 공급 경로로부터 수분으로서 통과된다. 본 발명의 이 실시는 수분의 전용 공급을 위한 필요성을 제거하며, 예를 들면, 운반 수단(vehicle)과 같은 이동 플랫폼을 위한 연료 전지로서의 적용을 위해서 본 발명의 실시가 바람직하다.
일본국 특허 출원 No. 2000-277138의 내용은 참고로 여기에 덧붙여진다.
바람직한 본 발명의 구체화는 명확한 용어를 사용하여 설명되고 있지만, 이러한 설명은 상세화를 위한 것이며, 청구항의 범위를 벗어나지 않는 한 변경과 변화를 행할 수도 있다.
본 발명에 따라서, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지는 연료 전지가 커지거나 성능 저하 없이 막에 보습화를 가능하게 하는 것이다.

Claims (22)

  1. 전지 프레임;
    전지 프레임에 제공되는 양극과 음극의 조합;
    양극과 음극 사이에 배치되는 전해질막;
    음극에 공기를 공급하는 공기 공급 경로;
    양극에 연료를 공급하는 연료 공급 경로로서, 전지 프레임을 통하여 뻗치고 양극과 접촉하는 전지 프레임의 1차 벽에서 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로; 및
    양극을 통하여 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분을 전지 프레임의 외부로부터 상기 1차 벽으로 공급하는 1차 수분 공급 경로로서, 전지 프레임을 통하여 뻗치고 상기 연료 공급 개구와는 다른 위치에서의 상기 1차 벽에 수분 공급 출구의 1차 세트를 가지는 1차 수분 경로로 구성되는, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는, 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 음극과 접촉하는 전지 프레임의 2차 벽에 공기 공급 개구를 가지는 공기 공급 경로; 및
    전해질막에 음극을 통하여 가동성 수분을 공급하는 2차 수분 공급 경로, 전지 프레임을 통하여 뻗치고 공기 공급 개구로부터 다른 위치에서의 2차 벽에 수분 공급 출구의 2차 세트를 가지는 2차 수분 경로로 구성되는 연료 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    1차 벽을 가지는 1차 프레임 부재;
    2차 벽을 가지는 2차 프레임 부재; 및
    1차 프레임 부재와 2차 프레임 부재 사이에 배치된, 전해질막을 갖도록 구성된 3차 프레임 부재로 구성되는 전지 프레임인 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 양극은 1차 프레임 부재와 전해질막 사이에 배치되는, 연료가 확산하고 그 속을 가동성 수분이 이동하도록 구성되는 1차 다공성 부재, 및 음극은 2차 프레임 부재와 전해질막 사이에 배치된, 연료가 확산하고 그 속을 가동성 수분이 이동하도록 구성되는 2차 다공성 부재인 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서, 연료 공급 개구는 1차 벽에 다수의 내부 연결 채널로 구성되고, 수분 공급 출구의 1차 세트는 각각의 배열이 다수의 내부 연결 채널의 이웃하는 2개 사이에 배치되는 구멍들의 다수의 배열로 구성되는 연료 전지.
  6. 전지 프레임;
    전지 프레임에 제공되는 양극과 음극의 조합;
    양극과 음극 사이에 배치되는 전해질막;
    음극에 공기를 공급하는 공기 공급 경로;
    양극에 연료를 공급하는 연료 공급 경로로서, 전지 프레임을 통하여 뻗치고 양극과 접촉하는 전지 프레임의 벽에서 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로; 및
    양극을 통하여 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분으로서 전지 프레임을 통하여 전지 프레임의 외부로부터 상기 벽으로 공급되는 수분을 가지기 위해 상기 연료 공급 개구와 다른 상기 벽의 위치를 경유하는 수분 공급 수단으로 구성되는, 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는, 연료 전지.
  7. 연료 전지 시스템이 적층된 전지 프레임의 세트;
    적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극의 양극 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극의 음극 세트의 조합;
    대응 양극과 대응 음극 사이에 배치된 대응 전해질막의 전해질막 세트;
    양극 세트에 연료를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 양극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽에 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크;
    음극 세트에 공기를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽에 공기 공급 개구를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크; 및
    대응 양극과 대응 음극 중의 각각의 하나를 통하여 대응 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분을 상기 전지 프레임의 세트의 외부로부터 상기 1차 벽과 상기 2차 벽 중의 하나의 벽으로 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 제공된 수분 공급 출구 세트를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크가 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 대응하는 연료 공급 개구와 공기 공급 개구 중의 하나로부터 다른 곳에 위치하여 구성되는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 각각의 연료 전지의 스택을 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    여기에 도입되는 수분을 위한 수분 도입 경로를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크;
    적층된 전지 프레임 세트를 통하여 순환되는 냉각제를 위한 냉각제 순환 경로의 네트워크, 그곳으로부터 유출되는 냉각제를 위한 냉각제 배출 경로를 가지는 냉각제 순환 경로의 네트워크;
    냉각제 배출 경로에서 냉각제의 온도에 의존하여 변형하는 것으로 구성되는 열 감지 부재; 및
    수분 도입 경로에서 수분의 유속을 조정하는 열 감지 부재의 변형에 의해 작동되는 밸브 부재로 구성되는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 열 감지 부재가 바이메탈로 구성되는 연료 전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 열 감지 부재가 형상 기억 부재로 구성되는 연료 전지 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 열 감지 부재는 냉각제 유출 경로의 안쪽에 노출된 열 감지부, 및 수분 도입 경로의 안쪽에 뻗치는 열적 변형부으로 구성되며, 밸브 부재는 열 감지 부재의 열적 변형부에 인접하는 플랩으로 구성되는 연료 전지 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 열 감지 부재에 의해 감지되는 열을 생성하기 위한 제어 가능 가열 부재로 추가로 구성되는 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 적층된 전지 프레임 세트에 고정되는, 수분 공급 경로의 네트워크와 냉각제 순환 경로의 네트워크의 외부 전속을 위해 구성되는 매니폴드판; 및
    매니폴드판에 덧붙여진 가열 요소로 구성되는 연료 전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 수분 도입 경로에 연결되는 수분 공급 파이핑; 및
    수분 공급 파이핑에 부착된 가열 요소로 구성되는 연료 전지 시스템.
  15. 제7항에 있어서, 공기 공급 경로의 네트워크로부터 유출 공기의 수분 함유량을 응결하여 물을 제공하는 응축기; 및
    물을 수분으로서 수분 공급 경로의 네트워크에 공급하도록 처리하는 수분 공급 라인으로 추가로 구성되는 연료 전지 시스템.
  16. 보습화 방법은 양극에 접촉하는 전지 프레임의 1차 벽의 1차 위치를 경유하여, 전지 프레임에서 전지 프레임을 통하여 양극에 연료를 공급;
    음극에 접촉하는 전지 프레임의 2차 벽의 2차 위치를 경유하여, 전지 프레임에서 전지 프레임을 통하여 음극에 공기를 공급;
    양극과 음극의 각각의 하나를 통하여 양극과 음극 사이에 배치된 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분을, 전지 프레임을 통하고 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 대응하는 1차 와 2차 위치와 다른 1차와 2차 벽 중의 하나의 위치를 경유하여 상기 전지 프레임의 외부로부터 상기 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나의 벽으로 공급하는 것으로 구성되는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지를 위한 보습화 방법.
  17. 연료 전지 시스템이 적층된 전지 프레임의 세트;
    적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극의 양극 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극의 음극 세트의 조합;
    대응 양극과 대응 음극 사이에 배치된 대응 전해질막의 전해질막 세트;
    양극 세트에 연료를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 양극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽에 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크;
    음극 세트에 공기를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽에 공기 공급 개구를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크; 및
    대응 양극과 대응 음극 중의 각각의 하나를 통하여 대응 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분을 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 제공된 수분 공급 출구 세트를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크가 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 대응하는 연료 공급 개구와 공기 공급 개구 중의 하나로부터 다른 곳에 위치하여 구성되는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 각각의 연료 전지의 스택을 포함하고,
    여기에 도입되는 수분을 위한 수분 도입 경로를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크;
    적층된 전지 프레임 세트를 통하여 순환되는 냉각제를 위한 냉각제 순환 경로의 네트워크로서, 그곳으로부터 유출되는 냉각제를 위한 냉각제 배출 경로를 가지는 냉각제 순환 경로의 네트워크;
    냉각제 배출 경로에서 냉각제의 온도에 의존하여 변형하는 것으로 구성되는 열 감지 부재; 및
    수분 도입 경로에서 수분의 유속을 조정하는 열 감지 부재의 변형에 의해 작동되는 밸브 부재를 더 포함하며,
    상기 열 감지 부재는 냉각제 유출 경로의 안쪽에 노출된 열 감지부, 및 수분 도입 경로의 안쪽에 뻗치는 열적 변형부으로 구성되며, 상기 밸브 부재는 열 감지 부재의 열적 변형부에 인접하는 플랩으로 구성되는 연료 전지 시스템.
  18. 연료 전지 시스템이 적층된 전지 프레임의 세트;
    적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극의 양극 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극의 음극 세트의 조합;
    대응 양극과 대응 음극 사이에 배치된 대응 전해질막의 전해질막 세트;
    양극 세트에 연료를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 양극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽에 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크;
    음극 세트에 공기를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽에 공기 공급 개구를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크; 및
    대응 양극과 대응 음극 중의 각각의 하나를 통하여 대응 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분을 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 제공된 수분 공급 출구 세트를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크가 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 대응하는 연료 공급 개구와 공기 공급 개구 중의 하나로부터 다른 곳에 위치하여 구성되는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 각각의 연료 전지의 스택을 포함하고,
    여기에 도입되는 수분을 위한 수분 도입 경로를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크;
    적층된 전지 프레임 세트를 통하여 순환되는 냉각제를 위한 냉각제 순환 경로의 네트워크로서, 그곳으로부터 유출되는 냉각제를 위한 냉각제 배출 경로를 가지는 냉각제 순환 경로의 네트워크;
    냉각제 배출 경로에서 냉각제의 온도에 의존하여 변형하는 것으로 구성되는 열 감지 부재;
    수분 도입 경로에서 수분의 유속을 조정하는 열 감지 부재의 변형에 의해 작동되는 밸브 부재; 및,
    상기 열 감지 부재에 의해 감지되는 열을 생성하기 위한 제어 가능 가열 부재를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 적층된 전지 프레임 세트에 고정되는, 수분 공급 경로의 네트워크와 냉각제 순환 경로의 네트워크의 외부 전속을 위해 구성되는 매니폴드판; 및
    매니폴드판에 덧붙여진 가열 요소로 구성되는 연료 전지 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 수분 도입 경로에 연결되는 수분 공급 파이핑; 및 수분 공급 파이핑에 부착된 가열 요소로 구성되는 연료 전지 시스템.
  21. 연료 전지 시스템이 적층된 전지 프레임의 세트;
    적층된 전지 프레임 세트의 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 양극의 양극 세트와, 각각의 전지 프레임에 제공되는 대응 음극의 음극 세트의 조합;
    대응 양극과 대응 음극 사이에 배치된 대응 전해질막의 전해질막 세트;
    양극 세트에 연료를 공급하는 연료 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 양극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 1차 벽에 연료 공급 개구를 가지는 연료 공급 경로의 네트워크;
    음극 세트에 공기를 공급하는 공기 공급 경로의 네트워크, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 대응 음극과 접촉하는 각각의 전지 프레임의 2차 벽에 공기 공급 개구를 가지는 공기 공급 경로의 네트워크; 및
    대응 양극과 대응 음극 중의 각각의 하나를 통하여 대응 전해질막으로 이동할 수 있는 가동성 수분을 공급하는 수분 공급 경로의 네트워크로서, 적층된 전지 프레임 세트를 통하여 뻗치고 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 제공된 수분 공급 출구 세트를 가지는 수분 공급 경로의 네트워크가 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 대응하는 연료 공급 개구와 공기 공급 개구 중의 하나로부터 다른 곳에 위치하여 구성되는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 각각의 연료 전지의 스택을 포함하며,
    공기 공급 경로의 네트워크로부터 유출 공기의 수분 함유량을 응결하여 물을 제공하는 응축기; 및
    물을 수분으로서 수분 공급 경로의 네트워크에 공급하도록 처리하는 수분 공급 라인을 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  22. 보습화 방법은 양극에 접촉하는 전지 프레임의 1차 벽의 1차 위치를 경유하여, 전지 프레임에서 전지 프레임을 통하여 양극에 연료를 공급;
    음극에 접촉하는 전지 프레임의 2차 벽의 2차 위치를 경유하여, 전지 프레임에서 전지 프레임을 통하여 음극에 공기를 공급;
    양극과 음극의 각각의 하나를 통하여 양극과 음극 사이에 배치된 전해질막에 가동성 수분을, 전지 프레임을 통하고 1차 벽과 2차 벽 중의 상기 하나에 대응하는 1차 와 2차 위치와 다른 1차와 2차 벽 중의 하나의 위치를 경유하여 공급하는 것으로 구성되는 보습화되는 전해질막으로서 고체 고분자막을 가지는 연료 전지를 위한 보습화 방법.
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