KR100554050B1

KR100554050B1 - 연료 전지 및 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR100554050B1
Application number: KR1020030086176A
Authority: KR
Inventors: 마쯔바야시다까아끼; 가라까네미쯔오; 요시모또야스노리; 하마다아끼라
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2006-02-22
Also published as: US20120088166A1; US8206866B2; US20130288141A1; US8715869B2; US20040180248A1; US8563181B2; US8268500B2; US20120077103A1; US20120021318A1; KR20040048311A; US20120082908A1; US8067126B2; US8221926B2

Abstract

본 발명의 과제는 전지 스택의 플레이트에 있어서의 가스 채널의 입구 영역에서 가습 반응 가스 속의 수증기가 결로되지 않도록 한 고체 고분자형 연료 전지를 제공하는 것이다. 플레이트(1)의 한 쪽 면에 가스 채널(2)을 설치하는 동시에, 다른 쪽 면에 물 채널을 설치한다. 다른 플레이트에는 플레이트(1)의 가스 채널(2)에 대향시켜 가스 채널을 설치한다. 상기 플레이트(1)의 가스 채널(2)의 상부에 가스 입구 헤더부(4)를 설치하는 동시에, 물 채널의 상부에는 물 입구 헤더부를 설치하여 가스 입구 헤더부와 배면을 맞댄 상태로 한다. 물 공급용 매니폴드 구멍(7)으로부터 물 입구 헤더부로 열매체로서의 냉각수를 공급하여 가온하고, 그 열전도에 의해 가스 입구 헤더부를 가온함으로써, 가스 채널(2)의 입구 영역에서의 반응 가스(가습 연료 가스) 속의 수증기 결로를 방지한다. 본 발명의 다른 과제는 반응 가스 유로에 가공을 실시하는 일 없이 응축수 대책이 가능하고, 또 연료 전지로부터 배출되는 열매체(냉각수)의 열을 유효하게 이용할 수 있도록 한 연료 전지 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다. 연료 전지(104)의 열매체 배출구(104a)에 공기 가습기(105), 연료 가습기(106), 열교환기(107)를 직렬로 연결하고, 연료 전지(104)의 열매체 공급구(104b)에 상기 열교환기(107)를 연결하여 물 순환 경로(108)를 구성한다. 상기 연료 가습기(106)에 연료 개질 장치(1011)를 연결한다. 또한, 연료 전지(104)의 산화제 배출구(104c)에 전체 열교환기(109)를 연결하고, 이 전체 열교환기(109)에 상기 공기 가습기(105)를 연결하여 연료 전지(104)로 의 공기 가습기 경로(1010)를 구성한다. 연료 전지(104) 내의 플레이트에 있어서는, 적어도 한 쪽의 반응 가스 입구 영역을 열매체로 가습한다.

연료 전지, 전지 스택, 가스 채널, 매니폴드 구멍, 공기 가습기, 연료 가습기, 열교환기, 냉각 플레이트

Description

연료 전지 및 연료 전지 시스템 {FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}

도1은 본 발명에 관한 연료 전지의 제1 실시 형태를 나타내는 것으로, 플레이트의 채널을 유통하는 반응 가스 및 냉각수를 투시하여 개략적으로 나타낸 설명도.

도2는 본 발명에 관한 연료 전지의 제2 실시 형태를 나타내는 것으로, 플레이트의 채널을 유통하는 반응 가스 및 냉각수를 투시하여 개략적으로 나타낸 설명도.

도3은 본 발명에 관한 연료 전지의 제3 실시 형태를 나타내는 것으로, 플레이트의 채널을 유통하는 반응 가스 및 냉각수를 투시하여 개략적으로 나타낸 설명도.

도4는 본 발명에 관한 연료 전지에 부착하는 유로 저항 발생부의 일실시 형태를 나타내는 것으로, 도4의 (a)는 그 평면도, 도4의 (b)는 정면도.

도5는 종래의 연료 전지에 있어서의 플레이트의 구성예를 나타내는 평면도.

도6은 본 발명에 관한 연료 전지 시스템에 있어서의 전지 스택 일부의 구성 요소를 도시하는 개략 단면도.

도7은 전지 스택에 조립된 바이폴라 플레이트를 도시하는 것으로, 도7의 (a)는 연료 유로측의 평면도, 도7의 (b)는 산화제 유로측의 평면도.

도8은 전지 스택에 조립된 애노드 냉각 플레이트를 도시하는 것으로, 도8의 (a)는 연료 유로측의 평면도, 도8의 (b)는 물 유로측의 평면도.

도9는 전지 스택에 조립된 캐소드 냉각 플레이트를 도시하는 것으로, 도9의 (a)는 산화제 유로측의 평면도, 도9의 (b)는 유로가 형성되어 있지 않은 측의 평면도.

도10은 본 발명에 관한 연료 전지 시스템의 실시 형태를 도시하는 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 플레이트

2 : 가스 채널

3 : 가스 공급용 매니폴드 구멍

4 : 가스 입구 헤더부

6 : 가스 배출용 매니폴드 구멍

7 : 물 공급용 매니폴드 구멍

8 : 물 배출용 매니폴드 구멍

9 : 유로 저항 발생부

10 : 제2 물 공급용 매니폴드 구멍

11 : 제2 물 배출용 매니폴드 구멍

101 : 바이폴라 플레이트

101a, 102a : 연료 유로

101b, 103b : 산화제 유로

102 : 애노드 냉각 플레이트

102b : 열매체 유로

103 : 캐소드 냉각 플레이트

104 : 연료 전지

105 : 공기 가습기

106 : 연료 가습기

107 : 열교환기

108 : 물 순환 경로

109 : 전체 열교환기

1010 : 공기 공급 경로

1011 : 연료 개질 장치

본 발명은 연료 전지 스택 내에 복수 적층된 플레이트에 있어서, 반응 가스헤더부에서의 결로를 방지하고, 또한 셀을 습윤 상태로 유지하도록 한 연료 전지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

고체 고분자형 연료 전지는 고체 고분자 전해질막 중 한 쪽 면에 애노드(연료극)를, 다른 쪽 면에 캐소드(공기극)를 접합 일체화하여 셀(막 전극 접합체)을 형성하고, 애노드에 대향하는 면에 오목 홈형의 연료 가스 채널을 설치한 플레이트 와, 캐소드에 대향하는 면에 오목 홈형의 산화제 가스 채널을 설치한 플레이트에서 셀을 협지하여 복수 적층하고, 양단부에 엔드 플레이트를 첨가하여 통과시켜 볼트로 체결함으로써 전지 스택이 구성된다. 그리고, 연료 가스 채널에는 연료 가스(수소 가스 또는 수소 메인 부재의 개질 가스)를 유통시키는 동시에, 산화제 가스 채널에는 산화제 가스(통상은 공기)를 유통시키고, 상기 고체 고분자 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응을 일으키게 함으로써 직류 전력을 발전한다.

이와 같은 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질막은 포화 습윤 상태에서 적절하게 기능하므로, 반응 가스(연료 가스 및/또는 산화제 가스)를 가습기 등으로 가습한 후에 플레이트의 채널을 유통시키고, 이에 의해 고체 고분자 전해질막을 포화 습윤 상태로 유지하도록 하고 있다. 또한, 고체 고분자형 연료 전지의 작동 온도는 약 80 ℃이지만, 전기 화학 반응은 발열 반응이므로 발전 중에 온도가 상승한다. 이를 방지하기 위해 전지 스택 내에 냉각 플레이트를 조립하여 그 채널에 냉각수를 유통시키고, 전지 스택을 작동 온도로 유지하도록 하고 있는 것이 일반적이다.

그러나, 도5와 같이 상기 가습한 반응 가스를 플레이트(A)의 공급용 매니폴드(B)로부터 채널(C)로 공급하면 가스 입구측 영역에 있어서 냉각되고, 반응 가스 속에 포함되어 있는 수증기가 채널(C) 내에서 응축되어 결로하고, 채널(C)을 폐색하여 반응 가스의 유통을 저해하고, 그 결과 정상적인 발전이 이루어지지 않고 전지 성능을 저하시키는 사태가 생기고 있었다. 특히, 채널(C)의 굴곡부 부근은 반응 가스의 유속이 약해지므로 응축수가 부착하기 쉽다. 이와 같은 사태를 방지하 기 위해, 예를 들어 대략 S자형으로 굴곡하는 채널을 폐지하여 스트레이트형으로 하고, 또한 반응 가스를 중력 방향의 상부로부터 하부를 향해 유통시킴으로써 응축수가 하류측으로 흐르기 쉽게 하고, 또한 가스 채널 사이에 물 공급 채널을 설치하여 전지 스택의 냉각을 효율적으로 행하도록 한 기술이 개시되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1)

또한, 연료 전지, 특히 고체 고분자형 연료 전지는 전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이루어지는 막 전극 접합체(이하, MEA라 칭함)와, 반응 가스(연료 가스와 산화제)를 유통시키는 플레이트와, 냉각수 등의 열매체를 유통시키는 플레이트를 조합하여 이들을 복수매 적층 일체화함으로써 전지 스택이 구성된다. 그리고, 막 전극 접합체의 애노드 전극측에는 연료 가스를, 캐소드 전극측에는 공기 등의 산화제를 공급하고, 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응을 발생시킴으로써 직류 전력을 발전시키도록 하고 있다.

상기 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 전해질막은 발전 중에 프로톤 투과성을 충분히 발휘시키기 위해 습윤한 것이 요구된다. 이로 인해, 종래는 반응 가스를 가습기로 가습한 후에 연료 전지에 공급하여, 반응 가스 속에 포함되어 있는 수증기에 의해 전해질막을 적셔 습윤 상태를 유지하도록 하고 있다.

그런데, 가습한 반응 가스를 전지 스택의 플레이트에 공급하면, 플레이트의 가스 입구 부근에서 냉각되어 반응 가스의 이슬점이 저하되고, 반응 가스 속의 수증기가 가스 유로 내에서 응축되어 부착되는 현상이 생긴다. 가스 유로에 응축수가 부착되면 반응 가스의 유통이 저지되어 복수의 유로로의 가스 분배가 불균일해 지거나, 전극으로의 가스 공급이 부족해지거나 하여 발전 성능의 저하를 초래하게 된다. 이러한 응축수에 기인하는 발전 성능의 저하를 방지하는 수단으로서는, 예를 들어 가스 유로에 흡수재를 설치하거나, 혹은 가스 유로의 중간부로부터 미가습 가스를 공급하여 응축수를 제거하는 등의 선행 기술이 개시되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2).

또, 고체 고분자형 연료 전지는 정상 운전을 속행하기 위해 운전 온도가 약 80 ℃로 설정되어 있지만, 전기 화학 반응은 발열 반응이므로 전지 스택의 온도가 승온된다. 이로 인해, 종래는 전지 스택의 플레이트에 냉각수 등의 열매체를 공급하여 냉각하고, 전지 스택을 적절한 운전 온도로 유지하도록 하고 있다. 열매체로서의 냉각수 공급 수단으로서는 연료 전지와 물탱크를 연결한 냉각수의 순환 경로를 구성하고, 물탱크로부터 펌프를 거쳐서 연료 전지에 공급하는 것이 일반적이다(예를 들어, 특허 문헌 3).

[특허 문헌 1]

일본 특허 제2761059호 공보

[특허 문헌 2]

일본 특허 공개 평6-89730호 공보

[특허 문헌 3]

일본 특허 공개 평10-55812호 공보

상기 종래 기술에 있어서는, 고체 고분자막 전해질막의 온도 및 함수율을 일 정한 범위 내로 유지할 수 있으므로 연료 전지 고부하로의 이행시의 즉응성이 우수하고, 고출력을 단시간에 얻을 수 있어 부하 변동에 대해 안정되게 운전할 수 있다. 그러나, 반응 가스 채널 내에서의 결로 방지에 관해서는 반드시 만족시켜야 할 것은 아니고, 특히 가스 입구 영역에서의 응축수 대책이 충분히 이루어져 있는 것이라고는 말할 수 없다.

그래서, 본 발명은 반응 가스 채널의 가스 입구 영역에서 가습 반응 가스 속에 포함되어 있는 수증기가 결로되지 않도록 개량한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 목적에 있어서, 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 반응 가스 채널의 가스 입구 영역을 열매체에 의해 가온함으로써, 반응 가스 속에 포함되어 있는 수증기의 결로를 방지할 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하는 데 이르렀다.

또한, 상기 종래의 응축수 제거 수단에 의하면, 가스 유로에 관련시켜 흡수재를 부착하거나 혹은 가스 유로의 중간부에 미가습 가스의 공급 구멍을 마련하거나 할 필요가 있어, 그 부착 작업이나 구멍 가공 등에 시간이 걸리는 문제가 있다. 또, 상기 종래의 냉각수 공급 수단에 의하면, 구성은 간단하지만 고온(78 내지 80 ℃)이 되어 연료 전지로부터 배출되는 냉각수의 열을 유효하게 이용할 수 없는 문제가 있다.

또한, 본 발명은 상기 종래 기술에 있어서의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 가스 유로에 어떠한 가공을 실시하는 일 없이 응축수 대책이 가능하고, 또 연료 전지로부터 배출되는 열매체의 열을 유효하게 이용할 수 있도록 한 연료 전지 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 청구항 1은, 반응 가스 채널 또는 열매체 채널을 설치한 플레이트가 전지 스택 내에 복수 적층되어 있는 연료 전지에 있어서, 상기 적어도 한 쪽의 반응 가스 채널의 입구 헤더부와, 상기 열매체 채널의 입구 헤더부가 대향 위치에 설치되고, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부를 반응 가스 이슬점 이상으로 가온하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 청구항 2는, 청구항 1의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스는 연료 가스 및/또는 산화제 가스이고, 상기 열매체는 냉각수인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관한 청구항 3은, 청구항 2의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에서 반응 가스 이슬점 ≤ 냉각수 온도인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 청구항 4는, 반응 가스 채널의 입구 헤더부로부터 하방 영역에 대응시켜 냉각수를 공급함으로써 반응 가스를 강제적으로 결로시키고, 발전 후에 나온 냉각수를 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에 대응시켜 다시 플레이트로 공급하여 가온한 후에 배수하는 것을 특징으로 하는 연료 전지이다.

또한, 본 발명에 관한 청구항 5는, 청구항 4의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부보다 하방 영역에서 반응 가스 이슬점 ≥ 냉각수 온도이고, 발전 후의 냉각수를 다시 플레이트로 공급하는 반응 가스 채널의 입구 헤더 부에서 반응 가스 이슬점 ≤ 냉각수 온도인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 청구항 6은, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에 유로 저항 발생부를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 청구항 7은, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부뿐만 아니라 유로 저항 발생부도 가온하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 청구항 8은, 상기 연료 전지의 발전 반응부에서의 반응 가스의 흐름과 냉각수의 흐름이 평행 또는 중력 방향에 따라서 병행류 또는 대향류인 것을 특징으로 하는 연료 전지이다.

상기한 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 청구항 9는 전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이루어지는 막 전극 접합체와, 반응 가스 유로 및/또는 열매체 유로를 설치한 플레이트를 조합하고 복수매 적층 일체화하여 구성한 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스의 적어도 한 쪽 반응 가스 입구 영역을 열매체로 가온하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 10은 전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이루어지는 막 전극 접합체와, 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 산화제 유로를 설치한 바이폴라 플레이트와, 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 열매체 유로를 설치한 애노드 냉각 플레이트와, 한 쪽면에 산화제 유로, 다른 쪽면에 열매체 유로를 설치한 캐소드 냉각 플레이트를 조합하여 적층 일체화한 연 료 전지를 구비하고, 상기 애노드 냉각 플레이트의 열매체 유로에 상기 연료 전지로부터 배출되는 열매체를 공급함으로써, 애노드 냉각 플레이트 및/또는 캐소드 냉각 플레이트의 반응 가스 입구 영역을 가온하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템이다.

또한, 본 발명의 청구항 11은 청구항 10의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 가스와 산화제는 병행류이며 중력 방향의 상부로부터 하부로 흐르고, 열매체는 반응 가스와 병행류 또는 대향류인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 12는 청구항 10 또는 청구항 11의 연료 전지 시스템에 있어서, 반응 가스 유로 입구부에 유로 저항 발생부를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 13은 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응 가스의 입구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이하, 반응 가스의 출구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이상으로 설정한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 14는 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 공기 가습기 및 연료 가습기를 연결하고, 연료 전지로부터 배출되는 열매체를 이들 가습기에 도입하여 열교환시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 15는 연료 전지에 전체 열교환기를 연결하고, 연료 전지로부터 배출되는 공기와 상기 공기 가습기에 공급되기 전의 반응 가스와의 사이에서 전체 열교환시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템이다.

본 발명의 청구항 16은 청구항 10 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지에 공기 가습기 및 연료 가습기와 열교환기를 연결하여 물 순환 경로를 형성하고, 상기 연료 가습기에는 연료 개질 장치를 연결하고, 또한 상기 연료 전지에 전체 열교환기를 연결하고, 이 전체 열교환기에 상기 공기 가습기를 연결하여 반응 공기 공급 경로를 형성한 것을 특징으로 한다.

다음에, 본 발명에 관한 연료 전지의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도1은 본 발명에 관한 연료 전지의 제1 실시 형태를 나타내는 것으로, 플레이트의 채널을 유통하는 반응 가스 및 냉각수를 투시하여 개략적으로 나타낸 설명도이다.

(제1 실시 형태)

도1에 있어서, 부호 1은 카본을 메인 부재로 하여 형성된 플레이트이고, 그 한 쪽 면에는 오목 홈형의 가스 채널(2)이 상하 방향(중력 방향)으로 복수개 병설되고, 다른 쪽 면에도 동일하게 오목 홈형의 물 채널이 상하 방향(중력 방향)으로 복수개 병설되어 배면을 맞대고 있다. 또한, 플레이트(1)의 상부측에는 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)이 관통하여 마련되고, 이 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)은 오목부형의 가스 입구 헤더부(4)에 연결되고, 또한 가스 입구 헤더부(4)는 상기 가스 채널(2)에 연통되어 있다. 여기서, 가스 입구 헤더부(4)라 함은, 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)으로부터 분배 공급되는 반응 가스(연료 가스 또는 산화제 가스)를 가스 채널(2)의 입구에 더 분배하기 위한 영역이라 정의(이하 같음)한다. 이 가스 입구 헤더부(4)는 일반적으로 매니폴드라 불리우지만, 통상의 매니폴드보다 영역을 넓게 설정하고 있다.

상기 가스 채널(2)의 출구는 플레이트(1)의 하부에 설치된 오목부형의 가스 출구 푸터부(5)에 연통되고, 이 가스 출구 푸터부(5)는 플레이트(1)의 하부측방에 관통하여 마련된 가스 배출용 매니폴드 구멍(6)에 연결되어 있다. 이에 의해, 전지 스택의 단부로부터 공급되는 반응 가스(여기서는, 연료 가스)는 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)을 통해 각 셀에 있어서의 플레이트(1)의 가스 입구 헤더부(4)에 분배 공급되고, 이 가스 입구 헤더부(4)로부터 가스 채널(2) 내에 분배되어 상기 가스 채널(2)에 따라서 상부로부터 하부를 향해 유통하고, 가스 출구 푸터부(5)로 배출되는 동시에 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 가스 배출용 매니폴드 구멍(6)으로 유입하고, 이 가스 배출용 매니폴드 구멍(6)을 통해 전지 스택의 단부로부터 외부로 배출된다.

또한, 플레이트(1)의 상부측방[가스 공급용 매니폴드 구멍(3)과는 반대측]에는 물 공급용 매니폴드 구멍(7)이 관통하여 마련되어 있고, 이 물 공급용 매니폴드 구멍(7)은 플레이트(1)의 다른 쪽 면측에 설치된 오목부형의 물 입구 헤더부에 연결되고, 이 물 입구 헤더부는 상기 물 채널의 입구에 연통되어 있다. 이 경우, 가스 입구 헤더부(4)와 물 입구 헤더부는 플레이트(1)에 있어서 배면을 맞댄 상태로 근접 배치되어 있다.

또한, 플레이트(1)의 물 채널의 출구에는 오목부형의 물 출구 푸터부가 설치되고, 이 물 출구 푸터부는 플레이트(1)의 하부측방[가스 배출용 매니폴드 구멍(6)과는 반대측]에 관통하여 마련된 물 배출용 매니폴드 구멍(8)에 연결되어 있다. 이에 의해, 전지 스택의 단부로부터 공급되는 물(여기서는, 냉각수)은 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 물 공급용 매니폴드 구멍(7)을 통해 각 셀에 있어서의 플레이트(1)의 물 입구 헤더부에 분배 공급되고, 이 물 입구 헤더부로부터 물 채널 내에 분배되어 상기 물 채널에 따라서 상부로부터 하부를 향해 유통하고, 물 출구 푸터부로 배출되는 동시에 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 물 배출용 매니폴드 구멍(8)으로 유입하고, 이 물 배출용 매니폴드 구멍(8)을 통해 전지 스택의 단부로부터 외부로 배출된다.

한편, 다른 플레이트에는 상기 플레이트(1)의 가스 채널(2)에 대응하는 가스 채널이 상하 방향(중력 방향)으로 복수개 병설되고, 이 가스 채널의 입구에는 오목부형의 가스 입구 헤더부(4')가 연통되어 설치되는 동시에, 가스 채널의 출구에는 오목부형의 가스 출구 푸터부(5')가 연통되어 설치되어 있다. 이에 의해, 다른 플레이트에 있어서는, 산화제 가스(여기서는, 외기로부터 취입된 공기)가 가스 입구 헤더부(4')에 공급되어 이 가스 입구 헤더부(4')로부터 가스 채널 내로 분배되고, 상기 가스 채널에 따라서 상부로부터 하부를 향해 유통하여 가스 출구 푸터부(5')로 배출되는 동시에 전지 스택의 외부로 배기된다.

플레이트(1)의 가스 채널(2)과 다른 플레이트의 가스 채널 사이에 셀을 협입하여 전지 스택 내에 조립되지만, 그 때 플레이트(1)의 채널(2)에는 셀의 애노드를 밀착하여 대향시키고, 다른 플레이트의 채널에는 셀의 캐소드를 밀착하여 대향시킴으로써 단일 전지가 구성되도록 한다. 그리고, 단일 전지를 복수 적층하여 일체화함으로써 전지 스택이 구성된다. 또한, 가스 입구 헤더부(4, 4'), 가스 출구 푸터 부(5, 5') 및 물 입구 헤더부, 물 출구 푸터부는 가스켓 등을 거쳐서 오목부의 상면이 피복되어 누설이 방지된다.

이와 같이 구성된 전지 스택에 있어서, 플레이트(1)의 가스 채널(2)에는 연료 가스가 유통되는 동시에, 다른 플레이트의 가스 채널에는 산화제 가스가 유통되고, 셀의 고분자 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응이 생김으로써 직류 전력을 발전할 수 있다.

셀의 고분자 전해질막을 포화 습윤시키기 위해, 예를 들어 연료 가스를 가습기 등으로 가습한 후 전지 스택에 공급하지만, 종래에는 이 가습 연료 가스가 가스 채널(2) 내에 유통되었을 때에, 특히 가스 채널(2)의 입구 영역에서 냉각되어 연료 가스 속에 포함되어 있는 수증기가 결로하고, 그 응축수가 가스 채널(2)에 부착하여 폐색되어 연료 가스의 유통을 저해하는 일이 있었다. 본 실시 형태에서는, 가스 입구 헤더부(4)에 대해 물 입구 헤더부를 배면이 맞닿은 상태에서 근접 위치하고 있으므로, 물 입구 헤더부에 공급되는 열매체로서의 냉각수에 의해 가온하여 그 열전도에 의해 가스 입구 헤더부(4)를 간접적으로 가온할 수 있고, 이에 의해 연료 가스 속에 포함되어 있는 수증기의 결로를 방지할 수 있다.

이와 같이 냉각수를 열매체로 하여 결로를 방지하기 위해서는, 냉각물 입구 온도를 연료 가스 이슬점 이상(연료 가스 이슬점 ≤ 냉각물 입구 온도)으로 설정한다. 또한, 산화제 가스(공기)와의 온도 관계는 연료 가스 이슬점 ≤ 공기 이슬점 ≤ 냉각물 입구 온도가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는 연료 가스의 결로 방지용 열매체로서 냉각수를 이용한 예이지만, 냉각수 대신에 산화제 가스를 열매체로서 이용할 수도 있다. 그 경우에는, 도시는 생략하였지만 플레이트(1)에 있어서의 연료 가스의 가스 입구 헤더부(4)에 대해 산화제 가스의 가스 입구 헤더부를 배면이 맞닿은 상태에서 근접 배치하는 구조를 채용하고, 다른 플레이트에 냉각수를 유통시키기 위한 물 채널을 설치하는 구성으로 한다. 그리고, 산화제 가스(공기)에 의해 연료 가스의 결로를 방지하기 위해서는, 연료 가스 이슬점 ≤ 공기 온도가 되도록 공기 입구 온도를 설정한다.

도2는 본 발명에 관한 연료 전지의 제2 실시 형태를 나타내는 것으로, 플레이트의 채널을 유통하는 반응 가스 및 냉각수를 투시하여 개략적으로 나타낸 설명도이다.

(제2 실시 형태)

도2에 있어서, 부호 1은 카본을 메인 부재로 하여 형성된 플레이트로, 그 한 쪽 면에는 오목 홈형의 가스 채널(2)이 상하 방향(중력 방향)으로 복수개 병설되고, 다른 쪽 면에도 동일하게 오목 홈형의 물 채널이 상하 방향(중력 방향)으로 복수개 병설되어 배면을 맞댄 상태가 되어 있다. 또한, 플레이트(1)의 상부측방에는 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)이 관통하여 마련되고, 이 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)은 오목부형의 가스 입구 헤더부(4)에 연결되고, 또한 가스 입구 헤더부(4)는 상기 가스 채널(2)에 연통되어 있다. 이 가스 입구 헤더부(4)는 일반적으로 매니폴드라 불리우지만, 통상의 매니폴드보다 영역을 넓게 설정하고 있다.

상기 가스 채널(2)의 출구는 플레이트(1)의 하부에 설치된 오목부형의 가스 출구 푸터부(5)에 연통되고, 이 가스 출구 푸터부(5)는 플레이트(1)의 하부측방에 관통하여 마련된 가스 배출용 매니폴드 구멍(6)에 연결되어 있다. 이에 의해, 전지 스택의 단부로부터 공급되는 반응 가스(연료 가스)는 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 가스 공급용 매니폴드 구멍(3)을 통해 각 셀에 있어서의 플레이트(1)의 가스 입구 헤더부(4)에 분배 공급되고, 이 가스 입구 헤더부(4)로부터 가스 채널(2) 내에 분배되어 상기 가스 채널(2)에 따라서 상부로부터 하부를 향해 유통하고, 가스 출구 푸터부(5)로 배출되는 동시에 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 가스 배출용 매니폴드 구멍(6)으로 유입하고, 이 가스 배출용 매니폴드 구멍(6)을 통해 전지 스택의 단부로부터 외부로 배출된다. 이 경우, 제1 실시 형태와는 달리 내부 공기 매니폴드 방식이 채용되어 있다.

또한, 플레이트(1)의 상부측방[가스 공급용 매니폴드 구멍(3)과는 반대측]에는 물 공급용 매니폴드 구멍(7)이 관통하여 마련되어 있고, 이 물 공급용 매니폴드 구멍은 플레이트(1)의 다른 쪽 면측에 설치된 오목부형의 물 입구 헤더부에 연결되고, 이 물 입구 헤더부(7)는 상기 물 채널의 입구에 연통되어 있다. 이 경우, 가스 입구 헤더부(4)와 물 입구 헤더부는 플레이트(1)에 있어서 배면을 맞댄 상태로 근접 배치되어 있다.

또한, 플레이트(1) 다른 면측의 채널의 출구에는 오목부형의 물 출구 푸터부가 설치되고, 이 물 출구 푸터부는 플레이트(1)의 하부측방[가스 배출용 매니폴드 구멍(6)과는 반대측]에 관통하여 마련된 물 배출용 매니폴드 구멍(8)에 연결되어 있다. 이에 의해, 전지 스택의 단부로부터 공급되는 물(냉각수)은 전지 스택의 적 층 방향으로 연통되어 있는 물 공급용 매니폴드 구멍(7)을 통해 각 셀에 있어서의 플레이트(1)의 물 입구 헤더부에 분배 공급되고, 이 물 입구 헤더부로부터 물 채널 내로 분배되어 상기 물 채널에 따라서 상부로부터 하부를 향해 유통하고, 물 출구 푸터부로 배출되는 동시에 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 물 배출용 매니폴드 구멍(8)으로 유입하고, 이 물 배출용 매니폴드 구멍(8)을 통해 전지 스택의 단부로부터 외부로 배출된다.

한편, 다른 플레이트에는 상기 플레이트(1)의 가스 채널(2)에 대응하는 가스 채널이 상하 방향(중력 방향)으로 복수개 병설되어 있다. 또한, 다른 플레이트의 상부측에는 가스 공급용 매니폴드 구멍(3')이 관통하여 마련되고, 이 가스 공급용 매니폴드 구멍(3')은 오목부형의 가스 입구 헤더부에 연결되고, 또한 가스 입구 헤더부는 가스 채널에 연통되어 있다.

상기 다른 플레이트의 가스 채널 출구는 하부에 설치된 오목부형의 가스 출구 푸터부에 연통하고, 이 가스 출구 푸터부는 플레이트의 하단부에 관통하여 마련된 가스 배출용 매니폴드 구멍(6')에 연결되어 있다. 이에 의해, 전지 스택의 단부로부터 공급되는 산화제 가스(공기)는 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 가스 공급용 매니폴드 구멍(3')을 통해 각 셀에 있어서의 플레이트의 가스 입구 헤더부에 분배 공급되고, 이 가스 입구 헤더부로부터 가스 채널 내로 분배되어 상기 가스 채널에 따라서 상부로부터 하부를 향해 유통하고, 가스 출구 푸터부에 배출되는 동시에 전지 스택의 적층 방향으로 연통되어 있는 가스 배출용 매니폴드 구멍(6')으로 유입하여 이 가스 배출용 매니폴드 구멍(6')을 통해 전지 스택의 단 부로부터 외부로 배기된다.

제1 실시 형태와 같이, 플레이트(1)의 가스 채널(2)과 다른 플레이트의 가스 채널 사이에 셀을 협입하여 전지 스택 내에 조립되지만, 그 때 플레이트(1)의 가스 채널(2)에는 셀의 애노드를 밀착하여 대향시키고, 다른 플레이트의 가스 채널에는 셀의 캐소드를 밀착하여 대향시킴으로써 단일 전지가 구성된다. 그리고, 단일 전지를 복수 적층하여 일체화함으로써 전지 스택이 구성된다. 또한, 가스 입구 헤더부(4), 가스 출구 푸터부(5) 및 물 입구 헤더부, 물 출구 푸터부는 가스켓 등을 거쳐서 오목부의 상면이 피복되어 누설이 방지된다.

이와 같이 구성된 제2 실시 형태의 전지 스택에 있어서, 플레이트(1)의 가스 채널(2)에는 연료 가스가 유통되는 동시에, 다른 플레이트의 가스 채널에는 산화제 가스가 유통되어 셀의 고분자 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응이 생김으로써 직류 전력을 발전할 수 있다.

상기와 마찬가지로 셀의 고분자 전해질막을 포화 습윤시키기 위해, 예를 들어 연료 가스를 가습기 등으로 가습한 후 전지 스택에 공급하지만, 본 제2 실시 형태에서는 가스 입구 헤더부(4)에 대해 물 입구 헤더부가 배면이 맞닿은 상태에서 근접 위치되어 있으므로, 물 입구 헤더부에 공급되는 냉각수에 의해 가온하여 그 열전도에 의해 가스 입구 헤더부(4)를 간접적으로 가온할 수 있고, 이에 의해 연료 가스 속에 포함되어 있는 수증기의 결로를 방지할 수 있다. 따라서, 응축수에 기인하는 연료 가스의 유통 저해가 해소되어 정상적으로 발전 운전이 행해지므로 전지 성능을 높게 유지할 수 있다.

이와 같이 냉각수에 의해 결로를 방지하기 위해서는, 상기와 같이 냉각물 입구 온도를 연료 가스 이슬점 이상(연료 가스 이슬점 ≤ 냉각물 입구 온도)으로 설정한다. 또한, 산화제 가스(공기)와의 온도 관계는 연료 가스 이슬점 ≤ 공기 이슬점 ≤ 냉각물 입구 온도가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

제2 실시 형태에 있어서도, 연료 가스의 결로 방지용 열매체로서 냉각수를 이용한 예이지만, 냉각수 대신에 산화제 가스를 열매체로서 이용할 수도 있다. 그 경우에는, 도시는 생략하였지만 플레이트(1)에 있어서의 연료 가스의 가스 입구 헤더부(4)에 대해 산화제 가스의 가스 입구 헤더부를 배면이 맞닿은 상태에서 근접 배치하는 구조를 채용하고, 다른 플레이트에 냉각수를 유통시키기 위한 물 채널을 설치하는 구성으로 한다. 그리고, 산화제 가스(공기)에 의해 연료 가스의 결로를 방지하기 위해서는, 연료 가스 이슬점 ≤ 공기 온도가 되도록 공기 입구 온도를 설정한다.

도3은 본 발명에 관한 연료 전지의 제3 실시 형태를 나타내는 것으로, 플레이트의 채널을 유통하는 반응 가스 및 냉각수를 투시하여 개략적으로 나타낸 설명도이다.

(제3 실시 형태)

도3에 있어서, 플레이트(1)의 구성은 상기 제2 실시 형태의 경우와 기본적으로 유사하므로, 제2 실시 형태와 동일한 구성 요소는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략하고, 주로 제2 실시 형태와는 다른 구성 요소에 대해 설명한다. 크게 다른 점은, 플레이트(1)에 있어서의 가스 채널(2)의 입구 영역에 유로 저항 발생부(9)를 부착한 데 있다.

이 유로 저항 발생부(9)는, 예를 들어 도4에 도시하는 구성의 것이다. 도4의 (a)는 그 평면도, 도4의 (b)는 정면도를 도시하고 있다. 상기 유로 저항 발생부(9)는 박판형의 베이스부(9A)와, 이 베이스부(9A)의 일단부측에 소정의 간격을 갖고 돌출 부재(91)가 대략 빗살 모양으로 병설된 접속부(9B)를 갖고, 베이스부(9A)의 타단부측으로부터 상기 각 돌출 부재(91)를 관통하는 노즐 구멍(92)이 각각 마련되어 있다.

상기 유로 저항 발생부(9)는 합성 수지, 예를 들어 폴리아세탈, 폴리메틸펜텐, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 액정 폴리머 등으로부터 선택되는 어느 하나의 재료로 일체 성형하는 것이 가능하다. 재료가 되는 수지는 성형시의 유동성이 양호하고 또한 마무리 치수 정밀도가 높고, 약간 가요성이 있고, 열전도성이 우수하면 상기 이외의 것이라도 좋다.

이 유로 저항 발생부(9)는 가스 채널(2)의 입구 부분에 설치한 오목부(도면 생략)에 협입하는 크기로 설정되고, 또한 오목부에 협입하였을 때에 상면이 플레이트(1)의 상면과 동일 평면이 되도록 두께가 설정된다. 상기 유로 저항 발생부(9)는 상기 오목부에 접착하여 부착되지만, 그 때 상기 돌출 부재(91)가 가스 채널(2)의 각 유로 내에 각각 삽입되어 상기 노즐 구멍(92)을 거쳐서 가스 입구 헤더부(4)와 가스 채널(2)이 확실하게 연결되도록 한다. 노즐 구멍(92)의 직경은 입구측[가스 입구 헤더부(4)측]이 약 0.25 ㎜, 출구측[채널(2)측]이 약 0.22 ㎜로 설정되어 노즐 구멍(92)을 통과하는 가스를 분출할 수 있도록 점점 끝이 가는 구멍으로 하고 있다.

또한, 플레이트(1)에는 물 공급용 매니폴드 구멍(7) 외에, 제2 물 공급용 매니폴드 구멍(10)을 관통시켜 마련하여 이 제2 물 공급용 매니폴드 구멍(10)으로부터 냉각수를 공급하고, 또한 플레이트(1)의 다른 면측의 물 채널에 있어서 상기 유로 저항 발생부(9)로부터 약간 하류에 대응하는 영역에 냉각수를 도입하도록 하고 있는 점에서 상이하다.

또한, 플레이트(1)의 상부측방[물 공급용 매니폴드 구멍(7)과는 반대측]에 제2 물 배출용 매니폴드 구멍(11)을 관통하여 마련하는 동시에, 상기 물 입구 헤더부에 연결하고 있다. 그리고, 물 입구 헤더부는 상기 냉각수가 유통하는 물 채널 입구와의 경계에 구획벽(도시 생략)을 설치하여 구획되어 있는 점에서도 상이하다.

본 제3 실시 형태에서는, 냉각수는 제2 물 공급용 매니폴드 구멍(10)으로부터 플레이트(1)의 물 채널로 공급되고, 그 물 채널 내를 상부로부터 하부를 향해 유통하여 물 채널의 출구로부터 물 배출용 매니폴드 구멍(8)으로 배출되고, 또한 이 물 배출용 매니폴드 구멍(8)으로부터 물 공급 매니폴드 구멍(7)으로 송입하여 상기 물 입구 헤더부에 공급하는 동시에, 이 물 입구 헤더부로부터 제2 물 배출용 매니폴드 구멍(11)으로 배출되어 전지 스택의 적층 방향으로 흘러 전지 스택의 단부로부터 외부로 배출된다.

상기한 냉각수 순환 경로에 있어서, 냉각수를 물 배출용 매니폴드 구멍(8)으로부터 물 공급 매니폴드 구멍(7)으로 송입하는 수단으로서는, 예를 들어 플레이트(1) 다른 면측의 측방에 물 배출용 매니폴드 구멍(8)과 물 공급 매니폴드 구멍(7)을 연결하는 오목 홈형의 유로(도면 생략)를 마련하거나, 혹은 전지 스택의 단부판(엔드 플레이트)에 관형의 연결 유로를 마련하거나 또는 전지 모듈 외에 배관을 설치함으로써 물 배출용 매니폴드 구멍(8)과 물 공급 매니폴드 구멍(7)을 연결하도록 하면 된다. 즉, 이 경우, 냉각수는 플레이트(1)의 물 채널을 유통한 후에 플레이트(1)의 물 공급 헤더부로 복귀시키게 된다.

제2 물 공급용 매니폴드 구멍(10)으로부터 냉각수를 공급하는 이유는, 냉각수가 유통하는 물 채널의 입구 영역을 냉각하여 이 물 채널과 배면이 맞닿게 위치하고 있는 상기 가스 채널(2)의 입구 영역을 냉각함으로써, 연료 가스가 가스 채널(2)의 입구 영역으로 유입하였을 때에 이슬점을 낮추어 연료 가스 속에 포함되어 있는 수증기를 강제적으로 결로시키고, 이에 의해 가스 채널(2)과 접합하고 있는 셀의 고분자 전해질막에 수분을 부여하여 포화 습윤 상태로 유지하기 위해서이다.

또한, 플레이트(1)의 물 채널을 유통한 후의 냉각수를 다시 물 공급 헤더부로 복귀시키는 이유는 도3 있어서 파선으로 둘러싼 영역을 가온하기 위해서이고, 이 영역의 대략 배면이 맞닿은 위치에는 상기 유로 저항 발생부(9)가 부착되어 있고, 이 유로 저항 발생부(9)로 열전도하고 가온하여 노즐 구멍(92) 내에서의 결로를 방지하기 위해서이다.

상기 가스 채널(2)의 입구 영역에서, 연료 가스 속의 수증기를 결로하기 쉬운 상태로 하여 고체 고분자 전해질막의 건조를 방지하도록 하였지만, 가스 채널(2) 내에 과잉의 응축수가 생겼다고 해도 상기 유로 저항 발생부(9)의 노즐 구 멍(92)으로부터 연료 가스가 분출되므로, 가스 채널(2)에 부착되어 있는 응축수를 불어 날려 하류 출구로 흘려 보낼 수 있다. 따라서, 가스 채널(2) 내가 응축수에 의해 폐색되어 연료 가스의 유통을 저해하는 일은 없어져, 전지 성능의 저하를 미연에 방지할 수 있다.

이와 같이 유로 저항 발생부(9)를 부착하고, 또한 냉각수를 복귀시키도록 한 제3 실시 형태에서는 연료 가스 이슬점 ≥ 제2 물 공급용 매니폴드 구멍(10)으로부터의 냉각물 입구 온도로 하고, 또한 연료 가스 이슬점 ≥ 물 배출용 매니폴드 구멍(8)의 냉각물 출구 온도로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 연료 전지의 발전 반응부에서의 반응 가스의 흐름과 냉각수의 흐름이 평행 또는 중력 방향에 따라서 병행류이었지만, 이를 대향류로 실시하는 것도 가능하다. 반응 가스의 이슬점에 대해 냉각수의 입구 온도와 출구 온도를 설정함으로써 달성할 수 있다.

다음에, 본 발명에 관한 연료 전지 시스템의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도6은 연료 전지 스택의 일부 구성 요소를 도시하는 개략 단면도이다. 도6에 있어서, 부호 101은 바이폴라 플레이트이며, 한 쪽면에 오목 홈형의 연료 유로(101a)가 스트레이트로 병설되고, 다른 쪽면에는 상기 오목 홈형의 산화제 유로(101b)가 스트레이트로 병설되어 있다.

도7의 (a)는 바이폴라 플레이트(101)의 연료 유로측 평면도이며, 연료 유로(101a)의 입구에는 각 연료 유로(101a)에 연통되는 오목부형의 입구 헤더부(101c)가 설치되고, 이 입구 헤더부(101c)는 연료 공급용 매니폴드(101d)에 연결되어 있다. 또, 연료 유로(101a)의 출구에는 각 연료 유로(101a)에 연통되는 오목부형의 출구 헤더부(101e)가 설치되고, 이 출구 헤더부(101e)는 연료 배출용 매니폴드(101f)에 연결되어 있다. 또한, 연료 유로(101a)의 입구 영역에는 노즐형 유로 저항 발생부(101g)가 부착되어, 각 연료 유로(101a)의 단면적이 축소되어 있다. 이에 의해, 연료 가스는 연료 공급용 매니폴드(101d)로부터 입구 헤더부(101c)로 유입되고, 유로 저항 발생부(101g)에 의해 가속되어 각 연료 유로(101a)로 유입되고, 연료 유로(101a)의 출구로부터 출구 헤더부(101e)로 배출되어 합류하는 동시에, 연료 배출용 매니폴드(101f)로 배출된다.

도7의 (b)는 바이폴라 플레이트(101)의 산화제 유로측의 평면도이며, 산화제 유로(101b)의 입구에는 각 산화제 유로(101b)에 연통되는 오목부형의 입구 헤더부(101h)가 설치되고, 산화제 유로(101b)의 출구에는 각 산화제 유로(101b)에 연통되는 오목부형의 출구 헤더부(101i)가 설치되어 있다. 산화제 유로(101b)의 입구 영역에는 노즐형 유로 저항 발생부(101j)가 부착되어, 각 산화제 유로(101b)의 단면적이 축소되어 있다. 이에 의해, 산화제로서의 공기가 입구 헤더부(101h)로 유입되고, 유로 저항 발생부(101j)에 의해 가속되어 각 산화제 유로(101b)로 유입되고, 산화제 유로(101b)의 출구로부터 출구 헤더부(101i)로 배출되어 외부로 배기된다. 또한, 도7의 (a) 및 도7의 (b)에 있어서, 부호 101k는 물 공급용 매니폴드이며, 101m은 물 배출용 매니폴드이다.

도6에 있어서, 부호 102는 애노드 냉각 플레이트이며, 한 쪽면에 오목 홈형의 연료 유로(102a)가 스트레이트로 병설되고, 다른 쪽면에는 상기 오목 홈형의 열 매체 유로(102b)가 스트레이트로 병설되어 있다.

도8의 (a)는 애노드 냉각 플레이트(102)의 연료 유로측의 평면도이며, 연료 유로(102a)의 입구에는 각 연료 유로(102a)에 연통되는 오목부형의 입구 헤더부(102c)가 설치되고, 이 입구 헤더부(102c)는 연료 공급용 매니폴드(102d)에 연결되어 있다. 또, 연료 유로(102a)의 출구에는 각 연료 유로(102a)에 연통되는 오목부형의 출구 헤더부(102e)가 설치되고, 이 출구 헤더부(102e)는 연료 배출용 매니폴드(102f)에 연결되어 있다. 또한, 연료 유로(102a)의 입구 영역에는 노즐형 유로 저항 발생부(102g)가 부착되어, 각 연료 유로(102a)의 단면적이 축소되어 있다. 이에 의해, 연료 가스는 연료 공급용 매니폴드(102d)로부터 입구 헤더부(102c)로 유입되고, 유로 저항 발생부(102g)에 의해 가속되어 각 연료 유로(102a)로 유입되고, 연료 유로(102a)의 출구로부터 출구 헤더부(102e)로 배출되어 합류하는 동시에, 연료 배출용 매니폴드(102f)로 배출된다.

도8의 (b)는 애노드 냉각 플레이트(102)의 열매체 유로측의 평면도이며, 열매체 유로(102b)의 입구에는 각 열매체 유로(102b)에 연통되는 오목부형의 입구 헤더부(102h)가 설치되고, 이 입구 헤더부(102h)는 열매체 공급용 매니폴드(102k)에 연결되어 있다. 또, 열매체 유로(102b)의 출구에는 각 열매체 유로(102b)에 연통되는 오목부형의 출구 헤더부(102i)가 설치되고, 이 출구 헤더부(102i)는 열매체 배출용 매니폴드(102m)에 연결되어 있다. 이에 의해, 열매체로서의 물은 열매체 공급용 매니폴드(102k)로부터 입구 헤더부(102h)로 유입하여 각 열매체 유로(102b)로 유입되고, 열매체 유로(102b)의 출구로부터 출구 헤더부(102i)로 배출되어 합류 하는 동시에, 열매체 배출용 매니폴드(102m)로 배출된다.

이와 같이 구성된 애노드 냉각 플레이트(102)는, 연료 유로(102a)측의 면을 상기 바이폴라 플레이트(101)의 산화제 유로(101b)측의 면에 대향시키고, 그 사이에 MEA를 협지하여 위치가 부여된다. 이 MEA의 외주부를 둘러싸도록 하여 가스켓(G)이 배치된다.

도6에 있어서 부호 103은 캐소드 냉각 플레이트이며, 한 쪽면에 오목 홈형의 산화제 통로(103b)가 스트레이트로 병설되어 있다.

도9의 (a)는 캐소드 냉각 플레이트(103)의 산화제 유로(103b)측의 평면도이며, 산화제 유로(103b)의 입구에는 각 산화제 유로(103b)에 연통되는 오목부형의 입구 헤더부(103h)가 설치되고, 산화제 유로(103b)의 출구에는 각 산화제 유로(103b)에 연통되는 오목부형의 출구 헤더부(103i)가 설치되어 있다. 산화제 유로(103b)의 입구 영역에는 노즐형 유로 저항 발생부(103g)가 부착되어, 각 산화제 유로(103b)의 단면적이 축소되어 있다. 이에 의해, 산화제로서의 공기가 입구 헤더부(103h)로 유입되고 유로 저항 발생부(103g)에 의해 가속되어 각 산화제 유로(103b)로 유입되고, 산화제 유로(103b)의 출구로부터 출구 헤더부(103i)로 배출되어 외부로 배기된다. 도9의 (b)는 캐소드 냉각 플레이트(103)의 산화제 유로(103b)가 형성되어 있지 않은 측의 평면도이다. 또한, 도9의 (a) 및 도9의 (b)에 있어서 부호 103d는 연료 공급용 매니폴드, 3f는 연료 배출용 매니폴드, 103k는 열매체 공급용 매니폴드, 103m은 열매체 배출용 매니폴드이다.

이 캐소드 냉각 플레이트(103)는, 산화제 유로(103b)가 형성되어 있지 않은 면측을 상기 애노드 냉각 플레이트(102)의 열매체 유로(102b)측의 면에 대향시켜 위치가 부여된다. 또, 이 캐소드 냉각 플레이트(103)에 대해 산화제 유로(103b)측의 면에 상기 바이폴라 플레이트(101)와 동일한 구성의 바이폴라 플레이트(101)의 연료 유로(101a)측의 면을 대향시키는 동시에, 그 사이에 MEA를 협지하여 상기 바이폴라 플레이트(101)가 위치가 부여된다. 이 경우도 MEA의 외주부를 둘러싸도록 하여 가스켓(G)이 부착된다.

이러한 순서로 각 플레이트를 조합하여 복수매 적층하고, 양단부에는 단부 플레이트(도시 생략)를 배치하고 이들을 로드 등으로 체결하여 일체화함으로써 전지 스택이 구성된다. 그리고, 상기 각 플레이트에 있어서의 연료 공급용 매니폴드, 연료 배출용 매니폴드, 열매체 공급용 매니폴드, 열매체 배출용 매니폴드는 모두 전지 스택의 적층 방향으로 연통된 연통 구멍을 구성한다.

도10은 본 발명에 관한 연료 전지 시스템의 실시 형태를 도시하는 구성도이며, 연료 전지(104)의 열매체 배출구(104a)에 공기 가습기(105)를 연결하고, 이 공기 가습기(105)에 연료 가습기(106)를 연결하여, 이 연료 가습기(106)에 열교환기(107)를 연결하는 동시에, 이 열교환기(107)에 연료 전지(104)의 열매체 공급구(104b)를 연결함으로써 열매체로서의 물의 물 순환 경로(108)를 구성한다.

또, 연료 전지(104)의 산화제 배출구(104c)에 전체 열교환기(109)를 연결하고, 이 전체 열교환기(109)에 상기 공기 가습기(105)를 연결하여, 이 공기 가습기(105)에 연료 전지(104)의 산화제 공급구(104d)를 연결함으로써 산화제로서의 공기의 공기 공급 경로(101O)를 구성한다. 또한, 산화제 공급구(104d)는 전지 스택의 상부에 부착한 산화제 공급용 외부 매니폴드(도시 생략)에 설치하고, 이 외부 매니폴드로부터 각 플레이트의 산화제 유로에 산화제로서의 공기를 분배 공급하고, 산화제 배출구(104c)는 전지 스택의 하부에 부착한 산화제 배출용의 외부 매니폴드(도시 생략)에 설치하고, 각 플레이트의 산화제 유로로부터 배출되는 산화제로서의 공기를 합류시켜 산화제 배출구(104c)로부터 배출하도록 구성한다.

또한, 상기 연료 가습기(106)에는 연료 개질 장치(1011)가 연결되고, 도시 가스 등의 원연료를 연료 개질 장치(1011)로 수소 주체의 개질 가스를 생성하고, 이 개질 가스를 연료 가습기(106)로 가습한 후, 연료 전지(104)의 연료 공급구(104e)에 공급하도록 구성한다. 연료 가습기(106)의 내부에는 물이 저장되어 있고, 이 물에 개질 가스를 버블링함으로써 개질 가스를 가습한다. 연료 전지(104)의 연료 공급구(104e)에 공급된 가습 연료 가스는, 연료 공급용 매니폴드에 의해 전지 스택 내의 적층 방향으로 형성된 상기 연통 구멍을 흐르고, 각 플레이트의 연료 입구 헤더부에 분배 공급되어 각 연료 유로에 따라 유통되고, 연료 유로로부터 배출되는 연료 가스(미반응으로 종료된 연료 가스)는 출구 헤더부에서 합류하고, 전지 스택 내의 적층 방향으로 형성된 상기 연통 구멍을 흘러 외부로 배출된다. 외부로 배출되는 미반응 연료 가스는, 연료 배출구(104f)로부터 상기 연료 개질 장치의 개질기 버너로 송입하여 연소하는 것이 일반적이다.

산화제로서 외부로부터 취입된 공기는 상기 전체 열교환기(109)로 열과 수분을 교환한 후, 연료 전지의 산화제 공급구(104d)(상세하게는 외부 매니폴드의 산화제 공급구)에 공급한다. 공기 가습기(105)의 내부에는 물이 저장되어 있고, 이 물 에 공기를 버블링함으로써 공기를 가습한다. 연료 전지(104)의 산화제 공급구(104d)에 공급된 가습 공기는 각 플레이트의 입구 헤더부에 분배 공급되어 각 산화제 유로에 따라 유통되고, 산화제 유로로부터 배출되는 공기(미반응으로 종료된 공기)는 출구 헤더부에서 합류하여 연료 전지(104)의 산화제 배출구(104c)(상세하게는 외부 매니폴드의 산화제 배출구)로부터 배출된다. 이 배출된 미반응 공기는 상기 전체 열교환기(107)를 통해 외부로 배기된다.

이와 같이 하여, 연료 전지(104)에 연료 가스와 산화제가 공급되고 상기 MEA의 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응이 발생됨으로써 직류 전력이 발전된다. 한편, 상기 물 순환 경로(108) 내의 물은 연료 전지(104)의 열매체 공급구(104b)에 공급되고, 전지 스택 내의 적층 방향으로 형성된 상기 연통 구멍을 흘러 각 애노드 냉각 플레이트(102)의 입구 헤더부에 분배 공급되어 각 열매체 유로에 따라 유통되고, 열매체 유로로부터 배출되는 물은 출구 헤더부에서 합류하여 전지 스택 내의 적층 방향으로 형성된 상기 연통 구멍을 흘러 열매체 배출구(104a)로부터 배출된다.

애노드 냉각 플레이트(102)는, 상기한 바와 같이 열매체 유로(102b)가 연료 유로(102a)와 서로 반대 방향을 향한 상태로 설치되어 있으므로, 이 애노드 냉각 플레이트(102)를 냉각할 수 있다. 또, 애노드 냉각 플레이트(102)의 열매체 유로(102b)는 상기한 바와 같이 캐소드 냉각 플레이트(103)의 산화제 유로가 형성되어 있지 않은 면측에 면 접촉하고 있으므로, 이 캐소드 냉각 플레이트(103)도 냉각할 수 있다. 이에 의해, 발전 중에 있어서의 연료 전지(104)를 냉각하여 정상적 인 운전 온도(약 80 ℃)로 유지한다.

그런데, 연료 전지(104)로부터 배출되는 열매체로서의 물의 온도는 78 ℃ 정도에까지 승온되어 있고, 이 고온수를 상기 공기 가습기(105)에 도입하면 내부의 물의 온도를 높일 수 있다. 공기 가습기(105)를 통과한 수온은 76 ℃ 정도로 내려가, 이 중온수를 상기 연료 가습기(106)에 도입한다. 상기한 바와 같이 연료 가습기(106)에는, 연료 개질 장치(1011)로부터의 고온(100 내지 150 ℃)의 개질 가스가 도입되어 버블링되기 때문에 증발열을 빼앗기지만, 내부의 물은 75 내지 76 ℃로 유지된다.

연료 가습기(106)를 통과한 고온수는 상기 열교환기(107)로 도입되고, 여기서 온수 저장 탱크(도시 생략)로부터의 물과의 사이에서 열교환되고, 이 물은 온수가 되어 온수 저장 탱크로 복귀된다. 열교환기(107)를 통과한 수온은 74 ℃ 정도로 내려가, 이 저온수는 상기 연료 전지(104)의 열매체 공급구(104b)에 공급된다. 따라서, 연료 전지(104)로부터 배출되는 물을 물 순환 경로(108)에 따라 순환시킴으로써, 열매체로서의 물의 열을 유효하게 이용할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 반응 가스의 입구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이하, 반응 가스의 출구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이상으로 설정한다.

반응 가스의 입구 영역에 있어서, 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도보다 낮게 설정하면 반응 가스가 입구 영역에서 열매체에 의해 가온되게 되고, 이에 의해 입구 영역에서 가습 반응 가스 속의 수증기가 응축되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 반응 가스의 입구 영역에서 응축수가 유로에 부착되는 일 없이, 반응 가스는 원활하게 흐르기 시작하게 된다.

반응 가스의 출구 영역에 있어서, 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도보다 높아지도록 설정하면 반응 가스가 출구 영역에서 열매체에 의해 냉각되어 반응 가스 속의 수증기가 응축되는 경우가 있다. 그러나, 출구 영역에서 응축수가 열매체 유로에 부착된 경우에는, 각 열매체 유로에 균일하게 압력이 가해져 물방울을 비산하기 쉬워지므로 단시간에 응축수를 출구 헤더부에 배제할 수 있다. 종래와 같이 일부의 유로에 응축수가 부착되어 막히면, 각 유로에서의 가스 분배에 불균일이 발생되어 발전 성능이 불안정해지는 동시에, 다른 유로로 반응 가스가 도피하여 물방울을 비산하기 어려워진다. 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 반응 가스 출구 영역의 각 유로 내에서 강제적으로 결로시킴으로써, 압력 손실을 평준화하여 가스 분배를 균일화할 수 있다.

상기 실시 형태에서는 연료 가스와 산화제는 병행류이며 중력 방향의 상부로부터 하부로 흐르고, 열매체는 반응 가스와 대향류이지만 열매체는 반응 가스와 병행류로 실시하는 것도 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 청구항 1의 발명에 따르면, 반응 가스 채널 또는 열매체 채널을 설치한 플레이트가 전지 스택 내에 복수 적층되어 있는 연료 전지에 있어서, 상기 적어도 한 쪽 반응 가스 채널의 입구 헤더부와, 상기 열매체 채널의 입구 헤더부가 대향 위치에 설치되어 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부를 반응 가스 이슬점 이상으로 가온하므로, 반응 가스 속에 포함되어 있는 수증기가 가스 채널의 입구 영역에서 응축하여 결로되는 일이 없어진다. 이에 의해, 가스 채널을 폐색하여 반응 가스의 유통을 저해하는 일이 없고, 정상적인 발전 운전이 이루어져 전지 성능을 높일 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 2의 발명에 따르면, 청구항 1의 연료 전지에 있어서 상기 반응 가스는 연료 가스 및/또는 산화제 가스이고, 상기 열매체는 냉각수인 것을 특징으로 하여, 냉각수에 의해 반응 가스 채널의 입구 헤더부를 반응 가스 이슬점 이상으로 가온하여 반응 가스의 결로를 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 3의 발명에 따르면, 청구항 2의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에서 반응 가스 이슬점 ≤ 냉각수 온도로 하므로, 냉각수에 의해 반응 가스 채널의 입구 헤더부를 반응 가스 이슬점 이상으로 가온하여 반응 가스의 결로를 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 4의 발명에 따르면, 연료 전지에 있어서 반응 가스 채널의 입구 헤더부로부터 하방 영역에 대응시켜 냉각수를 공급함으로써 반응 가스를 강제적으로 결로시키고, 발전 후에 나온 냉각수를 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에 대응시켜 다시 플레이트에 공급하여 가온한 후에 배수하므로, 셀을 습윤 상태로 유지할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 5의 발명에 따르면, 청구항 4의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부보다 하방 영역에서 반응 가스 이슬점 ≥ 냉각수 온도이고, 발전 후의 냉각수를 다시 플레이트에 공급하는 반응 가스 채널의 입 구 헤더 일부에서 반응 가스 이슬점 ≤ 냉각수 온도이므로, 반응 가스의 입구 헤더부로부터 하방 영역에서 반응 가스를 강제적으로 결로시켜 셀을 습윤 상태로 유지하는 동시에, 반응 가스의 입구 헤더부에서 반응 가스를 가온함으로써 물 막힘을 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 6의 발명에 따르면, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에 유로 저항 발생부를 설치하였으므로, 반응 가스의 흐름을 조정하여 각 유로에 대한 반응 가스의 분배를 균일하게 하는 동시에, 하방 영역에 있어서 강제적으로 결로시킨 응축수를 유로의 출구를 향해 압류할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 7의 발명에 따르면, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부뿐만 아니라 유로 저항 발생부도 가온하므로 유로 저항 발생부에 있어서의 물 막힘을 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 8의 발명에 따르면, 연료 전지에 있어서 연료 전지의 발전 반응부에서의 반응 가스의 흐름과 냉각수의 흐름이 평행 또는 중력 방향에 따라서 병행류 또는 대향류인 것을 특징으로 하고, 이에 의해 연료 전지의 스택 구성의 자유도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 청구항 9의 발명에 따르면 전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이루어지는 막 전극 접합체와, 반응 가스 유로 및/또는 열매체 유로를 설치한 플레이트를 조합하고 복수매 적층 일체화 하여 구성한 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스의 적어도 한 쪽 반응 가스 입구 영역을 열매체로 가온하기 때문에, 반응 가스의 입구 영역에서 가습 반응 가스 속의 수증기가 응축되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 반응 가스의 유통을 양호하게 하는 동시에 가스 분배를 균일하게 하여, 연료 전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명에 관한 청구항 10의 발명에 따르면 전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이루어지는 막 전극 접합체와, 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 산화제 유로를 설치한 바이폴라 플레이트와, 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 열매체 유로를 설치한 애노드 냉각 플레이트와, 한 쪽면에 산화제 유로, 다른 쪽면에 열매체 유로를 설치한 캐소드 냉각 플레이트를 조합하여 적층 일체화한 연료 전지를 구비하고, 상기 애노드 냉각 플레이트의 열매체 유로에 상기 연료 전지로부터 배출되는 열매체를 공급함으로써, 애노드 냉각 플레이트 및/또는 캐소드 냉각 플레이트의 반응 가스 입구 영역을 가온하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템이므로, 반응 가스 유로에 어떠한 가공을 실시하는 일 없이 응축수 대책이 가능해진다.

또한, 본 발명에 관한 청구항 11의 발명에 따르면 청구항 10의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 가스와 산화제는 병행류이며 중력 방향의 상부로부터 하부로 흐르고, 열매체는 반응 가스와 병행류 또는 대향류인 것을 특징으로 하여, 이에 의해 전지 스택의 플레이트 구성의 자유도를 높일 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 12의 발명에 따르면, 청구항 10 또는 청구항 11의 연 료 전지 시스템에 있어서, 반응 가스 유로 입구부에 유로 저항 발생부를 설치하였으므로, 반응 가스의 흐름을 조정하여 각 유로에 반응 가스를 균일하게 분배할 수 있는 동시에, 가스 유로 내에 응축수가 부착되었다고 해도 불어 날려버려 배제할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 13의 발명에 따르면, 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응 가스의 입구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이하, 반응 가스의 출구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이상으로 설정하였으므로, 입구 영역에서는 반응 가스의 결로를 방지하는 동시에, 출구 영역에서는 반응 가스의 결로를 강제적으로 행함으로써, 압력 손실을 평준화하여 가스 분배를 균일화할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 14의 발명에 따르면, 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 공기 가습기 및 연료 가습기를 연결하고, 연료 전지로부터 배출되는 열매체를 이들 가습기에 도입하여 열교환시키기 때문에, 연료 전지로부터 배출되는 열매체의 열을 유효하게 이용할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 15의 발명에 따르면, 연료 전지에 전체 열교환기를 연결하고, 연료 전지로부터 배출되는 공기와 상기 공기 가습기에 공급되기 전의 반응 가스와의 사이에서 전체 열교환시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템이므로, 연료 전지로부터 배출되는 미반응 산화제(공기)의 열을 유효하게 이용할 수 있다.

본 발명에 관한 청구항 16의 발명에 따르면, 청구항 10 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지에 공기 가습기 및 연료 가습기와 열교환기를 연결하여 물 순환 경로를 형성하고, 상기 연료 가습기에는 연료 개질 장치를 연결하고, 또한 상기 연료 전지에 전체 열교환기를 연결하고, 이 전체 열교환기에 상기 공기 가습기를 연결하여 반응 공기 공급 경로를 형성하였으므로, 연료 전지로부터 배출되는 열매체로서의 물의 열을 유효하게 이용할 수 있는 동시에, 연료 전지로부터 배출되는 미반응 산화제 가스로서의 공기의 열도 유효하게 이용할 수 있다.

Claims

반응 가스 채널 또는 열매체 채널을 설치한 플레이트가 전지 스택 내에 복수 적층되어 있는 연료 전지에 있어서,

상기 적어도 한 쪽의 반응 가스 채널의 입구 헤더부와, 상기 열매체 채널의 입구 헤더부가 대향 위치에 설치되어, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부를 반응 가스 이슬점 이상으로 가온하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항에 있어서, 상기 반응 가스는 연료 가스 및/또는 산화제 가스이고, 상기 열매체는 냉각수인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제2항에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에서 반응 가스 이슬점 ≤ 냉각수 온도인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제3항에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부로부터 하방 영역에 대응시켜 냉각수를 공급함으로써 반응 가스를 강제적으로 결로시키고, 발전 후에 나온 냉각수를 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에 대응시켜 다시 플레이트에 공급하여 가온한 후에 배수하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제4항에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부로부터 하방 영역에서 반응 가스 이슬점 ≥ 냉각수 온도이고, 발전 후의 냉각수를 다시 플레이트에 공급하는 반응 가스 채널의 입구 헤더부에서 반응 가스 이슬점 ≤ 냉각수 온도인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부에 유로 저항 발생부를 설치한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제6항에 있어서, 상기 반응 가스 채널의 입구 헤더부뿐만 아니라 유로 저항 발생부도 가온하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지의 발전 반응부에서의 반응 가스의 흐름과 냉각수의 흐름이 평행 또는 중력 방향에 따라서 병행류인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이루어지는 막 전극 접합체와, 반응 가스 유로 및/또는 열매체 유로를 설치한 플레이트를 조합하고 복수매 적층 일체화하여 구성한 연료 전지에 있어서,

상기 반응 가스의 적어도 한 쪽 반응 가스 입구 영역을 열매체로 가온하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
전해질막의 한 쪽면에 애노드 전극, 다른 쪽면에 캐소드 전극을 접합하여 이 루어지는 막 전극 접합체와, 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 산화제 유로를 설치한 바이폴라 플레이트와, 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 열매체 유로를 설치한 애노드 냉각 플레이트와, 한 쪽면에 산화제 유로, 다른 쪽면에 열매체 유로를 설치한 캐소드 냉각 플레이트를 조합하여 적층 일체화한 연료 전지를 구비하고, 상기 애노드 냉각 플레이트의 열매체 유로에 상기 연료 전지로부터 배출되는 열매체를 공급함으로써, 애노드 냉각 플레이트 및/또는 캐소드 냉각 플레이트의 반응 가스 입구 영역을 가온하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제10항에 있어서, 연료 가스와 산화제는 병행류이며 중력 방향의 상부로부터 하부로 흐르고, 열매체는 반응 가스와 병행류 또는 대향류인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제10항 또는 제11항에 있어서, 반응 가스 유로 입구부에 유로 저항 발생부를 설치한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 반응 가스의 입구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이하, 반응 가스의 출구 영역에 있어서는 반응 가스의 이슬점은 열매체의 온도 이상으로 설정한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 연료 전지에 공기 가습기 및 연료 가습기를 연결하고, 연료 전지로부터 배출되는 열매체를 이들 가습기에 도입하여 열교환시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
연료 전지에 전체 열교환기를 연결하고, 연료 전지로부터 배출되는 공기와 상기 공기 가습기에 공급되기 전의 반응 가스와의 사이에서 전체 열교환시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제15항에 있어서, 연료 전지에 공기 가습기 및 연료 가습기와 열교환기를 연결하여 물 순환 경로를 형성하고, 상기 연료 가습기에는 연료 개질 장치를 연결하고, 또한 상기 연료 전지에 전체 열교환기를 연결하고, 이 전체 열교환기에 상기 공기 가습기를 연결하여 반응 공기 공급 경로를 형성한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.