KR100724236B1 - 고분자 전해질 연료 전지 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지는 막 전극 접합체(21) 및 상기 막 전극 접합체(21) 외부에 배치된 분리판(24)을 포함한다. 분리판(24)은 다공성이며, 가스가 통과하는 상부 표면에 형성된 제1 가스 통로(33), 가스가 통과하는 하부 표면에 형성된 제2 가스 통로(35), 상기 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35)가 소통하도록 하는 소통 통로(34), 가스를 공급하기 위하여 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 중 하나에 연결된 가스 주입부(31), 및 가스를 방출하기 위하여 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 중 다른 하나에 연결된 가스 배출부(37)를 갖는다.
아노드, 캐소드, 수증기, 드라이아웃, 플로딩

Description

고분자 전해질 연료 전지{POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 연료내의 화학 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 변환시킨다. 전해질 막(electrolyte membrane) 양측으로 한 쌍의 전극이 설치되고, 수소를 함유하는 연료 가스(fuel gas)가 아노드에 공급되고, 산소를 함유하는 산화 가스가 캐소드에 공급된다. 다음으로 전해질 막의 표면에서 발생하는 아래의 전기화학적 반응을 이용하여 전기 에너지가 추출된다.
아노드 반응: H2 -> 2H+ + 2e- ------ (1)
캐소드 반응: 2H+ + 2e- + (1/2)O2 -> H20 ------ (2)
아노드로 공급되는 연료 가스는 수소 저장 장치(예를 들면, 고압 탱크, 액화 수소 탱크 또는 금속 수산화물 탱크)로부터 직접 공급되거나 또는 수소를 함유하는 연료(예를 들면, 천연 가스, 메탄올 또는 가솔린)를 재가공함에 의해 얻어지는 수소 함유 가스를 공급함에 의해 공급될 수 있다. 캐소드에 공급되는 산화 가스는 일반적으로 공기이다.
수학식 2에서 도시된 것처럼, 연료 전지가 동작 할때, 캐소드에서는 물이 생성된다. 또한, 생성된 물의 일부는 캐소드로부터 아노드로 확산하고, 아노드로부터 방출된다. 이때, 연료 가스를 공급하는 통로에서 과도한 수증기(water vapor)가 존재하는 영역이 있는 경우, 액체 상태의 물이 생성되고 플로딩(flooding)이 발생한다. 가스 공급이 액체 상태의 물로 인하여 차단되는 경우, 전지 성능이 저하되고 전력 생성 능력이 하락한다. 수학식 2에서 제시된 것처럼, 반응에 의해 물이 생성되고, 연료 가스가 연료 전지내에서 업스트림(upstream)으로부터 다운스트림(downstream)으로 흐를수록 물의 양은 증가하여, 연료 전지 배출부(outlet) 주변(vicinity)에서 플로딩이 쉽게 발생한다.
1997년 일본 특허청에서 공개된 JP9-511356A는 연료 전지내의 온도 분포를 제어함에 의해 플로딩을 방지하는 방법을 개시한다. 이 종래 기술에서, 가스와 냉각제의 흐름을 동일한 방향으로 하고, 가스 주입부로부터 배출부까지의 온도를 증가시키고, 연료 전지내의 온도 분포를 제어함에 의해 플로딩이 방지된다. 이로 인하여, 생성된 물은 증기(steam) 형태로 가스와 결합되고, 플로딩이 방지된다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 가스 온도가 상승하여, 연료 전지로부터 방출된 가스는 고온이다. 결과적으로, 연료 전지로부터 외부로 방출되는 물의 양이 증가하고 쉽게 "드라이아웃(dryout)"되므로, 연료 전지내의 물의 균형을 맞추는 것은 용이하지 않다. 그러므로, 연료 전지의 다운스트림으로 물 복구 장치가 실장되어야 하며, 시스템은 더욱 복잡해진다.
그러므로 본 발명의 목적은 고분자 전해 연료 전지의 플로딩과 드라이아웃을 방지하는 것이다.
상술한 목적을 이루기 위해, 본 발명은 막 전극 접합체(membrane electrode assembly) 및 상기 막 전극 접합체의 외부에 배치된 분리판(bipolar plate)을 포함하는 연료 전지를 제공한다. 분리판은 다공성이며, 막 전극 접합체의 일측의 일 표면상에 형성되는 제1 가스 통로, 막 전극 접합체의 대향측의 다른 표면상에 형성되는 제2 가스 통로, 제1 가스 통로 및 상기 제2 가스 통로가 서로 소통되도록 하는 소통 통로, 제1 가스 통로 및 제2 가스 통로 중 하나에 접속되어 가스를 도입하기 위한 가스 주입부(gas inlet) 및 제1 가스 통로 및 제2 가스 통로 중 다른 하나에 접속되어 가스를 방출하기 위한 가스 배출부(gas outlet)를 포함한다.
본 발명의 일 특성에 따르면, 본 발명은 막 전극 접합체, 막 전극 접합체 외부에 배치된 분리판, 및 분리판을 냉각하는 냉각 메카니즘(cooling mechanism: 25)을 포함하는 연료 전지를 제공한다. 분리판은 고형(solid)이며, 가스를 도입하기 위한 가스 주입부, 가스를 방출하기 위한 가스 배출부, 막 전극 접합체의 일측의 일 표면상에 형성되며, 일 단부가 가스 주입부에 연결되고 다른 단부는 복귀부(return part)에 연결되는 제1 가스 통로, 막 전극 접합체의 일측의 표면상에 제1 가스 통로와 평행하게 형성되며, 일 단부가 상기 복귀부를 경유하여 상기 제1 가스 통로에 연결되고 다른 단부는 가스 배출부에 연결되는 제2 가스 통로를 포함하되, 냉각 메카니즘은 분리판을 냉각하여 상기 가스 주입부에 가까울수록 상기 제1 가스 통로를 통해 흐르는 가스의 온도가 낮아진다.
상세한 설명 및 본 발명의 다른 특징과 이점이 첨부된 도면을 참조하여 아래의 실시예에서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료 전지의 구조를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지의 횡단면도.
도 3a-3c는 본 발명에 따른 연료 전지의 캐소드 분리판의 가스 통로를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지의 횡단면도.
도 5는 도4와 유사하나 본 발명의 제2 실시예를 도시하는 도면.
도 6a-6c는 도 3a-3c와 유사하나 본 발명의 제3 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 가스 통로들 사이의 가스 움직임을 도시하는 전지의 횡단면도.
도 8은 도2와 유사하나 본 발명의 제4 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 관통 홀이 제1 가스 통로와 제2 가스 통로 사이의 접속 통로로서 사용되는 경우 가스 유속과 제1 가스 통로와 제2 가스 통로 사이의 차압 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 10은 제4 실시예에서 가스 유속, 매니폴드의 유효 높이 및 차압 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 11은 본 발명의 제5 실시예의 LLC 판을 도시하는 특성도.
도 12는 온도와 포화된 수증기 압력 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 13은 가스 통로의 위치, 상대 습도, 물의 량과 온도 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 14는 연료 전지의 가스 압력이 상수인 경우 가스 이용율과 물 균형 온도의 관계를 도시하는 특성도.
도 15는 가스 압력, 가스 이용율 및 물 균형 온도 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 16은 가스 주입 온도, 가스 주입 습도 및 LLC 온도 기울기 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 17은 가스 이용율과 LLC온도 기울기 보정 계수 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 18은 LLC 통로를 흐르는 LLC 리사이클링 양과 연료 전지내의 LLC 온도 기울기 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 19는 LLC 주입 온도와 복사열 복사양 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 20은 외부 공기 온도가 상수인 경우 라디에이터를 통과하는 LLC양과 라디에이터에 의해 복사된 열 복사량 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 21은 외부 공기 온도와 라디에이터 통로 LLC 양 보정 계수 사이의 관계를 도시하는 특성도.
도 22는 제어기에 의해 수행되는 제어를 도시하는 흐름도.
도 23은 도 2와 유사하되, 본 발명의 제6 실시예를 도시하는 도면.
도 24a 및 24b는 도 3a 및 도 3b와 유사하나, 제6 실시예에 따른 캐소드 분리판을 도시하는 도면.
도 25는 제6 실시예에 따른 가스 통로들 사이의 물의 움직임을 도시하는 셀의 횡단면도.
제1 실시예
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료 전지 시스템을 도시한다. 이 실시예는 다공성 분리판을 이용하고, 물이 분리판 내부로 흐르도록 함에 의해, 전지내의 물의 분포를 균일하게 하고, 플로딩(flooding) 및 드라이아웃(dryout)을 방지한다.
이 연료 전지 시스템은 연료 전지(11), 연료 전지(11)의 출력 전류를 검출하는 전류계(ammeter: 6), 연료 전지(11)에 공급되는 공기의 유속을 검출하는 유속 센서(flowrate sensor: 7), 연료 전지(11)에 공급되는 공기의 압력을 검출하는 압력 센서(8), 외부 공기 온도를 검출하는 외부 공기 온도 센서(9), 연료 전지(11)로 향하는 주입부에서의 공기의 온도를 검출하는 온도 센서(12), 및 연료 전지(11)의 주입부에서의 공기의 습도를 검출하는 습도 센서(13)를 포함한다.
적절한 온도로 연료 전지(11)를 유지하기 위하여, 시스템은 롱-라이프 냉각제(long-life coolant: LLC)를 연료 전지(11) 내부에 리사이클링시키는 LLC 리사이클링 시스템(LLC recycling system)을 포함한다. LLC는 예를 들면 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 물의 혼합물이다. LLC 리사이클링 시스템은 LLC 탱크(14), 펌프(15), 밸브(16), 온도 센서(17), 라디에이터(18) 및 바이패스 밸브(bypass valve: 19)를 포함한다.
연료 전지(11)의 동작 상태는 제어기(10)에 의해 제어된다. 제어기(10)는 유속 센서(7)로부터의 가스 유속 신호, 온도 센서(12)로부터의 가스 온도 신호, 습도 센서(13)로부터의 가스 습도 신호, 및 외부 공기 온도 센서(9)로부터의 외부 공기 온도 신호로부터, LLC 주입부 온도와 LLC 온도 기울기(gradient)의 목표값을 연산하여, 연산된 목표 값을 바탕으로 LLC 유속과 라디에이터(18)의 열 복사량(heat radiation amount)을 제어한다.
도 2는 연료 전지(11)의 단면도이다. 연료 전지는 복수개의 셀(cell: 20)을 포함한다.
셀(20)은 고형 고분자 막의 양 표면 상에 전극층을 갖는 막 전극 접합체(MEA: 21), MEA(21)의 양측에 제공되는 가스 확산층(22), 가스 확산층(22) 외부에 실장된 아노드 분리판(23) 및 캐소드 분리판(24) 및 캐소드 분리판(24)의 외부에 실장된 LLC 판(25)를 포함한다. 연료 가스는 아노드 분리판(23) 상에 형성된 통로를 통해 흐르고, 공기는 캐소드 분리판(24) 상에 형성된 통로를 통해 흐른다. 이들 가스 각각은 가스 확산층(24)내에서 확산하고, 전력이 MEA(21)의 표면에서 발생하는 전기 화학적 반응에 의해 생성된다. 캐소드 분리판(24)은 다공성이며 물의 침투를 허용한다. 아노드 분리판(23)은 고형이며, 물의 침투를 허용하지 않는다.
도 3a-3c는 캐소드 분리판(24)의 통로를 도시한다. 도 3a는 MEA(21)의 표면(상부 표면)을 도시하며, 도 3b는 도 3a와 도3c의 선 B-B을 통과하는 단면을 도시하고, 도 3c는 MEA(21)의 대향 표면(하부 표면)을 도시한다.
제1 가스 통로(33)는 캐소드 분리판(24)의 상부 표면에 형성되고, 제2 가스 통로(35)는 제1 가스 통로(33)에 정확하게 대향하는 하부 표면 상에 형성되어, 제2 가스 통로(35)는 제1 가스 통로(33)와 서로 등을 맞대는 형태(back-to-back)이다. 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35)는 연결 통로(34)에 의해 연결된다. 연결 통로(34)는 캐소드 분리판(24)을 관통하는 관통홀(through-hole)이다.
가스(본 실시예에서는, 공기)는 가스 주입부(31)로부터 가스 주입 매니폴드(32)를 통과하고, MEA(21)의 표면(상부 표면)에 형성된 제1 가스 통로(33)로 분기되고, 연결 통로(34)를 통과하고, MEA(21)의 대향측 상의 표면(하부 표면) 상에 형성된 제2 가스 통로(35)를 통해 흐른다. 다음으로 가스 배출 매니폴드(36)에 도달하고, 가스 배출부(37)로부터 방출된다.
캐소드 판(24)의 물의 움직임이 도 4를 참조로 설명된다. 도 4는 셀(20)의 횡단면도로서, 도면에서 실선 화살표는 셀 내의 물의 움직임을 도시하고, 점선 화살표는 셀내의 가스의 흐름을 도시한다.
캐소드 분리판(24)은 다공성이며, 다수의 홀을 포함하므로, 물은 판(24)내부로 이동할 수 있다. 또한, 물이 판(24)의 내부를 채우는 경우, 가스는 물의 표면 장력(surface tension)으로 인해 판(24)를 통해 상부 표면으로부터 하부 표면으로 누출되지 않는다.
LLC 판(25)는 MEA(21)에 대한 캐소드 분리판(24)의 대향 측 상에 있으며, 제2 가스 통로(35)를 통과하는 가스는 LLC에 의해 냉각되고, 제1 가스 통로(33)를 통해 흐르는 가스보다 더 낮은 온도에 도달한다. 제2 가스 통로(35)를 통해 흐르는 가스는 냉각되고, 포화 수증기 압력을 넘어서는 수증기는 응축되어 액체가 된다. 응축된 물은 캐소드 분리판(24)을 통과하고, 제1 가스 통로(33)로 이동한다.
외부측 공기가 건조한 경우, 건조 가스가 제1 가스 통로(33)로 흘러들어 간다. 건조 가스가 제1 가스 통로(33)로 흘러들어 가는 경우, MEA(21) 내부의 물은 건조 가스에 의해 제거되고, 셀 주입부의 주변은 건조되는 경향이 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 가스는 제2 가스 통로(35)내에서 냉각되고, 물은 응축되며, 응축된 물은 다공성 판(24)를 경유하여 제1 가스 통로(33)로 이동한다. 그러므로, 응축된 물은 건조 부분에 공급되고, 셀 내의 물 분포는 균일하게 유지된다.
또한, 캐소드 분리판(24)은 다공성이므로, 제1 가스 통로(33)내에 과도한 물이 있는 경우, 잉여 물은 판(24)를 경유하여 제2 가스 통로(35)로 방출될 수 있고, 반대로 제1 가스 통로(33)를 통해 흐르는 공기의 습도가 낮은 경우, 제2 가스 통로(34)에서 액화된 물이 판(24)를 경유하여 제1 가스 통로(33)로 공급되고, 제1 가스 통로(33)를 통해 흐르는 가스의 드라이아웃(dryout)이 방지된다. 이러한 방법으로, 셀내의 물 분포는 균일하게 유지되고, 제1 가스 통로(33)내의 드라이아웃은 방지되며, 제2 가스 통로(35)의 플로딩이 방지된다.
제2 가스 통로(35)를 통해 흐르는 가스는 LLC 판(25)에 의해 냉각되어, 제2 가스 통로(35)내의 물의 응축이 촉진되고, 제2 가스 통로(35)로부터 제1 가스 통로(33)로의 물의 이동이 촉진된다.
제2 가스 통로(35)는 제1 가스 통로(33)이 형성되는 캐소드 분리판(24)의 위치 아래에 형성되어, 물은 판(24)를 경유하여 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 전체로 흐르고, 셀 내의 물 분포는 보다 균일하게 유지된다.
가스 배출 매니폴드(36)는 가스 주입 매니폴드(32) 아래에 형성되어, 물은 다량의 응축된 물을 함유하는 방출 가스로부터 주입 가스로 효과적으로 공급된다.
또한, 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35)는 캐소드 분리판(24)내에 형성된 관통 홀인 연결 통로(34)에 의해 연결되어, 연료 전지(11)의 구조는 단순화되고 더욱 소형화된다.
여기서, 캐소드 분리판(24)만이 다공성이지만, 아노드 분리판(23) 또한 다공성일 수 있다.
제2 실시예
도 5는 제2 실시예의 연료 전지의 횡단면도로서, 제1 실시예의 도 4에 대응한다. 시스템 구조는 도 1에 도시된 제1 실시예의 시스템 구조와 동일하다. 제2 및 이하의 실시예의 설명에서, 제1 실시예의 것과 동일한 구성 요소에 대해 동일한 도면 번호가 지정된다.
제2 실시예의 셀(20)에서, 연결 통로(34)의 횡단 면적이 줄어들어 있다. 이러한 특징으로 인하여, 제1 가스 통로(33)의 가스 압력과 제2 가스 통로(35)의 가스 압력 사이에서 차압(differential pressure)이 발생한다.
특히, 캐소드 분리판(24)의 연결 통로(34)의 횡단 면적은 제1 가스 통로(33)의 횡단 면적보다 작다. 결과적으로, 가스가 연결 통로(34)를 통과해서 흐를 때 압력 손실이 발생하고, 제2 가스 통로(35)의 가스 압력(Pb)는 제1 가스 통로(33)의 가스 압력(Pa)보다 낮다. 예를 들면, Pb는 Pa 보다 10kPa 작다.
그러므로, 제1 가스 통로(33)의 가스 압력(Pa)은 제2 가스 통로(35)의 가스 압력(Pb)보다 높아서, 제1 가스 통로(33)에서 생성된 물은 캐소드 분리판(24) 내부로 이동한다.
제1 가스 통로(33)가 플로딩되는 경우, 가스 확산이 차단되고, 셀의 성능은 저하된다. 그러나, 제2 실시예에 따르면, 제1 가스 통로(33)에서 생성된 물이 캐소드 분리판(24) 내부로 이동하여, 제1 가스 통로(33)에서의 플로딩이 방지되고, 연료 전지(11)의 성능 저하가 방지된다. 또한, 캐소드 분리판(24)으로 들어간 물은 가스 주입부(31)에서의 습도가 충분하지 않을 경우 기화하고, 가스를 가습한다.
그러므로, 제2 실시예에 따르면, 연결 통로(34)의 횡단 면적은 제1 가스 통로(33)의 횡단 면적보다 작게 제조되어, 제1 가스 통로(33)의 가스 압력은 제2 가스 통로(35)의 가스 압력 이상으로 상승한다. 압력의 차이로 인하여, 제1 가스 통로(33)에서 과다한 물이 응축되는 경우, 응축된 물은 판(24)를 경유하여 제2 가스 통로(35)로 방출될 수 있고, 제1 가스 통로(33)에서의 플로딩이 방지되며, 셀내의 수분 분포는 균일하게 된다. 또한, 연결 통로(34)내에서의 압력 손실로 인해 차압이 발생하므로, 차압을 생성하기 위하여 복잡한 압력 조절 메카니즘을 제공할 필요가 없다.
제3 실시예
도 6a 내지 도 6c는 제3 실시예에 따른 캐소드 분리판(24)의 통로를 도시한다. 이들 도면은 제1 실시예의 도 3a 내지 도 3c에 대응한다. 도 6a는 캐소드 분리판(24)의 상부 표면이며, 도 6b는 도 6a와 도 6의 선 B-B를 통과하는 단면이고, 도 6c는 캐소드 분리판(24)의 하부 표면이다.
제3 실시예에 따르면, 캐소드 분리판(24)의 가스 통로의 형태는 제1 실시예의 형태와는 상이하다. 시스템 구조는 도 1에 도시된 제1 실시예의 구조와 동일하다.
제3 실시예에 따르면, 캐소드 분리판(24)의 상부 표면에 형성된 제1 가스 통로(33)에서, 가스는 이웃 통로를 통해 이동한다. 보다 상세하게는, 제3 실시예에 따르면, 캐소드 분리판(24)는 상부 표면에서 2개 유형의 가스 통로(33a, 33b)를 포함한다(도 6a). 업스트림 가스 통로(33a)는 가스 주입 매니폴드(32)로부터 분기하고, 그 대향 단부는 막혀있다. 다운스트림 가스 통로(33b)는 업스트림 가스 통로(33a) 사이에 형성되며, 가스 주입 매니폴드(32)에 연결되지 않는다. 다운스트림 가스 통로(33b)는 연결 통로(34)를 경유하여 제2 가스 통로(35)와 소통한다.
가스 주입 매니폴드(32)로부터 업스트림 가스 통로(33a)로 흘러 들어온 가스는 다공성 가스 확산층(22)을 경유하여 인접 다운스트림 가스 통로(33b)로 이동한다.
도 7은 업스트림 통로(33a)로부터 다운스트림 통로(33b)로의 가스의 이동을 도시한다. 도 7에 도시된 것처럼, 업스트림 가스 통로(33a)로부터 다운스트림 가스 통로(33b)로 이동된 가스는 가스 확산층(22)을 통과한다. 결과적으로, 가스 확산층(22)내의 가스 확산이 촉진되고, MEA(21)는 전체 표면에 걸친 반응에 참여한다. 또한, 가스 확산층(22)내에서 과도한 습기가 생성되는 경우, 이러한 과도한 습기는 가스가 가스 확산층(22)을 통과하는 경우 방출되어, 가스 확산이 물에 의해 쉽게 방해되지 않는다.
이러한 방법에서, 제3 실시예에 따르면, 가스는 가스 확산층(22)을 통과하여, 반응이 MEA(21) 전체 표면에 걸쳐 발생하고, 가스 확산이 촉진되고, 연료 전지(11)의 성능은 개선된다.
제4 실시예
도 8은 제4 실시예에 따른 연료 전지(11)의 횡단면도를 도시하는 도면으로서, 제1 실시예의 도 2에 대응한다. 시스템 구조는 도 1에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다.
제4 실시예에서, 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35)를 연결하는 소통 통로는 제1 실시예의 것과는 상이하다. 제4 실시예의 소통 통로는 외부 매니폴드(81)이다.
제4 실시예에 따르면, 소통 매니폴드(81)는 셀(20) 외부에 제공되어 제1 가스 통로(33)는 제2 가스 통로(35)와 소통한다. 또한, 소통 매니폴드(81)에서, 소통 매니폴드(81)의 유효 높이 h(용적)을 조절함에 의해 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 사이의 차압을 조절할 수 있는 차압 조절 메카니즘(82)이 제공된다.
도 9는 관통 홀이 제1 실시예에서의 소통 통로로 이용되는 경우의 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 사이의 차압과 가스 유속 사이의 관계를 도시하는 도면이다. 연료 전지(11)의 부하가 증가할수록, 가스 유속을 증가하고, 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 사이의 차압은 증가한다. 반대로, 가스 유속이 감소하는 경우, 차압 또한 감소하고, 제1 가스 통로(33)내에서 물을 방출하는 효과는 감소한다.
도 10은 제4 실시예에서 가스 유속, 소통 매니폴드(81)의 유효 높이 h, 및 차압
Figure 112004062465102-pct00001
P(=Pa-Pb) 사이의 관계를 도시하는 도면이다. 여기에서, 소통 매니폴드(81)의 유효 높이 h가 차압 조절 메카니즘(82)에 의해 조절되는 경우, 차압은 제어될 수 있다. 예를 들면, 가스 유속이 감소되는 경우, 소통 매니폴드(81)의 유효 높이 h가 감소된다면, 차압
Figure 112004062465102-pct00002
P는 일정하게 유지될 수 있다.
이러한 방식으로, 제4 실시예에 따르면, 소통 매니폴드(81)내의 압력 손실을 조절함에 의해, 제1 가스 통로(33)와 제2 가스 통로(35) 사이의 차압은 조절될 수 있어서, 제1 통로와 제2 통로 사이의 차압은 가스 유속과 무관하게 일정하게 유지될 수 있고, 연료 전지(11)의 동작 부하와는 무관하게 플로딩이 방지될 수 있다.
캐소드 분리판(24)내에 관통 홀을 형성할 필요가 없으므로, 판(24)의 구조는 단순해질 수 있다. 또한, 제1 가스 통로(33)내에서 생성된 물을 함유하는 가스는 소통 매니폴드(81)내에서 균일하게 된 이후에, 제2 가스 통로(35)로 주입될 수 있다.
제5 실시예
도 11은 제5 실시예의 LLC 판(25)를 도시한다. 시스템 구조 및 캐소드 분리판(24)의 통로는 각각 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다.
제5 실시예에서 가스 통로(33, 35)내에서 흐르는 가스의 온도는 통로의 위치에 따라 가변하고, 가스 배출부에서의 가스 온도와 가스 통로에서의 가스 온도 기울기(업스트림 가스 온도와 다운스트림 가스 온도 사이의 차이)가 제어되어, 연료 전지(11)내에서 생성된 물의 양이 연료 전지(11) 외부로 공급되는 물의 양과 균형을 이룬다. 가스 배출부에서의 가스 온도와 가스 통로에서의 가스 온도 기울기는 LLC 주입 온도와 LLC 온도 기울기(LLC 주입 온도와 배출 온도 사이의 차이)를 제어함에 의해 제어된다.
LLC 판(25)내에 형성된 LLC 통로(113)는 꾸불꾸불(serpentine type)하다. LLC 주입부(111)로부터 LLC가 흘러들어온 후에, LLC 주입 매니폴드(112)를 통과하고, LLC 통로(113)로 분기된다. 순차적으로, LLC 배출 매니폴드(114)에서 결합되고, LLC 배출부(115)로부터 방출된다. LLC는 인접 캐소드 분리판(24)으로부터의 열을 흡수하고, 온도는 LLC 주입부(111)로부터 LLC 배출부(115)까지 흐르는 동안 증가한다. 도 3에 도시된 가스 통로(33, 35) 사이의 관계를 고려하면, 제1 가스 통로(33)내에서, 가스 온도는 가스 주입부(31)로부터 소통 통로(34) 가까이(다운스트림으로) 갈수록 증가하고, 소통 통로(34)로부터 가스 배출부(37) 가까이(다운스트림으로) 갈수록 감소한다.
도 12는 가스 온도와 포화된 수증기 압력 사이의 관계를 도시한 도면이다. 가스 온도가 증가할수록, 포화된 수증기 압력은 급격히 증가한다. 이는 가스 온도가 증가하면, 가스가 보유할 수 있는 수증기의 양이 증가한다는 것을 의미한다. 반대로, 온도가 감소하는 경우, 가스는 더 이상 수증기 상태로 유지할 수 없고, 물은 액체 상태로 응축된다.
도 13은 가스 통로(33, 35)의 위치, 상대 습도, 물량과 온도 사이의 관계를 도시한다. 제1 가스 통로(33)에서, 가스 온도는 가스 주입부(31)로부터 소통 통로(34)로 갈수록 증가한다. 결과적으로, 물이 반응에 의해 생성되더라도, 가스의 상대 습도는 100%를 넘지 않고 포화가 이루어지지 않아서, 물은 응축하지 않고, 제1 가스 통로(33)에서 플로딩이 발생하지 않는다.
반면에, 제2 가스 통로(35)에서, 가스 온도는 소통 통로(34)로부터 가스 배출부(37) 가까이 갈수록 감소한다. 결과적으로, 물량은 포화 물량 이상으로 증가하고, 상대 습도는 항상 100%를 넘어서서, 포화 양 이상의 물은 응축되고, 액화된다. 그러나, 캐소드 분리판(24)이 다공성이므로, 액화된 물은 판(24)를 거쳐서 제1 가스 통로(33)로 이동하고, 이는 가스를 가습하기 위하여 이용된다.
이러한 방식으로, 제5 실시예에 따르면, 통로내의 위치에 따라 가스 통로(33, 35)의 온도를 가변함에 의해, 제1 가스 통로(33)에서의 플로딩이 방지된다. 또한, 제2 가스 통로(35)의 플로딩으로 인한 통로의 차단이 방지되고, 캐소드 분리판(24)의 주입부(31)로부터 흐르는 가스의 건조가 방지된다.
또한, 제5 실시예에서, LLC 리사이클링 양 및 라디에이터(18)의 열 복사량은 연료 전지(11)내의 물의 균형을 유지하도록 조절되고, 가스 통로(33, 35)를 통해 흐르는 가스의 온도 및 온도 기울기가 조절된다.
도 14는 연료 전지(11)내의 가스 압력이 일정하게 유지되는 경우의 가스 이용율(usage rate) 및 물 균형 온도 사이의 관계를 도시한다. 물 균형 온도라 함은 물 균형이 성립된 경우의 가스 주입부(37)에서의 가스의 온도를 칭한다. 연료 전지(11)에서, 반응에 의해 물이 생성되고 이 물을 함유하는 가스가 수증기로 방출된다. 그러므로, 예를 들면, 연료 전지(11)의 업스트림으로 가습이 없고 건조 가스가 연료 전지(11)로 흘러들어갈 때, 연료 전지(11)로부터 방출된 가스 온도가 높다면, 생성된 물의 잉여분은 방출된 가스에 의해 시스템으로부터 제거되고, 연료 전지(11)내의 물은 감소하고 드라이아웃이 발생한다.
드라이아웃을 방지하기 위하여, 연료 전지(11)에서 생성된 물은 연료 전지(11)에서 나온 물과 균형을 맞춰야 한다. 연료 전지(11)내에서 물의 균형이 맞지 않는 경우, 물을 복구하기 위한 물 회복 장치(water recovery devie)가 연료 전지(11)의 다운스트림으로 설치되어야 하며, 이는 연료 전지(11)로 흐르는 가스를 가습하는데 이용된다.
연료 전지(11)내의 가스 압력이 일정한 경우, 물 균형 온도는 도 14에 도시된 것처럼 연료 전지(11)내의 가스 이용율에 의해 결정된다. 가스 이용율이 높은 경우, 방출된 가스량은 감소하고, 가스 감소에 의해 연료 전지로부터 나온 물의 양은 감소하고, 물 균형 온도는 증가한다. 반대로, 가스 이용양이 적은 경우, 방출되는 가스양이 증가하고, 가스에 의해 나오는 물의 양이 증가하며, 물 균형 온도는 감소된다.
도 15는 연료 전지(11)에 공급되는 가스의 압력, 가스 이용율과 물 균형 온도 사이의 관계를 도시한다. 가스 압력이 높아질수록, 가스에 의해 연료 전지로부터 나오는 물의 양은 감소하고, 물 균형 온도는 증가한다. 물 균형을 맞추기 위해 필요한 물 균형 온도는 도 15를 참조로 특정 가스 압력 및 가스 이용율에 대해 연산될 수 있다.
연료 전지(11)내의 특정 가스 압력 및 가스 이용율에서의 물 균형을 맞추기 위해서, 연료 전지(11)의 가스 배출부(37)에서의 가스 온도(가스 배출 온도)는 LLC에 의해 특정 온도로 냉각되어야 한다. 결과적으로, 제5 실시예에 따르면, 가스 배출 온도는 LLC 판(25)의 LLC 통로(113)를 통해 흐르는 LLC에 의해 감소된다. 가스 배출 온도는 LLC 주입 온도 이하로 냉각될 수 없으므로, LLC 주입 온도는 물 균형 온도보다 낮게 설정되어야 한다.
가스 배출 온도를 물 균형 온도와 동일하도록 하는데 필요한 LLC 주입 온도는 연료 전지(11)의 세부 명세(specification), 예를 들면 통로들의 열 도전율(thermal conductivity) 및 형태에 의해 결정되어, 가스 배출 온도와 LLC 주입 온도 사이의 관계가 먼저 규명되고, 이를 연산에 이용한다.
가스 압력 및 가스 이용율이 결정되는 경우, 물 균형을 맞추는데 필요한 가스 주입부(37)에서의 가스 온도 즉, 물 균형 온도가 결정되고, 이 물 균형 온도를 구현하는데 필요한 LLC 주입 온도가 결정된다.
또한, 통로 중간의 플로딩을 방지하기 위하여, 통로 중간의 온도가 제어되어야 한다. 제5 실시예에 따르면, 가스 통로(33, 35)를 연결하는 소통 통로(34)내의 가스 온도가 제어된다. 소통 통로(34)내의 가스 온도를 제어하기 위해서는, 소통 통로(34)에 인접하여 배치된 LLC 배출부(15)에서의 LLC 목표 온도가 결정되고, 목표 LLC 온도 기울기가 결정된다.
도 16은 가스 주입 온도, 가스 배출 습도 및 LLC 온도 기울기 사이의 관계를 도시한다. 가스 주입 온도가 높을수록 및 가스 주입 습도가 높을수록 LLC 온도 기울기는 증가하며, 가스 통로(33, 35)내에서 흐르는 가스의 온도 기울기가 증가하는 경우, 외부 조건이 변경되더라도 플로딩이 방지될 수 있다.
도 16에서 가스 이용율이 고정되나, 실제로는 가스 이용율은 가변하고 보정이 필요하다. 도 17은 가스 이용율과 LLC 온도 기울기 보정 계수 사이의 관계를 도시한다. 가스 이용율이 작을수록, 수증기 상태로 유지될 수 있는 물의 양이 많아지고, 가스 온도 기울기는 감소될 수 있다. 반대로, 가스 이용율이 큰 경우, 큰 가스 온도 기울기가 필요하다. 이를 목적으로, LLC 온도 기울기는 도 17을 참조하여 얻어지는 LLC 온도 기울기 보정 계수에 의해 보정된다.
도 18은 LLC 통로를 통해 흐르는 LLC 리사이클링 양과 LLC 판(25)내의 LLC 온도 기울기 사이의 관계를 도시한다. 도 18을 참조하면, 목표 LLC 온도 기울기를 얻기 위해 필요한 LLC 리사이클링 양이 결정될 수 있다. LLC 리사이클링 양이 작을수록, LLC 온도 기울기는 더 크게 설정될 수 있다. 다시 말하면, LLC 리사이클링 양이 작을수록 주입부(111)에서의 LLC 온도와 배출부(115)에서의 LLC 온도 사이의 차이가 크고, LLC 리사이클링 양이 클수록, 주입부(111)에서의 LLC 온도와 배출부(115)에서의 LLC 온도 사이의 차이는 작다.
도 19는 LLC 주입 온도와 라디에이터 열 복사량 사이의 관계를 도시한다. 도 19를 참조하여, LLC 주입 온도를 목표 온도로 만들기 위해 필요한 라디에이터 열 복사량이 연산될 수 있다.
도 20은 외부 공기 온도가 일정하게 유지되는 경우, 라디에이터(18)를 통과하는 LLC 양과 라디에이터(18)에 의해 복사되는 열 복사량 사이의 관계를 도시한다. 도 1에 도시된 시스템에서, 라디에이터(18)를 바이패스하는 LLC양이 클수록 라디에이터(18)를 통해 흐르는 LLC량이 적어지고, 라디에이터(18)의 열 복사량이 줄어든다. 반대로, 라디에이터(18)를 바이패스하는 LLC 양이 적을수록, 라디에이터(18)를 통해 흐르는 LLC의 양이 커지고, 라디에이터(18)의 열 복사량은 커진다. 그러므로, 라디에이터(18)을 통해 흐르는 LLC양을 제어함에 의해 라디에이터(18)로부터의 열 복사량이 제어될 수 있다.
라디에이터의 열 복사량은 외부 공기 온도에 따라 가변하므로, 라디에이터를 통과하는 LLC 양은 외부 공기 온도에 따라 보정된다. 도 21은 외부 공기 온도와 라디에이터 LLC 양 보정 계수 사이의 관계를 도시한다. 라디에이터(18)를 통해 흐르는 LLC의 양은 도 21에 도시된 보정 계수에 의해 보정되어야 한다.
제5 실시예에 따른 제어기(10)에 의해 수행된 제어는 상술한 관점에서 설명될 것이다. 도 22는 제어기(10)에 의해 수행되는 제어를 도시한다.
먼저, 단계 S1에서, 외부 공기 온도는 외부 공기 온도 센서(9)에 의해 검출된다.
단계 S2에서, 가스 주입부(31)에서의 가스 온도와 습도가 각각 온도 센서(12) 및 습도 센서(13)에 의해 검출된다.
단계 S3에서, 가스 주입부(31)에서의 가스 압력은 압력 센서(8)에 의해 검출된다. 가스 압력은 연료 가스 공급을 제어하는 밸브를 개방함에 의해 추정될 수 있다.
단계 S4에서, 연료 전지(11)에 대한 가스 공급양은 유속 센서(7)에 의해 검출된다. 가스 공급양은 송풍기(blower)의 출력으로부터 연산될 수 있다.
단계 S5에서, 연료 전지(11)의 출력 전류는 전류계(6)에 의해 검출된다.
단계 S6에서, 연료 전지(11)의 가스 이용량은 반응 수학식과 단계 S5에서 검출된 출력 전류를 참조하여 연산된다.
단계 S7에서, 연료 전지(11)의 가스 이용율이 연산된다. 특히, 가스 이용율은 단계 S6에서 연산된 가스 이용량을 단계 S4에서 검출된 가스 공급양으로 나눔에 의해 연산된다.
단계 S8에서, 단계 S3에서 검출된 가스 압력 및 단계 S7에서 연산된 가스 이용율로부터 도 15를 참조하여 연산된다.
단계 S9에서, 목표 LLC 주입 온도는 연료 전지(11)의 세부 명세 및 단계 S8에서 연산된 물 균형 온도로부터 연산된다.
단계 S10에서, 목표 LLC 온도 기울기는 단계 S2에서 검출된 가스 주입부(31)에서의 가스 온도 및 습도에 근거하여 도 16을 참조로 연산된다.
단계 S11에서, LLC 온도 기울기 보정 계수는 단계 S7에서 연산된 가스 이용율에 근거하여 도 17을 참조로 연산되고, 그로 인하여 단계 S10에서 연산된 목표 LLC 온도 기울기는 보정된다.
단계 S12에서, LLC 리사이클링 양은 단계 S11에서 보정된 목표 LLC 온도 기울기에 근거하여 도 18을 참조로 연산된다.
단계 S13에서, 라디에이터(18)의 목표 열 복사량은 단계 S9에서 연산된 목표 LLC 주입 온도에 근거하여 도 19를 참조로 연산된다.
단계 S14에서, 라디에이터(18)을 통과하는 LLC의 양은 단계 S13에서 연산된 목표 라디에이터 열 복사량에 근거하여 도 20을 참조로 연산된다.
단계 S15에서, 라디에이터 통과 LLC 양 보정 계수는 단계 S21에서 검출된 외부 공기 온도에 근거하여 도 21을 참조로 연산되고, 라디에이터(18)를 통과하는 목표 LLC 양은 단계 S14에서 연산된 라디에이터 통과 LLC 양 보정 계수를 이용하여 보정된다.
단계 S16에서, 단계 S15에서 보정된 라디에이터(18)을 통과하는 목표 LLC 양이 실현되도록 펌프(15)의 출력과 바이패스 밸브(19)의 개구부를 제어한다.
제5 실시예에 따르면, LLC 리사이클링 양과 라디에이터(18)로부터의 열 양이 제어되고, LLC 주입부(111)에서의 LLC 온도와 LLC 판(25)에서의 LLC 온도 기울기가 제어된다.
결과적으로, 연료 전지(11)의 가스 압력과 가스 이용율이 낮을수록, 라디에이터(18)로부터의 열 복사량이 증가하고, LLC 온도는 감소하며, 가스 배출부(37)로부터 방출되는 가스의 온도는 감소한다. 또한, 가스 주입부(31)에서의 가스 온도 및 습도가 높을수록, LLC 리사이클링 양은 감소하고, LLC 판내의 LLC에 있어서의 LLC 온도 기울기는 증가하고, 가스 통로(33, 35)를 통과하는 가스의 온도 기울기는 증가한다. 이로 인하여, 통로에서의 플로딩이 방지될 수 있고, 연료 전지(11)내에서의 물 균형이 성립될 수 있다.
제6 실시예
도 23은 제6 실시예에 따른 연료 전지(11)의 횡단면도를 도시한다. 시스템 구조는 도 1에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다. 제6 실시예에서, 분리판은 물을 통과시키지 않는 고형이며, 가스 통로는 물 균형이 성립되도록 형성된다.
셀(20)은 MEA(21), 가스 확산층(22), 아노드 분리판(23), 캐소드 분리판(24) 및 LLC 판(25)를 포함한다. 아노드 분리판(23) 및 캐소드 분리판(24) 모두는 고형(solid)이다.
도 24a 및 24b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 캐소드 분리판(24)을 도시한다. 도 24a는 상부 표면이고, 도 24b는 도 24a의 선 B-B을 통화하는 횡단면도이다.
제1 가스 통로(33c) 각각의 일 단부는 가스 주입부(31)에 연결되고 각각의 다른 단부는 복귀부(33d)에 연결되며, 제2 가스 통로(33e)는 제1 가스 통로(33c)에 평행하게 형성되며, 그 각각의 일 단부는 복귀부(33d)를 경유하여 제1 가스 통로에 연결되고, 각각의 다른 단부는 가스 배출부(37)에 연결되며, 이들은 캐소드 분리판(24) 상에 형성된다.
가스는 가스 주입부(31)로부터 공급되고, 가스 주입 매니폴드(32)를 통과하고, 제1 가스 통로(33c)로 분기되며, 복귀부(33d)를 통해 복귀하고, 제2 가스 통로(33e)로 흘러들어간다. 순차적으로, 이 가스는 소통 통로(34)를 통과하고, 캐소드 분리판(24)의 하부면에 형성된 가스 배출 매니폴드(36)에서 결합되고, 가스 배출부(37)로부터 방출된다.
도 25는 제6 실시예에 따른 통로들 사이의 물의 움직임을 도시한다. 물은 고형의 판(24)를 통과하지 못하므로, 제1 가스 통로(33c)에서 생성된 물은 가스 확산층(22)를 통과하고, 제2 가스 통로(33e)로 복귀한다.
LLC 판(25)내의 통로는 도 11에 도시된 통로와 동일하다. 그러므로, 도 24a 및 도 24b에서 도시된 캐소드 분리판(24)의 가스 통로에서, LLC 통로 주입부(111)에 가까운 가스 주입 매니폴드(32) 및 가스 배출 매니폴드(36)를 통해 흐르는 가스는 저온이며, LLC 배출부(115)에 가까운 복귀부(33d)를 통해 흐르는 가스는 고온이다. 그러므로, 제1 가스 통로(33c)에서, 가스 온도는 다운스트림으로 더욱 증가하고, 반응에 의해 생성된 물은 수증기압의 상승으로 인해 가스내에서 결합된다.
제2 가스 통로(33e)에서, 온도는 다운스트림으로 더욱 감소하고, 포화된 수증기압의 강하로 물이 생성된다. 그러나, 도 24a 및 24b에서 도시된 것처럼, 제1 가스 통로(33c)는 제2 가스 통로(33e)와 인접하고 평행하여, 제2 가스 통로(33e)에서 생성된 물은 다공성 가스 확산층(22)을 통과하고, 도 25에서 도시된 것처럼 물이 불충분한 제1 가스 통로(33c)로 이동한다.
더욱이, 제5 실시예와 동일한 방식으로, 제어기(10)는 도 22에 도시된 것과 같은 흐름도에 따라 LLC 온도 및 온도 기울기를 제어하여, 연료 전지(11)내의 물 균형을 맞춘다.
제6 실시예에 따르면, 고형 판이 분리판으로 이용되는 경우라도, 통로내의 플로딩이 방지될 수 있고, 연료 전지(11)내의 물 균형이 맞춰질 수 있다.
일본 특허 출원 P2002-192912(2002년 7월 2일자 출원)의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 인용되었다.
본 발명이 특정 실시예를 기준으로 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예에 국한되지 않는다. 당해 기술 분야의 숙련자라면 상술한 기술 내용을 참조하여 다양한 변경, 변형이 가능할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 지정된다.
본 발명은 고분자 전해질 연료 전지에 다양하게 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료 전지에서, 플로딩(flooding) 및 드라이아웃(dryout)이 방지되어, 연료 전지의 성능 저하 방지를 돕는다.

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 삭제
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  7. 연료 전지에 있어서,
    막 전극 접합체(membrane electrode assembly: 21), 및
    상기 막 전극 접합체 외측에 인접하는 분리판(bipolar plate: 24)
    을 포함하되,
    상기 분리판(24)은, 다공성(porous)이며,
    상기 막 전극 접합체(21)의 일측의 일 표면상에 형성되는 제1 가스 통로(33);
    상기 막 전극 접합체(21)의 대향측의 다른 표면상에 형성되는 제2 가스 통로(35);
    상기 제1 가스 통로(33) 및 상기 제2 가스 통로(35)가 서로 소통되도록 하는 소통 통로(34, 81);
    상기 제1 가스 통로(33) 및 상기 제2 가스 통로(35) 중 하나에 접속되어 가스를 도입하기 위한 가스 주입부(gas inlet: 31); 및
    상기 제1 가스 통로(33) 및 상기 제2 가스 통로(35) 중 다른 하나에 접속되어 가스를 방출하기 위한 가스 배출부(gas outlet: 37)
    를 포함하는 연료 전지에 있어서,
    상기 가스 주입부(31)는 상기 제1 가스 통로(33)에 연결되고,
    상기 가스 배출부(37)는 상기 제2 가스 통로(35)에 연결되며,
    상기 가스 주입부(31)로부터 주입된 가스는 상기 제1 가스 통로(33), 상기 소통 통로(34, 81) 및 제2 가스 통로(35)를 통해 순서대로 흐르고, 상기 가스 배출부(37)로부터 방출되고,
    상기 제1 가스 통로(33)를 통해 흐르는 가스의 압력은 상기 제2 가스 통로(35)를 통해 흐르는 가스의 압력보다 높으며,
    상기 제1 가스 통로(33)와 상기 제2 가스 통로(35) 사이의 차압은 상기 소통 통로(34, 81)내의 압력 손실에 의해 생성되고,
    상기 소통 통로(81)내의 압력 손실을 조절함에 의해 차압을 조절하는 차압 조절 메카니즘(82)을 더 포함하는 연료 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차압 조절 메카니즘(82)은 연료 전지의 부하에 따른 압력 손실을 조절하는 연료 전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 연료 전지에 있어서,
    막 전극 접합체(membrane electrode assembly: 21), 및
    상기 막 전극 접합체 외측에 인접하는 분리판(bipolar plate: 24)
    을 포함하되,
    상기 분리판(24)은, 다공성(porous)이며,
    상기 막 전극 접합체(21)의 일측의 일 표면상에 형성되는 제1 가스 통로(33);
    상기 막 전극 접합체(21)의 대향측의 다른 표면상에 형성되는 제2 가스 통로(35);
    상기 제1 가스 통로(33) 및 상기 제2 가스 통로(35)가 서로 소통되도록 하는 소통 통로(34, 81);
    상기 제1 가스 통로(33) 및 상기 제2 가스 통로(35) 중 하나에 접속되어 가스를 도입하기 위한 가스 주입부(gas inlet: 31); 및
    상기 제1 가스 통로(33) 및 상기 제2 가스 통로(35) 중 다른 하나에 접속되어 가스를 방출하기 위한 가스 배출부(gas outlet: 37)
    를 포함하는 연료 전지에 있어서,
    상기 가스 주입부(31)는 상기 제1 가스 통로(33)에 연결되고,
    상기 가스 배출부(37)는 상기 제2 가스 통로(35)에 연결되며,
    상기 가스 주입부(31)로부터 주입된 가스는 상기 제1 가스 통로(33), 상기 소통 통로(34, 81) 및 제2 가스 통로(35)를 통해 순서대로 흐르고, 상기 가스 배출부(37)로부터 방출되고,
    상기 분리판(24)을 냉각하는 냉각 메카니즘(25)을 포함하되,
    상기 냉각 메카니즘(25)은 상기 분리판(24)을 냉각하여 상기 제2 가스 통로(35)를 통해 흐르는 가스의 온도는 상기 제1 가스 통로(33)을 통해 흐르는 가스의 온도보다 낮고,
    상기 냉각 메카니즘(25)은 상기 분리판(24)을 냉각하여, 상기 가스 주입부(31)에 가까울수록, 상기 제1 가스 통로(33)을 통해 흐르는 가스의 온도가 낮아지고,
    상기 연료 전지(11)의 가스 압력 또는 가스 이용율이 더 클수록, 상기 가스 배출부(37)로부터 방출되는 가스의 온도는 더 높아지도록 상기 냉각 메카니즘(25)의 냉각 성능을 조절하는 기능을 하는 제어기(10)를 포함하는 연료 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어기(10)는 상기 가스 주입부(31)에서의 가스의 온도 또는 습도가 더 높을수록, 상기 제1 가스 통로(33)을 통해 흐르는 가스의 온도 기울기가 증가하도록 상기 냉각 메카니즘(25)의 냉각 성능을 조절하는 연료 전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어기(10)는 추가로, 상기 연료 전지(11)의 가스 이용율이 더 클수록 상기 제1 가스 통로(33)를 통해 흐르는 가스의 온도 기울기가 증가하도록, 상기 냉각 메카니즘(25)의 냉각 성능을 조절하는 기능을 하는 연료 전지.
  18. 삭제
  19. 연료 전지에 있어서,
    막 전극 접합체(membrane electrode assembly: 21),
    상기 막 전극 접합체 외측에 인접하는 분리판(bipolar plate: 24), 및
    상기 분리판을 냉각하는 냉각 메카니즘(cooling mechanism: 25)
    를 포함하되,
    상기 분리판(24)은, 고형(solid)이며,
    가스를 도입하기 위한 가스 주입부(31),
    가스를 방출하기 위한 가스 배출부(37),
    상기 막 전극 접합체(21)의 일측의 일 표면상에 형성되며, 일 단부가 상기 가스 주입부(31)에 연결되고 다른 단부는 복귀부(33d)에 연결되는, 제1 가스 통로(33c);
    상기 막 전극 접합체의 상기 일측의 표면상에 상기 제1 가스 통로(33c)와 평행하게 형성되며, 일 단부가 상기 복귀부(33d)를 경유하여 상기 제1 가스 통로(33c)에 연결되고 다른 단부는 가스 배출부(37)에 연결되는, 제2 가스 통로(33e)를 포함하되,
    상기 냉각 메카니즘(25)은 분리판(24)을 냉각하여 상기 가스 주입부(31)에 가까울수록 상기 제1 가스 통로(33c)를 통해 흐르는 가스의 온도가 낮아지고,
    상기 연료 전지(11)의 가스 압력 또는 가스이용율이 더 높을수록, 상기 가스 배출부(37)로부터 방출된 가스의 온도가 더 높아지도록 상기 냉각 메카니즘(25)의 냉각 성능을 조절하는 기능을 하는 제어기(10)를 포함하는 연료 전지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어기(10)는 추가로, 상기 가스 주입부(31)에서의 가스의 온도 또는 습도가 더 높을수록 상기 제1 가스 통로(33c)를 통해 흐르는 가스의 온도 기울기가 증가하도록 상기 냉각 메카니즘(25)의 냉각 성능을 조절하는 기능을 하는 연료 전지.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제어기(20)는 추가로, 상기 연료 전지(11)의 가스 이용율이 더 높을수록, 상기 제1 가스 통로(33c)를 통해 흐르는 가스의 온도 기울기가 증가하도록 상기 냉각 메카니즘(25)의 냉각 성능을 조절하는 기능을 하는 연료 전지.
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