KR20030019248A

KR20030019248A - 연료 전지

Info

Publication number: KR20030019248A
Application number: KR1020020051891A
Authority: KR
Inventors: 야스오다카시; 하마다아키라; 이자키히로카즈; 스즈키슈우이치; 나카토구니히로; 미야케야스오
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2003-03-06
Also published as: US20030068543A1; CN1407645A; CN100428552C; KR100539114B1; US7276311B2

Abstract

본 발명은 구조가 간단하며 쉽게 가공할 수 있는 구조로, 응축수를 제거할 수 있도록 하여, 전극의 가습 과다에 의한 플로딩(flooding)을 방지한 고체 고분자형 연료 전지를 제공한다.

연료 전극 내지 공기 전극에 각각 연료 가스 내지 산화제 가스의 유로가 표면에 형성된 분리판이 마주보며, 연료 전극과 공기 전극 사이에 막 형상 전해질을 배치한 셀을 다수 적층하여 이루어지는 연료 전지에 있어서, 산화제 가스의 유로 또는 연료 가스의 유로의 중간보다 하류측에 배액 수단을 설치한다. 또, 연료 전극측 또는 공기 전극측의 적어도 한 쪽의 유로의 공급구로부터 배출구까지의 경로 중에, 연료 또는 산화제의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 수단을 적어도 1개 장소에 설치한다.

Description

연료 전지{Fuel cell}

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 전지 본체 내에 발생하는 응축수를 배제하여, 전극의 가습 과다에 의한 플로딩을 방지하도록 한 것이다.

고체 고분자형 연료 전지는 도 7에 모식적으로 도시하는 바와 같이 막 형상 전해질(A)(고체 고분자 전해질막)의 한 쪽의 면에는 연료 전극(B)(양극)이, 다른 쪽에는 공기 전극(C)(음극)이 각각 설치된 셀(H)을, 연료 전극측에는 연료 가스가 흐르는 유로(D)를 형성하는 동시에, 공기 전극측에는 산화제 가스가 흐르는 유로(F)를 형성한 분리판(J)에 의해 개재함으로써 구성되는 기본 유닛(I)을 다수 적층함으로써 형성된다(도 7에서는 3개의 셀을 적층). 이 연료 전지의 적층체의 양측에는 예를 들면 연료 가스 유로(D)만을 형성한 플레이트(E), 산화제 가스 유료(F)만을 형성한 플레이트(G)를 각각 설치한다.

상기 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 연료 전극측의 유로(D)에는 연료 가스(통상은 원래의 연료를 개질 장치로 농후 수소 가스로 개질한 개질 가스)가 공급되는 동시에, 공기 전극측의 유로(F)에는 산화제 가스(통상 공기)가 공급되며, 막 형상 전해질(A)을 통하여 전기 화학 반응이 발생함으로써 전기가 발생하며, 동시에 물이 생성된다. 결국, 연료 전지는 개질 가스 중의 수소 가스와, 공기 중의 산소 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전할 수 있다. 연료 전극(B)에서는 수소 분자를 수소 이온(프로톤)과 전자로 분리하는 반응, 공기 전극(C)에서는 산소, 수소 이온 및 전자로부터 물을 생성하는 반응이 각각 행하여져, 연료 전극(B)으로부터 공기 전극(C)을 향하여 외부 회로를 이동하는 전자에 의해 전력이 부하로 공급되는 동시에, 공기 전극(C)측에 물이 생성된다.

연료 전극: H₂→ 2H⁺+ 2e^-

공기 전극 : 4H⁺+ O₂+ 4e^-→ 2H₂O

전체 : 2H₂+ O₂→ 2H₂O

상기 종래의 고체 고분자형 연료 전지는 막 형상 전해질(A)이 습윤 상태이지 않은 경우, 프로톤 유도체로서 충분히 기능하지 않기 때문에, 연료 가스 내지 산화제 가스를 가습하여, 가습 연료 가스 내지 가습 산화제 가스로서 연료 전지 본체에 공급하며, 그들 가스 중에 포함되는 수분에 의해 막 형상 전해질(A)을 적당한 습윤 상태로 유지하도록 하고 있다. 그렇지만, 가습 산화제 가스가 유로(F)를 흐르는 과정에서, 공기 전극(C)에서 발생하는 생성수가 수증기가 되어 부가되기 때문에 유로(F)를 진행함에 따라서 수분이 과잉되어, 특히 중간보다 하류측에서 과포화되어 수분이 응축한다. 이 응축수가 유로(F)의 표면에 부착하면 유로(F)의 일부를 폐색하는 사태가 발생하며, 그 때문에 유로(F) 내에서의 산화제 가스의 흐름 분포가 편재되어, 산화제 가스의 공급 장해가 국부적으로 발생하여 발전 성능의 저하를 초래한다는 문제가 있었다. 이와 같은 응축수에 의한 유로의 폐색은 생성수의 역확산에 의해, 상기 연료 전극(B)측의 유로(D)에서도 일어날 수 있다는 문제가 있다.

이 문제를 해결하는 수단으로서, 예를 들면 특개평 6-89730호 공보에 산화제 가스 유로의 도중에 미가습 산화제 공급부 및 흡수재로 이루어지는 응축수 제거 수단을 설치하는 기술이 개시되어 있다. 이 경우, 응축수 제거 수단으로부터 공급되는 건조한 산화제 가스가 상류측으로부터의 습한 산화제 가스에 부가되며, 이것으로 하류의 산화제 가스 중의 수증기 분압을 저하시키기 때문에, 산화제 가스의 과포화 상태가 해소되며, 응축수의 증발이 촉진되는 동시에 미가습 산화제 공급부의 상류측에 접한 유로의 내벽면에 응축하는 응축수를 흡수재가 흡수하여 유로의 폐색을 방지하도록 하고 있다. 그렇지만, 상기 예에 의하면, 분리판의 산화제 가스 유로의 도중에 미가습 산화제 공급부 및 흡수재를 설치하지 않으면 안되며, 또 가습과 미가습의 2개의 산화제 가스 공급 유로를 형성하지 않으면 안되기 때문에, 구조가 복잡해져 가공하기 어려워지는 문제가 있었다. 또한 압력차를 주지 않으면 미가습 가스를 공급할 수 없거나, 유량이나 압력이 발전 조건에 의존하거나, 또는 유로 중의 가스 분배가 혼란되는 염려가 있기 때문에, 제어가 어렵다는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하며 쉽게 가공할 수 있는 구성으로, 응축수를 제거할 수 있도록 하며, 또 전극의 가습 과다에 의한 플로딩을 방지한 고체 고분자형 연료 전지를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하는 모식적 개략도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시 형태를 도시하는 모식적 개략도이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시 형태를 도시하는 모식적 개략도이다.

도 4는 본 발명의 제4 실시 형태를 도시하는 모식적 개략도이다.

도 5는 본 발명의 제5 실시 형태를 도시하는 모식적 개략도이다.

도 6은 본 발명의 제6 실시 형태를 도시하는 모식적 개략도이다.

도 7은 종래의 일반적인 고체 고분자형 연료 전지의 셀 구조의 일례를 도시하는 설명도이다.

도 8은 본 발명의 제7 실시 형태를 도시하는 연료 전지 주요부의 모식적 개략도이다.

도 9는 본 발명의 제8 실시 형태를 도시하는 연료 전지 주요부의 모식적 개략도이다.

도 10은 본 발명의 제9 실시 형태를 도시하는 연료 전지 주요부의 모식적 개략도이다.

도 11은 본 발명의 제10 실시 형태를 도시하는 연료 전지 주요부의 모식적 개략도이다.

도 12는 본 발명의 제11 실시 형태를 도시하는 연료 전지 주요부의 모식적 개략도이다.

도 13은 본 발명에 관한 연료 전지에서의 제습용 가스의 공급 경로를 도시하는 설명도이다.

도 14는 본 발명의 제12 실시 형태를 도시하는 연료 전지 주요부의 모식적 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 분리판 2 : 유로

3 : 공급 매니폴드 4 : 배출 매니폴드

5 : 연결부 6 : 배액 수단

7 : 반응 영역 11 : 분리판

13 : 공급구 14 : 배출구

15 : 온도 조절 수단 16 : 냉각수 유로

17 : 물 빼기 통로 18 : 드레인부

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

(1) 연료 전극 내지 공기 전극에 각각 연료 가스 내지 산화제 가스의 유로가 표면에 형성된 분리판이 마주보며, 연료 전극과 공기 전극 사이에 막 형상 전해질을 배치한 셀을 다수 적층하여 이루어지는 연료 전지에 있어서, 상기 산화제 가스의 유로 또는 연료 가스의 유로의 중간보다 하류측에 배액 수단을 설치한 구성을 특징으로 한다.

(2) 상기 배액 수단은 가스 밀봉인 봉수부(封水部)를 가지는 구성을 특징으로 한다.

(3) 상기 배액 수단은 연료 전지의 냉각수 경로에 접속되어 있는 구성을 특징으로 한다.

(4) 상기 산화제 가스의 유로 또는 연료 가스의 유로 중간보다 하류측에 다수의 유로를 연통하는 연결부를 설치하며, 이 연결부는 상기 배액 수단에 접속되어 있는 구성을 특징으로 한다.

(5) 상기 연결부는 막 형상 전해질이 연료 전극 및 공기 전극에 개재된 연료 전지 반응의 영역 외에 설치되어 있는 구성을 특징으로 한다.

(6) 상기 연결부는 연료 가스, 산화제 가스, 냉각수 중 어느 것의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치하는 구성을 특징으로 한다.

(7) 상기 연결부를 유통하는 산화제 가스 또는 연료 가스와, 연료 전지 반응에 사용하기 전의 산화제 가스, 연료 가스, 냉각수 중 어느 것 사이에서 열교환시키는 구성을 특징으로 한다.

(8) 상기 배액 수단은 산화제 가스 또는 연료 가스의 유로와는 별개로, 이들 가스 배출 매니폴드와 상기 연결부가 통하는 경로인 구성을 특징으로 한다.

(9) 상기 가스 배출 매니폴드와 상기 연결부가 통하는 경로에는 섬유 재료가 부설되어 있는 구성을 특징으로 한다.

본 발명에서는 산화제 가스의 유로 또는 연료 가스의 유로 중간보다 하류측에 배액 수단을 설치하는 구성(1)으로, 유로의 상류측에서 발생하는 응축수의 일부를 외부에 배출할 수 있다. 배액 수단은 밀봉인 봉수부를 가지는 구성(2)으로, 유로를 흐르는 가스의 유출을 방지하며, 또 배액 수단을 연료 전지의 냉각수 경로에 접속하는 구성(3)으로, 배출한 응축수를 연료 전지의 냉각수의 일부로서 유효하게 이용할 수 있다.

또, 가스 유로의 중간보다 하류측에 다수의 유로를 연통하는 연결부를 설치하며, 그 연결부를 상기 배액 수단에 연결하는 구성(4)으로, 연결부에서 가스의 유속을 저하시켜 응축수를 발생하기 쉽게 하며, 또한 응축수를 배액 수단에 의해 신속하게 외부로 배출할 수 있다.

이 연결부를 상기 배액 수단에 접속하는 구성(4)으로, 연결부에서 가스의 유속을 저하시켜 응축수를 발생하기 쉽게 하며, 또한 응축수를 배액 수단에 의해 신속히 외부에 배출할 수 있다.

이 연결부는 막 형상 전해질이 연료 전극 및 공기 전극에 개재된 연료 전지 반응의 영역 외에 설치하는 구성(5)으로, 연결부 내의 수증기가 냉각되기 쉬워져 드레인 효과를 높일 수 있다. 또, 연결부는 연료 가스, 산화제 가스, 냉각수 중 어느 것의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치하는 구성(6)으로, 냉각 작용을 증대시키는 동시에 공급 매니폴드에 병목 유로가 형성됨으로써 셀 적층 방향의 유배(流配)(유량 분포)를 균일화하는 것이 가능해진다. 또한, 구성(7)으로, 연결부를 유통하는 가스와, 연료 전지 반응에 사용하기 전의 산화제 가스, 연료 가스, 냉각수 중 어느 것 사이에서 열교환시킬 수도 있다.

또, 상기 배액 수단은 산화제 가스 또는 연료 가스의 유로와는 별개로, 이들가스의 배출 매니폴드와 상기 연결부가 통하는 경로인 구성(8)으로, 배액 수단을 분리판 내에 설치할 수 있으며, 그 경로에는 섬유 재료를 부설하는 구성(9)으로 응축수를 흡수하며 또는 모세관 현상에 의해 배출 매니폴드에 도입할 수 있는 동시에, 경로 내에 가스가 방출하지 않도록 한다.

또한, 본 발명은,

(10) 연료 및 산화제를 공급하여 발전하는 연료 전지에 있어서, 연료 전극 또는 공기 전극의 적어도 한 쪽 유로의 공급구로부터 배출구까지의 경로 중에, 연료 또는 산화제의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 수단이 적어도 1개 장소에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

(11) 상기 유로의 경로가 1개의 온도 조절 수단에 대하여 여러 번 경유하는 것을 특징으로 한다.

(12) 상기 온도 조절 수단은 전극면보다도 외부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

(13) 상기 온도 조절 수단은 냉각 장치인 것을 특징으로 한다.

(14) 상기 냉각 장치는 상기 유로의 후반부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

(15) 상기 냉각 장치를 경유하는 상기 연료 또는 산화제가 가스 형상인 것을 특징으로 한다.

(16) 상기 냉각 장치는 가스를 냉각한 때에 발생하는 응축수를 유로로부터 제거하기 위한 드레인부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

(17) 상기 냉각 장치는 상기 유로를 수랭 또는 공랭하는 것인 것을 특징으로 한다.

(18) 연료 및 산화제를 공급하여 발전하는 연료 전지에 있어서, 연료 전극 또는 공기 전극의 적어도 한 쪽 유로의 공급구로부터 배출구까지의 경로 중에, 연료 또는 산화제의 습도를 조절하기 위한 습도 조절 수단을 적어도 1개 장소에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

(19) 상기 습도 조절 수단은 제습 장치인 것을 특징으로 한다.

(20) 상기 제습 장치는 유로의 경로 외벽의 일부에 보수부(保水部)를 구비하며, 이 보수부에 접하도록 제습용 가스를 상기 유로와는 별개로 설치한 제습용 유로로부터 공급하여 제습하는 것을 특징으로 한다.

(21) 상기 유로의 경로는 제습 장치를 적어도 1회 경유하는 것을 특징으로 한다.

(22) 상기 제습 장치는 유로의 후반부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

(23) 상기 제습용 가스는 수증기가 포화하고 있지 않은 연료 또는 산화제의 적어도 한 쪽으로, 제습에 사용한 후에, 이 일부 또는 전부 혹은 새로이 연료/산화제 가스를 부가하여 연료 전지에 공급되는 것을 특징으로 한다.

(24) 상기 제습용 가스는 연료 전지 스택의 다수의 장소로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서의 상기 온도 조절 수단(냉각 장치)은 반응 가스(연료 또는 산화제) 유로의 일부에 설치되며, 연료 전지의 전극면 외에서 유로 내부의 반응 가스를임의의 온도로 냉각하는 것이다. 본 발명의 구조에서는 유로의 도중으로부터 새로이 가스를 혼합하는 것 없기 때문에, 유로 중의 가스 흐름을 혼란시키는 일이 없다.

또, 반응 가스는 음극측의 생성수에 의해 유로의 하류일수록 습도가 높아지기 때문에, 습도 조절 수단은 유로의 후반부에 있는 것이 바람직하다.

또한, 반응 가스의 습도가 높은 경우, 냉각하면 응축수가 생성하는 일이 있기 때문에, 이 응축수를 유로로부터 제거할 수 있도록 드레인부를 설치하는 것이 바람직하다.

이 경우, 반응 가스의 습도가 높았던 부위에서 반응 가스를 냉각하여 온도를 낮출 수 있기 때문에, 전극면 내에서의 온도 분포를 균일화할 수 있어, 전지 성능이 향상한다.

본 발명의 습도 조절 수단(제습 장치)은 가스 유로의 도중에 보수부를 구비하며, 이들에 건조한 가스를 접촉시키는 것이다. 반응 가스 중의 수분은 보수부를 통하여 건조 가스측에 이동한다. 습도 조절 수단은 연료 전극, 공기 전극의 적어도 한 쪽의 가스 유로에 설치한다.

또, 플로딩은 가스 유로의 하류측에서 일어나기 쉽기 때문에, 습도 조절 수단은 후반부에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 제습용 건조 가스로서, 미가습의 전지에 공급하기 전의 반응 가스(연료 또는 산화제)를 이용하며, 제습에 이용한 후에, 이 일부 또는 전부 혹은 새로이 반응 가스를 부가하여 연료 전지에 공급할 수 있다.

이 경우, 반응 가스의 습도가 높았던 부위에서 수분을 배출하여 습도를 낮출 수 있기 때문에, 가스 유로의 하류측에 발생하기 쉬운 플로딩을 방지할 수 있어, 전지 성능이 향상한다.

<발명의 실시 형태>

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관해서, 첨부 도면을 참조하면서 또한 구체적으로 설명한다.

<실시예 1>

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하는 것으로, 도면 중 1은 공기 전극측의 분리판으로, 그 표면에 다수의 오목(凹) 홈 형상 유로(2)가 접어 꺾기를 통하여 굴곡 형상으로 형성되며, 시작 단부는 산화제 가스의 공급 매니폴드(3)에 접속되며, 종료 단부는 배출 매니폴드(4)에 접속되어 있다. 따라서, 산화제 가스는 공급 매니폴드(3)로부터 유로(2)에 유입하며, 그 유로(2)를 통과한 후에 배출 매니폴드(4)로부터 배출된다.

상기 분리판(1)은 유로(2)에서의 중간보다 하류측 예를 들면 최후의 접어 꺾기부에 다수의 유로(2)를 상호로 연통하는 연결부(5)를 설치하며, 이 연결부(5)의 하부에 배액 수단(6)을 설치한다. 이 경우, 배액 수단(6)은 대략 S자형으로 굴곡한 드레인관(6a)으로 구성되며, 그 드레인관(6a)의 상단이 연결부(5)의 하부에 연통하여 접속되며, 하단은 외부에 개구하고 있다.

이와 같이 구성된 분리판(1)에서, 상기 공급 매니폴드(3)로부터 가습된 산화제 가스가 공급되면 유로(2)를 통과하여 흐르며, 도시는 생략하였지만 연료 전극측의 분리판의 유로를 흐르는 연료 가스와 함께, 막 형상 전해질을 통하여 전기 화합 반응에 의해 기전력이 발생한다. 분리판(1)의 유로(2)는 공기 전극(도시 생략)이 밀착하는 반응 영역(7)(파선으로 도시) 내를 산화제 가스가 평균적으로 흐르며, 게다가 유역 면적이 크게 되도록 설계되어 있다.

이와 같이, 공기 전극에서 생성된 물은 분리판(1)의 유로(2)를 흐르는 산화제 가스 중에 혼입하며, 하류로 갈수록 산화제 가스 중의 수증기 분압이 높아져 과포화 상태가 된다.

이 제1 실시 형태에서는 상기와 같이 분리판(1)의 유로(2)의 하류측에 연결부(5)가 설치되어 있기 때문에, 산화제 가스가 그 연결부에 도달하면 유속이 감소하며, 과포화 상태의 수증기가 응축하여 응축수가 발생한다. 이 응축수는 연결부(5)를 유하하여 상기 배액 수단(6)의 드레인관(6a) 내에 유입하며, 하단의 개구부로부터 외부에 배출된다. 이때, 드레인관(6a)의 U자형 굴곡부가 봉수부(6b)가 되어 가스 밀봉 작용을 수행하기 때문에, 산화제 가스는 드레인관(6a)을 통하여 외부에 유출하는 것 없이, 연결부(5)로부터 보다 하류측의 유로(2)를 통과하여 배출 매니폴드(4)로부터 배출된다.

이와 같이 하여 분리판(1)의 상류측에서 발생하는 응축수를 배액 수단(6)으로 외부에 배출할 수 있음으로써, 하류측에서 응축수가 유로(2)의 표면에 부착하여 폐색하는 빈도가 저감된다. 따라서, 산화제 가스의 공급이 적정하게 행하여짐으로써 정상적인 전기 화학 반응이 유지되어, 연료 전지의 발전 성능을 저하시키는 것이 없다.

상기 제1 실시 형태에서는 연결부(5)의 밑에 배액 수단(6)을 설치한 것이지만, 연결부(5)를 설치하지 않고 배액 수단(6)만으로 응축수를 외부에 배출하는 것도 가능하다. 그 경우에는 예를 들면 배액 수단(6)의 드레인관(6a)의 상단부를 분기시켜 다수의 유로(2)에 각각 접속하도록 구성하면 바람직하다. 또, 드레인관(6a)을 안정하게 부착하기 위해서는 분리판(1)에 오목 홈을 형성하여 그 오목 홈 내에 드레인관을 끼워 맞추도록 한다.

(실시예 2)

도 2는 본 발명의 제2 실시 형태를 도시하는 것으로, 제1 실시 형태와 대략 동일하지만, 배액 수단(6)의 구성이 상이하다. 즉, 이 경우는 S자형의 드레인관을 이용하지 않고, 직선관(6c)과 그 직선관(6c)의 하단부에 접속한 드레인 탱크(6d)로부터 배액 수단(6)을 구성한다. 드레인 탱크(6d)는 배출관(6e)을 드레인 탱크(6d)의 저위벽으로부터 소정의 높이 위치에 부착하며, 내부에 소정량의 드레인(응축수)을 유지하며, 이 드레인 중에 직관(6c)의 하단부를 위치시킴으로써, 가스 밀봉인 봉수부(6f)가 형성되도록 한다.

(실시예 3)

도 3은 본 발명의 제3 실시 형태를 도시한 것으로, 상기 제2 실시 형태를 보다 발전시켜, 드레인 탱크(6d)로부터 배출되는 드레인(응축수)을 연료 전지의 냉각수의 일부로서 유효하게 이용하는 것을 의도한 것이다. 고체 고분자형 연료 전지는 상기와 같이 전기 화학 반응은 발열 반응이기 때문에 온도가 상승한다. 이 때문에, 냉각수를 공급함으로써, 연료 전지를 적정 온도 예를 들면 80℃로 유지하는것이 행하여진다.

상기 의도에 기초하여, 상기 드레인 탱크(6d)를 냉각수 경로(8)에 접속하는 구성이 취하여진다. 드레인 탱크(6d)의 배출관(6e)으로부터 배출되는 드레인(응축수)은 냉각수로서 펌프(8a)로 연료 전지의 냉각부에 송입되며, 냉각부로부터 배출된 냉각수는 드레인 탱크(6d)에 되돌려진다. 연료 전지의 냉각부는 통상 각 셀의 분리판의 배면측에 설치된 냉각수의 유로(도시 생략)로 구성되고 있다.

이와 같이 하면, 응축수를 드레인 탱크(6d)로부터 외부에 버리지 않고 연료 전지를 냉각하기 위한 냉각수로서 유효하게 이용할 수 있다. 또, 드레인 탱크(6d)는 종래의 물탱크로서 겸용할 수 있다. 냉각수의 부족분은 드레인 탱크(6d)에 수돗물을 공급함으로써 보급한다.

(실시예 4)

도 4는 본 발명의 제4 실시 형태를 도시하는 것으로, 상기 제2 실시예와 대략 동일하지만, 연결부(5)는 상기 연료 전지의 반응 영역(7)에 위치시켜 설치한 구성이 상이하다. 즉 연결부(5)는 막 형상 전해질이 연료 전극 및 공기 전극에 개재된 반응 영역(7)의 외측, 구체적으로는 상기 공급 매니폴드(3)의 하방부에 설치되어 있다.

연료 전지의 반응 영역(7) 내에서는 발열 반응을 일으켜 고온이 되어 있지만, 반응 영역(7) 외에서는 낮은 온도이기 때문에, 연결부(5) 내의 수증기가 냉각되어 응축화하기 쉬워진다. 이 때문에, 연결부(5)를 반응 영역(7) 내에 설치한 경우에 비하여 냉각 작용이 높아짐으로써 응축수가 다량으로 발생하며, 그 응축수는상기 배액 수단(6)으로 드레인 탱크(6d)에 배출된다.

(실시예 5)

도 5는 본 발명의 제5 실시 형태를 도시하는 것으로, 상기 제4 실시 형태를 발전시킨 것으로, 연결부(5)를 공급 매니폴드(3)에 관련시킨 구성에 특징을 가진다. 즉, 연결부(5)는 공급 매니폴드(3)의 영역에 뻗어나와 설치하며, 공급 매니폴드(3)에 병목 통로(3a)가 형성되도록 구성한다. 공급 매니폴드(3)는 상기 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태의 것보다도 긴 치수로 형성되며, 하단부의 도입구(3b)로부터 산화제 가스가 유입하는 동시에, 병목 통로(3a)를 통하여 상방부에 도달하여 유로(2) 내에 공급될 수 있도록 하고 있다.

이 경우, 공급 매니폴드(3)의 도입구(3b)로부터는 연료 전지 반응에 사용하기 전의 산화제 가스가 유입함으로써, 상기 연결부(5)를 통하는 산화제 가스보다 저온으로, 공급 매니폴드(3)의 병목 통로(3a)와 연결부(5)는 인접 상태이기 때문에, 연결부(5)를 통하는 산화제 가스는 병목 통로(3a)를 통하는 저온의 산화제 가스에 의해 냉각된다. 즉, 연결부(5)를 흐르는 산화제 가스와, 연료 전지 반응에 사용하기 전의 산화제 가스 사이에서 열교환이 행하여진다. 이것으로, 제4 실시 형태에 비하여 연결부(5)에서의 냉각 작용이 향상하여, 드레인 효과를 보다 높일 수 있다.

상기 공급 매니폴드(3)는 연료 전지의 셀 적층 방향으로 연통하고 있으며, 통상 산화제 가스는 연료 전지의 단부 즉 외측의 분리판의 도입구(3b)로부터 공급된다. 도입된 산화제 가스는 상기 병목 통로(3a)를 통하여 상방부에 도달하여 각분리판(1)의 유로(2)에 공급되지만 병목 통로(3a)로 셀 적층 방향의 유배가 균일화된다. 이 때문에, 각 분리판(1)의 유로(2)에는 산화제 가스가 대략 균일량 공급되는 것이 되며, 이 결과 각 셀에서 전지 반응에 편차가 발생하는 것 없이, 효율이 좋은 발전이 행하여진다. 각 셀에서, 반응 영역(7)에서 미반응으로 종료한 산화제 가스는 상기 배출 매니폴드(4)에 배출되며, 셀 적층 방향으로 연통하는 이 배출 매니폴드(4)를 통하여 연료 전지의 외부에 배기된다.

(실시예 6)

도 6은 본 발명의 제6 실시 형태를 도시하는 것으로, 배액 수단(6)을 분리판(1) 내에 설치하는 구성에 특징을 가지는 것이다. 즉, 산화제 가스의 유로(2)와는 별개로, 이 가스 출구인 배출 매니폴드(4)와 연결부(5)가 통하는 경로(6g)를 배액 수단(6)으로 한다. 이 경로(6g)는 분리판(1)의 표면 하단부에 오목 홈을 형성함으로써 쉽게 구성할 수 있다. 이 경로(6g)에는 예를 들면 흡수성의 부직포나 모세관 현상에 의한 흡수 기능이 뛰어난 직포 등의 섬유 재료(도시 생략)를 부설하는 것이 바람직하다.

이 경우, 연결부(5)에서 발생한 응축수는 배액 수단(6)인 경로(6g) 내에 유입하는 동시에, 이 경로를 경유하여 배출 매니폴드(4)에 배출된다. 배출 매니폴드(4)에 배출된 응축수는 연료 전지의 셀 적층 방향으로 연통하는 이 배출 매니폴드(4)를 경유하여 산화제 가스와 함께 외부에 배출된다. 경로 내에는 상기와 같이 섬유 재료가 부설되어 응축수가 충만하고 있기 때문에, 산화제 가스가 경로(6g) 중에 유출하는 것을 저지할 수 있다.

상기 실시 형태는 어느 것이라도 공기 전극측에서의 분리판(1)의 유로(2)에 가습 산화제 가스가 공급되는 예에 관한 것이었지만, 연료 전극측에서 분리판의 유로에 가습 연료 가스가 공급되는 예에 관해서도, 상기 실시 형태를 어느 것이라도 적용하는 것이 가능하다.

또, 상기와 같이 연결부(5)를 산화제 가스의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치하지만, 연료 전지의 냉각부에 설치하는 냉각수의 공급 매니폴드(도시 생략)에 인접시켜 설치하며, 연결부(5)를 통하는 산화제 가스와 냉각수 사이에서 열교환시키도록 구성할 수 있다. 또한, 도시는 생략하였지만 연료 전극측에 적용하는 경우는 연결부를 연료 가스의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치하지만, 이 경우도 연료 전지의 냉각부에 설치하는 냉각수의 공급 매니폴드(도시 생략)에 인접시켜 설치함으로써, 연결부를 통하는 연료 가스와 냉각수 사이에서 열교환시키는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 분리판의 유로는 접어 꺾기를 가지는 굴곡 형상인 것으로 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고 직선 형상 그 밖의 임의 형상의 유로에도 충분히 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 연료 전지의 산화제 가스 또는 연료 가스의 유로의 중간보다 하류측에 배액 수단을 설치하였기 때문에, 셀의 상류측에서 발생하는 응축수의 일부를 배출할 수 있기 때문에, 하류측에서의 응축수에 의한 유로의 폐색 빈도를 저감할 수 있다. 또, 연결부를 설치함으로써 가스의 유속을 저하시켜, 응축수를 발생하기 쉽게 함으로써, 보다 많은 응축수를 배액 수단에 도입할수 있다. 또한, 연결부를 전지 반응 영역의 외측에 설치하며, 혹은 산화제 가스 또는 연료 가스의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치함으로써 냉각 효율을 높이는 동시에, 열교환시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 구조가 간단하며, 쉽게 가공할 수 있는 구성으로 응축수를 제거할 수 있도록 한 고체 고분자형 연료 전지를 제공할 수 있으며, 이것으로 응축수에 기인하는 발전 특성 저하를 방지하여, 연료 전지의 발전을 효율 좋게 행할 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 관해서 설명한다.

(실시예 7)

도 8은 본 발명의 제7 실시 형태를 도시하는 것으로, 고체 고분자형 연료 전지의 스택 중에서의 분리판(11)의 일부를 모식적으로 도시한 개략도로, 그 전극면에는 상호에 인접한 다수의 유로(12)가 사행 형상으로 형성되어 있다.

이 유로(12)에 대하여, 반응 가스(연료 또는 산화제)를 공급하기 위한 공급구(13)가 일단측에 형성되는 동시에, 타단측에는 반응 가스를 배출하기 위한 배출구(14)가 형성되어 있다. 또, 공급구(13)로부터 배출구(14)까지의 경로 중, 일부는 분리판(11)의 측부에 설치된 온도 조절 수단(15)을 경유하도록 되어 있다.

온도 조절 수단(15)은 냉각 장치로서, 유로(12)의 연장부(12a)에 근접시켜 다수(2개)의 냉각수 유로(16)가 형성되며, 또한 연장부(12a)에 연통하는 물 빼기 통로(17)를 설치하여 드레인부(18)에 접속하고 있다. 드레인부(18)는 탱크 등에서 형성하여 저위부에 드레인관(18a)을 부착하여, 그 드레인관(18a)에 개폐 밸브(18b)를 부착하고 있다.

온도 조절 수단(15)은 예를 들면 판 형상물로 형성하여 분리판(11)과 마찬가지로 다수 적층함으로써 구성할 수 있다. 이 경우, 냉각수 유로(16)는 분리판(11)의 공급구(13) 및 배출구(14)와 마찬가지로 적층 방향에 연통한다. 이 온도 조절 수단(15)은 도 1에서는 유로(12)의 대략 중간부에 설치되어 있지만, 상대 습도 상승이 심한 후반부에 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 연료 전지에 있어서, 반응 가스가 분리판(11)의 공급구(13)로부터 공급되면, 유로(12)를 통하여 흘러 상기와 같이 셀 유닛의 내부에서 고체 고분자막을 통하여 전기 화학 반응이 발생한다. 유로(12)를 흐르는 반응 가스는 전기 화학 반응에 의한 생성수에 의해 가습되며, 그 상대 습도는 점차 높아진다. 습도가 높았던 반응 가스는 유로(12)의 연장부(12a)를 통하여 온도 조절 수단(15)에 도입된다.

온도 조절 수단(15)에서는 냉각수 통로(16)에 냉각수가 흐르기 때문에 반응 가스는 냉각된다. 반응 가스는 상기와 같이 고체 고분자막을 습윤시키기 때문에 가습되어 있어, 반응 가스 중에는 수증기가 포함되어 있다. 이 반응 가스 중의 수증기는 온도 조절 수단(15)으로 냉각됨으로써 응축수가 되며, 상기 물 빼기 통로(17)를 경유하여 드레인부(18)에 수용된다.

산화제 가스가 흐르는 분리판(11)에서는 공기 전극측에서 전기 산화 반응에 수반하여 물이 발생되며, 또 연료 전극측으로부터의 프로톤 이동에 수반하여 수분이 운반되기 때문에 유로(12) 내에서의 수증기는 과포화 상태가 된다. 이 때문에,산화제 가스 중에 포함되어 있는 수증기는 온도 조절 수단(15)으로 냉각되어 많은 응축수가 발생한다. 이 응축수는 상기와 같이 물 빼기 통로(17)를 경유하여 드레인부(18)에 수용된다.

드레인부(18)에 수용한 응축수는 재차 온도 조절 수단(15)의 냉각수로서 이용할 수 있으며, 또 오염 문제가 없으면 연료 전지의 가습수로서 사용하는 것도 가능하다.

이와 같이 하여, 반응 가스는 온도 조절 수단(15)으로 냉각되며, 이 냉각에 수반하여 반응 가스 중의 수증기가 응축수로서 냉각된 후, 다시 전극면 내의 유로(12)에 되돌아간다. 따라서, 종래와 같이 유로(12)의 하류측에서 수분이 부착하여 반응 가스의 흐름을 저해하는 것이 없기 때문에, 전지 성능의 저하를 일으키는 것이 없다. 또한, 전극면에서 미반응으로 종료한 가스는 분리판(11)의 배출구(14)에 배출된다.

(실시예 8)

도 9는 본 발명의 제8 실시 형태를 도시하는 것으로, 온도 조절 수단을 2개 장소에 설치한 구성에 특징을 가지는 것이다. 즉, 분리판(111)의 유로(112)에 제1 연장부(112a)와, 제2 연장부(112b)를 형성하며, 제1 연장부(112a)는 분리판(111)의 측부에 설치한 제1 온도 조절 수단(115a) 내를 경유하며, 제2 연장부(112b)는 제2 온도 조절 수단(115b)을 경유하도록 형성하고 있다.

제1 온도 조절 수단(115a)은 냉각 장치로서, 제1 연장부(112a)에 근접시켜 다수의 냉각수 통로(116a)를 설치하며, 제1 연장부(112a)에 연통하는 물 빼기통로(117a)를 설치하며, 이 물 빼기 통로(117a)는 드레인부(118)에 접속하고 있다. 제2 온도 조절 수단(115b)도 마찬가지로 냉각 장치로서, 제2 연장부(112b)에 근접시켜 다수의 냉각수 통로(116b)를 설치하며, 또한 제2 연장부(112b)에 연통하는 물 빼기 통로(117b)를 설치하며, 이 물 빼기 통로(117b)는 드레인부(118)에 접속하고 있다. 드레인부(118)의 저위부에는 드레인관(118a)을 부착하며, 개폐 밸브(118b)를 설치한다.

이와 같이 구성된 연료 전지에 있어서, 분리판(111)의 공급구(113)로부터 공급되는 반응 가스는 유로(112)를 따라서 흐르는 동시에 제1 연장부(112a)를 통하여 제1 온도 조절 수단(115a) 내에 도입되며, 여기서 냉각된 후에 전극면 내의 유로(112)에 되돌려진다. 제1 온도 조절 수단(115a)에서는 반응 가스 중의 일부 수증기가 응축되며, 이 응축수는 물 빼기 통로(117a)를 경유하여 드레인부(118)에 수용된다.

전극면 내에 되돌아간 반응 가스는 다음에 제2 연장부(112b)를 통하여 제2 온도 조절 수단(115b) 내에 도입되며, 여기서 냉각된 후에 다시 전극면 내의 유로(112)에 되돌아간다. 이 제2 온도 조절 수단(115b)에 있어서도, 반응 가스 중의 수증기가 응축되며, 그 응축수는 물 빼기 통로(117b)를 경유하여 드레인부(118)에 수용된다.

이 경우, 반응 가스는 2회에 걸쳐 냉각되기 때문에, 유로(112)의 하류측에서의 응축수의 부착은 제7 실시 형태의 경우보다도 더욱 완전히 방지되며, 반응 가스의 유통이 좋게 되며, 전류 분포도 극소로 됨으로써 전기 성능이 향상한다. 또한,미반응으로 종료한 가스는 분리판(111)의 배출구(114)에 배출된다.

(실시예 9)

도 10은 본 발명의 제9 실시 형태를 도시하는 것으로, 제8 실시 형태와 유사하지만, 제1 온도 조절 수단(115a)과, 제2 온도 조절 수단(115b)을 1개 장소에 묶은 온도 조절 수단(115)을 설치한 구성에 특징을 가지는 것이다. 알기 쉽게 하기 위해서, 제8 실시 형태와 동일 부재는 상기와 동일 부호로서 나타내고 있다.

(실시예 10)

도 11은 본 발명의 제10 실시 형태를 도시하는 것으로, 제9 실시 형태에서의 온도 조절 수단(115)을 분리판(121)과 일체화한 구성을 특징으로 하는 것이다. 즉, 제1 온도 조절 수단(115a)과 제2 온도 조절 수단(115b)으로 이루어지는 온도 조절 수단(115)이 분리판(121)의 전극면(121a)의 외측에 위치시켜 설치되어 있다. 온도 조절 수단(115)을 별도의 개체로 형성하여, 분리판(121)에 이후에 부착할 필요가 없어진다.

본 발명의 제7 실시 형태 내지 제10 실시 형태 중 어느 것에 있어서도, 온도 조절 수단에 반응 가스의 온도를 측정하는 측온부를 설치하며, 또한 냉각수의 유량을 조정하는 유량 조정부를 설치하며, 제어 장치에 의해 임의의 온도 설정치에 대하여 냉각수 유량을 자동적으로 조정할 수 있도록 구성하면 바람직하다. 또, 냉매는 물에 한정되지 않으며, 그 밖의 액체 또는 공기 등의 기체여도 된다. 온도 조절 수단은 연료 전극측, 공기 전극측의 적어도 한 쪽의 가스 유로에 설치한 것으로 한다.

다음에, 온도 조절 수단을 이용하여 반응 가스 중의 수증기를 조절하며, 가스 유로의 하류측에서 발생하기 쉬운 플로딩을 방지할 수 있도록 한 실시 형태에 관해서 설명한다.

(실시예 11)

도 12는 본 발명의 제11 실시 형태를 도시한 것으로, 131은 분리판이며, 서로 인접하는 다수의 유로(132)가 사행 형상으로 형성되며, 유로(132)의 일단측에는 공급구(133)가 설치되며, 타단측에는 배출구(134)가 설치되어 있으며, 또한 유로(132)의 경로 중에 습도 조절 수단(135)이 설치되어 있다.

습도 조절 수단(135)은 제습 장치로서, 유로(132)의 외벽인 보수부(136)와, 이 보수부(136)에 접하도록 하여 유로(132)와는 별개로 설치한 제습용 유로(137)로 구성되어 있다. 이 경우, 보수부(136)는 유로(132)의 경로 중 대략 중간부에 위치하는 외벽을 구성하도록 하고 있다. 이 보수부(136)로 유로(132)와 제습용 유로(137)가 분리되어 있다.

보수부(136)는 예를 들면 폴리아크릴산계 흡수 수지나, 흡수 시트 등 흡수성 고분자나, 모세관 현상을 이용하여 물질 내부에 수분을 흡수하는 재료 등을 이용할 수 있으며, 반응 가스가 투과하지 않도록 두껍게 중첩한다. 제습용 유로(137)는 건조한 제습용 가스를 통과시키기 위한 것으로, 이 제습용 가스를 보수부(136)에 직접 접촉시킨다.

제습 조절 수단(135)은 도 12에서는 유로(132)의 경로 중 대략 중간부에 설치되어 있지만, 플로딩은 유로(132)의 하류측에서 일어나기 쉽기 때문에 후반부에설치하는 것이 바람직하다. 또, 도시는 생략하였지만, 제습 조절 수단(135)은 상기 온도 조절 수단과 마찬가지로, 유로(132)의 경로 중에 다수 장소에 설치하는 것도 가능하다.

이와 같이 구성된 연료 전지에 있어서, 분리판(131)의 공급구(133)로부터 반응 가스가 공급되면, 셀 유닛의 고체 고분자 막을 통하여 전기 화학 반응이 발생하며, 전기와 물이 생성된다.

반응 가스는 유로(132)를 흘러감에 따라 상대 습도가 높아진다. 상대 습도가 높아졌던 반응 가스는 습도 조절 수단(135)의 보수부(136)로 가스 중에 포함되어 있는 수분이 흡수된다. 따라서, 반응 가스는 습도 조절 수단(135)으로 상대 습도가 낮아진다. 이 때문에, 유로(132)의 하류측에서 수분이 응축하여, 유로(132)에 부착하여 폐색하는 일은 없다.

보수부(136)는 반응 가스 중의 수분을 흡수하여 함수율이 서서히 높아진다. 함수율이 높아지면 흡수율이 저하하기 때문에, 상기 제습용 유로(137)에 건조한 제습용 가스를 흘림으로써 보수부(136)를 건조시키고, 함수율을 저하시킨다.

제습용 유로(137)에 공급하는 제습용 가스로서는 통상은 건조한 반응 가스나 질소 등의 불활성 가스를 이용하지만, 반응 가스를 이용하는 경우는 전지 온도에 대하여 포화 이슬점 이하의 연료 전지에 공급하기 전의 반응 가스를 이용해도 된다.

도 13에 모식적으로 도시하는 바와 같이, 제습용 가스로서 미가습의 반응 가스가 이용되며, 이것을 제습용 유로(137)에 공급하며, 보수부(136)에 접촉시켜 건조시킨다. 수분을 흡수한 후의 반응 가스는 일부 또는 전부를 유량 조정기(138)에 통하여 유량을 조정한다. 이때, 새로운 반응 가스를 저장부(도시 생략)로부터 소요량 공급하는 것도 있다. 유량 조정된 반응 가스는 가습기(139)로 적정하게 가습한 후에, 연료 전지(140)의 단부에 설치된 가스 공급구(140a)에 공급된다.

가스 공급구(140a)에 공급된 가습 반응 가스는 연료 전지(140)의 셀 유닛 적층 방향에 연통하는 공급구(133)를 통하여, 각 셀 유닛에서의 분리판(131)의 유로(132)에 흘러 들어간다. 유로(132)에 흘러 들어간 가습 반응 가스는 셀 유닛의 전극면 내에서 전기 산화 반응에 놓여지며, 미반응으로 종료한 가스는 배출구(134)에 배출된다. 유로(132)를 흐르는 가습 반응 가스는 상기 습도 조절 수단(135)을 경유하는 때에 보수부(136)로 제습된다.

분리판(131)의 배출구(134)에 배출된 미반응 가스는 셀 유닛 적층 방향에 연통하는 배출구(134)를 통하여, 연료 전지(140)의 단부에 설치된 가스 배출구(140b)로부터 외부에 배출된다.

상기와 같이 가습 반응 가스는 연료 전지(140)의 가스 공급구(140a)로부터 공급되지만, 유로(132)를 진행함에 따라 상대 습도가 높아진다. 그래서, 제습용 유로(137)에 건조 가스를 흘림으로써, 보수부(136)를 통하여 수분을 건조 가스측에 이동시켜, 반응 가스의 습도를 낮출 수 있다. 이것으로, 유로(132)의 하류측에서 발생하기 쉬운 플로딩을 방지할 수 있으며, 양호한 상태로 발전할 수 있다. 또, 가스 유로가 다수로 분할되어 있는 경우에도, 보수부(136)에서 일단 유로를 합류시키는 등의 수단에 의해, 전체 습도 조절 수단(135)을 경유시킬 수 있다.

습도 조절 수단(135)은 1개의 장소일 필요는 특별히 없으며, 다수의 장소에 설치하여 다단계로 제습을 행하는 것도 가능하다. 또, 연료 전지 내부의 온도 분포를 변화시키지 않도록, 제습용 가스를 제습용 유로(137)에 공급하기 전에 미리 전지 온도 부근까지 가열하여 두어도 된다. 또한, 연료 전지(140)의 단부로부터 제습용 가스를 공급하는 경우, 일단만으로는 하류측의 분리판(131)에서는 제습용 가스의 습도가 높아지며, 제습 효과가 저하된다. 그래서, 어느 분리판에도 대략 균일한 제습용 가스가 도달하도록 제습용 가스의 공급구를 연료 전지의 양단이나 중앙 등에 다수 설치하는 것도 유효하다.

(실시예 12)

도 14는 본 발명의 제12 실시 형태를 도시하는 것으로, 제습용 유로를 다수 설치한 구성에 특징을 가지는 것이다. 이 경우는 제1 제습용 유로(137a)와 제2 제습용 유로(137b)를 상하 2단으로 분할하여 설치하며, 제1 제습용 유로(137a)와 제2 제습용 유로(137b)는 제습용 가스의 흐름 방향을 역으로 한다.

이와 같이 구성된 연료 전지에 의하면, 제습용 가스를 연료 전지의 양단으로부터 상반하는 방향으로 공급하여 균일하게 제습할 수 있다. 또한, 제11 실시 형태와 동일 부재는 동일 부호로 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 연료 전지의 반응 가스 유로에 있어서, 분리판의 공급구로부터 배출구에 도달하는 유로의 도중에서 전극면 외에 설치된 온도 조절 수단을 통과하며, 재차 전극면 내의 유로에 되돌아오도록 구성한 것으로, 반응 가스가 온도 조절 수단에 의해 냉각되며, 전극면 내의 플로딩을 방지할 수 있으며, 이것으로 연료 전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.

또, 온도 조절 수단을 하류측에 설치함으로써, 또는 복수 장소에 설치함으로써, 전극면 내의 플로딩을 보다 한층 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 연료 전지의 반응 가스 유로에서, 분리판의 공급구로부터 배출구에 도달하는 유로의 도중에 습도 조절 수단을 설치함으로써, 반응 가스가 습도 조절 수단에 의해 제습되며, 전극의 플로딩을 방지할 수 있으며, 이것으로 연료 전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다. 이 경우도, 습도 조절 수단을 유로의 하류측에 설치하며, 또는 다수 장소에 설치함으로써 플로딩의 방지 효과를 높일 수 있다.

본 발명은 연료 전지의 산화제 가스 또는 연료 가스의 유로의 중간보다 하류측에 배액 수단을 설치하였기 때문에, 셀의 상류측에서 발생하는 응축수의 일부를 배출할 수 있기 때문에, 하류측에서의 응축수에 의한 유로의 폐색 빈도를 저감할 수 있다. 또, 연결부를 설치함으로써 가스의 유속을 저하시켜, 응축수를 발생하기 쉽게 함으로써, 보다 많은 응축수를 배액 수단에 도입할 수 있다. 또한, 연결부를 전지 반응 영역의 외측에 설치하며, 혹은 산화제 가스 또는 연료 가스의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치함으로써 냉각 효율을 높이는 동시에, 열교환시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 구조가 간단하며, 쉽게 가공할 수 있는 구성으로 응축수를 제거할 수 있도록 한 고체 고분자형 연료 전지를 제공할 수 있으며, 이것으로응축수에 기인하는 발전 특성 저하를 방지하여, 연료 전지의 발전을 효율 좋게 행할 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명은 연료 전지의 반응 가스 유로에 있어서, 분리판의 공급구로부터 배출구에 도달하는 유로의 도중에서 전극면 외에 설치된 온도 조절 수단을 통과하며, 재차 전극면 내의 유로에 되돌아오도록 구성한 것으로, 반응 가스가 온도 조절 수단에 의해 냉각되며, 전극면 내의 플로딩을 방지할 수 있으며, 이것으로 연료 전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

연료 전극 내지 공기 전극에 각각 연료 가스 내지 산화제 가스의 유로가 표면에 형성된 분리판이 마주보며, 연료 전극과 공기 전극 사이에 막 형상 전해질을 배치한 셀을 다수 적층하여 이루어지는 연료 전지에 있어서, 상기 산화제 가스의 유로 또는 연료 가스의 유로의 중간보다 하류측에 배액 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 배액 수단은 가스 밀봉인 봉수부를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배액 수단은 연료 전지의 냉각수 경로에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화제 가스의 유로 또는 연료 가스의 유로의 중간보다 하류측에 다수의 유로를 연통하는 연결부를 설치하며, 이 연결부는 상기 배액 수단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결부는 막 형상 전해질이 연료 전극 및 공기 전극에 개재된 연료 전지 반응의 영역 외에 설치되어 있는 것을특징으로 하는 연료 전지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결부는 연료 가스, 산화제 가스, 냉각수 중 어느 것의 공급 매니폴드 영역에 뻗어나와 설치한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결부를 유통하는 산화제 가스 또는 연료 가스와, 연료 전지 반응에 사용하기 전의 산화제 가스, 연료 가스, 냉각수 중 어느 것 사이에서 열교환시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1항에 있어서, 상기 배액 수단은 산화제 가스 또는 연료 가스의 유로와는 별개로, 이들 가스의 배출 매니폴드와 상기 연결부가 통하는 경로인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제8항에 있어서, 상기 가스의 배출 매니폴드와 상기 연결부가 통하는 경로에는 섬유 재료가 부설되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
연료 및 산화제를 공급하여 발전하는 연료 전지에 있어서, 연료 전극측 또는 공기 전극측의 적어도 한 쪽의 유로의 공급구로부터 배출구까지의 경로 중에, 연료 또는 산화제의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 수단이 적어도 1개 장소에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제10항에 있어서, 상기 유로의 경로가 1개의 온도 조절 수단에 대하여 여러 번 경유하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 온도 조절 수단은 전극면보다도 외부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 조절 수단은 냉각 장치인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제13항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 유로의 후반부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 장치를 경유하는 상기 연료 또는 산화제 가스가 가스 형상인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제15항에 있어서, 상기 냉각 장치는 가스를 냉각한 때에 발생하는 응축수를 유로로부터 제거하기 위한 드레인부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 유로를 수랭 또는 공랭하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
연료 및 산화제를 공급하여 발전하는 연료 전지에 있어서, 연료 전극측 또는 공기 전극측의 적어도 한 쪽의 유로의 공급구로부터 배출구까지의 유로 중에, 연료 또는 산화제의 습도를 조절하기 위한 습도 조절 수단이 적어도 1개 장소에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제18항에 있어서, 상기 습도 조절 수단은 제습 장치인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제19항에 있어서, 상기 제습 장치는 유로의 경로 외벽의 일부에 보수부를 구비하며, 이 보수부에 접하도록 제습용 가스를 상기 유로와는 별개로 설치한 제습용 유로로부터 공급하여 제습하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 유로의 경로는 제습 장치를 적어도 1회 경유하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제습 장치는 유로의 후반부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제습용 가스는 수증기가 포화하고 있지 않은 연료 또는 산화제의 적어도 한 쪽이며, 제습에 사용한 후에, 이 일부 또는 전부 혹은 새로이 연료/산화제 가스를 부가하여 연료 전지에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제습용 가스는 연료 전지 스택의 다수의 장소로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.