KR20040069147A - 고체고분자형 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

차량 탑재를 목적으로 한 연료전지 시스템을 제공한다.

순수의 전기분해에 의한 수소 제조장치(11)에서 발생한 수소가스의 공급을 받는 고체고분자형 연료전지로 이루어진다. 셀 스택(30)내에 유량계(14), 열풍노즐(15), 분무노즐(16), 수량센서(17), 온도센서(18), 가스 농도센서(19), 배수밸브(20), 물탱크(21), 펌프(22), 수소공급관(23), 산소공급관(24), 취출전극(25), 증폭기(26)를 가지고, 각 센서로부터의 신호에 기초하여 파워 콘트롤유닛(10)에 의해 부하(27)의 운전을 최적인 것으로 한다.

Description

고체고분자형 연료전지 시스템{A FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 차량 탑재를 목적으로 한 고체고분자형 연료전지에 있어서, 순수한 전기분해에 의한 수소 제조장치와, 그 장치로부터 발생된 수소가스의 공급을 받는 셀 스택을 일체형으로 한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

고체고분자형 연료전지는, 고분자 이온교환막(양이온 교환막)으로 이루어지는 전해질막을 채용하고, 전해질막에 의해 구성되는 막전극 접합체와 세퍼레이터를 구비한 발전 셀을 소정수만 적층해서 연료전지 스택으로서 사용되고 있다.

이 종류의 연료전지에서, 산소측 전극에 공급된 연료가스, 예를 들면 주로 수소를 함유하는 가스(수소함유 가스)는, 촉매전극상에서 수소가 이온화되어, 전해질을 통해서 수소측 전극측으로 이동하고, 그 사이에 생긴 전자가 외부회로에 취출되어 직류의 전기에너지로서 이용된다. 수소측 전극에는, 산화제 가스, 예를 들면주로 산소를 함유하는 가스 또는 공기(산소함유 가스라고도 함)가 공급되어 있기 때문에, 수소측 전극에서, 수소이온, 전자 및 산소가 반응해서 물이 생성된다.

상기 연료전지에서는, 유효한 발전성능을 발휘하기 위한 최적의 작동온도가 설정되어 있어, 발전 셀을 작동온도에 유지하기 위해, 여러 냉각구조가 채용되어 있다. 일반적으로는, 연료전지 스택을 구성하는 세퍼레이터에 냉각매체용 통로를 형성해서 물 등의 냉각매체를 공급함으로써 발전 셀의 냉각이 행해지고 있다.

이 경우, 냉각매체로서 사용되는 물이나 자동차 엔진 냉각에 사용되는 냉매에서는, 이온 등의 불순물이나 금속계 첨가제가 혼입되어 있고, 이 냉매자체에 도전성이 부여되어 있다. 탈이온수나 순수를 사용할 경우에도, 운전중에 냉각계 배관이나 라디에이터를 순환함으로써 금속 등이 혼입되어, 이 냉매에 도전성이 부여되고 만다. 연료전지 스택에서는, 각 발전 셀에서 발생한 전자가 스택 양단측의 집전용전극으로부터 취출되기 때문에, 상기와 같이 냉각매체에 도전성이 부여되면, 냉각매체를 통해서 냉각계 배관이나 라디에이터 등에 전기가 흘러, 지락(earth fault)이나 액락(liquid junction)이 발생해서 연료전지 스택 전체의 출력이 저하한다.

연료전지의 외형은, 통상, 횡위치의 설치로 한다. 횡위치로 했을 때에 연료전지의 세퍼레이터에 필요가스의 공급구와 배출구를 정하지만, 특히 산소 미반응가스의 배출구는, 다음의 이유에 의해, 연료전지의 하부의 위치로 되도록 정한다.

연료전지에 공급된 수소반응가스와, 다른 한편 이온교환막을 사이에 두고 산소반응가스가 반응해서 액체촉매상에서 수소이온과 전자로 분리된다. 수소이온은 이온교환막중을 물과 일체가 되어 이동하고, 전자는 외부회로를 통과하여(이때 전류가 흐름) 산소극 촉매상에서 수소이온과 산소와 전자가 반응해서 물이 발생한다. 이 기전반응으로 발생된 물의 대부분은 다음과 같이 처리된다. 물에 젖은 산소극 촉매층이나 산소극 확산층 그리고 산소극의 세퍼레이터에도 물이 고이고, 그 물은 세퍼레이터의 가스유로홈을 따라서 이동하여 낮은 쪽으로 모인다. 곧 중력의 법칙에 의해 낮은 산소미반응가스 배출구로부터 외부로 유출된다. 그리고 이 물은 부착된 냉각수용 매니폴드에 저수되어 재차 냉각수로서 이용된다.

차량탑재형 연료전지 자동차에서는, 모터 및 룸내에서의 사용 설비기기는 범용기기이기 때문에, 배치 스페이스에 크게 제한을 받을 경우가 있다. 전기제품의 절대전압이 600볼트 이하인 등, 엔진 자동차의 사용기준이 그대로 이용된다. 구동용 메인모니터는 교류이기 때문에, 연료전지의 동력을 직류로부터 교류로 변환하여 평활하고 안정적인 전류를 얻기 위한 전자기기를 편입할 필요가 있다. 그 전자기기중 몇개는 발열하므로 냉각할 필요가 있다.

파워 콘트롤유닛은 방수구조로 밀봉되어 있어, 모터, 룸내에서 사용되는 전자기기는 상승온도에 약한 물건이 많으므로, 냉각하기 위해서 파워 콘트롤유닛내에 냉기의 도입이 필요하다. 스위칭 회로내의, 스위칭 소자는 사용온도를 150℃ 이하로 유지하고, 전류안정기의 리액터는, 100℃ 이하로 냉각할 필요가 있다.

실제 장착된 차의 전자기기의 예에서는, 압축기는 최대유량 3000리터/min(표준)을 사용했다. 인터쿨러는 냉각능력 3000리터/min(표준)이고, 150℃∼80℃까지저하 능력이 있다. 냉각을 위해 사용된 물은 70℃이고, 유량 100리터/min 였다. 소음기는 115Hz, 210Hz, 485Hz, 660Hz, 935Hz를 사용하고 있다. 힛 싱크내를 흐르는 쿨런트의 유량은, 최대 16리터/min이고, 발열 전자기기의 스위칭 소자의 최대발열량은 1650W를 사용하고, 리액터는 최대손실 55.9W의 것을 사용했다. 연료전지 그 자체도 발열기기이기 때문에, 냉각수의 공급이나 온도관리가 필요하다. 연료전지의 수소가스 유량과 산소가스 유량과 구동용 메인모터의 전체를, 파워 콘트롤유닛이 조정 및 관리한다.

본 발명의 목적은, 냉각매체를 통해서 누전되는 것을 확실하게 저지하여, 유효한 발전성능을 유지할 수 있는 고체고분자형 연료전지를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명 연료전지 시스템의 블록도,

도 2는 냉각수용 세퍼레이터의 정면도,

도 3은 산소극측 세퍼레이터의 정면도,

도 4는 수소극측 세퍼레이터의 정면도,

도 5는 본 발명에서의 증폭기의 1예를 도시하는 구성도이다.

(부호의 설명)

10: 파워 콘트롤유닛 11: 수소 제조장치

12: 밀폐용기 13: 열풍 팬

14: 유량계 15: 열풍노즐

16: 분무노즐 17: 수량센서

18: 온도센서 19: 가스 농도센서

20: 배수밸브(drain valve) 21: 물 탱크

22: 펌프 23: 수소공급관

24: 산소공급관 25: 취출전극

26: 증폭기 27: 부하

30: 셀 스택 31: 막·전극 접합체

32: 수소극측 세퍼레이터

33: 산소극측 세퍼레이터 34: 냉각수용 세퍼레이터

35: 이온교환막(전해질층) 36, 37: 촉매층

41: 냉각수 입구 42: 냉각수 출구

43: 연료(미반응)입구 44: 연료출구

45: 공기입구 46: 공기출구

52, 53, 54: 유통홈

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명 고체고분자형 연료전지 시스템은, 순수의 전기분해에 의한 수소 제조장치(11)에서 발생한 수소가스의 공급을 받는 고체고분자형 연료전지로서; 수소측 전극과 산소측 전극 사이에 이온교환막을 배치한 막전극 접합체와 막전극 접합체와의 양면을 세퍼레이터로 끼워 지지하여 셀 스택을 구성하고, 각 세퍼레이터는, 대향변의 일방에 수소가스, 산화제 가스 및 냉각수용 상류측 유통구멍을, 타방에 하류측 유통구멍을 각각 가지고, 산소측 전극에 접하는 세퍼레이터는 상기 수소가스용 상류와 하류의 유통구멍으로 통하는 다수의 유통홈을 가지고, 수소측 전극에 접하는 세퍼레이터는 상기 산화제용 상류와 하류의 유통구멍으로 통하는 다수의 유통홈을 가지고, 더욱이 냉각용 세퍼레이터는 상기 냉각수용 상류와 하류의 유통구멍으로 통하는 다수의 유통홈을 가지고 있고; 셀 스택내에는, 수소 및 산소가스의 유량·온도센서와 냉각수 유량센서를 구비하는 동시에, 상기 각 부로부터의 검출신호에 기초하여 운전제어하는 파워 콘트롤유닛을 가지고, 더욱이 셀 스택의 취출전극으로부터의 전력을 증폭기를 거쳐서 부하에 공급하도록 한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 셀 스택내의 세퍼레이터는, 산소측 전극에 접하는 세퍼레이터와, 수소측 전극에 접하는 세퍼레이터로 이루어지고, 산소극측 세퍼레이터에 배수밸브를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 증폭기는, 셀 스택의 전력을 전원으로 하는 입력용 모터에 직류발전기를 직결하고, 이 직류발전기의 회전자 외주에 배치되는 자석(M1)의 N, S극에 대해서는 동극으로 되고 인접간에서는 서로 이극(異極)이 되도록 자석(M1)의 외주에 영구자석(M2)을 부착설치해서 상기 직류발전기의 회전자 회전수를 증폭하고, 상기 직류발전기의 출력축에 출력용 발전기를 접속해서 이 출력용 발전기로부터, 입력측 보다도 증폭된 고회전출력의 직류의 전원을 취출하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

(실시예)

도 1은 본 발명 연료전지 시스템의 전체의 구성을 도시하는 블록도이다.

순수를 전기분해해서 수소를 발생시키는 수소 제조장치(11)로부터의 수소공급관(23), 산소공급관(24)을 셀 스택(30)의 수소극 세퍼레이터(32)와 산소극 세퍼레이터(24)에 각각 연결한다. 밀폐용기(12)내에 설치된 셀 스택(30)은, 이온교환막(전해질층)(35)을 끼워서 촉매층(36, 37) 및 수소극, 산소극과 각세퍼레이터(32, 33)를 적층한 것이며, 엔드 플레이트에 각 가스의 공급관을 설치하고, 수소가스 공급관에 분무노즐(16), 산소가스 공급관에 열풍노즐(15)을 삽입한다. 도 3에 대해서 후기하는 바와 같이 산소극측 세퍼레이터(33)에 배수밸브(20)를 설치하여 냉각수용 세퍼레이터를 생략하는 것이 가능하다.

또한, 도면 중, 부호 13은 열풍 팬, 14는 유량계, 15는 열풍노즐, 16은 분무노즐, 17은 수량센서, 18은 온도센서, 19는 가스 농도센서이다. 이들 센서는 파워 콘트롤유닛(10)에 접속되어, 미리 수소가스의 유량조절 기능과 산소가스 유량조절 기능과 냉각수 유량조절 기능을 세팅해 놓아두는 것이다.

도 2는 냉각수용 세퍼레이터(34)의 정면도이다. 장방형 판면의 일방에 냉각수 입구(41), 타방에 냉각수 출구(42)를 내고, 그 사이에 다수의 유통홈(52)을 형성시키고 있다.

도 3은 산소극측 세퍼레이터의 정면도이고, 동일하게 장방형 판면의 일방에 냉각수 입구(41), 타방에 냉각수 출구(42)를 내고, 그 사이에 다수의 유통홈(52)을 형성시키고 있다. 냉각수 입구(41)의 상하에 수소가스 출구(44)와 산소가스 출구(46)을 설치하고, 냉각수 출구(42)의 상하에 산소가스 입구(45)와 수소가스 입구(43)를 설치한다. 또, 유통홈(53)의 일부에 개폐 자유로운 배수밸브(20)를 부착한다. 더욱이 산소가스 출구(46)측에 온도센서(18), 가스 농도센서(19)를 삽입하고, 산소가스 입구(45)에 분무노즐(16), 수소가스 입구(43)에 수량센서(17)를 배치한다.

도 4는 수소극측 세퍼레이터의 정면도이고, 장방형 판면의 일방에 냉각수 입구(41), 타방에 냉각수 출구(42)를 뚫고, 그 사이에 다수의 유통홈(54)을 형성시키고 있다. 냉각수 입구(41)의 상하에 산소가스 출구(46)와 수소가스 출구(44)를 설치하고, 냉각수 출구(42)의 상하에 수소가스 입구(43)와 산소가스 입구(45)를 설치한다. 또, 유통홈(54)의 수소가스 출구(44)측에 온도센서(18), 가스 농도센서(19)를 삽입하고, 수소가스 입구(43)에 열풍기 노즐(15)을 삽입한다.

본 발명은, 자동차에 장비하는 파워 콘트롤유닛(10)에, 미리 수소가스의 유량조절 기능과 산소가스 유량조절 기능과 냉각수 유량조절 기능을 세팅해서 각 기능의 조절을 행한다.

수소 제조장치로부터 발생한 수소가스를, 특별히 제작된 송풍기에 의해 콘트롤하면서 산소극측 세퍼레이터(33)의 홈에 습도를 가하면서 공급한다. 공급된 수소가스는 수소유로를 진행하고 다공질의 확산 전극층(수소극 집전층)(23)을 통과하여 수소극측의 촉매전극층(수소극 촉매층)(36)에서 수소반응가스로 된다. 이 수소가스 유량을 콘트롤 한다. 다른 한편 이온교환막(35)을 사이에 두고 마주 대하는 수소극측 세퍼레이터(32)의 산소가스 공급홈에, 동일하게 수소 제조장치로부터 발생한 산소가스를, 송풍기로 습도를 가하면서, 또한 압축기로 가압하여 공급한다. 산소가스 유량도 조절할 수 있다.

공급된 산소가스는 세퍼레이터의 산소유로를 진행하고 다공질의 확산전극층을 통과해서 산소극측의 촉매전극층에서 산소반응가스가 된다. 여기서 수소가스와 산소가스가 반응하여(수소극의 촉매상에서) 수소이온과 마이너스 전자로 분리된다. 이것이 전기의 근원이다. 동시에 산소극측의 세퍼레이터(33)의 냉각수 공급홈으로부터 수량을 조절하면서 냉각수를 공급한다. 냉각수의 공급량도 조절할 수 있다. 산소극측을 냉각하는 동시에 산소극측 전극층과 촉매전극층(37)에 습도를 부여한다. 셀 스택(10)의 발전량을 눈으로 확인함으로써 수소가스 반응의 양호한 결과를 얻을 수 있다.

다른 한편 이온교환막(35)을 사이에 두고 마주 대하는 수소극측은 반응가스인 수소가스와 산소가스와의 반응에 의해 물이 생성된다. 발생된 물의 대부분은 후에 증발잠열로 흡수되지만, 일시적으로 조정하기 위해 매니폴드 개소가 필요하다. 이 물은 냉각수 공급용으로서 사용된다. 수소 제조장치로부터 발생된 수소가스와 산소가스를 낭비없이 조정하면서, 산소극측의 수소가스 공급을 콘트롤하여 셀 스택의 발전량을 눈으로 볼 수 있고, 수소가스 반응의 양호한 상태도 확인할 수 있다.

또, 이온교환막을 사이에 두고 마주 대하는 수소극측의 산소가스 공급에 대해서도, 유량을 콘트롤해서 산소가스 반응의 양호한 상태를 확인하면서, 셀 스택 전체의 발전의 상태를 확인하면서 조작할 수 있고, 간단히 가동운전이 가능한 수소 제조장치와 고체고분자 전해질형 연료전지를 일체형으로 한 차량 탑재형 연료전지 시스템이다.

더욱이, 파워 콘트롤유닛으로부터의 지령에 의해, 가동조작에 필요한 각 조정개소를 자유롭게 콘트롤 할 수 있고, 기동스타팅도 간단히 할 수 있다.

연료전지에 있어서, 산소반응가스 공급구에 열풍발생기, 노즐구경 3mm(상온∼300℃ 풍량 1.48m³/min) 열풍기를 부착한다. 이것은 공급된 수소반응가스와 타방의 이온교환막을 사이에 두고, 공급된 산소반응가스가 반응해서 수소극 촉매상에서 수소이온과 전자로 분리된다. 이 기전반응이 일어나고 있을 때, 산소극 촉매상에서 생성수가 발생하고 생긴 물의 제거는 다음 해결수단으로 처리한다. 산소반응가스 공급구에 부착된 열풍발생기의 노즐로부터 200℃ 전후의 가열된 열풍을 산소반응가스 공급구에 송풍한다. 곧 산소극 세퍼레이터 전체가 건조되게 된다. 그리고 셀내의 내부저항도 억제할 수 있어서 셀 전체의 양호한 발전환경을 얻을 수 있다.

일방의 수소반응가스 공급구에 열풍발생기, 노즐구경 3mm(실온∼300℃ 풍량 1.48m³/min)의 열풍기를 부착한다. 게다가 수소반응가스 공급구에 구경 3mm의 분무장치를 부착한다. 이것은 수소반응가스를 공급구로부터 공급하는 동시에, 장착한 분무 장치로 준비된 순수를 차례대로 필요에 따라서 공급구로부터 공급한다. 동시에 부착한 열풍발생기의 노즐로부터 200℃ 전후의 가열된 열풍을 수소반응가스 공급구에 송풍한다. 열풍을 보냄으로써 공급된 수소가스의 반응을 한층더 활성화 시킬 수 있다. 적당한 습기와 적당한 가열로 촉매전극층도 확산전극층도 양호한 발전 환경이 유지된다. 연료전지의 과제였던, 수소극측은 공급구 근처(입구)의 내부저항이 높은 것, 일방의 산소극측은 배출구의 부근(출구)의 내부저항이 높다라는 문제해결로도 된다. 산소극측의 건조와, 수소극측의 습기를 조정할 수 있고, 셀 스택 전체의 관리가 간단하게 되어 좋은 발전상태를 지속할 수 있다.

연료전지는 가동되면 80℃ 전후의 발열체로 되지만, 가동 운전하기 전은(특히 한냉지에서는) 연료전지는 차가워져 있기 때문에 최적인 스타팅운전을 할 준비를 해서 작업하지 않으면 안된다. 일체로 되어 있는 수소 제조장치로부터 공급되는 수소반응가스를, 연료공급구에 공급하는 동시에, 장비된 분무노즐로부터 열풍에 습기를 가하여(열풍의 온도는 기온에 반비례하지만, 기온 0℃에서 열풍 80℃) 송풍한다.

이온교환막을 사이에 두고 산소가스 공급구에 산소반응가스를 공급하는 동시에, 장비된 열풍노즐로부터 열풍(열풍의 온도는 기온에 반비례하고, 기온 0℃에서 열풍 80℃)을 송풍한다. 이것에 의해 스타팅 시점부터 연료전지에 공급된 수소반응가스와 산소반응가스가 이미 온기 운전상태로 되어, 양방의 반응가스가 서로 작용해서 곧 수소극의 촉매상에서 수소이온과 전자로 분리된다. 수소이온은 이온교환막중을 물과 일체로 되어 이동하고, 산소극 촉매상에서 수소이온과 산소와 전자가 반응해서 생성수가 발생한다. 그 때, 전자는 외부회로를 통과하여 전류가 발생한다. 이렇게 하여 연료전지의 가동이 시작되면, 일체로 되어 있는 수소 제조장치와 연료전지는 전체를 조정하고 있는 파워 콘트롤유닛(10)으로 자동조정하게 된다.

또, 부착된 산소극측의 열풍노즐과 수소극측의 분무노즐은 송풍량의 조절을 할 수 있고, 동시에 5℃∼300℃까지의 온도조절을 할 수 있으므로, 열대지방에서는 쿨런트의 송풍기로서 사용가능하다.

연료전지에 있어서 안전하고 확실한 발전상태를 유지하기 위해, 다음을 실행한다. 수소 미반응가스의 배출구에 배출가스농도를 알기 위한 가스 농도센서를 부착한다. 또, 배출가스 온도를 알기 위한 가스 온도센서를 부착한다. 이것은 배출된 수소 미반응가스의 농도를 아는 것과, 배출된 수소 미반응가스의 온도를 아는 것으로 현재 연료전지의 발전상태를 알 수 있는 동시에, 공급되어 있는 수소반응가스의 공급량을 조화시키는 것이 목적이며, 동시에 송풍되어 있는 열풍량과 습도와 온도의 조절을 하는 것이 목적이다. 동일하게 다른 한편 이온교환막을 사이에 두고 산소 미반응가스의 배출구에 배출가스 농도를 알기 위한 가스 농도센서를 부착하는 동시에 배출가스 온도를 알기 위한 가스 온도센서를 부착한다.

이것은 배출된 산소 미반응가스의 농도와, 배출된 산소 미반응가스의 온도를 검출해서 연료전지의 발전상태를 아는 동시에, 이미 공급되어 있는 산소반응가스 공급량을 조절한다. 동시에 송풍되어 있는 열풍량과 온도를 조절한다.

송풍되어 있는 열풍량과 온도를 조절하는 것이 목적이고, 이것은 일체로 되어 있는 수소 제조장치와 연료전지의 파워 콘트롤유닛으로 하기의 사항 1∼5를 양방의 설비기기의 조작을 자동조절, 또는 수동조절한다.

파워 콘트롤유닛에 장비되는 내용은 다음과 같다.

1, 수소 제조장치의 스타팅, 연료전지의 스타팅.

2, 수소가스와 산소가스의 발생량, 온도, 습도의 표시.

3, 수소가스와 산소가스의 공급압력의 표시.

4, 연료전지의 스타팅과 동시에 수소극측의 공급구에 적시에, 습기의 공급과 혼합도의 표시. 수소가스 배출구의 가스농도와 가스온도의 표시.

5, 연료전지의 스타팅와 동시에 산소극측의 공급구에 열풍을 송풍하여 산소극 촉매층과 집전층을 건조한다. 산소가스 배출구의 가스농도와 가스온도의 표시.

본 발명 연료전지에서는, 집전용 전극 사이에 냉각수용 세퍼레이터가 개장되어 있고, 이 냉각수용 세퍼레이터에 공급되는 냉각매체가 절연수단을 통해서 발전 셀 및 상기 집전용 전극으로부터 전기적으로 절연되는 동시에, 상기 냉각수용 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되는 상기 발전 셀끼리 또는 상기 발전 셀과 상기 집전용전극이 도전수단을 통해서 상호 전기적으로 접속되어 있다. 이것에 의해, 냉각매체를 통해서 지락이나 액락이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있고, 연료전지 스택 전체의 출력저하를 유효하게 저지해서 원하는 발전기능을 유지하는 것이 가능하게 된다.

냉각수용 패널을 생략할 수 있는 이유는, 셀 스택의 발전시의 발열을 발산하기 위해, 냉각수에서 세퍼레이터를 냉각하는 것이 보통이지만, 도 3에 도시하는 바와 같이 산소극측 세퍼레이터의 하부에 배수밸브(20)를 설치하여, 외부로 물을 방출함으로써 세퍼레이터를 냉각할 수 있기 때문이다.

그 경우에는, 수소극측 촉매층과 집전층에의 습도의 공급과, 수소반응가스의 공급은, 센서의 검출에 의해 온도, 습도, 유량이 제어되고, 다른 한편 이온교환막을 사이에 둔 산소극측의 촉매층과 집전층에의 산소반응가스의 온도, 유량의 조절도 온도센서, 가스 농도센서의 검출에 의해 제어된다. 또, 생성수는 수량센서의 지시로 습도 0∼5%의 건조한 열풍을 송풍함으로써 처리한다. 발생한 생성수가 소정량을 초과하면 산소측 세퍼레이터 하부에 설치된 배수밸브를 개방함으로써 외부로 방출한다.

도 5는 본 발명에서의 증폭기의 1예를 게시하는 구성도이다. 이 증폭기는입력측의 회전력보다도 증폭된 고회전출력으로서 취출할 수 있고, 영구자석을 이용한 소형이고 고출력 전원 취출장치이기도 하다.

즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, 셀 스택(39)으로부터의 직류전력을 전원으로 하는 입력용 모터(60)에 직류발전기(70)를 직결하고, 상기 직류발전기(70)의 회전자(71) 외주에 배치되는 자석(M1)의 N, S극에 대하여는 동극으로 되고 인접간에서는 서로 이극이 되도록 상기 자석(M1)의 외주에 영구자석(M2)을 부착설치해서 상기 직류발전기(70)의 회전자(71)의 회전수를 증폭하고, 상기 직류발전기의 출력축(69)에 출력용 발전기(76)를 접속해서 이 출력용 발전기로부터, 상기 입력측의 회전력 보다도 증폭된 고회전출력의 교류 또는 직류의 전원으로서 취출하도록 한다.

도 5에 있어서, 교류 또는 직류의 전력을 투입해서 입력용 모터(60)를 기동하고, 이것에 직결되어 있는 직류발전기(70)의 회전자(71)를 회전시키면, 회전자의 외주에 배치되는 자석(M1)의 N, S극에 대하여는 동극이 되고 인접하는 외주상에서는 서로 이극이 되도록 부설된 영구자석(M2)에 의해, 고정자측의 자력이 증폭되어서 회전자의 회전이 고회전으로 된다. 이 높은 회전력을 출력용 발전기(76)에 전달해서 고회전으로 회전시킴으로써, 입력측보다도 증폭된 고출력의 전원이 취출된다.

직류모터(60)가 기동되면, 이것에 직결되는 직류발전기(70)의 회전자가 고회전으로 회전되고, 직류발전기에 접속되어 있는 출력용 발전기(76)의 회전자도 고회전으로 회전되고, 이 출력용 발전기(76)로부터는 입력측 전원보다 고출력인 전원으로서 취출할 수 있다. 또, 구조가 소형이고 간소화 되어 있으므로 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 차실내에서 교류전원을 필요로 하는 경우에는, D/A변환해서 사용한다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 고출력 전원 취출장치는, 교류 또는 직류를 전원으로 하는 교류모터 또는 직류모터로 이루어지는 입력용 모터(60)에 직류발전기(70)가 직결 접속되고, 상기 직류발전기(70)의 회전자의 외주에 배치되는 자석(M1)의 N극, S극에 대해서는 동극으로 되고, 인접간에서는 서로 이극이 되도록 상기 자석(M1)의 외주에 영구자석(M2)의 N극, S극이 부설되어 상기 직류발전기(70)의 회전자의 회전수를 증폭하고 있다.

직류발전기(70)에서 발생하는 전기는, 회전자를 회전시키면 속도에 비례하여 증가하고, 전압도 비례적으로 증가하므로, 발전기가 만드는 전압을 V, k를 발전기의 구조에 의해 정해지는 정수, N을 발전기의 회전자의 회전수, φ를 자속이라 하면, V=k·N·φ의 관계가 성립한다. 상기의 식으로부터, 자속(φ)=V/k·N으로 되고, 자속(φ)을 증가하면 전압(V)의 증가와 함께 회전수(N)도 증가한다.

상기와 같이, 본 발명 연료전지 시스템에서는, 발전 셀을 냉각하기 위한 냉각 매체가, 이 발전 셀 및 집전용 전극으로부터 전기적으로 절연되기 때문에, 원하는 발전성능을 확실하게 유지할 수 있다. 더욱이, 냉각수용 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되는 발전 셀끼리 또는 상기 발전 셀과 집전용 전극이 서로 전기적으로 접속되어서, 연료전지 스택 전체로서 원하는 발전성능을 유지할 수 있다.

또, 청구항 3과 같이, 셀 스택의 출력측에 증폭기를 통해서 부하에 접속함으로써, 입력측의 회전력보다도 증폭된 고회전출력으로서 취출할 수 있다.

Claims (3)

1. 순수의 전기분해에 의한 수소 제조장치(11)에서 발생한 수소가스의 공급을 받는 고체고분자형 연료전지로서,

   수소측 전극과 산소측 전극 사이에 이온교환막을 배치한 막전극 접합체와 막전극 접합체의 양면을 세퍼레이터로 끼워 지지하여 셀 스택을 구성하고, 각 세퍼레이터는, 대향변의 일방에 수소가스, 산화제 가스 및 냉각수용 상류측 유통구멍을, 타방에 하류측 유통구멍을 각각 가지고, 산소측 전극에 접하는 세퍼레이터는 상기 수소가스용 상류와 하류의 유통구멍으로 통하는 다수의 유통홈을 가지고, 수소측 전극에 접하는 세퍼레이터는 상기 산화제용 상류와 하류의 유통구멍으로 통하는 다수의 유통홈을 가지고, 더욱이 냉각용 세퍼레이터는 상기 냉각수용 상류와 하류의 유통구멍으로 통하는 다수의 유통홈을 가지고 있고,

   셀 스택내에는, 수소 및 산소가스의 유량·온도센서와 냉각수 유량센서를 구비하는 동시에, 상기 각 센서로부터의 검출신호에 기초하여 운전 제어하는 파워 콘트롤유닛을 가지고, 더욱이 셀 스택의 취출전극으로부터의 전력을 증폭기를 거쳐서 부하에 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 스택내의 세퍼레이터는, 산소측 전극에 접하는 세퍼레이터와, 수소측 전극에 접하는 세퍼레이터로 이루어지고, 산소극측 세퍼레이터에 배수밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭기는, 셀 스택의 전력을 전원으로 하는 입력용 모터에 직류발전기를 직결하고, 이 직류발전기의 회전자 외주에 배치되는 자석(M1)의 N, S극에 대해서는 동극으로 되고 인접간에서는 서로 이극으로 되도록 자석(M1)의 외주에 영구자석(M2)을 부설해서 상기 직류발전기의 회전자 회전수를 증폭하고, 상기 직류발전기의 출력 축에 출력용 발전기를 접속하여 이 출력용 발전기로부터, 입력측보다도 증폭된 고회전출력의 직류의 전원을 취출하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.