JP4842072B2 - 燃料電池及び、これを有する燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池と、この燃料電池を有するシステムに関するものである。

公知のように、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は燃料に含まれている水素と、この燃料と別途である酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。

このような燃料電池は、システムを構成する構成要素や燃料の種類によって多様なタイプに区分できるが、このうち、いわゆるモノポーラー（ｍｏｎｏｐｏｌａｒ）燃料電池は、複数の単位セルを平らなに配置し、この単位セルに前記燃料と前記酸素を提供して電気エネルギーを生産する。

しかし、今まで知られたモノポーラー燃料電池は、前記単位セルで構成された燃料電池本体の一側面を通じて酸素（通常、大気の空気を利用）が供給されるため、使用者の使用環境によって、酸素が前記単位セルに円滑に供給できなくて、この単位セルから期待される出力が極大化できない問題がある。

また、前記モノポーラータイプの燃料電池は、前述のように、酸素が前記燃料電池本体の一側面にのみ供給される構造であるため、前記単位セルから放出される熱を円滑に放熱させるのに限界があるので、使用者の安全及び燃料電池の性能に対する信頼性を落としている。

一方、最近移動通信端末器、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、ＰＳＰ（Ｐｌａｙｓａｔｉｏｎ Ｐｏｒｔａｂｌｅ）、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等のような電子機器が軽量化、小型化及び先端化して急速に発展している。

このような電子機器の電源としては、通常２次電池が使用されているが、既存の２次電池は、これら電子機器の高電力消耗に積極的に対応していないという指摘がある。

したがって、燃料電池業界では電気エネルギーの出力を極大化しながら、前記電子機器と共に携帯及び使用が便利な燃料電池システムの開発が至急なのが実情である。

そこで、このような問題点を解決するために本発明が解決しようとする目的は、簡単な構造を有しながら、電気エネルギーの出力を極大化することができ、さらに使用するのに安全な燃料電池を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記燃料電池を有する燃料電池システムを提供することにある。

本発明の例示的な実施例による燃料電池は、両側に燃料の流れを可能にするセパレータと、該セパレータを中心に置いて前記セパレータの両側に配置され、前記燃料を流通させるアノード部と、該アノード部にそれぞれ密着して配置された膜−電極接合体と、該膜−電極接合体にそれぞれ密着して配置されて空気を流通させるカソード部とを含む。

前記カソード部が大気中に露出されてもよい。

前記セパレータが絶縁性を有しながら、プレートタイプからなってもよい。

前記セパレータの一側に配置された前記アノード部、前記膜−電極接合体及び前記カソード部が前記燃料と前記空気の反応によって電気エネルギーを発生させるセル単位の電気生成ユニットを形成することができる。

前記電気生成ユニットは、前記セパレータを中心に置いて対向配置されてもよい。

前記電気生成ユニットは、前記セパレータの長さ方向に沿って一定の間隔で複数で配置されてもよい。

前記アノード部と前記カソード部は、それぞれ対応する電流を集電する集電板を含むことができる。

前記アノード部と前記カソード部がそれぞれ対応する電流を集電する集電板を含み、互いに隣接する前記アノード部と前記カソード部が電気的に連結されてもよい。

前記アノード部は、前記燃料を流通させるための流動経路を有することができる。

前記カソード部は、前記空気を流通させるための通気孔を有することができる。

本発明の他の例示的な実施例による燃料電池は、燃料の流れを可能にする流入口及び流出口が配置された単位領域を両側に形成したミディアム部材と、前記燃料を流通させるための第１流路を有し、前記各単位領域に装着された第１パス部材と、前記第１パス部材にそれぞれ連結された膜−電極接合体及び空気を流通させるための第２流路を有し、前記膜−電極接合体にそれぞれ連結された第２パス部材を含む。

前記第２パス部材はと前記第２パス部材は、それぞれ対応する電流を集電する集電板を含むことができる。

前記第１パス部材と前記第２パス部材は各々の集電板の周縁から突起して形成された端子部を含み、前記第１パス部材の端子部と前記第２パス部材の端子部が電気的に連結されてもよい。

前記第１パス部材の端子部と前記第２パス部材の端子部はろう付け（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）によって連結されてもよい。

前記ミディアム部材はプレートタイプに形成され、前記単位領域が前記ミディアム部材の長さ方向に沿って一定の間隔で複数で形成されてもよい。

前記複数の単位領域に対応する前記流入口と前記流出口がマニホールドを形成し、前記ミディアム部材は前記マニホールドと相互連通される燃料通路を有することができる。

前記ミディアム部材に前記第１パス部材が結合される結合溝が形成され、この結合溝は前記ミディアム部材上に単位領域を区画することができる。

前記ミディアム部材は二分化された第１部分及び第２部分が合体して一体で形成され、前記燃料通路は、前記第１部分と前記第２部分にそれぞれ形成された第１溝と第２溝の合体によって、前記ミディアム部材の内部に形成されることができる。

前記燃料通路は、前記流出口と連結された第１通路と、前記流入口と連結された第２通路を含むことができる。

前記ミディアム部材は、前記燃料を前記第１通路に注入するための燃料注入部と、前記第２通路を通過する前記燃料を排出するための燃料排出部を含むことができる。

前記第１流路は、前記流入口と前記流出口を連結する形状に形成されてもよい。

前記第１流路は蛇行（ｍｅａｎｄｅｒ）形状からなることができる。

前記第２流路は複数の通気孔で形成されてもよい。

前記第２パス部材を大気中に露出させるための開口部を有し、前記第２パス部材に密着しながら、前記ミディアム部材に結合されたエンドプレートをさらに含むことができる。

前記開口部は、前記第２パス部材に相応する大きさで形成されてもよい。

前記各エンドプレートは、前記第２パス部材のエッジ部分を加圧する係合段差を備えることができる。

前記エンドプレートを前記ミディアム部材に着脱結合させる締結部材を含むことができる。

本発明の他の例示的な実施例による燃料電池システムは、燃料と空気の反応によって電気エネルギーを発生させる複数の電気生成ユニットを含む燃料電池及び、前記燃料電池に前記燃料を供給するための燃料供給装置を含み、前記電気生成ユニットは前記燃料電池の両側に前記燃料電池の長さ方向に沿って一定の間隔で配置され、前記空気が提供される前記電気生成ユニット側が大気中に露出される。

前記燃料電池は両側に前記燃料の流れを可能にするセパレータを含み、前記電気生成ユニットは前記セパレータを間において、このセパレータの両側に対向配置できる。

前記カソード部は、前記セパレータの外部に向かった方向に配置されてもよい。

本発明によれば、燃料電池本体の両側を通じて電気生成ユニットのカソード部が大気中に露出された構造からなるので、使用者の使用環境に関係なくカソード部に空気が円滑に提供でき、さらに、カソード部で発生する熱を容易に放出することができる。

したがって、本発明によれば、電気エネルギーの出力を極大化することができるだけでなく、燃料電池本体の温度上昇に対する安全性が確保できるので、電池の性能及び信頼性をさらに向上させることができる効果がある。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様で相異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限られない。

図１は、本発明の実施例による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。

この図面を参照して、本発明の実施例による燃料電池システム１００を説明すると、この燃料電池システム１００はケーブルを通じて所定の電子機器と連結するように設置されたり、この電子機器に一体として装着されて、燃料及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させ、この電気エネルギーを電子機器に出力する発電システムで構成される。

前記電子機器の例としては、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、ＰＳＰ（Ｐｌａｙｓｔａｔｉｏｎ Ｐｏｒｔａｂｌｅ）、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、ＭＰ３（ＭＰＥＧ Ａｕｄｉｏ Ｌａｙｅｒ-３、移動通信端末器などのような携帯用電子機器がある。

本実施例による燃料電池システム１００は、メタノール、エタンオールなどのようなアルコール系燃料、及び空気の提供を直接的に受けて燃料中に含まれている水素の酸化反応、及び空気中に含まれている酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）のような直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｙｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式で構成されるが、本発明による燃料電池システムが前記例に限定されるわけではない。

本発明の燃料電池システムは、改質装置を使用して燃料から水素を含む改質ガスを生成し、これを燃料電池に供給して電気エネルギーを生産する発電システムでも構成できる。その例としては、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）システム方式がある。

したがって、本発明の燃料電池システムは、その方式によって各々適切な形態の燃料電池を有する。

本実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に燃料を供給するための燃料供給装置９０を含む。

本実施例において、燃料電池１０は燃料供給装置９０によって燃料の供給を受け、自然拡散または対流作用によって大気中の空気の提供を受け、この燃料と空気の酸化反応及び還元反応によって電気エネルギーを発生させるプレートタイプの燃料電池本体１１を含む。この時、燃料電池１０は燃料電池本体１１の両側を通じて大気中の空気の提供を受ける 構造からなる。この燃料電池１０の具体的な構造については、図２及び図３を参照して後述する。

燃料供給装置９０は、燃料を貯蔵する燃料タンク９１と、所定のポンピング圧力によって燃料タンク９１に貯蔵された燃料を排出させる燃料ポンプ９３を含む。

この時、燃料タンク９１は別途の装着手段によって図示していない前記電子機器の本体に着脱可能に設置されてもよい。例えば、燃料タンクは燃料の充填が可能なカートリッジ形態で備えられてもよい。

それだけでなく、燃料ポンプ９３もパイプラインなどによって、燃料電池本体１１及び燃料タンク９１と連結して設置され、前記電子機器の本体に装着されてもよい。

図２は本発明の例示的な実施例による燃料電池を示した斜視図であり、図３は図２に示した燃料電池の分解斜視図である。

図面を参照すれば、燃料電池１０はセパレータ２０、及びセパレータ２０を中心に置いてその両側に互いに対応して形成される複数の電気生成ユニット３０を含む。

セパレータ２０はその両側に形成される電気生成ユニット３０を分離させる機能を有する。このセパレータ２０は電気が通じない絶縁性を有しながら、両側に燃料の流れを可能にするプレートタイプのミディアム部材２１を含む。このミディアム部材２１の具体的な構成は、図４及び図５を参照して後述する。

前記において、電気生成ユニット３０はミディアム部材２１の両側に、このミディアム部材２１の長さ方向に沿って一定の間隔で離隔して形成され、燃料及び空気の反応によって電気エネルギーを発生させるセル単位の燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）として備えられる。

このような各電気生成ユニット３０は、ミディアム部材２１の両側に密着して配置されるアノード部４０と、このアノード部４０にそれぞれ密着して配置される膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ-Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下では“ＭＥＡ”と言う）５０と、このＭＥＡ５０にそれぞれ密着して配置されるカソード部６０を含む。

この燃料電池１０の構成をさらに具体的に説明すれば、まず、ミディアム部材２１は図面において長辺と短辺を有する長方形の形状からなる。前記でミディアム部材２１の長さ方向は、このミディアム部材２１の長辺方向を示す。

本実施例において、ミディアム部材２１は、図４に示したように、その両側に複数の単位領域２１ａを形成しているが、この単位領域２１ａはミディアム部材２１の両側に一定の間隔で離隔して連続的に区画形成されている。

単位領域２１ａには、後述するアノード部４０に対して燃料の流れを可能にするマニホールド２２が形成されている。さらに、ミディアム部材２１の内部にはマニホールド２２と相互連通される燃料通路２３を形成している。

前記において、単位領域２１ａはセル単位の電気生成ユニット３０が位置する部分で、電気生成ユニット３０によって燃料及び空気の反応が行われる活性領域（ａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）を意味する。

この単位領域２１ａは、ミディアム部材２１の両側に短辺方向に沿って形成されるが、ミディアム部材２１の長辺方向に沿って一定の間隔で離隔して区画形成される。このような単位領域２１ａは、後述するアノード部４０を結合させるための結合溝２１ｂによって区画される。

つまり、単位領域２１ａは、ミディアム部材２１の両側に対して結合溝２１ｂを除いた残り部分が突出部分として形成されるが、この突出の部分の間の空間で形成されてもよい。

そして、燃料通路２３はミディアム部材２１の内部に長辺方向に沿って形成される。このような燃料通路２３は、燃料供給装置９０によって供給される燃料を通過させる第１通路２３ａと、アノード部４０を経た燃料を通過させる第２通路２３ｂを備える。この時、第１通路２３ａはミディアム部材２１の下側エッジ部分に沿って形成され、第２通路２３ｂは第１通路２３ａと相互平行をなしながら、ミディアム部材２１の上側エッジ部分に沿って形成される。

本実施例において、マニホールド２２はミディアム部材２１の各単位領域２１ａ内に形成される。このようなマニホールド２２は、燃料通路２３の第１通路２３ａと相互連通される流出口２２ａ、及び第２通路２３ｂと相互連通される流入口２２ｂを備える。

ここで、流出口２２ａは第１通路２３ａを通過する燃料を後述するアノード部４０の流路に流出させる機能を果たす。そして、流入口２２ｂはアノード部４０の流路を通過した燃料を第２通路２３ｂに流入させる機能を果たす。

さらに、ミディアム部材２１は燃料通路２３の第１通路２３ａに燃料を注入するための燃料注入部２４を一側端部に形成し、第２通路２３ｂを通過する燃料を排出するための燃料排出部２５を他側端部に形成している。この時、燃料注入部２４は通常のパイプライン等を通じて燃料ポンプ９３と連結されてもよい。

このように構成されるミディアム部材２１は、図５に示したように、互いに二分化された第１部分２６及び第２部分２７が一体で接合されることによって、図４に示したような燃料通路２３を形成することができる。つまり、第１部分２６の一面には燃料通路２３の第１通路２３ａ及び第２通路２３ｂに相応する第１溝２６ａを形成している。そして、第２部分２７の一面にも燃料通路２３の第１通路２３ａ及び第２通路２３ｂに相応する第２溝２７ａを形成している。ここで、第１部分２６及び第２部分２７の他の一面には前述した複数の単位領域２１ａを形成している。

したがって、本実施例によるミディアム部材２１は、このような第１部分２６及び第２部分２７の一面が互いに対向する形態で合体されることによって、燃料通路２３を内部に形成することができる。

以下では、ミディアム部材２１の両側に一定の間隔で離隔して形成される電気生成ユニット３０の構成を図２及び図３を参照して詳しく説明する。

このような電気生成ユニット３０は、ＭＥＡ５０と、ＭＥＡ５０を中心に置き、その両面に密着して配置されるアノード部４０及びカソード部６０によって構成される。

ここで、ＭＥＡ５０は一面に第１電極層５１を形成し、他の一面に第２電極層５２を形成し、これら電極層５１、５２の間に電解質膜５３を形成する通常のＭＥＡとして備えられる。

ここで、第１電極層５１は燃料に含まれている水素を電子と水素イオンに分離し、電解質膜５３は水素イオンを第２電極層５２に移動させ、第２電極層５２は第１電極層５１から受けた電子、水素イオン及び別途に提供される酸素を反応させて、水分及び熱を発生させる機能を果たす。

本実施例において、ＭＥＡ５０はアノード部４０及びカソード部６０に相応する大きさに形成され、そのエッジ部分に通常のガスケット（図示せず）を備えてもよい。

アノード部４０はＭＥＡ５０の第１電極層５１と相互密着されるもので、ミディアム部材２１の両側に対して一定の間隔を維持しながら、それぞれの単位領域２１ａに装着される。

このようなアノード部４０は、燃料を流通させながら、この燃料をＭＥＡ５０の第１電極層５１に分散供給する機能の他に、第１電極層５１によって燃料に含まれている水素から分離された電子を隣接する電気生成ユニット３０のカソード部６０に移動させる伝導体としての機能を果たす。

そのために、前記アノード部４０は、図６に示したように、燃料を流通させるための第１流路４２を有しながら、ミディアム部材２１の単位領域２１ａにそれぞれ装着される第１パス部材４１を有する。

このような第１パス部材４１は、伝導性を有する金属プレートからなり、ＭＥＡ５０に相応する大きさを有し、各単位領域２１ａの結合溝２１ｂに形態の型合をなしながら装着される。

本実施例における第１パス部材４１は、前述のように隣接する電気生成ユニット３０のカソード部６０に電子を移動させる伝導体としての機能を果たすが、カソード部６０と異なる極性の電流を集電する集電板４４として形成される。

これに、第１パス部材４１には導線等を通じて前記隣接する電気生成ユニット３０のカソード部６０と電気的に連結する端子部４５を備えている。この端子部４５は第１パス部材４１に一体で形成され、ミディアム部材２１の周縁外側に伸びて形成される突起４６を含む。この時、突起４６は第１パス部材４１の一側端部から突出して形成されるが、隣接する第１パス部材４１に対して互いに対応する端部に形成される。

ここで、第１流路４２はミディアム部材２１の第１通路２３ａに注入される燃料を流通させるために、単位領域２１ａに形成されるマニホールド２２、つまり、流出口２２ａと流入口２２ｂを連結する複数の流動経路４３として形成される。

このような第１流路４２は第１パス部材４１を貫通する孔として形成されるが、好ましくは第１パス部材４１の長さ方向に沿って任意の間隔をおいて直線状態に配置され、その両端を交互に連結して蛇行（ｍｅａｎｄｅｒ）形状に形成されている。この時、第１パス部材４１が単位領域２１ａの結合溝２１ｂに装着されることによって、第１流路４２の一側端部はマニホールド２２の流出口２２ａと相互連通され、他側端部はマニホールド２２の流入口２２ｂと相互連通される。

本実施例において、カソード部６０はＭＥＡ５０の第２電極層５２と相互密着して配置され、後述するエンドプレート７０に一定の間隔を維持しながら装着される。

このようなカソード部６０は、空気の自然拡散または対流作用によって大気中の空気を流通させながら、二茶碗をＭＥＡ５０の第２電極層５２に分散供給する機能の他に、隣接する電気生成ユニット３０のアノード部４０から電子を受ける伝導体としての機能を果たす。

このために、前記カソード部６０は、図７に示したように、伝導性を有する金属プレートで形成され、大気中の空気をＭＥＡ５０の第２電極層５２に分散供給するための第２流路６２を備えた第２パス部材６１を含む。

ここで、第２パス部材６１は第１パス部材４１及びＭＥＡ５０に相応する大きさを有する。そして、第２流路６２は第２パス部材６１を貫通する孔で形成されるが、これは第２パス部材６１全体に円形で形成される複数の通気孔６３からなることができる。

さらに、第２パス部材６１は、前述のように隣接する電気生成ユニット３０のアノード部４０から電子を受ける伝導体としての機能を果たすが、アノード部４０と異なる極性の電流を集電する集電板６４として形成される。

これに、第２パス部材６１には導線やその他の手段等によって、前記隣接する電気生成ユニット３０のアノード部４０、つまり、第１パス部材４１の端子部４５と電気的に連結される端子部６５を備えている。この端子部６５は第２パス部材６１に一体で形成され、ミディアム部材２１の周縁外側に伸びて形成される突起６６を含む。この時、突起６６は第２パス部材６１の一側端部から突出して形成されるが、隣接する第２パス部材６１に対して互いに対応する端部に形成される。つまり、第２パス部材６１の突起６６はミディアム部材２１の両側に対して第１パス部材４１の突起４６の間に位置する。

本実施例において、このような第１パス部材４５と、端子部４５と、第２パス部材６１の端子部６５とは、互いに重なった状態でろう付けによって連結され電気的に連結される。

これによって、燃料電池１０上に備えられたアノード部４０とカソード部６０は直列状態に電気的な連結をなすが、実質的な電気回路構成のために、ミディアム部材２１の一側端（図面を基準に左側）に対向配置されたカソード部６０の端子部６５とアノード部４０の端子部４５はそれぞれ独立的に引出され、ミディアム部材２１の他側端（図面を基準に左側）に対向配置されたカソード部６０の端子部６５とアノード部４０の端子部４５は、互いに接触してろう付けによって連結される。

一方、本実施例による燃料電池１０は、ミディアム部材２１の両側に対してカソード部６０の第２パス部材６１を固定すると同時に、第２パス部材６１をＭＥＡ５０に堅固に密着させるためのエンドプレート７０を含む。

このエンドプレート７０は、第２パス部材６１を大気中に露出させるための開口部７１を備えるが、この開口部７１は第２パス部材６１に相応する大きさで形成される。

そして、エンドプレート７０には図８に示したように、開口部７１のエッジ部分に形成される係合段差７２を備えている。この係合段差７２は、第２パス部材６１の厚さに相応する厚さを有しながら、第２パス部材６１の位置を固定させる機能の他に、第２パス部材６１のエッジ部分を加圧してＭＥＡ５０に密着させる機能を果たす。

また、本実施例による燃料電池１０は、それぞれのエンドプレート７０をミディアム部材２１と一体で結合させるための複数の締結部材８０をさらに含む。

この締結部材８０は、エンドプレート７０の開口部７１を除いた残り部分を貫通して、ミディアム部材２１の突出部分、つまり、ミディアム部材２１の単位領域２１ａを除いた他の領域に締結できる通常の締結ボルト８１を備える。

前記のように構成される本発明の実施例による燃料電池の製作順を見てみると、まず、第１パス部材４１はミディアム部材２１の単位領域２１ａに装着される。

この時、第１パス部材４１はミディアム部材２１の両側に対して一定の間隔を維持しながら、単位領域２１ａの結合溝２１ｂに装着され、その一面が単位領域２１ａの内表面に密着される。

このような状態において、ＭＥＡ５０は第１電極層５１が第１パス部材４１の他の一面に接触して配置される。この時、ＭＥＡ５０はそのエッジ部分に形成されたガスケット（図示せず）がミディアム部材２１の両側に形成された突出部分（単位領域を除いた残りの部分）に位置しながら、第１パス部材４１の他の一面と接触して配置されてもよい。

次に、第２パス部材６１はエンドプレート７０の開口部７１に固定されるが、開口部７１のエッジ部分に形成された係合段差７２にかかりながら、固定された状態を維持する。

なお、エンドプレート７０はミディアム部材２１の突出部分に接触して配置されるが、この時、第２パス部材６１はＭＥＡ５０の第２電極層５２と接触された状態を維持する。

次いで、締結部材８０はエンドプレート７０の開口部７１を除いた残り部分を貫通して、ミディアム部材２１の突出部分、つまり、ミディアム部材２１の単位領域２１ａを除いた他の領域に締結される。その結果、エンドプレート７０は締結部材８０によってミディアム部材２１と締結されることによって、第２パス部材６１のエッジ部分を加圧しながら第２パス部材６１をＭＥＡ５０の第２電極層５２に密着させる。

したがって、このような一連の過程を通じて、本発明の実施例による燃料電池１０の製作が完了されるが、このような燃料電池１０はエンドプレート７０の開口部７１を通じて各電気生成ユニット３０のカソード部６０、つまり、第２パス部材６１の通気孔６３が大気中に露出した状態を維持する。

一方、このような燃料電池１０は別途のケース部材（図示せず）に内蔵されてもよい。このようなケース部材は、その両側に多数の孔を備えるが、これは各電気生成ユニット３０のカソード部６０、つまり、第２パス部材６１の通気孔６３を大気中に露出させる機能を果たす。

前記のように製作された本発明の実施例による燃料電池１０を採用した燃料電池システム１００の動作を以下で説明する。

まず、本実施例による燃料電池１０は、ケーブルを通じて所定の電子機器に連結されたり、この電子機器に一体で装着され、各電気生成ユニット３０のカソード部６０が大気中に露出された状態にある。

この状態において、燃料ポンプ９３は燃料タンク９１に貯蔵された燃料を排出させ、この燃料をミディアム部材２１の第１通路２３ａに供給する。この時、燃料はミディアム部材２１の燃料注入部２４を通じて第１通路２３ａに供給される。

次いで、第１通路２３ａを通過する燃料はマニホールド２２の流出口２２ａを通じて流出され、第１パス部材４１の第１流路４２に沿って流通されながら、ＭＥＡ５０の第１電極層５１に分散供給される。この時、第１パス部材４１の第１流路４２に沿って流通されながら、ＭＥＡ５０の第１電極層５１に提供されなかった燃料は、マニホールド２２の流入口２２ｂを通じてミディアム部材２１の第２通路２３ｂに流入され、第２通路２３ｂを通過しながら、燃料排出部２５を通じてミディアム部材２１の外部に排出される。

このような過程を経る間に、各電気生成ユニット３０のカソード部６０、つまり、第２パス部材６１の通気孔６３が大気中に露出されることによって、大気中の空気は自然拡散または対流作用などによって、第２パス部材６１の通気孔６３を通過しＭＥＡ５０の第２電極層５２に分散供給される。

したがって、ＭＥＡ５０の第１電極層５１では、燃料の酸化反応を通じてこの燃料中に含まれている水素を電子と水素イオン（プロトン）に分離する。この時、水素イオンはＭＥＡ５０の電解質膜５３を通じて第２電極層５２に移動する。そして、電子は電解質膜５３を通過できず、第１パス部材４１を通じて隣接する電気生成ユニット３０の第２パス部材６１に移動する。つまり、第１パス部材４１の突起４６と、前記隣接する電気生成ユニット３０の第２パス部材６１の突起６６が導線等を通じて電気的に連結されているので、電子は第１パス部材４１を通じて前記隣接する電気生成ユニット３０の第２パス部材６１に移動する。

このような過程を経ながら、本実施例による燃料電池１０は、前記電子の移動によって電流を発生させ、各電気生成ユニット３０の第１パス部材４１及び第２パス部材６１が電流を集電する集電板４４、６４として構成されるが、所定の電位差を有する電気エネルギーを電子機器に出力させることができる。

一方、ＭＥＡ５０の電解質膜５３を通じて第２電極層５２に移動した水素イオン、第１パス部材４１を通じて第２パス部材６１に移動した電子、及び第２パス部材６１の通気孔６３を通じてＭＥＡ５０の第２電極層５２に供給された空気は、第２電極層５２によって還元反応を起こす。したがって、各電気生成ユニット３０のカソード部６０では、このような還元反応によって、熱及び水分を発生させる。

したがって、本実施例による燃料電池１０は、各電気生成ユニット３０のカソード部６０が燃料電池本体１１（図１）の両側を通じて大気中に露出された状態を維持しているので、空気がカソード部６０に円滑に供給されて、電気生成ユニット３０の出力を極大化することができるだけでなく、電気生成ユニット３０のカソード部６０で発生する熱を大気中に容易に放出することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、これに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の実施例による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の例示的な実施例による燃料電池を示した斜視図である。 図２に示した燃料電池の分解斜視図である。 図３に示した燃料電池のミディアム部材を示した正面図である。 図３に示した燃料電池のミディアム部材を示した分解斜視図である。 図３に示した燃料電池のアノード部を示した正面図である。 図３に示した燃料電池のカソード部を示した正面図である。 図３に示した燃料電池のエンドプレートを示した断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 燃料電池本体
２０ セパレータ
２１ ミディアム部材
２１ａ 単位領域
２１ｂ 結合溝
２２ａ 流出口
２２ｂ 流入口
２３ 燃料通路
２３ａ 第１通路
２３ｂ 第２通路
２４ 燃料注入部
２５ 燃料排出部
２６ 第１部分
２７ 第２部分
３０ 電気生成ユニット
４０ アノード部
４１ 第１パス部材
４２ 第２流路
４５、６５ 端子部
４６、６６ 突起
５０ ＭＥＡ
５１ 第１電極層
５２ 第２電極層
５３ 電解質膜
６０ カソード部
６１ 第２パス部材
６３ 通気孔
７０ エンドプレート
７２ 係合段差
８１ 締結ボルト
９０ 燃料供給装置
９１ 燃料タンク
９３ 燃料ポンプ
１００ 燃料電池システム

Claims (30)

1. 両側に燃料の流れを可能にするセパレータと、
   前記セパレータを中心に置き、前記セパレータの両側に配置されて前記燃料を流通させるアノード部と、
   前記アノード部にそれぞれ密着して配置された膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体にそれぞれ密着して配置されて空気を流通させるカソード部とを含み、
   前記アノード部は、電流を集電する集電板を有し、該集電板には、貫通孔により形成されかつ前記燃料を流通させる流通経路となる複数の第１流路が間隔をおいて蛇行するように配置されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記カソード部が大気中に露出されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セパレータが絶縁性を有しながら、プレートタイプからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記セパレータの一側に配置された前記アノード部、前記膜−電極接合体及び、前記カソード部が前記燃料と前記空気の反応によって電気エネルギーを発生させるセル単位の電気生成ユニットを形成することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記電気生成ユニットは、前記セパレータを中心に置いて対向配置されたことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記電気生成ユニットが、前記セパレータの長さ方向に沿って一定の間隔で複数で配置されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記カソード部には電流を集電する集電板を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
8. 互いに隣接する前記アノード部と前記カソード部が電気的に連結されたことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。
9. 前記カソード部は、前記空気を流通させるための通気孔を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
10. 燃料の流れを可能にする流入口及び流出口が配置された単位領域を両側に形成したミディアム部材と、
    前記燃料を流通させるための第１流路を有し、前記各単位領域に装着された第１パス部材と、
    前記第１パス部材にそれぞれ連結された膜−電極接合体と、
    空気を流通させるための第２流路を有し、前記膜−電極接合体にそれぞれ連結された第２パス部材とを含み、
    前記第１パス部材は、電流を集電する集電板を有し、
    前記第１流路は、貫前記燃料を流通させる流通経路となる貫通孔が、間隔をおいて複数蛇行するように配置される構成であることを特徴とする燃料電池。
11. 前記第２パス部材が大気中に露出されたことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
12. 前記第２パス部材は電流を集電する集電板を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記第１パス部材と前記第２パス部材は各々の集電板の周縁から突起して形成された端子部を含み、前記第１パス部材の端子部と前記第２パス部材の端子部が電気的に連結されたことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池。
14. 前記第１パス部材の端子部と前記第２パス部材の端子部がろう付け（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）によって連結されたことを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池。
15. 前記ミディアム部材はプレートタイプに形成され、前記単位領域が前記ミディアム部材の長さ方向に沿って一定の間隔で複数形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
16. 前記複数の単位領域に対応する前記流入口と前記流出口がマニホールドを形成し、前記ミディアム部材は前記マニホールドと相互連通される燃料通路を有することを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池。
17. 前記ミディアム部材に前記第１パス部材が結合される結合溝が形成され、この結合溝は前記ミディアム部材上に単位領域を区画することを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
18. 前記ミディアム部材は、二分化された第１部分及び第２部分が合体して一体で形成され、前記燃料通路は前記第１部分と前記第２部分にそれぞれ形成された第１溝と第２溝の合体によって、前記ミディアム部材の内部に形成されたことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池。
19. 前記燃料通路は、前記流出口と連結された第１通路と、前記流入口と連結された第２通路を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池。
20. 前記ミディアム部材は、前記燃料を前記第１通路に注入するための燃料注入部と、前記第２通路を通過する前記燃料を排出するための燃料排出部を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池。
21. 前記第１流路が前記流入口と前記流出口を連結する形状に形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
22. 前記第２流路は複数の通気孔で形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
23. 前記第２パス部材を大気中に露出させるための開口部を有し、前記第２パス部材に密着しながら、前記ミディアム部材に結合されたエンドプレートをさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池。
24. 前記開口部は、前記第２パス部材に相応する大きさを有して形成されたことを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池。
25. 前記各エンドプレートは、前記第２パス部材のエッジ部分を加圧する係合段差を備えることを特徴とする、請求項２４に記載の燃料電池。
26. 前記エンドプレートを前記ミディアム部材に着脱結合させる締結部材を含むことを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池。
27. 燃料と空気の反応によって電気エネルギーを発生させる複数の電気生成ユニットを含む燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料を供給するための燃料供給装置とを含み、
    前記電気生成ユニットは、前記燃料電池の両側に前記燃料電池の長さ方向に沿って一定の間隔で配置され、前記空気が提供される前記電気生成ユニット側が大気中に露出され、
    前記電気生成ユニットは、
    前記セパレータに配置されて前記燃料を流通させるアノード部と、
    前記アノード部に密着して配置された膜−電極接合体と、
    前記膜−電極接合体にそれぞれ密着して配置され前記空気を流通させるカソード部とを含み、
    前記アノード部は、電流を集電する集電板を有し、該集電板には、貫通孔により形成されかつ前記燃料を流通させる流通経路となる複数の第１流路が間隔をおいて蛇行するように配置されることを特徴とする燃料電池システム。
28. 前記燃料電池は両側に前記燃料の流れを可能にするセパレータを含み、前記電気生成ユニットは前記セパレータを間において、このセパレータの両側に対向配置されたことを特徴とする、請求項２７に記載の燃料電池システム。
29. 前記カソード部は、前記セパレータの外部に向かった方向に配置されたことを特徴とする、請求項２７に記載の燃料電池システム。
30. 前記燃料供給装置は、
    前記燃料を貯蔵する燃料タンクと、
    前記セパレータと前記燃料タンクに連結して設置され、前記燃料タンクに貯蔵された前記燃料を前記セパレータに排出させる燃料ポンプとを含むことを特徴とする、請求項２８に記載の燃料電池システム。

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