KR20050016297A - 고분자 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지의 운전방법 - Google Patents

Abstract

저부하시에 있어서의 플러딩의 발생을 억제할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것이다. 산화제가스 유로홈을 가진 캐소드쪽 세퍼레이터, 및 연료가스 유로홈을 가진 애노드쪽 세퍼레이터를 가진 셀이 적층된 셀적층체(10)를 구비하고, 산화제가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 캐소드쪽 세퍼레이터에게 들어가서 나오기까지의 산화제가스 단위유로(21a, 21b)를 형성하고, 연료가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 애노드쪽 세퍼레이터에 들어가서 나오기까지의 연료가스 단위유로(22a, 22b)를 형성하고, 셀적층체(10)에 있어서의 2개 이상의 산화제가스 단위유로(21a, 21b), 연료가스 단위유로(22a, 22b)가 병렬 또는 직렬로 연결가능하고, 산화제가스 단위유로(21a, 21b)끼리, 연료가스 단위유로(22a, 22b)끼리의 병렬의 연결은, 가스가 흐르는 방향이 중력에 역행하지 않는 방향이 되도록 이루어지는 고분자 전해질형 연료전지이다.

Description

고분자 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지의 운전방법{POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND DRIVING METHOD OF THE SAME}

본 발명은, 휴대용 전원, 전기자동차용 전원, 가정내 코제너레이션시스템 등에 사용되는 연료전지, 특히 고분자 전해질을 사용한 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다.

고분자 전해질을 사용한 연료전지는, 수소를 함유하는 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유하는 연료가스를, 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시키는 것이다. 이 연료전지는, 기본적으로는, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막 및 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극, 즉 애노드와 캐소드로 구성된다. 상기 전극은, 백금족 금속촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하여, 고분자 전해질막의 표면에 형성되는 촉매층 및 촉매층의 바깥면에 형성된, 통풍성과 전자도전성을 더불어 가진 가스확산층으로 이루어진다.

고분자 전해질막 및 이것을 끼운 한 쌍의 전극으로 이루어지는 셀(cell)은, 복수 개를 접속하여 소정의 전압을 얻는다. 이 때문에, 셀 사이에 도전성의 세퍼레이터를 개재시켜 셀을 적층하여 스택(stack)으로 한다. 세퍼레이터의 양쪽에 각각 연료가스 및 산화가스를 공급하여 각각의 가스확산전극에 연료가스 및 산화가스를 공급하면, 고분자 전해질막에서의 이온도전과 각 가스확산전극의 화학반응이 진행하여, 한 쌍의 가스확산전극사이에 전압이 발생하여, 집전전극의 기능을 가지는 양 끝단쪽의 한 쌍의 세퍼레이터를 통해 외부회로에 급전(給電)한다. 이러한 발전에 있어서는, 공급가스를 될 수 있는 한 균등하게 가스확산전극의 전극면에 공급하는 것이 가스이용율을 높이고, 발전효율과 출력성능을 좋게 한다.

전극에 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 새거나, 2종류의 가스가 서로 혼합하거나 하지 않도록, 전극의 주위에는 고분자 전해질막을 끼우고 가스시일재나 가스켓이 배치된다. 이들 가스시일재나 가스켓은, 전극 및 고분자 전해질막과 일체화하여 미리 조립된다. 이것을, MEA(전해질막전극접합체)라고 부른다. MEA의 바깥쪽에는, 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 도전성의 세퍼레이터가 배치된다. 세퍼레이터의 MEA와 접촉하는 부분에는, 전극면에 반응가스를 공급하고, 생성수나 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로가 형성된다. 가스유로는, 세퍼레이터와 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터의 표면에 홈을 형성하여 가스유로로 하는 방식이 일반적이다.

이 가스유로로의 반응가스의 공급을 위해, 또한 가스유로로부터의 반응가스, 생성수의 배출을 위해서는, 가스를 공급하는 배관 또는 가스유로로부터의 배관을, 사용하는 세퍼레이터의 매수로 분기하여, 그 분기되는 끝을 직접 세퍼레이터의 홈에 연결해 넣는 배관치구가 필요하다. 이 치구를 매니폴드라 하며, 가스의 공급배관으로부터 직접 연결해 넣는 타입을 외부 매니폴드라고 한다. 이 외부 매니폴드와는 달리, 매니폴드에는 구조를 보다 간단하게 한 내부 매니폴드라고 하는 형식의 것이 있다. 내부 매니폴드란, 가스유로용 홈을 형성한 세퍼레이터에 관통한 구멍을 형성하여, 가스유로의 출입구를 이 구멍까지 통하게 하여, 이 구멍으로부터 직접 반응가스를 공급 또는 배출하는 것이다.

내부 매니폴드를 형성하기 위해서는, 세퍼레이터에 매니폴드 구멍이라 하는 관통하는 구멍을 형성하여, 가스유로의 출입구를 이 매니폴드 구멍에 연이어 통하게 하고, 매니폴드 구멍으로부터 각 가스유로에 반응가스를 분배함으로써 행하여진다.

연료전지는, 운전중에 발열하기 때문에, 전지를 양호한 온도상태로 유지하기 위해서, 냉각수 등으로 냉각해야 한다. 통상, 1∼3셀마다, 냉각수를 흐르게 하는 냉각부가 설치된다.

이들 MEA, 세퍼레이터 및 냉각부를 교대로 겹쳐 나가며, 10∼200셀을 적층한 후, 집전판과 절연판을 통해 끝단판으로 이것을 끼워, 체결 로드로 양 끝단에서 고정하는 것이 일반적인 적층전지의 구조이다.

가스확산전극에 가스를 공급하기 위한 세퍼레이터의 가스유로의 구성은, 가스이용율만이 아니고, 가스확산전극에서 발생한 전류의 효율적인 집전이나 가스확산전극에서 발생하는 열의 제거에 관한 점에서 중요하다. 종래, 세퍼레이터쪽에 형성되는 가스유로는, 사행(蛇行)하는 서펜타인형으로 하거나, 유로를 병행한 복수 개 구성으로 하거나 하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특공개공보 소50-8777호 및 특허공개공보 평7-263003호 참조).

이러한 종류의 전지의 고분자 전해질에는, 퍼플루오르술폰산계의 재료가 사용되어 왔다. 이 고분자 전해질막은, 수분을 함유한 상태에서 이온전도성이 발현하기 때문에, 통상은 연료가스나 산화제가스를 가습하여 전지에 공급해야 한다. 또한, 캐소드쪽에서는, 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 전지의 동작온도보다 높은 노점이 되도록 가습된 가스가 공급되면, 전지내부의 가스유로나 전극내부에서 결로(結露)가 발생하여, 물이 막히는 등의 현상에 의해서 전지성능이 안정되지 않거나, 성능이 저하하거나 하는 문제가 있었다. 통상, 이렇게 지나치게 젖는 것에 의한 전지성능의 저하나 동작불안정이 발현하는 현상을 플러딩 현상이라고 한다. 고분자 전해질형 연료전지를 발전시스템으로 하는 경우에는, 공급가스의 가습 등을 포함시킨 시스템화가 필요하다. 시스템의 간소화, 시스템효율의 향상을 위해서는, 공급되는 가습가스의 노점(露点)을 조금이라도 저감하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 플러딩 현상의 방지, 시스템 효율의 향상, 시스템의 간소화 등의 관점에서, 공급가스는 전지온도에 대하여 조금 낮은 노점이 되도록 가습하여 공급하는 것이 통상적이었다.

그러나, 전지의 고성능화를 위해서는, 고분자 전해질막의 이온전도도를 향상시킬 필요가 있고, 그를 위해서는 공급가스의 가습을 상대습도 100%에 가까운 습도, 또는 상대습도 100% 이상으로 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 고분자 전해질막의 내구성의 관점에서도, 공급가스를 고가습으로 공급하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 상대습도 100%에 가까운 습도의 가스를 공급하고자 하는 경우, 상술한 플러딩의 발생이 문제가 된다.

이 플러딩을 방지하기 위해서, 이하와 같은 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공개공보 평10-106594호 참조).

즉, 세퍼레이터의 가스유로를, 입구쪽 매니폴드 및 출구쪽 매니폴드에 각각 이어지는 입구쪽 유로홈 및 출구쪽 유로홈, 및 입구쪽 유로홈 및 출구쪽 유로홈을 연이어 통하는 중간유로 홈에 의해 구성한다. 그리고, 입구쪽 유로홈 및 출구쪽 유로홈을 격자형상으로 하고, 중간유로홈은 복수 회 되접은 형상으로, 복수 개의 평행한 독립유로홈 및 독립유로홈의 되접음부를 격자형상 유로홈으로 한다.

반응 생성수에 의한 플러딩에 의해 공급가스의 정체를 방지하기 위해서, 과거로부터 여러 가지 가스유로홈이 고안되어, 가스유로가 격자형상이 되는 타입과, 입구에서 출구까지 1개의 유로로 하는 타입이 있다. 격자형상 타입은, 플러딩에 이르는 것과 같은 물의 고임은 생기지 않지만, 전체적으로 균일한 가스확산성능이 나쁘고, 일부가 폐쇄되는 등의 배수성능이 뒤떨어진다. 또한, 1개의 유로타입은, 가스확산성은 좋지만, 흐름 저항이 증가하여 가스공급장치쪽의 원래 압력을 높게 할 필요가 생겨, 보조기계동력이 증가하여 시스템효율이 저하한다.

일본 특허공개공보 평10-106594호의 구성에 있어서는, 입구쪽 유로홈부에서는 가스확산성을 높이고, 이 부분의 반응을 촉진하여 전체의 전기변환에너지효율을 높였기 때문에, 입구쪽 유로홈부에 반응이 집중하여 고분자 전해질막이나 가스확산전극의 촉매층의 열화가 진행하여, 내구성에 과제가 남는다. 또한, 출구쪽 유로홈부에서는, 유로단면적을 넓게 하여 배수성을 확보하여 플러딩을 방지하고 있지만, 유로단면적이 넓기 때문에 가스의 흐름이 편재(偏在)하여 일정하지는 않고, 유속이 느린 부분에서는 생성수가 유로홈의 일부를 폐쇄한 상태가 발생하여, 이 부분에는 가스를 공급할 수 없어, 완전히 플러딩을 방지할 수 없다.

플러딩을 피하기 위한 다른 방법으로서, 공급가스의 세퍼레이터 유로부분에서의 유속을 높게 하여, 결로(結露)한 물을 불어 날려버리는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 공급가스유속을 증가시키기 위해서는, 높은 압력으로 가스를 공급하는 것이 필요하고, 시스템화한 경우의 가스공급 송풍기 또는 컴프레셔 등의 보조기계동력을 극단적으로 증가시키지 않으면 안되기 때문에, 시스템효율의 악화를 초래한다. 또한, 플러딩 현상이 애노드쪽에서 발생하면, 연료가스의 결핍을 초래하며, 이것은 전지에서 치명상이 되어 버린다. 이것은, 연료가스가 부족한 상태에서 부하전류가 강제적으로 취해지면, 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 때문에 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 분위기 중의 물과 반응하여 버리는 것에 의한다. 그 결과, 촉매층의 카본의 용출(溶出)에 의해, 애노드의 촉매층이 파괴되는 것이다.

또한, 적층전지를 탑재한 시스템에서는, 상품성을 고려하면, 전지를 정격출력조건으로 운전할 뿐만 아니라, 전력수요에 따라서 출력을 억제한 저부하운전을 할 수 있는 것이 불가결하다. 저부하 운전에서는, 효율을 유지하기 위해서, 연료가스나 산화제가스의 이용율을 정격운전과 같은 조건으로 할 필요가 있다. 즉, 정격운전시에 대하여, 예를 들어 부하를 1/2로 억제한 경우, 연료가스나 산화제가스의 유량도 1/2정도로 저감하지 않으면, 여분의 연료가스나 산화제가스를 사용하게 되기 때문에 발전효율이 저하한다. 그러나, 가스의 이용율을 일정하게 하여 저부하 운전을 하면, 가스유로내의 가스유속이 저하하여, 응축수나 생성수를 세퍼레이터 외부로 배출할 수 없고, 상술한 바와 같은 플러딩 현상이 발생하여, 전지성능이 저하하거나, 불안정하게 되거나 한다고 하는 문제가 있었다.

도 1은, 본 발명의 실시형태 1의 고분자 전해질형 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터의 캐소드쪽의 정면도이다.

도 2는, 본 발명의 실시형태 1의 고분자전해질형 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터의 애노드쪽의 정면도이다.

도 3은, 본 발명의 실시형태 1의 고분자전해질형 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터의 캐소드쪽의 가스유로의 변환을 나타낸 도면이다.

도 4는, 본 발명의 실시형태 1의 적층형 고분자전해질형 연료전지의 캐소드쪽의 배관을 나타낸 사시도이다.

도 5는, 본 발명의 실시형태 2의 적층형 고분자전해질형 연료전지의 캐소드쪽의 배관을 나타낸 사시도이다.

도 6은, 본 발명의 실시예 1의 고분자전해질형 연료전지의 전류-전압특성을 나타낸 도면이다.

도 7은, 본 발명의 실시예 2의 고분자전해질형 연료전지의 전류-전압특성을 나타낸 도면이다.

도 8은, 본 발명의 실시예 3의 고분자전해질형 연료전지의 전압의 시간경과에 따른 변화를 나타낸 도면이다.

도 9는, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서의 셀 A의 캐소드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 10은, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서의 셀 A의 애노드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 11은, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서의 셀 B의 캐소드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 12는, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서의 셀 B의 애노드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 13은, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서 셀 A 및 B에 반응가스가 직렬로 공급될 때의 셀 A의 산화제가스의 흐름을 나타낸 캐소드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 14는, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서 셀 A 및 B에 반응가스가 직렬로 공급될 때의 셀 A의 연료가스의 흐름을 나타낸 애노드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 15는, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서 셀 A 및 B에 반응가스가 직렬로 공급될 때의 셀 B의 산화제가스의 흐름을 나타낸 캐소드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 16은, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지에 있어서 셀 A 및 B에 반응가스가 직렬로 공급될 때의 셀 B의 연료가스의 흐름을 나타낸 애노드쪽 세퍼레이터의 정면도이다.

도 17은, 본 발명의 실시형태 3의 고분자전해질형 연료전지의 전체 구성을 나타낸 사시도이다.

도 18은, 본 발명의 실시형태 4의 고분자전해질형 연료전지의 전체 구성을 나타낸 사시도이다.

도 19는, 본 발명의 실시예 4의 고분자전해질형 연료전지의 연속발전시험에 있어서의 전압의 변화를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : MEA 5, 131 : 집전판

6, 132 : 절연판 7, 133 : 끝단판

10 : 도전성 세퍼레이터

11a, 11b : 산화제가스의 입구쪽 매니폴드 구멍

12a, 12b : 연료가스의 입구쪽 매니폴드 구멍

13a, 13b : 산화제가스의 출구쪽 매니폴드 구멍

14a, 14b : 연료가스의 출구쪽 매니폴드 구멍

21a : 산화제가스의 제 1 유로

21b : 산화제가스의 제 2 유로

22a : 연료가스의 제 1 유로

22b : 연료가스의 제 2 유로

30 : 연료전지

31 : 산화제가스의 공급원으로 이어지는 파이프

31a, 31b : 분기 파이프

33a, 33b : 출구쪽의 분기 파이프

33 : 출구쪽 파이프

35, 37, 39 : 밸브

40 : 미스트 트랩

101, 3L, 3R, 105 : 산화제가스의 매니폴드

102, 4L, 4R, 106 : 연료가스의 매니폴드

10A, 10B : 캐소드쪽 세퍼레이터

20A, 20B : 애노드쪽 세퍼레이터

11A, 11B, 21A, 21B : 산화제가스의 입구쪽 매니폴드 구멍

13A, 13B, 23A, 23B : 산화제가스의 입구쪽 매니폴드 구멍

12A, 12B, 22A, 22B : 연료가스의 입구쪽 매니폴드 구멍

14A, 14B, 24A, 24B : 연료가스의 입구쪽 매니폴드 구멍

15A, 15B, 25A, 25B : 산화제가스의 출구쪽 매니폴드 구멍

16A, 16B, 26A, 26B : 산화제가스의 출구쪽 매니폴드 구멍

130 : 셀적층체

본 발명은, 상기 과제를 고려하여, 저부하시에 있어서의 플러딩을 억제할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지 및 그 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 제 1의 본 발명은, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드, 상기 캐소드에 산화제가스를 공급하는 산화제 가스유로홈을 가진 캐소드쪽 세퍼레이터 및 상기 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스 유로홈을 가진 애노드쪽 세퍼레이터를 가진 셀이 적층된 셀적층체를 구비하고,

상기 산화제가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 캐소드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 산화제가스 단위유로를 형성하고,

상기 연료가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 애노드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 연료가스 단위유로를 형성하며,

상기 셀 적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 산화제가스 단위유로가 병렬 또는 직렬로 연결가능하고,

상기 셀 적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 연료가스단위유로가 병렬 또는 직렬로 연결가능한 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원의 제 2 발명은, 그 발전출력의 변경에 대하여, 상기 산화제가스 유로홈을 통과하는 산화제가스의 속도가 상기 산화제가스 유로홈내에 물이 체류하지 않는 속도를 유지하고, 상기 연료가스 유로홈을 통과하는 연료가스의 속도가 상기 연료가스 유로홈내로 물이 체류하지 않는 속도를 유지하도록 상기 병렬연결 또는 상기 직렬연결이 변경되는, 본원 제 1 발명의 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원의 제 3 발명은, 상기 산화제가스 단위유로는, 상기 산화제가스 유로홈의 일부로 형성되고, 상기 연료가스 단위유로는, 상기 연료가스 유로홈의 일부로 형성되어 있으며,

상기 병렬로 연결되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 산화제가스 단위유로는, 상기 산화제가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 연료가스 단위유로는, 상기 연료가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되며,

상기 직렬로 접속되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 산화제가스 단위유로의 전부 또는 일부는, 상기 산화제가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 연료가스 단위유로의 전부 또는 일부는, 상기 연료가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되는 본원 제 2의 발명의 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원 제 4의 발명은, 상기 산화제가스 단위유로는, 상기 산화제가스 유로홈의 전부에서 형성되고, 상기 연료가스 단위유로는, 상기 연료가스 유로홈의 전부에서 형성되어 있으며,

상기 병렬로 접속되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 산화제가스 단위유로끼리는, 상기 산화제가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 연료가스 단위유로끼리는, 상기 연료가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되며,

상기 직렬로 접속되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 산화제가스 단위유로의 전부 또는 일부끼리는, 상기 산화제가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 연료가스 단위유로의 전부 또는 일부끼리는, 상기 연료가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되는 본원 제 2 발명의 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원 제 5의 발명은, 상기 각 산화제가스 단위유로의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드와, 상기 각 산화제가스 단위유로의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드와, 상기 각 연료가스 단위유로의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드와, 상기 각 연료가스 단위유로의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드를 구비하고,

상기 산화제가스 단위유로끼리가 직렬로 연결되는 경우는, 상기 산화제가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드 및 상기 산화제가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 산화제가스 매니폴드와 출구쪽 산화제가스 매니폴드가 연결되고,

상기 연료가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 상기 연료가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드 및 상기 연료가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 연료가스 매니폴드와 출구쪽 연료가스 매니폴드가 연결되는 본원 제 3 또는 4의 발명의 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원 제 6의 발명은, 상기 산화제가스 단위유로끼리, 및 상기 연료가스 단위유로끼리의 직렬 또는 병렬로의 연결은, 상기 적층셀의 외부에 설치된 밸브를, 그 발전전력에 따라서 개폐함으로써 이루어지는 본원 제 5의 발명의 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원 제 7의 발명은, 상기 산화제가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드 및 상기 산화제가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 산화제가스 매니폴드와 출구쪽 산화제가스 매니폴드가 연결되는 부분, 및 상기 연료가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드 및 상기 연료가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 연료가스 매니폴드와 출구쪽 연료가스 매니폴드가 연결되는 부분에 미스트 트랩(mist trap)이 설치되어 있는 본원 제 5의 발명의 고분자 전해질형 연료전지이다.

본원 제 8의 발명은, 상기 산화제가스 단위유로끼리의 병렬의 연결은, 상기 산화제가스가 흐르는 방향이 중력에 역행하지 않는 방향이 되도록 이루어지고,

상기 연료가스 단위유로끼리의 병렬의 연결은, 상기 연료가스가 흐르는 방향이 중력에 역행하지 않는 방향이 되도록 이루어지는 본원 제 1의 발명의 고분자 전해질막형 연료전지이다.

본원 제 9의 발명은, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드, 상기 캐소드에 산화제가스를 공급하는 산화제가스유로를 가진 캐소드쪽 세퍼레이터 및 상기 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스유로를 가진 애노드쪽 세퍼레이터를 가진 셀이 적층된 셀적층체를 구비하고,

상기 산화제가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 캐소드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 산화제가스 단위유로를 형성하고,

상기 연료가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 애노드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 연료가스 단위유로를 형성하고 있는 고분자 전해질형 연료전지의 운전방법으로서,

상기 셀적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 산화제가스 단위유로가 병렬 또는 직렬로 연결되는 공정과,

상기 셀적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 연료가스 단위유로가 병렬 또는 직렬로 연결되는 공정을 구비하는 고분자 전해질형 연료전지의 운전방법이다.

본 발명에 의하면, 저부하시에 있어서의 플러딩의 발생을 억제할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지 및 그 운전방법을 제공할 수가 있다.

<실시형태 1>

도 1은 도전성 세퍼레이터의 캐소드쪽의 정면도이고, 도 2는 그 배면도로서 애노드쪽의 정면도이다. 이 도전성 세퍼레이터(10)는, 산화제 가스의 제 1 및 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(11a 및 11b), 제 1 및 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(13a 및 13b), 연료가스의 제 1 및 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(12a 및 12b), 제 1 및 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(14a 및 14b)을 가진다. 이 세퍼레이터(10)는, 캐소드쪽 면에는, 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍(11a)로부터 제 1 출구쪽 매니폴드 구멍(13a)으로 이어지는, 본 발명의 산화제가스 단위유로에 대응하는 제 1 가스유로(21a), 및 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(11b)으로부터 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(13b)으로 이어지는, 본 발명의 산화제가스 단위유로에 대응하는 제 2 가스유로(21b)를 가지며, 애노드쪽 면에는, 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍(12a)으로부터 제 1 출구쪽 매니폴드 구멍(14a)으로 이어지는, 본 발명의 연료가스 단위유로에 대응하는 제 1 가스유로(22a), 및 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(12b)으로부터 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(14b)으로 이어지는, 본 발명의 연료가스 단위유로에 대응하는 제 2 가스유로(22b)를 가진다. 본 발명의 산화제가스 유로홈은, 제 1 가스유로(21a) 및 제 2 가스유로(21b)에 의해 구성되어 있다. 본 발명의 연료가스 유로홈은, 제 1 가스유로(22a) 및 제 2 가스유로(22b)에 의해 구성되어 있다.

이 세퍼레이터를 사용한 고분자 전해질형 연료전지에 있어서의 가스의 공급방법을 이하에 설명한다.

먼저, 정격운전시의 산화제가스의 공급방법을 도 1에 의해 설명한다. 화살표 A에서 A'에 이르는 경로, 즉 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍(11a)으로부터 제 1 가스유로(21a)를 지나서 제 1 출구쪽 매니폴드 구멍(13a)에 도달하는 경로와, 화살표 B 에서 B'에 이르는 경로, 즉 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(11b)으로부터 제 2 가스유로(21b)를 지나서 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(13b)에 도달하는 경로의 2개의 경로를 병렬로 연결한다. 그리고 이 2개의 경로에 동시에 산화제가스를 흐르게 한다.

다음에, 정격의 1/2의 부하로 운전할 때에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 2개의 경로, 제 1 가스유로(21a)와 제 2 가스유로(21b)를 직렬로 접속한다. 즉, 제 1 출구쪽 매니폴드 구멍(13a)과 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(11b)을 셀외부에서 화살표 AB로 나타낸 바와 같이 접속한다. 즉, 제 1 가스유로(21a) 및 제 2 가스유로(21b)를 직렬로 연결한다. 이에 따라, 화살표 A로부터 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍(11a)에 유입하는 가스는, 제 1 가스유로(21a) 및 제 2 가스유로(21b)를 차례로 흘러, 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(13b)으로부터 외부로 배출된다. 연료가스의 공급방법에 대해서도 상기와 완전히 같다.

도 4는 상기와 같은 세퍼레이터를 구비한 적층형의 고분자전해질형 연료전지의 산화제 가스의 배관을 나타낸다. 이 고분자전해질형 연료전지(30)는, MEA(1)과 세퍼레이터(10)를 교대로 적층한 셀스택, 이것을 끼운 각 한 쌍의 집전판(5), 절연판(6), 끝단판(7) 및 이들을 일체로 체결하는 체결수단을 가진다. 산화제 가스의 공급원에 이어지는 파이프(31)는, 제 1 파이프(31a)와, 밸브(35)를 가진 제 2 파이프(31b)로 분기하고 있다. 제 1 파이프(31a)는, 세퍼레이터(10)의 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍(11a)과 연이어 통하여 고분자전해질형 연료전지에 설치된 매니폴드에 연결되고, 제 2 파이프(31b)는, 세퍼레이터(10)의 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍(11b)과 연이어 통하여 고분자전해질형 연료전지에 설치된 매니폴드로 연결된다. 마찬가지로 세퍼레이터(10)의 제 1 출구쪽 매니폴드 구멍(13a) 및 제 2 출구쪽 매니폴드 구멍(13b)에 각각 연이어 통하는 매니폴드에 연결되는 파이프(33a 및 33b)가 설치된다. 파이프(33a)에는 밸브(39)가 연결되고, 이것과 파이프(33b)는 출구쪽 파이프(33)에 연결된다. 파이프(31b)의 일끝단은, 바이패스 밸브(37)를 통해 파이프(33a)에 연결되어 있다. 그리고, 각 밸브는, 제어기(200)에 접속되어 있다.

도 4에는 간략화를 위해, 캐소드쪽 배관만을 도시하였지만, 애노드쪽 배관도 대칭의 위치에 배치함으로써 마찬가지로 구성할 수 있다. 파이프(31)로부터 분기한 파이프(31a 및 31b), 및 파이프(33)에 연결되는 파이프(33a 및 33b)는, 동일한 관(管)지름으로 하여, 분할한 파이프로 균등하게 가스를 분배할 수 있는 구조로 한다. 여기서, 균등하게 가스를 분배하기 위해서는, 2분할한 파이프의 길이를 같게 하여 각 파이프의 압력손실을 같게 하는 것이 중요하고, 동시에 도 1에 나타낸 2개의 가스유로의 유로길이를 같게 하여, 독립한 2개의 가스유로의 압력손실을 같게 하는 것이, 가스의 균등분배를 하는 데에 있어서 중요하다.

이 고분자전해질형 연료전지를 정격의 부하로 운전할 때에, 제어기(200)는, 밸브(35 및 39)를 열고, 바이패스 밸브(37)를 닫는다. 파이프(31)로부터 공급되는 산화제 가스는, 파이프(31a 및 31b)로부터 각각 매니폴드 구멍(11a 및 11b)으로부터 제 1 가스유로(21a) 및 제 2 가스유로(21b)에 공급되고, 파이프(33a 및 33b)를 거쳐 파이프(33)에 배출된다. 또한, 정격의 1/2의 부하로 운전할 때에는, 제어기(200)는, 밸브(35 및 39)를 닫고, 바이패스 밸브(37)를 연다. 파이프(31a)로부터 제 1 가스유로(21a)를 흐른 산화제 가스는, 파이프(33a)로부터 바이패스 밸브(37) 및 파이프(31b)를 거쳐 제 2 가스유로(21b)를 흘러, 파이프(33b)로부터 파이프(33)로 배출된다. 즉, 발전출력의 변경에 따라, 각 가스유로에 물이 체류하지 않는 가스속도를 유지하도록, 각 가스유로의 병렬연결 및 직렬연결이 변경된다.

여기서는, 냉각수의 유로에 대해서는 생략하고, 따라서, 도 1 및 도 2에서는, 냉각수의 매니폴드 구멍을 생략하고 있다. 그러나, 가스유로와 마찬가지로, 냉각수의 유로를 복수로 분할하여, 가스유로의 전환과 마찬가지로, 부하에 따라서 전환하도록 구성할 수도 있다. 위에 나타낸 세퍼레이터는, 캐소드쪽 세퍼레이터와 애노드쪽 세퍼레이터판을 겸하는 것이지만, 아래와 같이 하여 냉각수에 의한 냉각부를 구성할 수 있다. 한쪽 면에 도 1과 같은 산화제가스의 유로를 형성하고, 다른 쪽 면에 냉각수의 유로를 형성한 캐소드쪽 세퍼레이터와, 한쪽 면에 도 2와 같은 연료가스의 유로를 형성하고, 다른 쪽 면에 냉각수의 유로를 형성한 애노드쪽 세퍼레이터를, 냉각수의 유로가 마주 향하도록 결합한 조합세퍼레이터를, 적절히 MEA의 사이에 삽입하는 것이다. 여기에 나타낸 가스유로의 구성으로부터, 복수로 분할된 냉각수의 유로를 구성하는 것은 당업자에는 용이할 것이다. 또, 냉각부는, 셀마다 설치하지 않은 경우는, 가스유로와 같이 복수로 분할하지 않아도 좋다.

본 실시형태의 포인트는, 세퍼레이터의 면내에 독립한 매니폴드 구멍을 가진 복수의 독립한 가스유로를 가지며, 고분자전해질형 연료전지시스템이 간단한 밸브 전환에 의해서, 저부하 운전시의 전지성능의 저하 혹은 불안정 현상을 피하도록 한 것이다.

종래의 고분자전해질형 연료전지의 세퍼레이터의 구조는, 연료가스 및 산화제 가스의 각각의 가스는, 하나의 입구쪽 매니폴드로부터 세퍼레이터의 가스유로에 공급되고, 하나의 출구쪽 매니폴드를 통해 배출되는 구성이었다. 고분자전해질형 연료전지 발전시스템의 상품성을 높이기 위해서는, 전력수요에 따른 고분자전해질형 연료전지의 부하를, 발전효율을 저하시키지 않고 변동할 수 있도록 할 필요가 있다. 이를 위해서는, 정격출력에 대하여 부하를 증대시키는 경우에는, 그에 대응하는 유량으로 연료가스 및 산화제가스의 유량을 증대시키고, 정격출력에 대하여 부하를 감소시키는 경우에는, 그에 대응하는 유량으로 연료가스 및 산화제 가스의 유량을 감소시켜 운전해야 한다.

통상, 고분자전해질형 연료전지의 도전성 세퍼레이터에 설치된 가스유로는, 정격출력에 있어서 가장 적합한 유속이 되도록 설계되어 있다.

따라서, 전력부하를 증대시킨 경우에는, 가스유량의 증대에 따라 가스유로의 가스유속이 증대하고, 전력부하를 감소하는 경우에는, 가스유량의 감소에 따라 가스유로의 가스유속이 감소한다. 가스유로의 가스유속이 증대한 경우에는, 공급가스의 압력손실이 증대하기 때문에, 보조기계동력의 증대에 의해 발전효율이 약간은 저하하지만, 가스유로의 가스유속이 증대하기 때문에, 세퍼레이터의 가스유로내의 결로수나 생성수는 오히려 효율적으로 제거할 수 있어, 플러딩 현상이 발생하는 경우는 없다. 그러나, 전력부하를 감소시키는 경우에는, 가스유량의 감소에 따라 가스유로의 가스유속도 감소한다. 가스유로의 가스유속이 감소한 경우에는, 유속의 감소 정도에 의해서, 세퍼레이터의 가스유로내의 결로수나 생성수를 효율적으로 제거하는 것이 곤란하게 되어, 플러딩 현상이 발생한다. 이 때, 전력부하를 감소하였음에도 불구하고, 공급가스유량을 감소시키지 않으면, 발전출력에 대한 보조기계동력의 비율이 상대적으로 커져, 발전시스템 전체에서의 발전효율이 저하한다.

본 발명에 있어서는, 세퍼레이터의 면내에 독립한 입구쪽 및 출구쪽 매니폴드 구멍을 가진 복수의 독립한 가스유로를 형성하여, 이들을 직렬 혹은 병렬로 접속함으로써, 특히 저부하 운전시에도 플러딩이 일어나지 않는 고분자전해질형 연료전지를 실현하는 것이다. 예를 들면, 최고부하 발전출력과 최저부하 발전출력의 비를 4대 1로 하는 경우, 세퍼레이터의 면내의 가스유로를 4개로 독립시켜 형성하여, 최고부하 발전시에는 모든 가스유로에 병렬로 가스를 공급하고, 최저부하 운전시에는 4개 모든 가스유로를 직렬로 접속하여 가스를 공급한다. 또한, 중간의 부하운전시에는, 4개의 유로중의 인접한 2개의 가스유로를 직렬로 접속하여 가스를 공급한다. 이에 따라서, 부하변동시에도 모든 가스유로에 있어서 동일한 가스유속을 유지할 수 있다.

이와 같이, 각 가스 단위유로가 복수 존재하는 경우는, 산화제가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 산화제가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드 및 산화제가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드 이외의, 각 산화제가스 단위유로에 있어서의, 입구쪽 산화제가스 매니폴드와 출구쪽 산화제가스 매니폴드가 연결되면 좋다. 그리고, 연료가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 연료가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드 및 연료가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드 이외의, 각 연료가스 단위유로에 있어서의, 입구쪽 연료가스 매니폴드와 출구쪽 연료가스 매니폴드가 연결되면 좋다.

또한, 각 가스유로를 직렬로 접속하는 경우, 각 가스유로의 접속은 독립한 매니폴드 구멍을 세퍼레이터의 외부에서 배관을 사용하여 접속함으로써, 중간의 매니폴드 구멍에 있어서 결로(結露)한 응축수를 세퍼레이터의 외부로 배출하는 것이 가능해져, 하류의 유로에 응축수가 공급되지 않기 때문에, 안정된 운전이 가능하다.

이와 같이 본 실시형태의 고분자전해질형 연료전지에 의하면, 부분 부하운전이 된 경우에도, 가스유로에 있어서의 가스의 유속이 저하하지 않기 때문에, 플러딩의 발생을 억제할 수가 있다.

그러나, 일반적으로, 연료전지는 정격부하로 운전할 수 있는 쪽이 장점이 크다. 따라서, 실제의 사용상황을 생각하면, 부분 부하로 운전되는 시간보다도 정격부하 또는 정격부하에 근접하여 운전되는 시간이 훨씬 길어지는 것이 상정되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 고분자전해질형 연료전지와 같이, 정격운전에 있어서도, 부분 부하운전에 있어서도, 각 단위유로를, 내부의 가스가 중력에 역행하지 않는 방향으로 흐르도록 구성함으로써, 플러딩의 발생을 더욱 억제할 수가 있다. 그러나, 상기 각 가스 단위유로 중, 일부 또는 전부가 내부의 가스가 중력에 역행하는 방향으로 흐르도록 구성되어 있더라도, 부분부하에 있어서의 플러딩을 억제할 수가 있다고 하는 점에서는 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

<실시형태 2>

본 실시형태에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 실시형태 1에 있어서의 제 1 출구쪽 매니폴드와 제 2 입구쪽 매니폴드를 접속하는 파이프에 미스트 트랩(mist trap)(40)을 삽입하였다. 반응가스가 상대습도가 거의 100%가 되도록 공급되는 경우, 반응가스는, 제 1 가스유로를 통과한 시점에서 생성수나 결로수 등에 의해, 많은 미스트를 포함한 상태로 되어 있다. 이 미스트가 후단의 가스유로에 공급되면, 미스트에 의한 가스유로의 폐쇄가 원인이 되어 플러딩이 발생할 위험성이 높다. 이 때문에, 상류쪽의 제 1 가스유로의 출구에서 한번 세퍼레이터의 외부로 배출한 미스트가, 다시 하류쪽의 가스유로에 공급되지 않도록, 미스트 트랩(40)을 삽입함으로써, 플러딩이 더욱 적은 신뢰성이 높은 운전을 가능하게 한다. 이 미스트 트랩(40)으로 포착된 물은, 연료전지시스템에 회수되어, 재이용하는 것도 가능하다. 미스트 트랩(40)에는, 시판되고 있는 기계식 미스트 트랩, 예를 들면 실시예 2에 사용한 것이나, 섬유형상으로 흡수효과를 가진 위크(wick) 형상의 예를 들면 연실 같은 것도 사용할 수 있다.

이와 같이, 매니폴드 구멍의 접속부분에 미스트 트랩(40)을 삽입함으로써, 응축수의 배출을 확실히 하는 것이 가능해진다. 각 가스유로를 흐르는 가스는, 중력에 역행하지 않는 방향으로 흐르는 경우는, 응축수의 배출이 더욱 촉진된다. 각 가스유로를 직렬 및 병렬로 전환하였을 때에, 가스가 흐르는 방향이 변화하지 않도록 구성하면, 항상 중력방향에 역행하지 않고서 가스를 흐르게 하는 것이 가능하고, 보다 안정된 운전이 가능하다. 한편, 도 5에 있어서 제어기(200)의 기재를 생략하고 있지만, 각 밸브는, 도 4의 경우와 같이 제어기(200)를 통해 조작된다.

(실시예 1)

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

아세틸렌블랙계 카본분말에 평균 입자지름 약 30Å의 백금입자를 25중량% 담지하여 캐소드촉매를, 또한, 아세틸렌블랙계 카본분말에 평균 입자지름 약 30Å의 백금-루테늄 합금입자를 25중량% 담지하여 애노드촉매를 각각 제작하였다. 이들 촉매분말을 이소프로판올에 분산시켜, 이것을 퍼플루오르카본술폰산 분말의 에틸알콜분산액{아사히그라스(주)제 프레미온(등록상표)}에 혼합하여 페이스트 상태의 잉크를 조제하였다. 이들 잉크를 원료로 하여 스크린인쇄법을 사용하여 두께 250㎛의 카본부직포{도오레(주) 코드번호 TGP-H-090}의 한쪽 면에 도포하여 각각 촉매층을 형성하였다. 이들 촉매층속에 포함되는 백금량은 0.3mg/cm², 퍼플루오르카본술폰산의 양은 1.2mg/cm²로 하였다.

상기한 바와 같이 카본부직포에 촉매층을 형성하여 제작한 캐소드 및 애노드를, 전극보다 한 둘레 큰 면적을 가진 수소이온전도성 고분자전해질막{미국듀퐁사제 나피온112(등록상표)}의 중심부의 양면에, 각각의 촉매층이 전해질막에 접하도록 핫 프레스에 의해서 접합하였다. 전극의 바깥 둘레부에 노출하고 있는 전해질막 부분에는, 두께 250㎛의 불소계 고무시트로 이루어지는 가스켓을 핫 프레스에 의해서 접합하였다. 이렇게 해서 전해질막전극접합체(MEA)를 제작하였다. 고분자전해질막에는, 퍼플루오르카본술폰산을 30㎛의 두께로 박막화한 것을 사용하였다.

도전성 세퍼레이터는, 두께 3mm의 등방성 흑연재에 기계가공에 의해서 가스유로 및 매니폴드 구멍을 형성한 것으로, 도 1 및 도 2에 나타낸 것과 같은 구조인 것이다. 각 가스유로의 홈 폭은 2mm, 깊이는 1mm, 홈 사이의 리브 폭은 1mm로 하여, 각각 1개 패스의 가스유로홈 구성으로 하였다. 또한, 도 1 및 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 가스유로에 대응하여 냉각수의 유로도 분할하였다.

다음에, 상기 도전성 세퍼레이터와 MEA를 교대로 적층하여, 50셀이 적층된 도 4와 같은 고분자전해질형 연료전지를 조립하였다. 집전판은, 표면에 금도금한 구리판, 절연판은 폴리페닐렌설파이드판, 끝단판은 스텐레스강제를 각각 사용하였다. 적층전지의 체결압력은, 전극의 면적당 10kgf/cm²로 하고, 도 1에 나타낸 세퍼레이터의 상부가 위가 되도록 적층전지를 구성하였다.

이 전지의 정격운전조건은, 연료이용율 75%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.3A/cm²이다.

이와 같이 제작한 본 실시예의 고체고분자형연료전지를 70℃로 유지하고, 애노드에는 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 연료가스를, 캐소드에는 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 연료가스는, 수소가스 80%, 이산화탄소 20% 및 일산화탄소 10ppm으로 이루어진다.

이 전지를 정격의 25%의 저부하가 되는 전류밀도 0.075A/cm²로부터 정격부하가 되는 0.3A/cm²까지 전류밀도를 변화시켜 전류-전압특성을 평가하였다. 단, 시험중의 이용률은 정격조건과 동등하게 하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5에는, 비교를 위해, 종래의 고분자 전해질형 연료전지, 즉 1개 패스의 가스유로홈 구성의 세퍼레이터를 사용한 비교예 1의 전지의 특성도 병기하였다. 본 실시예에서는 0.15A/cm² 이하를 직렬유로, 0.15A/cm² 이상을 병렬유로로 전환하여 시험을 행하였다.

도 6으로부터, 본 실시예의 고분자전해질형 연료전지는, 비교예 1의 전지에서는 가스유속의 저하에 의해서 플러딩이 발생하고, 운전이 곤란하였던 0.075A/cm²부근에서도 플러딩이 발생하지 않고, 안정된 운전을 할 수 있는 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는, 2개의 독립된 유로를 사용한 경우를 나타내었지만, 각 유로의 압력손실이 같으면, 3개 이상의 독립된 유로를 가진 구성으로 하는 것도 가능하다.

(실시예 2)

본 실시예에서는, 실시형태 2에 나타낸 바와 같이, 미스트 트랩(40)을 삽입한 것 외에는 실시예 1과 같은 전지를 제작하였다. 미스트 트랩(40)은, 시판의 기계식 미스트 트랩(Armstrong사제 1-LDC)을 사용하였다. 이 전지를 실시예 1과 같은 조건으로 전류-전압특성을 측정하였다. 여기서, 실시예 2에 있어서의 유로전체의 압력손실은 실시예 1에 있어서의 유로전체의 압력손실의 약 60%로 하여 설계하였다. 이 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7로부터, 실시예 2에 의하면, 낮은 압력손실로 안정된 전지출력을 얻을 수 있는 것이 확인되었다.

(실시예 3)

세퍼레이터를 도 1과 같이 구성하고, 또한 도 1과 같이 배치되도록 전지를 설치하는 것이 바람직하다. 통상, 냉각수가 흐르는 방향에 의해서 셀면내의 온도분포는 결정되고, 가스입구부분의 온도를 낮게, 가스출구부분의 온도를 높게 하기 위해서, 냉각수와 가스가 흐르는 방향을 합치는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써, 출구부근에서 대량으로 발생하는 생성수를 순조롭게 배출할 수가 있다. 즉, 가스의 흐름 방향이 변화하면 온도분포와의 상관(相關)이 무너져, 보다 물이 막힘이 생기기 쉬운 상태가 된다.

여기서, 본 실시예에서는, 실시예 1과 같이, 세퍼레이터를 도 1과 같이 구성하고, 또한 도 1과 같이 배치되도록 전지를 설치하였다. 본 실시예에 의하면, 가스유로를 병렬로 전환했을 때에도, 가스의 흐름방향이 변화하지 않기 때문에, 항상 플러딩이 억제되어, 안정된 운전이 가능하다.

이 전지를 실시예 1과 같은 조건으로, 정격시의 1/2의 부하로 운전했을 때의 전압의 시간경과에 따른 변화를 도 8에 나타낸다. 도 8에는, 비교예 3으로서, 강제적으로 제 2 가스유로의 입구와 출구를 역전시켜, 중력에 역행하는 방향으로 가스를 흘렸을 때의 특성도 나타내고 있다. 도 8로부터, 항상 중력에 역행하지 않는 방향으로 가스를 흐르게 함에 따라, 용이하고 또한 확실하게 안정된 운전이 가능한 것을 알 수 있다.

<실시형태 3>

도 9 및 도 10은, 셀 A를 구성하기 위한 캐소드쪽 세퍼레이터(10A) 및 애노드쪽 세퍼레이터(20A)를 나타낸다. 세퍼레이터(10A)는, 산화제가스의 매니폴드 구멍(11A, 13A 및 15A) 및 연료가스의 매니폴드 구멍(12A, 14A 및 16A)를 가지며, 캐소드에 마주 향하는 면에 매니폴드 구멍(11A와 15A)을 연결하는 본 발명의 산화제가스 단위유로에 대응하는 가스유로(17A)를 가진다. 한편, 세퍼레이터(20A)는, 연료가스의 매니폴드 구멍(22A, 24A 및 26A) 및 산화제 가스의 매니폴드 구멍(21A, 23A 및 25A)을 가지며, 애노드에 마주 향하는 면에 매니폴드 구멍(22A와 26A)을 연결하는 본 발명의 연료가스 단위유로에 대응하는 가스유로(28A)를 가진다.

도 11 및 도 12는, 셀 B를 구성하기 위한 캐소드쪽 세퍼레이터(10B) 및 애노드쪽 세퍼레이터(20B)를 나타낸다. 세퍼레이터(10B)는, 산화제 가스의 매니폴드 구멍(11B, 13B 및 15B) 및 연료가스의 매니폴드 구멍(12B, 14B 및 16B)을 가지며, 캐소드에 마주 향하는 면에 매니폴드 구멍(13B와 15B)을 연결하는 본 발명의 산화제가스 단위유로에 대응하는 가스유로(17B)를 가진다. 한편, 세퍼레이터(20B)는, 연료가스의 매니폴드 구멍(22B, 24B 및 26B) 및 산화제 가스의 매니폴드 구멍(21B, 23B 및 25B)을 가지며, 애노드에 마주 향하는 면에 매니폴드 구멍(24B와 26B)을 연결하는 본 발명의 연료가스 단위유로에 대응하는 가스유로(28B)를 가진다. 여기서, 가스유로(17A), 가스유로(17B)는, 본 발명의 산화제가스 유로홈의 전부에서 형성되어 있고, 가스유로(28A), 가스유로(28B)는, 본 발명의 연료가스 유로홈의 전부에서 형성되어 있다.

상기의 세퍼레이터에 조합되는 전해질막전극접합체(MEA)는, 세퍼레이터와 같은 사이즈의 고분자전해질막, 상기 전해질막을 끼운 한 쌍의 가스확산전극, 즉 캐소드 및 애노드 및 전극의 둘레가장자리부로부터 밀려나온 부분의 전해질막을 끼운 한 쌍의 가스켓으로 구성된다.

이 MEA를 세퍼레이터(10A)와 (20A)로 끼워 셀 A를 구성하고, 마찬가지로 MEA를 세퍼레이터(10B와 20B)로 끼워 셀 B를 구성한다.

상기의 셀 A와 셀 B를 교대로 적층하여 셀적층체를 구성한다.

도 17은 상기의 셀적층체를 사용한 고분자 전해질형 연료전지를 나타낸다. 셀적층체(130)는, 그 양 끝단에 집전판(131) 및 절연판(132)을 통해 끝단판(133)으로 끼워져, 볼트(도시하지 않음)에 의해 체결되어 있다. 한쪽의 끝단판에는, 세퍼레이터의 산화제가스용 매니폴드 구멍(11A, 11B, 21A 및 21B)에 연이어 통하는 매니폴드(101), 산화제가스용 매니폴드 구멍(13A, 13B, 23A 및 23B)에 연이어 통하는 매니폴드(3L), 연료가스용 매니폴드 구멍(12A, 12B, 22A, 및 22B)에 연이어 통하는 매니폴드(102) 및 연료가스용 매니폴드 구멍(14A, 14B, 24A, 및 24B)에 연이어 통하는 매니폴드(4L)가 부착되어 있다. 다른 쪽의 끝단판에는, 산화제가스용 매니폴드 구멍(13A, 13B, 23A 및 23B)에 연이어 통하는 매니폴드(3R), 연료가스용 매니폴드 구멍(14A, 14B, 24A, 및 24B)에 연이어 통하는 매니폴드(4R), 산화제가스용 매니폴드 구멍(15A, 15B, 25A 및 25B)에 연이어 통하는 매니폴드(105) 및 연료가스용 매니폴드 구멍(16A, 16B, 26A, 및 26B)에 연이어 통하는 매니폴드(106)가 부착되어 있다.

이 고분자전해질형 연료전지를 운전할 때의 산화제가스 및 연료가스의 공급방법을 설명한다.

먼저, 정격으로 운전할 때에는, 산화제가스, 연료가스 모두 셀 A 및 셀 B에 병렬로 공급하여 발전시킨다. 즉, 매니폴드(3R)를 닫고, 매니폴드(101) 및 매니폴드(3L)에 산화제 가스를 균등하게 공급한다. 이에 따라 세퍼레이터(10A)에는, 도 9에 나타낸 화살표와 같이, 산화제가스가, 매니폴드 구멍(11A)에서 가스유로(17A)를 흘러, 매니폴드 구멍(15A)으로부터 배출된다. 마찬가지로, 세퍼레이터(10B)에는, 도 11에 나타낸 화살표와 같이, 산화제 가스가, 매니폴드 구멍(13B)으로부터 가스유로(17B)를 흘러, 매니폴드 구멍(15B)으로부터 배출된다. 즉, 가스유로(17A) 및 가스유로(17B)는, 병렬로 연결되어, 산화제 가스가 2개의 유로에 동시에 공급된다.

한편, 매니폴드(4R)를 닫고, 매니폴드(102) 및 매니폴드(4L)에 연료가스를 균등하게 공급하면, 세퍼레이터(20A)에는, 도 10에 나타낸 화살표와 같이, 연료가스는, 매니폴드 구멍(22A)으로부터 가스유로(28A)를 흘러, 매니폴드 구멍(26A)으로부터 배출된다. 마찬가지로, 세퍼레이터(20B)에는, 도 12에 나타낸 화살표와 같이, 연료가스는, 매니폴드 구멍(24B)으로부터 가스유로(28B)를 흘러, 매니폴드 구멍(26B)에서 배출된다. 즉, 가스유로(28A) 및 가스유로(28B)는, 병렬로 연결되어, 연료가스가 2개의 유로에 동시에 공급된다.

상기한 바와 같이 하여, 셀 A 및 셀 B의 캐소드 및 애노드에 산화제가스 및 연료가스가 각각 병렬로 공급되어 발전한다.

다음에, 정격의 1/2의 부하로 운전할 때에는, 매니폴드 구멍(3L, 4L, 5, 및 6)을 닫고, 매니폴드(101)에 산화제 가스를 공급하고, 매니폴드(102)에 연료가스를 공급한다. 산화제 가스 및 연료가스는, 이하에 설명하는 바와 같이, 각각 셀 A와 셀 B를 직렬로 흘러, 매니폴드(3R 및 4R)로부터 배출된다.

매니폴드(101)에 공급되는 산화제가스는, 도 13의 화살표에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(10A)의 매니폴드 구멍(11a)에서 가스유로(17A)를 흘러, 매니폴드 구멍(15A)에 배출된다. 이어서, 도 15의 화살표에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(10B)의 매니폴드 구멍(15B)에 들어가고, 가스유로(17B)를 흘러, 매니폴드 구멍(13B)에서 배출된다. 즉, 가스유로(17A) 및 가스유로(17B)는, 직렬로 연결되어, 산화제가스가 2개의 유로에 차례로 공급된다.

마찬가지로, 매니폴드(102)에 공급되는 연료가스는, 도 14의 화살표에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(20A)의 매니폴드 구멍(22A)에서 가스유로(28A)를 흘러, 매니폴드 구멍(26A)으로 배출된다. 이어서, 도 16의 화살표에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(20B)의 매니폴드 구멍(26B)에 들어가고, 가스유로(28B)를 흘러, 매니폴드 구멍(24B)에서 배출된다. 즉, 가스유로(28A) 및 가스유로(28B)는, 직렬로 연결되어, 연료가스가 2개의 유로에 차례로 공급된다.

본 실시형태의 고분자형 연료전지에 있어서는, 세퍼레이터에 설치되는 한 쌍의 매니폴드 구멍 중 입구쪽 매니폴드 구멍을 적어도 2개로 하여, 매니폴드 구멍으로의 가스의 공급을 적절히 바꿈에 따라, 저부하 운전시의 전지성능의 저하 혹은 불안정 현상을 회피하고 있다.

즉, 고분자전해질막 및 이것을 끼운 애노드 및 캐소드로 이루어지는 전해질막전극접합체(MEA)를 끼운 세퍼레이터쌍을 적어도 2종류 준비한다. 제 1 세퍼레이터쌍에 끼워진 셀 A와 제 2 세퍼레이터쌍에 끼워진 셀 B를 포함하는 셀적층체를 구성하여, 셀 A에는 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍으로부터 가스를 공급하고, 셀 B에는 제 2 매니폴드 구멍으로부터 가스를 공급한다. 이에 따라, 셀 A와 셀 B에는 가스를 병렬로 공급할 수가 있다. 또한, 셀 A와 셀 B의 출구쪽 매니폴드 구멍을 직렬로 연결하여, 제 1 입구쪽 매니폴드 구멍으로부터 가스를 공급하면, 가스는 셀 A와 셀 B를 직렬로 흘러, 제 2 입구쪽 매니폴드 구멍으로부터 배출된다.

이렇게 해서, 산화제가스 및 연료가스의 한쪽, 바람직하게는 양쪽을 셀 A와 셀 B와, 부하에 따라서 병렬 또는 직렬로 공급할 수 있고, 가스유로에 있어서의 가스유속을 부하에 관계없이 일정하게 할 수 있다. 이에 따라, 저부하 운전시에 전지성능이 저하하거나 불안정 현상이 생기거나 하는 것을 피할 수가 있다.

종래의 고분자전해질형 연료전지 세퍼레이터의 구조는, 연료가스 및 산화제가스의 각각의 가스는, 하나의 가스입구쪽 매니폴드로부터 세퍼레이터의 가스유로에 공급되고, 하나의 가스출구쪽 매니폴드를 통해 배출되는 구성이었다. 연료전지 발전시스템의 상품성을 높이기 위해서는, 전력수요에 따른 연료전지의 부하를, 발전효율을 저하시키지 않고 변동시키는 것이 요구된다. 그를 위해서는, 정격출력에 대하여 부하를 증가시키는 경우에는, 그에 적합한 유량으로 연료가스 및 산화제가스의 유량을 증대시키고, 정격출력에 대하여 부하를 감소시키는 경우에는, 그에 적합한 유량으로 연료가스 및 산화제가스의 유량을 감소시켜 운전할 수 있는 것이 바람직하다.

통상, 연료전지에 사용되는 도전성 세퍼레이터에 설치된 가스유로는, 정격출력에 있어서 가장 적합한 가스유속이 되도록 설계되어 있다. 따라서, 전력부하를 증대시킨 경우에는, 가스유량의 증대에 따라 가스유로의 가스유속이 증대하고, 전력부하를 감소시키는 경우에는, 가스유량의 감소에 따라 가스유로의 가스유속이 감소한다. 가스유로의 가스유속이 증대한 경우에는, 공급가스의 압력손실이 증대하기 때문에, 보조기계동력의 증대에 의해 발전효율이 약간은 저하하지만, 가스유로의 가스유속이 증대하기 때문에, 세퍼레이터 가스유로내의 결로수나 생성수는 오히려 효율적으로 제거할 수 있어서, 플러딩 현상이 발생하는 경우는 없다. 그러나, 전력부하를 감소시키는 경우에는, 가스유량의 감소에 따라 가스유로의 가스유속도 감소한다. 가스유로의 가스유속이 감소한 경우에는, 유속의 감소정도에 의해서, 세퍼레이터의 가스유로내의 결로수나 생성수를 효율적으로 제거하는 것이 곤란하게 되어, 플러딩 현상이 발생한다. 이 때, 전력부하를 감소하였음에도 불구하고, 공급가스유량을 감소시키지 않으면, 발전출력에 대한 보조기계동력의 비율이 상대적으로 커져, 발전시스템전체에서의 발전효율이 저하한다.

본 발명은, 상기한 바와 같이, 다른 입구쪽 매니폴드 구멍을 가진 셀에의 가스의 공급을 매니폴드를 통해 직렬 및 병렬로 전환함으로써, 특히 저부하 운전시에도 플러딩이 일어나지 않는 고분자전해질형 연료전지를 실현하는 것이다. 예를 들면, 최고부하 발전출력과 최저부하 발전출력의 비를 2대 1로 하는 경우, 가스입구쪽 매니폴드를 2개 설치하여, 제 1 매니폴드에 연결되는 가스유로의 셀 A와 제 2 매니폴드에 연결되는 가스유로의 셀 B를 교대로 적층한다. 그리고, 고부하 발전시에는 제 1 및 제 2 가스입구쪽 매니폴드에 병렬로 가스를 공급한다. 또한, 최저부하 운전시에는 제 1 가스입구쪽 매니폴드로부터 가스를 공급하고, 제 2 가스입구쪽 매니폴드는 출구로서 사용하여, 고부하 발전시에 출구이던 매니폴드를 세퍼레이터 외부에서 배관을 사용하여 닫는 것에 의해, 셀을 직렬로 이어 가스를 공급한다. 이에 따라서, 부하변동시에도 모든 가스유로에 있어서 동일한 가스유속을 유지할 수 있다.

가스유로를 직렬로 접속하는 경우, 각 가스유로의 접속은 독립한 매니폴드 구멍을 세퍼레이터 외부에서 배관을 사용하여 접속함으로써, 중간의 매니폴드 구멍에 있어서 결로한 응축수를 세퍼레이터 외부로 배출하는 것이 가능해져, 하류의 유로에 응축수가 공급되지 않기 때문에, 더욱 안정된 운전이 가능하다.

또한, 매니폴드 구멍의 접속부분에 미스트 트랩을 삽입함으로써, 응축수의 배출을 보다 확실하게 하는 것이 가능해진다. 이 때, 매니폴드를 통해 직렬이 되는 셀은 인접하여 배치되어 있는 것이 바람직하다.

이들에 의해, 특히 저부하 운전시에도 플러딩이 일어나지 않는 고분자 전해질형 연료전지를 실현할 수가 있다.

또한, 고부하 운전시에 있어서는, 상기의 설명과 같이, 각 가스유로를 흐르는 가스의 방향은, 중력에 역행하지 않는 방향이기 때문에, 플러딩의 발생은 더욱 억제된다. 그러나, 저부하 운전시에 있어서는, 도 15, 16에 나타낸 바와 같이 각 가스유로를 흐르는 가스의 방향은, 중력에 역행하는 방향을 포함하는 경우가 있다. 따라서, 그 의미에서는, 플러딩이 발생할 가능성이 있지만, 실제의 시스템의 운전상황에서는, 상술한 바와 같이 정격부하에서의 운전시간이 부분부하에서의 운전시간보다도 길기 때문에, 문제가 되는 레벨이 아니다.

또, 본 실시형태의 설명에 있어서는, 셀 A 및 셀 B와 2종류의 셀을 적층하는 구성이지만, 3종류 이상의 셀이 적층되더라도 좋다. 즉, 정격부하일 때에는, 각 셀에 형성되는 가스 단위유로에 동시에 가스를 입력하고, 부분부하일 때에는, 부하의 크기에 따라서 각 가스 단위유로의 적어도 어느 하나를 직렬로 연결하여 차례로 가스를 입력하더라도 좋다.

이 때, 산화제가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 산화제가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드 및 산화제가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드 이외의, 각 산화제가스 단위유로에 있어서의 입구쪽 산화제가스 매니폴드와 출구쪽 산화제가스 매니폴드가 연결되면 좋다. 그리고, 연료가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 연료가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드 및 연료가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드 이외의, 각 연료가스 단위유로에 있어서의 입구쪽 연료가스 매니폴드와 출구쪽 연료가스 매니폴드가 연결되면 좋다.

<실시형태 4>

본 실시형태에 있어서의 고분자전해질형 연료전지의 전체 구성을 도 18에 나타낸다. 실시형태 3과 다른 부분은, 각 매니폴드의 배관에 밸브를 설치한 것이다. 산화제 가스의 입구쪽 매니폴드(101) 및 매니폴드(3L)는 각각 밸브(V2 및 V1)를 통해 1개의 산화제가스 공급파이프에 연결되어 있다. 산화제 가스의 입구쪽 매니폴드(3R)에는 밸브(V5)를, 출구쪽 매니폴드(105)에는 밸브(V8)를 각각 설치하고 있다. 연료가스의 입구쪽 매니폴드(102) 및 매니폴드(4L)는 각각 밸브(V4 및 V3)를 통해 1개의 연료가스 공급파이프에 연결하고, 연료가스의 입구쪽 매니폴드(4R)에는 밸브(V6)를, 출구쪽 매니폴드(106)에는 밸브(V7)를 각각 설치하고 있다. 그리고, 각 밸브는, 제어기(300)에 접속되어 있다.

이러한 구성에 의하면, 셀 A와 셀 B에 산화제 가스를 병렬로 공급할 때, 제어기(300)는, 밸브(V1, V2 및 V8)를 여는 동시에 밸브(V5)를 닫고, 매니폴드(101) 및 매니폴드(3L)로부터 각각 산화제 가스를 공급하여, 매니폴드(105)로부터 배출한다. 마찬가지로, 밸브(V3, V4) 및 밸브(V7)를 여는 동시에 밸브(V6)를 닫고, 연료가스를 매니폴드(102) 및 매니폴드(4L)로부터 공급하여, 매니폴드(106)로부터 배출한다.

한편, 셀 A와 셀 B에 산화제가스를 직렬로 공급할 때, 제어기(300)는, 밸브(V2 및 V5)를 여는 동시에 밸브(V7 및 V8)를 닫고, 산화제 가스를 매니폴드(101)로부터 공급하고, 매니폴드(3R)로부터 배출한다. 또한, 밸브(V4) 및 밸브(V6)를 여는 동시에 밸브(V3) 및 밸브(V7)를 닫고, 연료가스를 매니폴드(102)로부터 공급하고, 매니폴드(4R)로부터 배출한다. 이와 같이, 발전출력의 변경에 따라서, 각 가스유로에 물이 체류하지 않는 가스속도를 유지하도록, 각 가스유로의 병렬연결 및 직렬연결이 변경된다.

상기의 실시형태 3, 4에 있어서는, 각 세퍼레이터는 각각 단일한 것을 사용하였지만, 한쪽 면이 캐소드쪽 세퍼레이터로서 기능하고, 그 이면이 애노드쪽 세퍼레이터로서 기능하는 세퍼레이터로 할 수도 있다. 예를 들면, 셀 A와 셀 B를 인접하여 배열할 때에는, 셀 A의 캐소드쪽 세퍼레이터의 이면을 셀 B의 애노드쪽 세퍼레이터로 한다. 또한, 상기의 실시형태에 있어서는, 설명의 편의상 셀을 냉각하기 위한 냉각수의 매니폴드 구멍을 생략하고 있다. 냉각부는, 통상 캐소드쪽 세퍼레이터와 애노드쪽 세퍼레이터가 마주 향하는 면에 냉각수의 유로를 형성함으로써 구성된다. 이 냉각부는, 각 셀마다 또는 2∼3셀마다 설치된다.

(실시예 4)

이하, 본 실시형태 3, 4에 대응하는 실시예를 설명한다.

아세틸렌블랙계 카본분말에, 평균 입자지름 약 30Å의 백금입자를 25중량% 담지하였다. 이것을 캐소드의 촉매로 하였다. 또한, 아세틸렌블랙계 카본분말에, 평균 입자지름 약 30Å의 백금-루테늄합금입자를 25중량% 담지하였다. 이것을 애노드의 촉매로 하였다. 이들 촉매분말의 이소프로판올분산액에, 퍼플루오르카본술폰산분말의 에틸알콜분산액을 혼합하여, 페이스트 상태로 하였다. 이들의 페이스트를 원료로 하여 스크린인쇄법을 사용하여, 두께 250㎛의 카본부직포의 한쪽 면에 도포, 건조하여 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층을 각각 형성하였다. 얻어진 촉매층속에 포함되는 백금량은 0.3mg/cm², 퍼플로오로카본술폰의 양은 1.2mg/cm²로 하였다.

이들 촉매층을 가진 카본부직포로 이루어지는 전극은, 촉매재료 이외의 구성은 캐소드·애노드 음극 모두 동일한 구성이다. 이들 전극을, 전극보다 한 둘레 큰 면적을 가진 수소이온전도성 고분자전해질막의 중심부의 양면에, 인쇄한 촉매층이 전해질막쪽에 접하도록 핫 프레스에 의해서 접합하였다. 더욱 두께 250㎛의 엘라스토머(듀퐁사의 바이톤 AP, 경도 500)의 시트를 소정의 크기로 오려낸 가스켓을, 상술의 전극의 바깥둘레부에서 노출하는 전해질막의 양면에 배치하여, 핫 프레스에 의해서 접합 일체화시키고, 이렇게 해서 MEA를 제작하였다. 수소이온전도성 고분자전해질로서, 두께 30㎛의 퍼플루오르카본술폰산의 얇은 막을 사용하였다.

본 실시예에서는, 도 9∼도 12에 나타낸 세퍼레이터(10A, 10B, 20A 및 20B)를 사용하였다. 이들 세퍼레이터는, 두께 3mm의 등방성 흑연판에 기계가공에 의해서 가스유로 및 매니폴드 구멍을 형성하였다. 가스유로의 홈 폭은 2mm, 깊이는 1mm, 가스유로 사이의 리브의 폭은 1m으로 하고, 가스유로는 모두 1개 패스로 하였다.

상기의 MEA에 캐소드쪽 세퍼레이터(10A)와 애노드쪽 세퍼레이터(20A)를 조합한 셀 A와, MEA에 캐소드쪽 세퍼레이터(10B)와 애노드쪽 세퍼레이터(20B)를 조합한 셀 B를 교대로 적층하여 50셀의 셀적층체를 구성하였다. 셀적층체는, 금도금한 구리판으로 이루어지는 집전판과 폴리페닐렌설파이드제의 절연판을 통하여, 스텐레스강제의 끝단판으로 끼우고, 양 끝단판은 체결 로드로 체결하였다. 체결압력은 전극의 면적당 10kgf/cm²로 하였다. 또한, 각 도면에서 나타낸 바와 같이 세퍼레이터의 상부가 위가 되도록 적층전지를 구성하였다.

다음에, 이 셀적층체를 사용한 전지의 실제의 운전방법에 대하여 설명한다. 앞서의 실시형태에서 설명한 바와 같이, 전지를 정격조건으로 운전할 때에는, 산화제가스, 연료가스 모두 셀 A와 셀 B에 병렬로 공급하였다. 또한, 정격에 대하여 50% 이하의 저부하 운전에서는, 산화제를 셀 A와 셀 B에 직렬로 공급하고, 연료가스도 셀 A와 셀 B에 직렬로 공급하였다. 이 전지의 정격운전조건은, 연료이용율 75%, 산소이용율 40%, 전류밀도0.3A/cm²이다.

이 고분자전해질형 연료전지를 70℃로 유지하여, 애노드에 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소주체의 가스(80% 수소가스/20% 이산화탄소/10ppm 일산화탄소)를, 캐소드에 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 이 전지를 정격의 25%의 저부하가 되는 전류밀도0.075A/cm²로부터 정격부하가 되는 0.3A/cm²까지 전류밀도를 변화시켜 전류-전압특성을 평가하였다. 단지, 시험중의 이용률은 정격조건과 동등하게 하였다. 그 결과를 도 19에 나타낸다. 도 19에는 비교를 위해, 종래의 고분자전해질형 연료전지, 즉 셀 A만을 적층한 전지의 특성도 병기하였다. 본 실시예에서는, 전류밀도 0.15A/cm²이하의 경우는 직렬유로로 전환하고, 0.15A/cm²이상의 경우는 병렬유로로 전환하여 시험을 하였다. 도 19로부터, 본 실시예에 의한 고분자전해질형 연료전지에서는, 종래의 전지에서는 가스유속의 저하에 의해서 플러딩이 발생하여 운전이 곤란하게 되어 있던 0.075A/cm²부근에서도 플러딩이 발생하지 않고, 안정적으로 운전되고 있는 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는, 2종의 셀을 사용하였지만, 매니폴드를 증가시킴으로써 더욱 직렬 접속하는 셀의 종류를 늘리는 것도 가능하다.

(실시예 5)

본 실시예에서는, 실시형태 4와 같이 배관에 밸브를 설치하였다. 밸브의 개폐에 의해, 가스의 공급을 전환하여, 실시예 1과 같은 시험을 하였다. 그 결과, 실시예 1과 동등한 성능을 얻을 수 있었다.

또, 이상까지의 설명에 있어서, 실제의 시스템에서는, 각 가스유로의 입구쪽에는 가습기가 접속되고, 각 가스유로의 출구쪽에는 폐열 교환기가 접속되는 경우가 있다.

또한, 이상까지의 설명에 있어서, 각 도면에 나타낸 각 세퍼레이터, 각 셀의 설치방향은, 도 1에 나타낸 방향과 같다.

본 발명에 관한 고분자 전해질형 연료전지, 및 그 운전방법은, 저부하시에 있어서의 플러딩의 발생을 억제할 수 있고, 연료전지 코제너레이션시스템 등으로서 유용하다.

Claims (9)

1. 고분자전해질막, 상기 고분자전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드, 상기 캐소드에 산화제 가스를 공급하는 산화제가스 유로홈을 가진 캐소드쪽 세퍼레이터, 및 상기 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스 유로홈을 가진 애노드쪽 세퍼레이터를 가진 셀이 적층된 셀적층체를 구비하고,

   상기 산화제가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 캐소드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 산화제가스 단위유로를 형성하고,

   상기 연료가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 애노드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 연료가스 단위유로를 형성하며,

   상기 셀적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 산화제가스 단위유로가 병렬 또는 직렬로 연결가능하고,

   상기 셀적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 연료가스 단위유로가 병렬 또는 직렬로 연결가능한 고분자 전해질형 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서, 그 발전출력의 변경에 대하여, 상기 산화제가스 유로홈을 통과하는 산화제 가스의 속도가 상기 산화제가스 유로홈내에 물이 체류하지 않는 속도를 유지하고, 상기 연료가스 유로홈을 통과하는 연료가스의 속도가 상기 연료가스 유로홈내에 물이 체류하지 않는 속도를 유지하도록 상기 병렬연결 또는 상기 직렬연결이 변경되는 고분자 전해질형 연료전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 산화제가스 단위유로는, 상기 산화제가스 유로홈의 일부에서 형성되고, 상기 연료가스 단위유로는, 상기 연료가스 유로홈의 일부에서 형성되고 있으며,

   상기 병렬로 연결되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 산화제가스 단위유로는, 상기 산화제 가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 연료가스 단위유로는, 상기 연료가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되며,

   상기 직렬로 접속되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 산화제가스 단위유로의 전부 또는 일부는, 상기 산화제 가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 복수의 연료가스 단위유로의 전부 또는 일부는, 상기 연료가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되는 고분자 전해질형 연료전지.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 산화제가스 단위유로는, 상기 산화제가스 유로홈의 전부에서 형성되고, 상기 연료가스 단위유로는, 상기 연료가스 유로홈의 전부에서 형성되어 있으며,

   상기 병렬로 접속되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 산화제가스 단위유로끼리는, 상기 산화제 가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에게 형성되어 있는 연료가스 단위유로끼리는, 상기 연료가스가 동시에 공급되도록 서로 병렬로 연결되며,

   상기 직렬로 접속되는 경우는, 상기 각 캐소드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 산화제가스 단위유로의 전부 또는 일부끼리는, 상기 산화제 가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되고, 상기 각 애노드쪽 세퍼레이터에 형성되어 있는 연료가스 단위유로의 전부 또는 일부끼리는, 상기 연료가스가 차례로 공급되도록 서로 직렬로 연결되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 각 산화제가스 단위유로의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드와, 상기 각 산화제가스 단위유로의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드와, 상기 각 연료가스 단위유로의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드와, 상기 각 연료가스 단위유로의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드를 구비하고,

   상기 산화제가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 상기 산화제가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드 및 상기 산화제가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 산화제가스 매니폴드와 출구쪽 산화제가스 매니폴드가 연결되고,

   상기 연료가스 단위유로끼리가 직렬로 연결하는 경우는, 상기 연료가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드 및 상기 연료가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 연료가스 매니폴드와 출구쪽 연료가스 매니폴드가 연결되는 고분자 전해질형 연료전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 산화제가스 단위유로끼리 및 상기 연료가스 단위유로끼리의 직렬로의 또는 병렬로의 연결은, 상기 적층셀의 외부에 설치된 밸브를, 그 발전전력에 따라서 개폐함으로써 이루어지는 고분자 전해질형 연료전지.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 산화제가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 산화제가스 매니폴드 및 상기 산화제가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 산화제가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 산화제가스 매니폴드와 출구쪽 산화제가스 매니폴드가 연결되는 부분, 및 상기 연료가스 유로홈의 입구에 접속되는 입구쪽 연료가스 매니폴드 및 상기 연료가스 유로홈의 출구에 접속되는 출구쪽 연료가스 매니폴드 이외의, 입구쪽 연료가스 매니폴드와 출구쪽 연료가스 매니폴드가 연결되는 부분에 미스트 트랩이 설치되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 산화제가스 단위유로끼리의 병렬의 연결은, 상기 산화제 가스가 흐르는 방향이 중력에 역행하지 않는 방향이 되도록 이루어지고,

   상기 연료가스 단위유로끼리의 병렬의 연결은, 상기 연료가스가 흐르는 방향이 중력에 역행하지 않는 방향이 되도록 이루어지는 고분자 전해질막형 연료전지.
9. 고분자전해질막, 상기 고분자전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드, 상기 캐소드에 산화제 가스를 공급하는 산화제가스 유로를 가진 캐소드쪽 세퍼레이터 및 상기 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스 유로를 가진 애노드쪽 세퍼레이터를 가진 셀이 적층된 셀적층체를 구비하고,

   상기 산화제가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 캐소드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 산화제가스 단위유로를 형성하고,

   상기 연료가스 유로홈의 일부 또는 전부는, 상기 애노드쪽 세퍼레이터에 입력되고 나서 출력되기까지의 유로인 연료가스 단위유로를 형성하고 있는 고분자전해질형 연료전지의 운전방법으로서,

   상기 셀적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 산화제가스 단위유로를 병렬 또는 직렬로 연결하는 공정과,

   상기 셀적층체에 있어서의 2개 이상의 상기 연료가스 단위유로를 병렬 또는 직렬로 연결하는 공정을 구비하는 고분자전해질형 연료전지의 운전방법.