KR20040094345A

KR20040094345A - 연료전지 발전장치

Info

Publication number: KR20040094345A
Application number: KR1020040029941A
Authority: KR
Inventors: 교텐히사아키; 도미자와다케시; 간바라테루히사
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2004-11-09
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: CN1543003A; CN1316658C; EP1473791A1; US20040258971A1; CA2465929A1; KR100612529B1

Abstract

장기간에 걸쳐 냉각수의 전도도를 낮게 유지하여, 냉각수가 접촉하는 금속부재의 부식을 방지하고, 연료전지의 발전에 지장이 생기지 않는 연료전지 발전장치를 실현한다.

연료전지와, 냉각수 배관과, 열교환기와, 냉각수를 순환시키는 수단 등을 구비하는 연료전지 발전장치에 있어서, 상기 연료전지, 상기 냉각수 배관, 상기 열교환기 및 상기 수단을 전기적으로 접속하는 도전네트워크를 차단한다.

Description

연료전지 발전장치{FUEL CELL POWER GENERATOR}

본 발명은 연료전지의 냉각수의 수질열화를 억제할 수 있는 연료전지 발전장치에 관한 것이다.

고분자 전해질형 연료전지는 상온부근에서 동작하기 때문에, 가정 등의 민간용도로의 이용이 기대되고 있다. 이러한 연료전지는 설치장소에서 발전(發電)할 뿐만 아니라 배열(排熱)을 이용한 코제너레이션시스템에도 이용된다.

고분자 전해질형 연료전지의 기본적인 전지단위는 수소이온전도성을 가진 고분자 전해질막(두께 30∼100㎛)을 한 쌍의 가스확산전극으로 끼워 구성된 전해질막 전극접합체(MEA)이다.

가스확산전극은 고분자 전해질막과 마찬가지로, 수소이온전도성을 가진 전해질수지와, 전기화학반응촉매가 되는 미세한 귀금속을 표면에 분산시켜 담지한 카본입자와의 혼합물을, 가스확산 기재(基材)에 도포함으로써 형성된다. 상기 혼합물은 촉매반응층을 구성한다. 그리고, 각각의 가스확산전극에 연료가스와 산화제가스를 흐르게 함에 따라 발전이 일어난다.

실제로는, 이 MEA를 세퍼레이터로 끼워 단위전지를 얻어, 이 단위전지 복수개를 적층하고, 얻어진 적층체를 양 끝단에서 끝단판에 의해서 체결하여, 연료전지스택을 얻는다.

끝단판과 이 끝단판에 인접한 세퍼레이터의 사이에는, 발생한 전류를 손실없이 집전하기 위한 판형상의 집전체가 배치되어 있고, 집전판과 끝단판의 사이는 절연성재료로 절연되어 있다. 또한, 집전체에는, 금속이 재료로서 사용되는 것이 일반적이지만, 기계적 강도의 필요성 때문에 끝단판에도 금속이 사용되는 경우가 많다.

세퍼레이터에는 전자전도성, 기밀성 및 내식성이 요구되기 때문에, 이들 성질을 가진 재료로 구성된다. 일반적으로는, 카본재료 또는 금속재료 등이 사용된다.

MEA와 세퍼레이터의 사이에는, 가스확산전극의 주위를 둘러싸도록, 가스시일재가 배치되어, 통과한 연료가스 및 산화제가스가 스택 외부로 누출하거나, 서로 혼합하지 않도록 하는 구조가 채용되고 있다.

그리고, 각각의 MEA에 반응가스를 공급·배출하기 위한 매니폴드가, 각각의 세퍼레이터를 관통하도록 설치되어 있다(내부 매니폴드). 연료전지에서는, 반응가스가 가진 화학적 에너지의 일부를 전기로서 뽑아낼 수 있지만, 상기 화학적 에너지의 나머지 부분은 연료전지스택내부에서 열이 된다.

이와 같이 연료전지스택내부에서 발생한 열을 외부로 뽑아 내어 효과적으로 이용하는 동시에, 연료전지스택을 냉각하여 그 온도를 일정하게 유지하기 위해서, 냉각수를 스택내에 순환시킨다. 냉각수용 매니폴드도, 반응가스의 매니폴드와 같이, 세퍼레이터를 관통하도록 설치되어 구성되어 있다. 스택내를 통과한 냉각수는, 연료전지스택 외부로 빠져 나와, 열교환기를 통해 그 현열(顯熱)을 방출하고, 다시 스택으로 환류·순환되어 사용되는 것이 일반적이다.

여기서, 상기 매니폴드의 타입으로는, 상술한 바와 같은 소위 내부 매니폴드 외에, 스택의 측면에 설치하여, 스택의 측면으로부터 각 단위전지에 반응가스를 공급하거나, 냉각수를 공급·회수하는 외부 매니폴드도 있다. 반응가스나 냉각수 등의 유체는, 끝단판 및 집전판에 부착된 배관에 의해 스택 외부로부터 스택 내부로 공급된다.

연료전지스택은, 일반적으로, 그 끝단판의 부분 등에서, 연료전지 발전장치에 고정되어 있다. 또한, 연료전지 발전장치에 포함되는 것으로는, 연료전지스택 외에, 천연가스 등의 화석연료로부터 수소를 생성하는 연료처리장치, 연료전지스택에 공급하는 반응가스를 가습하는 가습기, 발생시킨 직류전력을 교류전력으로 변환하거나 하는 인버터, 연료전지스택의 온도조정이나 생성열의 효과적 이용을 위한 열교환기나 저탕(貯湯)탱크, 시스템 전체의 제어장치 등이 있다. 일반적으로, 이들 연료전지 발전장치를 구성하는 각 구성요소는, 연료전지발전장치의 몸체나 하우징체에 고정된다.

도 6에, 이러한 연료전지 발전장치의 개략적인 구성도를 나타낸다.

먼저, 연료처리장치(102)에 의해서, 천연가스 등의 원료로부터 수소를 주성분으로 하는 연료가스가 생성되어, 가습기(105)를 통해, 연료전지스택(101)으로 공급된다. 연료처리장치(102)는, 원료로부터 개질가스를 생성하는 개질기(103)와, 개질가스에 함유된 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 하기 위한 일산화탄소 변성기(104)를 구비한다.

한편, 공기공급장치(106)는 산화제가스인 공기를, 가습기(107)를 통해 연료전지(101)로 공급한다. 펌프(109)는 연료전지(101)내의 스택(101S)을 냉각시키는 냉각수를, 냉각수 배관(108)을 통해서 연료전지(101)로 공급하며, 냉각수는 스택 (101S) 내를 순환한다. 냉각수 배관(108)의 중간에는 열교환기(110)가 설치된다. 발전시에는, 열교환기(110)와 순환펌프(111)에 의해, 연료전지(101)로부터 열을, 배열용 배관(112)을 경유하여 저수 탱크(113)로 회수한다.

연료전지(101)내에서는 냉각효율을 높이기 위해서, 냉각수가 스택(101S)의 내부를 통과한다. 이 냉각수로서 전기전도도가 극히 작은 순수한 물을 사용함으로써, 연료전지스택이 발생하는 고전압의 냉각수를 통한 냉각계에의 전달, 누전 및 냉각수 배관(108), 펌프(109), 열교환기(110)의 열교환면(110A) 등의 냉각계의 금속물의 부식 등을 방지하고 있다.

여기서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 연료전지 발전장치에 있어서, 냉각수와 접촉하는 부분에, 전위를 인가하면 냉각수내의 이온을 흡수하거나 방출하거나 하는 재료를 배치하는 것이 제안되어 있다. 이에 따라, 연료전지스택에서 발생한 전위에 의해서, 냉각수의 전위와, 냉각수가 접촉하는 부분의 전위와의 차가 커지지 않도록 하여, 냉각계의 부품을 구성하는 재료로부터 이온이 냉각수에 용출하지 않도록 하고 있다. 또한, 예를 들어 특허문헌 2에는, 연료전지로부터 냉각계로의 입구와 출구를 단락(短絡)하고, 더욱 이들을 연료전지의 음극에 접속하는 기술이 개시되어 있다.

[특허문헌 1]

일본 특허공개공보 2001-297784호

[특허문헌 2]

일본 특허공개공보 2001-155761호

상술한 바와 같은 연료전지 발전장치에 있어서는, 냉각수의 보충 등을 위해서, 냉각계에는 개방부를 형성하는 것이 필수불가결하다. 그러나, 냉각계의 일부에 개방부가 있으면, 아무래도 이 개방부로부터 불순물이 혼입하기 때문에, 물의 전기전도도가 상승하여 버린다. 냉각수의 전기전도도의 상승을 초래하는 불순물은, 상기의 개방부로뿐만 아니라, 연료전지 발전장치내로부터도 발생한다. 예를 들면, 냉각수 배관이나 세퍼레이터로부터 이온이 용출하여, 물의 전기전도도가 상승한다고 하는 현상이 있다.

한편, 냉각계에서 냉각수와 접하고 있는 금속부분은, 냉각수에 대하여, 전기화학적으로 일정한 전위차를 가지고 있다. 또한, 냉각수의 전위는 연료전지스택의 양극(산화제극)과 음극(연료극)의 사이에서 구배(勾配)를 가지고 있다. 따라서, 냉각수의 전기전도도가 상승하기 시작한 경우, 순환하는 냉각수에 접하는 적어도 2개소의 금속부분이 도통(導通)하면, 어느 한쪽의 금속부분의 표면이 귀(貴, noble)하게 되어, 금속이 부식하여 양이온이 용출한다. 그렇게 되면, 더욱 냉각수의 도전성이 높아져, 부식 및 용해가 촉진된다고 하는 악순환에 빠진다. 일단 이러한 악순환이 발생하면, 냉각계가 부식할 뿐만 아니라, 연료전지스택(101)도 서서히 열화하여 버린다.

상술한 바와 같이, 냉각수의 전도도는 급격히 변화하기 때문에, 그 관리를하기 위해서는, 냉각수의 전도도를 항상 모니터하는 장치를 설치하는 것이 필요하다. 또한, 이온을 흡수하는 재료의 흡수능력에 한계가 있어, 이러한 재료를 한번 배치하면, 간단하게 교환하기는 어렵다. 또한, 상기 재료를 재생하기 위해서 역의 전위를 인가하는 등의 조작이 필요하다. 더욱이, 열교환기의 열교환면에 상기 재료를 배치하는 것은 곤란하다. 게다가, 열교환기의 출구와 입구를 단락(短絡)하면, 오히려 금속부분이 부식한다고 하는 문제가 일어난다.

본 발명은 이상의 문제를 전부 해결하는 것으로, 냉각수계에 형성된 금속부분 등의 전자전도성부재의 부식 및 냉각수내의 불순물이온의 농도를 억제하여, 불순물이온에 의한 문제가 없는 연료전지 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 연료전지 발전장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 도 1에 있어서의 연료전지(1)의 스택(1S)의 구조와, 스택내에서의 각 단위전지의 전위를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시형태 2에 관한 연료전지 발전장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 4는 실시형태 2에 있어서 사용하는 분단부(41A)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서의 연료전지 발전장치의 운전시간과, 냉각수의 전기저항과의 관계를 상대적으로 도시한 도면이다.

도 6은 종래의 연료전지 발전장치의 구성을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료전지 1A : 집전체

1C : 집전체 8 : 냉각수 배관

10 : 열교환기 25A, 25C : 끝단판

41 : 분단부

본 발명은 수소이온 전도성 전해질과, 상기 수소이온 전도성 전해질을 끼운 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼운 한 쌍의 세퍼레이터로 구성한 단위전지 복수개를 적층한 적층체와, 집전체 및 끝단판을 가진 연료전지스택; 상기 연료전지스택내를 통과하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관: 상기 연료전지스택에서 발생한 열과 상기 냉각수의 열교환을 하는 열교환면을 가지며, 배열(排熱)용 배관에 접속된 열교환기; 상기 냉각수를 순환시키는 수단을 구비한 연료전지 발전장치로서,

상기 냉각수와 접촉하는 전자전도성부분 중, 상기 연료전지스택의 전자전도성부분, 상기 냉각수 배관의 전자전도성부분, 상기 열교환기의 전자전도성부분 및 상기 냉각수를 순환시키는 수단(예컨대 펌프)의 전자전도성부분으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 2종이 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치를 제공한다.

상기 연료전지스택의 전자전도성부분은, 상기 세퍼레이터, 집전체 및 끝단판을 포함하며, 상기 열교환기의 전자전도성부분은 상기 열교환면을 포함한다.

다만, 상기 전자전도성부분을 서로 전기적으로 절연하고자 하여도, 예를 들면 열교환기의 열교환면에서는, 냉각수 입구부와 냉각수 출구부가 연결되어 있고, 또한 동일한 금속으로 구성되어 있는 경우, 해당 냉각수 입구부를 흐르는 냉각수와 냉각수 출구부를 흐르는 냉각수의 전위차는 비교적 작다. 따라서, 본 발명에서는 상기 열교환면과 같이, 냉각수와 접하는 복수의 전자전도성부분이, 열교환작용이라는 하나의 기능을 수행하는 경우에는, 이들 전자전도성부분은 서로 절연상태로 할 필요는 없다.

한편, 예를 들어 열교환기와 펌프를 서로 절연하도록, 각각 열교환기능과 냉각수순환기능이라고 하는 다른 기능을 가진 전자전도성 부분은 서로 절연하는 것이 본 발명의 특징이다.

또한, 연료전지스택의 가장 바깥쪽의 세퍼레이터와 집전체와 같이, 연료전지 스택을 구성하는 부재로서 형상이나 재료가 다를 때는, 전기를 한데 모은다고 하는 기능이 동일하다. 이러한 경우에는, 기능상 전기적으로 도통한 상태인 것이 필요한 부분을 포함하는 것도 본 발명의 특징이다.

이와 같이, 본 발명에 관한 연료전지 발전장치의 기술사상의 특징은, 상기 연료전지 발전장치의 구성요소인 연료전지스택, 냉각수 배관, 열교환기 및 냉각수를 순환시키는 수단을 구성하는 전자전도성부재가 서로 전기적으로 절연되어 있고,상기 연료전지 발전장치 전체를 순환하는 냉각수에 의한 도전네트워크의 형성을 방지하는 데에 있다. 구체적으로는, 상기 냉각수를 통해, 적어도 상기 연료전지스택, 상기 열교환기 및 상기 냉각수를 순환시키는 수단이 도전네트워크를 형성하는 것을 저지하여, 이들 전자전도성부분을 서로 전기적으로 절연하는 것이다.

또한, 상기 냉각수 배관의 적어도 일부가 절연성재료로 구성되어 있는 것이 효과적이다.

상기 연료전지스택이, 상기 연료전지 발전장치의 하우징체와 절연성재료를 포함하는 부재로 고정되어 있는 것이 효과적이다.

또한, 상기 배열용 배관이 급탕기 또는 저탕(貯湯)기에 접속되어 있는 것이 효과적이다.

또한, 상기 연료전지스택에서 발생한 기전력(起電力)이 상기 배열(排熱)용 배관에 누출하는 것을 방지하는 누전방지수단을 가진 것이 효과적이다.

예를 들면, 상기 누전방지수단이, 상기 열교환면 및 배열용 배관의 적어도 한쪽을 지면에 어스하는 것이 효과적이다.

또한, 본 발명은 수소이온 전도성 전해질과, 상기 수소이온 전도성 전해질을 끼운 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼운 한 쌍의 세퍼레이터로 구성된 단위전지 복수개를 적층한 적층체와, 집전체 및 끝단판을 가진 연료전지스택; 상기 연료전지스택내를 통과하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관; 상기 연료전지스택에서 발생한 열과 상기 냉각수의 열교환을 하는 열교환면을 가지며, 배열용 배관에 접속된 열교환기; 상기 냉각수를 순환시키는 수단을 구비한 연료전지 발전장치로서,

상기 냉각수 배관이 상기 냉각수의 흐름을 분단(分斷)하는 분단부를 가진 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치도 제공한다.

상기 분단부는 복수개 있어도 좋다.

또한, 상기 분단부가 상기 열교환기의 입구측과 출구측에 설치되는 것이 효과적이다.

또한, 상기 열교환면 및 배열용 배관의 적어도 한쪽을 지면에 어스하는 것도 효과적이다.

상술한 바와 같은 구성을 가진 본 발명에 관한 연료전지 발전장치에 의하면, 냉각수에 접촉하는 금속부분의 부식을 억제하여, 장기간에 걸쳐 냉각수의 전도도가 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 특히 열교환기내의 열교환면의 부식을 억제하는 다른 방법으로서, 냉각수 배관의 중간에 냉각수의 흐름이 분단되는 부분을 형성함으로써, 효과적으로 냉각수의 전위가 열교환기내의 열교환면에 전달되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 연료전지 발전장치내에서, 냉각수와 접하는 전자전도성부분을 서로 전기적으로 절연하고, 또한, 냉각수의 흐름을 분단함으로써, 장기간에 걸쳐 냉각수의 급격한 전도도 상승을 억제하여, 냉각수에 접하는 전자전도성 부분의 부식을 억제할 수가 있다. 또한, 연료전지 발전장치의 신뢰성을 비약적으로 높일 수 있다.

<실시예>

본 발명은 수소이온 전도성 전해질과, 상기 수소이온 전도성 전해질을 끼운한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼운 한 쌍의 세퍼레이터로 구성한 단위전지 복수개를 적층한 적층체와, 집전체 및 끝단판을 가진 연료전지스택; 상기 연료전지스택내를 통과하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관; 상기 연료전지스택에서 발생한 열과 상기 냉각수의 열교환을 하는 열교환면을 가지며, 배열(排熱)용 배관에 접속된 열교환기; 상기 냉각수를 순환시키는 수단을 구비한 연료전지 발전장치에 관한 것이다.

그리고, 상기 연료전지 발전장치내에서, 상기 냉각수와 접촉하는 전자전도성부분 중, 상기 연료전지스택의 전자전도성부분, 상기 냉각수 배관의 전자전도성부분, 상기 열교환기의 전자전도성부분 및 상기 냉각수를 순환시키는 수단(예컨대 펌프)의 전자전도성부분으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 2종을 전기적으로 절연하는 것, 또는 상기 냉각수 배관이 상기 냉각수의 흐름을 분단하는 분단부를 설치하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 도 1에, 본 발명의 실시형태 1에 관한 연료전지 발전장치의 구성을 도시한다. 본 발명에 관한 연료전지 발전장치는 연료전지(1)를 포함하고, 연료전지 (1)는 수소이온 전도성 전해질 및 상기 수소이온 전도성 전해질을 끼운 한 쌍의 전극과, 이들을 끼운 한 쌍의 전자전도성 세퍼레이터로 이루어지는 단위전지 복수개를 적층하여, 양 끝단에 집전체 및 끝단판을 가진 연료전지스택(1S)을 가진다. 그리고, 상기 연료전지스택(1S) 내를 통과하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관(8)과, 상기 냉각수의 열교환을 하는 열교환면 및 배열용 배관을 가지며, 상기 냉각수를 통해 상기 연료전지(1)의 배열을 회수하는 열교환기(10)와, 상기 냉각수를 순환시키는 수단인 펌프(9)를 설치하여, 상기 연료전지 발전장치내에 발생하는 도전네트워크를 차단하는 것을 특징으로 한다.

도전네트워크가 형성되면, 전도도를 가지게 된 냉각수의 순환에 의해서, 연료전지 발전장치내의 금속부분 등의 전자전도성부분에, 귀(貴)한 부분과 비(卑)한 부분이 나타나고, 그 결과, 전자전도성부분이 부식한다. 본 발명은 이러한 문제를 효과적으로 해소하는 것이다.

연료전지 발전장치에 있어서는, 먼저, 연료처리장치(2)에 있어서, 천연가스 등의 원료로부터 수소를 주성분으로 하는 연료가스가 생성된다. 이 연료가스는 가습기(5)를 통해 연료전지(1)에 공급된다. 연료처리장치(2)는 개질가스를 생성하는 개질기(3)와, 개질가스에 함유된 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 하기 위한 일산화탄소 변성기(4)를 구비한다.

한편, 도 1에서는, 연료전지(1)로부터 떨어진 부분에 가습기(5 및 7)를 설치한 경우를 도시하고 있지만, 가습기(5 및 7)를 연료전지(1)에 인접하여 설치함과 동시에, 후술하는 열교환기(10)의 배열용 배관(12)으로부터의 열을 가습에 사용하는 것이 효과적이다. 여기서, 가습기의 내부에는 냉각수가 통과하기 때문에, 가습기의 내부에서 냉각수와 접하는 부분도, 본 발명에 있어서의 전자전도성부분에 해당하는 경우도 있다.

한편, 공기공급장치(6)는 산화제가스인 공기를, 가습기(7)를 통하여 연료전지(1)로 공급한다. 펌프(9)는 연료전지(1)를 냉각하는 냉각수를, 냉각수 배관(8)을 통과하여 연료전지(1)로 공급하고, 냉각수는 스택(1S) 내를 순환한다.

냉각수 배관(8)의 중간에는, 열교환기(10)가 설치된다. 발전시에는, 열교환기(10)와 순환펌프(11)에 의해 연료전지(1)로부터의 배열을, 배열용 배관(12)을 경유하여 저수 탱크(13)에서 회수한다. 연료전지(1)내는 냉각효율을 높이기 위해서, 냉각수가 스택(1S)의 내부를 통과하는 구조로 한다. 한편, 저수 탱크는 급탕기나 저탕기이더라도, 본 발명의 구성을 채용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

열교환기(10)는 냉각수 배관(8)에 이어지는 열교환면(10A)를 구비하고, 열교환면(10A)은, 열교환의 효율이 높은 금속으로 구성된다. 또한, 냉각수 배관(8)은 수지 또는 세라믹 등의 전기절연성 및 내열성을 가진 재료로 구성된다.

다음에, 도 2에, 도 1에 있어서의 연료전지(1)의 스택(1S)의 구조와, 스택내에서의 각 단위전지의 전위를 나타낸다.

연료전지(1)의 스택(1S)이 발전하는 부분에서는, 고분자 전해질막과 그것을 끼운 한 쌍의 가스확산전극으로 이루어지는 전해질막 전극접합체(MEA)(21)와 도전성 세퍼레이터판(22)이 교대로 적층되어 적층체를 구성하고 있다. 그 적층체의 끝단부에는, 절연판(24)을 통해, 판형상의 집전체(1C 및 1A)와, 끝단판(25A 및 25C)이 배치되어 있다.

끝단판(25A 및 25C)은 절연성을 가진 볼트 및 너트(도시하지 않음) 등에 의해서 일체로 체결되고, 각 단위전지는, 도전성 세퍼레이터판(22)에 의해 전기적으로 직렬로 접속된다. 또한, 이에 따라, 전해질막 전극접합체(21)나 세퍼레이터판 (22) 등의 각 부재를 접합하는 부분에서의 가스나 냉각수의 누설을 방지할 수 있다.

양극(산화제극)측의 끝단판(25C)에는, 산화제가스의 입구(26A)와 냉각수의 입구(27A)가 설치되고, 음극(연료극)측의 끝단판(25B)에는, 연료가스의 출구(26B)와 냉각수의 출구(27B)가 설치된다. 도 2에서는, 반응가스의 입구 및 출구는, 각각 1개씩밖에 도시하고 있지 않지만, 연료가스 및 산화제가스의 각각에 대하여 입구 및 출구가 설치된다. 또, 끝단판(25A 및 25C)에는, 본 발명의 구성을 채용하면, 가공하기 쉽게 비용이 싼 스텐레스강을 사용할 수가 있다.

세퍼레이터판(22)은, 연료전지(1)의 스택(1S)의 끝단부의 것을 제외하여, 한쪽 면에 가스확산전극(양극)에 산화제가스를 공급하는 가스유로를 가지며, 다른쪽 면에 가스확산전극(음극)에 연료가스를 공급하는 가스유로를 가진다. 세퍼레이터판(22)은, 예컨대 단위전지 2셀마다, 각 단위전지를 냉각하기 위한 냉각수의 유로를 형성한다.

냉각수는, 냉각수입구(27A)로부터 스택(1S)에 들어가, 2개의 단위전지마다 세퍼레이터(22)의 유로를 통과하여 스택(1S)을 냉각한 후, 출구(27B)에서 나와 열교환기(10)에 들어간다. 열교환기(10)에서, 냉각수는 열교환하여 냉각되어, 다시 스택(1S)에 공급된다. 이와 같이 주로 냉각수 배관(8)에 의해서 구성되는 냉각수 순환로에서, 냉각수는 끝단판(25A 및 25C) 및 열교환면(10A) 등의 금속부분에 접한다.

여기서, 부동액 등으로 마찬가지로 냉각수에 순수한 물을 사용할 경우, 초기의 순수한 물은 낮은 전도도를 갖지만, 냉각수계의 개방부(도시하지 않음)로부터의 불순물이나 냉각수 순환로를 구성하는 재료로부터 용출·혼입하는 불순물에 의해,냉각수의 전도도는 서서히 상승한다.

도 2의 하부에는, 연료전지스택의 구성부재의 위치와 대응시켜, 세퍼레이터마다의 전위를 개략적으로 나타내고 있다. Ps는 스택(세퍼레이터)의 전위를 나타내고, Pe 및 Pw는 냉각수의 전위를 나타내고 있다. Pe는 운전정지(스택의 기전력이 없는 상태)중의 냉각수의 전위, 또는 냉각수가 이온으로 오염되어 극히 높은 도전성을 가질 때의 냉각수의 전위를 나타낸다. Pw는 용출이온으로 조금 오염된 경우(본 발명에 의해서 오염이 억제된 경우)의 냉각수의 전위를 나타낸다.

집전판(1A 및 1C)의 사이에는, 단위전지의 수에 따라, 수십V 이상의 전위차가 생긴다. 스택(1S) 내를 통과하는 냉각수의 전위는, 이 전위에 지배된다. 따라서, 냉각수의 입구(27A)와 출구(27B)의 사이에는, 냉각수에는, 도 2의 X로 도시한 바와 같은 큰 전위차(가장 귀(貴)한 전위와 가장 비(卑)한 전위의 차)가 생긴다. 펌프(9), 스택(1S) 및 열교환기(10)를 접속하는 냉각수 배관(8)의 경로내에 존재하는 냉각수는, 이 입구(27A)와 출구(27B)의 2점으로부터의 거리에 따른 전위를 가진다.

또한, 이러한 냉각수에 접촉하는 금속부분은, 접하는 냉각수에 따른 전위를 가진다. 이러한 금속부분의 사이가 도통하면, 금속부분끼리가 같은 전위를 가진 것이 되기 때문에, 냉각수에 대하여, 한쪽의 금속부분에 귀(貴)한 전위가 발생하고, 다른쪽의 금속부분에 비(卑)한 전위가 발생한다.

따라서, 상술한 바와 같이 냉각수의 전도도가 상승하면, 냉각수에 대한 전위가 귀(貴)한 금속부분으로부터 금속이온이 냉각수내에 용출한다. 그 결과, 냉각수의 이온전도도가 점점 더 상승하여, 이것이 금속부분의 부식을 가속한다.

따라서, 본 실시형태에서는, 냉각계에서 냉각수와 접하는 금속부분을 서로 절연함으로써, 금속부분과 냉각수의 사이에 현저한 전위차가 생기는 것을 방지하여, 그 부식을 억제한다. 이를 위해서, 열교환면(10A), 스택(1S) 및 펌프(9)를 접속하는 냉각수 배관(8)을 수지 또는 세라믹 등의 절연성재료로 구성한다.

또한, 스택(1S)에서는, 끝단판(25A)와 끝단판(25C)을 절연성의 볼트(31)와 너트(32)로 체결하고 있다. 볼트(31)와 너트(32)는 세라믹으로 구성한다. 또한, 끝단판(25A 및 25C)과 볼트(31) 및 너트(32)의 사이에 내열성수지, 내열성고무 또는 세라믹 등의 절연성재료로 작성한 부재를 개재시키면, 금속제의 볼트(31) 및 너트(32)를 사용할 수 있다.

또한, 연료전지(1)에 있어서, 스택(1S)은 끝단판(25A 및 25C)과 절연성재료를 통해 케이스(도시하지 않음)에 유지하여, 양자가 전기적으로 도통하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 구성에 의해, 연료전지 발전장치내의 금속부분인 끝단판(25A 및 25C) 및 열교환면(10A)은, 서로 전기적으로 절연할 수 있다. 그 때문에, 전위차에 근거한 가속적인 금속부분의 부식을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 열교환기(10)의 열교환면(10A)을 접지하면, 그에 따라 급탕측에 냉각수의 전위가 전달되는 것을 방지할 수 있고, 배열용 배관(12)이 부식하는 것을 방지할 수 있다. 또, 이 때, 연료전지(1)의 양극(산화제극) 및 음극(연료극)의 어느 것이나 접지하지 않도록 한다. 덧붙여, 배열용 배관(12)도 접지하면, 부식방지효과를 더욱 크게 할 수 있다.

다음에, 도 3에, 본 발명의 실시형태 2에 관한 연료전지 발전장치의 구성을 도시한다. 본 실시형태 2에 관한 연료전지 발전장치는, 도 1에 도시한 실시형태 1에 관한 연료전지 발전장치와 마찬가지로, 연료전지(1), 냉각수 배관(8), 열교환기 (10) 및 펌프(9)를 구비하고, 더욱, 상기 연료전지 발전장치내에서의 냉각수의 흐름에 분단부를 가지며, 냉각수에 의한 도전네트워크를 차단하는 것을 특징으로 한다.

실시형태 2에 관한 연료전지 발전장치는, 실시형태 1에 관한 연료전지 발전장치와 거의 동일한 구성을 갖지만, 도 4에 도시한 바와 같이, 냉각수 배관(8)에 있어서, 연료전지(1)와 열교환기(10)의 사이에, 냉각수의 흐름을 분단하기 위한 분단부(41A 및 41B)를 가진 점에 특징이 있다. 여기서는 2개의 분단부를 형성한 경우를 도시하고 있지만, 1개이더라도 좋고, 또한, 많이 설치하면 효과는 커진다.

도 4는, 본 실시형태에서 사용하는 분단부(41A)를 개략적으로 도시한 도면이다. 분단부(41B)도 동일한 구조를 갖게 하면 좋다. 도 4에 도시한 바와 같이, 분단부(41)는, 입구배관(8A) 및 출구배관(8B)를 본체용기(8C)에 접속함으로써 구성되어 있다. 입구배관(8A)은 본체용기(8C)의 상부에 접속되며, 출구배관(8B)은 본체용기(8C)의 하부에 접속된다. 또한, 분단부에는 사이펀(Siphon)의 형상 및 기능을 갖게 함으로써, 본 발명의 효과를 높일 수 있다.

그리고, 도 3에 도시한 바와 같이, 펌프(9)로부터 밀어내진 냉각수는, 분단부(41A)의 입구배관(8A)으로부터 본체용기(8C)에 도입되어, 본체용기(8C)의 하부에설치된 출구배관(8B)으로부터 연료전지(1)로 흐른다. 입구배관(8A)의 개구부는, 본체용기(8C)에서, 냉각수(51)의 수면보다 위쪽에 있고, 이 부분에서 냉각수의 흐름이 분단된다. 한편, 분단부(41A)의 본체용기(8C)는 밀폐되어 있다.

이러한 구조의 분단부(41A 및 41B)를, 냉각수 배관(8)에서 연료전지(1)와 열교환기(10)의 사이에 설치함으로써, 연료전지(1)와 열교환기(10)의 사이에는 냉각수의 흐름에 의한 전기적인 접속(도전네트워크)이 분단된다. 이 때문에, 열교환면 (10A)에 연료전지(1)의 전위에 기인한 냉각수와의 전위차가 발생하는 것을 피할 수가 있어, 열교환면(10A)의 부식을 억제할 수 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 입구배관(8A) 및 출구배관(8B)을 염가의 금속으로 구성할 수가 있다.

또, 열교환기(10)와 연료전지(1)를 연결하는 부분의 냉각수 배관(8)이 긴 경우 등에는, 펌프(9)와 연료전지(1)의 사이에 분단부(41A)만을 설치하더라도 전위적인 영향이 생기는 경우가 있다. 따라서, 냉각수 배관(8)에, 열교환기(10)와 연료전지(1)를 연결하는 부분에도 분단부(41B)를 설치함으로써, 이러한 현상을 피할 수가 있다. 한편, 도시하지 않지만, 열교환면(10A)을 접지하면, 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 연료전지(1)를 구성하는 단위전지는, 가스확산층 및 촉매반응층으로 이루어지는 한 쌍의 가스확산전극과, 이들에 끼워진 고분자 전해질막으로 구성된다. 가스확산층으로서는, 카본 페이퍼 외에, 가요성(可撓性)을 가진 소재인 카본섬유를 짜서 제작된 카본 크로스, 또는 카본섬유와 카본분말을 혼합하여 유기 바인더를 가하여 성형한 카본 펠트 등을 사용하여도 좋다.

이하에, 실시예를 사용하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

≪실시예 1, 2 및 비교예≫

본 실시예에서는, 도 1에 도시한 구조를 가진 연료전지 발전장치(1)(실시예 1), 도 3에 도시한 구조를 가진 연료전지 발전장치(1)(실시예 2) 및 도 6에 도시한 비교 연료전지 발전장치(비교예)를 제작하였다.

먼저, 연료전지(1)의 단위전지를 제작하였다. 카본분말(덴키가가쿠고교(주)제의 덴카블랙FX-35)의 표면에 백금촉매를 담지시켜 촉매체를 얻어(50중량%이 백금), 이 촉매체를 고분자 전해질의 알콜용액(아사히가라스(주)제의 프레미온FSS-1)속에 분산시켜 슬러리를 얻었다.

한편, 두께 200㎛의 카본 페이퍼(도오레(주)제의 TGP-H-090)를, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 수성디스퍼젼에 담그고, 건조 및 열처리를 함으로써, 발수성을 가진 가스확산층을 얻었다.

이 가스확산층의 한 면에 상기 슬러리를 도포하고, 건조함으로써, 전극반응층 및 가스확산층으로 이루어지는 가스확산전극을 얻었다. 가스확산전극의 단위면적당의 백금량은 0.5g로 하였다. 또한, 이 가스확산전극을 2개 제작하였다.

다음에, 한 쌍의 가스확산전극에 의해서, 각각의 전극반응층이 안쪽을 향하도록 하여, 고분자 전해질막(미국듀퐁사제의 나피온112)을 끼우고, 전체를 압력 2.5MPa, 온도 110℃에서 30초간 핫프레스함으로써 전해질막 전극접합체(MEA)를 제작하였다. 한편, 가스확산전극의 면적(전극면적)은, 25 cm²로 하였다.

또한, 카본분말을 냉간프레스에 의해서 성형하여 판형상체를 얻어, 이 판형상체에 페놀수지를 함침시켜, 경화시킴에 따라 향상한 가스시일성을 가진 수지 함침판형상체를 얻었다. 그리고, 이 판형상체의 표면에 절삭가공으로 가스유로를 형성하여, 도전성의 세퍼레이터를 얻었다. 또한, 세퍼레이터의 가스유로의 주변부에는, 연료가스공급 배출용의 매니폴드구멍, 산화제가스공급 배출용의 매니폴드구멍 및 냉각수공급 배출용의 매니폴드구멍을 형성하였다.

다음에, 도 2에 도시한 구조를 가진 연료전지(1)의 스택(1S)을 제작하였다. 상술한 바와 같이 하여 제작한 MEA의 주위에 가스시일재가 되는 실리콘고무제의 가스켓을 배치하여, 세퍼레이터(22)를 통해 MEA를 10개 적층하였다. 그 때, MEA 2개마다 냉각수의 유로를 새긴 세퍼레이터(22)를 끼워, 적층체를 얻었다.

이렇게 해서 얻은 적층체의 양 끝단에 금도금을 실시한 구리제의 판형상의 집전체(1C 및 1A)를 배치함과 동시에, 절연판(24)을 개재하여 스텐레스강제의 끝단판(25A) 및 (25C)을 맞대어, 전체를 20kgf/cm²의 압력으로 체결하여 스택을 얻었다. 집전체(1A 및 1C)에도, 연료가스용 매니폴드구멍, 산화제가스용 매니폴드구멍 및 냉각수용 매니폴드구멍을 형성하였다.

끝단판(25A 및 25C)은 절연성을 가진 볼트 및 너트(도시하지 않음)등에 의해서 일체로 체결하여, 각 단위전지는 세퍼레이터(22)에 의해 전기적으로 직렬로 접속되었다. 또한, 이에 따라, 전해질막 전극접합체(21)나 세퍼레이터(22) 등의 각부재를 접합하는 부분을 완전히 시일하였다.

또한, 상술의 각 매니폴드구멍에 연이어 통하도록, 끝단판(25C)에는 반응가스의 입구(26A)와 냉각수의 입구(27A)를 설치하고, 끝단판(25B)에는 반응가스의 출구(26B)와 냉각수의 출구(27B)를 설치하였다. 도 2에서는, 반응가스의 입구 및 출구는, 각각 1개씩밖에 도시하고 있지 않지만, 연료가스 및 산화제가스에 각각에 대하여 입구 및 출구를 설치하였다.

이렇게 해서 제작한 연료전지(1)에 있어서, 연료가스용 매니폴드구멍에 가습기(5)를 통해 연료처리장치(2)를 접속하고, 산화제가스용 매니폴드구멍에 가습기 (7)를 통해 공기공급장치(6)를 접속하였다. 또한, 스택(1S)의 냉각수용 매니폴드에는 냉각수 배관(8)을 접속하고, 냉각수 배관(8)에는 열교환기(10)와 펌프(9)를 접속하였다.

여기서, 냉각수 배관(8)으로서는, 모두 전기절연성재료인 수지제의 배관을 사용하였다. 이에 따라, 상기 연료전지와 상기 열교환기와 상기 펌프의 사이에, 상기 냉각수에 의한 도전네트워크가 형성되는 것을 방지하였다. 이에 따라, 도 1에 도시한 구조를 가진 연료전지 발전장치(1)를 제작하였다(실시예 1).

또한, 냉각수 배관(8)에 있어서, 연료전지(1)와 열교환기(10)의 사이에, 냉각수의 흐름을 분단하기 위한 도 4에 도시한 구조를 가진 분단부(41A 및 41B)를 설치한 것 이외에는, 상기 연료전지 발전장치(1)와 마찬가지로 하여, 도 3에 도시한 구조를 가진 본 발명에 관한 연료전지 발전장치(2)를 제작하였다(실시예 2).

또한, 냉각수 배관(108)을 금속으로 구성한 것 이외에는, 상기 연료전지 발전장치(1)와 같이 하여, 도 6에 도시한 구조를 가진 종래의 연료전지발전장치로서의 비교용 연료전지 발전장치를 제작하였다(비교예).

[평가]

이상과 같이 제작한 연료전지 발전장치에 대하여, 운전시의 금속부분의 부식에 관한 평가하였다. 가스를 공급하는 가스공급계, 전지로부터 나오는 부하전류를 설정 및 조절하는 전기출력계 및 전지온도를 조정하여, 배열(排熱)을 효과적으로 활용하는 열조정계를 더하여, 연료전지 발전장치를 연속하여 운전하는 실험을 하였다.

각 전지구성단위에 있어서의 전류밀도를 0.3A/cm²로 하여, 공급하는 가스에 대하여 어느 만큼의 비율의 가스가 전극반응에 이용되었는지를 나타내는 가스이용율을, 연료극측에서는 70%로 하고, 산화제극측에서는 40%로 하였다.

또, 연료전지의 발전은, 화학식: H₂+ 1/2O₂-> H₂O에 의해 결정된다. 도입한 H₂가 모두 상기의 반응을 일으킨 경우에는 이용율이 100%이 된다. 그러나, 실제로는, 여러가지 이유에 의해, 도입한 H₂의 약 30%가 미반응인 채로, 즉 H₂인채로 배출된다.

또한, 전지온도를 75℃로 하여, 반응가스의 연료로서는 순수소를 공급하고, 반응가스의 산화제가스로서는 공기를 공급하였다. 반응가스의 공급압력에 대해서는, 공기측을 O.2kgf/cm²로 하고, 수소측을 O.O5kgf/cm²로 하며, 출구측은 대기에개방하였다.

냉각수로서 순수한 물을 사용하고, 연료전지 발전장치를 연속하여 운전하여, 전지성능의 변화, 및 냉각수의 전도도(전기저항)를 연속하여 감시하였다. 도 5에, 실시예 1의 연료전지 발전장치, 실시예 2의 연료전지 발전장치 및 비교예의 연료전지 발전장치의 운전시간과, 냉각수의 전기저항과의 관계를 비교하여, 각각 61, 62 및 60으로 상대적으로 도시하였다. 가로축은 운전시간(t)을 나타내고, 세로축은 냉각수의 전기저항(R)을 나타낸다. 한편, 상대적으로 나타내었기 때문에, 단위는 생략하였다.

도 5로부터 명백하듯이, 본 발명에 관한 연료전지 발전장치에 있어서는, 종래의 연료전지 발전장치에 비하여, 냉각수의 전도도를 장기간에 걸쳐 낮게 유지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 연료전지 발전장치내에서, 냉각수와 접하는 전자전도성부분을 서로 전기적으로 절연하는 것, 또한, 냉각수의 흐름을 분단함으로써, 장기간에 걸쳐 냉각수의 급격한 전도도상승을 억제하여, 냉각수에 접하는 전자전도성 부분의 부식을 억제할 수가 있다. 따라서, 본 발명에 관한 연료전지 발전장치는, 가정용 코제너레이션 시스템이나 차량용 발전장치 등에 바람직하게 사용하는 것이 가능하다.

Claims

수소이온 전도성 전해질과, 상기 수소이온 전도성 전해질을 끼운 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼운 한 쌍의 세퍼레이터로 구성한 단위전지 복수개를 적층한 적층체와, 집전체 및 끝단판을 가진 연료전지스택; 상기 연료전지스택내를 통과하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관; 상기 연료전지스택에서 발생한 열과 상기 냉각수와의 열교환을 하는 열교환면을 가지며, 배열용 배관에 접속된 열교환기; 상기 냉각수를 순환시키는 수단을 구비한 연료전지발전장치로서,

상기 연료전지 발전장치내에서, 상기 냉각수와 접촉하는 전자전도성부분 중, 상기 연료전지스택의 전자전도성부분, 상기 냉각수 배관의 전자전도성부분, 상기 열교환기의 전자전도성부분 및 상기 냉각수를 순환시키는 수단의 전자전도성부분으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 2종을 전기적으로 절연하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 연료전지스택의 전자전도성부분이 상기 세퍼레이터, 집전체 및 끝단판을 포함하고, 상기 열교환기의 전자전도성부분이 상기 열교환면을 포함하는 연료전지 발전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각수 배관의 적어도 일부를 절연성 재료로 구성한 연료전지 발전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 연료전지스택을 절연성 재료를 포함하는 부재에 의해서 상기 연료전지 발전장치에 고정한 연료전지 발전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 배열용 배관을 급탕기 또는 저탕기에 접속한 연료전지 발전장치.
제 5 항에 있어서, 더욱, 상기 연료전지스택에서 발생한 기전력이 상기 배열용 배관에 누출하는 것을 방지하는 누전방지수단을 가진 연료전지 발전장치.
제 6 항에 있어서, 상기 누전방지수단은, 상기 열교환면 및 배열용 배관의 적어도 한쪽을 지면에 어스하는 연료전지 발전장치.
수소이온 전도성 전해질과, 상기 수소이온 전도성 전해질을 끼운 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼운 한 쌍의 세퍼레이터로 구성한 단위전지 복수개를 적층한 적층체와, 집전체 및 끝단판을 가진 연료전지스택; 상기 연료전지스택내를 통과하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관; 상기 연료전지스택에서 발생한 열과 상기 냉각수와의 열교환을 하는 열교환면을 가지며, 배열용 배관에 접속된 열교환기; 상기 냉각수를 순환시키는 수단을 구비한 연료전지 발전장치로서,

상기 냉각수 배관 중의 어느 하나의 부분에, 상기 냉각수의 흐름을 분단하는분단부를 설치한 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 8 항에 있어서, 상기 분단부를 상기 열교환기의 입구측과 출구측의 양측에 설치한 연료전지 발전장치.
제 8 항에 있어서, 상기 열교환면 및 배열용 배관의 적어도 한쪽을 지면에 어스하는 연료전지 발전장치.