JP4637596B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池システム用ステムの冷却に関する。
一般に、燃料電池はメタノールや天然ガスなど炭化水素系列の物質内に含まれている水素と空気中の酸素を電気化学反応させて生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変化させる発電システムである。特に、燃料電池は、燃焼過程がなく、燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって生成される電気とその副産物である熱を同時に用いることができるという特徴を持っている。
このような燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、約１５０℃〜２００℃で作動するリン酸型燃料電池、約６００℃〜７００℃で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１，０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池、常温乃至１００℃以下で作動する高分子電解質型及びアルカリ型燃料電池などに分類されて、これら各々の燃料電池は根本的に同じ原理によって作動するが、燃料の種類、運転温度、触媒及び電解質が互いに異なる。この中で最近開発されている高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比して出力特性が卓越して作動温度が低いと同時に速い始動及び応答特性を有し、メタノール、天然ガスなどを改質して作られた水素を燃料として使用しており、自動車のような移動体に用いる電源として、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源としても用いることから、その応用範囲が広い長所を有している。
このような高分子電解質型燃料電池は、基本的にシステムを構成するため、スタックと呼ばれる燃料電池本体（以下、スタックという）、燃料タンク及びこの燃料タンクからスタックに燃料を供給する燃料ポンプなどが必要である。そして、燃料タンクに貯蔵された燃料をスタックに供給する過程で、燃料を改質して水素ガスを発生させ、その水素ガスをスタックに供給する改質器が更に含まれる。従って、高分子電解質型燃料電池は、燃料ポンプにより燃料タンクに貯蔵された燃料を改質器に供給して、改質器が燃料を改質して水素ガスを発生させて、スタックが水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する。
一方、燃料電池は液状のメタノール燃料を、直接、スタックに供給することができる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）方式を採用することができる。このような直接メタノール型燃料方式の燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは違い、改質器が不要である。
前記のような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）とセパレータ（またはバイポーラプレート）からなる単位セルが数個乃至数十個積層された構造を有する。
膜−電極アセンブリーは、電解質膜を間にしてアノード電極（負極。"燃料極"または"酸化電極"ともいう）とカソード電極（正極。"空気極"または"還元電極"ともいう）が付着された構造を有する。そして、セパレータは、燃料電池の反応に必要な酸素ガスと燃料ガスが供給される通路の役割と各膜−電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極を直列に接続させる導電体の役割を同時に遂行する。従って、セパレータによってアノード電極には水素を含有する燃料ガスが供給される反面、カソード電極には酸素を含有した酸素ガスが供給される。この過程でアノード電極では燃料ガスの電気化学的な酸化が起こって、カソード電極では酸素ガスの電気化学的な還元が起こって、この時生成される電子の移動により電気と熱そして水が生成される。
このような燃料電池システムでは、スタックを常に適正温度に管理すると、電解質膜の安定性を保障できるだけでなく、性能低下を未然に防止することができる。このため、従来の燃料電池システムは、通常の空冷式冷却装置を備えて運転中にスタックで発生する熱を比較的に温度が低い冷たい空気で冷やすので、スタックを冷却することによって暖められた空気は外部に排出される。
このように、空冷式冷却構造を有する従来の燃料電池システムでは、スタックを冷却して暖められた空気をそのまま排気するが、換言すると、スタックから回収した熱を捨てているということで、エネルギー損失の問題がある。
また、従来型燃料電池システムでは、スタックで電気を生成するために、セパレータを通って膜−電極アセンブリーのカソード電極に供給される空気の一部だけが反応し、残りの空気が未反応のまま多量の水分を含有した状態で外部に排出される。しかし、このように水分が多く含まれている空気を相対的に低い温度の大気中に放出する場合、放出された水分が大気と接触しながら液化凝縮して、周囲に悪影響を与える。例えば、金属に付着すると錆を生じ易くなり、人体の近くに集まると蒸し暑く不愉快な感じを与える。このような悪影響を軽減するには、凝縮した水を貯蔵したり、リサイクルするための別個の装置が必要で、全体的なシステムが大きくなるほか、その別個の装置の駆動にともなう熱または負荷が加重されて全体的なシステムの効率及び性能を低下させる問題がある。
本発明の目的は、このような問題を軽減し、システム全体を小形にすることで、システムの効率及び性能を向上させた燃料電池システムを提供することである。
前記目的を達成するため、本発明による燃料電池システムは、スタックから排出される水分を含有した空気と、前記スタックを冷却しながら暖められた空冷用空気とを混合して、前記排出水分が凝縮されることなく気化した状態で排出できる構造を有する。前記スタックは燃料と空気の供給を受けて電気エネルギーを発生させる電気発生部を有し、前記スタックに前記燃料を供給する燃料供給装置と、前記スタックが内蔵設置されるハウジングと、前記電気発生部で発生する熱を冷却させるための外部空気を前記ハウジング内に送風する送風機と、前記電気発生部を冷却しながら暖められた空気と、前記スタックから排出される水分含有空気が混合される空気混合領域と、を含んでおり、この領域で混合された空気中の水分を気化させてこの領域の外部に排出させる。
前記ハウジングは、前記スタックの前記電気発生部を内蔵でき、前記送風機が連結設置されるボディー及びこのボディーと一体に延長形成される前記空気混合領域からなり、気化した水蒸気が前記ハウジングの外部に排出されるような排出口を有する混合操作部を含んで構成される。
前記送風機は、送風管によって前記ボディーと連結されて、前記外部空気を前記ボディー内に供給するファンで構成できる。また、前記送風機は前記ボディーの一側面に設置されるファンで構成できる。
前記混合操作部は、前記排出口側に近寄るにつれて段々小さくなる内径を有し、前記スタックから排出された空気が注入される注入口及び前記排出口が形成されたファンネルから構成することができる。
前記空気混合領域は、前記ハウジングと別個の部材で備えられて、該ハウジング及び前記スタックと連結設置される混合タンクから構成することができる。
前記燃料電池システムは、前記ハウジングと前記混合タンクを連結する第１回収管と、前記スタックと前記混合タンクを連結する第２回収管と、を含む。
前記ハウジングは、その一側面に形成されて前記送風機によって供給される外部空気が前記ハウジング内に注入されるようにする注入口と、前記一側面に対向する他側面に形成されて前記暖められた空気を前記ハウジング外部に排出させる排出口と、を有する。
前記混合タンクは、前記第１回収管によって前記排出口と連結される第１流入口と、前記第２回収管によって前記スタックと連結される第２流入口と、を有する。
前記空気混合領域は、前記ハウジングと別個の部材に備えられて、該ハウジング及び前記スタックと連結設置される混合パイプから構成することができる。
前記燃料電池システムは、前記ハウジングと前記混合パイプを連結する第１回収管と、前記スタックと前記混合パイプを連結する第２回収管と、を含む。
前記合流パイプは、３方パイプで作ることができる。
前記電気発生部は、前記ハウジング内に複数個備えられ、前記外部空気は前記電気発生部同士の間に備わる冷却通路に沿って流動できる。
前記電気発生部は、膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）と、この膜−電極アセンブリーを中心に置き、その両面に密着配置されるアノード用及びカソード用のセパレータを備え、前記冷却通路は、一方のセパレータの連接面と、このセパレータに隣接した他方のセパレータの連接面が接する部位に形成することができる。
前記冷却通路は、前記セパレータ同士が接する各面に形成した凹部を合体させた形で形成することができる。また、前記セパレータに貫通孔を開けて冷却通路としてもよい。
前記燃料電池システムは、前記燃料供給装置から前記スタックに至る供給経路に配置されて、前記燃料供給装置から供給を受けた燃料を改質して水素ガスを生成させる改質器を更に含む。
前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式から構成することができる。
前記燃料電池システムは、直接、メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）方式から構成することができる。
本発明による燃料電池システムは、スタックを冷却しながら暖められた暑い空気とスタックを通って排出される未反応空気とを混合して、未反応空気を凝縮されないで気化された状態で排出させることができる構造を有するので、スタックを冷却しながら損失する熱エネルギーを減らすことができる。
また、スタックから排出される未反応空気が凝縮する際に生じる水を貯蔵またはリサイクルするための別個の装置を要しないので、熱または電気エネルギーの損失を減らすことができ、全体的なシステムの効率及び性能をより向上させることができる。
以下、本発明を明確にするため、好ましい実施形態を添付した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態による燃料電池システムを示した概略図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ線による断面図であり、図３は図１及び図２に示したスタックの分解斜視図である。
図面を参照すると、本発明による燃料電池システム１００は、メタノールまたは天然ガスのように炭化水素系列の燃料を改質して水素ガスを発生させ、この水素ガスと空気中の酸素を電気化学的に反応させて生じる化学エネルギーを、直接、電気エネルギーに変換させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を採用している。
また、本発明による燃料電池システムは、液状のメタノール燃料を、直接、スタックに供給して電気を生産できる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）方式でも構成できる。
燃料電池システム１００は、基本的に水素を含有した燃料と空気中の酸素の供給を受けて、これらの電気化学的な反応によって実質的に電気を生産するスタック１０と、燃料を貯蔵してその燃料をスタック１０に供給する燃料供給装置３０と、燃料供給装置３０と連結設置されてこの燃料供給装置３０から供給を受けた燃料を改質して水素ガスを作り出す改質器５０と、を含む。
前記改質器５０は、通常の高分子電解質型燃料電池に採用される改質器の構成からなるので、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
燃料供給装置３０は、水素を含有する燃料が貯蔵される燃料タンク（未図示）と、燃料タンク内に貯蔵された燃料を所定の吸引力で改質器５０に供給する燃料ポンプ（未図示）と、を含む。
スタック１０は、改質器５０を通して改質された水素ガスと空気中の酸素の供給を受けて、これらの酸化／還元反応を誘導して最終的に電気エネルギーを発生させる複数の電気発生部１１を備える。
各々の電気発生部１１は、電気を発生させる主要部分であって、水素ガスと酸素ガスを酸化／還元させる膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）１２と、水素ガスと酸素ガスを膜−電極アセンブリー１２に供給するためのセパレータ１６と、を含む。
このような電気発生部１１は、膜−電極アセンブリー１２を中心にその両側にセパレータ１６が各々配置された構成を有する。
スタック１０は、電気発生部１１が連続配置する構成となっており、このスタック１０で、最も外側に各々位置するセパレータを端板１３と画定することができる。
膜−電極アセンブリー１２は、両側面をなすアノード電極とカソード電極の間に電解質膜を介した構造を有する。
アノード電極は、水素ガスを電子と水素イオンに変換させる触媒層と、電子と水素イオンの円滑な移動のための支持層と、で構成される。カソード電極は、酸素ガスを電子と酸素イオンに変換させる触媒層と、電子と酸素イオンの円滑な移動のための支持層と、で構成される。
そして、電解質膜は、厚さが５０μｍ〜２００μｍである固体ポリマー電解質であって、アノード電極の触媒層で生成された水素イオンをカソード電極の触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。
図３に示すように、セパレータ１６は２枚の膜−電極アセンブリー１２に挟まれて、一方のアノード電極と他方のカソード電極を直列に接続させる導電体の機能を有する。そして、このセパレータ１６は、膜−電極アセンブリー１２の酸化／還元反応に必要な水素ガスと酸素ガスをアノード電極とカソード電極に供給する通路の機能も有する。このため、セパレータ１６の電極側表面には、膜−電極アセンブリー１２の酸化／還元反応に必要な反応ガスを供給するための流路チャンネルが形成される。また、セパレータ内部またはアノード・セパレータとカソード・セパレータの貼り合わせ部分（連接面）には、冷却通路１９が形成されて、冷媒が流れるようになっている。冷媒は、空気でも水でも専用冷媒でも、何でも良い。また、冷却通路の替わりに、両セパレータの各連接面に突起を形成して、この突起を接合・連結させてもよい。
このようなセパレータ１６は、膜−電極アセンブリー１２を間にして、その両側に各々配置されて膜−電極アセンブリー１２のアノード電極及びカソード電極に密着される。そして、セパレータ１６は、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極及びカソード電極に各々密着される密着面に、アノード電極に水素ガスを供給して、カソード電極に酸素ガスを供給するための流路チャンネルが形成される。
各々の端板１３は、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極及びカソード電極のうちのいずれか１つの電極に密着される。ここで、膜−電極アセンブリー１２に密着される端板１３の密着面には、ある１つの電極に水素ガス及び酸素ガスのうちのいずれか１つのガスを供給するための流路チャンネルが形成される。
また、各々の端板１３には、ある１つの流路チャンネルに水素ガスを注入するためのパイプ形状の第１供給管１３ａと、他の１つの流路チャンネルに空気を注入するためのパイプ形状の第２供給管１３ｂと、電気発生部１１で最終的に反応しなかった未反応水素ガスを外部に排出させるための第１排出管１３ｃと、電気発生部１１で最終的に未反応の未反応空気を外部に排出させるための第２排出管１３ｄを、を備える。ここで、第１供給管１３ａは、改質器５０から生成された水素ガスを端板１３の流路チャンネル１７（未図示）を通して膜−電極アセンブリー１２に供給するよう、改質器５０と燃料供給管５１に連結される。そして、スタック１０は、次の反応式１のような反応によって電気と熱そして水を生成する。
[反応式１]
正極反応:Ｈ２ → ２Ｈ+ + ２ｅ−
負極反応:１／２Ｏ２ + ２Ｈ+ + ２ｅ− → Ｈ２Ｏ
全体反応:Ｈ２ + １／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ + 電流 + 熱
反応式１を参照すると、スタック１０において、セパレータ１６を通して、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に水素ガスが供給され、カソード電極に空気が供給される。水素ガスがアノード電極に流れると、触媒層で水素が電子と水素イオンに分解される。水素イオンが電解質膜を通して移動すると、触媒によってカソード電極で電子と酸素イオンそして移動した水素イオンが反応して水を生成する。ここで、アノード電極で生成された電子は電解質膜を通しては移動しないで、外部回路を通してカソード電極に移動する。このような過程を通して電気と水が生成される。
このような燃料電池システム１００の作動時に、スタック１０では水素ガスと酸素ガスの化学的な反応によって熱が発生する。そして、スタック１０ではセパレータ１６を通して膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に供給される空気に含まれる酸素のうちの一部が電気生成のために反応して水分になり、未反応空気成分が未反応のまま多量の水分を含有した状態で第２排出管１３ｄを通って排出される。この時、未反応空気を、従来のように相対的に低い温度の大気に放出すれば、その未反応空気が大気と接触して冷却され、水分の液化凝縮が起こるようになる。
本発明の燃料電池システム１００では、スタック１０で発生する熱を外部の空気で冷却して、スタック１０を冷却しながら、暖められた空気とスタック１０の第２排出管１３ｄを通して排出される未反応空気を混合することで、未反応空気を凝縮しないで、気化状態で外部に排出させることができる構造を有する。
これを実現するため、燃料電池システム１００は、スタック１０を囲むように密閉された空間を形成するハウジング（容器）７０と、ハウジング７０の内部に外部空気を注入してスタック１０から発生した熱を冷却するための送風機７２と、ハウジング７０の内部でスタック１０を冷却しながら暖められた空気とスタック１０から排出される未反応空気が混合される空気混合領域８０と、を含む。
ハウジング７０は、スタック１０を収容するためのもので、所定容積の内部空間を有する密閉容器を備える。本実施形態で、ハウジング７０は、実質的にスタック１０が位置するボディー７１を含む。ここで、このボディー７１は、正六面体の形状を有することができる。
空気混合領域８０は、ボディー７１の一部分を外部に膨らませて突出変形するなど、ボディー７１と一体に延長形成されており、混合空気が水蒸気に気化されながらこの空気混合領域８０外部に排出できる排出口８１ａを有する混合操作部８１を含む。なお、“一体に延長形成”の意味には、連結管により結合された構造を含む。
本実施形態で混合操作部８１は、排出口８１ａ側に近づくほど段々と小さくなる内径を有し、スタック１０に排出された空気が注入される注入口８１ｂ及び排出口８１ａが形成されるファンネル（集排気装置）からなっている。
ボディー７１の一面には、送風機７２と連結される空気注入口７１Ａが形成される。さらに、ボディー７１の側面には、スタック１０の第２供給管１３ｂが貫通する第１連結ポート７１Ｃと、第１供給管１３ａが貫通する第２連結ポート７１Ｄと、第２排出管１３ｄが貫通する第３連結ポート７１Ｅと、第１排出管１３ｃが貫通する第４連結ポート７１Ｆと、が形成される。
送風機７２は、スタック１０の運転時に、外部空気をハウジング７０内に送風して、複数の電気発生部１１から発生する熱を冷却させる空冷機能のためのものである。送風機７２は、外部空気を吸入する通常のファン（回転扇）７３と、空気注入口７１Ａと送風ファン７３を連結することで、ファン７３によって外部から吸入される空気が、ハウジング７１の内部空間に注入されるようにするパイプ形態の送風管７４と、を備える。
次に図４を見ると、送風機９２を構成するファン９３は別個の送風管を備えることなく、ボディー７１の一側面に直接設置する事も出来る。
一方、スタック１０において、互いに隣接する電気発生部１１の間のセパレータ１６には、外部空気が通過できる冷却通路１９が形成される。この冷却通路１９は、互いに隣接する電気発生部１１において、電気発生部１１の各セパレータ１６が互いに密着される部位にあるチャンネル１９ａの貼り合わせによって形成できる。
つまり、冷却通路１９は、１つの電気発生部１１のセパレータ１６と、この電気発生部１１に隣接する他の電気発生部１１のセパレータ１６と、が互いに対向する形態で密着配置されながら、チャンネル１９ａの凹部が合体されることによって形成される。ここで冷却通路１９は、セパレータ１６に対して外部空気（冷却媒体）の流動方向に相応する方向例えば、垂直方向に形成することができるが、必ずこれに限られるものではない。
混合操作部８１は、ボディー７１の内部で電気発生部１１を冷却してから所定温度に暖められた暑い空気と、スタック１０で完全に反応できないまま水分を多量に含有した状態で第２排出管１３ｄを通して排出される未反応空気と、が混合される部位である。
本発明おいて、混合操作部８１を通して、暑い空気と未反応空気を混合する理由は、電気発生部１１を冷却しながら約３０℃〜４０℃の温度に暖められた空気が水分を含有することができる能力つまり、気体状水分含有能力が高いため、このような暑い空気とスタック１０から排出された水分が多量に含まれている未反応空気を混合して、これを気化させて水蒸気状態で混合操作部８１の外に排出させるためである。つまり、スタック１０で未反応のまま排出される空気が大気と接触して凝縮されることを防止するためである。なお、飽和水蒸気密度計算値は、２０℃で１７．３ｇ／ｍ3、３０℃で３０．４、４０℃で５１．２である。
このように構成された燃料電池システムの作動を説明する。
燃料電池システムにおいて、スタック１０の駆動によって電気が発生する途中、スタック１０の電気発生部１１では、水素ガスと酸素ガスの化学的な反応によって熱が発生する。
この熱を冷却するため、ファン７３または９３が外部の空気を吸入してハウジング７０のボディー７１の内部空間に注入する。そうすると、外部空気が電池発生部１１の冷却通路１９を通過する。これにより電気発生部１１で発生する熱は、冷却通路１９を通過する比較的に冷たい外部空気によって冷却されて、この外部空気は熱の吸収によって所定温度に暖められる。この暖められた暑い空気は、ファン７３または９３の送風圧力によって混合操作部８１側に移送されるが、これと同時にスタック１０からの未反応空気が、第２排出管１３ｄと混合操作部８１の注入口８１ｂに連結された回収管８３を通して混合操作部８１内に供給される。
この過程を通して混合操作部８１内では暑い空気と未反応空気が混合されて、これによりこの未反応空気は従来のように凝縮されないで、暑い空気との反応により気化されて水蒸気状態で混合操作部８１の排出口８１ａから混合操作部８１の外部に排出できるようになる。
このように本発明による燃料電池システムは、前記のような動作を一連の過程で反復遂行しながらスタックの電気生成及び冷却を行って、スタックを冷却しながら暖められた空気とスタックから排出される未反応空気を混合することで、未反応空気による液化凝縮した水分発生を防止できる。
次は、本発明の他の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムの概略図であり、図６は、本発明の第３実施形態による燃料電池システムの概略図である。
これらのシステムらにおいて、基本的な構成は前記第１実施形態のシステム構成と同じ方式からなるものの、混合空気が作られる領域が異なる。
まず、図５に示した第２実施形態で、空気混合領域９０は、ハウジング７０とは別個の部材に備えられて、ハウジング７０とハウジング７０内に配置されるスタック１０と連結される混合タンク９１からなる。
この混合タンク９１は、所定容積の内部空間を有する密閉タンクであって、第１回収管８５によってハウジング７０と連結されて、ハウジング７０から暑い空気が混合タンク９１内に流入する第１流入口９１ａと、第２回収管８７によってスタック１０と連結されて、スタック１０から未反応空気が混合タンク９１内に流入されるようにする第２流入口９１ｂと、未反応空気と暑い空気が混合タンク９１内で混合された後、水分が気化されてこの混合タンク９１の外部に排出できるようにする排出口９１ｃと、を有する。
ここで、ハウジング７０内部の暑い空気は、送風機７２からの送風圧力によって第１流入口９１ａを通して混合タンク９１の内部空間に流入できる。
また、混合タンク９１で混合された空気中の水分が気化されて送風機７２の外部に排出される時、その水蒸気は送風機７２からの送風圧力によって排出口９１ｃを通して外部に排出できる。
これとは異なり、混合タンク９１内にポンプ（図示せず）を設置して水蒸気を混合タンク９１外部に排出させる事も出来る。
第１回収管８５は、ハウジング７０のボディー７１の一側面（空気注入口７１Ａが形成された面に対向する面）に形成された空気排出口７１Ｂと混合タンク９１の第１流入口９１ａに連結設置され、第２回収管８７は、スタック１０の第２排出管１３ｄと混合タンク９１の第２流入口９１ｂに連結設置される。
図６に示した本発明の第３実施形態によるシステムは、空気混合領域を、ハウジング７０と別個の部材を備え、ハウジング７０と、該ハウジング７０内に配置されたスタック１０と連結される混合パイプ１０１と、の内部とする。
混合パイプ１０１は、混合操作部の具体例であって、所定の流体が３箇の分岐通路から流出入できる３方パイプである。つまり、混合パイプ１０１は、第１回収管８５によってハウジング７０と連結されて、ハウジング７０から暑い空気が混合パイプ１０１内に流入する第１流入口１０１ａと、第２回収管８７によってスタック１０と連結されて、スタック１０から未反応空気が混合パイプ１０１内に流入する第２流入口１０１ｂと、前記空気が混合パイプ１０１内で互いに混合された後、水分が気化されてこの混合パイプ１０１の外部に排出できるようにする排出口１０１ｃと、を備える。
第１回収管８５は、ハウジング７０のボディー７１の一側面（空気注入口７１Ａが形成された面を対向する面）に形成された空気排出口７１Ｂと混合パイプ１０１の第１流入口１０１ａを連結するように設置され、第２回収管８７はスタック１０の第２排出管１３ｄと混合パイプ１０１の第２流入口１０１ｂに連結設置される。
このように構成される第２及び第３実施形態による燃料電池システムも、前記第１実施形態の燃料電池システムと領域を異ならせて構成するだけであって、その作用は同一であるため、ここでは省略する。
本発明による燃料電池システムは、スタックを冷却しながら暖められた暑い空気とスタックを通して排出される未反応空気を混合して、未反応空気中の水分が凝縮されないで気化した状態で排出できる構造であるから、スタック冷却により失われる熱エネルギーを減らすことができる。
また、スタックから排出される未反応空気中の水分が凝縮する際に生じる水を貯蔵またはリサイクルするための別個の装置を要しないので、熱または電気エネルギーの損失を減らすことができ、全体的なシステムの効率及び性能をより向上させることができる。
以上を通して、発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されることがなく、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可能であって、これらも本発明の範囲に属するものとみなす。
本発明の第１実施形態による燃料電池システムを示した概略図である。 図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。 本発明による燃料電池システムのスタックを示した分解斜視図である。 本発明の第１実施形態の変形例による燃料電池システムを示した概略図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池システムを示した概略図である。 本発明の第３実施形態による燃料電池システムを示した概略図である。
符号の説明
１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）
１３ａ 第１供給管（水素）
１３ｂ 第２供給管（空気）
１３ｃ 第１排出管（水素）
１３ｄ 第２排出管（空気）
１６ セパレータ
１９ａ （流路チャンネル合体前の）冷却通路
１９ （流路チャンネル合体後の）冷却通路
３０ 燃料供給装置
５０ 改質器
５１ 燃料供給管
７０ ハウジング
７１ ボディー
７１Ａ 空気注入口
７１Ｂ 空気排出口
７１Ｃ 第１連結ポート
７１Ｄ 第２連結ポート
７１Ｅ 第３連結ポート
７１Ｆ 第４連結ポート
７２ 送風機
７３ ファン
７４ 送風管
８０ （第１実施形態による）空気混合領域
８１ ミックシング部
８１ａ 排出口
８１ｂ 注入口
８３ 回収管
８５ 第１回収管
８７ 第２回収管
９０ （第２実施形態による）空気混合領域
９１ 混合タンク
９１ａ （第２実施形態による）第１流入口
９１ｂ （第２実施形態による）第２流入口
９１ｃ 排出口
９２ 送風機
９３ ファン
１００ 燃料電池システム（Ｆｉｇ．１）
１００ （第２実施形態による）領域（Ｆｉｇ．６）
１０１ 混合パイプ
１０１ａ （第３実施形態による）第１流入口
１０１ｂ （第３実施形態による）第２流入口

Claims (18)

  1. 燃料と空気の供給を受けて電気エネルギーを発生させる電気発生部を有するスタックと、
    前記スタックに前記燃料を供給する燃料供給装置と、
    前記スタックを内蔵設置するためのハウジングと、
    前記電気発生部で発生する熱を冷却させるために外部空気を前記ハウジング内に送風する送風機と、
    前記電気発生部を冷却しながら暖められた空冷用空気と、
    水分を含有して前記スタックから排出された空気を混合することによって、前記スタックから排出された空気中の水分を気化して水蒸気として外部に排出する空気混合領域と、
    を備え、
    前記ハウジングは、
    前記スタックの電気発生部を内蔵すると共に、前記送風機を連結設置するためのボディーと、
    前記ボディーと一体化して延長形成される前記空気混合領域と、気化した水蒸気を前記ハウジング外部に排出するための排出口を有する混合操作部と、を含み、
    前記混合操作部は前記排出口側に近づくほど小さくなる内径を有し、前記スタックから排出された空気が注入される注入口及び前記排出口が形成されたファンネルを構成することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記送風機が、送風管によって前記ボディーと連結されて、前記外部空気を前記ボディー内に供給するファンを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記送風機が前記ボディーの一面に設置されるファンを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 燃料と空気の供給を受けて電気エネルギーを発生させる電気発生部を有するスタックと、
    前記スタックに前記燃料を供給する燃料供給装置と、
    前記スタックを内蔵設置するためのハウジングと、
    前記電気発生部で発生する熱を冷却させるために外部空気を前記ハウジング内に送風する送風機と、
    前記電気発生部を冷却しながら暖められた空冷用空気と、
    水分を含有して前記スタックから排出された空気を混合することによって、前記スタックから排出された空気中の水分を気化して水蒸気として外部に排出する空気混合領域と、
    を備え、
    前記空気混合領域が前記ハウジングと別個の部材に備えられて、該ハウジング及び前記スタックと連結設置される混合タンクからなることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 前記ハウジングと前記混合タンクを連結する第１回収管と、前記スタックと前記混合タンクを連結する第２回収管と、を備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記ハウジングは、
    その一側面に形成されて前記送風機によって供給される外部空気が前記ハウジング内に注入されるようにする注入口と、
    前記一側面に対向する他側面に形成されて、前記暖められた空気が前記ハウジング外部に排出されるようにする排出口と、を有することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記混合タンクは、
    前記第１回収管によって前記排出口と連結される第１流入口と、
    前記第２回収管によって前記スタックと連結される第２流入口と、を有することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 燃料と空気の供給を受けて電気エネルギーを発生させる電気発生部を有するスタックと、
    前記スタックに前記燃料を供給する燃料供給装置と、
    前記スタックを内蔵設置するためのハウジングと、
    前記電気発生部で発生する熱を冷却させるために外部空気を前記ハウジング内に送風する送風機と、
    前記電気発生部を冷却しながら暖められた空冷用空気と、
    水分を含有して前記スタックから排出された空気を混合することによって、前記スタックから排出された空気中の水分を気化して水蒸気として外部に排出する空気混合領域と、
    を備え、
    前記空気混合領域が、前記ハウジングと別個の部材に備えて、該ハウジング及び前記スタックと連結設置される混合パイプからなることを特徴とする燃料電池システム。
  9. 前記ハウジングと前記混合パイプを連結する第１回収管と、
    前記スタックと前記混合パイプを連結する第２回収管と、を含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記ハウジングは、
    その一側面に形成されて、前記送風機によって供給される外部空気が前記ハウジング内に注入されるようにする注入口と、
    前記一側面に対向する他側面に形成されて、前記暖められた空気が前記ハウジング外部に排出されるようにする排出口と、を有することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記合流パイプは、
    前記第１回収管によって前記排出口と連結される第１流入口と、
    前記第２回収管によって前記スタックと連結される第２流入口と、を有することを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記合流パイプが、３方パイプであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  13. 前記電気発生部が前記ハウジング内に複数個備えられ、
    前記外部空気は、前記電気発生部同士の間に備わる冷却通路に沿って流動することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  14. 前記電気発生部は、
    膜−電極アセンブリーと、
    該膜−電極アセンブリーを中心に置き、その両側に密着配置されるセパレータと、を含み、
    前記冷却通路は、前記セパレータの一面とこのセパレータに隣接した他のセパレータの一面が接する部位に形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記冷却通路は、前記セパレータが接するそれぞれの面に形成された凹部が合体した形で形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記スタックと燃料供給装置の間に配置されて、前記燃料供給装置から供給を受けた燃料を改質して水素ガスを生成させる改質器を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  17. 前記燃料電池システムが高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式からなることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃料電池システムが、直接、メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）方式からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
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