(57)【要約】      （修正有）【課題】水の回収効率を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、酸化剤と混合燃料の反応により電気エネルギーを発生させ、未反応燃料、酸化剤、水分及び二酸化炭素を排出する燃料電池スタック３０と、少なくとも一部の未反応燃料、酸化剤、及び水分を濃縮燃料と混合することにより前記混合燃料を準備して前記燃料電池スタック３０に供給する混合器４５と、前記濃縮燃料を前記混合器４５に供給する燃料供給部１０と、前記酸化剤を前記燃料電池スタック３０に供給する酸化剤供給部２０と、前記燃料電池スタック３０の排出口と前記混合器４５との間に配置された第１熱交換器４２と、前記混合器４５と前記燃料電池スタック３０の流入口と間に配置された第２熱交換器４８とを含む。【選択図】図１
2010192437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤と混合燃料の反応により電気エネルギーを発生させ、未反応燃料、酸化剤、水分、及び二酸化炭素を排出する燃料電池スタックと；
少なくとも一部の未反応燃料、酸化剤、及び水分を濃縮燃料と混合することにより前記混合燃料を準備して前記燃料電池スタックに供給する混合器と；
前記濃縮燃料を前記混合器に供給する燃料供給部と；
前記酸化剤を前記燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部と；
前記燃料電池スタックの排出口と前記混合器との間に配置された第１熱交換器と；
前記混合器と前記燃料電池スタックの流入口との間に配置された第２熱交換器と；
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
前記未反応燃料、酸化剤、水分、及び二酸化炭素の供給を受け、前記未反応燃料、酸化剤、及び水分を第１気体と第１液体に分離して、前記第１気体は前記第１熱交換器に供給し、前記第１液体は前記混合器に供給する第１気液分離器と；
前記第１熱交換器から排出物の供給を受け、前記排出物を第２気体と第２液体に分離して、前記第２液体を前記混合器に供給する第２気液分離器と；を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１熱交換器は、前記第１気液分離器から前記第１気体を冷却させて部分的に凝縮するように構成され、前記第２熱交換器は、前記混合燃料を前記燃料電池スタックに供給する前に前記混合燃料を冷却させるように構成される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１気液分離器は、排出された未反応燃料、酸化剤、及び水分の全ての供給を受けるように構成される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１気液分離器は、遠心分離型ポンプ、界面動電ポンプ（ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ  ｐｕｍｐ）、または分離膜（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）のいずれか一つである、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記分離膜はＰＴＦＥ膜を含む、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２気液分離器は、遠心分離型ポンプ、界面動電ポンプ、または分離膜のいずれか一つである、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記混合器と前記第２熱交換器との間にバッファ装置をさらに含み、前記混合燃料を臨時に貯蔵し、前記第２熱交換器に供給される混合燃料の量を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記バッファ装置は、前記混合燃料から不純物を除去するフィルターを含む、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
酸化剤と混合燃料の反応により電気エネルギーを発生させ、電気化学的反応で反応しない燃料、酸化剤、及び水分を排出する燃料電池スタックと；
濃縮燃料を供給する燃料供給部と；
前記酸化剤を前記燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部と；
前記排出された燃料、酸化剤、水分、及び二酸化炭素の供給を受け、前記排出された燃料、酸化剤、及び水分を第１気体と第１液体に分離する第１気液分離器と；
前記第１気体を冷却して、少なくとも部分的に凝縮させる第１熱交換器と；
前記部分的に凝縮された第１気体を、第２気体と第２液体に分離する第２気液分離器と；
前記燃料供給部から供給される凝縮された燃料、第１液体、及び第２液体を混合して前記混合燃料を準備する混合器と；
前記混合燃料を冷却させる第２熱交換器と；
を含む燃料電池システム。
【請求項１１】
前記排出された燃料、酸化剤、及び水分は、前記燃料電池スタックの膜−電極集合体のカソード側から排出される未反応酸化剤と、前記燃料電池スタックの膜−電極集合体のアノード側から排出される未反応燃料とを含み、前記未反応酸化剤及び未反応燃料は前記第１気液分離器に供給される、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池スタックの少なくとも一つ以上の排出口に連結される流入口と、第１排出口及び第２排出口とを備えた第１気液分離器と；
前記第１気液分離器の第１排出口に連結される流入口と、排出口とを備えた第１熱交換器と；
前記第１熱交換器の排出口に連結される流入口と、第１排出口及び第２排出口とを備えた第２気液分離器と；
前記第１気液分離器の第２排出口、前記第２気液分離器の第１排出口、燃料供給部に連結される少なくとも一つの流入口、及び排出口を備えた混合器と；
前記混合器の排出口に連結される流入口と、前記燃料電池スタックの流入口に連結される排出口とを備えた第２熱交換器と；
を含む燃料電池システムの回収装置。
【請求項１３】
前記第１気液分離器は、前記燃料電池スタックから未反応燃料、酸化剤、水分、及び二酸化炭素の供給を受け、前記未反応燃料、酸化剤、及び水分を第１気体と第１液体に分離し、前記第１気体を前記第１熱交換器に供給し、前記第１液体を前記混合器に供給し、
前記第１熱交換器は、前記第１気液分離器から前記第１気体の供給を受け、前記第１気体を冷却して部分的に凝縮させ、前記部分的に凝縮された第１気体を前記第２気液分離器に供給し、
前記第２気液分離器は、前記第１熱交換器から前記部分的に凝縮された第１気体の供給を受け、前記部分的に凝縮された第１気体を第２気体と第２液体に分離し、前記第２液体を前記混合器に供給し、
前記混合器は、前記第１気液分離器から前記第１液体の供給を受け、前記第２気液分離器から前記第２気体の供給を受け、前記燃料供給部から濃縮燃料の供給を受け、前記第１液体、第２液体、及び濃縮燃料を混合することによって前記混合燃料を準備し、前記混合燃料を前記第２熱交換器に供給し、
前記第２熱交換器は、前記混合器から前記混合燃料の供給を受け、前記混合燃料を冷却して、前記冷却された混合燃料を前記燃料電池スタックに供給する、請求項１２に記載の燃料電池システムの回収装置。
【請求項１４】
前記混合器の排出口と前記第２熱交換器の流入口との間に連結されるバッファ装置をさらに含み、
前記バッファ装置は、前記第２熱交換器に供給される混合燃料の量を制御するように前記混合燃料を臨時に貯蔵する、請求項１３に記載の燃料電池システムの回収装置。
【請求項１５】
前記バッファ装置は、前記混合燃料から不純物を除去するフィルターを含む、請求項１４に記載の燃料電池システムの回収装置。
【請求項１６】
前記燃料電池スタックをさらに含み、
前記燃料電池スタックは、前記第２熱交換器から冷却された混合燃料の供給を受け、前記酸化剤供給部から酸化剤の供給を受けて、前記冷却された混合燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させ、前記電気化学的反応後に残された未反応燃料、酸化剤、及び水分を前記第１気液分離器に排出する、請求項１３に記載の燃料電池システムの回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本記載は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）を利用して電気化学的に電力を生産する装置であって、外部から供給される燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）を電気化学反応により直接電気エネルギーに変換させる装置である。
【０００３】
燃料電池の酸化剤としては、純水酸素や酸素が多量含まれている空気を利用し、燃料としては、純水水素または炭化水素系燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＨ３ＯＨ）を改質して生成された水素が多量含まれている燃料を使用する。
【０００４】
以下、説明の便宜のために、このような燃料電池のうち、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を中心に説明する。直接メタノール型燃料電池は、高濃度のメタノールを燃料電池スタックに供給して、酸素との反応で電気を生産する。
【０００５】
直接メタノール型燃料電池は、エネルギー重量密度を高めるために高濃度の燃料を使用するが、高濃度の燃料を使用するためにはアノードで消費される水をカソードで生成される水で補充しなければならない。従来の燃料電池システムは、カソードで生成される水を回収するためには、カソード出口側から排出される流体をまず熱交換器で凝縮させる。この後、凝縮された流体とアノードから排出される未反応燃料とを気液分離装置で液体と気体に分離する。気液分離装置で分離された気体は外部に排出され、液体は燃料と混合されて再び燃料電池スタックに供給される。
【０００６】
このような従来の燃料電池システムは、凝縮された流体と未反応燃料が気液分離装置で混合されるので、気液分離装置に流入する未反応燃料は凝縮された流体より相対的に高い温度を有する。そのため凝縮された流体が未反応燃料と混合されながら再び気化する問題が発生する。
【０００７】
凝縮された流体が気化すれば、水の回収効率が低下するので、適正な量の水を回収するためにはカソードから排出される流体を凝縮させる装置の大きさが大きくなる必要があるという問題がある。
また、外部環境が高温の時には、気液分離装置内の温度がさらに高まるので、水の回収効率がさらに落ちるという問題が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一側面は、水の回収効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明の他の一側面は、体積を減らすことができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、酸化剤と混合燃料の反応により、電気エネルギーを発生させ、未反応燃料、酸化剤、水分及び二酸化炭素を排出する燃料電池スタックと；少なくとも一部の未反応燃料、酸化剤、及び水分を濃縮燃料と混合することにより前記混合燃料を準備して前記燃料電池スタックに供給する混合器と；前記濃縮燃料を前記混合器に供給する燃料供給部と；前記酸化剤を前記燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部と；前記燃料電池スタックの排出口と前記混合器との間に配置された第１熱交換器と；前記混合器と前記燃料電池スタックの流入口との間に配置された第２熱交換器と；を含む燃料電池システムを提供する。
【００１０】
前記燃料電池システムは、前記未反応燃料、酸化剤、水分、及び二酸化炭素の供給を受け、前記未反応燃料、酸化剤、及び水分を第１気体と第１液体に分離して、前記第１気体は前記第１熱交換器に供給し、前記第１液体は前記混合器に供給する第１気液分離器と、前記第１熱交換器から排出物の供給を受け、前記排出物を第２気体と第２液体に分離して、前記第２液体を前記混合器に供給する第２気液分離器とを含むことができる。
【００１１】
前記燃料電池システムの前記第１熱交換器は、前記第１気液分離器から前記第１気体を冷却させて部分的に凝縮するように構成し、前記第２熱交換器は、前記混合燃料を前記燃料電池スタックに供給する前に前記混合燃料を冷却させるように構成することができる。
前記燃料電池システムの前記第１気液分離器は、排出された未反応燃料、酸化剤、及び水分の全ての供給を受けるように構成することができる。
【００１２】
前記第１気液分離器は、遠心分離型ポンプ、界面動電（ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ）ポンプ、または分離膜（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）のいずれか一つである構成とすることができ、前記分離膜はＰＴＦＥ膜を含むことができる。前記第２気液分離器も、遠心分離型ポンプ、界面動電ポンプ、または分離膜のいずれか一つである構成とすることができる。
【００１３】
前記燃料電池システムは、前記混合器と前記第２熱交換器との間にバッファ装置をさらに含み、前記混合燃料を臨時に貯蔵し、前記第２熱交換器に供給される混合燃料の量を制御することができる。前記バッファ装置は前記混合燃料から不純物を除去するフィルターを含むことができる。
【００１４】
本発明の他の実施形態は、酸化剤と混合燃料の反応により電気エネルギーを発生させ、電気化学的反応で反応しない燃料、酸化剤、及び水分を排出する燃料電池スタックと；濃縮燃料を供給する燃料供給部と；前記酸化剤を前記燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部と；前記排出した燃料、酸化剤、水分、及び二酸化炭素の供給を受け、前記排出された燃料、酸化剤、及び水分を第１気体と第１液体に分離する第１気液分離器と；前記第１気体を冷却して少なくとも部分的に凝縮させる第１熱交換器と；前記部分的に凝縮された第１気体を、第２気体と第２液体に分離する第２気液分離器と；前記燃料供給部から供給される凝縮された燃料、第１液体、及び第２液体を混合して前記混合燃料を準備する混合器と；前記混合燃料を冷却させる第２熱交換器と；を含む燃料電池システムを提供する。
【００１５】
本発明の他の実施形態は、燃料電池スタックの少なくとも一つ以上の排出口に連結される流入口と、第１排出口及び第２排出口とを備えた第１気液分離器と；前記第１気液分離器の第１排出口に連結される流入口と、排出口とを備えた第１熱交換器と；前記第１熱交換器の排出口に連結される流入口と、第１排出口及び第２排出口とを備えた第２気液分離器と；前記第１気液分離器の第２排出口、前記第２気液分離器の第１排出口、燃料供給部に連結される少なくとも一つの流入口、及び排出口を備えた混合器と；前記混合器の排出口に連結する流入口と、前記燃料電池スタックの流入口に連結される排出口とを備えた第２熱交換器と；を含む燃料電池システムの回収装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１気液分離器で分離された気体だけを冷却させて、冷却された流体から液体を分離することにより、水の回収効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態による燃料電池システムの全体的な構成を概略的に示す構成図である。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料電池システムのスタック運転を評価したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態によるスタックの温度と、スタックから排出される未反応燃料の温度とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の相異な形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されることはない。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。
上記図面を参照して説明すると、本実施形態による燃料電池システム１００は、メタノールと酸素の直接的な反応により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）方式を採用することができる。
【００１９】
ただし、本発明がこれに制限されることはなく、本実施形態による燃料電池システムは、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、ブタンガスなどのように水素を含む液体または気体燃料を酸素と反応させる直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）方式として構成することもできる。また、燃料を水素が豊富な改質ガスに改質して使用する高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）で構成することも可能である。
【００２０】
このような燃料電池システム１００に使用される燃料とは、メタノール、エタノールまたは天然ガス、ＬＰＧなどのように液状または気体状態からなる炭化水素系燃料を通称する。
そして、本燃料電池システム１００は、水素と反応する酸化剤として、別途の貯蔵手段に貯蔵された酸素ガスを用いることができ、空気を用いても良い。
本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料と酸化剤を利用して電力を発生させる燃料電池スタック３０と、燃料電池スタック３０に燃料を供給する燃料供給部１０と、電気生成のための酸化剤を燃料電池スタック３０に供給する酸化剤供給部２０と、燃料電池スタック３０から排出される未反応燃料及び空気を回収して燃料電池スタック３０に再供給する回収部４０とを含んで構成される。
【００２１】
燃料供給部１０は燃料電池スタック３０と連結設置され、液状の燃料を貯蔵する燃料タンク１２と、燃料タンク１２に連結設置される燃料ポンプ１４とを備える。前記燃料ポンプ１４は、所定のポンピング力によって燃料タンク１２に貯蔵された液状の燃料を排出させる機能を有する。本実施形態で、燃料供給部１０に貯蔵された燃料はほぼ１００％のＭｅＯＨで構成された高濃度メタノールからなることができる。
【００２２】
酸化剤供給部２０は燃料電池スタック３０と連結設置され、所定のポンピング力で外部空気を燃料電池スタック３０に供給する酸化剤ポンプ２５を備える。この時、燃料電池スタック３０と酸化剤供給部２０との間には、酸化剤の供給量を調節する酸化剤制御バルブ２６が設けられる。
【００２３】
図２は、図１に示した燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。
図１及び図２を参照して説明すると、燃料電池スタック３０は、燃料と酸化剤の間の酸化／還元反応を誘導して電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部３５を備える。
【００２４】
それぞれの電気生成部３５は、電気を発生させる単位セルを意味し、燃料と酸化剤を酸化／還元させる膜−電解集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）３１、燃料と酸化剤を膜−電極集合体に供給するためのセパレータ（二極式プレートとも言う）３２、３３を含む。
【００２５】
電気生成部３５は、膜−電極集合体３１を中心に置いて、その両側にセパレータ３２、３３がそれぞれ配置された構造を有する。膜−電極集合体３１は、中央に配置された電解質膜と、電解質膜の一側に配置されたカソード電極と、電解質膜の他側に配置されたアノード電極とを含む。
【００２６】
セパレータ３２、３３は、膜−電極集合体３１を介在して密着して配置され、膜−電極集合体３１の両側にそれぞれ燃料通路と空気通路を形成する。この時、燃料通路は膜−電極集合体３１のアノード電極側に配置され、空気通路は膜−電極集合体３１のカソード電極側に配置される。そして、電解質膜はアノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させて、カソード電極の酸素と結合して水を生成させるイオン交換を可能にする。
【００２７】
これにより、上記アノード電極では酸化反応によって水素を電子とプロトン（水素イオン）とに分解する。そして、プロトン（ｐｒｏｔｏｎ）が電解質膜を通ってカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通って移動できず、セパレータ３３を通って隣接する膜−電極集合体３１のカソード電極に移動するが、この時、電子の流れによって電流を発生させる。また、カソード電極では移動したプロトン及び電子と酸素の還元反応によって水分が生成される。
【００２８】
本燃料電池システム１００は、上記のような複数の電気生成部３５が連続的に配置（または互いに隣接するように積層）されることによって燃料電池スタック３０を構成する。ここで、燃料電池スタック３０の最外角には、燃料電池スタック３０を一体に固定するエンドプレート３７、３８が設けられる。
【００２９】
一側エンドプレート３７には、酸化剤をスタックに供給するための第１注入部３７ａと、燃料を燃料電池スタック３０に供給するための第２注入部３７ｂとが形成される。また、他側エンドプレート３８には、膜−電極集合体３１のカソード電極で水素と酸素の結合反応によって生成された水分を含む未反応空気を排出させるための第１排出部３８ａと、膜−電極集合体３１のアノードで反応後の未反応燃料とその他の物質（例えば、二酸化炭素）を排出させるための第２排出部３８ｂとが形成される。
【００３０】
一方、回収部４０は、排出口３８ａ、３８ｂから排出された物質（例えば、流体など）を収集して気体と液体に分離する第１気液分離器４１と、第１気液分離器４１から排出された気体を冷却する第１熱交換器４２と、第１熱交換器４２から排出された流体で気体と液体を分離する第２気液分離器４３と、第２気液分離器４３から伝達された液体と第１気液分離器４１から伝達された液体とを混合する混合器４５とを含む。
【００３１】
燃料電池スタック３０の排出口側に設置された第１気液分離器４１は、遠心分離型、界面動電ポンプ、または分離膜（例えば、ＰＴＦＥ膜）などで構成することができる。上記第１気液分離器４１は、第１排出口３８ａから排出された水分を含む未反応空気または酸化剤と、第２排出口３８ｂから排出された未反応燃料とを混合して、液体と気体に分離する。
【００３２】
第１気液分離器４１から排出された気体は第１熱交換器４２に移動し、液体は混合器４５に移動する。第１熱交換器４２は、第１気液分離器４１から排出された気体を冷却して液体に凝縮させる役割を果たす。燃料電池スタック３０から排出される未反応燃料及び水分は相対的に高い温度を有するので、第１熱交換器４２で気体の温度を下げれば気体が液体に凝縮される。
【００３３】
第１熱交換器４２で凝縮された液体と気体は第２気液分離器４３に伝達される。第２気液分離器４３は、第１気液分離器４１と同様に、遠心分離型、界面動電ポンプ、または分離膜などで構成することができる。
第２気液分離器４３から排出される液体は混合器４５に移動し、気体は外部に排出される。混合器４５には第１気液分離器４１及び第２気液分離器４３から伝達された液体が流入する。この際の液体は未反応燃料と水分が混合された状態で存在する。また、混合器４５には燃料供給部１０から伝達された高濃度燃料が流入するが、高濃度燃料は混合器で水分と共に混合されて適正な濃度の燃料に希釈される。
【００３４】
混合された燃料は第２熱交換器４９に伝達されるので、第２熱交換器４９は燃料の温度を低くして燃料電池スタック３０に供給する。
第１気液分離器４１を通じて液体を分離し、気体を第１熱交換器４２で冷却すれば、未反応燃料と未反応空気との温度差により燃料が気化することを最少化したり減らすことができる。つまり、従来のように未反応空気を凝縮した後、気液分離器で未反応空気と未反応燃料とを混合して分離すれば、相対的に低い温度を有する未反応空気が加熱され、凝縮された液体が気化する現象が発生する。気化が発生すると、未反応空気を凝縮した効果が減少し、前記気化状態を収容するために体積の大きい凝縮器が必要となる。
【００３５】
しがし、本実施形態のように、気体と液体を分離した後、気体だけを冷却すれば、従来に液体と気体を全て冷却する装置に比べ、熱交換器器の大きさを非常に減らすことができる。また、上記のように、熱交換器を２つとするので、第１熱交換器４２の大きさを従来に比べて著しく減少させることができる。
【００３６】
また、第１熱交換器４２から排出された流体を、第２気液分離器４３に流入させて気体と液体に分離することにより、従来に比べて水を回収する効率が増加される。同じ体積の熱交換器を使用する場合、従来の技術を用いる時に比べ、水回収率が約３０％が増加する。これは、一次的に第１気液分離器４１で液体が分離され、冷却された気体から生成された流体を第２気液分離器４３で液体と気体に分離させるためである。
【００３７】
また、混合器４５から排出された流体を第２熱交換器４９で冷却するので、この第２熱交換器４９を通じて第２注入部３７ｂに流入する燃料の温度を適切に調節することができる。特に、二つの熱交換器を設置して段階的に温度を低くするので、一つの熱交換器を使用する場合に比べ、温度をさらに多く低くすることができるだけでなく、熱交換器の大きさもさらに小さくすることができる。つまり、本実施形態によれば、２つの熱交換器を合わせた大きさが、従来の熱交換器一つの大きさに比べて、さらに小さくなる。
【００３８】
図３は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。
図３を参照して説明すれば、本実施形態による燃料電池システム２００は、混合器４５と第２熱交換器４９との間に設置されたバッファ装置４７を含む。
バッファ装置４７を除いては、上記第１実施形態と実質的に同一の構造であるので、同一の構造に対する重複した説明は省略する。
【００３９】
バッファ装置４７は、設定された量の燃料を燃料電池スタック３０に供給するように、臨時的に燃料を貯蔵する役割を果たし、バッファ装置４７の内には不純物が燃料電池スタック３０に流入することを遮断するか、または不純物を濾過するフィルター４７ａを設置しても良い。フィルター４７ａは液体に含まれている不純物を濾過させる多様な種類が適用できる。
【００４０】
本第２実施形態による燃料電池システム２００を４５℃の外部環境で運転した結果、前記燃料電池システム２００の種々の部分における流体の温度について、以下で説明する。
燃料電池スタック３０から排出される未反応燃料及び未反応空気の温度は６８．０８℃であって、相対的に高かった。このような流体が第１気液分離器４１から排出される液体と気体の温度も６８．０８℃に維持され、気体は第１熱交換器４２で５０．８３℃に冷却される。第１熱交換器４２で冷却された流体は、第２気液分離器４３で液体と気体に分離され、第２気液分離器４３から排出される流体の温度は５０．８３℃である。
【００４１】
第２気液分離器４３から排出された液体は混合器４５に流入するが、混合器４５では第１気液分離器４１で分離された液体との混合が行われ、混合された流体の温度が６７．８８℃まで上昇した。混合器４５から排出された流体はバッファ装置４７を経る過程で６５．０８℃に低くなり、この流体は再び第２熱交換器４９を通じて５８℃まで低くなって燃料電池スタックに供給される。
【００４２】
上述のように、第１熱交換器４２は、前記第１気液分離器４１から排出された気体を液体に凝縮させる役割を果たし、第２熱交換器４９は、燃料電池スタック３０の内に流入する燃料の温度を低くする役割を果たすので、燃料電池スタック３０の内に流入する燃料の温度を制御することができる。
【００４３】
このように燃料電池スタック３０に流入する燃料の温度を制御すれば、燃料電池スタック３０の内部の温度を簡単に制御できるだけでなく、燃料電池スタック３０から排出される流体の温度を適切に制御することができる。
図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムのスタック運転を評価したグラフであり、図５は、本発明の第１実施形態によるスタックの温度と、スタックから排出される未反応燃料の温度とを示したグラフである。
【００４４】
図４及び図５を参照して説明すれば、図４及び図５は、外部温度が４５℃の状況で本発明の第１実施形態による燃料電池システムを運転した結果を示す。
【００４５】
テストに使用された燃料電池は、システム出力２５Ｗ（スタック出力３６Ｗ）、システム電圧１６．４Ｖ、希釈された燃料流量２５ｃｃ／ｍｉｎ、重量１．８ｋｇで構成される。図４に示したように、本第１実施形態による燃料電池システムは安定した出力を有することが分かる。
【００４６】
また、図５を参照すると、外部温度が４５℃の時、スタックの温度がほぼ６０℃以下に均一に維持されることが分かる。反対に、従来の燃料電池システムで同じ体積の熱交換器を用いる場合、スタックの温度がほぼ６５℃以上となる。
このように本発明の実施形態によれば、スタックの内部温度を適切に調節できるだけでなく、安定した出力を得ることができる。
【００４７】
以上、本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ず、特許請求の範囲、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でき、これも本発明の範囲に属するのは当然のことである。
【符号の説明】
【００４８】
１０  燃料供給部
１２  燃料タンク
２０  酸化剤供給部
２５  酸化剤ポンプ
２６  酸化剤制御バルブ
３０  燃料電池スタック
３１  電極集合体
３２  セパレータ
３３  セパレータ
３５  電気生成部
３７、３８  エンドプレート
３７ａ  第１注入部
３７ｂ  第２注入部
３８  エンドプレート
３８ａ  第１排出部
３８ｂ  第２排出部
４０  回収部
４１  第１気液分離器
４２  第１熱交換器
４３  第２気液分離器
４５  混合器
４７  バッファ装置
４７ａ  フィルター
４８  第２熱交換器
１００  燃料電池システム
【図１】
2010192437.tif 000003
【図２】
2010192437.tif 000004
【図３】
2010192437.tif 000005
【図４】
2010192437.tif 000006
【図５】
2010192437.tif 000007