(57)【要約】【課題】  スタックから排出される未反応空気中の水分を気化させて外部に排出できる構造を有する燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素と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るスタック１０と，上記スタックに燃料を供給する燃料供給部５０と，上記スタックに空気を供給する空気供給部７０と，上記スタックに連結設置されてこのスタックから排出される水分を気化させる気化ユニット９０とを含む。【選択図】    図４
2005228750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と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るスタックと；
前記スタックに燃料を供給する燃料供給部と；
前記スタックに空気を供給する空気供給部と；
前記スタックに連結設置され，このスタックから排出される水分を気化させる気化ユニットと；
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気化ユニットは，毛細管作用によって前記水分を吸収する多孔性部材として形成され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。
【請求項３】
前記気化ユニットは，
本体と，
入口及び該入口と互いに連通する出口を有し，前記本体に形成される毛細管チャンネルと；
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記毛細管チャンネルが前記本体に複数形成され，前記複数の毛細管チャンネルが有する出口が一つに連結されたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数の出口が形成された前記本体部位に，前記出口を一つに連結する溝が形成され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。
【請求項６】
前記毛細管チャンネルは，
前記入口から前記出口側に行くほどその通路が次第に減少される第１領域と，
前記第１領域に延びながら前記出口側に行くほどその通路が次第に拡張される第２領域と，
を含むことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記本体に接触設置されて前記毛細管チャンネルの出口側を加熱するヒータをさらに含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ヒータが前記第２領域に相応する本体部位に設置されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記スタックと前記気化ユニットとが，これらの間に配置される流路によって連結されることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料供給部は，
燃料を保存する燃料タンクと；
前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプと；
を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記空気供給部は外部空気を吸入する空気ポンプを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料供給部と前記スタックとの間に，前記燃料供給部から供給された燃料を改質して水素が含まれているガスを生成させる改質器が配置され，前記燃料供給部とスタックとに連結設置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池システムが，高分子電解質型燃料電池方式からなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池システムが，直接メタノール型燃料電池方式からなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに係り，より詳しくは，スタックから排出される水分を処理するための燃料電池システムの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に，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酸素，又は酸素を含んだ空気を燃料として起こる電気化学反応により，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，燃焼過程なしで水素と酸素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有する。
【０００３】
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，１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池，６００〜７００℃の高温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〜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，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，作動温度，触媒，及び電解質が互いに異なる。
【０００４】
この中でも最近開発されている高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は，他の燃料電池に比べて出力特性が優れており，作動温度が低いのみならず早い始動及び応答特性を有しており，メタノール，エタノール，天然ガスなどを改質して作った水素を燃料として使用して，自動車のような移動用電源はもちろん，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など，その応用範囲が広いという長所を有している。
【０００５】
上記のような高分子電解質型燃料電池が基本的にシステムの構成を備えるためには，スタック（ｓｔａｃｋ）と呼ばれる燃料電池本体（以下，便宜上スタックと称する），燃料タンク，及びこの燃料タンクから上記スタックに燃料を供給するための燃料ポンプなどが必要である。そして，燃料タンクに保存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（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）がさらに含まれる。
【０００６】
したがって，高分子電解質型燃料電池は，燃料ポンプのポンピング力により燃料タンクに保存された燃料を改質器に供給し，改質器が燃料を改質して水素ガスを発生させ，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産する。
【０００７】
一方，燃料電池は，水素を含有した液状の燃料を直接スタックに供給して電気を生産し出力することができる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）方式を採用することもできる。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って，改質器が排除される。
【０００８】
上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（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とセパレータ（又はバイポーラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｐｌａｔｅ））からなる単位セルが数個〜数十個積層された構造を有する。膜−電極アセンブリは，電解質膜を隔ててアノード電極とカソード電極とが付着された構造を有する。セパレータは，燃料電池の反応に必要な酸素と水素ガスが供給される通路の役割と，各膜−電極アセンブリのアノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の役割とを同時に遂行する。
【０００９】
したがって，このセパレータにより，アノード電極には水素ガスが供給される反面，カソード電極には酸素が供給される。この過程で，アノード電極では水素ガスの酸化反応が起こり，カソード電極では酸素の還元反応が起こるようになり，この時に生成される電子の移動によって電気と熱，そして水を同時に得ることができる。
【００１０】
ここで，セパレータを通じて膜−電極アセンブリのカソード電極に供給される空気は，その一部は反応し，一部は未反応となっていて，電気生成時に発生する多量の水分を含有した状態で排出される。
【００１１】
しかし，従来の燃料電池システムは，このように水分が多量に含まれている未反応空気を相対的に低い温度を維持する大気に直接放出する場合，その未反応空気が大気と接触して凝縮されるようになる。
【００１２】
したがって，従来の燃料電池システムでは，上記未反応空気が凝縮されながら生成される水を保存したりリサイクルしたりするための別途の装置を備えなければならないため，全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現できないのみならず，上記別途の装置を駆動することに起因した熱又は上記の負荷をさらに受けるようになり，その効率及び性能を低下させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，スタックから排出される未反応空気中の水分を気化させて外部に排出させることができる構造を有す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】
【００１４】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，水素と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るスタックと，スタックに燃料を供給する燃料供給部と，スタックに空気を供給する空気供給部と，及びスタックに連結設置されてこのスタックから排出される水分を気化させる気化ユニットとを含む燃料電池システムが提供される。
【００１５】
気化ユニットは，毛細管作用によって水分を吸収する多孔性部材として形成されることができる。
【００１６】
気化ユニットは，本体と，入口及びこの入口と互いに連通する出口を有し，本体に形成される毛細管チャンネルとを含んでもよい。
【００１７】
毛細管チャンネルは本体に複数形成され，この複数の毛細管チャンネルが有する出口は一つに連結されることができる。
【００１８】
複数の出口が形成された本体部位に，この出口を一つに連結する溝が形成されることができる。
【００１９】
毛細管チャンネルは，入口から出口側に行くほどその通路が次第に減少される第１領域，及び第１領域に延びながら出口側に行くほどその通路が次第に拡張される第２領域を含んでもよい。
【００２０】
燃料電池システムは，本体に接触設置されて毛細管チャンネルの出口側を加熱するヒータをさらに含んでもよい。
【００２１】
ヒータは，第２領域に相応する本体部位に設置されることができる。
【００２２】
スタックと気化ユニットとは，これらの間に配置される流路によって連結されてもよい。
【００２３】
燃料供給部は，燃料を保存する燃料タンクと，燃料タンクに連結設置される燃料ポンプとを含んでもよい。
【００２４】
空気供給部は，外部空気を吸入する空気ポンプを含んでもよい。
【００２５】
燃料供給部とスタックとの間に，燃料供給部から供給された燃料を改質して水素が含まれているガスを生成させる改質器が配置され，燃料供給部とスタックとに連結設置されることができる。
【００２６】
このような燃料電池システムは，高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式又は直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）方式からなることができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば，スタックから排出される未反応空気を気化させて外部に排出することができる構造を有するので，未反応空気が凝縮されながら生じる水を保存したりリサイクルする別途の装置を設置したりする必要がなく，これに伴う熱又は電気エネルギーの損失を減らして全体的なシステムの効率及び性能をさらに向上させることができ，全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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本発明の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細に説明する。しかし，本発明は多様な相違した形態で実現することができ，ここで説明する実施形態には限定されない。
【００２９】
本発明の燃料電池システムは，水素を含有した燃料を改質して水素ガスを生成し，水素ガスと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（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）方式を採用する。
【００３０】
また，本発明による燃料電池システムは，液状の燃料を直接スタックに供給して電気を生産する直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）方式を採用することもできる。
【００３１】
以下，高分子電解質型燃料電池方式を採用した燃料電池システム１００を例に挙げて説明する。
【００３２】
本発明による燃料電池システムで電気を生成するための燃料とは，メタノール，エタノール，天然ガスなどのような炭化水素又はアルコール系列の燃料，その他に水及び酸素がさらに含まれる。以下の説明で液状の燃料は，上記のような炭化水素／アルコール系列の燃料又はこの燃料に水が混合された燃料と定義することができる。そして，酸素燃料として，別途の保存手段に保存された純粋な酸素ガスを用いることができ，酸素を含む空気をそのまま用いることもできる。以下では，酸素燃料として外部の空気を用いる例を説明する。
【００３３】
図１は，本発明の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。
【００３４】
図１によれば，本実施形態にかかる燃料電池システム１００は，基本的に液状の燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器３０と，改質器３０によって生成された水素ガスと外部空気の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産するスタック１０と，液状の燃料を改質器３０に供給する燃料供給部５０と，外部の空気をスタック１０に供給する空気供給部７０とを含んで構成される。
【００３５】
改質器３０は，液状の燃料を改質反応によってスタック１０の電気生成に必要な水素ガスに転換するだけでなく，水素ガスに含まれている一酸化炭素を除去する装置である。通常この改質器３０は，液状の燃料を改質して水素ガスを発生させる改質部と，その水素ガスより一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とを含む。改質部は，水蒸気改質，部分酸化，又は自熱反応などの触媒反応を通じて，燃料を水素の豊富な改質ガスに転換する。そして，一酸化炭素除去部は，水性ガス転換方法，選択的酸化方法などのような触媒反応，又は分離膜を利用した水素の精製などのような方法で改質ガスより一酸化炭素を除去する。
【００３６】
燃料供給部５０は改質器３０に連結設置されるものであって，液状の燃料を保存する燃料タンク５１と，燃料タンク５１に連結設置される燃料ポンプ５３とを備える。この時，燃料供給部５０と改質器３０は第１供給ライン８１によって連結設置されることができる。
【００３７】
空気供給部７０はスタック１０に連結設置され，所定のポンピング力で外部空気を吸入する空気ポンプ７１を備える。この時，スタック１０と空気供給部７０は第２供給ライン８２によって連結設置されることができる。
【００３８】
図２は，図１に示したスタック構造を示した分解斜視図である。
【００３９】
図１及び図２によれば，本実施形態の燃料電池システム１００に適用されるスタック１０は，改質器３０を通じて改質された水素ガスと外部空気の酸化／還元反応を誘導し，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。
【００４０】
電気生成部１１は電気を発生させる単位のセルを意味し，水素ガスと空気中の酸素を酸化／還元させる膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）１２，及び水素ガスと空気を膜−電極アセンブリ１２に供給するためのセパレータ１６を含んでいる。電気発生部１１は，膜−電極アセンブリ１２を中心にしてその両側にセパレータ１６が各々配置された構造を有する。
【００４１】
スタック１０は，上記のような電気発生部１１が連続的に配置されることによって構成される。ここで，スタック１０の両側両端には，電気発生部１１を支持してこれらを固定させるエンドプレート１３，１３’が配置される。
【００４２】
膜−電極アセンブリ１２は，電解質膜を隔て，この電解質膜の両側面にアノード電極とカソード電極が形成された構造を有する。ここで，アノード電極は，セパレータ１６を通じて水素ガスの供給を受ける部分であって，酸化反応によって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気体拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ）とで構成される。カソード電極は，セパレータ１６を通じて空気の供給を受ける部分であって，還元反応によって空気中の酸素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気体拡散層とで構成される。電解質膜は，厚さが５０〜２００μｍ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。
【００４３】
セパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の機能を有する。また，このセパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２の酸化／還元反応に必要な水素ガスと空気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。このために，セパレータ１６の表面には膜−電極アセンブリ１２の酸化／還元反応に必要なガスを供給する流路チャンネル１７が形成される。
【００４４】
つまり，セパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２を隔ててその両側に各々配置され，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極及びカソード電極と密着する。ここで，セパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極及びカソード電極に各々密着する密着面においてアノード電極に水素ガスを供給し，カソード電極に空気を供給するための流路チャンネル１７を形成している。
【００４５】
エンドプレート１３，１３’は，スタック１０の最外側に各々配置されて上記のようなバイポーラプレート１６の機能を遂行することができ，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極及びカソード電極のうちのいずれか一つの電極に密着する。膜−電極アセンブリ１２に密着するエンドプレート１３，１３’の密着面には，上記いずれか一つの電極に水素ガス及び空気中のいずれか一つを供給するための流路チャンネル１７が形成されている。
【００４６】
この時，一側エンドプレート１３は，セパレータ１６が有するいずれか一つの流路チャンネル１７に改質器３０より生成された水素ガスを注入するための第１供給管１３ａと，他の一つの流路チャンネル１７に空気を注入するための第２供給管１３ｂとを有する。
【００４７】
また，他側のエンドプレート１３’は，電気発生部１１での最終的な未反応水素ガスを排出させるための第１排出管１３ｃと，電気生成部１１で最終的に未反応された空気と電気生成時に発生する水分を排出させるための第２排出管１３ｄを備えている。
【００４８】
ここで，第１供給管１３ａと改質器３０は第３供給ライン８３によって連結されることができる。そして，第２供給管１３ｂと空気供給部７０は，前述の第２供給ライン８２によって連結される（図１参照）。
【００４９】
上記のような燃料電池システム１００の作用時，スタック１０に供給される空気中の一部が電気生成のために反応をし，残りの空気は未反応のまま電気生成時に発生する多量の水分を含有した状態で第２排出管１３ｄを通じて排出される。この時，スタック１０の第２排出管１３ｄを通じて排出される未反応空気，つまり，水分を多量含有した空気をそれより相対的に低い温度の大気に放出する場合，未反応空気が大気と接触して凝縮が起こる場合がある。
【００５０】
したがって，燃料電池システム１００は，スタック１０の電気生成時に第２排出管１３ｄを通じて排出される未反応空気を蒸気化させて外部に排出することができる気化ユニット９０を備えている。
【００５１】
図３は，図１に示した気化ユニットの構成を概略的に示した分解斜視図であり，図４は，図３の結合断面構成図である。
【００５２】
図１〜図４によれば，気化ユニット９０は，毛細管及び浸透圧作用によってスタック１０から排出される未反応空気中の水分の流れを生じさせることを可能にし，水分を所定の熱源を利用して気化させた状態で外部に排出させることができる構造を有する。
【００５３】
気化ユニット９０は，本体９１と，入口９３ａ及びこの入口９３ａと互いに連通する出口９３ｂを有し本体９１に形成される毛細管チャンネル９３とを含む。
【００５４】
本体９１は，本実施形態の燃料電池システム１００を採用する一般的な携帯用電子機器又は移動通信端末機の外形ケースに装着されることができる。このような本体９１は所定の長さ，幅及び厚さを有するほぼ四角形のプレートタイプからなり，熱伝導性を有する多孔性金属素材で形成されることができる。ここで本体９１が装着される外形ケースの装着部（図示せず）は，気化ユニット９０によって気化された気体を外形ケースの外部に排出させる複数のベント孔を有することができる。
【００５５】
毛細管チャンネル９３は，スタック１０の第２排出管１３ｄから多量の水分を含有した状態で排出される未反応空気が通過するようにする流体移動通路であって，本体９１の長さ方向（図面のＹ軸方向）に沿ってその内部に形成される。毛細管チャンネル９３は，本体９１の幅方向（図面のＸ軸方向）を基準に，図面の左側面に入口９３ａを形成し，図面の右側面に入口９３ａと互いに連通する出口９３ｂを形成している。本実施形態において，このような毛細管チャンネル９３は本体９１に多数形成される。
【００５６】
そして，毛細管チャンネル９３は，入口９３ａから出口９３ｂ側に行くほどその通路が次第に減少される第１領域（Ａ）と，第１領域（Ａ）に延びながら出口９３ｂ側に行くほどその通路が次第に拡張される第２領域（Ｂ）とを含む。ここで，入口９３ａは，第４供給ライン８４を通じてスタック１０の第２排出管１３ｄと連結される。
【００５７】
上述の各毛細管チャンネル９３の出口９３ｂは，この出口９３ｂが配置された本体９１の一側面に形成された溝９１ａによって一つに連結される。この時，この出口９３ｂは前述した外形ケースの貫通孔に連通する。さらに，毛細管チャンネル９３の内周面には，所定の香りのある芳香性物質（図示せず）が塗布されることもできる。
【００５８】
気化ユニット９０の構造により，スタック１０の第２排出管１３ｄより多量の水分を含有した状態で排出された未反応空気は，毛細管作用によって多孔性入口９３ａを通じて第１領域（Ａ）に供給され，第２領域（Ｂ）を通過して毛細管チャンネル９３の出口９３ｂを通じて排出される。
【００５９】
比較的に高温の水分を含有している未反応空気が出口９３ｂを通じて排出される際，この出口９３ｂが入口９３ａより大きく，外形ケース（図示せず）の貫通孔と連通するため，未反応空気が外気と接触しながら温度が低くなり，未反応空気の水分を含むことができる空気の量が急激に増加するので，未反応空気を，貫通孔を通じて気体状態で排出させることができる。
【００６０】
そして，気化ユニット９０は，本体９１を加熱するヒータ９５を含むことができる。このヒータ９５は，毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）に相応する本体９１の上，下面に接触設置されることができ，所定の電源（図示せず）に連結される熱線９６を内蔵した加熱プレート９７を含んで構成される。また，このヒータ９５は，第２領域（Ｂ）に相応する本体９１を加熱し，毛細管作用によって第１領域（Ａ）から第２領域（Ｂ）を通過する未反応空気が気化される場合，これを促進させる機能を有する。
【００６１】
本実施形態でヒータ９５は，毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）に相応する本体９１の上，下面に各々配置することに限定されず，本体９１の長さ方向を基準に毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）に相応する本体９１の両側面に各々配置されることができ，毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）に相応する本体９１の上，下面及び両側面に各々配置されることもできる。
【００６２】
上記のように構成された本発明の好ましい実施形態による燃料電池システムの動作について説明する。
【００６３】
まず，燃料ポンプ５３を稼動させて，燃料タンク５１に保存された液状の燃料を，第１供給ライン８１を通じて改質器３０に供給する。そうすると，改質器３０は，水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｅｒ：ＳＲ）触媒反応によって燃料より水素ガスを発生させ，水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ  Ｓｈｉｆｔ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ）触媒反応又は選択的酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ＣＯ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）触媒反応を通じて，水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる。
【００６４】
次に，上記のように一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを，第３供給ライン８３を通じて改質器３０からスタック１０の第１供給管１３ａに供給する。そうすると，水素ガスはセパレータ１６を通じて膜−電極アセンブリ１２のアノード電極に供給される。
【００６５】
これと同時に，空気ポンプ７１を稼動させて，外部の空気を，第２供給ライン８２を通じてスタック１０の第２供給管１３ｂに供給する。そうすると，外部空気は，セパレータ１６を通じて膜−電極アセンブリ１２のカソード電極に供給される。
【００６６】
上記のように水素ガスが第１供給管１３ａを通じて供給され，外部空気が第２供給管１３ｂを通じて供給されれば，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，及び水を生成する。
【００６７】
【化１】
2005228750.tif 000003
【００６８】
反応式１に示すように，セパレータ１６を通じて膜−電極アセンブリ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プロトン（水素イオン）に分解される。プロトンが電解質膜を通じて移動すれば，また触媒の作用により，カソード電極で電子と酸素イオン，及び移動したプロトンが合わせられて水を生成する。ここで，アノード電極で生成された電子は電解質膜を通じて移動されず，外部回路を通じてカソード電極に移動する。このような過程を経て電気と水，及び熱を生成する。
【００６９】
このような過程を経て，スタック１０に供給される外部空気中の一部が電気生成のために反応し，残りの空気が未反応のまま，電気生成時に発生する水分と共に第２排出管１３ｄを通じて排出される。この時，水分を多量含有した未反応空気は，空気ポンプ７１のポンピング力によってスタック１０の第２排出管１３ｄに排出されることができる。
【００７０】
本実施形態によれば，第２排出管１３ｄを通じて排出される未反応空気を，第４供給ライン８４を通じて毛細管チャンネル９３の多孔性入口９３ａに供給する。そうすると，未反応空気は多孔性入口９３ａに接触し，毛細管チャンネル９３の毛細管作用によって多孔性入口９３ａを通じて第１領域（Ａ）に注入される。
【００７１】
次に，毛細管チャンネル９３の第１領域（Ａ）に注入された未反応の空気は，毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）が第１領域（Ａ）に延びながら出口９３ｂ側に行くほどその通路が次第に拡張されるので，第１領域（Ａ）と第２領域（Ａ）通路の断面積の差によって第１領域（Ａ）から第２領域（Ｂ）に自然に排出されるようになる。この時，未反応の空気は高温を維持しているので，蒸気化されて排出できるようになる。
【００７２】
このような過程を経る間，ヒータ９５の熱線９６に所定の電源を印加し，毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）に相応する本体９１を加熱させる。そうすると，毛細管チャンネル９３の第２領域（Ｂ）を通過する未反応空気中の水分は，熱線９６より発散される熱によってその蒸気化をさらに促進させることができる。
【００７３】
このような気化ユニット９０の作用により，スタック１０の第２排出管１３ｄを通じて排出される未反応空気は，毛細管作用によって第１領域（Ａ）に注入された未反応空気と出口９３ｂ側の蒸気化された気体との濃度差による浸透圧作用，及び第２領域（Ｂ）での未反応空気の熱膨脹によって第１領域（Ａ）に連続的に供給される。この時，第１領域（Ａ）に供給される未反応空気の流量は，ヒータ９５の発熱量によって制御されることができる。
【００７４】
つまり，ヒータ９５の発熱量が増加すると浸透圧が増加して，第１領域（Ａ）に供給される未反応空気の流量と流速が増加するようになる。反対に，ヒータ９５の発熱量が減少すると，浸透圧が減少して第１領域（Ａ）に供給される未反応空気の流量と流速が減少する。
【００７５】
したがって，毛細管チャンネル９３の出口９３ｂを通じて排出される蒸気化された気体は，凝縮されない状態で外形ケース（図示せず）の貫通孔を通じて外部に排出される。
【００７６】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は，スタックから排出される未反応空気中の水分を気化させて外部に排出させることができるので，水分を嫌う場所でも使用できる燃料電池システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の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２】図１に示したスタック構造を示した分解斜視図である。
【図３】図１に示した気化ユニットの構成を概略的に示した分解斜視図である。
【図４】図３の結合断面構成図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０      スタック
１１      電気生成部
１２      膜−電極アセンブリ
１３，１３’      エンドプレート
１３ａ      第１供給管
１３ｂ      第２供給管
１３ｃ      第１排出管
１３ｄ      第２排出管
１６      セパレータ
１７      流路チャンネル
３０      改質器
５０      燃料供給部
５１      燃料タンク
５３      燃料ポンプ
７０      空気供給部
７１      空気ポンプ
８１      第１供給ライン
８２      第２供給ライン
８３      第３供給ライン
８４      第４供給ライン
９０      気化ユニット
９１      本体
９３      毛細管チャンネル
９３ａ      入口
９３ｂ      出口
９５      ヒータ
９６      熱線
９７      加熱プレート
１００      燃料電池システム
【図１】
2005228750.tif 000004
【図２】
2005228750.tif 000005
【図３】
2005228750.tif 000006
【図４】
2005228750.tif 000007