(57)【要約】【課題】  燃料電池システムのスタックから排出される残留ガスの相対湿度を低くして排出できるようにする。【解決手段】  水素と酸素の電気化学反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと、水素を含有した燃料を前記スタックに供給する燃料供給部と、空気を前記スタックに供給する空気供給部と、前記スタックから水分を含有した状態で排出される残留空気と外部空気を同時に間欠的に外部に排出する空気排出部とを備える。【選択図】            図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを発生するスタックと、
前記スタックに水素を含有した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、
前記スタックから残留空気を間欠的に排出させる空気排出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電気エネルギー発生用スタックと、
前記スタックに水素を含有した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、
前記スタックからの残留空気と外部空気を各々間欠的に排出させる空気排出部
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記空気排出部は、
前記スタックからの残留空気を排出する少なくとも一つ以上の第１管路と、
前記第１管路と同軸上に位置し、前記第１管路の直径より大きい直径を有して前記外部空気を排出するための第２管路をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気排出部は、前記スタックからの排出空気が所定圧力になると作動するダイヤフラムポンプをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記スタックは、ハウジング内部に配置され、前記ハウジングは前記燃料供給部と前記空気供給部と前記空気排出部とに各々連結する第１、第２及び第３連結具を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記スタックにおける少なくとも一側面には電気生成部と、前記電気生成部の反応熱によって前記空気供給部から前記ハウジングの内部空間に注入される外部空気を加熱流動させる流路部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ハウジングは、断熱状態を維持することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記空気排出部が、前記ハウジング内部に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
電気エネルギーを発生させるスタックと、
前記スタックに水素を含有した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第１空気供給部と、
前記スタックから流入した残留空気と外部空気を混合して混合空気を形成する空気混合部と、
前記空気混合部に外部空気を供給する第２空気供給部と、
前記空気混合部から前記混合空気を間欠的に排出する空気排出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記スタックと前記燃料供給部の間に配置され、前記スタックに連結する第１供給ラインを有する燃料改質器が配置されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料供給部は、燃料保存用燃料タンク、前記燃料保存用燃料タンクに連結する燃料ポンプ、前記改質器に連結する第２供給ラインを備え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。
【請求項１２】
前記第１空気供給部は、外部空気を吸入する第１空気ポンプと、
前記スタックに連結する第３供給ラインと、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記空気混合部は、前記スタックと前記第２空気供給部に連結された空気混合タンクと、
前記スタックに連結する第４供給ラインと、を備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第２空気供給部は、外部空気を吸入する第２空気ポンプと前記空気混合部とを連結する第５供給ラインを備え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。
【請求項１５】
前記空気混合部は、３方-空気合流ラインであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記空気排出部は、空気混合部に連結する第３空気ポンプと、
前記空気混合部に連結される空気排出ラインと、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第３空気ポンプは、ダイヤフラムポンプであ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。
【請求項１８】
前記スタックは、ハウジング内部に配置され、前記ハウジングは前記燃料供給部、前記第１及び第２空気供給部、前記空気混合部及び前記空気排出部と連結する第１、第２及び第３、第４及び第５連結具を各々有することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
電気エネルギーを発生させるスタックと、
前記スタックに水素を含有した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第１空気供給部と、
前記スタックを囲む断熱性ハウジングと、
前記ハウジング内部に外部空気を供給する第２空気供給部と、
前記スタックから残留空気と前記ハウジング内部の空気を混合する空気混合部と、
前記空気混合部に混合された空気を間欠的に排出する空気排出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
前記スタックの少なくとも一側面には、電気生成部と、前記電気生成部の反応熱によって前記空気供給部から前記ハウジングの内部空間から注入された外部空気を加熱及び流動させる少なくとも一つ以上の流路部を備えることを特徴とする請求項１９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関し、より詳しくはスタックから排出される残留空気を気体状態に維持する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、燃料電池は、メタノールや天然ガスなど炭化水素系化学反応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している。
【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、約１５０℃乃至約２００℃で作動するリン酸型燃料電池、約６００℃乃至約７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、約１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池、常温乃至約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る。これらそれぞれ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。
【０００４】
この中で、近年開発されている高分子電解質型燃料電池は、他の燃料電池に比べて出力特性に優れ、作動温度が低く、迅速な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る水素を燃料として使用するため、自動車のような移動手段用電源はもちろん、住宅、公共建物に用いられる照明、暖房用分散型電源及び電子機器用小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有している。
【０００５】
前記のような高分子電解質型燃料電池システムは、基本的にスタックと呼ばれる燃料電池本体（以下、スタックと称する）、前記燃料タンク及び前記燃料タンクから前記スタックへ燃料を供給する燃料ポンプなどが必要である。前記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、水素ガスを発生させ前記水素ガスをスタックに供給する改質器がさらに含まれる。
【０００６】
したがって、高分子電解質型燃料電池は、燃料ポンプにより、燃料タンクに保存された燃料を改質器に供給し、前記改質器が燃料を改質し、水素ガスを発生させ、前記スタックが水素ガスと酸素を電気化学的に反応し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できる直接メタノール型燃料電池方式を採用することもできる。前記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異なり、前記改質器が排除される。
【０００８】
前記の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とセパレータからなる単位セルが数個乃至数十個に積層された構造を有する。前記膜電極アセンブリーは、電解質膜と前記電解質膜両側面にアノード電極とカソード電極を付着した構造を有する。前記セパレータは、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を果たす。
【０００９】
また、前記セパレータは、前記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連結させる導電体の役割も果たす。より具体的には、前記セパレータによってアノード電極には水素ガスが供給されるのに対し、前記カソード電極には酸素が供給される。この過程では前記アノード電極で水素ガスが酸化され、前記カソード電極では酸素が還元され、電子を発生する。したがって、前記電子の移動によって電気、熱及び水が得られる。
【００１０】
このような燃料電池システムにおいて、前記セパレータを通じて前記カソード電極に供給される空気のうちの一部だけが反応し、残留空気、特に未反応空気が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において、前記残留空気は水分を多量に含有するため、前記残留空気を比較的低温の大気に直接放出すると、残留空気が大気と接触し凝縮する。このため、従来の燃料電池システムを内蔵した携帯用電子機器または携帯用移動通信端末機などを使用する際、水分が流出して使用者に不快感を与えるという問題がある。
【００１２】
また、前記水分を貯蔵またはリサイクルするには、別途の装置を設ける必要が生じるため、燃料電池システムが大きくなるという問題がある。
【００１３】
さらに、前記別途の装置は、付加電力を消耗するため燃料電池システムの効率及び性能低下を招くという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の第１の特徴は、スタックから放出される水分を気化状態で排出できる燃料電池システムを提供することである。
【００１５】
本発明の第２の特徴は、水分の貯蔵またはリサイクルのための別途の装置が不要な燃料電池システムを提供することである。
【００１６】
本発明の他の特徴は、コンパクトな燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の特徴によると、電気エネルギー発生用スタックと、前記スタックに水素を含有した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、及び前記スタックから残留空気を間欠的に排出する空気排出部を含んで構成される。
【００１８】
また、本発明の第２の特徴によると、電気エネルギー発生用スタックと、前記スタックに水素を含有した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、及び前記スタックから残留空気と外部空気を混ぜることなく、間欠的に残留空気を排出する空気排出部と、を含んで構成される。
【００１９】
前記空気排出部は、前記スタックから前記残留空気を排出する少なくとも一つの第１管路と、前記第１管路と同軸上に位置し、前記第１管路の直径より大きい直径をもつ第２管路と、所定の圧力で作動するダイヤフラムポンプをさらに備えることもできる。
【００２０】
前記スタックは、断熱状態を維持するハウジング内部に配置され、前記ハウジングは、前記燃料供給部、前記空気供給部、前記空気排出部の各々と連結する第１、第２及び第３連結具を有することもできる。
【００２１】
前記スタックは、電気生成部と、前記電気生成部の反応熱によって前記空気供給部から前記ハウジングの内部空間に注入される外部空気を加熱流動させる流路部と、を備えることもできる。
【００２２】
前記空気排出部は、前記ハウジング内部に配置されることもできる。
【００２３】
本発明の好ましい第３の特徴によると、本発明は電気エネルギーを発生させるスタックと、前記スタックに水素を含有する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第１空気供給部と、前記スタックから残留空気と外部空気を混合する空気混合部と、前記空気混合部に外部空気を供給する第２空気供給部と、前記空気混合部から前記混合空気を間欠的に排出させる空気排出部と、を含んで構成される。
【００２４】
前記スタックと前記燃料供給部の間に配置され、前記スタックに連結する第１供給ラインを有する燃料改質器が配置されることもできる。
【００２５】
前記燃料供給部は、燃料保存用燃料タンク、前記燃料保存用燃料タンクに連結した燃料ポンプ、前記改質器に連結する第２供給ラインを備えることもできる。
【００２６】
前記第１空気供給部は、外部空気を吸入する第１空気ポンプと、前記スタックに連結する第３供給ラインをさらに備えることもできる。
【００２７】
前記空気混合部は、前記スタックと前記第２空気供給部に連結される空気混合タンクと、前記スタックに連結する第４供給ラインを備えることもできる。
【００２８】
前記第２空気供給部は、外部空気を吸入する第２空気ポンプと、前記空気混合部と連結する第５供給ラインをさらに備えることもできる。
【００２９】
前記空気排出部は、空気混合部に連結する第３空気ポンプと、前記空気混合部に連結される空気排出ラインをさらに備えることもできる。
【００３０】
前記第３空気ポンプは、ダイヤフラムポンプの場合もある。
【００３１】
前記スタックは、ハウジング内部に配置され、前記ハウジングは、前記燃料供給部、前記第１及び第２空気供給部、前記空気混合部及び前記空気排出部と連結する第１、第２及び第３、第４及び第５連結具を有することもできる。
【００３２】
本発明の好ましい第４の特徴によると、前記空気混合部は３ウエイ-空気合流ラインの場合もある。
【００３３】
本発明の好ましい第５の特徴によると、電気エネルギーを発生させるスタックと、前記スタックに水素を含有した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第１空気供給部と、前記スタックを囲むハウジングと、前記ハウジング内部に外部空気を供給する第２空気供給部と、前記スタックから残留空気と前記ハウジング内部の空気を混合する空気混合部と、前記空気混合部に混合された空気を間欠的に排出させる空気排出部と、を含むこともできる。
【発明の効果】
【００３４】
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多量の水分を含有する残留空気と比較的低温の外部空気、またはスタックから発生する熱を利用して所定温度に加熱された外部空気を外部に排出できる。
【００３５】
したがって、本発明による燃料電池システムを採用する携帯用電子機器または携帯用移動通信端末機などの外部ケースの水分凝縮防止効果がある。
【００３６】
また、本発明による燃料電池システムは、残留空気中の水分が凝縮する時に生じる水を処理したり、リサイクルしたりする別途の装置を要しないため、コンパクトなシステムを実現できるという効果がある。
【００３７】
また、本発明による燃料電池システムは、別途の水処理装置により生じたであろう損失を減らすことができるために、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るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、添付図を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００３９】
（実施形態１）
本発明の好ましい実施形態は、高分子電解質型燃料電池方式を採用する。しかし、本発明は液状の燃料を直接スタック１１０に供給する直接メタノール型燃料電池方式を採用することもできる。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を例に説明するが、本発明はこれに限定されることはない。
【００４０】
また、以下、燃料は炭化水素系燃料（例えば、メタノール、エタノール、天然ガスなど）、アルコール系燃料、水及び酸素燃料を含む。
【００４１】
以下、液状燃料は前記燃料と水を混合した物と定義する。
【００４２】
また、前記酸素燃料は、純粋酸素ガスまたは酸素含有空気の場合もあるが、以下では酸素燃料は酸素含有空気を意味する。
【００４３】
図１は、本発明の好ましい第１実施形態による燃料電池システムを示す概略図である。
【００４４】
図１を参照すると、本発明の好ましい第１実施形態による燃料電池システム１００は、液状燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器１２０と、改質器１２０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１１０と、液状の燃料を改質器１２０に供給する燃料供給部１３０と、電気生成のための空気をスタック１１０に供給する空気供給部１４０（以下、"第１空気供給部"という）を含んで構成される。
【００４５】
改質器１２０は、改質反応によって液状燃料を水素ガスに転換すると同時に、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装置である。したがって、改質器１２０は、液状燃料を改質して水素ガスを発生させる改質部と、水素ガスから一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部を含む。
【００４６】
改質部は、水蒸気を改質、部分酸化または自熱（オートサーマル）反応などの触媒反応を通じて液状燃料を水素が豊富な改質ガスに転換する。一酸化炭素低減部は、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、または分離膜を用いた水素の精製などの方法で改質ガスから一酸化炭素の濃度を低減させる。
【００４７】
改質器１２０には、燃料供給部１３０が連結される。燃料供給部１３０は、液状の燃料を貯蔵する燃料タンク１３１と、燃料タンク１３１に連結される燃料ポンプ１３３を備える。燃料ポンプ１３３は、所定のポンピング力（吸引力及び／または排出力）により、燃料タンク１３１に貯蔵される液状の燃料をタンク外に排出する役割を果たす。この時、燃料供給部１３０と改質器１２０は、第１供給ライン１９１によって連結することもできる。
【００４８】
第１空気供給部１４０は、スタック１１０と連結され、所定のポンピング力で外部空気をスタック１１０に供給するため、第１空気ポンプ１４１を備える。この時、スタック１１０と第１空気供給部１４０は、第３供給ライン１９３によって連結できる。
【００４９】
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。
【００５０】
図１及び図２を参照すると、スタック１１０は、改質器１２０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少なくとも一つ以上の電気生成部１１１を備える。
【００５１】
各々の電気生成部１１１は電気を発生させる単位セルを意味する。単位セルは、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ー１１２及び、水素ガスと空気を膜電極アセンブリー１１２に供給するためのセパレータ１１６で構成される。
【００５２】
電気生成部１１１は、膜電極アセンブリー１１２と、その両側面に各々配置されるセパレータ１１６で構成される。電気生成部１１１が、連続的に配置されることで、単一のスタック１１０を構成する。この時、スタック１１０の両端部に位置するセパレータ１１６を、以下ではエンドプレート１１３と定義する。
【００５３】
膜電極アセンブリー１１２は、電解質膜と、その両側面に配置されたアノード電極及びカソード電極からなるＭＥＡの構造を有する。
【００５４】
アノード電極は、セパレータ１１６を通じて水素ガスの供給を受ける部分である。したがって、アノード電極は、水素ガスを電子と水素イオンに分離させる触媒層と、電子と水素イオンの円滑な移動のための気体拡散層で構成される。
【００５５】
カソード電極は、セパレータ１１６を通じて空気の供給を受ける部分である。したがって、カソード電極は、還元反応によって空気中の酸素に電子を付着させて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で構成される。
【００５６】
電解質膜の厚さは約５０乃至約２００μｍである固体ポリマー電解質であり、イオン交換の役割をする。電解質膜を通してアノード電極の触媒層で生成される水素イオンが、カソード電極の触媒層に移動する。
【００５７】
セパレータ１１６は、膜電極アセンブリー１１２のアノード電極とカソード電極を直列接続する導電体の役割を果たす。
【００５８】
また、セパレータ１１６は、膜電極アセンブリー１１２の酸化/還元反応に必要な水素ガスと空気を各供給管から分流させてアノード電極とカソード電極に供給する通路の役割を果たす。
【００５９】
このため、セパレータ１１６は、膜電極アセンブリー１１２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１１７を備える。
【００６０】
つまり、セパレータ１１６は、膜電極アセンブリー１１２のアノード電極及びカソード電極に密着される。
【００６１】
セパレータ１１６は、膜電極アセンブリー１１２のアノード電極及びカソード電極に対向する密着面に流路チャンネル１１７を形成している。
【００６２】
エンドプレート１１３は、一つの流路チャンネル１１７に、改質器１２０から生成される水素ガスを供給するための第１供給管１１３ａと、他の流路チャンネル１１７に空気を供給するための第２供給管１１３ｂと、少なくとも一つの電気生成部１１１で反応して残る水素ガスを排出するための第１排出管１１３ｃと、電気生成部１１１で反応して残る空気及び反応時生成される水分を含む残留空気を排出するための第２排出管１１３ｄを備える。
【００６３】
第１供給管１１３ａと改質器１２０は、第２供給ライン１９２によって連結することも可能である。
【００６４】
第２供給管１１３ｂと第１空気ポンプ１４１は、第３供給ライン１９３によって連結されることも可能である。
【００６５】
一方、周知のように燃料電池システム１００が作動すると、スタック１１０に供給される空気のうち、一部の酸素だけが反応し、残りは反応しない。
【００６６】
未反応空気と反応時発生する多量の水分は、第２排出管１１３ｄを通じて排出される。
【００６７】
この時、第２排出管１１３ｄを通じて排出される残留空気、つまり水分を多量に含有した空気を比較的低温の大気に直接放出すると、残留空気中の水分が大気に触れて冷却・凝縮される。
【００６８】
したがって、本発明の好ましい第１実施形態においては、残留空気を気化させ相対湿度を低くして、外部に排出できる構造を有する。
【００６９】
このため、本システム１００は、スタック１１０から水分を含有した状態で排出される残留空気と水分含有量の少ない外部空気を混合して相対湿度が残留空気より低い状態にする空気混合部１５０と、外部空気を前記空気混合部１５０に供給する第２空気供給部１６０と、空気混合部１５０によって混合された空気を間欠的に排出する空気排出部１７０を含んでいる。
【００７０】
混合空気の排出は間欠的であるから、排出されない期間に燃料電池の熱で暖められて、 排出空気は元の混合空気より相対湿度が低下し、含水排気の不快感を軽減できるという効果がある。
【００７１】
空気混合部１５０は、スタック１１０と第２空気供給部１６０に連結され、所定容積の混合タンク１５１を備える。
【００７２】
空気混合タンク１５１は、スタック１１０の第２排出管１１３ｄを通じて排出される残留空気が流入する第１流入口１５１ａと、第２空気供給部１６０によって供給される外部空気が流入する第２流入口１５１ｂと、外部空気と残留空気の混合物（混合空気）を外部に排出させるための流出口１５１ｃを備える。
【００７３】
スタック１１０の第２排出管１１３ｄと空気混合タンク１５１の第１流入口１５１ａは、第４供給ライン１９４によって連結できる。
【００７４】
第２空気供給部１６０と空気混合タンク１５１の第２流入口１５１ｂは、第５供給ライン１９５によって連結されることができる。
【００７５】
また、空気混合タンク１５１の流出口１５１ｃと空気排出部１７０は空気排出ライン１９９によって連結されることができる。
【００７６】
第２空気供給部１６０は、空気混合タンク１５１の第２流入口１５１ｂと連結され、所定のポンピング力で外部空気を空気混合タンク１５１に吸入する第２空気ポンプ１６１を備える。
【００７７】
この時、空気混合タンク１５１の第２流入口１５１ｂと第２空気ポンプ１６１は、第５供給ライン１９５によって連結される。
【００７８】
第２空気供給部１６０は、前記のような空気ポンプを備えることには限定されず、通常の送風ファンを備えることも可能である。
【００７９】
空気排出部１７０は、空気混合タンク１５１の流出口１５１ｃと連結され、所定のポンピング力によって空気混合タンク１５１内部で混合された残留空気と外部空気の混合空気を外部に排出させることができる第３空気ポンプ１７１を備える。
【００８０】
この時、第３空気ポンプ１７１と空気混合タンク１５１の流出口１５１ｃは、空気排出ライン１９９によって連結できる。
【００８１】
好ましくは、第３空気ポンプ１７１は、一定の時間間隔をおいて空気混合タンク１５１内の混合空気を、流出口１５１ｃを通じて排出させることができるダイヤフラムポンプの場合もある。
【００８２】
本発明は別途の制御手段（図示せず）によって第３空気ポンプ１７１を制御できる。
【００８３】
また、第３空気ポンプ１７１は、本発明の燃料電池システム１００を内蔵する一般的な携帯用電子機器または移動通信端末機の外形ケースに装着できる。
【００８４】
第３空気ポンプ１７１が内蔵された外形ケースには、第３空気ポンプ１７１によって混合空気を外部に排出できる複数の貫通孔（図示せず）が形成される。
【００８５】
前記のように構成される本発明の第１実施形態による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
【００８６】
まず、燃料ポンプ１３３を稼動させ、燃料タンク１３１内に貯蔵された液状燃料を第１供給ライン１９１を通じて改質器１２０に供給する。
【００８７】
改質器１２０は、水蒸気改質触媒反応を介して、液状燃料から水素ガスを発生させ、水性ガス転換触媒反応または選択的酸化触媒反応を介して一酸化炭素の濃度を低減させる。
【００８８】
次に、水素ガスは、改質器１２０から第２供給ライン１９２を通じてスタック１１０の第１供給管１１３ａに供給され、セパレータ１１６を通じて膜電極アセンブリー１１２のアノード電極に供給される。
【００８９】
これと同時に、第１空気ポンプ１４１が、外部空気を前記第３供給ライン１９３経由でスタック１１０の第２供給管１１３ｂに供給する。
【００９０】
外部空気は、セパレータ１１６を通じて膜電極アセンブリー１１２のカソード電極に供給される。
【００９１】
このように、水素ガスと外部空気がそれぞれアノード電極とカソード電極に供給されると、スタック１１０は、次の反応式１のような反応によって電気エネルギー、熱エネルギー及び水を生成する。
<反応式１>
正極反応:  Ｈ２  →  ２Ｈ+  +  ２ｅ-
負極反応:  Ｏ２  +  ２Ｈ+  +  ２ｅ-  →  Ｈ２Ｏ
全体反応:  Ｈ２  +  Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  +  電流  +  熱
反応式１を参考にすると、前記アノード電極の触媒層で、水素が電子とプロトン（水素イオン）に分離される。
【００９２】
水素イオンが、電解質膜を通じて、カソード電極に移動すると、カソード電極の触媒層で水素イオンと、電子及び酸素が結合され、水を生成する。
【００９３】
ここで、電子は直接電解質膜を通じてカソード電極に移動するのではなく、外部回路を通じてカソード電極に移動したのである。
【００９４】
このような過程において、スタック１１０に供給される空気中の一部だけが反応し、残りの空気は反応しない。残りの空気は、反応で生成される多量の水分と共に第２排出管１１３ｄを通じて排出される。この時、第１空気ポンプ１４１の使用頻度が高い場合もある。
【００９５】
本実施形態によると、第２排出管１１３ｄを通じて排出された残留空気は、第４供給ライン１９４を通じて空気混合タンク１５１内に供給できる。この時、第１空気ポンプ１４１が、もっと多く使用されることもある。
【００９６】
これと同時に、第２空気ポンプ１６１が、外部空気、つまり乾燥空気を、第５供給ライン１９５を通じて空気混合タンク１５１内に供給する。
【００９７】
外部空気の流量はスタック１１０の第２排出管１１３ｄを通じて空気混合タンク１５１内に流入される残留空気の流量より比較的多い。
【００９８】
このような外部空気の流量は、第２空気ポンプ１６１自体のポンピング力により制御できる。
【００９９】
したがって、残留空気と外部乾燥空気が空気混合タンク１５１内で混合されて混合空気内水分が気化される。
【０１００】
その後、第３空気ポンプ１７１が、空気混合タンク１５１内の混合空気を、空気排出ライン１９９を通じて排出させる。
【０１０１】
より具体的には、第３空気ポンプ１７１に所定のパルス信号が印加されると、第３空気ポンプ１７１は、空気混合タンク１５１内の混合空気を一定の時間間隔をおいて空気排出ライン１９９を通じて排出させる。
【０１０２】
したがって、混合空気は気化状態で外形ケースの貫通孔を通じて外部に間欠的に排出される。
【０１０３】
（実施形態２）
図３は、本発明の好ましい第２実施形態による燃料電池システムを示す概略図である。
【０１０４】
図３を参照すると、本発明の好ましい第２実施形態による燃料電池システム２００は、本発明の好ましい第１実施形態とは異なり、スタック２１０の第２排出管２１３ｄを通じて排出される残留空気と第２空気供給部２６０によって供給される外部空気を混合する空気合流ライン２５１で構成される空気混合部２５０が備わる。
【０１０５】
空気合流ライン２５１は、所定の流体が３方向に流出入できる３方（３ｗａｙ）管路で形成される。
【０１０６】
このような合流ライン２５１は、スタック２１０の残留空気が流入される第１流入口２５１ａと、外部空気が流入される第２流入口２５１ｂと、混合空気を外部に排出させるための流出口２５１ｃを備える。
【０１０７】
スタック２１０の第２排出管２１３ｄと空気合流ライン２５１の第１流入口２５１ａが、第４供給ライン２９４によって連結可能である。
【０１０８】
第２空気供給部２６０の第２空気ポンプ２６１と空気合流ライン２５１の第２流入口２５１ｂは、第５供給ライン２９５によって連結可能である。
【０１０９】
空気合流ライン２５１の流出口２５１ｃと空気排出部２７０の第３空気ポンプ２７１は、空気排出ライン２９９によって連結可能である。
【０１１０】
本発明は、このような空気合流ライン２５１の構造に限定されないで、ある一つの通路が流出口２５１ｃであり、残りの通路が第１流入口２５１ａ及び第２流入口２５１ｂからなることもできる。
【０１１１】
その他の構成要素は、第１実施形態の構成要素と同一であるため、詳細な説明は省略する。
【０１１２】
本実施形態によると、スタック２１０の第２排出管２１３ｄを通じて排出される残留空気を、第４供給ライン２９４を通じて空気合流ライン２５１の第１流入口２５１ａに供給する。
【０１１３】
これと同時に、第２空気ポンプ２６１が駆動し、外部の乾燥空気を、第５供給ライン２９５を通じて空気合流ライン２５１の第２流入口２５１ｂに供給する。
【０１１４】
スタック２１０から排出される水分を含有する残留空気と前記外部空気が空気合流ライン２５１内で混合される。
【０１１５】
混合空気中の外部空気が残留空気の流量より多いため、空気合流ライン２５１内で気化状態が維持される。
【０１１６】
その後、第３空気ポンプ２７１は、空気合流ライン２５１内の混合空気を、空気排出ライン２９９を通じて排出させる。
【０１１７】
この時、第３空気ポンプ２７１は、ダイヤフラムポンプであるため、所定圧力になれば、空気合流ライン２５１内の混合空気を、空気排出ライン２９９を通じて排出させるため、排出時期が間欠的である。
【０１１８】
混合空気は、気化状態で外形ケースの貫通孔を通じて外部に排出される。
【０１１９】
（実施形態３）
図４は、本発明の好ましい第３実施形態による燃料電池システムを示す概略図である。
【０１２０】
図４を参照すると、本発明の第３実施形態による燃料電池システム３００は、スタック３１０から発生する熱で外部空気を加熱し、加熱された外部空気とスタック３１０から排出される残留空気を混合して、残留空気を気化状態で排出できる。
【０１２１】
このため、本システム３００は、液状燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器３２０と、水素ガスと酸素を電気化学的に反応させるスタック３１０と、燃料をスタック３１０で供給する燃料供給部３３０と、外部空気をスタック３１０に供給する第１空気供給部３４０と、スタック３１０を囲むハウジング３８０と、ハウジング３８０の内部に外部空気を供給する第２空気供給部３６０と、スタック３１０から排出される残留空気とハウジング３８０の内部を通過する空気を混合する空気混合部３５０と、空気混合部３５０により混合された空気を間欠的に排出させる空気排出部３７０を含む。
【０１２２】
以下では、改質器３２０、燃料供給部３３０、第１空気供給部３４０及び空気排出部３７０は、本発明の好ましい第１実施形態と同一構成であるため、詳細な説明は省略する。
【０１２３】
ハウジング３８０は、スタック３１０を内蔵し、断熱性を有する密閉容器である。
【０１２４】
ハウジング３８０は、第２空気供給部３６０から供給される外部空気が流入される空気注入口３８１ａと、流入空気を排出する空気排出口３８１ｂを備える。
【０１２５】
また、ハウジング３８０は、スタック３１０の第１供給管３１３ａと連結される第１連結ポート３８１ｃと、スタック３１０の第２供給管３１３ｂが連結される第２連結ポート３８１ｄと、第１排出管３１３ｃが連結される第３連結ポート３８１ｅと、第２排出管３１３ｄが連結される第４連結ポート３８１ｆをさらに備える。
【０１２６】
図５は図４に示したスタック構造を示す分解斜視図である。
【０１２７】
図４及び図５を参照すると、本燃料電池システム３００に適用されるスタック３１０は流路部３１９を備える。
【０１２８】
流路部３１９は、第２空気供給部３６０からハウジング３８０内に注入される外部空気が少なくとも一つの電気生成部３１１を通過する通路である。
【０１２９】
流路部３１９を通過した外部空気は、電気生成部３１１から発生する熱により所定温度に加熱される。
【０１３０】
流路部３１９は、膜電極アセンブリー３１２から離れたセパレータ３１６面に形成される少なくとも一つの溝３１９ａとこれに対面する少なくとも一つの溝３１９ａが結合して形成される。
【０１３１】
一方、第２空気供給部３６０は、ハウジング３８０の空気注入口３８１ａと連結され、所定圧力のポンピング駆動する第２空気ポンプ３６１を備える。
【０１３２】
第２空気ポンプ３６１とハウジング３８０の空気注入口３８１ａは、第５供給ライン３９５によって連結される。本発明のこのような構成に限定されることなく、一般的な送風ファンを備えることもできる。
【０１３３】
空気混合部３５０は、スタック３１０とハウジング３８０に各々連結され、所定容積の空気混合タンク３５１を備える。
【０１３４】
空気混合タンク３５１は、スタック３１０の第２排出管３１３ｄを通じて排出される残留空気が流入される第１流入口３５１ａと、流路部３１９で加熱された外部空気が流入される第２流入口３５１ｂと、加熱された外部空気と残留空気の混合空気を外部に排出するための流出口３５１ｃを備える。
【０１３５】
スタック３１０の第２排出管３１３ｄと前記空気混合タンク３５１の第１流入口３５１ａは、第４供給ライン３９４によって連結できる。
【０１３６】
また、ハウジング３８０の空気排出口３８１ｂと空気混合タンク３５１の第２流入口３５１ｂは、第６供給ライン３９６によって連結できる。また、空気混合タンク３５１の流出口３５１ｃと空気排出部３７０は、空気排出ライン３９９によって連結できる。
【０１３７】
前記のように構成される本発明の第３実施形態による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
【０１３８】
まず、本発明の好ましい第１実施形態で既に説明したように、スタック３１０の電気生成部３１１では、水素ガスと酸素の化学反応によって熱が発生する。
【０１３９】
スタック３１０で供給される空気中の一部だけが反応して、残りの空気は電気生成時発生する多量の水分と共に第２排出管３１３ｄを通じて排出されるようになる。
【０１４０】
このような状態で、スタック３１０の第２排出管３１３ｄを通じて排出される残留空気を、第４供給ライン３９４を通じて空気混合タンク３５１内に供給する。
【０１４１】
これと同時に、第２空気ポンプ３６１は、外部乾燥空気を、第５供給ライン３９５を通じてハウジング３８０内に供給する。
【０１４２】
外部空気が、ハウジング３８０内に内蔵されたスタック３１０の流路部３１９を通過する。
【０１４３】
したがって、外部空気は、流路部３１９を通過する間、電気生成部３１１で発生した熱により所定温度に加熱される。
【０１４４】
次に、加熱空気を前記ハウジング３８０の空気排出口３８１ｂを通じて外部に排出させる。
【０１４５】
加熱空気は、第２空気ポンプ３６１によって加圧されて前記ハウジング３８０の空気排出口３８１ｂを通じて排出できる。
【０１４６】
加熱空気は、第６供給ライン３９６を通じて空気混合タンク３５１内に供給される。
【０１４７】
したがって、残留空気と加熱空気が、空気混合タンク３５１内で混合される。
【０１４８】
加熱空気が残留空気より比較的に高温であるため、空気混合タンク３５１内では気化状態になる。
【０１４９】
その後、第３空気ポンプ３７１は、空気混合タンク３５１内の混合空気を、空気排出ライン３９９を通じて排出する。
【０１５０】
この時第３空気ポンプ３７１に所定パルス信号の印加、または所定圧力の感知により、空気混合タンク３５１内の混合空気を、空気排出ライン３９９を通じて排出する。
【０１５１】
混合空気は、気化状態で外形ケースの貫通孔を通じて外部に排出される。
【０１５２】
（実施形態４）
図６は、本発明の好ましい第４実施形態による燃料電池システムを示す概略図である。
【０１５３】
図６を参照すると、本発明の第４実施形態による燃料電池システム４００は、前記の本発明の好ましい第３実施形態と異なり、スタック４１０の第２排出管４１３ｄを通じて排出される残留空気と、第２空気供給部４６０によって供給される外部空気を混合する空気合流ライン４５１からなる空気混合部４５０が備わる。
【０１５４】
空気合流ライン４５１は、所定の流体が３方向に入出入できる通常の３方（３ＷＡＹ）管路である。
【０１５５】
このような合流ライン４５１は、スタック４１０の第２排出管４１３ｄを通じて排出される残留空気が流入される第１流入口４５１ａと、スタック４１０の流路部４１９で加熱された外部空気の流入される第２流入口４５１ｂと、加熱された外部空気と残留空気の混合空気を外部に排出するための流出口４５１ｃを備える。
【０１５６】
ここで、スタック４１０の第２排出管４１３ｄと空気合流ライン４５１の第１流入口４５１ａは、第４供給ライン４９４によって連結できる。
【０１５７】
ハウジング４８０の空気排出口４８１ｂと空気合流ライン４５１の第２流入口４５１ｂは、第６供給ライン４９６によって連結できる。
【０１５８】
また、空気合流ライン４５１の流出口４５１ｃと空気排出部４７０は、空気排出ライン４９９によって連結される。
【０１５９】
本発明は、このような構造の空気合流ライン４５１には限定されず、ある一つの通路が流出口４５１ｃであり、残り通路が第１流入口４５１ａ及び第２流入口４５１ｂの場合もある。
【０１６０】
残りの構成要素は、前記第１及び第３実施形態の構成要素と同一であるため、詳細な説明は省略する。
【０１６１】
本実施形態によると、スタック４１０の第２排出管４１３ｄを通じて排出される前記残留空気を、第４供給ライン４９４を通じて空気合流ライン４５１の第１流入口４５１ａに供給する。
【０１６２】
これと同時に、第２空気供給部４６０が、比較的に乾燥した外部空気を、第５供給ライン４９５を通じてハウジング４８０内に供給する。
【０１６３】
外部空気は、ハウジング４８０内で前記スタック４１０の流路部４１９を通過する間、電気生成部４１１で発生した熱により所定温度に加熱される。
【０１６４】
次に、加熱空気をハウジング４８０の空気排出口４８１ｂを通じて外部に排出させる。加熱空気は、第６供給ライン４９６を通じて空気合流ライン４５１の第２流入口４５１ｂに供給される。
【０１６５】
したがって、残留空気と加熱空気が空気合流ライン４５１の管路内部で混合される。加熱空気が残留空気より比較的に高温であるため、混合空気は、空気合流ライン４５１の管路内で気化状態を維持する。
【０１６６】
その後、第３空気ポンプ４７１によって空気合流ライン４５１内の混合空気を、空気排出ライン４９９を通じて排出させる。
【０１６７】
第３空気ポンプ４７１に、所定のパルス信号が印加または所定圧力が感知されれば、空気合流ライン４５１内の混合空気を、空気排出ライン４９９を通じて所定時間間隔をおいて排出する。混合空気は、気化された状態で外形ケースの貫通孔を通じて外部に間欠的に排出される。
【０１６８】
（実施形態５）
図７は、本発明の好ましい第５実施形態による燃料電池システムを示す概略図であり、図８ａ及び図８ｂは図７に示した空気排出部の拡大断面図である。
【０１６９】
図７乃至図８ｂを参照すると、本発明の好ましい第５実施形態による燃料電池システム５００は、本発明の好ましい第１乃至第４実施形態と異なり、スタック５１０から排出される残留空気と外部空気を別途に混合しない。
【０１７０】
つまり、残留空気と外部空気を一定の時間間隔をおいて外部に同時に排出できる空気排出部５５０を備える。
【０１７１】
空気排出部５５０は、残留空気を排出する少なくとも一つの第１管路５５１と、第１管路５５１の外周部に形成され、外部空気を排出する第２管路５５２と、第１及び第２管路５５１、５５２内部が所定圧力になると、第１及び第２管路５５１、５５２から外部空気と残留空気を同時に排出するダイヤフラムポンプ５５３を含んで構成される。
【０１７２】
第１管路５５１は、所定の内径を有する円筒形管であり、水分つまり、高温の湿気を多量に含有した残留空気を排出するスタック５１０の第２排出管５１３ｂと連結される。
【０１７３】
第２管路５５２は、第１管路５５１の外周部に形成され、ダイヤフラムポンプ５５３と連結される。第２管路５５２の内径は、第１管路５５１の外径より大きい円筒形の管である。更に、第２管路５５２と第１管路５５１は共通の中心軸、つまり同心軸を有する。
【０１７４】
この時、第１及び第２管路５５１、５５２は、本システム５００を内蔵する一般的な携帯用電子機器、または移動通信端末機の外形ケースに形成される複数の貫通孔に取り付けられる。
【０１７５】
また、本システム５００が、携帯用電子機器または移動通信端末機に外装される場合、携帯用電子機器または移動通信端末機は、本システム５００をパッケージする外装ケースに形成される複数の貫通孔と結合することもできる。
【０１７６】
ダイヤフラムポンプ５５３は、第１及び第２管路５５１、５５２に各々連結設置される。
【０１７７】
ダイヤフラムポンプ５５３は、所定パルス信号によって制御され、または、所定圧力を感知する時作動するように構成され、一定の時間間隔をおいて第１及び第２管路５５１、５５２に外部空気を供給し、残留空気と外部空気を所定のパルス状圧力で外部に排出する。
【０１７８】
本実施形態によると、スタック５１０の第２排出管５１３ｂを通じて排出される残留空気を前記第１管路５５１に供給して、ダイヤフラムポンプ５５３の所定パルス状圧力により外部空気を第１及び第２管路５５１、５５２に供給する。
【０１７９】
したがって、残留空気と外部空気は、パルス状圧力によってそれぞれの第１及び第２管路５５１、５５２を通じて一定時間間隔をおいて排出され、外形ケースの貫通孔を通じて外形ケースから外部に排出され、また外部空気が残留空気を囲んだ状態で貫通孔を通じて排出されるため、残留空気は、外部ケースから遠く離れた大気中に拡散し、気体状態で排出できる。
【０１８０】
また、第１管路５５１と第２管路５５２を同じ長さで排出端まで配管してもよいが、内管である第１管路５５１の排出端を短く切り、第２管路の外部空気が発散しない状況で第１管路の残留空気を吸引・混合するようにしてもよい。更に、 第１管路５５１の排出端の内径を狭め流速を早めてもよい。
【０１８１】
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形し、実施可能であり、これらも本発明の範囲に属するものであるのはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本発明は、水分を気化状態で排出できるので、携帯用電子機器または携帯用移動通信端末機などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８３】
【図１】本発明の好ましい第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図１のスタック構造を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の好ましい第２実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図４】本発明の好ましい第３実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図５】図４のスタック構造を示す分解斜視図である。
【図６】本発明の好ましい第４実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図７】本発明の好ましい第５実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図８ａ】図７の空気排出部を拡大断面構成図である。
【図８ｂ】図７の空気排出部を拡大断面構成図である。
【符号の説明】
【０１８４】
１００    燃料電池 システム
１０      スタック１
１１１    電気生成部
１１３    エンドプレート
１１３ａ  第１供給管
１１３ｂ  第２供給管
１１３ｃ  第１排出管
１１３ｄ  第２排出管
１１６    セパレータ
１１７    流路チャンネル
１２０    改質器
１１２    膜電極アセンブリー
１３０    燃料供給部
１３１    燃料タンク
１３３    燃料ポンプ
１４０    空気供給部、第１空気供給部
１４１    第１空気ポンプ
１３３    燃料ポンプ
１５０    空気混合部
１５１    空気混合タンク
１５１ａ  第１流入口
１５１ｂ  第２流入口
１５１ｃ  流出口
１６０    第２空気供給部
１６１    第２空気ポンプ
１７０    空気排出部
１７１    第３空気ポンプ
１９１    第１供給ライン
１９２    第２供給ライン
１９３    第３供給ライン
１９４    第４供給ライン
１９５    第５供給ライン
１９９    空気排出ライン
２００    燃料電池システム
２１０    スタック
２１３ｄ  第２排出管
２５０    空気混合部
２５１    空気合流ライン
２５１ａ  第１流入口
２５１ｂ  第２流入口
２５１ｃ  流出口
２６０    第２空気供給部
２６１    第２空気ポンプ
２７０    空気排出部
２７１    第３空気ポンプ
２９４    第４供給ライン
２９５    第５供給ライン
２９９    空気排出ライン
３００    燃料電池システム
３１０    スタック
３１１    電気生成部
３１２    膜電極アセンブリー
３１３ａ  第１供給管
３１３ｃ  第１排出管
３１３ｄ  第２排出管
３１６    セパレータ
３１９    流路部
３１９ａ  溝
３２０    改質器
３３０    燃料供給部
３４０    第１空気供給部
３５０    空気混合部
３５１    空気混合タンク
３５１ａ  第１流入口
３５１ｂ  第２流入口
３５１ｃ  流出口
３６０    第２空気供給部
３６１    第２空気ポンプ
３７０    空気排出部
３８０    ハウジング
３８１ａ  空気注入口
３８１ｂ  空気排出口
３８１ｃ  第１連結ポート
３８１ｅ  第３連結ポート
３８１ｆ  第４連結ポート
３７１    第３空気ポンプ
３９４    第４供給ライン
３９５    第５供給ライン
３９６    第６供給ライン
３９９    空気排出ライン
４００    燃料電池システム
４１０    スタック
４１３ｄ  第２排出管
４１９    流路部
４５０    空気混合部
４５１    空気合流ライン
４５１ａ  第１流入口
４５１ｂ  第２流入口
４５１ｃ  流出口
４６０    第２空気供給部
４７０    空気排出部
４７１    第３空気ポンプ
４８０    ハウジング
４８１ｂ  空気排出口
４９４    第４供給ライン
４９５    第５供給ライン
４９６    第６供給ライン
４９９    空気排出ライン
５００    燃料電池システム
５１０    スタック
５１３ｂ  第２排出管
５５０    空気排出部
５５１    第１管路
５５２    第２管路
５５３    ダイヤフラムポンプ
【図１】
2005276818.tif 000003
【図２】
2005276818.tif 000004
【図３】
2005276818.tif 000005
【図４】
2005276818.tif 000006
【図５】
2005276818.tif 000007
【図６】
2005276818.tif 000008
【図７】
2005276818.tif 000009
【図８ａ】
2005276818.tif 000010
【図８ｂ】
2005276818.tif 000011