(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させ
る改質器と、
前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくと
も一つの電気生成部と、
前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、
前記電気生成部で酸素を供給する酸素供給部と、
前記改質器と電気生成部に連結設置されてシステムの初期起動時の前記改質器の熱エネ
ルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第１熱交換部とを含み、
前記改質器は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第１反
応部を含み、
前記電気生成部が複数積層されてスタック（ｓｔａｃｋ）を形成し、
前記スタックは、互いに隣接する電気生成部の間に位置し、前記燃料供給部から前記改
質器に送られる燃料を通過させる流路を有する流路部を含むことを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項２】
前記燃料供給部は、
前記燃料を貯蔵する第１タンクと、
前記第１タンクに連結設置される第１ポンプとを含み、
前記第１タンクと第１反応部が第１供給ラインによって連結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】
前記酸素供給部は、
空気を吸入する空気ポンプを含み、
前記空気ポンプと第１反応部が第２供給ラインによって連結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４】
前記第１熱交換部は、
前記流路の一側端部に結合されて前記第１反応部と流路を実質的に連結するノズル部材と、
前記流路の他側端部に結合されて前記ノズル部材と実質的に連通する回収部材とを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。
【請求項５】
前記第１反応部とノズル部材が第３供給ラインによって連結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】
前記流路部は前記流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に介されるプレートタイプの高熱伝導固体部材を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。
【請求項７】
前記高熱伝導固体部材が熱伝導性を有するアルミニウム、銅、鉄からなる群より選択される材質で形成され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。
【請求項８】
前記電気生成部は、
電極-電解質合成体と、
前記電極-電解質合成体の両面に配置されるセパレータとを含み、
前記流路部は互いに隣接するセパレータに前記流路を形成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。
【請求項９】
熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と、
前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、
前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、
前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、
システムの初期起動時の前記改質器の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第１熱交換部と、
システムの正常起動時の前記電気生成部の内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質器に供給する第２熱交換部とを含み、
前記改質器は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第１反応部を含み、
前記電気生成部が複数積層されてスタック（ｓｔａｃｋ）を形成し、
前記第２熱交換部は、前記スタックにおいて、互いに隣接する電気生成部の間に位置し、前記燃料供給部から前記改質器に送られる燃料を通過させる流路を有する流路部を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電気生成部は水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と水素と未反応した状態で前記水分に含まれた酸素を排出する水分排出部と、酸素と未反応した水素ガスを排出する水素ガス排出部とを含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水分排出部を通じて未反応酸素を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と酸素を各々発生させる第３熱交換部と、
前記第３熱交換部によって生成された水を燃料供給部に供給し、酸素を前記第１反応部に供給する第１循環部とを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水素ガス排出部から排出される未反応水素ガスを第１反応部に供給する第２循環部を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１反応部から排出される排出ガスを気化させる第４熱交換部を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第４熱交換部は前記排出ガスを加熱する加熱機を含み、前記加熱機と第１反応部が第１２供給ラインによって連結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。
【請求項１５】
前記改質器は、
前記熱エネルギーを用いて前記燃料と水の混合燃料を蒸発させる第２反応部と、
水蒸気改質触媒反応を通じて前記蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第３反応部と、
前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部とを含む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１６】
前記一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを前記第１反応部に再供給する第１補助燃料供給部を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１補助燃料供給部は前記改質器から電気生成部に水素ガスを供給する供給経路と前記電気生成部から排出される未反応水素ガスを第１反応部に供給する供給経路の間を連結する第１３供給ラインとを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記第１反応部に燃料を追加的に供給する第２補助燃料供給部を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記第２補助燃料供給部は燃料供給部と第１反応部を連結する第１４供給ラインと、前記第１４供給ラインに連結設置される第２ポンプとを含むことを特徴とする、請求項１８
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、より詳しくは全体的なシステムの熱効率を改善した構造を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは全体的なシステムの熱効率を改善した構造を有する燃料電池システムに関する。
【０００３】
知られたように、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）はメタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含まれている水素と、酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発展システムである。
【０００４】
この燃料電池は用いられる電解質の種類によって、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型またはアルカリ型燃料電池などで分類される。これらの各々の燃料電池は根本的に同じ原理によって作動するけれど、用いられる燃料の種類、運転温度、触媒、及び電解質などが互いに異なる。
【０００５】
これらのうちの近来に開発されている高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ:ＰＥＭＦＣ、以下、便宜上ＰＥＭＦＣという）は他の燃料電池に比べて出力特性が卓越して作動温度が低くて同時に速い始動及び応答特性を有し、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長所を有する。
【０００６】
前記のようなＰＥＭＦＣは基本的でシステムを構成するためにスタック（ｓｔａｃｋ）、改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは燃料電池の本体を形成し、燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を改質器に供給する。改質器は燃料を改質して水素ガスを発生させてその水素ガスをスタックに供給する。従って、このＰＥＭＦＣは燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質器に供給し、この改質器で燃料を改質して水素ガスを発生させ、スタックでこの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発生させる。
【０００７】
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電極-電解質合成体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ:ＭＥＡ）とこの両面に密着するセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）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。電極-電解質合成体は電解質膜を隔ててアノード電極とカソード電極が付着された構造を有する。そして、セパレータは、通常、当業界でバイポ−ラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）と称することとして、前記各々の電極-電解質合成体を分離して燃料電池の反応に必要な水素ガスと酸素を電極-電解質合成体のアノード電極とカソード電極で供給する通路の役割と、各電極-電解質合成体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を同時に遂行する。従って、セパレータを通じて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るようになって、カソード電極では酸素の還元反応が起こるようになってこの時、生成される電子の移動により電気を発生させ、裂果水分を付随的で発生させる。
【０００８】
このような燃料電池システムはスタックを常に適正温度で管理をする場合であれば、電解質膜の安定性を保障することができるだけでなく、性能低下を未然に防止できる。このために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に冷やしてくれたり、または冷却水を供給してスタックで発生する熱を冷やしてくれる水冷式冷却装置を備えている。
【０００９】
ところが、このような空冷式または水冷式の冷却構造を有する従来の燃料電池システムはスタックに空気または冷却水を供給してスタックで発生する熱を冷却させる場合、スタックを経て温もる空気または冷却水をそのまま排出して結果的にスタックから回収した熱を捨てるようになるので、そのだけのエネルギー損失を誘発する問題点がある。
【００１０】
また、従来の燃料電池システムはカソード電極に供給される空気のうちの一部が反応をし、残りの空気が米反応されて電気生成時に発生する水分と共に高温の水蒸気形態で排出されるようになる。
【００１１】
ところが、従来の燃料電池システムはスタックから排出される水分を比較的低い温度を維持する大気に直接放出する場合、前記水分が大気と接触しながら凝縮が起こるようになる。これによって本システムを採用する電子機器などの外形ケースを通じて前記凝縮された水が流れて出て使用者に不快感を及ぼすようにする問題点がある。
【００１２】
また、従来の燃料電池システムは初期駆動時の改質器とスタックを予熱する場合もあるところ、改質器とスタックを予熱することに伴うエネルギーの消耗によって全体的なシステムの性能効率が落ちるようになる問題点がある。
【００１３】
また、従来の燃料電池システムはスタックの電気生成に必要な燃料を別途に加熱して気化させて改質器を通じて水素ガスを発生させる構造を有するところ、燃料を改質器で要求する温度で加熱することに伴うエネルギーの消耗によって全体的なシステムの性能効率が低下する問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は詳述した問題点を勘案したものであって、その目的は全体的なシステムの性能及び熱効率を向上させるために電気生成時に発生する熱と水分をシステムの駆動に必要なエネルギー源でリサイクル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】
【００１５】
本願に係る燃料電池システムの発明は、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と、前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質器で燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部で酸素を供給する酸素供給部と、前記改質器と電気生成部に連結設置されてシステムの初期起動時の前記改質器の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第１熱交換部とを含み、前記改質器は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第１反応部を含み、前記電気生成部が複数積層されてスタック（ｓｔａｃｋ）を形成し、前記スタックは、互いに隣接する電気生成部の間に位置し、前記燃料供給部から前記改質器に送られる燃料を通過させる流路を有する流路部を含む。
【００１６】
前記燃料供給部は、前記燃料を貯蔵する第１タンクと、前記第１タンクに連結設置される第１ポンプとを含み、前記第１タンクと第１反応部が第１供給ラインによって連結されることが好ましい。
【００１７】
前記酸素供給部は、空気を吸入する空気ポンプを含み、前記空気ポンプと第１反応部が第２供給ラインによって連結されることが好ましい。
【００１８】
前記第１熱交換部は、前記流路の一側端部に結合されて前記第１反応部と流路を実質的に連結するノズル部材と、前記流路の他側端部に結合されて前記ノズル部材と実質的に連通する回収部材とを含むことが好ましい。
【００１９】
前記第１反応部とノズル部材が第３供給ラインによって連結されることが好ましい。
【００２０】
前記流路部は前記流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に介されるプレートタイプの高熱伝導固体部材を含むことが好ましい。
【００２１】
前記高熱伝導固体部材が熱伝導性を有するアルミニウム、銅、鉄からなる群より選択される材質で形成されることが好ましい。
【００２２】
前記電気生成部は、電極-電解質合成体と、前記電極-電解質合成体の両面に配置されるセパレータとを含み、前記流路部は互いに隣接するセパレータに前記流路を形成することが好ましい。
【００２３】
また、本願に係る燃料電池システムの発明は、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と、前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、システムの初期起動時の前記改質器の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第１熱交換部と、システムの正常起動時の前記電気生成部の内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質器に供給する第２熱交換部とを含み、前記改質器は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第１反応部を含み、前記電気生成部が複数積層されてスタック（ｓｔａｃｋ）を形成し、前記第２熱交換部は、前記スタックにおいて、互いに隣接する電気生成部の間に位置し、前記燃料供給部から前記改質器に送られる燃料を通過させる流路を有する流路部を含む。
【００２４】
前記電気生成部は水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と水素と未反応した状態で前記水分に含まれた酸素を排出する水分排出部と、酸素と未反応した水素ガスを排出する水素ガス排出部とを含むことが好ましい。
【００２５】
前記水分排出部を通じて未反応酸素を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と酸素を各々発生させる第３熱交換部と、前記第３熱交換部によって生成された水を燃料供給部に供給し、酸素を前記第１反応部に供給する第１循環部とを含むことが好ましい。
【００２６】
前記水素ガス排出部から排出される未反応水素ガスを第１反応部に供給する第２循環部を含むことが好ましい。
【００２７】
前記第１反応部から排出される排出ガスを気化させる第４熱交換部を含むことが好ましい。
【００２８】
前記第４熱交換部は前記排出ガスを加熱する加熱機を含み、前記加熱機と第１反応部が第１２供給ラインによって連結されることが好ましい。
【００２９】
前記改質器は、前記熱エネルギーを用いて前記燃料と水の混合燃料を蒸発させる第２反応部と、水蒸気改質触媒反応を通じて前記蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第３反応部と、前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部とを含むことが好ましい。
【００３０】
前記一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを前記第１反応部に再供給する第１補助燃料供給部を含むことが好ましい。
【００３１】
前記第１補助燃料供給部は前記改質器から電気生成部に水素ガスを供給する供給経路と前記電気生成部から排出される未反応水素ガスを第１反応部に供給する供給経路の間を連結する第１３供給ラインとを含むことが好ましい。
【００３２】
前記第１反応部に燃料を追加的に供給する第２補助燃料供給部を含むことが好ましい。
【００３３】
前記第２補助燃料供給部は燃料供給部と第１反応部を連結する第１４供給ラインと、前記第１４供給ラインに連結設置される第２ポンプとを含むことが好ましい。
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【発明の効果】
【００４９】
本発明による燃料電池システムによると、システムの初期駆動時の改質器とスタックを予熱できる構造を有するので、全体的なシステムの熱效率及び運転性能を更に向上させることができる。
【００５０】
また、システムの正常起動時において、スタックの電気生成に必要な燃料を用いてスタックで発生する熱を冷却してスタックを冷却しながら予熱された燃料を改質器に供給できる構造を有するので、システムの冷却効率を更に向上させることはもちろんスタックを冷却しながら損失される熱エネルギーを減らすことができ、スタックの廃熱を用いて改質器の駆動に必要な予熱要求を充足させることができる。
【００５１】
また、スタックから排出される未反応空気を水と気体で回収して水素ガスを生成するための燃料で用いることができるので、システムから水分の漏れがなくて、全体的なシステムの熱效率を向上させることができ、燃料タンクの容量を減らして全体的なシステムをコンパクトに実現できる。
【００５２】
また、スタックから排出される未反応水素ガスを改質器のエネルギー源でリサイクルできるので、全体的なシステムの熱效率を更に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、添付した図面を参考として本発明の実施例に対し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、本発明は多様な相異した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。
【００５４】
図１は本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
【００５５】
本発明による燃料電池システム１００にあって電気を生成するための燃料ということはメタノール、エタノールまたは天然ガスのように水素を含有した狭義の燃料、この他に広義の燃料として水及び酸素が更に含まれる。しかし、以下、説明する燃料は前記協議の燃料として便宜上、液状の燃料と定義し、液状の燃料と水を混合燃料であると定義する。
【００５６】
そして、本システム１００は前記燃料に含まれている水素と反応する酸素として別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋な酸素ガスを用いることができ、酸素を含有した空気をそのまま使用することもできる。しかし、以下、酸素として空気を使用する後者の例を説明する。
【００５７】
図１を参考すると、本発明による燃料電池システム１００は、基本的に前記燃料から水素ガスを発生させる改質器３０と、前記水素ガスと空気中に含まれている酸素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、前記燃料を改質器３０に供給する燃料供給部５０と、空気をスタック１０に供給する酸素供給部７０とからなる。
【００５８】
このような燃料電池システム１００は改質器３０を通じて前記水素ガスを生成し、この水素ガスをスタック１０で供給して水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生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。
【００５９】
前記燃料供給部５０は前述した液状の燃料を貯蔵する第１タンク５１と、水を貯蔵する第２タンク５３と、各々の第１及び第２タンク５１、５３に連結設置される第１ポンプ５５を含む。そして、燃料供給部５０は第１タンク５１に連結設置される第１開閉バルブ５７と、第２タンク５３に連結設置される第２開閉バルブ５９を備えることもできる。このような第１及び第２開閉バルブ５７、５９は一般的な構造の２-ウェイ（２-ｗａｙ）バルブとして、第１ポンプ５５と第１、２タンク５１、５３を連結する流路上に設置されて第１ポンプ５５から作用するポンピング力により前記流路を選択的に開閉させる機能を有する。同時に前記酸素供給部７０は所定のポンピング力で空気を吸入する空気ポンプ７１を備える。
【００６０】
図２は図１に示した改質器の構造を示した分解斜視図であり、図３は図２の結合斜視図である。
【００６１】
【００６２】
【００６３】
【００６４】
本実施例によると、前記改質器３０は第１反応部３１を中心にしてその上側に第３反応部３３及び第４反応部３４を順次に積層し、下側に第２反応部３２及び第５反応部３５を順次に積層し、これらの各々の上面には前記流体の流れを可能にする流路チャンネルと貫通ホールを形成している。そして、改質器３０の最上側に位置する第４反応部３４の上面にはカバー３６が結合されることができる。また、前記第１乃至第５反応部３１-３５は所定幅と長さを有する四角形のプレート形状をし、熱伝導性を有する金属素材例えば、アルミニウム、銅または鉄で形成されることができる。
【００６５】
【００６６】
第１反応部３１は四角形のプレートタイプからなる第１本体３１ｐを備え、第１本体３１ｐには燃料と空気の流体の流れを可能にする第１流路チャンネル３１ａを形成している。ここで前記第１流路チャンネル３１ａは開始端と終端を有しながら第１本体３１ｐの上面に形成される。そして、第１流路チャンネル３１ａには燃料と空気の酸化反応を促進させる触媒層（図示せず）を形成している。
【００６７】
【００６８】
【００６９】
第２反応部３２は四角形のプレートタイプからなる第２本体３２ｐを備え、第２本体３２ｐには混合燃料の流れを可能にする第２流路チャンネル３２ａを形成している。ここで前記第２流路チャンネル３２ａは開始端と終端を有しながら第２本体３２ｐの上面に形成される。そして第２流路チャンネル３２ａには上記のような混合燃料の気化を促進させる触媒層（図示せず）を形成している。
【００７０】
【００７１】
第３反応部３３は四角形のプレートタイプからなる第３本体３３ｐを備え、第３本体３３ｐには前記混合燃料の流れを可能にする第３流路チャンネル３３ａを形成している。ここで、前記第３流路チャンネル３３ａは開始端と終端を有しながら第３本体３３ｐの上面に形成される。そして、第３流路チャンネル３３ａには前記蒸気化された混合燃料の改質反応を促進させる触媒層（図示せず）を形成している。
【００７２】
【００７３】
【００７４】
第４反応部３４は四角形のプレートタイプからなる第４本体３４ｐを備え、第４本体３４ｐには前記水素ガスの流れを可能にする第４流路チャンネル３４ａを形成している。ここで、前記第４流路チャンネル３４ａは開始端と終端を有しながら第４本体３４ｐの上面に形成される。そして、第４流路チャンネル３４ａには前記のような水性ガス切換反応を促進させる触媒層（図示せず）を形成している。
【００７５】
【００７６】
【００７７】
第５反応部３５は四角形のプレートタイプからなる第５本体３５ｐを備え、第５本体３５ｐには第４反応部３４で反応した前記水素ガスの流れを可能にする第５流路チャンネル３５ａを形成している。ここで、前記第５流路チャンネル３５ａは開始端と終端を有しながら第５本体３５ｐの上面に形成される。そして、第５流路チャンネル３５ａには上記のような選択的酸化反応を促進させる触媒層（図示せず）を形成している。
【００７８】
【００７９】
【００８０】
図４は図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。図１及び図４を参考すると、本システム１００に適用されるスタック１０は改質器３０によって生成された水素ガスと空気中に含まれている酸素の酸化/還元反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部１１を含む。
【００８１】
各々の電気生成部１１は電極-電解質合成体１２を中心にしてこれの両面にセパレータ１６を配置して電気を発生させる最少単位のセルを形成し、この単位セルが複数に備えて本実施例のような積層構造のスタック１０を形成する。そして、スタック１０の最外郭には前記複数の電気生成部１１を密着させる別途の加圧プレート１３を設置することもできる。しかし、本発明によるスタック１０は前記加圧プレート１３を排除し、電気生成部１１の最外郭に位置するセパレータ１６が前記加圧プレートの役割に代わるように構成することもできる。また、加圧プレート１３が複数の電気生成部１１を密着させる機能以外に、次に説明するセパレータ１６の固有した機能を有するように構成することもできる。
【００８２】
電極-電解質合成体１２は両面にアノード電極とカソード電極を備え、二つの電極の間に電解質膜を備えた構造からなる。アノード電極は水素ガスを酸化反応させ、変換された電子を外部に引き出してこの電子の流れで電流を発生させ、水素イオンを電解質膜を通じてカソード電極に移動させる。カソード電極は前記水素イオン、電子及び酸素を還元反応させて水に変換させる。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るイオン交換を可能にする。
【００８３】
セパレータ１６は電極-電解質合成体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を有し、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も有する。より具体的に、セパレータ１６は電極-電解質合成体１２のアノード電極に密着される面にアノード電極で水素ガスを供給するための水素通路を形成し、電極-電解質合成体１２のカソード電極に密着される面にカソード電極で空気を供給するための空気通路を形成する流路チャンネル１７を備えている。
【００８４】
そして、前記加圧プレート１３には水素ガスをセパレータ１６の水素通路に供給するための第１注入部１３ａと、空気をセパレータ１６の空気通路に供給するための第２注入部１３ｂと、電極-電解質合成体１２のアノード電極で反応して残る水素ガスを排出させるための第１排出部１３ｃと、電極-電解質合成体２２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と水素と反応して残る空気を排出させるための第２排出部１３ｄを形成している。ここで、第１注入部１３ａは前述した水素ガス供給経路１７５を通じて改質器３０を構成する第５反応部３５:図２の第２流出口３５ｃと連結される。そして、第２注入部１３ｂは第４供給ライン７４を通じて酸素供給部７０の空気ポンプ７１と連結される。ここで、第４供給ライン７４上には第５開閉バルブ７７を設置している。
【００８５】
そして、前記のような構造を有するスタック１０は少なくとも一つの流路２２を有しながら互いに隣接する少なくとも一つの電気生成部１１の間に位置する流路部２１を含んでいる。好ましく、前記流路部２１は２〜３個の群からなる電気生成部１１の間に各々配置されるプレートタイプの高熱伝導固体部材２３を備える。前記高熱伝導固体部材２３は電気生成部１１から発生する熱が容易に伝導されるようにする熱伝導性金属素材例えば、アルミニウム、銅、鉄素材などで形成されることができる。
【００８６】
図５は本発明の実施例に対するスタックの変形例を示した分解斜視図である。図５を参考すると、本実施例の変形例に伴うスタック１０は互いに隣接する電気生成部１１のセパレータ１６に流路２２を形成している流路部２１が備わる。前記流路部２１は互いに隣接する各々のセパレータ１６に形成された溝２２ａを含み、前記隣接する各々のセパレータ１６が互いに密着される時、その溝２２ａが互いに合わせながら前記流路２２を形成する。
【００８７】
一方、本発明による燃料電池システム１００はその性能と熱効率を向上させるために初期起動時の改質器３０で発生する熱エネルギーをスタック１０の電気生成部１１に提供して前記電気生成部１１を予熱させる第１熱交換部１００を含んでいる。
【００８８】
図６は図１に示した第１熱交換部の部位を示した概略図である。図１及び図６を参考すると、本実施例による第１熱交換部１１０は液状の燃料と空気を改質器３０の第１反応部３１に供給して燃料と空気の酸化反応によって発生する熱エネルギーを電気生成部１１に提供することができる構造を有する。言い換えると、第１熱交換部１１０は第１反応部３１から排出される比較的高い温度の排出ガスを電気生成部１１に供給してこの電気生成部１１を予熱することができる構造を有する。
【００８９】
前記第１熱交換部１１０は第１供給ライン１１１を通じて第１タンク５１と第１反応部３１の第１流入口３１ｂを連結し、第２供給ライン７２を通じて空気ポンプ７１と前記第１流入口３１ｂを連結する。
【００９０】
そして、第１熱交換部１１０は第１反応部３１から排出される前記排出ガスを電気生成部１１に噴射するノズル部材１１４と、電気生成部１１を経た排出ガスを回収する回収部材１１７を含む。
【００９１】
図７は図６に示したノズル部材と回収部材の部位を示した分解斜視図である。図６及び図７を参考すると、前記ノズル部材１１４は第１反応部３１から排出される前記排出ガスをスタック１０の流路部２１に供給してこの流路部２１と密着する電気生成部１１を予熱させるためのものである。前記ノズル部材１１４は流路部２１の流路２２に結合される。ノズル部材１１４は流路２２と連通する複数のノズル孔１１５を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状に構成される。この時、ノズル部材１１４はノズル孔１１５の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路２２の一側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで、ノズル部材１１４の開放された端部は前記排出ガスが注入される入口１１６として、第３供給ライン１１３を通じて第１反応部３１の第１流出区３１ｃと連結される。
【００９２】
前記回収部材１１７はノズル部材１１４によって流路部２１を通過した前記排出ガスを回収してシステム１００の外部に排出させたり第１反応部３１に再供給するためのことである。前記回収部材１１７は流路部２１の流路２２に結合される。回収部材１１７は流路２２と連通する複数の回収孔１１８を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状に構成される。この時、回収部材１１７は回収孔１１８の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路２２の他側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで回収部材１１７の開放された端部は流路２２を通過した排出ガスを排出させる出口１１７として、図１に示した第６開閉バルブ１１２と連結設置される。
【００９３】
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム１００は第１熱交換部１１０を通じて電気生成部１１を予熱した状態で正常な起動が行われ、電気生成部１１では水素ガスと空気中に含まれている酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる。この時、電気生成部１１では水素ガスと酸素の化学的な反応によって付随的で熱が発生する。
【００９４】
よって本発明の実施例では液状の燃料と水の混合燃料をスタック１０内に循環させて電気生成部１１で発生する熱を冷却させ、このスタック１０を冷却しながら加熱された混合燃料を改質器３０に供給できる第２熱交換部１２を含んでいる。
【００９５】
図８は図１に示した第２熱交換部の部位を示した概略図である。図１及び図８を参考すると、前記第２熱交換部１２０は第５供給ライン１２１を通じて燃料供給部５０とスタック１０の流路部２１を連結し、第６供給ライン１２３を通じて前記流路部２１と改質器３０の第２反応部３２を連結する。
【００９６】
そして、前記第２熱交換部１２０は第１タンク５１から排出される液状の燃料と第２タンク５３から排出される水の混合燃料を電気生成部１１に噴射するノズル部材１１４と、電気生成部１１を経た混合燃料を回収して前記第２反応部３２に供給する回収部材１１７を含んでいる。
【００９７】
図６及び図７に示したように、ノズル部材１１４は前記混合燃料をスタック１０の流路部２１に供給して電気生成部１１で発生する熱を冷却させるためのことである。前記ノズル部材１１４は流路部２１の流路２２に結合される。ノズル部材１１４は流路２２と連通する複数のノズル孔１１５を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状からなる。この時、ノズル部材１１４はノズル孔１１５の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路２２の一側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで、ノズル部材１１４の前記混合燃料が注入される入口１１６であって、前述した第５供給ライン１２１により燃料供給部５０の第１及び第２タンク５１、５３に連結される。
【００９８】
前記回収部材１１７はノズル部材１１４によって流路部２１を通過した前記混合燃料を回収して改質器３０の第２反応部３２に供給するためのことである。前記回収部材１１７は流路部２１の流路２２に結合される。回収部材１１７は流路２２と連通する複数の回収孔１１８を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状に構成される。この時、回収部材１１７は回収孔１１８の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路２２の他側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで回収部材１１７の開放された端部は流路２２を通過した混合燃料を改質器３０の第２反応部３２に供給する出口１１７であって、前述した第６供給ライン１２３により前記第２反応部３２の第２流入口３２ｂ）と連結される。
【００９９】
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム１００の作用時、スタック１０の第２排出部１３ｄでは電気生成部１１の水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と、水素と未反応した状態で前記水分に含まれている空気を排出する。
【０１００】
よって本発明の実施例ではスタック１０の第２排出部１３ｄを通じて未反応空気を含有
した状態で排出される前記水分を凝縮して水と空気を各々発生させる第３熱交換部１３０
を含んでいる。
【０１０１】
図９は図１に示した第３熱交換部の部位を示した概略図である。図１及び図９を参考すると、第３熱交換部１３は前記水分を凝縮させる凝縮機１３１を含み、前記第２排出部１３ｄと凝縮機１３１が第８供給ライン１３３によって連結される。この時、前記凝縮機１３１は未反応空気を含有した高温多湿の水分を凝縮させて水と空気を各々発生させる。そして、凝縮機１３１によって発生した水と空気は第１循環部１４０を通じて燃料供給部５０と改質器３０に各々供給される。
【０１０２】
図１０は図１に示した第１循環部の部位を示した概略図である。図１及び図１０を参考すると、本実施例によると、前記第１循環部１４０は前記水を燃料供給部５０の第２タンク５３に供給するために凝縮機１３１と第２タンク５３を連結する第９供給ライン１４１を備える。そして、第１循環部１４０は前記空気を改質器３０の第１反応部３１に供給するために凝縮機１３１と第１反応部３１の第１流入口３１ｂを連結する第１０供給ライン１４３を備える。
【０１０３】
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム１００の作用時、スタック１０の第１排出部１３ｃでは電気生成部１１で反応して残る水素ガスを排出する。
【０１０４】
よって本発明の実施例では前記未反応水素ガスを改質器３０の第１反応部３１に再供給できる第２循環部１５０を含んでいる。
【０１０５】
図１１は図１に示した第２循環部の部位を示した概略図である。図１及び図１１を参考すると、本実施例によると、第２循環部１５０はスタック１０の第１排出部１３ｃと第１反応部３１の第１流入口３１ｂを連結する第１１供給ライン１５１を備える。
【０１０６】
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム１００の作用時、第２循環部１５０によって改質器３０の第１反応部３１に再供給された未反応水素ガスの一部が反応して残る水素ガスが未反応一つの状態で排出されることもできる。
【０１０７】
よって本発明の実施例では前記排出ガスを加熱して外部に排出させるための第４熱交換部１６０を含んでいる。
【０１０８】
図１２は図１に示した第４熱交換部の部位を示した概略図である。図１及び図１２を参考すると、第４熱交換部１６０は前記排出ガスを加熱する加熱機１６１を含み、加熱基１６１と第１反応部３１の第１流出口３１ｃが第１２供給ライン１６３によって連結される。この時、加熱機１６１は第２供給ライン１６３上に備えられた第７開閉バルブ１６５と連結設置される。
【０１０９】
一方、本発明による燃料電池システム１００は改質器３０の第１反応部３１で発生する熱エネルギーを更に加重させるための第１及び第２補助燃料供給部１７０、１８０を含んでいる。
【０１１０】
図１３は図１に示した第１補助燃料供給部の部位を示した概略図であり、図１４は図１に示した第２補助燃料供給部の部位を示した概略図である。
【０１１１】
図１及び図１３を参考すると、前記第１補助燃料供給部１７０は改質器３０の第５反応部３５からスタック１０の第１注入部１３ａに供給される水素ガスを第１反応部３１に再供給できる構造を有する。
【０１１２】
前記第１補助燃料供給部１７０は第５反応部３５の第２流出区３５ｃとスタック１０の第１注入部１３ａを連結する水素ガス供給経路１７５と第２循環部１５０の第１１供給ライン１５１を連結する第１３供給ライン１７１を備える。
【０１１３】
図１及び図１４を参考すると、前記第２補助燃料供給部１８０は燃料供給部５０の第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料を第１反応部３１に直接供給できる構造を有する。
【０１１４】
前記第２補助燃料供給部１８０は燃料供給部５０の第１タンク５１と第１反応部３１の第１流入口３１ｂを連結する第１４供給ライン１８１と、第１４供給ライン１８１上に設置される第２ポンプ１８３を備える。
【０１１５】
前記のように構成された本発明の実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明すると次の通りである。まず、本システム１００の初期起動時、第１ポンプ５５を可動させて第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料を第１供給ライン１１１を通じて第１反応部３１に供給する。これと同時に、空気ポンプ７１を可動させて空気を第２供給ライン７２を通じて第１反応部３１に供給する。この時、前記液状の燃料と空気は第１反応部３１の第１流入口３１ｂを通じて第１流路チャンネル３１ａに供給されるようになる。
【０１１６】
次に、前記液状の燃料と空気が第１反応部３１の第１流路チャンネル３１ａに沿って流動しながら触媒酸化反応を起こす。それなら、第１反応部３１ではこのような酸化反応を通じて所定温度の反応熱を発生させる。従って、第１反応部３１から発生する熱エネルギーが第２反応部３２、第３反応部３３、第４反応部３４及び第５反応部３５に伝導されながら改質器３０全体を予熱させる。
【０１１７】
このような過程を経る間、第１反応部３１で発生する燃焼ガスを第１流出口３１ｃを通じて排出させる。以下、前記排出ガスは比較的高い温度を維持しながら第３供給ライン１１３を通じてノズル部材１１４の入口１１６に注入される。
【０１１８】
次に、前記排出ガスをノズル部材１１４のノズル孔１１５を通じて流路部２１の流路２２に噴射する。では、前記排出ガスが流路２２を通過する間、排出ガス自体の熱がセパレータ１６に伝導されることによって電気生成部１１全体を予熱させる。
【０１１９】
この後、流路２２を通過する排出ガスを回収部材１１７を通じてシステム１００外部に排出させたり改質器３０の第１反応部３１に供給する。
【０１２０】
このように改質器３０と電気生成部１１の予熱が完了すると、第１ポンプ５５を可動させて第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料と第２タンク５３に貯蔵された水を燃料供給ライン５８を通じて第２反応部３２に供給する。この時、第２反応部３２は第１反応部３１から発生する熱の伝達を受けて所定温度で加熱された状態となる。
【０１２１】
次に、前記液状の燃料と水の混合燃料が第２反応部３２の第２流路チャンネル３２ａに沿って流れる途中、前記熱により気化される。そして、前記気化された混合燃料は第２反応部３２の第４貫通ホール３２ｄ、第１反応部３１の第２貫通ホール３１ｅ及び第３反応部３３の第５貫通ホール３３ｂを順次に通過して第３反応部３３の第３流路チャンネル３３ａに沿って流れるようになる。では、第３反応部３３は水蒸気改質触媒反応を通じて前記気化された混合燃料から水素ガスを発生させる。敷衍説明すると、第３反応部３３は水蒸気改質触媒反応を通じて混合燃料の分解反応と一酸化炭素の変性反応が同時に進められて二酸化炭素と水素を含有している水素ガスを生成する。この時、第３反応部３３は一酸化炭素の変性反応を完全に行うようにすることが困難して副生成物としての一酸化炭素が微量含まれている水素ガスを生成する。
【０１２２】
次に、前記水素ガスが第３反応部３３の第６貫通ホール３３ｃ及び第４反応部３４の第８貫通ホール３４ｂを通じて第４反応部３４の第４流路チャンネル３４ａに沿って流れるようになる。では、第４反応部３４は水性ガス切換触媒反応を通じて追加の水素ガスを発生させ、その水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を１次的で低減させる。
【０１２３】
次に、第４反応部３４の第４流路チャンネル３４ａを通過した前記水素ガスが第４反応部３４の第９貫通ホール３４ｃ、第３反応部３３の第７貫通ホール３３ｄ、第１反応部３１の第１貫通ホール３１ｄ及び第２反応部３２の第３貫通ホール３２ｃを通じて第５反応部３５の第５流路チャンネル３５ａに沿って流れるようになる。
【０１２４】
これと同時に、空気ポンプ７１を可動させて空気を第７供給ライン７３を通じて第５反応部３５の第３流入口３５ｂに注入させる。では、第５反応部３５は選択的酸化触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を２次的に低減させ、最終的に生成された水素ガスを第２流出区３５ｃを通じて排出させる。
【０１２５】
次に、前記水素ガスを水素ガス供給経路１７５を通じてスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。これと同時に、空気ポンプ７１を可動させて空気を第４供給ライン７４を通じてスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。
【０１２６】
では、前記水素ガスはセパレータ１６の水素通路を通じて電極-電解質合成体１２のアノード電極に供給される。そして、空気はセパレータ１６の空気通路を通じて電極-電解質合成体１２のカソード電極に供給される。
【０１２７】
従って、アノード電極では酸化反応を通じて水素ガスを電子とプロトン（水素イオン）に分解する。そして、プロトンが電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じて移動されなくてセパレータ１６を通じて隣接する電極-電解質合成体１２のカソード電極に移動するようになるが、この時、電子の流れで電流を発生させる。また、カソード電極では前記移動したプロトン及び電子と酸素の還元反応を通じて水分と熱を付加的に発生させるようになる。この時、電気生成部１１で発生する熱はセパレータ１６を通じて流路部２１に伝導された状態となる。
【０１２８】
このような過程で第１ポンプ５５を可動させて第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料と第２タンク５３に貯蔵された水を第５供給ライン１２１を通じてノズル部材１１４の入口１１６に注入する。
【０１２９】
次に、前記液状の燃料と水の混合燃料をノズル部材１１４のノズル孔１１５を通じて流路部２１の流路２２に噴射する。では、前記混合燃料が流路２２を通過しながら電気生成部１１から発生する熱を冷却させるようになる。この後、流路２２を通過する混合燃料を回収部材１１７を通じて回収する。この時、前記混合燃料は電気生成部１１を冷却しながら所定温度に暖められて予熱された状態となる。
【０１３０】
次に、第６供給ライン１２３を通じて前記予熱された混合燃料を第２反応部３２に供給する。この時、前記混合燃料は第１ポンプ５５から作用するポンピング力によりノズル部材１１４を通じて流路部２１に噴射され、回収部材１１７によって回収されて第２反応部３２の第２流入口３２ｂに供給されるようになる。従って、改質器３０は上述したような一連の動作によって水素ガスを発生させてその水素ガスをスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。
【０１３１】
一方、電気生成部１１の電気生成時のセパレータ１６を通じて電極-電解質合成体１２のカソード電極に供給される空気のうちの一部が反応して残る空気が水素と酸素の結合反応を通じて発生する高温多湿な水分に含まれた状態で第２排出部１３ｄを通じて排出されるようになる。
【０１３２】
次に、前記未反応空気を含有した水分を第８供給ライン１３３を通じて凝縮機１３１に供給する。では、前記水分は凝縮機１３１を経ながら水と空気に転換されるようになる。
【０１３３】
次に、前記水を第９供給ライン１４１を通じて第２タンク５３に帰還させる。そして、前記空気を第１０供給ライン１４３を通じて第１反応部３１に帰還させる。
【０１３４】
一方、電気生成部１１の電気生成時のセパレータ１６を通じて電極-電解質合成体１２のアノード電極に供給される水素ガスのうちの一部が反応して残る水素ガスが米反応されて第１排出部１３ｃを通じて排出されるようになる。
【０１３５】
次に、前記未反応水素ガスを第１１供給ライン１５１を通じて第１反応部３１に供給する。この時、第１反応部３１に再供給された未反応水素ガスの一部が反応して残る水素ガスが未反応状態で第１反応部３１の第１流出区３１ｃに排出できる。
【０１３６】
では、前記排出ガスを第１２供給ライン１６３を通じて加熱機１６１に供給して加熱させる。次に、前記加熱された排出ガスを第７開閉バルブ１６５を通じてシステム１００の外部に排出させる。
【０１３７】
他の一方で、改質器３０の第５反応部３５からスタック１０の第１注入部１３ａに供給される水素ガスを第１３供給ライン１７１を通じて第１反応部３１に再供給する。では、本システム１００の改質器３０に作用する熱エネルギーを更に補強できるようになる。また、前記改質器３０に作用する熱エネルギーを更に補強するための他の方法で第２ポンプ１８３を可動させて第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料を第１４供給ライン１８１を通じて第１反応部３１に供給することもできる。
【０１３８】
【０１３９】
【０１４０】
【０１４１】
【０１４２】
【０１４３】
以上を通じて本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることがなくて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するのが可能であってこれも本発明の範囲に属することは当然である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
【図２】図１に示した改質器の構造を示した分解斜視図である。
【図３】図２の結合斜視図である。
【図４】図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。
【図５】本発明の実施例に対するスタックの変形例を示した分解斜視図である。
【図６】図１に示した第１熱交換部の部位を示した概略図である。
【図７】図６に示したノズル部材と回収部材部位を示した分解斜視図である。
【図８】図１に示した第２熱交換部の部位を示した概略図である。
【図９】図１に示した第３熱交換部の部位を示した概略図である。
【図１０】図１に示した第１循環部の部位を示した概略図である。
【図１１】図１に示した第２循環部の部位を示した概略図である。
【図１２】図１に示した第４熱交換部の部位を示した概略図である。
【図１３】図１に示した第１補助燃料供給部の部位を示した概略図である。
【図１４】図１に示した第２補助燃料供給部の部位を示した概略図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１０  スタック
３０  改質器
５０  燃料供給部
５１  第１タンク
５３  第２タンク
５５  第１ポンプ
５７  第１開閉バルブ
５９  第２開閉バルブ
７０  酸素供給部
７１  空気ポンプ
１００ 燃料電池システム
【図１】
0004448391.tif 000002
【図２】
0004448391.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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