JP2004535048A - 最適に温度管理された燃料電池 - Google Patents

Abstract

放熱構造を有する燃料電池であって、接続片（８）が、高温状態で高い伝導率を有し、低温状態で低い伝導率を有する形状記憶合金からなり、それにより、燃料電池をより速く加熱してその稼動レベルに到達させることを可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤との間で電気エネルギーを生成する化学反応の中核である。通常、該反応は一対の電極と中間固体電解質とを含むアセンブリにおいて起こり、制御を要する高い熱の放出を伴う。このため、電池は通常、サーマルコネクタを介して前記アセンブリに接続されたサーマルディシペータ(thermal dissipater)を具備する。これにより、アセンブリのオーバヒートが防止される。しかし、寒いと電池の性能は悪く、温度整定時間が長いことがわかっている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５７５９７１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の中電力電池（数キロワット）は、自律調整可能な冷却システムを有することがある。しかし、該システムは、今日においてより重要な小電力電池（数ワット）には殆ど使用できない。そのため、小電力電池にとって、低温時の性能低下の問題は、その作用がより離散的となる場合が多いため、より深刻である。詳細に燃料電池を開示している特許文献１は、隔膜を介して熱放出を保証することを含んでいるが、それを進歩として言及していない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
よって、本発明の目的は、サーマルコネクタが、主要な２つの状態、すなわち、アセンブリとディシペータとの熱接続の役割を確保する高温状態と、熱接続が緩和又は切断される低温状態とを持つ形状記憶合金であることを特徴とする改良形燃料電池を提供することである。２つの状態間のこのような導電体の変形により、確実に電池が作用温度まで素早く加熱され、次いで、オペレータの関与無しに通常の熱放散に移行する。
【０００６】
本技術思想を具現化するために提起された複数の特定実施形態を図１と２を用いて開示する。
【０００７】
主要部のみが図示された図１の電池は、サポート２に配設されたアセンブリ１を具備し、各アセンブリ１は、アノード３、カソード４、及び該アノードと該カソード間に介在する固体電解質膜５を具備する。（シリコン、プラスチック、セラミック等の）サポート２は、燃料チャネル６を内包する多角形状のダクトである。用途に応じて、このチャネルはチャンバ等の異なる形状にしてもよい。実際には、２つのアセンブリ１が、それぞれサポート２の片側に対向配設されている。同様の他のアセンブリ１の対をサポート２の他の場所に配設することができる。前記チャネル６内の燃料は、アセンブリ１において電離され、周囲の酸化剤から発生するイオンと反応する。この結合化学反応により、アノード３とカソード４を結合する図示されていない回路に電流が発生する。この反応により生成された熱はサポート２に伝導する。熱は、大面積の交換領域を有し、接続片８を介してサポート２に接続された放熱体７で分散されて消滅する。図示された実施形態では、接続片８は２つあり、一端が２つのアセンブリ１間に介在しているサポート２に埋設され、反対端が一対の放熱体７間に挟持されている。接続片８は、サポート２と反対方向に延在し、そこで、一対の放熱体７間に挟持される。
【０００８】
サーマルコネクタとして機能する接続片８は、本発明では形状記憶合金で形成される。複数の成分が当業者には既知である前記合金は、遷移温度以上で結晶構造を変化させ、加熱されるとマルテンサイト系の組成からオーステナイト系の組成に変化する特性を有する。遷移温度は合金の組成に依存し、現実的には実質的に自由に選択することができる。これらの合金の熱伝導率は、オーステナイト系の状態がマルテンサイト系の状態よりずっと大きいことが多く、例えば、２倍である。しかし、その最も知られた特性は、状態変化の際に変形できることである。当該合金は、オーステナイト系の状態で可塑的に変形し、マルテンサイト系の状態に戻る際に初期形状に復元するが、オーステナイト系の状態に戻る際に前記変形の結果となる形状に戻る。前記形状変化は、多数回の温度遷移に対しても元に戻すことができる。
【０００９】
これらの特性は、本発明の必要性に対して以下のように使用することができる。接続片８は、図１に示したように高温状態で平坦であり、一対の放熱体７の大面積の面の間に圧接されている。接続片８の低温状態は図２に示されており、本図では、一対の放熱体７の間の接続片は、平坦状ではなく波状１０になっている。そのため、前記放熱体との接続は波の縁部１１でしか確保されず、つまり、接続領域が減少する。それにより、電池が低温状態にあるとき、その稼動開始時に発生した熱がサポート２に滞留する時間が延び、電池がより速く作用温度に到達するよう、アセンブリの加熱に寄与し、それらの効率が最大になることが分かる。電池が高温状態に達すると、接続片８の遷移温度を超えて、該接続片は、より大きな流量で熱を放熱体７及び外部に伝導可能な平坦形状に戻り、よって電池の温度を安定化させる。電池の固定点１３に埋設された弾性部材１２が放熱体７を圧迫しており、接続片８が平坦形状に戻っても該接続片８に対して該放熱体７が接触しているように保持する。
【００１０】
熱伝導率が２つの結晶構造の遷移の点でも異なるので、前記合金により提供される形状変化を利用する必要がないことに注意されたい。この伝導率は高温状態であるほど大きいので、放熱体７との接触面積を変化させずに、温度を安定させることができる。したがって、当該素子は図１の態様のみをとることもでき、その場合弾性部材１２を撤去してサーマルディシペータを接続片８に固着させることができる。
【００１１】
波状１０又は類似形状への変形が大幅な変位を伴わないことは明らかである。また、該変形により、接続片８の各面に放熱体７を固定させることができ、且つその物理的及び熱的な接続を切断させることができる。この放熱体７の二様性が、遷移温度以上で合金の熱伝導率が最大になることと組み合わさることで、高温状態の電池の放熱能力が確実に大きくなる。
【００１２】
前記実施形態の全てにおいて、放熱体７は不可欠なものではなく、任意形態のディシペータで置換することもできる。熱転移素子の自由端は、場合によっては、解放状態のままで、周囲の冷却源で直接捕捉して放熱してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高温状態における本発明による電池
【図２】低温状態における本発明による電池

Claims (8)

1. 少なくとも燃料の酸化剤アセンブリ（１）と該アセンブリを冷却源に接続するサーマルコネクタとを具備する燃料電池であって、前記サーマルコネクタが、高温状態で高熱伝導率を有し、低温状態で低熱伝導率を有する形状記憶合金の接続片（８）を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記サーマルコネクタが、冷却源に配設された一端において放熱体（７）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記接続片が、高温状態で放熱体と面を介して接し、低温状態で放熱体と１又は複数の縁部を介して接することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記放熱体（７）が前記接続片（８）と接する場合に、該接続片は高温状態で平坦であり、低温状態で波状であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 弾性部材（１２）が前記接続片の方向に前記放熱体を押圧することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池。
6. サーマルコネクタが、前記接続片（８）の両側に一対の放熱体（７）を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
7. サーマルコネクタの一端が前記アセンブリ１のサポート２に埋設されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 燃料チャネル（６）の両側に配設された２つのアセンブリ（１）と、前記両側の間で前記チャネルに埋設された２つのサーマルコネクタとを具備することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池。