JP2006202611A - 燃料電池システム、ならびにそれを搭載した自動車および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温域で作動する燃料電池を覆う断熱体表面の熱を逃がしやすくすることにより、断熱体を薄くして、高出力かつ小型の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を覆う断熱体と、前記断熱体の外表面を覆う伝熱体とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム、ならびにそれを搭載した自動車および電子機器に関する。

近年、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器に対して、軽量化、小型化が要求されるとともに長時間使用の実現が求められている。この電子機器等に用いられる電源システムの一つとして、燃料電池を用いたシステムの開発が進められている。
一般的に触媒活性の点から、燃料電池の電流電圧特性は動作温度が高いほど良好である。つまり、動作温度以外が同じ条件の燃料電池を比較すると、高温で動作する方が高い出力が得られる。

例えば、現在広く用いられているパーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜（例えば、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製の商品名ナフィオン）を電解質として用いる固体高分子型燃料電池において、燃料としてメタノールを用いた場合、電流電圧特性は動作温度が上昇するにつれて向上し、７０℃程度で最も優れた特性が得られる。さらに８０℃を超えると高分子電解質膜の性質上、当該高分子電解質膜の導電性が低下するため特性は悪くなる。７０℃程度で作動する燃料電池を用いた電子機器としては、例えば、携帯電話用の電池を充電する充電器が挙げられる（特許文献１参照）。

また、高温で作動する燃料電池としては、例えば、より高温で駆動可能な電解質として、ポリベンズイミダゾール（以下、ＰＢＩと表す）膜にリン酸を含浸したリン酸含浸ＰＢＩ型燃料電池が挙げられる（特許文献２参照）。このタイプの燃料電池は、１２０〜２００℃で駆動する。このような高温で作動する燃料電池は、上述したように高出力を有する。
特開２００４−１９４４３４号公報 特開２００２−０８３６２１号公報

高温で作動する高出力の燃料電池を用いる場合、燃料電池を収納する機器の筐体が高温になることを防止する必要がある。これに対しては、燃料電池を断熱体で覆う方法が一般的であり、例えば、上記の７０℃で作動する燃料電池を用いた携帯電話充電器においては、燃料電池は厚さ２ｍｍの発泡スチロール製の断熱体で覆われている。しかし、さらに高温の１２０〜２００℃で作動する燃料電池の場合は、このような薄い発泡スチロールでは断熱が不十分である。また、断熱体を用いたとしても、燃料電池の温度が高くなればなるほど、断熱体を厚くすることが必要となり、結果として燃料電池システムのサイズが大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は、高温で作動する燃料電池を覆う断熱体を薄くして、高出力かつ小型の燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、上記の燃料電池システムを搭載した自動車および携帯型電子機器を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を覆う断熱体と、前記断熱体の外表面を覆う伝熱体とを含むことを特徴とする。
燃料電池の周囲をできるだけ断熱体および伝熱体で覆うのが好ましい。燃料電池の周囲全体を覆うのが最も好ましいが、燃料電池において、電極端子を配し、燃料および空気を供給・排出する管を接続する場合は、この部材の設置部分以外を覆うことが好ましい。
このように断熱体の外表面を伝熱体で覆うことにより、断熱体の表面温度が均一になるので放熱能力が向上する。熱が逃げやすくなるため、断熱体を従来よりも薄くすることが可能となり、燃料電池システムを小型化することができる。

前記伝熱体は前記断熱体と密着しているのが好ましい。ここで密着とは、面と面とが物理的に接している状態を表す。すなわち、断熱体と対向する伝熱体の面と伝熱体と対向する断熱体の面とが物理的に接している状態を表す。接する面に凹凸が有れば隙間を生じるが、数１０マイクロメートル程度の凹凸であれば構わない。凹凸の隙間に存在する空気の影響を低減する目的で、凹凸の隙間にシリコングリスなどを塗布しても良い。もちろん面と面とが物理的に結合した状態も含む。伝熱体と断熱体の形状は特に限定されないが、伝熱体と断熱体とを密着させやすい点で、両者がシート状であるのが好ましい。
さらに前記伝熱体を冷却するための冷却部を含むのが好ましい。
前記断熱体の熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましい。
前記伝熱体の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。
前記断熱体が、芯材および前記芯材を外包する外被材からなるのが好ましい。
前記伝熱体が、金、銀、銅、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む金属板からなるのが好ましい。

前記伝熱体はシート状であり、前記伝熱体の熱伝導率は、その厚み方向よりも前記厚み方向と直交する方向のほうが高いことが好ましい。
前記伝熱体がグラファイトシートであるのが好ましい。
前記伝熱体の少なくとも一部が、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用したヒートパイプで構成されているのが好ましい。
前記冷却部が、燃料電池から排出される水を気化させ、熱を放散する機構を含むのが好ましい。
前記冷却部が、熱伝導性の良好な材料、例えばアルミニウムや銅からなり、熱を周囲の空気に発散させるフィン、および羽根を回転させて送風することにより熱を周囲の空気に発散させるファンの少なくとも１つを含むのが好ましい。
また、本発明は、上記の燃料電池システムを搭載した自動車に関する。
さらに、本発明は、上記の燃料電池システムを搭載した携帯型電子機器に関する。

本発明によれば、高温で作動する燃料電池を覆う断熱体表面の熱を逃がしやすくすることにより、断熱体を薄くすることができ、高出力かつ小型の燃料電池システムを提供することができる。また、本発明によれば、上記の燃料電池システムを搭載した自動車および携帯型電子機器を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施形態である断熱体および伝熱体で覆われた燃料電池を断面とした、冷却部を備えた燃料電池システムの要部の正面図である。また、図２は図１の燃料電池システムの要部の概略斜視図である。
燃料電池１は断熱体２で覆われ、さらに断熱体２の外表面が伝熱体３で密着して覆われている。伝熱体３には、フィン４およびファン５からなる冷却部が取り付けられている。

燃料電池１には、高温域で作動する高出力の燃料電池が用いられる。燃料電池１は、単セルでも、単セルを複数個積層した積層体でもよい。このような燃料電池には、例えば、１２０〜２００℃程度の高温域で作動するリン酸含浸ＰＢＩ型の燃料電池が挙げられる。
燃料電池１は、単セルまたは単セルを複数個積層した積層体の両端を、金メッキした銅板などからなる集電板、およびポリテトラフルオロエチレンなどからなる絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、端板をボルトで締めることにより構成される。単セルは、ＰＢＩ膜にリン酸を含浸した電解質の両面を白金担持カーボン粒子付カーボンペーパーで挟み込んだ膜電極接合体（以下、ＭＥＡと表す）、およびＭＥＡを挟む一対のセパレータより構成される。なお、ここではリン酸含浸ＰＢＩ型の燃料電池の構成について説明したが、この構成に限らず、公知の燃料電池を適用することができる。

ここに示す燃料電池１は、扁平状直方体であり、６面のうち面積の最も小さい２面のうち一方の面１ａに、燃料の入口および出口マニホルドにそれぞれ接続させた燃料供給管および燃料排出管、空気の入口および出口マニホルドにそれぞれ接続させた空気供給管および空気排出管、ならびに正極端子および負極端子が集中して設けられ（図示しない）、それ以外の５面が断熱体２および伝熱体３で覆われている。
なお、燃料供給管には、燃料供給部として、例えば、燃料をアノードに送り込むための燃料ポンプが接続され、空気供給管には、空気供給部として、例えば、空気をカソードに送り込むための空気ポンプが接続される。

断熱体２は、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ以下のものが好ましい。断熱体がシート状の場合、熱伝導率が小さいほど断熱体の厚みを薄くすることができる。
断熱体２は、図３に示すような芯材６および芯材６を外包する外被材７からなるのが好ましい。芯材６を構成する熱伝導率の低い断熱材料は、多孔体、微細な粉末の集合体、微細な繊維の集合体などであるため、これらの材料が剥き出しの場合、飛散したり変形したりし易い。そこで、これらの材料を芯材６として外被材７で外包することにより、耐久性に優れ、かつ熱伝導率の低い断熱体が得られる。芯材６には、例えば、シリカ等のセラミクス粉末が用いられる。セラミクス粉末としては、例えば、黒崎播磨（株）製のＷＤＳ（成分はシリカ５２％、ジルコニア２５％、アルミナ２０％、および他３％であり、粒子サイズは５〜３０ｎｍである。）や日本マイクロサーム（株）製のマイクロサーム（成分はシリカ６０％、チタニア３７％、アルミナ２％、および他１％であり、粒子サイズは１００ｎｍ以下である。）が挙げられる。外被材には、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどが用いられる。

伝熱体３は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。伝熱体３がシート状の場合、熱伝導率が大きいほど伝熱体の厚みを薄くすることができる。
伝熱体３は、金、銀、銅、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む金属板からなるのが好ましい。これらの材料は熱伝導率が高いので、単体でも２種以上の金属からなる合金でも熱伝導率の高い伝熱体が得られる。
また、上記の金属板以外には、グラファイトシートなどが用いられる。グラファイトシートとは、グラファイト結晶を主成分にしたシートであって、グラファイト結晶のｃ軸がシートの厚さ方向に配列するように配向性よくシートにしたものである。
シート状伝熱体３における、電極端子や燃料および空気を供給・排出する管を設けた燃料電池１の側面１ａと反対側の面を覆う部分に、アルミニウム製のフィン４が取り付けられている。そして、フィン４には、外部の空気をフィン４に送り込むファン５が取り付けられている。フィン４およびファン５が、伝熱体を冷却する冷却部として働く。

上記の高温域で作動する燃料電池１を、断熱体２を介して伝熱体３で覆うことにより、断熱体２を伝導した熱が伝熱体３に伝わり、伝熱体３は熱伝導がいいので温度が均一になり熱を効率よく外部に放出できる。したがって、伝熱体３の表面温度が低下し易くなる。このように伝熱体３により断熱体２を伝導する熱が逃げやすいため、断熱体２を従来よりも薄くするか、内蔵する燃料電池の発熱量を上げる、つまり高出力化することが可能となり、燃料電池システムを小型化することができる。従って、燃料電池システムの高出力化と小型化の両立が可能となる。また、燃料電池を覆う断熱体の外表面を覆う伝熱体の温度は均一になり易いため、外部に露出した伝熱体の表面において局所的に高温となる部分がない。
また、伝熱体３は断熱体２に密着しているため、燃料電池、断熱体、および伝熱体からなる一体化物がコンパクトになり、燃料電池システムをさらに小型化することができる。

燃料電池システムの通常運転は一定の出力で行われるため、燃料電池の発電時に生じる発熱量は一定である。また、燃料電池の温度維持に用いられる熱は、エネルギーの効率を考慮すると燃料電池の発電時に生じる熱のみ（自立運転と呼ばれるもの）である。従って、発熱量が一定で放熱構造が不変であれば、従来のように燃料電池を断熱体のみで覆った場合には、燃料電池からの放熱は断熱体を伝わる伝導伝熱であって、伝導伝熱では熱量が温度差に比例するので、内部温度は外部温度によって定まる。このため、環境温度が変われば燃料電池の動作温度が変化する。氷点下のような低温環境で使用する場合には、動作温度が低下し、高温環境で使用する場合には、動作温度が上昇する。

これに対して、上記の本発明の燃料電池システムを用いれば、環境温度に応じて冷却部による伝熱体の冷却を制御することにより、環境温度に関わらず、伝熱体の温度を一定に制御することが可能となる。
冷却を制御する方法としては、例えば、図２に示した伝熱体３あるいはフィン４に熱電対やサーミスタなどの温度センサーを取り付けて、得られた測定値が所定の範囲内になるようにファン５の運転を制御する機能を付ければよい。
例えば、燃料電池の起動時または起動直後で環境温度が低い場合には、ファン５を停止する。これにより、燃料電池の温度が運転に最適な温度まで早く上昇することができる。燃料電池の温度が上昇し、その熱が断熱体２を介して伝熱体３にまで伝わり、伝熱体３の温度が周囲の機器にまで影響を及ぼす温度Ｔ１に上昇したら、ファン５を運転する。伝熱体３の温度が温度Ｔ１よりもより高くなれば、ファン５の回転速度を上げて風量を増加させる。ファン５により伝熱体３が冷却されて温度Ｔ１よりも低くなれば、ファン５を停止する。なお、ファン５の停止温度を温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２としてもよい（例えばＴ１−Ｔ２＝５℃）。このように制御することにより、ファン５がＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返すことなく、伝熱体３の温度を温度Ｔ１付近に維持することができ、効率的に冷却することができる。

このように、環境温度に応じてファン５の運転状態を制御するだけで、伝熱体の温度を一定にすることができる。なお、伝熱体３とフィン４はほぼ同じ温度であり温度センサーはフィン４に取り付けてもよい。また、伝熱体３と燃料電池１との温度差が一定であるので、燃料電池１に温度センサーを取り付けてもよい。また、燃料電池１、伝熱体３およびフィン４の全てに温度センサーを取り付けることで、断熱体の断熱量の変化、伝熱体３とフィン４の伝熱量の変化も検知することができ、この変化量の大きさにより運転の異常を検知ことができる。
上記のように冷却部により、伝熱体の温度を適温に制御することができるため、燃料電池システムにおける燃料電池の周囲に位置する部品を、燃料電池の周囲により密集して配置することが可能となるため、さらなる燃料電池システムの小型化が可能となる。

ここで、図４は、上記の図１と同様の燃料電池システムを内蔵したノートパソコンの一部を切り欠いた断面図である。
表示部１９およびキーボードを備えつけた筐体１６を有するノートパソコン１０において、筐体１６の上面にファン１５用の空気取り入れ口１８が設けられている。筐体１６には、空気取り入れ口１８の下方にファン１５が位置するように、パソコン用電源として図１と同様の構造の燃料電池システムが内蔵されている。ファン１５は空気取り入れ口１８より送り込まれた空気をフィン１４に送り込む。送り込まれた空気は筐体１６に設けられた排出口（図示しない）より排出される。ファン１５は、伝熱体１３に取り付けられたフィン１４の温度を検知し、その温度に基づいて制御される。

従って、ノートパソコンが燃料電池システムを内蔵しても、筐体は燃料電池の影響で高温にならずにすむ。また、燃料電池周囲に位置する燃料電池システムおよびパソコンを構成する電子部品に悪影響を与えない。また、燃料電池システムを小型化することができるため、燃料電池システムに要するスペースを小さくすることができる。

伝熱体に、グラファイトシート等の熱伝導性に対して異方性を有するシート状材料を用いる場合、シートの厚み方向よりも、その厚み方向と直交する方向のほうが、熱伝導率が高いことが好ましい。筺体１６側への熱伝導が少なく、かつ冷却部に熱伝達し易いため、熱を効率的に拡散することができる。また、シートの面方向において温度分布が均一化しやすい。
本実施の形態では冷却部としてフィンおよびファンの両方を用いたが、電子機器の設計において消費電力や騒音が重視される場合はフィンのみで自然空冷を強化すればよく、サイズを重視する場合はファンを付けて強制空冷すればよい。

（実施の形態２）
図５は、本発明の一実施形態である燃料電池システム要部の概略縦断面図である。燃料電池２１は、実施の形態１と同様に断熱体２２で覆われ、さらにその外側が伝熱体２３で密着して覆われている。そして、燃料電池２１は耐熱性バンド２４によりプリント基板２５上に固定されている。耐熱バンド２４の材料には、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどが用いられる。バンド２４の両端は、ねじ等の固定手段２６により固定されている。燃料電池２１で生じた熱は主に、断熱体２２を通って伝熱体２３に伝わり、伝熱体２３からプリント基板２５へ選択的に伝わる。上述した構成以外は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。
本構成の燃料電池システムは、例えば、プリント基板２５を収容する電子機器の筺体の放熱部（図示せず）とプリント基板とを密着させて伝熱し易い構造にし、熱は速やかに筐体の放熱部へ伝わり、外部へ効率的に放熱することができる。これにより、燃料電池１近傍の筐体の温度が局所的に上昇するのを抑制することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の一実施形態である燃料電池システム要部の概略斜視図である。
燃料電池３１は、実施の形態１と同様に断熱体３２で覆われ、その外側が伝熱体３３で密着して覆われている。そして、燃料電池３１の伝熱体３３で覆われた１つの面に、フィン３４が上下方向に縦長に位置するように設けられている。上述した構成以外は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。
本構成の燃料電池システムは、このように、フィン３４を上下方向に縦長に配置することにより、自然対流が強く生じ、フィン３４の放熱能力が向上する。このため、ファンを使わなくてもフィン３４自体の放熱能力だけで、伝熱体を十分に冷却することができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の一実施形態である燃料電池システム要部の概略断面図である。形状が直方体である燃料電池４１の６面のうち面積が大きい４面が断熱体４２で覆われ、さらにその外表面を密着して覆う伝熱体に平面型ヒートパイプ４３が用いられている。２つの平面型ヒートパイプ４３の一部が、それぞれ直方体の燃料電池４１の面積が大きい４面のうち２面ずつを、覆う構成となっており、残りの部分は熱伝導性の接着剤や両面テープで貼り合わされ、放熱部として作用する。上述した構成以外は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

ここで、図８は、平面型ヒートパイプの一部を切り欠いて断面とした概略斜視図である。平面型ヒートパイプ４３は、シート状のアルミニウム板内部に形成された断面が長方形の多数の通路４３ａに冷媒を封入したものである。これらの通路４３ａは一方向にそろって配されており、両端部では、それぞれ互いに連通している。一方の端部における蒸発部で冷媒が気化し、高速で移動することにより伝熱し、他方の端部における凝縮部で液化した冷媒は同じ通路内を移動する。そして、このルーチンを繰り返し伝熱する。凝縮部と蒸発部との間には、段差が設けられ、高さの低い方が蒸発部となり、高い方が凝縮部となるようにヒートパイプが配置される。
本構成の燃料電池システムは、平面型ヒートパイプの通路４３ａが断熱体４２の表面に沿うように配され、蒸発部は断熱体４２上に位置し、凝縮部は上記の放熱部に位置する。冷媒は断熱体の表面上に沿って流れるため、ヒートパイプの放熱側に断熱体４２の熱を効率的に拡散することができる。

本実施の形態では、２つの平面型ヒートパイプで燃料電池の４面を覆っているが、ヒートパイプが断熱体を覆っていれば、これ以外の構成でも構わない。また、伝熱体として実施の形態１のグラファイトシートと本実施の形態のヒートパイプとを併用してもよい。
また、本実施の形態では、平面型ヒートパイプを用いたが筒型ヒートパイプを用いてもよい。

（実施の形態５）
図９は、本発明の一実施形態である燃料電池から排出される水を利用した冷却機構を備えた燃料電池システムの構成図である。アノード５１ａおよびカソード５１ｂを含む燃料電池５１は断熱体５２で覆われ、さらにその外側が伝熱体５３で密着して覆われている。アノード５１ａには、燃料供給管５５ａが接続され、燃料ポンプ５４ａにより燃料が供給される。カソード５１ｂには、空気供給管５５ｂが接続され、空気ポンプ５４ｂにより空気が供給される。燃料電池５１の出口側には、水蒸気等を含む排気ガスを放出するための燃料排出管５６ａおよび空気排出管５６ｂが接続されている。そして、カソード側の空気排出管５６ｂには冷却器５７が設けられている。冷却器５７は排気ガスを冷却し、排気ガス中の水分を液化する。液化された水は、水供給管５７ａを経由して伝熱体５３上に設置された冷却部５８に到達する。そして、冷却部５８において、水が気化することにより伝熱体５３から熱が奪われる。冷却部５８は、例えば、断熱体５２の表面に水を保持することが可能なガーゼ等のウィックを配することにより構成される。なお、燃料ポンプ５４ａや空気ポンプ５４ｂは構成によってはなくてもよい。上述した構成以外は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。
本構成の燃料電池システムは、発電によって生成する水の量は発電量に比例し、発熱量は概ね発電量と比例するので、発熱量に応じて冷却することができる。また、水の気化熱は大きいので、効果的に冷却することができる。

（実施の形態６）
図１０は、本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した自動車６１の構成を示す図である。車輪６２を駆動するモーター６３は制御部６４により制御される。制御部６４には、車輪６２を駆動するための電気エネルギーをモーター６３に供給する燃料電池システム６５が接続されている。また、制御部６４には、ハイブリッド用電池６６が接続されている。スタート等の加速時には、この電池６６から多量のエネルギーがモーター６３に供給され、それ以外の安定走行時（出力安定時）には、燃料電池から電気エネルギーがモーター６３に供給される。
ここで、図１１は燃料電池システム６５の要部を示す図である。燃料電池７１は断熱体７２で覆われ、さらにその外側が伝熱体７３で密着して覆われている。伝熱体７３には、伝熱体を冷却するためのフィン７４およびファン７５が取り付けられている。燃料電池７１の近傍には、燃料をアノードに送り込むための燃料ポンプ７７、空気をカソードに送り込むための空気ポンプ７８および回路部７９が配置されている。上述した構成以外は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

本構成の燃料電池システムでは、断熱体７２の外部を覆う伝熱体７３の表面温度が適度に冷却されるため、高温に曝されることによる燃料ポンプ７７、空気ポンプ７８、回路部７９を構成する部品等の劣化を抑制することができる。また、燃料ポンプ７７、空気ポンプ７８、および回路部７９等を燃料電池７１近傍に高密度に配置することができ、燃料電池システムのさらなる小型化が可能となる。従って、自動車の燃料電池システムに要するスペースを小さくすることができる。

以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例では、上記の図２と同様の構成の燃料電池システムを作製した。
まず、燃料電池１を次のように作製した。
ＰＢＩ膜にリン酸を含浸した電解質を、白金担持カーボン粒子付カーボンペーパー（エレクトロケム社製）で挟み込んでＭＥＡを得た。ＭＥＡを、所定のサイズの樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン（株）製、Ｇ３４７Ｂ）に燃料または空気が流通する溝を形成したセパレータで挟み単セルを得た。この単セルを複数個積層し、得られた積層体の両端を金メッキした銅板からなる集電板およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の絶縁板を介して、ステンレス製の端板で挟み、端板同士をボルトで締めつけることにより、燃料電池を構成した。
そして、直方体（８０ｍｍ×８０ｍｍ×２０ｍｍ）の燃料電池１における６面のうち５面を後述する断熱体および伝熱体で覆った。なお、残りの１面には、燃料および空気の供給・排出管、正極端子および負極端子を集中して配した（図示しない）。

次に、上記の図３の断熱体を作製した。
シリカ等のセラミクス粉末（黒崎播磨（株）製、ＷＤＳ）を３ｍｍ厚にしたシート状の芯材６を準備した。この芯材６を、芯材よりもサイズの大きい厚さ０．１ｍｍの２枚のＰＴＦＥフィルムで挟み、これらのフィルムの周縁部の重なり部分をテープで接着して、芯材６を包みこみ、断熱体２を得た。この断熱体２の熱伝導率は約０．０２Ｗ／ｍ・Ｋであった。なお、断熱体２の熱伝導率は、熱伝導率測定装置（英弘精機（株）製、ＨＣ−０７４）を用いて平板熱流計法により測定した。図３の断熱体２の縁をテープで接着し、一面が開口した箱状に成形した。そして、この箱状の断熱体２内に燃料電池１を収納した。

そして、箱状の断熱体２の外側を覆うように伝熱体３を断熱体２に貼付けた。伝熱体３には、熱伝導率は約５００Ｗ／ｍ・Ｋである厚さ０．２ｍｍのテープ貼合わせのグラファイトシート（松下電器産業（株）製、ＰＧＳ）を用いた。グラファイトシートの厚み方向の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋで、厚み方向と直交する方向の熱伝導率は、５００Ｗ／ｍ・Ｋであった。なおグラファイトシートの熱伝導率は、熱伝導率測定装置（アルバック理工（株）製、ＴＣ７０００）を用いてレーザーフラッシュ法により測定した。
このシートの一部を引き出し、引き出したシート上に高熱伝導接着剤（信越化学工業（株）製、ＫＥ３４６７）を塗り、その上にアルミニウム製のフィン４を取り付け、伝熱体３とフィン４との間の熱的結合を確保した。フィン４に軸流ファン５を取り付けた。伝熱体３に温度センサー（サーミスタ）を取り付け、温度センサーの測定値が５０℃より上回ればファン５を運転させ、４５℃より下回ればファン５を停止させる制御機能を付加した。

アノードには燃料として水素ガスを供給し、カソードには空気を供給して発電した。ガス供給量、燃料電池に接続する負荷、および燃料電池温度等の運転条件を一定にすると、発電量が一定となった。上記発電試験の結果、燃料電池１の動作温度が１２０℃の時、伝熱体３の温度はフィン４およびファン５の冷却によって４５〜５０℃であった。このことから、伝熱体が、燃料電池周囲の回路等を構成する電子部品に悪影響を与えるような高温にならないことがわかった。また、電子機器等の内部にこの燃料電池システムを内蔵した場合、電子機器の筺体は燃料電池の影響で高温にならないことがわかった。

（比較例１）
伝熱体を用いない以外は、実施例１と同様の条件で燃料電池システムを作製し、発電試験を行った。
その結果、燃料電池１の動作温度が１２０℃の時、断熱体の温度は７５℃であった。断熱体の表面温度を４０℃とするには、断熱体における芯材の厚さを８ｍｍとする必要があった。
なお、上記で燃料電池１の動作温度を１２０℃に設定したが、これ以外でも設定された動作温度に応じて、断熱体２の厚さや材質を変えればよく、２００℃以上の高温でも伝熱体を用いることにより効果的に断熱体を薄くすることができる。

本発明の燃料電池システムは、高温域で作動する燃料電池を用いて、高出力かつ小型の電源システムとして好適に用いられる。例えば、携帯型電子機器用や自動車等の移動体用の電源システムとして好適である。

本発明の実施の形態１における、断熱体および伝熱体で覆われた燃料電池を断面とした燃料電池システムの要部を示す正面図である。 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの要部を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態１における燃料電池システムにおける断熱体の概略縦断面図である。 本発明の実施の形態１における燃料電池システムを内蔵するノートパソコンの概略縦断面図である。 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの要部を示す概略縦断面図である。 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの要部を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの概略縦断面図である。 図７中の平板型ヒートパイプ４３の一部を切り欠いた概略斜視図である。 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの要部を示す構成図である。 本発明の実施の形態６における燃料電池システムを搭載した自動車の構成図である。 図１０中の燃料電池システム６５の要部を示す構成図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１、５１、７１ 燃料電池
２、１２、２２、３２、４２、５２、７２ 断熱体
６ 芯材
７ 外被材
３、１３、２３、３３、５３、７３ 伝熱体
４、１４、３４、７４ フィン
５、１５、７５ ファン
１０ ノートパソコン
１６ 筐体
１８ 空気取入れ口
１９ 表示部
２４ 耐熱性バンド
２５ プリント基板
２６ 固定手段
４３ ヒートパイプ
４３ａ 通路
５１ａ アノード
５２ｂ カソード
５４ａ、７７ 燃料ポンプ
５４ｂ、７８ 空気ポンプ
５５ａ 燃料供給管
５５ｂ 空気供給管
５６ａ 燃料排出管
５６ｂ 空気排出管
５７ 冷却器
５７ａ 水供給管
５８ 冷却部
６１ 自動車
６２ 車輪
６３ モーター
６４ 制御部
６５ 燃料電池システム
６６ 電池
７９ 回路部

Claims (14)

1. 燃料電池と、前記燃料電池を覆う断熱体と、前記断熱体の外表面を覆う伝熱体とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記伝熱体は前記断熱体と密着している請求項１記載の燃料電池システム。
3. さらに前記伝熱体を冷却するための冷却部を含む請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記断熱体の熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ以下である請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記伝熱体の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記断熱体が、芯材および前記芯材を外包する外被材からなる請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記伝熱体が、金、銀、銅、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む金属板からなる請求項１記載の燃料電池システム。
8. 前記伝熱体はシート状であり、前記伝熱体の熱伝導率は、その厚み方向よりも前記厚み方向と直交する方向のほうが高い請求項１記載の燃料電池システム。
9. 前記伝熱体がグラファイトシートである請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記伝熱体の少なくとも一部が、ヒートパイプで構成されている請求項８記載の燃料電池システム。
11. 前記冷却部が、燃料電池から排出される水を気化させ、熱を放散する機構を含む請求項３記載の燃料電池システム。
12. 前記冷却部が、フィンおよびファンの少なくとも１つを含む請求項３記載の燃料電池システム。
13. 請求項１記載の燃料電池システムを搭載した自動車。
14. 請求項１記載の燃料電池システムを搭載した携帯型電子機器。

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