JP2010067595A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱伝逹テープを用いてスタックから発生した廃熱を水素貯蔵タンクに供給することにより、別途の熱供給装置がなくても水素供給効率を高めることができ、燃料電池発電システムの体積を低減できて、携帯用電子機器に適用できる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池発電システムは、水素が燃料として供給され、空気中の酸素と反応して電気エネルギーを生産する燃料電池用スタックと、スタックに水素を含んでいる燃料を供給する水素貯蔵タンクと、スタックから発生した熱を水素貯蔵タンクに伝達する熱伝逹テープと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池発電システムに関する。

通常、燃料電池発電システムは、メタノールなどの水素含有燃料と空気などの酸化剤ガスとをガス拡散電極にて電気化学的に反応させることにより、電気を生成する発電システムである。これは、電力需要増加により電源確保が難しくなっており、また化石エネルギーの使用による地球環境問題を解決するための未来の無公害エネルギー源として脚光を浴びている。

燃料電池発電システムは、電気を生成するための単位電池が複数積層されているスタックと、スタックに燃料である水素を供給する水素貯蔵タンクとを備える。

水素貯蔵タンクは、水素をスタックに供給するために水素を貯蔵する燃料供給装置の一つであって、水素を貯蔵する方法には、圧縮タンクを用いた水素貯蔵、極低温を用いた液化水素貯蔵技術、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ、Carbon nanotube）などの表面積が広い多孔性材料に水素を貯蔵する方法、金属パウダーなどの水素吸着性質を有するメタルーハイドライドを用いた水素貯蔵方法などがある。

圧縮タンクを用いた水素貯蔵方法は、３００ｂａｒ以上の高圧で水素を貯蔵するため、携帯用機器の小型装置に適用するには体積が大きく、安定性もよくないので適用しにくく、また、極低温を技術を用いて水素を液化して貯蔵する方式も、付加的装置や大きい体積のため、携帯用電子機器には適用しにくいという問題がある。

炭素ナノチューブなどの表面積が広い多孔性材料を用いた水素貯蔵方式は、小さい体積で簡単に実現できるという利点はあるが、相対的に１００ｂａｒ以上の高圧力を必要とし、水素吸着量が少ないため、実用的には適用しにくいという問題がある。

近年、水素吸着材料のうち、低い温度や低い圧力で可逆的に水素を吸脱着できるメタルーハイドライドが携帯電子機器の水素貯蔵技術に長所があり、メタルーハイドライドを用いた水素貯蔵タンクの開発が活発に行われている。

図１は、ＮａＡｌＨ_４、ＬａＮｉ_５Ｈ_５、ＭｇＨ_２、Ｍｇ_２ＮｉＨ_４、ＬａＮｉ_４Ｈ_５、Ｌｉ−Ａｍｉｄｅなど、多様な種類のメタルーハイドライドの作動温度及び圧力を示すグラフであり、メタルーハイドライド格子の間に吸着（absoption）されていた水素が、圧力が低くなると、格子の間から放出（desorption）されることができる。

このようなメタルーハイドライドのうち、常温（２５℃〜１００℃）、常圧（１ａｔｍ〜１０ａｔｍ）で水素の吸脱着が可能な場合（図１の四角で示された部分）には、外部熱源や高い圧力の水素充填を必要としないため、このような材料を、水素貯蔵タンクを用いた携帯電子機器用の燃料電池システムの製作に適用するのに好適であるが、水素を放出すると温度が低くなる問題があって、持続的に熱を供給しないと貯蔵されている水素を全て利用できないという問題があった。

こうした従来技術の問題点に鑑み、本発明は、熱伝導テープを用いてスタックから発生した廃熱を水素貯蔵タンクに供給することにより、水素供給効率を高めることができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、水素が燃料として供給され、空気中の酸素と反応して電気エネルギーを生産する燃料電池用スタックと、スタックに水素を含んている燃料を供給する水素貯蔵タンクと、スタックから発生した熱を水素貯蔵タンクに伝達する熱伝逹テープと、を含む燃料電池発電システムが提供される。

水素貯蔵タンクは、メタルーハイドライドを含むことができる。

スタックと水素貯蔵タンクとは接しており、熱伝逹テープはスタックと水素貯蔵タンクとの間に介在されることができ、この際、熱伝逹テープの少なくとも一面に熱伝導接着層が形成でき、熱伝逹テープとしては金属薄膜を用いることができる。

また、スタックと水素貯蔵タンクとは離隔しており、熱伝逹テープの一側はスタックに接し、熱伝逹テープの他側は水素貯蔵タンクに接することができる。この際、熱伝逹テープのスタックまたは水素貯蔵タンクとの接触面には、熱伝導接着層が形成されてもよい。このような構造に用いられる熱伝逹テープは、長さ方向への熱伝導は可能であるが、厚さ方向への熱伝導は遮断でき、特に、板状構造の黒鉛を含むことができる。熱伝逹テープのスタックまたは水素貯蔵タンクとの接触面の裏面には、熱遮断層をさらに含むことができる。

熱伝導接着層（Thermal conductive adhesive）は、ポリエステル、エポキシ、アミン、シリコン、及びメタルパウダーのうちの１種以上を含むことができる。

本発明の実施例によれば、熱伝逹テープを用いてスタックから発生した廃熱を水素貯蔵タンクに供給することにより、別途の熱供給装置がなくても、水素供給効率を高めることができ、燃料電池発電システムの体積を低減できるため、携帯用電子機器に適用可能である燃料電池発電システムを提供することができる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

多様な種類のメタルーハイドライドによる作動温度及び圧力を示すグラフである。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの一実施例を示す分解図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの熱伝逹テープの一実施例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの一実施例を示す分解図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの熱伝逹テープの他の実施例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの熱伝逹テープを用いた場合と、用いていない場合との燃料電池システムの水素タンクからの放出量を比較したグラフである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明を説明するに当たって、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

本願で用いた用語は、ただ特定の実施例を説明するために用いたものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文の中で明らかに表現しない限り、複数の表現を含む。本願において、「含む」または「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組合せたものの存在を指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組合せたものの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解しなくてはならない。

以下、本発明による燃料電池発電システムの実施例を添付図面を参照して詳細に説明し、添付図面を参照して説明するに当たって、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複される説明は省略する。

図２は本発明の一実施形態による燃料電池システムの一実施例を示す分解図であって、スタック１０、制御部１５、水素貯蔵タンク２０、マニホールド２５、及び熱伝逹テープ３０が示されている。燃料電池は水素貯蔵タンク２０から燃料である水素が供給されると、水素を分解してエネルギーを得るスタック１０を主要構成とする。

燃料電池スタック１０は、水素貯蔵タンク２０から燃料である水素が供給されると、水素を分解してエネルギーを発生させる装置であって、エネルギーを生産する空気極と燃料極との間に電解質層が介在された膜電極接合体（ＭＥＡ、図示せず）を含み、スタックの両端に位置し、スタックの積層構造に圧力を加えるエンドプレート（図示せず）、及びエンドプレート内側に位置し、膜電極接合体から生成された電気エネルギーを集めて電子装置に伝達する電流集電体（図示せず）などが積層されてスタックを構成する。

スタック１０の燃料極に供給された水素は水素イオンと電子に分離され、水素イオンは電解質層を介して空気極に移動し、電子は外部回路を介して空気極に移動する。空気極では酸素イオンと水素イオンとが反応して水を生成する。スタック１０における化学反応式は下記一般式（１）のようになる。
[化１]
燃料極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
空気極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全反応：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ （１）

全体的に、このような反応は発熱反応であって、反応が進行するほど、スタック１０の温度は高くなる。

水素貯蔵タンク２０は水素をスタック１０に供給するために水素を貯蔵する燃料供給装置の一つであって、水素を貯蔵する方法には、圧縮タンクを用いた水素貯蔵、極低温を用いた液化水素貯蔵技術、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ、Carbon nanotube）などの多孔性材料に水素を貯蔵する方法、金属パウダーなどの水素吸着性質を有するメタルーハイドライドを用いた水素貯蔵方法などがある。

特に、メタルーハイドライドを用いる場合、効率は優れるが、上述したように、持続的に熱を供給しなければならないという問題があるため、本実施例では、スタック１０から発生する熱を用い、水素貯蔵タンク２０から要求される温度を維持するために熱伝逹テープ３０を用いる。

図２に示された燃料電池システムは、水素貯蔵タンク２０とスタック１０とが互いに接して積層されている形状であって、このような構造では、スタック１０の熱を直ちに水素貯蔵タンク２０に伝達することができる。この際、熱伝達の効率を高めるために水素貯蔵タンクとスタックとの間に熱伝逹テープ３０を介在してもよく、この場合に使用される熱伝逹テープ３０は厚さ方向への熱伝導に優れたものである。

図３は本発明の一実施形態による燃料電池システムの熱伝逹テープ３０の一実施例を示す断面図であって、金属板３２、熱伝導接着層３４が示されている。金属板３２には、アルミニウムや銅のように熱伝導率の高い物質を用いることができ、あらゆる方向（ｘｙｚ方向）に熱伝達できる特徴から、スタック１０の熱を水素貯蔵タンク２０に伝達できるようになる。

また、金属板３２の一面または両面に熱伝導接着層（conductive adhesive）３４を形成してスタック１０と水素貯蔵タンク２０とを密着させることにより、熱伝導効率を高めることができる。熱伝導接着層は、熱伝導性物質である金属パウダー、炭素ナノチューブなどに、ポリエステル、エポキシ、アミン、シリコンのうちの１種以上を含めたものであって、熱伝導性物質に接着力を付与したものである。

マニホールド（manifolder）２５は、水素貯蔵タンク２０及びスタック１０に連結され、水素貯蔵タンク２０から水素の供給を受け、スタック２０に水素を供給する装置である。また、水素貯蔵タンク２０から供給される水素の圧力を低めてスタック１０に供給する機能をする。

制御部１５はスタック１０に連結されて、スタック１０から発生される直流電源（ＤＣ）を、昇圧あるいは強圧するＤＣ／ＤＣコンボティング（converting）により出力電圧を調節する役割をする。

図４は本発明の一実施形態による燃料電池システムの一実施例を示す分解図であって、スタック１０、制御部１５、水素貯蔵タンク２０、マニホールド２５（図２参照）、及び熱伝逹テープ４０が示されている。

図４に示すように、スタック１０と水素貯蔵タンク２０とが、上述した実施例とは異なって、離隔している。このような場合、スタック１０の熱を水素貯蔵タンク２０に直接伝達することはできないため、熱伝導手段が必要となり、本実施例では、熱伝逹テープ４０がスタック１０の廃熱を水素貯蔵タンク２０に伝達する。

図５は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの熱伝逹テープ４０の他の実施例を示す断面図であって、熱伝逹層４２、熱伝導接着層４４、熱遮断層４６が示されている。本実施例の熱伝逹テープ４０は、厚さ方向（ｚ方向）より水平方向（ｘｙ方向）への熱伝達に優れなければならないため、このような特性のために板状構造を有する熱伝導物質を用いることができる。

熱伝逹層４２の一例として、黒鉛を用いることができる。黒鉛の成分は炭素であって、炭素がベンゼン環のように六角形につながっており、このような六角形が板状体を形成しながら重なって連続層を形成する。炭素原子の電子は、平面上で三つが強い共有結合をし、残りの一つの電子は上、下層と結合している。このような原子構造から、黒鉛は熱伝導異方性の性質、すなわち、厚さ方向（z方向）より水平方向（ｘｙ方向）への熱伝達に優れるという特性を有する。表１は、このような黒鉛の熱伝導率及び方向性を金属と比較したものである。

表１を参照すると、アルミニウムや銅のような金属の場合の熱伝導率は方向にかかわらずほぼ同様であったが、黒鉛の場合には、水平方向への熱伝導率が厚さ方向より５０倍程度優れたことが確認できる。

すなわち、熱伝逹層４２として黒鉛を用いると、厚さ方向には熱が伝達されないため、スタック１０に吸収された熱が途中に放熱されずに水素貯蔵タンク２０に伝達される。より効率を高めるために、スタック１０または水素貯蔵タンク２０に接する面に密着のための熱伝導接着層４４を形成して、スタック１０からの熱を容易に吸収し、水素貯蔵タンク２０に熱を伝達するようにでき、他面には熱遮断層４６を形成して熱の損失を防止することができる。

本実施例におけるスタック１０、制御部１５、水素貯蔵タンク２０、マニホールド２５の各構成については、上述したため、詳細な説明は省略する。

以上のように、熱伝逹テープ３０，４０を用いてスタックから発生する廃熱を水素貯蔵タンクの温度を維持するのに利用できるため、水素貯蔵タンクからの水素の放出のための別途の熱加熱装置がなくても、小さい体積で、水素放出効率を高めることができる。図６は熱伝逹テープを使用した場合（実線）と、使用しなかった場合（点線）の水素貯蔵タンクから放出された水素量を比較したグラフであって、熱伝逹テープを使用すると、水素貯蔵タンクから水素がよく放出されたことが確認できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

上述した実施例の他の多くの実施例が本発明の特許請求の範囲内に存在する。

１０ スタック
１５ 制御部
２０ 水素貯蔵タンク
２５ マニホールド
３０，４０ 熱伝逹テープ
３２ 金属薄膜
３４，４４ 熱伝導接着層
４２ 黒鉛
４６ 熱遮断層

Claims (11)

1. 水素が燃料として供給され、空気中の酸素と反応して電気エネルギーを生産する燃料電池用スタックと、
   前記スタックに水素を含んている燃料を供給する水素貯蔵タンクと、
   前記スタックから発生した熱を前記水素貯蔵タンクに伝達する熱伝逹テープと、
   を含む燃料電池発電システム。
2. 前記水素貯蔵タンクが、メタルーハイドライド（Metal Hydride）を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記スタックと前記水素貯蔵タンクとは接しており、
   前記熱伝逹テープは前記スタックと前記水素貯蔵タンクとの接触面の間に介在されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記熱伝逹テープの少なくとも一面に熱伝導接着層が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記熱伝逹テープが、金属薄膜であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記スタックと前記水素貯蔵タンクとは離隔しており、
   前記熱伝逹テープの一側は前記スタックに接し、
   前記熱伝逹テープの他側は前記水素貯蔵タンクに接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記熱伝逹テープの前記スタックまたは前記水素貯蔵タンクとの接触面には、熱伝導接着層が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記熱伝逹テープは厚さ方向への熱伝導が遮断されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記熱伝逹テープは、黒鉛を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記熱伝逹テープは、前記スタックまたは前記水素貯蔵タンクとの接触面の裏面に熱遮断層をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
11. 前記熱伝導接着層（Thermal conductive adhesive）は、ポリエステル、エポキシ、アミン、及びシリコンのうちの１種以上を含むことを特徴とする請求項４または請求項７に記載の燃料電池発電システム。

Images