WO2008041274A1 - Pile à combustible - Google Patents

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WO2008041274A1
WO2008041274A1 PCT/JP2006/319458 JP2006319458W WO2008041274A1 WO 2008041274 A1 WO2008041274 A1 WO 2008041274A1 JP 2006319458 W JP2006319458 W JP 2006319458W WO 2008041274 A1 WO2008041274 A1 WO 2008041274A1
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WO
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power generation
fuel cell
housing
heat transfer
layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/319458
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroaki Yoshida
Yoichi Takasu
Fumio Takei
Original Assignee
Fujitsu Limited
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Limited filed Critical Fujitsu Limited
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Priority to PCT/JP2006/319458 priority patent/WO2008041274A1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of efficiently dissipating heat generated by power generation to the outside.
  • Fuel cells are more energy efficient than conventional secondary batteries such as lithium-ion batteries, and direct methanol fuel cells (DMFCs) that use methanol as fuel are small and light. Can also be realized. Due to these features, fuel cells are promising as a driving power source for portable electronic devices. However, since fuel cells generate heat during power generation, they also have the disadvantage that the heat must be dissipated to the outside.
  • DMFCs direct methanol fuel cells
  • Patent Document 1 JP 2004-31096 A
  • the first problem is that the heat dissipation efficiency does not sufficiently increase. That is, only the vicinity where the heat transfer member 9 is in contact is locally hot, and the temperature of the other portions (as the vicinity where the heat transfer member 9 is in contact) does not increase. As a result, the amount of heat dissipated per unit time is small compared to the amount of heat dissipated per unit time from the high temperature part. Become. In other words, this phenomenon limits the increase in heat dissipation efficiency of the entire fuel cell.
  • the second problem is a safety problem for a user of a fuel cell or a user of an electronic device equipped with the fuel cell.
  • a part of the casing 61 is locally hot, a user who touches the high temperature part (the outer surface of the casing 61) may be injured such as a burn. There is a risk.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a fuel cell that can suppress temperature unevenness generated in a housing or the like and increase heat dissipation efficiency. Objective.
  • the above problem can be solved by diffusing the heat from the heat transfer member over a wide range on the housing side, or by uniformly transferring the heat from the heat transfer member over a wide range such as the housing.
  • the fuel cell of the present invention includes a power generation unit including a power generation cell that generates power upon receiving fuel, the power generation unit, and the power generation unit
  • a power generation unit including a power generation cell that generates power upon receiving fuel, the power generation unit, and the power generation unit
  • a housing having a wall surface including a first layer provided on the side facing the surface, and a second layer having a lower thermal conductivity than the first layer, the power generation unit, and the housing And a heat transfer member that is disposed between and transmits heat of the power generation unit to the first layer.
  • the fuel cell of the present invention includes a plurality of power generation cells that generate power upon receipt of fuel, a housing that houses the plurality of power generation cells, and the power generation A plurality of heat transfer members that are disposed between the cell and the housing and transfer heat of the power generation cell to the housing, and each of the heat transfer members is disposed for each of the power generation cells, and The plurality of heat transfer members are deformed to transmit heat of the power generation unit force to the housing when the temperature of the power generation cell reaches a preset temperature.
  • a fuel cell of the present invention includes a plurality of power generation cells that generate power upon receiving fuel supply, and a housing that houses the plurality of power generation cells.
  • Each heat transfer member is arranged on the housing according to the position of the power generation cell, and the plurality of heat transfer members are deformed when the temperature of the housing reaches a preset temperature. Heat of the housing force is transmitted to the housing.
  • the fuel cell of the present invention can uniformly dissipate heat transferred from the heat transfer member to the housing or the like, even in a wide range of force such as the housing. As a result, temperature unevenness that occurs in the housing or the like is suppressed, and the heat dissipation efficiency can be dramatically increased and high safety can be ensured.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are schematic views (a perspective view and a cross-sectional view) showing a basic structure of a power generation cell of a direct methanol fuel cell.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are schematic diagrams (outer perspective view and inner perspective view) showing the overall structure of a direct methanol fuel cell.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are cross-sectional views when the fuel cell 20 of FIG. 2A is cut along the A and B planes.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are views (internal perspective view and cross-sectional view) showing an example in which heat transfer members are arranged corresponding to the power generation cells.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example in which a porous body having good heat conductivity is provided on the front (FRONT) and back (BACK) of the housing.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams (perspective view and cross-sectional view) showing measurement points when the effect of adopting Example 1 is verified.
  • FIG. 7 is a diagram showing the inside of the power generation unit 21.
  • FIGS. 8A and 8B are graphs showing temperature distributions (on the front and back surfaces of the winging) when a conventional fuel cell is used.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing temperature distributions (on the front and back sides of the casing) when a conventional fuel cell is used.
  • FIG. 10 is a diagram showing power generation characteristics when a conventional fuel cell is used.
  • Fig. 11 Fig. 11A and Fig. 11B show the results of using the fuel cell of Example 1 It is the figure which showed temperature distribution of a back surface.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams showing temperature distributions (on the front and back sides of the casing) when the fuel cell of Example 1 is used.
  • FIG. 13 is a graph showing power generation characteristics when the fuel cell of Example 1 is used.
  • FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views showing changes in bimetal when a nanometal is used as a heat transfer member.
  • FIG. 15A and FIG. 15B are cross-sectional views showing examples in which bimetals are arranged corresponding to the power generation cells.
  • FIG. 16A and FIG. 16B are diagrams showing changes in the heat transfer member when the heat transfer member is changed using the actuator.
  • FIG. 17 is a graph showing power generation characteristics when the fuel cell of Example 2 is used.
  • FIG. 18A and FIG. 18B are cross-sectional views showing an example in which bimetal is disposed in the housing in correspondence with the power generation cell.
  • FIG. 19A and FIG. 19B are cross-sectional views showing an example in which bimetal is disposed outside the housing in correspondence with the power generation cell.
  • FIG. 1A and 1B are schematic diagrams (a perspective view and a cross-sectional view) showing a basic structure of a power generation cell of a direct methanol fuel cell.
  • the membrane / electrode assembly (MEA) is mainly described as the basic structure of the power generation cell.
  • the MEA 10 of the fuel cell is composed of a solid electrolyte layer 12 and two electrodes (fuel electrode 11 and air electrode 13) sandwiching the solid electrolyte layer 12 from both sides.
  • the A fuel supply unit (not shown) for supplying methanol fuel to the fuel electrode of the MEA 10 is arranged on the fuel electrode 11 side of the MEA 10, and air from outside is supplied to the MEA 10 on the air electrode 13 side.
  • An air supply unit (not shown) for introduction into the air electrode of A10 is arranged.
  • the solid electrolyte layer 12 is a layer made of a proton conductive polymer solid electrolyte membrane.
  • the polymer solid electrolyte membrane include a resin having a strong acid group such as a sulfonic acid group and a phosphoric acid group, or a resin having a weak acid group such as a carboxyl group.
  • NAPION registered trademark
  • Aciplex trade name manufactured by Asahi Kasei
  • the fuel electrode 11 includes, for example, a catalyst layer 11a disposed in contact with the solid electrolyte layer 12, and a carbon paper rib disposed on the outside thereof.
  • a catalyst layer 11a for example, white metal ruthenium (Pt—Ru) alloy fine particles, carbon powder in which the fine particles are supported on carbon powder, or the like is used.
  • a porous carbon paper is used as the carbon paper ib.
  • the air electrode 13 includes, for example, a catalyst layer 13a disposed in contact with the solid electrolyte layer 12, and a carbon paper 13b disposed on the outer side thereof.
  • the catalyst layer 13a is made of, for example, platinum (Pt) fine particles, or carbon powder having the fine particles supported on carbon powder.
  • Pt platinum
  • porous carbon paper is used as the carbon paper 13b.
  • the fuel supplied to the fuel electrode 11 for example, methanol, ethanol, dimethyl ether having a concentration of about 100%, or an aqueous solution thereof can be used.
  • a methanol aqueous solution will be described as an example of fuel.
  • reaction formula 1 That is, methanol and water (water vapor) are consumed, and diacid-carbon gas, proton (H +), and electron (e_) are generated.
  • the protons pass through the solid electrolyte layer 12 and reach the air electrode 13.
  • the electrons go out of the fuel cell and work on an external load (not shown) connected to the fuel cell. Further, the electrons reach the air electrode, and the reaction proceeds as shown in the following reaction formula 2. That is, oxygen, protons (H +), and electrons (e_) are consumed and water vapor is generated.
  • the generated water vapor and the carbon dioxide gas generated at the fuel electrode 11 generate power.
  • a large number of discharge holes (not shown), etc., provided in the housing for accommodating the cells are also discharged to the outside.
  • FIG. 2A and 2B are schematic diagrams (outside view and internal perspective view) showing the overall structure of the direct methanol fuel cell.
  • the fuel cell 20 has a housing 25, and an air supply hole 24 for taking outside air into the fuel cell 20 is provided on the wall surface of the housing 25. ing.
  • a fuel tank 23 and a power generation unit 21 are installed inside the housing 25.
  • a fuel supply path 22 for supplying fuel is provided between the fuel tank 23 and the power generation unit 21.
  • the power generation unit 21 is provided with a large number of discharge holes 21e on the surface of the housing 21h for discharging the gas generated inside (or taking in oxygen from an external force).
  • the housing 25 has a two-layer structure in which two layers having different material conductivities of heat conductivity are bonded together.
  • the inner layer 25a is a layer having an aluminum (A1) material force
  • the outer layer 25b is a layer having a polyurethane force.
  • the thermal conductivity of aluminum is about 256 WZm'K
  • the thermal conductivity of polyurethane is about 0.3 WZm.K.
  • the combination of the two layers has a higher thermal conductivity than the inner second layer (inner layer 25a) and the outer second layer (outer layer 25b).
  • the inner layer 25a is a layer made of a metal material and the outer layer 25b is a layer having a resin material strength. Is possible.
  • a heat transfer member 27 (27a to 27d) is disposed between the power generation unit 21 and the housing 25. As shown in the figure, the heat transfer member 27 is arranged so that one end thereof is in contact with the power generation unit 21 and the other end is in contact with the casing. Further, the power generation unit 25 and the heat transfer member 27 are fixed with an adhesive (not shown) having heat transfer properties. Furthermore, the heat transfer member 27 and the inner layer 25a may be similarly fixed with an adhesive (not shown) having heat transfer properties. Examples of usable adhesive materials include EW2070 (trade name) manufactured by Sumitomo 3EM.
  • the temperature unevenness of the housing 25 is suppressed, and the outer surface of the housing 25 has substantially the same temperature everywhere. That is, there is no place where the temperature is partially low. As a result, the heat transferred to the outer surface of the outer layer 25b is efficiently radiated from the surface into the air.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view when the fuel cell 20 in FIG. 2A is cut along plane A
  • FIG. 3B is a cross-sectional view when the fuel cell 20 in FIG. 2B is cut along plane B. is there.
  • 3B is a cross-sectional view of FIG. 3A cut along the dividing line XX ′.
  • the inner layer 25a is also provided on the front surface (FRONT) and the back surface (BACK) of the housing.
  • the inner layer 25a may be provided only on the upper surface and the lower surface. From the viewpoint of improving 1S heat dissipation efficiency, it is desirable to dispose the inner layer 25 in as wide a range as possible. That is, it is preferable that the inner layer 25a is provided on the entire inner surface of the housing.
  • the heat transfer member 27 has an elongated shape.
  • the longitudinal direction of the fuel cell 20 is arranged so that the front force of the fuel cell 20 is also parallel to the direction of the force toward the back. That is, the heat transfer member 27 is arranged so that its longitudinal direction is perpendicular to the wall surface of the housing 25 where the air supply hole 24 is arranged.
  • each force heat transfer member 27 is provided, which is provided with four heat transfer members 27.
  • a large number of heat transfer members 27 are provided so as not to block the ventilation of the space above and below the power generation unit 21.
  • each heat transfer member 27 is disposed at a position corresponding to the power generation cell 14 (that is, at or near the position of the power generation cell 14). You may make it do. In this way, more efficient heat dissipation can be performed by intensively urging heat from the portion of the housing 21h that receives the heat of the power generation cell 14 and the temperature becomes particularly high.
  • a good thermal conductive porous body 29 may be provided on the front (FRONT) and back (BACK) of the housing.
  • the porous body 29 is a member having air permeability through which air can pass, and is arranged so as to block the air supply hole 24 as shown in the figure.
  • the lower end of the porous body 29 contacts the inner layer 25a provided on the lower surface of the casing 25, and the upper end thereof contacts the upper surface of the casing 25. Contact the provided inner layer 25a.
  • the inner layer 25a is also provided on the front and back surfaces of the housing. Also good. Alternatively, from the viewpoint of improving the heat release efficiency, the inner layer 25a may be provided on the entire surface of the housing.
  • the material constituting the porous body 29 include foam metal (trade name) manufactured by Mitsubishi Materials, full porous (trade name) manufactured by Furukawa Sky, and punching metal manufactured by Suzuki Technos. (Product name) can be used.
  • FIG. 5B is a diagram showing a schematic shape of the porous body 29.
  • the porous body 29 has a shape (a) in which a large number of holes penetrating the front and back surfaces are arranged, or a three-dimensional network structure (b). These shapes are shapes that have a sufficient surface area to ensure heat dissipation and that allow sufficient oxygen supply. Examples of the material constituting the porous body 29 include aluminum, copper, duralumin, and a magnesium alloy.
  • 6A and 6B are diagrams (a perspective view and a cross-sectional view) showing points at which the temperature is measured when the verification is performed. As shown in the figure, the measured points are
  • upper side and lower side refer to the side where the fuel tank contacts the casing as the lower side, and the side where the fuel tank does not contact the casing as the upper side.
  • the fuel cell of Example 1 used for the verification had a casing in which an aluminum plate having a thickness of 0.1 mm was attached inside an outer layer made of polyurethane having a thickness of 1. Omm. It was used.
  • a member having the same aluminum force as that of the inner layer was used and arranged at four locations as shown in FIG. 2B.
  • the power generation unit 21 uses a housing in which a plurality of power generation cells 14 are accommodated along the fuel supply path 22 inside the housing 21h.
  • Four power generation cells 14 are arranged above and below the fuel supply path 22.
  • Each of these power generation cells 14 includes an MEA 10 and is connected in series in order to ensure a necessary output voltage.
  • the measurement was performed by a method in which a predetermined load (not shown) is connected to the fuel cell 20 and the fuel cell 20 generates power in that state. Specifically, the fuel cell 20 was continuously generated for 2 to 3 hours, and the temperature at the measurement point set in advance was measured. During the measurement, the load was set so that the output voltage of the fuel cell 20 was constant (0.3 V).
  • FIG. 8 to FIG. 13 show the measurement results in the above settings.
  • Figures 8 to 9 show the measurement results when using a conventional fuel cell
  • Figs. 11 to 12 show the measurement results when using the fuel cell of Example 1 (Fig. 3). That is, FIGS. 8 to 9 correspond to comparative examples with respect to the first embodiment.
  • a conventional fuel cell a fuel cell in which the inner layer 12a of the casing 25 and the heat transfer member 27 were removed from the fuel cell of Example 1 (FIG. 3) was used.
  • Figs. 8A and 11A are graphs showing the temperature on the surface of the housing 21h (measurement points kl to k3), and Figs. 8B and 11B show the back surface of the housing 21h (measurement point 11). It is the graph which showed the temperature in ⁇ 13).
  • 9A and 12A are graphs showing the temperature at the housing surface (measurement points ml to m3), and FIGS. 9B and 12B are the temperatures at the back of the housing (measurement points nl to n3). It is a graph.
  • FIG. 10 and FIG. 13 are graphs showing the relationship between the output voltage and the output current of the fuel cell.
  • the temperature force at the measurement point (k2, 12, m2, n2) in the central portion is higher than the temperature at other measurement points.
  • the temperature at each measurement point continues to rise and then declines until the measurement start force is also about 100 minutes.
  • the value of the force current temporarily rises after about 90 minutes of measurement starting force, and then falls.
  • the voltage value 0.3V could not be maintained when the measurement starting force passed about 140 minutes, and then the output stopped.
  • Example 1 the case of Example 1 will be described.
  • the temperature force of the central measurement point (k2, 12, m2, n2) where the temperature of m3 is the highest is all higher than the temperature of the other measurement points.
  • k2 53 ° C
  • 12 53 ° C
  • m3 36 ° C
  • the temperature variation (temperature unevenness) due to the measurement point on the surface of the housing is smaller.
  • ml 31 ° C
  • m2 45 ° C
  • m3 37 ° C
  • ml 33 ° C
  • m2 35 ° C
  • m3 36 ° C
  • the temperature variation was 3 ° C.
  • the nanometal is a laminate of two types of metals having different thermal expansion coefficients, and the shape changes depending on the temperature.
  • two types of metal plates with different coefficients of thermal expansion are made by adding manganese, chromium, copper, etc. to an alloy of iron and nickel, and then bonded together by cold rolling.
  • L trade name manufactured by Fuji Metals can be used as the bimetal.
  • FIGS. 14A and 14B show fuel when such a bimetal is used as a heat transfer member.
  • 3 is a cross-sectional view of a battery 20.
  • FIG. 14A shows a case where the heat transfer member 33 is not in contact with the inner layer 25a
  • FIG. 14B shows a case where the heat transfer member 33 is in contact with the inner layer 25a.
  • the bimetal is fixed to the surface of the power generation unit 21 with a part thereof being in close contact with the surface of the power generation unit 21.
  • the temperature of the power generation unit 21 is low, and in a state where the heat transfer member 33 (bimetal) is formed in the inner layer 25a as shown in FIG. 14A. Do not touch. After that, when the fuel cell 20 starts generating power and the temperature of the power generation unit 21 exceeds the preset temperature, the heat transfer member 33 (bimetal) is deformed as shown in FIG. Contacts the inner layer 25a.
  • the heat transfer member 33 contacts the inner layer 25a only when the temperature rises. For this reason, immediately after the start of power generation, the temperature of the power generation unit 21 is likely to rise, and the time required to reach the temperature necessary for efficient power generation is shortened.
  • each heat transfer member 33 (33a to 33h) is placed at a position corresponding to the power generation cell 14 (ie, in accordance with the position of the power generation cell 14 or It may be arranged in the vicinity). In this way, more efficient heat dissipation can be performed by intensively urging heat from the portion of the housing 21h that receives heat from the power generation cell 14 and that is particularly hot.
  • a shape memory alloy can also be used as the heat transfer member.
  • KIOKALLOY (trade name) manufactured by Daido Special Industrial Co., Ltd. can be used as the shape memory alloy.
  • FIG. 16 shows an example in which such a heat transfer member is deformed by an actuator.
  • FIG. 16A is a cross-sectional view showing a case where the heat transfer member 37 is not in contact with the inner layer 25a
  • FIG. 16B is a cross-sectional view showing a case where the heat transfer member 37 is in contact with the inner layer 25a.
  • the actuator 39 is driven by the drive unit 34 including the actuator 39.
  • the thermistor 36 for measuring the temperature of the power generation unit 21 and the drive unit 34 are driven. And a control unit 35 to be moved.
  • the tip of the thermistor 36 is fixed in contact with the power generation unit 21, measures the temperature of the power generation unit 21, and transmits the measured temperature of the power generation unit 21 to the control unit 35.
  • the control unit 35 and each drive unit 34 are connected by a control wiring 38, and the control unit 35 controls the drive of an actuator 39 included in each drive unit 34.
  • the control unit 35 receives a voltage corresponding to the temperature of the power generation unit 21 from the thermistor 36 and compares it with a reference voltage value corresponding to a preset temperature.
  • the comparison is performed by, for example, a comparator (not shown) provided in the control unit 3, and the comparison result is output to a CPU (Central Processing Unit) (not shown) provided in the control unit 3, for example. .
  • the CPU that has received the comparison result controls the actuator 39 of the drive unit 34 in accordance with the processing result.
  • the actuator 39 is operated to bring the heat transfer member 37 into contact with the inner layer 25a.
  • a preset temperature for example, 45 ° C.
  • the actuator 39 for example, a micro actuator (trade name) manufactured by Cannon can be used.
  • the thermistor 36 for example, NCCG103JF103F manufactured by TDK can be used.
  • FIG. 17 is a graph showing the verification results.
  • point A is a point where the bimetal and the inner layer 25a are in contact
  • point B is a point where the contact between the bimetal and the inner layer 25a is separated.
  • the bimetal was set so that the bimetal and the inner layer 25a were in contact when the bimetal temperature reached 45 ° C.
  • Example 2 the temperature of the housing 21h until the bimetal contacts the inner layer 25a at point A is as shown in FIG. 8A.
  • the temperature of the housing 21h becomes a temperature rising curve as shown in FIGS. 11A and 11B. Comparing this with the time to reach a predetermined temperature, for example, the time to reach 40 ° C at measurement points k2 and 12 is 20-25 minutes in Figs. 8A and 8B, but Fig. And in the case of Figure 11B, it takes about 30 minutes.
  • Example 2 As described above, in the case of Example 2, as compared with Example 1, the time until the temperature reaches a preset temperature is shortened. That is, immediately after the start of power generation, the temperature of the power generation unit 21 is likely to rise, and the time required to reach a temperature necessary for efficient power generation is shortened.
  • bimetal as a heat transfer member is arranged at a position corresponding to the power generation cell 14 (that is, in accordance with the position of the power generation cell 14 or in the vicinity thereof).
  • the present embodiment is different from the first and second embodiments in that it is not essential to provide the inner layer 25a in the casing 25.
  • the same bimetal as used in Example 2 is used.
  • FIG. 18A and FIG. 18B show the case where the bimetal 43 as a heat transfer member is provided inside the housing 21 h of the power generation unit 21.
  • FIG. 18A shows the case where the bimetals 43a to 43f are not in contact with the housing 21h, and FIG. 43a to 43f are in contact with the housing 21h. These bimetals are all set to contact with the nosing 21 h at the same temperature. Further, as shown in the figure, the bimetals 43a to 43f are fixed to the surface of the power generation cell 14 with a part thereof being in close contact with the surface of the power generation cell 14.
  • the bimetal 43a ⁇ deformed at the same temperature corresponding to the power generation cells 14a ⁇ 14f.
  • the bimetal 43 and the housing 21h come into contact with each other, and heat dissipation is promoted.
  • the temperature of the surface of the power generation cell 14 is also suppressed from variation (temperature unevenness) among the power generation cells 14 for all the power generation cells 14 provided with the bimetal 43.
  • FIGS. 19A and 19B show the case where the bimetal 53 is provided outside the housing 21h of the power generation unit 21.
  • FIG. FIG. 19A shows a case where the bimetals 53a to 53h are not in contact with the casing 25, and
  • FIG. 19B shows a case where the bimetals 53a to 53h are in contact with the casing 25.
  • These bimetals are all set to come into contact with the casing 25 at the same temperature.
  • the bimetals 53a to 53h are fixed to the surface of the housing 21h in a state where a part thereof is brought into close contact with the surface of the housing 21h.
  • the bimetal 53 deformed at the same temperature is placed on the surface of the housing 21h at a position corresponding to the power generation cell 14 (that is, at or near the position of the power generation cell 14). Place each one.
  • the heat of the power generation cell 14 in the housing 21h is received.
  • heat is intensively radiated from a location where the temperature is high, and even if there is a temperature variation between locations where the temperature is high, heat is evenly distributed over the wide and wide range of the housing 25. This makes it possible to efficiently dissipate heat.
  • the fuel cell according to the present invention realizes suppression of temperature unevenness generated in a housing or the like. Therefore, the fuel cell according to the present invention is extremely useful for improving the heat dissipation efficiency.

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Description

明 細 書
燃料電池
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池に関し、特に、発電により生じた熱を外部に効率よく放熱させ ることが可能な燃料電池に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池は、リチウムイオン電池等の従来の二次電池と比べてエネルギー効率が 高ぐまた、メタノールを燃料に使用するダイレクトメタノール型燃料電池 (DMFC : Di rect Methanol Fuel Cell)は小型軽量化を実現することも可能である。このような特徴 により、燃料電池は携帯型電子機器の駆動電源として有望である。しかしながら、燃 料電池は、発電の際に発熱を伴うため、その熱を外部へ放熱しなければならないと いうデメリットも有する。
[0003] 上記のデメリットを解消するために、従来、発電部と筐体の間に、熱伝導性の高い 材料からなる部材を挿入し、筐体カゝら放熱する熱量を増カロさせることによって、全体 の放熱効率を高めることが提案されている。（例えば、特許文献 1の図 10 (a)、図 10 ( b)参照)。特許文献 1によれば、発電セル 1と筐体 61の間に挿入された伝熱部材 9に よって、発電セル 1で発生した熱が筐体 61に伝えられる。
[0004] 特許文献 1 :特開 2004— 31096号公報
発明の開示
[0005] (発明が解決しょうとする課題）
し力しながら、このように、発電部で発生した熱を、伝熱部材を経由して強制的に筐 体に移動させても、筐体の表面に温度ムラが生じてしまい、この"温度ムラ"が要因と なって、次のような問題を生じさせる。
[0006] 1つめの問題は、放熱効率が十分に上がらないということである。すなわち、伝熱部 材 9が接触している近傍だけが局所的に高温になり、その他の部分は (伝熱部材 9が 接触している近傍ほど)温度が上昇しない。その結果、その低温部分力も単位時間 当たりに放熱される熱量が、高温部分からの単位時間当たりの放熱量と比べて小さく なる。すなわち、この現象が、燃料電池全体としての放熱効率のアップを制限してし まつ。
[0007] 2つめの問題は、燃料電池の使用者、或いは、燃料電池が装着された電子機器の 使用者に対する安全性の問題である。特許文献 1のような放熱方法では、筐体 61の 一部が局所的に高温になるため、その高温部分 (筐体 61の外表面）に触れた使用 者がやけど等の傷害を負ってしまう危険性がある。
[0008] 本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、筐体等に生じる温度 ムラを抑制して、放熱効率を高めることを可能とする燃料電池を提供することを目的と する。
[0009] (課題を解決するための手段）
上記の課題は、伝熱部材からの熱を、筐体側で広い範囲に拡散させる、或いは、 伝熱部材からの熱を、筐体等の広い範囲に均一に伝えることにより解決可能である。
[0010] すなわち、本発明の一観点によれば、本発明の燃料電池は、燃料の供給を受けて 発電する発電セルを備えた発電部と、前記発電部を収容し、且つ、前記発電部に対 向する面の側に設けられる第 1の層と、前記第 1の層よりも熱伝導率が低い第 2の層 とを含む壁面を有する筐体と、前記発電部と前記筐体の間に配置され、前記発電部 の熱を、前記第 1の層に伝える伝熱部材とを有することを特徴とする。
[0011] また、本発明の他の観点によれば、本発明の燃料電池は、燃料の供給を受けて発 電する複数の発電セルと、前記複数の発電セルを収容するハウジングと、前記発電 セルと前記ハウジングとの間に配置され、前記発電セルの熱を、前記ハウジングに伝 達する複数の伝熱部材とを有し、前記各伝熱部材は前記発電セル毎にそれぞれ配 置され、且つ前記複数の伝熱部材は、発電セルの温度が予め設定された温度に達 したときに、変形して前記ハウジングに前記発電部力 の熱を伝えることを特徴とする
[0012] また、本発明の他の観点によれば、本発明の燃料電池は、燃料の供給を受けて発 電する複数の発電セルと、前記複数の発電セルを収容するハウジングとを備えた発 電部と、内部に前記発電部を設置する筐体と、前記ハウジングと前記筐体の間に配 置され、前記ハウジングの熱を、前記内側の層に伝達する伝熱部材とを有し、前記 各伝熱部材は、前記ハウジング上に前記発電セルの位置に合わせてそれぞれ配置 され、且つ、前記複数の伝熱部材は、ハウジングの温度が予め設定された温度に達 したときに、変形して前記筐体に前記ハウジング力もの熱を伝えることを特徴とする。
[0013] (発明の効果）
このような構成にすることにより、本発明の燃料電池は、伝熱部材から筐体等に伝 えられる熱を、筐体等の広い範囲力も均一に放熱させることが可能になる。その結果 、筐体等に生じる温度ムラが抑制され、放熱効率を飛躍的に高めるとともに高い安全 性を確保することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]図 1A及び図 1Bは、ダイレクトメタノール型燃料電池の発電セルの基本構造を 示した概略図 (斜視図と断面図)である。
[図 2]図 2A及び図 2Bは、ダイレクトメタノール型燃料電池の全体構造を示した概略 図 (外観斜視図と内部斜視図)である。
[図 3]図 3A及び図 3Bは、図 2Aの燃料電池 20を A面及び B面に沿って切断した場合 の断面図である。
[図 4]図 4A及び図 4Bは、発電セルに対応させて伝熱部材を配置させた例を示した 図（内部斜視図と断面図)である。
[図 5]図 5は、筐体の正面 (FRONT)と背面 (BACK)に良熱伝導性の多孔質体を設 けた例を示した図である。
[図 6]図 6A及び図 6Bは、実施例 1を採用した場合の効果を検証した際の測定ポイン トを示した図 (斜視図と断面図)である。
[図 7]図 7は、発電部 21の内部を示した図である。
[図 8]図 8A及び図 8Bは、従来の燃料電池を使用した場合の (ノ、ウジング表裏面の） 温度分布を示した図である。
[図 9]図 9A及び図 9Bは、従来の燃料電池を使用した場合の（筐体表裏面の）温度分 布を示した図である。
[図 10]図 10は、従来の燃料電池を使用した場合の発電特性を示した図である。
[図 11]図 11 A及び図 11Bは、実施例 1の燃料電池を使用した場合の (ノ、ウジング表 裏面の）温度分布を示した図である。
[図 12]図 12A及び図 12Bは、実施例 1の燃料電池を使用した場合の（筐体表裏面の )温度分布を示した図である。
[図 13]図 13は、実施例 1の燃料電池を使用した場合の発電特性を示した図である。
[図 14]図 14A及び図 14Bは、伝熱部材としてノ ィメタルを使用した場合のバイメタル の変化を示した断面図である。
[図 15]図 15A及び図 15Bは、発電セルに対応させてバイメタルを配置させた例を示 した断面図である。
[図 16]図 16A及び図 16Bは、ァクチユエータを使用して伝熱部材を変化させた場合 の伝熱部材の変化を示した図である。
[図 17]図 17は、実施例 2の燃料電池を使用した場合の発電特性を示した図である。
[図 18]図 18A及び図 18Bは、ハウジングの内部に、発電セルに対応させてバイメタ ルを配置させた例を示した断面図である。
[図 19]図 19A及び図 19Bは、ハウジングの外部に、発電セルに対応させてバイメタ ルを配置させた例を示した断面図である。
符号の説明
10- --MEA
11…燃料極
11a…触媒層 (燃料極側）
1 lb- · 'カーボンぺーパ (燃料極側）
12· ··固体電解質層
13…空気極
13a…触媒層 (空気極側）
13b…カーボンぺーパ（空気極側）
14、 14a〜14h…発電セル
20…燃料電池
21…発電部
21h…ハウジング 21e…排出孔
22…燃料供給路
23· ··燃料タンク
24、 24a〜24d…空気供給孔
25…筐体
25a…内層（第 1の層）
25b…外層（第 2の層）
27、 27a〜27h、 33、 33a〜33h、 37、 37a〜37d…伝熱部材
29· ··多孔質体
34…駆動部
35· ··制御部
36、 36a〜36d…サーミスタ
38…酉己線
39· ··ァクチユエータ
43、 43a〜43f、 53、 53a〜53h- "ノ ィメタル
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下に、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
[0017] (実施例 1)
発電セルの基本構造
まず、本発明の対象となる燃料電池について、その発電セルの基本構造の一例を 、図 1を用いて説明する。図 1 A及び図 1Bは、ダイレクトメタノール型燃料電池の発電 セルの基本構造を示した概略図（斜視図と断面図）である。なお、ここでは、発電セル の基本構造として、膜 ·電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly)を中心 に説明する。
[0018] 図 1A及び図 1Bに示されるように、燃料電池の MEA10は、固体電解質層 12と、そ れを両側から挟む 2つの極 (燃料極 11及び空気極 13)とカゝら構成される。 MEA10の 燃料極 11側には、メタノール燃料を MEA10の燃料極に供給するための燃料供給 部（不図示）が配置され、また、 MEA10の空気極 13側には、外部からの空気を ME A10の空気極に導入するための空気供給部 (不図示）が配置される。
[0019] 固体電解質層 12は、プロトン電導性の高分子固体電解質膜からなる層である。高 分子固体電解質膜としては、例えば、スルホン酸基やリン酸基等の強酸基を有する 榭脂、或いは、カルボキシル基等の弱酸基を有する榭脂等が挙げられる。具体的に は、固体電解質層 12として、例えば、デュポン社製のナフイオン (登録商標)や、旭化 成社製のァシプレックス（商品名）を使用することが可能である。
[0020] 燃料極 11は、例えば、固体電解質層 12に接して配置される触媒層 11aと、その外 側に配置されるカーボンぺーパ l ibとから構成される。触媒層 11aには、例えば、白 金ルテニウム (Pt— Ru)合金の微粒子や、当該微粒子をカーボン粉末に担持させた カーボン粉末等が使用される。カーボンぺーパ l ibには、例えば、多孔質のカーボ ンぺーパが使用される。
[0021] 空気極 13は、例えば、固体電解質層 12に接して配置される触媒層 13aと、その外 側に配置されるカーボンぺーパ 13bとから構成される。触媒層 13aは、例えば、白金 (Pt)の微粒子や、当該微粒子をカーボン粉末に担持させたカーボン粉末等力 なる 。カーボンぺーパ 13bには、例えば、多孔質のカーボンぺーパが使用される。
[0022] 燃料極 11に供給される燃料としては、例えば約 100%の濃度のメタノール、ェタノ ール、ジメチルエーテル、或いはこれらの水溶液を用いることができる。本実施例で は、燃料としてメタノール水溶液を例に説明する。
[0023] 燃料極 11の触媒層 11aでは、下記の反応式 1のように反応が進む。すなわち、メタ ノールと水 (水蒸気)が消費され、二酸ィ匕炭素ガス、プロトン (H+)及び電子 (e_)が生 成される。
CH OH + H 0→CO + 6H+ + 6e" …（反応式 1)
3 2 2
[0024] プロトンは固体電解質層 12を伝導し空気極 13に達する。一方、電子は、燃料電池 力 外に出て、燃料電池に接続された外部の負荷 (不図示）に対して仕事を行なう。 更に電子は、空気極に達し、下記の反応式 2のように反応が進む。すなわち、酸素、 プロトン (H+)、電子 (e_)が消費され、水蒸気が生成される。
2/30 + 6H+ + 6e"→3H O …（反応式 2)
2 2
このとき、生成された水蒸気、及び、燃料極 11で発生した二酸化炭素ガスは、発電 セルを収納するハウジングに設けられた多数の排出孔 (不図示)等力も外部に排出さ れる。
[0025] 燃料電池の全体構造
次に、本実施例における燃料電池の全体構造を、図 2を用いて説明する。図 2A及 び図 2Bは、ダイレクトメタノール型燃料電池の全体構造を示した概略図（外観図と内 部斜視図)である。
[0026] 図 2Aに示すように、燃料電池 20は筐体 25を有し、当該筐体 25の壁面には、外部 の空気を燃料電池 20の内部に取り込むための空気供給孔 24が設けられている。ま た、筐体 25の内部には、図 2Bに示すように、燃料タンク 23と発電部 21が設置されて いる。燃料タンク 23と発電部 21との間には、燃料を供給するための燃料供給路 22が 設けられている。発電部 21には、そのハウジング 21hの表面に、内部で発生したガス を排出する（或いは、外部力も酸素を取り込む)ための排出孔 21eが多数設けられて いる。
[0027] 筐体 25は、熱伝導率の異なる材料力もなる 2つの層を貼り合わせた 2層構造を有 する。具体的には、例えば、内層 25aをアルミニウム (A1)材料力もなる層とし、外層 2 5bをポリウレタン力もなる層とする。ここで、アルミニウムの熱伝導率は約 256WZm' Kであり、ポリウレタンの熱伝導率は約 0. 3WZm.Kである。このように、当該 2つの 層のうち、内側の第 1の層（内層 25a)力 外側の第 2の層（外層 25b)よりも高い熱伝 導率を有するような組み合わせとする。なお、このような組み合わせであれば、アルミ -ゥムとポリウレタンの組み合わせの例に限らず、内層 25aが金属材料からなる層で あり、外層 25bが榭脂材料力もなる層であるような組み合わせが可能である。
[0028] また、発電部 21と筐体 25との間には、伝熱部材 27 (27a〜27d)が配置される。伝 熱部材 27は、図に示すように、その一端が発電部 21と接触し、他端が筐体と接触す るように配置される。また、発電部 25と伝熱部材 27とは伝熱性を有する接着剤 (不図 示)で固定される。更には、伝熱部材 27と内層 25aについても、同様に、伝熱性を有 する接着剤 (不図示)で固定するようにしても良い。なお、使用可能な接着材の材料 としては、例えば、住友スリーェム社製の EW2070 (商品名）が挙げられる。
[0029] このような構成を有することによって、発電部 21で生じた熱力 伝熱部材 27を経由 して筐体 25の内層 25aに伝えられる。筐体 25に伝えられた熱は、熱伝導率が高い 内層 25aの全面に広がり、その後に、外層 25bに伝達される。すなわち、筐体 25の 広い範囲に亘つて、熱が均一に分散される。そして、均一に分散された熱が、外層 2 5bの内部を通って、外層 25bの表面（内層 25aと接していない側の表面）に伝わり、 該表面から空気中へ放熱される。
[0030] このため、筐体 25の温度ムラが抑制され、筐体 25の外側の表面は、どの箇所でも 略同じ温度になる。つまり、部分的に温度が低い場所が存在しない状態となる。その 結果、外層 25bの外側の表面に伝達された熱が、当該表面から空気中へ効率的に 放熱される。
[0031] 燃料電池の断面構造
次に、図 2に示した燃料電池における断面を示して、実施例 1の燃料電池 20をより 詳細に説明する。図 3Aは、図 2A中の燃料電池 20を A面に沿って切断した場合の 断面図であり、図 3Bは、図 2B中の燃料電池 20を B面に沿って切断した場合の断面 図である。なお、図 3Bは、図 3Aを、分割線 X— X'に沿って切断した断面図となる。
[0032] 図 3Bに示すように、内層 25aは、筐体の正面（FRONT)のと背面（BACK)にも設 けられている。内層 25aは、上側の面と下側の面のみに設けた構成としても構わない 1S 放熱効率を向上させる観点からは、できるだけ広い範囲に内層 25を配置させる ことが望ましい。すなわち、筐体の内側全面に内層 25aを設けた構成にすることが好 ましい。また、空気供給孔 24は、図 3Bに示すように、筐体の正面の壁面に 2個（24a 及び 24b)と、筐体の背面の壁面に 2個（24c及び 24d)の計 4個が設けられている。
[0033] 伝熱部材 27は、図 3A及び図 3B (或いは図 2B)に示すように、細長く延びた形状を 有している。そして、その長手方向が、燃料電池 20の正面力も背面へ向力 方向に 平行になるように配置される。すなわち、伝熱部材 27は、その長手方向を、筐体 25 の空気供給孔 24が配置された壁面に対して垂直になるように向けて配置される。
[0034] このように、筐体 25の正面と背面に設けられた複数の空気供給孔 24a〜24dによつ て、筐体の内部と外部との間の通気が確保される。例えば、図 2Aのように接地された 場合には、低 、位置の空気供給孔 24b及び 24dから (温度の低!、）外部の空気が吸 入され、高い位置の空気供給孔 24a及び 24cから、（発電により温度が高くなつた）内 部の空気が排出される。なお、 1つの空気供給で、空気の吸入及び排出の両方を行 なう場合もある。
[0035] なお、本実施例では、 4個の伝熱部材 27を設けている力 伝熱部材 27は 1個以上 設けられていれば良い。但し、放熱効率を向上させる観点からは、発電部 21の上下 の空間の通気を遮らない程度に、多数の伝熱部材 27が設けられていることが望まし い。更には、図 4A及び図 4Bに示したように、各伝熱部材 27を、発電セル 14に対応 する位置に（すなわち、発電セル 14の位置に合わせて、或いはその近傍に）それぞ れ配置するようにしても良い。このように、ハウジング 21hのうち、発電セル 14の熱を 受けて特に温度が高くなる箇所から、集中的に放熱を促すことにより、より効率的な 放熱を行うことが可能となる。
[0036] 更に、図 5Aに示すように、例えば、筐体の正面（FRONT)と背面（BACK)に、良 熱伝導性の多孔質体 29を設けてもよい。多孔質体 29は、その内部を空気が通過す ることが可能な通気性を有する部材であり、図に示すように、空気供給孔 24を塞ぐよ うに配置される。また、多孔質体 29は、例えば、その下側の端が、筐体 25の下側の 面に設けられた内層 25aに接触するとともに、その上側の端が、筐体 25の上側の面 に設けられた内層 25aに接触する。
[0037] このような構成により、燃料電池 20の内部を空気が通過する際に、当該空気が多 孔質体 29を通過する。そして、多孔質体 29の熱を、多孔質体 29の表面から空気に 放熱させる。上述したように、多孔質体 29は、内層 25aに接触して (或いは、導電性 接着剤などを介して接続され)、内層 25aの熱が良好に伝達される。このように、多孔 質体 29は、所謂ヒートシンクの役割を果たし、発電部 21で発生した熱が、図 5A中の 矢印 Hのルートで多孔質体 29に伝達し、多孔質体 29から外部に効率良く放熱され る。
[0038] なお、このように多孔質体 29を設けた場合であっても、図 3Bのように、筐体の上下 面に加え、筐体の正面及び背面にも内層 25aを設けた構成としても良い。或いは、放 熱効率を向上させる観点から、筐体の全面に内層 25aを設けた構成としても良い。多 孔質体 29を構成する材料としては、例えば、三菱マテリアル社製の発泡金属（商品 名）、古河スカイ社製のフルポーラス（商品名）、鈴木テクノス社製のパンチングメタル (商品名）等が使用可能である。
[0039] 図 5Bは、多孔質体 29の概略形状を示した図である。このように、多孔質体 29は、 表裏面を貫通する孔が多数並んだ形状 (a)や、 3次元網目状構造 (b)を有して 、る。 これらの形状は、放熱を確保するための十分な表面積を有し、且つ、十分な酸素供 給を可能にする形状である。なお、多孔質体 29を構成する材料としては、アルミニゥ ム、銅、ジュラルミン、マグネシウム合金などが挙げられる。
[0040] 検証結果
以下、実施例 1を採用した場合の効果について、検証を行った結果を説明する。図 6A及び図 6Bは、当該検証を行った際に、温度を測定したポイントを示した図（斜視 図と断面図）である。図に示すように、測定したポイントは、
•発電部 21のハウジング 21hの表面（ノ、ウジング 21hのうち、上側の面の外表面） kl 〜k3
•発電部 21のハウジング 21hの裏面（ノ、ウジング 21hのうち、下側の面の外表面） 11 〜13
•筐体 25の表面（外層 24bのうち、上側の面の外表面） ml〜m3
•筐体 25の裏面（外層 24bのうち、下側の面の外表面） nl〜n3
の計 12ポイントである。なお、上記の「上側」及び「下側」は、説明の便宜上、燃料タ ンクが筐体と接触する側を下側とし、燃料タンクが筐体と接触しな 、側を上側として ヽ る。
[0041] 検証に使用した実施例 1の燃料電池としては、厚さが 1. Ommのポリウレタンからな る外層の内側に、厚さが 0. 1mmのアルミニウムの板を張り付けた筐体を有するもの を使用した。また、伝熱部材としては、内層と同じアルミニウム力もなる部材を使用し、 図 2Bに示すように 4箇所に配置させた。
[0042] また、発電部 21は、図 7に示されるように、ハウジング 21hの内部に、燃料供給路 2 2に沿って、複数個の発電セル 14が収納されているものを使用した。発電セル 14は 、燃料供給路 22の上下に 4個ずつ配置されている。これらの発電セル 14は、それぞ れ内部に MEA10を備えており、必要な出力電圧を確保するために、直列に接続さ れる。 [0043] 測定は、燃料電池 20に所定の負荷 (不図示）を接続し、その状態で燃料電池 20を 発電させる方法で行った。具体的には、燃料電池 20を 2〜3時間連続して発電させ、 予め設定した上記の測定ポイントの温度を測定した。なお、測定の際、負荷を、燃料 電池 20の出力電圧が一定 (0. 3V)になるように設定した。
[0044] 上記のような設定における測定結果を図 8〜図 13に示す。図 8〜図 9が、従来の燃 料電池を使用した場合の測定結果であり、図 11〜図 12が実施例 1 (図 3)の燃料電 池を使用した場合の測定結果である。すなわち、図 8〜図 9は、実施例 1に対する比 較例に相当する。なお、従来の燃料電池としては、実施例 1 (図 3)の燃料電池から、 筐体 25の内層 12a及び伝熱部材 27を取り去った構成の燃料電池を使用した。
[0045] 具体的には、図 8A及び図 11Aは、ハウジング 21h表面（測定ポイント kl〜k3)に おける温度を示したグラフであり、図 8B及び図 11Bは、ハウジング 21h裏面（測定ポ イント 11〜13)における温度を示したグラフである。また、図 9A及び図 12Aは、筐体 表面（測定ポイント ml〜m3)における温度を示したグラフであり、図 9B及び図 12B は、筐体裏面 (測定ポイント nl〜n3)における温度を示したグラフである。また、図 10 及び図 13は、燃料電池の出力電圧と出力電流の関係を示したグラフである。
[0046] 図 8及び図 9のグラフに示されるように、ハウジング及び筐体では、中央部の測定ポ イント（k2、 12、 m2、 n2)の温度力 他の測定ポイントの温度よりも高い。測定開始か ら 60分経過後における温度は、 k2 = 58°C、 12 = 57°C、 m2=45°C、 n2=42°Cであ り、筐体とハウジングの間では最大で 15°Cの温度差が存在した。各測定ポイントにお ける温度は、測定開始力も約 100分経過するまでは温度が上昇し続け、その後下降 している。
[0047] 図 10のグラフにおいても、測定開始力 約 90分を経過した時力 電流の値が一時 的に上昇し、その後下降している。電圧値については、測定開始力も約 140分を経 過した時点で 0. 3Vを維持できなくなり、その後出力がストップした。
[0048] これは、ハウジング部の温度が急激に上昇したため、測定開始から 60分経過した 時点で燃料のメタノールが沸騰し、燃料が発電セル 14に正常に供給されなくなった ためである。
[0049] 次に、実施例 1の場合について示す。実施例 1の場合には、図 11及び図 12のダラ フに示されるように、筐体の表面では m3の温度が一番高ぐ中央部の測定ポイント（ k2、 12、 m2、 n2)の温度力 全て、他の測定ポイントの温度よりも高くなることはなか つた。測定開始力も 60分経過後における（一番高い温度を示した測定ポイントの）温 度は、 k2 = 53°C、 12 = 53°C、 m3 = 36°C、 nl =n2 = 39°Cであり、筐体とハウジング の間では最大で 17°Cの温度差が存在した。
[0050] 但し、図 8及び図 9の比較例と比べて、筐体表面の測定ポイントによる温度のバラッ キ（温度ムラ）は小さくなつている。例えば、比較例の図 9のグラフでは、 ml = 31°C、 m2=45°C、 m3 = 37°Cであり、 14°Cの温度バラツキが存在した。それに対して、実 施例 1の図 12のグラフでは、 ml = 33°C、 m2 = 35°C、 m3 = 36°Cであり、温度バラ ツキは 3°Cであった。このような温度ムラの抑制によって、実施例 1のハウジングの温 度は、比較例ハウジングの温度よりも約 5°C低下した。そして、測定開始力も約 100 分経過しても、温度が一定に維持されることが確認できた。
[0051] 出力電流及び出力電圧においても、図 13に示すように、実施例 1の場合には、測 定開始力も約 100分を経過した後でも、一定の値を維持して、正常に動作しているこ とが確認できた。この結果は、筐体 25表面の測定ポイントによる温度のバラツキ (温 度ムラ）が小さくなり、筐体 25から効率的な放熱が行われるようになったことにより、発 熱体 21の温度が低下して、比較例のような異常が発生しなくなつたことを裏づけてい る。
[0052] (実施例 2)
次に、燃料電池 20の伝熱部材としてバイメタルを使用した例を、図を用いて説明す る。なお、伝熱部材としてバイメタルを使用した以外は、全て実施例 1と同じ構成であ る。
[0053] ノ ィメタルは、熱膨張係数の異なる 2種類の金属を貼り合わせたものであり、温度に 応じて形状が変化するものである。例えば、鉄とニッケルの合金にマンガン、クロム、 銅などを添加して、 2種類の熱膨張率の異なる金属板を作り、冷間圧延で貼り合わせ たものである。なお、バイメタルとしては、例えば、富士金属社製の L (商品名）が使用 可能である。
[0054] 図 14A及び図 14Bは、伝熱部材としてこのようなバイメタルを使用した場合の燃料 電池 20の断面図である。図 14Aは伝熱部材 33が内層 25aに接触していない場合を 示し、図 14Bは伝熱部材 33が内層 25aに接触した場合を示している。なお、バイメタ ルは、図に示すように、その一部分を発電部 21の表面に密着させた状態で、発電部 21の表面に固定する。
[0055] 本実施例では、燃料電池 20が発電して 、な 、場合等、発電部 21の温度が低 、状 態では、図 14Aに示すように、伝熱部材 33 (バイメタル）が内層 25aに接触しない。そ の後、燃料電池 20が発電を開始し、発電部 21の温度が予め設定された温度を超え ると、図 14Bに示すように伝熱部材 33 (バイメタル）が変形し、伝熱部材 33が内層 25 aに接触する。
[0056] このように、伝熱部材 33としてバイメタルを使用した本実施例では、温度が上昇した ときのみ伝熱部材 33が内層 25aに接触する。そのため、発電を開始した直後に、発 電部 21の温度が上昇し易くなり、効率良く発電を行うために必要な温度に達するま での時間が短くなる。
[0057] 更には、図 15A及び図 15Bに示したように、各伝熱部材 33 (33a〜33h)を、発電 セル 14に対応する位置に（すなわち、発電セル 14の位置に合わせて、或いはその 近傍に）それぞれ配置するようにしても良い。このように、ハウジング 21hのうち、発電 セル 14の熱を受けて特に温度が高くなる箇所から、集中的に放熱を促すことにより、 より効率的な放熱を行うことが可能となる。
[0058] また、バイメタル以外に、伝熱部材として形状記憶合金を使用することも可能である 。形状記憶合金としては、例えば、大同特殊工業社製の KIOKALLOY (商品名）が 使用可能である。
[0059] また、伝熱部材をァクチユエータで変形させる機構を設けて、バイメタルを使用した 場合と同様の効果を得ることも可能である。このような伝熱部材をァクチユエ一タで変 形させた例を図 16に示す。図 16Aは伝熱部材 37が内層 25aに接触していない場合 を示した断面図であり、図 16Bは伝熱部材 37が内層 25aに接触した場合を示した断 面図である。
[0060] ァクチユエータ 39の駆動は、当該ァクチユエータ 39を備えた駆動部 34により行う。
また、駆動部 34の他に、発電部 21の温度を測定するサーミスタ 36と、駆動部 34を駆 動させる制御部 35とを備える。サーミスタ 36の先端は発電部 21に接触して固定され 、発電部 21の温度を測定して、測定した発電部 21の温度を制御部 35に伝える。制 御部 35と各駆動部 34との間は、制御用の配線 38で接続され、制御部 35は、各駆動 部 34が備えるァクチユエータ 39の駆動を制御する。
[0061] 制御部 35は、サーミスタ 36から発電部 21の温度に相当する電圧を受け取り、予め 設定された温度に相当する基準電圧値と比較する。比較は、例えば、制御部 3内に 設けられたコンパレータ (不図示)等により行われ、比較した結果を、例えば制御部 3 内に設けられた CPU (Central Processing Unit) (不図示）に出力する。比較結果を受 けた CPUは、処理結果に応じて、駆動部 34のァクチユーエータ 39を制御する。
[0062] 制御は、発電部 21の温度力 予め設定された温度 (例えば、 45°C)を超えたときに 、ァクチューエータ 39を動作させ、伝熱部材 37を内層 25aに接触させる。なお、ァク チューエータ 39としては、例えば、 Cannon製のマイクロアクチユエータ（商品名）が 使用可能である。またサーミスタ 36としては、例えば、 TDK社製の NCCG103JF10 3Fが使用可能である。
[0063] 検証結果
以下、実施例 2を採用した場合の効果について、検証を行った結果を説明する。検 証は、伝熱部材としてバイメタルを使用した場合について行った。なお、検証は以下 のような装置を使用して行った。
(1)燃料電池
•実施例 2 · · ·図 14に示す構成の燃料電池。
•比較例 · · '図 14示す構成から伝熱部材 (バイメタル） 33及び内側の層 25aを取 り去った構成の燃料電池。
(2)燃料電池 20に接続する負荷
•出力電流を一定に制御する負荷。
(3)実施例2を採用した燃料に使用したバイメタル
'平板型、長さ 15mm
'湾曲係数 14 X 1016E— 6
'力係数 3250kgZmm [0064] 図 17が本検証結果を示したグラフである。図 17における実施例 2のグラフ中、 A点 がバイメタルと内層 25aとが接触したポイントであり、 B点がバイメタルと内層 25aとの 接触が離れたポイントである。なお、バイメタルは、バイメタルの温度が 45°Cになった ときに、バイメタルと内層 25aとが接触するように設定した。
[0065] 図 17のグラフに示されるように、比較例を採用した場合には、測定開始から約 50分 で出力電圧が低下し始め、そのまま下降し続けた。それに対し、実施例 2を採用した 場合には、約 50分経過した後でも、出力が低下することなく一定の出力電圧を維持 していることが確認できた。この結果は、 A点でバイメタルが内層 25aとが接触するこ とによって、筐体 25表面の測定ポイントによる温度のバラツキ (温度ムラ）が小さくなり 、筐体 25から効率的な放熱が行われるようになったことにより、発電部 21の温度が低 下して、比較例のような異常が発生しなくなつたことを裏づけて 、る。
[0066] なお、測定開始から約 90分を経過後、出力電圧が徐々に低下し始めた力 約 130 分を経過した時点で再びバイメタルと内層 25aとが接触し、出力電圧が再び上昇し 始めた。すなわち、出力電圧が約 1. IVに達した後に再び上昇し始め、その後、出 力電圧が 1. IVと 1. 2Vの間で維持されることが確認できた。
[0067] また、実施例 2のグラフでは示されて ヽな 、が、実施例 2の場合には、 A点でバイメ タルが内層 25aと接触するまでの間、ハウジング 21hの温度が、図 8A及び図 8Bに示 されるような急激な温度上昇カーブを描く。これを実施例 1と比較すると、実施例 1の 場合には、ハウジング 21hの温度は、図 11A及び図 11Bに示されるような温度の上 昇カーブになる。これを、所定の温度に達するまでの時間で比較すると、例えば、測 定ポイント k2及び 12における 40°Cに達するまでの時間は、図 8A及び図 8Bでは 20 〜25分であるが、図 11A及び図 11Bの場合には、約 30分を要する。このように、実 施例 2の場合は、実施例 1と比較して、温度が予め設定された温度になるまでの時間 が短縮される。すなわち、発電を開始した直後に、発電部 21の温度が上昇し易くなり 、効率良く発電を行うために必要な温度に達するまでの時間が短くなる。
[0068] (実施例 3)
次に、伝熱部材としてのバイメタルを、発電セル 14に対応する位置に（すなわち、 発電セル 14の位置に合わせて、或いはその近傍に)それぞれ配置した例について 説明する。なお、本実施例は、筐体 25に内層 25aを設けることを必須としない点で、 実施例 1及び実施例 2と異なる。バイメタルは、実施例2で使用したものと同じものを 使用する。
[0069] 図 18A及び図 18Bは、伝熱部材としてのバイメタル 43を発電部 21のハウジング 21 hの内部に設けた場合である。（以下、本実施例に使用する「伝熱部材としてのバイメ タル」を、単に「バイメタル」という。）図 18Aはバイメタル 43a〜43fがハウジング 21h に接触していない場合を示し、図 18Bはバイメタル 43a〜43fがハウジング 21hに接 触した場合を示している。なお、これらのバイメタルは、全て同じ温度でノヽウジング 21 hと接触するように設定されている。また、バイメタル 43a〜43fは、図に示すように、 その一部分を発電セル 14の表面に密着させた状態で、発電セル 14の表面に固定さ れる。
[0070] このように、発電セル 14a〜14fに対応して、同じ温度で変形するバイメタル 43a〜
43fが設けられることにより、全ての発電セル 14力 予め設定された"同じ"温度に到 達したときに、バイメタル 43とハウジング 21hとが接触し、放熱が促進されることになる 。すなわち、発電セル 14によって、その温度上昇にバラツキが生じている場合であつ ても、ハウジング 21hの広い範囲に対して均一に放熱が行われるため、ハウジング 21 hにおけるバラツキ (温度ムラ）が小さくなり、効率的な放熱が可能となる。なお、本実 施例においては、発電セル 14の表面の温度についても、バイメタル 43が設けられた 全発電セル 14について、発電セル 14間でのバラツキ（温度ムラ）が抑制される。
[0071] 図 19A及び図 19Bは、バイメタル 53を発電部 21のハウジング 21hの外部に設けた 場合である。図 19Aはバイメタル 53a〜53hが筐体 25に接触していない場合を示し 、図 19Bはバイメタル 53a〜53hが筐体 25に接触した場合を示している。なお、これ らのバイメタルは、全て同じ温度で筐体 25と接触するように設定されている。また、バ ィメタル 53a〜53hは、図に示すように、その一部分をハウジング 21hの表面に密着 させた状態で、ハウジング 21hの表面に固定される。
[0072] このように、ハウジング 21hの表面に、同じ温度で変形するバイメタル 53を、発電セ ル 14に対応する位置に、（すなわち、発電セル 14の位置に合わせて、或いはその近 傍に）それぞれ配置する。これにより、ハウジング 21hのうち、発電セル 14の熱を受け て特に温度が高くなる箇所から、集中的に放熱を促すとともに、当該温度が高くなる 箇所の間に温度のバラツキが生じたとしても、筐体 25の広 、範囲に対して均一に放 熱を行ない、効率的な放熱を行うことが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明による燃料電池は、筐体等に生じる温度ムラの抑制を実現するものである。 したがって、本発明による燃料電池は、放熱効率を高めるうえで極めて有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料の供給を受けて発電する発電セルを備えた発電部と、
前記発電部を収容し、且つ、前記発電部に対向する面の側に設けられる第 1の層 と、前記第 1の層よりも熱伝導率が低い第 2の層とを含む壁面を有する筐体と、 前記発電部と前記筐体の間に配置され、前記発電部の熱を、前記第 1の層に伝え る伝熱部材と
を有することを特徴とする燃料電池。
[2] 前記伝熱部材は、前記発電セルの位置に合わせて配置される
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[3] 前記伝熱部材は、前記発電部及び前記第 1の層と接触する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[4] 前記伝熱部材は、前記発電部と、熱伝導性の接着材により固定される
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[5] 前記発電セルは、メタノールを含む燃料の供給を受けて発電する発電セルである ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[6] 第 1の層は金属材料からなり、前記第 2の層は榭脂材料からなる
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[7] 前記伝熱部材は、金属材料からなる
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[8] 前記伝熱部材は、前記第 1の層と同じ材料からなる
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[9] 前記筐体の対向する 2つの壁面に、前記筐体の内部と外部の通気を確保する通気 孔がそれぞれ設けられ、
前記伝熱部材の長手方向を、前記壁面と垂直方向に向けて配置した
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[10] 前記筐体の壁面に、前記筐体の内部と外部の通気を確保する通気孔が設けられ、 通気性を有する多孔質体を、前記通気孔を塞ぐように配置し、前記多孔質体の一 端力 前記第 1の層に熱を伝える ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[11] 前記多孔質体を、前記壁面を挟む前記筐体の上側の面及び下側の面の間に配置 し、前記多孔質体の両端から、前記上側の面及び下側の面にそれぞれ配置される 前記第 1の層に対して熱を伝える
ことを特徴とする請求項 10に記載の燃料電池。
[12] 前記多孔質体は、前記第 1の層と接触する
ことを特徴とする請求項 10に記載の燃料電池。
[13] 前記多孔質体は、金属材料からなる
ことを特徴とする請求項 10に記載の燃料電池。
[14] 前記伝熱部材は、バイメタル力 なる
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[15] バイメタル力 なる前記伝熱部材力 前記発電セルの位置に合わせて配置される ことを特徴とする請求項 14に記載の燃料電池。
[16] 前記伝熱部材を変形させるァクチユエータを備えた駆動部と、
前記ァクチユエータを制御する制御部と、
前記発電部の温度を検出し、検出した前記温度に相当する電圧を制御部に伝える 温度センサとを備え、
前記制御部は、前記電圧の値と、予め定められた温度に相当する基準電圧の値と を比較し、前記発電部の温度が予め定められた温度を超えたときに、前記伝熱部材 を前記第 1の層に接触させるように前記ァクチユエータを駆動させる
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
[17] 燃料の供給を受けて発電する複数の発電セルと、
前記複数の発電セルを収容するハウジングと、
前記発電セルと前記ハウジングとの間に配置され、前記発電セルの熱を、前記ハウ ジングに伝達する複数の伝熱部材とを有し、
前記各伝熱部材は前記発電セル毎にそれぞれ配置され、且つ前記複数の伝熱部 材は、発電セルの温度が予め設定された温度に達したときに、変形して前記ハウジ ングに前記発電部からの熱を伝える ことを特徴とする燃料電池。
[18] 前記伝熱部材は、バイメタル力 なる
ことを特徴とする請求項 17に記載の燃料電池。
[19] 燃料の供給を受けて発電する複数の発電セルと、前記複数の発電セルを収容する ノ、ウジングとを備えた発電部と、
内部に前記発電部を設置する筐体と、
前記ハウジングと前記筐体の間に配置され、前記ハウジングの熱を、前記内側の層 に伝達する伝熱部材とを有し、
前記各伝熱部材は、前記ハウジング上に前記発電セルの位置に合わせてそれぞ れ配置され、且つ、前記複数の伝熱部材は、ハウジングの温度が予め設定された温 度に達したときに、変形して前記筐体に前記ハウジングからの熱を伝える
ことを特徴とする燃料電池。
[20] 前記伝熱部材は、バイメタル力 なる
ことを特徴とする請求項 19に記載の燃料電池。
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