(57)【要約】【課題】発電時の発熱による燃料電池の温度分布の不均一を簡易な構成で緩和する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池と対向するように配置された燃料カートリッジ５４であって水素吸蔵合金を収容する燃料カートリッジ５４と、水素吸蔵合金から放出された水素を燃料電池に向けて供給する供給路１６と、を備える。燃料カートリッジ５４は、水素吸蔵合金から供給路１６へ水素が放出される放出部５４ａを有する。放出部５４ａは、燃料電池の中央部と対向する位置に設けられている。【選択図】図５
2010251300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面に設けられたアノードとを含む燃料電池と、
前記燃料電池と対向するように配置された燃料収容部であって水素吸蔵合金を収容する燃料収容部と、
前記水素吸蔵合金から放出された水素を前記燃料電池に向けて供給する供給路と、を備え、
前記燃料収容部は、前記水素吸蔵合金から前記供給路へ水素が放出される放出部を有し、
前記放出部は、前記燃料電池の中央部と対向する位置に設けられている、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料収容部は、水素吸蔵合金を内蔵するとともに前記放出部が設けられた複数の燃料カートリッジを含み、
前記複数の燃料カートリッジのそれぞれは、前記放出部が燃料収容部の中央部に位置するように配列されてい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】
前記燃料収容部は、水素吸蔵合金を内蔵する複数の燃料カートリッジが平面状に配列されており、
前記燃料カートリッジは、その両端部のうち前記放出部が設けられている端部が燃料収容部の中央部に近くなるように配列されてい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】
前記燃料カートリッジは、前記放出部が設けられている端部と反対側の端部に水素を補給するための補給部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池と前記燃料カートリッジとの間の空間を埋める充填部を更に備え、
前記充填部は、前記燃料カートリッジの形状に沿って形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料カートリッジは、
筐体と、
前記筐体の内部に収納されている、成型された水素吸蔵合金と、
前記筐体の内面と前記水素吸蔵合金との隙間を埋める充填部材と、
を有し、
前記充填部材は、前記水素吸蔵合金の収縮と膨張に応じて変形する弾性材料で構成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記充填部材は、前記燃料電池で発した熱を前記水素吸蔵合金に伝達する熱伝導部を有す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】
前記充填部材は、前記熱伝導部を介して前記放出部から離れた領域から該放出部へ向かう熱の流れを遮断する断熱部を有していることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記熱伝導部は、前記放出部の近傍に設けられた第１の熱伝導部と、前記放出部とは反対側の領域の近傍に設けられた第２の熱伝導部とを有し、
前記断熱部は、前記第１の熱伝導部と前記第２の熱伝導部とに挟まれた位置に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池および前記燃料収容部とに挟持され、該燃料電池と該燃料収容部との間の熱の伝達を促進する伝熱部材を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記伝熱部材は、面内の中央部における熱伝導率が縁部における熱伝導率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１０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、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。このような燃料電池は、発電時の反応により熱を発する。一方、燃料電池は、電解質膜を備えており、安定した発電にはこの電解質膜の湿潤状態や燃料電池全体の温度を適切に保つことが重要である。
【０００３】
また、燃料電池を可搬型の携帯機器に用いるために、電池本体とは別に燃料を収容するカートリッジが一体化された燃料電池も考案されている。このような燃料電池として、吸熱反応により燃料を放出する燃料タンクと、燃料タンクより導入された燃料を用いて発電を行い熱が発生する発電部と、発電部で発生する熱を外部へ放出する外部放熱部を有する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池は、発電部、燃料タンクおよび外部放熱部を接続し、発電部から発生する熱を燃料タンクおよび外部放熱部へ供給し、かつ発電部および燃料タンクの温度に応じて熱の供給を制御し、発電部および燃料タンクの温度を一定の範囲に保持する熱接続手段を有している。
【０００４】
また、特許文献２には、両端セルの外周部を中央部よりも効率良く加温して温度分布を平均化し、かつ両端セルに温度差が生じないようにした燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８０５８７号公報
【特許文献２】特開２００４−１８５９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、発電時の燃料電池の温度分布は、その形状や内部に配置された電池セルの数によって異なり、また不均一である。そのため、上述の燃料電池のように、発電部から発生する熱を燃料タンクおよび外部放熱部へ供給し、かつ発電部および燃料タンクの温度に応じて熱の供給を制御するだけでは、燃料電池の局所的な温度の違い、特にセル同士の温度の不均一を解消することは困難である。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電時の発熱による燃料電池の温度分布の不均一を簡易な構成で緩和する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池システムは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、電解質膜の他方の面に設けられたアノードとを含む燃料電池と、燃料電池と対向するように配置された燃料収容部であって水素吸蔵合金を収容する燃料収容部と、水素吸蔵合金から放出された水素を燃料電池に向けて供給する供給路と、を備える。燃料収容部は、水素吸蔵合金から供給路へ水素が放出される放出部を有する。放出部は、燃料電池の中央部と対向する位置に設けられている。
【０００９】
燃料電池は、発電時に熱を発生し、特に中央部分は周辺部に比べて大気への放熱性が良くないため、特に中央部の温度が上昇しやすい。また、水素吸蔵合金は、吸蔵されている水素を放出する過程で吸熱反応が生じる。そこで、この態様によると、水素が放出される放出部が燃料電池の中央部と対向する位置に設けられているため、発電時の発熱が放熱部近傍の吸熱反応により相殺される。その結果、燃料電池の中央部の温度上昇が抑制され、温度分布の不均一が緩和される。
【００１０】
燃料収容部は、水素吸蔵合金を内蔵するとともに放出部が設けられた複数の燃料カートリッジを含んでもよい。複数の燃料カートリッジのそれぞれは、放出部が燃料収容部の中央部に位置するように配列されていてもよい。
【００１１】
また、燃料収容部は、水素吸蔵合金を内蔵する複数の燃料カートリッジが平面状に配列されており、燃料カートリッジは、その両端部のうち放出部が設けられている端部が燃料収容部の中央部に近くなるように配列されていてもよい。
【００１２】
これにより、一つの筐体に全ての水素吸蔵合金を収容した燃料収容部と比較して、燃料カートリッジ一つ当たりの水素吸蔵合金の容積を小さくできる。そのため、燃料カートリッジに用いられる筐体の強度や形状の自由度が増し、コストの削減や小型化が可能となる。また、汎用の燃料カートリッジを用いることで、燃料電池の性能や接続される携帯機器の種類に応じた適切な燃料収容部を、燃料カートリッジの数を変えるだけで容易に製造することができる。また、複数の燃料カートリッジのそれぞれは、その放出部が燃料収容部の中央部に位置するように配列されているため、温度が上昇しやすい燃料電池の中央部を効率よく冷却することができる。また、燃料カートリッジを平面状に配列することで、燃料収容部の厚みを抑えることができる。ここで、中央部とは、例えば燃料収容部が全体として方形の場合には、全ての辺から見て真ん中を含む領域であるという捉え方だけでなく、対向する二辺の真ん中の中心線を含む領域と捉えることもできる。
【００１３】
燃料カートリッジは、放出部が設けられている端部と反対側の端部に水素を補給するための補給部が設けられていてもよい。水素吸蔵合金は、水素が充填される際には発熱する。水素吸蔵合金の温度が高い場合は、水素を充填する時間が長くかかる。燃料カートリッジの周辺部は、中央部に比べて大気への放熱性が良いため、放出部が設けられている端部と反対側の端部に充填部を設けることで、より早く放熱できるとともに充填時間を短くできる。また、放出部が設けられている端部と反対側の端部に充填部を設けることで、燃料電池の中央部に対して相対的に低温である周辺部を加熱することができる。そのため、燃料電池の中央部を冷却するだけの場合と比較して、燃料電池の温度分布の不均一を更に緩和することができる。
【００１４】
燃料電池と燃料カートリッジとの間の空間を埋める充填部を更に備えてもよい。充填部は、燃料カートリッジの形状に沿って形成されていてもよい。これにより、燃料電池と燃料カートリッジとの間に空間がある場合と比較して、燃料電池と燃料カートリッジとの温度差による熱の移動が容易となり、燃料電池の温度の均一化に寄与する。
【００１５】
燃料カートリッジは、筐体と、筐体の内部に収納されている、成型された水素吸蔵合金と、筐体の内面と水素吸蔵合金との隙間を埋める充填部材と、を有してもよい。充填部材は、水素吸蔵合金の収縮と膨張に応じて変形する弾性材料で構成されていてもよい。これにより、水素吸蔵合金から水素が放出される経路を塞ぎ、水素吸蔵合金内での圧力の分布を設けることで、放出部近傍の領域をその他の領域と比較して水素圧力が低くなるようにし、放出部近傍から水素が放出されやすくすることができる。例えば、放出部近傍から水素が放出されやすくなるように充填部材の形状を工夫することで、放出部近傍の領域の温度を他の領域と比較して低下させ、温度分布を設けることができる。
【００１６】
充填部材は、燃料電池で発した熱を水素吸蔵合金に伝達する熱伝導部を有してもよい。これにより、燃料電池で発した熱を水素吸蔵合金に伝熱して水素吸蔵合金から水素を放出し易くすることができる。
【００１７】
充填部材は、熱伝導部を介して放出部から離れた領域から該放出部へ向かう熱の流れを遮断する断熱部を有していてもよい。これにより、放出部から離れた領域と放出部近傍との温度差が維持され易くなり、放出部近傍の温度を低くすることができる。
【００１８】
熱伝導部は、放出部の近傍に設けられた第１の熱伝導部と、放出部とは反対側の領域の近傍に設けられた第２の熱伝導部とを有してもよい。断熱部は、第１の熱伝導部と第２の熱伝導部とに挟まれた位置に設けられていてもよい。
【００１９】
燃料電池および燃料収容部とに挟持され、該燃料電池と該燃料収容部との間の熱の伝達を促進する伝熱部材を備えてもよい。これにより、燃料電池と燃料収容部との温度差による熱の移動が容易となり、燃料電池の温度の均一化が促進される。
【００２０】
伝熱部材は、面内の中央部における熱伝導率が縁部における熱伝導率よりも大きくなるように構成されていてもよい。これにより、燃料電池の中央部の熱が伝熱部材の中央部を介して縁部あるいは燃料収容部に向けて移動しやすくなり、燃料電池の温度の均一化が促進される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、発電時の発熱による燃料電池の温度分布の不均一を簡易な構成で緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）は、燃料電池システムの燃料電池本体と燃料カートリッジの概略を示す模式図、図１（ｂ）は、発電時の燃料電池の温度分布を示す上面図である。
【図２】図１（ａ）に示す燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、燃料収容部において水素吸蔵合金を収容している燃料カートリッジを示す模式図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す燃料カートリッジから水素が放出される際の各部の温度変化をグラフに示した図である。
【図５】燃料カートリッジが配列されている燃料収容部の内部を模式的に示した図である。
【図６】図６（ａ）は、燃料収容部において水素吸蔵合金を収容している燃料カートリッジに水素を充填する様子を示す模式図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す燃料カートリッジに水素を充填する際の各部の温度変化をグラフに示した図である。
【図７】補給部が設けられている燃料カートリッジが配列されている燃料収容部の内部を模式的に示した図である。
【図８】マニホールドを構成する各部材を並置した図である。
【図９】燃料収容部を上方から見た場合の供給路近傍の要部拡大図である。
【図１０】図１０（ａ）は、燃料電池と燃料収容部との間に伝熱部材を設けた燃料電池システムの上面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す燃料電池システムのＸ−Ｘ断面図である。
【図１１】燃料電池と燃料カートリッジとの間の空間を埋める充填部を説明するための側面図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る燃料カートリッジを複数配置した燃料収容部の外観を示す斜視図である。
【図１３】比較例に係る燃料収容部の概略構成を示す断面図である。
【図１４】燃料カートリッジにおける水素放出時の水素吸蔵合金の温度変化のグラフを示す図である。
【図１５】図１５（ａ）は、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジの外観斜視図である。図１５（ｂ）は、図１５（ｂ）に示す燃料カートリッジのＹ−Ｙ断面図である。図１５（ｃ）は、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジの要部の分解斜視図である。
【図１６】第３の実施の形態に係る燃料収容部の概略構成を示す断面図である。
【図１７】第３の実施の形態に係る燃料カートリッジにおける水素放出時の水素吸蔵合金の温度変化のグラフを示す図である。
【図１８】第３の実施の形態に係る燃料カートリッジにおいて水素吸蔵合金が収縮した様子を示す断面図である。
【図１９】第４の実施の形態に係る燃料カートリッジの要部の分解斜視図である。
【図２０】第４の実施の形態に係る燃料収容部の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００２４】
（第１の実施の形態）
はじめに、燃料電池システムにおける発電時の発熱について説明する。図１（ａ）は、燃料電池システムの燃料電池本体と燃料カートリッジの概略を示す模式図、図１（ｂ）は、発電時の燃料電池の温度分布を示す上面図である。図２は、図１（ａ）に示す燃料電池の分解斜視図である。
【００２５】
図１（ａ）に示す燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、燃料電池１２と対向するように配置された燃料収容部１４と、燃料収容部１４から水素を燃料電池１２に供給する供給路１６と、供給路１６の途中に設けられているレギュレータ（減圧弁）１８と、を備える。燃料収容部１４は、燃料電池１２の燃料となる水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容している。供給路１６は、水素吸蔵合金から放出された水素を燃料電池１２に向けて供給する。
【００２６】
燃料電池１２は、図２に示すように、平面上に配設された複数のセル２０を備える。各セル２０は、アノード触媒層２２と、カソード触媒層２４と、アノード触媒層２２とカソード触媒層２４とに狭持された電解質膜２６からなる膜電極接合体を備える。アノード触媒層２２には、水素が供給される。また、カソード触媒層２４には、空気が供給される。燃料電池１２は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２７】
電解質膜２６は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層２２とカソード触媒層２４との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２６は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。
【００２８】
アノード触媒層２２の一方の面に電解質膜２６が接合し、アノード触媒層２２の他方の面に集電体２８が接合している。この構造は、スプレー塗布、スクリーン印刷、転写法等によって電解質膜２６にアノード触媒層２２を形成した上に集電体２８をホットプレスすることにより得ることができる。また、アノード触媒層２２を含む空間を覆うようにアノード側ハウジング３０が設置されている。
【００２９】
なお、アノード側ハウジング３０には、燃料電池１２の外部に設けられた燃料収容部１４などから水素ガスが圧力差により充填される燃料充填口（図示せず）が設けられている。そして、燃料室内の水素が減少してきた場合に燃料収容部１４から水素が適宜補充される。
【００３０】
カソード触媒層２４の一方の面に電解質膜２６が接合し、カソード触媒層２４の他方の面に集電体３２が接合している。集電体３２の構成は集電体２８と同様である。また、カソード触媒層２４を含む空間を覆うようにカソード側ハウジング３４が設置されている。
【００３１】
カソード側ハウジング３４の主面には、空気取り込み用の空気取込口（不図示）が設けられているフィルタ３６が取り付けられている。空気取込口から流入した空気は、カソード触媒層２４に到達する。各セル２０は、電気的に直列に接続されている。具体的には、隣接するセルにおいて、一方のセルの集電体２８と他方のセルの集電体３２とが配線３８により接続されている。
【００３２】
このような燃料電池１２においては、各セル２０の発電時の化学反応により発熱する。その際、各セル２０が配置されている場所やセル内の領域によって放熱性が異なるため、燃料電池１２は、温度分布が不均一になりやすい。特に燃料電池１２が備える複数のセルのうち中央部にあるセルは、隣接する他のセルの影響により放熱性が悪く温度が上昇しやすい。その結果、図１（ｂ）に示すように、燃料電池１２の中央部１２ａの温度が高くなる傾向がある。
【００３３】
そこで、以下の実施の形態では、燃料電池１２の特に中央部の温度上昇に伴う温度分布の不均一を改善するために、燃料収容部１４が収容する水素吸蔵合金の放出部の配置を適切にした。図３は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【００３４】
図３に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１２と、燃料電池１２に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容する燃料収容部１４と、制御部４０と、二次電池４２と、燃料収容部１４内の水素を燃料電池１２に供給するための供給路１６に連なる減圧部４４と、各部材を収納できるように分割された上部筐体４６および下部筐体４８とを備える。上部筐体４６には、外部から空気を取り込むための空気取込口４７が設けられている。
【００３５】
燃料電池１２は、水素と酸素とを用いて発電する燃料電池であり、アクティブ型燃料電池又はパッシブ型燃料電池のいずれであってもよいが、小型化の観点からは補機の必要のないパッシブ型燃料電池が好ましい。燃料収容部１４はその内部に水素吸蔵合金を有する。本実施の形態では水素吸蔵合金として希土類系のＭｍ（ミッシュメタル）Ｎｉ４．３２Ｍｎ０．１８Ａｌ０．１Ｆｅ０．１Ｃｏ０．３が用いられる。しかし、これに限定されるものではなく、例えば、その他の希土類−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｍｎ系、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｔｉ−Ｚｒ系、Ｍｇ−Ｎｉ系、Ｚｒ−Ｍｎ系等の水素吸蔵合金を用いることも可能である。
【００３６】
制御部４０は、燃料電池システム１００内の制御全般を担当する。減圧部４４は、前述のレギュレータ１８や、水素遮断スイッチ５０および水素充填口５２を備えている。水素遮断スイッチ５０は、必要に応じて操作することで、燃料収容部１４から燃料電池１２へ供給される水素を強制的に遮断することができる。水素充填口５２は、燃料収容部１４内の水素が減少した場合に、外部の水素源から必要に応じて水素を供給するための接続口である。二次電池４２は燃料電池１２の余剰電力を用いて充電される。二次電池４２の充電・放電の制御は制御部４０により行われる。
【００３７】
図４（ａ）は、燃料収容部において水素吸蔵合金を収容している燃料カートリッジを示す模式図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す燃料カートリッジから水素が放出される際の各部の温度変化をグラフに示した図である。燃料カートリッジ５４は、円筒状の筐体を有し、内部に水素吸蔵合金が充填されている。水素吸蔵合金は、前述のように内部から水素を放出する際に吸熱反応が生じる。そのため、図４（ａ）に示すように、燃料カートリッジ５４の上方に放出部５４ａが設けられている場合、放出部５４ａに近いほど水素を放出しやすく吸熱量が大きく、温度低下が早くなる（図４（ｂ）参照）。つまり、図４（ａ）に示す放出部５４ａに近い領域Ａは、放出部５４ａから遠い領域Ｂ，Ｃより吸熱量が大きくなる。このことから、放出部５４ａ近傍に燃料電池の高温部を配置すれば、特段のエネルギー消費を必要とせずに燃料電池を局所的に冷却することが可能となる。
【００３８】
図５は、燃料カートリッジが配列されている燃料収容部の内部を模式的に示した図である。図５に示すように、複数の燃料カートリッジ５４が供給路１６を中央に挟んで平面状に複数列（図５では２列）並んで設けられている。放出部５４ａは、供給路１６と接続されており、燃料収容部１４の中央部に位置している。本実施の形態に係る燃料カートリッジ５４は、その両端部のうち放出部５４ａが設けられている端部が燃料収容部１４の中央部１４ａに近くなるように配列されている。
【００３９】
本実施の形態では、図３に示すように、上方から見た際の燃料電池１２と燃料収容部１４の面積がほぼ同じため、放出部５４ａが位置する燃料収容部１４の中央部１４ａは、燃料電池１２の中央部１２ａと対向する位置になる。なお、燃料電池と燃料収容部との位置がずれていたり大きさが異なっていたりする場合は、燃料電池１２の中央部１２ａと対向する位置に燃料収容部１４の放出部５４ａが位置するようにすれば、放出部５４ａの位置は必ずしも燃料収容部１４の中央部１４ａでなくてもよい。
【００４０】
このように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、水素が放出される放出部５４ａが燃料電池１２の中央部１２ａと対向する位置に設けられているため、発電時の発熱が放出部５４ａ近傍の吸熱反応により相殺される。その結果、燃料電池１２の中央部１２ａの温度上昇が抑制され、温度分布の不均一が緩和される。燃料電池システム１００は、燃料電池１２の温度分布の均一化により、各セル間の出力差が減少し、より安定かつ高効率な運転が可能となる。
【００４１】
また、図５に示すように、複数の燃料カートリッジ５４を放出部５４ａの位置を考慮しながら適切に配置することで、一つの筐体に全ての水素吸蔵合金を収容した燃料収容部と比較して、燃料カートリッジ５４一つ当たりの水素吸蔵合金の容積を小さくできる。そのため、燃料カートリッジ５４に用いられる筐体の強度や形状の自由度が増し、コストの削減が可能となる。また、規格化された燃料カートリッジ５４を用いることで、燃料電池１２の性能や接続される携帯機器の種類に応じた適切な燃料収容部１４を、燃料カートリッジ５４の収納数を変えるだけで容易に製造することができる。
【００４２】
また、複数の燃料カートリッジ５４のそれぞれは、その放出部５４ａが燃料収容部１４の中央部１４ａに位置するように配列されているため、温度が上昇しやすい燃料電池１２の中央部１２ａを効率よく冷却することができる。また、燃料カートリッジ５４を平面状に配列することで、燃料収容部１４の厚みを抑えることができる。ここで、中央部１４ａとは、燃料収容部１４が全体として方形の場合には、全ての辺から見て真ん中を含む領域でだけでなく、対向する二辺の真ん中の中心線（図５に示す供給路１６）を含む領域と捉えることもできる。
【００４３】
上述の水素吸蔵合金は、水素を放出する際に吸熱反応を伴うとともに、水素を吸蔵する際には発熱反応を伴う。放出部を燃料電池の高温部と対向する位置にすることで、高温部の温度を低下させることができるが、場合によっては、吸熱反応だけでは燃料電池全体の温度の均一化には不十分な場合が考えられる。そこで、高温部である燃料電池の中央部を冷却する一方、相対的に低温な燃料電池の周辺部を加熱することで燃料電池全体の温度の更なる均一化を図ることができる。
【００４４】
図６（ａ）は、燃料収容部において水素吸蔵合金を収容している燃料カートリッジに水素を充填する様子を示す模式図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す燃料カートリッジに水素を充填する際の各部の温度変化をグラフに示した図である。
【００４５】
水素吸蔵合金は、前述のように水素を吸蔵する際に発熱反応が生じる。そのため、図６（ａ）に示すように、燃料カートリッジ５４の下方に補給部５４ｂが設けられている場合、補給部５４ｂに近いほど水素が充填されやすく発熱量が大きく、初期の温度上昇が早くなる（図６（ｂ）参照）。つまり、図６（ａ）に示す補給部５４ｂに近い領域Ｃは、補給部５４ｂから遠い領域Ｂ，Ａより発熱量が大きくなる。このことから、補給部５４ｂ近傍に燃料電池の低温部を配置すれば、特段のエネルギー消費を必要とせずに燃料電池を局所的に加熱することが可能となる。
【００４６】
図７は、補給部５４ｂが設けられている燃料カートリッジが配列されている燃料収容部の内部を模式的に示した図である。図７に示すように、複数の燃料カートリッジ５４が供給路１６を中央に挟んで平面状に複数列並んで設けられている。放出部５４ａは、図５と同様に供給路１６と接続されており、燃料収容部１４の中央部に位置している。一方、図７に示す燃料カートリッジ５４は、その両端部のうち放出部５４ａが設けられている端部と反対側の端部に補給部５４ｂが設けられている。補給部５４ｂは、補給路５６に接続されており、補給路５６を介して減圧部４４に設けられている水素充填口５２と連通している。
【００４７】
図７に示す燃料カートリッジ５４は、放出部５４ａが設けられている端部と反対側の端部領域１４ｂに水素を補給するための補給部５４ｂが設けられているため、燃料電池１２の中央部１２ａに対して相対的に低温である周辺部１２ｂ（図１（ｂ）参照）を加熱することができる。そのため、燃料電池１２の中央部１２ａを冷却するだけの場合と比較して、燃料電池１２の温度分布の不均一を更に緩和することができる。
【００４８】
次に、供給路１６を構成するマニホールドの構造について説明する。図８は、マニホールドを構成する各部材を並置した図である。図９は、燃料収容部を上方から見た場合の供給路近傍の要部拡大図である。
【００４９】
図８、図９に示すように、燃料カートリッジ５４が接続される供給路１６を構成するマニホールド５８は、複数の燃料カートリッジ５４の放出部５４ａを固定する金属プレート５８ａを備えている。金属プレート５８ａは、放出部５４ａと先端に形成されている円板部５４ｃとの間の小径部を固定するためのスリット５８ａ１が複数形成されている。また、マニホールド５８は、流路５８ｂ１が形成されている金属プレート５８ｂと、放出部５４ａと流路５８ｂ１とを連通するための貫通孔５８ｃ１が形成されている２枚の金属プレート５８ｃと、を更に備える。そして各金属プレートの間には、それぞれ流路や孔が形成されているパッキン５８ｄ，５８ｅが挟持されている。
【００５０】
次に、燃料電池１２と燃料収容部１４との熱の伝達を促進する手段について詳述する。燃料電池１２と燃料収容部１４を対向させることで熱の伝達は可能であるが、燃料電池１２や燃料収容部１４の形状によっては、効率のよい熱伝達が実現できない場合もある。図１０（ａ）は、燃料電池と燃料収容部との間に伝熱部材を設けた燃料電池システムの上面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す燃料電池システムのＸ−Ｘ断面図である。
【００５１】
伝熱部材６０は、燃料電池１２および燃料収容部１４とに挟持され、燃料電池１２と燃料収容部１４との間の熱の伝達を促進する。具体的には、例えばシリコーンに熱伝導率の高い金属フィラーが分散されている伝熱部材が好適である。これにより、燃料電池１２と燃料収容部１４との温度差による熱の移動が容易となり、燃料電池１２の温度の均一化が促進される。
【００５２】
また、伝熱部材６０は、面内の中央部における熱伝導率が縁部における熱伝導率よりも大きくなるように構成されていてもよい。これにより、燃料電池１２の中央部１２ａの熱が伝熱部材６０の中央部を介して縁部あるいは燃料収容部１４に向けて移動しやすくなり、燃料電池の温度の均一化が促進される。伝熱部材６０の熱伝導率を面内で異ならせるためには、場所によって金属フィラーの充填量を変化させることで達成される。
【００５３】
上述のようなシート状の伝熱部材６０は、燃料収容部１４の燃料カートリッジ５４が箱形の筐体に収納されていないと効果が十分発揮できない場合がある。そこで、以下では、燃料カートリッジ５４が直接燃料電池１２と対向する場合であっても効率のよい熱伝達が可能な手段について説明する。
【００５４】
図１１は、燃料電池と燃料カートリッジとの間の空間を埋める充填部を説明するための側面図である。図１１に示すように、燃料収容部１４は、上方が開いた筐体６２に複数の燃料カートリッジ５４が並置されている。そのため、上面は、燃料カートリッジ５４が存在するところを凸部とし、燃料カートリッジ５４間を凹部とする凸凹面になっている。そこで、充填部６４は、燃料電池１２と燃料カートリッジ５４との間の空間を埋める。本実施の形態に係る充填部６４は、燃料カートリッジ５４の形状に沿って凹部６４ａが形成されており、燃料電池１２に燃料収容部１４を装着した状態で燃料カートリッジ５４の円筒部と密着するように寸法が設定されている。
【００５５】
なお、充填部６４は必ずしも全面が燃料カートリッジ５４と接触していなくてもよく、燃料カートリッジ５４間の凹部に侵入する程度のリブ６４ｂが形成されていてもよい。これにより、燃料電池１２と燃料カートリッジ５４との間に大きな空間がある場合と比較して、燃料電池１２と燃料カートリッジ５４との温度差による熱の移動が容易となり、燃料電池１２の温度の均一化に寄与する。
【００５６】
（第２の実施の形態）
図１２は、第２の実施の形態に係る燃料カートリッジを複数配置した燃料収容部の外観を示す斜視図である。なお、本実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料収容部の構成以外は第１の実施の形態と同様の構成である。そのため、燃料収容部以外の構成については説明を適宜省略するとともに、特に言及していない場合は第１の実施の形態と同様の構成とする。
【００５７】
図１２に示すように、第２の実施の形態に係る燃料収容部１１４は、配列された複数の方形の燃料カートリッジ１５４と、各燃料カートリッジ１５４と接続されている放出部１５４ａと、を備えている。各燃料カートリッジ１５４は、一つの角部１５４ｂが切り欠かれた形状を有している。放出部１５４ａは、各燃料カートリッジ１５４の角部１５４ｂが切り欠かれて形成された空間に設けられている。このように、燃料収容部１１４は、複数の燃料カートリッジ１５４が配列されており、その中央部に放出部１５４ａが設けられている。
【００５８】
本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、上方から見た際の燃料電池１２（図３参照）と燃料収容部１１４の面積がほぼ同じため、放出部１５４ａが位置する燃料収容部１１４の中央部１１４ａは、燃料電池１２の中央部１２ａ（図１（ｂ）参照）と対向する位置になる。なお、燃料電池と燃料収容部との位置がずれていたり大きさが異なっていたりする場合は、燃料電池１２の中央部１２ａと対向する位置に燃料収容部１１４の放出部１５４ａが位置するようにすれば、放出部１５４ａの位置は必ずしも燃料収容部１１４の中央部１１４ａでなくてもよい。
【００５９】
このように、本実施の形態に係る燃料電池システムは、水素が放出される放出部１５４ａが燃料電池１２の中央部１２ａと対向する位置に設けられているため、発電時の発熱が放出部１５４ａ近傍の吸熱反応により相殺される。その結果、燃料電池１２の中央部１２ａの温度上昇が抑制され、温度分布の不均一が緩和される。燃料電池システムは、燃料電池１２の温度分布の均一化により、各セル間の出力差が減少し、より安定かつ高効率な運転が可能となる。
【００６０】
また、図１２に示すように、複数の燃料カートリッジ１５４を放出部１５４ａの位置を考慮しながら適切に配置することで、一つの筐体に全ての水素吸蔵合金を収容した燃料収容部と比較して、燃料カートリッジ１５４一つ当たりの水素吸蔵合金の容積を小さくできる。そのため、燃料カートリッジ１５４に用いられる筐体の強度や形状の自由度が増し、コストの削減が可能となる。また、規格化された燃料カートリッジ１５４を用いることで、燃料電池１２の性能や接続される携帯機器の種類に応じた適切な燃料収容部１１４を、燃料カートリッジ１５４の収納数を変えるだけで容易に製造することができる。
【００６１】
また、複数の燃料カートリッジ１５４のそれぞれは、その放出部１５４ａが燃料収容部１１４の中央部１１４ａに位置するように配列されているため、温度が上昇しやすい燃料電池１２の中央部１２ａを効率よく冷却することができる。また、燃料カートリッジ１５４を平面状に配列することで、燃料収容部１１４の厚みを抑えることができる。
【００６２】
（燃料カートリッジ内の構成）
ところで、水素吸蔵合金は、水素の吸収および放出に伴い体積が変化する。そのため、水素吸蔵合金と、水素吸蔵合金を収容する筐体の内壁との間には隙間があることが好ましい。図１３は、比較例に係る燃料収容部の概略構成を示す断面図である。
【００６３】
比較例に係る燃料収容部２１４は、一対の燃料カートリッジ２５４の放出口２５４ａが対向した状態で配置されている。各放出口２５４ａは、水素を燃料電池１２に供給するための供給路１６に接続されている。燃料カートリッジ２５４は、筒状の筐体２５４ｂと、筐体２５４ｂに収容された水素吸蔵合金２５４ｃとを備えている。なお、筐体２５４ｂおよび水素吸蔵合金２５４ｃの大きさ、形状は、筐体２５４ｂの内壁と水素吸蔵合金２５４ｃとの間に隙間２５４ｄが生じるように設定されている。したがって、隙間２５４ｄを介して水素は筐体２５４ｂの内部を自由に移動することができる。
【００６４】
水素吸蔵合金２５４ｃが水素を放出する際には吸熱反応が生じる。そのため、水素吸蔵合金２５４ｃのうち放出口２５４ａの近傍にある領域Ａから放出口２５４ａに向かって水素が放出されると、領域Ａ近傍の温度は低下する。一方、放出口２５４ａから離れた水素吸蔵合金２５４ｃの領域Ｃにおいても、隙間２５４ｄに向かって水素の放出が可能なため、領域Ｃ近傍の温度も低下する。
【００６５】
図１４は、燃料カートリッジ２５４における水素放出時の水素吸蔵合金の温度変化のグラフを示す図である。このように、筐体２５４ｂと水素吸蔵合金２５４ｃとの間に隙間２５４ｄが形成されていると、水素吸蔵合金２５４ｃの外周のいずれからも水素が放出されるため、温度の低下が均一となり、放出口２５４ａ近傍の領域Ａ（つまり、燃料収容部２１４の中央部）の温度を放出口２５４ａから離れた領域Ｃよりも低下させることが難しい。
【００６６】
（第３の実施の形態）
そこで、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジについては、筐体の内面と水素吸蔵合金との隙間を埋める充填部材を設けた。図１５（ａ）は、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジの外観斜視図である。図１５（ｂ）は、図１５（ｂ）に示す燃料カートリッジのＹ−Ｙ断面図である。図１５（ｃ）は、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジの要部の分解斜視図である。図１６は、第３の実施の形態に係る燃料収容部３１４の概略構成を示す断面図である。
【００６７】
図１５および図１６に示すように、燃料カートリッジ３５４は、筐体３５４ｂと、筐体３５４ｂの内部に収納されている、成型された水素吸蔵合金３５４ｃと、筐体３５４ｂの内面と水素吸蔵合金３５４ｃとの隙間を埋める充填部材３５４ｄと、を備えている。成型された水素吸蔵合金３５４ｃは、燃料カートリッジ３５４に複数設置されている。筐体３５４ｂは、金属などの伝熱性の良い材料で構成されている。充填部材３５４ｄは、水素吸蔵合金３５４ｃの収縮と膨張に応じて変形する弾性材料で構成されている。弾性材料としては、ゴムやフェルトなどが好ましい。また、充填部材３５４ｄは、水素が通過しにくい材質、形状が好ましい。また、充填部材３５４ｄは、隙間の全てではなく、一部を埋めるような形状であってもよい。
【００６８】
このように、本実施の形態に係る燃料カートリッジ３５４は、筐体３５４ｂと水素吸蔵合金３５４ｃとの間の隙間に充填部材３５４ｄが設けられているため、水素吸蔵合金３５４ｃの外部での水素の移動は規制されている。つまり、水素吸蔵合金３５４ｃから水素が放出される領域が規制され、水素放出時においては放出部３５４ａに近い水素吸蔵合金３５４ｃの領域Ａから水素が放出される。放出部３５４ａ近傍における水素の放出時においては、水素吸蔵合金３５４ｃ内の水素の圧力と放出部３５４ａとの圧力差が大きいため、温度の低下も大きくなる。その後、水素吸蔵合金内において水素が放出される領域は、放出部３５４ａから徐々に離れた領域となり、領域Ｃに近付いていく。当然、この段階でも水素の放出による吸熱反応は生じているが、水素濃度の低下に伴い放出される水素は減少し、それに伴う温度低下も小さくなる。
【００６９】
図１７は、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジ３５４における水素放出時の水素吸蔵合金の温度変化のグラフを示す図である。このように、筐体３５４ｂと水素吸蔵合金３５４ｃとの間の隙間に充填部材３５４ｄが設けられていると、放出部３５４ａ近傍の水素吸蔵合金３５４ｃの領域Ａから水素が急激に放出されるため、放出部３５４ａ近傍の領域Ａ（つまり、燃料収容部３１４の中央部）の温度が急激に低下する。一方、放出部３５４ａから離れた領域Ｃの温度の低下は領域Ａよりも緩やかになる。その結果、水素吸蔵合金３５４ｃからの水素の放出により、放出部近傍（領域Ａ）における温度を放出部から離れている領域Ｃにおける温度よりも低下させることができる。
【００７０】
なお、本実施の形態に係る充填部材３５４ｄは、弾性部材であるため、水素吸蔵合金３５４ｃの体積変化に追随することができる。図１８は、第３の実施の形態に係る燃料カートリッジにおいて水素吸蔵合金が収縮した様子を示す断面図である。
【００７１】
図１８に示すように、本実施の形態に係る燃料カートリッジ３５４は、弾性部材である充填部材３５４ｄが用いられているため、水素の放出によって収縮した水素吸蔵合金３５４ｃと筐体３５４ｂとの間隔が変化しても隙間が生じることがない。そのため、水素吸蔵合金３５４ｃに吸蔵されている水素は、常に放出部３５４ａに向かって放出されることとなり、隙間（図１３参照）に向かって放出されることが抑制される。これにより、放出部３５４ａから離れた水素吸蔵合金３５４ｃの領域の温度低下が抑制され、放出部３５４ａ近傍の温度低下が促進される。
【００７２】
なお、充填部材３５４ｄは、燃料電池１２で発した熱を水素吸蔵合金３５４ｃに伝達する熱伝導部として機能するものであるとよい。熱伝導部の材料としては、例えば、金属フェルト、シリコンゴムに金属粉末が練り込まれたもの、などが挙げられる。これにより、燃料電池１２で発した熱を吸熱して水素吸蔵合金３５４ｃから水素を放出し易くすることができる。換言すれば、水素吸蔵合金が水素を放出する際の吸熱反応によって、燃料電池の高温部を冷却することができる。
【００７３】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る燃料カートリッジについては、第３の実施の形態に係る充填部材の一部に断熱部が設けられている点が大きな特徴である。図１９は、第４の実施の形態に係る燃料カートリッジの要部の分解斜視図である。図２０は、第４の実施の形態に係る燃料収容部の概略構成を示す断面図である。
【００７４】
図１９に示すように、燃料カートリッジ４５４は、筐体４５４ｂと、筐体４５４ｂの内部に収納されている、成型された水素吸蔵合金４５４ｃと、筐体４５４ｂの内面と水素吸蔵合金４５４ｃとの隙間を埋める充填部材４５４ｄと、を備えている。充填部材４５４ｄは、第３の実施の形態と同様に、水素吸蔵合金４５４ｃの収縮と膨張に応じて変形する弾性材料で構成されている。
【００７５】
充填部材４５４ｄは、放出部４５４ａの近傍に設けられた第１の熱伝導部４５４ｅ１と、放出部４５４ａとは反対側の領域の近傍に設けられた第２の熱伝導部４５４ｅ２と、第１の熱伝導部４５４ｅ１と第２の熱伝導部４５４ｅ２とに挟まれた位置に設けられている断熱部４５４ｆと、を有している。これにより、熱伝導部４５４ｅ１，４５４ｅ２を介して放出部４５４ａから離れた領域から放出部４５４ａへ向かう熱の流れが遮断される。したがって、放出部４５４ａから離れた領域と放出部４５４ａ近傍との温度差が維持され易くなり、放出部近傍の温度を低くすることができる。断熱部の材料としては、例えば、ガラス繊維フェルト、樹脂繊維フェルト、シリコンゴム、などが挙げられる。
【００７６】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における燃料電池や燃料電池システムにおいて各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００７７】
上述の各実施の形態では、複数の燃料カートリッジが内蔵する水素吸蔵合金の種類が同じ場合について言及したが、吸熱量の異なる水素吸蔵合金を内蔵した複数種の燃料カートリッジを用いてもよい。例えば、吸熱量の大きい水素吸蔵合金を内蔵した燃料カートリッジを燃料電池の高温部である中央部に対向する位置に配置し、中央部から周辺部に向かうにつれて吸熱量の小さい水素吸蔵合金を内蔵した燃料カートリッジを配置するようにしてもよい。これにより、燃料電池の温度分布をより均一化することができる。このような場合には、それぞれの燃料カートリッジ毎、または同じ水素吸蔵合金毎に減圧弁を設けて吐出圧を均一にするとよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０  燃料電池システム、  １２  燃料電池、  １２ａ  中央部、  １２ｂ  周辺部、  １４  燃料収容部、  １４ａ  中央部、  １６  供給路、  ２２  アノード触媒層、  ２４  カソード触媒層、  ２６  電解質膜、  ４６  上部筐体、  ４８  下部筐体、  ５２  水素充填口、  ５４  燃料カートリッジ、  ５４ａ  放出部、  ５４ｂ  補給部、  ５４ｃ  円板部、  ５６  補給路、  ５８  マニホールド、  ６０  伝熱部材、  ６２  筐体、  ６４  充填部、  １００  燃料電池システム。
【図１】
2010251300.tif 000003
【図２】
2010251300.tif 000004
【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】
2010251300.tif 000009
【図８】
2010251300.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2010251300.tif 000012
【図１１】
2010251300.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
2010251300.tif 000016
【図１６】
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【図１８】
2010251300.tif 000018
【図１９】
2010251300.tif 000019
【図２０】
2010251300.tif 000020
【図１４】
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【図１７】
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