(57)【要約】  燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムを提供する。冷却システムは、燃料電池スタックに使われる燃料を保存する燃料カートリッジ、電子機器から発生した熱を燃料に吸収させることによって、電子機器の温度を下げる熱回収部と、電子機器から吸収した熱を燃料から放熱させる放熱部とを備えて、燃料カートリッジに保存された燃料を熱回収部、放熱部、及び燃料カートリッジの間を循環させることによって、電子機器の温度を下げる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに使われる燃料を保存する燃料カートリッジと、
電子機器から発生した熱を燃料に吸収させることによって、電子機器の温度を下げる熱回収部と、
電子機器から吸収した熱を燃料から放熱させる放熱部と、を備え、
前記燃料カートリッジに保存された燃料を熱回収部、放熱部、及び燃料カートリッジの間を循環させることによって、電子機器の温度を下げる燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項２】
前記燃料カートリッジに保存された燃料を、前記燃料電池スタック及び前記熱回収部に持続的に分配する分配バルブをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項３】
前記燃料カートリッジに保存された燃料を、前記燃料電池スタック及び前記熱回収部に供給するポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項４】
前記熱回収部の感知温度値と設定値とを比較して、熱回収部が適正温度を維持するように燃料の流量を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項５】
前記燃料カートリッジに保存された燃料を、前記燃料電池スタック及び前記熱回収部に持続的に分配する第１分配バルブをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項６】
前記燃料カートリッジに保存された燃料を、前記燃料電池スタック及び前記熱回収部に供給するポンプをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項７】
前記熱回収部の温度を感知する温度感知部をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの温度を下げるために、前記燃料電池スタックから発生した熱を吸収する冷却部をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項９】
燃料が前記熱回収部に分配される前に、燃料を前記冷却部に分配する第２分配バルブをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項１０】
前記冷却部から流出された燃料は、前記放熱部に向かうことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システム。
【請求項１１】
燃料カートリッジに保存された燃料を分配バルブを通じて燃料電池スタックにポンピングする段階と、
外部ソースから熱を吸熱して燃料に伝達する熱回収部に、前記分配バルブから燃料の一部を分配する段階と、
前記熱回収部から放熱部に燃料を送る段階と、
前記放熱部から前記燃料カートリッジに燃料を戻す段階と、を含むことを特徴とする燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムの動作方法。
【請求項１２】
第１分配バルブを通じて燃料カートリッジに保存された燃料を、電力を生産する燃料電池スタックにポンプでポンピングする段階と、
前記燃料電池スタックの温度を前記制御部に伝達する段階と、
前記第１分配バルブから第２分配バルブに燃料の少なくとも一部を分配する段階と、
前記第２分配バルブから熱を吸収する冷却部に燃料の少なくとも一部を分配する段階と、
前記第２分配バルブから熱回収部に燃料の少なくとも一部を分配する段階と、
前記ポンプ、第１分配バルブ、及び第２分配バルブに連結されている前記制御部に前記熱回収部の温度を通知する段階と、
前記熱回収部から放熱部に燃料を送る段階と、
前記放熱部から前記燃料カートリッジに燃料を戻す段階と、を含むことを特徴とする燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムの動作方法。
【請求項１３】
燃料は、前記制御部で指示する割合でポンピングされることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムの動作方法。
【請求項１４】
前記熱回収部は、外部ソースから熱を吸収して燃料に伝達することを特徴とする請求項１２に記載の燃料を冷媒として利用する冷却システムの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器のための冷却システム及び方法に関する。さらに詳細には、燃料電池の燃料を電子機器を冷却させる冷媒として使用する冷却システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを化学反応によって直接電気エネルギーに変えるエネルギー転換装置をいう。
【０００３】
燃料電池は、従来のバッテリーとは違って、再充電の必要なく燃料が供給されるかぎり継続して電気を生成できる発電システムである。燃料電池は、アソード及びカソード電極と、アノードとカソードとの間に配置される電解質とを備える。酸素と水素とがそれぞれの電極に流れる時、電気、熱そして水が生成される。燃料電池には、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの多様な燃料が使用されるが、燃料改質器を利用して水素に改質して使用されるのである。
【０００４】
燃料電池の最も大きな長所は、高いエネルギー変換効率と環境親和性が挙げられる。燃料電池は、化学エネルギーを直ちに電気エネルギーに転換するため、いろいろなエネルギー変化装置を経る従来の発電方式に比べて高い効率を示す。また燃料電池は、窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（Ｓｏｘ）などの公害物質をほとんど排出しないため、次世代発電方式として大きく脚光を浴びている。
【０００５】
現在、燃料電池のうち、実用化に最も近づいた分野としては、小規模発電用（家庭及び商業用）及び携帯機器電源用が挙げられる。例えば、マイクロ燃料電池（一般的に出力５０ワット未満）と呼ばれる携帯機器電源用は、急速な技術発展によって実用化が最も速く進んでいる。
【０００６】
特に、小型化に適していると知られた直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）技術の急速な発展は、マイクロ燃料電池の採用に青信号をともしている。
【０００７】
ＤＭＦＣは、メタノールと酸素との電気化学的反応から電気を生産し、単位電池、すなわち、セルは、図１に示すように、アソード２とカソード３との間に水素イオン交換膜１が介在されている構造を有する。
【０００８】
各アソード電極２とカソード電極３とは、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２、３２、燃料の酸化／還元反応が起こる触媒層２１、３１、そして電極支持体２３、３３を備える。
【０００９】
これらのアソード２、カソード３及び水素イオン交換膜１は、メンブレン電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を構成する。水素イオン交換膜１は、固体高分子電解質からなっている。
【００１０】
アソード２では、供給されたメタノールと水との反応によって、水素イオン、電子及び二酸化炭素が発生（酸化反応）し、生成されたた水素イオンは、水素イオン交換膜を経てカソード３に伝えられる。カソード３では、水素イオンと酸素とが反応して水を生成する（還元反応）。
【００１１】
前記のような反応は、次の三つの反応式で表すことができるが、下記の反応式（１）及び（２）は、アソードとカソードでの反応を示し、反応式（３）は、単位セル全体の反応式を示す。
【００１２】
【数１】
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直接メタノール燃料電池の単位セルで発生する電圧は、理論的には１．２Ｖ程度であるが、常温及び常圧条件で開回路電圧は、１Ｖ以下となり、実際作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧による電圧降下が起こるため、０．４〜０．６Ｖ程度となる。したがって、所望の容量の電圧を得るためには、複数の単位セルが直列に連結されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
一般的に、電子機器は、動作時に熱を発生するが、この熱は、電子機器の性能を低下させる要因である。したがって、発生した熱を冷却させうるシステムが必要である。しかし、空気を利用する自然冷却方法もあるが、冷却効率が満足するほど提供できないので、冷却効率が良く、簡便な冷却システムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記問題点を勘案したものであり、燃料電池の燃料の一部を電子機器を通るように循環させることによって、燃料が電子機器から発生する熱を吸収して、電子機器の温度を適正温度に維持させうる、燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムを提供するところにその目的がある。
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明の燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムは、燃料電池スタックに使われる燃料を保存する燃料カートリッジと、電子機器から発生した熱を燃料に吸収させることによって、電子機器の温度を下げる熱回収部と、電子機器から吸収した熱を燃料から放熱させる放熱部とを備えて、前記燃料カートリッジに保存された燃料を熱回収部、放熱部、及び燃料カートリッジの間を循環させることによって、電子機器の温度を下げる。
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の他の特徴である燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムの動作方法は、燃料カートリッジに保存された燃料を分配バルブを通じて燃料電池スタックにポンピングする段階と、外部ソースから熱を吸熱して燃料に伝達する熱回収部に前記分配バルブから燃料の一部を分配する段階と、前記熱回収部から放熱部に燃料を送る段階と、前記放熱部から前記燃料カートリッジに燃料を戻す段階とを含む。
【発明の効果】
【００１７】
前述のように、本発明の実施形態による燃料電池の燃料を冷媒として使用する冷却システムは、次のような効果がある。
【００１８】
第一に、燃料を冷媒として使用することによって、別途の冷却流体なしに高い放熱性能を有し、
第二に、燃料電池から発生する熱と電子機器などから発生する熱とを同時に放熱でき、
第三に、燃料電池の電源供給機能と冷却機能とを一つに統合することによって、全体システムを簡単にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態による、燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムを示す図である。図２を参照するに、本発明の一実施形態による冷却システム１００は、燃料カートリッジ１２０、ポンプ１２１、分配バルブ１２２、熱回収部１３０、及び放熱部１４０を備える。
【００２０】
燃料カートリッジ１２０は、燃料電池スタック１１０に使われる燃料を保存するものであり、燃料が全て消耗された場合には、新たなカートリッジに交換が可能である。燃料カートリッジ１２０の保存容量は、適用されるシステムによって異なるが、小型または携帯型電子機器に使われることを勘案すれば、数十ｍｌないし３００ｍｌ程度の容量であることが望ましい。一方、本発明における燃料は、電子機器の熱を奪う冷媒としても使われるので、冷媒流体の保存タンクの役割も共に兼用する。
【００２１】
燃料電池スタック１１０は、単位セルが複数組合わせて構成され、水素と酸素とが電気化学的に反応して電気と熱を発生させる。燃料電池スタック１１０に使われる燃料は、小型または携帯型電子機器に電気を供給するのに適した直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の燃料であるメタノールが望ましい。メタノールは、３０％程度に希釈されたものを使用することが望ましい。
【００２２】
熱回収部１３０は、電子機器（図示せず）から発生した熱を燃料に吸熱させることによって、電子機器の温度を下げる。熱回収部１３０は、マイクロチャンネル、衝突ジェット、またはスプレー方式のような従来に公知されているもののうち一つを適用してもよい。
【００２３】
放熱部１４０は、熱回収部１３０を通過しながら電子機器（図示せず）から吸収した熱を外部に放出するためのものであり、燃料が通過する複数の管と管周辺の空気流路とフィンとから構成され、熱放出効率を上昇させるために、ファンが使われうる。
【００２４】
ポンプ１２１は、燃料カートリッジ１２０に保存された燃料を燃料電池スタック１１０に供給すると共に、熱回収部１３０及び放熱部１４０を通じて移動させるものであり、遠心ポンプ、隔膜ポンプなど、多様な形態の流体ポンプが使われうる。特に、燃料の物理／化学的な特性を利用した動電方式（ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ  ｔｙｐｅ）や電磁気方式（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｙｐｅ）も可能である。
【００２５】
分配バルブ１２２は、燃料を燃料電池スタック１１０と熱回収部１３０とに分配して、燃料または冷媒として使われる燃料の量を調節する３ｗａｙ  ｖａｌｖｅであることが望ましい。
【００２６】
図２に示すような構成を有する本発明の一実施形態による冷却システムの動作を説明する。
【００２７】
燃料カートリッジ１２０に保存された燃料は、ポンプ１２１によって動作されて流れながら、分配バルブ１２２を介して一部は、燃料電池スタック１１０に向かって燃料電池スタック１１０の燃料として使われ、残りは、熱回収部１３０に向かう。
【００２８】
熱回収部１３０に向かった燃料は、電子機器（図示せず）から熱を吸収して電子機器（図示せず）の温度を下げ、熱を吸収して温度が上昇した燃料は、放熱部１４０を通過しながら熱を外部に放出し、元の温度に低くなる。燃料カートリッジ１２０に再度回収された後、前記のような動作を繰り返す。
【００２９】
図３は、本発明の他の実施形態による燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムを示す図である。図３を参照するに、本発明の他の実施形態による冷却システム２００は、燃料カートリッジ２２０、ポンプ２２１、複数の分配バルブ２２２、２２３、熱回収部２３０、放熱部２４０、冷却部２５０、複数の温度感知部２５１、２５２、及び制御部２６０を備える。
【００３０】
燃料カートリッジ２２０は、燃料電池スタック２１０に使われる燃料を保存するものであり、燃料が全て消耗された場合には、新たなカートリッジに交換が可能である。燃料カートリッジ２２０の保存容量は、適用されるシステムによって異なるが、小型または携帯型電子機器に使われることを勘案すれば、数十ｍｌないし３００ｍｌ程度の容量であることが望ましい。一方、本発明における燃料は、電子機器の熱を奪う冷媒としても使われるので、燃料カートリッジ２２０は、冷媒流体の保存タンク役割も共に兼用する。
【００３１】
燃料電池スタック２１０は、単位セルが複数組合わせて構成され、水素と酸素とが電気化学的に反応して電気と熱を発生させる。燃料電池スタック２１０に使われる燃料は、小型または携帯型電子機器に電気を供給するのに適したＤＭＦＣの燃料であるメタノールが望ましい。メタノールは、３０％程度に希釈されたものを使用することが望ましい。
【００３２】
熱回収部２３０は、電子機器（図示せず）から発生した熱を燃料に吸熱することによって、電子機器の温度を下げる。熱回収部２３０は、マイクロチャンネル、衝突ジェット、またはスプレー方式のような従来に公知されているもののうち一つを適用してもよい。
【００３３】
冷却部２５０は、燃料電池スタック２１０が電気化学的反応によって電気と共に発生する熱を吸熱して、燃料電池スタック２１０の温度を下げるためのものであり、スタックの間にチャンネル形態の流路を有する複数の冷却板を追加するか、または外部のケースを冷却ジャケットの形態に構成して、燃料が通過しながら燃料電池スタック２１０から発生した熱を吸熱する構造からなることが望ましい。
【００３４】
冷却部２５０は、分配バルブ２２３から燃料の一部を供給される。燃料電池スタック２１０から熱を吸収した燃料は、放熱部２４０に向かう。
【００３５】
放熱部２４０は、熱回収部２３０を通過しながら電子機器（図示せず）から吸収した熱と、冷却部２５０を通過しながら燃料電池スタック２１０から吸収された熱とを外部に放出するためのものであり、燃料が通過する複数の管と管周辺の空気流路とフィンとから構成されうる。熱放出効率を上昇させるために、ファンが使われてもよい。
【００３６】
ポンプ２２１は、燃料カートリッジ２２０に保存された燃料を燃料電池スタック２１０に供給すると共に、熱回収部２３０、放熱部２４０、及び冷却部２５０を通じて移動させるものであり、遠心ポンプ、隔膜ポンプなど、多様な形態の流体ポンプが使われうる。特に、燃料の物理／化学的な特性を利用した動電方式や電磁気方式も可能である。
【００３７】
第１分配バルブ２２２は、燃料を燃料電池スタック２１０と分配バルブ２２３とにそれぞれ分配して、燃料または冷媒として使われる燃料の量を調節する３ｗａｙ  ｖａｌｖｅであることが望ましい。第２分配バルブ２２３は、燃料を熱回収部２３０と冷却部２３０とにそれぞれ分配して燃料の量を調節する３ｗａｙ  ｖａｌｖｅであることが望ましい。
【００３８】
第１温度感知部Ｔ１  ２５１及び第２温度感知部Ｔ２  ２５２は、燃料電池スタック２１０と熱回収部２３０とに付着されて、燃料電池スタック２１０と熱回収部２３０の温度をそれぞれ検知する。検知された温度は、制御部２６０に伝達される。
【００３９】
制御部２６０は、ポンプ２２１、第１分配バルブ２２２及び第２分配バルブ２２３に連結されて、第１温度感知部Ｔ１  ２５１及び第２温度感知部Ｔ２  ２５２によって検知された温度検知値と設定値とを比較して、燃料電池スタック２１０と熱回収部２３０の温度を適正温度に維持されるためのものである。
【００４０】
制御部２６０は、ポンプ２２１の流量と第１分配バルブ２２２及び第２分配バルブ２２３のスイッチング操作とを通じて燃料の流量を調節することによって、燃料電池スタック２１０と熱回収部２３０との温度を適正温度に維持させる。
【００４１】
図３に示すような構成を有する本発明の他の実施形態による冷却システムの動作を説明する。
【００４２】
燃料カートリッジ２２０に保存された燃料は、ポンプ２２１によって動作されて流れながら、分配バルブ２２２を介して一部は、燃料電池スタック２１０に向かって燃料電池スタック２１０の燃料として使われ、残りは、分配バルブ２２３に向かう。
【００４３】
分配バルブ２２３に向かった燃料は、一部は冷却部２５０に向かって燃料電池スタック２１０で発生した熱を奪う冷媒として使われ、残りは熱回収部２３０に向かって電子機器（図示せず）から熱を吸収する冷媒として使われる。
【００４４】
熱回収部１３０に向かって電子機器（図示せず）から熱を奪った燃料と、冷却部２５０に向かって燃料電池スタック２１０から熱を奪った燃料とは、共に放熱部２４０を通過しながら、熱を外部に放出し、元の温度に低くなる。燃料カートリッジ２２０に再度回収された後、前記のような動作を繰り返す。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、燃料電池の燃料を電子機器を冷却させる冷媒として使用する冷却システム及び方法に関する。
【００４６】
以上、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更可能であるということを理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来の燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムを示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態による燃料電池の燃料を冷媒として利用する冷却システムを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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