(57)【要約】燃料電池システム、例えば、平面燃料電池アレイの内部動作温度を制御するための方法、物品、およびシステムである。この熱管理システムは、燃料電池層のまわりの気体の流れを妨げることなく、かつ、燃料電池層のまわりの気体の流れを乱す装置を必要とすることなく、燃料電池から熱を外部に案内する。この発明は、また、熱伝導システムを実現し、これは、燃料電池層に較べて低熱質量を有し、または燃料電池層から熱絶縁され、もって、熱伝導システムが、スタートアップ時に、実質的な量の熱を燃料電池層から奪うことがなく、また、必要なときのみ、燃料電池から熱を散逸させることができる。【代表図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの動作温度を制御する方法において、
燃料電池システムであって、
平面燃料電池アレイと、
上記平面燃料電池アレイと直接的に熱連通される熱伝達手段と、
上記熱伝達手段と直接的に熱連通され、上記平面燃料電池アレイと間接的に熱連通される熱散逸装置と、
上記平面燃料電池アレイおよび上記熱伝達手段と間接的に熱連通され、上記熱散逸装置から熱を取り除く熱除去装置とを含む、上記燃料電池システムを準備するステップと、
上記燃料電池アレイが所望の動作温度に達するまで上記平面燃料電池アレイを燃料に接触させて熱および電気を生成させるステップであって、上記熱除去装置は上記平面燃料電池アレイが上記所望の動作温度を下回る間は非活性化されている上記ステップと、
上記平面燃料電池アレイが上記所望の動作温度を上回るならば、上記熱除去装置を活性化させて上記熱散逸装置から熱を取り除くステップとを有することを特徴とする燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項２】
反応物および燃料電池反応生成物の流れが上記熱伝達手段、上記熱散逸装置、または上記熱除去装置の動作により変更されない請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項３】
上記システムは、上記平面燃料電池アレイのカソード表面の上の空気流を修正するファンを有していない請求項２記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項４】
さらに、上記燃料電池アレイを上記所望の動作温度に維持するステップを有する請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項５】
熱が、上記平面燃料電池アレイのカソード層のエッジと上記平面燃料電池アレイのアノード層のエッジとから伝導される請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項６】
上記熱散逸装置はヒートシンクである請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項７】
上記熱除去装置はファンである請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項８】
上記熱除去装置は固体熱伝達装置である請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項９】
上記熱除去装置は熱伝達流体を含む冷却システムである請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１０】
上記熱伝達流体は空気ではない請求項９記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１１】
上記燃料電池システムは、さらに、上記熱散逸装置および上記平面燃料電池アレイの間に配された絶縁層を含む請求項９記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１２】
上記燃料電池システムは、さらに、上記平面燃料電池アレイのアノード・サイドに配された水素分配マニホールドを含み、かつ、上記水素分配マニホールドおよび上記熱散逸装置の双方は上記絶縁層に接触し、上記絶縁層の相互に反対のサイドに配される請求項１１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１３】
上記絶縁層の厚さは１ミリメートルより薄い請求項１１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１４】
さらに、上記平面燃料電池アレイの動作温度を監視するステップを有する請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１５】
上記平面燃料電池アレイの動作温度に基づいて上記熱散逸装置から熱を除去するレートを調整するステップを有する請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１６】
上記燃料電池システムは携帯型電子装置内に含まれる請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１７】
上記平面燃料電池アレイの電力・重量比は少なくとも０．４ワット／グラムである請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１８】
上記燃料電池システムは、さらに、上記熱散逸装置および上記平面燃料電池アレイの間に配された絶縁層を含む請求項１記載の燃料電池システム動作温度制御方法。
【請求項１９】
アノード・サイド、カソード・サイド、および横側エッジを具備する平面燃料電池と、
上記平面燃料電池の上記横側エッジと直接的に熱連通される熱伝達手段であって、上記平面燃料電池の上記アノード・サイドまたは上記カソード・サイドのいずれとも接触しない上記熱伝達手段と、
上記熱伝達手段と直接的に熱連通される熱散逸装置と、
上記熱散逸装置から熱を取り除くように構成された熱除去手段とを有する燃料電池システム。
【請求項２０】
上記熱伝達手段は、第１端、および上記第１端と反対側の第２端を具備し、上記第１端が上記横側エッジに結合され上記第２端が上記熱散逸装置と結合される請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
上記熱散逸装置はヒートシンクである請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
上記燃料電池システムは、さらに、上記熱散逸装置および上記平面燃料電池アレイの間に配された絶縁層を含む請求項２１記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
上記燃料電池システムは、さらに、上記平面燃料電池アレイのアノード・サイドに配された水素分配マニホールドを含み、かつ、上記水素分配マニホールドおよび上記熱散逸装置の双方は上記絶縁層に接触し、上記絶縁層の相互に反対のサイドに配される請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
さらに、上記平面燃料電池の動作温度を測定して上記熱除去手段を活性化させるように構成された温度センサを含む請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
電力生成方法において、
燃料電池システムであって、
平面燃料電池アレイと、
上記平面燃料電池アレイと直接的に熱連通される熱伝達手段と、
上記熱伝達手段と直接的に熱連通され、上記平面燃料電池アレイと間接的に熱連通される熱散逸装置と、
上記平面燃料電池アレイおよび上記熱伝達手段と間接的に熱連通され、上記熱散逸装置から熱を取り除く熱除去装置とを含む、５°Ｃ、または、それ未満の初期温度である上記燃料電池システムを準備するステップと、
上記燃料電池アレイが所望の動作温度に達するまで上記平面燃料電池アレイを燃料に接触させて熱および電気を生成させるステップであって、上記所望の動作温度が５°Ｃより大きく、上記熱除去装置は上記平面燃料電池アレイが上記所望の動作温度を下回る間は非活性化されている上記ステップと、
上記平面燃料電池アレイが上記所望の動作温度を上回るならば、上記熱除去装置を活性化させて上記熱散逸装置から熱を取り除くステップとを有することを特徴とする電力生成方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は、２０１２年６月２８日に出願した米国特許出願番号第１３／５３５，７３３号の優先権を主張し、これは参照してここに組み入れる。
【技術分野】
【０００２】
この発明の内容は、広範囲の環境条件にわたる燃料電池性能の維持を図るシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
携帯電子機器は代を重ねるにつれて性能が向上し、それでいて小型化している。電子部品は、寸法上、小さく設計され、高機能で複雑な技術が組み込まれているので、関連する電源上の要請も常に増大する。例えば、電源はより小さな体積しか占めず、より小さな接地面積しか占めないようにし、もって、装置全体で付加的な技術を収容し、または全体の寸法を小さくする必要があるであろう。さらに、付加的な技術に対応するには、電源が長時間に渡り継続し、または、安定した電子部品性能のために均一なレートで電力を供給する必要がある。
【０００４】
電源の一例は、燃料電池システムである。燃料電池システムは、１または複数の燃料電池層を含み、各層が、１または複数のアノードおよびカソードを含み、アノードおよびカソードの間に電解質膜を設けている。小さな層状の燃料電池システムは、小さなスペース要件を満たしながら、堅固でなくてはならない。
【０００５】
広範囲の動作条件にわたって平面燃料電池の一貫した性能を維持することは、困難な技術的挑戦をもたらし、とくに、空間的な制約がシステムの寸法を制限する小型の携帯電子機器に使用されるシステムについてそうである。
【０００６】
堅固である、小さな層状燃料電池システムに対する要請がある。
【発明の開示】
【０００７】
この発明は、燃料電池システムの内部動作温度を制御するための方法、物品、およびシステムに関する。
いくつかの実施例において、この発明は燃料電池システムの動作温度を制御する方法を含む。この方法は、燃料電池システムを実現することを含み、この燃料電池システムは、平面燃料電池アレイ、この平面燃料電池アレイと直接的に熱連通する熱伝導手段、この熱伝導手段と直接的に熱連通し、平面燃料電池アレイと間接的に熱連通する熱散逸装置、および、平面燃料電池アレイおよび熱伝導手段と間接的に熱連通して熱を熱散逸装置から除去するように構成された熱除去装置とを含む。この方法は、また、平面燃料電池アレイが所望の温度に達するまで、平面燃料電池アレイを燃料に接触させて熱および電気を発生させることを含み、ここで、平面燃料電池アレイが所望の動作温度を下回っている間は、熱除去装置が活性化されない。平面燃料電池アレイが所望の動作温度を上回ると、熱除去装置が活性化されることにより、熱が熱散逸装置から除去される。
他の実施例において、この発明は、燃料電池システムを含み、この燃料電池システムは、アノード・サイド、カソード・サイド、および側部エッジを具備する平面燃料電池；平面燃料電池の側部エッジに直接的に熱連通され、それでいて、平面燃料電池のアノード・サイドまたはカソード・サイドとは接触しない熱伝導手段；熱伝導手段と直接的に熱連通する熱散逸装置；および、熱散逸手段から熱を除去するように構成された熱除去手段を有する。
この発明は燃料電池システムを実現し、この燃料電池システムは、一貫性のある内部燃料電池動作温度を維持させることにより、広範囲の動作温度にわたってより恒常的な電源出力を生成する。燃料電池および熱伝導要素の熱質量を比較的小さく維持することにより、確実に、燃料電池が常にオーバーヒート状態とされ、また、確実に、燃料電池の内部温度が「冷却のみ」の手法で管理され、これは、より熱質量が大きなシステムにより要求される加熱／冷却システムより、実装に際して小型で、安くと、簡易である。
【０００８】
図面は、尺度を必ずしも描くものではないが、これらの図面において、いくつかの図を通じて同様の番号は実質的に類似の要素を記述する。異なるサフィックス文字を伴う同様の番号は類似の要素の異なる例を表す。図面は、この文書において検討される種々の実施例を図説するけれども、それは、全般的には一例としてものであり、限定を目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の燃料電池システムの一部の模式図を示す。
【図２】この発明の燃料電池システムの一部の断面図を示す。
【図３】この発明の燃料電池システムの一部の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明において、具体的な詳細はこの発明の理解をより確実にするために提示される。しかしながら、この発明はこのような詳細を伴うことなく実施できる。他の例においては、この発明が不必要に不明瞭にならないようにするために周知の事柄は示されないし、説明されない。図は、理解を助けるために、この発明が実施できる具体的な実施例を示す。この発明の趣旨を逸脱することなく、これら実施例は組み合わされて良く、他の要素または構造上、または論理状の修正を行って良い。したがって、明細書および図面は説明のためのものであり、制約的でないものとして理解されなくてはならない。
【００１１】
この文書において参照されている文献、特許、および特許文書は、個々に参照してここに組み入れているけれども、ここで、すべて参照して組み入れることとする。当該文書とそれら文書との間で一貫性のない用例がある場合には、それら組み入れられた文書中の用例は当該文書の用例を補充するものと理解すべきであり、調整ができない場合には当該文書の用例が採用される。
【００１２】
当該文書においては、用語「１」が用いられる場合には、特許文献で通常のように、１または１より大きな場合を含み、これは任意の他の事例、または「少なくとも１つ」や「１または複数」の用例とは別である。当該文書においては、用語「または」は、そうでないと示される場合を除いて、非排他的なものを指すものとして用いられ、例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、「Ｃ」のみ、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、および「Ａ、ＢおよびＣ」を含む。当該文書において、用語「上」（ａｂｏｖｅ）および「下」（ｂｅｌｏｗ）は、複合材（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）の中心との関係で２つの異なる方向を記述するのに採用され、用語「より上」（ｕｐｐｅｒ）および「より下」（ｌｏｗｅｒ）は複合材の異なる２つの面を記述するのに採用される。しかしながら、これらの用語は、単に記述を容易にするために用いられ、説明される実施例の燃料電池層の配位を固定するものとして理解されない。添付の側面およびいずれの請求項においても、用語「第１」、「第２」、および「第３」等は単にラベルとして採用され、それらの対象の数的な要求を課すものでないことに留意されたい。この文書において明示的に開示されたいかなる数値範囲は、その明示的に開示された数値範囲の任意の部分範囲を、その部分範囲が明示的に開示されたのと同様に、含むことに留意されたい。例えば、開示された１〜１００の範囲は、１〜８０の範囲、２〜７６の範囲、または１〜１００の間に入る任意の他の数値範囲を含むと理解される。他の例において、「１０００またはこれ未満」の開示された範囲は、はた、１０００未満である任意の範囲、例えば５０〜１００、２５〜２９、または２００〜１０００を含む。
【００１３】
ここで構造が「直接熱伝導」と説明するときには、これは、これら構造が、第１の構造から第２の構造に、どのような中間的な第３の構造を介して熱が伝導することなしに、または流れることなしに、直接的な伝導によりこれら構造の間を熱が流れることができるように、物理的に接触していることを意味する。例えば、熱散逸装置が熱伝導装置に直接熱伝導していると説明されるならば、これは、熱散逸装置が熱伝導装置に物理的に接触していることを意味し、また、熱が熱散逸装置および熱伝導装置の間を伝導によって流れることができることを意味する。
【００１４】
ここで構造が「間接熱伝導」と説明するときには、これは、これら構造が物理的に接触しないことを意味し、また、第１の構造から第２の構造へのどのような熱も、少なくとも１つの中間構造を介して最初に伝導されなくてはならないことを意味する。例えば、熱散逸装置が、平面燃料電池層と間接熱伝導であると説明されるならば、これは、熱散逸装置が平面燃料電池層と物理的に接触せず、しかしながら、熱散逸装置および燃料電池層の間で熱が流れることが可能であること（例えば、燃料電池層および熱散逸装置の双方と直接的に熱伝導状態である中間的な熱伝導装置を介して流れる熱によって）を意味する。
【００１５】
ここで使用されるように、「燃料電池」は単一の燃料電池または燃料電池の集合を指し示して良い。燃料電池は一緒に配列され結合されて燃料電池のアレイを形成して良い。単位電池のアレイは、その中において、全部の電気化学構造が当該層の中に含まれる多様な電源発生燃料電池層を実現するように構成して良い。アレイは任意の適切な幾何形状で形成されて良い。例えば、単位電池のアレイは隣接して配列されて平面燃料電池層を形成して良い。平面燃料電池は全体として、または一部において平面であってよく、また全体として、または一部において柔軟であっても良い。アレイ中の燃料電池は、他の平坦表面、例えば、チューブまたはカーブであっても良い。代替的に、または付加的に、アレイは、他のジオメトリに適合できるようにする柔軟性材料を含んで良い。
【００１６】
この発明は燃料電池システムの内部動作温度を制御する方法、物品、およびシステムに関し、この燃料電池システムは、「触媒層の下にある電流担持層を具備する電気化学電池」という名称の米国特許第７，６３２，５８７号明細書、および「電気化学反応層の下にある電流担持構造を具備する電気化学電池」という名称の米国特許出願公開第２０１０／０１８３９５５号明細書においてＭｃＬｅａｎ等により記述された、または、「スペース節約型流体プレナムを含む燃料電池システムおよび関連する方法」という名称の米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号明細書、および、「電気化学電池およびこれに関連する隔膜」という名称の米国特許出願公開第２０１１／０００３２２９号明細書においてＳｃｈｒｏｏｔｅｎ等により記述された、または、「非対称構造を具備する燃料電池および燃料電池部品およびその方法」という名称のＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ２０１１／０７９３７７号パンフレットにおいてＳｃｈｒｏｏｔｅｎ等により記述された、または「統合燃料電池およびヒートシンク組立体」という名称の米国特許第７，２０５，０５７号明細書においてＭｃＬｅａｎによって記述された、または「携帯電子装置における熱を管理するシステムおよび方法」という名称の米国特許出願公開第２００９／０２９７８９５号明細書においてＭｃＬｅａｎ等により記述された、燃料電池およびシステムのようなものである。これら特許文献の各々は参照してここに組み入れる。より具体的には、この発明は、燃料電池層のカソード領域の回りの非活性な空気の流れを邪魔することなしに、また燃料電池層の内部の温度勾配の形成を最小化することなしに、平面燃料電池層から熱を除去する速度を制御することによって、安定的な動作温度を維持するために使用できる適合的な熱除去システムに関する。
【００１７】
燃料電池の内部動作温度は、とりわけ、燃料電池反応により生成される熱、燃料電池が動作する環境の温度、および、燃料電池または燃料電池の組立体（例えば燃料電池層）に使用される任意の熱管理システムの特性により変化する。動作開始時、燃料電池の内部温度は、動作環境の温度と同一または類似であって良い。発熱性燃料電池反応により熱が放出されるときに、燃料電池の内部温度は上昇し、実際に、動作環境の温度を上回るであろう。
【００１８】
驚いたことに、燃料電池は、より多くの料の電力を生成する最適な動作温度を有し、この最適温度から上側または下側に逸脱すると、種々の理由から、電池により生成される電力が減少することが発見された。例えば、動作温度が下降して最適動作温度より下回ると、燃料電池またはこれを包囲する部品の内部の好ましくない温度勾配が、燃料電池システム内に水蒸気を凝縮させる。凝縮された水は、電池内の質量伝導活性を制限し、これにより、電力生成の減少がもたらされ、さらには燃料電池が完全に水浸しになる。他方、電池の動作温度が最適なものを上回ると、電池は環境に対して充分な熱を拒否できなくなることもあり、または隔膜が乾燥しきってしまい、これにより、隔膜抵抗が大きくなり、最終的には燃料電池からの電力生成が減少することになる。このため、燃料電池はしばしば予熱器およち熱散逸装置を用いる。予熱器は、開始時に燃料電池を温め、燃料電池がより高い動作温度に到達できるようにする。熱散逸装置（例えば大きなヒートシンクまたは冷却ファン）は、熱を燃料電池から取り除いてオーバーヒートにならないようにする。
【００１９】
しかしながら、驚いたことに、大型のヒートシンクのような熱散逸装置は実際にはシステムの性能を抑制するかもしれないということがわかった。例えば、燃料電池が高い温度で動作するときに、ヒートシンクは、所望のように低い温度で働き、この際、このヒートシンクは過剰な熱を散逸し、実際にはシステム開始を伸ばし、また、燃料電池が最適動作温度に達するのを阻害することさえある。他の熱管理システムは、燃料電池層に接触する空気流を変更することによって燃料電池層から熱を除去した（例えば、空気を燃料電池層に吹きつける冷却ファン）。カソード表面の上の空気流を変更すると、カソード中の水伝導特性が変えられてしまうかもしれない。同様に、アノード表面の家の空気の流れが変化すると、燃料電池内に深刻な温度勾配が形成されてしまうかもしれず、これは潜在的には、所定の条件下では、水の凝縮を引き起し、また、燃料電池性能の劣化を引き起こす。
【００２０】
この発明は、好ましい燃料電池性能は、燃料電池システムの熱質量を制限することにより獲得できるという見識に基づいてなされた。燃料電池システムの熱質量を小さく維持することにより、種々のシステム部品、例えば、燃料電池の動作温度を上昇させるために使用される部品を除去できる。これらのゴールは、（ｉ）燃料電池が開始時に所望の動作温度に到達するのに時間がかかったり、またはそれを阻止することがなく、（ｉｉ）燃料電池のアノードまたはカソードの表面の上の気体の流れに悪影響を与えることがなく、さらに、（ｉｉｉ）燃料電池層の内部に大きな温度勾配を形成しない、熱管理システムを使用することにより実現できる。
【００２１】
この発明は、燃料電池層のまわりの気体の流れを乱すことなく、かつ、燃料電池層のまわりの気体の流れを乱すための装置を必要とすることなく、燃料電池から熱を伝導させる燃料電池熱管理システムを提供する。この発明は、また、燃料電池層に較べて熱質量が小さく、または、当該熱伝達システムが、開始時に、燃料電池層から実質的な料の熱を取り除くことがなく、必要なときに、燃料電池のみから熱を散逸させつように活性化できる、熱伝達システムを提供する。いくつかの実施例において、この発明は、低温環境下でも、つねにオーバーヒートしている燃料電池システムを提供する。このため、この発明は、個別の加熱器を必要とすることなく低温下で動作できる燃料電池システムを提供する。
【００２２】
図１は、燃料電池システム１０を含む、この発明の１実施例を図説する。燃料電池システム１０は、燃料電池２０、熱伝達手段６０、熱散逸装置７０、および熱を除去する手段８０を含む。図説された実施例において、燃料電池２０は平面燃料電池であり、例えば、上述し、ここに組み入れた特許文献の１または複数に説明されている平面燃料電池である。燃料電池２０は、燃料電池ユニットのアレイ、例えば、燃料電池層をオプションで含んで良い。燃料電池２０は空気呼吸するカソード表面２２、燃料消費するアノード表面２４、および燃料分配マニホールド２６を含む。燃料は水素であってよい。いくつかの実施例において、燃料電池２０の重量電力比は約０．３ワット／グラム以上、０．４ワット／グラム以上、０．５ワット／グラム以上、または、１ワット／グラム以上である（例えば、１．５ワット／グラム、２．０ワット／グラム以上、または２．０ワット／グラムより大きい）。
【００２３】
熱伝達手段６０は、熱伝導性材料または流体を充填したダクトまたはパイプである。いくつかの実施例において、熱伝達手段６０は、熱伝導率が少なくとも１００Ｗ／ｍＫから２０００Ｗ／ｍＫである材料である。
【００２４】
燃料電池２０は、熱伝達手段６０に伝導性熱伝達要素６２および６４を介して熱伝達手段６０に結合され、熱連通される。熱伝達手段６０の熱伝達要素６２および６４は、両方とも、燃料電池２０の横サイド５０に結合され、熱連通される。熱伝達要素６２は空気呼吸カソード表面２２の横サイドに結合され、他方、熱伝達要素６４は水素消費アノード表面２４の横サイドに結合される。いくつかの実施例において、熱伝達要素６４は水素分配マニホールド２６の横サイドに結合される。他の実施例において、熱伝達要素６４は水素分配マニホールド２６の横サイドおよび水素消費アノード表面２４の横サイドの双方に結合され、または広がっている。
【００２５】
熱伝達手段は、熱散逸装置７０に結合され、かつ熱連通される。熱散逸装置は、例えば、ヒートシンクであってよい。熱散逸装置７０は、熱除去手段８０に結合され、かつ熱連通される。熱除去手段８０は、例えば、ファンまたは固体熱伝達機構（例えばペルチエクーラー）であって良い。いくつかの実施例において、熱散逸装置７０および熱除去手段８０は、一緒になって、熱伝達流体（例えば、空気以外の流体）を用いる冷却システムである。
【００２６】
熱伝達手段６０および熱散逸装置７０は、これらの組み合わされた熱質量が燃料電池２０の熱質量に較べて小さくなるように設計されている。この発明のいくつかの実施例において、熱伝達手段６０および熱散逸装置７０の組み合わせ熱容量は、燃料電池２０の熱質量の２００％分より小さい。
【００２７】
動作を説明すると、酸素および燃料が燃料電池２０に接触するように案内され、燃料電池反応が開始され、これによって燃料電池２０が電力および熱の生成を開始する。燃料電池２０内に熱質量が形成されるので、燃料電池２０の内部動作温度は上昇し、燃料電池動作をさらに駆動し、燃料電池２０により生成される電力および熱の量を増大させる。熱伝達手段６０および熱散逸装置７０の組み合わせ熱質量は燃料電池２０の熱質量に較べて小さいので開始位相において燃料電池反応により生成された熱の多くは、燃料電池２０内に止まる。このようにして、熱伝達手段６０および熱散逸装置７０は燃料電池２０の動作温度が上昇するのと阻止しない。
【００２８】
燃料電池反応により生成された熱は、燃料電池２０の横サイドから取り除かれ、熱伝達手段６０を通じて伝導され、熱散逸装置７０へ案内される。燃料電池２０の内部動作温度が所望の値を上回るならば、燃料電池２０の内部動作温度が所望の温度に復元されるまで、熱除去手段８０が、システム１０から熱を除去するように係合される。燃料電池システム１０の熱管理部品は燃料電池２０の横サイドから熱を取り除くだけなので、カソードおよびアノードの表面２２、２４の上の気体の流れは乱されない。
【００２９】
このようにして、燃料電池２０は、比較的低い温度（例えば、０°Ｃより低い温度、または約０°Ｃおよび４５°Ｃの間、または４５°Ｃおよび約５５°Ｃの間の温度）で動作を開始でき、所望の内部動作温度に、またはその近くに維持され、そのために、燃料電池２０への酸素または燃料の流れを乱したりすることがなく、また、燃料電池２０内部に大きな温度勾配を形成することがない。
【００３０】
いくつかの実施例において、熱散逸装置は、燃料電池システムの残りの部分の近くに位置決めされて良い。図２は、燃料電池システム２００としてのこの発明のそのような実施例を図説する。熱散逸装置２７０は、燃料電池システム２００の残りの部分の近傍に位置決めされる。システム２００は、燃料電池２２０、熱伝達手段２６０、および熱散逸装置２７０を含む。燃料電池２２０は、平面燃料電池であり、例えば、上述し、ここに組み入れた特許文献の１または複数に説明されている平面燃料電池であって良い。燃料電池２２０は空気呼吸するカソード表面２２２、水素消費するアノード表面２２４、および水素分配マニホールド２２６を含む。システム２００は、この発明のいくつかの実施例において、熱散逸装置２７０と熱連通される熱除去手段（図示しない）を含み、これは図１に図説されるシステム１０の熱除去手段８０と類似である。
【００３１】
熱伝達手段２６０は燃料電池２０の反対の横サイドに結合されて熱を電池２０のこれらサイドから熱散逸装置２７０の横サイドへと伝導する。絶縁層２９０は平面燃料電池２２０および熱散逸装置２７０の双方の主平面の間にこれらに面して配置される。熱散逸装置２７０は水素分配マニホールド２２６の丁度公報に位置決めされ、熱散逸装置２７０は、絶縁層２９０によって、燃料電池１２２０との間の直接的な熱伝達から絶縁される。いくつかの実施例において、絶縁層２９０は１ミリメートル未満の厚さであり、さらに／あるいは、その熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫまたはそれ未満である。
【００３２】
図３は燃料電池システム３００を含む、この発明の他の実施例を図説する。燃料電池システム３００は、燃料電池３２０（これは平面電量電池であってよい）、熱伝達手段３６０、熱散逸手段３７０、および熱除去手段３８０を含む。先に図説した実施例と同様に、熱伝達手段３６０は燃料電池３２０および熱散逸装置３７０に結合されて熱連通されている。熱除去手段３８０はコントローラ３３０に制御され、電気的に接続されている。コントローラ３３０は監視ライン３４０を通じて燃料電池３２０の内部動作温度を監視する。動作時、コントローラ３３０は燃料電池３２０の測定動作温度に基づいて熱除去手段３８０を活性化させる。燃料電池３２０の動作温度が許容限界を上回って上昇すると、熱除去手段３８０が活性化され、これは電池３２０の動作温度がより低い予め定められた温度に下降するまで続けられる。
【００３３】
以上の記述は説明的であることを意図しており、制約的ではない。他の実施例も利用でき、例えば、当業者は以上の記述を検討することにより採用できる。また、以上の発明の詳細な説明において、種々の特徴をグループ化して説明を簡便にしている。これは、特許請求の範囲に記載されていない特徴がいずれかの請求項において基本的であると理解されてはならない。したがって、特許請求の範囲は発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自体で個別の実施例を表す。この発明の範囲は、特許請求の範囲や、そのような特許請求の範囲の権限が及ぶ均等の全範囲を参照にして決定されるべきである。
【符号の説明】
【００３４】
１０    燃料電池システム
２０    燃料電池
２２    カソード表面
２４    アノード表面
２６    燃料分配マニホールド
２６    水素分配マニホールド
５０    横サイド
６０    熱伝達手段
６２、６４        伝導性熱伝達要素
７０    熱散逸装置
８０    熱除去手段
【図１】
2015522203.tif 000003
【図２】
2015522203.tif 000004
【図３】
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【国際調査報告】
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