(57)【要約】【課題】燃料電池の陽極作用時に陽極燃料の温度を一定の範囲内にコントロールする恒温コントロールシステムと恒温コントロール方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムには陽極燃料、燃料電池核心部、及び温度／燃料感知層を設け、また恒温コントロールシステムにはヒートパイプヒートシンク、放熱部、加熱部、並びに温度コントロールプロセッサユニットを設け、これによりヒートシンク及び陽極燃料の温度をある一定の範囲内に維持する。【選択図】        図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムには少なくとも一つの燃料電池核心部、並びに該燃料電池核心部の陽極上側に接合される温度／燃料感知層を具有し、且つ該燃料電池核心部の陽極作用時に必要な陽極燃料の流動空間を提供する燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法において、
第一端末及び第二端末を具有し、一部が該温度／燃料感知層に設置され、且つ該第一端末が該温度／燃料感知層内部に進入させ、該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量が該第二端末に伝導される一つ以上のヒートパイプと、
該ヒートパイプの第二端末に連結されるヒートシンクと、
該ヒートシンクの放熱を行い、該ヒートシンクの温度を下げる放熱部と、
該ヒートシンクの加熱を行い、該ヒートシンクの温度を上げる加熱部と、
該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量である温度を感知し、且つ該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも高い際に該放熱部を起動させてヒートシンクの放熱を行い、該陽極燃料の温度を下げ、逆に該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも低い際には、該加熱部を起動させて該ヒートシンクの温度を上げ、該陽極燃料の温度を上げるための温度コントロールプロセッサユニットと、
を具有し、該恒温コントロールシステムによって該陽極燃料の温度がある一定の範囲の温度に保たれ、該燃料電池核心部の陽極作用の効果が高められることを特徴とする燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項２】
該放熱部はファン或いは送風機であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項３】
該ヒートシンクは熱伝導係数の高い材質により製造されていることを特徴とする請求項１の記載燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項４】
該材質とは銅或いはアルミ等の金属から選ばれることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項５】
該温度コントロールプロセッサユニットは少なくとも一つの温度センサを含み、該温度／燃料感知層は、該陽極燃料の温度を感知するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項６】
該燃料電池システムは直接メチルアルコール燃料電池システムであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項７】
該ヒートパイプの第一末端はメチルアルコール水溶液中に進入していることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項８】
燃料電池システムには少なくとも一つの燃料電池核心部、及び該燃料電池核心部の陽極上側に設置された一つの温度／年量感知層を具有し、該燃料電池核心部の陽極作用時に必要な陽極燃料の流動空間を提供する燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法において、
少なくとも一つ以上のヒートパイプを提供し、該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量を該ヒートパイプの第二端末に伝導させるべく、該ヒートパイプの一部は該温度／燃料感知層に設置され、且つ該ヒートパイプの第一端末は該温度／燃料感知層内部に進入させる第一の手順と、
該ヒートパイプの第二端末とヒートシンクを連結させる第二の手順と、
該ヒートシンクの放熱を行い、該ヒートシンクの温度を下げるべく、放熱部を提供する第三の手順と、
該ヒートシンクの加熱を行い、該ヒートシンクの温度を上げるべく、加熱部を提供する第四の手順と、
該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量である温度を感知し、該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも高い際には該放熱部を起動させてヒートシンクの放熱を行い、該陽極燃料の温度を下げ、また逆に該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも低い際には該加熱部を起動させてヒートシンクの加熱を行い、該陽極燃料の温度を上げるべく、温度コントロールプロセッサユニットを設置する第五の手順と、
を含み、上述の五つの手順により該陽極燃料の温度をある一定の範囲内に保持し、該燃料電池核心部の陽極作用の効果を高めることを特徴とする燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項９】
該放熱部はファン或いは送風機の何れかであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項１０】
該ヒートシンクは熱伝導係数の高い材質により製造されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項１１】
該材質とは銅或いはアルミより選択されることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項１２】
該温度コントロールプロセッサユニットには少なくとも一つの温度センサを含み、該温度／燃料感知層では該陽極燃料の温度を感知することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項１３】
該燃料電池システムは直接メチルアルコール燃料電池システムであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【請求項１４】
該ヒートパイプの第一端末は、メチルアルコール水溶液中に進入していることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法に係り、特に燃料電池の作用時における陽極燃料がある一定の温度範囲内にコントロールするための恒温コントロールシステムと恒温コントロール方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
アメリカ特許第USP6,146,779号の掲載する「Fluid flow plate ，fuel cell assembly system ，and method employing same for controlling heat in fuel cells」においては、ヒートパイプを利用して燃料電池の熱量をコントロールする方法が掲示されている。
またアメリカ特許第USP6,598,397号の掲載する「Integrated micro combined heat and power system」ではヒートパイプと燃料電池、温度コントロールなどの構造が掲示されている。
【特許文献１】アメリカ特許  第USP6,146,779号
【特許文献２】アメリカ特許  第USP6,598,397号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のアメリカ特許第USP6,146,779号では温度コントロール構造を提供し、燃料電池中で実施しているが、恒温コントロールの機能は無く、且つFluid flow plat（流体流動板）及びfuel cell assembly system（燃料電池アッセンブリーシステム）の構造が複雑で製造が困難である欠点がある。更に流体流動板の構造により、燃料電池アッセンブリーシステムの具有する温度コントロールシステムの設計は比較的大型のシステムに適したものとなっており、小型で携帯に適した電子製品や、更にサイズの小さな電子製品には不適であることが言える。
またアメリカ特許第USP6,598,397号においては、廃熱発電に応用されるものであり、恒温コントロールとは無関係である。
そこで上述の欠点等に鑑み、燃料電池の陽極作用時に陽極燃料をある一定の温度範囲内にコントロールすることで発電効果を高めるべく、本発明の恒温コントロールシステムと恒温コントロール方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
燃料電池システムにおいては、少なくとも一つの燃料電池核心部、及び該燃料電池核心部の陽極上側に設置する温度／燃料感知層を設け、燃料電池核心部の陽極作用時に必要な陽極燃料の流動空間を提供する。
また恒温コントロールシステムにおいては、少なくとも一つ以上のヒートパイプを設け、該ヒートパイプの一部は該温度／燃料感知層に設置し、且つ該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量を該ヒートパイプの第二端末に伝導すべく、該ヒートパイプの第一端末は該温度／燃料感知層内部に進入させ、更に該第二端末が連結されるヒートシンク、並びに該ヒートシンクの温度を下げる放熱部、及び該ヒートシンクの温度を上げる加熱部を設ける。
更に恒温コントロールシステムが陽極燃料の温度を一定の範囲に維持し、該燃料電池核心部の陽極作用効果を高めるべく、該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量である温度を感知し、陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも高い際に該放熱部を起動させて該ヒートシンクの放熱を行い、陽極燃料の温度を下げ、逆に該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも低い際に該加熱部を起動させて該ヒートシンクの加熱を行い、該陽極燃料の温度を上げるべく、温度コントロールプロセッサユニットを設ける。
【０００５】
燃料電池システムの恒温コントロール方法においては、燃料電池システムには少なくとも一つの燃料電池核心部、及び該燃料電池核心部の陽極上側に設置する温度／燃料感知層を設け、該燃料電池核心部の陽極作用時に必要な陽極燃料の流動空間を提供するが、該方法には以下の手順を含む。
第一の手順として、一つ以上のヒートパイプを提供し、該燃料電池核心部の陽極作用時に生じる熱量を該ヒートパイプの第二端末に伝導させるべく、該ヒートパイプの一部は該温度／燃料感知層に設置し、且つ該ヒートパイプの第一端末は該温度／燃料感知層内部に進入させる。
第二の手順として、該ヒートパイプの第二端末とヒートシンクとを連結させる。
第三の手順として、該ヒートシンクの温度を下げるべく放熱を行う放熱部を提供する。
第四の手順として、該ヒートシンクの温度を上げるべく加熱を行う加熱部を提供する。
第五の手順として、該燃料電池核心部の陽極作用時に発生する熱量である温度を感知するべく、温度コントロールプロセッサユニットを設置する。これにより該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも高い際には該放熱部を起動させてヒートシンクの放熱を行い、該陽極燃料の温度を下げ、逆に該陽極燃料の温度がある一定の範囲よりも低い際には該加熱部を起動させて該ヒートシンクの加熱を行い、該陽極燃料の温度を上げるものとする。
以上の手順により、該陽極燃料の温度をある一定の範囲内に維持し、該燃料電池核心部の陽極作用効果を高めるものとする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、該ヒートパイプを恒温コントロールシステムの燃料電池システムに応用し、且つ直接メチルアルコール燃料電池を応用することで、該直接メチルアルコール燃料電池が正常に動くのに適した安定した環境を提供することに成功し、また同時に、異なる燃料電池システムの形状に対応し、燃料電池システムに合わせて使用される電子製品の空間配置条件に合わせるべく、ヒートパイプを3D構造に加工することで、電子製品及び小型の電子製品に適したシステムを提供することに成功した。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に示すように、本発明の燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステム及びその恒温コントロール方法であるが、先ず恒温コントロールシステム２０は燃料電子システム１０中に応用されるものであり、燃料電池核心部１０１においては、化学作用を実行する際に熱量が発生するため、特に該燃料電子核心部１０１は複数の直列或いは並列方式で共に発電を行っていく際には、全体で発生する熱量の温度は莫大となり、つまりこれをコントロールしなければ該燃料電池システム１０に悪影響が及びことが言える。
【０００８】
図２に示すように、該燃料電池の核心部１０１の構造であるが、陽極上は温度／燃料感知層１０３と接合されており、該温度／燃料感知層１０３の主な機能とは、該燃料電池核心部１０３が陽極作用するときに必要な陽極燃料の流動空間を提供することであり、本発明における該恒温コントロールシステム２０の一部の構成は該温度／燃料感知層１０３に設置される。以下では本発明の該恒温コントロールシステム２０は直接メチルアルコール燃料電池システムを例とし、該恒温コントロールシステム２０が如何にして直接メチルアルコール中にて運用されるかを詳細に挙げる。また本発明では恒温コントロールシステムの直接メチルアルコールのみを範例内容に取り上げるが、該技術を熟知する者であれば、その他の燃料電池システム中でも応用ができるものであるため、発明の範囲は上述に限られないものとする。
【０００９】
図３に示すように、該温度／燃料感知層に設置されたヒートパイプの構造においては、陽極燃料が注入孔１０３ａを経て陽極燃料作用区１０３ｂにまで至り、該燃料電池核心部１０１は該陽極燃料作用区１０３ｂにて陽極作用を進行する。該温度／燃料感知層１０３は二層の基板を重ね合わせて成るものとし、下層の基板は中空の四角形を呈した空間を形成し、該中空の四角形の空間とは陽極燃料作用区１０３ｂの実施手段である。また上層の基板とは平板であり、且つ該平板の適当な位置には注入孔１０３ａが形成されているものとする。また少なくとも一つ以上のヒートパイプ２０１が設けられるが、該ヒートパイプ２０１の一部は該温度／燃料感知層１０３に設置されており、且つ該ヒートパイプ２０１の第一端末２０１ａは該温度／燃料感知層１０３内部まで進入しており、該ヒートパイプ２０１は該燃料電池核心部１０１が陽極作用する際に、発生した熱量を該ヒートパイプ２０１の第一端末２０１ａにまで伝導し、最後には第二端末２０１ｂにまで伝導される。更に具体的には、該ヒートパイプ２０１の第一端末２０１ａと該温度／熱量感知層１０３とが連結され、且つ該第一端末２０１ａは約５mmとし、陽極燃料のメチルアルコール水溶液中に進入できるものとする。また該ヒートパイプ２０１は断熱性質を具有する粘着材により、該温度／燃料感知層１０３と粘着されて一体となり、同時に該温度／燃料感知層１０３内部にヒートパイプ２０１の一部を進入させる方法であるが、該温度／熱量感知層１０３に穿孔を開ける方法でもよしとし、こうすることで該ヒートパイプ２０１の一部を該層１０３に進入させるようにしてもよい。
【００１０】
該ヒートパイプ２０１の第二端末２０１bは該ヒートシンク２０３と連結されるが、その連結方式の具体的手段としては、該ヒートシンク２０３の底部に穿孔を開け、且つ該ヒートパイプ２０１と極力直接接触するようにせしめ、連結時に間隙が発生してしまった部分は高導熱性粘着材により該ヒートパイプ２０１と該ヒートシンク２０３とを密に粘着させる。主な目的とは該ヒートパイプ２０１と該ヒートシンク２０３との間の空気間隙を最小にまで減らすことにあり、該ヒートパイプ２０１の数量においては一本或いは複数とし、同時に該ヒートパイプ２０１の断面形状は円形或いは楕円形とし、また該ヒートパイプ２０１の種類においては銅ヒートパイプ或いはYBCOヒートパイプ、あるいはその他の熱伝導係数の高いヒートパイプとし、管壁は銅粉或いはその他の金属孔隙材料とし、該ヒートパイプ２０１内の有効流体は純水或いはその他の液体とする。熱伝導係数Kは20000以上が望ましいが、50000を超えれば尚良く、ヒートパイプ製造方法においては焼結、或いはその他の熱伝導係数を高める方式によるものとする。
【００１１】
該ヒートパイプ２０１の第二端末２０１ｂを連結するヒートシンク２０３においては、銅やアルミ、或いはその他の熱伝導係数が比較的高い材質によるものとし、該ヒートシンク２０３の底部ホルダの形状においては、四角形や円形、或いはその他の規則的な形状とし、該ホルダのフィンにおいては全て方形のフィン、垂直交錯するフィン、外向きに放射状を呈したフィン、或いはその他の熱交換効果に優れる任意の幾何学的形状のものとしてもよい。
【００１２】
該放熱部２０７においては、主にヒートシンク２０３に対して放熱を行うものであり、該ヒートシンク２０３の温度を下げるものである。該放熱部２０７はファンや送風機を採用し、更にファンや送風機は回転速度等で風量を調整できるものがよく、こうすることで良好な放熱効果を提供する。
【００１３】
該加熱部２０９においては、主に該ヒートシンク２０３に対して加熱を行うものであり、該ヒートシンク２０３の温度を上げるためのものである。
【００１４】
該温度コントロールプロセッサユニット２０５においては、主に該燃料電池核心部１０１が陽極作用するのを感知するものであり、その際に発生する熱量が既にどの程度の温度（数値）にまで至ったかを感知する。同時に該温度コントロールプロセッサユニット２０５は陽極燃料の温度がある一定の温度範囲より高くなった際に、該放熱部２０７を起動させて該ヒートシンク２０３に対して放熱を行い、該放熱部２０７が該ヒートシンク２０３の温度を下げる。同時に該温度コントロールプロセッサユニット２０５は陽極燃料の温度がある一定の値よりも低い場合に該加熱部２０９を起動させて該ヒートシンク２０３の温度を上げ、更に該ヒートパイプ２０１の第二端末２０１bによって加熱熱量を該第一端末２０１aにまで伝導させる。こうすることで該陽極燃料温度の上昇がコントロールされる。実際には該温度コントロールプロセッサユニット２０５が少なくとも一つ以上の温度センサ２０５aを含み、また該温度センサ２０５aが該温度／燃料感知層１０３に設置され、陽極燃料の現在の温度が感知される。また該温度センサ２０５aはサーミスタ、白金抵抗温度計、クロムアルミ合金サーモカプル、鉄銅合金サーモカプル、白金サーモカプル等を採用する。更に該温度コントロールプロセッサユニット２０５には一つのプロセッサを設けることにより、温度センサ２０５aからのシグナルを受信するようにし、陽極燃料の現在の温度（数値）を得て、該放熱部２０７と加熱部２０９に対してオン或いはオフ等のコントロールを行うものとする。
【００１５】
図４に示すように、本発明の恒温コントロール方法３０には主に手順３１と手順３９を含む。詳細には該手順３１において少なくとも一つ以上のヒートパイプ２０１を提供し、該ヒートパイプ２０１の部分は該温度／燃料感知層１０３に設置され、且つ該ヒートパイプ２０１の第一端末２０１aは該層１０３内部に進入しているものとする。こうして該燃料電池核心部１０１の陽極作用時に発生する熱量が該ヒートパイプ２０１の第二端末２０１bにまで伝導される。該ヒートパイプ２０１の作用により、該温度／燃料感知層１０３を流動する陽極燃料が、外界にむかって熱量を放出する、或いは逆に外界の高い熱量を該陽極燃料に取り込む。手順３３では該ヒートパイプ２０１の第二端末２０１bとヒートシンク２０３とを連結する。手順３５においては該放熱部２０７を提供し、該放熱部２０７は該ヒートシンク２０３に対して放熱を行うものであり、該ヒートシンク２０３の温度を下げる。手順３７では該加熱部２０９を提供しており、該加熱部２０９とは該ヒートシンク２０３に対して加熱を行うものであり、該ヒートシンク２０３の温度を上げるものである。手順３９では該温度コントロールプロセッサユニット２０５を設置し、該温度コントロールプロセッサユニット２０５とは該熱量電池核心部１０１の陽極作用時に生じる熱量の温度を感知し、用拠訓量の温度がある一定の温度よりも高い際に、該放熱部２０７を起動させて放熱を行うものであり、よって陽極燃料の温度を放熱し、また陽極燃料の温度がある一定の温度範囲よりも低い時には該加熱部２０９を起動させて該ヒートシンク２０３の温度を上げ、陽極燃料の温度を上げるものとする。こうして該恒温コントロール方法３０とは、上述の手順によって該陽極燃料の温度をある一定の温度範囲内に維持するものとし、該燃料電池核心部１０１の陽極作用の効果を高め、直接メチルアルコール燃料電池システムを例とした場合では濃度５％のメチルアルコール水溶液を陽極燃料とし、該メチルアルコール水溶液の最も適した温度が60℃であるため、本発明における該恒温コントロール方法３０は該温度／燃料感知層１０３内の該陽極燃料作用区１０３bに位置する該メチルアルコール水溶液陽極燃料を、ベストの温度である60℃の設定温度範囲内にコントロールする。
【００１６】
実際には該放熱部２０７と加熱部２０９とヒートシンク２０３は該燃料電池システム１０の外部に設置してもよいが、該ヒートパイプ２０１の第一端末２０１aは陽極燃料と極近隣に位置させ、こうすることで該温度／燃料感知層１０３に設置された部分のヒートパイプ２０１は該燃料電池システム１０の内部に結合されなければならない。また該温度コントロールプロセッサユニット２０５の温度センサ２０５aは該陽極燃料と極近隣に設置されなければならず、つまり該温度センサ２０５aは該温度／燃料感知層１０３の内部に設置されるべきである。
【００１７】
更に図５に示すように、本発明を電子製品と組み合わせて一体化させる場合において説明を行う。該電子製品とは即ちノートブック型パソコンや他の携帯型の電子装置等を指し、ここでは該ヒートシンク２０３は直接CPUの放熱ホルダを用い、該放熱部２０７は直接CPUの放熱ホルダのファンや他のファンと共に放熱ホルダに対して風を提供して空気の流動を図るものとする。該加熱部２０９はCPU、或いはチップ等の電子製品における他のパーツとし、CPUやその他のパーツが作動時に生じる熱エネルギーを該恒温コントロールシステム２０に提供してコントロールされるものとする。
【００１８】
本発明実施の際には、該ヒートパイプ２０１と該温度／燃料感知層１０３の間の結合は、先に完成されているものとする。では該温度／燃料感知層１０３と燃料電池核心部１０１の接合においては、その接合手段はプレス、ラミネーション、粘着、ボルトによる螺設、挟設、或いはその他の接合方式により実施されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明である燃料電池システムに用いる恒温コントロールシステムにおける構造図である。
【図２】燃料電池核心部における構造図である。
【図３】温度／燃料感知層に設置したヒートパイプの構造図である。
【図４】本発明における恒温コントロール方法のフローチャートである。
【図５】本発明を電子製品と組み合わせて一体化した構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０  燃料電池システム
２０  恒温コントロールシステム
３０  恒温コントロール方法
３１，３３，３５，３７，３９  手順
１０１  燃料電池核心部
１０３  温度／燃料感知層
１０３ａ  注入孔
１０３ｂ  陽極燃料作用区
２０１  ヒートパイプ
２０１ａ  第一端末
２０１ｂ  第二端末
２０３  ヒートシンク
２０５  温度コントロールプロセッサユニット
２０５ａ  温度センサ
２０７  放熱部
２０９  加熱部
【図１】
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【図２】
2005123184.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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