(57)【要約】【課題】  発電部、燃料タンクおよび外部放熱部の間の熱切替えを行うことにより、発電部および燃料タンクの温度を最適に保つことができる燃料電池を提供する．【解決手段】  吸熱反応により燃料を放出する燃料タンク３と、前記燃料タンクより導入された燃料を用いて発電を行い熱を発生する発電部１ａと、前記発電部で発生する熱を外部へ放出する外部放熱部６を有する燃料電池において、前記発電部１ａ、燃料タンク３および外部放熱部６を接続し、前記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、かつ前記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、前記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可動式熱接続部材２１を有する燃料電池。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱反応により燃料を放出する燃料タンクと、前記燃料タンクより導入された燃料を用いて発電を行い熱を発生する発電部と、前記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において、前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部を接続し、前記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、かつ前記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、前記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することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部に接触して熱を伝導する可動式熱接続部材が設けられ、前記可動式熱接続部材が移動して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する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記可動式熱接続部材が移動して、発電部と燃料タンクと外部放熱部とを、発電部と燃料タンクとを、または発電部と外部放熱部とを接続する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部と、可動式熱接続部材とが接触する接触面積を変化させることにより伝熱量を変化させる請求項１乃至３のいずれかの項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記発電部及び燃料タンクは、発電部筐体及び燃料タンク筐体で覆われている請求項１乃至４のいずれかの項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記可動式熱接続部材を駆動する駆動部が設けられている請求項１乃至５のいずれかの項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記駆動部が発電部の温度、燃料タンクの内部圧力、または発電部より実負荷へ供給する電流の変化により作動して前記可動式熱接続部材を駆動する請求項１乃至６のいずれかの項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発電部及び燃料タンクを覆っている発電部筐体及び燃料タンク筐体が断熱部材で覆われている請求項１乃至７のいずれかの項に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池を用いた電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および電気機器に関する。特に、本発明はデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコンなどの持ち運び可能な小型電気機器に搭載可能な発電量が数ミリワットから数百ワットまでの燃料電池およびそれを用いた小型電気機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気機器を使用するために、種々の一次電池、二次電池が使用されてきた。しかし、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十分なエネルギーを供給できなくなっている。一方、二次電池においては、繰り返し充電して使用できるという利点はあるが、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池よりも更に少ない。そして、二次電池の充電の為には、別の電源が必要である上、充電には通常数十分から数時間かかり、いつでもどこでもすぐに使用できる様にするということは困難である。今後、電気機器のますますの小型、軽量化が進み、ワイヤレスのネットワーク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾向が高まる中で、従来の一次電池、二次電池では電気機器の駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。
【０００３】
このような問題の解決策として、燃料電池が注目されている。燃料電池は従来、大型の発電機、自動車用の駆動源として開発が進められてきた。これは燃料電池が、従来の発電システムに比べて、発電効率が高く、しかも廃棄物がクリーンであることが主な理由である。一方、燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。さらに、燃料のみを交換すれば連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充電に時間がかかることもない。
【０００４】
燃料電池には、様々な方式のものがあるが、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用する機器に対しては、固体高分子型燃料電池が適している。これは、常温に近い温度で使用でき、また、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有しているためである。
【０００５】
小型電気機器用の燃料電池の燃料としては、メタノール型が検討されてきた。これは、メタノールが保存しやすく、また入手しやすい燃料であることが主な理由である。
また、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが効果的である。常圧下において気体である水素を貯蔵する方法としては、第一の方法に水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。第二の方法としては水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。第三の方法としては水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。第四の方法では、メタノールやガソリンなどを燃料タンクに積み、改質して水素に変換して使用する方法がある。また、最近、第五の方法としてカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、カーボンナノホーンなどの炭素系材料が注目されている。これらの炭素系材料では、重量当たり約１０ｗｔ％の水素を吸蔵できる可能性があるためである。
【０００６】
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂が用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィヨンなどが知られている。固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が燃料電池セルとなる。この燃料電池セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。この発電反応は６０℃〜１００℃程度の温度範囲で行われると最も効率がよい。
【０００７】
しかし、高分子電解質膜は、１００℃を超えると、発電性能が著しく低下するという性質を有する。また、高分子電解質膜は、通常湿らせて使用するが、１００℃以上の温度では、高分子電解質膜中の水分が蒸発する。そのために、発電において燃料電池セル温度が１００℃以上になることは好ましくない。また、固体高分子型燃料電池の発電効率は５０％程度であり、発電量と同程度の熱が発生する。従って、発電においては、燃料電池セルを適切な温度に保つことが必要になる。
【０００８】
燃料電池セルを加熱して、発電効率を高めると共に、燃料電池セル温度を最適に保つように制御する試みとしては、従来、熱交換器を利用した方法が採られてきた。また、特許文献１に示すように、燃料を加湿する際に加熱あるいは冷却しておくことにより熱交換器を用いずに温度制御を行う方法が試みられている。また、特許文献２および特許文献３においては、ヒートパイプ、フィンを用いた冷却装置を使用することで、大型の制御装置を不要としている。
【０００９】
また、発電部および燃料タンク部を最適な温度に保つ従来例として、特許文献４においては、発電部の外部に冷却水路を設け、発電部の排熱により加熱された温水で燃料タンクを加熱する方法が開示されている。特許文献５においては、燃料タンク部外部に水素燃料を用いて触媒反応を起こす加熱容器を設け、そこで発生した熱により燃料タンク部を加熱する方法が開示されている。特許文献６においては、発電部と燃料タンク部の平面とを接触させることにより熱交換を行う燃料電池装置が開示されている。
【特許文献１】特開平８−６４２１８号公報
【特許文献２】特開２０００−３５３５３６号公報
【特許文献３】特開平１０−３４０７３４号公報
【特許文献４】特開平６−２６０２０２号公報
【特許文献５】特開平９−２２７１０１号公報
【特許文献６】米国特許第６２６８０７７Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の従来の燃料電池の構成では、小型の電気機器に搭載するための構成や、小型化するために必要な構成が考慮されていなかった。さらに、燃料電池の集積化が進むに従い、単位体積当たりの発熱量も増加し、それに伴って発熱量も大きくなる。例えば、デジタルカメラなどの小型電気機器は、手に持つなど人体に接して使用することも多く、燃料電池筐体が１００℃を超えるような高温になることは好ましくない。
【００１１】
また、燃料電池セルである発電部の周囲を筐体によって覆うと、熱がこもり、燃料電池セルが高温になりやすくなる。燃料電池セルは１００℃を超えるような高温では正常に動作しなくなるという性質を有する。これに対して冷却装置を使用する場合、大型の冷却装置を使用することは、システムの小型化において好ましくない。
【００１２】
また、燃料電池全体を小型化すると、燃料タンクと燃料電池セルとの距離が近くなり、発電に伴って発生する熱が、燃料タンク内部に伝わりやすくなり、タンク内の内圧を高める原因になり好ましくない。
【００１３】
本発明は、この様な従来技術の課題を解決するためになされたものである。本発明は、燃料電池において、発電部、燃料タンクおよび外部放熱部の間の熱切替えを行うことにより、発電部および燃料タンクの温度を最適に保つことができる燃料電池およびそれを用いた電気機器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち、本発明は、吸熱反応により燃料を放出する燃料タンクと、前記燃料タンクより導入された燃料を用いて発電を行い熱を発生する発電部と、前記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において、前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部を接続し、前記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、かつ前記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、前記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することを特徴とする燃料電池である。
【００１５】
前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部に接触して熱を伝導する可動式熱接続部材が設けられ、前記可動式熱接続部材が移動して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するのが好ましい。
【００１６】
前記可動式熱接続部材が移動して、発電部と燃料タンクと外部放熱部とを、発電部と燃料タンクとを、または発電部と外部放熱部とを接続するのが好ましい。
前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部と、可動式熱接続部材とが接触する接触面積を変化させることにより伝熱量を変化させるのが好ましい。
【００１７】
前記発電部及び燃料タンクは、発電部筐体及び燃料タンク筐体で覆われているのが好ましい。
前記可動式熱接続部材を駆動する駆動部が設けられているのが好ましい。
【００１８】
前記駆動部が発電部の温度、燃料タンクの内部圧力、または発電部より実負荷へ供給する電流の変化により作動して前記可動式熱接続部材を駆動するのが好ましい。
前記発電部及び燃料タンクを覆っている発電部筐体及び燃料タンク筐体が断熱部材で覆われているのが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、上記の燃料電池を用いた電気機器である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、発電部で発生する熱を熱接続手段を介して、前記燃料タンクへの熱供給と余剰な熱の外部への放出を行う熱の切替えができるので、発電部および燃料タンクの温度を最適に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の燃料電池は、吸熱反応により燃料を放出する燃料タンクと、前記燃料タンクより導入された燃料を用いて発電を行い熱を発生する発電部と、前記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において、前記発電部、燃料タンクおよび外部放熱部を接続し、前記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、かつ前記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、前記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することを特徴とする。
【００２２】
先ず、本実施例の燃料電池の構成について説明する。
図１は本発明の燃料電池の構成を示す概略図である。図２は本発明の燃料電池の正面図である。
【００２３】
本発明の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるための通気孔７を有する。また、この通気孔７は生成した水を水蒸気として外に逃がす働きもしている。また、一方の側面には、電気を取り出すための電極５３を有する。燃料電池の内部は、発電部１と、燃料を貯蔵する燃料タンク３と、発電部１の熱を外部へ放出する外部放熱部６と、固定熱接続部材２及び可動式熱接続部材４からなる熱接続手段、発電部１で発電した電気をとりまとめる配線部５によって構成されている。発電部１は、高分子電解質膜１２、酸化剤極１１、燃料極１３および触媒を有する燃料電池セル１ｂを有する。また、固定熱接続部材２及び可動式熱接続部材４は、発電部１の熱を燃料タンク３及び外部放熱部６へ熱交換するものである。
【００２４】
図１には示していなが、発電部と燃料タンクは、外部とは断熱された部材で覆われている。固定熱接続部材２は燃料タンク３に固定して接続し、可動式熱接続部材４と接触している。
【００２５】
ここで、本発明の燃料電池の形態と、発電部で発生する熱の切替え機能および熱接続手段について説明する。
以下に、本発明の燃料電池の各部位について説明する。
【００２６】
発電部１の燃料電池セルについて説明する。燃料電池セルは燃料極１３に燃料（水素）、酸化剤極１１に酸化剤（酸素または空気）を供給することにより、触媒反応が起こり、発電する。その際、生成物として水が発生する。燃料極１３および酸化剤極１１での反応は、下記の反応式の通りである。
【００２７】
【化１】
2007080587.tif 000003
【００２８】
上反応式で示されるように、得られる電流量と消費する水素量とには比例関係があり、このときの化学反応により発電（電気エネルギー）とともに熱が発生する。
電流量Ｉ［Ａ］の発電をおこなったとすると、消費する水素量は５．１×１０６×Ｉ［ｍｏｌ／ｓ］となる。
【００２９】
また、発電とともに熱が発生する。理論上の発熱量は以下のように計算される。発電量をＰ［Ｗ］、燃料電池セル１枚当たりの起電力をｖ［Ｖ］として、
発熱量Ｈc＝Ｐ×（ｖ0−ｖ）÷ｖ
＝Ｉ×（ｖ0−ｖ）
ただし、ｖ0：理論開回路電圧（２５℃では１．２３［Ｖ］）である。
【００３０】
また、上記の化学反応で生成される水素１ｍｏｌにおけるエネルギーは、２８５．８３［ｋＪ／ｍｏｌ］であり、そのうち反応そのものに必要な熱量は、４８．７［ｋＪ／ｍｏｌ］である。よって、電気エネルギーとして取り出せる最大値Ｑ1は、
Ｑ1＝２８５．８−４８．７＝２３７．１３［ｋＪ／ｍｏｌ］
となる。
【００３１】
発電効率を５０％、そのときの水素タンクの貯蔵量を２［Ｌ］とすると、発電部における熱として出る総熱量Ｑ2は、（気体１ｍｏｌの体積２２．４［Ｌ］とすると）
Ｑ2＝２７３．１３×（２／２２．４）×０．５≒１０．６［ｋＪ／ｍｏｌ］
となる。
【００３２】
次に、燃料タンク３について説明する。本発明では燃料として水素を使用するものとする。タンクの内部に水素吸蔵合金を充填する場合について述べる。
一般に、燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、供給する燃料圧力と外気圧力との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いるのが望ましい。例えば、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、ＬａＮｉ5などを用いることができる。
【００３３】
表１にＬａＮｉ5の温度による水素放出速度の変化を示す。一般に水素吸蔵合金は温度が低下すると、水素放出速度は低下する。また、水素吸蔵合金から水素を放出することは吸熱反応であるから、熱を与えることが必要であり、熱を与えなければ、燃料タンクの温度は低下することになる。従って、燃料電池発電中、発電に十分な水素放出量を得るためには、燃料タンクの温度低下を防ぐ必要がある。
【００３４】
【表１】
2007080587.tif 000004
【００３５】
但し、タンク容量＝５．１５ｃｍ3：２．８×２．３×０．８ｃｍである。
一方、一般に水素吸蔵合金は温度の上昇に伴い、水素の解離圧が上昇する。表２にＬａＮｉ5の温度による水素の解離圧の変化を示す。表２から分かるように、燃料タンク内の温度が５０℃を超えると、タンク内圧は０．５ＭＰａを超えてしまい発電部内の高分子電解質膜を壊す可能性がある。燃料タンクが、このような高圧になることは、破裂の危険性が高まる。たとえ、燃料タンクと燃料電池セルとの間に燃料の圧力を制御するバルブを入れたとしても、バルブが正常に動作しなくなる原因となる。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
ここで、水素タンクの吸熱量を発電部の発熱量で賄ったときに余剰として残る発熱量を熱源として仮にデジタルカメラなどの小型電気機器の中に置いた場合、その小型電気機器の表面温度を試算して説明する。
【００３８】
水素タンクの吸熱量を発電部の発熱量で賄うとすると、燃料タンクから水素を放出するために必要な吸熱量Ｑ3は、（ｍｏｌをリットルに換算）
Ｑ3＝３０〔ｋＪ／ｍｏｌ〕＝３０×（２／２２．４）＝２．７〔ｋＪ〕
であり、発電部における熱として出る総熱量が、Ｑ2≒１０．６［ｋＪ／ｍｏｌ］であるから、発電部に余剰として残る発熱量ΔＱは、
△Ｑ＝１０．６−２．７＝７．９〔ｋＪ〕
となる。
【００３９】
この発電部に余剰として残る発熱量ΔＱを熱源として仮にデジタルカメラなどの小型電気機器のような約０．２［ｋｇ］程度のアルミ筐体の中に置いたとすると、その筐体の上昇最大温度ΔＴは、
△Ｔ＝△Ｑ／ｍ×Ｃ
＝７．９／０．２×０．９
≒４０〔Ｋ〕
となる。但し、アルミの比熱容量Ｃ：０．９［ｋｇ／ｋｇ・Ｋ］、アルミ筐体の質量ｍ：０．２［ｋｇ］とする。
【００４０】
外気温度を３０℃とすると、表面温度は７０℃となり手に持つなど人体に接して使用するには好ましくない温度となる。
このことから、発電部に余剰として残る発熱量を燃料電池筐体へ直接伝熱させ、さらに、そのままデジタルカメラなどの小型電気機器に燃料電池として装填することが好ましくないことがわかる。つまり、発電部に余剰として残る発熱量を燃料電池筐体へは伝熱させることなく、表面温度が人体に対して適切な温度となるように外部放熱部へ伝熱させて放熱することが望ましい。また、前述したように、燃料電池発電中、発電に十分な水素放出量を得るためには、燃料タンクの温度低下を防ぐ必要がある。外気が水素吸蔵合金から水素を放出可能となる温度以下であるような場合を考慮すると、燃料タンクを外気に直接触れさせるようにすることは好ましくないことがわかる。すなわち、発電部および燃料タンクを共に外気とは断熱されている構造をとることで、本発明の燃料電池の熱管理をより容易にすることができる。
【００４１】
そこで、発電部および燃料タンクは、共に外気とは断熱されている構造として、発電部で発生した熱を燃料タンク部へ供給しつつ、その余剰となった熱を外部放熱部へ伝熱させる熱切替え機能について、図３（ａ）〜（ｃ）により説明する。
【００４２】
図３（ａ）は、発電部１と燃料タンク３とを熱的に固定された伝熱部材ＴＪ１と、燃料タンク３と外部放熱部６とを熱的に切替え可能な熱接続部材ＴＳＷ１で構成した図である。発電部で発生した熱を燃料タンクへ伝熱部材ＴＪ１を介して伝熱させる。そして、燃料タンクが所定の温度以上になると、燃料タンクと外部放熱部を熱接続部材ＴＳＷ１で接続させることにより伝熱させる。燃料タンクが所定の温度以下になった場合もしくは所定の温度に達していない場合は、熱接続部材ＴＳＷ１を未接続状態に切替える。この動作により、発電部で発生した熱は、発電部に留まることなく燃料タンクへ伝熱される。そして、燃料タンクへ伝熱された熱は、燃料タンクの温度を所定の温度になるように供給でき、所定の温度以上になると余剰である熱の外部放熱部へ伝熱させることができる。
【００４３】
図３（ｂ）は、発電部と燃料タンクとを熱的に切替え可能な熱接続部材ＴＳＷ２と、発電部と外部放熱部とを熱的に切替え可能な熱接続部材ＴＳＷ３で構成した図である。燃料タンクが所定の温度に達していない場合もしくは所定の温度以下になった場合、発電部と燃料タンクを熱接続部材ＴＳＷ２で接続させることにより伝熱させる。燃料タンクが所定の温度以上になると、発電部と燃料タンクを熱接続部材ＴＳＷ２で未接続状態に切替えると同時に発電部と外部放熱部を熱接続部材ＴＳＷ３で接続させて伝熱させる。燃料タンクが再び所定の温度以下になった場合、発電部と燃料タンクを熱接続部材ＴＳＷ２で接続させることにより伝熱させると同時に発電部と外部放熱部を熱接続部材ＴＳＷ３で未接続状態に切替える。この動作により、発電部で発生した熱は、燃料タンクへ伝熱されることで燃料タンクの温度を所定の温度になるように供給でき、所定の温度以上になる前に供給を中断し余剰の熱として外部放熱部へ伝熱させることができる。
【００４４】
図３（ａ）と（ｂ）を比較すると、図３（ａ）は、外部放熱部が外的要因によって破損し満足できるだけの放熱ができなくなった場合、燃料タンクの温度は所定温度以上に上昇し水素の解離圧も上昇し、破裂の危険性が高まることとなる。図３（ｂ）は、外部放熱部が外的要因によって破損し満足できるだけの放熱ができなくなった場合でも、燃料タンクへの熱供給は中断されるため燃料タンクの破裂の危険性はない。そのために、実用上では図３（ｂ）の切替え機能のほうがより望ましい。
【００４５】
図３（ｂ）では、熱接続部材ＴＳＷ２とＴＳＷ３の２個構成で説明したが、この２つの熱接続部材を１つにまとめた熱接続手段として構成した場合を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）は、図３（ｂ）とほぼ同様に発電部と燃料タンクとを熱的に切替え可能であり、かつ発電部と外部放熱部とを熱的に切替え可能にした熱接続手段ＴＳＷ４で構成した図である。燃料タンクが所定の温度に達していない場合もしくは所定の温度以下になった場合、発電部と燃料タンクを熱接続手段ＴＳＷ４で接続させることにより伝熱させる。燃料タンクが所定の温度以上になると、発電部と燃料タンクを熱接続手段ＴＳＷ４で未接続状態に切替えると同時に発電部と外部放熱部を熱接続手段ＴＳＷ４で接続させることにより伝熱させる。燃料タンクが再び所定の温度以下になった場合、発電部と燃料タンクを熱接続手段ＴＳＷ４で接続させることにより伝熱させると同時に発電部と外部放熱部を熱接続手段ＴＳＷ４で未接続状態に切替える。この動作により、発電部で発生した熱は、燃料タンクへ伝熱されることで燃料タンクの温度を所定の温度になるように供給でき、燃料タンクの温度が所定の温度以上になると供給を中断し余剰の熱として外部放熱部へ伝熱させることができる。なお、ここで述べている外部放熱部は、表面温度が人体に接しても問題ない温度になるように設計されている。
【００４６】
以下に、図３（ｃ）の実施のための熱接続手段、すなわち、発電部と燃料タンクとを熱的に切替え可能であり、かつ発電部と外部放熱部とを同時に熱的に切替え可能にした熱接続手段について図４を用いて説明する。
【００４７】
発電部１ａと燃料タンク３は、接触して移動する可動式熱接続部材２１を介して熱的に接続および未接続状態に切替えることができる構造になっている。発電部１ａには、常に可動式熱接続部材２１が接触しており、また燃料タンク３には固定熱接続部材２２が常に接触している。発電部１ａと、発電部１ａの発熱を放出するための外部放熱部６は、発電部１ａに常に接触している可動式熱接続部材２１を介して外部放熱部６とを熱的に接続および未接続状態に切替えることのできる構造になっている。駆動部９は、発電部１ａの発電状態の変化を多角的に検出し、その変化を利用して可動式熱接続部材２１を駆動させる装置である。その駆動部９の動作によって、燃料タンク３に常に接触している固定熱接続部材２２あるいは外部放熱部６と、可動式熱接続部材２１の熱接続状態を変化させる。つまり、可動式熱接続部材２１を駆動させる駆動部９は、発電部１ａの発電状態の変化を例えば発電部１ａの発熱量の変化として捉えるものである。駆動部９は、温度によって形状が変形する形状記憶合金バネとバイアスバネで構成され、発電部１ａの発熱量の変化によって形状記憶合金の形状を変化させ、可動式熱接続部材２１を移動させる。可動式熱接続部材２１の移動量に変化によって各熱接続部の接触面積を変化させることで、発電部１ａから燃料タンク３への伝熱量と外部放熱部６への伝熱量を変化させることができる。
【００４８】
図４（ａ）において、発電部１ａの発電量が少ない場合、発電部１ａの発熱量も少なく燃料タンク３内の温度が低下していることが予測される。このとき、可動式熱接続部材２１は、駆動部９によって、燃料タンク３の固定熱接続部材２２と熱的に接続され、外部放熱部６とは、熱的に非接続状態となっている。これにより、燃料タンク３は、発電部１ａからの熱を取込むことにより、燃料タンク３の過度の温度低下を防ぐことができる。
【００４９】
図４（ｂ）において、発電部１ａの発電量が定常状態である場合、発電部１ａの発熱量も定常的に発生し、燃料タンク３内の温度も定常的に吸熱を必要としていることが予測される。このとき、可動式熱接続部材２１は、駆動部９によって、燃料タンク３の固定熱接続部材２２と熱的に接続されつつ、外部放熱部６とも、熱的に接続状態となっている。これにより、発電部１ａからの熱が燃料タンク３へ取込まれることで、燃料タンク３からの水素の放出を安定して供給することができる。それと同時に、発電部１ａからの熱が燃料タンク３へ取込まれる以外の余剰の熱を外部放熱部６へ放出することで、発電部１ａの温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。
【００５０】
図４（ｃ）において、発電部１ａの発電量が定常状態を越えている場合、発電部１ａの発熱量も定常状態を越えて発生し、燃料タンク３内の温度も吸熱に必要な量より以上の熱が取込まれていることが予測される。このとき、可動式熱接続部材２１は、駆動部９によって、燃料タンク３の固定熱接続部材２２と熱的に非接続され、外部放熱部６とは、熱的に接続状態となる。これにより、発電部１ａからの熱が燃料タンク３へ取込まれることを一時的に停止し、燃料タンク３内の温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。それと同時に、発電部１ａからの熱が全て外部放熱部６へ放出することで、発電部１ａ内の温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。この状態から、発電部１ａの発電量が定常状態へ戻るか、もしくは、燃料タンク３からの水素の放出量が減少することによる供給電流制限をし始めることで、発電部１ａの温度上昇は抑えられると同時に燃料タンク３内の温度も抑えられる。それにより、図４（ｂ）の定常状態へ移行する。
【００５１】
なお、本発明において、熱的に接続および非接続とは、熱伝導による制御の意味を示す。
本発明においては、熱接続手段により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が、発電部の温度は常温〜１００℃の範囲、燃料タンクの温度は２０〜５０℃の範囲に保つのが好ましい。
【００５２】
本発明の燃料電池システムの形態と発電部で発生する熱の切替え機能および熱接続手段について上述したが、燃料電池セルや流路、タンクの形状や配置関係に関しては、これに限定されるものではない。
【実施例】
【００５３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図５Ａおよび図５Ｂに、本実施例１における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の構成および動作を説明する。
【００５４】
図５Ａにおいて、発熱部である発電部１０１は発電部筐体１０２で覆われ、発電部筐体１０２は発電部１０１の発熱を放出するための可動式熱接続部材２０１と接触する部分を除いて断熱材２３で覆われている。吸熱反応によって燃料を放出する燃料タンク３０１は燃料タンク筐体３０２で覆われ、燃料タンク筐体３０２は燃料タンク３０１への吸熱のための可動式熱接続部材２０１と接触する部分を除いて断熱材２３で覆われている。
【００５５】
燃料タンク筐体３０２は、発電部筐体１０２と可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるように構成されている。発電部筐体１０２と発電部１０１の発熱を放出するための外部放熱部６０１は、可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。
【００５６】
燃料タンク筐体３０２、発電部筐体１０２および外部放熱部６０１は、各々伝熱性のすぐれた材料を使用する。例えば、材料の具体例としては、アルミまたは銅等が挙げられる。
【００５７】
可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は発電部１０１の温度の変化を検出し、その温度変化を利用することで可動式熱接続部材２０１を駆動し、燃料タンク筐体３０２あるいは外部放熱部６０１と発電部筐体１０２との熱的接続状態を変化させる。ここで可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は、形状記憶合金バネ９０２と、バイアスバネ９０４で構成されている。ここで、形状記憶合金バネ９０２は、発電部１０１で発生した熱の変化により長さおよび推力の変化を発生させることの出来るものである。また、バイアスバネ９０４は、このバネと相反する方向に力を発生させることの可能なものである。
【００５８】
形状記憶合金バネ９０２は、一方を発電部筐体１０２に固定され、他方は可動式熱接続部材２０１に固定し、その長さと推力は、発電部１０１より発生する熱による温度変化に応じて変化をする。バイアスバネ９０４は、一方を発電部筐体１０２に固定され、もう片方は可動式熱接続部材２０１に固定されている。それよって、可動式熱接続部材２０１の移動量即ち各熱接続部との接触面積は発電部の温度変化に応じて変化をする。
【００５９】
電気機器がアイドル状態であるような場合、発電部１０１の発熱量は少なく、燃料タンク３０１内の温度が低下傾向であることが予測される。このとき、図５Ｂ（ａ）のように、形状記憶合金バネ９０２に伝わる熱の温度も低い。そのため、形状記憶合金バネ９０２に発生する長さの変化および推力も小さく、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に非接続状態となる。これにより、燃料タンク３０１は、発電部１０１からの熱を取込むことで燃料タンク３０１の過度の温度低下を防ぐことができる。
【００６０】
電気機器が定常状態であるような消費電力が平均的な場合、発電部１０１の発熱量も定常的に発生し、燃料タンク３０１内の温度も定常的に吸熱を必要としていることが予測される。このとき、形状記憶合金バネ９０２に伝わる熱により変化する形状記憶合金バネ９０２の長さ及び推力が、バイアスバネ９０４の長さ及び推力と平衡のとれた状態になる。即ち、図５Ｂ（ｂ）のように、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続されつつ、外部放熱部６０１とも、熱的に接続状態となる。
【００６１】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることで、燃料タンク３０１からの水素の放出を安定して供給することができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれる以外の余剰の熱を外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。
【００６２】
電気機器が過渡的に過負荷であるような消費電力が定常状態をオーバーしている場合、発電部１０１の発熱量も定常状態をオーバーして発生し、燃料タンク３０１内の温度も吸熱に必要な量より以上の熱が取込まれていることが予測される。このとき、図５Ｂ（ｃ）のように、形状記憶合金バネ９０２に伝わる熱も上昇し、形状記憶合金バネ９０２に発生する推力も最大推力が発生し、バイアスバネ９０４のバネ力を超えた状態となる。そのため、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２とは熱的に非接続の状態となり、外部放熱部６０１とは熱的に接続状態となる。
【００６３】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることを一時的に停止し、燃料タンク３０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が全て外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。外部放熱部６０１は、このときの表面温度が３０℃程度になるように設計される。そして、電気機器の消費電力が定常状態に戻るにつれて図５Ｂ（ｂ）の各熱接続状態へ移行する。
【００６４】
以上のように、本実施例の形状記憶合金バネを熱接続手段に用いることにより燃料電池に接続した電気機器の稼動状態に応じて発生する熱に伴う温度変化を検出することができる。そして、それに基づいて、発電部１０１と燃料タンク３０１との熱接続状態、および発電部１０１と外部放熱部６０１との熱接続状態を変化させることができる。さらに、発電部１０１と燃料タンク３０１の温度を最適に保つことができる。
【００６５】
実施例２
図６Ａおよび図６Ｂに、本実施例２における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の構成および動作を説明する。
【００６６】
図６Ａにおいて、発熱部である発電部１０１は発電部筐体１０２で覆われ、発電部筐体１０２は発電部１０１の発熱を放出するための可動式熱接続部材２０１と接触する部分を除いて断熱材２３で覆われている。吸熱反応によって燃料を放出する燃料タンク３０１は燃料タンク筐体３０２で覆われ、燃料タンク筐体３０２は燃料タンク３０１への吸熱のための可動式熱接続部材２０１と接触する部分を除いて断熱材２３で覆われている。燃料タンク筐体３０２は、発電部筐体１０２と可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。
【００６７】
発電部筐体１０２と発電部１０１の発熱を放出するための外部放熱部６０１は、可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。燃料タンク筐体３０２、発電部筐体１０２および外部放熱部６０１は、各々伝熱性のすぐれた部材を使用する。
【００６８】
可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は、発電部１０１より発生する発電量の変化を検出しその発電量の変化を利用することで可動式熱接続部材２０１を駆動する。それによって、駆動部９０１は、燃料タンク筐体３０２あるいは外部放熱部６０１と発電部筐体１０２との熱的接続状態を変化させる。可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は、電磁コイル９０５、磁石９０３、バイアスバネ９０４で構成される。電磁コイル９０５は、発電部１０１より電気機器８０１へ供給する電気回路に直列接続している。磁石９０３は、その電磁コイル９０５で発生せる磁力とは反発する向きに作用する。バイアスバネ９０４は、電磁コイル９０５で発生する磁力とのバランスをとるためのものである。。
【００６９】
電磁コイル９０５の磁力は、発電部１０１より電気機器８０１へ供給する電流量に比例して発生するため、可動式熱接続部材２０１の移動量即ち各熱接続部の接触面積も電気機器８０１へ供給する電流量によって変化する。なお、電気機器８０１は、燃料電池負荷接続部（正極）５０４と燃料電池負荷接続部（負極）５０５によって電気的に接続されている。バイアスバネ９０４は、一方は発電部筐体部１０２に固定され、もう片方は可動式熱接続部材２０１に固定された磁石９０３に固定されている。
【００７０】
電気機器８０１がアイドル状態であるような消費電流が微小である場合、発電部１０１の発熱量は少なく、燃料タンク３０１内の温度が低下傾向であることが予測される。このとき、図６Ｂ（ａ）のように、電磁コイル９０５に流れる電流も微小である。そのため、電磁コイル９０５に発生する磁力も小さく、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に非接続状態となる。これにより、燃料タンク３０１は、発電部１０１からの熱を取込むことで燃料タンク３０１の過度の温度低下を防ぐことができる。
【００７１】
電気機器８０１が定常状態であるような消費電流が平均的な場合、発電部１０１の発熱量も定常的に発生し、燃料タンク３０１内の温度も定常的に吸熱を必要としていることが予測される。このとき、図６Ｂ（ｂ）のように、電磁コイル９０５に流れる電流も平均的であるから、電磁コイル９０５に発生する磁力も最大磁力の１／２程度発生し、磁石９０３の反発力と合わせてバイアスバネ９０４と均衡のとれた状態となり、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続されつつ、外部放熱部６０１とも、熱的に接続状態となっている。
【００７２】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることで、燃料タンク３０１からの水素の放出を安定して供給することができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれる以外の余剰の熱を外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。
【００７３】
電気機器８０１が過渡的に過負荷であるような消費電流が定常状態をオーバーしている場合、発電部１０１の発熱量も定常状態をオーバーして発生し、燃料タンク３０１内の温度も吸熱に必要な量より以上の熱が取込まれていることが予測される。このとき、図６Ｂ（ｃ）のように、電磁コイル９０５に発生する磁力も最大磁力近くが発生し、磁石９０３の反発力と合わせてバイアスバネ９０４のバネ力を超えた状態となる。また、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に非接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に接続状態となる。これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることを一時的に停止し、燃料タンク３０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。
【００７４】
それと同時に、発電部１０１からの熱が全て外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。外部放熱部６０１は、このときの表面温度が３０℃程度になるように設計される。
【００７５】
そして、電気機器８０１の過負荷状態が収まり供給電流が定常状態へ戻るか、もしくは、燃料タンク３０１からの水素の放出量が減少することによる供給電流制限をし始めることで、発電部１０１の温度上昇は抑えられると同時に燃料タンク３０１内の温度も抑えられ、図６Ｂ（ｂ）の定常状態へ移行する。
【００７６】
以上のように、発電部１０１に接続した電気機器８０１の稼動状態に応じて、発電部１０１と燃料タンク３０１との熱接続状態、および発電部１０１と外部放熱部６０１との熱接続状態を変化させることができる。さらに、発電部１０１と燃料タンク３０１の温度を最適に保つことができる。
【００７７】
実施例３
図７Ａおよび図７Ｂに、本実施例３における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の構成および動作を説明する。
【００７８】
図７Ａにおいて、発熱部である発電部１０１は発電部筐体１０２で覆われ、発電部筐体１０２は発電部１０１の発熱を放出するための可動式熱接続部材２０１と接触する部分を除いて断熱材２３で覆われている。吸熱反応によって燃料を放出する燃料タンク３０１は燃料タンク筐体３０２で覆われ、燃料タンク筐体３０２は燃料タンク３０１への吸熱のための可動式熱接続部材２０１と接触する部分を除いて断熱材２３で覆われている。燃料タンク筐体３０２は、発電部筐体１０２と可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。
【００７９】
発電部筐体１０２と発電部１０１の発熱を放出するための外部放熱部６０１は、可動式熱接続部材２０１と熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。ここで、燃料タンク筐体３０２、発電部筐体１０２および外部放熱部６０１は、各々伝熱性のすぐれた部材を使用する。可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は、燃料タンク３０１に生じる圧力の変化を検出しその圧力変化を利用することで可動式熱接続部材２０１を駆動する。それによって、駆動部９０１は、燃料タンク筐体３０２あるいは外部放熱部６０１と発電部筐体１０２との熱的接続状態を変化させる。
【００８０】
可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は、ピストン９０６、所定の圧力まで縮まないバネ定数を有するバイアスバネ９０４、燃料タンク３０１内部のガス雰囲気を保つシール材９０７から構成される。ピストン９０６の素材は断熱部材からなり、可動式熱接続部材２０１に固定されている。また、ピストン９０６は、燃料タンク３０１内にシリンダ部９０８を設け加熱により内部圧力が高まることで可動するものである。ピストン９０６の面に加わる圧力は、発電部で発生した熱が燃料タンク３０１に伝熱されて上昇する燃料タンク内温度に応じて上昇する。そのため、可動式熱接続部材２０１の移動量即ち各熱接続部の接触面積も燃料タンク内温度に応じて上昇する圧力によって変化する。
【００８１】
電気機器がアイドル状態であるような発電量が微小である場合、発電部１０１の発熱量は少ないことが予測される。このとき、図７Ｂ（ａ）のように、燃料タンク３０１は、発電部１０１からの熱を取込むことで燃料タンク３０１の過度の温度低下を防いでいる。燃料タンク３０１内の温度上昇も微小であるから、ピストン９０６の面に加わる圧力も小さく、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に非接続状態となる。
【００８２】
電気機器が定常状態であるような発電量が平均的な場合、発電部１０１の発熱量も定常的に発生し、燃料タンク３０１内の温度も定常的に吸熱を必要としていることが予測される。このとき、図７Ｂ（ｂ）のように、ピストン９０６の面に加わる圧力も所定内でありバイアスバネ３０４と均衡のとれた状態となり、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続されつつ、外部放熱部６０１とも、熱的に接続状態となっている。これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることで、燃料タンク３０１からの水素の放出を安定して供給することができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれる以外の余剰の熱を外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。
【００８３】
電気機器が過渡的に過負荷であるような発電量が定常状態をオーバーしている場合、発電部１０１の発熱量も定常状態をオーバーして発生し、燃料タンク３０１内の温度も吸熱に必要な量より以上の熱が取込まれていることが予測される。このとき、図７Ｂ（ｃ）のように、ピストン９０６の面に加わる圧力もバイアスバネ３０４のバネ力を超えた状態となり、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に非接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に接続状態となる。
【００８４】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることを一時的に停止し、燃料タンク３０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が全て外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。
【００８５】
外部放熱部６０１は、このときの表面温度が３０℃程度になるように設計される。そして、電気機器の過負荷状態が収まり発電量が定常状態へ戻るか、もしくは、燃料タンク３０１内の温度の低下により水素の放出量が減少することによる発電量の制限をし始める。それにより、発電部１０１の温度上昇は抑えられると同時に燃料タンク３０１内の温度も抑えられ、図７Ｂ（ｂ）の定常状態へ移行する。
【００８６】
以上のように、発電部１０１に接続した電気機器の稼動状態に応じて、発電部１０１と燃料タンク３０１との熱接続状態、および発電部１０１と外部放熱部６０１との熱接続状態を変化させることができる。さらに、発電部１０１と燃料タンク３０１の温度を最適に保つことができる。
【００８７】
実施例４
図８Ａ〜Ｃに、本実施例４における燃料電池の熱接続機構の構成を示す。
図８Ａにおいて、発電部１０１を覆う発電部筐体１０２と、吸熱反応によって燃料を放出する燃料タンク３０１を覆う燃料タンク筐体３０２は、可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。
【００８８】
また発電部１０１と、発電部１０１の発熱を放出するための外部放熱部６０１は、可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。発電部１０１より発生する温度の変化を検出し、その温度変化を利用して可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１によって、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２あるいは外部放熱部６０１と熱的接続状態を変化させる。
【００８９】
可動式熱接続部材２０１を駆動させる駆動部９０１は、形状記憶合金バネ９０２と、バイアスバネ９０４で構成される。形状記憶合金バネ９０２は、発電部１０１で発生した熱の変化により長さおよび推力の変化を発生させることの出来るものである。また、バイアスバネ９０４は、この形状記憶合金バネと相反する方向に力を発生さすことの可能なものである。
【００９０】
形状記憶合金バネ９０２の長さと推力は、発電部１０１より発生する熱の温度変化に応じて変化をする。バイアスバネ９０４は、一方を発電部筐体１０２に固定され、もう片方は可動式熱接続部材２０１に固定されているため、可動式熱接続部材２０１の移動量即ち各熱接続部との接触面積も発電部の温度変化に応じて変化をする。
【００９１】
電気機器がアイドル状態であるような場合、発電部１０１の発熱量は少なく、燃料タンク３０１内の温度が低下傾向であることが予測される。このとき、図８Ａのように、形状記憶合金バネ９０２に伝達する熱の温度も低い。そのため、該形状記憶合金バネに発生する長さの変化および推力も小さく、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に非接続状態となる。これにより、燃料タンク３０１は、発電部１０１からの熱を取込むことで燃料タンク３０１の過度の温度低下を防ぐことができる。
【００９２】
電気機器が定常状態であるような消費電力が平均的な場合、発電部１０１の発熱量も定常的に発生し、燃料タンク３０１内の温度も定常的に吸熱を必要としていることが予測される。このとき、形状記憶合金バネ９０２に伝わる熱により変化する形状記憶合金バネ９０２の長さ及び推力が、バイアスバネ９０４の長さ及び推力と平衡のとれた状態となる。即ち、図８Ｂのように、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続されつつ、外部放熱部６０１とも、熱的に接続状態となる。
【００９３】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることで、燃料タンク３０１からの水素の放出を安定して供給することができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれる以外の余剰の熱を外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。
【００９４】
電気機器が過渡的に過負荷であるような消費電力が定常状態をオーバーしている場合、発電部１０１の発熱量も定常状態をオーバーして発生し、燃料タンク３０１内の温度も吸熱に必要な量より以上の熱が取込まれていることが予測される。このとき、図８Ｃのように、形状記憶合金バネ９０２に発生する推力も最大推力が発生し、バイアスバネ９０４のバネ力を超えた状態となり、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に非接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に接続状態となる。これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることを一時的に停止し、燃料タンク３０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が全て外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。電気機器の消費電力が定常状態に戻るにつれて図８Ｂの各熱接続状態へ移行する。
【００９５】
以上のように、本実施例の形状記憶合金バネを熱接続機構に用いることにより、以下のような作用が得られる。すなわち、燃料電池に接続した電気機器の稼動状態に応じて発生する熱の温度変化を検出することができる。それにより、発電部１０１と燃料タンク３０１との熱接続状態、および発電部１０１と外部放熱部６０１との熱接続状態を変化させることができる。さらに、発電部１０１と燃料タンク３０１の温度を最適に保つことができる。
【００９６】
実施例５
図９Ａ、Ｂは、本発明による熱接続機構を具備した燃料電池の一例を示す概要図であり、燃料タンクが加熱され内部圧力が高まった場合の燃料電池概要図である。
【００９７】
図９Ａにおいて、本実施例の燃料電池は、水素を貯蔵する方法として水素吸蔵合金を用いた燃料タンク３０１とそれを覆う燃料タンク筐体３０２、そこから導き出された水素を用いて発電を行う発電部１０１とそれを覆う発電部筐体１０２を有する。また、発電部１０１から燃料タンク３０１へ熱を伝える可動式熱接続部材２０１、燃料タンク３０１の内部圧力が高まった場合に発電部１０１の熱を放熱するための外部放熱部６０１を有する。発電部１０１は燃料タンク３０１と図示しない燃料流路が設けられ燃料が供給される。
【００９８】
発電初期から燃料タンク３０１が所定内の圧力で水素を供給している場合において、発電部筐体１０２に固定されている固定伝熱部材１０３と、燃料タンク３０１に熱を伝える可動式熱接続部材２０１は接触している。そして、発電部１０１で発生した熱を燃料タンク３０１へ伝熱している。これにより、燃料タンク３０１が水素放出するのに必要な熱量を伝達することが出来る。またこの時、外部放熱部６０１は、熱伝導率の低い材質のバネ１０４により発電部筐体１０２より離れている状態であり、伝熱はされていない。
【００９９】
可動式熱接続部材２０１は発電部１０１より伝わる熱量によって、燃料タンク３０１が加熱されていき内部圧力が高まる場合、ピストン面１０５に加わる圧力が増していく。そして、所定の圧力まで縮まないバネ定数を有するバネ１０６が変形していく。それにより、接触部１０７の面積は変化する。この時、シール材９０７により燃料タンク３０１内部のガス雰囲気を保っている。接触部１０７は、発電初期から燃料タンク３０１が所定内の圧力で水素を供給している場合において、最大接触面積に調整してあり、燃料タンク３０１の内部圧力が高まるにつれて接触部１０７の接触面積は縮小していくことにより伝熱量が小さくなる。
【０１００】
さらに燃料タンク３０１の内部圧力が高まると、図９Ｂに示すように、固定伝熱部材１０３と可動式熱接続部材２０１は離れて熱断絶状態になる。それと共に、可動式熱接続部材２０１は外部放熱部６０１と一体になっている断熱材１０８を押す。それにより、外部放熱部６０１と発電部筐体１０２を接触させることになり、発電部１０１で発生した熱を放出することが出来る。
【０１０１】
また、熱断熱と放熱をしたことにより燃料タンク３０１の内部圧力が下がると、可動式熱接続部材２０１がバネ１０４により押し戻される。それにより、発電部筐体１０２と外部放熱部６０１との接触が断たれる。また、可動式熱接続部材２０１が固定伝熱部材１０３と接触し、発電部１０１から燃料タンク３０１へ熱が伝達される。
【０１０２】
このように、本実施例では、燃料タンクが加熱され内部圧力が高まるにつれて、伝熱部分の接触面積が縮小していくことにより発電部からの伝熱量を減少させることができる。さらに圧力が高まった場合には、燃料タンクと発電部との熱伝達を切り、且つ、発電部と外部放熱部を接触させる。そのため、短時間で発電部の温度を下げると共に燃料タンクの内部圧力を下げることができる。また、燃料タンクの内部圧力が下がると発電部と外部放熱部と熱接続を断ち、発電部から燃料タンクへと伝熱をすることが出来る。
【０１０３】
実施例６
図１０Ａ〜Ｃに、本実施例６における燃料電池の熱接続手段の構成を示す。
図１０Ａ〜Ｃにおいて、発電部１０１を覆う筐体部１０２と、吸熱反応によって燃料を放出する燃料タンク３０１を覆う燃料タンク筐体３０２とを、可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。また発電部１０１を覆う発電部筐体１０２と、発電部１０１の発熱を放出するための外部放熱部６０１は、可動式熱接続部材２０１で熱的に接続および非接続状態にできるような構造になっている。
【０１０４】
なお、外部放熱部６０１は、外部放熱部支持断熱部材６０２によって発電部１０１を覆う発電部筐体１０２に支持されている。駆動部９０１によって、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク３０１を覆う燃料タンク筐体３０２あるいは外部放熱部６０１との熱的接続状態を変化させる。駆動部９０１は、発電部１０１より実負荷である電気機器８０１へ供給する電流の変化を検出しその電流変化を利用して可動式熱接続部材２０１を駆動させる。
【０１０５】
駆動部９０１は可動式熱接続部材２０１を駆動させる。駆動部９０１は、発電部１０１より電気機器８０１へ供給する電気回路に直列接続した電磁コイル９０５とその電磁コイルで発生せる磁力とは反発する向きに作用する磁石９０３、電磁コイルで発生する磁力とのバランスをとるためバイアスバネ９０４で構成される。
【０１０６】
電磁コイル９０５の磁力は、発電部１０１より電気機器８０１へ供給する電流量に比例して発生するため、可動式熱接続部材２０１の移動量、即ち各熱接続部の接触面積も電気機器８０１へ供給する電流量によって変化する。なお、電気機器８０１は、燃料電池負荷接続部（正極）５０４と燃料電池負荷接続部（負極）５０５によって電気的に接続されている。バイアスバネ９０４は、一方は発電部１０１を覆う発電部筐体１０２に固定され、もう片方は可動式熱接続部材２０１に固定された磁石９０３に固定されている。
【０１０７】
電気機器８０１がアイドル状態であるような消費電流が微小である場合、発電部１０１の発熱量は少なく、燃料タンク３０１内の温度が低下傾向であることが予測される。このとき、図１０Ａのように、電磁コイル９０５に流れる電流も微小であるから、電磁コイル９０５に発生する磁力も小さい。そのため、可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク３０１を覆う燃料タンク筐体３０２と熱的に接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に非接続状態となる。これにより、燃料タンク３０１は、発電部１０１からの熱を取込むことで燃料タンク３０１の過度の温度低下を防ぐことができる。
【０１０８】
電気機器８０１が定常状態であるような消費電流が平均的な場合、発電部１０１の発熱量も定常的に発生し、燃料タンク３０１内の温度も定常的に吸熱を必要としていることが予測される。このとき、図１０Ｂのように、電磁コイル９０５に流れる電流も平均的であるから、電磁コイル９０５に発生する磁力も最大磁力の１／２程度発生し、磁石９０３の反発力と合わせてバイアスバネ９０４と均衡のとれた状態となる。可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に接続されつつ、外部放熱部６０１とも、熱的に接続状態となっている。
【０１０９】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることで、燃料タンク３０１からの水素の放出を安定して供給することができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれる以外の余剰の熱を外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度を過度に温度上昇することを防ぐことができる。
【０１１０】
電気機器８０１が過渡的に過負荷であるような消費電流が定常状態をオーバーしている場合、発電部１０１の発熱量も定常状態をオーバーして発生し、燃料タンク３０１内の温度も吸熱に必要な量より以上の熱が取込まれていることが予測される。このとき、図１０Ｃのように、電磁コイル９０５に発生する磁力も最大磁力近くが発生し、磁石９０３の反発力と合わせてバイアスバネ９０４のバネ力を超えた状態となる。可動式熱接続部材２０１は、燃料タンク筐体３０２と熱的に非接続され、外部放熱部６０１とは、熱的に接続状態となる。
【０１１１】
これにより、発電部１０１からの熱が燃料タンク３０１へ取込まれることを一時的に停止し、燃料タンク３０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。それと同時に、発電部１０１からの熱が全て外部放熱部６０１へ放出することで、発電部１０１内の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。
【０１１２】
電気機器８０１の過負荷状態が収まり供給電流が定常状態へ戻るか、もしくは、燃料タンク３０１からの水素の放出量が減少することによる供給電流の制限をし始めることで、発電部１０１の温度上昇は抑えられると同時に燃料タンク３０１内の温度も抑えられる。それにより、図１０Ｂの定常状態へ移行する。
【０１１３】
以上のように、発電部１０１に接続した電気機器８０１の稼動状態に応じて、発電部１０１と燃料タンク３０１との熱接続状態、および発電部１０１と外部放熱部６０１との熱接続状態を変化させることができる。さらに、発電部１０１と燃料タンク３０１の温度を最適に保つことができる。
【０１１４】
以上で説明した本発明のは燃料電池は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコンなどの持ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明の燃料電池は、発電部、燃料タンクおよび外部放熱部の間の熱切替えを行うことにより、発電部および燃料タンクの温度を最適に保つことができる。本発明の燃料電池は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコンなどの電気機器用の電源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の燃料電池の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池の正面図である。
【図３】本発明の燃料電池における熱切替え機能を説明する説明図である。
【図４】本発明における熱接続手段の機能を示す説明図である。
【図５Ａ】本発明の実施例１における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図５Ｂ】本発明の実施例１における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図６Ａ】本発明の実施例２における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例２における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図７Ａ】本発明の実施例３における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例３における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図８Ａ】本発明の実施例４における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図８Ｂ】本発明の実施例４における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図８Ｃ】本発明の実施例４における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図９Ａ】本発明の実施例５における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図９Ｂ】本発明の実施例５における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例６における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例６における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施例６における燃料電池の発電部で発生する熱の切替え機能を有する熱接続手段の概要図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１  発電部
１ａ、１０１  発電部
１ｂ  燃料電池セル
１０２  発電部筐体
１０３  固定伝熱部材
１０４  バネ
１０５  ピストン面
１０６  バネ
１０７  接触部
１０８  断熱材
１１  酸化剤極
１２  高分子電解質膜
１３  燃料極
１４  熱接続手段
２  固定熱接続部材
２１、２０１  可動式熱接続部材
２２  燃料タンク側固定熱接続部材
２３  断熱材
２４  燃料電池筐体
３、３０１  燃料タンク
３０２  燃料タンク筐体
４  可動式熱接続部材
５  配線部
５３  電極
５０４  燃料電池負荷接続部（正極）
５０５  燃料電池負荷接続部（負極）
６、６０１  外部放熱部
６０２  外部放熱部支持断熱部材
７  通気孔
８０１  電気機器
９、９０１  駆動部
９０２  形状記憶合金バネ
９０３  磁石
９０４  バイアスバネ
９０５  電磁コイル
９０６  ピストン
９０７  シール材
９０８  シリンダ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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