JP2002184430A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2002184430A
JP2002184430A JP2000378186A JP2000378186A JP2002184430A JP 2002184430 A JP2002184430 A JP 2002184430A JP 2000378186 A JP2000378186 A JP 2000378186A JP 2000378186 A JP2000378186 A JP 2000378186A JP 2002184430 A JP2002184430 A JP 2002184430A
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of efficiently removing excess water in the electrodes without reducing conductivity of the electrodes and stably supplying gas to the electrodes. SOLUTION: In this fuel cell provided with a fuel electrode 2 on the face of one side of a solid electrolyte film 1 and an oxidant electrode 3 on the other face thereof and provided with a fuel gas flow passage 5 on the fuel electrode 2 side and an oxidant gas flow passage 6 on the oxidant electrode 3 side, a vibration means consisting of a vibration plate 7 and a piezoelectric element 8 is provided in at least either of the fuel gas flow passage 5 and the oxidant gas flow passage 6. The piezoelectric element 8 causes displacement in accordance with an applied drive voltage, and the vibration plate 7 gives the vibration to the solid electrolyte film 1 by receiving the displacement of the piezoelectric element 8 or vibrates by receiving the displacement of the piezoelectric element 8 to generate gas flow in the fuel gas flow passage 5 or the oxidant gas flow passage 6.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発電効率を向上さ
せた燃料電池に関する。The present invention relates to a fuel cell having improved power generation efficiency.

【０００２】[0002]

【従来の技術】図６は、従来の固体高分子電解質膜を用
いた燃料電池における単位セルの構成を示す断面図であ
る。この燃料電池において、固体高分子電解質膜１０１
は、その両面に触媒層が密着するように多孔質電極によ
り挟持されている。このうち、燃料が供給される側の電
極が燃料極１０２であり、酸化剤（空気）が供給される
側の電極が酸化剤極１０３である。両電極１０２、１０
３と、その両側に配置されている一対のガス不透過性板
１０４との間に、燃料ガス流路１０５および酸化剤ガス
流路１０６が形成されている。このように構成された単
位セルの出力電圧は１Ｖ以下と低いため、所望の出力電
圧を得るためには単位セルを複数積層して燃料電池スタ
ックが形成される。2. Description of the Related Art FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a unit cell in a conventional fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane. In this fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane 101
Are sandwiched between porous electrodes so that the catalyst layers are in close contact with both surfaces thereof. Among them, the electrode on the side to which fuel is supplied is the fuel electrode 102, and the electrode on the side to which oxidant (air) is supplied is the oxidant electrode 103. Both electrodes 102, 10
3 and a pair of gas impermeable plates 104 disposed on both sides thereof, a fuel gas flow path 105 and an oxidizing gas flow path 106 are formed. Since the output voltage of the unit cell thus configured is as low as 1 V or less, a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells to obtain a desired output voltage.

【０００３】上記燃料極１０２および酸化剤極１０３
は、触媒活性物質を含む触媒層が導電性を有する多孔質
の電極基材により支持された構造である。複数の並行な
溝からなる燃料ガス流路１０５から電極基材を透過して
燃料極１０２に供給される燃料としての水素と、酸化材
ガス通路１０６から酸化剤極１０３に供給される酸化剤
としての酸素とは、各々の触媒層において、電解質／触
媒／反応ガスの三相界面を形成し、以下の反応式（１）
および（２）で示されるような反応が進行する。The above-mentioned fuel electrode 102 and oxidizer electrode 103
Has a structure in which a catalyst layer containing a catalytically active substance is supported by a porous electrode substrate having conductivity. Hydrogen as fuel supplied to the fuel electrode 102 through the fuel gas flow path 105 formed of a plurality of parallel grooves and supplied to the fuel electrode 102, and oxidant supplied to the oxidant electrode 103 from the oxidant gas passage 106 Oxygen forms a three-phase interface of electrolyte / catalyst / reaction gas in each catalyst layer, and the following reaction formula (1)
The reaction as shown in (2) proceeds.

【０００４】 燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（１） 酸化剤極：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ ・・・（２） すなわち、燃料極１０２側では上記式（１）に示すよう
に水素分子を水素イオンと電子に分解する電気化学反応
が行われ、酸化剤極１０３側では上記式（２）に示すよ
うに水素イオンと電子と酸素から水を生成する電気化学
反応が行われる。燃料極１０２側で上記式（１）の反応
により生成した水素イオンは、水分子との水和状態で固
体高分子電解質膜１０１を透過し、酸化剤極１０３側で
上記式（２）の反応に供される。Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1) Oxidizer electrode: 2H + + 2e − + (１ ／) O 2 → H 2 O (2) That is, fuel electrode 102 On the side, an electrochemical reaction is performed to decompose hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). On the oxidant electrode 103 side, hydrogen ions, electrons and oxygen are converted as shown in the above formula (2). An electrochemical reaction that produces water is performed. The hydrogen ions generated by the reaction of the above formula (1) on the fuel electrode 102 side pass through the solid polymer electrolyte membrane 101 in a hydrated state with water molecules, and the reaction of the above formula (2) on the oxidant electrode 103 side. To be served.

【０００５】これらの反応を連続的に行うためには、燃
料極１０２および酸化剤極１０３へ反応物質を連続的に
供給すると共に、電極付近から生成物質を速やかに取り
除く必要がある。具体的には、酸化剤極１０３では酸素
を連続的に供給すると共に生成物質である水を取り除く
必要があり、水分の除去が速やかに行われなければ、水
が電極付近に滞留して酸化剤極１０３におけるガス透過
性が低下し、電極反応が低下してしまう。このような酸
化剤極での水分滞留を防止するために、電極に種々の工
夫が試みられている。In order to carry out these reactions continuously, it is necessary to continuously supply reactants to the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103 and to quickly remove generated substances from the vicinity of the electrodes. Specifically, it is necessary to continuously supply oxygen and remove water as a generated substance at the oxidant electrode 103. If water is not removed promptly, water stays near the electrode and oxidant The gas permeability at the electrode 103 decreases, and the electrode reaction decreases. In order to prevent such stagnation of water at the oxidant electrode, various attempts have been made for the electrode.

【０００６】例えば、特開平７−３２６３６１号には、
電解質膜を挟んで対向する電極を、導電性およびガス透
過性を有する電極基材と、吸水性を有する吸水性材料と
を用いて形成することにより、上記（式２）の反応によ
り電極中または電極表面に生成した水分を積極的に吸収
して、電極から水分を除去する方法が提案されている。
この構造によれば、電極基材単独の場合に比べて多量の
水分を吸水することができるので、電極における過剰水
分の除去効率が向上するとされている。For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-326361 discloses that
The electrodes facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween are formed using an electrode substrate having conductivity and gas permeability and a water-absorbing material having water-absorbing properties. There has been proposed a method of actively absorbing moisture generated on an electrode surface to remove moisture from the electrode.
According to this structure, a larger amount of water can be absorbed than in the case of using only the electrode base material, and thus the efficiency of removing excess water from the electrode is improved.

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平７−３２６３６１号に提案されている方法では、吸
水性材料の吸水能力の限界を超えるか、または負荷が急
増して生成される水の量が急増する等の原因により、電
極表面が水分で濡れてしまった場合、過剰水分の除去能
力が飽和してしまう。その場合には、電極におけるガス
の拡散が阻害されて濃度分極が起こり、電池性能の低下
が生じる。However, in the method proposed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-326361, the amount of water generated due to exceeding the limit of the water absorbing capacity of the water-absorbing material or a sudden increase in the load. If the electrode surface gets wet with moisture due to a sudden increase in water content, the ability to remove excess moisture is saturated. In that case, diffusion of gas in the electrode is inhibited, concentration polarization occurs, and the battery performance is reduced.

【０００８】さらに、この構造は、カソード（酸化剤
極）の電極基材である多孔質カーボン中に体積比率にし
て２０％程度の架橋ポリアクリル酸塩等の吸水性微粒子
を分散保持させたものであるが、吸水性微粒子の配合比
率と電極の導電性はトレードオフの関係であるため、吸
水能力を高くするために吸水性微粒子の配合比率を高く
すると、電極の導電性の低下、さらには内部抵抗増加に
よるエネルギー損失を招くことになる。Further, this structure has a structure in which about 20% by volume of water-absorbing fine particles such as a crosslinked polyacrylate are dispersed and held in porous carbon as an electrode base material of a cathode (oxidant electrode). However, since the mixing ratio of the water-absorbing fine particles and the conductivity of the electrode are in a trade-off relationship, if the mixing ratio of the water-absorbing fine particles is increased to increase the water absorbing ability, the conductivity of the electrode decreases, and furthermore, This results in energy loss due to an increase in internal resistance.

【０００９】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するためになされたものであり、電極の導電性を低下
させずに電極における過剰水分を効率良く除去し、電極
にガスを安定して供給することが可能な燃料電池を提供
することを目的とする。The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and efficiently removes excess moisture in an electrode without lowering the conductivity of the electrode, and stabilizes gas in the electrode. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be supplied by supply.

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、固
体電解質膜の一方の面に正極を備えると共に他方の面に
負極を備え、該正極に面して燃料ガス流路を備えると共
に該負極に面して酸化剤ガス流路を備えた燃料電池セル
において、該燃料ガス流路および該酸化剤ガス流路のう
ちの少なくとも一方に少なくとも一つの振動手段を備え
ていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成
される。The fuel cell of the present invention has a positive electrode on one surface of a solid electrolyte membrane, a negative electrode on the other surface, a fuel gas flow path facing the positive electrode, and a fuel cell. In a fuel cell having an oxidizing gas flow path facing the negative electrode, at least one of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path includes at least one vibration unit, Thereby, the above object is achieved.

【００１１】前記振動手段は、印加される駆動電圧に応
じて変位を生じる圧電素子と、該圧電素子の下地基板で
あって、該圧電素子の変位を受けて前記固体電解質膜に
振動を与える振動板とからなっていてもよい。The vibrating means is a piezoelectric element which generates displacement in accordance with an applied driving voltage, and a base substrate for the piezoelectric element, wherein the vibration means receives the displacement of the piezoelectric element and applies vibration to the solid electrolyte membrane. It may consist of a plate.

【００１２】前記振動板および圧電素子は、前記正極上
または前記負極上に電極面と並行に積層されていてもよ
い。The vibrating plate and the piezoelectric element may be laminated on the positive electrode or the negative electrode in parallel with an electrode surface.

【００１３】前記振動手段は、印加される駆動電圧に応
じて変位を生じる圧電素子と、該圧電素子の下地基板で
あって、該圧電素子の変位を受けて振動し、前記燃料ガ
ス流路または前記酸化剤ガス流路に風を起こす振動板と
からなり、該圧電素子および該振動板が前記正極または
前記負極に接触せずに配置されていてもよい。The vibrating means is a piezoelectric element which generates a displacement in accordance with an applied driving voltage, and a base substrate of the piezoelectric element. The piezoelectric element and the vibrating plate may be arranged so as not to contact the positive electrode or the negative electrode.

【００１４】前記圧電素子がＰＺＴ膜からなっていても
よい。[0014] The piezoelectric element may be made of a PZT film.

【００１５】前記圧電素子および前記振動板のうちの少
なくとも一方は、ガスおよび水分のうちの少なくとも一
方を透過させる機能を有するのが好ましい。It is preferable that at least one of the piezoelectric element and the vibration plate has a function of transmitting at least one of gas and moisture.

【００１６】前記圧電素子および前記振動板のうちの少
なくとも一方が、複数の貫通孔を有していてもよい。At least one of the piezoelectric element and the vibration plate may have a plurality of through holes.

【００１７】前記圧電素子および前記振動板のうちの少
なくとも一方が、表面に撥水性被膜を有するのが好まし
い。It is preferable that at least one of the piezoelectric element and the vibration plate has a water-repellent coating on the surface.

【００１８】前記撥水性被膜がシリコーン樹脂からなっ
ていてもよい。The water-repellent coating may be made of a silicone resin.

【００１９】前記撥水性被膜が架橋構造を有する高分子
膜からなっていてもよい。The water-repellent coating may be composed of a polymer film having a crosslinked structure.

【００２０】以下に、本発明の作用について説明する。
なお、以下の説明において、電極とは燃料極または酸化
剤極を示し、ガスとは燃料ガスまたは酸化剤ガスを示
し、水分とは水を主体とした液体および噴霧体を示すも
のとする。The operation of the present invention will be described below.
In the following description, an electrode indicates a fuel electrode or an oxidant electrode, a gas indicates a fuel gas or an oxidant gas, and moisture indicates a liquid mainly composed of water and a spray.

【００２１】請求項１に記載の本発明にあっては、燃料
電池運転中に燃料電池セルのガス流路内に備えた振動手
段が振動するため、燃料極（負極）および酸化剤極（正
極）に固体電解質膜が挟持されてなる電池反応層の振
動、またはガス流路内への通風を行うことができる。こ
の振動手段の振動により、電池反応層の酸化剤極側に生
成する水分は、酸化剤極表面から飛散して除去される。
生成した水分が速やかに電極表面から取り除かれるた
め、酸化剤極内へのガスの拡散が水分によって阻害され
ることはなくなる。また、上記振動手段によるガス流路
への通風により、燃料極または酸化剤ガス極へのガス供
給が途絶えることがなくなり、電極内へのガスの拡散が
促進される。その結果、電極内部におけるガス不足に起
因する濃度分極が小さくなり、燃料電池の発電効率が上
昇する。この振動手段は、燃料ガス流路の片側の壁であ
る燃料極もしくは酸化剤燃料ガス流路の片側の壁である
酸化剤極に密着させて配置してもよく、または燃料極も
しくは酸化剤極から所定の距離だけ離して配置してもよ
い。According to the first aspect of the present invention, since the vibration means provided in the gas passage of the fuel cell vibrates during operation of the fuel cell, the fuel electrode (negative electrode) and the oxidant electrode (positive electrode) are vibrated. ) Can vibrate the battery reaction layer in which the solid electrolyte membrane is sandwiched, or ventilate the gas flow path. The water generated on the oxidant electrode side of the battery reaction layer by the vibration of the vibration means is scattered and removed from the oxidant electrode surface.
Since the generated water is quickly removed from the electrode surface, diffusion of the gas into the oxidant electrode is not hindered by the water. Further, the ventilation of the gas flow to the fuel electrode or the oxidizing gas electrode by the vibrating means does not interrupt the gas supply, and the diffusion of the gas into the electrode is promoted. As a result, concentration polarization caused by gas shortage inside the electrode is reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell is increased. The vibrating means may be disposed in close contact with a fuel electrode, which is one wall of the fuel gas flow path, or an oxidant electrode, which is one wall of the oxidant fuel gas flow path, or May be arranged at a predetermined distance from the camera.

【００２２】請求項２に記載の本発明にあっては、振動
板の上に圧電素子を形成し、圧電素子の変形が振動板を
介して固体電解質膜に伝達されるように振動板を配置す
る。固体電解質膜は、燃料極および酸化剤極と密着して
一体となって電池反応層を構成しているので、振動板に
て発生した振動は電池反応層全体を振動させる。圧電素
子は、駆動回路から印加される駆動電圧信号に応じて変
形するので、駆動回路は振動板から適切な振動が得られ
るような駆動電圧信号を生成して圧電素子に印加する。
この構成では、振動板にて発生した振動は電池反応層全
体に伝わり、酸化剤極表面の水分を飛散させる。特に、
燃料電池が高電流密度の運転状態で水分の生成量が多い
場合でも、水分が生成される酸化剤極自体が振動して水
分を飛散させることにより、高い水分除去能力を発揮す
ることができる。また、振動手段の駆動に圧電素子を利
用することにより、板状に薄く形成することができるた
め、振動手段を設けることによる燃料電池セル自体の体
積増加は殆ど生じない。さらに、振動板を介して直接固
体電解質膜に振動を与えることができるので、振動を伝
達するための複雑な機構が不要であり、部品数の増加を
抑えることができる。According to the second aspect of the present invention, a piezoelectric element is formed on the diaphragm, and the diaphragm is arranged so that deformation of the piezoelectric element is transmitted to the solid electrolyte membrane via the diaphragm. I do. Since the solid electrolyte membrane is in close contact with the fuel electrode and the oxidizer electrode to form a battery reaction layer, vibration generated by the diaphragm causes the entire battery reaction layer to vibrate. Since the piezoelectric element is deformed in response to a drive voltage signal applied from the drive circuit, the drive circuit generates a drive voltage signal that can obtain appropriate vibration from the diaphragm and applies the drive voltage signal to the piezoelectric element.
In this configuration, the vibration generated by the diaphragm is transmitted to the entire battery reaction layer, and the water on the oxidant electrode surface is scattered. In particular,
Even when the fuel cell operates at a high current density and generates a large amount of water, the oxidant electrode itself, which generates the water, vibrates and scatters the water, thereby exhibiting a high water removing ability. Further, by using a piezoelectric element for driving the vibration means, the vibration means can be formed in a thin plate shape, so that the provision of the vibration means hardly increases the volume of the fuel cell itself. Furthermore, since vibration can be directly applied to the solid electrolyte membrane via the diaphragm, a complicated mechanism for transmitting the vibration is not required, and an increase in the number of parts can be suppressed.

【００２３】請求項３に記載の本発明にあっては、振動
板はこれに近い側の電極と並行に接触して配置され、そ
の振動を電極および固体電解質膜に伝える。圧電素子は
振動板上に形成されているので、電極上に振動板および
圧電素子が積層して配置された構成となる。この構成で
は、圧電素子に生じる変位を有効に電極に伝えて固体電
解質膜および電極を振動させることができる。また、振
動板および圧電素子はガス流路内に配置されるので、振
動板および圧電素子が無い場合と同じガス流路を確保す
るためにはガス流路を広くする必要があるが、電極上に
振動板および圧電素子を積層することにより、ガス流路
の拡張幅を最小限に抑えると共に、燃料電池セルの厚さ
の増加を抑えることができる。According to the third aspect of the present invention, the diaphragm is arranged in parallel contact with the electrode on the side close to the diaphragm, and transmits the vibration to the electrode and the solid electrolyte membrane. Since the piezoelectric element is formed on the diaphragm, the diaphragm and the piezoelectric element are stacked and arranged on the electrode. With this configuration, the displacement generated in the piezoelectric element can be effectively transmitted to the electrode to vibrate the solid electrolyte membrane and the electrode. Also, since the diaphragm and the piezoelectric element are arranged in the gas flow path, it is necessary to widen the gas flow path in order to secure the same gas flow path as when there is no diaphragm and the piezoelectric element. By laminating the vibrating plate and the piezoelectric element on the substrate, the expansion width of the gas flow path can be minimized and the increase in the thickness of the fuel cell unit can be suppressed.

【００２４】請求項４に記載の本発明にあっては、振動
板および圧電素子を電極から離してガス流路内に配置さ
れ、圧電素子の変位により振動板が燃料極または酸化剤
極に対して通風を行う。振動板は、燃料極または酸化剤
極に対して風が到達し易い位置に配置される。この構成
では、圧電素子により駆動される振動板により電極に通
風を行うので、電極表面に対するガス供給を途絶えるこ
となく行うことができる。従って、燃料電池が高電流密
度の運転状態であっても、電極内部におけるガス不足に
起因する濃度分極の増加を防ぐことができる。また、酸
化剤極に対する通風は、酸化剤極に生成する水分の飛散
または気化を促進するため、振動手段は電極へのガス供
給だけではなく、水分除去の機能も果たす。酸化剤極へ
のガス供給および水分除去の両方を振動手段により達成
することができるため、部品数の増加を抑えることがで
きる。さらに、燃料極側に副生成ガスとしてＣＯ2が発
生するダイレクトメタノール型燃料電池の場合には、振
動手段による燃料極への通風により、燃料ガスの供給を
行うと共にＣＯ2ガスの除去を行うことができるので、
燃料極内での燃料ガス不足を防ぐことができる。According to the present invention, the vibration plate and the piezoelectric element are arranged in the gas flow path apart from the electrode, and the vibration plate is moved with respect to the fuel electrode or the oxidizer electrode by the displacement of the piezoelectric element. To ventilate. The diaphragm is arranged at a position where the wind easily reaches the fuel electrode or the oxidant electrode. In this configuration, ventilation is performed on the electrodes by the vibration plate driven by the piezoelectric element, so that gas supply to the electrode surface can be performed without interruption. Therefore, even when the fuel cell is in an operation state with a high current density, an increase in concentration polarization due to a gas shortage inside the electrode can be prevented. Further, the ventilation to the oxidant electrode promotes the scattering or vaporization of the moisture generated in the oxidant electrode, so that the vibration means performs not only the gas supply to the electrode but also the function of removing the water. Since both gas supply and water removal to the oxidant electrode can be achieved by the vibrating means, an increase in the number of parts can be suppressed. Further, in the case of a direct methanol fuel cell in which CO 2 is generated as a by-product gas on the fuel electrode side, the supply of the fuel gas and the removal of the CO 2 gas are performed by ventilation to the fuel electrode by vibrating means. So you can
Insufficient fuel gas in the fuel electrode can be prevented.

【００２５】請求項５に記載の本発明にあっては、圧電
素子がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜からなる。Ｐ
ＺＴ膜は圧電性セラミック膜であり、強誘電性を有する
ＰＺＴは膜中で積層方向に分極しているため、印加され
る電圧に応じて圧電ひずみを生じる。この圧電ひずみに
より振動板を振動させることができる。このＰＺＴ膜
は、ゾルゲル法等により比較的低い焼成温度で作製する
ことができる。また、ＰＺＴは−２００℃〜２００℃の
広い温度範囲で圧電材料として満足な特性を示すため、
例えば室温〜１００℃以下で動作する固体高分子電解質
型燃料電池において、燃料電池セル内で使用可能な圧電
素子材料として適している。According to the present invention, the piezoelectric element is made of a PZT (lead zirconate titanate) film. P
The ZT film is a piezoelectric ceramic film, and PZT having ferroelectricity is polarized in the laminating direction in the film, so that a piezoelectric strain is generated according to an applied voltage. The vibration plate can be vibrated by the piezoelectric strain. This PZT film can be manufactured at a relatively low firing temperature by a sol-gel method or the like. Also, since PZT exhibits satisfactory characteristics as a piezoelectric material in a wide temperature range of -200 ° C to 200 ° C,
For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell operating at room temperature to 100 ° C. or lower, it is suitable as a piezoelectric element material that can be used in a fuel cell.

【００２６】請求項６に記載の本発明にあっては、圧電
素子および振動板のうちの少なくとも一方は、ガスおよ
び水分のうちの少なくとも一方を透過させる機能を有す
る。従って、ガス流路から電極へのガス流入を阻害せ
ず、また、酸化剤極側に生成する水分はその振動板や圧
電素子を通過して系外に排出することができる。従っ
て、電極内部が常に電池反応に適した状態に保たれ、燃
料電池の発電効率が向上する。According to the present invention, at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a function of transmitting at least one of gas and moisture. Therefore, the flow of gas from the gas flow path to the electrode is not hindered, and moisture generated on the oxidant electrode side can be discharged out of the system through the vibration plate or the piezoelectric element. Therefore, the inside of the electrode is always kept in a state suitable for the cell reaction, and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.

【００２７】請求項７に記載の本発明にあっては、圧電
素子および振動板のうちの少なくとも一方に、複数の貫
通孔を設けているので、ガスまたは水分ガスおよび水分
のうちの少なくとも一方が貫通孔の内部を自由に通過す
ることができる。貫通孔を設ける方法としては、例え
ば、金属板をプレス機械により打ち抜き加工した後、そ
の上に圧電素子を形成する方法や、金属板上に圧電素子
を形成した後に打ち抜く方法等が挙げられる。後者の方
法は焼成して形成した圧電性セラミック膜に対して打ち
抜きにより過度の応力がかかるため、圧電素子を損傷さ
せるおそれがあり、製造歩留まりに問題が生じるので、
前者の方法がより望ましい。さらに、金属板に複数の並
行なスリットを加工した後、延伸して多数の貫通孔を形
成した、いわゆるエキスパンドメタル上に圧電素子を作
製するという方法でも、貫通孔を有する振動板および圧
電素子を作製することができる。According to the present invention, since at least one of the piezoelectric element and the vibration plate is provided with a plurality of through holes, at least one of the gas or the moisture gas and the moisture is provided. It can freely pass through the inside of the through hole. Examples of the method of providing the through-hole include a method of punching a metal plate with a press machine and then forming a piezoelectric element thereon, and a method of punching after forming a piezoelectric element on the metal plate. In the latter method, since excessive stress is applied to the piezoelectric ceramic film formed by sintering by punching, there is a possibility that the piezoelectric element is damaged, and a problem occurs in manufacturing yield,
The former method is more desirable. Furthermore, a method of forming a plurality of parallel slits in a metal plate and then stretching and forming a large number of through holes, a method of manufacturing a piezoelectric element on a so-called expanded metal, also provides a diaphragm having a through hole and a piezoelectric element. Can be made.

【００２８】請求項８に記載の本発明にあっては、圧電
素子および振動板のうちの少なくとも一方が、表面に撥
水性被膜を有しているので、その振動板や圧電素子は水
分をほとんど保持しない。この場合、生成した水分が拡
散状から凝固状の形態を取り易くなり、水分除去を容易
に行うことができる。なお、ここで言う撥水性とは、後
退接触角が７０゜以上のものを指す。このような撥水性
被膜としては、フッ素系樹脂（例えばパーフルオロブチ
ルエチレン樹脂およびその共重合体、トリフルオロエチ
ルメタクリレート樹脂およびその共重合体、フッ化ビリ
ニデン樹脂およびその共重合体等）、シリコーン樹脂
（例えばメチル水素シリコーン樹脂およびその共重合
体、ジメチルシリコーン樹脂およびその共重合体、フェ
ニルメチルシリコーン樹脂およびその共重合体等）が代
表的なものとして挙げられる。特に、請求項９に記載の
本発明にあっては、撥水性被膜がシリコーン樹脂からな
るため、被膜形成も比較的容易であり、かつ、撥水性だ
けではなく耐候性にも優れ、振動板および圧電素子の表
面が熱等により劣化しにくい。さらに、請求項１０に記
載の本発明にあっては、これらの樹脂を架橋した高分子
膜を撥水性被膜として用いることにより、耐熱性が向上
して光や熱による劣化が生じ難くなり、撥水性被膜の長
寿命化を図ることができる。According to the present invention, at least one of the piezoelectric element and the vibration plate has a water-repellent coating on the surface. Do not keep. In this case, the generated water can easily take a form from a diffusion state to a solidification state, and the water can be easily removed. Here, the term "water repellency" means that the receding contact angle is 70 ° or more. Examples of such a water-repellent coating include a fluororesin (for example, a perfluorobutylethylene resin and its copolymer, a trifluoroethyl methacrylate resin and its copolymer, a vinylidene fluoride resin and its copolymer, etc.), a silicone resin (For example, methyl hydrogen silicone resin and its copolymer, dimethyl silicone resin and its copolymer, phenylmethyl silicone resin and its copolymer, etc.) are typical examples. In particular, according to the present invention as set forth in claim 9, since the water-repellent coating is made of a silicone resin, the formation of the coating is relatively easy, and it is excellent not only in water-repellency but also in weather resistance. The surface of the piezoelectric element is hardly deteriorated by heat or the like. Furthermore, in the present invention according to claim 10, by using a polymer film obtained by cross-linking these resins as a water-repellent coating, heat resistance is improved and deterioration due to light or heat is less likely to occur. The life of the aqueous coating can be extended.

【００２９】[0029]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【００３０】（実施形態１）図１は、本発明の一実施形
態である固体高分子型燃料電池の基本的なセル構造を示
す模式図である。この燃料電池セルは、膜状の電解質で
ある固体高分子電解質膜１と、その固体高分子電解質膜
の膜面に密着した燃料極２および酸化剤極により構成さ
れる電池反応層１９と、各セルを仕切るガス不透過性板
４と、薄板状の振動板７の上に固着された圧電素子８
と、その圧電素子８を駆動する駆動回路９により構成さ
れている。Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention. The fuel cell includes a solid polymer electrolyte membrane 1 which is a membrane electrolyte, a fuel electrode 2 and an oxidant electrode which are in close contact with the membrane surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a A gas-impermeable plate 4 for partitioning cells, and a piezoelectric element 8 fixed on a thin plate-shaped vibrating plate 7
And a drive circuit 9 for driving the piezoelectric element 8.

【００３１】振動板７は、その縁を固定部材１８により
燃料電池セルの筐体に固定され、その部分が振動板７の
振動の支点となる。また、固定部材１８は、電池反応層
１９の振動を妨げないように、電池反応層１９側には固
定されずに設置されている。さらに、固定部材１８と振
動板７を一体成形することにより、部品数や製造工程を
減らすことができる。The edge of the diaphragm 7 is fixed to the casing of the fuel cell by a fixing member 18, and that portion serves as a fulcrum for vibration of the diaphragm 7. Further, the fixing member 18 is installed without being fixed to the battery reaction layer 19 side so as not to hinder the vibration of the battery reaction layer 19. Furthermore, by integrally molding the fixing member 18 and the diaphragm 7, the number of components and the number of manufacturing steps can be reduced.

【００３２】この燃料電池セルにおいては、上記燃料極
２とガス不透過性板４の間を燃料ガス流路５とし、上記
酸化剤極３とガス不透過性板４の間を酸化剤ガス流路６
としている。In this fuel cell, a fuel gas flow path 5 is provided between the fuel electrode 2 and the gas impermeable plate 4, and an oxidant gas flow is provided between the oxidant electrode 3 and the gas impermeable plate 4. Road 6
And

【００３３】固体高分子電解質膜１は、水素イオンに対
するイオン交換基としてスルホン基を有する陽イオン交
換膜である。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸
高分子樹脂等、フッ素系高分子樹脂からなる陽イオン交
換膜を用いることができる。燃料電池における電気化学
反応は電極と電解質との界面で起こるため、高分子電解
質膜１の電気化学的特性は燃料電池の電流−電圧特性に
大きな影響を与える。特に、薄膜化することにより積層
方向の抵抗が減少するため、電流−電圧特性を向上させ
ることができる。上述した樹脂の場合には、膜厚が５０
μｍ〜２００μｍ程度になるように作製する。イオン導
電率は２５℃で５×１０-2〜１×１０-1（Ω・ｃｍ）-1
程度であるので、上記膜厚の単位面積当たりの抵抗は
０．０５〜０．４Ω程度となる。The solid polymer electrolyte membrane 1 is a cation exchange membrane having a sulfone group as an ion exchange group for hydrogen ions. For example, a cation exchange membrane made of a fluoropolymer resin such as a perfluorocarbon sulfonic acid polymer resin can be used. Since the electrochemical reaction in the fuel cell occurs at the interface between the electrode and the electrolyte, the electrochemical characteristics of the polymer electrolyte membrane 1 greatly affect the current-voltage characteristics of the fuel cell. In particular, since the resistance in the stacking direction is reduced by thinning, the current-voltage characteristics can be improved. In the case of the resin described above, the film thickness is 50
It is manufactured so as to be about μm to 200 μm. The ionic conductivity is 5 × 10 −2 to 1 × 10 −1 (Ω · cm) −1 at 25 ° C.
Therefore, the resistance per unit area of the film thickness is about 0.05 to 0.4Ω.

【００３４】燃料極２および酸化剤極３は、両電極とも
電極反応がガス拡散律速とならないように、ガス拡散性
の良い多孔質構造を有するグラファイトを電極基材とし
ている。各電極の反応層面側、すなわち、固体高分子電
解質膜１と接する面には触媒反応層が形成され、電極内
の触媒反応層はグラファイト中に１０〜３０ｗｔ％の白
金が触媒として担持されている。電極反応には電解質／
触媒／反応ガスの３相界面を充分に確保する必要がある
ため、電極の触媒反応層は上記固体高分子電解質膜１と
密着して形成される。例えば、燃料極２と酸化材極３の
２枚の電極シートにより固体高分子電解質膜１を挟み、
４０〜４００ｋｇ／ｃｍ2程度の加圧下で１００〜２０
０℃でホットプレスすることにより、電極シートと固体
高分子電解質膜１を接合して一体化する。The fuel electrode 2 and the oxidizer electrode 3 are made of graphite having a porous structure with good gas diffusivity as an electrode base so that the electrode reaction of both electrodes is not limited by gas diffusion. A catalytic reaction layer is formed on the reaction layer surface side of each electrode, that is, on the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 1, and the catalyst reaction layer in the electrode has 10 to 30 wt% platinum supported as a catalyst in graphite. . Electrolyte / electrode reaction
Since it is necessary to ensure a sufficient three-phase interface between the catalyst and the reaction gas, the catalyst reaction layer of the electrode is formed in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 1. For example, the solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between two electrode sheets of the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3,
100 to 20 under pressure of about 40 to 400 kg / cm 2
By hot pressing at 0 ° C., the electrode sheet and the solid polymer electrolyte membrane 1 are joined and integrated.

【００３５】圧電素子８は、弾性率の高い金属板（振動
板７）上に積層されている。このような金属板として
は、例えば厚さ１０〜５０μｍのステンレス板等を用い
ることができる。圧電素子８の下地基板である振動板７
は、酸化剤極３に接して配置され、圧電素子８の変位を
酸化剤極３側に伝達する。この振動板７および圧電素子
８により、酸化剤ガス流路６から酸化剤極３へのガス導
通または酸化剤極３から酸化剤ガス流路６への水分導通
を妨げてしまうと、電極での電池反応がスムーズに進行
しないため、上記振動板７には貫通孔を設けてある。こ
の貫通孔は、例えば直径１ｍｍ以上の円形孔であり、２
〜３ｍｍ間隔で円形孔が打ち抜かれたパンチングメタル
を振動板７として用いることができる。The piezoelectric element 8 is laminated on a metal plate (vibration plate 7) having a high elastic modulus. As such a metal plate, for example, a stainless plate having a thickness of 10 to 50 μm can be used. Vibration plate 7 as base substrate of piezoelectric element 8
Is disposed in contact with the oxidant electrode 3 and transmits the displacement of the piezoelectric element 8 to the oxidant electrode 3 side. If the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8 impede gas conduction from the oxidizing gas flow path 6 to the oxidizing gas electrode 3 or water conduction from the oxidizing gas electrode 3 to the oxidizing gas flow path 6, the electrode Since the battery reaction does not proceed smoothly, the diaphragm 7 is provided with a through hole. This through hole is, for example, a circular hole having a diameter of 1 mm or more.
Punched metal in which circular holes are punched at intervals of up to 3 mm can be used as diaphragm 7.

【００３６】また、圧電素子８は厚さ１０〜５０μｍ程
度のＰＺＴ膜からなり、チタン、ジルコニウム、鉛のア
ルコキシドまたはアセテートを酸で加水分解したゾルを
スピンコートまたはディップコートにより下地基板上に
塗布した後、３００〜６００℃で焼成することにより得
られる。その後、ＰＺＴ膜上にスパッタリング法または
真空蒸着法等により数μｍの厚みのアルミニウム上部電
極を形成する。上記振動板７は圧電素子８の下部電極と
しても機能し、振動板７と圧電素子８のアルミニウム上
部電極との間に駆動回路９からの駆動電圧信号が印加さ
れることにより圧電素子８が振動する。The piezoelectric element 8 is formed of a PZT film having a thickness of about 10 to 50 μm, and a sol obtained by hydrolyzing an alkoxide or acetate of titanium, zirconium, or lead with an acid is applied on the underlying substrate by spin coating or dip coating. Thereafter, it is obtained by firing at 300 to 600 ° C. Thereafter, an aluminum upper electrode having a thickness of several μm is formed on the PZT film by a sputtering method or a vacuum evaporation method. The vibration plate 7 also functions as a lower electrode of the piezoelectric element 8, and the piezoelectric element 8 vibrates by applying a drive voltage signal from the drive circuit 9 between the vibration plate 7 and the aluminum upper electrode of the piezoelectric element 8. I do.

【００３７】本実施形態では、ダイレクトメタノール燃
料電池を構成する固体高分子電解質膜１として、パーフ
ルオロカーボンスルホン酸高分子樹脂であるＮａｆｉｏ
ｎ（米国デュポン社製、商品名Ｎａｆｉｏｎ１１７）を
用いる。In this embodiment, the solid polymer electrolyte membrane 1 constituting the direct methanol fuel cell is made of Nafio which is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer resin.
n (manufactured by DuPont, USA, trade name: Nafion 117).

【００３８】また、燃料極２および酸化剤極３は、各々
グラファイト中に３．６ｍｇ／ｃｍ 2の白金ルテニウム
合金、および１．１ｍｇ／ｃｍ2の白金が触媒として担
持されている。これら２枚の電極シートを５０ｍｍ×５
０ｍｍの正方形に切断し、５％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ナフ
ィオン樹脂をアルコールと水の混合溶媒に溶解させたも
の）を塗布して固体高分子電解質膜１と貼り合わせ、２
００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で１００℃のホットプレスで接
合している。The fuel electrode 2 and the oxidizer electrode 3 are respectively
3.6 mg / cm in graphite TwoThe platinum ruthenium
Alloy, and 1.1 mg / cmTwoPlatinum as a catalyst
Is held. 50 mm × 5
Cut into squares of 0 mm, 5% Nafion solution (Nuff
Ionic resin dissolved in a mixed solvent of alcohol and water
) Is applied and bonded to the solid polymer electrolyte membrane 1;
00kg / cmTwoWith hot press at 100 ℃
I agree.

【００３９】さらに、圧電素子８は、直径１ｍｍの円形
孔を３ｍｍ間隔で打ち抜いたパンチングメタルのステン
レス板（厚さ１０μｍ）上に、２０μｍの厚さに作製す
る。本実施形態では、酢酸鉛を酢酸に溶かした後、さら
にジルコニウムテトラブトキシドおよびチタンテトライ
ソプロポキシドを溶解させ、水と少量のジエチレングリ
コールを加えて攪拌し、加水分解することによりＰＺＴ
を得る。その後、ポリエチレングルコールモノメチルエ
ーテルをＰＺＴに対して１０ｗｔ％添加し、攪拌して得
たゾルをディップコートにより塗布した後、４００℃で
加熱してＰＺＴ膜を作製する。さらに、ＰＺＴ膜上にス
パッタリング法により１μｍの厚さのアルミニウム膜を
作製し、圧電素子８の上部電極とする。Further, the piezoelectric element 8 is formed to a thickness of 20 μm on a stainless steel plate (thickness: 10 μm) of punched metal in which circular holes having a diameter of 1 mm are punched at intervals of 3 mm. In this embodiment, PZT is obtained by dissolving lead acetate in acetic acid, further dissolving zirconium tetrabutoxide and titanium tetraisopropoxide, adding water and a small amount of diethylene glycol, stirring, and hydrolyzing.
Get. Thereafter, 10 wt% of polyethylene glycol monomethyl ether is added to PZT, and a sol obtained by stirring is applied by dip coating, and then heated at 400 ° C. to form a PZT film. Further, an aluminum film having a thickness of 1 μm is formed on the PZT film by a sputtering method, and is used as an upper electrode of the piezoelectric element 8.

【００４０】上記圧電素子８の駆動回路９は、以下のよ
うな構成を有する。燃料電池単セルは、燃料極２を負
極、酸化剤極３を正極として０．４〜０．９Ｖの電圧を
出力するので、この出力電圧を制御部電源回路１０に入
力し、この制御部電源回路１０から波形出力部１１およ
び圧電素子駆動部１２に一定の電源電圧（Ｖｃｃ＝３．
３Ｖ）を供給する。同様に、燃料極２と酸化剤極３との
間の燃料電池出力電圧は駆動用電源回路１３にも入力さ
れ、この駆動用電源回路１３は圧電素子駆動部１２に圧
電素子駆動用電圧（Ｖｐ〜２０Ｖ）を供給する。波形出
力部１１では圧電素子を駆動する矩形電圧波形が生成さ
れ、圧電素子駆動部１２は入力された駆動電圧波形に従
って、波高値Ｖｐの電圧を圧電素子８に印加して圧電素
子８を駆動する。The driving circuit 9 for the piezoelectric element 8 has the following configuration. Since the fuel cell unit outputs a voltage of 0.4 to 0.9 V with the fuel electrode 2 as the negative electrode and the oxidant electrode 3 as the positive electrode, this output voltage is input to the control unit power supply circuit 10 and A constant power supply voltage (Vcc = 3.Vcc) is supplied from the circuit 10 to the waveform output unit 11 and the piezoelectric element drive unit 12.
3V). Similarly, the output voltage of the fuel cell between the fuel electrode 2 and the oxidizer electrode 3 is also input to the driving power supply circuit 13, which supplies the piezoelectric element driving section 12 with the piezoelectric element driving voltage (Vp -20V). The waveform output unit 11 generates a rectangular voltage waveform for driving the piezoelectric element, and the piezoelectric element drive unit 12 drives the piezoelectric element 8 by applying a voltage of the peak value Vp to the piezoelectric element 8 according to the input drive voltage waveform. .

【００４１】図２に、上記波形出力部１１および圧電素
子駆動部１２の詳細な構成を示す。波形出力部１１で
は、駆動用ＩＣ１４により圧電素子８を充電するための
駆動電圧信号Ｖｃ、および圧電素子８を放電させるため
の駆動電圧信号Ｖｄが生成され、各々圧電素子駆動部１
２内のトランジスタＴｒ１およびＴｒ３に入力される。
なお、図中のＶｎは燃料電池の負極、すなわち、燃料極
側の電位である。FIG. 2 shows a detailed configuration of the waveform output section 11 and the piezoelectric element drive section 12. In the waveform output unit 11, a driving voltage signal Vc for charging the piezoelectric element 8 and a driving voltage signal Vd for discharging the piezoelectric element 8 are generated by the driving IC 14, and the driving voltage signal Vd for discharging the piezoelectric element 8 is generated.
2 are input to the transistors Tr1 and Tr3.
Note that Vn in the drawing is the potential of the negative electrode of the fuel cell, that is, the fuel electrode side.

【００４２】次に、圧電素子駆動部１２の動作を説明す
る。圧電素子充電時には、駆動電圧信号Ｖｃがハイレベ
ルになると（時刻ｔ＝ｔ１）Ｔｒ１がオンし、それによ
りＴｒ２がオンされる。これにより、駆動用電源回路１
３から供給される電圧ＶｐがＴｒ２およびリアクトルＬ
を介して圧電素子８に印加され、圧電素子８は充電され
ると共に変位（伸長）を開始する。この後、駆動電圧信
号Ｖｄがハイレベルになると（時刻ｔ＝ｔ２）Ｔｒ３が
オンし、圧電素子８の電荷はリアクトルＬおよびＴｒ３
を介して放電され、圧電素子８の変位は初期状態に復帰
する。Next, the operation of the piezoelectric element driving section 12 will be described. When the piezoelectric element is charged, when the drive voltage signal Vc becomes high level (time t = t1), Tr1 turns on, and thereby Tr2 turns on. Thereby, the driving power supply circuit 1
3 is the voltage Vp supplied from Tr2 and reactor L
And the piezoelectric element 8 is charged and starts displacement (extension). Thereafter, when the drive voltage signal Vd goes high (time t = t2), Tr3 is turned on, and the electric charge of the piezoelectric element 8 is transferred to the reactors L and Tr3.
, And the displacement of the piezoelectric element 8 returns to the initial state.

【００４３】図３に、上記駆動電圧信号Ｖｃ、Ｖｄおよ
び圧電素子８に印加される電圧Ｖｐｉｅｚｏを示す。駆
動用ＩＣ１４からの駆動電圧信号に従ってこのような充
放電を繰り返すことにより、圧電素子８を振動させるこ
とができる。FIG. 3 shows the drive voltage signals Vc and Vd and the voltage Vpiezo applied to the piezoelectric element 8. By repeating such charge / discharge in accordance with the drive voltage signal from the drive IC 14, the piezoelectric element 8 can be vibrated.

【００４４】燃料電池の運転状態においては、上記圧電
素子８は常に振動しており、この圧電素子８の振動は振
動板７により酸化剤極７側に伝達される。この振動によ
って酸化剤極７表面の水分は振動板７および圧電素子８
の貫通孔を通過して酸化剤ガス流路６側に霧状に飛散さ
れる。In the operating state of the fuel cell, the piezoelectric element 8 constantly vibrates, and the vibration of the piezoelectric element 8 is transmitted to the oxidant electrode 7 by the vibration plate 7. Due to this vibration, the water on the surface of the oxidant electrode 7 becomes
Through the through-hole, and is scattered in the form of a mist toward the oxidizing gas flow path 6.

【００４５】本実施形態において、振動板７および圧電
素子８は酸化剤極７側に配置したが、燃料極２側に配置
してもよい。すなわち、振動板７を燃料極２に接するよ
うに燃料ガス流路５内に配置した場合でも、この振動板
７は燃料極２を振動させると共に固体高分子電解質膜１
および酸化剤極３を振動させるので、その振動により酸
化剤極３表面の水分を飛散させることができる。さら
に、振動板７および圧電素子８に貫通孔を設けることに
より、燃料ガス流路５内で燃料極２へのガス供給を妨げ
ることはない。In this embodiment, the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8 are arranged on the oxidant electrode 7 side, but may be arranged on the fuel electrode 2 side. That is, even when the vibrating plate 7 is arranged in the fuel gas flow path 5 so as to be in contact with the fuel electrode 2, the vibrating plate 7 vibrates the fuel electrode 2 and simultaneously vibrates the solid polymer electrolyte membrane 1.
Further, since the oxidizer electrode 3 is vibrated, the vibration can scatter the moisture on the surface of the oxidizer electrode 3. Further, by providing through holes in the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8, the supply of gas to the fuel electrode 2 in the fuel gas flow path 5 is not hindered.

【００４６】（実施形態２）図４は本実施形態の固体高
分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。実施形
態１との相違点は、振動板７の上に積層型圧電素子１５
を形成した点である。積層型圧電素子１５は、１０μｍ
のＰＺＴ膜および１μｍのアルミニウム電極１６、１７
からなる圧電素子を５層積層したものである。(Embodiment 2) FIG. 4 is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment. The difference from the first embodiment is that the laminated piezoelectric element 15
Is formed. The laminated piezoelectric element 15 is 10 μm
PZT film and 1 μm aluminum electrodes 16 and 17
Are laminated in five layers.

【００４７】アルミニウム電極１６は振動板７と同電位
であり、実施形態１と同様に、振動板７とアルミニウム
電極１７との間に駆動回路９からの駆動電圧信号が印加
されて積層型圧電素子１５を駆動する。The aluminum electrode 16 has the same potential as the vibration plate 7, and a driving voltage signal from the driving circuit 9 is applied between the vibration plate 7 and the aluminum electrode 17 as in the first embodiment, and 15 is driven.

【００４８】本実施形態では、積層型圧電素子を用いる
ことにより、単層の場合と比べて積層により合計で５倍
の変位が得られるので、各圧電素子層の変位量が実施形
態１の場合の５分の１で良い。圧電素子の変位は素子に
印加される電界強度に比例するので、アルミニウム電極
に印加する電圧を約５分の１に抑えることができるた
め、上記駆動用電源回路１３が供給する圧電素子駆動用
電圧Ｖｐの低電圧化を図ることができる。In the present embodiment, a total of five times displacement can be obtained by lamination as compared with the case of a single layer by using a laminated piezoelectric element. One-fifth of that is sufficient. Since the displacement of the piezoelectric element is proportional to the electric field intensity applied to the element, the voltage applied to the aluminum electrode can be suppressed to about 1/5. Vp can be reduced.

【００４９】（実施形態３）図５は本実施形態の固体高
分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。実施形
態１との相違点は、振動板７および圧電素子８を２つ用
い、その片側の縁を固定部材１８により固定して、酸化
剤極３と接触しないようにした点である。(Embodiment 3) FIG. 5 is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment. The difference from the first embodiment is that two vibration plates 7 and two piezoelectric elements 8 are used, and one edge thereof is fixed by a fixing member 18 so as not to contact the oxidant electrode 3.

【００５０】本実施形態では、振動板７および圧電素子
８が酸化剤極３に接していないため、酸化剤極３への酸
化剤ガスの導通性が実施形態１および実施形態２と比べ
て改善される。また、振動板７および圧電素子８は片側
を固定部材１８により固定されているため、団扇として
動作し、その振動により酸化剤極３への通風を効率良く
行うことができる。よって、電極へのガス供給と共に電
極表面の水分の飛散または気化の促進という２つの機能
を発揮することができる。さらに、固体高分子電解質膜
１、燃料極２および酸化剤極３から構成される電池反応
層を振動させないので、実施形態１および実施形態２に
おいて電池反応層に要求されるほどの機械的強度が、本
実施形態では不要になり、振動によるひずみや劣化等の
おそれも無くなる。In this embodiment, since the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8 are not in contact with the oxidant electrode 3, the conductivity of the oxidant gas to the oxidant electrode 3 is improved as compared with the first and second embodiments. Is done. Further, since the vibrating plate 7 and the piezoelectric element 8 are fixed on one side by the fixing member 18, the vibrating plate operates as a fan, and the vibration can efficiently ventilate the oxidant electrode 3. Therefore, two functions, that is, gas supply to the electrode and promotion of scattering or vaporization of water on the electrode surface can be exhibited. Furthermore, since the battery reaction layer composed of the solid polymer electrolyte membrane 1, the fuel electrode 2, and the oxidant electrode 3 is not vibrated, the mechanical strength required for the battery reaction layer in the first and second embodiments is reduced. In the present embodiment, this is unnecessary, and there is no risk of distortion or deterioration due to vibration.

【００５１】なお、本実施形態において、この振動板７
および圧電素子８の数をさらに増やして各々を固定部材
１８により固定した構成としてもよい。また、振動板７
と固定部材１８とを一体成形することにより、より部品
数を減らすことができる。さらに、本実施形態では、団
扇としての動作による通風効果を向上させるために、振
動板７および圧電素子８に貫通孔を設けない構成として
もよい。In this embodiment, the vibration plate 7
Alternatively, the number of the piezoelectric elements 8 may be further increased, and each may be fixed by the fixing member 18. Further, the diaphragm 7
The number of components can be further reduced by integrally molding the fixing member 18 with the fixing member 18. Further, in the present embodiment, in order to improve the ventilation effect by the operation as the fan, the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 may not be provided with through holes.

【００５２】（実施形態４）本実施形態では、振動板お
よび圧電素子８の少なくとも一方の表面に、撥水性被膜
を形成した例について説明する。実施形態１〜実施形態
３との相違点は、振動板７および圧電素子８を一体に作
製した後、これらにシリコーン樹脂による撥水性被膜を
施した点である。(Embodiment 4) In this embodiment, an example in which a water-repellent coating is formed on at least one surface of the vibration plate and the piezoelectric element 8 will be described. The difference from the first to third embodiments is that after the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8 are integrally formed, a water-repellent coating made of a silicone resin is applied to them.

【００５３】シリコーン樹脂は、耐熱性が高く、化学的
に不活性である等の特徴を有するが、本実施形態では特
に耐熱性が高い（印加点２７５℃）アルコール性シリコ
ーン樹脂エマルジョンを用いて撥水性被膜を作製する。
まず、ポリカーボネート樹脂のテトラヒドロフラン溶液
（固形分１０ｗｔ％）にフェニルメチルシリコーン樹脂
（東レ・ダウコーニングシリコーン（株）製、商品名Ｓ
Ｈ５１０、フェニル化度２５ｍｏｌ％）を添加混合し
て、コーティング剤組成物を調整する。得られたコーテ
ィング剤組成物を振動板７と圧電素子８の一体化した板
に塗布した後、室温で１時間風乾する。次に、これを１
５０℃で１時間加熱し、膜厚０．５μｍのシリコーン樹
脂被膜を得る。The silicone resin has features such as high heat resistance and being chemically inert. However, in this embodiment, the silicone resin is repelled by using an alcoholic silicone resin emulsion having particularly high heat resistance (application point: 275 ° C.). Create an aqueous coating.
First, a phenylmethyl silicone resin (manufactured by Dow Corning Toray Silicone Co., Ltd., trade name: S) was added to a tetrahydrofuran solution of polycarbonate resin (solid content: 10 wt%).
H510, phenylation degree 25 mol%) is added and mixed to prepare a coating composition. The obtained coating agent composition is applied to a plate in which the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8 are integrated, and then air-dried at room temperature for 1 hour. Next, this is 1
Heat at 50 ° C. for 1 hour to obtain a 0.5 μm-thick silicone resin film.

【００５４】本実施形態では、シリコーン樹脂被膜の撥
水効果により、振動板７および圧電素子８上の水分が水
滴状になり易いため、振動板７の振動による水分除去の
効果が向上する。また、シリコーン樹脂は耐熱性が高い
ため、固体高分子型燃料電池のセル内の温度が１００℃
付近まで上昇しても、撥水性被膜の劣化が殆ど生じな
い。さらに、フェニルメチルシリコーン樹脂は絶縁性も
高いため、燃料電池セル内における電極と振動板７、ま
たは電極と圧電素子８の短絡のおそれがないので、安全
性が向上する。In the present embodiment, the water repellent effect of the silicone resin film makes the water on the vibration plate 7 and the piezoelectric element 8 easily fall into water droplets, so that the effect of removing water by the vibration of the vibration plate 7 is improved. Further, since the silicone resin has high heat resistance, the temperature inside the cell of the polymer electrolyte fuel cell is 100 ° C.
Even if it rises to the vicinity, deterioration of the water repellent coating hardly occurs. Further, since the phenylmethylsilicone resin has a high insulating property, there is no possibility of short-circuiting between the electrode and the vibration plate 7 or between the electrode and the piezoelectric element 8 in the fuel cell, thereby improving safety.

【００５５】[0055]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
圧電素子と振動板等により構成される振動手段により、
燃料電池の電極および固体電解質膜を振動させて、電極
表面の水分除去を効率良く行うことができる。また、圧
電素子や振動板にガスや水分を通過できる貫通孔を設け
ることにより、電極へのガス供給を妨げることなく、効
率良く水分を電極から除去することができる。また、振
動板を団扇のように動作させて風を起こすことにより、
電極へのガス供給と共に電極表面の水分の飛散または気
化を促進することができる。さらに、圧電素子や振動板
に撥水性被膜を設けることにより、電極から水分を効率
良く除去することができる。本発明によれば、電極表面
への水分付着によって電極内部へのガス拡散量が不足す
ることにより生じる濃度分極を抑えて、燃料電池の発電
効率を向上させることができる。As described in detail above, according to the present invention,
By vibrating means composed of a piezoelectric element and a vibrating plate,
By vibrating the electrodes of the fuel cell and the solid electrolyte membrane, it is possible to efficiently remove water from the electrode surface. Further, by providing the piezoelectric element or the vibration plate with a through hole through which gas or moisture can pass, moisture can be efficiently removed from the electrode without obstructing gas supply to the electrode. In addition, by operating the diaphragm like a fan and generating wind,
The scattering or vaporization of water on the electrode surface can be promoted together with the gas supply to the electrode. Further, by providing a water-repellent coating on the piezoelectric element or the vibration plate, water can be efficiently removed from the electrodes. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the density | concentration polarization produced | generated by insufficient gas diffusion amount inside an electrode by adhesion of water to an electrode surface can be suppressed, and the electric power generation efficiency of a fuel cell can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】実施形態１の固体高分子型燃料電池のセル構造
を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1.

【図２】図１の圧電素子を駆動する駆動回路の構成を示
す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a drive circuit for driving the piezoelectric element of FIG.

【図３】図２の駆動回路における各部の電圧を示す波形
図である。FIG. 3 is a waveform chart showing voltages of respective parts in the drive circuit of FIG. 2;

【図４】実施形態２の固体高分子型燃料電池のセル構造
を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2.

【図５】実施形態３の固体高分子型燃料電池のセル構造
を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 3.

【図６】従来の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す
模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a cell structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１、１０１ 固体高分子電解質膜 ２、１０２ 燃料極 ３、１０３ 酸化剤極 ４、１０４ ガス不透過性基板 ５、１０５ 燃料ガス流路 ６、１０６ 酸化剤ガス流路 ７ 振動板 ８ 圧電素子 ９ 駆動回路 １０ 制御部電源回路 １１ 波形出力部 １２ 圧電素子駆動部 １３ 駆動用電源回路 １４ 駆動用ＩＣ １５ 積層型圧電素子 １６、１７ アルミニウム電極 １８ 固定部材 １９ 電池反応層 1, 101 solid polymer electrolyte membrane 2, 102 fuel electrode 3, 103 oxidant electrode 4, 104 gas impermeable substrate 5, 105 fuel gas flow path 6, 106 oxidant gas flow path 7 diaphragm 8 piezoelectric element 9 drive Circuit 10 Control section power supply circuit 11 Waveform output section 12 Piezoelectric element driving section 13 Driving power supply circuit 14 Driving IC 15 Stacked piezoelectric element 16, 17 Aluminum electrode 18 Fixing member 19 Battery reaction layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 紀征 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 AA08 CC03 CX04 EE18 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Noriyuki Yamamoto 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka F-term (reference) 5H026 AA06 AA08 CC03 CX04 EE18

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 固体電解質膜の一方の面に正極を備える
と共に他方の面に負極を備え、該正極に面して燃料ガス
流路を備えると共に該負極に面して酸化剤ガス流路を備
えた燃料電池セルにおいて、 該燃料ガス流路および該酸化剤ガス流路のうちの少なく
とも一方に少なくとも一つの振動手段を備えていること
を特徴とする燃料電池。1. A solid electrolyte membrane comprising a positive electrode on one surface and a negative electrode on the other surface, a fuel gas flow path facing the positive electrode and an oxidant gas flow path facing the negative electrode. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path includes at least one vibration unit. 【請求項２】 前記振動手段は、印加される駆動電圧に
応じて変位を生じる圧電素子と、該圧電素子の下地基板
であって、該圧電素子の変位を受けて前記固体電解質膜
に振動を与える振動板とからなる請求項１に記載の燃料
電池。2. The vibrating means is a piezoelectric element that generates a displacement in accordance with an applied driving voltage, and a base substrate of the piezoelectric element, and vibrates the solid electrolyte membrane in response to the displacement of the piezoelectric element. 2. The fuel cell according to claim 1, comprising a vibrating plate. 【請求項３】 前記振動板および圧電素子は、前記正極
上または前記負極上に電極面と並行に積層されている請
求項２に記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 2, wherein the diaphragm and the piezoelectric element are stacked on the positive electrode or the negative electrode in parallel with an electrode surface. 【請求項４】 前記振動手段は、印加される駆動電圧に
応じて変位を生じる圧電素子と、該圧電素子の下地基板
であって、該圧電素子の変位を受けて振動し、前記燃料
ガス流路または前記酸化剤ガス流路に風を起こす振動板
とからなり、該圧電素子および該振動板が前記正極また
は前記負極に接触せずに配置されている請求項１に記載
の燃料電池。4. The vibrating means is a piezoelectric element that generates a displacement in accordance with an applied driving voltage, and a base substrate of the piezoelectric element. 2. The fuel cell according to claim 1, further comprising a vibrating plate that generates wind in a passage or the oxidizing gas flow path, wherein the piezoelectric element and the vibrating plate are arranged without contacting the positive electrode or the negative electrode. 【請求項５】 前記圧電素子がＰＺＴ膜からなる請求項
２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。5. The fuel cell according to claim 2, wherein the piezoelectric element is made of a PZT film. 【請求項６】 前記圧電素子および前記振動板のうちの
少なくとも一方は、ガスおよび水分のうちの少なくとも
一方を透過させる機能を有する請求項２乃至請求項５の
いずれかに記載の燃料電池。6. The fuel cell according to claim 2, wherein at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a function of transmitting at least one of gas and moisture. 【請求項７】 前記圧電素子および前記振動板のうちの
少なくとも一方が、複数の貫通孔を有する請求項２乃至
請求項６のいずれかに記載の燃料電池。7. The fuel cell according to claim 2, wherein at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a plurality of through holes. 【請求項８】 前記圧電素子および前記振動板のうちの
少なくとも一方が、表面に撥水性被膜を有する請求項２
乃至請求項７のいずれかに記載の燃料電池。8. A method according to claim 2, wherein at least one of said piezoelectric element and said diaphragm has a water-repellent coating on the surface.
A fuel cell according to any one of claims 1 to 7. 【請求項９】 前記撥水性被膜がシリコーン樹脂からな
る請求項８に記載の燃料電池。9. The fuel cell according to claim 8, wherein the water-repellent coating is made of a silicone resin. 【請求項１０】 前記撥水性被膜が架橋構造を有する高
分子膜からなる請求項８に記載の燃料電池。10. The fuel cell according to claim 8, wherein the water-repellent coating comprises a polymer film having a crosslinked structure.
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