JP2004014192A - 燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池による発電を行う燃料電池装置において、高効率な発電を実現すると共に、その発電特性の制御も可能とする燃料電池装置の提供を目的とする。
【解決手段】電解質膜を挟持する燃料側電極、空気側電極に対して表面弾性波素子や音源などの加振デバイスを振動が伝播するように形成し、活性化を図る場合には、該加振デバイスに所要の信号を供給する。加振デバイスからの振動に応じて燃料電池の発電部の電極界面における気孔部分でのガス交換を効率良くすすめることができ、該触媒の活性化係数を高めることで発電量を大きくできる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
本発明は電解質膜を水素側電極と酸素側電極で挟んで水素などの燃料流体を供給すると共に空気を供給して所要の起電力を発生させる燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素ガスやメタノールなどの燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる装置であり、一般的にはプロトン伝導体膜を酸素側電極と水素側電極で挟んだ構造を有している。酸素側電極には、酸素を供給するために空気が供給され、他方の水素側電極には、燃料流体が供給される。燃料電池が発電する場合には、イオン交換膜である電解質膜中をプロトンが移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生すると共に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は電解質膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と呼ばれており、この電解質膜電極複合体を単体で或いは平面的に並べることで平面構造の燃料電池が構成され、或いは積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成される。
【０００３】
このような燃料電池は、最近では輸送用車両などの分野で電気自動車やハイブリッド式車両としての応用が大きく期待されている他、住宅用電源システムなどについても実用化が期待されており、さらには燃料電池の軽量性や小型性を活かした携帯機器や小型電源などについても研究や開発が進められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
効率の良い燃料電池装置を製造するためには、電池内部での種々の損失を抑えることが必要である。この電池内部での損失としては、触媒活性に基づく損失、内部抵抗に基づく損失、ガスや水などの移動による損失などが挙げられ、これらの損失を如何に抑制するかが重要な課題となる。これらの損失の中、触媒活性に基づく損失は触媒を担持させる方法や、触媒の種類、サイズなどに左右されるものであり、触媒中の活性金属の粒径を小さく均一に分散させて反応に寄与する表面積を改善したり、白金などの触媒に異種金属を合金化させて酸素の還元特性を改善する例などが知られる。
【０００５】
しかしながら、これらの触媒活性に基づく損失では、十分な損失の低下が得られていないのが現状であり、更なる高効率な燃料電池の発電特性が要求されている。また、材料や構造の改善による場合では、一旦製造された後においては、その特性を変えることができないと言う問題も生ずる。損失は低く抑えることが望ましいが、燃料電池が発電した電力が供給されるところの負荷は一般に変動し得るものであり、その負荷変動に追従するような制御も必要とされる場合もある。
【０００６】
そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、燃料電池による発電を行う燃料電池装置において、高効率な発電を実現すると共に、その発電特性の制御も可能とする燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池装置は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配設されて燃料流体が供給される燃料側電極と、前記電解質膜の他方の面に配設されて空気が供給される空気側電極と、前記燃料側電極及び前記空気側電極の少なくとも一方の電極界面を加振する加振手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
電解質膜を挟持する燃料側電極と空気側電極でそれぞれ燃料流体と空気とが供給され、これら燃料流体と空気をそれぞれ電極界面で活性化させて所要の電力を発生させる。加振手段からの振動が伝播した場合では、その電極界面におけるガス交換反応が大きく促進されることになり、従って、当該燃料電池装置の出力向上を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の他の燃料電池装置は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配設されて燃料流体が供給される燃料側電極と、前記電解質膜の他方の面に配設されて空気が供給される空気側電極と、前記燃料側電極及び前記空気側電極の少なくとも一方に接続され該電極に表面弾性波を伝播させる表面弾性波素子を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、電解質膜を挟持する燃料側電極と空気側電極でそれぞれ燃料流体と空気とが供給され、これら燃料流体と空気をそれぞれ電極界面で活性化させて所要の電力が発生される。表面弾性波素子は所要の弾性波を発生させることができ、その弾性波によって電極界面でのガス交換を促進させることができる。これによって電極界面での反応ガス不足を抑えることができ、当該燃料電池装置の出力向上を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池装置の制御方法は、電解質膜を挟持する燃料側電極と空気側電極を有する電解質膜電極複合体を形成する工程と、前記電解質膜電極複合体に音波を伝播できるように音源を配設する工程と、前記電解質膜電極複合体に燃料流体及び空気を送ると共に前記音源を駆動して前記電極における反応を制御しながら発電を行う工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
電解質膜電極複合体の構成として、電解質膜を挟持するように燃料側電極、空気側電極を配設することによって、燃料側電極に燃料を供給し、空気側電極に空気を供給すれば発電が生ずることになる。このような電解質膜電極複合体に対して音波を伝播できるように音源を配設することで、音源からの音波が電解質膜電極複合体に到達することとなり、この到達した音波によってガス交換を容易に進行させることができる。従って、音波について制御を行うことでガス交換による反応の活性度を調節できることになり、発電量の制御も実現される。
【００１３】
また、本発明の燃料電池装置の制御方法は、電解質膜を挟持する燃料側電極と空気側電極を有する電解質膜電極複合体を形成する工程と、前記電解質膜電極複合体の各電極にある気孔に対して表面弾性波を伝播させる表面弾性波素子を配設する工程と、前記電解質膜電極複合体に燃料流体及び空気を送ると共に前記表面弾性波素子を駆動して前記電解質膜電極複合体の前記電極における反応を制御しながら発電を行う工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
この燃料電池装置の制御方法によれば、先の制御方法における音波の代わりに表面弾性波が使用され、表面弾性波が気孔に到達すれば共鳴現象によってガスの置換を容易に進行させることができる。従って、表面弾性波について制御を行うことでガス交換による反応の活性度を調節できることになり、発電量も確実に制御される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
本実施形態は、表面弾性波素子を用いて弾性波を発生させ、その振動を電解質膜電極複合体の各電極に存在する気孔に伝達し、気孔内に所要の定在波が発生してガス交換が進展する。図１はその表面弾性波素子を用いた燃料電池装置の部分的な模式図である。表面弾性波素子１は、圧電性基板５上に少なくとも一対の櫛形電極２が形成された構造を有しており、櫛形電極２に交流電力を供給することで圧電性基板５の表面に弾性波が発生する。この表面弾性波素子１は、後述するように、燃料電池本体のセパレータに接続するように構成されていても良く、表面弾性波素子１自体がセパレータの一部として機能する構造であっても良い。少なくとも表面弾性波素子１は、電解質膜電極複合体の各電極までに弾性波を伝播し得るように電解質膜電極複合体に直接的或いは間接的に接続される。
【００１７】
電解質膜電極複合体は、図１では簡単のために省略しているが、プロトンを透過させる膜である電解質膜を燃料側電極と空気側電極で挟持した構造を有しており、燃料側電極に水素やメタノールなどの燃料流体を供給し、空気側電極に空気を供給することで両電極間に起電力を生じさせる機構部である。電解質膜電極複合体は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）或いは膜電極接合体と称される部材である。ここで燃料側電極と空気側電極は炭素繊維膜上に白金などの触媒が担持された炭素粒子を設けた構造とされることが多く、電極界面は多くの気孔が形成された多孔質状態とされることがしばしば行われる。電極製造方法の一例について説明すれば、白金を担持させたカーボンブラックをフッ素系固体高分子樹脂に分散させ、十分に攪拌した後、カーボンシートに塗布し、その後塗布部分を硬化させて形成する。このようにカーボンブラックを高分子樹脂に分散させたものを塗布する場合、塗布部分を硬化させて電極を形成することで、その電極界面には炭素粒子３に囲まれた０．１μｍから１０μｍ程度の気孔４が分布することになる。この気孔４は炭素粒子の間の隙間を模式的に示しており、気孔４には触媒も臨むことになる。
【００１８】
表面弾性波素子１で発生した弾性波は、該表面弾性波素子１に直接的或いは間接的に接続される電解質膜電極複合体に伝播され、該弾性波によって電解質膜電極複合体の電極に形成される気孔４が共鳴が生じ、該弾性波のエネルギーが気孔４内の水素や酸素などの気体に集中されることになる。気孔４内に定在波が発生することで、気孔４内の気体温度の上昇と熱膨張によってガスの排出が効率良く行われることになる。この場合の弾性波の振動数は、その気孔サイズや温度にも依存し、一例として１５ＭＨｚから２００ＭＨｚの範囲が好ましく、特には５０ＭＨｚ乃至６０ＭＨｚが好ましい。この点については、検証するための実験を本件発明者らは行っており、この実験の内容については後述する。
【００１９】
触媒金属上での反応は、特に水素を燃料とする燃料電池ではプロトン、酸素、電子が会合し水を生成する電極反応が律側となる場合が多い。この電極反応の速度を決定づける要因の一つに電極内への反応ガス拡散速度が挙げられる。一般に水素燃料型燃料電池セルでは、酸素極（空気極）で酸素ガスが、燃料極（水素極）で水素ガスが反応する。電極内の反応は白金等の貴金属の微粒子がカーボン等に担持されている触媒表面上で生じる。この触媒は、約０．１〜１０μｍの粒子間隙間、すなわち気孔に隣接しており、この気孔を通過して反応ガスは触媒に届く。従来の燃料電池では高電流密度での発電時（＝過電圧を上げる場合）に、反応ガスの供給が追いつかず出力低下の原因となる。すなわち反応ガスの供給はその供給パスである気孔が担っており、気孔中のガスを速やかに排出することができれば高出力が実現される。そして、本実施の形態のように弾性波を利用することで、この約０．１〜１０μｍの平均孔径である電極の気孔内のガスを音波又は気孔共鳴によって強制排気することが実現され、このようなガス交換の促進から発電量を高めることが実現される。
【００２０】
更に、このような気孔４内での共鳴現象によるガス交換の促進作用と並行して、弾性波が触媒に作用して当該触媒の界面における反応が活性化する。一般に燃料電池には炭素繊維膜上に白金等の触媒が担持された炭素粒子を設置する所謂触媒電極が用いられる。触媒として機能する金属は、ナトリウムやカリウムのような反応活性の高すぎるものや、金のようにガス吸着が起こりにくいもの等の金属は不向きで、ガス分子をよく吸着するものの自身は安定であるような金属が好都合であるが、特に白金は燃料電池の電極反応において有用な触媒である。触媒に表面弾性波を作用させることで、その反応を制御できることは、例えば、Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　３５７−３５８　（１９９６）７６９−７７２にも、表面弾性波によってパラジウム触媒の一酸化炭素等の酸化反応を検証したものが知られており、また、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　１６９−１７０　（２００１）　２５９−２６３にも表面弾性波の作用によって、エチレンなどの反応に大きな違いが生ずることが示されている。本実施形態においては、触媒は、燃料側電極と電解質膜の間若しくは燃料側電極と一体的に触媒層として設けられ、例えば炭素系材料の多孔質表面に担持されて存在する。この触媒に対して、表面弾性波を発生させる表面弾性波素子から有効に弾性波が伝播するように接続させ、表面弾性波素子に供給される高周波信号を制御させることで、触媒における反応自体を確実に制御できることになる。
【００２１】
図２は表面弾性波素子を搭載した燃料電池装置の一例を示す図である。この燃料電池装置は、流体案内溝１２ａを有した板状のセパレータ１２と流体案内溝１３ａを有した板状のセパレータ１３で電解質膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１を挟持し、さらにセパレータ１３の電解質膜電極複合体１１が配された面とは逆側の面に表面弾性波素子１４を貼り合わせた構造を有する。
【００２２】
電解質膜電極複合体１１は、プロトン伝導体などの電解質膜１１ａを燃料側電極１１ｂと空気側電極１１ｃで挟持した構造を有しており、空気側電極１１ｃや燃料側電極１１ｂは、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら空気側電極１１ｃや燃料側電極１１ｂには集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。空気側電極１１ｃや燃料側電極１１ｂに炭素系材料が使用される場合では、炭素系材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させるようにしても良く、本実施の形態では、燃料側電極１１ｂと電解質膜１１ａの間若しくは燃料側電極１１ｂと一体的に触媒が担持され、空気側電極と電解質膜１１ａの間若しくは空気側電極１１ｃと一体的に触媒が担持される。
【００２３】
発電時には、燃料側電極ではセパレータ１２から水素ガス（Ｈ_２）などの燃料気体やメタノールなどの燃料液体が供給される。燃料が水素である場合、水素ガス（Ｈ_２）が気体流路を通過する間にプロトンを発生させ、解離したプロトン（Ｈ^＋）は燃料側電極１１ｂから空気側電極１１ｃに向かって電解質膜１１ａの膜中を移動する。この移動したプロトンは、空気側電極１１ｃの触媒付近で酸素（空気）と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。
【００２４】
このような固体高分子膜を用いた構成の燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である燃料側電極では触媒と高分子電解質の接触界面においてＨ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である空気側電極では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり、結果として水が生成される。この構成の燃料電池では、プロトン伝導体膜でプロトンが解離しつつ、燃料側電極から供給されるプロトンが空気側電極に移動するので、プロトンの伝導率が高くなるという特徴がある。また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。
【００２５】
このような電解質膜電極複合体１１は、一対のセパレータ１２、１３によって挟持されている。セパレータ１２、１３は例えば合成樹脂やその他の誘電体材料から構成される略板状の部材であり、各セパレータ１２、１３の電解質膜電極複合体１１当接面には流体案内溝１２ａ、１３ａが形成される。当該燃料電池装置が積層タイプである場合には、セパレータ１２，１３は空気極と燃料極を接続させる導電体であっても良く、耐腐食性の高い金属や炭素系材料を選んでも良い。流体案内溝１２ａ、１３ａは複数の互いに平行して延長される溝からなり、その断面は例えば矩形状とされるが、三角形状や半円若しくはアーチ状でも良く、また、溝自体は延長される部分で均一でなくとも良く、例えば流体の入り口側で断面が大きく先細りとなるような形状であっても良い。
【００２６】
セパレータ１２はその電解質膜電極複合体１１当接面に形成された複数の流体案内溝１２ａによって、燃料流体を電解質膜電極複合体１１の燃料側電極１１ｂに案内する。また、セパレータ１３はその電解質膜電極複合体１１当接面に形成された複数の流体案内溝１３ａによって、空気を電解質膜電極複合体１１の空気側電極１１ｃに案内する。セパレータ１２とセパレータ１３は同一の構造とすることも可能であるが、異なる構造であっても良く、例えば、溝の位置が対称的とならないものであっても良い。また、溝のピッチやサイズなどがセパレータ１２、１３の間で異なる構造であっても良い。
【００２７】
空気側のセパレータ１３の裏面側には、表面弾性波素子１４が貼り合わされて接続される。表面弾性波素子１４は、圧電体基板１４ｃ上に一対の電極１４ａ、１４ｂが形成された構造を有している。一対の電極１４ａ、１４ｂは、ミアンダ状（蛇行状）に延在されるパターンで形成されるが、ミアンダ状は一例であって、他のパターンにすることも可能である。本実施の形態では、表面弾性波素子１４の一対の電極１４ａ、１４ｂが形成された面が空気側のセパレータ１３の裏面に貼り合わせられるが、セパレータ１３の裏面と圧電体基板１４ｃが直接接続するような構造であっても良い。
【００２８】
表面弾性波素子１４は、表面弾性波（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ）を発生させる素子であり、高周波信号が供給され、圧電体内部を伝播する弾性波動が表面に集中して伝播することを利用した素子である。表面弾性波は圧電体基板１４ｃの表面で主に伝播することになるが、その振動はセパレータ１３を介して電解質膜電極複合体１１まで伝わることになる。高周波電力によって発生した表面弾性波が電解質膜電極複合体１１の電極表面の多孔質界面に伝播され、その電極表面に形成されている気孔内に弾性波のエネルギーに基づき定在波が発生し、気孔内の気体温度の上昇と熱膨張によってガスの排出が効率良く行われることになる。また、この弾性波は電解質膜電極複合体１１の電極表面の触媒にも作用し、その触媒界面における反応を制御することができる。
【００２９】
本実施の形態においては、貼り合わせられる表面弾性波素子１４は１つであるが、複数の表面弾性波素子１４を１つのセパレータ１３に接続させることもでき、複数の弾性波の干渉作用によって高効率となる周波数や位置を組み合わせることも可能である。また、表面弾性波素子１４は空気側電極のセパレータ１３に貼り合わせられているが、燃料側電極のセパレータ１２に接続される構造であっても良い。
【００３０】
図３は表面弾性波素子１４上にセパレータ１３、電解質膜電極複合体１１、及びセパレータ１２を積層した構造の燃料電池装置を示す。電解質膜電極複合体１１の上面にはセパレータ１２に形成された流体案内溝１２ａから水素やメタノールなどの燃料流体が供給され、セパレータ１３に形成された流体案内溝１３ａから空気が電解質膜電極複合体１１の下面に供給されて発電を行う。図３中、矢印は表面弾性波素子１４で発生した弾性波がセパレータ１３を介して伝播する様子を模式的に示すものであり、外部から高周波信号を供給した時に触媒における反応が活性化され、高周波信号の供給を停止した時に触媒における反応が通常のレベルに戻されることになる。従って、外部からの信号によって発電量を確実に制御することが可能となり、効率の良い発電が実現される。
【００３１】
図４は表面弾性波素子の一例の平面図である。圧電体基板１４ｃは、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３などの強誘電体材料基板からなり、本実施の形態においては、結晶の切断方向を工夫して圧電体基板１４ｃの主面に垂直な方向での弾性波成分が高くなるように設定することが望ましい。一対の電極１４ａ、１４ｂはトランスデューサとして機能し、指を合わせて組むような櫛形形式でパターニングされている。一対の電極１４ａ、１４ｂは、弾性波を生じさせるような構造であれば、他の構造であっても良く、さらに多くの電極を設けるようにしても良い。例えば、２枚の面状電極を圧電体を挟んで対向させるようにすることも可能である。
【００３２】
他の実施の形態の燃料電池装置について、図５、図６を参照しながら説明する。表面弾性波素子と、流路を構成する電極部とが同一圧電体基板上に並べて配置され、表面弾性波素子に信号を与えて弾性波を生じさせ、そのまま空気や燃料の流路として利用される櫛形電極部から電解質膜電極複合体の気孔部に弾性波を作用させて気孔内のガス交換を促進させると共に電解質膜電極複合体の触媒に弾性波を作用させる例である。
【００３３】
図５は燃料電池装置の断面図である。圧電体基板２１の表面の一部に絶縁体膜２５、２５に挟まれた櫛形電極部２２を設けて表面弾性波素子２４を形成し、更に同じ圧電体基板６１の表面に櫛形電極部２７を形成し、その櫛形電極部２７の表面に電解質膜電極複合体を取り付けた構造を有している。
【００３４】
電解質膜電極複合体は、具体的には、発電時にプロトンが移動する電解質膜２８を空気側電極２６と燃料側電極２９が挟む構造となっており、空気側電極２６の表面には圧電体基板２１の表面に形成されている櫛形電極部２７が接続する。この電解質膜・電極複合体においては、空気側電極２６の表面に櫛形電極部２７の間の流路２３から空気が供給され、反対側の燃料側電極２９には水素などの燃料が供給されて、所要の発電が行われる。発電時には、空気側電極２６及び燃料側電極２９の触媒界面で反応が生ずるが、その反応は表面弾性波素子２４からの音波によって制御される。表面弾性波素子２４は、所要の高周波信号を与えることで発振し、その振動が圧電体基板２１の表面を伝播して櫛形電極部２７に振動が到達する。櫛形電極部２７はその電極構造からＳＡＷフィルターとして機能し、櫛形電極部２７による周波数の選択性からさらに精密な触媒反応の制御も可能である。
【００３５】
図６は表面弾性波素子２４の断面図であり、圧電体基板２１の表面の一部に絶縁体膜２５、２５に挟まれた櫛形電極部２２が設けられている。表面弾性波素子２４は圧電体基板２１上で信号入力部として機能することになる。
【００３６】
本実施の形態の燃料電池装置は、圧電体基板２１上の表面弾性波素子２４によって弾性波を発生させることができ、その弾性波によって電解質膜電極複合体の空気側電極２６と燃料側電極２９に形成された気孔内でのガス交換が促進されることになる。このため表面弾性波素子２４に高周波信号を供給することで、電極界面における反応が促進され、発電量を改善することができる。また、表面弾性波素子２４から供給される弾性波によって、電解質膜電極複合体の空気側電極２６と燃料側電極２９に担持されている触媒の反応作用も増大させることができ、その触媒の反応を活性化させることによっても発電量を高めることができる。
【００３７】
図７は本件発明者らが行った実験データを示す図である。実験は弾性波発生素子を形成した燃料電池装置を用い、弾性波発生素子を振動させて幾つかの振動数における燃料電池装置の出力を測定したものである。
【００３８】
実験に先立ち、形成した燃料電池装置についてその製法から説明すると、先ず、電極として、カーボンブラック（ＶａｌＫａｎ７２ＸＣ（商品名））に対し担持量比４６％の白金を担持させた触媒をフッ素系固体高分子樹脂に分散させ、充分に攪拌した後、３００μｍのカーボンシートに塗布した。白金担持密度は１ｍｇ／ｃｍ^２であった。電極は触媒面積７ｃｍ^２の円形に切り抜き、市販ナフィオン（商品名）膜（ナフィオン１１２）にホットプレスすることで電解質膜電極複合体（ＭＥＡ）を構成した。この電解質膜電極複合体をさらに燃料電池用セパレータに挟み、ガス経路に漏れがないことを確認した後、空気極側に乾燥した純酸素を５０ｍｌ／分、燃料極側に相対湿度５０％の水素を５０ｍｌ／分それぞれ流した。燃料電池装置の燃料電池部分は２３℃に設定した。
【００３９】
続いて、セパレータに櫛形電極を蒸着したリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_２）基板を貼り付け、弾性波発生素子を形成した。櫛形電極部には金などの金属膜を用い、該櫛形電極からは金リード線を燃料電池装置の外部に引き出し外部交流電源に接続した。
【００４０】
以上の如き設定を行った後、燃料電池セルに反応ガスを流しながら、外部交流電源の周波数を変化させて、０ＭＨｚ（＝ｆ１）、５ＭＨｚ（＝ｆ２）、１５ＭＨｚ（＝ｆ３）、５５ＭＨｚ（＝ｆ４）、１５０ＭＨｚ（＝ｆ５）、２００ＭＨｚ（＝ｆ６）の振動数の弾性波を酸素極及び水素極に伝播させ、その各状態でゼロ電圧時の出力電流をそれぞれ観察した。その結果を図７に示す。図７に示すように、低周波数域（ｆ１、ｆ２）と高周波数域（ｆ６）では、十分な出力が得られないことが示されているが、中間の周波数域（ｆ３〜ｆ５）では概ね１０００ｍＡ／ｃｍ^２以上の出力が得られており、例えば弾性波発生素子の振動周波数をｆとすると、１５ＭＨｚ≦ｆ≦１９０ＭＨｚの範囲では有効な出力が得られていることが分かる。
【００４１】
ここで、弾性波などの振動現象によって燃料電池の出力が向上することについては、次のように説明される。電極内には実測（ポロシメーター）から０．１μｍ〜１０μｍの気孔が分布する。仮に分布径平均を１μｍ、気孔の形状を２連続筒型と仮定すると、その共鳴振動数νはν＝（ｖ／２π）√（Ａ／Ｖ）で表せる。ここでＡは筒の長さの半分（単位ｍ）、Ｖは筒の円形部の面積を筒の長さ半分で割った値である。ｖは音速（ｍ／ｓ）である。温度がＴ（℃）の時、ｖ＝３３１．５＋０．６１Ｔ（ｍ／ｓ）と示されるので燃料電池の作動環境温度と考えられる‐２０℃≦Ｔ≦８０℃では５０ＭＨｚ≦ｆ≦６０ＭＨｚが共鳴振動数となる。一方、０．１μｍの気孔には同温度範囲で１５．８ＭＨｚ≦ｆ０．１≦１８．９ＭＨｚ、１０μｍの気孔には１５８ＭＨｚ≦ｆ１０≦１８９ＭＨｚが共鳴振動数となる。共鳴振動数と温度の関係をまとめたものが次の表１である。
【００４２】
【表１】

【００４３】
従って、振動周波数ｆが約１５ＭＨｚ≦ｆ≦１９０ＭＨｚの範囲では、電極界面の気孔部分に共鳴現象は発生し、この共鳴現象によって、その電極表面に形成されている気孔内の気体温度の上昇と熱膨張によってガスの排出が効率良く行われることになる。更に、この弾性波は電解質膜電極複合体１１の電極表面の触媒にも作用し、その触媒界面における反応を制御することができる。
【００４４】
次に、他の実施形態の燃料電池装置について説明する。図８は音源を利用した燃料電池装置の部分的な模式図である。音源３１は、所要の音波を発生できる装置であれば、種々の装置を設けることが可能であり、具体的には平面スピーカーなどの各種スピーカーやマイクロホンを用いることが可能であって、さらにはリチウムナイオベート、水晶、チタン酸鉛等の基板に金属電極を形成したセパレータを用いても良い。また、プロトン伝導体（電解質膜）の両面に触媒を備えた電解質膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）において、プロトン伝導体の両電極に金属電極を形成し、両電極に交流電圧を印加することでプロトン伝導膜はその振動現象をおこす。これを音源として用い、該音源から電極内に音波を導入することも可能である。
【００４５】
音源３１から出力された音波は、電解質膜電極複合体の電極界面を構成する炭素粒子３２に囲まれた０．１μｍから１０μｍ程度の平均孔径を有する気孔３３に到達する。気孔３３は炭素粒子３２の間の隙間を模式的に示しており、気孔３３には触媒も臨む。このような燃料電池装置においては、比較的に周波数の低い音波などの振動が電解質膜電極複合体の電極界面の気孔３３内に到達する。音波は空気などの媒介気体若しくは媒介液体の波動現象であることから、気孔３３内部に到達した場合では、その気孔３３内部に存在する気体を波動現象に従って移動させ、ガスの置換を促進させることが可能となる。このため気孔３３内部では、ミクロンオーダーの比較的に狭い気孔内であっても必要なガスが触媒まで効率良く供給され触媒界面における反応が促進される。なお、音源からの音波の振動数は３００００Ｈｚ以下であればかまわないが、好ましくは１０Ｈｚ≦ｆ≦２００００Ｈｚがよい。このような振動数領域ならば市販の音源（スピーカー等）が使用可能である。
【００４６】
図９は他の実施形態にかかる燃料電池装置の模式図である。この燃料電池装置は、流体案内溝４５を有した板状のセパレータ４４が電解質膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）に取り付けられており、この電解質膜電極複合体の出力にはモニター４８が接続し、該モニター４８には制御回路４７が接続する。制御回路４７はスピーカーなどの音源４６にも接続され、音源４６の駆動は制御回路４７からの信号によって制御される。
【００４７】
電解質膜電極複合体は、プロトン伝導体などの電解質膜４１を燃料側電極４３と空気側電極４２で挟持した構造を有しており、空気側電極４２や燃料側電極４３は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら空気側電極４２や燃料側電極４３には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。集電体は空気側電極４２や燃料側電極４３と一体化する構造であっても良い。空気側電極４２や燃料側電極４３に炭素系材料が使用される場合では、炭素系材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させるようにしても良く、例えば、燃料側電極４３と電解質膜４１の間若しくは燃料側電極４３と一体的に触媒が担持され、空気側電極４２と電解質膜４１の間若しくは空気側電極４２と一体的に触媒が担持される。
【００４８】
発電時には、燃料側電極ではセパレータ４４から水素ガス（Ｈ_２）などの燃料気体やメタノールなどの燃料液体が供給される。燃料が水素である場合、水素ガス（Ｈ_２）が気体流路を通過する間にプロトンを発生させ、解離したプロトン（Ｈ^＋）は燃料側電極４３から空気側電極４２に向かって電解質膜４１の膜中を移動する。この移動したプロトンは、空気側電極４２の触媒付近で酸素（空気）と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。
【００４９】
このような固体高分子膜を用いた構成の燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である燃料側電極では触媒と高分子電解質の接触界面においてＨ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である空気側電極では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり、結果として水が生成される。この構成の燃料電池では、プロトン伝導体膜でプロトンが解離しつつ、燃料側電極から供給されるプロトンが空気側電極に移動するので、プロトンの伝導率が高くなるという特徴がある。また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。
【００５０】
セパレータ４４は例えば合成樹脂やその他の誘電体材料から構成される略板状の部材であり、燃料流体を電解質膜電極複合体の燃料側電極４３に案内する。各セパレータ４４の電解質膜電極複合体の当接面には流体案内溝４５が形成される。当該燃料電池装置が積層タイプである場合には、セパレータは空気極と燃料極を接続させる導電体であっても良く、耐腐食性の高い金属や炭素系材料を選んでも良い。流体案内溝４５は複数の互いに平行して延長される溝からなり、その断面は例えば矩形状とされるが、三角形状や半円若しくはアーチ状でも良く、また、溝自体は延長される部分で均一でなくとも良く、例えば流体の入り口側で断面が大きく先細りとなるような形状であっても良い。
【００５１】
モニター４８は、電解質膜４１を燃料側電極４３と空気側電極４２で挟持した電解質膜電極複合体からの出力を監視する回路であり、その電解質膜電極複合体からの出力は発電電力として負荷の駆動に使用される。モニター４８は例えば電解質膜電極複合体からの出力が低下した際に、その旨の信号を制御回路４７に送る。制御回路４７は、種々の制御を行うことが可能であるが、本例では特に当該燃料電池装置の出力を一定に保持するように作動する。すなわち、モニター４８は電解質膜電極複合体からの出力が低下した際にその旨の信号を制御回路４７に送ることから、制御回路４７では常に電解質膜電極複合体の発電状態を把握することができ、出力低下時にはスピーカーなどの音源４６を駆動する。この音源４６の駆動によって、気相中を音源４６からの音波が伝播し、その音波が電解質膜電極複合体の電極界面における気孔内部に到達した場合では、その気孔内部に存在する気体を波動現象に従って移動させる。この波動現象に伴うガスの置換から、電解質膜電極複合体の触媒界面における反応が促進され、発電出力の低下が防止され、或いは発電出力の回復が図れることになる。
【００５２】
このような音波に基づく発電量の向上については、前述の図７に示した実験と同様の実験を行っている。これについて図１０を参照しながら説明すると、実験は音源から音波を出力し、幾つかの音声周波数における燃料電池装置の出力を測定したものである。
【００５３】
実験に用いた燃料電池装置の製法については、前述の実験のものと同様であって、先ず、電極として、カーボンブラック（ＶａｌＫａｎ７２ＸＣ（商品名））に対し担持量比４６％の白金を担持させた触媒をフッ素系固体高分子樹脂に分散させ、充分に攪拌した後、３００μｍのカーボンシートに塗布した。白金担持密度は１ｍｇ／ｃｍ^２であった。電極は触媒面積７ｃｍ^２の円形に切り抜き、市販ナフィオン（商品名）膜（ナフィオン１１２）にホットプレスすることで電解質膜電極複合体（ＭＥＡ）を構成した。この電解質膜電極複合体をさらに燃料電池用セパレータに挟み、ガス経路に漏れがないことを確認した後、空気極側に乾燥した純酸素を５０ｍｌ／分、燃料極側に相対湿度５０％の水素を５０ｍｌ／分それぞれ流した。燃料電池装置の燃料電池部分は２３℃に設定した。
【００５４】
続いて、マイクロホンを電極上方に接着し、音声信号として正弦波の信号、１Ｈｚ（＝ｆ１１）、１０Ｈｚ（＝ｆ１２）、１００Ｈｚ（＝ｆ１３）、１ｋＨｚ（＝ｆ１４）、１０ｋＨｚ（＝ｆ１５）、２０ｋＨｚ（＝ｆ１６）、３０ｋＨｚ（＝ｆ１７）のそれぞれを音源としてのマイクロホンに与えた。この間、マイクロホンに印加する正弦波の振幅は０．２Ｖに設定した。このようなマイクロホンに各周波数の信号を与えた結果、その各状態でゼロ電圧時の出力電流をそれぞれ観察したところ、図１０に示す実験結果が得られた。図１０に示すように、極低周波数域（ｆ１１）と高周波数域（ｆ１６、ｆ１７）では、十分な出力が得られないことが示されているが、中間の周波数域（ｆ１２〜ｆ１５）では概ね９５０ｍＡ／ｃｍ^２以上の出力が得られており、例えば音源に供給される印加周波数（音波振動数）をｆとすると、１０Ｈｚ≦ｆ≦２００００Ｈｚの範囲では有効な出力が得られていることが分かる。
【００５５】
このように音源を利用した燃料電池装置においては、比較的に周波数の低い音波などの振動が電解質膜電極複合体の電極界面の気孔内に到達することで、気孔内部に存在する気体を波動現象に従って移動させ、ガスの置換を促進させることが可能となる。このため音源を駆動することで、比較的に狭い気孔内であっても必要なガスが触媒まで効率良く供給され触媒界面における反応が促進される。また、音源を用いて出力制御も可能であり、出力低下時に音波振動を発生させ、その音波振動を燃料電池に与えることで、発電の出力低下を抑制したり、発電の出力回復を図ることができる。
【００５６】
なお、本発明においては、燃料電池装置を搭載する機器としては、如何なるものでも可能であり、パーソナルコンピュータ、携帯電話機やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの電子機器の他、本発明は、プリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、電話機、テレビジョン受像機、画像表示装置、通信機器、カメラ、オーディオビデオ機器、扇風機、冷蔵庫、ヘアドライヤー、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具、医療機器、測定機器、車両搭載用機器、事務機器、健康美容器具、電子制御型ロボット、衣類型電子機器、各種電動機器、車両、船舶、航空機などの輸送用機械、家庭用若しくは事業用発電装置、その他の用途に使用できるものである。
【００５７】
また、本発明では、燃料として主に水素ガスを使用する例について説明したが、いわゆるダイレクトメタノール方式に対応してメタノール（液体）等のアルコールを燃料とする構成としても良い。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の燃料電池装置によれば、弾性波発生素子や音源などの加振手段からの振動によって、燃料電池の発電部の電極界面における気孔部分でのガス交換を効率良くすすめることができ、この作用によって触媒反応を活性化して発電量を向上させることができる。また、このような弾性波発生素子や音源などの加振手段からの振動は、燃料電池装置本体の外部から与えられる信号によって制御できるものであり、従って、信号を制御することで発電量の制御も実現されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる燃料電池装置の模式図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる燃料電池装置の分解斜視図である。
【図３】図２に示した実施形態にかかる燃料電池装置の側断面図である。
【図４】図２に示した本発明の実施形態にかかる燃料電池装置の表面弾性波素子の部分の平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態にかかる燃料電池装置の側断面図である。
【図６】図５に示した実施形態にかかる燃料電池装置の表面弾性波素子の部分の側断面図である。
【図７】本発明のかかる燃料電池装置の出力と印加振動数の関係を示す実験データである。
【図８】本発明のさらに他の実施形態にかかる燃料電池装置の模式図である。
【図９】本発明のまた他の実施形態にかかる燃料電池装置のブロック図である。
【図１０】本発明のかかる燃料電池装置の出力と印加振動数の関係を示す実験データである。
【符号の説明】
１　表面弾性波素子
２　櫛形電極
３　炭素粒子
４　気孔
５　圧電性基板
１１　電解質膜・電極複合体
１１ａ　電解質膜
１１ｂ　燃料側電極
１１ｃ　空気側電極
１２、１３　セパレータ
１４　表面弾性波素子
１４ａ、１４ｂ　電極
１４ｃ　圧電体基板
２１　圧電体基板
２４　表面弾性波素子
２６　空気側電極
２８　電解質膜
２９　燃料側電極
３１　音源
３２　炭素粒子
３３　気孔
４１　電解質膜
４２　空気側電極
４３　燃料側電極
４４　セパレータ
４６　音源
４７　制御回路
４８　モニター

Claims (16)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配設されて燃料流体が供給される燃料側電極と、
   前記電解質膜の他方の面に配設されて空気が供給される空気側電極と、
   前記燃料側電極及び前記空気側電極の少なくとも一方の電極界面を加振する加振手段を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記加振手段は所要の音源であり、該音源から発生する音波が電極界面におけるガス反応を促進させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記音波は前記燃料側電極若しくは前記空気側電極と前記音源間の気相を介して伝播することを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記音波はその音波振動数ｆが１０Ｈｚ≦ｆ≦２００００Ｈｚであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
5. 前記電極界面には複数の気孔が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
6. 前記燃料側電極及び前記空気側電極には触媒が担持されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
7. 前記電解質膜がフッ素系高分子固体電解質膜であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
8. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に配設されて燃料流体が供給される燃料側電極と、
   前記電解質膜の他方の面に配設されて空気が供給される空気側電極と、
   前記燃料側電極及び前記空気側電極の少なくとも一方に接続され該電極に表面弾性波を伝播させる表面弾性波素子を有することを特徴とする燃料電池装置。
9. 前記表面弾性波素子はその弾性波振動数ｆが１５ＭＨｚ≦ｆ≦１９０ＭＨｚであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
10. 前記電極には複数の気孔が形成されてなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
11. 前記燃料側電極及び前記空気側電極には触媒が担持されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
12. 前記電解質膜がフッ素系高分子固体電解質膜であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
13. 電解質膜を挟持する燃料側電極と空気側電極を有する電解質膜電極複合体を形成する工程と、
    前記電解質膜電極複合体に音波を伝播できるように音源を配設する工程と、
    前記電解質膜電極複合体に燃料流体及び空気を送ると共に前記音源を駆動して前記電極における反応を制御しながら発電を行う工程とを有することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
14. 前記燃料電池装置に接続される負荷の負荷抵抗を監視する監視手段を設け、該監視手段からの帰還信号から前記負荷に対して所定の出力を保つように前記音源を駆動することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池装置の制御方法。
15. 電解質膜を挟持する燃料側電極と空気側電極を有する電解質膜電極複合体を形成する工程と、
    前記電解質膜電極複合体の各電極にある気孔に対して表面弾性波を伝播させる表面弾性波素子を配設する工程と、
    前記電解質膜電極複合体に燃料流体及び空気を送ると共に前記表面弾性波素子を駆動して前記電解質膜電極複合体の前記電極における反応を制御しながら発電を行う工程とを有することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
16. 前記燃料電池装置に接続される負荷の負荷抵抗を監視する監視手段を設け、該監視手段からの帰還信号から前記負荷に対して所定の出力を保つように前記表面弾性波素子を駆動することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池装置の制御方法。

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