JP2004152491A - 燃料電池の運転方法および燃料電池およびこれを搭載した携帯機器および携帯電話機 - Google Patents

Abstract

【課題】有機液体燃料を用いる燃料電池において、燃料極で生成する二酸化炭素は燃料極における円滑な電気化学反応を阻害する原因となっていた。
【解決手段】燃料電池本体１００が出力する電流の一部をインバータ装置３１６を経て圧電振動子３１４に供給し、振動を生じさせる。燃料電池本体１００内の燃料極に振動を伝達することで、燃料極に滞留する二酸化炭素を燃料極から離脱させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物を燃料として用いた燃料電池およびそれを備えた携帯機器および携帯電話機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池はパーフルオロスルフォン酸膜等の固体高分子電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合して構成され、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。
【０００３】
燃料極および酸化剤極では、それぞれ反応式（１）および（２）の電気化学反応が生じている。
燃料極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
酸化剤極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ （２）
この反応によって、固体高分子型燃料電池は常温・常圧で１Ａ／ｃｍ^２以上の高出力を得ることができる。
【０００４】
燃料極および酸化剤極には、触媒物質が担持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体が設けられる。一般的に、この混合体は、燃料のガスの拡散層となるカーボンペーパーなどの電極基体上に塗布されて構成される。これら２つの電極により固体高分子電解質膜を挟み、熱圧着することにより燃料電池が構成される。
【０００５】
この燃料電池において、燃料極に供給された水素ガスは、電極中の貫通孔を通過して触媒に達し、電子を放出して水素イオンとなる。放出された電子は燃料極内の炭素粒子および固体電解質を通って外部回路へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。
【０００６】
一方、燃料極において発生した水素イオンは、燃料極中の固体高分子電解質および両電極間に配置された固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達する。この水素イオンは、酸化剤極に供給された酸素および外部回路より流れ込む電子と反応して上記反応式に示すように水を生じる。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。
【０００７】
以上、水素を燃料とした燃料電池について説明したが、近年はメタノールなどの有機化合物を燃料として用いる燃料電池の研究開発も盛んに行われている。これらの燃料電池には、有機化合物を水素ガスに改質してから燃料として使用するものや、ダイレクトメタノール型燃料電池に代表されるような、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給するものがある。中でも、後者の燃料電池は、メタノールなどの有機液体燃料を直接燃料極に供給する構造であるため、改質器のような装置を必要としない。そのため、電池の構成を簡単なものとすることができ、装置全体を小型化することが可能であるというメリットを有している。また、水素ガスや炭化水素ガス等の気体燃料と比較して、有機液体燃料は、安全性、携帯性の面で優れるという特徴も有している。そのため、こうした有機液体燃料を用いた燃料電池は、将来、携帯電話、ノート型パソコンおよびＰＤＡなどの小型機器への搭載が期待されている。
【０００８】
ところで、上記反応式（２）に示されるように酸化剤極においては水が生成する。これを酸化剤極から除去するために以下のような技術が提案されている。
下記特許文献１には酸化剤ガス流路中に圧電素子および振動板を備えた燃料電池が開示されている。この燃料電池は圧電素子および振動板をセル内に設けられた構成であるため、製造プロセスおよび構造が複雑化するという課題を有する。
また、下記特許文献２には、加振器を備えた燃料電池が開示されている。この加振器を駆動するために別途電源を必要としているため、十分に小型化・軽量化を図ることが難しい。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１８４４３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０３５８５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、有機液体燃料、例えばメタノールを用いる燃料電池などにおいては、次に述べるように、燃料極において生成する二酸化炭素の除去も重要な課題である。
【００１１】
メタノールを用いる燃料電池における燃料極および酸化剤極で生じる電気化学反応は、それぞれ下記反応式（３）および（４）で表される。
燃料極：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （３）
酸化剤極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ （４）
上記反応式（３）で表されるように、燃料極においては二酸化炭素が発生する。円滑に発電を行うには、メタノールを効率良く金属触媒表面に供給し、上記反応式（３）の反応を活発に生じさせる必要がある。しかし、従来の燃料電池においては、上記反応式（３）により生じた二酸化炭素が燃料極中に滞留し、気泡が形成されることにより、燃料極における触媒反応が阻害されることがあった。その結果、安定した出力が得られない場合もあった。
【００１２】
このような事情に鑑み、本発明の目的は、燃料極から二酸化炭素を効率良く除去し、安定した出力が得られる燃料電池を提供することにある。また、本発明の別の目的は簡便な製造プロセスおよび構造を有し、高出力な燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、有機液体燃料を燃料極に供給することにより発電する燃料電池本体と、前記燃料極に振動を与えるための加振手段と、その加振手段を駆動するための交流電流を供給する交流電流供給手段とを備える燃料電池が提供される。
上述したように、燃料極において発生し、滞留する二酸化炭素の気泡は、燃料極へのメタノールの供給の障害となる。そのため、燃料極から速やかに除去する必要がある。本発明の燃料電池においては、上記加振手段を交流電流により駆動して燃料極に周期的な振動を与え、滞留する二酸化炭素の気泡の離脱を促す。この結果、燃料極における電気化学反応を円滑に生じさせることが可能となる。
【００１４】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記加振手段が圧電振動子であることを特徴とする燃料電池が提供される。
このような構成を採用することにより、小さな消費電力で変位量の大きな振動を得ることができるため、二酸化炭素の燃料極からの離脱を一層促進することが可能となる。
【００１５】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記加振手段の駆動を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
このような構成とすることにより、例えば、燃料電池の出力値が予め設定された閾値より大きい場合は加振手段の駆動を停止させ、閾値より小さい場合は加振手段を駆動させることができる。こうすることにより、燃料電池の出力を効率よく制御し、これを向上、安定化することができる。
【００１６】
また本発明によれば、有機液体燃料を燃料極に供給することにより発電する燃料電池本体と、前記燃料極に振動を与えるための加振手段とを備え、前記加振手段は、前記燃料電池本体が出力する電流の一部を用いて駆動することを特徴とする燃料電池が提供される。
上記の燃料電池においては、上記加振手段を駆動するための電源が不要であるため、省スペース化を図ることができる。その結果、燃料電池全体のサイズを小型化することができる。
【００１７】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記燃料電池本体が出力する電流の一部を交流電流に変換する電力変換手段をさらに備えることを特徴とする燃料電池が提供される。
このような構成とすることで、上記加振手段を交流電流により駆動して燃料極に周期的な振動を与え、滞留する二酸化炭素の気泡の離脱を促すことが可能となる。
【００１８】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記加振手段が圧電振動子であることを特徴とする燃料電池が提供される。
このような構成を採用することにより、小さな消費電力で変位量の大きな振動を得ることが可能となる。
【００１９】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記加振手段は前記燃料電池本体に配設されたことを特徴とする燃料電池が提供される。
上記燃料電池は簡便な構成を採っているため、製造プロセスの複雑化を避けることが可能となる。
【００２０】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記燃料電池が支持体を備え、前記燃料電池本体と、前記加振手段とが、前記支持体に配設されたことを特徴とする燃料電池が提供される。
上記の燃料電池においては、上記加振手段から発せられた振動が上記支持体を伝導して燃料電池本体へ到達するため、燃料極から二酸化炭素を除去することが可能である。したがって、上記燃料電池本体と加振手段とを離間して配置することができる。
【００２１】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記燃料電池本体が、多孔性の集電体を含み、その集電体が、親水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池が提供される。
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記燃料電池本体が、多孔性の集電体を含み、その集電体が、疎水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池が提供される。
これにより、燃料極における二酸化炭素の気泡の移動が促進されるとともに、上記の振動との相乗作用により効率的に燃料極から二酸化炭素が除去される。したがって、より高出力の燃料電池が実現する。
【００２２】
また本発明によれば、集電体と、その集電体の一方の面に配置された燃料極触媒層と、前記集電体の他方の面に設けられた燃料用流路と、前記集電体に振動を与えるための加振手段と、その加振手段を駆動するための交流電流を供給する交流電流供給手段と、前記燃料極に振動を与えるための加振手段と、を含み、前記集電体に、前記燃料極触媒層から前記燃料用流路への方向へ広がった貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池が提供される。
この燃料電池では、上記のような形状の貫通孔と加振手段による振動との相乗効果により、二酸化炭素の気泡が燃料極から速やかに除去される。
【００２３】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記加振手段が圧電振動子であることを特徴とする燃料電池が提供される。
圧電振動子を採用することにより、小さな消費電力で変位量の大きな振動を得ることが可能となるため、より一層燃料極から二酸化炭素を除去することができる。
【００２４】
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記集電体が、親水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池が提供される。
また本発明によれば、上記の燃料電池において、前記集電体が、疎水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池が提供される。
集電体にコーティングを施すことにより、燃料極における二酸化炭素の気泡の移動が促進される。この効果と振動との相乗効果により効率的に燃料極から二酸化炭素が除去されるため、高出力の燃料電池を実現できる。
【００２５】
また本発明によれば、上記の燃料電池を搭載したことを特徴とする携帯機器が提供される。
本発明に係る燃料電池は小型かつ高出力であるため、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の携帯機器に好適に用いることができる。
【００２６】
また本発明によれば、上記の携帯機器において、振動することで情報をユーザに通知する通知手段を備え、前記加振手段が、前記通知手段を兼ねていることを特徴とする携帯機器が提供される。
また本発明によれば、燃料電池と、振動することで着信していることをユーザに通知する着信通知手段とを搭載した携帯電話機であって、前記燃料電池が、上記の燃料電池であり、前記加振手段が、前記着信通知手段を兼ねていることを特徴とする携帯電話機が提供される。
上記の携帯機器および携帯電話機は加振手段を２つの目的に使用するため、部品を省略することができ、さらに機器内の限られたスペースの有効活用に資することが可能となる。
【００２７】
また本発明によれば、外筺体と、その外筺体に内包された内筺体と、情報処理ユニットと、を含む携帯電話機であって、前記外筺体と内筺体とは、前記外筺体内壁と前記内筺体外壁とで制振材を挟んだ状態で接合され、上記の燃料電池と、前記情報処理ユニットの指令に基づき伸縮可能な振動伝達手段とが前記内筐体に配設され、前記振動伝達手段が、前記情報処理ユニットからの指令に基づき伸張して外筺体に接触することにより、前記加振手段から発せられた振動が前記外筺体に伝達されることを特徴とする携帯電話機が提供される。
上記携帯電話機においては、加振手段からの振動が燃料電池に常に伝わるため、その燃料電池の出力は高く維持される。一方、上記情報処理ユニットによる制御により、その振動は必要時のみに外筐体に伝えられる。したがって、ユーザに不要な振動を感知させることはない。
【００２８】
また本発明によれば、上記の携帯電話機において、前記制振材がブチルゴム系材料を含むことを特徴とする携帯電話機が提供される。
優れた制振効果を有する上記材料を用いることにより、外筐体に対する不要な振動の伝達を抑制できる。
【００２９】
また本発明によれば、燃料極に有機液体燃料を供給しながら発電する燃料電池の運転方法であって、前記燃料極に振動を与えることにより、前記燃料極に生成する二酸化炭素を除去しながら運転することを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
ここで、二酸化炭素を除去するとは、燃料極において生じた二酸化炭素の燃料極からの離脱を促進することを意味する。
【００３０】
また本発明によれば、上記の燃料電池の運転方法において、前記振動は、交流電流により駆動する圧電振動子により生じさせることを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
圧電振動子は低消費電力で効果的な振動を発生する。そのため、本発明の方法により効率的に燃料電池の出力を高めることができる。
【００３１】
また本発明によれば、上記の燃料電池の運転方法において、前記振動は、前記燃料電池により出力される電流の一部を利用して生じさせることを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
本方法によれば、外部電源を用いることなく燃料電池の出力を高めることが可能となる。
【００３２】
また本発明によれば、上記の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の出力が所定の閾値を下回ったときに前記燃料極に振動を与えることを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
この方法によれば、燃料電池の出力を効率良く制御し、安定化させることが可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池３５０の構成を示す模式図である。この燃料電池３５０は、燃料電池本体１００とインバータ装置３１６および圧電振動子３１４を含んでおり、加振手段として圧電振動子３１４が採用されている。燃料電池本体１００は、第一プラス端子３１８、第一マイナス端子３１９、第二プラス端子３２０、第二マイナス端子３２１の４つの端子を備える。第一プラス端子３１８および第一マイナス端子３１９は外部回路に接続するための端子である。一方、第二プラス端子３２０および第二マイナス端子３２１は、図示されるように、燃料電池本体１００と圧電振動子３１４とをインバータ装置３１６を介して電気的に接続するためのものである。第一プラス端子３１８および第一マイナス端子３１９の間を流れる電流と、第二プラス端子３２０および第二マイナス端子３２１の間を流れる電流とは図示されない分流器によって分流される。
【００３４】
図２は、図１における燃料電池本体１００の断面図である。電極−電解質接合体１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体高分子電解質膜１１４からなる。燃料極１０２は、燃料極側集電体１０４および燃料極側触媒層１０６から構成される。酸化剤極１０８は、酸化剤極側集電体１１０および酸化剤極側触媒層１１２から構成される。燃料極側集電体１０４および酸化剤極側集電体１１０はそれぞれ図示されない多数の貫通孔を有している。
【００３５】
複数の電極−電解質接合体１０１が、燃料極側セパレータ１２０および酸化剤極側セパレータ１２２を挟んで積層され、電気的に接続されて燃料電池本体１００が構成される。
【００３６】
燃料極側セパレータ１２０と燃料極側集電体１０４との間には燃料１２４が流通する燃料用流路３１０が設けられる。また、酸化剤極側セパレータ１２２と燃料極側集電体１０４との間には酸化剤１２６が流通する酸化剤用流路３１２が設けられる。
【００３７】
以上の燃料電池本体１００において、各電極−電解質接合体１０１の燃料極１０２には、燃料用流路３１０を通じて燃料１２４が供給される。燃料１２４は、燃料極側集電体１０４の貫通孔を通過して燃料極側触媒層１０６に到達し、前述の反応式（３）の反応に供される。その結果、水素イオン、電子および二酸化炭素を生じる。水素イオンは固体高分子電解質膜１１４を通過して酸化剤極１０８へ移動する。また、電子は、燃料極側集電体１０４および外部回路を経由して酸化剤極１０８へ移動する。
【００３８】
一方、各電極−電解質接合体１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤用流路３１２を通じて空気あるいは酸素などの酸化剤１２６が供給される。この酸素と、上記のように燃料極１０２で生成して酸化剤極１０８へ移動してきた水素イオンおよび電子が前述の反応式（４）のように反応して水を生成する。こうして、燃料極１０２から酸化剤極１０８へ向かって外部回路に電子が流れるため、電力が得られるのであるが、二酸化炭素だけは酸化剤極１０８へ移動しないため、燃料極１０２から排出することが必要となる。二酸化炭素は常圧では気体であるため、燃料電池本体１００を開放系にしておくことで、気泡としてある程度自然に燃料極１０２から除かれる。しかし、相当量の二酸化炭素の気泡が燃料極１０２に留まると、燃料の燃料極側触媒層１０６への移動が阻害されることにより、前述の反応式（３）の反応がスムーズに進行しなくなることがある。このような場合、安定して出力を得ることができなくなる。そこで、本実施の形態では、図１に示される圧電振動子３１４により燃料極１０２に振動を与えて、二酸化炭素の気泡の移動を促す。これにより、燃料極１０２に滞留する二酸化炭素量を少なくすることができるため、前述の反応式（３）の反応を円滑に進行させ、安定した出力を得ることが可能となる。
【００３９】
圧電振動子３１４の振動は次のように発生させる。燃料電池本体１００から出力される直流電流の一部がインバータ装置３１６に供給され、交流電流に変換される。次いで、この交流電流が圧電振動子３１４に供給され、振動を発する。この振動は燃料電池本体１００全体に伝達されるため、燃料極１０８にも振動が伝わる。したがって、上記した二酸化炭素の離脱を実現できる。
【００４０】
圧電振動子３１４は、電圧を印加すると歪むという圧電セラミックスの性質を利用している。そのため、直流電流を断続的に圧電振動子３１４へ流すことによっても振動を発生させることができる。しかし、本実施の形態のようにインバータ装置３１６により交流電流に変換して圧電振動子３１４を駆動すると、直流電流による場合の２倍の変位の振動を発生させることができる。そのため、より強い振動を燃料極１０２に与えることができることから、より効果的に二酸化炭素を除去することが可能となる。
【００４１】
圧電振動子３１４としては、例えばバイモルフ型、モノモルフ型、ユニモルフ型などの圧電振動子を用いることができる。中でもバイモルフ型圧電振動子が好ましい。消費電力が小さく、低電圧で大きな変位量が得られるためである。こうしたバイモルフ型圧電振動子としては、例えばＴＦＴ株式会社製の圧電セラミックアクチュエータを使用することができる。
インバータ装置３１６としては、例えば松下電子部品株式会社製のＴＣＸＦシリーズなどを用いることができる。
【００４２】
ここで、上記の振動は常に発生させてもよいが、例えば、出力が所定の閾値より下回ったときにのみ振動を発生させるようにフィードバック制御を行ってもよい。具体的には、例えば図６（ａ）に示されるような構成を採用することによりフィードバック制御を実現できる。図６（ａ）は、フィードバック制御機能を有する燃料電池の構成の一例を示す図である。図６（ａ）において、圧電振動子３１４の振動はインバータ装置３１６を介して振動制御部４６３により制御される。負荷４５３および燃料電池本体１００には、それぞれ第１の電圧計４１７および第２の電圧計４１９が図６（ａ）に示すように接続されている。第１の電圧計４１７、第２の電圧計４１９の値は、それぞれ負荷４５３からの出力および参照出力として振動制御部４６３に入力される。
図６（ｂ）において、振動制御部４６３には、負荷４５３からの出力信号および参照出力４６７の信号が入力され、これらを変数とする量を算出する演算を行う。そして、算出された量と、予め設定された一定の閾値との大小関係を比較し、フィードバック制御を行うことが可能となる。演算は、たとえばこれらの比や差とする。
【００４３】
振動制御部４６３で計算された上述の演算量と、予め設定された閾値との大小関係を比較した結果、負荷４５３からの信号と、参照出力４６７からの信号との比または差が閾値より低い場合、振動制御部４６３は、インバータ装置３１６を駆動させる。これにより、圧電振動子３１４から振動が生じ、燃料極１０２から二酸化炭素の気泡が除去されるため、燃料電池本体１００の出力が上昇する。一方、上記の比または差が閾値を上回った場合、振動制御部４６３は、インバータ装置３１６を停止させる。以上のようなフィードバック制御を行いつつ運転することにより、圧電振動子３１４を効率的に駆動させることができることから、負荷を大きくすることなく安定した発電状態を維持することが可能となる。
【００４４】
図６（ｃ）は、図６（ａ）における第１の電圧計４１７と第２の電圧計４１９との間の回路構成の一例を示す図であり、燃料電池本体１００と並列にツェナーダイオード４７１を設けた例である。ツェナーダイオード４７１を設けることにより、一定の参照出力が得られ、第２の電圧計４１９によりこれを検出することができる。
なお、上記では参照出力４６７を設けて負荷４５３からの出力と比較する場合の制御方法であるが、燃料１２４の供給は、参照出力４６７を設けずに、燃料電池本体１００からの出力のみを検知して、この出力が一定となるようにインバータ装置３１６の周波数または電圧を変化させる方法によっても可能である。
また、フィードバック制御については、上述したような、出力が所定の閾値より下回ったときにのみ振動を発生させるもののほか、例えば出力の低下率に基づいて所定の振動数の振動を発生させるようなフィードバック制御を行ってもよい。
【００４５】
固体高分子電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体高分子電解質膜１１４は、水素イオンの導電性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体高分子電解質膜１１４を構成する材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。
【００４６】
燃料極側集電体１０４および酸化剤極側集電体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。上述したように、燃料極側集電体１０４における二酸化炭素の気泡の滞留は発電効率の低下の原因となる。この気泡滞留の原因は、気泡を覆う水分が燃料極側集電体１０４に付着して留まっているためである。そこで、燃料極側集電体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、燃料極側集電体１０４の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、燃料極側集電体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、燃料極側集電体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。さらに、これらの表面処理による作用と上記の振動との相乗作用により、燃料極から二酸化炭素が一層効率的に除去されるため、高い発電効率が実現する。親水性コート材としては、例えば酸化チタン、酸化ケイ素などが挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、シランなどが例示される。
【００４７】
また、図５のように、燃料極側集電体１０４にテーパー形状の貫通孔３３３を設けてもよい。こうすることにより上記の振動との相乗効果が生じ、二酸化炭素の気泡が燃料極側集電体１０４から燃料用流路３１０へと一層移動しやすくなる。したがって、燃料極の反応の円滑化が図られる。
【００４８】
こうした燃料極側集電体１０４は、例えば次のようにして作製することができる。ステンレス板を集電体として選択し、このステンレス板に対して直径１ｍｍのドリルを用いて貫通孔を設ける。次に直径２ｍｍのドリルを用いて、その貫通孔にざぐり加工を施すことによりテーパー形状の貫通孔３３３を設けることができる。
【００４９】
また燃料極１０２の触媒としては、白金、白金とルテニウム、金、レニウムなどとの合金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示される。一方、酸化剤極１０８の触媒としては、燃料極１０２の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。
【００５０】
また、触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（登録商標、電気化学工業社製）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）など）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。
【００５１】
燃料電池の燃料としては、例えばメタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの有機液体燃料を用いることができる。
【００５２】
燃料電池本体１００の作製方法は特に制限がないが、たとえば以下のようにして作製することができる。
【００５３】
まず炭素粒子へ触媒を担持する。この工程は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に触媒を担持させた炭素粒子と、例えばナフィオン（登録商標、デュポン社製）のような固体高分子電解質粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって触媒層を得ることができる。ペーストを塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極１０２または酸化剤極１０８が作製される。
【００５４】
固体高分子電解質膜１１４は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【００５５】
以上のようにして作製した固体高分子電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスし、電極−電解質接合体１０１を得る。
【００５６】
圧電振動子３１４は、図１のように燃料電池本体１００の表面に直接固定することもできるが、必ずしも両者を隣接させる必要はない。例えば、一枚の基板上に燃料電池本体１００および圧電振動子３１４を離間して固定してもよい。圧電振動子３１４の振動がこの基板を介して燃料電池本体１００に伝達されるため、上記の効果が得られるからである。
【００５７】
なお、上記では加振手段として圧電振動子３１４を加振手段用いた形態について説明したが、これに限られない。例えば、振動モーターを加振手段として採用することもできる。こうした振動モーターとしては、秋月電子製のＦＭ２３Ａ、ＣＭ５Ｍ、マブチモーター株式会社製のＦＦ−Ｈ３０ＷＡ、ＲＦ−Ｊ２０ＷＡなどが例示される。振動モーターは通常、直流電流で振動を発生する。そのため、振動モーターを加振手段として使用する場合はインバータ装置を省略でき、よりシンプルな構成とすることが可能である。
【００５８】
（第二の実施の形態）
本実施の形態では、加振手段を備えた燃料電池を電源とする携帯電話機について示す。
従来、携帯電話機にはユーザに対して着信していることを振動モーターなどによる振動により伝える機能を有するものがある。本実施の形態の携帯電話機は、こうした振動モーターを上記加振手段として兼用することを特徴とする。
【００５９】
図３（ａ）は、本実施の形態の携帯電話機３６０の断面図であり、主要部のみを表示したものである。
携帯電話機３６０は、外筺体３２７および内筺体３２６を有する。図示されるように、内筺体３２６の外壁および外筺体３２７の内壁との間には制振材３２８が挟まれ、この状態で外筺体３２７と内筺体３２６とは互いに接合されている。外筺体３２７、内筺体３２６、制振材３２８および基板３２５を図３（ａ）の上方から見た上面図を図３（ｂ）に示す。内筺体３２６の周囲に制振材３２８が配され、さらにその外側に外筺体３２７が位置する構成である。さらに、内筺体３２６の内部には、基板３２５が固定されている。基板３２５上には、図３（ａ）に示されるように燃料電池３２２、プランジャ３２３および振動モーター３２４が設置されている。また、プランジャ３２３上には、制振性を有しないパッド３２９が設けられている。燃料電池３２２は、第一の実施の形態で示したものと同様のものを用いることができる。燃料電池３２２と振動モーター３２４とは配線３３２によって電気的に接続されている。
【００６０】
第一の実施の形態で示した燃料電池と同様に、燃料電池３２２の出力の一部が振動モーター３２４に供される。これにより振動モーター３２４から振動が発せられる。この振動は基板３２５を介して燃料電池３２２に伝達されるため、燃料電池３２２内の燃料極から二酸化炭素が効果的に除去される。その結果、燃料電池３２２の円滑な運転が実現する。ところで、図３は非着信時の状態を示している。振動モーター３２４から発せられた振動は、基板３２５を通じて内筺体３２６に伝わるものの、その振動は制振材３２８により吸収される。したがって、外筺体３２７へは振動が伝わらないため、ユーザが振動を感知することはない。一方、図４は着信時の状態を示す図である。プランジャ３２３がパッド３２９を押し上げ、パッド３２９と外筺体３２７を密着させる。これにより、振動モーター３２４からの振動が外筺体３２７へ伝達されるため、ユーザは振動を感知し、着信していることを知る。図３および図４の状態の切り替えは、例えば通常携帯電話機に装備されている情報処理ユニットである中央演算処理装置によりプランジャ３２３を制御することにより行うことができる。
【００６１】
制振材３２８としては、例えばイイダ産業株式会社製のゼトロ制振シートなどのブチルゴム系制振材、同社製の防振ゴムＵ−ＮＢＣなどを用いることができる。また、プランジャ３２３としては、ＴＤＫ株式会社製の小型プランジャＭＡシリーズが例示される。パッド３２９は、振動を外筺体３２７へ効果的に伝達するために摩擦係数の大きな材料が好ましく、例えばシリコンラバー材などが例示される。
【００６２】
振動モーター３２４としては、秋月電子製のＦＭ２３Ａ、ＣＭ５Ｍ、マブチモーター株式会社製のＦＦ−Ｈ３０ＷＡ、ＲＦ−Ｊ２０ＷＡなどが例示される。また、振動モーター３２４に代えて、第一の実施の形態で示したようなインバータ装置および圧電振動子を使用することも可能である。
【００６３】
【実施例】
以下、図１および図２を参照して、本実施例について説明する。
図１は本実施例の構成を示した図である。加振手段として圧電振動子３１４を備え、電力変換手段としてインバータ装置３１６を備える。インバータ装置３１６は燃料電池本体１００の出力の一部を交流電流に変換し、この交流電流により圧電振動子３１４が駆動する。図２は、図１における燃料電池本体１００の構成を示したものである。燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中に含まれる触媒として、炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は５０ａｔ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。この触媒担持炭素微粒子１ｇにアルドリッチ・ケミカル社製５ｗｔ％ナフィオン溶液１８ｍｌを加え、５０℃にて３時間超音波混合機で攪拌し触媒ペーストとした。このペーストを、ポリテトラフルオロエチレンで撥水処理されたカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上にスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ^２塗布し、１２０℃で乾燥させて燃料極１０２および酸化剤極１０８とした。
【００６４】
次に、１枚の固体高分子電解質膜１１４（デュポン社製ナフィオン（登録商標）、膜厚１５０μｍ）に対し、上記で得た燃料極１０２および酸化剤極１０８を１２０℃で熱圧着して単位セルを作製した。
上記の単位セルをステンレス製の燃料極側セパレータ１２０および酸化剤極側セパレータ１２２を介して８個積層し、直列に接続して燃料電池本体１００とした。
【００６５】
こうして得た燃料電池本体１００のプラス端子およびマイナス端子から、図示されない分流器を介して第一プラス端子３１８および第一マイナス端子３１９、ならびに第二プラス端子３２０および第二マイナス端子３２１へと配線した。さらに、第二プラス端子３２０および第二マイナス端子３２１によりインバータ装置３１６と燃料電池本体１００とを接続した。また、インバータ装置３１６と圧電振動子３１４は電気的に接続され、圧電振動子３１４は燃料電池本体１００の側面に粘着テープにより固定した。
【００６６】
燃料電池本体１００の燃料極に１０％メタノール水溶液を２ｍｌ／分で供給すると、燃料電池本体１００に発電が生じ、圧電振動子３１４が振動していることが確認できた。次いで、第一プラス端子３１８および第一マイナス端子３１９間の出力特性を調べたところ、電圧４．０Ｖの時、２７０ｍＡの電流値を観測し、この出力は１０時間後も変化しなかった。
【００６７】
（比較例）
本比較例の燃料電池は、上記実施例の燃料電池からインバータ装置３１６、圧電振動子３１４、第二プラス端子３２０、第二マイナス端子３２１および分流器を除いた構成である。この燃料電池の燃料極に１０％メタノール水溶液を２ｍｌ／分で供給した。このとき、プラス端子およびマイナス端子間の出力特性を調べたところ、電圧４．０Ｖの時、３００ｍＡの電流値を観測したが、この出力は時間の経過とともに低下し、１０時間後には５０％の出力であった。
【００６８】
実施例および比較例の燃料電池の上記データより、実施例の燃料電池の出力特性は比較例の燃料電池のそれよりも優れることが分かる。実施例の燃料電池においては、圧電振動子３１４の振動により、燃料極に発生する二酸化炭素が効果的に除去されるため、円滑に電池反応が進行することによると考えられる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池本体に加振手段を備えることにより、燃料極から二酸化炭素を効率良く除去し、安定した出力が得られる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態にかかる燃料電池の構成を示す模式図である。
【図２】燃料電池本体の断面図である。
【図３】第二の実施の形態にかかる携帯電話機の断面図である。
【図４】第二の実施の形態にかかる携帯電話機の断面図である。
【図５】第一の実施の形態にかかる燃料電池の燃料極側集電体の構成を説明するための図である。
【図６】第一の実施の形態にかかる燃料電池の構成を示す図である。
【符号の説明】
１００ 燃料電池本体
１０１ 電極−電解質接合体
１０２ 燃料極
１０４ 燃料極側集電体
１０６ 燃料極側触媒層
１０８ 酸化剤極
１１０ 酸化剤極側集電体
１１２ 酸化剤極側触媒層
１１４ 固体高分子電解質膜
１２０ 燃料極側セパレータ
１２２ 酸化剤極側セパレータ
１２４ 燃料
１２６ 酸化剤
３１０ 燃料用流路
３１２ 酸化剤用流路
３１４ 圧電振動子
３１６ インバータ装置
３１８ 第一プラス端子
３１９ 第一マイナス端子
３２０ 第二プラス端子
３２１ 第二マイナス端子
３２２，３５０ 燃料電池
３２３ プランジャ
３２４ 振動モーター
３２５ 基板
３２６ 内筺体
３２７ 外筺体
３２８ 制振材
３２９ パッド
３３２ 配線
３３３ 貫通孔
３６０ 携帯電話機
４１７ 第１の電圧計
４１９ 第２の電圧計
４５３ 負荷
４６３ 振動制御部
４６７ 参照出力
４７１ ツェナーダイオード

Claims (23)

1. 有機液体燃料を燃料極に供給することにより発電する燃料電池本体と、前記燃料極に振動を与えるための加振手段と、その加振手段を駆動するための交流電流を供給する交流電流供給手段とを備える燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記加振手段の駆動を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、前記加振手段が圧電振動子であることを特徴とする燃料電池。
4. 有機液体燃料を燃料極に供給することにより発電する燃料電池本体と、前記燃料極に振動を与えるための加振手段とを備え、前記加振手段は、前記燃料電池本体が出力する電流の一部を用いて駆動することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池において、前記燃料電池本体が出力する電流の一部を交流電流に変換する電力変換手段をさらに備えることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池において、前記加振手段が圧電振動子であることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池において、前記加振手段は前記燃料電池本体に配設されたことを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料電池が支持体を備え、前記燃料電池本体と、前記加振手段とが、前記支持体に配設されたことを特徴とする燃料電池。
9. 請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池において、
   前記燃料電池本体が、多孔性の集電体を含み、
   その集電体が、親水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池において、
    前記燃料電池本体が、多孔性の集電体を含み、
    その集電体が、疎水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池。
11. 集電体と、その集電体の一方の面に配置された燃料極触媒層と、前記集電体の他方の面に設けられた燃料用流路と、前記集電体に振動を与えるための加振手段と、その加振手段を駆動するための交流電流を供給する交流電流供給手段と、前記燃料極に振動を与えるための加振手段と、を含み、前記集電体に、前記燃料極触媒層から前記燃料用流路への方向へ広がった貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１に記載の燃料電池において、前記加振手段が圧電振動子であることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１１または１２に記載の燃料電池において、前記集電体が、親水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池。
14. 請求項１１または１２に記載の燃料電池において、前記集電体が、疎水性コート材によりコーティングされていることを特徴とする燃料電池。
15. 請求項１乃至１４いずれかに記載の燃料電池を搭載したことを特徴とする携帯機器。
16. 請求項１５に記載の携帯機器において、振動することで情報をユーザに通知する通知手段を備え、前記加振手段が、前記通知手段を兼ねていることを特徴とする携帯機器。
17. 燃料電池と、振動することで着信していることをユーザに通知する着信通知手段とを搭載した携帯電話機であって、
    前記燃料電池が、請求項１乃至１４いずれかに記載の燃料電池であり、
    前記加振手段が、前記着信通知手段を兼ねていることを特徴とする携帯電話機。
18. 外筺体と、その外筺体に内包された内筺体と、情報処理ユニットと、を含む携帯電話機であって、
    前記外筺体と内筺体とは、前記外筺体内壁と前記内筺体外壁とで制振材を挟んだ状態で接合され、
    請求項１乃至１４いずれかに記載の燃料電池と、前記情報処理ユニットの指令に基づき伸縮可能な振動伝達手段とが前記内筐体に配設され、
    前記振動伝達手段が、前記情報処理ユニットからの指令に基づき伸張して外筺体に接触することにより、前記加振手段から発せられた振動が前記外筺体に伝達されることを特徴とする携帯電話機。
19. 請求項１８に記載の携帯電話機において、前記制振材がブチルゴム系材料を含むことを特徴とする携帯電話機。
20. 燃料極に有機液体燃料を供給しながら発電する燃料電池の運転方法であって、前記燃料極に振動を与えることにより、前記燃料極に生成する二酸化炭素を除去しながら運転することを特徴とする燃料電池の運転方法。
21. 請求項２０に記載の燃料電池の運転方法において、前記振動は、交流電流により駆動する圧電振動子により生じさせることを特徴とする燃料電池の運転方法。
22. 請求項２０または２１に記載の燃料電池の運転方法において、前記振動は、前記燃料電池により出力される電流の一部を利用して生じさせることを特徴とする燃料電池の運転方法。
23. 請求項２０乃至２２いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の出力が所定の閾値を下回ったときに前記燃料極に振動を与えることを特徴とする燃料電池の運転方法。

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