JP2006269363A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池において、携帯機器に搭載するのに適するよう装置サイズを小さくしながら、空気をはじめとする酸化剤をカソードに十分供給して高出力が得られるようにする。
【解決手段】 空気供給部２０は、カソード１２上に間隙をあけて配置されている振動伝達体２１と、当該振動伝達体２１に振動を与える加振部２２及び当該振動伝達体２１から振動を吸収する吸振部２３とからなる。加振部２２で振動伝達体２１に対して加えられる振動は振動伝達体２１を面に沿って伝わるので、振動伝達体２１には加振部２２から進行する進行波が形成される。振動伝達体２１の表面近傍に存在する空気もこの進行波と同方向に移動するので、空気流通路２４内の空気は進行波に伴って搬送される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に携帯用に適した小型の燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合した膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備え、アノードに燃料、カソードに酸化剤をそれぞれ供給し、燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて発電を行う装置であって、一般に、燃料には、天然ガス、ナフサなどの軽質炭化水素や、低級アルコールなどの燃料を改質処理したもの、あるいは純水素ガスが用いられ、酸化剤としては空気が用いられる。

このような燃料電池は、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、種々の用途に使用できる発電システムとして開発が進められている。
近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が注目されている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質することなくアノードに直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。

メタノールは水素に比べて、単位面積当たりのエネルギーが高く、また貯蔵にも適しているため、ＤＭＦＣは自動車や携帯機器の電源として期待されている。
燃料電池において一般に酸化剤としての空気をカソードに供給するのにポンプやファンで行なうが（特許文献１）、ＤＭＦＣを携帯電話器やノートパソコンなどの携帯機器に搭載する場合、装置サイズが大きくならないように、空気や燃料を供給するポンプなどの補機類を搭載しない完全パッシブ型とすることも考えられている（特許文献２）。
特開２００４−３０３５６５号公報 特開２００１−２３８９０３号公報 特開２００４−２１４１２８号公報

ところで、携帯電話やノートパソコンなどは、年々各種機能が付加され、消費電力も増加しているので、それに伴って、携帯機器に搭載する燃料電池に対しても小型で且つ高出力のものが求められている。
これに対して、上記の完全パッシブ型の燃料電池では、空気はその拡散作用でカソードに供給されるだけなので、十分な空気量をカソードに供給することができず、十分な高出力が得られない。また、ＭＥＡのカソード側に生成水が結露して溜まりやすく、生成水が溜まると反応が阻害されるので、高出力が得られなくなる。

一方、特許文献３では、燃料電池において、空気流路の入口に揺動ファンを設けることによって、燃料電池を小型化しかつ発電セルに対する空気供給量のばらつきを低減する技術が開示されている。
このように空気流路の入口に揺動ファンを設けることは、小型で高出力の燃料電池を実現するのに有効と考えられるが、更に簡素な構成で実現できることが好ましい。

本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池において、携帯機器に搭載するのに適するよう装置サイズを小さくしながら、空気をはじめとする酸化剤をカソードに十分供給して高出力が得られるようにすることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、電解質膜の一方側にカソード、他方側にアノードが配されているセルを備え、アノードに燃料を供給するとともに、カソードに酸化剤を供給することによって発電する燃料電池において、カソード上に、酸化剤流路を挟んで弾性部材を配設し、当該弾性部材に、カソードの表面に沿った方向に進行する進行波を形成する進行波形成手段を設けた。なお、進行波形成手段が弾性部材に進行波を形成するときに、進行波とともに定在波も形成され、進行波と定在波が混在する状態になることが多いが、進行波が含まれていればよい。

ここで酸化剤は、進行波の進行方向に供給することが好ましい。
上記のように弾性部材に進行波を形成するには、弾性部材に対して、振動を付与する振動付与部を設ければよく、更に、当該振動付与部から離れた位置で振動を吸収する振動吸収部とを設けることが好ましい。
振動付与部及び振動吸収部のうち、少なくとも振動付与部は、圧電素子で形成することが好ましい。

振動吸収部は、弾性部材の端部に、当該弾性部材の振動を吸収する部材を取り付けることによっても実現できる。
弾性部材は板状とし、カソードと弾性部材との間に、進行波の方向に沿って、酸化剤の流路構成するための一対の流路構成部材を配設することが好ましい。
この一対の流路構成部材は、酸化剤流路を挟んで両側に設けることが好ましい。そして、流路構成部材により弾性部材をカソード上に支持することが好ましい。

本発明の燃料電池によれば、カソード上に、酸化剤流路を挟んで弾性部材を配設されており、進行波形成手段が、この弾性部材に対して、カソードの表面に沿った方向に進行する進行波を形成するので、酸化剤流路内の酸化剤が進行波に伴って、カソードの表面に沿って搬送される。
従って、空気をはじめとする酸化剤がカソードに十分供給されるので、高出力で発電ができる。 また、進行波が形成されることによって、カソードでの生成水が除去するされやすくなるので、この点でも高出力で発電するのに寄与する。

また、酸化剤を送り込むためのポンプやファンを設ける必要がないので、装置サイズを小さくできる。
また、酸化剤を供給する機構が比較的簡素であって薄型にできるので、燃料電池全体を薄型で実現するのに適している。特に、弾性部材を板状とし、進行波の方向に沿って配設された酸化剤流路を構成するための一対の流路構成部材を設ければ、簡素で薄型の酸化剤供給機構が実現できる。特に、この一対の流路構成部材を、酸化剤流路を挟んで両側に設け、流路構成部材により弾性部材をカソード上に支持するようにすれば、簡素で薄型の酸化剤供給機構が実現できる。

振動付与部や振動吸収部に、圧電素子を用いれば、簡素な構成で弾性部材に対して振動を加えたり吸収することができ、進行波を容易に形成することができる。
振動吸収部は、弾性部材の端部に当該弾性部材の振動を吸収する部材を取り付けることによっても容易に実現できる。

本発明の実施形態にかかる燃料電池ユニット（ＦＣユニット）の構成および動作を説明する。
〔燃料電池ユニットの全体構成と動作）
図１は、本発明の一実施の形態にかかるＦＣユニット１の斜視図であり、図２はこのＦＣユニット１の断面図である。

本図に示すように、ＦＣユニット１は、ＭＥＡ（電極／高分子膜接合体：membrane／electrode assembly）を備えたセル部１０を挟んで、空気供給部２０と、燃料供給部３０とが配されて構成されている。
セル部１０は、固体高分子膜１１の片面にカソード１２、他面にアノード１３が配されてなるＭＥＡが、保持枠体１４で張架されて構成され、空気供給部２０によってカソード１２に供給される空気と、燃料供給部３０によってアノード１３に供給される燃料（メタノール水溶液）とを用いて発電を行なう。

カソード１２は、固体高分子膜１１上に形成されたカソード触媒層１２ａとその上に配された正極集電体１２ｂとからなり、アノード１３は、固体高分子膜１１上に形成されたアノード触媒層１３ａとその上に配された負極集電体１３ｂとからなる。
固体高分子膜１１は、陽イオン交換樹脂であれば特にその種類は限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる膜を用いることができる。

保持枠体１４は、カソード１２，アノード１３を取り囲むように配され、固体高分子膜１１の外周部を挟み込んで保持している。
カソード触媒層１２ａ及びアノード触媒層１３ａは、白金系触媒を担持したカーボン粉末にイオン交換体（Nafion：Du Pont社製、以下同様）及び撥水性樹脂が添加されたものからなる膜であり、固体高分子膜１１にそれぞれホットプレスにより密着加工されている。

集電体１２ｂ，１３ｂは、導電性を有するガス透過性の材料から成る層であって、カーボンペーパーにガス拡散性を確保するため撥水性材料（ふっ素樹脂）が添加されたものをはじめとして、導電性の多孔質材料で形成されている。この集電体１２ｂ及び集電体１３ｂは、カソード触媒層１２ａ及びアノード触媒層１３ａと接合してもよいし、触媒層１２ａ，１３ａに集電体１２ｂ，１３ｂを押さえつけた状態で集電体１２ｂ，１３ｂの外周部分を保持枠体１４で保持してもよいし、集電体１２ｂ，１３ｂを押さえつけた状態でメッシュ材などを保持してもよい。

セル部１０において、以下のように反応して電力を生成する。
アノード反応 ： ＣＨ₃ＯＨ + Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ + ６Ｈ⁺ ＋ ６ｅ^-
カソード反応 ： 3/2Ｏ₂ + ６Ｈ⁺ + ６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ
全体の反応 ： ＣＨ₃ＯＨ + Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ + ３Ｈ₂Ｏ
セル部１０で発生する電力は、正極集電体１２ｂ及び負極集電体１３ｂから外部に出力される。

空気供給部２０は、カソード１２上に間隙をあけて配置されている振動伝達体２１と、当該振動伝達体２１に振動を与える加振部２２及び当該振動伝達体２１から振動を吸収する吸振部２３とからなる。そして、カソード１２と振動伝達体２１との間の間隙が空気流通路２４となっており、当該空気流通路２４の両端部は開放され、加振部２２側の開口部は外気を取り込む吸気口２４ａ、吸振部２３側の開口部は排気口２４ｂとなっている。

この空気供給部２０において、加振部２２で振動伝達体２１に対して加えられる振動は振動伝達体２１を面に沿って伝わるので、振動伝達体２１には加振部２２から進行する進行波が図２中に破線矢印で示すように形成される。
実際には振動伝達体２１に進行波とともに定在波も形成されるので、進行波と定在波が混在することになるが、振動伝達体２１の面方向に進行する進行波が含まれていれば、振動伝達体２１の表面近傍に存在する空気も進行波と同方向に移動する。従って、空気流通路２４内の空気は進行波に伴って搬送される。

よって、外気が吸気口２４ａから取り込まれて空気流通路２４を流通しながらカソードに酸素を供給して排気口２４ｂから排出される。
燃料供給部３０は、アノード１３に燃料を供給するものであって、アノード１３に対向して燃料が流通する空間が形成された燃料流路基板３１と、当該空間内にアノード１３に沿って配設された多孔体３２とから構成されている。燃料流路基板３１の内部には、燃料が充填されており、アノード１３で燃料が消費されると、多孔体３２を経由してアノード１３に燃料が自動的に供給される。また、アノード１３で生成される二酸化炭素は、多孔体３２を透過して排出されるようになっている。

なお、燃料流路基板３１の外に燃料タンク（不図示）を接続して、必要時に当該燃料タンクから燃料を補給するようにしてもよい。
このようなＦＣユニット１によれば、空気を送るポンプやファンを設けなくても、空気流通路に能動的に空気を流通させることができるので、ＦＣ装置全体を小型に保ちながら、空気をカソードに十分供給して高出力を得ることができる。

また、カソードに接する空気を振動させることによりカソードで生成される水を除去する作用があるので、この点でもカソードに対する空気の供給が促進される。
〔空気供給部２０の詳細〕
以下、空気供給部２０の構成及び動作について、詳細に説明する。
振動伝達体２１としては、振動を伝達する性質を有する弾性材料で形成された部材であって、空気流通路２４に沿った面を有している。図１，２に示すように、振動伝達体２１としては板状の弾性体を用いることが好ましく、例えば、金属板、セラミック板、プラスチック板が用いられる。振動伝達体２１が板状であれば、広範囲にわたって進行波を形成でき、且つ空気供給部２０の厚みを小さくできるのでＦＣユニットを小型化するのに有利である。

この振動伝達体２１は、保持部材２５によって振動を伝達可能な状態で、且つカソード１２との間に空気流通路２４が確保されるように保持されている。
振動伝達体２１は、図１，２に示すように空気流通路２４に沿った帯状に設定し、その一端部に加振部２２を設置して、長手方向に進行波を伝達するような構成とすることが好ましい。

保持部材２５は、この振動伝達体２１の両側部分を支持しており、保持部材２５は空気流通路２４の側壁を兼ねている。
それによって、振動伝達体２１は長手方向に振動を伝達できる状態で保持されるとともに、空気流通路２４のスペースが十分に確保される。また、空気供給部２０の構成が簡素で薄型にできる。従って、薄型のＦＣユニットを実現するのに適している。

吸振部２３は必ずしも設けなくても進行波は形成されるが、吸振部２３を設けることによって、振動伝達体２１においては、加振部２２から吸振部２３にかけて進行する進行波が効率よく選択的に形成される。
すなわち、振動伝達体２１を伝播する進行波は、振動伝達体２１を伝わりながらある程度減衰されるが、振動伝達体２１の端部まで進むと反射されるので、進行波と反射波とが干渉して定在波も形成される。そして定在波が形成される分だけ、進行波による空気搬送作用が低減する。これに対して、吸振部２３を設けると、そこで振動伝達体２１の振動が吸収されるため、反射波の発生が抑えられる。従って、定在波の形成を抑えながら、加振部２２から吸振部２３にかけて振動伝達体２１の面方向に進行する進行波を選択的に形成することができる。

なお、振動伝達体２１に吸振部２３を設けない場合には、振動伝達体２１を、振動を吸収しやすい部材（例えばＡＢＳ、アクリルなどの樹脂剤）から構成することが、反射波の生成を抑える上で好ましい。
このように振動伝達体２１に進行波を形成することによって、空気流通路２４内の空気が搬送されるが、それとともに、空気流通路２４内の空気も振動するので、カソード１２で生成される水を空気流通路２４内の空気に拡散させてカソード１２から除去する作用もある。

このように空気流通路２４内の空気を搬送する作用、並びにカソード１２から生成水をスムースに除去する作用により、カソード１２には十分に酸素が供給され、ＦＣユニットで高出力が得られる。
（加振部２２、吸振部２３の構成）
加振部２２及び吸振部２３は、振動伝達体２１に取り付けられており、加振部２２は振動伝達体２１に振動を加えるもの、吸振部２３は振動を吸収するものである。

空気流通路２４の空気を全体的に搬送できるように、加振部２２及び吸振部２３は、振動伝達体２１の幅方向全体にわたって設けることが好ましい。すなわち、図１に示すように、加振部２２及び吸振部２３は、振動伝達体２１の幅方向に伸長させて設けることにより、加振部２２から吸振部２３にかけて進行波が形成される範囲の幅が広くなるので好ましい。

また加振部２２は、発振回路２６が接続された圧電素子で構成することが好ましい。
加振部２２に圧電素子を用いて、以下のように振動伝達体２１に主としてたわみ波を形成したり、表面弾性波を形成したりすることができる。
（１）たわみ波を形成する例
空気供給部２０において、加振部２２には、図３（ａ）に示すように、厚み方向（図３で下方向）に分極された圧電材層２２ａが電極層２２ｂ、２２ｃで挟まれてなる圧電素子が用いられ、当該圧電素子は、振動伝達体２１の主表面上に積層された状態で接合されている。

圧電材層２２ａを形成する圧電材としては、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）をはじめとして、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）といった圧電セラミクスや水晶が挙げられる。
発振回路２６は、電極層２２ｂ、２２ｃ間に、数百〜数十ＭＨｚの周期電圧を印加する。この発振回路２６から圧電素子に印加される電圧により、圧電材層２２ａが周期的に変形し、それに伴って振動伝達体２１に振動が加えられる。

印加する電圧の周波数によって、圧電材層２２ａが変形する形態は様々に変わるが、特に、圧電材層２２ａが面方向に伸縮するのに伴って、振動伝達体２１がたわみ振動するのが主な振動である。すなわち、図３（ｂ）のように分極方向と逆方向の電圧が印加されているときには圧電材層２２ａが白抜矢印のように伸び、それに伴って振動伝達体２１の圧電材層２２ａとの接合面にも伸張力が加わり、振動伝達体２１にたわみが生じる。一方、図３（ｃ）のように分極方向と同方向の電圧が印加されているときには圧電材層２２ａが白抜矢印のように縮み、それに伴って振動伝達体２１における圧電材層２２ａとの接合面に収縮力が加わって、振動伝達体２１に逆向きのたわみが生じる。

このように振動伝達体２１に加えられたたわみ振動は、進行波として、振動伝達体２１を面方向に伝播される。
一方、吸振部２３は、加振部２２から離れた位置で振動伝達体２１に取り付けられ、振動伝達体２１に生じている振動を吸収することによって反射波の発生を抑えるものである。

この吸振部２３は、図２に示すように、吸振回路２７が接続された圧電素子で構成してもよいし、振動を吸収するゴム板などの素材を振動伝達体２１に接合してもよい。
吸振部２３に圧電素子を用いる場合、上記加振部２２と同様に、厚み方向に分極された圧電基板が電極層で挟まれて構成され、その圧電基板が振動伝達体２１の主表面上に積層された状態で接合されて、両電極層に吸振回路２７が接続される。

このような吸振部２３では、上記加振部２２の作用と逆に、振動伝達体２１の振動で圧電素子を伸縮させて、その両電極間に周期的な電力を発生させ、発生した電力を吸振回路２７で吸収することによって、振動伝達体２１の振動を吸収することができる。
すなわち、加振部２２で振動伝達体２１に加えられた振動（たわみ）が振動伝達体２１を伝播し、図３（ｂ），（ｃ）と同様に振動伝達体２１における吸振部２３と接合された部分が振動する。それに伴って、吸振部２３の圧電素子が伸縮すると、圧電素子の電極間に、周期的に電圧が発生するので、吸振回路２７でこの電力を熱などに変えて吸収したり回収したりする。このようにして、振動伝達体２１の振動を圧電素子で電気エネルギに変換して吸収することができる。

また、吸振回路２７において、電力回収用のＬＣ共振回路を設けることによって、圧電素子で生じた電力を回収し、この電力を発振回路２６で発振するのに再利用することも可能であって、これによって発振回路２６における消費電力を低減することができる。
なお、図１〜３では、発振部２２及び吸振部２３の圧電素子が振動伝達体２１の外側表面上に接合されているが、振動伝達体２１の空気流通路２４側表面上に接合してもよい。

（２）表面弾性波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）を形成する例
図４に示すように、空気供給部２０において、加振部２２には、圧電材層２２ａの表面上に櫛形電極（ＩＤＴ）２２ｄ，２２ｅが配設されてなる圧電素子（ＳＡＷ発振素子）が用いられ、図５（ａ）に示すように、当該圧電素子は、櫛形電極２２ｄ，２２ｅが配されている面が、振動伝達体２１の空気流通路２４側の表面に対面した状態で接合されている。櫛形電極２２ｄ，２２ｅの各電極枝は、振動伝達体２１の幅方向に伸張しており、櫛形電極２２ｄの電極枝と櫛形電極２２ｅの電極枝が互いに入り組んでいる。

吸振部２３も同様に、圧電材層２３ａの表面上に櫛形電極２２ｄ，２２ｅが配設されてなる圧電素子（ＳＡＷ吸振素子）が用いられ、当該圧電素子は、櫛形電極２３ｄ，２３ｅが配された面が、振動伝達体２１の空気流通路２４側の表面に対面した状態で接合されており、櫛形電極２３ｄ，２３ｅの各電極枝は、振動伝達体２１の幅方向に伸張し、櫛形電極２３ｄの電極枝と櫛形電極２３ｅの電極枝が互いに入り組んでいる。

そして、櫛形電極２２ｄ，２２ｅに発振回路が、櫛形電極２３ｄ，２３ｅに吸振回路が接続されている。
なお、このようなＳＡＷ発振素子及びＳＡＷ吸振素子は、ＳＡＷフィルタをはじめとするＳＡＷデバイスに用いられている。
上記構成の空気供給部２０において、加振部２２で、発振回路からＳＡＷ発振素子に高周波を印加すると、図５（ａ）に示すように、圧電材層２２ａの電極配設面に沿って、電極枝と直交する方向に弾性表面波が励起される。ここで圧電材層２２ａの電極側表面は、振動伝達体２１の空気流通路２４側表面に接合されているので、弾性表面波は、振動伝達体２１の空気流通路２４側表面に沿って、振動伝達体２１の長手方向に伝播される。この弾性表面波は、吸振部２３における圧電材層２３ａの電極配設面に、電極枝と直交する方向に入射されるので、高周波に変換されて吸振回路で吸収される。

このように、振動伝達体２１の空気流通路２４側表面に沿って、振動伝達体２１の長手方向に弾性表面波が進行するのに伴って、空気流通路２４内の空気もその進行方向と同じ方向に搬送される。
よって、外気が吸気口２４ａから取り込まれて、カソード１２に酸素を供給しながら空気流通路２４を流通して、排気口２４ｂから排出される。また、振動伝達体２１が振動することにより、カソード１２で生成される水を空気流通路２４内の空気に拡散させてカソード１２から除去する。

加振部２２，吸振部２３を図５（ｂ）のように構成しても、同様に振動伝達体２１の空気流通路２４側表面に沿って、振動伝達体２１の長手方向に弾性表面波が進行し、それに伴って、空気流通路２４内の空気もその進行方向と同じ方向に搬送される。また、空気流通路２４内の空気が振動することによって、カソード１２で生成される水が空気流通路２４内の空気に拡散してカソード１２から除去される。

加振部２２，吸振部２３を図５（ｃ）ように構成しても、圧電材層２２ａの空気流通路２４側表面に沿って、振動伝達体２１の長手方向に弾性表面波が進行し、それに伴って、空気流通路２４内の空気もその進行方向と同じ方向に搬送される。
（振動伝達体２１及び保持部材２５についての詳細）
図１や図４に示すように、振動伝達体２１は、その両側部分だけが保持部材２５で支持されており、空気流通路２４に臨む部分（カソード１２と対向する部分）は非接触となっている。このように振動伝達体２１を保持部材２５に架設することによって、振動伝達体２１の振動が保持部材２５に吸収されるのが抑えられ、加振部２２で形成された進行波が吸振部２３に効率よく伝達される。

振動伝達体２１で進行波を効率よく伝達する上で、更に以下のようにすることが好ましい。
保持部材２５としてゴムや樹脂などの材料を用いる。これによって、振動伝達体２１から振動エネルギ−が保持部材２５に吸収されるのを抑えることができる。
また図４に示す例では更に、保持部材２５における台座部分（振動伝達体２１の表面が対向する部分）に、長手方向に沿って凹部２５ａが点在するように設けられている。

図６（ａ）は、ＦＣユニット１において保持部材２５に凹部２５ａを設けた場合の断面図であり、空気流通路２４を横切る方向に切断している。
このように保持部材２５に凹部２５ａを設けることによって、図６（ａ）に示すように、凹部２５ａが形成されている箇所では、保持部材２５が振動伝達体２１と非接触となっている。

また、図６（ｂ）の断面図に示す例では、振動伝達体２１の両側に、保持部材２５に沿って溝２１ａが形成され、溝２１ａが形成された部分では振動伝達体２１の厚みが薄くなっている。
このように、保持部材２５の長手方向に沿って、振動伝達体２１と接触しない非接触部分を設けたり、振動伝達体２１の両側に薄厚部分を形成することによって、振動伝達体２１の振動エネルギーが保持部材２５に吸収されるのが抑えられる。

図１，４に示す例では、振動伝達体２１が空気流通路２４の上面を閉塞し、保持部材２５が空気流通路２４の両側を閉塞しているので、吸気口２４ａ，排気口２４ｂだけで空気流通路２４に空気が出入りするようになっているが、振動伝達体２１や保持部材２５に切り欠きや貫通孔を設けて、空気流通路２４と外部とを連通させてもよい。
例えば、図４における凹部２５ａを形成している箇所で、保持部材２５に切り欠きや貫通孔を設けたり、振動伝達体２１に切り欠きを設けることによって空気流通路２４と外部とを連通させることも可能である。

このように、振動伝達体２１や保持部材２５に、空気流通路２４と外部とを連通する部分を設ければ、上記の吸気口２４ａ、排気口２４ｂ以外に、当該連通箇所を通しても、空気流通路２４に対して空気が出入りすることができる。
（振動伝達体２１が複数並設されている形態）
以上、振動伝達体２１が１枚設けられた基本的なＦＣユニット１について説明したが、図７，８に示すＦＣユニット２，３のように、空気供給部２０において、複数の振動伝達体２１が一平面に沿って配列された構成とすることができる。

図７のＦＣユニット２では、空気供給部２０において、帯状の振動伝達体２１が複数並列に配されている。そして、各振動伝達体２１に加振部２２及び吸振部２３が設けられ、各振動伝達体２１の両側が保持部材２５で支持されている。
この空気供給部２０において、複数の振動伝達体２１とセル部１０との間に複数の空気流通路２４が形成され、空気流通路２４どうしは保持部材２５で仕切られている。そして、加振部２２及び吸振部２３によって各振動伝達体２１に進行波が形成され、それによって、各空気流通路２４内の空気が搬送される。

図８のＦＣユニット３では、空気供給部２０において、複数の振動伝達体２１が、行列状に配列されている。
保持部材２５は、振動伝達体２１どうしを仕切る格子状であって、各振動伝達体２１は１４１と仕切部１４２で固体高分子膜１１を挟み込んで保持している。
そして、各振動伝達体２１の両側が保持部材２５で支持され、複数の振動伝達体２１とセル部１０との間に、複数の空気流通路２４が形成されている。

従って、複数の空気流通路２４も行列状に配列され、隣り合う空気流通路２４どうしが保持部材２５で仕切られている。
各振動伝達体２１の一端部に加振部２２、他端部に吸振部２３が設けられ、各振動伝達体２１の端部と保持部材２５との間には隙間が確保されることによって、外気を空気流通路２４に取込む吸気口２４ａ、及び空気流通路２４から排気する排気口２４ｂが形成されている。

そして、加振部２２及び吸振部２３によって各振動伝達体２１に進行波が形成され、それによって、各空気流通路２４内の空気が搬送される。
このように、Ｆｃユニット２，３では、複数の振動伝達体２１が並設され各振動伝達体２１ごとに進行波が形成されるようになっているので、各空気流通路２４ごとに空気搬送量を調整することができる。

このように複数の振動伝達体２１が並設されたＦＣユニットにおいて、セル部１０においても、一平面上に複数のカソード１２及びアノード１３を並設して、複数のセルを並設した構成とすることができる。
例えば図７に示すＦＣユニット２では、上記振動伝達体２１に対応して、固体高分子膜１１の空気供給部２０側には複数の帯状のカソード１２が並設され、固体高分子膜１１の燃料供給部３０側にも複数の帯状のアノードが並設されている（図７では、アノードは見えないがカソードと同形状である。）。そして、保持枠体１４は、カソード１２およびアノードの全体を取り囲む外周部１４１に加えて、隣り合うカソード１２どうしおよびアノードどうしを仕切る仕切部１４２が設けられており、外周部１４１と仕切部１４２で固体高分子膜１１を挟み込んで保持している。この場合、固体高分子膜１１が外周部１４１だけでなく仕切部１４２でも挟時されるので、ＭＥＡがしっかりと保持される。

このようにＦＣユニット２においては、一平面上に複数のセルが併設された構成となっているため、隣りあうセルの一方の正極集電体と他方の負極集電体とを電気接続すれば、複数のセルが直列接続されるので、高電圧で外部に電力を供給することができる。
また、各セルごとに振動伝達体２１が配置されているので、セルごとに空気搬送量を調整することもできる。

（上記実施形態の変形）
上述したように振動伝達体２１としては板状の弾性体を用いることが好ましいが、空気流通路２４に沿って振動を伝えるものであれば必ずしも板状でなくてもよく、例えば棒状の弾性体を一本あるいは複数本用いてもよい。
上記実施形態では、燃料としてメタノールを用いて発電するＤＭＦＣについて説明したが、燃料として水素を用いる燃料電池においても同様に実施することができる。この場合、ＦＣユニットにおけるセル部１０、空気供給部２０については、上述したのと同様の構成であって、燃料供給部３０については、セル部１０にメタノールの代わりに水素を供給するように変更する。例えば、燃料供給部３０の内部あるいは燃料供給部３０に連結した外部タンクに水素吸蔵合金を収納して、当該水素吸蔵合金に水素を吸蔵させておき、必要に応じてセル部１０に水素を供給すればよい。

本発明によれば、小型で高出力の燃料電池を実現できるので、携帯電話やノートパソコンなど携帯用機器の電源として適している。

本発明の一実施の形態にかかるＦＣユニット１の斜視図である。 図１に示すＦＣユニット１の断面図である。 加振部２２の構成及び動作を説明する図である。 圧電材層の表面上に櫛形電極が配設された圧電素子が加振部２２に用いられたＦＣユニットの分解斜視図である。 （ａ）は、図４に示すＦＣユニットの概略断面図、（ｂ），（ｃ）はその変形例を示す概略断面図である。 （ａ）は、ＦＣユニット１において保持部材２５に凹部２５ａを設けた場合の断面図、（ｂ）は、ＦＣユニット１において振動伝達体２１に溝２１ａを形成した場合の断面図である。 複数の振動伝達体２１が平面上に並列配列されたＦＣユニット２を示す分解斜視図である。 複数の振動伝達体２１が平面上に行列状に配列されたＦＣユニット３を示す分解斜視図である。

符号の説明

１〜３ ＦＣユニット
１０ セル部
１１ 固体高分子膜
１２ カソード
１２ａ カソード触媒層
１２ｂ 正極集電体
１３ アノード
１３ａ アノード触媒層
１３ｂ 負極集電体
１４ 保持枠体
２０ 空気供給部
２１ 振動伝達体
２１ａ 溝
２２ 加振部
２２ 発振部
２２ａ 圧電材層
２２ｂ，２２ｃ 電極層
２２ｄ，２２ｅ 櫛形電極
２３ 吸振部
２３ａ 圧電材層
２３ｂ，２３ｃ 電極層
２３ｄ，２３ｅ 櫛形電極
２４ 空気流通路
２５ 保持部材
２６ 発振回路
２７ 吸振回路
３０ 燃料供給部

Claims (9)

1. 電解質膜の一方側にカソード、他方側にアノードが配されているセルを備え、
   前記アノードに燃料を供給するとともに、前記カソードに酸化剤を供給することによって発電する燃料電池であって、
   前記カソード上に、酸化剤流路を挟んで弾性部材が配設され、
   当該弾性部材に、前記カソードの表面に沿った方向に進行する進行波を形成する進行波形成手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記酸化剤を、前記進行波の進行方向に供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記進行波形成手段は、前記弾性部材に振動を付与する振動付与部を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記進行波形成手段は更に、
   前記振動付与部から離れた位置で振動を吸収する振動吸収部を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記振動付与部及び振動吸収部のうち、
   少なくとも振動付与部は、圧電素子からなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記振動吸収部は、
   前記弾性部材の端部に、当該弾性部材の振動を吸収する部材が取り付けられて構成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
7. 前記弾性部材は板状であり、
   前記カソードと弾性部材との間に、前記進行波の方向に沿って配設された、前記酸化剤の流路構成するための一対の流路構成部材を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか記載の燃料電池。
8. 前記酸化剤流路を挟んで両側に前記一対の流路構成部材を有することを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
9. 前記流路構成部材により前記弾性部材を前記カソード上に支持することを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池。

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