JP4677725B2 - 燃料電池装置、気体噴出装置及び燃料電池装置の発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の気体を用いて発電する燃料電池装置、該燃料電池装置に用いることが可能な気体噴出装置及びその発電方法に関する。

従来から、燃料電池の開発が進められており、燃料電池は自動車などの車両に搭載して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。しかし、このような用途に限らず、軽量化や小型化を図り、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある。

一般的に、燃料電池は、発電体となるセルに燃料気体を供給することで、当該セルに電力を発生させる装置である。セルは、例えば空気が供給される空気極と、水素等の燃料が供給される燃料極とを有し、化学反応を起こすための電解質（例えばプロトン伝導体膜）が空気極と燃料極とに挟まれて構成されている。

一般の燃料電池では、大きな起電力を得るために、上記のような単位セルを所定数だけ積層した構成のスタックセルとして使用される。このような構成では、燃料及び空気はセルの側面から一括して供給できる反面、セル全体の重量や体積が大きくなるため携帯機器用途には適さない。携帯機器用途では発電モジュールの厚みは、セル１枚分の数mm程度が望ましい。

この種の薄型燃料電池の例として、特別な空気供給手段を用いないで自然対流を利用して受動的に空気の供給を行う方式と、ファン等の送気手段を用いて能動的に空気供給を行う方式がある（例えば、特許文献１参照。）。前者は構成が簡単で付加的な電力も必要ないことから小型化や高発電効率化に有利であるが、供給される空気の量が少ないため発電量が限られている。したがって実用的な電力を発生させる薄型燃料電池の空気供給手段としては、後者のように、回転羽根を有するファン等を用いて能動的に空気供給を行う方式が望ましい。
特開平１０−９２４５６号公報（段落[００１１]、図２）

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、ファンの回転軸方向の一方から吸気して、回転軸と直角方向に排気する遠心ファンを用いているが、ファンの回転軸方向にはスペースが必要であり薄型化が困難である。一方、径流ファン（例えば円筒形状のケーシングを有するファン）を用いる場合には、遠心ファンに比べ、ファンの回転軸方向でのスペースがさらに必要となる。

また、ファンを用いた送風装置は送風性能を低下させないためにある程度の翼面積が必要であり、さらに回転面の形状は概略正方形または円形に制限され形状の自由度が小さい。

さらに、セルから離れた十分なスペースのあるところにファンを配置し、そこから適当な流路を通じてセルに空気を供給する方法ではセル近傍のスペースの制約は少ない。しかしながらファンとセルとの距離が離れている場合、その間の流路抵抗が大きくなり、十分な量の空気を供給するためには大型のファンが必要となってくる。さらに脱着可能な発電モジュールとして薄型燃料電池を利用する場合にはファンと発電セルの距離が離れているような構成は取れない。

さらに、ファンを用いて空気をセルに供給する場合には、セルへの気体の流路で流通する空気は層流となり、電極部の表面付近に空気の境界層が形成され、効率よくをセルへ空気を供給できないという問題がある。すなわち、電極部の表面に空気が滞留してしまう。また、セルの発電時に生成される水が流路内に滞留する場合があり、発電効率が低下するという問題がある。上記ファンを用いる場合には、ファンの空気流によって、滞留した水を蒸発させるという作用が考えられるが、実際には水の表面が蒸発されるのみであり、大部分を蒸発させることは難しい。特に、セルを小型化または薄型化した場合には、セルへ空気を供給するための流路も小さくなるため、水の粘性により当該流路の全体に水が滞留しやすくなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、薄型化を達成しながらも、発電効率を向上させることができる燃料電池装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、
開口部を含む前面を有する筐体と、前記筐体に振動可能に支持された振動板とを有する噴出機構であって、前記振動板は、前記筐体の外部に面する第１の面と、前記筐体の内部に面する第２の面とを有し、前記振動板を振動させることにより前記筐体の内部に含まれた空気を前記開口部を介して前記筐体の外部に脈流として噴出する噴出機構と、
空気を流通させる空気流路を形成するための溝を含む空気側セパレータと、燃料を流通させる流路を形成するための溝を含む燃料側セパレータと、対向面と、前記対向面に設けられた空気の流入口とを有し、前記噴出機構により噴出された空気が前記流入口を介して前記空気流路に流入するように、前記対向面が前記噴出機構の前記筐体の前記前面に対向して配置された積層セル型の燃料電池本体と
を具備する。

本発明では、噴出機構により脈流として流路に空気を噴出するようにして例えば発電部としてのセルに空気を供給する。噴出機構は、燃料電池本体の空気流路に合成渦流を供給することができる。これにより、従来では流路に形成されやすかった気体の境界層、またはその滞留する気体を攪拌することができ、発電効率を向上させることができる。また、流路に滞留する水に物理的な圧力をかけて除去することができるため、発電効率を向上させることができる。例えば、従来からあるファンの送風量を多くして物理的な圧力で気体の境界層や水を除去することも考えられるが、その分電力を多く要し、また回転羽根を有するファンを用いることは薄型化または小型化には適さない。すなわち、回転羽根を有するファンに比べて薄型化及び小型化を図ることができる。
また、流路に噴出される気体の圧力を極力高めることができ、流路に滞留する気体を攪拌したり、流路に滞留する水を除去することができる。
筐体内部のほぼ全容積を使用して気体を噴出させることができるので、噴出される気体の量を多くすることができ、発電効率を向上させることができる。

本発明において、振動体の振動を制御する制御部を設けるようにしてもよい。この場合、制御部は、例えば振動体の振幅、振動数（駆動周波数）及び位相等のうち少なくとも１つを制御する。これにより、燃料電池本体自体の発電能力または発電効率等に応じて気体の供給量を最適化することができる。

本発明の一の形態によれば、前記筐体は、前記振動体により仕切られて形成された複数のチャンバと、前記筐体の外部と前記複数のチャンバとをそれぞれ連通する複数の前記開口部とを有し、前記振動体は、前記複数のチャンバに含まれた前記気体を前記複数の開口部を介して噴出する。このような構成によれば、例えば、燃料電池本体がスタックセルを有する場合に、スタックされたセルへの気体の各流路へ気体を供給することができる。振動体は１でもよいし、２つ以上であってもよい。また、１つのチャンバに開口部が１つのみ設けられてもよいし、１つのチャンバに複数の開口部が設けられていてもよい。以下、同様である。

本発明の一の形態によれば、前記複数のチャンバはそれぞれほぼ同一の容積を有し、前記振動体は、前記複数の開口部からの距離がほぼ同じとなる位置に配置されている。これにより、気体の空力特性が複数のチャンバで対称になり、複数の開口部から噴出される気体の量が均一となるので、例えばセルに供給される気体量が均一となり発電効率が向上する。

本発明の一の形態によれば、前記燃料電池本体は、前記開口部に対面し前記噴出機構により噴出された前記気体を前記流路に流入させるための流入口を有し、前記開口部と前記流入口との隙間が、前記開口部の口径の１〜１０倍となるように前記筐体と前記燃料電池本体とが配置されている。開口部から噴出される気体は合成渦流となる。合成渦流とは、開口部から気体が噴出されることにより噴出された気体の周囲の気圧が下がるので、噴出された気体の周囲にある気体が巻き込まれることによって発生する渦流である。すなわち、噴出された気体とその周囲の気体とが合成され渦となる。本発明では、隙間が開口部の口径の１０倍より大きいと、渦が広がりすぎてしまい、流入口に望ましい速度の気体の噴流を流入させることができないからである。一方、隙間が１倍より小さいと噴出流が周囲の気体を引き込めず、合成渦流をうまく形成することができないからである。特に、前記隙間が前記開口部の口径の２〜５倍となるように前記筐体と前記燃料電池本体とが配置されていることが好ましい。当該隙間の最適な値は、振動体の振幅値、すなわち噴出される気体の流量にもよるが、本発明のこのような構成によれば、噴出された気体を所望の速度で効率よく流入口へ流入させることができる。

本発明において開口部の形状は特に限定されない。開口部が正方形あるいは正方形に近い矩形状の場合、口径とは、例えばその矩形の一辺の長さまたは対角線の長さのことである。

本発明の一の形態によれば、前記開口部の開口面積は、前記流入口の開口面積より小さい。これにより、流入口に流入する気体の量を多くし効率よく気体を供給することができるので、発電効率を高めることができる。

本発明の一の形態によれば、前記燃料電池本体は、前記複数の開口部に対面し前記噴出機構により噴出された前記気体を前記流路に流入させるための流入口を有し、前記複数の開口部の開口面積の総和は、前記流入口の開口面積より小さい。本発明では、複数の開口部から噴出される気体を例えば１つの流入口に効率よく流入させることができ、発電効率を高めることができる。

本発明の一の形態によれば、前記噴出機構は、前記第２の面に装着されたコイルと、前記筐体の内部に配置され、前記コイルに対向する永久磁石とを有する。これにより、薄型化及び小型化を達成しつつ、従来のファンを用いる場合に比べて同等またはそれ以上のセルの発電効率を得ることができる。前記噴出機構は、前記第１の面に装着されたコイルと、前記筐体の内部に配置され、前記コイルの通電により発生する磁場と作用する永久磁石とを有してもよい。

本発明の一の形態によれば、前記振動板は、コイルが配置された第１の領域と、該第１の領域の周囲に設けられ前記第１の領域のヤング率より小さいヤング率を持つ第２の領域とを有する。

本発明では、振動板の振動により合成渦流を発生させることができる。例えば、本発明の気体噴出装置を燃料電池に適用した場合、燃料電池装置における気体を流通させる流路に合成渦流を供給することができる。したがって、従来では流路に形成されやすかった気体の境界層または滞留する気体を攪拌することができ、発電効率を向上させることができる。また、当該流路に滞留する水に物理的な圧力をかけて除去することができるため、発電効率を向上させることができる。さらに、回転羽根を有するファンに比べて薄型化及び小型化を図ることができる。
また、コイルが配置されない第２の領域を第１の領域に比べて可動量を大きくし振動板を振動させることができる。また、コイルが配置される第１の領域のヤング率を第２の領域に比べて高くすることで、振動板の振動が安定し、所望の量の気体を噴出させることができる。

本発明において、領域とは３次元的な領域である。コイルが領域に配置されるとは、コイルが領域内にあることはもちろん、コイルが振動板上に載置される場合も含む。

本発明の一の形態によれば、第１の領域は主原料がエポキシ系、ポリイミド系、ポリエーテルイミド系、またはポリエチレンテレフタレート系の樹脂でなり、前記第２の領域は主原料がブチル系ゴムでなる。このような構成により、第１の領域と第２の領域とでヤング率を異ならせることができる。

本発明の一の形態によれば、前記振動板は、前記第１の領域と前記第２の領域とが同一の材料で構成され、該振動板の振動の方向とほぼ同じ方向に深さを有する溝を前記第２の領域に有する。第１の領域と第２の領域とが同じ材料であっても、第２の領域に溝が設けられることで、第２の領域を第１の領域より剛性を低くすることができ、振動板の安定した振動が得られる。

本発明の一の形態によれば、前記コイルは、前記振動板の振動方向に垂直な面内で巻回される板状のコイルであり、前記溝は前記面内で螺旋状に設けられている。例えば、コイルからのリード線を、溝を横断せずに螺旋状に配設することができる。したがって、振動板が振動することによりリード線が断線してしまうことを防止できる。

本発明の一の形態によれば、前記コイルに電気的に接続された空中リード線をさらに具備する。空中リード線とは、リード線が筐体や振動板に接しないで空中に配線されたリード線という意味である。これにより振動板が振動することによりリード線が断線してしまうことを防止できる。

本発明の一の形態によれば、前記振動板は、該振動板の振動の方向にほぼ垂直な第１の面と、前記第１の面にほぼ平行な第２の面と、前記第１の面から前記第２の面にかけて貫通する孔とを有し、前記コイルは、前記第１の面に配置された第１のコイルと、前記孔を介して前記第１のコイルと電気的に接続された第２のコイルとを有する。例えば第１及び第２のコイルの両方に発生する磁力線が同じ方向になるように両コイルの巻回方向が設定されていれば、電磁力を増加させることができ、コイルを駆動するのに要する電気的なエネルギーから振動板の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。

本発明の一の形態によれば、前記永久磁石は、前記第１のコイルに対向する第１の永久磁石と、前記第２のコイルに対向し、前記第１の永久磁石と同極で向かい合う第２の永久磁石とを有する。これにより、電磁力が増加し、コイルを駆動するのに要する電気的なエネルギーから振動板の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。

本発明の一の形態によれば、前記永久磁石は、振動板の振動の方向にほぼ垂直な面に沿うように、かつ、発生する磁場が隣り合う永久磁石同士で互いに逆向きになるように複数配列され、前記コイルは、前記各永久磁石に対応して複数配列されている。これにより、電磁力を増加させることができ、コイルを駆動するのに要する電気的なエネルギーから振動板の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。

本発明の一の形態によれば、前記筐体は、前記永久磁石の近傍に磁性材料を含む。これにより、筐体に磁気回路を作ることができるので電磁力を増加させることができ、コイルを駆動するのに要する電気的なエネルギーから振動板の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。

本発明の一の形態によれば、前記支持体は、開口部を有する筐体であり、前記振動板は、振動することで前記筐体に含まれた前記気体を前記開口部を介して噴出する。これにより、開口部からの気体の噴出によって合成渦流を発生させることができる。

本発明の一の形態によれば、前記筐体は、前記振動板により仕切られて形成された複数のチャンバと、前記筐体の外部と前記複数のチャンバとをそれぞれ連通する複数の前記開口部とを有し、前記振動板は、前記複数のチャンバに含まれた前記気体を前記複数の開口部を介して噴出する。これにより、例えば１つの振動板のみで、２つのチャンバのそれぞれの開口部から気体を噴出させることができる。

本発明に係る燃料電池の発電方法は、所定の気体を流通させる流路を有する燃料電池の発電方法であって、前記気体を脈流として前記流路に噴出する工程と、前記流路で流通する前記気体を用いて発電する工程とを具備する。

本発明では、脈流として流路に気体を噴出するようにして例えば燃料電池のセルに気体を供給することにより、従来では流路に形成されやすかった気体の境界層、またはその滞留する気体を攪拌することができ、発電効率を向上させることができる。また、流路に滞留する水を容易に除去することができるため、発電効率を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、薄型化を達成しながらも、発電効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説.明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池装置を示す概略斜視図、図２はその燃料電池装置の本体の分解斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池装置１は、起電力を発生させるための燃料電池本体（以下、本体という）２０１と、本体２０１に気体を噴出する気体噴出装置１０１とを有して構成されている。気体噴出装置１０１と本体２０１とは、後述する所定の隙間ａが形成されるように近接して配置されている。また、本体２０１の側面２０７側には図示しない水素供給手段が配設され、本体２０１に水素燃料が供給されるように構成されている。少なくとも本体２０１と気体噴出装置１０１とは、例えば、図示しない回路基板上に設置される。

図１及び図２に示すように、本体２０１は、水素側焦電体セパレータ２０２、水素側電極２０３、プロトン伝導体２０４、酸素側電極２０５及び酸素側焦電体セパレータ２０６が積層されて構成されている。水素側電極２０３、プロトン伝導体２０４及び酸素側電極２０５によりセル２２０が構成される。水素側焦電体セパレータ２０２には水素の流路Ｒ２を形成するための溝２３１が形成されており、酸素側焦電体セパレータ２０６には空気の流路Ｒ１を形成するための溝２３２が形成されている。各流路Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ直交するように設けられている。流路Ｒ１、Ｒ２が交差する領域では、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５にそれぞれ形成された図示しない多孔を介して、水素及び酸素がプロトン伝導体２０４に供給される。これにより水素側電極２０３と酸素側電極２０５との間に所望の起電力が発生する。

一方、気体噴出装置１０１の前面１０７には、幅ｂ、開口面積Ｓ２の開口部１０３が気体噴出装置１０１の長手方向に沿って複数配列されている。例えば開口部１０３と流路Ｒ２の流入口２１３とは対向して同じ数だけ設けられている。流入口２１３の開口面積Ｓ１は、開口部１０３の開口面積Ｓ２より大きく設定されている。開口部１０３と流入口２１３との隙間ａが開口部１０３の幅ｂの１〜１０倍となるように、気体噴出装置１０１と本体２０１とが配置されている。

本実施形態では、長方形状の開口部１０３を例示し、開口部１０３の長辺を幅ｂとする例を示した。しかし、開口部の形状は長方形に限定されず、例えば、正方形、正方形に近い矩形、または円形としてもよい。

図３は、上記気体噴出装置１０１の断面図であり、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

図３に示すように、気体噴出装置１０１は、外形を構成する中空の筐体１０２を有している。上記開口部１０３を介して筐体１０２の内部と外部とが連通されている。筐体１０２の上部には、Ｈ方向に振動可能な振動体１０４が装着されている。振動体１０４は、例えば振動板１２１と、複数の板状の平面コイル１２８とで構成される。振動板１２１は例えば電気絶縁性の材料でなり、例えば樹脂でなる。平面コイル１２８は例えばチャンバ１０５側に面する振動板１２１の裏面１２１ｂ側に取り付けられており、振動板１２１の表面１２１ａは筐体１０２の外部に面している。

図４は振動体１０４の平面図である。平面コイル１２８は例えば振動板１２１の長手方向（Ｘ方向）に９個、短手方向（Ｙ方向）に３個の平面コイル１２８がほぼ等間隔で取り付けられ、それぞれの平面コイル１２８は電気的に直列接続されている。平面コイル１２８は、振動板１２１に埋設されていてもよい。各平面コイル１２８の全体の電極は１３６であり、両電極１３６は、それぞれリード線１５１を介して平面コイル１２８を駆動するための図示しない駆動装置に接続されている。各平面コイル１２８の対向する位置には永久磁石１２４がそれぞれ配置されている。各永久磁石１２４は、例えば筐体１０２の底部に装着されている。

このような構成により、平面コイルに例えば交流電圧が印加されたとき、電磁力によって振動体１０４がＨ方向に振動する。言い換えると、平面コイル１２８が通電されることで、永久磁石１２４により発生する磁場を利用して振動板１２１が振動するように、永久磁石１２４と振動板１２１とが筐体１０２により支持されている。

例えば、永久磁石１２４と、それに対向するコイル１２８とは、互いに中心が一致するように配置されることが望ましい。これにより、コイルを駆動するのに要する電気的なエネルギーから振動体１０４の振動エネルギーへの変換効率を極力高めることができる。

また、永久磁石１２４と平面コイル１２８とは所定の距離ｃを保つように設けられる。この距離ｃが小さいと、振動体１０４が永久磁石１２４に接触しやすくなって大きな振幅が取れないだけでなく、磁界の水平方向の成分が減少するため上記エネルギー変換効率が減少する。逆にこの距離ｃが大きいと、大きな振幅は得られやすい反面、平面コイル１２８の位置での磁束密度が減少してやはりエネルギー変換効率が低下する。

また、例えば、隣り合う永久磁石１２４は、当該永久磁石から発生する磁場の向きが互いに逆になるように配置されている。これによりＹ方向の磁束密度が増加し、エネルギー変換効率を高めることができる。また、このように配設された永久磁石１２４に磁場の方向に対応させるために、各平面コイル１２８は、それぞれ電圧が印加されたときに、隣り合うコイルで発生する磁場が互いに逆向きとなるように巻回されている。つまり、図４で示す平面から見て隣り合う平面コイル同士で逆向きに電流が流れるように各平面コイル１２８が巻回され、配置されている。

気体噴出装置１０１のサイズは、例えば次のように設定される。図３に示すように、筐体１０２の底部の厚さｈ、永久磁石１２４の厚さｍ、永久磁石１２４と平面コイル１２８との間隔ｃ、振動板１２１の厚さｋの値をすべてほぼ０．５ｍｍとすれば、気体噴出装置１０１の全体的な厚さは２ｍｍ程度に設定することができ、薄型化が達成される。例えば永久磁石１２４は、ＳｍＣｏ磁石が用いられることで０．５ｍｍに薄型化できる。

このように構成された気体噴出装置１０１の動作及び燃料電池装置１の発電方法について説明する。

平面コイル１２８に例えば交流電圧が印加されると、振動体１０４がＨ方向に振動する。図３中、振動体１０４が下方に移動するとチャンバ１０５の圧力が高められ、チャンバ１０５にある空気が開口部１０３を介して外部へ噴出される。開口部１０３から噴出される空気は合成渦流となる。合成渦流とは、開口部１０３から空気が噴出されることにより噴出された空気の周囲の気圧が下がるので、噴出された気体の周囲にある気体が巻き込まれることによって発生する渦流である。すなわち、噴出された気体とその周囲の気体とが合成され渦となる。そして、混合渦流の速度と振動体１０４の振動周期との積に対応する距離だけ離れた断続的な混合渦流が筐体１０２の外部で生成される。

上述したように、開口部１０３と流入口２１３との隙間ａが開口部１０３の幅ｂの１〜１０倍となっているのは、以下の理由による。隙間ａが開口部１０３の幅ｂの１０倍より大きいと、合成渦が広がりすぎてしまい、流入口２１３に望ましい速度の空気の噴流を流入させることができないからである。一方、隙間ａが１倍より小さいと噴出流が周囲の空気を引き込めず、合成渦流をうまく形成することができないからである。特に、隙間ａが開口部１０３の幅ｂの２〜５倍に設定されていることが好ましい。

隙間ａの最適な値は、振動体の振幅値、すなわち噴出される気体の流量にも依存し、また、セルの厚さや機械的強度により制約を受ける。しかし、以上のように隙間ａが設定されることで、噴出された空気を所望の速度で効率よく流入口２１３へ流入させることができる。

また、上述したように、開口部１０３の開口面積Ｓ２は、流入口２１３の開口面積Ｓ１より小さくなるように設定されているので、流入口２１３に流入する空気の量を極力多くし効率よく空気を供給することができる。したがって発電効率を高めることができる。

図３中、振動体１０４が上方に移動するとチャンバ１０５の圧力が低下し、筐体１０２の外部にある空気が開口部１０３を介してチャンバ１０５に流入する。上記合成渦流は、周囲の空気も巻き込むものであるので、チャンバ１０５に流入される空気量は、合成渦流による空気量より少ない。したがって、振動体１０４が振動することで、結果的に開口部１０３から気体が進行方向に脈動的な速度成分を持って供給され続けることになる。その結果、同じ風量の定常的な空気流を用いる場合に比べて燃料電池本体の発電効率が向上する。

具体的には、開口部１０３から噴出した空気は、燃料電池本体２０１の流路Ｒ１内に供給され、供給された酸素及び水素を用いてセル２２０で起電力を発生させる。本体２０１の流路Ｒ１内に供給された空気流により、従来では流路Ｒ１に形成されやすかった空気の境界層、または、電極２０３等の表面に滞留する空気を攪拌することができ、発電効率を向上させることができる。また、流路Ｒ１に滞留する水に物理的な圧力をかけて除去することができるため、発電効率を向上させることができる。

本実施の形態では、振動体１０４を筐体１０２の極力上部に装着されることで、筐体１０２の内部のほぼ全容積を使用して開口部１０３を介して気体を噴出させることができる。したがって、噴出される気体の量を多くすることができ、燃料電池装置１の発電効率を向上させることができる。

以下、本実施の形態に係る燃料電池装置の起電力の測定結果について、説明する。

図５は、電流密度と起電力との関係を示すグラフである。図５中、実線は本実施の形態に係る燃料電池装置の起電力を示し、破線は従来の回転羽根のファンを用いた場合の燃料電池の起電力を示す。また、本測定では１セル当たりの起電力を示す。この測定結果から、電流密度の低い領域（１〜１０[ｍＡ／ｃｍ^２]）では、従来に比べわずかに起電力が大きくなっていることが分かる。このように、従来に比べ同程度の起電力を得ながらも、回転羽根のファンを用いる場合に比べ格段に薄型化及び小型化されている。

図６は、燃料電池装置の連続動作試験結果を示すグラフであり、一定の電流負荷で運転したときの起電力の時間変化を示す。この試験結果から、長時間安定に発電していることが分かる。

図７は、他の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。図８は図７におけるＢ−Ｂ線断面図である。以下、上記実施の形態で説明した気体噴出装置１０１の部材や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。後述する気体噴出装置についても同様に異なる点を中心に説明する。

この気体噴出装置３３０は、筐体１０２に振動体４２０がＨ方向に振動可能に装着されている。振動体４２０の振動板４２１は、平面コイル１２８が配置される第１の領域４２５と、第１の領域４２５の周囲に設けられた第２の領域４２６とを有している。例えば、平面コイル１２８は、第１の領域４２５内部に埋設されていてもよいし、振動板４２１上、すなわち、筐体１０２の外部に面するように載置されていてもよい。

第１の領域４２５には、例えば主原料がエポキシ系、ポリイミド系、ポリエーテルイミド系、またはポリエチレンテレフタレート系の樹脂等が用いられている。また、第２の領域４２６には、主原料にブチル系ゴムが用いられている。これにより、第２の領域４２６は、第１の領域４２５よりヤング率が小さくなるように設定される。これにより、平面コイル４２２が配置されない第２の領域４２６を第１の領域４２５に比べて可動量を大きくして振動板４２１を振動させることができる。また、このようにコイル４２２が配置される第１の領域４２５のヤング率を第２の領域４２６に比べて高くすることで、振動板４２１の振動が安定し、所望の量の空気を噴出させることができる。

この気体噴出装置３３０の筐体１０２には気体を噴出させる開口部が設けられていないが、もちろん、上記の気体噴出装置１０１のように開口部が設けられてもかまわない。筐体に開口部がない場合、例えば振動体４２０に燃料電池本体の気体の流入口が対向するように設けられていれば、その流入口に気体を供給することができる。

また、本実施の形態では、説明を容易に理解できるように平面コイル１２８が１つだけ設けられ、筐体の形状が図８に示す平面図でほぼ正方形となるような構成とした。しかし、もちろん、気体噴出装置３３０が上記の気体噴出装置１０１のような長尺形状の筐体を持ち、複数の平面コイル１２８が設けられる構成としてもよい。

図９は、さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。図１０は、図９におけるＣ−Ｃ線断面図である。この気体噴出装置３４０は、その振動板４２７に溝４３７が設けられた振動体４３０を有している。図１０に示すように、溝４３７の深さ方向は、例えば振動板４２７のほぼ振動方向Ｈの方向と同じである。このような構成によれば、溝４３７の部分で曲げ剛性を小さくすることができ、振動体４３０の安定した振動が得られる。

本実施の形態では、平面コイル１２８から引き出される図示しないリード線は、空中に配置されるようにすればよい。これにより、リード線が溝４３７を横断しなくてもよい。つまり、例えばリード線が溝４３７を横断するように振動板４２７に取り付けられる場合、振動体４３０が振動することによりリード線が断線してしまうが、本実施の形態によればそのような不具合を防止できる。

図１１は、さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。例えば、平面コイル１２８の周りに振動板４２８の面内で螺旋状に溝４４７が設けられている。このため、例えば、平面コイル１２８からのリード線４３１を、溝４４７を横断せずに螺旋状に配設することができる。したがって、振動板４７１が振動することによりリード線４３１が断線してしまうことを防止できる。

図１２は、さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。この気体噴出装置３６０は、例えば振動板２２１の両面に平面コイル１２８ａ及び１２８ｂが取り付けられて構成されている。振動板２２１のほぼ中央には貫通孔２２１ａが形成され、この貫通孔２２１ａを介して両コイル１２８ａ及び１２８ｂが電気的に接続されている。例えば両コイル１２８ａ及び１２８に発生する磁力線が同じ方向になるように両コイルの巻回方向が設定されている。この場合、平面コイルが１つの場合と同じ面積で巻数が増えるため、電磁力を増加させることができる。これにより、平面コイル１２８ａ及び１２８ｂを駆動するのに要する電気的なエネルギーから振動板２２１の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。

図１３は、さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。この気体噴出装置３７０は、図３に示した気体噴出装置１０１の振動板３２１の両面３２１ａ及び３２１ｂに平面コイル１２８ａ及び１２８ｂがそれぞれ取り付けられて構成されている。両コイル１２８ａ及び１２８ｂを１セットとした場合、複数のセットが振動板３２１に取り付けられている。両コイル１２８ａ及び１２８ｂは貫通孔１２１ｃを介して電気的に接続されている。このような構成によれば、複数のコイルのセットが設けられることで、振動板１２１の振動エネルギーへの変換効率をより高めることができる。

図１４は、さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す斜視図である。図１５はその断面図である。この気体噴出装置３８０は、振動板３２１が仕切りとなって筐体３０２内に２つのチャンバ１０５ａ及び１０５ｂが設けられて構成されている。チャンバ１０５ａと筐体３０２の外部とが開口部１０３ａを介して連通し、チャンバ１０５ｂと筐体３０２の外部とが開口部１０３ｂを介して連通している。開口部１０３ａ及び１０３ｂはそれぞれ、筐体３０２の長手方向に複数設けられている。

この気体噴出装置３８０では、振動体３０４が振動することで、チャンバ１０５ａ及び１０５ｂの気体が交互に圧力変化し、開口部１０３ａ及び１０３ｂから交互に気体を噴出させることができる。これにより、開口部が１つの場合より流量が増大させることができる。

チャンバ１０５ａ及び１０５ｂの容積はほぼ等しくすることが好ましい。なぜなら、容積差が大きいと、容積の小さい方の気体の圧力抵抗により、振動体３０４の振幅が非対称となり、体積の小さい方から排出される混合渦の流量が減少するからである。

また、チャンバ１０５ａ及び１０５ｂの容積はほぼ等しくすることが好ましいのと同様、二分された筐体１０２内の空間の、上記のような空力特性を対称にするために、振動体３０４からなるべく等距離（距離ｎ）に開口部１０３ａと１０３ｂとが配置されることが望ましい。特に、望ましい形態は、筐体１０２あるいは開口部１０３ａと１０３ｂの形状を、振動体３０４を中心に対称にすることである。

さらに、開口部１０３ａと１０３ｂとの距離ｊは極力狭いくすることが好ましい。この距離ｊが大きいと開口部１０３ａ及び１０３ｂ近傍から排出される混合渦が広がるため、図示しない燃料電池本体側の気体の流入口に、気体を効率よく送り込めないからである。気体を効率よく送り込むためには、開口部１０３ａと１０３ｂとの開口面積の総和は、その両開口部が対向する１つの流入口（燃料電池本体側の流入口）の開口面積より小さく設定されるようにすればよい。これにより、２つの開口部１０３ａ及び１０３ｂから噴出される空気を例えば１つの流入口に効率よく流入させることができ、燃料電池の発電効率を高めることができる。

図１６は、さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。この気体噴出装置３９０は、図１５に示す気体噴出装置３８０のチャンバ１０５ｂ側にも永久磁石１２４ｂを平面コイル１２８ｂに対向させて配置させて構成されている。この場合、永久磁石１２４ｂは、それぞれチャンバ１０５ａ側に配置された永久磁石１２４ａと同極で向かい合うように配置されている。これにより、電磁力が増加し、振動体３０４の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。さらに、永久磁石１２４ｂがチャンバ１０５ｂ側にも設けられることで、チャンバ１０５ａ及び１０５ｂの容積を同じにしつつ、振動体３０４に対して対称な形状または構造で気体噴出装置３９０が構成される。したがって、空力特性が対称になり、開口部１０３ａと１０３ｂとから噴出される空気の量が均一となるので、燃料電池本体に供給される空気量が均一となり発電効率が向上する。

本発明は以上説明した実施の形態には限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、図３に示す気体噴出装置１０１の振動体１０４は、複数の平面コイル１２８が設けられる構成としたが、もちろん１つの平面コイルを用いてもよい。あるいは、平面コイルの数はもちろん限定されず、図４に示す平面コイルの数より多くてもよいし、少なくてもよい。振動板１２１の大きさ、あるいは平面コイルの大きさにより適宜変更が可能である。また、平面コイル１２８は振動板１２１のチャンバ１０５側に装着される構成としたが、振動板１２１が筐体の外部に面する側のみに装着されていてもよい。

また、上記各実施の形態に係る気体噴出装置の筐体の一部または全部が磁性材料で構成されていてもよい。この磁性材料により磁気回路を形成することができ、電磁力が増加し、振動体の振動エネルギーへの変換効率を高めることができる。この場合、磁性材料は例えば永久磁石の近傍に配置させることができる。

上記各実施形態では、コイルと永久磁石を用いて振動体を振動させる構成を例に挙げたが、コイル及び永久磁石に代えて圧電体を用いてもかまわない。

図１５または図１６において、平面コイルが振動板３２１の片側のみに設けられるようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池装置を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池装置の本体の分解斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 振動体の平面図である。 本実施の形態に係る燃料電池装置の電流密度と起電力との関係を示すグラフである。 本実施の形態に係る燃料電池装置の連続動作試験結果を示すグラフである。 他の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 図７におけるＢ−Ｂ線断面図である。 さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 図９におけるＣ−Ｃ線断面図である。 さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す斜視図である。 図１４に示す気体噴出装置の断面図である。 さらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。

符号の説明

ａ…隙間
Ｒ１、Ｒ２…流路
Ｓ１、Ｓ２…開口面積
Ｈ…振動方向
１…燃料電池装置
１０１、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０、３８０、３９０…気体噴出装置
１０２、３０２…筐体
１０３、１０３ａ、１０３ｂ…開口部
１０４、１４０、３０４、４２０、４３０、４４０、４５０…振動体
１０５、１０５ａ、１０５ｂ…チャンバ
１２１、２２１、３２１、４２１、４２７、４２８、４７１…振動板
１２１ｃ、２２１ａ、３２１ｃ…貫通孔
１２４、１２４ａ、１２４ｂ…永久磁石
１２８、１２８ａ、１２８ｂ…平面コイル
１５１、４３１…リード線
２０１…燃料電池本体
２１３…流入口
２２０…セル
４２５…第１の領域
４２６…第２の領域
４３７、４４７…溝

Claims (5)

1. 開口部を含む前面を有する筐体と、前記筐体に振動可能に支持された振動板とを有する噴出機構であって、前記振動板は、前記筐体の外部に面する第１の面と、前記筐体の内部に面する第２の面とを有し、前記振動板を振動させることにより前記筐体の内部に含まれた空気を前記開口部を介して前記筐体の外部に脈流として噴出する噴出機構と、
   空気を流通させる空気流路を形成するための溝を含む空気側セパレータと、燃料を流通させる流路を形成するための溝を含む燃料側セパレータと、対向面と、前記対向面に設けられた空気の流入口とを有し、前記噴出機構により噴出された空気が前記流入口を介して前記空気流路に流入するように、前記対向面が前記噴出機構の前記筐体の前記前面に対向して配置された積層セル型の燃料電池本体と
   を具備する燃料電池装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池装置であって、
   前記開口部の開口面積は、前記流入口の開口面積より小さい
   燃料電池装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池装置であって、
   前記噴出機構は、
   前記第２の面に装着されたコイルと、
   前記筐体の内部に配置され、前記コイルに対向する永久磁石とを有する
   燃料電池装置。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の燃料電池装置であって、
   前記噴出機構は、
   前記第１の面に装着されたコイルと、
   前記筐体の内部に配置され、前記コイルの通電により発生する磁場と作用する永久磁石とを有する
   燃料電池装置。
5. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の燃料電池装置であって、
   前記振動板は、
   コイルが配置された第１の領域と、
   該第１の領域の周囲に設けられ前記第１の領域のヤング率より小さいヤング率を持つ第２の領域とを有する
   燃料電池装置。

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