(57)【特許請求の範囲】
【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おり、
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り、
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ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記圧電素子がＰＺＴ膜からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
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１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
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１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
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１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記撥水性被膜がシリコーン樹脂からなる請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
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６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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、１０３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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００１０】
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おり、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り、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ことを特徴し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
前記圧電素子がＰＺＴ膜からなっていてもよい。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、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。
【００２３】
さらに、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。
【００２４】
なお、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構成であってもよい。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。
【００２５】
請求項２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。ＰＺＴ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。
【００２６】
請求項３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。
【００２７】
請求項４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。
【００２８】
請求項５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６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７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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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５０μｍ〜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。
【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１００〜２００℃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。
【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。
【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。
【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Ｎａｆｉｏｎ（米国デュポン社製、商品名Ｎａｆｉｏｎ１１７）を用いる。
【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／ｃｍ2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×５０ｍｍ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、２００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で１００℃のホットプレスで接合している。
【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。
【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。
【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１２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。
【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１３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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＳＨ５１０、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１５０℃で１時間加熱し、膜厚０．５μｍのシリコーン樹脂被膜を得る。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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