(57)【要約】【課題】燃料電池から迅速、かつ、確実に生成水を除去するとともに、生成水の漏洩を防止する。【解決手段】振動板１３は、駆動時には、電気機器である燃料電池１１により生成される生成水ＷＬを孔を介して霧化あるいは気化し、間隙外に生成水ＷＦ、ＷＧを除去する。  この振動板１３の孔１５は、微細な細孔で形成されているため、振動板１３の非駆動時には、間隙１４内に生成水ＷＬを貯め置くことが可能となる。【選択図】図１
2011034808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器により生成される生成水を除去する生成水除去装置において、
前記電気機器の生成水の放出面に対し所定の間隙を介して対向配置されるとともに、前記生成水を霧化あるいは気化するための複数の孔を有し、当該孔を介して前記間隙外に前記生成水を除去する振動板を備え、
この振動板の前記孔が該振動板の非駆動時に前記間隙内に生成水を貯め置き可能に微細な細孔で形成されていることを特徴とする生成水除去装置。
【請求項２】
燃料電池により発電時に生成される生成水を除去する生成水除去装置において、
前記燃料電池の酸化剤極側の生成水の放出面に対し所定の間隙を介して対向配置されるとともに、前記生成水を霧化あるいは気化するための複数の孔を有し、当該孔を介して前記間隙外に前記生成水を移送する振動板を備え、
この振動板の前記孔が該振動板の非駆動時に前記間隙内に生成水を貯め置き可能に微細な細孔で形成されていることを特徴とする生成水除去装置。
【請求項３】
請求項２に記載の生成水除去装置において、
全ての前記細孔は、前記燃料電池の酸化剤極側の吸気孔に対向する位置に設けられていることを特徴とする生成水除去装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の生成水除去装置において、
前記細孔の平均径ｒは、
１≦ｒ≦１００（μｍ）
とされていることを特徴とする生成水除去装置。
【請求項５】
請求項４に記載の生成水除去装置において、
前記振動板の各細孔は、前記生成水の放出面側の径が他方の面側の径より大きく形成されていることを特徴とする生成水除去装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の生成水除去装置において、
前記振動板の前記燃料電池の放出面に対向する面に吸水部材を設けたことを特徴とする生成水除去装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の生成水除去装置において、
前記振動板の前記燃料電池の放出面に対向する面は親水性材料で形成されていることを特徴とする生成水除去装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の生成水除去装置において、
前記放出面は撥水性材料で形成されていることを特徴とする生成水除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生成水除去装置に係り、特に携帯可能な小型の機器内で生成された生成水が漏れ出さないようにし、迅速かつ確実に除去することが可能な生成水除去装置を提供することにある。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は、エネルギー変換効率が高く、然も発電反応によって有害物質を発生しないため、種々の電気機器のエネルギー源として注目されている。
【０００３】
燃料電池を構成する単位セルは、電解質層の両側に酸化剤極及び燃料極を配置して膜・電極接合体(ＭＥＡ)を構成している。
さらに、単位セルは、膜・電極接合体を構成する酸化剤極の表面を覆って、複数本の空気供給溝が凹設された酸化剤極側導電性プレートが配置され、さらに酸化剤極側導電性プレートの外側にガスセパレーターが配置されている。又、膜・電極接合体を構成する燃料極の表面を覆って、複数本の燃料ガス供給溝が凹設された燃料極側導電性プレートが配置されている。
【０００４】
上記構成を有する燃料電池においては、酸化剤極側導電性プレートの空気供給溝に空気が送り込まれるとともに、燃料極側導電性プレートの燃料ガス供給溝に燃料ガスが送り込まれることによって、発電が行なわれる。
【０００５】
ところで、近年、小型電子機器に電源として燃料電池を搭載することが検討されており、例えば、薄型化の可能なダイレクトメタノール型燃料電池(ＤＭＦＣ)が有力視されている。ＤＭＦＣでは、空気や酸素などの酸化性気体を酸化剤極に供給し、メタノールなどの燃料を気体又は液体のまま燃料極に供給することにより、発電が行なわれる。
【０００６】
しかしながら、小型の電子機器に燃料電池を搭載するためには、酸化剤極に酸化剤としての空気（酸素）を供給する場合に、それらを供給するガス供給装置の小型化が必要となる。
【０００７】
従来、小型のガス供給装置として、燃料電池を振動させることによりガスを供給する装置が開示されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。特許文献１は、振動体により形成された複数のチャンバを使用して気体を噴出する気体噴出装置を提案しており、特許文献２は、酸化剤極、燃料極、セパレーター等を振動させる加振手段を備える燃料電池を提案している。
【特許文献１】特開２００５−２４３４９６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０３５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、燃料電池においては、発電の過程で水が生成されるが、生成された水（生成水）がうまく外部に排出されないと、振動体の振動を妨げたり、直接的に酸化剤の供給を妨げたりすることとなり、ひいては、効率的な発電が行えないこととなっていた。
一方、機器の非駆動時においては、生成水が機器側あるいは機器から漏れ出さないようにすることが望まれる。
そこで、本発明の目的は、燃料電池等の電気機材（電気機器）から迅速、かつ、確実に生成水を除去するとともに、生成水の漏洩を防止することが可能な生成水除去装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の第１態様は、電気機器により生成される生成水を除去する生成水除去装置において、前記電気機器の生成水の放出面に対し所定の間隙を介して対向配置されるとともに、前記生成水を霧化あるいは気化するための複数の孔を有し、当該孔を介して前記間隙外に前記生成水を除去する振動板を備え、この振動板の前記孔が該振動板の非駆動時に前記間隙内に生成水を貯め置き可能に微細な細孔で形成されていることを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、振動板は、駆動時には、電気機器により生成される生成水を孔を介して霧化あるいは気化し、間隙外に生成水を除去する。
この振動板の孔は、微細な細孔で形成されているため、振動板の非駆動時には、間隙内に生成水を貯め置くことが可能となる。
したがって、振動板の駆動時には、迅速、かつ、確実に生成水を除去できるとともに、振動板の非駆動時には、間隙内に生成水を貯め置くことにより、生成水の漏洩を防止できる。
【００１１】
本発明の第２態様は、燃料電池により発電時に生成される生成水を除去する生成水除去装置において、前記燃料電池の酸化剤極側の生成水の放出面に対し所定の間隙を介して対向配置されるとともに、前記生成水を霧化あるいは気化するための複数の孔を有し、当該孔を介して前記間隙外に前記生成水を移送する振動板を備え、この振動板の前記孔が該振動板の非駆動時に前記間隙内に生成水を貯め置き可能に微細な細孔で形成されていることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、振動板は、駆動時には、燃料電池により発電時に生成される生成水を孔を介して霧化あるいは気化し、間隙外に生成水を除去する。
この振動板の孔は、微細な細孔で形成されているため、振動板の非駆動時には、間隙内に生成水を貯め置くことが可能となる。
したがって、振動板の駆動時には、迅速、かつ、確実に生成水を除去できるとともに、振動板の非駆動時には、間隙内に生成水を貯め置くことにより、生成水の漏洩を防止できる。
【００１３】
本発明の第３態様は、第２態様において、全ての前記細孔は、前記燃料電池の酸化剤極側の吸気孔に対向する位置に設けられていることを特徴としている。
上記構成によれば、吸気孔に位置する生成水を迅速に除去することができるため、精製水により酸化剤極における酸化剤の供給が妨げられることがなく、ひいては、効率の良い発電を行うことができる。
【００１４】
本発明の第４態様は、第１態様ないし第３態様において、前記細孔の平均径ｒは、
１≦ｒ≦１００（μｍ）
とされていることを特徴としている。
上記構成によれば、霧化された生成水あるいは気化された生成水は、細孔を通過できるが、液体状の生成水は細孔を通過することができないので、振動板の振動中には、生成水は、間隙外に移送され、振動板の非駆動時には、間隙内に生成水を貯め置きできる。
【００１５】
本発明の第５態様は、第４態様において、前記振動板の各細孔は、前記生成水の放出面側の径が他方の面側の径より大きく形成されていることを特徴としている。
上記構成によれば、液体状の生成水を受け入れやすくし、かつ、振動板の非駆動時に液体状の生成水を間隙内に保持しやすくなる。
【００１６】
本発明の第６態様は、第１態様ないし第５態様のいずれかにおいて、前記振動板の前記燃料電池の放出面に対向する面に吸水部材を設けたことを特徴としている。
上記構成によれば、吸水部材により生成水は容易に保持されるとともに、振動板が振動している状態であれば、確実に生成水を霧化あるいは気化し、間隙外に除去できる。
【００１７】
本発明の第７態様は、第１態様ないし第５態様のいずれかにおいて、前記振動板の前記燃料電池の放出面に対向する面は親水性材料で形成されていることを特徴としている。
上記構成によれば、振動板の燃料電池の放出面に対向する面は、生成水を容易に捕獲して、確実に生成水を霧化あるいは気化し、間隙外に除去することができる。
【００１８】
本発明の第８態様は、第６態様または第７態様において、前記放出面は撥水性材料で形成されていることを特徴としている。
上記構成によれば、振動板を振動させることにより、生成水を霧化あるいは気化するに際し、放出面から容易に生成水を引き離して、除去することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池から迅速、かつ、確実に生成水を除去するとともに、生成水の漏洩を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態の生成水除去装置の原理説明図である。
生成水除去装置１０は、電気機材（電気機器）としての燃料電池１１によりその表面１１Ａに生成される生成水を除去するものであり、燃料電池１１の生成水の放出面に対し所定の間隙として形成された酸化剤供給経路１４を介して対向配置されるとともに、液体状の生成水ＷＬを霧化あるいは気化するための複数の孔１５を有し、当該孔１５を介して酸化剤供給経路１４外に生成水を除去する振動板１３を備え、この振動板１３の孔１５が振動板１３の非駆動時に所定の間隙として形成された酸化剤供給経路１４内に生成水ＷＬを貯め置き可能に微細な細孔で形成されている。
【００２１】
ここで、細孔１５が液体状の生成水ＷＬを酸化剤供給経路１４内に保持し、かつ、霧状あるいは気体状の生成水ＷＦ、ＷＧを通過させることが可能なのは、細孔１５の径が、液体状の生成水ＷＬよりも小さく、霧状の生成水ＷＦあるいは気体状の生成水ＷＧよりも大きいためである。
これにより、振動板１３を振動させることにより、放出された生成水は霧化あるいは気化されて、細孔１５を介して酸化剤供給経路外に直接的に除去され、霧化あるいは気化された生成水ＷＦ、ＷＧの流れが酸化剤である酸素の吸気孔１２への供給を妨げることがないので、発電効率を高く維持することができる。
【００２２】
さらに細孔１５を通過した後の霧化あるいは気化された生成水ＷＦ、ＷＧの大きさは、細孔１５の径以下の微細なものとなっているので、その熱容量は小さく、容易に蒸発されることとなる。
一方、液体状の生成水ＷＬは、細孔１５を通過できず、酸化剤供給経路１４内に保持されるので、燃料電池１１の発電に伴って吸気孔１２に出る液体状の水が外部に漏れることもなく、逆に外部から径の大きな異物が液体とともに、あるいは、単独で混入して、酸化剤極の表面に到達することもない。
【００２３】
図２は、実施形態の生成水除去装置を備えた携帯型の燃料電池ユニットの概要構成図である。
燃料電池ユニット２０は、大別すると、燃料電池２０Ａと、燃料電池２０Ａを構成し、複数の吸気孔２１を有する酸化剤極側ハウジング２２Ａに対し、所定の間隙として構成された酸化剤供給経路２３を介して対向するように配置され、通常使用状態において液体状の生成水を酸化剤供給経路２３内に保持するとともに、霧状の生成水ＷＦあるいは気体状の生成水ＷＧを通過させることが可能な微細な細孔２４が設けられた平板状の振動板２５と、振動板２５を振動させる圧電素子２６と、を備えている。
なお、図２においては、理解の容易のため、細孔２４は、実際の径よりも大きく表示している。
【００２４】
細孔２４は、放電加工やメッキ加工により形成しており、細孔２４の平均径ｒは、霧状の生成水ＷＦあるいは気体状の生成水ＷＧの粒子径（＜１μｍ）よりも大きく、液体状の生成水ＷＬの粒子（凝集体）の粒子径（＞１０００μｍ）よりも小さく設定され、
１≦ｒ≦１００（μｍ）
とされている。この結果、液体状の生成水ＷＬは、細孔２４を通過することができず、霧状の生成水ＷＦあるいは気体状の生成水ＷＧは、細孔２４を通過することができるのである。なお、実用的には、細孔２４の平均径ｒは、１０〜５０μｍとするのが、加工コストなどの観点からも好ましい。
【００２５】
図３は、細孔の断面形状の説明図である。
さらに細孔２４は、振動板２５の表面２５Ａ側と裏面２５Ｂ側とで同一である必要はなく、図３（ａ）に円錐台形状あるいは図３（ｂ）に２段円筒形状として例示するように、表面２５Ａ側の径ｒＡが裏面２５Ｂ側の径ｒＢより大きい径を有する形状となっているのが望ましい。これは、酸化剤極から放出された液体状の生成水ＷＬを受け入れやすくし、かつ、液体状の生成水ＷＬを酸化剤供給経路２３内に保持するためである。
【００２６】
図４は、燃料電池の概要構成説明図である。
燃料電池２０Ａは、電解質層３１の両側にそれぞれ設けられた酸化剤極３２と、燃料極３３とを配置して構成される膜・電極接合体３４と、を備えている。ここで、酸化剤極３２は、酸化剤極電極として機能し、燃料極３３はアノード電極として機能している。
酸化剤極３２には、酸化剤としての酸素を含む空気が供給される。
燃料極３３には、メタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が毛細管現象により供給される。
これらの結果、燃料電池２０Ａは、メタノール燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
酸化剤極３２は、酸化剤極触媒層３２Ａおよび酸化剤極基体３２Ｂを有する。酸化剤極触媒層３２Ａは、電解質層３１に接合されている。酸化剤極基体３２Ｂは、通気性を有する材料で構成されている。酸化剤極基体３２Ｂを通過した空気が酸化剤極触媒層３２Ａに供給される。
【００２７】
酸化剤極３２側の電解質層３１の周縁部に酸化剤極側ガスケット４１が設けられている。酸化剤極側ガスケット４１を介して酸化剤極側ハウジング２２Ａが設置されている。酸化剤極側ハウジング２２Ａには、上述したように酸化剤としての酸素を含む空気（酸化剤ガス）を取り込むともに、反応により生成される生成水を放出する吸気孔２１が設けられている。
そして、吸気孔２１から流入した酸化剤としての酸素は、酸化剤極３２、酸化剤極側ガスケット４１および酸化剤極側ハウジング２２Ａにより形成された空気室４４に流入し、酸化剤極基体３２Ｂに到達する。なお、酸化剤極側ハウジング２２Ａは撥水性であることが望ましい。酸化剤極側ハウジング２２Ａを構成する材料としては、ステンレス系金属、チタン系合金などの金属材料、または、アクリル樹脂、エポキシ、ガラスエポキシ樹脂、シリコン、セルロース、ナイロン（登録商標）、ポリアミドイミド、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、ポリグリコール酸、ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリブチレンテレフタラート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ四フッ化エチレン、硬質ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂が挙げられる。
【００２８】
次に、燃料極側ガスケット４５について説明する。
本実施形態の燃料極側ガスケット４５は、全体が気液分離フィルターで形成されている。気液分離フィルターは、燃料極３３で生成したガスを透過する一方で、メタノール燃料を遮断する気液分離機能を備える。気液分離機能を発現する材料として、織布、不織布、メッシュ、フェルト、またはオープンポアを有するスポンジ状の材料のような多孔質の材料が上げられる。
【００２９】
多孔質材料を構成する組成物として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＣＴＦＥ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、パーフロロ環状重合体などが挙げられる。
【００３０】
気液分離フィルターは、撥水性であることが好ましい。ここで、撥水性とは、液体燃料をはじく性質のことであり、より詳細には、Ｚｉｓｍａｎプロットにより算出される臨界表面張力が液体燃料の表面張力よりも低い性質のことをいう。
【００３１】
燃料極３３は、燃料極触媒層３３Ａおよび燃料極基体３３Ｂを有する。燃料極触媒層２３Ａは、電解質層３１に接合されている。燃料極基体３３Ｂは、多孔質材料で構成されている。毛細管現象により燃料極基体３３Ｂを通過したメタノール燃料が燃料極触媒層３３Ａに供給される。燃料極基体３３Ｂは、親水性を示す導電性材料が好ましい。ここでいう親水性とは、液体燃料となじむ性質のことであり、より詳細には、Ｚｉｓｍａｎプロットにより算出される臨界表面張力が液体燃料の表面張力よりも高い性質をいう。例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス、ならびにそれらに親水性被膜を施したもの、チタン系合金、ステンレス系合金のシートにエッチングで均一な微細孔を設置し、耐食導電性被膜（例えば、金、白金などの貴金属）を施したもの等が挙げられる。
【００３２】
燃料極３３側の電解質層３１の周縁部に燃料極側ガスケット４６が設けられている。燃料極側ガスケット４６を介して燃料極側ハウジング４７が設置され、燃料極３３、燃料極側ガスケット４６および燃料極側ハウジング４７により、メタノール燃料が貯蔵される燃料室４８が形成されている。この燃料室４８には、スペーサ４９が設けられている。
燃料室４８に貯蔵されたメタノール燃料は、燃料極３３に直に供給される。なお、燃料極側ガスケット４６の詳細については後述する。
燃料極側ハウジング４７は、耐メタノール性、耐酸性、機械的剛性などの特性を具備することが望ましい。さらに、燃料極側ハウジング４７は、親水性であることが望ましい。なお、燃料極側ハウジング３７には、燃料電池２０Ａの外部に設けられた燃料タンク（図示せず）などからメタノール燃料を吸い上げる燃料吸引部（図示せず）を有し、燃料室３８内にメタノール燃料が適宜補充される。
【００３３】
燃料極側ハウジング４７を構成する材料としては、酸化剤極側ハウジング２２Ａについて例示した材料を用いることができる。
また、スペーサ４９により燃料極３３と、燃料極側ハウジング４７との距離が保持されている。また、スペーサ４９により燃料極３３が電解質層３１に押さえつけられるため、燃料極３３と電解質層３１との接触性が向上する。
【００３４】
なお、燃料室４８内に設けられるスペーサ４９は、耐メタノール性、耐酸性、機械的剛性などの特性を有することが望ましい。さらに、スペーサ４９が燃料極３３を分断するような形状の場合には、生成ガスがスペーサ４９を透過可能であることが望ましいため、多孔質材料を用いることができる。たとえば、スペーサ４９として、上述した気液分離フィルターと同様な多孔質材料の他に、ポリエチレン、ナイロン（登録商標）、ポリエステル、レーヨン、綿、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラールなどで形成された織布、不織布、メッシュ、フェルト、またはオープンポアを有するスポンジ状の材料のような多孔質の材料、または、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化タンタル、炭化ケイ素、セピオライト、アタパルジャイト、ゼオライト、酸化ケイ素、酸化チタンなどの無機固体が挙げられる。
【００３５】
振動板２５としては、軽量でヤング率の高い材質、例えば、アルミニウムが好ましい。
しかしながら、金属であればジュラルミン、ステンレス、チタンでもよく、セラミックスであれば、アルミナ、チタン酸バリウム、フェライト、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化ケイ素でもよく、プラスチックであればフッ素樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリイミド、ポリアセタール、エチレンビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）でもよい。
また、振動板２５の厚さは、１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
また、圧電素子２６としては、圧電定数が大きい材質、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。しかしながら、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ３）、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ックスや、水晶（ＳｉＯ２）であってもよい。
【００３６】
ここで、酸化剤極３２に供給されるガス（空気あるいは酸素）は、振動板２５の振動によって酸化剤供給経路２３内に生じた音響流によって移送される。また酸化剤極３２によって生成された水（生成水）は、振動板２５により振動エネルギーが与えられて霧化あるいは気化されて酸化剤供給経路２３外へ排出される。
この場合において、振動板２５と酸化剤極側ハウジング２２Ａとの間の距離は、酸化剤極側ハウジング２２Ａ上の生成水に触れる範囲として、０．１〜２．０ｍｍであることが好ましい。
【００３７】
ここで、圧電素子２６による振動の周波数は、超音波域、可聴周波数域、低周波数域のすべてを含む。可聴周波数域及び低周波数域は、超音波域と比較してエネルギー損失が少ないというメリットがある。又、超音波域及び低周波数域は、可聴周波数域と比較して、利用者にノイズとして認識され難いというメリットがある。
【００３８】
また、振動板２５の表面２５Ａは、親水性とするのが好ましく、酸化剤極側ハウジング２２Ａの振動板２５側の表面２２Ａ及び振動板２５の裏面２５Ｂは、撥水性とされるのが好ましい。
振動板２５の表面２５Ａは、例えば、酸化チタン被膜などの親水性を有する皮膜を形成する表面処理を行うことができる。親水性の被膜としては、酸化チタンに限らず、窒化珪素や酸化鉄でもよい。
【００３９】
また、酸化剤極側ハウジング２２Ａの表面２２Ａおよび振動板２５の裏面２５Ｂは、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）被膜などの撥水性を有する皮膜を形成する表面処理を行うことができる。撥水性の被膜としては、ＰＴＦＥに限らず、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）でもよい。
【００４０】
このように、撥水性の表面を有する酸化剤極２２から生成された生成水は、親水性の振動板２５の表面２５Ａへと付着する。酸化剤極２２から振動板２５へ移動する生成水は、表面張力のため、外部に漏れにくい。そして、振動板２５を、超音波により振動させることにより、振動板２５に付着した水は霧化あるいは気化して、霧（水滴）あるいは気体状の水となり細孔２４を通過して、振動板２５の裏面２５Ｂに至り、撥水性の裏面２５Ｂに沿って流れる空気により、裏面２５Ｂに再び付着することなく除去される。
【００４１】
図５は、圧電素子の周波数変動を説明するための図（その１）である。
図６は、圧電素子の周波数変動を説明するための図（その２）である。
燃料電池２０Ａは、振動板２５の振動を制御し、振動板２５の共振周波数を与える制御回路を備えるようにしてもよい。
この場合において、振動板２５に生成水が付着した場合、その共振周波数が変化するので、図５に示すように、制御回路は、生成水付着後の共振周波数へ追従するように制御する。例えば、制御回路として圧電素子２６を用いる場合、入力電流が最大になる周波数が共振周波数となるため、図６に示すように、入力電流が最大となる極大値を求め、共振周波数とする。
以上の説明では、振動板２５を振動させる手段として圧電素子２６を用いていたが、圧電素子２６に代えて磁歪素子を用いてもよい。また、圧電素子２６や磁歪素子は、コーティングにより防水されていることが望ましい。
【００４２】
次に、本実施形態に係る燃料電池の制御方法について説明する。
図７は、本第１実施形態に係る燃料電池ユニットの機能ブロック図である。
を示す。ここでは、燃料電池２０Ａを制御する補機５０として、マイコン・昇圧回路５１、圧電素子２６を記載しているが、これらの補機５０を燃料電池２０Ａ内に組み込む構成としてもよい。
【００４３】
マイコン・昇圧回路５１は、電圧、その周波数の調整により、振動板２５の振動モード、振動速度を制御する制御信号を圧電素子２６に供給する。この場合において、マイコン・昇圧回路５１が圧電素子２６へ印可する電圧波形は、超音波域の正弦波、矩形波、三角波、ノコギリ波などである。
圧電素子２６は、燃料電池２０Ａ内に配置された振動板２５を振動させ、酸素供給や生成水の除去を行う。このため、燃料電池２０Ａの発電効率を向上させることができる。
この場合において、又、マイコン・昇圧回路５１は、図７に示すように、燃料電池２０Ａから電力を供給されてもよく、図示していない外部の電源から電力を供給されてもよい。
【００４４】
また、燃料電池２０Ａからマイコン・昇圧回路５１に対して、発電量情報を通知してもよい。ここで、マイコン・昇圧回路５１は、発電量が所望量よりも多い場合は、圧電素子２６に印加する電圧を下げ、酸化剤として酸素の供給量を小さくすることによって発電量を減少させる。一方、発電量が所望量よりも少ない場合は、圧電素子２６に印加する電圧を上げ、酸化剤としての酸素の供給量を大きくすることによって発電量を増加させる。
【００４５】
また、マイコン・昇圧回路５１は、酸化剤極側ハウジング２２Ａと振動板２５との距離を圧電素子の振動振幅を変えることで調整し、生成水の除去量、空気供給量を変え、発電効率を調整してもよいし、振動板２５の共振周波数が複数存在する場合、周波数調整により振動モードを変化させ、酸化剤供給量、生成水蒸発量を調整してもよい。消費電力を少なくするために、必要時にのみ間欠的駆動させてもよい。
【００４６】
図８は、燃料電池の制御処理フローチャートである。
図９は、圧電素子の周波数変動を説明するための図（その３）である。
次に、圧電素子２６の振動板２５の制御方法について、図８及び図９を参照して説明する。以下に示す処理は、圧電素子２６を制御する、マイコン・昇圧回路５１によって実行される。
【００４７】
まず、マイコン・昇圧回路５１は、圧電素子２６の周波数の初期値を設定する（ステップＳ１０１）。例えば、圧電素子２６の初期時の周波数（ｆ）として、６０ｋＨｚを設定する。
そして、マイコン・昇圧回路５１は、初期時の周波数（ｆ）に設定した状態の電流値を測定し、電流値（Ｉi）及び電流値（Ｉold）に代入する。なお、電流値（Ｉi）とは、毎回更新される電流値を示し、電流値（Ｉold）とは、前回測定された電流値を示す。なお、最初の測定時には、電流値（Ｉi）及び電流値（Ｉold）に当該測定により得られた同じ値が保存される。
【００４８】
以下の説明においては、前回検知した周波数よりも周波数を上げる場合をＵＰモードと呼び、前回検知した周波数よりも周波数を下げるモードをＤＯＷＮモードと呼ぶものとする。
次にマイコン・昇圧回路５１は、ＵＰモードへ処理を移行する（ステップＳ１０３）。
次に、マイコン・昇圧回路５１は、電流値（Ｉi）が前回の電流値（Ｉold）以上であるか否かを判別する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４の判別において、前回の電流値（Ｉold）以上である場合は（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、現在の周波数（ｆ）が最大周波数（ｆmax）よりも小さいか否かを判別する（ステップＳ１０５）。ここで、最大周波数（fmax）は、図８に示すように、予め設定されている値とする。
【００４９】
ステップＳ１０５の判別において、現在の周波数（ｆ）が最大周波数より小さい場合は（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、周波数をインクリメントし（ステップＳ１０７）、今回の電流値（Ｉi）を前回の電流値（Ｉold）に代入するとともに、インクリメント後の電流値を電流値（Ｉi）に代入し（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０４の処理に戻る。
ステップＳ１０５の判別において、現在の周波数（ｆ）が最大周波数より小さくない場合には、マイコン・昇圧回路５１は、図７（ｂ）に示すＤＯＷＮモード処理（ステップＳ２０１）に処理を移行する。
続いてマイコン・昇圧回路５１は、電流値（Ｉi）が前回の電流値（Ｉold）よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ２０２）。
【００５０】
ステップＳ２０２の判別において、電流値（Ｉi）が前回の電流値（Ｉold）大きい場合には（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、マイコン・昇圧回路５１は、現在の周波数（ｆ）が最小周波数（ｆmin）よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ２０３）。ここで、最小周波数（fmin）は、図９に示すように、予め設定されている値とする。
ステップＳ２０３の判別において、現在の周波数（ｆ）が最小周波数（ｆmin）よりも大きい場合は（ステップＳ２０３；Ｙｅｓ）、マイコン・昇圧回路５１は、周波数をデクリメントする（ステップＳ２０５）。
続いて、マイコン・昇圧回路５１は、今回の電流値（Ｉi）を前回の電流値（Ｉold）に代入するとともに、デクリメント後の電流値を電流値（Ｉi）に代入し（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０２の処理に戻ることとなる。
一方、現在の周波数（ｆ）が最小周波数（ｆmin）よりも大きくない場合は（ステップＳ２０３；Ｎｏ）、マイコン・昇圧回路５１は、ＵＰモードへ処理を移行する（ステップＳ２０４）、すなわち、図７（ａ）に示した、ステップＳ１０３へ処理を移行し、以下、同様の処理を行う。
以上の説明のように、マイコン・昇圧回路５１は、１つ前に検出した周波数及び電流値をもとに、ＵＰモードあるいはＤＯＷＮモードへ移行し、これらの処理を繰り返すことにより圧電素子２６の周波数を最適な値へと設定することとなる。
【００５１】
これらの結果、本実施形態に係る燃料電池ユニット２０によると、振動板２５を発電状態、ひいては、生成水の生成状態に合わせて駆動することができ、酸化剤供給経路２３内の液体状の生成水ＷＬに効率的に振動エネルギーを与えて、霧化した生成水ＷＦあるいは気化した生成水ＷＧとし、細孔２４を通過させて霧化した生成水ＷＦあるいは気化した生成水ＷＧを酸化剤供給経路２３外へ除去することができるので、霧化した生成水ＷＦあるいは気化した生成水ＷＧの除去時にこれらが酸化剤供給経路２３内を流れることがないので、酸化剤ガスとしての空気の流れを妨害することがない。
さらに、酸化剤供給経路２３内の空気による拡散と、振動板２５の振動に起因する音響流により酸化剤ガスを効率よく酸化剤供給経路２３内で流すことが可能となる。
したがって、燃料電池２０Ａの発電に伴って吸気孔２１に出る生成水、ひいては、酸化剤供給経路２３内に存在する液体状の生成水を迅速に除去して、酸化剤としての酸素の供給を効率よく行うことができ、燃料電池２０Ａの発電効率を向上させることができる。
【００５２】
また、振動板２５の表面２５Ａは、親水性であり、酸化剤極２２の表面２２Ａは、撥水性である。このため、生成水が、燃料電池２０Ａの表面（酸化剤極側ハウジング２２Ａ）から振動板２５へ移動しやすくなり、生成水と振動板２５の接する面積が大きくなる。この結果、エネルギーを伝えやすくなり、より効率的に生成水を除去することができる。
【００５３】
また、振動板２５の励振により、電解質層３１の内部を共振させた場合には、酸化剤極側ハウジング２２Ａ表面に付着する水、あるいは、燃料極３３の表面膜の表面に付着する二酸化炭素を流路へ拡散させることができ、より発電効率を向上させることができる。
【００５４】
図１０は、実施形態の変形例の説明図である。
以上の説明においては、振動板２５の酸化剤極３２側の表面２５Ａを親水性とするものであったが、図１０に示すように、振動板２５の酸化剤極２２側の表面２５Ａに水吸収部材５５を設けるように構成することも可能である。
この結果、振動板２５の振動により、直ちに、霧化あるいは気化されない液体状の生成水ＷＬは、水吸収部材５５により吸収され、酸化剤供給経路２３内において、酸化剤ガスの供給に与える影響をより一層抑制することができ、効率の良い発電を行える。
また、振動板２５の振動エネルギーを水吸収部材５５に吸収されている生成水に効率よく与えることができ、生成水の霧化あるいは気化を促進して、迅速に生成水を除去することができる。
【００５５】
以上の説明は、燃料電池２０Ａ単体に本実施形態の生成水除去装置を設けて燃料電池ユニット２０を構成したものであったが、以下においては、本実施形態の生成水除去装置を備えた燃料電池を各種電子機器に適用した場合について説明する。
図１１は、本発明に係る生成水除去装置を備えた燃料電池を搭載した折り畳み式の携帯電話端末の説明図である。
携帯電話端末７０は、表示側筐体７１と操作側筐体７２とをヒンジ機構７３によって互いに開閉可能に連結したものであって、表示側筐体７１の内面にはメインディスプレイ７１ｂ、外面には図示しないサブディスプレイが配備されている。また、表示側筐体７１と操作側筐体７２の開閉を検知するために、表示側筐体７１の内面には突起７１ａが設けられ、一方、操作側筐体７２の内面には、突起７１ａによってオン／オフされるべき開閉検知スイッチ７２ａが設けられている。
【００５６】
図１２は、携帯電話端末に燃料電池を取り付けた場合の説明図である。
携帯電話端末７０においては、表示側筐体７１若しくは操作側筐体７２の内部に本発明に係る生成水除去装置を備えた燃料電池が内蔵され、或いは、図１２に示すように、表示側筐体７１の背面に、本発明に係る生成水除去装置を備えた燃料電池ユニット２０が取り付けられる。
燃料電池ユニット２０は、カバー７６の内部に配置され、このカバー７６には、空気を吸入すべき吸入口７６ａと、空気を排出すべき排出口７６ｂとが形成されている。の吸入口７６ａ及び排出口７６ｂには、燃料電池ユニット２０Ａで発生した液体状の水がカバー７６外に漏れないように、図示しない気液分離フィルターが設けられている。
【００５７】
は、カバー内に収納された燃料電池ユニットの説明図である。
図１３に示すように、吸入口７６ａ及び排出口７６ｂはそれぞれ、カバー７６の振動板２５との対向領域の外側に配置されている。したがって、吸入口７６ａから吸入された酸化剤としての酸素を含む空気は、矢印Ａに示すように、振動板２５によって遮られることなく酸化剤供給経路２３に流れ込み、その後、振動板２５によって遮られることなく、排出口７６ｂから排出される。この結果、効率のよい酸化剤ガスである空気の移動が実現される。
【００５８】
これと並行して、燃料電池２０Ａの表面に生成された液体状の生成水ＷＬは、振動板２５の振動により、霧化あるいは気化された生成水ＷＦ、ＷＧとなり、細孔２４を通過して、酸化剤供給経路２３外に直接的に除去され、さらに霧化あるいは気化された生成水ＷＦ、ＷＧは、矢印Ｂに示すように、再び酸化剤供給経路２３に戻ることなく、排出口７６Ｂを介して外部へと放出されることとなる。生成水ＷＦ、ＷＧの大きさは、上述したように、細孔２４の径以下の微細なものとなっているので、容易に蒸発されることとなる。
この場合において、図１３に示すように、振動板２５の周縁部には気液分離フィルター５７が配置されており、振動板２５の非駆動時には、液体状の生成水ＷＬは、振動板２５、燃料電池２０Ａおよび気液分離フィルター５７で形成される空間（酸化剤供給経路）内に留め置かれ、携帯電話端末７０外に漏れ出ることはない。さらに、振動板２５の裏面２５Ｂに対向する位置に、水吸収部材５６を配置することにより、万が一、生成水ＷＦ、ＷＧが再び液化した場合でも、直ちに吸収されて液体として漏れ出ることがない。
【００５９】
図１４は他の携帯電話端末に燃料電池を取り付けた場合の説明図である。
図１５は、さらに他の携帯電話端末に燃料電池を取り付けた場合の説明図である。
また、図１４および図１５に示すように、表示側筐体７１の背面に燃料電池ユニット２０が取り付けられている携帯電話端末において、カバー７６の側面や上下の端面に吸入口７６ａ及び排出口７６ｂを開設することも可能である。
【００６０】
上述した実施形態並びに応用例は、すべての点において例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態並びに構成例の説明ではなく特許請求の範囲によって規定され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内におけるすべての変更が含まれる。
【００６１】
図１６は、吸気孔と細孔の配置説明図である。
以上の説明においては、吸気孔２１と、細孔２４の配置関係については、詳細に述べなかったが、酸化剤供給経路２３内の液体状の生成水ＷＬを迅速に除去する観点からは、吸気孔２１に対向する位置には細孔２４を必ず設けるのが好ましい。
この場合において、吸気孔２１及び細孔２４を断面円計上とした場合には、同軸となるように吸気孔２１及び細孔２４を配置するのがより好ましい。
さらには、図１６に示すように、二つの吸気孔２１の間にも細孔２４を一つまたは複数配置するようにしても良い。
また、上述した燃料電池においては、生成水が酸化剤供給経路２３内に溜まると、酸化剤供給経路２３内を流れる空気の流動抵抗となって、十分な空気供給量（酸化剤供給量）を確保することが出来ず、燃料電池の発電効率が低下することになる。
そこで、酸化剤供給経路２３内に水が溜まったことを検出した時点で、運転状態を通常運転から水除去運転に切り換えるように構成することも可能である。
【００６２】
この場合において、酸化剤供給経路２３に水が溜まった時点は、酸化剤供給経路２３内に配置した図示しない音圧センサー及びこの音圧センサーの出力が入力される音圧検知回路によって検出した酸化剤供給経路２３内の音圧の大きさに基づいて判別することができる。
図１７は、音圧分布の説明図である。
図１７(ａ)は、振動板２５に水滴が付着していない状態における酸化剤供給経路２３に沿う所定方向の音圧分布を示し、図１６(ｂ)は、振動板２５に水滴が付着している状態における所定方向と同一方向の音圧分布を示している。
【００６３】
図１７に示すように、振動板２５に水滴が付着することによって酸化剤供給経路２３内の音圧は大幅に低下している。そこで、検知した音圧が所定の閾値よりも低下した時点をもって、酸化剤供給経路２３内に生成水が溜まったものと判断することができるので、生成水除去に最適な周波数および電圧で振動板２５を駆動するように構成することが可能である。
この結果、生成水が酸化剤供給経路２３内に溜まるまでは、酸化剤としての酸素の酸化剤極２２への供給効率が高い周波数および電圧で振動板２５を駆動することにより、発電効率を高めることができるとともに、発電効率が低下する生成水が溜まった時点では、生成水除去効率を高めることで、発電効率の高い期間を長くすることができ、実効的な発電効率を高くすることができる。
【００６４】
以上の説明は、生成水が溜まったことを直接的に検出するものであるが、生成水が溜まるまでの時間はおよそ想定できるので、例えば、酸化剤としての酸素の酸化剤極２２への供給効率が高い周波数および電圧で振動板２５を駆動する通常運転（発電運転）の期間を第１の所定時間（例えば、１０分）とし、その後、生成水除去効率が高い周波数および電圧で振動板２５を駆動する生成水除去運転の期間を第２の所定時間（例えば、１０ｍ秒）とし、通常運転と生成水除去運転とを交互に切り換えることで発電効率を維持するように構成することも可能である。
【００６５】
なお、酸化剤供給経路２３内に３個以上の音圧センサーを配設して、酸化剤供給経路２３内の音圧分布を監視すし、酸化剤供給経路２３内に水が溜まった時点を検知することも可能である。
また、酸化剤供給経路２３内に生成水が溜まってくると、酸化剤供給経路２３内の共振周波数が変化するため、振動板２５を振動させるための圧電素子２６に流れる電流が低下するので、この低下を検知することによって、音圧センサーを用いることなく、通常運転制御から生成水除去運転制御に移行させることも可能である。
【００６６】
この場合において、通常運転制御から生成水除去運転制御に変更するのに伴って、振動板２５の振動周波数も変化し、振動の節の数と腹の数が変化して、この過程で節の位置と腹の位置が移動することになるが、生成水除去運転制御においても、振動板２５に付着している水滴は、節の位置から腹の位置へ移動する傾向があるため、周波数変更後の振動における腹の位置に水が集中することになる。
【００６７】
そこで、生成水除去運転制御中においても、周波数を変更することにより、振動板２５の様々な位置を節から腹、腹から節とすることにより、効率的に生成水を霧化あるいは気化して除去することが可能となる。
同様に、通常運転から生成水除去運転への切り換えは、振動板２５の振動周波数を縦振動モードの共振周波数から横振動モードの共振周波数に切り換えることによって行うことも可能である。
【００６８】
以上の説明においては、本発明に係る生成水除去装置を備えた燃料電池は、携帯電話端末に使用した場合について説明したが、これに限らず、携帯電話機等を充電するための充電器、ビデオカメラ等のＡＶ機器、携帯用ゲーム機、ナビゲーション装置、ハンディクリーナ、業務用発電器、ロボット等、あらゆる電子機器の電源として用いることが出来る。
また、この様な生成水除去装置を用いることで燃料電池を平面モジュールとすることが出来る。
【００６９】
さらに本発明に係る生成水除去装置は、燃料電池に用いる構成に限らず、上述の如きあらゆる電子機器の電源以外の用途にも応用することが可能であって、例えば電子機器を構成する電子回路部の表面に沿って本発明に係る生成水除去装置を適用し、移送しているガス（空気）、水により電子回路部を冷却する構成とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施形態の生成水除去装置の原理説明図である。
【図２】実施形態の生成水除去装置を備えた携帯型の燃料電池ユニットの概要構成図である。
【図３】細孔の断面形状の説明図である。
【図４】燃料電池の概要構成説明図である。
【図５】圧電素子の周波数変動を説明するための図（その１）である。
【図６】圧電素子の周波数変動を説明するための図（その２）である。
【図７】実施形態に係る燃料電池ユニットの機能ブロック図である。
【図８】燃料電池の制御処理フローチャートである。
【図９】圧電素子の周波数変動を説明するための図（その３）である。
【図１０】実施形態の変形例の説明図である。
【図１１】発明に係る生成水除去装置を備えた燃料電池を搭載した折り畳み式の携帯電話端末の説明図である。
【図１２】携帯電話端末に燃料電池を取り付けた場合の説明図である。
【図１３】カバー内に収納された燃料電池ユニットの説明図である。
【図１４】他の携帯電話端末に燃料電池を取り付けた場合の説明図である。
【図１５】さらに他の携帯電話端末に燃料電池を取り付けた場合の説明図である。
【図１６】吸気孔と細孔の配置説明図である。
【図１７】音圧分布の説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  生成水除去装置
１１  燃料電池（電気機材、電気機器）
１１Ａ  表面
１２  吸気孔
１３、２５  振動板
１４  酸化剤供給経路（間隙）
１５、２４  孔（細孔）
２０  燃料電池ユニット
２０Ａ  燃料電池
２１  吸気孔
２２  酸化剤極
２６  圧電素子
３２  酸化剤極
３３  燃料極
３４  膜・電極接合体
３７  燃料極側ハウジング
３８  燃料室
５０  補機
５１  マイコン・昇圧回路
５５、５６  水吸収部材
５７  気液分離フィルター
７０  携帯電話端末
ＷＦ、ＷＧ、ＷＬ  生成水
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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