(57)【要約】【課題】ガス供給装置を具えた燃料電池において、流路内に発生した水等の異物を効果的に排除する。【解決手段】本発明に係る燃料電池は、ＭＥＡ１を構成する一対の電極の内、一方の電極に燃料流体を供給すると共に、他方の電極に酸化用流体を供給して発電を行なうものであって、燃料流体及び酸化用流体の少なくとも一方はガスであり、該ガスをＭＥＡ１の表面に形成された流路10に沿って移送するガス供給装置と、該ガス供給装置を駆動する駆動回路とを具え、該ガス供給装置は、流路10を挟んで両側に、振動板４と反射壁とを具え、前記駆動回路は、振動板４を振動させて流路10内に生じる音圧勾配により流路10の入口から出口へ向かうガスの流れを発生させる通常運転制御と、振動板４の振動モードを変化させることにより流路10内の異物を排除する異物排除運転制御とを実行する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を配備して膜・電極接合体が構成され、前記一対の電極の内、一方の電極に燃料流体を供給すると共に、他方の電極に酸化用流体を供給して発電を行なう燃料電池において、燃料流体及び酸化用流体の少なくとも一方はガスであって、該ガスを前記膜・電極接合体の表面に形成された流路に沿って移送するガス供給装置と、該ガス供給装置を駆動する駆動回路とを具え、該ガス供給装置は、前記流路を挟んで両側に、振動板と反射壁とを具え、前記駆動回路は、前記振動板を振動させて前記流路内に生じる音圧勾配により流路の入口から出口へ向かうガスの流れを発生させる通常運転制御と、前記振動板の振動モードを変化させることにより振動板表面若しくは流路内の異物を排除する異物排除運転制御とを実行する制御回路を具えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記駆動回路は、振動板の振動周波数及び振幅の少なくとも何れか一方を変化させることによって通常運転制御を異物排除運転制御に切り換える際に請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記流路内の音圧を検知する音圧センサーを具え、該音圧センサーによって音圧の低下が検知されたとき、前記制御回路は、通常運転制御から異物排除運転制御に移行する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記制御回路は、通常運転中の流路内の共振周波数の変化を検知したとき、通常運転制御から異物排除運転制御に移行する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記振動板、膜・電極接合体、及び膜・電極接合体を保持する部材の内、少なくとも何れかの前記流路側の表面には、異物を排除する異物排除機構が設けられている請求項１乃至請求項４の何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記異物排除機構は、異物としての液体を排除する排液機構であって、異物排除運転制御の下で振動板に生ずる振動の腹の位置若しくはその近傍位置に設けられている請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記制御回路は、異物排除運転制御にて、振動板を前記流路に直交する面内で振動させる請求項１乃至請求項６の何れかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記異物排除機構は、異物としての塵埃を排除する塵埃排除機構であって、異物排除運転制御の下で振動板に生ずる振動の節の位置若しくはその近傍位置に設けられている請求項５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜・電極接合体を具えた燃料電池に関し、特に、膜・電極接合体から生じる副生成物としての液体や塵埃等の異物を排除することが可能な燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
図１４は、燃料電池を構成する単位セルの具体的構造を表わしており、電解質膜(11)の両側に空気極(12)及び燃料極(13)を配置して膜・電極接合体(以下、ＭＥＡという)(１)が構成されている。ＭＥＡ(１)を構成する空気極(12)の表面を覆って、複数本の空気供給溝(19)が凹設された空気極側導電性プレート(14)が配置され、更に該導電性プレート(14)の外側にガスセパレータ(16)が配置されている。又、ＭＥＡ(１)を構成する燃料極(13)の表面を覆って、複数本の燃料ガス供給溝(18)が凹設された燃料極側導電性プレート(17)が配置されている。
【０００３】
上記燃料電池においては、空気極側導電性プレート(14)の空気供給溝(19)に酸化用ガスとして空気が送り込まれると共に、燃料極側導電性プレート(17)の燃料ガス供給溝(18)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。
【０００４】
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用ガスを空気極(12)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(13)に供給することにより、発電が行なわれる。
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、空気極(12)や燃料極(13)に酸化用ガスや燃料ガスを供給するガス供給装置の小型化が必要となる。
【０００５】
従来、小型のガス供給装置としては、複数の圧電セラミックスにより定在波を発生させて空気を移送する送風装置(特許文献１参照)や、団扇と同様の送風原理によって空気を移送する圧電バイモルフファン(特許文献２)等が提案されているが、従来の何れのガス供給装置においても、小型電子機器に燃料電池と共に搭載し得る程度にまで小型化することが困難であり、実用化に至っていない。
【０００６】
そこで本発明者らは、小型の燃料電池において音響流を利用してガスを移送する技術に着目した。音響流は、音場によって作り出される定常的な流体の流れであって、図１５に示す如く、振動板(９)と反射板(91)とを対向配備して、振動板(９)に振動を加えて超音波域の定在波を発生させた場合、振動板(９)と反射板(91)の間に気柱共振が発生し、これに伴って、振動板(９)と反射板(91)との間に渦状の音響流が生じる。尚、音響流の発生原理については、幾つかの論文(例えば非特許文献１、２参照)で報告されている。
【０００７】
本発明者らは、この音響流を積極的に制御して、所定の流路に沿って入口から出口へ向かう一様な流れを発生させることに成功し、小型の燃料電池に好適なガス供給装置の完成に至った。
【特許文献１】特開２０００−１２０６００号公報
【特許文献２】特開２０００−１８６６９９号公報
【非特許文献１】「音響流と放射圧」電子情報通信学会TECHNICAL  REPORT  OF  IEICE,US96-93,EA96-97(1997-01)
【非特許文献２】「音響流の発生機構について」電子情報通信学会論文誌A  Vol.J80-A  No.10  pp.1614-1620  1997年10月)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、音響流を利用したガス供給装置を具えた燃料電池においては、ガス供給装置の小型化に伴って振動板と反射板の間隔が極めて狭くなるため、燃料ガスや酸化用ガスが流れる流路内で発生した液体(水)や、塵埃等の異物が、ガスの流れに悪影響を及ぼし、発電効率の低下を来たす問題が残されていた。
そこで本発明の目的は、流路内に発生した液体等の異物を効果的に排除することが可能なガス供給装置を具えた燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池においては、電解質膜の両側に一対の電極を配備してＭＥＡが構成され、前記一対の電極の内、一方の電極に燃料流体を供給すると共に、他方の電極に酸化用流体を供給して発電を行なうものであり、燃料流体及び酸化用流体の少なくとも一方はガスであって、該ガスを前記ＭＥＡの表面に形成された流路に沿って移送するガス供給装置と、該ガス供給装置を駆動する駆動回路とを具えている。
該ガス供給装置は、前記流路を挟んで両側に、振動板と反射壁とを具え、前記駆動回路は、前記振動板を振動させて前記流路内に生じる音圧勾配により流路の入口から出口へ向かうガスの流れを発生させる通常運転制御と、前記振動板の振動モードを変化させることにより流路内の異物を排除する異物排除運転制御とを実行する制御回路を具えている。
【００１０】
上記本発明の燃料電池においては、通常運転制御を実行することによって振動板が振動し、これによって発生した音波が振動板と反射壁との間の流路内で多重反射することにより、流路内の音圧が大きくなる。この結果、流路内には音響流が生じて、流路内のガスを移動させる力が発生し、流路に沿ってガスが移送される。そして、ガスが流路内を移動する過程で、ＭＥＡの電極に燃料ガス或いは酸化用ガスが供給されることになる。尚、本発明において、“音響流”とは、音場の音圧勾配により生じる定常的な流体の流れを意味する概念である。
【００１１】
上記の通常運転制御による運転中に流路内に、例えば副生成物としての液体や、塵埃等の異物が溜まったときは、異物排除運転制御に切り換えて、例えば振動板の振動周波数及び振幅の少なくとも何れか一方を変化させる。これによって振動板の振動モードが変化し、振動板に生じる振動の腹の位置と節の位置が移動する。これに伴って、振動板に付着した異物が一方向の力を受けて移動し、この結果、流路内で捕捉され、或いは流路外へ排出されることになる。
【００１２】
具体的構成において、前記駆動回路は、前記流路内の音圧を検知する音圧センサーを具え、該音圧センサーによって音圧の低下が検知されたとき、前記制御回路は、通常運転制御から異物排除運転制御に移行する。
該具体的構成においては、通常運転制御による運転中に流路内に異物が発生し、振動板に付着したとき、流路内の音圧が低下し、この音圧の低下が音圧センサーによって検知されるので、この時点で通常運転制御から異物排除運転制御に移行する。
尚、異物排除運転制御から通常運転制御への復帰は、流路内の音圧が元の値まで上昇した時点、或いは異物排除運転制御の開始から一定時間が経過した時点で行なうことが出来る。
【００１３】
或いは他の具体的構成において、通常運転制御による運転中に流路内に異物が発生して流路内に溜まってくると、流路内の共振周波数が変化するため、振動板を振動させるための印加電流(例えば圧電素子に流れる電流)が低下するので、この低下を検知することによって、センサーを用いることなく、通常運転制御から異物排除運転制御に移行する。その後、印加電流の復旧を検知することによって、センサーを用いることなく、異物排除運転制御を通常運転制御に切り換える。
【００１４】
又、他の具体的構成において、前記振動板、ＭＥＡ、及びＭＥＡを保持する部材の内、少なくとも何れかの前記流路側の表面には、異物を排除する異物排除機構が設けられている。例えば、前記振動板の流路との対向面には、異物排除運転制御の下で振動板に生ずる振動の腹の位置若しくはその近傍位置に、排液機構が設けられている。
流路内で発生した水が振動板に付着した場合、該水は振動板の振動に伴って振動の節の位置から腹の位置に集まる傾向にあるので、これらの水は排液機構によって効率的に排出される。
【００１５】
例えば前記排液機構は、前記振動板の流路との対向面に凹設されて前記流路と交差する方向に伸びる１或いは複数本の溝によって構成され、該溝には液体吸収材を配備することが出来る。
該具体的構成によれば、振動板に付着した液体が排液機構に流入して蓄積され、これによって流路外へ排出される。
【００１６】
更に他の具体的な構成において、前記制御回路は、異物排除運転制御にて、振動板を前記流路に直交する面内で振動させる。
これによって、振動板に付着した水は、流路に直交する方向に流れて、流路外へ排出される。
【００１７】
或いは、異物排除機構の他の具体的構成として、前記振動板の流路との対向面には、異物排除運転制御の下で振動板に生ずる振動の節の位置若しくはその近傍位置に、塵埃排除機構が設けられている。
流路に流入した塵埃が振動板に付着した場合、該塵埃は振動板の振動に伴って振動の腹の位置から節の位置に集まる傾向にあるので、これらの塵埃は塵埃排除機構によって効率的に排除することが出来る。
【００１８】
例えば前記塵埃排除機構は、前記振動板、ＭＥＡ、及びＭＥＡを保持する部材の内、少なくとも何れかの前記流路側の表面に配備された吸着剤によって構成されている。
該具体的構成によれば、振動板に付着した塵埃が吸着剤によって捕捉され、該吸着剤の交換によって流路外へ排出される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る燃料電池によれば、ガス供給装置の異物排除運転制御を行なうことによって、流路内に発生した液体や塵埃等の異物を効果的に排除することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る燃料電池は、図１及び図２に示す如く、ＭＥＡ(１)と、該ＭＥＡ(１)の空気極に空気を供給するための空気供給装置(40)と具えている。尚、ＭＥＡ(１)の燃料極に燃料流体を供給する燃料供給装置は図示省略している。
【００２１】
空気供給装置(40)は、ＭＥＡ(１)の表面を覆って設置されたアルミニウム製の振動板(４)と、該振動板(４)の表面に設置されたＰＺＴ素子(５)(富士セラミック社製“Ｃ２０３”)と、ＭＥＡ(１)の表面の両端部に立設された左右一対の流路壁(７)(７)と、振動板(４)を覆って両流路壁(７)(７)に跨って設置されたカバー(６)とを具え、ＭＥＡ(１)の表面と振動板(４)の間に空気の流路(10)が形成されている。
【００２２】
尚、本実施例では、ＭＥＡ(１)の流路(10)との対向部が反射壁となって、振動板(４)から発生する音波を反射するが、ＭＥＡ(１)の表面に、該表面に対して直交する向きに振動板と反射板を配置して、振動板と反射板の間に流路(10)を形成した構成を採用することも可能である。
【００２３】
本実施例において、図２の如く振動板(４)の左右両側面には、それぞれ前後２カ所に支持ピン(41)(41)が外向きに突設されており、これら４本の支持ピン(41)〜(41)が流路壁(７)(７)に連結されて、振動板(４)が支持されている(図４参照)。
これら４本の支持ピン(41)〜(41)は、図３(ｂ)(ｃ)に鎖線で示す様に、振動板(４)に生じる振動における複数(図示する例では６つ)の節の位置の内、前方端の節の位置と後方端の節の位置に配置されている。
【００２４】
又、図３(ａ)及び図４に示す様に、流路(10)内には、その入口(10a)と出口(10b)にそれぞれ左右一対の音圧センサー(８)(８)が配備されている。音圧センサー(８)としては、例えば、小型マイクロホンを内蔵したもの、振動に伴って電圧を発生する高分子フィルムを内蔵したもの、光の屈折率を検知する光ファイバーセンサーを内蔵したもの等、周知の種々の小型音圧センサーを採用することが出来る。
【００２５】
空気供給装置(40)を構成するＰＺＴ素子(５)には、図５に示す如くマイクロコンピュータからなる制御回路(80)が接続されると共に、音圧センサー(８)には音圧検知回路(81)が接続されている。
ここで、制御回路(80)からＰＺＴ素子(５)に所定周波数の交流駆動電圧を印加することによって、振動板(４)が共振周波数若しくはその近傍周波数で駆動される。又、流路(10)内の音圧が音圧センサー(８)及び音圧検知回路(81)によって検知され、検知された流路(10)内の音圧が制御回路(80)にフィードバックされる。
【００２６】
具体的には、ＭＥＡ(１)の反射壁及び振動板(４)は、図６及び図７に示すように、それぞれ約５０ｍｍの長さＬ１、Ｌ２、約３０ｍｍの幅Ｗ１、Ｗ２、及び約１ｍｍの厚さｔ１、ｔ２を有している。振動板(４)は、長さＬ１方向にＭＥＡ(１)表面との間隔、即ち流路(10)の高さが漸次大きくなるように配置されており、入口(10a)側で約２ｍｍの間隔ｄ１、出口(10b)側で約４ｍｍの間隔ｄ２になるように約２°の角度θだけ傾斜して配置されている。
【００２７】
又、ＰＺＴ素子(５)は、約３ｍｍの長さＬ３、約３０ｍｍの幅Ｗ２及び約１ｍｍの厚さｔ３の短冊状の形状を有しており、振動板(４)上に振動板(４)の出口(10b)側の端面から約７ｍｍの距離Ｌ４を隔てて配置されている。
尚、振動板(４)の傾斜角度θは約２°に限らず、振動板(４)の形状や励振周波数に応じて適宜変更することが出来、約０.１°〜約５°の範囲が好ましい。又、流路(10)の高さは約０.１ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とするのが好ましい。
【００２８】
上記燃料電池においては、ＰＺＴ素子(５)に約７０ｋＨｚの交流駆動電圧を印加すると、ＰＺＴ素子(５)は長さＬ３方向に伸縮し、これに伴って振動板(４)が振動する。これによって振動板(４)から音波が発生し、その音波は、ＭＥＡ(１)の表面と振動板(４)の間の流路(10)内で多重反射して、流路(10)内の音圧は大きなものとなる。その結果、流路(10)内に音響流が生じ、流路(10)内の空気を移動させる力が発生する。
ここで、流路(10)は、入口(10a)側よりも出口(10b)側の方が開口面積が大きくなるように構成されているので、流路(10)内の空気が入口(10a)側に向かって流れるよりも出口(10b)側に向かって流れる方が、圧力損失が小さくなる。従って、流路(10)内の空気は入口(10a)から出口(10b)に向かって流れ、これに伴って、入口(10a)から空気が吸入されると共に出口(10b)から空気が排出される。
【００２９】
又、振動板(４)より発生した音波は、流路(10)内で多重反射するので、流路(10)の高さと音波の波長とが共振条件を満たす場合には、音波は共振することになる。ここで、振動板(４)をＭＥＡ(１)の表面と平行に配置し、更に、流路(10)の高さを変える以外は上記空気供給装置(40)と同様の条件で、流路(10)内の音波が共振する流路(10)の高さを調べたところ、流路(10)の高さが約３ｍｍの場合に音波が共振することが明らかとなった。従って、流路(10)の高さが長さＬ１方向に大きくなる条件では、流路(10)の高さが約３ｍｍである流路(10)の入口(10a)側において音波が共振していると考えられる。この場合、流路(10)の入口(10a)側の領域には、音波の定在波が発生しており、これにより、流路(10)の入口(10a)側の音圧は更に大きくなる。その結果、更に効率良く空気を流路(10)に沿って、入口(10a)から出口(10b)に向かって移送することが出来る。
【００３０】
更に、振動板(４)は、ＰＺＴ素子(５)に印加する交流電圧の周波数を変えることにより、様々な振動モードで共振させることが出来る。図１２(ａ)は、流路(10)の方向を含む平面内で振動板(４)が共振する縦振動モードにおける節の数、波長、及び共振周波数の関係を示し、図１２(ｂ)は、流路(10)と直交する方向を含む平面内で振動板(４)が共振する横振動モードにおける同上の関係を示している。
【００３１】
この様に、振動板(４)は、複数の共振周波数で共振させることが可能であるが、図１２(ａ)に示す共振周波数を設定すれば、図８中に破線で示すように、振動板(４)は、流路(10)に沿う方向を含む平面内で振動する縦振動モードで共振する。この場合、振動板(４)には、定在波の腹と節とが、それぞれ幅Ｗ２方向に伸びると共に、長さＬ２方向に交互に配列した縞状に形成される。これにより、定在波の腹の位置では、振動板(４)の振幅は大きくなるので、流路(10)内の音圧は大きくなり、流路(10)内には、振動板(４)に生じる定在波に対応するように音圧の大きい領域Ａと音圧の小さい領域Ｂとが交互に配列すると共に、全体として、流路(10)の高さが大きくなる方向に音圧が小さくなる音圧分布が生じる。
【００３２】
この結果、空気は流路(10)に沿って入口(10a)から出口(10b)へ向けて一様な流れとなって移送されることになる。尚、振動板(４)の振幅は、共振周波数に近づくほど大きくなるが、共振周波数に対して約５００Ｈｚの範囲内の周波数であれば、振動板(４)を大きな振幅で振動させることが出来、これによって流路(10)内に十分に大きな音圧を発生させ、効率良く空気を移送することが出来る。
【００３３】
上記燃料電池においては、上述の如く振動板(４)を縦振動モードで共振させて、空気を流路(10)の入口(10a)から出口(10b)に向かって移送する通常運転状態で、流路(10)内には副生成物として水が発生することになる。この水が流路(10)内に溜まると、流路(10)内を流れる空気の流動抵抗となって、十分な空気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、本発明の燃料電池においては、流路(10)内に水が溜まった時点で、図５に示す制御回路(80)によって空気供給装置(40)の運転状態を通常運転から排水運転に切り換える。
【００３４】
流路(10)内に水が溜まった時点は、前記音圧センサー(８)及び音圧検知回路(81)によって検出した流路(10)内の音圧の大きさに基づいて判断することが出来る。図１１(ａ)は、振動板(４)に水滴が付着していない状態での流路(10)に沿うｙ方向の音圧分布を示し、図１１(ｂ)は、振動板(４)に水滴が付着している状態でのｙ方向の音圧分布を示している。図示の如く、振動板(４)に水滴が付着することによって流路(10)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、流路(10)内に水が溜まったものと判断することが出来る。
【００３５】
尚、流路(10)内に３以上の複数の音圧センサー(８)を配備して、流路(10)内の音圧分布を監視することによって、流路(10)内に水が溜まった時点を検知することも可能である。
或いは、流路(10)内に水が溜まってくると、流路(10)内の共振周波数が変化するため、振動板(４)に水振動板を振動させるためのＰＺＴ素子(５)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、センサーを用いることなく、通常運転制御から排水運転制御に移行することが出来る。
【００３６】
通常運転から排水運転への切り換えは、振動板(４)の振動周波数と振幅を変化させることによって行なう。振動周波数の変更においては、図１２(ａ)に示す共振周波数の内、何れかの共振周波数で振動板(４)を駆動している状態から、駆動周波数を他の共振周波数に変更する。これに伴って、振動の節の数と腹の数が変化し、この過程で節の位置と腹の位置が移動することになる。
ここで、振動板(４)に付着している水滴Ｗは、図１０(ａ)に示す様に、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。
【００３７】
そこで、振動板(４)の流路(10)との対向面に、図９(ａ)(ｂ)に示す様に、鎖線で示す周波数変更後の節の位置と腹の位置の内、腹の位置に対応させて、複数本の溝(42)を凹設しておけば、振動板(４)に付着した水は節の位置から腹の位置へ移動して溝(42)内に流入し、流路(10)から排水されることになる。
又、図１０(ｂ)に示す如く、振動板(４)の溝(42)内に吸水材(43)を充填しておけば、吸水材(43)によって水滴Ｗを吸収することが出来る。
或いは、溝(42)の両側にそれぞれ吸水材を配備することによって、溝(42)内の水を該吸水材によって吸収することも可能である。
【００３８】
更に又、通常運転から排水運転への切り換えは、振動板(４)の振動周波数を図１２(ａ)に示す縦振動モードの共振周波数から同図(ｂ)に示す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なうことも可能である。
即ち、図１２(ａ)に示す複数の共振周波数の内、何れかの共振周波数で振動板(４)を駆動している状態から、同図(ｂ)に示す複数の共振周波数の内、何れかの共振周波数で振動板(４)を駆動する。これによって、振動板(４)は、流路(10)の方向に垂直な面内での共振状態(横振動モード)に切り替わり、その時点で節の位置に付着している水滴が腹の位置へ向けて、流路(10)と直交する方向に移動する。そして、例えば図４に示す流路壁(７)(７)に配備した吸水材等の排水機構(図示省略)によって、水は流路(10)外へ排出されることになる。
【００３９】
その後、排水運転によって流路(10)内の水が流路(10)外へ排出された時点で、排水運転モードを通常運転モードに切り換える。
流路(10)内の水が流路(10)外へ排出された時点は、流路(10)内の音圧が元の値まで上昇した時点をもって判断することが出来る。又、排水運転開始後、一定時間が経過した時点をもって、流路(10)内の水が流路(10)外へ排出されたものと判断することも可能である。
或いは、ＰＺＴ素子(５)に流れる電流の復旧を検知することによって、センサーを用いることなく、排水運転モードを通常運転モードに切り換えることが出来る。
【００４０】
又、本発明に係る燃料電池においては、通常運転状態で流路(10)内に塵埃が流入し若しくは発生し、流路(10)内に溜まった場合に、この様な塵埃を排除することも可能である。
即ち、流路(10)内に塵埃が溜まった時点で、図５に示す制御回路(80)によって空気供給装置(40)の運転状態を通常運転から塵埃排除運転に切り換える。流路(10)内に塵埃が溜まった時点は、前記同様の方法、例えば音圧センサー(８)及び音圧検知回路(81)によって検出した流路(10)内の音圧の大きさに基づいて判断することが出来る。
【００４１】
通常運転から塵埃排除運転への切り換えは、振動板(４)の振動周波数と振幅を変化させることによって行なう。振動周波数の変更においては、何れかの共振周波数で振動板(４)を駆動している状態から、駆動周波数を他の共振周波数に変更する。これに伴って、振動の節の数と腹の数が変化し、この過程で節の位置と腹の位置が移動することになる。
【００４２】
ここで、振動板(４)に付着している塵埃Ｄは、図１３(ａ)に示す様に、腹の位置から節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節の位置に塵埃が集中することになる。そこで、振動板(４)の流路(10)との対向面に、図１３(ｂ)に示す様に、鎖線で示す周波数変更後の節の位置に対応させて、吸着剤(44)を配置しておけば、振動板(４)に付着した塵埃は腹の位置から節の位置へ移動して、吸着剤(44)によって捕捉されることになる。ここで、吸着剤(44)は振動板(４)に凹設した溝に収容することも可能である。
尚、吸着剤(44)としては、ＰＰ、ＰＣ、ＰＤＶＦ材料からなる静電フィルム或いは繊維状の帯電シート、ビニル系ポリマーの粘着塗膜表面を有する密着性フィルム等の粘着テープ等、塵埃に対する吸着力を発揮するシートを採用することが出来、塵埃を吸着したシートを新しいシートに貼り替えることによって塵埃を排除することが出来る。
【００４３】
上記本発明の燃料電池によれば、流路(10)内に発生した水や塵埃などの異物を効果的に排除することが出来るので、ＭＥＡ(１)に対して一定量の空気を供給することが出来、それによって、安定した発電動作を長時間に亘って維持することが出来る。
【００４４】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、図９(ａ)(ｂ)に示す排水機構としての溝(42)は、振動の腹の位置に限らず、腹と節の中間位置に設けることも可能である。又、排水運転において振動板(４)を横振動モードで共振させる構成においては、排水機構としての溝(42)を省略することが出来る。
又、流路(10)内の音圧の低下をもって流路(10)内に水が溜まったものと判断する構成に限らず、燃料電池の出力電流の低下をもって判断する構成も採用可能である。更に、音圧センサー(８)を省略し、通常運転を一定時間行なった後は、一定時間だけ排水運転を行なう構成を採用することも可能である。
【００４５】
又、流路(10)内を入口(10a)から出口(10b)に向かって空気を移送するための構成としては、入口(10a)の開口面積よりも出口(10b)の開口面積を大きく設定する構成に限らず、例えば振動板の形状や材質に関して、振動板(４)の断面二次モーメントが流路の入口(10a)側よりも出口(10b)側の方が大きく設定されている構成、振動板(４)の弾性係数が流路の入口(10a)側よりも出口(10b)側の方が大きく設定されている構成、振動板(４)が流路の一方の端部側では反射壁よりも外側へ突出して反射壁と対向しない領域を有している構成などを採用することが出来る。
又、本発明は、ＭＥＡ(１)の空気極に空気を供給する空気供給装置(40)に限らず、ＭＥＡ(１)の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給装置に実施することも可能である。
【００４６】
又、本発明は、複数のＭＥＡを積層したスタックタイプや、複数のＭＥＡを平面的に配置した平面モジュールタイプの燃料電池に実施することも可能である。
更に又、ＰＺＴ素子(５)によって振動板(４)を駆動する構成に代えて、例えばＰＺＴ、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）などの圧電セラミックスや水晶などの圧電材料からなる振動板を形成して、振動板を直接駆動してもよい。或いは、高周波フィルタなどに用いられるＳＡＷデバイスと同様に、圧電材料からなる振動板の表面に一対の櫛型電極を形成して、該振動板の流路との対向面に表面弾性波を発生させる構成を採用することも可能である。
【００４７】
更に又、振動板(４)の溝(42)や吸水材(43)等の排水機構、或いは吸着剤(44)等の塵埃解除機構は、振動板(４)の流路(10)側の表面に限らず、ＭＥＡ(１)の流路(10)側の表面、或いはＭＥＡ(１)を保持する部材の流路(10)側の表面に配備することも可能である。
【００４８】
尚、上記した各実施形態並びに各構成例は、全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示説明ではなく請求の範囲によって規定され、更に請求の範囲と均等の意味及び範囲内における全ての変更が含まれる。
【００４９】
例えば、本発明に係る燃料電池は、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、家庭用発電器、業務用発電器、自動車、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。
【００５０】
更に本発明に係るガス供給装置は、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る。例えば電子機器の電子回路部及び該電子回路部の流路面に沿って本発明に係るガス供給装置を配備し、該ガス供給装置によって冷却用媒体を移送する構成において、流路内の異物を排除し、これによって冷却用媒体の移送能力低下を防ぐことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】該燃料電池の分解斜視図である。
【図３】該燃料電池の流路に沿う断面図(ａ)、振動板の平面図(ｂ)、及び振動板の振動状態を示す図(ｃ)である。
【図４】該燃料電池の流路と直交する断面図である。
【図５】空気供給装置に接続された駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図６】振動板及びＰＺＴ素子の平面図である。
【図７】同上の流路に沿う断面図である。
【図８】振動板の振動状態と流路内に生じる気柱振動を説明する図である。
【図９】振動板の断面図(ａ)と裏面図(ｂ)である。
【図１０】振動板に付着した水滴の移動を説明する図である。
【図１１】水滴の有無による流路内の音圧分布を比較したグラフである。
【図１２】振動板の共振状態における節の数、波長及び共振周波数の関係を示す図表である。
【図１３】振動板に付着した塵埃の移動を説明する図である。
【図１４】燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図１５】振動板と反射板の間に生じる気柱振動を説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
(１)  ＭＥＡ
(10)  流路
(10a) 入口
(10b) 出口
(４)  振動板
(41)  支持ピン
(42)  溝
(43)  吸水材
(40)  空気供給装置
(５)  ＰＺＴ素子
(６)  カバー
(７)  流路壁
(８)  音圧センサー
(82)  駆動回路
(80)  制御回路
【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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