(57)【要約】      （修正有）【課題】発電セルの各流路に流れる流体の流量を均一化した発電ユニットを提供する。また、要求される発電能力、形状等に対し、柔軟に対応できる燃料電池を提供する。【解決手段】発電ユニット１は、一対の電極と、該電極により挟まれる電解質の接合体と、該接合体に供給される流体を流す流路を有する流路形成部材２１とにより構成される発電セルと、該流体の取入口と排出口を共通化させた開口を有し該流路に該流体を排出させる流体搬送装置４とを備えている。これにより、上記流路に流れる流体の流量を均一にすることができ、発電ユニット内の各流路における流体流量の均一化が図られる。また、燃料電池を上記発電ユニットで構築することにより、改めて、各流路の空気流量を均一にすることなく、要求される発電能力、形状等に対応し、柔軟に対応する燃料電池を提供することができる。【選択図】図７
2005243479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、該電極により挟まれる電解質の接合体と、該接合体に供給される流体を流す流路を有する流路形成部材とにより構成される発電セルと、
該流体の取入口と排出口を共通化させた開口を有し該流体を該流路に排出させる流体搬送装置と
を備えていることを特徴とする発電ユニット。
【請求項２】
上記流体搬送装置は、少なくとも１つの上記開口を有する筐体と、
該筐体内部を第１の空間と第２の空間とに仕切るとともに振動する振動体とを有し、
該振動板の振動により、該開口から排出する該筐体内部の流体と、該開口周囲の流体とにより混合渦を形成し、
該混合渦を該開口の前面に排出することを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項３】
上記流体搬送装置の開口の数は、上記流路の数と同数であることを特徴とする請求項２の発電ユニット。
【請求項４】
上記流路は、該流路の中心部から上記流体を流入させる第１の開口部及び該流体を排出させる第２の開口部に向かって断面積を広くするテーパー形状であることを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項５】
上記流路は、該流路断面形状を略半円とすることを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項６】
上記発電セルは、該発電セルを挟む枠体と、該枠体に取り付けられ該発電セルを押圧し導電性材料により形成される加圧板とからなる締結装置を備えていることを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項７】
上記伝導性材料は、リン青銅又はステンレス鋼であることを特徴とする請求項６の発電ユニット。
【請求項８】
上記発電セルは、該発電セルを挟む枠体と、該枠体に取り付けられ該発電セルを押圧し良熱伝導性材料により形成される発電セルを押圧する加圧板とからなる締結装置を備えていることを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項９】
上記発電セルは、１つの上記流体搬送装置に対して発電セルのセル数を１とすることを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項１０】
上記発電セルは、複数重ねられていることを特徴とする請求項１の発電ユニット。
【請求項１１】
一対の電極と、該電極により挟まれる電解質の接合体と、該接合体に供給される流体を流す流路を有する流路形成部材とにより構成される発電セルと、該流体の取入口と排出口を共通化させた開口を有し該流体を該流路に排出させる流体搬送装置とを備えている発電ユニットを有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
上記発電ユニットは、該発電ユニットにおいて発電される電力により駆動する電子機器の回路の隙間に配置されていることを特徴とする請求項１１の燃料電池。
【請求項１３】
上記発電ユニットは、平面配列されていることを特徴とする請求項１２の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電ユニット及び発電ユニットを搭載する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガス等の燃料気体と酸素ガス等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば、ノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡなどの携帯型電子機器の駆動電源として有望である。また、複数の発電セルと流路形成部材を交互に積層することにより構成するスタックセル型の燃料電池も提案されている。
【０００４】
従来のスタックセル型燃料電池の一例として、図１２に示すような、ベースプレート９２２上に電解質膜と電極とを一体化した電極電解質接合体９２０と、一方の面に燃料ガス、他方の面に酸化剤ガスの流路を有する平板状流路形成部材９２１とを交互に積層させ、最上部に平面締結板９３を重ね、積層方向に貫通するように締結ボルト等により締結する構造を有するものがある。この電解質膜と電極との間には触媒層が形成されており、触媒層と電解質膜との界面で発電反応が行われる。
【０００５】
上記のように、スタックセル型燃料電池による発電において、酸化剤ガスの流路に空気等の酸化剤ガスを供給することが必要となる。この酸化剤ガス流路への空気の供給を燃料電池内の自然の対流に任せると、安定して空気を供給することができない。すなわち、発電効率の低下をもたらす。そこで、安定して空気を流路に供給するために、燃料電池内に空気供給用ファンを設け、燃料電池内に強制的な空気の流動を形成し、流路に空気を供給する方法が採用されている。
【０００６】
その一例として、空気供給用ファンを備え付けた筐体を、スタックセル型燃料電池の酸化剤ガス流路の開口部に設置した燃料電池がある。（例えば、特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０１５１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような空気供給用ファンを用いる場合、燃料電池の大きさに合わせて筐体に備え付けたファンを作成する必要がある。すなわち、小型の燃料電池には、小型のファンを作成し取り付けなければならない。ファンを小型化すると、中心部に設けたモータの占める割合が増え、逆に送風断面積の割合が減少するため、ファンの縦横寸法の減少以上に送風能力が低下するといった問題も生じる。
【０００９】
また、燃料電池の効率的な発電のためには燃料電池内の各流路の空気流量を均一化させる必要がある。特許文献１のように、燃料電池毎にファンを取り付ける場合、燃料電池の大きさや形状を変える度に、燃料電池内の各流路の空気流量を均一化できる最適なファンを作らなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、発電セルの各流路に流れる流体の流量を均一化した発電ユニットを提供することを目的とし、要求される発電能力、形状等に対し、柔軟に対応できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の発電ユニットは、一対の電極と、該電極により挟まれる電解質の接合体と、該接合体に供給される流体を流す流路を有する流路形成部材とにより構成される発電セルと、該流体の取入口と排出口を共通化させた開口を有し該流体を該流路に排出させる流体搬送装置とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の発電ユニットによれば、流体搬送装置の各開口から排出される流体の流量が略等しいため、発電セルの各流路に流れる流体の流量は均一となる。したがって、この流体搬送装置を発電ユニットに搭載することにより、本発明の発電ユニットは、各流路における流体流量が均一となり、効率良く発電することができる。また、流体搬送装置は、流速と直線性の優れた流体を排出することができるため、例えば、通気抵抗の大きな細い流路においても、安定して流体を供給することができる。流路形成部材の小型化、薄型化に伴って細くなる流路においても、安定して流体を供給することができ、発電ユニットの小型化、薄型化を図ることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池は、一対の電極と、該電極により挟まれる電解質の接合体と、該接合体に供給される流体を流す流路を有する流路形成部材とにより構成される発電セルと、該流体の取入口と排出口を共通化させた開口を有し該流体を該流路に排出させる流体搬送装置とを備えている発電ユニットを有していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池によれば、発電ユニットの各流路における流体流量が均一であるため、発電ユニットにより構成される燃料電池は、各流路におけて流体流量が均一であり、効率良く発電することができる。また、要求される燃料電池の発電能力、形状、大きさ等に応じて配列するユニット数を変えても、改めて流体流量の均一化を図ることなく、容易に燃料電池を構築することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発電ユニットによれば、流体搬送装置の各開口から排出される流体の流量が略等しいため、発電セルの各流路に流れる流体の流量は均一となる。したがって、この流体搬送装置を発電ユニットに搭載することにより、本発明の発電ユニットは、各流路における流体流量が均一となり、効率良く発電することができる。また、流体搬送装置は、流速と直線性の優れた流体を排出することができるため、例えば、通気抵抗の大きな細い流路においても、安定して流体を供給することができる。流路形成部材の小型化、薄型化に伴って細くなる流路においても、安定して流体を供給することができ、発電ユニットの小型化、薄型化を図ることができる。
【００１６】
本発明の燃料電池によれば、発電ユニットの各流路における流体流量が均一であるため、発電ユニットにより構成される燃料電池は、各流路におけて流体流量が均一であり、効率良く発電することができる。また、要求される燃料電池の発電能力、形状、大きさ等に応じて配列するユニット数を変えても、改めて流体流量の均一化を図ることなく、容易に燃料電池を構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の発電ユニット、及び、該発電ユニットからなる燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１８】
図１は、本発明の発電ユニットを構成する部材を示す分解斜視図である。本発明の発電ユニット１は、電解質２００を挟み込む電極２０１、２０２を張り合わせてなる接合体２０を、空気を流す酸化剤ガス流路２１０を備える流路形成部材２１と、水素を流す燃料ガス流路２２０を有する基台２２とにより挟む発電セル２と、発電セル２を挟む枠体３０及び枠体３０に取り付ける加圧板３１からなる締結装置３と、開口４０１を有する筐体４０及び筐体４０内を２つの空間に仕切る振動板４１を有する流体搬送装置４により構成されている。
【００１９】
本発明において、発電セル２のセル数とは、酸化剤ガス流路２１０と燃料ガス流路２２０とにより挟まれる接合体２０の枚数である。また、本発明において、発電ユニット１のユニット数とは、基台上に積層される発電セル２と締結装置３と流体搬送装置４とを一組としたときの組数である。
【００２０】
接合体２０は、プロトンを透過させる略長方形膜状の電解質２００、発電反応における触媒を有する電極２０１及び２０２からなり、電解質２００を電極２０１及び電極２０２により挟み、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質２００は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成され、その材質の一例として、パーフルオロスルホン酸ポリマー等の固体高分子が挙げられる。電極２０１、２０２は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させても良い。また、接合体２０の電極２０１、２０２とセパレータ２１及び基台２２との接触面には、カーボンペーパー等からなるガス透過性と電気伝導性とを兼ね備えた拡散層を配してもよい。電解質２００、電極２０１及び電極２０２の大きさ及び形状は、後述する流路形成部材２１の大きさ及び形状、若しくは、発電セル２の大きさ及び形状に合わせて適宜変更される。
【００２１】
流路形成部材２１は、設けられる流路により、流路形成部材２１ａと流路形成部材２１ｂとに分類される。流路形成部材２１ａは、略直方体の平たい板材からなり、接合体２０と接する面に酸化剤ガス流路２１０が設けられている。流路形成部材２１ｂは、流路形成部材２１ａと略同じ形状の板材に、接合体２０と接する一方の面に酸化剤ガス流路２１０と、酸化剤ガス流路２１０を設けた面の対面に燃料ガス流路２２０とが設けられている。流路形成部材２１に使用される材質としては、電気伝導性が良好で、且つ水素と空気との混合を防止するような気密性の高い材質であればよい。流路形成部材２１ｂは、複数の接合体２０を積層させる場合、接合体２０を介し、酸化剤ガス流路２１０と燃料ガス流路２２０とを向かい合わせるように配置される。
【００２２】
酸化剤ガス流路２１０は、図２に示されるとおり、流路形成部材２１に複数形成され、流路形成部材２１の側面に酸化剤ガス流路２１０の開口部２１１を有し、また、その開口部２１１を有する側面の対面にも同様に開口部２１２を有している。この酸化剤ガス流路２１０の形状は、例えば、断面が楕円を半分にした形状となるように、流路のコーナーを曲面とし、酸化剤ガス流路２１０の中心部から開口部２１１及び開口部２１２に向かって断面積を広くするテーパー状の形状を示す。酸化剤ガス流路２１０をこのような形状とすることにより、通気抵抗を低減させることができる。酸化剤ガス流路２１０は、要求される発電能力に合わせて設計される。
【００２３】
略平板上からなる基台２２は、図１のとおり、接合体２０、流路形成部材２１、下記で説明する締結装置３よりも外形が大きく、接合体２０と接する面に燃料ガス流路２２０が設けられている。また、基台２２は、接合体２０と接触する部分から飛び出すように、下記で説明する流体搬送装置４を設置する設置具２２５、２２６が設けられている。そして、燃料ガス流路２２０を有する面と設置具２２５、２２６を有する面とに隣接する端面に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口２２１及び燃料ガスを排出する燃料ガス排出口２２２が設けられている。また、基台２２の材質としては、締結装置３による締結によって簡単に変形しない程度の剛性を有し、アノード集電板として機能するために導電性材料により形成されている。
【００２４】
燃料ガス流路２２０は、基台２２の接合体２０と接触する面に蛇行するように設計され、基台２２の端面に設けられた燃料ガス供給口２２１及び燃料ガス排出口２２２に接続されている。また、燃料ガス流路２２０は、流路形成部材２１ｂの酸化剤ガス流路２１０を有する面の反対側の面にも同様の形状の流路が設けられている。さらに、流路形成部材２１ｂの燃料ガス流路２２０は、基台２２上に接合体２０を介して流路形成部材２１ｂを積層させることにより、基台２２に設けられる燃料ガス供給口２２１及び排出口２２２と接続される。したがって、図示されていない水素吸蔵カートリッジ等によって、燃料ガス供給口２２１から水素を供給することで、燃料ガス流路２２０全体に水素が供給され、燃料ガス排出口２２２から排出される。燃料ガス流路２２０、燃料ガス供給口２２１、燃料ガス排出口２２２は、要求される発電能力に合わせて設計される。
【００２５】
発電セル２は、図１のように、接合体２０を流路形成部材２１ａの酸化剤ガス流路２１０を有する面と基台２２の燃料ガス流路２２０を有する面によって挟むように重ねられている。図１の場合、セル数は１であるが、要求される電圧によっては、セル数を２以上とすることもできる。例えば、この場合の発電セル２の積層体は、基台２２の燃料ガス流路２２０と流路形成部材２１ｂの酸化剤ガス流路２１０とを向かい合わせるように、接合体２０を介して、流路形成部材２１ｂを積層し、積層された複数の流路形成部材２１ｂの最も上面にある流路形成部材２１ｂの燃料ガス流路２２０と流路形成部材２１ａの酸化剤ガス流路２１０とを向かい合わせるように、接合体２０を介して、流路形成部材２１ａを重ねた形状となる。
【００２６】
上記のように、発電セル２を形成することにより、図示されていない水素吸蔵カートリッジ等で水素を外部から基台２２の燃料ガス供給口２２１に供給することで、燃料ガス流路２２０に水素が供給され、燃料ガス排出口２２２から水素を排出することができる。また、発電セル２は、気密を保持するための図示されてない気密部材が配置されており、燃料ガス流路２２０から水素が漏洩しない構造となっている。一方、酸化剤ガス流路２１０は、流路形成部材２１の側面に開口を有していることから、基台２２に下記で説明する流体搬送装置４を配置することで、酸化剤ガス流路２１０に空気を供給することができる。
【００２７】
締結装置３は、発電セル２を介して、基台２２の反対側に配され、発電セル２を挟む枠体３０と、枠体３０に取り付けられ発電セル２を押圧する加圧板３１を有している。枠体３０は、枠状の平板であり、その材質としては、発電セル２の締結によって簡単に変形しない程度の剛性を有する材質によって形成される。また、枠体３０の加圧板３１を取り付ける面に、加圧板３１の形状に合わせた溝を設けてもよい。また、その溝の深さは、加圧板３１の厚さ寸法と同じにしてもよい。このような溝を設けることにより、発電セル２に備え付ける際、溝に取り付けられた加圧板３１が加圧され、枠体３０と加圧板３１とが一様な平面となり、一体となって加圧締結することができる。また、加圧板３１を取り付ける部材として枠状のものを選択することにより、締結装置３を軽量化することができ、その溝の深さの分だけ発電ユニット１を薄くすることができる。
【００２８】
図３は、加圧板３１の形状を示す図である。加圧板３１は、図３（ａ）のとおり、１枚の板材からなり、図３（ｂ）のような長手方向断面を有している。加圧板３１の長手方向断面は、端点３１０から極点３１１を介して結合点３１２の形状を所定の厚みを有する円の一部とし、結合点３１２から端点３１３の形状を所定の厚みを有する結合点３１２の接線３１４に平行する直線として、これらを結合点３１２で結合させて表された形状である。加圧板３１の材質としては、導電性材料又は良熱伝導性材料であると共に、バネ用圧延材料により形成されている。例えば、リン青銅やステンレス鋼等の金属により形成されていても良く、加圧板３１は、枠体３０と接する面にゴム等の絶縁体がコーティングされていてもよい。また、加圧板３１は、図３の形状を有するものに限らず、備え付ける発電セル２を均一に加圧することができる形状であればよい。例えば、長手方向の寸法が異なる薄い板材を中央部分を厚くするように重ねた加圧板を用いてもよい。
【００２９】
本発明において導電性材料とは、電気抵抗の低い材料のことを示し、より具体的には、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス、ポリアセチレン等により構成されている材料のことを示す。また、本発明において良熱伝導性材料とは、熱伝導率の高い材料のことを示し、より具体的には、鉄、アルミニウム、銅、ステンレス、真鍮等により構成されている材料のことを示す。
【００３０】
締結装置３は、枠体３０に加圧板３１を取り付け、発電セル２の上面に備え付けられる。そして、締結ボルト等を用いて発電セル２に締結力を伝えることができる。発電セル２に備え付けられた加圧板３１は、枠体３０から発電セル２に向かう力により、湾曲部が押され、一様な平面を形成する。これと同時に、加圧板３１に元の形状に戻ろうとする力すなわち反発力が生じる。この反発力によって、従来の平板型締結板の外周に締結ボルトを備えた締結方法では加圧されにくい中央部分への加圧が可能となり、面全体を均一に加圧することができる。
【００３１】
また、締結装置３は、加圧板３１の一部が枠体３０の外側へ飛び出した状態となっている。導電性材料により形成される加圧板３１は、発電セル２で発電した電力を集電する機能を有する。そして、加圧板３１は、枠体３０より飛び出した部分を端子とすることにより、電力を外部の装置に取り出すことができる。また、良熱伝導性材料により形成される加圧板３１は、発電セル２で発生した熱を放熱する機能を有する。そして、枠体３０よりこの飛び出した部分に空気をあてるように流動させることにより、加圧板３１を介して発電セル２を冷却することができる。発電セル２の冷却により、発電セル２の温度上昇により生じるドライアップ等の不都合を回避することができる。また、以上の機能を有する加圧板３１で発電セル２を締結することにより、発電ユニット１は、集電板又は放熱板を新たに搭載する必要がなくなり、部品点数を少なくすることができる。また、発電ユニット１を薄くすることもできる。
【００３２】
発電ユニット１は、図１のように、基台２２上に発電セル２を搭載し、発電セル２上に締結装置３を備えたものである。締結装置３は、上記のとおり、均一に締結圧力を加えることができる装置であることから、締結装置３を用いて締結された発電セル２は、均一に加圧される。すなわち、発電セル２を構成する接合体２０と流路形成部材２１を均一加圧し、その接合体を形成する電解質２００と電極２０１、２０２を均一加圧することができる。したがって、電解質２００と電極２０１、２０２との不均一な加圧により生じる反応効率の低下や電気抵抗の悪化という問題を、電解質２００と電極２０１、２０２とが密着することで解決し、より大きな接触面積を得ることで発電効率の高い燃料電池となる。
【００３３】
また、例えば、上記発電セル２に積層される接合体２０の代わりに、周辺部分よりも中央部分を厚くした拡散層を接合体２０に配した接合体シートを用いてもよい。この接合体シートを流路形成部材２１で挟むことにより、接合体シートの中央部分が加圧され、接合体シートに反発力が生じ、この反発力により、流路形成部材２１の中心部分も加圧することができる。この均一な加圧力によって、接合体シート中の電極と電解質とを均一に密着させることができる。
【００３４】
さらに、例えば、上記締結装置３を２つ用いて、発電セル２と基台２２の両側から挟むように配置し、発電セル２を締結しても良い。両側から発電セル２を挟むことにより、発電セル２をより均一に加圧することができる。
【００３５】
次に、本発明の発電ユニットに搭載される流体搬送装置４について説明する。図４は、流体搬送装置４の構造を示す図である。図４（ａ）は、流体搬送装置４の外観を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。流体搬送装置４は、図４（ａ）のとおり、開口４０１を有する筐体４０により形成されている。筐体４０は、略直方体の内部を空洞とする形状からなり、基台２２に筐体４０を取り付ける取付具４０５、４０６と、その筐体４０の１つの側面に開口４０１とが複数設けられている。筐体４０の材質としては、発電セル２から発生する熱により変形しない耐熱性材料により形成される。筐体４０の形状は、要求する発電ユニット１の形状、流体搬送装置４に対応させる発電セル２のセル数等に合わせて適宜変更される。
【００３６】
取付具４０５、４０６は、基台２２に設けられている接続具２２５、２２６に対応する位置に設けられている。取付具４０５、４０６は、図４に示される形状に限られるものではなく、基台２２の形状、取り付け方法などによって、適宜変更される。開口４０１は、基台２２に取り付けられる際、酸化剤ガス流路２１０の位置と対応する位置に設けられている。開口４０１の数は、流路形成部材２１に設けられる酸化剤ガス流路２１０の数や、１つの流体搬送装置４に対して設置する発電セル２の数により適宜変更される。例えば、１つの発電セル２に対し１つの流体搬送装置４を設置する場合、開口４０１の数は、発電セル２の流路形成部材２１に設けられる酸化剤ガス流路２１０の数と同数設けられていてもよい。また、開口４０１の形状、大きさは、特に限定されるものではなく、酸化剤ガス流路２１０の大きさ及び形状や１つの流体搬送装置４に対して設置する発電セル２により適宜変更される。
【００３７】
筐体４０の内部には、図４（ｂ）のとおり、空間４５０及び空間４５１とに分ける振動板４１と、振動板４１に取り付けられる平面コイル４１０と、振動板４１を介して、平面コイル４１０を有する空間の反対側の空間の底面に設置される磁石４２とを有している。
【００３８】
振動板４１は、薄い膜状のシートにより形成され、筐体４０の内部を空間４５０と空間４５１との２つの空間に区切っている。空間４５０及び空間４５１は、それぞれ、開口４０１を介して筐体４０の内部と外部が接続されている。また、振動板４１の上側表面には、平面コイル４１０が配設されている。この振動板４１は、下記で説明するように、垂直方向に振動するため、振動板４１の材質は、垂直方向への振動を可能とすると共に、この振動に耐えられる材質により形成される。例えば、ブチル系ゴム等により形成されていてもよい。
【００３９】
図５は、振動板４１に配設される平面コイル４１０の形状を示す平面図である。平面コイル４１０は、導電性材料からなる導線４１１を中心から外側に向かって積層させずに巻いて形成され、振動板４１上側表面に配されている。また、導線４１１の末端は、外部に接続され、外部から交流電流を導くことができる。この交流電流は、この平面コイル４１０を搭載する燃料電池から得られるものでもよい。また、平面コイル４１０の形状は、発生させる磁界の強さ等により適宜変更される。
【００４０】
磁石４２は、筐体４０の内部底面に振動板４１を介して平面コイル４１０と反対側の空間の底面に配置されている。配置する磁石４２の数は、特に限定されるものではなく、流体搬送装置４の大きさ、形状、磁石４２の大きさ、磁力の強度により適宜変更される。
【００４１】
図６は、上記の流体搬送装置４の内部を示す図である。振動板４１は、上記のとおり、空間４５０と空間４５１とを略等しく分けるような位置に存在する。ここで、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示したように、流体搬送装置４の内部の底面４９において、平面コイル４１０の中心直下に磁石４２０を配置し、この磁石４２０を挟むように磁石４２０と逆極性の磁石４２１を配置する。磁石４２０及び磁石４２１をこのように配置することにより、流体搬送装置４内に磁界が発生する。この磁界の向き４２３、４２４、４２５、４２６は、平面コイル４１０の面方向に略等しい。
【００４２】
ここで、平面コイル４１０に電流を流すと、平面コイル４１０の面方向成分の磁界と、それと直角な方向の電流によって、平面コイル４１０に垂直方向の電磁力が発生する。そして、発生する電磁力の力の向きは、平面コイル４１０に流す電流の向きによって、上下逆転させることができる。すなわち、平面コイル４１０を有する振動板４１を垂直方向に振動させることができる。平面コイル４１０に発生する力を下向きとするように電流を流す場合、平面コイル４１０を有する振動板４１は、磁石４２０、４２１の方向に引き寄せられる。このとき、空間４５１に存在していた空気が開口４０１から排出し、反対に、流体搬送装置４の外部から開口４０１を介して空気が空間４５０に流入する。開口４０１から排出する空気と開口４０１の周囲にある空気とにより、流速と直線性の高い混合渦が発生し、開口４０１の前方に空気が押し出される。
【００４３】
したがって、流体搬送装置４は、平面コイル４１０に交流電流を流すことにより、振動板４１を垂直方向に振動させることができるとともに、空間４５０と空間４５１との体積を変化させ、流体搬送装置４の開口４０１の前方直線状に混合渦を断続的に発生させることができる。
【００４４】
または、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示したように、空間４５１の底面４９において、平面コイル４１０の中心直下に磁石４２２を配してもよい。磁石４２２をこのように配置することにより流体搬送装置４の内部に磁界が発生する。この発生した磁界の向き４２７、４２８は、平面コイル４１０の面方向に略等しい。このように磁石４２２を配置しても、図６（ａ）及び図６（ｂ）のように磁石４２０、４２１を配置した場合と同様に、平面コイル４１０に交流電流を流すことにより、振動板４１を垂直方向に振動し、混合渦を断続的に発生させることができる。
【００４５】
発電ユニット１は、図７のように、発電セル２の酸化剤ガス流路２１０の開口部を有する一方の面と、流体搬送装置４の開口４０１を有する面とを向かい合わせるように基台２２に流体搬送装置４を取り付けることにより、各酸化剤ガス流路２１０に流体搬送装置４の各開口４０１を対応させるように配置することができる。ここで、流体搬送装置４を作動させることにより、開口４０１から排出される混合渦は、開口４０１の近傍にある酸化剤ガス流路２１０に流れ込み、空気を供給することができる。また、流体搬送装置４から排出される空気流量は、各開口４０１において略等しい。したがって、酸化剤ガス流路２１０に供給される空気流量も略等しくなる。すなわち、酸化剤ガス流路２１０間での空気流量の差をなくすことができ、効率的な発電を行うことができる。また、発電ユニット１は、１つの流体搬送装置４に対して発電セル２のセル数を１として構成されるに限らず、流体搬送装置４の形状や発電セル２の形状等により適宜変更される。例えば、２つの流体搬送装置４に対し、発電セル２のセル数を１としてもよいし、１つの流体搬送装置４に対し、発電セル２のセル数を２としてもよい。
【００４６】
また、流体搬送装置４から酸化剤ガス流路２１０に流れる空気は、混合渦として流体搬送装置４の開口４０１から排出される。この混合渦は、所謂ジェット流のように、流速と直線性が高い空気の流れであり、例えば、細い流路でも通り抜けることができる。この混合渦が酸化剤ガス流路２１０に供給されることにより、酸化剤ガス流路２１０内で、流体の混合が盛んに行われ、接合体２０近傍における酸素濃度の低下した空気と外部から送り込まれた酸素濃度が接合体２０近傍よりも高い空気とが速やかに攪拌され、接合体２０近傍の酸素不足を解消することができる。その結果、流路内の酸素の濃度を均一にすることができる。
【００４７】
ここで、図８に、流体搬送装置４を利用した発電ユニット１の出力特性の測定結果を示すと共に、比較として、従来使用されている空気供給用ファンを使って酸化剤ガス流路に空気を供給するタイプの燃料電池における出力特性の測定結果も示す。
【００４８】
図８に示されるとおり、本発明の発電ユニット１は、空気供給用ファンを用いた燃料電池よりも高い電圧を出力することができる。よって、本発明の発電ユニット１は、従来のものに比べ発電効率が高いことがわかる。
【００４９】
図９は、本発明の発電ユニット１の発電時間に対する出力電圧の変化を示す図である。図９のとおり、長い発電時間においても、出力電圧は略一定であり、安定して発電を行うことができることがわかる。
【００５０】
さらに、直線性の高い混合渦を発生させる流体搬送装置４は、酸化剤ガス流路２１０の延長線上に配置していればよく、必ずしも酸化剤ガス流路２１０の近傍に配置しなくてもよい。これにより、発電ユニット１の配置の自由度を向上させることができる。
【００５１】
次に、本実施の形態における発電ユニット１における発電の過程を説明する。水素吸蔵カートリッジ等により、燃料ガス供給口２２１を経由して燃料ガス流路２２０に水素を供給する。また、流体搬送装置４を作動させることにより、酸化剤ガス流路２１０に空気を供給する。これにより、接合体２０の燃料ガス流路２２０と接する面に水素が供給され、反対側の面に空気が供給される。供給された水素と空気により、電解質２００と電極２０１との界面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応及び電解質２００と電極２０２との界面において、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こる。電解質２００と電極２０１との界面で起こる反応において、電子とプロトン（Ｈ＋）が発生し、電子は電極２０１から外部回路を通り電極２０２へ移動し、プロトンは電解質２００を透過して電極２０２へ移動する。電解質２００と電極２０２との界面において、移動してきた電子及びプロトンと供給される空気中の酸素とによって水を生成させる。したがって、本発明の発電セルユニット１、上記のように、水素を燃料ガス流路２２０に、空気を酸化剤ガス流路２１０にそれぞれ供給することにより、発電することができる。
【００５２】
上記のように、発電反応は、電解質２００と電極２０１との界面及び電解質２００と電極２０２との界面において、供給される水素と空気を用いて行われる。すなわち、効率良く発電を行うためには、流路に供給される空気の流量を均一化することが必要となる。本発明における流体搬送装置４は、流路間の空気流量の差をなくすことができる。また、流体搬送装置４によって流れる空気は、直線性の高い混合渦であり、酸化剤ガス流路２１０内の空気を攪拌することにより、流路内の酸素濃度を均一にすることが可能となる。以上の効果により、効率良く発電することができる。
【００５３】
また、流路形成部材２１の酸化剤ガス流路２１０は、流路の中央部分よりも断面積を徐々に広くするテーパー状の開口部２１１、２１２を有し、その流路のコーナーを曲面としていることにより、通気抵抗を減少させ、酸化剤ガス流路２１０を流れる空気の流速を早くさせることができる。これにより、例えば、流路形成部材２１の厚さを薄くすることに伴い流路を細くしても、酸化剤ガス流路２１０に酸素を円滑に供給することができる。
【００５４】
さらに、発電ユニット１には、板バネである加圧板３１の反発力を利用した締結装置３を用いている。締結装置３は、発電セル２を均一に加圧することができる。すなわち、電極２０１、２０２と電解質２００とを均一に密着させることで、反応効率の低下や電気抵抗の悪化という問題を解決し、接触面積を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。
【００５５】
また、基台２２は、アノード集電板としても機能する。そして、締結装置３の加圧板３１は、発電される電力の集電機能、又は、発電により発生する熱を放熱する放熱機能を有している。これにより、新たに発電セル２にアノード集電板とカソード集電板又は放熱板とを搭載する必要がなくなり、分品点数を少なくすることができる。また、発電ユニット１を薄くすることができる。
【００５６】
以上、本発明の発電ユニット１に関する実施の形態である。本実施の形態で使用している燃料ガスの水素、及び酸化剤ガスの空気は、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料ガス、酸化剤ガスを利用することもできる。
【００５７】
次に本発明の燃料電池の実施の形態について説明する。発電ユニット１は、上記のとおり、流体搬送装置４を搭載することによって、各酸化剤ガス流路２１０への空気流量を一定にし、効率良く発電を行うことができる。したがって、発電ユニット１を構成単位とし、要求する発電能力に合わせて配列することにより、燃料電池内における流体の動きや量を改めて最適化する必要なく、燃料電池を作成することができる。
【００５８】
本発明の燃料電池の例として、１つの流体搬送装置４に対し、発電セル２を１つ対応させ、これらを複数積層させた積層型燃料電池６０と、１つの流体搬送装置４と１つの発電セル２により形成される発電ユニット１を複数平面配列させた平面配列型燃料電池６１とを挙げる。
【００５９】
図１０は、積層型燃料電池６０を示す斜視図である。積層型燃料電池６０は、１つの流体搬送装置４に対し発電セル２を１つ対応させ、これらを複数積層させたものである。流体搬送装置４の各開口４０１から排出する空気流量は略均一であることから、発電セル２の各酸化剤ガス流路２１０に流れる空気の流量も略均一である。したがって、改めて空気流量の均一化を図ることなく、発電セル２と流体搬送装置４を積層するだけで、所望の発電能力を有する燃料電池を構築することができる。積層型燃料電池６０は、積層させるセル数に制限はなく、要求する発電能力に応じて設計することができる。
【００６０】
図１１は、平面配列型燃料電池６１を示す斜視図である。平面配列型燃料電池６１は、１つの流体搬送装置４に対し発電セル２を１つ備える発電ユニット１を３行４列のマトリクス状に配列したものである。この発電ユニット１内に流れる空気の流量は、各発電ユニット１において均一化されている。したがって、改めて空気流量の均一化を図ることなく、平面配列するだけで、所望の発電能力を有する燃料電池を構築することができる。また、図１１のように、発電ユニット１を配置することによって、薄型の燃料電池を構築することができる。平面型燃料電池６１は、発電ユニット１を電気的に独立させてもよい。発電ユニット１を独立させることにより、各発電ユニット１を自由に直列や並列に接続することができる。また、必要に応じて各発電ユニット１の接続をスイッチで切り替えることで、出力電圧を変化させることが可能になり、１つの燃料電池で多種の出力電圧を得ることもできる。
【００６１】
また、発電ユニット１の締結方法は、図１１のとおり、締結装置３を発電セル２に備え付け、発電ユニット１毎に締結してもよいが、発電ユニット１を平面配列した後、上方から１枚の締結板を利用して各発電ユニット１を一緒に締結してもよい。例えば、平面配列した発電ユニット１を搭載する機器の下に配置し、その機器の底面を締結板として各発電ユニット１を一緒に締結してもよい。さらに、この平面配列型燃料電池６１の発電ユニット１の配置は、３行４列のマトリクス状とするだけでなく、発電ユニット１のユニット数、セル数、方向等を設計する燃料電池や搭載する機器の形状に合わせて適宜変更することができる。また、発電ユニット１は、搭載される機器の回路の隙間に配されていてもよい。
【００６２】
以上のように、本発明の燃料電池は、発電ユニット１を構成単位として形成される。発電ユニット１は、各酸化剤ガス流路２１０おける空気流量が均一であるため、改めて空気流量の均一化を図ることなく、発電セル２の積層又は発電ユニット１の平面配列を行うだけで、所望の発電能力を有する燃料電池を構築することができる。すなわち、本発明の燃料電池は、要求する発電能力、形状に応じて柔軟に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】発電ユニットに使用される部材を示す分解斜視図である。
【図２】酸化剤ガス流路の形状を示す流路形成部材の斜視図である。
【図３】加圧板の形状を示す図である。（ａ）は、加圧板の平面図、（ｂ）は、加圧板の長手方向断面図である。
【図４】流体搬送装置の構造を示す図である。（ａ）は、流体搬送装置の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面を示す断面図である。
【図５】平面コイルの形状を示す平面図である。
【図６】流体搬送装置の内部を示す図である。（ａ）は、逆極性磁石を用いた場合の筐体内部の底面を示す図、（ｂ）は、逆極性磁石を用いた場合の流体搬送装置の断面図、（ｃ）は、磁石を１つ用いた場合の筐体内部の底面を示す図、（ｂ）は、磁石を１つ用いた場合の流体搬送装置の断面図である。
【図７】発電ユニットを示す斜視図である。
【図８】発電ユニットの出力特性の測定結果を示す図である。
【図９】発電ユニットの発電時間に対する出力電圧を示す図である。
【図１０】積層型燃料電池の斜視図である。
【図１１】平面配列型燃料電池の斜視図である。
【図１２】従来のスタックセル型燃料電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  発電ユニット
２  発電セル
２０  接合体
２００  電解質
２０１  電極
２０２  電極
２１、２１ａ、２１ｂ  流路形成部材
２１０  酸化剤ガス流路
２１１、２１２  開口部
２２  基台
２２０  燃料ガス流路
２２１  燃料ガス供給口
２２２  燃料ガス排出口
２２５、２２６  設置具
３  締結装置
３０  枠体
３１  加圧板
３１０、３１３  端点
３１１  極点、
３１２  結合点
３１４  結合点の接線方向
４  流体搬送装置
４０  筐体
４０１  開口
４０５、４０６  取付具
４１  振動板
４１０  平面コイル
４２、４２０、４２１、４２２  磁石
４２３、４２４、４２５、４２６、４２７、４２８  磁界の向き
４５０、４５１  空間
４９  筐体内部の底面
６０  積層型燃料電池
６１  平面配列型燃料電池
９２０  電極電解質接合体
９２１  流路形成部材
９２２  ベースプレート
９３  平面締結板
【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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