(57)【要約】【課題】従来よりも高い効率が得られる流体移送装置、及び該流体移送装置を具えた燃料電池を提供する。【解決手段】本発明に係る流体移送装置は、ループ状の弾性体１と、弾性体１にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの圧電素子３、３と、弾性体１の平板部１１に沿って形成された少なくとも１つの流路６とを具え、両圧電素子３、３に互いに位相の異なる電圧を印加して、弾性体１にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、流路６内の流体を移送する。本発明に係る燃料電池は、ループ状弾性体の内部にＭＥＡを配置して、ＭＥＡに沿って液体流路と気体流路を形成している。【選択図】図１
2009117344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ状の弾性体と、
該弾性体の外周面或いは内周面にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの加振要素と、
該弾性体の外周面にそのループ方向に沿って形成された少なくとも１つの流路
とを具え、両加振要素を互いに異なる位相で振動させて、該弾性体にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、前記流路内の流体を移送することを特徴とする流体移送装置。
【請求項２】
ループ状の弾性体と、
該弾性体の外周面にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの加振要素と、
該弾性体によって包囲された内側領域を、該弾性体が描くループと交差する隔壁により二分して形成され、該弾性体の内周面に沿って形成された２つの流路
とを具え、両加振要素を互いに異なる位相で振動させて、該弾性体にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、前記２つの流路内の流体を移送することを特徴とする流体移送装置。
【請求項３】
前記弾性体は、互いに平行な２つの平板部と、両平板部の対応する両端を互いに連結する２つの円弧部とから構成され、該２つの平板部と平行に前記隔壁が設置されており、該２つの円弧部にはそれぞれ、前記２つの流路の入口或いは出口となる１つ以上の孔が開設されている請求項２に記載の流体移送装置。
【請求項４】
電解質膜の両側に一対の電極を配備して構成される膜・電極接合体と、該膜・電極接合体の一対の電極の内、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する流体移送装置とを具えた燃料電池において、前記流体移送装置は、
ループ状の弾性体と、
該弾性体の外周面にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの加振要素と、
該弾性体によって包囲された内側領域に、該弾性体が描くループと交差する姿勢で前記膜・電極接合体を設置して、該膜・電極接合体により該内側領域を二分することにより形成され、該弾性体の内周面に沿って形成された２つの流路
とを具え、両加振要素を互いに異なる位相で振動させて、該弾性体にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、一方の流路に沿って前記燃料流体を移送すると共に、他方の流路に沿って前記酸化用流体を移送することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記弾性体は、互いに平行な２つの平板部と、両平板部の対応する両端を互いに連結する２つの円弧部とから構成され、該２つの平板部と平行に前記膜・電極接合体が設置されており、該２つの円弧部にはそれぞれ、前記２つの流路の入口或いは出口となる１つ以上の孔が開設されている請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記弾性体は、互いに間隔をおいて平行に配列された複数のループ状弾性体片と、これらのループ状弾性体片を互いに連結する１つ以上の連結片とから構成され、該連結片に前記孔が開設されている請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記２つの流路の内、燃料流体を移送する流路の入口には、燃料供給タンクが接続されると共に、前記酸化用流体を移送する流路の出口には、生成水回収タンクが接続されている請求項４乃至請求項６の何れかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記２つの流路の内、燃料流体を移送する流路の入口と出口は循環流路によって互いに連結されており、該出口から流出した燃料流体が該入口へ供給される請求項４乃至請求項６の何れかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記弾性体の内周面には、前記２つの流路の内、少なくとも１つの流路に沿って、流路方向に段差を有する凹凸が形成されている請求項４乃至請求項６の何れかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波域の屈曲振動によって流体を移送する流体移送装置、並びに該流体移送装置を用いて膜・電極接合体に燃料流体及び酸化用流体を供給する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機等の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においては、空気や酸素などの酸化用ガスを空気極に供給し、メタノールなどの燃料を燃料極に供給することにより、発電が行なわれる。
燃料電池においては、その付帯設備として、空気極及び燃料極にそれぞれ酸化用流体及び燃料流体を供給するべく、これらの流体を空気極及び燃料極に沿って移送する装置が必要となる。
【０００３】
従来、小型の流体移送装置としては、複数の平板型圧電素子を駆動源としてループ状流路内で冷媒を循環させる圧電ポンプ(特許文献１)が提案されている。
又、燃料電池における流体移送装置として、平板状の振動板に進行波を発生させて、該進行波によって流体を移送するもの(特許文献２)が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４２１７６号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、平板型圧電素子を駆動源として冷媒を循環させる圧電ポンプ(特許文献１)においては、流路を形成するループ状弾性体の側面に沿って圧電素子が配列されると共に、ループ状弾性体の側壁に沿って流路が形成されているため、ループ状弾性体の側壁と流路との接触面積を拡大するべく、該側壁の幅(外周半径と内周半径の差)を増大させると、該側壁の外周側と内周側で振動が伝わる長さに大きな差が生じる。この結果、損失が大きくなり、充分な出力を得るためには、ループ状弾性体の側面に沿って多数の圧電素子を配列せねばならない問題がある。
一方、燃料電池における流体移送装置として、平板状の振動板に進行波を発生させて、該進行波によって流体を移送するもの(特許文献２)においては、振動板に発生した進行波が振動板の端面で反射するので、損失が大きなものとなる問題がある。
そこで本発明の目的は、従来よりも高い効率を得ることが可能な流体移送装置、及び該流体移送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】
【０００６】
本発明に係る第１の流体移送装置は、
ループ状の弾性体と、
該弾性体の外周面或いは内周面にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの加振要素と、
該弾性体の外周面にそのループ方向に沿って形成された少なくとも１つの流路
とを具え、両加振要素を互いに異なる位相で振動させて、該弾性体にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、前記流路内の流体を移送する。
【０００７】
上記本発明の流体移送装置においては、前記２つの加振要素に互いに位相の異なる電圧を印加すると、弾性体には、そのループ方向に進行する屈曲波が発生する(屈曲進行波の発生原理については、「新版超音波モータ」株式会社トリケップス“ＣＤ−ＷＳ１３２”第１５頁〜第２２頁参照)。この様にループ状の弾性体に屈曲進行波を発生させる構成によれば、屈曲進行波が反射することなく弾性体を一方向に循環するので、エネルギー損失が少なく、効率の高い励振が実現される。
又、２つの加振要素はループ状弾性体の外周面或いは内周面に配置されると共に、流路はループ状弾性体の外周面に沿って形成されているので、ループ状弾性体と流路との接触面積を拡大するべく、ループ状弾性体の幅を増大させたとしても、該ループ状弾性体の厚さ(肉厚)は最小限に抑えることが出来るので、該ループ状弾性体の外周側と内周側で振動の伝わる長さに大きな差は生じない。この結果、効率的に振動が伝わり、２つの加振要素を設置した簡易な構成で、充分な出力を得ることが出来る。
【０００８】
本発明に係る第２の流体移送装置は、
ループ状の弾性体と、
該弾性体の外周面にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの加振要素と、
該弾性体によって包囲された内側領域を、該弾性体が描くループと交差する隔壁により二分して形成され、該弾性体の内周面に沿って形成された２つの流路
とを具え、両加振要素を互いに異なる位相で振動させて、該弾性体にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、前記２つの流路内の流体を移送する。
【０００９】
上記本発明の流体移送装置においては、前記２つの加振要素に互いに位相の異なる電圧を印加すると、弾性体には、そのループ方向に進行する屈曲波が発生する。そして、弾性体の内周面に沿って２つの流路が形成されているので、各流路内の流体が前記屈曲波の進行に伴って移送されることになる。ここで、弾性体を超音波域で振動させれば、振動エネルギーは高い効率で流体の移送エネルギーに変換される。
又、上記本発明の流体移送装置によれば、弾性体に２つの加振要素を設置しただけの簡易な構成で、２つの流路に沿って流体を移送することが出来るので、装置の小型化が可能である。
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に一対の電極を配備して構成される膜・電極接合体と、該膜・電極接合体の一対の電極の内、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する流体移送装置とを具えている。そして、前記流体移送装置は、
ループ状の弾性体と、
該弾性体の外周面にそのループ方向に沿って配置された少なくとも２つの加振要素と、
該弾性体によって包囲された内側領域に、該弾性体が描くループと交差する姿勢で前記膜・電極接合体を設置して、該膜・電極接合体により該内側領域を二分することにより形成され、該弾性体の内周面に沿って形成された２つの流路
とを具え、両加振要素を互いに異なる位相で振動させて、該弾性体にそのループ方向に進行する屈曲波を発生させることにより、一方の流路に沿って前記燃料流体を移送すると共に、他方の流路に沿って前記酸化用流体を移送する。
【００１１】
上記本発明の燃料電池においては、前記流体移送装置の２つの加振要素に互いに位相の異なる電圧を印加すると、弾性体には、そのループ方向に進行する屈曲波が発生する。そして、弾性体の内周面に沿って２つの流路が形成されているので、各流路内の流体が前記屈曲波の進行に伴って移送されることになる。ここで、２つの流路は、膜・電極接合体の２つの電極の表面に沿って伸びているので、一方の電極(燃料極)には燃料流体が供給されると共に、他方の電極(空気極)には酸化用流体が供給される。
【００１２】
又、２つの流路の内、一方の電極(燃料極)側の流路で生じた二酸化炭素ガスが下流側へ押し流されると共に、他方の電極(空気極)側の流路で生成された水が下流側へ押し流される。
上記本発明の燃料電池によれば、流体移送装置がループ状の弾性体に２つの加振要素を設置しただけの簡易な構成を有しているので、燃料電池全体の小型化が可能である。
【００１３】
具体的構成において、前記弾性体は、互いに平行な２つの平板部と、両平板部の対応する両端を互いに連結する２つの円弧部とから構成され、該２つの平板部と平行に前記膜・電極接合体が設置されており、該２つの円弧部にはそれぞれ、前記２つの流路の入口或いは出口となる１つ以上の孔が開設されている。
前記孔としては、前記円弧部の円弧線に沿って伸びるスリット孔を採用することが好適である。
【００１４】
該具体的構成によれば、弾性体が扁平な形状を有しているので、流体移送装置の薄型化が可能であり、然も、２つの平板部に沿って２つの流路が形成されているので、該平板部に生じる進行屈曲波のエネルギーが効率的に流路内の流体に伝達され、効果的に流体が移送されることになる。
又、２つの流路の入口及び出口をそれぞれ１つ以上のスリット孔によって形成すれば、弾性体を進行する屈曲波がスリット孔の一方の開口縁で大きく反射されることはなく、この結果、屈曲進行波の効率的な励振が実現される。
【００１５】
更に具体的な構成において、前記弾性体は、互いに間隔をおいて平行に配列された複数のループ状弾性体片と、これらのループ状弾性体片を互いに連結する１つ以上の連結片とから構成され、該連結片に前記孔が開設されている。
該具体的構成によれば、連結片の材料として、弾性体片(例えばアルミニウム製)よりも十分に弾性係数の小さな弾性材料(例えば耐アルコール性ゴム)を採用すれば、各弾性体片を進行する屈曲波が弾性体片により大きく反射されることはなく、この結果、屈曲進行波の効率的な励振が実現される。
【００１６】
又、具体的な構成において、前記２つの流路の内、燃料流体を移送する流路の入口には、燃料供給タンクが接続されると共に、前記酸化用流体を移送する流路の出口には、生成水回収タンクが接続されている。
該具体的構成によれば、燃料供給タンクから、膜・電極接合体の一方の電極(燃料極)側の流路へ燃料流体が供給される。又、膜・電極接合体の他方の電極(空気極)側の流路内で生成されて弾性体に付着した水は、弾性体に生じる屈曲進行波によって押し進められ、最終的に生成水回収タンク内へ回収される。
【００１７】
更に又、具体的な構成においては、前記２つの流路の内、燃料流体を移送する流路の入口と出口は循環流路によって互いに連結されており、該出口から流出した燃料流体が該入口へ供給される。
該具体的構成によれば、燃料流体が循環することによって、膜・電極接合体の燃料極を通過した燃料流体の再利用が図られ、燃料の供給が十分に行なわれる。
【００１８】
更に他の具体的な構成において、前記弾性体の内周面には、前記２つの流路の内、少なくとも１つの流路に沿って、流路方向に段差を有する凹凸が形成されている。
該具体的構成によれば、弾性体に屈曲波が生じることにより、凹凸面の凸部が高い振動速度となるため、流路内を流れる流体が該凸部から推進力を受けて、流速が増大する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る流体移送装置によれば、従来よりも高い効率で流体を移送することが出来る。従って、該流体移送装置を具えた本発明の燃料電池を電子機器の電源として採用することにより、高い発電効率を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る流体移送装置と燃料電池の各種実施形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
【００２１】
［１］第１の流体移送装置
本発明に係る第１の流体移送装置は、図１及び図２に示す如く、ループ状のループ状弾性体(１)と、該ループ状弾性体(１)の上面にループ方向へ所定の間隔をおいて配置された２つの帯板状の圧電素子(３)(３)と、ループ状弾性体(１)の下面に沿って配置された流路壁(２)とを具えている。
【００２２】
ループ状弾性体(１)は例えばアルミニウム製であって、互いに平行な２つの平板部(11)(11)と、両平板部(11)(11)の対応する両端を互いに連結する２つの円弧部(12)(12)とから構成され、厚さ方向に扁平な形状を有している。そして、前記２つの圧電素子(３)(３)は一方の平板部(11)の表面に設置され、前記流路壁(２)の内部には、他方の平板部(11)に沿って伸びる流路(６)が形成されている。
なお、前記ループ状とは継ぎ目がなく連続しているという意味であり、図２のような円弧部（１２）（１２）形状に限定されず、角がある形状も含まれる。
【００２３】
上記流体移送装置においては、２つの圧電素子(３)(３)に対して互いに位相の異なる高周波(超音波域)の電圧を印加すると、ループ状弾性体(１)には、そのループ方向に進行する屈曲波Ｗが発生することになる。
ここで、弾性体(１)のヤング率をＥ、密度をρ、共振周波数をｆ、板厚をｄとすると、屈曲進行波の波長λは次の数式１によって算出することが出来る。
【００２４】
(数式１)
λ＝（√π／４√３）・√（Ｃｄ／ｆ）
Ｃ＝√（Ｅ／ρ）
【００２５】
そして、ループ状弾性体(１)のループ長さをＬとすると、屈曲進行波をループ状弾性体(１)のループに沿って循環させるためには、Ｌ＞２λの関係が成立する必要があり、高い効率で屈曲進行波を発生させるためには、ループ状弾性体(１)のループに沿う方向の圧電素子(３)の幅ｂがλ／２であり、圧電素子(３)の厚さｔを出来るだけ弾性体(１)の板厚ｄに近づけることが望ましい。
尚、一方の圧電素子によって発生する屈曲振動波と他方の圧電素子によって発生する屈曲振動波は、ωを角速度、ｋを波数、φを位相差角、ｘを屈曲振動波の進行方向軸の座標、ａを２つの圧電素子の中心間距離として、それぞれ次の数式２及び３によって表わすことが出来る。
(数式２)      Ａsin(ωｔ−ｋｘ)＋Ａsin(ωｔ＋ｋｘ)
(数式３)      Ｂsin(ωｔ−ｋ(ｘ＋ａ)＋φ)＋Ｂsin(ωｔ＋ｋ(ｘ＋ａ)＋φ)
ここで、ループ状弾性体に屈曲進行波のみを発生させるための条件は、ｎを奇数(ｎ＝±１，±３，・・・)、ｍを偶数(ｍ＝０，±２，±４，・・・)として、下記数式４で表わされる(「新版超音波モータ」株式会社トリケップス“ＣＤ−ＷＳ１３２”第１７頁〜第１９頁参照)。
(数式４)
ａ＝λ(ｎ−ｍ)／４
φ＝π(ｎ＋ｍ)／２    (ｎ≠ｍ)
Ａ＝Ｂ
【００２６】
ループ状弾性体(１)に屈曲波が発生すると、該屈曲波は図２に示すループ状弾性体(１)の上側の平板部(11)から右側の円弧部(12)を経て下側の平板部(11)へ進行し、更に左側の円弧部(12)を経て上側の平板部(11)に戻る。そして、下側の平板部(11)を進行する屈曲波によって、該平板部(11)に接する流路(６)内の流体が、流路壁(２)の入口(21)から出口(22)へ向かって移送されることになる。
【００２７】
上記流体移送装置においては、ループ状弾性体(１)が扁平な形状を有し、該ループ状弾性体(１)の表面に２つの帯板状の圧電素子(３)(３)を設置しただけの簡易な構成で、流路(６)に沿って流体を移送することが出来るので、装置の薄型化を実現することが出来る。
又、ループ状弾性体(１)のループに沿って屈曲進行波が循環し、然もループ状弾性体(１)の外周側と内周側で振動の伝わる長さに大きな差は生じないので、極めて少ないエネルギー損失で屈曲進行波が励振され、その結果、従来よりも高い効率で流体を移送することが出来る。
【００２８】
［２］第２の流体移送装置
本発明に係る第２の流体移送装置は、図３及び図４に示す如く、ループ状のループ状弾性体(１)と、該ループ状弾性体(１)の上面にループ方向へ所定の間隔をおいて配置された２つの帯板状の圧電素子(３)(３)と、ループ状弾性体(１)の下面に沿って配置された流路壁(５)と、ループ状弾性体(１)の両側の開口を塞ぐ一対の側壁(50)(50)とを具えている。
【００２９】
ループ状弾性体(１)は例えばアルミニウム製であって、互いに平行な２つの平板部(11)(11)と、両平板部(11)(11)の対応する両端を互いに連結する２つの円弧部(12)(12)とから構成され、厚さ方向に扁平な形状を有している。そして、前記２つの圧電素子(３)(３)は上側の平板部(11)の表面に設置されている。
又、ループ状弾性体(１)によって包囲された内部領域には、両平板部(11)(11)と平行に拡がる隔壁(４)が設置されて、該内部領域が上下に二分されており、隔壁(４)の下方に液体流路(61)が、隔壁(４)の上方に気体流路(62)が形成されている。
なお、前記ループ状とは継ぎ目がなく連続しているという意味であり、図４のような円弧部（１２）（１２）形状に限定されず、角がある形状も含まれる。
【００３０】
ループ状弾性体(１)の左側の円弧部(12)には、円弧線に沿って伸びる複数のスリット孔(13)が開設されると共に、右側の円弧部(12)には、円弧線に沿って伸びる複数のスリット孔(14)が開設されている。
そして、図４に示す如く液体流路(61)と交差する下半のスリット孔(14b)(13b)がそれぞれ流路壁(５)の入口(51)と出口(52)に連通し、液体流路(61)への液体の流入口と液体流路(61)からの液体の流出口を形成している。又、気体流路(62)と交差する上半のスリット孔(13a)(14a)がそれぞれ気体流路(62)への気体の流入口と気体流路(62)からの気体の流出口を形成している。
【００３１】
上記流体移送装置においては、２つの圧電素子(３)(３)に対して互いに位相の異なる高周波(超音波域)の電圧を印加すると、ループ状弾性体(１)には、そのループ方向に進行する屈曲波Ｗが発生することになる。
尚、屈曲進行波をループ状弾性体(１)のループに沿って循環させるための条件は上記第１の流体移送装置と同様である。
【００３２】
ループ状弾性体(１)に屈曲波が発生すると、該屈曲波は図４に示すループ状弾性体(１)の上側の平板部(11)から右側の円弧部(12)を経て下側の平板部(11)へ進行し、更に左側の円弧部(12)を経て上側の平板部(11)に戻る。
そして、下側の平板部(11)を進行する屈曲波によって、該平板部(11)に接する液体流路(61)内の液体が、流路壁(５)の入口(51)から出口(52)へ向かって移送されることになる。この過程で、液体は、右側のスリット孔(14b)を通過して液体流路(61)の内部へ流入した後、左側のスリット孔(13b)を通過して液体流路(61)の外部へ流出する。
又、上側の平板部(11)を進行する屈曲波によって、該平板部(11)に接する気体流路(62)内の気体が移送され、左側のスリット孔(13a)から気体流路(62)の内部へ流入した気体が右側のスリット孔(14a)から気体流路(62)の外部へ流出する。
【００３３】
上記流体移送装置においては、扁平なループ状弾性体(１)の内側に液体流路(61)と気体流路(62)が形成され、該ループ状弾性体(１)の表面に２つの帯板状の圧電素子(３)(３)が設置されているので、装置全体の薄型化を実現することが出来る。
又、燃料流体及び空気の流入口及び流出口がそれぞれ、ループ状弾性体(１)の円弧部(12)の円弧線に沿って長いスリット孔(13)(14)により形成されているので、ループ状弾性体(１)を屈曲波が進行する過程で、屈曲波の一部がスリット孔(13)(14)の一方の開口縁で反射されるものの、その反射は軽微であり、反射に伴うエネルギー損失は僅かなものとなる。そして、ループ状弾性体(１)のループに沿って屈曲進行波が循環するので、従来よりも高い効率で流体を移送することが出来る。
【００３４】
［３］燃料電池
本発明に係る燃料電池(８)は、電解質膜の両側に燃料極及び空気極を配備して構成される膜・電極接合体(ＭＥＡ)に対し、燃料極には燃料流体(例えばメタノール)を供給すると共に他方の電極には空気を供給するための流体移送装置を具えている。該流体移送装置は、図５及び図６に示す如く、扁平なループ状弾性体(１)と、該ループ状弾性体(１)の上面にループ方向へ所定の間隔をおいて前後２列に配置された複数の圧電素子(３)〜(３)と、ループ状弾性体(１)の両側の開口を塞ぐ一対の側壁(50)(50)と、燃料供給タンク(53)とを具えている。
【００３５】
ループ状弾性体(１)は、図５及び図７に示す如く、互いに間隔をおいて平行に配列された複数のループ状弾性体片(15)と、隣接するループ状弾性体片(15)(15)どうしを互いに連結する複数の連結片(16)とから構成され、複数のループ状弾性体片(15)によって、互いに平行に伸びる上下２つの平板部(11)(11)と、両平板部(11)(11)の対応する両端を互いに連結する２つの円弧部(12)(12)とが形成されている。前記連結片(16)は帯板状であって、各ループ状弾性体片(15)の上方の平板部(11)に沿って伸びる連結片(16)と、下方の平板部(11)に沿って伸びる連結片(16)とが、一対となって、隣接するループ状弾性体片(15)(15)どうしを互いに連結している。
前記複数の圧電素子(３)は、各ループ状弾性体片(15)上に設置されている。
ループ状弾性体片(15)は例えばアルミニウム製であり、連結片(16)は、ループ状弾性体片(15)よりも十分に弾性係数の小さな耐アルコール性ゴムの薄膜から形成されている。
なお、前記ループ状とは継ぎ目がなく連続しているという意味であり、図６のような円弧部（１２）（１２）形状に限定されず、角がある形状も含まれる。
【００３６】
ループ状弾性体(１)の上下一対の連結片(16)(16)は、図５の如く、互いに隣接するループ状弾性体片(15)(15)の円弧部(12)(12)によって挟まれた２つの円弧状領域では欠落しており、該２つの円弧状領域によって、前記第２の流体移送装置と同様の細長いスリット孔(13)(14)が形成されている。
【００３７】
図６の如く、ループ状弾性体(１)の内部には、上下の平板部(11)(11)と平行に、ＭＥＡ(７)が設置されて、その両端部が支持部材(71)によってループ状弾性体片(15)に支持されており、これによってループ状弾性体(１)の内部領域が上下に二分され、ＭＥＡ(７)の下方に液体流路(61)が形成されると共に、ＭＥＡ(７)の上方に気体流路(62)が形成されている。
支持部材(71)は、その材料として、ループ状弾性体片(15)よりも十分に弾性係数の小さな、例えば耐アルコール性ゴムが採用されており、ＭＥＡ(７)の厚さと同等若しくはより小さな厚さに形成されている。耐アルコール性ゴムとしては、クロロプレンゴムやクロロスルフォン化ポリエチレン等が知られている。
又、耐アルコール性ゴム以外に、耐アルコール性プラスチックを採用することも可能である。耐アルコール性プラスチックとしては、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)等が知られている。
【００３８】
そして、液体流路(61)と交差する下半のスリット孔(14b)が、燃料供給タンク(53)から液体流路(61)への燃料流体の流入口を形成している。又、気体流路(62)と交差する上半のスリット孔(13a)(14a)がそれぞれ、気体流路(62)への空気の流入口と気体流路(62)からの空気の流出口を形成している。
【００３９】
上記燃料電池においては、ループ状弾性体(１)の各ループ状弾性体片(15)に配置されている２つの圧電素子(３)(３)に対して互いに位相の異なる電圧を印加すると、各ループ状弾性体片(15)には、そのループ方向に進行する屈曲波が発生する。該屈曲波は、図６に示すループ状弾性体片(15)の上側の平板部(11)から右側の円弧部(12)を経て下側の平板部(11)へ進行し、更に左側の円弧部(12)を経て上側の平板部(11)に戻る。
【００４０】
ここで、ＭＥＡ(７)を支持する支持部材(71)として弾性係数の小さなゴムが採用されているため、ループ状弾性体(１)に生じた屈曲進行波の減衰が抑制される。
又、ループ状弾性体片(15)を進行する屈曲進行波の一部が連結片(16)に衝突して反射するものの、連結片(16)が弾性係数の小さなゴムから形成されているため、その反射は軽微であり、反射に伴うエネルギー損失は僅かなものとなる。
更に又、ループ状弾性体(１)には、気体流路(62)と接する平板部(11)に圧電素子(３)が設置されているので、液体流路(61)と接する平板部(11)では、燃料液体と接触することによる屈曲波の減衰が抑制される。
【００４１】
そして、下側の平板部(11)を進行する屈曲波によって、該平板部(11)に接する液体流路(61)内の液体が右側から左側へ向かって移送されることになる。これに伴って、燃料供給タンク(53)内の燃料流体が右側のスリット孔(14b)を通過して液体流路(61)の内部へ流入する。
又、上側の平板部(11)を進行する屈曲波によって、該平板部(11)に接する気体流路(62)内の空気が移送され、図８の如く左側のスリット孔(13a)から気体流路(62)の内部へ流入した空気が、右側のスリット孔(14a)から気体流路(62)の外部へ流出する。そして、燃料流体が液体流路(61)内を流れる過程で、ＭＥＡ(７)の燃料極へ燃料が供給されると共に、空気が気体流路(62)内を流れる過程で、ＭＥＡ(７)の空気極へ酸素が供給される。
【００４２】
この結果、ＭＥＡ(７)が発電することになる。ここで、液体流路(61)内で生じた二酸化炭素ガスや気体流路(62)内で生成された水は、液体流路(61)や気体流路(62)を流れる流体によって下流側へ押し流され、除去されるので、ＭＥＡ(７)には高い発電効率が得られる。
【００４３】
尚、図１３に示す様に、ループ状弾性体(１)の上下２つの平板部(11)(11)の内面にそれぞれ、微細な凹凸からなる凹凸面(17)を形成すれば、ループ状弾性体(１)に屈曲波Ｗが生じることにより、凹凸面(17)の凸部が高い振動速度となるため、液体流路(61)及び気体流路(62)を流れる流体が該凸部から推進力を受けて、流速が増大する。
又、ループ状弾性体(１)の何れか一方の平板部(11)の内面にのみ凹凸面(17)を形成することも可能である。
【００４４】
図９及び図１０に示す燃料電池(８)は、ループ状弾性体(１)に燃料供給タンク(53)、生成水回収タンク(55)、及び燃料回収タンク(54)を連結したものであって、燃料供給タンク(53)は、液体流路(61)の入口となる複数の下半スリット孔(14b)に接続され、燃料回収タンク(54)は、液体流路(61)の出口となる複数の下半スリット孔(13b)に接続され、生成水回収タンク(55)は、気体流路(62)の出口となる複数の上半スリット孔(14a)に接続されている。
その他の構成は、図５に示す燃料電池と同様である。
【００４５】
図９及び図１０に示す燃料電池(８)によれば、燃料供給タンク(53)から液体流路(61)へ燃料流体が供給されると共に、液体流路(61)を通過した燃料流体が燃料回収タンク(54)によって回収される。
又、図１４に示す如く、液体流路(61)内で生じた二酸化炭素ガスが、燃料Ｆの流れに乗って下流側へ押し流されると共に、気体流路(62)内で生成されて平板部(11)に付着した水は、平板部(11)に生じる進行波によって押し進められ、最終的に生成水回収タンク(55)内へ回収されることになる。
【００４６】
図１１及び図１２に示す燃料電池(８)においては、液体流路(61)の入口となる複数の下半スリット孔(14b)と液体流路(61)の出口となる複数の下半スリット孔(13b)とが、循環流路壁(56)によって互いに連結されており、液体流路(61)から下半スリット孔(14b)を経て流出した燃料流体が、循環流路壁(56)内の循環流路を通過し、下半スリット孔(13b)を経て液体流路(61)に戻る様に構成されている。
ここで、循環流路壁(56)は、ループ状弾性体(１)上の２つの圧電素子(３)(３)を包囲する様に形成されており、該循環流路壁(56)の側部には燃料注入口(58)が設けられている。
【００４７】
図１１及び図１２に示す燃料電池(８)によれば、ＭＥＡ(７)と反応することなく液体流路(61)を通過した燃料流体が再び液体流路(61)へ循環されて、燃料流体の再利用が図られる。ここで、空気は、図１１に示す様にループ状弾性体(１)と循環流路壁(56)の間に形成されている空間を利用して、燃料電池(８)の側面から流入及び流出が行なわれる。
該燃料電池(８)によれば、２つの圧電素子(３)(３)が循環流路壁(56)によって覆われているので、圧電素子(３)(３)を外力の作用から保護することが出来る。又、循環流路壁(56)の形状によって燃料電池(８)全体の外形が決まるので、例えば燃料電池(８)全体を直方体状に形成することにより、電気機器等に組み込む際のスペースの有効活用を図ることが出来る。
【００４８】
尚、循環流路壁(56)は、図１９の如く圧電素子(３)(３)を包囲することなく、ループ状弾性体(１)の下側に形成することも可能であり、これによって空気の流入、流出がスムーズとなり、空気流量の増大を図ることが出来る。
【００４９】
図１５は、ループ状弾性体(１)を構成する上下２つの平板部(11a)(11b)の板厚に差を設けた例を示しており、図示の如く気体流路(62)と接する上方の平板部(11a)の板厚よりも液体流路(61)と接する下方の平板部(11b)の板厚を大きく形成している。これによって、上方の平板部(11a)に発生する屈曲波Ｗ１の振幅が下方の平板部(11b)に発生する屈曲波Ｗ２の振幅よりも大きくなる。
空気は、粘度が低く、屈曲波の影響を燃料流体よりも受け難いが、振幅の大きな屈曲波Ｗ１によって充分な推進力を受ける。一方、燃料流体は、粘度が高く、屈曲波の影響を受け易いため、振幅の小さな屈曲波Ｗ２によっても充分な推進力を受ける。この結果、空気及び燃料流体について必要な供給量を確保することが出来る。
尚、上方の平板部(11a)と下方の平板部(11b)の弾性係数に差を与える構成によっても、同様の流量調整が可能である。
【００５０】
図１６は、本発明に係る燃料電池(８)を動作させるための回路構成を示しており、燃料電池(８)に配備されている圧電素子(３)には、駆動回路(82)から駆動電圧が供給される。又、ＭＥＡ(７)から得られる電流Ｉの値が制御回路(81)へ供給され、該制御回路(81)によって駆動回路(82)が制御される。
ここで、圧電素子(３)を駆動する電圧値を上げれば、空気及び燃料の供給量を増大させることが出来、圧電素子(３)を駆動する電圧値を下げれば、空気及び燃料の供給量を減少させることが出来る。
【００５１】
更に具体的には、ループ状弾性体(１)に生成水が付着することによって、図１７(ａ)に示す如く周波数−アドミッタンス特性がシフトするため、図１７(ｂ)に示す共振周波数にて圧電素子を駆動する様、追従制御を行なって、周波数を調整する。この様な追従制御は、例えば周波数−電流特性のピーク点を求める種々の探索法、例えば山登り法を用いて実施することが出来る。
これによって、ＭＥＡ(７)の発電効率が向上することになる。
【００５２】
又、ＭＥＡ(７)に対する空気の供給量と燃料流体の供給量が充分であるかどうかに応じて、空気供給量と燃料供給量のバランスを変化させることが可能である。
空気の供給量が充分であるかどうかは、酸素濃度を測定することによって判断することが出来る。酸素濃度の測定は、酸素濃度と音速の間に一定の関係が存在することを利用して行なうことが出来、液体流路中を通過する超音波の速度を計測し、その計測結果から酸素濃度を算出する。又、燃料流体の供給量が充分であるかどうかは、メタノール濃度を測定することによって判断することが出来る。メタノール濃度の測定は、メタノール濃度と音速の間に一定の関係が存在することを利用して行なうことが出来、例えば気体流路中を通過する超音波の速度を計測し、その計測結果からメタノール濃度を算出する。その他、燃料流体の比重、赤外線吸収量、或いは屈折率からメタノール濃度を測定することも可能である。
【００５３】
弾性体(１)は複数の共振周波数を有しており、空気は粘度が低いために、高い周波数での駆動によって効率的に移送を行なうことが出来、燃料流体は粘度が高いために、低い周波数での駆動によって効率的に移送を行なうことが出来る。
そこで、図１８(ａ)(ｂ)の如く低い共振周波数ｆ１による駆動と高い共振周波数ｆ２による駆動を交互に切り替える駆動方式において、燃料供給量を増大させたい場合は、図１８(ａ)の如く低い共振周波数ｆ１による駆動時間を長く、高い共振周波数ｆ２による駆動時間を短く設定する。これに対し、空気供給量を増大させたい場合は、図１８(ｂ)の如く低い共振周波数ｆ１による駆動時間を短く、高い共振周波数ｆ２による駆動時間を長く設定する。
【００５４】
上記の燃料電池(８)によれば、流体移送装置を構成するループ状弾性体(１)が扁平な形状を有しており、該ループ状弾性体(１)の内部に液体流路(61)と気体流路(62)を形成しているので、流体移送装置の小型化、薄型化が可能であり、これによって燃料電池(８)の小型化、薄型化が実現される。
又、ループ状弾性体(１)に生じる屈曲進行波がループ状弾性体(１)を循環して、効率的な励振が行なわれるため、高いエネルギー効率で屈曲進行波を発生させて、充分な推進力によって流体の移送を行なうことが出来る。
従って、本発明に係る燃料電池(８)は小型の電子機器の電源として好適である。
【００５５】
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、上述の流体移送装置或いは燃料電池のある１つの実施例で採用されている構成は、他の実施例でも採用することが可能である。なお、ＭＥＡの燃料極に供給すべき燃料としては、メタノールに限らず、エタノールを採用することも可能である。又、ＭＥＡの燃料極に供給すべき燃料として、直接メタノールを供給する燃料電池を例示したが、燃料として水素ないし水素を主成分とする燃料を供給する燃料電池（固体高分子形燃料電池、固体電解質形燃料電池など）にも同様に適用し、同等の効果を発揮し得るものである。
前記の弾性体（１）は、金属体、または耐酸性を有すフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂、または金属体とそれら耐酸性を有すフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂などから構成されてもよい。または、単結晶セラミックス、多結晶セラミックス、ガラスセラミックス、非晶質セラミックスなどから構成されてもよい。共振周波数等に応じて弾性体（１）の材質はこれらの物質から選択される事ができ、これらの物質を用いる事で共振周波数等の選択の幅を広げる事ができる。
ループ状弾性体（１）は、図２、図４、図６などにおいて、金属体とその表面を樹脂が覆う構造、例えば、図２０（ａ）に示される流体移送装置の縦断面図の例の様に、金属体（平板部（11）と円弧部（12））とその表面を覆う樹脂の層（樹脂膜（18））とから構成されていてもよい。なお、同図（ｂ）は同図（ａ）の流体移送装置の破線囲み部分ＡＡにおける横断面図であるが、同図（ｂ）の断面において、樹脂が占有する断面積が金属の層の断面積に対して１／１００〜１／１０である。この構成により、ＭＥＡの燃料極に供給すべき燃料であるアルコールによって金属体が腐食される可能性があるところ、樹脂の層が表面を覆う事でその腐食を回避することができる。因みに、樹脂が占有する断面積が金属の層の断面積に対して厚すぎると二つの層を伝播する進行波が相殺しあう可能性が高まり、また薄すぎると金属体がアルコールによって腐食される可能性が増加する。
本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る第１の流体移送装置の斜視図である。
【図２】該流体移送装置の縦断面図である。
【図３】本発明に係る第２の流体移送装置の斜視図である。
【図４】該流体移送装置の縦断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の斜視図である。
【図６】該燃料電池の縦断面図である。
【図７】図５のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。
【図８】図６のＴ−Ｔ線に沿う断面図である。
【図９】本発明に係る燃料電池の他の実施例を示す斜視図である。
【図１０】該実施例の縦断面図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池の他の実施例を示す斜視図である。
【図１２】該実施例の縦断面図である。
【図１３】ループ状弾性体に凹凸を形成した実施例の要部を示す断面図である。
【図１４】生成水回収タンクを設置した実施例の要部を示す断面図である。
【図１５】本発明に係る燃料電池の更に他の実施例を示す断面図である。
【図１６】本発明に係る燃料電池を駆動するための回路構成を示すブロック図である。
【図１７】生成水の付着に対応した駆動制御方式を説明するグラフである。
【図１８】空気供給量と燃料供給量のバランスを変えるための駆動方式を説明するグラフである。
【図１９】本発明に係る燃料電池の更に他の実施例を示す縦断面図である。
【図２０】該流体移送装置の縦断面図および横断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
(１)  ループ状弾性体
(11)  平板部
(12)  円弧部
(13)  スリット孔
(14)  スリット孔
(15)  ループ状弾性体片
(16)  連結片
(17)  凹凸面
(18)  樹脂膜
(２)  流路壁
(３)  圧電素子
(５)  流路壁
(50)  側壁
(53)  燃料供給タンク
(54)  燃料回収タンク
(55)  生成水回収タンク
(56)  循環流路壁
(６)  流路
(61)  液体流路
(62)  気体流路
(７)  ＭＥＡ
(８)  燃料電池
【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】
2009117344.tif 000018
【図１７】
2009117344.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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