JP2005317515A - バルブおよびそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造を単純にすることにより小型化を容易にし、腐食性のある流体を流しても劣化しにくいバルブおよびそれを用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】 流体の導入口１および導出口２と、前記導入口および導出口を結ぶ流体流路２９と、前記流体流路中に設けられた弁体４を有するバルブであって、前記流体流路２９の内部と外部とを隔てて配置され、前記流体流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形するダイアフラム３と、前記ダイアフラム３に設けられたアクチュエータ７を有し、前記ダイアフラム３はバルブ軸５を介して弁体４と連結し、前記ダイアフラム３とアクチュエータ７の少なくとも一方の動作により弁体４が変位して開閉するバルブおよびそれを用いた燃料電池。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バルブとそれを用いた燃料電池に関するものであり、特に圧力制御機構を備えたオン・オフバルブとそれを用いた燃料電池に関するものである。

近年、環境破壊が問題となり有害な廃棄物の出ないクリーンなエネルギーが求められている。また、化石燃料の枯渇が問題となり新しいエネルギー源が求められている。一方エレクトロニクス分野では、情報量が増大しこれに伴って情報処理能力が飛躍的に拡大し電子機器の消費電力は増大する傾向にある。

そこで、地球上に無尽蔵にある水に含まれ、化学エネルギーが大きく有害な物質を排出しない水素がエネルギー源として注目されている。特に直接電気エネルギーを取り出す燃料電池は、水素の利用効率も良く大きな電力をとり出せ、自動車用からノートパソコン、携帯電話、ビデオカメラなどの携帯電子機器への応用が進められている。

水素から電気エネルギーを取り出す上記燃料電池は、水素が供給される水素電極と酸素が供給される酸化電極を有し、水素電極で触媒反応により水素を電子とプロトンに分離しプロトンは電解質膜を通過して酸化電極の到達し触媒反応により酸素と反応し水が生成するものであり、この過程で電子の流れすなわち電力が生成されるものである。

従来の電池とは異なり燃料電池においては、充電の必要はなく燃料を使い切った後には燃料を補充するだけですぐに発電が可能であり長時間の機器使用に便利である。
上記燃料電池のうち、特にポータブル電気機器搭載用の小型燃料電池に注目した場合、このタイプの燃料電池は、リチウム二次電池等の従来の電池に比べ、体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が数倍から十倍近くあることから、電気機器をより長時間連続動作することができる。その為小型燃料電池の分野は実用化への研究・開発が精力的に進められている分野である。

上記小型燃料電池としては、燃料としてメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と、水素を直接燃料として用いる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が開発・試作されている。前者のＤＭＦＣには、燃料のメタノールが高分子電解質膜を透過して酸化剤極側で酸素と直接反応してしまうクロスオーバー現象や、反応で生成する一酸化炭素が電極触媒を被毒してしまうという問題があり、ＰＥＦＣに比べ小さな出力密度のものしか得られていない。一方、後者のＰＥＦＣは、より高出力の電力を発生でき、水以外の副生成物の発生が無いという利点を有するものの、気体の水素ガスを扱うため、携帯機器用等の小型燃料電池に用いるには、その取り扱い技術が重要である。

水素を直接燃料として用いるＰＥＦＣでは、水素貯蔵手段として、体積ベースでの吸蔵量が大きい水素吸蔵合金が適しているが、例えば吸蔵合金にＬａＮｉ₅ を用いた場合、室温付近での水素タンク内の圧力は０．３〜０．４ＭＰａ程度となるため、差圧による電解質膜の破断を防ぐために燃料電池内に水素を送る際に酸素極側の圧力すなわち大気圧程度まで減圧させることが必要となる。また、上記小型燃料電池には、長時間燃料電池を使用していない場合など、水素極側に空気が入りこんでしまい出力が低下してしまった場合に水素極側を純粋な水素ガスに新たにパージする機構を設けることが必要となる。

更に、上記燃料電池以外にも一般に、流体（気体のみならず液体も含む）の流れを制御する系では、流路に圧力制御機構と電磁弁のような流路を開閉するためのオン・オフバルブの両方を設けることが必要な場合が存在するが、この場合、圧力を制御する部分とバルブを開閉する部分は別々に備えなければならず、流路をコンパクトな設計にするには限界があった。

一方、バルブを小型化することは、上記小型燃料電池ではもちろん重要であるが、それ以外にも、産業の発展に大きく寄与すると考えられているマイクロリアクターなど、微小空間に流路を設ける場合にとって必要不可欠である。バルブを小型化するにあたっては、決められたスペース内でコンパクトな流路を作製することが特に重要となる。

このような問題を解決する技術として、特許文献１には、図１３に示すように、電磁弁を制御する為の付勢力の強いスプリング１１３と、弁上流側と弁下流側の圧力差のみでバルブが動く付勢力の弱いスプリング１１７の二つを用いて、圧力制御とオン・オフバルブの両方の機能を持ち、非通電時における流体通路の圧力差によるチェック弁の開弁によって圧力差を制御することができるようにした電磁弁が開示されている。

また、マイクロバルブとして、オン・オフバルブについては、特許文献２、３および４などに開示されている。
特開平０５−１４１５６５号公報 特開平１−２１３５２３５号公報 特開２００１−３０４４４０号公報 米国特許第５３２５８８０号明細書

しかしながら、上記のような特許文献１の従来の技術では弾性体にスプリングを用いたり、アクチュエータがバルブの内部に存在していたりする為、構造が複雑になり小型化をするには困難な構造であり、更に、この構造であると、スプリング１１７が流体に直接触れるために、腐食性のある流体を用いる場合にはスプリングが劣化する恐れがあった。

また、特許文献２〜４には、マイクロバルブとして、オン・オフバルブについてはそれぞれ開示されているが、圧力制御機構に関する開示はない。これらオン・オフバルブと圧力制御機構の２つを流路中に個別に配置すると流路全体の大きさが大きくなってしまい、小型化に限界があった。

そこで本発明は、構造を単純にすることにより小型化を容易にし、かつ腐食性のある流体を流しても劣化しにくいような圧力制御機構を備えたバルブおよびそれを用いた燃料電池を提供しようとするものである。

すなわち、本発明は、流体の導入口および導出口と、前記導入口および導出口を結ぶ流体流路と、前記流体流路中に設けられた弁体を有するバルブであって、前記流体流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記流体流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられたアクチュエータを有し、前記ダイアフラムはバルブ軸を介して弁体と連結し、前記ダイアフラムとアクチュエータの少なくとも一方の動作により弁体が変位して開閉することを特徴とするバルブを提供する。

ここで、前記アクチュエータは前記ダイアフラムの流体流路の外部側に設けられていることが好ましい。
また、前記アクチュエータは、圧電素子、形状記憶合金、熱膨張物質、電磁石から選ばれた少なくとも１種からなることが好ましい。

さらに、前記ダイアフラムは、金属、非金属材料および半導体材料から選ばれた少なくとも１種からなることが好ましい。
また、本発明は、水素貯蔵室と、該水素貯蔵室と水素流路で結ばれた水素極室とを有する燃料電池であって、該水素流路中に上記のバルブを有することを特徴とする燃料電池を提供する。その場合、上記バルブにおける流体流路は水素流路となる。

ここで、前記流体流路の外部は大気であることが好ましい。
本発明によれば、アクチュエータはバルブの外側から接しているため、従来から知られているダイアフラム型の圧力制御機構とほぼ同じ構造にでき、そのため構造を単純化することができるため小型化が容易になり、それと同時に、アクチュエータが流体と直接接することがなく、弾性体にダイアフラムを用いているため材料をスプリングに比べ自由に選べることができるため腐食性のある流体を流してもバルブが劣化しづらくなる。

本発明によれば、圧力差のみでバルブの開閉をパッシブに行いながら圧力を制御することと、アクチュエータを用いて強制的にバルブを開くことの両方を一つのバルブで行うことができ、さらに構造を単純にすることにより小型化を容易にし、流体を扱う系の流路をコンパクトにすることができ、かつ腐食性のある流体を流しても劣化しにくいような圧力制御機構を備えたバルブを提供することができる。

また、本発明は、上記のバルブを用いた燃料電池を提供することができる。

本発明のバルブは、流体の導入口と、該流体の導出口と、該導入口と該導出口を結ぶ流体流路と、該流体流路中に設けられた弁体から成るバルブであって、該流体流路の内部と外部とを隔てて配置され、該流体流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形するダイアフラムと、該弁体と該ダイアフラムを連結するバルブ軸とを有し、かつ、該ダイアフラムにはアクチュエータが具備されたことを特徴とする。

また、上記アクチュエータは上記ダイアフラムの上記流体流路の外部側に具備されていることが好ましい。
以下に本発明の好ましい実施形態について述べる。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

図１は、本発明のバルブの一実施形態の断面図、図２にその平面図を示す。これらの図に示されているバルブは、流体の導入口１、流体の導出口２、ダイアフラム３、弁体４、弁体とダイアフラムを直結するバルブ軸５、バルブ軸が通り、流体が通過する軸穴６、ダイアフラムを上下させるためのアクチュエータ７からなっている。ダイアフラム３は外部空間８と空間９に接しており、弁体は空間９と空間１０の間にあり、閉じた状態では流体流路２９をふさぐように取り付けられている。

以下にバルブの開閉動作について説明をする。なお、以下に示す原理は本発明の説明を容易にするためにバルブ軸５及び弁体４の重さは無視している。図１は空間９の圧力が高く、ダイアフラム３が下側に下がらないためバルブが閉まっている状態である。この場合、空間１０の圧力をＰ₁ 〔Ｎ／ｍ² 〕、空間９の圧力をＰ₂ 〔Ｎ／ｍ² 〕、外部空間８の圧力をＰ₃ 〔Ｎ／ｍ² 〕とし、弁体４の面積をＳ₁ 〔ｍ² 〕、空間９側の弁座３０に接していない弁体部分の面積をＳ₂ 〔ｍ² 〕、ダイアフラム部分の面積をＳ₃ 〔ｍ² 〕、バルブ軸の断面積をＳ₄ 〔ｍ² 〕とした場合、下記の式（１）の関係が成り立っている。

図３は空間９の圧力Ｐ₂ が低く、バルブが開いている状態である。ダイアフラム３のバネ定数がｋ〔Ｎ／ｍ〕で、弁体４が図１の状態よりｘ〔ｍ〕だけ下がっている場合を考えると、この場合の力関係は下記の式（２）の関係となる。なお、ここでは、空間９内、軸穴６内の圧力差は小さいので無視しているが、無視できないような圧力差が生じる場合には、別途考慮する必要がある。

図３の状態では、空間１０内の流体が空間９内に送り込まれるが、ある一定時間が経ち、空間９内の圧力が高くなり式（１）の関係に戻るとバルブは閉じられ図１の状態に戻る。

図４は空間９内の圧力が高く、式（１）の関係が成り立っている場合であるが、アクチュエータ７によってアクティブにバルブを開いている状態である。この場合バルブを開くのに必要な力Ｆ〔Ｎ〕は、弁体４をｘ〔ｍ〕だけ図１の状態から下げる場合を考えると、下記の式（３）の関係となる。

なお、ダイアフラム３の材料や厚さ、またはアクチュエータ７の発生力は、圧力Ｐ₁ 、Ｐ_2,、Ｐ₃ の関係やＳ₁ 、Ｓ_2,、Ｓ₃ の関係によって任意に決めることができる。
ダイアフラム３の材料にはステンレス、ベリリウム、ハステロイ、カンタル、真鍮、アルミニウム、リン青銅などの金属、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＮＢＲ、ＥＰＴ、ウレタンゴムなどの非金属材料、シリコンなどの半導体材料のいずれかの材料を用いることができる。

また、アクチュエータ７にはＰＺＴなどの圧電素子、Ｔｉ−Ｎｉ系などの形状記憶合金、熱膨張物質、電磁石等を用いることができる。アクチュエータ７は発生させる力や必要とされる応答速度に応じて選べばよく、備え付ける方法は、発生力が小さくても良い場合はバルブ上に直接薄膜を作製しても良いし、素子が大きくなってしまう場合は接着剤を用いてダイアフラムと接していない部分に接着しても良いし、図５に示すように上からカバー１１を用いて備え付けても良い。また、図１，２のように板状のアクチュエータ７を用いる以外にも、アクチュエータ機構を別に設ける構成にしてもよく、図６に示すようにヒーターなどで熱を加えることによって体積が膨張する液体や固体を熱膨張物質１２として用いたり、図７に示すように、電磁力を用いたりするような構成にしてもよい。このような構成にすれば、バルブ自体の体積は図１の構成に比べ大きなものになってしまうが、アクチュエータ部分の設計がしやすくなり、アクチュエータ７の種類や発生力をより自由に選択することができるようになる。

また、本実施形態においては、空間９から空間１０へのリークを防止する為に弁体４が流路をふさぐ部分に、図８に示すようにバルブまたは流路の少なくとも一方の表面がシリコーンゴム、フッ素ゴム、ＮＢＲ、ＥＰＴ、ウレタンゴムなどの燃料のリークを防止する性質を持つシール材１６をコーティングすることが好ましい。

さらに、バルブの形については、図１に示すような形状とした場合には、バルブの開く大きさが変わっても絞り部での抵抗が変化しないため、流体の流量を段階的に制御することが難しく、流量が多すぎ、頻繁にバルブを閉じなければならなかったり、十分な流量を得ることが難しかったりという問題が生じる場合がある。そこで、バルブが開くに従ってバルブ部分での流路抵抗を小さくする為に、図９に示すように弁体とバルブ軸穴にテーパーを有するような形状にしたり、図１０に示すようにバルブ軸５の径を途中で変化させるような形状にしたりしてもよい。弁体の形は流体の種類や加工のしやすさ等、それぞれの使用形態や加工プロセスによって変えればよい。

以下、本発明のバルブについて、小型燃料電池に適用した場合の具体例により更に詳細に説明するが、本発明は小型燃料電池に限定されるものではない。
以下、本発明のバルブの有効な実施例として、本発明のバルブをポータブル機器等の電気機器に搭載する小型燃料電池に使用した場合を挙げる。図１１は本発明のバルブを燃料電池に用いた場合の一例を示した図である。燃料電池１７は、発電部１９と、水素貯蔵合金を有している水素貯蔵容器２０と、バルブ１８と、排気弁２１からなる。なお、バルブ１８は発電部１９と水素貯蔵容器２０のコネクタ部２５に備え付けられており、排気弁２１は発電部１９に備え付けられている。

バルブ１８は図１２に示すような構成になっており、流路の外部２３は大気であり、流路内部２４を水素ガスが通る構成になっている。またバルブ部分と水素貯蔵容器の間には、水素吸蔵合金の紛体がバルブ１８内に入り込まないようにフィルター２２が設けられている。

以上のような構成にすれば、上記燃料電池１７は、通常運転時には大気と流路内の水素圧力と水素貯蔵容器２０の圧力差で圧力制御を行っているが、水素極室内の不純物ガス濃度が高くなり燃料電池の出力が小さくなった場合にはアクチュエータ７を用いて強制的にバルブを開き、水素貯蔵容器２０内の高圧な水素ガスを発電部１９内の水素極室（不図示）内に送り込み、排気弁２１から不純物ガスを外気へ排気することにより水素極室内を水素ガスでパージすることができる。

以下、上記燃料電池の圧力制御の仕組みについて説明する。図１２に示すようにバルブが閉じている場合は、前述した様な下記の式（１）で表される関係が成り立っており、水素極室内の圧力Ｐ₂ は大気圧程度に保たれている。

しかし、燃料電池１７の発電により水素極室内の水素が消費されて水素極室内の圧力Ｐ₂ が減少するとＳ₁ 、Ｓ₂ 、Ｓ₃ とＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ の関係により、ダイアフラム３に加わる力が弁体の開く方向に大きくなり、前述した様な下記の式（２）に表されるように

の関係が成り立つまでダイアフラム３がｘ〔ｍ〕だけ下がる。その後は再び水素ガスが水素貯蔵容器２０内から水素極室へ流れ込み、式（１）の関係になるまで圧力Ｐ₂ が増加すると再びバルブは閉じられるので水素極室内の圧力を制御することができる。

一方、パージを行う場合の仕組みは、上記した式（３）で表されるように

だけアクチュエータを用いてダイアフラムに力を加え、高圧な水素ガスを水素極室内に送り込こみ排気弁から不純物ガスと水素ガスの混合気体を外気に排出することでパージを行える。なお、この場合アクチュエータを動かす電力は燃料電池の発電エネルギーを用い、直接燃料電池から供給してもよいし、機器側へ供給する電力が不安定になることを防ぐために、予めコンデンサーや二次電池に蓄電しておいた電力を用いても良い。また、排気弁２１は水素極室と大気圧の差圧でパッシブにバルブが開閉するのものが好ましく、燃料電池の電解質に固体高分子膜を用いる場合はその強度から圧力が大気圧に比べ０．０１〜０．０５ＭＰａ程度高くなると弁が開くものが好ましい。

また、燃料電池１７が高温になった場合、水素吸蔵合金の解離圧の上昇から、水素貯蔵容器２０内の圧力Ｐ₁ は高くなる。この場合、燃料電池１７の発電により水素極室内の水素が消費されて水素極室内の圧力Ｐ₂ が減少しても、パッシブにバルブを開くことができずに燃料電池の出力が低下してしまうことがある。しかし、このような場合においても、バルブ１８を用いることにより、出力の低下を検知し、アクチュエータを用いてアクティブにバルブを開くことで、大幅な出力低下による機器の停止を防ぐことができる。

本発明は上述した小型燃料電池に限らず、限られた小さいスペース内に流路を設けなければならないマイクロリアクター等において、一端をデッドエンドにした反応系で流体をパージする必要がある場合に使用すると効果的である。

このように、本発明のバルブは、構造を単純にすることにより小型化を容易にし、かつ腐食性のある流体を流しても劣化しにくいような圧力制御機構を備えたバルブであるので、燃料電池、マイクロリアクター、マイクロタス（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等に利用することができる。

本発明のバルブの一実施形態を示す断面図である。 図１のバルブの平面図である。 本発明のバルブの他の実施形態を示す断面図である。 本発明のバルブの他の実施形態を示す断面図である。 本発明のバルブのアクチュエータをカバーを用いて固定した実施形態を示す断面図である。 本発明のバルブのアクチュエータに熱膨張物質を用いた実施形態を示す断面図である。 本発明のバルブのアクチュエータに電磁力を用いた実施形態を示す断面図である。 本発明のバルブの流路の少なくとも一方の表面をシール材でコーティングした状態を示す説明図である。 本発明のバルブの弁体と軸穴がテーパーを有して接している状態を示す説明図である。 本発明のバルブの弁軸径がテーパーを有して変化する状態を示す説明図である。 本発明の燃料電池の一実施形態を示す断面図である。 本発明のバルブを燃料電池に用いた場合のバルブの説明図である。 従来の圧力制御機構を備えたオン・オフバルブを示す概略図である。

符号の説明

１ 導入口
２ 導出口
３ ダイアフラム
４ 弁体
５ バルブ軸
６ 軸穴
７ アクチュエータ
８ 外部空間
９ 空間
１０ 空間
１１ カバー
１２ 熱膨張物質
１３ 蓋
１４ 棒
１５ コイル
１６ シール材
１７ 燃料電池
１８ 圧力制御機構を備えたオン・オフバルブ
１９ 発電部
２０ 水素貯蔵容器
２１ 排気弁
２２ フィルター
２３ 流路の外部
２４ 流路の内部
２５ コネクタ部
２９ 流体流路
３０ 弁座
１０１ カバー
１０２ ステータ
１０３ ボビン
１０４ コイル
１０５ コネクタ
１０６ ターミナル
１０７ 補助磁極
１０８ ボデー
１０９ 流体通路
１１０ シート部
１１１ 段差部
１１２ プランジャ
１１３ スプリング
１１４ リテーナ
１１５ 開口孔
１１６ バルブ体
１１７ スプリング
１１８ チェック弁
Ａ ポート
Ｂ ポート

Claims (9)

1. 流体の導入口および導出口と、前記導入口および導出口を結ぶ流体流路と、前記流体流路中に設けられた弁体を有するバルブであって、前記流体流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記流体流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられたアクチュエータを有し、前記ダイアフラムはバルブ軸を介して弁体と連結し、前記ダイアフラムとアクチュエータの少なくとも一方の動作により弁体が変位して開閉することを特徴とするバルブ。
2. 前記アクチュエータは前記ダイアフラムの流体流路の外部側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
3. 前記アクチュエータは、圧電素子、形状記憶合金、熱膨張物質、電磁石から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブ。
4. 前記ダイアフラムは、金属、非金属材料および半導体材料から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
5. 水素貯蔵室と、該水素貯蔵室と水素流路で結ばれた水素極室とを有する燃料電池であって、該水素流路中に、水素の導入口および導出口と、前記導入口および導出口を結ぶ水素流路と、前記水素流路中に設けられた弁体を有するバルブであって、前記水素流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記水素流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられたアクチュエータを有し、前記ダイアフラムはバルブ軸を介して弁体と連結し、前記ダイアフラムとアクチュエータの少なくとも一方の動作により弁体が変位して開閉するバルブを有することを特徴とする燃料電池。
6. 前記水素流路の外部は大気であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記アクチュエータは前記ダイアフラムの水素流路の外部側に設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池。
8. 前記アクチュエータは、圧電素子、形状記憶合金、熱膨張物質、電磁石から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかの項に記載の燃料電池。
9. 前記ダイアフラムは、金属、非金属材料および半導体材料から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかの項に記載の燃料電池。

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