JP4706982B2 - 圧力調整弁並びにこれを用いた燃料電池システム及び水素発生設備 - Google Patents

Description

本発明は、小型で電力を消費することなく制御可能であり、動作圧力を容易に制御可能な圧力調整弁に関し、また、これを用いた燃料電池システム及び金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生設備に関する。

近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであるといえる。

このような燃料電池では、燃料としてメタノールや水素が用いられるが、このような燃料の供給を燃料の消費に応じて連続的に行うために圧力調整弁が必要になるが、燃料電池の小型化を図るためには、このような圧力調整弁の小型化を図る必要がある。

また、水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素が必要となる。水素ガスを生成する設備の例としては、金属水素化物（水素化ホウ素塩）を収容した反応容器と、水タンクとを有し、ポンプによって水タンク内の水を反応容器の金属水素化物に噴出する構造の水素発生設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような水素発生設備においても、水素の消費に応じて反応容器内に水を供給するために、圧力調整弁が必要となり、このような圧力調整弁も同様に小型化を図る必要がある。

このような燃料電池システムにおける圧力調整弁としては、燃料極室の圧力と酸素極室または外気の圧力との差圧を利用して燃料タンクからの燃料の供給量を制御する制御機構が提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、この文献の圧力調整弁では、差圧で動作する弁体が燃料タンクからの圧力を受けるため、燃料タンクの内圧が一定でなければ正常に動作しないという問題がある。かかる文献では水素吸蔵合金を用いる燃料電池を想定しているため、水素脱離圧が一定になる領域があるために大きな問題とはならないかもしれないが、上述した水素発生設備など、圧力が大きく変化するものでは使用できないという問題がある。

なお、このような燃料電池システムや水素発生設備以外においても、小型で、電力を供給することなしに制御可能であり、動作圧力の設定が容易な圧力調整弁の出現が大きく要望されている。

特開２００２−１３７９０３号公報 特開２００４−３１１９９号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、小型で電力を消費することなく制御可能であり、動作圧力を容易に制御可能な圧力調整弁、並びにこれを用いた燃料電池システム及び水素供給設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の圧力調整弁は、燃料需要部側の圧力を受けると共に変形可能な第１の圧力変形部とこの第１の圧力変形部に相対向して設けられて所定の圧力を受けると共に変形可能な第２の圧力変形部とを具備する一方、これら第１及び第２の圧力変形部の間の空間内に、第１の流路と、第２の流路と、これら第１及び第２の流路を連通する連通路とを備えると共に、前記連通路を貫通して前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部とを連結する連結部を有すると共に前記連結部に設けられて前記第２の圧力変形部側へ移動した際に前記連通路を閉鎖する弁体を有する弁部材を備え、前記燃料需要部は、前記第１の圧力変形部に接続する容器を備え、前記第１の圧力変形部は、前記容器の一部を構成し、前記燃料需要部側の圧力が所定値より低い場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖しないが、前記燃料需要部側の圧力が所定値以上の場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖するようにしたことを特徴とする。

これにより、第１及び第２の圧力変形部が受ける圧力により弁部材が移動して連通路の開閉が行われ、また、第１及び第２の圧力変形部の間に連通路の開閉により連通または切断される燃料流体の流路が設けられているので、小型化が容易で、且つ燃料流体の供給源の圧力の影響を大きく受けることなく、連通路の開閉を行うことができる。

そして、請求項２に係る本発明の圧力調整弁は、請求項１に記載の圧力調整弁において、前記第１及び第２の流路は、前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部との間に設けられた仕切部材を介してそれぞれ前記第１の圧力変形部側及び前記第２の圧力変形部側に設けられ、前記仕切部材には前記連通路が貫通して設けられていることを特徴とする。

これにより、第１及び第２の圧力変形部の間に仕切部材を介して第１及び第２の流路が設けられているので、容易に小型化ができる。

また、請求項３に係る本発明の圧力調整弁は、請求項１もしくは請求項２に記載の圧力調整弁において、前記弁体が前記第２の圧力変形部側へ移動して前記連通路を閉鎖した際に、前記第１の圧力変形部と前記燃料需要部側とを隔離する隔離部材を備え、前記弁体が前記連通路を閉鎖した際に前記第１の圧力変形部への前記燃料需要部側からの圧力を前記隔離部材により遮断することを特徴とする。

これにより、弁体が連通路を閉鎖した際に第１の圧力変形部への燃料需要部側からの圧力を隔離部材により遮断するので、連通路が閉鎖された時に第１の圧力変形部が燃料需要部側からの圧力の影響を受けることがなく、連通路を閉鎖した状態で第１の圧力変形部を安定させることができる。

上記目的を達成するための請求項４に係る本発明の燃料電池システムは、燃料が供給されるアノードチャンバーを有する燃料電池システムにおいて、燃料需要部側の圧力を受けると共に変形可能な第１の圧力変形部とこの第１の圧力変形部に相対向して設けられて所定の圧力を受けると共に変形可能な第２の圧力変形部とを具備する一方、これら第１及び第２の圧力変形部の間の空間内に、第１の流路と、第２の流路と、これら第１及び第２の流路を連通する連通路とを備えると共に、前記連通路を貫通して前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部とを連結する連結部を有すると共に前記連結部に設けられて前記第２の圧力変形部側へ移動した際に前記連通路を閉鎖する弁体を有する弁部材を備えた圧力調整弁を具備し、前記燃料需要部は、前記第１の圧力変形部に接続する容器を備え、前記第１の圧力変形部は、前記容器の一部を構成し、前記第１及び第２の流路のいずれか一方が、燃料若しくは燃料発生材料からなる燃料流体を供給する燃料流体の供給源に連通していると共に他方が前記燃料需要部側に連通する流路に連通しており、前記燃料需要部側の圧力が所定値より低い場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖しないで前記燃料需要部側に連通する流路へ燃料若しくは燃料発生材料からなる燃料流体を供給するが、前記燃料需要部側の圧力が所定値以上の場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖して前記燃料流体の流れを停止するようにしたことを特徴とする。

このため、第１及び第２の圧力変形部が受ける圧力により弁部材が移動して連通路の開閉が行われ、また、第１及び第２の圧力変形部の間に連通路の開閉により連通または切断される燃料流体の流路が設けられているので、小型化が容易で、且つ燃料流体の供給源の圧力の影響を大きく受けることなく、連通路の開閉を行うことができ、アノードチャンバーへの燃料流体の供給を安定して行うことができる。

そして、請求項５に係る本発明の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１及び第２の流路は、前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部との間に設けられた仕切部材を介してそれぞれ前記第１の圧力変形部側及び前記第２の圧力変形部側に設けられ、前記仕切部材には前記連通路が貫通して設けられていることを特徴とする。

このため、第１及び第２の圧力変形部の間に仕切部材を介して第１及び第２の流路が設けられているので、圧力調整弁、ひいては燃料電池システムの小型化を容易に行うことができる。

また、請求項６に係る本発明の燃料電池システムは、請求項４もしくは請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記弁体が前記第２の圧力変形部側へ移動して前記連通路を閉鎖した際に、前記第１の圧力変形部と前記燃料需要部側とを隔離する隔離部材を備え、前記弁体が前記連通路を閉鎖した際に前記第１の圧力変形部への前記燃料需要部側からの圧力を前記隔離部材により遮断することを特徴とする。

このため、弁体が連通路を閉鎖した際に第１の圧力変形部への燃料需要部側からの圧力を隔離部材により遮断するので、連通路が閉鎖された時に第１の圧力変形部が燃料需要部側からの圧力の影響を受けることがなく、連通路を閉鎖した状態で第１の圧力変形部を安定させることができる。

また、請求項７に係る本発明の燃料電池システムは、請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料需要部側がアノードチャンバーであり、前記燃料流体が燃料であると共に水素又はメタノールからなることを特徴とする。

このため、燃料である水素又はメタノールのアノードチャンバーへの供給を、圧力調整弁を介して安定して行うことができる。

また、請求項８に係る本発明の燃料電池システムは、請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料需要部側は前記アノードチャンバーに燃料を供給する反応チャンバーであり、前記燃料流体が燃料発生材料であると共に前記反応チャンバーに収容される水素発生反応物と反応して水素を発生させる反応流体からなることを特徴とする。

このため、反応チャンバーへの反応流体の供給を、圧力調整弁を介して安定して行うことができる。

また、請求項９に係る本発明の燃料電池システムは、請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第２の圧力変形部が受ける所定の圧力は、大気圧、バネ部材による圧力、及び密閉空間に封入された加圧流体からの圧力のいずれか又は２種以上組み合わせたものであることを特徴とする。

このため、第２の圧力変形部への圧力を大気圧、バネ部材による圧力、加圧流体からの圧力などの所定の圧力に設定することにより、圧力調整弁の動作圧力を容易に制御可能である。

上記目的を達成するための請求項１０に係る本発明の水素発生設備は、水素発生反応物が収容される反応チャンバーを有する水素発生設備において、前記反応チャンバー内の圧力を受けると共に変形可能な第１の圧力変形部とこの第１の圧力変形部に相対向して設けられて所定の圧力を受けると共に変形可能な第２の圧力変形部とを具備する一方、これら第１及び第２の圧力変形部の間の空間内に、第１の流路と、第２の流路と、これら第１及び第２の流路を連通する連通路とを備えると共に、前記連通路を貫通して前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部とを連結する連結部を有すると共に前記連結部に設けられて前記第２の圧力変形部側へ移動した際に前記連通路を閉鎖する弁体を有する弁部材を備えた圧力調整弁を具備し、前記第１の圧力変形部は、前記反応チャンバーの一部を構成し、前記第１及び第２の流路のいずれか一方が、前記反応チャンバーに前記水素発生反応物と反応して水素を発生させる反応流体を供給する供給源に連通していると共に他方が前記反応チャンバーに連通する流路に連通しており、前記反応チャンバー内の圧力が所定値より低い場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖しないで前記反応チャンバーに連通する流路に前記反応流体を供給するが、前記反応チャンバー内の圧力が所定値以上の場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖して前記反応流体の流れを停止するようにしたことを特徴とする。

このため、第１及び第２の圧力変形部が受ける圧力により弁部材が移動して連通路の開閉が行われ、また、第１及び第２の圧力変形部の間に連通路の開閉により連通または切断される燃料流体の流路が設けられているので、小型化が容易で、且つ燃料流体の供給源の圧力の影響を大きく受けることなく、連通路の開閉を行うことができ、反応チャンバーへの反応流体の供給を安定して行うことができる。

そして、請求項１１に係る本発明の水素発生設備は、請求項１０に記載の水素発生設備において、前記第１及び第２の流路は、前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部との間に設けられた仕切部材を介してそれぞれ前記第１の圧力変形部側及び前記第２の圧力変形部側に設けられ、前記仕切部材には前記連通路が貫通して設けられていることを特徴とする。

このため、第１及び第２の圧力変形部の間に仕切部材を介して第１及び第２の流路が設けられているので、圧力調整弁、ひいては水素発生設備の小型化を容易に行うことができる。

また、請求項１２に係る本発明の水素発生設備は、請求項１０もしくは請求項１１に記載の水素発生設備において、前記弁体が前記第２の圧力変形部側へ移動して前記連通路を閉鎖した際に、前記第１の圧力変形部と前記反応チャンバーの内とを隔離する隔離部材を備え、前記弁体が前記連通路を閉鎖した際に前記第１の圧力変形部への前記反応チャンバー内からの圧力を前記隔離部材により遮断することを特徴とする。

このため、弁体が連通路を閉鎖した際に第１の圧力変形部への反応チャンバー側からの圧力を隔離部材により遮断するので、連通路が閉鎖された時に第１の圧力変形部が反応チャンバー内からの圧力の影響を受けることがなく、連通路を閉鎖した状態で第１の圧力変形部を安定させることができる。

また、請求項１３に係る本発明の水素発生設備は、請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載の水素発生設備において、前記第２の圧力変形部が受ける所定の圧力は、大気圧、バネ部材による圧力、及び密閉空間に封入された加圧流体からの圧力のいずれか又は２種以上組み合わせたものであることを特徴とする。

このため、第２の圧力変形部への圧力を大気圧、バネ部材により圧力、加圧流体からの圧力などの所定の圧力に設定することにより、圧力調整弁の動作圧力を容易に制御可能である。

本発明の圧力調整弁は、小型で電力を消費することなく制御可能であり、動作圧力を容易に制御可能であり、また、これを用いた燃料電池システム及び水素供給設備は、小型化を図ることができると共に、電力を消費することなく所定の圧力で燃料流体を連続的に供給することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る圧力調整弁の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力調整弁の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力調整弁の概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力調整弁の概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係る圧力調整弁の概略構成図である。 本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。 本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。 本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。 本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの水素圧の経時変化を表すグラフである。

（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る圧力調整弁の概略構成を示してある。

図１に示すように、圧力調整弁１００は、基体１１０に設けられた貫通部１１１の基体１１０の厚さ方向両側を塞ぐように、可撓性のシートからなり厚さ方向に変形可能な第１の圧力変形部１２０及び第２の圧力変形部１３０が設けられている。また、貫通部１１１の第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の間の空間は、基体１１０の厚さ方向の中間に設けられた仕切部材１１２により区画され、第１の圧力変形部１２０側が第１の流路１４０、第２の圧力変形部１３０側が第２の流路１５０となり、それぞれ基体１１０の平面方向に延設されており、これら第１の流路１４０と第２の流路１５０とは、仕切部材１１２に設けられた貫通孔１１３からなる連通路１６０を介して連通されている。

また、貫通部１１１の第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の間の空間には、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０に連結された状態でこれら第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０と共に図中上下方向に移動する弁部材１７０が設けられている。弁部材１７０は、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０を連結すると共に連通路１６０を貫通して配置された連結部１７１と連結部１７１の第１の圧力変形部１２０側に設けられて連通路１６０を開閉可能な弁体１７２とを具備する。

ここで、基体１１０に設けられた貫通部１１１の形状は特に限定されないが、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の変形の容易さや耐久性を考慮すれば、円筒形状が好ましく、本実施形態では円筒形状とした。また、仕切部材１１２に設けられた貫通孔１１３の形状も特に限定されず、断面形状が円形、矩形であってもよいが、本実施形態では、断面円形の貫通孔１１３とした。さらに、弁部材１７０の連結部１７１及び弁体１７２の形状も特に限定されないが、本実施形態では、円筒棒状の連結部１７１に円盤状の弁体１７２が一体的に設けられた形状とした。

また、基体１１０、仕切部材１１２の材質も特に限定されず、小型化が容易で接触する流体等に対して耐久性のある材質を用いればよいが、製造の容易さやコスト面を考慮すると、各種プラスチックを用いるのが好ましい。一方、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は、圧力を受けて変形可能であり、接触する流体等を透過せず且つ耐久性のある材質であれば、特に限定されないが、製造の容易さやコスト面を考慮すると、各種プラスチックシートを用いることが可能である。

なお、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０と弁部材１７０との連結は接着や熱融着、超音波などを使用した溶着などを用いて行えばよい。また、図示では、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の内側に弁部材１７０を接合した状態となっているが、例えば、弁体１７２の外縁部に第１の圧力変形部１２０が接合されるように設けてもよい。また、連通路１６０には連結部１７１が貫通状態で存在するので、第１の流路１４０と第２の流路１５０とを連通する差異の流路抵抗を考慮して貫通孔１１３及び連結部１７１の寸法を設計する必要があることはいうまでもない。

このような圧力調整弁１００の動作を以下に説明する。

圧力調整弁１００は、第１の圧力変形部１２０の外側に燃料需要部側の圧力を受け、第２の圧力変形部１３０の外側に、例えば、大気圧などの所定の圧力を受けるように配置し、且つ第１及び第２の流路１４０及び１５０のいずれか一方を、燃料や燃料発生材料の供給源へ連通する流路に連結すると共に、他方を燃料供給対象である燃料需要部側への流路へ連結して使用する。

このような使用状態において、第１の圧力変形部１２０が受ける燃料需要部側の圧力が、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より高い状態においては、図１（ｂ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中上方に移動して弁体１７２が仕切部材１１２に当接して連通路１６０が閉じられた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０との連通が遮断された状態となる。

一方、第１の圧力変形部１２０が受ける燃料需要部側の圧力が、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より低い状態となると、図１（ａ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中下方に移動して弁体１７２が仕切部材１１２から離間して連通路１６０が開かれた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０とが連通された状態となる。この結果、第１及び第２の流路１４０及び１５０のいずれか一方に連結された燃料や燃料発生材料の供給源から、燃料供給対象である燃料需要部側へ、燃料や燃料発生材料が供給されることになり、この供給により燃料需要部側の圧力が大気圧より高くなると、上述したとおりの閉状態となる。なお、連通路１６０が開状態となったとき、燃料や燃料発生材料が供給されるためには、供給源側の圧力が供給対象側の圧力より高い必要があることは勿論である。

このように、圧力調整弁１００は、第１の圧力変形部１２０が受ける燃料需要部側の圧力の状態によって、すなわち、電力を消費することなく、開閉制御を行うことができ、開閉の切替を行う動作圧力は、ほぼ第２の圧力変形部１３０が受ける圧力、この場合には大気圧となる。なお、ここで、動作圧力をほぼ大気圧としたのは、第１及び第２の流路１４０及び１５０の何れに燃料等の供給源を接続するかでも異なるが、例えば、第２の流路１５０側に供給源を接続した場合、図１（ｂ）の閉状態において連通路１６０内に存在する弁体１７２の内側に供給源の圧力がかかることになる。この圧力は圧力を受ける面積が小さいこともあり、開閉動作には殆ど影響しないことが確認されているが、実際にはこのような圧力の影響も考慮して設計する必要がある。また、実際の動作圧力は、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０のそれぞれの面積によっても異なることはいうまでもないが、何れにしても、設計により動作圧力を設定すれば、電力を消費することなく、圧力変化に応じて動作することになる。

また、本実施形態の圧力調整弁１００では、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の間の空間に第１及び第２の流路１４０及び１５０を設けたので、小型化が図れるという利点がある。なお、第１及び第２の流路１４０及び１５０の配置は、本実施形態では、仕切部材１１２の両側に設けたが、例えば、両方を仕切部材の一方側の、図中、弁部材１７０の左右側に配置して、連通路１６０を介して連通するようにすることも可能である。

（第２実施形態）
図２には、第２実施形態に係る圧力調整弁の概略構成を示してある。なお、第１実施形態と同一又は同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

図２に示すように、圧力調整弁１００Ａは、弁部材１７０Ａ及び仕切部材１１２Ａの貫通孔１１３Ａの形状が異なる以外は第１実施形態と基本的な構成は同一である。

弁部材１７０Ａは、連結部１７１Ａの途中に円錐形状の弁体１７２Ａを設け、弁体１７２Ａのテーパ部で連通路１６０を閉じる構成としたものである。よって、図中下端の円盤部１７３Ａは必ずしも設ける必要はないが、第１の圧力変形部１２０との連結面積が大きくなるので、耐久性が良好になる利点がある。よって、このような円盤部１７３Ａを連結部１７１Ａの上端の第２の圧力変形部１３０との接合部に設けてもよい。

一方、仕切部材１１２Ａには、テーパ状の弁体１７２Ａと嵌合するテーパ形状の貫通孔１１３Ａが設けられている。これにより、弁体１７２Ａと貫通孔１１３Ａとの接触面積が大きくなり、連通路１６０の閉状態を安定化させることができるが、第１実施形態のようなストレート状態の貫通孔としてもよいことはいうまでもない。

このような圧力調整弁１００Ａの使い方及び動作は上述した第１実施形態と同一であるから説明は省略する。

（第３実施形態）
図３には、第３実施形態に係る圧力調整弁の概略構成を示してある。なお、第１実施形態と同一又は同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

図３に示すように、圧力調整弁１００Ｂは、第２の圧力変形部１３０に大気圧の他、圧力付加手段１８０のバネ部材１８１からの圧力が付加されるようになっている以外は第１実施形態と基本的な構成は同一である。ここで、圧力付加手段１８０のバネ部材１８１は、基体１１０から貫通部１１１内に突出するように設けられた支持部１８２と第２の圧力変形部１３０の連結部１７１に対向する領域との間に介装されたものであり、弁部材１７０を常に開方向に付勢するバネ力を有するものでも、閉方向に引っ張るバネ力を有するものとしてもよい。

このように圧力付加手段１８０を設けることにより、動作圧力を大気圧から変更することができる。例えば、バネ部材１８１が弁部材１７０を開方向に付勢するバネ力を有する場合には、第２の圧力変形部１３０に常にバネ部材からのバネ力が加圧されるので、大気圧より高圧状態まで開状態となる。すなわち、燃料需要部側の圧力を大気圧より高圧に保持するように動作することができることになる。

一方、バネ部材１８１が弁部材１７０を閉方向に引っ張るバネ力を有する場合には、逆に大気圧より低圧で動作することになる。

（第４実施形態）
図４には、第４実施形態に係る圧力調整弁の概略構成を示してある。なお、第１実施形態と同一又は同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

図４に示すように、圧力調整弁１００Ｃは、第２の圧力変形部１３０に圧力設定手段１９０の加圧室１９１内の気体の圧力が付加されるようになっている以外は第１実施形態と基本的な構成は同一である。ここで、圧力設定手段１９０の加圧室１９１は、壁部材１９２と第２の圧力変形部１３０との間に設けられたものであり、例えば、圧縮空気などの加圧気体が封入されている。

このように圧力設定手段１９０を設けて加圧室１９１内の圧力を適宜設定することにより、動作圧力を、例えば、大気圧より高い圧力に設定することができる。すなわち、第２の圧力変形部１３０に常に加圧室１９１内の圧力が付加されているので、燃料需要部側がこの圧力より高い圧力となった状態で閉状態となる。すなわち、加圧室１９１内の圧力を大気圧より高圧とすることで、燃料需要部側の圧力をその圧力に保持するように動作させることができることになる。

なお、加圧室１９１内の圧力を大気圧より低い減圧状態とすると、大気圧より低圧で動作することになることはいうまでもない。

（第５実施形態）
図５には、第５実施形態に係る圧力調整弁の概略構成を示してある。なお、第１実施形態と同一又は同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

図５に示すように、圧力調整弁１００には、第１の圧力変形部１２０を挟んで弁体１７２の下側には隔離部材１８５が設けられている。その他の構成は第１実施形態例と同一である。

隔離部材１８５は、弁体１７２の下側面に取り付けられる基部１８５ｂと、基部１８５ｂに連続して設けられた板状の被覆部１８５ａとから構成されている。基部１８５ｂの上下方向の長さは、弁体１７２が図中上方に移動して連通路１６０を閉じた状態で、被覆部１８５ａが基体１１０の貫通部１１１の周縁に当接するように設定されている。また、被覆部１８５ａの大きさは、貫通部１１１の周縁よりも大きく設定されている。そして、隔離部材１８５（基部１８５ｂ及び被覆部１８５ａ）はゴム等の弾性部材で形成されている。

第１の圧力変形部１２０が受ける燃料需要部側の圧力が、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より高い状態の時に、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０と共に弁部材１７０が図中上方に移動して弁体１７２が連通路１６０を閉じると、貫通部１１１の周縁に隔離部材１８５の被覆部１８５ａが当接する。これにより、連通路１６０が閉じられた際に第１の圧力変形部１２０が隔離部材１８５の被覆部１８５ａで覆われ、燃料需要部側の圧力が第１の圧力変形部１２０に働くことがなくなる。このため、弁体１７２の閉じた後の燃料需要部側の圧力の影響をなくすことができる。

尚、基部１８５ｂの上下方向の長さを短めに設定し、被覆部１８５ａが基体１１０の貫通部１１１の周縁に当接した時に撓ませるようにすることも可能である。このようにすると、基部１８５ｂの上下方向の長さにばらつきが生じていても、被覆部１８５ａの貫通部１１１の周縁への当接を確実に行うことができる。

（第６実施形態）
図６には、以上説明した本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの一例の構成を示す。なお、この実施形態は、図１の圧力調整弁１００を、水素を燃料とする高分子固体型燃料電池に適用したものである。

この燃料電池システムは、水素と酸素とを電気化学反応して発電する高分子固体型燃料電池の発電部１と、この発電部１に供給する水素を一時的に貯留する負極室（アノードチャンバー）２と、水素貯蔵合金や水素ボンベなどからなると共に負極室２に水素を供給する水素貯蔵部１０とを具備し、負極室２と水素貯蔵部１０との間の水素導管３の途中に圧力調整弁１００を設けたものである。

圧力調整弁１００は、上述したとおり、基体１１０に設けられた貫通部１１１の基体１１０の厚さ方向両側を塞ぐように、可撓性のシートからなる第１の圧力変形部１２０及び第２の圧力変形部１３０が設けられており、貫通部１１１の第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の間の空間は、基体１１０の厚さ方向の中間に設けられた仕切部材１１２により区画され、第１の圧力変形部１２０側が第１の流路１４０、第２の圧力変形部１３０側が第２の流路１５０となり、それぞれ基体１１０の平面方向に延設されており、これら第１の流路１４０と第２の流路１５０とは、仕切部材１１２に設けられた貫通孔１１３からなる連通路１６０を介して連通されている。また、貫通部１１１の第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０の間の空間には、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０に連結された状態でこれら第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０と共に図中左右方向に移動する弁部材１７０が設けられており、弁部材１７０は、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０を連結すると共に連通路１６０を貫通して配置された連結部１７１と連結部１７１の第１の圧力変形部１２０側に設けられて連通路１６０を開閉可能な弁体１７２とを具備する。

そして、本実施形態では、圧力調整弁１００の第１の圧力変形部１２０の外側に燃料需要部側、すなわち、負極室２内の圧力を受け、第２の圧力変形部１３０の外側に、大気圧である所定の圧力を受けるように配置し、且つ第１の流路１４０を負極室２に連通させる一方、第２の流路１５０を水素貯蔵部１０へ連通する流路である水素導管３に連結するようにして使用している。

このような構成により、圧力調整弁１００は、第１の圧力変形部１２０の外側に負極室２内の圧力を受け、第２の圧力変形部１３０の外側に大気圧を受けるように配置されているので、第１の圧力変形部１２０が受ける負極室２内の圧力が、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より高い状態においては、図１（ｂ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中上方（図５中左方）に移動して弁体１７２が仕切部材１１２に当接して連通路１６０が閉じられた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０との連通が遮断された状態となり、水素貯蔵部１０から負極室２への水素の供給が遮断される。

一方、発電部１が負荷に接続されて電力が消費されて水素が消費され、第１の圧力変形部１２０が受ける負極室２内の圧力が下がり、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より低い状態となると、図１（ａ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中下方（図５中右方）に移動して弁体１７２が仕切部材１１２から離間して連通路１６０が開かれた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０とが連通された状態となる。この結果、水素貯蔵部１０から水素が負極室２へ供給されることになる。なお、この水素の供給により負極室２内の圧力が大気圧より高くなると、上述したとおりの閉状態となる。

このように、圧力調整弁１００は、第１の圧力変形部１２０が受ける負極室２内の圧力の状態によって、電力を消費することなく、水素の供給路である水素導管３の開閉制御を行うことができ、発電部１の発電に伴って水素を供給することができるように動作する。また、開閉の切替を行う動作圧力は、ほぼ第２の圧力変形部１３０が受ける圧力、この場合には大気圧となる。

なお、圧力調整弁１００の代わりに上述した他の実施形態の圧力調整弁を採用することが可能なことはいうまでもない。

（第７実施形態）
図７には、以上説明した本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの一例の構成を示す。なお、この実施形態は、図１の圧力調整弁１００を、水素を燃料とする高分子固体型燃料電池に適用したものである。

この燃料電池システムは、水素供給部として、水素発生設備２０を採用したものである。水素発生設備２０は、水素反応用物質２１を格納し、水素を発生させる部位である反応部（反応チャンバー）２２と、水素発生用水溶液２３を貯蔵する液体貯蔵部２４とを具備するものであり、圧力調整弁１００は、液体貯蔵部２４から反応部２２へ水素発生用水溶液２３を供給する供給路２５の途中に設け、反応部２２と、発電部１に付設された負極室２とを水素導管３で連結したものである。

かかる水素発生設備２０は、水素発生用水溶液２３と水素反応用物質２１とを反応させて必要な水素を生成して供給するものである。なお、圧力調整弁１００は第５実施形態と同様な構成であり、同一部材に同一符号を付して重複する説明は省略する。

ここで、水素発生用水溶液２３と水素反応用物質２１との組み合わせとしては、水素発生用水溶液２３として水又は水に添加物を添加した水溶液を用い、水素反応用物質２１として加水分解により水素を発生する金属水素化物又はこの金属水素化物に添加物を混合したものを用いるものが挙げられる。かかる金属水素化物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、錯金属と水素の化合物であり、水素化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素リチウム、水素化リチウム、水素化カルシウム、水素化アルミニウム、水素化マグネシウムなどが挙げられる。また、金属水素化物に混合する添加物としては、固体の有機酸もしくはその塩、金属塩化物、又は、白金、金、銅、ニッケル、鉄、チタン、ジルコニウム、及びルテニウムからなる金属及びこれらの合金などを挙げることができ、これらから選択される少なくとも一種を用いればよい。これにより、金属水素化物中に水素発生反応の促進剤や触媒が混合されるため、反応速度が極めて速くなり、水が金属水素化物に供給されると反応部内圧を即座に上昇させる事ができるようになる。

一方、水素発生用水溶液２３としては、水そのものの他、水に、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、金属塩化物を混合した水溶液を用いるのが好ましい。これにより、水素発生反応を促進させる促進剤水溶液を得る事ができるため、反応速度が極めて速くなり、水素発生反応が起きると反応部内圧を即座に上昇させる事ができるようになる。このような水に添加される物質としては特に限定されないが、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、金属塩化物などを挙げることができ、例えば、酸としては硫酸、リンゴ酸、クエン酸、コハク酸、金属塩化物としては塩化コバルト、塩化鉄、塩化ニッケル、白金族の塩化物などを挙げることができる。

さらに、水素発生用水溶液２３と水素反応用物質２１との組み合わせとしては、水素発生用水溶液２３が酸もしくは塩基水溶液を用い、水素反応用物質２１が金属である場合を挙げることができる。ここで、好ましくは、酸として塩酸、硫酸などを用い、これらの酸に適用する金属は卑金属を用いる。一方、塩基水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液を挙げることができ、このような塩基水溶液に適用する金属は両性金属である。これらを混合する事により、速い速度で水素を得る事ができるようになる。

そして、本実施形態では、圧力調整弁１００の第１の圧力変形部１２０の外側に燃料需要部側、すなわち、反応部２２内の圧力を受け、第２の圧力変形部１３０の外側に、大気圧である所定の圧力を受けるように配置し、且つ第１の流路１４０を反応部２２に連通させる一方、第２の流路１５０を液体貯蔵部２４へ連通する流路である供給路２５に連結するようにして使用している。

このような構成により、圧力調整弁１００は、第１の圧力変形部１２０の外側に負極室２に連通する反応部２２内の圧力を受け、第２の圧力変形部１３０の外側に大気圧を受けるように配置されているので、第１の圧力変形部１２０が受ける反応部２２内の圧力が、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より高い状態においては、図１（ｂ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中上方に移動して弁体１７２が仕切部材１１２に当接して連通路１６０が閉じられた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０との連通が遮断された状態となり、液体貯蔵部２４から反応部２２への水素発生用水溶液２３の供給が遮断される。

一方、発電部１が負荷に接続されて電力が消費されて水素が消費され、第１の圧力変形部１２０が受ける反応部２２内の圧力が下がり、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より低い状態となると、図１（ａ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中下方に移動して弁体１７２が仕切部材１１２から離間して連通路１６０が開かれた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０とが連通された状態となる。この結果、液体貯蔵部２４から水素発生用水溶液２３が反応部２２へ供給され、水素が発生され、この水素が負極室２に供給される。なお、この水素の発生により反応部２２内の圧力が大気圧より高くなると、上述したとおりの閉状態となる。

このように、圧力調整弁１００は、第１の圧力変形部１２０が受ける反応部２２内の圧力の状態によって、電力を消費することなく、水素発生用水溶液２３の供給路２５の開閉制御を行うことができ、発電部１の発電に伴って水素を供給することができるように動作する。また、開閉の切替を行う動作圧力は、ほぼ第２の圧力変形部１３０が受ける圧力、この場合には大気圧となる。

なお、圧力調整弁１００の代わりに上述した他の実施形態の圧力調整弁を採用することが可能なことはいうまでもない。

（第８実施形態）
図８には、以上説明した本発明の圧力調整弁を適用した燃料電池システムの一例の構成を示す。なお、この実施形態は、図７のシステムに対して図５の圧力調整弁１００を適用したものである。また、図９には、水素圧の経時変化を表すグラフを示してある。

第１の圧力変形部１２０が受ける反応部２２内の圧力が、第２の圧力変形部１３０が受ける大気圧より高い状態においては、第１及び第２の圧力変形部１２０及び１３０は弁部材１７０と共に図中上方に移動して弁体１７２が仕切部材１１２に当接して連通路１６０が閉じられた状態、すなわち、第１の流路１４０と第２の流路１５０との連通が遮断された状態となり、液体貯蔵部２４から反応部２２への水素発生用水溶液２３の供給が遮断される。

この時、貫通部１１１の周縁に隔離部材１８５の被覆部１８５ａが当接し、連通路１６０が閉じられた際に第１の圧力変形部１２０が隔離部材１８５の被覆部１８５ａで覆われ、燃料需要部側の圧力が第１の圧力変形部１２０に働くことがなくなる。このため、弁体１７２が閉じた後の燃料需要部側の圧力の影響をなくすことができ、弁体１７２が閉じた後に反応部２２の内圧が変化しても（高くなっても）、第１の圧力変形部１２０に反応部２２の内圧影響は及ばない。

第１の圧力変形部１２０は弾性体で形成されているので、弁体１７２の閉じた後に第１の圧力変形部１２０に圧力が加わることにより第１の圧力変形部１２０に撓みが発生することが考えられる。弁体１７２の閉じた後に第１の圧力変形部１２０に撓みが発生すると配管経路内に残っていた水素発生用水溶液２３が押し出されて水素反応用物質２１と更なる反応が生じて余剰反応となる場合がある。即ち、図９に点線で示すように、通常より高い圧力まで（増加圧力Ｐ）まで水素圧が到達する虞がある。

また、次の送液の際に配管経路内に水素発生用水溶液２３が満たされるまでの時間が必要になり、実際の送液までの時間が長くなって応答性が悪くなる虞がある。即ち、図９に点線で示すように、通常より高い水素圧力の時刻が時間ｔだけ遅くなる虞がある。

上述した実施形態例では、弁体１７２が閉じた後に燃料需要部側の圧力が第１の圧力変形部１２０に働くことがないので、第１の圧力変形部１２０に撓みが発生することがなく、余剰反応を防止することができる。また、配管経路内の水素発生用水溶液２３が押し出されることがないので、次の送液までの時間が長くなることがない。更に、第１の圧力変形部１２０の撓みを抑制できるので、必要以上の劣化を防止することができる。

本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生設備及び水素発生設備で発生した水素を燃料とする燃料電池システムの産業分野の他、特に小さい流路を電力を消費することなく制御する各種分野で利用することができる。

Claims (13)

1. 燃料需要部側の圧力を受けると共に変形可能な第１の圧力変形部とこの第１の圧力変形部に相対向して設けられて所定の圧力を受けると共に変形可能な第２の圧力変形部とを具備する一方、これら第１及び第２の圧力変形部の間の空間内に、第１の流路と、第２の流路と、これら第１及び第２の流路を連通する連通路とを備えると共に、前記連通路を貫通して前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部とを連結する連結部を有すると共に前記連結部に設けられて前記第２の圧力変形部側へ移動した際に前記連通路を閉鎖する弁体を有する弁部材を備え、
   前記燃料需要部は、前記第１の圧力変形部に接続する容器を備え、
   前記第１の圧力変形部は、前記容器の一部を構成し、
   前記燃料需要部側の圧力が所定値より低い場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖しないが、前記燃料需要部側の圧力が所定値以上の場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖するようにしたことを特徴とする圧力調整弁。
2. 請求項１に記載の圧力調整弁において、
   前記第１及び第２の流路は、前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部との間に設けられた仕切部材を介してそれぞれ前記第１の圧力変形部側及び前記第２の圧力変形部側に設けられ、前記仕切部材には前記連通路が貫通して設けられていることを特徴とする圧力調整弁。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の圧力調整弁において、
   前記弁体が前記第２の圧力変形部側へ移動して前記連通路を閉鎖した際に、前記第１の圧力変形部と前記燃料需要部側とを隔離する隔離部材を備え、
   前記弁体が前記連通路を閉鎖した際に前記第１の圧力変形部への前記燃料需要部側からの圧力を前記隔離部材により遮断することを特徴とする圧力調整弁。
4. 燃料が供給されるアノードチャンバーを有する燃料電池システムにおいて、
   燃料需要部側の圧力を受けると共に変形可能な第１の圧力変形部とこの第１の圧力変形部に相対向して設けられて所定の圧力を受けると共に変形可能な第２の圧力変形部とを具備する一方、これら第１及び第２の圧力変形部の間の空間内に、第１の流路と、第２の流路と、これら第１及び第２の流路を連通する連通路とを備えると共に、前記連通路を貫通して前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部とを連結する連結部を有すると共に前記連結部に設けられて前記第２の圧力変形部側へ移動した際に前記連通路を閉鎖する弁体を有する弁部材を備えた圧力調整弁を具備し、
   前記燃料需要部は、前記第１の圧力変形部に接続する容器を備え、
   前記第１の圧力変形部は、前記容器の一部を構成し、
   前記第１及び第２の流路のいずれか一方が、燃料若しくは燃料発生材料からなる燃料流体を供給する燃料流体の供給源に連通していると共に他方が前記燃料需要部側に連通する流路に連通しており、
   前記燃料需要部側の圧力が所定値より低い場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖しないで前記燃料需要部側に連通する流路へ燃料若しくは燃料発生材料からなる燃料流体を供給するが、前記燃料需要部側の圧力が所定値以上の場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖して前記燃料流体の流れを停止するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１及び第２の流路は、前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部との間に設けられた仕切部材を介してそれぞれ前記第１の圧力変形部側及び前記第２の圧力変形部側に設けられ、前記仕切部材には前記連通路が貫通して設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４もしくは請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弁体が前記第２の圧力変形部側へ移動して前記連通路を閉鎖した際に、前記第１の圧力変形部と前記燃料需要部側とを隔離する隔離部材を備え、
   前記弁体が前記連通路を閉鎖した際に前記第１の圧力変形部への前記燃料需要部側からの圧力を前記隔離部材により遮断することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料需要部側がアノードチャンバーであり、
   前記燃料流体が燃料であると共に水素又はメタノールからなることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料需要部側は前記アノードチャンバーに燃料を供給する反応チャンバーであり、前記燃料流体が燃料発生材料であると共に前記反応チャンバーに収容される水素発生反応物と反応して水素を発生させる反応流体からなることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２の圧力変形部が受ける所定の圧力は、大気圧、バネ部材による圧力、及び密閉空間に封入された加圧流体からの圧力のいずれか又は２種以上組み合わせたものであることを特徴とする燃料電池システム。
10. 水素発生反応物が収容される反応チャンバーを有する水素発生設備において、
    前記反応チャンバー内の圧力を受けると共に変形可能な第１の圧力変形部とこの第１の圧力変形部に相対向して設けられて所定の圧力を受けると共に変形可能な第２の圧力変形部とを具備する一方、これら第１及び第２の圧力変形部の間の空間内に、第１の流路と、
    第２の流路と、これら第１及び第２の流路を連通する連通路とを備えると共に、前記連通路を貫通して前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部とを連結する連結部を有すると共に前記連結部に設けられて前記第２の圧力変形部側へ移動した際に前記連通路を閉鎖する弁体を有する弁部材を備えた圧力調整弁を具備し、
    前記第１の圧力変形部は、前記反応チャンバーの一部を構成し、
    前記第１及び第２の流路のいずれか一方が、前記反応チャンバーに前記水素発生反応物と反応して水素を発生させる反応流体を供給する供給源に連通していると共に他方が前記反応チャンバーに連通する流路に連通しており、
    前記反応チャンバー内の圧力が所定値より低い場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖しないで前記反応チャンバーに連通する流路に前記反応流体を供給するが、前記反応チャンバー内の圧力が所定値以上の場合には前記弁体が前記連通路を閉鎖して前記反応流体の流れを停止するようにしたことを特徴とする水素発生設備。
11. 請求項１０に記載の水素発生設備において、
    前記第１及び第２の流路は、前記第１の圧力変形部と前記第２の圧力変形部との間に設けられた仕切部材を介してそれぞれ前記第１の圧力変形部側及び前記第２の圧力変形部側に設けられ、前記仕切部材には前記連通路が貫通して設けられていることを特徴とする水素発生設備。
12. 請求項１０もしくは請求項１１に記載の水素発生設備において、
    前記弁体が前記第２の圧力変形部側へ移動して前記連通路を閉鎖した際に、前記第１の圧力変形部と前記反応チャンバーの内とを隔離する隔離部材を備え、
    前記弁体が前記連通路を閉鎖した際に前記第１の圧力変形部への前記反応チャンバー内からの圧力を前記隔離部材により遮断することを特徴とする水素発生設備。
13. 請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載の水素発生設備において、
    前記第２の圧力変形部が受ける所定の圧力は、大気圧、バネ部材による圧力、及び密閉空間に封入された加圧流体からの圧力のいずれか又は２種以上組み合わせたものであることを特徴とする水素発生設備。

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