JP5804535B2 - 電気化学作動バルブ - Google Patents

Description

本発明はマイクロアクチュエータおよびバルブに関し、詳細には、電気化学アクチュエータおよび該アクチュエータを備えるバルブに関する。

多くの技術用途において、気体および／または液体用の超小型バルブを必要とする。多くの場合、機械バルブおよび／または電気化学バルブは小型化が難しく、生産コストが高い。

機械バルブおよび／または電気化学バルブの代替として、従来技術では、作動のために電気化学的手段を用いるアクチュエータおよびバルブが周知である。

電気化学アクチュエータの一例が、米国特許第５，６７１，９０５号明細書に開示されている。それは、実質的に一定容積のチャンバ内に密閉された電解質溶液を備え、電気接点を内部に配設して電解質が電気接点と電気的に接続するようにする。電流が電解質を介して接点間を通過することによって、電解質および／または電極材をその成分ガスに分離させ、その結果、チャンバ内で圧力上昇が生じる。この圧力が直接的に作用して、または空気圧ラインもしくは油圧ラインを経由することで、ダイヤフラムを作動させること、ピストンを動かすこと、ブラダーを膨張させること、またはその他に、圧力を運動または変位に変換する如何なる好適な手段をとることもできる。

別の一例が、米国特許第５，０３８，８２１号明細書に開示されている。それは、電気化学的原動機によって作動させる電気化学作動制御バルブであって、直流電気エネルギーを圧縮ガスエネルギーに変換して、次にそれを用いて機械的動作を生み出す。電気化学アクチュエータの機械的運動は、典型的には直線運動である。

上述の各装置は、別々のユニットとして製造され、それらが用いられることになるシステムへ別々に取り付ける、または組み込むことが要求される。またそれらは、組み立てなくてはならない複数の構成部品を備えるため、製造が非常に複雑化し、よってコストがかかる。

公開特許出願である国際公開第２００７／１１７２１２号パンフレット、第２００９／０２５６１３号パンフレットおよび第２００９／０２５６１４号パンフレットでは、最先端の燃料電池技術を記載している。

上述したタイプのアクチュエータおよび／またはバルブ全体を連続的な生産ラインで、すなわち個別の構成部品を組み立てる必要がなく、製造できることが望ましい。

多くの用途にとって、製造中に既に、アクチュエータおよび／またはバルブの装置またはシステムへの組み込みが可能であること、すなわちバルブが、それらが組み込まれる装置全体またはシステム全体と同一の製造工程で、好ましくは連続的な生産ラインで、生産されるものとすることも望ましい。

従って本発明の主要な目的は、アクチュエータおよび／またはバルブの生産を簡素化し、生産をより費用対効果の高いものとすることである。

箔状の構成部品および接着剤だけを用いて、アクチュエータを作製できる。これによって、回転式型抜きのような技術を用いて費用対効果の高い大量生産が可能となる。

この目的のために、本発明者は新しいタイプのアクチュエータおよび該アクチュエータを採用したバルブを考案した。

請求項１で本発明によるアクチュエータを定義する。

本発明の第２の態様では、本発明によるアクチュエータを備えるバルブが提供される。請求項２２でバルブを定義する。

また燃料電池アセンブリも提供され、燃料電池が面内高分子電解質型燃料電池であり、アセンブリを構成する層のうちの少なくとも１つにバルブ機構が埋め込まれる。請求項３０でこのアセンブリを定義する。

以下に記述する詳細な説明および添付図面から本発明の利用可能性のさらなる範囲が明らかとなろう。但し、これらは単なる例示にすぎず、よって本発明を限定するものとは見なされない。

図１ａは、本発明によるアクチュエータの非作動状態を概略的に示す。 図１ｂは、本発明によるアクチュエータの作動状態を概略的に示す。 図２は、アクチュエータの実施の形態をより詳細に示した断面図である。 図３ａは、さらなる実施の形態の開弁状態を概略的に示す。 図３ｂは、図３ａの実施の形態の閉弁状態を概略的に示す。 図４ａは、図３と比較して反対の方法で構成した実施の形態の閉弁状態を示す。 図４ｂは、図４ａの実施の形態の開弁状態を概略的に示す。 図５ａは、試験セットアップの分解図である。 図５ｂは、試験セットアップの全体図である。 図６は、試験手順における圧力対時間曲線である。 図７は、アクチュエータで使用可能な水素ポンプを概略的に示す。 図８ａは、図７に係わる水素ポンプを備えるアクチュエータを搭載するとともに、クランプ留めのためのネジ穴を有するバルブ機構を概略的に示す。 図８ｂは、バルブ機構の構成部品を分解図で示す。 図９は、バルブ機構のさらなる実施の形態を示す。 図１０は、燃料電池アセンブリに組み込まれたバルブ機構を示す。 図１１は、寿命試験後の挙動を示すグラフである。

本出願の目的上、「バルブ機構」という用語は、バルブをシールするとともに、アクチュエータの動きによって開閉できる機械的／電気化学的設計という意味に捉えられるものとする。

本発明は、その最も一般的な態様では、電気化学的に動作可能なアクチュエータを備える。アクチュエータは、支持構造と、前記支持構造に対してシールされてコンパートメントを形成する可撓性膜と、水素ガスまたは酸素ガスを生成してガスを前記コンパートメントの内部に送り込むように成された電気化学的手段とを備える。電気化学的手段は、電極を両側に有するイオン伝導膜と、電圧源と接続して電極間に電位を印加することを可能とする端末手段とを備える。好ましくは、可撓性膜は別体のエンティティである。好ましくは、電気化学的手段は可撓性膜と一体化している。好ましい実施の形態では、電気化学的手段が水素ポンプであるが、それは電解槽であることもできる。また電気化学的手段を、水素ポンプおよび電解槽の両方として動作させることができる。好適には膜は、シリコンゴムまたはその他の非電気化学的で不活性の箔で作製されるが、実施の形態によっては、それは膜電極アセンブリの一部を形成する導電性膜である。好ましくは、電気化学的手段が少なくとも部分的に膜に埋め込まれる。

図１ａおよび図１ｂでは、アクチュエータの一実施の形態およびその動作原理を概略的に示す。

よって図１ａは、アクチュエータの実施の形態の概略図であり、本発明の概念を示す。好ましくは、アクチュエータが剛性支持体１０を備える。支持体１０上には、好適にはＳｎ被覆銅箔１１の形をとる電気接点が設けられる。イオン伝導性高分子膜１２は、好適には接着剤１３（好適には両面のもの）によって、箔１１と接触した状態で支持体１０上に装着され、接着剤１３は、支持体の外縁に沿って延在するフレームとして適用でき、その上に膜１２が位置決めされ、よって装着される。このようにして、膜１２と銅箔被膜１１を有する支持体１０との間に、シールされたコンパートメント１４が形成される。

少なくとも膜１２の一部には、電極１５，１６が膜の両側に設けられる。図中、膜１２の支持体１０と対向する側にカソード１５があり、膜の反対側にアノード１６がある。

電極１５および１６はそれぞれ、或る好適な接触手段（図示せず）によって、適当な電圧および電流を供給する電源（丸で囲った「＋」および「−」で示す）に連結される。

膜１２のたわみが、どの程度であろうと支持体の平面性に影響を及ぼしてはならないので、支持体１０は実質的に膜よりも剛性が高いものとする。

図１ａは、非通電状態のアクチュエータを示す。

図１ｂは、電極１５および１６をそれぞれ経由して膜１２にわたって電圧を印加している状態を示す。

好ましくは、膜１２は周囲大気からの湿気を吸収するように吸湿性を有する。膜材料の例としては、スルホン化多環芳香族、ペルフルオロカーボン−スルホン酸イオノマー、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリスルホンが挙げられる。よって、典型的には１．５〜４Ｖの好適な電圧を印加することによって、膜内に水の電気分解を起こさせる。それによって、Ｈ_２がカソードで発生し、Ｏ_２がアノードで発生する。カソードは、膜１２と支持体１０との間に形成されたシールされたコンパートメントに閉じ込められるために、水素は周辺部へ逃げられないが、前記コンパートメント１４内部で圧力を増加させ始める。

図２では、アクチュエータの実施の形態をより詳細に示す。

全般的に参照符号２０で示される、このアクチュエータの根本的で最も重要な構成部品は、イオン伝導高分子膜２１であり、微細電極、つまりアノード２２ａおよびカソード２２ｂ、で被覆された、また、必要であれば両側にガス拡散層材料２４ａ，２４ｂ（ＧＤＬ）で部分的に覆われた、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）のようなプロトン伝導イオノマーである。また膜は、アニオン導電性、例えば水酸化物イオン導電性を有することもできる。電極／触媒被覆膜は、３層膜電極アセンブリ（ＭＥＡ、また触媒被覆膜、ＣＣＭとも呼ばれる）２３と呼ばれる。

Ｏ_２電極の触媒は、例えば炭素担持体上のＰｔ／Ｒｕ触媒であることができる。好ましくはそれが、高分子電解膜電解槽で用いられるような強固な触媒と炭素担持体とからなるものとする。Ｈ_２電極に関しては、触媒は炭素担持Ｐｔ触媒であることができるが、例えば０．５〜１ｍｇ Ｐｔ／ｃｍ^２の充填量を有するであろうＯ_２側よりも少ない０．０５〜０．５ｍｇ Ｐｔ／ｃｍ^２の充填量を有する。

電極２２ａ，２２ｂは、膜の全領域上に延在してはならない。また膜は、触媒被覆ＧＤＬ間、すなわちＧＤＬ２４と活性電極層２２との組み合わせの間に挟まれたＮａｆｉｏｎ膜であることもできる。膜２１の片側は、機械的剛性を有する表面２５に対してシールされ、好ましくは、両面接着剤２６のフレームを膜と剛性を有する表面との間に装着することによって得られる。電極は、電流および電圧を提供する外側電気回路と電気的に接触している。ＣＣＭのシールされた側の電気接点は好ましくは、シールされた側のＧＤＬ２４ｂと接触しているＳｎ被覆銅箔２７であることができる。外側では集電を、ＧＤＬをクランプ留めするために位置決めされた金属クランプ留め手段２８によって構成できる。また前記クランプ留めを穿孔して、電極へのガスの運搬を改善することができる。代替として外側集電を、集電箔、例えばクランプ留め手段２８と外側ＤＧＬ２４ａとの間に位置決めされた可撓性箔ＰＣＢ、つまりプリント回路基板、によって構成できる。また前記可撓性箔ＰＣＢ、本質的には薄型可撓性ＰＣＢ、をバルブアセンブリのその他の接点およびセンサに対して用いることもできる。任意選択的に、膜２１を支持するために、薄型支持プラスチックフィルム２９を接着手段によって装着して膜の一部を覆うことができる。

作動膜の力および耐用年数を増加させるために、剛性ワッシャ２９’をフィルムに装着してもよい。またワッシャ／剛性平面を、バルブ軸のような作動物と接触するように位置決めすることができる。ワッシャの膜と接触している面積が大きくなるにつれ、作動力が大きくなり、同時に作動ストロークの長さが減少する。

ここで作動プロセスについて詳細に説明する。

一実施の形態では、電気分解プロセスによって作動に到達する。よって、典型的には１．５〜４Ｖの電圧を電極間に印加すると、酸素および水素が発生する。前記ガスは、吸湿性のイオノマー膜と電極との中の水分子の電気分解から発している。膜のシールされた側で水素が発生するように電極を分極させることができ、または代替として、シールされた側で酸素が発生するように電極を分極させることができる。コンパートメント１４内部で発生したガスは、膜１２を上方向に「隆起」させ（図１ａおよび図１ｂ参照）、このストロークの間に提供される力は、バルブ軸のような何らかの可動エレメントを機械的に押すのに十分である。

シールされた側で酸素が発生し、外側に水素が存在する場合には、電極間の電圧を０〜０．９Ｖに低下させることによって再作動（すなわち膜の高さの減少）が得られる。よって、このモードでは、燃料電池と同じように酸素および水素が消費される。代替として、シールされた側からの少量の漏れを有することによって再作動が得られる。シールされた側で酸素を生成する電流がオフされたときに、この漏れに因って膜が下がる。

また水素ポンピングによっても作動に到達できる。この場合、膜の外側に水素が存在する場合、ＭＥＡ／ＣＣＭを０〜１．２Ｖ、好ましくは電気分解に要するよりも低い０．０５〜０．３Ｖ、に分極することによって作動が得られる。ＭＥＡ／ＣＣＭのシールされた側は、電源の負極側に接続されるものとする。水素「ポンピング」中、正極側での電極反応はＨ_２のＨ^＋への電気化学的酸化であり、その後プロトンは膜の負極側まで移動して拡散し、そこでそれらは再び電気化学的にＨ_２ガスに還元される。ＭＥＡ／ＣＣＭは、水素のＭＥＡ／ＣＣＭのシールされた側への電気化学的「ポンピング」によって、シールされた表面から持ち上げられる。再作動（膜の高さのシールされた面からの減少）は、分極を反転させることによって得られ、その結果、水素がシールされた側から押し出される。代替として、シールされた側からの少量の漏れを有することによって再作動が得られる。シールされた側で水素を生成する電流がオフされたときに、この漏れに因って膜が下がる。

ここでは、バルブ、特には、パージバルブを伴った実装に関連して本発明を例示するが、本発明は当然あらゆる種類のバルブに適用可能である。さらには本発明を、作動を必要とする多くの他の種類の装置と共に実装できる。

通常パージバルブは、いわゆるデッドエンドモードで運転する燃料電池の動作に必要である。動作中、出口の近くでＮ_２、Ｈ_２Ｏ（ｇ）などの不活性ガスの蓄積があり、これらは随時排出しなくてはならない。２つの異なるパージバルブを図３ａ、図３ｂおよび図４ａ、図４ｂに示す。アクチュエータ自体に関する詳細部分については図１と同一の参照符号を付す。

全般的に３０で示されるこのタイプのバルブは、例えば、２枚の鋼板３１，３２の間に位置決めされることができ、これらの鋼板はプラスチックフレーム３３と共に、シールされたキャビティ３４を形成する。図示のアセンブリの底部には、キャビティ３４内へ水素を通過させるためのガスチャネル３５がある。水素は、ガスチャネル３５から開口部３６を介してキャビティに供給される。言うまでもないが、以下で説明するアクチュエータ設計およびバルブ設計は、その他のタイプのバルブ、例えば入口バルブ、にも用いることができる。以下で説明する例は、例えば背景技術で言及した特許公報に記載されたパッシブ型燃料電池アセンブリに適用できるが、アクチュエータを従来のスタック型燃料電池と共に適用することもできる。

非作動状態で開弁しているパージバルブを図３に示す。

バルブ機構３０は、上側（図で見ると）鋼板３１を貫通している穴３１’の中で鋼板に取り付けられる。バルブは、一端がバルブヘッド３７’に接続されて他端が止め部材３７’’に接続されるバルブ軸３７を備える。止め部材はバルブのストロークを制限する。またバルブ軸３７の周りに配置されバルブヘッド３７’上に載っているＯリング３８が設けられ、前記Ｏリングはバルブヘッド３７’と鋼板３１の下側側面との間にシーリング機能を提供する。またバルブ軸３７の周りに、ばね３９が設けられ、バルブを開位置（すなわち図の下方向）まで強制的に押す。

この設計では、通常バルブは開いており、バルブ３０を作動させたとき、すなわち膜１２がシールされた側１４の表面から持ち上げられたときだけ閉じ、それによってばね荷重バルブヘッド３７’を上方向（図で見ると）に押す。燃料電池の動作中、バルブは少量の支持電流（またこの電流は間欠的であってもよい）によって閉状態で維持される。バルブの位置およびシールされた側の圧力をモニタするために（例えば圧力が過剰に高くなることを回避するために）、ＣＣＭ／膜１２とバルブ機構の平坦な表面との間に圧力感知接点（図示せず）があってもよい。印加電流が十分に小さい場合、１）シールを介した水素漏れ、２）膜を介した水素の逆拡散、３）膜／ＣＣＭにおける電圧差によって求められる熱力学的平衡圧力に因って平衡圧力が生じる。

電位および電流を反転させることで随時バルブを開き、それによって膜を介して水素を逆に「ポンピング」させる。

非作動状態で閉弁しているパージバルブを図４に示す。

このバルブ機構は本質的に図３のバルブと同一の構成部品を備える。しかしながら、この構成ではＯリング３８が、鋼板３１の表面と止め部材３７’’との間の、鋼板の上側側面（図で見ると）に設けられる。

よって、図４ａに示すように、バルブ軸３７およびＯリング３８、ならびにバルブを閉位置（すなわち図の下方向）まで強制的に押すばね３９がある。

よってこのバルブは通常は閉じており、従って代替の開弁機構（例えば手動機構）を設けて起動時（すなわち水素がパージバルブの出口に到達する前）の燃料電池アセンブリのパージングを可能にする。代替として、水素が出口に到達する前に、電圧を上げて水素および酸素を発生させる（好ましくはシールされた側で水素）ようにすることでバルブを開けることができる。

このデッドエンド型燃料電池アセンブリを稼働させている間、電極を分極させることによってパージングが得られ、それによって、好ましくはシールされた側に水素をポンピングさせることによって弁を開く。閉弁は、先と同じように電圧および電流を反転させることによって得られる。

ここでさらに、非限定的な例を挙げて本発明を図示する。

実施例１
アンブレラバルブからの逃し圧力の低下

本発明によるアクチュエータの概念を検証するために、試験セットアップを構築する。

試験セット用のアクチュエータは如何なるＧＤＬも含まない。試験セットアップ５０の分解概略図を図５ａに示し、全体的な実験用セットアップを図５ｂに示す。

５１は、プラスチックガスニップルが接続される出口端板であり（約２５×２５×１ｍｍ）、５２および５３は、アンブレラバルブヘッドの動きを許容する中央穴を有するシリコンゴムシール（合計厚さ約４ｍｍ）であり、５４は、アンブレラバルブ（Ｖｅｒｎａｙ、ＶＡ３４９７、シリコン製）であり、５５は、アンブレラバルブを取り付けるための３．６ｍｍ穴を有した厚さ約２ｍｍのプレートであり、５６は、大きな開口部（約７ｍ）と、ガス流路を提供するスリットとを有するシリコンシールであり、５７は、シリコンシール５６の大きな開口部よりも小さな直径（約６ｍｍ）を有する剛性ワッシャ（均一の縮尺ではない）である。シリコンシール５６の厚さは約２ｍｍであり、ワッシャ５７は厚さ約１ｍｍである。５８は、約８ｍｍの内径を有する集電のためのＳｎ被覆Ｃｕ箔であり、５９は、直径１２のＭＥＡであり、６０は、１１ｍｍの中央穴と、その下の２ｍｍのガス流路穴とを有する絶縁テープであり、６１は、第２の集電器テープであり、６２は、ガス流路のための穴を有するプラスチック製の受板であり、６３は、中央穴と、ガス流路を提供するスリットとを有するシリコンゴムシールであり、６４は、プラスチックガスニップルが接続される入口端板である。アセンブリはＭ３ネジおよびナットと共にクランプ留めされる。

図５ｂで概略的に示すセットアップは、約１．８ＰＳＩの圧力を有する水素源６５と、ニードルバルブ６６（最大約４５ｍｌ／分に設定される流量制限器（ニードルバルブ））を有するロタメータとに接続される。システムの圧力は、電子圧力計６７で記録される。アクチュエータがアンブレラバルブを押すと、その逃し圧力が低下し、結果としてセットアップを介して高流量を提供し、より低い圧力が記録される。

試験手順：テスト手順における圧力対時間曲線を図６に示す。

電源ユニット、つまりＰＳＵ（ＴＴＩ ＣＰＸ ２００）を最大電流５０ｍＡおよび最大電圧約４Ｖに設定する。１０秒後にＰＳＵをオンする。圧力が０ＰＳＩにまで低下したら（約７０秒後）、ＰＳＵをオフする。これが、アンブレラバルブの裏側を押すアクチュエータの力の低下を招き、よってシステムの圧力上昇に至る。約１５０秒後、ＰＳＵを再びオンすると、圧力が再び低下する。実験前に、アクチュエータの膜材料を僅かに湿らせた。

ＰＳＵをオンした後に即時に圧力応答を受けない理由は、シールされたキャビティ内部の圧力が、アンブレラバルブの逃し圧力に影響を及ぼす前に増加する必要があるからである。２度目に得た最少圧力がより高い理由は、アンブレラバルブが異なる方法で位置決めされており、従ってそれがより高い逃し圧力を提供するからであり得る。

別の実験では、ＰＳＵの電圧を反転させ、０．７Ｖに設定する。この場合、用いられるアクチュエータ原理は、水素ポンプの原理である。原則的には、これが図６に示すものと同様の曲線を提供した。

ここで、本発明の水素ポンピング態様を利用したアクチュエータ／バルブ機構の好ましい実施の形態について説明する。

水素ポンプは、本発明によるバルブシステムのこの態様の核となるものである。

一般的に、アクチュエータはエネルギーを運動に変換するものである。また、それを用いて力を作用させることができる。典型的にはアクチュエータは、通常空気、電気または液体によって生じるエネルギーを取り込み、それをある種の運動に変換する機械装置である。その運動は、遮断、クランプ留め、または排出など様々である。アクチュエータは典型的には、製造用途または産業用途で用いられ、モータ、ポンプ、スイッチおよびバルブのようなものに用いてもよい。

本出願の目的上、アクチュエータは、過剰圧力を生成し得るガスチャンバを伴った電気化学的水素ポンプとして捉えられる。チャンバの１つの壁は可撓性膜で構成され、チャンバ内部の圧力上昇によって可撓性膜を動かし（隆起させ）、バルブ部材をバルブ座に押し込むことによってバルブ部材に影響を及ぼすか、もしくは膜自体がシーリング作用を実行できる。

図７は、水素ポンピングの原理に基づくアクチュエータの水素ポンプ部の主要構成部品を示す概略図である。

よって、水素ポンプは、各側に１つずつＧＤＬ７２を設けたＭＥＡ７０を備える。例示の実施の形態では、ＭＥＡが、１８μｍの厚さを有するＧｏｒｅ（登録商標）ＰＲＩＭＥＡ ＭＥＡ ｃｌｅｏ ｓｅｒｉｅｓ ５７１０で作製された膜を備える。それは各電極に、０．４ｍｇ／ｃｍ^２の白金触媒充填量を有する。好適にはＧＤＬ７２は、限定されないものの、膨張天然黒鉛をベースにした厚さ略２００μｍの炭素繊維紙のような多孔材料で作製される。このような材料はＳＧＬ ＧＲＯＵＰ−ＳＩＧＲＡＣＥＴから入手できる。

ＭＥＡ／ＧＤＬのアセンブリは、導電性接着剤７６によって（底部）集電器７４に装着される。導電性接着剤の目的は、ＭＥＡと底部集電器との間をシールするとともに、その間の如何なる水素漏れも回避することである。またアセンブリの頂部にも集電器７８が設けられ、アセンブリ全体をクランプ留めすることによって定位置に保持されている。クランプ留めも接触抵抗を低減させる。従来、集電器は金属箔、好適には銅箔、で作製される。頂部集電器には、例えば水素ガスのＭＥＡへのアクセスを可能にするための穴８ｓが設けられる。また底部集電器および接着剤にも、発生したガスがガスチャンバを出入りすることを可能にするための穴が設けられる。

集電器の一方または両方は、金張り接点を有するフレックスフォイル（ｆｌｅｘｆｏｉｌ）で作製でき、それにより、他の特許に記載されるように、水素ポンプの燃料電池アセンブリへの組み込みがより容易となるであろう。

水素ポンプを以下の図でのみ概略的に示し、外形だけで表す。

図８ａでは、上記水素ポンプをバルブのアクチュエータに利用したセットアップを示す。この実施の形態では、バルブが「通常」状態では開いており、すなわちアクチュエータを動作させるのは弁を閉じるときだけである。その他に、バルブが通常は閉じており、ゆえにアクチュエータを用いてバルブを開く構成も可能である。

よって、図８ａでは、実施の形態を図７に示す水素ポンプを基にしたアクチュエータを備える、本発明による電気化学バルブ機構を示す。

アクチュエータはバルブ機構に組み込まれ、その一部を形成する。図８ａでは、水素ポンプ８３を、詳細部分は示さずに１つのユニットとして示している。機構全体は、各々が好適には厚さ約０．５ｍｍである２枚の鋼板８１，８１１の間に設けられる。構造は材料シートを層にして構築され、底部から上部にかけて（図８ａおよびさらにより明らかには図８ｂの分解図に見られるように）、第１の鋼板８１が設けられ、その上には、厚さ約０．４ｍｍの薄型シート状のポリエチレンまたはポリカーボネートのような非導電性高分子材料８２が設けられ、その中には、完成した構造内にチャネルを形成する少なくとも１つの凹部８６が作られている。凹部は幅約１．５ｍｍおよび長さ１３ｍｍである。

非導電性層８２の上には、ポリエチレンまたはポリカーボネートのような別の非導電性高分子材料からなる厚さ約０．２ｍｍの薄型シート８４が設けられる。このシートには、穴８４’，８４’’が設けられ、それぞれ凹部８６によって形成されたチャンネルへのガスの導入を可能にし、チャネル８６からのガスの排出を可能にする。

水素ポンプ８３は、電池のカソード側が入口穴８４’の上に位置するようにシート８４と接触した状態で設置される。

水素ポンプ８３は、層８５（接着剤）および層８７（シリコンゴム膜）それぞれに「埋め込まれる」。これは、それぞれの材料層に、アクチュエータユニット８３を収容できるような開口部を形成することで達成される。このようにして、水素ポンプ頂部表面は、膜と面一となり、すなわち膜の表面より上に延在しない。接着剤８５は、チャネル／凹部８６からの出口８４’’を覆うとともにチャンバを形成するように延長部を有する開口部８５’を有する。接着剤８５によって非導電性層８４に装着されるシリコンゴム層８７は、従って接着剤の開口部が位置する範囲で可動である。

シリコンゴム層８７の上には、厚さ約０．２ｍｍの非導電性高分子材料、例えばポリエチレンまたはポリカーボネート、からなる、さらに別のシート８１３がある。このシートは、アクチュエータユニット８３のアノード側を露出する開口部８１３’と、シリコン層の下の接着剤８５の中の開口部８５’によって形成されたチャンバの上に位置する開口部８１３’’とを有する。よって、それぞれの層８４および８１３の開口部の組み合わせによって、チャンバ内のいずれか一方側での圧力による力に応じてシリコンゴムが撓むことが可能となる。

層８１３の頂部にさらに別の非導電性層８８が設けられる。この層８８は、層８１３内の開口部間に延在するとともに開口部と重なる凹部８８’を有し、開口部間の連通チャネル８１０を形成するようにする。また層８８には、図で見ると水素ポンプ８３上側への入口８１２（水素アクセス用）と、層８１３の開口部８１３’’によって形成されるチャンバからの出口８９とを形成する穴が設けられる。最終的に頂部には、第２の鋼板８１１があり、層８８の入口８１２／出口８９用のそれぞれの穴に対応する穴を有する。

よって、図に見られるように、入口８１２と出口８９との間に図示のアセンブリを通る開口連通チャネルがある。燃料電池の動作時には、このアセンブリが水素燃料タンクを燃料電池スタックの活性セルに接続する。しかしながら、燃料電池スタックへの燃料供給を終える必要がある場合、水素ポンプ８３を動作させ、水素ポンプを介して水素をポンピングすることによって、シリコン膜の下での圧力が増加し始め、シリコン膜を「上方向に」隆起させ（図の破線で概略的に示されるように）、ついには出口８９をシールする。

バルブを再び開けたいときは、チャネル８６に存在する水素が電極で消費されるとともにアクチュエータの反対側で改質されるように極性を反転させることによって、アクチュエータを「逆方向に」稼働させる。

別の実施の形態を図９に概略的に示す。図８と同一または類似の特徴に対する参照符号は同一であるが、「９」で始まるものとする。よって、シリコンゴム膜９７を押し上げてバルブを閉じるときの出口９９のシーリングを向上させる１つの方法は、「ハット部」９１５を用いることである。ハット部は、非常に軟質な材料、例えばシリコンゴム、で作製された、出口穴よりもそれ程大きくない小片９１５からなることができる。この小片を、シリコンゴム膜９７に貼り付けられた剛質材料９１４で作製された大片に貼り付けるものとする。よって、水素ポンプ９３がポンピングすると、シリコンゴム膜９７によって作用する圧力が出口穴の周囲の狭い領域にだけ集中し、シーリングを向上させる。ハット部を用いることで、エネルギーと、白金のような高価な材料との両方を節約できる。実際に、圧力が狭い領域に集中するので、アクチュエータ側は高い圧力に到達する必要がない。例えば、このハット部を設けないで出口をシールするのに約１バールの圧力を要する場合、理論上、ハット部を設けるときには、これよりはるかに小さな圧力しか要さない。実際に、直径６ｍｍを有する剛質材料片に直径３ｍｍのハット部を貼り付ける場合、０．２５バールの圧力があればシーリングには極めて十分である。ハット部を採用する実施の形態では、バルブを閉じるのに供給される電流が低下するために、より小さな水素ポンプを用いることが許容される。

図１０では、本発明によるバルブの燃料電池アセンブリ１００への実装を概略的に示す。本実施の形態の燃料電池は、好ましくは直列に接続されるとともに一平面に配置される面内高分子電解質型燃料電池である。アセンブリは、所望且つ要求される機能性を有する材料の複数の層から構築される。バルブ機構は、アセンブリを構成する層のうちの少なくとも１つに埋め込まれる。水素ポンプ１０１とシリコン膜１０２とを備えるバルブＶが丸で囲って示される。

燃料電池アセンブリの動作時には、１０４の入口と１０６の出口とにある矢印で示されるように水素ガスがアセンブリに供給される。出口１０６を閉じることが望ましい場合、水素ポンプ１０１に通電し、そしてそれがコンパートメント１０８内へ水素をポンピングし始め、それによって圧力が上昇し、破線で示すように膜１０２が隆起し始め、それによって膜が出口１０６を閉じる。

バルブを試験するために寿命実験を行った。それを以下の実施例２で説明する。

実施例２
バルブは図８ａに従って設計された。頂部と底部の鋼板は厚さ０．５ｍｍであった。６本のＭ２ネジおよびナットでクランプ留めを達成した。アセンブリ全体（ネジおよびナットは含まず）の外側寸法は、２５×１５×４ｍｍであった。シリコンゴム膜と出口穴との間のシーリング特性は、少量のシリコングリースを添加することによって向上した。入口を１バールの水素ガスに接続し、出口を質量流量制御器（毎分５０ｍｌに設定）に接続することによって、バルブのサイクリング機能性を検証した。電気的接触を介してバルブは以下のサイクルに曝露された、すなわち、＋１００ｍＡで約２秒間（閉弁する）、開回路で約１秒間、＋１０ｍＶで約３秒間（閉弁を維持する）、開回路で約１秒間、−１００ｍＡで約２秒間（再び開弁する）、開回路で３秒間。このサイクルを１５００サイクル繰り返し、質量流量調整器を介したフロープロファイルを記録した。フロープロファイルは１５００サイクル全体を通して類似しており、１４００サイクル付近のフロープロファイルを図１１に示す。バルブは良好に開閉し、バルブを開く際に見られるフローの変曲点は、質量流量制御器内部の流量調整に因る。１サイクルのエネルギー消費は約７０ｍＪであり、必要最大電力は約１０ｍＷであった。バルブを棚に２０日間放置した後、実験を１０００サイクル繰り返したが、本質的にガス流量は同一の結果となった。

Claims (17)

1. バルブ機構において、
   材料の層から構成される層状構造と；
   前記層状構造内に配置され、入口と出口を有する連通チャネル（８１０）と；
   電気化学的に動作可能なアクチュエータであって、
   支持構造（８１、８２、８４、８５）と；
   前記支持構造に対してシールされて、コンパートメントを形成する可撓性膜（８７）と；
   ｉ）水素ガスまたは酸素ガスの一方を含むガスを生成して、ｉｉ）ガス圧が前記コンパートメント内に提供されるように、生成した前記ガスを前記コンパートメントの内部に送り込む、電気化学的手段（８３）と；を備え、
   前記電気化学的手段は、電極を両側に有するイオン伝導膜と、電圧源と接続して前記電極間に電位を印加する端末手段とを備える、アクチュエータと；
   動作中に前記電気化学的に動作可能なアクチュエータから発生するガスを取り入れるために前記電気化学的に動作可能なアクチュエータの一側と流体連通して前記支持構造の少なくとも一層に設けられるチャネル（８６）と；を備え、
   前記可撓性膜は、前記層状構造の前記層のうちの１つの少なくとも一部を形成し、
   前記膜は、動作時に、前記連通チャネルの出口をシールして閉じたコンパートメントとして前記コンパートメントを形成し、前記ガス圧が前記膜に作用し前記膜を隆起させて前記閉じたコンパートメントを形成することを特徴とするバルブ機構。
2. 請求項１に記載のバルブ機構において、前記可撓性膜が前記イオン伝導膜とは別体のエンティティであることを特徴とするバルブ機構。
3. 請求項１に記載のバルブ機構において、前記電気化学的手段は、前記可撓性膜と一体化していることを特徴とするバルブ機構。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記電気化学的手段は、水素ポンプ、電解槽、またはその両方として動作可能であることを特徴とするバルブ機構。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のバルブ機構において、前記可撓性膜は、シリコンゴムまたはその他の非電気化学的で、不活性の箔で作製されることを特徴とするバルブ機構。
6. 請求項５に記載のバルブ機構において、前記電気化学的手段が少なくとも部分的に前記可撓性膜に埋め込まれることを特徴とするバルブ機構。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記電気化学的手段は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、前記膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の各側にあるガス拡散層（ＧＤＬ）と、その各側にある集電器とを備えることを特徴とするバルブ機構。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記膜（１２）のたわみが、どの程度であろうと前記支持体（１０）の平面性に影響を及ぼしてはならないため、前記支持体（１０）は実質的に前記膜よりも剛性が高いことを特徴とするバルブ機構。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記可撓性膜に装着され、作動させる物体と接触するように位置決めされる剛性部材（１９）があることを特徴とするバルブ機構。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記可撓性膜は、接着剤によって前記層状構造の一層に装着されるが、前記膜の一領域を前記一層に装着されないままにして前記一層と前記膜との間にコンパートメントを形成するようにすることを特徴とするバルブ機構。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記コンパートメントと前記チャネルとの間に流体連通を提供するために前記一層に穴が設けられることを特徴とするバルブ機構。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記膜は、ガスチャネル開口部の近傍に設けられ、前記アクチュエータの動作時に、前記膜が前記開口部を閉じることを特徴とするバルブ機構。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載のバルブ機構において、前記支持構造が、材料の層（８１、８２、８４、８５）の蓄積から構成されており、底部から上部にかけて、
    ｉ）第１の板（８１）と、
    ｉｉ）前記第１の板（８１）上に設けられた非導電性高分子材料の第１のシート（８２）であって、動作時に、前記アクチュエータから発生するガスを取り入れるために前記アクチュエータの一側と流体連通する前記チャネル（８６）を形成する凹部を有する、非導電性高分子材料の第１のシート（８２）と、
    ｉｉｉ）前記第１のシートより薄く、前記第１のシート上に設けられる、非導電性高分子材料の第２のシート（８４）であって、発生した前記ガスが前記チャネル（８６）に出入りする流体連通経路を提供する穴（８４’、８４’’）を備える、第２のシート（８４）と、
    ｉｖ）前記第２のシート上に設けられた接着層（８５）と、
    を備え、
    前記可撓性膜（８７）は、前記接着層（８５）上に設けられ、
    前記電気化学的手段（８３）は、前記接着層（８５）及び前記可撓性膜（８７）に埋め込まれたアクチュエータユニットであることを特徴とするバルブ機構。
14. 請求項１３に記載のバルブ機構において、前記非導電性高分子材料の第１のシート（８２）が、ポリエチレンおよびポリカーボネートの一方を含むことを特徴とするバルブ機構。
15. 請求項１３に記載のバルブ機構において、
    前記非導電性高分子材料の第１のシート（８２）がポリエチレンおよびポリカーボネートの一方を含み、厚さ約０．４ｍｍであり、
    前記凹部が幅約１．５ｍｍおよび長さ約１３ｍｍであり、
    前記第２のシートが厚さ約０．２ｍｍであって、ポリエチレンのシートおよびポリカーボネートのシートの一方であることを特徴とするバルブ機構。
16. 請求項１３、１４、または１５に記載のバルブ機構において、
    前記可撓性膜（８７）はシリコンゴム層であって、さらに、
    前記第１のシート（８２）の厚みよりも薄い厚みを有し、開口部をする非導電層（８１３）と、
    前記非導電層（８１３）上に設けられた更なる非導電層（８８）であって、前記非導電層（８１３）の開口部間に延在するとともに前記開口部と重なって前記開口部間に連通チャネル（８１０）を形成する凹部の両側に開口部を有する更なる非導電層（８８）と、を備えることを特徴とするバルブ機構。
17. 請求項１６に記載のバルブ機構において、
    前記更なる非導電層（８８）上に設けられ、前記更なる非導電層（８８）の前記開口部と整列した開口部を有する第２の板（８１１）を更に備えることを特徴とするバルブ機構。
    

Images