圧力調整機構、圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池
【課題】設定圧力を容易に調整することができ、規定温度以上の環境下において負荷が解除でき、小型化を図ることが可能となる設定圧力調整機構、圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池を提供する。
【解決手段】差圧によって動作する可動部を備えたバルブ１０１５の設定圧を調整する圧力調整機構１０１６であって、
前記圧力調整機構が、前記バルブに取り付け可能に構成され、
前記圧力調整機構の前記バルブへの取り付けによって、前記可動部に予め定められた変位を与えて前記設定圧を調整する構成とする。
【解決手段】差圧によって動作する可動部を備えたバルブ１０１５の設定圧を調整する圧力調整機構１０１６であって、
前記圧力調整機構が、前記バルブに取り付け可能に構成され、
前記圧力調整機構の前記バルブへの取り付けによって、前記可動部に予め定められた変位を与えて前記設定圧を調整する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力調整機構、圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バルブには様々なタイプのものが知られている。例えば、減圧弁は１次側の圧力を減圧し、２次側の圧力を一定に保つ機能を有し、安全弁は設定圧力に達すると圧力を外に逃がす働きをする。
また、バルブはアクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。アクティブ駆動のバルブは、圧力センサなどのセンサ類とバルブ駆動手段、制御機構とを備える。
一方、パッシブ駆動の減圧弁は、圧力差によるダイヤフラムのたわみ等を利用して、バルブが自動的に開閉する。
例えば、パッシブ型の減圧弁の設定圧力の調整には、従来、弁体に対して力を伝えるバネを具備し、ハンドルなどによって、バネのたわみを変化させる機構がよく用いられてきた。
このような機構として、特許文献１においては、バネによる圧力設定機構を有する減圧弁が開示されている。
【０００３】
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
【０００４】
このような水素を貯蔵するための技術として、つぎのような方法が知られている。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ３程度となる。第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
【０００５】
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。
例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料極を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料ガスが透過しないようにするために通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。
これらの固体高分子電解質膜の強度は３〜５ｋｇ／ｃｍ２程度である。
従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には０．５ｋｇ／ｃｍ２、非常時でも１ｋｇ／ｃｍ２以下になるように制御することが好ましい。
【０００６】
燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が前記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はない。
しかし、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。
また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、前記機構は必要となる。
特許文献２においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。
特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
【０００７】
バルブの小型化に関しては、精密機械加工技術の他にも、例えば半導体加工技術を用いることもできる。
半導体加工技術は、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。
非特許文献１においては、複数の半導体基板を材料を用い、半導体加工技術を用いて作製したアクティブ駆動のマイクロバルブについて開示している。本マイクロバルブはＰＺＴに電圧をかけることによって駆動されている。
【特許文献１】特開２００４−２８０２３２号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１９９号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｊｅｒｍａｎ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，４，２１０，１９９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の機械加工・組み立て技術や半導体加工技術を用いてバルブを小型化することは可能である。
しかしながら、特にパッシブ駆動型のバルブにおいて、設計段階で設定圧力をある値に設計することはできても、作製後にバルブの設定圧力を状況に応じて調整することは困難であった。
これは、バルブが小型になると、従来の減圧弁のように調整用のバネやハンドルを具備するのが困難であると同時に、それらを操作・調整することが困難であるためである。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、設定圧力を容易に調整することができ、小型化を図ることが可能となる設定圧力調整機構、設定圧力調整機構を取り付けた圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池の提供を目的とする。
また、本発明は、上記機能に加え、規定温度以上の環境下において負荷の解除をすることができる機能を併せ有する設定圧力調整機構、設定圧力調整機構を取り付けた圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した圧力調整機構、圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池を提供するものである。
本発明の圧力調整機構は、差圧によって動作する可動部を備えたバルブの設定圧を調整する圧力調整機構であって、
前記圧力調整機構が、前記バルブに取り付け可能に構成され、
前記圧力調整機構の前記バルブへの取り付けによって、前記可動部に予め定められた変位を与えて前記設定圧を調整することを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記可動部が、ダイヤフラム、ポペット、ピストン、弁体の少なくとも一つからなることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるためのバネ機構によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バネ機構が、板バネを備えた機構であることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための弾性材料からなる機構によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バネ機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記弾性部材による機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記形状記憶合金が、バイメタルで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バネ機構が、バネ部と、該バネ部を支持する支持部と、該バネ部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、を有することを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記弾性材料からなる機構が、弾性材料からなる弾性部と、該弾性部を支持する支持部と、該弾性部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための可動部に隣接する圧力チャンバによって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記チャンバが、逆止弁を備えていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、上記したいずれかに記載の可動部を備え、
前記可動部に予め定められた変位を与えて設定圧を調整するため、上記したいずれかに記載の圧力調整機構が、前記バルブに取り付けられていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バルブが、減圧弁であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、上記したいずれかに記載の圧力調整機構付きバルブを搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、設定圧力を容易に調整することができ、小型化を図ることが可能となる設定圧力調整機構、設定圧力調整機構を取り付けた圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池を実現することができる。
特に、本発明の設定圧力調整機構をバルブに取り付けることで、設定値をバルブ自体の構造を変更せずに調整することができ、バルブ自体の構造も単純にすることができ、システム全体の小型化を図ることができる。
また、本発明の設定圧力調整機構を小型減圧弁と併せて小型燃料電池の制御に用いれば、適正な圧力で燃料を燃料電池に供給できると共に、燃料電池システムを小型化できる。
その際、バルブ設定の異なる製品に搭載する場合にはバルブ自体のプロセスを変更する必要が無く、部品の共通化が図られてコストダウンが可能となる。
また、上記機能に加え、規定温度以上の環境下において負荷の解除をすることができる機能を併せ有する設定圧力調整機構を構成することにより、通常の減圧弁の機能に加えて、温度状態によって変位する温度遮断弁として機能させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明の圧力調整機構を適用して構成したマイクロバルブ（小型減圧弁）及びその作製方法の一例について説明する。
なお、本発明は、以下に説明するバルブの構造および製法に限定されるものではない。例えば、リリーフバルブなどの他の形態のバルブや機械加工などの他の製法で作製されたバルブに対しても有効である。
本実施例のマイクロバルブの作製方法においては、まずダイヤフラム部を作製し、その上に新規ウェハを接合する。
その後、バルブ軸部を作製し、さらに、その上に新規ウェハを接合した後、バルブシートを作製し、最後にバルブシートをリリースすることによって、作製される。ウェハには両面研磨されたものを使用するのが好ましい。
【００１４】
次に、図１及び図２によって、本実施例のマイクロバルブの具体的な作製方法を説明する。
図１及び図２に、上記製法における作製手順を説明するための各工程を示す。
まず、図１（ａ）示す第１のステップは、新しいウェハ表面に位置あわせのためのアライメントマークを作製する工程である。
ウェハには厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハ１を用いた。Ｓｈｉｐｌｅｙ社Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、パターニング後、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによって、深さ３０μｍのアライメントマーク２１を作製した。
図１（ｂ）に示す第２のステップは、ダイヤフラム、バルブ軸の一部、および、その支持部のためのマスクを作製する工程である。
まず、２枚のアルミマスクを順番にウェハの第１のステップで作製したアライメントマーク２１と反対側の面にパターニングした。
１枚目のアルミマスク１１はＳｈｉｐｌｅｙ社Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、ダイヤフラム２４と支持部２２を形成するためのマスクをパターニング後、真空蒸着によって成膜した。
さらに、その上に、２枚目のアルミマスク１２をフォトレジストによって、バルブ軸２３と出口流路２６になる部分をパターニング後、真空蒸着によって成膜した。
【００１５】
図１（ｃ）に示す第３のステップは、ダイヤフラム２４、バルブ軸２３の一部、および、その支持部２２を作製する工程である。
ここでは、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによってシリコンウェハを垂直に１５０μｍエッチングした。
図１（ｄ）に示す第４のステップでは、エッチング時間を制御することによって、２枚目のアルミマスク１２のみをウェットエッチングによって取り除いた。
図１（ｅ）に示す第５のステップでは、残ったマスクを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによって１２５μｍシリコンウェハを垂直にエッチングした。これにより２５μｍのシリコンウェハ部分が残り、これがダイヤフラム２４となる。また、出口流路２６が形成される。
【００１６】
図２（ｆ）に示す第６のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。
まず、残ったアルミマスクをウェットエッチングで取り除いた。
厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハをまず、ＳＰＭ洗浄（過酸化水素水と硫酸の混合液中で８０℃１０分間洗浄）後、１％フッ酸で洗浄し、ＳＣ１洗浄（過酸化水素水とアンモニア水の混合液中で７５℃１０分間洗浄）した。
次に、前の工程までに作製したウェハ１と新しいウェハ２とを重ね合わせ、４．５ａｔｍの圧力で１０分間保持した。
その後、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行った。
図２（ｇ）に示す第７のステップは、バルブ軸２３の残りの部分を作製する工程である。
アルミを新しいウェハの表面に成膜後、第１のステップで作製したアライメントマークをもとにＳｈｉｐｌｅｙ Ｓ１８０５フォトレジストによってバルブ軸をパターニングした。
こでは、ＩＣＰ−ＲＩＥによって、バルブ軸となる部分を垂直にエッチングして作製した。
【００１７】
図２（ｈ）に示す第８のステップは、バルブシートになるウェハを接合する工程である。
まず、アルミマスクをウェットエッチングによって取り除いた。その後、試料を超音波洗浄によって数分間洗浄した。
新しい厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハ３の表面を熱酸化し、前の工程までに作製したウェハと接合した。接合条件は第６のステップの場合と同様である。
図２（ｉ）に示す第９のステップは、バルブシートを形成する工程である。
ウェハの接合されていない側のシリコン酸化物層を取り除き、その上にアルミを成膜した。Ｓｈｉｐｌｅｙ Ｓ１８０５フォトレジストによってバルブシート２５を形成し、ＩＣＰ−ＲＩＥによって垂直にエッチングした。
図２（ｊ）に示す第１０のステップは、バルブシート２５をリリースする工程である。
こでは、ｖａｐｏｒ ＨＦによって２５μｍの長さをサイドエッチングした。エッチング時間は２時間であった。
【００１８】
以上のようにして作製されたマイクロバルブの動作について説明する。
図３は、前記作製方法により作製したマイクロバルブの断面図である。
図３において、２２は支持部、２３はバルブ軸、２４はダイヤフラム、２５はバルブシート、２６は出口流路である。
図４（ａ）のようにダイヤフラム上部の圧力をＰ０、バルブ上流の１次圧力をＰ１、バルブ下流の圧力をＰ２とし、バルブシートの面積をＳ、ダイヤフラム面積をＳ２とする。
このとき、圧力の釣り合いから、図４（ｂ）のようにバルブが開く条件は、
（Ｐ１−Ｐ２）Ｓ１＜（Ｐ０−Ｐ２）Ｓ２となる。
Ｐ２がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。
これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。
バルブシートの面積やダイヤフラムの面積、バルブ軸の長さ、ダイヤフラムの厚さなどを調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができるが、作製後に設定圧力を変更することは困難である。
【００１９】
次に本発明の圧力調整機構について説明する。
図５に、本実施例の圧力調整機構の構造を説明するための図を示す。
図５（ａ）は、本発明の圧力調整機構の構造を表す正面図であり、図５（ｂ）は圧力調整機構の構造を表す立面図である。
圧力調整機構は、周辺支持部１０１、バネ部１０２、加圧部１０３からなる。
図６は本実施例の圧力調整機構１０１６をマイクロバルブ１０１５に取り付けた際の立断面図である。
図６において、２６は出口流路、２７は入口流路、１０１５はマイクロバルブ、１０１６は圧力調整機構である。取り付けには接着剤により接着してもよいし、ハウジングによって周辺支持部１０１を上から押さえつけてもよい。
これにより、加圧部１０３がマイクロバルブのダイヤフラムに接触し、バネ部１０２によって押される。
これにより、マイクロバルブの動作圧力にオフセットがかかる。
【００２０】
ここで、設定圧力、および、動作中のバルブの挙動はバネ部１０２のバネ定数、および加圧部１０３の高さによって決定される。
バネ部１０２のバネ定数は材質を変えたり、図７（ａ）、図７（ｂ）などのようにバネの形状を変えたり、厚さや太さを変えることによって設計可能である。
圧力調整機構の材料にはステンレスやアルミ、銅などの金属やシリコンなどの半導体、ポリイミドやゴムなどの有機材料を用いることができる。
これらにより、バネ部として板バネを形成し、あるいは圧力調整機構を弾性材料で形成する構成を採ることができる。
加工方法としては、金属の場合には、切削加工やエッチング、半導体の場合にはドライエッチングやウェットエッチング、有機物の場合には、エッチングや射出成形、切削などを用いることができる。
また、圧力調整機構は、一体加工によることもできるし、加圧部１０３を別に加工しておき、接着することもできる。
【００２１】
図８は圧力調整機構の材料を厚さ０．０５ｍｍのステンレスとし、バネ部１０２の形状を図７（ａ）（外寸法：８ｍｍ×８ｍｍ）とした場合に、加圧部１０３の高さを変化させた際のバルブの動作特性の変化を表すグラフである。
加圧部１０３の高さを大きくするに従い、バルブの動作圧力に大きなオフセットがかかるのがわかる。
加圧部１０３がマイクロバルブに接触している際のバルブの動作はバネ部１０２のバネ定数とバルブのダイヤフラムのバネ定数との合成定数によって決定される。
【００２２】
圧力調整機構によって、もとのマイクロバルブの開閉量に大きな変化を与えたくない場合には、バネ部１０２のバネ定数をダイヤフラムのバネ定数に比べなるべく小さくすることが好ましい。
この場合、調整後の圧力流量特性は、もとのバルブの特性にオフセットをかけたものに近くなる。
一方、バネ部１０２のバネ定数をダイヤフラムのバネ定数に比べ大きくすると、バルブの動作はバネ部１０２のバネ定数に大きく依存するようになる。
バネ部１０２のバネ定数を変化させた場合の、特性の変化を図９に示す。この場合、バルブが開く圧力（クラッキング圧）は高くなるが、圧力流量特性は流量が増加するとともに、調整前の特性に近づく。
以上のように本実施例の圧力調整機構をバルブに取り付けることで、バルブ自体の構造を変更せずに、圧力流量特性を変えることができる。
【００２３】
［実施例２］
実施例２においては、圧力調整機構を圧力チャンバで構成した例について説明する。
本実施例に用いるマイクロバルブは、実施例１と同様に作製することができる。図１０に、本実施例における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図を示す。
本実施例の圧力調整機構は、図１０に示すように、圧力チャンバ２０１によって構成されている。
圧力チャンバ２０１内の空間はマイクロバルブのダイヤフラムの片側（バルブによって制御される流体と接していない側）と接しており、チャンバ内の圧力を調整することにより、マイクロバルブのダイヤフラムにかかる圧力を変化させることができる。
【００２４】
圧力チャンバの圧力を調整する方法としては、設定圧力に保たれた空間中でチャンバの組み立て・封止を行なう方法を用いることができる。
また、図１１のように逆止弁２０２を有することにより、逆止弁からチューブを接続してチャンバ内の圧力を設定圧力にした後、チューブをはずすことによっても良い。
チャンバ内に供給する流体としては、空気のほかに、窒素、酸素、水素など様々な気体を使用することが可能である。
【００２５】
図１２は、圧力チャンバ２０１内の圧力を変化させた場合のマイクロバルブの特性の変化を表す図である。
圧力チャンバ２０１内の流体に圧力に応じて、マイクロバルブ１０１５の２次圧力にオフセットがかけられていることがわかる。また、設定圧力は正の圧力だけでなく、負圧にすることも可能である。
【００２６】
［実施例３］
実施例３においては、圧力調整機構として、実施例１で説明した周辺支持部、バネ部、加圧部の他に、温度変位部を設けた構成例について説明する。本実施例に用いるマイクロバルブは、実施例１と同様に作製することができる。
図１３に、本実施例の圧力調整機構の構造を説明するための正面図を示す。
本実施例における圧力調整機構は、周辺支持部３０１、バネ部３０２、加圧部３０３、温度変位部３０４からなる。
図１４は本実施例の圧力調整機構１０１６をマイクロバルブ１０１５に取り付けた際の立断面図である。
圧力調整機構１０１６は実施例１と同様に、加圧部３０３がマイクロバルブのダイヤフラムに接触し、バネ部３０２によって押される。
温度変位部３０４はチタン−ニッケル合金などの形状記憶合金が形成されており通常温度では塑性変形を行い前述のバネ部３０２の加圧には影響しない。
マイクロバルブの周りの温度が異常上昇して予め設定した温度以上になると図１５のように温度変位部３０４の形状記憶合金が加圧しない方向（図１５では上側）に反り返るように変位する。
これにより、加圧部３０３がマイクロバルブのダイヤフラムから離れ加圧しなくなる。
【００２７】
このときのマイクロバルブの２次圧力は図１６に示すように変動する。
温度が閾値（点線）より小さい領域では温度変位部３０４は機能しないので実施例１で示したように通常の加圧部３０３により加圧された２次圧になる。
さらに、温度が上昇して、閾値を超えると温度変位部３０４の形状記憶合金が機能して加圧部３０３が持ち上げられるため、負圧動作のノーマリークローズバルブとなり弁が閉じる。
また、温度が閾値を下回ると通常の減圧弁として機能するため可逆的に利用可能である。
このように圧力調整機構に形状記憶合金の温度変位部３０４を設けることにより閾値温度より下では減圧弁、それ以上では遮断弁として機能させることができ、より安全性の高い弁機構を提供することができる。
【００２８】
本実施例では、温度変位部３０４として形状記憶合金を利用した構成例を示したが、温度により変位する材料（例えばバイメタル等）を使用すれば同様な効果が得られる。
また、本実施例ではバネ部３０２と温度変位部３０４を別の位置に配置した例を示したが、温度変位部３０４にバネ性を有する金属材料等を利用して同じ機能をもたせる構成にしてもよい。
【００２９】
［実施例４］
実施例４においては、本発明の圧力調整機構によって調整されたマイクロバルブを搭載した燃料電池について説明する。
図１７に、本実施例の燃料電池を説明するための斜視図を示す。
また、図１８は、本実施例の燃料電池システムを説明するための概要図である。
本実施例における燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。
このように、本実施例の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
【００３０】
本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１０１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、一方の側面には、電気を取り出すための電極１０１２がある。
内部は、高分子電解質膜１１２、酸化剤極１１１、燃料極１１３からなる燃料電池セル１０１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１０１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御するマイクロバルブ１０１５によって構成されている。
【００３１】
次に、本実施例の燃料タンク１０１４について説明する。
タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。
燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いる必要がある。
水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ５などを用いる。
燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をステンレスとすると、燃料タンク容積は５．２ｃｍ３になる。
ＬａＮｉ５は重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能なので、充填率を５０％とすると燃料タンクに蓄えられている水素量は０．２ｇであり、
発電可能なエネルギーは、約５［Ｗ・ｈｒ］となる。
一方、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク１０１４と燃料極１１３との間に減圧のためのマイクロバルブ１０１５を設ける必要がある。
尚、ＬａＮｉ５の各温度における解離圧は図１９に示すようになっている。タンクに蓄えられた水素はマイクロバルブ１０１５で減圧され、燃料極１１３に供給される。
また、酸化剤極１１１には通気孔１０１３から外気が供給される。
燃料電池セルで発電された電気は電極１０１２から小型電気機器に供給される。
【００３２】
図２０は実施例１のマイクロバルブを燃料電池に搭載した場合の関係図である。
マイクロバルブの１次側は、燃料タンク１０１４とつながっている。出口流路２６は、燃料極１１３へとつながり、ダイヤフラム２４の出口流路と反対面は酸化剤極（外気）と接している。
バルブ全体のサイズは１ｃｍ角以内であり、弁体の大きさは１ｍｍ角以内となっている。
このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。
【００３３】
次に、燃料電池の発電に伴うバルブの開閉動作を説明する。
発電停止中はマイクロバルブ１０１５は閉じている。発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がって行く。
ダイヤフラム２４は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム２４にバルブ軸２３で直結されたバルブシート２５は押し下げられ、バルブは開く。
これにより、燃料タンク１０１４から、燃料極室１１３に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム２４は上に押し上げられ、マイクロバルブ１０１５は閉じる。
【００３４】
燃料電池の特性は、供給される燃料の圧力によって変化する。
そこで、燃料電池に搭載するマイクロバルブに本発明の圧力調整機構を取り付けることにより、マイクロバルブの開閉圧力を調整することで、適正な圧力に保つことができる。これにより、燃料電池の燃料流路内を破損の危険が無く、良好な発電特性を発揮することが可能となる。
また、実施例３の温度変位部をもつ圧力調整機構を燃料電池に適応することにより、何らかの要因で燃料電池が異常温度に上昇した場合に燃料の供給を自動的に遮断することが可能になりさらに安全性の高い構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１におけるマイクロバルブの製法の作製手順を説明するための各工程（（ａ）から（ｅ））図。
【図２】本発明の実施例１における図１に続くマイクロバルブの製法の作製手順を説明するための各工程（（ｆ）から（ｊ））図。
【図３】本発明の実施例１におけるマイクロバルブの構造を説明するための図。
【図４】本発明の実施例１におけるマイクロバルブの開閉について説明するための図。
【図５】本発明の実施例１における圧力調整機構を説明するための図。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は立面図。
【図６】本発明の実施例１における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図７】本発明の実施例１における圧力調整機構の別の形態を説明するための図。図７（ａ）及び図７（ｂ）はこれらの正面図。
【図８】本発明の実施例１における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた際の圧力流量特性を示す図。
【図９】本発明の実施例１における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付け、バネ部のバネ定数を変化させた際のマイクロバルブの圧力流量特性を示す図。
【図１０】本発明の実施例２における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図１１】本発明の実施例２における逆止弁を具備した圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図１２】本発明の実施例２における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた際の圧力流量特性を示す図。
【図１３】本発明の実施例３における圧力調整機構を説明するための図。
【図１４】本発明の実施例３における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図１５】本発明の実施例３における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付け、温度変位部が変位する状態を説明するための図。
【図１６】本発明の実施例３における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた際の圧力温度特性を示す図。
【図１７】本発明の実施例４における燃料電池を説明するための斜視図。
【図１８】本発明の実施例４における燃料電池を説明するための概要図。
【図１９】本発明の実施例４の燃料電池における水素吸蔵合金（ＬａＮｉ５）の解離圧力を説明するための図。
【図２０】本発明の実施例４の燃料電池におけるマイクロバルブの位置関係を説明するための図。
【符号の説明】
【００３６】
１：第１のウェハ
２：第２のウェハ
３：第３のウェハ
１１：第１のアルミマスク
１２：第２のアルミマスク
１３：第３のアルミマスク
１４：シリコン酸化物層
１５：第４のアルミマスク
２１：アライメントマーク
２２：支持部
２３：バルブ軸
２４：ダイヤフラム
２５：バルブシート
２６：出口流路
２７：入口流路
１０１：周辺支持部
１０２：バネ部
１０３：加圧部
１１１：酸化剤極
１１２：高分子電解質膜
１１３：燃料極
２０１：加圧チャンバ
２０２：逆止弁
３０１：周辺支持部
３０２：バネ部
３０３：加圧部
３０４：温度変位部
１０１１：燃料電池セル
１０１２：電極
１０１３：通気孔
１０１４：燃料タンク
１０１５：マイクロバルブ
１０１６：圧力調整機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力調整機構、圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バルブには様々なタイプのものが知られている。例えば、減圧弁は１次側の圧力を減圧し、２次側の圧力を一定に保つ機能を有し、安全弁は設定圧力に達すると圧力を外に逃がす働きをする。
また、バルブはアクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。アクティブ駆動のバルブは、圧力センサなどのセンサ類とバルブ駆動手段、制御機構とを備える。
一方、パッシブ駆動の減圧弁は、圧力差によるダイヤフラムのたわみ等を利用して、バルブが自動的に開閉する。
例えば、パッシブ型の減圧弁の設定圧力の調整には、従来、弁体に対して力を伝えるバネを具備し、ハンドルなどによって、バネのたわみを変化させる機構がよく用いられてきた。
このような機構として、特許文献１においては、バネによる圧力設定機構を有する減圧弁が開示されている。
【０００３】
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
【０００４】
このような水素を貯蔵するための技術として、つぎのような方法が知られている。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ３程度となる。第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
【０００５】
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。
例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料極を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料ガスが透過しないようにするために通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。
これらの固体高分子電解質膜の強度は３〜５ｋｇ／ｃｍ２程度である。
従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には０．５ｋｇ／ｃｍ２、非常時でも１ｋｇ／ｃｍ２以下になるように制御することが好ましい。
【０００６】
燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が前記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はない。
しかし、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。
また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、前記機構は必要となる。
特許文献２においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。
特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
【０００７】
バルブの小型化に関しては、精密機械加工技術の他にも、例えば半導体加工技術を用いることもできる。
半導体加工技術は、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。
非特許文献１においては、複数の半導体基板を材料を用い、半導体加工技術を用いて作製したアクティブ駆動のマイクロバルブについて開示している。本マイクロバルブはＰＺＴに電圧をかけることによって駆動されている。
【特許文献１】特開２００４−２８０２３２号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１９９号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｊｅｒｍａｎ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，４，２１０，１９９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の機械加工・組み立て技術や半導体加工技術を用いてバルブを小型化することは可能である。
しかしながら、特にパッシブ駆動型のバルブにおいて、設計段階で設定圧力をある値に設計することはできても、作製後にバルブの設定圧力を状況に応じて調整することは困難であった。
これは、バルブが小型になると、従来の減圧弁のように調整用のバネやハンドルを具備するのが困難であると同時に、それらを操作・調整することが困難であるためである。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、設定圧力を容易に調整することができ、小型化を図ることが可能となる設定圧力調整機構、設定圧力調整機構を取り付けた圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池の提供を目的とする。
また、本発明は、上記機能に加え、規定温度以上の環境下において負荷の解除をすることができる機能を併せ有する設定圧力調整機構、設定圧力調整機構を取り付けた圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した圧力調整機構、圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池を提供するものである。
本発明の圧力調整機構は、差圧によって動作する可動部を備えたバルブの設定圧を調整する圧力調整機構であって、
前記圧力調整機構が、前記バルブに取り付け可能に構成され、
前記圧力調整機構の前記バルブへの取り付けによって、前記可動部に予め定められた変位を与えて前記設定圧を調整することを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記可動部が、ダイヤフラム、ポペット、ピストン、弁体の少なくとも一つからなることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるためのバネ機構によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バネ機構が、板バネを備えた機構であることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための弾性材料からなる機構によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バネ機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記弾性部材による機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記形状記憶合金が、バイメタルで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バネ機構が、バネ部と、該バネ部を支持する支持部と、該バネ部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、を有することを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記弾性材料からなる機構が、弾性材料からなる弾性部と、該弾性部を支持する支持部と、該弾性部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための可動部に隣接する圧力チャンバによって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記チャンバが、逆止弁を備えていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、上記したいずれかに記載の可動部を備え、
前記可動部に予め定められた変位を与えて設定圧を調整するため、上記したいずれかに記載の圧力調整機構が、前記バルブに取り付けられていることを特徴とする。
また、本発明の圧力調整機構は、前記バルブが、減圧弁であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、上記したいずれかに記載の圧力調整機構付きバルブを搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、設定圧力を容易に調整することができ、小型化を図ることが可能となる設定圧力調整機構、設定圧力調整機構を取り付けた圧力調整機構付きバルブ、および圧力調整機構付きバルブを搭載した燃料電池を実現することができる。
特に、本発明の設定圧力調整機構をバルブに取り付けることで、設定値をバルブ自体の構造を変更せずに調整することができ、バルブ自体の構造も単純にすることができ、システム全体の小型化を図ることができる。
また、本発明の設定圧力調整機構を小型減圧弁と併せて小型燃料電池の制御に用いれば、適正な圧力で燃料を燃料電池に供給できると共に、燃料電池システムを小型化できる。
その際、バルブ設定の異なる製品に搭載する場合にはバルブ自体のプロセスを変更する必要が無く、部品の共通化が図られてコストダウンが可能となる。
また、上記機能に加え、規定温度以上の環境下において負荷の解除をすることができる機能を併せ有する設定圧力調整機構を構成することにより、通常の減圧弁の機能に加えて、温度状態によって変位する温度遮断弁として機能させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明の圧力調整機構を適用して構成したマイクロバルブ（小型減圧弁）及びその作製方法の一例について説明する。
なお、本発明は、以下に説明するバルブの構造および製法に限定されるものではない。例えば、リリーフバルブなどの他の形態のバルブや機械加工などの他の製法で作製されたバルブに対しても有効である。
本実施例のマイクロバルブの作製方法においては、まずダイヤフラム部を作製し、その上に新規ウェハを接合する。
その後、バルブ軸部を作製し、さらに、その上に新規ウェハを接合した後、バルブシートを作製し、最後にバルブシートをリリースすることによって、作製される。ウェハには両面研磨されたものを使用するのが好ましい。
【００１４】
次に、図１及び図２によって、本実施例のマイクロバルブの具体的な作製方法を説明する。
図１及び図２に、上記製法における作製手順を説明するための各工程を示す。
まず、図１（ａ）示す第１のステップは、新しいウェハ表面に位置あわせのためのアライメントマークを作製する工程である。
ウェハには厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハ１を用いた。Ｓｈｉｐｌｅｙ社Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、パターニング後、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによって、深さ３０μｍのアライメントマーク２１を作製した。
図１（ｂ）に示す第２のステップは、ダイヤフラム、バルブ軸の一部、および、その支持部のためのマスクを作製する工程である。
まず、２枚のアルミマスクを順番にウェハの第１のステップで作製したアライメントマーク２１と反対側の面にパターニングした。
１枚目のアルミマスク１１はＳｈｉｐｌｅｙ社Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、ダイヤフラム２４と支持部２２を形成するためのマスクをパターニング後、真空蒸着によって成膜した。
さらに、その上に、２枚目のアルミマスク１２をフォトレジストによって、バルブ軸２３と出口流路２６になる部分をパターニング後、真空蒸着によって成膜した。
【００１５】
図１（ｃ）に示す第３のステップは、ダイヤフラム２４、バルブ軸２３の一部、および、その支持部２２を作製する工程である。
ここでは、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによってシリコンウェハを垂直に１５０μｍエッチングした。
図１（ｄ）に示す第４のステップでは、エッチング時間を制御することによって、２枚目のアルミマスク１２のみをウェットエッチングによって取り除いた。
図１（ｅ）に示す第５のステップでは、残ったマスクを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによって１２５μｍシリコンウェハを垂直にエッチングした。これにより２５μｍのシリコンウェハ部分が残り、これがダイヤフラム２４となる。また、出口流路２６が形成される。
【００１６】
図２（ｆ）に示す第６のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。
まず、残ったアルミマスクをウェットエッチングで取り除いた。
厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハをまず、ＳＰＭ洗浄（過酸化水素水と硫酸の混合液中で８０℃１０分間洗浄）後、１％フッ酸で洗浄し、ＳＣ１洗浄（過酸化水素水とアンモニア水の混合液中で７５℃１０分間洗浄）した。
次に、前の工程までに作製したウェハ１と新しいウェハ２とを重ね合わせ、４．５ａｔｍの圧力で１０分間保持した。
その後、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行った。
図２（ｇ）に示す第７のステップは、バルブ軸２３の残りの部分を作製する工程である。
アルミを新しいウェハの表面に成膜後、第１のステップで作製したアライメントマークをもとにＳｈｉｐｌｅｙ Ｓ１８０５フォトレジストによってバルブ軸をパターニングした。
こでは、ＩＣＰ−ＲＩＥによって、バルブ軸となる部分を垂直にエッチングして作製した。
【００１７】
図２（ｈ）に示す第８のステップは、バルブシートになるウェハを接合する工程である。
まず、アルミマスクをウェットエッチングによって取り除いた。その後、試料を超音波洗浄によって数分間洗浄した。
新しい厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハ３の表面を熱酸化し、前の工程までに作製したウェハと接合した。接合条件は第６のステップの場合と同様である。
図２（ｉ）に示す第９のステップは、バルブシートを形成する工程である。
ウェハの接合されていない側のシリコン酸化物層を取り除き、その上にアルミを成膜した。Ｓｈｉｐｌｅｙ Ｓ１８０５フォトレジストによってバルブシート２５を形成し、ＩＣＰ−ＲＩＥによって垂直にエッチングした。
図２（ｊ）に示す第１０のステップは、バルブシート２５をリリースする工程である。
こでは、ｖａｐｏｒ ＨＦによって２５μｍの長さをサイドエッチングした。エッチング時間は２時間であった。
【００１８】
以上のようにして作製されたマイクロバルブの動作について説明する。
図３は、前記作製方法により作製したマイクロバルブの断面図である。
図３において、２２は支持部、２３はバルブ軸、２４はダイヤフラム、２５はバルブシート、２６は出口流路である。
図４（ａ）のようにダイヤフラム上部の圧力をＰ０、バルブ上流の１次圧力をＰ１、バルブ下流の圧力をＰ２とし、バルブシートの面積をＳ、ダイヤフラム面積をＳ２とする。
このとき、圧力の釣り合いから、図４（ｂ）のようにバルブが開く条件は、
（Ｐ１−Ｐ２）Ｓ１＜（Ｐ０−Ｐ２）Ｓ２となる。
Ｐ２がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。
これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。
バルブシートの面積やダイヤフラムの面積、バルブ軸の長さ、ダイヤフラムの厚さなどを調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができるが、作製後に設定圧力を変更することは困難である。
【００１９】
次に本発明の圧力調整機構について説明する。
図５に、本実施例の圧力調整機構の構造を説明するための図を示す。
図５（ａ）は、本発明の圧力調整機構の構造を表す正面図であり、図５（ｂ）は圧力調整機構の構造を表す立面図である。
圧力調整機構は、周辺支持部１０１、バネ部１０２、加圧部１０３からなる。
図６は本実施例の圧力調整機構１０１６をマイクロバルブ１０１５に取り付けた際の立断面図である。
図６において、２６は出口流路、２７は入口流路、１０１５はマイクロバルブ、１０１６は圧力調整機構である。取り付けには接着剤により接着してもよいし、ハウジングによって周辺支持部１０１を上から押さえつけてもよい。
これにより、加圧部１０３がマイクロバルブのダイヤフラムに接触し、バネ部１０２によって押される。
これにより、マイクロバルブの動作圧力にオフセットがかかる。
【００２０】
ここで、設定圧力、および、動作中のバルブの挙動はバネ部１０２のバネ定数、および加圧部１０３の高さによって決定される。
バネ部１０２のバネ定数は材質を変えたり、図７（ａ）、図７（ｂ）などのようにバネの形状を変えたり、厚さや太さを変えることによって設計可能である。
圧力調整機構の材料にはステンレスやアルミ、銅などの金属やシリコンなどの半導体、ポリイミドやゴムなどの有機材料を用いることができる。
これらにより、バネ部として板バネを形成し、あるいは圧力調整機構を弾性材料で形成する構成を採ることができる。
加工方法としては、金属の場合には、切削加工やエッチング、半導体の場合にはドライエッチングやウェットエッチング、有機物の場合には、エッチングや射出成形、切削などを用いることができる。
また、圧力調整機構は、一体加工によることもできるし、加圧部１０３を別に加工しておき、接着することもできる。
【００２１】
図８は圧力調整機構の材料を厚さ０．０５ｍｍのステンレスとし、バネ部１０２の形状を図７（ａ）（外寸法：８ｍｍ×８ｍｍ）とした場合に、加圧部１０３の高さを変化させた際のバルブの動作特性の変化を表すグラフである。
加圧部１０３の高さを大きくするに従い、バルブの動作圧力に大きなオフセットがかかるのがわかる。
加圧部１０３がマイクロバルブに接触している際のバルブの動作はバネ部１０２のバネ定数とバルブのダイヤフラムのバネ定数との合成定数によって決定される。
【００２２】
圧力調整機構によって、もとのマイクロバルブの開閉量に大きな変化を与えたくない場合には、バネ部１０２のバネ定数をダイヤフラムのバネ定数に比べなるべく小さくすることが好ましい。
この場合、調整後の圧力流量特性は、もとのバルブの特性にオフセットをかけたものに近くなる。
一方、バネ部１０２のバネ定数をダイヤフラムのバネ定数に比べ大きくすると、バルブの動作はバネ部１０２のバネ定数に大きく依存するようになる。
バネ部１０２のバネ定数を変化させた場合の、特性の変化を図９に示す。この場合、バルブが開く圧力（クラッキング圧）は高くなるが、圧力流量特性は流量が増加するとともに、調整前の特性に近づく。
以上のように本実施例の圧力調整機構をバルブに取り付けることで、バルブ自体の構造を変更せずに、圧力流量特性を変えることができる。
【００２３】
［実施例２］
実施例２においては、圧力調整機構を圧力チャンバで構成した例について説明する。
本実施例に用いるマイクロバルブは、実施例１と同様に作製することができる。図１０に、本実施例における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図を示す。
本実施例の圧力調整機構は、図１０に示すように、圧力チャンバ２０１によって構成されている。
圧力チャンバ２０１内の空間はマイクロバルブのダイヤフラムの片側（バルブによって制御される流体と接していない側）と接しており、チャンバ内の圧力を調整することにより、マイクロバルブのダイヤフラムにかかる圧力を変化させることができる。
【００２４】
圧力チャンバの圧力を調整する方法としては、設定圧力に保たれた空間中でチャンバの組み立て・封止を行なう方法を用いることができる。
また、図１１のように逆止弁２０２を有することにより、逆止弁からチューブを接続してチャンバ内の圧力を設定圧力にした後、チューブをはずすことによっても良い。
チャンバ内に供給する流体としては、空気のほかに、窒素、酸素、水素など様々な気体を使用することが可能である。
【００２５】
図１２は、圧力チャンバ２０１内の圧力を変化させた場合のマイクロバルブの特性の変化を表す図である。
圧力チャンバ２０１内の流体に圧力に応じて、マイクロバルブ１０１５の２次圧力にオフセットがかけられていることがわかる。また、設定圧力は正の圧力だけでなく、負圧にすることも可能である。
【００２６】
［実施例３］
実施例３においては、圧力調整機構として、実施例１で説明した周辺支持部、バネ部、加圧部の他に、温度変位部を設けた構成例について説明する。本実施例に用いるマイクロバルブは、実施例１と同様に作製することができる。
図１３に、本実施例の圧力調整機構の構造を説明するための正面図を示す。
本実施例における圧力調整機構は、周辺支持部３０１、バネ部３０２、加圧部３０３、温度変位部３０４からなる。
図１４は本実施例の圧力調整機構１０１６をマイクロバルブ１０１５に取り付けた際の立断面図である。
圧力調整機構１０１６は実施例１と同様に、加圧部３０３がマイクロバルブのダイヤフラムに接触し、バネ部３０２によって押される。
温度変位部３０４はチタン−ニッケル合金などの形状記憶合金が形成されており通常温度では塑性変形を行い前述のバネ部３０２の加圧には影響しない。
マイクロバルブの周りの温度が異常上昇して予め設定した温度以上になると図１５のように温度変位部３０４の形状記憶合金が加圧しない方向（図１５では上側）に反り返るように変位する。
これにより、加圧部３０３がマイクロバルブのダイヤフラムから離れ加圧しなくなる。
【００２７】
このときのマイクロバルブの２次圧力は図１６に示すように変動する。
温度が閾値（点線）より小さい領域では温度変位部３０４は機能しないので実施例１で示したように通常の加圧部３０３により加圧された２次圧になる。
さらに、温度が上昇して、閾値を超えると温度変位部３０４の形状記憶合金が機能して加圧部３０３が持ち上げられるため、負圧動作のノーマリークローズバルブとなり弁が閉じる。
また、温度が閾値を下回ると通常の減圧弁として機能するため可逆的に利用可能である。
このように圧力調整機構に形状記憶合金の温度変位部３０４を設けることにより閾値温度より下では減圧弁、それ以上では遮断弁として機能させることができ、より安全性の高い弁機構を提供することができる。
【００２８】
本実施例では、温度変位部３０４として形状記憶合金を利用した構成例を示したが、温度により変位する材料（例えばバイメタル等）を使用すれば同様な効果が得られる。
また、本実施例ではバネ部３０２と温度変位部３０４を別の位置に配置した例を示したが、温度変位部３０４にバネ性を有する金属材料等を利用して同じ機能をもたせる構成にしてもよい。
【００２９】
［実施例４］
実施例４においては、本発明の圧力調整機構によって調整されたマイクロバルブを搭載した燃料電池について説明する。
図１７に、本実施例の燃料電池を説明するための斜視図を示す。
また、図１８は、本実施例の燃料電池システムを説明するための概要図である。
本実施例における燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。
このように、本実施例の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
【００３０】
本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１０１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、一方の側面には、電気を取り出すための電極１０１２がある。
内部は、高分子電解質膜１１２、酸化剤極１１１、燃料極１１３からなる燃料電池セル１０１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１０１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御するマイクロバルブ１０１５によって構成されている。
【００３１】
次に、本実施例の燃料タンク１０１４について説明する。
タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。
燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いる必要がある。
水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ５などを用いる。
燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をステンレスとすると、燃料タンク容積は５．２ｃｍ３になる。
ＬａＮｉ５は重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能なので、充填率を５０％とすると燃料タンクに蓄えられている水素量は０．２ｇであり、
発電可能なエネルギーは、約５［Ｗ・ｈｒ］となる。
一方、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク１０１４と燃料極１１３との間に減圧のためのマイクロバルブ１０１５を設ける必要がある。
尚、ＬａＮｉ５の各温度における解離圧は図１９に示すようになっている。タンクに蓄えられた水素はマイクロバルブ１０１５で減圧され、燃料極１１３に供給される。
また、酸化剤極１１１には通気孔１０１３から外気が供給される。
燃料電池セルで発電された電気は電極１０１２から小型電気機器に供給される。
【００３２】
図２０は実施例１のマイクロバルブを燃料電池に搭載した場合の関係図である。
マイクロバルブの１次側は、燃料タンク１０１４とつながっている。出口流路２６は、燃料極１１３へとつながり、ダイヤフラム２４の出口流路と反対面は酸化剤極（外気）と接している。
バルブ全体のサイズは１ｃｍ角以内であり、弁体の大きさは１ｍｍ角以内となっている。
このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。
【００３３】
次に、燃料電池の発電に伴うバルブの開閉動作を説明する。
発電停止中はマイクロバルブ１０１５は閉じている。発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がって行く。
ダイヤフラム２４は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム２４にバルブ軸２３で直結されたバルブシート２５は押し下げられ、バルブは開く。
これにより、燃料タンク１０１４から、燃料極室１１３に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム２４は上に押し上げられ、マイクロバルブ１０１５は閉じる。
【００３４】
燃料電池の特性は、供給される燃料の圧力によって変化する。
そこで、燃料電池に搭載するマイクロバルブに本発明の圧力調整機構を取り付けることにより、マイクロバルブの開閉圧力を調整することで、適正な圧力に保つことができる。これにより、燃料電池の燃料流路内を破損の危険が無く、良好な発電特性を発揮することが可能となる。
また、実施例３の温度変位部をもつ圧力調整機構を燃料電池に適応することにより、何らかの要因で燃料電池が異常温度に上昇した場合に燃料の供給を自動的に遮断することが可能になりさらに安全性の高い構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１におけるマイクロバルブの製法の作製手順を説明するための各工程（（ａ）から（ｅ））図。
【図２】本発明の実施例１における図１に続くマイクロバルブの製法の作製手順を説明するための各工程（（ｆ）から（ｊ））図。
【図３】本発明の実施例１におけるマイクロバルブの構造を説明するための図。
【図４】本発明の実施例１におけるマイクロバルブの開閉について説明するための図。
【図５】本発明の実施例１における圧力調整機構を説明するための図。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は立面図。
【図６】本発明の実施例１における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図７】本発明の実施例１における圧力調整機構の別の形態を説明するための図。図７（ａ）及び図７（ｂ）はこれらの正面図。
【図８】本発明の実施例１における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた際の圧力流量特性を示す図。
【図９】本発明の実施例１における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付け、バネ部のバネ定数を変化させた際のマイクロバルブの圧力流量特性を示す図。
【図１０】本発明の実施例２における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図１１】本発明の実施例２における逆止弁を具備した圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図１２】本発明の実施例２における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた際の圧力流量特性を示す図。
【図１３】本発明の実施例３における圧力調整機構を説明するための図。
【図１４】本発明の実施例３における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた状態を説明するための図。
【図１５】本発明の実施例３における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付け、温度変位部が変位する状態を説明するための図。
【図１６】本発明の実施例３における圧力調整機構をマイクロバルブに取り付けた際の圧力温度特性を示す図。
【図１７】本発明の実施例４における燃料電池を説明するための斜視図。
【図１８】本発明の実施例４における燃料電池を説明するための概要図。
【図１９】本発明の実施例４の燃料電池における水素吸蔵合金（ＬａＮｉ５）の解離圧力を説明するための図。
【図２０】本発明の実施例４の燃料電池におけるマイクロバルブの位置関係を説明するための図。
【符号の説明】
【００３６】
１：第１のウェハ
２：第２のウェハ
３：第３のウェハ
１１：第１のアルミマスク
１２：第２のアルミマスク
１３：第３のアルミマスク
１４：シリコン酸化物層
１５：第４のアルミマスク
２１：アライメントマーク
２２：支持部
２３：バルブ軸
２４：ダイヤフラム
２５：バルブシート
２６：出口流路
２７：入口流路
１０１：周辺支持部
１０２：バネ部
１０３：加圧部
１１１：酸化剤極
１１２：高分子電解質膜
１１３：燃料極
２０１：加圧チャンバ
２０２：逆止弁
３０１：周辺支持部
３０２：バネ部
３０３：加圧部
３０４：温度変位部
１０１１：燃料電池セル
１０１２：電極
１０１３：通気孔
１０１４：燃料タンク
１０１５：マイクロバルブ
１０１６：圧力調整機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差圧によって動作する可動部を備えたバルブの設定圧を調整する圧力調整機構であって、
前記圧力調整機構が、前記バルブに取り付け可能に構成され、
前記圧力調整機構の前記バルブへの取り付けによって、前記可動部に予め定められた変位を与えて前記設定圧を調整することを特徴とする圧力調整機構。
【請求項２】
前記可動部が、ダイヤフラム、ポペット、ピストン、弁体の少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力調整機構。
【請求項３】
前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるためのバネ機構によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力調整機構。
【請求項４】
前記バネ機構が、板バネを備えた機構であることを特徴とする請求項３に記載の圧力調整機構。
【請求項５】
前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための弾性材料からなる機構によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力調整機構。
【請求項６】
前記バネ機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧力調整機構。
【請求項７】
前記弾性部材による機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする請求項５に記載の圧力調整機構。
【請求項８】
前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧力調整機構。
【請求項９】
前記形状記憶合金が、バイメタルで形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧力調整機構。
【請求項１０】
前記バネ機構が、バネ部と、該バネ部を支持する支持部と、該バネ部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、
を有することを特徴とする請求項３、請求項４、請求項６、請求項８、請求項９のいずれか１項に記載の圧力調整機構。
【請求項１１】
前記弾性材料からなる機構が、弾性材料からなる弾性部と、該弾性部を支持する支持部と、該弾性部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、
を有することを特徴とする請求項５、請求項７、請求項８、請求項９のいずれか１項に記載の圧力調整機構。
【請求項１２】
前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための可動部に隣接する圧力チャンバによって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力調整機構。
【請求項１３】
前記チャンバが、逆止弁を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の圧力調整機構。
【請求項１４】
請求項１または請求項２に記載の可動部を備え、
前記可動部に予め定められた変位を与えて設定圧を調整するため、請求項１から１３のいずれか１項に記載の圧力調整機構が、前記バルブに取り付けられていることを特徴とする圧力調整機構付きバルブ。
【請求項１５】
前記バルブが、減圧弁であることを特徴とする請求項１４に記載の圧力調整機構付きバルブ。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５に記載の圧力調整機構付きバルブを搭載したことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
差圧によって動作する可動部を備えたバルブの設定圧を調整する圧力調整機構であって、
前記圧力調整機構が、前記バルブに取り付け可能に構成され、
前記圧力調整機構の前記バルブへの取り付けによって、前記可動部に予め定められた変位を与えて前記設定圧を調整することを特徴とする圧力調整機構。
【請求項２】
前記可動部が、ダイヤフラム、ポペット、ピストン、弁体の少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力調整機構。
【請求項３】
前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるためのバネ機構によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力調整機構。
【請求項４】
前記バネ機構が、板バネを備えた機構であることを特徴とする請求項３に記載の圧力調整機構。
【請求項５】
前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための弾性材料からなる機構によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力調整機構。
【請求項６】
前記バネ機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧力調整機構。
【請求項７】
前記弾性部材による機構が、温度により変位する温度変位部を含み構成され、該温度変位部が閾値以上の温度において前記可動部に変位を与えないことを特徴とする請求項５に記載の圧力調整機構。
【請求項８】
前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧力調整機構。
【請求項９】
前記形状記憶合金が、バイメタルで形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧力調整機構。
【請求項１０】
前記バネ機構が、バネ部と、該バネ部を支持する支持部と、該バネ部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、
を有することを特徴とする請求項３、請求項４、請求項６、請求項８、請求項９のいずれか１項に記載の圧力調整機構。
【請求項１１】
前記弾性材料からなる機構が、弾性材料からなる弾性部と、該弾性部を支持する支持部と、該弾性部に設けられ前記可動部に接触可能な加圧部と、
を有することを特徴とする請求項５、請求項７、請求項８、請求項９のいずれか１項に記載の圧力調整機構。
【請求項１２】
前記圧力調整機構が、前記可動部に前記変位を与えるための可動部に隣接する圧力チャンバによって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力調整機構。
【請求項１３】
前記チャンバが、逆止弁を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の圧力調整機構。
【請求項１４】
請求項１または請求項２に記載の可動部を備え、
前記可動部に予め定められた変位を与えて設定圧を調整するため、請求項１から１３のいずれか１項に記載の圧力調整機構が、前記バルブに取り付けられていることを特徴とする圧力調整機構付きバルブ。
【請求項１５】
前記バルブが、減圧弁であることを特徴とする請求項１４に記載の圧力調整機構付きバルブ。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５に記載の圧力調整機構付きバルブを搭載したことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００７−１０７７１５（Ｐ２００７−１０７７１５Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３２８２０（Ｐ２００６−２３２８２０）
【出願日】平成１８年８月２９日（２００６．８．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２９日（２００６．８．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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