流路構造
【課題】液体が凍結により膨張したものとしても多層基板の破損を抑えられるようにする。
【解決手段】薄板１０２にはスリット１２１が形成され、薄板１０２が薄板１０１と薄板１０３との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット１２１が塞がれている。薄板１０２と薄板１０３との間には弾性膜１０４が挟まれている。弾性膜１０４はスリット１２１の部分において撓んでおり、その撓んだ部分１４１がスリット１２１に張り込んでいる。スリット１２１による内部空間が弾性膜１０４によって上下２つの領域１２２，１２３に区切られている。一方の領域１２２は、水が流れる流路である。他方の領域１２３には、空気等の気体が満たされている。
【解決手段】薄板１０２にはスリット１２１が形成され、薄板１０２が薄板１０１と薄板１０３との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット１２１が塞がれている。薄板１０２と薄板１０３との間には弾性膜１０４が挟まれている。弾性膜１０４はスリット１２１の部分において撓んでおり、その撓んだ部分１４１がスリット１２１に張り込んでいる。スリット１２１による内部空間が弾性膜１０４によって上下２つの領域１２２，１２３に区切られている。一方の領域１２２は、水が流れる流路である。他方の領域１２３には、空気等の気体が満たされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。電子機器の電源として一次電池又は二次電池を用いるのが一般的であるが、エネルギー利用効率のよい燃料電池を電子機器の電源に用いるための研究開発が行われている。
【０００３】
また、燃料電池を使用するためには、各種の周辺機器が必要となる。周辺機器としては、改質器、一酸化炭素除去器、燃焼器、水冷器、ポンプ等がある。燃料電池及び各種の周辺機器の間を燃料、水、反応物、生成物等が流れるようにするために、流路が必要となる。流路には、多層基板が用いられる。即ち、多層基板の各薄板には、一又は複数のスリット及び一又は複数の貫通孔が形成され、これら薄板が積層されることによってスリット及び貫通孔が連なって、所定の流路が構成されている。燃料電池や各種の周辺機器は多層基板に搭載され、多層基板の内部の流路によって燃料、水、反応物、生成物等が燃料電池または各種の周辺機器の間を送られる。
【特許文献１】特開２００５−３２６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池、各種周辺機器及び多層基板を用いた燃料電池システムが氷点下の環境で使用されると、多層基板の内部に残留した水が凍結する。水は凍結により膨張するから、膨張による荷重が多層基板の内部から多層基板に作用し、多層基板が破損するおそれがある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、液体が凍結により膨張したものとしても多層基板の破損を抑えられるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するため、本発明の一の態様によれば、
流体を流す空間内に弾性膜が配置され、前記空間が前記弾性膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造が提供される。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、
流体を流す空間内に蛇腹状膜が配置され、前記空間が蛇腹状膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、
液体が流れる液体流路、ガスが流れるガス流路及び前記ガス流路から前記液体流路に通じる連通路が形成され、
前記連通路に電磁弁が設けられていることを特徴とする流路構造が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流路の内部に残存する液体が凍結したものとしても、流路構造の破損を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１０】
図１は、燃料電池システム１の概略構成を示したブロック図である。
この燃料電池システム１は、携帯電話機、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳、携帯無線機その他の電子機器に取り付けられるものである。
【００１１】
燃料電池システム１は、本体モジュール２と、カートリッジ３と、を有する。本体モジュール２は電子機器に搭載されている。カートリッジ３は電子機器に対して着脱可能とされ、カートリッジ３が電子機器に装着されるとカートリッジ３が本体モジュール２に接続される。
【００１２】
カートリッジ３は、燃料貯蔵部４、水貯蔵部５、気液分離膜６及び濾過部７を有する。
燃料貯蔵部４には、燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等）が貯蔵されている。水貯蔵部５には、水が貯蔵されている。
気液分離膜６が水貯蔵部５に設けられ、カートリッジ３外から水貯蔵部５内に導入された気体が気液分離膜６を透過するが、水貯蔵部５内の液体が気液分離膜６を透過しない。気液分離膜６を透過した気体は外部に排出される。気液分離膜６としては、多孔質の４フッ化エチレン樹脂を用いるとよい。
濾過部７は、水貯蔵部５から排出される水を濾過して、その水に含まれる異物を捕捉するものである。濾過部７は、イオン交換樹脂及び多孔質膜を有する。
【００１３】
本体モジュール２は、水供給ポンプ１１、流量制御バルブ１２，１３、加湿器１４，１５、エアポンプ３１、流量制御バルブ３２〜３４、燃料供給ポンプ５１、気化器５２、改質器５３、ＣＯ除去器５４、触媒燃焼器５５、断熱容器５６、燃料電池５７、触媒燃焼器５８及び熱交換器５９等を有する。
【００１４】
カートリッジ３が本体モジュール２に装着されると、濾過部７が水供給ポンプ１１に接続され、燃料貯蔵部４が燃料供給ポンプ５１に接続され、水貯蔵部５が流路６７を介して熱交換器５９に接続される。
【００１５】
燃料供給ポンプ５１は流路６０を介して気化器５２に接続され、気化器５２が流路６１を介して改質器５３に接続されている。改質器５３の下流にＣＯ除去器５４が設けられ、これら改質器５３及びＣＯ除去器５４が大気圧より十分低圧の断熱容器５６内に収容されている。断熱容器５６内においては改質器５３の下流にＣＯ除去器５４が接続されている。断熱容器５６内には触媒燃焼器５５も収容され触媒燃焼器５５の燃焼熱が断熱容器５６外に放出することを抑制している。ＣＯ除去器５４は流路６２を介して加湿器１４に接続されている。加湿器１４は流路６３を介して燃料電池５７のアノードに接続されている。燃料電池５７のアノードは流路６４を介して触媒燃焼器５５に接続されている。触媒燃焼器５５は流路６５を介して触媒燃焼器５８に接続されている。触媒燃焼器５８は流路６６を介して熱交換器５９に接続されている。
【００１６】
エアポンプ３１は流路３５を介して流量制御バルブ３２に接続されている。流量制御バルブ３２は流路３６を介してＣＯ除去器５４に接続されている。また、エアポンプ３１は流路３７を介して流量制御バルブ３４に接続されている。流量制御バルブ３４は流路４０を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１５は流路４１を介して燃料電池５７のカソードに接続されている。燃料電池５７のカソードの下流の流路４２は、流路６５に合流している。また、エアポンプ３１は流路３８を介して流量制御バルブ３３に接続されている。流量制御バルブ３３の下流の流路３９は流路６４に合流している。
【００１７】
水供給ポンプ１１は流路１６を介して流量制御バルブ１２に接続されているとともに、流路１７を介して流量制御バルブ１３に接続されている。流量制御バルブ１２の下流の流路１８は、流路６０に合流している。流量制御バルブ１３は、流路１９を介して加湿器１４に接続されているとともに、流路２１を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１４、１５のそれぞれの下流の流路２０，２２は流路６７に合流している。
【００１８】
水供給ポンプ１１は、水貯蔵部５内の水を気化器５２及び加湿器１４，１５に向けて送液するものである。流量制御バルブ１２は、水供給ポンプ１１から気化器５２に流れる水の流量を制御するものである。流量制御バルブ１３は、水供給ポンプ１１から加湿器１４，１５に流れる水の流量を制御するものである。流量制御バルブ１２，１３には、流量センサが併設され、流量センサによって水の流量が検出される。
【００１９】
エアポンプ３１は、外部の空気をＣＯ除去器５４、加湿器１５及び触媒燃焼器５５に向けて送るものである。流量制御バルブ３２は、エアポンプ３１からＣＯ除去器５４に流れる空気の流量を制御するものである。流量制御バルブ３３は、エアポンプ３１から触媒燃焼器５５に流れる空気の流量を制御するものである。流量制御バルブ３４は、エアポンプ３１から加湿器１４に流れる空気の流量を制御するものである。流量制御バルブ３２〜３４には流量センサが併設され、流量センサによって空気の流量が検出される。
【００２０】
燃料供給ポンプ５１は、燃料貯蔵部４内の燃料を気化器５２に向けて送液するものである。燃料がメタノールの場合、燃料供給ポンプ５１によって気化器５２に送られる燃料と、水供給ポンプ１１によって気化器５２に送られる水との混合比（モル比）は、燃料が１に対して、水が１．２〜１．８である。そのような混合比になるよう、流量制御バルブ１２によって水の流量が調整される。
【００２１】
気化器５２は、燃料と水を加熱して気化させるものである。気化器５２で気化した燃料と水の混合気が、改質器５３に流れる。
改質器５３は、気化器５２から送られた燃料を水素に改質するものである。具体的には、気化器５２から送られた燃料と水の混合気が改質器５３の内部を流れて、燃料と水が触媒層によって反応し、水素、二酸化炭素等が生成される。また、微量な一酸化炭素も数千から数万ｐｐｍの濃度で生成される。燃料貯蔵部４に貯蔵された燃料がメタノールである場合、改質器５３では、次式（１）、（２）のような反応が起こる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ …（２）
改質器５３で生成された生成ガスがＣＯ除去器５４に送出される。
【００２２】
ＣＯ除去器５４においては、改質器５３から送られた生成ガスと、エアポンプ３１から送られた空気が混合される。ＣＯ除去器５４は、生成ガスのうち一酸化炭素を選択的に酸化させ、それにより一酸化炭素を除去するものである。ＣＯ除去器５４を経た生成ガスは加湿器１４に送出される。加湿器１４は、ＣＯ除去器５４から流れてきた生成ガスを、水供給ポンプ１１から流れてきた水によって加湿するものである。加湿器１４を経た生成ガスは燃料電池５７のアノードに送出される。加湿器１４を経た水は流路２０、流路６７を順に通って水貯蔵部５に送出される。
【００２３】
加湿器１５は、エアポンプ３１から流れてきた空気を、水供給ポンプ１１から流れてきた水によって加湿するものである。加湿器１５を経た空気は燃料電池５７のカソードに送出される。加湿器１５を経た水は流路２２、流路６７を順に通って水貯蔵部５に送出される。
【００２４】
燃料電池５７は、アノード、電解質膜及びカソード等を有する。この燃料電池５７は、アノードに供給された生成ガス中の水素と、カソードに供給された空気中の酸素とを電気化学反応させて、電気を生成するものである。電解質膜が固体高分子型電解質膜である場合、アノードでは次式（３）のような反応が起こり、カソードでは次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（３）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ・・・（４）
カソードを通過した空気は流路４２、流路６５を順に通って触媒燃焼器５８に送られる。アノードでは生成ガス中の全ての水素が反応するのではなく、未反応の水素もあり、アノードに供給された水素の２０％程度が未反応である。アノードを通過した生成ガスは、触媒燃焼器５５に送られる。
【００２５】
触媒燃焼器５５は、生成ガス中の水素等の酸化・燃焼をさせ、それにより燃焼熱を生成するものである。触媒燃焼器５５で生成された熱は、改質器５３及びＣＯ除去器５４の加熱に用いられる。改質器５３及びＣＯ除去器５４の加熱効率を高めるべく、また、改質器５３及びＣＯ除去器５４の温度分布を適切に保つべく、改質器５３、ＣＯ除去器５４及び触媒燃焼器５５は剛性を有する断熱容器５６内に収容されている。断熱容器５６内が真空圧に保たれ、それにより断熱がなされる。また、改質器５３、ＣＯ除去器５４及び触媒燃焼器５５は、電熱ヒータ７３によって加熱される。電熱ヒータ７３は、金属薄膜（例えば、金、白金）からなる。電熱ヒータ７３の電気抵抗と温度の関係には線形性があり、電熱ヒータ７３がサーミスタとしても機能する。電熱ヒータ７３は、起動時に触媒燃焼器５５が改質器５３及びＣＯ除去器５４を所望の温度に加熱できない場合の加熱手段や、触媒燃焼器５５が安定して加熱している定常運転時の温度の微調整を行うための補助加熱手段として用いられる。
【００２６】
触媒燃焼器５５を経た生成ガスは、流路６５を通って触媒燃焼器５８に送られる。触媒燃焼器５８は、生成ガス中の水素等の酸化・燃焼をさせ、それにより水素を問題がない程度の低濃度となるように除去するものである。
【００２７】
触媒燃焼器５８を経た生成ガスは、流路６６を通って熱交換器５９に送られる。熱交換器５９は、外部と燃焼によって加熱された生成ガスの熱交換を行うことによって、生成ガスを冷却するものである。これにより、生成ガス中の水（水蒸気）が液化する。液化した水と生成ガスは、流路６７を通って水貯蔵部５に送られる。熱交換器５９から水貯蔵部５に送られる水と生成ガスには、加湿器１４，１５から送られてきた水が混合される。
【００２８】
水貯蔵部５においては液化した水が貯蔵される。一方、生成ガス（液化しなかった水、二酸化炭素等）は、気液分離膜６を通過して外部に排出される。
【００２９】
本体モジュール２には制御回路７０、蓄電部７１及びインターフェース７２が設けられている。制御回路７０は、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１及び流量制御バルブ１２，１３，３２，３３，３４等を制御するものである。蓄電部７１は、燃料電池５７で生成された電気を蓄電するものである。インターフェース７２は、制御回路７０と電子機器の制御部との間でデータ転送を行うものである。
【００３０】
図１において、流路１６〜２２には、液体状の水が流れる。流路３５〜４２には、空気が流れる。流路６０〜６６には、燃料、水、生成物又は空気が流れる。流路６７には、液体状の水、気体状の生成物及び空気等が流れる。
【００３１】
図２は、燃料電池システム１の外観を示した斜視図である。
図２に示すように、この燃料電池システム１は多層基板１００を有する。多層基板１００の上に流量制御バルブ１２，１３，３２，３３，３４、断熱容器５６及び燃料電池５７が搭載されている。上述したように、断熱容器５６の内部に改質器５３、ＣＯ除去器５４及び触媒燃焼器５５が収容されている。
【００３２】
多層基板１００の下面にはエアポンプ３１及び２つのカートリッジ３が取り付けられている。エアポンプ３１は多層基板１００に対して固定されているが、カートリッジ３は多層基板１００から取り外すことができる。
【００３３】
図１に示された燃料供給ポンプ５１、気化器５２、加湿器１４，１５、触媒燃焼器５８、熱交換器５９及び水供給ポンプ１１も多層基板１００に取り付けられている。
【００３４】
多層基板１００は、複数枚のセラミック等の薄板を積層してこれらを接合したものである。ここで、図１に示された流路１６〜２２、流路３５〜４２及び流路６０〜６７は、図２に示された多層基板１００に形成されている。即ち、多層基板１００の各薄板には、一又は複数のスリット及び一又は複数の貫通孔が形成され、これら薄板が積層されるとこれらスリット及び貫通孔が連なって、これらスリット及び貫通孔が流路１６〜２２、流路３５〜４２及び流路６０〜６７になって、図１に示すような経路が多層基板１００に形成される。
【００３５】
以下、多層基板１００を用いた流路構造の各例について具体的に説明する。
【００３６】
＜第一例＞
図３は、多層基板１００のうち連続して積層された三枚の薄板１０１，１０２，１０３を示した断面図である。
図３に示すように、薄板１０２にはスリット１２１が形成され、薄板１０２が薄板１０１と薄板１０３との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット１２１が塞がれている。薄板１０２と薄板１０３との間には弾性膜１０４が挟まれている。弾性膜１０４はスリット１２１の部分において撓んでおり、その撓んだ部分１４１がスリット１２１に張り込んでいる。そのため、スリット１２１による内部空間が弾性膜１０４によって上下２つの領域１２２，１２３に区切られている。弾性膜１０４は、氷点下においても弾性力を失わない材料で構成されている。領域１２３の容積は、内部に液体が満たされている状態の領域１２２の容積の１０％以上、好ましくは２５％以上である。
【００３７】
一方の領域１２２は、水等の液体が流れる流路である。つまり、図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも領域１２２と同じ構造になっている。他方の領域１２３には、空気等の気体が満たされ、液体は混入されていない。
【００３８】
図１に示された燃料電池システム１の停止時においては、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１等が停止する。水供給ポンプ１１が停止すると、流路１６〜２２に流れていた水が流路１６〜２２内に滞留し、燃料供給ポンプ５１が停止すると、流路６０に流れていた燃料が流路１６〜２２内に滞留する。流路２０、２２は、流路６７に連結している。カートリッジ３が本体モジュール２から取り外されたとき、水貯蔵部５に連結していた流路６７の一端が開放されるが、より外側に位置する流路６７の開放された一端から冷気が伝搬しはじめるため、流路６７もしくは流路２０、２２では、まず先に開放された一端側から内部の水が氷結してしまい、一端が閉塞された後からより内側が氷結し膨張してしまう恐れがある。したがってカートリッジ３が本体モジュール２から外れた状態でも、外れていない状態でも、周囲の気温が氷点下まで低下すると、流路１６〜２２、６０内の液体が凍結して膨張する。液体が水の場合、凍結に伴って約９％だけ膨張する。そうすると、弾性膜１０４が伸び、領域１２２の体積が大きくなるが、領域１２３内の気体が圧縮して領域１２３内の体積が小さくなる。領域１２３の小さくなる量は領域１２３の全体の体積の一部に過ぎないので、圧縮された気体は三枚の薄板１０１，１０２，１０３を破損するだけの応力が生じない。流路１６〜２２、６０内の液体が温度上昇によって膨張する場合にも同様の作用が生じる。このように、領域１２３が隙間としてスリット１２１に存在しているから、領域１２３内に滞留した液体が凍結による膨張又は温度上昇による熱膨張をしても、部分１４１が伸張し領域１２３内の体積を拡張するので、薄板１０１〜１０３に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、領域１２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００３９】
なお、領域１２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域１２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４０】
＜第二例＞
図４は、多層基板１００のうち連続して積層された三枚の薄板２０１，２０２，２０３を示した断面図である。
図４に示すように、薄板２０２にはスリット２２１が形成され、薄板２０２が薄板２０１と薄板２０３との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット２２１が塞がれている。スリット２２１の内側には弾性膜２０４が設けられている。弾性膜２０４の両側が固着材２０５によってスリット２２１の内壁に固着されている。スリット２２１は、弾性膜２０４によって薄板２０３側の領域２２２と薄板２０１側の領域２２３に区切られている。図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも領域２２２と同じ構造になっており、その領域２２２には水等の液体が流れる。他方の領域２２３には、空気等の気体が満たされている。領域２２３が隙間として存在しているから、領域２２２内の水等の液体の凍結による膨張又は液体の熱膨張が生じても、薄板２０１〜２０３に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、氷点下や高温の環境に燃料電池システム１または本体モジュール２を曝しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、領域２２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００４１】
なお、領域２２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域２２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４２】
＜第三例＞
図５は、多層基板１００のうち連続して積層された四枚の薄板３０１，３０２，３０３，３０４を示した断面図である。
図５に示すように、薄板３０２にはスリット３２１が形成され、薄板３０３にもスリット３３１が形成されている。スリット３２１とスリット３３１が重なるようにして薄板３０２，３０３が接合されている。薄板３０２，３０３が薄板３０１と薄板３０４との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット３２１，３３１が塞がれている。
【００４３】
スリット３３１の幅がスリット３２１の幅よりも狭く、スリット３２１，３３１の両側が段３２５となっている。スリット３３１の内側において、弾性膜３０４がスリット３２１を覆っている。弾性膜３０４はスリット３３１の両側の段３２５に接合されている。弾性膜３０４によって、スリット３２１による内部領域３２２とスリット３３１による内部領域３２３が仕切られている。図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも内部領域３２２と同じ構造になっており、その領域３２２には水等の液体が流れる。他方の領域３２３には、空気等の気体が満たされている。領域３２３が隙間として存在しているから、図６に示すように領域３２２内の水等の液体の凍結による膨張又は液体の熱膨張が生じても、薄板３０１〜３０４に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、氷点下や高温の環境に燃料電池システム１または本体モジュール２を曝しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、領域３２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００４４】
なお、領域３２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域３２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４５】
＜第四例＞
図７は、多層基板１００のうち連続して積層された四枚の薄板４０１，４０２，４０３，４０４を示した断面図である。
図７に示すように、薄板４０２にはスリット４２１が形成され、薄板４０３にもスリット４３１が形成されている。スリット４２１とスリット４３１が重なるようにして薄板４０２，４０３が接合されている。薄板４０２，４０３が薄板４０１と薄板４０４との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット４２１，４３１が塞がれている。
【００４６】
スリット４３１の幅がスリット４２１の幅よりも狭く、スリット４２１，４３１の両側が段４２５となっている。スリット４３１の内側において、蛇腹状膜４０４がスリット４２１を覆っている。蛇腹状膜４０４はスリット４３１の両側の段４２５に接合されている。蛇腹状膜４０４によって、スリット４２１による内部領域４２２とスリット４３１による内部領域４２３が仕切られている。図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも領域４２２と同じ構造になっており、その領域４２２には水等の液体が流れる。他方の領域４２３には、空気等の気体が満たされている。領域４２３が隙間として存在しているから、図８に示すように領域４２２内の水等の液体の凍結による膨張又は液体の熱膨張が生じても、薄板４０１〜４０４に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、氷点下や高温の環境に燃料電池システム１または本体モジュール２を曝しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、内部領域４２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００４７】
なお、領域４２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域４２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４８】
＜第五例＞
図９は、多層基板１００を示した断面図である。
図９に示すように、多層基板１００には流路５０１が形成されている。この流路５０１は、多層基板１００の何れかの薄板（最上層、最下層の薄板を除く。）に形成されたスリットからなるものである。流路５０１は図１に示された流路１６〜２２の何れかであり、その流路５０１には水等の液体が流れる。
【００４９】
また、流路５０２の層とは別の層において、流路５０２が多層基板１００に形成されている。この流路５０２は、多層基板１００の何れかの薄板（最上層、最下層の薄板を除く。）に形成されたスリットからなるものである。流路５０２は図１に示された流路３５〜４０の何れかであり、その流路５０２には空気が流れる。
【００５０】
多層基板１００には連通路５０３が形成され、連通路５０３が流路５０１，５０２に通じている。連通路５０３は、流路５０１の層と流路５０２の層との間の薄板を貫通した貫通孔からなる。多層基板１００の内部にはマイクロバルブ５１０が設けられ、連通路５０３がマイクロバルブ５１０によって開閉される。マイクロバルブ５１０はノーマリークローズ型のバルブである。
【００５１】
また、マイクロバルブ５１０は電磁弁であり、特に電磁ソレノイド式の弁である。
具体的には、マイクロバルブ５１０は、弁体５１１、バネ５１２、ロッド５１３、プランジャ５１４及びコイル５１５等を有する。弁体５１１とプランジャ５１４がロッド５１３によって連結され、プランジャ５１４の周囲にコイル５１５が巻装されている。バネ５１２によって弁体５１１、プランジャ５１４及びロッド５１３が付勢され、弁体５１１が連通路５０３に押し出され、連通路５０３が弁体５１１によって閉塞されている。
【００５２】
図１に示された燃料電池システム１の動作時においては、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１等が作動している。この際、コイル５１５には電流が流れず、弁体５１１がバネ５１２によって押し出されて、図９に示すように、連通路５０３が閉塞されている。
【００５３】
図１に示された燃料電池システム１がその後停止する際には、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１が停止するが、エアポンプ３１は未だ停止しない。そして、コイル５１５に電流が流れると、図１０に示すように、弁体５１１が引き込み、連通路５０３が開放される。そうすると、エアポンプ３１によって送風された空気が連通路５０３を通って流路５０２に流れ込み、液体５２０に気泡５２１が生じる。
【００５４】
その後、コイル５１５の電流が止まると、バネ５１２によって弁体５１１が押し出されて、再び図９に示すように、連通路５０３が弁体５１１によって閉塞される。そして、エアポンプ３１も停止する。
【００５５】
この状態において、周囲の気温が低下し、液体５２０が凍結する。液体５２０が凍結に伴って膨張すると、気泡５２１が圧縮されるから、多層基板１００に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、液体５２０が凍結等によって膨張しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、流路５０１に不凍液等を投入しなくても済む。
【００５６】
なお、マイクロバルブ５１０がノーマリーオープン型である場合でも、マイクロバルブ５１０の開閉タイミングは上記の場合と同様である。
【００５７】
また、図１１、図１２に示すようにマイクロバルブ５１０の弁体５１１が連通路５０３に対して平行な方向に進退するように、マイクロバルブ５１０が縦置きになって多層基板１００に設けられていてもよい。この場合、弁体５１１の横断面積が連通路５０３の横断面積よりも大きいので、弁体５１１が押し出された場合に連通路５０３が弁体５１１によって閉塞される。また、弁体５１１の縦断面積が流路５０２の縦断面積よりも小さいので、弁体５１１が押し出された場合に流路５０２は弁体５１１によって完全には閉塞されない。
【００５８】
なお、領域１２３，２２３，３２３，４２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域１２３，２２３，３２３，４２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６０〜６７の何れかであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示したブロック図である。
【図２】燃料電池システムを示した斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図７】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図８】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図９】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図１０】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図１１】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図１２】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 燃料電池システム
１６〜２２ 流路
３５〜４２ 流路
１００ 多層基板
１０１〜１０３、２０１〜２０３、３０１〜３０４、４０１〜４０４ 薄板
１０４、２０４、３０４ 弾性膜
１２１、２２１、３２１、３３１、４２１、４３１ スリット
１２２、２２２、３２２、４２３ 領域
１２３、２２３、３２３、４２３ 領域
４０４ 蛇腹状膜
５０１ 流路
５０２ 流路
５０３ 連通路
５１０ マイクロバルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。電子機器の電源として一次電池又は二次電池を用いるのが一般的であるが、エネルギー利用効率のよい燃料電池を電子機器の電源に用いるための研究開発が行われている。
【０００３】
また、燃料電池を使用するためには、各種の周辺機器が必要となる。周辺機器としては、改質器、一酸化炭素除去器、燃焼器、水冷器、ポンプ等がある。燃料電池及び各種の周辺機器の間を燃料、水、反応物、生成物等が流れるようにするために、流路が必要となる。流路には、多層基板が用いられる。即ち、多層基板の各薄板には、一又は複数のスリット及び一又は複数の貫通孔が形成され、これら薄板が積層されることによってスリット及び貫通孔が連なって、所定の流路が構成されている。燃料電池や各種の周辺機器は多層基板に搭載され、多層基板の内部の流路によって燃料、水、反応物、生成物等が燃料電池または各種の周辺機器の間を送られる。
【特許文献１】特開２００５−３２６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池、各種周辺機器及び多層基板を用いた燃料電池システムが氷点下の環境で使用されると、多層基板の内部に残留した水が凍結する。水は凍結により膨張するから、膨張による荷重が多層基板の内部から多層基板に作用し、多層基板が破損するおそれがある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、液体が凍結により膨張したものとしても多層基板の破損を抑えられるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するため、本発明の一の態様によれば、
流体を流す空間内に弾性膜が配置され、前記空間が前記弾性膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造が提供される。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、
流体を流す空間内に蛇腹状膜が配置され、前記空間が蛇腹状膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、
液体が流れる液体流路、ガスが流れるガス流路及び前記ガス流路から前記液体流路に通じる連通路が形成され、
前記連通路に電磁弁が設けられていることを特徴とする流路構造が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流路の内部に残存する液体が凍結したものとしても、流路構造の破損を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１０】
図１は、燃料電池システム１の概略構成を示したブロック図である。
この燃料電池システム１は、携帯電話機、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳、携帯無線機その他の電子機器に取り付けられるものである。
【００１１】
燃料電池システム１は、本体モジュール２と、カートリッジ３と、を有する。本体モジュール２は電子機器に搭載されている。カートリッジ３は電子機器に対して着脱可能とされ、カートリッジ３が電子機器に装着されるとカートリッジ３が本体モジュール２に接続される。
【００１２】
カートリッジ３は、燃料貯蔵部４、水貯蔵部５、気液分離膜６及び濾過部７を有する。
燃料貯蔵部４には、燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等）が貯蔵されている。水貯蔵部５には、水が貯蔵されている。
気液分離膜６が水貯蔵部５に設けられ、カートリッジ３外から水貯蔵部５内に導入された気体が気液分離膜６を透過するが、水貯蔵部５内の液体が気液分離膜６を透過しない。気液分離膜６を透過した気体は外部に排出される。気液分離膜６としては、多孔質の４フッ化エチレン樹脂を用いるとよい。
濾過部７は、水貯蔵部５から排出される水を濾過して、その水に含まれる異物を捕捉するものである。濾過部７は、イオン交換樹脂及び多孔質膜を有する。
【００１３】
本体モジュール２は、水供給ポンプ１１、流量制御バルブ１２，１３、加湿器１４，１５、エアポンプ３１、流量制御バルブ３２〜３４、燃料供給ポンプ５１、気化器５２、改質器５３、ＣＯ除去器５４、触媒燃焼器５５、断熱容器５６、燃料電池５７、触媒燃焼器５８及び熱交換器５９等を有する。
【００１４】
カートリッジ３が本体モジュール２に装着されると、濾過部７が水供給ポンプ１１に接続され、燃料貯蔵部４が燃料供給ポンプ５１に接続され、水貯蔵部５が流路６７を介して熱交換器５９に接続される。
【００１５】
燃料供給ポンプ５１は流路６０を介して気化器５２に接続され、気化器５２が流路６１を介して改質器５３に接続されている。改質器５３の下流にＣＯ除去器５４が設けられ、これら改質器５３及びＣＯ除去器５４が大気圧より十分低圧の断熱容器５６内に収容されている。断熱容器５６内においては改質器５３の下流にＣＯ除去器５４が接続されている。断熱容器５６内には触媒燃焼器５５も収容され触媒燃焼器５５の燃焼熱が断熱容器５６外に放出することを抑制している。ＣＯ除去器５４は流路６２を介して加湿器１４に接続されている。加湿器１４は流路６３を介して燃料電池５７のアノードに接続されている。燃料電池５７のアノードは流路６４を介して触媒燃焼器５５に接続されている。触媒燃焼器５５は流路６５を介して触媒燃焼器５８に接続されている。触媒燃焼器５８は流路６６を介して熱交換器５９に接続されている。
【００１６】
エアポンプ３１は流路３５を介して流量制御バルブ３２に接続されている。流量制御バルブ３２は流路３６を介してＣＯ除去器５４に接続されている。また、エアポンプ３１は流路３７を介して流量制御バルブ３４に接続されている。流量制御バルブ３４は流路４０を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１５は流路４１を介して燃料電池５７のカソードに接続されている。燃料電池５７のカソードの下流の流路４２は、流路６５に合流している。また、エアポンプ３１は流路３８を介して流量制御バルブ３３に接続されている。流量制御バルブ３３の下流の流路３９は流路６４に合流している。
【００１７】
水供給ポンプ１１は流路１６を介して流量制御バルブ１２に接続されているとともに、流路１７を介して流量制御バルブ１３に接続されている。流量制御バルブ１２の下流の流路１８は、流路６０に合流している。流量制御バルブ１３は、流路１９を介して加湿器１４に接続されているとともに、流路２１を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１４、１５のそれぞれの下流の流路２０，２２は流路６７に合流している。
【００１８】
水供給ポンプ１１は、水貯蔵部５内の水を気化器５２及び加湿器１４，１５に向けて送液するものである。流量制御バルブ１２は、水供給ポンプ１１から気化器５２に流れる水の流量を制御するものである。流量制御バルブ１３は、水供給ポンプ１１から加湿器１４，１５に流れる水の流量を制御するものである。流量制御バルブ１２，１３には、流量センサが併設され、流量センサによって水の流量が検出される。
【００１９】
エアポンプ３１は、外部の空気をＣＯ除去器５４、加湿器１５及び触媒燃焼器５５に向けて送るものである。流量制御バルブ３２は、エアポンプ３１からＣＯ除去器５４に流れる空気の流量を制御するものである。流量制御バルブ３３は、エアポンプ３１から触媒燃焼器５５に流れる空気の流量を制御するものである。流量制御バルブ３４は、エアポンプ３１から加湿器１４に流れる空気の流量を制御するものである。流量制御バルブ３２〜３４には流量センサが併設され、流量センサによって空気の流量が検出される。
【００２０】
燃料供給ポンプ５１は、燃料貯蔵部４内の燃料を気化器５２に向けて送液するものである。燃料がメタノールの場合、燃料供給ポンプ５１によって気化器５２に送られる燃料と、水供給ポンプ１１によって気化器５２に送られる水との混合比（モル比）は、燃料が１に対して、水が１．２〜１．８である。そのような混合比になるよう、流量制御バルブ１２によって水の流量が調整される。
【００２１】
気化器５２は、燃料と水を加熱して気化させるものである。気化器５２で気化した燃料と水の混合気が、改質器５３に流れる。
改質器５３は、気化器５２から送られた燃料を水素に改質するものである。具体的には、気化器５２から送られた燃料と水の混合気が改質器５３の内部を流れて、燃料と水が触媒層によって反応し、水素、二酸化炭素等が生成される。また、微量な一酸化炭素も数千から数万ｐｐｍの濃度で生成される。燃料貯蔵部４に貯蔵された燃料がメタノールである場合、改質器５３では、次式（１）、（２）のような反応が起こる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ …（２）
改質器５３で生成された生成ガスがＣＯ除去器５４に送出される。
【００２２】
ＣＯ除去器５４においては、改質器５３から送られた生成ガスと、エアポンプ３１から送られた空気が混合される。ＣＯ除去器５４は、生成ガスのうち一酸化炭素を選択的に酸化させ、それにより一酸化炭素を除去するものである。ＣＯ除去器５４を経た生成ガスは加湿器１４に送出される。加湿器１４は、ＣＯ除去器５４から流れてきた生成ガスを、水供給ポンプ１１から流れてきた水によって加湿するものである。加湿器１４を経た生成ガスは燃料電池５７のアノードに送出される。加湿器１４を経た水は流路２０、流路６７を順に通って水貯蔵部５に送出される。
【００２３】
加湿器１５は、エアポンプ３１から流れてきた空気を、水供給ポンプ１１から流れてきた水によって加湿するものである。加湿器１５を経た空気は燃料電池５７のカソードに送出される。加湿器１５を経た水は流路２２、流路６７を順に通って水貯蔵部５に送出される。
【００２４】
燃料電池５７は、アノード、電解質膜及びカソード等を有する。この燃料電池５７は、アノードに供給された生成ガス中の水素と、カソードに供給された空気中の酸素とを電気化学反応させて、電気を生成するものである。電解質膜が固体高分子型電解質膜である場合、アノードでは次式（３）のような反応が起こり、カソードでは次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（３）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ・・・（４）
カソードを通過した空気は流路４２、流路６５を順に通って触媒燃焼器５８に送られる。アノードでは生成ガス中の全ての水素が反応するのではなく、未反応の水素もあり、アノードに供給された水素の２０％程度が未反応である。アノードを通過した生成ガスは、触媒燃焼器５５に送られる。
【００２５】
触媒燃焼器５５は、生成ガス中の水素等の酸化・燃焼をさせ、それにより燃焼熱を生成するものである。触媒燃焼器５５で生成された熱は、改質器５３及びＣＯ除去器５４の加熱に用いられる。改質器５３及びＣＯ除去器５４の加熱効率を高めるべく、また、改質器５３及びＣＯ除去器５４の温度分布を適切に保つべく、改質器５３、ＣＯ除去器５４及び触媒燃焼器５５は剛性を有する断熱容器５６内に収容されている。断熱容器５６内が真空圧に保たれ、それにより断熱がなされる。また、改質器５３、ＣＯ除去器５４及び触媒燃焼器５５は、電熱ヒータ７３によって加熱される。電熱ヒータ７３は、金属薄膜（例えば、金、白金）からなる。電熱ヒータ７３の電気抵抗と温度の関係には線形性があり、電熱ヒータ７３がサーミスタとしても機能する。電熱ヒータ７３は、起動時に触媒燃焼器５５が改質器５３及びＣＯ除去器５４を所望の温度に加熱できない場合の加熱手段や、触媒燃焼器５５が安定して加熱している定常運転時の温度の微調整を行うための補助加熱手段として用いられる。
【００２６】
触媒燃焼器５５を経た生成ガスは、流路６５を通って触媒燃焼器５８に送られる。触媒燃焼器５８は、生成ガス中の水素等の酸化・燃焼をさせ、それにより水素を問題がない程度の低濃度となるように除去するものである。
【００２７】
触媒燃焼器５８を経た生成ガスは、流路６６を通って熱交換器５９に送られる。熱交換器５９は、外部と燃焼によって加熱された生成ガスの熱交換を行うことによって、生成ガスを冷却するものである。これにより、生成ガス中の水（水蒸気）が液化する。液化した水と生成ガスは、流路６７を通って水貯蔵部５に送られる。熱交換器５９から水貯蔵部５に送られる水と生成ガスには、加湿器１４，１５から送られてきた水が混合される。
【００２８】
水貯蔵部５においては液化した水が貯蔵される。一方、生成ガス（液化しなかった水、二酸化炭素等）は、気液分離膜６を通過して外部に排出される。
【００２９】
本体モジュール２には制御回路７０、蓄電部７１及びインターフェース７２が設けられている。制御回路７０は、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１及び流量制御バルブ１２，１３，３２，３３，３４等を制御するものである。蓄電部７１は、燃料電池５７で生成された電気を蓄電するものである。インターフェース７２は、制御回路７０と電子機器の制御部との間でデータ転送を行うものである。
【００３０】
図１において、流路１６〜２２には、液体状の水が流れる。流路３５〜４２には、空気が流れる。流路６０〜６６には、燃料、水、生成物又は空気が流れる。流路６７には、液体状の水、気体状の生成物及び空気等が流れる。
【００３１】
図２は、燃料電池システム１の外観を示した斜視図である。
図２に示すように、この燃料電池システム１は多層基板１００を有する。多層基板１００の上に流量制御バルブ１２，１３，３２，３３，３４、断熱容器５６及び燃料電池５７が搭載されている。上述したように、断熱容器５６の内部に改質器５３、ＣＯ除去器５４及び触媒燃焼器５５が収容されている。
【００３２】
多層基板１００の下面にはエアポンプ３１及び２つのカートリッジ３が取り付けられている。エアポンプ３１は多層基板１００に対して固定されているが、カートリッジ３は多層基板１００から取り外すことができる。
【００３３】
図１に示された燃料供給ポンプ５１、気化器５２、加湿器１４，１５、触媒燃焼器５８、熱交換器５９及び水供給ポンプ１１も多層基板１００に取り付けられている。
【００３４】
多層基板１００は、複数枚のセラミック等の薄板を積層してこれらを接合したものである。ここで、図１に示された流路１６〜２２、流路３５〜４２及び流路６０〜６７は、図２に示された多層基板１００に形成されている。即ち、多層基板１００の各薄板には、一又は複数のスリット及び一又は複数の貫通孔が形成され、これら薄板が積層されるとこれらスリット及び貫通孔が連なって、これらスリット及び貫通孔が流路１６〜２２、流路３５〜４２及び流路６０〜６７になって、図１に示すような経路が多層基板１００に形成される。
【００３５】
以下、多層基板１００を用いた流路構造の各例について具体的に説明する。
【００３６】
＜第一例＞
図３は、多層基板１００のうち連続して積層された三枚の薄板１０１，１０２，１０３を示した断面図である。
図３に示すように、薄板１０２にはスリット１２１が形成され、薄板１０２が薄板１０１と薄板１０３との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット１２１が塞がれている。薄板１０２と薄板１０３との間には弾性膜１０４が挟まれている。弾性膜１０４はスリット１２１の部分において撓んでおり、その撓んだ部分１４１がスリット１２１に張り込んでいる。そのため、スリット１２１による内部空間が弾性膜１０４によって上下２つの領域１２２，１２３に区切られている。弾性膜１０４は、氷点下においても弾性力を失わない材料で構成されている。領域１２３の容積は、内部に液体が満たされている状態の領域１２２の容積の１０％以上、好ましくは２５％以上である。
【００３７】
一方の領域１２２は、水等の液体が流れる流路である。つまり、図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも領域１２２と同じ構造になっている。他方の領域１２３には、空気等の気体が満たされ、液体は混入されていない。
【００３８】
図１に示された燃料電池システム１の停止時においては、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１等が停止する。水供給ポンプ１１が停止すると、流路１６〜２２に流れていた水が流路１６〜２２内に滞留し、燃料供給ポンプ５１が停止すると、流路６０に流れていた燃料が流路１６〜２２内に滞留する。流路２０、２２は、流路６７に連結している。カートリッジ３が本体モジュール２から取り外されたとき、水貯蔵部５に連結していた流路６７の一端が開放されるが、より外側に位置する流路６７の開放された一端から冷気が伝搬しはじめるため、流路６７もしくは流路２０、２２では、まず先に開放された一端側から内部の水が氷結してしまい、一端が閉塞された後からより内側が氷結し膨張してしまう恐れがある。したがってカートリッジ３が本体モジュール２から外れた状態でも、外れていない状態でも、周囲の気温が氷点下まで低下すると、流路１６〜２２、６０内の液体が凍結して膨張する。液体が水の場合、凍結に伴って約９％だけ膨張する。そうすると、弾性膜１０４が伸び、領域１２２の体積が大きくなるが、領域１２３内の気体が圧縮して領域１２３内の体積が小さくなる。領域１２３の小さくなる量は領域１２３の全体の体積の一部に過ぎないので、圧縮された気体は三枚の薄板１０１，１０２，１０３を破損するだけの応力が生じない。流路１６〜２２、６０内の液体が温度上昇によって膨張する場合にも同様の作用が生じる。このように、領域１２３が隙間としてスリット１２１に存在しているから、領域１２３内に滞留した液体が凍結による膨張又は温度上昇による熱膨張をしても、部分１４１が伸張し領域１２３内の体積を拡張するので、薄板１０１〜１０３に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、領域１２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００３９】
なお、領域１２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域１２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４０】
＜第二例＞
図４は、多層基板１００のうち連続して積層された三枚の薄板２０１，２０２，２０３を示した断面図である。
図４に示すように、薄板２０２にはスリット２２１が形成され、薄板２０２が薄板２０１と薄板２０３との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット２２１が塞がれている。スリット２２１の内側には弾性膜２０４が設けられている。弾性膜２０４の両側が固着材２０５によってスリット２２１の内壁に固着されている。スリット２２１は、弾性膜２０４によって薄板２０３側の領域２２２と薄板２０１側の領域２２３に区切られている。図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも領域２２２と同じ構造になっており、その領域２２２には水等の液体が流れる。他方の領域２２３には、空気等の気体が満たされている。領域２２３が隙間として存在しているから、領域２２２内の水等の液体の凍結による膨張又は液体の熱膨張が生じても、薄板２０１〜２０３に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、氷点下や高温の環境に燃料電池システム１または本体モジュール２を曝しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、領域２２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００４１】
なお、領域２２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域２２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４２】
＜第三例＞
図５は、多層基板１００のうち連続して積層された四枚の薄板３０１，３０２，３０３，３０４を示した断面図である。
図５に示すように、薄板３０２にはスリット３２１が形成され、薄板３０３にもスリット３３１が形成されている。スリット３２１とスリット３３１が重なるようにして薄板３０２，３０３が接合されている。薄板３０２，３０３が薄板３０１と薄板３０４との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット３２１，３３１が塞がれている。
【００４３】
スリット３３１の幅がスリット３２１の幅よりも狭く、スリット３２１，３３１の両側が段３２５となっている。スリット３３１の内側において、弾性膜３０４がスリット３２１を覆っている。弾性膜３０４はスリット３３１の両側の段３２５に接合されている。弾性膜３０４によって、スリット３２１による内部領域３２２とスリット３３１による内部領域３２３が仕切られている。図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも内部領域３２２と同じ構造になっており、その領域３２２には水等の液体が流れる。他方の領域３２３には、空気等の気体が満たされている。領域３２３が隙間として存在しているから、図６に示すように領域３２２内の水等の液体の凍結による膨張又は液体の熱膨張が生じても、薄板３０１〜３０４に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、氷点下や高温の環境に燃料電池システム１または本体モジュール２を曝しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、領域３２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００４４】
なお、領域３２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域３２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４５】
＜第四例＞
図７は、多層基板１００のうち連続して積層された四枚の薄板４０１，４０２，４０３，４０４を示した断面図である。
図７に示すように、薄板４０２にはスリット４２１が形成され、薄板４０３にもスリット４３１が形成されている。スリット４２１とスリット４３１が重なるようにして薄板４０２，４０３が接合されている。薄板４０２，４０３が薄板４０１と薄板４０４との間に挟持された状態でこれらに接合されることで、スリット４２１，４３１が塞がれている。
【００４６】
スリット４３１の幅がスリット４２１の幅よりも狭く、スリット４２１，４３１の両側が段４２５となっている。スリット４３１の内側において、蛇腹状膜４０４がスリット４２１を覆っている。蛇腹状膜４０４はスリット４３１の両側の段４２５に接合されている。蛇腹状膜４０４によって、スリット４２１による内部領域４２２とスリット４３１による内部領域４２３が仕切られている。図１に示された流路１６〜２２、６０は、いずれも領域４２２と同じ構造になっており、その領域４２２には水等の液体が流れる。他方の領域４２３には、空気等の気体が満たされている。領域４２３が隙間として存在しているから、図８に示すように領域４２２内の水等の液体の凍結による膨張又は液体の熱膨張が生じても、薄板４０１〜４０４に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、氷点下や高温の環境に燃料電池システム１または本体モジュール２を曝しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、内部領域４２２に不凍液等を投入しなくても済む。
【００４７】
なお、領域４２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域４２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６１〜６７の何れかであってもよい。
【００４８】
＜第五例＞
図９は、多層基板１００を示した断面図である。
図９に示すように、多層基板１００には流路５０１が形成されている。この流路５０１は、多層基板１００の何れかの薄板（最上層、最下層の薄板を除く。）に形成されたスリットからなるものである。流路５０１は図１に示された流路１６〜２２の何れかであり、その流路５０１には水等の液体が流れる。
【００４９】
また、流路５０２の層とは別の層において、流路５０２が多層基板１００に形成されている。この流路５０２は、多層基板１００の何れかの薄板（最上層、最下層の薄板を除く。）に形成されたスリットからなるものである。流路５０２は図１に示された流路３５〜４０の何れかであり、その流路５０２には空気が流れる。
【００５０】
多層基板１００には連通路５０３が形成され、連通路５０３が流路５０１，５０２に通じている。連通路５０３は、流路５０１の層と流路５０２の層との間の薄板を貫通した貫通孔からなる。多層基板１００の内部にはマイクロバルブ５１０が設けられ、連通路５０３がマイクロバルブ５１０によって開閉される。マイクロバルブ５１０はノーマリークローズ型のバルブである。
【００５１】
また、マイクロバルブ５１０は電磁弁であり、特に電磁ソレノイド式の弁である。
具体的には、マイクロバルブ５１０は、弁体５１１、バネ５１２、ロッド５１３、プランジャ５１４及びコイル５１５等を有する。弁体５１１とプランジャ５１４がロッド５１３によって連結され、プランジャ５１４の周囲にコイル５１５が巻装されている。バネ５１２によって弁体５１１、プランジャ５１４及びロッド５１３が付勢され、弁体５１１が連通路５０３に押し出され、連通路５０３が弁体５１１によって閉塞されている。
【００５２】
図１に示された燃料電池システム１の動作時においては、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１等が作動している。この際、コイル５１５には電流が流れず、弁体５１１がバネ５１２によって押し出されて、図９に示すように、連通路５０３が閉塞されている。
【００５３】
図１に示された燃料電池システム１がその後停止する際には、水供給ポンプ１１、燃料供給ポンプ５１が停止するが、エアポンプ３１は未だ停止しない。そして、コイル５１５に電流が流れると、図１０に示すように、弁体５１１が引き込み、連通路５０３が開放される。そうすると、エアポンプ３１によって送風された空気が連通路５０３を通って流路５０２に流れ込み、液体５２０に気泡５２１が生じる。
【００５４】
その後、コイル５１５の電流が止まると、バネ５１２によって弁体５１１が押し出されて、再び図９に示すように、連通路５０３が弁体５１１によって閉塞される。そして、エアポンプ３１も停止する。
【００５５】
この状態において、周囲の気温が低下し、液体５２０が凍結する。液体５２０が凍結に伴って膨張すると、気泡５２１が圧縮されるから、多層基板１００に大きな負荷を与えないようにすることができる。そのため、液体５２０が凍結等によって膨張しても、多層基板１００の破損を抑えることができる。それゆえ、燃料電池システム１の停止時において、流路５０１に不凍液等を投入しなくても済む。
【００５６】
なお、マイクロバルブ５１０がノーマリーオープン型である場合でも、マイクロバルブ５１０の開閉タイミングは上記の場合と同様である。
【００５７】
また、図１１、図１２に示すようにマイクロバルブ５１０の弁体５１１が連通路５０３に対して平行な方向に進退するように、マイクロバルブ５１０が縦置きになって多層基板１００に設けられていてもよい。この場合、弁体５１１の横断面積が連通路５０３の横断面積よりも大きいので、弁体５１１が押し出された場合に連通路５０３が弁体５１１によって閉塞される。また、弁体５１１の縦断面積が流路５０２の縦断面積よりも小さいので、弁体５１１が押し出された場合に流路５０２は弁体５１１によって完全には閉塞されない。
【００５８】
なお、領域１２３，２２３，３２３，４２３は密閉された空間であってもよいし、多層基板１００の表面から外部に通じていてもよい。また、領域１２３，２２３，３２３，４２３が、図１に示された流路３５〜４２、流路６０〜６７の何れかであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示したブロック図である。
【図２】燃料電池システムを示した斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図７】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図８】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図９】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図１０】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図１１】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【図１２】本発明の実施形態における流路構造を示した概略断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 燃料電池システム
１６〜２２ 流路
３５〜４２ 流路
１００ 多層基板
１０１〜１０３、２０１〜２０３、３０１〜３０４、４０１〜４０４ 薄板
１０４、２０４、３０４ 弾性膜
１２１、２２１、３２１、３３１、４２１、４３１ スリット
１２２、２２２、３２２、４２３ 領域
１２３、２２３、３２３、４２３ 領域
４０４ 蛇腹状膜
５０１ 流路
５０２ 流路
５０３ 連通路
５１０ マイクロバルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流す空間内に弾性膜が配置され、前記空間が前記弾性膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造。
【請求項２】
流体を流す空間内に蛇腹状膜が配置され、前記空間が蛇腹状膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造。
【請求項３】
液体が流れる液体流路、ガスが流れるガス流路及び前記ガス流路から前記液体流路に通じる連通路が形成され、
前記連通路に電磁弁が設けられていることを特徴とする流路構造。
【請求項１】
流体を流す空間内に弾性膜が配置され、前記空間が前記弾性膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造。
【請求項２】
流体を流す空間内に蛇腹状膜が配置され、前記空間が蛇腹状膜によって２つの領域に区切られ、前記２つの領域のうち一方の領域にガスが満たされ、他方の領域に液体が流れることを特徴とする流路構造。
【請求項３】
液体が流れる液体流路、ガスが流れるガス流路及び前記ガス流路から前記液体流路に通じる連通路が形成され、
前記連通路に電磁弁が設けられていることを特徴とする流路構造。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−６５７９９（Ｐ２０１０−６５７９９Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３４４１２（Ｐ２００８−２３４４１２）
【出願日】平成２０年９月１２日（２００８．９．１２）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１２日（２００８．９．１２）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
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