順止バルブ、燃料電池システム
【課題】低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くのを防ぐことができる順止バルブ、及びこの順止バルブを備える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】バルブ筐体１３０には、弁部１５０を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する半円状の突出部１４４と、メタノールを突出部１４４の内側から外側へ通過させる流路が、バルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。また、この突出部１４４は、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、ダイヤフラム１２０が、弁部１５０の開放時にバルブ室１４０の底面１４１でなく突出部１４４に接触し、その下降量が規制される。さらに、ダイヤフラム１２０が突出部１４４に接触した時、メタノールは突出部１４４の内側から流路を介して突出部１４４の外側へ通過する。
【解決手段】バルブ筐体１３０には、弁部１５０を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する半円状の突出部１４４と、メタノールを突出部１４４の内側から外側へ通過させる流路が、バルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。また、この突出部１４４は、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、ダイヤフラム１２０が、弁部１５０の開放時にバルブ室１４０の底面１４１でなく突出部１４４に接触し、その下降量が規制される。さらに、ダイヤフラム１２０が突出部１４４に接触した時、メタノールは突出部１４４の内側から流路を介して突出部１４４の外側へ通過する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の順方向の流れを制御する順止バルブ、及びこの順止バルブを備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の燃料電池に用いられるパッシブ駆動の減圧弁が特許文献１に開示されている。この減圧弁は、流体の圧力が設定圧力になると、圧力差を利用してバルブが自動的に開閉するように構成されている。
【０００３】
図１（Ａ），図１（Ｂ）に、特許文献１に開示されている減圧弁の断面図を示す。この減圧弁は、可動部となるダイヤフラム１、伝達機構であるピストン２、バルブ筐体７、および、弁部を形成する弁座部３、弁体部４、および、支持部５からなる。弁体部４は支持部５によって周囲に支持されている。支持部５は、弾性を有する梁によって形成されている。また、バルブ筐体７は、ダイヤフラム１とともにバルブ室８を構成する。
【０００４】
ダイヤフラム（可動部）１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、弁体部４の面積をＳ１、ダイヤフラム（可動部）１の面積をＳ２とする。このとき、圧力の釣り合いから、図１（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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５９０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)においては、燃料（メタノール）の輸送を行うポンプを備えている。一般に、弁方式のポンプには弁による逆止機能はあるが、順止機能（順方向の流れを止める機能）は無い。順止機能の無いポンプを用いると、上流側の圧力（順方向の圧力）が燃料に印加される場合に、ポンプの非作動時にも燃料が流れてしまう。
【０００７】
また、燃料電池システム内に組み込まれる燃料カートリッジが、外環境によっては高温になることがあり、高圧の流体が吐出されることがある。これにより、過剰な流体が燃料セルに供給されたり、場合によってはポンプを破壊してしまうおそれがある。そこで、高圧な流体が万が一加わった時に、順方向の流れを止めるバルブ（以下、順止バルブという）が求められている。
【０００８】
例えば、特許文献１の減圧弁を、順止バルブとして用いようとしたとしても機能し得ない。また、燃料電池システムとして低背化が求められているが、ダイヤフラム１と対向するバルブ室８の底面９とダイヤフラム１との距離を狭くし、特許文献１の減圧弁を低背化すると、ダイヤフラム１が、弁の開放時にバルブ室８の底面９に接触するおそれがある。そして、メタノールのような液体を流体として当該減圧弁に使用した場合、ダイヤフラム１とバルブ室８の底面９とが接触した時に、当該液体の表面張力によりダイヤフラム１とバルブ室８の底面９とが貼り付くおそれがある。そのため、特許文献１の減圧弁を低背化した構造では、ダイヤフラム１とバルブ室８の底面９との貼付によりダイヤフラム１が元の位置に戻らなくなってしまい、弁が閉じなくなってしまうことがある。
【０００９】
従って、上記特許文献１の減圧弁を低背化した構造を備える従来の順止バルブでは、その順止バルブに流体として液体を使用する場合、流体制御の十分な信頼性が得られないという問題があった。
【００１０】
そこで本発明は、低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くのを防ぐことができる順止バルブ、及びこの順止バルブを備える燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の順止バルブは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００１２】
（１）バルブ筐体と、
前記バルブ筐体とともにバルブ室を構成し、前記バルブ室内の液体の圧力によって変位するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの変位によって前記バルブ室への流体の流入を遮断又は開放させる弁部と、
前記バルブ筐体に接合され、前記ダイヤフラムに対向するキャップ部と、を備え
前記バルブ筐体には、前記バルブ室へ液体が流入する流入孔と、ポンプが接続されて前記ポンプによる液体の吸引圧力によって前記バルブ室から液体が流出する流出孔と、前記流入孔の周縁に位置する弁座と、が形成された、順止バルブであって、
前記弁部は、前記ダイヤフラムが下降して前記ダイヤフラムに押し下げられることによって前記弁座から離間し、前記バルブ室への液体の流入を開放させる弁体と、前記弁体が前記弁座に対して接近および離間する方向へ可動自在に前記弁体を支持し、前記弁体が前記弁座に接近する方向へ前記弁体を附勢する支持部と、を有し、
前記バルブ筐体または前記キャップ部には、前記ダイヤフラムの下降量を規制する規制部が形成された。
【００１３】
この構成では、ダイヤフラムの下降量が、弁開放時に規制部により規制される。そのため、この構成ではダイヤフラムの下降量を規制部によって調整することで、液体の表面張力によりダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くこと無く、ダイヤフラムが元の位置に戻り、弁が閉じる。
従って、この構成によれば、低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼りつくことを防ぐことができる。従って、流体制御の信頼性を向上できる。
【００１４】
（２）前記規制部は、前記ダイヤフラムが前記規制部に規制されて下死点に位置する時の前記バルブ室の高さをｈとし、前記液体の表面張力係数をγとし、前記バルブ室の底面積をＳｂとし、前記支持部の附勢力をＦｓとしたとき、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たすよう形成されることが好ましい。
【００１５】
この構成では、弁部の支持部の附勢力が液体の表面張力による貼り付き力より強くなる。そのため、ダイヤフラムは液体の表面張力に打ち勝って元に戻り、弁部が閉じる。即ち、ダイヤフラムがバルブ室の底面に表面張力により貼り付くことがない。
【００１６】
（３）前記規制部は、前記弁体が前記流入孔から前記バルブ室への液体の流入を開放させたときに、前記ダイヤフラムが当接する突出部と、当該液体を前記突出部の内側から外側へ通過させる流路と、からなり、前記ダイヤフラムと対向する前記バルブ室の底面上における前記流入孔の周囲に形成されることが好ましい。
【００１７】
この構成では、突出部によりダイヤフラムの下降量を規制する。詳述すると弁開放時、ダイヤフラムは、バルブ室の底面でなく突出部に接触する。さらに、ダイヤフラムが突出部に接触した時、流体は突出部の内側から流路を介して突出部の外側へ通過する。
【００１８】
（４）前記規制部は、前記ダイヤフラムに接合されて大気圧と前記バルブ室の内圧との差圧を受ける受圧板と、前記キャップ部に接合されて前記受圧板の周縁部が載置される載置部と、からなることが好ましい。
【００１９】
この構成では、受圧板と載置部とによりダイヤフラムの下降量を規制する。詳述すると弁開放時、ダイヤフラムはバルブ室の底面に接触せず、ダイヤフラムの下死点がバルブ室の底面の上方にくる。
【００２０】
（５）前記液体はメタノールであることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００２２】
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の順止バルブと、
前記順止バルブの前記流入孔に接続される燃料貯蔵部と、
前記順止バルブの前記流出孔に接続されるポンプと、を備える。
【００２３】
この構成により、上記（１）〜（５）のうちいずれかに記載の順止バルブを用いることで、当該順止バルブを備える燃料電池システムにおいても同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くのを防ぐことができる。従って、流体制御の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】特許文献１の順止バルブの構造を説明する断面図である。
【図２】順止バルブの動作原理を説明する順止バルブの模式断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１を備える燃料電池システムのシステム構成図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の構造を説明する分解斜視図である。
【図５】図５（Ａ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるキャップ部１１０の上面図である。図５（Ｂ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるバルブ筐体１３０の下面図である。
【図６】図５（Ａ）のＳ−Ｓ線における断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の弁開放時の模式断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る順止バルブ２０１に備えられるバルブ筐体２３０の斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る順止バルブ２０１の弁開放時の模式断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る順止バルブ３０１の弁開放時の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
《順止バルブの動作原理》
まず、小型の燃料電池に用いられるパッシブ駆動の順止バルブの動作原理について説明する。
図２（Ａ）は、弁が閉じた状態における順止バルブ９０の模式断面図であり、図２（Ｂ）は、弁が開いた状態における順止バルブ９０の模式断面図である。順止バルブ９０は、可動部となるダイヤフラム２０、ダイヤフラム２０とともにバルブ室４０を構成するバルブ筐体３０、バルブ筐体３０に接合されたキャップ部１０、および、弁体部５１を有する弁部５０からなる。
【００２７】
バルブ筐体３０には、バルブ室４０へ流体が流入する流入孔４３と、ポンプが接続されてポンプによる流体の吸引圧力によってバルブ室４０から流体が流出する流出孔４９とが形成されている。
【００２８】
ダイヤフラム２０は、伝達機構であるプッシャ２３を有し、バルブ室４０の流体の圧力によって変位する。ダイヤフラム２０が弁部５０に近づく方向へ変位した時、プッシャ２３が弁体部５１を押下する。
【００２９】
弁部５０は、弁体部５１の流入孔４３側にリング状の弁突起５５が形成されており、弁突起５５が流入孔４３の周縁に位置する弁座４８に当接するよう配置される。そして、弁体部５１は、ダイヤフラム２０の変位によって弁座４８に対して当接または離間し、流入孔４３からバルブ室４０への流体の流入を遮断または開放させる。
【００３０】
キャップ部１０には、外気と通じる孔部１５が上面に形成されている。この結果、ダイヤフラム２０の上部に大気圧が加わる。
【００３１】
順止バルブ９０は、流体の圧力が設定圧力になると、圧力差を利用して弁部５０が自動的に開閉するように構成されている。詳述すると、ダイヤフラム２０上部の大気の圧力を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、弁体部５１の面積（ここでは、弁体部５１にリング状の弁突起５５が形成されているため弁突起５５で囲まれた領域の径で決まる面積）をＳ１、ダイヤフラム２０の面積をＳ２、弁体部５１が上向きに付勢する力をＦｓとする。このとき、圧力の釣り合いから、図２（Ｂ）のように弁部５０が開く条件は、（Ｐ１−Ｐ２）Ｓ１＋Ｆｓ＜（Ｐ０−Ｐ２）Ｓ２となる。Ｐ２がこの条件の圧力より高いと弁部５０は閉じ、低いと弁部５０は開く。これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。
【００３２】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１を備える燃料電池システム１００のシステム構成図である。燃料電池システム１００は、燃料であるメタノールを貯蔵する燃料カートリッジ１０２と、順止バルブ１０１と、メタノールを輸送するポンプ１０３と、ポンプ１０３からメタノールの供給を受けて発電する発電セル１０４と、を備える。
【００３３】
ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、燃料であるメタノールの輸送を行うポンプ１０３を備えている。一般に、弁方式のポンプ１０３には弁による逆止機能はあるが、順止機能は無い。順止機能の無いポンプ１０３を用いると、上流側の圧力（順方向の圧力）がメタノールに印加される場合に、ポンプ１０３の非作動時にもメタノールが流れてしまう。
そのため、ポンプ１０３と組み合わせて使用し、ポンプ圧力を利用して弁の開閉を行う順止バルブ１０１を設ける方が好ましい。
【００３４】
順止バルブ１０１は、詳細を後述するが、ダイヤフラム１２０とともにバルブ室１４０を構成するバルブ筐体１３０を備える。バルブ筐体１３０には、燃料カートリッジ１０２が流入路１６３を介して接続される流入孔１４３と、ポンプ１０３が流出路１６５を介して接続される流出孔１４９とが形成されている。順止バルブ１０１は、流入路１６３と流出路１６５とが形成されたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂製のシステム筐体１６０に、流漏れを防ぐＯリング１６１、１６２を介して表面実装される。
【００３５】
燃料電池システム１００では、メタノールが燃料カートリッジ１０２から流入路１６３と流入孔１４３を介してバルブ室１４０へ流入する。そして、ポンプ１０３によるメタノールの吸引圧力によってバルブ室１４０から流出路１６５と流出孔１４９を介してポンプ１０３へメタノールが流出する。そして、メタノールはポンプ１０３によって発電セル１０４へ供給される。
【００３６】
図４は、第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の分解斜視図である。図５（Ａ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるキャップ部１１０の上面図である。図５（Ｂ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるバルブ筐体１３０の下面図である。図６は、図５（Ａ）のＳ−Ｓ線における断面図である。
【００３７】
順止バルブ１０１は、図４に分解斜視するように、キャップ部１１０と、可動部となるダイヤフラム１２０と、バルブ筐体１３０と、弁部１５０と、を備える。
【００３８】
バルブ筐体１３０は、略正方形板状である。バルブ筐体１３０には、バルブ室１４０へ流体が流入する流入孔１４３と、ポンプ１０３が接続されてポンプ１０３による流体の吸引圧力によってバルブ室１４０から流体が流出する流出孔１４９と、が形成されている。また、バルブ筐体１３０には、キャップ部１１０とバルブ筐体１３０をシステム筐体１６０に固定するためのネジ止め用の穴１３１と、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置される載置部１３４と、が形成されている。
【００３９】
また、バルブ筐体１３０には、図４、図６及び図７に示すように、弁部１５０が流入孔１４３からバルブ室１４０へのメタノールの流入を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する突出部１４４と、メタノールを突出部１４４の内側から外側へ通過させる流路１４５とが、ダイヤフラム１２０と対向するバルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。ここで、突出部１４４は、本発明の「規制部」に相当する。
【００４０】
上記突出部１４４は、ダイヤフラム１２０が突出部１４４に規制されて下死点に位置する時のバルブ室１４０の高さをｈとし、液体の表面張力係数をγとし、バルブ室１４０の底面積をＳｂとし、詳細を後述する弁部１５０の支持部１５２の附勢力をＦｓとしたとき、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。この実施形態では、当該高さｈを０．１５（ｍｍ）に、当該底面積Ｓｂを１１５（ｍｍ２）に設定している。当該底面積Ｓｂは、突出部１４４の上面の面積も含む。また、この実施形態で使用するメタノールの表面張力係数γは２２．６（ｍ・Ｎ／ｍ）である。
【００４１】
また、バルブ筐体１３０には、図５（Ｂ）及び図６に示すように、弁部１５０をバルブ筐体１３０の実装面側から嵌めこむことにより弁部１５０を収納する開口部１４７と、流入孔１４３の周縁に位置する弁座１４８と、が形成されている。
【００４２】
なお、バルブ筐体１３０の材質については、バルブ筐体１３０のメタノールと接する部分１３４、１４１、１４４、１４５、１４８の材質は耐メタノール性の高い樹脂、例えばＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂等からなり、バルブ筐体１３０のメタノールと接しない縁１３２の材質は金属からなる。バルブ筐体１３０は、金属部分の縁１３２をモールド金型にインサートして射出成形するインサートモールドにより形成される。
【００４３】
ダイヤフラム１２０は、図４及び図６に示すように、伝達機構であるプッシャ１２３を中心に有し、周縁部１２１の厚みが中央部１２２より厚い円板状に形成されている。ダイヤフラム１２０の材質は、耐メタノール性の高いゴム、例えばエチレンプロピレンゴムまたはシリコーンゴムである。ダイヤフラム１２０は、周縁部１２１がバルブ筐体１３０に載置されてバルブ筐体１３０とともにバルブ室１４０を構成する。ダイヤフラム１２０は、バルブ室１４０の流体の圧力によって周縁部１２１の内側の中央部１２２が変位する。ダイヤフラム１２０の中央部１２２が弁部１５０に近づく方向へ変位した時、プッシャ１２３が弁体部１５１を押下する。
【００４４】
なお、液体を流体として順止バルブ１０１に使用した場合、液体の表面張力が大きいため、気体を流体として順止バルブ１０１に使用した場合より大きな流体の流路が必要となる。しかし、この実施形態の順止バルブ１０１ではダイヤフラム１２０の材質がゴムであるため、ダイヤフラム１２０をシリコンや金属で形成した場合に比べてダイヤフラム１２０の可動範囲が大きくなる。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、十分なメタノールの流路を確保できる。
【００４５】
弁部１５０は、図４及び図６に示すように、略円形状であり、耐メタノール性の高いゴム、例えばシリコーンゴムからなる。弁部１５０は、ダイヤフラム１２０の変位によって弁座１４８に対して当接または離間し、流入孔１４３からバルブ室１４０への流体（メタノール）の流入を遮断または開放させる弁体部１５１と、弁体部１５１が弁座１４８に対して接近および離間する方向へ可動自在に弁体部１５１を支持する支持部１５２と、メタノールを通過させる孔部１５３と、弁部１５０が開口部１４７に収納されたときにバルブ筐体１３０の開口部１４７の内周面に当接し、支持部１５２を固定する固定部１５４と、を有する。
なお、弁体部１５１には、弁座１４８とのシール性を高めるため、流入孔４３側にリング状の弁突起１５５が形成されているが、弁突起１５５は必ずしも形成される必要はない。
【００４６】
弁体部１５１は、弁部１５０が開口部１４７に収納されたときに弁体部１５１の弁突起１５５が弁座１４８に当接し、弁体部１５１が流入孔１４３からバルブ室１４０への流体の流入を遮断する方向へ弁座１４８を弁閉時に与圧する。そして、弁体部１５１は、ダイヤフラム１２０が下降してダイヤフラム１２０に押し下げられることによって弁座１４８から離間し、流入孔１４３と孔部１５３が連通して、バルブ室１４０へのメタノールの流入を開放させる。
この弁開放時、支持部１５２は、弁体部１５１が弁座１４８に対して接近する方向へ弁体部１５１を附勢力Ｆｓで附勢する。
【００４７】
キャップ部１１０は、図４、図５（Ａ）及び図６に示すように、略正方形板状であり、例えば、ステンレススチールの板を用いて金型成形により形成される。キャップ部１１０には、キャップ部１１０とバルブ筐体１３０をシステム筐体１６０に固定するためのネジ止め用の穴１１１が形成されている。ここで、金属製のキャップ部１１０の縁１１６は、ダイヤフラム１２０が載置部１３４に載置された状態で、バルブ筐体１３０の金属製の縁１３２と溶接により接合される。キャップ部１１０の周縁部位１１４は、接合されると、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１を押圧して載置部１３４とともに周縁部１２１を挟持する。
【００４８】
また、キャップ部１１０の中央部位１１３には、外気と通じる孔部１１５が形成されている。この結果、ダイヤフラム１２０の上部に大気圧が加わる。
ダイヤフラム１２０には、この大気圧とバルブ室１４０の内圧との差圧を受ける円形の金属からなる受圧板１２５が接合されている。
【００４９】
順止バルブ１０１は、上述した順止バルブ９０（図２参照）と同じように、流体の圧力が設定圧力になると、圧力差を利用して弁部１５０が自動的に開閉するように構成されている。
【００５０】
以上の構成では、バルブ室１４０の底面１４１とダイヤフラム１２０との距離を狭くし、順止バルブ１０１を低背化している。しかし、この実施形態のバルブ筐体１３０には、図４、図６及び図７に示すように、弁部１５０を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する半円状の突出部１４４と、メタノールを突出部１４４の内側から外側へ通過させる流路１４５とが、バルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。
【００５１】
そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、ダイヤフラム１２０が、弁部１５０の開放時にバルブ室１４０の底面１４１でなく突出部１４４に接触し、その下降量が規制される（後述の図７参照）。さらに、ダイヤフラム１２０が突出部１４４に接触した時、メタノールは突出部１４４の内側から流路１４５を介して突出部１４４の外側へ通過する。
【００５２】
また、この突出部１４４は、上述したように、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、メタノールの表面張力によりダイヤフラム１２０とバルブ室１４０の底面１４１とが貼り付くこと無く、ダイヤフラム１２０が元の位置に戻り、弁が閉じる。
【００５３】
ここで、弁開放時における液体の表面張力について図７、８を用いて詳述する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の弁開放時の模式断面図である。図７は、バルブ室１４０内にのみ液体が満たされている場合の表面張力を説明する図である。
なお、図７では説明を簡略化するためダイヤフラム１２０を全体的に下降させているが、実際は、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置部１３４と周縁部１２１に挟持されているため、ダイヤフラム１２０における周縁部１２１より内側の中央部のみが僅かに下降する。
【００５４】
図７に示すようにバルブ室１４０内にのみ液体が満たされている場合、液体内部のラプラス圧ΔＰはΔＰ＝２γ/ｈの式で表わされる。ここで、この実施形態では突出部１４４の高さｈが０．１５（ｍｍ）、メタノールの表面張力係数γが約２２．６（ｍ・Ｎ／ｍ）、バルブ室１４０の底面１４１の面積Ｓｂが１１５（ｍｍ２）であるため、ダイヤフラム１２０にはメタノールの表面張力によって貼り付き力Ｆｈ＝２γＳｂ/ｈ≒０．０３（Ｎ）が作用する。しかし、この実施形態では、弁部１５０の附勢力Ｆｓ（約０．１Ｎ）がＦｓ＞Ｆｈであるため、ダイヤフラム１２０は表面張力に打ち勝って元に戻り、弁部１５０が閉じる。このように、この実施形態の順止バルブ１０１では、突出部１４４がｈ＞２γＳｂ/Ｆｓ≒０．０５（ｍｍ）の関係を満たすよう形成されているため、ダイヤフラム１２０がバルブ室１４０の底面１４１に表面張力により貼り付くことがない。
【００５５】
以上より、この実施形態の順止バルブ１０１によれば、低背な構造でも、メタノールの表面張力によりダイヤフラム１２０とバルブ室１４０の底面１４１とが貼り付くのを防ぐことができる。従って、流体制御の信頼性を向上できる。
【００５６】
また、以上の構成において、バルブ筐体１３０のメタノールと接する部分１３４、１４１、１４４、１４５、１４８の材質は全て樹脂であり、ダイヤフラム１２０と弁部１５０の材質もゴムであるため、金属イオンがメタノール中に溶出することがない。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、金属イオンの溶出によるＤＭＦＣの特性の劣化も起こらない。
従って、この実施形態の順止バルブ１０１を用いることで、当該順止バルブ１０１を備える燃料電池システム１００においても同様の効果を奏する。
【００５７】
《第２の実施形態》
図８は、本発明の第２の実施形態に係る順止バルブ２０１に備えられるバルブ筐体２３０の斜視図である。図９は、バルブ室２４０内にのみ液体が満たされている場合の表面張力を説明する、順止バルブ２０１の弁開放時の模式断面図である。
なお、図９では説明を簡略化するためダイヤフラム１２０を全体的に下降させているが、実際は、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置部１３４と周縁部１２１に挟持されているため、ダイヤフラム１２０における周縁部１２１より内側の中央部のみが僅かに下降する。
【００５８】
この実施形態の順止バルブ２０１が上記順止バルブ１０１と相違する点は、突出部２４４であり、その他の構成については上記順止バルブ１０１と同じである。突出部２４４は、環状に形成されている点で、図４に示す突出部１４４と異なる。
【００５９】
この実施形態における順止バルブ２０１においても、図８及び図９に示すように、弁部１５０を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する環状の突出部２４４と、メタノールを突出部２４４の内側から外側へ通過させる流路２４５とが、バルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。また、この突出部２４４も、上述した、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。
【００６０】
従って、この実施形態の順止バルブ２０１においても順止バルブ１０１と同様の効果を奏する。また、この実施形態の順止バルブ２０１を用いることで、当該順止バルブ２０１を備える燃料電池システムにおいても同様の効果を奏する。
【００６１】
《第３の実施形態》
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る順止バルブ３０１の弁開放時の模式断面図である。図１０は、同順止バルブ３０１に備えられるバルブ室２４０内にのみ液体が満たされている場合の表面張力を説明する図である。
なお、図１０では説明を簡略化するためダイヤフラム１２０を全体的に下降させているが、実際は、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置部１３４と周縁部１２１に挟持されているため、ダイヤフラム１２０における周縁部１２１より内側の中央部のみが僅かに下降する。
【００６２】
この実施形態の順止バルブ３０１が上記順止バルブ１０１と相違する点は、突出部１４４でなく、受圧板３２５と、載置部３２６と、でダイヤフラム１２０の下降量を規制する点である。その他の構成については上記順止バルブ１０１と同じである。受圧板３２５は受圧板１２５と形状のみが異なり、周縁部の内側の中央部がダイヤフラム１２０に接合され、周縁部が載置部３２６に載置される。
【００６３】
そのため、この実施形態の順止バルブ３０１では、弁部１５０の開放時、ダイヤフラム１２０はバルブ室１４０の底面１４１に接触せず、ダイヤフラム１２０の下死点がバルブ室１４０の底面１４１の上方にくる。
【００６４】
また、この実施形態の順止バルブ３０１においても、図１０に示すように、上述した、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たすように、受圧板３２及び載置部３２６が形成されている。そのため、この実施形態の順止バルブ３０１においても、メタノールの表面張力によりダイヤフラム１２０とバルブ室１４０の底面１４１とが貼り付くこと無く、ダイヤフラム１２０が元の位置に戻り、弁が閉じる。
【００６５】
従って、この実施形態の順止バルブ３０１においても順止バルブ１０１と同様の効果を奏する。また、この実施形態の順止バルブ３０１を用いることで、当該順止バルブ３０１を備える燃料電池システムにおいても同様の効果を奏する。
【００６６】
《その他の実施形態》
以上の実施形態では流体としてメタノールを用いているが、当該流体が、エタノール等の他の液体、気液混合流、固液混合流などのいずれであっても適用できる。
【００６７】
なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６８】
１…ダイヤフラム
２…ピストン
３…弁座部
４…弁体部
５…支持部
７…バルブ筐体
８…バルブ室
９…底面
１０…キャップ部
１５…孔部
２０…ダイヤフラム
２３…プッシャ
３０…バルブ筐体
４０…バルブ室
４３…流入孔
４８…弁座
４９…流出孔
５０…弁部
５１…弁体部
５５…弁突起
９０…順止バルブ
１００…燃料電池システム
１０１、２０１、３０１…順止バルブ
１０２…燃料カートリッジ
１０３…ポンプ
１０４…発電セル
１１０…キャップ部
１１１…穴
１１３…中央部位
１１４…周縁部位
１１５…孔部
１１６…縁
１２０…ダイヤフラム
１２１…周縁部
１２２…中央部
１２３…プッシャ
１２５、３２５…受圧板
３２６…載置部
１３０、２３０、３３０…バルブ筐体
１３１…穴
１３２…縁
１３４…載置部
１４０…バルブ室
１４１…底面
１４３…流入孔
１４４、２４４…突出部
１４５、２４５…流路
１４７…開口部
１４８…弁座
１４９…流出孔
１５０…弁部
１５１…弁体部
１５２…支持部
１５３…孔部
１５４…固定部
１５５…弁突起
１６０…システム筐体
１６１、１６２…Ｏリング
１６３…流入路
１６５…流出路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の順方向の流れを制御する順止バルブ、及びこの順止バルブを備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の燃料電池に用いられるパッシブ駆動の減圧弁が特許文献１に開示されている。この減圧弁は、流体の圧力が設定圧力になると、圧力差を利用してバルブが自動的に開閉するように構成されている。
【０００３】
図１（Ａ），図１（Ｂ）に、特許文献１に開示されている減圧弁の断面図を示す。この減圧弁は、可動部となるダイヤフラム１、伝達機構であるピストン２、バルブ筐体７、および、弁部を形成する弁座部３、弁体部４、および、支持部５からなる。弁体部４は支持部５によって周囲に支持されている。支持部５は、弾性を有する梁によって形成されている。また、バルブ筐体７は、ダイヤフラム１とともにバルブ室８を構成する。
【０００４】
ダイヤフラム（可動部）１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、弁体部４の面積をＳ１、ダイヤフラム（可動部）１の面積をＳ２とする。このとき、圧力の釣り合いから、図１（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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５９０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)においては、燃料（メタノール）の輸送を行うポンプを備えている。一般に、弁方式のポンプには弁による逆止機能はあるが、順止機能（順方向の流れを止める機能）は無い。順止機能の無いポンプを用いると、上流側の圧力（順方向の圧力）が燃料に印加される場合に、ポンプの非作動時にも燃料が流れてしまう。
【０００７】
また、燃料電池システム内に組み込まれる燃料カートリッジが、外環境によっては高温になることがあり、高圧の流体が吐出されることがある。これにより、過剰な流体が燃料セルに供給されたり、場合によってはポンプを破壊してしまうおそれがある。そこで、高圧な流体が万が一加わった時に、順方向の流れを止めるバルブ（以下、順止バルブという）が求められている。
【０００８】
例えば、特許文献１の減圧弁を、順止バルブとして用いようとしたとしても機能し得ない。また、燃料電池システムとして低背化が求められているが、ダイヤフラム１と対向するバルブ室８の底面９とダイヤフラム１との距離を狭くし、特許文献１の減圧弁を低背化すると、ダイヤフラム１が、弁の開放時にバルブ室８の底面９に接触するおそれがある。そして、メタノールのような液体を流体として当該減圧弁に使用した場合、ダイヤフラム１とバルブ室８の底面９とが接触した時に、当該液体の表面張力によりダイヤフラム１とバルブ室８の底面９とが貼り付くおそれがある。そのため、特許文献１の減圧弁を低背化した構造では、ダイヤフラム１とバルブ室８の底面９との貼付によりダイヤフラム１が元の位置に戻らなくなってしまい、弁が閉じなくなってしまうことがある。
【０００９】
従って、上記特許文献１の減圧弁を低背化した構造を備える従来の順止バルブでは、その順止バルブに流体として液体を使用する場合、流体制御の十分な信頼性が得られないという問題があった。
【００１０】
そこで本発明は、低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くのを防ぐことができる順止バルブ、及びこの順止バルブを備える燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の順止バルブは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００１２】
（１）バルブ筐体と、
前記バルブ筐体とともにバルブ室を構成し、前記バルブ室内の液体の圧力によって変位するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの変位によって前記バルブ室への流体の流入を遮断又は開放させる弁部と、
前記バルブ筐体に接合され、前記ダイヤフラムに対向するキャップ部と、を備え
前記バルブ筐体には、前記バルブ室へ液体が流入する流入孔と、ポンプが接続されて前記ポンプによる液体の吸引圧力によって前記バルブ室から液体が流出する流出孔と、前記流入孔の周縁に位置する弁座と、が形成された、順止バルブであって、
前記弁部は、前記ダイヤフラムが下降して前記ダイヤフラムに押し下げられることによって前記弁座から離間し、前記バルブ室への液体の流入を開放させる弁体と、前記弁体が前記弁座に対して接近および離間する方向へ可動自在に前記弁体を支持し、前記弁体が前記弁座に接近する方向へ前記弁体を附勢する支持部と、を有し、
前記バルブ筐体または前記キャップ部には、前記ダイヤフラムの下降量を規制する規制部が形成された。
【００１３】
この構成では、ダイヤフラムの下降量が、弁開放時に規制部により規制される。そのため、この構成ではダイヤフラムの下降量を規制部によって調整することで、液体の表面張力によりダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くこと無く、ダイヤフラムが元の位置に戻り、弁が閉じる。
従って、この構成によれば、低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼りつくことを防ぐことができる。従って、流体制御の信頼性を向上できる。
【００１４】
（２）前記規制部は、前記ダイヤフラムが前記規制部に規制されて下死点に位置する時の前記バルブ室の高さをｈとし、前記液体の表面張力係数をγとし、前記バルブ室の底面積をＳｂとし、前記支持部の附勢力をＦｓとしたとき、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たすよう形成されることが好ましい。
【００１５】
この構成では、弁部の支持部の附勢力が液体の表面張力による貼り付き力より強くなる。そのため、ダイヤフラムは液体の表面張力に打ち勝って元に戻り、弁部が閉じる。即ち、ダイヤフラムがバルブ室の底面に表面張力により貼り付くことがない。
【００１６】
（３）前記規制部は、前記弁体が前記流入孔から前記バルブ室への液体の流入を開放させたときに、前記ダイヤフラムが当接する突出部と、当該液体を前記突出部の内側から外側へ通過させる流路と、からなり、前記ダイヤフラムと対向する前記バルブ室の底面上における前記流入孔の周囲に形成されることが好ましい。
【００１７】
この構成では、突出部によりダイヤフラムの下降量を規制する。詳述すると弁開放時、ダイヤフラムは、バルブ室の底面でなく突出部に接触する。さらに、ダイヤフラムが突出部に接触した時、流体は突出部の内側から流路を介して突出部の外側へ通過する。
【００１８】
（４）前記規制部は、前記ダイヤフラムに接合されて大気圧と前記バルブ室の内圧との差圧を受ける受圧板と、前記キャップ部に接合されて前記受圧板の周縁部が載置される載置部と、からなることが好ましい。
【００１９】
この構成では、受圧板と載置部とによりダイヤフラムの下降量を規制する。詳述すると弁開放時、ダイヤフラムはバルブ室の底面に接触せず、ダイヤフラムの下死点がバルブ室の底面の上方にくる。
【００２０】
（５）前記液体はメタノールであることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００２２】
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の順止バルブと、
前記順止バルブの前記流入孔に接続される燃料貯蔵部と、
前記順止バルブの前記流出孔に接続されるポンプと、を備える。
【００２３】
この構成により、上記（１）〜（５）のうちいずれかに記載の順止バルブを用いることで、当該順止バルブを備える燃料電池システムにおいても同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、低背な構造でも、ダイヤフラムとバルブ室の底面とが貼り付くのを防ぐことができる。従って、流体制御の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】特許文献１の順止バルブの構造を説明する断面図である。
【図２】順止バルブの動作原理を説明する順止バルブの模式断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１を備える燃料電池システムのシステム構成図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の構造を説明する分解斜視図である。
【図５】図５（Ａ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるキャップ部１１０の上面図である。図５（Ｂ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるバルブ筐体１３０の下面図である。
【図６】図５（Ａ）のＳ−Ｓ線における断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の弁開放時の模式断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る順止バルブ２０１に備えられるバルブ筐体２３０の斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る順止バルブ２０１の弁開放時の模式断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る順止バルブ３０１の弁開放時の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
《順止バルブの動作原理》
まず、小型の燃料電池に用いられるパッシブ駆動の順止バルブの動作原理について説明する。
図２（Ａ）は、弁が閉じた状態における順止バルブ９０の模式断面図であり、図２（Ｂ）は、弁が開いた状態における順止バルブ９０の模式断面図である。順止バルブ９０は、可動部となるダイヤフラム２０、ダイヤフラム２０とともにバルブ室４０を構成するバルブ筐体３０、バルブ筐体３０に接合されたキャップ部１０、および、弁体部５１を有する弁部５０からなる。
【００２７】
バルブ筐体３０には、バルブ室４０へ流体が流入する流入孔４３と、ポンプが接続されてポンプによる流体の吸引圧力によってバルブ室４０から流体が流出する流出孔４９とが形成されている。
【００２８】
ダイヤフラム２０は、伝達機構であるプッシャ２３を有し、バルブ室４０の流体の圧力によって変位する。ダイヤフラム２０が弁部５０に近づく方向へ変位した時、プッシャ２３が弁体部５１を押下する。
【００２９】
弁部５０は、弁体部５１の流入孔４３側にリング状の弁突起５５が形成されており、弁突起５５が流入孔４３の周縁に位置する弁座４８に当接するよう配置される。そして、弁体部５１は、ダイヤフラム２０の変位によって弁座４８に対して当接または離間し、流入孔４３からバルブ室４０への流体の流入を遮断または開放させる。
【００３０】
キャップ部１０には、外気と通じる孔部１５が上面に形成されている。この結果、ダイヤフラム２０の上部に大気圧が加わる。
【００３１】
順止バルブ９０は、流体の圧力が設定圧力になると、圧力差を利用して弁部５０が自動的に開閉するように構成されている。詳述すると、ダイヤフラム２０上部の大気の圧力を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、弁体部５１の面積（ここでは、弁体部５１にリング状の弁突起５５が形成されているため弁突起５５で囲まれた領域の径で決まる面積）をＳ１、ダイヤフラム２０の面積をＳ２、弁体部５１が上向きに付勢する力をＦｓとする。このとき、圧力の釣り合いから、図２（Ｂ）のように弁部５０が開く条件は、（Ｐ１−Ｐ２）Ｓ１＋Ｆｓ＜（Ｐ０−Ｐ２）Ｓ２となる。Ｐ２がこの条件の圧力より高いと弁部５０は閉じ、低いと弁部５０は開く。これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。
【００３２】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１を備える燃料電池システム１００のシステム構成図である。燃料電池システム１００は、燃料であるメタノールを貯蔵する燃料カートリッジ１０２と、順止バルブ１０１と、メタノールを輸送するポンプ１０３と、ポンプ１０３からメタノールの供給を受けて発電する発電セル１０４と、を備える。
【００３３】
ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、燃料であるメタノールの輸送を行うポンプ１０３を備えている。一般に、弁方式のポンプ１０３には弁による逆止機能はあるが、順止機能は無い。順止機能の無いポンプ１０３を用いると、上流側の圧力（順方向の圧力）がメタノールに印加される場合に、ポンプ１０３の非作動時にもメタノールが流れてしまう。
そのため、ポンプ１０３と組み合わせて使用し、ポンプ圧力を利用して弁の開閉を行う順止バルブ１０１を設ける方が好ましい。
【００３４】
順止バルブ１０１は、詳細を後述するが、ダイヤフラム１２０とともにバルブ室１４０を構成するバルブ筐体１３０を備える。バルブ筐体１３０には、燃料カートリッジ１０２が流入路１６３を介して接続される流入孔１４３と、ポンプ１０３が流出路１６５を介して接続される流出孔１４９とが形成されている。順止バルブ１０１は、流入路１６３と流出路１６５とが形成されたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂製のシステム筐体１６０に、流漏れを防ぐＯリング１６１、１６２を介して表面実装される。
【００３５】
燃料電池システム１００では、メタノールが燃料カートリッジ１０２から流入路１６３と流入孔１４３を介してバルブ室１４０へ流入する。そして、ポンプ１０３によるメタノールの吸引圧力によってバルブ室１４０から流出路１６５と流出孔１４９を介してポンプ１０３へメタノールが流出する。そして、メタノールはポンプ１０３によって発電セル１０４へ供給される。
【００３６】
図４は、第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の分解斜視図である。図５（Ａ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるキャップ部１１０の上面図である。図５（Ｂ）は、図４の順止バルブ１０１に備えられるバルブ筐体１３０の下面図である。図６は、図５（Ａ）のＳ−Ｓ線における断面図である。
【００３７】
順止バルブ１０１は、図４に分解斜視するように、キャップ部１１０と、可動部となるダイヤフラム１２０と、バルブ筐体１３０と、弁部１５０と、を備える。
【００３８】
バルブ筐体１３０は、略正方形板状である。バルブ筐体１３０には、バルブ室１４０へ流体が流入する流入孔１４３と、ポンプ１０３が接続されてポンプ１０３による流体の吸引圧力によってバルブ室１４０から流体が流出する流出孔１４９と、が形成されている。また、バルブ筐体１３０には、キャップ部１１０とバルブ筐体１３０をシステム筐体１６０に固定するためのネジ止め用の穴１３１と、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置される載置部１３４と、が形成されている。
【００３９】
また、バルブ筐体１３０には、図４、図６及び図７に示すように、弁部１５０が流入孔１４３からバルブ室１４０へのメタノールの流入を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する突出部１４４と、メタノールを突出部１４４の内側から外側へ通過させる流路１４５とが、ダイヤフラム１２０と対向するバルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。ここで、突出部１４４は、本発明の「規制部」に相当する。
【００４０】
上記突出部１４４は、ダイヤフラム１２０が突出部１４４に規制されて下死点に位置する時のバルブ室１４０の高さをｈとし、液体の表面張力係数をγとし、バルブ室１４０の底面積をＳｂとし、詳細を後述する弁部１５０の支持部１５２の附勢力をＦｓとしたとき、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。この実施形態では、当該高さｈを０．１５（ｍｍ）に、当該底面積Ｓｂを１１５（ｍｍ２）に設定している。当該底面積Ｓｂは、突出部１４４の上面の面積も含む。また、この実施形態で使用するメタノールの表面張力係数γは２２．６（ｍ・Ｎ／ｍ）である。
【００４１】
また、バルブ筐体１３０には、図５（Ｂ）及び図６に示すように、弁部１５０をバルブ筐体１３０の実装面側から嵌めこむことにより弁部１５０を収納する開口部１４７と、流入孔１４３の周縁に位置する弁座１４８と、が形成されている。
【００４２】
なお、バルブ筐体１３０の材質については、バルブ筐体１３０のメタノールと接する部分１３４、１４１、１４４、１４５、１４８の材質は耐メタノール性の高い樹脂、例えばＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂等からなり、バルブ筐体１３０のメタノールと接しない縁１３２の材質は金属からなる。バルブ筐体１３０は、金属部分の縁１３２をモールド金型にインサートして射出成形するインサートモールドにより形成される。
【００４３】
ダイヤフラム１２０は、図４及び図６に示すように、伝達機構であるプッシャ１２３を中心に有し、周縁部１２１の厚みが中央部１２２より厚い円板状に形成されている。ダイヤフラム１２０の材質は、耐メタノール性の高いゴム、例えばエチレンプロピレンゴムまたはシリコーンゴムである。ダイヤフラム１２０は、周縁部１２１がバルブ筐体１３０に載置されてバルブ筐体１３０とともにバルブ室１４０を構成する。ダイヤフラム１２０は、バルブ室１４０の流体の圧力によって周縁部１２１の内側の中央部１２２が変位する。ダイヤフラム１２０の中央部１２２が弁部１５０に近づく方向へ変位した時、プッシャ１２３が弁体部１５１を押下する。
【００４４】
なお、液体を流体として順止バルブ１０１に使用した場合、液体の表面張力が大きいため、気体を流体として順止バルブ１０１に使用した場合より大きな流体の流路が必要となる。しかし、この実施形態の順止バルブ１０１ではダイヤフラム１２０の材質がゴムであるため、ダイヤフラム１２０をシリコンや金属で形成した場合に比べてダイヤフラム１２０の可動範囲が大きくなる。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、十分なメタノールの流路を確保できる。
【００４５】
弁部１５０は、図４及び図６に示すように、略円形状であり、耐メタノール性の高いゴム、例えばシリコーンゴムからなる。弁部１５０は、ダイヤフラム１２０の変位によって弁座１４８に対して当接または離間し、流入孔１４３からバルブ室１４０への流体（メタノール）の流入を遮断または開放させる弁体部１５１と、弁体部１５１が弁座１４８に対して接近および離間する方向へ可動自在に弁体部１５１を支持する支持部１５２と、メタノールを通過させる孔部１５３と、弁部１５０が開口部１４７に収納されたときにバルブ筐体１３０の開口部１４７の内周面に当接し、支持部１５２を固定する固定部１５４と、を有する。
なお、弁体部１５１には、弁座１４８とのシール性を高めるため、流入孔４３側にリング状の弁突起１５５が形成されているが、弁突起１５５は必ずしも形成される必要はない。
【００４６】
弁体部１５１は、弁部１５０が開口部１４７に収納されたときに弁体部１５１の弁突起１５５が弁座１４８に当接し、弁体部１５１が流入孔１４３からバルブ室１４０への流体の流入を遮断する方向へ弁座１４８を弁閉時に与圧する。そして、弁体部１５１は、ダイヤフラム１２０が下降してダイヤフラム１２０に押し下げられることによって弁座１４８から離間し、流入孔１４３と孔部１５３が連通して、バルブ室１４０へのメタノールの流入を開放させる。
この弁開放時、支持部１５２は、弁体部１５１が弁座１４８に対して接近する方向へ弁体部１５１を附勢力Ｆｓで附勢する。
【００４７】
キャップ部１１０は、図４、図５（Ａ）及び図６に示すように、略正方形板状であり、例えば、ステンレススチールの板を用いて金型成形により形成される。キャップ部１１０には、キャップ部１１０とバルブ筐体１３０をシステム筐体１６０に固定するためのネジ止め用の穴１１１が形成されている。ここで、金属製のキャップ部１１０の縁１１６は、ダイヤフラム１２０が載置部１３４に載置された状態で、バルブ筐体１３０の金属製の縁１３２と溶接により接合される。キャップ部１１０の周縁部位１１４は、接合されると、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１を押圧して載置部１３４とともに周縁部１２１を挟持する。
【００４８】
また、キャップ部１１０の中央部位１１３には、外気と通じる孔部１１５が形成されている。この結果、ダイヤフラム１２０の上部に大気圧が加わる。
ダイヤフラム１２０には、この大気圧とバルブ室１４０の内圧との差圧を受ける円形の金属からなる受圧板１２５が接合されている。
【００４９】
順止バルブ１０１は、上述した順止バルブ９０（図２参照）と同じように、流体の圧力が設定圧力になると、圧力差を利用して弁部１５０が自動的に開閉するように構成されている。
【００５０】
以上の構成では、バルブ室１４０の底面１４１とダイヤフラム１２０との距離を狭くし、順止バルブ１０１を低背化している。しかし、この実施形態のバルブ筐体１３０には、図４、図６及び図７に示すように、弁部１５０を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する半円状の突出部１４４と、メタノールを突出部１４４の内側から外側へ通過させる流路１４５とが、バルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。
【００５１】
そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、ダイヤフラム１２０が、弁部１５０の開放時にバルブ室１４０の底面１４１でなく突出部１４４に接触し、その下降量が規制される（後述の図７参照）。さらに、ダイヤフラム１２０が突出部１４４に接触した時、メタノールは突出部１４４の内側から流路１４５を介して突出部１４４の外側へ通過する。
【００５２】
また、この突出部１４４は、上述したように、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、メタノールの表面張力によりダイヤフラム１２０とバルブ室１４０の底面１４１とが貼り付くこと無く、ダイヤフラム１２０が元の位置に戻り、弁が閉じる。
【００５３】
ここで、弁開放時における液体の表面張力について図７、８を用いて詳述する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る順止バルブ１０１の弁開放時の模式断面図である。図７は、バルブ室１４０内にのみ液体が満たされている場合の表面張力を説明する図である。
なお、図７では説明を簡略化するためダイヤフラム１２０を全体的に下降させているが、実際は、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置部１３４と周縁部１２１に挟持されているため、ダイヤフラム１２０における周縁部１２１より内側の中央部のみが僅かに下降する。
【００５４】
図７に示すようにバルブ室１４０内にのみ液体が満たされている場合、液体内部のラプラス圧ΔＰはΔＰ＝２γ/ｈの式で表わされる。ここで、この実施形態では突出部１４４の高さｈが０．１５（ｍｍ）、メタノールの表面張力係数γが約２２．６（ｍ・Ｎ／ｍ）、バルブ室１４０の底面１４１の面積Ｓｂが１１５（ｍｍ２）であるため、ダイヤフラム１２０にはメタノールの表面張力によって貼り付き力Ｆｈ＝２γＳｂ/ｈ≒０．０３（Ｎ）が作用する。しかし、この実施形態では、弁部１５０の附勢力Ｆｓ（約０．１Ｎ）がＦｓ＞Ｆｈであるため、ダイヤフラム１２０は表面張力に打ち勝って元に戻り、弁部１５０が閉じる。このように、この実施形態の順止バルブ１０１では、突出部１４４がｈ＞２γＳｂ/Ｆｓ≒０．０５（ｍｍ）の関係を満たすよう形成されているため、ダイヤフラム１２０がバルブ室１４０の底面１４１に表面張力により貼り付くことがない。
【００５５】
以上より、この実施形態の順止バルブ１０１によれば、低背な構造でも、メタノールの表面張力によりダイヤフラム１２０とバルブ室１４０の底面１４１とが貼り付くのを防ぐことができる。従って、流体制御の信頼性を向上できる。
【００５６】
また、以上の構成において、バルブ筐体１３０のメタノールと接する部分１３４、１４１、１４４、１４５、１４８の材質は全て樹脂であり、ダイヤフラム１２０と弁部１５０の材質もゴムであるため、金属イオンがメタノール中に溶出することがない。そのため、この実施形態の順止バルブ１０１では、金属イオンの溶出によるＤＭＦＣの特性の劣化も起こらない。
従って、この実施形態の順止バルブ１０１を用いることで、当該順止バルブ１０１を備える燃料電池システム１００においても同様の効果を奏する。
【００５７】
《第２の実施形態》
図８は、本発明の第２の実施形態に係る順止バルブ２０１に備えられるバルブ筐体２３０の斜視図である。図９は、バルブ室２４０内にのみ液体が満たされている場合の表面張力を説明する、順止バルブ２０１の弁開放時の模式断面図である。
なお、図９では説明を簡略化するためダイヤフラム１２０を全体的に下降させているが、実際は、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置部１３４と周縁部１２１に挟持されているため、ダイヤフラム１２０における周縁部１２１より内側の中央部のみが僅かに下降する。
【００５８】
この実施形態の順止バルブ２０１が上記順止バルブ１０１と相違する点は、突出部２４４であり、その他の構成については上記順止バルブ１０１と同じである。突出部２４４は、環状に形成されている点で、図４に示す突出部１４４と異なる。
【００５９】
この実施形態における順止バルブ２０１においても、図８及び図９に示すように、弁部１５０を開放させたときに、ダイヤフラム１２０が当接する環状の突出部２４４と、メタノールを突出部２４４の内側から外側へ通過させる流路２４５とが、バルブ室１４０の底面１４１上における流入孔１４３の周囲に形成されている。また、この突出部２４４も、上述した、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たす形状に形成されている。
【００６０】
従って、この実施形態の順止バルブ２０１においても順止バルブ１０１と同様の効果を奏する。また、この実施形態の順止バルブ２０１を用いることで、当該順止バルブ２０１を備える燃料電池システムにおいても同様の効果を奏する。
【００６１】
《第３の実施形態》
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る順止バルブ３０１の弁開放時の模式断面図である。図１０は、同順止バルブ３０１に備えられるバルブ室２４０内にのみ液体が満たされている場合の表面張力を説明する図である。
なお、図１０では説明を簡略化するためダイヤフラム１２０を全体的に下降させているが、実際は、ダイヤフラム１２０の周縁部１２１が載置部１３４と周縁部１２１に挟持されているため、ダイヤフラム１２０における周縁部１２１より内側の中央部のみが僅かに下降する。
【００６２】
この実施形態の順止バルブ３０１が上記順止バルブ１０１と相違する点は、突出部１４４でなく、受圧板３２５と、載置部３２６と、でダイヤフラム１２０の下降量を規制する点である。その他の構成については上記順止バルブ１０１と同じである。受圧板３２５は受圧板１２５と形状のみが異なり、周縁部の内側の中央部がダイヤフラム１２０に接合され、周縁部が載置部３２６に載置される。
【００６３】
そのため、この実施形態の順止バルブ３０１では、弁部１５０の開放時、ダイヤフラム１２０はバルブ室１４０の底面１４１に接触せず、ダイヤフラム１２０の下死点がバルブ室１４０の底面１４１の上方にくる。
【００６４】
また、この実施形態の順止バルブ３０１においても、図１０に示すように、上述した、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たすように、受圧板３２及び載置部３２６が形成されている。そのため、この実施形態の順止バルブ３０１においても、メタノールの表面張力によりダイヤフラム１２０とバルブ室１４０の底面１４１とが貼り付くこと無く、ダイヤフラム１２０が元の位置に戻り、弁が閉じる。
【００６５】
従って、この実施形態の順止バルブ３０１においても順止バルブ１０１と同様の効果を奏する。また、この実施形態の順止バルブ３０１を用いることで、当該順止バルブ３０１を備える燃料電池システムにおいても同様の効果を奏する。
【００６６】
《その他の実施形態》
以上の実施形態では流体としてメタノールを用いているが、当該流体が、エタノール等の他の液体、気液混合流、固液混合流などのいずれであっても適用できる。
【００６７】
なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６８】
１…ダイヤフラム
２…ピストン
３…弁座部
４…弁体部
５…支持部
７…バルブ筐体
８…バルブ室
９…底面
１０…キャップ部
１５…孔部
２０…ダイヤフラム
２３…プッシャ
３０…バルブ筐体
４０…バルブ室
４３…流入孔
４８…弁座
４９…流出孔
５０…弁部
５１…弁体部
５５…弁突起
９０…順止バルブ
１００…燃料電池システム
１０１、２０１、３０１…順止バルブ
１０２…燃料カートリッジ
１０３…ポンプ
１０４…発電セル
１１０…キャップ部
１１１…穴
１１３…中央部位
１１４…周縁部位
１１５…孔部
１１６…縁
１２０…ダイヤフラム
１２１…周縁部
１２２…中央部
１２３…プッシャ
１２５、３２５…受圧板
３２６…載置部
１３０、２３０、３３０…バルブ筐体
１３１…穴
１３２…縁
１３４…載置部
１４０…バルブ室
１４１…底面
１４３…流入孔
１４４、２４４…突出部
１４５、２４５…流路
１４７…開口部
１４８…弁座
１４９…流出孔
１５０…弁部
１５１…弁体部
１５２…支持部
１５３…孔部
１５４…固定部
１５５…弁突起
１６０…システム筐体
１６１、１６２…Ｏリング
１６３…流入路
１６５…流出路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ筐体と、
前記バルブ筐体とともにバルブ室を構成し、前記バルブ室内の液体の圧力によって変位するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの変位によって前記バルブ室への流体の流入を遮断又は開放させる弁部と、
前記バルブ筐体に接合され、前記ダイヤフラムに対向するキャップ部と、を備え
前記バルブ筐体には、前記バルブ室へ液体が流入する流入孔と、ポンプが接続されて前記ポンプによる液体の吸引圧力によって前記バルブ室から液体が流出する流出孔と、前記流入孔の周縁に位置する弁座と、が形成された、順止バルブであって、
前記弁部は、前記ダイヤフラムが下降して前記ダイヤフラムに押し下げられることによって前記弁座から離間し、前記バルブ室への液体の流入を開放させる弁体と、前記弁体が前記弁座に対して接近および離間する方向へ可動自在に前記弁体を支持し、前記弁体が前記弁座に接近する方向へ前記弁体を附勢する支持部と、を有し、
前記バルブ筐体または前記キャップ部には、前記ダイヤフラムの下降量を規制する規制部が形成された、順止バルブ。
【請求項２】
前記規制部は、前記ダイヤフラムが前記規制部に規制されて下死点に位置する時の前記バルブ室の高さをｈとし、前記液体の表面張力係数をγとし、前記バルブ室の底面積をＳｂとし、前記支持部の附勢力をＦｓとしたとき、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たすよう形成された、請求項１に記載の順止バルブ。
【請求項３】
前記規制部は、前記弁体が前記流入孔から前記バルブ室への液体の流入を開放させたときに、前記ダイヤフラムが当接する突出部と、当該液体を前記突出部の内側から外側へ通過させる流路と、からなり、前記ダイヤフラムと対向する前記バルブ室の底面上における前記流入孔の周囲に形成された、請求項１又は２に記載の順止バルブ。
【請求項４】
前記規制部は、前記ダイヤフラムに接合されて大気圧と前記バルブ室の内圧との差圧を受ける受圧板と、前記キャップ部に接合されて前記受圧板の周縁部が載置される載置部と、からなる、請求項１又は２に記載の順止バルブ。
【請求項５】
前記液体はメタノールである、請求項１から４のいずれかに記載の順止バルブ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の順止バルブと、
前記順止バルブの前記流入孔に接続される燃料貯蔵部と、
前記順止バルブの前記流出孔に接続されるポンプと、を備える燃料電池システム。
【請求項１】
バルブ筐体と、
前記バルブ筐体とともにバルブ室を構成し、前記バルブ室内の液体の圧力によって変位するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの変位によって前記バルブ室への流体の流入を遮断又は開放させる弁部と、
前記バルブ筐体に接合され、前記ダイヤフラムに対向するキャップ部と、を備え
前記バルブ筐体には、前記バルブ室へ液体が流入する流入孔と、ポンプが接続されて前記ポンプによる液体の吸引圧力によって前記バルブ室から液体が流出する流出孔と、前記流入孔の周縁に位置する弁座と、が形成された、順止バルブであって、
前記弁部は、前記ダイヤフラムが下降して前記ダイヤフラムに押し下げられることによって前記弁座から離間し、前記バルブ室への液体の流入を開放させる弁体と、前記弁体が前記弁座に対して接近および離間する方向へ可動自在に前記弁体を支持し、前記弁体が前記弁座に接近する方向へ前記弁体を附勢する支持部と、を有し、
前記バルブ筐体または前記キャップ部には、前記ダイヤフラムの下降量を規制する規制部が形成された、順止バルブ。
【請求項２】
前記規制部は、前記ダイヤフラムが前記規制部に規制されて下死点に位置する時の前記バルブ室の高さをｈとし、前記液体の表面張力係数をγとし、前記バルブ室の底面積をＳｂとし、前記支持部の附勢力をＦｓとしたとき、ｈ＞２γＳｂ／Ｆｓの関係を満たすよう形成された、請求項１に記載の順止バルブ。
【請求項３】
前記規制部は、前記弁体が前記流入孔から前記バルブ室への液体の流入を開放させたときに、前記ダイヤフラムが当接する突出部と、当該液体を前記突出部の内側から外側へ通過させる流路と、からなり、前記ダイヤフラムと対向する前記バルブ室の底面上における前記流入孔の周囲に形成された、請求項１又は２に記載の順止バルブ。
【請求項４】
前記規制部は、前記ダイヤフラムに接合されて大気圧と前記バルブ室の内圧との差圧を受ける受圧板と、前記キャップ部に接合されて前記受圧板の周縁部が載置される載置部と、からなる、請求項１又は２に記載の順止バルブ。
【請求項５】
前記液体はメタノールである、請求項１から４のいずれかに記載の順止バルブ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の順止バルブと、
前記順止バルブの前記流入孔に接続される燃料貯蔵部と、
前記順止バルブの前記流出孔に接続されるポンプと、を備える燃料電池システム。
【図１】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図２】
【図３】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図２】
【図３】
【図７】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４２００１（Ｐ２０１２−４２００１Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４８７３（Ｐ２０１０−１８４８７３）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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