(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブアセンブリ（３０、９０）であって、
平面を有する基板（３１）と、
閉鎖部材（３３、９１）を含む、前記基板内の開口部（３２）とを備え、前記閉鎖部材は、前記基板に取り付けられた第１の端部を有するカンチレバーであり、前記閉鎖部材は、前記開口部内に延在する第２の端部を有し、前記バルブアセンブリは、さらに、
前記閉鎖部材と前記開口部（３２）の閉鎖縁（３７）との間に配置される可撓性流体管（３８）と、
前記基板（３１）に連結され、かつ前記可撓性流体管（３８）の断面形状を変化させるように熱的に作動させて前記閉鎖部材を前記基板の前記平面において横方向に変位させるように構成される、変位部材（３４）とを備え、前記変位部材（３４）は、前記閉鎖部材（３３）の前記第２の端部と前記基板（３１）の本体とに接続され、かつそれらの間に延在する引張ワイヤを含み、前記バルブアセンブリは、さらに、
前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記閉鎖部材上に配置され、かつ前記閉鎖部材（３３）と前記開口部（３２）の前記閉鎖縁（３７）との間に横方向に突出するナブ（３９）を備える、バルブアセンブリ。
【請求項２】
前記基板（３１）が、印刷回路板基板である、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項３】
前記変位部材（３４）が、前記可撓性流体管（３８）の内腔を開閉するように熱的に作動させて前記閉鎖部材（３３、９１）を変位させるように構成される、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項４】
前記引張ワイヤが、温度の関数としてその長さを変化させるように構成される、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項５】
前記変位部材（３４）が、そこを通過する電流による加熱時に長さが短くなるように構成される、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項６】
前記ナブが、前記閉鎖部材が非付勢構成にあるときに、前記可撓性流体管（３８）を閉鎖したまたは部分的に閉鎖した構成に圧縮する、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項７】
前記可撓性流体管（３８）への圧力が軽減され、かつ前記管が開放構成を採用するように、前記変位部材（３４）の熱活性化が、前記閉鎖部材（３３、９１）を付勢して前記開口部（３２）の前記閉鎖縁（３７）から離すように構成される、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項８】
前記可撓性流体管の断面形状を変化させるための前記閉鎖部材（３３）の変位が、前記基板の前記平面内で完全に起こるように構成される、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項９】
前記閉鎖部材（３３、９１）を変位させるための前記変位部材（３４）の動きが、前記基板の前記平面内で完全に起こるように構成される、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項１０】
前記閉鎖部材（３３、９１）および／または前記変位部材（３４）が、前記基板（３１）の主表面（４１）の下方に埋め込まれる、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【請求項１１】
スタック内のセルへの燃料または酸化剤の送達のための陽極または陰極供給導管を備える燃料電池スタックであって、前記供給導管が、前記スタック内に配置された請求項１〜１０のいずれかに記載のバルブアセンブリ（３０、９０）を通過して、前記スタック内の前記セルへの燃料または酸化剤の流れを制御する、燃料電池スタック（１）。
【請求項１２】
前記バルブアセンブリ（３０、９０）が、前記燃料電池スタックの電流コレクタプレート（９、１１）を形成する印刷回路板（２５）に組み込まれる、請求項１１に記載の燃料電池スタック（１）。
【請求項１３】
横方向に変位された状態に前記閉鎖部材（３３、９１）を保持するように構成可能なラッチ機構をさらに含む、請求項１に記載のバルブアセンブリ（３０、９０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導管内の流体の流れを制御するためのバルブに関し、具体的には、基板上に超小型で製造することができるマイクロバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの装置において、小型化された流量制御バルブは、装置への、装置からの、または装置内での流体の流れを制御するのに有用であり得る。そのような装置の例は、特に、スタック、およびスタック内の個々のセルに流入する気体燃料を制御する必要があり得る、電気化学燃料電池スタックである。本明細書で使用される際、「フロー制御」という表現は、流量の可変制御およびオンオフフロー制御の双方を包含することが意図される。そのような制御を必要とする燃料電池スタック内を流れる典型的な気体燃料は、燃料電池スタック内のセルに流れる水素を含み得る。
【０００３】
様々なマイクロバルブ配置が、当該技術分野において記載されてきた。例えば、Ｌ  Ｇｕｉ  ｅｔ  ａｌ：“Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｓｈａｐｅ  ｍｅｍｏｒｙ  ａｌｌｏｙ（ＳＭＡ）ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅｓ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ  １６８（２０１１），ｐｐ１５５−１６１は、マイクロチャネルを含むポリジメチルシロキサン基板に埋め込まれた形状記憶合金ワイヤを使用したオンチップマイクロバルブにおける発展について記載している。該形状記憶合金ワイヤは、熱作動されてマイクロチャネルを絞り、流れを閉鎖する。該マイクロバルブは、シリコンウェーハ上に形成される。別の例では、Ｃ  Ｍ  Ｐｅｍｂｌｅ  ｅｔ  ａｌ：“Ａ  ｍｉｎｉａｔｕｒｅ  ｓｈａｐｅ  ｍｅｍｏｒｙ  ａｌｌｏｙ  ｐｉｎｃｈ  ｖａｌｖｅ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ７７（１９９９）ｐｐ１４５−１４８が、平面に取り付けられたピンチバルブ構造体、およびニチノール収縮ワイヤの電気抵抗加熱を使用して超弾性カンチレバーの上方向への屈曲を引き起こし、シリコンチューブへのピンチ圧を軽減することについて記載している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、形が非常に小型であり得る簡単で低費用のマイクロバルブを提供することである。さらなる目的は、燃料電池スタックへの組み込みに特に適切であるように、超薄型形態を有するように製造され得るマイクロバルブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様に従って、本発明は、以下を含むバルブアセンブリを提供する：
基板；
開口部内に延在する閉鎖部材を含む、基板内の開口部；
閉鎖部材と開口部の閉鎖縁との間に配置される可撓性流体管；
基板に連結され、かつ可撓性流体管の断面形状を変化させるように熱的に作動させて閉鎖部材を変位させるように構成される、変位部材。
【０００６】
本基板は、印刷回路板基板または非印刷回路板基板であってもよい。本閉鎖部材は、開口部内に延びるカンチレバーであってもよい。本閉鎖部材は、開口部内に延びる軸方向に圧縮可能な部材であってもよい。本変位部材は、可撓性流体管の内腔を開閉するように熱的に作動させて閉鎖部材を変位させるように構成され得る。本変位部材は、閉鎖部材と基板の本体との間に接続される、および延在する引張ワイヤを備えてもよく、該引張ワイヤは、温度の関数としてその長さを変化させるように構成される。本バルブアセンブリは、基板に沿って引張ワイヤまで延在し、それと電気接続を形成する導電性トラックを含んでもよい。本引張ワイヤは、形状記憶合金を含んでもよい。本変位部材は、そこを通過する電流による加熱時に、長さが短くなるように構成され得る。本バルブアセンブリは、閉鎖部材と開口部の閉鎖縁との間に横方向に突出するナブを含んでもよく、該ナブは、閉鎖部材が、不偏向構成にあるとき、可撓性流体管を圧縮して閉鎖したまたは部分的に閉鎖した構成にする。本バルブアセンブリは、変位部材の熱活性化が、可撓性流体管への圧力が軽減され、かつ管が開放した構成を採用するように、閉鎖部材を付勢して開口部の閉鎖縁から離すように構成され得る。本バルブアセンブリは、可撓性流体管の断面形状を変化させるための閉鎖部材の変位が、基板の平面内で完全に起こるように構成され得る。本バルブアセンブリは、閉鎖部材を変位させるための変位部材の動きが、基板の平面内で完全に起こるように構成され得る。本閉鎖部材および／または変位部材は、基板の主表面の下方に埋め込まれ得る。
【０００７】
別の態様に従って、本発明は、スタック内のセルへの燃料または酸化剤の送達のための陽極または陰極供給導管を備える燃料電池スタックを提供し、バルブアセンブリを通過する該供給導管は、上述のように、スタック内に配置されて、スタック内のセルへの燃料または酸化剤の流れを制御する。
【０００８】
本バルブアセンブリは、燃料電池スタックの電流コレクタプレートを形成する印刷回路板に組み込まれてもよい。
【０００９】
本発明の実施形態を、実施例によって、および添付の図面を参照して、次に記載する：
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のマイクロバルブを、好都合に組み込むことが可能な小型の燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】マイクロバルブの概略図を示しており、図２ａは、非作動構成におけるマイクロバルブの平面図であり、図２ｂは、作動構成におけるマイクロバルブの平面図であり、図２ｃは、非作動構成におけるマイクロバルブの断面図であり、図２ｄは、作動構成におけるマイクロバルブの断面図である。
【図３】図２と類似するが、より小さな開口部サイズに変更したマイクロバルブの概略平面図である。
【図４】ラッチマイクロバルブの概略平面図である。
【図５】代替の変位アクチュエータを使用するために図２のマイクロバルブに変更を加えた概略図を示しており、図５ａは平面図であり、図５ｂはそのマイクロバルブの断面図である。
【図６】ラッチマイクロバルブの代替設計の概略平面図を示しており、図６ａは、非作動構成におけるバルブを示し、図６ｂは、作動構成におけるバルブを示す。
【図７】マイクロバルブの概略平面図を示しており、図７ａは、非作動構成にあるマイクロバルブの平面図であり、図７ｂは作動構成におけるマイクロバルブの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、燃料電池スタックアセンブリ１は、陽極フロープレート４と陰極フロープレート５との間に配置される膜／電極接合体（ＭＥＡ）３を各々が含む複数の並列セル２を有する。図１に示したスタックアセンブリにおいて、陽極フロープレート４は、各々それぞれのＭＥＡ３の上方に水平に置かれ、陰極フロープレート５は、各々それぞれのＭＥＡ３の下方に水平に置かれる。
【００１２】
示された燃料電池スタックは、空冷式の開放陰極種のものであり、陽極フロープレート４は、水素などの陽極燃料ガスをＭＥＡ３の陽極側に送達するために、ＭＥＡに面する陽極フロープレートの表面にエッチングされた、あるいは形成された（図１では見えない）一連のフローチャネルを各々が有する薄い金属層である。多孔質のガス拡散材料の層（図１では見えない）を、ＭＥＡ表面に燃料を分配するのを助けるために、ＭＥＡと陽極フロープレートとの間に配置してもよい。ガスケットは、陽極燃料の漏れを防止するためのシールを提供するため、ＭＥＡおよび陽極フロープレートの周囲に延在する。
【００１３】
図示の例では、陰極フロープレート５は、開放陰極型のものであり、波形プレート６として形成される。その波形は、ＭＥＡまたはその上に配置されるガス拡散層の表面を通る空気通過のためのオープンエンドフローチャネル８を提供する。図１に見られるように、スタック１の前面７は、空気がスタックボリュームに入りＭＥＡの陰極面へと送られることが可能な、空気流入面を提供する。スタックの反対側の面（すなわち、図１で見られるスタックの逆側）は、さらなる空気流入面を提供し得る。あるいは、スタックが強制喚起式の場合、反対側の面は、前面７に強制的に入れられた空気の出口のための空気排出面であり得る。
【００１４】
スタックアセンブリ１の上部に、陽極電流コレクタプレート９は、電気コネクタを取り付けることができる電気端子を提供するために、スタックから横方向に外側に延在する陽極電流コレクタタブ１０を含む。スタックアセンブリ１の底部に、陰極電流コレクタプレート１１は、はんだ付けなどによって電気コネクタを取り付けることができる電気端子を提供するために、スタックから横方向に外側に延在する陰極電流コレクタタブ１２を含む。
【００１５】
スタックアセンブリ１は、一対のエンドプレート、特に、左右のエンドクリップ１５および１６により固定された上部エンドプレート１３および底部エンドプレート１４、により圧縮下に置かれる。エンドクリップ１５、１６は、スタックの層が、全てのガスケットがスタック内のセルの様々な層に対して正しくシールするように圧縮されて、しっかりと固定されるように、張力が付加される。
【００１６】
スタックアセンブリ１は、陽極フロープレートまたは陰極フロートプレートのうちのそれぞれ１つから外側に横方向に各々延在する一連の電圧監視タブ１７も含み得る。図示の例では、電圧監視タブ１７は、陽極フロートプレートの横方向に拡張する。電圧監視タブは、スタック内の全てのセルに提供され得るか、またはスタック内のセル数個ごとに提供され得、動作中にスタック全体のセル電圧を監視するのに有用である。
【００１７】
ガスケット配置１８は、スタック内のセルの端部のシールを提供し得、かつスタック内の各セルへの燃料の送達および配分のためにスタックを介して垂直方向に延在する通廊も提供し得る。ポート１９、２０は、下のセルへの流体アクセスを提供するために、上部プレート１３の各端部に提供され得る。これらのポートは、水素駆動燃料電池スタックの水素燃料のためのアクセスを提供し得る。
【００１８】
陽極電流コレクタプレート９は、積層構造における織布または不織布支持体を用いて、エポキシ樹脂などの適切な電気絶縁性誘電材料の印刷回路板（ＰＣＢ）基板２５から作られ得る。ＰＣＢ基板２５の裏面上に配置されるのは、燃料電池スタックのための電流収集電極を提供するためにパターン化され、かつコレクタプレート９上の電気部品への電気的接続のための導電性トラックも提供し得る、銅などの高導電性材料であってもよい。
【００１９】
陽極電流コレクタプレート９は、燃料電池スタックの電気的活性領域を越えて延在する端部２３、２４を含み得、開口部は、各プレートに水素燃料を提供するため、上部エンドプレート１３内のポート１９、２０から、セル２の層を通って下に延在する通廊まで延在する流体流路を提供するように形成される。
【００２０】
制御されるセルへの水素の流れを可能にするために、燃料電池スタック１の本体内に流量制御バルブを提供すること（先に定義されるように、遮断バルブも包含すること）が非常に望ましいであろう。
【００２１】
以下に詳細に記載されるように、印刷回路板２５、特にそれの端部２３、２４に組み込まれるマイクロバルブは、スタック１内で水素の流れを制御することを可能にする。
【００２２】
図２は、印刷回路板（ＰＣＢ）基板３１上に作られるマイクロバルブアセンブリ３０を示す。図２ａは、非作動構成にあるバルブを有する基板３１の平面図を示す。図２ｂは、作動構成にあるバルブを有する基板３１の平面図を示す。図２ｃおよび図２ｄは、各々が、非作動および作動構成にあるバルブもそれぞれ示しているＰＣＢ基板３１の断面図を示す。
【００２３】
バルブアセンブリ３０は、ＰＣＢ基板内に開口部３２を備える。開口部３２内に延在しているのは、好ましくは開口部３２の形成中に作成されるＰＣＢ基板３１の一体部分であるカンチレバー部材３３である。しかしながら、カンチレバー部材３３は、開口部内に延在するように、別々に作られ、ＰＣＢ基板３１に固着される場合がある。
【００２４】
形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤ３４は、開口部３２を横断して延在しており、接続点３５、３６でＰＣＢ基板３１に固定される。接続ポイントは、はんだ付けされた接点、または基板に埋め込まれる、もしくは取り付けられる構造体に巻き付けるワイヤ３４などによる、基板３１にワイヤ３４を固定するための機構の任意の適切なタイプであり得る。ワイヤループは、クランプまたは他の機構によって閉じられる場合がある。導電性トラック４０は、ＰＣＢ基板３１を横断して形状記憶合金ワイヤ３４の端部まで延在し、それと電気的接続を形成する。
【００２５】
カンチレバー３３と開口部３２の閉鎖縁３７との間に配置されるのは、流体管３８である。流体管３８は、好ましくは、可撓性パイプであり、該パイプを通る流体の流れを制限するために圧縮され得る。カンチレバー部材３３は、開口部３２の閉鎖縁３７に向かって外側横方向に延在するナブ３９（例えば、突起または隆起）を含む。ナブ３９は、そこを通る流体の流れを遮断するため、パイプ３８を局所的に圧縮するピンチ点を提供する。ナブ３９は、カンチレバー部材３３上に示されているが、代替的に、ピンチ点が必要とされる基板の閉鎖縁３７に上に配置される場合があり、または、ナブ３９は、カンチレバー部材３３と開口部の閉鎖縁３７の上に形成され、互いに対向して動作する場合がある。
【００２６】
形状記憶合金ワイヤ３４は、その温度が所定の閾値を超えて上昇すると著しく収縮するという、負の熱膨張係数を有する。ＳＭＡワイヤ３４が収縮すると、カンチレバー部材３３は、開口部閉鎖縁３７から離れて屈曲され、それによってパイプ３８への圧力を軽減し、パイプ壁内の内腔を開放する。形状記憶合金ワイヤ３４の熱活性化（すなわち、ワイヤの加熱および冷却）は、ワイヤを通る電流のスイッチをオンおよびオフすることで行われ、該電流は導電性トラック４０を介して送達される。電流がオフになり、ワイヤ３４が冷却されると、カンチレバー部材は、その不偏向構成に戻り、それによって、パイプ壁内の内腔を閉鎖する。
【００２７】
流体管３８は、タイゴンまたはシリコンチューブなどの任意の好適な可撓性、圧縮性チューブから作ることができる。図示の例では、可撓性チューブは、２ｍｍの外径を有し、１〜２ｍｍの間の厚さの印刷回路板閉鎖縁３７とカンチレバー３３との間に挟まれる。ＳＭＡワイヤ３４は、１５〜３０ｍｍの長さにわたって延在する。他の寸法が可能である。
【００２８】
様々な変更を、図２に示されるマイクロバルブに加えることができる。
カンチレバー３３は、開口部を右に横断して延在するブリッジ部材で置き換えられる場合がある。しかしながら、その場合、ブリッジ部材の十分な横方向の変位を確実にして、隣接するパイプ３８を圧縮または減圧するためには、ブリッジを形成する材料（例えば、ＰＣＢ材料）の柔軟性を増大することが必要とされ得る。カンチレバー３３および代替ブリッジ部材は、一般的に、ＳＭＡワイヤ３４などの変位部材によって印加される力の下で屈曲できるように構成される閉鎖部材の例である。一般的な態様において、形状記憶合金ワイヤ３４は、カンチレバー３３などの閉鎖部材とＰＣＢ基板３１の本体との間、すなわち、開口部３２内に延在する任意のカンチレバーまたはブリッジ部材から離れて開口部の外に位置している基板の一部、に接続され、かつ延在する引張ワイヤを例示する。
【００２９】
流体管３８は、ナブ３９によって画定されるピンチ点でＰＣＢ基板３１の面に横たわるように構成され得、または、ナブ３９によって画定されるピンチ点で、ＰＣＢ基板の面に対して直行または傾斜するいずれかの方向に、ＰＣＢ基板３１の面を通過する場合がある。
【００３０】
図２のマイクロバルブは、常閉構成のものである必要はない。カンチレバー３３または他の閉鎖部材、およびワイヤ３４または他の変位部材は、常開構成を提供し、かつ変位部材が熱作動されるときにパイプを閉鎖する、または制限するように操作するように配置される場合がある。そのような配置において、ワイヤ３４は、パイプ３８を圧縮するために、カンチレバー３３と開口部の閉鎖縁３７との間の間隙を横断して延在し得る。
【００３１】
十分な熱収縮を提供するためにより長いＳＭＡワイヤ３４の長さが必要とされる場合、ワイヤ３４の端部は、基板３１に固定される前に、閉鎖縁３７をかなり越えて延在し得る。
【００３２】
図３は、カンチレバー３３の完全な変位を行うのに十分な熱収縮を提供するために、ＳＭＡワイヤ３４の十分な長さを確保するための一般的な方法を示す。開口部３２が、ＳＭＡワイヤ３４（または他の変位部材）の十分な長さを提供するには小さすぎる場合、ワイヤ３４は、開口部３２だけでなく基板３１の長さにわたって、開口部の１つの縁から幾分離れた接続点３５まで延在され得る。図３に示される例では、カンチレバー３３の１ｍｍの変位は、２５ｍｍ長の形状記憶ワイヤ３４で行われ得、大方７０〜９０℃の典型的な作動温度で作動される。
【００３３】
図３はまた、前述したように、流体管３８が、基板３１の面を通って延在する例を一般的に示す。
【００３４】
図４は、図３の配置に対する変更を示しており、ラッチバルブ５０としてマイクロバルブを形成する方法の例を示す。図４の例では、マイクロバルブ５０は、横行カンチレバーとして形成されるラッチ部材５１を含むカンチレバー３３を含む。ラッチ部材５１は、開口部３２の縁部５３から外側に延在する歯５２と係合するように構成される。ラッチ部材５１は、形状記憶合金ワイヤ３４に関して記載される方法とほぼ同じように、第２の形状記憶合金ワイヤ５４を経て偏向可能である。より具体的には、ワイヤ５４は、それに電流を流すことによって熱作動され得、それによってワイヤを短くし、ラッチ部材５１を変位させて歯５２から離脱する。このように、図４の例は、常閉バルブ５０、すなわちカンチレバー３３が不偏向であるとき、ワイヤ３４の熱作動を使用してバルブを開くことができ、歯５２に対するラッチ部材５１の係合によりラッチ開放する、を示す。ワイヤ３４の熱作動は、次いで停止され得る。マイクロバルブ５０が閉鎖されるとき、カンチレバー３３がその不偏向構成に戻るように、第２のＳＭＡワイヤ５４が熱作動され、ラッチ部材５１を開口端５３から離れて偏向させ、歯５２から離脱させる。
【００３５】
カンチレバー部材３３（または他の閉鎖部材）の熱作動の他の形態が可能である。図５を参照すると、形状記憶合金ワイヤ３４を使用する代わりに、カンチレバー６０は、カンチレバー材料（例えば、ＰＣＢ基板材料）の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する適切な金属６２でメッキされる縁６１を含み得る。カンチレバー上に配置された金属ストリップまたはワイヤ６３は、カンチレバーを加熱し、それによって材料の膨張差を引き起こし、その結果、カンチレバーの偏向を引き起こすための加熱要素として操作可能である。このように、カンチレバーは、既知の原理に従って、バイメタルストリップアクチュエータと同様の方法で操作され得る。例えば、縁６１は、金、銅またはニッケルでメッキされてもよい。
【００３６】
ラッチ機構の他の形態を想定してもよい。例えば、図６に示されるように、マイクロバルブ７０は、カンチレバー３３と開口部３２の軸受縁７４との間に位置する可撓性カプセル７３内に、フィールドメタル（Ｆｉｅｌｄ'ｓ  ｍｅｔａｌ）またはウッドメタルなどの低融点金属７２によって囲まれた被包性加熱要素７１を備える。該カプセルは、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などの適切なエラストマーポリマーから形成され得る。加熱要素７１は、銅コイルであってもよい。加熱要素７１は、導電性トラック４０によって送達される電流によって作動され得る。加熱要素７１は、代替的に、カプセル７３の外にある場合がある。加熱要素７１は、カプセル内にある場合は、低融点金属を介した短絡を防止するために絶縁され得る。
【００３７】
図６ａは、不偏向、非ラッチ構成にあるラッチマイクロバルブ７０を示す。図６ｂは、ラッチされた状態にあるマイクロバルブ７０を示す。使用時には、低融点金属７２は、ＳＭＡワイヤ３４の加熱の前に（および／または同時に）加熱要素７１を使用して加熱され得る。低融点金属７２は、溶融する（フィールドおよびウッドメタルの場合、それぞれ約６２℃または７０℃で）ため、可撓性カプセル７３は、ワイヤ３４によってカンチレバー３３に印加される張力の下、再形成することができる。加熱要素７１は、次いで、不活性化され、低融点金属７２を細長い形状で再び固化させる（図６ｂ）。このように、カンチレバー３３は、形状記憶合金ワイヤ３４が非活性化されるときさえも、流体管３８から離れて付勢されたままである。好適な活性化工順では、低融点金属が加熱要素７１を用いて加熱され、ＳＭＡワイヤが加熱され、ＳＭＡワイヤが加熱されたままの状態で加熱要素７１が非活性化され、金属７２が凝固し、次いでＳＭＡワイヤの加熱が不活性化される。
【００３８】
ラッチ部材５１および歯５２、および先に記載された可撓性カプセル７３は、変位部材（例えば、ＳＭＡワイヤ３４）の熱作動状態から独立したその変位状態に閉鎖部材（例えば、カンチレバー３３）を保持するように構成可能であるラッチ機構を一般的に例示する。ラッチ機構は、変位部材の熱作動が停止またはオフにされるときさえも、その変位または偏向位置にカンチレバー３３を保持する。
【００３９】
他の配置は、前の図に示されるように、その軸から横方向に偏向され得るカンチレバー部材３３の使用を必要としないことが想定されてもよい。
【００４０】
図７に示される例では、マイクロバルブアセンブリ９０は、基板３１内に開口部３２を備える。開口部３２内に延在しているのは、開口部３２の縁にある近位端部９２から、そこから離れた遠位端９３まで延在する、軸方向に圧縮可能な閉鎖部材９１である。閉鎖部材９１は、開口部３２の上での形成中に作成される基板３１の一体部分であってもよく、または製造中に基板に取り付けてもよい。軸方向に圧縮可能な閉鎖部材９１は、エラストマー材料などの任意の適切な圧縮性材料により形成され得る。軸方向に圧縮可能な閉鎖部材９１は、コイルばねを含む場合がある。
【００４１】
形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤ３４は、接続点３５ａ、３５ｂで基板３１から、閉鎖部材９１の遠位端で、またはその近くで接続点３６を回って延在する。接続ポイントは、はんだ付けされた接点によって、もしくは基板３１に埋め込まれる、または取り付けられる構造体に巻き付けるワイヤによってなど、基板３１にワイヤ３４を固定するための機構の任意の適切なタイプであり得る。ワイヤループは、クランプまたは他の機構によって閉じられる場合がある。導電性トラック４０は、基板３１を横断してＳＭＡワイヤ３４の端部まで延在し、それと電気的接続を形成する。
【００４２】
閉鎖部材９１の遠位端９３と開口部３２の閉鎖縁３７との間に配置されるのは、流体管３８である。流体管３８は、好ましくは、可撓性パイプであり、該パイプを通る流体の流れを制限するために圧縮され得る。
【００４３】
前述の配置と同様に、ＳＭＡ３４は、例えば電流加熱によって、その温度が上昇すると著しく収縮する、負の熱膨張係数を有し得る。したがって、それが収縮すると、閉鎖部材９１は、流体管３８が圧縮され塞がれる、その非作動構成（図７ａ）から、流体管３８が圧縮されていないために塞がれていない、その作動構成（図７ｂ）に移動するように、軸方向に圧縮される。
【００４４】
前述の実施形態と同様に、流体管３８は、開口部の閉鎖縁３７および閉鎖部材の遠位端９３によって画定されるピンチ点を通過する基板３１の面内に位置するように構成され得る。代替的に、流体管３８は、開口部の閉鎖縁３７および閉鎖部材の遠位端９３によって画定されるピンチ点で基板３１の面を通過するように構成され得る。前述の実施形態の他の特徴は、図７の配置にも適用され得る。
【００４５】
上述のマイクロバルブの全ては、印刷回路板基板３１の面内に実質的に実装され得、したがって、図１に示すように、燃料電池スタックの積層プレートに挟むのに適した、超薄型マイクロバルブを提供する。必要であれば、形状記憶合金ワイヤ３４、５４および／またはそれらの接続点３５、３６は、基板３１の主要または主な表面４１（図２ｃ、２ｄを参照）のわずか下方に埋め込まれ得る。カンチレバー部材３３は、印刷回路板上に積層される層に対して結合がないことを確実するために、基板３１よりもわずかに薄いか、または薄型に作製され得る。印刷回路板基板３１は、図２ｃおよび２ｄならびに図５に示すように、カバーまたはキャップ層８０、８１で覆われる、またはそれらの間に挟まれ得る。
【００４６】
マイクロバルブは、閉鎖部材（例えば、カンチレバー部材３３またはブリッジ部材）の動きおよび変位部材（例えば、形状記憶合金ワイヤ３４、５４）の動きが、ＰＣＢ基板３１の平面内で完全に起こり、それによって、基板３１の面から延在する可動部品を必要としないように、構成され得る。これによって、燃料電池スタック１の積層プレートに理想的に適した、超薄型マイクロバルブを提供する。
【００４７】
記載されるマイクロバルブの変位部材の作動温度は、燃料電池スタックの通常の動作温度と両立され得る。燃料電池スタック１のエンドプレート１３、１４近くの典型的な温度は、５０度の状態にあってもよく、ワイヤ作動温度は７０〜９０℃の範囲であり得る。
【００４８】
様々な安全器機構が、マイクロバルブと統合されてもよい。例えば、ワイヤ３４の連続的作動により危険な開放状態にある水素マイクロバルブを維持する可能性がある、燃料電池スタックの過熱が起こった場合にフェールセーフを提供するため、１つ以上の温度（溶融）フューズが、溶融する可能性のあるワイヤ３４に組み込まれ、それによってワイヤ内の張力を破壊し、バルブ閉鎖を強いる。
【００４９】
次に図１に戻ると、上述のマイクロバルブを、印刷回路板電流コレクタプレート９および／または１１に組み込むことができ、それによって、燃料電池スタックの寸法の増加をほとんどまたは全く必要としないことが分かる。マイクロバルブ開口部３２は、そこを通って延在する水素燃料パイプがマイクロバルブアセンブリを通過するように配置され得るように、ポート１９、２０と整列するコレクタプレート端部２３、２４内に配置され得る。
【００５０】
本明細書に記載されるようにマイクロバルブを組み込む印刷板を使用する原理は、酸化剤パイプもフロー制御され得る閉陰極燃料電池スタックなどの、他のタイプの燃料電池スタックに適用され得る。マイクロバルブは、パージライン、特に陽極パージラインを制御するためにも使用され得る。マイクロバルブの常閉構成は、燃料電池が燃料源から切断されるとき、燃料電池スタックのセル内の水素流路を外部環境から自動的に分離するために特に有用であり得る。
【００５１】
バルブと電流コレクタプレート９、１１を組み合わせた印刷回路板の使用は、モジュール性とデザインの変更において大きな利益を提供する。いかなるタイプのスタックアセンブリにおいても、電流コレクタプレートを必要とする電気伝導性およびバルブ設計のパターンは、高効率で十分に確立されたＰＣＢ製造技術を使用して容易に変更することができ、陽極または陰極フロープレート４、５の異なる構成および異なる外部接続に適合され得る。それらは、大量生産および組立てに非常に適しており、非常にコスト効率が高い。標準ＰＣＢコネクタ配置が、電気的接続のために使用され得る。
【００５２】
任意の適切な材料は、基板３１として使用される印刷回路板を作るために使用され得、必要とされない場所での適切なエッチングおよび除去のためにすでに適用された銅または他の導電層を有する導電性材料もしくは積層物を印刷する、あるいは適用するのに適した、樹脂または他の熱硬化性誘電体材料に含浸された布、織物、繊維、紙層などの全ての従来のＰＣＢ材料が挙げられる。しかしながら、上述のバルブアセンブリの様々な要素を支持するために、他の基板材料（例えば、非ＰＣＢ材料）が検討され得る。これらには、プラスチック、誘電体材料などが含まれる。
【００５３】
ここに記載されるマイクロバルブアセンブリは、消費者向け電子機器に使用することができるものなど、有するセルが少ない小規模の燃料電池スタックに特に適している。しかしながら、本原理は、より大きな燃料電池スタックにも適用され得る。さらに、ここに記載されるマイクロバルブは、一般的に、燃料電池以外の多くのタイプの装置で使用することができる。
【００５４】
本変位部材は、閉鎖部材（例えば、カンチレバー３３）に印加される起こり得る張力を増加させるために、複数の引張ワイヤ３４を含む場合がある。本ワイヤは、ＰＣＢ基板の本体とカンチレバーとの間で前後に伸びる場合がある。
【００５５】
記載されるマイクロバルブは、全開および全閉流体管構成の間で働くだけでなく、部分的に開いた構成でも働き得るように構成することができる。これは、部分的収縮のために、ＳＭＡワイヤの低減した加熱を可能にすることによって達成することができる。このように、本マイクロバルブは、可変圧力レギュレータとして働くように構成され得る。そのような機能は、オープンクローズド構成のパルス幅変調を実装するために、変位部材の熱作動のアナログ制御だけではなく、代替的に熱作動のデジタル制御によっても実装される場合がある。
【００５６】
他の実施形態は、意図して、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図１】
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【図２】
0006541574.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0006541574.tif 000007
【図７ａ）】
0006541574.tif 000008
【図７ｂ）】
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