(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流路と第２の流路とを流通させる開状態と閉鎖する閉状態とで切替える制御弁であって、制御用液体と、この制御用液体を封入した封止部と、この封止部の隔壁の一部に設けられて当該封止部内の圧力上昇に伴って初期状態から変形状態へと変形する変形部と、この変形部の変形に伴って移動して前記第１の流路と第２の流路とを開状態又は閉状態とする弁部材と、前記封止部内の前記制御用液体に熱を伝える伝熱部とを具備する制御弁を、水素発生用水溶液と水素反応用物質とを反応させて得た水素を導入する燃料電池システムの発電部を冷却する冷却水の流路に用い且つ前記発電部の発熱を前記伝熱部に伝導するようにし、前記冷却水として前記水素発生用水溶液を用いており、前記発電部が発熱した際に当該発電部に冷却水が流れるようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御弁の前記弁部材は、前記変形部が初期状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを閉状態とする位置に在り、前記変形部が変形状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを開状態とする位置に移動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御弁は、前記閉状態を維持する方向に前記弁部材を付勢する付勢手段を具備し、前記変形部が前記付勢手段の付勢力に抗しつつ前記変形状態へ変形することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御弁の前記弁部材は、前記変形部が初期状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを開状態とする位置に在り、前記変形部が変形状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを閉状態とする位置に移動することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で電力を消費することなく熱の伝導により制御可能である制御弁を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであるといえる。
【０００３】
このような燃料電池では、燃料としてメタノールや水素が用いられ、このような燃料の供給や冷却水の制御などを行うために流路を開閉する制御弁が必要になるが、燃料電池の小型化を図るためには、このような制御弁の小型化を図る必要がある。また、制御弁を制御するために電力を使用することは結果的にエネルギー密度の低下につながるので好ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、小型で電力を消費することなく制御可能である制御弁を用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、第１の流路と第２の流路とを流通させる開状態と閉鎖する閉状態とで切替える制御弁であって、制御用液体と、この制御用液体を封入した封止部と、この封止部の隔壁の一部に設けられて当該封止部内の圧力上昇に伴って初期状態から変形状態へと変形する変形部と、この変形部の変形に伴って移動して前記第１の流路と第２の流路とを開状態又は閉状態とする弁部材と、前記封止部内の前記制御用液体に熱を伝える伝熱部とを具備する制御弁を、水素発生用水溶液と水素反応用物質とを反応させて得た水素を導入する燃料電池システムの発電部を冷却する冷却水の流路に用い且つ前記発電部の発熱を前記伝熱部に伝導するようにし、前記冷却水として前記水素発生用水溶液を用いており、前記発電部が発熱した際に当該発電部に冷却水が流れるようにしたことを特徴とする燃料電池システムにある。
【０００６】
かかる第１の態様では、伝熱部を介して封止部内の制御用液体が加熱されて気化することにより封止部内の圧力が上昇すると、変形部が変形し、この変形に伴って弁部材が移動して第１及び第２の流路の開状態又は閉状態が切り替えられる制御弁を、水素発生用水溶液と水素反応用物質とを反応させて得た水素を導入する燃料電池システムの発電部を冷却する冷却水の流路に用い、発電部の発熱に伴って制御弁が制御され、冷却水の流路が開状態となり、発電部が冷却される。
【０００７】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御弁の前記弁部材は、前記変形部が初期状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを閉状態とする位置に在り、前記変形部が変形状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを開状態とする位置に移動することを特徴とする燃料電池システムにある。
【０００８】
かかる第２の態様では、変形部が初期状態のときに閉状態となり、伝熱部を介して封止部内の制御用液体が加熱されると、封止部内の圧力が上昇して変形部が変形し、この変形に伴って弁部材が移動して第１及び第２の流路が開状態に切り替えられる。
【０００９】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御弁は、前記閉状態を維持する方向に前記弁部材を付勢する付勢手段を具備し、前記変形部が前記付勢手段の付勢力に抗しつつ前記変形状態へ変形することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１０】
かかる第３の状態では、変形部が初期状態のとき、弁部材は流路を閉状態とする位置に付勢されており、伝熱部を介して封止部内の制御用液体が加熱されて封止部内の圧力が上昇すると、変形部が付勢手段の付勢力に抗しながら変形して弁部材が移動して第１及び第２の流路が開状態に切り替えられる。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御弁の前記弁部材は、前記変形部が初期状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを開状態とする位置に在り、前記変形部が変形状態のときに前記第１の流路と第２の流路とを閉状態とする位置に移動することを特徴とする燃料電池システムにある。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、小型で電力を消費することなく制御可能である制御弁を用い、発電部などの発熱を利用して冷却用の流路などの開閉を行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る制御弁の概略構成を示してある。
【００２５】
図１に示すように、制御弁１０は、基体１１の図中左右側にそれぞれ設けられた第１の流路１２及び第２の流路１３を具備し、これらの流路を連通する流路は第１の流路１２側にあって図中上下方向に貫通する縦流路と、縦流路に横方向から連通して第２の流路１３まで延設される横流路とからなる連通路１４で形成されている。
【００２６】
連通路１４の縦流路の図中下側の開口部１５は変形部１６により封止され、第１の流路１２側の開口部１７は弁体１８により塞がれた状態になっている。弁体１８の下側には縦流路を貫通して設けられた突き上げ部材１９が一体的に設けられ、突き上げ部材１９の下側端部は変形部１６と連結されている。一方、弁体１８の上側には第１の流路１２の隔壁に設けられ開口部２０を封止する可撓性部材２１に当接又は接続され、可撓性部材２１は、基体１１に設けられたばね固定部材２２との間に設けられたばね２３により下方に付勢されており、この結果、弁体１８はばね２３の付勢力により連通路１４の開口部１７の周縁部に押し当てられた状態となっている。
【００２７】
基体１１の下側には、制御用液体３０が封入された容器である封止部３１が設けられており、変形部１６は封止部３１の隔壁の一部を構成している。また、封止部３１の下面には封止部３１に熱を伝えるための伝熱部材３２が設けられており、封止部３１及び伝熱部材３２は断熱材３３で覆われて外部と断熱されている。
【００２８】
ここで、封止部３１内の制御用液体３０は、伝熱部材３２を介して外部からの熱が伝えられて所定温度以上に加熱されると揮発する液体であれば特に限定されるものではないが、例えば、メタノール、アセトン、エチルメチルエーテルなどの有機溶剤を挙げることができる。なお、制御用液体３０は、揮発することなく熱膨張だけで変形部１６を変形させるように設定してもよい。
【００２９】
また、伝熱部材３２は、熱伝導性の良好な材質からなるものであれば限定されず、例えば、アルミニウムや銅を用いて構成すればよい。
【００３０】
一方、変形部１６は、封止部３１内の制御用液体３０が揮発して封止部３１内の圧力上昇に伴って変形するものであり、変形に伴って、図１の（ａ）から（ｂ）に示すように、突き上げ部材１９及び弁体１８並びに可撓性部材２１が、ばね２３の付勢力に抗しつつ図中上方に移動する。これにより、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通された開状態となる。一方、封止部３１内の圧力が低下し、ばね２３の付勢力の方が相対的に大きくなった場合には、（ｂ）から（ａ）の状態に戻り、第１の流路１２と第２の流路１３との連通が遮断された閉状態となる。なお、（ａ）が初期状態で、閉状態であり、（ｂ）が変形状態で、開状態である。
【００３１】
このような変形部１６は、このような変形を許容するものであれば、特に限定されず、本実施形態では、変形状態から初期状態への復帰もばね２３の付勢力により行われるので、可撓性部材であればよい。なお、可撓性部材は、可撓性部材２１と同様に、変形を許容し、接触する流体等を透過せず且つ耐久性のある材質であれば、特に限定されないが、製造の容易さやコスト面を考慮すると、各種プラスチックシートを用いることが可能である。
【００３２】
ここで、変形部１６として、所定の圧力以上で初期状態から変形状態に変位し、また、所定の圧力より低圧になった時点で変形状態から初期状態へ自己の復元力で復帰するものを採用した場合には、ばね２３を省略することができる。
【００３３】
以上説明した第１実施形態の制御弁１０は、初期状態（通常状態）のときが、第１の流路１２と第２の流路１３との連通が遮断された閉状態であり、封止部３１内の圧力が上昇して変形部１６が変形状態となったときが、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通される開状態となる。また、このような閉状態から開状態への切替は、伝熱部材３２に外部からの熱を伝えて封止部３１内の圧力を上昇させればよく、電力の消費なく、切替可能となる。また、切替のタイミングは、封止部３１の制御用液体３０の沸点や封入量、ばね２３のばね定数などにより適宜設定可能となる。
【００３４】
（第２実施形態）
図２には、本発明の第２実施形態に係る制御弁の概略構成を示してある。なお、第１実施形態と同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００３５】
図２に示すように、制御弁１０Ａは、基体１１Ａの図中左右側にそれぞれ設けられた第１の流路１２及び第２の流路１３を具備し、これらの流路は連通路１４Ａにより連通されている。
【００３６】
連通路１４Ａの中央部の図中上側の隔壁に設けられた開口部２０Ａは可撓性部材２１Ａにより封止されており、可撓性部材２１Ａの流路側には連通路１４Ａの流路を遮断する形状の弁体１８Ａが設けられている。また、可撓性部材２１Ａは、基体１１Ａに設けられたばね固定部材２２Ａとの間に設けられたばね２３Ａにより下方に付勢されており、この結果、弁体１８Ａはばね２３Ａの付勢力により連通路１４Ａの下側隔壁に押し当てられている。
【００３７】
一方、連通路１４Ａの下方の基体１１Ａには、貫通部２４が設けられ、貫通部２４の上部開口２４ａは流路隔壁２５により封止され、下部開口２４ｂは変形部１６Ａにより封止されている。
【００３８】
また、弁体１８Ａの下部には、突き上げ部材１９Ａが連結しており、突き上げ部材１９Ａは、連通路１４Ａの流路隔壁２５の貫通孔２５ａを貫通して下端部が変形部１６に連結されている。なお、突き上げ部材１９Ａが貫通する貫通孔２５ａは第１及び第２の流路１２，１３に流れる流体が漏れ出さないような液密性及び気密性を有する構造となっている。
【００３９】
基体１１Ａの貫通部２４の下側には、制御用液体３０が封入された容器である封止部３１が設けられており、変形部１６Ａは封止部３１の隔壁の一部を構成している。また、封止部３１の下面には封止部３１に熱を伝えるための伝熱部材３２が設けられており、封止部３１及び伝熱部材３２は断熱材３３で覆われて外部と断熱されている。
【００４０】
ここで、制御用液体３０を封入した封止部３１の構成は第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００４１】
また、変形部１６Ａも第１実施形態と基本的に同様であり、封止部３１内の制御用液体３０が揮発して封止部３１内の圧力上昇に伴って変形するものであり、変形に伴って、図２の（ａ）から（ｂ）に示すように、突き上げ部材１９Ａ及び弁体１８Ａ並びに可撓性部材２１Ａが、ばね２３Ａの付勢力に抗しつつ図中上方に移動する。これにより、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通された開状態となる。一方、封止部３１内の圧力が低下し、ばね２３Ａの付勢力の方が相対的に大きくなった場合には、（ｂ）から（ａ）の状態に戻り、第１の流路１２と第２の流路１３との連通が遮断された閉状態となる。なお、（ａ）が初期状態で、閉状態であり、（ｂ）が変形状態で、開状態である。
【００４２】
このような変形部１６Ａは、このような変形を許容するものであれば、特に限定されず、本実施形態では、変形状態から初期状態への復帰もばね２３Ａの付勢力により行われるので、可撓性部材であればよい。なお、可撓性部材は、可撓性部材２１Ａと同様に、変形を許容し、接触する流体等を透過せず且つ耐久性のある材質であれば、特に限定されないが、製造の容易さやコスト面を考慮すると、各種プラスチックシートを用いることが可能である。
【００４３】
ここで、変形部１６Ａとして、所定の圧力以上で初期状態から変形状態に変位し、また、所定の圧力より低圧になった時点で変形状態から初期状態へ自己の復元力で復帰するものを採用した場合には、ばね２３Ａを省略することができる。
【００４４】
以上説明した第２実施形態の制御弁１０Ａは、初期状態（通常状態）のときが、第１の流路１２と第２の流路１３との連通が遮断された閉状態であり、封止部３１内の圧力が上昇して変形部１６Ａが変形状態のときが、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通される開状態となる。また、このような閉状態から開状態への切替は、伝熱部材３２に外部からの熱を伝えて封止部３１内の圧力を上昇させればよく、電力の消費なく、切替可能となる。また、切替のタイミングは、封止部３１の制御用液体３０の沸点や封入量、ばね２３Ａのばね定数などにより適宜設定可能となる。
【００４５】
（第３実施形態）
図３には、本発明の第３実施形態に係る制御弁の概略構成を示してある。なお、第１及び第２実施形態と同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００４６】
図３に示すように、制御弁１０Ｂは、基体１１Ｂの図中左右側にそれぞれ設けられた第１の流路１２及び第２の流路１３を具備し、これらの流路は連通路１４Ｂにより連通されている。
【００４７】
連通路１４Ｂの中央部の図中下側の隔壁に設けられた開口部１５Ｂは変形部１６Ｂにより封止されており、変形部１６Ｂの上側には上方に移動した際には連通路１４Ｂの流路を遮断する形状の弁体１８Ｂが設けられている。
【００４８】
基体１１Ｂの開口部１５Ｂの下側には、制御用液体３０が封入された容器である封止部３１が設けられており、変形部１６Ｂは封止部３１の隔壁の一部を構成している。また、封止部３１の下面には封止部３１に熱を伝えるための伝熱部材３２が設けられており、封止部３１及び伝熱部材３２は断熱材３３で覆われて外部と断熱されている。
【００４９】
なお、制御用液体３０を封入した封止部３１の構成は第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５０】
ここで、変形部１６Ｂは、封止部３１内の制御用液体３０が揮発して封止部３１内の圧力上昇に伴って変形するものであり、変形に伴って、図３の（ａ）から（ｂ）に示すように、弁体１８Ｂが図中上方に移動して連通路１４Ｂの上側隔壁に押し当てられた状態となり、弁体１８Ｂが第１の流路１２と第２の流路１３との連通を遮断し、閉状態となる。一方、封止部３１内の圧力が低下した場合、変形部１６Ｂは（ｂ）から（ａ）の状態に戻り、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通された開状態となる。なお、（ａ）が初期状態で、開状態であり、（ｂ）が変形状態で、閉状態である。
【００５１】
このような変形部１６Ｂは、変形状態から初期状態への復帰を、例えば、弁体１８Ｂの荷重により（弁体１８Ｂが上側に位置する姿勢で使用されるのが前提となる）行う場合には、可撓性部材であればよい。なお、可撓性部材は、変形を許容し、接触する流体等を透過せず且つ耐久性のある材質であれば、特に限定されないが、製造の容易さやコスト面を考慮すると、各種プラスチックシートを用いることが可能である。
【００５２】
また、変形部１６Ｂとして、所定の圧力以上で初期状態から変形状態に変位し、また、所定の圧力より低圧になった時点で変形状態から初期状態へ自己の復元力で復帰するものを採用することもできる。このような材料としては所定形状に成形された薄い金属板などを挙げることができる。
【００５３】
以上説明した第３実施形態の制御弁１０Ｂは、初期状態（通常状態）のときが、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通された開状態であり、封止部３１内の圧力が上昇して変形部１６Ｂが変形状態のときが、第１の流路１２と第２の流路１３との連通が遮断された閉状態となる。また、このような開状態から閉状態への切替は、伝熱部材３２に外部からの熱を伝えて封止部３１内の圧力を上昇させればよく、電力の消費なく、切替可能となる。また、切替のタイミングは、封止部３１の制御用液体３０の沸点や封入量などにより適宜設定可能となる。
【００５４】
（第４実施形態）
図４には、本発明の第４実施形態に係る制御弁の概略構成を示してある。なお、第１〜第３実施形態と同一作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００５５】
図４に示すように、制御弁１０Ｃは、基体１１Ｃの図中左右側にそれぞれ設けられた第１の流路１２及び第２の流路１３を具備し、これら第１及び第２の流路１２，１３は、高さ方向に異なる位置に設けられており、これらは第１の流路１２の端部の下側に設けられた連通路１４Ｃにより連通されており、連通路１４Ｃと第１の流路１２とは開口部１７Ｃを介して連通されている。
【００５６】
連通路１４Ｃの中央部の図中下側の隔壁に設けられた開口部１５Ｃは変形部１６Ｃにより封止されており、変形部１６Ｃの上側には上方に移動した際には連通路１４Ｃの開口部１７Ｃを封止する弁体１８Ｃ及び弁体１８Ｃの下側に連結された突き上げ部材１９Ｃが設けられており、突き上げ部材１９Ｃの下端部が変形部１６Ｃに固着されている。
【００５７】
基体１１Ｃの開口部１５Ｃの下側には、制御用液体３０が封入された容器である封止部３１が設けられており、変形部１６Ｃは封止部３１の隔壁の一部を構成している。また、封止部３１の下面には封止部３１に熱を伝えるための伝熱部材３２が設けられており、封止部３１及び伝熱部材３２は断熱材３３で覆われて外部と断熱されている。
【００５８】
なお、制御用液体３０を封入した封止部３１の構成は第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５９】
ここで、変形部１６Ｃは、封止部３１内の制御用液体３０が揮発して封止部３１内の圧力上昇に伴って変形するものであり、変形に伴って、図４の（ａ）から（ｂ）に示すように、弁体１８Ｃが図中上方に移動して連通路１４Ｃの開口部１７Ｃの周縁部に押し当てられた状態となり、弁体１８Ｃが第１の流路１２と第２の流路１３との連通を遮断し、閉状態となる。一方、封止部３１内の圧力が低下した場合、変形部１６Ｃは（ｂ）から（ａ）の状態に戻り、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通された開状態となる。なお、（ａ）が初期状態で、開状態であり、（ｂ）が変形状態で、閉状態である。
【００６０】
このような変形部１６Ｃは、変形状態から初期状態への復帰を、例えば、弁体１８Ｃ及び突き上げ部材１９Ｃの荷重により（弁体１８Ｃが上側に位置する姿勢で使用されるのが前提となる）行う場合には、可撓性部材であればよい。なお、可撓性部材は、変形を許容し、接触する流体等を透過せず且つ耐久性のある材質であれば、特に限定されないが、製造の容易さやコスト面を考慮すると、各種プラスチックシートを用いることが可能である。
【００６１】
また、変形部１６Ｃとして、所定の圧力以上で初期状態から変形状態に変位し、また、所定の圧力より低圧になった時点で変形状態から初期状態へ自己の復元力で復帰するものを採用することもできる。このような材料としては所定形状に成形された薄い金属板などを挙げることができる。
【００６２】
以上説明した第４実施形態の制御弁１０Ｃは、初期状態（通常状態）のときが、第１の流路１２と第２の流路１３とが連通された開状態であり、封止部３１内の圧力が上昇して変形部１６Ｃが変形状態のときが、第１の流路１２と第２の流路１３との連通が遮断された閉状態となる。また、このような開状態から閉状態への切替は、伝熱部材３２に外部からの熱を伝えて封止部３１内の圧力を上昇させればよく、電力の消費なく、切替可能となる。また、切替のタイミングは、封止部３１の制御用液体３０の沸点や封入量などにより適宜設定可能となる。
【００６３】
（第５実施形態）
図５には、本発明の第５実施形態に係る制御弁の概略構成を示してある。なお、本実施形態は、制御用液体３０として、燃料電池などの燃料を用い、制御弁１０Ｄに燃料貯蔵部４０を付設した実施形態であり、基本的には第３実施形態の制御弁１０Ｂと同一であるので、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００６４】
図５に示すように、制御弁１０Ｄには、燃料貯蔵部４０が付設され、燃料貯蔵部４０内に貯蔵された燃料４１を封止部３１内に導入するための導入路４２を設け、導入路４２の途中に燃料４１の逆流を防止するための逆止弁４３を設けたものである。
【００６５】
この実施形態では、封止部３１内に予め制御用液体３０を封入しておく必要はなく、燃料貯蔵部４０内の燃料４１を適宜封入できるという利点がある。また、封止部３１への封入量を適宜調整できるようにしておくことにより、開閉のタイミングの調整を適宜行うことができるという効果を奏する。
【００６６】
なお、燃料貯蔵部４０の代わりに制御用液体貯蔵部を同様に付設し、封止部３１への制御用液体３０の封入量を適宜調整できるようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施形態では第３実施形態の制御弁１０Ｃを用いたが、他の実施形態の制御弁も同様に用いることも可能である。
【００６８】
（第６実施形態）
図６には、以上説明した本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例の構成を示す。
【００６９】
なお、以下の実施形態では、制御弁としては、第１実施形態及び第２実施形態のように初期状態（通常状態）が閉状態で、伝熱により変形状態となったときに開状態となる弁を閉−開制御弁１０１、第３実施形態〜第４実施形態のように初期状態（通常状態）が開状態で、伝熱により変形状態となったときに閉状態となる弁を開−閉制御弁１０２として説明する。すなわち、閉−開制御弁１０１としては、第１実施形態、第２実施形態やその他の変形例など通常状態で閉状態の制御弁を使用でき、開−閉制御弁１０２としては、第３実施形態〜第５実施形態やその他の変形例など、通常状態で開状態の制御弁が使用可能である。
【００７０】
また、制御弁に対する熱の移動は矢印で図示するが、実際には伝熱部材３２が熱源から制御弁まで延設されており、この伝熱部材３２を介しての熱の移動が行われることを示している。
【００７１】
図６は、高分子固体型などの燃料電池システムの冷却系に本発明の制御弁を適用したものである。この燃料電池システムは、水素と酸素とを電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池の発電部１１０に燃料として水素を導入する水素導入路１１１と酸素導入路１１２とを設けたものである。また、発電部１１０には当該発電部１１０を冷却するために冷却水を流通させる冷却流路１１３が設けられており、冷却水の流路に閉−開制御弁１０１が設けられており、発電部１１０の熱が閉−開制御弁１０１に伝熱されるようになっている。
【００７２】
このような構成では、発電部１１０に水素を供給して発電し、発電部１１０が発熱すると、発電部１１０の熱が閉−開制御弁１０１に伝導し、閉−開制御弁１０１が開状態になる。これにより、冷却水は発電部１１０に流通することになり、発電部１１０が冷却される。また、発電部１１０が冷却されると、閉−開制御弁１０１の熱が放熱され、閉状態となり、冷却水の流通が遮断される。なお、このような閉−開制御弁１０１が開状態となることにより冷却水を流通させるためには、冷却水を所定の加圧状態で保持しておくか、ポンプなどを用いた送液手段を設ける必要があることはいうまでもない。なお、差圧式によると、システム全体の電力消費量を抑えることができる。
【００７３】
このような実施形態では、消費電力を使用することなく、発電部１１０の発熱・冷却により閉−開制御弁１０１を制御し、必要なときだけ冷却水を流すことができる。なお、高分子固体型などの燃料電池で発電部１１０が高温になると、高分子膜中の保湿水分の低下による発電特性の低下や、電解質膜の劣化、熱漏洩などの問題があるが、上述した構成より、これらの問題が解消される。
【００７４】
（第７実施形態）
図７には、以上説明した本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例の構成を示す。  
本実施形態の燃料電池システムは、第６実施形態と同様に発電部の冷却を目的としてものであるが、この燃料電池システムは、水素供給部として、水素発生設備１２０を採用し、水素発生設備１２０で使用する水素発生用水溶液１２３を冷却水として利用したものである。
【００７５】
水素発生設備１２０は、水素反応用物質１２１を格納し、水素を発生させる部位である反応部１２２と、水素発生用水溶液１２３を貯蔵する液体貯蔵部１２４とを具備するものであり、反応部１２２からの水素が水素導入路１１１を介して発電部１１０へ導入されるようになっている。
【００７６】
ここで、水素発生用水溶液１２３を反応部１２２へ導入する流路１２５は、液体貯蔵部１２４から反応部１２２へ直接流通させる第１流路１２６と、液体貯蔵部１２４から発電部１１０を介して反応部１２２まで流通させる第２流路１２７との二系統に分岐されている。そして、第１流路１２６に開−閉制御弁１０２を設け、第２流路１２７に閉−開制御弁１０１を設け、発電部１１０の熱を開−閉制御弁１０２及び閉−開制御弁１０１に伝熱させるようにしている。なお、第１流路１２６及び第２流路１２７は合流して流路１２８となって反応部１２２に導入されるようになっている。
【００７７】
このような構成より、水素発生用水溶液１２３の流路が切替制御され、発電部１１０が高温時のときだけ水素発生用水溶液１２３で発電部１１０を冷却するようになっている。具体的には、通常状態では、開−閉制御弁１０２は開状態、閉−開制御弁１０１は閉状態であるから、水素発生用水溶液１２３は第１流路１２６を通って液体貯蔵部１２４から直接反応部１２２へ導入される。一方、発電部１１０が発熱して開−閉制御弁１０２及び閉−開制御弁１０１に発電部１１０の熱が伝熱してこれらが変形状態となると、開−閉制御弁１０２が閉状態となり、閉−開制御弁１０１が開状態となる。これにより、第１流路１２６が閉状態となる一方、第２流路１２７が開状態となり、水素発生用水溶液１２３は第２流路１２７を通って液体貯蔵部１２４から発電部１１０を経由して反応部１２２へ導入されるようになり、発電部１１０が冷却される。また、発電部１１０が冷却されると、開−閉制御弁１０２及び閉−開制御弁１０１の熱が放熱され、開−閉制御弁１０２が開状態となり、閉−開制御弁１０１が閉状態となり、水素発生用水溶液１２３は第１流路１２６を通って液体貯蔵部１２４から直接反応部１２２へ導入されるようになる。
【００７８】
このような実施形態では、消費電力を使用することなく、発電部１１０の発熱・冷却により開−閉制御弁１０２及び閉−開制御弁１０１を制御し、必要なときだけ冷却することができる。
【００７９】
ここで、水素発生用水溶液１２３と水素反応用物質１２１との組み合わせとしては、水素発生用水溶液１２３として水又は水に添加物を添加した水溶液を用い、水素反応用物質１２１として加水分解により水素を発生する金属水素化物又はこの金属水素化物に添加物を混合したものを用いるものが挙げられる。かかる金属水素化物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、錯金属と水素の化合物であり、水素化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素リチウム、水素化リチウム、水素化カルシウム、水素化アルミニウム、水素化マグネシウムなどが挙げられる。また、金属水素化物に混合する添加物としては、固体の有機酸もしくはその塩、金属塩化物、又は、白金、金、銅、ニッケル、鉄、チタン、ジルコニウム、及びルテニウムからなる金属及びこれらの合金などを挙げることができ、これらから選択される少なくとも一種を用いればよい。これにより、金属水素化物中に水素発生反応の促進剤や触媒が混合されるため、反応速度が極めて速くなり、水が金属水素化物に供給されると反応部内圧を即座に上昇させる事ができるようになる。
【００８０】
一方、水素発生用水溶液１２３としては、水そのものの他、水に、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、金属塩化物を混合した水溶液を用いるのが好ましい。これにより、水素発生反応を促進させる促進剤水溶液を得る事ができるため、反応速度が極めて速くなり、水素発生反応が起きると反応部内圧を即座に上昇させる事ができるようになる。このような水に添加される物質としては特に限定されないが、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、金属塩化物などを挙げることができ、例えば、酸としては硫酸、リンゴ酸、クエン酸、コハク酸、金属塩化物としては塩化コバルト、塩化鉄、塩化ニッケル、白金族の塩化物などを挙げることができる。
【００８１】
さらに、水素発生用水溶液１２３と水素反応用物質１２１との組み合わせとしては、水素発生用水溶液１２３が酸もしくは塩基水溶液を用い、水素反応用物質１２１が金属である場合を挙げることができる。ここで、好ましくは、酸として塩酸、硫酸などを用い、これらの酸に適用する金属は卑金属を用いる。一方、塩基水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液を挙げることができ、このような塩基水溶液に適用する金属は両性金属である。これらを混合する事により、速い速度で水素を得る事ができるようになる。
【００８２】
図８には、以上説明した実施形態を製品形態にした構成の一例を示す。なお、図８及び図９は、図７の部分Ａの範囲を示すものである。
【００８３】
図８に示すように、燃料電池システムは、燃料電池の外装を構成する発電部外装２０１と、燃料電池発電部の負極に接して配置されて内部に水素を供給する負極室を有する発電部負極板２０２と、発電部負極板２０２の背面に配置されて内部に冷却用流路を具備する冷却流路板２０３とを具備し、冷却流路板２０３内に形成された冷却用流路に冷却水を流すことにより、発電部１１０を冷却するようになっている。なお、水素導入路１１１は、冷却流路板２０３を貫通して発電部負極板２０２へ接続されている。また、発電部外装２０１は、放熱を防止するために樹脂製が好ましいが、発電部負極板２０２は発電部１１０の熱を伝えるために金属製が好ましい。
【００８４】
冷却流路板２０３には、一体的に、閉−開制御弁１０１と開−閉制御弁１０２とが設けられておいる。上述した液体貯蔵部１２４に接続されている流路１２５は分岐して第１流路１２６の弁導入部１２６ａと第２流路１２７の弁導入部１２７ａとに分岐し、それぞれ開−閉制御弁１０２及び閉−開制御弁１０１にそれぞれ導入されている。また、閉−開制御弁１０１から出た第１流路１２７の発電部導入部１２７ｂは、冷却流路板２０３に連結されて発電部１１０を冷却する流路に接続され、発電部排出部１２７ｃは開−閉制御弁１０２からの弁排出部１２６ｂと合流して流路１２８となって反応部１２２へ接続されるようになっている。
【００８５】
このような構成により、上述したとおり、開−閉制御弁１０２及び閉−開制御弁１０１の開閉により水素発生用水溶液１２３を流通させるためには、液体貯蔵部１２４内を所定の加圧状態で保持しておいて反応部１２２との圧力差により送液するか、ポンプを使用して行うかなどの必要があることはいうまでもないが、差圧式によると、システム全体の電力消費量を抑えることができる。
【００８６】
また、燃料電池系についてであるが、水素が燃料電池に至った後、未反応水素を燃料電池外部に排出するフロー系、及び外部に排出しない閉鎖系のいずれも用いることができる。但し差圧式送液を行う場合は閉鎖系にする必要があることはいうまでもない。
【００８７】
以上の燃料電池システムでは、燃料電池が高温になることにより、膜中の保湿水分低下による発電特性低下、電解質膜の劣化、熱漏洩の問題が生じるが、本発明によりこの問題が回避される。
【００８８】
一方、問題点としては、水溶液が冷却用流路を流れることにより、圧力損失が発生することである。これにより、ポンプを用いた水溶液送液の場合はポンプでの電力消費量が増加すること、及び差圧式送液の場合は反応部への供給速度の遅れが発生し、燃料電池への供給水素圧が低下することなどの問題が生じる。この場合、いずれにしても、システムからの出力電力が低下することにつながるため、電力低下分を補うために燃料電池の出力電力を高くする必要がある。よって、これらの問題を避けるためには、冷却用流路の断面積や形状を工夫する必要がある。但し、これらの問題は一時的な問題であるが、それに対し効果に挙げた諸問題は、発電停止、不可逆的な膜ダメージ、熱による安全性問題を含んでいるため、本発明で解決される問題の方が重要度が高いと言える。
【００８９】
（第８実施形態）
図９は、ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムのメタノール濃度調整に制御弁を適用した例を示す。
【００９０】
図９に示すように、発電部１１０Ａは燃料としてメタノール水溶液が供給されるメタノールダイレクト方式の発電部であり、水タンク３０１から供給される水と、メタノールタンク３０２から供給されるメタノールとは、ミキサー３０３で混合されて発電部１１０Ａに供給されるようになっているが、水タンク３０１からの流路に閉−開制御弁１０１が設けられ、発電部１１０Ａの熱が閉−開制御弁１０１に伝熱されるようになっている。
【００９１】
このようなダイレクトメタノール方式（ＤＭＦＣ）では、メタノールが電解質膜を透過（クロスオーバー）してカソードにて酸化（発熱反応）するという現象があるが、このようなメタノールクロスオーバーは、燃料電池の電圧を低下させて燃料を無駄に消費するため、深刻な問題である。
【００９２】
ＤＭＦＣでは、発電部でのメタノールと水との反応は完全反応では、モル比でほぼ１：１である。また、メタノール濃度が高いほど燃料電池反応の効率が高くなるが、クロスオーバー量も高くなる。一方、メタノール濃度が低下すると、クロスオーバー量が低下するため、燃料利用率が向上する。
【００９３】
上述した構成では、初期では水タンク３０１からの流れを零か、わずかにしておき、発電させ、メタノールのクロスオーバーによって発電部１１０Ａが発熱した際に、その熱により閉−開制御弁１０１が開状態となり、流路を開放し、水の供給量を増やしてメタノール濃度を低下させる。これにより、クロスオーバー量を低下させ、発熱量を低下させる。
【００９４】
このような制御のためには、上述した閉−開制御弁１０１は、初期状態でも所定の流通を許容するようにしておいてもよい。または、最低限の流量を確保するバイパスを別途用意しておいてもよい。
【００９５】
（第９実施形態）
図１０は、ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムの燃料供給系に制御弁を適用した例を示す。
【００９６】
図１０に示すように、発電部１１０Ａは燃料としてメタノール水溶液が供給されるメタノールダイレクト方式の発電部であり、燃料タンク３０４からの燃料が発電部１１０Ａに供給されるようになっているが、燃料タンク３０４からの流路に開−閉制御弁１０２が設けられ、発電部１１０Ａの熱が開−閉制御弁１０２に伝熱されるようになっている。
【００９７】
このようなダイレクトメタノール方式（ＤＭＦＣ）では、メタノールが電解質膜を透過（クロスオーバー）してカソードにて酸化（発熱反応）するという現象があるが、このようなメタノールクロスオーバーは、発電停止時でも生じるので、停止時でも発熱している。発電部１１０Ａの周囲温度が低いときは発電部１１０Ａが冷却されすぎないため、発電開始時でも効率の高い運転を行うことができ、好ましいが、周囲温度が高い場合には、高温化及びメタノール消失の問題がある。
【００９８】
上述した構成では、発電部１１０Ａが所定温度を上回ったときに燃料の供給を停止してメタノールクロスオーバーを低下させ、発熱量を低下させるようにしている。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、燃料電池システムの産業分野の他、特に小さい流路を電力を消費することなく制御する各種分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制御弁の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る制御弁の概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る制御弁の概略構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る制御弁の概略構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る制御弁の概略構成図である。
【図６】本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図７】本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図８】本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図９】本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図１０】本発明の制御弁を適用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０、１０Ａ〜１０Ｄ  制御弁
１１、１１Ａ〜１１Ｃ  基体
１２  第１の流路
１３  第２の流路
１４、１４Ａ〜１４Ｃ  連通路
１５、１５Ｂ、１５Ｃ  開口部
１６、１６Ａ〜１６Ｃ  変形部
１７、１７Ｃ  開口部
１８、１８Ａ〜１８Ｃ  弁体
１９、１９Ａ、１９Ｃ  突き上げ部材
２０、２０Ａ  開口部
２１、２１Ａ  可撓性部材
２２、２２Ａ  ばね固定部材
２３  ばね
３０  制御用液体
３１  封止部
３２  伝熱部材
３３  断熱材
１０１  閉−開制御弁
１０２  開−閉制御弁
１１０、１１０Ａ  発電部
１１１  水素導入路
１１２  酸素導入路
１１３  冷却流路
１２０  水素発生設備
１２１  水素反応用物質
１２２  反応部
１２３  水素発生用水溶液
１２４  液体貯蔵部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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