(57)【要約】【課題】例えば、小型燃料電池に好適な、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅なダウンサイジングを実現することができる水供給弁を提供すること。【解決手段】水供給弁１００は、流路１０４に弁体兼弁体の動力部としての電解質ハイドロゲル１０６を配置して構成されている。電解質ハイドロゲル１０６は、電場応答性を示し、電圧（電場）の変化に応じて可逆的に変形（膨潤収縮）するという特徴を有する。電解質ハイドロゲル１０６に電圧を印加することにより、電解質ハイドロゲル１０６が収縮して流路１０２が開き、また、電圧をカットすることにより、電解質ハイドロゲル１０６が膨潤して流路１０４が閉じる。【選択図】図１
2007120737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を通す流路と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を収納する弁箱とを有する水供給弁であって、
電場の変化に応じて膨潤収縮することで、前記弁体に前記流路を開閉させるゲルと、
電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす、正極と負極からなる１対の電極と、
を有する、水供給弁。
【請求項２】
前記ゲルは、電場の変化に対して膨潤収縮性を示すハイドロゲルである、請求項１記載の水供給弁。
【請求項３】
前記ハイドロゲルは、電解質ハイドロゲルである、請求項２記載の水供給弁。
【請求項４】
前記電解質ハイドロゲルの一端部は、固定されている、請求項３記載の水供給弁。
【請求項５】
前記電解質ハイドロゲルは、
電圧が印加されていない場合は、膨潤し、
電圧が印加された場合は、収縮する、
請求項４記載の水供給弁。
【請求項６】
前記ゲルは、前記弁体に含まれる、請求項１から請求項５のいずれかに記載の水供給弁。
【請求項７】
前記１対の電極は、前記ゲルに接触する、請求項１から請求項６のいずれかに記載の水供給弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水供給弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、小型燃料電池の開発が盛んに進められている。小型燃料電池は、例えば、ＩＣチップに内蔵可能であることが期待されている。
【０００３】
このようなＩＣチップ用小型燃料電池の開発に当たっては、システム全体をできるだけ単純に、かつ、サイズもできるだけ小さくすることが求められる。そのため、小型燃料電池用の水（燃料）の供給弁についても、システムを単純に、かつ、サイズも小さくできる構造であることが要求される。
【０００４】
小型燃料電池用の燃料供給弁について、センサなどを排除することで小型化を試みた例として、特許文献１の燃料供給弁がある。特許文献１に係る燃料供給弁は、バルブと連動しているプロトン導電体膜が燃料極室と酸化剤極室の差圧によってたわむことを利用して、弁の開閉を行っている。また、別の実施形態に係る燃料供給弁は、燃料電池の発電量に応じて電流が流れるヒーターコイルがバイメタル製の開閉部材を発電量に応じて変形させることで、弁の開閉を行っている。
【０００５】
ところで、高分子ゲルは外部環境の変化に対して膨潤収縮性を示すことが知られている。例えば特許文献２では、温度に依存して膨潤収縮性を示す温度応答型高分子素材や、電場に応答して膨潤収縮性を示す電場応答型高分子素材などについて記載されている。
【０００６】
このような外部環境の変化に応じて膨潤収縮するゲルを用いた発明として、特許文献３のインクジェットプリントヘッド用の液滴吐出器がある。特許文献３に係る液滴吐出器では、電場反応ゲルと接触していない電極が、電場反応ゲルに電場を印加することで、電場反応ゲルを膨張させている。電場反応ゲルは、膨張するときに流体通路内の流体を押し出すので、その結果、液滴がノズルから吐出される。また、特許文献３の別の実施形態に係る液滴吐出器では、発熱抵抗体が温度反応ハイドロゲルに熱を加えることで温度反応ゲルを収縮させている。このようにして温度反応ゲルを膨張収縮させることで、特許文献３の別の実施形態に係る液滴吐出器は、流体が流れるチャンネルを開閉し、流体の吐出を制御している。
【特許文献１】特開２００２−３３１１２号公報
【特許文献２】特開平１０−１３９６８９号公報
【特許文献３】特開２００４−２２４０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の水（燃料）供給弁は、弁体または弁棒（に相当するもの）の材料として各種金属材料やプラスチック材料などが使用されており、弁の操作方式をも考慮した場合、弁の小型化には一定の限界があるという問題がある。例えば、小型燃料電池用の水供給弁には、応答性や制御精度の面で一定の性能が要求されるが、従来の弁構造では、そのために弁を駆動する複雑な駆動系と制御系を別途設ける必要があり、小型化には大きな限界がある。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、例えば、小型燃料電池に好適な、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現することができる水供給弁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】
【０００９】
本発明の水供給弁は、水を通す流路と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を収納する弁箱とを有する水供給弁であって、電場の変化に応じて膨潤収縮することで、前記弁体に前記流路を開閉させるゲルと、電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす、正極と負極を含む１対の電極と、を有する構成を採る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば、小型燃料電池に好適な、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現することができる水供給弁を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者は、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現するためには、流路を開閉する弁体の動力部として、外部環境の変化に応じて体積が顕著に変化する性質を有する材料を用いることが必要であることを見出した。また、そのような材料としては、外部環境の変化に応じて体積変化を生じるゲル（刺激応答性ゲル）を用いることが有効であることを見出したのである。
【００１２】
前記刺激応答性ゲルは、１）自重の何十〜何百倍もの水を吸収して膨潤するが、スポンジなどと異なり、圧力をかけても水を吐き出さない、２）刺激（外部環境の変化）を与えると、水を吐き出しながら収縮する、３）収縮したゲルは、刺激をカットして水中に置いておくと、再度水を吸収して膨潤する、つまり、外部環境の変化に応じて可逆的に変形する、という特徴を有するため、この特徴を利用することで、外部環境の変化に応じて開閉する弁が作製可能である。
【００１３】
モータのような複雑な駆動系や制御系を必要とする動力部と異なり、前記刺激応答性ゲルは、生体細胞と同様、上記のようにそれ単独で刺激応答性を示すため、システムを単純に、かつ、サイズも小さくすることができるという利点を有する。
【００１４】
上記の通り、本発明の水供給弁は、その弁体がゲルによってその流路を開閉することを特徴とする。
【００１５】
次に、本発明に係る水供給弁について説明する。
【００１６】
本発明に係る水供給弁は、水を通す流路と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を収納する弁箱とを有する水供給弁であって、電場の変化に応じて膨潤収縮することで、前記弁体に前記流路を開閉させるゲルと、電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす、正極と負極からなる１対の電極と、を有する構成を採る。
【００１７】
流路は、一つ以上の入水口と一つ以上の出水口との間を繋ぐ、水供給弁の内部を貫く水の通り道である。流路内に水の流れを妨げるものがない場合は、入水口から入ってきた水は、流路を流れ、出水口から出る。なお、本発明に係る水供給弁では、入水口と出水口を特に区別しない。便宜的に、流路が水供給弁外に開口している箇所のうち、水が水供給弁内に入ってくる箇所を入水口、水が水供給弁外に出ていく箇所を出水口と呼ぶ。したがって、水の流れる向きが逆になれば、入水口と出水口は逆になる。
【００１８】
弁体は、流路の一部を開閉することによって、流路の水の流れを制御する。弁体が流路を開いているときは、入水口から入ってきた水は、出水口へと流れることができる（導水状態）。一方、弁体が流路を閉じた場合は、入水口から入ってきた水は、弁体によって出水口へと流れることが妨げられてしまう（止水状態）。弁体が流路を開閉する方法は特に限定されないが、例えば、弁体が流路を閉じるように移動したり、弁体が流路を閉じるように膨張したりすれば、弁体は流路を閉じることができる。
【００１９】
弁箱は、本発明に係る水供給弁の各構成要素を格納するケースである。
【００２０】
ゲルは、流路を開閉する弁体の動力部である。本発明に係る水供給弁では、外部環境変化に応じて可逆的に体積が変化するものを用いる。ゲルが弁体に流路を開閉するようにさせる方法は特に限定されないが、例えば、ゲルの体積変化に伴って弁体が移動するようにゲルと弁体を繋いで構成すればよい。この場合、ゲルと弁体は離れていてもよいので、ゲルは流路内にあってもよいし、流路外にあってもよい。なお、ゲルを弁体の動力部として用いる場合、ゲルの体積変化に伴うエネルギーを弁体に伝えるために、少なくともゲルの一端部は弁箱などに固定されることが好ましい。
【００２１】
前記の通り、本発明に係る水供給弁に用いるゲルは、電場や熱、ｐＨなどの外部環境の変化（刺激）に応じて可逆的に体積変化を生じる刺激応答性ゲルを用いる。なお、その応答速度の速さから、本発明に係る水供給弁に用いるゲルは、電場応答性ゲルを用いることが好ましい。さらに、水が流路を流れるため、ゲルを水に浸すことが容易であることから、本発明に係る水供給弁に用いるゲルは、電場応答性ハイドロゲルがより好ましい。具体的には、高分子電解質を用いて調製されたハイドロゲル（以下「電解質ハイドロゲル」という）が特に好ましい。
【００２２】
本発明で用いる電解質ハイドロゲルは、主鎖または側鎖にイオン性の官能基を持つイオン性高分子からなるものであれば特に限定されず、その電気的性質はアニオン性（マイナス電荷を有する）であってもカチオン性（プラス電荷を有する）であってもよい。このような電解質ハイドロゲルは、電圧が印加されていない場合は平衡膨潤状態であり、電圧が印加されると収縮するという特徴を有している。
【００２３】
アニオン性の官能基を持つイオン性高分子の重合に用いられるモノマー試薬としては、例えば、カルボン酸基やスルホン酸基、リン酸基などを分子内に有するものが挙げられる。具体的には、例えば、アクリル酸や２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホンなどが挙げられる。
【００２４】
また、カチオン性のモノマー試薬としては、例えば、１〜３級のアミノ基や、４級アンモニウム基、４級ホスホニウム基などを分子内に有するものが挙げられる。具体的には、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルアクリレートや４−ビニルベンジルトリメチルホスホニウムクロライドなどが挙げられる。
【００２５】
なお、上記の通り、本発明に係る水供給弁では、その応答速度の速さから電場応答性の電解質ハイドロゲルを用いることが特に好ましいが、ゲルに体積変化を生じさせるのに用いる外部環境変化（刺激）は電場の変化に限定されない。
【００２６】
ゲルの体積変化は、ゲル内部の高分子網目を広げようとする力（斥力）と収縮させようとする力（引力）の平衡が外部刺激によって崩れることで、新たな平衡状態に移行するために生じる。ここで、一時的に変化させた外部刺激を元に戻すことで、引力と斥力のバランスが初期の状態に戻り、これに応じてゲルの体積も元に戻る。この場合、斥力は、ゲルを構成する高分子網目内のイオンによる静電的な力、または網目と溶媒との混合によるエントロピー的な力であり、引力は、高分子網目のゴム弾性の力または分子間相互作用の力による。これらのバランスは、電場に限らず、イオン強度や温度、溶媒組成などの外部環境のわずかな変化によって崩すことができるため、この変化を利用することでゲルの体積を可逆的に変化させることができる。
【００２７】
例えば、イオン強度応答性のハイドロゲルや感熱性ハイドロゲル、溶媒組成応答性ハイドロゲルなどを用いることで、イオン強度や温度、溶媒組成などの外部環境変化に応じて、水供給弁を動作させることができる。この場合、後述する電極を設けることは、もちろん不要である。
【００２８】
具体的には、イオン強度応答性のハイドロゲルとしては、電場応答性ゲルと同様、電解質ゲル全般を用いることができる。
【００２９】
また、温度応答性のハイドロゲルとしては、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドを重合してなるハイドロゲル、溶媒組成変化は、電解質モノマーと非電解質モノマーの共重合体、例えば、アクリル酸とアクリルアミドの重合体などが適している。
【００３０】
ところで、ゲルの体積変化の速度は、刺激の種類に関わらず、ゲルの比表面積（単位体積に対する表面積の大きさ）と相関関係がある。例えば、ゲルの表面積が増大させると、ゲルの体積変化にかかる時間を短くすることができる。したがって、ゲルを多孔性のものにすることなどによって表面積を増大させることで、本発明に用いるゲル（電場応答性ゲルに限らず）の応答速度を速くすることができる。
【００３１】
なお、ゲルは動力部としてだけではなく、動力部兼弁体としても機能することができる。この場合、ゲル自体が流路を開閉する弁体となるので、水供給弁をより単純なシステムにすることができ、水供給弁をさらに小型化することができる。この場合、ゲルは弁体としても機能するので、ゲルは流路内に配置される必要がある。
【００３２】
１対の電極（正極および負極）は、電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす。なお、両電極は共に前記ゲルに接触するように配置することが好ましい。これは、以下の理由による。
【００３３】
ゲルと両電極が接触していない場合、電解質物質や水銀などの電気伝導性を有する物質がその間の空間に存在していなければ、両電極はゲルに電圧を印加することは難しい。しかし、前記電気伝導性を有する物質は、その化学的特性によりゲルに悪影響（変質、変形または破壊など）を及ぼすという問題がある。したがって、耐久性に優れた水供給弁を提供することを考えると、ゲルに電場を印加することを目的としてゲル周囲の液体（例えば、ゲルが流路内に配置される場合は、流路を流れる水）に電気伝導性を有する物質を混ぜるより、ゲルと両電極を接触させることで、両電極がゲルに電圧を直接印加するようにした方が好ましい。
【００３４】
本発明に係る水供給弁によれば、電場に対して膨潤収縮性を示す電解質ハイドロゲルを用いて水供給弁を構成するため、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅なダウンサイジングを実現することができる。
【００３５】
また、本発明に係る水供給弁によれば、環境に影響を及ぼす燃料やオイルを必要としないため、環境の保護をも図ることができる。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水供給弁の構成を示す概略図である。
【００３８】
この水供給弁１００は、弁箱１０２と、流路１０４と、電解質ハイドロゲル１０６と、弁座１０８と、第一の電極１１０と、第二の電極１１２と、を有する。
【００３９】
弁箱１０２は、各構成要素を格納するケースである。
【００４０】
流路１０４は、入水口と出水口との間を繋ぐ、水供給弁１００の内部を貫く１本の水１１４の通り道である。図１の水供給弁では水１１４が上から下へと流れるので、上側の開口部が入水口、下側の開口部が出水口となる。
【００４１】
電解質ハイドロゲル１０６は、弁体の動力部であり、かつ弁体でもある。すなわち、電圧の変化に応じて自らが膨潤収縮することで、流路を開閉する。
【００４２】
弁座１０８は、弁体である電解質ハイドロゲル１０６が膨張したときの止水能力を高めるための窪みであるが、止水能力がなくならないのであれば弁座１０８はなくてもよい。
【００４３】
第一の電極１１０および第二の電極１１２は、電解質ハイドロゲル１０６の向かい合う端部に接触するように配置され、電解質ハイドロゲル１０６に電圧を印加する。第一の電極１１０および第二の電極１１２は、図示しない電源部と図示しない導線で連結している。
【００４４】
なお、電解質ハイドロゲル１０６は、第一の電極１１０および第二の電極１１２が設けられている両端部のうちの一方が弁箱１０２に固定されている。第一の電極１１０および第二の電極１１２のそれぞれの極性は、正極−負極、負極−正極のどちらでもよい。また、弁箱１０２に固定される端部は、第一の電極１１０および第二の電極１１２のどちら側の端部でもよいが、電解質ハイドロゲル１０６は、電圧を印加すると負極側から収縮する特性を有しているため、正極側を固定し負極側を固定しない方が好ましい。図１では、一例として、第一の電極１１０および第二の電極１１２のうち、第一の電極１１０側の端部が弁箱１０２に固定されている場合を示す。
【００４５】
また、このとき、電解質ハイドロゲル１０６の固定されていない端部（図１では第二の電極１１２側の端部）と、前記端部と向かい合う弁箱１０２の内部表面（図１では弁座１０８内で第二の電極１１２と向かい合う面）との間にばねなどの弾性支持体を設けるようにしてもよい。このようにすることで、第一の電極１１０および第二の電極１１２を常に電解質ハイドロゲル１０６に押し付けることができるので、電解質ハイドロゲル１０６と二つの電極１１０、１１２との間の接触をより安定なものとすることができる。
【００４６】
上記構成を採ることで、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することにより、電解質ハイドロゲル１０６が収縮して流路１０４が開いて水１１４が流れるようになる。また、電圧をカットすることにより、電解質ハイドロゲル１０６が膨潤して流路１０４が閉じ、水１１４が流れなくなる。
【００４７】
次いで、上記構成を有する水供給弁１００の動作について、図２を用いて説明する。図２は本実施の形態に係る水供給弁１００の動作を説明するための図であり、（Ａ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し（止水状態）、（Ｂ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示し（導水状態）、（Ｃ）は電解質ハイドロゲルが再膨潤状態のときの様子を示している（止水状態）。
【００４８】
まず、図２（Ａ）に示す止水状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル１０６は、平衡膨潤状態であり、水１１４の流れを止めている。
【００４９】
そして、図２（Ｂ）に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル１０６は、負極側から水を放出して同図中の白抜き矢印の方向に収縮する。これにより、流路１０４が開いて水１１４が流れる。
【００５０】
そして、図２（Ｃ）に示す止水（再膨潤）状態では、図２（Ｂ）に示す導水状態で電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に印加していた電圧をカットする。これにより、電解質ハイドロゲル１０６は、流路１０４内の水１１４により同図中の白抜き矢印の方向に再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路１０４が閉じて止水される。
【００５１】
このように、本実施の形態によれば、電場に対して膨潤収縮性を示す電解質ハイドロゲルを動力部兼弁体として用いて水供給弁を構成するため、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、（Ａ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し、（Ｂ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示している。
【００５３】
図３（Ａ）に示すように、実施の形態２に係る水供給弁２００は、弁箱１０２と、第一の流路１１６と、第二の流路１１８と、電解質ハイドロゲル１０６と、第一の電極１１０と、第二の電極１１２と、を有する。この図において、実施の形態１の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。また、第一の流路１１６、第二の流路１１８、および電解質ハイドロゲル１０６以外の各構成要素は、実施の形態１と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
【００５４】
第一の流路１１６は、水供給弁２００内の上部に位置する流路であり、第二の流路１１８は、水供給弁２００内の下部に位置する流路である。これら二つの流路１１６、１１８は、図２左側の一つの流路が弁箱１０２内で分岐したものである。なお、図３では、左側が入水口側で、右側が出水口側である。すなわち、水１１４は、図の左側から右側へ流れる。
【００５５】
電解質ハイドロゲル１０６は、実施の形態１と同様のものであり、第一の流路１１６と第二の流路１１８の分岐部に動力部兼弁体として配置されている。また、電解質ハイドロゲル１０６は、平衡膨潤状態になったときに第二の流路１１８を塞ぐような形状・サイズに形成されており、第一の電極１１０および第二の電極１１２が配置されている両端部のうちの一方が弁箱１０２に固定されている。なお、弁箱１０２に固定される端部は、第一の電極１１０および第二の電極１１２のどちら側の端部でもよいが、実施の形態１と同じ理由により、正極側を固定し、負極側を固定しない方が好ましい。図３では、一例として、第一の電極１１０側の端部が弁箱１０２に固定されている場合を示す。
【００５６】
次いで、上記構成を有する水供給弁２００の動作について説明する。
【００５７】
まず、図３（Ａ）に示す平衡膨潤状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル１０６は、平衡膨潤状態であり、第二の流路１１８への水１１４の流れを止めている。これにより、第一の流路１１６へ水１１４が流れる。
【００５８】
そして、図３（Ｂ）に示す電気収縮状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル１０６は、負極側から水を放出して同図中の白抜き矢印の方向に収縮する。これにより、水供給弁２００内で下部に位置する第二の流路１１８が開いて水１１４が流れる。このとき、平衡膨潤状態のときに第一の流路１１６へ流れていた水１１４が第二の流路１１８へ流れてしまうため、上部に位置する第一の流路１１６へ水１１４が流れなくなる。
【００５９】
そして、図示しないが、図３（Ｂ）に示す電気収縮状態で第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル１０６は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、第二の流路１１８が閉じて止水され、図３（Ａ）の状態になる。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る水供給弁によれば、実施の形態１の効果に加えて、さらに一つの電解質ハイドロゲルを用いて二つの流路への水の流れを制御することができる。
【００６１】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、（Ａ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの水供給弁の縦断面（流路に対して平行）を示し（導水状態）、（Ｂ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの水供給弁の二つの弁体を含む横断面（流路に対して垂直）を示し（導水状態）、（Ｃ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの水供給弁の縦断面を示し（止水状態）、（Ｄ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの水供給弁の二つの弁体を含む横断面を示している（止水状態）。
【００６２】
図４（Ｂ）で示すように、本実施の形態に係る水供給弁３００は、弁箱１０２と、流路１０４と、二つの電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂと、第一の電極１１０と、第二の電極１１２と、二つの弁体１２０ａ、１２０ｂとを有する。この図において、実施の形態１の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。また、電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂ、および二つの弁体１２０ａ、１２０ｂ以外の各構成要素は、実施の形態１と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
【００６３】
電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂは、は、実施の形態１と同様のものであり、二つの弁体１２０ａ、１２０ｂの間に弁体の動力部として配置されている。
【００６４】
弁体１２０ａ、１２０ｂは、二つを合わせることで一つの弁体として機能するように形成されており、二つが合わさることで流路１０４を閉じることができる。
【００６５】
ここで、電解質ハイドロゲル１０６の両端部は、それぞれ異なる弁体１２０ａ、１２０ｂに固定される。このとき、電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂが膨潤状態のときは、二つの弁体１２０ａ、１２０ｂの間に水１１４が流れることができる流路１０４が開くように、電気収縮状態のときは、二つの弁体１２０ａ、１２０ｂが密着して流路１０４を閉じるように、二つの電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂおよび二つの弁体１２０ａ、１２０ｂが配置される。
【００６６】
次いで、上記構成を有する水供給弁３００の動作について説明する。
【００６７】
まず、図４（Ａ）および（Ｂ）に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂの両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂは、平衡膨潤状態であり、二つの弁体１２０ａ、１２０ｂの間に流路１０４が開き、水１１４が流れる（図４（Ａ）で上から下へ向かって流れる）。
【００６８】
そして、図４（Ｃ）および（Ｄ）に示す止水状態では、電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂの両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル１０６ａ、１０６ｂは、負極側から水を放出して図４（Ｄ）の矢印の方向に収縮する。これにより、二つの弁体１２０ａ、１２０ｂが合わさり、流路１０４が閉じて水１１４が流れなくなる。
【００６９】
そして、図示しないが、図４（Ｃ）および（Ｄ）に示す止水状態で第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル１０６は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路１０４が開いて導水状態になり、図４（Ａ）および（Ｂ）の状態になる。
【００７０】
このように、本実施の形態に係る水供給弁によれば、実施の形態１の効果に加えて、さらに流路の幅が大きくなっても小さなゲルで流量を制御することができる。
【００７１】
なお、実施の形態３では、二つの電解質ハイドロゲルを有する水供給弁の例について説明したが、電解質ハイドロゲルの数はこれに限定されない。例えば、電解質ハイドロゲルを三つにしてもほぼ同様の構成を採る水供給弁を提供することができる。
【００７２】
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、（Ａ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し（導水状態）、（Ｂ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示している（止水状態）。
【００７３】
図５（Ａ）に示すように、実施の形態４に係る水供給弁４００は、弁箱１０２と、流路１０４と、電解質ハイドロゲル１０６と、第一の電極１１０と、第二の電極１１２と、弁体１２２と、を有する。この図において、実施の形態１の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。なお、弁箱１０２、電解質ハイドロゲル１０６、および弁体１２２以外の各構成要素は、実施の形態１と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。  
【００７４】
弁箱１０２は、各構成要素を格納するケースであり、流路１０４となる孔が開けられている。
【００７５】
電解質ハイドロゲル１０６は、実施の形態１と同様のものであり、弁体１２２の動力部として機能する。
【００７６】
弁体１２２は、流路１０４を遮るように配置されており、水１１４が流れることができる孔が開けられている。また、弁体１２２は、弁箱１０２内で流路１０４となる孔が開けられている面の上を移動することができるように形成・配置されている。弁体１２２の孔は、弁体１２２が移動することで弁箱１０２の孔と繋がることができる位置に開けられている。すなわち、弁体１２２の孔と弁箱１０２の孔が重なると水１１４が流れ、弁体１２２の孔と弁箱１０２の孔がずれると水１１４が流れなくなるように、弁体１２２の孔は開けられている。
【００７７】
また、電解質ハイドロゲル１０６の両端部は、一方が弁箱１０２に固定され、もう一方が弁体１２２に固定される。したがって、電解質ハイドロゲル１０６は、自らが膨潤収縮することで、弁体１２２を移動させることができる。このとき、電解質ハイドロゲル１０６が平衡膨潤状態の時に、弁体１２２の孔が弁箱１０２の孔と一致するように、弁箱１０２、電解質ハイドロゲル１０６および弁体１２２は形成される（図５（Ａ））。また、電解質ハイドロゲル１０６が電気収縮状態の時は、弁体１２２の孔が弁箱１０２の孔と一致しないように、弁箱１０２、電解質ハイドロゲル１０６および弁体１２２は形成される（図５（Ｂ））。したがって、電解質ハイドロゲル１０６が平衡膨潤状態になったときのみ、弁体１２２の孔と弁箱１０２の孔とが一致するため、水１１４が流れることができるようになる。
【００７８】
次いで、上記構成を有する水供給弁４００の動作について説明する。
【００７９】
まず、図５（Ａ）に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル１０６は、平衡膨潤状態であり、弁体１２２の孔と弁箱１０２の孔とが一致するため、流路１０４が開き、水１１４が流れる（図５（Ａ）で上から下へ向かって流れる）。
【００８０】
そして、図５（Ｂ）に示す止水状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル１０６は、負極側から水を放出して同図中の矢印の方向に収縮する。これにより、弁体１２２の孔と弁箱１０２の孔とが一致しなくなるため、流路１０４が閉じ、水１１４が流れなくなる。
【００８１】
そして、図示しないが、図５（Ｂ）に示す止水状態で第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル１０６は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路１０４が開いて導水状態になり、図５（Ａ）の状態になる。
【００８２】
なお、本実施の形態では、電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときに水の流れを止める構成としたが、弁箱１０２の孔または弁体１２２の孔の位置を変えることにより、平衡膨潤状態のときに水の流れを止めるようにすることもできる。また、弁箱１０２の孔を複数設けることで、実施の形態２と同様に、一つの電解質ハイドロゲルを用いて複数の流路への水の流れを制御することができる。
【００８３】
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、（Ａ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの水供給弁５００の断面図（流路１０４に対して垂直）を示し（導水状態）、（Ｂ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの水供給弁５００の断面図を示している（止水状態）。
【００８４】
図６（Ａ）で示すように、本実施の形態に係る水供給弁５００は、弁箱と、流路１０４と、電解質ハイドロゲル１０６と、第一の電極１１０と、第二の電極１１２と、を有する。この図において、実施の形態１の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。便宜上、図６では弁箱を図示しない。なお、流路１０４および電解質ハイドロゲル１０６以外の各構成要素は、実施の形態１と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
【００８５】
流路１０４は、電解質ハイドロゲル１０６に直接開けられた孔であり、電解質ハイドロゲル１０６が平衡膨潤状態のときは、その中を水１１４が流れることができるように、電解質ハイドロゲル１０６が電気収縮状態のときは、その中を水１１４が流れることができなくなるように、孔の大きさを調整して形成される。
【００８６】
電解質ハイドロゲル１０６は、実施の形態１の電解質ハイドロゲルと同様のものであり、実施の形態１と同様に第一の電極１１０および第二の電極１１２が設けられている。なお、第一の電極１１０および第二の電極１１２の位置は、流路１０４を妨げない限り特に限定されない。
【００８７】
次いで、上記構成を有する水供給弁５００の動作について説明する。
【００８８】
まず、図６（Ａ）に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル１０６は、平衡膨潤状態であり、電解質ハイドロゲル１０６内に開けられた流路１０４が開き、水１１４が流れる。
【００８９】
そして、図６（Ｂ）に示す電気収縮状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル１０６は、負極側から水を放出して収縮する。これにより、電解質ハイドロゲル１０６内に開けられた流路１０４が細くなり、水１１４が流れなくなる。なお、このとき、水は表面張力が大きいため、流路１０４を完全に閉じなくても水の流れを止めることができる。
【００９０】
そして、図示しないが、図６（Ｂ）に示す止水状態で、第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル１０６は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路１０４が開いて導水状態になり、図６（Ａ）の状態になる。
【００９１】
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、（Ａ）は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し（導水状態）、（Ｂ）は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示している（止水状態）。
【００９２】
図７（Ａ）に示すように、この水供給弁６００は、弁箱１０２と、流路１０４と、電解質ハイドロゲル１０６と、弁座１０８と、第一の電極１１０と、第二の電極１１２と、弁体１２２と、弁棒１２４と、を有する。この図において、実施の形態１の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。また、電解質ハイドロゲル１０６、弁座１０８、弁体１２２および弁棒１２４以外の各構成要素は、実施の形態１と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
【００９３】
電解質ハイドロゲル１０６は、実施の形態１の電解質ハイドロゲルと同様のものであり、弁体１２２の動力部として配置されている。電解質ハイドロゲル１０６の両端部は、一方が弁箱１０２に固定され、もう一方が弁棒１２４に固定されている。
【００９４】
弁座１０８は、流路１０４の途中に配置されており、弁体１２２が流路１０４を閉じることができるように、弁体１２２と密着できる形に形成される。
【００９５】
弁体１２２は、流路１０４を閉じることができるように、弁座１０８と密着できる形に形成される。また、弁体１２２は、弁棒１２４を介して電解質ハイドロゲル１０６に固定されている。
【００９６】
弁棒１２４は、電解質ハイドロゲル１０６と弁体１２２とを繋いでいる。これにより、電解質ハイドロゲル１０６が膨潤収縮すると、弁体１２２が移動するようになる。弁棒１２４の長さは、電解質ハイドロゲル１０６が平衡膨潤状態のときは弁体１２２と弁座１０８との間に水が流れる隙間ができるように、電解質ハイドロゲル１０６が電気収縮状態のときは弁体１２２と弁座１０８が密着するように、調整される。
【００９７】
次いで、上記構成を有する水供給弁６００の動作について説明する。
【００９８】
まず、図７（Ａ）に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル１０６は、平衡膨潤状態であり、弁体１２２と弁座１０８が離れているため、流路１０４が開き、水１１４が流れる（図７（Ａ）で上から下へ向かって流れる）。
【００９９】
そして、図７（Ｂ）に示す電気収縮状態では、電解質ハイドロゲル１０６の両端部に設けられた第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル１０６は、負極側から水を放出して同図中の白抜き矢印の方向に収縮する。これにより、弁体１２２と弁座１０８が密着するため、流路１０４が閉じ、水１１４が流れなくなる。
【０１００】
そして、図示しないが、図７（Ｂ）に示す止水状態で、第一の電極１１０と第二の電極１１２との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル１０６は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路１０４が開いて導水状態になり、図７（Ａ）の状態になる。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときに弁体を引っ張ることで水の流れを止める構成としたが、弁座の向きを変え、弁体を押し付ける構成にすることにより、平衡膨潤状態のときに水の流れを止めるようにすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明に係る水供給弁は、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅なダウンサイジングを実現することができるという格別の効果を有するため、例えば、小型燃料電池用の水供給弁として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水供給弁の構成を示す概略図
【図２】本発明の実施の形態１に係る水供給弁の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、平衡膨潤（止水）状態を示す図、（Ｂ）は、電気収縮（導水）状態を示す図、（Ｃ）は、再膨潤（止水）状態を示す図
【図３】本発明の実施の形態２に係る水供給弁の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、平衡膨潤状態を示す図、（Ｂ）は、電気収縮状態を示す図
【図４】本発明の実施の形態３に係る水供給弁の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、平衡膨潤（導水）状態を示す縦断面図、（Ｂ）は、平衡膨潤（導水）状態を示す横断面図、（Ｃ）は、電気収縮（止水）状態を示す縦断面図、（Ｄ）は電気収縮（止水）状態を示す横断面図
【図５】本発明の実施の形態４に係る水供給弁の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、平衡膨潤（導水）状態を示す図、（Ｂ）は、電気収縮（止水）状態を示す図
【図６】本発明の実施の形態５に係る水供給弁の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、平衡膨潤（導水）状態を示す図、（Ｂ）は、電気収縮（止水）状態を示す図
【図７】本発明の実施の形態６に係る水供給弁の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、平衡膨潤（導水）状態を示す図、（Ｂ）は、電気収縮（止水）状態を示す図
【符号の説明】
【０１０４】
１００、２００、３００、４００、５００、６００  水供給弁
１０２  弁箱
１０４  流路
１０６、１０６ａ、１０６ｂ  電解質ハイドロゲル
１０８  弁座
１１０  第一の電極
１１２  第二の電極
１１４  水
１１６  第一の流路
１１８  第二の流路
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２２  弁体
１２４  弁棒
【図１】
2007120737.tif 000003
【図２】
2007120737.tif 000004
【図３】
2007120737.tif 000005
【図４】
2007120737.tif 000006
【図５】
2007120737.tif 000007
【図６】
2007120737.tif 000008
【図７】
2007120737.tif 000009