JP2010060003A - 燃料電池用圧力調整バルブとそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡素で部品点数が少なく、小型化が可能で製造性にも優れる燃料電池用圧力調整バルブを提供すること。
【解決手段】バルブ室４１と、前記バルブ室４１に収容されるバルブ本体４２とを有し、燃料電池１の燃料供給機構３に装着されて内圧の調整を行うために用いられる燃料電池用圧力調整バルブ４であって、前記バルブ本体４２は、筒状部材４６と、前記筒状部材４６の一方の端部に配置され、前記端部の表面に配置される枠部４７ａと、前記筒状部材４６に嵌め込まれる嵌合部４７ｂと、前記枠部４７ａに前記嵌合部４７ｂを移動可能に保持し、孔部４７ｃが形成される保持部４７ｄとを有する弾性部材４７とを有するもの。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の燃料供給機構に装着されて内圧の調整を行う燃料電池用圧力調整バルブと、この燃料電池用圧力調整バルブを用いた燃料電池とに関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気とを供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。

一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（特許文献２〜４参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。また、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。特許文献３にはポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

循環構造を適用した燃料電池ではポンプを設けることが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを設けても燃料消費量が増大するだけで、必ずしも十分な出力を得ることができない。すなわち、燃料収容部内の液体燃料をポンプによって燃料電池セルに供給する場合、発電に伴う液体燃料の減少により燃料収容部内の圧力が低下し、ポンプの実質的な送液能力が低下する。このため、燃料電池セルへの燃料供給量が減少し、必ずしも十分な出力が得られなくなる。

一方、燃料電池については、例えば夏場の車内等に放置されることにより異常な高温状態となり、燃料収容部内の液体燃料が蒸発し、過度に内圧が上昇することがある。過度に内圧が上昇した場合、燃料収容部が破損し、液体燃料が漏れ出すおそれがある。

このため、燃料電池には、内圧が低下したときに外気を導入して上昇させると共に、内圧が上昇したときに内気を排出して低下させる内圧調整手段を設けることが好ましい。しかしながら、このような外気の導入と内気の排出とを一つの内圧調整手段、例えばバルブ機構を利用した内圧調整手段で行おうとした場合、その構造が複雑となり、部品点数が増加すると共に、大型化するおそれがある。

燃料電池は携帯用電子機器等の電源として用いるために小型化が進められており、これに合わせて燃料収容部等についても小型化が進められていることから、このような小型化された燃料収容部等にも装着できるように内圧調整装置についても小型化されていることが好ましい。また、小型化や製造性の観点からは、構造が簡素で、部品点数も少ないことが好ましい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、燃料電池の燃料供給機構に装着されて内圧の調整に用いられる燃料電池用圧力調整バルブであって、構造が簡素で部品点数が少なく、小型化が可能で製造性にも優れる燃料電池用圧力調整バルブを提供することを目的としている。また、本発明は、上記した燃料電池用圧力調整バルブを具備する燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池用圧力調整バルブは、バルブ室と、前記バルブ室に収容されるバルブ本体とを有し、燃料電池の燃料供給機構に装着されて内圧の調整を行うために用いられる燃料電池用圧力調整バルブであって、前記バルブ本体は、筒状部材と、前記筒状部材の一方の端部に配置され、前記端部の表面に配置される枠部と、前記筒状部材に嵌め込まれる嵌合部と、前記枠部に前記嵌合部を移動可能に保持し、孔部が形成される保持部とを有する弾性部材とを有することを特徴とする。

本発明の燃料電池用圧力調整バルブは、前記バルブ本体を前記弾性部材側に押圧する押圧用弾性体を有することが好ましい。また、前記バルブ室は、前記燃料供給機構の燃料収容部に形成される孔部と、前記燃料収容部の孔部に嵌め込まれるようにして固定される筒状の固定部材とから構成されていることが好ましい。さらに、前記燃料収容部の孔部は、前記燃料収容部の内部側に形成される径小部と、前記径小部の外部側に形成される径大部とから構成されていることが好ましい。

前記バルブ本体は、例えば前記弾性部材側が前記燃料供給機構の外部側となるように配置されていてもよいし、また例えば前記弾性部材側が前記燃料供給機構の内部側となるように配置されていてもよい。

本発明の燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持される電解質膜とを有する膜電極接合体と、液体燃料を収容する燃料収容部を有し、前記膜電極接合体の前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構と、前記燃料供給機構に装着される燃料電池用圧力調整バルブとを有するものであって、前記燃料電池用圧力調整バルブが、上記した本発明の燃料電池用圧力調整バルブであることを特徴とする。

本発明によれば、バルブ室と、このバルブ室に収容されるバルブ本体とを有する燃料電池用圧力調整バルブにおいて、バルブ本体を、筒状部材と、この筒状部材の一方の端部に配置される弾性部材とからなるものとし、さらに弾性部材を、筒状部材の端部の表面に配置される枠部と、筒状部材に嵌め込まれる嵌合部と、枠部に嵌合部を移動可能に保持し、孔部が形成される保持部とを有するものとすることで、構造を簡素化し、部品点数を少なくすると共に、小型で製造性に優れるものとすることができる。

また、本発明によれば、燃料電池にこのような燃料電池用圧力調整バルブを用いることで、出力特性を向上させると共に、燃料供給機構の破損を抑制して信頼性に優れるものとしつつ、小型で製造性に優れるものとすることができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の燃料電池の一例を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体としての燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に燃料を供給する燃料供給機構３と、この燃料供給機構３に設けられた燃料電池用圧力調整バルブ（以下、単に圧力調整バルブと呼ぶ）４とから主として構成されている。

燃料供給機構３は、例えば燃料分配機構５と、液体燃料を収容する燃料収容部６と、これら燃料分配機構５と燃料収容部６とを接続する流路７と、この流路７中に配置されたポンプ８とから構成されている。圧力調整バルブ４は、このような燃料供給機構３のうち例えば燃料収容部６に設けられている。

燃料電池セル２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。但し、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。但し、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）等の導電性金属材料にＡｕなどの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜１７と燃料分配機構５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池セル（ＭＥＡ）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

図示を省略したが、カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料収容部６には、燃料電池セル２に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部６には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。

この燃料収容部６は、耐メタノール性を有する樹脂材料として、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等、さらには耐メタノール性と透明性を有する樹脂材料として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等により構成される。

燃料電池セル２のアノード１３側には、燃料分配機構５が配置されている。燃料分配機構５は途中にポンプ８が設けられた配管のような液体燃料の流路７を介して燃料収容部６と接続されている。燃料分配機構５にはこのような流路７を通して液体燃料が燃料収容部６から導入される。流路７は燃料分配機構５や燃料収容部６と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構５と燃料収容部６とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構５は流路７を介して燃料収容部６と接続されていればよい。

燃料分配機構５は、例えば図２に示すように液体燃料が流路７を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口５ａと、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口５ｂとを有する燃料分配板５ｃである。燃料分配板５ｃの内部には、図１に示すように燃料注入口５ａから導かれた液体燃料の通路となる空隙部５ｄが設けられている。複数の燃料排出口５ｂは燃料通路として機能する空隙部５ｄにそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口５ａから燃料分配板５ｃに導入された液体燃料は空隙部５ｄに入り、この燃料通路として機能する空隙部５ｄを介して複数の燃料排出口５ｂにそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口５ｂには、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口５ｂからアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口５ｂは燃料電池セル２の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板５ｃのアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口５ｂの個数は１個以上であればよいが、燃料電池セル２の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ^２の燃料排出口５ｂが存在するように形成することが好ましい。燃料排出口５ｂの個数が０．１個／ｃｍ^２未満であると、燃料電池セル２に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口５ｂの個数を１０個／ｃｍ^２を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。

燃料分配機構５から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル２のアノード１３に供給される。燃料電池セル２内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）

この反応で生成した電子（ｅ⁻）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ⁻＋６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）

ポンプ８は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部６から燃料分配機構５に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ８で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。燃料分配機構５から燃料電池セル２に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部６に戻されることはない。図１に示す燃料電池１は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ８を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、例えばセミパッシブ方式と呼称されるものである。

ポンプ８の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

ポンプ８の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ８の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル２への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ８と燃料分配機構５との間に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。

一方、ポンプ８の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ８を使用することが好ましい。ポンプ８の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ８には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。

圧力調整バルブ４は、燃料収容部６の内圧（以下、単に内圧と呼ぶ）が適正範囲内となるように設けられている。すなわち、内圧が適正範囲を下回った場合、例えばポンプ８の実質的な送液能力を回復させるために、外気を導入して内圧を上昇させ、また内圧が適正範囲よりも高くなった場合、燃料収容部６の破損を抑制するために、内気を排出して内圧を低下させるために設けられている。なお、内圧が適正範囲内となっている場合には、全体として閉塞することにより、外部から燃料収容部６への異物の侵入を抑制すると共に、燃料収容部６から外部への液体燃料の流出を抑制する。

ここで、内圧の適正範囲としては、ポンプ８の送液能力、燃料収容部６の強度等に応じて適宜選択することができるが、例えば下限が大気圧に対して０．０１ＭＰａ程度低い圧力であり、上限が大気圧に対して０．６ＭＰａ程度高い圧力である。下限が大気圧に対して０．０１ＭＰａを下回るような低い圧力となると、例えばポンプ８の実質的な送液能力が低下し、燃料電池１の出力特性が不安定となるおそれがあり、上限が大気圧に対して０．６ＭＰａを上回るような高い圧力となると、例えば燃料収容部６等が破損し、液体燃料が流出するおそれがある。

図３は、本発明の圧力調整バルブ４の第１の形態を示す断面図であり、内圧が適正範囲内となっている場合を示すものである。なお、以下の圧力調整バルブ４を示す図では、いずれも図中上側が燃料収容部６の外部側、図中下側が燃料収容部６の内部側となるように図示している。また、以下の説明では、燃料収容部６の外部側を単に外部側と呼び、燃料収容部６の内部側を単に内部側と呼んで説明する。

圧力調整バルブ４は、バルブ室４１と、このバルブ室４１に収容されるバルブ本体４２とを有している。また、圧力調整バルブ４は、バルブ本体４２を押圧するスプリング等の押圧用弾性体４３を有している。

この押圧用弾性体４３は、燃料流路内に配置され液体燃料に接液するため、表面処理が施されたものであることが好ましい。具体的には、ステンレス系のスプリングに対し不動態化処理を行い、耐食性を高めたものが好ましい。表面処理に関しては不動態化処理に限らず、金等の貴金属めっきやフッ素系樹脂等の樹脂コーティングが好適に用いられる。また、素材としてカーボンを用いたバネを使用することもできる。

バルブ室４１は、例えば燃料収容部６の容器外壁を利用して形成され、具体的には容器外壁に設けられる孔部６１と、この孔部６１に外部側から嵌め込まれるようにして固定される固定部材４４とから構成されている。

孔部６１は、気体の流路となると共に、バルブ室４１を主として構成するものであり、具体的には容器外壁の内部側に形成される内側孔部６１ａと、この内側孔部６１ａの外部側に形成される外側孔部６１ｂとから構成されており、外側孔部６１ｂがバルブ室４１を主として構成している。

固定部材４４は、筒状とされ、例えば外側孔部６１ｂに挿入される挿入部４４ａと、この挿入部４４ａの外部側に形成され、外側孔部６１ｂの縁部に引っかかるようにして形成される径大部４４ｂと、これらを貫通する筒孔４４ｃとを有している。挿入部４４ａは、バルブ本体４２を外部側から抑えるようにして外側孔部６１ｂに保持し、径大部４４ｂは、外側孔部６１ｂの縁部に引っかかるようにすることで全体が外側孔部６１ｂに埋没しないように設けられている。また、筒孔４４ｃは、気体の流路とするために設けられている。

この固定部材４４は、耐メタノール性を有する樹脂材料として、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等、さらには耐メタノール性と透明性を有する樹脂材料として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等により構成される。特に、固定部材４４は、燃料収容部６と同様の材料とすることにより、燃料収容部６への超音波接合などによる固定が良好となるため好ましい。

一方、バルブ本体４２は、筒状部材４６と、この筒状部材４６の外部側の端部に配置される弾性部材４７とから構成されており、全体が外部側、すなわち弾性部材４７側へと押圧用弾性体４３によって押圧されている。

筒状部材４６は、バルブ本体４２を主として構成し、外部側、すなわち弾性部材４７側に径大部４６ａが形成され、反対側の端部に径小部４６ｂが形成されると共に、全体を貫通するようにして軸孔４６ｃが形成されている。

この筒状部材４６は、耐メタノール性を有する樹脂材料として、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等、さらには耐メタノール性と透明性を有する樹脂材料として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等により構成される。特に、筒状部材４６は、固定部材４４と異なる材料を使用することにより、固定部材４４へ意図しない密着固定の発生を防止できるため好ましい。

径大部４６ａは、弾性部材４７、特にその枠部４７ａを押圧すると共に、押圧用弾性体４３による押圧のために設けられている。また、径小部４６ｂは、内側孔部６１ａに挿入されることで、筒状部材４６、すなわちバルブ本体４２を軸方向に沿って適切に移動させるために設けられている。なお、内側孔部６１ａと径小部４６ｂとの間には、気体の流路となる程度の隙間が設けられている。さらに、軸孔４６ｃも気体の流路とするために設けられている。

弾性部材４７は、例えば弾性材料から一体に形成されるものであり、筒状部材４６の外部側の端部の表面に配置される枠部４７ａと、筒状部材４６、具体的には軸孔４６ｃに嵌め込まれる嵌合部４７ｂと、枠部４７ａに嵌合部４７ｂを移動可能に保持し、孔部４７ｃが形成される保持部４７ｄとを有している。

枠部４７ａは、筒状部材４６と固定部材４４との間、具体的にはこれらの対向する端部（縁部）をシール状態とすると共に、保持部４７ｄを介して嵌合部４７ｂを保持するために設けられている。また、嵌合部４７ｂは、軸孔４６ｃに嵌め込まれることによって、この軸孔４６ｃを開閉させるために設けられている。さらに、保持部４７ｄは、枠部４７ａに嵌合部４７ｂを保持するために設けられている。また、孔部４７ｃは、軸孔４６ｃが開放された際の気体の流路とするために設けられている。

この弾性部材４７は、例えば、耐メタノール性を有するエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）によって形成される。しかしながら、例えば保持部４７ｄを構成する可動膜の材質についてはＥＰＤＭに限らず、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）が好適に用いられる。また、可動膜の材質について上記列挙した材質を好適に用い、枠部４７ａに関しては耐メタノール性を有した樹脂、例えばポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のフィルムを使用し、フィルム上にリップ形状の枠部４７ａを形成した構成としてもよい。

図４は、弾性部材４７の一例を示す外観図であり、図４（ａ）は筒状部材４６側、また図４（ｂ）はその反対側をそれぞれ示したものである。

例えば図４（ａ）に示すように、枠部４７ａは、例えば外観が略環状とされており、筒状部材４６と固定部材４４との間を周方向に渡って全体的にシール状態とすることができるようになっている。なお、この枠部４７ａは、例えば断面が図３に示すような円状とされており、筒状部材４６と固定部材４４との間をより確実にシール状態とすることができるようになっている。また、嵌合部４７ｂは、例えば枠部４７ａの軸心部分に形成され、軸孔４６ｃへの挿入、位置決め等が容易となるように外観が略円錐状とされている。

嵌合部４７ｂの側面部には、例えば軸方向に延びる溝部４７ｅが形成されており、気体の流通が容易となるようになっている。なお、溝部４７ｅは嵌合部４７ｂの径大側には形成されておらず、この溝部４７ｅが形成されていない環状部分が軸孔４６ｃに密着してシール状態とするシール部４７ｆとなっている。また、保持部４７ｄは、枠部４７ａに嵌合部４７ｂを保持するように膜状に形成されており、例えば嵌合部４７ｂの周囲に均等な間隔を設けて４個の孔部４７ｃが形成されている。

このような圧力調整バルブ４によれば、内圧が適正範囲内となっている場合、図３に示すように、枠部４７ａと嵌合部４７ｂとが保持部４７ｄによって繋がれているために、嵌合部４７ｂが軸孔４６ｃに嵌め込まれ、軸孔４６ｃが閉塞される。また、この軸孔４６ｃが閉塞されたバルブ本体４２の全体が押圧用弾性体４３によって外部側へと押圧されることで、筒孔４４ｃの周囲にバルブ本体４２が接触し、筒孔４４ｃが閉塞される。これにより、外部側からの異物の侵入が抑制されると共に、内部側からの液体燃料の流出が抑制される。

一方、内圧が適正範囲の下限値を下回った場合、図５に示すように、この内圧と外圧（燃料収容部６の外部側の圧力；大気圧）との差を利用してバルブ本体４２を内部側へと移動させ、筒孔４４ｃを開放させることができる。これにより、筒孔４４ｃから外側孔部６１ｂとバルブ本体４２の外径側との間に外気を導入し、さらにこの外気を内側孔部６１ａと径小部４６ｂとの隙間から内側孔部６１ａを通して燃料収容部６へと導入することができる。結果として、燃料収容部６の内圧が上昇し、内圧を適正範囲内へと戻すことができる。このようにして内圧が適正範囲内へと戻った後は、再び押圧用弾性体４３によってバルブ本体４２の全体が外部側へと押圧されることで、図３に示すように筒孔４４ｃが閉塞される。

また、内圧が適正範囲の上限値を上回った場合、図６に示すように、この内圧と外圧との差を利用して枠部４７ａに対して嵌合部４７ｂを外部側へと移動させ、軸孔４６ｃから嵌合部４７ｂ、特にシール部４７ｆが外れるようにすることで、軸孔４６ｃを開放させることができる。これにより、燃料収容部６の内気を内側孔部６１ａ、軸孔４６ｃ、孔部４７ｃ、筒孔４４ｃを順に通して外部側へと排出することができる。結果として、燃料収容部６の内圧が低下し、内圧を適正範囲内へと戻すことができる。このようにして内圧が適正範囲内へと戻った後は、再び枠部４７ａに繋がれた保持部４７ｄに引っ張られるようにして嵌合部４７ｂが内部側へ移動し、軸孔４６ｃに嵌合部４７ｂが嵌め込まれることで、図３に示すように軸孔４６ｃが閉塞される。

なお、圧力調整バルブ４は、内圧が適正範囲の下限値を下回ったときに、この内圧と外圧との差によってバルブ本体４２が内部側へと移動することができるように押圧用弾性体４３の反発力が調整されている。また、内圧が適正範囲の上限値を上回ったときに、この内圧と外圧との差を利用して枠部４７ａに対して嵌合部４７ｂが外部側へと移動することができるように、すなわち軸孔４６ｃから嵌合部４７ｂが外れるように保持部４７ｄの収縮力が調整されている。このような保持部４７ｄの収縮力の調整は、例えば保持部４７ｄの構成材料、厚さ、孔部４７ｃの個数等を適宜選択することにより行うことができる。

次に、本発明の圧力調整バルブ４の第２の形態について説明する。
図７は、第２の形態の圧力調整バルブ４を示す断面図であり、内圧が適正範囲内となっている場合を示すものである。この圧力調整バルブ４は、押圧用弾性体４３も含めたバルブ本体４２の向きが第１の形態の圧力調整バルブ４とは反対となっている。

すなわち、バルブ本体４２は、弾性部材４７側が内側孔部６１ａの周囲、具体的には内側孔部６１ａと外側孔部６１ｂとの間に形成される段部に接触し、また径小部４６ｂ側が筒孔４４ｃに挿入されるように配置されている。そして、全体が内部側、すなわち弾性部材４７側へと押圧用弾性体４３によって押圧されている。なお、筒孔４４ｃと径小部４６ｂとの間には、気体の流路となる程度の隙間が設けられている。

この圧力調整バルブ４では、第１の形態の圧力調整バルブ４に対して押圧用弾性体４３も含めたバルブ本体４２の向きを反対にすることで、内圧の調整方法も第１の形態の圧力調整バルブ４と反対となっており、具体的には、内圧が適正範囲を下回った場合の調整を弾性部材４７による軸孔４６ｃの開閉により行い、内圧が適正範囲を上回った場合の調整をバルブ本体４２と押圧用弾性体４３とによる内側孔部６１ａの開閉により行うようにしている。

従って、この圧力調整バルブ４では、内圧が適正範囲の下限値を下回ったときに、この内圧と外圧との差を利用して枠部４７ａに対して嵌合部４７ｂが内部側へと移動することができるように、すなわち軸孔４６ｃから嵌合部４７ｂが外れるように保持部４７ｄの収縮力が調整されている。また、内圧が適正範囲の上限値を上回ったときに、この内圧と外圧との差によってバルブ本体４２が外部側へと移動することができるように押圧用弾性体４３の反発力が調整されている。

なお、この圧力調整バルブ４では、押圧用弾性体４３も含めたバルブ本体４２の向きが変更されると共に、これに合わせて弾性部材４７の保持部４７ｄの収縮力および押圧用弾性体４３の反発力が変更される以外は、バルブ室４１の構成、バルブ本体４２の構成については第１の形態の圧力調整バルブ４と同様なものとなっている。

このような圧力調整バルブ４によれば、内圧が適正範囲内となっている場合、枠部４７ａと嵌合部４７ｂとが保持部４７ｄによって繋がれているために、嵌合部４７ｂが軸孔４６ｃに嵌め込まれ、軸孔４６ｃが閉塞される。また、この軸孔４６ｃが閉塞されたバルブ本体４２の全体が押圧用弾性体４３によって内部側へと押圧されることで、内側孔部６１ａの周囲にバルブ本体４２が接触し、内側孔部６１ａが閉塞される。これにより、外部側からの異物の侵入が抑制されると共に、内部側からの液体燃料の流出が抑制される。

一方、内圧が適正範囲の下限値を下回った場合、例えば図８に示すように、この内圧と外圧との差を利用して枠部４７ａに対して嵌合部４７ｂを内部側へと移動させ、軸孔４６ｃから嵌合部４７ｂ、特にシール部４７ｆが外れるようにすることで、軸孔４６ｃを開放させることができる。これにより、筒孔４４ｃ、軸孔４６ｃ、孔部４７ｃ、内側孔部６１ａを通して燃料収容部６へと外気を導入することができる。結果として、燃料収容部６の内圧が上昇し、内圧を適正範囲内へと戻すことができる。このようにして内圧が適正範囲内へと戻った後は、再び枠部４７ａに繋がれた保持部４７ｄに引っ張られるようにして嵌合部４７ｂが外部側へ移動し、軸孔４６ｃに嵌合部４７ｂが嵌め込まれることで、図７に示すように軸孔４６ｃが閉塞される。

また、内圧が適正範囲の上限値を上回った場合、例えば図９に示すように、この内圧と外圧との差を利用してバルブ本体４２を外部側へと移動させ、内側孔部６１ａを開放させることができる。これにより、燃料収容部６の内気を内側孔部６１ａから外側孔部６１ｂとバルブ本体４２の外径側との間に排出し、さらに筒孔４４ｃと径小部４６ｂとの隙間を通して外部側へと排出することができる。結果として、燃料収容部６の内圧が低下し、内圧を適正範囲内へと戻すことができる。このようにして内圧が適正範囲内へと戻った後は、再び押圧用弾性体４３によってバルブ本体４２の全体が内部側へと押圧されることで、図７に示すように内側孔部６１ａが閉塞される。

以上、本発明の圧力調整バルブ４について第１の形態と第２の形態とを例に挙げて説明したが、これらの中では通常は第１の形態の圧力調整バルブ４を用いることが好ましい。第１の形態の圧力調整バルブ４を用いることで、内圧が適正範囲を下回ったときの調整を迅速かつ厳密に行うことができ、例えばポンプ８の実質的な送液能力の低下を効果的に抑制し、燃料電池１の出力特性をより向上させることができる。

すなわち、スプリング等の押圧用弾性体４３を利用して圧力の調整を行うものと、弾性部材４７、具体的には枠部４７ａに保持部４７ｄを介して保持される嵌合部４７ｂを利用して圧力の調整を行うものとでは、スプリング等の押圧用弾性体４３を用いたものの方が迅速かつ正確に圧力の調整を行うことができる。このため、このようなスプリング等の押圧用弾性体４３を内圧が適正範囲を下回ったときの調整に用いる第１の形態の圧力調整バルブ４によれば、内圧が適正範囲を下回ったときの調整を迅速かつ正確に行うことができ、例えばポンプ８の実質的な送液能力の低下を効果的に抑制し、燃料電池１の出力特性をより向上させることができる。

なお、内圧が適正範囲を上回るのは、例えば燃料電池１（燃料収容部６等）が１００℃以上の高温となるときであり、このような高温となることはめったになく、またこのような場合の内圧の調整は必ずしも正確でなくてもよいことから、第１の形態の圧力調整バルブ４についても内圧が適正範囲を上回るときの調整を過不足なく十分に行うことができる。

以上、本発明の圧力調整バルブとこれを利用した燃料電池とについて説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。また、燃料電池セルへ供給する液体燃料についても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であってもよい。

例えば、圧力調整バルブは必ずしも燃料収容部の容器外壁に直接形成する必要はなく、容器外壁に別途バルブケース等を設けてバルブ室としてもよい。また、圧力調整バルブは、必ずしも燃料収容部に設ける必要はなく、燃料分配機構の他の部分、例えば流路等に設けてもよい。なお、流路に圧力調整バルブを設ける場合、ポンプの送液能力の低下を抑制する観点から、ポンプに対して燃料収容部側となる流路に設けることが好ましい。

本発明の燃料電池の一例を示す模式的断面図。 燃料分配機構の一例を示す外観図。 燃料収容部の内圧が適正範囲内となっているときの第１の形態の圧力調整バルブを示す断面図。 弾性部材の一例を示す外観図（筒状部材側、およびその反対側）。 燃料収容部の内圧が適正範囲を下回ったときの第１の形態の圧力調整バルブを示す断面図。 燃料収容部の内圧が適正範囲を上回ったときの第１の形態の圧力調整バルブを示す断面図。 燃料収容部の内圧が適正範囲内となっているときの第２の形態の圧力調整バルブを示す断面図。 燃料収容部の内圧が適正範囲を下回ったときの第２の形態の圧力調整バルブを示す断面図。 燃料収容部の内圧が適正範囲を上回ったときの第２の形態の圧力調整バルブを示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料供給機構、４…圧力調整バルブ、５…燃料分配機構、６…燃料収容部、７…流路、８…ポンプ、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極／酸化剤極）、１７…プロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜、４１…バルブ室、４２…バルブ本体、４３…押圧用弾性体、４４…固定部材、４４ａ…挿入部、４４ｂ…径大部、４４ｃ…筒孔、４６…筒状部材、４６ａ…径大部、４６ｂ…径小部、４６ｃ…軸孔、４７…弾性部材、４７ａ…枠部、４７ｂ…嵌合部、４７ｃ…孔部、４７ｄ…接続部、４７ｅ…溝部、４７ｆ…シール部、６１…孔部、６１ａ…内側孔部、６１ｂ…外側孔部

Claims (7)

1. バルブ室と、前記バルブ室に収容されるバルブ本体とを有し、燃料電池の燃料供給機構に装着されて内圧の調整を行うために用いられる燃料電池用圧力調整バルブであって、
   前記バルブ本体は、筒状部材と、前記筒状部材の一方の端部に配置され、前記端部の表面に配置される枠部と、前記筒状部材に嵌め込まれる嵌合部と、前記枠部に前記嵌合部を移動可能に保持し、孔部が形成される保持部とを有する弾性部材とを有することを特徴とする燃料電池用圧力調整バルブ。
2. 請求項１記載の燃料電池用圧力調整バルブにおいて、
   前記バルブ本体を前記弾性部材側に押圧する押圧用弾性体を有することを特徴とする燃料電池用圧力調整バルブ。
3. 請求項１または２記載の燃料電池用圧力調整バルブにおいて、
   前記バルブ室は、前記燃料供給機構の燃料収容部に形成される孔部と、前記燃料収容部の孔部に嵌め込まれるようにして固定される筒状の固定部材とから構成されていることを特徴とする燃料電池用圧力調整バルブ。
4. 請求項３記載の燃料電池用圧力調整バルブにおいて、
   前記燃料収容部の孔部は、前記燃料収容部の内部側に形成される径小部と、前記径小部の外部側に形成される径大部とから構成されていることを特徴とする燃料電池用圧力調整バルブ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池用圧力調整バルブにおいて、
   前記バルブ本体は、前記弾性部材側が前記燃料供給機構の外部側となるように配置されていることを特徴とする燃料電池用圧力調整バルブ。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池用圧力調整バルブにおいて、
   前記バルブ本体は、前記弾性部材側が前記燃料供給機構の内部側となるように配置されていることを特徴とする燃料電池用圧力調整バルブ。
7. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持される電解質膜とを有する膜電極接合体と、液体燃料を収容する燃料収容部を有し、前記膜電極接合体の前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構と、前記燃料供給機構に装着される燃料電池用圧力調整バルブとを有する燃料電池であって、
   前記燃料電池用圧力調整バルブが、請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池用圧力調整バルブであることを特徴とする燃料電池。

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