(57)【要約】入口シャット弁（２０）および出口シャット弁（２２）は、主ダイヤフラム（４６）と副ダイヤフラム（４８）とを備え、主ダイヤフラム（４６）の上面側に閉弁用圧力室（５０）を、下面側に開弁用圧力室（５２）を設ける。副ダイヤフラム（４８）の上面側に大気圧室（５４）を、下面側に流路構成圧力室（５６）を設ける。弁体（５８）を構成する駆動軸（６０）を、閉弁用圧力室（５０）と開弁用圧力室（５２）とでの圧力差により作用する第１の力（Ｆ１）と、第１の力（Ｆ１）と同方向に作用する力であって、大気圧室（５４）と流路構成圧力室（５６）とでの圧力差により作用する第２の力（Ｆ２）との両方の力（Ｆ１，Ｆ２）により開弁状態となる方向に駆動するようにする。
2008069007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸を有する弁体を備え、駆動軸の軸方向の変位により流路内を遮断または接続する流体制御弁であって、
駆動軸は、互いに分離した第１の圧力室と第２の圧力室とでの圧力差により作用する第１の力と、第１の力と同方向に作用する力であって、互いに分離した第３の圧力室と第４の圧力室とでの圧力差により作用する第２の力との両方の力により駆動することを特徴とする流体制御弁。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうち、１の圧力室が弁体により遮断または接続される流路であることを特徴とする流体制御弁。
【請求項３】
請求の範囲１または請求の範囲２に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室および第２の圧力室のうち１の圧力室と、第３の圧力室および第４の圧力室のうち１の圧力室とが互いに連通しているか、それぞれ大気に開放されていることを特徴とする流体制御弁。
【請求項４】
請求の範囲１または請求の範囲２に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうちいずれの２の圧力室も内部で互いに連通していないことを特徴とする流体制御弁。
【請求項５】
請求の範囲１から請求の範囲４のいずれか１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室および第２の圧力室のうち一方の圧力室が、弁体により遮断または接続される流路であり、第１の圧力室および第２の圧力室のうち他方の圧力室が、大気に開放されており、第３の圧力室および第４の圧力室のうち一方の圧力室が流路内を流れる流体と同種の流体により加圧されており、第３の圧力室および第４の圧力室のうち他方の圧力室が大気に開放されていることを特徴とする流体制御弁。
【請求項６】
請求の範囲１から請求の範囲５のいずれか１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、開弁状態となるノーマルオープン型のシャット弁であることを特徴とする流体制御弁。
【請求項７】
請求の範囲１から請求の範囲５のいずれか１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、弾力付与手段の弾力により閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁であり、互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動することを特徴とする流体制御弁。
【請求項８】
請求の範囲１から請求の範囲７のいずれか１に記載の流体制御弁において、
酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁として使用することを特徴とする流体制御弁。
【請求項９】
請求の範囲８に記載の流体制御弁において、
互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動し、
開弁状態から閉弁状態となるように駆動軸が駆動する方向の前側に流路の燃料電池側が位置することを特徴とする流体制御弁。
【請求項１０】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室を構成する部材と、第２の圧力室を構成する部材とを、互いに異なる金属により構成することを特徴とする流体制御弁。
【請求項１１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁が、請求の範囲１から請求の範囲１０のいずれか１に記載の流体制御弁であ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、駆動軸を有する弁体を備え、駆動軸の軸方向の変位により流路内を遮断または接続する流体制御弁と、流体制御弁を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給するためのガス供給流路と、燃料電池から反応ガスを排出するためのガス排出流路とを備える。また、このようなガス供給流路と、ガス排出流路とに、流体制御弁に対応する燃料電池用開閉弁を設けることも考えられている。
例えば、日本国特開２００４−１８３７１３号公報に記載された燃料電池用開閉弁の場合、柱部を有する弁体を備え、柱部の軸方向の変位によりガス流路内を遮断または接続できるようにしている。この燃料電池用開閉弁は、内部をダイヤフラムにより２個の室に仕切っている。このような開閉弁は、燃料電池から排出水素を排出するための水素排出部に設けており、燃料電池にエアを供給するためのエア供給用通路から分岐させた通路を、開閉弁の２個の室のうち一方の室に通じさせている。２個の室のうち他方の室には、コイルスプリングを設けており、コイルスプリングは他方の室を開き、排出水素を排出するように弁体を付勢する。使用時に一方の室にエアが供給されると、ダイヤフラムに圧力が作用して、コイルスプリングの弾力に抗して弁体が弁座に着座して、他方の室が閉じられる。
また、日本国特開２００４−１５００９０号公報に記載された燃料電池用水素調圧弁の場合、弁体に連結した２枚のダイヤフラムによりハウジング内を３個の室に仕切っており、３個の室のうちの調圧室に導入される供給空気圧と、スプリングによる圧力と、水素ガスの圧力とに応じて、弁の開度を調整できるようにしている。
上記の日本国特開２００４−１８３７１３号公報に記載された燃料電池用開閉弁の場合、２個の室のうち、一方の室にエアを供給することにより、排出水素を排出するための流路を閉じるようにしている。すなわち、２個の室の圧力差により流路を遮断するようにしている。また、開弁時には、２個の室の圧力差とばねの弾力とのみにより、弁を駆動して流路を接続するようにしている。このため、弁の駆動の応答性向上の面から改良の余地がある。
例えば、燃料電池用開閉弁を水分が流れる環境下で使用する場合、閉弁時に弁体部分に付着した水分が凍結すると、開弁するのに大きな力を必要とする場合がある。これに対して、２個の室の圧力差とばねの弾力とのみにより、流路を遮断または接続する場合、弁を駆動する力が小さくなる可能性がある。このため、弁を駆動するための入力信号に対する弁駆動の応答性の向上を図れる構成の採用が望まれている。
また、日本国特開２００４−１５００９０号公報に記載された燃料電池用開閉弁の場合、３個の室を設けているが、中央の室は大気圧室であり、両側の２個の室は正圧が作用するため、２個の室のうちの調圧室に供給空気圧が導入されることにより弁体を駆動する力と、２個の室のうちの排出水素排出用の室に存在する水素ガスの圧力により弁体を駆動する力とは、互いに逆方向に作用する。このため、弁の駆動の応答性向上の面からはまだ改良の余地がある。
本発明の目的は、流体制御弁および燃料電池システムにおいて、弁の駆動に対する応答性を向上させることにある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明に係る流体制御弁は、駆動軸を有する弁体を備え、駆動軸の軸方向の変位により流路内を遮断または接続する流体制御弁であって、駆動軸は、互いに分離した第１の圧力室と第２の圧力室とでの圧力差により作用する第１の力と、第１の力と同方向に作用する力であって、互いに分離した第３の圧力室と第４の圧力室とでの圧力差により作用する第２の力との両方の力により駆動することを特徴とする流体制御弁である。
また、好ましくは、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうち、１の圧力室を、弁体により遮断または接続する流路とする。
また、より好ましくは、第１の圧力室および第２の圧力室のうち１の圧力室と、第３の圧力室および第４の圧力室のうち１の圧力室とを互いに連通するか、それぞれ大気に開放する。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうちいずれの２の圧力室も内部で互いに連通していない。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、第１の圧力室および第２の圧力室のうち一方の圧力室を、弁体により遮断または接続される流路とし、第１の圧力室および第２の圧力室のうち他方の圧力室を、大気に開放し、第３の圧力室および第４の圧力室のうち一方の圧力室を流路内を流れる流体と同種の流体により加圧し、第３の圧力室および第４の圧力室のうち他方の圧力室を大気に開放する。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、開弁状態となるノーマルオープン型のシャット弁とする。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、弾力付与手段の弾力により閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁とし、互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動する。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁として使用する。
また、酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁として使用する構成において、好ましくは、互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動し、開弁状態から閉弁状態となるように駆動軸が駆動する方向の前側に流路の燃料電池側が位置するようにする。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、流路の開口面積を調整可能とする。
また、本発明に係る流体制御弁において、好ましくは、第１の圧力室を構成する部材と、第２の圧力室を構成する部材とを、互いに異なる金属により構成する。
また、本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁が、上記の流体制御弁であることを特徴とする燃料電池システムである。
本発明に係る流体制御弁および燃料電池システムの場合、弁体が有する駆動軸は、互いに分離した第１の圧力室と第２の圧力室とでの圧力差により作用する第１の力と、第１の力と同方向に作用する力であって、互いに分離した第３の圧力室と第４の圧力室とでの圧力差により作用する第２の力との両方の力により駆動するため、弁の駆動に対する応答性の向上を図れる。
また、駆動軸の軸方向に第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とを配置している場合には、それぞれの圧力室を大きくすることなく、弁を駆動する力を大きくできる。すなわち、２個の圧力室の圧力差だけにより弁を駆動する従来の流体制御弁の場合、弁を駆動する力を大きくするためには、１個の圧力室の内径を大きくし、２個の圧力室の間に設けたダイヤフラムの直径を大きくすることにより、ダイヤフラムの受圧面積を大きくする必要がある。ただし、この場合には、圧力室の直径が大きくなり、流体制御弁の大型化を招く原因となる。流体制御弁の大型化を招くと、重量が増大したり、車両等への搭載性が悪化することにつながる可能性がある。これに対して、本発明に係る流体制御弁で、駆動軸の軸方向に第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とを配置している場合には、それぞれの圧力室の内径を過度に大きくすることなく、弁を駆動する力を大きくできる。
また、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうち、１の圧力室を、弁体により遮断または接続される流路とする構成によれば、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室との他に、弁体により遮断または接続される流路を設ける場合と異なり、流体制御弁の小型化をより図りやすくなる。
また、第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、弾力付与手段の弾力により閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁とし、駆動軸が互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより開弁状態となる方向に駆動する構成によれば、本発明の構成を採用することにより得られる本発明の効果が顕著になる。すなわち、流体制御弁を閉弁状態から開弁状態とするために弾力付与手段の弾力に抗して駆動軸を変位させる必要があるのにもかかわらず、第１の力と第２の力とにより開弁状態を有効に実現できる。このため、本発明の構成を採用することにより得られる、本発明の効果が顕著になる。
また、酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁として使用する構成において、互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動し、開弁状態から閉弁状態となるように駆動軸が駆動する開弁方向の前側に流路の燃料電池側が位置するようにする構成によれば、本発明の構成を採用することにより得られる本発明の効果が顕著になる。すなわち、燃料電池が発電することにより酸素または水素が消費されると、流体制御弁の燃料電池側が負圧になるため、閉弁状態から開弁状態にするためには、負圧に抗して駆動軸を変位させる必要がある。上記の構成の場合、このように負圧に抗して駆動軸を変位させる必要があるのにもかかわらず、第１の力と第２の力とにより開弁状態を有効に実現できる。このため、本発明の構成を採用することにより得られる、本発明の効果が顕著になる。
また、流路の開口面積を調整可能とする構成によれば、例えば、酸化ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用調圧弁および燃料電池用エアシャット弁の両方の機能を有するものとして使用できる。このため、例えば、燃料電池から酸化ガス系ガスを排出するための酸化ガス系排出流路に、流路の開口面積を調整可能とするエアシャット弁を設ければ、酸化ガス系排出流路に別の調圧弁を設ける必要がなくなり、コスト低減を図れる。
また、第１の圧力室を構成する部材と、第２の圧力室を構成する部材とを、互いに異なる金属により構成する構成によれば、流体制御弁を車両の床下に搭載して使用する等の、流体制御弁を、外部に水がかかる可能性がある状況で使用する場合でも、耐水性の向上と、軽量化との両立を高次元で図りやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの基本構成を示す図である。
図２は、図１の燃料電池システムに使用する入口シャット弁（または出口シャット弁）の構造を、開弁状態で示す断面図である。
図３は、同じく入口シャット弁（または出口シャット弁）の構造を、閉弁状態で示す断面図である。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する入口シャット弁（または出口シャット弁）を示す、図３のＡ部拡大相当図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１から図３は、本発明の第１の実施の形態を示しており、図１は、本実施の形態の燃料電池システムの略構成図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、酸化ガス供給流路１４および酸化ガス系排出流路１６と、加湿器バイパス弁１８と、入口シャット弁２０と、出口シャット弁２２とを備える。
燃料電池スタック１２は、酸素と水素との電気化学反応により発電する。すなわち、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである空気とを燃料電池スタック１２に供給することにより、燃料電池スタック１２内の図示しない複数の燃料電池セルにおいて、酸素と水素とが電気化学反応して電気エネルギーが得られる。燃料電池セルは、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−電極アセンブリと、その両側のセパレータを備えるものとする。
なお、本実施形態の燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車用として車両に搭載し、燃料電池スタック１２を、車両走行用モータの電源として使用する。もちろん、本実施の形態の燃料電池システムを、車両走行用以外の用途に使用することもできる。
酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために酸化ガス供給流路１４を設けている。酸化ガス供給流路１４のガス上流側にはエアコンプレッサ２４とインタークーラ２６とを設けている。エアコンプレッサ２４により加圧された空気は、インタークーラ２６で冷却され、加湿器２８で加湿された後、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に供給される。
また、空気を、加湿器２８を通過させてから燃料電池スタック１２に供給するための本経路３０とは別に、本経路３０とガスの流れに関して並行に、加湿器バイパス経路３２を設けている。加湿器バイパス経路３２を通過する空気は、加湿器２８を通過せずに、燃料電池スタック１２に供給される。加湿器バイパス経路３２の途中に、加湿器バイパス弁１８を設けている。
また、燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気である空気オフガスを、燃料電池スタック１２から排出するために、酸化ガス系排出流路１６を設けている。酸化ガス系排出流路１６を通じて排出される空気オフガスは、調圧弁３４を介して加湿器２８に送られ、その後、図示しない希釈器を介して大気に放出される。調圧弁３４は、燃料電池スタック１２から排出される空気の圧力（背圧）が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。すなわち、調圧弁３４の弁開度によって酸化ガス系排出流路１６内の圧力センサＰ２の位置に対応する空気の圧力が調整される。また、加湿器２８は、燃料電池スタック１２から排出された後の空気から得た水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。
なお、燃料電池スタック１２には、水素ガスを供給するための水素ガス供給流路と水素ガス系ガスを排出するための水素ガス系排出流路とを接続しているが、図１では図示を省略している。
また、酸化ガス供給流路１４の本経路３０において、加湿器バイパス経路３２の上流側接続部と加湿器２８との間、および、酸化ガス系排出流路１６において、加湿器２８よりもガス下流側の間に、ガスの流れに関して燃料電池スタック１２と並行になるように、燃料電池バイパス経路３６を接続している。そして、燃料電池バイパス経路３６の途中に燃料電池バイパス弁３８を設けている。燃料電池バイパス弁３８は、燃料電池スタック１２へ供給される空気の圧力を制御するために利用される。すなわち、燃料電池バイパス弁３８の弁開度により、酸化ガス供給流路１４の入口圧力センサＰ１の位置に対応する空気の圧力が調整される。なお、エアコンプレッサ２４から吐出される空気の流量により、入口圧力センサＰ１位置に対応する空気圧力を調整することもできる。もちろん、燃料電池バイパス弁３８の弁開度と、エアコンプレッサ２４による吐出流量との両方を利用して、入口圧力センサＰ１位置に対応する空気圧力を調整することもできる。
また、燃料電池システム１０は、氷点下等の低温始動時において、燃料電池スタック１２を速やかに温度上昇させることが好ましい。そして、このために、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの量に比べて、燃料電池スタック１２に供給される空気の量を、水素ガスとの反応により発電するのに見合う量よりも少なくし、すなわちカソードストイキ比を下げて、低効率で発電させ、燃料電池スタック１２を速やかに温度上昇させることが考えられる。ただし、この場合には、燃料電池スタック１２のアノード側の流路から電解質膜を透過して水素がカソード側の流路に入り込み、酸化ガス系排出流路１６内の水素濃度が高くなる可能性がある。上記の燃料電池バイパス弁３８は、このような場合に開弁状態として、燃料電池スタック１２を通過しない空気により酸化ガス系排出流路１６内の水素濃度を低下させるために利用することもできる。また、燃料電池スタック１２から排出される水素ガス系ガス、いわゆる水素オフガス中に含まれる水素の濃度が通常時よりも高くなる可能性があり、上記の燃料電池バイパス弁３８は、このような場合に開弁状態として、燃料電池スタック１２を通過しないで希釈器に送り込まれる空気の量を多くし、排出されるガス中の水素濃度を低下させるために利用することもできる。
さらに、酸化ガス供給流路１４の本経路３０の加湿器２８よりもガス下流側と、酸化ガス系排出流路１６の加湿器２８よりもガス上流側とに、それぞれ入口シャット弁２０と出口シャット弁２２とを設けている。本実施例の場合、上記の加湿器バイパス弁１８と入口シャット弁２０と出口シャット弁２２とが、本発明の流体制御弁であり、かつ、請求の範囲に記載した燃料電池用開閉弁に対応する。
すなわち、加湿器バイパス弁１８と入口シャット弁２０と出口シャット弁２２とは、それぞれ加湿器バイパス経路３２と本経路３０と酸化ガス系排出流路１６との内部の空気の流れを調整する流体制御弁として機能する。これら各弁１８，２０，２２には、圧力制御用流路４０を介して、それぞれが電磁弁である、３つずつのＰＳＶ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｖａｌｖｅ）が接続されている。
すなわち、加湿器バイパス弁１８には、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯの３つのＰＳＶが接続されている。また、入口シャット弁２０には、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯの３つのＰＳＶが接続されており、出口シャット弁２２には、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯの３つのＰＳＶが接続されている。これらのＰＳＶは、圧力制御用流路４０を介して、酸化ガス供給流路１４の本経路３０のガス上流側、例えばエアコンプレッサ２４と加湿器２８との間に接続される。これらのＰＳＶは、図示しないＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）等の制御部により制御される。
加湿器バイパス弁１８と、入口シャット弁２０と、出口シャット弁２２との駆動は、燃料電池スタック１２の状態等に応じて、それぞれに対応したＰＳＶにより制御される。
次に、図２および図３により、入口シャット弁２０と、出口シャット弁２２との構成および作用を、主に入口シャット弁２０により代表して説明する。入口シャット弁２０と出口シャット弁２２との構成自体は、同じである。また、加湿器バイパス弁１８の構成は後で説明する。
図２に示すように、入口シャット弁２０は、内部に設けたすべての圧力室が同圧であるノーマル状態において、弁体が開く開弁状態となるノーマルオープン型のシャット弁としている。
入口シャット弁２０は、複数のハウジング要素を結合して成るハウジング４２の内部に仕切り部４４で仕切った上下２個の空間を設けており、２個の空間に、それぞれ主ダイヤフラム４６と副ダイヤフラム４８とを設けることにより、主ダイヤフラム４６の上面側に閉弁用圧力室５０を、同じく下面側に開弁用圧力室５２を、副ダイヤフラム４８の上面側に大気圧室５４を、同じく下面側に流路構成圧力室５６を、それぞれ設けている。このうちの流路構成圧力室５６が請求の範囲に記載した第１の圧力室に対応し、大気圧室５４が請求の範囲に記載した第２の圧力室に対応する。また、開弁用圧力室５２が請求の範囲に記載した第３または第４の圧力室に対応し、閉弁用圧力室５０が請求の範囲に記載した第４または第３の圧力室に対応する。閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２と大気圧室５４と流路構成圧力室５６とは、互いに分離しており、これら圧力室５０，５２，５４，５６のうち、いずれの２の圧力室も内部で互いに連通していない。
また、主ダイヤフラム４６と副ダイヤフラム４８とは、弁体５８に結合している。すなわち、ハウジング４２の内部に駆動軸６０を有する弁体５８を備え、ハウジング４２に弁体５８を駆動軸６０の軸方向の変位可能に支持している。弁体５８は、駆動軸６０と、駆動軸６０の下端部に結合した円板状の弁体本体６２とを有する。また、駆動軸６０の中間部下端寄りに、外周面に駆動軸側円筒面部６３を有する有底円筒状の筒状部材６４を結合している。
また、筒状部材６４の底板部下面と弁体本体６２の上面との間に、ゴム等のエラストマー等、例えばＥＰＤＭ等のエチレンプロピレンゴム等の弾性材製の副ダイヤフラム４８の内周側端部を狭持し、副ダイヤフラム４８の内周部を駆動軸６０に結合している。副ダイヤフラム４８の外周側端部は、ハウジング４２を構成する２個のハウジング要素により狭持するように、ハウジング４２の内周部に結合している。これにより、ハウジング４２内の仕切り部４４下側の空間の上側と下側とは、副ダイヤフラム４８により、大気圧室５４と流路構成圧力室５６とに分離される。大気圧室５４と流路構成圧力室５６とは、気密に遮断される。
また、副ダイヤフラム４８の径方向中間部内径寄りに、駆動軸側円筒面部６３に沿って押し付けられるように弾性変形したダイヤフラム側円筒部６６を設けている。そして、図３に示すような閉弁状態から、副ダイヤフラム４８のうち、筒状部材６４の駆動軸側円筒面部６３とハウジング４２の内面との間に存在する、上方に山形の環状に変形した環状変形部６７の下面が流路構成圧力室５６の圧力を受けるようにしている。そして環状変形部６７の下面が流路構成圧力室５６の圧力を受けることにより、図２に示すように、ダイヤフラム側円筒部６６の上部を駆動軸側円筒面部６３から引き剥がすように弾性変形させつつ駆動軸６０が変位するようにしている。
また、副ダイヤフラム４８の径方向中間部外径寄りに、ハウジング４２の内面に設けたハウジング側円筒面部６８に沿って押し付けられるように弾性変形した第２のダイヤフラム側円筒部７０を設けている。そして図２に示すような開弁状態から図３に示すように駆動軸６０が下方に変位する際に、第２のダイヤフラム側円筒部７０の上部をハウジング側円筒面部６８から引き剥がすように弾性変形するようにしている。
流路構成圧力室５６は、酸化ガス供給流路１４（図１参照）（出口シャット弁２２の場合は酸化ガス系排出流路１６）の一部を構成し、弁体５８により上流側と下流側とが遮断または接続される。また、大気圧室５４には、一端を大気と連通させた大気連通管７２が接続されており、大気圧室５４が大気に開放されている。
また、弁体５８の上端部に２個の略円板状の抑え部材７４ａ、７４ｂが結合されており、２個の抑え部材７４ａ、７４ｂの間に、ゴム等のエラストマー等、例えばＥＰＤＭ等のエチレンプロピレンゴム等の弾性材製の主ダイヤフラム４６の内周側端部を狭持している。主ダイヤフラム４６の外周側端部は、ハウジング４２を構成する２個のハウジング要素により狭持するように、ハウジング４２の内周部に結合している。これにより、ハウジング４２内の仕切り部４４上側の空間の上側と下側とは、主ダイヤフラム４６により、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とに分離される。閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とは、気密に遮断される。また、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とに、給排管７６が接続されている。
さらに、２個の抑え部材７４ａ、７４ｂのうち下側の抑え部材７４ａと、仕切り部４４との間に、弾力付与手段であるコイルばね７８を設けて、弁体５８に上方向、すなわち、開弁状態となる方向に弾力を付与している。弁体５８は下方向に変位することにより、弁体本体６２の下面が弁座８０に着座して、流路を遮断する。すなわち、駆動軸６０の軸方向の変位により、流路内が遮断または接続される。また、主ダイヤフラム４６を含む駆動軸６０上側の部分の受圧面積の直径は、副ダイヤフラム４８を含む駆動軸６０下側の部分の受圧面積の直径よりも十分に大きくしている。
このような入口シャット弁２０では、閉弁用圧力室５０が、給排管７６（図２、図３）を介して、ＰＳＶであるＶｉＣ側の圧力制御用流路４０に接続されている。また、開弁用圧力室５２が、給排管７６を介して、ＰＳＶであるＶｉＯ側の圧力制御用流路４０に接続されている。駆動軸６０の軸方向の変位により、主ダイヤフラム４６の中央部分が、上下に反り返るように変位する。もちろん、主ダイヤフラム４６の全体が上下に変位する構成を採用することもできる。
駆動軸６０の変位により図２に示すように、弁体５８が上向きに駆動されると、酸化ガス供給流路１４（図１）の上流側から入口シャット弁２０の入口８２に向かって流れる空気が、入口シャット弁２０の出口８４から燃料電池スタック１２（図１）側へ排出される。一方、駆動軸６０の変位により図３に示すように、弁体５８が下向きに駆動されると、出口８４が塞がれ、酸化ガス供給流路１４の上流側から燃料電池スタック１２に向かう空気の流れが遮断される。
なお、出口シャット弁２２の場合には、図１に示すように、入口シャット弁２０に対して、入口８２および出口８４が逆になる。そして、駆動軸６０の変位により弁体５８が上方に駆動されると、酸化ガス系排出流路１６の上流側から出口シャット弁２２の入口８２に向かって流れる空気オフガスが、出口シャット弁２２の出口８４から加湿器２８側へ排出される。一方、駆動軸６０の変位により弁体５８が下向きに駆動されると、入口８２が塞がれ、酸化ガス系排出流路１６の上流側から加湿器２８に向かう空気オフガスの流れが遮断される。
駆動軸６０の軸方向の変位は、３つのＰＳＶによって制御される。すなわち、入口シャット弁２０の場合、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯの３つのＰＳＶによって、開弁用圧力室５２と閉弁用圧力室５０との圧力が制御される。また、出口シャット弁２２の場合には、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯの３つのＰＳＶによって開弁用圧力室５２と閉弁用圧力室５０との圧力が制御される。
図１に示す、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、３ＷＡＹ、すなわち、三方弁式のＰＳＶであり、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とのうちの一方の圧力室を選択的に、エアコンプレッサ２４のガス上流側と接続し、他方の圧力室とエアコンプレッサ２４のガス上流側との間を遮断する。また、ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＣ，ＶｏＯは、いずれも２Ｗａｙ式のＰＳＶであり、排気用バルブ、すなわち圧抜き用バルブとして機能する。
また、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、通電状態により流路の接続状態を変化させる。ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、通電されていない状態（非通電状態）において、エアコンプレッサ２４のガス吐出側と開弁用圧力室５２とを接続する。また、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、通電された状態（通電状態）で、エアコンプレッサのガス吐出側と閉弁用圧力室５０とを接続する。また、ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＣ，ＶｏＯは、いずれも非通電状態で弁を閉鎖し、通電状態で弁を開放する。
なお、図１から図３において、ＶｉＳ（ＶｏＳ），ＶｉＣ（ＶｏＣ），ＶｉＯ（ＶｏＯ）を表している複数の三角形のうち、黒で塗りつぶした三角形は流路を遮断した状態を示しており、白抜きの三角形は流路を接続した状態を表している。
このように構成するため、図３に示す、入口シャット弁２０（または出口シャット弁２２）の閉弁状態から図２に示すように開弁する場合、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）（図１）の非通電状態で、ＶｉＣ（ＶｏＣ）を開弁状態とし、閉弁用圧力室５０を大気に開放する。そして、エアコンプレッサ２４（図１）により、開弁用圧力室５２側の給排管７６（図２、図３）および圧力制御用流路４０を通じて開弁用圧力室５２に圧力上昇した空気を導入する。これにより、開弁用圧力室５２の圧力と閉弁用圧力室５０の圧力（大気圧）との間に圧力差が生じる。
また、図３に示す、流路構成圧力室５６にもエアコンプレッサ２４から酸化ガス供給流路１４の上流側部分を通じて圧力上昇した空気が導入されるため、流路構成圧力室５６の圧力と、大気に連通する大気圧室５４の圧力との間に圧力差が生じる。流路構成圧力室５６の圧力は、図３に示す副ダイヤフラム４８の環状変形部６７の下面に加わる。このため、副ダイヤフラム４８が筒状部材６４を押し上げて、図２に示すように、駆動軸６０が上方に変位し、環状変形部６７が大きく断面山形に上方に変形した状態になる。この結果、駆動軸６０は、流路構成圧力室５６と大気圧室５４とでの圧力差により駆動軸６０に上方に作用する第１の力Ｆ１と、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により駆動軸６０に上方に作用する第２の力Ｆ２との両方の力Ｆ１、Ｆ２と、コイルばね７８の弾力とにより、上方に駆動する。入口シャット弁２０が図２に示すように開弁しきった状態では、ＶｉＣ（ＶｏＣ）を閉弁状態として、閉弁用圧力室５０と大気との間を遮断する。また、この状態で２個の抑え部材７４ａ、７４ｂのうち上側の抑え部材７４ｂが、ハウジング４２の内面の上部に突き当たるストッパの役目を果たす。
一方、図２に示す入口シャット弁２０の開弁状態から図３に示すように閉弁する場合には、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）を通電状態とし、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気が、閉弁用圧力室５０に給排管７６および圧力制御用流路４０を介して導入されるようにする。また、ＶｉＯ（ＶｏＯ）を開弁状態として、開弁用圧力室５２を大気に開放する。この結果、閉弁用圧力室５０の圧力と開弁用圧力室５２の圧力（大気圧）との間に生じる圧力差により駆動軸６０に下方に向かう第３の力Ｆ３が作用する。一方、図２に示す、流路構成圧力室５６にも、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気が導入されるため、流路構成圧力室５６の圧力と大気に連通する大気圧室５４の圧力との間に生じる圧力差により、駆動軸６０に第３の力Ｆ３と逆方向の、上方に向かう第４の力Ｆ４が作用する。ただし、本実施の形態の場合、主ダイヤフラム４６を含む駆動軸６０上側の部分の受圧面積の直径を、副ダイヤフラム４８を含む駆動軸６０下側の部分の受圧面積の直径よりも十分に大きくしている。このため、図３に示すように、駆動軸６０が第４の力Ｆ４とコイルばね７８の弾力とに抗して下方に変位して、弁体本体６２が弁座８０に着座する。
そして、入口シャット弁２０が閉弁しきった状態で、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）を非通電状態として、閉弁用圧力室５０とエアコンプレッサ２４との接続を遮断し、閉弁用圧力室５０内の空気の圧力を一定に維持する。そして、この状態で、ＶｉＯ（ＶｏＯ）を閉弁状態として、開弁用圧力室５２と大気との間を遮断する。出口シャット弁２２についても同様にして、開閉作用を行う。
一方、加湿器バイパス弁１８は、内部に設けたすべての圧力室がすべて同圧であるノーマル状態において、弁体５８が閉じる閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁としている。加湿器バイパス弁１８の詳細構造の図示は省略するが、図２、図３に示した入口シャット弁２０または出口シャット弁２２と同様の構造で、コイルばね７８（図２、図３参照）を、筒状部材６４の底板部上面と仕切り部４４下面との間に設けたような構造を有する。なお、加湿器バイパス弁１８は、抑え部材７４ｂ（図２、図３参照）等の、弁体５８の上端部に固定した部材の上面とハウジング４２の下面との間に、コイルばねを設けて、ノーマルクローズ型のシャット弁とすることもできる（図１の略図参照）。
また、加湿器バイパス弁１８は、図１に示すように、ＰＳＶのＶｂＣ側の圧力制御用流路４０に閉弁用圧力室５０が、ＰＳＶのＶｂＯ側の圧力制御用流路４０に開弁用圧力室５２が、それぞれ接続されている。
駆動軸６０の変位により弁体５８が上向きに駆動されると、加湿器バイパス経路３２の上流側から加湿器バイパス弁１８の入口８２に向かって流れる空気が、加湿器バイパス弁１８の出口８４から燃料電池スタック１２側へ排出される。一方、駆動軸６０の変位により弁体５８が下向きに駆動されると、出口８４が塞がれ、加湿器バイパス経路３２の上流側から燃料電池スタック１２に向かう空気の流れが遮断される。
駆動軸６０の軸方向の変位は、入口シャット弁２０、出口シャット弁２２の場合と同様に、３つのＰＳＶである、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯによって制御される。なお、図１において、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯを表している複数の三角形のうち、黒で塗りつぶした三角形は流路を遮断した状態を示しており、白抜きの三角形は流路を接続した状態を表している。また、ＶｂＳは、非通電状態でエアコンプレッサ２４のガス吐出側と閉弁用圧力室５０とを接続し、通電状態でエアコンプレッサ２４のガス吐出側と開弁用圧力室５２とを接続する。
このような加湿器バイパス弁１８を開弁する場合、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気を開弁用圧力室５２に導入するとともに、閉弁用圧力室５０を大気に開放する。この結果、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気が導入される流路構成圧力室５６と大気圧室５４（図２、図３参照）とでの圧力差により駆動軸６０（図２、図３参照）に上方に作用する第１の力Ｆ１´と、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により駆動軸６０に上方に作用する第２の力Ｆ２´との両方の力Ｆ１´、Ｆ２´により、駆動軸６０がコイルばねの弾力に抗して上方に駆動する。そして、加湿器バイパス弁１８が開弁する。
これに対して、加湿器バイパス弁１８を閉弁する場合、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気を閉弁用圧力室５０に導入するとともに、開弁用圧力室５２を大気に開放する。そして、開弁用圧力室５２と閉弁用圧力室５０とでの圧力差により駆動軸６０に下方に作用する力と、コイルばねの弾力とにより、駆動軸６０が下方に駆動する。この場合、流路構成圧力室５６と大気圧室５４との圧力差により駆動軸６０に上方に力が作用するが、主ダイヤフラム４６（図２、図３参照）を含む駆動軸６０上側の部分の受圧面積の直径を、副ダイヤフラム４８（図２、図３参照）を含む駆動軸６０下側の部分の受圧面積の直径よりも十分に大きくしているため、駆動軸６０は下方に変位する。そして、加湿器バイパス弁１８が閉弁する。
上記のような燃料電池システムによれば、運転を停止した放置中、すなわち、入口シャット弁２０、出口シャット弁２２、加湿器バイパス弁１８のそれぞれに対応するすべての３つずつのＰＳＶの非通電状態で、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８とを、いずれも閉弁状態に維持できる。このため、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の内部の流路に新たな空気が供給されることを防止できる。このため、膜−電極アセンブリを構成する触媒を保持したカーボン材が酸化して、燃料電池スタック１２の寿命が低下するのを抑えることができる。
特に、本実施の形態の場合、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８とは、駆動軸６０を有する弁体５８を備え、駆動軸６０の軸方向の変位により流路内を遮断または接続するとともに、駆動軸６０は、互いに分離した閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により作用する第１の力Ｆ１，Ｆ１´と、第１の力Ｆ１、Ｆ１´と同方向に作用する力であって、互いに分離した大気圧室５４と流路構成圧力室５６とでの圧力差により作用する第２の力Ｆ２，Ｆ２´との両方の力により駆動する構成を備える。このため、弁の駆動に対する応答性の向上を図れる。
また、駆動軸６０の軸方向に閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２と大気圧室５４と流路構成圧力室５６とを配置しているため、それぞれの圧力室５０，５２，５４，５６の内径を過度に大きくすることなく、弁を駆動する力を大きくできる。
また、流路構成圧力室５６を、弁体５８により遮断または接続される流路としているため、圧力室５０，５２，５４，５６の他に弁体５８により遮断または接続される流路を設ける場合と異なり、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８との小型化をより図りやすくなる。
また、加湿器バイパス弁１８は、すべての圧力室５０，５２，５４，５６が同圧である場合にコイルばねの弾力により閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁とするとともに、駆動軸６０が互いに同方向に作用する第１の力Ｆ１´と第２の力Ｆ２´とにより開弁状態となる方向に駆動するようにしている。このため、「駆動軸６０を有する弁体５８を備え、駆動軸６０の軸方向の変位により流路内を遮断または接続するとともに、駆動軸６０は、互いに分離した閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により作用する第１の力Ｆ１´と、第１の力Ｆ１´と同方向に作用する力であって、互いに分離した大気圧室５４と流路構成圧力室５６とでの圧力差により作用する第２の力Ｆ２´との両方の力により駆動する構成を備える」の構成を採用することにより得られる効果が顕著になる。すなわち、加湿器バイパス弁１８を閉弁状態から開弁状態とするためにコイルばねの弾力に抗して駆動軸６０を変位させる必要があるのにもかかわらず、第１の力Ｆ１´と第２の力Ｆ２´とにより開弁状態を有効に実現できる。このため、上記の構成を採用することにより得られる効果が顕著になる。
また、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８とは、駆動軸６０に固定した筒状部材６４の外周面に設けた駆動軸側円筒面部６３と、ハウジング４２と、内周部が駆動軸６０に、外周部がハウジング４２に結合された弾性材製の副ダイヤフラム４８と、を備える。また、副ダイヤフラム４８の環状変形部６７が圧力を受けることにより、副ダイヤフラム４８を弾性変形させつつ駆動軸６０が変位するようにしている。このため、駆動軸６０が変位する際に、副ダイヤフラム４８の変形抵抗により、駆動軸６０の変位を緩やかにできる。すなわち、圧力を受ける副ダイヤフラム４８に、駆動軸６０の変位を緩やかにする機能を持たせることができる。この結果、開弁時に、駆動軸６０が変位して弁体５８に固定の抑え部材７４ｂがハウジング４２に当たる際の作動音を抑えることができる。
また、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８とを、酸化ガス供給流路１４または酸化ガス系排出流路１６に設ける燃料電池用開閉弁として使用し、互いに同方向に作用する第１の力Ｆ１，Ｆ１´と第２の力Ｆ２，Ｆ２´とにより駆動軸６０が開弁状態となる方向に駆動し、駆動軸６０が開弁状態から閉弁状態となるように駆動する開弁方向の前側、すなわち、図２、図３の下側に流路、すなわち、流路構成圧力室５６の燃料電池スタック１２側が位置するようにしている。このため、「駆動軸６０を有する弁体５８を備え、駆動軸６０の軸方向の変位により流路内を遮断または接続するとともに、駆動軸６０は、互いに分離した閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により作用する第１の力Ｆ１，Ｆ１´と、第１の力Ｆ１，Ｆ１´と同じ方向に作用する力であって、互いに分離した大気圧室５４と流路構成圧力室５６とでの圧力差により作用する第２の力Ｆ２，Ｆ２´との両方の力により駆動する構成を備える」の構成を採用することにより得られる効果が顕著になる。すなわち、燃料電池スタック１２が発電することにより酸素および水素が消費されると、各弁２０、２２、１８の燃料電池スタック１２側が負圧になる。このため、閉弁状態から開弁状態にするためには、負圧に抗して駆動軸６０を変位させる必要がある。上記の構成の場合、このように負圧に抗して駆動軸６０を変位させる必要があるのにもかかわらず、第１の力Ｆ１，Ｆ１´と第２の力Ｆ２，Ｆ２´とにより開弁状態を有効に実現できる。このため、上記の構成を採用することにより得られる、本発明の効果が顕著になる。
なお、図３にのみ図示するように、駆動軸６０の中間部外周面と仕切り部４４の下面との間に軸方向に伸縮可能な筒状シール部材８６を設けて、駆動軸６０とハウジング４２との間の軸受部等の摺動部に水分が付着するのをより有効に防止することもできる。これにより、付着した水分が低温環境下で凍結して、駆動軸６０の摺動が円滑に行えなくなることをより有効に防止することができる。
また、図示は省略するが、上記の実施の形態において、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８との少なくともいずれかの弁において、流路内を単に遮断または接続するだけでなく、流路の開口面積を所定の大きさに調整可能とする機能を持たせることもできる。例えば、いずれかの弁２０，２２，１８の閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２と大気圧室５４と流路構成圧力室５６との少なくともいずれかの圧力室の圧力を微妙に調整可能とする構成を採用すれば、駆動軸６０を開弁しきった状態と閉弁しきった状態との間の半開状態に位置するように維持して、流路の開口面積が調整可能となる。このような構成によれば、例えば、酸化ガス系排出流路１６に出口シャット弁２２を、調圧弁の機能を備えるエアシャット弁として設ければ、酸化ガス系排出流路１６に別の調圧弁３４（図１）を設ける必要がなくなり、コスト低減を図れる。
なお、本発明の流体制御弁は、上記のような入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８とに適用する場合に限定するものではなく、例えば、燃料ガス系ガスである水素ガスを流す燃料ガス供給流路または燃料ガス系排出流路に設ける燃料電池用開閉弁として使用するものにも本発明を適用できる。
また、本発明から外れるが、本発明者が発明した別発明として、上記の実施の形態の入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と加湿器バイパス弁１８とのいずれかにおいて、開弁用圧力室５２および閉弁用圧力室５０を設けず、ソレノイドやモータにより駆動軸６０を有する弁体５８を駆動する構成において、弁の駆動力を大きくするために、副ダイヤフラム４８（図２、図３参照）に対応するダイヤフラムにより大気圧室５４と流路構成圧力室５６とを仕切ることもできる。すなわち、駆動軸６０を有する弁体５８を備え、駆動軸６０の軸方向の変位により流路内を遮断または接続する流体制御弁であって、駆動軸６０は、ソレノイドまたはモータによる第１の力と、第１の力と同方向に作用する力であって、互いに分離した第１の圧力室と第２の圧力室とでの圧力差により作用する第２の力との両方の力により駆動することを特徴とする流体制御弁とすることもできる。
［第２の発明の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する入口シャット弁（または出口シャット弁）を示す、図３のＡ部拡大相当図である。図４に示すように、入口シャット弁２０（または出口シャット弁２２。以下、単に「入口シャット弁２０」として説明する。）は、上記の第１の実施の形態と同様に、駆動軸６０（図２、図３参照）に結合した副ダイヤフラム４８を備える。また、副ダイヤフラム４８の外周端部を、ハウジング４２を構成する第１ハウジング要素８８と、同じく第２ハウジング要素９０とにより挟持している。また、第１ハウジング要素８８の内側に流路構成圧力室５６が、第２ハウジング要素９０の内側に大気圧室５４が、それぞれ設けられる。
また、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０との一方に設けた通孔（図示せず）に挿入したボルト（図示せず）を、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０との他方に設けたねじ孔（図示せず）に結合する等により構成する締結部により、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０とを結合している。また、第１ハウジング要素８８の片側（図４の上側）外周部に、略円環状の突部である、外側ビード部９２を設け、第２ハウジング要素９０の片側（図４の下側）外周部に、略円環状の外側段部９４を設け、外側段部９４の側面（図４の下側面）に外側ビード部９２の先端面を突き当てている。外側段部９４と外側ビード部９２とを突き合わせた部分により、結合部９６を構成している。
また、第２ハウジング要素９０の片側面（図４の下側面）の、外側段部９４よりも径方向内側に、ハウジング４２の軸方向（図４の上下方向）に突出する略円環状の突部である、内側ビード部９８を設け、内側ビード部９８の先端面と、第１ハウジング要素８８の片面（図４の上側面）とを、隙間を介して対向させることにより、ラビリンスシール部１００を構成している。すなわち、結合部９６よりもハウジング４２の径方向内側に、ラビリンスシール部１００を設けている。このため、万が一、結合部９６を通じて外部から内側に水が浸入した場合でも、ラビリンスシール部１００により、流路構成圧力室５６および大気圧室５４の内側への水の浸入を有効に防止できる。
また、副ダイヤフラム４８の外周端部は、ラビリンスシール部１００を構成する隙間を通じて、ハウジング４２の径方向に関して、内側ビード部９８と外側ビード部９２との間に配置し、第１ハウジング要素８８および第２ハウジング要素９０の間で副ダイヤフラム４８の外周端部を挟持している。
また、流路構成圧力室５６を構成する第１ハウジング要素８８と、大気圧室５４を構成する第２ハウジング要素９０とは、互いに異なる金属により構成している。すなわち、第１ハウジング要素８８は、ステンレス鋼により構成し、第２ハウジング要素９０は、アルミニウム材またはアルミニウム合金により構成している。また、第２ハウジング要素９０の、結合部９６を構成する部分を含む全体に、アルマイト処理を施している。このため、第２ハウジング要素９０の塩害腐食に対する耐久性の向上を図れる。なお、第２ハウジング要素９０とともに、主ダイヤフラム４６（図２、図３参照）の外周端部を挟持するハウジング要素も、アルミニウム材またはアルミニウム合金により構成することができる。
また、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０との結合部９６、すなわち接触部の径方向に関する幅Ｗ１は、十分に小さくしている。例えば、結合部９６のうち、図４に図示しない部分には、ボルトをねじ孔に結合する等により構成する締結部が存在するが、結合部９６のうち、締結部から周方向にずれた部分の幅Ｗ１を、第１ハウジング要素８８のうち、流路構成圧力室５６内の圧力を受ける本体部１０２の径方向の厚さＴ１以下と、小さくしている。より好ましくは、結合部９６のうち、締結部から周方向にずれた部分を、線状接触部とする。
このように、本実施の形態では、流路構成圧力室５６を構成する第１ハウジング要素８８と、大気圧室５４を構成する第２ハウジング要素９０とを、互いに異なる金属により構成するので、入口シャット弁２０を車両の床下に搭載して使用する等の、入口シャット弁２０を、外部に水がかかる可能性がある状況で使用する場合でも、耐水性の向上と、軽量化との両立を高次元で図りやすくなる。
すなわち、第２ハウジング要素９０をアルミニウム材またはアルミニウム合金等の軽量な金属により構成することができるため、入口シャット弁２０の軽量化を図れる。また、第２ハウジング要素９０を、アルミニウム材またはアルミニウム合金等の軽量な金属により構成する場合に、塩害腐食に対する耐久性向上のために第２ハウジング要素９０にアルマイト処理を施す場合には、例えば、第１ハウジング要素８８との結合部９６である接触部等、第２ハウジング要素９０の表面にクラックが生じやすくなる。このため、第１ハウジング要素８８を、アルマイト処理を施したアルミニウムまたはアルミニウム合金により構成した場合には、結合部９６でクラック同士が重なりやすくなるため、ハウジング４２内部に水が浸入することに対して改良の余地がある。これに対して、本実施の形態では、第１ハウジング要素８８を構成する材料を、第２ハウジング要素９０を構成する金属である、アルミニウムまたはアルミニウム合金と異なる金属である、ステンレス鋼により構成しているため、結合部９６でクラックが重なることを有効に防止でき、結合部９６を通じての水の浸入を抑えやすくできる。すなわち、本実施の形態によれば、入口シャット弁２０を、外部に水がかかる可能性がある状況で使用する場合でも、耐水性の向上と、軽量化との両立を高次元で図りやすくなる。
また、本実施の形態では、外側ビード部９２と外側段部９４とを突き合わせることにより構成する結合部９６よりも、ハウジング４２の径方向内側に、ラビリンスシール部１００を設けている。このため、入口シャット弁２０において、異なる金属の接触による電食の局所的進行を抑えつつ、塩害腐食に対する耐久性の向上を図れる。すなわち、本実施の形態のように、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０とを異なる金属により構成する場合には、それぞれの金属の表面積の比に応じて電食の進行が生じやすくなる。特に、第２ハウジング要素９０をアルミニウムまたはアルミニウム合金により構成し、アルマイト処理を施す場合には、上記のように第２ハウジング要素９０の表面にクラックが生じやすく、何ら工夫しない場合には、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０との結合部９６を通じて、外部からハウジング４２の内側に水が浸入しやすくなる可能性がある。このため、従来から、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成する部材において、ステンレス合金により構成する部材と接触する接触部を含む部分には、アルマイト処理を行わないようにすることが考えられている。ただし、この場合には、アルミニウムまたはアルミニウム合金により構成する部材、すなわち、第２ハウジング要素９０の塩害腐食に対する耐久性が低下する可能性がある。
本実施の形態によれば、このような不都合を解消することもできる。すなわち、本実施の形態によれば、
（Ａ）  軽量化を図るために、第１ハウジング要素８８と第２ハウジング要素９０とのうち、一方の要素をアルミニウムまたはアルミニウム合金により構成し、他方の要素をステンレス鋼により構成する場合に、一方の要素の他方の要素との接触部を含む部分を含めてアルマイト処理を施すことにより、ハウジング４２の塩害腐食に対する耐久性を向上させる。
（Ｂ）  両方の要素８８，９０の接触部を通じて内部に水が浸入しやすくなることを有効に防止する。
という、相反する要求を同時に満たすようにすることができる。すなわち、外側ビード部９２と外側段部９４とを突き合わせることにより構成する結合部９６よりも、ハウジング４２の径方向内側に、ラビリンスシール部１００を設けているので、結合部９６の径方向の幅Ｗ１を小さくすることにより、結合部９６の面圧を大きくでき、結合部９６のシール性を高くできることと、ラビリンスシール部１００により得られる高いシール性とが相まって、全体のシール性を十分に高くできる。この結果、（Ａ）（Ｂ）の要求を同時に満たすことができる構造を得られる。
なお、第２ハウジング要素９０とともに、主ダイヤフラム４６（図２、図３参照）の外周端部を挟持するハウジング要素を、第２ハウジング要素９０と異なる金属、例えばステンレス鋼等により構成することもできる。また、本実施の形態では、互いに接触するハウジング要素を、アルミニウムまたはアルミニウム合金と、ステンレス鋼との異なる金属の組み合わせにより構成する場合について説明した。ただし、本実施の形態では、これ以外の異なる金属の組み合わせにより、互いに接触するハウジング要素を構成することもできる。また、出口シャット弁２２および加湿器バイパス弁１８（図１参照）の一方または両方において、互いに異なる圧力室を構成する２個のハウジング要素を、入口シャット弁２０のハウジング４２の場合と同様に、互いに異なる金属により構成することもできる。その他の構成および作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明および図示を省略する。
【産業上の利用可能性】
【０００６】
本発明は、流体制御弁および燃料電池システムに利用される。例えば、燃料電池車用として車両に搭載し、燃料電池スタックを、車両走行用モータの電源として使用する燃料電池システムに利用される。
【図１】
2008069007.tif 000003
【図２】
2008069007.tif 000004
【図３】
2008069007.tif 000005
【図４】
2008069007.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月17日(2009.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸を有する弁体を備え、駆動軸の軸方向の変位によりガス流路内を遮断または接続する、燃料電池の反応ガスである酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスの供給用または排出用のガス流路に使用する流体制御弁であって、
駆動軸は、互いに分離した第１の圧力室と第２の圧力室とでの圧力差により作用する第１の力と、第１の力と同方向に作用する力であって、互いに分離した第３の圧力室と第４の圧力室とでの圧力差により作用する第２の力との両方の力により駆動することを特徴とする流体制御弁。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうち、１の圧力室が弁体により遮断または接続されるガス流路であることを特徴とする流体制御弁。
【請求項３】
請求の範囲１または請求の範囲２に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室および第２の圧力室のうち１の圧力室と、第３の圧力室および第４の圧力室のうち１の圧力室とが互いに連通しているか、それぞれ大気に開放されていることを特徴とする流体制御弁。
【請求項４】
請求の範囲１または請求の範囲２に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とのうちいずれの２の圧力室も内部で互いに連通していないことを特徴とする流体制御弁。
【請求項５】
請求の範囲１から請求の範囲４のいずれか１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室および第２の圧力室のうち一方の圧力室が、弁体により遮断または接続されるガス流路であり、第１の圧力室および第２の圧力室のうち他方の圧力室が、大気に開放されており、第３の圧力室および第４の圧力室のうち一方の圧力室がガス流路内を流れるガスと同じ供給側から供給される同種のガスにより加圧されており、第３の圧力室および第４の圧力室のうち他方の圧力室が大気に開放されていることを特徴とする流体制御弁。
【請求項６】
請求の範囲１から請求の範囲５のいずれか１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、開弁状態となるノーマルオープン型のシャット弁であることを特徴とする流体制御弁。
【請求項７】
請求の範囲１から請求の範囲５のいずれか１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とがすべて同圧であるノーマル状態において、弾力付与手段の弾力により閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁であり、互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動することを特徴とする流体制御弁。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、
互いに同方向に作用する第１の力と第２の力とにより駆動軸が開弁状態となる方向に駆動し、
開弁状態から閉弁状態となるように駆動軸が駆動する方向の前側に流路の燃料電池側が位置することを特徴とする流体制御弁。
【請求項１０】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室を構成する部材と、第２の圧力室を構成する部材とを、互いに異なる金属により構成することを特徴とする流体制御弁。
【請求項１１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
酸化ガス系ガスまたは燃料ガス系ガスを流す流路に設ける燃料電池用開閉弁が、請求の範囲１から請求の範囲１０のいずれか１に記載の流体制御弁であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、
第１の圧力室と第２の圧力室と第３の圧力室と第４の圧力室とを、駆動軸の軸方向に関して分離して配置していることを特徴とする流体制御弁。
【請求項１３】
請求の範囲１に記載の流体制御弁と、流体制御弁に圧力制御用流体を給排する圧力制御用流路とを備える流体制御弁圧力制御回路であって、
流体制御弁は、第１の圧力室が、弁体により遮断または接続されるガス流路であり、第２の圧力室が大気に開放されており、第３の圧力室および第４の圧力室のうち一方の圧力室がガス流路内を流れるガスと同じ供給側から供給される同種のガスにより加圧されており、第３の圧力室および第４の圧力室のうち他方の圧力室が大気に開放されており、
圧力制御用流路は、弁体により遮断または接続されるガス流路であるガス流路本体と、ガス流路本体から分岐した圧力制御用分岐流路と、圧力制御用分岐流路とガス流路本体との上流側に設けられたコンプレッサとを備え、
圧力制御用分岐流路は、第３の圧力室に接続される第３の圧力室側分岐流路と、第４の圧力室に接続される第４の圧力室側分岐流路と、圧力制御用分岐流路の第３の圧力室側分岐流路と第４の圧力室側分岐流路との分岐部に設けられた三方弁式電磁弁と、を備え、第３の圧力室側分岐流路と、第４の圧力室側分岐流路とは、それぞれ別の電磁弁により選択的に大気に開放可能であることを特徴とする流体制御弁圧力制御回路。
【請求項１４】
請求の範囲１０に記載の流体制御弁において、第１の圧力室を構成する部材と、第２の圧力室を構成する部材とのうち、一方の部材がアルミニウム材またはアルミニウム合金により構成され、他方の部材が一方の部材と異なる金属により構成され、一方の部材の、他方の部材との接触部を含む表面全体にアルマイト処理を施すことにより、アルマイト処理を施した一方の部材の他方の部材との接触面に、アルマイト処理を施していない他方の部材の接触面が接触していることを特徴とする流体制御弁。
【請求項１５】
請求の範囲１４に記載の流体制御弁において、一方の部材と他方の部材との接触部の内径側に、一方の部材と他方の部材との間で弾性部材を挟持した弾性シール部を設けていることを特徴とする流体制御弁。
【請求項１６】
請求の範囲１５に記載の流体制御弁において、弾性部材はガスの圧力を受け変形する機能を有し、第１の圧力室と第２の圧力室とを分離するダイヤフラムの一部であることを特徴とする流体制御弁。
【請求項１７】
請求の範囲１４に記載の流体制御弁において、他方の部材の、一方の部材との接触部の径方向厚さを、他方の部材の他の部分の径方向厚さよりも小さくすることを特徴とする流体制御弁。
【請求項１８】
請求の範囲１に記載の流体制御弁において、第１の圧力室と第２の圧力室とがダイヤフラムで分離されており、第３の圧力室と第４の圧力室とが別のダイヤフラムで分離されていることを特徴とする流体制御弁。
【国際調査報告】
2008069007.tif 000007
2008069007.tif 000008
2008069007.tif 000009
2008069007.tif 000010