(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、反応ガス通路に設けられる燃料電池用回転型電磁弁の小型化を図る。【解決手段】バイパス弁１０は、バイパス通路を介して供給されるエアーが流通する流体通路１２が形成されるバルブボディ１４と、前記バルブボディ１４の上部に連結されるケーシング１６の内部に配設されるソレノイド部１８と、前記流体通路１２を貫通するように設けられる弁軸２０と、前記弁軸２０に連結され、流体通路１２の連通状態を切り換える弁体３８と、前記弁軸２０の他端部側に連結される回転プレート６８と、前記ケーシング１６の内部に一体的に固定されるとともに、前記回転プレート６８を中心としてそれぞれ対向するように配設される第１および第２固定磁極５２、５４と、前記弁体３８が弁閉状態となる方向に付勢するばね部材７０とからなる。【選択図】図３
2004183710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおける反応ガス通路に設けられる燃料電池用回転型電磁弁において、
前記エアーが導入される第１ポートと前記エアーが流体通路を介して導出される第２ポートとを有するバルブボディと、
前記バルブボディに一体的に連結されるケーシングの内部に配設されるソレノイド部と、
前記バルブボディの内部にソレノイド部の励磁作用によって回動自在に設けられる弁軸と、
前記弁軸の一端部側に連結され、前記弁軸の回動作用下に前記流体通路を開成または遮断する弁体と、
前記弁体を前記流体通路の遮断方向に付勢する弾発部材と、
を備え、
前記ソレノイド部の軸線と前記弁軸の軸線とが同軸上に設けられることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記弁体は、前記流体通路が遮断された弁閉状態において弁開方向に所定角度傾斜して設けられることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記流体通路は、前記第１ポートから前記第２ポートに向かって前記ソレノイド部より離間する方向に所定角度傾斜して形成されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記バルブボディの内部には、前記弁軸を回動自在に軸支する軸受部材より前記弁体側にシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記弁軸および／または前記弁体、前記軸受部材、前記弁軸に対して前記弁体を連結するねじ部材は、それぞれステンレス鋼から形成されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記バルブボディには、前記弁軸の一端部が挿通されるガイド孔に前記ガイド孔を閉塞するカバー部材が圧入されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記ソレノイド部には、ケーシングの内部に固定される第１固定磁極と、
前記バルブボディ側のケーシングの内部に固定される第２固定磁極と、
前記ケーシングの略中央部に設けられ、一端部側が前記第１固定磁極に挿通され、他端部側が前記第２固定磁極に挿通されるシャフトと、
からなることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記弁軸には、前記弁体が設けられる一端部側とは反対の他端部側に金属製材料からなる回動部材が連結され、前記回動部材から前記第１および第２固定磁極が所定間隔離間し、かつ対向して配設されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記回動部材には、前記弁体側に突出し、前記バルブボディの対向する位置に窪んで形成されるガイド溝に係合するガイド部が形成されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記ケーシングは、コイルが巻回されるボビンと第１固定磁極と第２固定磁極とを含んで一体成形によって形成されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項１１】
請求項７記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記ケーシングには、前記バルブボディとの当接面に環状の第１環状凹部が形成されるとともに、前記シャフトの拡径した一端部が当接するケーシングの端面には第２環状凹部が形成され、前記第１および第２環状凹部にはそれぞれシール部材が装着されることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池用回転型電磁弁において、
前記ケーシングは、第１固定磁極、コイルが巻回されたボビンおよび前記シャフトと略同一形状に形成されたダミーシャフトとを含んで一体成形され、前記ケーシングが一体成形された後、前記ダミーシャフトを前記シャフトに置換するとともに、前記シャフトのバルブボディ側の端部が第２固定磁極によって加締められることを特徴とする燃料電池用回転型電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃料電池システムにおいて、反応ガス通路に設けられる燃料電池用回転型電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下、燃料電池という）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤としてエアーが供給され、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、エアー中の酸素と電気化学反応を起こすことで発電エネルギが生成される。
【０００３】
このような燃料電池において、酸化剤であるエアーは、エアーコンプレッサ等によって圧縮されてカソードに供給される。この場合、圧縮に伴う発熱によりエアーの温度が上昇し過ぎると、発電効率が低下することから、通常、カソードの前段に加湿部を配設し、エアーを加湿した状態で固体高分子電解質膜の適性に則した最適な温度に制御してカソードに供給するようにしている。
【０００４】
一方、エアーの温度が低く、あるいは、燃料電池の系が必要な温度まで達しておらず、エアーコンプレッサ等によって圧縮しても十分な温度が得られない場合には、加湿部を経由させないで直接エアーをカソードに供給できることが必要である。
【０００５】
このような要請に対応するため、例えば、加湿部と並列にバイパス通路を設け、エアーコンプレッサ等によって圧縮されたエアーを、温度に応じて加湿部またはバイパス通路を経由させてカソードに供給するように構成することが考えられる。この場合、加湿部とバイパス通路とを切り換える手段として、例えば、特許文献１に開示されたロータリソレノイドが適用されたバルブを利用することができる。
【０００６】
このロータリソレノイドは、ボビンに対してコイルが巻回され、前記コイルに電流を通電させることにより励磁状態となり、その励磁作用下にコイルが巻回されたボビンの軸線方向と略直交するように配設され、永久磁石からなるロータを回動させている。そして、前記ロータの略中央部に連結されたシャフトが一体的に回動する。
【０００７】
このようなロータリソレノイドが適用されたバルブを燃料電池に適用し、ロータの回動作用下にバイパス通路の連通状態を切り換えることにより、加湿部とバイパス通路との切り換えを行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２５０７１６号公報（第３頁左欄）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に開示されたロータリソレノイドでは、コイルが巻回されたボビンに対してその側部にロータおよび前記ロータと一体的に連結されるシャフトを設けている。換言すると、コイルが巻回されたボビンの軸線と、ロータと一体的に連結され、コイルの励磁作用下に回動するシャフトの軸線とが略直交するように設けられている。そのため、ロータリソレノイドのボビンの軸線方向の寸法が大きくなる。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、弁軸とソレノイド部とを同軸上に設けることにより小型化を図ることが可能な燃料電池用回転型電磁弁を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池システムにおける反応ガス通路に設けられる燃料電池用回転型電磁弁において、
前記エアーが導入される第１ポートと前記エアーが流体通路を介して導出される第２ポートとを有するバルブボディと、
前記バルブボディに一体的に連結されるケーシングの内部に配設されるソレノイド部と、
前記バルブボディの内部にソレノイド部の励磁作用によって回動自在に設けられる弁軸と、
前記弁軸の一端部側に連結され、前記弁軸の回動作用下に前記流体通路を開成または遮断する弁体と、
前記弁体を前記流体通路の遮断方向に付勢する弾発部材と、
を備え、
前記ソレノイド部の軸線と前記弁軸の軸線とが同軸上に設けられることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ソレノイド部が非励磁状態においては、弾発部材の付勢作用下に弁体によって流体通路が遮断された弁閉状態となる。そして、前記流体通路を連通させ、反応ガス通路を開成させる際には、ソレノイド部を励磁させることにより弾発部材の弾発力に抗して弁体を回動させて流体通路を連通状態としている。
【００１３】
また、前記ソレノイド部の軸線と前記ソレノイド部の励磁作用下に回動する弁軸の軸線とを同軸上に設けることにより、燃料電池用回転型電磁弁全体の半径方向の寸法を抑制することができるため小型化することができる。
【００１４】
さらに、電流を供給することにより励磁し、回転駆動力が得られるソレノイド部によって弁体の開閉動作を行っているため、永久磁石を設ける必要がなくコストを低減することができる。
【００１５】
さらにまた、弁体を流体通路の連通が遮断された弁閉状態において弁開方向に所定角度傾斜して設けることにより、前記弁体を弁閉状態から弁開状態へと回動する際の回動角度を小さくすることができるため、ソレノイド部の励磁作用下に付勢される弁軸の回転駆動力を小さくすることができる。そのため、それに伴ってソレノイド部を小型化することができる。
【００１６】
またさらに、流体通路を第１ポートから第２ポートに向かってソレノイド部より離間する方向に所定角度傾斜して形成することにより、前記流体通路を流通するエアーに含まれる水分が流体通路の内部に溜まることがない。そのため、低温状況下においても流体通路の内部で水分が凍結することがなく、前記流体通路の内部に配設される弁体を低温状況下においても円滑に作動させることができる。
【００１７】
また、バルブボディの内部に、弁軸を回動自在に軸支する軸受部材より弁体側にシール部材を設けることにより、流体通路の内部を流通するエアーに含有される水分がガイド孔を介して進入した際、前記シール部材によって前記水分のさらなる進入が防止され、ソレノイド部の内部に前記水分が進入することが防止される。
【００１８】
さらに、前記弁軸および／または前記弁体、前記軸受部材、前記弁軸に対して前記弁体を連結するねじ部材をそれぞれステンレス鋼から形成することにより、流体通路の内部を流通するエアーに含有される水分が付着した際においても防錆効果を発揮することができる。
【００１９】
さらにまた、バルブボディの弁軸の一端部が挿通されるガイド孔に、前記ガイド孔を閉塞するカバー部材を圧入することにより、前記カバー部材によってバルブボディの外部から前記ガイド孔の内部へ塵埃等が進入することを防止することができる。
【００２０】
またさらに、ソレノイド部にケーシングの内部に固定される第１固定磁極と、バルブボディ側のケーシングの内部に固定される第２固定磁極と、前記ケーシングの略中央部に設けられ、かつ一端部側が第１固定磁極に挿通され、他端部側が第２固定磁極に挿通されるシャフトとから形成することにより、シャフト、第１固定磁極および第２固定磁極を一体的に設け、前記シャフトを中心として前記第１固定磁極と第２固定磁極とを対向するように配置することができる。
【００２１】
そのため、第１固定磁極および第２固定磁極とシャフトとの間にコイルが巻回されたボビンをそれぞれ略平行となるように設けることができる。そのため、ソレノイド部の半径方向の寸法を抑制することができ、バイパス弁を小型化することができる。
【００２２】
また、弁軸の弁体が設けられる一端部側とは反対の他端部側に、金属製材料からなる回動部材を連結し、前記回動部材から前記第１および第２固定磁極を所定間隔離間し、かつ対向するように配設することにより、回動部材がバルブボディに、第１固定磁極および第２固定磁極がケーシングに、すなわち、それぞれが別部材に設けられているため、可動側の磁極として機能する回動部材と、固定磁極として機能する第１固定磁極および第２固定磁極とを簡便に組み付けることができる。
【００２３】
さらに、回動部材に前記弁体側に突出し、バルブボディの対向する位置に窪んで形成されるガイド溝に係合するガイド部を設けることにより、前記回動部材がソレノイド部の励磁作用下に回動した際において、前記回動部材とバルブボディとの間に介装される弾発部材の噛み込みを防止することができる。
【００２４】
また、ケーシングをコイルが巻回されるボビンと第１固定磁極と第２固定磁極とを含んで一体成形によって形成することにより、組み付け作業性を向上させることができる。
【００２５】
さらにまた、ケーシングのバルブボディとの当接面に環状の第１環状凹部を形成し、前記シャフトの拡径した一端部が当接するケーシングの端面に第２環状凹部を形成して、前記第１および第２環状凹部にそれぞれシール部材を装着することにより、ケーシングの内部およびバルブボディの内部の気密を好適に保持することができる。
【００２６】
またさらに、ケーシングは、第１固定磁極、コイルが巻回されたボビンおよび前記シャフトと略同一形状に形成されたダミーシャフトとを含んで一体成形され、前記ケーシングが一体成形された後、前記ダミーシャフトを前記シャフトに置換するとともに、前記シャフトのバルブボディ側の端部が第２固定磁極によって加締められることにより、第１固定磁極、第２固定磁極、ボビンおよびシャフトのケーシングに対する組み付けを容易に行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用バイパス通路用弁（燃料電池用回転型電磁弁）１０が含まれる燃料電池システム２００の構成図である。なお、燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。
【００２８】
図１に示すように、この燃料電池システム２００は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して設けた燃料電池スタック２０２を含む。前記燃料電池スタック２０２には、燃料として、例えば、水素が供給されるアノードと、酸化剤として、例えば、酸素を含むエアーが供給されるカソードとが設けられる。なお、本実施の形態で用いられる反応ガスとは、水素、エアー、余剰ガスを含むものとする。
【００２９】
前記カソードには、酸化剤供給部２０４からエアーが供給されるエアー供給口２０６と、前記カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０とが設けられる。一方、アノードには、燃料供給部２１２から水素が供給される水素供給口２１４と、前記水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。
【００３０】
前記燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。
【００３１】
前記エアー供給口２０６には、エアー供給用通路を介して酸化剤供給部２０４、放熱部２２０、カソード加湿部２２２が上流側からこの順序で介装された主通路２１９ａと、前記カソード加湿部２２２を経由することなく放熱部２２０からカソードにエアーを供給するための迂回通路であるバイパス通路２１９ｂとを有する。そして、前記バイパス通路２１９ｂには、該バイパス通路２１９ｂの流通状態を切り換えるバイパス通路用弁１０が設けられている。また、前記エアー排出口２１０には、エアー排出用通路を介してエアー排出部２０８が接続される。
【００３２】
前記水素供給口２１４には、水素供給通路を介して燃料供給部２１２、圧力制御部２２４、エゼクタ２２６、アノード加湿部２２８がそれぞれ接続され、また、前記水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して水素排出部２１６が接続される。
【００３３】
酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用される供給エアーを断熱圧縮して燃料電池スタック２０２に圧送する。この断熱圧縮の際に供給エアーが加熱される。このように加熱された供給エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。
【００３４】
また、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入されるとともに、後述する放熱部２２０によって冷却された後、バイパス通路２３２を介して圧力制御部２２４にパイロット圧として供給される。
【００３５】
放熱部２２０は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成され、流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって、燃料電池スタック２０２の通常運転時において前記酸化剤供給部２０４から供給される供給エアーを冷却する。このため、供給エアーは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部２２２に導入される。
【００３６】
前記カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へ透過させることにより、前記放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給している。前記加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００３７】
なお、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０にはエアー排出部２０８が接続され、前記エアー排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じてエアーが大気中に排気される。
【００３８】
燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノード側に供給する供給水素が貯蔵される。
【００３９】
圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなり、バイパス通路２３２を介して供給されるエアーの圧力をパイロット圧（パイロット信号圧）として、前記圧力制御部２２４の出口側圧力である２次側圧力を前記パイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。
【００４０】
エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された燃料（水素）はノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。前記ノズル部からディフューザ部に向かって燃料が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノード側の排出燃料が吸引される。前記エゼクタ２２６で混合された燃料および排出燃料はアノード加湿部２２８へと供給され、燃料電池スタック２０２から排出された排出燃料は、前記エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。
【００４１】
従って、燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から排出された未反応の排出ガスは、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に導入され、圧力制御部２２４から供給された水素と、燃料電池スタック２０２から排出された排出ガスとが混合されて燃料電池スタック２０２に再び供給されるように設けられている。
【００４２】
アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へ透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給している。前記加湿された水素は燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００４３】
燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部２１６が循環用通路２３０を介して接続される。前記排出制御弁は、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水分（主に液体水）等が車両の外部に排出される。
【００４４】
次に、前記燃料電池システム２００を構成する燃料電池用バイパス通路用弁１０について好適な実施の形態を挙げ、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００４５】
この燃料電池用バイパス通路用弁１０（以下、単にバイパス弁１０という）は、バイパス通路２１９ｂ（図１参照）に沿ってエアーを流通させる流体通路１２が形成されるバルブボディ１４と、前記バルブボディ１４の上部に所定角度傾斜して一体的に連結されるケーシング１６と、前記ケーシング１６の内部に配設されるソレノイド部１８と、前記ソレノイド部１８の励磁作用下に弁軸２０を中心として回動して前記流体通路１２の開閉状態を切り換える弁機構部２２とからなる。
【００４６】
バルブボディ１４は、その略中央部に直線状に貫通する流体通路１２と、ケーシング１６が装着される略平面状の取付面２４と、前記取付面２４より流体通路１２側に窪んで形成され、弁機構部２２が配設される装着穴２６と、前記流体通路１２と略直交するように形成され、弁機構部２２の後述する弁軸２０が挿通されるガイド孔２８と、前記取付面２４と流体通路１２を挟んだ反対側の側面に形成され、カバー部材３１が装着される穴部３０とからなる。
【００４７】
前記穴部３０には環状のカバー部材３１が圧入され、前記カバー部材３１の外周面には環状溝を介してシール部材３２が装着されているため、前記穴部３０を介して流体通路１２の内部の気密が保持されるとともに、バルブボディ１４の外部から流体通路１２の内部に塵埃等が進入することが防止される。
【００４８】
また、前記流体通路１２は、燃料電池システム２００におけるバイパス通路２１９ｂの上流側と接続される第１ポート３４からバイパス通路２１９ｂの下流側と接続される第２ポート３６に向かって水平方向より下方に所定角度傾斜するように形成されている（図３参照）。すなわち、前記流体通路１２を傾斜して形成することにより流体通路１２の内部を流通するエアーに含有される水分が流体通路１２の内壁面に付着した際、前記流通通路の傾斜作用下に前記水分が第１ポート３４側から第２ポート３６側へと流れる。
【００４９】
そのため、流体通路１２の内部に水分が溜まることがないため、低温状況下においても流体通路１２の内部において水分が凍結することが防止され、前記流体通路１２の内部に配設される弁体３８を円滑に作動させることができる。
【００５０】
バルブボディ１４の流体通路１２が開口する第１ポート３４側および第２ポート３６側の端面には、環状溝を介して環状のシール部材３２が装着され、バイパス弁１０がバイパス通路２１９ｂ（図１参照）と接続される際に前記バイパス弁１０とバイパス通路２１９ｂとの内部の気密を保持する。
【００５１】
さらに、バルブボディ１４の上面には、前記流体通路１２と略平行となるように平面状の取付面２４が形成され、前記取付面２４にケーシング１６の下端面が装着されている。そして、ケーシング１６の下端面には、第１環状凹部３９を介してシール部材３２が装着され、前記シール部材３２がバルブボディ１４の取付面２４とケーシング１６の下端面との間に挟持されてケーシング１６の内部およびバルブボディ１４の装着穴２６の内部の気密が保持される。
【００５２】
ケーシング１６は樹脂製材料による一体成形により略円筒状に形成され、前記バルブボディ１４の取付面２４にボルト４１（図２参照）を介して一体的に連結されている。前記ケーシング１６の上面略中央部には、所定深さだけ窪んだ環状の第２環状凹部４０が形成されるとともに、その略中央部には前記第２環状凹部４０より縮径した孔部４２が貫通するように形成されている。
【００５３】
前記第２環状凹部４０には環状のシール部材３２が装着され、前記孔部４２に挿通されるソレノイド部１８の後述するシャフト５０の上部との間に挟持されている。すなわち、前記シール部材３２によってケーシング１６の内部の気密が保持されている。
【００５４】
また、ケーシング１６の側面には、図示しない電源と接続されるコネクタ部４４が設けられている。
【００５５】
ソレノイド部１８はケーシング１６の内部に配設され、コイル４６が巻回されたボビン４８と、前記ボビン４８の内部に配設されるシャフト５０と、前記シャフト５０の上部が挿通する断面略Ｌ字状の第１固定磁極５２と、前記シャフト５０の下部が係合される断面略Ｌ字状の第２固定磁極５４とからなる。
【００５６】
シャフト５０は、その上部の半径外方向に拡径した第１フランジ部５６がケーシング１６の孔部４２に挿通され、前記第１フランジ部５６の下面が第１固定磁極５２の上面に当接している。また、シャフト５０の上端部には、第１フランジ部５６よりさらに半径外方向に拡径して形成される第２フランジ部５８がケーシング１６の上面に当接するように配設されている。前記第２フランジ部５８によってケーシング１６の第２環状凹部４０に装着されたシール部材３２を挟持している。また、シャフト５０の下方には環状溝が形成され、第２固定磁極５４が係合孔６０を介してシャフト５０へと加締められている。
【００５７】
すなわち、前記シャフト５０は、上端部の第２フランジ部５８によって下方への変位が規制されるとともに、下方に加締められた第２固定磁極５４によって上方への変位が規制されているため、前記シャフト５０は軸線方向に沿った変位が規制されている。
【００５８】
第１固定磁極５２は、断面略Ｌ字状に形成される上部側がケーシング１６とボビン４８の上面との間に配設され、その略中央部に形成される挿通孔６２にはシャフト５０が挿通されている。また、前記第１固定磁極５２の他方側は、一方側から略直角に折曲され、ケーシング１６の外周面の内部に配設される。そして、第１固定磁極５２の下端部がバルブボディ１４の装着穴２６の内部に所定長だけ突出するように配設されている。
【００５９】
すなわち、第１固定磁極５２は、樹脂製材料からなるケーシング１６の内部に一体成形されているため、ソレノイド部１８のシャフト５０の回転作用下に一体的に回転することがない。
【００６０】
第２固定磁極５４は、断面略Ｌ字状に形成される上部側がボビン４８の下面とケーシング１６との間に配設され、その略中央部に形成される係合孔６０はシャフト５０の環状溝に係合している。また、前記第２固定磁極５４の他方側は、一方側から略直角に折曲され、バルブボディ１４の装着穴２６の内部に配設される。
【００６１】
なお、前記バルブボディ１４の装着穴２６の内部における第１および第２固定磁極５２、５４の下方への突出量が、略同等となるように設けられるとともに、第１および第２固定磁極５２、５４の突出した部位が後述する回転プレート６８と対向するように設けられている。
【００６２】
弁機構部２２は、バルブボディ１４のガイド孔２８の内部に回動自在に設けられる弁軸２０と、前記弁軸２０にねじ部材８０を介して連結される円盤状の弁体３８と、前記弁軸２０の上部に形成されるねじ部６４にナット６６を介して連結される回転プレート（回動部材）６８と、前記回転プレート６８とバルブボディ１４との間に介装され、前記弁体３８をそのばね力によって弁閉状態に回動させるばね部材（弾発部材）７０と、バルブボディ１４の装着穴２６の内部に設けられ、前記弁軸２０を軸支する軸受７２とからなる。
【００６３】
なお、前記ばね部材７０は、そのばね力によって流体通路１２を回転プレート６８に対して全閉状態に保持する方向に付勢している。
【００６４】
弁軸２０はバルブボディ１４の流体通路１２を貫通するように配設され、その一端部には半径外方向に拡径した拡径部７１が形成され、穴部３０の内部に挿入されて係止されている。また、前記弁軸２０の前記一端部側および他端部側はガイド孔２８に挿通されている。
【００６５】
そして、前記弁軸２０のソレノイド部１８側の一端部が装着穴２６の内部に配設される軸受７２によって回動自在に軸支されている。また、前記軸受７２の軸線方向に沿った上方および下方には、それぞれ環状のカラー部材７４ａ、７４ｂが装着され、前記軸受７２を軸線方向に保持するとともに、前記下方に設けられたカラー部材７４ｂに隣接して前記弁軸２０の外周面を囲繞するシール部材７６が装着されている。前記シール部材７６は、流体通路１２側に傾斜した第１リップ部７８ａと、ソレノイド部１８側へと傾斜した第２リップ部７８ｂとを有する。
【００６６】
すなわち、前記シール部材７６の第１リップ部７８ａおよび第２リップ部７８ｂによって流体通路１２からバルブボディ１４の内部へのエアーの漏出や、前記エアーに含有される水分の進入が防止されるとともに、弁機構部２２で発生する塵埃等が流体通路１２へ進入することを防止することができる。
【００６７】
前記弁軸２０には、前記流体通路１２の断面形状に対応した円形形状に形成される弁体３８がねじ部材８０を介して連結されている。そして、前記弁体３８は流体通路１２の内部に配設されている。
【００６８】
また、前記弁軸２０に連結された弁体３８は、弁閉状態において前記流体通路１２に略直交した状態より第２ポート３６側へ所定角度Ａ（例えば、３０°）傾斜した状態で設けられている（図５参照）。すなわち、弁閉状態において弁体３８を流体通路１２に対して略直交するように設けた場合と比較して、弁閉状態から弁開状態へと切り換える際の弁軸２０の回動角度を小さくすることができる。そのため、弁軸２０を回動させる回転駆動力を小さくすることができ、それに伴ってソレノイド部１８を小型化することができる。
【００６９】
なお、弁軸２０、弁体３８、ねじ部材８０および軸受７２がステンレス鋼で形成されているため、流体通路１２の内部を流通するエアーに含有された水分によって弁軸２０、弁体３８、ねじ部材８０および軸受７２に錆びが生じることを防止することができる。
【００７０】
回転プレート６８は、図４に示されるように、両端部が円弧状の略長方形状に形成され、その略中央部に挿通される弁軸２０のねじ部６４にナット６６を螺合することにより前記弁軸２０の軸線方向と略直交するように連結されている。また、前記回転プレート６８の円弧状の両端部と所定間隔離間して配設される第１固定磁極５２および第２固定磁極５４の断面形状は、前記両端部の円弧形状に対応した円弧状に形成されている。
【００７１】
すなわち、ソレノイド部１８の励磁作用下に回動する回転プレート６８の弁軸２０を中心として、それぞれ対向する位置に第１固定磁極５２と第２固定磁極５４とが配設されている。
【００７２】
また、前記回転プレート６８の下面には、下方に向かって所定長だけ突出したガイド部８２が形成され、前記ガイド部８２がバルブボディ１４の装着穴２６の内部に所定深さだけ窪んで形成されるガイド溝８４に係合されている。そのため、前記回転プレート６８がソレノイド部１８の励磁作用下に回動する際、前記回転プレート６８がガイド部８２のガイド作用下に弁軸２０を中心として回動する。
【００７３】
さらに、前記ガイド部８２にばね部材７０の上端部を係合させることにより、前記ばね部材７０の噛み込みを防止することができる。
【００７４】
本発明の実施の形態に係るバイパス弁１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００７５】
先ず、供給されるエアーの温度が低く、あるいは燃料電池システム２００で必要とされる温度まで達しておらず、エアーをカソード加湿部２２２で加湿することなくバイパス通路２１９ｂを経由してカソードへと供給する場合について説明する（図１参照）。
【００７６】
この場合、酸化剤供給部２０４によって圧縮加熱されたエアーをカソード加湿部２２２を回避してバイパス通路２１９ｂへと導くためにバイパス弁１０を弁閉状態から弁開状態へと切り換える。
【００７７】
図３は、ソレノイド部１８のコイル４６に対してコネクタ部４４を介して電流を供給していない非励磁状態にあり、弁体３８がばね部材７０のばね力の作用下に流体通路１２を閉塞して第１ポート３４と第２ポート３６との連通を遮断している弁閉状態を示している（図５参照）。
【００７８】
このような弁開状態において、図示しない電源を付勢してコネクタ部４４を介してコイル４６に通電することにより前記コイル４６が励磁され、その励磁作用下に磁束がコイル４６から第１固定磁極５２および第２固定磁極５４へと向かい、シャフト５０を介して再びコイル４６へと復帰して周回するように発生する。
【００７９】
そして、前記第１固定磁極５２および第２固定磁極５４の励磁作用下に第１固定磁極５２および第２固定磁極５４に対向する位置に配設された回転プレート６８がばね部材７０のばね力に抗して矢印Ｂ方向に回動する（図４参照）。その際、前記回転プレート６８の下面より下方側に突出したガイド部８２が、バルブボディ１４のガイド溝８４のガイド作用下に回動する。
【００８０】
そのため、前記回転プレート６８と一体的に連結された弁軸２０を介して弁体３８が流体通路１２の内部で矢印Ｂ方向に所定角度だけ回動する（図５参照）。その結果、前記弁体３８の回動作用下に該弁体３８と流体通路１２とが略平行となり、前記流体通路１２の第１ポート３４と第２ポート３６とが連通する（図５参照）。
【００８１】
以上のようにして、弁体３８の回動作用下に遮断されていた流体通路１２の第１ポート３４と第２ポート３６とが連通した状態となるため、図１に示される放熱部２２０とカソードとがバイパス通路２１９ｂを介して直接連通される。
【００８２】
そこで、酸化剤供給部２０４に供給されたエアーは、放熱部２２０、バイパス通路２１９ｂからバイパス弁１０を介して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６からカソードに供給される。
【００８３】
一方、燃料供給部２１２から供給された水素は、圧力制御部２２４、エゼクタ２２６およびアノード加湿部２２８を介して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４からアノードに供給される。そして、燃料電池スタック２０２において発電が行われる。
【００８４】
次に、供給されるエアーの温度が所望の温度である場合には、酸化剤供給部２０４より供給されるエアーを主通路２１９ａを介してカソード加湿部２２２に直接供給する。そのため、バイパス弁１０が設けられるバイパス通路２１９ｂを遮断する。
【００８５】
その場合、図３に示されるように、図示しない電源よりコネクタ部４４を介してコイル４６に通電されていた電流を停止することによって前記コイル４６が非励磁状態となり、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４を介して回転プレート６８に付勢されていた回動力が滅勢される。そのため、前記回転プレート６８がばね部材７０のばね力によって矢印Ｃ方向（図４参照）へと回動され、それに伴って弁軸２０を介して弁体３８が一体的に矢印Ｃ方向へと回動する（図６参照）。その結果、前記弁体３８によって流体通路１２が閉塞され、第１ポート３４と第２ポート３６との連通が遮断される。
【００８６】
以上のようにして、弁体３８の回動作用下に流体通路１２の連通状態が遮断されるため、図１に示される放熱部２２０とカソードとの間をバイパス通路２１９ｂを介して迂回していたエアーが、主通路２１９ａに直接供給される。そこで、酸化剤供給部２０４に供給されたエアーは、放熱部２２０からカソード加湿部２２２に供給され、加湿されて燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６からカソードに供給される。
【００８７】
以上のように、本実施の形態では、ソレノイド部１８に電流が通電されていない非励磁状態において、ばね部材７０のばね力の作用下に弁体３８によって前記流体通路１２が閉塞された状態としている。そのため、前記ソレノイド部１８に電流が供給されない場合には、流体通路１２がバイパス弁１０の弁体３８によって遮断された状態であるため酸化剤供給部２０４から供給されるエアーがバイパス通路２１９ｂを迂回することなく、主通路２１９ａを介してカソード加湿部２２２に直接供給される。すなわち、前記エアーをバイパス通路２１９ｂによって迂回させる必要がない通常の場合には、ソレノイド部１８に対して電流を付勢する必要がない。
【００８８】
また、流体通路１２にエアーが流通する際、前記エアーによる押圧作用下にソレノイド部１８の励磁作用下に回動する弁体３８の回転駆動力が小さい力で十分となる。すなわち、弁体３８の回転駆動力が小さい場合でも流体通路１２を流通する流量を大きくすることができる。
【００８９】
さらに、電流によって回転駆動力が得られるソレノイド部１８を介して弁体３８の開閉動作を行っているため、永久磁石を設ける必要がなくコストを低減することができる。
【００９０】
さらにまた、流体通路１２の内部の連通が遮断された弁閉状態において、流体通路１２の内部に配設される弁体３８を、前記流体通路１２に対して略直角な状態から第２ポート３６側へ所定角度（例えば、３０°）傾斜させている。そのため、弁体３８が流体通路１２と略平行な状態となった弁開状態とする際の弁体３８の回動角度を小さくすることができる。すなわち、ソレノイド部１８の励磁作用下に回動する弁体３８の回転駆動力を小さくすることができるため、前記ソレノイド部１８の小型化を図ることができる。
【００９１】
またさらに、バルブボディ１４に形成される流体通路１２は、バイパス通路２１９ｂの上流側に接続される第１ポート３４から前記バイパス通路２１９ｂの下流側に接続される第２ポート３６に向かって略水平状態より下方に向かって所定角度傾斜して形成されている。そのため、第１ポート３４から導入されるエアーに含有された水分が流体通路１２の内部に溜まることが防止される。その結果、低温状況下においても前記水分が流体通路１２の内部で凍結することがなく、前記流体通路１２の内部に配設される弁体３８を円滑に作動させることができる。
【００９２】
また、弁軸２０がバルブボディ１４のガイド孔２８に回動自在に挿通され、前記ガイド孔２８の下方に穴部３０を介してカバー部材３１を圧入することにより、前記カバー部材３１によってバルブボディ１４の外部から前記ガイド孔２８の内部へ塵埃等が進入することを防止している。
【００９３】
さらに、バルブボディ１４の装着穴２６の略中央部には、弁軸２０を回動自在に軸支する軸受７２が配設されるとともに、前記軸受７２の弁体３８側には弁軸２０の外周面を囲繞するシール部材７６が設けられている。そのため、流体通路１２の内部を流通するエアーに含有された水分がガイド孔２８を介して進入した際、前記シール部材７６によって、ソレノイド部１８へ水分が進入することが防止される。
【００９４】
さらにまた、弁軸２０をステンレス鋼によって形成することにより、流体通路１２の内部を流通するエアーに含有される水分が付着した際においても防錆効果を発揮することができる。なお、弁体３８、前記弁体３８を弁軸２０に連結するねじ部材８０および前記弁軸２０を軸支する軸受７２もステンレス鋼によって形成することにより、同様の防錆効果が得られる。
【００９５】
またさらに、固定磁極として機能するシャフト５０、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４を一体的に設け、前記シャフト５０を中心として前記第１固定磁極５２と第２固定磁極５４とを対向するように配置することができる。そのため、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４とシャフト５０との間にコイル４６が巻回されたボビン４８とをそれぞれ略平行となるように設けることができる。そのため、ソレノイド部１８の半径方向の寸法を抑制することができ、バイパス弁１０を小型化することができる。
【００９６】
また、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４とを断面略Ｌ字状に形成することにより、固定磁極を環状に形成する場合と比較して小型化することができるためコストを低減することができる。
【００９７】
さらに、バルブボディ１４の中心に回転プレート６８を設けるとともに、ケーシング１６の内部に前記回転プレート６８の外周面より所定間隔離間した第１固定磁極５２および第２固定磁極５４を対向するように配設している。すなわち、回転プレート６８をバルブボディ１４に、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４をケーシング１６に、すなわち、それぞれが別部材に設けられているため、可動側の磁極として機能する回転プレート６８と、固定磁極として機能する第１固定磁極５２および第２固定磁極５４とを簡便に組み付けることができる。
【００９８】
また、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４をケーシング１６の内部に固定する構造としているため、前記ケーシング１６の内部に回動部を有する場合と比較して低コストにて形成することができる。
【００９９】
さらにまた、ケーシング１６とバルブボディ１４との両側に回動部を設ける際に必要となる係合部分を不要とすることができる。
【０１００】
またさらに、回転プレート６８の下面側に下方に向かって突出するガイド部８２を設け、前記ガイド部８２がバルブボディ１４の装着穴２６に形成されるガイド溝８４にガイドされている。前記回転プレート６８にガイド部８２を設けることにより、前記回転プレート６８がソレノイド部１８の励磁作用下に回動した際において、装着穴２６と回転プレート６８との間に介装されるばね部材７０の噛み込みを防止することができる。
【０１０１】
また、樹脂製材料からなるケーシング１６は、第１固定磁極５２および第２固定磁極５４、コイル４６が巻回されたボビン４８とを含んで一体成形によって形成されている。そのため、前記ケーシング１６に対する第１固定磁極５２および第２固定磁極５４、コイル４６が巻回されたボビン４８の組み付け性が向上する。
【０１０２】
さらに、ケーシング１６の下面に第１環状凹部３９を形成し、前記第１環状凹部３９にシール部材３２を装着して前記ケーシング１６をバルブボディ１４の取付面２４に連結することにより、ケーシング１６の内部およびバルブボディ１４の装着穴２６の内部の気密を保持することができる。
【０１０３】
さらにまた、ケーシング１６の上面の略中央部に第２環状凹部４０を形成し、前記第２環状凹部４０にシール部材３２を装着して、シャフト５０の第２フランジ部５８の下面との間に挟持することにより、ケーシング１６およびソレノイド部１８の内部の気密を好適に保持することができる。
【０１０４】
またさらに、ケーシング１６は、第１固定磁極５２、第２固定磁極５４、コイル４６が巻回されたボビン４８、およびシャフト５０と略同一形状に形成された図示しないダミーシャフトとを樹脂製材料によって一体成形し、その後に前記ダミーシャフトをケーシング１６の内部より取り出すとともに、前記ダミーシャフトが配設されていた空間にシャフト５０をケーシング１６の上部の孔部４２を介して挿入する。そして、前記シャフト５０の下部に第２固定磁極５４の係合孔６０を加締めて一体化している。
【０１０５】
そのため、ケーシング１６に対して第１固定磁極５２、第２固定磁極５４、ボビン４８およびシャフト５０との組み付けを容易に行うことができる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【０１０７】
すなわち、ソレノイド部が非励磁状態において、弾発部材の付勢作用下に弁体によって流体通路が遮断された弁閉状態とすることができるとともに、前記ソレノイド部と弁軸の軸線とを同軸上に設けることにより、燃料電池用回転型電磁弁全体の半径方向の寸法を抑制することができるため小型化することができる。
【０１０８】
また、電流を供給することによって励磁するソレノイド部によって弁体の開閉動作を行っているため、永久磁石を設ける必要がなくコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るバイパス弁の斜視図である。
【図３】図２におけるバイパス弁の縦断面図である。
【図４】バイパス弁におけるケーシングおよびソレノイド部を脱着した状態の平面図である。
【図５】バイパス弁におけるバルブボディの流体通路に配設された弁体の弁閉状態を示す動作説明図である。
【図６】図５の流体通路に配設された弁体の弁開状態を示す動作説明図である。
【符号の説明】
１０…バイパス弁                  １２…流体通路
１４…バルブボディ                １６…ケーシング
１８…ソレノイド部                ２０…弁軸
２２…弁機構部                    ２６…装着穴
３１…カバー部材                  ３４…第１ポート
３６…第２ポート                  ３８…弁体
４６…コイル                      ４８…ボビン
５０…シャフト                    ５２…第１固定磁極
５４…第２固定磁極                ６８…回転プレート
７０…ばね部材                    ７２…軸受
８２…ガイド部                    ８４…ガイド溝
【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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