(57)【要約】【課題】パイロット圧の供給または供給停止に伴って自発的に閉止・開放するとともに、簡素に構成された燃料電池用開閉弁を提供する。【解決手段】燃料電池用開閉弁１０を構成するケーシング３４の第２室４０に流体（パイロット圧）が供給されると、該流体によって第２リテーナ９４およびダイアフラム３６が押圧されることに伴って、弁体５２が下降動作するとともにコイルスプリング１０２が圧縮される。最終的に、弁体５２における円盤部５４の下端面に設けられた環状溝５８内のシート部材６０が弁座４６に着座し、その結果、水素の排出が停止される。一方、流体の供給が停止され、流体入口４４に到達した水素の圧力が、第２室４０内の圧力を上回ると、コイルスプリング１０２の弾発付勢下に弁体５２が上昇動作する。これにより燃料電池用開閉弁１０が弁開放状態となり、該燃料電池用開閉弁１０の内部を水素が流通する。【選択図】図４
2004183713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第１室と、信号圧としての流体が導入される第２室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第２室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第２室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間することを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用開閉弁において、前記弁体に接続された軸部材を有し、前記軸部材は、前記ダイアフラム上面側に設けられた軸受部材に案内されることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用開閉弁において、前記カバー部材に前記軸受部材を案内する軸受案内部が設けられていることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池用開閉弁において、前記軸受案内部の先端部は、前記弁体の変位動作を停止させるストッパ部であることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用開閉弁において、前記ばね受部材は、液体を堰止するための堰止部と、前記液体を排出するための排出用孔部とを有することを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用開閉弁において、前記流体入口は前記ボディの下端面に設けられ、かつ前記弁体が着座する前記弁座の頂部が前記流体出口の下端面に比して高い位置に設けられることにより、前記ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部が設けられていることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池用開閉弁において、前記弁座の少なくとも前記頂部に対し、撥水処理が施されていることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁に関する。
【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が複数個積層されたスタックを備えている。このようなスタックにおいては、前記セルの各アノードに燃料として水素が供給される一方、各カソードに酸化剤としてエアーが供給される。そして、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て、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このスタックを含む燃料電池システムは、例えば、カソード側にエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、このエアーの圧力を信号圧として、該エアーの圧力に応じた圧力でアノード側に水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保するとともに、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。
【０００４】
ところで、発電の際に起こる上記の電気化学反応において、水素と酸素とは、周知のように２：１の体積比で反応する。すなわち、所定の電力が得られるように燃料電池システムを発電させるためには、水素の供給量を酸素よりも多くする必要がある。
【０００５】
ところで、本出願人は、水素パージ中における過剰水素の再循環および新規水素の外部放出を防止し、確実な水素パージの実施と、新規水素の無駄防止を図ることが可能な燃料電池システムを提案している（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（第３頁左欄）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記提案に関連してなされたものであり、構造が簡素で、かつ摩耗粉が発生することを回避し、さらに、作動部の凍結を回避することも可能な燃料電池用開閉弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、燃料電池のアノードに供給された過剰水素を排気する水素排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第１室と、信号圧としての流体が導入される第２室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第２室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第２室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間することを特徴とする。
【０００９】
このような構成においては、該燃料電池用開閉弁の流体入口における反応ガスの圧力を上回る圧力の流体（パイロット圧）が第２室に供給されることに伴い、ばね部材が圧縮されるとともに、弁体が弁座に着座して弁閉止状態となる。
【００１０】
その一方で、パイロット圧の第２室への供給が停止されると、ばね部材が伸張することに伴って弁体が弁座から離間する方向に指向して弾発付勢される。これにより流体入口と流体出口とが連通し、該燃料電池用開閉弁の内部を反応ガスが流通する。
【００１１】
このように、本発明によれば、パイロット圧を供給または供給停止することによって反応ガス排気ラインを閉止・開放することができる。したがって、該燃料電池用開閉弁を制御回路等に電気的に接続する必要がないので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【００１２】
しかも、この燃料電池用開閉弁は構造が簡素であるので、容易に分解または組立することができる。このため、メンテナンス作業を行うことが容易となるという利点を有する。
【００１３】
この燃料電池用開閉弁においては、弁体とダイアフラムとの間に軸受等の摺動部が設けられていない。このため、該燃料電池用開閉弁が開閉動作することに伴って変位する弁体とダイアフラムとの間は摺接することがない。したがって、摩耗粉が発生して反応ガスに混入し燃料電池の発電性能に悪影響を与えることを回避することができる。
【００１４】
また、軸部材が軸受部材で案内されるので、軸部材の倒れを極力防止することが可能となる。したがって、弁体のシート性を良好とすることが可能となる。
【００１５】
また、軸受部材、すなわち、摺動部が存在するにも関わらず、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、摺動摩耗による摩耗粉が弁体側に発生することがない。
【００１６】
また、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがなく、したがって、摺動部が腐食することを防止することが可能となるとともに、該摺動部が凍結することを防止することが可能となる。
【００１７】
また、カバー部材に軸受部材を案内する軸受案内部が設けられていることが好ましい。これにより、軸受部材を容易に挿入固定することが可能となる。
【００１８】
この場合、軸受案内部の先端部を、弁体の変位動作を停止させるストッパ部として機能させることが好ましい。これにより、部品点数が少ないながらも全開位置が規定された燃料電池用開閉弁を構成することができる。
【００１９】
さらに、ばね受部材は、液体を堰止するための堰止部と、液体を排出するための排出用孔部とを有することが好ましい。これにより液体が該ばね受部材から確実に排出されるので、該ばね受部材、ひいてはばね部材が凍結することを回避することができる。結局、低温下でも確実に動作する燃料電池用開閉弁を構成することができる。
【００２０】
そして、流体入口をボディの下端面に設ける一方、弁体が着座する弁座の頂部を流体出口の下端面に比して高い位置に設けることによって、ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部を設けることが好ましい。
【００２１】
この場合、弁座の頂部は、液面より上方に突出する。このため、該弁座が凍結することを回避することができる。したがって、該弁座の頂部や、該頂部に着座する弁体が凍結することを回避することができ、結局、低温下でも燃料電池用開閉弁を確実に動作させることができる。
【００２２】
さらにまた、弁座の少なくとも頂部に対して撥水処理を施すことが好ましい。撥水層によって液体が弾かれるので、弁座の頂部や弁体が凍結することを一層確実に回避することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用開閉弁につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１に、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０が組み込まれた燃料電池システム２００を示す。なお、この燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。また、本発明で用いられる反応ガスとは、水素、エアー、余剰水素を含むものとする。
【００２５】
燃料電池システム２００は、例えば、高分子を素材とした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むことによって形成されたセルが複数個積層されることによって設けられた燃料電池スタック２０２を含む。
【００２６】
前記セルの各カソードには、酸化剤として酸素を含むエアーが供給され、一方、各アノードには、燃料として水素が供給される。すなわち、カソード側には、酸化剤供給部２０４からのエアーが供給されるエアー供給口２０６と、該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が設けられる。その一方で、アノード側には、燃料供給部２１２からの水素が供給される水素供給口２１４と、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。
【００２７】
エアー供給口２０６に接続されたエアー供給用通路２１９においては、前記酸化剤供給部２０４と、放熱部２２０と、カソード加湿部２２２とが上流側からこの順序で介装されている。
【００２８】
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酸素を含有するエアーを断熱圧縮して圧送する。この断熱圧縮の際にエアーが加熱される。このように加熱された圧縮エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。
【００２９】
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る。酸化剤供給部２０４から供給されたエアーは、該放熱部２２０に設けられた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冷却される。すなわち、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。
【００３０】
カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、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へと供給する。加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、これに伴って該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜に水分が付与されることによって、該膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。
【００３１】
そして、上記したように、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が接続される。このエアー排出部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。
【００３２】
一方、前記水素供給口２１４に接続された水素供給通路２２３には、前記燃料供給部２１２と、圧力制御部２２４と、エゼクタ２２６と、アノード加湿部２２８とが上流側からこの順序で介装されている。また、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】
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される水素が貯蔵される。
【００３４】
圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなる。
【００３５】
ここで、この圧力制御部２２４には、圧力制御用バイパス通路２３２を介してエアーが供給される。すなわち、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。これに伴い、水素の圧力を調整する必要が生じる。このため、圧力制御用バイパス通路２３２からのエアーの圧力をパイロット圧（信号圧）として、圧力制御部２２４の出口側圧力である二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。
【００３６】
なお、図１から諒解されるように、圧力制御部２２４には、放熱部２２０によって冷却されたエアーが供給される。
【００３７】
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。ノズル部からディフューザ部に向かって水素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水素が吸引される。エゼクタ２２６で混合された水素および排出水素はアノード加湿部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水素は、エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。
【００３８】
このように、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水素は、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水素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。
【００３９】
アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を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。すなわち、水素もエアー同様に加湿された状態で燃料電池スタック２０２に供給され、これにより、前記固体高分子電解質膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。
【００４０】
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）等が車両外部に排出される。
【００４１】
そして、水素排出部２１６には、前記排出制御弁の後段側に本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０が配設されている。また、この燃料電池用開閉弁１０には、圧力制御用バイパス通路２３２から分岐されたパイロット通路２３４が接続されている。
【００４２】
このように構成された燃料電池スタック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。
【００４３】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０につき説明する。この燃料電池用開閉弁１０は、パイロット圧が供給されない定常状態では弁開状態となる、いわゆるノーマルオープン型バルブであり、上記したように、水素排出部２１６に配設されている。
【００４４】
該燃料電池用開閉弁１０の概略全体斜視図を図２に示す。この燃料電池用開閉弁１０は、側周壁に嵌合用突起部１２が設けられたボディ１４と、嵌合用突起部１２の突出方向と反対側に突出した嵌合用突起部１６が設けられたカバー部材１８とを有する。なお、嵌合用突起部１２、１６には、第１送気管２０または第２送気管２２がそれぞれ嵌合されている。
【００４５】
ボディ１４は、菱形状下端部２４と、円筒体部２６と、外周部に突起部が４個設けられたボルト代部２８とを有し、一方、カバー部材１８は、ボディ１４におけるボルト代部２８の形状に対応する形状のボルト代部３０と、円筒状頭部３２とを有する。カバー部材１８のボルト代部３０は、ボディ１４のボルト代部２８上に載置されている。そして、ボルト代部２８、３０同士は、４個のボルト３３ａ〜３３ｄによって互いに連結されており、これによりボディ１４とカバー部材１８とが互いに連結されてケーシング３４が構成されている。
【００４６】
このケーシング３４内においては、図３に示すように、ダイアフラム３６がボディ１４とカバー部材１８とで挟持されている。このダイアフラム３６が存在することにより、ケーシング３４内に第１室３８および第２室４０が離隔形成されている。
【００４７】
図２に示すように、ボディ１４の菱形状下端部２４には、ボルト穴４２が設けられている。このボルト穴４２に通されるボルトがステー等に螺合されることによって、燃料電池用開閉弁１０が位置決め固定される。
【００４８】
また、菱形状下端部２４には、円形に切り欠かれた流体入口４４が設けられている（図３参照）。この流体入口４４の第１室３８側における開口の周囲には、該開口を囲繞するように、円環状に隆起した弁座４６が設けられている。
【００４９】
弁座４６がこのようにボディ１４の図２における下端面内壁から隆起して設けられていることにより、第１室３８の下端面に凹部４８が形成される。この凹部４８には、後述するように、燃料電池用開閉弁１０の内部を流通する水素に含まれた水分が貯留される。すなわち、凹部４８は、水分を貯留する貯留部として機能する。
【００５０】
一方、弁座４６の頂部には、フッ素樹脂がコーティングされることによって、撥水層５０が設けられている。換言すれば、弁座４６の頂部には、撥水処理が施されている。
【００５１】
前記嵌合用突起部１２は、ボディの円筒体部２６における側周壁から突出形成されている。この嵌合用突起部１２に嵌合された第１送気管２０は、後述するように、流体出口として機能する。
【００５２】
なお、図２から諒解されるように、弁座４６の頂部の位置は、第１送気管２０（流体出口）の下端面よりも上方に設定されている。
【００５３】
第１室３８には、弁体５２が収容されている。この弁体５２は、円盤状に設けられた円盤部５４と、該円盤部５４に比して小径かつ長尺な柱部５６とを有する。弁体５２の長手方向は、円盤部５４の下端面がボディ１４の下端部内面に臨むように配設されることにより、鉛直方向に沿って延在している。換言すれば、弁体５２は、第１室３８内で起立している。
【００５４】
円盤部５４の下端面には、環状溝５８が設けられている。図２に示すように、この環状溝５８内に挿入されたゴム製のシート部材６０が弁座４６の頂部から離間することにより、流体入口４４が開放される。
【００５５】
ここで、第１室３８には、前記ダイアフラム３６の図２における下方にばね受皿６２が配設されている。すなわち、このばね受皿６２は、底部６４と、側壁部６６と、該側壁部６６から屈曲して形成された挟持代部６８とを有し、このうちの挟持代部６８が、ダイアフラム３６の端部の下方でボディ１４とカバー部材１８とに挟持されている。なお、図２中、参照符号７０は、水素が第１室３８からボディ１４の外に漏洩することを防止するためのＯリングを示す。
【００５６】
底部６４の略中央には、前記弁体５２における柱部５６に比して大径な貫通孔７２が形成されており、かつ該貫通孔７２の周囲には、図２における上方に指向して円環状に隆起した隆起部７４が設けられている。この隆起部７４が存在することにより、ばね受皿６２とダイアフラム３６との間に進入した水素に含有された水分が底部６４にて捕集され、かつ堰止される。換言すれば、隆起部７４は、水分を堰止する堰止部である。
【００５７】
底部６４におけるボディ１４の側周壁部内面近傍には、排出用孔部７６が設けられている。上記のようにして捕集・堰止された水分は、この排出用孔部７６を通過して、ボディ１４の下端面内壁に指向して滴下する。
【００５８】
弁体５２には、円盤部５４から柱部５６に亘って貫通孔７８が設けられている。この貫通孔７８には、軸部材８０の第１円柱部８２が挿入されている。なお、貫通孔７８から突出した該第１円柱部８２の先端には、該先端が圧潰されることによって、貫通孔７８に比して大径な第１フランジ部８４が設けられている。この第１フランジ部８４により、軸部材８０の弁体５２からの抜け止めがなされている。
【００５９】
軸部材８０の略中央部には、貫通孔７８に比して大径な第１大径部８６と、該第１大径部８６に比してさらに大径な第２大径部８８とが設けられており、これら第１大径部８６および第２大径部８８によって第２フランジ部９０が構成されている。弁体５２は、前記第１フランジ部８４と、この第２フランジ部９０とによって挟持されている。
【００６０】
弁体５２における柱部５６の上端面と軸部材８０における第２大径部８８との間には、第１リテーナ９２、前記ダイアフラム３６、および第２リテーナ９４が図２における下方からこの順序で介装されている。
【００６１】
すなわち、第１リテーナ９２の略中央部には、第１円柱部８２と直径が略同等の穴部が設けられている。この穴部に第１円柱部８２が通されることに伴って、第１リテーナ９２が柱部５６の上端面と第１大径部８６とで挟持されている。
【００６２】
また、ダイアフラム３６の略中央部には、第１大径部８６と直径が略同等の穴部が設けられている。この穴部に、第１大径部８６が通されている。そして、ダイアフラム３６の略中央部にも第１大径部８６と直径が略同等の穴部が設けられており、該穴部には、第１大径部８６が嵌合されている。
【００６３】
軸部材８０は、さらに、第２大径部８８から鉛直上方に延在する第２円柱部９６を有し、該第２円柱部９６は、カバー部材１８を構成する円筒状頭部３２の天井面に突出形成された環状凸部９８（軸受案内部）における案内用穴部１００に挿入されている。
【００６４】
第１リテーナ９２は、ばね部材であるコイルスプリング１０２の一端部を着座させる受皿であり、その端部が鉛直下方に屈曲されることによって側周壁が形成されている。この側周壁にてコイルスプリング１０２が堰止されることにより、該コイルスプリング１０２が位置ずれを起こすことが阻止される。
【００６５】
カバー部材１８を構成する円筒状頭部３２の天井面には、上記したように、軸部材８０の第２円柱部９６が挿入される案内用穴部１００を有する環状凸部９８が設けられている。なお、案内用穴部１００と第２円柱部９６との間には、軸受部材としてのブッシュ１０４が介装されている。
【００６６】
前記嵌合用突起部１６は、円筒状頭部３２における側周壁から突出形成されており、該嵌合用突起部１６には、上記したように第２送気管２２が嵌合されている。この第２送気管２２を介して、パイロット圧（信号圧）となるエアーが第２室４０に導入される。
【００６７】
第１送気管２０および第２送気管２２の各先端部には、膨出部１０６、１０８が設けられている（図２参照）。これら膨出部１０６、１０８には、第１送気管２０または第２送気管２２のそれぞれと、パイロット圧送気管または水素排気ラインをなす送気管とを連結するための管継手が嵌合される。
【００６８】
本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００６９】
燃料電池システム２００を始動するに際しては、まず、燃料電池用開閉弁１０の第２室４０にパイロット圧となる流体、例えば、圧縮エアー等を供給する。コイルスプリング１０２の弾発付勢力を上回るこのパイロット圧により第２リテーナ９４およびダイアフラム３６が押圧され、軸部材８０に追従して弁体５２が下降動作する。最終的に、図４に示すように、コイルスプリング１０２が収縮されるとともにシート部材６０が弁座４６の頂部に当接し、これにより燃料電池用開閉弁１０が弁閉止状態となる。
【００７０】
なお、弁体５２が下降動作するに際しては、該弁体５２の貫通孔７８に挿入された軸部材８０における第２円柱部９６が、ブッシュ１０４を介して環状凸部９８の案内用穴部１００に案内される。このため、該軸部材８０の第１フランジ部８４と第２フランジ部９０にて挟持された弁体５２は、位置ずれを起こすことなく所定の箇所で下降動作する。
【００７１】
この場合、下降動作する弁体５２がケーシング３４等に摺接することがないので、弁体５２からの摩耗粉が発生することはない。なお、弁体５２が下降動作することに伴い、軸部材８０の第２円柱部９６がブッシュ１０４に摺接する。この際に摩耗粉が発生することもあるが、該摩耗粉は、ダイアフラム３６によって捕集される。このため、摩耗粉が第１室３８に進入することはない。このため、メンテナンス頻度を著しく低減することができる。
【００７２】
また、軸部材８０の第２円柱部９６とブッシュ１０４との摺動部は、ダイアフラム３６で仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがない。したがって、摺動部が腐食することが防止されるとともに、該摺動部が凍結することが防止される。
【００７３】
しかも、軸部材８０に第１フランジ部８４と第２フランジ部９０とを設けているので、部品点数を少なくすることもできる。また、コイルスプリング１０２が第１リテーナ９２の側周壁およびばね受皿６２の隆起部７４で堰止されるので、該第１リテーナ９２に押圧されることに伴って圧縮されたコイルスプリング１０２が位置ずれを起こすこともない。
【００７４】
さらに、環状凸部９８を軸受案内部とするとともに、コイルスプリング１０２の一端部を着座させるコイルスプリング受部としているので、部品点数を一層少なくすることができる。このため、燃料電池用開閉弁１０を簡素な構成とすることができるので、メンテナンス作業が容易かつ簡便となる。
【００７５】
次に、燃料電池スタック２０２（図１参照）のアノードに対し、燃料供給部２１２を構成する前記水素ガスボンベから水素を供給する。この水素がアノードで電離して水素イオンと電子とが生成し、このうち、電子が燃料電池システム２００に電気的に接続された図示しないモータ（負荷）を付勢する電気エネルギとなる。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜をカソード側に指向して移動し、該カソードにて、供給された圧縮エアー中の酸素と、電気エネルギとして使用された後にカソードに移動してきた電子と反応して、Ｈ２Ｏとなる。
【００７６】
上記したように、水素は、酸素に対して過剰量で供給される。このため、水素の一部は上記の反応に関与することなくアノードを通過する。通過した水素は、水素排出部２１６の後段側に配置された燃料電池用開閉弁１０が閉止されているので、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に戻る。すなわち、水素が循環供給される。
【００７７】
パイロット圧である圧縮エアー等の供給が停止されると、第２室４０のパイロット圧が、コイルスプリング１０２の弾発付勢力に比して小さくなる。その結果、弁体５２が水素に押圧されて上昇動作するとともにコイルスプリング１０２が伸張し、図２に示すように、円盤部５４の下端面に設けられた環状溝５８内のシート部材６０が弁座４６から離間する。これにより流体入口４４、第１室３８および第２送気管２２が連通し、水素が燃料電池用開閉弁１０の内部を流通する。すなわち、水素が排出されることになる。勿論、この際にも弁体５２から摩耗粉が発生することはなく、軸部材８０の第２円柱部９６から摩耗粉が発生したとしても、ダイアフラム３６によって捕集される。
【００７８】
弁体５２が所定の距離だけ上昇動作すると、第２大径部８８の上端面が環状凸部９８の先端面に当接する。この当接により、弁体５２のそれ以上の上昇動作が阻止される。すなわち、環状凸部９８は、弁体５２の上昇動作を停止させるストッパ部である。この停止により、燃料電池用開閉弁１０の全開位置が規定される。
【００７９】
上記したように、水素は、アノード加湿部２２８にて水蒸気が付与された湿潤水素として燃料電池スタック２０２のアノードに供給される。この湿潤水素が流体入口４４から第１室３８に流入すると、該湿潤水素中の水分が第１室３８の内壁に付着した後に凝固して、液滴が生じることがある。
【００８０】
ここで、上記したように、弁座４６の頂部は撥水層５０でコーティングされているので、頂部に生じた液滴は、弁座４６の隆起部に沿ってボディ１４の下端面内壁に流動し、水分として凹部４８に貯留される。
【００８１】
また、湿潤水素の一部は、ばね受皿６２の貫通孔７２を通過して、該ばね受皿６２とダイアフラム３６との間の空間に流入する。そして、ばね受皿６２の底部６４や側壁部６６等に付着した湿潤水素中の付着した水蒸気は、液滴（水分）として凝集する。
【００８２】
この場合、ばね受皿６２の貫通孔７２近傍に隆起部７４が設けられているので、該隆起部７４によって水分が堰止される。すなわち、貫通孔７２を介して水分がボディ１４の下端面内壁に滴下することはない。これにより、弁体５２の円盤部５４が水分で濡れること、ひいては、円盤部５４の各端面が凍結することを回避することができる。
【００８３】
ばね受皿６２の隆起部７４によって堰止された水分は、該ばね受皿６２の排出用孔部７６を介してボディ１４の下端面内壁に滴下し、凹部４８に貯留される。
【００８４】
以上のようにして貯留された水分の量が一定値以上になると、該水分は、流体出口である第２送気管２０を介して燃料電池用開閉弁１０の外部へと排出される。このため、弁座４６の頂部は、常時、水分の液面より上方に位置する。
【００８５】
したがって、例えば、燃料電池システム２００を搭載した自動車を寒冷地で使用する場合であっても、弁座４６の頂部が凍結することはない。必然的に、弁座４６とシート部材６０とが貼り付き合うこともない。すなわち、低温下においても弁体５２を弁座４６に対して確実に着座・離間させることができ、結局、燃料電池用開閉弁１０の作動部が凍結することを回避することができる。
【００８６】
このように、本実施の形態によれば、弁座４６の頂部を撥水層５０でコーティングするとともに、該頂部を流体出口に比して高い位置に設けるようにしているので、低温下においても確実に開放・閉止して、水素を流通または流通停止させる燃料電池用開閉弁１０を構成することができる。
【００８７】
しかも、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０は、パイロット圧の供給または供給停止に伴って自発的に開放または閉止する。したがって、該燃料電池用開閉弁１０を開閉するための制御装置を特に必要としないので、燃料電池システム２００の構成を簡素にすることもできる。
【００８８】
なお、上記した実施の形態においては、本発明に係る燃料電池用開閉弁１０を燃料ガス（水素）の排気ラインに配設するようにしているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、エアーの排気ラインに配設するようにしてもよい。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池用開閉弁によれば、パイロット圧の供給または供給停止に伴って、弁座に対して弁体を離間または着座させるようにしている。このため、該燃料電池用開閉弁を制御回路等に電気的に接続することなく、パイロット圧を供給または供給停止するという簡便な操作によって開放・閉止させることができるので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【００９０】
その上、この燃料電池用開閉弁は、簡素に構成されているので、メンテナンス作業を容易に実施することができる。
【００９１】
しかも、この燃料電池用開閉弁は、開閉動作することに伴って変位する弁体がケーシング等に摺接することがない。したがって、摩耗粉が発生して流体に混入することを回避することができる。
【００９２】
また、軸部材が軸受部材で案内されるので、軸部材の倒れを極力防止することが可能となる。したがって、弁体のシート性を良好とすることが可能となる。
【００９３】
また、軸受部材、すなわち、摺動部が存在するにも関わらず、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、摺動摩耗による摩耗粉が弁体側に発生することがない。
【００９４】
また、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがなく、したがって、摺動部が腐食することを防止することが可能となるとともに、該摺動部が凍結することを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁が組み込まれた燃料電池システムのブロック図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁の概略全体斜視図である。
【図３】図２の燃料電池用開閉弁における閉止状態の概略縦断面図である。
【図４】図２の燃料電池用開閉弁における開放状態の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池用開閉弁            １４…ボディ
１８…カバー部材                  ２０、２２…送気管
３４…ケーシング                  ３６…ダイアフラム
３８、４０…室                    ４４…流体入口
４６…弁座                        ４８…凹部（液体貯留部）
５０…撥水層                      ５２…弁体
６０…シート部材                  ６２…ばね受皿
７４…隆起部（堰止部）            ７６…排出用孔部
７８…貫通孔                      ８０…軸部材
８２、９６…円柱部                ８４、９０…フランジ部
９２、９４…リテーナ              ９８…環状凸部
１００…案内用穴部                １０２…コイルスプリング
１０４…ブッシュ                  ２００…燃料電池システム
２０２…燃料電池スタック          ２０４…酸化剤供給部
２０６…エアー供給口              ２１２…燃料供給部
２１４…水素供給口                ２１９…エアー供給用通路
２２０…放熱部                    ２２２…カソード加湿部
２２３…水素供給通路              ２２４…圧力制御部
２２６…エゼクタ                  ２２８…アノード加湿部
２３０…循環用通路                ２３２…圧力制御用バイパス通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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