(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次室を形成し、流体が導入される導入ポートが設けられる一次室ボディと、
二次室を形成し、流体が導出される導出ポートが設けられる二次室ボディと、
前記二次室ボディ側に設けられる駆動機構と、
前記二次室ボディ側から前記一次室ボディ側へ延設され、前記駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、
前記シャフトの変位に伴って、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断する弁体と、
前記二次室ボディと前記シャフトとの間に設けられ、前記シャフトに係止されて当該シャフトの変位動作に追従して撓み、前記弁体側へ向けて隆起する湾曲凸状のスカート部を有するダイヤフラムと、
前記スカート部の前記駆動機構側である裏面側において前記弁体側へ向けて隆起し、前記スカート部の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、前記スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となるのを規制する突起部と、を備え、
前記突起部は、
前記スカート部が裏面側へ向けて変形した状態では、前記シャフトの移動動作に伴って前記スカート部の変形した部分に当接可能であり、
前記スカート部が変形していない状態では、前記弁体の閉弁状態において、前記スカート部の裏面に当接しない所定のクリアランスを有して配置されることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記突起部は、前記凹部内に挿入される部分がアール状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
【請求項３】
前記突起部は、前記二次室ボディ側に固定されて設けられており、前記弁体を開弁状態から閉弁状態に戻す前記シャフトの動作時に、前記スカート部の変形した部分に当接可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁装置。
【請求項４】
前記突起部は、前記シャフト側に固定されて設けられており、前記弁体を閉弁状態から開弁状態に移動する前記シャフトの動作時に、前記スカート部の変形した部分に当接可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁装置。
【請求項５】
前記ダイヤフラムは、前記シャフトの周囲を取り囲む円環状の部材であり、前記シャフトに設けられたフランジ部に装着される内周縁部と、前記スカート部の外周部に形成される外周縁部と、を有しており、
前記内周縁部と前記外周縁部とは、前記スカート部よりも肉厚に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。このような燃料電池を用いたシステムでは、水素や酸素を含む空気等の流体の流れを許容または遮断制御するための弁装置が用いられている。
【０００３】
ところで、前記したような燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気（水）を生成し、生成した水の一部は、電解質膜（固体高分子膜）を介して、アノード側に透過する。また、電解質膜の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素、空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿される。したがって、燃料電池や、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは多湿となる。よって、発電停止後、燃料電池が低温環境下（例えば０℃未満）に曝されると、燃料電池内や付属機器が凍結する虞がある。
【０００４】
そこで、凍結する虞がある場合、燃料電池に掃気ガス（非加湿の空気や窒素等）を押し込み、燃料電池内に残留する水蒸気や結露水等の水分を押し出し、燃料電池を掃気する技術が知られている。そして、水分と共に燃料電池から排出された掃気ガスは、掃気時に開かれる弁装置としての掃気ガス排出弁を介して排出されるようになっている。
【０００５】
また、燃料電池に用いられるその他の弁装置としては、アノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出するために設けられたパージ弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このパージ弁では、可動部分に可撓性を有するダイヤフラムが用いられてシールされており、低温環境下においてもシャフトを変位動作させることができるように構成されている。
【特許文献１】特開２００４−１７９１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記したパージ弁のようにダイヤフラムを用いた弁装置では、流量を大きくするために可動部であるシャフトのストローク長を長くとる試みが行われている。しかしながら、そのようにすると、長くされたストロークに追従するようにダイヤフラムを大きくする必要が生じる。このため、このように流量を大きくした弁装置では、ダイヤフラムの剛性が低下するという問題があった。
そこで、ダイヤフラムを分厚く形成する等して剛性を確保することが考えられる。しかしながら、そのように構成すると、ダイヤフラムが分厚く形成さる分、ダイヤフラムの追従性が低下し、弁体の開閉のレスポンスが低下するという別の問題を生じる。
【０００７】
そこで、本発明は、流量を確保することができるとともに、弁体をレスポンスよく円滑に開閉させることができる弁装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の弁装置は、一次室を形成し、流体が導入される導入ポートが設けられる一次室ボディと、二次室を形成し、流体が導出される導出ポートが設けられる二次室ボディと、前記二次室ボディ側に設けられる駆動機構と、前記二次室ボディ側から前記一次室ボディ側へ延設され、前記駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、前記シャフトの変位に伴って、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断する弁体と、前記二次室ボディと前記シャフトとの間に設けられ、前記シャフトに係止されて当該シャフトの変位動作に追従して撓み、前記弁体側へ向けて隆起する湾曲凸状のスカート部を有するダイヤフラムと、前記スカート部の前記駆動機構側である裏面側において前記弁体側へ向けて隆起し、前記スカート部の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、前記スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となるのを規制する突起部と、を備え、前記突起部は、前記スカート部が裏面側へ向けて変形した状態では、前記シャフトの移動動作に伴って前記スカート部の変形した部分に当接可能であり、前記スカート部が変形していない状態では、前記弁体の閉弁状態において、前記スカート部の裏面に当接しない所定のクリアランスを有して配置されることを特徴とする。
【０００９】
この弁装置によれば、二次室ボディとシャフトとの間にダイヤフラムが設けられているので、二次室ボディ側の駆動機構へ流体が侵入（浸入）するのをこのダイヤフラムによって阻止することができるとともに、ダイヤフラムの撓みによって、シャフトの良好な変位動作を確保することができる。また、ダイヤフラムには、弁体側へ向けて隆起する湾曲凸状のスカート部が設けられているので、開弁時に一次室側から弁体を介して二次室側に流入してきた流体に、仮に、水蒸気や結露水等の水分が含まれていても、ダイヤフラムに水分が滞留し難いという利点が得られる。したがって、低温環境下においてもダイヤフラムが凍結し難くなり、シャフトの良好な変位動作を確保でき、弁体の良好な開閉を実現することができる。
したがって、このような弁装置を、例えば、燃料電池システムにおける、アノードから排出されるアノードオフガスや、カソードから排出されるカソードオフガスの経路に用いることによって、次のような利点が得られる。
すなわち、水蒸気や結露水等の水分が含まれるアノードオフガス等の流体が一次室側から弁体を介して二次室側に流入してきたとしても、ダイヤフラムに水分が滞留し難くなり、低温環境下（例えば０℃未満）に曝されて燃料電池内が凍結する状況においても、シャフトの良好な変位動作を確保して、一次室側と二次室側との連通状態あるいは遮断状態を好適に得ることができる。したがって、信頼性の高い燃料電池システムの作動に寄与する弁装置が得られる。
【００１０】
スカート部の裏面側には、弁体側へ向けて隆起し、スカート部の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となるのを規制する突起部が設けられており、突起部は、スカート部が裏面側へ向けて変形した状態では、シャフトの移動動作に伴ってスカート部の変形した部分に当接可能であるので、開弁時等に流体の圧力によってダイヤフラムのスカート部が裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に突起部が裏面側から当接する状態となり、これによって、ダイヤフラムの変形を抑えることができる。したがって、ダイヤフラムのスカート部が弁体側に向けて隆起する状態を好適に維持することができ、ダイヤフラムを分厚く形成する等してダイヤフラムの剛性を確保する必要がなくなる。つまり、ダイヤフラムを薄く形成することができる。
したがって、シャフトのストローク長を長くして、流量を確保することができるとともに、弁体をレスポンスよく円滑に移動させることのできる弁装置が得られる。
また、閉弁時等に、二次室側にかかる流体の圧力がダイヤフラムのスカート部に作用して、スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に突起部が裏面側から当接する状態となり、これによって、ダイヤフラムの変形を抑えることができる。
【００１１】
例えば、このような弁装置を、燃料電池システムおける掃気弁として用いた場合に、次のような利点が得られる。
すなわち、流量が大きく高圧力状態とされたアノードオフガスを弁装置に流すことによって、ダイヤフラムの湾曲凸状のスカート部が、裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に突起部が裏面側から好適に当接し、これによって、ダイヤフラムの変形が好適に抑えられることとなる。したがって、長期間にわたって安定したシャフトの変位動作を維持することができ、耐久性に優れ、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
また、突起部は、スカート部が変形していない状態では、弁体の閉弁状態において、スカート部の裏面に当接しない所定のクリアランスを有して配置されるので、例えば、振動等によって両者が接触等するのを防止することができる。このことは、ダイヤフラムの耐久性の向上に寄与し、シャフトの安定した変位動作を長期間にわたって維持することに寄与する。
【００１２】
また、前記突起部は、前記凹部内に挿入される部分がアール状に形成されている構成とするのがよい。このような弁装置によれば、突起部の当接によってスカート部の裏面が傷付くのを阻止することができる。この場合には、スカート部の裏面の凹部に沿うようにして、突起部をアール状に形成することによって、スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となるのをより一層好適に規制することができる。
【００１６】
また、前記突起部は、前記二次室ボディ側に固定されて設けられており、前記弁体を開弁状態から閉弁状態に戻す前記シャフトの変位動作時に、前記スカート部の変形した部分に当接可能である構成とするのがよい。
【００１７】
このような弁装置によれば、開弁時に、一次室側から流入した流体の圧力によって、仮に、ダイヤフラムの湾曲凸部が裏面側へ向けて変形した状態となっても、弁体が開弁位置から閉弁位置に戻される際に、二次室ボディ側に固定された突起部が、その変形した部分に対して裏面側から当接することとなり、これによって、ダイヤフラムの変形が元に戻されることとなる。
【００１８】
したがって、ダイヤフラムが変形したままの状態となるのを確実に阻止することができ、長期間にわたって安定したシャフトの変位動作を確保することができる。また、このような弁装置を燃料電池システムに用いた場合には、長期間に亘って安定した作動を実現することができ、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
【００１９】
また、前記突起部は、前記シャフト側に固定されて設けられており、前記弁体を閉弁状態から開弁状態に移動する前記シャフトの変位動作時に、前記スカート部の変形した部分に当接可能である構成とするのがよい。
【００２０】
このような弁装置によれば、弁体が閉弁位置から開弁位置に移動される際に、シャフト側に固定された突起部が、シャフトの変位動作とともにスカート部の背部側に近づく状態となり、その開弁の際に、一次室側から流入した流体の圧力によって、仮に、ダイヤフラムのスカート部が裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に対して裏面側から近づいた突起部が当接することとなり、これによって、ダイヤフラムの変形が元に戻され、あるいは抑えられることとなる。
【００２１】
したがって、ダイヤフラムが変形したままの状態となるのを確実に阻止することができ、長期間にわたって安定したシャフトの変位動作を確保することができる。また、このような弁装置を燃料電池システムに用いた場合には、長期間に亘って安定した作動を実現することができ、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
また、前記ダイヤフラムは、前記シャフトの周囲を取り囲む円環状の部材であり、前記シャフトに設けられたフランジ部に装着される内周縁部と、前記スカート部の外周部に形成される外周縁部と、を有しており、前記内周縁部と前記外周縁部とは、前記スカート部よりも肉厚に形成されている構成とするのがよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、流量を確保することができるとともに、弁体をレスポンスよく円滑に開閉させることのできる弁装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、燃料電池システムに適用される弁装置について説明するが、弁装置が適用される装置等を限定する趣旨ではない。なお、以下では、弁装置を、燃料電池システムのアノード系に用いた場合を例として説明する。
【００２４】
はじめに、本実施形態の弁装置が適用される燃料電池システムの構成について説明し、後記する説明の中で弁装置について説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、を備えている。
【００２５】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を備えている。
【００２６】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えている。アノードおよびカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２７】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２８】
このようなアノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、後記式（１）の電極反応が起こり、また、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、後記式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。そして、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続されて電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００２９】
このようにして燃料電池スタック１０が発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。したがって、カソードから排出されるカソードオフガス、およびアノードから排出されるアノードオフガスは、いずれも多湿となる。
【００３０】
＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池スタック１０よりも上流側に備えられる、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）、常閉型の遮断弁２２、エゼクタ２３、および燃料電池スタック１０よりも下流側に備えられる、気液分離器２４、常閉型のパージ弁２６、常閉型の掃気ガス排出弁１００、を備えている。以下では、この燃料電池スタック１０よりも下流側に備えられる掃気ガス排出弁１００に対して、本実施形態の弁装置を用いた例を説明する。なお、掃気ガス排出弁１００の詳細は後記する。
【００３１】
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、および配管２３ａを介して、アノード流路１１の入口側に接続されている。配管２２ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（不図示）が設けられており、この減圧弁には、カソード流路１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力されており、減圧弁は、前記空気の圧力とアノード流路１１における水素の圧力とが極間差圧を守るように制御するようになっている。
そして、燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック１０の起動が要求されて図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）により遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。
【００３２】
アノード流路１１の出口は、配管２４ａ、気液分離器２４、配管２４ｂを介して、エゼクタ２３の吸込口に接続されている。そして、アノード流路１１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、気液分離器２４において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック１０の上流側のエゼクタ２３に戻されるようになっている。
そして、エゼクタ２３に戻されたアノードオフガスは、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。つまり、本実施形態では、配管２４ａおよび配管２４ｂによって、水素を循環させて再利用する水素循環ラインが構成されている。
なお、配管２４ｂの気液分離器２４側に近い部分は、鉛直方向で配置されており、水素に同伴する水分が含まれているときに、これが自重により気液分離器２４に戻されるようになっている。
【００３３】
一方、気液分離器２４で分離された水分は、一時的に気液分離器２４内に貯溜された後、配管２５ａ、ＥＣＵにより適宜に開かれる常閉型のドレン弁２５、配管２５ｂを通じて、後記する希釈器３３の上部側に排出されるようになっている。
【００３４】
［パージ弁］
配管２４ｂは、その途中で、配管２６ａ、パージ弁２６、配管２６ｂを介して、後記する希釈器３３の上部側に接続されている。パージ弁２６は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２４ａおよび配管２４ｂを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵによって開かれる常閉型の電磁弁である。
ここで、ＥＣＵは、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２６を開くように設定されている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出され、ＥＣＵに入力される。
【００３５】
［掃気ガス排出弁］
掃気ガス排出弁１００は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１０の掃気時に開かれる弁である。詳細に、掃気ガス排出弁１００は、燃料電池スタック１０のアノード流路１１の掃気時にコンプレッサ３１が作動された状態で、ＥＣＵからの指令により開かれるようになっている。なお、掃気ガス排出弁１００は、後記する掃気ガス導入弁４１とともに開かれる設定となっている。
【００３６】
掃気ガス排出弁１００は、図２に示すように、一次室１１０ａを形成し、アノードオフガスが導入される導入ポート１１１が設けられる一次室ボディ１１０と、この一次室ボディ１１０の下部に隣接して設けられて二次室１２０ａを形成し、前記アノードオフガスが導出される導出ポート１２１が設けられる二次室ボディ１２０とを備えており、二次室ボディ１２０の下部側に配置された駆動機構を構成するソレノイド１５０によって弾性部材を含んで形成される弁体１３０が駆動されることで、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの連通状態を切り替えるように構成されている。つまり、掃気ガス排出弁１００は、掃気時に開弁して、図１に示すように、燃料電池スタック１０のアノード流路１１から送られてくるアノードオフガスを後段の希釈器３３に排出するための弁として機能するようになっている。本実施形態では、高圧のアノードオフガスが導入される側となる一次室ボディ１１０が上部側に配置され、また、アノードオフガスを導出する側となる二次室ボディ１２０が下部側に配置され、さらに、弁体１３０を駆動するためのソレノイド１５０が、二次室ボディ１２０の下側に配置される構造となっている。
【００３７】
ここで、掃気ガス排出弁１００は、このように、燃料電池スタック１０（図１参照、以下同じ）のアノード流路１１（図１参照、以下同じ）から送られてくるアノードオフガスが通流する弁であるため、アノードオフガスの流量を確保するために、ソレノイド１５０により駆動される後記のシャフト１４０が、従来の弁等において設定されるストローク長よりも長くなるように設定されている。
そして、この長く設定されたシャフト１４０のスムーズなストローク動作（変位動作）を確保するために、従来の弁等に用いられるものよりも大径とされたダイヤフラム１６０が設けられている。
【００３８】
以下、各部について詳細に説明する。
一次室ボディ１１０は、前記したように、燃料電池スタック１０のアノード流路１１からの配管２７ａに接続可能な導入ポート１１１を有しており、この導入ポート１１１を通じて、燃料電池スタック１０からの高圧のアノードオフガスが一次室１１０ａに導入されるようになっている。
導入ポート１１１は、一次室ボディ１１０の左側方に（気液分離器２４に通じる配管２７ａ側に向けて、図１参照）設けられており、配管２７ａが接続される開口部を有している。本実施形態では、導入ポート１１１が導出ポート１２１に対して上側に位置している。つまり、上から下へ向かう方向（重力方向）に、水分を含むアノードオフガスが流れるようにしてある。
【００３９】
一次室１１０ａ内には、弁体１３０が上下方向（弁の開閉方向）に変位可能に配置されており、この弁体１３０の底面側には、弁座１１６が設けられている。弁座１１６は、一次室１１０ａと二次室１２０ａとを仕切る仕切り壁１１５に一体的に設けられており、仕切り壁１１５の底部から一次室１１０ａの内空へ向けて突出している。弁座１１６は、円筒状を呈しており、上端部へ向けてテーパ状に縮径するように形成されている。弁座１１６の先端部には、弁体１３０が着座する円環状の弁座部１１７が設けられている。弁座部１１７は、弁体１３０に形成された平らな底面１３２に密着するように、平らに形成されている。また、弁座部１１７は、密着性を向上させるために、例えばアール形状に形成されていてもよい。
【００４０】
一次室ボディ１１０の上部内壁には、凹部１１２が設けられており、この凹部１１２には、弁体１３０を弁座部１１７へ向けて付勢する戻しばね１１３の上端が保持される。戻しばね１１３は、弁体１３０と凹部１１２との間に縮設されており、後記するように弁体１３０が閉弁された状態で、弁体１３０のフランジ部１３４の底面１３２が弁座部１１７に気密性よく着座するように付勢する。このような戻しばね１１３の付勢によって、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間は、連通不能に遮断される。
なお、凹部１１２には、後記する弁体１３０が駆動されて上方に変位した際に、弁体１３０の湾曲上部１３１が当接するようになっている。つまり、弁体１３０は、後記するようにシャフト１４０によって上方に変位した際に、凹部１１２に当接した状態となり、この弁体１３０の当接をもって、シャフト１４０が、上方への変位動作を停止するように構成されている。
【００４１】
二次室ボディ１２０は、一次室ボディ１１０の下部に仕切り壁１１５を介して連続して設けられており、後記する希釈器３３（図１参照、以下同じ）へ通じる配管２７ｂ（図１参照、以下同じ）に接続可能な導出ポート１２１を有している。つまり、後記するように、弁体１３０が駆動されて開弁し、弁体１３０を介して一次室１１０ａから二次室１２０ａにアノードオフガスが流入すると、二次室１２０ａに流入したアノードオフガスは、導出ポート１２１から配管２７ｂおよび配管３２ｃを通じて希釈器３３に送られるようになっている。本実施形態では、導出ポート１２１が、前記した導入ポート１１１とは反対の向き、つまり、希釈器３３へ通じる配管２７ｂが接続可能となる向きに設けられている。
【００４２】
なお、導入ポート１１１と配管２７ａとの接続部位、および導出ポート１２１と配管２７ｂとの接続部位には、図示しないシール部材が装着されており、通流するアノードオフガスの気密が保持されている。
また、一次室ボディ１１０および二次室ボディ１２０の内部にフッ素コーティングを施してもよい。フッ素コーティングには、水分をはじく撥水効果があるため、一次室ボディ１１０および二次室ボディ１２０の内部に水分が滞留しにくくなり、排水性を向上させることができる。
【００４３】
二次室ボディ１２０には、ソレノイド１５０により駆動されて、先端が弁体１３０の取付穴１３３に固定されるシャフト１４０が貫通しており、二次室ボディ１２０とこのシャフト１４０との間には、シャフト１４０に係止されてシャフト１４０の変位動作に追従して撓む弾性部材（例えば、ゴム等の材料）からなるダイヤフラム１６０が設けられている。
【００４４】
ダイヤフラム１６０は、図３（ａ）に示すように、シャフト１４０の周囲を取り囲む円環状の部材であり、シャフト１４０のフランジ部１４１に装着される内周縁部１６１と、前記内周縁部１６１から半径外方向へと延在する薄肉状のスカート部１６２（湾曲凸部）と、このスカート部１６２の外周部に形成される外周縁部１６３とからなる。
【００４５】
内周縁部１６１は、スカート部１６２よりも肉厚に形成されており、前記フランジ部１４１と、シャフト１４０に装着される有底円筒状の押え部材１４２に設けられた段状の先端部１４３と、の間に挟持されることでシャフト１４０に係止される。
スカート部１６２は、前記のように薄肉状に形成されており、弁体１３０（図２参照）側へ向けて隆起する湾曲凸状を呈している。このようなスカート部１６２は、シャフト１４０の変位動作に追従して撓曲自在であり、ダイヤフラム１６０が前記のように大径に形成されていることと相俟ってシャフト１４０のストローク長を長く設定することに寄与している。
【００４６】
外周縁部１６３は、スカート部１６２よりも肉厚に形成されており、二次室ボディ１２０の底壁１２２に設けられた上向きの環状溝１２３に装着され、後記するソレノイド１５０の固定コア１５１との間に挟持されている。
【００４７】
このようなダイヤフラム１６０を設けることによって、二次室ボディ１２０とシャフト１４０との間がシールされるようになり、二次室ボディ１２０の内部の気密が好適に保持されるようになる。
【００４８】
そして、スカート部１６２の裏面側（ソレノイド１５０側）には、スカート部１６２の裏面側の凹部１６２ａ内に挿入可能に設けられた突起部１５２が配置されている。
突起部１５２は、ソレノイド１５０の後記する固定コア１５１に一体的に設けられ、シャフト１４０の周囲を取り囲むようにしてスカート部１６２の下方に円環状に形成されている。突起部１５２の先端部１５３は、アール状に形成されており、本実施形態では、断面半円形状に形成されている。なお、突起部１５２は、その断面形状が、直線部分を含み、角部を有さない形状としてもよい。また、突起部１５２は、円環状に形成されたものに限られることはなく、周方向に間隔を隔てて、複数突出されたものから構成してもよい。
このような突起部１５２とスカート部１６２の裏面１６２ｂとの間には、後記するように、ソレノイド１５０が非通電状態とされて、弁体１３０（図２参照）が弁座部１１７に着座した状態（以下、閉弁状態という）で、図３（ａ）に示すように、鉛直方向に所定のクリアランスＣが形成されるようにしてある。つまり、閉弁状態において、突起部１５２は、ダイヤフラム１６０の裏面１６２ｂに当接することのないクリアランスＣをもってスカート部１６２の裏面側に配置されている。
【００４９】
本実施形態では、クリアランスＣを次のように設定している。つまり、クリアランスＣは、閉弁状態において、突起部１５２が、スカート部１６２の裏面１６２ｂに近づいて凹部１６２ａ内に挿入されるように、かつ、後記するようにスカート部１６２が裏面側に向けて変形（反転変形）した際に、閉弁状態において、その変形した部分に突起部１５２が当接可能となるように設定されている。つまり、突起部１５２は、閉弁状態において、スカート部１６２の変形した部分に当接可能であり、変形した部分を裏面側から押圧して、その変形を規制するように作用する。
なお、スカート部１６２は、図３（ｂ）に示すように、開弁状態においても上方へ向けて若干隆起した形状が維持されるようにしてある。
また、突起部１５２に、ＤＬＣ膜（Diamond Like Carbon）等を形成してスカート部１６２との摩擦抵抗を軽減するようにしてもよい。
【００５０】
図２を再び参照して説明すると、ソレノイド１５０は、ケーシング１５４の上端部を閉塞するように配設される固定コア１５１と、ケーシング１５４の内部に配設され、コイル１５５ａが巻回されたボビン１５５と、前記コイル１５５ａの励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に変位する円筒状の可動コア１５６と、ケーシング１５４の下端部に設けられた開口を覆うキャップ部１５７と備える。
【００５１】
可動コア１５６は、磁性金属製材料からなる円筒状の部材であり、ボビン１５５の内壁面に沿って挿通自在に配置され、コイル１５５ａの励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に変位可能となっている。すなわち、可動コア１５６は、コイル１５５ａを励磁したときに、固定コア１５１に引き寄せられ、戻しばね１１３（図２参照）の付勢力に抗して上方向に変位する。これにより、前記弁体１３０が上方向に押動される。
可動コア１５６の略中央部には、軸線方向に沿って貫通孔１５６ａが形成されており、この貫通孔１５６ａにシャフト１４０の下端１４０ａが挿通されて固定されている。
可動コア１５６の上端部は、上方へ向けて先細りとなるテーパ状に形成されており、また、これに対向する固定コア１５１の下端部がこれに対応した逆テーパ状に形成されており、これらの相互作用によって励磁作用下で可動コア１５６に推力が付与されるようになっている。
【００５２】
固定コア１５１の上面には、上方へ突出する段差部１５１ａが設けられており、この段差部１５１ａの内周部に沿って円環状に突起部１５２が形成されている。また、段差部１５１ａは、二次室ボディ１２０の底壁１２２の環状溝１２３との間に、前記したように、ダイヤフラム１６０の外周縁部１６３を挟持するようになっている。
【００５３】
シャフト１４０は、その下端１４０ａ側が可動コア１５６の中空部に嵌め込まれて固定され、上端１４０ｂ側が弁体１３０の下部に開口する取付穴１３３に挿入されて固定されている。シャフト１４０の軸線方向の略中央部には、ダイヤフラム１６０の内周縁部１６１を押え部材１４２との間に固定するためのフランジ部１４１が形成されている。
【００５４】
なお、シャフト１４０の外周面に、フッ素コーティング等を施して、シャフト１４０が変位する際の摺動抵抗が低減するように構成してもよい。このようにすることで、シャフト１４０の摩耗が低減し、耐久性を向上させることができる。また同時に、シャフト１４０が変位動作する際に摩耗粉が発生するのを抑制することができる。フッ素コーティングには、水分をはじく撥水効果があるため、シャフト１４０の外周面に水分が付着することがなくシャフト１４０の錆びを防止し、前記シャフト１４０の耐久性を向上させることができる。
【００５５】
キャップ部１５７には、可動コア１５６に通じる透孔１５８を覆うように取り付けられており、内部には、空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止する透湿防水素材１５７ａが装着されている。なお、透湿防水素材１５７ａは、例えば周知であるゴアテックス（登録商標）などからなる。このような透湿防水素材１５７ａを配置すれば、ソレノイド１５０内への水や埃等の侵入（浸入）を防止しつつ、透湿防水素材１５７ａを介して空気が出入りするので、可動コア１５６のスムーズな摺動を実現できる。
【００５６】
＜カソード系＞
図１に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段、掃気手段）と、加湿器３２と、希釈器３３（ガス処理装置）とを備えている。
【００５７】
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵの指令にしたがって作動すると、コンプレッサ３１は、酸素を含む空気を取り込み、空気をカソード流路１２に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０および／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
【００５８】
カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃを介して、希釈器３３に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３２ｂ等を介して、希釈器３３に供給されるようになっている。なお、配管３２ｃには、カソード流路１２における空気の圧力を制御する図示しない背圧弁（バタフライ弁等）が設けられている。
【００５９】
＜加湿器＞
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜３２ｄを備えている。
【００６０】
＜希釈器＞
希釈器３３は、パージ弁２６から導入されるアノードオフガスと、配管３２ｃから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間３３ａを備えている。具体的には、希釈器３３は、希釈空間３３ａの鉛直下方に、カソードオフガスが流れる配管３３ｂを有しており、配管３３ｂには、その内部と希釈空間３３ａとを連通させる連通孔３３ｃが形成されている。
【００６１】
カソードオフガスの一部は、連通孔３３ｃを通って、希釈空間３３ａに流出し、アノードオフガスと混合することで混合ガスを生成するとともに、アノードオフガス中の水素を希釈し、水素濃度を低減するようになっている。そして、生成した混合ガスは、配管３３ｂを流れるカソードオフガスにより、連通孔３３ｃを介して、配管３３ｂ内に吸引され、さらに希釈されながら、配管３３ｄを介して車外に排出されるようになっている。
【００６２】
すなわち、本実施形態において、燃料電池スタック１０のカソード流路１２（カソード）から排出されるカソードオフガスが流れるカソードオフガス配管は、配管３２ｂと、配管３２ｃと、配管３３ｂと、配管３３ｄとによって構成されている。そして、希釈器３３は、配管３２ｂ等から構成されるカソードオフガス配管に設けられている。
【００６３】
＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池スタック１０の掃気時に、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く系であり、常閉型の掃気ガス導入弁４１を備えている。掃気ガス導入弁４１の上流は、配管４１ａを介して配管３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁４１の下流は、配管４１ｂを介して配管２３ａに接続されている。
掃気ガス導入弁４１は、前記した掃気ガス排出弁１００とともに開かれる設定となっている。
【００６４】
次に、本実施形態の弁装置が適用される掃気ガス排出弁１００の作用を説明する。
システム停止時に、ＥＣＵによって、燃料電池スタック１０内が凍結する虞があると判定されると、ＥＣＵの指令によって、コンプレッサ３１が作動され、掃気ガス導入弁４１とともに掃気ガス排出弁１００が開かれる。
【００６５】
そして、コンプレッサ３１からの掃気ガス（空気）が、アノード流路１１およびカソード流路１２に押し込まれ、これによって、アノード流路１１等の水分（水蒸気、結露水等）が押し出され、燃料電池スタック１０が掃気される。
【００６６】
アノード流路１１から押し出された水分は、掃気ガスと共に、配管２４ａ、気液分離器２４、配管２４ｂ、配管２７ａ、掃気ガス排出弁１００、配管２７ｂを介して、カソード流路１２（カソードオフガス）からの配管３２ｃに合流され、次いで、配管３３ｂ、配管３３ｄを介して車外に排出されるようになっている。一方、カソード流路１２から押し出された水分は、掃気ガスと共に、後記する配管３２ｂ、配管３２ｃ、配管３３ｂ、配管３３ｄを介して車外に排出される。
【００６７】
このような掃気時において、掃気ガス排出弁１００では、ＥＣＵからの指令で励磁したコイル１５５ａにより、可動コア１５６が固定コア１５１に引き寄せられて上方向に移動し、これに伴ってシャフト１４０が上方向に移動して、弁体１３０が弁座部１１７から離座する（図４（ａ）から（ｂ）の状態に移行する）。
【００６８】
これにより、アノード流路１１から押し出された水分を含む高圧のアノードオフガスは、導入ポート１１１から一次室１１０ａに流入し、さらに、一次室１１０ａから二次室１２０ａに流入して導出ポート１２１より配管２７ｂに排出される（図２参照）。
このとき、一次室１１０ａから二次室１２０ａに流入した高圧のアノードオフガスによる圧力によって、図４（ｃ）に示すように、ダイヤフラム１６０のスカート部１６２が裏面側へ向けて反転するように凹状に変形することがある。
しかしながら、本実施形態では、スカート部１６２の下方に、弁体１３０側へ向けて隆起する湾曲凸状の突起部１５２が設けられているので、図４（ｄ）に示すように、開弁状態から閉弁状態に移行する際に、シャフト１４０の下方向への変位に伴って、突起部１５２が、変形した部分に裏面側から当接する状態となる。これによって、図４（ｅ）に示すように、ダイヤフラム１６０の変形が元に戻されることとなる。
【００６９】
また、開弁状態において、図４（ｃ）に示したものより、スカート部１６２がさらに変形した場合でも、開弁状態では、スカート部１６２の裏面側の凹部１６２ａ内に突起部１５２が位置しているので、突起部１５２が変形した部分に裏面側から当接し、これによって、スカート部１６２の変形が好適に抑えられることとなる。
【００７０】
なお、開弁状態において、スカート部１６２が裏面側に向けて変形したままの状態となっても、前記のように、開弁状態から閉弁状態に移行する際に、シャフト１４０の下方向への変位に伴って、突起部１５２が、変形した部分に裏面側から当接する状態となるので、スカート部１６２の変形が確実に元に戻されるようになる。
【００７１】
以上説明した本実施形態の弁装置によれば、二次室ボディ１２０とシャフト１４０との間にダイヤフラム１６０が設けられているので、二次室ボディ１２０側のソレノイド１５０へアノードオフガスが侵入（浸入）するのをこのダイヤフラム１６０によって阻止することができるとともに、ダイヤフラム１６０の撓みによって、シャフト１４０の良好な変位動作を確保することができる。また、ダイヤフラム１６０には、弁体１３０側へ向けて隆起する湾曲凸状のスカート部１６２が設けられているので、開弁時に一次室１１０ａから弁体１３０を介して二次室１２０ａに流入してきたアノードオフガスに、仮に、大量の水蒸気や結露水等の水分が含まれていても、ダイヤフラム１６０に水分が滞留し難いという利点が得られる。したがって、低温環境下（例えば０℃未満）に曝されて燃料電池スタック１０内が凍結する状況においても、ダイヤフラム１６０が凍結し難くなり、シャフト１４０の良好な変位動作を確保でき、弁体１３０の良好な開閉を実現することができる。
したがって、信頼性の高い燃料電池システム１の作動に寄与する。
【００７２】
スカート部１６２の裏面側には、凹部１６２ａ内に挿入可能な突起部１５２が設けられているので、開弁時等にアノードオフガスの圧力によってスカート部１６２が裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に突起部１５２が裏面側から当接する状態となり、これによって、ダイヤフラム１６０の変形を抑えることができる。したがって、ダイヤフラム１６０のスカート部１６２が弁体１３０側に向けて隆起する状態を好適に維持することができ、ダイヤフラム１６０を分厚く形成する等して剛性を確保する必要がなくなる。つまり、ダイヤフラム１６０を薄く形成することができる。
したがって、シャフト１４０のストローク長を長くして、流量を確保することができるとともに、弁体１３０をレスポンスよく円滑に開閉させることができる。
これにより、長期間にわたって安定したシャフト１４０の変位動作を維持することができ、耐久性に優れ、信頼性に優れた燃料電池システム１の実現に寄与する。
また、ダイヤフラム１６０を薄く形成することができるので、コイル１５５ａを小型化することができ、ひいては、ソレノイド１５０全体の小型化を図ることができる。
【００７３】
また、突起部１５２は、先端部１５３がアール状に形成されているので、突起部１５２の当接によってスカート部１６２の裏面１６２ｂが傷付くのを阻止することができる。この場合には、スカート部１６２の凹部１６２ａに沿うようにして、突起部１５２をアール状に形成することによって、スカート部１６２が裏面側へ向けて変形した状態となるのをより一層好適に規制することができる。
【００７４】
また、弁体１３０が閉弁状態にあるときに、スカート部１６２の裏面１６２ｂと突起部１５２との間には、クリアランスＣが形成されるので、例えば、振動等によって両者が接触等するのを防止することができる。このことは、ダイヤフラム１６０の耐久性の向上に寄与し、シャフト１４０の安定した変位動作を長期間にわたって維持することに寄与する。
【００７５】
また、突起部１５２は、シャフト１４０の変位動作に伴ってスカート部１６２の裏面１６２ｂに近づき、スカート部１６２の変形した部分に当接可能であるので、シャフト１４０が変位動作する際に、スカート部１６２が裏面側へ向けて変形した状態となるのをより一層好適に規制することができる。
【００７６】
また、突起部１５２は、二次室ボディ１２０側に固定されて設けられており、弁体１３０を開弁状態から閉弁状態に戻すシャフト１４０の変位動作時に、スカート部１６２の変形した部分に当接可能であるので、開弁時に、一次室１１０ａ側から流入したアノードオフガスの圧力によって、仮に、スカート部１６２が凹部１６２ａ側へ向けて変形した状態となっても、弁体１３０が開弁位置から閉弁位置に戻される際に、突起部１５２が、その変形した部分に対して裏面側から当接し、これによって、ダイヤフラム１６０の変形が元に戻されることとなる。
したがって、ダイヤフラム１６０が変形したままの状態となるのを確実に阻止することができ、長期間にわたって安定したシャフト１４０の変位動作を確保することができる。これによって、長期間に亘って安定した作動を実現することができ、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システム１が実現される。
【００７７】
図５（ａ）（ｂ）に掃気ガス排出弁の変形例を示す。
この掃気ガス排出弁１００’では、突起部１５２’が、シャフト１４０に固定されて設けられている点が異なっている。
突起部１５２’は、シャフト１４０に一体的に設けられており、シャフト１４０の変位動作に伴って移動するように構成されている。つまり、図５（ｂ）に示すように、シャフト１４０が上方向に移動して開弁状態となるときには、これに伴って突起部１５２’が上方向に移動し、上方向に移動した状態で、スカート部１６２の裏面１６２ｂと突起部１５２’との間には、所定のクリアランスＣ’が形成されるように構成されている。
【００７８】
所定のクリアランスＣ’とは、開弁状態において、突起部１５２’が、スカート部１６２の裏面１６２ｂに近づいて凹部１６２ａ内に挿入されるように、かつ、スカート部１６２が裏面側に向けて変形した際に、開弁状態において、その変形した部分に突起部１５２が当接可能となるように設定されている。
なお、シャフト１４０が下方向に移動して閉弁状態となるときには、図５（ａ）に示すように、これに伴って突起部１５２’が下方向に移動し、その結果、スカート部１６２の裏面１６２ｂと突起部１５２’との間には、クリアランスＣ’よりも大きいクリアランスが形成される。
【００７９】
このような掃気ガス排出弁１００’によれば、弁体１３０が閉弁位置から開弁位置に移動される際に、シャフト１４０側に固定された突起部１５２’が、シャフト１４０の変位動作とともにスカート部１６２の背部側に近づく状態となる。したがって、その開弁の際に、一次室１１０ａ側から流入したアノードオフガスの圧力によって、仮に、ダイヤフラム１６０のスカート部１６２が凹部１６２ａ側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に対して裏面側から近づいた突起部１５２’が当接することとなり、これによって、ダイヤフラム１６０の変形が元に戻され、あるいは抑えられることとなる。
【００８０】
したがって、ダイヤフラム１６０が変形したままの状態となるのを確実に阻止することができ、長期間にわたって安定したシャフト１４０の変位動作を確保することができる。これにより、長期間に亘って安定した作動を実現することができ、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システム１が実現される。
【００８１】
なお、前記した実施形態において、突起部１５２は、固定コア１５１に一体的に設けた例を示したが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、図６に示すように、固定コア１５１とは別体とされた部材１９０を介在して、これに突起部１５２を設けてもよい。この場合に、部材１９０を樹脂製の材料等で形成することができる。
【００８２】
また、図示はしないが、二次室ボディ１２０の底壁１２２を導出ポート１２１へ向けて下り傾斜状に形成してもよいし、底壁１２２に、導出ポート１２１へ向けて下り傾斜状の溝部を設けてもよい。これらのように構成することによって、二次室１２０ａ内に仮に水分が滞留した際には、これを導出ポート１２１へ向けて流すことができ、凍結防止をより一層好適に図ることのできる掃気ガス排出弁１００が得られる。
【００８３】
また、前記した実施形態では、弁装置を掃気ガス排出弁１００（１００’）に用いた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、パージ弁２６やドレン弁２５に用いてもよいし、掃気ガス導入弁４１等に用いてもよい。
【００８４】
また、駆動機構としてソレノイド１５０を例示したが、これに限られることはなく、他の駆動機構、例えば、離隔して対向位置した永久磁石の磁極面間にコイル部材を配設して通電することにより、電磁力を利用してシャフト１４０を軸方向に駆動するようにしたボイスコイル型の駆動手段も採用可能である。
【００８５】
さらにまた、前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよく、また、住居、店舗、オフィス用等として用いられる燃料電池システムでもよい。さらにまた、飛行機、ロケット、人工衛星、宇宙ステーション等に搭載される燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施形態に係る弁装置としての掃気ガス排出弁を用いた燃料電池システムの機能を示す図である。
【図２】掃気ガス排出弁の断面図である。
【図３】（ａ）は閉弁状態の掃気ガス排出弁の要部を示す断面図、（ｂ）は開弁状態の掃気ガス排出弁の要部を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は作用説明図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は掃気ガス排出弁の変形例を示す断面図である。
【図６】その他の掃気ガス排出弁を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１１    アノード流路
１２    カソード流路
１００  掃気ガス排出弁
１１０  一次室ボディ
１１０ａ  一次室
１１１  導入ポート
１２０  二次室ボディ
１２０ａ  二次室
１２１  導出ポート
１３０  弁体
１４０  シャフト
１５０  ソレノイド
１５２  突起部
１６０  ダイヤフラム
１６２  スカート部
１６２ａ  凹部
１６２ｂ  裏面
Ｃ      クリアランス
【図１】
0005215714.tif 000002
【図２】
0005215714.tif 000003
【図３】
0005215714.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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