(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が導入される一次室が設けられた一次室ボディと、
流体が導出される二次室が設けられた二次室ボディと、
前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断し、駆動機構により駆動される弁体と、を有し、
前記一次室に流体を導入する導入路と、
前記導入路に設けたオリフィスと、を備えた弁装置であって、
前記導入路は、前記一次室を形成する前記一次室ボディの底壁に接続されており、前記底壁よりも下側に前記オリフィスが位置し、
前記オリフィスは、前記底壁における前記導入路の開口の下方直近に配置され、前記オリフィスの開口部が前記底壁よりも下側に位置していることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記導入路は、上り傾斜状とされており、その上端が前記底壁に接続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】
前記弁体は、前記一次室内に配置され、前記一次室を形成する前記一次室ボディの上壁に向けて変位することで開弁するように構成されており、
前記弁体の頂部を形成する面は、前記上壁に向かって徐々に縮径するテーパ状を成す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】
前記弁体が着座する弁座は、前記底壁から前記上壁へ向けて突出していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の弁装置。
【請求項５】
前記弁座は、前記弁座周りの前記底壁を形成しており、その前記底壁を形成している部分は、前記導入路に近い側よりも前記導入路から離れる側が、前記上壁へ向けて高く形成されていることを特徴とする請求項４に記載の弁装置。
【請求項６】
前記駆動機構は、鉛直方向に駆動することを特徴とする請求項１から請求項５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、燃料電池の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。
しかし、アノード側に水が溜まると燃料ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら電解質膜をアノード側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。
【０００４】
そこで、燃料ガス循環流路にパージ弁を設け、アノードに溜まった水や、燃料ガスに混入した窒素を排出して、発電状態を回復することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、パージ弁の導入路にオリフィスを設けて、導入路を絞るようにしたパージ弁も考えられている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記したパージ弁のような弁装置では、流体が導入される一次室、つまり、弁体の周辺に水分が残留することがあった。特に、導入路に前記したようなオリフィスを設けた場合には、オリフィスによって導入路が絞られることにより導入路に段差が形成され、その段差を境に一次室側に水分が残留することがあった。このような水分の残留現象を生じると、低温環境下（例えば０℃未満）に燃料電池システムを停止させたときに、弁体が凍結して固着状態となる等、パージ弁の作動に支障を来たすおそれがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、低温環境下においても円滑に弁体を変位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】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の弁装置は、流体が導入される一次室が設けられた一次室ボディと、流体が導出される二次室が設けられた二次室ボディと、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断し、駆動機構により駆動される弁体と、を有し、前記一次室に流体を導入する導入路と、前記導入路に設けたオリフィスと、を備えた弁装置であって、前記導入路は、前記一次室を形成する前記一次室ボディの底壁に接続されており、前記底壁よりも下側に前記オリフィスが位置し、前記オリフィスは、前記底壁における前記導入路の開口の下方直近に配置され、前記オリフィスの開口部が前記底壁よりも下側に位置していることを特徴とする。
【００１０】
この弁装置によれば、導入路は、一次室を形成する一次室ボディの底壁に接続されているので、一次室内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、これが一次室内で凝結して水滴となっても、一次室内に残留し難いという利点が得られる。つまり、閉弁後には、一次室内に残留する水滴が一次室ボディの底壁から導入路に戻されるようになり、一次室内に水分が残留し難くなる。
しかも、オリフィスは、底壁よりも下側に位置し、底壁における導入路の開口の下方直近に配置され、オリフィスの開口部が底壁よりも下側に位置しているので、オリフィスを配置することにより形成される段差が一次室ボディの底壁に形成されることがなくなる。したがって、一次室内に残留する水滴等の水分は、一次室ボディの底壁から導入路にスムーズに戻されるようになる。これによって、一次室に水分が残留し難くなる。
【００１１】
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、パージ弁として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を排出した後に、一次室に水滴等の形態で水分が残ったとしても、残った水分は、一次室ボディの底壁から導入路に戻されるようになる。これにより、一次室に水分が残留し難くなり、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、弁体が凍結固着し難くなり、弁体を円滑に変位させることができる。これによって、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。
【００１２】
また、前記導入路は、上り傾斜状とされており、その上端が前記底壁に接続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、一次室から導入路内に流れ込んだ水分が、導入路内で滞留し難くなり、低温環境下（例えば０℃未満）に曝される状況においても、導入路内が凍結するのを阻止することができる。
【００１３】
また、前記弁体は、前記一次室内に配置され、前記一次室を形成する前記一次室ボディの上壁に向けて変位することで開弁するように構成されており、前記弁体の頂部を形成する面は、前記上壁に向かって徐々に縮径するテーパ状を成す構成とするのがよい。
【００１４】
このような弁装置によれば、弁体の上部に、水滴等となって水分が付着した場合でも、該水分が弁体の上部に滞留し難くなり、重力の作用によって、一次室を形成する一次室ボディの底壁へと流れ落ちる。したがって、閉弁後には、一次室内に存在する水分が一次室ボディの底壁から導入路に好適に戻されるようになり、一次室に水分がより一層残留し難くなる。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。
【００１５】
前記弁体が着座する弁座は、前記底壁から前記上壁へ向けて突出している構成とするのがよい。
【００１６】
このような弁装置によれば、仮に、流体に同伴する水分が一次室内で凝結し水滴となって底壁に溜まっても、溜まった水分が弁体と弁座との間に付着することを抑制できる。これによって、弁体が弁座に凍結固着するのを好適に防止することができ、弁体の変位を好適に維持することができる。
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。
【００１７】
前記弁座は、前記弁座周りの前記底壁を形成しており、その前記底壁を形成している部分は、前記導入路に近い側よりも前記導入路から離れる側が、前記上壁へ向けて高く形成されている構成とするのがよい。
【００１８】
このような弁装置によれば、仮に、流体に同伴する水分が一次室内で凝結して水滴となって弁座周りの底壁に溜まっても、重力の作用によって、導入路より離れる側から導入路に近い側へ向けて好適に流れ、その後、導入路に戻される。したがって、一次室内に水分が残留し難いという利点が得られる。
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、前記駆動機構は、鉛直方向に駆動する構成とするのがよい。
このような構成とすることによって、駆動方向が鉛直方向となって傾斜方向や水平方向に駆動する場合と比べて、摺動時の片減り等が生じ難くなり、耐久性が向上するとともに、長期間にわたって安定した動作を実現することのできる弁装置が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、低温環境下においても円滑に弁体を変位させることが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】
【００２１】
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のパージ弁に用いた場合を例として説明する。
【００２２】
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。
＜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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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）
【００２６】
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。
【００２７】
＜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１００、常閉型の掃気ガス排出弁２７、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パージ弁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、パージ弁１００の詳細は後記する。
【００２８】
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対応して変動す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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
［パージ弁］
パージ弁１００は、常閉型の電磁弁であり、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によって開かれる弁である。パージ弁１００の上流側は、配管２６ａを介して配管２４ｂに接続され、下流側は、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。本実施形態では、パージ弁１００の後記する導入路１１１に接続される配管２６ａが、導入路１１１に向けて上り傾斜状に設けられている。なお、後記する導出路１２１に接続される配管２６ｂも希釈器３３に向けて下り傾斜状となるように設けてもよい。
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１００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。
【００３２】
パージ弁１００は、図２に示すように、アノードオフガスが導入される一次室１１０ａが設けられ一次室ボディ１１０と、この一次室ボディ１１０の下部に隣接して設けられ、前記アノードオフガスが導出される二次室１２０ａが設けられた二次室ボディ１２０とを備えており、二次室ボディ１２０（二次室１２０ａ）の下部側に配置された駆動機構としてのソレノイド１５０によって弁体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、パージ弁１００は、パージ時に開弁して、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、アノードオフガスが導入される側となる一次室１１０ａ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１２０ａ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１２０ａの下側に配置される構造となっている。
そして、一次室１１０ａにアノードオフガスを導入する導入路１１１が、一次室ボディ１１０の底壁１１２に接続（開口）されている。導入路１１１には、オリフィス１１３が設けられており、このオリフィス１１３は、底壁１１２よりも下側に位置するようになっている。
【００３３】
以下、各部について詳細に説明する。
一次室ボディ１１０には、底壁１１２に、前記したように、アノードオフガスを導入する導入路１１１が接続されている。この例では、導入路１１１が、上り傾斜状とされており、その上端が底壁１１２に接続されて連通可能に開口している。つまり導入路１１１は、底壁１１２よりも下側となる低い位置に設けられており、これによって、アノードオフガスに同伴する水分が含まれているときに、この水分が一次室１１０ａ内に溜まったとしても、この水分は、導入路１１１の開口１１１ａを通じて導入路１１１内に流れ込み、その自重によって上流側の気液分離器２４（図１参照）に排出されることとなる。
【００３４】
導入路１１１には、前記したようにオリフィス１１３が設けられており、このオリフィス１１３によって、導入路１１１から一次室１１０ａに向かって流通するアノードオフガスの流量を制限する役割をなす。つまり、オリフィス１１３は、一次室１１０ａに導入されるアノードオフガスの圧力を減圧する作用をなし、二次室１２０ａに配置される後記のダイヤフラム１６０に付与される荷重を減圧する。これにより、ダイヤフラム１６０の許容範囲以上の変形を阻止することができ、ダイヤフラム１６０の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
また、アノードオフガスに同伴する水分は、オリフィス１１３を通過する際に凝結して、オリフィス１１３の周りに水滴となって付着することとなる。これによって、一次室１１０ａに余分な水分が導入されることが抑制される。
【００３６】
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。
弁体１３０は、一次室１１０ａを形成する一次室ボディ１１０の上壁１１４に向けて変位することで開弁するように構成されており、その頂部を形成する面は、上壁１１４に対して傾斜している。つまり、弁体１３０の頂部は、平坦面のない尖状とされており、本実施形態では、弁体１３０が、上壁１１４側に向かって徐々に縮径する断面山形状のテーパ状部１３０ａを含んで形成されている。
なお、テーパ状部１３０ａの表面に、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、弁体１３０の頂部や上部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
【００３７】
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（一次室ボディ１１０の底部）から上壁１１４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。
【００３８】
一次室１１０ａの上壁１１４には、凹部１１４ａが設けられており、この凹部１１４ａには、弁体１３０を弁座部１１７へ向けて付勢する戻しばね１３５の上端が保持される。戻しばね１３５は、弁体１３０と凹部１１４ａ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１３５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１１４ａと弁体１３０との間には、弁体１３０が駆動されて上方に変位した際に、所定のクリアランスが形成されるようになっている。
また、一次室１１０ａの左側部は、閉塞部材１１８で塞がれている。
【００３９】
二次室１２０ａは、一次室１１０ａ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２６ｂ（図１参照、以下同じ）に接続可能な導出路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、導出路１２１から配管２６ｂ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、導出路１２１が、前記した導入路１１１とは反対の側、つまり、希釈器３３へ通じる配管２６ｂが接続可能となる側に設けられている。
【００４０】
なお、導入路１１１と配管２６ａとの接続部位、および導出路１２１と配管２６ｂ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１１０ａおよび二次室１２０ａ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１１０ａおよび二次室１２０ａの内部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
特に、一次室１１０ａにおいては、一次室１１０ａ内に残留する水滴等の水分が一次室ボディ１１０の底壁１１２から導入路１１１に戻されるようになり、一次室１１０ａ内に水分が残留し難くなる。
【００４１】
二次室１２０ａ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１２０ａ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。
【００４２】
ダイヤフラム１６０は、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。
【００４３】
内周縁部１６１は、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、シャフト１４０の変位動作に追従して撓曲自在である。
また、外周縁部１６３は、二次室１２０ａの底壁１２２と、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。
【００４４】
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１２０ａとシャフト１４０との間がシールされるようになり、二次室１２０ａの内部の気密が好適に保持されるようになる。
【００４５】
ソレノイド１５０は、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、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、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と備えて構成される。
【００４６】
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の軸線方向に移動可能となっている。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１３５の付勢力に抗して上方向に移動する。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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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内への水や埃等の浸入を防ぐことが可能となる。
【００５０】
［掃気ガス排出弁］
図１に戻って、掃気ガス排出弁２７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２７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２７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。
【００５１】
さらに説明すると、燃料電池スタック１０を掃気時とは、例えばシステム停止時において、温度センサ（図示しない）によって検出されるシステム温度が所定温度未満であり、この後、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある時である。
そして、燃料電池スタック１０内が凍結する虞がある判定される場合、ＥＣＵは、コンプレッサ３１を作動すると共に、掃気ガス導入弁４１及び掃気ガス排出弁２７を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガス（空気）を、アノード流路１１及びカソード流路１２に押し込む。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。
【００５２】
この場合において、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２７、配管２７ｂを介して、カソード流路１２から排出された掃気ガス（カソードオフガス）が流れる配管３２ｃに排出され、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。
【００５３】
＜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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
＜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。
【００５７】
＜希釈器＞
希釈器３３は、パージ弁１００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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
＜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２７とともに開かれる設定となっている。
【００６１】
次に、本実施形態の弁装置が適用されるパージ弁１００の作用を説明する。
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、ＥＣＵが不純物を排出する必要があると判定し、ＥＣＵの指令によってパージ弁１００が開かれる。
【００６２】
パージ弁１００が開弁すると、アノード流路１１から導出されて不純物を含むアノードオフガスが、配管２４ａ、気液分離器２４、配管２４ｂ、配管２６ａ、および導入路１１１を通じてパージ弁１００の一次室１１０ａに導入される。この際、導入路１１１に導入されたアノードオフガスは、オリフィス１１３によって所定の流量に絞られて減圧された後、一次室１１０ａから弁体１３０と弁座部１１７との間を通じて二次室１２０ａに流入し、二次室１２０ａから導出路１２１へ導出される。導出路１２１から導出されたアノードオフガスは、配管２６ｂを通じて希釈器３３へ送られる。
【００６３】
また、パージ終了時に、ＥＣＵによってソレノイド１５０のコイル１５５ａへの通電がオフ状態にされると、コイル１５５ａが非励磁状態となり、可動コア１５６が軸線方向に沿って下方へと変位する。また略同時に、弁体１３０が戻しばね１３５の弾発力によって下方へと押圧され、戻しばね１３５の弾発力によって弁体１３０が弁座部１１７へと着座する。これにより、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの連通が遮断され、導入路１１１と導出路１２１との連通が遮断される。
【００６４】
このような過程において、アノードオフガスに同伴する水分Ｗが、一次室１１０ａ内で凝結して水滴となり、図３（ａ）に示すように、底壁１１２上に溜まった状態となることがある。この場合に、溜まった水分Ｗは、図３（ｂ）に示すように、底壁１１２から開口１１１ａを通じて導入路１１１に流れ込む。つまり、一次室１１０ａ内に残留する水分Ｗが、導入路１１１に戻されることとなる。
【００６５】
以上説明した本実施形態の弁装置によれば、導入路１１１は、一次室１１０ａを形成する一次室ボディ１１０の底壁１１２に接続されているので、一次室１１０ａ内に流入してきたアノードオフガスに、水蒸気や結露水等の水分が含まれていて、これが一次室１１０ａ内で凝結して水滴となっても、一次室１１０ａ内に残留し難いという利点が得られる。つまり、閉弁後には、一次室１１０ａ内に残留する水滴が一次室ボディ１１０の底壁１１２から導入路１１１に戻されるようになり、一次室１１０ａ内に水分が残留し難くなる。
しかも、オリフィス１１３は、底壁１１２よりも下側に位置しているので、オリフィス１１３を配置することにより形成される段差が底壁１１２に形成されることがなくなる。したがって、一次室１１０ａ内に残留する水滴等の水分は、底壁１１２から導入路１１１にスムーズに戻されるようになる。これによって、一次室１１０ａに水分が残留し難くなる。
【００６６】
また、燃料電池システム１の運転中に一次室１１０ａの内部に水滴が付着していなくても、燃料電池システム１の停止中に温度低下してアノードオフガス中に含まれていた水分が一次室１１０ａの内部で凝結し、水滴となり付着する場合にも、一次室ボディ１１０の底壁１１２から導入路１１１にこれが戻されるようになり、一次室１１０ａ内に水分が残留し難い。
【００６７】
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システム１内が凍結する状況においても、弁体１３０が凍結固着し難くなり、弁体１３０を円滑に変位させることができる。これによって、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。
【００６８】
また、導入路１１１は、一次室１１０ａに向かって上り傾斜状とされており、その上端が底壁１１２に接続されている構成とするのがよい。このようなパージ弁１００によれば、傾斜した導入路１１１を利用して一次室１１０ａ内に残留した水滴等の水分を上流側の気液分離器２４にうまく戻すことができる。したがって、導入路１１１内に水分が滞留し難くなり、低温環境下（例えば０℃未満）に曝される状況においても、導入路１１１内が凍結するのを確実に阻止することができる。
【００６９】
また、ソレノイド１５０は、鉛直方向に駆動するので、傾斜方向や水平方向に駆動する場合と比べて、摺動時の片減り等が生じ難くなり、耐久性が向上するとともに、長期間にわたって安定した動作を実現することのできるパージ弁１００が得られる。
【００７０】
また、弁体１３０は、一次室１１０ａ内に配置され、少なくとも上壁１１４に対向する側が、上壁１１４側に向かって徐々に縮径するテーパ状部１３０ａを含んで形成されているので、弁体１３０の上部に、水滴等となって水分が付着した場合でも、該水分が弁体１３０の上部に滞留し難くなり、重力の作用によって、一次室１１０ａを形成する底壁１１２へと流れ落ちる。したがって、閉弁後には、一次室１１０ａ内に存在する水分が底壁１１２から導入路１１１に好適に戻されるようになり、一次室１１０ａに水分がより一層残留し難くなる。このことは、燃料電池システム１の長期間に亘る安定した作動の実現に寄与し、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システム１が得られる。
【００７１】
弁座１１６は、底壁１１２から上壁１１４へ向けて突出しているので、アノードオフガスに同伴する水分が一次室１１０ａ内で凝結して水滴となって底面（底壁上）に溜まっても、溜まった水分が弁体１３０と弁座１１６との間に付着することを抑制できる。これによって、弁体１３０が弁座１１６に凍結固着するのを好適に防止することができ、弁体１３０の変位を好適に維持することができる。
【００７２】
前記した実施形態において、一次室１１０ａの底壁１１２は、平らに形成した例を示したが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、導入路１１１の開口１１１ａに向けて、底壁１１２が下り傾斜状となるように形成してもよい。また、導入路１１１の開口１１１ａに向けて一次室１１０ａ内の水分が流れるように、排水溝を設けてもよい。この場合、弁座１１６の周囲を取り囲む円環状に、排水溝を形成してもよい。
これらのように構成することによって、一次室１１０ａ内に水分が残留した際には、これを導入路１１１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パージ弁１００が得られる。
【００７３】
図４は本実施形態の弁装置の変形例を示す断面図であり、弁座１１６が弁座１１６の周りの底壁の一部を形成しており、その底壁を形成している底壁部１１６ａ，１１６ｂに高低差が付けられている。この例では、導入路１１１に近い側となる底壁部１１６ａよりも、導入路１１１から離れる側となる底壁部１１６ｂが、上壁１１４へ向けて高くなるように形成されている。
【００７４】
つまり、この例では、流体に同伴する水分が一次室１１０ａ内で凝結して水滴Ｗ２となって弁座１１６の周りの底壁部１１６ｂに溜まっても、重力の作用によって、これが低い側となる底壁部１１６ａ側へ向けて好適に流れるようになり、その後、導入路１１１に戻される。したがって、一次室１１０ａ内に水分が残留し難いという利点が得られる。
【００７５】
また、その他の例として、図示はしないが、二次室１２０ａの底壁１２２や導出路１２１を配管２６ｂ側へ向けて下り傾斜状に形成してもよい。このように構成することによって、二次室１２０ａに仮に水分が滞留した際には、これを導出路１２１から配管２６ｂ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パージ弁１００が得られる。
【００７６】
また、前記した実施形態では、弁装置をパージ弁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、ドレン弁２５や掃気ガス排出弁２７に用いてもよい。
【００７７】
また、オリフィス１１３は、導入路１１１と別部材で構成したが、導入路１１１の内壁形状をオリフィス状に加工して、導入路１１１にオリフィス１１３を一体に設けてもよい。
【００７８】
なお、前記した実施形態では、ソレノイド１５０によりシャフト１４０が鉛直方向に摺動する例を示したが、これに限られることはなく、シャフト１４０が鉛直方向から所定の角度傾いた状態で摺動するように構成してもよい。この場合にも、オリフィス１１３は、一次室１１０ａを構成する底壁となる部位よりも下側に配置されていればよい。
また、パージ弁１００は、天地逆となるように設置してもよい。つまり、天地逆とした場合には、一次室ボディ１１０の上壁１１４が、一次室１１０ａの底側に位置して底壁として機能し、この底壁に対して導入路１１１の上端を接続するように構成するとともに、この底壁よりも下側において、導入路１１１にオリフィス１１３を設けるように構成する。このように構成した場合にも、導入路１１１に水分を好適に戻すことができ、弁体１３０の凍結を好適に防止することができる。
【００７９】
また、前記した実施形態では、弁体１３０を断面山形状としたが、これに限られることはなく、断面半円形状としてもよい。つまり、弁体１３０は、その頂部に平坦面が形成されることがなく、水滴が滞留せずに流れ易くされた形状（例えば、頂部を形成する面が、上壁１１４に対して傾斜している形状等）であれば、種々の形状を採用し得る。
【００８０】
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。
【００８１】
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、オフィス等の用途とした燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施形態に係る弁装置としてのパージ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】パージ弁の断面図である。
【図３】（ａ）は開弁状態の一次室内の様子を示す断面図、（ｂ）は開弁されたときの一次室内の様子を示す断面図である。
【図４】本実施形態の弁装置の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
２５    ドレン弁
２６    パージ弁
２７    掃気ガス排出弁
１００  パージ弁
１１０  一次室ボディ
１１０ａ  一次室
１１１  導入路
１１１ａ  開口
１１２  底壁
１１３  オリフィス
１１４  上壁
１１６  弁座
１１６ａ，１１６ｂ  底壁部
１１７  弁座部
１２０  二次室ボディ
１２０ａ  二次室
１２１  導出路
１３０  弁体
１３０ａ  テーパ状部
１５０  ソレノイド（駆動機構）
Ｗ      水分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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