(57)【要約】【課題】流路遮断機能と流量制御機能とを両立させ、前記流路遮断機能と前記流量制御機能とを好適に切り換えること。【解決手段】単一の回転駆動源５６と、流路７０内に弁体７４が配置されるボール弁５０と、ボール弁５０に形成された貫通孔７２内に弁体８０が配置されるバタフライ弁５２とを有する弁機構５３と、回転駆動源５６からの回転駆動力の伝達をボール弁５０とバタフライ弁５２との間で切り換える切換機構５４とを備え、ボール弁軸７６の内径側にバタフライ弁軸８４が同軸状に配置され、ボール弁軸７６の上端部にボール弁作動用ギヤ部９０が設けられると共に、バタフライ弁軸８４の上端部にバタフライ弁作動用ギヤ部９２が設けられる。【選択図】図２
2012211617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートと、前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる流路とがそれぞれ形成された装置本体と、
単一の回転駆動源と、
前記回転駆動源によって駆動され、前記流路内に弁体が配置されるボール弁と、前記ボール弁に形成された内部流路内に弁体が配置されるバタフライ弁とを有する弁機構と、
前記回転駆動源からの回転駆動力の伝達を前記ボール弁と前記バタフライ弁との間で切り換える切換機構と、
を備え、
前記ボール弁のボール弁軸の内径側に前記バタフライ弁のバタフライ弁軸が同軸状に配置され、
前記ボール弁軸の端部にボール弁作動用ギヤ部が設けられると共に、前記バタフライ弁軸の端部にバタフライ弁作動用ギヤ部が設けられ、
前記切換機構によって、前記回転駆動源の回転駆動力が前記ボール弁作動用ギヤ部に伝達されるボール弁ギヤ選択状態と、前記回転駆動源の回転駆動力が前記バタフライ弁作動用ギヤ部に伝達されるバタフライ弁ギヤ選択状態とが切り換えられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】
請求項１記載のバルブ装置において、
前記切換機構は、中間軸と、前記中間軸に回転可能に軸支されると共に、前記中間軸の軸方向に沿って変位可能に設けられる中間ギヤと、変位した前記中間ギヤを原位置に復帰させる復帰ばねと、前記復帰ばねのばね力に抗して前記中間ギヤを押圧して変位させるアクチュエータとを有することを特徴とするバルブ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のバルブ装置において、
前記ボール弁の弁体と前記バタフライ弁の弁体とは、前記ボール弁軸又は前記バタフライ弁軸を中心として相互に反対方向に回転するように設けられ、
前記ボール弁作動用ギヤ部には、係止部と、前記ボール弁作動用ギヤ部を周方向に沿って付勢するばね部材とが設けられ、
前記装置本体には、前記係止部を係止して前記ボール弁の弁体を弁開状態に保持するストッパ部が設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載のバルブ装置において、
前記バルブ装置は、車両に燃料電池が搭載された燃料電池システムに組み込まれ、
前記車両のイグニッションスイッチがオンされたときには、前記ボール弁の弁体が弁開状態に保持されると共に、前記バタフライ弁の弁開度が制御され、
前記イグニッションスイッチがオフされたときには、前記ボール弁の弁体が弁閉状態となって前記流路を遮断することを特徴とするバルブ装置。
【請求項５】
請求項４項記載のバルブ装置において、
前記バルブ装置は、少なくとも、前記燃料電池のカソード流路の出口側に配置されることを特徴とするバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を遮断する流路遮断機能と、流路を流通する圧力流体の流量を制御する流量制御機能とを併有し、前記流路遮断機能と流量制御機能とを適宜切り換えることが可能なバルブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、起動停止時におけるアノード及びカソードの酸化による劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる、とする燃料電池発電装置が開示されている。
【０００３】
この燃料電池発電装置は、停止時にカソードに残留した酸化剤ガスの全部又は一部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換部と、起動時にカソードに残留した燃料ガスの全部又は一部を不活性ガスで置換する不活性ガス置換部と、燃料電池の燃料ガス供給通路及び酸化剤ガス供給通路の入口・出口にそれぞれ配置されて燃料電池の停止時にアノード及びカソードに燃料ガスを封入する４つの遮断弁と、所定の流量で燃料電池のアノードに対して燃料ガスを供給する燃料ガス流量制御部と、大気中から取り込まれたエアを所定の流量で燃料電池のカソードに対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流量制御部とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−９３１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示された燃料電池発電装置では、遮断弁及び流量制御部の具体的な構成について何ら開示乃至示唆されていないが、例えば、遮断弁としてボール弁やポペットタイプのオンオフ弁を用い、流量制御弁としてバタフライ弁を用いることが考えられる。
【０００６】
そこで、遮断弁による流路封止（遮断）機能と流量制御部による流量制御機能とを一体化させた場合、ボール弁やポペットタイプのオンオフ弁では、一般的に流体遮断性に優れているものの、ボール弁では作動耐久性に課題があり、ポペットタイプのオンオフ弁では、流量制御性に課題がある。また、バタフライ弁では、一般的に弁開度による流量制御性や作動耐久性に優れているものの、ボアと弁体との干渉を回避するために隙間が発生するため流路遮断性に課題がある。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させ、前記流路遮断機能と前記流量制御機能とを好適に切り換えることが可能なバルブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートと、前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる流路とがそれぞれ形成された装置本体と、単一の回転駆動源と、前記回転駆動源によって駆動され、前記流路内に弁体が配置されるボール弁と、前記ボール弁に形成された内部流路内に弁体が配置されるバタフライ弁とを有する弁機構と、前記回転駆動源からの回転駆動力の伝達を前記ボール弁と前記バタフライ弁との間で切り換える切換機構と、を備え、前記ボール弁のボール弁軸の内径側に前記バタフライ弁のバタフライ弁軸が同軸状に配置され、前記ボール弁軸の端部にボール弁作動用ギヤ部が設けられると共に、前記バタフライ弁軸の端部にバタフライ弁作動用ギヤ部が設けられ、前記切換機構によって、前記回転駆動源の回転駆動力が前記ボール弁作動用ギヤ部に伝達されるボール弁ギヤ選択状態と、前記回転駆動源の回転駆動力が前記バタフライ弁作動用ギヤ部に伝達されるバタフライ弁ギヤ選択状態とが切り換えられることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、装置本体の流路を流通する圧力流体は、ボール弁による流路遮断制御と、バタフライ弁による流量制御（圧力制御）との両方の制御を受けることができ、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることができる。すなわち、ボール弁によって締切性（封止性）の良好な制御が可能になると共に、バタフライ弁によって、流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。これにより、バタフライ弁によって流量制御が可能となるので、この結果、ボール弁の作動耐久性を向上させることが可能となる。
【００１０】
また、ボール弁作動用ギヤ部とバタフライ弁作動用ギヤ部との両方を、切換機構を介して、例えば、一側からギヤ駆動することが可能となり、ボール弁及びバタフライ弁へ駆動力を伝達する駆動力伝達機構の構造を簡素化することができる。
【００１１】
さらに、切換機構を設けることにより、単一の回転駆動源によってボール弁及びバタフライ弁からなる２個の弁をそれぞれ駆動させることができる。この場合、ボール弁による締切性（封止性）の良好な制御と、バタフライ弁による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御と、ボール弁の作動耐久性の向上とを、単一の回転駆動源によって実現することができる。複数の回転駆動源によってボール弁及びバタフライ弁をそれぞれ駆動する場合と比較して、回転駆動源が１個で済むため、製造コストを低減化することができる。
【００１２】
また、本発明は、前記切換機構が、中間軸と、前記中間軸に回転可能に軸支されると共に、前記中間軸の軸方向に沿って変位可能に設けられる中間ギヤと、変位した前記中間ギヤを原位置に復帰させる復帰ばねと、前記復帰ばねのばね力に抗して前記中間ギヤを押圧して変位させるアクチュエータとを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、アクチュエータを作動させることにより、中間ギヤとの噛合が、バタフライ弁作動用ギヤ部からボール弁作動用ギヤ部へと円滑に且つ簡便に切り換えることができる。
【００１４】
さらに、本発明は、前記ボール弁の弁体と前記バタフライ弁の弁体とが、前記ボール弁軸又は前記バタフライ弁軸を中心として相互に反対方向に回転するように設けられ、前記ボール弁作動用ギヤ部には、係止部と、前記ボール弁作動用ギヤ部を周方向に沿って付勢するばね部材とが設けられ、前記装置本体には、前記ボール弁の弁体を弁開状態に保持するストッパ部が設けられることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、ボール弁の係止部が装置本体のストッパ部で係止されてボール弁が弁開状態に保持されているときに、バタフライ弁が作動可能な状態となっている。これにより、バタフライ弁が作動する際、バタフライ弁と一緒にボール弁が共回りすることを阻止することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明は、前記バルブ装置が、車両に燃料電池が搭載された燃料電池システムに組み込まれ、前記車両のイグニッションスイッチがオンされたときには、前記ボール弁の弁体が弁開状態に保持されると共に、前記バタフライ弁の弁開度が制御され、前記イグニッションスイッチがオフされたときには、前記ボール弁の弁体が弁閉状態となって前記流路を遮断することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、車両のイグニッションスイッチがオンのとき、ボール弁は、弁開状態に保持されているため、流路の開度をバタフライ弁によって制御することができる。一方、イグニッションスイッチがオフのとき、ボール弁を弁閉状態として流路を締め切る（遮断する）ことができる。
【００１８】
またさらに、本発明は、前記バルブ装置が、少なくとも、前記燃料電池のカソード流路の出口側に配置されることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、例えば、燃料電池のカソード流路の出口側にバルブ装置を配置した場合、カソード流路の出口から排出されるカソードオフガスの背圧制御を好適に行うことができる。
【００２０】
また、例えば、カソード流路の入口側及び出口側の両方にバルブ装置をそれぞれ配置した場合、カソードの入口側及び出口側をそれぞれ封止することが可能となる。この結果、カソードに対して酸化剤ガスの流入が確実に阻止されるため、スタックの自己発電を回避して燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００２１】
さらに、従来からカソード流路の出口側に配置されている、例えば、遮断弁及び背圧制御弁を本発明のバルブ装置と代替することができ、製造コストを低減することができると共に、カソード系におけるレイアウトを向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させ、前記流路遮断機能と前記流量制御機能とを好適に切り換えることが可能なバルブ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】（ａ）は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った縦断面図である。
【図３】（ａ）は、前記第２バルブ装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った縦断面図である。
【図４】（ａ）は、ボール弁の係止部がボディのストッパ部に当接して係止されている状態を示す概略平面図、（ｂ）は、前記係止状態を示す一部省略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。なお、本実施形態では、車両に搭載された燃料電池に組み込まれるバルブ装置を以下に例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式の燃料電池等に組み込まれる各種バルブに適用することができる。
【００２５】
図１に示されるように、本実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システム１０は、燃料電池１２、アノード系１４、カソード系１６、図示しない制御系を備えて構成されている。
【００２６】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２２及びカソード流路２４が形成されている。
【００２７】
このような燃料電池１２では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１２が発電可能な状態となる。
【００２８】
前記燃料電池１２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１２が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２６等である。
【００２９】
アノード系１４は、水素タンク２８、遮断弁３０、パージ弁３２、配管ａ１〜ａ４等によって構成される。
【００３０】
水素タンク２８は、高純度の水素を高圧で貯蔵するものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁３０と接続されている。前記遮断弁３０は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ２を介して下流側の燃料電池１２のアノード流路２２の入口と接続されている。
【００３１】
パージ弁３２は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ３を介して上流側の燃料電池１２のアノード流路２２の出口と接続されている。
【００３２】
カソード系１６は、エアポンプ２６、第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂ、配管（酸化剤ガス流路）ｃ１〜ｃ３等で構成されている。
【００３３】
エアポンプ２６は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮して燃料電池１２に供給する。
【００３４】
本発明の実施形態に係る第１バルブ装置４０ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２６と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の燃料電池１２のカソード流路２４の入口と接続されている。また、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置４０ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ３を介して上流側の燃料電池１２のカソード流路２４の出口と接続される。
【００３５】
本発明の実施形態に係る第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂは、それぞれ同一構成からなるため、以下、カソード流路２４の出口側に設けられた第２バルブ装置４０ｂの構成を詳細に説明して、第１バルブ装置４０ａの説明を省略する。
【００３６】
図２（ａ）は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置の縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った縦断面図、図３（ａ）は、前記第２バルブ装置の縦断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った縦断面図である。
【００３７】
この第２バルブ装置４０ｂは、図２に示されるように、流体（圧力流体）が導入されるインレットポート４２ａが一方の側壁に形成されると共に、流体（圧力流体）が導出されるアウトレットポート４２ｂが他方の側壁に形成されたボディ４４と、前記ボディ４４の上部を被覆するカバー４６とを有する。なお、前記ボディ４４及びカバー４６は、装置本体として機能するものである。
【００３８】
ボディ４４及びカバー４６の内部には、弁駆動機構４８と、前記弁駆動機構４８によって駆動（付勢）されるボール弁５０及びバタフライ弁５２からなる弁機構５３と、前記弁駆動機構４８による回転駆動力の伝達を前記ボール弁５０とバタフライ弁５２との間で切り換える切換機構５４とが配設される。
【００３９】
弁駆動機構４８は、ボディ４４の凹部４４ａ内によって固定され、例えば、ステッピングモータやＤＣサーボモータ等からなる単一の回転駆動源５６と、前記回転駆動源５６の回転駆動軸（モータ軸）５６ａに連結されたピニオン５８とを有する。
【００４０】
なお、図示しない電源によって回転駆動源５６に供給される電流の極性を切り換えることにより、回転駆動軸５６ａに連結されたピニオン５８の回転方向を正逆いずれかの方向に切り換えることができる。また、回転駆動源５６をボディ４４の外部に、例えば、ブラケットを介して付設してもよい。
【００４１】
切換機構５４は、ボディ４４とカバー４６との間で回転駆動軸５６ａと略平行に固定されるピン（中間軸）６０と、前記ピン６０に対して回転自在に軸着されると共に、ピン６０の軸方向に沿って変位自在に設けられる中間ギヤ６２と、前記ピン６０に装着され一端部が前記中間ギヤ６２の円筒部６２ａの下端面に係止され他端部がボディ４４の上面部に係止されるコイルスプリング６４と、前記中間ギヤ６２をピン６０の軸方向に沿った下方側に向かって押圧することにより、前記中間ギヤ６２を下方側に向かって変位させるアクチュエータ６６とを有する。このアクチュエータ６６は、例えば、電磁・電歪作用等によって作動する電磁・電歪アクチュエータや、圧力流体によって作動する流体圧アクチュエータ等によって構成され、アクチュエータ６６の出力軸から中間ギヤ６２に対して押圧力が付与される。
【００４２】
中間ギヤ６２の軸方向に沿った上部側の外周面には、前記回転駆動軸５６ａのピニオン５８と噛合する大径な第１ギヤ部６８ａが設けられ、中間ギヤ６２の下部側の円筒部６２ａの外周面には、前記第１ギヤ部６８ａよりも小径な第２ギヤ部６８ｂが同軸状に設けられる。
【００４３】
この場合、中間ギヤ６２は、コイルスプリング６４のばね力によって、常時、上方に向かって付勢された状態にある。このコイルスプリング６４は、ピン６０の軸方向に沿って中間ギヤ６２が下方に変位した後、前記中間ギヤ６２を上方の原位置に復帰させる復帰ばねとして機能するものである。
【００４４】
弁機構５３は、インレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとを連通させる流路７０の中間部位に配置されるボール弁５０と、前記ボール弁５０の内部流路に配置されるバタフライ弁５２とを有する。
【００４５】
ボール弁５０は、中心軸（中心を通る軸）に沿って一方の曲面と他方の曲面が取り除かれ、中心軸に沿って一方から他方に貫通する貫通孔７２を有する略球形状からなる弁体７４と、中心軸と略直交する方向に延在し前記弁体７４に連結される中空シャフト状のボール弁軸７６と、前記ボール弁軸７６の外径部を回転自在に軸支する円筒状の軸受部材７８とを備える。
【００４６】
バタフライ弁５２は、ボール弁５０の内部流路として機能する貫通孔７２内に所定角度だけ回動自在に配置される円板状の弁体８０と、ねじ部材８２を介して円板状の弁体８０に連結される中実シャフト状のバタフライ弁軸８４と、前記バタフライ弁軸８４の外径部を回動自在に軸支する軸受部材８６と、バタフライ弁軸８４の外径面をシールするシール部材８８とを備える。
【００４７】
この場合、ボール弁軸７６の内径中空部９０内にバタフライ弁軸８４が同軸（略同軸）に配置される。換言すると、外径側のボール弁軸７６と内径側のバタフライ弁軸８４とが軸線Ａに沿って同軸状に配置される。
【００４８】
ボール弁軸７６の上端部には、中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂと噛合可能なギヤ部からなるボール弁作動用ギヤ部９０が設けられる。また、バタフライ弁軸８４の上端部には、中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂと噛合可能なギヤ部からなるバタフライ弁作動用ギヤ部９２が設けられる。
【００４９】
バタフライ弁作動用ギヤ部９２とボール弁作動用ギヤ部９０とは、ピン６０の軸方向に沿った上下方向にそれぞれ配置されると共に、中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂと噛み合いが可能なように、同軸の軸線Ａから略同一の外径寸法に設定されている。
【００５０】
上部側のバタフライ弁作動用ギヤ部９２と下部側のボール弁作動用ギヤ部９０との間には、他のコイルスプリング（ばね部材）９４が介装される。なお、後記する図４（ａ）に示されるように、他のコイルスプリング９４の上端部（一端部）９４ａは、バタフライ弁作動用ギヤ部９２に対して係着され、他のコイルスプリング９４の下端部（他端部）９４ｂは、ボール弁作動用ギヤ部９０に対して係着されて、周方向に沿ってばね力を発揮するように設けられる。
【００５１】
図４（ａ）は、ボール弁の係止部がボディのストッパ部に当接して係止されている状態を示す概略平面図、図４（ｂ）は、前記係止状態を示す一部省略斜視図である。
【００５２】
図２に示されるように、同軸状に配置されたボール弁軸７６とバタフライ弁軸８４との共回りを防止するために、回転駆動源５６の正逆切換作用でボール弁軸７６（ボール弁５０）とバタフライ弁軸８４（バタフライ弁５２）との回動方向が相互に反対方向となっていると共に、図４に示されるように、ボディ４４の上面部にストッパ部９６が設けられる。ボディ４４のストッパ部９６に対して、ボール弁作動用ギヤ部９０の周方向に形成された係止部９８が係止されることにより、ボール弁５０の弁体７４の回動動作が阻止される。
【００５３】
すなわち、他のコイルスプリング９４のばね力によってボール弁作動用ギヤ部９０が周方向に付勢され、ボール弁作動用ギヤ部９０の周方向に形成された係止部９８をボディ４４のストッパ部９６に当接させることにより、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持される。係止部９８及びストッパ部９６の係止作用によりボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持されることによって、バタフライ弁５２が作動可能な状態となる。この結果、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持された状態において、バタフライ弁５２が作動するときに、前記バタフライ弁５２と一緒にボール弁５０が共回りすることが阻止される。
【００５４】
なお、本実施形態では、ボール弁作動用ギヤ部９０の係止部９８が当接してストッパ機能を発揮するストッパ部９６をボディ４４に対して一体的に形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない他のストッパ部材を用いてボール弁作動用ギヤ部９０の係止部９８を係止するようにしてもよい。
【００５５】
図２に示されるように、さらに、ボディ４４の流路７０内には、ボール弁５０の弁体７４の外径面を保持（シート）して、弁体７４の回り止め機能を発揮するシート機構１０２が設けられる。ボール弁５０の弁体７４の回り止めは、例えば、ピニオン５８と中間ギヤ６２との噛み合い抵抗や、中間ギヤ６２とボール弁作動用ギヤ部９０又はバタフライ弁作動用ギヤ部９２との噛み合い抵抗等によって保持することが可能であるが、前記シート機構１０２を設けることによりボール弁５０の弁体７４の回り止めを確実に行うことができる。
【００５６】
このシート機構１０２は、インレットポート４２ａ側に配置され、弁体７４の形状に対応する部分球面からなるシート面１０４ａを有する第１シート部材１０６と、前記第１シート部材１０６のシート面１０４ａを弁体７４に向かって押圧する第１ばね部材１０８と、アウトレットポート４２ｂ側に配置され、弁体７４の形状に対応する部分球面からなるシート面１０４ｂを有する第２シート部材１１０と、前記第２シート部材１１０のシート面１０４ｂを弁体７４に向かって押圧する第２ばね部材１１２と、第２ばね部材１１２を係止すると共に、第２シート部材１１０を保持する保持部材１１４とを有する。
【００５７】
制御系は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ等で構成されている。ＥＣＵは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成される。また、ＥＣＵは、遮断弁３０、パージ弁３２、第１及び第２バルブ装置４０ａ、４０ｂにそれぞれ設けられた回転駆動源５６、アクチュエータ６６等を制御する。
【００５８】
本実施形態に係る第１及び第２バルブ装置４０ａ、４０ｂが組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に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。
【００５９】
運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されて燃料電池システム１０が運転中である場合には、ＥＣＵによって第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂの切換機構５４がバタフライ弁作動用ギヤ部９２に回転駆動源５６の回転駆動力が伝達されるバタフライ弁ギヤ選択状態に切り換えられてカソードの封鎖状態が解除されている（図２参照）。同時に、ＥＣＵによって遮断弁３０が弁開状態とされて水素タンク２８からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ２６が駆動されてカソードにエア（空気）が供給されて、燃料電池１２の発電が行われる。
【００６０】
イグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）にある場合、他のコイルスプリング９４のばね力によってボール弁作動用ギヤ部９０が周方向に付勢され、ボール弁作動用ギヤ部９０に形成された係止部９８がボディ４４のストッパ部９６に当接した状態にある（図４参照）。ボール弁５０の係止部９８がストッパ部９６に当接して係止されることによりボール弁５０の弁体７４が弁開状態（インレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとの連通状態）に保持され、バタフライ弁５２の弁体８０が作動可能な状態にある。
【００６１】
この場合、切換機構５４の中間ギヤ６２は、図２（ａ）に示されるように、コイルスプリング６４のばね力によって上部側に位置し、バタフライ弁作動用ギヤ部９２と中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂとが噛合したバタフライ弁ギヤ選択状態にある。このバタフライ弁ギヤ選択状態では、回転駆動源５６の回転駆動力がピニオン５８、中間ギヤ６２、バタフライ弁作動用ギヤ部９２、及び、バタフライ弁軸８４を介して弁体８０に伝達され、バタフライ弁軸８４を中心としてバタフライ弁５２の弁体８０を所定角度だけ回動させることができる。この結果、バタフライ弁５２の弁体８０の回動動作によって、流路７０を流通するカソードオフガスの流量が制御されて、カソードの背圧が制御される（図２（ｂ）参照）。
【００６２】
次に、燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）からオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）に切り換えられて、燃料電池１２の発電が停止される場合について説明する。
【００６３】
運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）された場合、図示しないＥＣＵからの制御信号によって、遮断弁３０が閉じられて燃料電池１２側への水素の供給が停止されると共に、エアポンプ２６の図示しないモータの駆動が停止されて燃料電池１２側へのエアの供給が停止される。また、燃料電池１２の発電停止時は、燃料電池１２（スタック）の自己発電による劣化防止のため、第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ４０ｂによって燃料電池１２のカソード（カソード流路２４）の入口側及び出口側をそれぞれ封鎖する必要がある。
【００６４】
そこで、ＥＣＵは、アクチュエータ６６を作動させて中間ギヤ６２を下方側へ変位させ、切換機構５４をバタフライ弁ギヤ選択状態からボール弁ギヤ選択状態に切り換える。
【００６５】
すなわち、図３（ａ）に示されるように、アクチュエータ６６を作動させることにより下方側への押圧力が発生し、この押圧力によって中間ギヤ６２は、コイルスプリング６４のばね力に抗して、ピン６０の軸方向に沿って下方側へ変位する。ピン６０の下方側へ変位した中間ギヤ６２は、その第１ギヤ部６８ａがピニオン５８と噛み合った状態を保持しながら、その第２ギヤ部６８ｂがボール弁作動用ギヤ部９０と噛合した状態となる。
【００６６】
中間ギヤ６２が下方側に変位し、切換機構５４によってバタフライ弁ギヤ選択状態からボール弁ギヤ選択状態に切り換えられた後、回転駆動源５６へ供給される電流の極性を変えて回転駆動軸５６ａの回転方向を前記とは正逆反対方向に回転させる。この回転駆動源５６の回転駆動力は、ピニオン５８、中間ギヤ６２、ボール弁作動用ギヤ部９０、及び、ボール弁軸７６を介してボール弁５０の弁体７４に伝達される。ボール弁５０の弁体７４を所定方向（係止部９８がストッパ部９６から離間する方向）に約９０度だけ回動させることにより、ボール弁５０を弁開状態から弁閉状態に切り換えることができる（図３（ｂ）参照）。なお、ボール弁５０の弁体７４が回動する際、バタフライ弁５２の弁体８０も一緒に共回りする。
【００６７】
この結果、ボディ４４内の流路７０がボール弁５０の弁体７４によって完全に封止（封鎖）されるため、ボディ４４のインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとの連通が遮断される。
【００６８】
なお、イグニッションスイッチのオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）からオン（ＩＧ−ＯＮ）に再び切り換えられたときには、アクチュエータ６６の押圧力がなくなり、中間ギヤ６２は、コイルスプリング６４のばね力によって下部側から上部側へ自動的に変位して原位置に復帰する。
【００６９】
運転者の操作によって、イグニッションスイッチのオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）からオン（ＩＧ−ＯＮ）に再び切り換えられると、切換機構５４の中間ギヤ６２は、コイルスプリング６４のばね力によって上部側の原位置へ自動的に復帰し、ボール弁ギヤ選択状態から、バタフライ弁作動用ギヤ部９２と中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂとが噛合したバタフライ弁ギヤ選択状態に切り換えられる。
【００７０】
その際、前記したように、他のコイルスプリング９４のばね力によってボール弁作動用ギヤ部９０が周方向に付勢され、ボール弁作動用ギヤ部９０の周方向に形成された係止部９８がボディ４４のストッパ部９６に当接して係止されることによりボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持され、バタフライ弁５２の弁体８０が作動可能な状態となる。
【００７１】
従って、水素タンク２８からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ２６からカソードにエア（空気）が供給されて、燃料電池１２の発電が開始される。この結果、バタフライ弁５２の弁体８０を回動させることにより、カソードオフガスの流量制御がバタフライ弁５２によって行われ、カソード背圧の制御がなされる。
【００７２】
本実施形態では、ボディ４４の流路７０を流通する圧力流体（酸化剤ガス）が、ボール弁５０による流路遮断制御と、バタフライ弁５２による流量制御（圧力制御）との両方の制御を受けることができ、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることができる。すなわち、ボール弁５０によって締切性（封止性）の良好な制御が可能になると共に、バタフライ弁５２によって流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。これにより、バタフライ弁５２によって流量制御が可能となるので、この結果、ボール弁５０の作動耐久性を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、ボール弁作動用ギヤ部９０とバタフライ弁作動用ギヤ部９２との両方を、切換機構５４を介して上部側（一側）からギヤ駆動することが可能となり、ボール弁５０及びバタフライ弁５２へ回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構の構造を簡素化することができる。
【００７４】
さらに、本実施形態では、切換機構５４を設けることにより、単一の回転駆動源５６によってボール弁５０及びバタフライ弁５２からなる２個の弁をそれぞれ駆動させることができる。この場合、ボール弁５０による締切性（封止性）の良好な制御と、バタフライ弁５２による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御と、ボール弁５０の作動耐久性の向上とを、単一の回転駆動源５６によって実現することができる。例えば、複数の回転駆動源を用いてボール弁５０及びバタフライ弁５２をそれぞれ駆動する場合と比較して、回転駆動源５６が１個で済むため、製造コストを低減化することができる。
【００７５】
さらにまた、本実施形態では、アクチュエータ６６を作動させることにより、中間ギヤ６２との噛合が、バタフライ弁作動用ギヤ部９２からボール弁作動用ギヤ部９０へと円滑に且つ簡便に切り換えることができる。
【００７６】
またさらに、本実施形態では、ボール弁５０の係止部９８がボディ４４のストッパ部９６で係止されてボール弁５０が弁開状態に保持されているときに、バタフライ弁５２が作動可能な状態となっている。これにより、バタフライ弁５２が作動する際、バタフライ弁５２と一緒にボール弁５０が共回りすることを阻止することができる。
【００７７】
またさらに、本実施形態において、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）のとき、ボール弁５０は、弁開状態に保持されているため、流路７０の開度をバタフライ弁５２によって制御することができる。一方、イグニッションスイッチがオフのとき（ＩＧ−ＯＦＦ）、ボール弁５０を弁閉状態として流路７０を締め切る（遮断する）ことができる。
【００７８】
またさらに、本実施形態では、燃料電池１２のカソード流路２４の出口側に第２バルブ装置４０ｂが配置されるため、カソード流路２４の出口から排出されるカソードオフガスの背圧制御を好適に行うことができる。
【００７９】
またさらに、本実施形態では、カソード流路２４の入口側に第１バルブ装置４０ａが配置されると共に、カソード流路２４の出口側に第２バルブ装置４０ｂが配置されているため、カソードの入口側及び出口側をそれぞれ封止することが可能となる。この結果、カソードに対して酸化剤ガスの流入が確実に阻止されるため、スタックの自己発電を回避して燃料電池１２の耐久性を向上させることができる。
【００８０】
またさらに、本実施形態では、従来からカソード流路２４の出口側に配置されている、例えば、遮断弁や背圧制御弁を削減することができ、製造コストを低減することができると共に、カソード系１６におけるレイアウトを向上させることができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、燃料電池１２のカソード流路２４の出口側に配置された第２バルブ装置４０ｂを用いて詳細に説明しているが、カソード流路２４の入口側に配置された第１バルブ装置４０ａも、同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【００８２】
１２    燃料電池                        ２４    カソード流路
４０ａ、４０ｂ  バルブ装置              ４２ａ  インレットポート
４２ｂ  アウトレットポート              ４４    ボディ（装置本体）
４６    カバー（装置本体）              ５０    ボール弁
５２    バタフライ弁                    ５３    弁機構
５４    切換機構                        ５６    回転駆動源
６０    ピン（中間軸）                  ６２    中間ギヤ
６４    コイルスプリング（復帰ばね）    ６６    アクチュエータ
７０    流路                            ７２    貫通孔（内部流路）
７４    弁体（ボール弁）                ７６    ボール弁軸
８０    弁体（バタフライ弁）            ８４    バタフライ弁軸
９０    ボール弁作動用ギヤ部        ９２    バタフライ弁作動用ギヤ部
９４    他のコイルスプリング（ばね部材）９６    ストッパ部
９８    係止部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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