(57)【要約】【課題】作動性を向上させることができ、低温環境下においても弁体を円滑に開閉させることができる弁装置を提供する。【解決手段】流体が導入される一次室１１０ａ、および流体が導出される二次室１２０ａが設けられたボディと、二次室１２０ａ側から一次室１１０ａ側へ延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフト１４０と、シャフト１４０の変位に伴って、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間を連通または遮断する弁体１３０と、を備え、弁体１３０は、一次室１１０ａ内に配置され、一次室１１０ａを形成する一次室１１０ａの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、弁体１３０は、少なくともその頂部１３５が、壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が導入される一次室、および流体が導出される二次室が設けられたボディと、
前記二次室側から前記一次室側へ延設され、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、を備え、
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の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、
前記弁体は、少なくともその頂部が、前記壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されていることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記弁体は、その着座部が、前記頂部と一体の弾性部材で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】
前記弁体は、中空部を有する同心円筒状の基部に弾性部材が装着されてなり、前記弾性部材は、前記中空部を通じて前記頂部側と前記着座部側とが一体に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の弁装置。
【請求項４】
前記二次室の壁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むダイヤフラムと、を備え、
前記ダイヤフラムは、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しており、
前記スカート部の前記駆動機構側である裏面側には、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を備え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】
前記二次室側の前記ボディには、その表面と前記シャフトの端部側方に形成されたシャフト側室とに開口し、前記シャフト側室を前記二次室側の前記ボディの外部に連通する通気路が形成されており、
前記二次室側の前記ボディの表面に形成された前記通気路の開口部には、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を有するキャップが装着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（特許文献１参照）。
【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】
【特許文献１】特開２００６−１５３１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記したように掃気ガス排出弁のような弁装置では、水蒸気や結露水等の水分が通過する環境に用いられる。このため、低温環境下（例えば０℃未満）においては、弁装置の内部に残留した水分が凍結する虞があり、凍結した水分によって弁体の作動性が損なわれる虞があるためその改善が望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は、作動性を向上させることができ、低温環境下においても弁体を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】
前記課題を解決するために、本発明の弁装置は、流体が導入される一次室、および流体が導出される二次室が設けられたボディと、前記二次室側から前記一次室側へ延設され、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、を備え、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の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、前記弁体は、少なくともその頂部が、前記壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この弁装置によれば、弁体は、少なくともその頂部が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、開弁時に水蒸気や結露水等の水分が通過しても、弁体の頂部にこれらが留まるのを回避することができる。これによって、水分の滞留に起因する弁体の凍結固着等を好適に阻止することができる。
【００１０】
また、頂部が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、例えば、頂部を平らに形成した場合に比べて、上壁への密着性が低下し、水分の凍結に起因する上壁への弁体の固着を、好適に阻止することができる。
【００１１】
また、頂部が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、上壁への当接時に衝撃が緩和されるようになり、弁体の当接音が低減されて静音性を実現することができる。
【００１２】
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ガス排出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、水蒸気や結露水等の水分を含んだアノードオフガスが通過しても、弁体の頂部にこれらが留まるのを回避することができ、水分の滞留に起因する弁体の凍結固着等を好適に阻止することができる。したがって、長期間にわたって安定した弁体の開閉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。
【００１３】
また、前記弁体は、その着座部が、前記頂部と一体の弾性部材で形成されている構成とするのがよい。
この弁装置によれば、着座部と頂部とが一体の弾性部材で形成されているので、剛性が高まるとともに、部品点数を削減することができる。これにより、部品コストおよび組立コストが低減され、製造コストを引き下げることが可能になる。
【００１４】
また、前記弁体は、中空部を有する同心円筒状の基部に弾性部材が装着されてなり、前記弾性部材は、前記中空部を通じて前記頂部側と前記着座部側とが一体に設けられている構成とするのがよい。
【００１５】
この弁装置によれば、弁体が、中空部を有する同心円筒状であるので、軽量化を図ることができる。また、中空部を通じて頂部側と着座部側とが一体の弾性部材で設けられているので、弁体に対して弾性部材がバランスよく配置されるようになり、弁体の作動性が向上する。
【００１６】
また、前記二次室の壁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むダイヤフラムと、を備え、前記ダイヤフラムは、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しており、前記スカート部の前記駆動機構側である裏面側には、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を備えることを特徴とする。
【００１７】
この弁装置によれば、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、突起部を備えることによって、開弁時等における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。
【００１８】
また、前記二次室側の前記ボディには、その表面と前記シャフトの端部側方に形成されたシャフト側室とに開口し、前記シャフト側室を前記二次室側の前記ボディの外部に連通する通気路が形成されており、前記二次室側の前記ボディの表面に形成された前記通気路の開口部には、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を有するキャップが装着されている構成とするのがよい。
【００１９】
この弁装置によれば、シャフト側室を二次室側のボディの外部に連通する通気路の開口部に、透湿防水素材を有するキャップが装着されているので、このようにすると、シャフト側室への空気の出入りを許容しつつ水等の浸入を防ぐことが可能となる。したがって、安定したシャフトの変位動作を確保することができ、弁体の作動性が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、作動性を向上させることができ、低温環境下においても弁体を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】
【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、を備えている。
【００２３】
＜アノード系＞
アノード系は、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、常閉型のパージ弁２４、常閉型の掃気ガス排出弁１００を備え、水素タンク２１からの水素は、遮断弁２２、エゼクタ２３を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１１の入口側に供給されるようになっている。そして、アノード流路１１の出口は、循環路２３ａを介してエゼクタ２３の吸込口に接続されている。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。
【００２４】
また、アノード流路１１の出口には、パージ弁２４、掃気ガス排出弁１００が接続されている。パージ弁２４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、循環路２３ａ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（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって適宜に開かれるようになっている。パージ弁２４を通じて排出されたアノードオフガスは、下流側に接続された希釈器３３で希釈された後、外部に排出されるようになっている。
【００２５】
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。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。
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、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、図示しない配管に設けられた、常閉型の図示しない掃気ガス導入弁とともに開かれる設定となっている。
【００２６】
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（ボディ）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（ボディ）とを備えている。そして、掃気ガス排出弁１００は、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。
【００２７】
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、アノードオフガスに同伴される水蒸気や結露水等の水分が通過する。このため、水分の滞留に起因する弁体１３０の一次室ボディ１１０の上壁（壁）に対する凍結固着等を阻止するために、弁体１３０の頂部１３５が一次室１１０ａの上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されている。
【００２８】
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の左側方に設けられており、アノード流路１１からの配管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。
【００２９】
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いる。つまり、弁体１３０は、一次室１１０ａを形成する一次室ボディ１１０の上壁（凹部１１２）に向けて変位することで開弁するようになっており、また、この弁体１３０の底面側に設けられた弁座１１６に着座することで閉弁するようになっている。
【００３０】
弁体１３０は、図３（ａ）〜（ｂ）に示すように、基部１３１と、この基部１３１に装着された緩衝部材１３４と、この緩衝部材１３４に挿入保持されたシャフト保持部材１３８とを備えている。以下では、基部１３１と緩衝部材１３４とシャフト保持部材１３８とを別個に形成し、これらを順次組み付けることによって弁体１３０を得る例について説明するが、これに限られることはなく、射出成形等の製造方法を利用することによって、従来技術と同様に、基部１３１とシャフト保持部材１３８とが上面および下面を連通する成形通路を設けた一部材にて構成され、緩衝部材１３４を一体的に形成することにより、弁体１３０を得るようにしてもよい。
【００３１】
基部１３１は、図４に示すように、段付きの円筒状を呈するアルミニウム合金等の金属製の部材であり、その中空部１３１ａに緩衝部材１３４が下方から挿入されて装着されるようになっている。基部１３１は、胴部１３２とこの胴部１３２の下部に連なるフランジ部１３３とを備えており、側面視で略ハット状を呈している。
胴部１３２は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、その上端部の外周縁部１３２ａが面取りされており、緩衝部材１３４の後記する頂部１３５から胴部１３２における外周縁部１３２ａに亘って、図３（ｂ）に示すように、略連続する傾斜面となるように形成されている。これによって、一次室１１０ａ（図２参照）内を通流するアノードオフガスによって、緩衝部材１３４の頂部１３５に水分が付着し、やがてこれが水滴となって頂部１３５から下方へ流れ落ちてきた際に、水分が頂部１３５から外周縁部１３２ａに好適に伝わって流れ落ちるようになっている。
また、胴部１３２の内周面１３２ｂは、円筒面状を呈しており、基部１３１に緩衝部材１３４が装着された状態で、内周面１３２ｂには、緩衝部材１３４の後記する連結部１３６の外周面１３６ａが密着するようになっている。
【００３２】
フランジ部１３３は、胴部１３２の下端から側方へ大きく張り出しており、その上面１３３ａと、図２に示す一次室１１０ａの上壁に形成された凹部１１２との間には、後記するばね１１３が縮設されるようになっている。これにより、弁体１３０は、非通電時に、その下方に設けられた弁座１１６に向けてばね１１３で付勢された状態となり、弁座１１６に着座される。
また、図３（ｂ）に示すように、フランジ部１３３の外周部は、下方へ延設されており、その内周面１３３ｂと底面１３３ｃにより形成される凹部内に、緩衝部材１３４の後記する着座部１３７の側面１３７ａの一部、および上面１３７ｂが嵌まり込むようになっている。
【００３３】
緩衝部材１３４は、図３（ｂ）、図４に示すように、頂部１３５と、着座部１３７と、これら頂部１３５と着座部１３７とを連結する連結部１３６とを備えている。緩衝部材１３４としては、高強度で耐候性に優れた合成ゴム等の弾性部材、例えば、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等を採用することができる。
頂部１３５は、略半球状（湾曲凸状）を呈しており、開弁時に、上壁の凹部１１２（図２参照）に対して弾性的に当接可能となっている。また、略半球状とされているので、頂部１３５を例えば平らに形成した場合に比べて、凹部１１２の当接面に対する接触面積が小さくなっている。
頂部１３５は、その下部の外径が、連結部１３６の外径よりも大きくなっており、基部１３１に緩衝部材１３４を装着した状態で、その下部の下端部１３５ａが、図３（ｂ）に示すように、基部１３１側における胴部１３２の上端部の一部に被さる状態に配置される。これによって、前記したように、頂部１３５の下部から胴部１３２の上端部の外周縁部１３２ａに亘って、略連続する傾斜面が形成されることとなる。
また、頂部１３５は、その上部の肉厚が略一定とされており、その底面１３５ｂ側に密着するようにしてシャフト保持部材１３８が配置される。
【００３４】
着座部１３７は、底面視で円形リング状を呈しており（図３（ｃ）参照）、前記したフランジ部１３３の凹部に対して嵌まり込む外径を有するとともに、中央部にシャフト保持部材１３８を挿入するための挿入口１３７ｄが開口している。
本実施形態では、弁体１３０が着座する後記の弁座部１１７に対向する部位、つまり、着座部１３７の下部の周縁部１３７ｃが、他の部分よりも分厚く形成されており、図３（ｂ）に示すように、フランジ部１３３の凹部に着座部１３７が嵌め込まれた状態で、周縁部１３７ｃが、フランジ部１３３の下端より下方に突出するようになっている。これにより、着座部１３７が弁座部１１７に密着し、シール性が向上される。また、弁座部１１７に当接する部分が分厚くされているので、耐久性も向上する。
また、挿入口１３７ｄは、その内径が、連結部１３６の内径よりも小さく設定されており、シャフト保持部材１３８の後記する小径部１３８ｂに係合するようになっている。
【００３５】
連結部１３６は、円筒状を呈しており、前記したように頂部１３５と着座部１３７とを一体的に連結する。そして、その内周面１３６ｂと、頂部１３５の湾曲凹状の底面１３５ｂとによって囲まれる中空部に、シャフト保持部材１３８が挿入されて保持されるようになっている。
【００３６】
シャフト保持部材１３８は、図３（ｂ）、図４に示すように、上部が湾曲凸状とされ、下部が小径とされた段付きの円柱状を呈しており、その底面には、後記するシャフト１４０の先端部が挿入される有底の挿入穴１３８ａが形成されている。そして、前記したように、シャフト保持部材１３８は、着座部１３７の挿入口１３７ｄから緩衝部材１３４の中空部内に挿入され、その下部の小径部１３８ｂに着座部１３７の挿入口１３７ｄが係合した状態で中空部内に脱落不能に保持される。
【００３７】
再び、図２を参照して説明する。
弁体１３０の底面側に配置される弁座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の着座部１３７（周縁部１３７ａ、以下同じ）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の着座部１３７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】
一次室ボディ１１０の上壁には、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、前記したように、弁体１３０のフランジ部１３２の上面と凹部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の着座部１３７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、閉弁時には、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間が、連通不能（ガス通流不能）に遮断される。
また、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の湾曲凸状の頂部１３５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に頂部１３５が当接した状態となり、この頂部１３５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。なお、凹部１１２における頂部１３５との当接面は、平らに形成したが、これに限られることはなく、当接時の接触面積が小さくなるように湾曲凸状に形成したり、当接時のホールド性が向上するように湾曲凹状に形成したりしてもよい。
【００３９】
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）へ通じる配管が接続される導出ポート１２１を有している。つまり、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から配管を通じて希釈器３３に送られることとなる。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へ通じる配管が接続可能となる向きに設けられている。
【００４０】
なお、導入ポート１１１および導出ポート１２１における各配管との接続部位には、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。
【００４１】
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（シャフト保持部材１３８）の挿入穴１３８ａ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。
【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、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、スカート部１６２の凸凹が反転する変形を規制する突起部１５２が配置されている。
【００４７】
この突起部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。
【００４８】
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、可動コア１５６とケーシング１５４の下部との間に介装され、可動コア１５６を固定コア１５１の方向に付勢するスプリング１５７とを備える。
また、ケーシング１５４の下部側方には、透湿防水素材１５８を備えたキャップ１５９が装着されている。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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の挿入穴１３８ａ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。
【００５２】
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。
【００５３】
ケーシング１５４の下部には、通気路１５４ａが形成されており、この通気路１５４ａの開口部１５４ｂにキャップ１５９が装着されている。通気路１５４ａは、ケーシング１５４の表面と、シャフト１４０を変位可能に摺動保持するシャフト側室１５６ｂとに開口する横孔であり、シャフト側室１５６ｂをケーシング１５４の外部に連通する役割をなす。
本実施形態では、ケーシング１５４が、ボビン１５５の下方において可動コア１５６側にアンダーカットされた形状とされており、キャップ１５９が、このアンダーカットされた領域に好適に収まるようになっている。したがって、二次室ボディ１２０の側方へキャップ１５９が突出することがなくなり、省スペース化が図られている。
【００５４】
キャップ１５９は、側部に通気開口部１５９ｃが設けられた蓋部１５９ａと、この蓋部１５９ａに設けられたフック部１５９ｂとからなり、蓋部１５９ａ内に形成された通路に透湿防水素材１５８が配置されている。透湿防水素材１５８は、空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止するものであり、例えば、周知であるゴアテックス（登録商標）などを用いることができる。
このような透湿防水素材１５８を有するキャップ１５９を配置することによって、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１５８を介して通気路１５４ａに空気が出入りすることとなるので、可動コア１５６のスムーズな摺動が実現される。
【００５５】
＜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。
【００５６】
コンプレッサ３１は、加湿器３２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や燃料電池スタック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。
【００５７】
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等を備えている。
【００５８】
カソード流路１２の出口は、希釈器３３に接続され、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が、希釈器３３に供給されるようになっている。
【００５９】
希釈器３３は、パージ弁２４から導入されるアノードオフガスと、コンプレッサ３１からのカソードオフガス（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る。希釈器３３で生成した混合ガスは、車外に排出されるようになっている。
【００６０】
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、図示しない掃気ガス導入弁とともに掃気ガス排出弁１００が開かれる。
【００６１】
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。
【００６２】
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、掃気ガス排出弁１００、希釈器３３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、希釈器３３を介して車外に排出される。
【００６３】
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、これに伴って移動したシャフト１４０により弁体１３０が弁座部１１７から離座する。このとき弁体１３０は、その頂部１３５が上壁の凹部１１２に弾性的に当接し、この当接によって弁体１３０の上方向の移動が停止されて開弁状態となる。
【００６４】
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より排出されるようになる。
このとき、水蒸気や結露水等の水分がアノードオフガスに同伴されて通過しても、弁体１３０は、その頂部１３５が略半球状を呈しているので、頂部１３５にこれらが留まることがなく、水分の滞留（液溜まり）に起因する弁体１３０の凍結固着が好適に阻止される。
【００６５】
また、閉弁時には、ＥＣＵによりコイル１５５ａが非励磁とされ、戻しばね１１３によって弁体１３０の頂部１３５が凹部１１２から好適に離れ、その後、弁体１３０が弁座１１６に着座する。これにより、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間が遮断され、掃気が終了する。
【００６６】
以上説明した本実施形態の弁装置によれば、弁体１３０は、その頂部１３５が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、開弁時に水蒸気や結露水等の水分が通過しても、弁体１３１の頂部１３５にこれらが留まるのを回避することができる。これによって、水分の滞留に起因する弁体１３１の凍結固着等を好適に阻止することができる。したがって、長期間にわたって安定した弁体の開閉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。
【００６７】
また、頂部１３５が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、頂部１３５を平らに形成した場合に比べて、上壁への密着性が低下し、水分の凍結に起因する上壁への弁体１３１の固着を、好適に阻止することができる。
【００６８】
また、頂部１３５が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、上壁への当接時に衝撃が緩和されるようになり、弁体１３１の当接音が低減されて静音性を実現することができる。
【００６９】
また、弁体１３１は、その着座部１３７が、頂部１３５と一体の弾性部材で形成されているので、剛性が高まるとともに、部品点数を削減することができる。これにより、部品コストおよび組立コストが低減され、製造コストを引き下げることが可能になる。
【００７０】
また、弁体１３１は、中空部を有する円筒状に形成されており、軽量化を図ることができる。弾性部材からなる緩衝部材１３４は、中空部を通じて頂部１３５側と着座部１３７側とが一体に設けられているので、バランスよく配置されるようになり、弁体１３１の作動性が向上する。
【００７１】
また、突起部１５２を備えることによって、開弁時等における流体の圧力によってダイヤフラム１６０のスカート部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ダイヤフラム１６０の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移動させることができる。
【００７２】
また、シャフト側室１５６ｂを二次室ボディ１２０の外部に連通する通気路１５４ａの開口部１５４ｂに、透湿防水素材１５８を有するキャップ１５９が装着されているので、このようにすると、シャフト側室１５６ｂへの空気の出入りを許容しつつ水等の浸入を防ぐことが可能となる。したがって、安定したシャフト１４０の変位動作を確保することができ、弁体１３１の作動性が向上する。
【００７３】
なお、前記した実施形態において、頂部１３５の全体を略半球状としたが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、頂部１３５における、一次室１１０ａの上壁の凹部１１２に当接する部分だけを湾曲凸状に形成してもよい。
【００７４】
また、緩衝部材１３４は、頂部１３５と着座部１３７とを連結部１３６で連結して一体としたが、これに限られることはなく、頂部１３５と着座部１３７とを別体に形成して基部１３１に装着するように構成してもよい。
【００７５】
また、前記した実施形態では、弁装置を掃気ガス排出弁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、パージ弁２４に用いてもよいし、掃気ガス導入弁等に用いてもよい。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【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）は弁体の平面図、（ｂ）は弁体の断面図、（ｃ）は底面図である。
【図４】弁体の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０    燃料電池スタック
１００  掃気ガス排出弁
１１０  一次室ボディ
１１０ａ  一次室
１１６  弁座
１１７  弁座部
１２０  二次室ボディ
１２０ａ  二次室
１３０  弁体
１３４  弾性部材
１３５  頂部
１３６  連結部
１３７  着座部
１３８  シャフト保持部材
１４０  シャフト
１５０  ソレノイド
１５４ａ  通気路
１５４ｂ  開口部
１５６ｂ  シャフト側室
１５８  透湿防水素材
１５９  キャップ
【図１】
2009299770.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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