(57)【要約】【課題】簡便な機構によって構成された切換制御機構で弁体を変位させることにより小型・軽量化を達成し、さらに、複雑な制御を不要とする。【解決手段】インレットポート１０８とアウトレットポート１１２との連通路１１０を開閉する弁体１２２と、ダイヤフラム１３４に対する制御圧力としてコンプレッサ３１から供給される圧縮エアの圧力を受圧させる圧力室１１４と、前記圧力室１１４へ前記制御圧力を導入可能とする制御圧導入路１１８と、前記圧力室１１４を大気開放する大気開放路１１６と、前記制御圧導入路１１８を開放し且つ前記大気開放路１１６を遮断する第１位置と、前記制御圧導入路１１８を遮断し且つ前記大気開放路１１６を開放する第２位置とを切換制御する切換制御機構１４２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムに用いられる燃料電池用バルブにおいて、
圧力流体が導入されるインレットポート、及び、前記インレットポートから導入された圧力流体が排出されるアウトレットポートが設けられた弁本体部と、
前記弁本体部内に設けられ、前記インレットポートと前記アウトレットポートとの連通路を開閉する弁体を含む弁機構部と、
一方の面が前記連通路に臨むように設けられ前記弁機構部の弁体を駆動させるダイヤフラムと、
前記弁機構部の弁体と前記ダイヤフラムとを連結する弁シャフトと、
前記ダイヤフラムの他方の面に臨むように設けられ、前記ダイヤフラムに対する制御圧力として前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を受圧させる圧力室と、
前記圧力室へ前記制御圧力を導入可能とする制御圧導入路と、
前記圧力室を大気開放する大気開放路と、
前記制御圧導入路を開放し且つ前記大気開放路を遮断する第１位置と、前記制御圧導入路を遮断し且つ前記大気開放路を開放する第２位置とを切換制御する切換制御機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池用バルブ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用バルブにおいて、
前記切換制御機構は、コイルに通電することによって固定コアに吸引される可動コアを有するソレノイド部と、前記可動コアに連結されて該可動コアと一体的に変位することにより、前記第１位置と前記第２位置とを切り換える弁部を有する変位部材とを含むことを特徴とする燃料電池用バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける圧力流体を制御する燃料電池用バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。
【０００３】
燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されたスタックによって構成される。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、ＭＥＡのアノードに水素が、カソードに酸素を含む空気がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続するモータ等の外部負荷と電気的に接続されると、燃料電池が発電する。
【０００４】
燃料電池を含む燃料電池システムでは、前記アノードに供給される水素の流量及び圧力をそれぞれ制御すると共に、前記カソードに供給される酸素含む空気の流量及び圧力をそれぞれ制御するために、各種のバルブが使用されている。例えば、燃料電池から排出された未反応の水素を排出する水素排出弁（パージ弁）や水素の供給が遮断されたときにカソード流路等を掃気する掃気弁等の種々のバルブが用いられている。
【０００５】
ところで、このような各種バルブの中で、特にアノードに対して水素を供給するアノード系で使用されるバルブは、前記アノード系内流路の密封性を確保する必要があると共に、システムの要求に応じて迅速且つ確実に通路を開閉することが要求される。また、例えば、前記掃気弁のようにカソード流路等を掃気するために、大流量のエアを流通させることが要求される。さらに、低温環境においても各種バルブを円滑に作動させることが要求される。
【０００６】
このような要求に対して、例えば、特許文献１及び特許文献２には、閉弁状態においてバルブ内の水分が凍結した場合であっても、バルブを確実に開閉できるようにした燃料電池用電磁弁が開示されている。
【０００７】
また、特許文献３には、水素が流通する流体通路の内部と外部とを隔てて配置され前記流体通路の内部の圧力と外部の圧力との圧力差によって変形するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに設けられたアクチュエータとを有し、通常運転時に大気と流体通路内の水素圧力と水素貯蔵容器の圧力差で圧力制御を行い、一方、アノード内の不純物ガス濃度が高くなって燃料電池出力が小さくなったときに、前記アクチュエータによって強制的にバルブを開く燃料電池用バルブが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５３１７７号公報
【特許文献３】特開２００５−３１７５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、例えば、特許文献１及び特許文献２に示されるようなソレノイド駆動による燃料電池用バルブでは、例えば、ガス流量の増大に比例して弁体を駆動させるソレノイドコイルが大型化すると共に、重量が増大する。
【０００９】
すなわち、可動鉄心と弁体とが一体的に変位する従来の電磁弁では、ガス流量の増大に対応して弁体を変位させるために大きな推力を発生させようとすると、コイルの巻線回数（巻線量）が増大してソレノイドコイルの全体形状が大型化すると共に、ソレノイドを含むバルブ全体の重量が増加する。
【００１０】
さらに、特許文献３に開示された燃料電池用バルブでは、水素が流通する流体通路の内部の圧力と外部の圧力との圧力差によってダイヤフラムを駆動させているため、例えば、流体通路内を流通する水素圧力と水素貯蔵容器内の水素圧力とをそれぞれ所定の圧力に制御する必要があり、このため、減圧弁等の流体圧力制御機器が必要になると共に、圧力制御方法が複雑となる。
【００１１】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、簡便な機構によって構成された切換制御機構で弁体を変位させることにより小型・軽量化を達成し、さらに、複雑な制御を不要とする燃料電池用バルブ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】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムに用いられる燃料電池用バルブにおいて、圧力流体が導入されるインレットポート、及び、前記インレットポートから導入された圧力流体が排出されるアウトレットポートが設けられた弁本体部と、前記弁本体部内に設けられ、前記インレットポートと前記アウトレットポートとの連通路を開閉する弁体を含む弁機構部と、一方の面が前記連通路に臨むように設けられ前記弁機構部の弁体を駆動させるダイヤフラムと、前記弁機構部の弁体と前記ダイヤフラムとを連結する弁シャフトと、前記ダイヤフラムの他方の面に臨むように設けられ、前記ダイヤフラムに対する制御圧力として前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を受圧させる圧力室と、前記圧力室へ前記制御圧力を導入可能とする制御圧導入路と、前記圧力室を大気開放する大気開放路と、前記制御圧導入路を開放し且つ前記大気開放路を遮断する第１位置と、前記制御圧導入路を遮断し且つ前記大気開放路を開放する第２位置とを切換制御する切換制御機構とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、例えば、切換制御機構を第２位置に切換制御して、制御圧導入路を遮断し且つ大気開放路を開放することにより、圧力室が大気圧となる。従って、弁体が弁座に着座して連通路が閉塞された弁閉状態となることにより、インレットポートとアウトレットポートとが非連通状態となる。
【００１４】
一方、切換制御機構を第１位置に切換制御して、制御圧導入路を開放し且つ大気開放路を遮断することにより、前記開放された制御圧導入路を介して酸化剤ガスが圧力室に導入され、前記酸化剤ガスの制御圧力によってダイヤフラムが受圧される。このダイヤフラムが撓曲することによって弁シャフト及び弁体が押圧され、前記弁体が弁座から離間した弁開状態となり、インレットポート及びアウトレットポートが連通状態となる。
【００１５】
このように、本発明では、制御圧導入路を介して燃料電池に供給される酸化剤ガスの制御圧力を圧力室に導入し、切換制御機構による第１位置と第２位置との切り換えによって、圧力室に対する制御圧力の導入状態と遮断状態とを簡便に切換制御することができる。この結果、本発明では、切換制御機構を簡素な構造とすることにより、全体構造の小型・軽量化を達成することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、ダイヤフラムの他方の面に臨むように設けられた圧力室は、前記ダイヤフラムのシール作用によって、例えば、水分を含んだアノードオフガスが進入しない隔離された構造となるため、切換制御機構が凍結によって作動不良を起こすことを防止することができる。
【００１７】
さらに、本発明によれば、燃料電池システムの作動時には、燃料電池に対して常に酸化剤ガス（圧縮エア）が供給され、前記酸化剤ガスの制御圧力を利用して、切換制御機構によってオン／オフ切換制御するという簡便な制御でよく、複雑な圧力制御を必要としない利点がある。
【００１８】
また、本発明は、切換制御機構が、コイルに通電することによって固定コアに吸引される可動コアを有するソレノイド部と、前記可動コアに連結されて該可動コアと一体的に変位することにより、前記第１位置と前記第２位置とを切り換える弁部を有する変位部材とを含んで構成されるとよい。
【００１９】
切換制御機構としてソレノイド部の構成を採用した場合、ソレノイド部のコイルによって発生する推力は、弁体と分離構成された変位部材を、単に所定方向に沿って変位させる僅かな推力でよいため、コイルを含むソレノイド部の小型・軽量化を達成することができる。仮に、例えば、大容量のアノードオフガスを流通させるために弁体の外径を拡径した場合であっても、ダイヤフラムの外径を拡張させることによって必要な推力を容易に確保することができる。
【００２０】
この結果、本発明では、燃料電池システムに用いられる、例えば、パージ弁等の流量制御弁を簡便な構造として、ソレノイド部の小型・軽量化を達成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
簡便な機構によって構成された切換機構で弁体を変位させることにより小型・軽量化を達成し、さらに、複雑な制御を不要とする燃料電池用バルブが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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燃料電池用バルブが適用されたパージ弁の縦断面図、図２は、前記パージ弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【００２３】
先ず、図２に基づいて燃料電池システム１の構成について説明する。この燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続した図示しない走行モータを備えており、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によって図示しない走行モータを駆動し、走行するようになっている。
【００２４】
燃料電池システム１は、基本的に、燃料電池１０と、燃料電池１０に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、これらを電子制御するＥＣＵ４０（Electronic Control Unit、電子制御装置）とを備えている。
【００２５】
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜１１（固体高分子膜）の両面をアノード１２（燃料極）及びカソード１３（空気極）で挟んでなるＭＥＡと、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、で構成されている。
【００２６】
セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素または酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１２ａ、カソード流路１３ａとして機能している。すなわち、アノード流路１２ａには水素（燃料ガス）が流通し、各アノード１２に供給されるようになっている。一方、カソード流路１３ａには酸素を含む空気（酸化剤ガス）が流通し、各カソード１３に供給されるようになっている。
【００２７】
そして、燃料電池１０のアノード１２に水素が、カソード１３に酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード１２、カソード１３に含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、例えば、図示しない走行モータ等の外部負荷から発電要求があると、燃料電池１０が発電するようになっている。
【００２８】
アノード系２０は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３と、気液分離器２４と、ドレン弁２５と、パージ弁２６とを主に備えている。
【００２９】
水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続されており、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続されている。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード流路１２ａに接続されている。配管２２ａには、減圧弁（図示しない）が設けられている。そして、ＥＣＵ４０によって、遮断弁２２が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード流路１２ａに供給されるようになっている。
【００３０】
次に、アノード流路１２ａの下流側は、配管２４ａを介して気液分離器２４に接続されており、アノード流路１２ａから排出された水分及び未反応の水素を含むアノードオフガスが、気液分離器２４に送給されるようになっている。なお、前記水分は、発電によりカソード１３で生成した水等の一部が、電解質膜１１を透過したものである。
【００３１】
気液分離器２４（キャッチタンク）は、このように送られるアノードオフガス中の水分を分離するための機器であり、例えば、アノードオフガスを適宜に冷却して水分を分離するため、冷媒が流通する冷媒配管（図示しない）を内蔵している。ただし、気液分離器２４の気液分離方式はこれに限定されず、例えば、遠心力により分離する方式であってもよい。
【００３２】
そして、気液分離器２４で分離された水分は、気液分離器２４の適所（底壁等）に設けられた配管２４ｂを介して、ドレン弁２５に送られるようになっている。ドレン弁２５は、配管２５ａを介して希釈器３２に接続されると共に、ＥＣＵ４０により適宜に開／閉され、ドレン弁２５が開かれると、気液分離器２４内の水が希釈器３２に送られるようになっている。また、ドレン弁２５は、遮断弁２２が閉じた後、アノード流路１２ａのアノードガス圧力を下げる場合にも開かれ、この場合は、アノード流路１２ａ内のガスが配管２４ｂ、ドレン弁２５、配管２５ａを介して、希釈器３２に送られるようになっている。
【００３３】
一方、気液分離器２４で分離された水素は、気液分離器２４の適所（上壁等）に設けられた配管２４ｃを介して、エゼクタ２３に戻され、水素が循環するようになっている。
【００３４】
また、配管２４ａの中間に設けられた途中点Ｊ１は、配管２４ｄを介してパージ弁２６のインレットポート１０８に接続されており、さらに、パージ弁２６のアウトレットポート１１２は配管２６ａを介して希釈器３２に接続されている（図１参照）。前記パージ弁２６は、ＥＣＵ４０と接続されており、ＥＣＵ４０により適宜に開／閉制御されるようになっている。さらに説明すると、パージ弁２６は、燃料電池システム１の通常運転時は閉じられ、未反応の水素が配管２４ｃを経由することで循環し、水素の利用効率が高められるようになっている。
【００３５】
一方、燃料電池１０の出力が低下し、アノードオフガスに含まれる不純物（水、窒素等）が多いと推定される場合、パージ弁２６が開かれ、アノードオフガスが希釈器３２に排出されるようになっている。
【００３６】
カソード系３０は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給手段）と、希釈器３２とを主に備えている。コンプレッサ３１は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介してカソード流路１３ａに接続されていると共に、配管２６ｂを介してパージ弁２６に接続されている。
【００３７】
配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード１３に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。また、アノード系２０の遮断弁２２が閉じられた後は、コンプレッサ３１からの空気（圧縮エア）が前記加湿器を迂回し、非加湿の空気である掃気ガスが、カソード流路１３ａに対して供給されるようになっている。さらに、カソード系３０の配管３１ａとアノード系２０の配管２３ａとの間には、連通路３３を介して掃気弁３４が接続され、前記加湿器を迂回した非加湿の空気である掃気ガスが前記掃気弁３４に供給されてアノード流路１２ａが掃気可能に設けられている。
【００３８】
カソード１３の下流側には、配管３２ａを介して、希釈器３２が接続されている。希釈器３２は、アノード系２０からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、カソード１３から排出されたカソードオフガス（希釈用ガス）と、アノード系２０からの水素を含むアノードオフガスとが導入され、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスに合流して希釈され、所定水素濃度以下に低下した希釈ガスとなった後、大気中に排気されるようになっている。なお、前記配管３２ａの途中には、図示しない背圧弁が設けられている。
【００３９】
ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等から構成される。ＥＣＵ４０は、アノード系２０の遮断弁２２、ドレン弁２５及びパージ弁２６と、カソード系３０のコンプレッサ３１と、掃気弁３４とに接続されており、これらを適宜に制御するようになっている。
【００４０】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用バルブが適用されたパージ弁２６について、以下詳細に説明する。
【００４１】
このパージ弁２６は、図１に示されるように、内部に弁機構部１００が設けられた弁ボデイ１０２と、前記弁ボデイ１０２に一体的に結合され、内部にソレノイド部１０４が収容されたハウジング１０６とを含む。前記弁ボデイ１０２は、弁本体部として機能するものである。
【００４２】
前記弁ボデイ１０２は、配管２４ｄを介して水分を含んだアノードオフガス（水素）が供給されるインレットポート１０８を有する上部側の第１バルブボデイ１０２ａと、連通路１１０を介して前記インレットポート１０８に連通可能に設けられ、前記アノードオフガスが排出されるアウトレットポート１１２を有する中間の第２バルブボデイ１０２ｂと、内部に後記する圧力室１１４や前記圧力室１１４に連通する大気開放路１１６及び制御圧導入路１１８等が設けられた下部側の第３バルブボデイ１０２ｃとから構成される。なお、前記インレットポート１０８の開口部には、アノードオフガス中に含まれる塵埃等を除去するためのフィルタ部材１２０が装着される。
【００４３】
上部側の第１バルブボデイ１０２ａの内部には、インレットポート１０８とアウトレットポート１１２とを連通させる連通路１１０を開閉する弁体１２２と、ばね力によって前記弁体１２２を弁座１２４側に向かって押圧する第１ばね部材１２６とがそれぞれ設けられる。また、第２バルブボデイ１０２ｂの孔部には、弁体１２２が着座する弁座１２４を有する着座部材１２８が装着される。この場合、前記弁体１２２が弁座１２４に着座することにより、前記連通路１１０が閉塞された弁閉状態となり、一方、前記弁体１２２が弁座１２４から離間することにより、前記連通路１１０が開成された弁開状態となる（図３参照）。
【００４４】
なお、弁体１２２は、ゴム等によって形成され弁座に当接する弾性体１２２ａと、前記弾性体１２２ａの内側に嵌挿され後記する弁シャフト１３０の上端部に連結される連結体１２２ｂと、前記弾性体１２２ａの外側に設けられ第１ばね部材１２６の受け部を有する環状体１２２ｃとが一体的に組み付けられて構成される。
【００４５】
中間の第２バルブボデイ１０２ｂの内部にはアウトレットポート１１２に連通する空間部１３２が形成され、前記空間部１３２には、上端部が前記弁体１２２に連結されて該弁体１２２と一体的に変位する弁シャフト１３０が設けられる。
【００４６】
第２バルブボデイ１０２ｂと第３バルブボデイ１０２ｃとの境界部位には、可撓性を有するダイヤフラム１３４が設けられ、前記ダイヤフラム１３４の外周縁部は、前記第２バルブボデイ１０２ｂと第３バルブボデイ１０２ｃとの間で挟持される。なお、前記ダイヤフラム１３４の一方の面（上面）は、インレットポート１０８とアウトレットポート１１２とを連通させる連通路１１０に臨むように設けられ、前記ダイヤフラム１３４の他方の面（下面）は、後記する圧力室１１４に臨むように設けられる。
【００４７】
このダイヤフラム１３４は、内径側で厚肉に形成された挟持部１３４ａと、外径側で縦断面円弧状に湾曲した薄肉に形成された撓曲部１３４ｂとから構成され、例えば、高強度の基布をニトリルゴム（ＮＢＲ）からなるゴム状弾性体によって被覆した二層一体構造とすることにより、耐圧性を向上させることができる。
【００４８】
前記ダイヤフラム１３４は、弁シャフト１３０の下端部が締結される螺子部が設けられた第１円盤部１３６ａと、後記する第２ばね部材１３８の一端部が係着される受け部を有する第２円盤部１３６ｂとの間に挟持され、前記第１円盤部１３６ａ及び第２円盤部１３６ｂは、第１円盤部１３６ａのねじ部に締結されるナット部材１４０を介して一体的に保持される。
【００４９】
第３バルブボデイ１０２ｃの内部には、前記ダイヤフラム１３４によって閉塞された圧力室１１４が設けられ、前記圧力室１１４には、前記ダイヤフラム１３４を上方に向かって押圧する第２ばね部材１３８が配設される。この場合、第２ばね部材１３８のばね定数は、弁体１２２を下方側に向かって押圧する第１ばね部材１２６のばね定数と比較して、略同一又は小さくなるように設定されている。また、前記圧力室１１４には、後記するように、大気に連通して前記圧力室１１４を大気開放する大気開放路１１６と、前記圧力室１１４に対して所定の制御圧力からなる圧縮エアが供給される制御圧導入路１１８とがそれぞれ連通接続される。
【００５０】
圧力室１１４に隣接する横方向には、制御圧導入路１１８を開放し且つ大気開放路１１６を遮断する第１位置と、前記制御圧導入路１１８を遮断し且つ前記大気開放路１１６を開放する第２位置とを切換制御することにより、前記圧力室１１４内の圧力を大気圧と制御圧力とに切り換える切換制御機構１４２が設けられる。
【００５１】
この切換制御機構１４２は、縦断面略Ｌ字状の隔壁１４４によって囲繞された室１４６と、前記室１４６を構成する内壁に沿って摺動可能な弁部１４８ａ及び前記弁部１４８ａに連結された軸部１４８ｂがそれぞれ設けられた変位部材１４８と、前記変位部材１４８を上下方向に沿って駆動させるソレノイド部１０４とを有する。
【００５２】
また、切換制御機構１４２には、前記隔壁１４４及び第３バルブボデイ１０２ｃの側壁に略水平方向に沿って形成され、室１４６を間にして圧力室１１４と大気とを相互に連通させることにより、前記圧力室１１４を大気開放する大気開放路１１６が設けられる。
【００５３】
さらに、切換制御機構１４２には、隔壁１４４の上部に上下方向に沿って延在し圧力室１１４と室１４６とを連通させる第１通路１１８ａと、第３バルブボデイ１０２ｃの側壁に略Ｌ字状に屈曲して形成され室１４６と配管２６ｂとを連通させる第２通路１１８ｂからなり、前記配管２６ｂを介して接続されたコンプレッサ３１から所定の制御圧力からなる圧縮エアが供給される制御圧導入路１１８が設けられる。
【００５４】
ソレノイド部１０４は、ハウジング１０６のねじ部に螺入されてねじ締結される略円筒状の連結部材１５０と、前記連結部材１５０のフランジに装着された略有底円筒状のハウジング１０６と、ナット１５２を介して前記ハウジング１０６の内壁底部に固定される固定コア１５４と、前記ハウジング１０６の内部に収納されコイルボビン１５６に巻回されたコイル１５８と、変位部材１４８の軸部１４８ｂがねじ締結され軸方向に沿って変位自在に設けられた可動コア１６０と、一端部が可動コア１６０の段付孔部に係着され他端部が固定コア１５４の凸部に係着さればね力によって可動コア１６０及び変位部材１４８が固定コア１５４から離間する方向に押圧するリターンスプリング１６２と、ハウジング１０６とコイル１５８の間に設けられコイル１５８の外周面及びコイルボビン１５６をモールドする樹脂封止体１６４とを含む。
【００５５】
ソレノイド部１０４のコイル１５８に対して電流が流れていない非通電状態では、図４に示されるように、変位部材１４８の弁部１４８ａが室１４６の最上方である第２位置にあって、第１通路１１８ａと第２通路１１８ｂとの連通が遮断されることにより、制御圧導入路１１８からの圧縮エアの供給が停止されていると共に、大気開放路１１６を介して圧力室１１４と大気とが連通して前記圧力室１１４が大気開放状態となる。
【００５６】
一方、ソレノイド部１０４のコイル１５８に対して電流が流れる通電状態では、図５に示されるように、変位部材１４８の弁部１４８ａが室１４６の下方側に変位した第１位置にあって、前記弁部１４８ａによって大気開放路１１６が閉塞され圧力室１１４と大気との連通が遮断されていると共に、室１４６を経由して第１通路１１８ａと第２通路１１８ｂとが連通し、コンプレッサ３１からの所定の制御圧力からなる圧縮エアが、開放された制御圧導入路１１８を介して圧力室１１４に導入される。
【００５７】
なお、第１バルブボデイ１０２ａと第２バルブボデイ１０２ｂとの連結部位、第２バルブボデイ１０２ｂと第３バルブボデイ１０２ｃとの連結部位、第３バルブボデイ１０２ｃとハウジング１０６との連結部位、及び、ハウジング１０６と固定コア１５４との連結部位には、気密性乃至液密性を保持するために、第１〜第４シール部材１６６ａ〜１６６ｄがそれぞれ設けられる。また、変位部材１４８の弁部１４８ａには、前記変位部材１４８が上方に変位して制御圧導入路１１８を構成する第１通路１１８ａ及び第２通路１１８ｂを閉塞したときにシールするシール部材１６８が設けられる。
【００５８】
この場合、前記固定コア１５４は、例えば、図示しない金型を用いた鍛造成形、プレス加工等によってハウジング１０６と一体成形してもよい。
【００５９】
本実施形態に係る燃料電池用バルブが適用されたパージ弁２６は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００６０】
なお、ソレノイド部１０４のコイル１５８が通電されていないオフ状態では、図１に示されるように、弁体１２２が弁座１２４に着座して、インレットポート１０８とアウトレットポート１１２との連通が遮断された非連通状態にある。この場合、ダイヤフラム１３４の下部側に設けられた圧力室１１４は、図４に示されるように、変位部材１４８の弁部１４８ａが室１４６の最上方に位置して第１通路１１８ａと第２通路１１８ｂとの連通が遮断され制御圧導入路１１８からのアノードオフガスの供給（導入）が停止されていると共に、大気開放路１１６を介して圧力室１１４と大気とが連通して大気開放状態に設定されている。
【００６１】
そこで、図示しない電源と導通してコイル１５８に通電することによりソレノイド部１０４が励磁されてオン状態となり、図示しない磁気回路が発生する。この磁気回路は、ハウジング１０６、可動コア１６０及び固定コア１５４を順次経由してハウジング１０６に復帰する磁束を有する。
【００６２】
前記磁気回路によって発生する電磁力により、可動コア１６０は、リターンスプリング１６２の押圧力に打ち勝って固定コア１５４に吸引され、前記可動コア１６０と一体的に連結された変位部材１４８が下方側に向かって変位する。
【００６３】
ソレノイド部１０４に対する通電状態では、図５に示されるように、変位部材１４８の弁部１４８ａが室１４６の下方側に変位し前記弁部１４８ａによって大気開放路１１６が閉塞され圧力室１１４と大気との連通が遮断されていると共に、室１４６を経由して制御圧導入路１１８を構成する第１通路１１８ａと第２通路１１８ｂが連通し、配管２６ｂを経由してコンプレッサ３１からの所定の制御圧力からなる圧縮エアが圧力室１１４に導入される。
【００６４】
図３に示されるように、圧力室１１４に導入された圧縮エアによりダイヤフラム１３４が上方に向かって押圧されて撓曲し、第１ばね部材１２６のばね力に打ち勝って弁シャフト１３０及び弁体１２２が上方に変位する。従って、弁座１２４に着座していた弁体１２２が前記弁座１２４から離間する方向に変位し、前記弁体１２２と弁座１２４との間のクリアランスを介して連通路１１０が開成することにより、インレットポート１０８とアウトレットポート１１２が連通状態となる。
【００６５】
なお、ソレノイド部１０４のコイル１５８に対する通電を停止することにより、電磁力が消滅し、リターンスプリング１６２のばね力の作用下に可動コア１６０及び変位部材１４８が上方側に変位した初期状態（図４参照）に復帰し、圧力室１１４が大気開放路１１６を介して大気と連通状態となると共に、第１ばね部材１２６の押圧力によって弁体１２２が弁座１２４に着座してインレットポート１０８とアウトレットポート１１２との連通状態が遮断される（図１参照）。
【００６６】
このように、本実施形態では、燃料電池１０の作動時にコンプレッサ３１から供給される圧縮エアの所定の制御圧力を切換制御機構１４２に導入し、ソレノイド部１０４のコイル１５８の通電状態（オン状態）と非通電状態（オフ状態）の切り換えによって圧力室１１４に対する制御圧力の導入状態と遮断状態を簡便に切換制御して、連通路１１０を開閉する弁体１２２の動作を制御することができる。
【００６７】
この場合、ソレノイド部１０４のコイル１５８によって発生する推力は、弁体１２２と分離構成された変位部材１４８を、単に上下方向に沿って変位させる僅かな推力でよいため、コイル１５８を含むソレノイド部１０４の小型・軽量化を達成することができる。仮に、大容量のアノードオフガスを流通させるために弁体１２２の外径を拡径した場合であっても、ダイヤフラム１３４の外径を拡張させることによって必要な推力を容易に確保することができる。
【００６８】
この結果、本実施形態では、燃料電池システム１に用いられるパージ弁２６等の圧力流体制御弁を簡便な構造として、ソレノイド部１０４の小型・軽量化を達成することができる。なお、第１ばね部材１２６と第２ばね部材１３８のばね定数をそれぞれ適宜設定することにより、制御圧導入路１１８を介して圧力室１１４内に導入される圧縮エアの圧力を低圧とすることができる。
【００６９】
また、本実施形態では、ダイヤフラム１３４の下方に設けられた圧力室１１４側には、前記ダイヤフラム１３４のシール作用によって水分を含んだアノードオフガスが進入しない隔離された構造が採用されているため、ソレノイド部１０４が凍結によって作動不良を起こすことを防止することができる。
【００７０】
さらに、本実施形態では、燃料電池システム１の作動時にコンプレッサ３１から燃料電池１０に対して常に圧縮エアが供給され、前記圧縮エアの制御圧力をソレノイド部１０４によってオン／オフ切換制御するという簡便な制御でよく、複雑な圧力制御を必要としない利点がある。
【００７１】
さらにまた、本実施形態では、例えば、燃料電池スタックへの空気の供給口とアノードオフガスの排出口とを、例えば、燃料電池１の単セルの積層方向の一方の面等に近接して配置することにより、圧力室１１４に圧縮エアを導入するための配管通路長の短縮化を達成することができる。
【００７２】
またさらに、本実施形態では、ソレノイド部１０４が小型・軽量化された簡素な構造となるため、例えば、ソレノイド部１０４のハウジング１０６を弁ボデイ１０２と一体化して形成することによりパッケージ性を向上させると共に、部品点数を削減して製造コストを低減することができる。
【００７３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば、次のように変更することもできる。
【００７４】
前記した実施形態では、本発明に係る燃料電池用バルブをパージ弁２６に適用した場合について例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ドレン弁２５、掃気弁３４等に適用するようにしてもよい。
【００７５】
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について例示したが、燃料電池システム１の使用態様はこれに限定されず、その他の移動体（例えば自動二輪車）に搭載された場合であってもよい。さらに、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。
【００７６】
さらに、前記した実施形態では、変位部材１４８を駆動させる駆動機構としてソレノイド部１０４を用いた場合を例示しているが、前記ソレノイド部１０４に代替して、例えば、図示しないシリンダ等の流体圧アクチュエータ、圧電・電歪アクチュエータ等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用バルブが適用されたパージ弁の縦断面図である。
【図２】図１に示されるパージ弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【図３】図１の状態から弁体が変位し、インレットポートとアウトレットポートとが連通した弁開状態を示す縦断面図である。
【図４】前記パージ弁を構成するソレノイド部のオフ状態を示す一部省略拡大縦断面図である。
【図５】前記パージ弁を構成するソレノイド部のオン状態を示す一部省略拡大縦断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０    燃料電池
２６    パージ弁
１００  弁機構部
１０２  弁ボデイ（弁本体部）
１０４  ソレノイド部
１０６  ハウジング
１０８  インレットポート
１１０  連通路
１１２  アウトレットポート
１１４  圧力室
１１６  大気開放路
１１８  制御圧導入路
１２２  弁体
１３０  弁シャフト
１３４  ダイヤフラム
１４８  変位部材
１４８ａ  弁部
１５４  固定コア
１５８  コイル
１６０  可動コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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