JP2006153207A - 燃料電池用電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブボディを相手部材に装着した際に、前記バルブボディの突出量を抑制することにより省スペース化を図る。
【解決手段】バルブボディ１６に有底円筒状の本体部３０と、前記本体部３０より縮径した突出部３２とを設け、前記本体部３０の側壁５０と底壁５２との接合部位にテーパ面５４を周方向に沿って形成し、該テーパ面５４に複数の導入ポート１２を設けている。また、突出部３２には、本体部３０の連通室５６に導入された流体を外部へと導出する導出ポート１４が形成されている。そして、可動部材１８に連結された弁体２８が軸線方向に沿って変位し、前記弁体２８における拡径部１３４を囲繞した弾性部材１３６の着座部１４０が、本体部３０の弁座面６２に着座することにより前記導入ポート１２と導出ポート１４との連通が遮断される。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される反応ガス及び／又は残留水を外部へと排出する燃料電池用電磁弁に関する。

従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下、燃料電池という）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤としてエアーが供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。

このような燃料電池装置は、例えば、燃料電池のカソード側に反応ガスとしてエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、このエアーの圧力を信号圧として、エアーの圧力に応じた圧力で燃料電池のアノード側に反応ガスとして水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保すると共に、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。

そこで、本出願人は、燃料電池内におけるエアー流路の適宜の位置に設けられ、燃料電池の外部にエアーおよび残留水を排出するカソードドレンバルブと、燃料電池内における水素流路の適宜の位置に設けられ、燃料電池の外部に水素および残留水を排出するアノードドレンバルブを備えた燃料電池の残留水排出装置を提案している（特許文献１参照）。

特開２００２−３０５０１７号公報

本発明は、前記提案に関連してなされたものであり、バルブボディを相手部材に装着した際に、前記バルブボディの突出量を抑制することにより省スペース化を図ることが可能な燃料電池用電磁弁を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池における反応ガス及び／又は残留水を排出する燃料電池用電磁弁において、
前記反応ガス及び／又は残留水が導入される導入ポートを有する有底状の第１円筒部と、前記第１円筒部の端部に突出して形成され、前記導入ポートから導入された前記反応ガス及び／又は残留水が排気される導出ポートを有する第２円筒部とを備えるバルブボディと、
前記バルブボディと連結されるハウジングの内部に配設され、電流により励磁作用を伴うソレノイド部と、
前記ソレノイド部の内部に設けられる固定部材と対向するように設けられ、前記ソレノイド部の励磁作用下に軸線方向に沿って変位する可動部材と、
前記可動部材に連結され、該可動部材の変位作用下に前記バルブボディの弁座に対して着座・離間自在に設けられる弁体と、
を備え、
前記第１円筒部と前記第２円筒部とが同軸状に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、バルブボディを、導入ポートを有する有底状の第１円筒部と、導出ポートを有する円筒状の第２円筒部とから形成し、前記バルブボディを、流体が流通する流体通路を有する相手部材の内部に挿入して組み付けた際に、前記導入ポート及び導出ポートを、前記相手部材の流体通路と連通させることにより前記流体を前記導入ポートから導出ポートへと流通させている。

従って、バルブボディにおける第１円筒部及び第２円筒部を、前記相手部材に内蔵させるように組み付けて前記導出ポート及び導入ポートを前記流体通路と連通させることができるため、前記バルブボディの相手部材から外部への突出量を小さくすることができ、燃料電池用電磁弁が設置される環境下において省スペース化を図ることができる。

また、導入ポートを、第１円筒部の外周面に設けることにより、バルブボディが接続される相手部材の内部に前記導入ポートと対向し、流体が導入される環状の空間を設けられている場合に、前記導入ポートの位置合わせが不要となり、該導入ポートを含むバルブボディを設置する際の作業効率を向上させることができる。同時に、導入ポートを、第１円筒部の外周面に沿った任意の位置に設けることができるため、その数量や配置等の自由度を増大させることができ、それに伴って、複数設けられる導入ポートの総断面積を容易に変更して前記導入ポートから導出ポートへと導入される流体の流量を制御することができる。

さらに、第１円筒部に、該第１円筒部の外周面に対して所定角度傾斜したテーパ面を形成し、前記テーパ面に前記導入ポートを形成するとよい。これにより、曲面状に形成されている第１円筒部の外周面に前記導入ポートを加工する場合に比べて、テーパ面は断面が略平面状に形成されているため容易に形成することができるため、前記導入ポートの加工性を良好とすることができる。

さらにまた、導入ポートを、第１円筒部の外周面に複数設け、前記複数の導入ポートにおける通路の断面積を合算した総断面積を、導出ポートにおける通路の断面積より大きく設定するとよい。これにより、複数の導入ポートから導入される流体の総流量を、前記導出ポートから導出される流量より大きくすることができるため、前記導出ポートから導出される流量が不足することがなく、前記流体を確実に導出ポートから排出することができる。

またさらに、第１円筒部に、第２円筒部が形成される底部の周面に沿って前記導入ポートを形成すると共に、前記底部の略中央部に前記第２円筒部を介して前記導出ポートに連通する連通路を形成するとよい。これにより、第１円筒部の底部を利用して導入ポートを設けることができるため、前記第１円筒部の底部の外周面を有効に活用することができ、それに伴って、前記導入ポートを設けるためのスペースを別個に設ける必要がないため、前記バルブボディの軸線方向に沿った長手寸法の短縮化を図ることができる。同時に、単一の第１円筒部に対して前導入ポート及び導出ポートを簡便に形成することができる。

また、弁体は、前記可動部材に連結される軸部と、
前記軸部の端部に形成され、前記弁座に対向する方向に突出した弾性材料からなる環状突部を有する弁部と、
を備え、
前記弁部を、前記第１円筒部の内部に略平面状に形成された前記弁座に対し、前記環状突部を介して着座・離間自在に設けるとよい。これにより、例えば、弁体がその変位作用下に軸心が半径方向にずれてしまった場合においても、バルブボディの弁座が略平面状に形成されているため、前記弁体を前記環状突部を介して弁座に確実且つ好適に着座させることができ、前記弁体の着座性を良好とすることができる。

さらに、環状突部を、導出ポートと連通し、弁座に開口する連通路と同軸状に形成し、前記環状突部を前記弁座に着座させた際、前記環状突部によって前記弁座における前記連通路の外周部を閉塞するとよい。これにより、連通路と同軸状に形成された環状突部を、該連通路の外周部に確実に着座させることができるため、前記連通路を弾性材料からなる環状突部によって確実に閉塞することができる。

さらにまた、弁部に、該弁部を囲繞する弾性材料からなる弾性部材を備え、環状突部を、前記弾性部材の弁座と対向する端面に形成するとよい。このように、弾性部材は、弁部を中心としてその周りを囲繞するように設けられているため、前記弁部を介して弾性材料からなる弾性部材の強度を向上させることができる。

またさらに、可動部材の外周面に、半径内方向に窪んで軸線方向に沿った溝部を形成するとよい。これにより、可動部材が軸線方向に沿って変位する際に、該可動部材と固定部材との間に存在する流体を、前記溝部を通じて弁体側へと流通させることができる。そのため、前記可動部材と固定部材との間に留まった流体によって可動部材の変位抵抗が生じることがなく、前記可動部材を円滑に変位させることができる。

また、ソレノイド部の内部に、可動部材を軸線方向に沿って変位自在にガイドする円筒状のガイド部材を配設し、バルブボディとハウジングとの間に設けられるガイドボディと固定部材とを、前記ガイド部材に対してそれぞれ固着するとよい。これにより、ガイドボディ、固定部材及びガイド部材という３部品を一体化することができるため、予め一体化された前記ガイドボディ、固定部材及びガイド部材を組み付ける際の組付工数の低減及び作業性の向上を図ることができる。

さらに、ハウジングを、断面略Ｕ字状に形成されたカバー部材によって囲繞するとよい。このように、ハウジングを囲繞するカバー部材を断面略Ｕ字状に形成することにより、前記カバー部材の軽量化を図ることができると共に、材料使用料量を削減することができるためコストの低減を図ることができる。

さらにまた、カバー部材の外周面に、該外周面の周方向に沿って切り欠かれた開口部を形成するとよい。これにより、前記開口部を介してカバー部材の内部と外部とを連通させることができるため、前記カバー部材の内部に設けられたハウジング介して、ソレノイド部がその励磁作用下に発熱した際の熱を放出して冷却することができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、バルブボディに、導入ポートを有する有底状の第１円筒部と、導出ポートを有する円筒状の第２円筒部とを備え、前記バルブボディを、流体が流通する流体通路を有する相手部材に装着する際に、前記第１円筒部及び第２円筒部を前記相手部材に内蔵させるように組み付けることができる。このため、前記導出ポート及び導入ポートを前記流体通路と連通させることができ、前記バルブボディの相手部材から外部への突出量を小さくすることにより、燃料電池用電磁弁が設置される環境下において省スペース化を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用排出弁（燃料電池用電磁弁）１０が含まれる燃料電池システム２００の構成図である。なお、前記燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。

図１に示すように、この燃料電池システム２００は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して設けた燃料電池スタック２０２を含む。前記燃料電池スタック２０２には、燃料として、例えば、水素が供給されるアノードと、酸化剤として、例えば、酸素を含むエアーが供給されるカソードとが設けられる。なお、本実施の形態で用いられる反応ガスは、水素、エアー、余剰水素を含むものとする。

前記カソードには、酸化剤供給部２０４からエアーが供給されるエアー供給口２０６と、前記カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０が設けられる。一方、アノードには、燃料供給部２１２から水素が供給される水素供給口２１４と、前記水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。

前記燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。

前記エアー供給口２０６には、エアー供給用通路を介して酸化剤供給部２０４、放熱部２２０、カソード加湿部２２２がそれぞれ接続され、また、前記エアー排出口２１０には、エアー排出用通路を介してエアー排出部２０８が接続される。

前記水素供給口２１４には、水素供給通路を介して燃料供給部２１２、圧力制御部２２４、エゼクタ２２６、アノード加湿部２２８がそれぞれ接続され、また、前記水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して水素排出部２１６が接続される。

酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）及びこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用される供給エアーを断熱圧縮して燃料電池スタック２０２に圧送する。この断熱圧縮の際に供給エアーが加熱される。このように加熱された供給エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。

また、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入されると共に、後述する放熱部２２０によって冷却された後、バイパス通路２３２を介して圧力制御部２２４にパイロット圧として供給される。

放熱部２２０は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成され、流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって、燃料電池スタック２０２の通常運転時において前記酸化剤供給部２０４から供給される供給エアーを冷却する。このため、供給エアーは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部２２２に導入される。

前記カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へ透過させることにより、前記放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給している。前記加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。なお、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０には、エアー排出部２０８が接続されている。

燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノード側に供給する供給水素が貯蔵される。

圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなり、バイパス通路２３２を介して供給されるエアーの圧力をパイロット圧（パイロット信号圧）として、前記圧力制御部２２４の出口側圧力である２次側圧力を前記パイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。

エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された燃料（水素）はノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。前記ノズル部からディフューザ部に向かって燃料が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノード側の排出燃料が吸引される。前記エゼクタ２２６で混合された燃料及び排出燃料はアノード加湿部２２８へと供給され、燃料電池スタック２０２から排出された排出燃料は、前記エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。

従って、燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から排出された未反応の排出ガスは、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に導入され、圧力制御部２２４から供給された水素と、燃料電池スタック２０２から排出された排出ガスとが混合されて燃料電池スタック２０２に再び供給されるように設けられている。

アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へ透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給している。前記加湿された水素は燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。

燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部２１６が循環用通路２３０を介して接続される。前記排出制御弁は、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水分（主に液体水）等が車両の外部に排出される。

また、エアー排出口２１０とエアー排出部２０８とを接続するエアー排出用通路、又は、水素排出部２１６と水素排出口２１８との間の通路の適宜の位置には、反応ガス（水素）及び／又は残留水を排出するための燃料電池用排出弁１０が接続されている。

次に、前記燃料電池システム２００に組み込まれた燃料電池用排出弁１０について好適な実施の形態を挙げ、図面を参照しながら以下詳細に説明する。

この燃料電池用排出弁１０（以下、単に排出弁１０という）は、図２〜図５に示されるように、水素（以下、単に流体という）及び／又は残留水が導入される導入ポート１２と、前記流体及び／又は残留水が外部へと導出される導出ポート１４とを有するバルブボディ１６と、前記バルブボディ１６の上部に連結され、その内部に可動部材１８が軸線方向に沿って変位自在に設けられるガイドボディ２０と、前記ガイドボディ２０の上部に連結されるハウジング２２と、前記ハウジング２２の内部に配設されるソレノイド部２４と、前記ハウジング２２の外部を覆うように装着される断面略Ｕ字状のカバー部材２６と、前記バルブボディ１６の内部に軸線方向に沿って変位自在に設けられる弁体２８（図４及び図５参照）とからなる。

バルブボディ１６は、図４及び図５に示されるように、金属製材料（例えば、ステンレス鋼）から形成され、その内部に弁体２８が変位自在に設けられる本体部（第１円筒部）３０と、前記本体部３０より下方に向かって突出して形成される突出部（第２円筒部）３２と、前記本体部３０の上部に半径外方向に拡径して形成される取付フランジ３４を含む。そして、前記バルブボディ１６は、流体が流通する通路が形成された保持ブロック３６に対して装着されている。

ここで、前記バルブボディ１６が固定される保持ブロック３６について簡単に説明する。この保持ブロック３６は、バルブボディ１６の本体部３０が挿入される第１挿入孔３８と、前記第１挿入孔３８の下部に該第１挿入孔３８より縮径して形成される第２挿入孔４０と、略水平方向に延在するように形成され、外部より流体が導入される導入通路４２と、前記導入通路４２と連通し、前記第１挿入孔３８に臨むように環状に形成される導入室４４と、前記第２挿入孔４０に連通するように形成され、前記突出部３２の導出ポート１４から導出される流体が流通する導出通路４６とを備える。

そして、バルブボディ１６が、保持ブロック３６の上面に対して前記取付フランジ３４を介して固定ボルト４８で固定されている。なお、燃料電池用電磁弁は、上述した保持ブロック３６に装着される場合に限定されるものではない。

前記バルブボディ１６の本体部３０は、有底円筒状に形成され、該本体部３０の軸線と略平行に形成される側壁５０と該本体部３０の軸線と略直交する底壁（底部）５２との接合部位には、外周面の周面に沿って所定角度傾斜したテーパ面５４が形成されている。このテーパ面５４は、前記側壁５０及び底壁５２に対して約４５°に傾斜するように形成され、前記テーパ面５４には該テーパ面５４に対して略直交に貫通した導入ポート１２が形成されている。

前記導入ポート１２は、本体部３０の周方向に沿って等間隔離間して複数（例えば、４箇所）形成されると共に、前記本体部３０の内部に形成される連通室５６と連通している。また、導入ポート１２は、バルブボディ１６が保持ブロック３６に装着された際に、該保持ブロック３６の内部に形成された環状の導入室４４と対向する位置に形成されている。これにより、複数の導入ポート１２は、外部より流体が導入される導入室４４に囲まれるように配置されているため、前記導入ポート１２の位置合わせが不要となり、該導入ポート１２を含むバルブボディ１６を保持ブロック３６に組み付ける際の作業性を向上させることができる。

このように、導入ポート１２を有底円筒状に形成された底部の外周面に設けることにより、前記導入ポート１２をバルブボディ１６の側部に設けた場合と比較して軸線方向に沿った長手寸法を抑制して小型化を図ることができる。

また、導入ポート１２を、本体部３０においてテーパ面５４に沿った任意の位置に設けることができるため、その数量や配置等の自由度が増大し、複数設けられる導入ポート１２の総断面積を容易に変更して前記導入ポート１２から連通室５６へと導入される流体の流量を制御することができる。

本体部３０の側壁５０には、外周側に形成される環状溝を介してＯリング５８ａが装着されている。これにより、前記本体部３０が、前記保持ブロック３６の第１挿入孔３８に挿入された際に、前記第１挿入孔３８の内周面と本体部３０の外周面との間にＯリング５８ａが挟持されるため、前記保持ブロック３６の内部と本体部３０の間の気密が保持される。

突出部３２は、本体部３０における底壁５２の略中央部から下方に向かって所定長だけ突出すると共に、その外周径が本体部３０の外周径より小径に形成されている。また、前記突出部３２は、前記本体部３０と同軸状となるように形成されて、前記突出部３２は、バルブボディ１６が保持ブロック３６に装着される際に、前記第１挿入孔３８より小径に形成された第２挿入孔４０に挿入される。

突出部３２の下端部には、下方に向かって開口し、連通室５６に導入された流体が導出される単一の導出ポート１４が形成され、前記導出ポート１４は、該導出ポート１４より小径に形成された連通路６０を介して連通室５６と連通している。前記導出ポート１４及び連通路６０は、本体部３０の軸線と同軸状となるように形成されている。この連通路６０が開口する本体部３０の底面は、後述する弁体２８の着座部１４０が着座・離間する弁座面（弁座）６２として機能している。

また、導出ポート１４は、該導出ポート１４と対向する位置に形成された保持ブロック３６の導出通路４６と連通している。すなわち、導出ポート１４より導出された流体は、導出通路４６を通じて外部へと排出されている。

この導出ポート１４の断面積は、複数形成される導入ポート１２のそれぞれの断面積を合算した総断面積より小さくなるように設定される。これにより、複数の導入ポート１２から導入される流体の総流量を、前記導出ポート１４から導出される流量より大きくすることができるため、前記導出ポート１４から導出される流量が不足することがなく、前記流体を確実に導出ポート１４から排出することができる。

一方、突出部３２の外周面には、環状溝を介してＯリング５８ｂが装着され、前記Ｏリング５８ｂが、保持ブロック３６の第２挿入孔４０と前記突出部３２の外周面との間に挟持されることにより、前記保持ブロック３６と円筒部６６との間の気密が保持される。

取付フランジ３４は、断面略菱形状に所定厚さで形成され、本体部より半径外方向に所定間隔離間して一組の孔部６４が形成されている。そして、孔部６４には固定ボルト４８が挿通され、前記固定ボルト４８によって取付フランジ３４が保持ブロック３６の上面に対して固定される。

ガイドボディ２０は、筒状に形成され、内部に可動部材１８が変位自在に設けられる円筒部６６と、前記円筒部６６より半径外方向に突出し、前記バルブボディ１６の上部に連結ボルト６８を介して連結されるフランジ部７０からなる。なお、フランジ部７０には、周方向に所定間隔離間して形成される複数の孔部７２を介して連結ボルト６８が挿通され、前記連結ボルト６８が、バルブボディ１６の上面に螺合されることにより、前記ガイドボディ２０とバルブボディ１６とが連結されている。

円筒部６６の下部は、バルブボディ１６における本体部３０の内部に挿入され、前記円筒部６６とフランジ部７０が接合する角部と前記本体部３０との間には、シール部材７４が装着されている。これにより、円筒部６６が挿入されるバルブボディ１６の内部の気密が確実に保持される。

また、円筒部６６の内部には、略同一直径から筒状に形成されるカラーガイド（ガイド部材）７６の一端部側が挿入され、前記カラーガイド７６の一端部に形成される鍔部７８が円筒部６６の下部に係合されている。このカラーガイド７６は、金属製材料から薄板円筒状に形成され、半径外方向に突出した鍔部７８の上面が、円筒部６６の下面に当接した状態でレーザ溶接等によって強固に固着されている。これにより、前記円筒部６６の内周面が前記カラーガイド７６によって囲繞される。

また、カラーガイド７６の鍔部７８は、弁体２８がガイドボディ２０側に向かって変位した際の変位を規制するストッパ機能を備え、前記鍔部７８における弁体２８が当接する下面には、その周方向に沿って等間隔離間して窪んだ複数（例えば、４箇所）の凹部８０が形成されている。このように、環状に形成される鍔部７８に対して複数の凹部８０を設けることにより、前記鍔部７８の下面に弾性材料からなる弁体２８が当接した際に、前記弁体２８が鍔部７８に対して貼着されることを防止している。

なお、図４〜図６では、便宜上、前記カラーガイド７６の中心に対して右側となる鍔部７８の形状を、凹部８０が形成される部位の断面とし、前記カラーガイド７６の中心に対して左側となる鍔部７８の断面を、弁体２８が当接する部位の断面として図示している。

また、カラーガイド７６の他端部は、ガイドボディ２０の円筒部６６から突出するように上方に向かって所定長だけ延在し、ソレノイド部２４のボビン８２の内部に挿通されている。

ハウジング２２は、樹脂製材料から一体成形によって形成され、ガイドボディ２０の上部に連結されている。このハウジング２２の側面には、ソレノイド部２４に電流を供給するための電源（図示せず）に接続されるコネクタ部８４が設けられ、前記コネクタ部８４には、その内部に一端部が露呈するように金属製材料からなる端子８６が設けられている。そして、前記端子８６はハウジング２２の内部を介してソレノイド部２４のボビン８２（後述する）へと接続されている。なお、端子８６は、図示しないリード線を介して前記電源と接続されている。

前記ハウジング２２の上面には、半径内方向に張り出した張出部８８が形成され、前記張出部８８の上面に形成された環状溝を介してＯリング５８ｃが装着されている。そして、前記Ｏリング５８ｃがハウジング２２と後述するカバー部材２６との間に挟持されることにより、前記ハウジング２２とカバー部材２６との間の気密が保持される。

カバー部材２６は、磁性体からなる金属製材料より断面略Ｕ字状に形成され、ハウジング２２及びガイドボディ２０の一部を上部から囲繞するように装着されている。前記カバー部材２６の上部には、略中央部に孔部９０が形成され、前記孔部９０には固定部材９６（後述する）の上面に設けられるねじ部１０８が挿通されている。このように、カバー部材２６を断面略Ｕ字状に形成することにより、軽量化を図ることができると共に、使用される材料の量を削減することができるためコストの低減を図ることも可能である。

また、カバー部材２６には、図２及び図３に示されるように、軸線方向に沿って略長方形状に切り欠かれた複数の開口部９２が形成され、前記開口部９２は、カバー部材２６の中心に対して略対称となる位置に形成されている（図３参照）。このように、カバー部材２６の側部に開口した開口部９２を設け、前記カバー部材２６の内部と外部とを連通させることにより、ソレノイド部２４のコイル８１がその励磁作用下に発熱した際に、ソレノイド部２４を囲繞するハウジング２２を介して放熱効果が得られる。

ソレノイド部２４は、図４及び図５に示されるように、ハウジング２２の内部に囲繞されるように配設され、外周面にコイル８１が巻回されたボビン８２と、前記ボビン８２の内部を軸線方向に沿って変位自在に設けられる可動部材１８と、前記ハウジング２２の上部にキャップナット９４を介して一体的に連結され、前記可動部材１８と対向するように配設される固定部材９６と、前記可動部材１８と固定部材９６との間に介装されるリターンスプリング９８とからなる。

ボビン８２は、ハウジング２２の内周面に当接するように設けられ、その上端部及び下端部には半径外方向へと拡径した第１及び第２拡径部１００ａ、１００ｂがそれぞれ形成されている。そして、第１拡径部１００ａと第２拡径部１００ｂとの間にコイル８１が巻回された状態でハウジング２２に対して一体成形されている。

第１拡径部１００ａは、ハウジング２２の張出部８８の下面側に当接するように設けられ、第２拡径部１００ｂの外周部位には、下方に向かって所定角度で傾斜しながら徐々に突出した係合部１０２が形成されている。そして、前記係合部１０２には、ハウジング２２の下部に形成された折曲部１０４が係合されている。すなわち、ハウジング２２の内部には、コイル８１が巻回されたボビン８２が一体成形され、前記ボビン８２の全体がハウジング２２によって囲繞されている状態にある。

また、ボビン８２の略中央部には、軸線方向に沿って貫通した挿通孔１０６が形成され、前記挿通孔１０６には、ガイドボディ２０の円筒部６６に固着されたカラーガイド７６が挿通されると共に、前記挿通孔１０６の上部には磁性体からなる金属製材料により円柱状に形成された固定部材９６が挿入されている。なお、挿通孔１０６の内周径は、前記カラーガイド７６の外周径と略同等となるように形成されている。

固定部材９６は、その上部に形成されたねじ部１０８が、カバー部材２６の孔部９０に挿通された後に、ワッシャ１１０が挿通されてキャップナット９４が螺合される。これにより、前記固定部材９６がハウジング２２に一体的に連結される。

また、固定部材９６の外周面には、可動部材１８側に縮径した縮径部１１２が形成され、前記縮径部１１２にはガイドボディ２０に固着されたカラーガイド７６の他端部が装着される。詳細には、図６に示されるように、前記カラーガイド７６は、固定部材９６に対してレーザ溶接で溶着されることにより、前記固定部材９６に対して強固に固着されている。すなわち、固定部材９６は、円筒状のカラーガイド７６を介してガイドボディ２０と一体的に固着されている。

これにより、固定部材９６、ガイドボディ２０及びカラーガイド７６という３部品をレーザ溶接等によって一体化することができるため、予め一体化された固定部材９６、ガイドボディ２０及びカラーガイド７６を組み付ける際の組付工数の低減及び作業性の向上を図ることが可能となる。

さらに、固定部材９６の縮径部１１２は、カラーガイド７６の厚さ分だけ半径内方向に縮径して形成されているため、前記縮径部１１２に装着されたカラーガイド７６の外周面が、固定部材９６の外周面と略同等となる。そして、前記固定部材９６の下方には、カラーガイド７６を介して可動部材１８が挿入されている。

固定部材９６の下面には、その略中央部に可動部材１８側に向かって突出した凸部１１４が形成され、前記可動部材１８との間に介装されるリターンスプリング９８の一端部が係着されている。

可動部材１８は、磁性体からなる金属製材料によって円筒状に形成され、前記固定部材９６側となる一端部には所定深さで窪んだスプリング受穴１１６が形成されている。前記スプリング受穴１１６と該スプリング受穴１１６と対向する固定部材９６の凸部１１４との間には、リターンスプリング９８が介装され、前記リターンスプリング９８の弾発力は、前記可動部材１８を固定部材９６から離間する方向に付勢している。

また、可動部材１８の外周面には、複数の溝部１１８が軸線方向に沿って形成され、前記溝部１１８は可動部材１８の周方向に沿って所定間隔離間して形成されている。この溝部１１８は、例えば、断面略Ｖ字状となるように形成されている。

このように、可動部材１８の外周面に沿って溝部１１８を形成することにより、前記可動部材１８が軸線方向に沿って変位する際に、該可動部材１８と固定部材９６との間に存在する流体を、前記溝部１１８を通じて弁体２８側へと流通させることができる。そのため、前記可動部材１８と固定部材９６との間に流体が留まることによって可動部材１８の変位抵抗が生じることがなく、前記可動部材１８を円滑に変位させることが可能となる。

一方、可動部材１８の内部には、その他端部側に弁体２８が連結される小径孔１２０と、前記小径孔１２０より拡径して形成される大径孔１２２とが形成されている。なお、リターンスプリング９８が介装されるスプリング受穴１１６と小径孔１２０及び大径孔１２２とは連通している。

弁体２８は、可動部材１８に連結されるシャフト部（軸部）１２４と、前記シャフト部１２４の下部に形成され、バルブボディ１６における本体部３０の弁座面６２に着座・離間自在に設けられる弁部１２６を含む。

シャフト部１２４は、金属製材料から形成され、可動部材１８の小径孔１２０に圧入される第１軸１２８と、前記第１軸１２８より拡径して前記可動部材１８の大径孔１２２に挿入される第２軸１３０と、前記第２軸１３０よりさらに拡径して形成され、前記可動部材１８の下端面に係止される第３軸１３２とからなる。このように、弁体２８は、シャフト部１２４の第１軸１２８が可動部材１８の小径孔１２０に対して圧入されているため、前記弁体２８と可動部材１８とが強固に連結された状態となる。

弁部１２６は、バルブボディ１６の連通室５６に配設され、前記シャフト部１２４の第３軸１３２の下部に形成されて該第３軸１３２より拡径した拡径部１３４と、前記拡径部１３４を囲繞する弾性材料（例えば、フッ素ゴム）からなる弾性部材１３６とからなる。

拡径部１３４は、略円盤状に形成され、その外周径は前記弁体２８が配設される連通室５６の内周径より小さく形成される。また、拡径部１３４には、軸線方向に沿って貫通する複数の連通孔１３８が所定間隔離間して形成されている。

一方、弾性部材１３６は、前記拡径部１３４を図示しない成形型の内部に載置し、前記成形型に弾性材料を充填させて固化させることにより、前記拡径部１３４の全体を覆うように形成される。

この弾性部材１３６は、拡径部１３４の外周面及び下面側に略一定の厚さとなるように形成されている。前記弾性部材１３６は、拡径部１３４の上面と下面とを連通する複数の連通孔１３８を通じて充填されているため、前記弾性部材１３６が拡径部１３４に対して脱落することが防止される。このように、弁体２８は、前記拡径部１３４が弾性部材１３６の中心に設けられる構造としているため、弾性材料からなる弾性部材１３６の強度を向上させることができる。

また、弾性部材１３６の下部には、その略中央部に環状に突出した着座部（環状突部）１４０が形成され、前記着座部１４０の直径は、バルブボディ１６の本体部３０に開口した連通路６０の直径より大きく形成される。すなわち、前記着座部１４０が本体部３０の弁座面６２に当接し、前記本体部３０に形成された連通路６０の外周部位を覆うことにより、前記連通室５６と導出ポート１４との連通状態が遮断される。

前記着座部１４０の内周側は、拡径部１３４側に向かって窪み、該拡径部１３４が弾性部材１３６によって覆われずに露呈している。

さらに、弾性部材１３６の外周径は、連通室５６の内周径と略同等に形成される。すなわち、前記連通室５６の内周径より小さく形成された拡径部１３４の外周面と前記内周面との間に弾性部材１３６が配設される。

本発明の実施の形態に係る燃料電池用排出弁１０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。

図１に示されるように、燃料電池システム２００において排出弁１０は、水素排出口２１８と水素排出部２１６との間の通路の適宜の位置に、例えば、保持ブロック３６を介して設けられ、前記排出弁１０の導入ポート１２（図４及び図５参照）は、前記保持ブロック３６の導入通路４２を介して前記通路に接続されている。そして、導出ポート１４（図４及び図５参照）は、前記保持ブロック３６の導出通路４６を介して通路と接続されている。

図４は、コイル８１に対してコネクタ部８４を介して電流を供給していない非励磁状態にあり、弁体２８の着座部１４０が、本体部３０の底壁５２に形成された弁座面６２に着座して導入ポート１２と導出ポート１４との連通が遮断されたオフ状態（弁閉状態）を示している。

このようなオフ状態において、図示しない電源を付勢してコネクタ部８４の端子８６を介してコイル８１に通電することにより前記コイル８１が励磁され、その励磁作用下に磁束がコイル８１から可動部材１８へと向かい、再びコイル８１へと復帰して周回するように発生する。

そして、図５に示されるように、可動部材１８がリターンスプリング９８の弾発力に抗して軸線方向に沿って上方へと変位し、前記弁体２８の着座部１４０が本体部３０の弁座面６２より離間する。

そして、弁体２８の拡径部１３４に装着された弾性部材１３６の上面が、カラーガイド７６の鍔部７８に当接して変位終端位置となる。なお、その際、弾性材料からなる弾性部材１３６によって弁体２８が変位終端位置まで変位した際の衝撃が緩和されると共に、その衝撃音が低減される。その結果、排出弁１０がオフ状態からオン状態（弁開状態）へと切り換わる。

従って、導入ポート１２から連通室５６の内部に導入された流体及び／又は残留水が、前記弁体２８の着座部１４０と弁座面６２との間のクリアランスを介して前記連通路６０から導出ポート１４を通じて外部へと排出される。

また、このようなオン状態において、前記流体及び／又は残留水の外部への排出を停止する場合には、再び弁体２８の着座部１４０を本体部３０の弁座面６２に着座させて導入ポート１２と導出ポート１４との連通が遮断されたオフ状態とする。

この場合には、図示しない電源よりコイル８１に通電されていた電流を停止することにより前記コイル８１が非励磁状態となり、可動部材１８に付勢されていた上方への変位力が滅勢される。

そのため、可動部材１８がリターンスプリング９８の弾発力によって下方へと押圧され、弁体２８における弾性部材１３６の上面が鍔部７８の下面から離間する。その際、前記鍔部７８の下面には、弁体２８が弾性部材１３６を介して当接した状態において、前記鍔部７８の下面に形成された凹部８０によって前記弾性部材１３６の上面と鍔部７８の下面との間に予め非接触部分（空間）が設けられる。そのため、前記弁体２８の弾性部材１３６と鍔部７８とが貼り付くことが防止され、前記弁体２８を下方へと変位させる際、前記弾性部材１３６を鍔部７８から確実且つ容易に離間させることができる。

そして、弁体２８の着座部１４０が、本体部３０の弁座面６２に着座し、環状の着座部１４０によって連通路６０の外周部位が閉塞されることにより、連通室５６を通じて導入ポート１２から導出ポート１４へと流通していた流体の連通が遮断される。その結果、水素供給通路を介して排出弁１０へと導入される流体及び／又は残留水の排出が停止される。

この場合に、例えば、弁体２８の軸心が半径方向にずれて該弁体２８と連通路６０とが同軸状でなくなった場合においても、バルブボディ１６の弁座面６２が略平面状に形成されているため、前記弁体２８の着座部１４０を弁座面６２に対して確実且つ好適に着座させることができ、前記弁体２８の着座性を良好とすることができる。

以上のように、本実施の形態では、導入ポート１２と導出ポート１４を有するバルブボディ１６を、該導入ポート１２がテーパ面５４の周面に沿って形成され、弁体２８が内部に設けられる有底筒状の本体部３０と、前記導出ポート１４が形成される筒状の突出部３２とから形成している。そのため、前記本体部３０と突出部３２を、例えば、保持ブロック３６のような相手部材の内部に挿入して組み付けることが可能となる。

すなわち、バルブボディ１６における本体部３０及び突出部３２を、保持ブロック３６のような相手部材に内蔵させるように組み付けることができるため、前記バルブボディ１６の外部への突出量を小さくすることができ、相対的に排出弁１０の小型化を図ることが可能となる。これにより、排出弁１０が設置される環境下において省スペース化を図ることが可能となる。

また、有底円筒状に形成された本体部３０の側壁５０と底壁５２との接合部位に略平面状のテーパ面５４とすることにより、曲面状に形成されている本体部３０の外周面に導入ポートを加工する場合に比べて、断面が略平面状となるテーパ面５４に対して略直交に導入ポート１２を形成することができるため、前記導入ポート１２の加工性を良好とすることができる。

さらに、本体部３０における側壁５０と底壁５２との接合部位を利用して導入ポート１２を設けることができるため、本来使用されない本体部３０における接合部位を有効に活用することができ、それに伴って、前記導入ポート１２を設けるためのスペースを別個に設ける必要がないため、前記バルブボディ１６の軸線方向に沿った長手寸法の短縮化を図ることができる。

さらにまた、導入ポート１２が形成された本体部３０には、該本体部３０の底壁５２に形成された突出部３２を介して導出ポート１４が設けられているため、単一の本体部３０に対して前記導入ポート１２及び導出ポート１４を簡便に設けることが可能となる。

またさらに、可動部材１８と弁体２８とを別体に形成することにより、前記可動部材１８を磁性材料、前記弁体２８を非磁性材料（例えば、ステンレス鋼）というようにそれぞれ異なる特性を有する金属製材料から形成することが可能となる。これにより、例えば、弁体２８をステンレス鋼から形成することにより、前記弁体２８に生じる錆び等の腐食を防止することができ、前記弁体２８の耐久性を向上させることができる。さらに、前記可動部材１８には、略中央部に弁体２８が圧入される小径孔１２０及び大径孔１２２を形成するのみでよいため、前記可動部材１８に対する加工性が良好である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池用排出弁が組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁の斜視図である。 図２の燃料電池用電磁弁の平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図４の燃料用電磁弁の弁開状態を示す縦断面図である。 図２の燃料電池用電磁弁におけるガイドボディと固定部材がカラーガイドを介して一体的に連結された状態を示す縦断面図である。 図４におけるカラーガイドの鍔部を下方から見た状態を示す底面図である。

符号の説明

１０…燃料電池用排出弁 １２…導入ポート
１４…導出ポート １６…バルブボディ
１８…可動部材 ２０…ガイドボディ
２２…ハウジング ２４…ソレノイド部
２６…カバー部材 ２８…弁体
３０…本体部 ３２…突出部
３４…取付フランジ ３６…保持ブロック
４２…導入通路 ４４…導入室
４６…導出通路 ５４…テーパ面
５６…連通室 ６０…連通路
６２…弁座面 ６６…円筒部
７０…フランジ部 ７６…カラーガイド
７８…鍔部 ８０…凹部
８２…ボビン ８４…コネクタ部
９２…開口部 ９６…固定部材
９８…リターンスプリング １０２…係合部
１０４…折曲部 １０８…ねじ部
１１８…溝部 １２４…シャフト部
１２６…弁部 １３４…拡径部
１３６…弾性部材 １４０…着座部

Claims (12)

1. 燃料電池における反応ガス及び／又は残留水を排出する燃料電池用電磁弁において、
   前記反応ガス及び／又は残留水が導入される導入ポートを有する有底状の第１円筒部と、前記第１円筒部の端部に突出して形成され、前記導入ポートから導入された前記反応ガス及び／又は残留水が排気される導出ポートを有する第２円筒部とを備えるバルブボディと、
   前記バルブボディと連結されるハウジングの内部に配設され、電流により励磁作用を伴うソレノイド部と、
   前記ソレノイド部の内部に設けられる固定部材と対向するように設けられ、前記ソレノイド部の励磁作用下に軸線方向に沿って変位する可動部材と、
   前記可動部材に連結され、該可動部材の変位作用下に前記バルブボディの弁座に対して着座・離間自在に設けられる弁体と、
   を備え、
   前記第１円筒部と前記第２円筒部とが同軸状に形成されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
2. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記導入ポートは、前記第１円筒部の外周面に設けられることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記第１円筒部には、該第１円筒部の外周面に対して所定角度傾斜したテーパ面が形成され、前記テーパ面に前記導入ポートが形成されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記導入ポートは、前記第１円筒部の外周面に複数設けられ、前記複数の導入ポートにおける通路の断面積を合算した総断面積は、前記導出ポートにおける通路の断面積より大きく設定されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
5. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記第１円筒部には、前記第２円筒部が形成される底部の周面に沿って前記導入ポートが形成されると共に、前記底部の略中央部に前記第２円筒部を介して前記導出ポートに連通する連通路が形成されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
6. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記弁体は、前記可動部材に連結される軸部と、
   前記軸部の端部に形成され、前記弁座に対向する方向に突出した弾性材料からなる環状突部を有する弁部と、
   を備え、
   前記弁部は、前記第１円筒部の内部に略平面状に形成された前記弁座に対し、前記環状突部を介して着座・離間自在に設けられることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
7. 請求項６記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記環状突部は、前記導出ポートと連通し、前記弁座に開口する連通路と同軸状に形成され、前記環状突部が前記弁座に着座した際、前記環状突部によって前記弁座における前記連通路の外周部が閉塞されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
8. 請求項６記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記弁部は、該弁部を囲繞する弾性材料からなる弾性部材を備え、前記環状突部が、前記弾性部材の前記弁座と対向する端面に形成されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
9. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記可動部材の外周面には、半径内方向に窪んで軸線方向に沿った溝部が形成されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
10. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
    前記ソレノイド部の内部には、前記可動部材を軸線方向に沿って変位自在にガイドする円筒状のガイド部材が配設され、前記バルブボディとハウジングとの間に設けられるガイドボディと前記固定部材とが、前記ガイド部材に対してそれぞれ固着されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
11. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
    前記ハウジングは、断面略Ｕ字状に形成されたカバー部材によって囲繞されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
12. 請求項１１記載の燃料電池用電磁弁において、
    前記カバー部材の外周面には、該外周面の周方向に沿って切り欠かれた開口部が形成されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。

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