JP2006153223A - 燃料電池用集積型弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、反応ガス及び／又は残留水を外部へと排出する弁装置の構造を簡素化するとともに、耐久性を向上させる。
【解決手段】燃料電池用集積型弁装置１０を構成するバルブボディ１６は、例えば、アルミニウムからなり、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４は、該バルブボディ１６を共有する。このバルブボディ１６の前端面に反応ガス及び／又は残留水が導入される導入ポート３４が設けられ、後端面に導出ポート３６が設けられる。すなわち、導入ポート３４及び導出ポート３６は、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４に共通である。バルブボディ１６には、さらに、内室３８近傍を通過する温媒通路が設けられている。また、バルブボディ１６の内部に連結された弁座部材１８は、例えば、ステンレス鋼からなる。
【選択図】図２

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第１弁部及び第２弁部を具備する燃料電池用集積型弁装置に関する。

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が複数個積層されたスタックを備えている。このように構成されたスタックを運転するに際しては、前記セルの各アノードに燃料として水素が供給される一方、各カソードに酸化剤としてエアーが供給される。そして、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。

このスタックを含む燃料電池システムは、例えば、カソード側に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、該エアーの圧力に応じた圧力でアノード側に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ともに、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。

この技術に関連し、本出願人は、エアー排出口とエアー排出部とを接続するエアー排出用通路、又は、水素排出部と水素排出口との間の通路の適宜の位置に設けられ、反応ガス及び／又は残留水を排出するための燃料電池用排出弁を提案している（特許文献１参照）。

特開２００４−１８３６８１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、システムへの取り付け作業を簡素化できるとともに、構造も簡素で且つ耐久性に優れる燃料電池用集積型弁装置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ための第１弁部及び第２弁部を具備する燃料電池用集積型弁装置であって、
前記第１弁部及び前記第２弁部が１個のバルブボディを共有し、
前記バルブボディに、前記反応ガス及び／又は残留水が導入される導入ポートと、前記導入ポートから導入された反応ガス及び／又は残留水が排出される導出ポートとがそれぞれ１個設けられ、
且つ前記バルブボディに、前記導入ポートから分岐して前記第１弁部及び前記第２弁部の各内室に連通する第１導入通路及び第２導入通路と、前記内室の各々に連通して前記導出ポートに合流する第１導出通路及び第２導出通路が設けられたことを特徴とする。

すなわち、本発明においては、２つの弁部が１つのバルブボディを共有し、該バルブボディには、導入ポート及び導出ポートが１つずつ設けられる。このため、２つの弁部を有するにも関わらず、簡素な構成となる。

しかも、導入ポート及び導出ポートの個数が１個であるので、第１弁部及び第２弁部の各々に導入ポート及び導出ポートを設ける弁装置を配管に組み込む場合に比して、接続される配管の個数、換言すれば、部品点数が少なくなるという利点がある。また、導入ポート及び導出ポートが１つずつなので、１つの弁部が組み込まれたバルブボディを有する弁装置を配管に取り付ける際の取り付け作業と同様の作業を行えばよい。

この弁装置のバルブボディには、加温媒体が流通する温媒通路を設けることが好ましい。加温媒体が流通するので、弁装置が組み込まれた燃料電池システムが低気温時に運転される際に、該弁装置の内部に湿潤反応ガスや残留水が進入しても、凍結することが防止される。

この場合、温媒通路に、前記バルブボディ内で下方から上方に向かって傾斜して延在する部位を設けることが好ましい。これにより、バルブボディの下方から上方、又はその逆方向に加温媒体が流通するので、バルブボディ全体が加温される。

また、温媒通路の導入口と導出口は、バルブボディの同一端面に設けることが好ましい。これにより、加温媒体の供給配管及び排出配管を弁装置に連結する作業が容易となり、取り付け作業効率が向上する。

ここで、バルブボディの材質の好適な例としては、アルミニウム又はアルミニウム合金が挙げられる。アルミニウム又はアルミニウム合金は概して軽量であり、このため、弁装置の重量が過度に大きくなることが回避できる。

この場合、弁座部材をバルブボディと別部材とし、アルミニウムやアルミニウム合金に比して耐食性に優れる材質で構成すればよい。さらに、バルブボディと弁座部材とが別部材であるので、バルブボディに連結する前に、弁座部材に対して撥水皮膜を設ける撥水処理やその他の処理を施すことが容易であるという利点がある。撥水処理を行った場合、燃料電池用電磁弁の内部で凍結が起こることを回避することができる。

弁座部材の材質の好適な例としては、ステンレス鋼が挙げられる。

本発明によれば、第１弁部と第２弁部が１つのバルブボディを共有し、且つ該バルブボディに設けられた導入ポート及び導出ポートの個数はそれぞれ１個である。従って、弁部の個数が増加しても構造は簡素であり、また、配管等への取り付け作業も簡素である。

さらに、バルブボディの下方から上方に向かって傾斜する温媒通路を設けた場合、バルブボディの内部で凍結が起こることを回避できる。

また、バルブボディを、例えば、アルミニウム等の軽量金属で構成するとともに、弁座部材を、例えば、安価で耐食性に優れるステンレス鋼で構成すれば、軽量であり、且つ十分な耐久性を示す燃料電池用集積型弁装置を低コストで得ることができる。

以下、本発明に係る燃料電池用集積型弁装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に、本実施の形態に係る燃料電池用集積型弁装置が組み込まれた燃料電池システム２００を示す。なお、この燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。

燃料電池システム２００は、例えば、高分子を素材とした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むことによって形成されたセルが複数個積層されることによって設けられた燃料電池スタック２０２を含む。

前記セルの各カソードには、酸化剤として酸素を含むエアーが供給され、一方、各アノードには、燃料として水素が供給される。すなわち、カソード側には、酸化剤供給部２０４からのエアーが供給されるエアー供給口２０６と、該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。その一方で、アノード側には、燃料供給部２１２からの水素が供給される水素供給口２１４と、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。なお、本実施の形態で用いられる反応ガスには、水素、エアー、余剰水素が含まれるものとする。

エアー供給口２０６に接続されたエアー供給用通路２１９においては、前記酸化剤供給部２０４と、放熱部２２０と、カソード加湿部２２２とが上流側からこの順序で介装されている。

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酸素を含有するエアーを断熱圧縮して圧送する。この断熱圧縮の際にエアーが加熱される。このように加熱された圧縮エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。

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る。酸化剤供給部２０４から供給されたエアーは、該放熱部２２０に設けられた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冷却される。すなわち、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。

カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、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へと供給する。加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、これに伴って該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜に水分が付与されることによって、該膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。

一方、前記水素供給口２１４に接続された水素供給通路２２３には、前記燃料供給部２１２と、圧力制御部２２４と、エゼクタ２２６と、アノード加湿部２２８とが上流側からこの順序で介装されている。また、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。

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される水素が貯蔵される。

圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなる。

ここで、この圧力制御部２２４には、圧力制御用バイパス通路２３２を介してエアーが供給される。すなわち、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。これに伴い、水素の圧力を調整する必要が生じる。このため、圧力制御用バイパス通路２３２からのエアーの圧力をパイロット圧（信号圧）として、圧力制御部２２４の出口側圧力である二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。

なお、図１から諒解されるように、圧力制御部２２４には、放熱部２２０によって冷却されたエアーが供給される。

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。ノズル部からディフューザ部に向かって水素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水素が吸引される。エゼクタ２２６で混合された水素及び排出水素はアノード加湿部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水素は、エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。

このように、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水素は、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水素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、該水透過膜の一端面から他端面に水分を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。すなわち、水素もエアー同様に加湿された状態で燃料電池スタック２０２に供給され、これにより、前記固体高分子電解質膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。

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）等が車両外部に排出される。

このように構成された燃料電池スタック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。

そして、本実施の形態に係る燃料電池用集積型弁装置は、以上のような構成の燃料電池システム２００において、例えば、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、及び／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接続され、反応ガス及び／又は残留水を排出する。勿論、該燃料電池用集積型弁装置をエアー排出部２０８及び／又は水素排出部２１６に組み込むようにしてもよい。又は、放熱部２２０から分岐して図１に示す適宜の機構にエアーを送気するエアー分岐ライン（図示せず）に組み込むようにしてもよい。

本実施の形態に係る燃料電池用集積型弁装置（以下、単に弁装置ともいう）の全体概略縦断面図を図２に示す。この弁装置１０は、第１電磁弁部１２と第２電磁弁部１４を具備し、これら第１電磁弁部１２、第２電磁弁部１４は、１つのバルブボディ１６を共有している。このうち、第１電磁弁部１２は、バルブボディ１６の内部に連結された弁座部材１８と、前記バルブボディ１６の上部にガイド部材２０、プレート部材２１、及びカバー部材２２を介して連結された断面略逆Ｕ字状のハウジング２４と、該ハウジング２４の内部に設けられたソレノイド部２６と、このソレノイド部２６の内部に設けられた固定部材２８と、該固定部材２８に対して接近又は離間するとともに前記ガイド部材２０に変位自在に挿入された可動部材３０と、該可動部材３０の一端部に連結された弁体部材３２とを有する。このうち、ガイド部材２０は、後述するように、弁体部材３２の変位量を規制する。

本実施の形態において、バルブボディ１６はアルミニウムから形成され、図３〜図５にそれぞれ示す正面図、側面図、背面図から諒解されるように、前端面略中央に導入ポート３４が形成されるとともに、後端面略中央の下部に導出ポート３６が形成されている。この弁装置１０が、カソード加湿部２２２又はアノード加湿部２２８（図１参照）のエアー供給用通路又は水素供給通路に組み込まれた場合、これらエアー供給用通路又は水素供給通路を通過した反応ガス及び／又は残留水は、導入ポート３４（図３及び図５参照）から第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４の各内部に存在する内室３８、３８（図２参照）を経由して、導出ポート３６（図４及び図５参照）から外部へと排出される。

なお、導入ポート３４の内部には、底部がバルブボディ１６の内部側を臨むようにしてフィルタ４０が装着されている（図３及び図４参照）。導入ポート３４から導入される反応ガス及び／又は残留水に塵埃等が含まれていた場合、フィルタ４０によって塵埃等が除去され、これにより、該塵埃等が弁装置１０の内室３８に進入することが防止される。

図３のＶＩ−ＶＩ矢視断面図である図６に示すように、導入ポート３４は、バルブボディ１６の内部で第１導入通路４２と第２導入通路４４に分岐される。換言すれば、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４の各内室３８、３８は、それぞれ、第１導入通路４２又は第２導入通路４４を介して導入ポート３４に連通する。なお、図６中の参照符号４６は前記弁座部材１８が挿入される挿入孔を示し、参照符号４８は、弁座部材１８の先端面が当接する段部を示す。

また、図３のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である図７に示すように、内室３８、３８の各々は第１導出通路５０又は第２導出通路５２に連通し、これら第１導出通路５０又は第２導出通路５２は、導出ポート３６に合流している。

すなわち、本実施の形態においては、導入ポート３４が第１導入通路４２と第２導入通路４４に分岐されて第１電磁弁部１２、第２電磁弁部１４の各内室３８、３８に連通し、その一方で、内室３８、３８は、第１導出通路５０と第２導出通路５２が合流する導出ポート３６に連通する。

バルブボディ１６の内部には、さらに、加温媒体を流通するための第１温媒通路５４、第２温媒通路５６及び第３温媒通路５８が設けられている（図４及び図７参照）。

直線状の第１温媒通路５４は、図４に示すように、バルブボディ１６の背面における導出ポート３６の上部から、該バルブボディ１６の正面における導入ポート３４の下部に向かって傾斜している。また、図７に示すように、直線状の第２温媒通路５６は、第１温媒通路５４から分岐してバルブボディ１６の一側面に向かって延在し、直線状の第３温媒通路５８は、該第２温媒通路５６から分岐して導出ポート３６の側方に向かって延在する。第２温媒通路５６は第１温媒通路５４に直交し、第３温媒通路５８は第２温媒通路５６に直交する。

第１温媒通路５４はバルブボディ１６の背面及び前面で開口しており（図４参照）、これに伴い開口部６０ａ、６０ｂが設けられる。一方、第２温媒通路５６はバルブボディ１６の側面で開口しており、第３温媒通路５８はバルブボディ１６の背面で開口している（図７参照）。これにより、開口部６０ｃ、６０ｄが形成される。このうち、開口部６０ａ、６０ｄが加温媒体の入口孔又は出口孔となり、残余の開口部６０ｂ、６０ｃは、閉塞部材としての袋ナット６２ａ、６２ｂでそれぞれ閉塞される（図４及び図７参照）。なお、開口部６０ａ〜６０ｄは、第１温媒通路５４、第２温媒通路５６及び第３温媒通路５８を設ける際に使用した中子や加工用工具によって形成される。

図２及び図４から諒解されるように、第１温媒通路５４は、バルブボディ１６の下部から上部にかけて傾斜しており、且つ第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４の各内室３８、３８の近傍に設けられている（図４参照）。このため、バルブボディ１６の下部から上部までの全体が加温され、また、内室３８、３８に導入された反応ガス及び／又は残留水が凍結することが回避される。

第１電磁弁部１２につき説明すると、図２に示すように、弁座部材１８は、導入ポート３４と内室３８の双方に若干突出する筒状部６４と、該筒状部６４の側周壁から環状に突出した環状フランジ部６６と、筒状部６４の上端面に設けられた弁座部６８とを有する。

筒状部６４の先端は、上記したように挿入孔４６の段部４８に当接している。そして、該筒状部６４において、挿入孔４６に挿入された部位の側周壁には環状溝が設けられており、該環状溝には環状シール７０が装着されている。この環状シール７０によって、弁座部材１８と導入ポート３４との間がシールされる。

また、環状フランジ部６６には複数個の貫通孔が設けられ、各貫通孔にはボルト７２が通されている。ボルト７２の各々がバルブボディ１６に設けられたボルト穴に螺合されることにより、弁座部材１８がバルブボディ１６に連結されている。

弁座部６８は、筒状部６４の上端面から上方に向かって所定長だけ環状に突出形成されている。この弁座部６８に対しては、後述するように、前記弁体部材３２を構成する円盤部７４が着座・離間する。

本実施の形態では、この弁座部材１８は、ステンレス鋼からなる。

ガイド部材２０は、バルブボディ１６の上部に連結されたフランジ部７６を有し、該フランジ部７６の下端面には、下方に向かって突出形成された円筒体状のストッパ部７８が設けられている。このストッパ部７８の下端面には、弁体部材３２が可動部材３０とともにソレノイド部２６の変位作用下に軸線方向に沿って上方へと変位した際、前記円盤部７４の上面が当接する。これにより円盤部７４が係止され、変位終端位置となる。なお、ストッパ部７８の軸線方向に沿う長さは、円盤部７４の上面がストッパ部７８の下面に当接した際、固定部材２８の凹部８０に挿入される可動部材３０の突出部８２が、該凹部８０の天井面に接触しないように設定される。

ガイド部材２０の外周径は、バルブボディ１６の内室３８の内周径と略同一径となるように形成されている。このため、ガイド部材２０をバルブボディ１６の上部へと組み付ける際、該ガイド部材２０の側周壁を内室３８の内周面に当接するように挿入することにより、ガイド部材２０をバルブボディ１６に対して容易に位置決めして組み付けることができる。また、ガイド部材２０の内部に設けられる可動部材３０と弁座部材１８との軸心を容易に一致させることができる。

また、ストッパ部７８の内周側には、ガイド部材２０と、弁体部材３２の円盤部７４との間に介装されるコイルスプリング８４が挿入されている。

なお、バルブボディ１６の上面には環状溝が設けられており、該環状溝にはシール部材８６ａが挿入されている。このシール部材８６ａにより、バルブボディ１６とフランジ部７６との間がシールされている。

フランジ部７６の上端面には、軸線方向に沿って薄板円筒状に延在するとともに、後述するボビン８８の内部に挿入される比較的長尺なガイド部９０が設けられている。このガイド部９０は、前記ストッパ部７８に比して若干小径に形成されている。

このガイド部９０の内部には、前記可動部材３０が軸線方向に沿って変位する際にガイドするガイド孔９２が形成されている。また、ガイド部９０は、外周壁面がボビン８８の内周面及びプレート部材２１の貫通孔９４に当接するように挿入されるとともに、先端部が固定部材２８に設けられた大径部９６の下端面に当接している。

また、プレート部材２１の上面、ガイド部９０が挿入されるカバー部材２２の装着孔９８、及びガイド部９０の外周壁面によって囲繞される空間には、環状のシール部材８６ｂが装着されている。このシール部材８６ｂによって、ソレノイド部２６の内部の気密が保持されている。

プレート部材２１は磁性金属製材料によって環状に形成され、ガイド部材２０の上部に一体的に連結されている。そして、プレート部材２１の略中央部には、軸線方向に沿って貫通した貫通孔９４が形成され、該貫通孔９４には、ガイド部材２０のガイド部９０が挿通されている。

プレート部材２１の上部に連結されたカバー部材２２の側面には、ソレノイド部２６に電流を供給するための図示しない電源に接続されるコネクタ部１００が設けられている（図４及び図５参照）。前記コネクタ部１００には、その内部に一端部が露呈するように金属材からなる図示しない長尺な端子が立設され、該端子には、カバー部材２２の内部を介してソレノイド部２６のボビン８８に接続されている。なお、この端子は、図示しないリード線を介して前記電源に接続されている。

また、カバー部材２２の上端面には、半径方向内側に突出した張出部１０４が形成され（図２参照）、該張出部１０４の上端面に形成された環状溝には、シール部材８６ｃが装着されている。このシール部材８６ｃにより、カバー部材２２とハウジング２４との間のシールがなされる。換言すれば、ハウジング２４の内部の気密が保持される。

ソレノイド部２６は、その外周面にコイル１０６が巻回されるとともにカバー部材２２の内周壁に当接するように環状に配設された前記ボビン８８と、該ボビン８８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３０と、前記ハウジング２４の上部にキャップナット１０８を介して一体的に連結され、可動部材３０と対向するように配設される固定部材２８とを有する。

ボビン８８の下端部及び上端部には、それぞれ、半径方向外方へと拡径するように第１拡径部１１０及び第２拡径部１１２が形成されている。

第１拡径部１１０には環状溝１１４が設けられており、該環状溝１１４には、カバー部材２２の下端面に設けられた凸部１１６が係合されている。一方、第２拡径部１１２の上端面は、前記張出部１０４の下端面に当接している。すなわち、カバー部材２２の内部においては、コイル１０６が巻回されたボビン８８が一体的に係合されており、これによりボビン８８全体がカバー部材２２によって囲繞されている状態にある。

ボビン８８の略中央部には、軸線方向に沿って貫通した挿入孔１１８が形成されている。この挿入孔１１８には、その上部に前記固定部材２８が挿入されるとともに、下部にガイド部材２０のガイド部９０が挿入される。上記したように、ガイド部９０の先端部は、固定部材２８に設けられた大径部９６の下端面に当接している。

固定部材２８は、磁性金属製材料によって円筒状に形成されており、上部の略中央部には、ねじ部１２０が上方に向かって突出するように形成されている。ハウジング２４の上方略中央部に設けられた孔部に挿通されるとともに突出したこのねじ部１２０の上方には、ワッシャ１２４を介して前記キャップナット１０８が螺合される。これにより、固定部材２８がハウジング２４に対して一体的に連結される。

また、固定部材２８の下面の略中央部には、上方に向かって所定深さだけ陥没した凹部８０が形成されている。

略円柱体形状の可動部材３０は、固定部材２８と同様に磁性金属製材料によって形成されており、ガイド部９０の内部を変位自在である。なお、この可動部材３０において、固定部材２８側を臨む上端面略中央部には、突出部８２が突出形成されている。

この突出部８２は、可動部材３０の本体に比して若干小径に形成されるとともに、可動部材３０が上方へ変位した際、固定部材２８の凹部８０に挿入される。なお、突出部８２の軸線方向に沿った高さは、凹部８０の軸線方向に沿った深さと略同等もしくは若干小さい程度に設定されている。

可動部材３０には、軸線方向に沿って延在する第１内孔１２６が設けられている。この第１内孔１２６は、ガイド部材２０のフランジ部７６近傍で拡径しており、該拡径部位にはねじ部１２８が設けられている。換言すれば、第１内孔１２６の拡径部位は、ねじ孔としての役割を営む。

さらに、可動部材３０の下端部に設けられた小径部１３０には、直径方向に沿って延在する第２内孔１３２が形成されており、該第２内孔１３２は、前記第１内孔１２６と連通する。

弁体部材３２は、前記円盤部７４の他、該円盤部７４に比して小径の軸状ねじ部１３４を有し、該軸状ねじ部１３４は、前記第１内孔１２６の拡径部位のねじ部１２８（ねじ孔）に螺合されている。この螺合により、弁体部材３２が可動部材３０に連結されている。

円盤部７４は、内室３８の内周面との間に所定のクリアランスが生じた状態で該内室３８に挿入されている。上記したように、この円盤部７４の下端面が弁座部６８に対して着座又は離間し、これに対応して第１電磁弁部１２が開状態又は閉状態となる。

円盤部７４の上端面には環状凸部１３６が形成されており、この環状凸部１３６の直径は、前記コイルスプリング８４の内径に略一致する。すなわち、コイルスプリング８４の孔部には、環状凸部１３６が係合されている。

また、軸状ねじ部１３４には、軸線方向に沿って延在する第３内孔１３８と、直径方向に沿って延在する第４内孔１４０が設けられている。第３内孔１３８は、可動部材３０に設けられた第１内孔１２６と連通しており、一方、第４内孔１４０は、第３内孔１３８と第２内孔１３２に連通している。

以上のように形成された第１内孔１２６、第３内孔１３８、第４内孔１４０及び第２内孔１３２を介して、可動部材３０と固定部材２８の間のクリアランスと、内室３８とが連通する。

このように構成される弁体部材３２は、例えば、ステンレス鋼等の安価で耐食性に優れる金属材から作製されている。

円盤部７４の下面には、該下面から所定深さだけ窪んだ環状の第１装着溝１４２が設けられており、該第１装着溝１４２には、弾性部材からなる第１シート１４４が装着される。円盤部７４の上面にも同様に、該上面から所定深さだけ窪んだ環状の第２装着溝１４６が設けられ、この第２装着溝１４６に弾性部材からなる第２シート１４８が装着される。これら第１シート１４４及び第２シート１４８の好適な材質としては、ゴムが例示される。

第１シート１４４は、円盤部７４が弁座部６８に着座した際に該弁座部６８に当接する位置に装着され、一方、第２シート１４８は円盤部７４が上方に変位して上端面がストッパ部７８に当接した際に、前記ストッパ部７８の先端面に当接する位置に装着されている。

第１装着溝１４２及び第２装着溝１４６は、円盤部７４の内部に軸線方向に沿って形成される連通孔１５０を介して連通している。そして、第１シート１４４及び第２シート１４８は、連通孔１５０の内部に装填される弾性材料からなる連結シート１５２によって一体的に連結されている。すなわち、第１シート１４４及び第２シート１４８は、第１装着溝１４２及び第２装着溝１４６に弾性材料を充填して固化させることにより形成されている。その際、例えば、第１装着溝１４２に弾性材料を充填することによって、該弾性材料が連通孔１５０を介して第２装着溝１４６にも充填される。このため、第１シート１４４、連結シート１５２、及び第２シート１４８を容易に一体成形して簡便且つ効率的に装着することができる。

また、この一体形成により、第１シート１４４及び第２シート１４８がそれぞれ第１装着溝１４２及び第２装着溝１４６から脱落することが防止される。

円盤部７４の上端面とガイド部材２０の下端面との間に介装された前記コイルスプリング８４は、その弾発力によって弁体部材３２を弁座部６８に着座させる方向に付勢している。このコイルスプリング８４は、一端部に円盤部の環状凸部１３６が係合されることにより、円盤部７４から脱落することが防止されている。

ハウジング２４は、磁性金属製材料により形成され、カバー部材２２を上部から囲繞するように装着されている。

残余の第２電磁弁部１４は、第１電磁弁部１２と同様に構成されており、従って、第１電磁弁部１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

本発明の実施の形態に係る弁装置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。なお、以下の説明において、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４は同時に同一動作を行う。すなわち、以下、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４に同一の参照符号が付された構成要素の動作説明は、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４に共通する。

図１に示される燃料電池システム２００において、弁装置１０は、例えば、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、又は水素排出口２１８と水素排出部２１６との間の通路の適宜の位置に配設される。

図２は、コイル１０６に対して電流を供給していない状態、すなわち、非励磁状態にあり、可動部材３０の先端部に連結された弁体部材３２の円盤部７４（第１シート１４４）が弁座部６８に着座して導入ポート３４と導出ポート３６との連通が遮断された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１００の端子を介してコイル１０６に通電することにより該コイル１０６が励磁され、その励磁作用下に磁束がコイル１０６から可動部材３０へと向かい、再びコイル１０６へと復帰して周回するように発生する。

これにより、可動部材３０がコイルスプリング８４の弾発力に抗して軸線方向に沿って上方へと変位し、これに伴い、該可動部材３０の先端部に連結された弁体部材３２も上方に変位して、最終的に、弁体部材３２を構成する円盤部７４（第１シート１４４）が弁座部６８から離間する。

そして、円盤部７４に装着された第２シート１４８がガイド部材２０のストッパ部７８に当接して変位終端位置となる。なお、この際、弾性材料からなる第２シート１４８によって円盤部７４が変位終端位置まで変位した際の当接が緩和されるとともに、その当接音が低減される。同時に、可動部材３０の突出部８２が固定部材２８の凹部８０に挿入される。

このようにして円盤部７４が弁座部６８から離間することにより、弁装置１０が弁開状態となる。これに伴って反応ガス及び／又は残留水が導入ポート３４から導入され、該導入ポート３４から分岐した第１導入通路４２及び第２導入通路４４を経由し、第１電磁弁部１２及び第２電磁弁部１４の各内室３８、３８の内周面と、円盤部７４との間のクリアランスを通過して、各内室３８、３８に到達する。

反応ガス及び／又は残留水は、円盤部７４が弁座部６８から離間しているので、弁座部材１８の筒状部６４を介して、内室３８から第１導出通路５０及び第２導出通路５２に進入する。さらにその後、これら第１導出通路５０及び第２導出通路５２が合流する導出ポート３６を介して、外部へと排出される。

このように、本実施の形態によれば、２個の第１及び第２電磁弁部１２、１４を１個のバルブボディ１６に組み込み、且つ該バルブボディ１６に導入ポート３４及び導出ポート３６を１つずつ設け、導入ポート３４から第１導入通路４２及び第２導入通路４４を分岐させるとともに、内室３８、３８に連通する第１導出通路５０及び第２導出通路５２を導出ポート３６に合流させるようにしている。導入ポート３４及び導出ポート３６の個数を１個にしたため、第１電磁弁部１２、第２電磁弁部１４の各々に導入ポート３４及び導出ポート３６を設ける弁装置を燃料電池システム２００に組み込む場合に比して、接続される配管の個数、換言すれば、部品点数が少なくなり、このために配管への取り付け作業も簡素になるという利点がある。

反応ガス及び／又は残留水の外部への排出を停止する場合には、図示しない電源からコイル１０６への通電を停止することにより、該コイル１０６を非励磁状態とする。これにより可動部材３０に付勢されていた上方への変位力が喪失し、同時に、可動部材３０がコイルスプリング８４によって下方へと弾発付勢され、弁体部材３２の円盤部７４における第２シート１４８がストッパ部７８の下端面から離間する。その結果、円盤部７４が弁座部６８に着座して導入ポート３４と導出ポート３６との連通が遮断される。すなわち、図２に示す状態に戻る。

この際、円盤部７４の第１装着溝１４２に装着された第１シート１４４が弁座部６８の上面に密着し、これにより、内室３８の気密が一層確実に保持される。

以上により、エアー供給用通路又は水素供給通路からの反応ガス及び／又は残留水の弁装置１０を介しての排出が停止される。

可動部材３０及び弁体部材３２が上方に変位する間、固定部材２８と可動部材３０の間のクリアランスに存在する流体は、第１内孔１２６、第３内孔１３８、第４内孔、及び第２内孔１３２を介して内室３８へと速やかに流通する。このため、流体が固定部材２８と可動部材３０との間のクリアランスに滞留することがなく、従って、滞留した気体によって可動部材３０が押圧されて変位が抑制されることもない。

一方、可動部材３０及び弁体部材３２が下方に変位する間、固定部材２８と可動部材３０の間のクリアランスには、内室３８から、第２内孔１３２、第４内孔、第３内孔１３８及び第１内孔１２６を介して流体が速やかに流通する。このため、可動部材３０及び弁体部材３２は、前記クリアランスに導入された流体に押圧されて下方に迅速に変位する。

すなわち、可動部材３０に第１内孔１２６及び第２内孔１３２を設ける一方、該可動部材３０に連結される弁体部材３２に第３内孔１３８及び第４内孔を設けることによって、可動部材３０及び弁体部材３２の変位、ひいては弁体部材３２の円盤部７４の弁座部６８への着座・離間が迅速に行われる。結局、弁装置１０の応答速度を向上させることができる。

また、可動部材３０の側周壁ではなく中心部に第１内孔１２６を設けたので、ボビン８８に対向する可動部材３０の磁路面積が減少することもない。従って、可動部材を変位させるための変位力を確保することもできる。

この動作の間、弁装置１０には、第１温媒通路５４、第２温媒通路５６及び第３温媒通路５８に温水等の加温媒体が流通される。上記したように、これら第１温媒通路５４、第２温媒通路５６及び第３温媒通路５８が内室３８近傍を通過するように形成されているため、例えば、燃料電池システム２００を搭載した車両が寒冷地や冬季等、低気温時に運転される際に内室に湿潤反応ガスや残留水が進入しても、内室３８で凍結が起こることが回避される。なお、開口部６０ａ、６０ｄのどちらを入口にしてもよい。

また、第１温媒通路５４がバルブボディ１６の下方から上方に傾斜して形成されているので、加温媒体もバルブボディ１６内を下方から上方、又はその逆方向に流通する。このため、バルブボディ１６の全体が加温される。

ここで、第１温媒通路５４と第２温媒通路５６、第２温媒通路５６と第３温媒通路５８は直線形状であり、互いに直交するように形成されている（図７参照）。このような形状の通路は、加工作業によって極めて容易に設けることができる。すなわち、本実施の形態によれば、第１温媒通路５４、第２温媒通路５６及び第３温媒通路５８を直線形状としたので、簡便な作業で温媒通路を形成することができ、凍結を防止することができる。

しかも、開口部６０ａ、６０ｄが同一面（背面）に設けられているので、加温媒体の供給配管及び排出配管を弁装置１０に連結する作業が容易となる。このため、取り付け作業効率が向上する。

ここで、開口部６０ｂ、６０ｃは袋ナット６２ａ、６２ｂで閉塞されているので、該開口部６０ｂ、６０ｃから加温媒体が漏洩することはない。

そして、本実施の形態においては、弁体部材３２を可動部材３０と別部材とするとともに、該弁体部材３２を、例えば、ステンレス鋼等の耐食性に優れた材質で構成するようにしている。従って、弁装置１０が上記のように動作することに伴い、該弁装置１０の内部に湿潤反応ガスや残留水が通過しても、弁体部材３２が腐食することが著しく抑制される。このため、弁装置１０の耐久性が向上し、寿命が長期化する。

また、従来からの電磁弁ではバルブボディに弁座が形成されるのが通例であるが、本実施の形態では、バルブボディ１６と弁座部材１８とを別部材とし、しかも、バルブボディ１６をアルミニウムで構成するとともに、弁座部材１８をステンレス鋼で構成するようにしている。バルブボディ１６をアルミニウムで構成することにより、弁装置１０を軽量なものとすることができる。また、ステンレス鋼で構成された弁座部材１８は、弁体部材３２と同様、耐食性に優れる。このため、弁装置１０の耐久性が一層向上する。

さらに、弁座部材１８をステンレス鋼で構成した場合、弁座部６８に撥水皮膜を比較的容易に形成することができる。この場合、湿潤反応ガスや残留水が内室３８に浸入しても、撥水皮膜によって弁座部６８に液滴が付着することが防止される。このため、弁座部６８が腐食することを一層確実に回避することができるとともに、水分が弁座部６８上で凍結することによって該弁座部６８と第１シート１４４とが互いに貼り付くことが回避される。

また、弁体部材３２及び弁座部材１８を安価なステンレス鋼等で構成することができるので、コスト的に有利である。

さらに、長期間にわたる運転によって弁体部材３２が経年変化し、交換が必要となった場合であっても、ねじを介して弁体部材３２と可動部材３０とを連結しているので、交換を著しく容易に行うことができる。しかも、弁体部材３２のみを交換すればよいので、弁体部が一体成形された可動部材を交換する場合に比して、弁装置１０のランニングコストが低廉化する。

その上、この場合、可動部材３０は、比較的単純な円柱体形状であり、このため、弁体部材３２と同様の複雑な形状の弁体部と同一部材である従来からの可動部材に比してハンドリングが著しく容易となる。従って、例えば、可動部材３０の側周壁にフッ素コーティングを行う場合等において、可動部材３０に打痕や傷が発生することを容易に回避することができる。

また、本実施の形態では、ストッパ部７８、フランジ部７６及びガイド部９０をガイド部材２０、すなわち、同一部材として一体的に形成しているため、それぞれを別体に設けた場合と比較して部品点数を削減することができるとともに、ガイド部材２０をカバー部材２２、バルブボディ１６及びプレート部材２１の内部に組み付ける際の組み付け作業性を向上させることができ、それに伴って組み付け作業工数を低減することができる。

そして、ガイド部材２０の外周面をバルブボディ１６の内部に形成される内室３８の内周面に当接するように挿入することにより、バルブボディ１６に対するガイド部材２０の位置決めを確実に行うことができる。そのため、ガイド部材２０の内部を軸線方向に沿って変位する可動部材３０、ひいては弁体部材３２の円盤部７４の軸心と、バルブボディ１６に連結される弁座部材１８の軸心とを容易に一致させて組み付け精度を向上させることができる。従って、組み付け作業性を向上させることができ、それに伴って組み付け作業工数を低減することができる。

さらにまた、ガイド部材２０のフランジ部７６の上部に、ボビン８８の内部に挿入される円筒状のガイド部９０が形成され、その内部のガイド孔９２に可動部材３０を変位自在に挿入している。このため、ガイド孔９２で可動部材３０が軸線方向に沿ってガイドされるので、可動部材３０の変位を確実に軸線方向とすることができる。

本実施の形態に係る燃料電池用集積型弁装置が組み込まれる燃料電池システムの構成図である。 本実施の形態に係る燃料電池用集積型弁装置（弁閉状態）を示す全体概略縦断面図である。 図２の弁装置の全体概略正面図である。 図２の弁装置の全体概略一部縦断面図である。 図２の弁装置の全体概略背面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。 図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池用集積型弁装置 １２、１４…電磁弁部
１６…バルブボディ １８…弁座部材
２０…ガイド部材 ２１…プレート部材
２２…カバー部材 ２４…ハウジング
２６…ソレノイド部 ２８…固定部材
３０…可動部材 ３２…弁体部材
３４…導入ポート ３６…導出ポート
３８…内室 ４２、４４…導入通路
５０、５２…導出通路 ５４、５６、５８…温媒通路
６０ａ〜６０ｄ…開口部 ６２ａ、６２ｂ…袋ナット
６８…弁座部 ７４…円盤部
７６…フランジ部 ７８…ストッパ部
８０…凹部 ８２…突出部
８４…コイルスプリング ８８…ボビン
９０…ガイド部 １００…コネクタ部
１０６…コイル １２６…第１内孔
１２８…ねじ部 １３２…第２内孔
１３４…軸状ねじ部 １３６…環状凸部
１３８…第３内孔 １４０…第４内孔
１４４、１４８、１５２…シート

Claims (6)

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ための第１弁部及び第２弁部を具備する燃料電池用集積型弁装置であって、
   前記第１弁部及び前記第２弁部が１個のバルブボディを共有し、
   前記バルブボディに、前記反応ガス及び／又は残留水が導入される導入ポートと、前記導入ポートから導入された反応ガス及び／又は残留水が排出される導出ポートとがそれぞれ１個設けられ、
   且つ前記バルブボディに、前記導入ポートから分岐して前記第１弁部及び前記第２弁部の各内室に連通する第１導入通路及び第２導入通路と、前記内室の各々に連通して前記導出ポートに合流する第１導出通路及び第２導出通路が設けられたことを特徴とする燃料電池用集積型弁装置。
2. 請求項１記載の燃料電池用集積型弁装置において、前記バルブボディに加温媒体が流通する温媒通路が設けられたことを特徴とする燃料電池用集積型弁装置。
3. 請求項２記載の燃料電池用集積型弁装置において、前記温媒通路は、前記バルブボディ内で下方から上方に向かって傾斜して延在する部位を有することを特徴とする燃料電池用集積型弁装置。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池用集積型弁装置において、前記温媒通路の導入口と導出口が前記バルブボディの同一端面に設けられたことを特徴とする燃料電池用集積型弁装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用集積型弁装置において、前記バルブボディがアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、且つ該バルブボディとは異なる材質からなる弁座部材が該バルブボディに連結されたことを特徴とする燃料電池用集積型弁装置。
6. 請求項５記載の燃料電池用集積型弁装置において、前記弁座部材がステンレス鋼からなることを特徴とする燃料電池用集積型弁装置。

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