JP2007032676A - 弁およびこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】凍結などによって閉塞されたオリフィスを素早く開放できるオリフィス付きの弁の提供を目的とする。
【解決手段】弁２０は、流体が流れる流路Ｌ５の途中に設けられ且つ弁口３５を有する弁座３３と、弁口３５よりも上流または下流に設けられたオリフィス３９と、往復動自在に設けられ且つ往復動に伴って弁口３５を開閉する弁体３０と、弁体３０の往復動に連動して往復動し且つ少なくとも一部がオリフィス３９内を往復動するロッド４１と、を備える
【選択図】図２

Description

本発明は、弁に関し、特に燃料電池システムのガス流路などの湿度が高いガス流路に設けられる弁に関する。

自動車用や住宅用などの発電システムとして、燃料電池システムが開発されている。燃料電池システムの燃料電池には、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なるセルを複数積層したスタックが利用される。このような燃料電池に対して、アノードに燃料ガスとしての水素を供給し且つカソードに酸化ガスとしての空気を供給すると、アノードで触媒作用に発生した水素イオンが固体高分子膜を通じてカソードに移動して、酸素と電気化学反応を起こして発電するととともに水が生成される。

このとき、カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解膜を介してアノード側に混入する。また、カソード側に供給される空気中の窒素の一部が固体高分子電解膜を介してアノード側に混入する。

空気供給流路を通って燃料電池のカソードに供給された空気は、発電に供された後、生成水とともに空気排出流路に排出される。一方、水素供給流路を通って燃料電池のアノードに供給された水素は、発電に利用された後、水素ガス循環流路に排出され、循環装置としてのエゼクタを介して水素供給流路に再び合流される。つまり、燃料電池から排出された未反応の水素ガスは、水素タンクから供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池に供給される。

水素ガス循環流路からは、排出弁を有する水素ガス排出流路が分岐しており、この水素ガス排出流路は空気排出流路に接続されている。これにより、水素ガス循環流路内の水素ガス濃度が低下した場合や水分量が過剰になった場合には、排出弁を開いて水素ガス循環流路内のガスを排出することで、水素ガス循環流路内を適正な状態に回復できるようになっている。
特開２００２−９３４３８号公報 特開２００４−１７８８４５号公報

ところで、排水素をシステム外（大気）に排気する際には、空気排出流路の排気空気によって可燃濃度以下に希釈する必要がある。そのため、排気弁の上流又は下流に排水素量を規制するため、例えば直径数ミリ程度のオリフィスを設ける構造が考えられる。しかし、このようにオリフィスを設けた構造では、以下のような問題が発生する可能性がある。

（ｉ）オリフィスに氷やゴミなどの異物が詰まると、設定したはずの流量を排出できずに水素循環系内の不純物濃度（例えば窒素濃度）が上昇するため、発電量が低下する虞がある。

（ｉｉ）水素ガス循環系内の水素ガスは、相対湿度がほぼ１００％となっているため、システム停止後に氷点下の温度環境下で放置されると、オリフィスに水分が凍結して閉塞し、次に燃料電池システムを起動するときに、オリフィスの凍結を解凍するまでは通常運転に移行できない問題が生じる。つまり、起動時間が長時間化する。

（ｉｉｉ）オリフィスの凍結を早く解凍したい場合には、別途ヒータや温度センサなどを大幅な部品追加が必要となる。

（ｉｖ）たとえ解凍手段を付加したとしても、オリフィスが実際に解凍して流路が確保されたか否かを検出するのが困難である。

そこで本発明は、ゴミや凍結などにより閉塞したオリフィスを素早く開放できるオリフィス付きの弁の提供を目的とする。

本発明の弁は、流体が流れる流路の途中に設けられ且つ弁口を有する弁座と、前記流路の途中の前記弁口よりも上流または下流に設けられ且つ前記弁口よりも通路断面積が小さいオリフィスと、往復動自在に設けられ且つ往復動に伴って前記弁口を開閉する弁体と、前記弁体の往復動に連動して往復動し且つ少なくとも一部がオリフィス内に侵入退出するロッドと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、オリフィスに氷やゴミなどの異物が詰まったとしても、弁体とともにロッドを往復動させることで、オリフィスから異物を押し出してオリフィスを開放できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

第１実施形態：図１〜図４を参照しつつ本発明の第１実施形態を説明する。

図１は本発明の第１実施形態の弁を適用した燃料電池システムのブロック図である。

「燃料電池システム」
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、固体高分子電解質膜１５をカソード１３とアノード１４とで両側から挟み込んでなるセルを複数積層したスタック構造の燃料電池１２を、備える。

「空気系」
燃料電池のカソード１３に空気（酸化ガス）を供給する空気供給系（酸化ガス供給系）には、コンプレッサ１６（酸化ガス供給手段）と、空気供給管Ｌ１（酸化ガス供給通路）と、が設けられている。コンプレッサ１６は、空気を圧送するもので、空気供給管Ｌ１は、コンプレッサ１６と燃料電池カソード１３入口とを接続してコンプレッサ１６から燃料電池１２に空気を供給するものである。

また、燃料電池カソード１３出口から空気を排出する空気排出系（酸化ガス排出系）には、空気排気管Ｌ２（排出酸化ガス通路）が、設けられている。この空気排気管Ｌ２は、燃料電池カソード１３出口に連通接続され該カソード１３で消費した排出空気（排出酸化ガス）を該カソード１３からシステム外に排気するものである。

したがって、コンプレッサ１６を作動すると空気供給管Ｌ１を通じて所定量の空気が燃料電池１２のカソード１３に供給される。燃料電池１２のカソード１３に供給された供給空気は、発電に利用された後、排気空気として生成水とともに空気排気管Ｌ２を通じてシステム外（外気）に排気される。

「水素系」
一方、燃料電池１２のアノード１４に水素ガス（燃料ガス）を供給する水素ガス供給系（燃料ガス供給系）には、水素ガスを貯蔵する水素タンク１７（燃料タンク）と、水素ガス供給管（燃料ガス供給通路）Ｌ３と、供給弁１８と、が設けられている。水素供給管Ｌ３は、水素タンク１７と燃料電池アノード１４入口とを接続し水素タンクからアノード１４に水素ガスを供給するもので、供給弁１８は、水素ガス供給管Ｌ３の途中に設けられ水素供給管Ｌ３を開閉するものである。

また、燃料電池１２のアノード１４で未消費の水素を水素ガス供給管Ｌ３に帰還させる水素ガス循環系（燃料ガス循環系）には、エゼクタ１９（循環装置）と、水素ガス循環管Ｌ４（燃料ガス循環通路）と、が設けられている。エゼクタ１９は、水素ガス供給管Ｌ３に設けら、水素ガス循環官Ｌ４は、燃料電池アノード１４出口とエゼクタ１９とを連通接続し且つ燃料電池アノード１４で未消費の燃料ガスをエゼクタ１９を通じて水素ガス供給管Ｌ３に帰還させるものである。なお、循環装置としてエゼクタ１９の代わりに水素ポンプなどを用いることも可能である。

また、水素ガス循環管Ｌ４から水素ガスを排出する水素ガス排気系（燃料ガス排気系）には、水素ガス排出管Ｌ５（水素ガス排出流路）と、排出弁２０と、が設けられている。水素ガス排出管Ｌ５は、水素ガス循環管Ｌ４と空気排気管Ｌ２とを連通接続しており、排出弁２０は、この水素ガス排出管Ｌ５の途中に設けられて水素ガス排出管Ｌ５の流路を開閉するものである。

したがって、水素ガス供給管Ｌ３の供給弁１８の開くと、水素ガスが水素タンク１７から燃料電池１２のアノード１４に供給されて発電に利用された後、水素ガス循環管Ｌ４に排気される。この水素ガス循環管Ｌ４に排出された未反応の水素ガスは、エゼクタ１９を介して水素ガス供給管Ｌ３に合流し、つまり水素タンク１７から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１２のアノード１４に供給される。このように未反応の水素ガスは、アノード１４→水素ガス循環管Ｌ４→エゼクタ１９→水素ガス供給管Ｌ３→アノード１４の経路で、循環を繰り返す。

水素ガス循環管Ｌ４内の窒素などの不純物濃度が上昇したした場合や水分量が過剰になった場合には、排出弁２０を開いて水素ガス排気管Ｌ５を通じて空気排気管Ｌ２に排出することで、水素ガス循環管Ｌ４内を適正な状態に回復できるようになっている。

ところで、排出弁２０から排出される排水素を、空気排気管Ｌ２を流れる排気空気によって可燃濃度以下に希釈してシステム外に排気する必要がある。そのため、本実施形態の排気弁２０は、図２に示すように、弁口３５の下流（なお本発明では上流でもよい）に、弁口３５よりも通路断面積が小さい例えば直径数ミリ程度のオリフィス３９を備えている。つまり、オリフィス３９によって、弁口３５からの排出水素の流量を一定量に制限している。

「排出弁」
次に図２を参照しつつ排出弁をより詳しく説明する。

本実施形態の排出弁２０は、オリフィス３９のゴミ詰まりや氷詰まりに強い弁２０であり、湿度が高いガスが流れることで氷点下環境で氷結しやすい流路（例えば上述の燃料電池システムの水素ガス排気管Ｌ５）に適用するのが好適なものである。

図２に示すように、本実施形態の排出弁２０は、ノーマルクローズタイプの電磁弁である。つまり、図２（ａ）に示す如くアクチュエータとしての電磁ソレノイド２３に電流が流れていないときに閉じ、図２（ｂ）に示す如く電磁ソレノイド２３に電流が流れているときに開くタイプの電磁弁である。

排出弁２０は、水素ガス排気管Ｌ５の管壁に固定されるボディ２１と、ボディ２１に固定された電磁ソレノイド２３と、電磁ソレノイド２３の中空部２３ａ内に固定された固定鉄心（固定子）２５と、電磁ソレノイド２３の中空部２３ａ内にスライド自在に配置され且つ固定鉄心２５とスプリング２６を介して対抗している可動鉄片（可動子）２７と、可動鉄片２７に固定され該可動鉄片２７と一体に往復動するプランジャ２９と、プランジャ２９の先端部に設けられ且つシール部材としてのＯリング４３が装着された弁体３０と、ボディ２１に固定された筒状のケース３１と、ケース３１内に固定され且つ流路Ｌ５の一部を構成する弁口３５を有する弁座３３と、弁口３５内の下流側に固定され且つオリフィス３９（開口）を有する円板状の閉塞板３７と、弁体３０の往復動に連動して往復動するロッド４１と、を備えている。

図２（ａ）に示すように、電磁ソレノイド２３への通電が停止している際には、スプリング２６のばね力により可動鉄片２７が固定鉄心２５から離反し、弁体３０のＯリング４３が弁座３３に密着して、弁口３５が閉じる。これにより、流路Ｌ５は閉じる。

一方、図２（ｂ）に示すように、電磁ソレノイドへ通電時すると、可動鉄片２７と固定鉄心２５との電磁吸引力によりスプリング２６に逆らって可動鉄片２７が固定鉄心２５側に移動し、弁体３０のＯリング４３が弁座３３から離れて、弁口３５が開く。これにより、流路Ｌ５は開く。このときのガスの流量は、弁口３５の下流側のオリフィス３９の開口面積Ｓ０により決まる。つまりオリフィス３９が弁口３５の開口面積より狭く設定され且つ弁口３５を開いたときのガスの流量を規定している。

ロッド４１は、弁体３０に固定されまたは弁体３０と一体成形されており、電磁ソレノイド２３への通電量に応じて弁体３０が往復動すると該弁体３０と一体的に往復動するものである。ロッド４１は、その一部（この実施形態では先端部）がオリフィス３９に進入・退出する。なお、このロッド４１の先端部は、オリフィス３９の開口面積Ｓ０の７０％以上を塞ぐように断面サイズが設定されている。

これにより、ゴミや氷膜や氷粒などの異物がオリフィス３９に詰まった際には、オリフィス３９内にロッド４１の先端部を往復動させて異物をオリフィス３９外へ排除することができ、このため、本実施形態の排出弁２０はゴミや凍結などに強いオリフィス付きの弁２０となる。

次に第１実施形態の排出弁２０の制御の一例を説明する。

排出弁２０は図示せぬ制御部によって開閉制御されるものであって、制御部は例えば以下のように制御する。

燃料電池システムの運転時
燃料電池システムの運転時においては、制御部は、水素ガス循環管Ｌ４内の不純物（例えば窒素など）の濃度が所定値以下のときは排出弁２０を閉じているが、不純物の濃度が所定値を超えたときには排出弁２０を開く。これにより、水素ガス循環管Ｌ４内の水素ガスを燃料電池システム外（大気）に排気する。

図２（ａ）→図２（ｂ）に示す如く排気弁２０を開く際には、制御部は電磁ソレノイド２３に電流を供給する。これにより可動鉄心２７とともにプランジャ２９が弁座３３から離れる方向に移動することで、弁体３０が弁座３３から離間し、その結果、弁口３５が開く。なお、弁口３５を流通する水素ガス量は、弁口３５の下流のオリフィス３９の開口面積によりきまる。

逆に、図２（ｂ）→図２（ａ）に示す如く排出弁２０を閉じる際には、制御部は電磁ソレノイド２３への電流供給を停止する。これにより、可動鉄心２７とともにプランジャ２９が弁座３３に近づく方向に移動することで、弁体３０が弁座３３に密着し、その結果、弁口３５が閉じる。

燃料電池システムの停止時
燃料電池システムの停止時においては、制御部は、電磁ソレノイド２３への電力供給を停止しており、このため排出弁２０は図２（ａ）に示す如く閉じている。長時間、氷点下で運転停止していると、管Ｌ４、Ｌ５内に残留している水分が結露して凍結する。このときオリフィス３９内も氷膜ができるが、このオリフィス３９内には図２（ａ）に示す如くロッド４１が進入した状態となっているため、氷膜はオリフィス３９内周面とロッド４１外周面との間のリング状の空間Ｓ１に生成される。

燃料電池システムの起動時
燃料電池システムの起動時においては、制御部は、電磁ソレノイド２３に電流を一度または複数断続的に供給して、オリフィス３９内でロッド４１を往復動させる。これにより、オリフィス３９とロッド４１との間に氷膜ができたとしても氷膜がロッド４１の往復動に伴ってオリフィス３９の内周面から剥がれる。つまり、オリフィス３９が閉塞状態から開放されて、排出弁２０を正常に動作できる状態となる。この状態で、制御部は、燃料電池システムを通常運転に移行する。

このように第１実施形態によれば、オリフィス３９に氷やゴミなどの異物が詰まったとしても、この異物をロッド４１で押し出すことで、異物が詰まったオリフィス３９を素早く開放して正常な状態に復帰させることができる。

次に、オリフィス３９およびロッド４１の好ましい形態を図３、図４を参照しつつ補足する。

○オリフィス３９の直径は、φ０．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。このようにすると、オリフィス３９を大きく設定することで、オリフィス３９へのゴミ詰まりの可能性を低減できる。

○オリフィス３９が形成される閉塞板３７の厚さは、ロッド４１が弁体の開閉動作とともに往復運動を行うストロークの範囲で、オリフィス３９を貫通・退出できるように設定されることが望ましい。本発明の弁のストロークは、現実的な電磁ソレノイド吸引力設計（実用上の大きさや電流上の制約がある）や、スプリングのばね定数設計の都合上、５ｍｍ以下とするのが現実的であり、閉塞板３７の厚さも強度を確保できる範囲で５ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、例えばＳＵＳ材を閉塞板３７に使用した場合は、強度上の観点を考慮すると０．２ｍｍが下限値である。

○ロッド４１とオリフィス３９とは断面形状が同一であることが好ましい。このようにすると、ロッド４１の往復動時にロッド４１がオリフィス３９の周縁部に接触干渉して操作性が低下する可能性を低くできるからである。

○ロッド４１もオリフィス３９も断面形状が円形であることが好ましい。このようにすると、ロッド４１とオリフィス３９との組付方向性がないため、組立性が向上するからである。

○また、両者が円形である場合、ロッド４１の直径はオリフィス３９の直径よりも０．２mm以上小さくいことが好ましい。このようにすると、ロッド４１がオリフィス３９内を往復運動するときの両者の接触磨耗を低減できるからである。

○ロッド４１とオリフィス３９の間隔を５ｍｍ以下にすることが好ましい。実験的の結果、自重に逆らってオリフィス３９内に付着したままの水滴は直径５ｍｍ以下であったため、このようにロッド４１とオリフィス３９との間隔を５ｍｍ以下に設定すると、ロッド４１がオリフィス３９内に挿入されたときに、オリフィス３９内に付着していた水滴または氷を、ロッド４１によって剥離または破壊することができるからである。

○閉塞板３７は、表面に撥水処理膜を備えることが好ましい。なお、閉塞板３７のうちオリフィス３９の表面のみに撥水処理膜を施してあってもよい。このようにすると、オリフィス３９に付着する水滴や氷が剥れ易すくなるからである。

○閉塞板３７は弁座３３の弁口３５内に内蔵されることが好ましい。このようにすると、小型化や組付性が向上するからである。

○閉塞板３７（オリフィス３９）と弁座３３の座面３３ａ（閉時の弁体３０のシール面３０ａ）との間隔は、水滴の最大直径である５ｍｍよりも大きいこが望ましい。弁座３３の座面３３ａと閉塞板３７との距離が近いと、閉塞板３７上流面の水滴が閉時の弁体３０のシール面３０ａに接触することとなり、これによりロッド４１と弁体３０と閉塞板３７とが共に氷で固着してしまい、このような場合はロッド４１および弁体３０を駆動する電磁ソレノイド２３の吸引力を大きくするべく電磁ソレノイド２３を大型化する必要があるかである。

○しかし、閉塞板３７と弁座３３の座面３３ａと間の距離が長すぎると弁２０が大型化してしまうため、また、弁口３５が深くなると弁口３５の表面に鍍金を形成しにくくなり、防錆処理などの表面処理方法が制限されるので、オリフィス３９と弁座３３の座面３３ａとの距離は３０ｍｍ以下とすることがより望ましい。

次に、第１実施形態の効果をまとめる。

（１）第１実施形態の弁２０は、ガスが流れる流路Ｌ５の途中に設けられ且つ弁口３５を有する弁座３３と、流路Ｌ５の途中の弁口３５よりも上流または下流に設けられ且つ弁口３５よりも通路断面積が小さいオリフィス３９と、往復動自在に設けられ且つ往復動に伴って弁口３５を開閉する弁体３０と、弁体３０の往復動に連動して往復動し且つ少なくとも一部がオリフィス３９内を往復動するロッド４１と、を備える。そのため、オリフィス３９に氷やゴミなどの異物が詰まったとしても、異物をロッド４１でオリフィス３９から押し出して、素早く正常な状態に復帰させることができる。

特にオリフィス３９が凍結した場合には、オリフィスを開放したい時にロッドを往復動させることで、オリフィスを素早く開放できるので、ヒータなどの解氷装置が不要となる。また、従来のようにシステム停止時に、凍結防止のために流路Ｌ４、Ｌ５内の水分を吹き飛ばして除去するパージ処理を行う必要がなくなる。

（２）第１実施形態の弁２０では、ロッド４１は弁体３０と一体に設けられている。そのため、弁体３０とロッド４１とを連動させるための機構を別途設ける必要がなく、構成が極めて簡素となる。

（３）第１実施形態の弁２０では、弁口３５とオリフィス３９とは一直線状に位置する。そのため、ロッド４１を直線状に形成でき、さらに構成が簡素となる。

（４）第１実施形態の弁２０は、弁体３０を往復動させるアクチュエータ２３（電磁ソレノイド）を備えた弁２０であって、アクチュエータ２３への通電停止時に、ロッド４１の先端部がオリフィス３９内に位置する。つまり、システム停止時には、ロッド４１の先端部がオリフィス３９内に位置する。そのため、氷点下のシステム停止時においてはロッド４１とオリフィス３９との間に氷膜ができる。システム起動時または通常運転時にアクチュエータ２３に通電して弁体３０を開くと、氷膜がロッド４１に付いてオリフィス３９から剥がれる。これにより、容易に素早くオリフィス３９を開放できる。仮に氷膜がロッド４１に付かずにオリフィス３９に残ったとしても、オリフィス３９内に位置していたロッド４１の形状が氷膜に穴として残るため、この穴によってオリフィス３９内に通路を確保できる。そのため、氷点下放置後のシステム起動直後から弁２０を作動させることができる。

（５）第１実施形態の弁２０では、ロッド４１の先端部がオリフィス３９の開口面積（通路断面積Ｓ０）の７０％以上を塞いでいる。つまり、氷膜に残る穴の大きさがオリフィス３９の開口面積Ｓ０の７０％以上となるため、システム起動直後から弁２０を確実に作動させることができる。

（６）第１実施形態の弁２０では、オリフィス３９は上下方向に向けて貫通し、オリフィス３９の上方にオリフィス３９の上流が位置しオリフィス３９の下方にオリフィス３９の下流が位置している。そのため、オリフィス３９に詰まった異物がオリフィス３９の下方の下流側に除去された後は、再びオリフィス３９に詰まることが起きにくい。

以下、その他の実施形態について説明する。

第１実施形態の弁２０は、ロッド４１がオリフィス３９内に進入退出して弁開時にはロッド４１がオリフィス３９内に残らない構造であったが、第２〜第４実施形態の弁２０は、弁開時および弁閉時のいずれの状態においてもロッド４１がオリフィス３９内に残るようになっている。この場合は、弁開時のロッド４１とオリフィス３９との隙間が弁口３５の通路断面積よりも小さく設定され、この隙間で、弁開時におけるガス流量が規定されるようになっている。

「第２実施形態」
図５、６を参照しつつ本発明の第２実施形態を説明する。

第２実施形態の弁２０は、第１実施形態とロッドの形状が異なり、その他の点は第１実施形態と同様である。より具体的には、第２実施形態の弁２０は、弁体３０の往復動の範囲内で常にロッド４１がオリフィス３９内にある。つまり、図５（ａ）に示す弁閉時および図５（ｂ）に示す弁開時のいずれの状態でも、ロッド４１が閉塞板３７（オリフィス３９）を貫通する長さを有している。

ロッド４１は、二カ所以上の径の異なる部分を有する円柱形状であり、基端側にロッド本体部５１と、先端側にロッド本体部５１よりも大径の大径部５３と、を備える。ロッド４１の大径部５３とロッド本体部５１との境界には、ロッド４１の長手方向と直交する段差面５５が形成されている。この段差面５５は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、ロッド４１の往復動中にオリフィス３９を通過する範囲内に設けられている。

ロッド４１の大径部５３は、図５（ｂ）に示すように、弁体３０の開時にオリフィス３９内に位置して、オリフィス３９の内周面との間で流体の流量を規定する流量規定部となっている。言い換えると、ロッド４１の大径部５３の外周面とオリフィス３９の内周面との間にできるリング状の隙間部分Ｓ４が、流量を規定する絞り部Ｓ４となっている。

この例ではロッド大径部５３の外周面とオリフィス３９の内周面との間の間隔は５ｍｍ以下に設定されている。

このような第２実施形態によれば、以下のような効果が得られる。

第２実施形態では、ロッド４１が、往復動の全域において常にオリフィス３９内に位置するようにロッド４１の全長が設定されている。そのため、氷点下の環境下でシステムを長時間停止していた際には、オリフィス３９内周面とロッド４１外周面との間のリング状の通路に氷膜が形成される。システム起動時に弁体３０を往復動させるとつまりロッド４１を往復動させると、オリフィス３９内周面とロッド４１外周面との間にできた氷膜が破壊されるかまたはオリフィス３９内周面から剥離する。これにより閉塞状態のオリフィス３９が開放し、ヒータなどの加熱手段がなくともシステム起動直後から弁２０を正常に作動させることができる。

また、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（２）、（３）、（６）と同様の効果が得られる。

また第２実施形態によれば、図８（ｂ）に示すように、絞り部Ｓ４がリング状に形成されている。そのため、円形の絞り部（第１実施形態のオリフィス３９に相当）で同じ流量に設定した場合に比べて、同じ形状の異物が引っかかっても残存開口面積を広くとれる点で第１実施形態よりも有利である。

また、第２実施形態によれば、ロッド４１は往復動中にオリフィス３９を通過する範囲内に段差面５５を有する。そのため、ロッド４１を往復動させると段差面５５がオリフィス３９内を通過するので、オリフィス３９内周面に氷が付着していてもオリフィス３９内周面から剥離させやすい。

また、第２実施形態によれば、ロッド４１は二カ所以上の径の異なる部分を有する円柱形状であるため、量産製造性に優れる。

「第３実施形態」
図７、８を参照しつつ本発明の第３実施形態を説明する。

第３実施形態においては、弁体３０の往復動の範囲内で常にロッド４１がオリフィス３９内にある点で第２実施形態と同様であるが、第２実施形態とはロッド４１の形状が異なる。

第３実施形態のロッド４１は、二カ所以上の径の異なる部分を有する円柱形状であり、ロッド本体部６１と、ロッド本体部６１の長手方向中間部から径方向に突設された大径部６３と、を備えている。大径部６３の上面６３ａおよび下面６３ｂが、ロッド４１の長手方向と直交する段差面として構成されている。この段差面６３ａ、６３ｂは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ロッド４１の往復動中にオリフィス３９を通過する範囲内に設けられている。

ロッド４１の大径部６３は、図７（ｂ）に示すように弁体３０の開時にオリフィス３９内に位置しない。この第３実施形態ではロッド４１の本体部６１がオリフィス３９の内周面との間で流体の流量を規定する流量規定部となっている。言い換えると、ロッド４１の本体部６１の外周面とオリフィス３９の内周面との間にできるリング状の隙間部分Ｓ６が、流量を規定する絞り部となっている。

このような第３実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果が得られるが、流量規定部６１の外周面とオリフィス３９の内周面との間に距離を広く取りたい構造で有効である。

また、第３実施形態によれば、ロッド４１のうちオリフィス３９を通過する範囲内に、大径部６３および段差面６３ａ、６３ｂを有する。そのため、ロッド４１を往復動させると大径部６３および段差面６３ａ、６３ｂがオリフィス３９内を通過するので、オリフィス３９内周面に氷が付着していてもこの氷をオリフィス３９内周面から確実に剥離させることができる。

このとき、大径部６３の外周面とオリフィス３９の内周面との隙間が５ｍｍ以下に設定されていると、オリフィス３９内周面に付着して凍結した氷粒をより確実に剥離させることができる。

「第４実施形態」
次に図９、１０を参照しつつ本発明の第４実施形態を説明する。

第４実施形態においては、弁体３０の往復動の範囲内で常にロッド４１がオリフィス３９内にある点で第２、３実施形態と同様であるが、第２、３実施形態とはロッド４１の形状が異なる。

第４実施形態のロッド４１は、二カ所以上の径の異なる部分を有する円柱形状であり、基端側の大径部７１と、先端側の小径部７３と、を備えている。大径部７１と小径部７３との境界にはロッド４１の長手方向と直交する段差面７５が形成されている。この段差面７５は、図９（ａ）（ｂ）に示すようにロッド４１の往復動中にオリフィス３９を通過する範囲内に設けられている。

小径部７３が、弁体３０の開時にオリフィス３９内に位置し、オリフィス３９の内周面との間で流体の流量を規定する流通量規定部として構成されている。一方、大径部７１が、弁体３０の閉時にオリフィス３９内に位置し、流通量規定部としての小径部７３よりもオリフィス３９内の広い面積を閉塞する閉塞部として構成されている。この閉塞部としての大径部７１は図９（ｂ）に示すように電磁ソレノイド２３の通電停止時にオリフィス３９内に位置している。

そして、閉塞部７１としての大径部７１は、流量規定部としての小径部７３の外周面とオリフィス３９の内周面との間に形成される隙間Ｓ８の面積の７０％以上を塞ぐように、成されている。

このような第４実施形態によれば、第２、第３実施形態の効果に加え以下のような効果が得られる。

第４実施形態によれば、弁体３０を往復動させるアクチュエータとしての電磁ソレノイド２３を備えた弁であって、アクチュエータ２３への通電停止時には、流量規定部としての小径部７３より大きい断面積の大径部７１がオリフィス３９内に位置する構造である。そのため、仮にロッド４１を往復動したのちに氷膜がオリフィス３９に残ったままになっていたとしても、オリフィス３９内に位置していた閉塞部としての大径部７１の形状が氷膜に穴として残るため、この穴によってオリフィス３９内に通路を確保できる。そのため、氷点下放置後のシステム起動直後から弁を作動させることができる。

また、閉塞部としての大径部７１は、流量規定部としての小径部７３の外周面とオリフィス３９の内周面との間に形成される隙間Ｓ７の７０％以上の面積を塞ぐように形成されている。つまり、氷膜に残る穴の大きさが絞り部Ｓ８の７０％以上となるため、システム起動直後から弁２０を確実に正常に作動させることができる。

また、第４実施形態では、ロッド４１は、弁体側である基端側から先端側に向けて段階的または連続的に小径になっている円柱形状である。そのため、ロッド４１を弁体３０と一体形成しやすく、さらに量産性に優れる利点もある。

「第５実施形態」
図１１、１２を参照しつつ本発明の第５実施形態を説明する。

第５実施形態では、第１実施形態と閉塞板の構造が異なり、その他の点は第１実施形態と同様である。

図１１、図１２に示すように、第５実施形態では閉塞板３７は、閉塞板本体８１と、閉塞板本体８１の外周縁をカシメまたは溶接などの手段により保持する外周支持体８２と、を備えている。閉塞板本体８１には、その中央に円形のオリフィス３９が開口しているとともに、オリフィス３９から放射状に少なくとも３本以上（この例では３本）の分割線８３が設けられている。これにより、閉塞板本体８１は複数（この例では３つ）の扇状部８５に分割されている。なお、閉塞板本体８１の各扇状部８５は、ロッド４１の往復動時の推進力で可撓変形可能な厚みまたは素材に設定されている。

このような構成により、図１２（ａ）に示すようにオリフィス３９に大きな異物８９が詰まったときに、ロッド４１の先端部により異物８９が押圧されると、図１２（ｂ）に示すように閉塞板３７が撓み変形してオリフィス３９が拡がり、異物８９がオリフィス３９から容易に除去される。

このような第５実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、オリフィス３９に比較的大きな異物８９が挟まれた場合でも、異物８９を容易に除去できる利点がある。

「第６実施形態」
図１３を参照しつつ本発明の第６実施形態を説明する。

第６実施形態の弁２０は、第１実施形態に対して、弁座３３に対する弁体３０のリフト量を検出する変位検出手段９１を追加したものである。

固定鉄心２５にあけられた測定孔９３には、接触型または非接触型（例えば光学式）の変位測定プローブ９４が配置され、このプローブ９４を介して可動鉄片２７の変位量を検出して間接的に弁座３３に対する弁体３０のリフト量を検出している。

オリフィス３９内に異物が詰まってロッド４１の往復動作が規制されると、要求したリフト量と、変位検出手段９１で検出したリフト量と、の値に差ができるため、この差が所定値以上になった場合には異物詰まりがあると判断できる。これより、オリフィス３９に異物が詰まった場合またはオリフィス３９とロッド４１との間に異物が詰まった場合には、（ｉ）即座に警告を発したり、（ｉｉ）システムを停止させたり、または、（ｉｉｉ）ロッドを１回または複数回往復動させることで異物を除去するができ、信頼性の高いシステムを構築できる。

以上説明してきたように、本発明の弁においては、弁体の往復動に連動してオリフィス内を往復動するロッドを備えるため、ゴミや氷などの異物詰まりに強いオリフィス付きの弁を提供できる。特に、湿度の高いガスが流通する通路に適用される場合には、低温下で長時間停止されてオリフィス内に氷膜または氷粒ができても、ヒーターのようなエネルギーを消費する加温手段に頼ることなく、オリフィス内に残存する氷を迅速に除去でき、直ちに弁を起動できる。

なお、本発明は上記実施形態により限定的に解釈されるべきではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば上述の第１〜第６実施形態では、弁は通電停止時に弁口が開くノーマルオープンタイプであったが、本発明にかかる弁を図１４、図１５に示すように通電停止時に弁口が閉じるノーマルクローズタイプの弁に適用してもよい。ここで、図１４は第１実施形態の弁２０をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す図であって、固定子２５と可動子２７との位置関係が往復動方向に沿って逆転しているとともに固定子２５がボディ２１と一体化している点で第１実施形態と異なり、その他の点は第１実施形態と同様である。また、図１５中の（ロ）は第２実施形態の弁をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す要部拡大図であり、（ハ）は第３実施形態の弁をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す要部拡大図であり、（二）は第４実施形態の弁をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す要部拡大図であり、変更点は図１４に示す変形例と同様であるため説明は省略する。

また、上述の実施形態では、本発明にかかる弁を燃料電池システムの水素ガス排気管に介在する排出弁に適用したが、本発明にかかる弁は、燃料電池システム中のその他の弁に適用しても良いし、また、燃料電池システムの流体通路に適用されることに限られず、その他のシステムの流体通路に適用できる。なお上述の実施形態のように、本発明にかかる弁を流通ガスが水分を多く含む通路（例えば燃料ガス排出通路）に適用した場合、乾燥した通路に比べてオリフィス内の氷結の可能性が高いため、上記効果が顕著に現れる。

第１実施形態の弁を適用する燃料電池システムのブロック図。 第１実施形態の弁の断面図であって、（ａ）は弁口の閉状態の図、（ｂ）は弁口の開状態の図。 （ａ）は図２（ａ）の部分拡大図、（ｂ）は図２（ｂ）の部分拡大図。 第１実施形態のオリフィスとロッドとの関係を示す図であって、（ａ）は図３（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図３（ｂ）中のＢ−Ｂ断面図。 第２実施形態の弁の断面図で、（ａ）は弁口の閉状態の図、（ｂ）は弁口の開状態の図。 第２実施形態のオリフィスとロッドとの関係を示す図であって、（ａ）は図５（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５（ｂ）中のＢ−Ｂ断面図。 第３実施形態の弁の断面図で、（ａ）は弁口の閉状態の図、（ｂ）は弁口の開状態の図。 第３実施形態のオリフィスとロッドとの関係を示す図であって、（ａ）は図７（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図７（ｂ）中のＢ−Ｂ断面図。 第４実施形態の弁の断面図で、（ａ）は弁口の閉状態の図、（ｂ）は弁口の開状態の図。 第４実施形態のオリフィスとロッドとの関係を示す図であって、（ａ）は図９（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図９（ｂ）中のＢ−Ｂ断面図。 第５実施形態の弁のオリフィスを示す図。 図１２（ａ）は図１１のオリフィスとロッドに異物が挟まった状態の説明図、図１２（ｂ）は異物をロッド押圧で閉塞板を変形させてオリフィスから異物を押し出す状態の説明図。 第６実施形態の弁の断面図。 第１実施形態の弁を、ノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す変形例。 （ロ）は第２実施形態の弁をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す要部拡大図、（ハ）は第３実施形態の弁をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す要部拡大図、（二）は第４実施形態の弁をノーマルオープンの電磁弁に適用した場合の構造を示す要部拡大図。

符号の説明

１０…燃料電池システム
１２…燃料電池
１３…カソード
１４…アノード
１５…固体高分子電解質膜
２０…排出弁（弁）
２３…電磁ソレノイド（アクチュエータ）
３０…弁体
３３…弁座
３５…弁口
３７…閉塞板
３９…オリフィス
４１…ロッド
５１…ロッド本体部
５３…大径部
５５…段差面
６１…ロッド本体部（流量規定部）
６３…大径部
６３ａ…上面（段差面）
６３ｂ…下面（段差面）
７１…大径部（閉塞部）
７３…小径部（流量規定部）
７５…段差面
８３…分割線
８５…扇状部
９１…変位検出手段
Ｌ１…空気供給管（酸化ガス供給通路）
Ｌ２…空気排気管（酸化ガス排出通路）
Ｌ３…水素ガス供給管（燃料ガス供給通路）
Ｌ４…水素ガス循環管（燃料ガス循環通路）
Ｌ５…水素ガス排出管（水素ガス排出流路）

Claims (14)

1. 流体が流れる流路の途中に設けられ且つ弁口を有する弁座と、
   前記弁口よりも上流または下流に設けられたオリフィスと、
   往復動自在に設けられ且つ往復動に伴って前記弁口を開閉する弁体と、
   前記弁体の往復動に連動して往復動し且つ少なくとも一部がオリフィス内を往復動するロッドと、
   を備えることを特徴とする弁。
2. 請求項１に記載の弁であって、
   前記ロッドは、前記弁体と一体に設けられていることを特徴とする弁。
3. 請求項１または２に記載の弁であって、
   前記ロッドは、前記オリフィス内に進入退出することを特徴とする弁。
4. 請求項３に記載の弁であって、
   通電制御により前記弁体を往復動させるアクチュエータをさらに備え、
   前記ロッドは、前記アクチュエータの通電停止時に前記オリフィス内に位置することを特徴とする弁。
5. 請求項１または２に記載の弁であって、
   前記ロッドは、往復動の全域において常にオリフィス内に位置するようにその全長が設定されていることを特徴とする弁。
6. 請求項５に記載の弁であって、
   前記ロッドは、往復動中に前記オリフィスを通過する範囲内に段差面を有することを特徴とする弁。
7. 請求項５に記載の弁であって、
   前記ロッドは、往復動中に前記オリフィスを通過する範囲内にロッド本体部よりも大径の大径部を有することを特徴とする弁。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の弁であって、
   通電制御により前記弁体を往復動させるアクチュエータをさらに備え、
   前記ロッドのうち前記弁体の開時に前記オリフィス内に位置する部分が、前記オリフィスの内周面との間で流体の流量を規定する流通量規定部であり、
   前記ロッドのうち前記弁体の閉時に前記オリフィス内に位置する部分が、前記ガス流通量規定部よりも断面積が大きく前記オリフィス内の広い面積を閉塞する閉塞部であり、
   前記閉塞部が、前記アクチュエータの通電停止時に前記オリフィス内に位置することを特徴とする弁。
9. 請求項５〜８の何れか１項に記載の弁であって、
   前記ロッドは、二カ所以上の径の異なる部分を有する円柱形状であることを特徴とする弁。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の弁であって、
    前記オリフィスは、前記弁口の上流または下流を閉塞する閉塞板に設けられ、
    前記閉塞板は、前記オリフィスから放射状に延びる分割線で分割されていることを特徴とする弁。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の弁であって、
    前記弁体の前記弁座に対するリフト量を検出する検出手段を備えることを特徴とする弁。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の弁であって、
    前記オリフィスは上下方向に向けて貫通し、
    前記オリフィスの上方に前記オリフィスの上流が位置し前記オリフィスの下方に前記オリフィスの下流が位置していることを特徴とする弁。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載の弁であって、
    前記弁は、燃料ガス循環通路と酸化ガス排気通路とを連通し且つ前記燃料ガス循環通路から前記酸化ガス排気通路に燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路を、開閉することを特徴とする弁。
14. アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
    前記燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
    前記燃料電池のカソードから酸化ガスを排気する酸化ガス排気通路と、
    前記燃料電池のアノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
    前記燃料電池のアノードから排出された未消費の燃料ガスを、前記燃料ガス供給通路に帰還させる燃料ガス循環通路と、
    前記燃料ガス循環通路から分岐され前記酸化ガス排気通路に接続された燃料ガス排出通路と、
    前記燃料ガス排出通路に設けられ該燃料ガス排出通路を開閉する弁と、
    を備えた燃料電池システムであって、
    前記弁は、
    流体が流れる流路の途中に設けられ且つ弁口を有する弁座と、
    前記弁口よりも上流または下流に設けられ且つ前記弁口よりも通路断面積が小さいオリフィスと、
    往復動自在に設けられ且つ往復動に伴って前記弁口を開閉する弁体と、
    前記弁体の往復動に連動して往復動し且つ少なくとも一部がオリフィス内に侵入退出するロッドと、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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