JP2010001931A - 弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動応答性や組付性を向上させることができる弁装置を提供する。
【解決手段】導入路１１１を通じて流体が導入される一次室１１０ａ、および導出路１２１を通じて流体が導出される二次室１２０ａが設けられたボディと、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間を連通または遮断し、駆動機構により駆動される弁体１３０と、を有する弁体ブロック１００Ａと、弁体ブロック１００Ａに隣接配置され、導入路１１１に通じる入口ポート１７１と、入口ポート１７１に通じる出口ポート１８１と、入口ポート１７１と出口ポート１８１との間に設けられ、入口ポート１７１側から出口ポート１８１側への流体の流れのみを許容する一方向弁１９２と、を有する通流路ブロック１００Ｂとを備え、一方向弁１９２は、一次室１１０ａの直近に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、弁装置に関するものである。

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。

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）が生成され、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、燃料電池の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。
しかし、アノード側に水が溜まると燃料ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら電解質膜をアノード側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が安定しない場合がある。

そこで、燃料電池で使用されなかった燃料ガスを、燃料電池の出口側から燃料電池の上流側に戻す燃料ガス循環流路に、パージ弁を設け、アノードに溜まった水や、燃料ガスに混入した窒素を排出して、発電状態を回復することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

このようなシステムでは、燃料ガス循環流路に、燃料電池の出口側から燃料電池の上流側への流れのみを許容する一方向弁を有するものも知られている。
特開２００６−１５３１７７号公報

ところで、前記したような一方向弁を有するシステムに適用される弁装置では、流体の流れに対する作動応答性を向上させることや、部品点数の増加にともなう組付性の更なる向上を図りたいという要望があった。

そこで、本発明は、作動応答性や組付性を向上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。

前記課題を解決するために、本発明の弁装置は、導入路を通じて流体が導入される一次室、および導出路を通じて前記流体が導出される二次室が設けられたボディと、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断し、駆動機構により駆動される弁体と、を有する弁体ブロックと、前記弁体ブロックに隣接配置され、前記導入路に通じる入口ポートと、前記入口ポートに通じる出口ポートと、前記導入路の上流側において、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられ、前記入口ポート側から前記出口ポート側への流体の流れのみを許容する一方向弁と、を有する通流路ブロックとを備え、前記一方向弁は、前記一次室の直近に配置されていることを特徴とする。

この弁装置によれば、一方向弁が、一次室の直近に配置されているので、弁体ブロックにおける弁体の開閉作動による流体の流れや圧力の変動に追従して、一次室の直近に配置された一方向弁がうまく開閉作動するようになり、弁体ブロックおよび通流路ブロックを通じた応答性のよい流体の流れの制御を実現することができる。
また、弁体ブロックに通流路ブロックが近接配置され、一方向弁が一次室の直近に配置されているので、一方向弁を有する構造でありながら小型化が図れるようになり、弁体ブロックと連通路ブロックとの間に一方向弁が配設されればよいため、組付性も向上する。

また、前記通流路ブロックは、前記弁体ブロックに設けられた取付部に取り付けられており、前記通流路ブロックと前記取付部との取付部位において、これらのうちの一方の側に前記一方向弁が一体的に配置されている構成とするのがよい。

この弁装置によれば、第一部材と第二部材との接合部位において、これらのうちの一方に一方向弁が一体的に取り付けられているので、第一部材と第二部材とを接合するだけで、第一部材と第二部材との間に一方向弁を介在させた組み付けが可能となり、例えば、第一部材と第二部材との間に一方向弁を挟み込みながら、これらを組み付けるときのような煩雑な組付作業に比べて、組み付けに手間がかからず、組付性が格段に向上される。
また、このことはコストの低減に寄与する。

また、前記二次室側から前記一次室側へ延設され、前記駆動機構によって軸線方向に変位することで前記弁体を駆動するシャフトを備え、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。

この弁装置によれば、透湿防水素材を有するキャップが、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。

本発明によれば、作動応答性や組付性を向上させることができる弁装置が得られる。

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システム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。

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。

＜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。

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。
ここで、循環路２３ａには、アノード流路１１の出口側からエゼクタ２３側へのアノードオフガスの流れのみを許容する一方向弁１９２が設けられている。本実施形態では、この一方向弁１９２が後記するように、パージ弁１００に備えられている。パージ弁１００の詳細は後記する。
＜カソード系＞
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。

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。

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。

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。

希釈器３３は、パージ弁１００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。

前記のように、アノード流路１１の出口に接続されたパージ弁１００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１００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。

パージ弁１００は、図２に示すように、パージ弁１００の主体をなす弁体ブロック１００Ａと、一方向弁１９２を備える通流路ブロック１００Ｂと、を備えており、弁体ブロック１００Ａに通流路ブロック１００Ｂが一体的に設けられて、一つのデバイスとして構成されている。

パージ弁１００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によって開かれる弁である。パージ弁１００の下流側は、希釈器３３に接続されている。
ここで、ＥＣＵは、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁１００を開くように設定されている。

弁体ブロック１００Ａは、図２に示すように、アノードオフガスが導入される一次室１１０ａが設けられた一次室ボディ１１０と、この一次室ボディ１１０の下部に隣接して設けられ、前記アノードオフガスが導出される二次室１２０ａが設けられた二次室ボディ１２０とを備えており、二次室ボディ１２０（二次室１２０ａ）の下部側に配置された駆動機構としてのソレノイド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、パージ時に開弁して、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、アノードオフガスが導入される側となる一次室１１０ａ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１２０ａ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１２０ａの下側に配置される構造となっている。
そして、一次室１１０ａにアノードオフガスを導入する導入路１１１が、一次室ボディ１１０の側壁１１２に開口されて連通され、その導入路１１１には、オリフィス１１３が設けられている。本実施形態では、オリフィス１１３が、導入路１１１の入口の開口に嵌め込まれて取り付けられている。

以下、各部について詳細に説明する。
一次室ボディ１１０は、その下側に二次室ボディ１２０が取り付けられているとともに、その側部（後記する導入路１１１が設けられる側）には、断面略コ字形の取付部１１０ｂが設けられている。そして、この取付部１１０ｂには、通流路ブロック１００Ｂが上下それぞれ２本、合計４本のボルト１１０ｃ（図２（ａ）では上下１本ずつ、計２本のみ図示）で一体的に取り付けられている。
なお、取付部１１０ｂは、４本のボルト１１０ｃで固定されるものに限定されず、例えば、３〜６本のボルト１１０ｃを用いて固定するようにしてもよい。

取付部１１０ｂは、一次室ボディ１１０に一体的に形成されており、断面略コ字形に形成されることにより設けられた縦長の凹部１１０ｄを有している。
この凹部１１０ｄは、通流路ブロック１００Ｂに一体的に取り付けられた、後記する一方向弁組立体１９０で仕切られることによって、流体の通流路Ｒ（図１の循環路２３ａの一部）を形成している。

一次室ボディ１１０には、前記したように、アノードオフガスを導入する導入路１１１が開口されている。この例では、導入路１１１が、上り傾斜状とされており、その上端が一次室１１０ａに連通可能に開口している。この際、導入路１１１は、後記する弁座１１６のテーパ状上面よりも下側となる低い位置に設けられており、これによって、アノードオフガスに同伴する水分が含まれているときに、この水分が一次室１１０ａ内に溜まったとしても、この水分は、導入路１１１の開口１１１ａを通じて導入路１１１内に流れ込み、その自重によって上流側に備えられる通流路ブロック１００Ｂの入口ポート１７１に排出されるようになっている。なお、弁座１１６のテーパ状上面は、一次室１１０ａの底面として機能する。
導入路１１１の下端は、断面略コ字形とされた取付部１１０ｂの凹部１１０ｄ内に開口しており、その開口部にはオリフィス１１３が装着されている。

取付部１１０ｂには、通流路ブロック１００Ｂが取付可能であり、取付部１１０ｂと通流路ブロック１００Ｂの後記する一方向弁組立体１９０との間には、合わせ面に沿う、縦長の通流路Ｒが形成されるようになっている。

オリフィス１１３は、前記のように導入路１１１の開口部に装着され、導入路１１１から一次室１１０ａに向かって流通するアノードオフガスの流量を制限する役割をなす。つまり、オリフィス１１３は、一次室１１０ａに導入されるアノードオフガスの圧力を減圧する作用をなし、二次室１２０ａに配置される後記のダイヤフラム１６０に付与される荷重を減圧する。これにより、ダイヤフラム１６０の許容範囲以上の変形を阻止することができ、ダイヤフラム１６０の耐久性を向上させることができる。

また、アノードオフガスに同伴する水分は、オリフィス１１３を通過する際に凝結して、オリフィス１１３の主として下部側の周りに水滴となって付着することとなる。これによって、一次室１１０ａに余分な水分が導入されることが抑制される。
ここで、オリフィス１１３に付着した水滴は、導入路１１１の傾斜面１１１ｂを流れ落ち、通流路ブロック１００Ｂの入口ポート１７１（入口ポート）に排出されることとなる。なお、入口ポート１７１の上流側には、アノード流路１１の出口側との間に図示しない気液分離器が配置されており、通流路ブロック１００Ｂに流れ落ちた水滴は、自重によってこの気液分離器に戻されるようになっている。気液分離器は、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスから、同伴する液状の水分を分離する機能を有しており、これによって、燃料電池スタック１０の上流側のエゼクタ２３には、分離後のアノードオフガスが戻されるようになっている。

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おり、この弁体１３０の底面側には、弁座１１６が設けられている。
弁体１３０は、一次室１１０ａを形成する一次室ボディ１１０の上壁１１４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、断面山形状に形成されている。
なお、弁体１３０の表面に、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、弁体１３０の頂部や上部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
また、弁体１３０の着座面（底面）には、リング状のシール部材１３４が埋設されている。

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（一次室ボディ１１０の底部）から上壁１１４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の着座面に埋設されたシール部材１３４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。

一次室１１０ａの上壁１１４には、凹部１１４ａが設けられており、この凹部１１４ａには、弁体１３０を弁座部１１７へ向けて付勢する戻しばね１３５の上端が保持される。戻しばね１３５は、弁体１３０と凹部１１４ａ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の着座面のシール部材１３４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１３５の付勢によって、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間は、連通不能に遮断される。
なお、凹部１１４ａと弁体１３０との間には、弁体１３０が駆動されて上方に変位した際に、所定のクリアランスが形成され、弁体１３０が凹部１１４ａに当接しないようになっている。

二次室１２０ａは、一次室１１０ａ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路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、導出路１２１から希釈器３３に送られるようになっている。本実施形態では、導出路１２１が、前記した導入路１１１とは反対の側、つまり、希釈器３３２６ｂが接続可能となる側に設けられている。

なお、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａ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１１０ａおよび二次室１２０ａの内部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
特に、一次室１１０ａにおいては、一次室１１０ａ内に残留する水滴等の水分が一次室１１０ａの底面から導入路１１１に戻されるようになり、一次室１１０ａ内に水分が残留し難くなる。

二次室１２０ａには、ソレノイド１５０により駆動されて、先端が弁体１３０の取付穴１３３に固定されるシャフト１４０が貫通しており、二次室１２０ａ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。

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。

内周縁部１６１は、前記したフランジ部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、シャフト１４０の変位動作に追従して撓曲自在である。また、外周縁部１６３は、二次室１２０ａの底壁１２２と、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。
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１２０ａとシャフト１４０との間がシールされるようになり、二次室１２０ａの内部の気密が好適に保持されるようになる。

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。

図２に示すように、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の下方においてシャフト側室１５６ｂ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。

キャップ１５９は、外部に連通する通気開口部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。

通流路ブロック１００Ｂは、前記したように、一次室ボディ１１０の取付部１１０ｂに一体的に取り付けられるようになっており、入口ポート１７１と出口ポート１８１とが設けられたボディ１７０に、一方向弁組立体１９０が一体的に取り付けられて構成されている。つまり、予め一方向弁１９２が取り付けられた通流路ブロック１００Ｂを、一次室ボディ１１０の取付部１１０ｂに取り付けることによって後記する一方向弁１９２を備えたパージ弁の組み立てが完了するようになっており、一次室１１０ａの直近に一方向弁１９２が配置されるようになっている。

入口ポート１７１には、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）からの配管が接続されるようになっており、この入口ポート１７１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導入されるようになっている。
入口ポート１７１は、ボディ１７０の左側下部に設けられており、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、入口ポート１７１が出口ポート１８１に対して下側に位置している。つまり、後記する通路を通じて、下から上へ向かう方向（重力方向と逆方向）に、水分を同伴するアノードオフガスが流れるようにしてある。

入口ポート１７１に通じる通路１７１ａは、取付部１１０ｂの凹部１１０ｄ側に開口しており、凹部１１０ｄによって形成される通流路Ｒおよび通流路Ｒに下端側が開口している導入路１１１に連通している。
本実施形態では、通路１７１ａ（入口ポート１７１）の中心軸線Ｏ１と前記したオリフィス１１３の中心軸線Ｏ２の延長線とが、通流路Ｒ側に臨む通路１７１ａの開口中心において交差するように設定されている。つまり、導入路１１１の中心軸線でもある中心軸線Ｏ２の延長線が、通流路Ｒ側に臨む通路１７１ａの開口中心に一致しており、これによって、弁体１３０の開弁時に、入口ポート１７１から導入された流体が、導入路１１１に向けてスムーズに流れるようになっている。

一方、出口ポート１８１には、エゼクタ２３（図１参照）に通じる循環路２３ａ（図１参照）をなす配管が接続されるようになっており、この出口ポート１８１を通じて入口ポート１７１側から導入された高圧のアノードオフガスが導出されるようになっている。
出口ポート１８１は、通流路ブロック１００Ｂの左側において、入口ポート１７１の上方に設けられており、循環路２３ａをなす配管が接続される開口部を有している。

出口ポート１８１に通じる通路１８２は、出口ポート１８１側が小径部１８２ａとされ、これとは反対側が大径部１８２ｂとされており、大径部１８２ｂ側が一方向弁組立体１９０の側方に形成された縦長の弁作動スペース１８１ｂに連通している。これにより、一方向弁組立体１９０の後記する開弁時には、通路１８２が一方向弁組立体１９０の透孔１９３を通じて、上流側の通流路Ｒに連通するようになっている。つまり、入口ポート１７１から導入されたアノードオフガスは、通路１７１ａから通流路Ｒを通じて、後記するように一方向弁１９２を開弁させ、通路１８１ａから出口ポート１８１を介して循環路２３ａに導出するようになっている。

通路１８２の大径部１８２ｂは、その軸心が下方に偏心しており、内壁下部１８３ｂが小径部１８２ａの内壁下部１８３ａよりも一段低く形成されている。この内壁下部１８３ｂは、一方向弁組立体１９０から出口ポート１８１に至る流路において、一番低く形成された部分であり、この間においてアノードオフガスから分離した水分があるときに、この水分が溜まる貯溜部として機能するようになっている。つまり、一方向弁１９２や弁作動スペース１８１ｂ、さらには、通路１８２、出口ポート１８１、循環路２３ａの出口ポート１８１側部分等に水分が付着し、これが水滴となって流れ落ちてきたときに、一段低く形成された内壁下部１８３ｂにこれを好適に集めることができる。
なお、内壁下部１８３ｂに溜まった水分は、一方向弁組立体１９０の後記する基体１９１に形成されたドレン孔１９１ａを通じて、一方向弁組立体１９０の上流側、つまり、通流路Ｒ内に排出され、その後、通流路Ｒから通路１７１ａおよび入口ポート１７１を通じて図示しない気液分離器に戻されることとなる。

一方向弁組立体１９０は、前記したように通流路ブロック１００Ｂに一体的に取り付けられるようになっており、図３（ａ）（ｂ）に示すように、四角板状の基体１９１と、この基体１９１の一側面に取り付けられる一方向弁１９２とを備えている。

基体１９１には、アノードオフガスが通流する長四角形状の透孔１９３が形成されている。この透孔１９３の端縁から離間した部位１９３ａには、一方向弁１９２を固定するための固定用孔１９３ｂが設けられている。
一方向弁１９２は、アノードオフガス通流時の押圧力を受けて下流側へ湾曲する、弾性を備えた薄板状の部材であり、その一端部には、基体１９１に固定するための取付孔１９２ａが設けられている。なお、各図において一方向弁１９２は撓んだ状態にて表している。このような一方向弁１９２は、図３（ｂ）に示すように、固定ピン１９２ｂを取付孔１９２ａに挿通してこれを基体１９１の固定用孔１９５ａに固定することによって、基体１９１の一側面側から透孔１９３の開口を覆う状態に取り付けられる。つまり、一方向弁１９２は、他端側が自由端となる状態で基体１９１に取り付けられ、後記するようにして、透孔１９３を通過したアノードオフガスの圧力によって基体１９１から離れる側（出口ポート１８１側の弁作動スペース１８１ｂ、図２参照）に撓む。このように、一方向弁１９２は、透孔１９３を開放する開弁状態と、透孔１９３を閉塞する閉弁状態との間で可撓するようになっている。

また、基体１９１には、その下部に、前記した大径部１８２ｂに開口するドレン孔１９１ａが形成されている。ドレン孔１９１ａは、弁体取付部１００ｄに一方向弁組立体１９０が取り付けられた状態で、弁作動スペース１８１ｂと通流路Ｒとを連通し、内壁下部１８３ｂに溜まった水分を、一方向弁組立体１９０の上流側、つまり、通流路Ｒ内に排出する役割をなす。なお、ドレン孔１９１ａを通じて排出された水分は、通流路Ｒから通路１７１ａおよび入口ポート１７１を通じて図示しない気液分離器に戻されることとなる。
また、一方向弁１９２の枚数は、１枚を例示したが、複数枚としてもよい。

一方向弁組立体１９０は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、通流路ブロック１００Ｂの弁体取付部１００ｄに一方向弁１９２を弁体取付部１００ｄ側に向けた状態で取り付けられる。取り付けは、基体１９１の四隅に設けられた取付孔１９１ｂに固定ねじ１９４を通し、これを後記する収容部１００ｅのねじ穴１００ｈに螺合することによって行われる。

弁体取付部１００ｄには、一方向弁組立体１９０の基体１９１が収容される略四角凹状の収容部１００ｅが形成されており、この収容部１００ｅの奥側（出口ポート１８１側）に前記した弁作動スペース１８１ｂが凹設されている。
収容部１００ｅの内周壁には、段部１００ｇが形成されており、この段部１００ｇに当接する状態に一方向弁組立体１９０が嵌め入れられる。段部１００ｇには、基体１９１を固定するための前記したねじ穴１００ｈが形成されている。本実施形態では、収容部１００ｅに一方向弁組立体１９０が取り付けられた状態で、収容部１００ｅ内に一方向弁組立体１９０の全体が収まるようになっている。これによって、一方向弁組立体１９０は、通流路ブロック１００Ｂの弁体取付部１００ｄの側方から突出しない状態で収容部１００ｅの開口を閉じる状態に組み付けられる。
なお、段部１００ｇは、図４（ｂ）に示すように、その下部が一方向弁組立体１９０に覆われずに露出するようになっており、この露出した面に通路１７１ａが開口するようになっている。

また、弁体取付部１００ｄには、収容部１００ｅの周縁に、環状の溝部１００ｆが形成されており、この溝部１００ｆに環状のシール部材１００ｊ（図２参照）が装着されるようになっている。このようなシール部材１００ｊにより、図２に示すように、弁体ブロック１００Ａと通流路ブロック１００Ｂとの気密が好適に保持される。
また、通流路ブロック１００Ｂと一方向弁組立体１９０との接合面のいずれか一方側に、例えば、環状の溝部を形成し、この溝部にシール部材を配置するようにしてもよい。

なお、収容部１００ｅには、前記したように弁作動スペース１８１ｂが形成されているので、前記したように基体１９１から離れる側（出口ポート１８１側）に一方向弁１９２が撓んだ際の作動性が確保されるようになっている。

次に、本実施形態の弁装置が適用されるパージ弁１００の作用を説明する。
燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック１０の起動が要求されると、ＥＣＵにより遮断弁２２が開かれて、水素タンク２１の水素がエゼクタ２３を介してアノード流路１１に供給され、また、ＥＣＵによりコンプレッサ３１が作動されて、空気が加湿器３２を介してカソード流路１２に供給される。これにより、燃料電池スタック１０が発電を開始する。

燃料電池スタック１０が発電を開始すると、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスが図示しない気液分離器を介してパージ弁１００の通流路ブロック１００Ｂに設けられた入口ポート１７１から通流路ブロック１００Ｂ内に導入される。

入口ポート１７１から導入されたアノードオフガスは、通路１７０ａから凹部１１０ｄにより形成される通流路Ｒに流れ込む。ここで、通流路Ｒには導入路１１１が開口しているが、弁体１３０は閉弁状態であるので、導入路１１１にアノードオフガスが流入することがなく、通流路Ｒに導入されたアノードオフガスの圧力は、透孔１９３を通じて一方向弁１９２に作用し、一方向弁１９２が押圧されて可撓する。これによって、一方向弁１９２が開弁状態となり、透孔１９３の開口を通じて通流路Ｒから一方向弁１９２の下流側、つまり、弁作動スペース１８１ｂ、通路１８２を通じて出口ポート１８１から循環路２３ａにアノードオフガスが流れ出る。そして、循環路２３ａを通じて、上流側のエゼクタ２３にアノードオフガスが供給される。

一方、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合に、ＥＣＵが不純物を排出する必要があると判定し、ＥＣＵの指令によってパージ弁１００にパージの要求がなされる。
そして、ＥＣＵによりパージの要求がなされると、パージ弁１００のソレノイド１５０が作動され、弁体１３０が開弁する。

弁体１３０が開弁すると、前記したように入口ポート１７１から導入されたアノードオフガスが導入路１１１を通じて一次室１１０ａに流れ、これとともに、通流路Ｒを通じて一方向弁１９２に作用していたアノードオフガスの圧力が低下して、一方向弁１９２が閉弁する。
一次室１１０ａに導入されたアノードオフガスは、弁体１３０と弁座部１１７との間を通じて二次室１２０ａに流入し、その後、二次室１２０ａから導出路１２１を通じて下流側の希釈器３３へ送られる。

また、パージ終了時に、ＥＣＵによってソレノイド１５０のコイル１５５ａへの通電がオフ状態にされると、コイル１５５ａが非励磁状態となり、可動コア１５６が軸線方向に沿って下方へと変位する。また略同時に、弁体１３０が戻しばね１３５の弾発力によって下方へと押圧され、戻しばね１３５の弾発力によって弁体１３０が弁座部１１７へと着座する。これにより、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの連通が遮断され、導入路１１１と導出路１２１との連通が遮断される。

このように連通が遮断されると、入口ポート１７１から導入されたアノードオフガスの導入路１１１への流入が遮断され、通流路Ｒに導入されたアノードオフガスの圧力によって前記のように一方向弁１９２が再び開弁されて、一方向弁１９２の下流側にアノードオフガスが流れるようになる。つまり、アノードオフガスの流れが循環路２３ａ側に切り替えられる。

なお、前記のようにアノードオフガスが弁体１３０の一次室１１０ａから二次室１２０ａを通じてパージされる過程において、アノードオフガスに同伴する水分が、一次室１１０ａ内で凝結して水滴となり、一次室１１０ａの底面上に溜まった状態となることがある。この場合に、溜まった水分は、一次室１１０ａの底面が下方に向かう斜めテーパ状となっていることから開口１１１ａを通じて導入路１１１に流れ込み、通流路Ｒから通路１７０ａおよび入口ポート１７１を通じて、図示しない気液分離器に戻されることとなる。

また、前記のようにアノードオフガスが通流路Ｒから一方向弁１９２を通じて出口ポート１８１から循環路２３ａに流れる過程において、アノードオフガスに同伴する水分が、一方向弁１９２の下流側、つまり、一方向弁１９２や弁作動スペース１８１ｂ、通路１８２、出口ポート１８１、循環路２３ａの一部において、これらの内部で凝結して水滴となり、これらが内壁下部１８３ｂに溜まった状態となることがある。この場合に、溜まった水分は、基体１９１のドレン孔１９１ａから通流路Ｒに流れ、通路１７０ａおよび入口ポート１７１を通じて、図示しない気液分離器に戻されることとなる。

以上説明した本実施形態の弁装置によれば、一方向弁１９２が、一次室１１０ａの直近に配置されているので、弁体ブロック１００Ａにおける弁体１３０の開閉作動による圧力の変動に追従して、一次室１１０ａの直近に配置された一方向弁１９２がうまく作動するようになり、弁体ブロック１００Ａおよび通流路ブロック１００Ｂを通じた応答性のよいアノードオフガスの流れの制御を実現することができる。
また、一方向弁１９２が一次室１１０ａの直近に配置されているので、一方向弁１９２（一方向弁組立体１９０）を有する構造でありながら小型化が図れるようになり、組付性も向上する。

また、通流路ブロック１００Ｂと取付部１１０ｂとの取付部位において、通流路ブロック１００Ｂ側に一方向弁１９２（一方向弁組立体１９０）が一体的に取り付けられているので、通流路ブロック１００Ｂと取付部１１０ｂとを取り付ける際に、一方向弁１９２を介在させた組み付けが可能となり、例えば、通流路ブロック１００Ｂと取付部１１０ｂとの間に一方向弁１９２を挟み込みながら、これらを組み付けるときのような煩雑な組付作業を行うこときに比べて、組み付けの手間がかからず、組付性が格段に向上される。
また、このことはコストの低減に寄与する。

また、二次室ボディ１２０に設けられた通気路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、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１３０の作動性が向上する。

なお、前記した実施形態において、一方向弁組立体１９０は、通流路ブロック１００Ｂ側に一体的に設けたが、これに限られることはなく、弁体ブロック１００Ａ側の取付部１１０ｂに図示しない収容部を設けて、この収容部に組み付けられるように構成してもよい。

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。

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。

本発明の一実施形態に係る弁装置としてのパージ弁を用いた燃料電池システムの機能を示す図である。 パージ弁の断面図である。 （ａ）は一方向弁組立体の分解斜視図、（ｂ）は一方向弁組立体の斜視図である。 （ａ）通流路ブロックに一方向弁組立体を組み付けるときの様子を示す斜視図、（ｂ）は組み付け後の様子を示す斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１００ パージ弁
１００Ａ 弁体ブロック
１００Ｂ 通流路ブロック
１００ｄ 弁体取付部
１１０ａ 一次室
１１０ｂ 取付部
１１１ 導入路
１１３ オリフィス
１２０ａ 二次室
１２１ 導出路
１３０ 弁体
１４０ シャフト
１５０ ソレノイド（駆動機構）
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
１６０ ダイヤフラム
１６２ スカート部
１７１ 入口ポート
１８１ 出口ポート
１９０ 一方向弁組立体
１９２ 一方向弁

Claims (3)

1. 導入路を通じて流体が導入される一次室、および導出路を通じて前記流体が導出される二次室が設けられたボディと、
   前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断し、駆動機構により駆動される弁体と、を有する弁体ブロックと、
   前記弁体ブロックに隣接配置され、
   前記導入路に通じる入口ポートと、
   前記入口ポートに通じる出口ポートと、
   前記導入路の上流側において、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられ、前記入口ポート側から前記出口ポート側への流体の流れのみを許容する一方向弁と、を有する通流路ブロックとを備え、
   前記一方向弁は、前記一次室の直近に配置されていることを特徴とする弁装置。
2. 前記通流路ブロックは、前記弁体ブロックに設けられた取付部に取り付けられており、
   前記通流路ブロックと前記取付部との取付部位において、これらのうちの一方の側に前記一方向弁が一体的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
3. 前記二次室側から前記一次室側へ延設され、前記駆動機構によって軸線方向に変位することで前記弁体を駆動するシャフトを備え、
   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または請求項２に記載の弁装置。

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