JP2018084278A - バルブモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】流体制御弁を用いたバルブモジュールにおいて、低コスト化を図ること。【解決手段】燃料電池システムＦの外部から供給された空気を利用し、利用した空気を排出する装置である燃料電池６に接続され、空気の供給および排出の制御を行うバルブモジュール１は、燃料電池システムＦの外部からの空気を燃料電池６に向けて供給する第一流体制御弁３ａと、燃料電池６によって利用された空気を外部に向けて排出する第二流体制御弁３ｂと、第一流体制御弁３ａと第二流体制御弁３ｂとを接続するバイパス配管４と、を備えている。第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂは、共に三方弁である。【選択図】図６

Description

本発明は、バルブモジュールに関する。

特許文献１に開示された流体制御弁は、特許文献１の図１に示すように、燃料電池システムの酸化剤ガスの供給路上に複数設けられている。一つの流体制御弁は、酸素系供給配管２１ａに３ポートの三方弁３として配置されている。三方弁３は、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス配管２１ｃへ逃すことにより、燃料電池６への空気の流量を制御するものである。一方、他の流体制御弁は、酸素系排出配管２１ｂに２ポートのエア調圧弁４として配置されている。エア調圧弁４は、その開度を調整し燃料電池６内に残存した空気の排出量を調整することにより、燃料電池６内の圧力を制御するものである。また、バイパス配管２１ｃは、一端が三方弁３に接続され、他端が酸素系排出配管２１ｂにおけるエア調圧弁４より下流側に接続されている。

特開２０１４−１０１９６２号公報

上述した特許文献１の二つの流体制御弁は、弁の種類が互いに異なっている。また、燃料電池システムにおいては低コスト化の要請がある。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、流体制御弁を用いたバルブモジュールにおいて、低コスト化を図ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係るバルブモジュールは、供給源から供給された流体を利用し、利用した流体を排出する装置である流体利用装置に接続され、流体の供給および排出の制御を行うバルブモジュールであって、供給源からの流体を流体利用装置に向けて供給する第一流体制御弁と、流体利用装置によって利用された流体を外部に向けて排出する第二流体制御弁と、第一流体制御弁と第二流体制御弁とを接続するバイパス配管と、を備え、第一流体制御弁は、供給源から供給された流体を導入して流体利用装置に向けて流体を導出する流路である第一流路と、供給源から供給された流体を導入してバイパス配管に向けて流体を導出する流路である第二流路と、を備え、第二流路の流体の流量を調整することにより、第一流路の流体の流量を制御する三方弁であり、第二流体制御弁は、流体利用装置から排出された流体を導入して外部に向けて流体を導出する流路である第三流路と、第一流体制御弁からバイパス配管を介して供給された流体を導入して外部に向けて流体を排出する流路である第四流路と、を備え、第三流路の流体の流量を調整することにより、流体利用装置内の流体の圧力または流体利用装置内の流体の流量を制御する三方弁である。

これによれば、第一流体制御弁および第二流体制御弁は、共に三方弁である。また、バイパス配管は、第一流体制御弁と第二流体制御弁とを接続している。よって、従来技術のようにバイパス配管が第一流体制御弁および第二流体制御弁の一方と配管部材とを接続している場合に比べて、バイパス配管と配管部材とを接続する接続部材が不要であるため、部品点数を低減することができる。したがって、本発明のバルブモジュールは、従来技術のように弁の種類が互いに異なる複数の流体制御弁を備える場合に比べて、低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るバルブモジュールを用いた燃料電池システムの概要図である。 図１に示したバルブモジュールの第一流体制御弁の部分断面図であり、弁体が第一位置に位置している状態を示している。 図２に示す第一流体制御弁の弁体の周囲の部分拡大図である。 図２に示す第一流体制御弁の部分断面図であり、弁体が第一位置と第二位置との間に位置している状態を示している。 図２に示す第一流体制御弁の部分断面図であり、弁体が第二位置に位置している状態を示している。 図１に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池が発電を停止している場合のバルブモジュールの状態を示す部分断面図である。 図１に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池が発電を実行している場合のバルブモジュールの状態を示す部分断面図である。 図２に示す弁体の移動量と流体の流量との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るバルブモジュールの第一流体制御弁を示す部分断面図であり、弁体が第一位置に位置している状態を示している。

以下、本発明の一実施形態に係るバルブモジュールについて、図面を参照しながら説明する。バルブモジュール１は、供給源から供給された流体を利用し、利用した流体を排出する装置である流体利用装置に接続され、流体の供給および排出の制御を行うものである。本実施形態において、流体利用装置は、燃料電池である。バルブモジュール１は、図１に示すように、車両に搭載された燃料電池システムＦの酸素系２に適用されている。燃料電池システムＦは、バルブモジュール１、酸素系２、燃料系５、燃料電池６、動力系７、冷却系８および制御装置９を備えている。

燃料電池６は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電するものである。燃料電池６は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されて設けられている。複数の単セルは電気的に直列に接続されている。各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示なし）を含んでいる。

また、単セルのアノードセパレータ（図示なし）には、アノード極に対して燃料ガスである水素ガスを供給するためのアノード流路６１が設けられている。カソードセパレータ（図示なし）には、カソード極に対して、酸化剤ガスである空気（本発明の流体に相当）を供給するためのカソード流路６２が設けられている。

酸素系２は酸素系供給配管２１ａ、酸素系排出配管２１ｂ、第一接続配管２１ｃおよび第二接続配管２１ｄを備えている。酸素系供給配管２１ａは、燃料電池システムＦの外部（本発明の供給源に相当）から燃料電池６のカソード流路６２に向けて空気を供給する流路である。

酸素系供給配管２１ａの第一端は、燃料電池システムＦの外部に向けて開口している。酸素系供給配管２１ａの第二端は、カソード流路６２の第一端と、バルブモジュール１および第一接続配管２１ｃを介して接続されている。第一接続配管２１ｃは、バルブモジュール１とカソード流路６２の第一端とを接続する。酸素系供給配管２１ａ上には、第一端から燃料電池６に向けて順に、エアフィルタ２２、エアコンプレッサ２３およびインタークーラ２４が配置されている。

酸素系排出配管２１ｂは、燃料電池６にて利用された空気を、燃料電池システムＦの外部に向けて排出する流路である。酸素系排出配管２１ｂの第一端は、カソード流路６２の第二端と、第二接続配管２１ｄおよびバルブモジュール１を介して接続されている。第二接続配管２１ｄは、カソード流路６２の第二端とバルブモジュール１とを接続する。酸素系排出配管２１ｂの第二端には、排出ガス希釈器５６（後述する）が接続されている。

バルブモジュール１は、第一流体制御弁３ａ、第二流体制御弁３ｂ、および、第一流体制御弁３ａと第二流体制御弁３ｂとを接続するバイパス配管４を備えている。

第一流体制御弁３ａは、燃料電池システムＦの外部からの空気を燃料電池システムＦに向けて供給するものである。第一流体制御弁３ａは、第一流路３ａ１と第二流路３ａ２とを切り替えるように構成された三方弁である。

第一流路３ａ１は、燃料電池システムＦの外部から供給された空気を導入して燃料電池６に向けて空気を導出する流路である。第一流路３ａ１は、具体的には、酸素系供給配管２１ａと第一接続配管２１ｃとを接続する。第二流路３ａ２は、燃料電池システムＦの外部から供給された空気を導入してバイパス配管４に向けて空気を導出する流路である。第二流路３ａ２は、具体的には、酸素系供給配管２１ａとバイパス配管４とを接続する。第一流体制御弁３ａは、第二流路３ａ２の空気の流量を調整することにより、第一流路３ａ１の空気の流量を制御する三方弁である。第一流体制御弁３ａの詳細は、後述する。

第二流体制御弁３ｂは、燃料電池６によって利用された空気を燃料電池システムＦの外部に向けて排出するものである。第二流体制御弁３ｂは、第三流路３ｂ１と第四流路３ｂ２とを切り替えるように構成された三方弁である。

第三流路３ｂ１は、燃料電池６から排出された空気を導入して外部に向けて空気を導出する流路である。第三流路３ｂ１は、具体的には、第二接続配管２１ｄと酸素系排出配管２１ｂとを接続する。第四流路３ｂ２は、第一流体制御弁３ａからバイパス配管４を介して供給された空気を導入して燃料電池システムＦの外部に向けて空気を排出する流路である。第四流路３ｂ２は、具体的には、バイパス配管４と酸素系排出配管２１ｂとを接続する。第二流体制御弁３ｂは、第三流路３ｂ１の空気の流量を調整することにより、燃料電池６内の空気の圧力を制御する三方弁である。第二流体制御弁３ｂの詳細は、後述する。

バイパス配管４は、空気を流通させる管である。バイパス配管４は、燃料電池６を迂回して、第一流体制御弁３ａと第二流体制御弁３ｂとを接続する。すなわち、バイパス配管４は、第一流体制御弁３ａと第二流体制御弁３ｂとを直接接続する。

燃料系５は、燃料系供給配管５１ａを備えている。燃料系供給配管５１ａの第一端は、水素タンク５２が接続されている。燃料系供給配管５１ａ上には遮断弁５３が配置されている。燃料系供給配管５１ａの第二端は、燃料電池６内のアノード流路６１の第一端と接続されている。アノード流路６１の第二端には、燃料系排出配管５１ｂが接続されている。

燃料系排出配管５１ｂ上には、燃料電池６に近い側から順に、気液分離器５４、排気排水弁５５および排出ガス希釈器５６が配置されている。排出ガス希釈器５６には、上述した酸素系排出配管２１ｂの第二端が接続されている。

また、気液分離器５４は燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の遮断弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が配置されている。循環ポンプ５７は、気液分離器５４からアノード流路６１に向けて水素ガスを循環させている。

動力系７は、車両を走行させるための電動モータ７１を備えている。電動モータ７１は燃料電池６の正極および負極と接続されており、燃料電池６の発電によって駆動される。
冷却系８は水冷ポンプ８１を備えている。冷却系８は、燃料電池６内に冷却水を循環させて燃料電池６を冷却している。

制御装置９は、エアコンプレッサ２３、第一流体制御弁３ａ、第二流体制御弁３ｂ、遮断弁５３、循環ポンプ５７および水冷ポンプ８１と電気的に接続されている。制御装置９は車両の走行状態に応じて算出された燃料電池６の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。

上述した構成により、車両が運転開始すると、制御装置９はエアコンプレッサ２３を作動させてカソード流路６２へ空気を供給するとともに、遮断弁５３および循環ポンプ５７を作動させてアノード流路６１へ燃料ガスである水素ガスを供給する。これらによって、燃料電池６において発電が行われる。

酸素系２において、燃料電池システムＦの外部からエアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ空気は、エアコンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。バルブモジュール１においては、第一流体制御弁３ａが、燃料電池６の発電量や燃料電池６の温度に基づいた制御装置９からの制御指令によって後述する弁体３３の位置を変位させ、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス配管４へ逃すことにより、燃料電池６への空気の流量を制御している。さらに、第二流体制御弁３ｂが、制御装置９からの制御指令によって後述する弁体３３の位置を変位させ、燃料電池６内に残存した空気の排出量を調整することにより、燃料電池６内の圧力を制御している。

アノード流路６１から排出される水素オフガス（燃料ガスオフガス）には発電に使用されなかった水素ガスと発電によって生成された水（水蒸気）が含まれている。気液分離器５４は水素ガスと水を分離する機能を有している。気液分離器５４で分離された水素ガスは循環ポンプ５７により燃料系循環路５１ｃを介して燃料系供給配管５１ａに供給され循環される。

一方、気液分離器５４で分離された水（液状）は排気排水弁５５が開状態になったとき、水素ガスとともに排出ガス希釈器５６に送られる。気液分離器５４から排出ガス希釈器５６に排出された水素ガスは、排出ガス希釈器５６において、酸素系排出配管２１ｂから供給された空気により希釈化された後、水とともに外部へと放出される。

次に、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂについて詳細に説明する。本実施形態において、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂは、同じ構造の三方弁である。以下、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂとして設けられた流体制御弁３について説明する。

なお、本明細書中においては、説明を簡単にするために、図２における上側および下側を、それぞれ流体制御弁３の上方および下方とし、図２における右側および左側を、それぞれ流体制御弁３の右方および左方として説明する。これらの方向は、車両における流体制御弁３の実際の取付方向とは無関係である。

流体制御弁３は、図２に示すように、ハウジング３１、駆動装置３２、弁体３３、スプリング３４およびダイヤフラム３５を備えている。

ハウジング３１は、空気を流通させる弁室３１ｃを内側に設けられたものである。ハウジング３１は、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂材料にて形成されている。ハウジング３１は、第一ハウジング３１ａおよび第二ハウジング３１ｂを備えている。第一ハウジング３１ａは、ハウジング３１の下側を構成するものである。第二ハウジング３１ｂは、ハウジング３１の上側を構成するものである。第一ハウジング３１ａと第二ハウジング３１ｂとは、例えばネジ等によって結合されている。ハウジング３１は、弁室３１ｃ、第一ポート３１ｄ、第二ポート３１ｅ、第三ポート３１ｆ、第一弁座３１ｇ、第二弁座３１ｈおよびシャフトリテーナ部３１ｉを備えている。

弁室３１ｃは、ハウジング３１の内側に設けられ、空気を流通させるものである。弁室３１ｃは、第一ハウジング３１ａに設けられた上方を開放する凹部３１ａ１と第二ハウジング３１ｂに設けられた下方を開放する凹部３１ｂ１とが組み合わさることによって形成される。弁室３１ｃは、断面方形状に設けられている。弁室３１ｃは、ダイヤフラム３５によって第一ハウジング３１ａ側（下側）の第一流体室３１ｃ１および第二ハウジング３１ｂ側（上側）の第二流体室３１ｃ２に区画されている。

第一ポート３１ｄは、第一流体室３１ｃ１に接続するものである。第一ポート３１ｄは、流体制御弁３の外部と第一流体室３１ｃ１とを接続する。第一ポート３１ｄは、第一端を第一ハウジング３１ａにおける第一流体室３１ｃ１の下側面に開口し、上下方向に沿って延びるように設けられている。

第二ポート３１ｅは、第一流体室３１ｃ１に接続するものである。第二ポート３１ｅは、流体制御弁３の外部と第一流体室３１ｃ１とを接続する。第二ポート３１ｅは、第一端を第一ハウジング３１ａにおける第一流体室３１ｃ１の右側面に開口し、右方に向けて延びるように設けられている。

第三ポート３１ｆは、第二流体室３１ｃ２に接続するものである。第三ポート３１ｆは、流体制御弁３の外部と第二流体室３１ｃ２とを接続する。第三ポート３１ｆは、第二ハウジング３１ｂにおける上側壁に左方に向けて延びるように設けられている。

第一弁座３１ｇは、第一流体室３１ｃ１に、弁体３３と接触可能に設けられている。第一弁座３１ｇは、具体的には、第一流体室３１ｃ１の下側面における第一ポート３１ｄの開口部の周縁部に、平坦な円環状に設けられている。第一弁座３１ｇは、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合、弁体３３と接触することにより、第一ポート３１ｄと第一流体室３１ｃ１との間の空気の流通を規制する（詳細は後述する）。

第二弁座３１ｈは、第二流体室３１ｃ２に、弁体３３と接触可能に設けられている。第二弁座３１ｈは、具体的には、第二流体室３１ｃ２に設けられた下方を開口する筒部３１ｂ２の開口部に、平坦な円環状に設けられている。筒部３１ｂ２は、第二ハウジング３１ｂの上側壁から第二流体室３１ｃ２内に下方に向けて突出するように設けられている。

また、筒部３１ｂ２の上側部は、筒部３１ｂ２の内部と第三ポート３１ｆとが接続するように設けられている。すなわち、第三ポート３１ｆは、筒部３１ｂ２を介して第二流体室３１ｃ２と接続する。第二弁座３１ｈは、弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合（図５参照）、弁体３３と接触することにより、接続路３３ｆ（後述する）および第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆとの間の空気の流通を規制する（詳細は後述する）。

シャフトリテーナ部３１ｉは、筒部３１ｂ２の内側にて筒部３１ｂ２と同軸に筒状に設けられたものである。シャフトリテーナ部３１ｉは、後述するバルブシャフト３２ｃを第一方向（本第一実施形態においては上下方向）に沿って移動可能に保持するものである（詳細は後述する）。

駆動装置３２は、弁体３３を移動させるように駆動するものである。駆動装置３２は、弁体３３を第一方向に沿って移動させる。駆動装置３２は、第二ハウジング３１ｂの上側に配置されている。駆動装置３２は、ケーシング３２ａ、モータ３２ｂおよび柱状のバルブシャフト３２ｃを備えている。

ケーシング３２ａは、第二ハウジング３１ｂの上側にネジ等によって取り付けられている。ケーシング３２ａは、収容部３２ａ１およびシャフトガイド部３２ａ２を備えている。
収容部３２ａ１は、内側にモータ３２ｂを収容するように中空に設けられている。

シャフトガイド部３２ａ２は、バルブシャフト３２ｃを第一方向に沿って移動させるように案内するものである。シャフトガイド部３２ａ２は、収容部３２ａ１から下方に突出する筒状に設けられている。シャフトガイド部３２ａ２は、シャフトリテーナ部３１ｉと同軸に配置されている。シャフトガイド部３２ａ２の下側には、回転規制部（図示なし）が設けられている。回転規制部は、ケーシング３２ａに対して、バルブシャフト３２ｃの回転を規制するものである（詳細は後述する）。回転規制部は、所定幅離れて互いに向き合う一対の平面である対向面（図示なし）によって形成されている。

モータ３２ｂは、収容部３２ａ１の内側に、出力軸３２ｂ１が第一方向に沿って下方に延びるように配置されている。モータ３２ｂは、ステッピングモータである。モータ３２ｂの出力軸３２ｂ１には、下方に向けて開口する駆動孔３２ｂ２が、シャフトガイド部３２ａ２と同軸となるように設けられている。駆動孔３２ｂ２の内側には、所定の長さの雌螺子が形成されている。所定の長さは、後述する弁体３３の移動量より長くなるように設定されている。

バルブシャフト３２ｃは、柱状に設けられ、シャフトガイド部３２ａ２と同軸に、第一方向に沿って延びるように配置されている。バルブシャフト３２ｃは、ステンレス等の金属材料にて形成されている。バルブシャフト３２ｃは、上側から下側に向けて順に、雄螺子部３２ｃ１、二面幅部３２ｃ２、円柱部３２ｃ３、第一溝部３２ｃ４、第二溝部３２ｃ５および連結部３２ｃ６を備えている。

雄螺子部３２ｃ１は、バルブシャフト３２ｃの外周面に設けられ、出力軸３２ｂ１の駆動孔３２ｂ２に形成された雌螺子と結合する雄螺子が形成された部位である。雄螺子部３２ｃ１の雄螺子と駆動孔３２ｂ２の雌螺子とは、ともに台形ネジによって形成されている。また、雄螺子部３２ｃ１の雄螺子と駆動孔３２ｂ２の雌螺子とは、バルブシャフト３２ｃと出力軸３２ｂ１との間の逆効率が、ゼロとなるように設定されている。

これにより、バルブシャフト３２ｃと出力軸３２ｂ１との間の動作の伝達が不可逆的に形成される。このため、例えば第一位置Ｐ１に位置する弁体３３が第一弁座３１ｇと接触している状態で、バルブシャフト３２ｃから出力軸３２ｂ１に向けて戻し荷重が作用した場合、出力軸３２ｂ１が、弁体３３を第一位置Ｐ１より上方に移動させる方向に回転しない。

二面幅部３２ｃ２は、回転規制部の対向面にそれぞれ対向する、二つの平面である二面幅形状に形成された部位である。二面幅部３２ｃ２が回転規制部によってシャフトガイド部３２ａ２に対する回転を規制され、かつ、雄螺子部３２ｃ１が雌螺子と結合しているため、出力軸３２ｂ１が一方向に回転した場合、バルブシャフト３２ｃが第一方向に沿って上方に移動する。一方、出力軸３２ｂ１が一方向と反対方向の他方向に回転した場合、バルブシャフト３２ｃが第一方向に沿って下方に移動する。

円柱部３２ｃ３は、第一方向に沿って延びる円柱状に形成されている。円柱部３２ｃ３の外周面は、上側にてシャフトリテーナ部３１ｉの内周面と、第一方向に沿って摺動可能に設けられている。

第一溝部３２ｃ４および第二溝部３２ｃ５は、円柱部３２ｃ３の外表面に、周方向に沿って環状に設けられた溝である。第一溝部３２ｃ４および第二溝部３２ｃ５には、ＯリングＲ１，Ｒ２が配置されている。第一溝部３２ｃ４に配置されたＯリングＲ１は、円柱部３２ｃ３とシャフトリテーナ部３１ｉとの間を気密かつ液密にシールする。これにより、シャフトリテーナ部３１ｉ内ひいては収容部３２ａ１内への空気および水等の浸入が抑制される。

第二溝部３２ｃ５に配置されたＯリングＲ２は、円柱部３２ｃ３と後述するシャフト取付部３３ｂの中径部３３ｂ２との間を気密かつ液密にシールする。これにより、中径部３３ｂ２内ひいては連結部３２ｃ６への空気および水等の浸入が抑制される。

連結部３２ｃ６は、バルブシャフト３２ｃの下端部に設けられ、弁体３３と連結する部位である。連結部３２ｃ６は、外周面において対向する一対の平坦面３２ｃ７を有する二面幅形状に形成されている。また、連結部３２ｃ６は、第一方向に直交するボール孔３２ｃ８が形成されている。ボール孔３２ｃ８は、一対の平坦面３２ｃ７に直交してそれぞれ開口するように、連結部３２ｃ６を貫通する。

ボール孔３２ｃ８には、鋼球３２ｄが配置されている。鋼球３２ｄの直径は、一対の平坦面３２ｃ７同士の距離（二面幅の厚み）よりも大きく設定されており、鋼球３２ｄはボール孔３２ｃ８の両端部から突出している。また、鋼球３２ｄの直径は、ボール孔３２ｃ８の直径よりも僅かに小さく、鋼球３２ｄはボール孔３２ｃ８内において回転可能、かつ、ボール孔３２ｃ８内をボール孔３２ｃ８の軸方向に移動可能に収容されている。

弁体３３は、弁室３１ｃに配置され、第一位置Ｐ１と第一位置Ｐ１と異なる第二位置Ｐ２との間を第一方向に沿って移動可能に設けられたものである。第一位置Ｐ１は、弁体３３と第一弁座３１ｇとが接触する弁体３３の位置である。第二位置Ｐ２は、弁体３３と第二弁座３１ｈとが接触する弁体３３の位置である（図５参照）。第二位置Ｐ２は、第一位置Ｐ１より第一方向に沿って上方に位置する。弁体３３は、図３に示すように、本体部３３ａ、シャフト取付部３３ｂ、第一シール部３３ｃ、第二シール部３３ｄ、ダイヤフラム保持部３３ｅを備えている。

本体部３３ａは、第一方向を軸線方向とする筒状に設けられるとともに、第一端（下端）にて第一流体室３１ｃ１側に開口する第一開口部３３ａ１と、第二端（上端）にて第二流体室３１ｃ２側に開口する第二開口部３３ａ２とを設けられている。本体部３３ａは、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂材料にて形成されている。また、本体部３３ａは、フランジ部３３ａ３および内壁部３３ａ４を備えている。
フランジ部３３ａ３は、第一開口部３３ａ１の周縁部に径方向外側に向けて、全周に亘って突出する鍔状に形成されたものである。

内壁部３３ａ４は、本体部３３ａの内側に設けられ、本体部３３ａの内側を上側と下側とに区画するように設けられた側壁である。内壁部３３ａ４は、筒壁部３３ａ５および接続壁部３３ａ６を備えている。

筒壁部３３ａ５は、第二開口部３３ａ２側に向けて開口する筒状に形成された有底のものである。弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合（図５参照）、筒壁部３３ａ５の周側壁は、筒部３１ｂ２の周側壁より径方向外側に位置するように設けられている。筒壁部３３ａ５の周側壁には、第一開口部３３ａ１と第二開口部３３ａ２とを連通させる複数の連通穴３３ａ７が設けられている。また、筒壁部３３ａ５の底壁には、第一方向に沿って貫通する貫通穴３３ａ８が設けられている。

複数の連通穴３３ａ７の各々は、筒壁部３３ａ５の周側壁に設けられているため、空気が第一方向と交差する方向に流れる（図２の矢印参照）。連通穴３３ａ７の各々の流路断面積（開口面積）を合計した値は、第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆとの間の流路断面積の最小値より大きくなるように設定されている。

接続壁部３３ａ６は、筒壁部３３ａ５の周側壁の一部（本第一実施形態においては上端部）と本体部３３ａの周側壁の一部とを全周に亘って接続するものである。後述するように、貫通穴３３ａ８には、シャフト取付部３３ｂが取付けられているため、内壁部３３ａ４において第一開口部３３ａ１と第二開口部３３ａ２とを連通させる流路は、連通穴３３ａ７のみである。

シャフト取付部３３ｂは、ステンレス等の金属板がプレス成形されることによって形成されている。シャフト取付部３３ｂは、弁体３３においてバルブシャフト３２ｃに取り付けられる部位である。シャフト取付部３３ｂは、下方から上方に向けて順に、取付部３３ｂ１、中径部３３ｂ２、大径部３３ｂ３および鍔部３３ｂ４を備えている。

取付部３３ｂ１は、弁体３３がバルブシャフト３２ｃに取り付けられた場合、バルブシャフト３２ｃの連結部３２ｃ６を内側に収容する袋状のものである。取付部３３ｂ１は、図２に示すように、固定壁３３ｂ１ａ、嵌合部３３ｂ１ｂ、および、かしめ部３３ｂ１ｃを備えている。

固定壁３３ｂ１ａは、バルブシャフト３２ｃの連結部３２ｃ６が収容された場合に、内側面が連結部３２ｃ６の一対の平坦面３２ｃ７とそれぞれ対向するように形成されている。嵌合部３３ｂ１ｂは、固定壁３３ｂ１ａから径方向外側に向けて突出するように形成されている。嵌合部３３ｂ１ｂは、バルブシャフト３２ｃの連結部３２ｃ６が収容された場合に、鋼球３２ｄを収容可能に形成されている。また、取付部３３ｂ１には、固定壁３３ｂ１ａ同士をつなぐように、対向した一対の接続面部（図示なし）が形成されている。

バルブシャフト３２ｃに弁体３３が取り付けられる場合、ボール孔３２ｃ８内に鋼球３２ｄを配置した状態で、平坦面３２ｃ７から突出した鋼球３２ｄが、嵌合部３３ｂ１ｂ内に収容されるように、連結部３２ｃ６が取付部３３ｂ１に挿入される。さらに、鋼球３２ｄに対して、双方の固定壁３３ｂ１ａがかしめられることにより、かしめ部３３ｂ１ｃが形成される。これらにより、取付部３３ｂ１が鋼球３２ｄに固定される。

中径部３３ｂ２は、図３に示すように、取付部３３ｂ１より径方向長さを大きくする円筒状に形成されている。中径部３３ｂ２は、内側に第二溝部３２ｃ５が位置するように形成されている。

大径部３３ｂ３は、中径部３３ｂ２より径方向長さを大きくする円筒状に形成されている。大径部３３ｂ３は、本体部３３ａの貫通穴３３ａ８に圧入されている。これにより、シャフト取付部３３ｂが本体部３３ａに固定される。

鍔部３３ｂ４は、大径部３３ｂ３の上端部から径方向外側に向けて全周に亘って突出するように形成されている。鍔部３３ｂ４の下側面が筒壁部３３ａ５の底壁の上側面に接触するように、シャフト取付部３３ｂが本体部３３ａに配置されている。

また、シャフト取付部３３ｂが弁体３３に取り付けられた状態において、中径部３３ｂ２の内周面と、バルブシャフト３２ｃの円柱部３２ｃ３の外周面との間には、バルブシャフト３２ｃの径方向に隙間εが形成されている。隙間εは、中径部３３ｂ２の内周面と円柱部３２ｃ３の外周面との間において全周に亘って形成されている。この隙間εによって、弁体３３がバルブシャフト３２ｃに対して傾斜可能に取り付けられている。

第一シール部３３ｃは、環状に設けられ、フランジ部３３ａ３の外周縁部を覆うように配置されている。第一シール部３３ｃは、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）またはＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体）といった耐熱性を有する合成ゴム材料にて形成されている。

第一シール部３３ｃの周縁部には、下方に向けて突出するシールリップ３３ｃ１が設けられている。弁体３３が第一位置Ｐ１に位置した場合、シールリップ３３ｃ１の先端部が第一弁座３１ｇと接触する。この場合、弁体３３と第一弁座３１ｇとが接触して、第一ポート３１ｄと第一流体室３１ｃ１との間の空気の流通が規制される（詳細は後述する）。

シールリップ３３ｃ１は、断面リップ状に形成されている。シールリップ３３ｃ１は、半径方向内向きに形成されている。これにより、燃料電池６内が負圧になった場合においても、シールリップ３３ｃ１が、この負圧によってセルフシール可能となる。燃料電池６内の負圧は、例えば、発電停止時に、燃料電池６内に残留した水素ガスと酸素との反応や燃料電池６の温度低下による残留水蒸気の凝縮などによって発生する。

第二シール部３３ｄは、環状かつ平板状に設けられ、筒壁部３３ａ５の底壁に配置されている。第二シール部３３ｄは、具体的には、シャフト取付部３３ｂの鍔部３３ｂ４の上側面に配置されている。第二シール部３３ｄは、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）またはＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体）といった耐熱性を有する合成ゴム材料にて形成されている。

弁体３３が第二位置Ｐ２に位置した場合（図５参照）、第二シール部３３ｄの上側面が第二弁座３１ｈと接触する。この場合、弁体３３と第二弁座３１ｈとが接触して、接続路３３ｆ（後述する）および第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆとの間の空気の流通が規制される（詳細は後述する）。

ダイヤフラム保持部３３ｅは、弁体３３にダイヤフラム３５を保持するものである（詳細は後述する）。ダイヤフラム保持部３３ｅは、ステンレス等の金属板がプレス成形されることによって形成されている。ダイヤフラム保持部３３ｅは、上側から下側に向けて大径部３３ｅ１、段部３３ｅ２、小径部３３ｅ３および鍔部３３ｅ４を備えている。

大径部３３ｅ１および小径部３３ｅ３は上端および下端をそれぞれ開口する筒状に形成されている。段部３３ｅ２は、大径部３３ｅ１と小径部３３ｅ３とを接続する段状に形成されている。小径部３３ｅ３が第二開口部３３ａ２に圧入されることにより、ダイヤフラム保持部３３ｅが本体部３３ａに固定される。

鍔部３３ｅ４は、小径部３３ｅ３の下端部に径方向内側に全周に亘って突出する鍔状に形成されている。鍔部３３ｅ４の下側面が接続壁部３３ａ６の上側面に接触するように、ダイヤフラム保持部３３ｅが本体部３３ａに配置される。

また、弁体３３には、接続路３３ｆがさらに設けられている。接続路３３ｆは、連通穴３３ａ７を介して第一開口部３３ａ１と第二開口部３３ａ２とを接続する空気の流路である。接続路３３ｆは、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合に第一ポート３１ｄと第二流体室３１ｃ２とを接続し、弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合に（図５参照）、第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とを接続する。また、接続路３３ｆは、弁体３３が第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間に位置する場合に（図４参照）、第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とを接続する。

また、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合（図２参照）、第一ポート３１ｄと第一流体室３１ｃ１との接続が遮断される。弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合（図５参照）、接続路３３ｆおよび第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆとの接続が遮断される。したがって、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合（図２参照）、第一ポート３１ｄと第三ポート３１ｆとが接続する。弁体３３が第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間に位置する場合（図４参照）、第一ポート３１ｄと、第二ポート３１ｅおよび第三ポート３１ｆとが接続する。弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合（図５参照）、第一ポート３１ｄと第二ポート３１ｅとが接続する。

スプリング３４は、弁体３３を下方に向けて付勢するものである。スプリング３４は、コイルスプリングである。スプリング３４は、筒部３１ｂ２の径方向外側に、第二ハウジング３１ｂの上側壁と鍔部３３ｅ４との間に配置されている。

ダイヤフラム３５は、弁体３３の移動に応じて撓む膜状に設けられている。ダイヤフラム３５は合成ゴム材料にて一体的に形成されている。ダイヤフラム３５は、中央部に第一方向に貫通する貫通穴３５ａが形成されている。

貫通穴３５ａの内周縁部は、本体部３３ａの上側面とダイヤフラム保持部３３ｅの段部３３ｅ２の下側面とによって挟持されている。これにより、ダイヤフラム３５が弁体３３に気密かつ液密に保持される。また、ダイヤフラム３５は、弁体３３が第一方向に貫通するように配置される。

ダイヤフラム３５の外周縁部は、第一ハウジング３１ａの上側面と第二ハウジング３１ｂの下側面とに挟持されている。これにより、ダイヤフラム３５がハウジング３１に気密かつ液密に保持される。このようにダイヤフラム３５が配置されることにより、ダイヤフラム３５によって弁室３１ｃが第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とに区画される。

このように、ダイヤフラム３５は、弁体３３が第一方向に沿って貫通するように配置され、弁体３３の移動に応じて撓む膜状に設けられるとともに、弁室３１ｃを第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とに区画するように配置されている。

また、弁体３３は、図２に示すように、第一受圧部３３ｇを有している。第一受圧部３３ｇは、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合、第一ポート３１ｄの空気の圧力が作用する部位である。第一受圧部３３ｇの有効受圧面積は、シールリップ３３ｃ１と第一弁座３１ｇとが接触する部位における径方向内側の範囲を、第一方向に直交する平面に投影したときの面積である。第一受圧部３３ｇの有効受圧面積は、本第一実施形態において、直径をＡとする円の面積である。

さらにダイヤフラム３５は、第二受圧部３５ｂを有している。第二受圧部３５ｂは、第二流体室３１ｃ２の空気の圧力が作用する部位である。第二受圧部３５ｂの有効受圧面積は、ダイヤフラム３５における屈曲している部位の最下点を結んだ径方向内側の範囲を、第一方向に直交する平面に投影したときの面積である。第二受圧部３５ｂの有効受圧面積は、本第一実施形態において、直径をＢとする円の面積である。また、本第一実施形態においては、第一受圧部３３ｇの有効受圧面積と第二受圧部３５ｂの有効受圧面積とが、同一の面積となるように設定されている。

また、バルブモジュール１においては、図６および図７に示すように、第一流体制御弁３ａの第三ポート３１ｆと第二流体制御弁３ｂの第三ポート３１ｆとがバイパス配管４によって接続されている。

そして、第一流体制御弁３ａの第一ポート３１ｄには、酸素系供給配管２１ａの第二端が接続されている。第一流体制御弁３ａの第二ポート３１ｅには、第一接続配管２１ｃの第一端が接続されている。すなわち、本実施形態において、第一流路３ａ１は、第一ポート３１ｄから空気を導入して、第二ポート３１ｅから空気を導出する流路である。第二流路３ａ２は、第一ポート３１ｄから空気を導入して、接続路３３ｆを介して第三ポート３１ｆから空気を導出する流路である。

また、第二流体制御弁３ｂの第一ポート３１ｄには、酸素系排出配管２１ｂの第一端が接続されている。第二流体制御弁３ｂの第二ポート３１ｅには、第二接続配管２１ｄの第一端が接続されている。すなわち、本実施形態において、第三流路３ｂ１は、第二ポート３１ｅから空気を導入して、第一ポート３１ｄから空気を導出する流路である。第四流路３ｂ２は、第三ポート３１ｆから空気を導入して、接続路３３ｆを介して第一ポート３１ｄから空気を導出する流路である。

次に、バルブモジュール１の動作について説明する。各流体制御弁３ａ，３ｂにおいて、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置することにより第一弁座３１ｇと弁体３３とが接触して、第一ポート３１ｄと第一流体室３１ｃ１との間の空気の流通が規制されている状態を、第一閉弁状態とする。また、各流体制御弁３ａ，３ｂにおいて、弁体３３が第二位置Ｐ２に位置することにより第二弁座３１ｈと弁体３３とが接触して、接続路３３ｆおよび第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆの間の空気の流通が規制されている状態を、第二閉弁状態とする。

燃料電池６の発電が行われない場合、燃料電池６に空気が供給されない。すなわち、この場合、バルブモジュール１においては、図６に示すように、各流体制御弁３ａ，３ｂが、それぞれ第一閉弁状態となっている。

各流体制御弁３ａ，３ｂがそれぞれ第一閉弁状態である場合において、モータ３２ｂが非通電であるとき、弁体３３がスプリング３４によって第一ポート３１ｄ側に付勢され、かつ、モータ３２ｂのディテントトルクによってバルブシャフト３２ｃの回転が規制されている。これらにより、弁体３３の位置が第一位置Ｐ１に保持される。

このとき、弁体３３には、第一ポート３１ｄの空気の圧力と第一流体室３１ｃ１の空気の圧力との差圧によって生じる力（以下、第一作用力とする。）が作用している。さらに、この場合、弁体３３には、第二流体室３１ｃ２の空気の圧力と第一流体室３１ｃ１の空気の圧力との差圧によって生じる力（以下、第二作用力とする。）が作用している。そして、接続路３３ｆによって第一ポート３１ｄと第二流体室３１ｃ２とが接続しているため、第一ポート３１ｄの空気の圧力と第二流体室３１ｃ２の空気の圧力とがおよそ同一となっている。よって、第一作用力と第二作用力とは、弁体３３に対して互いに反対方向に作用する。したがって、第一作用力の大きさは、第二作用力の大きさによって抑制される。

さらに、上述したように、第一受圧部３３ｇの有効受圧面積と第二受圧部３５ｂの有効受圧面積とが同一となるように設定されているため、第一作用力の大きさと、第二作用力の大きさとは、およそ同じである。すなわち、第一ポート３１ｄ、第一流体室３１ｃ１および第二流体室３１ｃ２の各部位における空気の圧力によって弁体３３に作用する力（第一作用力と第二作用力との合力）がおよそゼロになっている。

したがって、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置することにより第一弁座３１ｇと弁体３３とが接触している第一閉弁状態から、第一弁座３１ｇと弁体３３とを離して開弁状態とする力である第一開弁力は、スプリング３４の付勢力と、バルブシャフト３２ｃとシャフトリテーナ部３１ｉとの間などの摺動抵抗によって弁体３３に作用する力の合力のみとなる。

また、各流体制御弁３ａ，３ｂにおいて、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合、接続路３３ｆを介して第一ポート３１ｄと第三ポート３１ｆとが接続されている。よって、この場合、第一流体制御弁３ａにおいて、エアコンプレッサ２３が駆動されることにより、酸素系供給配管２１ａから第一ポート３１ｄに導入された空気は、図６に矢印にて示されるように、接続路３３ｆを介して第三ポート３１ｆからバイパス配管４に導出される。

さらにこの場合、第二流体制御弁３ｂにおいて、バイパス配管４から第三ポート３１ｆに導入された空気は、接続路３３ｆを介して第一ポート３１ｄから酸素系排出配管２１ｂに導出される。このような、各流体制御弁３ａ，３ｂにおいて弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合のエアコンプレッサ２３の作動（以下、バイパス配管掃気動作とする。）は、燃料電池６の起動運転開始時または停止運転終了時に実行される。

バイパス配管掃気動作が燃料電池６の起動運転開始時に実行されることにより、起動運転が開始された場合に燃料電池６に残存していた水素ガスが、排出ガス希釈器５６にて、バルブモジュール１から導出された空気によって希釈される。また、燃料電池６の発電により生成された水が第二流体制御弁３ｂ内および酸素系排出配管２１ｂ内に付着している場合、バイパス配管掃気動作が燃料電池６の停止運転終了時に実行されることにより、この水が燃料電池システムＦの外部に排出される。

燃料電池６の発電が行われる場合、各流体制御弁３ａ，３ｂにおいて、第一弁座３１ｇと弁体３３とが第一閉弁状態から開弁状態にされることにより、空気が燃料電池６に供給される。具体的には、制御装置９からの制御指令によって、駆動装置３２が一方向に回転されることにより、バルブシャフト３２ｃひいては弁体３３が第一位置Ｐ１から第一方向に沿って第二位置Ｐ２側に移動する。

この場合において、第一流体制御弁３ａにおいて、弁体３３の位置が第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間に位置するとき、図７に矢印にて示されるように、酸素系供給配管２１ａから第一ポート３１ｄに導入された空気は、第一流体室３１ｃ１を介して第二ポート３１ｅから燃料電池６に向けて導出され、かつ、第一流体室３１ｃ１および接続路３３ｆを介して第三ポート３１ｆからバイパス配管４へ導出される。

一方、第二流体制御弁３ｂにおいて、弁体３３の位置が第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間に位置するとき、バイパス配管４から第三ポート３１ｆに導入された空気は、第二流体室３１ｃ２、接続路３３ｆおよび第一流体室３１ｃ１を介して第一ポート３１ｄから酸素系排出配管２１ｂに導出される。燃料電池６から第二ポート３１ｅに導入された空気は、第一流体室３１ｃ１を介して第一ポート３１ｄから酸素系排出配管２１ｂに導出される。

また、このとき、第二流体制御弁３ｂにおいては、接続路３３ｆによって第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とが接続しているため、第一流体室３１ｃ１の空気の圧力と第二流体室３１ｃ２の空気の圧力とがおよそ同一となっている。よって、第一流体室３１ｃ１の空気の圧力と第二流体室３１ｃ２の空気の圧力との差によって弁体３３に作用する作用力がおよそゼロである。したがって、弁体３３には、第二流体室３１ｃ２側から第一流体室３１ｃ１側に向けてスプリング３４の付勢力が作用している。

このような状態において、第二流体制御弁３ｂより下流側の所定部位（例えば車両のマフラー）における圧力損失が比較的大きい場合、空気の流量が多くなるにしたがって、酸素系排出配管２１ｂひいては第二流体制御弁３ｂにおける第一ポート３１ｄおよび第一流体室３１ｃ１の空気の圧力が高くなる。

この場合、空気の流量が所定流量以上となったとき、弁体３３に対して、第一流体室３１ｃ１側から第二流体室３１ｃ２側に向けた力がスプリング３４の付勢力に抗して作用するため、弁体３３（連結部）とバルブシャフト３２ｃとのスキマや駆動装置３２の各構成要素間のスキマによって、弁体３３が、図８に一点鎖線にて示すように、ねらいの移動量から、これらのスキマの量だけ上方に変位した状態になることが考えられる。さらにこの場合において、空気の流量が所定流量付近にて変動する場合、弁体３３の位置が第一方向に沿って変動することが考えられる。弁体３３の位置がねらいの移動量と異なる場合、第二流体制御弁３ｂの調圧性能が低下する。

これに対して、第二流体制御弁３ｂは、接続路３３ｆによって第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とが接続しているため、第一流体室３１ｃ１の空気の圧力の変化に応じて、第二流体室３１ｃ２の空気の圧力が第一流体室３１ｃ１の圧力と同じとなるように変化する。これにより、上述したように、第一ポート３１ｄ、第一流体室３１ｃ１および第二流体室３１ｃ２の各部位における空気の圧力によって弁体３３に作用する力（第一作用力と第二作用力との合力）がおよそゼロになるため、弁体３３には、第二流体室３１ｃ２側から第一流体室３１ｃ１側に向けてスプリング３４の付勢力のみが作用する。したがって、第二流体制御弁３ｂより下流側の所定部位における圧力損失が比較的大きい場合においても、第二流体制御弁３ｂにおいて、上述した弁体３３の移動または変動の発生が抑制される。

また、各流体制御弁３ａ，３ｂにおいて、弁体３３が第二位置Ｐ２に位置することにより第二弁座３１ｈと弁体３３とが接触する第二閉弁状態である場合、接続路３３ｆおよび第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆとの間の空気の流通が規制される。よって、この場合、第一流体制御弁３ａにおいて、酸素系供給配管２１ａから第一ポート３１ｄに導入された空気は、第一流体室３１ｃ１を介して第二ポート３１ｅから燃料電池６に向けてのみ導出される。一方、この場合、第二流体制御弁３ｂにおいて、燃料電池６から第二ポート３１ｅに導入された空気は、第一流体室３１ｃ１を介して第一ポート３１ｄから酸素系排出配管２１ｂに導出される。

なお、この場合、第二閉弁状態から第二弁座３１ｈと弁体３３とを離して開弁状態とする力である第二開弁力は、スプリング３４による第一流体室３１ｃ１側への付勢力、バルブシャフト３２ｃとシャフトリテーナ部３１ｉとの間などの摺動抵抗によって弁体３３に作用する力、および、第三ポート３１ｆの空気の圧力と第一流体室３１ｃ１との差圧によって弁体３３に作用する力の合力となる。

第二弁座３１ｈと弁体３３とが第二閉弁状態から開弁状態にされる場合、制御装置９からの制御指令によって、駆動装置３２が他方向に駆動されることにより、バルブシャフト３２ｃひいては弁体３３が第二位置Ｐ２から第一方向に沿って下方に移動する。

また、第一シール部３３ｃと第一弁座３１ｇとの間、または、第二シール部３３ｄと第二弁座３１ｈとの間において、平行度の精度にばらつきがあった場合において、弁体３３が第一位置Ｐ１または第二位置Ｐ２に位置するとき、弁体３３は、バルブシャフト３２ｃに対して隙間εの分だけ傾斜する。これにより、第一シール部３３ｃと第一弁座３１ｇとの間、または、第二シール部３３ｄと第二弁座３１ｈとの間のシール性が確保される。

本実施形態によれば、バルブモジュール１は、燃料電池システムＦの外部から供給された空気を利用し、利用した空気を排出する装置である燃料電池６に接続され、空気の供給および排出の制御を行う。バルブモジュール１は、燃料電池システムＦの外部からの空気を燃料電池６に向けて供給する第一流体制御弁３ａと、燃料電池６によって利用された空気を外部に向けて排出する第二流体制御弁３ｂと、第一流体制御弁３ａと第二流体制御弁３ｂとを接続するバイパス配管４と、を備えている。第一流体制御弁３ａは、燃料電池システムＦの外部から供給された空気を導入して燃料電池６に向けて空気を導出する流路である第一流路３ａ１と、燃料電池システムＦの外部から供給された空気を導入してバイパス配管４に向けて空気を導出する流路である第二流路３ａ２と、を備え、第二流路３ａ２の空気の流量を調整することにより、第一流路３ａ１の空気の流量を制御する三方弁である。第二流体制御弁３ｂは、燃料電池６から排出された空気を導入して外部に向けて空気を導出する流路である第三流路３ｂ１と、第一流体制御弁３ａからバイパス配管４を介して供給された空気を導入して外部に向けて空気を排出する流路である第四流路３ｂ２と、を備え、第三流路３ｂ１の空気の流量を調整することにより、燃料電池６内の空気の圧力または燃料電池６内の空気の流量を制御する三方弁である。

これによれば、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂは、共に三方弁である。また、バイパス配管４は、第一流体制御弁３ａと第二流体制御弁３ｂとを接続している。よって、従来技術のようにバイパス配管４が第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂの一方と配管部材とを接続している場合に比べて、バイパス配管４と配管部材とを接続する接続部材が不要であるため、部品点数を低減することができる。したがって、本発明のバルブモジュール１は、従来技術のように弁の種類が互いに異なる複数の流体制御弁を備える場合に比べて、低コスト化を図ることができる。

また、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂは、空気を流通させる弁室３１ｃを内側に設けられたハウジング３１と、弁室３１ｃに配置され、第一位置Ｐ１と第一位置Ｐ１と異なる第二位置Ｐ２との間を第一方向に沿って移動可能に設けられた弁体３３と、弁体３３を移動させるように駆動する駆動装置３２と、弁体３３が第一方向に沿って貫通するように配置され、弁体３３の移動に応じて撓む膜状に設けられるとともに、弁室３１ｃを第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とに区画するように配置されたダイヤフラム３５と、第一流体室３１ｃ１に接続する第一ポート３１ｄおよび第二ポート３１ｅと、第一流体室３１ｃ１に設けられ、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合、弁体３３と接触することにより、第一ポート３１ｄと第一流体室３１ｃ１との間の空気の流れを規制する第一弁座３１ｇと、弁体３３に設けられ、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置する場合に第一ポート３１ｄと第二流体室３１ｃ２とを接続し、弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合に第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とを接続する接続路３３ｆと、第二流体室３１ｃ２に接続する第三ポート３１ｆと、第二流体室３１ｃ２に設けられ、弁体３３が第二位置Ｐ２に位置する場合、弁体３３と接触することにより、接続路３３ｆおよび第二流体室３１ｃ２と第三ポート３１ｆとの間の空気の流れを規制する第二弁座３１ｈと、を備えている。第一流路３ａ１は、第一ポート３１ｄから空気を導入して、第二ポート３１ｅから空気を導出する流路である。第二流路３ａ２は、第一ポート３１ｄから空気を導入して、接続路３３ｆを介して第三ポート３１ｆから空気を導出する流路である。第三流路３ｂ１は、第二ポート３１ｅから空気を導入して、第一ポート３１ｄから空気を導出する流路である。第四流路３ｂ２は、第三ポート３１ｆから空気を導入して、接続路３３ｆを介して第一ポート３１ｄから空気を導出する流路である。

これによれば、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂにおいて、弁体３３が第一位置Ｐ１に位置することにより第一弁座３１ｇと弁体３３とが接触している第一閉弁状態である場合、弁体３３に設けられた接続路３３ｆによって、第一ポート３１ｄと第二流体室３１ｃ２とが接続される。このため、第一ポート３１ｄの空気の圧力と第一流体室３１ｃ１の空気の圧力との差圧によって弁体３３に作用する力が、第二流体室３１ｃ２の空気の圧力と第一流体室３１ｃ１の空気の圧力との差圧よって弁体３３に作用する力よって抑制される。よって、この場合、閉弁状態から第一弁座３１ｇと弁体３３とを離して開弁状態とする力である開弁力（第一開弁力）を抑制することができる。

また、第二流体制御弁３ｂにおいて、弁体３３が第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間に位置する場合、接続路３３ｆによって第一流体室３１ｃ１と第二流体室３１ｃ２とが接続されている。このような状態において、上述したように第一流体室３１ｃ１の空気の圧力が高くなることにより、弁体３３の移動または変動が発生することが考えられる。これに対して、接続路３３ｆによって第一流体室３１ｃ１の圧力の変化に応じて第二流体室３１ｃ２の圧力が第一流体室３１ｃ１の圧力と同じとなるように変化するため、上述したように、弁体３３の移動または変動の発生が抑制される。

バルブモジュール１が適用される流体利用装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池６である。燃料ガスは、水素ガスである。また、流体は、酸化剤ガスである空気である。
これによれば、バルブモジュール１が燃料電池６に適用される場合においても、バルブモジュール１は、上述した効果と同様の効果を有する。

なお、上述した実施形態において、バルブモジュールの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、本発明のバルブモジュール１は、燃料電池システムＦに使用されているが、燃料供給系システムあるいは油圧ブレーキシステムといった、車両用のバルブモジュールとして広範囲に使用することが可能である。また、本発明のバルブモジュール１は、家庭用機器もしくは一般産業機械用のバルブモジュールとしても使用することが可能である。

また、上述した実施形態において、バルブモジュール１と燃料電池６とが各接続配管２１ｃ，２１ｄを介して接続されているが、これに代えて、各接続配管２１ｃ，２１ｄを廃止して、バルブモジュール１と燃料電池６とを直接接続するようにしても良い。また、酸素系排出配管２１ｂを、バルブモジュール１の構成部材としても良い。

また、上述した実施形態において、第二流体制御弁３ｂは、燃料電池６内の空気の圧力を制御しているが、これに代えて、燃料電池６内の空気の流量を制御するようにしても良い。

また、上述した実施形態において、第一受圧部３３ｇの有効受圧面積と第二受圧部３５ｂの有効受圧面積とが同一となるように設定されているが、これに代えて、第一受圧部３３ｇの有効受圧面積と第二受圧部３５ｂの有効受圧面積とが異なるように設定しても良い。例えば、第一受圧部３３ｇの有効受圧面積より第二受圧部３５ｂの有効受圧面積を大きく設定した場合、第一開弁力を大きくすることができる。

また、上述した実施形態において、シャフト取付部３３ｂおよびダイヤフラム保持部３３ｅは、金属材料によって形成されているが、これに代えて、合成樹脂材料によって形成するようにしても良い。また、この場合、シャフト取付部３３ｂおよびダイヤフラム保持部３３ｅと本体部３３ａとの結合を、溶着によって行うようにしても良い。

また、上述した実施形態において、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂは、図２乃至図５に示す流体制御弁３を用いているが、これに代えて、第一流体制御弁３ａおよび第二流体制御弁３ｂの少なくとも一方を、図９に示す流体制御弁１３を用いるようにしても良い。

以下、本変形例の流体制御弁１３について、上述した実施形態の流体制御弁３と異なる部分を主として説明する。本変形例の流体制御弁１３は、上述した実施形態の流体制御弁３のダイヤフラム３５を備えていない。また、本変形例の流体制御弁１３は、上述した流体制御弁３の弁体３３に代えて、弁体１３３を備えている。

弁体１３３は、シャフト取付部１３３ｂ、第一シール部１３３ｃおよび第二シール部１３３ｄを備えている。各シール部１３３ｃ，１３３ｄは、上述した実施形態のシール部３３ｃ，３３ｄと同様に設けられている。

シャフト取付部１３３ｂは、上述した実施形態のシャフト取付部３３ｂと同様に、バルブシャフト３２ｃに取り付けられる部位である。また、シャフト取付部１３３ｂは、上述した実施形態のシャフト取付部３３ｂの大径部３３ｂ３および鍔部３３ｂ４に代えて、鍔部１３３ｂ５を備えている。

鍔部１３３ｂ５は、中径部１３３ｂ２の上端部から径方向外側に向けて全周に亘って突出するように形成されている。鍔部１３３ｂ５の外周縁部には、第一シール部１３３ｃが配置されている。鍔部１３３ｂ５の上側面には、第二シール部１３３ｄが配置されている。

本変形例の流体制御弁１３を第一流体制御弁３ａとしてバルブモジュール１に適用する場合、第二ポート１３１ｅと酸素系供給配管２１ａの第二端とが接続され、かつ、第一ポート１３１ｄと第一接続配管２１ｃとが接続される。すなわち、この場合、第一流路３ａ１は、第二ポート１３１ｅと第一ポート１３１ｄとを接続する流路である。また、第二流路３ａ２は、第二ポート１３１ｅと第三ポート１３１ｆとを接続する流路である。

また、本変形例の流体制御弁１３を第二流体制御弁３ｂとしてバルブモジュール１に適用する場合、第一ポート１３１ｄと第二接続配管２１ｄとを接続し、かつ、第二ポート１３１ｅと酸素系排出配管２１ｂの第一端とを接続する。すなわち、この場合、第三流路３ｂ１は、第一ポート１３１ｄと第二ポート１３１ｅとを接続する流路である。また、第四流路３ｂ２は、第三ポート１３１ｆと第二ポート１３１ｅとを接続する流路である。

また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、流体制御弁３におけるハウジング３１の形状、弁体３３，１３３の各構成要素の形状および材質、ダイヤフラム３５の形状を変更や、各流体制御弁３ａ，３ｂの燃料電池６への取付位置および取付方向するようにしても良い。

１…バルブモジュール、３ａ…第一流体制御弁、３ａ１…第一流路、３ａ２…第二流路、３ｂ…第二流体制御弁、３ｂ１…第三流路、３ｂ２…第四流路、４…バイパス配管、６…燃料電池、２１ｃ…バイパス配管、３１…ハウジング、３１ｃ…弁室、３１ｃ１…第一流体室、３１ｃ２…第二流体室、３１ｄ…第一ポート、３１ｅ…第二ポート、３１ｆ…第三ポート、３１ｇ…第一弁座、３１ｈ…第二弁座、３２…駆動装置、３３…弁体、３３ｃ…第一シール部、３３ｄ…第二シール部、３３ｆ…接続路、３５…ダイヤフラム、Ｆ…燃料電池システム、Ｐ１…第一位置、Ｐ２…第二位置。

Claims (3)

1. 供給源から供給された流体を利用し、利用した前記流体を排出する装置である流体利用装置に接続され、前記流体の供給および排出の制御を行うバルブモジュールであって、
   前記供給源からの前記流体を前記流体利用装置に向けて供給する第一流体制御弁と、
   前記流体利用装置によって利用された前記流体を外部に向けて排出する第二流体制御弁と、
   前記第一流体制御弁と前記第二流体制御弁とを接続するバイパス配管と、を備え、
   前記第一流体制御弁は、
   前記供給源から供給された前記流体を導入して前記流体利用装置に向けて前記流体を導出する流路である第一流路と、前記供給源から供給された前記流体を導入して前記バイパス配管に向けて前記流体を導出する流路である第二流路と、を備え、前記第二流路の前記流体の流量を調整することにより、前記第一流路の前記流体の流量を制御する三方弁であり、
   前記第二流体制御弁は、
   前記流体利用装置から排出された前記流体を導入して外部に向けて前記流体を導出する流路である第三流路と、前記第一流体制御弁から前記バイパス配管を介して供給された前記流体を導入して前記外部に向けて前記流体を排出する流路である第四流路と、を備え、前記第三流路の前記流体の流量を調整することにより、前記流体利用装置内の前記流体の圧力または前記流体利用装置内の前記流体の流量を制御する三方弁であるバルブモジュール。
2. 前記第一流体制御弁および前記第二流体制御弁は、
   前記流体を流通させる弁室を内側に設けられたハウジングと、
   前記弁室に配置され、第一位置と前記第一位置と異なる第二位置との間を第一方向に沿って移動可能に設けられた弁体と、
   前記弁体を移動させるように駆動する駆動装置と、
   前記弁体が前記第一方向に沿って貫通するように配置され、前記弁体の移動に応じて撓む膜状に設けられるとともに、前記弁室を第一流体室と第二流体室とに区画するように配置されたダイヤフラムと、
   前記第一流体室に接続する第一ポートおよび第二ポートと、
   前記第一流体室に設けられ、前記弁体が前記第一位置に位置する場合、前記弁体と接触することにより、前記第一ポートと前記第一流体室との間の前記流体の流れを規制する第一弁座と、
   前記弁体に設けられ、前記弁体が前記第一位置に位置する場合に前記第一ポートと前記第二流体室とを接続し、前記弁体が前記第二位置に位置する場合に前記第一流体室と前記第二流体室とを接続する接続路と、
   前記第二流体室に接続する第三ポートと、
   前記第二流体室に設けられ、前記弁体が前記第二位置に位置する場合、前記弁体と接触することにより、前記接続路および前記第二流体室と前記第三ポートとの間の前記流体の流れを規制する第二弁座と、を備え、
   前記第一流路は、前記第一ポートから前記流体を導入して、前記第二ポートから前記流体を導出する流路であり、
   前記第二流路は、前記第一ポートから前記流体を導入して、前記接続路を介して前記第三ポートから前記流体を導出する流路であり、
   前記第三流路は、前記第二ポートから前記流体を導入して、前記第一ポートから前記流体を導出する流路であり、
   前記第四流路は、前記第三ポートから前記流体を導入して、前記接続路を介して前記第一ポートから前記流体を導出する流路である請求項１に記載のバルブモジュール。
3. 前記流体利用装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池であり、
   前記流体は、前記酸化剤ガスである請求項１または請求項２に記載のバルブモジュール。

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