JP4147132B2 - 燃料電池用電磁弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池から反応ガスを排気する燃料電池用電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
ところで、本出願人は、この種の燃料電池装置に関し、低温状況下においても安定且つ円滑に開閉動作を遂行して反応ガスを外部へと好適に排気することが可能な燃料電池用電磁弁を提案している（特願２００２−３４７１５６号）。
【０００５】
なお、本発明に関連する文献公知発明としては、燃料電池システムを構成する水素戻しラインに対し、制御部によって開閉制御可能な逆止弁を設け、水素パージ中における余剰水素の再循環および新規水素の外部放出を防止し、確実な水素パージの実施と新規水素の無駄防止を図ることが可能な燃料電池システムが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（第３頁左欄）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記提案に関連してなされたものであり、反応ガスを外部に排気する電磁弁において、ダイヤフラムに付与される圧力を低減して前記ダイヤフラムの耐久性を向上させ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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池から反応ガスを排気する燃料電池用電磁弁において、
前記反応ガスが導入される第１ポートと、前記第１ポートから導入された反応ガスが排気される第２ポートとを有する本体部と、
前記本体部と連結されるケーシ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励磁作用下に軸線方向に沿って変位するシャフトと、
前記ケーシングに連結される前記本体部の内部に配設され、前記シャフトの一端部に係合される弁体と、
前記弁体が前記シャフトの変位作用下に着座・離間する弁座と、
前記シャフトに係着されて該シャフトの変位動作に伴って撓曲するダイヤフラムと、
前記第１ポートに配設され、導入される反応ガスの流量を絞るオリフィスが形成された絞り部材と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、反応ガスが導入される第１ポートに、前記反応ガスの流量を絞るオリフィスが形成された絞り部材を設けることにより、第２ポート側に向かって流通する反応ガスの流量が絞られて減圧され、前記反応ガスの流通路に設けられたダイヤフラムに対する荷重を低減させることができる。従って、ダイヤフラムの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、フィルタの上流側に設けられた前記絞り部材によって、反応ガス中に含有される余分な加湿水分がフィルタ側に導入されることが抑制されるため、該フィルタが目詰まりすることを低減することができる。
【００１１】
さらに、基布を薄肉の弾性材料によって被覆して形成されたダイヤフラムを用いることにより、前記絞り部材による絞り作用と共働してより一層ダイヤフラムの耐久性が向上する。
【００１２】
この場合、ダイヤフラムの略中央が、シャフトの段差部と、前記シャフトの拡径部に圧入される圧入固定部材とによって挟持されることによりシール性が発揮され、反応ガスがソレノイド部側に向かって漏出することを阻止することができる。
【００１３】
さらにまた、弁体をソレノイド部の軸線と同軸上で前記本体部の内部に設けることにより、前記弁体を介して本体部の内部に導入される反応ガスに含有される塵埃がダイヤフラムによってソレノイド部の内部に進入することを防止することができる。
【００１４】
またさらに、本体部内において弁体を、ダイヤフラムに対して前記第１ポートから前記第２ポートへと流通する反応ガスの上流側となる位置に設けることによって、前記ダイヤフラムが前記弁体より低圧に配設されるため、該ダイヤフラムに付勢される圧力の影響を抑制することができる。そのため、可動コアを介してシャフトを変位させるソレノイド部を小型化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁１０が含まれる燃料電池システム２００の構成図である。なお、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。まず、前記燃料電池システム２００の構成について説明する。
【００１６】
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を複数枚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、または、水素、エアー中の余剰水素を総称するものとする。
【００１７】
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とが設けられる。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、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
前記水素供給口２１４には、水素供給用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。
【００２１】
酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないエアーコンプレッサ（圧縮機）およ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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と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。
【００２５】
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、前記エアー排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じてエアーが大気中に排気される。
【００２６】
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。
【００２７】
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、前記圧力制御部２２４の出口側圧力である２次側圧力を所定範囲の圧力に設定している。
【００２８】
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で混合された燃料およ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。
【００２９】
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。
【００３０】
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と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。
【００３１】
燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して前記燃料電池スタック２０２の内部で余剰した水素を外部へと排気する水素排出部２１６が接続される。前記水素排出部２１６には、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、前記燃料電池スタック２０２の内部の水素を外部へと排気する燃料電池用電磁弁１０が設けられ、前記燃料電池用電磁弁１０より反応ガスが排気される。
【００３２】
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電磁弁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。
【００３３】
この燃料電池用電磁弁１０は、図３〜図５に示されるように、水素（反応ガス）が導入される第１ポート１６と、前記水素が導出される第２ポート１８とを有する本体部１１と、前記本体部１１の下部に一体的に連結され、金属製材料からなる薄板材によって形成されるケーシング１２と、前記ケーシング１２の内部に配設されるソレノイド部１４と、前記ソレノイド部１４の励磁作用下に第１ポート１６と第２ポート１８との連通状態を切り換える弁機構部２４とを有する。
【００３４】
本体部１１は、前記ケーシング１２の上部に一体的に連結され、水素が導入される第１ポート１６が側面に形成される第１バルブボディ２０と、前記第１ポート１６より内部に導入された水素を導出する第２ポート１８を有する第２バルブボディ２２とから構成される。
【００３５】
第１バルブボディ２０は、略中央部に水素が導入される第１連通室１１６と、第１バルブボディ２０の側面に形成され、前記第１連通室１１６の内部に水素を導入する第１ポート１６とを有する。
【００３６】
第１バルブボディ２０の上部には、ねじ部材８２およびワッシャ１１８を介して蓋部材１２０が装着され、第１バルブボディ２０の上部を閉塞している。その際、第１バルブボディ２０の上面の環状溝に装着されるシール部材６０ａによって第１連通室１１６の内部が気密に保持される。
【００３７】
前記蓋部材１２０の下面の略中央部には、下方に向かって突出したストッパ部１２２が形成されている。前記ストッパ部１２２は、後述する弁体１２６が上方に変位した際、前記弁体１２６の上面がストッパ部１２２に当接することによりその変位を阻止する機能を有する。
【００３８】
図３に示されるように、第１通路１２３には、網目状の有底円筒体からなるフィルタ１２４が装着され、前記フィルタ１２４の上流側の第１ポート１６には、第１および第２連通室１１６、８４に向かって供給される水素の流量を絞るオリフィス１２５が形成された絞り部材１２７が装着される。前記絞り部材１２７およびフィルタ１２４は、それぞれ同軸状に直列に配設される。なお、前記フィルタ１２４の網目の開口径は、例えば、１００μｍ以下、好ましくは８０μｍ以下とするとよい。
【００３９】
この場合、前記第１ポート１６にオリフィス１２５を有する絞り部材１２７を配設することにより、第１ポート１６から第２ポート１８側に向かって流通する水素の流量が制限され、第２連通室８４に設けられたダイヤフラム９２に付与される荷重を低減することができる。換言すると、前記第２連通室８４を流通する圧力流体（水素）が減圧されることにより、前記ダイヤフラム９２が許容範囲以上に変形することが阻止され、該ダイヤフラム９２の耐久性を向上させることができる。
【００４０】
前記フィルタ１２４は、第１通路１２３を形成する管体の内周面に沿って圧入され、該フィルタ１２４の拡径端部１２４ａが前記内周面に形成された第１環状段差部１２９ａに突き当たることにより、該フィルタ１２４が位置決めされた状態で第１通路１２３内に係止される（図６参照）。
【００４１】
一方、前記絞り部材１２７は、第１ポート１６を形成する管体の内周面に沿って圧入され、該絞り部材１２７の端部１２７ａが前記内周面に形成された第２環状段差部１２９ｂに突き当たることにより、該絞り部材１２７が第１ポート１６内に位置決めされた状態で係止される（図６参照）。
【００４２】
前記フィルタ１２４の拡径端部１２４ａが第１環状段差部１２９ａによって係止されることにより、該フィルタ１２４が第１通路１２３においてさらに内部側へと変位することが防止される。第１通路１２３の内部にフィルタ１２４を装着することにより、第１連通室１１６の内部に塵埃等が進入することを阻止することができる。
【００４３】
従って、第１ポート１６より燃料電池用電磁弁１０の内部に進入した塵埃等が第１連通室１１６の内部に配設される弁体１２６（後述する）の当接面もしくは後述する弁座１０４の着座部１０６に付着して弁体１２６が着座部１０６に着座した際の気密性が低下することが防止され、前記塵埃等がシャフト４６の摺動部位へと進入することによってシャフト４６の円滑な動作が妨げられることがなく、また、燃料電池用電磁弁１０の第２ポート１８から図示しないチューブを介して燃料電池システム２００における下流側へと塵埃等が流出することが防止される。
【００４４】
さらに、フィルタ１２４の上流側にオリフィス１２５を有する絞り部材１２７を配設することにより、フィルタ１２４側に余分な加湿水分が導入されることが抑制され、該フィルタ１２４が目詰まりすることを低減することができる。
【００４５】
第１ポート１６の外周面には、環状溝を介してシール部材６０ｂが装着されている。前記第１ポート１６に図示しないチューブを装着した際、前記シール部材６０ｂが前記チューブの内周面との間に挟持され、前記チューブの内部を流通する水素の気密性が保持される。
【００４６】
第２バルブボディ２２は、図３および図４に示されるように、第１バルブボディ２０の下部にねじ部材８２およびワッシャ１１８を介して一体的に連結される。また、図３〜図５に示されるように、第２バルブボディ２２には、略中央部に水素が導入される第２連通室８４と、第２バルブボディ２２の側面に形成され、前記第２連通室８４の内部に導入された前記水素が導出される第２ポート１８と、前記第２ポート１８と略直交するように第２バルブボディ２２の側面に形成され（図２参照）、ダイヤフラム９２（後述する）の内部の流体を排気するエア抜きポート８６（図５参照）とが設けられる。
【００４７】
第２ポート１８は、第２バルブボディ２２の側面から半径外方向へと突出するように形成され、その内部に形成される第２通路８８を介して第２連通室８４と連通している。
【００４８】
第２連通室８４には、第２バルブボディ２２とソレノイド部１４のシャフトガイド４０（後述する）との間で挟持されたダイヤフラム９２が設けられる。前記ダイヤフラム９２は、例えば、高強度の基布をニトリルゴム（ＮＢＲ）からなる薄肉のゴム状弾性体によって被覆した二層一体構造によって構成されることにより、耐圧性を向上させることができる。この結果、第２連通室８４に導入される圧力流体の減圧作用と伴ってダイヤフラム９２の耐久性をより一層向上させることができる。
【００４９】
前記ダイヤフラム９２は、シャフト４６（後述する）の段差部５４と該シャフト４６の拡径部４６ａに圧入される圧入固定部材９３とによって挟持される略中央の挟持部９４と、前記挟持部９４より半径外方向へと延在し該シャフト４６の変位作用下に撓曲自在に形成された屈曲部９６と、前記屈曲部９６の外周端に形成される周縁部９８とから構成される（図７参照）。
【００５０】
シャフト４６に形成された段差部５４と、該シャフト４６の拡径部４６ａに圧入される圧入固定部材９３の端部とによって前記ダイヤフラム９２の略中央を挟持することによりシール機能が発揮され、第２連通室８４の気密性を好適に保持し、反応ガスがソレノイド部１４側に漏出することが阻止される。
【００５１】
第２連通室８４の内部には、燃料電池スタック２０２（図１参照）から導入される加湿された水素が水分を含有しているため、第２連通室８４の内部に水分が進入するおそれがある。その際においても、前記水分が前記ダイヤフラム９２によってソレノイド部１４の内部へ進入することが防止されるため、シャフトガイド４０とシャフト４６との間に付着した水分が寒冷地等の低温状況下において凍結することがなく、また前記水分が凍結することによってシャフト４６の円滑な動作が妨げられることがない。
【００５２】
さらに、第２連通室８４の内部の水分が、ダイヤフラム９２によってソレノイド部１４の内部へと進入することが確実に防止されるため、磁性金属製材料からなる可動コア３６と非磁性金属製材料からなるシャフト４６とに錆び等が生じることがなく耐久性を向上させることができる。
【００５３】
さらにまた、シャフト４６がシャフトガイド４０の挿通孔６６の内部を摺動して摩耗粉が発生した際、その摩耗粉等の塵埃がダイヤフラム９２によって第２連通室８４の内部へと進入することが防止される。その結果、前記摩耗粉が第２連通室８４から第２ポート１８を介して燃料電池システム２００（図１参照）における下流側へ流出することがない。
【００５４】
また、ダイヤフラム９２の屈曲部９６とフランジ部６２の上面との間の空間は、第２連通路７４を介して流体通路７０と連通している（図５参照）。
【００５５】
第２バルブボディ２２の上部には、環状凹部１０２を介して断面略ハ字状の弁座１０４が装着され、その周縁部が第１バルブボディ２０の下面との間に挟持されている。その際、弁座１０４の上面の環状溝に装着されたシール部材６０ｃによって第１バルブボディ２０の内部の気密が保持される。
【００５６】
弁座１０４は、上方に向かって段階的に縮径するように形成され、その上端面には、前記弁体１２６が着座する着座部１０６が略水平に形成されている。
【００５７】
また、前記環状凹部１０２の下面には、環状溝を介してシール部材６０ｄが装着され、弁座１０４の下面が当接することにより弁座１０４の内部と連通する第２連通室８４の内部の気密を保持している。
【００５８】
さらに、前記着座部１０６は、その上面が第１ポート１６の第１通路１２３における内周面の下側よりも上側となるように設けられている。
【００５９】
そして、燃料電池スタック２０２（図１参照）から第１連通室１１６の内部に導入される水素は、加湿されているため水分が含有されており、前記水分が第１連通室１１６の内部に溜まるおそれがある。その際、第１連通室１１６の内部に溜まった前記水分の水面位置は、第１通路１２３における下側の内周面と略同一高さとなる。換言すると、第１連通室１１６の内部に溜まった水分が、着座部１０６に着座する弁体１２６と接触することがない。
【００６０】
そのため、寒冷地等の低温状況下に前記水分が第１連通室１１６の内部で仮に凍結した場合であっても、前記弁体１２６および着座部１０６が前記水分によって凍結することがなく、低温状況下においてもシャフト４６の変位作用下に確実に弁体１２６を変位させることができる。
【００６１】
一方、図５に示されるように、第２バルブボディ２２の側面に形成されるエア抜きポート８６には、図示しないチューブが接続される継手部材１０８が外部より装着されている。
【００６２】
エア抜きポート８６の内部には、前記エア抜きポート８６と略直交し、かつフランジ部６２に形成される第１連通路７２と対向する位置に第３連通路１１０が形成される。前記第３連通路１１０は第１連通路７２と連通するように形成されている。
【００６３】
すなわち、ダイヤフラム９２の屈曲部９６とフランジ部６２の上面との間の空間は、第２連通路７４、流体通路７０、第１連通路７２および第３連通路１１０を介して継手部材１０８の内部と連通している。
【００６４】
継手部材１０８は金属製材料からなり、エア抜きポート８６に装着される接続部１１２が略水平に形成されるとともに、前記接続部１１２より上方に向かって所定角度傾斜するように傾斜部１１４が形成されている。継手部材１０８は、その内部に形成される通路１１５を介してエア抜きポート８６と連通している。なお、前記継手部材１０８は、前記傾斜部１１４に接続される図示しないチューブを介して大気開放されている。
【００６５】
そして、図３〜図５に示されるように、ソレノイド部１４のコイル３２に電流が供給されて該コイル３２が励磁状態になる際に前記コイル３２が発熱する。その場合、ダイヤフラム９２の屈曲部９６とフランジ部６２の上面との間に画成される空間の内部の流体がコイル３２の発熱作用下に温度上昇して膨張し、その体積が増大する。
【００６６】
その際、前記空間は、第２連通路７４、流体通路７０、第１および第３連通路７２、１１０、継手部材１０８を介して大気と連通しているため、前記空間の内部で膨張した流体が外部へと排気される。
【００６７】
その結果、空間の内部で膨張した流体の圧力作用下にダイヤフラム９２が上方へと変位し、それに伴ってシャフト４６が上方へと変位することにより弁体１２６が着座部１０６から離間して弁開状態となることを防止することができる。
【００６８】
断面略コ字状に形成される磁性金属製材料からなるケーシング１２は、第２バルブボディ２２の下部に一体的に連結され、その略中央部には下方に向かって所定長だけ突出した薄肉円筒部２６が設けられている。そして、前記薄肉円筒部２６の内周径は、後述する可動コア３６の外周径よりも大きく形成される。この場合、前記可動コア３６がソレノイド部１４の励磁作用下に変位する際、前記可動コア３６が薄肉円筒部２６の内部を軸線方向に沿って変位可能な直径に形成されている。
【００６９】
すなわち、ケーシング１２の内部を軸線方向に沿って変位する可動コア３６の直径に対応した薄肉円筒部２６のみを下方に突出させることにより、前記ケーシング１２全体を下方に突出させた場合と比較して小型化することができる。
【００７０】
また、薄肉円筒部２６の内部には、その略中央部に上方に向かって突出したばねガイド部２８が形成されている。前記ばねガイド部２８には、後述する第１ばね部材４２の一端部が係着される。
【００７１】
さらに、ケーシング１２の側面には、図示しない電源よりソレノイド部１４に電流を供給するための図示しないリード線が接続されるコネクタ部３０（図２および図５参照）が設けられている。
【００７２】
ソレノイド部１４は、前記ケーシング１２の内部に配設され、コイル３２が巻回されたボビン３４と、前記コイル３２の励磁作用下に軸線方向に沿って変位自在に設けられる円筒状の可動コア３６と、前記コイル３２が巻回されたボビン３４を囲繞するカバー部材３８と、前記ケーシング１２の上端部を閉塞するように配設されるシャフトガイド４０と、前記可動コア３６とケーシング１２のばねガイド部２８との間に介装され、前記可動コア３６を前記薄肉円筒部２６から離間する方向に付勢する第１ばね部材４２とからなる。
【００７３】
ボビン３４の下面が、ケーシング１２の下部に載置されるように配設されるとともに、前記ボビン３４の内周径は、ケーシング１２における薄肉円筒部２６の内周径と略同等となるように形成されている。
【００７４】
ボビン３４の内部には、磁性金属製材料からなる円筒状の可動コア３６が軸線方向に沿って挿通自在に設けられている。そして、可動コア３６の外周面は、ボビン３４の内周面と所定間隔離間するように設けられている。すなわち、可動コア３６が軸線方向に沿って変位する際、該可動コア３６の外周面がボビン３４の内周面に接触することがなく摩耗が防止される。
【００７５】
そして、可動コア３６の略中央部には、軸線方向に沿って形成された貫通孔４４を介して長尺なシャフト４６の一端部が挿通されている。
【００７６】
前記シャフト４６は、その一端部側に形成され、可動コア３６の内部に挿通される第１軸部４８と、他端部側に形成され、弁体１２６に係合される第２軸部５０と、前記第１軸部４８と第２軸部５０との間に形成され、シャフトガイド４０の内部を挿通する第３軸部５２とからなる。そして、第３軸部５２と第２軸部５０との間には、段差部５４を介して拡径部４６ａが形成されている。なお、シャフト４６の直径は、第２軸部５０、第１軸部４８、第３軸部５２の順番に大きくなるように形成されている。
【００７７】
なお、前記貫通孔４４の内周径は、該貫通孔４４の内部に挿通される第１軸部４８の軸径よりも若干大きく形成されている。そのため、シャフト４６に対して可動コア３６を組み付ける際、前記可動コア３６の貫通孔４４を第１軸部４８へと挿通し、該可動コア３６の上端面を第３軸部５２の下面に当接させる。
【００７８】
そして、ばね受孔５６とばねガイド部２８との間に第１ばね部材４２を介装することにより、前記可動コア３６の上端面が第１ばね部材４２のばね力によってシャフト４６の第３軸部５２の下面へと押圧された状態で組み付けられる。すなわち、可動コア３６をシャフト４６に対して簡便に組み付けることができる。
【００７９】
また、シャフト４６の外周面には、フッ素コーティングが施されている。その結果、前記シャフト４６が変位する際、前記第３軸部５２が摺動するシャフトガイド４０の挿通孔６６との摺動抵抗が低減するため、シャフト４６およびシャフトガイド４０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４６が前記挿通孔６６の内部を摺動する際に発生する摩耗粉の発生を抑制することができる。
【００８０】
さらに、シャフト４６の外周面に施された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４６の外周面に水分が付着することがなくシャフト４６の錆びを防止し、前記シャフト４６の耐久性を向上させることができる。
【００８１】
一方、可動コア３６の貫通孔４４の下方には、ケーシング１２のばねガイド部２８と対向する位置にばね受孔５６が形成されている。前記ばね受孔５６は、貫通孔４４より半径外方向に拡径し、下方に向かって徐々に拡径するテーパ状に形成される。前記ばね受孔５６には、ケーシング１２のばねガイド部２８に係着される第１ばね部材４２の他端部側が係着されている。
【００８２】
また、可動コア３６の上部には、その略中央部に所定長だけ突出した凸部５８が形成されている。
【００８３】
カバー部材３８は樹脂製材料からなり、その上部側がボビン３４の上部とシャフトガイド４０との間に挟持され、その下部側がケーシング１２とボビン３４の下部との間に挟持され、そして、その外周側がボビン３４とケーシング１２の内周面との間に挟持されている。そのため、カバー部材３８によってコイル３２が巻回されたボビン３４が囲繞される。
【００８４】
また、カバー部材３８の下面には、環状溝を介してシール部材６０ｅが装着され、そのシール部材６０ｅがケーシング１２に当接することにより前記ケーシング１２の内部の気密が保持されるとともに、カバー部材３８の上部側の内周側端部とシャフトガイド４０のフランジ部６２との間に装着されるシール部材６０ｆによってケーシング１２の内部の気密を保持している。
【００８５】
シャフトガイド４０は、磁性金属製材料により断面略Ｔ字状に形成され、その上部側に半径外方向に拡径して形成されるフランジ部６２によってケーシング１２の上部を閉塞するように配設されている。また、前記フランジ部６２の下方側には、前記フランジ部６２より半径内方向に縮径したガイド部６４が形成され、前記ガイド部６４はボビン３４の内部に挿入されている。
【００８６】
前記シャフトガイド４０の略中央部には、軸線方向に沿って形成される挿通孔６６を介してシャフト４６の第３軸部５２が変位自在にガイドされている。
【００８７】
その際、第３軸部５２の外周面と挿通孔６６の内周面との間に画成されるクリアランスを微小（例えば、１０〜５０μｍの範囲内とする。なお、１０μｍ未満でシャフト４６の作動限界となる。）とすることにより、一層確実にシャフト４６を軸線方向に沿って変位させることができる。そのため、弁体１２６を着座部１０６に対してより一層確実に着座させることができるとともに、前記弁体１２６の着座部１０６への着座位置を安定させることができる。これにより、弁体１２６の低温状況下における再着座性を良好とすることができる。
【００８８】
また、前記シャフトガイド４０の下面には、前記可動コア３６の凸部５８に対向する位置に凹部６８が形成されている。前記凹部６８の軸線方向に沿った高さは、前記凸部５８の軸線方向に沿った高さと略同等もしくは若干高くなるように形成されている。そして、前記凹部６８の直径を凸部５８の直径よりも大きく形成することにより、可動コア３６の上方への変位作用下に凸部５８が凹部６８へと挿入される。
【００８９】
フランジ部６２の内部には、図５に示されるように、その側面から半径内方向に向かって略水平方向に延在する流体通路７０が形成されている。
【００９０】
また、フランジ部６２の外周側には、前記流体通路７０と略直交するように第１連通路７２が上方へ向かって形成されるとともに、内周には、前記流体通路７０と略直交するように第２連通路７４が上方に向かって形成されている。そして前記第１および第２連通路７２、７４は、それぞれ流体通路７０と連通している。
【００９１】
前記流体通路７０には、フランジ部６２の外周側より球状の閉塞プラグ７６が内部へと圧入されている。すなわち、前記閉塞プラグ７６の直径は、前記流体通路７０の直径よりも若干大きく形成されているため、前記閉塞プラグ７６を流体通路７０の内部へと圧入することによって流体通路７０の外部との連通状態が遮断され、流体が前記流体通路７０を介してフランジ部６２の側面から外部へと漏出することが防止される。なお、前記閉塞プラグ７６は、流体通路７０において第１連通路７２よりフランジ部６２の外周側に圧入される。
【００９２】
また、フランジ部６２には、軸線方向に沿って貫通した孔部７８ａが形成され、前記孔部７８ａには円柱状の係止ピン８０が装着されている。そして、前記孔部７８ａに装着された前記係止ピン８０の上部が、第１バルブボディ２０の下面に形成される孔部７８ｂに挿入される。その結果、フランジ部６２に対する第１バルブボディ２０の位置決めが確実に行われる。
【００９３】
弁機構部２４は、第２バルブボディ２２の第１連通室１１６の内部に配設され、シャフト４６の軸線方向に沿った変位作用下に変位する弁体１２６と、前記弁体１２６の上面と蓋部材１２０との間に介装される第２ばね部材１２８とからなる。なお、第２ばね部材１２８は、弁体１２６を蓋部材１２０から離間する方向に付勢するとともに、蓋部材１２０の下面から弁体１２６に向かって徐々に縮径するテーパ状に形成されている。
【００９４】
弁体１２６には、その下面の着座部１０６と対向する位置に所定深さだけ窪んだ第１溝部１３０が形成され、前記第１溝部１３０には弾性材料から環状に形成される第１弾性部材１３２が装着されている。第１弾性部材１３２に採用される弾性材料は、低温状況下（例えば、氷点下２０℃）においてもその弾性特性が保持される。
【００９５】
そして、弁体１２６がシャフト４６の変位作用下に下方へと変位し、第１弾性部材１３２が着座部１０６に着座した際、第１弾性部材１３２が弾性材料で形成されているため、着座部１０６に着座して確実にシールすることができる。なお、前記第１弾性部材１３２は、寒冷地等の低温状況下においてもその弾性機能が低下することがないため、低温状況下においても確実にシールすることができる。
【００９６】
また、弁体１２６の上面の略中央部には、所定深さだけ窪んだ第２溝部１３４を介して弾性材料からなる第２弾性部材１３６が装着される。
【００９７】
すなわち、シャフト４６の変位作用下に弁体１２６が上方へと変位した際、前記弁体１２６の上面に設けられた第２弾性部材１３６がストッパ部１２２に当接することにより、該第２弾性部材１３６によって弁体１２６が当接した際の衝撃を緩和し、弁体１２６がストッパ部１２２に当接した際に発生する衝撃音を低減することができる。換言すると、第２弾性部材１３６は、弁体１２６がストッパ部１２２に当接した際の衝撃を吸収するアブソーバ機能を有している。
【００９８】
さらに、前記第１および第２弾性部材１３２、１３６は、それぞれ弁体１２６の下面および上面から軸線方向に若干突出するように設けられている。すなわち、第１弾性部材１３２を所定長だけ下面から突出させることにより、一層確実に着座部１０６に着座させてシールすることができる。なお、第１弾性部材１３２を予め下面から突出するように成形した後、切削等の後加工によって着座部１０６に着座する第１弾性部材１３２の当接面を略平面状となるように加工してもよい。
【００９９】
すなわち、弾性材料により成形された第１弾性部材１３２の当接面の状態にかかわらず、後加工によって前記当接面を略平面状とすることにより、略平面状に加工された当接面によって一層確実にシールすることができる。そのため、第１弾性部材１３２の当接面が着座部１０６に確実に着座し、第１連通室１１６の内部を流通する水素の漏出を防止することができる。
【０１００】
一方、第１弾性部材１３２の着座部１０６との当接面および第２弾性部材１３６のストッパ部１２２との当接面には、フッ素コーティングが施されている。すなわち、弾性材料からなる第１および第２弾性部材１３２、１３６の表面にフッ素コーティングを施すことにより、その変位作用下に第１および第２弾性部材１３２、１３６の当接面がそれぞれストッパ部１２２および着座部１０６に当接した際に貼着することを防止することができる。
【０１０１】
また、第１および第２弾性部材１３２、１３６に施されたフッ素コーティングは、水分をはじく撥水効果を有するため、第１および第２弾性部材１３２、１３６に水分が付着することを防止することができる。すなわち、燃料電池用電磁弁１０を寒冷地等の低温状況下で使用した場合においても、第１および第２弾性部材１３２、１３６に水分が付着して凍結することがないため、凍結によって弁体１２６の円滑な動作が妨げられることがない。
【０１０２】
なお、前記フッ素コーティングは、第１および第２弾性部材１３２、１３６の当接面にのみ施される場合に限定されるものではなく、前記第１および第２弾性部材１３２、１３６の表面全体にフッ素コーティングを施してもよいし、第１および第２弾性部材１３２、１３６の全体をフッ素系のゴム材料で形成するようにしてもよい。
【０１０３】
さらに、弁体１２６の上面に形成される第１溝部１３０と、前記弁体１２６の下面に形成される第２溝部１３４とは、図３および図４に示されるように、前記弁体１２６の軸線方向に沿って形成される成形通路１３８を介して連通している。すなわち、第１および第２弾性部材１３２、１３６を成形する際、第１溝部１３０または第２溝部１３４のいずれか一方に弾性材料を充填することにより、前記弾性材料が成形通路１３８を介して第２または第１溝部１３０にも充填される。その結果、第１および第２弾性部材１３２、１３６を成形通路１３８を介して一体的に成形することができるため、コストを低減することができるとともに、第１および第２弾性部材１３２、１３６の成形工程を短縮化することができる。
【０１０４】
そして、第１および第２弾性部材１３２、１３６は、成形通路１３８の内部に充填された弾性材料によって連結された状態にあるため、前記連結部位によって第１および第２弾性部材１３２、１３６がそれぞれ第１溝部１３０および第２溝部１３４から脱落することが防止される。
【０１０５】
また、弁体１２６の下面には、その略中央部に係合孔１４０が形成され、前記係合孔１４０には、シャフト４６の他端部側に形成される第２軸部５０が挿入されている。なお、係合孔１４０の直径は、前記第２軸部５０の軸径よりも大きく形成されているため、前記第２軸部５０の外周面と係合孔１４０の内周面との間に半径方向のクリアランスを有する状態で係合されている。
【０１０６】
その際、第２ばね部材１２８が、蓋部材１２０から弁体１２６に向かって縮径するテーパ状に形成されているため、前記第２ばね部材１２８のばね力は、弁体１２６をシャフト４６の上部へと押圧する方向と、弁体１２６を外周側から半径内方向へと押圧する方向とが合わされた状態で付勢されている。
【０１０７】
そして、弁体１２６には、第２ばね部材１２８によって係合孔１４０を介して常にシャフト４６の上部に押圧力が付勢されるとともに、常に半径内方向へと押圧されているため略中央部に係合されたシャフト４６の上部が係合孔１４０の内部に好適に保持される。そのため、係合孔１４０の内部に係合されたシャフト４６の上部が該係合孔１４０より脱抜することがない。
【０１０８】
その結果、ソレノイド部１４の励磁作用下に変位するシャフト４６が何らかの原因により軸線に対して傾斜した場合においても、前記弁体１２６は係合孔１４０とシャフト４６との間に画成されたクリアランスによって前記シャフト４６の傾きを吸収することができる。そのため、シャフト４６が傾斜した際、前記シャフト４６の傾斜の影響を受けることなく第２ばね部材１２８のばね力によって弁体１２６を着座部１０６に確実に着座させることができる。
【０１０９】
また同様に、弁体１２６が何らかの原因により軸線に対して傾斜した場合においても、係合孔１４０とシャフト４６との間に画成されたクリアランスによって弁体１２６の傾きを吸収することができる。そのため、シャフト４６が軸線方向に変位する際に前記弁体１２６の傾斜の影響を受けることなく軸線方向に沿って円滑に変位させることができる。
【０１１０】
本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁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。
【０１１１】
図１に示されるように、燃料電池システム２００において、燃料電池用電磁弁１０の第１ポート１６は、図示しないチューブを介して燃料電池スタック２０２の内部の水素を排気するための水素排出口２１８（図１参照）に接続される。
【０１１２】
図３は、コイル３２に対してコネクタ部３０より電流を供給していない非励磁状態にあり、弁体１２６の第１弾性部材１３２が着座部１０６に着座して第２ポート１８と第１ポート１６との連通が遮断されたオフ状態（弁閉状態）を示している。
【０１１３】
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イル３２に通電することにより前記コイル３２が励磁され、その励磁作用下に磁束がコイル３２から可動コア３６へと向かい、再びコイル３２に復帰して周回するように発生する。
【０１１４】
そして、図４に示されるように、可動コア３６が軸線方向に沿った上方へと変位し、前記可動コア３６に挿通されたシャフト４６を介して弁体１２６が第２ばね部材１２８のばね力に抗して着座部１０６から離間する。
【０１１５】
その際、弁体１２６が上方へ変位して第２弾性部材１３６がストッパ部１２２へと当接することにより、前記第２弾性部材１３６によって弁体１２６への衝撃が緩衝されるとともに、当接時に発生する衝撃音が低減される。
【０１１６】
その結果、燃料電池用電磁弁１０がオフ状態からオン状態（弁開状態）に切り換わる。従って、燃料電池スタック２０２の内部において余剰した水素が前記燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から導出され、前記水素が図示しないチューブを介して第１ポート１６から導入される。前記第１ポート１６から導入された水素は、絞り部材１２７のオリフィス１２５によって所定の流量に絞られて減圧された後、第１連通室１１６から弁座１０４の内部を介して第２連通室８４へと流通して第２ポート１８から導出される。
【０１１７】
また、このようなオン状態において、再び弁体１２６が着座部１０６に着座して第２ポート１８と第１ポート１６との連通が遮断されたオフ状態とする場合には、図示しない電源よりコイル３２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３２が非励磁状態となり、可動コア３６が下方へと変位する。また略同時に、前記弁体１２６が第２ばね部材１２８のばね力によって下方へと押圧される。そして、前記第２ばね部材１２８のばね力によって弁体１２６が着座部１０６へと着座することにより、第２連通室８４と第１連通室１１６との連通が遮断される。すなわち、第２ポート１８と第１ポート１６との連通が遮断された状態となる。
【０１１８】
本実施の形態では、フィルタ１２４の上流側の第１ポート１６に、オリフィス１２５を有する絞り部材１２７を配設することにより、第１ポート１６から第２ポート１８側に向かって流通する圧力流体の流量が絞られ、該圧力流体が減圧される。従って、第２連通室８４に設けられたダイヤフラム９２に付与される荷重を低減することができ、前記ダイヤフラム９２が許容範囲以上に変形することが阻止され、該ダイヤフラム９２の耐久性を向上させることができる。
【０１１９】
また、本実施の形態では、絞り部材１２７によってフィルタ１２４側に余分な加湿水分が導入されることが抑制されるため、該フィルタ１２４が目詰まりすることを低減することができる。
【０１２０】
さらに、本実施の形態では、フィルタ１２４の拡径端部１２４ａが第１環状段差部１２９ａに突き当たるまで圧入して該フィルタ１２４を装着するとともに、絞り部材１２７の端部１２７ａが第２環状段差部１２９ｂに突き当たるまで圧入して該絞り部材１２７を前記フィルタ１２４と同軸状に直列に装着している。従って、フィルタ１２４および絞り部材１２７の圧入部位や該フィルタ１２４および絞り部材１２７を係止する第１および第２環状段差部１２９ａ、１２９ｂをそれぞれ同軸加工することができるため加工性を向上させることができるとともに、圧入方向を一致させることにより組み付け工程が容易となり、良好な組み付け性を得ることができる。
【０１２１】
さらにまた本実施の形態では、例えば、高強度の基布をニトリルゴム（ＮＢＲ）からなる薄肉のゴム状弾性体によって被覆した二層一体構造からなるダイヤフラム９２を設けることにより、耐圧性を向上させることができる。従って、オリフィス１２５を有する絞り部材１２７による圧力流体の減圧作用と共働してダイヤフラム９２の耐久性をより一層向上させることができる。
【０１２２】
またさらに本実施の形態では、シャフト４６に形成された段差部５４と、該シャフト４６の拡径部４６ａに圧入される圧入固定部材９３の端部とによって前記ダイヤフラム９２の略中央を挟持することによりシール機能が発揮され、第２連通室８４の気密性を好適に保持することができる。
【０１２３】
またさらに本実施の形態では、弁体１２６をソレノイド部１４の軸線と同軸状で第１バルブボディ２０の内部に設けることにより、前記弁体１２６を介して第２バルブボディ２２の内部に導入される反応ガスに含有される塵埃がダイヤフラム９２によってソレノイド部１４の内部に進入することを阻止することができる。その際、弁体１２６をダイヤフラム９２よりも第１ポート１６から第２ポート１８へと流通する反応ガスの上流側に設けることにより、前記ダイヤフラム９２を前記弁体１２６よりも低圧に配設することができるため、該ダイヤフラム９２に付勢される圧力の影響を抑制することができる。そのため、可動コア３６を介してシャフト４６を変位させるソレノイド部１４を小型化することができる。
【０１２４】
さらにまた本実施の形態では、絞り部材１２７に形成されたオリフィス１２５を着座部１０６から略水平方向に沿って所定距離離間させて配置している。すなわち、弁体１２６の着座部１０６に対してオリフィス１２５の位置が近接しすぎるとエゼクタ作用（吸引作用）が営まれるため、オリフィス１２５の絞り作用を適正とすることができないからである。そこで、絞り部材１２７に形成されたオリフィス１２５と着座部１０６とを、エゼクタ作用が発揮されないような所定距離離間した位置にそれぞれ配置するとよい。この場合、所定距離離間した絞り部材１２７と着座部１０６との間に、例えば、フィルタ１２４を配設することにより、前記離間スペースの有効利用がなされ、小型化を図ることができる。
【０１２５】
なお、本実施の形態に係る燃料電池用電磁弁１０では、反応ガスとして水素排出部２１６から排気される余剰水素を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、エアー排出部２０８から排気されるエアーを用いるようにしてもよい。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【０１２７】
すなわち、フィルタの上流側の第１ポートに、オリフィスを有する絞り部材を配設することにより、第１ポートから第２ポート側に向かって流通する反応ガスの流量が絞られ、該反応ガスが減圧される。従って、前記反応ガスの流通路に設けられたダイヤフラムに付与される荷重を低減することができ、前記ダイヤフラムが許容範囲以上に変形することが阻止され、該ダイヤフラムの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った縦断面図である。
【図４】図３における燃料電池用電磁弁の弁開状態を示す縦断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。
【図６】図３に示す第１ポートに装着された絞り部材の一部省略拡大縦断面図である。
【図７】図３に示すダイヤフラムおよびシャフトの一部省略拡大縦断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池用電磁弁 １２…ケーシング
１４…ソレノイド部 １６…第１ポート
１８…第２ポート ２４…弁機構部
３２…コイル ４０…シャフトガイド
４２…第１ばね部材 ４６…シャフト
６２…フランジ部 ７０…流体通路
９２…ダイヤフラム １０４…弁座
１０６…着座部 １２４…フィルタ
１２５…オリフィス １２６…弁体
１２７…絞り部材 １２９ａ、１２９ｂ…環状段差部

Claims (4)

1. 燃料電池から反応ガスを排気する燃料電池用電磁弁において、
   前記反応ガスが導入される第１ポートと、前記第１ポートから導入された反応ガスが排気される第２ポートとを有する本体部と、
   前記本体部と連結されるケーシ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励磁作用下に軸線方向に沿って変位するシャフトと、
   前記ケーシングに連結される前記本体部の内部に配設され、前記シャフトの一端部に係合される弁体と、
   前記弁体が前記シャフトの変位作用下に着座・離間する弁座と、
   前記シャフトに係着されて該シャフトの変位動作に伴って撓曲するダイヤフラムと、
   前記第１ポートに配設され、導入される反応ガスの流量を絞るオリフィスが形成された絞り部材と、
   を備え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、
   前記第１ポートには弁体が配設された室に連通する通路が形成され、前記通路にはフィルタが装着され、絞り部材は、前記フィルタの上流側に隣接して配設されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
3. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記ダイヤフラムは、基布を薄肉の弾性材料によって被覆して形成され、該ダイヤフラムの略中央は、シャフトの段差部と、前記シャフトの拡径部に圧入される圧入固定部材とによって挟持されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
4. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記弁体は、前記ソレノイド部の軸線と同軸上で前記本体部の内部に設けられるとともに、前記本体部内において前記弁体が、前記ダイヤフラムに対して前記第１ポートから前記第２ポートへと流通する反応ガスの上流側となる位置に設けられることを特徴とする燃料電池用電磁弁。

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