JP5215965B2 - 弁装置 - Google Patents

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、生成された水の一部は、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、およびカソードから排出されるカソードオフガスは多湿となっている。
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、カソード側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、燃料電池を用いたシステムでは、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、弁装置としてパージ弁を設け、このパージ弁を通じて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）。

特開２００６−１５３１７７号公報

ところで、前記したパージ弁のような弁装置では、流体の流れに対する弁体の作動応答性を向上させることや、装置全体の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、を備えた弁装置において、前記導入路には、相互に直列に配置されたオリフィスとフィルタとが設けられており、前記導入路は、前記弁体ブロックと前記通流路ブロックとの間に配置されて、前記弁体ブロックの前記一次室と前記通流路ブロックの前記入口ポートとを連通するとともに、前記入口ポート側から前記一次室側に向けて上り傾斜状に形成されていることを特徴とする。

この弁装置によれば、ボディと弁体とを有する弁体ブロックと、入口ポートと出口ポートと一方向弁とを有する通流路ブロックと、をユニットとして弁装置が構成されているので、流体の通流性が高まり、弁体の作動応答性の向上、部品組付性の向上および弁装置全体の小型化を図ることができる。
また、オリフィスとフィルタとが相互に直列に配置されているので、例えばオリフィスを通過した流体が減速することなくフィルタに到達するようになり、通過する流体に水（水分）が含まれている場合に、フィルタに水が付着して滞留するのを好適に防止することができる。これにより、一次室から二次室へ流れ込む流体に、水を好適に同伴させることができ、水を含んだ流体の排出を好適に促すことができる。したがって、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、オリフィスとフィルタとが相互に直列に配置されているので、組み付けが簡便となり組付性も向上する。

また、導入路は、弁体ブロックと通流路ブロックとの間に配置されて、弁体ブロックの一次室と通流路ブロックの入口ポートとを連通するとともに、入口ポート側から一次室側に向けて上り傾斜状に形成されているので、仮にフィルタに水が付着したり、一次室内に水が滞留したりしても、これらの水は、自重により上り傾斜状の導入路を伝わって入口ポート側に流れ落ちることとなる。したがって、排水性を向上させることができる弁装置が得られる。

また、弁装置は、燃料電池を用いたシステムにおいて、前記流体としての反応ガスを排出する排出弁として用いることにより、システムの反応ガス中に含まれた水を、好適に排出することができる。したがって、燃料電池の安定した発電に寄与する弁装置が得られる。

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。

本発明の第１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。 パージ弁の導入路に取り付けられるオリフィスおよびフィルタを示した拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る弁装置としてのパージ弁の要部を示す拡大断面図である。 変形例に係る弁装置としてのパージ弁の要部を示す拡大断面図である。

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１のアノード系のパージ弁（排出弁）１００として用いた場合を例として説明する。

（第１実施形態）
はじめに、第１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第１実施形態の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、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）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。

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。

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、図１に示すように、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。
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を開くように設定することができる。

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（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（ボディ）１２０とを備えており、二次室ボディ１２０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との連通状態と遮断状態と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に排出するようになっている。
本実施形態のパージ弁１００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ており、水を含むアノードオフガスが排出されやすい構造となっている。
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１１０ａの底面１１０ｇに開口されて連通され、その導入路１１１には、オリフィス１１３とフィルタ１１８とが相互に直列に配置されて設けられている。

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。

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に形成された導入路１１１は、通流路ブロック１００Ｂの後記する入口ポート１７１側から一次室１１０ａに向けて上り傾斜状とされており、その上端が一次室１１０ａの底面１１０ｇに連通可能に開口している。導入路１１１は、これに装着されるオリフィスホルダ１１３ｃとフィルタ１１８の外形状に合わせて、入口ポート１７１側から一次室１１０ａに向かうにしたがって順次縮径する段付き円筒状に形成されている。

そして、導入路１１１の上端開口には、図３に示すように、フィルタ１１８のホルダ部１１８ａの上端部が一次室１１０ａ内に突出する状態に配置されている。
また、導入路１１１の下端開口は、図２に示すように、断面略コ字形とされた取付部１１０ｂの凹部１１０ｄ内に連通しており、この下端開口を通じて、導入路１１１内にオリフィス１１３およびフィルタ１１８が装着されるようになっている。

オリフィス１１３は、図３に示すように、円筒部１１３ａと、この円筒部１１３ａに連続するフランジ部１１３ｂとを有しており、内側にアノードオフガスの通流する内径の絞られた通流路Ｒ１を有している。本実施形態では、段付き円筒状に形成されたオリフィスホルダ１１３ｃを介して、オリフィス１１３が導入路１１１に装着される構造となっている。
オリフィスホルダ１１３ｃは、導入路１１１の下端開口から上端開口に向けて外径および内径がともに縮径する段付き円筒状を呈しており、導入路１１１の下端開口から導入路１１１内に挿入され、外周面に形成された雄ねじ１１３ｅを、導入路１１１の内面に形成された雌ねじ１１１ｅに螺合させることで導入路１１１の下端開口に露出する状態に固着される。
なお、オリフィスホルダ１１３ｃと導入路１１１との間は、オリフィスホルダ１１３ｃの上部外周に装着された円環状のシール部材１１３ｆによってシールされている。

オリフィスホルダ１１３ｃの上端開口に連通する小径の内壁には、雌ねじ１１３ｄが形成されており、オリフィス１１３は、この内壁に円筒部１１３ａの外周に形成された雄ねじ１１３ｇを螺合させることで、オリフィスホルダ１１３ｃの上端内周に位置するように設けられている。これによって、オリフィス１１３とフィルタ１１８とが近接配置される構造となっている。
なお、オリフィス１１３は、圧入等の固着手段によってもオリフィスホルダ１１３ｃに取り付け可能である。

導入路１１１に配置されたオリフィス１１３は、導入路１１１から一次室１１０ａに向かって通流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（図２参照）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、オリフィスホルダ１１３ｃの内面から導入路１１１の傾斜面１１１ｂを流れ落ち、図２に示すように、通流路ブロック１００Ｂの入口ポート１７１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（図１参照）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（図１参照）の上流側のエゼクタ２３（図１参照）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。

図３に示すように、フィルタ１１８は、円筒状のホルダ部１１８ａと、このホルダ部１１８ａの内部に設けられたフィルタ部材１１８ｂとを備えてなり、導入路１１１内において、オリフィス１１３（オリフィスホルダ１１３ｃ）の上側直近（アノードオフガスの流れ方向下流側直近）に位置するように、オリフィス１１３に連続して設けられている。ホルダ部１１８ａは、大径部１１８ｃとこれに連続する小径部１１８ｄとを有しており、導入路１１１の下端開口から導入路１１１内に挿入され、導入路１１１の上端開口から一次室１１０ａ内に小径部１１８ｄが突出する状態に装着される。

導入路１１１にフィルタ１１８が装着された状態で、ホルダ部１１８ａの先端部の開口１１８ｆは、導入路１１１の傾斜によって弁体１３０に向けて傾斜する状態に配置される。これによって、アノードオフガスに同伴された水が一次室１１０ａ内に溜まったとしても、この水は、ホルダ部１１８ａの開口１１８ｆを通じてフィルタ１１８内に流れ込み、その自重によってフィルタ１１８内からオリフィス１１３内に流れ、さらにオリフィスホルダ１１３ｃの内周を伝わって導入路１１１から通流路ブロック１００Ｂ（図２参照）の入口ポート１７１（図１参照）に排出されることとなる。

本実施形態では、導入路１１１内において、大径部１１８ｃの下端部にオリフィスホルダ１１３ｃの上端部が密着するように構成されている。これによって、組付時に導入路１１１内にオリフィスホルダ１１３ｃを螺合すると、オリフィスホルダ１１３ｃの上端部がフィルタ１１８の下端部を押圧し、フィルタ１１８が導入路１１１の上部内周に形成された段部１１１ｇへ向けて押し付けられる状態となる。これによって、フィルタ１１８は、段部１１１ｇとオリフィスホルダ１１３ｃとの間に挟持された状態で強固に固定されるようになっている。
つまり、組付時には、オリフィスホルダ１１３ｃを導入路１１１内に螺合するのみで、フィルタ１１８およびオリフィス１１３（オリフィスホルダ１１３ｃ）の両方を導入路１１１内に簡単に固定することができる。
なお、オリフィス１１３は、オリフィスホルダ１１３ｃに予め固着しておいてもよいし、導入路１１１にオリフィスホルダ１１３ｃを固定した後に、導入路１１１の下端開口からオリフィスホルダ１１３ｃ内に挿入して固着するようにしてもよい。
また、オリフィス１１３とフィルタ１１８とを一体的にユニット化して、導入路１１１に一体的に組み付けるようにしてもよい。

フィルタ部材１１８ｂは、網状の金属材料からなり上部が略半円形状を呈している。フィルタ部材１１８ｂは、その基端部１１８ｅがホルダ部１１８ａの内周に形成された段差状の内面に係止されるようにして固定されており、上部の略半円形状とされた部分が一次室１１０ａに向けて（アノードオフガスの流れ方向下流側に向けて）膨出するように配置されている。
このようなフィルタ１１８は、導入路１１１を通流するアノードオフガスにゴミが含まれている場合に、これを捕獲する。これによって、一次室１１０ａに向けて流れるアノードオフガスからゴミを排除することができ、弁体１３０と後記する弁座部１１７（図１参照）との間にゴミが噛み込むのを阻止することができる。

図２に示すように、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、水をはじく撥水効果があるため、弁体１３０の頂部や上部に水が滞留し難くなり、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、断面アール形状に面取りして形成されている。また、弁座部１１７は、例えば平ら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、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。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３３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の内部に水が滞留し難くなり、排水性をより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内に水滴等の水が滞留した場合に、図３に示すように、一次室１１０ａの底面１１０ｇから、フィルタ１１８のホルダ部１１８ａ、オリフィス１１３を介して導入路１１１に戻されるようになり、水の排出が促進される。

二次室１２０ａには、図２に示すように、ソレノイド１５０により駆動されて、先端が弁体１３０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、この内周縁部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、フランジ部１４１に係止され、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、水をはじく撥水効果があるため、シャフト１４０の外周面に水が付着することがなくシャフト１４０の錆びを防止し、シャフト１４０の耐久性を向上させることができる。また、二次室１２０ａ内に水が滞留するのをより一層好適に防止することができる。

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。

キャップ１５９は、外部に連通する図示しない通気開口部を有し、内部に形成された通路に、例えば、周知であるゴアテックス（登録商標）等の透湿防水素材が配置されている。このようなキャップ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一方向弁１９２を備えたパージ弁１００の組立てが完了する。

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、図２の紙面においてボディ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、下から上へ向かう方向（重力方向と逆方向）に、水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。

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、図２の紙面において通流路ブロック１００Ｂの左側の入口ポート１７１の上方に設けられており、循環路２３ａ（図１参照）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、一方向弁１９２を開弁させ、通路１８２から出口ポート１８１を介して循環路２３ａ（図１参照）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があるときに、この水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（図１参照）の出口ポート１８１側部分等に水が付着し、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に溜まった水は、一方向弁組立体１９０の基体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１９２は、例えば、上端側が自由端となる状態で基体１９１に取り付けられ、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内に撓む。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。

次に、本実施形態の弁装置が適用されるパージ弁１００の作用を図１〜図３を参照して説明する。
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１７１ａ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、通路１８２、および出口ポート１８１を通じて循環路２３ａにアノードオフガスが流出する。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、入口ポート１７１から導入されたアノードオフガスは、導入路１１１に流れ込み、オリフィス１１３を通過した直後にフィルタ１１８のフィルタ部材１１８ｂを通過して、一次室１１０ａに流れ込む。一次室１１０ａに流れ込んだアノードオフガスは、弁体１３０と弁座部１１７との隙間を通過して、二次室１２０ａに流入する。二次室１２０ａに流入したアノードオフガスは、開口１２１ａから導出路１２１に流出して下流側に排出される。

また、パージ終了時に、ＥＣＵによってソレノイド１５０のボビン１５５に巻かれたコイル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、前記のようパージが行われる過程で、アノードオフガスに同伴する水が、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が、この場合に溜まった水は、ホルダ部１１８ａの開口１１８ｆを通じてフィルタ１１８内に流れ込み、その自重によってフィルタ１１８内からオリフィス１１３内に流れ、さらにオリフィスホルダ１１３ｃの内周を伝わって導入路１１１から通流路ブロック１００Ｂの入口ポート１７１に排出される。これによって、入口ポート１７１を通じて、図示しない気液分離器に水を戻すことができる。

以上説明した本実施形態の弁装置によれば、一次室ボディ１１０と、二次室ボディ１２０と、弁体１３０とを有する弁体ブロック１００Ａと、入口ポート１７１と出口ポート１８１と一方向弁１９２とを有する通流路ブロック１００Ｂと、をユニットとして構成されているので、アノードオフガスの通流性が高まり、作動応答性の向上、部品組付性の向上および小型化を図ることができる。
また、オリフィス１１３とフィルタ１１８とが相互に直列に配置されているので、オリフィス１１３を通過したアノードオフガスが減速することなくフィルタ１１８に到達するようになり、通過するアノードオフガスに水が含まれている場合にも、フィルタ１１８に水が付着して滞留するのを好適に防止することができ、一次室１１０ａ側に水を好適に流入させることができる。これにより、一次室１１０ａから二次室１２０ａへ流れ込むアノードオフガスに、水を好適に同伴させることができ、水の同伴されたアノードオフガスの排出を好適に行うことができる。したがって、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。したがって、燃料電池スタック１０の安定した発電を行うことができるパージ弁１００（弁装置）が得られる。
また、オリフィス１１３とフィルタ１１８とが相互に直列に配置されているので、組み付けが簡便となり組付性も向上する。

また、導入路１１１は、弁体ブロック１００Ａと通流路ブロック１００Ｂとの間に配置されて、弁体ブロック１００Ａの一次室１１０ａと通流路ブロック１００Ｂの入口ポート１７１とを連通するとともに、入口ポート１７１側から一次室１１０ａ側に向けて上り傾斜状に形成されているので、仮にフィルタ１１８のフィルタ部材１１８ｂ等に水が付着したり、一次室１１０ａ内に水が滞留したりしても、これらの水は、自重により上り傾斜状の導入路１１１（オリフィス１１３およびフィルタ１１８）を伝わって入口ポート１７１側に流れ落ちることとなる。したがって、排水性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の弁装置の第２実施形態について図４を参照して説明する。
本実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、図４に示すように、第１実施形態で示したフィルタ部材１１８ｂ（図３参照）よりも大径とされたフィルタ部材１１８ｂ’を導入路１１１に配置した点である。

フィルタ１１８Ａは、導入路１１１の上部内壁に係止される円筒状の基部１１８ｇと、この基部１１８ｇに取り付けられたフィルタ部材１１８ｂ’とを備えてなり、導入路１１１内において、オリフィス１１３（オリフィスホルダ１１３ｃ）の上側直近（アノードオフガスの流れ方向下流側直近）に位置するように、オリフィス１１３に連続して設けられている。

フィルタ部材１１８ｂ’は、有底円筒状を呈しており、胴部の外周面の一部が導入路１１１の上端内周に直接嵌め入れられている。ここで、フィルタ部材１１８ｂ’の胴部の外径Ｅ１は、オリフィスホルダ１１３ｃの下部内周の内径Ｅ２と略等しい大きさとされている。つまり、オリフィス１１３を挟んで上流側と下流側との通路が略同径とされており、これによって、アノードオフガスのスムーズな通流を実現することができる。

フィルタ部材１１８ｂ’の底部（上端部）は、導入路１１１の上端開口から一次室１１０ａ内に突出して一次室１１０ａ内に露出するように配置されている。これによって、アノードオフガスに同伴された水が一次室１１０ａ内に溜まったとしても、この水は、一次室１１０ａの底面１１０ｇからフィルタ部材１１８ｂ’内に好適に流れ込むようになっている。流れ込んだ水は、その自重によってフィルタ１１８Ａ内からオリフィス１１３内に流れ、さらにオリフィスホルダ１１３ｃの下部内周を伝わって導入路１１１から通流路ブロック１００Ｂの入口ポート１７１に排出されることとなる。

なお、このフィルタ１１８Ａにおいても、導入路１１１内において、基部１１８ｇの下端部にオリフィスホルダ１１３ｃの上端部が密着するように構成されている。これによって、組付時に導入路１１１内にオリフィスホルダ１１３ｃを螺合すると、オリフィスホルダ１１３ｃの上端部がフィルタ１１８Ａの基部１１８ｇの下端部を押圧し、フィルタ１１８Ａが導入路１１１の上部内周に形成された段部１１１ｇ’へ向けて押し付けられる状態となる。これによって、フィルタ１１８Ａは、段部１１１ｇ’とオリフィスホルダ１１３ｃとの間に挟持される状態に強固に固定される。
つまり、組付時には、オリフィスホルダ１１３ｃを導入路１１１内に螺合するだけで、フィルタ１１８Ａおよびオリフィス１１３（オリフィスホルダ１１３ｃ）の両方を導入路１１１内に簡単に固定することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、発明の主旨に応じた適宜の変更実施が可能である。
例えば、前記した第１実施形態において、図３に示すように、フィルタ１１８の小径部１１８ｄのうち、弁体１３０（図２参照）側に位置する先端部１１８ｈは、一次室１１０ａの底面１１０ｇと同じ高さとなるように配置したが、これに限られることはなく、例えば、図５に示すように、先端部１１８ｈを一次室１１０ａの内空に突出させてもよい。

このように先端部１１８ｈを一次室１１０ａの内空に突出させることによって、先端部の開口１１８ｆは、底面１１０ｇよりも上側に位置することとなり、一次室１１０ａに滞留する水が生じた場合に、開口１１８ｆの高さ分、この水を一次室１１０ａの底面１１０ｇ上に積極的に貯溜することができる。このように貯留された水は、次回のパージ時に流入したアノードオフガスとともに、一次室１１０ａから二次室１２０ａを通じて排出することが可能である。

なお、弁座部１１７は、開口１１８ｆよりも上方に位置しているので、貯留された水が仮に凍結したとしても、これが弁体１３０の作動に影響を及ぼすことがなく、弁体１３０を良好に作動させることができる。

また、前記した各実施形態では、上流側にオリフィス１１３を配置し、下流側にフィルタ１１８、１１８Ａを配置したが、この順序を逆にして配置してもよい。

また、オリフィス１１３は、オリフィスホルダ１１３ｃを介して導入路１１１に組み付けたが、導入路１１１に直接組み付けるように構成してもよい。

また、前記した実施形態では、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。

１ 燃料電池システム １００ パージ弁
１００Ａ 弁体ブロック １００Ｂ 通流路ブロック
１１０ 一次室ボディ（ボディ） １１０ａ 一次室
１１０ｇ 底面 １１１ 導入路
１１３ オリフィス １１３ｃ オリフィスホルダ
１１８、１１８Ａ フィルタ １１８ｂ フィルタ部材
１２０ 二次室ボディ（ボディ） １２０ａ 二次室
１２１ 導出路 １３０ 弁体
１７１ 入口ポート １８１ 出口ポート
１９２ 一方向弁

Claims (2)

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、を備えた弁装置において、
   前記導入路には、相互に直列に配置されたオリフィスとフィルタとが設けられており、
   前記導入路は、
   前記弁体ブロックと前記通流路ブロックとの間に配置されて、前記弁体ブロックの前記一次室と前記通流路ブロックの前記入口ポートとを連通するとともに、
   前記入口ポート側から前記一次室側に向けて上り傾斜状に形成されていることを特徴とする弁装置。
2. 請求項１に記載の弁装置において、
   当該弁装置は、燃料電池を用いたシステムにおいて、前記流体としての反応ガスを排出する排出弁として用いられることを特徴とする弁装置。

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