JP5952150B2 - 燃料電池用電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、燃料電池システムに用いられ、酸素及び水素ガスの流量を調整することが可能な燃料電池用電磁弁に関する。

本出願人は、燃料電池システムにおいて、アノード側に対する水素の供給量を制御することが可能な燃料電池用電磁弁を提案している（特許文献１参照）。

特開２００４−２７０８００号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、弁体に対する負荷をさらに低減することで、該弁体をより一層円滑に開閉動作させることができると共に、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。

前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスが導入される導入通路と、前記燃料ガスの導出される導出通路と、前記導入通路と前記導出通路とを連通させる連通室とを有したボディと、前記ボディに連結され通電作用下に励磁するソレノイド部と、前記ソレノイド部の励磁作用下に軸方向に沿って変位する駆動部と、前記駆動部に連結され前記ボディの弁座部に対して着座・離間自在に設けられる弁体とを有する燃料電池用電磁弁において、
可撓性を有した弾性材料から形成され、前記弁体と前記駆動部との間に設けられ、該駆動部の変位作用下に撓曲すると共に、前記ソレノイド部と前記連通室とを隔離するダイヤフラムを備え、
前記弁体の受圧面積が、前記ダイヤフラムの受圧面積に対して大きく設定されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料ガスの導入・導出される導入通路、導出通路を有したボディを含む燃料電池用電磁弁において、ソレノイド部の励磁作用下に変位する駆動部と弁体との間に、可撓性を有した弾性材料からなり、該駆動部の変位作用下に撓曲するダイヤフラムを設け、前記ダイヤフラムの受圧面積に対して前記弁体の受圧面積を大きく設定している。

従って、導入通路を通じて連通室に燃料ガスが導入された際、ダイヤフラムに対して付与される燃料ガスによる押圧力を弁体に対する押圧力と比較して低減することができる。そのため、弁体に付与される押圧力がダイヤフラムに付与される押圧力より大きくなり、前記ダイヤフラムへの押圧力を相殺することができ、その結果、押圧力の差分のみが弁体へと付与されるため、該弁体に対して付与される押圧力が低減され、該弁体をより小さな駆動力で円滑に開閉動作させることができる。また、ダイヤフラムへの負荷が低減されることで耐久性の向上を図ることも可能となる。

また、ボディとソレノイド部との間、弁体と駆動部との間に、ダイヤフラムを挟持する押え部をそれぞれ設け、前記押え部を前記弁体の変位方向に対して交差するように突出させて設けるとよい。これにより、燃料ガスの導入される連通室において、ダイヤフラムの受圧面積を押え部によって小さくすることができるため、該ダイヤフラムにかかる圧力を弁体と比較して低減することができる。

さらに、ダイヤフラムを、弁体の上方に設けることにより、連通室内において燃料ガス中に含まれた水分が前記ダイヤフラムに付着しにくく、該水分の付着に起因した前記ダイヤフラムの凍結を防止することができるため、前記水分の凍結によるダイヤフラムの動作不良が回避され、該ダイヤフラムを弁体と共に円滑に作動させることができる。

さらにまた、ボディとソレノイド部との間に設けられる一方の押え部には、下方に向かって徐々に該押え部に対向配置された部材から離間する方向に延在した傾斜部を備えるとよい。これにより、ボディとその内部に対向配置された部材との間隔を、該ボディを大型化させることなく拡大することが可能となり、しかも、燃料ガス中に含まれる水分が液適として付着した場合でも、前記傾斜部に沿って前記水分の自重で落下させることができるため、前記ボディと対向配置された部材との間に付着した水分がそのまま溜り、低温環境下で凍結してしまうことが防止される。

またさらに、押え部における下端部の直径を、弁体の外周径より大きく設定することにより、前記押え部の傾斜部に沿って下方へと移動した水分が落下した際、前記弁体に付着してしまうことが回避され、前記水分が付着して凍結することに起因した寒冷地等の低温下における弁体の動作不良を防止することができる。

また、押え部の端部に、断面円弧状に形成された部位を有することにより、例えば、燃料ガス中に含まれる水分がボディに付着した場合でも、断面円弧状に形成された部位によって前記水分を好適に下方へと導くことができるため、前記水分が弁体とボディとの間に付着することが防止され、寒冷地等の低温下において該水分が凍結した場合に懸念される弁体の動作不良を確実に回避することができる。

さらに、導入通路に、燃料ガスの流量を絞るための絞り部を設けることにより、導入通路から連通室へと供給される燃料ガスの流量を低減し、弁体及びダイヤフラムに付与される圧力を抑制することができるため、該ダイヤフラムの変形を抑制することで耐久性の向上を図ることができる。

さらにまた、押え部には、弁体の変位方向に突出し、ダイヤフラムの変形を抑制する凸部を設けることにより、前記弁体の変位に伴って前記ダイヤフラムが変形する際、前記ダイヤフラムが前記凸部に接触することで支持され、その変形が抑制されるため、前記凸部が設けられていない場合と比較し、前記ダイヤフラムに負荷が低減され耐久性の向上を図ることが可能となる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、ソレノイド部の励磁作用下に変位する駆動部と弁体との間に、可撓性を有した弾性材料からなり、該駆動部の変位作用下に撓曲するダイヤフラムを設け、前記ダイヤフラムの受圧面積に対して前記弁体の受圧面積を大きく設定することにより、導入通路を通じて連通室に燃料ガスが導入された際、ダイヤフラムに対して付与される燃料ガスによる押圧力を弁体と比較して低減することができる。そのため、弁体に付与される押圧力がダイヤフラムに付与される押圧力より大きくなり、前記ダイヤフラムへの押圧力を相殺することができ、その結果、押圧力の差分のみが弁体へと付与されるため、該弁体に対して付与される押圧力が低減され、該弁体をより小さな駆動力で円滑に開閉動作させることが可能となる。また、ダイヤフラムへの負荷が低減されることで耐久性の向上を図ることも可能となる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁の全体断面図である。 図１の燃料電池用電磁弁における弁体近傍を示す拡大断面図である。 図２における第１ボディの押え部近傍を示すさらなる拡大断面図である。 変形例に係る燃料電池用電磁弁の弁体近傍を示す拡大断面図である。

本発明に係る燃料電池用電磁弁について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁を示す。

この燃料電池用電磁弁１０は、燃料電池に用いられ、図示しない圧力制御部から供給された燃料ガス（水素）の流量を調整可能に設けられ、図１及び図２に示されるように、前記燃料ガスの流通する流路を有したバルブボディ（ボディ）１２と、前記バルブボディ１２の端部に連結されるソレノイド部１４と、前記ソレノイド部１４の励磁作用下に軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に移動する弁体１６を有した弁機構部１８とを含む。

バルブボディ１２は、例えば、金属製材料から形成され、燃料ガスの供給される導入ポート（導入通路）２０、前記燃料ガスの排出される導出ポート（導出通路）２６を有した第１ボディ２２と、該第１ボディ２２に対して連結される円筒状の第２ボディ２８とを備える。

第１ボディ２２では、側方に向かって開口された導入ポート２０が中央部に形成された連通室３２と連通している。導入ポート２０には、連通室３２への燃料ガスの流量を絞る絞り部３４が設けられる。絞り部３４は、導入ポート２０を閉塞するプラグ状に形成され、その中心部には導入ポート２０の通路径に対して縮径した絞り通路３８が形成される。そして、導入ポート２０へ供給された燃料ガスが絞り部３４の絞り通路３８によって絞られて下流側へと流通する。連通室３２の底面には、弁機構部１８の弁体１６が着座する弁座部５０が形成される。

また、第１ボディ２２の下部には、略中央部から下方に向かって突出した導出ポート２６が形成され、その上部が連通室３２と連通している。

一方、第１ボディ２２の上部には、半径内方向に突出した押え部４０が形成され、該押え部４０は、連通室３２に臨む内周面が下方に向かって徐々に拡径する傾斜面４２を有し、前記押え部４０の上面と傾斜面４２との接合部位には、所定半径で断面円弧状に形成された湾曲部４４が形成される。そして、第１ボディ２２の上面には、湾曲部４４の外周側に環状に窪んだ第１環状溝４６が形成され、後述するダイヤフラム９２の外縁部１０８が装着される。

第２ボディ２８は、その内部に鉛直方向に沿って貫通した収納室５２を有し、該収納室５２には後述する弁機構部１８が設けられている。

ソレノイド部１４は、バルブボディ１２の上部に設けられ、有底筒状のハウジング５４と、前記ハウジング５４の軸線上に変位自在に設けられる可動鉄心６０とを有し、前記ハウジング５４の内部には前記可動鉄心６０の外周側となる位置にコイル５６が巻回されている。

ハウジング５４は、例えば、金属製材料から断面Ｕ字状に形成され、バルブボディ１２側（矢印Ｂ方向）に向かって開口した状態で配置される。このハウジング５４の略中央部には、後述する可動鉄心６０が挿入される固定鉄心部６４が形成され、該固定鉄心部６４の外周側にはコイル５６が設けられると共に、前記ハウジング５４の側部には該コイル５６に対して電気的に接続されるコネクタ部６６が設けられる。そして、コネクタ部６６に図示しないコネクタが接続された状態で、電源から電力がコイル５６へと供給される。

可動鉄心６０は、例えば、磁性材料から円柱状に形成され、ハウジング５４の内部を軸方向に沿って変位自在に設けられる。そして、可動鉄心６０は、固定鉄心部６４の内周面に摺接することにより、軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って案内される。

弁機構部１８は、可動鉄心６０の下部に連結される弁体１６と、該可動鉄心６０と前記弁体１６との間に挟持されるスペーサ８８と、前記スペーサ８８とハウジング５４との間に介装されるスプリング９０と、前記弁体１６とバルブボディ１２との間に設けられるダイヤフラム９２とを含む。

弁体１６は、断面略Ｔ字状に形成され、可動鉄心６０の下部に形成されたねじ孔９４に螺合される軸部９６と、該軸部９６の下端部に形成される円盤状の弁部９８とを備え、前記弁部９８の下端面には環状のシート部材１００が装着される。弁部９８は、軸部９６に対して半径外方向に拡径して形成され、弁座部５０に臨む端面にシート部材１００が装着される。このシート部材１００は、例えば、ゴム等の弾性材料からなり、弁座部５０に着座する部位が弁部９８から離間する方向（矢印Ｂ方向）に突出している。

また、弁部９８の直径Ｄ１は、図２に示されるように、第１ボディ２２における押え部４０の最大直径Ｄ２（傾斜面４２の下端径）に対して小さく設定される（Ｄ１＜Ｄ２）。

スペーサ８８は、その中心部に弁体１６の軸部９６が挿通され、該軸部９６を可動鉄心６０に対して螺合することで、前記弁体１６の弁部９８と前記可動鉄心６０との間に保持される。

スプリング９０は、例えば、螺旋状に巻回されたコイルスプリングからなり、スペーサ８８のフランジ部１０２とハウジング５４の下端面との間に介装される。そして、スプリング９０の弾発力によってスペーサ８８及び該スペーサ８８に当接した弁体１６が下方（矢印Ｂ方向）へと付勢される。

ダイヤフラム９２は、例えば、ゴム等の弾性材料から形成され、内周側に形成される環状の内縁部１０４と、該内縁部１０４の外周側に形成される薄膜状のスカート部１０６と、前記スカート部１０６の外周側に形成される環状の外縁部１０８とを含む。

そして、内縁部１０４が、弁体１６の弁部９８上面に形成された第２環状溝１１０に装着され、前記弁体１６とスペーサ８８との間に挟持されると共に、外縁部１０８が第１ボディ２２に形成された第１環状溝４６に装着され、第２ボディ２８と前記第１ボディ２２の押え部４０との間に挟持される。これにより、ダイヤフラム９２は、内縁部１０４が弁体１６と共に変位自在に設けられ、外縁部１０８がバルブボディ１２に固定された状態でスカート部１０６が撓曲自在に設けられることで、連通室３２と第２ボディ２８の収納室５２との連通、すなわち、バルブボディ１２とソレノイド部１４との間の連通が遮断される。

また、図２に示されるように、ダイヤフラム９２の受圧面積Ｓ１は、弁体１６の受圧面積Ｓ２以下となるように設定される（Ｓ１＜Ｓ２）。すなわち、弁部９８の受圧面積Ｓ２が、前記ダイヤフラム９２の受圧面積Ｓ１以上となるように設定されている。ここでいう受圧面積Ｓ１とは、ダイヤフラム９２においてスカート部１０６の最も高い位置となる頂部の内側となる面積を示し、受圧面積Ｓ２とは、弁座部５０に着座するシート部材１００の頂部の内側となる面積を示す。

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。なお、図１は、コイル５６に対して通電がなされていない非励磁状態にあり、可動鉄心６０がスプリング９０の弾発力によって弁座部５０側（矢印Ｂ方向）へと変位し、弁体１６のシート部材１００が前記弁座部５０に着座して導入ポート２０と導出ポート２６との連通が遮断された弁閉状態を示している。

このような弁閉状態において、図示しない電源を付勢してコイル５６に通電することにより該コイル５６が励磁され、その励磁作用下によって可動鉄心６０が固定鉄心部６４側へと吸引される。

そして、可動鉄心６０は、上方（矢印Ａ方向）へと変位し、それに伴って、前記可動鉄心６０に連結された弁体１６が上昇して弁座部５０から離間した弁開状態となる。これにより、連通室３２を介して導入ポート２０と導出ポート２６とが連通し、導入ポート２０に供給されている燃料ガスが、絞り部３４の絞り通路３８を通過した後、前記連通室３２を通じて導出ポート２６へと流通することで、該導出ポート２６から下流側に接続された他の装置へと供給される。

この際、燃料ガスは、絞り通路３８を通過することで導入ポート２０から連通室３２へと流通する際の圧力が減少するため、前記連通室３２に臨むように設けられたダイヤフラム９２に対する圧力負荷が低減される。

一方、コイル５６に対する通電を停止し、前記コイル５６を含むソレノイド部１４を非励磁状態とすることにより、可動鉄心６０に対する吸引力が滅勢され、該可動鉄心６０がスプリング９０の弾発力によって弁座部５０側（矢印Ａ方向）へと押圧される。そして、可動鉄心６０と共に弁体１６が下降することで、該弁体１６のシート部材１００が弁座部５０に対して着座し、導入ポート２０と導出ポート２６との連通が遮断された弁閉状態となる（図１参照）。

また、燃料ガス中に含まれている水分が、例えば、連通室３２においてバルブボディ１２等に付着した際、押え部４０の端部に湾曲部４４が設けられているため、前記水分が自重によって前記湾曲部４４を伝って傾斜面４２側へと移動させることで落下させ排除することができる。そのため、バルブボディ１２と弁体１６との間に水滴が付着し、例えば、寒冷地等の低温状況下において凍結してしまうことが阻止され、該凍結に起因した弁体１６の動作不良を確実に回避できる。

さらに、弁体１６における弁部９８の直径Ｄ１が、第１ボディ２２における押え部４０の最大直径Ｄ２（傾斜面４２の下端径）に対して小さく設定されているため、前記押え部４０の傾斜面４２に沿って下方へと落下した水分が前記弁部９８に対して付着することを防止できるため、前記弁部９８に水分が付着して低温下で凍結してしまうことを防止できる。

以上のように、本実施の形態では、弁機構部１８を構成する弁部９８の上方にダイヤフラム９２を配置し、第１ボディ２２の軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に対して直交方向に突出した押え部４０でダイヤフラム９２の外周側を保持することにより、前記弁部９８の受圧面積Ｓ２に対して前記ダイヤフラム９２の受圧面積Ｓ１を小さくすることができるため、連通室３２に供給された燃料ガスからダイヤフラム９２へ付与される圧力（押圧力）を弁部９８へ付与される圧力（押圧力）に対して低減することができる。

その結果、燃料ガスによる押圧力が弁体１６を弁座部５０に着座させる方向（矢印Ｂ方向）に付与されるため、該弁体１６を着座させるためのスプリング９０の弾発力を小さく設定することが可能となり、それに伴って、前記弾発力に抗して弁体１６を上昇させる際のソレノイド部１４の駆動力を抑制することができる。そのため、燃料電池用電磁弁１０における駆動力を抑制することができ、より小さな駆動力で弁体１６を円滑に開動作させることができる。

また、連通室３２に導入される燃料ガスは、弁部９８を下方（矢印Ｂ方向）へ押圧し、ダイヤフラム９２を上方（矢印Ａ方向）へと押圧するが、前記弁部９８の受圧面積Ｓ２が前記ダイヤフラム９２の受圧面積Ｓ１より大きく設定されているため、前記弁部９８に付与される押圧力が前記ダイヤフラム９２に付与される押圧力より大きくなり、前記ダイヤフラム９２への押圧力を相殺することができる。その結果、押圧力の差分のみが弁体１６へと付与されることとなり、該弁体１６に対して付与される押圧力が低減され、該弁体１６をより小さな駆動力で円滑に開動作させることができる。

さらに、ダイヤフラム９２を弁部９８の上方（矢印Ａ方向）に配置することにより、連通室３２内における水分が前記ダイヤフラム９２に付着しにくく、寒冷地等の低温環境下で該水分の付着に起因した前記ダイヤフラム９２の凍結を防止することができる。その結果、水分の凍結によるダイヤフラム９２の動作不良が回避され、該ダイヤフラム９２を弁体１６と共に円滑に作動させることができる。

さらにまた、第１ボディ２２の押え部４０は、その内周面が下方（矢印Ｂ方向）に向かうにつれて徐々に拡径する傾斜面４２で形成されているため、前記第１ボディ２２とその内部に配置される弁体１６との間隔を該第１ボディ２２を大型化することなく拡大することが可能となり、しかも、前記傾斜面４２に沿って水分を自重で落下させることができるため、前記弁体１６と前記第１ボディ２２との間に付着した水分が寒冷地等の低温環境下で凍結してしまうことが防止され、前記弁体１６の動作不良を確実に防止することが可能となる。

またさらに、押え部４０の最大直径Ｄ２、すなわち、傾斜面４２の下端径を弁部９８の直径Ｄ１より大きく設定することで、前記傾斜面４２に沿って下方（矢印Ｂ方向）へと移動した水分が落下した際、弁部９８に付着してしまうことが回避され、前記水分の付着に起因した寒冷地等の低温環境下での凍結を防止することができる。

また、押え部４０の内周側に、断面円弧状の湾曲部４４を形成することにより、前記第１ボディ２２に付着した水分が前記湾曲部４４によって傾斜面４２へ好適に導くことができるため、前記水分が弁体１６の弁部９８に付着することが防止され、該水分が弁部９８と第１ボディ２２との間にわたって付着して寒冷地等の低温環境下で凍結してしまうことを防止できる。

さらに、導入ポート２０に絞り部３４を設けることにより、連通室３２へと供給される燃料ガスの圧力を低減し、それに伴って、弁体１６及びダイヤフラム９２に付与される圧力を抑制することができるため、該ダイヤフラム９２の変形を抑制することで耐久性の向上を図ることができると共に、前記弁体１６に対する押圧力が低減され、該弁体１６をより一層小さな駆動力で円滑に開動作させることができる。

また、第１ボディ２２における押え部４０は、上述したように内周面が下方（矢印Ｂ方向）に向かって徐々に拡径する傾斜面４２を有する場合に限定されるものではなく、例えば、図４に示される第１ボディ１２０の押え部１２２のように、その上面が上方（矢印Ａ方向）に向かって断面円弧状に膨出した環状の凸部１２４を有し、前記凸部１２４がダイヤフラム９２のスカート部１０６に臨むように配置するようにしてもよい。凸部１２４は、スカート部１０６の湾曲形状に応じた形状で形成される。

そして、ソレノイド部１４の励磁作用下に弁体１６が上昇する際、ダイヤフラム９２のスカート部１０６が前記弁体１６の変位に伴って撓曲するが、凸部１２４に接触することで変形（撓曲）が抑制されるため、前記凸部１２４が設けられていない場合と比較し、前記スカート部１０６を含むダイヤフラム９２の耐久性を向上させることが可能となる。

なお、本発明に係る燃料電池用電磁弁は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池用電磁弁 １２…バルブボディ
１４…ソレノイド部 １６…弁体
１８…弁機構部 ２０…導入ポート
２２、１２０…第１ボディ ２６…導出ポート
２８…第２ボディ ３２…連通室
３４…絞り部 ４０、１２２…押え部
４２…傾斜面 ４４…湾曲部
５０…弁座部 ５４…ハウジング
６０…可動鉄心 ９０…スプリング
９２…ダイヤフラム ９８…弁部
１００…シート部材 １０２…フランジ部
１０４…内縁部 １０６…スカート部
１０８…外縁部 １１０…第２環状溝
１２４…凸部

Claims (8)

1. 燃料ガスが導入される導入通路と、前記燃料ガスの導出される導出通路と、前記導入通路と前記導出通路とを連通させる連通室とを有したボディと、前記ボディに連結され通電作用下に励磁するソレノイド部と、前記ソレノイド部の励磁作用下に軸方向に沿って変位する駆動部と、前記駆動部に連結され前記ボディの弁座部に対して着座・離間自在に設けられる弁体とを有する燃料電池用電磁弁において、
   可撓性を有した弾性材料から形成され、前記弁体と前記駆動部との間に設けられ、該駆動部の変位作用下に撓曲すると共に、前記ソレノイド部と前記連通室とを隔離するダイヤフラムを備え、
   前記弁体の受圧面積が、前記ダイヤフラムの受圧面積に対して大きく設定され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、
   前記ボディと前記ソレノイド部との間、前記弁体と前記駆動部との間に、前記ダイヤフラムを挟持する押え部をそれぞれ設け、前記押え部を前記弁体の変位方向に対して交差するように突出させて設けることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記ダイヤフラムは、前記弁体の上方に設けられることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
4. 請求項２記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記ボディと前記ソレノイド部との間に設けられる一方の押え部には、下方に向かって徐々に該押え部に対向配置された部材から離間する方向に延在した傾斜部を備えることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
5. 請求項４記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記押え部における下端部の直径が、前記弁体の外周径より大きく設定されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
6. 請求項２、４又は５記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記押え部の端部には、断面円弧状に形成された部位を有することを特徴とする燃料電池用電磁弁。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記導入通路には、前記燃料ガスの流量を絞るための絞り部が設けられることを特徴とする燃料電池用電磁弁。
8. 請求項２記載の燃料電池用電磁弁において、
   前記押え部には、前記弁体の変位方向に突出し、前記ダイヤフラムの変形を抑制する凸部が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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