弁装置
【課題】比較的高圧且つ大流量の圧力流体が圧力室内に導入された場合であっても、弁座に対する弁体のシート性を向上させること。
【解決手段】導入ポート１１１を介して圧力流体が導入される一次室１１０ａを有する第１ボディ１１０と、導出ポート１２１を介して圧力流体が導出される二次室１２０ａを有する第２ボディ１２０と、ソレノイド１５０によって軸線方向に変位するシャフト１４０と、前記シャフト１４０に連結されて前記シャフト１４０と一体的に変位することにより、前記一次室１１０ａと前記二次室１２０ａとの間の連通状態と非連通状態とを切り替える弁体１３０と、前記シャフト１４０の外周面を摺動可能に保持することにより前記シャフト１４０を軸方向に沿って案内するガイド部材１６０とを備える。
【解決手段】導入ポート１１１を介して圧力流体が導入される一次室１１０ａを有する第１ボディ１１０と、導出ポート１２１を介して圧力流体が導出される二次室１２０ａを有する第２ボディ１２０と、ソレノイド１５０によって軸線方向に変位するシャフト１４０と、前記シャフト１４０に連結されて前記シャフト１４０と一体的に変位することにより、前記一次室１１０ａと前記二次室１２０ａとの間の連通状態と非連通状態とを切り替える弁体１３０と、前記シャフト１４０の外周面を摺動可能に保持することにより前記シャフト１４０を軸方向に沿って案内するガイド部材１６０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃料電池システム等に組み込まれる弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）を生成し、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、燃料電池や、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。よって、発電停止後、燃料電池が低温環境下（例えば０℃未満）に曝されると、燃料電池内や付属機器が凍結するおそれがある。
【０００４】
そこで、特許文献１では、凍結するおそれがある場合、燃料電池に掃気ガス（非加湿の空気や窒素等）を押し込み、燃料電池内に残留する水蒸気や結露水等の水分を押し出すことによって、燃料電池のアノードを掃気する手段を備えた燃料電池システムが提案されている。そして、水分と共に燃料電池から排出された掃気ガスは、掃気時に開かれる弁装置としての掃気ガス排出弁を介して排出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８１０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池から排出され弁装置内に導入される掃気ガスは比較的高圧で且つ大流量であるため、弁装置内に設けられた弁体や弁ロッドに対して大きな荷重が付与され、弁座に対して着座する弁体のシート性が劣化するおそれがある。
【０００７】
例えば、弁体が着座する弁座の直径は、大流量の圧力流体（掃気ガス）が流通可能なように大径に設定され、しかも、弁ロッドを構成するシャフトが軸方向に沿って長尺に設けられている場合、圧力流体の流通によって前記シャフトが傾動し、大径な弁座に対して弁体が傾斜した状態で着座することによりシート性が劣化するおそれがある。
【０００８】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通する場合であっても、弁体の傾きが抑制されて前記弁体の弁座に対するシート性を向上させることが可能な弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が導入される一方の圧力室と圧力流体が導出される他方の圧力室とがそれぞれ設けられたボディと、前記ボディ内の一方の圧力室と他方の圧力室との間で延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、前記シャフトに連結されて前記シャフトと一体的に変位することにより、前記一方の圧力室と前記他方の圧力室との間の連通状態と非連通状態とを切り替える弁体と、前記駆動機構と前記弁体との間に設けられ、前記シャフトの外周面を摺動可能に保持することにより前記シャフトを軸方向に沿って案内するガイド部材とを備え、前記ガイド部材は、前記駆動機構に隣接する前記圧力室内に配設されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、駆動機構と弁体との間に、シャフトの外周面を摺動可能に保持してシャフトを軸方向に沿って案内するガイド部材を設けることにより、一方の圧力室と他方の圧力室との間で比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通する場合であっても、弁体の傾きが抑制されて前記弁体の弁座に対するシート性を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明は、前記ガイド部材に対し溝部を介してシール部材が装着され、前記シール部材は、前記シャフトと前記ガイド部材との間隙をシールすることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ガイド部材に装着されたシール部材によって、ガイド部材とシャフトとの間隙をシールすることにより、前記間隙を通じて駆動機構側（例えば、ソレノイド側）へのガスの流入を防止することができる。
【００１３】
さらに、本発明は、前記ガイド部材の軸方向に沿った一端部に、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなるインロー部が設けられることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、ガイド部材の軸方向に沿った一端部に、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなるインロー部を設けることにより、ガイド部材を駆動機構（例えば、ソレノイドを構成する固定コア）に対して組み付ける（例えば、ねじ締結する）ときに芯出し機能を発揮させることができ、前記ガイド部材を駆動機構に対して精度良く組み付けることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通する場合であっても、弁体の傾きが抑制されて前記弁体の弁座に対するシート性を向上させることが可能な弁装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る弁装置としての掃気ガス排出弁が組み込まれた燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】図１に示す掃気ガス排出弁の縦断面図である。
【図３】前記掃気ガス排出弁を構成するガイド部材及びシール部材の分解斜視図である。
【図４】図２に示すＡ部の拡大断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、ガイド部材の組付工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る掃気ガス排出弁が組み込まれた燃料電池システムのシステム構成図である。
【００１８】
図１に示されるように、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。
【００１９】
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、常閉型の水素パージ弁２４、常閉型の掃気ガス排出弁（弁装置）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。そして、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から新たに供給された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。
【００２０】
また、アノード流路１１の出口には、水素パージ弁２４、掃気ガス排出弁１００が並列に接続されている。水素パージ弁２４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、図示しない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。水素パージ弁２４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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の指令に基づいて作動すると、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。
【００２３】
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図示しない中空糸膜等を備えている。
【００２４】
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。希釈器３３は、水素パージ弁２４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。
【００２５】
図２は、図１に示す掃気ガス排出弁の縦断面図である。次に、本発明の実施形態に係る掃気ガス排出弁１００について、図２に基づいて以下詳細に説明する。
【００２６】
掃気ガス排出弁１００は、常閉型で横置きに配置された電磁弁からなり、燃料電池スタック１０の掃気時に開かれるバルブである。この掃気ガス排出弁１００は、燃料電池スタック１０のアノード流路１１の掃気時にコンプレッサ３１が作動された状態で、図示しないＥＣＵからの指令により開かれるようになっている。
【００２７】
なお、掃気ガス排出弁１００は、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く、図示しない配管に設けられた、常閉型の図示しない掃気ガス導入弁と共に開かれる設定となっている。また、横置きとは、弁体が縦方向（上下方向）に動作する縦置きに対して、弁体が横方向（水平方向）に動作するものをいう。
【００２８】
掃気ガス排出弁１００は、一次室（一方の圧力室）１１０ａを形成し、アノードオフガスが導入される導入ポート１１１が設けられる第１ボディ１１０（ボディ）と、この第１ボディ１１０に隣接して設けられて二次室（他方の圧力室）１２０ａを形成し、前記アノードオフガスが導出される導出ポート１２１が設けられる第２ボディ１２０（ボディ）とを備えている。
【００２９】
掃気ガス排出弁１００は、第２ボディ１２０に隣接して配置された駆動機構を構成するソレノイド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との連通状態と非連通状態とを切り替えるように構成されている。つまり、掃気ガス排出弁１００は、掃気時に開弁して、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下流側の希釈器３３に排出するためのバルブとして機能するようになっている。
【００３０】
本実施形態では、比較的高圧で且つ大流量からなるアノードオフガスが導入される側となる第１ボディ１１０が軸方向（横方向）の一端部側に配置され、また、アノードオフガスを導出する側となる第２ボディ１２０が軸方向の中間部に配置され、さらに、弁体１３０を駆動するためのソレノイド１５０が、第２ボディ１２０に隣接する軸方向の他端部側に配置される構造となっている。
【００３１】
ここで、掃気ガス排出弁１００は、このように、燃料電池スタック１０（図１参照）のアノード流路１１（図１参照）から送られてくるアノードオフガスが通流するバルブであり、アノードオフガスに同伴される水蒸気や結露水等の水分が通過する。このため、水分の滞留に起因する弁体１３０の第１ボディ１１０の内壁に対する凍結固着等を阻止するために、弁体１３０の頂部１３５が一次室１１０ａの内壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性体で形成されている。
【００３２】
第１ボディ１１０は、前記したように、燃料電池スタック１０のアノード流路１１からの配管に接続可能な導入ポート１１１を有しており、この導入ポート１１１を通じて、燃料電池スタック１０からの比較的高圧で且つ大流量からなるアノードオフガスが一次室１１０ａ内に導入されるようになっている。
【００３３】
導入ポート１１１は、第１ボディ１１０の側部（図２中の紙面の奥側）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、導入ポート１１１が導出ポート１２１に対して上側に位置している。つまり、上から下へ向かう方向（重力方向）に、水分を含むアノードオフガスが流れるように構成されている。
【００３４】
一次室１１０ａ内には、弁体１３０が水平方向（横方向）に変位可能に配置されている。つまり、弁体１３０は、一次室１１０ａを形成する第１ボディ１１０の側壁に向けて矢印Ｘ１方向に変位することで開弁するようになっており、また、前記とは反対に矢印Ｘ２方向に変位し、弁体１３０の底面側に設けられた弁座１１６に着座することで閉弁するようになっている。
【００３５】
弁体１３０は、基部１３１と、この基部１３１の孔部内に装着されたゴム製の緩衝部１３４と、この緩衝部１３４に挿入保持されたシャフト保持部１３８とから構成される。
【００３６】
基部１３１は、半径外方向に拡径するフランジ部を備え、このフランジ部と、一次室１１０ａの側部内壁に環状に突出して形成されたスプリングガイド１１２との間には、後記する復帰ばね１１３が縮設されるようになっている。これにより、弁体１３０は、非通電時に、その側方に設けられた弁座１１６に向けて復帰ばね１１３で付勢された状態となり、弁座１１６に着座される。
【００３７】
緩衝部１３４は、略半球状（湾曲凸状）の頂部１３５と、弁座１１６に着座するシート部１３７とを有し、開弁時に、第１ボディ１１０の側部内壁に対して弾性的に当接可能となっている（図２中の２点鎖線参照）。また、略半球状とされているので、例えば、頂部１３５を平坦に形成した場合に比べて、側部内壁の当接面に対する接触面積が小さくなっている。
【００３８】
弁体１３０の底面側に配置される弁座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から一次室１１０ａ側へ向けて突出している。また、弁座１１６の内部には、後記するシャフト１４０が挿通する開口部が形成され、前記開口部は、比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通可能なように大径に設定されている。さらに、弁座１１６は、弁体１３０のシート部１３７に密着するように形成されている。
【００３９】
第１ボディ１１０の側部内壁には、環状の突起部からなるスプリングガイド１１２が設けられ、このスプリングガイド１１２の外径面（内径面でもよい）によって、弁体１３０を弁座１１６へ向けて付勢する復帰ばね１１３の一端が保持される。このスプリングガイド１１２を設けて復帰ばね１１３の一端を保持することにより、導入ポート１１１から比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が導入された場合であっても、復帰ばね１１３の位置ずれを防止して所定位置に保持し弁体１３０を弁座１１６に向って正確に押圧する（復帰させる）ことができる。
【００４０】
復帰ばね１１３は、前記したように、弁体１３０のフランジ部とスプリングガイド１１２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のシート部１３７が弁座１１６に気密性よく着座するように付勢する。このような復帰ばね１１３の付勢によって、閉弁時には、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間が、連通不能（ガス通流不能）に遮断される。
【００４１】
また、後記するように弁体１３０が駆動されて変位した際、第１ボディ１１０の側部内壁に対し、弁体１３０の湾曲凸状の頂部１３５が当接するようになっている。つまり、弁体１３０は、後記するようにシャフト１４０によって変位した際に、頂部１３５が第１ボディ１１０の側部内壁に当接した状態となり、この頂部１３５の当接をもって、シャフト１４０の変位動作を規制するように構成されている。
【００４２】
第２ボディ１２０は、第１ボディ１１０の側部に仕切り壁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）へ通じる配管が接続される導出ポート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、導出ポート１２１から配管を通じて希釈器３３に送られることとなる。
【００４３】
第２ボディ１２０には、先端が弁体１３０（シャフト保持部１３８）の挿入穴に固定されるシャフト１４０が二次室１２０ａ内を貫通するように設けられている。また、第２ボディ１２０の二次室１２０ａ内には、シャフト１４０の中間部の外周面を摺動可能に保持し、前記シャフト１４０を変位方向に沿って案内するガイド部材１６０が設けられる。前記ガイド部材１６０は、後記する固定コア１５１に複数のねじ部材１６２を介してねじ締結される。また、前記ガイド部材１６０は、駆動機構を構成するソレノイド１５０に隣接する二次室１２０ａ（駆動機構に隣接する圧力室）内に配設される。なお、前記ガイド部材１６０をねじ部材１６２によって着脱自在に締結することにより、ガイド部材１６０を取り外してメンテナンス作業を容易に遂行することができる。
【００４４】
図３は、掃気ガス排出弁を構成するガイド部材及びシール部材の分解斜視図、図４は、図２に示すＡ部の拡大断面図である。
このガイド部材１６０は、図３に示されるように、軸方向に沿った一端部にシール部材１６４が装着される装着用溝部（溝部）１６６が形成された環状部１６０ａと、シャフト１４０が摺動する摺動孔１６８が貫通形成された円筒部１６０ｂと、前記円筒部１６０ｂの外周面から半径外方向に拡径し複数のねじ部材１６２が取り付けられる取付用孔部１７０が形成された環状のフランジ部１６０ｃとによって構成される。
【００４５】
前記円筒部１６０ｂの軸方向に沿った一端部には、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなり、所定寸法に精度よく形成されたインロー部１６０ｄが設けられる。前記インロー部１６０ｄは、固定コア１５１の孔部に挿入されることにより、ガイド部材１６０を固定コア１５１に対して組み付ける（ねじ締結する）ときの芯出し機能を有し、前記ガイド部材１６０を固定コア１５１に対して精度良く組み付けることができる。また、インロー部１６０ｄに近接する円筒部１６０ｂの環状段部１６０ｅには、Ｏリング１７２が装着され、前記Ｏリング１７２は、ガイド部材１６０を固定コア１５１に対して組み付けるときに、その潰れ具合（変形程度）によって調芯機能（偏芯機能）を発揮させることができる。
【００４６】
装着用溝部１６６に装着されるシール部材１６４は、例えば、ゴム等の弾性環状体からなり、シャフト１４０の外周面に摺接してシール機能を発揮するリップ部１６４ａが設けられる。このようなシール部材１６４を設けることによって、シャフト１４０が挿通する固定コア１５１とシャフト１４０との間隙が好適にシールされる。この結果、第２ボディ１２０の二次室１２０ａ内の気密が好適に保持されると共に、固定コア１５１とシャフト１４０との間隙からソレノイド１５０側へ掃気ガスが流入することを回避することができる。
【００４７】
なお、ガイド部材１６０は、例えば、アルミニウム等の非磁性材料で形成され、後記するコイル１５５に通電してソレノイド１５０を励磁したときに発生する磁束特性に対して、悪影響を及ぼすことがないように設けられる。
【００４８】
図２に戻って、ソレノイド１５０は、ケーシング１５４の開口部を閉塞するように配設されシャフト１４０が変位可能な貫通孔１５２が形成された固定コア１５１と、ケーシング１５４の内部に配設され樹脂封止体によって封止されたコイル１５５と、前記コイル１５５の励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に変位する円筒状の可動コア１５６と、可動コア１５６とケーシング１５４の閉塞壁１５４ａとの間に介装され、可動コア１５６を固定コア１５１の方向（矢印Ｘ１方向）に付勢するスプリング１５７とを備える。
【００４９】
可動コア１５６は、金属製磁性材料からなる円筒状の部材であり、コイル１５５を封止する樹脂封止体の内壁面に沿って挿通自在に配置され、コイル１５５の励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に変位可能となっている。すなわち、可動コア１５６は、コイル１５５を励磁したときに、固定コア１５１に吸引され、復帰ばね１１３（図２参照）の付勢力に抗して弁体１３０側（矢印Ｘ１方向）に変位する。これにより、前記弁体１３０は、シャフト１４０と一体的に矢印Ｘ１方向に押動される。
【００５０】
可動コア１５６の略中央部には、軸線方向に沿って貫通する段付き孔部が形成されており、この段付き孔部にシャフト１４０の一端部が挿通されて固定されている。固定コア１５１と対向する可動コア１５６の端部には、固定コア１５１側に向かって徐々に縮径するテーパ面１５６ａが形成されている。また、前記テーパ面１５６ａと対向する固定コア１５１の端部には、前記テーパ面１５６ａに対応する逆テーパ面１５１ａが形成されており、これらの相互作用によって励磁作用下で可動コア１５６に推力が付与されるようになっている。
【００５１】
図４に示されるように、固定コア１５１の逆テーパ面１５１ａに近接する外周部位には、シャフト１４０の軸線と直交する端面１５１ｂに対して角度θだけ傾斜するように切り欠いて形成された傾斜面からなる磁路構成部１５１ｃが設けられる。固定コア１５１の端部外周面に磁路構成部１５１ｃを設けることにより、磁束密度を増大させて可動コア１５６を吸引する推力を向上させることができる。
【００５２】
図２に戻り、シャフト１４０は、その一端部側が可動コア１５６の段付き孔部に嵌め込まれて固定され、他端部側が弁体１３０の挿入穴に挿入されて固定されている。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。この結果、ガイド部材１６０とシャフト１４０との間の摺動抵抗を抑制して潤滑性を向上させることができる。
【００５３】
ケーシング１５４の閉塞壁１５４ａの近傍には、通気路１５４ｂが形成されており、この通気路１５４ｂの開口部にキャップ１５９が装着されている。通気路１５４ｂは、ケーシング１５４の表面と、可動コア１５６を変位可能に摺動保持するシャフト側室１５６ｂとに開口する連通孔であり、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。
【００５４】
キャップ１５９には透湿防水素材１５８が配置され、この透湿防水素材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。
【００５５】
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１５４ｂに空気が出入りすることとなるので、可動コア１５６の円滑な摺動が実現される。
【００５６】
燃料電池システム１に組み込まれた本実施形態に係る掃気ガス排出弁１００は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について説明する。
【００５７】
システム停止時に、ＥＣＵによって、燃料電池スタック１０内が凍結するおそれがあると判定されると、ＥＣＵの指令によって、コンプレッサ３１が作動され、図示しない掃気ガス導入弁とともに掃気ガス排出弁１００が開かれる。
【００５８】
そして、コンプレッサ３１からの掃気ガス（圧縮エア）が、アノード流路１１およびカソード流路１２に押し込まれ、これによって、アノード流路１１等の水分（水蒸気、結露水等）が押し出され、燃料電池スタック１０が掃気される。
【００５９】
アノード流路１１から押し出された水分は、掃気ガスと共に、掃気ガス排出弁１００、希釈器３３を介して車外に排出されるようになっている。一方、カソード流路１２から押し出された水分は、掃気ガスと共に、希釈器３３を介して車外に排出される。
【００６０】
このような掃気時において、掃気ガス排出弁１００では、ＥＣＵからの指令で励磁したコイル１５５により、可動コア１５６が固定コア１５１に吸引されて矢印Ｘ１方向に移動し、これに伴って移動したシャフト１４０により弁体１３０が弁座１１６から離間する。このとき弁体１３０は、その頂部１３５が側部内壁に弾性的に当接し、この当接によって弁体１３０の移動が規制されて開弁状態となる。
【００６１】
これにより、アノード流路１１から押し出された水分を含む比較的高圧で且つ大流量からなるアノードオフガスは、導入ポート１１１から一次室１１０ａに流入し、さらに、一次室１１０ａから二次室１２０ａに流入して導出ポート１２１より排出されるようになる。このとき、水蒸気や結露水等の水分がアノードオフガスに同伴されて通過しても、弁体１３０は、その頂部１３５が略半球状を呈しているので、頂部１３５にこれらが留まることがなく、水分の滞留（液溜まり）に起因する弁体１３０の凍結固着が好適に阻止される。
【００６２】
また、閉弁時には、ＥＣＵによりコイル１５５が非励磁とされ、復帰ばね１１３によって弁体１３０の頂部１３５が側部内壁から離間し、その後、弁体１３０が弁座１１６に着座する。これにより、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間が遮断され、掃気が終了する。
【００６３】
本実施形態では、弁体１３０が弁座１１６から離間した弁開状態において、導入ポート１１１から導入された比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が一次室１１０ａから二次室１２０ａに向かって流通する場合であっても、シャフト１４０の中間部がガイド部材１６０によって安定的に保持されることにより、前記シャフト１４０が傾動することが阻止されて弁体１３０が傾くことがないため、弁座１１６に対する弁体１３０のシート性を向上させることができる。この場合、シャフト１４０がガイド部材１６０によってバランスよく保持されることにより、弁体１３０の作動性が向上する。
【００６４】
また、本実施形態では、シャフト１４０を摺動可能に保持するガイド部材１６０を設けることにより、シャフト１４０が挿通する固定コア１５１の貫通孔１５２内径の寸法精度が不要となり、固定コア１５１の製造が容易になると共に、製造コストを低減することができる。
【００６５】
さらに、本実施形態では、ガイド部材１６０の装着用溝部１６６にシール部材１６４が装着されることにより前記ガイド部材１６０の摺動孔１６８とシャフト１４０の外周面との間隙がシールされ、終局的には、固定コア１５１の孔部とシャフト１４０との間隙を通じて掃気ガスの流入が阻止されることにより、ソレノイド１５０側への掃気ガスの流入を回避することができる。
【００６６】
さらにまた、本実施形態では、シャフト１４０を摺動可能に保持するガイド部材１６０を設けることにより、ガイド長を増大させて、流入する圧力流体の大流量を確保することができるとともに、弁体１３０をレスポンスよく円滑に移動させることができる。この結果、シャフト１４０の安定した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。
【００６７】
なお、本実施形態では、弁装置として掃気ガス排出弁１００を用いた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、水素パージ弁２４に用いてもよいし、または図示しない掃気ガス導入弁等に用いてもよい。
【００６８】
また、駆動機構としてソレノイド１５０を例示しているが、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機構も採用可能である。
【００６９】
さらに、本実施形態では、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。
【００７０】
図５（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、ガイド部材の組付工程を示す断面図である。以下、図５に基づいて、ガイド部材１６０を含む掃気ガス排出弁１００の組付工程について説明する。
【００７１】
図５（ａ）に示されるように、ガイド部材１６０の軸方向に沿った一端部に形成された装着用溝部１６６に対してリップ部１６４ａを有するシール部材１６４を嵌め込んだ後、図５（ｂ）に示されるように、前記とは反対側の軸方向に沿った他端側でインロー部１６０ｄに近接する環状段部１６０ｅに対してＯリング１７２を装着する。
【００７２】
続いて、図５（ｃ）に示されるように、固定コア１５１の貫通孔１５２に沿ってガイド部材１６０のインロー部１６０ｄ及び円筒部１６０ｂの一部を挿入した後、図５（ｄ）に示されるように、複数のねじ部材１６２を締結することによってガイド部材１６０を固定コア１５１に固定する。その際、ガイド部材１６０のインロー部１６０ｄが固定コア１５１の孔部内に挿入されることによって芯出し機能が発揮される。また、ねじ部材１６２によってガイド部材１６０を固定コア１５１に固定するとき、Ｏリング１７２の潰れ具合によって調芯機能（偏芯機能）が発揮される。
【００７３】
このようにして、ガイド部材１６０が固定コア１５１に対して一体的に組み付けられた後、図５（ｅ）に示されるように、ガイド部材１６０の摺動孔１６８に対し矢印Ｘ１方向に沿ってシャフト１４０を摺動させ、固定コア１５１及びガイド部材１６０を貫通させることにより、ガイド部材１６０、固定コア１５１及びシャフト１４０等が一体的に組み付けられたユニットが構成される。なお、挿通されたシャフト１４０の一端部は、シール部材１６４を貫通して外部に露呈する。
【００７４】
このようにしてユニットが構成された後、ケーシング１５４内に予めコイル１５５及び可動コア１５６等が配設されたソレノイド１５０と前記ユニットとを一体的に組み付け、さらに、弁体１３０をシャフト１４０の一端部に連結した後に復帰ばね１１３を装着し、第１ボディ１１０を第２ボディ１２０と位置決めして一体的に締結する。このようにして掃気ガス排出弁１００の組付工程が完了する。
【００７５】
本実施形態では、このようにしてシャフト１４０を案内するガイド部材１６０を二次室１２０ａに臨む固定コア１５１の端面に対して簡便に組み付けることができ、組付工程を簡素化することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１００ 掃気ガス排出弁 １１０ 第１ボディ（ボディ）
１１０ａ 一次室（一方の圧力室） １１６ 弁座
１２０ 第２ボディ（ボディ） １２０ａ 二次室（他方の圧力室）
１３０ 弁体 １４０ シャフト
１５０ ソレノイド（駆動機構） １６０ ガイド部材
１６０ｄ インロー部 １６４ シール部材
１６６ 装着用溝部（溝部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃料電池システム等に組み込まれる弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）を生成し、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、燃料電池や、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。よって、発電停止後、燃料電池が低温環境下（例えば０℃未満）に曝されると、燃料電池内や付属機器が凍結するおそれがある。
【０００４】
そこで、特許文献１では、凍結するおそれがある場合、燃料電池に掃気ガス（非加湿の空気や窒素等）を押し込み、燃料電池内に残留する水蒸気や結露水等の水分を押し出すことによって、燃料電池のアノードを掃気する手段を備えた燃料電池システムが提案されている。そして、水分と共に燃料電池から排出された掃気ガスは、掃気時に開かれる弁装置としての掃気ガス排出弁を介して排出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８１０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池から排出され弁装置内に導入される掃気ガスは比較的高圧で且つ大流量であるため、弁装置内に設けられた弁体や弁ロッドに対して大きな荷重が付与され、弁座に対して着座する弁体のシート性が劣化するおそれがある。
【０００７】
例えば、弁体が着座する弁座の直径は、大流量の圧力流体（掃気ガス）が流通可能なように大径に設定され、しかも、弁ロッドを構成するシャフトが軸方向に沿って長尺に設けられている場合、圧力流体の流通によって前記シャフトが傾動し、大径な弁座に対して弁体が傾斜した状態で着座することによりシート性が劣化するおそれがある。
【０００８】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通する場合であっても、弁体の傾きが抑制されて前記弁体の弁座に対するシート性を向上させることが可能な弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が導入される一方の圧力室と圧力流体が導出される他方の圧力室とがそれぞれ設けられたボディと、前記ボディ内の一方の圧力室と他方の圧力室との間で延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、前記シャフトに連結されて前記シャフトと一体的に変位することにより、前記一方の圧力室と前記他方の圧力室との間の連通状態と非連通状態とを切り替える弁体と、前記駆動機構と前記弁体との間に設けられ、前記シャフトの外周面を摺動可能に保持することにより前記シャフトを軸方向に沿って案内するガイド部材とを備え、前記ガイド部材は、前記駆動機構に隣接する前記圧力室内に配設されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、駆動機構と弁体との間に、シャフトの外周面を摺動可能に保持してシャフトを軸方向に沿って案内するガイド部材を設けることにより、一方の圧力室と他方の圧力室との間で比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通する場合であっても、弁体の傾きが抑制されて前記弁体の弁座に対するシート性を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明は、前記ガイド部材に対し溝部を介してシール部材が装着され、前記シール部材は、前記シャフトと前記ガイド部材との間隙をシールすることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ガイド部材に装着されたシール部材によって、ガイド部材とシャフトとの間隙をシールすることにより、前記間隙を通じて駆動機構側（例えば、ソレノイド側）へのガスの流入を防止することができる。
【００１３】
さらに、本発明は、前記ガイド部材の軸方向に沿った一端部に、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなるインロー部が設けられることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、ガイド部材の軸方向に沿った一端部に、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなるインロー部を設けることにより、ガイド部材を駆動機構（例えば、ソレノイドを構成する固定コア）に対して組み付ける（例えば、ねじ締結する）ときに芯出し機能を発揮させることができ、前記ガイド部材を駆動機構に対して精度良く組み付けることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通する場合であっても、弁体の傾きが抑制されて前記弁体の弁座に対するシート性を向上させることが可能な弁装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る弁装置としての掃気ガス排出弁が組み込まれた燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】図１に示す掃気ガス排出弁の縦断面図である。
【図３】前記掃気ガス排出弁を構成するガイド部材及びシール部材の分解斜視図である。
【図４】図２に示すＡ部の拡大断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、ガイド部材の組付工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る掃気ガス排出弁が組み込まれた燃料電池システムのシステム構成図である。
【００１８】
図１に示されるように、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。
【００１９】
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、常閉型の水素パージ弁２４、常閉型の掃気ガス排出弁（弁装置）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。そして、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から新たに供給された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。
【００２０】
また、アノード流路１１の出口には、水素パージ弁２４、掃気ガス排出弁１００が並列に接続されている。水素パージ弁２４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、図示しない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。水素パージ弁２４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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の指令に基づいて作動すると、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。
【００２３】
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図示しない中空糸膜等を備えている。
【００２４】
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。希釈器３３は、水素パージ弁２４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。
【００２５】
図２は、図１に示す掃気ガス排出弁の縦断面図である。次に、本発明の実施形態に係る掃気ガス排出弁１００について、図２に基づいて以下詳細に説明する。
【００２６】
掃気ガス排出弁１００は、常閉型で横置きに配置された電磁弁からなり、燃料電池スタック１０の掃気時に開かれるバルブである。この掃気ガス排出弁１００は、燃料電池スタック１０のアノード流路１１の掃気時にコンプレッサ３１が作動された状態で、図示しないＥＣＵからの指令により開かれるようになっている。
【００２７】
なお、掃気ガス排出弁１００は、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く、図示しない配管に設けられた、常閉型の図示しない掃気ガス導入弁と共に開かれる設定となっている。また、横置きとは、弁体が縦方向（上下方向）に動作する縦置きに対して、弁体が横方向（水平方向）に動作するものをいう。
【００２８】
掃気ガス排出弁１００は、一次室（一方の圧力室）１１０ａを形成し、アノードオフガスが導入される導入ポート１１１が設けられる第１ボディ１１０（ボディ）と、この第１ボディ１１０に隣接して設けられて二次室（他方の圧力室）１２０ａを形成し、前記アノードオフガスが導出される導出ポート１２１が設けられる第２ボディ１２０（ボディ）とを備えている。
【００２９】
掃気ガス排出弁１００は、第２ボディ１２０に隣接して配置された駆動機構を構成するソレノイド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との連通状態と非連通状態とを切り替えるように構成されている。つまり、掃気ガス排出弁１００は、掃気時に開弁して、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下流側の希釈器３３に排出するためのバルブとして機能するようになっている。
【００３０】
本実施形態では、比較的高圧で且つ大流量からなるアノードオフガスが導入される側となる第１ボディ１１０が軸方向（横方向）の一端部側に配置され、また、アノードオフガスを導出する側となる第２ボディ１２０が軸方向の中間部に配置され、さらに、弁体１３０を駆動するためのソレノイド１５０が、第２ボディ１２０に隣接する軸方向の他端部側に配置される構造となっている。
【００３１】
ここで、掃気ガス排出弁１００は、このように、燃料電池スタック１０（図１参照）のアノード流路１１（図１参照）から送られてくるアノードオフガスが通流するバルブであり、アノードオフガスに同伴される水蒸気や結露水等の水分が通過する。このため、水分の滞留に起因する弁体１３０の第１ボディ１１０の内壁に対する凍結固着等を阻止するために、弁体１３０の頂部１３５が一次室１１０ａの内壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性体で形成されている。
【００３２】
第１ボディ１１０は、前記したように、燃料電池スタック１０のアノード流路１１からの配管に接続可能な導入ポート１１１を有しており、この導入ポート１１１を通じて、燃料電池スタック１０からの比較的高圧で且つ大流量からなるアノードオフガスが一次室１１０ａ内に導入されるようになっている。
【００３３】
導入ポート１１１は、第１ボディ１１０の側部（図２中の紙面の奥側）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、導入ポート１１１が導出ポート１２１に対して上側に位置している。つまり、上から下へ向かう方向（重力方向）に、水分を含むアノードオフガスが流れるように構成されている。
【００３４】
一次室１１０ａ内には、弁体１３０が水平方向（横方向）に変位可能に配置されている。つまり、弁体１３０は、一次室１１０ａを形成する第１ボディ１１０の側壁に向けて矢印Ｘ１方向に変位することで開弁するようになっており、また、前記とは反対に矢印Ｘ２方向に変位し、弁体１３０の底面側に設けられた弁座１１６に着座することで閉弁するようになっている。
【００３５】
弁体１３０は、基部１３１と、この基部１３１の孔部内に装着されたゴム製の緩衝部１３４と、この緩衝部１３４に挿入保持されたシャフト保持部１３８とから構成される。
【００３６】
基部１３１は、半径外方向に拡径するフランジ部を備え、このフランジ部と、一次室１１０ａの側部内壁に環状に突出して形成されたスプリングガイド１１２との間には、後記する復帰ばね１１３が縮設されるようになっている。これにより、弁体１３０は、非通電時に、その側方に設けられた弁座１１６に向けて復帰ばね１１３で付勢された状態となり、弁座１１６に着座される。
【００３７】
緩衝部１３４は、略半球状（湾曲凸状）の頂部１３５と、弁座１１６に着座するシート部１３７とを有し、開弁時に、第１ボディ１１０の側部内壁に対して弾性的に当接可能となっている（図２中の２点鎖線参照）。また、略半球状とされているので、例えば、頂部１３５を平坦に形成した場合に比べて、側部内壁の当接面に対する接触面積が小さくなっている。
【００３８】
弁体１３０の底面側に配置される弁座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から一次室１１０ａ側へ向けて突出している。また、弁座１１６の内部には、後記するシャフト１４０が挿通する開口部が形成され、前記開口部は、比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が流通可能なように大径に設定されている。さらに、弁座１１６は、弁体１３０のシート部１３７に密着するように形成されている。
【００３９】
第１ボディ１１０の側部内壁には、環状の突起部からなるスプリングガイド１１２が設けられ、このスプリングガイド１１２の外径面（内径面でもよい）によって、弁体１３０を弁座１１６へ向けて付勢する復帰ばね１１３の一端が保持される。このスプリングガイド１１２を設けて復帰ばね１１３の一端を保持することにより、導入ポート１１１から比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が導入された場合であっても、復帰ばね１１３の位置ずれを防止して所定位置に保持し弁体１３０を弁座１１６に向って正確に押圧する（復帰させる）ことができる。
【００４０】
復帰ばね１１３は、前記したように、弁体１３０のフランジ部とスプリングガイド１１２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のシート部１３７が弁座１１６に気密性よく着座するように付勢する。このような復帰ばね１１３の付勢によって、閉弁時には、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間が、連通不能（ガス通流不能）に遮断される。
【００４１】
また、後記するように弁体１３０が駆動されて変位した際、第１ボディ１１０の側部内壁に対し、弁体１３０の湾曲凸状の頂部１３５が当接するようになっている。つまり、弁体１３０は、後記するようにシャフト１４０によって変位した際に、頂部１３５が第１ボディ１１０の側部内壁に当接した状態となり、この頂部１３５の当接をもって、シャフト１４０の変位動作を規制するように構成されている。
【００４２】
第２ボディ１２０は、第１ボディ１１０の側部に仕切り壁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）へ通じる配管が接続される導出ポート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、導出ポート１２１から配管を通じて希釈器３３に送られることとなる。
【００４３】
第２ボディ１２０には、先端が弁体１３０（シャフト保持部１３８）の挿入穴に固定されるシャフト１４０が二次室１２０ａ内を貫通するように設けられている。また、第２ボディ１２０の二次室１２０ａ内には、シャフト１４０の中間部の外周面を摺動可能に保持し、前記シャフト１４０を変位方向に沿って案内するガイド部材１６０が設けられる。前記ガイド部材１６０は、後記する固定コア１５１に複数のねじ部材１６２を介してねじ締結される。また、前記ガイド部材１６０は、駆動機構を構成するソレノイド１５０に隣接する二次室１２０ａ（駆動機構に隣接する圧力室）内に配設される。なお、前記ガイド部材１６０をねじ部材１６２によって着脱自在に締結することにより、ガイド部材１６０を取り外してメンテナンス作業を容易に遂行することができる。
【００４４】
図３は、掃気ガス排出弁を構成するガイド部材及びシール部材の分解斜視図、図４は、図２に示すＡ部の拡大断面図である。
このガイド部材１６０は、図３に示されるように、軸方向に沿った一端部にシール部材１６４が装着される装着用溝部（溝部）１６６が形成された環状部１６０ａと、シャフト１４０が摺動する摺動孔１６８が貫通形成された円筒部１６０ｂと、前記円筒部１６０ｂの外周面から半径外方向に拡径し複数のねじ部材１６２が取り付けられる取付用孔部１７０が形成された環状のフランジ部１６０ｃとによって構成される。
【００４５】
前記円筒部１６０ｂの軸方向に沿った一端部には、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなり、所定寸法に精度よく形成されたインロー部１６０ｄが設けられる。前記インロー部１６０ｄは、固定コア１５１の孔部に挿入されることにより、ガイド部材１６０を固定コア１５１に対して組み付ける（ねじ締結する）ときの芯出し機能を有し、前記ガイド部材１６０を固定コア１５１に対して精度良く組み付けることができる。また、インロー部１６０ｄに近接する円筒部１６０ｂの環状段部１６０ｅには、Ｏリング１７２が装着され、前記Ｏリング１７２は、ガイド部材１６０を固定コア１５１に対して組み付けるときに、その潰れ具合（変形程度）によって調芯機能（偏芯機能）を発揮させることができる。
【００４６】
装着用溝部１６６に装着されるシール部材１６４は、例えば、ゴム等の弾性環状体からなり、シャフト１４０の外周面に摺接してシール機能を発揮するリップ部１６４ａが設けられる。このようなシール部材１６４を設けることによって、シャフト１４０が挿通する固定コア１５１とシャフト１４０との間隙が好適にシールされる。この結果、第２ボディ１２０の二次室１２０ａ内の気密が好適に保持されると共に、固定コア１５１とシャフト１４０との間隙からソレノイド１５０側へ掃気ガスが流入することを回避することができる。
【００４７】
なお、ガイド部材１６０は、例えば、アルミニウム等の非磁性材料で形成され、後記するコイル１５５に通電してソレノイド１５０を励磁したときに発生する磁束特性に対して、悪影響を及ぼすことがないように設けられる。
【００４８】
図２に戻って、ソレノイド１５０は、ケーシング１５４の開口部を閉塞するように配設されシャフト１４０が変位可能な貫通孔１５２が形成された固定コア１５１と、ケーシング１５４の内部に配設され樹脂封止体によって封止されたコイル１５５と、前記コイル１５５の励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に変位する円筒状の可動コア１５６と、可動コア１５６とケーシング１５４の閉塞壁１５４ａとの間に介装され、可動コア１５６を固定コア１５１の方向（矢印Ｘ１方向）に付勢するスプリング１５７とを備える。
【００４９】
可動コア１５６は、金属製磁性材料からなる円筒状の部材であり、コイル１５５を封止する樹脂封止体の内壁面に沿って挿通自在に配置され、コイル１５５の励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に変位可能となっている。すなわち、可動コア１５６は、コイル１５５を励磁したときに、固定コア１５１に吸引され、復帰ばね１１３（図２参照）の付勢力に抗して弁体１３０側（矢印Ｘ１方向）に変位する。これにより、前記弁体１３０は、シャフト１４０と一体的に矢印Ｘ１方向に押動される。
【００５０】
可動コア１５６の略中央部には、軸線方向に沿って貫通する段付き孔部が形成されており、この段付き孔部にシャフト１４０の一端部が挿通されて固定されている。固定コア１５１と対向する可動コア１５６の端部には、固定コア１５１側に向かって徐々に縮径するテーパ面１５６ａが形成されている。また、前記テーパ面１５６ａと対向する固定コア１５１の端部には、前記テーパ面１５６ａに対応する逆テーパ面１５１ａが形成されており、これらの相互作用によって励磁作用下で可動コア１５６に推力が付与されるようになっている。
【００５１】
図４に示されるように、固定コア１５１の逆テーパ面１５１ａに近接する外周部位には、シャフト１４０の軸線と直交する端面１５１ｂに対して角度θだけ傾斜するように切り欠いて形成された傾斜面からなる磁路構成部１５１ｃが設けられる。固定コア１５１の端部外周面に磁路構成部１５１ｃを設けることにより、磁束密度を増大させて可動コア１５６を吸引する推力を向上させることができる。
【００５２】
図２に戻り、シャフト１４０は、その一端部側が可動コア１５６の段付き孔部に嵌め込まれて固定され、他端部側が弁体１３０の挿入穴に挿入されて固定されている。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。この結果、ガイド部材１６０とシャフト１４０との間の摺動抵抗を抑制して潤滑性を向上させることができる。
【００５３】
ケーシング１５４の閉塞壁１５４ａの近傍には、通気路１５４ｂが形成されており、この通気路１５４ｂの開口部にキャップ１５９が装着されている。通気路１５４ｂは、ケーシング１５４の表面と、可動コア１５６を変位可能に摺動保持するシャフト側室１５６ｂとに開口する連通孔であり、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。
【００５４】
キャップ１５９には透湿防水素材１５８が配置され、この透湿防水素材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。
【００５５】
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１５４ｂに空気が出入りすることとなるので、可動コア１５６の円滑な摺動が実現される。
【００５６】
燃料電池システム１に組み込まれた本実施形態に係る掃気ガス排出弁１００は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について説明する。
【００５７】
システム停止時に、ＥＣＵによって、燃料電池スタック１０内が凍結するおそれがあると判定されると、ＥＣＵの指令によって、コンプレッサ３１が作動され、図示しない掃気ガス導入弁とともに掃気ガス排出弁１００が開かれる。
【００５８】
そして、コンプレッサ３１からの掃気ガス（圧縮エア）が、アノード流路１１およびカソード流路１２に押し込まれ、これによって、アノード流路１１等の水分（水蒸気、結露水等）が押し出され、燃料電池スタック１０が掃気される。
【００５９】
アノード流路１１から押し出された水分は、掃気ガスと共に、掃気ガス排出弁１００、希釈器３３を介して車外に排出されるようになっている。一方、カソード流路１２から押し出された水分は、掃気ガスと共に、希釈器３３を介して車外に排出される。
【００６０】
このような掃気時において、掃気ガス排出弁１００では、ＥＣＵからの指令で励磁したコイル１５５により、可動コア１５６が固定コア１５１に吸引されて矢印Ｘ１方向に移動し、これに伴って移動したシャフト１４０により弁体１３０が弁座１１６から離間する。このとき弁体１３０は、その頂部１３５が側部内壁に弾性的に当接し、この当接によって弁体１３０の移動が規制されて開弁状態となる。
【００６１】
これにより、アノード流路１１から押し出された水分を含む比較的高圧で且つ大流量からなるアノードオフガスは、導入ポート１１１から一次室１１０ａに流入し、さらに、一次室１１０ａから二次室１２０ａに流入して導出ポート１２１より排出されるようになる。このとき、水蒸気や結露水等の水分がアノードオフガスに同伴されて通過しても、弁体１３０は、その頂部１３５が略半球状を呈しているので、頂部１３５にこれらが留まることがなく、水分の滞留（液溜まり）に起因する弁体１３０の凍結固着が好適に阻止される。
【００６２】
また、閉弁時には、ＥＣＵによりコイル１５５が非励磁とされ、復帰ばね１１３によって弁体１３０の頂部１３５が側部内壁から離間し、その後、弁体１３０が弁座１１６に着座する。これにより、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間が遮断され、掃気が終了する。
【００６３】
本実施形態では、弁体１３０が弁座１１６から離間した弁開状態において、導入ポート１１１から導入された比較的高圧で且つ大流量の圧力流体が一次室１１０ａから二次室１２０ａに向かって流通する場合であっても、シャフト１４０の中間部がガイド部材１６０によって安定的に保持されることにより、前記シャフト１４０が傾動することが阻止されて弁体１３０が傾くことがないため、弁座１１６に対する弁体１３０のシート性を向上させることができる。この場合、シャフト１４０がガイド部材１６０によってバランスよく保持されることにより、弁体１３０の作動性が向上する。
【００６４】
また、本実施形態では、シャフト１４０を摺動可能に保持するガイド部材１６０を設けることにより、シャフト１４０が挿通する固定コア１５１の貫通孔１５２内径の寸法精度が不要となり、固定コア１５１の製造が容易になると共に、製造コストを低減することができる。
【００６５】
さらに、本実施形態では、ガイド部材１６０の装着用溝部１６６にシール部材１６４が装着されることにより前記ガイド部材１６０の摺動孔１６８とシャフト１４０の外周面との間隙がシールされ、終局的には、固定コア１５１の孔部とシャフト１４０との間隙を通じて掃気ガスの流入が阻止されることにより、ソレノイド１５０側への掃気ガスの流入を回避することができる。
【００６６】
さらにまた、本実施形態では、シャフト１４０を摺動可能に保持するガイド部材１６０を設けることにより、ガイド長を増大させて、流入する圧力流体の大流量を確保することができるとともに、弁体１３０をレスポンスよく円滑に移動させることができる。この結果、シャフト１４０の安定した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。
【００６７】
なお、本実施形態では、弁装置として掃気ガス排出弁１００を用いた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、水素パージ弁２４に用いてもよいし、または図示しない掃気ガス導入弁等に用いてもよい。
【００６８】
また、駆動機構としてソレノイド１５０を例示しているが、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機構も採用可能である。
【００６９】
さらに、本実施形態では、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。
【００７０】
図５（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、ガイド部材の組付工程を示す断面図である。以下、図５に基づいて、ガイド部材１６０を含む掃気ガス排出弁１００の組付工程について説明する。
【００７１】
図５（ａ）に示されるように、ガイド部材１６０の軸方向に沿った一端部に形成された装着用溝部１６６に対してリップ部１６４ａを有するシール部材１６４を嵌め込んだ後、図５（ｂ）に示されるように、前記とは反対側の軸方向に沿った他端側でインロー部１６０ｄに近接する環状段部１６０ｅに対してＯリング１７２を装着する。
【００７２】
続いて、図５（ｃ）に示されるように、固定コア１５１の貫通孔１５２に沿ってガイド部材１６０のインロー部１６０ｄ及び円筒部１６０ｂの一部を挿入した後、図５（ｄ）に示されるように、複数のねじ部材１６２を締結することによってガイド部材１６０を固定コア１５１に固定する。その際、ガイド部材１６０のインロー部１６０ｄが固定コア１５１の孔部内に挿入されることによって芯出し機能が発揮される。また、ねじ部材１６２によってガイド部材１６０を固定コア１５１に固定するとき、Ｏリング１７２の潰れ具合によって調芯機能（偏芯機能）が発揮される。
【００７３】
このようにして、ガイド部材１６０が固定コア１５１に対して一体的に組み付けられた後、図５（ｅ）に示されるように、ガイド部材１６０の摺動孔１６８に対し矢印Ｘ１方向に沿ってシャフト１４０を摺動させ、固定コア１５１及びガイド部材１６０を貫通させることにより、ガイド部材１６０、固定コア１５１及びシャフト１４０等が一体的に組み付けられたユニットが構成される。なお、挿通されたシャフト１４０の一端部は、シール部材１６４を貫通して外部に露呈する。
【００７４】
このようにしてユニットが構成された後、ケーシング１５４内に予めコイル１５５及び可動コア１５６等が配設されたソレノイド１５０と前記ユニットとを一体的に組み付け、さらに、弁体１３０をシャフト１４０の一端部に連結した後に復帰ばね１１３を装着し、第１ボディ１１０を第２ボディ１２０と位置決めして一体的に締結する。このようにして掃気ガス排出弁１００の組付工程が完了する。
【００７５】
本実施形態では、このようにしてシャフト１４０を案内するガイド部材１６０を二次室１２０ａに臨む固定コア１５１の端面に対して簡便に組み付けることができ、組付工程を簡素化することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１００ 掃気ガス排出弁 １１０ 第１ボディ（ボディ）
１１０ａ 一次室（一方の圧力室） １１６ 弁座
１２０ 第２ボディ（ボディ） １２０ａ 二次室（他方の圧力室）
１３０ 弁体 １４０ シャフト
１５０ ソレノイド（駆動機構） １６０ ガイド部材
１６０ｄ インロー部 １６４ シール部材
１６６ 装着用溝部（溝部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力流体が導入される一方の圧力室と圧力流体が導出される他方の圧力室とがそれぞれ設けられたボディと、
前記ボディ内の一方の圧力室と他方の圧力室との間で延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、
前記シャフトに連結されて前記シャフトと一体的に変位することにより、前記一方の圧力室と前記他方の圧力室との間の連通状態と非連通状態とを切り替える弁体と、
前記駆動機構と前記弁体との間に設けられ、前記シャフトの外周面を摺動可能に保持することにより前記シャフトを軸方向に沿って案内するガイド部材と、
を備え、
前記ガイド部材は、前記駆動機構に隣接する前記圧力室内に配設されることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
請求項１記載の弁装置において、
前記ガイド部材には、溝部を介してシール部材が装着され、前記シール部材は、前記シャフトと前記ガイド部材との間隙をシールすることを特徴とする弁装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の弁装置において、
前記ガイド部材の軸方向に沿った一端部には、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなるインロー部が設けられることを特徴とする弁装置。
【請求項１】
圧力流体が導入される一方の圧力室と圧力流体が導出される他方の圧力室とがそれぞれ設けられたボディと、
前記ボディ内の一方の圧力室と他方の圧力室との間で延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、
前記シャフトに連結されて前記シャフトと一体的に変位することにより、前記一方の圧力室と前記他方の圧力室との間の連通状態と非連通状態とを切り替える弁体と、
前記駆動機構と前記弁体との間に設けられ、前記シャフトの外周面を摺動可能に保持することにより前記シャフトを軸方向に沿って案内するガイド部材と、
を備え、
前記ガイド部材は、前記駆動機構に隣接する前記圧力室内に配設されることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
請求項１記載の弁装置において、
前記ガイド部材には、溝部を介してシール部材が装着され、前記シール部材は、前記シャフトと前記ガイド部材との間隙をシールすることを特徴とする弁装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の弁装置において、
前記ガイド部材の軸方向に沿った一端部には、他の部位と比較して薄肉で円筒状からなるインロー部が設けられることを特徴とする弁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−６９４５０（Ｐ２０１１−６９４５０Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２１８７７（Ｐ２００９−２２１８７７）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００１４１９０１）株式会社ケーヒン (1,140)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００１４１９０１）株式会社ケーヒン (1,140)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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