流体排出弁
【課題】低温環境下において弁体が固着するのを防止することができる流体排出弁を提供する。
【解決手段】流体が導入される一次室１１０ａが形成された一次室ボディ１１０と、流体が導出される二次室１２０ａが形成された二次室ボディ１２０と、一次室に流体を導入する導入路１１１と、二次室から流体を導出する導出路１２１と、一次室と二次室との間を連通または遮断するとともに、駆動機構により駆動される弁体１３０と、を備えた流体排出弁５０において、弁体１３０が一次室１１０ａおよび二次室１２０ａの中心軸に相当する位置に配されるとともに、導入路１１１および導出路１２１の少なくともいずれか一方が、中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられている。
【解決手段】流体が導入される一次室１１０ａが形成された一次室ボディ１１０と、流体が導出される二次室１２０ａが形成された二次室ボディ１２０と、一次室に流体を導入する導入路１１１と、二次室から流体を導出する導出路１２１と、一次室と二次室との間を連通または遮断するとともに、駆動機構により駆動される弁体１３０と、を備えた流体排出弁５０において、弁体１３０が一次室１１０ａおよび二次室１２０ａの中心軸に相当する位置に配されるとともに、導入路１１１および導出路１２１の少なくともいずれか一方が、中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体排出弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アノード側に燃料ガス（例えば、水素）、カソード側に酸化剤ガス（例えば、酸素あるいは空気）が供給されて発電する燃料電池を搭載した燃料電池自動車が知られている。このように構成された燃料電池は、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわちアノードオフガスに未反応の燃料ガスが含まれている。これをそのまま放出すると燃費が悪化するため、この問題を解消するために、アノードオフガスをエゼクタやポンプなどを用いて循環させ、新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
ところで、固体高分子電解質膜型の燃料電池において、燃料電池が発電すると、カソード側で水蒸気（水）が生成され、その水の一部が電解質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保持するため、燃料電池に向かう燃料ガスおよび酸化剤ガスは、加湿器などによって加湿される。したがって、アノードオフガスは多湿となる。
【０００４】
このように燃料電池の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に含まれる窒素は、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ため、燃料ガスの循環利用により窒素の濃度が上昇することがあり、その結果、発電が不安定になる場合がある。
【０００５】
燃料電池の発電が不安定になった場合には、燃料ガス循環流路から流体排出を行い、アノード側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。そのために、燃料ガス循環流路には流体排出弁が設けられている。
【０００６】
しかしながら、固体高分子電解質膜型の燃料電池においては、氷点下の環境で燃料電池システムが停止していると、流体排出弁の弁体とシート部との間に付着した水分が凍結して固着状態になると、流体排出弁を開けられなくなり、流体排出を行うことができなくなるという問題がある。
【０００７】
そこで、低温時にも流体の凍結による固着が起こりにくい構造を有する流体排出弁が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５３１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１，２の流体排出弁においては、従来の排出弁よりは流体の凍結による固着が起こりにくい構造になっているものの、依然として、流体の流れのよどみ点には水が溜まったまま残ることがある。このように少量でも残った水が低温で凍結すると、弁体の動きを妨げる虞があるため、実際の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を停止する際に、エアポンプを起動させて空気で流体排出弁内に残った水を吹き飛ばす制御（掃気制御）をしているため、ＮＶ性能の悪化を招く虞がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、低温環境下において弁体が固着するのを防止することができる流体排出弁を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、流体が導入される一次室（例えば、実施形態における一次室１１０ａ）が形成された一次室ボディ（例えば、実施形態における一次室ボディ１１０）と、前記流体が導出される二次室（例えば、実施形態における二次室１２０ａ）が形成された二次室ボディ（例えば、実施形態における二次室ボディ１２０）と、前記一次室に前記流体を導入する導入路（例えば、実施形態における導入路１１１）と、前記二次室から前記流体を導出する導出路（例えば、実施形態における導出路１２１）と、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断するとともに、駆動機構（例えば、実施形態におけるソレノイド１５０）により駆動される弁体（例えば、実施形態における弁体１３０）と、を備えた流体排出弁（例えば、実施形態におけるパージ弁５０）において、前記弁体が前記一次室および前記二次室の中心軸（例えば、実施形態におけるシャフト１４０の中心軸）に相当する位置に配されるとともに、前記導入路および前記導出路の少なくともいずれか一方が、前記中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した発明は、前記一次室と前記二次室とが上下方向に配されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載した発明は、前記一次室および前記二次室の壁面（例えば、実施形態における壁面１１０ｂ，１２０ｂ）が、前記中心軸を中心に円形に形成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載した発明は、前記導入路および前記導出路がともに前記中心軸に直交する径方向からオフセットされるとともに、前記導出路が前記流体の流れ方向に沿う方向に配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載した発明によれば、導入路および導出路の少なくともいずれか一方を中心軸に直交する径方向からオフセットすることにより、一次室または二次室内において旋回流れが発生する。したがって、一次室または二次室に供給された流体は旋回流れにより押し出されるように導出路から排出される。つまり、低温環境下において弁体が固着するのをより確実に防止することができる。
また、導入路および導出路の少なくともいずれか一方の配設位置をずらすという簡易な方法で、弁体が固着するのを防止することができる。
【００１６】
請求項２に記載した発明によれば、一次室に供給された流体は室内を旋回しながらスムーズに二次室へと供給することができる。したがって、流体をスムーズに導出路から排出させることができる。
【００１７】
請求項３に記載した発明によれば、一次室および二次室に供給された流体は壁面を沿うように旋回流れを発生させることができ、流体をよりスムーズに導出路から排出させることができる。
【００１８】
請求項４に記載した発明によれば、一次室および二次室に供給された流体は壁面を沿うように旋回流れを発生させることができ、その流れ方向に沿うように導出路が配されているため、流体をより確実に、かつスムーズに導出路から排出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるパージ弁の断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（１）を示す概略平面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（２）を示す概略平面図である。
【図７】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（３）を示す概略平面図である。
【図８】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（４）を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けた流体排出弁（パージ弁）について説明をする。
【００２１】
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００２２】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。
【００２３】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５０が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２４】
空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
【００２５】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２６】
（パージ弁）
次に、パージ弁５０の構成について説明する。
パージ弁５０は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池１１の発電時において、アノードオフガス排出配管３５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、窒素など）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵ４５からの指示により開かれる弁である。パージ弁５０の上流側は、上流側パージガス排出配管３７ａを介してアノードオフガス排出配管３５に接続され、下流側は、下流側パージガス排出配管３７ｂを介して希釈ボックス３１に接続されている。
【００２７】
本実施形態では、パージ弁５０の後述する導入路１１１に接続される上流側パージガス排出配管３７ａが、導入路１１１に向けて上り傾斜状に設けられている。なお、後述するパージ弁５０の導出路１２１に接続される下流側パージガス排出配管３７ｂは、希釈ボックス３１に向けて水平または下り傾斜状となるように設けられている。
【００２８】
ＥＣＵ４５は、例えば、燃料電池１１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５０を開弁するように設定されている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出され、ＥＣＵ４５に入力される。
【００２９】
図２に示すように、パージ弁５０は、アノードオフガスが導入される一次室１１０ａが形成された一次室ボディ１１０と、該一次室ボディ１１０の下部に隣接して設けられ、アノードオフガスが導出される二次室１２０ａが形成された二次室ボディ１２０と、を備えており、二次室ボディ１２０（二次室１２０ａ）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との連通状態を切り替えるように構成されている。
【００３０】
つまり、パージ弁５０は、パージを実行する際に開弁して、図１に示すように、アノードオフガス排出配管３５から送られてくるアノードオフガスを希釈ボックス３１に排出するための弁として機能するようになっている。本実施形態では、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、さらに、弁体１３０を駆動するためのソレノイド１５０が、二次室１２０ａの下側に配置される構造となっている。
【００３１】
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、一次室ボディ１１０の底壁１１２に接続（開口）されている。導入路１１１には、オリフィス１１３が設けられており、このオリフィス１１３は、底壁１１２よりも下側に位置するようになっている。
【００３２】
以下、各部について詳細に説明する。
一次室ボディ１１０には、底壁１１２にアノードオフガスを導入する導入路１１１が接続されている。この例では、導入路１１１が上り傾斜状とされており、その上端が底壁１１２に接続されて連通可能に開口している。つまり、導入路１１１は、底壁１１２よりも下側となる低い位置に設けられており、これによって、アノードオフガスに水分が混入されているときに、この水分が一次室１１０ａ内に溜まったとしても、この水分は導入路１１１の開口１１１ａを通じて導入路１１１内に流れ込み、その自重によって上流側のキャッチタンク５３に排出されることとなる。
【００３３】
導入路１１１には、オリフィス１１３が設けられており、このオリフィス１１３によって、導入路１１１から一次室１１０ａに向かって流通するアノードオフガスの流量を制限する役割をなしている。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に配置されるダイヤフラム１６０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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、その頂部を形成する面は、上壁１１４に対して傾斜している。つまり、弁体１３０の頂部は、平坦面のない尖状とされており、本実施形態では、弁体１３０が、上壁１１４側に向かって徐々に縮径する断面山形状のテーパ状部１３０ａを含んで形成されている。
【００３６】
なお、テーパ状部１３０ａ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、水分をはじく撥水効果があるため、弁体１３０の頂部や上部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
【００３７】
弁座１１６は、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間を仕切る仕切壁１１５に一体的に設けられており、仕切壁１１５（一次室ボディ１１０の底部）から上壁１１４へ向けて突出形成されている。弁座１１６は、略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が形成されている。弁座部１１７は、弁体１３０に形成された平らな底面１３２に密着するように、平らに形成されている。また、弁座部１１７は、密着性を向上させるために、例えば、Ｒ形状に形成されていてもよい。
【００３８】
一次室１１０ａの上壁１１４には、凹部１１４ａが形成されており、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のフランジ部１３４の底面１３２が弁座部１１７に気密性よく着座するように付勢している。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。
【００３９】
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るようになっている。また、一次室１１０ａの側部は、閉塞部材１１８によって塞がれている。
【００４０】
二次室１２０ａは、一次室１１０ａの下部に仕切壁１１５を介して連設されており、希釈ボックス３１へ通じる下流側パージガス排出配管３７ｂに接続可能な導出路１２１が形成されている。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、導出路１２１から下流側パージガス排出配管３７ｂを通じて希釈ボックス３１に送られるようになっている。本実施形態では、導出路１２１が、平面視において導入路１１１とは反対の側、つまり、希釈ボックス３１へ通じる下流側パージガス排出配管３７ｂが接続可能となる側に形成されている。
【００４１】
なお、導入路１１１と上流側パージガス排出配管３７ａとの接続部位、および導出路１２１と下流側パージガス排出配管３７ｂとの接続部位には、図示しないシール部材が介装されており、通流するアノードオフガスの気密が保持されている。
【００４２】
また、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａの内部に撥水性のあるコーティング、例えば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より、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａの内部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
【００４３】
特に、一次室１１０ａにおいては、一次室１１０ａ内に残留する水滴などの水分が一次室ボディ１１０の底壁１１２から導入路１１１に戻されるようになり、一次室１１０ａ内に水分が残留し難くなる。
【００４４】
さらに、図３に示すように、本実施形態では、一次室１１０ａは弁体１３０（シャフト１４０上端１４０ｂ）を中心軸とした平面視円形の壁面１１０ｂを有している。また、導入路１１１は、上記中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられている。つまり、導入路１１１から供給されたアノードオフガスは、一次室１１０ａ内の中心軸に真っ直ぐ向かって行かずに、一次室１１０ａ内で旋回流が発生するように構成されている。
【００４５】
また、図４に示すように、二次室１２０ａも弁体１３０を中心軸とした平面視円形の壁面１２０ｂを有している。また、導出路１２１は、弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられている。つまり、一次室１１０ａから開弁された弁体１３０の隙間を介して二次室１２０ａに供給されたアノードオフガスは、二次室１２０ａの壁面１２０ｂに沿って流れ、二次室１２０ａ内で旋回流が発生するように構成されている。さらに、その流れに沿う方向に導出路１２１が配置されているため、スムーズに、かつ確実に、二次室１２０ａから導出路１２１へとアノードオフガスを排出することができるように構成されている。
【００４６】
図２に戻り、二次室１２０ａには、ソレノイド１５０により駆動されて、先端が弁体１３０の取付穴１３３に固定されるシャフト１４０が貫通しており、二次室１２０ａとシャフト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、ゴムなどの材料）からなるダイヤフラム１６０が設けられている。
【００４７】
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、該内周縁部１６１から径方向外側へと延在する薄肉状のスカート部１６２（湾曲凸部）と、該スカート部１６２の外周部に形成される外周縁部１６３と、を有している。
【００４８】
内周縁部１６１は、フランジ部１４１と、シャフト１４０に装着される有底円筒状の押え部材１４２と、の間に挟持されることでシャフト１４０に係止されている。
【００４９】
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に構成されている。
【００５０】
また、外周縁部１６３は、二次室１２０ａの底壁１２２と、ソレノイド１５０の固定コア１５１との間に挟持されている。
【００５１】
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。
【００５２】
ソレノイド１５０は、ケーシング１５４の内部に配設され、コイル１５５ａが巻回されたボビン１５５と、ケーシング１５４の上端部を閉塞するように配設される固定コア１５１と、コイル１５５ａ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、ケーシング１５４の下端部に設けられた開口を覆うキャップ部１５７と、を備えている。
【００５３】
可動コア１５６は、磁性金属材料からなる円筒状の部材であり、ボビン１５５の内壁面に沿って挿通自在に配置され、コイル１５５ａの励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に移動可能となっている。すなわち、可動コア１５６は、コイル１５５ａを励磁したときに、固定コア１５１に引き寄せられ、戻しばね１３５の付勢力に抗して上方向に移動する。これにより、弁体１３０が上方向に押動される。
【００５４】
可動コア１５６の平面視略中央部には軸線方向に沿って貫通孔１５６ａが形成されており、この貫通孔１５６ａにシャフト１４０の下端１４０ａが挿通されて固定されている。
【００５５】
シャフト１４０は、その下端１４０ａ側が可動コア１５６の中空部に嵌め込まれて固定され、上端１４０ｂ側が弁体１３０の下部に開口する取付穴１３３に挿入されて固定されている。シャフト１４０の軸線方向の略中央部には、ダイヤフラム１６０の内周縁部１６１を押え部材１４２との間に固定するためのフランジ部１４１が形成されている。
【００５６】
なお、シャフト１４０の外周面に、フッ素コーティングなどを施して、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、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を施すことにより、シャフト１４０の外周面に水分が付着するのを抑制でき、シャフト１４０の錆びを防止することができる。したがって、シャフト１４０の耐久性を向上させることができる。
【００５７】
キャップ部１５７には、可動コア１５６に通じる透孔１５８を覆うように取り付けられており、内部には空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止できる透湿防水素材１５７ａが装着されている。なお、透湿防水素材１５７ａは、例えば、ゴアテックス（登録商標）などで構成されている。このような透湿防水素材１５７ａを配置すれば、ソレノイド１５０内への水や埃などの浸入を防ぐことができる。
【００５８】
次に、パージ弁５０の作用を説明する。
燃料電池１１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、ＥＣＵ４５が不純物を排出する必要があると判定し、ＥＣＵ４５の指令によってパージ弁５０が開弁される。
【００５９】
パージ弁５０が開弁すると、アノードガス流路２１から導出されて不純物を含むアノードオフガスが、アノードオフガス排出配管３５、キャッチタンク５３、上流側パージガス排出配管３７ａおよび導入路１１１を通じてパージ弁５０の一次室１１０ａに導入される。この際、導入路１１１に導入されたアノードオフガスは、オリフィス１１３によって所定の流量に絞られて減圧された後、一次室１１０ａ内において中心軸まわりの旋回流を発生し、一次室１１０ａから弁体１３０と弁座１１７との間を通じて二次室１２０ａに流入する。二次室１２０ａ内に流入したアノードオフガスは、二次室１２０ａ内においても壁面１２０ｂに沿うように旋回流を発生しながら、二次室１２０ａから導出路１２１へ導出される。導出路１２１から導出されたアノードオフガスは、下流側パージガス排出配管３７ｂを通じて希釈ボックス３１へ送られる。
【００６０】
また、パージ終了時に、ＥＳＵ４５によってソレノイド１５０のコイル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。略同時に、弁体１３０が戻しばね１３５の付勢力によって下方へと押圧され、戻しばね１３５の付勢力によって弁体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。
【００６１】
本実施形態によれば、導入路１１１および導出路１２１を弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸に直交する径方向からオフセットして設けることにより、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａ内において旋回流れが発生する。したがって、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａに供給された流体（アノードオフガス）は旋回流れにより押し出されるように導出路１２１から排出される。つまり、低温環境下において二次室１２０ａ内に水が残るのを防止することができ、弁体１３０が固着するのを確実に防止することができる。
また、導入路１１１および導出路１２１の配設位置をずらすという簡易な方法で、弁体１３０が固着するのを防止することができる。
【００６２】
また、一次室１１０ａを上側に、二次室１２０ａを下側に配置したため、一次室１１０ａに供給されたアノードオフガスは一次室１１０ａ内を旋回しながら重力方向に沿ってスムーズに二次室１２０ａへと供給される。したがって、アノードオフガスをスムーズに導出路１２１から排出させることができる。
【００６３】
さらに、一次室１１０ａの壁面１１０ｂおよび二次室１２０ａの壁面１２０ｂが弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸を中心に円形になるように形成したため、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａに供給されたアノードオフガスは壁面１１０ｂ，１２０ｂを沿うように容易に旋回流れを発生させることができ、二次室１２０ａ内に水を残すことなくアノードオフガスをよりスムーズに導出路１２１から排出させることができる。
【００６４】
そして、導入路１１１および導出路１２１がともに弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸に直交する径方向からオフセットするように配置するとともに、導出路１２１がアノードオフガスの流れ方向に沿う方向に配置することで、アノードオフガスをより確実に、かつスムーズに導出路１２１から排出させることができる。つまり、二次室１２０ａ内にアノードオフガスの水が残ってしまうのを防止することができ、低温環境下において弁体１３０が固着するのを防止することができる。
【００６５】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、導入路が上り傾斜状に、導出路が下り傾斜状になるように設けた場合の説明をしたが、必ずしも傾斜させる必要はなく、水平方向に導入路および導出路を設けてもよい。
また、導入路および導出路の配置は本実施形態の構成に限らず、図５〜図８に示すような配置にしてもよい。つまり、一次室および二次室内の少なくとも一方で流体（アノードオフガス）が旋回流を発生するように構成されていればよい。
さらに、本実施形態では、燃料電池システムに用いるパージ弁の場合について説明したが、他の用途に用いる流体排出弁に採用してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
５０…パージ弁（流体排出弁） １１０…一次室ボディ １１０ａ…一次室 １１０ｂ…壁面 １１１…導入路 １２０…二次室ボディ １２０ａ…二次室 １２０ｂ…壁面 １２１…導出路 １３０…弁体 １４０…シャフト １５０…ソレノイド（駆動機構）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体排出弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アノード側に燃料ガス（例えば、水素）、カソード側に酸化剤ガス（例えば、酸素あるいは空気）が供給されて発電する燃料電池を搭載した燃料電池自動車が知られている。このように構成された燃料電池は、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわちアノードオフガスに未反応の燃料ガスが含まれている。これをそのまま放出すると燃費が悪化するため、この問題を解消するために、アノードオフガスをエゼクタやポンプなどを用いて循環させ、新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
ところで、固体高分子電解質膜型の燃料電池において、燃料電池が発電すると、カソード側で水蒸気（水）が生成され、その水の一部が電解質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保持するため、燃料電池に向かう燃料ガスおよび酸化剤ガスは、加湿器などによって加湿される。したがって、アノードオフガスは多湿となる。
【０００４】
このように燃料電池の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に含まれる窒素は、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ため、燃料ガスの循環利用により窒素の濃度が上昇することがあり、その結果、発電が不安定になる場合がある。
【０００５】
燃料電池の発電が不安定になった場合には、燃料ガス循環流路から流体排出を行い、アノード側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。そのために、燃料ガス循環流路には流体排出弁が設けられている。
【０００６】
しかしながら、固体高分子電解質膜型の燃料電池においては、氷点下の環境で燃料電池システムが停止していると、流体排出弁の弁体とシート部との間に付着した水分が凍結して固着状態になると、流体排出弁を開けられなくなり、流体排出を行うことができなくなるという問題がある。
【０００７】
そこで、低温時にも流体の凍結による固着が起こりにくい構造を有する流体排出弁が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５３１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１，２の流体排出弁においては、従来の排出弁よりは流体の凍結による固着が起こりにくい構造になっているものの、依然として、流体の流れのよどみ点には水が溜まったまま残ることがある。このように少量でも残った水が低温で凍結すると、弁体の動きを妨げる虞があるため、実際の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を停止する際に、エアポンプを起動させて空気で流体排出弁内に残った水を吹き飛ばす制御（掃気制御）をしているため、ＮＶ性能の悪化を招く虞がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、低温環境下において弁体が固着するのを防止することができる流体排出弁を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、流体が導入される一次室（例えば、実施形態における一次室１１０ａ）が形成された一次室ボディ（例えば、実施形態における一次室ボディ１１０）と、前記流体が導出される二次室（例えば、実施形態における二次室１２０ａ）が形成された二次室ボディ（例えば、実施形態における二次室ボディ１２０）と、前記一次室に前記流体を導入する導入路（例えば、実施形態における導入路１１１）と、前記二次室から前記流体を導出する導出路（例えば、実施形態における導出路１２１）と、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断するとともに、駆動機構（例えば、実施形態におけるソレノイド１５０）により駆動される弁体（例えば、実施形態における弁体１３０）と、を備えた流体排出弁（例えば、実施形態におけるパージ弁５０）において、前記弁体が前記一次室および前記二次室の中心軸（例えば、実施形態におけるシャフト１４０の中心軸）に相当する位置に配されるとともに、前記導入路および前記導出路の少なくともいずれか一方が、前記中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した発明は、前記一次室と前記二次室とが上下方向に配されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載した発明は、前記一次室および前記二次室の壁面（例えば、実施形態における壁面１１０ｂ，１２０ｂ）が、前記中心軸を中心に円形に形成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載した発明は、前記導入路および前記導出路がともに前記中心軸に直交する径方向からオフセットされるとともに、前記導出路が前記流体の流れ方向に沿う方向に配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載した発明によれば、導入路および導出路の少なくともいずれか一方を中心軸に直交する径方向からオフセットすることにより、一次室または二次室内において旋回流れが発生する。したがって、一次室または二次室に供給された流体は旋回流れにより押し出されるように導出路から排出される。つまり、低温環境下において弁体が固着するのをより確実に防止することができる。
また、導入路および導出路の少なくともいずれか一方の配設位置をずらすという簡易な方法で、弁体が固着するのを防止することができる。
【００１６】
請求項２に記載した発明によれば、一次室に供給された流体は室内を旋回しながらスムーズに二次室へと供給することができる。したがって、流体をスムーズに導出路から排出させることができる。
【００１７】
請求項３に記載した発明によれば、一次室および二次室に供給された流体は壁面を沿うように旋回流れを発生させることができ、流体をよりスムーズに導出路から排出させることができる。
【００１８】
請求項４に記載した発明によれば、一次室および二次室に供給された流体は壁面を沿うように旋回流れを発生させることができ、その流れ方向に沿うように導出路が配されているため、流体をより確実に、かつスムーズに導出路から排出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるパージ弁の断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（１）を示す概略平面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（２）を示す概略平面図である。
【図７】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（３）を示す概略平面図である。
【図８】本発明の実施形態におけるパージ弁の導入路および導出路の配置構成の別の態様（４）を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けた流体排出弁（パージ弁）について説明をする。
【００２１】
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００２２】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。
【００２３】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５０が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２４】
空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
【００２５】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２６】
（パージ弁）
次に、パージ弁５０の構成について説明する。
パージ弁５０は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池１１の発電時において、アノードオフガス排出配管３５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、窒素など）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵ４５からの指示により開かれる弁である。パージ弁５０の上流側は、上流側パージガス排出配管３７ａを介してアノードオフガス排出配管３５に接続され、下流側は、下流側パージガス排出配管３７ｂを介して希釈ボックス３１に接続されている。
【００２７】
本実施形態では、パージ弁５０の後述する導入路１１１に接続される上流側パージガス排出配管３７ａが、導入路１１１に向けて上り傾斜状に設けられている。なお、後述するパージ弁５０の導出路１２１に接続される下流側パージガス排出配管３７ｂは、希釈ボックス３１に向けて水平または下り傾斜状となるように設けられている。
【００２８】
ＥＣＵ４５は、例えば、燃料電池１１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５０を開弁するように設定されている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出され、ＥＣＵ４５に入力される。
【００２９】
図２に示すように、パージ弁５０は、アノードオフガスが導入される一次室１１０ａが形成された一次室ボディ１１０と、該一次室ボディ１１０の下部に隣接して設けられ、アノードオフガスが導出される二次室１２０ａが形成された二次室ボディ１２０と、を備えており、二次室ボディ１２０（二次室１２０ａ）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との連通状態を切り替えるように構成されている。
【００３０】
つまり、パージ弁５０は、パージを実行する際に開弁して、図１に示すように、アノードオフガス排出配管３５から送られてくるアノードオフガスを希釈ボックス３１に排出するための弁として機能するようになっている。本実施形態では、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、さらに、弁体１３０を駆動するためのソレノイド１５０が、二次室１２０ａの下側に配置される構造となっている。
【００３１】
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、一次室ボディ１１０の底壁１１２に接続（開口）されている。導入路１１１には、オリフィス１１３が設けられており、このオリフィス１１３は、底壁１１２よりも下側に位置するようになっている。
【００３２】
以下、各部について詳細に説明する。
一次室ボディ１１０には、底壁１１２にアノードオフガスを導入する導入路１１１が接続されている。この例では、導入路１１１が上り傾斜状とされており、その上端が底壁１１２に接続されて連通可能に開口している。つまり、導入路１１１は、底壁１１２よりも下側となる低い位置に設けられており、これによって、アノードオフガスに水分が混入されているときに、この水分が一次室１１０ａ内に溜まったとしても、この水分は導入路１１１の開口１１１ａを通じて導入路１１１内に流れ込み、その自重によって上流側のキャッチタンク５３に排出されることとなる。
【００３３】
導入路１１１には、オリフィス１１３が設けられており、このオリフィス１１３によって、導入路１１１から一次室１１０ａに向かって流通するアノードオフガスの流量を制限する役割をなしている。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に配置されるダイヤフラム１６０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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、その頂部を形成する面は、上壁１１４に対して傾斜している。つまり、弁体１３０の頂部は、平坦面のない尖状とされており、本実施形態では、弁体１３０が、上壁１１４側に向かって徐々に縮径する断面山形状のテーパ状部１３０ａを含んで形成されている。
【００３６】
なお、テーパ状部１３０ａ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、水分をはじく撥水効果があるため、弁体１３０の頂部や上部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
【００３７】
弁座１１６は、一次室１１０ａと二次室１２０ａとの間を仕切る仕切壁１１５に一体的に設けられており、仕切壁１１５（一次室ボディ１１０の底部）から上壁１１４へ向けて突出形成されている。弁座１１６は、略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が形成されている。弁座部１１７は、弁体１３０に形成された平らな底面１３２に密着するように、平らに形成されている。また、弁座部１１７は、密着性を向上させるために、例えば、Ｒ形状に形成されていてもよい。
【００３８】
一次室１１０ａの上壁１１４には、凹部１１４ａが形成されており、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のフランジ部１３４の底面１３２が弁座部１１７に気密性よく着座するように付勢している。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。
【００３９】
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るようになっている。また、一次室１１０ａの側部は、閉塞部材１１８によって塞がれている。
【００４０】
二次室１２０ａは、一次室１１０ａの下部に仕切壁１１５を介して連設されており、希釈ボックス３１へ通じる下流側パージガス排出配管３７ｂに接続可能な導出路１２１が形成されている。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、導出路１２１から下流側パージガス排出配管３７ｂを通じて希釈ボックス３１に送られるようになっている。本実施形態では、導出路１２１が、平面視において導入路１１１とは反対の側、つまり、希釈ボックス３１へ通じる下流側パージガス排出配管３７ｂが接続可能となる側に形成されている。
【００４１】
なお、導入路１１１と上流側パージガス排出配管３７ａとの接続部位、および導出路１２１と下流側パージガス排出配管３７ｂとの接続部位には、図示しないシール部材が介装されており、通流するアノードオフガスの気密が保持されている。
【００４２】
また、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａの内部に撥水性のあるコーティング、例えば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より、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａの内部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
【００４３】
特に、一次室１１０ａにおいては、一次室１１０ａ内に残留する水滴などの水分が一次室ボディ１１０の底壁１１２から導入路１１１に戻されるようになり、一次室１１０ａ内に水分が残留し難くなる。
【００４４】
さらに、図３に示すように、本実施形態では、一次室１１０ａは弁体１３０（シャフト１４０上端１４０ｂ）を中心軸とした平面視円形の壁面１１０ｂを有している。また、導入路１１１は、上記中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられている。つまり、導入路１１１から供給されたアノードオフガスは、一次室１１０ａ内の中心軸に真っ直ぐ向かって行かずに、一次室１１０ａ内で旋回流が発生するように構成されている。
【００４５】
また、図４に示すように、二次室１２０ａも弁体１３０を中心軸とした平面視円形の壁面１２０ｂを有している。また、導出路１２１は、弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられている。つまり、一次室１１０ａから開弁された弁体１３０の隙間を介して二次室１２０ａに供給されたアノードオフガスは、二次室１２０ａの壁面１２０ｂに沿って流れ、二次室１２０ａ内で旋回流が発生するように構成されている。さらに、その流れに沿う方向に導出路１２１が配置されているため、スムーズに、かつ確実に、二次室１２０ａから導出路１２１へとアノードオフガスを排出することができるように構成されている。
【００４６】
図２に戻り、二次室１２０ａには、ソレノイド１５０により駆動されて、先端が弁体１３０の取付穴１３３に固定されるシャフト１４０が貫通しており、二次室１２０ａとシャフト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、ゴムなどの材料）からなるダイヤフラム１６０が設けられている。
【００４７】
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、該内周縁部１６１から径方向外側へと延在する薄肉状のスカート部１６２（湾曲凸部）と、該スカート部１６２の外周部に形成される外周縁部１６３と、を有している。
【００４８】
内周縁部１６１は、フランジ部１４１と、シャフト１４０に装着される有底円筒状の押え部材１４２と、の間に挟持されることでシャフト１４０に係止されている。
【００４９】
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に構成されている。
【００５０】
また、外周縁部１６３は、二次室１２０ａの底壁１２２と、ソレノイド１５０の固定コア１５１との間に挟持されている。
【００５１】
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。
【００５２】
ソレノイド１５０は、ケーシング１５４の内部に配設され、コイル１５５ａが巻回されたボビン１５５と、ケーシング１５４の上端部を閉塞するように配設される固定コア１５１と、コイル１５５ａ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、ケーシング１５４の下端部に設けられた開口を覆うキャップ部１５７と、を備えている。
【００５３】
可動コア１５６は、磁性金属材料からなる円筒状の部材であり、ボビン１５５の内壁面に沿って挿通自在に配置され、コイル１５５ａの励磁作用によってシャフト１４０の軸線方向に移動可能となっている。すなわち、可動コア１５６は、コイル１５５ａを励磁したときに、固定コア１５１に引き寄せられ、戻しばね１３５の付勢力に抗して上方向に移動する。これにより、弁体１３０が上方向に押動される。
【００５４】
可動コア１５６の平面視略中央部には軸線方向に沿って貫通孔１５６ａが形成されており、この貫通孔１５６ａにシャフト１４０の下端１４０ａが挿通されて固定されている。
【００５５】
シャフト１４０は、その下端１４０ａ側が可動コア１５６の中空部に嵌め込まれて固定され、上端１４０ｂ側が弁体１３０の下部に開口する取付穴１３３に挿入されて固定されている。シャフト１４０の軸線方向の略中央部には、ダイヤフラム１６０の内周縁部１６１を押え部材１４２との間に固定するためのフランジ部１４１が形成されている。
【００５６】
なお、シャフト１４０の外周面に、フッ素コーティングなどを施して、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、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を施すことにより、シャフト１４０の外周面に水分が付着するのを抑制でき、シャフト１４０の錆びを防止することができる。したがって、シャフト１４０の耐久性を向上させることができる。
【００５７】
キャップ部１５７には、可動コア１５６に通じる透孔１５８を覆うように取り付けられており、内部には空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止できる透湿防水素材１５７ａが装着されている。なお、透湿防水素材１５７ａは、例えば、ゴアテックス（登録商標）などで構成されている。このような透湿防水素材１５７ａを配置すれば、ソレノイド１５０内への水や埃などの浸入を防ぐことができる。
【００５８】
次に、パージ弁５０の作用を説明する。
燃料電池１１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、ＥＣＵ４５が不純物を排出する必要があると判定し、ＥＣＵ４５の指令によってパージ弁５０が開弁される。
【００５９】
パージ弁５０が開弁すると、アノードガス流路２１から導出されて不純物を含むアノードオフガスが、アノードオフガス排出配管３５、キャッチタンク５３、上流側パージガス排出配管３７ａおよび導入路１１１を通じてパージ弁５０の一次室１１０ａに導入される。この際、導入路１１１に導入されたアノードオフガスは、オリフィス１１３によって所定の流量に絞られて減圧された後、一次室１１０ａ内において中心軸まわりの旋回流を発生し、一次室１１０ａから弁体１３０と弁座１１７との間を通じて二次室１２０ａに流入する。二次室１２０ａ内に流入したアノードオフガスは、二次室１２０ａ内においても壁面１２０ｂに沿うように旋回流を発生しながら、二次室１２０ａから導出路１２１へ導出される。導出路１２１から導出されたアノードオフガスは、下流側パージガス排出配管３７ｂを通じて希釈ボックス３１へ送られる。
【００６０】
また、パージ終了時に、ＥＳＵ４５によってソレノイド１５０のコイル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。略同時に、弁体１３０が戻しばね１３５の付勢力によって下方へと押圧され、戻しばね１３５の付勢力によって弁体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。
【００６１】
本実施形態によれば、導入路１１１および導出路１２１を弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸に直交する径方向からオフセットして設けることにより、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａ内において旋回流れが発生する。したがって、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａに供給された流体（アノードオフガス）は旋回流れにより押し出されるように導出路１２１から排出される。つまり、低温環境下において二次室１２０ａ内に水が残るのを防止することができ、弁体１３０が固着するのを確実に防止することができる。
また、導入路１１１および導出路１２１の配設位置をずらすという簡易な方法で、弁体１３０が固着するのを防止することができる。
【００６２】
また、一次室１１０ａを上側に、二次室１２０ａを下側に配置したため、一次室１１０ａに供給されたアノードオフガスは一次室１１０ａ内を旋回しながら重力方向に沿ってスムーズに二次室１２０ａへと供給される。したがって、アノードオフガスをスムーズに導出路１２１から排出させることができる。
【００６３】
さらに、一次室１１０ａの壁面１１０ｂおよび二次室１２０ａの壁面１２０ｂが弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸を中心に円形になるように形成したため、一次室１１０ａおよび二次室１２０ａに供給されたアノードオフガスは壁面１１０ｂ，１２０ｂを沿うように容易に旋回流れを発生させることができ、二次室１２０ａ内に水を残すことなくアノードオフガスをよりスムーズに導出路１２１から排出させることができる。
【００６４】
そして、導入路１１１および導出路１２１がともに弁体１３０（シャフト１４０）の中心軸に直交する径方向からオフセットするように配置するとともに、導出路１２１がアノードオフガスの流れ方向に沿う方向に配置することで、アノードオフガスをより確実に、かつスムーズに導出路１２１から排出させることができる。つまり、二次室１２０ａ内にアノードオフガスの水が残ってしまうのを防止することができ、低温環境下において弁体１３０が固着するのを防止することができる。
【００６５】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、導入路が上り傾斜状に、導出路が下り傾斜状になるように設けた場合の説明をしたが、必ずしも傾斜させる必要はなく、水平方向に導入路および導出路を設けてもよい。
また、導入路および導出路の配置は本実施形態の構成に限らず、図５〜図８に示すような配置にしてもよい。つまり、一次室および二次室内の少なくとも一方で流体（アノードオフガス）が旋回流を発生するように構成されていればよい。
さらに、本実施形態では、燃料電池システムに用いるパージ弁の場合について説明したが、他の用途に用いる流体排出弁に採用してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
５０…パージ弁（流体排出弁） １１０…一次室ボディ １１０ａ…一次室 １１０ｂ…壁面 １１１…導入路 １２０…二次室ボディ １２０ａ…二次室 １２０ｂ…壁面 １２１…導出路 １３０…弁体 １４０…シャフト １５０…ソレノイド（駆動機構）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が導入される一次室が形成された一次室ボディと、
前記流体が導出される二次室が形成された二次室ボディと、
前記一次室に前記流体を導入する導入路と、
前記二次室から前記流体を導出する導出路と、
前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断するとともに、駆動機構により駆動される弁体と、を備えた流体排出弁において、
前記弁体が前記一次室および前記二次室の中心軸に相当する位置に配されるとともに、
前記導入路および前記導出路の少なくともいずれか一方が、前記中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられていることを特徴とする流体排出弁。
【請求項２】
前記一次室と前記二次室とが上下方向に配されていることを特徴とする請求項１に記載の流体排出弁。
【請求項３】
前記一次室および前記二次室の壁面が、前記中心軸を中心に円形に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体排出弁。
【請求項４】
前記導入路および前記導出路がともに前記中心軸に直交する径方向からオフセットされるとともに、前記導出路が前記流体の流れ方向に沿う方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体排出弁。
【請求項１】
流体が導入される一次室が形成された一次室ボディと、
前記流体が導出される二次室が形成された二次室ボディと、
前記一次室に前記流体を導入する導入路と、
前記二次室から前記流体を導出する導出路と、
前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断するとともに、駆動機構により駆動される弁体と、を備えた流体排出弁において、
前記弁体が前記一次室および前記二次室の中心軸に相当する位置に配されるとともに、
前記導入路および前記導出路の少なくともいずれか一方が、前記中心軸に直交する径方向からオフセットされた位置に設けられていることを特徴とする流体排出弁。
【請求項２】
前記一次室と前記二次室とが上下方向に配されていることを特徴とする請求項１に記載の流体排出弁。
【請求項３】
前記一次室および前記二次室の壁面が、前記中心軸を中心に円形に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体排出弁。
【請求項４】
前記導入路および前記導出路がともに前記中心軸に直交する径方向からオフセットされるとともに、前記導出路が前記流体の流れ方向に沿う方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体排出弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１２７７４９（Ｐ２０１１−１２７７４９Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８９７８５（Ｐ２００９−２８９７８５）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【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６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【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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