燃料電池用排気排水弁
【課題】排気排水弁において、漏れを抑制することができる燃料電池用排気排水弁を提供する。
【解決手段】弁ケーシング８２に設けられ、燃料ガス排出口に連通し燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が流通する１次流通路８８ａが形成された第１気液流通部８８と、弁ケーシングに設けられ、第１気液流通部の周囲に形成され、希釈装置側に連通する２次流通路８９ａが第１気液流通部を包囲するように形成された第２気液流通部８９と、第１気液流通部に設けられ、第１気液流通部と排気排水弁が取り付けられる取付部材との間をシールする第１シール部材９０が設けられる第１嵌合部と、第２気液流通部に設けられ、第２気液流通部と取付部材との間をシールする第２シール部材９１が設けられる第２嵌合部と、１次流通路と２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座９５と、弁体作動装置９９，１０１、１０６を有している。
【解決手段】弁ケーシング８２に設けられ、燃料ガス排出口に連通し燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が流通する１次流通路８８ａが形成された第１気液流通部８８と、弁ケーシングに設けられ、第１気液流通部の周囲に形成され、希釈装置側に連通する２次流通路８９ａが第１気液流通部を包囲するように形成された第２気液流通部８９と、第１気液流通部に設けられ、第１気液流通部と排気排水弁が取り付けられる取付部材との間をシールする第１シール部材９０が設けられる第１嵌合部と、第２気液流通部に設けられ、第２気液流通部と取付部材との間をシールする第２シール部材９１が設けられる第２嵌合部と、１次流通路と２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座９５と、弁体作動装置９９，１０１、１０６を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に使用され、アノード電極側からの生成水及び不純ガスの外気への排出をおこなう排気排水弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、固体高分子膜等の電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触し、カソードに空気などのガスを含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みとなっている。このような燃料電池によって電力を得る燃料電池システムでは、燃料である水素の無駄な消費を無くすことが省エネルギの観点より重要である。このため、燃料電池で使用された燃料ガスのオフガスを再び燃料電池に循環させることで、オフガスに残存している水素の有効利用が図られている。
【０００３】
一方、燃料電池内では、カソードにおける化学反応により、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生成される。反応により生成された水の多くは酸化ガスのオフガスに含まれて大気中に放出されるが、一部の生成水は、電解質膜を通過してアノードに移動する。アノード側に移動した生成水は、燃料ガスのオフガスに含まれて燃料電池内から排出されるが、オフガスは再び燃料ガスとして燃料電池に循環されるため、燃料ガスの循環系には水が滞留していくことになる。循環系内での水の滞留は、アノードへの水素の供給を阻害することとなり、燃料電池の発電性能の低下を招く。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置されるバルブドレイン装置に設けられる排気排水弁が記載されている。この排気排水弁は、バルブホルダにより保持されて摺動することで排出口の開閉を行なうシールゴムと、排出口の周囲においてシールゴムが当接するシート部とを有し、シールゴムがシート部から離間することで、排水及び排気を行ない、シールゴムのシート側の表面には撥水性を有するコーティング剤が塗布され、シールゴムの表面に付着した水分による凍結固着を防止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１６０２４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、従来の排気排水弁は、構成するボデーの材質が、水素の透過に対する信頼性から金属（ＳＵＳ）を使用していることが多かった。昨今はより軽量化を図るため樹脂製のボデーとすることが多くなったが、特許文献１に開示された排気排水弁では、上流１次側流路（１次流通路）に、樹脂成型上の問題であるボイドやウェルドに起因した漏れや外力により生じる亀裂に起因した漏れが発生する虞がある。
【０００７】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、排気排水弁において、漏れの発生を抑制できる燃料電池用排気排水弁を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池の燃料ガス排出口に連通され、前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が燃料ガスを希釈する希釈装置側に流出するのを遮断或いは許容する排気排水弁であって、前記排気排水弁は、弁ケーシングに設けられ、前記燃料ガス排出口に連通し前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が流通する１次流通路が形成された第１気液流通部と、前記弁ケーシングに設けられ、前記第１気液流通部の周囲に形成され、前記希釈装置側に連通する２次流通路が前記第１気液流通部を包囲するように形成された第２気液流通部と、前記第１気液流通部に設けられ、前記第１気液流通部と前記排気排水弁が取り付けられる取付部材との間をシールする第１シール部材が設けられる第１シール部と、前記第２気液流通部に設けられ、前記第２気液流通部と前記取付部材との間をシールする第２シール部材が設けられる第２シール部と、前記１次流通路と前記２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座と、前記弁座に対して進退移動し、前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、前記弁部が前記弁座と当接する閉鎖位置と前記弁部が前記弁座から離間する離間位置との間で前記弁体を移動させる弁体作動装置と、を備えたことである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記弁ケーシングは、樹脂製であることである。
【００１０】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記第１シール部は、前記取付部材に形成された第１嵌合穴に嵌合する円筒状の第１嵌合部であり、前記第２シール部は、前記第１嵌合部よりも大径で同軸に形成され、前記取付部材に形成された第２嵌合穴に嵌合する円筒状の第２嵌合部であり、前記第１シール部材は、前記第１嵌合部の外周に設けられ前記第１嵌合部の外周面と前記取付部材の前記第１嵌合穴の内周面との間をシールする第１軸シール部材であり、前記第２シール部材は、前記第２嵌合部の外周に設けられ前記第２嵌合部の外周面と前記取付部材に形成された第２嵌合穴の内周面との間をシールする第２軸シール部材であることである。
【００１１】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記１次流通路の前記第１気液流通部の先端部には前記燃料電池の前記燃料ガス排出口に連通する導入開口部が設けられ、前記１次流通路の周囲に配された前記第２気液流通部の先端部には前記希釈装置側に連通する排出開口部が設けられ、前記第１シール部材及び前記第２シール部材の少なくとも一方は、前記導入開口部の端面と前記取付部材との間又は前記排出開口部の端面と前記取付部材との間をシールする面シール部材であることである。
【００１２】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記取付部材は、前記燃料電池の燃料ガス排出流口と前記排気排水弁との間に設けられる気液分離器の筐体であることである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によると、燃料電池の燃料ガス排出口に連通している１次流通路には燃料ガスや水分が流通する。そして、万一第１気液流通壁に亀裂等が生じて燃料ガスが漏れ出した場合でも、１次流通路は２次流通路に包囲されているので、第１気液流通壁の亀裂等から漏れる燃料ガスは、２次流通路に流れ出すこととなる。この２次流通路は、第２シール部材により取付部材との間がシールされているため、燃料ガスが直接外気に放出されるのを抑制することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によると、弁ケーシングを構成する第１気液流通部や第２気液流通部が樹脂製であるところから、弁全体の軽量化を図ることができる。一方、樹脂成型時の製作上の問題としてボイドやウェルドが生じ、これらに起因した漏れや亀裂が問題となるが、本件発明では、１次流通路は２次流通路に囲まれており、第１気液流通部から漏れる燃料ガスは２次流通路に流れ出すこととなるので、燃料ガスが直接外気に放出されるのを抑制することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によると、第１嵌合部の外周に設けられた第１軸シール部材により第１嵌合部の外周面及び取付部材の第１嵌合穴の内周面間を組付けながらシールすることができ、第２嵌合部の外周に設けられた第２軸シール部材により第２嵌合部の外周面及び取付部材の第２嵌合穴の内周面間を組付けながらシールすることができる。また、第１嵌合部と第２嵌合部とを同軸としておくことで、第１嵌合部の軸及び第２嵌合部の軸の一方を第１嵌合穴及び第２嵌合穴の一方に合わせると、第１嵌合部の軸及び第２嵌合部の軸の他方が第１嵌合穴及び第２嵌合穴の他方に合致するので、第１嵌合部及び第２嵌合部を取付部材に対して同時にかつ簡単に組付けることができる。
【００１６】
請求項４に係る発明によると、第１シール部の導入開口部及び第２シール部の排出開口部の一方が面シール部材でシールされるので、第１シール部と第２シール部との同軸の精度が粗いときでも、導入開口部または排出開口部の端面を軸方向から押圧することで確実にシールすることができる。
【００１７】
請求項５に係る発明によると、気液分離器によって燃料ガスに混合している生成水を分離して貯留水とし、この貯留水と濃度が低くなった燃料ガスの一部を排気排水弁から希釈装置側に排出する。このように排気排水弁は、気液分離器の筐体に取り付けられるので、専用の取付装置を別途設けることなく部品点数を減少させてコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態における排気排水弁を使用した燃料電池システムの概要を示す図。
【図２】排気排水弁を示す断面図である。
【図３】図２におけるIII-III断面図。
【図４】排気排水弁を気液分離器に取り付けた状態を示す一部に断面を有する斜視図。
【図５】排気排水弁が閉鎖状態であることを示す図。
【図６】排気排水弁が開放状態であることを示す図。
【図７】第２実施形態における排気排水弁を示す図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施形態の排気排水弁を燃料電池システムに使用した第１実施形態について、図に基づいて以下に説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素系２、燃料系５、電池スタック（燃料電池）６、動力系７、冷却系８および制御装置９とから形成されている。
【００２０】
電池スタック６は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されることで形成されている。複数の単セルは電気的に直列に接続されており、各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示せず）を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ（図示せず）には、アノード極に対して水素ガスを供給するためのアノード流路６１が形成されており、カソードセパレータ（図示せず）には、カソード極に対して空気を供給するためのカソード流路６２が形成されている。
【００２１】
酸素系２は酸素系供給配管２１ａを備えており、酸素系供給配管２１ａは電池スタック６内のカソード流路６２の一端と接続されている。酸素系供給配管２１ａ上には、電池スタック６に向けて順に、エアフィルタ２２、大気中の空気（酸化ガス）を取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ２３、コンプレッサ２３から圧送された空気の熱を冷ますインタークーラ２４および電池スタック６への空気の供給を遮断又は許容する三方弁３が形成されている。
【００２２】
カソード流路６２の他端には酸素系排出配管２１ｂの一端が接続されており、酸素系排出配管２１ｂ上には、２ポートの流体制御弁であるエア調圧弁４が設けられている。なお、エア調圧弁４は、遮断弁とその上流側に設けられる背圧調整弁とにより構成するものに換えることができる。また、前述した三方弁３は３ポートの流体制御弁であって、バイパス管路２１ｃの一端が接続されており、バイパス管路２１ｃの他端は、酸素系排出配管２１ｂのエア調圧弁４よりも下流側部位（電池スタック６が接続されていない側）に接続されている。
【００２３】
一方、燃料系５は、燃料系供給配管５１ａの一端に水素タンク５２が接続されており、燃料系供給配管５１ａ上には調圧弁５３が形成されている。燃料系供給配管５１ａの他端は、電池スタック６内のアノード流路６１の一端と接続されている。アノード流路６１の他端（燃料ガス排出口６３）には、燃料系排出配管５１ｂが接続されており、燃料系排出配管５１ｂ上には、電池スタック６に近い側から順に、気液分離器５４、排気排水弁５５および希釈装置５６が形成されている。排出ガス希釈器５６には、上述した酸素系排出配管２１ｂの他端が接続されている。
【００２４】
また、気液分離器５４は、燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の調圧弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられており、気液分離器５４からアノード流路６１に向けて水素ガスを循環させている。
【００２５】
また、気液分離器５４は燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の調圧弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられており、気液分離器５４で水素オフガス（使用された水素ガス）から生成水が分離された水素ガスが循環ポンプ５７によりアノード流路６１に送られる。これにより使用された水素ガスの一部が循環されて再利用される。
【００２６】
動力系７は、車両を走行させるための電動モータ７１を備えている。電動モータ７１は電池スタック６の正極および負極と接続されており、電池スタック６の発電によって駆動される。
また、冷却系８は水冷ポンプ８１を備え、電池スタック６内に冷却水を循環させて電池スタック６を冷却している。
制御装置（コントローラ）９は、コンプレッサ２３、三方弁３、エア調圧弁４、排気排水弁５５、調圧弁５３、循環ポンプ５７および冷却ポンプ８１と電気的に接続されている。制御装置９は車両の走行状態に応じて算出された電池スタック６の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
【００２７】
上述した構成により、車両が運転開始すると、制御装置９はコンプレッサ２３を作動させてカソード流路６２へ空気を供給するとともに、調圧弁５３および循環ポンプ５７を作動させてアノード流路６１へ水素ガスを供給し、電池スタック６において発電を行う。
酸素系２において、エアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ空気は、コンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。三方弁３は、電池スタック６の発電量に応じてバルブ部材の位置を変位させ、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス配管２１ｃへ逃すことにより、電池スタック６への空気の流量を制御している。
【００２８】
また、エア調圧弁４は、その開度を調整し電池スタック６内に残存した空気の排出量を調整することにより、電池スタック６内の圧力を制御している。
気液分離器５４からは、発電によって生成された水と残存した水素ガスの一部が、排気排水弁５５を介して排出される。排気排水弁５５から排出された水素ガスは、希釈装置５６において、酸素系排出配管２１ｂから供給された空気により希釈化された後、水とともに外部へと放出される。
【００２９】
ここで、燃料電池用の排気排水弁５５について詳述すると、排気排水弁５５は、図２に示すように、弁ケーシング８２と弁機構８３と弁機構８３を駆動させる弁体作動装置８４とを備えている。
【００３０】
弁ケーシング８２は、ボデー部８５とカバー部８６とを有している。ボデー部８５は、例えばガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂製で、取付部材としての気液分離器５４の筐体５４ａに例えばボルトにより固定されるフランジ部８７と、フランジ部８７に対して直角な方向に突設された管状の第１気液流通部８８と、フランジ部８７に突設されるとともに第１気液流通部８８の周囲に配設された管状の第２気液流通部８９とを備えている。フランジ部８７より第２気液流通部８９が突設され、第２気液流通部８９より先端に向かって段部を設けて第１気液流通部８８の外周が形成されている。第１気液流通部８８には電池スタック６の燃料ガス排出口６３に連通する気液分離器５４にさらに連通する１次流通路８８ａが形成され、第２気液流通部８９には希釈装置５６に連通する２次流通路８９ａが形成されている。第１気液流通部８８の先端側には円筒状の第１嵌合部（第１シール部）８８ｂが形成され、第１嵌合部８８ｂの基端部に周設された段部には第１軸シール部材（Ｏリング）９０が第１嵌合部８８ｂの基端部外周を囲むように設けられている。第２気液流通部８９の先端側には円筒状の第２嵌合部（第２シール部）８９ｂが形成され、第２嵌合部の基端部に周設された段部には第２軸シール部材（Ｏリング）９１が第２嵌合部８９ｂの基端部外周を囲むように設けられている。第１気液流通部８８と第２気液流通部８９とは、図３に示すように、第１気液流通部８８が突設された方向に延在する支持壁８０によって相互に固定されている。
【００３１】
本実施形態では、図４に示すように、取付部材としての気液分離器５４に排気排水弁５５が取り付けられる場合に、排気排水弁５５の第１嵌合部８８ｂは、気液分離器５４の筐体５４ａに設けられた第１嵌合穴９２に嵌合される。この第１嵌合穴９２は気液分離器５４の底部に設けられており、気液分離器５４で液体となった生成水（気液分離器５４よりも上流の燃料系排出配管５１ｂでは、生成水は蒸気とミスト状の混合物であり、気液分離器５４にて水蒸気が凝縮し、ミスト生成水が凝集して生成水は液状の集合体となります。）が、１次流通路８８ａの部分に溜まるようになっている。排気排水弁５５の第２嵌合部８９ｂも、第１嵌合部８８ｂの嵌合と同時に、気液分離器５４の筐体５４ａに設けられた第２嵌合穴９３に嵌合される。第１嵌合穴９２の内周壁には段部が周設され、第１嵌合部８８ｂが嵌合されたときに、第１軸シール部材９０が、第１嵌合穴９２の内周面と第１嵌合部８８ｂの外周面とを軸シールするとともに、第１嵌合穴９２の段部及び第１嵌合部８８ｂの段部により軸方向に挟持押圧されて１次流通路８８ａと気液分離器５４との間をシールする。この実施形態では、１次流通路８８ａの中心軸が略水平に取り付けられている。同様に、第２嵌合穴９３の内周壁には段部が周設され、第２嵌合部８９ｂが嵌合されたときに、第２軸シール部材９１が、第２嵌合穴９３の内周面と第２嵌合部８９ｂの外周面とを軸シールするとともに、第２嵌合穴９３の段部及び第２嵌合部８９ｂの段部により軸方向に挟持押圧されて２次流通路８９ａと筐体５４ａとの間をシールするよう構成される。図４の２次流通路８９ａからのガスは、第２嵌合穴９３の壁にあけられた通路１００から排出される。この通路１００は排気排水弁５５よりも下流の燃料系排出配管５１ｂに連通されている。
【００３２】
第１気液流通部８８の基端側にはフランジ部８７の中央部に一端面側（図２において上方側）を開放して穿設された弁収納部９４が形成され、弁収納部９４の中央部には１次流通路８８ａが開口するとともに該１次流通路８８ａの開口の周囲には２次流通路８９ａが開口している。１次流通路８８ａの開口縁は内側に向かってテーパ状に小径となるように弁収納部９４側に突設され、該開口縁には環状の弁座９５が形成されている。弁収納部９４の周囲端面には後述する弁体のダイヤフラム部の周端部を固定する固定溝９６が周設されている。
【００３３】
フランジ部８７の周端側には気液分離器５４に取付けるための取付穴８７ａと後述する支持板を組付ける組付穴８７ｂとが設けられている。取付穴８７ａ及び組付穴８７ｂの周囲には金属製の雌ねじ部材が夫々埋設されている。
【００３４】
カバー部８６は、例えばナイロン系樹脂製で、円筒状の円筒部８６ａが形成されるとともに、円筒部８６ａの先端部にはコネクタを構成するコネクタ支持部８６ｂがカバー部８６の長手方向に対して直角に突設されている。コネクタ支持部８６ａには後述するソレノイドに接続された端子８６ｃが設けられるとともに、図略のソケットに着脱可能に係止する係止爪８６ｄが形成されている。カバー部材の先端部にはコネクタ支持部の取付方向に対して直角な方向に後述する支持帯体が嵌入するガイド溝８６ｅが形成されている。
【００３５】
弁機構８３は、弁体９７と、弁軸としてのプランジャ９８と、前述の弁座９５とから主に構成される。
弁体９７は、例えばゴム製で、弁座９５に接離する弁部９７ａと、弁部９７ａの周囲に一体に形成されたダイヤフラム部９７ｂと、弁部９７ａの裏側に形成された係止部９７ｃとを有し、弁収納部９４に収納されている。
ダイヤフラム部９７ｂの周縁は前述の固定溝９６に嵌入固定され、これらの弁部９７ａ及びダイヤフラム部９７ｂによって、弁収納部９４は１次流通路８８ａの開口側及び２次流通路８９ａの開口側が外気に対して気密状態で隔離される。
【００３６】
プランジャ９８は、例えばフェライト系ステンレス製の磁性体であって、円柱状に形成され、弁体９７側の端部には弁体９７の係止部９７ｃが係止する被係止爪９８ａが形成されている。プランジャ９８において弁体９７とは反対側の端部には、有底のばね収納穴９８ｂがプランジャ９８の軸方向に沿って穿設され、後述するばね部材が収納される。このプランジャ９８は弁体作動装置８４の可動子としての役割を担う。
【００３７】
弁体作動装置８４は、前述のプランジャ９８、プランジャをガイドするスリーブ９９、コア部材１０６、ソレノイド１０１、ヨーク部材等より構成される。
スリーブ９９は、例えば非磁性体であるオーステナイト系ステンレス鋼製で、有底円筒状のガイド部９９ａとガイド部９９ａの開口端部にガイド部９９ａの軸方向に対して直角な半径方向に延在する取付フランジ部９９ｂとを有している。取付フランジ部９９ｂは、弁収納部９４の周縁に弁体９７のダイヤフラム部９７ｂを介して密着するように設けられる。ガイド部９９ａには弁体９７が固定されたプランジャ９８が摺動可能に設けられ、弁体９７の弁部９７ａが弁座９５に対して接離するようになっている。また、前記ばね収納穴９８ｂに圧縮されて収納されたばね部材１０２の先端部がスリーブ９９の底部分に当接するとともに、ばね部材１０２の基端部がばね収納穴９８ｂの底部分に当接することで、プランジャ９８及び弁体９７を弁座９５に向かって付勢している。
【００３８】
スリーブ９９は、支持板１０３を介して例えばボルトによりボデー部８５に固定される。支持板１０３は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、後述する支持帯体１０４を支持する支持穴１０３ａ（図４参照）と支持板１０３をボデー部８５に組付ける組付穴１０３ｂとスリーブ９９のガイド部９９ａが貫通する貫通穴１０３ｃとが設けられている。
【００３９】
ソレノイド１０１はボビン１０５に巻回され、ボビン１０５には作動穴１０５ａが貫設されている。ソレノイド１０１のプラス極及びマイナス極の端部は図略の電源に接続され、制御装置９の指令によって所定電流が印加される。ソレノイド１０１及びボビン１０５は前記カバー部８６の内周壁部に一体成型により配設されている。ボビン１０５の作動穴１０５ａには一端（弁体９７）側よりスリーブ９９のガイド部９９ａが挿入され、ボビン１０５の作動穴１０５ａの他端側より円柱状のコア部材１０６が挿入されている。
【００４０】
コア部材１０６は、例えば磁性体であるフェライト系ステンレス製で、挿入された先端部がスリーブ９９の底部分（図２においてガイド部９９ａの上端部）に当接する。コア部材１０６の基端部側（図２において上端側）には係止フランジ１０６ａが設けられ、ボビン１０５の作動穴１０５ａの一端縁（弁体の反対側）に係止される。コア部材１０６の基端部は、コ字状に屈曲成型された支持帯体１０４によって支持固定される。
【００４１】
支持帯体１０４は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、両側が直角に屈曲された中央部分には、コア部材１０６の基端部が嵌入する嵌入穴１０４ａが形成されている。支持帯体１０４ａの中央部分から直角に屈曲されて延在する二つの先端部には、前記支持板１０３の支持穴１０３ａに係合する係合爪１０４ｂが形成されている（図４参照）。支持帯体１０４の幅方向を前記カバー部８６のガイド溝８６ｅに嵌合させるとともに、嵌入穴１０４ａにコア部材１０６の基端部を嵌入させ、そして、係合爪１０４ｂを支持板１０３の支持穴１０３ａに係合させることで、カバー部８６及びコア部材１０６をボデー部８５に組付け固定する。なお、支持板１０３及び支持帯体１０４は、磁力線が漏れるのを防ぐヨークとしての役目を担っている。
【００４２】
次に、上記のように構成された排気排水弁５５を気液分離器５４に組み付けるときには、図４に示すように、気液分離器５４の第１嵌合穴９２に排気排水弁５５の第１嵌合部８８ｂを対向させるとともに、気液分離器５４の第２嵌合穴９３に排気排水弁５５の第２嵌合部８９ｂを対応させて嵌合する。第１嵌合部８８ｂと第２嵌合部８９ｂとは同軸に形成されているので、それぞれの嵌合を同時にかつ容易に行うことができる。排気排水弁５５の第１嵌合部８８ｂ及び第２嵌合部８９ｂを、対応する気液分離器５４の第１嵌合穴９２及び第２嵌合穴９３に嵌合した後に、排気排水弁５５のフランジ部８５を、取付穴８７ａを介して気液分離器５４の筐体５４ａに設けられた図略の雌螺子穴にボルト等により固定する。
【００４３】
次に、上記のように構成された排気排水弁５５の作動について図に基づいて以下に説明する。
図２及び図５に示すように、ばね部材１０２によって弁座９５方向にプランジャ９８及び弁体９７が付勢され、弁体９７の弁部９７ａが弁座９５に当接した状態になっている。１次流通路８８ａと２次流通路８９ａが開口する弁収納部９４とは、弁部９７ａによって流通が遮断された状態となっている。１次流通路８８ａは例えば３００kPaの高濃度の水素ガス及び生成水などが貯留され、２次流通路８９ａは水素ガス及び生成水で、例えば２０kPaとなっている。１次流通路８８ａの圧力は２次流通路８９ａよりも高い。この場合、万一第１気液流通部８８の壁面に亀裂等が入って水素ガスが漏れ出しても、漏れ出した水素ガスは２次流通路８９ａに漏れることになるので、水素ガスが直接外気に漏れるのを抑制することができる。
【００４４】
燃料電池の運転状態（発電出力や発電時間まど）によって気液分離器５４に貯留される貯留水が算出できる。予め決められた貯留水量（所定水量）になった時、制御装置９が電源よりソレノイド１０１に電流を印加して、コア部材１０６にプランジャ９８を吸着する方向の磁力を発生させる。これによりプランジャ９８が、図６に示すように、ばね部材１０２の付勢力に抗しながらスリーブ９９内を移動してコア部材１０６側に吸着される。そして、弁体９７が弁座９５より離間して、１次流通路８８ａと２次流通路８９ａとが連通し、１次流通路８９ａの水素ガスが２次流通路８９ａに流れ出す。気液分離器５４中の燃料オフガス（水素ガス等）の圧力によって、貯留水も２次流通路８９ａに流れ出して排出される。
【００４５】
上記のように構成された燃料電池用排気排水弁によると、電池スタック６の燃料ガス排出口６３に連通している１次流通路８８ａには燃料ガスや水分が流通する。そして、万一第１気液流通壁８８に亀裂等が生じて燃料ガスが漏れ出した場合でも、１次流通路８８ａは２次流通路８９ａに包囲されているので、第１気液流通壁８８の亀裂等から漏れる燃料ガスは、２次流通路８９ａに流れ出すこととなる。この２次流通路８９ａは、第２気液流通部８９により外気との間が遮断され、かつ第２シール部材９１により気液分離器５４との間がシールされているため、燃料ガスが直接外気に放出されるのを防止することができる。
【００４６】
また、弁ケーシング８２を構成する第１気液流通部８８や第２気液流通部８９が樹脂製であるところから、弁全体の軽量化を図ることができる。一方、樹脂成型時の製作上の問題としてボイドやウェルドが生じ、これらに起因した漏れや亀裂が問題となるが、本件発明では、１次流通路８８ａは２次流通路８９ａに囲まれており、第１気液流通部８８から漏れる燃料ガスは２次流通路８９に流れ出すこととなるので、燃料ガスが直接外気に放出されるのを防止することができる。
【００４７】
また、第１嵌合部８８ｂの外周に設けられた第１軸シール部材９０により第１嵌合部８８ｂの外周面及び気液分離器５４の第１嵌合穴９２の内周面間をシールすることができ、第２嵌合部８９ｂの外周に設けられた第２軸シール部材９１により第２嵌合部８９ｂの外周面及び気液分離器５４の第２嵌合穴９３の内周面間をシールすることができる。また、第１嵌合部８８ｂと第２嵌合部８９ｂとを同軸としておくことで、第１嵌合部８８ｂの軸及び第２嵌合部８９ｂの軸の一方を第１嵌合穴９２及び第２嵌合穴９３の一方に合わせると、第１嵌合部８８ｂの軸及び第２嵌合部８９ｂの軸の他方が第１嵌合穴９２及び第２嵌合穴９３の他方に合致するので、第１嵌合部８８ｂ及び第２嵌合部８９ｂを気液分離器５４に対して同時にかつ簡単に組付けることができる。また、このように排気排水弁は、気液分離器５４の筐体５４ａに取り付けられるので、専用の取付装置を別途設けることなく部品点数を減少させてコストダウンを図ることができる。
【００４８】
なお、本実施形態において、弁ケーシングを樹脂製としたが、これに限定されず、例えばアルミ製でもよい。また、弁ケーシングのボデー部をガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂としたが、これに限定されず、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの公知の樹脂材料を使用することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、取付部材を気液分離器としたが、これに限定されず、燃料電池の燃料ガス排出口と希釈装置との間の配管に設けられる部品・装置であればよい。
【００５０】
また、弁体作動装置は、電磁ソレノイドによるものとしたが、これに限定されず、例えば、リニアモータ、空気圧や油圧によるアクチュエータでもよい。
【実施例２】
【００５１】
本発明の実施形態のガス排気排水弁を燃料電池システムに使用した第２実施形態について、図７に基づいて以下に説明する。本実施形態の燃料電池用の排気排水弁１５５は、第１気液流通部８８の先端には燃料ガス排出口６３に連通する導入開口部１５７が設けられ、第２気液流通部８９の先端には希釈装置５６側に連通する排出開口部１５９が設けられている。排出開口部１５９の端面と第２嵌合穴８９ｂに設けられた段部との間には面シール部材が１６１設けられている。これらの点について第１実施形態と相違し、その他の構成は同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。
【００５２】
上記のように構成された排気排水弁１５５によると、気液分離器５４に排気廃水弁１５５を組み付ける際に、排気排水弁１５５の第１嵌合部（第１シール部）８８ｂと第２嵌合部（第２シール部）８９ｂとの同軸の精度が低い場合でも、第２気液流通部８９の先端の排出開口部１５９の端面に設けられた面シール部材１６１によって、第２嵌合部８９ｂと第２嵌合穴９３と間を、第２嵌合部の軸方向に押圧してシールするので、確実にシールすることができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、第２気液流通部２９の排出開口部１５９の端面に設けられた面シール部材１６１によって、第２嵌合部８９ｂと第２嵌合穴９３と間を、第２嵌合部の軸方向に押圧してシールするものとしたが、これに限定されず、例えば第１気液流通部の先端の導入開口部の端面に設けた面シール部材によって、第１嵌合部と第１嵌合穴との間を、第１嵌合部の軸方向に押圧してシールするものでもよい。
【００５４】
斯様に、上記した実施の形態で述べた具体的構成は、本発明の一例を示したものにすぎず、本発明はそのような具体的構成に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採り得るものである。
【符号の説明】
【００５５】
６…燃料電池（電池スタック）５４…取付部材（気液分離器）、５４ａ…筐体、５５…排気排水弁、５６…希釈装置、６３…燃料ガス排出口、８２…弁ケーシング、８８…第１気液流通部、８８ａ…１次流通路、８８ｂ…第１嵌合部、８９…第２気液流通部、８９ａ…２次流通路、８９ｂ…第２嵌合部、９０…第１シール部材（第１軸シール部材）、９１…第２シール部材（第２軸シール部材）、９２…第１嵌合穴、９３…第２嵌合穴、９５弁座、９７…弁体、９７ａ…弁部、９８…弁軸（プランジャ）、９９…弁体作動装置（スリーブ）、１０１…弁体作動装置（ソレノイド）、１０６…弁体作動装置（ボビン）、１０６…弁体作動装置（コア部材）、１５５…排気排水弁、１５７…導入開口部、１５９…排出開口部、１６１…面シール部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に使用され、アノード電極側からの生成水及び不純ガスの外気への排出をおこなう排気排水弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、固体高分子膜等の電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触し、カソードに空気などのガスを含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みとなっている。このような燃料電池によって電力を得る燃料電池システムでは、燃料である水素の無駄な消費を無くすことが省エネルギの観点より重要である。このため、燃料電池で使用された燃料ガスのオフガスを再び燃料電池に循環させることで、オフガスに残存している水素の有効利用が図られている。
【０００３】
一方、燃料電池内では、カソードにおける化学反応により、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生成される。反応により生成された水の多くは酸化ガスのオフガスに含まれて大気中に放出されるが、一部の生成水は、電解質膜を通過してアノードに移動する。アノード側に移動した生成水は、燃料ガスのオフガスに含まれて燃料電池内から排出されるが、オフガスは再び燃料ガスとして燃料電池に循環されるため、燃料ガスの循環系には水が滞留していくことになる。循環系内での水の滞留は、アノードへの水素の供給を阻害することとなり、燃料電池の発電性能の低下を招く。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置されるバルブドレイン装置に設けられる排気排水弁が記載されている。この排気排水弁は、バルブホルダにより保持されて摺動することで排出口の開閉を行なうシールゴムと、排出口の周囲においてシールゴムが当接するシート部とを有し、シールゴムがシート部から離間することで、排水及び排気を行ない、シールゴムのシート側の表面には撥水性を有するコーティング剤が塗布され、シールゴムの表面に付着した水分による凍結固着を防止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１６０２４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、従来の排気排水弁は、構成するボデーの材質が、水素の透過に対する信頼性から金属（ＳＵＳ）を使用していることが多かった。昨今はより軽量化を図るため樹脂製のボデーとすることが多くなったが、特許文献１に開示された排気排水弁では、上流１次側流路（１次流通路）に、樹脂成型上の問題であるボイドやウェルドに起因した漏れや外力により生じる亀裂に起因した漏れが発生する虞がある。
【０００７】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、排気排水弁において、漏れの発生を抑制できる燃料電池用排気排水弁を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池の燃料ガス排出口に連通され、前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が燃料ガスを希釈する希釈装置側に流出するのを遮断或いは許容する排気排水弁であって、前記排気排水弁は、弁ケーシングに設けられ、前記燃料ガス排出口に連通し前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が流通する１次流通路が形成された第１気液流通部と、前記弁ケーシングに設けられ、前記第１気液流通部の周囲に形成され、前記希釈装置側に連通する２次流通路が前記第１気液流通部を包囲するように形成された第２気液流通部と、前記第１気液流通部に設けられ、前記第１気液流通部と前記排気排水弁が取り付けられる取付部材との間をシールする第１シール部材が設けられる第１シール部と、前記第２気液流通部に設けられ、前記第２気液流通部と前記取付部材との間をシールする第２シール部材が設けられる第２シール部と、前記１次流通路と前記２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座と、前記弁座に対して進退移動し、前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、前記弁部が前記弁座と当接する閉鎖位置と前記弁部が前記弁座から離間する離間位置との間で前記弁体を移動させる弁体作動装置と、を備えたことである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記弁ケーシングは、樹脂製であることである。
【００１０】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記第１シール部は、前記取付部材に形成された第１嵌合穴に嵌合する円筒状の第１嵌合部であり、前記第２シール部は、前記第１嵌合部よりも大径で同軸に形成され、前記取付部材に形成された第２嵌合穴に嵌合する円筒状の第２嵌合部であり、前記第１シール部材は、前記第１嵌合部の外周に設けられ前記第１嵌合部の外周面と前記取付部材の前記第１嵌合穴の内周面との間をシールする第１軸シール部材であり、前記第２シール部材は、前記第２嵌合部の外周に設けられ前記第２嵌合部の外周面と前記取付部材に形成された第２嵌合穴の内周面との間をシールする第２軸シール部材であることである。
【００１１】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記１次流通路の前記第１気液流通部の先端部には前記燃料電池の前記燃料ガス排出口に連通する導入開口部が設けられ、前記１次流通路の周囲に配された前記第２気液流通部の先端部には前記希釈装置側に連通する排出開口部が設けられ、前記第１シール部材及び前記第２シール部材の少なくとも一方は、前記導入開口部の端面と前記取付部材との間又は前記排出開口部の端面と前記取付部材との間をシールする面シール部材であることである。
【００１２】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記取付部材は、前記燃料電池の燃料ガス排出流口と前記排気排水弁との間に設けられる気液分離器の筐体であることである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によると、燃料電池の燃料ガス排出口に連通している１次流通路には燃料ガスや水分が流通する。そして、万一第１気液流通壁に亀裂等が生じて燃料ガスが漏れ出した場合でも、１次流通路は２次流通路に包囲されているので、第１気液流通壁の亀裂等から漏れる燃料ガスは、２次流通路に流れ出すこととなる。この２次流通路は、第２シール部材により取付部材との間がシールされているため、燃料ガスが直接外気に放出されるのを抑制することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によると、弁ケーシングを構成する第１気液流通部や第２気液流通部が樹脂製であるところから、弁全体の軽量化を図ることができる。一方、樹脂成型時の製作上の問題としてボイドやウェルドが生じ、これらに起因した漏れや亀裂が問題となるが、本件発明では、１次流通路は２次流通路に囲まれており、第１気液流通部から漏れる燃料ガスは２次流通路に流れ出すこととなるので、燃料ガスが直接外気に放出されるのを抑制することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によると、第１嵌合部の外周に設けられた第１軸シール部材により第１嵌合部の外周面及び取付部材の第１嵌合穴の内周面間を組付けながらシールすることができ、第２嵌合部の外周に設けられた第２軸シール部材により第２嵌合部の外周面及び取付部材の第２嵌合穴の内周面間を組付けながらシールすることができる。また、第１嵌合部と第２嵌合部とを同軸としておくことで、第１嵌合部の軸及び第２嵌合部の軸の一方を第１嵌合穴及び第２嵌合穴の一方に合わせると、第１嵌合部の軸及び第２嵌合部の軸の他方が第１嵌合穴及び第２嵌合穴の他方に合致するので、第１嵌合部及び第２嵌合部を取付部材に対して同時にかつ簡単に組付けることができる。
【００１６】
請求項４に係る発明によると、第１シール部の導入開口部及び第２シール部の排出開口部の一方が面シール部材でシールされるので、第１シール部と第２シール部との同軸の精度が粗いときでも、導入開口部または排出開口部の端面を軸方向から押圧することで確実にシールすることができる。
【００１７】
請求項５に係る発明によると、気液分離器によって燃料ガスに混合している生成水を分離して貯留水とし、この貯留水と濃度が低くなった燃料ガスの一部を排気排水弁から希釈装置側に排出する。このように排気排水弁は、気液分離器の筐体に取り付けられるので、専用の取付装置を別途設けることなく部品点数を減少させてコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態における排気排水弁を使用した燃料電池システムの概要を示す図。
【図２】排気排水弁を示す断面図である。
【図３】図２におけるIII-III断面図。
【図４】排気排水弁を気液分離器に取り付けた状態を示す一部に断面を有する斜視図。
【図５】排気排水弁が閉鎖状態であることを示す図。
【図６】排気排水弁が開放状態であることを示す図。
【図７】第２実施形態における排気排水弁を示す図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施形態の排気排水弁を燃料電池システムに使用した第１実施形態について、図に基づいて以下に説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素系２、燃料系５、電池スタック（燃料電池）６、動力系７、冷却系８および制御装置９とから形成されている。
【００２０】
電池スタック６は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されることで形成されている。複数の単セルは電気的に直列に接続されており、各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示せず）を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ（図示せず）には、アノード極に対して水素ガスを供給するためのアノード流路６１が形成されており、カソードセパレータ（図示せず）には、カソード極に対して空気を供給するためのカソード流路６２が形成されている。
【００２１】
酸素系２は酸素系供給配管２１ａを備えており、酸素系供給配管２１ａは電池スタック６内のカソード流路６２の一端と接続されている。酸素系供給配管２１ａ上には、電池スタック６に向けて順に、エアフィルタ２２、大気中の空気（酸化ガス）を取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ２３、コンプレッサ２３から圧送された空気の熱を冷ますインタークーラ２４および電池スタック６への空気の供給を遮断又は許容する三方弁３が形成されている。
【００２２】
カソード流路６２の他端には酸素系排出配管２１ｂの一端が接続されており、酸素系排出配管２１ｂ上には、２ポートの流体制御弁であるエア調圧弁４が設けられている。なお、エア調圧弁４は、遮断弁とその上流側に設けられる背圧調整弁とにより構成するものに換えることができる。また、前述した三方弁３は３ポートの流体制御弁であって、バイパス管路２１ｃの一端が接続されており、バイパス管路２１ｃの他端は、酸素系排出配管２１ｂのエア調圧弁４よりも下流側部位（電池スタック６が接続されていない側）に接続されている。
【００２３】
一方、燃料系５は、燃料系供給配管５１ａの一端に水素タンク５２が接続されており、燃料系供給配管５１ａ上には調圧弁５３が形成されている。燃料系供給配管５１ａの他端は、電池スタック６内のアノード流路６１の一端と接続されている。アノード流路６１の他端（燃料ガス排出口６３）には、燃料系排出配管５１ｂが接続されており、燃料系排出配管５１ｂ上には、電池スタック６に近い側から順に、気液分離器５４、排気排水弁５５および希釈装置５６が形成されている。排出ガス希釈器５６には、上述した酸素系排出配管２１ｂの他端が接続されている。
【００２４】
また、気液分離器５４は、燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の調圧弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられており、気液分離器５４からアノード流路６１に向けて水素ガスを循環させている。
【００２５】
また、気液分離器５４は燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の調圧弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられており、気液分離器５４で水素オフガス（使用された水素ガス）から生成水が分離された水素ガスが循環ポンプ５７によりアノード流路６１に送られる。これにより使用された水素ガスの一部が循環されて再利用される。
【００２６】
動力系７は、車両を走行させるための電動モータ７１を備えている。電動モータ７１は電池スタック６の正極および負極と接続されており、電池スタック６の発電によって駆動される。
また、冷却系８は水冷ポンプ８１を備え、電池スタック６内に冷却水を循環させて電池スタック６を冷却している。
制御装置（コントローラ）９は、コンプレッサ２３、三方弁３、エア調圧弁４、排気排水弁５５、調圧弁５３、循環ポンプ５７および冷却ポンプ８１と電気的に接続されている。制御装置９は車両の走行状態に応じて算出された電池スタック６の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
【００２７】
上述した構成により、車両が運転開始すると、制御装置９はコンプレッサ２３を作動させてカソード流路６２へ空気を供給するとともに、調圧弁５３および循環ポンプ５７を作動させてアノード流路６１へ水素ガスを供給し、電池スタック６において発電を行う。
酸素系２において、エアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ空気は、コンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。三方弁３は、電池スタック６の発電量に応じてバルブ部材の位置を変位させ、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス配管２１ｃへ逃すことにより、電池スタック６への空気の流量を制御している。
【００２８】
また、エア調圧弁４は、その開度を調整し電池スタック６内に残存した空気の排出量を調整することにより、電池スタック６内の圧力を制御している。
気液分離器５４からは、発電によって生成された水と残存した水素ガスの一部が、排気排水弁５５を介して排出される。排気排水弁５５から排出された水素ガスは、希釈装置５６において、酸素系排出配管２１ｂから供給された空気により希釈化された後、水とともに外部へと放出される。
【００２９】
ここで、燃料電池用の排気排水弁５５について詳述すると、排気排水弁５５は、図２に示すように、弁ケーシング８２と弁機構８３と弁機構８３を駆動させる弁体作動装置８４とを備えている。
【００３０】
弁ケーシング８２は、ボデー部８５とカバー部８６とを有している。ボデー部８５は、例えばガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂製で、取付部材としての気液分離器５４の筐体５４ａに例えばボルトにより固定されるフランジ部８７と、フランジ部８７に対して直角な方向に突設された管状の第１気液流通部８８と、フランジ部８７に突設されるとともに第１気液流通部８８の周囲に配設された管状の第２気液流通部８９とを備えている。フランジ部８７より第２気液流通部８９が突設され、第２気液流通部８９より先端に向かって段部を設けて第１気液流通部８８の外周が形成されている。第１気液流通部８８には電池スタック６の燃料ガス排出口６３に連通する気液分離器５４にさらに連通する１次流通路８８ａが形成され、第２気液流通部８９には希釈装置５６に連通する２次流通路８９ａが形成されている。第１気液流通部８８の先端側には円筒状の第１嵌合部（第１シール部）８８ｂが形成され、第１嵌合部８８ｂの基端部に周設された段部には第１軸シール部材（Ｏリング）９０が第１嵌合部８８ｂの基端部外周を囲むように設けられている。第２気液流通部８９の先端側には円筒状の第２嵌合部（第２シール部）８９ｂが形成され、第２嵌合部の基端部に周設された段部には第２軸シール部材（Ｏリング）９１が第２嵌合部８９ｂの基端部外周を囲むように設けられている。第１気液流通部８８と第２気液流通部８９とは、図３に示すように、第１気液流通部８８が突設された方向に延在する支持壁８０によって相互に固定されている。
【００３１】
本実施形態では、図４に示すように、取付部材としての気液分離器５４に排気排水弁５５が取り付けられる場合に、排気排水弁５５の第１嵌合部８８ｂは、気液分離器５４の筐体５４ａに設けられた第１嵌合穴９２に嵌合される。この第１嵌合穴９２は気液分離器５４の底部に設けられており、気液分離器５４で液体となった生成水（気液分離器５４よりも上流の燃料系排出配管５１ｂでは、生成水は蒸気とミスト状の混合物であり、気液分離器５４にて水蒸気が凝縮し、ミスト生成水が凝集して生成水は液状の集合体となります。）が、１次流通路８８ａの部分に溜まるようになっている。排気排水弁５５の第２嵌合部８９ｂも、第１嵌合部８８ｂの嵌合と同時に、気液分離器５４の筐体５４ａに設けられた第２嵌合穴９３に嵌合される。第１嵌合穴９２の内周壁には段部が周設され、第１嵌合部８８ｂが嵌合されたときに、第１軸シール部材９０が、第１嵌合穴９２の内周面と第１嵌合部８８ｂの外周面とを軸シールするとともに、第１嵌合穴９２の段部及び第１嵌合部８８ｂの段部により軸方向に挟持押圧されて１次流通路８８ａと気液分離器５４との間をシールする。この実施形態では、１次流通路８８ａの中心軸が略水平に取り付けられている。同様に、第２嵌合穴９３の内周壁には段部が周設され、第２嵌合部８９ｂが嵌合されたときに、第２軸シール部材９１が、第２嵌合穴９３の内周面と第２嵌合部８９ｂの外周面とを軸シールするとともに、第２嵌合穴９３の段部及び第２嵌合部８９ｂの段部により軸方向に挟持押圧されて２次流通路８９ａと筐体５４ａとの間をシールするよう構成される。図４の２次流通路８９ａからのガスは、第２嵌合穴９３の壁にあけられた通路１００から排出される。この通路１００は排気排水弁５５よりも下流の燃料系排出配管５１ｂに連通されている。
【００３２】
第１気液流通部８８の基端側にはフランジ部８７の中央部に一端面側（図２において上方側）を開放して穿設された弁収納部９４が形成され、弁収納部９４の中央部には１次流通路８８ａが開口するとともに該１次流通路８８ａの開口の周囲には２次流通路８９ａが開口している。１次流通路８８ａの開口縁は内側に向かってテーパ状に小径となるように弁収納部９４側に突設され、該開口縁には環状の弁座９５が形成されている。弁収納部９４の周囲端面には後述する弁体のダイヤフラム部の周端部を固定する固定溝９６が周設されている。
【００３３】
フランジ部８７の周端側には気液分離器５４に取付けるための取付穴８７ａと後述する支持板を組付ける組付穴８７ｂとが設けられている。取付穴８７ａ及び組付穴８７ｂの周囲には金属製の雌ねじ部材が夫々埋設されている。
【００３４】
カバー部８６は、例えばナイロン系樹脂製で、円筒状の円筒部８６ａが形成されるとともに、円筒部８６ａの先端部にはコネクタを構成するコネクタ支持部８６ｂがカバー部８６の長手方向に対して直角に突設されている。コネクタ支持部８６ａには後述するソレノイドに接続された端子８６ｃが設けられるとともに、図略のソケットに着脱可能に係止する係止爪８６ｄが形成されている。カバー部材の先端部にはコネクタ支持部の取付方向に対して直角な方向に後述する支持帯体が嵌入するガイド溝８６ｅが形成されている。
【００３５】
弁機構８３は、弁体９７と、弁軸としてのプランジャ９８と、前述の弁座９５とから主に構成される。
弁体９７は、例えばゴム製で、弁座９５に接離する弁部９７ａと、弁部９７ａの周囲に一体に形成されたダイヤフラム部９７ｂと、弁部９７ａの裏側に形成された係止部９７ｃとを有し、弁収納部９４に収納されている。
ダイヤフラム部９７ｂの周縁は前述の固定溝９６に嵌入固定され、これらの弁部９７ａ及びダイヤフラム部９７ｂによって、弁収納部９４は１次流通路８８ａの開口側及び２次流通路８９ａの開口側が外気に対して気密状態で隔離される。
【００３６】
プランジャ９８は、例えばフェライト系ステンレス製の磁性体であって、円柱状に形成され、弁体９７側の端部には弁体９７の係止部９７ｃが係止する被係止爪９８ａが形成されている。プランジャ９８において弁体９７とは反対側の端部には、有底のばね収納穴９８ｂがプランジャ９８の軸方向に沿って穿設され、後述するばね部材が収納される。このプランジャ９８は弁体作動装置８４の可動子としての役割を担う。
【００３７】
弁体作動装置８４は、前述のプランジャ９８、プランジャをガイドするスリーブ９９、コア部材１０６、ソレノイド１０１、ヨーク部材等より構成される。
スリーブ９９は、例えば非磁性体であるオーステナイト系ステンレス鋼製で、有底円筒状のガイド部９９ａとガイド部９９ａの開口端部にガイド部９９ａの軸方向に対して直角な半径方向に延在する取付フランジ部９９ｂとを有している。取付フランジ部９９ｂは、弁収納部９４の周縁に弁体９７のダイヤフラム部９７ｂを介して密着するように設けられる。ガイド部９９ａには弁体９７が固定されたプランジャ９８が摺動可能に設けられ、弁体９７の弁部９７ａが弁座９５に対して接離するようになっている。また、前記ばね収納穴９８ｂに圧縮されて収納されたばね部材１０２の先端部がスリーブ９９の底部分に当接するとともに、ばね部材１０２の基端部がばね収納穴９８ｂの底部分に当接することで、プランジャ９８及び弁体９７を弁座９５に向かって付勢している。
【００３８】
スリーブ９９は、支持板１０３を介して例えばボルトによりボデー部８５に固定される。支持板１０３は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、後述する支持帯体１０４を支持する支持穴１０３ａ（図４参照）と支持板１０３をボデー部８５に組付ける組付穴１０３ｂとスリーブ９９のガイド部９９ａが貫通する貫通穴１０３ｃとが設けられている。
【００３９】
ソレノイド１０１はボビン１０５に巻回され、ボビン１０５には作動穴１０５ａが貫設されている。ソレノイド１０１のプラス極及びマイナス極の端部は図略の電源に接続され、制御装置９の指令によって所定電流が印加される。ソレノイド１０１及びボビン１０５は前記カバー部８６の内周壁部に一体成型により配設されている。ボビン１０５の作動穴１０５ａには一端（弁体９７）側よりスリーブ９９のガイド部９９ａが挿入され、ボビン１０５の作動穴１０５ａの他端側より円柱状のコア部材１０６が挿入されている。
【００４０】
コア部材１０６は、例えば磁性体であるフェライト系ステンレス製で、挿入された先端部がスリーブ９９の底部分（図２においてガイド部９９ａの上端部）に当接する。コア部材１０６の基端部側（図２において上端側）には係止フランジ１０６ａが設けられ、ボビン１０５の作動穴１０５ａの一端縁（弁体の反対側）に係止される。コア部材１０６の基端部は、コ字状に屈曲成型された支持帯体１０４によって支持固定される。
【００４１】
支持帯体１０４は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、両側が直角に屈曲された中央部分には、コア部材１０６の基端部が嵌入する嵌入穴１０４ａが形成されている。支持帯体１０４ａの中央部分から直角に屈曲されて延在する二つの先端部には、前記支持板１０３の支持穴１０３ａに係合する係合爪１０４ｂが形成されている（図４参照）。支持帯体１０４の幅方向を前記カバー部８６のガイド溝８６ｅに嵌合させるとともに、嵌入穴１０４ａにコア部材１０６の基端部を嵌入させ、そして、係合爪１０４ｂを支持板１０３の支持穴１０３ａに係合させることで、カバー部８６及びコア部材１０６をボデー部８５に組付け固定する。なお、支持板１０３及び支持帯体１０４は、磁力線が漏れるのを防ぐヨークとしての役目を担っている。
【００４２】
次に、上記のように構成された排気排水弁５５を気液分離器５４に組み付けるときには、図４に示すように、気液分離器５４の第１嵌合穴９２に排気排水弁５５の第１嵌合部８８ｂを対向させるとともに、気液分離器５４の第２嵌合穴９３に排気排水弁５５の第２嵌合部８９ｂを対応させて嵌合する。第１嵌合部８８ｂと第２嵌合部８９ｂとは同軸に形成されているので、それぞれの嵌合を同時にかつ容易に行うことができる。排気排水弁５５の第１嵌合部８８ｂ及び第２嵌合部８９ｂを、対応する気液分離器５４の第１嵌合穴９２及び第２嵌合穴９３に嵌合した後に、排気排水弁５５のフランジ部８５を、取付穴８７ａを介して気液分離器５４の筐体５４ａに設けられた図略の雌螺子穴にボルト等により固定する。
【００４３】
次に、上記のように構成された排気排水弁５５の作動について図に基づいて以下に説明する。
図２及び図５に示すように、ばね部材１０２によって弁座９５方向にプランジャ９８及び弁体９７が付勢され、弁体９７の弁部９７ａが弁座９５に当接した状態になっている。１次流通路８８ａと２次流通路８９ａが開口する弁収納部９４とは、弁部９７ａによって流通が遮断された状態となっている。１次流通路８８ａは例えば３００kPaの高濃度の水素ガス及び生成水などが貯留され、２次流通路８９ａは水素ガス及び生成水で、例えば２０kPaとなっている。１次流通路８８ａの圧力は２次流通路８９ａよりも高い。この場合、万一第１気液流通部８８の壁面に亀裂等が入って水素ガスが漏れ出しても、漏れ出した水素ガスは２次流通路８９ａに漏れることになるので、水素ガスが直接外気に漏れるのを抑制することができる。
【００４４】
燃料電池の運転状態（発電出力や発電時間まど）によって気液分離器５４に貯留される貯留水が算出できる。予め決められた貯留水量（所定水量）になった時、制御装置９が電源よりソレノイド１０１に電流を印加して、コア部材１０６にプランジャ９８を吸着する方向の磁力を発生させる。これによりプランジャ９８が、図６に示すように、ばね部材１０２の付勢力に抗しながらスリーブ９９内を移動してコア部材１０６側に吸着される。そして、弁体９７が弁座９５より離間して、１次流通路８８ａと２次流通路８９ａとが連通し、１次流通路８９ａの水素ガスが２次流通路８９ａに流れ出す。気液分離器５４中の燃料オフガス（水素ガス等）の圧力によって、貯留水も２次流通路８９ａに流れ出して排出される。
【００４５】
上記のように構成された燃料電池用排気排水弁によると、電池スタック６の燃料ガス排出口６３に連通している１次流通路８８ａには燃料ガスや水分が流通する。そして、万一第１気液流通壁８８に亀裂等が生じて燃料ガスが漏れ出した場合でも、１次流通路８８ａは２次流通路８９ａに包囲されているので、第１気液流通壁８８の亀裂等から漏れる燃料ガスは、２次流通路８９ａに流れ出すこととなる。この２次流通路８９ａは、第２気液流通部８９により外気との間が遮断され、かつ第２シール部材９１により気液分離器５４との間がシールされているため、燃料ガスが直接外気に放出されるのを防止することができる。
【００４６】
また、弁ケーシング８２を構成する第１気液流通部８８や第２気液流通部８９が樹脂製であるところから、弁全体の軽量化を図ることができる。一方、樹脂成型時の製作上の問題としてボイドやウェルドが生じ、これらに起因した漏れや亀裂が問題となるが、本件発明では、１次流通路８８ａは２次流通路８９ａに囲まれており、第１気液流通部８８から漏れる燃料ガスは２次流通路８９に流れ出すこととなるので、燃料ガスが直接外気に放出されるのを防止することができる。
【００４７】
また、第１嵌合部８８ｂの外周に設けられた第１軸シール部材９０により第１嵌合部８８ｂの外周面及び気液分離器５４の第１嵌合穴９２の内周面間をシールすることができ、第２嵌合部８９ｂの外周に設けられた第２軸シール部材９１により第２嵌合部８９ｂの外周面及び気液分離器５４の第２嵌合穴９３の内周面間をシールすることができる。また、第１嵌合部８８ｂと第２嵌合部８９ｂとを同軸としておくことで、第１嵌合部８８ｂの軸及び第２嵌合部８９ｂの軸の一方を第１嵌合穴９２及び第２嵌合穴９３の一方に合わせると、第１嵌合部８８ｂの軸及び第２嵌合部８９ｂの軸の他方が第１嵌合穴９２及び第２嵌合穴９３の他方に合致するので、第１嵌合部８８ｂ及び第２嵌合部８９ｂを気液分離器５４に対して同時にかつ簡単に組付けることができる。また、このように排気排水弁は、気液分離器５４の筐体５４ａに取り付けられるので、専用の取付装置を別途設けることなく部品点数を減少させてコストダウンを図ることができる。
【００４８】
なお、本実施形態において、弁ケーシングを樹脂製としたが、これに限定されず、例えばアルミ製でもよい。また、弁ケーシングのボデー部をガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂としたが、これに限定されず、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの公知の樹脂材料を使用することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、取付部材を気液分離器としたが、これに限定されず、燃料電池の燃料ガス排出口と希釈装置との間の配管に設けられる部品・装置であればよい。
【００５０】
また、弁体作動装置は、電磁ソレノイドによるものとしたが、これに限定されず、例えば、リニアモータ、空気圧や油圧によるアクチュエータでもよい。
【実施例２】
【００５１】
本発明の実施形態のガス排気排水弁を燃料電池システムに使用した第２実施形態について、図７に基づいて以下に説明する。本実施形態の燃料電池用の排気排水弁１５５は、第１気液流通部８８の先端には燃料ガス排出口６３に連通する導入開口部１５７が設けられ、第２気液流通部８９の先端には希釈装置５６側に連通する排出開口部１５９が設けられている。排出開口部１５９の端面と第２嵌合穴８９ｂに設けられた段部との間には面シール部材が１６１設けられている。これらの点について第１実施形態と相違し、その他の構成は同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。
【００５２】
上記のように構成された排気排水弁１５５によると、気液分離器５４に排気廃水弁１５５を組み付ける際に、排気排水弁１５５の第１嵌合部（第１シール部）８８ｂと第２嵌合部（第２シール部）８９ｂとの同軸の精度が低い場合でも、第２気液流通部８９の先端の排出開口部１５９の端面に設けられた面シール部材１６１によって、第２嵌合部８９ｂと第２嵌合穴９３と間を、第２嵌合部の軸方向に押圧してシールするので、確実にシールすることができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、第２気液流通部２９の排出開口部１５９の端面に設けられた面シール部材１６１によって、第２嵌合部８９ｂと第２嵌合穴９３と間を、第２嵌合部の軸方向に押圧してシールするものとしたが、これに限定されず、例えば第１気液流通部の先端の導入開口部の端面に設けた面シール部材によって、第１嵌合部と第１嵌合穴との間を、第１嵌合部の軸方向に押圧してシールするものでもよい。
【００５４】
斯様に、上記した実施の形態で述べた具体的構成は、本発明の一例を示したものにすぎず、本発明はそのような具体的構成に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採り得るものである。
【符号の説明】
【００５５】
６…燃料電池（電池スタック）５４…取付部材（気液分離器）、５４ａ…筐体、５５…排気排水弁、５６…希釈装置、６３…燃料ガス排出口、８２…弁ケーシング、８８…第１気液流通部、８８ａ…１次流通路、８８ｂ…第１嵌合部、８９…第２気液流通部、８９ａ…２次流通路、８９ｂ…第２嵌合部、９０…第１シール部材（第１軸シール部材）、９１…第２シール部材（第２軸シール部材）、９２…第１嵌合穴、９３…第２嵌合穴、９５弁座、９７…弁体、９７ａ…弁部、９８…弁軸（プランジャ）、９９…弁体作動装置（スリーブ）、１０１…弁体作動装置（ソレノイド）、１０６…弁体作動装置（ボビン）、１０６…弁体作動装置（コア部材）、１５５…排気排水弁、１５７…導入開口部、１５９…排出開口部、１６１…面シール部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料ガス排出口に連通され、前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が燃料ガスを希釈する希釈装置側に流出するのを遮断或いは許容する排気排水弁であって、
前記排気排水弁は、
弁ケーシングに設けられ、前記燃料ガス排出口に連通し前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が流通する１次流通路が形成された第１気液流通部と、
前記弁ケーシングに設けられ、前記第１気液流通部の周囲に形成され、前記希釈装置側に連通する２次流通路が前記第１気液流通部を包囲するように形成された第２気液流通部と、
前記第１気液流通部に設けられ、前記第１気液流通部と前記排気排水弁が取り付けられる取付部材との間をシールする第１シール部材が設けられる第１シール部と、
前記第２気液流通部に設けられ、前記第２気液流通部と前記取付部材との間をシールする第２シール部材が設けられる第２シール部と、
前記１次流通路と前記２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座と、
前記弁座に対して進退移動し、前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、
前記弁部が前記弁座と当接する閉鎖位置と前記弁部が前記弁座から離間する離間位置との間で前記弁体を移動させる弁体作動装置と、
を備えた燃料電池用排気排水弁。
【請求項２】
請求項１において、前記弁ケーシングは、樹脂製である燃料電池用排気排水弁。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第１シール部は、前記取付部材に形成された第１嵌合穴に嵌合する円筒状の第１嵌合部であり、
前記第２シール部は、前記第１嵌合部よりも大径で同軸に形成され、前記取付部材に形成された第２嵌合穴に嵌合する円筒状の第２嵌合部であり、
前記第１シール部材は、前記第１嵌合部の外周に設けられ前記第１嵌合部の外周面と前記取付部材の前記第１嵌合穴の内周面との間をシールする第１軸シール部材であり、
前記第２シール部材は、前記第２嵌合部の外周に設けられ前記第２嵌合部の外周面と前記取付部材に形成された第２嵌合穴の内周面との間をシールする第２軸シール部材である燃料電池用排気排水弁。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記１次流通路の前記第１気液流通部の先端部には前記燃料電池の前記燃料ガス排出口に連通する導入開口部が設けられ、
前記１次流通路の周囲に配された前記第２気液流通部の先端部には前記希釈装置側に連通する排出開口部が設けられ、
前記第１シール部材及び前記第２シール部材のすくなくとも一方は、前記導入開口部の端面と前記取付部材との間又は前記排出開口部の端面と前記取付部材との間をシールする面シール部材である燃料電池用排気排水弁。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記取付部材は、前記燃料電池の燃料ガス排出流口と前記排気排水弁との間に設けられる気液分離器の筐体である燃料電池用排気排水弁。
【請求項１】
燃料電池の燃料ガス排出口に連通され、前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が燃料ガスを希釈する希釈装置側に流出するのを遮断或いは許容する排気排水弁であって、
前記排気排水弁は、
弁ケーシングに設けられ、前記燃料ガス排出口に連通し前記燃料ガス排出口から排出された燃料ガスや生成水が流通する１次流通路が形成された第１気液流通部と、
前記弁ケーシングに設けられ、前記第１気液流通部の周囲に形成され、前記希釈装置側に連通する２次流通路が前記第１気液流通部を包囲するように形成された第２気液流通部と、
前記第１気液流通部に設けられ、前記第１気液流通部と前記排気排水弁が取り付けられる取付部材との間をシールする第１シール部材が設けられる第１シール部と、
前記第２気液流通部に設けられ、前記第２気液流通部と前記取付部材との間をシールする第２シール部材が設けられる第２シール部と、
前記１次流通路と前記２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座と、
前記弁座に対して進退移動し、前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、
前記弁部が前記弁座と当接する閉鎖位置と前記弁部が前記弁座から離間する離間位置との間で前記弁体を移動させる弁体作動装置と、
を備えた燃料電池用排気排水弁。
【請求項２】
請求項１において、前記弁ケーシングは、樹脂製である燃料電池用排気排水弁。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第１シール部は、前記取付部材に形成された第１嵌合穴に嵌合する円筒状の第１嵌合部であり、
前記第２シール部は、前記第１嵌合部よりも大径で同軸に形成され、前記取付部材に形成された第２嵌合穴に嵌合する円筒状の第２嵌合部であり、
前記第１シール部材は、前記第１嵌合部の外周に設けられ前記第１嵌合部の外周面と前記取付部材の前記第１嵌合穴の内周面との間をシールする第１軸シール部材であり、
前記第２シール部材は、前記第２嵌合部の外周に設けられ前記第２嵌合部の外周面と前記取付部材に形成された第２嵌合穴の内周面との間をシールする第２軸シール部材である燃料電池用排気排水弁。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記１次流通路の前記第１気液流通部の先端部には前記燃料電池の前記燃料ガス排出口に連通する導入開口部が設けられ、
前記１次流通路の周囲に配された前記第２気液流通部の先端部には前記希釈装置側に連通する排出開口部が設けられ、
前記第１シール部材及び前記第２シール部材のすくなくとも一方は、前記導入開口部の端面と前記取付部材との間又は前記排出開口部の端面と前記取付部材との間をシールする面シール部材である燃料電池用排気排水弁。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記取付部材は、前記燃料電池の燃料ガス排出流口と前記排気排水弁との間に設けられる気液分離器の筐体である燃料電池用排気排水弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９３２５６（Ｐ２０１３−９３２５６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３５５８１（Ｐ２０１１−２３５５８１）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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