開閉弁
【課題】流体通路に沿って流通する圧力流体の流通量を多段階に制御することができると共に、従来と比較して弁体の変位量を大きく設定すること。
【解決手段】着座部５６に対して着座又は離間する弁体３２を含む弁機構部５４と、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとに分割すると共に、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの圧力差によって弁体３２と一体的に変位するダイヤフラム６０と、大気と連通する大気開放路９６を開閉することにより、第１圧力室５８ａと大気とが連通する大気連通状態と、第１圧力室５８ａと大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるソレノイド部３０とを備える。
【解決手段】着座部５６に対して着座又は離間する弁体３２を含む弁機構部５４と、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとに分割すると共に、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの圧力差によって弁体３２と一体的に変位するダイヤフラム６０と、大気と連通する大気開放路９６を開閉することにより、第１圧力室５８ａと大気とが連通する大気連通状態と、第１圧力室５８ａと大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるソレノイド部３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁体が変位することによって流体通路を開閉する開閉弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。
【０００３】
燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されたスタックによって構成される。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、ＭＥＡのアノードに燃料ガス（水素）が、カソードに酸化剤ガス（酸素を含む空気）がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続されるモータ等の外部負荷と電気的に接続されることにより、燃料電池が発電する。
【０００４】
燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献１には、燃料電池のカソードに酸化剤ガスとしてエアを供給するエア供給ライン中に放熱部（インタクーラ）を設け、前記放熱部を迂回するバイパス通路中に燃料電池用開閉弁を配設することが開示されている。例えば、低温環境下で燃料電池システムを始動させる場合等、スタックの温度を運転に適した温度に短時間で上昇させるためには、放熱部を迂回するバイパス通路を経由させてエアコンプレッサから吐出される比較的高温の圧縮エアをカソードに対して直接的に供給することが好ましいからである。
【特許文献１】特開２００４−１８３７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池用開閉弁では、パイロット圧によって撓曲するダイヤフラムを用いて弁体を作動させているため、弁体が着座部に着座した弁閉状態と弁体が着座部から離間した弁開状態の二つの状態において、バイパス通路を単に開閉させているだけである。この場合、燃料電池システムの運転状況や周囲環境等に対応して、バイパス通路を経由してカソードに直接供給されるエア（酸化剤ガス）の流量を制御したいという産業界の要請がある。換言すると、バイパス通路を含む流体通路の単なる開閉だけでなく、前記流体通路（バイパス通路）を流通する圧力流体の流量を多段階に調整することが可能な開閉弁が希求されている。
【０００６】
また、このような燃料電池用開閉弁を含む通常の開閉弁に対して電磁弁を適用し、ソレノイドのオン・オフによって弁体を作動させるようにした場合、可動コアと一体的に変位する弁体の変位量は、前記可動コアの固定コアに対する接近乃至離間動作量によって設定されるため、前記弁体の変位量を大きくとることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、流体通路に沿って流通する圧力流体の流通量を多段階に制御することができると共に、従来と比較して弁体の変位量を大きく設定することが可能な開閉弁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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が出入するインレットポート及びアウトレットポートを有する本体部と、前記本体部内に設けられ、着座部に対して着座又は離間する弁体を含む弁機構部と、前記本体部内に設けられた空間部を第１圧力室と第２圧力室とに分割すると共に、前記第１圧力室と前記第２圧力室との圧力差によって前記弁体と一体的に変位するダイヤフラムと、前記本体部に設けられ、大気と連通する大気開放路を開閉することにより、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気とが連通する大気連通状態と、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるアクチュエータとを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、弁体が着座部から離間した弁開状態を、第１圧力室と第２圧力室との圧力差によって弁体をストローク中間位置に変位させる中間状態と、アクチュエータを作動させて大気開放路を開放し大気非連通状態から大気連通状態に切り換えることにより弁体をストロークエンドの全開状態の２段階の変位動作とすることにより、インレットポートから導入されてアウトレットポートから導出される圧力流体の流量を多段階に制御することができる。
【００１０】
また、本発明では、第１圧力室と第２圧力室との差圧によってダイヤフラムを撓曲させ前記ダイヤフラムと一体的に弁体を変位させるだけでなく、アクチュエータを作動させて、例えば、第１圧力室を大気開放状態とし、さらに弁体を変位させることによって弁体の変位量を従来と比較して大きく設定することができる。
【００１１】
この場合、アクチュエータは、コイルに対する通電作用下に、固定コア側に向かって吸引される可動コアと、前記可動コアと一体的に変位して大気開放路を開閉する弁部とを有するソレノイド部によって構成されることにより、制御を簡便化することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、本体部にパイロット機構が一体的に設けられることにより、パイロット室である第１圧力室又は第２圧力室にパイロット圧を供給するための配管（通路）を別個に設けることが不要となり、配管の接続作業を省略化することができると共に、配管流路による圧力損失を軽減することができる。さらに、前記パイロット機構が本体部に一体的に設けられることにより、省スペース化が可能となる。
【００１３】
さらにまた、本発明によれば、パイロット通路中に、圧力流体の流通量を絞るオリフィスを設けることにより、例えば、第１圧力室（パイロット室）よりも第２圧力室の圧力が増大したとき、パイロット通路を通じてパイロット圧が第１圧力室内に供給されることが抑制され、第１圧力室と第２圧力室との圧力差に起因してダイヤフラムを迅速に作動させることにより、前記ダイヤフラムの応答性を向上させることができる。
【００１４】
またさらに、本発明によれば、弁体に固定される弁ロッドを有し、前記弁体と前記弁ロッドとの連結部位に前記弁ロッドの外周面を囲繞するシール部材が設けられることにより、インレットポートから導入された圧力流体が弁体と弁ロッドとの連結部位から漏洩することを防止して好適にシール機能を発揮させることができる。
【００１５】
またさらに、本発明によれば、開閉弁が、燃料電池を含む燃料電池システムに組み込まれ、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路に設けられた放熱部を迂回するバイパス通路中に配設されることにより、燃料電池システムの状況に対応してバイパス通路を開成したときに、弁体の中間状態と全開状態とのいずれかの状態を適宜切り換えることにより、前記バイパス通路を流通する圧力流体の流量を好適に制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、流体通路に沿って流通する圧力流体の流通量を多段階に制御することができると共に、従来と比較して弁体の変位量を大きく設定することが可能な開閉弁を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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開閉弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【００１８】
なお、本実施形態では、燃料電池システムに組み込まれた燃料電池用の開閉弁をその一例として以下に説明しているが、これに限定されるものではなく、燃料電池システム以外のもの、例えば、一般的な機械・装置等に本実施形態に係る開閉弁を適用してもよい。また、本実施形態では、開閉弁が組み込まれた燃料電池システムを燃料電池自動車に搭載した場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機等の車両以外のもの、又は定置式の家庭用電源に適用してもよい。
【００１９】
図１に示される燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池自動車に搭載され、燃料電池（スタック）１２の発電電力によって走行モータ（図示せず）が回転駆動することにより、前記燃料電池自動車が走行する。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池（スタック）１２と、前記燃料電池１２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給及び排出するアノード系１４と、前記燃料電池１２のカソードに対して酸素を含むエア（酸化剤ガス、反応ガス）を供給及び排出するカソード系１６と、前記アノード系１４及びカソード系１６を構成する各構成要素（後記する）を電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７とを含む。
【００２１】
燃料電池（スタック）１２は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード及びカソードで挟んで形成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、前記ＭＥＡを挟む一対のセパレートとを含んで構成される。
【００２２】
アノードに対して水素が供給され、カソードに対して酸素を含むエアが供給されることにより、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage））が発生するようになっている。次いで、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１２に対して、走行モータ等の外部負荷から発電要求があり、電流が取り出されると燃料電池１２が発電するようになっている。
【００２３】
アノード系１４には、例えば、水素が貯留された図示しない水素タンク、遮断弁、エゼクタ、パージ弁等が含まれる。
【００２４】
カソード系１６は、カソード流路１８に接続され、ＥＣＵ１７からの指令信号によって制御されることにより圧縮エアを酸化剤ガス（掃気時には掃気ガス）として燃料電池１２のカソードに送給するエアコンプレッサ２０と、前記エアコンプレッサ２０の下流側に接続され前記エアコンプレッサ２０から吐出された比較的高温の圧縮エアを冷却する放熱部として機能するインタクーラ２２とを含む。
【００２５】
また、カソード系１６は、例えば、前記インタクーラ２２の下流側に接続されたノーマルオープンタイプのバタフライ弁からなり、ＥＣＵ１７からの電気信号（オンオフ信号）に基づいて前記カソード流路１８を開閉するオンオフ弁２３と、前記オンオフ弁２３から導出されたエアを発電に適した湿度に加湿する加湿器２４とを有する。なお、圧縮エアを加湿する加湿源としては、燃料電池１２のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる水（発電時に生成される生成水）が用いられる。
【００２６】
さらに、カソード系１６には、エアコンプレッサ２０とインタクーラ２２との間のカソード流路１８から分岐して前記オンオフ弁２３と前記加湿器２４の間のカソード流路１８に接続されることにより、前記インタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回するバイパス通路２６が設けられる。このバイパス通路２６には、後記するパイロット通路２８を介して導入されるパイロット圧及びソレノイド部３０（後記する）の作用によって弁体３２を変位させることにより、前記バイパス通路２６を開閉すると共に前記バイパス通路２６を流通するエア流量を制御する開閉弁３４が配設される。なお、前記開閉弁３４の詳細については後記する。
【００２７】
燃料電池１２の出口側には、前記燃料電池１２から排出されたアノードオフガスと、加湿器２４を経由して前記燃料電池１２から排出されたカソードオフガスとを希釈空間部内で混合させて、前記アノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈器３６が配設される。前記希釈器３６によって所定濃度に希釈された混合ガスは、前記希釈器３６の出口から外部に排出される。
【００２８】
なお、カソード流路１８から分岐してアノード流路３８に接続された図示しない分岐通路中には、燃料電池１２のアノード側に対して掃気ガス（掃気エア）を供給する図示しない掃気弁が設けられる。この場合、掃気時に前記掃気弁が弁開状態となることにより、エアコンプレッサ２０から吐出された掃気ガス（掃気エア）がカソード系１６からアノード系１４に導入される。
【００２９】
次に、開閉弁３４について、以下詳細に説明する。
図２は、開閉弁の縦断面図、図３は、開閉弁の他の縦断面図、図４は、弁体と弁ロッドとの間に設けられたシール部材の拡大縦断面図、図５は、開閉弁を構成するパイロット機構の拡大縦断面図である。
【００３０】
この開閉弁３４は、ノーマルクローズタイプのバルブからなり、インタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回するバイパス通路２６が閉塞されてエアの流通が遮断された弁閉状態と、前記バイパス通路２６が開成されてインタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回したエアが流通する弁開状態とが切り換え可能に設けられる。なお、前記弁開状態には、後記するように、弁体３２がストローク中間位置にある中間状態（半開状態）（図７参照）と、弁体３２がストロークエンドの位置にある全開状態（図８参照）の２段階の状態が含まれる。
【００３１】
前記開閉弁３４は、図２に示されるように、下部側に設けられインタクーラ２２を経由しないエアコンプレッサ２０からのエアが導入されるインレットポート４４ａと、上部側に向かって突出する管体４６に設けられ前記インレットポート４４ａから導入されたエアが導出されるアウトレットポート４４ｂとを有するバルブボデイ４８を備える。
【００３２】
また、前記開閉弁３４は、図３に示されるように、ねじ部材４９を介して前記バルブボデイ４８の上部側に一体的に締結され、上部側にソレノイド部３０が配設されたカバー部材５０を備える。なお、前記バルブボデイ４８及び前記カバー部材５０は、本体部として機能するものであり、ピン５２を介して相互に位置決めされた状態で一体的に結合される。
【００３３】
バルブボデイ４８とカバー部材５０によって閉塞された内部空間には、図２及び図３に示されるように、弁機構部５４が配設される。前記弁機構部５４は、バルブボデイ４８の内壁に形成された着座部５６に対して着座乃至離間可能に設けられた弁体３２と、前記バルブボデイ４８とカバー部材５０との間で外周縁部が挟持されることにより上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとに分割する撓曲自在なダイヤフラム６０とを含む。
【００３４】
前記弁体３２は、異径の円板形状からなる上部側の小径部３２ａ及び下部側の大径部３２ｂと、前記小径部３２ａと前記大径部３２ｂとを連結する略円筒状の中間部３２ｃとが一体的に構成される。また、前記小径部３２ａ、中間部３２ｃ及び大径部３２ｂを軸方向に沿って直線状に貫通する貫通孔３３が形成され、前記貫通孔３３の一端部には、前記小径部３２ａの上面に延在するテーパ面３２ｄ（図４参照）が形成される。
【００３５】
さらに、弁機構部５４は、前記弁体３２の貫通孔３３内にねじ締結されて直線状に延在するロッド部６２ａとダイヤフラム６０の中心部近傍を挟持する円板部６２ｂとが一体的に形成された弁ロッド６２と、一端部が前記弁ロッド６２に係着され他端部がカバー部材５０の環状段部５０ａに係着され、ばね力によって弁体３２を着座部５６に向かって押圧するばね部材６４と、前記ダイヤフラム６０の内側に設けられた円筒体からなり前記ダイヤフラム６０の異常な変形を防止するリテーナ６６と、カバー部材５０の突起部５０ｂに形成された有底孔部５０ｄ内にねじ締結され摺動孔６８ａに沿って弁ロッド６２のロッド部６２ａを摺動させることにより前記弁ロッド６２を直線状に案内する軸受部材６８とを備える。
【００３６】
この場合、図４に示されるように、弁体３２と弁ロッド６２との間であって、前記弁ロッド６２の円板部６２ｂと下部側のロッド部６２ａとの境界部位には、例えば、Ｏリングからなるシール部材６９が装着される。このシール部材６９は、下部側の弁ロッド６２の外周面を囲繞してシールすると共に、弁体３２の小径部３２ａの中心部近傍に形成されたテーパ面３２ｄを押圧してシールすることにより、インレットポート４４ａから導入されたエア（圧力流体）が弁ロッド６２のロッド部６２ａと弁体３２の貫通孔３３との間（弁体３２と弁ロッド６２との連結部位）から漏洩することを防止して好適にシール機能を発揮させることができる。
【００３７】
前記弁体３２の下面であって上方に向かって突出する着座部５６と当接する部位には、図２及び図３に示されるように、環状溝を介してリング状のシート体７０が装着される。前記シート体７０は、例えば、ゴムやスポンジ等の弾性材料によって形成される。
【００３８】
図２に示されるように、前記弁機構部５４の横方向に沿った側部であって、バルブボデイ４８とカバー部材５０との連結部位には、パイロット通路２８を介して、アウトレットポート４４ｂ側に向かうエアをパイロット室である第１圧力室５８ａに対して供給するパイロット機構７１が設けられる。なお、下部側の第２圧力室５８ｂは、アウトレットポート４４ｂ及びバイパス通路２６を通じて、常時、カソード流路１８と連通した状態にある。
【００３９】
このパイロット機構７１は、図５に示されるように、上部側の第１圧力室５８ａに連通する屈曲したパイロット通路２８ａと、下部側の第２圧力室５８ｂに連通する屈曲したパイロット通路２８ｂと、前記バルブボデイ４８とカバー部材５０の合わせ目に形成された凹部内に挿着され、前記上部側のパイロット通路２８ａと下部側のパイロット通路２８ｂとをそれぞれ連通させると共に、中央部に縮径するオリフィス７５が形成された通路形成部材７７と、前記通路形成部材７７の外周面に環状溝を介して装着され前記凹部内壁との間でシールするシールリング７９とを備える。なお、パイロット通路２８ａ、パイロット通路２８ｂ及び通路形成部材７７に形成された通路を総称してパイロット通路２８という。
【００４０】
この場合、パイロット通路２８中において、前記通路形成部材７７によって圧力流体の流通量を絞るオリフィス７５を設けることにより、上部側の第１圧力室５８ａ（パイロット室）よりも下部側の第２圧力室５８ｂの圧力が増大したとき、前記パイロット通路２８を通じてパイロット圧が第１圧力室５８ａ内に供給されることが抑制され、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの圧力差に起因してダイヤフラム６０を迅速に作動させることにより、前記ダイヤフラム６０の応答性を向上させることができる。
【００４１】
換言すると、仮に、パイロット通路２８中にオリフィス７５を設けない場合には、上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとを連通させるパイロット通路２８によって、圧力が増大した第２圧力室５８ｂ側のパイロット圧が瞬時に第１圧力室５８ａ内に供給されて第１圧力室５８ａの圧力と第２圧力室５８ｂの圧力とがバランス（平衡）するため、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧によってダイヤフラム６０を迅速に作動させることが困難となるからである。
【００４２】
また、図２に示されるように、バルブボデイ４８及びカバー部材５０からなる本体部内にパイロット機構７１を一体的に設けることにより、第１圧力室５８ａにパイロット圧を供給するための配管（通路）を別個に設けることが不要となり、配管の接続作業を省略化することができると共に、配管流路による圧力損失を軽減することができる。さらに、前記パイロット機構７１がバルブボデイ４８及びカバー部材５０によって構成される本体部の側部に一体的に設けられることにより、省スペース化が可能となる。
【００４３】
前記カバー部材５０の上部側には、図３に示されるように、パイロット圧が導入される第１圧力室５８ａを、大気に連通させて大気開放する大気連通状態と、大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるソレノイド部３０が設けられる。なお、本実施形態では、アクチュエータとしてソレノイド部３０を用いて後記する弁部８８を変位させることにより大気開放路９６を開閉しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない流体圧シリンダやリニアアクチュエータ等のアクチュエータを用いて前記大気開放路９６を開閉するようにするとよい。
【００４４】
このソレノイド部３０は、図３及び図９に示されるように、断面略Ｕ字状のハウジング７２内に収容されるコイル組立体と、前記ハウジング７２の内壁の上端部にナット部材７４を介して固定される固定コア７６と、前記固定コア７６に対して接近乃至離間可能に設けられた可動コア７８とを有する。
【００４５】
所定間隔離間する前記可動コア７８と前記固定コア７６との間には、復帰ばね８０が設けられる。また、前記コイル組立体は、樹脂製材料によって形成され軸方向に沿った両端部にフランジを有するコイルボビン８２と、前記コイルボビン８２に巻回されるコイル８４とから構成される。
【００４６】
前記可動コア７８には、その中心部を貫通する貫通孔を介してシャフト８６が固定され、前記シャフト８６の一端部には、半径外方向に所定長だけ拡径した円板状の弁部８８が設けられる。前記弁部８８は、カバー部材５０の孔部底面に貼着され弾性材料で形成された弁座部材９０に着座するように設けられる。また、カバー部材５０の孔部内壁によって囲繞されて前記弁部８８が臨む室９２と前記第１圧力室５８ａとを連通させる連通路９４が設けられる。
【００４７】
さらに、前記弁座部材９０の下方側には、断面略Ｌ字状に形成されて大気と連通する大気開放路９６が設けられる。弁部８８が弁座部材９０に着座することにより、前記大気開放路９６が閉塞されて大気との連通が遮断された大気非連通状態となり、一方、前記弁部８８が弁座部材９０から離間することにより前記大気開放路９６が開口し、室９２及び連通路９４を通じて第１圧力室５８ａが大気と連通する大気連通状態となる。
【００４８】
この場合、図示しない電源をオンにしてソレノイド部３０のコイル８４に電流を流すことにより励磁作用が発生し、前記励磁作用によって可動コア７８、シャフト８６及び弁部８８が固定コア７６側に向かって一体的に変位することにより、弁部８８を弁座部材９０から離間させることができる。
【００４９】
本実施形態に係る開閉弁３４が組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００５０】
先ず、燃料電池システム１０の運転停止状態では、図示しないイグニッションスイッチがＯＦＦ状態となっており、ＥＣＵ１７によって、燃料電池１２に対するアノード系１４からの水素の供給が遮断されていると共に、エアコンプレッサ２０が停止して燃料電池１２に対するカソード系１６からのエアの供給が停止している。
【００５１】
次に、図示しないイグニッションスイッチがＯＮ状態となると、ＥＣＵ１７によって、図示しない水素供給源から燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、指令信号に基づいてエアコンプレッサ２０が駆動され、前記エアコンプレッサ２０から吐出された酸素を含むエアがカソード流路１８に沿って流通することにより、燃料電池１２のカソードに供給される。これにより、燃料電池１２では、触媒の作用によって水素イオンと酸素と電子との反応によって水が生成されると共に、発電が開始される。
【００５２】
その際、開閉弁３４には、ＥＣＵ１７から制御信号が入力されることがなく、弁体３２が着座部５６に着座した弁閉状態（図６参照）となってバイパス通路２６が閉塞された状態にある。
【００５３】
このような燃料電池システム１０の運転中において、例えば、燃料電池自動車が走行を停止してアイドル状態となったとき、ＥＣＵ１７は、オンオフ弁２３に対して電気信号を送給し前記オンオフ弁２３を弁閉状態としてカソード流路１８を閉塞する。エアコンプレッサ２０からカソード流路１８に沿ってエアが供給された状態では、前記カソード流路１８がオンオフ弁２３によって閉塞されることにより、バイパス通路２６及びアウトレットポート４４ｂを通じてカソード流路１８と連通する下部側の第２圧力室５８ｂの圧力が増大する。
【００５４】
従って、ダイヤフラム６０によって区分された上部側の第１圧力室５８ａの圧力と比較して下部側の第２圧力室５８ｂの圧力が打ち勝つことにより、ダイヤフラム６０を上方に向かって押圧する力が発生し、このダイヤフラム６０を上方に向かって押圧する力によって弁体３２は弁ロッド６２と一体的に上昇して着座部５６から離間する。この場合、ダイヤフラム６０が撓曲すると共に、弁ロッド６２の上部側のロッド部６２ａが軸受部材６８によって直線状にガイドされることにより、弁体３２、弁ロッド６２及びダイヤフラム６０が一体的に上昇し、弁体３２は、ストロークエンドまで到達することがなく、ストローク中間位置の中間状態（図７参照）で停止する。
【００５５】
なお、ばね部材６４のばね力は、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧との関係で弁体３２がストロークエンドまで到達することがなく、ストローク中間位置で停止するように所定のばね定数に予め設定されている。
【００５６】
燃料電池自動車がアイドル状態のとき、ソレノイド部３０には電流が流されておらず、弁座部材９０に着座する弁部８８によって大気開放路９６が閉塞されたままであり、上部側の第１圧力室５８ａは大気と連通していない大気非連通状態にある。
【００５７】
このように、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧によって弁体３２が着座部５６から離間した中間状態（半開状態）となり、弁体３２と着座部５６との間隙を通じてインレットポート４４ａから導入された圧力流体がアウトレットポート４４ｂから導出され、バイパス通路２６に沿って流通する。
【００５８】
一方、例えば、燃料電池システム１０を停止して図示しない掃気弁を介して掃気する際、ＥＣＵ１７からソレノイド部３０に電流が流されて通電状態となり、コイル８４の励磁作用によって磁気回路が発生し、固定コア７６側に向かって可動コア７８が吸引される（図９参照）。その際、可動コア７８に連結された弁部８８が弁座部材９０から離間することにより大気開放路９６が開成され、前記大気開放路９６、室９２及び連通路９４を通じて第１圧力室５８ａが大気と連通した大気連通状態となる。
【００５９】
従って、第１圧力室５８ａ側の圧力が減少して略大気圧となり、第２圧力室５８ｂ側のダイヤフラム６０を上方に向かって押圧する力によって、弁体３２、弁ロッド６２及びダイヤフラム６０が一体的に上方に向かって変位する。この場合、第１圧力室５８ａの圧力が大気圧と略同等となって何ら抵抗となるものがないため、弁体３２はストロークエンドの位置まで変位して全開状態（図８参照）となり、弁体３２と着座部５６との間隙を通じて、インレットポート４４ａからアウトレットポート４４ｂに対して、大流量のエア（掃気ガス）を流通させることができる。なお、図８に示されるように、弁ロッド６２の円板部６２ｂがカバー部材５０の突起部５０ｂに当接することにより、弁体３２の変位が規制されてストロークエンドとなる。
【００６０】
本実施形態では、弁体３２が着座部５６から離間した弁開状態を、図７に示されるストローク中間位置の中間状態（半開状態）と、図８に示されるストロークエンドの全開状態の２段階とすることにより、インレットポート４４ａから導入されてアウトレットポート４４ｂから導出されてバイパス通路２６を流通する圧力流体（エア）の流量を多段階に制御することができる。
【００６１】
このように、燃料電池システム１０の状況に対応してバイパス通路２６を開成したときに、弁体３２の中間状態と全開状態とのいずれかの状態を適宜選択することにより、前記バイパス通路２６を流通する圧力流体の流量を好適に制御することができる。
【００６２】
ところで、燃料電池１２の運転開始時において、例えば、外気温が氷点下の低温環境にある場合、ＥＣＵ１７は、開閉弁３４に制御信号を導入して弁体３２を弁開状態として低温早期起動を実行する。この低温早期起動は、燃料電池システム１０を搭載した燃料電池自動車を、例えば、氷点下の環境で起動させる際に暖機を行い、常温で起動する場合と比較して通常流量よりも多い流量、通常圧力よりも高い圧力でエアを供給して、自己発熱量を増大させることが可能な起動方法である。
【００６３】
前記暖機は、例えば、弁体３２が着座部５６から最も離間したストロークエンドの位置にある全開状態（図８参照）を第１段階とし、続いて、弁体３２がストロークの中間位置にある中間状態（半開状態）（図７参照）を第２段階として２段階に分けて行われる。なお、中間状態（半開状態）を第１段階とし、続いて、全開状態を第２段階としてもよい。
【００６４】
先ず、ＥＣＵ１７は、オンオフ弁２３を弁閉状態とすると共に、開閉弁３４のソレノイド部３０に電流を流して通電状態とし、可動コア７８を固定コア７６側に吸引して弁部８８を弁座部材９０から離間させてオン状態とする。ソレノイド部３０の弁部８８が弁座部材９０から離間して大気開放路９６が開成することにより、第１圧力室５８ａが大気と連通状態になり、ダイヤフラム６０と一体的に変位する弁体３２が着座部５６から離間してストロークエンドの位置である全開状態（図８参照）となる（第１段階）。
【００６５】
この全開状態では、弁体３２が着座部５６から最も離間した状態で弁体３２と着座部５６との間の間隙が最も大きく設定され、大流量のエアがインレットポート４４ａからアウトレットポート４４ｂに導出することができる。
【００６６】
前記第１段階が所定時間経過した後、ＥＣＵ１７は、ソレノイド部３０への通電を停止してオフ状態とし、大気開放路９６を弁部８８で閉塞することによって第１圧力室５８ａと大気との連通が遮断された大気非連通状態とする。従って、パイロット通路２８を介して第１圧力室５８ａ内にパイロット圧が供給され、上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとの差圧によって弁体３２がストロークエンドの位置からストロークの中間位置である中間状態（図７参照）となる（第２段階）。
【００６７】
この弁体３２の中間状態では、全開状態よりもエアの流通量が減少するが、所定の中間流量からなるエア流量がアウトレットポート４４ｂを通じて導出することができる。
【００６８】
本実施形態では、このようにソレノイド部３０がオン状態で第１圧力室５８ａを大気開放した弁体３２の全開状態によって大流量のエアによる第１段階の暖機を遂行し、続いて、ソレノイド部３０をオフ状態としパイロット圧が導入された第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧による弁体３２の中間状態によって中間流量のエアによる第２段階の暖機を遂行し、前記第１段階と前記第２段階とを切り換えて好適に暖機を遂行することができる。
【００６９】
従って、エアコンプレッサ２０から吐出されたエアは、インタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回してバイパス通路２６に沿って流通し燃料電池１２のカソードに供給されて好適に暖機される。
【００７０】
本実施形態では、バイパス通路２６を介して暖機に使用されるエア流量を第１段階と第２段階とに多段階に切り換えることにより、エアを効率的に使用してエアの省力化を達成することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、ダイヤフラム６０を間にした上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとの圧力差（差圧）によって弁体３２を着座状態から半開状態（ストローク中間位置）とする第１変位量と、ソレノイド部３０をオンにして第１圧力室５８ａを大気に連通させて弁体３２を前記半開状態から全開状態（ストロークエンドの位置）とする第２変位量とし、前記弁体３２の変位量が前記第１変位量と前記第２変位量とが加算された合計の変位量（第１変位量＋第２変位量）とすることにより、従来と比較して弁体３２の変位量を大きく設定することができる。
【００７２】
換言すると、本実施形態では、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧によって単にダイヤフラム６０を撓曲させて変位させるだけでなく、ソレノイド部３０を作動させて第１圧力室５８ａを大気開放状態とし、さらに弁体３２を変位させることによって弁体３２の変位量を従来と比較して大きく設定することができる。
【００７３】
この場合、平面視して、弁ロッド６２の軸心とソレノイド部３０のシャフト８６の軸心とが異なるように異軸に設定すると共に、横方向から側面視して、弁ロッド６２の軸線とソレノイド部３０のシャフト８６の軸線とが略平行となるように設定することにより、弁体３２の変位量の増大に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施形態に係る開閉弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【図２】前記開閉弁の縦断面図である。
【図３】前記開閉弁の他の縦断面図である。
【図４】前記開閉弁を構成する弁体と弁ロッドとの間に設けられたシール部材の拡大縦断面図である。
【図５】前記開閉弁を構成するパイロット機構の拡大縦断面図である。
【図６】前記弁体が着座部に着座した弁閉状態を示す拡大縦断面図である。
【図７】前記弁体が着座部から離間した中間状態を示す拡大縦断面図である。
【図８】前記弁体が着座部から離間してストロークエンドに到達した全開状態を示す拡大縦断面図である。
【図９】前記開閉弁を構成するソレノイド部のオン状態を示す部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１８ カソード流路
２２ インタクーラ（放熱部）
２６ バイパス通路
２８ パイロット通路
３０ ソレノイド部
３２ 弁体
３４ 開閉弁
４４ａ インレットポート
４４ｂ アウトレットポート
４８ バルブボデイ（本体部）
５０ カバー部材（本体部）
５４ 弁機構部
５６ 着座部
５８ａ 第１圧力室
５８ｂ 第２圧力室
６０ ダイヤフラム
６２ 弁ロッド
６９ シール部材
７１ パイロット機構
７５ オリフィス
７６ 固定コア
７８ 可動コア
８４ コイル
８８ 弁部
９６ 大気開放路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁体が変位することによって流体通路を開閉する開閉弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。
【０００３】
燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されたスタックによって構成される。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、ＭＥＡのアノードに燃料ガス（水素）が、カソードに酸化剤ガス（酸素を含む空気）がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続されるモータ等の外部負荷と電気的に接続されることにより、燃料電池が発電する。
【０００４】
燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献１には、燃料電池のカソードに酸化剤ガスとしてエアを供給するエア供給ライン中に放熱部（インタクーラ）を設け、前記放熱部を迂回するバイパス通路中に燃料電池用開閉弁を配設することが開示されている。例えば、低温環境下で燃料電池システムを始動させる場合等、スタックの温度を運転に適した温度に短時間で上昇させるためには、放熱部を迂回するバイパス通路を経由させてエアコンプレッサから吐出される比較的高温の圧縮エアをカソードに対して直接的に供給することが好ましいからである。
【特許文献１】特開２００４−１８３７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池用開閉弁では、パイロット圧によって撓曲するダイヤフラムを用いて弁体を作動させているため、弁体が着座部に着座した弁閉状態と弁体が着座部から離間した弁開状態の二つの状態において、バイパス通路を単に開閉させているだけである。この場合、燃料電池システムの運転状況や周囲環境等に対応して、バイパス通路を経由してカソードに直接供給されるエア（酸化剤ガス）の流量を制御したいという産業界の要請がある。換言すると、バイパス通路を含む流体通路の単なる開閉だけでなく、前記流体通路（バイパス通路）を流通する圧力流体の流量を多段階に調整することが可能な開閉弁が希求されている。
【０００６】
また、このような燃料電池用開閉弁を含む通常の開閉弁に対して電磁弁を適用し、ソレノイドのオン・オフによって弁体を作動させるようにした場合、可動コアと一体的に変位する弁体の変位量は、前記可動コアの固定コアに対する接近乃至離間動作量によって設定されるため、前記弁体の変位量を大きくとることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、流体通路に沿って流通する圧力流体の流通量を多段階に制御することができると共に、従来と比較して弁体の変位量を大きく設定することが可能な開閉弁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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が出入するインレットポート及びアウトレットポートを有する本体部と、前記本体部内に設けられ、着座部に対して着座又は離間する弁体を含む弁機構部と、前記本体部内に設けられた空間部を第１圧力室と第２圧力室とに分割すると共に、前記第１圧力室と前記第２圧力室との圧力差によって前記弁体と一体的に変位するダイヤフラムと、前記本体部に設けられ、大気と連通する大気開放路を開閉することにより、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気とが連通する大気連通状態と、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるアクチュエータとを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、弁体が着座部から離間した弁開状態を、第１圧力室と第２圧力室との圧力差によって弁体をストローク中間位置に変位させる中間状態と、アクチュエータを作動させて大気開放路を開放し大気非連通状態から大気連通状態に切り換えることにより弁体をストロークエンドの全開状態の２段階の変位動作とすることにより、インレットポートから導入されてアウトレットポートから導出される圧力流体の流量を多段階に制御することができる。
【００１０】
また、本発明では、第１圧力室と第２圧力室との差圧によってダイヤフラムを撓曲させ前記ダイヤフラムと一体的に弁体を変位させるだけでなく、アクチュエータを作動させて、例えば、第１圧力室を大気開放状態とし、さらに弁体を変位させることによって弁体の変位量を従来と比較して大きく設定することができる。
【００１１】
この場合、アクチュエータは、コイルに対する通電作用下に、固定コア側に向かって吸引される可動コアと、前記可動コアと一体的に変位して大気開放路を開閉する弁部とを有するソレノイド部によって構成されることにより、制御を簡便化することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、本体部にパイロット機構が一体的に設けられることにより、パイロット室である第１圧力室又は第２圧力室にパイロット圧を供給するための配管（通路）を別個に設けることが不要となり、配管の接続作業を省略化することができると共に、配管流路による圧力損失を軽減することができる。さらに、前記パイロット機構が本体部に一体的に設けられることにより、省スペース化が可能となる。
【００１３】
さらにまた、本発明によれば、パイロット通路中に、圧力流体の流通量を絞るオリフィスを設けることにより、例えば、第１圧力室（パイロット室）よりも第２圧力室の圧力が増大したとき、パイロット通路を通じてパイロット圧が第１圧力室内に供給されることが抑制され、第１圧力室と第２圧力室との圧力差に起因してダイヤフラムを迅速に作動させることにより、前記ダイヤフラムの応答性を向上させることができる。
【００１４】
またさらに、本発明によれば、弁体に固定される弁ロッドを有し、前記弁体と前記弁ロッドとの連結部位に前記弁ロッドの外周面を囲繞するシール部材が設けられることにより、インレットポートから導入された圧力流体が弁体と弁ロッドとの連結部位から漏洩することを防止して好適にシール機能を発揮させることができる。
【００１５】
またさらに、本発明によれば、開閉弁が、燃料電池を含む燃料電池システムに組み込まれ、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路に設けられた放熱部を迂回するバイパス通路中に配設されることにより、燃料電池システムの状況に対応してバイパス通路を開成したときに、弁体の中間状態と全開状態とのいずれかの状態を適宜切り換えることにより、前記バイパス通路を流通する圧力流体の流量を好適に制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、流体通路に沿って流通する圧力流体の流通量を多段階に制御することができると共に、従来と比較して弁体の変位量を大きく設定することが可能な開閉弁を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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開閉弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【００１８】
なお、本実施形態では、燃料電池システムに組み込まれた燃料電池用の開閉弁をその一例として以下に説明しているが、これに限定されるものではなく、燃料電池システム以外のもの、例えば、一般的な機械・装置等に本実施形態に係る開閉弁を適用してもよい。また、本実施形態では、開閉弁が組み込まれた燃料電池システムを燃料電池自動車に搭載した場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機等の車両以外のもの、又は定置式の家庭用電源に適用してもよい。
【００１９】
図１に示される燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池自動車に搭載され、燃料電池（スタック）１２の発電電力によって走行モータ（図示せず）が回転駆動することにより、前記燃料電池自動車が走行する。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池（スタック）１２と、前記燃料電池１２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給及び排出するアノード系１４と、前記燃料電池１２のカソードに対して酸素を含むエア（酸化剤ガス、反応ガス）を供給及び排出するカソード系１６と、前記アノード系１４及びカソード系１６を構成する各構成要素（後記する）を電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７とを含む。
【００２１】
燃料電池（スタック）１２は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード及びカソードで挟んで形成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、前記ＭＥＡを挟む一対のセパレートとを含んで構成される。
【００２２】
アノードに対して水素が供給され、カソードに対して酸素を含むエアが供給されることにより、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage））が発生するようになっている。次いで、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１２に対して、走行モータ等の外部負荷から発電要求があり、電流が取り出されると燃料電池１２が発電するようになっている。
【００２３】
アノード系１４には、例えば、水素が貯留された図示しない水素タンク、遮断弁、エゼクタ、パージ弁等が含まれる。
【００２４】
カソード系１６は、カソード流路１８に接続され、ＥＣＵ１７からの指令信号によって制御されることにより圧縮エアを酸化剤ガス（掃気時には掃気ガス）として燃料電池１２のカソードに送給するエアコンプレッサ２０と、前記エアコンプレッサ２０の下流側に接続され前記エアコンプレッサ２０から吐出された比較的高温の圧縮エアを冷却する放熱部として機能するインタクーラ２２とを含む。
【００２５】
また、カソード系１６は、例えば、前記インタクーラ２２の下流側に接続されたノーマルオープンタイプのバタフライ弁からなり、ＥＣＵ１７からの電気信号（オンオフ信号）に基づいて前記カソード流路１８を開閉するオンオフ弁２３と、前記オンオフ弁２３から導出されたエアを発電に適した湿度に加湿する加湿器２４とを有する。なお、圧縮エアを加湿する加湿源としては、燃料電池１２のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる水（発電時に生成される生成水）が用いられる。
【００２６】
さらに、カソード系１６には、エアコンプレッサ２０とインタクーラ２２との間のカソード流路１８から分岐して前記オンオフ弁２３と前記加湿器２４の間のカソード流路１８に接続されることにより、前記インタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回するバイパス通路２６が設けられる。このバイパス通路２６には、後記するパイロット通路２８を介して導入されるパイロット圧及びソレノイド部３０（後記する）の作用によって弁体３２を変位させることにより、前記バイパス通路２６を開閉すると共に前記バイパス通路２６を流通するエア流量を制御する開閉弁３４が配設される。なお、前記開閉弁３４の詳細については後記する。
【００２７】
燃料電池１２の出口側には、前記燃料電池１２から排出されたアノードオフガスと、加湿器２４を経由して前記燃料電池１２から排出されたカソードオフガスとを希釈空間部内で混合させて、前記アノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈器３６が配設される。前記希釈器３６によって所定濃度に希釈された混合ガスは、前記希釈器３６の出口から外部に排出される。
【００２８】
なお、カソード流路１８から分岐してアノード流路３８に接続された図示しない分岐通路中には、燃料電池１２のアノード側に対して掃気ガス（掃気エア）を供給する図示しない掃気弁が設けられる。この場合、掃気時に前記掃気弁が弁開状態となることにより、エアコンプレッサ２０から吐出された掃気ガス（掃気エア）がカソード系１６からアノード系１４に導入される。
【００２９】
次に、開閉弁３４について、以下詳細に説明する。
図２は、開閉弁の縦断面図、図３は、開閉弁の他の縦断面図、図４は、弁体と弁ロッドとの間に設けられたシール部材の拡大縦断面図、図５は、開閉弁を構成するパイロット機構の拡大縦断面図である。
【００３０】
この開閉弁３４は、ノーマルクローズタイプのバルブからなり、インタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回するバイパス通路２６が閉塞されてエアの流通が遮断された弁閉状態と、前記バイパス通路２６が開成されてインタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回したエアが流通する弁開状態とが切り換え可能に設けられる。なお、前記弁開状態には、後記するように、弁体３２がストローク中間位置にある中間状態（半開状態）（図７参照）と、弁体３２がストロークエンドの位置にある全開状態（図８参照）の２段階の状態が含まれる。
【００３１】
前記開閉弁３４は、図２に示されるように、下部側に設けられインタクーラ２２を経由しないエアコンプレッサ２０からのエアが導入されるインレットポート４４ａと、上部側に向かって突出する管体４６に設けられ前記インレットポート４４ａから導入されたエアが導出されるアウトレットポート４４ｂとを有するバルブボデイ４８を備える。
【００３２】
また、前記開閉弁３４は、図３に示されるように、ねじ部材４９を介して前記バルブボデイ４８の上部側に一体的に締結され、上部側にソレノイド部３０が配設されたカバー部材５０を備える。なお、前記バルブボデイ４８及び前記カバー部材５０は、本体部として機能するものであり、ピン５２を介して相互に位置決めされた状態で一体的に結合される。
【００３３】
バルブボデイ４８とカバー部材５０によって閉塞された内部空間には、図２及び図３に示されるように、弁機構部５４が配設される。前記弁機構部５４は、バルブボデイ４８の内壁に形成された着座部５６に対して着座乃至離間可能に設けられた弁体３２と、前記バルブボデイ４８とカバー部材５０との間で外周縁部が挟持されることにより上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとに分割する撓曲自在なダイヤフラム６０とを含む。
【００３４】
前記弁体３２は、異径の円板形状からなる上部側の小径部３２ａ及び下部側の大径部３２ｂと、前記小径部３２ａと前記大径部３２ｂとを連結する略円筒状の中間部３２ｃとが一体的に構成される。また、前記小径部３２ａ、中間部３２ｃ及び大径部３２ｂを軸方向に沿って直線状に貫通する貫通孔３３が形成され、前記貫通孔３３の一端部には、前記小径部３２ａの上面に延在するテーパ面３２ｄ（図４参照）が形成される。
【００３５】
さらに、弁機構部５４は、前記弁体３２の貫通孔３３内にねじ締結されて直線状に延在するロッド部６２ａとダイヤフラム６０の中心部近傍を挟持する円板部６２ｂとが一体的に形成された弁ロッド６２と、一端部が前記弁ロッド６２に係着され他端部がカバー部材５０の環状段部５０ａに係着され、ばね力によって弁体３２を着座部５６に向かって押圧するばね部材６４と、前記ダイヤフラム６０の内側に設けられた円筒体からなり前記ダイヤフラム６０の異常な変形を防止するリテーナ６６と、カバー部材５０の突起部５０ｂに形成された有底孔部５０ｄ内にねじ締結され摺動孔６８ａに沿って弁ロッド６２のロッド部６２ａを摺動させることにより前記弁ロッド６２を直線状に案内する軸受部材６８とを備える。
【００３６】
この場合、図４に示されるように、弁体３２と弁ロッド６２との間であって、前記弁ロッド６２の円板部６２ｂと下部側のロッド部６２ａとの境界部位には、例えば、Ｏリングからなるシール部材６９が装着される。このシール部材６９は、下部側の弁ロッド６２の外周面を囲繞してシールすると共に、弁体３２の小径部３２ａの中心部近傍に形成されたテーパ面３２ｄを押圧してシールすることにより、インレットポート４４ａから導入されたエア（圧力流体）が弁ロッド６２のロッド部６２ａと弁体３２の貫通孔３３との間（弁体３２と弁ロッド６２との連結部位）から漏洩することを防止して好適にシール機能を発揮させることができる。
【００３７】
前記弁体３２の下面であって上方に向かって突出する着座部５６と当接する部位には、図２及び図３に示されるように、環状溝を介してリング状のシート体７０が装着される。前記シート体７０は、例えば、ゴムやスポンジ等の弾性材料によって形成される。
【００３８】
図２に示されるように、前記弁機構部５４の横方向に沿った側部であって、バルブボデイ４８とカバー部材５０との連結部位には、パイロット通路２８を介して、アウトレットポート４４ｂ側に向かうエアをパイロット室である第１圧力室５８ａに対して供給するパイロット機構７１が設けられる。なお、下部側の第２圧力室５８ｂは、アウトレットポート４４ｂ及びバイパス通路２６を通じて、常時、カソード流路１８と連通した状態にある。
【００３９】
このパイロット機構７１は、図５に示されるように、上部側の第１圧力室５８ａに連通する屈曲したパイロット通路２８ａと、下部側の第２圧力室５８ｂに連通する屈曲したパイロット通路２８ｂと、前記バルブボデイ４８とカバー部材５０の合わせ目に形成された凹部内に挿着され、前記上部側のパイロット通路２８ａと下部側のパイロット通路２８ｂとをそれぞれ連通させると共に、中央部に縮径するオリフィス７５が形成された通路形成部材７７と、前記通路形成部材７７の外周面に環状溝を介して装着され前記凹部内壁との間でシールするシールリング７９とを備える。なお、パイロット通路２８ａ、パイロット通路２８ｂ及び通路形成部材７７に形成された通路を総称してパイロット通路２８という。
【００４０】
この場合、パイロット通路２８中において、前記通路形成部材７７によって圧力流体の流通量を絞るオリフィス７５を設けることにより、上部側の第１圧力室５８ａ（パイロット室）よりも下部側の第２圧力室５８ｂの圧力が増大したとき、前記パイロット通路２８を通じてパイロット圧が第１圧力室５８ａ内に供給されることが抑制され、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの圧力差に起因してダイヤフラム６０を迅速に作動させることにより、前記ダイヤフラム６０の応答性を向上させることができる。
【００４１】
換言すると、仮に、パイロット通路２８中にオリフィス７５を設けない場合には、上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとを連通させるパイロット通路２８によって、圧力が増大した第２圧力室５８ｂ側のパイロット圧が瞬時に第１圧力室５８ａ内に供給されて第１圧力室５８ａの圧力と第２圧力室５８ｂの圧力とがバランス（平衡）するため、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧によってダイヤフラム６０を迅速に作動させることが困難となるからである。
【００４２】
また、図２に示されるように、バルブボデイ４８及びカバー部材５０からなる本体部内にパイロット機構７１を一体的に設けることにより、第１圧力室５８ａにパイロット圧を供給するための配管（通路）を別個に設けることが不要となり、配管の接続作業を省略化することができると共に、配管流路による圧力損失を軽減することができる。さらに、前記パイロット機構７１がバルブボデイ４８及びカバー部材５０によって構成される本体部の側部に一体的に設けられることにより、省スペース化が可能となる。
【００４３】
前記カバー部材５０の上部側には、図３に示されるように、パイロット圧が導入される第１圧力室５８ａを、大気に連通させて大気開放する大気連通状態と、大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるソレノイド部３０が設けられる。なお、本実施形態では、アクチュエータとしてソレノイド部３０を用いて後記する弁部８８を変位させることにより大気開放路９６を開閉しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない流体圧シリンダやリニアアクチュエータ等のアクチュエータを用いて前記大気開放路９６を開閉するようにするとよい。
【００４４】
このソレノイド部３０は、図３及び図９に示されるように、断面略Ｕ字状のハウジング７２内に収容されるコイル組立体と、前記ハウジング７２の内壁の上端部にナット部材７４を介して固定される固定コア７６と、前記固定コア７６に対して接近乃至離間可能に設けられた可動コア７８とを有する。
【００４５】
所定間隔離間する前記可動コア７８と前記固定コア７６との間には、復帰ばね８０が設けられる。また、前記コイル組立体は、樹脂製材料によって形成され軸方向に沿った両端部にフランジを有するコイルボビン８２と、前記コイルボビン８２に巻回されるコイル８４とから構成される。
【００４６】
前記可動コア７８には、その中心部を貫通する貫通孔を介してシャフト８６が固定され、前記シャフト８６の一端部には、半径外方向に所定長だけ拡径した円板状の弁部８８が設けられる。前記弁部８８は、カバー部材５０の孔部底面に貼着され弾性材料で形成された弁座部材９０に着座するように設けられる。また、カバー部材５０の孔部内壁によって囲繞されて前記弁部８８が臨む室９２と前記第１圧力室５８ａとを連通させる連通路９４が設けられる。
【００４７】
さらに、前記弁座部材９０の下方側には、断面略Ｌ字状に形成されて大気と連通する大気開放路９６が設けられる。弁部８８が弁座部材９０に着座することにより、前記大気開放路９６が閉塞されて大気との連通が遮断された大気非連通状態となり、一方、前記弁部８８が弁座部材９０から離間することにより前記大気開放路９６が開口し、室９２及び連通路９４を通じて第１圧力室５８ａが大気と連通する大気連通状態となる。
【００４８】
この場合、図示しない電源をオンにしてソレノイド部３０のコイル８４に電流を流すことにより励磁作用が発生し、前記励磁作用によって可動コア７８、シャフト８６及び弁部８８が固定コア７６側に向かって一体的に変位することにより、弁部８８を弁座部材９０から離間させることができる。
【００４９】
本実施形態に係る開閉弁３４が組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００５０】
先ず、燃料電池システム１０の運転停止状態では、図示しないイグニッションスイッチがＯＦＦ状態となっており、ＥＣＵ１７によって、燃料電池１２に対するアノード系１４からの水素の供給が遮断されていると共に、エアコンプレッサ２０が停止して燃料電池１２に対するカソード系１６からのエアの供給が停止している。
【００５１】
次に、図示しないイグニッションスイッチがＯＮ状態となると、ＥＣＵ１７によって、図示しない水素供給源から燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、指令信号に基づいてエアコンプレッサ２０が駆動され、前記エアコンプレッサ２０から吐出された酸素を含むエアがカソード流路１８に沿って流通することにより、燃料電池１２のカソードに供給される。これにより、燃料電池１２では、触媒の作用によって水素イオンと酸素と電子との反応によって水が生成されると共に、発電が開始される。
【００５２】
その際、開閉弁３４には、ＥＣＵ１７から制御信号が入力されることがなく、弁体３２が着座部５６に着座した弁閉状態（図６参照）となってバイパス通路２６が閉塞された状態にある。
【００５３】
このような燃料電池システム１０の運転中において、例えば、燃料電池自動車が走行を停止してアイドル状態となったとき、ＥＣＵ１７は、オンオフ弁２３に対して電気信号を送給し前記オンオフ弁２３を弁閉状態としてカソード流路１８を閉塞する。エアコンプレッサ２０からカソード流路１８に沿ってエアが供給された状態では、前記カソード流路１８がオンオフ弁２３によって閉塞されることにより、バイパス通路２６及びアウトレットポート４４ｂを通じてカソード流路１８と連通する下部側の第２圧力室５８ｂの圧力が増大する。
【００５４】
従って、ダイヤフラム６０によって区分された上部側の第１圧力室５８ａの圧力と比較して下部側の第２圧力室５８ｂの圧力が打ち勝つことにより、ダイヤフラム６０を上方に向かって押圧する力が発生し、このダイヤフラム６０を上方に向かって押圧する力によって弁体３２は弁ロッド６２と一体的に上昇して着座部５６から離間する。この場合、ダイヤフラム６０が撓曲すると共に、弁ロッド６２の上部側のロッド部６２ａが軸受部材６８によって直線状にガイドされることにより、弁体３２、弁ロッド６２及びダイヤフラム６０が一体的に上昇し、弁体３２は、ストロークエンドまで到達することがなく、ストローク中間位置の中間状態（図７参照）で停止する。
【００５５】
なお、ばね部材６４のばね力は、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧との関係で弁体３２がストロークエンドまで到達することがなく、ストローク中間位置で停止するように所定のばね定数に予め設定されている。
【００５６】
燃料電池自動車がアイドル状態のとき、ソレノイド部３０には電流が流されておらず、弁座部材９０に着座する弁部８８によって大気開放路９６が閉塞されたままであり、上部側の第１圧力室５８ａは大気と連通していない大気非連通状態にある。
【００５７】
このように、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧によって弁体３２が着座部５６から離間した中間状態（半開状態）となり、弁体３２と着座部５６との間隙を通じてインレットポート４４ａから導入された圧力流体がアウトレットポート４４ｂから導出され、バイパス通路２６に沿って流通する。
【００５８】
一方、例えば、燃料電池システム１０を停止して図示しない掃気弁を介して掃気する際、ＥＣＵ１７からソレノイド部３０に電流が流されて通電状態となり、コイル８４の励磁作用によって磁気回路が発生し、固定コア７６側に向かって可動コア７８が吸引される（図９参照）。その際、可動コア７８に連結された弁部８８が弁座部材９０から離間することにより大気開放路９６が開成され、前記大気開放路９６、室９２及び連通路９４を通じて第１圧力室５８ａが大気と連通した大気連通状態となる。
【００５９】
従って、第１圧力室５８ａ側の圧力が減少して略大気圧となり、第２圧力室５８ｂ側のダイヤフラム６０を上方に向かって押圧する力によって、弁体３２、弁ロッド６２及びダイヤフラム６０が一体的に上方に向かって変位する。この場合、第１圧力室５８ａの圧力が大気圧と略同等となって何ら抵抗となるものがないため、弁体３２はストロークエンドの位置まで変位して全開状態（図８参照）となり、弁体３２と着座部５６との間隙を通じて、インレットポート４４ａからアウトレットポート４４ｂに対して、大流量のエア（掃気ガス）を流通させることができる。なお、図８に示されるように、弁ロッド６２の円板部６２ｂがカバー部材５０の突起部５０ｂに当接することにより、弁体３２の変位が規制されてストロークエンドとなる。
【００６０】
本実施形態では、弁体３２が着座部５６から離間した弁開状態を、図７に示されるストローク中間位置の中間状態（半開状態）と、図８に示されるストロークエンドの全開状態の２段階とすることにより、インレットポート４４ａから導入されてアウトレットポート４４ｂから導出されてバイパス通路２６を流通する圧力流体（エア）の流量を多段階に制御することができる。
【００６１】
このように、燃料電池システム１０の状況に対応してバイパス通路２６を開成したときに、弁体３２の中間状態と全開状態とのいずれかの状態を適宜選択することにより、前記バイパス通路２６を流通する圧力流体の流量を好適に制御することができる。
【００６２】
ところで、燃料電池１２の運転開始時において、例えば、外気温が氷点下の低温環境にある場合、ＥＣＵ１７は、開閉弁３４に制御信号を導入して弁体３２を弁開状態として低温早期起動を実行する。この低温早期起動は、燃料電池システム１０を搭載した燃料電池自動車を、例えば、氷点下の環境で起動させる際に暖機を行い、常温で起動する場合と比較して通常流量よりも多い流量、通常圧力よりも高い圧力でエアを供給して、自己発熱量を増大させることが可能な起動方法である。
【００６３】
前記暖機は、例えば、弁体３２が着座部５６から最も離間したストロークエンドの位置にある全開状態（図８参照）を第１段階とし、続いて、弁体３２がストロークの中間位置にある中間状態（半開状態）（図７参照）を第２段階として２段階に分けて行われる。なお、中間状態（半開状態）を第１段階とし、続いて、全開状態を第２段階としてもよい。
【００６４】
先ず、ＥＣＵ１７は、オンオフ弁２３を弁閉状態とすると共に、開閉弁３４のソレノイド部３０に電流を流して通電状態とし、可動コア７８を固定コア７６側に吸引して弁部８８を弁座部材９０から離間させてオン状態とする。ソレノイド部３０の弁部８８が弁座部材９０から離間して大気開放路９６が開成することにより、第１圧力室５８ａが大気と連通状態になり、ダイヤフラム６０と一体的に変位する弁体３２が着座部５６から離間してストロークエンドの位置である全開状態（図８参照）となる（第１段階）。
【００６５】
この全開状態では、弁体３２が着座部５６から最も離間した状態で弁体３２と着座部５６との間の間隙が最も大きく設定され、大流量のエアがインレットポート４４ａからアウトレットポート４４ｂに導出することができる。
【００６６】
前記第１段階が所定時間経過した後、ＥＣＵ１７は、ソレノイド部３０への通電を停止してオフ状態とし、大気開放路９６を弁部８８で閉塞することによって第１圧力室５８ａと大気との連通が遮断された大気非連通状態とする。従って、パイロット通路２８を介して第１圧力室５８ａ内にパイロット圧が供給され、上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとの差圧によって弁体３２がストロークエンドの位置からストロークの中間位置である中間状態（図７参照）となる（第２段階）。
【００６７】
この弁体３２の中間状態では、全開状態よりもエアの流通量が減少するが、所定の中間流量からなるエア流量がアウトレットポート４４ｂを通じて導出することができる。
【００６８】
本実施形態では、このようにソレノイド部３０がオン状態で第１圧力室５８ａを大気開放した弁体３２の全開状態によって大流量のエアによる第１段階の暖機を遂行し、続いて、ソレノイド部３０をオフ状態としパイロット圧が導入された第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧による弁体３２の中間状態によって中間流量のエアによる第２段階の暖機を遂行し、前記第１段階と前記第２段階とを切り換えて好適に暖機を遂行することができる。
【００６９】
従って、エアコンプレッサ２０から吐出されたエアは、インタクーラ２２及びオンオフ弁２３を迂回してバイパス通路２６に沿って流通し燃料電池１２のカソードに供給されて好適に暖機される。
【００７０】
本実施形態では、バイパス通路２６を介して暖機に使用されるエア流量を第１段階と第２段階とに多段階に切り換えることにより、エアを効率的に使用してエアの省力化を達成することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、ダイヤフラム６０を間にした上部側の第１圧力室５８ａと下部側の第２圧力室５８ｂとの圧力差（差圧）によって弁体３２を着座状態から半開状態（ストローク中間位置）とする第１変位量と、ソレノイド部３０をオンにして第１圧力室５８ａを大気に連通させて弁体３２を前記半開状態から全開状態（ストロークエンドの位置）とする第２変位量とし、前記弁体３２の変位量が前記第１変位量と前記第２変位量とが加算された合計の変位量（第１変位量＋第２変位量）とすることにより、従来と比較して弁体３２の変位量を大きく設定することができる。
【００７２】
換言すると、本実施形態では、第１圧力室５８ａと第２圧力室５８ｂとの差圧によって単にダイヤフラム６０を撓曲させて変位させるだけでなく、ソレノイド部３０を作動させて第１圧力室５８ａを大気開放状態とし、さらに弁体３２を変位させることによって弁体３２の変位量を従来と比較して大きく設定することができる。
【００７３】
この場合、平面視して、弁ロッド６２の軸心とソレノイド部３０のシャフト８６の軸心とが異なるように異軸に設定すると共に、横方向から側面視して、弁ロッド６２の軸線とソレノイド部３０のシャフト８６の軸線とが略平行となるように設定することにより、弁体３２の変位量の増大に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施形態に係る開閉弁が組み込まれた燃料電池システムの構成図である。
【図２】前記開閉弁の縦断面図である。
【図３】前記開閉弁の他の縦断面図である。
【図４】前記開閉弁を構成する弁体と弁ロッドとの間に設けられたシール部材の拡大縦断面図である。
【図５】前記開閉弁を構成するパイロット機構の拡大縦断面図である。
【図６】前記弁体が着座部に着座した弁閉状態を示す拡大縦断面図である。
【図７】前記弁体が着座部から離間した中間状態を示す拡大縦断面図である。
【図８】前記弁体が着座部から離間してストロークエンドに到達した全開状態を示す拡大縦断面図である。
【図９】前記開閉弁を構成するソレノイド部のオン状態を示す部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１８ カソード流路
２２ インタクーラ（放熱部）
２６ バイパス通路
２８ パイロット通路
３０ ソレノイド部
３２ 弁体
３４ 開閉弁
４４ａ インレットポート
４４ｂ アウトレットポート
４８ バルブボデイ（本体部）
５０ カバー部材（本体部）
５４ 弁機構部
５６ 着座部
５８ａ 第１圧力室
５８ｂ 第２圧力室
６０ ダイヤフラム
６２ 弁ロッド
６９ シール部材
７１ パイロット機構
７５ オリフィス
７６ 固定コア
７８ 可動コア
８４ コイル
８８ 弁部
９６ 大気開放路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力流体が出入するインレットポート及びアウトレットポートを有する本体部と、
前記本体部内に設けられ、着座部に対して着座又は離間する弁体を含む弁機構部と、
前記本体部内に設けられた空間部を第１圧力室と第２圧力室とに分割すると共に、前記第１圧力室と前記第２圧力室との圧力差によって前記弁体と一体的に変位するダイヤフラムと、
前記本体部に設けられ、大気と連通する大気開放路を開閉することにより、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気とが連通する大気連通状態と、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする開閉弁。
【請求項２】
請求項１記載の開閉弁において、
前記アクチュエータは、コイルに対する通電作用下に、固定コア側に向かって可動コアが吸引されることにより、大気開放路を開閉する弁部を有するソレノイド部からなることを特徴とする開閉弁。
【請求項３】
請求項１記載の開閉弁において、
前記本体部には、パイロット通路を介して、インレットポートからアウトレットポートに向かう圧力流体をパイロット室である第１圧力室又は第２圧力室に供給するパイロット機構が一体的に設けられ、前記パイロット通路には、圧力流体の流通量を絞るオリフィスが設けられることを特徴とする開閉弁。
【請求項４】
請求項１記載の開閉弁において、
前記弁機構部は、弁体に固定される弁ロッドを有し、前記弁体と前記弁ロッドとの連結部位には、前記弁ロッドの外周面を囲繞するシール部材が設けられることを特徴とする開閉弁。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の開閉弁において、
前記開閉弁は、燃料電池を含む燃料電池システムに組み込まれ、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路に設けられた放熱部を迂回するバイパス通路中に配設されることを特徴とする開閉弁。
【請求項１】
圧力流体が出入するインレットポート及びアウトレットポートを有する本体部と、
前記本体部内に設けられ、着座部に対して着座又は離間する弁体を含む弁機構部と、
前記本体部内に設けられた空間部を第１圧力室と第２圧力室とに分割すると共に、前記第１圧力室と前記第２圧力室との圧力差によって前記弁体と一体的に変位するダイヤフラムと、
前記本体部に設けられ、大気と連通する大気開放路を開閉することにより、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気とが連通する大気連通状態と、前記第１圧力室又は前記第２圧力室と大気との連通が遮断された大気非連通状態とを切り換えるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする開閉弁。
【請求項２】
請求項１記載の開閉弁において、
前記アクチュエータは、コイルに対する通電作用下に、固定コア側に向かって可動コアが吸引されることにより、大気開放路を開閉する弁部を有するソレノイド部からなることを特徴とする開閉弁。
【請求項３】
請求項１記載の開閉弁において、
前記本体部には、パイロット通路を介して、インレットポートからアウトレットポートに向かう圧力流体をパイロット室である第１圧力室又は第２圧力室に供給するパイロット機構が一体的に設けられ、前記パイロット通路には、圧力流体の流通量を絞るオリフィスが設けられることを特徴とする開閉弁。
【請求項４】
請求項１記載の開閉弁において、
前記弁機構部は、弁体に固定される弁ロッドを有し、前記弁体と前記弁ロッドとの連結部位には、前記弁ロッドの外周面を囲繞するシール部材が設けられることを特徴とする開閉弁。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の開閉弁において、
前記開閉弁は、燃料電池を含む燃料電池システムに組み込まれ、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路に設けられた放熱部を迂回するバイパス通路中に配設されることを特徴とする開閉弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−５３９８３（Ｐ２０１０−５３９８３Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２０３７８（Ｐ２００８−２２０３７８）
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【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２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【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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