JP2004270800A - Solenoid controlled valve for fuel cell - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the durability of a diaphragm by reducing the pressure applied to the diaphragm. <P>SOLUTION: A filter 124 made of a network closed end cylinder is mounted in a first passage 123. A throttle member 127 forming an orifice 125 to throttle the flow rate of hydrogen supplied into a first and a second communicating chambers 116 and 84 is mounted in a first port 16 at the upstream side of the filter 124. The throttle member 127 and the filter 124 are coaxially arranged in series, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池から反応ガスを排気する燃料電池用電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下、燃料電池という）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤としてエアーが供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このような燃料電池装置は、例えば、燃料電池のカソード側に反応ガスとしてエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、燃料電池のアノード側に反応ガスとして水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保するとともに、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。
【０００４】
ところで、本出願人は、この種の燃料電池装置に関し、低温状況下においても安定且つ円滑に開閉動作を遂行して反応ガスを外部へと好適に排気することが可能な燃料電池用電磁弁を提案している（特願２００２−３４７１５６号）。
【０００５】
なお、本発明に関連する文献公知発明としては、燃料電池システムを構成する水素戻しラインに対し、制御部によって開閉制御可能な逆止弁を設け、水素パージ中における余剰水素の再循環および新規水素の外部放出を防止し、確実な水素パージの実施と新規水素の無駄防止を図ることが可能な燃料電池システムが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（第３頁左欄）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記提案に関連してなされたものであり、反応ガスを外部に排気する電磁弁において、ダイヤフラムに付与される圧力を低減して前記ダイヤフラムの耐久性を向上させることが可能な燃料電池用電磁弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池から反応ガスを排気する燃料電池用電磁弁において、
前記反応ガスが導入される第１ポートと、前記第１ポートから導入された反応ガスが排気される第２ポートとを有する本体部と、
前記本体部と連結されるケーシングの内部に配設され、電流により励磁作用を伴うソレノイド部と、
前記ソレノイド部の励磁作用下に軸線方向に沿って変位するシャフトと、
前記ケーシングに連結される前記本体部の内部に配設され、前記シャフトの一端部に係合される弁体と、
前記弁体が前記シャフトの変位作用下に着座・離間する弁座と、
前記シャフトに係着されて該シャフトの変位動作に伴って撓曲するダイヤフラムと、
前記第１ポートに配設され、導入される反応ガスの流量を絞るオリフィスが形成された絞り部材と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、反応ガスが導入される第１ポートに、前記反応ガスの流量を絞るオリフィスが形成された絞り部材を設けることにより、第２ポート側に向かって流通する反応ガスの流量が絞られて減圧され、前記反応ガスの流通路に設けられたダイヤフラムに対する荷重を低減させることができる。従って、ダイヤフラムの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、フィルタの上流側に設けられた前記絞り部材によって、反応ガス中に含有される余分な加湿水分がフィルタ側に導入されることが抑制されるため、該フィルタが目詰まりすることを低減することができる。
【００１１】
さらに、基布を薄肉の弾性材料によって被覆して形成されたダイヤフラムを用いることにより、前記絞り部材による絞り作用と共働してより一層ダイヤフラムの耐久性が向上する。
【００１２】
この場合、ダイヤフラムの略中央が、シャフトの段差部と、前記シャフトの拡径部に圧入される圧入固定部材とによって挟持されることによりシール性が発揮され、反応ガスがソレノイド部側に向かって漏出することを阻止することができる。
【００１３】
さらにまた、弁体をソレノイド部の軸線と同軸上で前記本体部の内部に設けることにより、前記弁体を介して本体部の内部に導入される反応ガスに含有される塵埃がダイヤフラムによってソレノイド部の内部に進入することを防止することができる。
【００１４】
またさらに、弁体をダイヤフラムより前記第１ポートから前記第２ポートへと流通する反応ガスの上流側に設けることによって、前記ダイヤフラムを前記弁体より低圧に配設されるため該ダイヤフラムに付勢される圧力の影響を抑制することができる。そのため、可動コアを介してシャフトを変位させるソレノイド部を小型化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁１０が含まれる燃料電池システム２００の構成図である。なお、燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。まず、前記燃料電池システム２００の構成について説明する。
【００１６】
図１に示すように、この燃料電池システム２００は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数枚積層して設けた燃料電池スタック２０２を含む。前記燃料電池スタック２０２には、燃料として、例えば、水素が供給されるアノードと、酸化剤として、例えば、酸素を含むエアーが供給されるカソードとが設けられる。なお、本実施の形態で用いられる反応ガスは、水素、エアー、または、水素、エアー中の余剰水素を総称するものとする。
【００１７】
前記カソードには、酸化剤供給部２０４からエアーが供給されるエアー供給口２０６と、前記カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０とが設けられる。一方、アノードには、燃料供給部２１２から水素が供給される水素供給口２１４と、水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。
【００１８】
前記燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。
【００１９】
前記エアー供給口２０６には、エアー供給用通路を介して酸化剤供給部２０４、放熱部２２０、カソード加湿部２２２がそれぞれ接続され、また、前記エアー排出口２１０には、エアー排出用通路を介してエアー排出部２０８が接続される。
【００２０】
前記水素供給口２１４には、水素供給用通路を介して燃料供給部２１２、圧力制御部２２４、エゼクタ２２６、アノード加湿部２２８がそれぞれ接続され、また、前記水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して水素排出部２１６が接続される。
【００２１】
酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないエアーコンプレッサ（圧縮機）およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用される供給エアーを断熱圧縮して燃料電池スタック２０２に圧送する。
【００２２】
また、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入される。
【００２３】
放熱部２２０は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成され、流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって、燃料電池スタック２０２の通常運転時において前記酸化剤供給部２０４から供給される供給エアーを冷却する。このため、供給エアーは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部２２２に導入される。
【００２４】
前記カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へと透過させることにより、前記放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給している。前記加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００２５】
なお、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０には、エアー排出部２０８が接続され、前記エアー排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じてエアーが大気中に排気される。
【００２６】
燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノード側に供給する供給水素が貯蔵される。
【００２７】
圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなり、前記圧力制御部２２４の出口側圧力である２次側圧力を所定範囲の圧力に設定している。
【００２８】
エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された燃料（水素）はノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。前記ノズル部からディフューザ部に向かって燃料が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノード側の排出燃料が吸引される。前記エゼクタ２２６で混合された燃料および排出燃料はアノード加湿部２２８へと供給され、燃料電池スタック２０２から排出された排出燃料は、前記エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。
【００２９】
従って、燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から排出された未反応の排出ガスは、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に導入され、圧力制御部２２４から供給された水素と、燃料電池スタック２０２から排出された排出ガスとが混合されて燃料電池スタック２０２に再び供給されるように設けられている。
【００３０】
アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へと透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給している。前記加湿された水素は燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００３１】
燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して前記燃料電池スタック２０２の内部で余剰した水素を外部へと排気する水素排出部２１６が接続される。前記水素排出部２１６には、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、前記燃料電池スタック２０２の内部の水素を外部へと排気する燃料電池用電磁弁１０が設けられ、前記燃料電池用電磁弁１０より反応ガスが排気される。
【００３２】
次に、前記燃料電池システム２００に組み込まれた燃料電池用電磁弁１０について好適な実施の形態を挙げ、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００３３】
この燃料電池用電磁弁１０は、図３〜図５に示されるように、水素（反応ガス）が導入される第１ポート１６と、前記水素が導出される第２ポート１８とを有する本体部１１と、前記本体部１１の下部に一体的に連結され、金属製材料からなる薄板材によって形成されるケーシング１２と、前記ケーシング１２の内部に配設されるソレノイド部１４と、前記ソレノイド部１４の励磁作用下に第１ポート１６と第２ポート１８との連通状態を切り換える弁機構部２４とを有する。
【００３４】
本体部１１は、前記ケーシング１２の上部に一体的に連結され、水素が導入される第１ポート１６が側面に形成される第１バルブボディ２０と、前記第１ポート１６より内部に導入された水素を導出する第２ポート１８を有する第２バルブボディ２２とから構成される。
【００３５】
第１バルブボディ２０は、略中央部に水素が導入される第１連通室１１６と、第１バルブボディ２０の側面に形成され、前記第１連通室１１６の内部に水素を導入する第１ポート１６とを有する。
【００３６】
第１バルブボディ２０の上部には、ねじ部材８２およびワッシャ１１８を介して蓋部材１２０が装着され、第１バルブボディ２０の上部を閉塞している。その際、第１バルブボディ２０の上面の環状溝に装着されるシール部材６０ａによって第１連通室１１６の内部が気密に保持される。
【００３７】
前記蓋部材１２０の下面の略中央部には、下方に向かって突出したストッパ部１２２が形成されている。前記ストッパ部１２２は、後述する弁体１２６が上方に変位した際、前記弁体１２６の上面がストッパ部１２２に当接することによりその変位を阻止する機能を有する。
【００３８】
図３に示されるように、第１通路１２３には、網目状の有底円筒体からなるフィルタ１２４が装着され、前記フィルタ１２４の上流側の第１ポート１６には、第１および第２連通室１１６、８４に向かって供給される水素の流量を絞るオリフィス１２５が形成された絞り部材１２７が装着される。前記絞り部材１２７およびフィルタ１２４は、それぞれ同軸状に直列に配設される。なお、前記フィルタ１２４の網目の開口径は、例えば、１００μｍ以下、好ましくは８０μｍ以下とするとよい。
【００３９】
この場合、前記第１ポート１６にオリフィス１２５を有する絞り部材１２７を配設することにより、第１ポート１６から第２ポート１８側に向かって流通する水素の流量が制限され、第２連通室８４に設けられたダイヤフラム９２に付与される荷重を低減することができる。換言すると、前記第２連通室８４を流通する圧力流体（水素）が減圧されることにより、前記ダイヤフラム９２が許容範囲以上に変形することが阻止され、該ダイヤフラム９２の耐久性を向上させることができる。
【００４０】
前記フィルタ１２４は、第１通路１２３を形成する管体の内周面に沿って圧入され、該フィルタ１２４の拡径端部１２４ａが前記内周面に形成された第１環状段差部１２９ａに突き当たることにより、該フィルタ１２４が位置決めされた状態で第１通路１２３内に係止される（図６参照）。
【００４１】
一方、前記絞り部材１２７は、第１ポート１６を形成する管体の内周面に沿って圧入され、該絞り部材１２７の端部１２７ａが前記内周面に形成された第２環状段差部１２９ｂに突き当たることにより、該絞り部材１２７が第１ポート１６内に位置決めされた状態で係止される（図６参照）。
【００４２】
前記フィルタ１２４の拡径端部１２４ａが第１環状段差部１２９ａによって係止されることにより、該フィルタ１２４が第１通路１２３においてさらに内部側へと変位することが防止される。第１通路１２３の内部にフィルタ１２４を装着することにより、第１連通室１１６の内部に塵埃等が進入することを阻止することができる。
【００４３】
従って、第１ポート１６より燃料電池用電磁弁１０の内部に進入した塵埃等が第１連通室１１６の内部に配設される弁体１２６（後述する）の当接面もしくは後述する弁座１０４の着座部１０６に付着して弁体１２６が着座部１０６に着座した際の気密性が低下することが防止され、前記塵埃等がシャフト４６の摺動部位へと進入することによってシャフト４６の円滑な動作が妨げられることがなく、また、燃料電池用電磁弁１０の第２ポート１８から図示しないチューブを介して燃料電池システム２００における下流側へと塵埃等が流出することが防止される。
【００４４】
さらに、フィルタ１２４の上流側にオリフィス１２５を有する絞り部材１２７を配設することにより、フィルタ１２４側に余分な加湿水分が導入されることが抑制され、該フィルタ１２４が目詰まりすることを低減することができる。
【００４５】
第１ポート１６の外周面には、環状溝を介してシール部材６０ｂが装着されている。前記第１ポート１６に図示しないチューブを装着した際、前記シール部材６０ｂが前記チューブの内周面との間に挟持され、前記チューブの内部を流通する水素の気密性が保持される。
【００４６】
第２バルブボディ２２は、図３および図４に示されるように、第１バルブボディ２０の下部にねじ部材８２およびワッシャ１１８を介して一体的に連結される。また、図３〜図５に示されるように、第２バルブボディ２２には、略中央部に水素が導入される第２連通室８４と、第２バルブボディ２２の側面に形成され、前記第２連通室８４の内部に導入された前記水素が導出される第２ポート１８と、前記第２ポート１８と略直交するように第２バルブボディ２２の側面に形成され（図２参照）、ダイヤフラム９２（後述する）の内部の流体を排気するエア抜きポート８６（図５参照）とが設けられる。
【００４７】
第２ポート１８は、第２バルブボディ２２の側面から半径外方向へと突出するように形成され、その内部に形成される第２通路８８を介して第２連通室８４と連通している。
【００４８】
第２連通室８４には、第２バルブボディ２２とソレノイド部１４のシャフトガイド４０（後述する）との間で挟持されたダイヤフラム９２が設けられる。前記ダイヤフラム９２は、例えば、高強度の基布をニトリルゴム（ＮＢＲ）からなる薄肉のゴム状弾性体によって被覆した二層一体構造によって構成されることにより、耐圧性を向上させることができる。この結果、第２連通室８４に導入される圧力流体の減圧作用と伴ってダイヤフラム９２の耐久性をより一層向上させることができる。
【００４９】
前記ダイヤフラム９２は、シャフト４６（後述する）の段差部５４と該シャフト４６の拡径部４６ａに圧入される圧入固定部材９３とによって挟持される略中央の挟持部９４と、前記挟持部９４より半径外方向へと延在し該シャフト４６の変位作用下に撓曲自在に形成された屈曲部９６と、前記屈曲部９６の外周端に形成される周縁部９８とから構成される（図７参照）。
【００５０】
シャフト４６に形成された段差部５４と、該シャフト４６の拡径部４６ａに圧入される圧入固定部材９３の端部とによって前記ダイヤフラム９２の略中央を挟持することによりシール機能が発揮され、第２連通室８４の気密性を好適に保持し、反応ガスがソレノイド部１４側に漏出することが阻止される。
【００５１】
第２連通室８４の内部には、燃料電池スタック２０２（図１参照）から導入される加湿された水素が水分を含有しているため、第２連通室８４の内部に水分が進入するおそれがある。その際においても、前記水分が前記ダイヤフラム９２によってソレノイド部１４の内部へ進入することが防止されるため、シャフトガイド４０とシャフト４６との間に付着した水分が寒冷地等の低温状況下において凍結することがなく、また前記水分が凍結することによってシャフト４６の円滑な動作が妨げられることがない。
【００５２】
さらに、第２連通室８４の内部の水分が、ダイヤフラム９２によってソレノイド部１４の内部へと進入することが確実に防止されるため、磁性金属製材料からなる可動コア３６と非磁性金属製材料からなるシャフト４６とに錆び等が生じることがなく耐久性を向上させることができる。
【００５３】
さらにまた、シャフト４６がシャフトガイド４０の挿通孔６６の内部を摺動して摩耗粉が発生した際、その摩耗粉等の塵埃がダイヤフラム９２によって第２連通室８４の内部へと進入することが防止される。その結果、前記摩耗粉が第２連通室８４から第２ポート１８を介して燃料電池システム２００（図１参照）における下流側へ流出することがない。
【００５４】
また、ダイヤフラム９２の屈曲部９６とフランジ部６２の上面との間の空間は、第２連通路７４を介して流体通路７０と連通している（図５参照）。
【００５５】
第２バルブボディ２２の上部には、環状凹部１０２を介して断面略ハ字状の弁座１０４が装着され、その周縁部が第１バルブボディ２０の下面との間に挟持されている。その際、弁座１０４の上面の環状溝に装着されたシール部材６０ｃによって第１バルブボディ２０の内部の気密が保持される。
【００５６】
弁座１０４は、上方に向かって段階的に縮径するように形成され、その上端面には、前記弁体１２６が着座する着座部１０６が略水平に形成されている。
【００５７】
また、前記環状凹部１０２の下面には、環状溝を介してシール部材６０ｄが装着され、弁座１０４の下面が当接することにより弁座１０４の内部と連通する第２連通室８４の内部の気密を保持している。
【００５８】
さらに、前記着座部１０６は、その上面が第１ポート１６の第１通路１２３における内周面の下側よりも上側となるように設けられている。
【００５９】
そして、燃料電池スタック２０２（図１参照）から第１連通室１１６の内部に導入される水素は、加湿されているため水分が含有されており、前記水分が第１連通室１１６の内部に溜まるおそれがある。その際、第１連通室１１６の内部に溜まった前記水分の水面位置は、第１通路１２３における下側の内周面と略同一高さとなる。換言すると、第１連通室１１６の内部に溜まった水分が、着座部１０６に着座する弁体１２６と接触することがない。
【００６０】
そのため、寒冷地等の低温状況下に前記水分が第１連通室１１６の内部で仮に凍結した場合であっても、前記弁体１２６および着座部１０６が前記水分によって凍結することがなく、低温状況下においてもシャフト４６の変位作用下に確実に弁体１２６を変位させることができる。
【００６１】
一方、図５に示されるように、第２バルブボディ２２の側面に形成されるエア抜きポート８６には、図示しないチューブが接続される継手部材１０８が外部より装着されている。
【００６２】
エア抜きポート８６の内部には、前記エア抜きポート８６と略直交し、かつフランジ部６２に形成される第１連通路７２と対向する位置に第３連通路１１０が形成される。前記第３連通路１１０は第１連通路７２と連通するように形成されている。
【００６３】
すなわち、ダイヤフラム９２の屈曲部９６とフランジ部６２の上面との間の空間は、第２連通路７４、流体通路７０、第１連通路７２および第３連通路１１０を介して継手部材１０８の内部と連通している。
【００６４】
継手部材１０８は金属製材料からなり、エア抜きポート８６に装着される接続部１１２が略水平に形成されるとともに、前記接続部１１２より上方に向かって所定角度傾斜するように傾斜部１１４が形成されている。継手部材１０８は、その内部に形成される通路１１５を介してエア抜きポート８６と連通している。なお、前記継手部材１０８は、前記傾斜部１１４に接続される図示しないチューブを介して大気開放されている。
【００６５】
そして、図３〜図５に示されるように、ソレノイド部１４のコイル３２に電流が供給されて該コイル３２が励磁状態になる際に前記コイル３２が発熱する。その場合、ダイヤフラム９２の屈曲部９６とフランジ部６２の上面との間に画成される空間の内部の流体がコイル３２の発熱作用下に温度上昇して膨張し、その体積が増大する。
【００６６】
その際、前記空間は、第２連通路７４、流体通路７０、第１および第３連通路７２、１１０、継手部材１０８を介して大気と連通しているため、前記空間の内部で膨張した流体が外部へと排気される。
【００６７】
その結果、空間の内部で膨張した流体の圧力作用下にダイヤフラム９２が上方へと変位し、それに伴ってシャフト４６が上方へと変位することにより弁体１２６が着座部１０６から離間して弁開状態となることを防止することができる。
【００６８】
断面略コ字状に形成される磁性金属製材料からなるケーシング１２は、第２バルブボディ２２の下部に一体的に連結され、その略中央部には下方に向かって所定長だけ突出した薄肉円筒部２６が設けられている。そして、前記薄肉円筒部２６の内周径は、後述する可動コア３６の外周径よりも大きく形成される。この場合、前記可動コア３６がソレノイド部１４の励磁作用下に変位する際、前記可動コア３６が薄肉円筒部２６の内部を軸線方向に沿って変位可能な直径に形成されている。
【００６９】
すなわち、ケーシング１２の内部を軸線方向に沿って変位する可動コア３６の直径に対応した薄肉円筒部２６のみを下方に突出させることにより、前記ケーシング１２全体を下方に突出させた場合と比較して小型化することができる。
【００７０】
また、薄肉円筒部２６の内部には、その略中央部に上方に向かって突出したばねガイド部２８が形成されている。前記ばねガイド部２８には、後述する第１ばね部材４２の一端部が係着される。
【００７１】
さらに、ケーシング１２の側面には、図示しない電源よりソレノイド部１４に電流を供給するための図示しないリード線が接続されるコネクタ部３０（図２および図５参照）が設けられている。
【００７２】
ソレノイド部１４は、前記ケーシング１２の内部に配設され、コイル３２が巻回されたボビン３４と、前記コイル３２の励磁作用下に軸線方向に沿って変位自在に設けられる円筒状の可動コア３６と、前記コイル３２が巻回されたボビン３４を囲繞するカバー部材３８と、前記ケーシング１２の上端部を閉塞するように配設されるシャフトガイド４０と、前記可動コア３６とケーシング１２のばねガイド部２８との間に介装され、前記可動コア３６を前記薄肉円筒部２６から離間する方向に付勢する第１ばね部材４２とからなる。
【００７３】
ボビン３４の下面が、ケーシング１２の下部に載置されるように配設されるとともに、前記ボビン３４の内周径は、ケーシング１２における薄肉円筒部２６の内周径と略同等となるように形成されている。
【００７４】
ボビン３４の内部には、磁性金属製材料からなる円筒状の可動コア３６が軸線方向に沿って挿通自在に設けられている。そして、可動コア３６の外周面は、ボビン３４の内周面と所定間隔離間するように設けられている。すなわち、可動コア３６が軸線方向に沿って変位する際、該可動コア３６の外周面がボビン３４の内周面に接触することがなく摩耗が防止される。
【００７５】
そして、可動コア３６の略中央部には、軸線方向に沿って形成された貫通孔４４を介して長尺なシャフト４６の一端部が挿通されている。
【００７６】
前記シャフト４６は、その一端部側に形成され、可動コア３６の内部に挿通される第１軸部４８と、他端部側に形成され、弁体１２６に係合される第２軸部５０と、前記第１軸部４８と第２軸部５０との間に形成され、シャフトガイド４０の内部を挿通する第３軸部５２とからなる。そして、第３軸部５２と第２軸部５０との間には、段差部５４を介して拡径部４６ａが形成されている。なお、シャフト４６の直径は、第２軸部５０、第１軸部４８、第３軸部５２の順番に大きくなるように形成されている。
【００７７】
なお、前記貫通孔４４の内周径は、該貫通孔４４の内部に挿通される第１軸部４８の軸径よりも若干大きく形成されている。そのため、シャフト４６に対して可動コア３６を組み付ける際、前記可動コア３６の貫通孔４４を第１軸部４８へと挿通し、該可動コア３６の上端面を第３軸部５２の下面に当接させる。
【００７８】
そして、ばね受孔５６とばねガイド部２８との間に第１ばね部材４２を介装することにより、前記可動コア３６の上端面が第１ばね部材４２のばね力によってシャフト４６の第３軸部５２の下面へと押圧された状態で組み付けられる。すなわち、可動コア３６をシャフト４６に対して簡便に組み付けることができる。
【００７９】
また、シャフト４６の外周面には、フッ素コーティングが施されている。その結果、前記シャフト４６が変位する際、前記第３軸部５２が摺動するシャフトガイド４０の挿通孔６６との摺動抵抗が低減するため、シャフト４６およびシャフトガイド４０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４６が前記挿通孔６６の内部を摺動する際に発生する摩耗粉の発生を抑制することができる。
【００８０】
さらに、シャフト４６の外周面に施された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４６の外周面に水分が付着することがなくシャフト４６の錆びを防止し、前記シャフト４６の耐久性を向上させることができる。
【００８１】
一方、可動コア３６の貫通孔４４の下方には、ケーシング１２のばねガイド部２８と対向する位置にばね受孔５６が形成されている。前記ばね受孔５６は、貫通孔４４より半径外方向に拡径し、下方に向かって徐々に拡径するテーパ状に形成される。前記ばね受孔５６には、ケーシング１２のばねガイド部２８に係着される第１ばね部材４２の他端部側が係着されている。
【００８２】
また、可動コア３６の上部には、その略中央部に所定長だけ突出した凸部５８が形成されている。
【００８３】
カバー部材３８は樹脂製材料からなり、その上部側がボビン３４の上部とシャフトガイド４０との間に挟持され、その下部側がケーシング１２とボビン３４の下部との間に挟持され、そして、その外周側がボビン３４とケーシング１２の内周面との間に挟持されている。そのため、カバー部材３８によってコイル３２が巻回されたボビン３４が囲繞される。
【００８４】
また、カバー部材３８の下面には、環状溝を介してシール部材６０ｅが装着され、そのシール部材６０ｅがケーシング１２に当接することにより前記ケーシング１２の内部の気密が保持されるとともに、カバー部材３８の上部側の内周側端部とシャフトガイド４０のフランジ部６２との間に装着されるシール部材６０ｆによってケーシング１２の内部の気密を保持している。
【００８５】
シャフトガイド４０は、磁性金属製材料により断面略Ｔ字状に形成され、その上部側に半径外方向に拡径して形成されるフランジ部６２によってケーシング１２の上部を閉塞するように配設されている。また、前記フランジ部６２の下方側には、前記フランジ部６２より半径内方向に縮径したガイド部６４が形成され、前記ガイド部６４はボビン３４の内部に挿入されている。
【００８６】
前記シャフトガイド４０の略中央部には、軸線方向に沿って形成される挿通孔６６を介してシャフト４６の第３軸部５２が変位自在にガイドされている。
【００８７】
その際、第３軸部５２の外周面と挿通孔６６の内周面との間に画成されるクリアランスを微小（例えば、１０〜５０μｍの範囲内とする。なお、１０μｍ未満でシャフト４６の作動限界となる。）とすることにより、一層確実にシャフト４６を軸線方向に沿って変位させることができる。そのため、弁体１２６を着座部１０６に対してより一層確実に着座させることができるとともに、前記弁体１２６の着座部１０６への着座位置を安定させることができる。これにより、弁体１２６の低温状況下における再着座性を良好とすることができる。
【００８８】
また、前記シャフトガイド４０の下面には、前記可動コア３６の凸部５８に対向する位置に凹部６８が形成されている。前記凹部６８の軸線方向に沿った高さは、前記凸部５８の軸線方向に沿った高さと略同等もしくは若干高くなるように形成されている。そして、前記凹部６８の直径を凸部５８の直径よりも大きく形成することにより、可動コア３６の上方への変位作用下に凸部５８が凹部６８へと挿入される。
【００８９】
フランジ部６２の内部には、図５に示されるように、その側面から半径内方向に向かって略水平方向に延在する流体通路７０が形成されている。
【００９０】
また、フランジ部６２の外周側には、前記流体通路７０と略直交するように第１連通路７２が上方へ向かって形成されるとともに、内周には、前記流体通路７０と略直交するように第２連通路７４が上方に向かって形成されている。そして前記第１および第２連通路７２、７４は、それぞれ流体通路７０と連通している。
【００９１】
前記流体通路７０には、フランジ部６２の外周側より球状の閉塞プラグ７６が内部へと圧入されている。すなわち、前記閉塞プラグ７６の直径は、前記流体通路７０の直径よりも若干大きく形成されているため、前記閉塞プラグ７６を流体通路７０の内部へと圧入することによって流体通路７０の外部との連通状態が遮断され、流体が前記流体通路７０を介してフランジ部６２の側面から外部へと漏出することが防止される。なお、前記閉塞プラグ７６は、流体通路７０において第１連通路７２よりフランジ部６２の外周側に圧入される。
【００９２】
また、フランジ部６２には、軸線方向に沿って貫通した孔部７８ａが形成され、前記孔部７８ａには円柱状の係止ピン８０が装着されている。そして、前記孔部７８ａに装着された前記係止ピン８０の上部が、第１バルブボディ２０の下面に形成される孔部７８ｂに挿入される。その結果、フランジ部６２に対する第１バルブボディ２０の位置決めが確実に行われる。
【００９３】
弁機構部２４は、第２バルブボディ２２の第１連通室１１６の内部に配設され、シャフト４６の軸線方向に沿った変位作用下に変位する弁体１２６と、前記弁体１２６の上面と蓋部材１２０との間に介装される第２ばね部材１２８とからなる。なお、第２ばね部材１２８は、弁体１２６を蓋部材１２０から離間する方向に付勢するとともに、蓋部材１２０の下面から弁体１２６に向かって徐々に縮径するテーパ状に形成されている。
【００９４】
弁体１２６には、その下面の着座部１０６と対向する位置に所定深さだけ窪んだ第１溝部１３０が形成され、前記第１溝部１３０には弾性材料から環状に形成される第１弾性部材１３２が装着されている。第１弾性部材１３２に採用される弾性材料は、低温状況下（例えば、氷点下２０℃）においてもその弾性特性が保持される。
【００９５】
そして、弁体１２６がシャフト４６の変位作用下に下方へと変位し、第１弾性部材１３２が着座部１０６に着座した際、第１弾性部材１３２が弾性材料で形成されているため、着座部１０６に着座して確実にシールすることができる。なお、前記第１弾性部材１３２は、寒冷地等の低温状況下においてもその弾性機能が低下することがないため、低温状況下においても確実にシールすることができる。
【００９６】
また、弁体１２６の上面の略中央部には、所定深さだけ窪んだ第２溝部１３４を介して弾性材料からなる第２弾性部材１３６が装着される。
【００９７】
すなわち、シャフト４６の変位作用下に弁体１２６が上方へと変位した際、前記弁体１２６の上面に設けられた第２弾性部材１３６がストッパ部１２２に当接することにより、該第２弾性部材１３６によって弁体１２６が当接した際の衝撃を緩和し、弁体１２６がストッパ部１２２に当接した際に発生する衝撃音を低減することができる。換言すると、第２弾性部材１３６は、弁体１２６がストッパ部１２２に当接した際の衝撃を吸収するアブソーバ機能を有している。
【００９８】
さらに、前記第１および第２弾性部材１３２、１３６は、それぞれ弁体１２６の下面および上面から軸線方向に若干突出するように設けられている。すなわち、第１弾性部材１３２を所定長だけ下面から突出させることにより、一層確実に着座部１０６に着座させてシールすることができる。なお、第１弾性部材１３２を予め下面から突出するように成形した後、切削等の後加工によって着座部１０６に着座する第１弾性部材１３２の当接面を略平面状となるように加工してもよい。
【００９９】
すなわち、弾性材料により成形された第１弾性部材１３２の当接面の状態にかかわらず、後加工によって前記当接面を略平面状とすることにより、略平面状に加工された当接面によって一層確実にシールすることができる。そのため、第１弾性部材１３２の当接面が着座部１０６に確実に着座し、第１連通室１１６の内部を流通する水素の漏出を防止することができる。
【０１００】
一方、第１弾性部材１３２の着座部１０６との当接面および第２弾性部材１３６のストッパ部１２２との当接面には、フッ素コーティングが施されている。すなわち、弾性材料からなる第１および第２弾性部材１３２、１３６の表面にフッ素コーティングを施すことにより、その変位作用下に第１および第２弾性部材１３２、１３６の当接面がそれぞれストッパ部１２２および着座部１０６に当接した際に貼着することを防止することができる。
【０１０１】
また、第１および第２弾性部材１３２、１３６に施されたフッ素コーティングは、水分をはじく撥水効果を有するため、第１および第２弾性部材１３２、１３６に水分が付着することを防止することができる。すなわち、燃料電池用電磁弁１０を寒冷地等の低温状況下で使用した場合においても、第１および第２弾性部材１３２、１３６に水分が付着して凍結することがないため、凍結によって弁体１２６の円滑な動作が妨げられることがない。
【０１０２】
なお、前記フッ素コーティングは、第１および第２弾性部材１３２、１３６の当接面にのみ施される場合に限定されるものではなく、前記第１および第２弾性部材１３２、１３６の表面全体にフッ素コーティングを施してもよいし、第１および第２弾性部材１３２、１３６の全体をフッ素系のゴム材料で形成するようにしてもよい。
【０１０３】
さらに、弁体１２６の上面に形成される第１溝部１３０と、前記弁体１２６の下面に形成される第２溝部１３４とは、図３および図４に示されるように、前記弁体１２６の軸線方向に沿って形成される成形通路１３８を介して連通している。すなわち、第１および第２弾性部材１３２、１３６を成形する際、第１溝部１３０または第２溝部１３４のいずれか一方に弾性材料を充填することにより、前記弾性材料が成形通路１３８を介して第２または第１溝部１３０にも充填される。その結果、第１および第２弾性部材１３２、１３６を成形通路１３８を介して一体的に成形することができるため、コストを低減することができるとともに、第１および第２弾性部材１３２、１３６の成形工程を短縮化することができる。
【０１０４】
そして、第１および第２弾性部材１３２、１３６は、成形通路１３８の内部に充填された弾性材料によって連結された状態にあるため、前記連結部位によって第１および第２弾性部材１３２、１３６がそれぞれ第１溝部１３０および第２溝部１３４から脱落することが防止される。
【０１０５】
また、弁体１２６の下面には、その略中央部に係合孔１４０が形成され、前記係合孔１４０には、シャフト４６の他端部側に形成される第２軸部５０が挿入されている。なお、係合孔１４０の直径は、前記第２軸部５０の軸径よりも大きく形成されているため、前記第２軸部５０の外周面と係合孔１４０の内周面との間に半径方向のクリアランスを有する状態で係合されている。
【０１０６】
その際、第２ばね部材１２８が、蓋部材１２０から弁体１２６に向かって縮径するテーパ状に形成されているため、前記第２ばね部材１２８のばね力は、弁体１２６をシャフト４６の上部へと押圧する方向と、弁体１２６を外周側から半径内方向へと押圧する方向とが合わされた状態で付勢されている。
【０１０７】
そして、弁体１２６には、第２ばね部材１２８によって係合孔１４０を介して常にシャフト４６の上部に押圧力が付勢されるとともに、常に半径内方向へと押圧されているため略中央部に係合されたシャフト４６の上部が係合孔１４０の内部に好適に保持される。そのため、係合孔１４０の内部に係合されたシャフト４６の上部が該係合孔１４０より脱抜することがない。
【０１０８】
その結果、ソレノイド部１４の励磁作用下に変位するシャフト４６が何らかの原因により軸線に対して傾斜した場合においても、前記弁体１２６は係合孔１４０とシャフト４６との間に画成されたクリアランスによって前記シャフト４６の傾きを吸収することができる。そのため、シャフト４６が傾斜した際、前記シャフト４６の傾斜の影響を受けることなく第２ばね部材１２８のばね力によって弁体１２６を着座部１０６に確実に着座させることができる。
【０１０９】
また同様に、弁体１２６が何らかの原因により軸線に対して傾斜した場合においても、係合孔１４０とシャフト４６との間に画成されたクリアランスによって弁体１２６の傾きを吸収することができる。そのため、シャフト４６が軸線方向に変位する際に前記弁体１２６の傾斜の影響を受けることなく軸線方向に沿って円滑に変位させることができる。
【０１１０】
本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【０１１１】
図１に示されるように、燃料電池システム２００において、燃料電池用電磁弁１０の第１ポート１６は、図示しないチューブを介して燃料電池スタック２０２の内部の水素を排気するための水素排出口２１８（図１参照）に接続される。
【０１１２】
図３は、コイル３２に対してコネクタ部３０より電流を供給していない非励磁状態にあり、弁体１２６の第１弾性部材１３２が着座部１０６に着座して第２ポート１８と第１ポート１６との連通が遮断されたオフ状態（弁閉状態）を示している。
【０１１３】
このようなオフ状態において、図示しない電源を付勢してコイル３２に通電することにより前記コイル３２が励磁され、その励磁作用下に磁束がコイル３２から可動コア３６へと向かい、再びコイル３２に復帰して周回するように発生する。
【０１１４】
そして、図４に示されるように、可動コア３６が軸線方向に沿った上方へと変位し、前記可動コア３６に挿通されたシャフト４６を介して弁体１２６が第２ばね部材１２８のばね力に抗して着座部１０６から離間する。
【０１１５】
その際、弁体１２６が上方へ変位して第２弾性部材１３６がストッパ部１２２へと当接することにより、前記第２弾性部材１３６によって弁体１２６への衝撃が緩衝されるとともに、当接時に発生する衝撃音が低減される。
【０１１６】
その結果、燃料電池用電磁弁１０がオフ状態からオン状態（弁開状態）に切り換わる。従って、燃料電池スタック２０２の内部において余剰した水素が前記燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から導出され、前記水素が図示しないチューブを介して第１ポート１６から導入される。前記第１ポート１６から導入された水素は、絞り部材１２７のオリフィス１２５によって所定の流量に絞られて減圧された後、第１連通室１１６から弁座１０４の内部を介して第２連通室８４へと流通して第２ポート１８から導出される。
【０１１７】
また、このようなオン状態において、再び弁体１２６が着座部１０６に着座して第２ポート１８と第１ポート１６との連通が遮断されたオフ状態とする場合には、図示しない電源よりコイル３２に通電されていた電流を停止することにより前記コイル３２が非励磁状態となり、可動コア３６が下方へと変位する。また略同時に、前記弁体１２６が第２ばね部材１２８のばね力によって下方へと押圧される。そして、前記第２ばね部材１２８のばね力によって弁体１２６が着座部１０６へと着座することにより、第２連通室８４と第１連通室１１６との連通が遮断される。すなわち、第２ポート１８と第１ポート１６との連通が遮断された状態となる。
【０１１８】
本実施の形態では、フィルタ１２４の上流側の第１ポート１６に、オリフィス１２５を有する絞り部材１２７を配設することにより、第１ポート１６から第２ポート１８側に向かって流通する圧力流体の流量が絞られ、該圧力流体が減圧される。従って、第２連通室８４に設けられたダイヤフラム９２に付与される荷重を低減することができ、前記ダイヤフラム９２が許容範囲以上に変形することが阻止され、該ダイヤフラム９２の耐久性を向上させることができる。
【０１１９】
また、本実施の形態では、絞り部材１２７によってフィルタ１２４側に余分な加湿水分が導入されることが抑制されるため、該フィルタ１２４が目詰まりすることを低減することができる。
【０１２０】
さらに、本実施の形態では、フィルタ１２４の拡径端部１２４ａが第１環状段差部１２９ａに突き当たるまで圧入して該フィルタ１２４を装着するとともに、絞り部材１２７の端部１２７ａが第２環状段差部１２９ｂに突き当たるまで圧入して該絞り部材１２７を前記フィルタ１２４と同軸状に直列に装着している。従って、フィルタ１２４および絞り部材１２７の圧入部位や該フィルタ１２４および絞り部材１２７を係止する第１および第２環状段差部１２９ａ、１２９ｂをそれぞれ同軸加工することができるため加工性を向上させることができるとともに、圧入方向を一致させることにより組み付け工程が容易となり、良好な組み付け性を得ることができる。
【０１２１】
さらにまた本実施の形態では、例えば、高強度の基布をニトリルゴム（ＮＢＲ）からなる薄肉のゴム状弾性体によって被覆した二層一体構造からなるダイヤフラム９２を設けることにより、耐圧性を向上させることができる。従って、オリフィス１２５を有する絞り部材１２７による圧力流体の減圧作用と共働してダイヤフラム９２の耐久性をより一層向上させることができる。
【０１２２】
またさらに本実施の形態では、シャフト４６に形成された段差部５４と、該シャフト４６の拡径部４６ａに圧入される圧入固定部材９３の端部とによって前記ダイヤフラム９２の略中央を挟持することによりシール機能が発揮され、第２連通室８４の気密性を好適に保持することができる。
【０１２３】
またさらに本実施の形態では、弁体１２６をソレノイド部１４の軸線と同軸状で第１バルブボディ２０の内部に設けることにより、前記弁体１２６を介して第２バルブボディ２２の内部に導入される反応ガスに含有される塵埃がダイヤフラム９２によってソレノイド部１４の内部に進入することを阻止することができる。その際、弁体１２６をダイヤフラム９２よりも第１ポート１６から第２ポート１８へと流通する反応ガスの上流側に設けることにより、前記ダイヤフラム９２を前記弁体１２６よりも低圧に配設することができるため、該ダイヤフラム９２に付勢される圧力の影響を抑制することができる。そのため、可動コア３６を介してシャフト４６を変位させるソレノイド部１４を小型化することができる。
【０１２４】
さらにまた本実施の形態では、絞り部材１２７に形成されたオリフィス１２５を着座部１０６から略水平方向に沿って所定距離離間させて配置している。すなわち、弁体１２６の着座部１０６に対してオリフィス１２５の位置が近接しすぎるとエゼクタ作用（吸引作用）が営まれるため、オリフィス１２５の絞り作用を適正とすることができないからである。そこで、絞り部材１２７に形成されたオリフィス１２５と着座部１０６とを、エゼクタ作用が発揮されないような所定距離離間した位置にそれぞれ配置するとよい。この場合、所定距離離間した絞り部材１２７と着座部１０６との間に、例えば、フィルタ１２４を配設することにより、前記離間スペースの有効利用がなされ、小型化を図ることができる。
【０１２５】
なお、本実施の形態に係る燃料電池用電磁弁１０では、反応ガスとして水素排出部２１６から排気される余剰水素を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、エアー排出部２０８から排気されるエアーを用いるようにしてもよい。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【０１２７】
すなわち、フィルタの上流側の第１ポートに、オリフィスを有する絞り部材を配設することにより、第１ポートから第２ポート側に向かって流通する反応ガスの流量が絞られ、該反応ガスが減圧される。従って、前記反応ガスの流通路に設けられたダイヤフラムに付与される荷重を低減することができ、前記ダイヤフラムが許容範囲以上に変形することが阻止され、該ダイヤフラムの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁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】本発明の実施の形態に係る燃料電池用電磁弁の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った縦断面図である。
【図４】図３における燃料電池用電磁弁の弁開状態を示す縦断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。
【図６】図３に示す第１ポートに装着された絞り部材の一部省略拡大縦断面図である。
【図７】図３に示すダイヤフラムおよびシャフトの一部省略拡大縦断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池用電磁弁 １２…ケーシング
１４…ソレノイド部 １６…第１ポート
１８…第２ポート ２４…弁機構部
３２…コイル ４０…シャフトガイド
４２…第１ばね部材 ４６…シャフト
６２…フランジ部 ７０…流体通路
９２…ダイヤフラム １０４…弁座
１０６…着座部 １２４…フィルタ
１２５…オリフィス １２６…弁体
１２７…絞り部材 １２９ａ、１２９ｂ…環状段差部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a fuel cell solenoid valve for exhausting a reaction gas from a fuel cell in a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a polymer electrolyte membrane fuel cell has a stack (hereinafter, referred to as a fuel cell) formed by stacking a plurality of cells with respect to a cell formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between an anode and a cathode from both sides. ), Hydrogen is supplied to the anode as fuel, and air is supplied to the cathode as an oxidant. Hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode pass through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode. Thus, an electrochemical reaction occurs at the cathode to generate power.
[0003]
Such a fuel cell device includes, for example, an air compressor or the like for supplying air as a reaction gas to the cathode side of the fuel cell, and further includes a pressure control valve for supplying hydrogen as a reaction gas to the anode side of the fuel cell. The pressure of the reaction gas on the anode side with respect to the cathode side of the fuel cell is regulated to a predetermined pressure to secure a predetermined power generation efficiency, and a predetermined output is obtained by controlling the flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell. It is set to be obtained.
[0004]
By the way, the applicant of the present application has proposed a fuel cell solenoid valve for a fuel cell device capable of performing a stable and smooth opening and closing operation even in a low-temperature condition and suitably exhausting a reaction gas to the outside. Has been proposed (Japanese Patent Application No. 2002-347156).
[0005]
In addition, as a publicly known invention related to the present invention, a check valve that can be opened and closed by a control unit is provided for a hydrogen return line that constitutes a fuel cell system to recirculate excess hydrogen during hydrogen purging and to introduce new hydrogen. There is a fuel cell system capable of preventing the release of hydrogen to the outside, performing a reliable hydrogen purge and preventing waste of new hydrogen (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-93438 (page 3, left column)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in connection with the above proposal, and in a solenoid valve for exhausting a reaction gas to the outside, a fuel capable of reducing the pressure applied to the diaphragm and improving the durability of the diaphragm An object of the present invention is to provide a solenoid valve for a battery.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell solenoid valve for exhausting a reaction gas from a fuel cell,
A main body having a first port through which the reaction gas is introduced, and a second port through which the reaction gas introduced from the first port is exhausted;
A solenoid portion disposed inside a casing connected to the main body portion and having an exciting action by an electric current;
A shaft that is displaced along an axial direction under an exciting action of the solenoid portion,
A valve body disposed inside the main body connected to the casing and engaged with one end of the shaft;
A valve seat in which the valve body is seated and separated under the displacement action of the shaft,
A diaphragm that is engaged with the shaft and bends with a displacement operation of the shaft;
A restricting member provided at the first port and having an orifice formed to restrict the flow rate of the introduced reaction gas;
It is characterized by having.
[0009]
According to the present invention, the flow rate of the reactant gas flowing toward the second port is reduced by providing the first port into which the reactant gas is introduced with the throttle member having the orifice for reducing the flow rate of the reactant gas. The pressure is reduced to reduce the load on the diaphragm provided in the flow path of the reaction gas. Therefore, the durability of the diaphragm can be improved.
[0010]
In addition, the throttle member provided on the upstream side of the filter suppresses the introduction of excess humidified moisture contained in the reaction gas to the filter side, thereby reducing clogging of the filter. be able to.
[0011]
Further, by using a diaphragm formed by covering the base cloth with a thin elastic material, the durability of the diaphragm is further improved in cooperation with the drawing action of the drawing member.
[0012]
In this case, substantially the center of the diaphragm is sandwiched by the step portion of the shaft and the press-fitting fixing member that is press-fitted into the enlarged diameter portion of the shaft, so that a sealing property is exhibited, and the reaction gas flows toward the solenoid portion side. It can prevent leakage.
[0013]
Further, by providing the valve body inside the main body part coaxially with the axis of the solenoid part, dust contained in the reaction gas introduced into the inside of the main body part through the valve body is subjected to the solenoid part by the diaphragm. Can be prevented from entering the inside of the vehicle.
[0014]
Further, by providing the valve element upstream of the reaction gas flowing from the first port to the second port from the diaphragm, the diaphragm is disposed at a lower pressure than the valve element, so that the diaphragm is urged against the diaphragm. The effect of the applied pressure can be suppressed. Therefore, the size of the solenoid that displaces the shaft via the movable core can be reduced.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system 200 including a fuel cell solenoid valve 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 200 is mounted on a vehicle such as an automobile, for example. First, the configuration of the fuel cell system 200 will be described.
[0016]
As shown in FIG. 1, this fuel cell system 200 is provided by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides. Fuel cell stack 202. The fuel cell stack 202 is provided with an anode to which, for example, hydrogen is supplied as a fuel, and a cathode to which, for example, air containing oxygen is supplied as an oxidant. Note that the reaction gas used in this embodiment is a generic term for hydrogen, air, or hydrogen, and excess hydrogen in air.
[0017]
The cathode is provided with an air supply port 206 to which air is supplied from an oxidant supply unit 204 and an air discharge port 210 to which an air discharge unit 208 for discharging air in the cathode to the outside is connected. . On the other hand, the anode is provided with a hydrogen supply port 214 to which hydrogen is supplied from the fuel supply section 212 and a hydrogen discharge port 218 to which a hydrogen discharge section 216 is connected.
[0018]
In the fuel cell stack 202, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode move through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, and are set to generate an electrochemical reaction with oxygen at the cathode to generate power. .
[0019]
The air supply port 206 is connected to an oxidant supply unit 204, a heat radiating unit 220, and a cathode humidifying unit 222 via an air supply passage, and the air discharge port 210 is connected to an air discharge passage via an air discharge passage. The air discharge unit 208 is connected.
[0020]
The hydrogen supply port 214 is connected to a fuel supply section 212, a pressure control section 224, an ejector 226, and an anode humidification section 228 via a hydrogen supply path, and the hydrogen discharge port 218 is connected to a circulation path. The hydrogen discharge part 216 is connected via 230.
[0021]
The oxidant supply unit 204 includes, for example, an air compressor (compressor) (not shown) and a motor for driving the air compressor, and adiabatically compresses supply air used as an oxidant gas in the fuel cell stack 202 to perform fuel cell stack stacking. To 202.
[0022]
The air supplied from the oxidant supply unit 204 is set to a predetermined pressure in accordance with, for example, the load on the fuel cell stack 202 and the operation amount of an unillustrated accelerator pedal, and is introduced into the fuel cell stack 202. .
[0023]
The heat dissipating section 220 is formed of, for example, an intercooler (not shown), and is supplied from the oxidant supplying section 204 during normal operation of the fuel cell stack 202 by performing heat exchange with cooling water flowing along the flow path. Cool the supply air. For this reason, the supply air is introduced into the cathode humidifying section 222 after being cooled to a predetermined temperature.
[0024]
The cathode humidifying unit 222 includes, for example, a water-permeable membrane, and transmits air cooled to a predetermined temperature by the heat-radiating unit 220 by transmitting moisture from one side of the water-permeable membrane to the other side. The fuel is supplied to the air supply port 206 of the fuel cell stack 202 after being humidified to a predetermined humidity. The humidified air is supplied to the fuel cell stack 202, and the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 202 is maintained in a predetermined state.
[0025]
An air discharge port 208 of the fuel cell stack 202 is connected to an air discharge port 208, and air is discharged into the atmosphere through a discharge valve (not shown) provided in the air discharge port 208.
[0026]
The fuel supply unit 212 includes, for example, a hydrogen gas cylinder (not shown) that supplies hydrogen as fuel to the fuel cell, and stores the supply hydrogen supplied to the anode side of the fuel cell stack 202.
[0027]
The pressure control unit 224 includes, for example, a pneumatic proportional pressure control valve, and sets a secondary pressure, which is an outlet pressure of the pressure control unit 224, to a pressure within a predetermined range.
[0028]
The ejector 226 includes a nozzle unit and a diffuser unit (not shown). The fuel (hydrogen) supplied from the pressure control unit 224 is accelerated when passing through the nozzle unit, and is injected toward the diffuser unit. When fuel flows from the nozzle portion toward the diffuser portion at a high speed, a negative pressure is generated in the sub-flow chamber provided between the nozzle portion and the diffuser portion, and the anode-side discharge is performed via the circulation passage 230. Fuel is aspirated. The fuel mixed with the ejector 226 and the discharged fuel are supplied to an anode humidifier 228, and the discharged fuel discharged from the fuel cell stack 202 is provided to circulate through the ejector 226.
[0029]
Therefore, the unreacted exhaust gas discharged from the hydrogen discharge port 218 of the fuel cell stack 202 is introduced into the ejector 226 through the circulation passage 230, and the hydrogen supplied from the pressure control unit 224 and the fuel cell stack 202 The exhaust gas discharged from the fuel cell stack is mixed and supplied to the fuel cell stack 202 again.
[0030]
The anode humidifying unit 228 includes, for example, a water permeable membrane, and humidifies the fuel derived from the ejector 226 to a predetermined humidity by transmitting moisture from one side of the water permeable membrane to the other side. The fuel is supplied to the hydrogen supply port 214 of the fuel cell stack 202. The humidified hydrogen is supplied to the fuel cell stack 202, and the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 202 is maintained in a predetermined state.
[0031]
A hydrogen discharge portion 216 for discharging excess hydrogen inside the fuel cell stack 202 to the outside through a circulation passage 230 is connected to a hydrogen discharge port 218 of the fuel cell stack 202. The hydrogen discharge unit 216 is provided with a fuel cell solenoid valve 10 whose opening / closing operation is controlled in accordance with the operation state of the fuel cell stack 202 and exhausts hydrogen inside the fuel cell stack 202 to the outside. The reaction gas is exhausted from the fuel cell solenoid valve 10.
[0032]
Next, a preferred embodiment of the fuel cell solenoid valve 10 incorporated in the fuel cell system 200 will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
As shown in FIGS. 3 to 5, the fuel cell solenoid valve 10 has a main body having a first port 16 into which hydrogen (reaction gas) is introduced, and a second port 18 from which the hydrogen is led. 11, a casing 12 integrally connected to a lower portion of the main body 11 and formed of a thin plate made of a metal material, a solenoid portion 14 provided inside the casing 12, and a solenoid portion 14 And a valve mechanism section 24 for switching the communication state between the first port 16 and the second port 18 under the exciting action of.
[0034]
The main body 11 is integrally connected to an upper portion of the casing 12, and has a first valve body 20 formed on a side surface of a first port 16 into which hydrogen is introduced, and is introduced into the inside from the first port 16. A second valve body 22 having a second port 18 for leading out hydrogen.
[0035]
The first valve body 20 has a first communication chamber 116 in which hydrogen is introduced at a substantially central portion, and a first port formed on a side surface of the first valve body 20 for introducing hydrogen into the first communication chamber 116. 16.
[0036]
A lid member 120 is mounted on the upper part of the first valve body 20 via a screw member 82 and a washer 118, and closes the upper part of the first valve body 20. At this time, the inside of the first communication chamber 116 is kept airtight by the seal member 60a mounted in the annular groove on the upper surface of the first valve body 20.
[0037]
At a substantially central portion of the lower surface of the lid member 120, a stopper portion 122 protruding downward is formed. The stopper portion 122 has a function of preventing displacement when a valve body 126 described later is displaced upward by bringing an upper surface of the valve body 126 into contact with the stopper portion 122.
[0038]
As shown in FIG. 3, a filter 124 made of a mesh-like bottomed cylindrical body is mounted in the first passage 123, and the first and second communication ports are provided in the first port 16 on the upstream side of the filter 124. A throttle member 127 having an orifice 125 for reducing the flow rate of hydrogen supplied to the chambers 116 and 84 is mounted. The aperture member 127 and the filter 124 are coaxially arranged in series. The opening diameter of the mesh of the filter 124 is, for example, 100 μm or less, preferably 80 μm or less.
[0039]
In this case, by disposing a throttle member 127 having an orifice 125 in the first port 16, the flow rate of hydrogen flowing from the first port 16 toward the second port 18 is restricted, and the second communication chamber 84 Can be reduced. In other words, when the pressure fluid (hydrogen) flowing through the second communication chamber 84 is reduced in pressure, the diaphragm 92 is prevented from being deformed beyond an allowable range, and the durability of the diaphragm 92 can be improved. it can.
[0040]
The filter 124 is press-fitted along the inner peripheral surface of the tube forming the first passage 123, and the enlarged-diameter end portion 124a of the filter 124 abuts on a first annular step 129a formed on the inner peripheral surface. As a result, the filter 124 is locked in the first passage 123 while being positioned (see FIG. 6).
[0041]
On the other hand, the throttle member 127 is press-fitted along the inner peripheral surface of the tube forming the first port 16, and an end 127a of the throttle member 127 is formed in the second annular step 129b formed on the inner peripheral surface. The stop member 127 is locked in a state where it is positioned in the first port 16 (see FIG. 6).
[0042]
The enlarged diameter end 124a of the filter 124 is locked by the first annular step 129a, thereby preventing the filter 124 from being further displaced inward in the first passage 123. By mounting the filter 124 inside the first passage 123, it is possible to prevent dust and the like from entering the inside of the first communication chamber 116.
[0043]
Accordingly, dust or the like that has entered the inside of the fuel cell solenoid valve 10 from the first port 16 is in contact with a valve element 126 (described later) disposed inside the first communication chamber 116 or a valve seat 104 described below. The airtightness when the valve element 126 is seated on the seating portion 106 by being attached to the seating portion 106 is prevented, and the dust and the like enter the sliding portion of the shaft 46 so that the shaft 46 can smoothly move. Operation is not hindered, and dust and the like are prevented from flowing out of the second port 18 of the fuel cell solenoid valve 10 to the downstream side of the fuel cell system 200 via a tube (not shown).
[0044]
Further, by disposing the throttle member 127 having the orifice 125 on the upstream side of the filter 124, introduction of excess humidified moisture to the filter 124 side is suppressed, and clogging of the filter 124 is reduced. be able to.
[0045]
A seal member 60b is mounted on the outer peripheral surface of the first port 16 via an annular groove. When a tube (not shown) is attached to the first port 16, the sealing member 60b is sandwiched between the first port 16 and the inner peripheral surface of the tube, and the airtightness of hydrogen flowing inside the tube is maintained.
[0046]
The second valve body 22 is integrally connected to a lower portion of the first valve body 20 via a screw member 82 and a washer 118, as shown in FIGS. As shown in FIGS. 3 to 5, the second valve body 22 has a second communication chamber 84 into which hydrogen is introduced at a substantially central portion, and a second communication chamber 84 formed on a side surface of the second valve body 22. A second port 18 through which the hydrogen introduced into the two communication chamber 84 is led out is formed on a side surface of the second valve body 22 so as to be substantially orthogonal to the second port 18 (see FIG. 2). An air vent port 86 (see FIG. 5) for exhausting the fluid inside 92 (described later) is provided.
[0047]
The second port 18 is formed so as to protrude radially outward from a side surface of the second valve body 22 and communicates with the second communication chamber 84 via a second passage 88 formed therein.
[0048]
A diaphragm 92 sandwiched between the second valve body 22 and a shaft guide 40 (described later) of the solenoid portion 14 is provided in the second communication chamber 84. The diaphragm 92 can be improved in pressure resistance, for example, by having a two-layer integrated structure in which a high-strength base cloth is covered with a thin rubber-like elastic body made of nitrile rubber (NBR). As a result, the durability of the diaphragm 92 can be further improved along with the action of reducing the pressure fluid introduced into the second communication chamber 84.
[0049]
The diaphragm 92 has a substantially central holding portion 94 that is held between a step portion 54 of a shaft 46 (described later) and a press-fit fixing member 93 that is pressed into the enlarged diameter portion 46a of the shaft 46. A bent portion 96 that extends outward in a radial direction and is formed so as to be able to bend freely under the action of displacement of the shaft 46, and a peripheral portion 98 formed at the outer peripheral end of the bent portion 96 (FIG. 7). reference).
[0050]
The substantially central portion of the diaphragm 92 is sandwiched between the step 54 formed on the shaft 46 and the end of the press-fitting fixing member 93 that is press-fitted into the enlarged diameter portion 46a of the shaft 46, thereby achieving a sealing function. The airtightness of the two communication chambers 84 is appropriately maintained, and leakage of the reaction gas to the solenoid portion 14 is prevented.
[0051]
Since the humidified hydrogen introduced from the fuel cell stack 202 (see FIG. 1) contains moisture inside the second communication chamber 84, there is a possibility that moisture may enter the inside of the second communication chamber 84. is there. Also at this time, since the water is prevented from entering the inside of the solenoid portion 14 by the diaphragm 92, the water adhering between the shaft guide 40 and the shaft 46 freezes in a low temperature condition such as a cold region. And the freezing of the water does not hinder the smooth operation of the shaft 46.
[0052]
Further, since the water inside the second communication chamber 84 is reliably prevented from entering the inside of the solenoid portion 14 by the diaphragm 92, the movable core 36 made of a magnetic metal material and the non-magnetic metal material Rust and the like do not occur on the shaft 46 and the durability can be improved.
[0053]
Further, when the shaft 46 slides inside the insertion hole 66 of the shaft guide 40 to generate wear powder, dust such as the wear powder may enter the second communication chamber 84 by the diaphragm 92. Is prevented. As a result, the abrasion powder does not flow from the second communication chamber 84 to the downstream side of the fuel cell system 200 (see FIG. 1) via the second port 18.
[0054]
The space between the bent portion 96 of the diaphragm 92 and the upper surface of the flange portion 62 communicates with the fluid passage 70 via the second communication passage 74 (see FIG. 5).
[0055]
A valve seat 104 having a substantially C-shaped cross section is mounted on an upper portion of the second valve body 22 through an annular concave portion 102, and a peripheral portion thereof is sandwiched between a lower surface of the first valve body 20. At this time, airtightness inside the first valve body 20 is maintained by the seal member 60c mounted in the annular groove on the upper surface of the valve seat 104.
[0056]
The valve seat 104 is formed so as to gradually decrease in diameter upward, and a seat portion 106 on which the valve body 126 is seated is formed substantially horizontally on the upper end surface.
[0057]
A seal member 60d is mounted on the lower surface of the annular concave portion 102 via an annular groove, and the lower surface of the valve seat 104 abuts on the lower surface of the valve seat 104 to seal the inside of the second communication chamber 84 with the inside of the valve seat 104. Holding.
[0058]
Further, the seating portion 106 is provided such that the upper surface thereof is higher than the lower side of the inner peripheral surface of the first passage 123 of the first port 16.
[0059]
The hydrogen introduced from the fuel cell stack 202 (see FIG. 1) into the first communication chamber 116 contains moisture because it is humidified, and the water accumulates inside the first communication chamber 116. There is a risk. At this time, the level of the water accumulated in the first communication chamber 116 is substantially the same as the lower inner peripheral surface of the first passage 123. In other words, the water accumulated inside the first communication chamber 116 does not come into contact with the valve element 126 seated on the seating section 106.
[0060]
Therefore, even if the moisture temporarily freezes inside the first communication chamber 116 in a low temperature condition such as a cold region, the valve 126 and the seat 106 do not freeze due to the moisture, and the low temperature condition does not occur. Even below, the valve element 126 can be reliably displaced under the displacement action of the shaft 46.
[0061]
On the other hand, as shown in FIG. 5, a joint member 108 to which a tube (not shown) is connected is externally attached to the air vent port 86 formed on the side surface of the second valve body 22.
[0062]
Inside the air vent port 86, a third communication passage 110 is formed at a position substantially orthogonal to the air vent port 86 and opposed to the first communication passage 72 formed in the flange portion 62. The third communication passage 110 is formed so as to communicate with the first communication passage 72.
[0063]
That is, the space between the bent portion 96 of the diaphragm 92 and the upper surface of the flange portion 62 is formed inside the joint member 108 via the second communication passage 74, the fluid passage 70, the first communication passage 72, and the third communication passage 110. Is in communication with
[0064]
The joint member 108 is made of a metal material, and a connecting portion 112 to be attached to the air vent port 86 is formed substantially horizontally, and an inclined portion 114 is formed to incline at a predetermined angle upward from the connecting portion 112. Have been. The joint member 108 communicates with the air vent port 86 via a passage 115 formed therein. The joint member 108 is open to the atmosphere via a tube (not shown) connected to the inclined portion 114.
[0065]
Then, as shown in FIGS. 3 to 5, when a current is supplied to the coil 32 of the solenoid unit 14 and the coil 32 is excited, the coil 32 generates heat. In that case, the temperature of the fluid inside the space defined between the bent portion 96 of the diaphragm 92 and the upper surface of the flange portion 62 increases due to the heat generated by the coil 32, and the volume of the fluid increases.
[0066]
At this time, since the space communicates with the atmosphere via the second communication passage 74, the fluid passage 70, the first and third communication passages 72 and 110, and the joint member 108, the fluid expanded inside the space. Is exhausted to the outside.
[0067]
As a result, the diaphragm 92 is displaced upward under the pressure of the fluid expanded inside the space, and the shaft 46 is displaced upward accordingly, whereby the valve element 126 is separated from the seat 106 and the valve is opened. The state can be prevented.
[0068]
A casing 12 made of a magnetic metal material having a substantially U-shaped cross section is integrally connected to a lower portion of the second valve body 22 and has a thin-walled cylinder protruding downward by a predetermined length at a substantially central portion thereof. A part 26 is provided. The inner diameter of the thin cylindrical portion 26 is formed larger than the outer diameter of a movable core 36 described later. In this case, when the movable core 36 is displaced under the excitation action of the solenoid portion 14, the movable core 36 is formed to have a diameter capable of displacing the inside of the thin cylindrical portion 26 along the axial direction.
[0069]
That is, by projecting only the thin cylindrical portion 26 corresponding to the diameter of the movable core 36 that displaces the inside of the casing 12 along the axial direction downward, compared to a case where the entire casing 12 projects downward. The size can be reduced.
[0070]
Further, inside the thin cylindrical portion 26, a spring guide portion 28 protruding upward is formed at a substantially central portion thereof. One end of a first spring member 42 described later is engaged with the spring guide portion 28.
[0071]
Further, on the side surface of the casing 12, a connector portion 30 (see FIGS. 2 and 5) to which a lead wire (not shown) for supplying a current from a power source (not shown) to the solenoid portion 14 is provided.
[0072]
The solenoid portion 14 is disposed inside the casing 12 and has a bobbin 34 around which a coil 32 is wound, and a cylindrical movable core 36 provided to be displaceable along the axial direction under the exciting action of the coil 32. A cover member 38 surrounding the bobbin 34 around which the coil 32 is wound, a shaft guide 40 disposed so as to close an upper end of the casing 12, and a spring guide of the movable core 36 and the casing 12. And a first spring member 42 that is interposed between the thin-walled cylindrical portion 26 and the first spring member 42 and is interposed between the thin-walled cylindrical portion 26 and the movable core 36.
[0073]
The lower surface of the bobbin 34 is disposed so as to be placed on the lower portion of the casing 12, and the inner peripheral diameter of the bobbin 34 is substantially equal to the inner peripheral diameter of the thin cylindrical portion 26 of the casing 12. Is formed.
[0074]
Inside the bobbin 34, a cylindrical movable core 36 made of a magnetic metal material is provided so as to be freely inserted along the axial direction. The outer peripheral surface of the movable core 36 is provided so as to be separated from the inner peripheral surface of the bobbin 34 by a predetermined distance. That is, when the movable core 36 is displaced along the axial direction, the outer peripheral surface of the movable core 36 does not contact the inner peripheral surface of the bobbin 34, and wear is prevented.
[0075]
One end of a long shaft 46 is inserted through a substantially central portion of the movable core 36 through a through hole 44 formed along the axial direction.
[0076]
The shaft 46 has a first shaft 48 formed at one end thereof and inserted into the movable core 36, and a second shaft 50 formed at the other end thereof and engaged with the valve 126. And a third shaft portion 52 formed between the first shaft portion 48 and the second shaft portion 50 and inserted through the inside of the shaft guide 40. An enlarged diameter portion 46 a is formed between the third shaft portion 52 and the second shaft portion 50 via a step 54. In addition, the diameter of the shaft 46 is formed such that the second shaft portion 50, the first shaft portion 48, and the third shaft portion 52 increase in this order.
[0077]
The inner diameter of the through hole 44 is formed to be slightly larger than the diameter of the first shaft portion 48 inserted into the through hole 44. Therefore, when assembling the movable core 36 to the shaft 46, the through hole 44 of the movable core 36 is inserted into the first shaft portion 48, and the upper end surface of the movable core 36 contacts the lower surface of the third shaft portion 52. Contact
[0078]
By interposing the first spring member 42 between the spring receiving hole 56 and the spring guide portion 28, the upper end surface of the movable core 36 is moved to the third axis of the shaft 46 by the spring force of the first spring member 42. It is assembled in a state where it is pressed against the lower surface of the part 52. That is, the movable core 36 can be easily assembled to the shaft 46.
[0079]
The outer peripheral surface of the shaft 46 is coated with fluorine. As a result, when the shaft 46 is displaced, the sliding resistance of the shaft guide 40 with which the third shaft portion 52 slides with the insertion hole 66 is reduced, so that the wear of the shaft 46 and the shaft guide 40 is reduced, Durability can be improved. At the same time, it is possible to suppress the generation of wear powder generated when the shaft 46 slides inside the insertion hole 66.
[0080]
Further, since the fluorine coating applied to the outer peripheral surface of the shaft 46 has a water repellent effect of repelling moisture, moisture does not adhere to the outer peripheral surface of the shaft 46, thereby preventing rust of the shaft 46 and preventing the shaft 46 from being rusted. Can be improved in durability.
[0081]
On the other hand, a spring receiving hole 56 is formed below the through hole 44 of the movable core 36 at a position facing the spring guide portion 28 of the casing 12. The spring receiving hole 56 is formed in a tapered shape that expands radially outward from the through hole 44 and gradually expands downward. The other end of the first spring member 42 engaged with the spring guide portion 28 of the casing 12 is engaged with the spring receiving hole 56.
[0082]
In the upper part of the movable core 36, a convex part 58 protruding by a predetermined length is formed at a substantially central part thereof.
[0083]
The cover member 38 is made of a resin material, and its upper side is sandwiched between the upper part of the bobbin 34 and the shaft guide 40, its lower side is sandwiched between the casing 12 and the lower part of the bobbin 34, and its outer peripheral side is formed. It is sandwiched between the bobbin 34 and the inner peripheral surface of the casing 12. Therefore, the bobbin 34 around which the coil 32 is wound is surrounded by the cover member 38.
[0084]
A seal member 60e is mounted on the lower surface of the cover member 38 via an annular groove. The seal member 60e abuts on the casing 12 to maintain the airtightness of the inside of the casing 12. The inside of the casing 12 is kept airtight by a seal member 60f mounted between the inner peripheral end on the upper side of the shaft guide and the flange portion 62 of the shaft guide 40.
[0085]
The shaft guide 40 is formed of a magnetic metal material and has a substantially T-shaped cross section, and is disposed on an upper side thereof so as to close an upper portion of the casing 12 with a flange portion 62 formed to expand in a radially outward direction. ing. Further, a guide portion 64 whose diameter is reduced in a radially inward direction from the flange portion 62 is formed below the flange portion 62, and the guide portion 64 is inserted into the bobbin 34.
[0086]
At a substantially central portion of the shaft guide 40, a third shaft portion 52 of the shaft 46 is displaceably guided through an insertion hole 66 formed along the axial direction.
[0087]
At this time, the clearance defined between the outer peripheral surface of the third shaft portion 52 and the inner peripheral surface of the insertion hole 66 is minute (for example, in the range of 10 to 50 μm. The operation limit is reached.), Whereby the shaft 46 can be more reliably displaced in the axial direction. Therefore, the valve element 126 can be more reliably seated on the seating section 106, and the seating position of the valve element 126 on the seating section 106 can be stabilized. Thereby, the reseatability of the valve element 126 under a low temperature condition can be improved.
[0088]
A concave portion 68 is formed on the lower surface of the shaft guide 40 at a position facing the convex portion 58 of the movable core 36. The height of the concave portion 68 in the axial direction is substantially equal to or slightly higher than the height of the convex portion 58 in the axial direction. Then, by forming the diameter of the concave portion 68 larger than the diameter of the convex portion 58, the convex portion 58 is inserted into the concave portion 68 under the action of displacing the movable core 36 upward.
[0089]
As shown in FIG. 5, a fluid passage 70 extending in a substantially horizontal direction from the side surface in a radially inward direction is formed inside the flange portion 62.
[0090]
A first communication passage 72 is formed upward on the outer peripheral side of the flange portion 62 so as to be substantially perpendicular to the fluid passage 70, and is formed on the inner periphery so as to be substantially perpendicular to the fluid passage 70. A second communication path 74 is formed upward. The first and second communication passages 72 and 74 communicate with the fluid passage 70, respectively.
[0091]
A spherical plug 76 is press-fitted into the fluid passage 70 from the outer peripheral side of the flange portion 62. That is, since the diameter of the closing plug 76 is formed slightly larger than the diameter of the fluid passage 70, the closing plug 76 is press-fitted into the inside of the fluid passage 70 to communicate with the outside of the fluid passage 70. The state is shut off, and the fluid is prevented from leaking outside from the side surface of the flange portion 62 through the fluid passage 70. The closing plug 76 is pressed into the fluid passage 70 from the first communication passage 72 to the outer peripheral side of the flange portion 62.
[0092]
A hole 78a is formed in the flange 62 along the axial direction, and a columnar locking pin 80 is mounted in the hole 78a. Then, the upper portion of the locking pin 80 attached to the hole 78a is inserted into the hole 78b formed on the lower surface of the first valve body 20. As a result, the positioning of the first valve body 20 with respect to the flange portion 62 is reliably performed.
[0093]
The valve mechanism section 24 is disposed inside the first communication chamber 116 of the second valve body 22 and is displaced under a displacement action along the axial direction of the shaft 46. A second spring member 128 interposed between the cover member 120 and the second spring member 128. The second spring member 128 is formed in a tapered shape that urges the valve element 126 in a direction away from the lid member 120 and that gradually decreases in diameter from the lower surface of the lid member 120 toward the valve element 126. .
[0094]
The valve body 126 has a first groove 130 recessed by a predetermined depth at a position facing the seating portion 106 on the lower surface thereof, and the first groove 130 has a first elastic member formed in an annular shape from an elastic material. 132 is mounted. The elastic material used for the first elastic member 132 retains its elastic characteristics even under a low temperature condition (for example, at 20 ° C. below freezing).
[0095]
When the valve element 126 is displaced downward under the displacement action of the shaft 46 and the first elastic member 132 is seated on the seat 106, the first elastic member 132 is formed of an elastic material. The seat 106 can be seated and securely sealed. The elastic function of the first elastic member 132 does not decrease even in a low temperature condition such as a cold region, so that the first elastic member 132 can be reliably sealed even in a low temperature condition.
[0096]
In addition, a second elastic member 136 made of an elastic material is attached to a substantially central portion of the upper surface of the valve element 126 via a second groove 134 that is recessed by a predetermined depth.
[0097]
That is, when the valve element 126 is displaced upward under the displacement action of the shaft 46, the second elastic member 136 provided on the upper surface of the valve element 126 comes into contact with the stopper portion 122, so that the second elastic member The impact at the time when the valve element 126 abuts can be reduced by the 136, and the impact noise generated when the valve element 126 abuts against the stopper portion 122 can be reduced. In other words, the second elastic member 136 has an absorber function of absorbing an impact when the valve 126 contacts the stopper 122.
[0098]
Further, the first and second elastic members 132 and 136 are provided so as to slightly project in the axial direction from the lower surface and the upper surface of the valve element 126, respectively. That is, by protruding the first elastic member 132 from the lower surface by a predetermined length, the first elastic member 132 can be more securely seated on the seat portion 106 and sealed. After the first elastic member 132 is formed so as to protrude from the lower surface in advance, the contact surface of the first elastic member 132 seated on the seat portion 106 by post-processing such as cutting is processed so as to be substantially planar. You may.
[0099]
That is, irrespective of the state of the contact surface of the first elastic member 132 formed of an elastic material, by making the contact surface substantially flat by post-processing, Sealing can be performed more reliably. Therefore, the contact surface of the first elastic member 132 is securely seated on the seating portion 106, and leakage of hydrogen flowing inside the first communication chamber 116 can be prevented.
[0100]
On the other hand, the contact surface of the first elastic member 132 with the seat portion 106 and the contact surface of the second elastic member 136 with the stopper portion 122 are coated with fluorine. That is, by applying a fluorine coating to the surfaces of the first and second elastic members 132 and 136 made of an elastic material, the abutting surfaces of the first and second elastic members 132 and 136 are respectively brought into contact with the stopper portions 122 under the action of displacement. In addition, it is possible to prevent sticking when coming into contact with the seat portion 106.
[0101]
In addition, since the fluorine coating applied to the first and second elastic members 132 and 136 has a water-repellent effect that repels moisture, it is necessary to prevent moisture from adhering to the first and second elastic members 132 and 136. Can be. That is, even when the solenoid valve 10 for a fuel cell is used in a low-temperature condition such as a cold region, moisture does not adhere to the first and second elastic members 132 and 136 and does not freeze. The smooth operation of 126 is not hindered.
[0102]
The fluorine coating is not limited to being applied only to the contact surfaces of the first and second elastic members 132 and 136, but is applied to the entire surfaces of the first and second elastic members 132 and 136. A fluorine coating may be applied, or the entire first and second elastic members 132 and 136 may be formed of a fluorine-based rubber material.
[0103]
Further, the first groove 130 formed on the upper surface of the valve element 126 and the second groove 134 formed on the lower surface of the valve element 126, as shown in FIGS. It communicates via a molding passage 138 formed along the axial direction. That is, when forming the first and second elastic members 132 and 136, by filling one of the first groove portion 130 and the second groove portion 134 with an elastic material, the elastic material is formed through the molding passage 138. The second or first groove 130 is also filled. As a result, the first and second elastic members 132 and 136 can be integrally molded via the molding passage 138, so that the cost can be reduced and the first and second elastic members 132 and 136 can be formed. The molding process can be shortened.
[0104]
Since the first and second elastic members 132 and 136 are connected by the elastic material filled in the molding passage 138, the first and second elastic members 132 and 136 are respectively connected by the connection portions. The first groove 130 and the second groove 134 are prevented from falling off.
[0105]
An engagement hole 140 is formed at a substantially central portion of the lower surface of the valve element 126, and a second shaft portion 50 formed at the other end of the shaft 46 is inserted into the engagement hole 140. ing. Since the diameter of the engagement hole 140 is formed to be larger than the diameter of the second shaft portion 50, the diameter between the outer peripheral surface of the second shaft portion 50 and the inner peripheral surface of the engagement hole 140 is larger. Engaged with radial clearance.
[0106]
At this time, since the second spring member 128 is formed in a tapered shape whose diameter decreases from the lid member 120 toward the valve body 126, the spring force of the second spring member 128 causes the valve body 126 to The direction in which the valve body 126 is pressed upward and the direction in which the valve body 126 is pressed radially inward from the outer peripheral side are urged together.
[0107]
Further, the pressing force is constantly applied to the upper portion of the shaft 46 through the engagement hole 140 by the second spring member 128 and the valve body 126 is constantly pressed inward in the radial direction. The upper part of the shaft 46 engaged with the hole is suitably held inside the engagement hole 140. Therefore, the upper portion of the shaft 46 engaged inside the engagement hole 140 does not come off from the engagement hole 140.
[0108]
As a result, even when the shaft 46 that is displaced under the excitation action of the solenoid portion 14 is inclined with respect to the axis for some reason, the valve element 126 can maintain the clearance defined between the engagement hole 140 and the shaft 46. Thereby, the inclination of the shaft 46 can be absorbed. Therefore, when the shaft 46 is inclined, the valve element 126 can be reliably seated on the seat 106 by the spring force of the second spring member 128 without being affected by the inclination of the shaft 46.
[0109]
Similarly, even when the valve element 126 is inclined with respect to the axis for some reason, the inclination of the valve element 126 can be absorbed by the clearance defined between the engagement hole 140 and the shaft 46. Therefore, when the shaft 46 is displaced in the axial direction, the shaft 46 can be displaced smoothly along the axial direction without being affected by the inclination of the valve element 126.
[0110]
The fuel cell solenoid valve 10 according to the embodiment of the present invention is basically configured as described above. Next, the operation and the effect of the solenoid valve 10 will be described.
[0111]
As shown in FIG. 1, in the fuel cell system 200, the first port 16 of the fuel cell solenoid valve 10 is connected to a hydrogen outlet 218 for exhausting hydrogen inside the fuel cell stack 202 via a tube (not shown). (See FIG. 1).
[0112]
FIG. 3 shows a non-excited state in which current is not supplied from the connector section 30 to the coil 32, and the first elastic member 132 of the valve element 126 is seated on the seating section 106 and the second port 18 and the first port 16 shows an OFF state (a valve closed state) in which the communication with the valve 16 is interrupted.
[0113]
In such an off state, the coil 32 is excited by energizing a power supply (not shown) to energize the coil 32, and the magnetic flux moves from the coil 32 to the movable core 36 under the exciting action, and is again applied to the coil 32. It occurs so that it returns and goes around.
[0114]
Then, as shown in FIG. 4, the movable core 36 is displaced upward along the axial direction, and the valve element 126 is moved by the spring force of the second spring member 128 via the shaft 46 inserted through the movable core 36. Away from the seating portion 106 in response to the pressure.
[0115]
At this time, the valve element 126 is displaced upward and the second elastic member 136 comes into contact with the stopper portion 122, so that the impact on the valve element 126 is buffered by the second elastic member 136 and at the time of contact. The generated impact noise is reduced.
[0116]
As a result, the fuel cell solenoid valve 10 switches from the off state to the on state (valve open state). Accordingly, excess hydrogen inside the fuel cell stack 202 is drawn out from the hydrogen outlet 218 of the fuel cell stack 202, and the hydrogen is introduced from the first port 16 via a tube (not shown). The hydrogen introduced from the first port 16 is throttled to a predetermined flow rate by the orifice 125 of the throttle member 127 and decompressed, and then from the first communication chamber 116 to the second communication chamber 84 via the inside of the valve seat 104. Through the second port 18.
[0117]
Further, in such an ON state, when the valve element 126 is again seated on the seating portion 106 and the communication between the second port 18 and the first port 16 is cut off, the coil power is supplied from a power source (not shown). By stopping the current supplied to the coil 32, the coil 32 is de-energized, and the movable core 36 is displaced downward. At substantially the same time, the valve element 126 is pressed downward by the spring force of the second spring member 128. The valve element 126 is seated on the seat 106 by the spring force of the second spring member 128, so that the communication between the second communication chamber 84 and the first communication chamber 116 is interrupted. That is, the communication between the second port 18 and the first port 16 is interrupted.
[0118]
In the present embodiment, a throttle member 127 having an orifice 125 is provided in the first port 16 on the upstream side of the filter 124, so that the pressure fluid flowing from the first port 16 toward the second port 18 can be reduced. The flow rate is reduced and the pressure fluid is reduced. Therefore, it is possible to reduce the load applied to the diaphragm 92 provided in the second communication chamber 84, to prevent the diaphragm 92 from being deformed beyond an allowable range, and to improve the durability of the diaphragm 92. Can be.
[0119]
Further, in the present embodiment, the introduction of excess humidified moisture to the filter 124 side by the throttle member 127 is suppressed, so that the filter 124 can be prevented from being clogged.
[0120]
Further, in the present embodiment, the filter 124 is mounted by press-fitting the enlarged-diameter end portion 124a of the filter 124 until it abuts against the first annular step portion 129a, and the end portion 127a of the throttle member 127 is connected to the second annular step portion 129a. The throttle member 127 is mounted in series coaxially with the filter 124 by press-fitting until it abuts on the filter 129b. Accordingly, since the press-fitted portions of the filter 124 and the throttle member 127 and the first and second annular step portions 129a and 129b for locking the filter 124 and the throttle member 127 can be coaxially processed, the workability can be improved. In addition, by making the press-fitting directions coincide with each other, the assembling process is facilitated, and good assembling properties can be obtained.
[0121]
Furthermore, in the present embodiment, for example, the pressure resistance is improved by providing a diaphragm 92 having a two-layer integrated structure in which a high-strength base cloth is covered with a thin rubber-like elastic body made of nitrile rubber (NBR). be able to. Therefore, the durability of the diaphragm 92 can be further improved in cooperation with the pressure reducing action of the pressure fluid by the throttle member 127 having the orifice 125.
[0122]
Further, in the present embodiment, substantially the center of the diaphragm 92 is sandwiched between the step portion 54 formed on the shaft 46 and the end of the press-fit fixing member 93 which is press-fitted into the enlarged diameter portion 46a of the shaft 46. Thereby, a sealing function is exhibited, and the airtightness of the second communication chamber 84 can be suitably maintained.
[0123]
Further, in the present embodiment, by providing the valve element 126 inside the first valve body 20 coaxially with the axis of the solenoid portion 14, the valve element 126 is introduced into the second valve body 22 via the valve element 126. The dust contained in the reaction gas can be prevented from entering the inside of the solenoid portion 14 by the diaphragm 92. At this time, by providing the valve element 126 upstream of the reaction gas flowing from the first port 16 to the second port 18 with respect to the diaphragm 92, the diaphragm 92 is disposed at a lower pressure than the valve element 126. Therefore, the influence of the pressure applied to the diaphragm 92 can be suppressed. Therefore, the size of the solenoid 14 for displacing the shaft 46 via the movable core 36 can be reduced.
[0124]
Furthermore, in the present embodiment, the orifice 125 formed in the throttle member 127 is disposed at a predetermined distance from the seating portion 106 in a substantially horizontal direction. That is, if the position of the orifice 125 is too close to the seat portion 106 of the valve element 126, an ejector action (suction action) is performed, so that the throttle action of the orifice 125 cannot be made appropriate. Therefore, the orifice 125 and the seat 106 formed on the throttle member 127 may be arranged at positions separated by a predetermined distance so that the ejector action is not exerted. In this case, for example, by disposing a filter 124 between the throttle member 127 and the seating portion 106 which are separated by a predetermined distance, the separation space can be effectively used, and the size can be reduced.
[0125]
Although the fuel cell solenoid valve 10 according to the present embodiment is described using surplus hydrogen exhausted from the hydrogen discharge unit 216 as a reaction gas, the present invention is not limited to this. The air exhausted from the discharge unit 208 may be used.
[0126]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following effects can be obtained.
[0127]
That is, by disposing a throttle member having an orifice at the first port on the upstream side of the filter, the flow rate of the reaction gas flowing from the first port toward the second port is reduced, and the reaction gas is depressurized. Is done. Therefore, it is possible to reduce the load applied to the diaphragm provided in the flow path of the reaction gas, prevent the diaphragm from being deformed beyond an allowable range, and improve the durability of the diaphragm. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system incorporating a fuel cell solenoid valve according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the solenoid valve for a fuel cell according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view taken along the line III-III of FIG. 2;
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a valve opened state of the fuel cell solenoid valve in FIG. 3;
FIG. 5 is a longitudinal sectional view taken along line VV of FIG. 2;
FIG. 6 is an enlarged vertical cross-sectional view of a diaphragm member attached to a first port shown in FIG.
FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view of a part of the diaphragm and the shaft shown in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell solenoid valve 12 ... Casing 14 ... Solenoid part 16 ... 1st port 18 ... 2nd port 24 ... Valve mechanism 32 ... Coil 40 ... Shaft guide 42 ... 1st spring member 46 ... Shaft 62 ... Flange 70 ... fluid passage 92 ... diaphragm 104 ... valve seat 106 ... seating part 124 ... filter 125 ... orifice 126 ... valve element 127 ... throttle member 129a, 129b ... annular stepped part

Claims (4)

燃料電池から反応ガスを排気する燃料電池用電磁弁において、
前記反応ガスが導入される第１ポートと、前記第１ポートから導入された反応ガスが排気される第２ポートとを有する本体部と、
前記本体部と連結されるケーシングの内部に配設され、電流により励磁作用を伴うソレノイド部と、
前記ソレノイド部の励磁作用下に軸線方向に沿って変位するシャフトと、
前記ケーシングに連結される前記本体部の内部に配設され、前記シャフトの一端部に係合される弁体と、
前記弁体が前記シャフトの変位作用下に着座・離間する弁座と、
前記シャフトに係着されて該シャフトの変位動作に伴って撓曲するダイヤフラムと、
前記第１ポートに配設され、導入される反応ガスの流量を絞るオリフィスが形成された絞り部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池用電磁弁。In a fuel cell solenoid valve for exhausting a reaction gas from a fuel cell,
A main body having a first port through which the reaction gas is introduced, and a second port through which the reaction gas introduced from the first port is exhausted;
A solenoid portion disposed inside a casing connected to the main body portion and having an exciting action by an electric current;
A shaft that is displaced along an axial direction under an exciting action of the solenoid portion,
A valve body disposed inside the main body connected to the casing and engaged with one end of the shaft;
A valve seat in which the valve body is seated and separated under the displacement action of the shaft,
A diaphragm that is engaged with the shaft and bends with a displacement operation of the shaft;
A restricting member provided at the first port and having an orifice formed to restrict the flow rate of the introduced reaction gas;
An electromagnetic valve for a fuel cell, comprising: 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
前記第１ポートには弁体が配設された室に連通する通路が形成され、前記通路にはフィルタが装着され、絞り部材は、前記フィルタの上流側に隣接して配設されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。The solenoid valve for a fuel cell according to claim 1,
A passage communicating with a chamber provided with a valve body is formed in the first port, a filter is mounted in the passage, and a throttle member is arranged adjacent to an upstream side of the filter. Characteristic solenoid valve for fuel cell. 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
前記ダイヤフラムは、基布を薄肉の弾性材料によって被覆して形成され、該ダイヤフラムの略中央は、シャフトの段差部と、前記シャフトの拡径部に圧入される圧入固定部材とによって挟持されることを特徴とする燃料電池用電磁弁。The solenoid valve for a fuel cell according to claim 1,
The diaphragm is formed by coating a base cloth with a thin elastic material, and a substantially center of the diaphragm is sandwiched by a step portion of the shaft and a press-fit fixing member that is press-fitted into the enlarged diameter portion of the shaft. An electromagnetic valve for a fuel cell, comprising: 請求項１記載の燃料電池用電磁弁において、
前記弁体は、前記ソレノイド部の軸線と同軸上で前記本体部の内部に設けられるとともに、前記弁体を前記ダイヤフラムよりも前記第１ポートから前記第２ポートへと流通する反応ガスの上流側に設けられることを特徴とする燃料電池用電磁弁。The solenoid valve for a fuel cell according to claim 1,
The valve element is provided inside the main body on the same axis as the axis of the solenoid portion, and the valve element is located on the upstream side of the reaction gas flowing from the first port to the second port with respect to the diaphragm. An electromagnetic valve for a fuel cell, comprising:

Images