JP2007280819A - 流量制御弁および燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムに用いられる空気の流量制御弁において、バルブシャフトの動作の安定化を図りつつ、バルブシャフトの凍結による固着を防止する上で有効な技術を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１０中を流れる空気の流量を制御するべく配置される本発明の流量制御弁１００は、流路１２１を開閉する弁部材１１７と、軸方向の一方側で弁部材１１７を支持し、軸方向あるいは軸方向回りに摺動動作することによって弁部材を開閉動作するバルブシャフト１１５と、バルブシャフト１１５を摺動自在に支持するシャフトガイド１２５と、バルブシャフト１１５を介して弁部材１１７を開閉動作するモータ１１１と、を有し、流路１２１内を流れる空気が当該流路１２１からシャフトガイド１２５とバルブシャフト１１５間の間隙Ｃに浸入することを抑えるシール部材１２７を更に有する構成とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムに用いられ、燃料電池システムを流れる水分を含む流体の流量制御弁に関する。

燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムにおいては、燃料電池に空気を供給する空気供給管路上に、空気の流量を制御する流量制御弁が配置されている。空気供給管路上に配置される流量制御弁は、燃料電池に供給される空気の流量を調整する。このような流量制御弁は、例えば特開２０００−１６３１３４号公報（特許文献１）に開示されている。公報に記載の流量制御弁は、電動モータの回転駆動力がネジ送り機構を介してバルブシャフトの直線運動に変換され、当該バルブシャフトの軸方向の直線動作によって弁部材が開閉動作する構成である。

上記のように、バルブシャフトが直線動作して弁部材を開閉動作する構成の場合、閉じた状態でのシート面（弁部材とバルブシートとの接触面）の気密性を得るには、バルブシャフトの直進性が重要になる。バルブシャフトの直進性を保持するには、バルブシャフトとバルブハウジング間にバルブシャフトを摺動自在に支持するシャフトガイド（ブッシュ）を設けることが好適である。シャフトガイドを設けることによって、バルブシャフトの直線動作の安定化を図ることが可能となる。この場合、バルブシャフトとバルブガイド間には、両部材の相対移動を許容するための微少な間隙が存在することから、流量制御弁の流路側の圧力が大気圧よりも高い正圧の場合、流路側の空気が上記の間隙を通って流路の外部へ流れることとなる。
ところで、燃料電池に供給される空気は、発電効率を高めるべく加湿されている。したがって、氷点下を超える寒冷地で使用した場合、燃料電池システムの停止時において、上記間隙に浸入した空気に含まれている水分の凍結によってバルブシャフトとバルブガイドが互いに固着し、始動時における流量制御弁の正常な動作が妨げられる可能性がある。
特開２０００−１６３１３４号公報

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムに用いられる空気の流量制御弁において、バルブシャフトの動作の安定化を図りつつ、バルブシャフトの凍結による固着を防止する上で有効な技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するため、特許請求の範囲の各請求項に記載の発明が構成される。
請求項１に記載の発明に係る流量制御弁は、酸素と水素との化学反応によって電気を発生する燃料電池を有する燃料電池システムで使用され、当該燃料電池システム中を流れる空気の流量を制御する。本発明における「流量制御弁」は、典型的には、燃料電池に供給される空気の流量を調整するべく、空気供給装置と燃料電池とをつなぐ空気供給管路上に設けられるが、この態様に限られず、燃料電池から排出された排気ガスを空気供給管路上に配置された加湿器に導く排気ガス管路と、当該排気ガス管路から分岐され、前記加湿器を経由することなく排気ガスを外部へ排出する排気バイパス管路とを備えた構成において、前記排気バイパス管路上に設ける態様を好適に包含する。
本発明の流量制御弁は、空気が流れる流路と、流路を開閉する弁部材と、軸方向の一方側が流路内に延長されて当該延長側で弁部材を支持するとともに、軸方向あるいは軸方向回りに摺動動作することによって弁部材を開閉動作させるバルブシャフトと、を有する。本発明における「開閉動作」としては、典型的には、弁部材がバルブシャフトとともに当該バルブシャフトの軸方向に直線動作することで流路を開閉する態様がこれに該当するが、これに限らず、バルブシャフトとともに当該バルブシャフトの軸方向回りに回転動作することで流路を開閉する態様も好適に包含する。

また本発明の流量制御弁は、バルブシャフトを摺動自在に支持するシャフトガイドと、バルブシャフトの軸方向の他方側に配置されるとともに、当該バルブシャフトを介して弁部材を開閉動作するモータと、流路を流れる空気が当該流路からシャフトガイドとバルブシャフト間の間隙に浸入することを抑えるシール部材とを有する。本発明における「摺動」の態様としては、バルブシャフトの軸方向の直線動作によって摺動する態様、あるいはバルブシャフトの軸方向回りの回転動作によって摺動する態様のいずれも好適に包含する。また本発明における「シール部材」としては、Ｏリング、オイルシール、ベローズ、ダイヤフラム等、各種シール部材を広く包含する。
本発明によれば、バルブシャフトをシャフトガイドによって摺動自在に支持する構成のため、バルブシャフトの軸方向の直線動作あるいは軸方向周りの回転動作の安定化を図ることができる。またシール部材によって流路を流れる空気がバルブシャフトとシャフトガイド間の間隙に流入することを抑えている。このため、氷点下を超えるような寒冷地で燃料電池システムを使用した場合において、燃料電池システムの停止時に、上記間隙に浸入した空気に含まれている水分が凍結することによるバルブシャフトとシャフトガイドとの固着を防止し、始動時における流量制御弁の正常な動作を維持することが可能となる。また水分を含む空気がモータ側に浸入することに起因するモータの故障を防止することができる。またシャフトガイドおよびバルブシャフトが金属製であれば、防錆効果を得ることができる。

（請求項２に記載の発明）
請求項１に記載の流量制御弁におけるシール部材は、シャフトガイドの軸方向における流路側、すなわちシャフトガイドの軸方向における流路との対向面側に配置された構成とされる。この場合、シール部材は、シャフトガイドの軸方向端面に対して接触した状態で配置される態様、あるいは離間した状態で配置される態様のいずれも好適に包含する。このような配置とすることで、シャフトガイドとバルブシャフト間の間隙の全長にわたって空気が浸入することを抑えることができる。

（請求項３に記載の発明）
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の流量制御弁において、シール部材が装着されるハウジングを有する。そして当該ハウジングには、シール部材の流路側に所定の容積を有する空間部が形成された構成とされる。なお本発明における「所定の容積」とは、シール部材の体積に相当する広さの容積、あるいはシール部材の体積よりも広い容積、または狭い容積のいずれであっても構わない。なお本発明における「空間部」は、バルブシャフトが軸方向に摺動する形式の流量制御弁に好適に用いられる。すなわち、本発明によれば、上記のような空間部を設けることで、当該空間部を、燃料電池システムの起動時において、バルブシャフトの外周に付着した霜がバルブシャフトの軸方向への移動に伴いシール部材によって削ぎ落とされた際、当該削ぎ落とされた霜の溜まり場とすることができる。

（請求項４に記載の発明）
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか１つに記載の流量制御弁において、シール部材が装着されるハウジングを有する。そしてシール部材の流路側側面と流路との間において、バルブシャフトの外周面と、当該バルブシャフトが貫通するハウジングの貫通孔内周面との間には、迷路構造が形成された構成とされる。本発明によれば、迷路構造を設けたことによって流路側の空気がシール部材側へ浸入し難くなり、シール部材によるシール効果をより向上することができる。

（請求項５に記載の発明）
請求項５に記載の発明に係る流量制御弁は、酸素と水素との化学反応によって電気を発生する燃料電池を有する燃料電池システムで使用され、当該燃料電池システム中を流れる空気の流量を制御する。本発明における「流量制御弁」は、典型的には、燃料電池に供給される空気の流量を調整するべく、空気供給装置と燃料電池とをつなぐ空気供給管路上に設けられるが、この態様に限られず、燃料電池から排出された排気ガスを空気供給管路上に配置された加湿器に導く排気ガス管路と、当該排気ガス管路から分岐され、前記加湿器を経由することなく排気ガスを外部へ排出する排気バイパス管路とを備えた構成において、当該排気バイパス管路上に設ける態様を好適に包含する。
本発明における流量制御弁は、空気が流れる流路と、流路が形成されたハウジングと、流路を開閉する弁部材と、軸方向の一方側が流路内に延長されて当該延長側で弁部材を支持するとともに、軸方向あるいは軸方向回りに摺動動作することによって弁部材を開閉動作させるバルブシャフトと、を有する。本発明における「開閉動作」としては、典型的には、弁部材がバルブシャフトともに当該バルブシャフトの軸方向に直線動作することで流路を開閉する態様がこれに該当するが、これに限らず、バルブシャフトともに当該バルブシャフトの軸方向回りに回転動作することで流路を開閉する態様も好適に包含する。

また本発明の流量制御弁は、ハウジングに装着されるとともに、バルブシャフトを摺動自在に支持するシャフトガイドと、バルブシャフトの軸方向の他方側に配置されるとともに、当該バルブシャフトを介して弁部材を開閉動作するモータと、流路内の空気の一部を外部へ流出する連通路と、を有する。そして連通路は、シャフトガイドとハウジング間に形成された構成とされる。本発明によれば、シャフトガイドとハウジングとの間に、流路内の空気の一部を外部に流出する連通路を設けたことにより、バルブシャフトとシャフトガイド間の間隙に近接した部位に、流路から外部へと流れる積極的な空気流れを形成することができる。これにより、間隙へは空気が流れ難くなる。このため、氷点下を超えるような寒冷地で燃料電池システムを使用した場合において、燃料電池システムの停止時に、上記間隙に浸入した空気に含まれている水分が凍結することによるバルブシャフトとシャフトガイドとの固着を防止し、始動時における流量制御弁の正常な動作を維持することが可能となる。また本発明によれば、バルブシャフトの摺動動作に影響しない構成であり、このため、例えばシール部材を用いる構成に比べてバルブシャフトの摺動抵抗が増加することもない。また部品点数が増加することもなく、コストアップを抑えることができる。またシャフトガイドおよびバルブシャフトが金属製であれば、防錆効果を得ることができる。

（請求項６に記載の発明）
請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の流量制御弁における連通路は、シャフトガイドとバルブシャフト間の間隙よりも大きい開口断面積を有する構成とされる。連通路の開口断面積を上記のように設定することで当該連通路を経て外部へと流出する空気流れが形成される結果、間隙側への空気の流入が抑制あるいは減少される。

（請求項７に記載の発明）
請求項７に記載の発明によれば、請求項５または６に記載の流量制御弁における連通路は、シャフトガイドまたはハウジングのいずれか一方に形成された構成とされる。本発明によれば、例えばシャフトガイドの外面、あるいはハウジングの孔内面のいずれか一方に軸方向に延びる単一あるいは複数の溝を設けることによって連通路を簡単に構成することができる。

（請求項８に記載の発明）
請求項８に記載の発明によれば、燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、燃料電池に水素を供給する水素供給装置と、空気供給装置と燃料電池とをつなぐ空気供給管路上、あるいは燃料電池から排出される排気ガスの排気ガス管路に設けられ、空気供給管路を流れる空気、あるいは排気ガス管路を流れる排気ガスの流量を制御する流量制御弁と、を有する燃料電池自動車が構成される。そして流量制御弁として請求項１〜７のいずれか１つに記載の流量制御弁を用いている。

請求項１〜７に記載の発明によれば、燃料電池システムに用いられる空気の流量制御弁において、バルブシャフトの動作の安定化を図りつつ、バルブシャフトの凍結による固着を防止する上で有効な技術が提供されることとなった。
また請求項８に記載の発明によれば、バルブシャフトの動作の安定化を図りつつ、バルブシャフトの凍結による固着を防止する上で有効な流量制御弁を有する燃料電池システムを備えた燃料電池自動車が提供される。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態につき、図面を参照しつつ、詳細に説明する。本実施の形態に係る流量制御弁は、燃料電池自動車に搭載されている燃料電池システムに空気を供給する流量制御弁として用いている。先ず燃料電池システムの概略構成につき、図１を参照しつつ説明する。

燃料電池システム１０は、水素と酸素を反応させて発電するシステムである。燃料電池自動車は、燃料電池システム１０によって発電された電力を走行モータに供給することによって走行する。燃料電池システム１０は、酸素と水素を用いて発電する燃料電池３０と、燃料電池３０に水素を供給する水素ボンベ１２と、燃料電池３０に空気を供給する空気供給装置３２を備えている。
水素ボンベ１２と燃料電池３０の間には、水素ボンベ１２から燃料電池３０まで水素を案内する水素流路５０が備えられている。水素流路５０には、燃料電池３０に供給される水素を所定の圧力まで調圧する調圧弁４０が設けられている。

燃料電池３０には、空気配管５４を介して空気供給装置３２が接続されている。空気供給装置３２は、コンプレッサや加湿モジュール等から構成され、燃料電池３０に加湿された空気を送り込む。空気配管５４には、燃料電池３０に供給される空気の流量を制御する流量制御弁１００が設けられている。燃料電池３０は、水素ボンベ１２からの水素と、空気供給装置３２から送り込まれる空気中の酸素とを電気的に反応させて発電する。燃料電池３０で発電された電力は、燃料電池自動車の駆動（走行）エネルギーとなる。燃料電池３０において生成された水および反応に寄与しなかった空気は、排気管路５１から排気ガスとしてバルブ５２を介して外部へ排出される。

本実施の形態に係る流量制御弁は、図１に示された燃料電池システム１０中を流れる空気の流量を制御する流量制御弁１００として用いられる。

以下、本実施の形態に係る空気の流量制御弁１００につき、図２および図３を参照しつつ説明する。図２は流量制御弁１００の全体構成を示す断面図である。図３は流量制御弁１００の流路開閉機構部１１３を示す模式図である。流量制御弁１００は、当該流量制御弁１００の外郭を構成する本体部１０１を有する。本体部１０１は、モータ１１１を収容するモータハウジング１０３と、流路開閉用の流路開閉機構部１１３を収容するバルブボディ１０５とを主体として構成される。バルブボディ１０５は、本発明における「ハウジング」に対応する。

流路開閉機構部１１３は、バルブシャフト１１５の軸方向一端部に接合された可動弁１１７と、当該可動弁１１７が当接可能に対向するバルブシート１１９とを主体にして構成される。バルブシャフト１１５は、本発明における「バルブシャフト」に対応し、可動弁１１７は、本発明における「弁部材」に対応する。バルブボディ１０５には空気の流路１２１が形成されている。流路１２１は、入口側ポート１２１ａおよび出口側ポート１２１ｂを有する。両ポート１２１ａ，１２１ｂ間には可動弁１１７によって開閉される開口部１２１ｃが形成され、開口部１２１ｃの周縁部にはバルブシート１１９が形成されている。入口側ポート１２１ａは、空気供給装置３２に接続され、出口側ポート１２１ｂは、燃料電池３０に接続される。可動弁１１７は、バルブシート１１９のシート面に対して直角方向に移動するポペット弁であり、バルブシャフト１１５との接合側にテーパー面１１７ａを有し、このテーパー面１１７ａがバルブシート１１９から離間することによって開口部１２１ｃを開放し、テーパー面１１７ａがバルブシート１１９に当接することによって開口部１２１ｃを閉じる。なお図２に示す構造では、空気の流れ方向が可動弁１１７の開き動作方向となる態様で使用する場合を示すが、空気の流れ方向が逆の場合、すなわち可動弁１１７の閉じ動作方向に流れる態様でも使用可能である。この使用態様は、フェイルセーフの面から好ましい。

可動弁１１７を支持するバルブシャフト１１５は、開度調整手段としてのモータ１１１とネジ送り機構１２３を介して連結されており、モータ１１１の回転出力がネジ送り機構１２３を介して直線運動に変換され、バルブシャフト１１５に伝達される構成とされる。すなわち、モータ１１１が正転方向（右回り）または逆転方向（左回り）に通電駆動されると、バルブシャフト１１５は、ネジ送り機構１２３を介して軸方向に直線動作して可動弁１１７をバルブシート１１９に当接あるいは離間し、開口部１２１ｃを開放または閉じる構成とされる。なおモータ１１１およびネジ送り機構１２３については、周知の技術事項に属するため、その詳細な構成作用の説明は、便宜上省略する。

バルブシャフト１１５は、軸方向の一端側（図２の下側、図３の左側）が流路１２１側へと延長され、その延長端部に可動弁１１７が接合されている。なお可動弁１１７とバルブシャフト１１５は、一体に形成しても構わない。バルブシャフト１１５の他端側は、バルブボディ１０５のモータ１１１側の内部空間１０５ａへと延在されるとともに、その延在端部側においてネジ送り機構１２３と連結されている。バルブボディ１０５にはバルブシャフト１１５を保持するための筒状部１０５ｂが形成されている。筒状部１０５ｂの筒孔には円筒状の金属製のブッシュ１２５が圧入固定され、このブッシュ１２５にバルブシャフト１１５が軸方向に摺動自在に貫通されている。これにより、軸方向に直線動作するバルブシャフト１１５の直進性が保持されている。そしてバルブシャフト１１５の直進性が保持されることで、可動弁１１７がバルブシート１１９に当接された閉弁状態での可動弁１１７とバルブシート１１９間の気密性を得ることが可能となる。ブッシュ１２５は、本発明における「シャフトガイド」に対応する。

空気供給装置３２から燃料電池３０へと送られる空気は、エアポンプあるいはコンプレッサを用いた加圧方式によって送られる。このため、燃料電池システム１０の駆動状態においては、流路１２１内の圧力は大気圧よりも高い圧力となる。一方、バルブシャフト１１５の外周面とブッシュ１２５の内周面との間には、バルブシャフト１１５の摺動動作を許容するべく所定の微少な間隙Ｃが設定される。このため、流路１２１内を流れる空気は、上記の間隙Ｃを経て外部側（バルブボディ１０５の内部空間１０５ａ）へと浸入する。流路１２１に流入する空気は、前述したように、空気供給装置３２において加湿モジュールにより加湿されており、大気中の空気に比べて湿度が高い。このため、氷点下を超えるような寒冷地では、燃料電池自動車が停止しているときに、流路１２１から間隙Ｃへと浸入した空気に含まれる水分が当該隙間Ｃ内で凍結することによってバルブシャフト１１５とブッシュ１２５が互いに固着する可能性がある。そしてバルブシャフト１１５とブッシュ１２５が固着したときは、始動時における流量制御弁１００の正常な作動が妨げられ、燃料電池システム１０の始動性に影響する可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、筒状部１０５ｂにシール部材１２７を配置することで間隙Ｃへの空気の浸入を抑える構成とした。なお間隙Ｃに対する浸入の抑制対象は、実質的には水分である。シール部材１２７としては、本実施の形態では、Ｏリングあるいはオイルシールを用いるが、これに変えて、ベローズ、あるいはダイヤフラム等を好適に用いることができる。シール部材１２７は、ブッシュ１２５の軸方向一端側であって、かつ流路１２１と対向する側面側に配置されている。シール部材１２７は、筒状部１０５ｂの内周面とバルブシャフト１１５の外周面との間の間隙をシールし、流路１２１内を流れる空気がブッシュ１２５側へ流れることを防止する。シール部材１２７は、本発明における「シール部材」に対応する。

上記のように、本実施の形態によれば、バルブシャフト１１５をブッシュ１２５によって摺動自在に支持する構成において、ブッシュ１２５の軸方向における流路１２１との対向面側にシール部材１２７を設け、流路１２１を流れる空気がバルブシャフト１１５とブッシュ１２５間の間隙Ｃに浸入することを抑える構成としている。このことによって、氷点下を越えるような寒冷地で燃料電池自動車を使用する場合において、バルブシャフト１１５の摺動動作の安定性を保持しつつ流路１２１を流れる空気がバルブシャフト１１５とブッシュ１２５間の間隙Ｃに浸入することに起因する凍結を防止できる。その結果、バルブシャフト１１５とブッシュ１２５が固着することを防止し、始動時における流量制御弁１００の正常な動作を得ることが可能となる。また上記のように流路１２１を流れる空気がブッシュ１２５側に浸入することを回避できる結果、当該ブッシュ１２５の錆付きを防止することができるとともに、流路１２１を流れる空気がモータ１１１側に浸入することに起因する当該モータ１１１の故障を防止し、さらにはネジ送り機構１２３に対する悪影響をも回避できる。

図４には本実施の形態に係る流量制御弁１００の流路開閉機構部１１３に関する変形例が模式図として示される。図示のように、この変形例においては、バルブボディ１０５の筒状部１０５ｂは、シール部材１２７の流路側側面に臨む箇所に所定の容積を有する空間部１３１を有する構成とされる。このような構成の変形例によれば、氷点下を越えるような寒冷地で燃料電池自動車を使用した場合において、燃料電池システムの起動時において、バルブシャフト１１５の外周に付着した霜が当該バルブシャフト１１５の軸方向への移動に伴いシール部材１２７によって削ぎ落とされた際、空間部１３１を当該削ぎ落とされた霜の溜まり場とすることができる。すなわち、燃料電池システムの停止状態において、バルブシャフト１１５の流路１２１に位置する部位に霜が付着した場合、燃料電池システム１０の起動とともに流量制御弁のバルブシャフト１１５が軸方向（図４において右側）に摺動動作されるとき、当該バルブシャフト１１５が貫通しているバルブボディ１０５のガード（孔縁部分）１０５ｃによって霜の大部分が削ぎ落され、またガード１０５ｃによって削ぎ落とされなかった霜の一部がシール部材１２７によって削ぎ落とされる。そして空間部１３１は、シール部材１２７によって削ぎ落とされた霜の溜まり場となる。したがって、空間部１３１については、シール部材１２７によって削ぎ落とされた霜を受容し得る容積を有するように設定される。すなわち、空間部１３１の容積は、バルブシャフト１１５の外周面とガード１０５ｃの内周面（孔内周面）間の断面積にバルブシャフト１１５のストローク量を乗じた数値以上の大きさに設定される。

また図５には本実施の形態に係る流量制御弁１００の流路開閉機構部１１３に関する変形例が模式図として示される。図示のように、この変形例においては、シール部材１２７の流路側側面と流路１２１との間において、バルブシャフト１１５の外周面と、バルブボディ１０５の筒状部１０５ｂの筒孔内周面との間には、迷路構造（ラビリンスシール）１３３が形成された構成とされる。筒孔内周面は、本発明における「貫通孔内周面」に対応する。迷路構造１３３は、例えば内径（孔径）が異なる大径リング１３３ａと小径リング１３３ｂとをバルブボディ１０５の筒状部１０５ｂに対して軸方向に交互に積層状に圧入することによって形成することができる。このようにして、各リング１３３ａ，１３３ｂの内周面とバルブシャフト１１５外周面との間に迷路構造１３３を形成することにより、流路１２１を流れる空気がシール部材１２７側へ浸入し難くなり、当該シール部材１２７によるシール効果をより向上することができる。

なお図示はしないが、図４に示した空間部１３１と、図５に示した迷路構造１３３とを併用する構成を採用することも可能である。

また図６には可動弁１１７の形状に関する変形例が示される。前述の図２および図３に示す態様では、可動弁１１７は、バルブシャフト１１５との接合側にテーパー面１１７ａを有する構成としたが、図６に示す変形例では、可動弁１１７の先端側（バルブシャフト１１５の反対側）にテーパー面１１７ａを有し、このテーパー面１１７ａがバルブシート１１９から離間することによって開口部１２１ｃを開放し、テーパー面１１７ａがバルブシート１１９に当接することによって開口部１２１ｃを閉じる構成としている。

また図７には可動弁１１７の開閉方式に関する変形例が示される。この変形例は、可動弁１３５としてバタフライバルブ１３５を用いたものである。バタフライバルブ１３５は、バルブシャフト１１５とともに軸方向回りに９０度回転動作することで流路１２１を開閉する。したがって、この変形例では、バルブシャフト１１５とブッシュ１２５とは、周方向の相対移動、すなわち回転動作によって摺動する態様である。またこの変形例では、ネジ送り機構１２３が不要となる。

一方、バタフライバルブ１３５を採用したときは、当該バタフライバルブ１３５の回転動作の安定化を図るべく、バルブシャフト１１５は、図示のように、軸方向の両端部がバルブボディ１０５に対してそれぞれブッシュ１２５を介して支持される両端支持構造とされる。そして、各ブッシュ１２５とバルブシャフト１１５との間の間隙Ｃに流路１２１を流れる空気が浸入することを抑えるべくシール部材１２７が設けられている。このことにより、氷点下を越えるような寒冷地で燃料電池自動車を使用する場合において、バタフライバルブ１３５の回転動作の安定性を保持しつつ、燃料電池システム１０の停止時に、バルブシャフト１１５と各ブッシュ１２５間の間隙Ｃに浸入した空気に含まれている水分が凍結することによるバルブシャフト１１５とブッシュ１２５との固着を防止し、始動時における流量制御弁１００の正常な動作を得ることが可能となる。

（本発明の第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態につき、図８〜図１０を参照して説明する。第２の実施形態の流量制御弁１００は、前述した第１の実施形態におけるシール部材１２７に変えて、ブッシュ１２５とバルブシャフト１１５との間隙Ｃの近くにおいて、当該隙間Ｃよりも開口断面積の大きい連通孔１４１によって流路１２１と外部とを連通する構成としたものであり、この点を除いては第１の実施形態と同様に構成される。したがって、第１の実施形態で説明した流量制御弁１００と同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。連通孔１４１は、本発明における「連通路」に対応する。

連通孔１４１は、一端が流路１２１に開口し、他端がバルブボディ１０５の内部空間１０５ａに開口される。この連通孔１４１は、図９に示すように、例えばバルブボディ１０５の筒状部１０５ｂの筒孔内周面に軸方向に延びる溝を形成することによって構成することができ、あるいは図１０に示すように、ブッシュ１２５の外周面に軸方向に延びる溝を設けることで構成することができる。そして連通孔１４１は、図９に示すように、ブッシュ１２５の外周領域の一部に設ける構成、あるいは図１０に示すように、ブッシュ１２５の外周領域の全体にわたって設けることができる。

このように、本実施の形態によれば、ブッシュ１２５の外周面とバルブボディ１０５の筒孔内周面との間に、流路１２１内の空気の一部を外部に流出する連通孔１４１を設けたことにより、バルブシャフト１１５とブッシュ１２５間の間隙Ｃに近接した部位に、流路１２１から外部へと流れる積極的な空気流れを形成することができる。これにより、間隙Ｃに空気が流れ難くすることができる。その結果、氷点下を超えるような寒冷地で燃料電池自動車を使用した場合において、燃料電池システム１０の停止時に、間隙Ｃでの水分の凍結によるバルブシャフト１１５とブッシュ１２５との固着を防止し、始動時における流量制御弁１００の正常な動作を得ることが可能となる。また実施の形態によれば、バルブシャフト１１５の摺動動作に対して影響しない構成であり、このため、例えばシール部材を用いる構成に比べてバルブシャフト１１５の摺動抵抗が増加することもない。また部品点数が増加することもなく、コストの低減を図る上でも有効となる。またブッシュ１２５およびバルブシャフト１１５が金属製であれば、防錆効果を得ることができる。

なお上述した実施の形態では、流体用制御弁１００を、自動車用の燃料電池３０に空気を供給する空気配管５４上に配置する場合で説明したが、流体用制御弁１００の配置箇所については、これに限定されない。図示はしないが、例えば、燃料電池３０から排出された、水分、空気、水素等を含む排気ガスを空気配管５４上に配置された加湿器に導く排気ガス管路と、当該排気ガス管路から分岐され、前記加湿器を経由することなく排気ガスを外部へ排出する排気バイパス管路とを備えた構成の燃料電池システムにおいて、前記排気バイパス管路上に配置する構成とすることが可能である。
また第１の実施形態で説明した、シール部材１２７によるバルブシャフト１１５とブッシュ１２５間の間隙Ｃに対する空気の浸入防止方式と、第２の実施形態で説明した、連通孔１４１による浸入防止構造とを併用する構成を採用しても構わない。

第１の実施形態に係る燃料電池システム構成を示す図である。 第１の実施形態に係る流量制御弁の全体構成を示す断面図である。 同じく流量制御弁の流路開閉機構部を示す模式図である。 流量制御弁の流路開閉機構部に関する変形例を示す模式図である。 流量制御弁の流路開閉機構部に関する他の変形例を示す模式図である。 可動弁の形状に関する変形例を示す模式図である。 可動弁の開閉方式に関する変形例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る流量制御弁の流路開閉機構部を示す模式図である。 連通孔に関する横断面構成を示す模式図である。 連通孔に関する他の横断面構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 水素ボンベ
３０ 燃料電池
３２ 空気供給装置
４０ 調圧弁
５０ 水素流路
５１ 排気管路
５２ バルブ
５４ 空気配管
１００ 流量制御弁
１０１ 本体部
１０３ モータハウジング
１０５ バルブボディ（ハウジング）
１０５ａ 内部空間
１０５ｂ 筒状部
１１１ モータ
１１３ 流路開閉機構部
１１５ バルブシャフト
１１７ 可動弁（弁部材）
１１７ａ テーパー面
１１９ バルブシート
１２１ 流路
１２１ａ 入口側ポート
１２１ｂ 出口側ポート
１２１ｃ 開口部
１２３ ネジ送り機構
１２５ ブッシュ（シャフトガイド）
１２７ シール部材
１３１ 空間部
１３３ 迷路構造
１３３ａ 大径リング
１３３ｂ 小径リング
１３５ バタフライバルブ（弁部材）
１４１ 連通孔（連通路）

Claims (8)

1. 酸素と水素との化学反応によって電気を発生する燃料電池を有する燃料電池システムで使用され、前記燃料電池システム中を流れる空気の流量を制御する流量制御弁であって、
   前記空気が流れる流路と、
   前記流路を開閉する弁部材と、
   軸方向の一方側が前記流路内に延長されて当該延長側で前記弁部材を支持するとともに、軸方向あるいは軸方向回りに摺動動作することによって前記弁部材を開閉動作させるバルブシャフトと、
   前記バルブシャフトを摺動自在に支持するシャフトガイドと、
   前記バルブシャフトの軸方向の他方側に配置されるとともに、当該バルブシャフトを介して前記弁部材を開閉動作するモータと、
   前記流路を流れる空気が当該流路から前記シャフトガイドと前記バルブシャフト間の間隙に浸入することを抑えるシール部材を有することを特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１に記載の流量制御弁であって、
   前記シール部材は、前記シャフトガイドの軸方向における前記流路側に配置されていることを特徴とする流量制御弁。
3. 請求項１または２に記載の流量制御弁であって、
   前記シール部材が装着されるハウジングを有し、
   前記ハウジングには、前記シール部材の流路側に所定の容積を有する空間部が形成されていることを特徴とする流量制御弁。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の流量制御弁であって、
   前記シール部材が装着されるハウジングを有し、
   前記シール部材の流路側側面と前記流路との間において、前記バルブシャフトの外周面と、当該バルブシャフトが貫通する前記ハウジングの貫通孔内周面との間には、迷路構造が形成されていることを特徴とする流量制御弁。
5. 酸素と水素との化学反応によって電気を発生する燃料電池を有する燃料電池システムで使用され、前記燃料電池システム中を流れる空気の流量を制御する流量制御弁であって、
   前記空気が流れる流路と、
   前記流路が形成されたハウジングと、
   前記流路を開閉する弁部材と、
   軸方向の一方側が前記流路内に延長されて当該延長側で前記弁部材を支持するとともに、軸方向あるいは軸方向回りに摺動動作することによって前記弁部材を開閉動作させるバルブシャフトと、
   前記ハウジングに装着されるとともに、前記バルブシャフトを摺動自在に支持するシャフトガイドと、
   前記バルブシャフトの軸方向の他方側に配置されるとともに、当該バルブシャフトを介して前記弁部材を開閉動作するモータと、
   前記流路内を流れる空気の一部を外部へ流出する連通路と、を有し、
   前記連通路は、前記シャフトガイドと前記ハウジング間に形成されていることを特徴とする流量制御弁。
6. 請求項５に記載の流量制御弁であって、
   前記連通路は、前記シャフトガイドと前記バルブシャフト間の間隙よりも大きい開口断面積を有することを特徴とする流量制御弁。
7. 請求項５または６に記載の流量制御弁であって、
   前記連通路は、前記シャフトガイドまたはハウジングのいずれか一方に形成されていることを特徴とする流量制御弁。
8. 燃料電池と、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
   前記燃料電池に水素を供給する水素供給装置と、
   前記空気供給装置と前記燃料電池とをつなぐ空気供給管路、あるいは前記燃料電池から排出される排気ガスの排気ガス管路に設けられ、前記空気供給管路を流れる空気、あるいは排気ガス管路を流れる排気ガスの流量を制御する流量制御弁と、を有する燃料電池自動車であって、
   前記流量制御弁として請求項１〜７のいずれか１つに記載の流量制御弁を用いていることを特徴とする燃料電池自動車。

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