JP2005156370A - 圧力計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサを長寿命化できる圧力計測システムの提供する。
【解決手段】湿潤ガスが流通する湿潤通路５２から分岐されて圧力センサに至る測定用通路７０を設け、測定用通路７０を始点７０ａから圧力センサ５９に至るまで常に上がり傾斜にした。そのため、測定用通路７０の途中で湿潤ガスの含まれる水分Ｗが凝縮し、この凝縮水Ｗが測定用通路７０の傾斜に沿って湿潤通路５２に向けて流下する。これにより、圧力センサ５９が配置される測定用通路７０の上端側が下側に比べて除湿された状態となり、結果、圧力センサ５９の寿命を延ばすことができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば燃料電池システムの加湿器内の圧力測定などに用いられる圧力測定システムに関する

燃料電池システムは、燃料電池で、水素ガスなどの燃料ガス（アノード供給ガス）と酸素を有する酸化ガス（カソード供給ガス）とを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。

このような燃料電池システムでは、適正にシステムを作動するため、様々の制御が行われる。例えば、燃料電池の発電量調整や、燃料電池に供給する供給する加湿されるアノード供給ガスおよびカソード供給ガスの加湿度の調整などが行われる。

このような制御を行うため、特許文献１、２に開示されるように燃料電池に供給されるガス（アノード供給ガスおよびカソード供給ガス）や、燃料電池から排出されるガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）などの、温度、流量、圧力の検出が必要である。
特開２００１−２１６９８７号公報 特開２００２−９３４４９号公報

しかしながら、一般に水分に弱い圧力センサで湿潤ガスの圧力測定を行わなければならない場合、水分によって圧力センサの寿命が短くなりやすい。そのため、圧力センサの交換が度重なるとともに、圧力センサの交換毎に圧力測定を必要とするシステム全体を停止する必要があり、利便性に劣る。

本発明は、上記従来の問題点を解決するため、圧力センサの寿命を延ばすことができる圧力計測システムの提供を目的とする。

本発明の圧力計測システムは、湿潤ガスが流通する湿潤通路から分岐されて圧力センサに至る測定用通路を設け、前記測定用通路を前記圧力センサまで常に上がり傾斜にしたことを要旨とする。

本発明によれば、測定用通路の途中で湿潤ガスの含まれる水分が凝縮する。この凝縮水は、測定用通路の傾斜に沿って湿潤通路に向けて流下する。つまり、圧力センサの位置する測定用通路の上端では下側に比べてより除湿された状態となる。そのため、水分に弱い圧力センサが水分から遠ざけられて、圧力センサの寿命が延びる。

以下、図面を参照して、本発明に係る圧力計測システムの一実施形態を詳細に説明する。この実施形態の圧力計測システムは、燃料電池車両の駆動源として車両に搭載された燃料電池システム内に圧力測定に適用されるものであり、より具体的には、燃料電池システムの燃料電池へ供給するカソード供給ガスの圧力を測定すべく、燃料電池のカソードの上流に設けられたカソード用の加湿器に取り付けられた圧力計測システムである。

「燃料電池システムの全体構成」
まず、燃料電池システムの全体構成を説明する。

図１はこの実施形態の燃料電池システムのシステム構成図であり、図２は同燃料電池システムに要部を概略的に示した平面図である。図１において、燃料電池システムは、水素供給配管１１を介して燃料ガスとしての水素を供給する水素供給装置（燃料ガス供給装置）１と、空気供給配管１４を介して酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）２と、アノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５を電極として備えそれぞれの電極に供給された水素と酸素とを用いて発電する燃料電池３と、アノードオフガスをアノードオフガス循環配管１２を介してアノード４の上流に循環させるアノードオフガス循環装置６と、アノードオフガスを燃焼させる燃焼器７と、燃焼器７の燃焼排ガスで冷媒を加熱する熱交換器８と、冷却装置９と、アノード供給ガスとしての水素を加湿する加湿器１０Ａ及びカソード供給ガスとしての空気を加湿する加湿器１０Ｂと、空気流量制御弁１６と、熱交換器８又は冷却装置９と燃料電池３との間の冷媒流路２０に冷媒を循環させる冷媒ポンプ２１と、冷媒流路２０を熱交換器８又は冷却装置９に切り換える三方弁２２と、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６からアノードオフガス排出配管１３を介して燃焼器７へ排出するアノードオフガス排出弁２７と、燃料電池システム全体を制御するシステムコントローラ３７と、を備えている。

尚、この実施形態では、アノード供給ガス用の加湿器１０Ａとカソード供給ガス用の加湿器１０Ｂでは構成が異なっており、アノード供給ガス用の加湿器１０Ａは、水タンク２５に貯蔵される水を利用して水素供給配管１１を流れる水素を加湿する。一方、カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは、内部に中空糸膜の集合体を備え、この中空糸膜内にカソードオフガスを流通させるとともに中空糸膜外にカソード供給ガスを流通させて、このカソードオフガス中の水分でカソード供給ガスを加湿する。カソードオフガス側を主体として考えると、カソードオフガスはカソード供給ガスに水分を吸い取られて除湿される。

ここで水タンク２５は、燃料電池３および加湿器および燃焼器７および熱交換器８および排気配管１９などで凝縮した水分を図示せぬ配管を通じて回収して貯留するようになっている。

「燃料電池システムの動作」
次に、燃料電池システムの動作を説明する。

まず、水素供給装置１からの水素が加湿器１０Ａで加湿されてアノード４に供給されるとともに空気供給装置２からの空気が加湿器１０Ｂで加湿されてカソード５に供給され、これら水素および空気が燃料電池３内で反応し、発電される。その際アノード４からは消費されずに残ったアノードオフガスが排出される。またカソード５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。

通常運転時にアノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６によりアノードオフガス循環配管１２を介して水素供給配管１１に全量循環されて再度アノード４へと供給される。一方、カソードオフガスは、加湿器１０Ｂ、燃焼器７、熱交換器８、排気配管１９を介してシステム外へ排気される。

ここで、燃料電池３のセル電圧を検知する電圧検知手段により所定の電圧値よりも低い電圧が検知された場合には、システムコントローラ３７からパージ信号が発信され、このパージ信号に基づいて、アノードオフガス排出弁２７から所定流量のアノードオフガスが燃焼器７に排出される。

燃焼器７では、アノードオフガス排出弁２７を介して供給されたアノードオフガス（排水素）がミキサ２３でカソードオフガスと混合され、この混合ガスが燃焼触媒を有する燃焼室２４で燃焼される。燃焼器７で生成された燃焼ガスは、熱交換器８を通過して排気配管１９を通じてシステム外（大気）に排気される。

なお、燃焼器７には、図示せぬ配管を介して水素供給装置１から水素を供給できると共に図示せぬ配管を介して空気を供給できるようになっていて、パージされる排水素を処理する時以外にも、水素および空気（酸素）を燃焼させて熱を発生できるようになっている。この燃焼熱を利用して、必要に応じて燃料電池３を加温できる。

「燃料電池の温度管理」
次に、燃料電池３の温度管理について説明する。燃料電池３は、不凍液等の冷媒により運転温度が適温に維持されるように温度管理されている。

燃料電池システムの通常運転時には、発熱した燃料電池３を適正な運転温度に冷却維持する必要がある。そのため、三方弁２２で冷媒ポンプ２１と冷却装置９とを連通することで、冷媒を冷媒ポンプ２１、三方弁２２、冷却装置９、燃料電池３、冷媒ポンプ２１という閉路に循環させるようになっている。これにより、燃料電池３の発熱を冷却装置９からシステム外へ放出して、燃料電池３の温度を適温に冷却維持する。

一方、燃料電池システムの起動時には、燃料電池３を適正な運転温度に上昇させる必要がある。そのため、三方弁２２で冷媒ポンプ２１と熱交換器８とを連通することで、冷媒を冷媒ポンプ２１、三方弁２２、熱交換器８、燃料電池３、冷媒ポンプ２１という閉路に循環させるようになっている。これにより、通常運転時冷媒として用いる媒体を温媒として用いることができ、温媒温度を熱交換器８で上昇させて、燃料電池３の温度を運転開始に適切な温度まで上昇させることができる。

「燃料電池と燃焼器との配置レイアウト」
次に、図２を参照しつつ燃料電池と燃焼器との配置レイアウトを説明する。図２は燃料電池および燃焼器の近傍を示す平面図である。

図２中符号３０はフロントシート下方の床下で車体に固定されたフレームである。このフレーム３０には主に燃料電池３と燃焼器７を含む排気系の構成部品（加湿器１０Ｂ、燃焼器７、冷媒用熱交換器８、排気配管１９等）とがサブアッセンブリされた状態で、取付固定されている。なお、図示せぬ水素タンクおよび燃料電池３で発電した電気を蓄える図示せぬ二次電池およびシステムコントローラ３７は、燃料電池３より車両後方の床下で図示せぬ他のフレームに取付固定されている。

図２に示すように運転温度の大きく異なる燃焼器７と燃料電池３との間には、遮熱体として機能する水タンク２５が配置されている。燃焼器７および水タンク２５および燃料電池３の配置関係は、車両の前方から後方に向けて順番に燃焼器７および水タンク２５および燃料電池３が近接配置されている。カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは、燃料電池３に対して車両前方で且つ燃焼器７および水タンク２５に対して車両側方に配置されている。このようにカソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは燃焼器７に近接配置されることで燃焼器７の熱を受熱するため、加湿器１０Ｂ内を流通する水分の凝縮を防止できさらには凍結を防止できるようになっている。また、カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは燃焼器７に対して車幅方向に配置されているため、走行風の影響を受けて直に燃焼熱を浴びることが無く、一般に耐熱性の低い中空糸膜を確実に保護できるようになっている。

「燃料電池の圧力管理」
このような燃料電池システムでは、燃料電池３の高分子電解質膜で区画されるアノード４の圧力とカソード５の圧力との間の圧力差が過大とならないように、アノード供給ガスの圧力およびカソード供給ガスの圧力を常時監視している。（なおアノード供給ガスの圧力およびカソード供給ガスの圧力はその他の制御にも利用される。）
「圧力計測システム」
以下、代表して、カソード供給ガスの圧力を測定すべくカソード供給ガス用の加湿器１０Ｂに取り付けられた圧力計測システム５０について、図３〜図６を参照しつつ説明する。

図３〜６において、符号５１は燃料電池３に湿潤ガスとしてのカソード供給ガスを送る配管１４を加湿器１０Ｂに接続するためアダプタであり、符号５２はアダプタ５１の内部に形成され且つ加湿器１０Ｂ本体内で加湿された湿潤ガスとしてのカソード供給ガスを流通させる湿潤通路である。

アダプタ５１からは、アダプタ５１内の湿潤通路５２と連通するく字状のスプール５３が突設されており、このスプール５３にく字状のゴムチューブ５４の下端部５４ａが接続されている。ゴムチューブ５４の上端部５４ｂはブロック５５の長手方向中央部から突設されたスプール５７に接続されている。スプール５７はブロック５５の中空部５６と連通しており、これによりブロック５５の中空部５６は、ゴムチューブ５４を通じて湿潤通路５２と連通して湿潤通路と同一圧力となっている。

ブロック５５はフランジ５８を備え、このフランジ５８で加湿器１０ＢにボルトＢ止めされている。ブロック５５の両端開口部には圧力センサ５９、６０の圧力ポート５９ｐ、６０ｐが螺合されており、これによりブロック５５の両端開口部が閉塞されて、圧力ポート５９ｐ、６０ｐ内の図示せぬプローブでブロック５５の中空部５６の圧力（つまり湿潤通路）の圧力を検出できるようになっている。

ここで、この圧力計測システム５０では水分に弱い圧力センサ５９、６０を用いても圧力センサ５９、６０の寿命が短くならないように、以下のような工夫が為されている。具体的には、湿潤通路５２から分岐され圧力センサ５９、６０に至る測定用通路７０（５３，５４，５７，５６）を設け、測定用通路７０の始点７０ａ（湿潤通路５２からの分岐点）から終点（圧力センサの圧力ポート）まで常に上がり傾斜に設定することで、測定用通路７０の途中で凝縮した水分Ｗを重力を利用して湿潤通路５２に向けて流下させ、圧力センサ５９、６０から水分をできる限り遠ざけて、圧力センサ５９、６０の長寿命化を図っている。

なお勿論、測定用通路７０の終点７０ｂを形成するブロック５５の中空部５６も、図６に示すように中央部５６ｃから圧力センサ５９、６０が位置する両端側（測定用通路７０の終点７０ｂ）に向けて上がり傾斜に形成されている。

「効果」
以下、この実施形態の圧力計測システムの効果をまとめる。

まず第１に、この実施形態の圧力計測システム５０によれば、上記の如く、湿潤ガスが流通する湿潤通路５２から分岐された測定用通路７０を設け、この測定用通路７０の終点７０ｂに圧力センサ５９、６０を設け、測定用通路７０を始点７０ａから終点７０ｂまで常に上がり傾斜にしたため、測定用通路７０の途中で湿潤ガスの含まれる水分Ｗが凝縮し、この凝縮水Ｗが測定用通路７０の傾斜に沿って湿潤通路５２に向けて流下する。これにより圧力センサ５９、６０が位置する測定用通路７０の上端が下側より除湿された状態となる。従って、圧力センサ５９、６０が水分から限り遠ざかることとなり、圧力センサ５９、６０の寿命が延びる。

第２に、この実施形態の圧力計測システム５０によれば、測定用通路７０の一部が配管部材（ゴムチューブ５４）であるため、配管部材５４内の気体を配管部材５４外の気体で効率よく冷却でき、これにより測定用通路７０での除湿作用を促進できる。結果、圧力センサ５９、６０の寿命をさらに延ばすことができる。

第３に、測定用通路７０の少なくとも一部（スプール５３の垂直部５３ｃおよびゴムチューブ５４の垂直部５４ｃ）が、垂直方向に沿って配置されているため、重力効果を最大限に利用して、測定用通路７０での除湿作用をさらに促進できる。

第４に、測定用通路７０の終点７０ｂに圧力センサ５９、６０を２つ備えるため、２つの圧力センサ５９、６０の値を比較しておくことで、２つの圧力センサ５９、６０のいずれかが故障した際には確実かつ簡単に故障を発見できる。また、２つの圧力センサ５９、６０の一方が故障しても、他方の圧力センサを用いてそのまま圧力検出が必要な装置（この例では加湿器１０Ｂおよび燃料電池システムおよび燃料電池車両）を作動させておくことができ、利便性に優れる。

第５に、圧力センサ５９、６０を装着自在で且つ圧力センサ５９、６０のプローブを臨ませる前記測定用通路７０の終点７０ｂを内部に形成するブロック５５を、備えるため、例えば配管部材（ゴムホースなど）に圧力センサ５９、６０を直接装着するよりも、簡単に圧力センサ５９、６０を装着できる。特に、２つの圧力センサ５９、６０を備える圧力計測システム５０を狭い作業空間で組立る必要があるときには、予めブロック５５に２つの圧力センサ５９、６０を装着しておくことで、２つの圧力センサ５９、６０を狭い作業空間で別々に取り付ける必要がなくなるため、作業性が向上する。

以上要するに、本発明の圧力計測システムによれば、湿潤ガスが流通する湿潤通路から分岐されて圧力センサに至る測定用通路を設け、前記測定用通路を圧力センサまで常に上がり傾斜にしたため、測定用通路の途中で湿潤ガスの含まれる水分が凝縮し、この凝縮水が測定用通路の傾斜に沿って湿潤通路に向けて流下する。これにより、圧力センサが位置する測定用通路の上端側をより除湿された状態となり、圧力センサの寿命を延ばすことができる。

本発明の一実施形態の圧力計測システムが適用される燃料電池システムの略略図。 同燃料電池システムの要部を概略的に示す平面図。 同燃料電池システムの加湿器に装着された圧力計測システムを示す斜視図。 同圧力計測システムを概略的に示す一部断面を含む側面図。 同圧力計測システムの構成部品としてのブロックの平面図。 図４中のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。

符号の説明

Ｗ…凝縮水
１０Ｂ…加湿器
５０…圧力計測システム
５２…湿潤通路
５４…ゴムチューブ（配管部材）
５４ｃ…垂直部
５５…ブロック
５９、６０…圧力センサ
７０…測定用通路
７０ａ…始点
７０ｂ…終点

Claims (5)

1. 湿潤ガスが流通する湿潤通路から分岐されて圧力センサに至る測定用通路を設け、
   前記測定用通路を前記圧力センサまで常に上がり傾斜にしたことを特徴とする圧力計測システム。
2. 請求項１に記載の圧力計測システムであって、
   前記測定用通路の一部または全部が配管部材であることを特徴とする圧力計測システム。
3. 請求項１または２に記載の圧力計測システムであって、
   前記測定用通路の少なくとも一部が、垂直方向に沿って配置されていることを特徴とする圧力計測システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の圧力計測システムであって、
   前記圧力センサを複数備えることを特徴とする圧力計測システム。
5. 請求項１〜４記載の圧力計測システムであって、
   前記圧力センサを装着自在で且つ前記圧力センサのプローブを臨ませる前記測定用通路の終点を内部に形成するブロックを、備えることを特徴とする圧力計測システム。
   
   

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