(57)【要約】      （修正有）【課題】パワープラントのガスプロセス流の圧力、温度、及び相対湿度を測定し、そして制御するためのセンサーを提供する。【解決手段】酸化剤の存在下で水素反応物質を燃料とするパワープラントのガスプロセス流内の温度を測定する温度センサと温度センサに隣接して配置された湿度センサと湿度センサに隣接して配置された電気ヒータを小型統合モジュールの中に一体化して組み付ける。又上記モジュールに隣接したガス注入口を含む圧力センサを有するセンサ組立体とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤の存在の下で水素反応物質を燃料とするパワープラントの、ガスプロセス流中の圧力、温度、及び相対湿度を測定するためのセンサー組立体であって、
上記ガスプロセス流内の有利な位置に配置された第１温度センサーと、
該第１温度センサーに隣接して配置された湿度センサーと、
該湿度センサーに隣接して配置された電気ヒーターとを有し、
上記第１温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、一体型コンパクトモジュールを規定すべく一箇所に組み立てられており、
上記ガスプロセス流の中で上記モジュールに隣接して設けられた第２主温度センサーと、
上記ガスプロセス流の中の上記モジュールに隣接するガス注入口を含む圧力センサーとを有するセンサー組立体。
【請求項２】
酸素の供給源である空気の存在の下で気体状の水素を燃料とするパワープラントの、ガスプロセス流中の圧力、温度、及び相対湿度を測定するためのセンサー組立体であって、
上記ガスプロセス流内の有利な位置に配置された第１温度センサーと、
該第１温度センサーに隣接して配置された湿度センサーと、
該第１温度センサーに隣接して配置された電気ヒーターと、
該湿度センサーに隣接して配置された電気ヒーターとを有し、
上記第１温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、一体型コンパクトモジュールを規定すべく一箇所に組み立てられており、
上記ガスプロセス流の中で上記モジュールに隣接して設けられた第２主温度センサーと、
上記ガスプロセス流の中の上記モジュールに隣接するガス注入口を含む圧力センサーをを有するセンサー組立体。
【請求項３】
酸化剤の存在の下で水素反応物質を燃料とするパワープラントの、ガスプロセス流中の圧力、温度、及び相対湿度を測定するためのセンサー組立体であって、
上記ガスプロセス流内の有利な位置に配置された温度センサーと、
該温度センサーに隣接して配置された湿度センサーと、
該湿度センサーに隣接して配置された電気ヒーターとを有し、
上記温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、一体型コンパクトモジュールを規定すべく一箇所に組み立てられており、
上記ガスプロセス流の中で上記モジュールに隣接するガス注入口を含む圧力センサーを有するセンサー組立体。
【請求項４】
酸素の供給源である空気の存在の下で気体状の水素を燃料とするパワープラントの、ガスプロセス流中の圧力、温度、及び相対湿度を測定するためのセンサー組立体であって、
上記ガスプロセス流内の有利な位置に配置された温度センサーと、
該温度センサーに隣接して配置された湿度センサーと、
該温度センサーに隣接して配置された電気ヒーターと、
該湿度センサーに隣接して配置された電気ヒーターとを有し、
上記温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、一体型コンパクトモジュールを規定すべく一箇所に組み立てられており、
上記ガスプロセス流の中の上記モジュールに隣接するガス注入口を含む圧力センサーと、
上記センサーと電子的に連通し、上記湿度センサー上での水蒸気の凝縮が回避されるように相対湿度を露点より下に維持する制御アルゴリズムとセンサー・データとの間の較正された関数関係がその中に存在するメモリー・レジスターを含むマイクロプロセッサーコントローラーとを有するセンサー組立体。
【請求項５】
酸化剤の存在の下で水素反応物質を燃料とする燃料電池機関のガスプロセス流中の圧力、温度、及び相対湿度を測定するためのセンサー組立体であって、
上記ガスプロセス流内の有利な位置に配置された第１温度センサーと、
該第１温度センサーに隣接して配置された湿度センサーと、
該湿度センサーに隣接して配置された電気ヒーターとを有し、
上記第１温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、一体型コンパクトモジュールを規定すべく一箇所に組み立てられており、
上記ガスプロセス流の中で上記モジュールに隣接して設けられた第２主温度センサーと、
上記ガスプロセス流の中の上記モジュールに隣接するガス注入口を含む圧力センサーと、
上記センサーと電子的に連通し、上記湿度センサー上での水蒸気の凝縮が回避されるように相対湿度を露点より下に維持する制御アルゴリズムとセンサー・データとの間の較正された関数関係がその中に存在するメモリー・レジスターを含むマイクロプロセッサーコントローラーとを有するセンサー組立体。
【請求項６】
酸素の供給源である空気の存在の下で気体状の水素を燃料とする燃料電池機関のガスプロセス流中の圧力、温度、及び相対湿度を測定するためのセンサー組立体であって、
上記ガスプロセス流内の有利な位置に配置された温度センサーと、
該温度センサーに隣接して配置された湿度センサーと、
該温度センサーに隣接して配置された電気ヒーターと、
該湿度センサーに隣接して配置された電気ヒーターとを有し、
上記温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、一体型コンパクトモジュールを規定すべく一箇所に組み立てられており、
上記ガスプロセス流の中の上記モジュールに隣接するガス注入口を含む圧力センサーと、
上記センサーと電子的に連通し、上記湿度センサー上での水蒸気の凝縮が回避されるように相対湿度を露点より下に維持する制御アルゴリズムとセンサー・データとの間の較正された関数関係がその中に存在するメモリー・レジスターを含むマイクロプロセッサーコントローラーとを有するセンサー組立体。
【請求項７】
マイクロプロセッサーコントローラーを収容する部分と、上記湿度センサー、上記温度センサー、及び上記電気ヒーターを囲み且つガス流を受けるために開口している円筒部分とを持つハウジングと、
上記円筒部分の内側で、水蒸気凝縮から上記湿度センサーを保護するための多孔性のスリーブとを有し、
上記モジュール内の上記温度センサー、上記湿度センサー及び上記電気ヒーターが、取付要素によって、上記円筒部分及び上記多孔性スリーブから熱的に分離されている前記請求項のいずれか一つに記載のセンサー組立体。
【請求項８】
上記多孔性スリーブ内に多孔性のライナーを含み、
上記モジュールが該ライナー内に位置し、それによって上記湿度センサーが水蒸気凝縮からさらに保護されている請求項７に記載のセンサー組立体。
【請求項９】
上記パワープラントがアノード、カソード、及び該アノードと該カソードの間の電解質材料を備えた水素燃料電池であり、
上記燃料電池が、上記アノードへ延びる水素ガス・プロセス流と、上記カソードへ延びる空気プロセス流とを持ち、
上記センサー組立体は上記プロセス流に晒され、相対湿度が制御されて、アノードとカソード間のイオン交換が高効率で生じる前記請求項のいずれか一つに記載のセンサー組立体。
【請求項１０】
上記パワープラントがアノード、カソード、及び該アノードと該カソードの間の電解質材料を備えた水素燃料電池であり、
上記燃料電池が、上記アノードへ延びる水素ガスプロセス流と、上記カソードへ延びる空気プロセス流とを持ち、
上記センサー組立体が、水素ガスプロセス流に晒され、水素ガスプロセス流の中の相対湿度が制御されて、上記電解質の乾燥が回避される前記請求項のいずれか一つに記載のセンサー組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のパワートレイン内で使用する、水素燃料電池を含むパワープラント及び、そのパワープラントのガスプロセスの流れ（gas process stream）中の、温度、圧力及び湿度の制御に使用されるセンサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素燃料電池は、水素のような燃料のエネルギーを直接、電気的なエネルギーに転換する電気化学反応によって特徴づけられる。水素燃料電池は、燃料がアノード若しくは正極に供給され、酸化剤がカソード若しくは負極に供給され、バッテリーに類似した方法で機能する。一般的に、酸化剤は周囲環境から得られる空気であり、燃料は水素である。燃料は、高圧水素ガス貯溜タンク、炭化水素燃料、又は天然ガスからの水素ガスであり得る。
【０００３】
燃料電池は、燃焼を伴わない工程で、燃料の水素分子と酸化剤の酸素分子とを化学的に結合させる。この点において燃料電池は、燃焼熱を機械的エネルギーに転換する、即ち、燃料燃焼からエネルギーを抽出する動力源とは異なる。内燃機関（エンジン）の場合、燃焼がエンジン燃焼室内で生じるときに機械的エネルギーが生じる。あるいは、燃焼熱がガスタービンによって機械的エネルギーに転換される場合があり、その際は発電機のような電気機械に動力を供給することが出来る。燃料電池は、エンジン又はガスタービンのような従来の動力源と異なり、比較的高い効率の処理で且つ、排気ガスの放出による汚染を少なく又は無くしつつ、水素分子と酸素分子とを化学的に結合させることが出来る。
【０００４】
燃料電池は、二つの独立したガスプロセス流の回路を必要とし、一方はアノードへ通じる反応物質流れを構成し、他方はカソードへ通じる酸化剤流れを構成する。燃料電池の適切な作動条件を維持するため、アノード回路及びカソード回路の温度、圧力及び湿度レベルは、最適な作動効率を提供し且つ、燃料電池の電解質の乾燥あるいは燃料電池の損傷を回避するために、正確に制御されなければならない。アノードとカソードは燃料電池の中で電解質によって分離されている。
【０００５】
自動車のパワートレイン内で使用可能な燃料電池の場合、場合によっては、燃料として水素ガスを使用することが望ましい。自動車のパワートレイン内での使用において一般的に必要とされるパッケージングの制約のため、システムは小さく且つ軽量でなければならない。更に、自動車への適用においては、燃料電池は温度や湿度の変動のような広範な作動条件に晒される。その上、燃料電池は、典型的な自動車への適用により生じる機械的及び熱的な振動及び応力に耐える程度に充分、丈夫でなければならない。
【０００６】
燃料電池の最適効率は、燃料反応物質及び酸化剤が、電極に均一に接触することを必要とする。さらに、電極上のすべての点における循環ガスの圧力が制御されるべきである。燃料電池の一つの側が低圧になると、電極にフラッディング(flooding）を引き起こす場合があり、過度に高圧になると、機械的な損傷を引き起こす場合がある。いずれか一方又は両方の電極に反応生成物が形成される場合もある。これらの生成物は、循環している流体を電極に効率的に接触させるために、取り除かれなければならない。
【０００７】
燃料電池内の燃料及び酸化剤の反応は熱を出し、周囲温度より高い熱を発生する。高い温度は、電解質を構成するイオン交換物質の劣化を加速する場合がある。従って、この反応熱を放散させるため、冷媒を燃料電池の熱交換器に循環しなければならない。これは、燃料または酸化剤の浪費を防ぐため、最適の流量で行われなければならない。さらに、燃料電池の構成要素の損傷を回避するため、高圧は避けなければならない。
【０００８】
温度及び圧力の正確な制御に加えて、燃料流及び酸化剤流は、加湿されなければならない。燃料電池内の電解質の乾燥を防ぐため、燃料電池は燃料電池のアノードに入力する水素燃料流を加湿する必要がある。効率的なイオン交換をもたらすため、酸化剤流は加湿されなければならない。
【発明の開示】
【０００９】
燃料電池システム内の反応物質流及び酸化剤流の制御において、制御されなければならない典型的なプロセス変数（process variables）は、温度、圧力及び相対湿度を含む。従来の燃料電池システムでは、これらの変数の測定に別個のセンサーが要求されている。これは、システムのコストを増加させ、そして、センサーのリード線、別個の取付ブラケット、及びセンサー用のスペースのため、自動車のパワートレイン環境にパッケージングの問題を引き起こす。さらに、一般的な燃料電池システムでは、カソードのプロセス流及びアノードのプロセス流の高い相対湿度が要求されるが、この高い相対湿度は、湿度センサーに上に水が凝縮した場合に、正確な湿度測定を行なうことを困難にする。湿度センサー上に水が凝縮すると、湿度センサーは誤って検出する。
【００１０】
湿度測定を行なうための既知の方法は、複雑で、かさばっており、本質的に過度の時間遅れを含んでいる。反応物質のプロセス流又は酸化剤のプロセス流から小さな流れを迂回させ、それから、この迂回させられた流れを予想される露点より高く熱することにより、湿度センサー上の水蒸気凝縮の問題を克服する試みがなされている。そして、そのとき、湿度測定が行われる。この方法はシステムを複雑にする。これらの変数を個別に読み取ることが必要なため、燃料電池制御器へのセンサーデータの転送が遅くなる。さらに、個別の圧力、温度及び湿度測定を行う必要があるため、付加的な配線及び適切な取り付け部品が必要となり、その結果、システムに対してコストを増加し、重量面での不利が大きくなる。
【００１１】
プロセス流の中の一つの同じ位置で測定される各変数は、プロセス流の中の異なる位置で測定される各変数と必ずしも一致しないので、燃料電池内のガスプロセス流の温度、圧力及び相対湿度がそのプロセス流内の異なる位置で測定されるとすると、湿度センサーにおける相対湿度の正確な測定が困難になる。
【００１２】
本発明のセンサーを組込む燃料電池システムを開示したものの、本発明はまた、質量空気量が測定され且つエンジン制御変数の一つとして使用されなければならない、内燃機関又はガスタービンエンジンを含むパワートレインシステムにおいて使用されることもあり得る。もし吸気流又は、燃料／空気混合気流内の水蒸気の影響が考慮されていないならば、現在、エンジン制御システム内の空気流質量センサーは、間違った読み取りを行っている可能性がある。
【００１３】
本発明は、水蒸気が凝縮することに起因する水しぶきや水滴の影響がないガス・プロセス流内の有利な位置に取り付けられるセンサー組立体を有する。これは、小型統合モジュールの中に、温度センサー素子及び電気ヒーターを湿度センサー素子と共に取り付けることにより達成される。
【００１４】
モジュールに隣接するガス入口を持つ圧力センサー素子は、モジュールの位置においてガス圧力を測定する。第２主温度センサー素子が、モジュールの周りの温度を測定すべく、モジュールに隣接して配置される場合もある。
【００１５】
センサーの出力はデジタル・シリアル・バス（disital serial bus）と通信する。これによって、温度、圧力及び相対湿度の測定を必要とする従来のパワートレインの適用に比べ、センサーのリード線の数を減らす。バスに出力される一般的なデータは、温度、圧力、相対湿度及び、露点である。
【００１６】
センサー組立体は、デジタル・シリアル・バスを介してセンサ素子に電気的に連結されるマイクロ・プロセッサー制御器を収容するハウジングを含む。モジュールは開口を持つ円筒材によって囲まれる。モジュールは円筒材内に配置され、多孔性のインナースリーブによって、それから熱的に分離される。モジュール内のセンサ素子及びヒーターはインナースリーブの内側に固定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図1は、本発明を具体化する水素燃料電池システムを示す。燃料電池は、10で概略的に図示される。それはアノード12、カソード14及び、熱交換器若しくは冷却器16を含む。図1のシステムの中で、空気は酸素の供給源として使用される。18において注入された空気は、温度/圧力/湿度センサー26の入力側24において相対湿度を上げる加湿機22に接続されたエア・コンプレッサー20によって圧縮される。カソードの注入口側28における湿度が予め較正されたレベルにあるならば、燃料電池10におけるイオン交換の効率が高められる。
【００１８】
図1の燃料電池システムの場合、燃料は水素である。30で示された水素燃料の注入口は、34.47〜68.94パスカル（一平方インチ当たり5,000 〜 10,000ポンド）の圧力となり得る。この圧力は、水素燃料流入路34内の圧力制御を行なう減圧弁32によってより低いレベルに調圧される。
【００１９】
アノード12は水素ガス流を受け取る。湿度センサー26'は、アノードのプロセス流の圧力、温度及び湿度が較正されたレベルにあることを確かめるために、水素燃料流入路34に配置される。湿度は燃料電池の電解質が乾燥し切るのを防止するように制御されなければならない。
【００２０】
水素はアノード12から注入通路34に戻る通路36を通って再循環させられる。再循環させられる水素の流路は再循環ポンプ38を含む。注入通路28からカソード14に送られた空気は、イオン交換のため酸素を供給し、水蒸気を発生させる。その後、余分な空気が、空気排出通路40を通って排出される。
【００２１】
電動機のような負荷42が、燃料電池で作り出された電位によって、電力供給される。
【００２２】
冷媒が、冷媒注入通路44を通して冷却器16に送られ、燃料電池10内のイオン交換によって生成される熱を吸収する。その後、熱は冷媒流排出通路46を通して排出される。典型的な自動車のパワートレインにおいては、冷媒排出通路46は冷媒をエンジンのラジエターに戻すことになろう。その後、それは冷媒注入通路44へ再循環させられる。
【００２３】
本発明のセンサーは、図2の概略断面図で示される。それはコネクター48を含む。このコネクターは、電源ピン50、アースピン52、信号ピン54及び56を有し、図1の116で示される車両システム制御器を含む、デジタル・シリアル・バス通信プロトコル・ネットワーク（digital serial bus communication protocol network）の一部を形成する。
【００２４】
図2のセンサーの本体は58で示される。この本体部は、中央処理装置62、ROMメモリー・レジスタ64、RAMメモリー・レジスタ66及び、入力/出力信号処理素子68を含むマイクロプロセッサー制御器60を収容する。本体58はまた、注入通路又は管72によってプロセス流に接続された圧力センサー70を囲む。メインハウジングは、シール材74によってプロセス流から分離される。本体は螺子部76によってプロセス流用の構造体の中に嵌め込まれる。
【００２５】
センサーの主円筒部78は、夫々参照符号80及び82で示される湿度センサー及び温度センサーを収容する。84において示されるように、水をそらす一方でセンサ素子へのガスの流動を可能とすべく、円筒部78には溝が設けられている。ヒーター86は、湿度センサー80及び温度センサー82に直に隣接して配置される。ヒーター86は、断熱材及び吸熱材で覆われた電気抵抗線を含む。
【００２６】
それを通ってプロセス流内のガスの通過を可能とする、メッシュ・ライナーであり得るインナー・ライナー88が、円筒部78の内側に配置される。このライナーは、水がセンサ素子80、82及び86に到達するのを防ぐ一助となる。
【００２７】
主ガス流温度センサー90が、円筒部内の、センサー80、82及び86より下の位置に置かれる。この主温度センサー90は、要求される精度に応じて、熱電対、サーミスターあるいは、RTD（resistance temperature detector）センサーのような、普通のセンサーを採用することができる。
【００２８】
湿度センサー80は、容量性材料94によって仕切られた伝導性材料92を含む容量式湿度センサーである。容量性材料は、周囲のガス流の含水率に応じた可変静電容量を持つ。静電容量の変化は、プロセス流の水蒸気含有量の指標になる。
【００２９】
湿度センサーはインナースリーブ96の内側に取り付けられる。ヒーター素子86は、インナースリーブ内の壁をプロセス流の凝縮点よりも高く維持する。これは、湿度センサ素子80上における凝縮を防ぐ。もし凝縮があれば、前述したように誤検出を引き起こすであろう。温度センサー82は、プロセス流の露点を設定するだけでなく、インナースリーブ96の温度を維持するために使用される。
【００３０】
ブラケット98は、コンパクトな等温ブロック又はモジュールを形成すべく、湿度センサー、ヒーター及び温度センサーを取り付けるために使用される。
【００３１】
インナースリーブ96は、水が湿度センサーに到達するのをさらに防止するメッシュ・ライナー100を持っている。一又は複数の取付ブラケット102が、インナースリーブをメイン円筒部78及びライナー88から熱的に分離すべく、インナーライナーを支持する。
【００３２】
温度センサー90からのリード線は104で示され、湿度センサー80のリード線は106で示され、ヒーター素子のリード線は108で示され、そして湿度センサーのリード線は110で示される。これらのリード線は、マイクロプロセッサー60の入力/出力処理部68まで延設される。圧力センサー70への入口は、プロセス流内の一つの場所においてこれら三つの変数の夫々の読み取られるように、湿度センサー及び温度センサーに直接隣接して置かれる。
【００３３】
前述したように、デジタル・シリアル・バス通信プロトコル・ネットワークが使用され得るが、もし必要であれば、本発明の範囲から逸れることなく、ワイヤレス・センサー・ネットワーク（wireless sensor network）も使用され得る。ネットワークは、開示された実施形態の中で多重通信されている。
【００３４】
図2のセンサーの三つの変数の関係は、温度が縦座標上に示され、圧力が横座標上に示される図3に示される。圧力及び温度の夫々の値に対し、プロセス流の露点値が存在するであろう。112で示された等湿度線は、プロセス流の実例の最大水蒸気含有量に相当する値である。もし、圧力が一定のまま温度が上げられるならば、又は、温度が一定のまま圧力が高められるなれば、湿度の値は増加するであろう。114で示されたプロット（plot）によって表されるように、もし温度と圧力の両方が上昇したらならば、同じことが当てはまるであろう。
【００３５】
圧力、温度及び湿度センサーは、マイクロプロセッサー60にデータを送る。図3に示される種類の情報は、ROMメモリ64に記憶されている。センサーからRAMレジスタ66に受け取られたデータは、CPU 62によって較正されたROMメモリ情報と比較される。例えば、所定の圧力において、ガスプロセス流の較正された最適湿度の方が高い場合には、ヒーターが温度を上昇させるべく作動され、それによって、湿度センサー上の凝縮を回避する。
【００３６】
マイクロプロセッサー60は、68で受け取られた信号を処理する。それは、信号から無関係な電気ノイズを減ずる又は除去するであろう。中央処理装置によって判定された三つのセンサー素子に関する実時間のセンサーデータ値（real- time sensor data value）は、コントロール・エリア・ネットワークを通って、図1に116で示される車両システム制御器に送られる。
【００３７】
本発明の実施形態を開示してきたが、本技術分野の当業者にとって、本発明の範囲から逸脱することなく改良が行われ得ることは明らかであろう。全てのそのよう改良実施形態及び、それと等価の実施形態は、特許請求の範囲に含まれることを意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の温度/圧力/湿度センサーを組込んだ燃料電池システムを示す図である。
【図２】本発明のセンサーの断面図である。
【図３】図１のセンサーのマイクロプロセッサーのメモリーに記憶された、温度、圧力及び湿度の関係を示すグラフである。
【図１】
2006145518.tif 000002
【図２】
2006145518.tif 000003
【図３】
2006145518.tif 000004
【外国語明細書】
2006145518000001.pdf