(57)【要約】【課題】  配管接続部のシール性の劣化を検知し、シール性を回復させる。【解決手段】反応ガスが通過する第１のガス通路Ｌ１の接続端を構成する第１の通路末端部８と、前記第１のガス通路Ｌ１に接続される第２のガス通路Ｌ２の接続端を構成する第２の通路末端部９と、前記第１の通路末端部８と前記第２の通路末端部９とが接触して第１のガス通路Ｌ１と第２のガス通路Ｌ２とが接続されるときに、その接触面に保持され前記第１のガス通路Ｌ１と前記第２のガス通路Ｌ２とを大気中から隔離した状態にシールするシール部材７と、前記シール部材７が保持された状態で前記第１の通路末端部８と前記第２の通路末端部９とを弛緩可能に固定するとともに所定の駆動信号により前記固定を弛緩させる可動固定手段２、３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが通過する第１のガス通路の接続端を構成する第１の通路末端部と、
前記第１のガス通路に接続される第２のガス通路の接続端を構成する第２の通路末端部と、
前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とが接触して第１のガス通路と第２のガス通路とが接続されるときに、その接触面に保持され前記第１のガス通路と前記第２のガス通路とを大気中から隔離した状態にシールするシール部材と、
前記シール部材が保持された状態で前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とを弛緩可能に固定するとともに所定の駆動信号により前記固定を弛緩させる可動固定手段と、
を備えることを特徴とするガス通路の接続装置。
【請求項２】
第１および第２のガス通路と、
反応ガスが通過する第１のガス通路の接続端を構成する第１の通路末端部と、
前記第１のガス通路に接続される第２のガス通路の接続端を構成する第２の通路末端部と、
前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とが接触して第１のガス通路と第２のガス通路とが接続されるときに、その接触面に保持され前記第１のガス通路と前記第２のガス通路とを大気中から隔離した状態にシールするシール部材と、
前記シール部材が保持された状態で前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とを弛緩可能に固定するとともに所定の駆動信号により前記固定を弛緩させる可動固定手段と、
前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とが接続されたシール部分からのシールの漏れを検知する検知手段と、
前記シールの漏れを検知したときに、前記駆動信号により前記可動固定手段による固定を弛緩させる駆動手段とを備えるガス通路システム。
【請求項３】
請求項２に記載のガス通路システムにおいて、前記検知手段は、
前記第１のガス通路のガス圧力と前記第２のガス通路のガス圧力との圧力差を検知する手段と、
前記圧力差が所定値以上になったときにシールの漏れを判定する判定手段と、を有するガス通路システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のガス通路システムにおいて、
前記シール部材に向かって流体を噴射する流体噴射手段と、
前記シールの漏れを検知したときに、前記噴射手段により流体を噴射させる噴射制御手段とをさらに備えるガス通路システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを反応させ電気を発生する。燃料ガスとして、例えば、水素は高圧の水素タンクから水素供給通路を通じて燃料電池の水素極側に供給され、反応後のガスは水素極の排出口から下流側通路に排出される。
【０００３】
また、
燃料電池のうち、循環型のものは、水素極の排出口から排出される反応後のガスを排出口に接続される下流側通路から水素供給通路（水素極の入口側に接続される管路）に循環させる環流通路を有する。
【０００４】
さらに、酸化剤ガスとして、空気がエアコンプレッサ等の空気供給手段から空気供給通路を通じて燃料電池の空気極側に供給され、反応後のガスは空気極の排出口から下流側通路に排出される。
【０００５】
このように、燃料電池では、各種配管が設けられ、燃料ガス、酸化剤ガス、あるいは、反応後のガスの供給通路、排気通路を含むガス通路システムを構成している。このようなガス通路システムは、通常は、１本の継ぎ目のない管路で構成することは困難である。そのため、複数の配管の末端（フランジ等）同士をＯ−リングのようなシール部材で挟んで締め具で固定して接続する。
【０００６】
このような構成のガス通路システムでは、シール部材とフランジとの間に異物が咬み込まれる場合がある。異物は、例えば、燃料電池を構成する多数の配管内壁から脱落した微細なチリ（例えば、数ミクロン程度の微粒子）、燃料電池スタックから遊離した高分子膜の破片、電極の一部等であると考えられる。
【０００７】
そのような異物がシール部材とフランジとの間のシール面に付着すると、シール部材のシール性が劣化し、シール面から配管外（大気中）に反応ガスが漏れ出る場合が生じる。同様の事態は、燃料電池以外でも、反応ガスを使用する様々なガス通路システムを有するシステム、例えば、ガスプラント、火力発電プラント、化学工業プラント等でも生じる可能性がある。一般的には、このような配管の接続部からの反応ガスの漏れは、引火の危険、人体への危険、または、燃料効率の低下等につながるため、極力早期にシール性を回復する必要がある。
【０００８】
しかし、従来、配管接続部でシール性の劣化を検知したときに、シール性を有効に回復する技術は提供されていなかった。なお、
本発明に関連する先行技術は、以下の特許文献１から４に示されている。しかし、いずれの文献も、流体の流れを制御する弁に異物が咬み込むことを防止する技術であり、配管接続部のシール性を回復するための技術としては利用できない。
【特許文献１】特開２００４−２０００６１号公報
【特許文献２】特開２００３−９０４５９号公報
【特許文献３】特開２００４−１０３５０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、配管接続部のシール性の劣化を検知し、シール性を回復させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、反応ガスが通過する第１のガス通路の接続端を構成する第１の通路末端部と、前記第１のガス通路に接続される第２のガス通路の接続端を構成する第２の通路末端部と、前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とが接触して第１のガス通路と第２のガス通路とが接続されるときに、その接触面に保持され前記第１のガス通路と前記第２のガス通路とを大気中から隔離した状態にシールするシール部材と、前記シール部材が保持された状態で前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とを弛緩可能に固定するとともに所定の駆動信号により前記固定を弛緩させる可動固定手段と、を備えることを特徴とするガス通路の接続装置である。
【００１１】
本ガス通路の接続装置は、第１のガス通路と第２のガス通路とが接続されるときに、その接触面にシール部材を保持し、その状態で前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とを弛緩可能に固定するとともに所定の駆動信号により前記固定を弛緩させる。したがって、シール部材と前記接触面との間に異物が咬み込んだ場合に、前記駆動信号を受けることで、前記前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部の固定を弛緩させ、前記接触面からの異物の除去を容易にすることができる。
【００１２】
また、本発明は、第１および第２のガス通路と、反応ガスが通過する第１のガス通路の接続端を構成する第１の通路末端部と、前記第１のガス通路に接続される第２のガス通路の接続端を構成する第２の通路末端部と、前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とが接触して第１のガス通路と第２のガス通路とが接続されるときに、その接触面に保持され前記第１のガス通路と前記第２のガス通路とを大気中から隔離した状態にシールするシール部材と、前記シール部材が保持された状態で前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とを弛緩可能に固定するとともに所定の駆動信号により前記固定を弛緩させる可動固定手段と、前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部とが接続されたシール部分からのシールの漏れを検知する検知手段と、前記シールの漏れを検知したときに、前記駆動信号により前記可動固定手段による固定を弛緩させる駆動手段とを備えるガス通路システムであってもよい。この構成においても、シール部材と前記接触面との間に異物が咬み込んだ場合に、前記駆動信号を受けることで、前記前記第１の通路末端部と前記第２の通路末端部の固定を弛緩させ、前記接触面からの異物の除去を容易にすることができる。
【００１３】
前記ガス通路システムにおいて、前記検知手段は、前記第１のガス通路のガス圧力と前記第２のガス通路のガス圧力との圧力差を検知する手段と、前記圧力差が所定値以上になったときにシールの漏れを判定する判定手段と、を有するものでもよい。
【００１４】
このような構成により、ガス通路を流れるガスの種類に依存せず２つのガス通路の接続部分でのシールの漏れを検知できる。
【００１５】
前記ガス通路システムにおいて、前記シール部材に向かって流体を噴射する流体噴射手段と、前記シールの漏れを検知したときに、前記噴射手段により流体を噴射させる噴射制御手段とをさらに備えるガス通路システムでもよい。このような構成により、流体の噴射によって効果的に異物を除去できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、配管接続部のシール性の劣化を検知し、シール性を回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１から図４の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る反応ガス通路システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１８】
図１は、本反応ガス通路システムのシステム構成図である。本実施形態では、この反応ガス通路システムは、燃料電池に適用されており、燃料ガスである水素の供給通路および排出通路と、酸化剤ガスである空気の供給通路および排出通路とを構成している。
【００１９】
この燃料電池は、燃料電池本体２１（燃料電池スタックＦＣＬともいう）と、燃料電池本体２１に燃料ガスである水素を供給し、反応後のガスを排出する水素極側ガス通路システムと、燃料電池本体２１に酸化剤ガスである空気を供給し、反応後のガスを排出する空気極側ガス通路システムとを有している。
【００２０】
また、水素極側ガス通路システムは、高圧の水素を保持し、燃料電池本体２１に燃料ガスである水素を供給する水素タンク５と、水素タンク５の高圧水素を減圧する低圧レギュレータ２３と、低圧レギュレータ２３の出口側に設けられ水素の供給と遮断とを制御する遮断弁２２と、燃料電池本体２１の水素極排出口に接続され、排出ガスから水分を分離する気液分離器２５と、気液分離器２５で分離された水の生成水タンク１０への排出を制御するオートドレイン弁２８と、気液分離器２５で水分を分離された排出ガスを水素供給通路側（水素極入口側）に送り込む水素ポンプ２４と、水素ポンプ２４の出力側の通路に設けられた逆止弁３２とを有している。
【００２１】
また、空気極側ガス通路システムは、エアクリーナ４１を通じて空気を取り込み加圧排出するエアコンプレッサ４２と、フィルタ４４を通じてエアコンプレッサ４２の加圧空気を供給され、加湿した空気を燃料電池本体２１の空気極側に供給する加湿モジュール４４とを有する。なお、空気極側の反応後のガスは、一部がドレイン弁４５を通じて大気中に排出されるとともに、一部が加湿モジュール４４にて空気の加湿に使用される。
【００２２】
水素タンク５は、高圧の水素ガスを保持している。水素タンク５は、低圧レギュレータ２３、遮断弁２２を通じて燃料電池本体２１の燃料導入口に接続され、燃料電池本体２１に水素を供給する。供給された水素は、燃料電池本体２１の各セルの水素極に供給される。
【００２３】
ここで、例えば、水素極側ガス通路システムは、単一の継ぎ目のない配管で構成することが困難であるため、低圧レギュレータ２３につながる下流側配管Ｌ１と、水素タンク５につながる上流側配管Ｌ２とが、接続部１にて接続されている。本実施形態では、接続部１を詳述するが、このような接続箇所は、燃料電池内の水素極側ガス通路システム、あるいは、空気極側ガス通路システムに多数存在している。
【００２４】
図１の例では、接続部１の近傍には、水素センサ４（本発明の検知手段に相当）が設けられ、水素センサ４の検出信号は、制御系２０に取り込まれている。
【００２５】
図２は、接続部１の構造の概要を示す概略断面図である。接続部１は、下流側配管Ｌ１（本発明の第１のガス通路に相当）の末端部を構成する上部フランジ８（本発明の第１の
通路末端部に相当）と、上流側配管Ｌ２（本発明の第１のガス通路に相当）の末端部を構成する下部フランジ９（本発明の第２の通路末端部に相当）と、複数のネジ１０により下部フランジ９に組み付けられ上部フランジ８を図２の上方から被覆するホルダ１１と、下部フランジ９上の溝部に収容され上部フランジ８と下部フランジ９との間に挟まれて保持されるＯ−リング７（本発明のシール部材に相当）と、ホルダ１１の中心軸を中心とする円周上に数カ所設けられた孔部を通って上部フランジ８を下部フランジ９の方向に押圧するピン６と、ピン６を上部フランジ８が下部フランジ９に押圧される方向に付勢するバネ３と、所定の駆動電流で駆動されたときにバネ３の付勢力に抗してピン３を図１の上方に引き上げ、上部フランジ８の下部フランジ９への押圧を弛緩させるソレノイド２とを有している。バネ３とソレノイド２が本発明の可動固定手段に相当する。
【００２６】
本実施形態のガス通路システムでは、Ｏ−リング７のシール部分に水噴射ノズル１４（本発明の流体噴射手段に相当）の開口が設けられ、水噴射ノズル１４に供給された水をＯ−リング７のシール部分（Ｏ−リング７と上部フランジ８との接触部分およびＯ−リング７と下部フランジ９との接触部分）に噴出可能となっている。
【００２７】
なお、下流側ガス通路Ｌ１と上流側ガス通路Ｌ２との関係は、図２で上下逆でも構わない。すなわち、上部フランジ８につながるガス通路が上流側ガス通路Ｌ２であってもよし、下部フランジ９につながるガス通路が下流側ガス通路Ｌ１であってもよい。また、下部フランジ９に溝部を設けてＯ−リング７を収容したが、溝部を上部フランジ８に設けてＯ−リング７を収容してもよい。
【００２８】
いずれにしても、水噴射ノズル１４から噴出される水の方向は、上流側配管Ｌ２および下流側配管Ｌ１を流れる水素ガスと略同方向であることが望ましい。図２では、水噴射ノズル１４から噴出される水の方向は、水素ガスの流れに対して、鋭角状の傾きを有しているが、概ね水素ガスの流れによるサンクション（水素ガスの流れによる引張力）と協働する方向である。
【００２９】
図３は、接続部１と、制御系２０の詳細例を示す詳細構成図の一例である。制御系２０は、接続部１からの水素ガスの漏れを検出する水素センサ４からの信号を受けて、接続部１のシール性能の劣化を検知し、異物除去処理を実行する。制御系２０は、接続部１のソレノイド２に電流を供給する電源部１８と、水噴射ノズル１４に水を供給する液体ポンプ１６および水貯蔵部１６Ａと、水素センサ４からのガス漏れ検知信号を受けて電源部１８（本発明の駆動手段に相当）および液体ポンプ１６（噴射制御手段に相当）を駆動させる制御部１５とを有している。
【００３０】
なお、図２では、水噴射ノズル１４は、上流側配管Ｌ２の内面に開口し、上流側配管Ｌ２の中心軸を挟んで反対側に位置するＯ−リング７の内面に向けて水を噴射する構成となっている。一方、図３では、水噴射ノズル１４は、Ｏ−リング７の外側に開口し、Ｏ−リング７の外側から中心軸に向けて水を噴射する構成となっている。しかし、本発明の実施において、水噴射ノズル１４の開口は、図２または図３のいずれの構成でもよい。また、図２の構成と図３の構成の両方の開口を接続部１に設けてもよい。
【００３１】
電源部１８は、例えば、直流電源と、制御部１５に制御されるスイッチ（リレー、半導体スイッチ等）を有し、制御部１５からの制御信号にしたがい、ソレノイド２を励磁する。
【００３２】
液体ポンプ１６は、水貯蔵部１６Ａ内の水を吸引可能に構成され、制御部１５からの制御信号にしたがい、水噴射ノズル１４に水を供給する。
【００３３】
制御部１５は、水素センサ４の検出信号が所定の閾値を超えたときに、電源部１８および液体ポンプ１６を駆動する。制御部１５は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）であってもよい。また、制御部１５は、ＥＣＵよりもさらに単純な構成であってもよい。例えば、制御部１５は、水素センサ４の信号と所定値とを比較するコンパレータと、コンパレータの一方への出力（正または負の出力）により電源部１８および液体ポンプ１６をオン・オフする制御回路であってもよい。
【００３４】
ソレノイド２は、電源部１８に接続され、所定の条件で、駆動電流を与えられ、励磁される。ソレノイド２が励磁されない状態では、バネ３の付勢力によりピン６が上部フランジ８を下部フランジ９方向に付勢するので、Ｏ−リング７によるシールが維持される。
【００３５】
一方、水素センサ４が水素の漏れを検知すると、その検知信号が制御部１５に伝達される。すると、制御部１５は、電源部１８からの電流をソレノイド２に供給し、ピン６をバネ３の付勢力に反する方向に駆動する。その結果、上部フランジ８の下部フランジ９方向への押圧が弛緩される。
【００３６】
このとき、制御部１５は、さらに、液体ポンプ１６を駆動させる。その結果、水が水貯蔵部１６Ａから吸引され、水噴射ノズル１４へ供給される。水は、Ｏ−リング７のシール部分に噴出される。
【００３７】
図４に、本発明の実施形態に係るガス通路システムでの異物除去処理の手順を示すフローチャートを示す。この処理は、図３に示した、制御部１５が水素センサ４からの検出信号に基づき、液体ポンプ１６および電源部１８を制御することにより実現される。
【００３８】
まず、通常状態では、水素センサ４が接続部１からの水素のガス漏れを監視している。このとき、制御部１５は、水素センサ４からの検出信号通知待ちの状態にある。水素センサ４がガス漏れを検知すると（Ｓ１）、その検出信号を制御部１５に通知する。制御部１５は、通知されたガス漏れ量に対応する検知信号が、所定の閾値を超えるか否かを判定し、検知信号の値（あるいは、振幅等）が所定の閾値を超える場合、ガス漏れありと判断する（Ｓ２）。
【００３９】
ガス漏れがなかった場合、制御部１５は、制御をＳ１に戻し、水素センサ４からの通知待ちの状態（ガス漏れ監視状態）に制御を戻す。
【００４０】
一方、ガス漏れありと判定された場合、制御部１５は、電源部１８に指令してソレノイド２を励磁し、ピン６をバネ３の付勢力による押圧方向と逆方向（図２，図３で上方向）に移動させる。これにより上部フランジ８の下部フランジ９方向への押圧力が消滅し、Ｏ−リング７近傍のシール状態が弛緩する。このような電源部１８への制御とともに、制御部１５は、液体ポンプ１６に所定時間の水の供給を指令する。これにより、シール部分近傍に水が所定時間噴射される（Ｓ３）。
【００４１】
所定時間後、制御部１５は、電源部１８に指令し、ソレノイド２の駆動を停止させる。また、制御部１５は、液体ポンプ１６による水の供給を停止させる。その結果、水噴出ノズル１４からの水の噴射が停止するとともに、バネ３の弾性力により、上部フランジ８が下部フランジ９方向へ押圧され、Ｏ−リング７によりシールが復旧する（Ｓ４）。その後、制御部１５は、水素センサ４からの検出信号通知待ちの状態（ガス漏れ監視状態）に制御を戻す。
【００４２】
以上述べたように、本実施形態に係る反応ガス通路システムによれば、２つの配管を接続する配管末端の接続部１（上部フランジ８，下部フランジ９、Ｏ−リング７）をバネ３
で押圧しておく。そして、ガス漏れが検知されたときに、ソレノイド２によりバネ３の付勢力に抗して、ピン６および上部フランジ８を下部フランジ９から離間する方向に駆動し、Ｏ−リング７によるシールを弛緩させ、シール部分近傍に向けて水噴射ノズル１４から水を噴射させる。このような構成により、上記接続部１のシール部分（Ｏ−リング７と上部フランジ８および下部フランジ９との接触面）に異物が咬み込んだ場合に、水噴射ノズル１４からの水により、異物を除去することができる。
【００４３】
この場合、本ガス通路システムでは、水噴射ノズル１４からの水は、略配管を流れるガスの流れの方向またはガスの流れと鋭角をなす方向に噴射させるので、ガスの流れによるサンクション効果と水噴射による異物除去効果が相乗して、さらに効果的に異物を除去できる。
【００４４】
そして、反応ガス通路システムは、異物除去動作を実行後、再び通常のシール状態に復旧することができる。したがって、反応ガス通路システムは、簡易な構成で、２つの配管の接続部１でのシール部分への異物の咬み込みに伴うシール性能の劣化の検知と、劣化したシール性能の復旧を可能にする。
【００４５】
なお、上記実施形態では、通常状態ではバネ３の付勢力によりピン６および上部フランジ８を下部フランジ９方向に押圧し、ガス漏れが検知されたときに、ソレノイド２によりバネ３の付勢力に抗して、ピン６および上部フランジ８を下部フランジ９から離間する方向に駆動した。これに代えて、通常状態ではソレノイド２によりピン６および上部フランジ８を下部フランジ９方向に押圧し、ガス漏れが検知されたときに、ソレノイド２の励磁を遮断することで、バネ３の付勢力によりピン６および上部フランジ８を下部フランジ９から離間する方向に駆動してもよい。
【００４６】
上記実施形態では、水素センサ４により水素の漏れ、すなわち、シール性能の劣化を検知した。しかし、本発明の実施は、そのような構成には、限定されない。例えば、接続部１で上流側と下流側の水素圧力を検知し、その圧力差が所定値以上となったときに、制御部１５は、接続部１にシール性能の劣化があると判定してもよい。その場合には、例えば、上流側配管Ｌ２と下流側配管Ｌ１に各々圧力センサを設けて、差圧を検知すればよい。また、接続部１で上流側と下流側の差圧を検知する差圧計を用いてもよい。このような構成により、配管を流れるガスの種類に依存せず２つの配管の接続部分でのシールの漏れを検知できる。このような圧力差によるシール漏れ検知は、例えば、空気極側のガス通路でのシール性能劣化の検知に好適である。これら２つの圧力センサ、または、差圧計が本発明の圧力差を検知する手段に相当する。また、その圧力差が所定値以上となったときに、接続部１にシール性能の劣化があると判定する制御部１５が判定手段に相当する。
【００４７】
また、上記実施形態では、ソレノイド２を励磁する電源部１８と、水噴射ノズル１４から水を噴射させる液体ポンプ１６とを制御系１５に組み込み、制御部１５により制御した。しかし、本発明の実施は、このような構成には限定されない。例えば、水素センサ４からの検出信号を検出し、電源部１８を制御する制御手段と、水素センサ４からの検出信号を検出し、液体ポンプ１６を制御する制御手段とを個別に構成してもよい。
【００４８】
また、ソレノイド２を励磁する電源部１８と水噴射ノズル１４から水を噴射させる液体ポンプ１６とを組み合わせて１つの接続部１に適用する必要はなく、それぞれ必要に応じていずれか一方だけを接続部１に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る反応ガス通路システムのシステム構成図である。
【図２】ガス通路接続部の構造の概要を示す概略断面図である。
【図３】ガス通路の接続部と、制御系の詳細を示す詳細構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガス通路システムでの異物除去処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
Ｌ１  下流側配管
Ｌ２  上流側配管
１  接続部
２  ソレノイド
３  バネ
４  水素センサ
５  水素タンク
６  ピン
７  Ｏ−リング
８  上部フランジ
９  下部フランジ
１０  ネジ
１１  ホルダ
１４  水噴射ノズル
１５  制御部
１６  液体ポンプ
１８  電源部
２０  制御系
【図１】
2006200568.tif 000003
【図２】
2006200568.tif 000004
【図３】
2006200568.tif 000005
【図４】
2006200568.tif 000006