(57)【要約】【課題】燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路に取り付けられるセンサの検出精度の向上、及びセンサの測定不能等の不具合を低減することを目的とする。【解決手段】燃料電池２１に接合され、燃料電池２１から排出されたオフガスが通る燃料電池用ガス配管１０であって、前記オフガスが通るオフガス通路２４と、前記オフガス通路２４の一端２４ａに接続され、前記燃料電池２１と接合されるフランジ２と、前記オフガス通路２４と連通し、オフガスの状態を検出するセンサを取り付けるためのセンサ取付部材３と、を備え、前記センサ取付部材３は、前記フランジ２に接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
2007184192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に接合され、燃料電池から排出されたオフガスが通る燃料電池用ガス配管であって、
前記オフガスが通るオフガス通路と、
前記オフガス通路の一端に接続され、前記燃料電池と接合されるフランジと、
前記オフガス通路と連通し、オフガスの状態を検出するセンサを取り付けるためのセンサ取付部材と、を備え、
前記センサ取付部材は、前記フランジに接続されていることを特徴とする燃料電池用ガス配管。
【請求項２】
前記センサ取付部材は筒状の部材であり、前記フランジの前記燃料電池と接合される面とセンサ取付部材の軸方向のなす角度が所定角度になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス配管。
【請求項３】
前記センサ取付部材は、前記センサが配置される内壁が連続した曲面であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用ガス配管。
【請求項４】
前記センサ取付部材は、前記センサの挿入口となる開口部を有し、
前記開口部は、水平方向に対して上方に傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用ガス配管。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載された燃料電池用ガス配管を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池用ガス配管のフランジと接合され、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスの状態を検出するセンサと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記センサは、ダイヤフラム式の圧力センサであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池に用いる燃料電池用ガス配管及びこれを備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の電気化学反応によって電気エネルギを得るものである。前記燃料電池には、水素等の燃料ガスと酸素を有する酸化ガスが供給され、この燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気エネルギと水が発生する。前記電気化学反応によって生成された水は、通常オフガスとともに燃料電池外へ排出される。
【０００３】
また、前記燃料電池システムは、各種制御を行うため、燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路に各種センサを備えている（例えば、特許文献１、２参照）。前記オフガス通路へのセンサの取り付けは、例えば、前記センサを取り付けるための穴を設けて、当該穴にセンサを挿入して固定する。
【特許文献１】特開２００４−３４２３８５号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３４７７号公報
【特許文献３】特開２００３−３０３６１３号公報
【特許文献４】特公平４−３４２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記穴を設けてセンサを取り付けると、センサと穴との隙間にオフガスに含まれる水が挿入することがある。当該隙間に水が挿入すると低温時に水が凍結し、センサの検出精度が低下したり、センサが不具合を生じ測定不能になることがある。
【０００５】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路に取り付けられるセンサの検出精度の向上、及びセンサの測定不能等の不具合を低減することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池に接合され、燃料電池から排出されたオフガスが通る燃料電池用ガス配管であって、前記オフガスが通るオフガス通路と、前記オフガス通路の一端に接続され、前記燃料電池と接合されるフランジと、前記オフガス通路と連通し、オフガスの状態を検出するセンサを取り付けるためのセンサ取付部材と、を備え、前記センサ取付部材は、前記フランジに接続されていることを特徴とする燃料電池用ガス配管である。
【０００７】
本発明に係る燃料電池用ガス配管は、前記燃料電池と接合されるフランジを備え、当該フランジとセンサ取付部材が接続されているため、フランジを介してセンサ取付部材及びこれに取り付けられるセンサに燃料電池の熱を伝達することができる。なお、前記フランジは、燃料電池に接合するために燃料電池と接触する面積が大きくなっているため、燃料電池の熱量を多く受けることができる。
【０００８】
前記オフガスの状態を検出するセンサとは、オフガスの圧力、温度、流量等の状態を検出するためのセンサである。センサは、状態を検出するためオフガスと接触するように配置され、センサ及びセンサ取付部材はオフガスに含まれる水が付着する。
【０００９】
本発明に係る燃料電池用ガス配管は、センサ取付部材及びこれに取り付けられるセンサ
に燃料電池の熱を伝達することができるため、オフガスから付着した水の気化を促進することができる。よって、水及びこの凍結によるセンサの検出精度の低下及び不具合による測定不能を低減することが可能となる。
【００１０】
なお、燃料電池用ガス配管は、前記フランジが燃料電池の熱を伝達されるように配置されていればよく、その構造及び配置は限定されない。例えば、燃料電池が、電解質膜、触媒層、セパレータ等を備え、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池セルを積層した燃料電池スタックである場合には、複数の燃料電池セルの側部に配置されたエンドプレートに接合することが望ましい。当該エンドプレートは発電を行う燃料電池セルに隣接して配置されており、燃料電池セルの熱が伝達される。エンドプレートとフランジとを接合することにより、フランジを介して燃料電池セルの熱をセンサ取付部材に伝達することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池用ガス配管は、前記センサ取付部材は筒状の部材であり、前記フランジの前記燃料電池と接合される面とセンサ取付部材の軸方向のなす角度が所定角度になるように形成されていることを特徴とすることが望ましい。
【００１２】
前記センサ取付部材は、前記フランジに接続されており、接続部分において交わる方向によって接触面積は異なる。筒状の部材であるセンサ取付部材の軸方向とフランジの前記燃料電池と接合される面のなす角度が垂直であるより鋭角である方が、接触面積は大きくなる。接触面積が大きくなることにより、フランジとセンサ取付部材との接合が強固になる。これにより、取り付けられるセンサの安定性が向上して、センサの測定精度も向上する。
【００１３】
また、接触面積が大きくなることにより、フランジを介してセンサ取付部材に伝達する燃料電池の熱量を増やすことも可能となる。前記所定角度とは、前記燃料電池からの熱伝達と、センサ取付部材及びこれに取り付けられるセンサの安定性と、を考慮して設定される角度である。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池用ガス配管は、前記センサ取付部材が、前記センサが配置される内壁が連続した曲面であることを特徴とすることが望ましい。前記連続した曲面とは、段差、継目がない滑らかな曲面である。内壁をこのように形成することにより、センサが配置される内壁に付着した水を付着した水を流れやすくして、水を溜まりにくくすることができる。よって、取り付けられるセンサに対して凍結等による水の影響を低減することが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明に係る燃料電池用ガス配管は、前記センサ取付部材の前記センサの挿入口となる開口部を有し、前記開口部は、水平方向に対して上方に傾斜して配置されていることを特徴とすることが望ましい。前記開口部を上方に傾斜して配置することにより、センサを取り付ける際の作業を容易にすることができる。
【００１６】
また、本発明は、前記燃料電池用ガス配管を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池用ガス配管のフランジに接合され、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスの状態を検出するセンサと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
前記燃料電池システムによれば、燃料電池の熱を燃料電池用ガス配管に伝達し、オフガスから付着した燃料電池用ガス配管中の水を気化させやすくし、取り付けられるセンサに対する水の影響を低減することができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記センサがダイヤフラム式の圧力センサであることが望ましい。前記ダイヤフラム式の圧力センサとは、ステンレスダイヤフラム、シリコンダイヤフラム等を介して感圧素子によって圧力を計測するセンサである。このダイヤフラム式の圧力センサは、振動によって測定精度が低下する場合がある。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムは、センサを取り付ける燃料電池用ガス配管を燃料電池に接合するため、燃料電池の重量により取り付けられるセンサは安定性が向上し、振動の影響を受けにくくなる。よって、ダイヤフラム式の圧力センサを取り付ける際に好適に適用することができる。また、自動車に搭載された燃料電池システムでは、走行時における振動からセンサの検出精度が低下するおそれがあるため、本発明を好適に用いることできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路に取り付けられるセンサに対する水の影響を少なくすることができるため、センサの検出精度の向上、及びセンサの測定不能等の不具合を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る燃料電池用ガス配管の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１は燃料電池用ガス配管の平面図であり、図２は圧力センサを取り付けた状態の燃料電池用ガス配管の正面図である。また、図３は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図４は燃料電池用ガス配管を備えた燃料電池システムの構成図である。
【００２２】
本実施の形態に係る燃料電池用ガス配管１０は、電気自動車に搭載された燃料電池システム２０に用いたものである。燃料電池システム２０は、電気自動車において多用されている固体高分子電解質型の燃料電池２１と、前記燃料電池２１に燃料としての水素ガスを供給する水素タンク２２と、前記燃料電池２１から排出されるアノードオフガスの圧力を検出するダイヤフラム式の圧力センサ２６と、前記圧力センサ２６を取り付ける燃料電池用ガス配管１０と、を備えている。
【００２３】
前記燃料電池２１は、水素イオン導電性電解質膜の両側に多孔性の燃料極、空気極を設置したＭＥＡと、当該ＭＥＡを挟むように配置され、集電材と水素ガス及び酸化ガスの供給通路とを兼ねたセパレータと、からなる単セル２１ａが複数積層された燃料電池である。複数積層された単セル２１ａの両側には該単セル２１ａを挟むようにエンドプレート２１ｂが配置されている。
【００２４】
前記燃料電池２１は、水素ガスと空気が供給され、水素と酸素との電気化学反応によって電気エネルギを発生する。燃料電池２１には、水素極側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路２４と、酸素極側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路２５が接続されており、当該オフガスは電気化学反応によって発生した水を含んでいる。
【００２５】
前記燃料電池用ガス配管１０は、燃料電池２１から排出されるアノードオフガスが通るオフガス通路２４と燃料電池２１の接続部分に配置されており、前記アノードオフガス通路２４の一部を構成し、燃料電池２１のエンドプレート２１ｂに固定されている。
【００２６】
燃料電池用ガス配管１０は、前記アノードオフガス通路２４と、前記アノードオフガス通路２４の一端に接続されたフランジ２と、前記アノードオフガス通路２４と連通し、アノードオフガス通路２４を通るアノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ２６を取り付けるためのセンサ取付部材としてのセンサボス３と、を備えている。
【００２７】
前記アノードオフガス通路２４は、燃料電池２１から排出されるアノードオフガスの流路となる中空部を有する筒状であり、その端部２４ａはフランジ２に接続されている。前記フランジ２は、平板状であり、前記燃料電池２１を構成するエンドプレート２１ｂと接合されている。前記センサボス３は、圧力センサ２６が挿入される中空部３ａを有する筒状であり、その一端３ｂは前記フランジ２及びアノードオフガス通路２４と接続され、他端３ｃは圧力センサの挿入口となる開口部が形成されている。
【００２８】
前記アノードオフガス通路２４及びこれと連通するセンサボス３の中空部３ａはオフガスと接触するため、アノードオフガス通路２４とセンサボス３の中空部を隔成する内壁には、オフガスに含まれる水が付着する。内壁に付着した水は、センサの不具合等の原因となるため、排出することが望ましい。
【００２９】
本実施の形態に係る燃料電池用ガス配管１０は、前記燃料電池２１のエンドプレート２１ｂと接合されるフランジ２を備え、当該フランジ２とセンサボス３とを接続しているため、当該フランジ２を介して燃料電池２１の熱をセンサボス３に伝達することができる。よって、燃料電池２１の発電に伴って発生する熱によってセンサボス３の内壁に付着した水の気化を促すことができ、取り付けられる圧力センサの水の影響を少なくすることが可能となる。
【００３０】
本実施の形態では、前記フランジ２のエンドプレート２１ｂと接続される面と筒状のセンサボス３の軸方向とがなす所定角度αは、０度に近い鋭角である（図１参照）。この所定角度αとすることにより、所定角度が略垂直である場合と比較してフランジ２とセンサボス３との接触面積、すなわち接続面積が大きくなり、センサボスの安定性が向上する。また、前記角度αとすることにより、センサボス３の外周とフランジ２の表面との隙間が狭くなるため、燃料電池２１の熱を更に伝達しやすくなり好適である。
【００３１】
また、本実施の形態に係るアノードオフガス通路２４とセンサボス３は、内壁に付着した水を内部に溜まりにくくするため、以下のように構成されている。図３は、センサボス３の断面を示すものであり、図に示す矢印Ｘは鉛直方向を示す矢印であり、矢印が示す方向は上向きである。また図に示す矢印Ｙは水平方向を示す矢印である。
【００３２】
前記センサボス３の鉛直方向に対して下側の内壁は、連続した曲面、すなわち段差、継目を有しない曲面である。また、センサボス３の内壁において下に位置する面は、アノードオフガス通路２４との連通部分に向かって下方に傾斜している（図３参照）。よって、センサボス３の内壁に付着した水は、アノードオフガス通路２４との連通部分に向かって流れ、当該水を排出することができる。この際に、内壁が連続した曲面であるため水は流れやすく、内壁における水溜まりを抑制することができる。
【００３３】
さらに、図示しないが、前記アノードオフガス通路２４も、センサボス３と同様に内壁を連続した曲面に形成した。これにより、アノードオフガス通路２４にも水を溜まりにくくして、取り付けられるセンサに対する水の影響を更に少なくすることができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、センサボス３の鉛直方向に対して下側の内壁は、連続した曲面として、内壁における水溜りを抑制するように形成したが、前記センサボス３の鉛直方向に対して下側の内壁のみならずセンサボス３の全ての内壁を連続した曲面に形成してもよい。より広い範囲のセンサボス３の内壁を連続した曲面に形成することにより、内壁における水溜まりを更に抑制することが可能となる。
【００３５】
また、前記センサボス３は、前記開口部が軸方向において上方に向かって開口するよう
に配置されており、軸方向は水平方向に対して角度β傾斜している（図２参照）。このように開口部を配置することにより、圧力センサ２６の挿入口が見やすくなり、圧力センサ２６を取り付け作業が容易となる。
【００３６】
加えて、前記フランジ２は燃料電池２１を構成するエンドプレート２１ｂに取り付けられているため、燃料電池２１の重量により燃料電池用ガス配管１０の安定性が向上する。ダイヤフラム式の圧力センサは、振動の影響を受けることがあるが、前記燃料電池２１の重量によって、取り付けられた圧力センサ２６の安定性も向上し、自動車の走行時等振動を生じる際においても振動の影響が低減され、圧力センサ２６の検出精度を維持することが可能となる。
【００３７】
以上のように、前記燃料電池用ガス配管１０によれば、圧力センサ２６が取り付けられるセンサボス３の水溜りを抑制するとともに、付着した水の気化を促すことができるため、取り付けられる圧力センサ２６に対する水の影響を低減し、濡水による測定不能、測定精度の低下を防ぐことができる。
【００３８】
また、本実施の形態では、燃料電池用ガス配管１０にダイヤフラム式の圧力センサ２６を取り付けたが、本発明は、前記ダイヤフラム式の圧力センサ以外の圧力センサや温度センサ等を利用した際も、当該センサに水の付着を抑制できる効果を得ることができる。
【００３９】
なお、実施の形態に係る燃料電池用ガス配管１０は、燃料電池２１から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路２４に用いたが、他の構成として、アノードオフガスに含まれる水素ガスを再び燃料電池に供給する循環系の燃料電池システムにおいて、アノードオフガスを燃料電池に供給する供給通路に用いてもよい。
【００４０】
当該オフガス供給通路は、アノードオフガスを燃料電池に導く通路であり、排出されたアノードオフガスと同様に水を含むオフガスが通るため、内部は水が付着することがある。また、当該アノードオフガス供給通路も燃料電池と接続されるため、燃料電池の熱を伝達することができ、実施形態に係る燃料電池用ガス配管と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】燃料電池用ガス配管の平面図である。
【図２】燃料電池用ガス配管の正面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】燃料電池用ガス配管を備えた燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
２  フランジ
３  センサボス
１０  燃料電池用ガス配管
２０  燃料電池システム
２１  燃料電池
２１ａ  単セル
２１ｂ  エンドプレート
２２  水素タンク
２４  アノードオフガス通路
２５  カソードオフガス通路
２６  圧力センサ
【図１】
2007184192.tif 000003
【図２】
2007184192.tif 000004
【図３】
2007184192.tif 000005
【図４】
2007184192.tif 000006