(57)【要約】【課題】圧力検出器と温度検出器の配置を最適化することにより、検出精度を向上させる。【解決手段】燃料電池本体に空気および燃料を供給して発電する燃料電池システムにおいて、空気および／または燃料の流れるガス流路（配管１）に、それぞれ２つ以上の圧力センサ２２、２３および温度センサ２４、２５を備える。圧力センサ２２、２３はガス流れ方向と略平行な方向Ａに並べて配置し、温度センサ２４、２５はガス流れ方向と略直交する同一断面内に並べて配置する。圧力センサ２２、２３の近傍にヒータ２６を備え、ヒータの近傍に温度センサ２４、２５を備え、２つ以上のセンサの温度情報からヒータ２６の異常を検知する。【選択図】図１
2007173170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体に空気および燃料を供給して発電する燃料電池システムにおいて、
前記空気および／または燃料の流れるガス流路に、それら被測定ガスの圧力および温度を検出するための圧力検出器および温度検出器をそれぞれ少なくとも２つ以上備え、
前記圧力検出器は、前記ガス流路に、前記被測定ガスの流れる方向と略平行な方向に並べて配置され、
前記温度検出器は、前記ガス流路に、前記被測定ガスの流れる方向と略直交する同一断面内に並べて配置されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
２つ以上の前記温度検出器を、少なくとも一つの前記圧力検出器と同一断面内に配置した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
２つ以上の前記圧力検出器を、前記被測定ガスの流れに対して同じ側且つ同じ角度で配置した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
少なくとも請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記圧力検出器の近傍にヒータを備えると共に、
前記ヒータの近傍に少なくとも２つ以上の前記温度検出器を備え、
これら２つ以上の温度検出器より得られる２つ以上の温度情報から、前記ヒータの異常を検知する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
少なくとも請求項１〜４の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記圧力検出器および前記温度検出器が、略水平方向に配設されたストレートな前記ガス流路の流路壁に装備され、前記圧力検出器が、前記ガス流路の中心線より上側に配置されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池本体に空気および燃料を供給して発電する燃料電池システムに関し、主に車載用として適用される燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されるように、燃料電池本体に供給する空気や燃料あるいは排出ガス等の状態をセンサで検知して、最適な状態を維持するよう制御されている。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１８号公報
【特許文献２】特開２００５−９３１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１、２においては、燃料電池システムを稼働する上で、圧力、温度の情報が重要との認識が示されているものの、その取付や配置については明らかにされておらず、従って、燃料電池システム特有の液水が特に圧力検出や温度検出に悪影響を及ぼす可能性があった。
【０００４】
具体的には、環境温度が低温になると、システム内の水分が凝縮し、気相と液相の混相状態でシステム内を流れることがあり、特に圧力検出に誤差が生じてしまうおそれがあった。また、環境温度が零下となって、凝縮した液水が凍結した場合、さらにその検出誤差を拡大してしまうおそれがあった。
【０００５】
そこで本発明は、圧力、温度の検出器をそれぞれ２つ以上有すると共に、圧力検出器と温度検出器の配置を最適化することにより、検出精度を向上させ、安定した運転を可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、空気および／または燃料の流れるガス流路に、それら被測定ガスの圧力および温度を検出するための圧力検出器および温度検出器をそれぞれ少なくとも２つ以上備えている。
【０００７】
そして、この燃料電池システムでは、前記圧力検出器を、ガス流路に、被測定ガスの流れる方向と略平行な方向に並べて配置する一方、前記温度検出器を、ガス流路に、被測定ガスの流れる方向と略直交する同一断面内に並べて配置している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、システム内を流れるガス（空気と燃料）の状態、つまりガスの圧力と温度をそれぞれ２つ以上の圧力検出器と温度検出器とによって、それらの圧力と温度をより正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１（ａ）は本実施形態の要部を示す縦断面図、図１（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図、図２は本実施形態の要部の外観斜視図、図３は本実施形態の概略を示すシステム構成図である。
【００１１】
まず、燃料電池システムの基本的な構成を図３を用いて説明する。システムの主体となる燃料電池本体１０は、電解質膜１１の両面に、触媒およびガス拡散電極が形成された触媒電極層１２ａ、１３ａを密着的に形成し、一方を酸化ガス極１２、他方を燃料極１３としたものであり、燃料電池本体１０のそれぞれの極側に、酸化ガスである空気２０と、燃料ガスである水素３０を供給することで、両極間に発生する電気を、外部の電気負荷４０に電力として取り出すようになっている。
【００１２】
ここで、空気２０を供給するライン１（ガス流路）および水素３０を供給するライン（ガス流路）には、それぞれ加湿装置２１、３１が装着され、燃料電池本体１０内の電解質膜１１の湿潤状態を確保することができるようになっている。
【００１３】
さらに、空気２０を供給するラインには、圧力センサ（圧力検出器）２２、２３、温度センサ（温度検出器）２４、２５がそれぞれ２つずつ設けられている。水素３０を供給するラインにも同様に、圧力センサ（圧力検出器）３２、３３、温度センサ（温度検出器）３４、３５がそれぞれ２つずつ設けられている。
【００１４】
図１、図２は、例えば、空気２０を供給するラインにおける、圧力センサ２２、２３と温度センサ２４、２５の取付・配置例を示している。水素側のラインについても同様であるが、ここでは代表として空気側のラインについてだけ説明する。なお、図示する例は、構成および作用を解り易く説明するために誇張して示してあり、必ずしも現実の寸法関係を表わしているわけではない。
【００１５】
図１、２において、符号１で示すものは、空気ラインを構成する配管（ガス流路）で、１ａは配管内壁を示す。この配管１の一方は、図示しない空気コンプレッサに連通し、他方は、燃料電池本体１０内の酸化ガス極１２に連通している。従って、コンプレッサから送られた空気は、配管１を通過して、燃料電池本体１０に供給されるようになっている。
【００１６】
ここで、配管１の略水平方向に配されたストレート部分の管壁（流路壁）には、２つの圧力センサ２２、２３が、ガス（被測定ガスである空気）の流れる方向Ａと平行な方向に並べて配置されており、両圧力センサ２２、２３のポート部２２ａ、２３ａが、配管内壁１ａに同じように開口している。換言すれば、２つの圧力センサ２２、２３は、水平方向に配設された配管１のストレート部分に、空気の流れ方向Ａに沿って互いに接近するように隣接配置されており、その圧力センサ２２、２３のポート部２２ａ、２３ａを、ガス流路内に臨ませるようにして設けられている。
【００１７】
また、圧力センサ２２に近接して、配管１の管壁（流路壁）には、２つの温度センサ２４、２５が、ガス（被測定ガス）の流れる方向Ａと略直交する（略直角となる）同一断面内に並べて配置されている。換言すれば、ガスの流れる方向Ａと直交する配管１の任意断面上に、２つの温度センサ２４、２５を並べて配置している。
【００１８】
この場合、ガス流れ方向の上流側に位置する圧力センサ２２と、２つの温度センサ２４、２５は、同じ断面内に配置されている。つまり、互いに配管１の中心で交わる水平中心線をＸ線、垂直中心線をＹ線とすると、Ｘ線とＹ線を含む同じ断面内（Ｉｂ−Ｉｂ断面内）に、２つの温度センサ２４、２５と１つの圧力センサ２２が配置されている。
【００１９】
２つの圧力センサ２２、２３は、一方がシステム制御用、もう一方がセンサ診断用として機能設定されている。
【００２０】
この場合、同じ圧力下にあることが前提で診断することになるため、２つの圧力センサ２２、２３は、常時（定常運転時でも小流量から大流量の広範囲で）同じ圧力下となる位置に配置しておく必要がある。圧力媒体が気相であるならば、２つの圧力センサ２２、２３の配置の同一性はさほど気にしなくても問題は小さいが、気液混相流のような場合は、２つの圧力センサ２２、２３の配置の同一性を高めておく必要がある。
【００２１】
そこで、２つの圧力センサ２２、２３を、ガス流れ方向と平行な方向に並べて配置する。しかも、２つの圧力センサ２２、２３は、配管１の中心を通る水平中心線Ｘよりも上側に取り付けてある。この取付位置は、好ましくは、図１（ｂ）に示すように、水平中心線Ｘを基準にした  角度θ＝４５°〜１３５°の範囲に設定するのが良い。これは、車両に搭載した場合の姿勢を考慮してのものである。
【００２２】
一方、第１の温度センサ２４は、上流側の圧力センサ２２近傍の前記水平中心線Ｘ上に設け、第２の温度センサ２４は、第１の温度センサ２４より下側の、圧力センサ２２の中心を通る配管１の垂直中心線Ｙ上に設けてある。つまり、２つの温度センサ２４、２５は、９０度をなす角度として互いに直交する位置関係に配置されている。
【００２３】
また、本実施の形態では、上流側の圧力センサ２２に隣接した位置にヒータ２６を設けている。このヒータ２６は、圧力センサ２２、２３の凍結防止、あるいは、凍結後の解凍用として備えたものである。圧力センサ２２、２３は、検出部で凍結が生じると検出誤差を生じることがあるので、零下となる環境下では、ヒータ２６を作動させる。
【００２４】
ヒータ２６をＯＮした後の温度センサ２４、２５の検出値は、ヒータ２６からの距離に応じて、それぞれ遅れ時間を持って上昇することになる。つまり、ヒータ２６をＯＮした後、ヒータ２６の熱は配管１を伝熱し、まず、ヒータ２６に近い位置にある温度センサ２４の検出値を上昇させる。次いで、少し遅れて、ヒータ２６から遠い位置にある温度センサ２５の検出値を上昇させる。
【００２５】
このような２つの温度センサ２４、２５の検出値の上昇の時間的なずれは、ヒータ２６の加熱によるものと判断することができる。したがって、逆に、このような温度センサ２４、２５の検出値の時間的なずれの現象を利用することによって、ヒータ２６が正常に作動しているかどうかの判断を下すことができる。
【００２６】
つまり、燃料電池システムを起動させた場合は、ヒータ２６以外の要素の影響によっても、温度センサ２４、２５の検出値が上昇するが、ヒータ２６以外の要素の影響による場合は、時間的なずれがほとんどない。一方、ヒータ２６の加熱による影響の場合は、予測された範囲内の時間的なずれが現れる。
【００２７】
そこで、その時間的なずれを監視することによって、ヒータ２６による影響であるかどうかを判断することができる。即ち、ヒータ２６をＯＮした後、一定の時間的なずれを持った関係で、温度センサ２４、２５の検出値が上昇した場合は、ヒータ２６が正常に機能していると判定することができるのである。
【００２８】
本実施の形態によれば、システム内を流れるガス（空気と燃料）の状態、つまりガスの圧力と温度を、それぞれ２つの圧力センサ２２、２３および温度センサ２４、２５によって判断するので、より正確に検出することができる。
【００２９】
例えば、ガス流れの影響を受け易い圧力の検出については、小流量から大流量まで流れの影響が同じになる位置に並べて２つ以上の圧力センサ２２、２３を配置しているので、それらの情報に基づいて判断することにより、検出誤差をできるだけ低減することができる。また、一方を制御用、他方を診断用としているので、検出値の信頼性を高めることができる。
【００３０】
なお、仮に、２つの圧力センサ２２、２３を温度センサ２４、２５と同じようにガスの流れる方向と直交する同一断面内に互いに離して配置してしまうと、ガス流れの影響を受けて検出誤差が生じてしまう。 これは、ガス流れの断面内での不均一さによるもので、特に低温環境下においては、気相と液相の混相流となり低温ほど液相分が増え、重力影響が強くなる。このような場合、同一断面に形成しようとすると、どうしても対地の取り付け角度が異なってしまい、不均一な流れ場による圧力検出差が増大されてしまう。
【００３１】
また、温度の検出については、ガスの流れ方向に温度差を生じやすいという条件があるが、ガスの流れ方向と直交する同一断面内に２つの温度センサ２４、２５を配置しているので、それらの情報に基づいて判断することにより、ガスの流れ方向に生じる温度差の影響を受けることなく、検出誤差をできるだけ低減することができる。
【００３２】
なお、仮に、温度センサ２４、２５を圧力センサ２２、２３と同じようにガスの流れ方向と平行な方向に並べて配置してしまうと、ガスの流れ方向に生じる温度差の影響を受けて検出誤差が生じてしまう。 これは、流れ方向に温度勾配生じるためである。
【００３３】
また、２つの温度センサ２４、２５を、任意の圧力センサ２２と同一断面内に配置しているので、ガス流れの同じ断面上の圧力、温度を知ることができるので、燃料電池本体１０内へのガス供給状態を同一流れ断面上で正しく把握することができ、これによって、燃料電池本体１０の主に過渡時（過渡時とは、例えば、アイドルのように低負荷運転からアクセル全開のような高負荷運転の間を急激に変化させること、或いは、ゆっくり変化させることも過渡という。ここで、本発明は、急激な変化のときほど効果が大きい。圧力、温度変化を的確に検出できるためである。特に温度検出遅れが小さい）の運転制御性を向上させることができる。また、このようにして、圧力センサ２２、２３と温度センサ２４、２５の配置を最適化することで、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１０に空気および燃料を供給して発電する燃料電池システムにおいて、空気および／または燃料の流れるガス流路（配管１）に、それらの圧力および温度を検出するための圧力センサ２２、２３、３２、３３および温度センサ２４、２５、３４、３５をそれぞれ少なくとも２つ以上備え、前記圧力センサ２２、２３、３２、３３は、前記配管１に、被測定ガスの流れる方向Ａと略平行な方向に並べて配置され、前記温度センサ２４、２５、３４、３５は、前記配管１に、被測定ガスの流れる方向と略直交する同一断面内に並べて配置されているので、検出誤差をできるだけ低減することができ、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００３５】
また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、温度センサ２４、２５、３４、３５を任意の圧力センサ２２、３２と同一断面内に配置したので、ガス供給状態を同一流れ断面上で正しく把握することができる。
【００３６】
また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、２つの圧力センサ２２、２３をガスの流れに対して同じ側且つ同じ角度で配置したので、これら圧力センサ２２、２３で検出される検出誤差をさらに低減することができる。
【００３７】
また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、圧力センサ２２、２３、３２、３３の近傍にヒータ２６を備えると共に、ヒータ２６の近傍に少なくとも２つ以上の温度センサ２４、２５、３４、３５を備え、これら２つ以上の温度センサ２４、２５、３４、３５より得られる２つ以上の温度情報から、前記ヒータ２６の異常を検知するようにしたので、システムの信頼性を一層高めることができる。
【００３８】
また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、圧力センサ２２、２３、３２、３３および温度センサ２４、２５、３４、３５が、略水平方向に配設されたストレートな前記配管１の流路壁に装備され、前記圧力センサ２２、２３、３２、３３が、前記配管１の中心線（水平中心線Ｘ）より上側に配置されているので、圧力検出の精度を高めることができる。特に、気液混相流の場合、液水の浸入による圧力変動を低減できる。
【００３９】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、上述の実施の形態は本発明の一例であり、これら実施の形態に制限されることはない。
【００４０】
なお、上記実施の形態では、圧力センサ２２、２３、３２、３３と温度センサ２４、２５、３４、３５をそれぞれ２つずつ設けた場合を示したが、これらをそれぞれ３つ以上設けてもよい。  
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（ａ）は本実施形態の要部を示す縦断面図、図１（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図である。
【図２】本実施形態の要部の外観斜視図である。
【図３】本実施形態の概略を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…配管（ガス流路）
１０…燃料電池本体
２２，２３…圧力センサ（圧力検出器）
２４，２５…温度センサ（温度検出器）
２６ … ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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