(57)【要約】【課題】信頼性の高い気体流量計およびそれを備える燃料電池装置を提供する。【解決手段】  気体が供給され、第１圧力計測部が設けられている上流部と、上流部を流れた気体が流入し、第２圧力計測部が設けられている下流部と、第１圧力計測部と第２圧力計測部との間に設けられ、上流部から下流部に流入する気体が通過するオリフィスを有するオリフィス板と、第１圧力計測部および第２圧力計測部に接続されており、上流側部における気体の圧力と下流部における気体の圧力との差圧を検出する差圧検出器と、気体の温度を計測する温度検出器とを備え、差圧検出器と温度検出器との計測結果に基づいて気体の流量を測定することにより、長期信頼性の高い気体流量計を提供することができる。【選択図】      図１
2017181328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が供給され、第１圧力計測部が設けられている上流部と、
前記上流部を流れた気体が流入し、第２圧力計測部が設けられている下流部と、
前記第１圧力計測部と前記第２圧力計測部との間に設けられ、前記上流部から前記下流部に流入する気体が通過するオリフィスを有するオリフィス板と、
前記第１圧力計測部および前記第２圧力計測部に接続されており、前記上流側部における気体の圧力と前記下流部における気体の圧力との差圧を検出する差圧検出器と、
前記気体の温度を計測する温度検出器とを備え、
前記差圧検出器と前記温度検出器との計測結果に基づいて気体の流量を測定する気体流量計。
【請求項２】
前記上流部と前記下流部はそれぞれ上流側管体と下流側管体とからなり、前記オリフィス板が前記上流側管体と前記下流側管体とで挟持されている請求項１に記載の気体流量計。
【請求項３】
前記第１圧力計測部と前記第２圧力計測部とが周方向に異なる位置に設けられている請求項１または２に記載の気体流量計。
【請求項４】
前記下流側管体の周壁には孔が設けられ、前記温度検出器は、該孔に挿通されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の気体流量計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の気体流量計を備えた燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体流量計およびそれを備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られている。また、セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、ブロワやポンプ等から燃料電池セルに対して、所望の流量が供給されているかを検出すべく、ブロワ等の下流側に気体流量計が設けられている(たとえば、特許文献１を参照）。
【０００４】
このような気体流量計としてはＭＥＭＳ（Micro Electric Mechanical Systems）チップを使用した流量計が知られている。この流量計は、ＭＥＭＳチップの中央にヒータがあり、その上流および下流に温度センサがあり、空気が流れることにより、上流と下流とで温度差が生じてその温度差から流量を検知することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９２０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のＭＥＭＳチップを使用した流量計の場合、コストが高く、また、空気が流れる流路が細いため、筐体の外から吸い込む空気に塵や埃が含まれていると流路が詰まって不具合を起こす可能性がある。それゆえ、燃料電池装置を長期間にわたって安定的に稼動させるために信頼性の高い気体流量計が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の気体流量計の１つの態様は、気体が供給され、第１圧力計測部が設けられている上流部と、上流部を流れた気体が流入し、第２圧力計測部が設けられている下流部と、第１圧力計測部と第２圧力計測部との間に設けられ、上流部から下流部に流入する気体が通過するオリフィスを有するオリフィス板と、第１圧力計測部および第２圧力計測部に接続されており、上流側部における気体の圧力と下流部における気体の圧力との差圧を検出する差圧検出器と、気体の温度を計測する温度検出器とを備え、差圧検出器と温度検出器との計測結果に基づいて気体の流量を測定することを特徴とする。
【０００８】
本発明の燃料電池装置の１つの態様は、上述の気体流量計を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の気体流量計によれば、長期信頼性の高い気体流量計を提供することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池装置によれば、上記の気体流量計を用いたので、長期信頼性の高い燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の気体流量計を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の気体流量計を示す断面斜視図である。
【図３】本実施形態の燃料電池装置の内部を側方から見た模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本実施形態の気体流量計および燃料電池装置について説明する。図１は、本実施形態の気体流量計を示す斜視図である。気体流量計１０は、上流側接続部１４、上流側管体１１、オリフィス板１２、下流側管体１３および下流側接続部１５を順に接続してなる管路を流れる気体に関し、第１圧力計測部１６および第２圧力計測部１７に接続された差圧検出器で差圧を測定し、また、温度検出器取付部１８に取付けられた温度検出器２０で気体の温度を測定することによって、管路を流れる気体の流量を測定するものである。
【００１３】
気体流量計１０は、例えば、上流側管体１１は長さ１１０ｍｍの直線状の管体であり、一般配管用ステンレス鋼管３２Ａスケジュール４０（内径φ３５．５ｍｍ、外径４２．７ｍｍ）を使用することができる。
【００１４】
上流側管体１１の上流側には、上流側接続部１４が接続されている。上流側接続部１４は挿入部１４ａを備えており、挿入部１４ａは、気体流量計１０の上流側への管路の接続や、気体流量計１０の取付対象物への固定のために使用することができる。また、上流側管体１１の下流側には、オリフィス板１２が接続されている。オリフィス板１２は、上流側管体１１と同軸に接続されている。なお、上流側管体１１と上流側接続部１４とは一体化したものであってもよい。
【００１５】
上流側管体１１のオリフィス板１２側の端部には、第１圧力計測部１６が設けられている。第１圧力計測部１６は、例えば、オリフィス板１２から１５ｍｍ程度離れた上流側管体１１の周壁に、直径１０ｍｍ程度の孔を開け、周壁の孔に対応する部分に、外径９．５ｍｍ、内径６．５ｍｍ、長さ３０ｍｍの円筒状の管を取付けたものである。第１圧力計測部１６には、差圧検出器にオリフィス板１２の上流側近傍の圧力を導くための接続管１６ａが接続されている。
【００１６】
また、下流側管体１３は、例えば、長さ１１０ｍｍの直線状の管体であり、上流側管体１１と同様の素材を使用することができる。下流側管体１３の内径は上流側管体１１と同じである。下流側管体１３の下流側端部には、下流側接続部１５が接続されている。なお、下流側管体１３と下流側接続部１５とは一体化したものであってもよい。下流側接続部１５は、挿入部１５ａを備えており、挿入部１５ａは、気体流量計１０の下流側への管路の接続や、気体流量計１０の取付対象物への固定のために使用することができる。また、下流側管体１３の上流側の端部には、オリフィス板１２が同軸に接続されている。オリフィス板１２は、下流側管体１３に接合されてもよい。
【００１７】
下流側管体１３のオリフィス板１２の端部側には、第２圧力計測部１７が設けられている。第２圧力計測部１７は、オリフィス板１２から１５ｍｍ程度離れた下流側管体１３の周壁に、直径１０ｍｍ程度の孔を開け、周壁の孔に対応する部分に、外径９．５ｍｍ、内径６．５ｍｍ、長さ３０ｍｍの管を取付けたものである。第２圧力計測部１７には、差圧検出器にオリフィス板１２の下流側近傍の圧力を導くための接続管１７ａが取付けられている。
【００１８】
下流側管体１３の長手方向のほぼ中央部に温度検出器取付部１８が設けられている。温度検出器取付部１８は、下流側管体１３の周壁に下流側管体１３内部に連通する孔が設けられており、温度検出器２０が挿通されるとともに、温度検出器取付部１８に固定できるようになっている。
【００１９】
温度検出器取付部１８に取付けられた温度検出器２０は、その温度計測部が下流側管体１３内部に位置しており、気体流量計１０を流れる気体の温度を測ることができる。
【００２０】
オリフィス板１２は、外径が上流側管体１１および下流側管体１３と同じ４２．７ｍｍで、厚さが５ｍｍの円形の板の中央部に直径１８．５ｍｍのオリフィス孔１２ａを設けたものである。オリフィス板１２は、上流側管体１１および下流側管体１３に溶接されて固定されている。すなわち、オリフィス板１２は、上流側管体１１および下流側管体１３に挟持されて固定されている。
【００２１】
オリフィス板は、一般的に管と管をつなぐフランジ部に挟持されて設置されていることが多いが、上流側管体１１と下流側管体１３の両方に固定され、挟持されているので、部品点数が少ないので、コストダウンを図ることができる。
【００２２】
図２は、本実施形態の気体流量計を示す断面斜視図であり、図１に示す気体流量計の管路の長手方向の断面を示すものである。上流側接続部１４、上流側管体１１、オリフィス板１２、下流側管体１３および下流側接続部１５を順に接続してなる管路は一直線状であり、通常、上流側から下流側に空気が流れる。上流側接続部１４から上流部である上流側管体１１を流れる気体は直線状の上流側管体１１を流れる間に流れが安定し、流量測定に適した気体の流れとなる。気体の流れを安定させるために、上流側管体１１の長さは、上流側管体１１の内径Ｄの１０倍以上の長さにするとよい。上流側管体１１を流れる気体は、オリフィス板１２で絞られて流速を増して、下流部である下流側管体１３に流入する。なお、オリフィス板１２のオリフィス孔１２ａの口径をｄとすると、開口比ｍは、次式で与えられる。
ｍ＝ｄ２／Ｄ２                                                  …（１）
【００２３】
第１圧力計測部１６に取付けられた接続管１６ａと、第２圧力計測部１７に取付けられた接続管１７ａは、差圧検出器に接続されている。オリフィス板１２直前の上流部の圧力ｐ１とオリフィス板１２直後の下流部の圧力ｐ２の圧力差Δｐ（ｍｍＨｇ）は、差圧検出器で計測する。差圧検出器としては、ＫＬ１５  微差圧トランスミッタ（長野計測器株式会社製）などを用いることができる。
【００２４】
第１圧力計測部１６と、第２圧力計測部１７とを、上流側管体１１、オリフィス板１２および下流側管体１３からなる直線状の管路の周方向に互いに異なる位置に設けることによって、接続管１６ａと接続管１７ｂが干渉することがないので、接続管１６ａ，１７ｂの取付作業やメンテナンス作業がやりやすくなる。
【００２５】
オリフィス板１２の下流側に接続された下流部である直線状の下流側管体１３の内径は上流側管体１１と同様である。下流側管体の長さも、オリフィス孔１２ａで絞られた気流が急に膨張しないようにまた、流れが安定した部分に温度検出器を取付られるように、下流側管体１３の長さは、下流側管体１３の内径Ｄの５倍以上の長さにするとよい。
【００２６】
温度検出器取付部１８に取付けられた温度検出器２０は、気体流量計１０を流れる気体の温度Ｔ（℃）を測定する。温度を測定することによって、気体流量計１０を流れる気体の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）を補正する。温度検出器２０は、気体流量計１０の下流部に限らず、上流部に取付けてもよいが、管内に挿入されている温度検出器による空気の乱れが差圧検出器の測定結果に及ぼす影響を考慮すると、温度検出器２０を気体流量計１０の下流に設けることがより好ましい。
【００２７】
オリフィス孔１２ａを流れる気体の流速ｖ（ｍ／ｓ）は、次式で求めることができる。
ｖ＝√{２／（１−ｍ２）×Δｐ／ρ}                            …（２）
【００２８】
また、オリフィス孔１２ａの断面積は、πｄ２／４であるから、オリフィス孔１２ａを流れる気体の流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）は次式で求めることができる。
Ｑ＝ｖ×πｄ２／４                                            …（３）
【００２９】
また、大気圧計（図示せず）流量測定時の大気圧ｐ０（ｍｍＨｇ）を計測することによって、ノルマル流量Ｑｎｏｌを次式により求めることができる
Ｑｎｏｌ＝Ｑ×（ｐ０＋Δｐ）／1013.25×273.15／（273.15＋Ｔ）  …（４）
【００３０】
気体流量計１０は、流路内径が３５．５ｍｍと大きいので、ＭＥＭＳチップを使った流量計に比べて異物が詰まりにくく長期安定性に優れており、また、低コストを実現することができる。
【００３１】
図３は、本実施形態の燃料電池装置の内部を側方から見た模式図である。上述の気体流量計１０が燃料電池装置１に取付けられた状態を説明する。燃料電池装置１は、ほぼ直方体の筐体２が仕切板７で上下に分割されている。また、燃料電池装置１は、仕切板７の上方にモジュール収納室３を備え、仕切板７の下方に補機収納室５を備えている。
【００３２】
モジュール収納室３には、発電を行う燃料電池セルスタックや、改質器、燃焼器等のプロセス機器からなる燃料電池モジュール４が収納されている。また、モジュール収納室３には外気を導入して燃料電池モジュールに供給するためのブロワ９が設けられている。また、補機収納室５には、気体流量計１０の値に基づいてブロワ９の動作を制御するための制御装置６と、燃料電池モジュール４から排出される排ガスを熱交換するための熱交換器８と、図示していないが燃料ガスや改質器での改質反応に要求される水等を供給するための補機等とが設けられている。なお、熱交換器８には、排熱を回収した後の排ガスを外装ケース２の外部に排気するための排ガス排気管２２が接続されている。
【００３３】
燃料電池装置１が動作しているときには、筐体２の下方に設けられた吸気口２１より吸気された空気は、補機収納室５に収納されたブロワ９により吸気されてモジュール４内に供給される。
【００３４】
気体流量計１０は、ブロワ９の下流側に設けられ、ブロワ９より燃料電池モジュール４に供給される空気の流量を測定することができる。ここで、気体流量計１０にて測定された空気流量に関する情報が制御装置６に伝送される。制御装置６は、ブロワ９に対して燃料電池モジュール４に供給するように指令した指示値と、気体流量計１０による実測流量とを比較する。指示値と実測流量との差が予め定められた範囲内であれば、そのまま運転を継続する。
【００３５】
一方、指示値と実測流量との差が予め定められた範囲を超えている場合には、制御装置６は実測流量に基づいて、ブロワ９への指示値を補正する。それにより、念流電池モジュール４に供給する流量を効率よく制御できる。
【００３６】
なお、制御装置６がブロワ９への指示値を補正した後であっても、指示値と実測流量との差が予め定められた範囲外となる場合には、制御装置６はブロワ９が故障していると判断し、燃料電池装置１の運転を停止する制御をおこなうことができる。
【００３７】
ここで、本実施形態の燃料電池装置１においては、本実施形態の気体流量計１０を備えることで、ブロワ９から流入される空気には埃や塵が混じっている場合があり、従来例のＭＥＭＳタイプの流量計では細管が詰まるなどの不具合があったが、気体流量計１０は、塵や埃の影響を受けにくいので長期信頼性を高めることができる。
【００３８】
なお、気体流量計１０で流量を測定するにあたっては、気体流量計１０を水平方向に配置することが好ましい。それにより、気体の流量をより正確に測定することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１      燃料電池装置
１０  気体流量計
１１    上流側管体
１２    オリフィス
１３    下流側管体
１６    第１圧力計測部
１７    第２圧力計測部
１８    温度検出器取付部
２０    温度検出器
【図１】
2017181328.tif 000003
【図２】
2017181328.tif 000004
【図３】
2017181328.tif 000005