JP2009058366A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温多湿の燃料ガスや酸化剤ガスの圧力を検出しても結露しない圧力検出装置を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１において、空気と水素ガスの圧力調整はそれぞれ燃料電池のカソード入り口の上流側Ａとアノード入り口の上流側Ｂの圧力を検出しながら制御される。本発明の圧力検出装置は、カソード側においては図１の部位Ａの圧力取り出し口に接続された圧力導入管１４ａと、この圧力導入管１４ａの他方の端部に接続された圧力検出手段１５ａ、および圧力検出手段１５ａを加温する加温手段１６または圧力導入管１４ａを冷却する冷却手段１７の少なくとも一方を備えることにより構成される。また、アノード側においても、同様の構成、圧力導入管１４ｂと圧力検出手段１５ｂ、および加温手段１６または冷却手段１７の少なくとも一方を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムのような、高湿度ガスの圧力の検出に用いられ、システムの稼動中に圧力検出手段に凍結の原因である結露が発生することを防ぎ、冬季に氷点下になる野外環境にシステムを保管しても、始動時に圧力検出手段が凍結のために誤動作することなく、即時に圧力を検出してシステムの起動を可能とする圧力検出装置に関する。

固体高分子電解質膜を使用した燃料電池システムにおいて、反応ガス系は高温多湿の状態であるために、反応ガスの圧力を検出する圧力検出装置は、凝縮水が付着することがある。燃料電池システムを氷点下から起動する場合、圧力検出装置に付着した凝縮水が凍結しており、正確な圧力を検出できなくなる。

このような圧力検出装置の結露発生を防止する技術としては、例えば特許文献１に開示されている圧力検出装置が知られている。この圧力検出装置は、内燃機関の吸気圧力を検出するもので、圧力検出装置の下方から圧力導入用のゴムホースを接続することにより、圧力検出装置への水滴流入を防止するとともに、減圧により温度降下した吸気の温度をゴムホース内で外気温に戻して、圧力検出装置の結露を防止している。
特公平７−３１０９４号公報（第２頁、図１）

しかしながら、燃料電池システムの反応ガス系は、４０℃以上１００％ＲＨに加温・加湿されているため、従来技術のような構成を用いても、水蒸気が分岐管（ゴムホース）内を拡散してガス温度より低温な圧力検出手段に接触して結露するという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、ガス圧力測定部位に、圧力導入管の一端を接続し、該圧力導入管の他端に圧力検出手段を設けた圧力検出装置において、前記圧力検出手段の温度を該圧力検出手段に導かれるガス温度よりも高く保つ温度差形成手段を備えたことを要旨とする。

本発明に係る圧力検出装置によれば、高温高湿な燃料電池システムの酸化ガスや水素ガスを測定対象としても、圧力検出手段に結露しないので運転停止時に圧力検出手段が凍結することが無くなり、起動直後に酸化ガスや水素ガスの圧力を検出することができるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、燃料電池車両用の燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力を検出するために好適な圧力検出装置である。

図１は、本発明に係る圧力検出装置の実施例１を含む燃料電池システムの構成図である。同図において、燃料電池システム１は、固体高分子型の燃料電池２と、燃料電池２に燃料ガス（水素ガス）、酸化ガス（空気）、冷却液を供給または循環させる各サブシステムから構成される。

冷却液は配管３及び４を経由して、ラジエター５と燃料電池２の間を冷却液ポンプ６により循環して燃料電池２を冷却する。水素ガスは図示しない水素ガスタンクより配管７により燃料電池２のアノード側へ送気され、消費し切れなかった余剰の水素ガスは一度燃料電池２より排出された後、配管８を通り昇圧手段９により加圧されて、水素タンクより送られてくる水素ガスに混合され、再び燃料電池２のアノード側へ送られる。

また、空気は吸気加圧手段１０により外気から取り込まれて加圧された後、加湿手段１１により加湿され、配管１２を通って燃料電池２に供給される。燃料電池２内で水素ガスと空気が反応して電力が発生し、反応生成物である水蒸気は、残留空気と伴に排気管１３から排出されるが、その途中で加湿手段１１に水蒸気と熱を供給してから、車両外へ排気される。加湿手段１１は、排気ガス中に豊富に含まれる水蒸気を回収して、吸気を加湿し同時に吸気温度も排気との熱交換により、排気に近い温度に調整する。

燃料電池システム１において、空気と水素ガスの圧力調整はそれぞれ燃料電池のカソード入り口の上流側Ａとアノード入り口の上流側Ｂの圧力を検出しながら制御される。本発明の圧力検出装置は、カソード側においては図１の部位Ａの圧力取り出し口に接続された圧力導入管１４ａと、この圧力導入管１４ａの他方の端部に接続された圧力検出手段１５ａ、および圧力検出手段１５ａを加温する加温手段１６または圧力導入管１４ａを冷却する冷却手段１７の少なくとも一方を備えることにより構成される。また、アノード側においても、同様の構成、圧力導入管１４ｂと圧力検出手段１５ｂ、および加温手段１６または冷却手段１７の少なくとも一方を備える。

本発明における圧力検出手段１５ａ，１５ｂの温度を圧力検出手段に導かれるガス温度よりも高く保つ温度差形成手段は、加温手段１６または冷却手段１７、或いは加温手段１６及び冷却手段１７である。

圧力検出手段１５ａ、１５ｂの圧力感知素子としては、ステンレスやシリコンのダイヤフラムと、その圧力歪みを検出するピエゾ抵抗素子ブリッジ回路、及びピエゾ抵抗素子ブリッジ回路から圧力値に応じた電圧を出力する出力回路とを集積化した半導体圧力センサが利用できる。

本発明の圧力検出装置においては、圧力検出手段の加温手段を備える場合は、圧力検出手段１５ａ、１５ｂが圧力導入管１４ａおよび１４ｂの圧力検出手段側の管内ガス温度よりも高温に維持されるため、システムの稼動中においては、圧力検出手段に結露は発生しない。また、システム始動時に圧力検出手段の温度が暖機されるまでは、圧力導入管により圧力測定部位ＡおよびＢと距離を確保しているため、配管１２および７の水蒸気が圧力検出手段１５ａおよび１５ｂに到達するまでに時間を要する。圧力導入管の長さはこの水蒸気到達時間が、加温手段により圧力検出手段の暖機が終了する時間よりも長くなるように設定される。

図２のＡの破線で示した部分に図１の部位Ａの圧力取り出し口周囲の構成詳細を示す。部位Ａにおいて配管１２は、一旦、最下点１８を経てから最下点よりも高い位置に設けられた燃料電池のカソード入り口１９へ接続されている。圧力導入管１４ａは、最下点１８よりも高い位置Ｈ’に設けられた圧力取り出し口２０に接続され、他方の端部を圧力取り出し口２０よりも高い位置に設けられた圧力検出手段１５ａに接続されている。圧力導入管に進入した水蒸気は、ガス流がある配管１２に対して、圧力導入管内で温度が下がるため、内壁に結露するが圧力検出手段は最も高い位置にあるので、結露水は圧力取り入れ口へ落下し、配管１２内のガス流により燃料電池カソード入り口１９へと送られる。

最下点１８が最も低い位置にあるため、配管内１２に結露した凝縮水もシステム停止後に最下点に溜まるが、最下点の容積を停止後に残留する結露水と配管内の水蒸気から凝縮する容積分を確保すれば、閉塞を防止でき、実用上問題ない。この容積は実験により求めてもよいが、配管内壁に付着する水滴の高さが、内壁が撥水性表面であっても４ｍｍに満たないことから、前後の配管内壁に４ｍｍの水膜が張ったと仮定して求めてもよい。

また、圧力取り出し口２０は、最下部に溜まった凝縮水が流入しないように、最下部から配管１２の直径以上高い位置とすることが望ましい。圧力導入管の長さは、システム始動時に配管１２内を流れる水蒸気が圧力検出手段に達するのを、圧力検出手段の暖機が終わるまで遅らせる作用がある。しかし、この機能を有効に働かせるためには、配管１２内を加湿された空気が流れるときに圧力取り出し口から、圧力導入管内に巻き込みが発生する長さ以上を確保することが望ましい。圧力導入管内に巻き込みが発生する長さは、圧力導入管の内径が実際には圧力検出手段の直径以下で充分であり、φ１５ｍｍ以下でかつ結露による閉塞が発生しないようφ５ｍｍ以上の範囲を前提とすることが実用上望ましい。

配管１２に高温空気を流し温度センサの応答できる時間後（例えば３０ｓｅｃ）の圧力導入管の各位置でのガス温度を測定すると、図３のＬ１に示すように圧力導入管内に巻き込みが発生する部分では、配管１２内の空気温度に近くなり、巻き込みが発生しない距離以上では、温度上昇が認められない（同図Ｌ２の領域）。前記の内径の圧力導入管に、固体高分子電解質を用いた自動車用燃料電池システムの排気温度が実用上８０℃以下であることから、８０℃の空気を配管１２に流して用いて測定したところ、Ｌ１は３０ｍｍ以下、Ｌ２は５０ｍｍ以下であった。従って、圧力導入管の長さを５０ｍｍ以上とすると、巻き込みによる水蒸気流入の影響がなく、水蒸気は濃度拡散による進入となるので、圧力検出手段への水蒸気進入を効果的に遅らせることができて望ましい。

さらに望ましくは、圧力検出手段に加温手段を用いる場合は、圧力検出手段の暖機に必要な時間Ｔ０だけ、システム始動時の水蒸気拡散を遅らせる必要があり、配管１２に８０℃の空気を流し、時間Ｔ０後に温度が上昇しない図３のＬ２に相当する距離以上の長さを圧力導入管の長さとすることが望ましい。

また、圧力導入管に冷却手段を施す場合は、圧力導入管内のガス温度が圧力検出手段の温度以下になることが結露を防止するための条件であり、圧力検出手段は燃料電池システム内にあって各部品の発生熱の影響により、外気温以上となるため、圧力導入管は配管内の温度が上昇しない長さを確保する必要がある。実際には、放熱性の上からも金属配管を採用することが望ましく、前記範囲の内径の配管を用いて８０℃の空気流により、圧力導入管内の温度上昇が発生しない領域を測定したところ、長さ１５０ｍｍ以上で所望の結果を得た。従って、冷却手段を設ける場合の圧力導入管の長さはこの長さ以上であることが、システム始動時に圧力検出手段を結露させないために必要であり、また暖機終了後は圧力検出手段が前記した理由により外気温以上となるので、結露を防止できる。以上、カソード側空気ガス配管１２の場合を例に説明したが、アノード側の水素ガス配管７の場合も同様である。

以上説明した実施例１によれば、高温高湿な燃料電池システムの酸化ガスや水素ガスを測定対象としても、圧力検出手段に結露しないので運転停止時に圧力検出手段が凍結することが無くなり、起動直後に酸化ガスや水素ガスの圧力を検出することができるという効果がある。

図２は、圧力検出手段の加温手段として電気ヒーターを用いた場合の実施例２を示す。同図において、圧力検出手段１５ａは、ヒーター２２を埋め込んだ保持部材２３に固定され、圧力導入管１４ａはフランジ２４を介して保持部材２３に接続される。本実施例において、圧力検出手段はヒーター２２により配管１２を流れる加湿空気よりも高温に保持されるため、結露を発生させない。

圧力検出手段の温度は、図示しない温度センサにより保持部材２３の温度を検知して、ヒーター２２の電流をオンオフ制御或いは強弱制御することにより、一定温度に保持される。この一定温度は、燃料電池の運転温度（例えば８０℃）以上かつ、圧力検出手段の実用耐熱性から１２０℃以下に保持することが望ましい。

またシステム始動時に圧力検出手段を前記温度域に暖機するためには、数十Ｗ程度の実用上最も多く用いられるヒーターの能力では２〜５分程度要する。しかしながら、燃料電池の温度上昇は熱容量が前記保持部材より大きいため、これよりも遅く、圧力導入管の長さとしては図３の始動３０ｓｅｃのＬ２として必要な５０ｍｍ以上であることが望ましい。さらに圧力導入管の周囲に発熱部品が配設されるような場合を考慮すること、圧力検出手段１５ａの暖機が終了する５分後までは温度が上昇しない長さが確保されていれば、特に望ましい。

図２の構成において８０℃の空気を使用し、５分後において図３の温度上昇が認められない長さＬ２は１００ｍｍであり、この長さ以上の圧力導入配管を採用することで、圧力検出手段への結露は認められなかった。従って、圧力導入管は、加温手段が備わらなかった場合に、システム起動時点から圧力検出手段に結露が発生するまでの時間が、前記ヒーターが圧力検出手段の暖機に要する時間よりも長くなるために必要な形状として、１００ｍｍ以上の長さを確保することで、結露を有効に防止できる。アノード側の構成に関する条件も以上において説明したカソード側と同様だが、同一の保持部材２３にアノード側圧力検出手段１５ｂを設置することで、スペースを節約できる。

以上説明した実施例２によれば、システムの始動時にヒーターにより圧力検出手段が暖められて結露を防止できる温度に達するまでは、水蒸気の拡散が圧力導入管の長さにより遅れて、結露の発生を防止できるという効果がある。また、暖機後はヒーターにより運転時のガス温度よりも高温に圧力検出手段を維持できるので、加温手段を備えない従来手段よりも分岐管長さを短縮できるという効果がある。

図４（ａ）は、圧力検出手段の加温手段として冷却液を用いた場合の実施例３を示す。また図４（ｂ）に、図４（ａ）の圧力検出手段の構成詳細を、カソード側配管１２と圧力導入管１４ａおよび圧力検出手段１５ａの場合を例に示す。同図において、圧力検出手段１５ａは配管３に直接固定され、配管３に組み込まれた保持部材２５に組み付けることにより、筐体２６の一部を直接冷却液２７に接触させて設置させると、圧力検出手段を冷却液温度と等しい温度に維持できて望ましい。圧力導入管１４ａはフランジ２４を介して保持部材２５に接続される。配管１２のカソード上流側Ａにおける構成は、前記の実施例と同様である。

この場合の圧力検出手段の設置位置はラジエター５の上流側である配管３に設置することが望ましい。燃料電池２から排出される冷却液２７の温度は燃料電池２の温度にほぼ等しく、水素循環系の配管８を流れる水素ガス温度や排気管１３に排出される排気ガスの温度にほぼ等しい。さらに冷却液２７は液体であり前記水素ガスや排気ガスよりも比熱が大きく、配管８内の水素ガスや排気管１３内の排気ガスよりも冷えるのが遅いため、圧力検出手段１５ａおよび１５ｂを図４（ａ）に示したように、配管３の冷却液２７により加温することにより、システム稼動中は常時圧力検出手段を、カソード入り口の上流側Ａとアノード入り口の上流側Ｂよりも高い温度に維持することができる。

また、システム始動においても、配管３内の冷却液温度は配管８内の水素ガスや排気管１３内の排気ガスと同等以上の速度で上昇する。したがって、圧力検出手段はシステム始動時もカソード側上流Ａの加湿空気より高温に維持される。従って、圧力導入管は加湿空気を巻き込まない長さがあれば充分であり、前記した３０ｓｅｃの図３の特性Ｌ２で求められた５０ｍｍ以上の長さとすることが望ましい。

従って、圧力導入管は、加温手段が備わらなかった場合に、システム起動時点から圧力検出手段に結露が発生するまでの時間が、前記ヒーターが圧力検出手段の暖機に要する時間よりも長くなるために必要な形状として、５０ｍｍ以上の長さを確保することが望ましい。

以上説明した実施例３によれば、圧力検出手段を加温する手段として、圧力検出手段は冷却液に筐体を接触させて設置され、圧力測定部位から圧力検出手段までを圧力導入管により接続し、圧力導入管は、加温手段が備わらなかった場合に、システム起動時点から圧力検出手段に結露が発生するまでの時間が、冷却液が圧力検出手段の暖機に要する時間よりも長くなるために必要な形状としたことにより、システムの起動時に冷却液により圧力検出手段が暖められて、結露を防止できる温度に達するまでは、水蒸気の拡散を圧力導入管が遅らせ、結露発生を防止できるという効果がある。

また、電力を消費しない冷却液で圧力検出手段を加温できるので、電気ヒーターと異なり、温度調節のための温度センサや電力調整装置がなくても、冷却液が燃料電池と同じ温度になり、信頼性やコスト面で有利である。この温度調整効果を有効に作用させるために、圧力検出手段を冷却系配管３に直接組み込むことが必要となる。アノード側の圧力検出手段１５ｂと圧力導入配管１４ｂについても同様である。

また、暖機後は冷却液により、運転時のガス温度よりも高温に圧力検出手段を維持できるので、加温手段を備えない従来手段よりも分岐管長さを短縮できるという効果がある。

図５には、圧力検出手段の加温手段として冷却液ヒーターを用いた場合の実施例４を示す。この実施例においては、燃料電池システムは、冷却液配管３に三方弁２８を設け、冷却液を配管２９によってラジエター５を経由させずに配管４へバイパスできる構成を採用し、配管２９に冷却液ヒーター３０を備える。また、カソード側上流とアノード側上流の圧力取り出し口と圧力検出手段の配管への配設方法は、図４（ｂ）の実施例と同様な構成とする。
このような構成とすることにより、−２０℃のような、高分子電解質膜の性能が著しく低下する温度環境からも、最初に冷却液ヒーターによって０℃以上に加温した冷却液を燃料電池に送り込むことで、燃料電池を０℃以上の温度に暖めてから燃料電池システムを始動させることができる。このような燃料電池システムにおいては、本発明の圧力検出装置の構成として、圧力検出手段を配管２９の冷却液ヒーター３０の下流側に設置した構成とすることで、効果的に機能を発揮する。

すなわち、氷点下からの始動において冷却液ヒーターにより加温された冷却液が最初に圧力検出手段に接触するため、圧力検出手段の温度は燃料電池よりも高い温度に維持され、結露を発生しない。このため、圧力導入管の長さに対しても特に必要な制約はない。また、圧力検出手段を加温する専用の電力も必要ないという利点を有する。

図６は、本実施例における燃料電池システム起動時の三方弁２８と冷却液ヒーター３０との制御手順を示すフローチャートである。燃料電池システムの起動が始まると、まず最初に、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、三方弁２８をラジエータ５側を閉、冷却液ヒーター３０側を開とし、次いでＳ１２で、冷却液ポンプ６を始動する。次いでＳ１４で、冷却液ヒーター３０をＯＮとして冷却液の加温を開始し、燃料電池２の解凍運転を行う。次いでＳ１６で、燃料電池２の温度が所定の発電可能温度以上となったか否かを判断する。このＳ１６の判定で燃料電池２の温度が所定の発電可能温度未満であれば、Ｓ１６の判定を繰り返しながら、所定の発電可能温度以上となるまで待機する。

Ｓ１６の判定で、燃料電池２の温度が発電可能温度以上になったら、Ｓ１８へ進み、燃料電池２へ水素ガスと空気の供給を開始し、燃料電池２から暖機用電力の取り出しを開始する。次いでＳ２０で、冷却液ヒーター３０をＯＦＦとする。これ以後は、燃料電池２の暖機用電力取り出しによる反応熱で燃料電池２及び冷却液の温度が上昇する。

次いでＳ２２で、図示しない冷却液温度センサーにより冷却液温度が所定の暖機済温度に達したら、Ｓ２４へ進み、三方弁２８のラジエター５側を開き、冷却液を必要量ラジエター側へ流して燃料電池２の温度調節を開始する。その後Ｓ２６で、三方弁２８は燃料電池温度が上昇した場合には、ラジエータ５側への開度が増加され、燃料電池温度が低下した場合には、ラジエータ５側への開度が減少するように制御されるが、全冷却液の５％以上を配管２９に流すよう開度を維持することにより、圧力検出手段は、燃料電池と同等な温度に維持され結露の発生を防止できる。

以上説明した実施例４によれば、冷却系に、少なくとも氷点下環境から燃料電池システムを起動する時に冷却液を０℃以上に昇温できる加温手段を設け、この冷却液加温手段の下流側において、圧力検出手段は冷却液に筐体を接触させて設置されたことにより、冷却液による加温効果に加えて、冷却液ヒーターにより、氷点下起動時に燃料電池よりも圧力検出手段を先に暖機することが可能である。従って、特に氷点下からの起動において結露や凍結を効果的に防止できるという効果がある。

図７（ａ）には圧力検出手段の加温手段として吸気加圧手段の温風を用いた実施例５である。燃料電池システム１において、燃料電池２のカソードへ供給する空気は、吸気加圧手段１０により吸気が圧縮されて昇温するため、追加の電源を必要とすることなく、圧力検出手段用の加温用温風として利用できる。

同図において、吸気加圧手段１０の下流側で加湿手段１１の上流側から、遮断弁３１を経由して配管３２により、吸気加圧手段１０の温風が加温手段１６へ導入される。加温手段の具体的構成は、カソード側上流の圧力検出手段１５ａと圧力導入管１４ａについての例では、図７（ｂ）に示すようになっており、圧力検出手段１５ａは、温度センサ３３を埋め込んだ保持部材２３に固定され、圧力導入管１４ａはフランジ２４を介して保持部材２３に接続される。保持部材２３には吸気加圧手段１０からの温風を導入する通路３４が形成されており、保持部材２３ごと圧力検出手段１５ａを加温する。

また、吸気加圧手段１０は一般的な効率のコンプレッサを使用しても、７０ｋＰａ昇圧するだけで８０℃の温風を送ることが可能であり、燃料電池２の排気温度よりも高温に圧力検出手段を保持できる。さらに温風の温度が上昇する場合は、温度センサ３３が検知する保持部材２３の温度により、遮断弁３１を開閉制御して保持部材２３の温度を所望に制御できる。この方法によってもシステム始動時に保持部材の温度を５分以内に８０℃に昇温することが可能である。

圧力導入管１４ａは、加温手段が備わらなかった場合に、システム起動時点から圧力検出手段に結露が発生するまでの時間が、加温手段が圧力検出手段の暖機に要する時間よりも長くなるために必要な形状として、図２の電気ヒーターの実施例について説明したのと同様に１００ｍｍ以上の長さを確保することが望ましい。

アノード側の構成に関する条件も以上において説明したカソード側と同様だが、同一の保持部材２３にアノード側圧力検出手段１５ｂを設置することで、スペースを節約できる。

以上説明した実施例５によれば、圧力検出手段を加温する加温手段として、吸気加圧手段の発生する温風に、圧力検出手段の筐体を接触させて設置し、圧力測定部位から圧力検出手段までを圧力導入管により接続し、圧力導入管は、加温手段が備わらなかった場合に、システム起動時点から圧力検出手段に結露が発生するまでの時間が、吸気加圧手段の温風による圧力検出手段の暖機に要する時間よりも、長くなるために必要な形状としたことにより、システムの起動時に温風により圧力検出手段が暖められて、結露を防止できる温度に達するまでは、水蒸気の拡散を圧力導入管が遅らせ、結露発生を防止できるという効果がある。また、吸気加圧手段の温風を利用することにより、圧力検出手段を暖機する特別な電源を必要としない。

図２を用いて、圧力導入管に冷却手段を備えた場合の実施例６について説明する。この実施例においては、圧力導入管１４ａの圧力取り出し口から所望の長さにわたって、燃料電池２の底部よりも低い位置に配設したことを特徴とする。

一般に自動車用燃料電池システムは床下に配設されるため、燃料電池の底部がシステムの最下部にあたり、外気に最も近い、この燃料電池底部よりも低い位置に金属等の放熱性の良好な材料で製作された圧力導入配管を配置することにより、圧力導入配管周囲を燃料電池システム内の最も温度の低い位置に配置することができる。圧力検出手段１５ａは、圧力取り出し口２０よりも高い位置に配置されるため、燃料電池システム内部に存在し、ヒーター２２を使用せずとも燃料電池底部に配設された圧力導入管の部分よりも高い温度に維持される。

この実施例において、圧力導入配管内のガス温度を圧力検出手段よりも低い温度に保ち、結露を効果的に防止するためには、圧力導入管の圧力取り出し口から、少なくとも圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長い領域に渡って、燃料電池本体底部よりも下側に配置することが望ましい。そのための長さは第１実施例の冷却手段に関する説明と同じで、少なくとも５０ｍｍ以上。より好ましくは、圧力導入管内の温度上昇が発生しない領域を確保することが望ましく、第１実施例で説明したような長さであるべきで、システムの暖機が終了後の図３の特性においてＬ２は１５０ｍｍであった。従って、１５０ｍｍ以上を燃料電池底部より低い位置に配設することが、特に好ましい。

以上説明した実施例６によれば、圧力導入管内のガスを冷却する冷却手段として、圧力導入管の圧力取り出し口から、少なくとも圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長い領域に渡って、燃料電池本体底部よりも下側に配置したことにより、圧力導入管周囲にモーター等の発熱量の大きな装置が配置されても、最下部に配管することにより、燃料電池パワープラント内で最も低い温度に圧力導入管をでき、水蒸気が拡散するのを効果的に防止できるという効果がある。

図８には、圧力導入管の冷却手段として、水素ガスタンクから減圧した水素ガスを輸送する水素ガス配管を利用した実施例７を示す。図８（ａ）において圧力導入管１４ａと１４ｂは水素ガス配管７と冷却手段１７において熱交換を行えるように配設されている。

水素ガスはタンク内に１０Ｍｐａ以上の圧力に圧縮されて貯蔵されており、タンク外に水素を供給する際に１Ｍｐａ未満に減圧されて供給されるため、減圧時の断熱膨張作用により、タンク内温度（外気と同じ）より２０℃以上温度降下する。このため、水素ガス配管７も同様に温度降下した状態になっており、水素ガス配管７と圧力導入管１４ａ、１４ｂを熱交換可能な状態に設置することで、圧力導入管の冷却手段として作用する。

水素ガス配管７と圧力導入管１４ａ、１４ｂを熱交換可能な状態に設置するためには、熱交換器を圧力導入管の一部としてそこへ水素ガスを通すのが性能上最も有利であるが、より簡易的には、図８（ｂ）に示す方法がある。同図はカソード側上流部の圧力導入管１４ａを水素ガス配管で冷却した場合の構成例で、水素ガス配管７が、圧力導入管１４ａと、熱交換可能なように並行に配設されている。圧力検出手段１５ａは、圧力取り出し口よりも高い位置Ｈに設置された保持部材２３に固定され、圧力導入管１４ａはフランジ２４を介して保持部材２３に接続される。

圧力導入管１４ａと水素ガス配管７の熱交換を容易にするためには、両者をロウ付けしても良いし、両配管に対して複数の熱交換フィンをロウ付けすることで実現できる。また、両配管を並行に配設して熱交換を行わせる部位は、配管１２から圧力導入管１４ａに加湿空気が巻き込まれる領域では、絶えず熱量が供給されるため、これよりも奥に設置することが望ましい。そのような部位は実施例１の説明で記載したように、圧力取り出し口２０から５０ｍｍ以上離れた部分である。

また、システム始動時においては、圧力導入管１４ａも水素ガス配管７も室温と同温度であり、起動後に室温よりも温度が下がる。従って、システム始動時に圧力検出手段に結露を発生させないためには、圧力導入管を外気で冷却する実施例６と同様であり、圧力導入配管１４ａは１５０ｍｍ以上の長さとすることが望ましい。従って、圧力導入管内のガスを冷却する手段として、水素ガス配管の水素ガス減圧弁より下流側で、減圧時の断熱膨張作用により周囲環境より温度の低下した水素ガスを輸送する部分と前記圧力導入管を接触させた構成を採用する場合、圧力導入管の長さを１５０ｍｍ以上とし、その圧力取り出し口から５０ｍｍ以上離れた位置において両配管を熱交換可能な構成に配置することが望ましい。なお、この実施例においては圧力導入管の周囲に熱源が存在しても、水素ガス配管７の冷却作用により、特別な電源を要さずとも、確実に周囲温度以下に冷却できる利点がある。

以上説明した実施例７によれば、圧力導入管内のガスを冷却する冷却手段として、燃料ガス配管の燃料ガス容器減圧弁より下流側で、減圧時の断熱膨張作用により周囲環境より温度の低下した燃料ガスを輸送する部分と圧力導入管を接触させたことにより、他の燃料電池システム部品の温度よりも配管が冷却されるため、圧力導入管内のガス温度が圧力検出手段よりも低下して、圧力検出手段に結露を発生させないという効果がある。

図９は、図２および図８（ａ）に示した実施例６及び実施例７において、システム始動時に効果的な圧力導入管の冷却手段として、冬季の氷点下環境に、配管内に結露した凝縮水を凍結させて利用した実施例８を、カソード側上流部を例にとり説明したものである。 実施例８においては、図１のシステム構成に対して、圧力導入管や水素ガス配管のアノード側上流部Ｂおよび空気配管のカソード側上流部Ａに結露した凝縮水を貯蔵しして凍結させ、この氷塊の存在により、氷点下の環境からシステムを始動した時に圧力導入管内のガスを冷却し、圧力検出手段に結露が発生するのを防止する。

図９において、圧力取り出し口２０はカソード側上流配管１２の最下点１８と同じ高さにあり、圧力検出手段１５ａは、圧力取り出し口よりも高い位置Ｈに設置された保持部材２３に固定され、圧力導入管１４ａはフランジ２４を介して保持部材２３に接続される。この実施例においてシステム稼働中に圧力導入管１４ａやカソード側上流配管１２の内部に結露した凝縮水は、システム停止後に最下点１８まで流れ落ちて溜まるが、圧力取り出し口の高さを最下点１８と同じにしてあるため、凝縮水は圧力導入管に浸入する。そして、氷点下の温度環境において凍結するので、システムの始動時に圧力導入管内部に氷塊３５が形成され、この熱容量と融解熱量だけ圧力導入管の熱容量が増え、内部のガスが冷却されるため、圧力検出手段に水蒸気が到達するのを防止し、システム始動時の圧力検出手段への結露発生防止に効果的である。

システムの暖機が終了し、カソード側上流配管１２内を高温の加湿空気が流れるようになると、その熱で氷塊は解凍され、ガス流の動圧でカソード入り口へと送出される。システム稼働中においては、圧力導入管は燃料電池底部より低い位置で、システム内に位置する圧力検出手段より低温に維持されるか、水素ガス配管により冷却されるため、水蒸気は圧力検出手段に達せず、結露は防止される。

このシステム始動時における氷塊の冷却効果を有効に利用するためには、氷塊が圧力導入管の加湿空気流の巻き込みが発生しない領域にあれば、カソード側上流配管１２より流入する熱量の影響が少なくなり、解凍時間が長くなるので、特に好ましい。このためには、圧力導入管の最下点と同じ高さの部分を、圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長くすることが必要で、これは図３の３０ｓｅｃ後のＬ２である５０ｍｍ以上とすることが望ましい。すなわち、この実施例では、圧力導入管内のガスを冷却する手段として、圧力導入管の圧力取り出し口から、少なくとも圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長い領域に渡って、ガス中水蒸気の凝縮水を保持する液溜まりを設けたことにより、特に氷点下環境からのシステム始動時において、圧力導入管内に発生した氷塊により、圧力検出手段への水蒸気到達を効果的に防止できる。

以上、説明してきたように、本発明の燃料電池システム用圧力検出装置においては、その構成を燃料電池システムの酸化ガス、燃料ガスの圧力測定部位に、圧力取り出し口を設け圧力導入管の一端と接続し、該圧力導入管の他端に圧力検出手段を設けた、圧力検出装置において、圧力検出手段の温度を圧力検出手段に導かれるガス温度よりも高く保つ温度差形成手段として、圧力検出手段を加温する加温手段と圧力導入管内のガスを冷却する冷却手段との少なくとも一方を備え、圧力検出手段に備わる圧力感受体の温度を圧力検出手段に導かれるガス温度よりも高く保ったことにより、高温高湿な燃料電池システムの酸化ガスや水素ガスを測定対象としても、結露しないので圧力センサに凍結が発生しない。

また、圧力導入管の長さもシステムが稼動して、圧力センサが加温または圧力導入管が冷却されれるまでの間の結露を防止できる長さを確保できれば良いので、車両の限られた空間内の制約や圧力導入管付近に発熱源が存在しても、実用的な長さの圧力導入管を用いて、圧力検出手段への結露を有効に防止することができる。

以上説明した実施例８によれば、圧力導入管内のガスを冷却する冷却手段として、圧力導入管の圧力取り出し口から、少なくとも圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長い領域に渡って、ガス中水蒸気の凝縮水を保持する液溜まりを設けたことにより、液溜まりの凝縮水がシステム停止時に氷点下で凍結するので、氷点下起動時に圧力取り入れ口から圧力導入管に巻き込まれるガスが、効果的に冷却されるという効果がある。暖機して氷が解凍されたころには、圧力センサは燃料電池システムの最下部にある圧力導入管部位よりは、高温になり結露しない。

本発明に係る圧力検出装置の実施例１を含む燃料電池システムを説明する構成図である。 図１の圧力検出装置における、カソード側上流部Ａの詳細な構成、および本発明に係る圧力検出装置の実施例２，６を示す構成図である。 図２のカソード側上流部Ａの構成と圧力検出装置の構成において、カソード側上流配管１２に加湿空気を通常のシステム稼動時の流量流した時、流し初めから、所定の時間経過後の、圧力導入管の圧力取入れ口から距離Ｘの部位の内部ガス温度分布を示す特性図である。 （ａ）本発明に係る圧力検出装置の実施例３を含む燃料電池システムの構成図、（ｂ）カソード側上流部に設置された実施例３の圧力検出装置の詳細を示す構成図である。 本発明に係る圧力検出装置の実施例４を含む燃料電池システムの構成図である。 実施例４の圧力検出装置を含む燃料電池システムの始動手順を説明するフローチャートである。 （ａ）本発明に係る圧力検出装置の実施例５を含む燃料電池システムの構成図、（ｂ）カソード側上流部に設置された実施例５の圧力検出装置の詳細を示す構成図である。 （ａ）本発明に係る圧力検出装置の実施例７を含む燃料電池システムの構成図、（ｂ）カソード側上流部に設置された実施例７の圧力検出装置の詳細を示す構成図である。 本発明に係る圧力検出装置の実施例８について、カソード側上流部の詳細な構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３，４ 冷却液配管
５ ラジエター
６ 冷却液ポンプ
７ 水素ガス配管
８ 水素ガス循環配管
９ 水素ガス昇圧手段
１０ 吸気加圧手段
１１ 加湿手段
１２ 加湿空気配管
１３ 排気管
１４ａ、１４ｂ、圧力導入管
１５ａ、１５ｂ、１０２ 圧力検出手段
１６ 加温手段
１７ 冷却手段
１８ カソード側上流部における配管１２の最下点
１９ 燃料電池のカソード入り口
２０、１０５ 圧力取り出し口
２２ ヒーター
２３、２５ 保持部材
２４ フランジ
２６ 圧力検出手段の筐体
２７ 冷却液
２８ 三方弁
２９ ラジエターバイパス用配管
３０ 冷却液ヒーター
３１ 遮断弁
３２ 吸気加温手段の温風配管
３３ 温度センサ
３４ 温風通路
３５ 氷塊
Ａ カソード側上流部
Ｂ アノード側上流部
Ｈ 圧力検出手段の圧力取り出し口に対する高さ
Ｈ’ 圧力取り出し口の最下点に対する高さ
Ｘ 圧力導入管の圧力取り出し口からの距離
Ｌ１ 圧力導入管内ガス温度が低下し始める位置
Ｌ２ 圧力導入管内ガス温度が外気温度と等しくなる位置
Ｔｅ１ 外気温度
Ｔｅ２ カソード側上流部のガス温度

Claims (8)

1. ガス圧力測定部位に、圧力導入管の一端を接続し、該圧力導入管の他端に圧力検出手段を設けた圧力検出装置において、
   前記圧力検出手段の温度を該圧力検出手段に導かれるガスの温度よりも高く保つ温度差形成手段を備えたことを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記温度差形成手段は、前記圧力検出手段を加温する加温手段であり、
   該加温手段による前記圧力検出手段の暖機時間よりも、前記圧力導入管の一端から他端までの水蒸気拡散時間が長くなるように、前記圧力導入管の長さを設定したことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記加温手段は、液体の熱媒体から前記圧力検出手段へ伝熱する伝熱手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の圧力検出装置。
4. 前記熱媒体の流路に、熱媒体の温度を昇温させる熱媒体昇温手段を設け、該熱媒体昇温手段の下流側に前記伝熱手段を配置したことを特徴とする請求項３に記載の圧力検出装置。
5. 前記加温手段は、空気圧縮機で圧縮され温度が上昇した空気から前記圧力検出手段へ伝熱する伝熱手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の圧力検出装置。
6. 前記温度差形成手段は、前記圧力導入管内のガスを冷却する冷却手段であり、
   前記圧力導入管の一端から、少なくとも圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長い領域に渡って、前記圧力導入管を外気により冷却される位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
7. 前記温度差形成手段は、前記圧力導入管内のガスを冷却する冷却手段であり、該冷却手段は、高圧ガスを断熱膨張させて減圧する時に生成する冷熱により前記圧力導入管を冷却することを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
8. 前記圧力導入管の一端から、少なくとも圧力導入管内にガス流巻き込みが発生する範囲よりも長い領域に渡って、ガス中水蒸気の凝縮水を保持する液溜まりを設けたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧力検出装置。

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