JP4272874B2 - センサ用接地構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁樹脂配管に取り付けられ、前記絶縁樹脂配管内を流れる被測定流体の特性を測定するセンサ用接地構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、作動温度を一定の範囲内に調整するために冷却媒体を供給している。この冷却媒体は、通常、燃料電池内に形成された冷却媒体流路と前記燃料電池の外部に配置されたラジエータとを備える循環ラインに沿って循環している。これにより、冷却媒体は、運転中の燃料電池を冷却して昇温された後、ラジエータで外気との熱交換を行って冷却され、さらに前記燃料電池に供給されて該燃料電池の冷却を行っている。
【０００５】
この場合、冷却媒体として使用される水や、自動車用冷却構造に使用される一般的な冷却媒体（冷却液体）では、イオン等の不純物や金属系添加剤が混入しており、この冷却媒体自体に導電性が付与されてしまう。一方、冷却媒体として脱イオン水や純水を用いる場合にも、運転中に冷却系配管やラジエータを循環することによって金属イオン等が混入し、この冷却媒体に導電性が付与されてしまう。
【０００６】
上記のように冷却媒体に導電性が付与されると、前記冷却媒体中に電気が流れてしまう。これにより、冷却媒体を介して冷却系配管やラジエータ等に電気が流れてしまい、地絡や液絡が発生して燃料電池スタック全体の出力が低下するという問題が指摘されている。
【０００７】
また、燃料電池に酸化剤ガスを供給および排出する酸化剤ガスラインでは、反応により生成水が発生する一方、前記燃料電池に燃料ガスを供給および排出する燃料ガスラインでは、前記生成水の逆拡散や加湿水の液状化等が発生する。このため、酸化剤ガスラインおよび燃料ガスラインに液絡が惹起されるという問題がある。
【０００８】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１の燃料電池冷却装置では、図５に示すように、複数の単位セル１を積層した燃料電池２内に供給される冷却液を冷却するラジエータ３と、このラジエータ３と前記燃料電池２とを接続して前記冷却液を循環させる冷却液循環ライン４とを備えている。
【０００９】
燃料電池２は、絶縁材料で形成された燃料電池収納ケース５内に収納される一方、ラジエータ３は、前記燃料電池収納ケース５の外部に配置されている。冷却液循環ライン４は配管６を備え、この配管６は、例えば、導電性の金属材料で形成されて、その内面に電気絶縁性の塗料等で被膜して構成され、あるいは、前記配管６自体を電気絶縁性の材料によって構成されている。
【００１０】
燃料電池収納ケース５の壁面には、導電性の口金状のリング状部材７が配置されている。このリング状部材７は、配管６に電気的に導通する一方、燃料電池２およびその制御装置を搭載している自動車車体（グランド）に接続（接地）されている。
【００１１】
このように、冷却液循環ライン４は、燃料電池収納ケース５の貫通部に設けられたリング状部材７によってグランドに接続されている。このため、燃料電池収納ケース５の外部に露出する配管６に電位分布が生ずることを防止することができる。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２８００３９号公報（段落［００２２］〜［００２７］、図１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の冷却液循環ライン４の配管６には、燃料電池２に流入する冷却液の圧力や温度を検出するために、前記燃料電池２の入口側に圧力センサや温度センサが取り付けられている。一方、燃料電池２の出口側には、前記燃料電池２から流出される冷却液の圧力や温度を検出するために、圧力センサや温度センサが取り付けられている。
【００１４】
その際、配管６自体が絶縁樹脂で形成されていると、前記配管６のセンサ接地部位に静電気または高電位が印加されてしまい、センサ内部の絶縁物質が帯電するおそれがある。これにより、センサ回路に出力異常が発生して、温度や圧力等の誤検出が惹起するという問題が指摘されている。
【００１５】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、センサ内部に電荷が蓄積することを確実に阻止し、被測定流体の特性を高精度に測定することが可能なセンサ用接地構造を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るセンサ用接地構造では、センサに装着されて前記センサの金属部と電気的に接続される取り付け部材と、前記取り付け部材に接続されるとともに、接地される導電体とを備えている。このため、被測定流体を介してセンサに静電気や高電位が印加されると、前記センサの金属部から取り付け部材および導電体を介して電位を確実に逃がすことができる。
【００１７】
これにより、センサに静電気や高電位が印加され続けてセンサ内部に電荷が蓄積することがなく、センサ用接地構造全体の簡素化が容易に図られるとともに、被測定流体の特性を高精度に測定することが可能になる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係るセンサ用接地構造では、取り付け部材が、センサを挟持する第１および第２取り付け部材を備え、前記第１および第２取り付け部材が固定具を介して一体的に固定されている。従って、簡単な構成で、センサを電気的に接地することができ、経済的である。
【００１９】
さらに、本発明の請求項３に係るセンサ用接地構造では、導電体が抵抗体を中継して接地されており、例えば、グランドである自動車車体に電流が急激に流れることを阻止することが可能になる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項４に係るセンサ用接地構造では、絶縁樹脂配管が、燃料電池の少なくとも反応ガス流通配管または冷却媒体流通配管である。燃料電池では、反応ガス流通配管内に生成水や結露水が存在して液絡が発生し易い一方、冷却媒体流通配管内では、冷却媒体による液絡が発生し易い。
【００２１】
このため、特に燃料電池において、少なくとも反応ガス流通配管または冷却媒体流通配管を絶縁樹脂配管で構成することにより、絶縁性を確保して液絡を防止するとともに、配管からのイオンの溶出を阻止することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項５に係るセンサ用接地構造では、被測定流体の特性は、前記被測定流体が、例えば、冷却媒体である際に、温度、圧力または流量である一方、該被測定流体が、例えば、ガス（反応ガス等）である際に、温度、圧力、流量、濃度または湿度である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るセンサ用接地構造１０が適用される燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００２４】
燃料電池システム１２は、複数の単位セル１４が積層された燃料電池スタック１６を備える。この燃料電池スタック１６には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部１８と、酸素含有ガス等（例えば、空気）の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部２０と、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部２２とが接続される。
【００２５】
燃料電池スタック１６は、積層方向（矢印Ｘ方向）一端部に燃料ガス入口２４ａ、酸化剤ガス入口２６ａおよび冷却媒体入口２８ａを設けるとともに、積層方向他端部に燃料ガス出口２４ｂ、酸化剤ガス出口２６ｂおよび冷却媒体出口２８ｂを設ける。単位セル１４は、図示しないが、例えば、高分子イオン交換膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。
【００２６】
燃料電池スタック１６内では、燃料ガス入口２４ａから供給された燃料ガスは、各単位セル１４のアノード側電極に供給された後、燃料ガス出口２４ｂから排出される一方、酸化剤ガス入口２６ａから供給された酸化剤ガスは、各単位セル１４のカソード側電極に供給された後、酸化剤ガス出口２６ｂから排出される。さらに、冷却媒体入口２８ａから供給された冷却媒体は、各単位セル１４を冷却した後、冷却媒体出口２８ｂから排出される。
【００２７】
燃料ガス供給部１８は、燃料ガス入口２４ａに接続される燃料ガス供給配管（反応ガス流通配管）３０ａと、燃料ガス出口２４ｂに接続される燃料ガス排出配管（反応ガス流通配管）３０ｂとを備える。燃料ガス供給配管３０ａと燃料ガス排出配管３０ｂとには、温度センサおよび／または圧力センサ等のセンサ３２が取り付けられる。
【００２８】
酸化剤ガス供給部２０は、酸化剤ガス入口２６ａに接続される酸化剤ガス供給配管（反応ガス流通配管）３４ａと、酸化剤ガス出口２６ｂに接続される酸化剤ガス排出配管（反応ガス流通配管）３４ｂとを備える。酸化剤ガス供給配管３４ａと酸化剤ガス排出配管３４ｂとには、同様に温度センサおよび／または圧力センサ等のセンサ３６が取り付けられる。
【００２９】
冷却媒体供給部２２は、ラジエータ３８と循環ポンプ４０とを備えるとともに、冷却媒体入口２８ａに接続される冷却媒体供給配管（冷却媒体流通配管）４２ａと、冷却媒体出口２８ｂに接続される冷却媒体排出配管（冷却媒体流通配管）４２ｂとを備える。冷却媒体供給配管４２ａおよび冷却媒体排出配管４２ｂにより循環ラインが構成され、前記冷却媒体供給配管４２ａと前記冷却媒体排出配管４２ｂとには、同様に温度センサおよび／または圧力センサ等のセンサ４４が取り付けられる。
【００３０】
燃料ガス供給配管３０ａ、燃料ガス排出配管３０ｂ、酸化剤ガス供給配管３４ａ、酸化剤ガス排出配管３４ｂ、冷却媒体供給配管４２ａおよび冷却媒体排出配管４２ｂは、絶縁樹脂配管、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリプロピレン（ＰＰ）により形成されている。
【００３１】
図２および図３に示すように、冷却媒体供給配管４２ａには、冷却媒体の流れ方向（矢印Ａ方向）に直交する矢印Ｂ方向に突出する膨出円筒部５０が一体形成されており、この膨出円筒部５０にセンサ４４が取り付けられる。このセンサ４４は、接地構造１０を構成する第１取り付け部材５２と第２取り付け部材５４とで挟持され、アース線（導電体）５６ａを介して抵抗体５８ａに接続されるとともに、この抵抗体５８ａが図示しない自動車車体（グランド）に接続（接地）される（図１参照）。
【００３２】
図２〜図４に示すように、第１および第２取り付け部材５２、５４は、例えば、ＳＵＳ材等の導電性板部材で構成されている。第１取り付け部材５２は、センサ４４の金属部であるセンサ本体部４４ａに当接するとともに、前記センサ本体部４４ａの六角部の互いに平行な２面６０ａ、６０ｂに係止される爪部６２ａ、６２ｂを設ける。
【００３３】
第１取り付け部材５２は、固定板部６４と取り付け板部６６とを一体的に設け、前記固定板部６４に孔部６８が形成される一方、前記取り付け板部６６には、孔部７０と、前記孔部７０の両側に位置してアース端子回転止め用孔部７２ａ、７２ｂが形成される。
【００３４】
第２取り付け部材５４は、センサ４４の先端部を挿入するリング部７４を有し、このリング部７４から立ち上がって固定板部７６と取り付け板部７８とが設けられる。固定板部７６には、孔部８０が形成される一方、取り付け板部７８には、ねじ穴８２がブロック部を介して所定の軸長に形成される。
【００３５】
第１および第２取り付け部材５２、５４によりセンサ４４が挟持された状態で、固定板部６４、７６の孔部６８、８０にボルト（固定具）８４が挿入される。このボルト８４にナット８６が螺合されることにより、固定板部６４、７６同士が固定される。
【００３６】
取り付け板部６６には、アース端子８８が配置され、前記アース端子８８がアース端子回転止め用孔部７２ａ、７２ｂに係止されるとともに、ボルト９０が前記アース端子８８から孔部７０を介してねじ穴８２にねじ込まれる。このアース端子８８には、アース線５６ａの一端が固定されるとともに、前記アース線５６ａが抵抗体５８ａに接続される（図１参照）。この抵抗体５８ａとしては、例えば、数十ＭΩの抵抗が使用される。
【００３７】
冷却媒体排出配管４２ｂに取り付けられるセンサ４４は、上記の冷却媒体供給配管４２ａに取り付けられるセンサ４４と同様に、アース線（導電体）５６ｂを介して抵抗体５８ｂに接続される。この抵抗体５８ｂは、図示しない自動車車体（グランド）に接続（接地）される。
【００３８】
燃料ガス供給配管３０ａおよび酸化剤ガス供給配管３４ａに取り付けられるセンサ３２、３６は、同様にアース線５６ａを介して抵抗体５８ａに接続される一方、燃料ガス排出配管３０ｂおよび酸化剤ガス排出配管３４ｂに取り付けられるセンサ３２、３６は、同様にアース線５６ｂを介して抵抗体５８ｂに接続される。
【００３９】
このように構成される接地構造１０の動作について、これを組み込む燃料電池システム１２との関連で以下に説明する。
【００４０】
まず、燃料ガス供給部１８が駆動されて、燃料ガス供給配管３０ａから燃料ガス入口２４ａに燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料電池スタック１６の各単位セル１４を構成するアノード側電極に供給された後、燃料ガス出口２４ｂから燃料ガス排出配管３０ｂに排出される。
【００４１】
一方、酸化剤ガス供給部２０が駆動されて、酸化剤ガス供給配管３４ａから酸化剤ガス入口２６ａに酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。この空気は、燃料電池スタック１６の各単位セル１４を構成するカソード側電極に供給された後、酸化剤ガス出口２６ｂから酸化剤ガス排出配管３４ｂに排出される。
【００４２】
これにより、各単位セル１４では、アノード側電極に供給される燃料ガスと、カソード側電極に供給される空気とが、電極触媒内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。この発電によって、例えば、図示しないメインモータに電力が供給されて、車両の走行が可能となる。
【００４３】
また、冷却媒体供給部２２では、循環ポンプ４０が駆動されて、冷却媒体供給配管４２ａから冷却媒体入口２８ａに冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、各単位セル１４を冷却した後、冷却媒体出口２８ｂから冷却媒体排出配管４２ｂに排出される。各単位セル１４の冷却に使用されて昇温した冷却媒体は、必要に応じてラジエータ３８を通ることによって外気との熱交換が行われ、所定の温度に冷却された後、燃料電池スタック１６に循環される。
【００４４】
上記のように、燃料電池システム１２が駆動している際に、センサ３２は、被測定流体である燃料ガスの入口温度や入口圧力および出口温度や出口圧力を測定する一方、センサ３６は、被測定流体である空気の入口温度や入口圧力および出口温度や出口圧力を測定する。さらに、センサ４４は、被測定流体である冷却媒体の入口温度や入口圧力および出口温度や出口圧力を測定する。
【００４５】
この場合、例えば、冷却媒体供給部２２において、循環ラインを構成する冷却媒体供給配管４２ａおよび冷却媒体排出配管４２ｂが絶縁樹脂配管で構成されている。従って、絶縁性を確保して冷却媒体による液絡を防止するとともに、配管からのイオンの流出を阻止することができる。
【００４６】
ところで、冷却媒体供給配管４２ａおよび冷却媒体排出配管４２ｂには、センサ４４が取り付けられており、前記冷却媒体供給配管４２ａおよび前記冷却媒体排出配管４２ｂが絶縁樹脂配管であるため、このセンサ４４には燃料電池スタック１６の発電によって静電気または高電位が印加され易い。
【００４７】
この場合、本実施形態では、センサ４４が導電性板部材で構成される第１および第２取り付け部材５２、５４に挟持されており、前記第１取り付け部材５２が前記センサ４４の金属部であるセンサ本体部４４ａに当接している。そして、第１取り付け部材５２は、アース端子８８に接続されたアース線５６ａを介して抵抗体５８ａに電気的に接続され、この抵抗体５８ａが接地されている。
【００４８】
これにより、センサ４４に印加された電位は、第１取り付け部材５２およびアース線５６ａを介し抵抗体５８ａを中継してグランドに確実に逃がすことができる。このため、センサ４４に静電気や高電位が印加され続けてセンサ内部に電荷が蓄積することがない。従って、センサ内部の絶縁物質が帯電してセンサ回路に出力異常が惹起することがなく、簡単な構成で、冷却媒体の温度や圧力等を高精度に測定することが可能になるという効果が得られる。
【００４９】
さらに、接地構造１０は、センサ４４を挟持する第１および第２取り付け部材５２、５４を備え、前記第１取り付け部材５２がアース線５６ａを介して接地された抵抗体５８ａに電気的に接続されている。このため、接地構造１０全体の構成が有効に簡素化されるとともに、グランドである自動車車体に電流が急激に流れることを阻止することができるという利点がある。
【００５０】
なお、冷却媒体排出配管４２ｂに取り付けられたセンサ４４は、上記の冷却媒体供給配管４２ａに取り付けられたセンサ４４と同様に、アース線５６ｂを介して抵抗体５８ｂに電位を確実に逃がすことができる。
【００５１】
一方、燃料ガス供給部１８では、絶縁樹脂配管で構成される燃料ガス供給配管３０ａおよび燃料ガス排出配管３０ｂにセンサ３２が取り付けられ、前記センサ３２は、それぞれアース線５６ａ、５６ｂを介して接地された抵抗体５８ａ、５８ｂに電気的に接続されている。従って、燃料ガス加湿用の水分や発電反応により生じた生成水の逆拡散によって水が存在していても、センサ３２に静電気または高電位が印加され続けることを確実に阻止することが可能になる。
【００５２】
同様に、酸化剤ガス供給部２０では、絶縁樹脂配管で構成される酸化剤ガス供給配管３４ａおよび酸化剤ガス排出配管３４ｂにセンサ３６が取り付けられ、前記センサ３６は、反応による生成水を介して静電気または高電位が印加されても、それぞれアース線５６ａ、５６ｂを介して抵抗体５８ａ、５８ｂからグランドに電位を逃がすことができる。このため、各種センサ３２、３６および４４は、センサ内部に電位が印加されることを阻止して、所定の被測定流体の温度や圧力等を高精度に測定することが可能になる。
【００５３】
なお、本実施形態では、燃料ガス供給部１８、酸化剤ガス供給部２０および冷却媒体供給部２２が、センサ３２、３６および４４に接地構造１０を取り付けているが、これに限定されるものではなく、少なくとも前記センサ３２、３６または４４のいずれかに前記接地構造１０を採用してもよい。また、センサ３２、３６および４４は、圧力センサや温度センサの他、流量センサを用いてもよく、さらに燃料ガス供給部１８および酸化剤ガス供給部２０では、濃度センサや湿度センサ等であってもよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係るセンサ用接地構造では、被測定流体を介してセンサに静電気や高電位が印加されると、前記センサの金属部から取り付け部材および導電体を介し電位を逃がすことができる。これにより、センサに静電気や高電位が印加され続けてセンサ内部に電荷が蓄積することがなく、簡単な構成で、被測定流体の温度や圧力等を高精度に測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサ用接地構造が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記接地構造の要部斜視説明図である。
【図３】図２の断面説明図である。
【図４】前記接地構造を構成する第１および第２取り付け部材の分解斜視説明図である。
【図５】従来技術に係る燃料電池冷却装置の概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０…接地構造 １２…燃料電池システム
１４…単位セル １６…燃料電池スタック
１８…燃料ガス供給部 ２０…酸化剤ガス供給部
２２…冷却媒体供給部 ２４ａ…燃料ガス入口
２４ｂ…燃料ガス出口 ２６ａ…酸化剤ガス入口
２６ｂ…酸化剤ガス出口 ２８ａ…冷却媒体入口
２８ｂ…冷却媒体出口 ３０ａ…燃料ガス供給配管
３０ｂ…燃料ガス排出配管 ３２、３６、４４…センサ
３４ａ…酸化剤ガス供給配管 ３４ｂ…酸化剤ガス排出配管
３８…ラジエータ ４２ａ…冷却媒体供給配管
４２ｂ…冷却媒体排出配管 ５０…膨出円筒部
５２、５４…取り付け部材 ５６ａ、５６ｂ…アース線
５８ａ、５８ｂ…抵抗体 ８８…アース端子

Claims (5)

1. 絶縁樹脂配管に取り付けられ、前記絶縁樹脂配管内を流れる被測定流体の特性を測定するセンサ用接地構造であって、
   前記センサに装着され、該センサの金属部と電気的に接続される取り付け部材と、
   前記取り付け部材に接続されるとともに、接地される導電体と、
   を備え、
   前記被測定流体を介して前記センサに印加された静電気または電位を、前記取り付け部材および前記導電体を介して逃がすことにより、センサ内部の絶縁物質が帯電することを阻止することを特徴とするセンサ用接地構造。
2. 請求項１記載のセンサ用接地構造において、前記取り付け部材は、前記センサを挟持する第１および第２取り付け部材を備え、
   前記第１および第２取り付け部材は、固定具を介して一体的に固定されることを特徴とするセンサ用接地構造。
3. 請求項１または２記載のセンサ用接地構造において、前記導電体は、抵抗体を中継して接地されることを特徴とするセンサ用接地構造。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ用接地構造において、前記絶縁樹脂配管は、燃料電池の少なくとも反応ガス流通配管または冷却媒体流通配管であることを特徴とするセンサ用接地構造。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ用接地構造において、前記被測定流体の特性は、少なくとも温度、圧力、流量、湿度または濃度を含むことを特徴とするセンサ用接地構造。

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