WO2008062694A1 - Pressure sensor - Google Patents

Description

明 細 書 圧力センサ [技術分野]

本発明は、 圧力センサに係り、 特に、 燃料電池に供給排出される反応ガスの供 給排出配管に設けられ、 配管内の反応ガスの圧力を測定する圧力センサに関す る。

[背景技術]

燃料電池は、 燃料ガスを燃料極 （アノード電極） に供給し、 酸化ガスを酸化剤 極 （力ソード電極） に供給することにより、 燃料ガスと酸化ガスを電気化学的に 反応させて発電する。 燃料電池には、 燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガ ス供給配管、 燃料電池本体から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出配管、 燃 料電池本体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給配管、 及び燃料電池本体か ら酸化ガスを排出するための酸化ガス排出配管が設けられる。 本明細書では、 こ れらの配管を総称して反応ガスの供給排出配管という。 また、 反応ガス流路と は、 反応ガス配管内で反応ガスが流通する流路をいう。

【0003】

燃料電池、 例えば、 固体高分子型燃料電池 （PEFC) では、 通常、 プロトン 伝導体であるフッ素樹脂系イオン交換膜からなる電解質膜を、 その両面から触媒 層及びガス拡散層からなるアノードと力ソードが挟みこみ、 MEA (Memb r a n e E l e c t r od e A s s e n b 1 y) が構成される。 この ME Aの アノード側に、 例えば水素である燃料ガスを流し、 ME Aの力ソード側に例えば 酸素である酸化ガスを流すと、 両方の触媒層において化学反応が生じる。 ァノー ド側では、 水素がプロトン （H + ) と電子 （e— ) に分離し、 このプロトンは、 水分子を伴って電解質膜中を移動する。 一方、 電子は、 外部回路を通ってカソー ド側に移動する。 また、 力ソード側では、 酸化剤中の酸素とアノード側から移動 したプロトンと電子とが反応して水が生成される。 従って、 反応ガス供給排出配 管内にこの水分が流れる場合がある。

【0 0 0 4】

この供給排出配管内を流れる水分を含んだ反応ガスは、 タンクの充填圧が下が るとボイルシャルルの法則により反応ガスの温度が低下する。 また、 燃料電池が 低温の環境温度に置かれると冷たい反応ガスが流れる。 このような状況では、 こ の流体内の水分が圧力センサ部分に結露等をして凍結する場合がある。 特に、 燃 料電池システムが停止し、 高温な反応ガスが流れていない状態において、 上記環 境下で水分が凍結する場合がある。

【0 0 0 5】

反応ガス供給排出配管内には、 反応ガスの圧力を測定する圧力センサが設けら れ、 反応ガスの圧力を調整することで燃料電池本体の発電量等を制御する。 図 4 に、 従来の圧力センサの 1つの実施例を示す。 この圧力センサ 2 0は、 ネジが切 られ反応ガス配管 2の管壁 3と係合し、 シール材 3 0で密封された係合部 2 5 と、 フランジ 2 9と、 ハウジング 3 5と、 ハウジング 3 5に取り付けられる圧力 検知部であるダイアフラム 2 6と、 ダイアフラム 2 6に設けられる変位センサ 2 7とから構成される。 圧力センサ 2 0のハウジング 3 5の内部には、 反応ガス流 路 4と流通する導圧室 2 4力あり、 この導圧室 2 4はダイアフラム 2 6の受圧面

3 7に面している。 ダイアフラム 2 6は、 導圧室 2 4に対向し、 変形することで 反応ガス配管 2内の反応ガスの圧力を検知する。 そして端子 3 6が接続された変 位センサ 2 7はダイアフラム 2 6の変位を計測する。

【0 0 0 6】

図 5に、 従来の圧力センサの他の実施例を示す。 この圧力センサ 4 0は、 ネジ が切られ反応ガス配管 2の管壁 3と係合し、 シール材 5 0で密封された係合部 4 5と、 フランジ 4 9と、 ハウジング 5 5と、 ハウジング 5 5に取り付けられる圧 カ検知部であるダイアフラム 4 6と、 ダイアフラム 4 6に設けられる変位センサ

4 7とから構成される。 ダイアフラム 4 6の受圧面 5 7は、 反応ガス配管 2の反 応ガス流路 4に面している。 ダイアフラム 4 6は、 変形することで反応ガス流路 4の反応ガスの圧力を直接検知する。 そして端子 5 6が接続された変位センサ 4 7はダイアフラム 4 6の変位を計測する。 【0 0 0 7】

一方、 特開 2 0 0 6— 1 6 2 4 9 1号公報には、 センサ素子の被測定流体側の 受圧面を柔軟体で覆って密封し、 センサ素子受圧面と柔軟体との間に不凍剤を充 填した圧力センサが開示されている。 また、 特開 2 0 0 5 _ 1 6 4 5 3 8号公報 には、 圧力センサ取り付けボスに圧力センサ凍結ヒー夕を取り付け、 圧力セン 内の水分を解凍する圧力センサが開示されている。

[発明の開示]

図 4に示す従来の圧力センサでは、 導圧室が設けられ、 圧力検知部が反応ガス 流路に面していないため、 圧力検知部の導圧室側に面した受圧面に付着した水分 の凍結が発生した場合に、 o t:を超える温度の反応ガスが流れても導圧室内の温 度が上がらず解凍するまで相当な時間がかかるという問題がある。 これにより、 水分が解凍し圧力センサが復帰するまでは圧力センサの測定が保証されない。 図 5に示す従来の圧力センサでは、 圧力センサは、 圧力センサ取付け時に係合 部と管壁とをネジにより締め込むことで、 ネジのトルクによる配管方向の締付け 反力を受ける。 この締付け反力は係合部から圧力検知部に直接伝達される。 この 応力により圧力検知部に異常な変形が発生し測定精度が低下するという問題があ る。

本願の目的は、 かかる課題を解決し、 圧力検知部の表面水が凍結しても反応ガ スの温度により早期に解凍され、 圧力センサ取付け時にネジの締め込みによる圧 カ検知部の異常な変形を防止する圧力センサを提供することである。

上記目的を達成するため、 本発明に係る圧力センサは、 燃料電池に供給排出さ れる反応ガスの供給排出配管に設けられ、 配管内の反応ガスの圧力を測定する圧 力センサであって、 ネジが切られ配管の管壁と係合する係合部と、 配管の反応ガ ス流路に面し、 変位することで配管内の圧力を検知する圧力検知部と、 圧力検知 部に設けられ、 圧力検知部の変位を測定する変位センサと、 係合部と圧力検知部 とを配管の反応ガス流路と流通する緩衝層を挟んで接続し、 圧力センサが配管に 係合される際に、 ネジのトルクにより発生する応力に対して変形することで圧力 検知部に発生する異常な変位を吸収する緩衝部と、 を備えることを特徴とする。 また、 圧力センサは、 緩衝部が、 一端で圧力検知部と接続し、 反応ガス配管と 略直行する筒状の内側緩衝部と、 一端で係合部と接続し、 反応ガス配管と略直行 する筒状の外側緩衝部と、 内側緩衝部及び外側緩衝部の他端端部と接続する端部 底板とから成り、 内側緩衝部と外側緩衝部と端部底板とにより緩衝層が形成され ることが好ましい。

また、 圧力センサは、 内側緩衝部及び外側緩衝部は円筒形状であり、 端部底板 は環状であることが好ましい。

[図面の簡単な説明]

図 1は、 本発明に係る圧力センサの 1つの実施形態の概略構成を示す断面図で ある。

図 2は、 圧力センサの取り付け時における緩衝層の機能を示す説明である。 図 3は、 圧力センサの取り付け時における緩衝部の曲げ変形を示す説明であ る。

図 4は、 従来の圧力センサの 1つの実施例を示す断面である。

図 5は、 従来の圧力センサの他の実施例を示す断面である。

[発明を実施するための最良の形態]

以下に、 本発明に係る実施形態について、 図面を用いて詳細に説明する。 図 1に、 圧力センサの 1つの実施形態の概略構成を示す。 圧力センサ 1は、 係 合部 5と、 圧力検知部であるダイアフラム 6と、 変位センサ 7と、 緩衝部 8とか ら構成される。

係合部 5は、 ネジが切られ反応ガス配管 2の管壁 3に設けられたネジ部と係合 する。 この係合部 5により、 圧力センサ 1は、 ネジが締め込まれて反応ガス配管 2に固定される。 また、 この係合部 5には、 反応ガス配管 2から反応ガス等が漏 れないように密封するシール材 1 0が設けられる。 さらに、 圧力センサ 1は、 そ の外周にフランジ 9を有する。 このフランジ 9により、 係合部 5の締付け位置が 定まる。 また、 フランジ 9は、 ネジの締め込みの際にシール材 1 0を押さえつけ る。 これにより、 シール材 1 0の密封性が確保される。

また、 この圧力センサ 1の係合部 5は、 反応ガス配管 2の管壁 3との係合の際 に、 ねじ込まれることで管壁 3が外側に開く方向に押し込む。 つまり、 ねじ込み の際にトルクが生じるが、 このトルクにより管壁 3の方向に押し込む力が発生す る。 この押し込む力により、 係合部 5には内側に閉じる方向に締付け反力が発生 する。

圧力検知部であるダイアフラム 6は、 図 1に示すように、 その受圧面 1 7は反 応ガス配管 2の反応ガス流路 4に面して設置される。 これにより、 ダイアフラム 6の受圧面 1 7に付着した水分が凍結しても、 0でを超える反応ガスが流れると 早期に解凍される。 ダイアフラム 6の受圧面 1 7は、 反応ガス配管 2内の反応ガ スの圧力を検知して変形する。 この変形は、 ダイアフラム 6の受圧面 1 7とは反 対側に取り付けられた変位センサ 7により測定され、 端子 1 6によりその信号が 外部に取り出される。

緩衝部 8は、 係合部 5とダイアフラム 6とをガス配管 2の反応ガス流路 4と流 通する緩衝層 1 4を挟んで接続する。 ここで、 緩衝層 1 4とは、 反応ガス流路 4 から突出して湾状に拡がった反応ガス流路 4の一部をいう。 すなわち、 係合部 5 とダイアフラム 6とは直接接続せずに、 ガス配管 2の反応ガス流路 4と流通する 緩衝層 1 4を挟み、 迂回して接続される。 管壁 3と係合する係合部 5と、 ガス配 管 2の反応ガス流路 4に面するダイアフラム 6とは、 いずれもガス配管 2の管壁 3付近に位置することから、 図 4に示すように容易に相互に接続できる。 しか し、 直接接続したのではネジの締め込みにより、 ネジのトルクが配管方向の反力 となり直接ダイアフラム 6に伝達してレまう。 それを避けるために係合部 5とダ ィァフラム 6とは、 緩衝層 1 4を挟んで迂回して接続される。

本実施形態では、 この係合部 5とダイアフラム 6とを迂回させる手段としてフ レームを構成する緩衝部 8を設ける。 すなわち、 この緩衝部 8は、 一端でダイァ フラム 6と接続し、 反応ガス配管 2と略直行する筒状の内側緩衝部 1 1と、 一端 で係合部 5と接続し、 反応ガス配管 2と略直行する筒状の外側緩衝部 1 2と、 内 側緩衝部 1 1及び外側緩衝部 1 2の他端端部と接続する端部底板 1 3とから構成 される。 そして、 内側緩衝部 1 1と外側緩衝部 1 2と端部底板 1 3とにより緩衝 層 1 4が形成される。 この構成により、 係合部 5とダイアフラム 6とは、 緩衝層 1 4を挟んで迂回して接続されることになる。 本実施形態では、 内側緩衝部 1 1 及び外側緩衝部 1 2は円筒形状であり、 端部底板 1 3は環状の板材である。 これ らの内側緩衝部 1 1、 外側緩衝部 1 2及び端部底板 1 3は、 一体で成形される が、 或いは溶接により接合される。

緩衝部 8は、 圧力センサ 1がガス配管 2に係合される際に、 フレームとして曲 げ変形することでダイァフラム 6に発生する締付け応力を吸収する。 図 2及び図 3を用いてこのメカニズムを説明する。 図 2は、 図 1の A— A断面図であり、 圧 力センサ 1を上部から見た平面を示す。 図 3は、 緩衝部 8の曲げ変形の変形図を デフォルメして示す説明図である。 図 3の破線で示す緩衝部 8は変形前の形状で あり、 実線で示す緩衝部 8は変形後の形状である。 図 2中に矢印で示すように、 係合部 5にはネジの締め込みにより圧力センサ 1を圧縮する締付け応力 （F ) が 発生する。 この締付け応力 （F ) は、 環状の係合部 5の周囲にほぼ等分布する応 力である。 この締付け応力 （F ) に対して、 環状の外側緩衝部 1 2は、 内側に圧 縮変形する。 一方、 この締付け応力 （F ) の一部は、 フレームを構成する緩衝部 8 (外側緩衝部 1 2、 端部底板 1 3、 内側緩衝部 1 1 ) に曲げモーメントを発生 させて伝達する。 しかし、 環状の係合部 5の圧縮に対する剛性と比較して、 緩衝 部 8のフレームの曲げ剛性は低い。 従って、 環状の係合部 5の周囲に発生した締 付け応力 （F ) は、 その大部分が環状の係合部 5の圧縮応力として分配され、 フ レームを構成する緩衝部 8の曲げモーメントを発生させる応力としては分配され ない。 これにより、 図 3中に示すダイアフラム 6に発生する曲げモーメントの反 力 （R ) がほとんど発生しない。 また、 フレームを構成する緩衝部 8は、 係合部 5の圧縮変形に従って図 3に示すように曲げ変形する。 つまり、 剛性の低いフレ ームを構成する緩衝部 8は曲げ変形によりダイアフラム 6の変形を防止し、 締付 け応力は剛性の高い環状の係合部 5が負担することになる。

上述したように、 本発明に係る圧力センサ 1は、 緩衝部 8が、 係合部 5におい てガス配管 2に係合される際に変形することでダイアフラム 6に発生する応力を 吸収する。 これにより、 圧力検知部 6の変形による測定精度の低下を防止するこ とが可能となる。 また、 この緩衝部 8の内側緩衝部 1 1の先端に変位センサ 7を 取り付ける。 これにより、 ダイアフラム 6を反応ガス配管 2の反応ガス流路 4に 面して設置でき、 ダイアフラム 6の異常な変形を防止する。 ' 本実施形態では、 圧力センサ 1の内側緩衝部 1 1及び外側緩衝部 1 2の断面形 状は円筒形状であるが、 閉鎖された筒状、 例えば多角形であっても良い。 同様に 端部底板 1 3は環状の板材であるが、 多角形の環状の板材であっても良い。

[産業上の利用可能性]

以上のように、 本発明に係る圧力センサは、 燃料電池に供給排出される反応ガ スの供給排出配管に設けられ、 配管内の反応ガスの圧力を測定する圧力センサと して有用である。

Claims

1 . 燃料電池に供給排出される反応ガスの供給排出配管に設けられ、 配管内の 反応ガスの圧力を測定する圧力センサであって、

ネジが切られ配管の管壁と係合する係合部と、

配管の反応ガス流路に面し、 変位することで配管内の圧力を検知する圧力検知 部と、 請

圧力検知部に設けられ、 圧力検知部の変位を測定する変位センサと、 係合部と圧力検知部とを配管の反応ガス流路と流通する緩衝層を挟んで接続 し、 圧力センサが配管に係合される際に、 ネジのトルクにより発生する応力に対 して変形することで圧力検知部に発生する異常な囲変位を吸収する緩衝部と、 を備えることを特徴とする圧力センサ。

2 . 請求項 1に記載の圧力センサにおいて、 緩衝部は、 一端で圧力検知部と接続 し、 反応ガス配管と赂直行する筒状の内側緩衝部と、 一端で係合部と接続し、 反 応ガス配管と略直行する筒状の外側緩衝部と、 内側緩衝部及び外側緩衝部の他端 端部と接続する端部底板とから成り、 内側緩衝部と外側緩衝部と端部底板とによ り緩衝層が形成されることを特徴とする圧力センサ。

3 . 請求項 2に記載の圧力センサにおいて、 内側緩衝部及び外側緩衝部は円筒形 状であり、 端部底板は環状であることを特徴とする圧力センサ。