JP2009145046A - Hydrogen embrittlement sensor - Google Patents

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Taisuke Miyamoto
泰介 宮本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem of hydrogen embrittlement in a high-pressure hydrogen system, without depending on the selection of a material corresponding to a material test or the result thereof. <P>SOLUTION: A diaphragm member 2, which comprises a material most easily subjected to hydrogen embrittlement in the use material of the high-pressure hydrogen system, is provided to a sensor body 10 and the breakdown of the diaphragm member 2 is detected and decides that there is hydrogen embrittlement in the high-pressure hydrogen system. A hydrogen embrittlement phenomenon is monitored through a breakdown phenomenon in the diaphragm member 2 for detecting the hydrogen embrittlement or the effect thereof, before the constituent parts of the system are broken down. It is preferable that a stress concentrated part 3 for promoting the breakdown of the diaphragm member 2 is preferably formed to the diaphragm member 2. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素脆化センサに関する。さらに詳述すると、本発明は、高圧水素システムにおける水素脆化現象に対応するための技術の改良に関する。   The present invention relates to a hydrogen embrittlement sensor. More specifically, the present invention relates to an improvement in technology for coping with the hydrogen embrittlement phenomenon in high pressure hydrogen systems.

燃料電池システムは、燃料電池に反応ガス(酸化ガスや、燃料ガスとしての水素ガス)を給排するための配管系、電力を充放電する電力系、システム全体を統括制御する制御系などを備えたシステムとして構成されている。また、例えば高分子電解質形燃料電池等を備えた燃料電池システムは、水素ガスを高圧で貯蔵したタンク(高圧水素タンク)を備えたいわば高圧水素システムの一種でもある。   The fuel cell system includes a piping system for supplying and discharging reaction gas (oxidizing gas and hydrogen gas as fuel gas) to the fuel cell, a power system for charging and discharging electric power, and a control system for overall control of the entire system. System is configured. In addition, a fuel cell system including, for example, a polymer electrolyte fuel cell is a kind of high-pressure hydrogen system including a tank (high-pressure hydrogen tank) that stores hydrogen gas at a high pressure.

このような高圧水素システムにおける大きな課題の一つは水素脆化である。これは、金属材料中に高圧水素雰囲気から水素が侵入して材料を脱化させ、場合によっては破壊に繋がる現象(水素脆化現象と呼ばれる)のことである。例えば現在の高圧水素システムでは、この水素脆化現象に関する基準を満たす材料が中心に使用されている。また、水素脆化現象の予測や判定に関しては、ダミーボルトを用いて水素脆化割れを予知する等の技術が提案されている(例えば特許文献1,2参照)。
特開2002−365202号公報 特開2005−147712号公報
One of the major problems in such a high-pressure hydrogen system is hydrogen embrittlement. This is a phenomenon (referred to as a hydrogen embrittlement phenomenon) in which hydrogen enters a metal material from a high-pressure hydrogen atmosphere to cause the material to degenerate and possibly lead to destruction. For example, in the current high-pressure hydrogen system, materials that satisfy the standards regarding the hydrogen embrittlement phenomenon are mainly used. As for prediction and determination of the hydrogen embrittlement phenomenon, techniques such as predicting hydrogen embrittlement cracks using dummy bolts have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
JP 2002-365202 A JP 2005-147712 A

しかしながら、現状、高圧水素システムにおいて使用が公認されているのは2種類の材料のみであるため部品設計上の大きな制約となっており、制約が大きいという課題を解決するため種々の試験や研究が行われているところである(例えばNEDOの水素プロジェクトの中で水素脆化に関する材料データを取得している、等)。ところが、高圧水素中で強度試験ができる設備が日本に数台程度しかない、試験には危険が伴う、さらには法律上の制約があるといった背景から、課題解決は当該システムの利用者や設計者といった関係者らが期待するようなスピードでは進んでいない。   However, at present, only two types of materials are approved for use in high-pressure hydrogen systems, which is a major limitation in component design, and various tests and research have been conducted to solve the problem of large limitations. (For example, material data on hydrogen embrittlement is acquired in the NEDO hydrogen project). However, because there are only a few facilities in Japan that can perform strength tests in high-pressure hydrogen, the tests are dangerous, and there are legal restrictions, the problem is solved by users and designers of the system. It is not progressing at the speed expected by those concerned.

そこで、本発明は、高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決可能な水素脆化センサを提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the hydrogen embrittlement sensor which can solve the subject of the hydrogen embrittlement in a high pressure hydrogen system.

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述した水素脆化現象については研究中の段階であり、尚かつデータが極端に不足しているというのが現状である。一方で、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の低コスト化・軽量化の要請から、より高強度でより安価な材料をできるだけ早急に選択したいという要請もある。このような背景の下、水素脆化現象の予測という観点から検討を重ねた本発明者はかかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. The above-described hydrogen embrittlement phenomenon is in the research stage, and the current situation is that the data is extremely insufficient. On the other hand, there is also a demand to select a higher-strength and cheaper material as soon as possible in response to a request for cost reduction and weight reduction of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system. Under such a background, the present inventor, who has repeatedly studied from the viewpoint of predicting the hydrogen embrittlement phenomenon, has obtained new knowledge that leads to the solution of such problems.

本発明の水素脆化センサはかかる知見に基づくものであり、高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材をセンサボデーに備え、該ダイアフラム部材の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断するように構成されている。   The hydrogen embrittlement sensor of the present invention is based on such knowledge, and the sensor body includes a diaphragm member made of a material most likely to be hydrogen embrittled among the materials used in the high-pressure hydrogen system, and detects the breakage of the diaphragm member. It is configured to determine hydrogen embrittlement in the high pressure hydrogen system.

現状、高圧水素の条件下にて材料試験を行い、試験結果に応じた材料を選択してシステムに利用するという方向で水素脆化への対応が進められているが、材料の選択のみで水素脆化を完全に抑えることは将来的にも困難である。この点、本発明においては、高圧水素システムで使用されている材料の中で最も脆化が心配される材料からなるダイアフラム部材を利用し、当該ダイアフラム部材における破壊現象を通じて水素脆化現象をモニタリングすることにより、当該システムの構成部品が破損するよりも前に水素脆化やその影響を検知することが可能である。このような水素脆化センサは高圧水素システムのいずれかに配置されていればよく、従来のごとく材料試験を行ったり選択をしたりしなくても水素脆化の課題を解決することができる。   Currently, materials are tested under conditions of high-pressure hydrogen, and measures are taken to cope with hydrogen embrittlement by selecting materials according to the test results and using them in the system. It will be difficult in the future to completely suppress embrittlement. In this regard, in the present invention, a diaphragm member made of a material that is most likely to be embrittled among the materials used in the high-pressure hydrogen system is used, and the hydrogen embrittlement phenomenon is monitored through a fracture phenomenon in the diaphragm member. Thus, it is possible to detect hydrogen embrittlement and its influence before the system components are damaged. Such a hydrogen embrittlement sensor is only required to be arranged in any one of the high-pressure hydrogen systems, and the problem of hydrogen embrittlement can be solved without performing a material test or selection as in the past.

この水素脆化センサにおいては、ダイアフラム部材に当該ダイアフラム部材の破壊を促進させる応力集中部が形成されていることが好ましい。こうした場合、システムにおける水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。さらに、当該応力集中部が、ダイアフラム部材の圧力を受ける側とは反対側に形成されていることも好ましい。   In this hydrogen embrittlement sensor, it is preferable that the diaphragm member is formed with a stress concentration portion that promotes breakage of the diaphragm member. In such a case, the hydrogen embrittlement phenomenon in the system can be detected with higher sensitivity. Furthermore, it is also preferable that the stress concentration portion is formed on the side opposite to the side receiving the pressure of the diaphragm member.

また、本発明にかかる水素脆化センサは、センサボデーとダイアフラム部材とで形成される密閉空間の内部に圧力検知素子を備えている。この場合の圧力検知素子は、ダイアフラム部材が破壊した場合に侵入する高圧水素と反応したり圧力で機能を損なったりすることがないように構成されている。   Moreover, the hydrogen embrittlement sensor concerning this invention is equipped with the pressure detection element inside the sealed space formed with a sensor body and a diaphragm member. In this case, the pressure detecting element is configured so as not to react with high-pressure hydrogen that enters when the diaphragm member breaks or to impair the function due to pressure.

また、密閉空間の内部に不活性ガスまたは低活性のガスが充填されていることが好ましい。このような構造であれば、ダイアフラム部材が破壊した場合に密閉空間中の酸素等と水素との反応を抑えることができる。   Moreover, it is preferable that the inside of the sealed space is filled with an inert gas or a low activity gas. With such a structure, when the diaphragm member is broken, the reaction between oxygen and the like in the sealed space and hydrogen can be suppressed.

本発明にかかる水素脆化センサにおいて、ダイアフラム部材は、受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムの2つのダイアフラムからなる。受圧ダイアフラムは高圧水素の圧力を受けて変形等し、この変形等に応じた破壊検知用ダイアフラムの作用により破壊を検知することが可能である。さらに、この場合において受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムとが平行に配置されていることも好ましい。   In the hydrogen embrittlement sensor according to the present invention, the diaphragm member includes two diaphragms, a pressure receiving diaphragm and a fracture detection diaphragm. The pressure receiving diaphragm is deformed by receiving the pressure of the high-pressure hydrogen, and the breakage can be detected by the action of the breakage detecting diaphragm corresponding to the deformation. Furthermore, in this case, it is also preferable that the pressure receiving diaphragm and the fracture detection diaphragm are arranged in parallel.

また本発明では、破壊検知用ダイアフラムとセンサボデーとが一体化しており、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている。破壊検知センサとしては例えばひずみゲージ等を用いることができる。   In the present invention, the failure detection diaphragm and the sensor body are integrated, and the failure detection sensor is provided on the atmospheric release side of the failure detection diaphragm. For example, a strain gauge can be used as the breakage detection sensor.

あるいは、水素脆化センサにおいて破壊検知用ダイアフラムとセンサボデーとが別体であり、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側にひずみゲージ等の破壊検知センサが設けられていることも好ましい。破壊検知用ダイアフラムは例えば溶接、ろう付け等でセンサボデーに取り付けられている。このような構造の水素脆化センサにおいては、受圧ダイアフラムを透過し、2つのダイアフラム(受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラム)で構成される密閉空間に侵入した水素を、破壊検知用ダイアフラムを透過させて大気へ放出することができる。また、このように水素が侵入しても大気へ放出することが可能であるため、破壊検知用ダイアフラム材料の材質の選択幅を広げることができる。この場合、破壊検知用ダイアフラムが受圧ダイアフラムよりも水素を透過させ易い材料からなることが好ましい。さらに、当該材料は内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造であることが好ましい。   Alternatively, in the hydrogen embrittlement sensor, it is also preferable that the fracture detection diaphragm and the sensor body are separate, and a fracture detection sensor such as a strain gauge is provided on the atmospheric release side of the fracture detection diaphragm. The failure detection diaphragm is attached to the sensor body, for example, by welding, brazing or the like. In the hydrogen embrittlement sensor having such a structure, hydrogen that has passed through the pressure-receiving diaphragm and has entered the sealed space composed of two diaphragms (the pressure-receiving diaphragm and the failure detection diaphragm) passes through the failure detection diaphragm. Can be released to the atmosphere. Further, even if hydrogen enters in this way, it can be released to the atmosphere, so that the selection range of the material for the diaphragm material for fracture detection can be expanded. In this case, it is preferable that the fracture detection diaphragm is made of a material that allows hydrogen to permeate more easily than the pressure receiving diaphragm. Furthermore, it is preferable that the material is a sintered material having a porous interior and pressure strength, and the outside of the sintered material is covered with a ferritic stainless steel or a steel plate.

また、本発明にかかる水素脆化センサにおいては、ダイアフラム部材の厚さ及び形状が、高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも2倍以上になるよう設計され、尚かつ実部品の設計に用いられた安全率未満の安全率に設定されている。   In the hydrogen embrittlement sensor according to the present invention, the thickness and shape of the diaphragm member is such that the static fracture load of the diaphragm member obtained by a fracture test in high-pressure hydrogen is at least twice the actual operating load. The safety factor is set to be lower than the safety factor used for designing the actual part.

さらに本発明にかかる高圧水素システムは、上述した水素脆化センサのいずれかを備えているというものである。   Furthermore, the high-pressure hydrogen system according to the present invention includes any of the hydrogen embrittlement sensors described above.

本発明によれば、高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決することが可能となる。   According to the present invention, the problem of hydrogen embrittlement in a high-pressure hydrogen system can be solved.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図1〜図6に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる水素脆化センサ1は、高圧水素システム100における使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材2をセンサボデー10に備え、該ダイアフラム部材2の破壊を検知して当該高圧水素システム100内における水素脆化を判断するように構成されているものである(図4等参照)。以下においては、高圧水素システム100の一例である燃料電池システム(以下、符号100を付して示す)の全体構成例についてまず説明し、その後、水素脆化センサ1について説明することとする。   1 to 6 show an embodiment of the present invention. The hydrogen embrittlement sensor 1 according to the present invention includes a diaphragm member 2 made of a material that is most prone to hydrogen embrittlement among the materials used in the high-pressure hydrogen system 100 in the sensor body 10, and detects the breakage of the diaphragm member 2 to detect the high pressure It is configured to determine hydrogen embrittlement in the hydrogen system 100 (see FIG. 4 and the like). In the following, an overall configuration example of a fuel cell system (hereinafter denoted by reference numeral 100), which is an example of the high-pressure hydrogen system 100, will be described first, and then the hydrogen embrittlement sensor 1 will be described.

図1に本実施形態における燃料電池システム100の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム100は、燃料電池101と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池101に供給する酸化ガス給排系(以下、酸化ガス配管系ともいう)300と、燃料ガスとしての水素を燃料電池101に供給する燃料ガス給排系(以下、燃料ガス配管系ともいう)400と、燃料電池101に冷媒を供給して燃料電池101を冷却する冷媒配管系500と、システムの電力を充放電する電力系600と、システム全体を統括制御する制御部700と、を備えている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 100 in the present embodiment. As shown in the figure, a fuel cell system 100 includes a fuel cell 101, an oxidizing gas supply / discharge system (hereinafter also referred to as an oxidizing gas piping system) 300 that supplies air (oxygen) as an oxidizing gas to the fuel cell 101, a fuel A fuel gas supply / discharge system (hereinafter also referred to as a fuel gas piping system) 400 that supplies hydrogen as a gas to the fuel cell 101, a refrigerant piping system 500 that supplies the refrigerant to the fuel cell 101 and cools the fuel cell 101, A power system 600 that charges and discharges the power of the system and a control unit 700 that performs overall control of the entire system are provided.

燃料電池101は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル(単セル)2を積層したスタック構造となっている。各セル2は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ20を有している。一方のセパレータ20の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ20の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池101は電力を発生する。   The fuel cell 101 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of cells (single cells) 2 are stacked. Each cell 2 has an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators 20 so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. is doing. Fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator 20, and oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator 20, and the fuel cell 101 generates electric power by this gas supply.

酸化ガス配管系300は、燃料電池101に供給される酸化ガスが流れる供給路111と、燃料電池101から排出された酸化オフガスが流れる排出路112と、を有している。供給路111には、フィルタ113を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ114と、コンプレッサ114により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器115と、が設けられている。排出路112を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁116を通って加湿器115で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ114は、モータ114aの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。   The oxidizing gas piping system 300 includes a supply path 111 through which the oxidizing gas supplied to the fuel cell 101 flows, and a discharge path 112 through which the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 101 flows. The supply path 111 is provided with a compressor 114 that takes in the oxidizing gas via the filter 113, and a humidifier 115 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 114. The oxidizing off-gas flowing through the discharge path 112 is subjected to moisture exchange by the humidifier 115 through the back pressure regulating valve 116, and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas. The compressor 114 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving the motor 114a.

燃料ガス配管系400は、水素供給源121と、水素供給源121から燃料電池101に供給される水素ガスが流れる供給路122と、燃料電池101から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路122の合流点Aに戻すための循環路123と、循環路123内の水素オフガスを供給路122に圧送するポンプ124と、循環路123に分岐接続された排出路125と、を有している。   The fuel gas piping system 400 includes a hydrogen supply source 121, a supply path 122 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 121 to the fuel cell 101 flows, and a supply path for supplying hydrogen offgas (fuel offgas) discharged from the fuel cell 101. A circulation path 123 for returning to the confluence point A of 122, a pump 124 that pumps the hydrogen off gas in the circulation path 123 to the supply path 122, and a discharge path 125 that is branched and connected to the circulation path 123. .

水素供給源121は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源121の元弁126を開くと、供給路122に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁127その他の減圧弁により、最終的に例えば200kPa程度まで減圧されて、燃料電池101に供給される。   The hydrogen supply source 121 is composed of, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to be able to store, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When the main valve 126 of the hydrogen supply source 121 is opened, hydrogen gas flows out to the supply path 122. The hydrogen gas is finally depressurized to, for example, about 200 kPa by the pressure regulating valve 127 and other pressure reducing valves, and supplied to the fuel cell 101.

供給路122の合流点Aの上流側には、遮断弁128が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路122の合流点Aの下流側流路と、燃料電池101のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路123とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ124は、モータ124aの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池101に循環供給する。   A shutoff valve 128 is provided on the upstream side of the confluence point A of the supply path 122. The circulation system of the hydrogen gas is configured by sequentially communicating a flow path on the downstream side of the joining point A of the supply path 122, a fuel gas flow path formed in the separator of the fuel cell 101, and the circulation path 123. Yes. The hydrogen pump 124 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 101 by driving the motor 124a.

排出路125には、遮断弁であるパージ弁133が設けられている。パージ弁133が燃料電池システム100の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁133の開弁により、循環路123内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。   The discharge passage 125 is provided with a purge valve 133 that is a shut-off valve. By appropriately opening the purge valve 133 when the fuel cell system 100 is in operation, impurities in the hydrogen off gas are discharged together with the hydrogen off gas to a hydrogen diluter (not shown). By opening the purge valve 133, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation path 123 decreases, and the concentration of hydrogen in the hydrogen off-gas circulated increases.

冷媒配管系500は、燃料電池101内の冷却流路に連通する冷媒循環流路141と、冷媒循環流路141に設けられた冷却ポンプ142と、燃料電池101から排出される冷媒を冷却するラジエータ143と、ラジエータ143をバイパスするバイパス流路144と、ラジエータ143及びバイパス流路144への冷却水の通流を設定する三方弁(切替え弁)145と、を有している。冷却ポンプ142は、モータ142aの駆動により、冷媒循環流路141内の冷媒を燃料電池101に循環供給する。   The refrigerant piping system 500 includes a refrigerant circulation channel 141 communicating with a cooling channel in the fuel cell 101, a cooling pump 142 provided in the refrigerant circulation channel 141, and a radiator that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 101. 143, a bypass flow path 144 that bypasses the radiator 143, and a three-way valve (switching valve) 145 that sets the flow of cooling water to the radiator 143 and the bypass flow path 144. The cooling pump 142 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant circulation channel 141 to the fuel cell 101 by driving the motor 142a.

電力系600は、高圧DC/DCコンバータ161、バッテリ162、トラクションインバータ163、トラクションモータ164、及び各種の補機インバータ165,166,167を備えている。高圧DC/DCコンバータ161は、直流の電圧変換器であり、バッテリ162から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ163側に出力する機能と、燃料電池101又はトラクションモータ164から入力された直流電圧を調整してバッテリ162に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ161のこれらの機能により、バッテリ162の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ161により、燃料電池101の出力電圧が制御される。   The power system 600 includes a high-voltage DC / DC converter 161, a battery 162, a traction inverter 163, a traction motor 164, and various auxiliary inverters 165, 166, and 167. The high-voltage DC / DC converter 161 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 162 and outputs it to the traction inverter 163 side, and the direct-current input from the fuel cell 101 or the traction motor 164. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 162. The charge / discharge of the battery 162 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 161. Further, the output voltage of the fuel cell 101 is controlled by the high voltage DC / DC converter 161.

バッテリ162は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ163は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ164に供給する。トラクションモータ164は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム100が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。   The battery 162 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or power can be supplementarily supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 163 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 164. The traction motor 164 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of, for example, a vehicle on which the fuel cell system 100 is mounted.

補機インバータ165,166,167は、それぞれ、対応するモータ114a,124a,142aの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ165,166,167は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ114a,124a,142aに供給する。補機インバータ165,166,167は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部700からの制御指令に従って燃料電池101又はバッテリ162から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ114a,124a,142aで発生する回転トルクを制御する。   Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 are motor control devices that control driving of corresponding motors 114a, 124a, and 142a, respectively. Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 convert a direct current into a three-phase alternating current and supply it to motors 114a, 124a, and 142a, respectively. Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 are, for example, pulse width modulation type PWM inverters, which convert a DC voltage output from fuel cell 101 or battery 162 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from control unit 700. The rotational torque generated by each motor 114a, 124a, 142a is controlled.

制御部700は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ124の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部700は、ガス系統(300,400)や冷媒配管系500に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。   The control unit 700 is configured as a microcomputer including a CPU, a ROM, and a RAM inside. The CPU executes a desired calculation according to the control program, and performs various processes and controls such as a thawing control of the pump 124 described later. The ROM stores control programs and control data processed by the CPU. The RAM is mainly used as various work areas for control processing. The control unit 700 inputs detection signals such as various pressure sensors, temperature sensors, and outside air temperature sensors used in the gas system (300, 400) and the refrigerant piping system 500, and outputs control signals to each component.

続いて、本発明にかかる水素脆化センサ1の実施形態を説明する(図2等参照)。   Subsequently, an embodiment of the hydrogen embrittlement sensor 1 according to the present invention will be described (see FIG. 2 and the like).

<第1の実施形態>
水素脆化センサ1は、燃料電池システム(高圧水素システム)100における使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材2をセンサボデー10に備え、該ダイアフラム部材2の破壊を検知して当該燃料電池システム100内における水素脆化を判断するように構成されている。
<First Embodiment>
The hydrogen embrittlement sensor 1 includes a diaphragm member 2 made of a material that is most likely to be hydrogen embrittled among the materials used in the fuel cell system (high-pressure hydrogen system) 100 in the sensor body 10, and detects the breakage of the diaphragm member 2 The fuel cell system 100 is configured to determine hydrogen embrittlement.

センサボデー10は水素脆化センサ1の本体を構成しており、その先端側には空洞部4を形成する凹みが設けられている。センサボデー10の外周には取付けねじ部9が形成されており、本実施形態の水素脆化センサ1は当該取付けねじ部9により燃料電池システム100の所定の箇所に取り付けられて水素脆化のモニタリングに利用される。取付けねじ部9の逃げ付近には密封手段としてOリング6が設けられている(図2参照)。   The sensor body 10 constitutes the main body of the hydrogen embrittlement sensor 1, and a dent that forms the cavity 4 is provided on the tip side thereof. A mounting screw portion 9 is formed on the outer periphery of the sensor body 10, and the hydrogen embrittlement sensor 1 of this embodiment is attached to a predetermined location of the fuel cell system 100 by the mounting screw portion 9 to monitor hydrogen embrittlement. Used for An O-ring 6 is provided as a sealing means in the vicinity of the escape of the mounting screw portion 9 (see FIG. 2).

ダイアフラム部材2は、破壊することによって水素脆化現象の影響を知らしめるように形成された薄板状の部材である。このようなダイアフラム部材2の材料としては、水素脆化の感受性があるとされるステンレス鋼SUS304やSUS410、SUS430等の他、SCM435などの鋼材料などの採用が考えられる。本実施形態では、こうした材料を円板状に加工し、例えば溶接またはろう付けによってセンサボデー10の先端に取り付けている。このようにセンサボデー10の先端に取り付けられたダイアフラム部材2は、その外側の面で高圧水素の圧力Pを受ける(図2参照)。   The diaphragm member 2 is a thin plate-like member formed so as to be informed of the influence of the hydrogen embrittlement phenomenon by breaking. As the material of the diaphragm member 2, it is conceivable to adopt a steel material such as SCM435 in addition to stainless steel SUS304, SUS410, SUS430, etc., which are considered to be susceptible to hydrogen embrittlement. In this embodiment, such a material is processed into a disk shape and attached to the tip of the sensor body 10 by welding or brazing, for example. Thus, the diaphragm member 2 attached to the tip of the sensor body 10 receives the pressure P of high-pressure hydrogen on the outer surface thereof (see FIG. 2).

このようなダイアフラム部材2の表面は平坦であってもよいが、破壊を促進させる形状となっていることが好ましい。例えば本実施形態におけるダイアフラム部材2は、高圧水素側(高圧水素の圧力Pを受ける側)の面に切欠きからなる応力集中部3が形成されている(図2参照)。この場合、当該応力集中部3における応力が局部的に増大し、ダイアフラム部材2が破壊しやすくなることから、燃料電池システム100における水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。本実施形態ではダイアフラム部材2の表面に段差を設け、当該ダイアフラム部材2の中央部をその他の部分よりも薄くしている。   The surface of the diaphragm member 2 may be flat, but it is preferable that the diaphragm member 2 has a shape that promotes breakage. For example, the diaphragm member 2 in this embodiment has a stress concentration portion 3 formed of a notch on the surface of the high-pressure hydrogen side (the side receiving the pressure P of high-pressure hydrogen) (see FIG. 2). In this case, the stress in the stress concentration portion 3 is locally increased and the diaphragm member 2 is easily broken, so that the hydrogen embrittlement phenomenon in the fuel cell system 100 can be detected with higher sensitivity. In the present embodiment, a step is provided on the surface of the diaphragm member 2 so that the central portion of the diaphragm member 2 is thinner than other portions.

この場合、段差底面の両側の隅肉部分に関し、当該隅肉部分の半径rを適宜変更することも好ましい(図2、図3参照)。隅肉部分の半径rを適宜変更することにより、当該ダイアフラム部材2の応力集中部3における応力集中率を種々変化させることができる。   In this case, it is also preferable to appropriately change the radius r of the fillet portion on both sides of the step bottom (see FIGS. 2 and 3). By appropriately changing the radius r of the fillet portion, the stress concentration rate in the stress concentration portion 3 of the diaphragm member 2 can be variously changed.

また、センサボデー10とダイアフラム部材2とで形成される密閉空間(空洞部4)の内部には圧力検知素子5が設けられている(図2参照)。この圧力検知素子5は、水素脆化によってダイアフラム部材2が変形したり破壊したりした際における密閉空間(空洞部4)内での圧力変化を検知し、圧力検知素子電極8を通じて検知信号を出力する。本実施形態の圧力検知素子5は、ダイアフラム部材2が破壊した場合に空洞部4へと侵入する高圧水素と反応したり圧力で機能を損なったりすることがないように構成されている。さらに、圧力検知素子電極8が、センサボデー10を通過して水素脆化センサ1の基端側から突出するように設けられている(図2参照)。   Moreover, the pressure detection element 5 is provided in the inside of the sealed space (hollow part 4) formed with the sensor body 10 and the diaphragm member 2 (refer FIG. 2). The pressure detection element 5 detects a pressure change in the sealed space (cavity 4) when the diaphragm member 2 is deformed or broken due to hydrogen embrittlement, and outputs a detection signal through the pressure detection element electrode 8. To do. The pressure detection element 5 of the present embodiment is configured such that when the diaphragm member 2 is broken, it does not react with high-pressure hydrogen that enters the cavity 4 and does not impair the function due to pressure. Furthermore, the pressure detection element electrode 8 is provided so as to protrude from the base end side of the hydrogen embrittlement sensor 1 through the sensor body 10 (see FIG. 2).

また、本実施形態では、密閉空間(空洞部4)の内部にあらかじめ不活性ガスまたは低活性のガスを充填しておくこととしている。ダイアフラム部材2が破壊した場合、高圧水素ガスと空洞部4の酸素とが瞬時的に反応を起こすことが生じうるが、本実施形態では不活性ガス等を充填しておくことにより水素と酸素との反応を抑え、好ましくない状態に陥ることを回避している。このようなガスとしては、アルゴン等の希ガスを用いることができるのはもちろん、水素ガスとの反応性が低い例えば窒素ガスのようなガスを用いることもできる。   In the present embodiment, the inside of the sealed space (cavity 4) is filled with an inert gas or a low activity gas in advance. When the diaphragm member 2 breaks down, the high-pressure hydrogen gas and oxygen in the cavity 4 may react instantaneously. In this embodiment, however, hydrogen and oxygen This avoids falling into an unfavorable state. As such a gas, not only a rare gas such as argon can be used, but also a gas having low reactivity with hydrogen gas such as nitrogen gas can be used.

<第2の実施形態>
センサボデー10は水素脆化センサ1の本体を構成しており、その先端側には空洞部4を形成する凹みが設けられている。センサボデー10の外周には取付けねじ部9が形成されており、本実施形態の水素脆化センサ1は当該取付けねじ部9により燃料電池システム100の所定の箇所に取り付けられて水素脆化のモニタリングに利用される。取付けねじ部9の逃げ付近には密封手段としてOリング6が設けられている(図4参照)。
<Second Embodiment>
The sensor body 10 constitutes the main body of the hydrogen embrittlement sensor 1, and a dent that forms the cavity 4 is provided on the tip side thereof. A mounting screw portion 9 is formed on the outer periphery of the sensor body 10, and the hydrogen embrittlement sensor 1 of this embodiment is attached to a predetermined location of the fuel cell system 100 by the mounting screw portion 9 to monitor hydrogen embrittlement. Used for An O-ring 6 is provided as a sealing means in the vicinity of the escape of the mounting screw portion 9 (see FIG. 4).

ダイアフラム部材2は、破壊することによって水素脆化現象の影響を知らしめるように形成された薄板状の部材である。本実施形態では、水素脆化の感受性がある材料を円板状に加工し、例えば溶接またはろう付けによってセンサボデー10の先端に取り付けている(図6参照。なお、図6中における符号Wはレーザにより溶接した部分を示している)。このようにセンサボデー10の先端に取り付けられたダイアフラム部材2は、その外側の面で高圧水素の圧力Pを受ける(図4参照)。   The diaphragm member 2 is a thin plate-like member formed so as to be informed of the influence of the hydrogen embrittlement phenomenon by breaking. In the present embodiment, a material that is susceptible to hydrogen embrittlement is processed into a disk shape and attached to the tip of the sensor body 10 by, for example, welding or brazing (see FIG. 6. The part welded by laser is shown). Thus, the diaphragm member 2 attached to the tip of the sensor body 10 receives the pressure P of high-pressure hydrogen on its outer surface (see FIG. 4).

このようなダイアフラム部材2の表面は平坦であってもよいが、破壊を促進させる形状となっていることが好ましい。例えば本実施形態におけるダイアフラム部材2は、大気開放側(大気に通じる側のことで、本実施形態における上述の空洞部4側)の面に切欠きからなる応力集中部3が形成されている(図4、図5参照)。この場合、当該応力集中部3における応力が局部的に増大し、ダイアフラム部材2が破壊しやすくなることから、燃料電池システム100における水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。本実施形態では直線状の切欠きからなる応力集中部3を例示しているが、もちろんこれは一例に過ぎず他の形状や構造としても構わない。また、本実施形態における応力集中部3は、ダイアフラム部材2の水素圧力Pを受ける側とは反対側(空洞部4側)に形成されたものだが、これとは反対に水素圧力Pを受ける側に形成されていてもよいし、あるいはこれら両面に形成されていてもよい。   The surface of the diaphragm member 2 may be flat, but it is preferable that the diaphragm member 2 has a shape that promotes breakage. For example, in the diaphragm member 2 in the present embodiment, the stress concentration portion 3 formed of a notch is formed on the surface on the atmosphere opening side (the side communicating with the atmosphere and the above-described cavity 4 side in the present embodiment) ( (See FIGS. 4 and 5). In this case, the stress in the stress concentration portion 3 is locally increased and the diaphragm member 2 is easily broken, so that the hydrogen embrittlement phenomenon in the fuel cell system 100 can be detected with higher sensitivity. In the present embodiment, the stress concentration portion 3 composed of a linear notch is illustrated, but of course this is only an example and other shapes and structures may be used. Moreover, although the stress concentration part 3 in this embodiment is formed in the opposite side (cavity part 4 side) to the side which receives the hydrogen pressure P of the diaphragm member 2, the side which receives hydrogen pressure P contrary to this Or may be formed on both sides.

<第3の実施形態>
本実施形態の水素脆化センサ1は、ダイアフラム部材2が、受圧ダイアフラム2aと破壊検知用ダイアフラム2bの2つのダイアフラムからなる構造となっている(図7参照)。
<Third Embodiment>
The hydrogen embrittlement sensor 1 of the present embodiment has a structure in which the diaphragm member 2 includes two diaphragms, a pressure receiving diaphragm 2a and a fracture detection diaphragm 2b (see FIG. 7).

例えば上述の実施形態(第2の実施形態)における水素脆化センサ1においては、ダイアフラム部材2を透過した場合の水素ガスが空洞部4へと入り込むことによって当該空洞部4の内圧が徐々に高くなることがあり、このようにして内圧が高くなると、ダイアフラム部材2に破壊が生じていなくても破壊が生じたかのように誤って判断される可能性がある。この点、本実施形態では、ダイアフラム部材2を2部材からなる構造とし、一方のダイアフラム(破壊検知用ダイアフラム2b)を、高圧水素の圧力Pを受けて変形等した際の作用により検知信号を出力する構成としているから、上述のような誤った判断をする可能性がきわめて低くなっている。   For example, in the hydrogen embrittlement sensor 1 in the above-described embodiment (second embodiment), when the hydrogen gas that has permeated through the diaphragm member 2 enters the cavity 4, the internal pressure of the cavity 4 gradually increases. If the internal pressure is increased in this way, there is a possibility that it is erroneously determined as if the diaphragm member 2 is broken even if the diaphragm member 2 is not broken. In this respect, in this embodiment, the diaphragm member 2 has a structure composed of two members, and a detection signal is output by an action when one of the diaphragms (destruction detection diaphragm 2b) is deformed by receiving the pressure P of high-pressure hydrogen. Therefore, the possibility of making an erroneous determination as described above is extremely low.

本実施形態における破壊検知用ダイアフラム2bは、センサボデー10と一体化した構造となっている(図7参照)。また、当該破壊検知用ダイアフラム2bの例えば裏面側(大気開放側)には、当該破壊検知用ダイアフラム2bの変形作用を検知可能なセンサの一例として例えばひずみゲージからなるひずみ検知素子11が設けられている。該ひずみ検知素子11は、水素脆化によって受圧ダイアフラム部材2aが破壊した際における破壊検知用ダイアフラム2bのひずみを検知し、ひずみ検知素子電極12を通じて検知信号を出力する(図7参照)。   The failure detection diaphragm 2b in the present embodiment has a structure integrated with the sensor body 10 (see FIG. 7). Further, on the rear surface side (atmosphere release side) of the failure detection diaphragm 2b, for example, a strain detection element 11 made of a strain gauge is provided as an example of a sensor capable of detecting the deformation action of the failure detection diaphragm 2b. Yes. The strain detection element 11 detects the strain of the failure detection diaphragm 2b when the pressure receiving diaphragm member 2a is broken due to hydrogen embrittlement, and outputs a detection signal through the strain detection element electrode 12 (see FIG. 7).

このような水素脆化センサ1において、受圧ダイアフラム2aと破壊検知用ダイアフラム2bとは本実施形態におけるように平行に配置されていることが好ましい(図7参照)。こうした場合、両ダイアフラム2a,2bの間に傾斜面のない密閉空間を形成することができ、受圧ダイアフラム2aが破壊した際における破壊検知用ダイアフラム2bのひずみをより均一に生じさせやすい。   In such a hydrogen embrittlement sensor 1, it is preferable that the pressure-receiving diaphragm 2a and the fracture detection diaphragm 2b are arranged in parallel as in the present embodiment (see FIG. 7). In such a case, a sealed space without an inclined surface can be formed between the two diaphragms 2a and 2b, and the strain of the failure detection diaphragm 2b when the pressure receiving diaphragm 2a breaks is more easily generated.

また、破壊センサ(ひずみ検知素子11)が破壊検知用ダイアフラム2bの大気開放側に設けられた本実施形態の水素脆化センサ1は、当該破壊センサ(ひずみ検知素子11)の一部が水素に触れにくい構造でもある。したがって、従来は設けられることのあった防爆構造を省略することも可能である。   In addition, the hydrogen embrittlement sensor 1 of the present embodiment in which the fracture sensor (strain detection element 11) is provided on the atmosphere opening side of the fracture detection diaphragm 2b has a part of the fracture sensor (strain detection element 11) converted to hydrogen. It is also a structure that is difficult to touch. Therefore, it is possible to omit the explosion-proof structure that has been conventionally provided.

<第4の実施形態>
本実施形態の水素脆化センサ1は、ダイアフラム部材2が受圧ダイアフラム2aと破壊検知用ダイアフラム2bの2つのダイアフラムからなり、尚かつ破壊検知用ダイアフラム2bがセンサボデー10とは別体の構造となっている(図8参照)。該破壊検知用ダイアフラム2bの大気開放側には、ひずみゲージ等の破壊検知センサ(ひずみ検知素子11)が設けられている。破壊検知用ダイアフラム2bは例えば溶接、ろう付け等でセンサボデー10に取り付けられている。
<Fourth Embodiment>
In the hydrogen embrittlement sensor 1 of the present embodiment, the diaphragm member 2 includes two diaphragms, a pressure receiving diaphragm 2 a and a fracture detection diaphragm 2 b, and the fracture detection diaphragm 2 b has a separate structure from the sensor body 10. (See FIG. 8). A breakdown detection sensor (strain detection element 11) such as a strain gauge is provided on the atmospheric release side of the breakdown detection diaphragm 2b. The failure detection diaphragm 2b is attached to the sensor body 10 by welding, brazing or the like, for example.

このような構造の水素脆化センサ1においては、破壊検知用ダイアフラム2bを構成する材料の選択幅を広げることができるので、受圧ダイアフラム2aを透過し、2つのダイアフラム(受圧ダイアフラム2aと破壊検知用ダイアフラム2b)で構成される密閉空間(空洞部4)に侵入した水素を、破壊検知用ダイアフラム2bをさらに透過させて大気へと放出させることが可能になる。   In the hydrogen embrittlement sensor 1 having such a structure, since the selection range of the material constituting the fracture detection diaphragm 2b can be expanded, the pressure reception diaphragm 2a is transmitted, and two diaphragms (the pressure reception diaphragm 2a and the fracture detection diaphragm 2b) are transmitted. Hydrogen that has entered the sealed space (cavity portion 4) constituted by the diaphragm 2b) can be further transmitted through the fracture detection diaphragm 2b and released to the atmosphere.

ここで、破壊検知用ダイアフラム2bは受圧ダイアフラム2aよりも水素を透過させ易い材料からなることが好ましい。当該材料は例えば内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造であることが好ましい。材料の具体例を挙げて説明すれば以下のとおりである。   Here, the fracture detection diaphragm 2b is preferably made of a material that allows hydrogen to pass through more easily than the pressure receiving diaphragm 2a. For example, the material is preferably a sintered material having a porous interior and pressure strength, and the outside of the sintered material is covered with a ferritic stainless steel or a steel plate. It will be as follows if a specific example of a material is given and demonstrated.

第1の例として、受圧ダイアフラム2aがオーステナイト系ステンレス(拡散係数が10-14cm2/sec程度であり、水素ガス等の拡散が遅い)の場合、破壊検知用ダイアフラム2bの材料としてはフェライトまたはマルテンサイトステンレス若しくは鋼材料が好適である。これら材料におけるガス拡散は、オーステナイト系ステンレスの場合よりも109倍程度速い(拡散係数が10-5cm2/sec程度)。 As a first example, the pressure receiving diaphragm 2a is austenitic stainless steel (diffusion coefficient is about 10 -14 cm 2 / sec, the diffusion is slow, such as hydrogen gas), the as the material of the collapse detection diaphragms 2b ferrite or Martensitic stainless steel or steel material is preferred. Gas diffusion in these materials is about 10 9 times faster than that of austenitic stainless steel (diffusion coefficient is about 10 −5 cm 2 / sec).

第2の例として、受圧ダイアフラム2aがフェライト系ステンレスや鋼(拡散が速い。両材質における拡散の速さは同じ程度)の場合、ステンレス焼結材をフェライトステンレス板若しくは鋼板などでサンドイッチした構成などとすることができる(図9参照)。   As a second example, when the pressure-receiving diaphragm 2a is ferritic stainless steel or steel (diffusion is fast. The diffusion speed of both materials is the same level), a stainless sintered material is sandwiched between ferrite stainless steel plates or steel plates, etc. (See FIG. 9).

図9に例示する破壊検知用ダイアフラム2bの場合、符号2boutで示す外側のフェライトステンレス板材の厚さは耐圧性が確保できる範囲で受圧ダイアフラム2aよりも極力薄くなっている。この場合、基本的な耐圧性は符号2binで示す中心(内側)の焼結材料で持たせると同時に、受圧ダイアフラム2aが破損した場合にはこの多孔質の焼結材料2binを通過して水素が多量に漏れ出でしまうおそれがあるので、これを防ぐ目的で外側をステンレス板材2boutで覆った構成としている。中心の焼結材料2binは水素透過の障害にはならないため全体として水素透過が受圧ダイアフラム2aより速くなる。耐食性を考慮するとフェライトステンレスが好適であるが鋼板を採用してもよい。このような破壊検知用ダイアフラム2bは、センサボデー10に溶接もしくはろう付けで一体化することができる。上述のような構造とした場合、耐圧性を確保しつつも水素ガス透過を速めるという、相反する特性を満足させることが可能である。 In the case of the failure detection diaphragm 2b illustrated in FIG. 9, the thickness of the outer ferrite stainless steel plate indicated by reference numeral 2b out is as thin as possible than that of the pressure receiving diaphragm 2a as long as pressure resistance can be secured. In this case, the basic pressure resistance at the same time to provide a sintered material of the center (inside) indicated by the reference numeral 2b in, if the pressure receiving diaphragm 2a is damaged through the sintered material 2b in the porous Since a large amount of hydrogen may leak out, the outside is covered with a stainless steel plate 2b out for the purpose of preventing this. Sintered material 2b in the central hydrogen permeation is faster than the pressure receiving diaphragm 2a as a whole since it does not become a failure of the hydrogen permeation. Considering corrosion resistance, ferritic stainless steel is suitable, but a steel plate may be adopted. Such a failure detection diaphragm 2b can be integrated with the sensor body 10 by welding or brazing. In the case of the above-described structure, it is possible to satisfy the contradictory characteristics of speeding up hydrogen gas permeation while ensuring pressure resistance.

上述の各実施形態中での説明から明らかなように、本発明にかかる水素脆化センサ1においては、高圧水素システム(例えば燃料電池システム100)で使用されている材料の中で最も脆化が心配される材料からなるダイアフラム部材2を利用し、当該ダイアフラム部材2での破壊現象を通じ、圧力変化またはひずみ変化をパラメータとして水素脆化現象をモニタリングすることができる。このため、高圧水素条件下での材料試験の結果に応じた材料を選択してシステムに利用するという現状の手法によらずとも、別途形成された水素脆化センサ1を当該高圧水素システムの所定の箇所に取り付けるだけで水素脆化現象のモニタリングを実施でき、従来のごとく材料試験を行ったり選択をしたりしなくても水素脆化の課題を解決することが可能である。また、高圧水素システムに配置された場合の水素脆化センサ1は、実際のシステムにおける圧力や温度変動の影響を受けることから、水素脆性に対してより正確な判断をしうる点でも好ましい。   As is clear from the description in the above embodiments, the hydrogen embrittlement sensor 1 according to the present invention has the most embrittlement among materials used in a high-pressure hydrogen system (for example, the fuel cell system 100). Using the diaphragm member 2 made of the material to be worried about, the hydrogen embrittlement phenomenon can be monitored through the fracture phenomenon in the diaphragm member 2 using the pressure change or the strain change as a parameter. For this reason, the hydrogen embrittlement sensor 1 formed separately is not subjected to the current method of selecting a material according to the result of the material test under high-pressure hydrogen conditions and using it in the system. It is possible to monitor the hydrogen embrittlement phenomenon simply by attaching it to this location, and it is possible to solve the problem of hydrogen embrittlement without conducting a material test or making a selection as in the past. In addition, the hydrogen embrittlement sensor 1 when placed in a high-pressure hydrogen system is also preferable in that it can make a more accurate determination on hydrogen embrittlement because it is affected by pressure and temperature fluctuations in the actual system.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では水素脆化センサ1の適用が可能な高圧水素システムの一例として車両に好適な燃料電池システム100を例示したが(図1参照)、他の高圧設備等においても適用が可能であることはいうまでもない。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the fuel cell system 100 suitable for a vehicle is illustrated as an example of a high-pressure hydrogen system to which the hydrogen embrittlement sensor 1 can be applied (see FIG. 1), but the present invention can also be applied to other high-pressure facilities. Needless to say.

また、上述した各実施形態にて説明したダイアフラム部材2(あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム2aや破壊検知用ダイアフラム2b)を、さらに所定の形態(厚さ及び形状)とすることもできる。例えば、ダイアフラム部材2(あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム2aや破壊検知用ダイアフラム2b)の厚さ及び形状を、あらかじめ行った高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材2の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも2倍以上になるよう設計してもよい。つまり、ダイアフラム部2の厚さや切欠き形状などを設計するに際し、あらかじめ水素中試験により静的破壊荷重を測定しておき、この値が実作動荷重に対して少なくとも2倍以上の安全率になるように設計してもよい。ここでいう「2倍」は、水素中の疲労強度が静的強度のおよそ半分に基づくものであり、種々の形態に応じて適宜変更することができるものである。   In addition, the diaphragm member 2 (or the pressure receiving diaphragm 2a and the fracture detection diaphragm 2b constituting the diaphragm member 2) described in each of the above-described embodiments can be further set to a predetermined form (thickness and shape). For example, the thickness and shape of the diaphragm member 2 (or the pressure-receiving diaphragm 2a and the failure detection diaphragm 2b constituting the diaphragm member 2) are determined by a static fracture load of the diaphragm member 2 obtained in advance by a fracture test in high-pressure hydrogen. May be designed to be at least twice the actual operating load. That is, when designing the thickness and notch shape of the diaphragm portion 2, the static fracture load is measured in advance in a hydrogen test, and this value is at least twice the safety factor with respect to the actual operating load. You may design as follows. “Twice” here is based on the fact that the fatigue strength in hydrogen is based on approximately half of the static strength, and can be appropriately changed according to various forms.

また、ダイアフラム部2(あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム2a等)を設計するにあたり、実部品(実際に用いられる部品)の設計に用いた安全率よりも低い安全率に設定することとしてもよい。すなわち、本発明におけるダイアフラム部2(あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム2a)は水素脆化の影響下でより早期に破壊すべきものであるため、実際に用いられる部品の安全率(当該部品が他の部品として実際に用いられる場合における通常的な安全率)を下回る安全率に設定しておけばモニタリングに供する部品として好適である。   Further, when designing the diaphragm portion 2 (or the pressure receiving diaphragm 2a constituting the diaphragm portion 2), the safety factor may be set to be lower than the safety factor used for designing the actual part (part actually used). That is, since the diaphragm portion 2 (or the pressure-receiving diaphragm 2a constituting the diaphragm portion) in the present invention should be destroyed earlier under the influence of hydrogen embrittlement, the safety factor of the actually used component (the component is different from other components). If the safety factor is set to be lower than the normal safety factor when actually used as a component, it is suitable as a component used for monitoring.

高圧水素システムの一例である燃料電池システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuel cell system which is an example of a high pressure hydrogen system. 本発明にかかる水素脆化センサの第1の実施形態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a 1st embodiment of a hydrogen embrittlement sensor concerning the present invention. ダイアフラム部材に形成された応力集中部の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the stress concentration part formed in the diaphragm member. 本発明にかかる水素脆化センサの第2の実施形態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows 2nd Embodiment of the hydrogen embrittlement sensor concerning this invention. ダイアフラム部材の大気開放側の形状例を示す図である。It is a figure which shows the example of a shape by the side of air release of a diaphragm member. ダイアフラム部材をレーザによりセンサボデーに溶接した部分を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the part which welded the diaphragm member to the sensor body with the laser. 水素脆化センサの第3の実施形態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a 3rd embodiment of a hydrogen embrittlement sensor. 水素脆化センサの第4の実施形態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a 4th embodiment of a hydrogen embrittlement sensor. 破壊検知用ダイアフラムの構造例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the diaphragm for a destruction detection.

符号の説明Explanation of symbols

1…水素脆化センサ、2…ダイアフラム部材、2a…受圧ダイアフラム。2b…破壊検知用ダイアフラム、3…応力集中部、4…空洞部(センサボデーとダイアフラム部材とで形成される密閉空間)、5…圧力検知素子、10…センサボデー、11…ひずみ検知素子(破壊検知センサ)、100…燃料電池システム(高圧水素システム) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen embrittlement sensor, 2 ... Diaphragm member, 2a ... Pressure receiving diaphragm. 2b: Diaphragm for failure detection, 3 ... Stress concentration portion, 4 ... Cavity (sealed space formed by sensor body and diaphragm member), 5 ... Pressure detection element, 10 ... Sensor body, 11 ... Strain detection element (destruction) Detection sensor), 100 ... Fuel cell system (high pressure hydrogen system)

Claims (13)

高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材をセンサボデーに備え、該ダイアフラム部材の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断するように構成されている水素脆化センサ。   The sensor body is provided with a diaphragm member made of the material most likely to be hydrogen embrittled among the materials used in the high pressure hydrogen system, and is configured to detect the hydrogen embrittlement in the high pressure hydrogen system by detecting the breakage of the diaphragm member. Hydrogen embrittlement sensor. 前記ダイアフラム部材に当該ダイアフラム部材の破壊を促進させる応力集中部が形成されている請求項1に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 1, wherein a stress concentration portion that promotes the destruction of the diaphragm member is formed in the diaphragm member. 前記応力集中部が、前記ダイアフラム部材の圧力を受ける側とは反対側に形成されている請求項2に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 2, wherein the stress concentration portion is formed on a side opposite to a side receiving the pressure of the diaphragm member. 前記センサボデーと前記ダイアフラム部材とで形成される密閉空間の内部に圧力検知素子を備えている請求項1から3のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a pressure detection element in a sealed space formed by the sensor body and the diaphragm member. 前記密閉空間の内部に不活性ガスまたは低活性のガスが充填されている請求項4に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 4, wherein the sealed space is filled with an inert gas or a low activity gas. 前記ダイアフラム部材は、受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムの2つのダイアフラムからなる請求項1から5のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the diaphragm member includes two diaphragms, a pressure receiving diaphragm and a fracture detection diaphragm. 前記受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムとが平行に配置されている請求項6に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 6, wherein the pressure receiving diaphragm and the fracture detection diaphragm are arranged in parallel. 前記破壊検知用ダイアフラムと前記センサボデーとが一体化しており、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている請求項6または7に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 6 or 7, wherein the fracture detection diaphragm and the sensor body are integrated, and a fracture detection sensor is provided on the atmospheric release side of the fracture detection diaphragm. 前記破壊検知用ダイアフラムと前記センサボデーとが別体であり、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている請求項6または7に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 6 or 7, wherein the failure detection diaphragm and the sensor body are separate bodies, and a failure detection sensor is provided on the atmosphere release side of the failure detection diaphragm. 前記破壊検知用ダイアフラムが前記受圧ダイアフラムよりも水素を透過させ易い材料からなる請求項9に記載の水素脆化センサ。   The hydrogen embrittlement sensor according to claim 9, wherein the fracture detection diaphragm is made of a material that allows hydrogen to permeate more easily than the pressure-receiving diaphragm. 前記材料は、内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造である請求項10に記載の水素脆化センサ。   11. The hydrogen embrittlement sensor according to claim 10, wherein the material is a sintered material having a porous inside and having a pressure strength, and the outside of the sintered material is covered with a ferritic stainless steel or a steel plate. 前記ダイアフラム部材の厚さ及び形状が、高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも2倍以上になるよう設計され、尚かつ実部品の設計に用いられた安全率未満の安全率に設定されている請求項1から11のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。   The thickness and shape of the diaphragm member is designed so that the static fracture load of the diaphragm member obtained by the fracture test in high-pressure hydrogen is at least twice the actual operating load, and for designing the actual parts The hydrogen embrittlement sensor according to any one of claims 1 to 11, wherein the hydrogen embrittlement sensor is set to a safety factor lower than a used safety factor. 請求項1から12のいずれか一項に記載の水素脆化センサを備えた高圧水素システム。   A high-pressure hydrogen system comprising the hydrogen embrittlement sensor according to any one of claims 1 to 12.
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