JP4840098B2

JP4840098B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP4840098B2
Application number: JP2006312539A
Authority: JP
Inventors: 典生山岸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-11-20
Also published as: US8015880B2; WO2008062694A1; KR101049921B1; DE112007002814B4; KR20090082408A; CN101548165B; JP2008128753A; DE112007002814B8; DE112007002814T5; US20100294022A1; CN101548165A

Description

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。

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（カソード電極）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。

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カソードが挟みこみ、ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｎｂｌｙ）が構成される。このＭＥＡのアノード側に、例えば水素である燃料ガスを流し、ＭＥＡのカ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。アノード側では、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、カソード側では、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。

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。

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２０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３０で密封された係合部２５と、フランジ２９と、ハウジング３５と、ハウジング３５に取り付けられる圧力検知部であるダイアフラム２６と、ダイアフラム２６に設けられる変位センサ２７とから構成される。圧力センサ２０のハウジング３５の内部には、反応ガス流路４と流通する導圧室２４があり、この導圧室２４はダイアフラム２６の受圧面３７に面している。ダイアフラム２６は、導圧室２４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３６が接続された変位センサ２７はダイアフラム２６の変位を計測する。

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４０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５０で密封された係合部４５と、フランジ４９と、ハウジング５５と、ハウジング５５に取り付けられる圧力検知部であるダイアフラム４６と、ダイアフラム４６に設けられる変位センサ４７とから構成される。ダイアフラム４６の受圧面５７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４６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５６が接続された変位センサ４７はダイアフラム４６の変位を計測する。

一方、特許文献１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、特許文献２には、圧力センサ取り付けボスに圧力センサ凍結ヒータを取り付け、圧力センサ内の水分を解凍する圧力センサが開示されている。

特開２００６−１６２４９１号公報特開２００５−１６４５３８号公報

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、０℃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のネジの締め込みにより、ネジのトルクにより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力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。

そして、本発明に係る圧力センサは、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を特徴とする。

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。

上記構成により、圧力センサは、圧力検知部が反応ガス配管の反応ガス流路に面して設置される。このため、圧力検知部の受圧面に付着した水分が結露等により凍結しても、０℃を超える反応ガスが流れることで容易に解凍される。これにより、圧力センサの測定が早期に復帰し、燃料電池に支障がない期間とすることが可能となる。

また、圧力センサの圧力検知部は、係合部と配管の反応ガス流路と流通する緩衝層を挟んで接続する緩衝部を有する。これにより、圧力センサが配管の管壁に係合される際に緩衝部が変形し、圧力検知部に発生する異常な変形を吸収する。これにより、圧力検知部の異常な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。

以上のように、本発明に係る圧力センサによれば、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力検知部の異常な変形を防止することが可能となる。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、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１０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１０を押さえつける。これにより、シール材１０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１７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１７に付着した水分が凍結しても、０℃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１７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１７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１６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１４を挟んで接続する。ここで、緩衝層１４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１４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に伝達してしまう。それを避けるために係合部５とダイアフラム６とは、緩衝層１４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、一端でダイアフラム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１１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１２と、内側緩衝部１１及び外側緩衝部１２の他端端部と接続する端部底板１３とから構成される。そして、内側緩衝部１１と外側緩衝部１２と端部底板１３とにより緩衝層１４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１４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１１及び外側緩衝部１２は円筒形状であり、端部底板１３は環状の板材である。これらの内側緩衝部１１、外側緩衝部１２及び端部底板１３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アフラム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１２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１２、端部底板１３、内側緩衝部１１）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１１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１１及び外側緩衝部１２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１３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。

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。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図である。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図である。従来の圧力センサの１つの実施例を示す断面図である。従来の圧力センサの他の実施例を示す断面図である。

符号の説明

１，２０，４０圧力センサ、２反応ガス配管、３管壁、４反応ガス流路、５，２５，４５係合部、６，２６，４６ダイアフラム、７，２７，４７変位センサ、８緩衝部、９，２９，４９フランジ、１０，３０，５０シール材、１１内側緩衝部、１２外側緩衝部、１３端部底板、１４緩衝層、１５，３５，５５ハウジング、１６，３６，５６端子、１７，３７，５７受圧面、２４導圧室。

Claims

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、
前記緩衝部は、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を特徴とする圧力センサ。
請求項１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。