JP6436033B2

JP6436033B2 - Hydrogen pressure measuring device

Info

Publication number: JP6436033B2
Application number: JP2015186165A
Authority: JP
Inventors: 洋介新美; 裕司石川; 山本　隆士; 隆士山本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: JP2017062119A

Description

本発明は、水素圧力計測装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen pressure measuring device.

特許文献１に、計測対象ガス中の水素ガスの濃度を計測する水素ガス濃度センサが開示されている。 Patent Document 1 discloses a hydrogen gas concentration sensor that measures the concentration of hydrogen gas in a measurement target gas.

特開２０１０−５４３５５号公報JP 2010-54355 A

ところで、燃料電池システムでは、計測対象ガス中の水素ガスの分圧を高精度に計測できることが要求される。なお、このことは、燃料電池システムに限られず、計測対象ガス中の水素ガスの分圧の計測を行う他のシステム等においても、同様である。 By the way, in the fuel cell system, it is required that the partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas can be measured with high accuracy. This is not limited to the fuel cell system, and the same applies to other systems that measure the partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas.

本発明は上記点に鑑みて、計測対象ガス中の水素分圧の高精度な計測が可能な水素圧力計測装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the hydrogen pressure measuring device which can measure the hydrogen partial pressure in measurement object gas with high precision in view of the said point.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
一面（１１ａ）とその反対側の他面（１１ｂ）を有するダイアフラム（１１）と、
ダイアフラムを支持するとともに、一面側に密閉空間である水素分圧室（１５）を形成する支持体（１２）と、
支持体とともに水素分圧室を形成し、計測対象ガス中の水素のみを透過する水素透過膜（１３）と、
水素分圧室の内部空間の圧力とダイアフラムの他面側の他面側空間の圧力との差圧を検出するための検出素子（１４）と、
計測対象ガスにおける水素ガスの分圧を算出する算出部（６）とを備え、
検出素子は、ダイアフラムに設けられ、差圧の変化にともなうダイアフラムの変形によって物理量が変化するものであり、
算出部は、検出素子の物理量に基づいて検出される差圧と、他面側空間の圧力とに基づいて、分圧を算出することを特徴としている。 In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1,
A diaphragm (11) having one surface (11a) and the other surface (11b) on the opposite side;
A support (12) that supports the diaphragm and forms a hydrogen partial pressure chamber (15) that is a sealed space on one side;
A hydrogen permeable membrane (13) that forms a hydrogen partial pressure chamber together with the support and transmits only hydrogen in the measurement target gas;
A detection element (14) for detecting a differential pressure between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber and the pressure in the other surface side of the other surface side of the diaphragm;
A calculation unit (6) for calculating a partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas,
The detection element is provided in the diaphragm, and the physical quantity changes due to the deformation of the diaphragm accompanying the change in the differential pressure.
The calculation unit is characterized in that the partial pressure is calculated based on the differential pressure detected based on the physical quantity of the detection element and the pressure in the other surface side space.

計測対象ガスに水素ガスが含まれている場合、計測対象ガス中の水素ガスのみが水素透過膜を透過して水素分圧室に流入する。このとき、水素分圧室の内部空間の圧力は、計測対象ガス中の水素ガスの分圧と等しくなる。このため、水素分圧室の内部空間の圧力と他面側空間の圧力との差圧と、他面側空間の圧力とに基づいて、計測対象ガス中の水素ガスの分圧を算出することができる。 When hydrogen gas is contained in the measurement target gas, only hydrogen gas in the measurement target gas permeates the hydrogen permeable membrane and flows into the hydrogen partial pressure chamber. At this time, the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber becomes equal to the partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas. Therefore, the partial pressure of the hydrogen gas in the measurement target gas is calculated based on the pressure difference between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber and the pressure in the other surface side space, and the pressure in the other surface side space. Can do.

そして、本発明の水素分圧計測装置は、水素分圧室の内部空間の圧力と他面側空間の圧力との差圧を、ダイアフラムの変形を利用して検出する。このため、水素分圧室の内部空間の圧力の変化に伴ってダイアフラムが変形するように、ダイアフラムの厚みや材質を適切に設定することで、水素分圧の高精度な計測が可能となる。 And the hydrogen partial pressure measuring apparatus of this invention detects the differential pressure | voltage of the pressure of the internal space of a hydrogen partial pressure chamber, and the pressure of other surface side space using the deformation | transformation of a diaphragm. For this reason, it is possible to measure the hydrogen partial pressure with high accuracy by appropriately setting the thickness and material of the diaphragm so that the diaphragm is deformed as the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber changes.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.

第１実施形態における燃料電池システムの一部を示す図である。It is a figure which shows a part of fuel cell system in 1st Embodiment. 図１中の領域Ａの断面図である。It is sectional drawing of the area | region A in FIG. 図１中の水素圧力センサ１０の斜視図である。It is a perspective view of the hydrogen pressure sensor 10 in FIG. 図３のＢ−Ｂ線での矢視断面図である。It is arrow sectional drawing in the BB line of FIG. 外部ガスが窒素１００％で構成されているときの第１実施形態の水素圧力センサ１０の断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pressure sensor 10 of 1st Embodiment when external gas is comprised with 100% of nitrogen. 外部ガスが水素１００％で構成されているときの第１実施形態の水素圧力センサ１０の断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pressure sensor 10 of 1st Embodiment when external gas is comprised with 100% of hydrogen. 外部ガスが窒素５０％、水素５０％で構成されているときの第１実施形態の水素圧力センサ１０の断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pressure sensor 10 of 1st Embodiment when external gas is comprised with nitrogen 50% and hydrogen 50%. 第１実施形態における水素圧力センサの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the hydrogen pressure sensor in 1st Embodiment. 第２実施形態における水素圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pressure sensor in 2nd Embodiment. 第３実施形態における水素圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pressure sensor in 3rd Embodiment. 他の実施形態における水素圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pressure sensor in other embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明の水素圧力計測装置を燃料電池システムに適用したものである。 (First embodiment)
In this embodiment, the hydrogen pressure measuring device of the present invention is applied to a fuel cell system.

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、水素インジェクタ３と、バッファタンク４と、排気排水弁５と、制御装置６と、全圧センサ７と、水素圧力センサ１０とを備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, a hydrogen injector 3, a buffer tank 4, an exhaust drain valve 5, a control device 6, a total pressure sensor 7, and a hydrogen pressure sensor 10. It has.

燃料電池２は、基本単位となる燃料電池セルが、複数個、電気的に直列に接続されたものである。 The fuel cell 2 is formed by electrically connecting a plurality of fuel cells serving as basic units in series.

水素インジェクタ３は、燃料電池２に水素ガスを供給するための水素供給配管８ａに設けられ、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力と流量を調整する調整弁である。 The hydrogen injector 3 is an adjustment valve that is provided in a hydrogen supply pipe 8 a for supplying hydrogen gas to the fuel cell 2 and adjusts the pressure and flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2.

バッファタンク４は、燃料電池２から発電に使用されなかった水素ガスを燃料電池システム１の外部へ排出するための水素排出配管８ｂに設けられている。バッファタンク４は、燃料電池２から流出の水素ガス、窒素ガスおよび水を貯えるための容器である。 The buffer tank 4 is provided in a hydrogen discharge pipe 8 b for discharging hydrogen gas that has not been used for power generation from the fuel cell 2 to the outside of the fuel cell system 1. The buffer tank 4 is a container for storing hydrogen gas, nitrogen gas and water flowing out from the fuel cell 2.

排気排水弁５は、水素排出配管８ｂのうちバッファタンク４よりも下流側に設けられ、バッファタンク４に蓄えられた水素ガス、窒素ガスおよび水を排出するための弁である。 The exhaust / drain valve 5 is a valve that is provided on the downstream side of the buffer tank 4 in the hydrogen discharge pipe 8 b and discharges hydrogen gas, nitrogen gas, and water stored in the buffer tank 4.

制御装置６は、水素インジェクタ３、排気排水弁５等の燃料電池システム１を構成する各種電動機器の作動を制御するものである。また、制御装置６は、後述の通り、水素ガスの分圧を算出する算出部である。 The control device 6 controls the operation of various electric devices constituting the fuel cell system 1 such as the hydrogen injector 3 and the exhaust drain valve 5. Moreover, the control apparatus 6 is a calculation part which calculates the partial pressure of hydrogen gas as mentioned later.

全圧センサ７は、水素供給配管８ａ、燃料電池２および水素排出配管８ｂの内部のガス全体の圧力（すなわち、全圧）を検出する圧力センサである。全圧センサ７は、水素供給配管８ａのうち燃料電池２と水素インジェクタ３との間の位置に配置されている。 The total pressure sensor 7 is a pressure sensor that detects the pressure of the entire gas (that is, the total pressure) inside the hydrogen supply pipe 8a, the fuel cell 2, and the hydrogen discharge pipe 8b. The total pressure sensor 7 is disposed at a position between the fuel cell 2 and the hydrogen injector 3 in the hydrogen supply pipe 8a.

水素圧力センサ１０は、燃料電池２および水素排出配管８ｂの内部のガス全体における水素ガスの分圧を計測するためのセンサである。水素圧力センサ１０は、図２に示すように、バッファタンク４に取り付けられている。水素圧力センサ１０の配線１０ａが制御装置６に接続されている。 The hydrogen pressure sensor 10 is a sensor for measuring the partial pressure of hydrogen gas in the entire gas inside the fuel cell 2 and the hydrogen discharge pipe 8b. The hydrogen pressure sensor 10 is attached to the buffer tank 4 as shown in FIG. The wiring 10 a of the hydrogen pressure sensor 10 is connected to the control device 6.

本実施形態では、制御装置６と、全圧センサ７と、水素圧力センサ１０とが、水素圧力計測装置を構成している。本実施形態では、水素インジェクタ３を制御するために用いる全圧センサ７を、水素圧力計測装置を構成する全圧センサとして用いている。なお、燃料電池２および水素排出配管８ｂの内部のガス全体の圧力を検出する全圧センサとして、専用の圧力センサを用いてもよい。 In the present embodiment, the control device 6, the total pressure sensor 7, and the hydrogen pressure sensor 10 constitute a hydrogen pressure measuring device. In this embodiment, the total pressure sensor 7 used for controlling the hydrogen injector 3 is used as a total pressure sensor constituting the hydrogen pressure measuring device. A dedicated pressure sensor may be used as a total pressure sensor for detecting the pressure of the entire gas inside the fuel cell 2 and the hydrogen discharge pipe 8b.

また、本実施形態では、水素排出配管８ｂの内部のガスを計測対象ガスとしている。水素排出配管８ｂは、発電に使用されなかった水素ガスと、燃料電池２の空気極側から燃料極側へ移動した窒素ガスと、発電によって生成した水が流れる。排気排水弁５が閉じられた状態の場合、水素排出配管８ｂ内のガス全体における窒素ガス濃度が増大して、水素排出配管８ｂ内のガス全体における水素ガスの分圧が低下する。 In the present embodiment, the gas inside the hydrogen discharge pipe 8b is used as the measurement target gas. Hydrogen gas that has not been used for power generation, nitrogen gas that has moved from the air electrode side to the fuel electrode side of the fuel cell 2, and water generated by power generation flow through the hydrogen discharge pipe 8b. When the exhaust drain valve 5 is closed, the nitrogen gas concentration in the entire gas in the hydrogen discharge pipe 8b increases, and the partial pressure of the hydrogen gas in the entire gas in the hydrogen discharge pipe 8b decreases.

そこで、後述の通り、全圧センサ７と、水素圧力センサ１０と、制御装置６とによって、水素排出配管８ｂの内部のガス中の水素ガスの分圧を計測する。そして、制御装置６は、水素ガスの分圧値が所定値よりも低い場合に、排気排水弁５を開く。これにより、水素ガス、窒素ガスおよび水を燃料電池システム１の外部へ排出する。 Therefore, as described later, the partial pressure of the hydrogen gas in the gas inside the hydrogen discharge pipe 8b is measured by the total pressure sensor 7, the hydrogen pressure sensor 10, and the control device 6. Then, the control device 6 opens the exhaust / drain valve 5 when the partial pressure value of the hydrogen gas is lower than a predetermined value. Thereby, hydrogen gas, nitrogen gas, and water are discharged to the outside of the fuel cell system 1.

次に、水素圧力センサ１０の構成について説明する。 Next, the configuration of the hydrogen pressure sensor 10 will be described.

図３、４に示すように、水素圧力センサ１０は、ダイアフラム１１と、支持体１２と、水素透過膜１３と、ピエゾ抵抗１４とを備えている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the hydrogen pressure sensor 10 includes a diaphragm 11, a support 12, a hydrogen permeable membrane 13, and a piezoresistor 14.

ダイアフラム１１は、一面１１ａとその反対側の他面１１ｂとを有している。ダイアフラム１１は、水素分圧の測定環境下において、変形するものである。ダイアフラム１１は、シリコン酸化膜で構成されている。 The diaphragm 11 has one surface 11a and the other surface 11b on the opposite side. The diaphragm 11 is deformed under the hydrogen partial pressure measurement environment. The diaphragm 11 is composed of a silicon oxide film.

支持体１２は、ダイアフラム１１および水素透過膜１３を支持するものである。支持体１２は、シリコンで構成されている。支持体１２は、計測対象ガスの圧力によっては変形しない剛性を有している。支持体１２は、ダイアフラム１１の一面１１ａ側に水素分圧室１５を形成している。具体的には、支持体１２は、一面１２ａとその反対側の他面１２ｂとを有している。支持体１２は、一面１２ａと他面１２ｂを貫通する開口部１２ｃが形成されている。支持体１２の一面１２ａに、開口部１２ｃを覆って、ダイアフラム１１が配置されている。支持体１２の他面１２ｂに、開口部１２ｃを覆って、水素透過膜１３が配置されている。これにより、支持体１２とダイアフラム１１と水素透過膜１３とによって、閉じられた空間である水素分圧室１５が形成されている。本実施形態では、水素分圧室１５は真空状態とされる。 The support 12 supports the diaphragm 11 and the hydrogen permeable membrane 13. The support 12 is made of silicon. The support 12 has rigidity that does not deform depending on the pressure of the measurement target gas. The support 12 forms a hydrogen partial pressure chamber 15 on the one surface 11 a side of the diaphragm 11. Specifically, the support 12 has one surface 12a and the other surface 12b on the opposite side. The support 12 is formed with an opening 12c that penetrates the one surface 12a and the other surface 12b. A diaphragm 11 is disposed on one surface 12a of the support 12 so as to cover the opening 12c. The hydrogen permeable membrane 13 is disposed on the other surface 12b of the support 12 so as to cover the opening 12c. As a result, the support 12, the diaphragm 11, and the hydrogen permeable membrane 13 form a hydrogen partial pressure chamber 15 that is a closed space. In the present embodiment, the hydrogen partial pressure chamber 15 is in a vacuum state.

水素透過膜１３は、計測対象ガス中の水素のみを透過する膜である。水素透過膜１３は、上述の通り、支持体１２とともに水素分圧室を形成している。水素透過膜１３としては、パラジウム膜が用いられる。パラジウム膜は、計測対象ガス中の水素ガスの分圧が変化したときの応答性がよく、水素ガスが素早く透過する。なお、水素透過膜として、パラジウム以外の材料で構成された膜を用いてもよい。この場合、パラジウム膜と同等の応答性を有する膜を用いることが好ましい。 The hydrogen permeable membrane 13 is a membrane that transmits only hydrogen in the measurement target gas. As described above, the hydrogen permeable membrane 13 forms a hydrogen partial pressure chamber together with the support 12. A palladium membrane is used as the hydrogen permeable membrane 13. The palladium membrane has good responsiveness when the partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas changes, and hydrogen gas permeates quickly. A membrane made of a material other than palladium may be used as the hydrogen permeable membrane. In this case, it is preferable to use a film having responsiveness equivalent to that of a palladium film.

ピエゾ抵抗１４は、ダイアフラム１１に設けられ、ダイアフラム１１の変形によってピエゾ抵抗１４も変形することで抵抗値が変化するものである。換言すると、ピエゾ抵抗１４は、ダイアフラム１１の変形に応じた検出信号を出力する。本実施形態では、このピエゾ抵抗１４を、水素分圧室１５の内部空間の圧力とダイアフラム１１の他面１１ｂ側の他面側空間の圧力との差圧を検出するための検出素子として用いている。本実施形態では、ピエゾ抵抗１４は、ダイアフラム１１の他面１１ｂ上に形成されている。ピエゾ抵抗１４は、シリコンで構成されている。 The piezoresistor 14 is provided in the diaphragm 11, and the piezoresistor 14 is also deformed by deformation of the diaphragm 11, so that the resistance value is changed. In other words, the piezoresistor 14 outputs a detection signal corresponding to the deformation of the diaphragm 11. In the present embodiment, the piezoresistor 14 is used as a detection element for detecting the differential pressure between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15 and the pressure in the other surface side space on the other surface 11b side of the diaphragm 11. Yes. In the present embodiment, the piezoresistor 14 is formed on the other surface 11 b of the diaphragm 11. The piezoresistor 14 is made of silicon.

水素圧力センサ１０は、ダイアフラム１１の他面１１ｂ側に配置され、ピエゾ抵抗１４を覆う保護膜１６を備えている。保護膜１６は、水滴を透過しない緻密性を有するものである。この保護膜１６により、ダイアフラム１１への水滴の付着を防止できる。このため、ピエゾ抵抗１４の短絡を防ぐことができる。保護膜１６としては、フッ素樹脂で構成されたものが用いられる。 The hydrogen pressure sensor 10 is disposed on the other surface 11 b side of the diaphragm 11 and includes a protective film 16 that covers the piezoresistor 14. The protective film 16 has a denseness that does not transmit water droplets. The protective film 16 can prevent water droplets from adhering to the diaphragm 11. For this reason, a short circuit of the piezoresistor 14 can be prevented. As the protective film 16, a film made of a fluororesin is used.

水素圧力センサ１０は、多孔質支持体１７と、撥水性多孔質膜１８とを備えている。 The hydrogen pressure sensor 10 includes a porous support 17 and a water repellent porous film 18.

多孔質支持体１７は、水素透過膜１３に積層され、水素透過膜１３を支持するものである。多孔質支持体１７は、膜状である。多孔質支持体１７は、水素透過膜１３よりも高い剛性を有している。より具体的には、多孔質支持体１７は、計測対象ガスの圧力によっては変形しない剛性を有している。多孔質支持体１７は、水素ガスが通過可能な大きさの孔を有する多孔質とされている。多孔質支持体１７としては、ステンレス等の金属、シリコン、セラミックス等で構成されたものが用いられる。 The porous support 17 is laminated on the hydrogen permeable membrane 13 and supports the hydrogen permeable membrane 13. The porous support 17 is in the form of a film. The porous support 17 has higher rigidity than the hydrogen permeable membrane 13. More specifically, the porous support 17 has a rigidity that does not deform depending on the pressure of the measurement target gas. The porous support 17 is porous having pores having a size through which hydrogen gas can pass. As the porous support member 17, a member made of a metal such as stainless steel, silicon, ceramics, or the like is used.

撥水性多孔質膜１８は、水素透過膜１３の計測対象ガス側に積層されている。撥水性多孔質膜１８は、水素ガスが通過可能な大きさの孔を有する多孔質とされている。撥水性多孔質膜１８は、撥水性を有している。撥水性多孔質膜１８が水滴をはじくことにより、水素透過膜１３への水滴の付着を防止でき、水滴による水素ガスの透過が阻害されることを防止できる。撥水性多孔質膜１８としては、フッ素樹脂で構成されたものが用いられる。 The water repellent porous film 18 is laminated on the measurement target gas side of the hydrogen permeable film 13. The water repellent porous film 18 is porous having pores having a size through which hydrogen gas can pass. The water repellent porous film 18 has water repellency. When the water-repellent porous film 18 repels water droplets, it is possible to prevent water droplets from adhering to the hydrogen permeable membrane 13 and to prevent permeation of hydrogen gas by the water droplets. As the water repellent porous film 18, a film made of a fluororesin is used.

水素圧力センサ１０は、ダイアフラム１１、支持体１２、水素透過膜１３等を支持する支持基板１９を備えている。 The hydrogen pressure sensor 10 includes a support substrate 19 that supports the diaphragm 11, the support 12, the hydrogen permeable membrane 13, and the like.

次に、計測対象ガスにおける水素ガスの分圧の計測の原理について説明する。 Next, the principle of measuring the partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas will be described.

水素圧力センサ１０は、図２に示すように、計測対象ガス中に配置される。このため、図４に示すように、水素分圧室１５の水素透過膜１３側の外部空間およびダイアフラム１１の他面１１ｂ側の外部空間（すなわち、他面側空間）に同一の外部ガス（すなわち、計測対象ガス）が存在する。このように、本実施形態では、ダイアフラム１１の他面１１ｂ側の他面側空間に存在する他面側ガスは、計測対象ガスである。 As shown in FIG. 2, the hydrogen pressure sensor 10 is arranged in the measurement target gas. For this reason, as shown in FIG. 4, the same external gas (that is, the other surface side space) in the outer space on the hydrogen permeable membrane 13 side of the hydrogen partial pressure chamber 15 and the outer space on the other surface 11 b side of the diaphragm 11 (that is, the other surface side space). Measurement target gas). Thus, in this embodiment, the other surface side gas existing in the other surface side space on the other surface 11b side of the diaphragm 11 is the measurement target gas.

この外部ガスに水素ガスが含まれている場合、外部ガス中の水素ガスのみが、水素透過膜１３を透過して水素分圧室１５に流入する。このとき、水素分圧室１５の内部空間の圧力（すなわち、内圧）は、外部ガスの水素分圧と等しくなる。このため、ダイアフラム１１には、内圧と外部ガスの圧力（すなわち、外圧）の差圧が加わる。この差圧の大きさに応じて、ダイアフラム１１が変形する（すなわち、ダイアフラムの変位量が異なる）。 When hydrogen gas is included in the external gas, only hydrogen gas in the external gas passes through the hydrogen permeable membrane 13 and flows into the hydrogen partial pressure chamber 15. At this time, the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15 (that is, the internal pressure) becomes equal to the hydrogen partial pressure of the external gas. For this reason, the differential pressure between the internal pressure and the pressure of the external gas (that is, the external pressure) is applied to the diaphragm 11. The diaphragm 11 is deformed according to the magnitude of the differential pressure (that is, the amount of displacement of the diaphragm is different).

例えば、図５に示すように、外部ガスが窒素ガスのみ（すなわち、窒素１００％）で構成され、外部ガスに水素ガスが含まれていない場合、水素分圧室１５の内部は真空のままである。このため、外圧が１００ｋＰａのとき、内圧は、０ｋＰａである。 For example, as shown in FIG. 5, when the external gas is composed only of nitrogen gas (ie, 100% nitrogen) and the external gas does not contain hydrogen gas, the inside of the hydrogen partial pressure chamber 15 remains vacuum. is there. For this reason, when the external pressure is 100 kPa, the internal pressure is 0 kPa.

図６に示すように、外部ガスが水素ガスのみ（すなわち、水素１００％）で構成されている場合、水素分圧室１５の内圧は外圧と等しくなる。このため、外圧が１００ｋＰａのとき、内圧は、１００ｋＰａである。 As shown in FIG. 6, when the external gas is composed of only hydrogen gas (that is, hydrogen 100%), the internal pressure of the hydrogen partial pressure chamber 15 becomes equal to the external pressure. For this reason, when the external pressure is 100 kPa, the internal pressure is 100 kPa.

また、図７に示すように、外部ガスが水素５０％と窒素５０％とで構成されている場合、水素分圧室１５の内圧は外部ガスの水素分圧と等しくなる。このため、外圧が１００ｋＰａのとき、内圧は、５０ｋＰａである。 As shown in FIG. 7, when the external gas is composed of 50% hydrogen and 50% nitrogen, the internal pressure of the hydrogen partial pressure chamber 15 becomes equal to the hydrogen partial pressure of the external gas. For this reason, when the external pressure is 100 kPa, the internal pressure is 50 kPa.

したがって、ダイアフラム１１の変位量は、外圧が同一であれば、外部ガスが窒素１００％のときが最も大きく（図６中のダイアフラム１１の波線位置参照）、外部ガスが水素１００％のときが最も小さい（図６中のダイアフラム１１の実線位置参照）。なお、図６中の破線で示すダイアフラム１１は、外部ガスが窒素１００％のときのダイアフラム１１の位置を示している。 Therefore, when the external pressure is the same, the displacement amount of the diaphragm 11 is the largest when the external gas is 100% nitrogen (see the wavy position of the diaphragm 11 in FIG. 6), and the displacement is the most when the external gas is 100% hydrogen. Small (see the solid line position of the diaphragm 11 in FIG. 6). In addition, the diaphragm 11 shown with the broken line in FIG. 6 has shown the position of the diaphragm 11 when external gas is 100% of nitrogen.

このように、差圧によってダイアフラム１１が変形すると、ピエゾ抵抗１４の抵抗値が変化する。このとき、ピエゾ抵抗１４の抵抗値と差圧との間に所定の関係がある。そこで、ピエゾ抵抗１４の抵抗値と差圧との関係を実験等によって予め求めておく。そして、ピエゾ抵抗１４の抵抗値を検出し、検出したピエゾ抵抗１４の抵抗値と、抵抗値と差圧との関係とに基づいて、差圧を求めることができる。 Thus, when the diaphragm 11 is deformed by the differential pressure, the resistance value of the piezoresistor 14 changes. At this time, there is a predetermined relationship between the resistance value of the piezoresistor 14 and the differential pressure. Therefore, the relationship between the resistance value of the piezoresistor 14 and the differential pressure is obtained in advance by experiments or the like. Then, the resistance value of the piezoresistor 14 is detected, and the differential pressure can be obtained based on the detected resistance value of the piezoresistor 14 and the relationship between the resistance value and the differential pressure.

さらに、この差圧は、計測対象ガスの圧力と水素分圧との差である。したがって、この差圧と計測対象ガスの圧力とから、水素分圧を求めることができる。 Furthermore, this differential pressure is the difference between the pressure of the measurement target gas and the hydrogen partial pressure. Therefore, the hydrogen partial pressure can be obtained from this differential pressure and the pressure of the measurement target gas.

そこで、制御装置６は、水素圧力センサ１０におけるピエゾ抵抗１４ｂの抵抗値に基づいて検出した差圧と、全圧センサ７で検出した計測対象ガスの圧力とに基づいて、計測対象ガスにおける水素ガスの分圧を算出する。 Therefore, the control device 6 determines the hydrogen gas in the measurement target gas based on the differential pressure detected based on the resistance value of the piezoresistor 14 b in the hydrogen pressure sensor 10 and the pressure of the measurement target gas detected by the total pressure sensor 7. The partial pressure of is calculated.

具体的には、制御装置６は、水素圧力センサ１０の検出信号に基づいて差圧を算出するとともに、全圧センサ７の検出信号に基づいて外圧を算出する。そして、算出した外圧と差圧から水素分圧を算出する。なお、各検出信号から水素分圧を直接算出するようにしてもよい。 Specifically, the control device 6 calculates the differential pressure based on the detection signal of the hydrogen pressure sensor 10 and calculates the external pressure based on the detection signal of the total pressure sensor 7. Then, the hydrogen partial pressure is calculated from the calculated external pressure and differential pressure. Note that the hydrogen partial pressure may be directly calculated from each detection signal.

次に、図８を用いて、水素圧力センサ１０の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the hydrogen pressure sensor 10 will be described with reference to FIG.

まず、図８（ａ）に示すように、シリコンからなる基板層１０１と、酸化シリコンからなる絶縁層１０２と、シリコンからなる活性層１０３とを有するＳＯＩウェハ１００を準備する。 First, as shown in FIG. 8A, an SOI wafer 100 having a substrate layer 101 made of silicon, an insulating layer 102 made of silicon oxide, and an active layer 103 made of silicon is prepared.

続いて、図８（ｂ）に示すように、活性層１０３にホウ素をドーピングして、ピエゾ抵抗１０４を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 8B, the active layer 103 is doped with boron to form a piezoresistor 104.

続いて、図８（ｃ）に示すように、熱酸化または蒸着により、活性層１０３の表面に酸化膜１０５を形成した後、パターニングを行う。 Subsequently, as shown in FIG. 8C, after an oxide film 105 is formed on the surface of the active layer 103 by thermal oxidation or vapor deposition, patterning is performed.

続いて、図８（ｄ）に示すように、アルミニウム膜を成膜して、電極１０６を形成する。なお、図８は、図４とは異なる切断位置での断面図である。このため、図４では、電極１０６は図示されていない。 Subsequently, as shown in FIG. 8D, an aluminum film is formed to form the electrode 106. 8 is a cross-sectional view at a cutting position different from that in FIG. For this reason, the electrode 106 is not shown in FIG.

続いて、図８（ｅ）に示すように、基板層１０１のエッチングを行う。これにより、基板層１０１に開口部１２ｃを形成する。開口部１２ｃの底部となる絶縁層１０２がダイアフラム１１を構成する。 Subsequently, as shown in FIG. 8E, the substrate layer 101 is etched. Thereby, the opening 12 c is formed in the substrate layer 101. The insulating layer 102 serving as the bottom of the opening 12 c constitutes the diaphragm 11.

続いて、図８（ｆ）に示すように、水素透過膜１３と多孔質支持体１７と撥水性多孔質膜１８とが積層された積層体を、ＳＯＩウェハ１００の基板層１０１側に接着する。これにより、水素分圧室１５が形成される。また、保護膜１６をＳＯＩウェハ１００のダイアフラム１１側に接着する。その後、ＳＯＩウェハ１００のダイシングを行う。 Subsequently, as shown in FIG. 8 (f), a laminate in which the hydrogen permeable membrane 13, the porous support 17 and the water repellent porous membrane 18 are laminated is adhered to the substrate layer 101 side of the SOI wafer 100. . Thereby, the hydrogen partial pressure chamber 15 is formed. Further, the protective film 16 is bonded to the diaphragm 11 side of the SOI wafer 100. Thereafter, dicing of the SOI wafer 100 is performed.

このようにして、本実施形態の水素圧力センサ１０が製造される。 Thus, the hydrogen pressure sensor 10 of this embodiment is manufactured.

以上の説明の通り、本実施形態の水素圧力計測装置は、水素分圧室１５の内部空間の圧力とダイアフラム１１の他面１１ｂ側の他面側空間に存在する計測対象ガスの圧力との差圧を、ダイアフラム１１の変形を利用して検出する。このため、水素分圧室１５の内部空間の圧力の変化に伴ってダイアフラム１１が変形するように、ダイアフラム１１の厚みや材質を適切に設定することで、水素分圧の高精度な計測が可能となる。 As described above, the hydrogen pressure measuring device of the present embodiment is the difference between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15 and the pressure of the measurement target gas existing in the other surface side space on the other surface 11b side of the diaphragm 11. The pressure is detected using the deformation of the diaphragm 11. For this reason, it is possible to measure the hydrogen partial pressure with high accuracy by appropriately setting the thickness and material of the diaphragm 11 so that the diaphragm 11 is deformed as the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15 changes. It becomes.

なお、本実施形態では、水素分圧室１５の内部を真空状態としたが、窒素ガスを封入し、水素分圧室１５の内部を所定圧力としてもよい。 In the present embodiment, the inside of the hydrogen partial pressure chamber 15 is in a vacuum state, but nitrogen gas may be sealed and the inside of the hydrogen partial pressure chamber 15 may be set to a predetermined pressure.

（第２実施形態）
図９に示すように、本実施形態の水素圧力センサ１０は、第１実施形態の水素圧力センサ１０と同様に、ダイアフラム１１、支持体１２、水素透過膜１３と、ピエゾ抵抗１４と、多孔質支持体１７、撥水性多孔質膜１８とを備えている。水素分圧室１５は、窒素ガスが封入されており、所定圧力とされている。 (Second Embodiment)
As shown in FIG. 9, the hydrogen pressure sensor 10 of the present embodiment is similar to the hydrogen pressure sensor 10 of the first embodiment in that the diaphragm 11, the support 12, the hydrogen permeable membrane 13, the piezoresistor 14, and the porous A support 17 and a water repellent porous film 18 are provided. The hydrogen partial pressure chamber 15 is filled with nitrogen gas and has a predetermined pressure.

本実施形態の水素圧力センサ１０は、支持体２１と、支持基板２２とを備えている。支持体２１は、ダイアフラム１１を支持するとともに、ダイアフラム１１の他面１１ｂ側に他面側空間としての基準圧力室２３を形成するものである。基準圧力室２３は、ダイアフラム１１と支持体２１とによって形成された密閉空間である。基準圧力室２３は、窒素ガスが封入され、所定圧力とされている。このように、本実施形態では、ダイアフラム１１の他面側空間には、所定圧力とされた他面側ガスが封入されている。この他面側ガスは、計測対象ガスとは異なるガスである。このため、他面側空間の圧力は、他面側ガスの圧力である。なお、基準圧力室２３の内部空間を真空状態としてもよい。この場合、他面側空間の圧力は、真空状態の圧力となる。 The hydrogen pressure sensor 10 of the present embodiment includes a support 21 and a support substrate 22. The support 21 supports the diaphragm 11 and forms a reference pressure chamber 23 as a space on the other surface side on the other surface 11 b side of the diaphragm 11. The reference pressure chamber 23 is a sealed space formed by the diaphragm 11 and the support 21. The reference pressure chamber 23 is filled with nitrogen gas and has a predetermined pressure. Thus, in this embodiment, the other surface side gas set to the predetermined pressure is enclosed in the other surface side space of the diaphragm 11. This other side gas is a gas different from the measurement target gas. For this reason, the pressure of the other surface side space is the pressure of the other surface side gas. The internal space of the reference pressure chamber 23 may be in a vacuum state. In this case, the pressure in the other surface side space is a pressure in a vacuum state.

支持基板２２は、ダイアフラム１１、支持体１２、水素透過膜１３、支持体２０等を支持する基板である。 The support substrate 22 is a substrate that supports the diaphragm 11, the support 12, the hydrogen permeable membrane 13, the support 20, and the like.

本実施形態では、水素圧力センサ１０と制御装置６とによって、水素圧力計測装置が構成されている。 In the present embodiment, the hydrogen pressure sensor 10 and the control device 6 constitute a hydrogen pressure measuring device.

そして、水素圧力センサ１０によって、水素分圧室１５の内部空間の圧力と基準圧力室２３の内部空間の圧力との差圧を検出する。基準圧力室２３の内部圧力は、所定圧力とされており、既知である。したがって、検出した差圧と基準圧力室２３の内部圧力とから水素分圧室１５の内部空間の圧力、すなわち、水素ガスの分圧を求めることができる。 Then, the hydrogen pressure sensor 10 detects the pressure difference between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15 and the pressure in the internal space of the reference pressure chamber 23. The internal pressure of the reference pressure chamber 23 is a predetermined pressure and is known. Therefore, the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15, that is, the partial pressure of hydrogen gas can be obtained from the detected differential pressure and the internal pressure in the reference pressure chamber 23.

そこで、制御装置６は、水素圧力センサ１０におけるピエゾ抵抗１４ｂの抵抗値に基づいて検出した差圧と、予め記憶装置に記憶されている基準圧力室２３の内部圧力とに基づいて、計測対象ガスにおける水素ガスの分圧を算出する。具体的には、制御装置６は、水素圧力センサ１０の検出信号に基づいて差圧を算出する。そして、算出した差圧と記憶されている基準圧力室２３の内部圧力値から水素分圧を算出する。なお、各検出信号から水素分圧を直接算出するようにしてもよい。 Therefore, the control device 6 measures the measurement target gas based on the differential pressure detected based on the resistance value of the piezoresistor 14b in the hydrogen pressure sensor 10 and the internal pressure of the reference pressure chamber 23 stored in advance in the storage device. The partial pressure of hydrogen gas at is calculated. Specifically, the control device 6 calculates the differential pressure based on the detection signal of the hydrogen pressure sensor 10. Then, the hydrogen partial pressure is calculated from the calculated differential pressure and the stored internal pressure value of the reference pressure chamber 23. Note that the hydrogen partial pressure may be directly calculated from each detection signal.

水素分圧室１５の内部空間の圧力とダイアフラム１１の他面１１ｂ側の基準圧力室２３の内部圧力との差圧を、ダイアフラム１１の変形を利用して検出するので、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、水素ガスの分圧の算出に、基準圧力室２３の内部圧力を用いている。このため、水素圧力計測装置の構成要素として、全圧センサを不要にでき、水素圧力計測装置の構成を簡略化できる。 Since the differential pressure between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber 15 and the internal pressure in the reference pressure chamber 23 on the other surface 11b side of the diaphragm 11 is detected using deformation of the diaphragm 11, the same as in the first embodiment. The effect of. Furthermore, according to this embodiment, the internal pressure of the reference pressure chamber 23 is used for calculating the partial pressure of hydrogen gas. For this reason, a total pressure sensor can be dispensed with as a component of the hydrogen pressure measuring device, and the configuration of the hydrogen pressure measuring device can be simplified.

（第３実施形態）
図１０に示すように、本実施形態の水素圧力センサ１０は、第１実施形態の水素圧力センサ１０に対して、ピエゾ抵抗１４がダイアフラム１１の一面１１ａ上に形成されている点が異なる。その他の構成は、第１実施形態と同じである。 (Third embodiment)
As shown in FIG. 10, the hydrogen pressure sensor 10 of the present embodiment is different from the hydrogen pressure sensor 10 of the first embodiment in that a piezoresistor 14 is formed on one surface 11 a of the diaphragm 11. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

これによれば、ピエゾ抵抗１４が水素分圧室１５の内部にあるので、第１実施形態の水素圧力センサ１０が有する保護膜１６を不要にできる。 According to this, since the piezoresistor 14 is inside the hydrogen partial pressure chamber 15, the protective film 16 included in the hydrogen pressure sensor 10 of the first embodiment can be dispensed with.

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。 (Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope described in the claims as follows.

（１）上記各実施形態では、検出素子としてピエゾ抵抗１４を用いたが、ダイアフラム１１に設けられ、ダイアフラム１１の一面１１ａ側の圧力と他面１１ｂ側の圧力の差圧の変化にともなうダイアフラム１１の変形によって物理量が変化するものであれば、他の検出素子を用いてもよい。他の検出素子としては、例えば、ダイアフラム１１の変形により固有振動数が変化する振動子が挙げられる。この場合、振動子の固有振動数を検出し、検出した固有振動数と、予め求められている固有振動数と差圧との関係とに基づいて、差圧を求めることができる。 (1) In each of the above embodiments, the piezoresistor 14 is used as a detection element. Any other detection element may be used as long as the physical quantity changes due to the deformation. Examples of the other detection element include a vibrator whose natural frequency changes due to deformation of the diaphragm 11. In this case, the natural frequency of the vibrator is detected, and the differential pressure can be obtained based on the detected natural frequency and the relationship between the natural frequency and the differential pressure obtained in advance.

（２）第１実施形態の水素圧力センサ１０を用いて、氷点下の環境下で水素分圧を計測する場合がある。この場合、何らかの理由により、撥水性多孔質膜１８の表面に水滴が付着し、付着した水滴が凍結すると、水素ガスの水素透過膜１３の透過が阻害されてしまう。これが、応答性の低下につながってしまう。同様に、保護膜１６の表面に水滴が付着し、付着した水滴が凍結すると、ダイアフラム１１の変形が阻害されてしまう。これが、計測精度の低下につながってしまう。 (2) The hydrogen partial pressure may be measured in an environment below freezing using the hydrogen pressure sensor 10 of the first embodiment. In this case, if for some reason water drops adhere to the surface of the water-repellent porous film 18 and the attached water drops freeze, the permeation of hydrogen gas through the hydrogen permeable film 13 is hindered. This leads to a decrease in responsiveness. Similarly, when water drops adhere to the surface of the protective film 16 and the attached water drops freeze, deformation of the diaphragm 11 is hindered. This leads to a decrease in measurement accuracy.

そこで、第１実施形態の水素圧力センサ１０において、図１１に示すように、水素透過膜１３の表面上にヒータ３１を形成するとともに、ダイアフラム１１の一面１１ａ上にヒータ３２を形成する。ヒータ３１、３２によって水素透過膜１３、ダイアフラム１１を加熱することで、水滴の凍結を防ぐことができる。よって、応答性の低下や計測精度の低下を回避することができる。 Therefore, in the hydrogen pressure sensor 10 of the first embodiment, as shown in FIG. 11, the heater 31 is formed on the surface of the hydrogen permeable membrane 13 and the heater 32 is formed on the one surface 11 a of the diaphragm 11. Heating the hydrogen permeable membrane 13 and the diaphragm 11 with the heaters 31 and 32 can prevent water droplets from freezing. Therefore, it is possible to avoid a decrease in responsiveness and a decrease in measurement accuracy.

（３）上記各実施形態では、本発明の水素圧力計測装置を、燃料電池システム１に適用したが、他のシステムや装置に適用してもよい。 (3) In each of the above embodiments, the hydrogen pressure measuring device of the present invention is applied to the fuel cell system 1, but may be applied to other systems and devices.

（４）上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 (4) The above embodiments are not irrelevant to each other, and can be combined as appropriate unless the combination is clearly impossible. In each of the above-described embodiments, it is needless to say that elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless explicitly stated as essential and clearly considered essential in principle. Yes.

１燃料電池システム
６制御装置
１１ダイアフラム
１２支持体
１３水素透過膜
１４ピエゾ抵抗
１５水素分圧室
１６保護膜
１７多孔質支持体
１８撥水性多孔質膜 1 Fuel cell system 6 Control device
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Diaphragm 12 Support body 13 Hydrogen permeable film 14 Piezoresistive 15 Hydrogen partial pressure chamber 16 Protective film 17 Porous support body 18 Water-repellent porous film

Claims

A diaphragm (11) having one surface (11a) and the other surface (11b) on the opposite side;
A support (12) that supports the diaphragm and forms a hydrogen partial pressure chamber (15) that is a sealed space on the one surface side;
A hydrogen permeable membrane (13) that forms the hydrogen partial pressure chamber together with the support and transmits only hydrogen in the measurement target gas;
A detection element (14) for detecting a pressure difference between the pressure in the internal space of the hydrogen partial pressure chamber and the pressure in the other surface side of the other surface of the diaphragm;
A calculation unit (6) for calculating a partial pressure of hydrogen gas in the measurement target gas,
The detection element is provided in the diaphragm, and a physical quantity changes due to deformation of the diaphragm accompanying a change in the differential pressure,
The hydrogen pressure measuring device, wherein the calculation unit calculates the partial pressure based on the differential pressure detected based on a physical quantity of the detection element and a pressure in the space on the other surface side.

The hydrogen pressure measuring apparatus according to claim 1, wherein the detection element is a piezoresistor whose resistance value changes due to deformation of the diaphragm.

The hydrogen pressure measuring apparatus according to claim 1, wherein the detection element is a vibrator whose natural frequency changes due to deformation of the diaphragm.

The laminated structure according to claim 1, further comprising a porous support (17) that is laminated on the hydrogen permeable membrane and has a rigidity that is not deformed by the pressure of the measurement target gas and supports the hydrogen permeable membrane. The hydrogen pressure measuring device according to any one of the above.

The hydrogen pressure measuring device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a water-repellent porous membrane (18) laminated on the measurement target gas side of the hydrogen permeable membrane.

The detection element is disposed on the other surface;
The hydrogen pressure measuring device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a protective film (16) disposed on the other surface side and covering the detection element.

A support body (21) that supports the diaphragm and forms a reference pressure chamber (23) as the other surface side space on the other surface side,
The hydrogen pressure measuring device according to claim 1, wherein the reference pressure chamber is a sealed space having a predetermined pressure.

The hydrogen pressure measuring apparatus according to claim 1, wherein the detection element is disposed on the one surface.