(57)【要約】【課題】水素圧力センサにおいて、その構成部材に水素が浸透することによる検出誤差を低減することを目的とする。【解決手段】検出基材１０は、筒形状部１６、および筒形状部１６の一端の開口を塞ぐダイアフラム１８を備えて構成される。検出基材１０は、筒形状部１６を周回側壁としダイアフラム１８を底壁とする容器形状をなし、その容器形状の内側壁面が受圧孔２２を形成する。水素圧力センサは、水素配管に設けられた開口に検出基材１０の開口が合致するよう、水素配管に固定される。ダイアフラム１８には、周辺縁面からダイアフラム１８の中心に向かって延伸する複数の壁面方向孔２４が開けられる。ダイアフラム１８のセンサ外側壁面には、接着用ガラス層１２を介して半導体歪みゲージ１４が固定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、
前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、
を備え、
前記容器形状部材の容器形状内側の水素圧力を検出する水素圧力センサにおいて、
前記底壁は、
前記底壁を形成する部材内から前記容器形状部材の外側へと気体を導く気体流路を備えることを特徴とする水素圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の水素圧力センサにおいて、
前記底壁を形成する部材内にその壁面方向に沿って延伸し、前記容器形状部材の外側に開口する壁面方向孔を、前記気体流路として備えることを特徴とする水素圧力センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の水素圧力センサにおいて、
前記底壁は、
壁面が回転対称形状となるよう形成され、
前記底壁を形成する部材内から回転対称形状の外周方向に向かってそれぞれが延伸する複数の前記壁面方向孔が、回転対称な位置に設けられることを特徴とする水素圧力センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素圧力センサにおいて、
前記底壁は、
容器形状部材外側面にガラス層を有し、
前記歪みセンサは、
前記ガラス層に固定されることを特徴とする水素圧力センサ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素圧力センサにおいて、
前記底壁は、
多孔質部材で形成され前記気体流路を形成する気体流路層を容器形状部材外側面に有し、
前記歪みセンサは、
前記気体流路層に固定されることを特徴とする水素圧力センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の水素圧力センサにおいて、
前記気体流路層は、
ガラス粒子を含むことを特徴とする水素圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ構成部材の歪みに基づき水素圧力を検出する水素圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池自動車について広く研究開発が行われている。燃料電池は酸素と水素との化学反応によって電力を発生する。そこで、燃料電池自動車は水素タンクを搭載し、水素タンクから送り込まれた水素と、外部から送り込まれた空気中の酸素とを用いて発電する。水素タンクに蓄積されている水素の量を検出するため、水素タンクに取り付けられた水素配管には水素圧力センサが設けられる。
【０００３】
また、燃料電池自動車の研究に伴い、燃料電池自動車に燃料としての水素を供給する水素ステーションが開発されている。水素ステーションは、水素蓄圧器、昇圧装置、各種制御弁、水素ディスペンサ等を備える水素供給設備である。本設備においても、各装置の水素流通制御、水素圧力制御等のために水素圧力センサが重要な役割を果たす。
【０００４】
このように、水素圧力センサは、燃料電池自動車、水素ステーション等において重要な要素部品となる。しかしながら、高圧水素を測定する要求が従来少なかったこともあり、燃料電池自動車、水素ステーション等に適した水素圧力センサが開発されていないのが現状である。こうした状況の下、既に市販自動車用途で使用されている気体圧力センサを基本に水素の特性に合わせて改良を加えることで、安価で信頼性の高い水素圧力センサを開発することが望まれている。
【０００５】
水素等の流体の圧力を検出するセンサとしては、例えば、下記特許文献１に記載されているものがある。この圧力センサは筒形状の部材を備え、筒形状部材の一端の開口に流体を入り込ませる。筒形状部材の他端は板状部材で塞がれる。この板状部材はダイアフラムと称され、筒形状部材に入り込んだ流体の圧力に応じて弾性変形する。ダイアフラムの圧力センサ外側面には、ダイアフラムの弾性変形を検出する歪み検出素子が取り付けられる。このような圧力センサによれば、歪み検出素子によって歪み量を電気的に検出することで、筒形状部材に入り込んだ流体の圧力を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９６１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された圧力センサのダイアフラム、筒形状部材等は、金属によって形成される。この圧力センサを用いて水素圧力を検出すると、ダイアフラムに水素が拡散浸透し、ダイアフラムを透過して圧力センサの外側に水素が放出されることがある。これによって、ダイアフラムと歪み検出素子との間に水素が滞留し、滞留水素によって歪み検出素子が変形した場合には、圧力検出値に誤差が生じることがある。
【０００８】
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、水素圧力センサにおいて、その構成部材に水素が浸透することによる検出誤差を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、を備え、前記容器形状部材の容器形状内側の水素圧力を検出する水素圧力センサにおいて、前記底壁は、前記底壁を形成する部材内から前記容器形状部材の外側へと気体を導く気体流路を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る水素圧力センサにおいては、前記底壁を形成する部材内にその壁面方向に沿って延伸し、前記容器形状部材の外側に開口する壁面方向孔を、前記気体流路として備えることが好適である。
【００１１】
また、本発明に係る水素圧力センサにおいては、前記底壁は、壁面が回転対称形状となるよう形成され、前記底壁を形成する部材内から回転対称形状の外周方向に向かってそれぞれが延伸する複数の前記壁面方向孔が、回転対称な位置に設けられることが好適である。
【００１２】
また、本発明に係る水素圧力センサにおいては、前記底壁は、容器形状部材外側面にガラス層を有し、前記歪みセンサは、前記ガラス層に固定されることが好適である。
【００１３】
また、本発明に係る水素圧力センサにおいては、前記底壁は、多孔質部材で形成され前記気体流路を形成する気体流路層を容器形状部材外側面に有し、前記歪みセンサは、前記気体流路層に固定されることが好適である。
【００１４】
また、本発明に係る水素圧力センサにおいては、前記気体流路層は、ガラス粒子を含むことが好適である。
【００１５】
また、本発明に係る水素圧力センサは、前記容器形状部材の容器形状部材外側面に設けられた前記歪みセンサと、前記歪みセンサを前記容器形状部材に固定するための接着用ガラス若しくは有機物接着剤等の接着部材を含む構成とすることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の応用例として、水素供給源から水素を導く水素配管と、前記水素配管に設けられた圧力検出用開口と、前記容器形状部材の内側が前記圧力検出用開口を覆うよう、前記圧力検出用開口に取り付けられた前記水素圧力センサと、を備える水素供給装置を構成してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水素圧力センサの構成部材に水素が浸透することによる検出誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る水素圧力センサの構成を示す図である。
【図２】変形例に係る水素圧力センサの構成を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る水素圧力センサの構成を示す図である。
【図４】水素配管に水素圧力センサを設けた場合の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に本発明の第１実施形態に係る水素圧力センサの構成を示す。図１（ａ）は水素圧力センサの斜視図である。また、図１（ｂ）は水素圧力センサのＡＢ断面図であり、図１（ｃ）は水素圧力センサを図１（ａ）の上から見た図である。水素圧力センサは、検出基材１０、接着用ガラス層１２、および半導体歪みゲージ１４を備えて構成される。
【００２０】
検出基材１０は、筒形状部１６、および筒形状部１６の一端の開口を塞ぐダイアフラム１８を備えて構成される。検出基材１０は、筒形状部１６を周回側壁としダイアフラム１８を底壁とする容器形状をなし、その容器形状の内側壁面が受圧孔２２を形成する。検出基材１０の開口には、筒形状部１６の縁の外側に厚みを持たせたフランジ２０が形成される。水素圧力センサは、水素配管に設けられた開口に検出基材１０の開口が合致するよう、水素配管に固定される。
【００２１】
ここでは、筒形状部１６を円筒形状としダイアフラム１８を円板形状としている。筒形状部１６の形状は、円筒形状に限られず、取り付け先の形状に合わせてその他の筒形状としてもよい。また、筒形状部１６を、一端の開口の大きさが他端の開口の大きさと異なるよう変形させてもよい。
【００２２】
検出基材１０の材料は、製造容易性、検出精度等の観点から強度や熱膨張率を考慮して決定することが好ましい。また、検出基材１０の材料としては、鉄ニッケル合金、鉄ニッケルコバルト合金等の耐水素脆化性のある金属を用いてもよい。しかしながら、一般的な金属であれば、耐水素脆化性を材料の選択要素として特に考慮しなくとも問題が生じない場合が多い。また、筒形状部１６、ダイアフラム１８、およびフランジ２０は一体形成することが好ましい。
【００２３】
ダイアフラム１８には、その形成部材の内部から周辺縁面に向かって延伸し、周辺縁面に開口する複数の壁面方向孔２４、すなわち、ダイアフラム１８の周辺縁面からダイアフラム１８の中心に向かって延伸する複数の壁面方向孔２４が開けられる。図１は、隣接する壁面方向孔２４とのなす角度が均等となるよう８本の壁面方向孔２４を配置した例を示している。ここでは、各壁面方向孔２４がダイアフラム１８の中心に至る途中で終端しているが、壁面方向孔２４はダイアフラム１８を貫通していてもよい。壁面方向孔２４は、ドリル、ワイヤー放電等によって加工することができる。
【００２４】
ダイアフラム１８のセンサ外側壁面には、接着用ガラス層１２を介して半導体歪みゲージ１４が固定される。接着用ガラス層１２には、検出基材１０と熱膨張率が近似したものを用いることが好ましい。半導体歪みゲージ１４は、例えば、接着用ガラス層１２を溶融し、溶融した接着用ガラス層１２に半導体歪みゲージ１４が接触した状態で接着用ガラス層１２を凝固させることで固定することができる。
【００２５】
ここでは、半導体歪みゲージ１４を検出基材１０に固着させる部材としてガラスを用いた場合について採り上げているが、この部材としては、検出基材１０と熱膨張率が近く、接着力が得られるその他の材料を用いてもよい。
【００２６】
半導体歪みゲージ１４からは、その抵抗値を検出するための２本の検出導線２６が引き出される。半導体歪みゲージ１４は変形により抵抗値が変化する。抵抗値の変化は引き出された検出導線２６を用いて検出することができる。半導体歪みゲージ１４の上層には、半導体歪みゲージ１４を保護する、シリコン等で形成された保護層を設けてもよい。
【００２７】
次に、本実施形態に係る水素圧力センサの作用について説明する。ダイアフラム１８は検出基材１０の開口から受圧孔２２に入った水素の圧力によって弾性変形する。これによって、半導体歪みゲージ１４は、ダイアフラム１８から接着用ガラス層１２を介して力を受けて弾性変形し、弾性変形に応じて抵抗値が変化する。２本の検出導線２６を接続した圧力検出装置は、検出導線２６間の抵抗値に基づいて受圧孔２２内の水素圧力を求める。
【００２８】
受圧孔２２内の水素はその圧力によってダイアフラム１８に浸透する。ダイアフラム１８に浸透した水素は、接着用ガラス層１２までの距離よりも壁面方向孔２４までの距離が短い場合には壁面方向孔２４内に放出され、壁面方向孔２４に導かれて検出基材１０の外側へと放出される。このように、壁面方向孔２４は、ダイアフラム１８から受圧孔２２の外側へと水素を導く気体流路として機能する。
【００２９】
従来の気体圧力センサにおいては、ダイアフラム１８に壁面方向孔２４が設けられていなかった。このような従来構成では、ダイアフラム１８を透過した水素が接着用ガラス層１２に至ると、接着用ガラス層１２内に形成された気泡に水素が入り込むことで接着用ガラス層１２が変形し、水素圧力の検出値に誤差が生じることが発明者の調査により明らかになった。
【００３０】
本発明の第１実施形態に係る水素圧力センサによれば、受圧孔２２からダイアフラム１８を介して接着用ガラス層１２に至る水素の量を低減することができ、水素の入り込みによる接着用ガラス層１２の変形を回避することができる。これによって、半導体歪みゲージ１４によって検出される水素圧力の誤差を低減することができる。
【００３１】
水素圧力センサの構成例として、筒形状部１６における受圧孔２２の内径（直径）を１ｍｍ以上５ｍｍ以下、筒形状部１６の厚さを１ｍｍより厚くし、ダイアフラム１８の厚さを０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、接着用ガラス層表面の直径を１ｍｍ以上５ｍｍ以下、接着用ガラス層１２の厚さを３０μｍ以上１００μｍ以下としたものが挙げられる。
【００３２】
この場合、本願出願時に広く用いられている半導体歪みゲージを用いることで、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の水素圧力を検出することができる。燃料電池自動車に用いられる高圧水素配管内の水素圧力は１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であるため、この構成例は燃料電池自動車に好適であるといえる。
【００３３】
検出基材１０の形状および大きさ、壁面方向孔２４の数、壁面方向孔２４を設ける位置等については、検出基材１０の強度、剛性、検出誤差の低減効果等を鑑みて、実験、シミュレーション等に基づき最適化することが好ましい。
【００３４】
図２に変形例に係る水素圧力センサの構成を示す。この図は水素圧力センサを半導体歪みゲージ１４側から見た図である。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。この水素圧力センサは、図１の水素圧力センサにおける壁面方向孔２４の間に短い壁面方向孔２４Ｓを設け、壁面方向孔２４および２４Ｓの数を合計１６本としたものである。壁面方向孔２４および２４Ｓを等角度間隔で配置することで、ダイアフラム１８の壁面に垂直にその中心を貫く軸について、ダイアフラム１８を回転対称構造とすることができる。ダイアフラム１８を回転対称構造とすることでダイアフラム１８の剛性を均一にすることができる。
【００３５】
図３に本発明の第２実施形態に係る水素圧力センサの構成を示す。図３（ａ）は水素圧力センサの斜視図である。また、図３（ｂ）は水素圧力センサのＡＢ断面図であり、図３（ｃ）は気体流路層２８の拡大断面図である。図１に示す構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
この圧力センサは、第１実施形態に係る水素圧力センサが備える接着用ガラス層１２を気体流路層２８に置き換えたものである。また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ダイアフラム１８には壁面方向孔２４を設けなくてもよい。
【００３７】
気体流路層２８は、ガラス、セラミック等の材料によって形成することが好適である。気体流路層２８は、ダイアフラム１８の上層に設けられたポーラス層３０、およびポーラス層３０の上層に設けられた接着層３４を備える。ポーラス層３０は、直径数μｍ以上数百μｍ以下（例えば、２μｍ以上１００μｍ以下）の複数の孔を有する多孔質部材によって形成されている。接着層３４は、半導体歪みゲージ１４を気体流路層２８に固定する層である。
【００３８】
気体流路層２８をガラスによって形成する場合、ポーラス層３０は、図３（ｃ）に示すように直径数μｍ以上数百μｍ以下（例えば、２μｍ以上１００μｍ以下）のガラス粒子３２を結合させて形成してもよい。ダイアフラム１８、気体流路層２８、および半導体歪みゲージ１４は、気体流路層２８を形成するガラスを溶融し、その後凝固させることで固着させてもよい。
【００３９】
次に、本実施形態に係る水素圧力センサの作用について説明する。ダイアフラム１８は検出基材１０の開口から受圧孔２２に入った水素の圧力によって弾性変形する。これによって、半導体歪みゲージ１４は、ダイアフラム１８から気体流路層２８を介して力を受けて弾性変形し、弾性変形に応じて抵抗値が変化する。２本の検出導線２６を接続した圧力検出装置は、検出導線２６間の抵抗値に基づいて受圧孔２２内の水素圧力を求める。
【００４０】
受圧孔２２内の水素はその圧力によってダイアフラム１８に浸透し、気体流路層２８へと透過する。気体流路層２８に至った水素は、ポーラス層３０が有する孔を通って検出基材１０の外側へと放出される。
【００４１】
本発明の第２実施形態に係る水素圧力センサによれば、受圧孔２２からダイアフラム１８を透過して気体流路層２８に至った水素は、ポーラス層３０が有する孔を通って検出基材１０の外側へと放出される。したがって、水素の入り込みによって気体流路層２８が変形することが回避される。これによって、半導体歪みゲージ１４によって検出される水素圧力の誤差を低減することができる。
【００４２】
なお、第２実施形態に係る水素センサにおいても、第１実施形態と同様、ダイアフラム１８に壁面方向孔２４を設けた構造としてもよい。
【００４３】
図４に、燃料電池自動車に用いられる水素配管、水素ステーション等に用いられる水素供給装置の水素配管等に、第１実施形態に係る水素圧力センサを設けた場合の構成例を断面図を以て示す。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
水素配管３６には、水素圧力を検出するための検出分岐管３８が取り付けられる。検出分岐管３８の開口端は、水素圧力センサの開口と合致するよう形成される。水素圧力センサは、そのフランジ２０が検出分岐管３８の開口端に合致するよう検出分岐管３８に取り付けられる。水素圧力センサは、フランジ上側面４０に接触しつつ水素圧力センサを検出分岐管３８に押しつける部材（図示せず）を用いて固定することができる。
【００４５】
水素配管３６内の水素は、水素圧力センサの開口から受圧孔２２に入る。水素は、受圧孔２２の壁面に圧力を与える。このような構成によれば、水素圧力センサから引き出された検出導線２６間の抵抗値を検出することで、水素配管３６内の水素圧力を検出することができる。
【００４６】
ここでは、第１実施形態に係る水素圧力センサを水素配管に設けた例について説明したが、第２実施形態に係る水素圧力センサも、第１実施形態に係る水素圧力センサと同様の構成によって水素配管に取り付けることができる。
【００４７】
本発明に係る水素圧力センサは、燃料電池自動車、燃料電池自動車に水素を補給する装置の他、高圧力で水素を供給する一般の水素供給設備に用いることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  検出基材、１２  接着用ガラス層、１４  半導体歪みゲージ、１６  筒形状部、１８  ダイアフラム、２０  フランジ、２２  受圧孔、２４  壁面方向孔、２６  検出導線、２８  気体流路層、３０  ポーラス層、３２  ガラス粒子、３４  接着層、３６  水素配管、３８  検出分岐管、４０  フランジ上側面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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