(57)【要約】【課題】簡単かつコンパクトな構成で、センサを配管に確実に取り付けることを可能にする。【解決手段】冷却媒体供給配管４２ａの膨出円筒部５０ａには、周方向に切り欠いてスリット６４ａ、６４ｂが形成される。膨出円筒部５０ａに温度センサ４４が部分的に挿入された状態で、スリット６４ａ、６４ｂから前記膨出円筒部５０ａの法線方向にクリップ部材６８が挿入される。このクリップ部材６８の円弧部７０は、温度センサ４４の溝部５６に嵌合し、前記温度センサ４４を前記膨出円筒部５０ａに保持している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内を流れる被測定流体の特性を測定するセンサを、前記配管に取り付けるためのセンサ用取り付け構造であって、
前記配管の外周部から外方に膨出して設けられ、前記センサが部分的に挿入される円筒部と、
前記円筒部に周方向に切り欠いて形成されるスリットと、
前記円筒部に前記センサが部分的に挿入された状態で、前記スリットから挿入されて該センサに設けられた溝部に嵌合することにより、該センサを該円筒部に保持する止め金具と、
を備えることを特徴とするセンサ用取り付け構造。
【請求項２】
請求項１記載のセンサ用取り付け構造において、前記センサと前記円筒部の端面との間に介装されるとともに、側面視で略波形状を有するばね機能付きリング部材を備えることを特徴とするセンサ用取り付け構造。
【請求項３】
請求項１または２記載のセンサ用取り付け構造において、前記配管は、燃料電池の少なくとも反応ガス流通配管または冷却媒体流通配管を構成する絶縁樹脂配管であることを特徴とするセンサ用取り付け構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ用取り付け構造において、前記被測定流体の特性は、少なくとも温度、圧力、流量、湿度または濃度を含むことを特徴とするセンサ用取り付け構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管内を流れる被測定流体の特性を測定するセンサを、前記配管に取り付けるためのセンサ用取り付け構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池は、通常、前記燃料電池内に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、前記燃料電池内に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部と、該燃料ガス内に冷却媒体を供給（例えば、循環供給）するための冷却媒体供給部とを組み込んで燃料電池システムを構成している。
【０００５】
その際、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部および冷却媒体供給部を構成する各配管には、燃料電池の運転状況を検出して良好な制御を行うために、温度センサ、圧力センサまたは流量センサ等の種々のセンサが取り付けられている。このようなセンサを配管に取り付ける構造としては、例えば、特許文献１の温度センサの取り付け構造が知られている。
【０００６】
この取り付け構造は、図１１に示すように、ガスセンサ１を金属製の配管２に取り付けるための構造であり、このガスセンサ１は、ハウジング３内にセンサ素子４を配置している。ハウジング３の先端には、二重カバー５が設けられるとともに、前記ハウジング３の先端外周部にねじ部６が形成されている。配管２の外周にナット７が溶接により固定されており、前記ナット７にハウジング３のねじ部６が螺合している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２２８１１２号公報（段落［００２１］〜［００２５］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、金属製の配管２に金属製のナット７が溶接されており、このナット７にハウジング３のねじ部６が螺着してガスセンサ１を前記配管２に取り付けている。しかしながら、ねじ部６には錆が発生し易く、ハウジング３をナット７に締結する際に、表面処理材の剥がれによるイオンの溶出が発生するおそれがあり、配管２を流れる被測定流体を劣化させてしまうという不具合が指摘されている。
【０００９】
また、燃料電池システムを構成する各配管は、冷却媒体や生成水等による液絡を防止するために樹脂配管で構成されている。ところが、この樹脂配管に、上記の特許文献１の取り付け構造を採用すると、ナット７が樹脂であるためにこのナット７のねじ穴の耐久性が低下し、前記ナット７の破損やシール性の低下が惹起されるという問題がある。しかも、ハウジング３のねじ部６をナット７にねじ込む際に、錆等の異物が反応ガスや冷却媒体に混在するおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつコンパクトな構成で、センサを配管に確実に取り付けることができ、しかも被測定流体に錆等の異物が混入することを有効に阻止することが可能なセンサ用取り付け構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るセンサ用取り付け構造では、配管の外周部から外方に膨出して円筒部が設けられ、この円筒部にセンサが部分的に挿入される。円筒部には、周方向に切り欠いてスリットが形成されており、前記円筒部にセンサが部分的に挿入された状態で、前記スリットから円筒部の法線方向に止め金具が挿入される。このため、止め金具は、センサに設けられた溝部に嵌合し、該センサを円筒部に対して確実に保持することができる。
【００１２】
従って、センサ取り付け部にねじ構造が不要になり、構成が簡素化されるとともに、ねじ部から錆等の異物が発生することを阻止し、被測定流体に前記異物が混在することを有効に阻止することができる。しかも、止め金具を円筒部の法線方向からセンサの溝部に挿入するだけでよく、簡単な作業で、前記センサを確実に保持することが可能になる。
【００１３】
その上、溝部に止め金具を引っ掛けるだけであり、センサを回転させることができ、前記センサに偏力が作用することを阻止するとともに、該センサの向きを調整することが可能になる。さらに、単一の溝部を止め金具で保持するだけであり、熱応力の影響を良好に回避することができる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係るセンサ用取り付け構造では、センサと円筒部の端面との間に、側面視で略波形状を有するばね機能付きリング部材が介装されている。これにより、センサと円筒部との間に隙間が発生することがなく、前記センサを円筒部に対して強固かつ確実に保持することができる。このため、配管に振動等が発生しても、センサにがたつきが惹起されることを良好に阻止することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係るセンサ用取り付け構造では、配管は、燃料電池の少なくとも反応ガス流通配管または冷却媒体流通配管を構成する絶縁樹脂配管である。燃料電池では、反応ガス流通配管内に生成水や結露水が存在して液絡が発生し易い一方、冷却媒体流通配管内に冷却媒体による液絡が発生し易い。
【００１６】
このため、特に燃料電池において、少なくとも反応ガス流通配管または冷却媒体流通配管を絶縁樹脂配管で構成することにより、絶縁性を確保して液絡を防止するとともに、配管からのイオンの溶出を阻止することができる。
【００１７】
さらにまた、本発明の請求項４に係るセンサ用取り付け構造では、被測定流体の特性は、前記被測定流体が、例えば、冷却媒体である際に、温度、圧力または流量等である一方、該被測定流体が、例えば、ガス（反応ガス等）である際に、温度、圧力、流量、濃度または湿度等である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るセンサ用取り付け構造１０が適用される燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００１９】
燃料電池システム１２は、複数の単位セル１４が積層された燃料電池スタック１６を備える。この燃料電池スタック１６には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部１８と、酸素含有ガス等（例えば、空気）の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部２０と、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部２２とが接続される。
【００２０】
燃料電池スタック１６は、積層方向（矢印Ｘ方向）一端部に燃料ガス入口２４ａ、酸化剤ガス入口２６ａおよび冷却媒体入口２８ａを設けるとともに、積層方向他端部に燃料ガス出口２４ｂ、酸化剤ガス出口２６ｂおよび冷却媒体出口２８ｂを設ける。単位セル１４は、図示しないが、例えば、高分子イオン交換膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。
【００２１】
燃料電池スタック１６内では、燃料ガス入口２４ａから供給された燃料ガスは、各単位セル１４のアノード側電極に供給された後、燃料ガス出口２４ｂから排出される一方、酸化剤ガス入口２６ａから供給された酸化剤ガスは、各単位セル１４のカソード側電極に供給された後、酸化剤ガス出口２６ｂから排出される。さらに、冷却媒体入口２８ａから供給された冷却媒体は、各単位セル１４を冷却した後、冷却媒体出口２８ｂから排出される。
【００２２】
燃料ガス供給部１８は、燃料ガス入口２４ａに接続される燃料ガス供給配管（反応ガス流通配管）３０ａと、燃料ガス出口２４ｂに接続される燃料ガス排出配管（反応ガス流通配管）３０ｂとを備える。燃料ガス供給配管３０ａと燃料ガス排出配管３０ｂとには、取り付け構造１０を介して、例えば、温度センサ３２および圧力センサ３３が取り付けられる。
【００２３】
酸化剤ガス供給部２０は、酸化剤ガス入口２６ａに接続される酸化剤ガス供給配管（反応ガス流通配管）３４ａと、酸化剤ガス出口２６ｂに接続される酸化剤ガス排出配管（反応ガス流通配管）３４ｂとを備える。酸化剤ガス供給配管３４ａと酸化剤ガス排出配管３４ｂとには、同様に取り付け構造１０を介して、例えば、温度センサ３６および圧力センサ３７が取り付けられる。
【００２４】
冷却媒体供給部２２は、ラジエータ３８と循環ポンプ４０とを備えるとともに、冷却媒体入口２８ａに接続される冷却媒体供給配管（冷却媒体流通配管）４２ａと、冷却媒体出口２８ｂに接続される冷却媒体排出配管（冷却媒体流通配管）４２ｂとを備える。冷却媒体供給配管４２ａおよび冷却媒体排出配管４２ｂにより循環ラインが構成され、前記冷却媒体供給配管４２ａと前記冷却媒体排出配管４２ｂとには、同様に取り付け構造１０を介して、例えば、温度センサ４４および圧力センサ４５が取り付けられる。
【００２５】
燃料ガス供給配管３０ａ、燃料ガス排出配管３０ｂ、酸化剤ガス供給配管３４ａ、酸化剤ガス排出配管３４ｂ、冷却媒体供給配管４２ａおよび冷却媒体排出配管４２ｂは、絶縁樹脂配管、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリプロピレン（ＰＰ）により形成されている。
【００２６】
図２および図３に示すように、冷却媒体供給配管４２ａには、冷却媒体の流れ方向（矢印Ａ方向）に直交する矢印Ｂ方向に突出する膨出円筒部５０ａ、５０ｂが一体形成されている。前記膨出円筒部５０ａおよび５０ｂには、温度センサ４４および圧力センサ４５が取り付けられる。
【００２７】
図３に示すように、温度センサ４４は、先端部にサーミスタ等の感温素子５２を内装しており、膨出円筒部５０ａの内周面にＯリング５４を介してシールされている。このＯリング５４の上方には、クリップ取り付け用溝部５６が周回形成される。
【００２８】
圧力センサ４５は、Ｏリング５４を介して膨出円筒部５０ｂの内周面に嵌合しており、このＯリング５４の上方には、クリップ取り付け用溝部５８が周回形成される。圧力センサ４５の内部には、ダイヤフラム６０が収容されるとともに、このダイヤフラム６０には、歪みセンサ６２が接続される。
【００２９】
図４に示すように、膨出円筒部５０ａには、先端面から軸方向に所定の距離だけ離間した位置に、周方向に切り欠いてスリット６４ａ、６４ｂが形成される。このスリット６４ａ、６４ｂは、温度センサ４４の溝部５６に対応しており、膨出円筒部５０ａの周方向に対してそれぞれ所定の角度範囲にわたって形成される。
【００３０】
膨出円筒部５０ｂには、同様に、先端面から軸方向に所定の距離だけ離間した位置に、スリット６６ａ、６６ｂが形成される。このスリット６６ａ、６６ｂは、圧力センサ４５の溝部５８に対応しており、膨出円筒部５０ｂの周方向に対してそれぞれ所定の角度範囲にわたって形成される。
【００３１】
スリット６４ａ、６４ｂには、止め金具、例えば、金属製のクリップ部材６８が挿入される。このクリップ部材６８は、例えば、ＳＵＳ材で形成されており、温度センサ４４の溝部５６に嵌合する円弧部７０と、ばね機能を有する湾曲部７２とを一体的に有しており、開放側端部が外方に向かって拡開している。
【００３２】
膨出円筒部５０ｂのスリット６６ａ、６６ｂには、同様に、金属製のクリップ部材７４が挿入される。このクリップ部材７４は、圧力センサ４５の溝部５８に嵌合する円弧部７６と、ばね機能を有する湾曲部７８とを一体的に設けるとともに、開放側端部が外方に拡開している。
【００３３】
温度センサ４４と膨出円筒部５０ａの端面との間、および圧力センサ４５と膨出円筒部５０ｂの端面との間には、それぞれリング部材８０、８２が介装される。リング部材８０、８２は、側面視で略波形状を有しており、厚さ方向にばね機能を備えている。
【００３４】
冷却媒体排出配管４２ｂには、上記の冷却媒体供給配管４２ａと同様に、取り付け構造１０を介して温度センサ４４および圧力センサ４５が取り付けられる。燃料ガス供給配管３０ａおよび燃料ガス排出配管３０ｂには、上記の取り付け構造１０を介して温度センサ３２および圧力センサ３３が取り付けられる一方、酸化剤ガス供給配管３４ａおよび酸化剤ガス排出配管３４ｂには、同様に、上記の取り付け構造１０を介して温度センサ３６および圧力センサ３７が取り付けられる。
【００３５】
このように構成される取り付け構造１０の動作について、これを組み込む燃料電池システム１２との関連で、以下に説明する。
【００３６】
まず、図１に示すように、燃料ガス供給部１８が駆動されて、燃料ガス供給配管３０ａから燃料ガス入口２４ａに燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料電池スタック１６の各単位セル１４を構成するアノード側電極に供給された後、燃料ガス出口２４ｂから燃料ガス排出配管３０ｂに排出される。
【００３７】
一方、酸化剤ガス供給部２０が駆動されて、酸化剤ガス供給配管３４ａから酸化剤ガス入口２６ａに酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。この空気は、燃料電池スタック１６の各単位セル１４を構成するカソード側電極に供給された後、酸化剤ガス出口２６ｂから酸化剤ガス排出配管３４ｂに排出される。
【００３８】
これにより、各単位セル１４では、アノード側電極に供給される燃料ガスと、カソード側電極に供給される空気とが、電極触媒内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。この発電によって、例えば、図示しないメインモータに電力が供給されて、車両の走行が可能となる。
【００３９】
また、冷却媒体供給部２２では、循環ポンプ４０が駆動されて、冷却媒体供給配管４２ａから冷却媒体入口２８ａに冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、各単位セル１４を冷却した後、冷却媒体出口２８ｂから冷却媒体排出配管４２ｂに排出される。各単位セル１４の冷却に使用されて昇温した冷却媒体は、必要に応じてラジエータ３８を通ることによって外気との熱交換が行われ、所定の温度に冷却された後、燃料電池スタック１６に循環される。
【００４０】
上記のように、燃料電池システム１２が駆動している際に、温度センサ３２は、被測定流体である燃料ガスの入口温度および出口温度を測定する一方、圧力センサ３３は、前記燃料ガスの入口圧力および出口圧力を測定する。また、温度センサ３６は、被測定流体である空気の入口温度および出口温度を測定する一方、圧力センサ３７は、前記空気の入口圧力および出口圧力を測定する。さらに、温度センサ４４は、被測定流体である冷却媒体の入口温度および出口温度を測定する一方、圧力センサ４５は、前記冷却媒体の入口圧力および出口圧力を測定する。
【００４１】
この場合、本実施形態では、図２〜図４に示すように、冷却媒体供給配管４２ａの膨出円筒部５０ａには、周方向に切り欠いてスリット６４ａ、６４ｂが形成されている。そして、前記膨出円筒部５０ａに温度センサ４４が部分的に挿入された状態で、スリット６４ａ、６４ｂからこの膨出円筒部５０ａの法線方向にクリップ部材６８が挿入される。
【００４２】
このため、クリップ部材６８の円弧部７０は、湾曲部７２のばね作用下に拡縮して温度センサ４４の溝部５６に嵌合し、前記温度センサ４４を前記膨出円筒部５０ａに対し確実に保持することができる。従って、取り付け構造１０では、温度センサ４４を膨出円筒部５０ａに取り付けるために、従来のねじ構造が不要になり、構成が簡素化されるとともに、経済的であるという効果が得られる。
【００４３】
その上、温度センサ４４の溝部５６にクリップ部材６８を引っ掛けているだけである。これにより、温度センサ４４を回転させることができ、前記温度センサに偏力が作用することを阻止するとともに、該温度センサ４４の向きを調整することが可能になる。さらに、単一の溝部５６をクリップ部材６８で保持するだけであり、熱応力の影響を良好に回避することができる。
【００４４】
しかも、ねじ部から錆等の異物が発生することを有効に阻止し、被測定流体である冷却媒体に前記異物が混在することを可及的に防止することができる。さらに、クリップ部材６８をスリット６４ａ、６４ｂに着脱するだけで、温度センサ４４の取り付けおよび取り外し作業が行われ、作業性が有効に向上するという利点がある。
【００４５】
さらにまた、温度センサ４４と膨出円筒部５０ａの端面との間には、平面視で略波型形状を有するばね機能付きリング部材８０が介装されている。これにより、クリップ部材６８とスリット６４ａ、６４ｂとの隙間および前記クリップ部材６８と溝部５８との隙間を、リング部材８０の変形により吸収することができる。
【００４６】
このため、温度センサ４４と膨出円筒部５０ａとの間に隙間が発生することがなく、前記温度センサ４４を前記膨出円筒部５０ａに対して強固かつ確実に保持することが可能になる。従って、例えば、冷却媒体供給配管４２ａに振動等が発生しても、温度センサ４４にがたつきが惹起されることを有効に阻止することが可能になる。
【００４７】
一方、冷却媒体供給配管４２ａの膨出円筒部５０ｂには、圧力センサ４５が、同様に取り付け構造１０を構成するクリップ部材７４を介して固定されており、上記の温度センサ４４と同様の効果が得られる。さらに、温度センサ３２、３６および圧力センサ３３、３７でも同様の効果が得られる。
【００４８】
ところで、本実施形態では、円弧部７０、７６および湾曲部７２、７８を有するクリップ部材６８、７４を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、略矩形状を有し、一端が開放する長円状の開口部９０ａが形成された略門型形状のクリップ部材９０を用いてもよい。
【００４９】
また、図６に示すように、略Ｃ型形状のクリップ部材９２や、図７に示すように、略Ｒ型形状のクリップ部材９４や、図８に示すように、開口する一端部に内方に屈曲する抜け止め部９６ａを設けたクリップ部材９６を用いてもよい。
【００５０】
さらに、止め金具自体にスプリング機能を設けてもよい。例えば、図９に示す略門型形状のクリップ部材９８は、一部分に屈曲部９８ａが設けられており、図１０に示すクリップ部材１００は、同様に一部分に屈曲部１００ａが設けられている。
【００５１】
なお、本実施形態では、燃料ガス供給部１８、酸化剤ガス供給部２０および冷却媒体供給部２２に、それぞれ温度センサ３２、３６および４４と圧力センサ３３、３７および４５とを、取り付け構造１０を介して取り付けているが、これに限定されるものではない。例えば、温度センサ４４および圧力センサ４５にのみ前記取り付け構造１０を採用してもよい。また、センサは、圧力センサや温度センサの他、流量センサを用いてもよく、さらに燃料ガス供給部１８および酸化剤ガス供給部２０では、濃度センサや湿度センサ等のセンサを用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係るセンサ用取り付け構造では、配管の円筒部に配置されるセンサが、前記円筒部の法線方向から挿入される止め金具を介して固定されるため、前記センサを前記円筒部に確実に保持することができる。
【００５３】
従って、センサ取り付け部のねじ構造が不要になり、構成が簡素化されるとともに、ねじ部から錆等の異物が発生することを有効に阻止し、被測定流体に前記異物が混在することがない。しかも、止め金具を円筒部の法線方向からセンサの溝部に挿入するだけでよく、簡単な作業で、前記センサを確実に保持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサ用取り付け構造が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記取り付け構造の要部斜視説明図である。
【図３】図２における取り付け構造の断面説明図である。
【図４】前記取り付け構造の分解斜視説明図である。
【図５】略門型形状のクリップ部材の斜視説明図である。
【図６】略Ｃ型形状のクリップ部材の斜視説明図である。
【図７】略Ｒ型形状のクリップ部材の斜視説明図である。
【図８】抜け止め部付きクリップ部材の斜視説明図である。
【図９】スプリング付き略門型形状のクリップ部材の斜視説明図である。
【図１０】スプリング付きクリップ部材の斜視説明図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池冷却装置の概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０…取り付け構造              １２…燃料電池システム
１４…単位セル                  １６…燃料電池スタック
１８…燃料ガス供給部            ２０…酸化剤ガス供給部
２２…冷却媒体供給部            ２４ａ…燃料ガス入口
２４ｂ…燃料ガス出口            ２６ａ…酸化剤ガス入口
２６ｂ…酸化剤ガス出口          ２８ａ…冷却媒体入口
２８ｂ…冷却媒体出口            ３０ａ…燃料ガス供給配管
３０ｂ…燃料ガス排出配管        ３２、３６、４４…温度センサ
３３、３７、４５…圧力センサ    ３４ａ…酸化剤ガス供給配管
３４ｂ…酸化剤ガス排出配管      ３８…ラジエータ
４２ａ…冷却媒体供給配管        ４２ｂ…冷却媒体排出配管
５０ａ、５０ｂ…膨出円筒部
６４ａ、６４ｂ、６６ａ、６６ｂ…スリット
６８、７４、９０、９２、９４、９６、９８、１００…クリップ部材
８０、８２…リング部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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