(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径がφ０．１ｍｍ乃至φ０．２ｍｍのシース熱電対の測温側先端から１０ｍｍ乃至１５０ｍｍの表面全体に、厚さが１μｍ乃至１０μｍのポリイミドをコーティングしたシース熱電対。
【請求項２】
外径がφ０．１５ｍｍ乃至φ０．２ｍｍのシース熱電対の測温側先端から１０ｍｍ乃至１５０ｍｍの部分に径方向の力を加えて、その断面を元の直径に対して縦幅が１／２乃至幅３／４、横幅が４／３乃至２倍の偏平状に変形し、その扁平状にした部分の表面全体を覆うように厚さ１μｍ乃至１０μｍのポリイミドをコーティングしたシース熱電対。                                                                                    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
測定対象箇所に電位があり、かつ高温で狭隘な場所へ設置する燃料電池用のシース熱電対に関する。
【背景技術】
【０００２】
シース熱電対は、金属製のシース内にマグネシア等の無機絶縁材を介在させて、熱電対素線を収容したもので、還元性や腐食性の雰囲気での使用に耐え、また、周辺の導電体との接触が測定に影響を及ぼさないなどの特長を持ち、広く温度センサーとして使用されている。
【０００３】
シース熱電対には非接地式と接地式の２種類があり、これらの構造を図１から図３に示す。図１が非接地式シース熱電対の長手方向断面図である。図２が接地式シース熱電対の長手方向断面図で、図３が図１のＩ−Ｉ断面及び図２のII−II断面を示す図である。非接地式と接地式、いずれも、金属シース１内にマグネシア（ＭｇＯ）等の無機絶縁材２を介在させて、＋側熱電対素線３と−側熱電対素線４が収容されている。先端側において、２つの素線の接合（図１の非接地式）もしくは素線とシース先端部とを接合（図２の接地式）して先端部を測温部としている。また基端開口部は、無機絶縁材２に湿分が侵入して絶縁が劣化するのを防ぐために、エポキシ樹脂等でシール５が施されている。この基端には、熱電対素線と補償導線の接続部を収容するスリーブや、補償導線との接続のための端子台を収容した端子箱が設けられることもある。
【特許文献１】特願２００４−２５２５８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シース熱電対により、燃料電池内部においてアースとの間に電位の生じている部分の温度を測定する場合、引き回されたシース熱電対の金属シースを通して、電位の生じている部分とアースされている部分との間に、本来流れてはいけない電流が流れ、被測定装置の機能喪失や取扱者の感電を招き、また、この電流が変動した場合には、シース熱電対の測定信号に誘導ノイズが発生し、正確な温度測定ができなくなる。
【０００５】
燃料電池内部は還元性雰囲気であるので、還元性雰囲気により劣化して測定誤差が生じるセンサーは使用できない。測定対象温度が高くない場合は、熱電対素線に絶縁材であるＰＦＡ樹脂 (フッ素樹脂の１つで、Tetra fluoro ethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymerを略して一般にこう呼ばれている) を被覆し、これにより電位に対する絶縁と、熱電対素線の還元性雰囲気からの遮断を行ったものが用いられている。しかし、ＰＦＡ樹脂は温度が２６０℃を超えると軟化し、さらに高温では炭化するために２６０℃以上の高温では使用することが出来ない。また、燃料電池のアースとの電位差のあるセルから、アースされた場所へ通じる隙間はできるだけ狭くすることが望ましいが、ＰＦＡ被覆熱電対は、扁平状の断面寸法の最小短径が０．２２ｍｍ（図４に断面図を示す）で、前記隙間はこれ以上の幅が必要であり、さらに細径の熱電対が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の燃料電池に使用する熱電対に求められている革新要求項目をまとめると次のようになる。
【０００７】
ａ．還元性雰囲気中で長時間使用できること。
【０００８】
ｂ．２６０℃以上のできるだけ高い温度で使用できること。
【０００９】
ｃ．アースに対して電位のある燃料電池セルの温度が測定可能なように、少なくとも電位のあるセルに設置される部分は、外面が絶縁材に覆われていること。
【００１０】
ｄ．絶縁材に覆われている部分が、０．２２ｍｍ以下のできるだけ狭い隙間を通過できること。
【００１１】
このような要求に対して、図５、図６に示すシース熱電対を発明した。
【００１２】
図５は、図中の外径Ａがφ０．１ｍｍ乃至φ０．２ｍｍのシース熱電対の測温側先端から１０ｍｍ乃至１５０ｍｍ（図中Ｂの長さ）の表面全体に、厚さが１μｍ乃至１０μｍ（図中Ｈの長さ）のポリイミドをコーティングしたものである。シース熱電対は製作可能な最小径若しくはそれに近い径のものであり、シース熱電対を使用することにより還元性雰囲気中で長期間使用可能である。
【００１３】
コーティングのポリイミドは、温度が３５０℃まで耐える絶縁材料であり、また、シース熱電対本体はシース材料にインコネル６００等を用いれば１０００℃以上の耐熱性があるので、３５０℃までの温度領域における使用が可能で、従来よりも約９０℃近く使用高温域が高まっている。
【００１４】
コーティング長さ１０ｍｍ乃至１５０ｍｍは、アースに対して電位のある燃料電池セルの大きさに基づいたもので、この長さの範囲から選定することにより、小型セルから大型セルまで、電位のある部分の熱電対の引き回しをポリイミドコーティングした部分で行うことができる。即ち、コーティングされていない部分はアース電位の部分のみの引き回しとすることができる。また、コーティングの厚さ１μｍ乃至１０μｍは、測定部位のアースに対する電位の大きさ（＋側及び−側の大きさ）により求められる。電位が±数ボルト程度であれば、厚さは数μｍでよく、電位が大きくなると、厚さも増やす必要があるが、厚さ１０μｍとすれば、±５００ボルト以上の電位に対応可能である。
【００１５】
さらに、φ０．１ｍｍのシース熱電対を使用した場合には、０．１ｍｍ＋コーティング厚さの隙間があれば引き回し可能で、必要隙間は従来の１／２以下になる。φ０．２ｍｍのシース熱電対使用の場合でも、従来のものより必要隙間は狭くなる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、図５の燃料電池用熱電対センサは、求められている要求ａ．〜ｄ．を満たすものである。
【００１７】
図６は、図中の外径Ｃがφ０．１５ｍｍ乃至φ０．２ｍｍのシース熱電対の測温側先端から１０ｍｍ乃至１５０ｍｍ（図中Ｅの長さ）の部分に径方向の力を加えて、その断面を元の直径に対して縦幅（図中Ｆ）が１／２乃至３／４、横幅（図中Ｇ）が４／３乃至２倍の扁平状に変形し、その扁平状にした部分の表面全体を覆うように（図Ｄの部分）、厚さ１μｍ乃至１０μｍ（図中Ｈの厚さ）のポリイミドをコーティングしたものである。
【００１８】
図６の図５との違いは、先端部断面を扁平にした点で、上記扁平率に関する値１／２乃至幅３／４、４／３乃至２倍は、扁平率を大きくすると、素線の断線や、金属シースと熱電対素線の接触、＋側と−側の熱電対素線の接触が生じ易くなるため、これらが生じない範囲で、できるだけ扁平率を大きくした結果である。また、外径がφ０．１５ｍｍに満たないシース熱電対を扁平に加工すると、やはり素線の断線や金属シースと熱電対素線の接触、＋側と−側の熱電対素線の接触が生じ易くなるため、扁平に加工するシース熱電対は外径φ０．１５ｍｍ以上のものとしている。図６のセンサーは、図５のものと同様に前記の要求ａ．〜ｄ．を満たすものであるが、扁平断面とすることにより、必要隙間がさらに小さくなっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図５の形状のものについて、実施形態を以下に示す。
【００２０】
寸法は次のとおりである。
【００２１】
Ａ：φ０．１ｍｍ、Ｂ：１００ｍｍ、Ｈ：５μｍ、先端からシール５までの長さ：１５０ｍｍ、もちろんＢの長さは、使用先の燃料電池の大きさによって増減する。
【００２２】
電対素線３、４は、ＪＩＳ  Ｃ  １６０２に示されるＫ熱電対素線を使用し、シース１はインコネル６００、内部に充電した無機絶縁材２はマグネネシア（ＭｇＯ）、シール５材料はエポキシである。また、シース熱電対の型式は図１に示す非接地式である。
【００２３】
ポリイミドコーティングは、ポリイミドを溶媒中に溶解した液にシース熱電対を漬けて先端から１００ｍｍの部分に液を付着させて引き上げ、これを焼付けることを、ポリイミド厚さが５μｍになるまで繰り返すことによって形成した。無論、これ以外の方法で作成してもよい。
【００２４】
このポリイミドコーティングによる絶縁はＤＣ５００Ｖ以上の電圧に耐え、通常の燃料電池における使用に十分耐えうる熱電対となっていることを確認した。
【００２５】
次に、図６の形状のものについて、実施形態を示す。
【００２６】
寸法は次の通りである。
【００２７】
Ｃ：φ０．１５ｍｍ、Ｅ：３０ｍｍ、Ｄ：３５ｍｍ、Ｈ：５μｍ、先端からシール５までの長さ：１５０ｍｍ、Ｆ：０．１ｍｍ（元の径に対し２／３）、Ｇ：約０．２ｍｍ（元の径に対し約４／３）
もちろん、Ｅの長さは、使用先の燃料電池の大きさによって増減する。また、燃料電池のセルの隙間を出た後は、アース電位の場所であるので、コーティングをするＤの長さは基本的に、Ｅの長さと同じでよいが、これに熱電対位置の変位などの余裕を考慮して、Ｅより５ｍｍ長くしている。
【００２８】
素材に関しては、図５と同様に、電対素線３、４は、ＪＩＳ  Ｃ  １６０２に示されるＫ熱電対素線、シース１はインコネル６００、内部に充填した無機絶縁材２はマグネシア（ＭｇＯ）、シール５の材料はエポキシである。また、シース熱電対の型式も図１に示す非接地式である。さらに、ポリイミドコーティングのコーティング方法も、前述の図５の場合と同じである。
【００２９】
この図６のコーティングの絶縁も、ＤＣ５００Ｖ以上の電圧に耐え、通常の燃料電池における使用に十分耐えうるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、燃料電池の温度を測定する熱電対について述べたが、アースに対して電位のある物体の温度測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】非接地式シース熱電対の長手方向断面図である。
【図２】接地式シース熱電対の長手方向断面図である。
【図３】図１および図２の径方向の断面図である。
【図４】扁平状の断面寸法が最小短径のＰＦＡ樹脂被覆熱電対の断面図である。
【図５】本発明の表面にポリイミドをコーティングしたシース熱電対の状態を説明する正面図である。
【図６】本発明の測温先端側を扁平にし、表面にポリイミドをコーティングした状態を説明する正面図と底面図の二面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…金属シース
２…無機絶縁材
３…＋側熱電対素線
４…−側熱電対素線
５…シール
６…ＰＦＡ樹脂被覆
【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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