水素脆化センサ
【課題】材料試験やその結果に応じた材料選択によらずとも高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決可能にする。
【解決手段】高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材２をセンサボデー１０に備え、該ダイアフラム部材２の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断する。当該ダイアフラム部材２における破壊現象を通じて水素脆化現象をモニタリングすることにより、当該システムの構成部品が破損するよりも前に水素脆化やその影響を検知する。ダイアフラム部材２に当該ダイアフラム部材２の破壊を促進させる応力集中部３が形成されていることが好ましい。
【解決手段】高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材２をセンサボデー１０に備え、該ダイアフラム部材２の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断する。当該ダイアフラム部材２における破壊現象を通じて水素脆化現象をモニタリングすることにより、当該システムの構成部品が破損するよりも前に水素脆化やその影響を検知する。ダイアフラム部材２に当該ダイアフラム部材２の破壊を促進させる応力集中部３が形成されていることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素脆化センサに関する。さらに詳述すると、本発明は、高圧水素システムにおける水素脆化現象に対応するための技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に反応ガス（酸化ガスや、燃料ガスとしての水素ガス）を給排するための配管系、電力を充放電する電力系、システム全体を統括制御する制御系などを備えたシステムとして構成されている。また、例えば高分子電解質形燃料電池等を備えた燃料電池システムは、水素ガスを高圧で貯蔵したタンク（高圧水素タンク）を備えたいわば高圧水素システムの一種でもある。
【０００３】
このような高圧水素システムにおける大きな課題の一つは水素脆化である。これは、金属材料中に高圧水素雰囲気から水素が侵入して材料を脱化させ、場合によっては破壊に繋がる現象（水素脆化現象と呼ばれる）のことである。例えば現在の高圧水素システムでは、この水素脆化現象に関する基準を満たす材料が中心に使用されている。また、水素脆化現象の予測や判定に関しては、ダミーボルトを用いて水素脆化割れを予知する等の技術が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６５２０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１４７７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、現状、高圧水素システムにおいて使用が公認されているのは２種類の材料のみであるため部品設計上の大きな制約となっており、制約が大きいという課題を解決するため種々の試験や研究が行われているところである（例えばＮＥＤＯの水素プロジェクトの中で水素脆化に関する材料データを取得している、等）。ところが、高圧水素中で強度試験ができる設備が日本に数台程度しかない、試験には危険が伴う、さらには法律上の制約があるといった背景から、課題解決は当該システムの利用者や設計者といった関係者らが期待するようなスピードでは進んでいない。
【０００５】
そこで、本発明は、高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決可能な水素脆化センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述した水素脆化現象については研究中の段階であり、尚かつデータが極端に不足しているというのが現状である。一方で、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の低コスト化・軽量化の要請から、より高強度でより安価な材料をできるだけ早急に選択したいという要請もある。このような背景の下、水素脆化現象の予測という観点から検討を重ねた本発明者はかかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明の水素脆化センサはかかる知見に基づくものであり、高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材をセンサボデーに備え、該ダイアフラム部材の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断するように構成されている。
【０００８】
現状、高圧水素の条件下にて材料試験を行い、試験結果に応じた材料を選択してシステムに利用するという方向で水素脆化への対応が進められているが、材料の選択のみで水素脆化を完全に抑えることは将来的にも困難である。この点、本発明においては、高圧水素システムで使用されている材料の中で最も脆化が心配される材料からなるダイアフラム部材を利用し、当該ダイアフラム部材における破壊現象を通じて水素脆化現象をモニタリングすることにより、当該システムの構成部品が破損するよりも前に水素脆化やその影響を検知することが可能である。このような水素脆化センサは高圧水素システムのいずれかに配置されていればよく、従来のごとく材料試験を行ったり選択をしたりしなくても水素脆化の課題を解決することができる。
【０００９】
この水素脆化センサにおいては、ダイアフラム部材に当該ダイアフラム部材の破壊を促進させる応力集中部が形成されていることが好ましい。こうした場合、システムにおける水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。さらに、当該応力集中部が、ダイアフラム部材の圧力を受ける側とは反対側に形成されていることも好ましい。
【００１０】
また、本発明にかかる水素脆化センサは、センサボデーとダイアフラム部材とで形成される密閉空間の内部に圧力検知素子を備えている。この場合の圧力検知素子は、ダイアフラム部材が破壊した場合に侵入する高圧水素と反応したり圧力で機能を損なったりすることがないように構成されている。
【００１１】
また、密閉空間の内部に不活性ガスまたは低活性のガスが充填されていることが好ましい。このような構造であれば、ダイアフラム部材が破壊した場合に密閉空間中の酸素等と水素との反応を抑えることができる。
【００１２】
本発明にかかる水素脆化センサにおいて、ダイアフラム部材は、受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムの２つのダイアフラムからなる。受圧ダイアフラムは高圧水素の圧力を受けて変形等し、この変形等に応じた破壊検知用ダイアフラムの作用により破壊を検知することが可能である。さらに、この場合において受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムとが平行に配置されていることも好ましい。
【００１３】
また本発明では、破壊検知用ダイアフラムとセンサボデーとが一体化しており、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている。破壊検知センサとしては例えばひずみゲージ等を用いることができる。
【００１４】
あるいは、水素脆化センサにおいて破壊検知用ダイアフラムとセンサボデーとが別体であり、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側にひずみゲージ等の破壊検知センサが設けられていることも好ましい。破壊検知用ダイアフラムは例えば溶接、ろう付け等でセンサボデーに取り付けられている。このような構造の水素脆化センサにおいては、受圧ダイアフラムを透過し、２つのダイアフラム（受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラム）で構成される密閉空間に侵入した水素を、破壊検知用ダイアフラムを透過させて大気へ放出することができる。また、このように水素が侵入しても大気へ放出することが可能であるため、破壊検知用ダイアフラム材料の材質の選択幅を広げることができる。この場合、破壊検知用ダイアフラムが受圧ダイアフラムよりも水素を透過させ易い材料からなることが好ましい。さらに、当該材料は内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかる水素脆化センサにおいては、ダイアフラム部材の厚さ及び形状が、高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも２倍以上になるよう設計され、尚かつ実部品の設計に用いられた安全率未満の安全率に設定されている。
【００１６】
さらに本発明にかかる高圧水素システムは、上述した水素脆化センサのいずれかを備えているというものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１〜図６に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる水素脆化センサ１は、高圧水素システム１００における使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材２をセンサボデー１０に備え、該ダイアフラム部材２の破壊を検知して当該高圧水素システム１００内における水素脆化を判断するように構成されているものである（図４等参照）。以下においては、高圧水素システム１００の一例である燃料電池システム（以下、符号１００を付して示す）の全体構成例についてまず説明し、その後、水素脆化センサ１について説明することとする。
【００２０】
図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１０１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１０１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１０１に冷媒を供給して燃料電池１０１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御部７００と、を備えている。
【００２１】
燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１０１は電力を発生する。
【００２２】
酸化ガス配管系３００は、燃料電池１０１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１０１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００２３】
燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１０１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１０１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。
【００２４】
水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１０１に供給される。
【００２５】
供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１０１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１０１に循環供給する。
【００２６】
排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２７】
冷媒配管系５００は、燃料電池１０１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１０１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１０１に循環供給する。
【００２８】
電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１０１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１０１の出力電圧が制御される。
【００２９】
バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
【００３０】
補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１０１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。
【００３１】
制御部７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００３２】
続いて、本発明にかかる水素脆化センサ１の実施形態を説明する（図２等参照）。
【００３３】
＜第１の実施形態＞
水素脆化センサ１は、燃料電池システム（高圧水素システム）１００における使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材２をセンサボデー１０に備え、該ダイアフラム部材２の破壊を検知して当該燃料電池システム１００内における水素脆化を判断するように構成されている。
【００３４】
センサボデー１０は水素脆化センサ１の本体を構成しており、その先端側には空洞部４を形成する凹みが設けられている。センサボデー１０の外周には取付けねじ部９が形成されており、本実施形態の水素脆化センサ１は当該取付けねじ部９により燃料電池システム１００の所定の箇所に取り付けられて水素脆化のモニタリングに利用される。取付けねじ部９の逃げ付近には密封手段としてＯリング６が設けられている（図２参照）。
【００３５】
ダイアフラム部材２は、破壊することによって水素脆化現象の影響を知らしめるように形成された薄板状の部材である。このようなダイアフラム部材２の材料としては、水素脆化の感受性があるとされるステンレス鋼ＳＵＳ３０４やＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０等の他、ＳＣＭ４３５などの鋼材料などの採用が考えられる。本実施形態では、こうした材料を円板状に加工し、例えば溶接またはろう付けによってセンサボデー１０の先端に取り付けている。このようにセンサボデー１０の先端に取り付けられたダイアフラム部材２は、その外側の面で高圧水素の圧力Ｐを受ける（図２参照）。
【００３６】
このようなダイアフラム部材２の表面は平坦であってもよいが、破壊を促進させる形状となっていることが好ましい。例えば本実施形態におけるダイアフラム部材２は、高圧水素側（高圧水素の圧力Ｐを受ける側）の面に切欠きからなる応力集中部３が形成されている（図２参照）。この場合、当該応力集中部３における応力が局部的に増大し、ダイアフラム部材２が破壊しやすくなることから、燃料電池システム１００における水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。本実施形態ではダイアフラム部材２の表面に段差を設け、当該ダイアフラム部材２の中央部をその他の部分よりも薄くしている。
【００３７】
この場合、段差底面の両側の隅肉部分に関し、当該隅肉部分の半径ｒを適宜変更することも好ましい（図２、図３参照）。隅肉部分の半径ｒを適宜変更することにより、当該ダイアフラム部材２の応力集中部３における応力集中率を種々変化させることができる。
【００３８】
また、センサボデー１０とダイアフラム部材２とで形成される密閉空間（空洞部４）の内部には圧力検知素子５が設けられている（図２参照）。この圧力検知素子５は、水素脆化によってダイアフラム部材２が変形したり破壊したりした際における密閉空間（空洞部４）内での圧力変化を検知し、圧力検知素子電極８を通じて検知信号を出力する。本実施形態の圧力検知素子５は、ダイアフラム部材２が破壊した場合に空洞部４へと侵入する高圧水素と反応したり圧力で機能を損なったりすることがないように構成されている。さらに、圧力検知素子電極８が、センサボデー１０を通過して水素脆化センサ１の基端側から突出するように設けられている（図２参照）。
【００３９】
また、本実施形態では、密閉空間（空洞部４）の内部にあらかじめ不活性ガスまたは低活性のガスを充填しておくこととしている。ダイアフラム部材２が破壊した場合、高圧水素ガスと空洞部４の酸素とが瞬時的に反応を起こすことが生じうるが、本実施形態では不活性ガス等を充填しておくことにより水素と酸素との反応を抑え、好ましくない状態に陥ることを回避している。このようなガスとしては、アルゴン等の希ガスを用いることができるのはもちろん、水素ガスとの反応性が低い例えば窒素ガスのようなガスを用いることもできる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
センサボデー１０は水素脆化センサ１の本体を構成しており、その先端側には空洞部４を形成する凹みが設けられている。センサボデー１０の外周には取付けねじ部９が形成されており、本実施形態の水素脆化センサ１は当該取付けねじ部９により燃料電池システム１００の所定の箇所に取り付けられて水素脆化のモニタリングに利用される。取付けねじ部９の逃げ付近には密封手段としてＯリング６が設けられている（図４参照）。
【００４１】
ダイアフラム部材２は、破壊することによって水素脆化現象の影響を知らしめるように形成された薄板状の部材である。本実施形態では、水素脆化の感受性がある材料を円板状に加工し、例えば溶接またはろう付けによってセンサボデー１０の先端に取り付けている（図６参照。なお、図６中における符号Ｗはレーザにより溶接した部分を示している）。このようにセンサボデー１０の先端に取り付けられたダイアフラム部材２は、その外側の面で高圧水素の圧力Ｐを受ける（図４参照）。
【００４２】
このようなダイアフラム部材２の表面は平坦であってもよいが、破壊を促進させる形状となっていることが好ましい。例えば本実施形態におけるダイアフラム部材２は、大気開放側（大気に通じる側のことで、本実施形態における上述の空洞部４側）の面に切欠きからなる応力集中部３が形成されている（図４、図５参照）。この場合、当該応力集中部３における応力が局部的に増大し、ダイアフラム部材２が破壊しやすくなることから、燃料電池システム１００における水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。本実施形態では直線状の切欠きからなる応力集中部３を例示しているが、もちろんこれは一例に過ぎず他の形状や構造としても構わない。また、本実施形態における応力集中部３は、ダイアフラム部材２の水素圧力Ｐを受ける側とは反対側（空洞部４側）に形成されたものだが、これとは反対に水素圧力Ｐを受ける側に形成されていてもよいし、あるいはこれら両面に形成されていてもよい。
【００４３】
＜第３の実施形態＞
本実施形態の水素脆化センサ１は、ダイアフラム部材２が、受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂの２つのダイアフラムからなる構造となっている（図７参照）。
【００４４】
例えば上述の実施形態（第２の実施形態）における水素脆化センサ１においては、ダイアフラム部材２を透過した場合の水素ガスが空洞部４へと入り込むことによって当該空洞部４の内圧が徐々に高くなることがあり、このようにして内圧が高くなると、ダイアフラム部材２に破壊が生じていなくても破壊が生じたかのように誤って判断される可能性がある。この点、本実施形態では、ダイアフラム部材２を２部材からなる構造とし、一方のダイアフラム（破壊検知用ダイアフラム２ｂ）を、高圧水素の圧力Ｐを受けて変形等した際の作用により検知信号を出力する構成としているから、上述のような誤った判断をする可能性がきわめて低くなっている。
【００４５】
本実施形態における破壊検知用ダイアフラム２ｂは、センサボデー１０と一体化した構造となっている（図７参照）。また、当該破壊検知用ダイアフラム２ｂの例えば裏面側（大気開放側）には、当該破壊検知用ダイアフラム２ｂの変形作用を検知可能なセンサの一例として例えばひずみゲージからなるひずみ検知素子１１が設けられている。該ひずみ検知素子１１は、水素脆化によって受圧ダイアフラム部材２ａが破壊した際における破壊検知用ダイアフラム２ｂのひずみを検知し、ひずみ検知素子電極１２を通じて検知信号を出力する（図７参照）。
【００４６】
このような水素脆化センサ１において、受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂとは本実施形態におけるように平行に配置されていることが好ましい（図７参照）。こうした場合、両ダイアフラム２ａ，２ｂの間に傾斜面のない密閉空間を形成することができ、受圧ダイアフラム２ａが破壊した際における破壊検知用ダイアフラム２ｂのひずみをより均一に生じさせやすい。
【００４７】
また、破壊センサ（ひずみ検知素子１１）が破壊検知用ダイアフラム２ｂの大気開放側に設けられた本実施形態の水素脆化センサ１は、当該破壊センサ（ひずみ検知素子１１）の一部が水素に触れにくい構造でもある。したがって、従来は設けられることのあった防爆構造を省略することも可能である。
【００４８】
＜第４の実施形態＞
本実施形態の水素脆化センサ１は、ダイアフラム部材２が受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂの２つのダイアフラムからなり、尚かつ破壊検知用ダイアフラム２ｂがセンサボデー１０とは別体の構造となっている（図８参照）。該破壊検知用ダイアフラム２ｂの大気開放側には、ひずみゲージ等の破壊検知センサ（ひずみ検知素子１１）が設けられている。破壊検知用ダイアフラム２ｂは例えば溶接、ろう付け等でセンサボデー１０に取り付けられている。
【００４９】
このような構造の水素脆化センサ１においては、破壊検知用ダイアフラム２ｂを構成する材料の選択幅を広げることができるので、受圧ダイアフラム２ａを透過し、２つのダイアフラム（受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂ）で構成される密閉空間（空洞部４）に侵入した水素を、破壊検知用ダイアフラム２ｂをさらに透過させて大気へと放出させることが可能になる。
【００５０】
ここで、破壊検知用ダイアフラム２ｂは受圧ダイアフラム２ａよりも水素を透過させ易い材料からなることが好ましい。当該材料は例えば内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造であることが好ましい。材料の具体例を挙げて説明すれば以下のとおりである。
【００５１】
第１の例として、受圧ダイアフラム２ａがオーステナイト系ステンレス（拡散係数が10-14cm2/sec程度であり、水素ガス等の拡散が遅い）の場合、破壊検知用ダイアフラム２ｂの材料としてはフェライトまたはマルテンサイトステンレス若しくは鋼材料が好適である。これら材料におけるガス拡散は、オーステナイト系ステンレスの場合よりも１０9倍程度速い（拡散係数が10-5cm2/sec程度）。
【００５２】
第２の例として、受圧ダイアフラム２ａがフェライト系ステンレスや鋼（拡散が速い。両材質における拡散の速さは同じ程度）の場合、ステンレス焼結材をフェライトステンレス板若しくは鋼板などでサンドイッチした構成などとすることができる（図９参照）。
【００５３】
図９に例示する破壊検知用ダイアフラム２ｂの場合、符号２ｂoutで示す外側のフェライトステンレス板材の厚さは耐圧性が確保できる範囲で受圧ダイアフラム２ａよりも極力薄くなっている。この場合、基本的な耐圧性は符号２ｂinで示す中心（内側）の焼結材料で持たせると同時に、受圧ダイアフラム２ａが破損した場合にはこの多孔質の焼結材料２ｂinを通過して水素が多量に漏れ出でしまうおそれがあるので、これを防ぐ目的で外側をステンレス板材２ｂoutで覆った構成としている。中心の焼結材料２ｂinは水素透過の障害にはならないため全体として水素透過が受圧ダイアフラム２ａより速くなる。耐食性を考慮するとフェライトステンレスが好適であるが鋼板を採用してもよい。このような破壊検知用ダイアフラム２ｂは、センサボデー１０に溶接もしくはろう付けで一体化することができる。上述のような構造とした場合、耐圧性を確保しつつも水素ガス透過を速めるという、相反する特性を満足させることが可能である。
【００５４】
上述の各実施形態中での説明から明らかなように、本発明にかかる水素脆化センサ１においては、高圧水素システム（例えば燃料電池システム１００）で使用されている材料の中で最も脆化が心配される材料からなるダイアフラム部材２を利用し、当該ダイアフラム部材２での破壊現象を通じ、圧力変化またはひずみ変化をパラメータとして水素脆化現象をモニタリングすることができる。このため、高圧水素条件下での材料試験の結果に応じた材料を選択してシステムに利用するという現状の手法によらずとも、別途形成された水素脆化センサ１を当該高圧水素システムの所定の箇所に取り付けるだけで水素脆化現象のモニタリングを実施でき、従来のごとく材料試験を行ったり選択をしたりしなくても水素脆化の課題を解決することが可能である。また、高圧水素システムに配置された場合の水素脆化センサ１は、実際のシステムにおける圧力や温度変動の影響を受けることから、水素脆性に対してより正確な判断をしうる点でも好ましい。
【００５５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では水素脆化センサ１の適用が可能な高圧水素システムの一例として車両に好適な燃料電池システム１００を例示したが（図１参照）、他の高圧設備等においても適用が可能であることはいうまでもない。
【００５６】
また、上述した各実施形態にて説明したダイアフラム部材２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａや破壊検知用ダイアフラム２ｂ）を、さらに所定の形態（厚さ及び形状）とすることもできる。例えば、ダイアフラム部材２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａや破壊検知用ダイアフラム２ｂ）の厚さ及び形状を、あらかじめ行った高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材２の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも２倍以上になるよう設計してもよい。つまり、ダイアフラム部２の厚さや切欠き形状などを設計するに際し、あらかじめ水素中試験により静的破壊荷重を測定しておき、この値が実作動荷重に対して少なくとも２倍以上の安全率になるように設計してもよい。ここでいう「２倍」は、水素中の疲労強度が静的強度のおよそ半分に基づくものであり、種々の形態に応じて適宜変更することができるものである。
【００５７】
また、ダイアフラム部２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａ等）を設計するにあたり、実部品（実際に用いられる部品）の設計に用いた安全率よりも低い安全率に設定することとしてもよい。すなわち、本発明におけるダイアフラム部２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａ）は水素脆化の影響下でより早期に破壊すべきものであるため、実際に用いられる部品の安全率（当該部品が他の部品として実際に用いられる場合における通常的な安全率）を下回る安全率に設定しておけばモニタリングに供する部品として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】高圧水素システムの一例である燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明にかかる水素脆化センサの第１の実施形態を示す部分断面図である。
【図３】ダイアフラム部材に形成された応力集中部の部分拡大図である。
【図４】本発明にかかる水素脆化センサの第２の実施形態を示す部分断面図である。
【図５】ダイアフラム部材の大気開放側の形状例を示す図である。
【図６】ダイアフラム部材をレーザによりセンサボデーに溶接した部分を拡大して示す図である。
【図７】水素脆化センサの第３の実施形態を示す部分断面図である。
【図８】水素脆化センサの第４の実施形態を示す部分断面図である。
【図９】破壊検知用ダイアフラムの構造例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…水素脆化センサ、２…ダイアフラム部材、２ａ…受圧ダイアフラム。２ｂ…破壊検知用ダイアフラム、３…応力集中部、４…空洞部（センサボデーとダイアフラム部材とで形成される密閉空間）、５…圧力検知素子、１０…センサボデー、１１…ひずみ検知素子（破壊検知センサ）、１００…燃料電池システム（高圧水素システム）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素脆化センサに関する。さらに詳述すると、本発明は、高圧水素システムにおける水素脆化現象に対応するための技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に反応ガス（酸化ガスや、燃料ガスとしての水素ガス）を給排するための配管系、電力を充放電する電力系、システム全体を統括制御する制御系などを備えたシステムとして構成されている。また、例えば高分子電解質形燃料電池等を備えた燃料電池システムは、水素ガスを高圧で貯蔵したタンク（高圧水素タンク）を備えたいわば高圧水素システムの一種でもある。
【０００３】
このような高圧水素システムにおける大きな課題の一つは水素脆化である。これは、金属材料中に高圧水素雰囲気から水素が侵入して材料を脱化させ、場合によっては破壊に繋がる現象（水素脆化現象と呼ばれる）のことである。例えば現在の高圧水素システムでは、この水素脆化現象に関する基準を満たす材料が中心に使用されている。また、水素脆化現象の予測や判定に関しては、ダミーボルトを用いて水素脆化割れを予知する等の技術が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６５２０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１４７７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、現状、高圧水素システムにおいて使用が公認されているのは２種類の材料のみであるため部品設計上の大きな制約となっており、制約が大きいという課題を解決するため種々の試験や研究が行われているところである（例えばＮＥＤＯの水素プロジェクトの中で水素脆化に関する材料データを取得している、等）。ところが、高圧水素中で強度試験ができる設備が日本に数台程度しかない、試験には危険が伴う、さらには法律上の制約があるといった背景から、課題解決は当該システムの利用者や設計者といった関係者らが期待するようなスピードでは進んでいない。
【０００５】
そこで、本発明は、高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決可能な水素脆化センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述した水素脆化現象については研究中の段階であり、尚かつデータが極端に不足しているというのが現状である。一方で、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の低コスト化・軽量化の要請から、より高強度でより安価な材料をできるだけ早急に選択したいという要請もある。このような背景の下、水素脆化現象の予測という観点から検討を重ねた本発明者はかかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明の水素脆化センサはかかる知見に基づくものであり、高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材をセンサボデーに備え、該ダイアフラム部材の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断するように構成されている。
【０００８】
現状、高圧水素の条件下にて材料試験を行い、試験結果に応じた材料を選択してシステムに利用するという方向で水素脆化への対応が進められているが、材料の選択のみで水素脆化を完全に抑えることは将来的にも困難である。この点、本発明においては、高圧水素システムで使用されている材料の中で最も脆化が心配される材料からなるダイアフラム部材を利用し、当該ダイアフラム部材における破壊現象を通じて水素脆化現象をモニタリングすることにより、当該システムの構成部品が破損するよりも前に水素脆化やその影響を検知することが可能である。このような水素脆化センサは高圧水素システムのいずれかに配置されていればよく、従来のごとく材料試験を行ったり選択をしたりしなくても水素脆化の課題を解決することができる。
【０００９】
この水素脆化センサにおいては、ダイアフラム部材に当該ダイアフラム部材の破壊を促進させる応力集中部が形成されていることが好ましい。こうした場合、システムにおける水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。さらに、当該応力集中部が、ダイアフラム部材の圧力を受ける側とは反対側に形成されていることも好ましい。
【００１０】
また、本発明にかかる水素脆化センサは、センサボデーとダイアフラム部材とで形成される密閉空間の内部に圧力検知素子を備えている。この場合の圧力検知素子は、ダイアフラム部材が破壊した場合に侵入する高圧水素と反応したり圧力で機能を損なったりすることがないように構成されている。
【００１１】
また、密閉空間の内部に不活性ガスまたは低活性のガスが充填されていることが好ましい。このような構造であれば、ダイアフラム部材が破壊した場合に密閉空間中の酸素等と水素との反応を抑えることができる。
【００１２】
本発明にかかる水素脆化センサにおいて、ダイアフラム部材は、受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムの２つのダイアフラムからなる。受圧ダイアフラムは高圧水素の圧力を受けて変形等し、この変形等に応じた破壊検知用ダイアフラムの作用により破壊を検知することが可能である。さらに、この場合において受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムとが平行に配置されていることも好ましい。
【００１３】
また本発明では、破壊検知用ダイアフラムとセンサボデーとが一体化しており、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている。破壊検知センサとしては例えばひずみゲージ等を用いることができる。
【００１４】
あるいは、水素脆化センサにおいて破壊検知用ダイアフラムとセンサボデーとが別体であり、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側にひずみゲージ等の破壊検知センサが設けられていることも好ましい。破壊検知用ダイアフラムは例えば溶接、ろう付け等でセンサボデーに取り付けられている。このような構造の水素脆化センサにおいては、受圧ダイアフラムを透過し、２つのダイアフラム（受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラム）で構成される密閉空間に侵入した水素を、破壊検知用ダイアフラムを透過させて大気へ放出することができる。また、このように水素が侵入しても大気へ放出することが可能であるため、破壊検知用ダイアフラム材料の材質の選択幅を広げることができる。この場合、破壊検知用ダイアフラムが受圧ダイアフラムよりも水素を透過させ易い材料からなることが好ましい。さらに、当該材料は内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかる水素脆化センサにおいては、ダイアフラム部材の厚さ及び形状が、高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも２倍以上になるよう設計され、尚かつ実部品の設計に用いられた安全率未満の安全率に設定されている。
【００１６】
さらに本発明にかかる高圧水素システムは、上述した水素脆化センサのいずれかを備えているというものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高圧水素システムにおける水素脆化の課題を解決することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１〜図６に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる水素脆化センサ１は、高圧水素システム１００における使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材２をセンサボデー１０に備え、該ダイアフラム部材２の破壊を検知して当該高圧水素システム１００内における水素脆化を判断するように構成されているものである（図４等参照）。以下においては、高圧水素システム１００の一例である燃料電池システム（以下、符号１００を付して示す）の全体構成例についてまず説明し、その後、水素脆化センサ１について説明することとする。
【００２０】
図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１０１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１０１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１０１に冷媒を供給して燃料電池１０１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御部７００と、を備えている。
【００２１】
燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１０１は電力を発生する。
【００２２】
酸化ガス配管系３００は、燃料電池１０１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１０１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００２３】
燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１０１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１０１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。
【００２４】
水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１０１に供給される。
【００２５】
供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１０１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１０１に循環供給する。
【００２６】
排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２７】
冷媒配管系５００は、燃料電池１０１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１０１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１０１に循環供給する。
【００２８】
電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１０１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１０１の出力電圧が制御される。
【００２９】
バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
【００３０】
補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１０１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。
【００３１】
制御部７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００３２】
続いて、本発明にかかる水素脆化センサ１の実施形態を説明する（図２等参照）。
【００３３】
＜第１の実施形態＞
水素脆化センサ１は、燃料電池システム（高圧水素システム）１００における使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材２をセンサボデー１０に備え、該ダイアフラム部材２の破壊を検知して当該燃料電池システム１００内における水素脆化を判断するように構成されている。
【００３４】
センサボデー１０は水素脆化センサ１の本体を構成しており、その先端側には空洞部４を形成する凹みが設けられている。センサボデー１０の外周には取付けねじ部９が形成されており、本実施形態の水素脆化センサ１は当該取付けねじ部９により燃料電池システム１００の所定の箇所に取り付けられて水素脆化のモニタリングに利用される。取付けねじ部９の逃げ付近には密封手段としてＯリング６が設けられている（図２参照）。
【００３５】
ダイアフラム部材２は、破壊することによって水素脆化現象の影響を知らしめるように形成された薄板状の部材である。このようなダイアフラム部材２の材料としては、水素脆化の感受性があるとされるステンレス鋼ＳＵＳ３０４やＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０等の他、ＳＣＭ４３５などの鋼材料などの採用が考えられる。本実施形態では、こうした材料を円板状に加工し、例えば溶接またはろう付けによってセンサボデー１０の先端に取り付けている。このようにセンサボデー１０の先端に取り付けられたダイアフラム部材２は、その外側の面で高圧水素の圧力Ｐを受ける（図２参照）。
【００３６】
このようなダイアフラム部材２の表面は平坦であってもよいが、破壊を促進させる形状となっていることが好ましい。例えば本実施形態におけるダイアフラム部材２は、高圧水素側（高圧水素の圧力Ｐを受ける側）の面に切欠きからなる応力集中部３が形成されている（図２参照）。この場合、当該応力集中部３における応力が局部的に増大し、ダイアフラム部材２が破壊しやすくなることから、燃料電池システム１００における水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。本実施形態ではダイアフラム部材２の表面に段差を設け、当該ダイアフラム部材２の中央部をその他の部分よりも薄くしている。
【００３７】
この場合、段差底面の両側の隅肉部分に関し、当該隅肉部分の半径ｒを適宜変更することも好ましい（図２、図３参照）。隅肉部分の半径ｒを適宜変更することにより、当該ダイアフラム部材２の応力集中部３における応力集中率を種々変化させることができる。
【００３８】
また、センサボデー１０とダイアフラム部材２とで形成される密閉空間（空洞部４）の内部には圧力検知素子５が設けられている（図２参照）。この圧力検知素子５は、水素脆化によってダイアフラム部材２が変形したり破壊したりした際における密閉空間（空洞部４）内での圧力変化を検知し、圧力検知素子電極８を通じて検知信号を出力する。本実施形態の圧力検知素子５は、ダイアフラム部材２が破壊した場合に空洞部４へと侵入する高圧水素と反応したり圧力で機能を損なったりすることがないように構成されている。さらに、圧力検知素子電極８が、センサボデー１０を通過して水素脆化センサ１の基端側から突出するように設けられている（図２参照）。
【００３９】
また、本実施形態では、密閉空間（空洞部４）の内部にあらかじめ不活性ガスまたは低活性のガスを充填しておくこととしている。ダイアフラム部材２が破壊した場合、高圧水素ガスと空洞部４の酸素とが瞬時的に反応を起こすことが生じうるが、本実施形態では不活性ガス等を充填しておくことにより水素と酸素との反応を抑え、好ましくない状態に陥ることを回避している。このようなガスとしては、アルゴン等の希ガスを用いることができるのはもちろん、水素ガスとの反応性が低い例えば窒素ガスのようなガスを用いることもできる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
センサボデー１０は水素脆化センサ１の本体を構成しており、その先端側には空洞部４を形成する凹みが設けられている。センサボデー１０の外周には取付けねじ部９が形成されており、本実施形態の水素脆化センサ１は当該取付けねじ部９により燃料電池システム１００の所定の箇所に取り付けられて水素脆化のモニタリングに利用される。取付けねじ部９の逃げ付近には密封手段としてＯリング６が設けられている（図４参照）。
【００４１】
ダイアフラム部材２は、破壊することによって水素脆化現象の影響を知らしめるように形成された薄板状の部材である。本実施形態では、水素脆化の感受性がある材料を円板状に加工し、例えば溶接またはろう付けによってセンサボデー１０の先端に取り付けている（図６参照。なお、図６中における符号Ｗはレーザにより溶接した部分を示している）。このようにセンサボデー１０の先端に取り付けられたダイアフラム部材２は、その外側の面で高圧水素の圧力Ｐを受ける（図４参照）。
【００４２】
このようなダイアフラム部材２の表面は平坦であってもよいが、破壊を促進させる形状となっていることが好ましい。例えば本実施形態におけるダイアフラム部材２は、大気開放側（大気に通じる側のことで、本実施形態における上述の空洞部４側）の面に切欠きからなる応力集中部３が形成されている（図４、図５参照）。この場合、当該応力集中部３における応力が局部的に増大し、ダイアフラム部材２が破壊しやすくなることから、燃料電池システム１００における水素脆化現象をさらに感度よく検知することが可能となる。本実施形態では直線状の切欠きからなる応力集中部３を例示しているが、もちろんこれは一例に過ぎず他の形状や構造としても構わない。また、本実施形態における応力集中部３は、ダイアフラム部材２の水素圧力Ｐを受ける側とは反対側（空洞部４側）に形成されたものだが、これとは反対に水素圧力Ｐを受ける側に形成されていてもよいし、あるいはこれら両面に形成されていてもよい。
【００４３】
＜第３の実施形態＞
本実施形態の水素脆化センサ１は、ダイアフラム部材２が、受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂの２つのダイアフラムからなる構造となっている（図７参照）。
【００４４】
例えば上述の実施形態（第２の実施形態）における水素脆化センサ１においては、ダイアフラム部材２を透過した場合の水素ガスが空洞部４へと入り込むことによって当該空洞部４の内圧が徐々に高くなることがあり、このようにして内圧が高くなると、ダイアフラム部材２に破壊が生じていなくても破壊が生じたかのように誤って判断される可能性がある。この点、本実施形態では、ダイアフラム部材２を２部材からなる構造とし、一方のダイアフラム（破壊検知用ダイアフラム２ｂ）を、高圧水素の圧力Ｐを受けて変形等した際の作用により検知信号を出力する構成としているから、上述のような誤った判断をする可能性がきわめて低くなっている。
【００４５】
本実施形態における破壊検知用ダイアフラム２ｂは、センサボデー１０と一体化した構造となっている（図７参照）。また、当該破壊検知用ダイアフラム２ｂの例えば裏面側（大気開放側）には、当該破壊検知用ダイアフラム２ｂの変形作用を検知可能なセンサの一例として例えばひずみゲージからなるひずみ検知素子１１が設けられている。該ひずみ検知素子１１は、水素脆化によって受圧ダイアフラム部材２ａが破壊した際における破壊検知用ダイアフラム２ｂのひずみを検知し、ひずみ検知素子電極１２を通じて検知信号を出力する（図７参照）。
【００４６】
このような水素脆化センサ１において、受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂとは本実施形態におけるように平行に配置されていることが好ましい（図７参照）。こうした場合、両ダイアフラム２ａ，２ｂの間に傾斜面のない密閉空間を形成することができ、受圧ダイアフラム２ａが破壊した際における破壊検知用ダイアフラム２ｂのひずみをより均一に生じさせやすい。
【００４７】
また、破壊センサ（ひずみ検知素子１１）が破壊検知用ダイアフラム２ｂの大気開放側に設けられた本実施形態の水素脆化センサ１は、当該破壊センサ（ひずみ検知素子１１）の一部が水素に触れにくい構造でもある。したがって、従来は設けられることのあった防爆構造を省略することも可能である。
【００４８】
＜第４の実施形態＞
本実施形態の水素脆化センサ１は、ダイアフラム部材２が受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂの２つのダイアフラムからなり、尚かつ破壊検知用ダイアフラム２ｂがセンサボデー１０とは別体の構造となっている（図８参照）。該破壊検知用ダイアフラム２ｂの大気開放側には、ひずみゲージ等の破壊検知センサ（ひずみ検知素子１１）が設けられている。破壊検知用ダイアフラム２ｂは例えば溶接、ろう付け等でセンサボデー１０に取り付けられている。
【００４９】
このような構造の水素脆化センサ１においては、破壊検知用ダイアフラム２ｂを構成する材料の選択幅を広げることができるので、受圧ダイアフラム２ａを透過し、２つのダイアフラム（受圧ダイアフラム２ａと破壊検知用ダイアフラム２ｂ）で構成される密閉空間（空洞部４）に侵入した水素を、破壊検知用ダイアフラム２ｂをさらに透過させて大気へと放出させることが可能になる。
【００５０】
ここで、破壊検知用ダイアフラム２ｂは受圧ダイアフラム２ａよりも水素を透過させ易い材料からなることが好ましい。当該材料は例えば内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造であることが好ましい。材料の具体例を挙げて説明すれば以下のとおりである。
【００５１】
第１の例として、受圧ダイアフラム２ａがオーステナイト系ステンレス（拡散係数が10-14cm2/sec程度であり、水素ガス等の拡散が遅い）の場合、破壊検知用ダイアフラム２ｂの材料としてはフェライトまたはマルテンサイトステンレス若しくは鋼材料が好適である。これら材料におけるガス拡散は、オーステナイト系ステンレスの場合よりも１０9倍程度速い（拡散係数が10-5cm2/sec程度）。
【００５２】
第２の例として、受圧ダイアフラム２ａがフェライト系ステンレスや鋼（拡散が速い。両材質における拡散の速さは同じ程度）の場合、ステンレス焼結材をフェライトステンレス板若しくは鋼板などでサンドイッチした構成などとすることができる（図９参照）。
【００５３】
図９に例示する破壊検知用ダイアフラム２ｂの場合、符号２ｂoutで示す外側のフェライトステンレス板材の厚さは耐圧性が確保できる範囲で受圧ダイアフラム２ａよりも極力薄くなっている。この場合、基本的な耐圧性は符号２ｂinで示す中心（内側）の焼結材料で持たせると同時に、受圧ダイアフラム２ａが破損した場合にはこの多孔質の焼結材料２ｂinを通過して水素が多量に漏れ出でしまうおそれがあるので、これを防ぐ目的で外側をステンレス板材２ｂoutで覆った構成としている。中心の焼結材料２ｂinは水素透過の障害にはならないため全体として水素透過が受圧ダイアフラム２ａより速くなる。耐食性を考慮するとフェライトステンレスが好適であるが鋼板を採用してもよい。このような破壊検知用ダイアフラム２ｂは、センサボデー１０に溶接もしくはろう付けで一体化することができる。上述のような構造とした場合、耐圧性を確保しつつも水素ガス透過を速めるという、相反する特性を満足させることが可能である。
【００５４】
上述の各実施形態中での説明から明らかなように、本発明にかかる水素脆化センサ１においては、高圧水素システム（例えば燃料電池システム１００）で使用されている材料の中で最も脆化が心配される材料からなるダイアフラム部材２を利用し、当該ダイアフラム部材２での破壊現象を通じ、圧力変化またはひずみ変化をパラメータとして水素脆化現象をモニタリングすることができる。このため、高圧水素条件下での材料試験の結果に応じた材料を選択してシステムに利用するという現状の手法によらずとも、別途形成された水素脆化センサ１を当該高圧水素システムの所定の箇所に取り付けるだけで水素脆化現象のモニタリングを実施でき、従来のごとく材料試験を行ったり選択をしたりしなくても水素脆化の課題を解決することが可能である。また、高圧水素システムに配置された場合の水素脆化センサ１は、実際のシステムにおける圧力や温度変動の影響を受けることから、水素脆性に対してより正確な判断をしうる点でも好ましい。
【００５５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では水素脆化センサ１の適用が可能な高圧水素システムの一例として車両に好適な燃料電池システム１００を例示したが（図１参照）、他の高圧設備等においても適用が可能であることはいうまでもない。
【００５６】
また、上述した各実施形態にて説明したダイアフラム部材２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａや破壊検知用ダイアフラム２ｂ）を、さらに所定の形態（厚さ及び形状）とすることもできる。例えば、ダイアフラム部材２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａや破壊検知用ダイアフラム２ｂ）の厚さ及び形状を、あらかじめ行った高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材２の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも２倍以上になるよう設計してもよい。つまり、ダイアフラム部２の厚さや切欠き形状などを設計するに際し、あらかじめ水素中試験により静的破壊荷重を測定しておき、この値が実作動荷重に対して少なくとも２倍以上の安全率になるように設計してもよい。ここでいう「２倍」は、水素中の疲労強度が静的強度のおよそ半分に基づくものであり、種々の形態に応じて適宜変更することができるものである。
【００５７】
また、ダイアフラム部２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａ等）を設計するにあたり、実部品（実際に用いられる部品）の設計に用いた安全率よりも低い安全率に設定することとしてもよい。すなわち、本発明におけるダイアフラム部２（あるいはこれを構成する受圧ダイアフラム２ａ）は水素脆化の影響下でより早期に破壊すべきものであるため、実際に用いられる部品の安全率（当該部品が他の部品として実際に用いられる場合における通常的な安全率）を下回る安全率に設定しておけばモニタリングに供する部品として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】高圧水素システムの一例である燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明にかかる水素脆化センサの第１の実施形態を示す部分断面図である。
【図３】ダイアフラム部材に形成された応力集中部の部分拡大図である。
【図４】本発明にかかる水素脆化センサの第２の実施形態を示す部分断面図である。
【図５】ダイアフラム部材の大気開放側の形状例を示す図である。
【図６】ダイアフラム部材をレーザによりセンサボデーに溶接した部分を拡大して示す図である。
【図７】水素脆化センサの第３の実施形態を示す部分断面図である。
【図８】水素脆化センサの第４の実施形態を示す部分断面図である。
【図９】破壊検知用ダイアフラムの構造例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…水素脆化センサ、２…ダイアフラム部材、２ａ…受圧ダイアフラム。２ｂ…破壊検知用ダイアフラム、３…応力集中部、４…空洞部（センサボデーとダイアフラム部材とで形成される密閉空間）、５…圧力検知素子、１０…センサボデー、１１…ひずみ検知素子（破壊検知センサ）、１００…燃料電池システム（高圧水素システム）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材をセンサボデーに備え、該ダイアフラム部材の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断するように構成されている水素脆化センサ。
【請求項２】
前記ダイアフラム部材に当該ダイアフラム部材の破壊を促進させる応力集中部が形成されている請求項１に記載の水素脆化センサ。
【請求項３】
前記応力集中部が、前記ダイアフラム部材の圧力を受ける側とは反対側に形成されている請求項２に記載の水素脆化センサ。
【請求項４】
前記センサボデーと前記ダイアフラム部材とで形成される密閉空間の内部に圧力検知素子を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。
【請求項５】
前記密閉空間の内部に不活性ガスまたは低活性のガスが充填されている請求項４に記載の水素脆化センサ。
【請求項６】
前記ダイアフラム部材は、受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムの２つのダイアフラムからなる請求項１から５のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。
【請求項７】
前記受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムとが平行に配置されている請求項６に記載の水素脆化センサ。
【請求項８】
前記破壊検知用ダイアフラムと前記センサボデーとが一体化しており、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている請求項６または７に記載の水素脆化センサ。
【請求項９】
前記破壊検知用ダイアフラムと前記センサボデーとが別体であり、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている請求項６または７に記載の水素脆化センサ。
【請求項１０】
前記破壊検知用ダイアフラムが前記受圧ダイアフラムよりも水素を透過させ易い材料からなる請求項９に記載の水素脆化センサ。
【請求項１１】
前記材料は、内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造である請求項１０に記載の水素脆化センサ。
【請求項１２】
前記ダイアフラム部材の厚さ及び形状が、高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも２倍以上になるよう設計され、尚かつ実部品の設計に用いられた安全率未満の安全率に設定されている請求項１から１１のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の水素脆化センサを備えた高圧水素システム。
【請求項１】
高圧水素システムにおける使用材料のうち最も水素脆化し易い材料からなるダイアフラム部材をセンサボデーに備え、該ダイアフラム部材の破壊を検知して当該高圧水素システム内における水素脆化を判断するように構成されている水素脆化センサ。
【請求項２】
前記ダイアフラム部材に当該ダイアフラム部材の破壊を促進させる応力集中部が形成されている請求項１に記載の水素脆化センサ。
【請求項３】
前記応力集中部が、前記ダイアフラム部材の圧力を受ける側とは反対側に形成されている請求項２に記載の水素脆化センサ。
【請求項４】
前記センサボデーと前記ダイアフラム部材とで形成される密閉空間の内部に圧力検知素子を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。
【請求項５】
前記密閉空間の内部に不活性ガスまたは低活性のガスが充填されている請求項４に記載の水素脆化センサ。
【請求項６】
前記ダイアフラム部材は、受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムの２つのダイアフラムからなる請求項１から５のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。
【請求項７】
前記受圧ダイアフラムと破壊検知用ダイアフラムとが平行に配置されている請求項６に記載の水素脆化センサ。
【請求項８】
前記破壊検知用ダイアフラムと前記センサボデーとが一体化しており、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている請求項６または７に記載の水素脆化センサ。
【請求項９】
前記破壊検知用ダイアフラムと前記センサボデーとが別体であり、該破壊検知用ダイアフラムの大気開放側に破壊検知センサが設けられている請求項６または７に記載の水素脆化センサ。
【請求項１０】
前記破壊検知用ダイアフラムが前記受圧ダイアフラムよりも水素を透過させ易い材料からなる請求項９に記載の水素脆化センサ。
【請求項１１】
前記材料は、内部が多孔質で耐圧強度を有する焼結材料であり、該焼結材料の外側がフェライト系ステンレスまたは鋼板で覆われた構造である請求項１０に記載の水素脆化センサ。
【請求項１２】
前記ダイアフラム部材の厚さ及び形状が、高圧水素中での破壊試験により求めた当該ダイアフラム部材の静的破壊荷重が実作動荷重の少なくとも２倍以上になるよう設計され、尚かつ実部品の設計に用いられた安全率未満の安全率に設定されている請求項１から１１のいずれか一項に記載の水素脆化センサ。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の水素脆化センサを備えた高圧水素システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１４５０４６（Ｐ２００９−１４５０４６Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１９２８８（Ｐ２００７−３１９２８８）
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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