成果報告書詳細
管理番号20130000000164
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) マイクロフローセンサーパッケージの技術開発
公開日2013/7/10
報告書年度2009 - 2012
委託先名株式会社菊池製作所
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約件名:平成21年度-平成24年度成果報告 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) マイクロフローセンサーパッケージの技術開発

1) 概要:家庭用燃料電池システム内に複数存在する流量計の性能向上・小型化・低価格化が必要であることから、Phase1ではフィジビリティスタディを実施した。Phase2の1年目では補正回路を伴った流量計ワーキングサンプルを製作し、燃料電池システムメーカーや流量計メーカーへの貸与を開始した。Phase2の2年目では量産化の為の技術開発と品質保証評価を推進した。2) 理論展開:ドイツFraunhofer EMFT(旧IZM)の理論を基に、家庭用燃料電池等で使用可能な液体/気体の両方の流量検出原理を調査した。小型・安価・高性能を実現し、家庭用燃料電池への適用が可能であると結論付けた。3) フィジビリティスタディ:フローセンサーチップの実装において毛管力を利用したシール方法を確立した。流量検出評価については流量に比例した出力電圧を確認した。理論式から計算される数値とCFDシミュレーション結果は整合することが判った。4) 実装技術開発:差圧式MEMS流量センサーチップを大量に製作した。家庭用燃料電池の流量レンジに適合させるため、分流構造を持った流量計ユニットと、オフセット電圧補正・フルスパン補正・リニアリティー補正・温度補正を含んだ制御回路を製作した。5) 性能評価技術開発:家庭用燃料電池に組み込んで使用する場合の評価条件として、温度環境に対して変化するパラメータ(オフセット電圧・フルスパン・粘度・温度抵抗)を測定した。また基準濁度液を使用して長期的な異物耐性評価を実施し、10,000hrまでの性能安定性を評価した。6) 量産化技術開発:量産時のコストターゲットを想定し、流量計ユニットの直材費が\800程度になるよう、制御回路のコストダウン設計を実施した。MPUの選定・温度検出方法の変更等により、コストターゲットに合致する目処をつけた。7) 品質保証評価:異物耐性評価を40,000hrまで継続すると共に、製品保証項目として「振動試験」・「落下試験」・「耐圧試験」・「ヒートストレスサイクル試験」を行った。外観・性能面での劣化は発生しなかった。8) 市場調査:差圧式MEMSフローセンサーの適合する領域を策定し、顧客要望を調査した。家庭用燃料電池、水素インフラ関連、一般流量計測(組込み)市場、医療関連市場において需要があることを確認した。
英文要約Title: New Energy Technology Research Development/New Energy Venture Business Technology Innovation Program(Fuel Cells and Batteries)/Development of micro flow sensor package (FY2009-FY2012) Final Report

1) Overview:The objective of this three-year project was to improve the performance of the multiple flow meters used in household fuel cell systems. Miniaturization and cost reduction of the flow meters were also in scope. The progress of the project can be summarized in two phases. Phase 1: Feasibility study of the sensing method. Phase 2: First year: Fabrication of working samples with correction circuit. Sample distribution to manufacturers of fuel cell systems and flow meters. Second year: Development of manufacturing technologies and evaluation methods for quality assurance. 2) Evaluation of measurement method: A micro flow measurement method, which was developed at Fraunhofer EMFT (former IZM) in Germany, has been examined whether this method was applicable to measurement of both liquid and gas in household fuel cell systems. We concluded that the method was useful for fabrication of compact, low-cost, and high-performance mass flow sensors for household fuel cell systems. 3) Feasibility study: We developed a new sealing method that utilizes capillary force for mounting flow sensor chip. The sensor output was proportional to the flow rate. Values obtained from theoretical formulae agreed with results obtained by Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. 4) Development of packaging (fabrication) technologies: Differential pressure MEMS type flow sensor chip was fabricated in large quantity. A flow meter unit with flow diversion path was adopted in order to adapt to the flow range of liquids and gases in household fuel cell systems. The control circuit was capable of temperature compensation, adjustments for offset voltage, full-scale span, and linearity. 5) Development of performance evaluation method: We selected temperature-sensitive parameters for the evaluation criteria of flow meters used in household fuel cell, namely, offset voltage, full-scale span, viscosity, and thermal resistance. Furthermore, stability of long-term performance was evaluated for up to 10,000 hours by using standard turbidity solution. 6) Development of mass production technology: We set the direct material cost target of the flow meter unit at around \800. This cost was derived from the final cost target at mass production. Control circuit was redesigned to satisfy this condition. Selection of MPU and change in temperature detection method were the major design modifications. 7) Evaluation of quality assurance: Resistance to foreign material was evaluated for 40,000 hrs. Vibration test, drop test, pressure test, and heat cycle stress test, were conducted to guarantee the product warranty items. Deterioration in terms of performance and appearance did not occur. 8) Market research: We estimated the market of differential pressure MEMS type flow sensor and studied customer requirements on this product. There are demands in household stationary fuel cell systems, infrastructure of hydrogen supply, general (embedded) flow measurement systems, and healthcare-related markets.
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