JP2014055867A

JP2014055867A - 燃料電池システム及び燃料電池システム用フロートスイッチ

Info

Publication number: JP2014055867A
Application number: JP2012201155A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Yoshimura; 昌知吉村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-27

Abstract

【課題】フロート及びガイドパイプの引っかかりによる固着を防止し、安定した液面検出が可能な燃料電池システム及び燃料電池システム用フロートスイッチを提供する。
【解決手段】熱及び電気を生成する燃料電池と、燃料電池からの熱を回収する熱媒体を流通する熱媒体経路と、熱媒体経路上に設けられ、熱媒体を貯める熱媒体タンクと、熱媒体タンク内の液面を検出するためのフロートスイッチと、を備え、フロートスイッチは、リードスイッチを内臓したガイドパイプと、ガイドパイプに沿って液面の変化に伴って移動するマグネットを内蔵したフロートと、ガイドパイプのフロートに対向する表面、及び、フロートのガイドパイプに対向する表面のうちの少なくとも一方に配置された摩擦低減部材と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに利用される金属製の液面検出用フロートスイッチに関するものである。

図５は、従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である（特許文献１参照）。図５に示す燃料電池システムでは、主に燃料処理系（ＦＰＳ；ＦｕｅｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）１、電池本体（ＣＳＡ；ＣｅｌｌＳｔａｃｋＡｓｓｅｍｂｌｙ）２から構成されている。燃料処理系１は、燃料源３、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、一酸化炭素（ＣＯ）シフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水タンク１０、アノード入口水ドレイン回収部１１、改質用水ポンプ１２から構成される。燃料源３から供給される燃料は、炭化水素系燃料、例えばプロパンや都市ガスである。一方、電池本体２は、アノード１３、カソード１４、水冷却部１５、電池冷却水ポンプ１６、熱交換器から構成されている。固体高分子膜を電解質に用いた固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と略す）が燃料電池システムに組み込まれている。この燃料電池は、水素ガスを主成分とする燃料ガス中の水素と空気中の酸素との間の発熱反応である電気化学反応により発電する。なお、燃料ガスは、例えば、都市ガス等の炭化水素ガスを水蒸気改質すると得られる。

そして、この燃料電池システムにおいて使用される循環水は電気抵抗が小さいため循環回路上に設けられた改質水タンクの液面検出方法は、フロートスイッチ等で行うことができる。フロートスイッチの構成材料としては、樹脂材料や金属材料を用いることが考えられる。しかしながら、フロートスイッチのガイドパイプに樹脂材料を用いると、長期間使用した場合に、液体が樹脂材料を徐々に透過し、ガイドパイプの内側に液体が浸入する恐れがある。ガイドパイプの内側に液体が浸入すると、ガイドパイプの内側に配置された電装部品が故障する恐れがある。また、フロートスイッチのフロートに樹脂材料を用いた場合も同様に、長期間使用すると、液体が樹脂材料を徐々に透過し、フロートの内部に液体が浸入する恐れがある。フロートの内部に液体が浸入すると、フロートの浮力が低下し、液面の検出精度が低下する恐れがある。

燃料電池システムは、長期間（例えば、１０年）の耐久性が求められる。従って、フロートスイッチの耐久性を確保するために、フロートスイッチのガイドパイプ及びフロートには、金属材料を用いることが好ましい。金属材料としては、例えば、ステンレス材が使用されることが好ましい。

図６は、従来のタンク液面検出用のフロートスイッチを示したものである（特許文献２参照）。従来のフロートスイッチでは、粘度の高い流体による固着を防止するために、フロート内面に固着防止用突起が設けられ、ガイドパイプとフロートとの間の接触面積をより低減する構成が開示されている。

特開平２００２−４２８４７号公報特開平１１−９４６３１号公報

しかしながら、燃料電池システムに従来のフロートスイッチを適用する場合、正確な液面検出を行うという観点から未だ改善の余地があった。

本発明は、より安定した液面検出が可能な燃料電池システム用フロートスイッチ及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、熱及び電気を生成する燃料電池と、前記燃料電池からの熱を回収する熱媒体を流通する熱媒体経路と、前記熱媒体経路上に設けられ、前記熱媒体を貯める熱媒体タンクと、前記熱媒体タンク内の液面を検出するためのフロートスイッチと、を備え、
前記フロートスイッチは、リードスイッチを内臓したガイドパイプと、前記ガイドパイプに沿って液面の変化に伴って移動するマグネットを内蔵したフロートと、前記ガイドパイプの前記フロートに対向する表面、及び、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面のうちの少なくとも一方に配置された摩擦低減部材と、を有する。

これにより、フロートとガイドパイプの引っかかりを無くし、フロートの固着を防止することができる。

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システム用フロートスイッチは、フロート及びガイドパイプの引っかかりによる固着を防止し、安定した液面検出が可能な燃料電池用フロートスイッチを提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるフロートスイッチの断面図本発明の実施の形態１におけるフロートスイッチの断面図本発明の実施の形態２におけるフロートスイッチの断面図本発明の実施の形態１における燃料電池システムを示すブロック図従来の燃料電池システムのブロック図従来のフロートスイッチの断面図

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、燃料電池システムに従来のフロートスイッチを適用する場合、以下の課題があることを見出した。

燃料電池システムに用いる熱媒体（例えば、水）を貯める熱媒体タンクの液面を検出する場合、燃料電池の熱を回収するために流通する熱媒体の流量が小さいため、熱媒体タンク内の液面の変化速度が他の機器に比べて遅い。そのため、ガイドパイプ及びフロートが互いに対向する表面に微小な凹凸がある場合に、フロートとガイドパイプとがこの微小な凹凸に機械的に引っかかり、固着する恐れがあった。従って、上記従来の構成では、燃料電池システムに用いる熱媒体の液面を検出する場合に、フロートスイッチが機械的にガイドパイプに引っかかることを十分に防止できない恐れがあり、正確な液面検出を行うという観点から未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。

ここで、ガイドパイプ及びフロートが互いに対向する表面に形成される微小な凹凸とは、例えば、フロートが金属プレス溶接品で構成され、フロート内面に溶接による微小溶接痕や、プレス時の微小なバリがある場合が考えられる。

本発明の燃料電池システムは、熱及び電気を生成する燃料電池と、前記燃料電池からの
熱を回収する熱媒体を流通する熱媒体経路と、前記熱媒体経路上に設けられ、前記熱媒体を貯める熱媒体タンクと、前記熱媒体タンク内の液面を検出するためのフロートスイッチと、を備え、
前記フロートスイッチは、リードスイッチを内臓したガイドパイプと、前記ガイドパイプに沿って液面の変化に伴って移動するマグネットを内蔵したフロートと、前記ガイドパイプの前記フロートに対向する表面、及び、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面のうちの少なくとも一方に配置された摩擦低減部材と、を有する。

また、前記摩擦低減部材は、樹脂材料であってもよい。これにより、フロートとガイドパイプの引っかかりを無くし、フロートの固着を防止することができる。

また、前記摩擦低減部材は、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面に配置され、前記フロートの重力方向の上側に配置されていてもよい。これにより、フロートとガイドパイプの引っかかりを無くし、フロートの固着を防止することができる。

また、本発明の燃料電池システム用フロートスイッチは、燃料電池からの熱を回収する熱媒体の水位を計測するための燃料電池システム用フロートスイッチであって、リードスイッチを内臓したガイドパイプと、前記ガイドパイプに沿って液面の変化に伴って移動するマグネットを内蔵したフロートと、前記ガイドパイプの前記フロートに対向する表面、及び、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面のうちの少なくとも一方に配置された摩擦低減部材と、を備える。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図４は、本実施の形態における燃料電池冷却装置を包含する燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１、図２は本実施の形態におけるフロートスイッチの断面図である。

以下、本実施の形態におけるフロートスイッチの働きについて燃料電池冷却装置の具体的な構成例および動作例について、燃料電池システムの構成例とフロートスイッチの断面図をもとに図面を参照しながら説明する。

図４に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス（水素ガス）を用いて発電および発熱する燃料電池５１と燃焼ガス中のメタンと、改質反応を起こさせ、水素を発生させる水素生成機６０を備える。図４では、冷却水の流れの方向が点線の矢印によって示さ
れている。

燃料電池５１では、燃料電池５１のアノード（図示せず）に供給された燃料ガスと、燃料電池５１のカソード（図示せず）に供給された酸化ガス（例えば、空気）と、が電気化学的に反応（発熱反応）して、電力および熱が発生する。燃料電池５１によって生成された電力は、例えば、様々な電気機器において利用できる。また、燃料電池５１によって生成された熱は、様々な用途に利用でき、例えば、家庭の暖房や給湯などにおいても利用できる。

なお、燃料電池５１の内部構造は公知である。よって、その詳細な説明は省略する。燃料電池５１の発電では、上述の電気化学反応（発熱反応）が進行するので、燃料電池５１の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持されるよう、燃料電池５１の温度を一定に保つ機構が一般的に採用されている。

燃料電池システム１００の冷却回路は、図１に示すように、燃料電池５１の発電中に燃料電池５１を冷却するための冷却水を循環する冷却水循環回路５２と、冷却水循環回路５２に設けられたヒータ５３を具備し冷却水を貯える冷却水タンク５４と、冷却水タンク５４の水位を制御する冷却水タンクフロートスイッチ５８と、冷却水循環回路５２内の冷却水を循環させる循環ポンプ５６と、冷却水循環回路５２の廃熱を吸収して貯湯槽７０内に蓄熱する熱交換器５５と、燃料電池５１の冷却水出口に設けられた温度検出器５７を備えたものである。図１では、冷却水の流れの方向が実線の矢印によって示されている。冷却水循環回路５２上には、冷却水タンク５４と、熱交換器５５と、燃料電池５１と循環ポンプ５６が配置されている。

燃料電池システム１００は、燃料電池５１に都市ガス等を用いて燃料ガス（水素ガス）を供給する水素生成機６０と、改質反応のための反応用の水を供給する給水回路６２を備える。また、燃料電池システム１００は、水素生成機６０に反応用の水を供給する供給ポンプ６１と、水素生成機６０への反応用の水の入り切りを行う改質水供給弁（図示せず）と、供給ポンプ６１の下流側から分岐した凝縮水回路６４と、凝縮水タンク６６と、凝縮水タンク６６の水位を制御する凝縮水タンクフロートスイッチ６７と、冷却水供給ポンプ６３と、冷却水供給回路６５と、を備えている。

給水回路６２は、燃料電池５１と循環ポンプ５６をつなぐ冷却水循環回路５２から分岐している。凝縮水回路６４は、給水回路６２の途中から分岐し、凝縮水タンク６６に接続されている。

つぎに燃料電池の発電工程を通水、循環回路の循環水充填運転（以下水張り）水素生成、燃料電池の発電の順に説明する。

燃料電池システムの循環回路内へ水を充填するため、水張りを行う。

まず凝縮水タンク６６への水の補給を行う。貯湯循環ポンプ７１を運転し、凝縮水タンク弁７４を「開」にして貯湯槽７０内の貯水を貯湯循環ポンプ７１、貯湯循環回路７２から分岐した凝縮水回路７３介して凝縮水タンク６６に補給する。凝縮水タンク６６内の水位が上昇すると凝縮水タンクフロートスイッチ６７が満水を検知して、貯湯循環ポンプ７１を停止するとともに凝縮水タンク弁７４を「閉」にする。

次に冷却水タンク５４への冷却水の補給を行う。まず冷却水供給ポンプ６３の運転を実施する。これにより、凝縮水タンク６６内の貯水が冷却水供給回路６５上のイオン交換樹脂６８を通り、冷却水タンク５４に導かれる。冷却水タンク５４内の水位が上昇すると冷
却水タンクフロートスイッチ５８が満水を検知して、冷却水供給ポンプ６３を停止する。なお、この冷却水タンク５４への冷却水の補給のために、凝縮水タンク６６内の貯水が減少した場合は、凝縮水タンクフロートスイッチ６７が減水を検知して、再度前述の凝縮水タンク６６への水の補給を行う。

冷却水タンク５４内に冷却水が補給されるとその冷却水が冷却水循環回路５２、熱交換器５５、燃料電池５１を通って、水頭差により下方にある循環ポンプ５６に充填される。

この循環ポンプ５６の運転により、冷却水タンク５４内の冷却水は熱交換器５５、燃料電池５１を通り、冷却水タンク５４へ循環する。この冷却水循環回路５２内へ冷却水を充填する工程の際に冷却水タンク５４の減水を冷却水タンクフロートスイッチ５８が検知した場合は、冷却水タンク５４への水の補給を行う。

また、冷却水循環回路５２内に冷却水を充填する工程終了後、水素生成機６０へ冷却水タンク５４から燃焼ガス中のメタンと、改質反応を起こさせ、水素を発生させるために反応用の水を供給する。すなわち改質水供給弁を「開」にし、供給ポンプ６１を運転し、水素生成機６０へ導かれる。

冷却水循環回路５２内の冷却水の充填が完了すると、水素生成機６０から燃料ガス（水素ガス）が燃料電池５１に供給され、酸化ガス（例えば、空気）と反応して発電が開始される。そして、この発電により電力および熱が発生する。この電力は電気機器により消費される。発生した熱は貯湯槽７０から熱交換器５５に供給される貯湯水と熱交換される。熱交換器５５で加熱された貯湯水は、貯湯循環回路７２を循環し、発生した熱が貯湯槽７０に蓄熱される。

つぎに、冷却水タンク５４の水位を制御する冷却水タンクフロートスイッチ５８と、凝縮水タンク６６の水位を制御する凝縮水タンクフロートスイッチ６７の構造を図１、図２のフロートスイッチ断面図を参照して説明する。

図１では、別部材である十分に滑らかに表面加工された摩擦低減部材３４がフロートの内面に取り付けられている。また、図２に示す実施例では十分に滑らかに表面加工された摩擦抵抗部材３４がガイドパイプ外面に取り付けられている。
また、図１のＸ部分の詳細図に示すように摩擦抵抗部材３４の上面部をＲ形状にしてフロートの傾きによる、固着を防止することができる。

また、フロート３０側の摩擦低減部材３４、ガイドパイプ３１側の摩擦低減部材３４の片方または両方の表面Ａまたは表面Ｂにローレット加工等の細かな凹凸加工を設けて、表面の濡れ性を向上させて摩擦を小さくすることができる。

以上のように、構成された燃料電池システム等に利用されるフロートスイッチによれば、システム回路内に設置された循環水制御用タンクに設けられた液面制御用フロートスイッチのフロートとガイドパイプの引っかかりを無くし、フロートの固着を防止することができる。これにより、信頼性の高い液面制御システムを提供することができる。

また、摩擦低減部材３４を樹脂により構成してもよい。摩擦低減部材に樹脂を使用することにより、摩擦低減を図ることができ、比重の小さい樹脂をフロート３０側に装着することによりフロートの浮力を増加させてフロート３０のガイドパイプ３１への固着を防止することができる。

（実施の形態２）
つぎに、本実施の形態について図３を用いて説明を行う。

燃料電池の発電工程、通水、循環回路の循環水充填運転、水素生成、燃料電池の発電の順についての具体的な構成例および動作例は実施の形態１と同様であるため省略する。

本実施の形態におけるフロート取り付の摩擦低減部材３４’をフロート上側に設置したものである。このような構成をとることにより、フロート３０とガイドパイプ３１との摺動長さを最小限にしてフロート３０がガイドパイプ３１に引っかかって固着することを防ぐことができる。また、摩擦低減部材３４‘の全長を小さくでき、フロート３０への挿入取付を容易に行うことができる。

フロートスイッチ摺動部の突起を無くして燃料電池システム等に利用される冷却循環回路への初期水張り時の固着を防止する。また、タンクへの水張り制御時のフロートスイッチの固着を防止し、使い勝手のよい、耐久性にすぐれたフロートスイッチによる液面制御を提供することができる。これにより初期設定性能を満たす十分な液面制御性能を確保することができる。

３０フロート
３１ガイドパイプ
３２マグネット
３３リードスイッチ
３４、３４‘ 摩擦低減部材
５１燃料電池
５２冷却水循環回路
５３ヒータ
５４冷却水タンク
５５熱交換器
５６循環ポンプ
５７温度検出器
５８冷却水タンクフロートスイッチ
６０水素生成機
６１供給ポンプ
６２給水回路
６３冷却水供給ポンプ
６４凝縮水回路
６５冷却水供給回路
６６凝縮水タンク
６７凝縮水タンクフロートスイッチ
６８イオン交換樹脂
７０貯湯槽
７１貯湯循環ポンプ
７２貯湯循環回路
７３凝縮水回路
７４凝縮水タンク弁
１００燃料電池システム

Claims

熱及び電気を生成する燃料電池と、
前記燃料電池からの熱を回収する熱媒体を流通する熱媒体経路と、
前記熱媒体経路上に設けられ、前記熱媒体を貯める熱媒体タンクと、
前記熱媒体タンク内の液面を検出するためのフロートスイッチと、
を備え、
前記フロートスイッチは、リードスイッチを内臓したガイドパイプと、前記ガイドパイプに沿って液面の変化に伴って移動するマグネットを内蔵したフロートと、前記ガイドパイプの前記フロートに対向する表面、及び、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面のうちの少なくとも一方に配置された摩擦低減部材と、を有する、燃料電池システム。
前記摩擦低減部材は、樹脂材料である、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記摩擦低減部材は、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面に配置され、前記フロートの重力方向の上側に配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
燃料電池からの熱を回収する熱媒体の水位を計測するための燃料電池システム用フロートスイッチであって、
リードスイッチを内臓したガイドパイプと、
前記ガイドパイプに沿って液面の変化に伴って移動するマグネットを内蔵したフロートと、
前記ガイドパイプの前記フロートに対向する表面、及び、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面のうちの少なくとも一方に配置された摩擦低減部材と、
を備える燃料電池システム用フロートスイッチ。
前記摩擦低減部材は、樹脂材料である、請求項４に記載の燃料電池用フロートスイッチ。
前記摩擦低減部材は、前記フロートの前記ガイドパイプに対向する表面に配置され、前記フロートの重力方向の上側に配置されている、請求項４又は５に記載の燃料電池用フロートスイッチ。