JP6581963B2 - 液面状態検出装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、液面状態検出装置及び該液面状態検出装置を備える燃料電池システムに関する。

近年、水素と空気中の酸素を取り込み化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池の、コージェネレーションシステムや燃料電池車等への利用が進んでいる。燃料電池に供給される水素は、例えばガスコージェネレーションシステムでは、天然ガスと改質水から水蒸気改質法等によって生成され、燃料電池車では、水素ガスを高圧圧縮した水素タンクから得られる。燃料電池が水素と酸素から電気エネルギーを生成する際には水分が発生するが、このとき得られる水分が改質水として利用されたり、水素タンクから得られる水素ガスの加湿に用いられたりする。

但し、改質水や水素ガスの加湿のために必要な水分量は、燃料電池から排出された水分の一部で充分である。このため、燃料電池から排出された水を蓄えるタンクが燃料電池システムには設けられている。例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、アノードオフガスを循環させるための配管にキャッチタンクが設けられ、燃料電池から排出された水分が再度、燃料電池に戻らないようにしている。

特開２０１２−９９４４５号公報

上記説明したタンクを含む燃料電池システムでは、タンク内の水位の計測が必要である。また、タンクが傾斜すると水分を供給できない状態になることも考えられるため、タンクの傾斜も検出する必要がある。このため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水位センサと傾斜センサが配設されている。しかし、当該水位センサと傾斜センサはそれぞれ独立したセンサであるため、２つのセンサを設置するためのスペースがそれぞれ必要となるばかりでなく、部品点数及びコストの低減の点で改善の余地があった。なお、当該課題は燃料電池システムに限らず、液体を貯蔵するタンクを備えた他のシステムにも適用される。

本発明の目的は、タンク内の液面高さの計測及びタンクの傾斜を検出可能な液面状態検出装置及び該液面状態検出装置を備える燃料電池システムを提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
液体（例えば、後述の実施形態での液体２）を貯蔵するタンク（例えば、後述の実施形態での液体貯留タンク１）内に立設されたガイドロッド（例えば、後述の実施形態でのガイドロッド４５）に案内されて上下方向に移動可能なフロート部（例えば、後述の実施形態でのフロート部２０）と、
前記フロート部に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部（例えば、後述の実施形態での一対の電極部３０，５０，６０）と、を備え、
前記一対の電極部間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する前記一対の電極部間の静電容量に基づき、前記タンク内の液面高さ及び前記タンクの傾斜を検出する、液面状態検出装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記一対の電極部の形状は、平面視において、円形である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記タンクの傾斜は、前記一対の電極部間の静電容量を、前記一対の電極部間が液体で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係、及び前記一対の電極部間が空気で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係に基づき検出される。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記一対の電極部の各電極部は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に分割された複数の分割電極部（例えば、後述の実施形態での上部電極板５１，５２，６１〜６４及び下部電極板５３，５４，６５〜６８）を備える。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、
前記分割電極部の形状は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に対して線対称の４分円である。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、
検出される前記タンクの傾斜方向は、前記タンクから液体が流れ出る方向に等しい。

請求項７に記載の発明は、請求項４から６のいずれか１項に記載の発明において、
前記タンクの傾斜は、前記タンクの傾斜方向にそれぞれ位置する前記一対の電極部の各分割電極部間の静電容量の大小関係に基づき検出される。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の液面状態検出装置を備える、燃料電池システムである。

請求項１に記載の発明によれば、本発明に係る液面状態検出装置が、液体を貯蔵するタンク内に立設されたガイドロッドに案内されて上下方向に移動可能なフロート部と、当該フロート部に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部と、を備えるため、一対の電極部間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する一対の電極部間の静電容量に基づき、タンク内の液面高さ及びタンクの傾斜を一つの装置によって検出できる。

請求項２に記載の発明によれば、平面視において円形の一対の電極部により、全方向に対するタンクの傾きの有無を検出できる。

請求項３に記載の発明によれば、タンクの傾斜は、一対の電極部間の静電容量を、当該一対の電極部間が液体で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係、及び一対の電極部間が空気で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係に基づき検出されるため、一対の電極部間の静電容量から、全方向に対するタンクの傾きの有無を検出できる。

請求項４に記載の発明によれば、検出されるタンクの傾斜方向に分割された複数の分割電極部により、当該分割電極部の分割方向への傾斜を精度よく検出できる。

請求項５に記載の発明によれば、検出されるタンクの傾斜方向に対して線対称の４分円形状の複数の分割電極部により、当該分割電極部の分割方向への傾斜を精度よく検出できる。

請求項６に記載の発明によれば、検出されるタンクの傾斜方向が、タンクから液体が流れ出る方向に等しく設定されるため、液体を排出するタンクの傾斜を検出するための液面状態検出装置として好適に使用できる。

請求項７に記載の発明によれば、タンクの傾斜は、タンクの傾斜方向にそれぞれ位置する一対の電極部の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出されるので、当該分割電極部の分割方向への傾斜を精度よく検出できる。

請求項８に記載の発明によれば、燃料電池システムの信頼性が向上する。

（ａ）はタンクに設置された本発明に係る第１実施形態の液面状態検出装置を示す縦断面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示された液面状態検出装置の要部拡大斜視図である。 液面が所定の高さ以上である場合の液面状態検出装置の要部拡大図である。 液面が所定の高さより低下した場合の液面状態検出装置の要部拡大図である。 液体貯留タンクが傾いたために傾斜した第１実施形態の液面状態検出装置の要部拡大図である。 （ａ）は本発明に係る第２実施形態の液面状態検出装置が備える一対の電極部を示す斜視図であり、（ｂ）は一対の電極部の平面図であり、（ｃ）は一対の電極部の電気回路図である。 （ａ）は液体貯留タンクが水平であるときの図５に示す液面状態検出装置の要部拡大図であり、（ｂ）は液体貯留タンクがＡ方向へ傾斜したときの図５に示す液面状態検出装置の要部拡大図であり、（ｃ）は液体貯留タンクがＢ方向へ傾斜したときの図５に示す液面状態検出装置の要部拡大図である。 （ａ）は本発明に係る第３実施形態の液面状態検出装置が備える一対の電極部を示す斜視図であり、（ｂ）は一対の電極部の平面図であり、（ｃ）は一対の電極部の電気回路図である。 （ａ）は液体貯留タンクがＣ方向へ傾斜したときの図７に示す液面状態検出装置の要部拡大図であり、（ｂ）は液体貯留タンクがＤ方向へ傾斜したときの図７に示す液面状態検出装置の要部拡大図である。 （ａ）は改質水を貯留するキャッチタンクを含む燃料電池システムの改質水ポンプの平面図であり、（ｂ）は改質水ポンプの側面図である。 Ｃ方向へ大きく傾斜した状態を検出する図５に示す液面状態検出装置の要部拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態の液面状態検出装置の構成を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示された液面状態検出装置の要部拡大斜視図である。図１（ａ）に示すように、液面状態検出装置１０は、液体貯留タンク１内に配設され、貯留された液体２の液面Ｒ、及び液体貯留タンク１の傾斜を検出する。なお、液面状態検出装置１０は、液体貯留タンク１の底部１ａから立設したガイドロッド４５に沿って摺動可能に配設されているため、液面状態検出装置１０が検出する液体貯留タンク１の傾斜は、液面状態検出装置１０の傾斜に等しい。

液面状態検出装置１０は、フロート部２０と、フロート部２０の下部に一体固定された一対の電極部３０と、を備える。

図２に示すように、フロート部２０は、合成樹脂などによって、内部に密封空間２１を有する中空円筒状に形成されている。密封空間２１には、液体貯留タンク１に貯留される液体２よりも比重が軽い流体が封入される。例えば、液体２が水である場合、密封空間２１には空気が封入される。これにより、フロート部２０は、液体貯留タンク１に貯留される液体２の液面Ｒ付近に浮かぶ。

また、フロート部２０は、密封空間２１を密封可能な蓋部２２を備える。蓋部２２を開いて密封空間２１に液体２よりも比重の小さな流体を封入してフロート部２０の浮力を調整することで、液体貯留タンク１に貯留される比重が異なる各種液体に対応可能である。

一対の電極部３０は、所定の距離Ｌだけ離間して上下方向に対向配置された上部電極板３１と下部電極板３２とを有する。上部電極板３１及び下部電極板３２は、それぞれ円板状に形成されている。本実施形態の一対の電極部３０は、上部電極板３１と下部電極板３２の間に存在する絶縁物（例えば、水や空気）の誘電率によって静電容量が変化することを利用した静電容量式センサの電極を構成する。

上部電極板３１は、フロート部２０の底面２３の下面に固定され、下部電極板３２は、底板３４の上面に固定されている。フロート部２０の底面２３と底板３４とは、上下方向に延びる複数のスペース柱３５によって連結されている。複数のスペース柱３５は、円周方向に離間して形成され、隣接するスペース柱３５の間には窓部３６が設けられている。したがって、上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間は、複数の窓部３６を介して外方に開放されており、液体貯留タンク１に貯留されている液体２や液体貯留タンク１内の空気が出入り自在となっている。

また、一対の電極部３０の側方には、支持部３９が延設されている。支持部３９に形成されて上下方向に貫通するガイド孔４０には、ガイドロッド４５が摺動自在に嵌合している。ガイドロッド４５は、液体貯留タンク１の底部１ａから立設するパイプであり、その下部には、液面Ｒの最低位置を検出するために一対の電極部３０の下方への移動を阻止するストッパ４６が設けられている。なお、ガイドロッド４５の横断面は矩形であり、ガイド孔４０はガイドロッド４５の断面に応じた形状を有するため、液面状態検出装置１０は、ガイドロッド４５に沿って上下方向に摺動移動するが、ガイドロッド４５を軸に回転しない。

上部電極板３１及び下部電極板３２には、それぞれリード線３７が接続されており、その一端は出力コネクタ３８に接続される。液面状態検出装置１０が備える不図示の処理部は、出力コネクタ３８から出力される一対の電極部３０間の電位差等に基づき一対の電極部３０間の静電容量を算出し、当該静電容量に基づき液体貯留タンク１内の液面高さ及び液体貯留タンク１の傾斜を検出する。なお、一対の電極部３０間の電位差を示す信号が、無線によって処理部に送信されても良い。また、処理部は、液体貯留タンク１の外部に設けられても、フロート部２０の密封空間２１内に設けられても良い。処理部が密封空間２１内に設けられる場合、液体貯留タンク１内の液面高さ及び液体貯留タンク１の傾斜を示す各信号は、リード線３７を介して出力コネクタ３８から出力される。

一対の電極部３０間の静電容量Ｃは、式（１）によって表される。

Ｃ＝ε×Ｓ／Ｌ …（１）
但し、「ε」は上部電極板３１と下部電極板３２の間に存在する絶縁物の誘電率［Ｆ／ｍ］、「Ｓ」は上部電極板３１及び下部電極板３２の面積［ｍ^２］、「Ｌ」は上部電極板３１と下部電極板３２との離間距離［ｍ］である。

液面状態検出装置１０は、液体貯留タンク１に貯留される液体２の液面Ｒの高さが変化すると、フロート部２０の作用により、ガイドロッド４５に案内されて上下方向に摺動移動する。液体貯留タンク１に貯留されている液体２が所定量より多い場合、図２に示すように、上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間には液体２が充満している。一方、液体貯留タンク１に貯留されている液体２が減少して、図３に示すように液面Ｒがガイドロッド４５に設けられたストッパ４６の位置よりも低くなると、上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間は空気中に露出する。

図２に示した状態では上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間には液体２が充満しており、液体２が水である場合、その比誘電率εｒは８０．４（２０℃時）であるので、図３に示した上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間が空気に露出した状態と比較すると、一対の電極部３０間の静電容量は大きな値を示す。一方、空気の比誘電率εｒは１．０００５９であるので、図３に示した上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間が空気に露出した状態では、一対の電極部３０間の静電容量は小さな値を示す。なお、比誘電率εｒとは、上部電極板３１と下部電極板３２の間にある絶縁物（媒体）の誘電率εと真空の誘電率ε０との比（εｒ＝ε／ε０）である。

したがって、本実施形態では、一対の電極部３０間の静電容量を算出することで、液体貯留タンク１に貯留されている液体２の高さがガイドロッド４５に設けられたストッパ４６より低いか否かを検出することが可能となる。

次に、液体貯留タンク１が傾いた場合に液面状態検出装置１０が行う傾斜の検出について、図４を参照して説明する。

液体貯留タンク１が傾くと、液面状態検出装置１０も傾く。液体貯留タンク１に貯留されている液体２の液面高さがガイドロッド４５に設けられたストッパ４６より高い状態において、液面状態検出装置１０が傾くと、図４に示すように、上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間の一部が空気中に露出し、当該空間には液体２と空気とが混在する。この状態の一対の電極部３０間の静電容量Ｃ３は、液体２と空気との混在比率に従って変化し、図２に示した上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間が液体２で満たされている場合の静電容量Ｃ１より小さく（Ｃ３＜Ｃ１）、図３に示した上部電極板３１と下部電極板３２の間の空間が空気で満たされている場合の静電容量Ｃ２より大きい（Ｃ２＜Ｃ３）。すなわち、Ｃ２＜Ｃ３＜Ｃ１の関係が成り立つ。

したがって、本実施形態では、一対の電極部３０間の電位差等から算出した静電容量を、静電容量Ｃ１，Ｃ２と比較して、その大小関係を導出することで、液体貯留タンク１の傾斜を検出することが可能となる。なお、静電容量Ｃ１，Ｃ２は、液体貯留タンク１に貯留される液体２の種類及び一対の電極部３０の構造に固有の値であるので、予め測定された値が不図示のメモリ等に記録されている。

また、一対の電極部３０を構成する上部電極板３１及び下部電極板３２の平面視形状は円形であるので、本実施形態では傾斜方向は検出できないものの、傾きの有無は、上部電極板３１又は下部電極板３２の円周方向におけるあらゆる方向に対して検出可能である。さらに、傾斜の検出精度は、上部電極板３１及び下部電極板３２の面積Ｓ及び上部電極板３１と下部電極板３２との離間距離Ｌの少なくとも一方を調整することで変更できる。

（第２実施形態）
図５（ａ）は、本発明に係る第２実施形態の液面状態検出装置が備える一対の電極部を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示された一対の電極部の平面図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）に示された一対の電極部の電気回路図である。第２の実施形態の液面状態検出装置１０Ａが第１の実施形態の液面状態検出装置１０と異なる点は、一対の電極部の構成である。この点以外は第１の実施形態と同様であるため、第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２実施形態の液面状態検出装置１０Ａが備える一対の電極部５０の各電極部は、検出される液体貯留タンク１の傾斜方向（ＡＢ方向）に対して線対称に形成され、かつ、上記傾斜方向に分割された２つの分割電極部を有する。すなわち、一対の電極部５０を構成する上部電極部は、４分円形状の２つの上部電極板５１，５２から構成され、下部電極部は、４分円形状の２つの下部電極板５３，５４から構成されている。本実施形態の一対の電極部５０は、図５（ｃ）に示すように、上部電極板５１と下部電極板５３を対とした静電容量Ｃａの静電容量式センサと、上部電極板５２と下部電極板５４を対とした静電容量Ｃｂの静電容量式センサの２つのセンサの電極を構成する。

図６（ａ）は、液体貯留タンク１が水平であるときの液面状態検出装置１０Ａを示す要部拡大図であり、図６（ｂ）は、液体貯留タンク１がＡ方向へ傾斜したときの液面状態検出装置１０Ａを示す要部拡大図であり、図６（ｃ）は、液体貯留タンク１がＢ方向へ傾斜したときの液面状態検出装置１０Ａを示す要部拡大図である。図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す液体貯留タンク１の各状態（水平状態、Ａ方向への傾斜状態、Ｂ方向への傾斜状態）における、一対の電極部５０に存在する絶縁物及び静電容量Ｃａ，Ｃｂを以下の表１に示す。

表１に示すように、液体貯留タンク１が水平状態のとき（図６（ａ）参照）、上部電極板５１と下部電極板５３の間の空間、及び上部電極板５２と下部電極板５４の間の空間は、いずれも比誘電率εｒが空気よりも大きな液体２（水）で満たされるため、静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂとなる。

一方、液体貯留タンク１がＡ方向に傾斜している状態（図６（ｂ）参照）では、上部電極板５１と下部電極板５３の間の空間は液体２（水）で満たされるが、上部電極板５２と下部電極板５４の間の空間の一部は液面Ｒより上方に飛び出して液体２（水）と空気が混在するため、静電容量Ｃａ＞静電容量Ｃｂとなる。

また、液体貯留タンク１がＢ方向に傾斜している状態（図６（ｃ）参照）では、上部電極板５１と下部電極板５３の間の空間の一部は液面Ｒより上方に飛び出して液体２（水）と空気が混在し、上部電極板５２と下部電極板５４の間は液体２（水）で満たされるため、静電容量Ｃａ＜静電容量Ｃｂとなる。

したがって、本実施形態では、上部電極板５１と下部電極板５３の間の静電容量Ｃａと、上部電極板５２と下部電極板５４との間の静電容量Ｃｂとの大小関係に基づけば、液体貯留タンク１が水平であるか、Ａ方向に傾斜した状態であるか、Ｂ方向に傾斜した状態であるかを検出することが可能となる。なお、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、一対の電極部５０間の静電容量Ｃａ，Ｃｂの少なくともいずれか一方を算出することで、液体貯留タンク１に貯留されている液体２の高さがガイドロッド４５に設けられたストッパ４６より低いか否かを検出することが可能である。

（第３実施形態）
図７（ａ）は、本発明に係る第３実施形態の液面状態検出装置が備える一対の電極部を示す斜視図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示された一対の電極部の平面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）に示された一対の電極部の電気回路図である。第３の実施形態の液面状態検出装置１０Ｂが第１の実施形態の液面状態検出装置１０と異なる点は、一対の電極部の構成である。この点以外は第１の実施形態と同様であるため、第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第３実施形態の液面状態検出装置１０Ｂが備える一対の電極部６０の各電極部は、検出される液体貯留タンク１の傾斜方向（ＡＢ方向及びＣＤ方向）に対して線対称に形成され、かつ、上記傾斜方向に分割された４つの分割電極部を有する。すなわち、一対の電極部６０を構成する上部電極部は、４分円形状の４つの上部電極板６１〜６４から構成され、下部電極部は、４分円形状の４つの下部電極板６５〜６８から構成されている。本実施形態の一対の電極部６０は、図７（ｃ）に示すように、上部電極板６１と下部電極板６５を対とした静電容量Ｃａの静電容量式センサと、上部電極板６２と下部電極板６６を対とした静電容量Ｃｂの静電容量式センサと、上部電極板６３と下部電極板６７を対とした静電容量Ｃｃの静電容量式センサと、上部電極板６４と下部電極板６８を対とした静電容量Ｃｄの静電容量式センサの４つのセンサの電極を構成する。

図８（ａ）は、液体貯留タンク１がＣ方向へ傾斜したときの液面状態検出装置１０Ｂを示す要部拡大図であり、図８（ｂ）は、液体貯留タンク１がＤ方向へ傾斜したときの液面状態検出装置１０Ｂを示す要部拡大図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）を含む液体貯留タンク１の各状態（水平状態、Ａ方向への傾斜状態、Ｂ方向への傾斜状態、Ｃ方向への傾斜状態、Ｄ方向への傾斜状態）における、一対の電極部６０に存在する絶縁物及び静電容量Ｃａ、Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄを以下の表２に示す。

表２に示すように、液体貯留タンク１が水平状態のとき（図６（ａ）参照）、上部電極板６１と下部電極板６５の間の空間、上部電極板６２と下部電極板６６の間の空間、上部電極板６３と下部電極板６７の間の空間、及び上部電極板６４と下部電極板６８の間の空間は、どれも比誘電率εｒが空気よりも大きな液体２（水）で満たされるため、静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂ＝静電容量Ｃｃ＝静電容量Ｃｄとなる。

一方、液体貯留タンク１がＡ方向に傾斜している状態（図６（ｂ）参照）では、上部電極板６１と下部電極板６５の間の空間は液体２（水）で満たされるが、上部電極板６２と下部電極板６６の間の空間の一部は液面Ｒより上方に飛び出して液体２（水）と空気が混在するため、静電容量Ｃａ＞静電容量Ｃｂとなる。このとき、上部電極板６３と下部電極板６７の間の空間及び上部電極板６４と下部電極板６８の間の空間には液体２（水）と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Ｃｃ＝静電容量Ｃｄとなる。このように、液体貯留タンク１がＡ方向に傾斜している状態における一対の電極部６０間の静電容量は、「静電容量Ｃａ＞静電容量Ｃｂ、かつ、静電容量Ｃｃ＝静電容量Ｃｄ」となる。

また、液体貯留タンク１がＢ方向に傾斜している状態（図６（ｃ）参照）では、上部電極板６１と下部電極板６５の間の空間の一部は液面Ｒより上方に飛び出して液体２（水）と空気が混在し、上部電極板６２と下部電極板６６の間の空間は液体２（水）で満たされるため、静電容量Ｃａ＜静電容量Ｃｂとなる。このとき、上部電極板６３と下部電極板６７の間の空間及び上部電極板６４と下部電極板６８の間の空間には液体２（水）と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Ｃｃ＝静電容量Ｃｄとなる。このように、液体貯留タンク１がＢ方向に傾斜している状態における一対の電極部６０間の静電容量は、「静電容量Ｃａ＜静電容量Ｃｂ、かつ、静電容量Ｃｃ＝静電容量Ｃｄ」となる。

また、液体貯留タンク１がＣ方向に傾斜している状態（図８（ａ）参照）では、上部電極板６１と下部電極板６５の間の空間及び上部電極板６２と下部電極板６６の間の空間には液体２（水）と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂとなる。また、上部電極板６３と下部電極板６７の間の空間は液体２（水）で満たされるが、上部電極板６４と下部電極板６８の間の空間の一部は液面Ｒより上方に飛び出して液体２（水）と空気が混在するため、静電容量Ｃｃ＞静電容量Ｃｄとなる。このように、液体貯留タンク１がＣ方向に傾斜している状態における一対の電極部６０間の静電容量は、「静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂ、かつ、静電容量Ｃｃ＞静電容量Ｃｄ」となる。

また、液体貯留タンク１がＤ方向に傾斜している状態（図８（ｂ）参照）では、上部電極板６１と下部電極板６５の間の空間及び上部電極板６２と下部電極板６６の間の空間には液体２（水）と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂとなる。また、上部電極板６３と下部電極板６７の間の空間の一部は液面Ｒより上方に飛び出して液体２（水）と空気が混在し、上部電極板６４と下部電極板６８の間の空間は液体２（水）で満たされるため、静電容量Ｃｃ＜静電容量Ｃｄとなる。このように、液体貯留タンク１がＤ方向に傾斜している状態における一対の電極部６０間の静電容量は、「静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂ、かつ、静電容量Ｃｃ＜静電容量Ｃｄ」となる。

したがって、本実施形態では、上部電極板６１と下部電極板６５の間の静電容量Ｃａと、上部電極板６２と下部電極板６６の間の静電容量Ｃｂと、上部電極板６３と下部電極板６７の間の静電容量Ｃｃと、上部電極板６４と下部電極板６８の間の静電容量Ｃｄとの大小関係に基づけば、液体貯留タンク１が、水平であるか、Ａ方向に傾斜した状態であるか、Ｂ方向に傾斜した状態であるか、Ｃ方向に傾斜した状態であるか、Ｄ方向に傾斜した状態であるかを検出することが可能となる。なお、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、一対の電極部６０間の静電容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄの少なくともいずれか一方を算出することで、液体貯留タンク１に貯留されている液体２の高さがガイドロッド４５に設けられたストッパ４６より低いか否かを検出することが可能である。

なお、上記説明したＡＢ方向とＣＤ方向の間の中間方向への傾斜の検出は、液体貯留タンク１が傾斜している方向と、その時の各静電容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄとの関係を予めマッピングし、算出した静電容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄとマップを用いることによって可能となる。また、ＡＢ方向及びＣＤ方向に限定されず、検出したい傾斜方向に一対の電極部を分割して分割電極部を設けることにより、所望方向への傾斜を精度よく検出することができる。

次に、上記説明した液面状態検出装置を燃料電池システムに適用した実施例について説明する。なお、ここで使用する液面状態検出装置は、図５に示した一対の電極部５０を備えた第２実施形態の液面状態検出装置１０Ａとする。

図９（ａ）は、改質水を貯留するキャッチタンクを含む改質水ポンプの平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す改質水ポンプの側面図である。改質水ポンプ７０は、下部に設けられた給水口７１から改質水を取り込み、排水口７２からＸ方向に送水する。

改質水ポンプ７０による改質水の供給量は、例えば、５cc/minと微量であるため、繊細な制御が求められる。このため、改質水ポンプ７０の傾斜の特に改質水の送水方向（Ｘ方向）への傾きは精度良く検出する必要がある。燃料電池システムの一例としては、改質水ポンプ７０の改質水の送水方向への傾きを検出すると、燃料電池システムを緊急停止する制御を行っている。

一方、改質水ポンプ７０の送水方向（Ｘ方向）以外の方向への傾斜は、軽度の傾斜であれば改質水の送水に大きな問題はなく、燃料電池システムの緊急停止も不要である。一方、過度の傾斜は、改質水の送水だけでなく、他のデバイス動作にも影響する可能性があるため、燃料電池システムを緊急停止する。

本実施例の液面状態検出装置１０Ａは、図５（ｂ）に示した一対の電極部５０の各電極部において分割された２つの分割電極部の分割方向（ＡＢ方向）を、改質水ポンプ７０の送水方向（Ｘ方向）に一致させて配設される。液面状態検出装置１０Ａは、静電容量の関係が「静電容量Ｃａ＞静電容量Ｃｂ」又は「静電容量Ｃａ＜静電容量Ｃｂ」であれば、改質水ポンプ７０のＡ方向又はＢ方向への傾斜を検出するため、燃料電池システムは緊急停止される。

また、改質水ポンプ７０の送水方向（Ｘ方向，ＡＢ方向）と直交するＣ方向及びＤ方向に改質水ポンプ７０が傾斜した状態における、一対の電極部５０に存在する絶縁物及び静電容量Ｃａ，Ｃｂを以下の表３に示す。

表３に示すように、改質水ポンプ７０のＣ方向又はＤ方向への傾斜が軽度の場合、一対の電極部５０の一部が液面Ｒより上方に飛び出しているため、上部電極板５１と下部電極板５３の間の空間及び上部電極板５２と下部電極板５４の間の空間には、多くの液体２（改質水）と少量の空気とが同程度に混在し、静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂとなる。このときの静電容量Ｃａ、Ｃｂの値は、主に液体２の比誘電率εｒによって決まる。

一方、改質水ポンプ７０のＣ方向又はＤ方向への傾斜が過度の場合、図１０に示すように、一対の電極部５０の大部分が液面Ｒより上方に飛び出しているため、上部電極板５１と下部電極板５３の間の空間及び上部電極板５２と下部電極板５４の間の空間には、多くの空気と少量の液体２（改質水）とが同程度に混在し、静電容量Ｃａ＝静電容量Ｃｂとなる。このときの静電容量Ｃａ，Ｃｂの値は、主に空気の比誘電率εｒによって決まる。

このように、改質水ポンプ７０がＣ方向又はＤ方向に傾斜した際の一対の電極部５０間の静電容量の値は、改質水ポンプ７０の傾斜角度によって変化するため、改質水ポンプ７０の傾斜角度と静電容量の値を予めマッピングすると共に、静電容量に閾値を設定しておくことで、改質水ポンプ７０が送水方向（Ｘ方向）とは直角なＣ方向又はＤ方向に過度に傾斜した際に、燃料電池システムの停止警告等が可能となる。

以上説明したように、上記第１〜第３実施形態の液面状態検出装置１０，１０Ａ，１０Ｂは、液体２を貯蔵する液体貯留タンク１内に立設されたガイドロッド４５に案内されて上下方向に移動可能なフロート部２０と、フロート部２０に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部３０，５０，６０とを備え、一対の電極部３０，５０，６０間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する一対の電極部３０，５０，６０間の静電容量に基づき、液体貯留タンク１内の液面高さ及び液体貯留タンク１の傾斜を一つの装置によって検出できる。

また、第１実施形態の液面状態検出装置１０が備える一対の電極部３０の形状は、平面視において、円形である。さらに、液体貯留タンク１の傾斜は、一対の電極部３０間の静電容量を、一対の電極部３０間が液体２で満たされている場合の静電容量Ｃ１と比較した大小関係、及び一対の電極部３０間が空気で満たされている場合の静電容量Ｃ２と比較した大小関係に基づき検出される。このため、一対の電極部３０間の静電容量から、全方向に対する液体貯留タンク１の傾きの有無を検出できる。

また、第２実施形態の液面状態検出装置１０Ａが備える一対の電極部５０を構成する上部電極部は、平面視において、検出される液体貯留タンク１の傾斜方向に分割された２つの上部電極板５１，５２を備え、下部電極部は、同様に、上記傾斜方向に分割された２つの下部電極板５３，５４を備え、液体貯留タンク１の傾斜は、液体貯留タンク１の傾斜方向にそれぞれ位置する一対の電極部５０の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出されるので、各電極部の電極板の分割方向への液体貯留タンク１の傾斜を精度よく検出できる。

また、第３実施形態の液面状態検出装置１０Ｂが備える一対の電極部６０を構成する上部電極部は、平面視において、検出される液体貯留タンク１の互いに直交した２つの傾斜方向に対して線対称に形成された、４分円形状の４つの上部電極板６１〜６４を備え、下部電極部は、同様に、上記直交する２つの傾斜方向に対して線対称に形成された、４分円形状の４つの下部電極板６５〜６８を備え、液体貯留タンク１の傾斜は、液体貯留タンク１の傾斜方向にそれぞれ位置する一対の電極部６０の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出されるので、各電極部の電極板の直交する２つの分割方向への液体貯留タンク１の傾斜を精度よく検出できる。

また、検出される液体貯留タンク１の傾斜方向は、液体貯留タンク１から液体２が流れ出る方向を含むので、第２及び第３実施形態の液面状態検出装置１０Ａ，１０Ｂは、燃料電池システムの改質水ポンプ７０の傾斜を検出するための液面状態検出装置として好適に使用できる。

また、液面状態検出装置１０，１０Ａ，１０Ｂを備えた燃料電池システムは、信頼性が向上する。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、液面状態検出装置１０，１０Ａ，１０Ｂは燃料電池システムへの適用に限定されず、貯留される液体の液面高さと傾斜とを同時に検出することが要求されるタンクには、液体の種類、用途にかかわらず適用することができる。

１ 液体貯留タンク
２ 液体
１０，１０Ａ，１０Ｂ 液面状態検出装置
２０ フロート部
３０，５０，６０ 電極部
３１，５１，５２，６１，６２，６３，６４ 上部電極板
３２，５３，５４，６５，６６，６７，６８ 下部電極板
３５ スペース柱
３６ 窓部
４５ ガイドロッド
４６ ストッパ

Claims (8)

1. 液体を貯蔵するタンク内に立設されたガイドロッドに案内されて上下方向に移動可能なフロート部と、
   前記フロート部に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部と、を備え、
   前記一対の電極部間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する前記一対の電極部間の静電容量に基づき、前記タンク内の液面高さ及び前記タンクの傾斜を検出する、液面状態検出装置。
2. 請求項１に記載の液面状態検出装置であって、
   前記一対の電極部の形状は、平面視において、円形である、液面状態検出装置。
3. 請求項２に記載の液面状態検出装置であって、
   前記タンクの傾斜は、前記一対の電極部間の静電容量を、前記一対の電極部間が液体で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係、及び前記一対の電極部間が空気で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係に基づき検出される、液面状態検出装置。
4. 請求項１に記載の液面状態検出装置であって、
   前記一対の電極部の各電極部は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に分割された複数の分割電極部を備える、液面状態検出装置。
5. 請求項４に記載の液面状態検出装置であって、
   前記分割電極部の形状は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に対して線対称の４分円である、液面状態検出装置。
6. 請求項４又は５に記載の液面状態検出装置であって、
   検出される前記タンクの傾斜方向は、前記タンクから液体が流れ出る方向を含む、液面状態検出装置。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の液面状態検出装置であって、
   前記タンクの傾斜は、前記タンクの傾斜方向にそれぞれ位置する前記一対の電極部の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出される、液面状態検出装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の液面状態検出装置を備える、燃料電池システム。

Images