(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム用の純水を貯留する純水タンクの断熱構造であって、
前記純水タンクの周囲を流体を出し入れできる流路で囲い、
前記流路に燃料電池の燃料ガスである水素ガスを注入可能としたことを特徴とする純水タンクの断熱構造。
【請求項２】
前記流路に注入した水素ガスを、不凍液及び又は純水の、加熱用の熱エネルギーとして利用することを特徴とする請求項１に記載の純水タンクの断熱構造。
【請求項３】
前記流路に注入した流体を該流路から取り出すことで、該流路を圧縮可能とし、外気と前記純水タンクとの間の熱伝導性を向上させることを特徴とする請求項１に記載の純水タンクの断熱構造。
【請求項４】
外気温度と、前記流体の温度と、前記純水タンク内の液相又は固相の水の温度とを比較し、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、前記流路に注入する流体を前記水素ガスとすることを特徴とする請求項１に記載の純水タンクの断熱構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温時の純水凍結の防止、及び凍結した純水の早期解凍を可能とする純水タンクの断熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境にやさしいクリーンエネルギー指向の高まりから、燃料電池自動車の開発が活発に行われている。自動車用燃料電池として有望な固体高分子型燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気とを高分子電解質を介して電気化学反応させることにより発電する。
【０００３】
この燃料電池への燃料ガスの供給方法としては、直接水素型と燃料改質型とがある。直接水素型は、高圧水素ボンベ、水素吸蔵合金、液体水素容器等に貯蔵された水素を燃料ガスとして使用するものである。この直接水素型燃料電池では、アノードに供給する水素及びカソードに供給する空気は、それぞれ加湿器で加湿されて各電極に供給される。
【０００４】
一方燃料改質型では、メタノール等の炭化水素系液体原燃料と水とを燃料として貯蔵する。そして改質触媒を備えた燃料改質器により、原燃料と水から水蒸気改質反応や原燃料の部分酸化反応により水素ガスリッチな改質ガスを生成して、アノードに供給している。
【０００５】
直接水素型及び燃料改質型のいずれの燃料電池においても、加湿用または燃料改質用としての水は、不純物を含むと改質用触媒や電極触媒を劣化させるので、不純物を除去した純水が使用されている。
【０００６】
純水は、氷点（０℃、１気圧）で凝固するので、低温時の凝固対策として、特開２０００−１４９９７０号公報に記載の技術が知られている。この技術によれば、メインの水タンクとは別に加熱機能または保温機能を備えた予備タンクに水を貯蔵している。そして始動時に予備タンクに収容された水を燃料電池へ供給している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池は、理想的な運転温度が８０℃前後であり、加湿用の純水はシステム運転中でも５０℃から８０℃程度に維持することが好ましく、外気が低い場合は断熱することが望ましい。
【０００８】
また、システム停止後から再起動まで、なるべく温度が下がらないように維持しておきたい。特に、凍結してしまうと、解凍するまで加湿できず、燃料電池システムの始動において時間とエネルギーが必要となる。
【０００９】
また、燃料電池の冷却水に純水を使用する場合でも、冷却用純水の温度が低すぎると燃料電池本体での理想的な運転温度を下回り、発電効率低下につながり、また、純水が凍結している場合は、解凍するまで冷却が出来ず、燃料電池システムの始動において、時間とエネルギーが必要となる。
【００１０】
この為、燃料電池システムや純水タンク内の純水の温度低下と凍結を防止又は遅くする為に断熱性を向上することが望まれる。
【００１１】
この断熱性を確保する手段として、純水タンクを断熱材で囲うことが考えられる。しかし、上述したように、燃料電池や純水タンクを常に断熱材で囲う場合、システムが低温環境、特に氷点下で長時間放置された場合などでは、断熱材があったにもかかわらず純水が凍結してしまい、その後の起動において、外気温度が純水温度より高い場合でも、断熱材が存在する為に純水が外気から熱を取り込むことが出来ず、純水が低い温度で維持されてしまい、システムの起動において、起動に長時間を要するとともに、起動に大量のエネルギーが必要となるという問題点があった。
【００１２】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、短時間で燃料電池システムを始動可能とすると共に、始動に要するエネルギーを低減することができる純水タンクの断熱構造を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料電池システム用の純水を貯留する純水タンクの断熱構造であって、前記純水タンクの周囲を流体を出し入れできる流路で囲い、前記流路に燃料電池の燃料ガスである水素ガスを注入可能としたことを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の純水タンクの断熱構造において、前記流路に注入した水素ガスを、不凍液及び又は純水の、加熱用の熱エネルギーとして利用することを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１に記載の純水タンクの断熱構造において、前記流路に注入した流体を該流路から取り出すことで、該流路を圧縮可能とし、外気と前記純水タンクとの間の熱伝導性を向上させることを要旨とする。
【００２５】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項１に記載の純水タンクの断熱構造において、外気温度と、前記流体の温度と、前記純水タンク内の液相又は固相の水の温度とを比較し、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、前記流路に注入する流体を前記水素ガスとすることを要旨とする。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池システム用の純水を貯留する純水タンクの断熱構造であって、前記純水タンクの周囲を流体を出し入れできる流路で囲い、前記流路に燃料電池の燃料ガスである水素ガスを注入可能としたので、燃料電池システムが備えている水素という空気より熱伝導率の高い流体を前記流路に出し入れすることにより、純水タンクと外気との断熱性能を可変できるという効果がある。
【００３３】
請求項２記載の発明によれば、注入した水素ガスを不凍液及び又は純水の加熱用の熱エネルギーとして利用することにより、注入した水素ガスを捨てることなくシステム起動に利用できるという効果がある。
【００３４】
請求項３記載の発明によれば、流体を取り出して流路を圧縮可能とし、外気との熱の伝達性を向上させることにより、熱伝導性のよい流体を注入しなくても外気温度をタンクに伝達でき、純水温度を高めに維持できるという効果がある。
【００３８】
請求項４記載の発明によれば、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、流路に注入する流体を水素ガスとすることにより、純水より温度の高い外気温度を積極的にタンクに伝達できるので、純水温度を高く維持する流体を選択できるという効果がある。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第１実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００４０】
尚、図１では、加湿器に供給する加湿用水を純水タンクに貯留する例を示しているが、これに限定されることなく、改質用の水を純水タンクに貯留する燃料電池システムに適用できることは明らかである。
【００４１】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池１と、純水を使用して水素及び空気を加湿して燃料電池１へ供給する加湿器２と、外気を取り込んで加湿器２及び後述する流体切り替え装置６へ供給する空気供給装置３と、流体を出し入れ可能な流体流路５ｂを有し、純水を貯留する純水タンク５と、純水タンク５の流体流路５ｂへ空気又は不凍液を注入する流体切り替え装置６と、不凍液供給装置７と、不凍液排出装置９と、不凍液タンク１０と、外気温度を測定する外気温度測定装置１１と、流体流路５ｂ内の流体の温度を測定する流体温度測定装置１２と、純水タンク５内の液相または固相の純水温度を測定する純水温度測定装置１３と、外気温度及び流体温度及び純水温度に基づいて流体流路５ｂへ注入する流体を判断する供給流体判断装置１４とを備えている。
【００４２】
純水タンク５は、タンク外壁５ａの外側に離間してタンク外壁の周囲を囲う流路外壁５ｃが設けられ、タンク外壁５ａと流路外壁５ｃとの間が空気又は不凍液等の流体を出し入れすることができる流体流路５ｂとなっている。
【００４３】
流体流路５ｂは、流体切り替え装置６に接続され、供給流体判断装置１４の判断により、流体切り替え装置６が流体流路５ｂへ注入する流体を切り替え可能となっている。
【００４４】
供給流体判断装置１４には、外気温度測定装置１１，流体流路５ｂ内の流体の温度を測定する流体温度測定装置１２，純水タンク５内の液相又は固相の純水の温度を測定する純水温度測定装置１３がそれぞれ接続されている。そして、供給流体判断装置１４は、以下の制御論理で流体流路５ｂへ注入する流体を判断して、流体切り替え装置６へ流体切り替えの制御信号を出力する。この制御信号を受けた流体切り替え装置６は、制御信号に従って、空気又は不凍液を流体流路５ｂへ注入する。
【００４５】
供給流体判断装置１４は、不凍液温度＞純水温度、且つ、不凍液温度＞外気温度、と判断した場合に、流体切り替え装置６に対して流体流路５ｂに不凍液を注入する制御信号を出力する。これにより、不凍液温度と純水温度と外気温度との３者の中で不凍液温度が最も高い場合、不凍液を流体流路５ｂへ注入することができる。従って、液相又は固相の純水タンク５内の純水が不凍液により暖められ、温度上昇した純水を用いて、加湿器２が水素及び空気を加湿できるようになり、燃料電池の起動時間を短縮することができると共に、起動に要するエネルギーを低減することができる。
【００４６】
また、供給流体判断装置１４は、純水温度＞不凍液温度、且つ、純水温度＞外気温度、と判断した場合に、流体切り替え装置６に対して流体流路５ｂに空気を注入する制御信号を出力する。これにより、不凍液温度と純水温度と外気温度との３者の中で純水温度が最も高い場合、空気供給装置３が取り込んだ空気を流体流路５ｂへ注入し、純水タンクの外気に対する断熱性能を高めることができる。従って、純水タンク５内の純水が外気により冷却されることを防止することが出来る。
【００４７】
これにより、温度条件に応じた流体の出し入れが可能となり、タンクの外気との断熱性能を可変できるという効果がある。また、外気、不凍液、純水のそれぞれの温度に応じて純水タンク内の純水温度を高めに維持するに適した流体を選択して、流体流路５ｂに注入することができる。
【００４８】
また、純水タンク５の周囲の流体流路５ｂに注入する流体を不凍液にすることで氷点下でも純水タンク周囲の流体流路を凍結することのない流体にでき、氷点下でも断熱性の可変機能を作動させることができる。
【００４９】
不凍液の温度が高い場合の純水温度低下防止手段として、不凍液の温度を積極的に純水タンク内の純水に伝達し、純水温度を高く維持できる。
【００５０】
外気温度が低い場合の純水温度低下防止手段として、純水タンクの外周に空気の層を作り純水タンクの外気に対する断熱性を高くして、純水温度を高く維持できる。
【００５１】
〔第２実施形態〕
図２は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第２実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００５２】
図２において、図１に示した第１実施形態に対して、ガスボンベ等による空気より断熱性の高い気体を貯蔵する貯蔵装置１５と、この貯蔵装置１５から流体切り替え装置６へ気体を供給する調圧開閉弁等による気体供給装置１６とが追加されている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５３】
本実施形態では、第１実施形態の空気供給に代えて、貯蔵装置１５から流体流路５ｂへ空気より断熱性の高い気体を供給する。これにより、流体流路５ｂへ空気を入れた場合に対し、外気温度を純水タンクに伝達しにくくすることができるので、外気温度が低い場合の純水温度低下防止効果が向上する。
【００５４】
〔第３実施形態〕
図３は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第３実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００５５】
図３において、図１に示した第１実施形態に対して、純水タンク周囲に設けられた流体流路５ｂ内を真空にすることができる真空ポンプ等による真空装置４が追加されている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５６】
本実施形態では、第１実施形態の空気供給に代えて、純水タンク５の周囲の流体流路５ｂを、真空装置４により真空にする。
【００５７】
これにより、流体流路５ｂに空気を入れた場合よりも断熱性能を向上でき、外気温度をさらに純水タンクに伝達しにくくすることができるので、外気温度が低い場合の純水温度低下防止効果がさらに向上する。
【００５８】
〔第４実施形態〕
図４は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第４実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００５９】
図４において、図１に示した第１実施形態に対して、水素を貯蔵する水素貯蔵装置１７と、水素貯蔵装置１７から圧力調整された水素を取り出して加湿器２又は流体切り替え装置６へ供給する水素供給装置１８と、流体流路５ｂから水素を排出させるポンプ等の水素排出装置１９と、水素排出装置１９から排出された水素を燃焼させる水素燃焼装置２０と、水素燃焼装置２０で発生した燃焼熱を不凍液に伝える熱交換器８とが追加されている。このうち、水素貯蔵装置１７、水素供給装置１８は、燃料電池１の発電用水素を供給するものと共用化されている。
【００６０】
その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００６１】
供給流体判断装置１４には、第１実施形態と同様に、外気温度測定装置１１，流体流路５ｂ内の流体の温度を測定する流体温度測定装置１２，純水タンク５内の液相又は固相の純水の温度を測定する純水温度測定装置１３がそれぞれ接続されている。そして、供給流体判断装置１４は、以下の制御論理で流体流路５ｂへ注入する流体を判断して、流体切り替え装置６へ流体切り替えの制御信号を出力する。この制御信号を受けた流体切り替え装置６は、制御信号に従って、水素又は不凍液を流体流路５ｂへ注入する。
【００６２】
供給流体判断装置１４は、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、流体流路５ｂに流入する流体を水素ガスとする制御信号を流体切り替え装置６へ出力する。すなわち、外気温度、純水温度、不凍液温度の３者の間で、外気温度が最も高い場合、空気より熱伝導率の高い気体である水素を純水タンク５の周囲の流体流路５ｂへ流入させる。これにより、外気温度を効率よく純水タンク５内の純水に伝えて、速やかに純水の温度を上げることができる。
【００６３】
また上記の温度条件が満足されない場合、流体流路５ｂに水素が充填されていれば、この水素を水素排出装置１９により、水素燃焼装置２０へ排出する。このとき、不凍液供給装置７は、不凍液タンク１０の不凍液を汲み上げて、熱交換器８を通して不凍液タンク１０へ戻すように不凍液を循環させる。これにより、水素燃焼装置２０で発生した熱を熱交換器８を介して不凍液に伝え、流体流路５ｂへ注入した水素ガスを無駄にすることなく、不凍液温度の上昇に利用することが出来る。
【００６４】
〔第５実施形態〕
図５は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第５実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００６５】
図５において、図１に示した第１実施形態に対して、外気と不凍液との熱交換を行うラジエータ等の熱交換器８が追加されている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００６６】
本実施形態では、不凍液タンク１０から熱交換器８を介して外気と熱交換された不凍液が不凍液供給装置７へ供給されるようになっている。不凍液供給装置７は、流体切り替え装置６を介して、純水タンク５の周囲の流体流路５ｂへ不凍液を供給する。そして、不凍液供給装置７と不凍液排出装置９とは、不凍液タンク１０，熱交換器８，不凍液供給装置７，流体切り替え装置６，流体流路５ｂ，不凍液排出装置９，不凍液タンク１０の経路で、協動して不凍液を循環させることができるようになっている。
【００６７】
この不凍液の循環によって、熱交換器８及び流体流路５ｂにより、外気熱を不凍液に伝達させ、さらに、不凍液の循環により純水タンク５内の純水に外気熱を伝達させる。これにより、外気温度を純水タンク５の周囲の流体流路５ｂに加えて、熱交換器８による熱伝導性の高い経路を利用して純水に伝達させるので、純水の温度上昇を促進できる。
【００６８】
〔第６実施形態〕
図６は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第６実施形態の要部を説明する断面図である。図６（ａ）は、純水タンク外壁５ａの外周に設けた流路外壁５ｃが拡張した状態を示し、図６（ｂ）は、同流路外壁５ｃが収縮した状態を示している。
【００６９】
純水タンク５は、タンク外壁５ａの外側に、拡張及び収縮が可能な材質による流路外壁５ｃが設けられ、タンク外壁５ａと流路外壁５ｃとの間が不凍液等の流体を注入することができる流体流路５ｂとなっている。
【００７０】
そして、本実施形態においては、外気温度が純水タンク５内の純水温度より高い場合、流体流路５ｂ内の流体を取り出して、流路外壁５ｃを収縮させて、好ましくは、流路外壁５ｃをタンク外壁５ａに密着させ、外気との熱の純水タンクへの熱伝導性を向上させる。
【００７１】
本実施形態によれば、外気温度が純水タンク５内の純水温度よりも高く、外気と純水との熱伝導性を向上させたい場合に、流体流路５ｂへ流体を注入しなくても流体を抜き流体流路５ｂを圧縮して、流路外壁５ｃをタンク外壁５ａに密着させることで、外気温度を純水タンク５に伝達しやすく出来るので、外気温度が高い場合に、純水温度上昇を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第１実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第２実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図３】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第３実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図４】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第４実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図５】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第５実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図６】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第６実施形態の要部を説明する純水タンク断面図である。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…加湿器
３…空気供給装置
４…真空装置
５…純水タンク
５ａ…タンク外壁
５ｂ…流体流路
５ｃ…流路外壁
６…流体切り替え装置
７…不凍液供給装置
８…熱交換器
９…不凍液排出装置
１０…不凍液タンク
１１…外気温度測定装置
１２…流体温度測定装置
１３…純水温度測定装置
１４…供給流体判断装置
【図１】
0003671914.tif 000002
【図２】
0003671914.tif 000003
【図３】
0003671914.tif 000004
【図４】
0003671914.tif 000005
【図５】
0003671914.tif 000006
【図６】
0003671914.tif 000007