(57)【要約】【課題】純水タンク内の純水が凍結しても、タンク本体の変形を防止することができる燃料電池発電システム用の純水タンクの提供を図る。【解決手段】タンク本体１１の周囲に設けた断熱手段２０によって、タンク本体１１内の純水Ｗの凍結が該タンク本体１１の底壁１２側から促され、氷塊Ｗ’の成長が底壁１２側から側壁１３に沿って次第に純水液面側へと進行して全体的に凍結するようになり、凍結による純水の膨張がタンク本体１１の上部空間で許容される結果、側壁１３の変形が防止される。【選択図】　　　図２
2004127815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電システムに用いられる純水タンク（１０）であって、
該純水タンク（１０）は、底壁（１２）と側壁（１３）と上壁（１４）とからなるタンク本体（１１）と、
該タンク本体（１１）の周囲に設けられて、タンク本体（１１）内の純水（Ｗ）が凍結する際に、底壁（１２）側からの凍結を促す断熱手段（２０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項２】
断熱手段（２０）を、タンク本体（１１）の外表面に装着した断熱材（２１）で構成し、
該断熱材（２１）はタンク本体（１１）の底壁（１２）側は厚みを薄く、側壁（１３）側および上壁（１４）側を、底壁（１２）側よりも厚みを厚く設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの純水タンク。
【請求項３】
断熱手段（２０）を、タンク本体（１１）の底壁（１２）から側壁（１３）の途中に亘って設けられて、内部に液熱媒が導入されるジャケット（２２）と、
該ジャケット（２２）よりも上方部分にジャケット（２２）に続いてタンク本体（１１）の側壁（１３）から上壁（１４）に亘って設けられた真空室（２７）と、で構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項４】
断熱手段（２０）を、タンク本体（１１）の底壁（１２）から側壁（１３）の途中に亘って設けられて内部に液熱媒が導入されるジャケット（２２）と、
該ジャケット（２２）よりも上方部分にジャケット（２２）に続いてタンク本体（１１）の側壁（１３）から上壁（１４）に亘って設けられた断熱材（２４）と、で構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項５】
タンク本体（１１）の側壁（１３）に設けられたジャケット（２２）は、内部に導入された液熱媒の液位が、タンク本体（１１）内の純水の凍結時の上面高さ位置よりも高くなるように設定したことを特徴とする請求項３，４に記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項６】
タンク本体（１１）を、底壁（１２）側から上壁（１４）側に向けて末広がりのテーパ状に形成したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システム用の純水タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムでは、燃料電池スタックに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿するために純水が不可欠となるが、寒冷地等で車両を長時間停車した状態では純水の凍結が生じる。
【０００３】
そのため、従来では例えば、特開２０００−１４９９７０号公報に示されているように、純水タンクに予備タンクを付設すると共に、この予備タンクの周側にヒータを設け、発電システムの始動時には予備タンク内の凍結した純水をヒータによって解氷し、該予備タンクの純水を使用するようにしたものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、純水タンクは他の機能部品と共に、例えば車体フロア下側等の空きスペースに搭載されていて、前述のように寒冷地等で車両を長時間停車しておくと、該純水タンク内の純水が凍結してしまうが、この純水の凍結形態は純水タンク内の上方の液面から凍結し始め、次第に氷塊が下側に成長すると共に、タンク側壁に沿って上方から下方に向けて凍結が進行して全体的に凍結するようになる。
【０００５】
このため、純水が凍結により膨張するが、このように凍結が純水タンク内の上方側から行なわれることによって、前記膨張の逃げ場が失われてタンク側壁やタンク底壁に歪が生じて変形するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は純水タンク内の純水が凍結しても、タンク本体の変形を防止することができる燃料電池発電システム用の純水タンクを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、燃料電池発電システムに用いられる純水タンクであって、
該純水タンクは、底壁と側壁と上壁とからなるタンク本体と、
該タンク本体の周囲に設けられて、タンク本体内の純水が凍結する際に、底壁側からの凍結を促す断熱手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、
前記断熱手段を、タンク本体の外表面に装着した断熱材で構成し、
該断熱材はタンク本体の底壁側は厚みを薄く、側壁側および上壁側を、底壁側よりも厚みを厚く設定したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、
前記断熱手段を、タンク本体の底壁から側壁へ途中に亘って設けられて、内部に液熱媒が導入されるジャケットと、
該ジャケットよりも上方部分にジャケットに続いてタンク本体の側壁から上壁に亘って設けられた真空室と、で構成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、
前記断熱手段を、タンク本体の底壁から側壁の途中に亘って設けられて内部に液熱媒が導入されるジャケットと、
該ジャケットよりも上方部分にジャケットに続いてタンク本体の側壁から上壁に亘って設けられた断熱材と、で構成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明にあっては、請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、
前記タンク本体の側壁に設けられたジャケットは、内部に導入された液熱媒の液位が、タンク本体内の純水の凍結時の上面高さ位置よりも高くなるように設定したことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明にあっては、請求項１〜５に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、
前記タンク本体を、底壁側から上壁側に向けて末広がりのテーパ状に形成したことを特徴としている。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、タンク本体の周囲に設けた断熱手段によって、タンク本体内の純水の凍結が該タンク本体の底壁側から促され、氷塊の成長が該底壁側から側壁に沿って次第に純水液面側へと進行して全体的に凍結するようになる。
【００１４】
この結果、純水が凍結により膨張しても、この膨張はタンク本体内の上部空間で許容されるため、タンク本体の側壁が氷塊の膨張によって変形するのを回避することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、断熱材の厚み調整によって容易に所期する断熱手段を構成することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、液熱媒が導入されるジャケットと、真空室とによって断熱性に差を持たせて所期する断熱手段の機能を十分に発揮させることができる。
【００１７】
また、燃料電池発電システムの始動時にジャケットに液熱媒を導入することによって、タンク本体内の純水の氷塊の解凍時間を短縮できて始動性を改善することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、液熱媒が導入されるジャケットと、断熱材とによって断熱性に差を持たせて所期する断熱手段の機能を十分に発揮されることができる。
【００１９】
また、燃料電池発電システムの始動時にジャケットに液熱媒を導入することによって、タンク本体内の純水の氷塊の解凍時間を短縮できて始動性を改善することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項３，４の発明の効果に加えて、ジャケットには氷塊の上面位置よりも上方に液熱媒が導入されるため、氷塊の上面側を含めて氷塊の全周囲から解凍できて解凍時間をより一層短縮することができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の発明の効果に加えて、タンク本体の上側部が末広がりとなっていて、氷塊の膨張の許容空間が拡大されるため、純水の凍結膨張によるタンク本体側壁の変形防止をより確実に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００２３】
図１は本発明の純水タンクを備えた燃料電池発電システムの概略を示している。
【００２４】
図１において、燃料電池スタック１１０は、燃料ガスとして圧縮水素タンク１２０より純水素が導入される燃料極１１１と、酸化剤ガスとして外部から取り入れた空気が導入される空気極１１２とを備え、これら燃料極１１１に導入された純水素と空気極１１２に導入された空気中の酸素とを、図外の電解質膜を介して反応させることにより発電させる。
【００２５】
燃料電池スタック１１０に供給される前記水素および空気は、発電作用の活性化および電解質膜の劣化防止のため加湿器１３０で加湿され、この加湿器１３０には純水タンク１０に貯留された純水が供給される。
【００２６】
前記水素と空気の加湿に供された純水は、燃料電池スタック１１０の排気系より、これら水素と空気中の酸素との反応により生成した純水と共に前記純水タンク１０に回収される。
【００２７】
また、前記燃料電池スタック１１０では、発電時に発熱するため、この燃料電池スタック１１０にラジエータ１４０より冷却液を循環させて、該燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００２８】
ラジエータ１４０と燃料電池スタック１１０とを循環する冷却液として不凍液が用いられ、本実施形態では前記純水タンク１０に設けられた後述するジャケット２２の液熱媒としてこの不凍液が用いられ、燃料電池スタック１１０とラジエータ１４０とを結ぶ冷却液経路１４１にこのジャケット２２を介装している。
【００２９】
また、この冷却液経路１４１の燃料電池スタック１１０とジャケット２２との間には加熱装置１４２が設けられ、必要なときには冷却液を加熱することができるようになっている。この加熱装置１４２は電気ヒータや、燃料電池スタック１１０からの排水素を燃焼した熱を利用することができる。
【００３０】
尚、図１中、細い実線αは空気の流通経路、一点鎖線βは水素の流通経路、破線γは不凍液の流通経路、太い実線δは加湿用の純水の流通経路を示す。
【００３１】
図２は本発明の純水タンク１０の第１実施形態を示しており、純水Ｗを貯留するタンク本体１１は、底壁１２と側壁１３と上壁１４とで矩形に形成してある。
【００３２】
このタンク本体１１はイオン発生の影響の少ないステンレス鋼材が用いられており、本実施形態では底壁１２側から上壁１４側に向けて末広がりのテーパ状に形成してある。
【００３３】
純水導入パイプ１５は、側壁１３の一つの上側部を貫通して設けてある一方、純水導出パイプ１６は、上壁１４を貫通して下端を底壁１２の近傍にまで延出して配設してある。
【００３４】
そして、このタンク本体１１の周囲に、タンク本体１１内の純水Ｗが凍結する際に、底壁１２側からの凍結を促す断熱手段２０を設けてある。
【００３５】
本実施形態ではこの断熱手段２０として、例えば発泡スチロール等の発泡樹脂材からなる断熱材２１を用いて、この断熱材２１を前記底壁１２部分では厚みを薄くし、側壁１３および上壁１４の各部分ではこの底壁１２側よりも厚みを十分に厚くして、底壁１２側と、側壁１３および上壁１４側とで断熱性に差を持たせてある。
【００３６】
従って、この第１実施形態の構造によれば、寒冷地等で車両を長時間停車した場合、純水タンク１０内の純水は凍結するが、このとき、タンク本体１１の底壁１２側と、側壁１３および上壁１４側とでは前述のように断熱材２１の厚み調整によって底壁１２部分の断熱性を低く、側壁１３および上壁１４の各部分の断熱性を高くしてあるため、図３（ａ）に示すように、タンク本体１１内の純水Ｗの凍結が該タンク本体１１の底壁１２側から促され、氷塊Ｗ’の成長が図３（ａ），（ｂ）に示すように該底壁１２から側壁１３に沿って次第に純水Ｗの液面側へと進行して、やがて図３（ｃ）に示すように全体的に凍結するようになる。
【００３７】
この結果、純水Ｗが凍結により膨張しても、この膨張は前記図３（ｂ），（ｃ）に示すようにタンク本体１１内の上部空間で許容されて氷塊Ｗ’の盛り上がりが自由にされ、従って、タンク本体１１の側壁１３はもとより底壁１２が氷塊Ｗ’の膨張によって変形するのを回避することができる。
【００３８】
ここで、特に本実施形態では前述のように、断熱材２１を用いて、この断熱材２１をタンク本体１１の底壁１２側では厚みを薄く、側壁１３および上壁１４側では厚みを厚くして、該断熱材２１の厚みを調整によって前記断熱手段２０を容易に構成することができる。また、タンク本体１１の上部側が末広がりとなっていて、氷塊Ｗ’の膨張の許容空間が拡大されるため、純水Ｗの凍結膨張によるタンク本体１１の側壁１３の変形防止をより確実に行うことができる。
【００３９】
図４は図６に示した純水タンクモデル１０内の純水の凍結試験結果を示すグラフである。
【００４０】
図６の純水タンクモデル１０は、底壁１２、側壁１３、上壁１４を何れも厚さｔ＝２ｍｍのＳＵＳ３０４の鋼板材を用いて、高さ寸法Ｈ＝１２０ｍｍ、底壁１２の一辺の寸法Ｌ＝１４０ｍｍ、側壁１３のテーパ角度θ＝１０°の平面正方形のタンク本体１１を構成し、そして、側壁１３と上壁１４に断熱材として厚さ２５ｍｍの発泡スチロール板を貼着し、底壁１２には断熱材を設けないで構成したものである（図６では断熱材を省略して示す）。
【００４１】
図４は、この純水タンクモデル１０内に上壁１２近傍にまで純水Ｗを注入し、これを庫内温度−２０℃の冷気自然対流方式の冷凍庫に入れて、純水Ｗ内の１〜１４位置における経時的な温度変化を測定したグラフである。
【００４２】
１〜７はタンク本体中心における底壁１２から液面までを上下方向に７等分した温度測定位置を示し、８〜１４は純水Ｗの液位中央の位置４から側壁１３の一つまでを水平方向に７等分した温度測定位置を示す。
【００４３】
図４中、ａ線は６時間経過後、ｂ線は１８時間経過後、ｃ線は２４時間経過後における前記測定位置１〜１４の温度変化を示している。
【００４４】
このグラフから明らかなように、純水Ｗはタンク本体１１の上下方向では底壁１２側から凍結し始めて液面は最後に凍結し、水平方向では側壁１３側から中心側に向けて凍結が進行することが判る。
【００４５】
図５は比較例として、前記図６に示したタンク本体１１の上壁１４を取り外し、外周には断熱材を設けないで前述と同じ純水液位、温度測定位置、庫内温度条件で試験を行った純水の温度測定結果を示すグラフである。
【００４６】
図５中、ｄ線は８時間経過後、ｅ線は１０時間経過後、ｆ線は１２時間経過後における前記測定位置１〜１４の温度変化を示している。
【００４７】
この比較例では、純水Ｗはタンク本体１１の上下方向では液面側から凍結し始めて底壁１２側は最後に凍結し、水平方向では側壁１３側から中心側に向けて凍結が進行することが判る。
【００４８】
図７は本発明の第２の実施形態を示すもので、本実施形態にあっては前記第１実施形態におけるタンク本体１１の底壁１２から側壁１３の途中に亘って、内部に液熱媒が導入されるジャケット２２を形成すると共に、該ジャケット２２よりも上方部分にジャケット２２に続いてタンク本体１１の側壁１３から上壁１４に亘って、前述と同様の断熱材２４を設けて、これらジャケット２２と断熱材２４とで前述の断熱手段２０を構成している。
【００４９】
前記ジャケット２２は、液熱媒導入管２５および液熱媒導出管２６を介して前記図１に示した冷却液経路１４１に連通接続していて、燃料電池スタック１１０からラジエータ１４０へ帰還する不凍液が導入されるようになっている。
【００５０】
また、本実施形態ではタンク本体１１の側壁１３に設けられたジャケット２２は、内部に導入された液熱媒の液位が、タンク本体１１内の純水の凍結時の上面高さ位置よりも高くなるように設定してある。
【００５１】
従って、この第２実施形態の構造によれば、液熱媒が導入されるジャケット２２と、断熱材２４とによって断熱性に差を持たせて、タンク本体１１内の上部空間側の断熱性が高くなるようにしてあるため、所期する断熱手段２０としての機能を十分に発揮させることができて、本実施形態にあっても前記第１実施形態と同様にタンク本体１１の底壁１２側から純水を凍結させることができる。
【００５２】
また、本実施形態では燃料電池発電システムの始動時にジャケット２２に液熱媒を導入することによって、タンク本体１１内の純水の氷塊Ｗ’の解凍時間を短縮できて始動性を改善することができる。
【００５３】
特に、本実施形態ではジャケット２２には氷塊Ｗ’の上面位置よりも上方に液熱媒が導入されるため、氷塊Ｗ’の上面側を含めて該氷塊の全周囲から解凍できて解凍時間を短縮することができる。
【００５４】
図８は本発明の第３実施形態を示すもので、本実施形態ではタンク本体１１の底壁１２から側壁１３の途中に亘って、液熱媒が導入されるジャケット２２を設ける点は前記図７に示した第２実施形態と同様であるが、本実施形態にあっては前記ジャケット２２よりも上方部分に、ジャケット２２に続いてタンク本体１１の側壁１３から上壁１４に亘って真空室２７を隔成し、これらジャケット２２と真空室２７とで断熱手段２０を構成している。
【００５５】
また、本実施形態では側壁１３における真空室２７は、タンク本体１１内の純水の液面高さよりも低くして上部側の断熱性を高めるようにしてあるが（図では氷塊Ｗ’の上面高さ位置よりも低くなるようにしてある）、これは図７に示した第２実施形態と同様にジャケット２２の位置が氷塊Ｗ’の上面位置よりも高くなるようにしてもよい。
【００５６】
従って、この第３実施形態にあっても、液熱媒が導入されるジャケット２２と、断熱性に富む真空室２７とによって断熱性に差を持たせて、タンク本体１１内の上部空間側の断熱性が高くなるようにしてあるため、所期する断熱手段２０としての機能を十分に発揮させることができて、前記第１実施形態と同様にタンク本体１１の底壁１２側から純水を凍結させることができると共に、燃料電池発電システムの始動時には、ジャケット２２に液熱媒を導入することで氷塊Ｗ’の解凍時間を短縮して始動性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の純水タンクを用いた燃料電池発電システムの概略説明図。
【図２】本発明の第１実施形態を示す断面説明図。
【図３】本発明の第１実施形態における純水の凍結形態を（ａ）〜（ｃ）で示す説明図。
【図４】本発明の第１実施形態のモデルにおける純水凍結を説明する温度測定グラフ。
【図５】本発明の第１実施形態のモデルに対する比較例の純水凍結を説明する温度測定グラフ。
【図６】本発明の第１実施形態のモデルを示す断面図。
【図７】本発明の第２実施形態を示す断面説明図。
【図８】本発明の第３実施形態を示す断面説明図。
【符号の説明】
１０…純水タンク
Ｗ…純水
Ｗ’…氷塊
１１…タンク本体
１２…底壁
１３…側壁
１４…上壁
２０…断熱手段
２１，２４…断熱材
２２…ジャケット
２３…断熱材室
２７…真空室
【図１】
2004127815.tif 000003
【図２】
2004127815.tif 000004
【図３】
2004127815.tif 000005
【図４】
2004127815.tif 000006
【図５】
2004127815.tif 000007
【図６】
2004127815.tif 000008
【図７】
2004127815.tif 000009
【図８】
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