(57)【要約】【課題】純水タンク内で凍結した純水の解凍時間の短縮化を図る。【解決手段】タンク本体１１内の純水が凍結している場合、ジャケット１５に液熱媒を循環することにより氷塊が融解し始め、ある程度融解水が溜ったところで撹拌手段２０により融解水に流動を付与することにより、融解水の対流が促進されて熱伝達率が向上し、氷塊全体を短時間に解凍することができる。【選択図】      図２
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【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、タンク本体（１１）と、
タンク本体（１１）の外側に設けられて、内部に液熱媒が導入されるジャケット（１５）と、
タンク本体（１１）内に設けられて、該タンク本体（１１）内の凍結した純水の解凍時に、融解水に流動を付与する撹拌手段（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】
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、撹拌手段（２０）が、モータ（２２）により駆動されるスクリュー（２１）である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３】
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、撹拌手段（２０）が、ジャケット（１５）内に導入される液熱媒の流動力により駆動されるスクリュー（２１Ａ）である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。
【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】
従って、前記発電システムの始動性を改善するためには、純水の解凍促進が要求され、そのため、従来では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凍し、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０号公報（３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構造にあっては、タンク内の融解した水の層が殆ど流速を持たずに伝熱壁面の氷塊との間に介装するため、氷塊への熱伝達率が悪くなってしまうことは否めない。
【０００６】
特に、融解水の層は氷塊が融解するのに従って厚くなるため、それに伴い氷塊への熱伝達率が悪化し、よって、純水が凍結した時に発電システムを始動する場合、運転に必要な純水が供給できるようになるまでに時間がかかってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は簡単な構成により純水の氷塊の解凍時間を短縮できて、始動性を著しく改善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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池発電システム用の純水タンクにあっては、
純水タンクが、タンク本体と、
タンク本体の外側に設けられて、内部に液熱媒が導入されるジャケットと、
タンク本体内に設けられて、該タンク本体内の凍結した純水の解凍時に、融解水に流動を付与する撹拌手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、タンク本体内の純水が凍結している場合に、ジャケット内へ液熱媒を導入することにより、タンク本体の周壁が伝熱壁面となって氷塊を解凍する。
【００１０】
タンク本体の伝熱壁面と氷塊との間にある程度融解水が溜ったところで撹拌手段により融解水に流動を付与することにより、融解水の対流が促進されて熱伝達率が向上し、氷塊全体を短時間に解凍することができる。
【００１１】
この結果、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００１２】
【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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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に純水タンク１０に貯留された純水が純水汲み上げポンプ１３１により供給される。
【００１６】
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。
【００１７】
氷点下のような条件下では、システム停止時に純水が凍結して燃料電池スタック１１０等のコンポーネントにて破裂を招くおそれがあるため、その対策として運転終了時に純水経路内の純水を抜き取っておくことが必要で、その抜き取った純水は前記純水タンク１０に貯留される。
【００１８】
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から冷却液ポンプ１４１により冷却液を循環させ、該燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００１９】
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１５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１４２にこのジャケット１５を介装している。
【００２０】
また、この冷却液経路１４２にはラジエータ１４０をバイパスするバイパス通路１４３を設け、３方弁１４４により純水タンク１０内の純水解凍時にのみラジエータ１４０をバイパスさせるようにしている。
【００２１】
更に、バイパス通路１４３に冷却水を加熱するための電熱または水素燃焼熱を利用したヒータ１４５を設置することで、純水の解凍促進を図るようにしている。
【００２２】
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。
【００２３】
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、純水を貯留するタンク本体１１は、底壁１２と周側壁１３と上壁１４とで略方形に形成してある。
【００２４】
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、加湿器１３０へ純水を導出する純水導出パイプ１３２と、タンク本体１１に純水を回収する純水導入パイプ１３３は前記上壁１４を貫通して設けてあり、純水導出パイプ１３２はその下端を底壁１２の近傍にまで延出してある。
【００２５】
そして、本実施形態ではタンク本体１１の底壁１２から周側壁１３に亘って、内部に液熱媒が導入されるジャケット１５を形成してある。
【００２６】
このジャケット１５は、熱媒導入口１６および熱媒導出口１７を介して前記図１に示した冷却液経路１４２に連通していて、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。
【００２７】
また、タンク本体１１内には、該タンク本体１１内の凍結した純水の解凍時に、融解水Ｗに流動を付与する撹拌手段２０を設けてある。
【００２８】
本実施形態ではこの撹拌手段２０として、周側壁１３に固設したモータ２２の回転軸２３に固定されて、該モータ２２により駆動されるスクリュー２１を用いている。
【００２９】
尚、図２中、Ｗ′はタンク本体１１内に凍結した純水の氷塊を示している。
【００３０】
以上の第１実施形態の構造によれば、寒冷地等の低温環境下で発電システムを停止して車両を長時間停車すると、純水タンク１０内の純水は凍結して氷塊となるが、燃料電池発電システムの始動時に、冷却液経路１４２のバイパス通路１４３に設けたヒータ１４５を作動すると共に冷却液ポンプ１４１を駆動して、ヒータ１４５で加熱した不凍液を燃料電池スタック１１０を経由して純水タンク１０のジャケット１５に導入する。
【００３１】
これにより、ジャケット１５内の加熱された不凍液の熱がタンク本体１１の底壁１２と周側壁１３とを伝熱壁面として氷塊Ｗ′に伝熱され、これら底壁１２と周側壁１３の付近に融解水Ｗが生じる。
【００３２】
この氷塊Ｗ′の融解量と経過時間には図３に示すような関係があり、経過時間が増すに連れて融解水Ｗ層の厚さが増えるため熱伝達性が低下して融解速度が低下し、同図のｂ線に示すように氷塊Ｗ′の融解量の促進度合いが鈍くなる。
【００３３】
そこで、ある程度融解が進んでスクリュー２１および回転軸２３周りの氷が融解した時点でモータ２２を駆動することにより、スクリュー２１の回転で融解水Ｗが撹拌されて該融解水Ｗに流動が付与されるため、融解水Ｗの対流が促進されて伝熱壁面から氷塊Ｗ′への熱伝達率が向上する。
【００３４】
よって、氷塊Ｗ′の解凍速度を速めることができて、図３のａ線に示すように融解量の悪化代を減少させることができる。
【００３５】
伝熱壁面（底壁１２，周側壁１３）と氷塊Ｗ′との間の融解水Ｗ層の厚さと氷塊Ｗ′への熱伝達率は、図４に示すような関係があるが、前記融解水Ｗの流動により氷塊Ｗ′も移動して伝熱壁面に接触することで、その部分においては介在する融解水Ｗ層が薄い分、更に熱伝達率が向上する。
【００３６】
この結果、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００３７】
図５，図６は本発明の第２実施形態を示すもので、図５は純水タンク１０の略示的断面図、第６は撹拌手段２０の配設部分の拡大断面図である。
【００３８】
この第２実施形態にあっては、撹拌手段２０を、ジャケット１５内に導入される液熱媒である不凍液の流動力により駆動されるスクリュー２１Ａで構成している。
【００３９】
スクリュー２１Ａは、ジャケット１５の熱媒導入口１６を設けた側で、タンク本体１１の周側壁１３を貫通して軸支された回転軸２５に固定されている。
【００４０】
この回転軸２５は熱媒導入口１６とほぼ同一軸線上に配置されており、ジャケット１５内に突出した軸端には、熱媒導入口１６に導入される不凍液の水流を受けて回転する羽根車２６を固定してある。
【００４１】
周側壁１３における回転軸２５の貫通部分はシールされることは勿論である。
【００４２】
従って、この第２実施形態ではスクリュー２１Ａの周囲が凍結している間は、羽根車２６が不凍液の水流を受けても回転しないが、不凍液の熱により氷塊Ｗ′の融解が進んで、スクリュー２１Ａの周囲の氷が解けた時点でスクリュー２１Ａが羽根車２６と一体に回転して融解水Ｗを撹拌し、伝熱壁面から氷塊Ｗ′への熱伝達率を向上することができる。
【００４３】
この第２実施形態によれば、スクリュー２１Ａを駆動するためのモータを使用しないため電力の必要がなく、また、モータの駆動制御も不要であるからコスト的におよびシステム設計上有利に得ることができる。
【００４４】
また、羽根車２６の回転によりジャケット１５内での液熱媒の分散性を向上することもできる。
【００４５】
更に、羽根車２６はジャケット１５に流入した液熱媒を緩やかに流れ方向を変えることができるため、ジャケット１５に流入した液熱媒が周側壁に直角に当たる場合に比べて液熱媒の通路抵抗の低減にもなる。
【００４６】
図７は本発明の第３実施形態を示すもので、本実施形態にあっては前記図６に示した第２実施形態におけるスクリュー２１Ａおよび羽根車２６を、それぞれ周側壁１３に同一軸線上に固設した固定軸２７，２８に回転自在に装着してあり、これらスクリュー２１Ａ，羽根車２６は何れも磁力を持たせ、羽根車２６が回転するとスクリュー２１Ａも磁力によって回転するようにしてある。
【００４７】
従って、この第３実施形態によれば前記第２実施形態と同様の作用効果が得られる他に、周側壁１３に回転軸の貫通部分がないため、シール構造が不要となる利点がある。
【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実施形態を示す略示的断面説明図。
【図３】純水タンク内の氷塊の融解量と経過時間との関係を示すグラフ。
【図４】純水タンクの伝熱壁面−氷塊間の熱伝達率と、融解水層の厚さとの関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態を示す略示的断面説明図。
【図６】図５の撹拌手段の配設部分を示す拡大図。
【図７】本発明の第３実施形態を示す図６と同様の拡大図。
【符号の説明】
１０  純水タンク
１１  タンク本体
１５  ジャケット
２０  撹拌手段
２１，２１Ａ  スクリュー
２２  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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