(57)【要約】【課題】貯留する水が凍結して氷となったときに、ヒータの熱を効果的に氷に伝達して、氷の解凍を速やかに行えるようにした純水タンク装置及びこれを用いた燃料電池システムを提供する。【解決手段】可動ヒータ８を貯水槽１内で移動可能に配設する。また、貯水槽１の貯水部３の外周壁を内壁５と外壁６とからなる２重構造とし、その間に不凍液７を充填する。そして、貯水槽１内に貯留されている純水２が凍結して氷１２となったときには、可動ヒータ８と内壁５でこの氷１２を挟み込むようにして、可動ヒータ８に組み込まれたヒータからの熱を氷１２に伝達し、氷１２を解凍する。氷１２の解凍が進行して氷１２が小さくなったら、これに従って可動ヒータ８を移動させて可動ヒータ８と移動方向側の内壁５の間の間隔を狭め、未解凍の氷１２が可動ヒータ８に常に接触するようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水の貯留と解凍を行う純水タンク装置であって、
外周壁が内壁と外壁とからなる２重構造とされ、これら内壁と外壁の間に不凍液が充填されてなる貯水槽と、
前記貯水槽内の貯水領域を移動する可動ヒータとを備え、
前記貯水槽内の貯水領域に貯留される純水が凍結して氷となった場合に、前記可動ヒータからの熱で前記氷を解凍し、解凍の進行に従って、前記可動ヒータとこれに対向する移動方向側の貯水槽の外周壁との間隔が狭められることを特徴とする純水タンク装置。
【請求項２】
前記外周壁のうちの内壁と一体化して純水の出口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の純水タンク装置。
【請求項３】
前記可動ヒータが氷の解凍に伴い移動した変位量をモニタする検出手段が設けられ、
前記変位量をモニタすることにより氷の残量が検知されることを特徴とする請求項１に記載の純水タンク装置。
【請求項４】
前記可動ヒータが氷の解凍に伴い移動した変位量をモニタする検出手段が設けられ、
前記変位量をモニタし、変位量に応じて可動ヒータの下方から順次発熱量が低下するように設定することを特徴とする請求項１に記載の純水タンク装置。
【請求項５】
前記可動ヒータの停止点が２箇所に設けられ、
前記可動ヒータが何れの停止点に位置するかにより当該可動ヒータの移動方向が決定されることを特徴とする請求項１に記載の純水タンク装置。
【請求項６】
前記２重構造を有する外周壁内の不凍液を加熱するブロックヒータが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の純水タンク装置。
【請求項７】
燃料電池と、この燃料電池を加湿するための純水を貯蔵する純水タンク装置とを有する燃料電池システムにおいて、
前記純水タンク装置が、
外周壁が内壁と外壁とからなる２重構造とされ、これら内壁と外壁の間に不凍液が充填されてなる貯水槽と、
前記貯水槽内の貯水領域を移動する可動ヒータとを備え、
前記貯水槽内の貯水領域に貯留された純水が凍結して氷となった場合に、前記可動ヒータからの熱で前記氷を解凍し、解凍の進行に従って、前記可動ヒータとこれに対向する移動方向側の外周壁との間隔が狭められることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記不凍液は、燃料電池冷却用の不凍液が一部分岐されて供給されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記内壁と外壁の間に充填された不凍液を循環して暖機する暖機用循環経路を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記不凍液を加熱するヒータが前記貯水槽の外周壁に設置されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、純水を貯留するための純水タンク装置及びこれを用いた燃料電池システムに関するものであり、特に、貯留する純水が凍結した際に、その解凍を速やかに行うための解凍機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。前記固体高分子タイプの燃料電池では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００３】
前記固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。そこで、固体高分子膜に外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、電解質自体を加湿したり、供給される水素を加湿する等、通常の燃料電池システムでは固体高分子膜を加湿するための何らかの加湿手段が設けられている。
【０００４】
通常、この種の加湿手段としては、純水タンク内に加湿用の純水を貯留しておき、必要量の純水を純水タンク内から加湿器や燃料電池に供給するという構成が採用されている。ここで注意すべきは、純水タンク内の純水の凍結である。例えば、燃料電池自動車の動力源として前記固体高分子電解質型燃料電池を用いた場合、寒冷地等での使用等も予想される。このとき、氷点下以下になると、純水タンク内に貯留された加湿用の純水が凍結してしまい、加湿器や燃料電池に必要量の純水が供給されず、燃料電池の円滑な始動が困難になる。したがって、前記加湿手段においては、寒冷地での使用等を考慮して、起動時に純水タンク内で凍結した純水を速やかに解凍する技術が必要になる。
【０００５】
そこで、この水タンク内の水の凍結に対する対策が各方面で検討されており、例えば、純水タンクの内壁を暖機して排ガスの熱エネルギを凍結水に与え、氷を解凍する方法（例えば、特許文献１等を参照。）や、純水タンク内に直接ヒータを配置して氷を解凍する方法等が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７３６８９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、極低温の環境下においては、燃料電池を加湿するための純水が凍結することが予想され、燃料電池の正常な作動のためには、これを速やかに解凍する必要がある。その対策として、特許文献１に記載されているように純水タンクを内壁を暖機することや、純水タンク内に直接ヒータを配置することが行われているが、従来構造の純水タンクでは解凍が必ずしも効率的に行われておらず、素早い解凍、素早い起動の妨げになっている。
【０００８】
例えば、従来の純水タンクでは、解けた水がタンク壁面と氷の間で邪魔をして熱が伝わり難くなり、氷の解凍が完了するまでに余分な時間及びエネルギーが費やされるという問題がある。すなわち、従来構造の純水タンクでは、加熱手段により壁温Ｔｗ（℃）に加熱された加熱壁と、表面が０（℃）になっている氷との間に、解凍により生じた水が介在することになる。ここで、水の熱抵抗は氷の３〜４倍であり、加熱壁から氷への熱移動が阻害される。また、解凍現象は非定常であるため、水の顕熱として費やされる熱量も存在し、この点からも氷表面に到達する熱量が減少する。したがって、解凍スタート直後は例えばヒータから氷への熱伝達効率も高いが、ヒータと氷の間に水の膜が生ずると、熱伝達効率が下がり氷の解凍時間が長くなる。
【０００９】
燃料電池自動車では、極低温の環境下においても素早い起動が望まれ、そのためには、純水タンク内の氷を効率良く解凍し、素早く燃料電池システムに供給可能とすることが必要である。氷の解凍時間を短くするためには、ヒータの面積を大きくすることも考えられるが、ヒータ面積を大きくするとヒータ自体の体積が大きくなるので、純水タンク内の純水が占める容積率が低くなったり、純水タンクを大きくする必要が生ずる等の問題が残る。
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、凍結した氷を解凍する際に、ヒータと氷との間の水を排除してヒータの熱を有効に氷に伝えることができ、ヒータ面積を大きくしなくとも速やかに氷の解凍を進行し得る純水タンク装置を提供することを目的とし、また、このような純水タンク装置を用いることで、極低温時にも速やかに起動することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明の純水タンク装置は、外周壁が内壁と外壁とからなる２重構造とされ、これら内壁と外壁の間に不凍液が充填されてなる貯水槽と、この貯水槽内の貯水領域を移動する可動ヒータとを備え、可動ヒータとこれに対向する外周壁との間の間隔が可変とされた構造となっている。そして、貯留する純水が凍結して氷となった場合に、可動ヒータからの熱で氷を解凍し、解凍の進行に従って、可動ヒータとこれに対向する移動方向側の外周壁との間隔を狭めるようにしている。
【００１２】
これにより、可動ヒータは、解凍された水が介在されることなく直接氷に接触して、可動ヒータの熱が効果的に氷に伝達されることになる。さらに、可動ヒータと対向する貯水槽の外周壁が２重構造となっており、内壁と外壁の間に不凍液が充填されていることから、これを暖機することで氷への熱伝達効率が一層良好なものとなる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池を加湿するための純水を貯蔵する純水タンク装置とを有している。そして、純水タンク装置として、以上のような構成の純水タンク装置が用いられている。この燃料電池システムでは、純水タンク装置において効率的に氷の解凍が進行するため、例えば起動の際に燃料電池に速やかに加湿水が供給され、極低温環境等においても円滑な始動が実現される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の純水タンク装置では、可動ヒータが、解凍によって生じた水を介在させることなく直接氷に接触し、その熱が効果的に氷に伝達されるようになっているので、氷の解凍を効率よく行って、解凍時間を大幅に短縮することが可能である。また、解凍が完了するまでに費やされるエネルギーも必要最低限で済み、余分なエネルギーが費やされることもない。さらに、加熱手段であるヒータ自身の体積を小さくし得る構造であるので、タンク内の純水の容積率を高くすることができ、純水タンク装置の小型化を実現することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、以上のような純水タンク装置を備えることによって、極低温時であっても燃料電池に対して加湿水を速やかに供給することができ、短時間での円滑な起動が可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した純水タンク装置及び燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する純水タンク装置は、燃料電池システムにおいて、燃料電池を加湿するための加湿水を貯留し、この加湿水が凍結した場合にはそれを解凍するためのものとして有効に適用されるが、これに限らず、種々の分野における純水タンク装置としての適用が可能である。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の純水タンク装置を示すものである。この図１に示す純水タンク装置は、貯水槽１にて純水２を貯留する構造となっており、この貯水槽１と一体に、ヒータを用いた解凍機構が設けられているものである。
【００１８】
貯水槽１は、純水２を貯水しておく貯水部３と上蓋４とからなり、いわゆるタンクとしての機能を有する。貯水部３の外周壁は、内壁５と外壁６とからなる２重構造とされており、これら内壁５と外壁６の間の空間には暖機促進及び冷却に利用される不凍液７が充填されている。貯水槽１に貯留される純水２の量は、純水２が凍結して体積が増加しても貯水槽１を破損しない量に設定される。
【００１９】
ヒータを用いた解凍機構としては、可動ヒータ８が貯水槽１内に組み込まれており、貯水槽１内の純水２が凍結して氷となった場合には、この可動ヒータ８の熱を氷に伝達して、氷の解凍を行うようになっている。
【００２０】
図２は、可動ヒータ８を正面から見た状態を示すものである。可動ヒータ８は、貯水槽１の純水２内に浸漬される所定の面状の熱源面８ａを有し、その上方に回転軸１０に挿入される幅狭の支持部８ｂを有する。貯水槽１には、ステップモータや低トルクモータ等の動力源９や、この動力源９によって回転駆動される回転軸１０が設置されており、前記可動ヒータ８の支持部８ｂが回転軸１０に取り付けられている。回転軸１０は、外周面にウォームギヤが刻設されており、可動ヒータ８の支持部８ｂにはこのウォームギヤからの駆動力を受けるギヤ溝が形成されている。
【００２１】
また、貯水部３の両側内壁面には、それぞれ前記回転軸１０に沿ってレール１１が設けられている。そして、図３に示すように、このレール１１に設けられた段差部１１ａに、可動ヒータ８の熱源面８ａに設けられた凹部８ｃが係止されている。なお、図３は図２におけるＡ部を拡大して示したものである。
【００２２】
可動ヒータ８の熱源面８ａは、平板状であってもよいし、細かい網目状であってもよい。ただし、可動ヒータ８が例えば平板状である場合には、可動ヒータ８の最下端と貯水部３の底面との間に隙間を持たせ、解凍された純水２が通過できるスペースを確保する必要がある。
【００２３】
以上の構成により、可動ヒータ８は、回転軸１０の回転に伴ってレール１１に沿って貯水槽１内の貯水領域を左右方向に移動可能とされている。すなわち、この純水タンク装置において、可動ヒータ８は、貯水槽１内の容積を左右に分割する隔壁として機能し、この可動ヒータ８が移動することによって、可動ヒータ８で仕切られた貯水槽１内の左右の容積が相補的に変化するようになっている。
【００２４】
そして、この純水タンク装置では、可動ヒータ８と貯水部３の内壁５とで挟まれる貯水槽１内の例えば左側の空間にて氷の解凍が行われ、解凍の進行に従って可動ヒータ８が貯水槽１内を左方向に移動することで、可動ヒータ８と貯水部３の内壁５との間の間隔が狭められるようになっている。したがって、未解凍の氷は常に可動ヒータ８と貯水部３の内壁５との間に挟み込まれて可動ヒータ８と接触することになり、可動ヒータ８に組み込まれたヒータからの熱が効果的に氷に伝達されることになる。
【００２５】
次に、以上の構成を有する純水タンク装置において、凍結した氷を解凍する動作について説明する。
【００２６】
先ず、貯水槽１内の純水２が凍結していない定常状態においては、可動ヒータ８は貯水槽１の右側へと移動され、図１に示すように、貯水槽１内の右端に位置している。貯水槽１に貯留された純水２が凍結して氷となった場合には、可動ヒータ８に組み込まれたヒータからの熱を氷に伝達し、これを解凍する。
【００２７】
氷の解凍が進むと、解凍によって生じた純水２が貯留槽１内に溜まるが、この純水２が可動ヒータ８と未解凍の氷との間に介在すると、可動ヒータ８と氷との接触面積が減少し、また、可動ヒータ８に組み込まれたヒータからの熱量が純水２の顕熱として消費されてしまうので、未解凍の氷にヒータからの熱を効果的に伝えることができない。
【００２８】
可動ヒータ８と氷の間に純水２が存在した場合の熱伝導の様子を図４に模式的に示す。この図４に示すように、純水が存在すると可動ヒータ８からの熱が氷に伝わり難く、可動ヒータ８の温度Ｔｗが有効に氷に作用していない。また、解凍の現象は非定常であるため、純水の顕熱として費やされる熱量も存在し、氷の表面に到達する熱量が減少する。この減少量は、介在する純水の厚さ（水膜厚さ）に比例する。
【００２９】
図５は、介在する純水の水膜厚さと氷の融解量との関係を数値計算で見積もった結果を示すものである。この図５において、水膜厚さ１ｍｍの例と、水膜厚さ２ｍｍの例は、解凍によって生じる純水を排水することによってそれ以上の厚さにならないと仮定した場合の計算結果である。この図５の結果から、解凍によって生じる純水を排水して、水膜厚さを薄くすることで、解凍時間が大幅に短縮されることがわかる。
【００３０】
そこで、本実施形態の純水タンク装置では、氷の解凍が進行したときには、図６に示すように、氷１２の解凍の進行に従って可動ヒータ８を次第に図中左方向に移動させ、可動ヒータ８と貯水部３の内壁５で氷１２を挟み込み、常にこれら可動ヒータ８と内壁５が氷１２と接するようにしている。このとき、氷１２の解凍によって生じた純水２は、例えば可動ヒータ８の下端と貯水部３の底面の間のクリアランスを通って可動ヒータ８の背面側、すなわち貯水槽１の右側の空間へと排出される。
【００３１】
氷１２の解凍が更に進行すると、これに伴って氷１２も小さくなるが、これに応じて可動ヒータ８を次第に図中左方向に移動させて、可動ヒータ８が常に氷１２と接するようにしている。ここで、氷１２が全て解凍されると、可動ヒータ８は貯水部３の内壁５と接する状態となり、この時点で氷１２の解凍は終了し、これ以上の移動は必要なくなる。
【００３２】
本実施形態の純水タンク装置は、以上の動作によって、貯水槽１内の氷１２を全て解凍して純水２の状態にして貯留する。そして、解凍された純水２は、例えば燃料電池を加湿するための加湿水として、燃料電池へと供給されることになる。また、貯水槽１内の純水が再度凍結した場合には、前述の動作が繰り返し行われる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の純水タンク装置によれば、貯水槽１内の純水が凍結して氷となったときには、可動ヒータ８からの熱で氷の解凍を行うようにしていると共に、解凍の進行に伴って可動ヒータ８を移動操作して、可動ヒータ８とこの可動ヒータ８の移動方向側の貯水部３の内壁５との間の間隔を狭めていき、未解凍の氷が解凍によって生じた純水が介在されることなく可動ヒータ８と常に接触するようにしているので、可動ヒータ８の熱を効率的に未解凍の氷に伝達することができ、氷の解凍を極めて効果的且つ迅速に行うことができる。
【００３４】
また、貯水槽１内を移動する可動ヒータ８は、例えばその下端と貯水部３の底面との間にクリアランスが設けられているので、解凍によって生じた純水を、氷が存在する貯水槽１内の左側の空間とは反対側の右側の空間に効率良く移動させることができ、前述の効果を高めることができる。
【００３５】
さらに、貯水槽１内に配される可動ヒータ８自体の体積を小さくする構造であるので、貯水槽１内の純水の容積率を高くすることができ、貯水槽１を小型化することができる。
【００３６】
以上のような構成の純水タンク装置は、例えば車両用の燃料電池システムに適用することができる。車両用の燃料電池システムには、燃料電池の電解質膜である固体高分子膜を加湿するための加湿水を貯留する純水タンクが設けられている。この燃料電池システムの純水タンクとして、上述した構成の純水タンク装置を用いることができる。
【００３７】
図７は、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの構成を示すものである。この燃料電池システムは、燃料電池自動車の駆動電力を発電する燃料電池２１と、この燃料電池２１に燃料である水素（あるいは水素リッチガス）を供給する水素供給系２２と、燃料電池２１に酸化剤である空気を供給する空気供給系２３と、燃料電池２１に加湿用の水を供給する加湿手段２４と、燃料電池２１を冷却するための冷却手段２５とを備えて構成される。
【００３８】
燃料電池２１は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００３９】
燃料電池２１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、先にも延べた通り、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池２１においては水を供給して加湿することが必要になる。
【００４０】
水素供給系２２は、高圧水素タンク３１、流量制御バルブ３２、エゼクタ３３、水素供給配管３４、水素循環配管３５を備えている。そして、水素供給源である高圧水素タンク３１から供給される水素ガスが、流量制御バルブ３２及びエゼクタ３３を通って水素供給配管３４へと送り込まれ、燃料電池２１の水素極へと供給されるようになっている。
【００４１】
燃料電池２１では供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、残った水素ガス（燃料電池２１から排出される水素ガス）は、水素循環配管３５を通ってエゼクタ３３により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池２１の燃料極に供給される。なお、水素を循環させることによって水素循環配管３５内には不純物や窒素等が蓄積し、これが水素分圧を降下させて燃料電池２１の発電効率を低下させる要因となる場合があるが、燃料電池２１の出口側にはパージ弁３６及びパージ配管３７が設けられており、必要に応じてこれらパージ弁３６やパージ配管３７を通して水素循環配管３５内の不純物や窒素等を除去することにより、以上のような問題が回避されるようになっている。
【００４２】
空気供給系２３は、空気を送り込むコンプレッサ４１、空気供給配管４２、及びスロットル４３を備えている。そして、コンプレッサ４１によって供給される酸化剤としての空気が、空気供給配管４２より燃料電池２１の空気極に供給されるようになっている。また、燃料電池２１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池２１からスロットル４３を介して排出されるようになっている。
【００４３】
加湿手段２４は、加湿用の水を供給する加湿水供給通路５１、余分な水を回収する水回収通路５２、加湿用の純水を貯留する純水タンク５３、純水タンク５３内の水を汲み上げるための加湿水供給ポンプ５４、及び前記空気供給系３によって供給される空気を加湿するための加湿器５５を備えている。そして、本実施形態の燃料電池システムでは、この加湿手段２４の純水タンク５３として、上述した構成の純水タンク装置が用いられ、純水タンク５３内に貯留した加湿水が凍結した場合には、これを速やかに解凍できるようになっている。
【００４４】
この純水タンク５３内の加湿水は、加湿水供給ポンプ５４によって汲み上げられ、加湿水供給通路５１を経て加湿器５５に供給され、空気の加湿に供される。また、加湿に寄与しなかった余剰の水は、水回収通路５２を経て純水タンク５３へと戻される。
【００４５】
また、固体高分子電解質型の燃料電池２１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。そこで、この燃料電池システムにおいては、燃料電池２１を冷却する冷却手段２５が設けられている。この冷却手段２５は、冷媒を循環させながら燃料電池２１へと供給する循環経路６１及び不凍液循環ポンプ６２を有し、冷媒である不凍液により燃料電池２１を冷却し、これを最適な温度に維持するようになっている。循環経路６１内には、放熱手段としてのラジエータ６３が設けられており、燃料電池２１の冷却により加熱された冷媒は、ここで冷却される。
【００４６】
さらに、前記循環経路６１からは、純水タンク５３の２重構造を有する外周壁内に不凍液を循環する純水タンク用循環経路６５が３方弁６４により分岐されて設けられている。この純水タンク用循環経路６５も、先の循環経路６１と同様、放熱手段としてラジエータ６３が設けられているが、さらに、このラジエータ６３をバイパスするバイパス流路６６が３方弁６７により分岐されて設けられている。このバイパス流路６６には、熱交換器６８が設置されており、これにより純水タンク５３の外周壁内に充填された不凍液を起動時に暖機する暖機用ショート回路が構成されている。
【００４７】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいては、加湿手段２４の純水タンク５３として上述した構成の純水タンク装置が用いられ、この純水タンク装置内に加湿水が貯留されるとともに、純水タンク５３の外周壁内に充填された不凍液が起動時に暖機可能であるので、例えば極低温時に加湿水が凍結した場合には、純水タンク装置によって速やかにこれを解凍することができ、短時間での起動が可能である。
【００４８】
（第２の実施形態）
本実施形態は、貯水槽１内の純水２の出口配管を２重構造の外周壁のうちの内壁５と一体的に形成したものである。純水タンク装置の基本構成は先の図１に示すものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００４９】
本実施形態の純水タンク装置では、図８に示すように、純水２の出口配管１３の設置場所は、貯水槽１の２重構造を有する外周壁のうちの内壁５に沿った部分である。すなわち、出口配管１３は、２重構造の外周壁の内壁５に沿って貯水槽１の側壁部分から底壁部分へと延長され、解凍された純水２がこの出口配管１３に導かれる構造とされている。
【００５０】
出口配管１３は、内壁５と一体的に形成されていることから、前記２重構造の外周壁に充填される不凍液７と接することになる。したがって、この出口配管１３内で凍結した純水２は、不凍液７による暖機時に同時に解凍される。
【００５１】
このように、本実施形態の純水タンク装置では、２重構造を有する貯水槽１の不凍液７により純水２の再凍結防止と同時に出口配管１３内の解凍も行うことができる。また、出口配管１３内の再凍結も防止することができ、純水タンク装置の純水出口を確保することが可能である。
【００５２】
（第３の実施形態）
本実施形態は、先の図１に示した純水タンク装置に可動ヒータの停止点（トリガー）を付加すると共に、可動ヒータの移動を純水タンク装置コントローラによって制御するようにした例である。
【００５３】
図９に示すように、本実施形態の純水タンク装置では、動力源９に純水タンク装置コントローラ（以下、単にコントローラと称す。）１４が接続されている。また、貯水槽１内には、可動ヒータ８の停止点となるトリガー１５，１６が２箇所（貯水槽１の右端位置と左端位置）に設けられている。その他の構成は、図１に示す純水タンク装置と同一である。
【００５４】
前記コントローラ１４は、貯水槽１内の純水２の解凍が必要な場合に動力源９を駆動して可動ヒータ８を移動させるとともに、例えば動力源９のウォームギヤ回転開始からの回転数をメモリすることにより、可動ヒータ８の移動変位をモニタしている。そして、モニタした可動ヒータ８の変位量により、可動ヒータ８とこれに対向する外周壁（可動ヒータ８が移動する方向にあり、可動ヒータ８の熱源面８ａに平行な内壁５）によって挟まれている氷の残量を検知する。氷の残量検知においては、可動ヒータ８の移動変位量に基づいて氷の厚みを算出し、その値から氷の体積を算出する。
【００５５】
一方、可動ヒータ８の移動方向に関しては、トリガー１５，１６を２箇所に設けて可動ヒータ８の移動開始点及び停止点としている。可動ヒータ８が移動していずれかのトリガー１５，１６の位置まで達すると、動力源９が自動的にオフする。そして、可動ヒータ８が停止した時にいずれのトリガー１５，１６に位置するかにより、次の可動ヒータ８の移動方向が決められる。すなわち、前回の停止点が右端に位置するトリガー１５であった場合、可動ヒータ８はここを開始点として図中左方向に移動する。逆に、前回の停止点が左端に位置するトリガー１６であった場合、可動ヒータ８はここを開始点として図中右方向に移動する。このように、前回の停止点が次回の開始点になるように設定し、前回の移動方向と次回の移動方向が逆になるようにすることで、可動ヒータ８の無駄な動きを無くすことができる。
【００５６】
本実施形態の純水タンク装置によれば、氷の残量を把握することができるので、氷と純水が混在している状態で解凍した純水の量を見積もることができる。また、前回の可動ヒータの停止位置を次回の可動ヒータの解凍開始位置にする構造であるので、可動ヒータを解凍開始位置に戻すロジックを減らし無駄な動きを無くすことができる。
【００５７】
（第４の実施形態）
本実施形態は、可動ヒータの変位量に応じて可動ヒータの下方から順次発熱量が低下するようにしたものである。すなわち、本実施形態の純水タンク装置において、可動ヒータ８は、独立して制御可能な複数の加熱源（電気ヒータ等）を上下方向に並べて配置することにより、上下方向で異なった発熱量に制御することができる。解凍が進むと解凍された純水が貯水槽１の底部に貯留されてくるが、予め氷の残量を可動ヒータ８の変位量より算出し、コントローラ等によって可動ヒータ８の下方部分より徐々に発熱量を減らしていくことで、純水の無駄な昇温を防ぐことができる。
【００５８】
図１０乃至図１２は、可動ヒータ８の下方部分より徐々に発熱量を減らしていく様子を示すものである。図１０に示すように、解凍開始時には、可動ヒータ８の全面の加熱源をオンし（加熱源がオンされた領域を図中斜線領域として示す。）、最大発熱量で氷の解凍を開始する。図１１に示すように、解凍が進行して可動ヒータ８が中間位置まで移動したら、可動ヒータ８の下方に位置する加熱源の一部をオフし、発熱量を少し下げる。さらに解凍が進行して図１２に示すように氷の残量が僅かになったら、さらに可動ヒータ８の加熱源をオフし、上部の一部加熱源でのみ加熱し、発熱量を大幅に下げるようにする。
【００５９】
以上のように、本実施形態の純水タンク装置は、解凍の進行に伴って可動ヒータ８の熱量を下方から順次下げるような構造としているので、解凍された純水の無駄な昇温を抑えることができ、純水解凍のための消費エネルギーを節約することができる。また、純水の昇温を抑えることにより、例えば純水回路内に配されるイオンフィルタの性能劣化を抑えることもできる。
【００６０】
（第５の実施形態）
本実施形態は、不凍液を加熱するヒータが貯水槽の外周壁に設置された場合の燃料電池システムの構成例である。
【００６１】
燃料電池システムの基本的な構成は、図７に示すものと同様であるが、図１１に示すように、純水タンク５３に不凍液を加熱するための不凍液用ブロックヒータ７１及び加熱電源７２が設けられている。不凍液の温度が低下した場合には、この不凍液用ブロックヒータ７１で不凍液を直接加熱することができる。このとき、純水タンク５３の不凍液を２重構造を有する外周壁内に閉じ込めておけば、さらに効果的に暖機を行うことができる。
【００６２】
不凍液を直接加熱する不凍液用ブロックヒータ７１を設置することで、バイパス流路６６や熱交換器６８を省略することができ、不凍液を起動時に暖機する暖機用ショート回路を省略することができる。したがって、本実施形態によれば、燃料電池システムの構成を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した純水タンク装置の一例を側面方向から見た断面図である。
【図２】前記純水タンク装置を正面方向から見た断面図である。
【図３】可動ヒータのレールへの係止状態を拡大して示す断面図である。
【図４】可動ヒータと未解凍の氷との間に水が介在した場合の伝熱の様子を示す図である。
【図５】水膜厚さと氷の融解量との関係を示す特性図である。
【図６】可動ヒータの移動の様子を示す側面方向からの断面図である。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図８】純水の出口配管を内壁と一体化して形成した例を模式的に示す概略斜視図である。
【図９】コントローラが動力源に接続され、貯水槽内にトリガーが設けられた純水タンク装置の一例を側面方向から見た断面図である
【図１０】可動ヒータの移動の様子を示す図であり、解凍開始時の様子を側面方向から見た断面図である。
【図１１】可動ヒータの移動の様子を示す図であり、可動ヒータが中間位置にある状態を側面方向から見た断面図である。
【図１２】可動ヒータの移動の様子を示す図であり、解凍終了前の状態を側面方向から見た断面図である。
【図１３】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１  貯水槽
２  純水
３  貯水部
５  内壁
６  外壁
７  不凍液
８  可動ヒータ
９  動力源
１０  回転軸
１３  出口配管
１４  コントローラ
１５，１６  トリガー
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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