(57)【要約】【課題】解凍時間を短縮するとともに、解凍に要するエネルギーを節約することができる燃料電池車両用水タンクを提供する。【解決手段】純水が安全に凍結することができる純水解凍タンク１は、その中央部に底面から隆起するテーパー状突起２を有している。純水解凍タンク１と、解凍水を一時貯蔵する解凍水貯蔵タンク４と、ダイヤフラムポンプ５及び配管７には、加熱手段としての電気ヒータ１０が設けられている。純水解凍タンク１内の氷を解かす場合、電気ヒータ１０に通電して加熱する。純水解凍タンク１で解けた水は、速やかに解凍水貯蔵タンク４へ流下するので、氷と純水解凍タンク１の壁面との接触が維持され熱伝導が良好となる。解凍水貯蔵タンク４の水は、ダイヤフラムポンプ５、切替弁６、配管７を介して散水口８から純水解凍タンク１内の氷に振りかけられ、氷を素早く解かすことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車両に用いる水を貯蔵する燃料電池車両用水タンクにおいて、
燃料電池車両の運転停止時に水を貯留する水解凍タンクと、
融解した水を一時貯留する解凍水貯蔵タンクと、
前記水解凍タンク及び前記解凍水貯蔵タンクの相互間で水を移送する配管系と、
前記水解凍タンクを加熱する加熱手段とを備え、
燃料電池車両の運転停止時に、前記解凍水貯蔵タンクから前記水解凍タンクに水を移動させて前記解凍水貯蔵タンクは空とし、
前記水解凍タンク内の水を解凍する時には、該水解凍タンク内で融解した水を速やかに前記解凍水貯蔵タンクへ排出することを特徴とする燃料電池車両用水タンク。
【請求項２】
前記水解凍タンク内の水平方向の内法断面積が、鉛直上方から下方に向かって縮小していくように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両用水タンク。
【請求項３】
前記解凍水貯蔵タンクから前記水解凍タンクへ前記配管系を介して水を送る送水手段と、
該送水手段により前記解凍水貯蔵タンクから前記水解凍タンクへ送る水を、前記水解凍タンク内の氷に直接ふりかける散水口と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池車両用水タンク。
【請求項４】
前記水解凍タンク内の水平方向の内法断面積が、鉛直上方から下方に向かって縮小していくように構成されていることによって生じたタンク下面のスペースに、前記解凍水貯蔵タンクを内蔵するとともに、前記水解凍タンクと該解凍水貯蔵タンクとの隔壁を共有化したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池車両用水タンク。
【請求項５】
前記解凍水貯蔵タンクと前記水解凍タンクとを連通する連通孔を両タンクの最下端部に設けると共に、前記解凍水貯蔵タンクの最上端に外気と連通するバルブを設け、該バルブを開閉して解凍水貯蔵タンク内の空気量を調節することにより、前記水解凍タンクと前記解凍水貯蔵タンクとの水の流通を制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池車両用水タンク。
【請求項６】
前記加熱手段が前記水解凍タンクの外壁と一体化されていると共に、前記解凍水貯蔵タンクの水を前記水解凍タンクに送水する送水手段が前記外壁内に一体化されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池車両用水タンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両用水タンクに係り、特に氷点下始動時の解凍性能を向上させた燃料電池車両用水タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、動作温度が低く、取り扱いの容易な固体高分子型燃料電池システムが移動体用電源や家庭用コジェネレーションシステムとして開発されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池システムは、高分子電解質膜が水分を含んだ状態で水素イオン伝導性を持つため、燃料電池本体に供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿したり、高分子電解質膜を備える燃料電池スタック内部を直接加湿する必要がある。
【０００４】
このような燃料電池システムを戸外で使用する場合、寒冷時に気温が零下（氷点下）に下がることが考えられるので、加湿用の水を貯蔵する水タンクは、凍結及び解凍の対策が施される必要がある。
【０００５】
従来、燃料電池車における凍結タンク中の水を解凍する方法としては、高温排気物または冷却水を凍結タンクの周りに通過させて氷を解かす、例えば、特許文献１に記載の技術がある。
【０００６】
図９に、そのような解凍方法の一例となる概略図を示す。水素ガス改質物から電気を生成する際に生じる副産物の水蒸気から再生された水を貯蔵するための水タンク１０１、水が安全に凍結することができる凍結タンク１０２、水タンク１０１から燃料プロセッサへ水を循環させるポンプ１０３、ポンプ１０３から送り出す水の経路を燃料プロセッサ又は凍結タンク１０２へ切り替える三方弁１０４、水タンク１０１内の水が凍結することを避けるため、水タンク１０１から凍結タンク１０２へ水を放出するように開放作動可能な弁１０５、凍結タンク１０２の周囲に配置されたヒータ１０６、コントローラ１０７を備えている。
【０００７】
運転停止時に水タンク１０１内の水を凍らせる温度が差し迫っている場合、コントローラ１０７は、弁１０５を開いて水タンク１０１から凍結タンク１０２に水を移送する。運転再開時に、凍結タンク１０２の水が凍結していれば、ヒータ１０６に電気化学エンジンからの高温排気物または冷却水を供給して、凍結タンク１０２を加熱し、凍結タンク内の氷を解かすようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１５８０２４号公報（第４ページ、図２，３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の解凍タンクでは、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にくくなり、融解が完了するまでに時間およびエネルギーが費やされるという問題点があった。
【００１０】
解凍タンクの壁部近傍の拡大模式図を図１０に示す。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は、融解して生じた水が存在する。ここで、水の熱抵抗は氷の３〜４倍あり、加熱壁から氷への熱移動を阻害している。また、解凍の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、氷表面に到達する熱量が減少する。この減少量は、水の厚さに関係する。この関係を数値計算で見積った結果を図１１に示す。排水無しに対し、水膜厚さＸ［ｍｍ］（１ｍｍ、２ｍｍ）とは、排水することにより、水膜厚さがＸ［ｍｍ］以上には成長しないと仮定した場合の計算結果である。解凍時の融解水を排出することで、融解量が増し解凍時間が短縮できることがわかる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料電池車両に用いる水を貯蔵する燃料電池車両用水タンクにおいて、燃料電池車両の運転停止時に水を貯留する水解凍タンクと、融解した水を一時貯留する解凍水貯蔵タンクと、前記水解凍タンク及び前記解凍水貯蔵タンクの相互間で水を移送する配管系と、前記水解凍タンクを加熱する加熱手段とを備え、燃料電池車両の運転停止時に、前記解凍水貯蔵タンクから前記水解凍タンクに水を移動させて前記解凍水貯蔵タンクは空とし、前記水解凍タンク内の水を解凍する時には、該水解凍タンク内で融解した水を速やかに前記解凍水貯蔵タンクへ排出することを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、解凍時に、水解凍タンク内で融解した水を解凍水貯蔵タンクへ速やかに排出しているので、水解凍タンクを加熱する加熱手段と氷との間の熱伝導が良くなり、解凍に要する時間を短縮するとともに、解凍に要するエネルギーを節約することができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
次に図１ないし図４を参照して、本発明に係る燃料電池車両用水タンクを詳細に説明する。尚、以下の説明では、燃料電池に供給する反応ガスを加湿するための純水を貯蔵する燃料電池車両用水タンクについて説明するが、これは本発明を限定するものではなく、他の用途の水を貯蔵するタンクに適用可能であることは明らかである。
【００１４】
図１は、第一実施形態の燃料電池車両用水タンクの構成を示す概略図である。同図において、燃料電池車両用水タンクは、純水が安全に凍結することができる純水解凍タンク１と、純水解凍タンク１内の氷を解凍した解凍水を一時貯蔵する解凍水貯蔵タンク４と、純水解凍タンク１内の水を解凍水貯蔵タンクへ排出するバルブ３と、解凍水貯蔵タンク４の水を圧送するダイヤフラムポンプ５と、ダイヤフラムポンプ５から送出される水の経路を図外の加湿系統または純水解凍タンク１へ切り替える切替弁６と、解凍水を循環させるための配管７と、配管７の先端部に設けられた散水口８と、純水解凍タンク１内の純水又は氷の温度を検出する温度センサ９と、純水解凍タンク１及び解凍水貯蔵タンク４及び配管７を加熱する加熱手段としての電気ヒータ１０と、システム全体を制御するコントローラ１１とを備えている。
【００１５】
純水解凍タンク１は、外側の壁面の形状が上下逆向きの略円錐台形状であり、その中央部に底面から隆起するテーパー状突起２を有している。これにより、純水解凍タンク１内の水平方向の内法断面積が、鉛直上方から下方に向かって縮小していくように構成されている。言い換えれば、純水解凍タンクの壁面は、上方に開く斜面となっている。これにより、純水解凍タンク１内で純水が凍結したときの体積膨張による横方向の応力を上向きに変換して逃がすことができ、純水凍結タンク１内の純水が安全に凍結することができるようになっている。
【００１６】
純水解凍タンク１の底部には連通孔１２があり、その下方に配置された解凍水貯蔵タンク４にバルブ３を介して連通している。
配管７の先端部に設けられた散水口８は、配管７を介して解凍水貯蔵タンク４から純水解凍タンク１へ送られる解凍水が純水解凍タンク１内の氷に直接ふりかけられるように配置されている。
【００１７】
加熱手段としての電気ヒータ１０は、純水解凍タンク１の壁面及び底面に設けられ、純水解凍タンク１内の氷を解かすために用いられる。
純水解凍タンク１と同様に、解凍水貯蔵タンク４及びダイヤフラムポンプ５までのタンク壁面、底面、および配管系には、極低温環境下において再凍結を防ぐため、加熱手段として電気ヒータを設けた構造となっている。
尚、加熱手段としては、電気ヒータに限らず、図示しない燃焼器で水素を燃焼させた排ガスの流路を所望の加熱部分に設けてもよい。
【００１８】
次に、上述の構成による作用を説明する。課題の欄で説明したとおり、純水解凍タンク内の氷を短時間で融解するには、加熱壁と氷との間に存在する水膜を少なくすることが肝要であり、本発明では下記のとおり解決している。
【００１９】
まず、燃料電池作動時の状態を図２に示す。バルブ３は開となり、純水凍結タンク１内の水は、解凍水貯蔵タンク４に移動する。ダイヤフラムポンプ５が作動して水を圧送するが、切替弁６は加湿系統へつながっており、水は加湿に使用される。
【００２０】
次に燃料電池が停止した状態を図３に示す。バルブ３が閉じられ、ダイヤフラムポンプ５が作動し、切替弁６が純水凍結タンク１側となっており、解凍水貯蔵タンク４内の水は純水凍結タンク１内に貯留される。外気温が氷点下になると、図３の状態で氷結する。
【００２１】
次に、解凍運転中の状態を図４に示す。電気ヒータ１０が作動し、氷を解凍するが、バルブ３は開となっており、融解した水は、連通孔１２からバルブ３を介して速やかに解凍水貯蔵タンク４内に流下する。これにより加熱手段と氷との間に存在する水の量が少なくなり、解凍時間を短縮し、解凍に要するエネルギーを節約することができるという効果がある。
【００２２】
ここで、空気も吸引可能なダイヤフラムポンプ５が作動し、切替弁６は純水凍結タンク１側に切り替えられており、融解した水はダイヤフラムポンプ５により圧送され、散水口８から純水凍結タンク１内の氷にふりかけられる。これによって、加熱壁に接触していない領域でも氷の解凍を促進できるという効果がある。
【００２３】
純水解凍タンク１の壁面および底面の内部には、電気ヒータ１０が設けられていて、壁面、および底面から氷に熱を伝える。純水解凍タンク１、およびテーパー状突起２によって、氷は解凍するにつれて下方へ移動する。これによって、氷の融解面と加熱壁との接触面積は常に大きく保つことになるので、加熱手段の投入エネルギーを効率よく氷に伝えることができるという効果がある。
【００２４】
〔第二実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第二実施形態を詳細に説明する。図５は、第二実施形態の燃料電池車両用水タンクの構成を示す概略図である。第二実施形態は、解凍水を一時貯蔵する解凍水貯蔵タンク４が純水凍結タンク１のテーパー状突起２の内側に内蔵されている点に特徴がある。このため、純水凍結タンク１と解凍水貯蔵タンク４とを連通する連通孔１２及びバルブ３は、純水凍結タンク１の底面ではなく側壁面の下部に設けられている。また、テーパー状突起２の頂部には解凍水貯蔵タンク４内のエア抜き用孔１３が追加されている。
【００２５】
その他の構成は、図１に示した第一実施形態と同様であるので、同一構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。したがって、第一実施形態にて説明した純水解凍タンクの形状、および解凍水の循環系については、本実施形態においても同様に行うことを前提とする。
【００２６】
第二実施形態は、第一実施形態において、解凍水貯蔵タンク４をテーパー状突起２の内側に内蔵させたことにより、車両搭載を考慮した場合に、純水解凍タンクシステムを小型化することができ、より少ないスペースに解凍タンクを収めることが可能になるという効果がある。また、純水解凍タンク１と解凍水貯蔵タンク４との加熱手段の共有化が可能となるという効果がある。
【００２７】
〔第三実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第三実施形態を詳細に説明する。図６は、第三実施形態の燃料電池車両用水タンクの構成を示す概略図である。第三実施形態は、第二実施形態において、エア抜き用孔１３及びバルブ３の位置が異なったタイプである。解凍水貯蔵タンク４のエア抜き用孔１３に開度調節可能なバルブ３を配置するとともに、純水解凍タンク１と解凍水貯蔵タンク４との間の連通孔１２にはバルブは設けていない。その他の構成は、図５に示した第二実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。したがって、第一実施形態にて説明した純水解凍タンクの形状、および解凍水の循環系については、本実施形態においても同様に行うことを前提とする。
【００２８】
第三実施形態では、エア抜き用孔１３の通過空気量を調節するバルブ３により解凍水貯蔵タンク内に存在する空気量を調整し、純水解凍タンク１と解凍水貯蔵タンク４との水の連通を制御するような構成となっているため、解凍タンク構造が簡素化できるという効果がある。
【００２９】
燃料電池システムの運転を停止させる際には、純水解凍タンク１内の氷は解凍されていて、その解凍水は切替弁６によって加湿系統へ供給されているので、ダイヤフラムポンプ５で引き上げる流量がバルブ３を通過する流量を上回るようにして、解凍水貯蔵タンク４内および配管７内が空になった時点でバルブ３を閉じてダイヤフラムポンプ５を停止すれば、解凍水貯蔵タンク１内にそれ以上水が入ることはなく、解凍水貯蔵タンク４内、および配管７内の水抜きをすることができる。
【００３０】
なお、水抜き後に純水解凍タンク１へ純水を供給する際には、バルブ３が閉じられて解凍水貯蔵タンク４内が空気で満たされているので、解凍水貯蔵タンク４内のエア抜き用穴１２より上側に純水が進入することはなく、解凍水貯蔵タンク４内が水で満たされた状態で凍結することはない。
【００３１】
〔第四実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第四実施形態を詳細に説明する。図７は、第四実施形態の燃料電池車両用水タンクの構成を示す概略図である。第四実施形態は、加熱手段が純水解凍タンク１の外壁と一体化されていると共に、バルブ３、純水貯蔵タンク１から解凍水貯蔵タンク４、および解凍水貯蔵タンク４からダイヤフラムポンプ５までの配管系を、該外壁内に一体化させていることを特徴とする。その他の構成は、図５に示した第二実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。したがって、第一実施形態にて説明した純水解凍タンクの形状、および解凍水の循環系については、本実施形態においても同様に行うことを前提とする。
【００３２】
第四実施形態は、加熱手段である電気ヒータ１０が純水解凍タンク１の外壁と一体化されていると共に、純水貯蔵タンク１から解凍水貯蔵タンク４、および解凍水貯蔵タンク４からダイヤフラムポンプ５までの配管系を、該外壁内に一体化させていることによって、車両搭載を考慮した場合に、燃料電池車両用水タンクシステムをさらに小型化することができ、また解凍水貯蔵タンク４、および配管内での再凍結を防ぐことができるという効果がある。
【００３３】
図８は、上記第一実施形態ないし第四実施形態に共通なコントローラ１１による制御動作を説明するフローチャートである。
【００３４】
まずステップＳ１０において、運転状態を判断する。ステップＳ１０における運転状態が「始動」の場合は、ステップＳ１２へ進み、温度センサ９が検出した純水解凍タンク１内の温度が０［℃］を超えているか否かを判定する。ステップＳ１２の判定で、温度が０［℃］を超えていれば、解凍が不要なので、Ｓ２２へ分岐する。
【００３５】
ステップＳ１２で、温度が０［℃］を超えていなければ、解凍が必要であるとして、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、タイマーによる計時を開始する。ステップＳ１６では、「始動モード」として、バルブ３を開き、切替弁６を純水凍結タンク１側に設定し、ダイヤフラムポンプ５を作動させ、電気ヒータ１０を作動させる。
【００３６】
これにより純水凍結タンク１内の氷は、タンク壁面に接している部分から解け始めて、解凍水はバルブ３から解凍水貯蔵タンク４に速やかに流下する。解凍水貯蔵タンク４の水は、ダイヤフラムポンプ５で吸い上げられ、切替弁６、配管７を経て散水口８より純水解凍タンク内１の氷にふりかけられ、速やかに氷を解かすことができる。
【００３７】
次いで、ステップＳ１８で、タイマー値が所定値以上となったか否かを判定し、タイマー値が所定値以上でなければ、解凍を続けるために、ステップＳ１６へ戻る。ステップＳ１８の判定で、タイマー値が所定値以上となっていれば、解凍が終了したとして、ステップＳ２０へ進み、運転モードに切り替えて、ステップＳ１０へ戻る。
【００３８】
ステップＳ１０の判定で、運転状態が「運転中」であれば、ステップＳ２２へ進み、「運転モード」として、電気ヒータ１０を停止して、バルブ３を開き、切替弁６で加湿系統への流路を選ぶ。そして、解凍水貯蔵タンク４に溜まった水をダイヤフラムポンプ５で吸い上げて、加湿装置へ送り、ステップＳ１０へ戻る。
【００３９】
ステップＳ１０の判定で、運転状態が「停止直後」であれば、ステップＳ２４へ進み、タイマーによる計時を開始する。ステップＳ２６では、「停止モード」として、バルブ３を閉じ、切替弁６を純水凍結タンク１側に設定し、ダイヤフラムポンプ５を作動させ、電気ヒータ１０を停止させる。これにより、解凍水貯蔵タンク４の水は、純水凍結タンク１へ送られる。
【００４０】
次いで、ステップＳ２８で、タイマー値が所定値以上となったか否かを判定し、タイマー値が所定値以上でなければ、解凍水貯蔵タンク４から純水凍結タンク１へ送水を続けるために、ステップＳ２６へ戻る。ステップＳ２８の判定で、タイマー値が所定値以上となっていれば、送水が終了したとして、ステップＳ３０でダイヤフラムポンプ５の動作を停止する。これにより、解凍水貯蔵タンク４内の水及び配管内の水は全て、ダイヤフラムポンプ５により吸い上げられて純水解凍タンク１に貯蔵され、凍結に備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第一実施形態を説明する概略図である。
【図２】第一実施形態における燃料電池作動時の様子を説明する概略図である。
【図３】第一実施形態における燃料電池停止時の様子を説明する概略図である。
【図４】第一実施形態における解凍時の様子を説明する概略図である。
【図５】本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第二実施形態を説明する概略図である。
【図６】本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第三実施形態を説明する概略図である。
【図７】本発明に係る燃料電池車両用水タンクの第四実施形態を説明する概略図である。
【図８】本発明に係る燃料電池車両用水タンクを用いた燃料電池システムにおける水制御を説明するフローチャートである。
【図９】従来の車両搭載用水解凍タンクを示す概略構成図である。
【図１０】解凍中の水解凍タンク壁近傍での温度分布模式図である。
【図１１】水膜の厚さと氷融解量の関係を表したグラフである。
【符号の説明】
１…純水解凍タンク
２…テーパー状突起
３…バルブ
４…解凍水貯蔵タンク
５…ダイヤフラムポンプ
６…切替弁
７…配管
８…散水口
９…温度センサ
１０…電気ヒータ（加熱手段）
１１…コントローラ
１２…連通孔
１３…エア抜き用孔
【図１】
2004186028.tif 000003
【図２】
2004186028.tif 000004
【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】
2004186028.tif 000009
【図８】
2004186028.tif 000010
【図９】
2004186028.tif 000011
【図１０】
2004186028.tif 000012
【図１１】
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