(57)【要約】【課題】純水が凍結する際に純水タンクに発生する応力を低減し、壁厚を厚くすることなく変形、破損などを防止する純水タンクを提供する。【解決手段】純水が収容される純水層１５の内側面壁１４の外側に不凍液層１６を設け、この不凍液層１６に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ、低温になればなるほど密度が増加する不凍液を収容した。不凍液層１６の幅Ｄは、不凍液層１６の高さをＨとすると、Ｄ＝０．０００５・ｌｏｇｅ・Ｈ＋０．００３７以上にした。【選択図】      図２
2004303480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水が収容される純水層（１５）の側面壁（１４）の外側に不凍液層（１６）を設け、この不凍液層（１６）に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ、低温になればなるほど密度が増加する不凍液を収容したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０），（１０Ａ），（１０Ｂ）。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０），（１０Ａ），（１０Ｂ）であって、
不凍液層（１６）の幅Ｄは、不凍液層（１６）の高さをＨとすると、Ｄ＝０．０００５・ｌｏｇｅ（Ｈ）＋０．００３７以上にしたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０），（１０Ａ），（１０Ｂ）。
【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及び酸化剤ガスを加湿するために純水が必要不可欠となるが、寒冷地等で車両を長時間停車した状態では純水タンク内の純水が凍結する。
【０００３】
従って、燃料電池発電システムの始動性を改善するためには、純水タンク内の純水の解凍促進が要求される。そのため、従来では純水タンクとして容量の大きい主タンクとこの主タンクより容量の小さい予備タンクとを備え、主タンクを加熱された冷却水によって、補助タンクをヒータによって暖めることによって純水を解凍する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来例は、純水タンク内で凍結した純水を解凍する技術であり、凍結する際に純水が純水タンクに及ぼす応力に対しては何ら考慮されていない。つまり、純水タンク内の純水が凍結する時には、純水タンクの側面に接触している箇所から凍り初め、次に、純水タンクの水面箇所が凍って純水タンクの上面側が氷で覆われ、最後に純水タンクの中心箇所の純水が凍る。そのため、中心箇所の純水が凍り、氷が体積膨張する際に上面側に膨張することができないために純水タンクに大きな応力が発生する。この応力によって純水タンクが変形、破損等する恐れがある。純水タンクの変形、破損などを防止するために壁厚を厚くすると、純水タンクの大型化・重量化になるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、純水が凍結する際に純水タンクに発生する応力を低減でき、壁厚を厚くすることなく変形、破損などを防止できる燃料電池発電システムの純水タンクを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、純水が収容される純水層の側面壁の外側に不凍液層を設け、この不凍液層に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ、低温になればなるほど密度が増加する不凍液を収容したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池発電システムの純水タンクであって、不凍液層の幅Ｄは、不凍液層の高さをＨとすると、Ｄ＝０．０００５・ｌｏｇｅ（Ｈ）＋０．００３７以上にしたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、周囲温度が氷点下に下がり始めると、外面側の温度が低くなり、不凍液層の温度が高くなる。不凍液層の温度が低いと外面側の不凍液が下方に、温度が高い内部側の不凍液が上方に向かうために自然対流が発生し、この自然対流による温度分布が熱伝達により純水層の純水に伝達されて純水層の温度分布が上面側の温度が高く、下部側の温度が低くなり、純水層の純水は純水タンクの下部側から凍り初めて上部側が後から凍る。従って、下部側の純水が凍結して体積膨張する際に上面側に膨張することができる。以上より、純水タンクの下部側の純水が凍結する際に純水タンクに発生する応力を低減でき、壁厚を厚くすることなく変形、破損などを防止できる。又、純水タンクの壁厚を薄くできるため、純水タンクの小型化・軽量化に寄与する。
【００１０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、純水層の純水を確実に下部側から凍り初めて上部側を後から凍させることができ、純水タンクの下部側の純水が凍結する際に純水タンクに発生する応力を確実に低減できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１〜図６は本発明の第１実施形態を示し、図１は本発明の純水タンク１０を備えた燃料電池発電システムの概略構成図、図２（ａ）は純水タンク１０の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ１−Ａ１線断面図、図３は図２（ａ）のＡ２−Ａ２線断面図、図４は純水を下部側から上部側に向かって順に凍らせるに必要な不凍液層の高さに対する最小必要幅の特性線図である。
【００１３】
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。
【００１４】
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、純水導出パイプ１３２と純水汲み上げポンプ１３１とにより供給される。
【００１５】
氷点下の外気温条件下で、燃料電池発電システムを停止して長時間停車すると、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。
【００１６】
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１１４から冷却液ポンプ１４１により冷却液を循環させ、燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００１７】
このラジエータ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ている。
【００１８】
また、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により燃料電池発電システムの始動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。
【００１９】
更に、バイパス通路１４３に不凍液を加熱するための電熱または水素燃料熱を利用したヒータ１４５を設置することで、燃料電池スタック１１０の暖機促進を図れるようにしている。
【００２０】
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。
【００２１】
図２（ａ）、（ｂ）及び図３に示すように、純水タンク１０は、底面壁１１と４側方に配置された外側面壁１２とこれらの上面を塞ぐ上面壁１３によって外方が囲まれている。４側方の外側面壁１２の内側には同じ間隔を保持するように平行に配置された内側面壁１４が設けられている。そして、純水タンク１０内には内側面壁１４に囲まれた純水タンク層１５と、内側面壁１４と外側面壁１２とに囲まれた不凍液層１６とが構成されている。つまり、純水層１５の外側面の全周に亘って不凍液層１６が設けられている。又、不凍液層１６の幅Ｄ（ｍ）は、不凍液層１６の高さをＨ（ｍ）とすると、Ｄ＝０．０００５・ｌｏｇｅ（Ｈ）＋０．００３７以上に設定されている。
【００２２】
純水層１５には純水が、不凍液層１６には不凍液がそれぞれ収容されている。不凍液は、純水タンク１０の使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ、低温になればなるほど密度が増加する液体である。
【００２３】
上記構成において、周囲温度が氷点下に下がり始めると、不凍液層１６の外面側１６の温度が低くなり、不凍液層の内部側１６ｉの温度が高くなる。すると、温度が低い外面側の不凍液が下方に、温度が高い内部側の不凍液が上方に向かうために図２（ｂ）のａ矢印方向に示すような自然対流が発生し、この自然対流によって不凍液層１６は上部側が高温領域に、下部側が低温領域となる。
【００２４】
すると、この温度分布が内側面壁１４を介した熱伝達により純水層１５の純水に伝達される。すると、純水層１５の温度分布が上面側の温度が高く、下部側の温度が低くなる。そのため、純水層１５の純水は、下部側から凍り初めて上部側が後から凍る。図２（ｂ），図３に純水の時間別の概略凍結エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を示すと、エリアＥ１，エリアＥ２，エリアＥ３，エリアＥ４の順に凍結する。
【００２５】
そして、下部側の純水（エリアＥ１、エリアＥ２、エリアＥ３）が凍る際には、その上部側の純水が未だ凍っていないために凍って体積膨張する際に上面側に膨張することができる。従って、純水層１５の下部側の純水が凍結する際に純水タンク１０に発生する応力を低減でき、壁厚を厚くすることなく純水タンク１０の凍結による変形、破損等を防止できる。又、純水タンク１０の壁厚を薄くできるため、純水タンク１０の小型化・軽量化に寄与する。
【００２６】
第１実施形態では、冷媒層１６の幅Ｄ（ｍ）は、Ｄ＝０．０００５・ｌｏｇｅ（Ｈ）＋０．００３７（ｍ）以上に設定されている。つまり、外気温度：−３０℃、無風、不凍液：５０％エチレングリコール＋純水の場合において、純水層１５の純水を下部側から上部側に向かって順に凍らせるのに必要な不凍液層１６の高さＨに対する最小必要幅Ｄの特性線が図４に示されている。この特性線は、縦軸をｘ軸、横軸をｙ軸とした場合のｙ＝０．０００５・Ｌｎ（ｘ）＋０．００３７（但し：Ｌｎ＝ｌｏｇｅ）の特性線に酷似している。従って、冷媒層の幅Ｄ（ｍ）を、Ｄ＝０．０００５・ｌｏｇｅ（Ｈ）＋０．００３７（ｍ）以上に設定することにより、純水層１５の純水を確実に下部側から凍り初めて上部側を後から凍させることができ、純水層１５の下部側の純水が凍結する際に純水タンク１０に発生する応力を確実に低減できる。
【００２７】
尚、内側面壁１４は、不凍液層１６の不凍液の熱が迅速に純水層１５の純水に迅速に伝達されるように熱伝達率の高い材質で形成することが好ましい。又、外側面壁１２は、純水タンク１０内と外気とを断熱することから熱交換率の低い材質で形成することが好ましい。
【００２８】
図５〜図７は本発明の第２実施形態を示し、図５は純水タンク１０Ａの平面図、図６は図５のＢ１−Ｂ１線断面図、図７は図５のＢ２−Ｂ２線断面図である。
【００２９】
図５〜図７に示すように、前記第１実施形態と同様に内側に純水層１５が、その外側面に不凍液層１６がそれぞれ設けられている。しかし、純粋層１５を３分割するように連結壁１７が設けられ、この連結壁１７によって不凍液層１６の連結層１６ａが構成されている。
【００３０】
他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、重複説明回避するべく同一構成箇所には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
この第２実施形態では、純水層１５と不凍液層１６の互いの側面が接触する面積が大きいので、純水層１５の純水と不凍液層１６の不凍液との熱交換が広範囲で行われ、迅速な熱交換が行われる。従って、純水層１５の純水を確実に下部側から凍り初めて上部側を後から凍させることができ、純水層１５の下部側の純水が凍結する際に純水タンク１０Ａに発生する応力を確実に低減できる。
【００３２】
この第２実施形態の純水タンク１０Ａは、純水層１５の容積が大きい場合に有効である。
【００３３】
図８は本発明の第３実施形態を示し、その純水タンク１０Ｂの断面図である。図８に示すように、前記第２実施形態と比較すると、第３実施形態の純水タンク１０Ｂは、その不凍液層１６の上面側の幅をＤ１、底面側の幅をＤ２（Ｄ１＜Ｄ２）とすると、上面側から下面側に向かって徐々に幅が広く設定されている。
【００３４】
他の構成は、前記第２実施形態と同様であるため、重複説明回避するべく同一構成箇所には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
この第３実施形態では、不凍液層１６の下方側の容積を大きくすることによって純水層１５の下方側の容積が小さくなるため、不凍液層１６の下方側の温度がより確実、且つ、迅速に純水層１５の下部側に伝達される。従って、純水層１５の純水を更に確実に下部側から凍り初めて上部側を後から凍させることができ、純水層１５の下部側の純水が凍結する際に純水タンク１０Ｂに発生する応力を更に確実に低減できる。
【００３６】
この第３実施形態の純水タンク１０Ｂは、第２実施形態より更に純水層１５の容積が大きい場合に有効である。
【００３７】
尚、前記各実施形態では、燃料電池発電システムは電気自動車に搭載される場合として説明したが、家庭用などの燃料電池発電システムとして利用されるものであっても本発明は同様に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、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構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は純水タンク１０の平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示し、図２（ａ）のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態を示し、純水を下部側から上部側に向かって順に凍らせるに必要な不凍液層の高さに対する最小必要幅の特性線図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示し、純水タンクの平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態を示し、図５のＢ１−Ｂ１線断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態を示し、図５のＢ２−Ｂ２線断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態を示し、純水タンクの断面図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  純水タンク
１４  内側面壁（側面壁）
１５  純水層
１６  不凍液層
【図１】
2004303480.tif 000003
【図２】
2004303480.tif 000004
【図３】
2004303480.tif 000005
【図４】
2004303480.tif 000006
【図５】
2004303480.tif 000007
【図６】
2004303480.tif 000008
【図７】
2004303480.tif 000009
【図８】
2004303480.tif 000010