(57)【要約】【課題】貯留する水が凍結して氷となったときに、加熱手段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解凍タンク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】ヒータが組み込まれた放熱板３，４のうちの一方を貯水槽１内で移動可能に配設する。そして、貯水槽１内に貯留されている水２が凍結して氷１１となったときには、放熱板３，４でこの氷１１を挟み込むようにして、放熱板３，４に組み込まれたヒータからの熱を氷１１に伝達し、氷１１を解凍する。氷１１の解凍が進行して氷１１が小さくなったら、これに従って放熱板４を移動させて放熱板３，４間の間隔を狭め、未解凍の氷１１が放熱板３，４に常に接触するようにする。これにより、ヒータからの熱が未解凍の氷１１に効果的に伝達されて、速やかな解凍が可能となる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の貯留と解凍を行う解凍タンクであって、
水と接する壁面の少なくとも１つに加熱手段が設けられているとともに、前記加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間隔が可変とされ、
貯留する水が凍結して氷となった場合に、前記加熱手段からの熱で前記氷を解凍し、解凍の進行に従って、前記加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間隔を狭めることを特徴とする解凍タンク。
【請求項２】
前記加熱手段は、相対向する壁面の双方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の解凍タンク。
【請求項３】
当該解凍タンク内の容積を分割する隔壁が移動可能に設けられ、この隔壁が移動することにより、前記加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間隔が狭められることを特徴とする請求項１又は２に記載の解凍タンク。
【請求項４】
前記隔壁には水抜き孔が設けられ、前記加熱手段からの熱で解凍された水が、前記水抜き孔を通って前記隔壁の反対側の空間に移動することを特徴とする請求項３に記載の解凍タンク。
【請求項５】
前記隔壁に前記加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の解凍タンク。
【請求項６】
前記隔壁は、氷と接する面側の熱抵抗が解凍された水と接する面側の熱抵抗よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の解凍タンク。
【請求項７】
前記隔壁の移動機構が、貯留される水の外部に設置されていることを特徴とする請求項３乃至６の何れかに記載の解凍タンク。
【請求項８】
前記対向する壁面には、これら壁面が互いに接する状態となったことを検知する解凍終了検知装置が設けられ、この解凍終了検知装置からの信号に基づいて解凍操作を終了させることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の解凍タンク。
【請求項９】
燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための水を貯蔵する水貯蔵部を有する燃料電池加湿手段とを備え、
前記水貯蔵部が、水と接する壁面の少なくとも１つに加熱手段が設けられているとともに、前記加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間隔が可変とされた解凍タンクを有し、この解凍タンク内に貯留された水が凍結して氷となった場合には、前記加熱手段からの熱で前記氷を解凍し、解凍の進行に従って、前記加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間隔を狭めることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯留された水が凍結した際にこれを解凍する解凍タンクに関するものであり、特に、解凍を速やかに行うための解凍機構の改良に関する。さらには、解凍タンクを備えた燃料電池システムに関する。
【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、水タンク内に加湿用の水を貯留しておき、必要量の水を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、水タンク内の水の凍結である。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、水タンク内に貯留された加湿用の水が凍結してしまうと、加湿器や燃料電池に必要量の水が供給されず、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、起動時に水タンク内で凍結した水を速やかに解凍する技術が必要となる。
【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、例えば水タンク内の水を凍結タンク内に移し、ここで解凍するという技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この特許文献１に記載の技術では、水タンク内の水を凍らせる温度が差し迫っている場合に、水タンク内の水が解凍タンク内に放出されるようにバルブを開放し、水を解凍タンク内で安全に凍結させるようにしている。また、凍結した氷の解凍は、電気化学エンジンの起動燃焼器から排出される高温排気物または加熱された冷却液の流れを利用し、これらを解凍タンクの回りを通過させることで、凍った水をゆっくりと解かすようにしている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１５８０２４号公報
【０００８】
【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、解凍を行うための解凍タンクを備え付けることが行われているが、従来構造の解凍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。
【０００９】
例えば、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、従来構造の解凍タンクでは、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。
【００１０】
燃料電池車両等では、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、解凍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。
【００１１】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたされたものであり、凍結した氷を解凍する際に、タンク壁面と氷との間の水を排除して壁面の熱を有効に氷に伝えることができ、速やかに氷の解凍を進行し得る解凍タンクを提供することを目的とし、また、このような解凍タンクを用いることで、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。
【００１２】
【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、本発明の解凍タンクは、水と接する壁面の少なくとも１つに加熱手段が設けられ、この加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間の間隔が可変とされた構造となっている。そして、貯留する水が凍結して氷となった場合に、壁面に設けられた加熱手段からの熱で氷を解凍し、解凍の進行に従って、加熱手段が設けられた壁面とこれに対向する壁面との間隔を狭めるようにしている。これにより、加熱手段が設けられた壁面は、解凍された水を介在させることなく氷に接触して、加熱手段の熱が効果的に氷に伝達されることになる。
【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水を貯蔵する水貯蔵部を有する燃料電池加湿手段とを備えて構成されている。そして、水貯蔵部が、以上のような解凍タンクを有している。この燃料電池システムでは、解凍タンク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】
本発明の解凍タンクでは、加熱手段が設けられた壁面が、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、加熱手段から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。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、以上のような解凍タンク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、本発明を適用した解凍タンク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、以下で説明する解凍タンクは、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解凍タンクとしての適用が可能である。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本実施形態の解凍タンクを示すものであり、図１は解凍タンクの平面図、図２は解凍タンクを側面方向から見た断面図である。
【００１８】
この図１及び図２に示す解凍タンクは、有底の円筒形状を有する貯水槽１にて水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。ここで、加熱手段としてのヒータは、貯留槽１内にて相対向して配設された放熱板３，４に組み込まれており、貯水槽１内の水２が凍結して氷となった場合には、これら放熱板３，４で氷を挟み込み、放熱板３，４に組み込まれたヒータからの熱を氷に伝達して、氷の解凍を行うようになっている。
【００１９】
加熱手段としてのヒータが組み込まれた放熱板３，４のうち、一方の放熱板３は、貯水槽１内の底部に配設されて、ここに固定されている。また、他方の放熱板４は、動力源としてのモータ５に接続された回転軸６に連結されており、回転軸６の回転に伴って貯水槽１内を上下方向に移動可能とされている。すなわち、この解凍タンクにおいて、放熱板４は、貯水槽１内の容積を上下に分割する隔壁として機能し、この放熱板４が移動することによって、貯水槽１内の上下の容積が相補的に変化するようになっている。そして、この解凍タンクでは、放熱板３と放熱板４とで挟まれる貯水槽１内の下側の空間にて氷の解凍が行われ、解凍の進行に従って放熱板４が貯水槽１内を下降することで、放熱板３，４間の間隔が狭められるようになっている。したがって、未解凍の氷は常に放熱板３，４間に挟み込まれてこれら放熱板３，４に接触することになり、放熱板３，４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。
【００２０】
また、貯水槽１内を移動可能な放熱板４には、その背面側、すなわち放熱板３と対向する面とは反対側の面に、断熱板７が設けられている。この断熱板７を設けることにより、放熱板４の氷と接する面（放熱板３と対向する面）側の熱抵抗が、解凍した水と接する面（背面）側の熱抵抗よりも小さくされ、放熱板４に組み込まれたヒータの熱が、氷と接する面側に優先的に伝達されることになる。ここで、断熱板７の材質としては、発泡金属のような熱が伝わり難く、且つ熱に強い物質を用いることが好ましい。
【００２１】
また、この放熱板４及び断熱板７には水抜き孔８が設けられており、解凍の進行に従って放熱板４を下降させたときに、解凍により生じた放熱板４と放熱板３との間の水、特に未解凍の氷と放熱板３，４との間に介在する水を、この水抜き孔８から速やかに貯水槽１内の上側の空間に移動させるようになっている。このように、未解凍の氷と放熱板３，４との間に介在する水を速やかに貯水槽１内の上側の空間へと移動させることにより、未解凍の氷が放熱板３，４に接触した状態が維持されることになる。なお、本実施形態の解凍タンクでは、図１に示すように、放熱板４及び断熱板７に複数の水抜き孔８を放射状に形成しているが、水抜き孔８の数や配列は以上の例に限定されるものではなく、任意に設計可能である。
【００２２】
以上のように、本実施形態の解凍タンクでは、解凍の進行に従って放熱板４が貯水槽１内を下降することで、放熱板３と放熱板４との間の間隔が次第に狭められるようになっているが、解凍が終了して放熱板４が放熱板３と接触した後にもこのような放熱板４の下降動作が継続されると、モータ５に過剰な負荷がかかるばかりか、放熱板３，４等の構成部品の損傷を招く要因にもなる。そこで、この解凍タンクでは、貯水槽１内の底部に固定された放熱板３に下端位置検知装置（解凍終了検知装置）９が設けられていると共に、貯水槽１内を移動する放熱板４には下端位置検知用突起１０が設けられている。そして、放熱板４が放熱板３と接するまで下降して解凍が終了したときに、放熱板４に設けられた放熱板下端位置検知用突起１０が放熱板３に設けられた下端位置検知装置９に当接することで、放熱板４と放熱板３との接触が検知され、その検知信号がモータ５に送られて放熱板４のそれ以上の下降が停止されるようになっている。
【００２３】
次に、以上の構成を有する解凍タンクにおいて、凍結した氷を解凍する動作について説明する。
【００２４】
まず、貯水槽１内の水２が凍結していない定常状態においては、放熱板４は貯水槽１の上側へと移動され、図３（Ａ）に示すように、貯水槽１内の最上位に位置している。ここで、定常状態における放熱板４の位置としては、水２の水面上であって、水２が凍結して氷となった際に、その体積の増加を吸収できるように水面との間に若干の隙間を持って配置されるような位置とすることが望ましい。
【００２５】
貯水槽１に貯留された水２が凍結して氷となった場合には、図３（Ｂ）に示すように、モータ５の駆動により回転軸６を回転させ、放熱板４を貯水槽１内の氷１１の上面と接する位置まで下降させて、放熱板３，４間に氷１１を挟み込む。そして、これら放熱板３，４に組み込まれたヒータからの熱を氷１１に伝達し、これを解凍する。
【００２６】
氷１１の解凍が進むと、解凍によって生じた水２が貯留槽１内に溜まるが、この水２が放熱板３，４と未解凍の氷１１との間に介在すると、放熱板３，４と氷１１との接触面積が減少し、また、放熱板３，４に組み込まれたヒータからの熱量が水２の顕熱として消費されてしまうので、未解凍の氷１１にヒータからの熱を効果的に伝えることができない。
【００２７】
放熱板４と氷１１の間に水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、水が存在すると放熱板に組み込まれたヒータからの熱が氷に伝わり難く、ヒータによって加熱された放熱板の温度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、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、介在する水の厚さ（水膜厚さ）に比例する。
【００２８】
図５は、介在する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。
【００２９】
そこで、本実施形態の解凍タンクでは、氷１１の解凍が進行したときには、図３（Ｃ）に示すように、氷１１の解凍の進行に従って放熱板４を次第に下降させ、放熱板３と放熱板４とで氷１１を挟み込み、常にこれら放熱板３，４が氷１１と接するようにしている。このとき、氷１１の解凍によって生じた水２は、放熱板４及び断熱板７に設けられた水抜き孔８、あるいは放熱板４と貯水槽１との間のクリアランスを通って放熱板４の背面側、すなわち貯水槽１の上部の空間へと排出される。
【００３０】
放熱板４の背面側、すなわち貯水槽１上部の空間に溜まった水２は、断熱板７を介して放熱板４からの熱が伝達され、再凍結が防止される。ただし、このとき解凍後の水２に放熱板４の熱量を供給しすぎると、氷１１を解凍するための熱量が少なくなって効率的な解凍の妨げになるので、放熱板４上に溜まった水２には断熱板７を介して必要最低限の熱量が伝達されるようにしている。
【００３１】
氷１１の解凍が更に進行すると、これに伴って氷１１も小さくなるが、これに応じて放熱板４を次第に下降させて、放熱板３，４が常に氷１１と接するようにしている。ここで、氷１１が全て解凍されると、放熱板４は放熱板３と接する状態となり、この時点で氷１１の解凍は終了し、これ以上の下降は必要なくなる。本実施形態では、この状態を下端位置検知用突起１０と下端位置検知装置９によって検知している。
【００３２】
すなわち、図３（Ｄ）に示すように、放熱板４が下降して下端位置（放熱板４と放熱板３とが接する位置）に達すると、下端位置検知用突起１０が下端位置検知装置９に当接して、下端位置検知装置９が検知信号を発する。この検知信号は動力源であるモータ５に送られて、放熱板４の下降が停止される。さらに、氷１１の解凍が終了すると、モータ５の駆動によって回転軸６が逆方向に回転され、放熱板４が貯水槽１内を上昇して、図３（Ａ）に示す定常状態の位置へと復帰するようになっている。
【００３３】
本実施形態の解凍タンクは、以上の動作によって、貯水槽１内の氷１１を全て解凍して水２の状態にして貯留する。そして、解凍された水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ことになる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態の解凍タンクによれば、相対向する壁面（放熱板３，４）に加熱手段としてのヒータを組み込んで、貯水槽１内の水が凍結して氷となったときには、これら放熱板３，４に組み込まれたヒータからの熱で氷の解凍を行うようにしていると共に、解凍の進行に従って放熱板４を徐々に下降操作して放熱板３，４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水を介在させることなく放熱板３，４と常に接触するようにしているので、放熱板３，４に組み込まれたヒータ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。
【００３５】
また、貯水槽１内を移動する放熱板４には、水抜きのための水抜き孔８が設けられているので、解凍によって生じた水を、氷が存在する貯水槽１内の下側の空間とは反対側の上側の空間に効率良く移動させることができ、以上の効果を高めることができる。このとき、放熱板４には断熱板７が設けられて、放熱板４の氷に面する側への熱抵抗が解凍した水に面する側への熱抵抗より小さくなるように構成されているので、氷の解凍効率を確保しつつ、解凍によって生じた水を任意の温度に保つ最低限の熱量を与えて、その再凍結を防ぐことができる。
【００３６】
さらに、放熱板３に下端位置検知装置９、放熱板４に下端位置検知用突起１０がそれぞれ設けられ、これら下端位置検知装置９及び下端位置検知用突起１０によって放熱板４と放熱板３との接触が検知され、解凍の完了を判断できるようになっているので、解凍完了時に速やかに解凍プロセスを終了させることができる。
【００３７】
なお、前記構成の解凍タンクでは、貯水槽１内の底部に固定された放熱板３と、貯水槽１内を移動可能な放熱板４とにより氷１１を挟み込むようにしてこれを解凍するようにしているが、放熱板３を設けず、放熱板４と貯水槽１１の底面とで氷１１を挟み込むようにしてこれを解凍するようにしてもよい。また、放熱板４を貯水槽１の上部側に固定して設けるとともに、放熱板３を貯水槽１内で移動可能に構成し、これら放熱板３，４によって氷１１を挟み込んで解凍を行うようにしてもよい。
【００３８】
（第２の実施形態）
本実施形態の解凍タンクは、基本的な構成を第１の実施形態の解凍タンクと同様とし、貯水槽の形状及び放熱板の移動方向が第１の実施形態のもとは異なるものである。すなわち、本実施形態の解凍タンクは図６及び図７に示すように、矩形箱状の貯水槽２１を備え、この貯水槽２１にて水２２を貯留する構造となっている。そして、この貯水槽２１の一側面に放熱板２３が固定して設けられていると共に、この放熱板２３と対向するようにして、貯水槽２１内において図中の左右方向に移動可能に隔壁として機能する放熱板２４が設けられている。これら放熱板２３，２４は、第１の実施形態における放熱板３，４と同様に、加熱手段としてのヒータが組み込まれたものである。そして、貯水槽２１内に貯留される水２２が凍結して氷となったときに、これら放熱板２３，２４で氷を挟み込んで、放熱板２３，２４に組み込まれたヒータからの熱を氷に伝達することで、これを解凍するようになっている。なお、図６は本実施形態の解凍タンクの平面図、図２はこの解凍タンクを側面方向から見た断面図である。
【００３９】
この解凍タンクにおいて、放熱板２４を図中左右方向に移動させる機構としてモータ２５及び回転軸２６が設けられ、また、放熱板２４の氷と接する面とは反対側の面に断熱板２７が設けられるとともに、放熱板２４及び断熱板２７に水抜き孔２８が設けられていることは、先の第１の実施形態と同様である。また、放熱板２３と放熱板２４とが接した状態を検知する位置検知装置２９及び位置検知用突起３０が設けられていることも先の第１の実施形態と同様である。
【００４０】
本実施形態の解凍タンクでは、貯水槽２１内の水２２が凍結していない定常状態では、貯水槽２１内の放熱板２３が固定された側面とは逆側の側面（図中の右端位置）に放熱板２４が位置するようになっている。そして、貯水槽２１内に貯留された水２２が凍結して氷となった場合には、放熱板２３，２４によって氷を挟み込んで、これら放熱板２３，２４に組み込まれたヒータの熱を氷に伝達して、氷を解凍するようになっている。
【００４１】
また、氷の解凍が進行すると、これに従って放熱板２４が図中左方向に移動して、放熱板２３，２４間の間隔が狭められる。そして、放熱板２３，２４が氷に常に接触した状態で、ヒータの熱を氷に伝達させるようになっている。このとき、氷の解凍によって生じた水２２は、放熱板２４及び断熱板２７に設けられた水抜き孔２８を通って放熱板２４の背面側の空間、すなわち図中右側の空間へと移動する。そして、図８に示すように、放熱板２４が放熱板２３と接する位置まで移動すると、位置検知装置２９及び位置検知用突起３０によってその状態が検知されて、氷の解凍が完了する。
【００４２】
以上のように構成される本実施形態の解凍タンクにおいても、先の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、放熱板２３，２４に組み込まれたヒータからの熱を効果的に氷に伝達して、効率的で迅速な解凍を実現することができる。また、一度解凍した水の再凍結を防ぐことができるとともに、氷の解凍が完了したことを的確に検知して、解凍終了時に速やかに解凍プロセスを終了させることができる。
【００４３】
なお、以上の例では、放熱板２４を移動させる移動機構である回転軸２６が貯水槽２１内で水２２に浸されるようになっているが、図９に示すように、回転軸２６を貯水槽２１の上端位置に設けるようにすれば、回転軸２６を水２２の外部に位置させて、水２２に浸らないようにすることも可能である。このように、回転軸２６が水２２に浸らないように構成した場合には、回転軸２６及びこれに接続されるモータ２５の防水対策等、浸水による影響への対策を簡略化することができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
本実施形態は、以上のような構成の解凍タンクを燃料電池システムに適用した例である。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水タンクが設けられている。本実施形態では、この燃料電池システムの水タンクとして、上述した構成の解凍タンクを用いている。
【００４５】
図１０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する燃料電池４１と、この燃料電池４１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４２と、燃料電池４１に酸化剤である空気を供給する空気供給系４３と、燃料電池４１に加湿用の水を供給する加湿手段４４と、燃料電池４１を冷却するための冷却手段４５とを備えて構成される。
【００４６】
燃料電池４１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。
【００４７】
燃料電池４１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４１においては水を供給して加湿することが必要になる。
【００４８】
水素供給系４２は、高圧水素タンク５１、流量制御バルブ５２、エゼクタ５３、水素供給配管５４、水素循環配管５５を備えている。そして、水素供給源である高圧水素タンク５１から供給される水素ガスが、流量制御バルブ５２及びエゼクタ５３を通って水素供給配管５４へと送り込まれ、燃料電池４１の水素極へと供給されるようになっている。
【００４９】
燃料電池４１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４１から排出される水素ガス）は、水素循環配管５５を通ってエゼクタ５３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４１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５５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４１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４１の出口側にはパージ弁５６及びパージ配管５７が設けられており、必要に応じてこれらパージ弁５６やパージ配管５７を通して水素循環配管５５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。
【００５０】
空気供給系４３は、空気を送り込むコンプレッサ６１、空気供給配管６２、及びスロットル６３を備えている。そして、コンプレッサ６１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６２より燃料電池４１の空気極に供給されるようになっている。また、燃料電池４１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４１からスロットル６３を介して排出されるようになっている。
【００５１】
加湿手段４４は、加湿用の水を供給する加湿水供給通路７１、余分な水を回収する水回収通路７２、加湿用の水を貯留する水タンク７３、水タンク７３内の水を汲み上げるための加湿水供給ポンプ７４とを備えている。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４４の水タンク７３として、上述した構成の解凍タンクが用いられ、水タンク７３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。
【００５２】
この水タンク７３内の加湿水は、加湿水供給ポンプ７４によって汲み上げられ、加湿水供給通路７１を経て燃料電池４１に供給され、固体高分子電解質の加湿に供される。また、加湿に寄与しなかった余剰の水は、水回収通路７２を経て水タンク７３へと戻される。なお、加湿水は、燃料電池４１に直接供給しないで、燃料電池４１に供給するガス（水素リッチガスや空気）を加湿するための加湿器に供給するようにしてもよい。
【００５３】
また、固体高分子電解質型の燃料電池４１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４１を冷却する冷却手段４５が設けられている。この冷却手段４５は、冷媒を循環させながら燃料電池４１へと供給する循環経路８１を有し、例えば冷媒である不凍液（純水よりも凝固点の低い液体）により燃料電池４１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８１内には、放熱手段としてのラジエータ８２が設けられており、燃料電池４１の冷却により加熱された冷媒は、ここで冷却される。なお、燃料電池４１に供給する冷媒は不凍液に限定されるものではないが、寒冷地での使用等を考慮すると、不凍液を冷媒として用いることが好ましい。
【００５４】
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４４の水タンク７３として上述した構成の解凍タンクが用いられ、この解凍タンクに加湿水が貯留されるようになっているので、例えば極低温時に加湿水が凍結した場合には、解凍タンク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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した解凍タンクの一例を概略的に示す平面図である。
【図２】前記解凍タンクを側面方向から見た断面図である。
【図３】前記解凍タンクの動作を説明する図であり、（Ａ）は貯水槽内の水が凍結する前の状態を示す断面図、（Ｂ）は解凍を開始するときの状態を示す断面図、（Ｃ）は解凍が進行しているときの状態を示す断面図、（Ｄ）は解凍終了時の様子を示す断面図である。
【図４】放熱板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】本発明を適用した解凍タンクの他の例を概略的に示す平面図である。
【図７】前記解凍タンクを側面方向から見た断面図である。
【図８】前記解凍タンクにおける解凍終了時の様子を示す断面図である。
【図９】前記解凍タンクの変形例を側面方向から見た断面図である。
【図１０】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。
【符号の説明】
１，２１  貯水槽
２，２２  水
３，２３  放熱板（固定）
４，２４  放熱板（移動式）
５，２５  モータ
６，２６  回転軸
７，２７  断熱板
８，２８  水抜き孔
９  下端位置検知装置
１０  下端位置検知用突起
１１  氷
２９  位置検知装置
３０  位置検知用突起
【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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