(57)【要約】【課題】水タンク内の氷の解凍を正確に判定する。【解決手段】水タンク７に貯蔵した純水５の水面１７近傍に検知体１９を設置し、検知体１９の一端部１９ａを水タンク７の内壁側面７ａに固定する。検知体１９には歪ゲージ１５を取り付ける。純水５の凍結時の体積膨脹によって検知体１９が変形して歪が発生し、この歪を歪ゲージ１５が検出して凍結を判定する。氷の解凍時には、検知体１９の歪が元に戻り、これを歪ゲージ１５が検出して解凍を判定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を貯蔵する水タンクと、この水タンク内の水の凍結時にその氷を解凍する解凍手段と、前記水タンク内の水の凍結に起因する体積膨張により変形可能な検知体と、この検知体の変形による歪を検出する歪検出手段と、前記解凍手段による氷の解凍状態を、前記歪検出手段が検出する信号の入力を受けて判定する解凍判定手段とを有することを特徴とする水貯蔵装置。
【請求項２】
前記検知体を、前記水タンク内の水の表面近傍上に設置し、この検知体の少なくとも一端部を、前記水タンクの内壁に固定したことを特徴とする請求項１記載の水貯蔵装置。
【請求項３】
前記検知体の少なくとも一端部を、前記体積膨張する凍結した水が接触しない位置に固定したことを特徴とする請求項２記載の水貯蔵装置。
【請求項４】
前記検知体は、前記水タンク内の水の表面近傍上に位置する検知部と、この検知部に対して屈曲し、前記体積膨張する凍結した水が接触しない位置の水タンクの内壁上面に固定した固定部とを有することを特徴とする請求項３記載の水貯蔵装置。
【請求項５】
前記水タンク内の水の表面近傍上に、前記水タンク内の水の凍結時での体積膨張を前記検知体に伝える板状部材を、前記検知体に接続した状態で設置したことを特徴とする請求項１記載の水貯蔵装置。
【請求項６】
前記検知体の一端部を前記水タンクの内壁に固定する一方、前記検知体の他端部を前記板状部材に固定したことを特徴とする請求項５記載の水貯蔵装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の水貯蔵装置を、燃料電池の加湿用として備えることを特徴とする水貯蔵装置を用いた燃料電池システム。
【請求項８】
前記水タンク内の水に純水を使用し、この純水が接触する前記水タンクの内壁に、純水の電気伝導度の変化を抑える材料を用いることを特徴とする請求項７記載の水貯蔵装置を用いた燃料電池システム。
【請求項９】
純水が接触する前記水タンクの内壁に、純水の電気伝導度の変化を抑えるステンレス材料を使用したことを特徴とする請求項８記載の水貯蔵装置を用いた燃料電池システム。
【請求項１０】
純水が接触する前記水タンクの内壁に、純水の電気伝導度の変化を抑える樹脂によりコーティングを施したことを特徴とする請求項８記載の水貯蔵装置を用いた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水を貯蔵する水貯蔵装置およびこの水貯蔵装置を用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、その反応膜が湿潤状態で機能を発揮するため、供給する水素や酸素は充分に加湿する必要がある。そのため、燃料電池システムには、水素や酸素を加湿するための水を貯蔵する水タンクを備えなければならない。
【０００３】
自動車などの移動体用として燃料電池を使用する環境を考慮すると、冬季には気温が氷点下になることが充分に考えられ、水タンク内に貯蔵している水が凍結する。凍結後の燃料電池起動時には水タンク内の氷を解凍する必要があり、それに伴い解凍判定を行う必要がある。
【０００４】
例えば、下記特許文献１によれば、蓄熱槽内に水よりも凝固点が低い液体を循環させ、その液体温度を測定することで、水の凍結、解凍を判定している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０６８９１号公報
【０００６】
また、下記特許文献２によれば、水タンクの外周に巻いた誘導コイルに通電することで、誘導コイルおよび水タンクを発熱させて解凍を行い、この際誘導コイルへの投入電力量によって水タンク内部の解凍を判定している。
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−５８２４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のように、水タンク内の水が凍結した場合には、氷を溶かす必要があるが、特に自動車に搭載した燃料電池の起動時には、解凍の判定を正確に素早く行うことが望まれている。
【０００９】
ところが、前記した特許文献１では、解凍完了判定温度の設定によっては、該判定温度になったときと実際の解凍完了時との間で時間差が発生、もしくは判定温度になった時点で解凍が完了していない恐れがあるといった問題がある。また、水タンク内に温度むらがある場合には、温度測定場所と異なる部分ではまだ解凍が完了していないといった事態が発生する。
【００１０】
また、前記した特許文献２では、誘導コイルへの投入電力量によって水タンク内部の解凍を判定しているので、解凍判定が正確に行えず、実際には解凍が終わっていても電力を供給しつづけ、エネルギの無駄な消費を招く恐れがある。
【００１１】
そこで、この発明は、水タンク内の氷の解凍をより正確に判定することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、水を貯蔵する水タンクと、この水タンク内の水の凍結時にその氷を解凍する解凍手段と、前記水タンク内の水の凍結に起因する体積膨張により変形可能な検知体と、この検知体の変形による歪を検出する歪検出手段と、前記解凍手段による氷の解凍状態を、前記歪検出手段が検出する信号の入力を受けて判定する解凍判定手段とを有する構成としてある。
【００１３】
【発明の効果】
この発明によれば、水が凍結するときの体積膨張で検知体を変形させ、その変形による歪を歪検出手段で検出し、その歪の程度により、凍結、解凍判定を行えるので、水タンク内に温度むらがある場合であっても、解凍が完了したか否かを正確に判定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１５】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す水貯蔵装置１の断面図で、この水貯蔵装置１は、図２に示すような燃料電池システムに使用する。
【００１６】
上記した水貯蔵装置１は、燃料電池３の加湿を行うための水５を貯蔵する水タンク７を備え、この水タンク７内の水５をポンプ９によって燃料電池３に循環供給する。燃料電池３に供給した純水５は、発電に必要な水素や酸素の加湿に用いる。ここで、燃料電池３の加湿用の水として、絶縁性の観点から純水５を使用している。
【００１７】
水タンク７の下部には解凍手段としてのヒータ１１を取り付け、水貯蔵装置１に設けてある図１に示す後述する歪検出手段としての歪ゲージ１５の検出値から、純水５が凍結したと解凍判定手段としてのコントローラ１３が判定した時点で、ヒータ１１を作動させる。
【００１８】
水タンク７内の純水５の表面である水面１７の近傍には、板状の検知体１９を水面１７のほぼ全域にわたり設置する。この検知体１９は、その一端部１９ａを水タンク７の内壁となる側面７ａに固定して、図１に示す水面１７に浮いた状態を保つようにする。そして、一端部１９ａ付近の検知体１９上に、前述した歪ゲージ１５を取り付ける。
【００１９】
上記した検知体１９は、例えば、バネ用ステンレス鋼帯や、水に浮くように細工したバネ用ステンレス鋼帯複合体（水に浮かせる成分としてゴムや樹脂などの発泡体などを用いてバネ用ステンレス鋼帯をインサート成形したもの）など、弾性に富む材質で構成する。
【００２０】
次に、作用を説明する。水タンク７周辺の雰囲気温度が低下し、水タンク７内の純水５の温度が０度以下になると、純水５が凍結を始める。純水５は凍結時には体積が増えるという特徴をもっているため、純水５の凍結開始後は、純水５もしくは凍結した氷の表面の高さは凍結開始前の水面１７よりも徐々に高くなる。
【００２１】
検知体１９は、設置位置が水面１７の直上のため、純水５の体積膨張に従って徐々に変形する。その変形により検知体１９には歪が発生し、この歪を歪ゲージ１５が検出し、この検出信号をコントローラ１３が取り込んで、純水５の凍結を判定する。逆に、凍結した純水が解凍する際にも、上記した検知体１９の歪の変化を歪ゲージ１５が検出し、この検出信号をコントローラ１３が取り込んで、解凍を判定する。
【００２２】
このように、純水５の凍結および解凍の進行を、純水５の凍結前後の検知体１９の歪を測定することで把握する。
【００２３】
純水５が凍結している場合には、ヒータ１１によって解凍を開始する。
【００２４】
氷が解凍されるにつれて、純水５の体積膨張が小さくなり、水面１７が凍結前の状態に戻るので、検知体１９の変形もそれに従って解消され、歪もなくなる。
【００２５】
検知体１９の歪が凍結前の状態に戻ったところで、コントローラ１３が解凍との判定を行い、ヒータ１１を停止させる。
【００２６】
また、水タンク７および検知体１９の材質として、純水５の電気伝導度の変化を抑える材料、例えばステンレス材料、特にＳＵＳ３１６ＬもしくはＳＵＳ３１０Ｓを使用するか、もしくは水タンク７の内壁に、純水５の電気伝導度の変化を抑える樹脂をコーティングする。すなわち、純水５が接触する水タンク７の内壁に、純水５の電気伝導度の変化を抑える材料を用いる。
【００２７】
このような材料は、イオン溶出性が少ないものであり、これによって純水５の電気伝導度の変化を抑えることができ、加湿用として使用する純水５の絶縁性を確保することができる。
【００２８】
上記した第１の実施例によれば、純粋５が凍結するときの体積膨張で検知体１９を変形させ、その変形による歪を歪ゲージ１５で測定し、その歪の程度により、凍結、解凍判定を行うようにしたので、水タンク７内に温度むらがある場合であっても、解凍が完了したか否かを正確に判定することができる。このため、ヒータ１１の作動を必要最小限として、エネルギロスを抑制することができる。
【００２９】
また、検知体１９を純水５の水面１７近傍に設置し、この検知体１９の一端部１９ａを水タンク７の内壁（側面７ａ）に固定することで、僅かな体積膨張を検知可能となり、凍結、解凍判定をより正確に行うことができる。
【００３０】
さらに、燃料電池３の加湿用の水としては絶縁性の観点から純水５を使用しているが、本実施形態のように水タンク７の材質をイオン溶出性の無いもの、もしくは少ないものにすることで、水ンク７内の純水５の電気伝導度を変化させることなく貯蔵可能となる。
【００３１】
図３は、この発明の第２の実施形態に係わる水貯蔵装置１０の断面図である。この実施形態は、検知体１９の一端部１９ａを、水タンク７の内壁における側面７ａと同上面７ｂとの間付近に固定することで、この一端部１９ａが、水タンク７内の水面１７から、凍結による体積膨張する純水５が接触しないようにしている。
【００３２】
また、検知体１９の他端部１９ｂを水面１７近傍位置となるように、検知体１９全体を傾斜させた状態としている。歪ゲージ１５は、検知体１９の一端部１９ａ近傍の下面に取り付けてある。
【００３３】
純水５の凍結時には、検知体１９は、その他端部１ｂが、体積膨脹する純水５に押されることで変形し歪が発生する。
【００３４】
上記した第２の実施形態によれば、検知体１９の水タンク７への固定部が、純水５の体積膨張による応力を直接受けることがなく、検知体１９の固定部の破損を防止した上で、第１の実施形態と同様に凍結、解凍判定を正確に行うことができる。
【００３５】
図４は、この発明の第３の実施形態に係わる水貯蔵装置２０の断面図である。この実施形態は、検知体２１を、水タンク７内の純水５の水面１７近傍に位置する検知部２１ａと、この検知部２１ａに対して屈曲し、凍結により体積膨張する純水５が接触しない位置の上面７ｂに固定した固定部２１ｂとを有するものとしてある。歪ゲージ１５は、検知部２１ａと固定部２１ｂとの間の屈曲部２１ｃの内側に取り付ける。
【００３６】
この実施形態は、検知体２１の一端部となる固定部２１ｂを上面７ｂとすることで、図３に示した第２の実施形態と同様に検知体１９の固定部２１ｂの破損を防止できるようにしている。またこの場合、検知部２１ａの全体を水面１７近傍に設置しているので、図３に示した第２の実施形態に比べ、凍結時の体積膨張を検知可能な範囲が広くなり、体積膨張を検知しやすくなって、凍結、解凍の判定がより正確となる。
【００３７】
図５は、この発明の第４の実施形態に係わる水貯蔵装置３０の断面図である。この実施形態は、板状部材２３を水タンク７内の純水５の水面１７近傍に設置し、この板状部材２３の両端部付近を二つの検知体２５に接続している。各検知体２５は湾曲していてその一端部２５ａを水タンク７の内壁における側面７ａの上部に固定し、他端部２５ｂを板状部材２３の上面に固定する。歪ゲージ１５は、検知体２５の側面７ａへの固定部近傍の上面に取り付ける。
【００３８】
この場合の検知体２５の水タンク７への固定位置は、純水５の体積膨張による板状部材２３の高さ方向の変位、変形によって、検知体２５が変形して歪が発生する位置であれば、どこでもよい。また、検知体２５の形状についても同様に、歪が発生し、解凍後には元形状に戻る形状（例えば、「く」の字形の板バネ形状）であれば、どのような形状でもよい。凍結、解凍判定は前記した第１の実施形態と同様に行う。
【００３９】
上記した第４の実施形態によれば、複数の検知体２５を異なる個所に設置して使用できるため、体積膨張が水面１７の全域において上方向に均等に起こらない場合に、体積膨脹の検知を特に正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す水貯蔵装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態による水貯蔵装置を用いたい燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図３】この発明の第２の実施形態を示す水貯蔵装置の断面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態を示す水貯蔵装置の断面図である。
【図５】この発明の第４の実施形態を示す水貯蔵装置の断面図である。
【符号の説明】
１，１０，２０，３０  水貯蔵装置
５  純水
７  水タンク
７ａ  水タンクの内壁側面（内壁）
７ｂ  水タンクの内壁上面（内壁）
１１  ヒータ（解凍手段）
１３  コントローラ（解凍判定手段）
１５  歪ゲージ（歪検出手段）
１７  水面（水の表面）
１９，２１，２５  検知体
１９ａ，２５ａ  検知体の一端部
２５ｂ  検知体の他端部
２１ａ  検知体の検知部
２１ｂ  検知体の固定部（検知体の一端部）
２３  板状部材
【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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