(57)【要約】【課題】解凍促進化と、タンク壁変形防止とを実現できる燃料電池発電システム用の純水タンクの提供を図る。【解決手段】純水貯留室２１はその側部および周囲が全体的に各チューブシートアッセンブリ１１の液熱媒導入室１７で囲繞されているため、純水貯留室２１の個々で熱交換が行われ、純水タンク１０の全体として氷塊が複数の純水貯留室２１に分散されて小単位となっていることと併せて、伝熱面積が大きいことから解凍を促進でき、また、小単位で凍結することから各純水貯留室２１での体積膨張圧を低く抑制してタンク壁の変形を防止できる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電システムに用いられる純水タンク（１０）であって、
２枚の金属製のチューブシート（３１），（３２）を所要の間隔をおいてそれらの周縁部で結合すると共に、該周縁部分に中央一般部分よりもシート厚み方向に膨出する膨出部（１２）を形成したチューブシートアッセンブリ（１１）を構成し、
このチューブシートアッセンブリ（１１）の複数個を積層して隣接するチューブシートアッセンブリ（１１），（１１）をそれらの膨出部（１２）を重合して接合して、隣接する各チューブシートアッセンブリ（１１），（１１）間に、周囲が膨出部（１２），（１２）で囲繞されたチューブシート外室（１４），（１４）を隔成し、
隣接する各チューブシートアッセンブリ（１１），（１１）を、それらの膨出部（１２），（１２）で連通して、各チューブシート内室（１３），（１３）を液熱媒が循環する液熱媒導入室（１７）とする一方、
隣接するチューブシートアッセンブリ（１１），（１１）間に隔成した隣接するチューブシート外室（１４），（１４）を、各チューブシートアッセンブリ（１１），（１１）の中央一般部分を貫通して連通して、これらチューブシート外室（１４），（１４）を純水が貯留される純水貯留室（２１）として、
前記純水タンク（１０）を構成したことを特徴とする燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項２】
隣接する純水貯留室（２１），（２１）の純水流通口（１８）をチューブシートアッセンブリ（１１）の下部に設けると共に、該チューブシートアッセンブリ（１１）の上部には、純水貯留室（２１）の満水時の液面よりも上方位置に純水貯留室（２１）のエア抜き口（２２）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項３】
最外側のチューブシートアッセンブリ（１１），（１１）の一方をシート厚み方向に貫通して最外側の純水貯留室（２１）に連通する純水出口（１９）を、該純水貯留室（２１）の満水時の液面よりも上方に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【請求項４】
純水流通口（１８）を、隣接するチューブシートアッセンブリ（１１），（１１）毎に位置をずらして前後方向に不整合に設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム用の純水タンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システム用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および酸化剤ガスを加湿するために純水が不可欠となるが、寒冷地等で車両を長時間停車した状態では純水の凍結が生じる。
【０００３】
従って、前記発電システムの始動性を改善するためには、純水の解凍促進が要求され、そのため、従来では純水タンクに予備タンクを付設すると共に、この予備タンクの周側にヒータを設け、発電システムの始動時には予備タンク内の凍結した純水をヒータによって解凍し、該予備タンクの純水を使用するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０号公報（３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構造にあっては、純水の解凍促進のためタンク壁にヒータを埋設した場合でも、タンク壁厚が厚いため氷塊への熱伝導率が悪くなってしまう。
【０００６】
また、純水タンクが所要の容積の箱形に形成されているため、貯留した純水が凍結した際の体積膨張でタンクに過大な圧力が作用しても変形しないようにするためには、該タンクの壁厚を厚くする必要があって、タンク自体の重量が嵩んでしまう。
【０００７】
そこで、本発明は純水が凍結した場合にその解凍時間を短縮できると共に、タンク壁厚を増大することなく凍結によるタンク壁の変形を防止することができる燃料電池発電システム用の純水タンクを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は燃料電池発電システムに用いられる純水タンクであって、
２枚の金属製のチューブシートを所要の間隔をおいてそれらの周縁部で結合すると共に、該周縁部分に中央一般部分よりもシート厚み方向に膨出する膨出部を形成したチューブシートアッセンブリを構成し、
このチューブシートアッセンブリの複数個を積層して隣接するチューブシートアッセンブリをそれらの膨出部を重合して接合して、隣接する各チューブシートアッセンブリ間に、周囲が膨出部で囲繞されたチューブシート外室を隔成し、
隣接する各チューブシートアッセンブリを、それらの膨出部で連通して、各チューブシート内室を液熱媒が循環する液熱媒導入室とする一方、
隣接するチューブシートアッセンブリ間に隔成した隣接するチューブシート外室を、各チューブシートアッセンブリの中央一般部分を貫通して連通して、これらチューブシート外室を純水が貯留される純水貯留室として、
前記純水タンクを構成したことを特徴としている。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池発電システムから回収される純水は、純水タンクにおける積層した複数のチューブシートアッセンブリ間に連通して形成されたチューブシート外室で構成する複数の純水貯留室に貯留される。
【００１０】
各純水貯留室はその側部および周囲が全体的に各チューブシートアッセンブリのチューブシート内室で構成する液熱媒導入室で囲繞されているため、各純水貯留室内の純水が凍結している場合に、前記液熱媒導入室に液熱媒を導入することにより、純水貯留室の個々で熱交換が行われ、純水タンク全体としては氷塊が複数の純水貯留室に分散されて小単位となっていることと併せて、伝熱面積が大きいことから、氷塊を短時間に解凍することができて、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００１１】
また、純水貯留室の個々が全体的に液熱媒導入室で囲繞されているため、燃料電池発電システムを停止した場合、各純水貯留室の外表面が液熱媒で覆われていることから、純水の凍結を遅らせることができる。
【００１２】
更に、純水は複数の純水貯留室に分散して貯留されるため、凍結時における各純水貯留室での体積膨張圧は低く抑制され、従って、チューブシートアッセンブリを構成するチューブシートの板厚が薄くても、純水凍結時の耐圧性を十分に確保することができて純水タンクの軽量化を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１４】
図１は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を示している。
【００１５】
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、これらの燃料極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。
【００１６】
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。
【００１７】
前記水素と空気の加湿に供された純水は、燃料電池スタック１１０の排気系より、これら水素と空気中の酸素との反応により生成した純水と共に純水導入パイプ１３３により前記純水タンク１０に回収される。
【００１８】
氷点下の外気温条件下で、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。
【００１９】
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１４０から冷却液ポンプ１４１により冷却液を循環させ、該燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００２０】
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、本実施形態では前記純水タンク１０に設けられた後述する液熱媒導入室１７に導入する液熱媒としてこの不凍液が用いられ、燃料電池スタック１１０とラジエータ１４０とを結ぶ冷却液経路１４２に、この液熱媒導入室１７を介装している。
【００２１】
また、この冷却液経路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により純水タンク１０内の純水解凍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。
【００２２】
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焼熱を利用したヒータ１４５を設置することで、純水の解凍促進を図るようにしている。
【００２３】
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。
【００２４】
図２〜図５は本発明にかかる純水タンクの第１実施形態を示すもので、図２は純水タンクの外観斜視図、図３は純水タンクの分解斜視図、図４は図２のＡ線に沿う断面図、図５は図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００２５】
純水タンク１０は、平面矩形の扁平状に形成した複数個の中空チューブシートアッセンブリ１１を、それらのシート厚み方向に積層して構成してある。
【００２６】
各チューブシートアッセンブリ１１はその周縁部分に、中央一般部分よりもシート厚み方向に膨出する膨出部１２を前記周縁部に沿って環状に形成してあり、これらの膨出部１２を重合して接合して、隣接する各チューブシートアッセンブリ１１，１１間に、周囲が膨出部１２，１２で囲繞されたチューブシート外室１４，１４を隔成してある。
【００２７】
純水タンク１０の前端となる前端部チューブシートアッセンブリ１１Ｆと、純水タンク１０の中間部に積層された中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍの各膨出部１２には、それらの一対角線上にある上、下コーナー部分に、チューブアッセンブリ１１Ｆ，１１Ｍの相互に連通する連通口１５，１６を形成してある一方、純水タンク１０の後端となる後端部チューブシートアッセンブリ１１Ｒの積層側の膨出部の一対角線上にある上、下コーナー部分にも、隣接する中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍの連通口１５，１６に連通する連通口１５，１６を設けて、これらの連通口１５，１６によって各チューブシートアッセンブリ１１のチューブシート内室１３を連通してある。
【００２８】
そして、前記前端部チューブシートアッセンブリ１１Ｆの連通口１５，１６を、前述した冷却液経路１４２に接続して、例えば下側コーナー部の連通口１６を熱媒入口とし、上側コーナー部の連通口１５を熱媒出口として、各チューブシートアッセンブリ１１のチューブシート内室１３を、前記不凍液を液熱媒として循環導入させる液熱媒導入室１７としてある。
【００２９】
また、前記中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍのそれぞれと、後端部チューブシートアッセンブリ１１Ｒには、それらの中央一般部分の下側中央部に、口周縁を加締めた貫通口１８，１９を設ける一方、前端部チューブシートアッセンブリ１１Ｆの上部の一側コーナー部寄りに、口周縁を加締めた貫通口２０を設けてあって、前記貫通孔１９を前述の純水導出パイプ１３２に接続し、貫通孔２０を純水導入パイプ１３３に接続して、各チューブシートアッセンブリ１１，１１間のチューブシート外室１４，１４を、前記貫通口１８を純水流通口として連通し、かつ、貫通口２０を純水入口に、および貫通孔１９を純水出口として、それぞれ純水が貯留される純水貯留室２１として構成している。
【００３０】
前記純水入口２０（貫通孔２０）は、純水貯留室２１の満水時の液面レベルよりも上部位置に設けられ、本実施形態では前記中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍのそれぞれに、該純水入口２０と略同軸線上の位置（満水時液面レベルよりも上方位置）に、口周縁を加締めて貫通孔としたエア抜き口２２を設けて、各純水貯留室２１の上部空間を連通してある。
【００３１】
前記チューブシートアッセンブリ１１は、図３に示すように２枚の金属製チューブシート３１，３２を所要の間隔をおいて、それらの周縁フランジ３１ａ，３２ａを加締めて結合（巻締め結合）して得られる。
【００３２】
勿論、これらのチューブシート３１，３２には、前記膨出部１２に対応するビード部１２ａ，１２ｂや連通孔１５，１６および貫通孔１８，１９，２０にそれぞれ対応する開口が予め設けられ、貫通孔１８，１９，２０はチューブシート３１，３２の巻締め結合と同じ結合工程で口周縁が巻締め結合される。
【００３３】
これらのチューブシートとしては、純水貯留室２１の内面側となる外表面にイオン流出を防止するための表面処理を施したアルミ材や、イオン発生の影響の少ないステンレス鋼板が用いられる。
【００３４】
以上の構成からなる第１実施形態の純水タンク１０にあっては、燃料電池発電システムから回収される純水は、図１に示す純水導入パイプ１３３から図３の矢印ｂで示すように純水タンク１０の純水入口２０に導入されて、積層した複数のチューブシートアッセンブリ１１，１１間に連通して形成されたチューブシート外室１４，１４で構成する複数の純水貯留室２１，２１に貯留され、純水出口１９から純水導出パイプ１３２へ導出される。
【００３５】
寒冷地等の低温環境下で発電システムを停止して車両を長時間停車すると、前記純水貯留室２１，２１内の純水は凍結して氷塊となる。
【００３６】
燃料電池発電システムの始動時に、図１に示す冷却液経路１４２のバイパス通路１４３に設けたヒータ１４５を作動すると共に冷却液ポンプ１４１を駆動することにより、ヒータ１４５で加熱された不凍液は燃料電池スタック１１０を経由して純水タンク１０を構成する前端部チューブシートアッセンブリ１１Ｆの下側の液熱媒入口１６から膨出部１２内に液熱媒として流入すると共に、中間部チューブアッセンブリ１１Ｍ、後端部チューブシートアッセンブリ１１Ｒの各連通孔１６を介してそれぞれの膨出部１２内に流入する。
【００３７】
各チューブシートアッセンブリ１１の膨出部１２の下側に流入した不凍液は図３の矢印ａで示すように、各チューブシートアッセンブリ１１の液熱媒導入室１７内を下側から上方向に指向して流動し、各膨出部１２の下側の連通口１６を経由して前記前端部チューブシートアッセンブリ１１Ｆの上側の液熱媒出口１５から純水タンク１０外へ導出される。
【００３８】
各純水貯留室２１，２１はその側部および周囲が全体的に各チューブシートアッセンブリ１１のチューブシート内室１３で構成する前記液熱媒導入室１７で囲繞されているため、純水貯留室１７の個々で氷塊と前記液熱媒との間で熱交換が行われる。
【００３９】
従って、純水タンク１０の全体としては、氷塊が複数の純水貯留室２１に分散されて小単位となっていることと併せて、純水貯留室２１の個々の外表面が全体的に液熱媒で覆われていて伝熱面積が大きくなっていることから、氷塊を短時間に解凍することができて、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００４０】
また、前述のように各液熱媒導入室１７，１７では、液熱媒を下側から上方向に向けて循環するため、各純水貯留室２１，２１の氷塊を下側から解凍して該氷塊の浮上作用を促進すると共に、溶けた純水の熱対流を促進して解凍時間をより一層短縮することができる。
【００４１】
また、前述のように純水貯留室２１の個々が全体的に液熱媒導入室１７で囲繞されているため、燃料電池発電システムを停止した場合、各純水貯留室２１の外表面が液熱媒で覆われていることから、純水の凍結を遅らせることができる。
【００４２】
更に、純水は複数の純水貯留室２１，２１に分散して貯留されるため、凍結時における各純水貯留室２１での体積膨張圧は低く抑制され、従って、チューブシートアッセンブリ１１を構成するチューブシート３１，３２の板厚が薄くても、純水凍結時の耐圧性を十分に確保することができて純水タンク１０の軽量化を実現することができる。
【００４３】
また、前記各純水貯留室２１の上部空間は、満水時の液面レベルよりも上方位置に設けたエア抜き口２２で連通しているため、純水の充填時はもとより、燃料電池発電システムから回収される純水に空気が混入していても、各純水貯留室２１でのエア抜きが良好に行われて、各純水貯留室２１に均等に純水を貯留することができる。
【００４４】
図６〜図９は本発明の第２実施形態を示すもので、図６は純水タンクの外観斜視図、図７は純水タンクの分解斜視図、図８は図６のＡ線に沿う断面図、図９は図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００４５】
本実施形態にあっては、前記第１実施形態における後端部チューブシートアッセンブリ１１Ｒに設けられる純水出口１９を、純水貯留室２１の満水時の液面レベルよりも上方位置に設定してある。
【００４６】
また、この後端部チューブシートアッセンブリ１１Ｒの積層側の側面、つまり、チューブシート３１には、前記純水出口１９を上側から囲むように逆Ｕ字状の突縁部３３をエンボス成形してあって、この突縁部３３を隣接する中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍの側面に接合して、該純水出口１９の形成部分を、該純水出口１９が存在する純水貯留室２１におけるエア抜き口２２で連通状態とした上方空間部と隔絶してある。
【００４７】
本実施形態では中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍの下側部に設けた純水流通口１８を、横長円形としてあるが、これは前記第１実施形態と同様に円形としてもよい。
【００４８】
この第２実施形態の構造によれば、前記第１実施形態と同様の作用効果が得られる他に、前述のように純水出口１９を純水貯留室２１の満水時の液面レベルよりも上方位置に設定してあるため、純水凍結時に純水導出パイプ１３２内まで純水が流入して凍結することがなく、純水タンク１０内の純水の解凍後に速やかに純水を加湿器１３０に供給できて、より一層燃料電池発電システムの始動性を向上することができる。
【００４９】
なお、この第２実施形態の場合、純水の汲み上げ時には、純水貯留室２１の上部空間に圧縮空気を供給して、突縁部３３で囲まれた純水出口１９周りの純水液面を押し上げることにより、純水の汲み上げが可能となる。
【００５０】
図１０〜図１３は本発明の第３実施形態を示すもので、図１０は純水タンクの外観斜視図、図１１は純水タンクの分解斜視図、図１１は図１０のＡ線に沿う断面図である。
【００５１】
本実施形態にあっては、前記第１実施形態における各中間部チューブシートアッセンブリ１１Ｍの純水流通口１８および後端部チューブシートアッセンブリ１１Ｒの純水出口１９を前後方向に交互に左右方向に位置をずらして前後方向に不整合に形成してある。
【００５２】
この第３実施形態の構造によれば、前記第１実施形態と同様の作用効果が得られる他に、次のような効果が得られる。
【００５３】
即ち、前記第１実施形態のように複数の純水流通口１８および純水出口１９が前後方向で同軸線上に整合していると、純水凍結時にこれら純水流通口１８から純水出口１９に亘って氷塊が一本の柱状に発生してしまい、解凍効率の上で好ましくない。
【００５４】
ところが、この第３実施形態のように純水流通口１８と純水出口１９とを前後方向に交互に左右方向に位置をずらして前後方向に不整合に設けることによって、これら純水流通口１８と純水出口１９とに亘って氷塊が一本の柱状となることはないので、解凍効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の純水タンクを用いた燃料電池発電システムの概略説明図。
【図２】純水タンクの第１実施形態を示す外観斜視図。
【図３】図２に示した純水タンクの分解斜視図。
【図４】図２のＡ線に沿う断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図６】純水タンクの第２実施形態を示す外観斜視図。
【図７】図６に示した純水タンクの分解斜視図。
【図８】図６のＡ線に沿う断面図。
【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図１０】純水タンクの第３実施形態を示す外観斜視図。
【図１１】図１０に示した純水タンクの分解斜視図。
【図１２】図１０のＡ線に示す断面図。
【符号の説明】
１０…純水タンク
１１…チューブシートアッセンブリ
１２…膨出部
１３…チューブシート内室
１４…チューブシート外室
１５…上側連通口（液熱媒出口）
１６…下側連通口（液熱媒入口）
１７…液熱媒導入室
１８…貫通口（純水流通口）
１９…貫通口（純水出口）
２０…貫通口（純水入口）
２１…純水貯留室
２２…エア抜き口
３１，３２…チューブシート
【図１】
2004265838.tif 000003
【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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