(57)【要約】【課題】  貯水を取り出すポンプの吸い込み性能を向上し、水貯蔵手段から外に流出する貯水を低減することを課題とする。【解決手段】  加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行なう燃料電池システムにおいて、燃料ガスならびに酸化剤ガスを加湿する水を貯蔵する水貯蔵装置１０を有し、この水貯蔵装置１０は、隔壁１１で隔てられた３つの貯水部位Ａ，Ｂ１，Ｂ２で構成され、各貯水部位Ａ，Ｂ１，Ｂ２の底面に貯水部位Ａと貯蔵部位Ｂ１間、貯蔵部位Ａと貯蔵部位Ｂ２間を連通して貯水を流通させる接続管１２が接続されて構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極との間に固体高分子膜の電解質膜が配置され、加湿された燃料ガスが前記燃料極に供給され、加湿された酸化剤ガスが前記酸化剤極に供給されて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行なう燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスならびに酸化剤ガスを加湿する水を貯蔵する水貯蔵手段を有し、
前記水貯蔵手段は、隔壁で隔てられた少なくとも２つ以上の貯水部位で構成され、前記貯水部位の下方壁面に前記貯水部位間を連通して貯水を流通させる接続管が接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水貯蔵手段は、ポンプに連結されて貯水を吸入するポンプ吸入管が配置された貯水部位と、前記水貯蔵手段内の空気を排出する空気排出管が上方に配置された貯水部位とが異なる貯水部位である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記隔壁は、前記車両の前後方向に沿って設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記隔壁は、前記車両の前後方向、および前記車両の左右方向に沿って設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記隔壁は、ポンプに連結されて貯水を吸入するポンプ吸入管の周囲を囲うように設けている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記接続管は、前記車両の左右方向の対象位置に設けている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水貯蔵手段は、３つ以上の貯水部位を有し、前記接続管は、３つ以上の前記貯水部位を連通している
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記接続管は、ポンプに連結されて貯水を吸入するポンプ吸入管が配置された第１の貯水部位の中心より左側と、前記第１の貯水部位の右側に隣接する第２の貯水部位の中心より左側を接続するように配置され、前記第１の貯水部位の中心より右側と、前記第１の貯水部位の左側に隣接する第３の貯水部位の中心より右側を接続するように配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記接続管は、ポンプに連結されて貯水を吸入するポンプ吸入管が配置された貯水部位から他の貯水部位に流出する貯水を低減する貯水流出低減機構を備えている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯蔵された水の吸い込み効率を改善した水貯蔵手段を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型の燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素等の燃料ガスが供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化剤となる空気等の酸化剤ガスが供給されるカソード電極（酸化剤極）との間に配置した構成となっている。燃料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膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。一方、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいては、燃料ガスならびに酸化剤ガスの供給ガスを加湿するために使用される純水を貯蔵する水貯蔵装置（純水タンク）が設けられている。燃料電池システムが移動体として例えば車両に搭載された場合に、車両が旋回すると、水貯蔵装置に加わる遠心力の作用により水貯蔵装置に貯蔵された水の水面が傾く。このため、水貯蔵装置に貯蔵された水を吸い込んで水貯蔵装置から取り出すポンプ吸入管の吸い込み口が水面から露出して、ポンプ吸入管に接続されたポンプがエア吸いを起こし易くなっていた。
【０００５】
これを防ぐために、従来では、例えば図１５に示すように、水貯蔵装置１５０内を隔壁１５１で複数の領域（例えば貯水部位Ａ、貯水部位Ｂ１、貯水部位Ｂ２）に分割し、隔壁１５１に連通穴１５２を設け、車両の旋回時にポンプ吸入管１５３の吸い込み口（先端部）に位置する水位を確保していた。
【０００６】
また、燃料電池スタックを含めた純水経路が凍結した時に純水経路内に存在する水分が凍結した際の水体積膨張により、純水経路が破損するのを防止するため、空気のパージにより純水経路内に残留する純水を水貯蔵装置内に回収していた。この時に、水貯蔵装置流入したパージ空気を排出するため、水貯蔵装置には空気排出管が設けられていた。
【０００７】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１４７８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した水貯蔵装置を備えた従来の燃料電池システムにおいては、このシステムを搭載した車両の旋回時には、水貯蔵装置に貯蔵された水に作用する力が隔壁１５１に設けられた連通穴１５２の連通方向に作用する。このため、図１５に示すように、連通穴１５２を介してポンプ吸入管１５３が配置された貯水部位Ａから貯水部位Ｂ１へ流入する水の量が多くなる。これにより、貯水部位Ａにおける水が減少してポンプ吸入管１５３の吸い込み口位置における水位が低下し、もしくは水の低下によりポンプ吸入管の吸い込み口が水面上に露出するおそれもあった。
【０００９】
さらに、旋回時に水貯蔵装置に作用する力により、貯水部位Ｂ２の貯水も貯水部位Ａへ流入するが、この流入水は、貯水部位Ａの空気中に流出されるため空気を巻き込み易くなる。このため、ポンプが吸入する水中の空気量が増してしまう。
【００１０】
これらにより、旋回時の過大な力が水貯蔵装置に作用した場合や、旋回時の力が長時間継続した場合には、ポンプがエア吸いを起こし、ポンプの吐出圧が低下するおそれがあるという問題があった。
【００１１】
この時、貯水部位Ａから隣接貯水部位Ｂへの貯水の流出をなくす、あるいは少なくするために、隔壁１５１に連通穴１５２を設けないようにする、もしくは連通穴１５２の位置を高くすることが考えられる。しかし、このようにした場合には、貯水部位Ｂ１，Ｂ２の貯水が利用できなくなり、旋回時の力が作用した時のポンプの吸い込み可能時間が短くなってしまうという問題があった。
【００１２】
一方、純水経路に残留する純水を水貯蔵装置１５０に回収する際に、ポンプ吸入管１５３から水貯蔵装置１５０内に放出されるパージ空気により、貯水が吹上げられ、空気ととも貯水が水貯蔵装置に設けられた空気排出管から水貯蔵装置１５０外に流出するという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、貯水を取り出すポンプの吸い込み性能を向上した燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
また、他の目的は、水貯蔵手段から外に流出する貯水を低減することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極との間に固体高分子膜の電解質膜が配置され、加湿された燃料ガスが前記燃料極に供給され、加湿された酸化剤ガスが前記酸化剤極に供給されて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行なう燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスならびに酸化剤ガスを加湿する水を貯蔵する水貯蔵手段を有し、前記水貯蔵手段は、隔壁で隔てられた少なくとも２つ以上の貯水部位で構成され、前記貯水部位の下方壁面に前記貯水部位間を連通して貯水を流通させる接続管が接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水貯蔵手段に過大な力が作用した場合でも、所定の貯水部位から隣接する貯水部位へ流出する水量の増大を防止することができる。これにより、貯水を取り出すポンプの吸い込み性能を向上することができる。
【００１７】
また、水貯蔵手段内に放出された空気によって貯水が吹上げられた場合であっても、水貯蔵装手段の外に流出する貯水を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１ならびに図２は本発明の実施例１に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す図であり、図１は水貯蔵装置の断面図、図２は水貯蔵装置の上面図である。図１ならびに図２において、水貯蔵装置１０を含む燃料電池システムは、背景技術の欄で説明した、車両の旋回時に生じる力と同様の力が発生する移動体として、例えば車両に設置され、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子膜を挟持させ、水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行ない電力を得る単電池を、燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体である不凍液（ＬＬＣ）が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型の燃料電池スタック（図示せず）と、不凍液が流通する冷却系路に設けられ、燃焼器によって燃料ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させて得られる反応熱で不凍液を加熱する不凍液加熱手段（図示せず）と、燃料ガスならびに酸化剤ガスを加湿する純水を貯蔵する水貯蔵装置１０を備えて構成されている。
【００２０】
水貯蔵装置１０は、車両の前後方向に沿って設けられた隔壁１１で隔てられた３つの貯水部位Ａ，Ｂ１，Ｂ２で構成されている。すなわち、水貯蔵装置１０は、３つの貯水部位Ｂ１，Ａ，Ｂ２がこの順序で車両の左右方向に隣接して設けられている。
【００２１】
水貯蔵装置１０は、３つの貯水部位の中央の貯水部位Ａとこの貯水部位Ａの左側に隣接する貯水部位Ｂ１との底面に、貯水部位Ａと貯水部位Ｂ１とを連通して両部位間で貯水を流通させる接続管１２が設けられ、貯水部位Ａとこの貯水部位Ａの右側に隣接する貯水部位Ｂ２との底面に、貯水部位Ａと貯水部位Ｂ２とを連通して両部位間で貯水を流通させる接続管１２が設けられている。
【００２２】
貯水部位Ａには、水貯蔵装置１０の貯水を吸引して取り出すポンプに連結されたポンプ吸入管１３が、その吸入口が通常水位において水面下となるように配置されている。貯水部位Ｂ２の上部には、ポンプ吸入管１３から水貯蔵装置１０内に放出されるパージ空気を含む、水貯蔵装置１０内の空気を水貯蔵装置１０の外部に排出する空気排出管１４が設けられている。なお、この空気排出管１４は、貯水部位Ｂ２の上部以外に、ポンプ吸入管１３が配設された貯水部位Ａとは異なる貯水部位の上部であれば、貯水部位Ｂ１の上部に設けてもよい。
【００２３】
水貯蔵装置１０は、周囲に断熱材１５が設置され、さらに外周および貯水部位内に温媒流路（伝熱チューブ）１６が設けられ、温媒流路１６に不凍液加熱手段で加熱された不凍液を流通させ、貯水を加熱して凍結を防止することが可能に構成されている。
【００２４】
上記実施例１においては、貯水部位Ａと貯水部位Ｂ１との間に設けられた接続管１２ならびに貯水部位Ａと貯水部位Ｂ２との間に設けられた接続管１２は、貯水部位Ａの底面と貯水部位Ｂ１の底面ならびに貯水部位Ｂ２の底面を連通しているため、車両の旋回時に水貯蔵装置１０の貯水に作用する力が、接続管１２が接続された各貯水部位Ａ，Ｂ１，Ｂ２の底面の連通穴の連通方向に作用することはない。
【００２５】
したがって、車両の旋回時に過大な力が水貯蔵装置１０に作用した場合でも、ポンプ吸入管１３が配置された貯水部位Ａから隣接する貯水部位Ｂ１又はＢ２へ流出する水量の増大を防止することができる。これにより、ポンプの吸い込み性能を向上することができる。
【００２６】
一方、車両の旋回時に、ポンプ吸入管１３が配置された貯水部位Ａに隣接する貯水部位Ｂ１又はＢ２からポンプ吸入管１３が配置された貯水部位Ａに接続管１２を介して貯水が流入するが、この流入水は貯水部位Ａの底面または貯水中に流出される。このため、貯水部位Ａに流入する水に空気が巻き込まれることは抑えられ、ポンプが圧力低下を起こすおそれを低減することができ、ポンプの吸い込み性能を向上することができる。
【００２７】
また、パージ空気の空気排出管１４が上方に配置されている貯水部位Ｂ２は、ポンプ吸入管１３が配置されている貯水部位Ａと隔壁１１を介して隔てられているので、ポンプ吸入管１３から水貯蔵装置１０内に放出されるパージ空気により貯水が吹上げられた場合であっても、水貯蔵装置１０の外に流出する貯水を低減することができる。
【実施例２】
【００２８】
図３は本発明の実施例２に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す上面図である。図３において、この実施例２の水貯蔵装置３０の特徴とするところは、先の実施例１の水貯蔵装置１０に比べて、水貯蔵装置３０を隔壁３１、３２によって２つの貯水部位Ａ，Ｂに分割し、図３に示すように、車両の前後方向に沿った隔壁３１と車両の左右方向に沿った隔壁３２により、ポンプ吸入管１３が配置された貯水部位Ａと貯水部位Ｂとを分割したことにあり、他は実施例１と同様である。なお、実施例２では、２つの接続管１２は共に、貯水部位Ａと貯水部位Ｂとを接続することになる。
【００２９】
このような構成においては、貯水部位Ａは車両の左右方向に沿った隔壁３２により貯水部位Ｂと隔てられているので、車両が加速又は減速した際に水貯蔵装置３０に作用する力に対しても、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３０】
図４は本発明の実施例３に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す上面図である。図４において、この実施例３の水貯蔵装置４０の特徴とするところは、先の実施例２の水貯蔵装置３０に比べて、ポンプ吸入管１３が配設された貯水部位Ａを円柱状の隔壁４１で貯水部位Ｂと隔てるようにしたことにあり、他は実施例２と同様である。
【００３１】
このような構成においては、車両の旋回時や、加速、減速時を含めて水貯蔵装置４０に作用するすべての方向の力に対して、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００３２】
図５ならびに図６は本発明の実施例４に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す図であり、図５は水貯蔵装置の断面図、図６は水貯蔵装置の上面図である。図５ならびに図６において、この実施例４の水貯蔵装置５０の特徴とするところは、先の実施例１の水貯蔵装置１０に比べて、貯水部位Ａと貯水部位Ｂ１とを接続する接続管１２ａと貯水部位Ａと貯水部位Ｂ２とを接続する接続管１２ｂとを、図６に示すように、車両の左右方向に対して対称の位置に設置したことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００３３】
このような構成においては、先の実施例１と同様の効果を得ることに加えて、車両の右旋回ならびに左旋回の双方の旋回時においても、同等にポンプの吸い込み性能を確保することができる。
【実施例５】
【００３４】
図７ならびに図８は本発明の実施例５に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す図であり、図７は水貯蔵装置の断面図、図８は水貯蔵装置の上面図である。図７ならびに図８において、この実施例５の水貯蔵装置７０の特徴とするところは、先の実施例１の水貯蔵装置１０に比べて、１つの接続管７１において３つのすべての貯水部位Ａ，Ｂ１，Ｂ２を接続するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００３５】
このような構成においては、先の実施例１ならびに実施例４と同様の効果を得ることができることに加えて、接続管の部品点数を削減して、構成の簡素化を図ることが可能となる。
【実施例６】
【００３６】
図９ならびに図１０は本発明の実施例６に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す図であり、図９は水貯蔵装置の断面図、図１０は水貯蔵装置の上面図である。図９ならびに図１０において、この実施例６の水貯蔵装置９０の特徴とするところは、先の実施例１の水貯蔵装置１０に比べて、ポンプ吸入管１３が配置された貯水部位Ａにおける車両の左右方向の略中心より左側の底面と、貯水部位Ａの右側に隣接する貯水部位Ｂ２における車両の左右方向の略中心より左側の底面とを、先の実施例１の接続管１２と同様の機能を有する接続管９１ａにより接続し、貯水部位Ａにおける車両の左右方向の略中心より右側の底面と、貯水部位Ａの左側に隣接する貯水部位Ｂ１における車両の左右方向の略中心より右側の底面とを、先の実施例１の接続管１２と同様の機能を有する接続管９１ｂにより接続したことを特徴とし、他は先の実施例１と同様である。
【００３７】
このような構成においては、車両が旋回した際に水貯蔵装置９０に力が作用し、例えば図１１に示す矢印の方向に貯水が流動した場合には、貯水の水面は例えば図１１に示すように変化するのに対して、例えば図１２に示すように、本実施例６を採用せずに１つの接続管９２により各貯水部位Ａ，Ｂ１，Ｂ２を接続した場合に比べて、ポンプ吸入管１３の吸入口における水位を確保することが容易となり、ポンプの吸い込み性能を向上することができる。
【実施例７】
【００３８】
図１３は本発明の実施例７に係る燃料電池システムに備えられた水貯蔵装置（純水タンク）の構成を示す断面図である。図１３において、この実施例７の水貯蔵装置１３０の特徴とするところは、先の実施例１の水貯蔵装置１０に比べて、接続管１３１を図１４に示すように構成したことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００３９】
接続管１３１は、図１４に示すように、ポンプ吸入管１３が配置されていない貯水部位Ｂ１，Ｂ２との接続部側に管径を細くしたしぼり部１３２を有し、可動可能な例えば球体形状の貯水流出低減部材１３３と、この貯水流出低減部材１３３の可動範囲を制限する流出防止部材１３４とからなる貯水流出低減機構が設けられている。
【００４０】
このような構成においては、車両の旋回、加速又は減速等により発生した力が水貯蔵装置１３０に作用した際に、貯水流出低減部材１３３が作用した力の方向に応じて移動することにより、接続管１３１の管路の通水部面積が狭められ、貯水部位Ａからの貯水流出を低減することができる。なお、貯水流出低減部材１３３は、接続管１３１の水平部の端部近傍に設けられた流出防止部材１３４によって可動範囲が制限されるので、貯水流出低減部材１３３が貯水部位に流出することはない。
【００４１】
したがって、このような構成においては、先の実施例１に比べて貯水部位間の貯水の移動をより一層抑制することが可能となり、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１に係る水貯蔵装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る水貯蔵装置の構成を示す上面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る水貯蔵装置の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の実施例３に係る水貯蔵装置の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施例４に係る水貯蔵装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係る水貯蔵装置の構成を示す上面図である。
【図７】本発明の実施例５に係る水貯蔵装置の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例５に係る水貯蔵装置の構成を示す上面図である。
【図９】本発明の実施例６に係る水貯蔵装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例６に係る水貯蔵装置の構成を示す上面図である。
【図１１】実施例６の作用を説明する図である。
【図１２】実施例６を適用しない場合の作用を説明する図である。
【図１３】本発明の実施例７に係る水貯蔵装置の構成を示す断面図である。
【図１４】実施例７の接続管の構成を示す拡大図である。
【図１５】従来の燃料電池システムにおける水貯蔵装置の作用を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，３０，４０，５０，７０，９０，１３０，１５０…水貯蔵装置
１１，３１，３２，４１，１５１…隔壁
１２，１２ａ，１２ｂ，７１，９１ａ，９１ｂ，９２，１３１…接続管
１３，１５３…ポンプ吸入管
１４…空気排出管
１５…断熱材
１６…温媒流路
１３２…しぼり部
１３３…貯水流出低減部材
１３４…流出防止部材
１５２…連通穴
Ａ，Ｂ１，Ｂ２…貯水部位
【図１】
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【図２】
2005228499.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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005228499.tif 000013
【図１２】
2005228499.tif 000014
【図１３】
2005228499.tif 000015
【図１４】
2005228499.tif 000016
【図１５】
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