(57)【要約】【課題】  定常運転時の圧力損失を低減し、熱媒体をあらゆる部位に使用する複合的なシステムに対応できる貯蔵タンク用熱媒体の流通構造を提供する。【解決手段】  貯蔵媒体（純水）２が貯留された貯蔵タンク部３と、貯蔵タンク部３の壁面４の外側又は内側の少なくとも一方に形成されて、貯蔵媒体２と熱交換する熱媒体が流通する熱媒体流通路６とを有する貯蔵タンク用熱媒体の流通構造１であって、定常運転時には熱媒体を熱媒体流通路６よりも流通抵抗の少ないバイパス経路７に流通させ、非定常運転時には熱媒体を熱媒体流通路６に流通させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵媒体が貯留された貯蔵タンク部と、
該貯蔵タンク部の壁面の外側又は内側の少なくとも一方に形成されて、前記貯蔵媒体と熱交換する熱媒体が流通する熱媒体流通路とを有する貯蔵タンク用熱媒体の流通構造であって、
定常運転時には前記熱媒体を前記熱媒体流通路よりも流通抵抗の少ない状態で流通させ、非定常運転時には前記熱媒体を前記熱媒体流通路に流通させる流通機構を備えることを特徴とする貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項２】
前記流通機構は、前記熱媒体流通路の流入口側と流出口側とを連通し前記貯蔵媒体の温度が高いほど前記熱媒体がより多く流入するバイパス流路を備えることを特徴とする請求項１に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項３】
前記流通機構により、前記貯蔵タンク部の前記貯蔵媒体が凍結したときに前記熱媒体流通路に前記熱媒体の全てを流入させ、前記貯蔵タンク部の前記貯蔵媒体の解凍が終了するとともに少なくとも前記熱媒体の一部を前記バイパス流路に流入させることを特徴とする請求項２に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項４】
前記バイパス制御機構は、
前記貯蔵媒体の温度を検知する感温部と、
前記バイパス流路上に配置されて前記感温部の検知結果に基づいて開度が変化することにより前記バイパス流路を流れる前記熱媒体の流量を調整する調整弁と、を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項５】
前記感温部は、
内部が中空になっている筒体と、
この筒体の内部に封入されて温度で体積変化する気体又は気体と液体の混合物と、
前記調整弁と連通する細管と、を備えており、
この細管によって前記感温部内部の圧力の変化を前記調整弁に伝通させて前記調整弁の開度を変化させること特徴とする請求項４に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項６】
前記感温部は前記貯蔵媒体の温度を電気信号により検知し、前記貯蔵媒体の温度が設定値以上になったときに検知した電気信号によって前記調整弁が開閉されることを特徴とする請求項４に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項７】
前記貯蔵タンク部は、燃料電池システム用の純水を貯蔵することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項８】
前記熱媒体は、燃料電池の冷却媒体の役目を兼ねることを特徴とする請求項７に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項９】
前記貯蔵タンク部の壁面及び前記感温部は、純水の電気伝導度に変化を来さない材料により構成されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項１０】
前記貯蔵タンク部の壁面及び前記感温部にステンレス材料を用いたことを特徴とする請求項９記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【請求項１１】
前記貯蔵タンク部の壁面及び前記感温部に樹脂のコーティングを施したことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の貯蔵タンク用熱媒体の流通構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒体を流通させることによって凍結した貯蔵媒体を解凍する機能を備えた貯蔵タンク用熱媒体の流通構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を充分に加湿しなければならない。このため、水素貯蔵タイプの燃料電池システムを搭載した車両には、水素や酸素を加湿するための純水を貯留する貯蔵タンクを備える必要がある。また、この燃料電池システムを寒冷地で使用する際には、貯蔵タンク中の純水が凍結する恐れがあるため、凍結した純水を解凍する解凍融解機能を備えた貯蔵タンクを使用する必要がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この貯蔵タンクは、貯蔵物を収容する中空部と、中空部内に等間隔にかつ容器の長手軸芯に平行に配置された熱媒体の流れる流路と、流路と連通した熱媒体供給口と熱媒体排出口と、熱媒体の流れる流路により貯蔵物を凍結、融解する複数の二重壁構造体とを備える構成である。また、伝熱性能を向上するために、熱媒体の流れる流路は３本以上の流路系統に区画されるよう設定されている。
【特許文献１】特開平５−１５４４６７号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記した構成では、熱媒体の流れる流路は３本以上の流路系統に区画されるよう設定されているため、貯蔵部内では熱媒体の流路は何度も分岐や合流を繰り返す複雑な構造になっている。このため、熱媒体の循環システムにおいて、全体として均一な熱媒体の流れが損なわれ、熱交換能力が低下し、更に、熱媒体の流路の圧力損失要素となるという問題があった。また、貯蔵媒体の解凍運転時（非定常運転時）や定常運転時であってもこの複雑な流路を熱媒が通過することになるために、上記した構成では、熱媒体をあらゆる部位に使用する複合的なシステムをなすものには不向きであるという問題があった。
【０００５】
また、熱媒体の流れる流路を複数に分岐、あるいは折り曲げ回数を増やす等によって流路の長さを増やした場合、増やした部分の圧力損失が増加して熱媒体を流すポンプの負荷が大きくなるため、システムの燃費が悪化するという問題があった。
【０００６】
さらに、流通抵抗は、流速の増加だけでなく、内径が小さくなることによっても大きくなるため、細い管を多数利用するとどうしても流通抵抗が大きく圧力損失は大きくなるが、熱伝達に関しては表面積が大きいほうが有利であるため、一概に細い管を使うのが良くないとは言えず、問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、貯蔵媒体が貯留された貯蔵タンク部と、該貯蔵タンク部の壁面の外側又は内側の少なくとも一方に形成されて、前記貯蔵媒体と熱交換する熱媒体が流通する熱媒体流通路とを有する貯蔵タンク用熱媒体の流通構造であって、定常運転時には前記熱媒体を前記熱媒体流通路よりも流通抵抗の少ない状態で流通させ、非定常運転時には前記熱媒体を前記熱媒体流通路に流通させる流通機構を備えることを要旨とする。  
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱媒体の流入が容易で、流通抵抗が小さく、かつポンプ動力損失が低減し、熱交換器の伝熱効率が向上する。このように、定常運転時の圧力損失が低減するため、熱媒体を循環させる循環装置の負荷を抑制させることができる。また、熱媒体をあらゆる部位に使用する複合的なシステムに対応できる貯蔵タンク用熱媒体の流通構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係る貯蔵タンク用熱媒体の流通構造の実施の形態を説明する断面図である。
【００１１】
上記した貯蔵タンク用熱媒体の流通構造１は、純水（貯蔵媒体）２が貯留された貯蔵タンク部３と、純水２と熱交換される熱媒体が流通する熱媒体流通路６と、定常運転時には熱媒体を熱媒体流通路６よりも流通抵抗の少ない状態で流通させ、非定常運転時には熱媒体を熱媒体流通路に流通させる流通機構とを備えている。貯蔵タンク部３の上面は、蓋部３ａとなっている。また、外壁部５には、熱媒体が流通する熱媒体流通路６の流入口６ａと流出口６ｂが接続されており、貯蔵タンク部３の壁面４とによって形成された通路が熱媒体流通路６と連通している。この通路には、循環装置（不図示）から循環される熱媒体が矢印で示す方向に流通している。また、熱媒体流通路６の流入口６ａより、熱媒体はバイパス流路７側にも分配される。バイパス流路７は、流入口６ａと流出口６ｂ側とを連通するように設けられている。バイパス流路７には、熱媒体の流量を調整する調整弁９が配置されており、バイパス経路７に流入した熱媒体は、図２に示す調整弁流入口６ｃより調整弁９を経由し、調整弁流入口６ｄから流出口６ｂを経て熱媒体流通路６に戻る。
【００１２】
貯蔵タンク部３内部には、図２に示す感温部８が配されている。感温部８は、内部が中空になっている筒体８ａと、この筒体８ａの内部に封入されて温度によって体積が変化する封入物８ｂと、調整弁９と連通する細管１０とを備えている。この細管１０によって感温部８内部の圧力の変化が調整弁９に伝通される。調整弁９は、圧力室９ａを有し、バイパス流路７とはダイヤフラム９ｂによって区切られた構造となっている。また、ダイヤフラム９ｂにはニードルやスプールなどのいわゆる弁部９ｃが取り付けられており、弁部９ｃはばね９ｄによって圧力室９ａ側に固定されている。弁部９ｃの位置は、圧力室９ａの内圧と熱媒体との圧力、及びばね９ｄの力の釣り合いから決定されている。本実施例では、純水２の温度の凝固点温度を、この力の釣り合いが変化する点に設定している。なお、圧力室９ａの圧力が変化することにより、その圧力９ａがダイヤフラム９ｂを介し、弁部９ｃの位置を変化させている。この弁部９ｃの位置の変化が開度である。
【００１３】
筒体８ａの内部の封入物８ｂには、例えばＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）ガスなどを充填している。このガスは温度と圧力によって蒸発温度を決めることができる特性を有するため、純水２の凝固点温度にて蒸発するように設定すれば、この温度が調整弁９の作動点となり、調整弁９の作動力を発生する事ができる。
【００１４】
この貯蔵タンク用熱媒体の流通構造１は、図３に示すような燃料電池システム１１に使用される。この場合、上記熱媒体として燃料電池スタックの冷却用の冷媒（クーラント）が用いられており、クーラント用ポンプ１２によって熱媒体流通路６内を循環している。また、貯蔵タンク部３に貯蔵された純水２は、純水ポンプ１４によって管１５を介して燃料電池１３に循環供給されている。燃料電池１３に供給した純水２は、発電に必要な水素や酸素の加湿に用いられている。なお、純水２は、燃料電池７の加湿用の水として、絶縁性の観点から使用されている。
【００１５】
次に、上記構成による貯蔵タンク用熱媒体の流通構造１の動作について説明する。
【００１６】
貯蔵タンク用熱媒体の流通構造１周辺の雰囲気温度が低下し、純水２が貯留された貯蔵タンク部３内の純水２の温度が摂氏０度以下になると純水２が凍結を開始する。純水２が凍結するとタンク部３内は氷塊で満たされる。
【００１７】
ここで、貯蔵媒体が純水２であるため、摂氏０度以上で弁部９ｃが開くように設定すると、純水２の凍結時（非定常運転時）には、感温部８の筒体８ａ内部の封入物８ｂの体積が減少して筒体８ａ内部の圧力が低下する。この圧力が細管１０を通じ、調整弁９の圧力室９ａに伝えられて、圧力室９ａの圧力が低下するように作用する。このようにして調整弁９が閉じるため、バイパス経路７には熱媒体が流れず、貯蔵タンク部３の壁面４とによって形成された通路に熱媒体の全量が流れ、純水２の解凍を促進する方向に作用する。
【００１８】
また、定常運転時には、感温部８の筒体８ａ内部の封入物８ｂの体積が増加して筒体８ａ内部の圧力が上昇する。この圧力が細管１０を通じ、調整弁９の圧力室９ａに伝えられる。そして、調整弁９が開くため、バイパス経路７に熱媒体が流れる。このため、貯蔵タンク部３側に流れる熱媒体は減少し、熱媒体の圧力損失は減少する方向に作用する。
【００１９】
本実施例によれば、非定常運転時である純水２の凍結時以外はクーラントを循環させる必要はないため、定常運転時にはクーラントはバイパス路７も通ることで圧力損失が低下し、システムの燃費が向上する。
【００２０】
また、従来の方法では、熱媒体流通路６を複数に分岐、あるいは折り曲げ回数を増やす等により、熱媒体流通路６の長さを増やした場合にはこの部分の圧力損失が増加するためクーラントポンプの負荷が大きくなり、燃料電池システムの燃費が悪化した。しかし、本実施例では、凍結時以外はクーラントはバイパス路７を通ることで圧力損失が低下するため、ポンプ負荷の増大は必要最小限の時間におさえることが可能となる。このため、解凍性能が向上し、解凍時間を短縮させることができる。したがって、凍結時であっても起動時間が短縮するため、燃費の悪化を最小限に抑制した燃料電池システムを提供することができる。
【００２１】
なお、上記したように貯蔵タンク用熱媒体の流通構造１を燃料電池システムに用いる場合には、特に純水の電気伝導度を低く保たなければならない。このため、貯蔵タンク部３の壁面４及び感温部８には、純水の貯蔵時に電気伝導度に影響をきたさない材料を使用することが好ましい。このような材料としては、例えばステンレス材、中でも特にＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３１０Ｓを使用することが好ましい。また、ステンレス材を用いない場合には、接液面に樹脂のコーティングを施すことによっても同様な効果が得ることができる。
【００２２】
また、本実施例では、貯蔵タンク部３の外側に熱媒体流通路６を設けたが、貯蔵タンク部３内に設ける構成としても良い。
【００２３】
更に、感温部８のかわりに電気的に温度を検知するサーミスタ等を、また調整弁９のかわりに電磁ソレノイド弁を用いて温度を電気信号により検知し、温度の変化が設定値以上になったときに電気信号にて電磁ソレノイド弁に通電させて弁を開閉するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る貯蔵タンク用熱媒体の流通構造の実施の形態を説明する断面図である。
【図２】感温部と調整弁を示す断面図である。
【図３】伝熱部に燃料電池冷却用の冷媒流路を設けた純水タンクの例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  貯蔵タンク用熱媒体の流通構造
２  純水（貯蔵媒体）
３  貯蔵タンク部
４  壁面
５  外壁部
６ 熱媒体流通路
６ａ流入口
６ｂ流出口
７バイパス流路
８  感温部
９ 制御弁
１０  細管
【図１】
2005044707.tif 000003
【図２】
2005044707.tif 000004
【図３】
2005044707.tif 000005