(57)【要約】【課題】  寒冷な環境で、しかも、傾斜した状態で配置された場合でも純水戻り通路内が純水の凍結によって詰まることがない純水タンクを提供する。【解決手段】  純水１５が貯留された純水室１４と、純水室１４に外部より導かれ、純水室１４内の純水１５を吸引する純水供給パイプ１３２と、純水室１４内に外部より導かれ、純水室１４に純水１５を戻す純水戻しパイプ１３３と、純水戻しパイプ１３３より純水室１４内に戻された純水１５を純水供給パイプ１３２の近傍位置の旋回対応室１４ａに導く内部純水戻し通路２１と、内部純水戻し通路２１の上流側の底面に開口された純水排水用孔２２とを備えた。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水（１５）が貯留された純水室（１４）と、
この純水室（１４）に外部より導かれ、前記純水室（１４）内の純水（１５）を吸引する純水供給パイプ（１３２）と、
前記純水室（１４）内に外部より導かれ、前記純水室（１４）に純水（１５）を戻す純水戻しパイプ（１３３）と、
この純水戻しパイプ（１３３）より前記純水室（１４）内に戻された純水（１５）を前記純水供給パイプ（１３２）の近傍に導く内部純水戻し通路（２１）と、
この内部純水戻し通路（２１）の上流側の底面に開口された純水排水用孔（２２）とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０），（１０Ｂ）。
【請求項２】
純水（１５）が貯留された純水室（１４）と、
この純水室（１４）に外部より導かれ、前記純水室（１４）内の純水（１５）を吸引する純水供給パイプ（１３２）と、
前記純水室（１４）内に外部より導かれ、前記純水室（１４）に純水（１５）を戻す純水戻しパイプ（１３３）と、
この純水戻しパイプ（１３３）より前記純水室（１４）内に戻された純水（１５）を前記純水供給パイプ（１３２）の近傍に導き、前記純水戻しパイプ（１３３）側から前記純水供給パイプ（１３２）の近傍側に向かうに従って徐々に下方に傾斜された内部純水戻し通路（２１）とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０Ａ）。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０Ａ）であって、
前記内部純水戻し通路（２１）には、上流側の底面に純水排水用孔（２２）を開口したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０Ａ）。
【請求項４】
請求項１又は請求項３記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０），（１０Ａ），（１０Ｂ）であって、
前記純水排水用孔（２２）の流通断面積は、前記内部純水戻し通路（２１）の流通断面積よりも小さく設定されたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０），（１０Ａ），（１０Ｂ）。
【請求項５】
請求項１、請求項３及び請求項４記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）、（１０Ａ）であって、
前記純水排水用孔（２２）は、前記純水戻しパイプ（１３３）より純水（１５）を受け取る位置より更に上流側に開口されたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０）、（１０Ａ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムの純水タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
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及び酸化剤ガスを加湿するために純水が必要不可欠となるが、寒冷地等で車両を長時間停車した状態では純水タンク内の純水が凍結する。
【０００３】
従って、燃料電池発電システムの始動性を改善するためには、純水タンク内の純水の解凍促進が要求される。そのため、従来では純水タンクとして容量の大きい主タンクとこの主タンクより容量の小さい予備タンクとを備え、主タンクを加熱された冷却水によって、補助タンクをヒータによって暖めることによって純水を解凍する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、自動車に搭載される純水タンクは、旋回等によって自動車が傾斜した状態となった場合にあっても純水タンク内の純水を吸引できるようにするため、図６のような構成とされる。つまり、図６に示すように、内部の純水室２に旋回用仕切壁３を配置して純水室２の一部に旋回対応室２ａを構成し、この旋回対応室２ａに外部より導かれる純水供給パイプ４の一端が配置される。外部より純水室２に導かれる純水戻しパイプ５は、純水室２の内部で直角に折曲され、その先端が旋回対応室２ａの上方まで延設されている。
【０００５】
このように構成することにより、自動車が旋回したり、自動車が左右に傾斜した道路を走行したりして純水タンク１が図６に示すように傾斜した場合にあっても、旋回用仕切壁３よって旋回対応室２の液面低下を小さく抑え、且つ、純水戻りパイプ５からの戻り純水が旋回対応室２ａに戻るようにして旋回対応室２ａの液位上昇を図ることによって純水の供給が一時的にも中断しないようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１４９９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、傾斜地で運転停止すると、図６に示すように、純水戻しパイプ５内の純水が純水タンク１の純水室２に完全に戻らずに純水戻しパイプ５に純水が残ることになる。純水戻しパイプ５に残留純水６が残った状態で寒冷な環境で、しかも、長時間停車すると、残留純水６が凍結する事態が発生する。
【０００７】
ここで、純水戻しパイプ５内の残留純水６を上述した加熱手段によって解凍させるには時間を要し、仮に残留純水６が解氷されないままに運転が開始され、純水が純水タンク１内に戻されると純水の流れを阻害する。
【０００８】
又、純水タンク１が自動車に搭載されない場合にあっても、何らかの理由により傾斜した状態で純水タンク１が設置される場合に同様の問題が発生する。
【０００９】
そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、寒冷な環境で、しかも、傾斜した状態で配置された場合でも純水戻り通路内が純水の凍結によって詰まることがない燃料電池発電システムの純水タンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、純水が貯留された純水室と、この純水室に外部より導かれ、前記純水室内の純水を吸引する純水供給パイプと、前記純水室内に外部より導かれ、前記純水室に純水を戻す純水戻しパイプと、この純水戻しパイプより前記純水室内に戻された純水を前記純水供給パイプの近傍に導く内部純水戻し通路と、この内部純水戻し通路の上流側の底面に開口された純水排水用孔とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【００１１】
請求項２の発明は、純水が貯留された純水室と、この純水室に外部より導かれ、前記純水室内の純水を吸引する純水供給パイプと、前記純水室内に外部より導かれ、前記純水室に純水を戻す純水戻しパイプと、この純水戻しパイプより前記純水室内に戻された純水を前記純水供給パイプの近傍に導き、前記純水戻しパイプ側から前記純水供給パイプの近傍側に向かうに従って徐々に下方に傾斜された内部純水戻し通路とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２記載の燃料電池発電システムの純水タンクであって、前記内部純水戻し通路には、上流側の底面に純水排水用孔を開口したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項３記載の燃料電池発電システムの純水タンクであって、前記純水排水用孔の流通断面積は、前記内部純水戻し通路の流通断面積よりも小さく設定されたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１、請求項３及び請求項４記載の燃料電池発電システムの純水タンクであって、前記純水排水用孔は、前記純水戻しパイプより純水を受け取る位置より更に上流側に開口されたことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンクである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、純水戻しパイプより純水タンク内に戻される純水は、内部純水戻し通路を通ってその先端より純水室に戻されるが、内部純水戻り通路の傾斜によって内部純水戻り通路の先端より落下しないものは純水排水用孔より落下することによって純水室に戻されるため、内部純水通路に純水が残留しない。従って、寒冷な環境で、しかも、傾斜した状態で配置された場合でも純水戻り通路内が純水の凍結によって詰まることがない。
【００１６】
請求項２の発明によれば、純水タンクが傾斜して配置された場合でも内部純水戻り通路はそれ自体の傾斜によって水平方向に対し傾斜して配置されることから、純水戻りパイプより純水タンク内に戻される純水は、内部純水戻り通路を通って先端より純水室に戻されるため、内部純水通路に純水が残留しない。従って、寒冷な環境で、しかも、傾斜した状態で配置された場合でも純水戻り通路内が純水の凍結によって詰まることがない。
【００１７】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加え、内部純水戻り通路の傾斜角度以上に純水タンクが傾斜して配置された場合には、内部純水戻り通路の傾斜によって内部純水戻り通路の先端より落下しないものが純水排水用孔より落下することによって純水室に戻される。従って、内部純水戻り通路の傾斜角度以上に純水タンクが傾斜して配置された場合にも、内部純水通路に純水が残留しない。
【００１８】
請求項４の発明によれば、請求項１又は請求項３の発明の効果に加え、内部純水戻り通路に流入した純水の多くは、純水供給パイプの近傍に戻される。従って、純水供給パイプが配置された個所の液位を極力上昇させることができる。これにより、将来的に純水タンクが傾斜した状態で配置される場合にあって、純水供給パイプによる純水の吸引に極力支障がでないようにできる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、請求項１、請求項３又は請求項４の発明の効果に加え、純水タンクが傾斜していない場合には、内部純水戻り通路に流入した純水のほとんど全部が純水供給パイプの近傍に戻される。従って、純水供給パイプが配置された個所の液位を十分に上昇させることができ、将来的に発生する純水タンクの傾斜に対して有効に対処できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３は本発明の第１実施形態を示し、図１は本発明の純水タンク１０を備え、自動車に搭載された燃料電池発電システムの概略構成図、図２は純水タンク１０の断面図、図３は純水タンク１０の純水戻しパイプ１３３付近の要部斜視図である。
【００２２】
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。
【００２３】
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、純水供給パイプ１３２と純水汲み上げポンプ１３１とにより供給される。
【００２４】
氷点下の外気温条件下で、燃料電池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純水戻しパイプ１３３を介して前記純水タンク１０に戻され、ここで貯留される。
【００２５】
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、燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００２６】
このラジエータ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ている。
【００２７】
また、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により燃料電池発電システムの始動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。
【００２８】
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料熱を利用したヒータ１４５を設置することで、燃料電池スタック１１０の暖機促進を図れるようにしている。
【００２９】
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。
【００３０】
図２に示すように、純水タンク１０は、底面及び４側面に配置された外周壁１１とこの上面を塞ぐ上蓋１２によって外方が囲まれている。外周壁１１は、内周壁１１ａと外周壁１１ｂの２重構造であり、内周壁１１ａと外周壁１１ｂの間には冷却液通路１３が形成されている。内周壁１１ａの内部が純水室１４とされ、この純水室１４に純水１５が貯留されている。純水室１４には旋回用仕切壁１６が配置され、この旋回仕切壁１６によって純水室１４の中央エリアに旋回対応室１４ａが形成されている。旋回対応室１４ａと左右の室とは下方で連通されている。又、純水室１４には間隔を置いて複数の伝熱チューブ１７が配置されている。この伝熱チューブ１７内及び前記冷却液通路１３には冷却液経路１４２の冷却液が流通するようになっている。つまり、設置場所の温度が氷点下以下で燃料電気発電システムが起動される場合等には、伝熱チューブ１７内や冷却液通路１３に加熱された冷却液を流通することによって純水１５を解凍する。
【００３１】
純水供給パイプ１３２は、外部より上蓋１２を介して純水室１４内に導かれ、その先端開口１３２ａが純水室１４の底面近傍に配置されている。
【００３２】
純水戻しパイプ１３３は、外部より上蓋１２を介して純水室１４内に導かれ、その先端開口１３３ａが純水室１４の天井位置に配置されている。
【００３３】
純水戻しガイド部材２０は、上蓋１２の内面に固定されており、純水戻しガイド部材２０の凹部２０ａ（図３に示す）と上蓋１２とによって内部純水戻し通路２１が形成されている。内部純水戻し通路２１は、その一端側が純水戻しパイプ１３３の先端の下方位置に配置され、他端側が純水供給パイプ１３２の近傍位置である旋回対応室１４ａの上方位置に配置されている。純水戻しパイプ１３３より純水室１４に戻された純水１５は、内部純水戻し通路２１を通って旋回対応室１４ａに戻される。
【００３４】
内部純水戻し通路２１には、純水戻しパイプ１３３の先端開口１３３ａの下方、つまり、上流側の底面に純水排水用孔２２が開口されている。この純水排水用孔２２の流通断面積は、内部純水戻し通路２１の流通断面積よりも小さく設定されている。
【００３５】
次に、上記構成の作用を説明する。自動車の運転時には、純水タンク１０の純水１５が純水供給パイプ１３２より加湿器１３０等に供給される。そして、運転終了時には加湿器１３０等に供給された全ての純水１５が純水戻しパイプ１３３より純水タンク１０に戻される。
【００３６】
ここで、自動車が水平地に停車された場合には、純水戻しパイプ１３３より純水タンク１０内に戻される純水１５は、内部純水戻し通路２１を通ってその先端より純水室１４に戻される。一方、自動車が傾斜地に停車された場合（図６の状態を参照）には、純水戻しパイプ１３３より純水タンク１０内に戻される純水１５の大部分は、上記と同様に、内部純水戻し通路２１を通ってその先端より純水室１０に戻されるが、内部純水戻り通路２１の傾斜によって内部純水戻り通路２１の先端より落下できないものがある。この先端より落下できないものは純水排水用孔２２より落下することによって純水室１４に戻される。従って、内部純水通路２１に純水１５が残留することがない。以上より、寒冷な環境で、しかも、傾斜地に停車された場合でも純水戻り通路２１内が純水１５の凍結によって詰まることがない。
【００３７】
この第１実施形態では、純水排水用孔２２の流通断面積は、内部純水戻し通路２１の流通断面積よりも小さく設定されている。従って、内部純水戻し通路２１に流入した純水１５の多くは、旋回対応室１４ａに戻される。従って、純水供給パイプ１３２が配置された旋回対応室１４ａの液位を極力上昇させることができる。これにより、将来的に純水タンク１０が傾斜される場合にあって、純水供給パイプ１３２による純水の吸引に極力支障がでないようにできる。
【００３８】
図４は本発明の第２実施形態を示し、純水タンク１０Ａの断面図である。図４に示すように、純水タンク１０Ｂの純水戻しパイプ１３３は、外部より上蓋１２を介して純水室１４内に導かれ、その先端側が純水室１４の内部で略直角に折曲されている。略直角に折曲された純水戻しパイプ１３３の先端箇所は、純水供給パイプ１３２の近傍位置である旋回対応室１４ａの上方まで延設され、旋回対応室１４ａの上方で開口されている。つまり、純水戻しパイプ１３３の先端側によって内部純水戻し通路２１が形成されている。
【００３９】
他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、図面の同一構成箇所には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
この第２実施形態においても、自動車を傾斜地に停車しても内部純水通路２１に純水１５が残留することがない。従って、寒冷な環境で、しかも、傾斜地に停車された場合でも純水戻り通路２１内が純水１５の凍結によって詰まることがない。
【００４１】
図５は本発明の第３実施形態を示し、純水タンク１０Ａの断面図である。図５に示すように、純水タンク１０Ａでは、前記第１実施形態と同様に、上蓋１２の内面に純水戻しガイド部材２０が固定されており、純水戻しガイド部材２０の凹部と上蓋１２とによって内部純水戻し通路２１が形成されている。しかし、純水戻しガイド部材２０の凹部が傾斜しており、内部純水戻し通路２１は、純水戻しパイプ１３３側から純水供給パイプ１３２の近傍位置である旋回対応室１４ａ側に向かうに従って徐々に下方に傾斜されている。
【００４２】
又、内部純水戻し通路２１には、純水戻しパイプ１３３側の底面に純水排水用孔２１が開口されている。純水排水用孔２１の流通断面積は、内部純水戻し通路２１の流通断面積よりも小さく設定されている。又、純水排水用孔２１は、純水戻しパイプ１３３より純水を受け取る位置より更に上流側の位置に設けられている。つまり、自動車が水平地に停車された場合には純水戻しパイプ１３３から落下した純水１５が純水排水用孔２２を通ることなく旋回対応室１４ａに戻される。
【００４３】
他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、図面の同一構成箇所には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
この第３実施形態においては、純水タンク１０が傾斜して配置された場合でも内部純水戻り通路２１はそれ自体の傾斜によって水平方向に対し傾斜して配置されることから、純水戻りパイプ１３３より純水タンク１０内に戻される純水は、内部純水戻り通路２１を通ってその先端より純水室１４に戻されるため、内部純水通路２１に純水１５が残留することがない。従って、寒冷な環境で、しかも、傾斜地に停車された場合でも純水戻り通路２１内が純水１５の凍結によって詰まることがない。
【００４５】
この第３実施形態では、純水排水用孔２２は、純水戻しパイプ１３３より純水１５を受け取る位置より更に上流側の位置に開口されているので、純水タンク１０が傾斜していない場合には、内部純水戻り通路２１に流入した純水１５のほとんど全部が純水供給パイプ１３２の近傍に戻される。従って、純水供給パイプ１３２が配置された旋回対応室１４ａの液位を十分に上昇させることができ、将来的に発生する純水タンク１０の傾斜に対して有効に対処できる。
【００４６】
尚、第３実施形態にあって、傾斜した内部純水戻し通路２１を第２実施形態のように純水戻しパイプ１３３の先端側を折曲して形成しても良い。
【００４７】
尚、前記各実施形態では、燃料電池発電システムは電気自動車に搭載される場合として説明したが、家庭用などの燃料電池発電システムとして利用されるものであっても本発明は同様に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、本発明の純水タンクを備え、自動車に搭載された燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示し、純水タンクの断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示し、純水タンクの純水戻しパイプ付近の要部斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示し、純水タンクの断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示し、純水タンクの断面図である。
【図６】自動車に搭載され、旋回運転を考慮して考えられる純水タンクの構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  純水タンク
１４  純水室
１４ａ  旋回対応室
１５  純水
２１  内部純水戻し通路
２２  純水排水用孔
１３２  純水供給パイプ
１３３  純水戻しパイプ
【図１】
2005063895.tif 000003
【図２】
2005063895.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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