(57)【要約】【課題】効率よく水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍し、水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍するのにかかる時間を短縮できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮した空気を燃料電池に供給する供給配管と、水を貯蔵するタンクと、を備える燃料電池システムにおいて、供給配管からタンク内に圧縮空気を導入する分岐配管を備え、タンク内における分岐配管のから圧縮空気が排出される開口部をタンク内の水中に配置した。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮した空気を前記燃料電池に供給する供給配管と、
水を貯蔵するタンクと、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記供給配管から前記タンク内に圧縮空気を導入する分岐配管を備え、
前記タンク内における前記分岐配管から圧縮空気が排出される開口部を
前記タンク内の水中に配置する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記タンク内に位置した前記分岐配管に近接して解凍手段を備える
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】
前記開口部は、前記解凍手段の最下端部より高い位置に配置する
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分岐配管の配管径を前記供給配管の配管径より小さくする
ことを特徴とする請求項2記載又は請求項3何れか記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記開口部を燃料電池システム起動時の水位より低く、
燃料電池システムの通常運転時の水位より高い位置に配置する
ことを特徴とする請求項2乃至請求項4何れか記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記分岐配管に前記タンク内への圧縮空気の流入を制御する開閉手段と、
前記タンクに貯蔵した水の状態変化を検出する状態検出手段と、
を設け、
前記状態検出手段により前記タンク内に貯蔵した水全体が液状と判断した場合、
前記開閉手段を閉じる
ことを特徴とする請求項2乃至請求項5何れか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、燃料電池システムにおける水タンクの解凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池と水タンクと水タンクから供給された水を保有する補機とを備え、水タンク及び補機の少なくとも一方を暖気対象に燃料電池から排出される排出空気を案内するダクトを備えていた。(例えば、特許文献1参照。)
【特許文献１】特開2003-31243号公報（第1図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池が空気極、水素極、電解質膜、冷却水路などから構成される積層構造のため熱容量が大きく、温まるのに時間がかかり、排出空気の温度が上がるのに時間がかかり、従って、水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍するのに時間がかかっていた。また、解凍手段にヒータなどを使用すると、自然対流しか起きず、ヒータは氷や解凍水に対して熱を効率よく伝えられず、さらには、水タンク内では上部と下部とで温度差ができ、効率的に水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍ができなかった。そこで、本発明は、効率よく水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍し、水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍するのにかかる時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明では、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された気体を燃料電池と、圧縮機と圧縮気体消費手段を繋ぐ供給配管と、水を貯蔵するタンクと、を備え、供給配管からタンク内に圧縮空気を導入する分岐配管を備え、タンク内における分岐配管のから圧縮空気が排出される開口部をタンク内の水中に配置した。 
【発明の効果】
【０００５】
本発明における解凍システムでは、圧縮され高温となった気体を、気体消費手段の上流、即ち比較的温度低下が小さい箇所で気体をタンク内液中に流入でき、タンク内に貯蔵した液体を積極的に対流を起こすことができる。従って、本発明では、効率よく水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍し、水タンク内の解凍水や氷を暖気・解凍するのにかかる時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本実施形態について、図1及び図2を用いて説明する。図1は燃料電池システムのシステム概略図を、図2は本実施形態で用いる水タンク1の模式図を夫々示す。
【０００７】
まず、本実施形態の構成について説明する。図1に示すように、燃料電池40は、水素供給配管30と、圧縮機21を備える空気供給配管20(供給配管)が接続されている。また、圧縮機21と燃料電池40の間の空気供給配管20には、バルブ23(開閉手段)を備える分岐配管22が接続されている。一方、水循環系10(図1中破線部)は、燃料電池40、ラジエータ11、ポンプ12、水タンク1(タンク)により構成されている。また、図2に示すように、水タンク1は、水タンク1内に排出された空気を外部に放出する空気排出口4を備える蓋3とヒータ2(解凍手段)、水タンク1内に貯蔵した水の状態を検出する状態検出手段 (例えば、温度センサ5)により構成されている。さらに、水タンク1には分岐配管22及び開口部24がヒータ2の最下端部より上方に近接して配置され、分岐配管22の他端である開口部24は、システム起動時の水位A(図2中点線部)より低く、システム通常運転時の水位B(図2中破線部)より高い位置に配置されている。一方、水タンク1内の状態を把握し、バルブ23の開度を制御可能なコントローラ50が設置されている。なお、分岐配管22は空気供給配管配管20より径が小さいものを用いて、例えば分岐配管22の内径を6mmとし、空気供給配管20の内径を50mmとする。
【０００８】
次に、本実施形態の作用について説明する。図示しない水素タンクより水素が、圧縮機21により圧縮された空気が、夫々燃料電池40に送られ発電する。燃料電池40は発電すると発熱するため、水循環系10によって燃料電池40の温度を発電に最適な温度(例えば、PEFCの場合は80℃)を維持している。一方、燃料電池システムの起動と同時に、コントローラ50により水タンク1内の冷却水の状態を状態検出手段によって把握する(ステップ100)。水タンク1内が凍結している、或いは暖気を必要としていると判断した場合(例えば、水タンク1内温度で判断する時は0℃以下の場合)は、バルブ23を開き水タンク1内に圧縮された空気、即ち高温である空気を導入する(ステップ101及び102)。この際、水タンク1内に設置されたヒータ2をONにする。導入された空気が流れる分岐配管22は、高温空気によって発熱し、空気供給配管20側から順次開口部24に向けて分岐配管22内及び分岐配管22近傍の冷却水を解凍・暖気する。一方、ヒータ2は、ヒータ2接触部から順次冷却水を解凍・暖気をする。分岐配管22内が解凍された時、即ち開口部24まで解凍された時、高温空気は水タンク1内に排出され、開口部24近傍から順次冷却水を解凍・暖気する。さらに、開口部24近傍が解凍された時、開口部24より噴出される空気により、解凍された冷却水を揺動し、凍結部分を含む水タンク1内全体の冷却水で対流が起こる。また、コントローラ50は、常時水タンク1内の状態を把握し、水タンク1内が完全に解凍された状態と判断した場合(例えば、水タンク1内温度で判断する場合は30℃以上の場合、又は時間により判断する場合は3分)は、バルブ23を閉じ、水タンク1内への圧縮空気の導入を停止する(ステップ103からステップ105)。
【０００９】
このように本実施形態では、以下の効果を得る。
【００１０】
圧縮した空気を前記燃料電池40に供給する供給配管から水タンク1内に圧縮空気を導入する分岐配管22を備え、タンク内における分岐配管22のから圧縮空気が排出される開口部24をタンク内の水中に配置したので、圧縮され高温となった気体を比較的温度低下が小さい箇所で気体を水タンク1内に噴出でき、水タンク1内に積極的に対流を起こすことができる。従って、効率よく水タンク1内の解凍水や氷を暖気・解凍し、水タンク1内の解凍水や氷を暖気・解凍するのにかかる時間を短縮することができる。
【００１１】
また、水タンク1内にヒータ2を設けたので、暖気・解凍を促進でき、さらに水タンク1内に配置した分岐配管22に近接させてヒータ2を設けたので、分岐配管22を優先的に解凍し、空気を迅速に水中に送ることができ、水タンク1内に対流を起こすまでの時間を短縮できる。また、開口部24近傍にヒータ2を設けたので、ヒータ2表面のごく近傍に空気を噴出すことができるため、ヒータ2と氷や水との熱伝達を大きくでき、解凍の促進効果を大きくできる。さらに、開口部24をヒータ2の最下端部より高い位置に配置したので、解凍が進み難いヒータ2より下側を避けることができ、空気噴出までの時間を短縮できる。
【００１２】
また、水タンク1内に設置したヒータ2によって解凍が進み、分岐配管22の開口部24より空気を水中に噴出するようになると、噴出した空気によって水タンク1内の解凍水が揺動し、強制的な対流が起こるので、ヒータ2と氷や解凍水との熱伝達を向上できる。
【００１３】
また、分岐配管22の配管径を供給配管の配管径より小さくしたので、燃料電池40へ供給する空気量の減少を抑えることができ、安定した燃料電池40の運転をすることができる。このような構成は、バルブ23を用いない場合に、特に効果的である。
【００１４】
また、開口部24を燃料電池システム起動時の水位より低く、燃料電池システム通常運転時の水位より高い位置に配置したので、通常運転時には空気の噴出によって水を揺動させることがないので、燃料電池40への水を供給するポンプ12のエア吸いによるポンプ吐出圧の低下を防ぎ、安定した燃料電池40の運転ができる。このような構成は、バルブ23を用いない場合に、特に効果的である。
【００１５】
本実施形態では、水循環系10を燃料電池40の冷却に用いたが、供給ガスの加湿や、その他補機類(例えば、駆動モータやエアコンや強電ユニット)の冷却に用いることもできる。また、開口部24を分岐配管23側面に設けてもよい。また、解凍手段はヒータ2に、状態検出手段は温度センサに、夫々限定するものではない。なお、状態検出手段において判断基準の一例として用いた温度や時間は、設置する水タンクの容量に合わせて設定するものとする。一方、分岐配管22は、燃料電池1と圧縮機21の間であれば他の補器類(例えば、熱交換器や加湿器)があっても効果を得られるが、圧縮機21下流直後で補器類を通過させない方が効果が大きい。
【００１６】
また、本水タンク1を車載する場合には旋回Gや加減速Gがあってもポンプ12が水を送ることができるように、ポンプ12への吸出し管の回りにバッフルプレートを設けることがあるが、バッフルプレートを設けた場合でも、バッフルプレート内に水タンクへの開口部24をもたないようにすれば、本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係わる燃料電池システムの概略図である。
【図２】実施形態に係わる水タンク1の模式図である。
【図３】実施形態に係わるシステムフローチャートである。
【符号の説明】
【００１８】
１  水タンク
２  ヒータ
３  蓋
４  空気排出口
５  温度センサ
10  水循環系
11  ラジエータ
12  ポンプ
20  空気供給配管
21  圧縮機
22  分岐配管
23  バルブ
24  開口部
30  水素供給配管
40  燃料電池
50  コントローラ
Ａ  満水時の水位
Ｂ  通常運転時の水位
【図１】
2005317299.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005317299.tif 000005