(57)【要約】【課題】  燃料電池発電システム用の純水タンク内の純水が凍結する際に純水の体積が膨張することによりタンクや加熱用ヒータが変形、破損する。【解決手段】  底壁１２及びその周縁部から上方に向けて形成された周側壁１３を有するタンク本体１１と、タンク本体１１内の純水が凍結する際に底壁１２側から上方に向けての凍結を促進する凍結方向制御手段１７と、タンク本体１１内に純水の体積膨張方向に沿うように配設され純水の解凍を促進する加熱用ヒータ２３と、を備えたことを特徴とする。【選択図】      図２
2005071700.tif 000002
【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、
底壁（１２）及びその周縁部から上方に向けて形成された周側壁（１３）を有するタンク本体（１１）と、
タンク本体（１１）内の純水が凍結する際に底壁（１２）側から上方に向けての凍結を促進する凍結方向制御手段（１７）と、
タンク本体（１１）内に純水の体積膨張方向に沿うように配設され前記純水の解凍を促進する加熱用ヒータ（２３）と、
を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項２】
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、
底壁（１２）及びその周縁部から上方に向けて形成された周側壁（１３）を有するタンク本体（１１）と、
タンク本体（１１）内の純水が凍結する際に底壁（１２）側から上方に向けての凍結を促進する凍結方向制御手段（１７）と、
タンク本体（１１）の外面に配設され前記純水の解凍を促進する加熱用ヒータ（２３）と、
を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項３】
凍結方向制御手段（１７）は、少なくともタンク本体（１１）の周囲に配設され内部に凝固点が純水以下の液熱媒が入ったジャケットであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項４】
前記ジャケット内部の液熱媒の液位が、タンク本体（１１）内の純水の凍結時の上面高さ位置よりも高くなるように設定されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項５】
凍結方向制御手段（１７）は真空室や断熱材等の断熱構造であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項６】
タンク本体（１１）内に挿入され内部に凝固点が純水以下の液熱媒が入ったチューブ（２２）を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項７】
チューブ（２２）が断面扁平状のもので、その壁の平面部上に加熱用ヒータ（２３）が配設されたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項８】
加熱用ヒータ（２３）が前記純水に触れるように配設されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項９】
加熱用ヒータ（２３）が前記液熱媒に触れるように配設されたことを特徴とする請求項３、４、６、７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項１０】
ジャケット（１７）がラジエータ（１４０）と燃料電池スタック（１１０）とを循環する冷却液の循環用配管を兼ねることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項１１】
タンク本体（１１）内に前記純水の体積膨張方向に沿うように配設されたプレート状の支持部材（２６）を備え、その側面に加熱用ヒータ（２３）が配設されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【請求項１２】
タンク本体（１１）内を、底壁（１２）側から上方に向けて末広がりのテーパ状に形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
【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に用いられる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不可欠となるが、寒冷地等では純水の凍結が生じる。凍結した純水の解凍には非常に時間がかかり、燃料電池自動車では走り出すまでに時間がかかると共に電力や水素の消費量が多くなるという難点がある。
【０００３】
そのため、従来より、例えば下記特許文献１に示すように、タンクに加熱用のヒータを付設して、発電システムの始動時にはヒータによって凍結した純水を解凍するようにした技術が知られている。
【０００４】
通常、純水を加熱するには図１１に示すような棒状のシーズヒータ２０１をタンク内に配設する。このシーズヒータ２０１は、図１２に示すように、タンク３０１の周側壁や底壁等に取り付けるのが通常である。また、棒状ヒータでは伝熱面積が小さくて解凍に時間がかかるため、図１３に示すような面状ヒータ４０１をタンク３０１の周側壁や底壁に取り付ける場合もある
ところで、純水タンクは他の機能部品と共に、例えば車体フロア下側等の空きスペースに搭載されていて、純水の凍結形態は純水タンク内の上方の液面から凍結し始め、次第に氷塊が下側に成長すると共に、タンク側壁に沿って上方から下方に向けて凍結が進行して全体的に凍結するようになる。
【０００５】
純水は凍結することにより体積が膨張するため、凍結した純水により図１４に矢印で示すようにヒータ２０１が圧迫され、ヒータ２０１やタンク３０１との取付部に応力が作用して破損する恐れが有る。
【０００６】
また、純水がタンク内の上面側から下方に向かって凍結することにより膨張体積の逃げ場が失われてタンクの周側壁や底壁に歪みが生じて変形することがあるため、図１５に破線で示すように面状ヒータ４０１が変形、破損する恐れが有る。
【特許文献１】特開２００２−１１０１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、純水タンク内の純水が凍結する際に純水の体積が膨張することによりタンクや加熱用ヒータが変形、破損する点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池発電システム用純水タンクは、タンク本体１１内の純水が凍結する際に底壁１２側から上方に向けての凍結を促進する凍結方向制御手段１７を備えており、加熱用ヒータ２３が、タンク本体１１内に純水の体積膨張方向に沿うように配設されるか、タンク本体１１の外面に配設される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池発電システム用純水タンクは、凍結方向制御手段１７によって、タンク本体１１内の純水の凍結がタンク本体１１の底壁１２側から上方に向けて促進され、氷塊の成長が底壁１２側から周側壁１３に沿って次第に純水液面側へと進行して全体的に凍結するようになる。この結果、純水の体積が凍結により膨張しても、膨張体積がタンク本体１１内の上部空間で許容されるため、タンク本体１１が変形するのを回避することができ、タンク本体１１の外面に配設した加熱用ヒータ２３が変形、破損するのを回避することができる。また、加熱用ヒータ２３をタンク本体内に体積膨張方向に沿うように配設することにより、純水の体積膨張に伴って加熱用ヒータ２３やタンク本体１１との取付部に大きな力が作用することがないため、加熱用ヒータ２３が変形、破損するのを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。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。
【００１１】
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。
【００１２】
燃料電池スタック１１０に供給される前記水素及び空気は、発電作用の活性化及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には純水タンク１０に貯留された純水が供給される。
【００１３】
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前記純水タンク１０に回収される。
【００１４】
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より冷却液を循環させて、該燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００１５】
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る。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ジャケット１７に液熱媒を循環させる場合（第３実施例）には、液冷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１４１にこのジャケット１７を介装している。
【００１６】
また、この冷却液経路１４１の燃料電池スタック１１０とジャケット１７との間には加熱装置１４２が設けられ、必要なときには冷却液を加熱することができるようになっている。この加熱装置１４２は電気ヒータや、燃料電池スタック１１０からの排水素を燃焼した熱を利用することができる。
【００１７】
なお、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。
【実施例１】
【００１８】
図２及び図３は本発明の純水タンク１０の第１実施例を示しており、純水を貯留するタンク本体１１は、底壁１２と、その周縁部から上方に向けて形成された周側壁１３と、その上面を覆う上壁１４とで方形に形成してある。
【００１９】
タンク本体１１はイオン発生の少ないステンレス鋼材やアルミニウムに表面コートを施したもの等で形成されており、本実施形態では、タンク本体１１内を底壁１２側から上面側に向けて末広がりのテーパ状に形成してある。
【００２０】
純水導入パイプ１５と純水導出パイプ１６は上壁１４を貫通して設けてあり、純水導出パイプ１６はその下端を底壁１２の近傍まで延出してある。
【００２１】
そして、本実施形態では、タンク本体１１の底壁１２から周側壁１３に亘って、内部に液熱媒が封入されるジャケット１７を形成してある。
【００２２】
このジャケット１７は、タンク本体１１の底壁１２及び周側壁１３と、これらの外側を覆う外壁１８との間に形成されており、底部ジャケット１７ａと側部ジャケット１７ｂとから成っている。
【００２３】
ジャケット１７に封入される液熱媒は凝固点が純水以下のもので、例えばエチレングリコールが用いられる。また、側部ジャケット１７ｂは、内部に導入された液熱媒の液位が、タンク本体１１内の純水の凍結時の上面高さ位置よりも高くなるように設定し、凍結した純水を確実に解凍できるようにしてある。
【００２４】
タンク本体１１内には、該タンク本体１１内を横切って、対向する周側壁１３ａ、１３ｂ間に跨って連通接続した複数のチューブ２２を設けてある。
【００２５】
図４に示すように、このチューブ２２は熱伝導性が良好な材料により断面扁平状に形成してあって、その長径方向を垂直にして底壁１２の近傍位置から等間隔で平行に配設してある。
【００２６】
また、各熱媒チューブ２２の両側面には面状の電気ヒータ２３を設けてある。これらの電気ヒータ２３は、熱媒チューブ２２の両側壁外面の平面状の部分に固着されている。この場合、電気ヒータ２３をチューブ２２に貼り付け易くなり、生産性及び信頼性が向上するという利点が有る。なお、電気ヒータ２３はチューブ２２の一方の側壁にのみ設けるようにしてもよい。また、電気ヒータ２３は、タンク本体１１内の傾斜した周側壁１３ｃ、１３ｄ上や底壁１２上にも設けてある。
【００２７】
なお、本実施例では、純水に対する加熱性を良好にするために電気ヒータ２３を純水に触れるように設けているが、図５に示すように、電気ヒータ２３をチューブ２２内部やジャケット１７内部に設けてもよい。このようにすると、電気ヒータ２３が液熱媒に触れることになり、イオンが純水内に溶出しなくなるという利点がある。
【００２８】
また、本実施例では、チューブ２２内部がジャケット１７と連通しているが、チューブ２２をジャケット１７とは別体とし、内部に液熱媒を封入するようにしてもよい。この場合、チューブ２２をジャケット１７に連通させる作業が無くなるため組み立て性が向上するという利点が有る。
【００２９】
図６、図７はその一例を示しており、図６では、チューブ２２の両端部２２ａをかしめて封止し、内部に液熱媒を封入してある。かしめた両端部２２ａは、そのまま周側壁１３に接合してもよいし、図７に示すように別体のブラケット２４を介して周側壁１３に接合するようにしてもよい。
【００３０】
上記の純水タンク１０において、タンク本体１１が純水の凝固点以下に冷却されると、ジャケット１７や熱媒チューブ２２内の液熱媒が、図８に矢印で示すように、自然対流によって循環し、下側が純水の凝固点以下の温度となり、上方に向かうに従って温度が高くなるため、純水に与える温度が高くなる。
【００３１】
よってタンク本体１１内の純水の凍結が底壁１２側から上方に向けて促進され、氷塊の成長が底壁１２側から周側壁１３に沿って次第に純水液面側へと進行して全体的に凍結するようになる。この結果、純水の体積が凍結により膨張しても、膨張体積がタンク本体１１内の上部空間で許容されるため、タンク本体１１が変形するのを回避することができる。
【００３２】
また、電気ヒータ２３は純水の凍結時の体積膨張方向に沿うように配設されているため、純水の体積膨張に伴って電気ヒータ２３には大きな応力が作用することがなく、電気ヒータ２３が変形、破損することがない。
【００３３】
なお、本実施例では、チューブ２２をタンク本体１１内に設けているため、純水の伝熱面積が拡大し、解凍を促進することができるという利点がある。
【実施例２】
【００３４】
次に本発明の第２実施例を図９に基づいて説明する。なお、以下の各実施例において第１実施例と同一又は類似の部分には同一符号を用いており、重複する説明は省略してある。
【００３５】
本実施例では、ジャケット１７内部に液熱媒を封入する代わりに断熱材２５を封入してある。このようにすることで、タンク本体１１内部への熱の流入が少なくなり、純水が急激な温度低下で凍結しないため、自然対流で温度が低い底壁１２側から凍結し始めることになる。なお、ジャケット１７内に断熱材２５を充填する代わりにジャケット１７内を真空室としても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施例では、チューブ２２の代わりに複数のプレート状の支持部材２６が、タンク本体１１内を横切って、対向する周側壁１３ａ、１３ｂ（図２参照）間に跨るように垂直に配設されており、その両側面に電気ヒータ２３が取り付けられている。
【００３７】
このような構成によれば、第１実施例と同様にタンク本体１１内の純水が底壁１２側から上方に向かって体積膨張し、膨張体積がタンク本体１１内の上部空間で許容されるため、タンク本体１１が歪むのを回避することができる。
【００３８】
また、電気ヒータ２３は純水の凍結時の体積膨張方向に沿うように配設されているため、純水の体積膨張に伴って電気ヒータ２３には大きな応力が作用することがなく、電気ヒータ２３が変形、破損することがない。なお、電気ヒータ２３は支持部材２６の一方の側面にのみ取り付けるようにしてもよい。
【実施例３】
【００３９】
次に本発明の第３実施例を図１０に基づいて説明する。本実施例では、ジャケット１７に入口パイプ２７と出口パイプ２８とを連通接続してあり、ジャケット１７がラジエータ１４０（図１参照）と燃料電池スタック１１０とを循環する冷却液の循環用配管の一部を兼ねるようにしている。このようにすることでホース配管等を削減することができる。また、ジャケット１２に温媒を流すことで解凍性を向上することができる。
【００４０】
なお、上記各実施例では、タンク本体１１内に加熱用ヒータ２３を配設した場合について説明したが、タンク本体１１の外面、すなわち周側壁１３及び底壁１２の外面、もしくは周側壁１３又は底壁１２のいずれか一方の外面に加熱用ヒータヒータ２３を配設した場合においても、ジャケット１７等の凍結方向制御手段によりタンク本体１１が変形するのを防ぐことができるため、上記実施例と同様に加熱用ヒータ２３の変形、破損を防ぐことができる。
【００４１】
その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施例に種々の改変を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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構成図である。
【図２】第１実施例の縦断面図である。
【図３】第１実施例の一部破断側面図である。
【図４】第１実施例に用いられるチューブの斜視図である。
【図５】チューブの変形例の斜視図である。
【図６】チューブの変形例の斜視図である。
【図７】チューブの変形例の要部斜視図である。
【図８】第１実施例の作用の説明図である。
【図９】第２実施例の縦断面図である。
【図１０】第３実施例の縦断面図である。
【図１１】従来の純水タンクに用いられるシーズヒータの斜視図である。
【図１２】シーズヒータを備えた従来の純水タンクの斜視図である。
【図１３】面状ヒータを備えた従来の純水タンクの斜視図である。
【図１４】従来技術の問題点の説明図である。
【図１５】従来技術の問題点の説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  純水タンク
１１  タンク本体
１２  底壁
１３  周側壁
１４  上壁
１５  純水導入パイプ
１６  純水導出パイプ
１７  ジャケット（凍結方向制御手段）
１８  外壁
２２  チューブ
２３  電気ヒータ（加熱用ヒータ）
２５  断熱材（凍結方向制御手段）
２６  支持部材
２７  入口パイプ
２８  出口パイプ
１１０  燃料電池スタック
１１１  燃料極
１１２  空気極
１３０  加湿器
１４０  ラジエータ
１４１  冷却液経路
１４２  加熱装置
【図１】
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【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】
2005071700.tif 000008
【図７】
2005071700.tif 000009
【図８】
2005071700.tif 000010
【図９】
2005071700.tif 000011
【図１０】
2005071700.tif 000012
【図１１】
2005071700.tif 000013
【図１２】
2005071700.tif 000014
【図１３】
2005071700.tif 000015
【図１４】
2005071700.tif 000016
【図１５】
2005071700.tif 000017