(57)【要約】【課題】  燃料電池発電システムに用いられる純水タンクにおいて、体積膨張に耐える強度を確保するために製造が煩雑になる。【解決手段】  加熱された液熱媒を流入させる外タンク１６と、外タンクの内側に配置され純水を貯水する内タンク１７と、外タンクと内タンクの間に形成され液熱媒が流通する流通路１８と、を備え、外タンクの壁の少なくとも一部が断面凹凸状に形成されると共に、流通路内に突出した外タンクの凹部３５と内タンクを溶接又はろう付けにより固定したことを特徴とする。【選択図】      図２
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【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（６）であって、
加熱された液熱媒を流入させる外タンク（１６）と、
外タンク（１６）の内側に配置され純水を貯水する内タンク（１７）と、
外タンク（１６）と内タンク（１７）の間に形成され前記液熱媒が流通する流通路（１８）と、
を備え、
外タンク（１６）の壁の少なくとも一部が断面凹凸状に形成されると共に、流通路（１８）内に突出した外タンク（１６）の凹部（３５）と内タンク（１７）を溶接又はろう付けにより固定し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（６）であって、
加熱された液熱媒を流入させる外タンク（１６）と、
外タンク（１６）の内側に配置され純水を貯水する内タンク（１７）と、
外タンク（１６）と内タンク（１７）の間に形成され前記液熱媒が流通する流通路（１８）と、
を備え、
内タンク（１７）の壁の少なくとも一部が断面凹凸状に形成されると共に、流通路（１８）内に突出した内タンク（１７）の凸部（３７）と外タンク（１６）を溶接又はろう付けにより固定し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】
燃料電池発電システムに用いられる純水タンク（６）であって、
加熱された液熱媒を流入させる外タンク（１６）と、
外タンク（１６）の内側に配置され純水を貯水する内タンク（１７）と、
外タンク（１６）と内タンク（１７）の間に形成され前記液熱媒が流通する流通路（１８）と、
を備え、
外タンク（１６）及び内タンク（１７）の壁の少なくとも一部が断面凹凸状に形成されると共に、流通路（１８）内に突出した外タンク（１６）の凹部（３５）と内タンク（１７）、流通路（１８）内に突出した内タンク（１７）の凸部（３７）と外タンク（１６）を溶接又はろう付けにより固定し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。
ことを特徴とする。
【請求項４】
流通路（１８）内に突出した凹部（３５）又は凸部（３７）、あるいはその両方が長く延びるように形成されると共に、その長手方向が前記液熱媒の流れ方向と平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項３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】
近年、環境保護などの観点から、従来より利用されてきたガソリンやディーゼルなどの液体燃料の代替えとして、水素と酸素を燃料源として電気を生成する燃料電池発電システムを駆動源としたＦＣＥＶ車（fuel cell electric vehicle）の開発が行われている。
【０００３】
この燃料電池発電システムは、燃料ガスとしての水素をイオン伝導性膜を挟んで配された電極の一方に供給し、酸化剤ガスとしての酸素を他方の電極に供給してこれらを反応させることにより、電力を発生させるものである。前記水素と酸素の前記電極への供給に際しては、発電作用の活性化及びイオン伝導性膜の劣化防止のために、タンク内に貯水した純水で水素と酸素を加湿する必要がある。
【０００４】
ところで、寒冷地などのような外気温度が氷点下以下のところへ自動車などの車両を長時間停車させておくと、純水タンク内の純水が凍結し、燃料電池発電システムが始動不可能となる。この燃料電池発電システムを始動させるには、凍結した純水の氷塊を融解する必要がある。
【０００５】
例えば、燃料電池発電システムの起動時に、加熱した液熱媒を純水タンクの周囲に流通させることにより該純水タンク内の凍結した純水の氷塊を融解し、また、純水タンクに付設した予備タンクの周囲にヒータを設け、そのヒータによる熱で予備タンク内の氷塊を融解させるようにした発電システムが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に記載の発電システムでは、加熱した液熱媒を純水タンクの周囲に流通させるだけでは凍結した冷媒を急速に融解することは難しいため、純水タンクに比べて容量を少なくした予備タンクを前記純水タンクに付設し、その予備タンク内の氷塊をヒータで融解することによって、より早く純水を燃料電池へ供給可能としている。
【０００７】
しかしながら、この発電システムでは、純水が凍結した際の体積膨張でタンクに過大な圧力が作用するため、タンクの強度を確保するためにタンクの壁（タンクの板厚）の厚みを厚くする必要がある。タンクの壁の厚みが厚くなると、純水タンクの重量が増加し、結果として車両の重量も増すことになる。
【０００８】
そこで、本願出願人は、先に、図１１、図１２に示すような純水タンクを提案した。
【０００９】
この純水タンク１０１は、加熱された液熱媒を流入させる外タンク１０２と、この外タンク１０２の内側に配置され純水を貯水する内タンク１０３と、外タンク１０２と内タンク１０３との間に形成され加熱された液熱媒が流れる流通路１０４と、内タンク１０３の内部に複数配置され流通路１０４から加熱された冷媒を流入させる流路を有したチューブ（図示せず）とから構成され、流通路１０４に、外タンク１０２と内タンク１０３とを連結固定する断面コの字形のタンク補強部材１０５を、加熱された冷媒の冷媒流れ方向と略平行に延在するように設けている。
【００１０】
タンク補強部材１０５は溶接等によって内タンク１０３の外側面に固定され、内タンク１０３と外タンク１０２を連結する一対の連結片１０６の先端部には複数の突起１０７が長手方向に一定間隔をおいて形成されている。外タンク１０２の側壁１０２ａ及び底壁１０２ｂには複数の孔部１０８が形成され、これらの孔部１０８には対応する突起１０７が挿入され、溶接にて固定される。
【００１１】
タンク補強部材１０５は、内タンク１０３及び外タンク１０２間の圧力及び純水凍結時の体積膨張による内タンク１０３にかかる圧力に対して、純水タンク１００が充分耐えられるように機械的強度を高める役目をしている。
【００１２】
しかしながら、上記の純水タンク１０１においては、多数の突起１０７を孔部１０８に嵌合する必要があり、また、外タンク１０２に設けた孔部１０８を溶接によって完全に塞ぐ必要があるため、組み立て及び溶接等の作業が煩雑となり、製造に手間及び時間がかかるという難点がある。
【特許文献１】特開２０００−１４９９７０号公報（第３頁及び第４頁、第１図及び第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
解決しようとうする問題点は、純水の体積膨張に耐える強度を確保するために製造が煩雑になる点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池発電システム用純水タンクは、外タンク１６の壁の少なくとも一部を断面凹凸状に形成すると共に、液熱媒が流通する流通路１８内に突出した外タンク１６の凹部３５と内タンク１７を溶接又はろう付けにより固定したことを特徴とする。
【００１５】
また、内タンク１７の壁の少なくとも一部を断面凹凸状に形成すると共に、流通路１８内に突出した内タンク１７の凸部３７と外タンク１６を溶接又はろう付けにより固定するようにしてもよく、あるいは外タンク１６及び内タンク１７の壁の少なくとも一部を断面凹凸状に形成すると共に、流通路１８内に突出した外タンク１６の凹部３５と内タンク１７、流通路１８内に突出した内タンク１７の凸部３７と外タンク１６を溶接又はろう付けにより固定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池発電システム用純水タンクは、外タンク１６又は内タンク１７、あるいはその両方の壁の少なくとも一部を断面凹凸状に形成することで、流通路１８を流れる冷却液及び純水凍結時の体積膨張による圧力に対して耐えられるように機械的強度を高めることができる。また、補強材を設ける場合に比べて軽量化を図ることができる。
【００１７】
また、外タンク１６を内タンク１７に取り付ける際には、凹部３５や凸部３７を内タンク１７や外タンク１６に当接させてろう付けや溶接等により固定するので、組み立てや溶接作業が容易であり、生産性が良いという利点が有る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
最初に、本発明の純水タンクを用いた燃料電池発電システムを、図１に基づいて簡単に説明する。
【００２０】
燃料電池スタック１は、燃料ガスとして圧縮水素タンク２より水素が導入される燃料極３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４とを備える。これら燃料極３に導入された水素と空気極４に導入された酸素とを、燃料極３と空気極４の間に配置された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。
【００２１】
燃料電池スタック１に供給される水素及び酸素は、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５で加湿される。この加湿器５には、純水タンク６に貯水された純水が、純水導出パイプ７と純水汲み上げポンプ８とにより供給される。
【００２２】
純水タンク６は、加湿器５に供給する純水を所定量貯水しておく貯水タンクとして使用される他、例えば氷点下の外気温度以下の下に燃料電池発電システムを停止して長時間停止させたときに燃料電池スタック１内の純水が凍結して破裂するのを防止するために、システム運転終了後に純水経路内の純水を純水回収パイプ９を介して抜き取り貯水しておくのにも使用される。
【００２３】
また、前記燃料電池スタック１では、発電時に発熱するため、この燃料電池スタック１にラジエータ１０から冷却液ポンプ１１により冷却液を循環させ、該燃料電池スタック１を冷却するようにしている。ラジエータ１０と燃料電池スタック１とを循環する冷却液としては、例えば不凍液（ＬＬＣ液）が用いられる。
【００２４】
また、冷却液経路１２には、ラジエータ１０をバイパス（迂回）するバイパス通路１３が設けられている。燃料電池発電システムの始動時には、この冷却液経路１２に設けた三方弁１４によって、前記ラジエータ１０をバイパスさせるようにしている。このバイパス通路１３は、燃料電池発電システムの始動時にのみ使用され、システム運転時には、このバイパス通路１３には冷却液が流れないように制御される。
【００２５】
さらにバイパス通路１３には、冷却液を加熱するための電熱又は水素燃焼熱を利用したヒータ１５が設置されており、このヒータ１５によって冷却液を加熱して燃料電池スタック１の暖気促進を図り、早急に発電システムを起動可能としている。
【００２６】
なお、図１中、細い実線αは酸素（空気）の流通経路、一点鎖線βは水素の流通経路、細い破線γは冷却液の流通経路、太い実線δは加湿用の純水の流通経路を示す。
【実施例１】
【００２７】
図２乃至図５は本発明の一実施例を示しており、図２は純水タンクの外観斜視図、図３は横断面図、図４は縦断面図、図５は分解斜視図、図６は要部断面図である。
【００２８】
この純水タンク６は外タンク１６と内タンク１７とを備え、外タンク１６の内側に純水を貯水する内タンク１７を設置した二重構造となっている。さらに、この純水タンク６は、外タンク１６と内タンク１７との間に形成される流通路１８に加熱された冷却液（ＬＬＣ液）を流入させるジャケット構造とされている。
【００２９】
外タンク１６と内タンク１７は、いずれもイオンの発生の影響が少ないステンレス鋼材により形成されており、大きさの異なる相似形状の箱形形状とされている。流通路１８は、図３及び図４に示すように、内タンク１７の外側面と外タンク１６の内側面との間だけでなく、内タンク１７の下面と外タンク１６の上面との間にも形成されている。
【００３０】
外タンク１６には、加熱された冷却液が流れる冷却液経路１２と接続される導入パイプ１９と排出パイプ２０とが設けられている。導入パイプ１９は、燃料電池スタック１から流れ出た冷却液を純水タンク６内へと導入させ、排出パイプ２０は、純水タンク６からラジエータへと冷却液を排出させる。
【００３１】
内タンク１７の内部には、加熱された冷却液が流れる流路２１（図４参照）が形成されたチューブ２２が複数設けられている。チューブ２２は、内部に冷却液を流通させる通孔として形成される流路２１を長さ方向に貫通させた平板として形成されている。また、チューブ２２は、内タンク１７に貯水する純水２３の貯水効率と融解性能の観点から、内外表面積が大きく且つ体積が小さい方が有効であることから、肉厚を薄くした扁平型のチューブ構造とされている。
【００３２】
そして、チューブ２２は、内タンク１７の内部にほぼ平行となるように所定間隔をおいて配置されている。これらチューブ２２の配置間隔は、内タンク１７に貯水される純水が凍結して固まった氷塊を溶かすために、できるだけ狭くすることが好ましいが、あまり狭くしてしまうと純水２３の貯水量を確保するのが困難となる。そのため、これらチューブ２２の配置間隔は、純水２３の貯水量と氷塊の融解との観点からその所定間隔が選定される。
【００３３】
また、チューブ２２の内部には、図４に示すように、該チューブ２２を補強するチューブ補強部材２９が設けられている。チューブ補強部材２９は、チューブ２２の長手方向に沿って延在する平板として形成され、該チューブ２２の両端部より突出している。
【００３４】
また、内タンク１７内に配置された複数のチューブ２２のうち隣り合う二つの各チューブ２２の途中には、図３に仮想線で示したように、前記チューブ２２の連通路２１と連通する流路を有した連結部材２４が設けられている。図８に示すように、この連結部材２４は、内タンク１７に貯水された純水２３を加湿器５へ供給するための純水吸上げパイプ２５を略中央部に挿入配置させるための孔部２６を高さ方向に有した矩形体（箱形状）として形成されている。
【００３５】
そして、本実施例では、外タンク１６を構成する四つの側壁３０乃至３３及び底壁３４が断面凹凸状に形成されている。即ち、側壁３０、３１には、それぞれ複数個の矩形状の凹部３５が形成されており、側壁３２、３３、及び底壁３４には、それぞれ複数本の溝状の凹部３５が形成されている。
【００３６】
側壁３０、３１の矩形状の凹部３５はそれぞれ側壁３０、３１の全面に亘ってマトリックス状に配列され、図６に示すように、流通路１８内に突出し、その外底面は、それぞれ内タンク１７の外側面に当接されて、スポット溶接等の接合部３６により固定されている。
【００３７】
また、側壁３２、３３及び底壁３４の凹部３５は、それぞれ側壁３２、３３、及び底壁３４を冷却液の流れ方向（図５の矢印方向）に横断するように形成され、流通路１８内に突出し、その外底面は、それぞれ内タンク１７の外側面に当接されて、スポット溶接等の接合部３６により固定されている。
【００３８】
なお、側壁３０乃至３３及び底壁３４をろう付けで内タンク１７に固定するようにしてもよく、このようにすると、スポット溶接に比べて作業が容易になると共に、凹部３５の外底面が全面に亘って内タンク１７に固定されるため、耐圧性が高くなり、信頼性が向上するという利点が有る。
【００３９】
このように、外タンク１６の側壁３０乃至３３、及び底壁３４に凹部３５を形成することで、流通路１８を流れる冷却液の圧力及び純水凍結時の体積膨張による圧力に対して耐えられるように機械的強度を高めることができる。また、従来例のように補強材を設ける場合に比べて軽量化を図ることができる。
【００４０】
また、外タンク１６の側壁３０乃至３３、及び底壁３４を内タンク１７の外側面に固定する際には、凹部３５の外底面を内タンク１７の外側面に当接させてろう付けや溶接等により固定するので、図１２に示す従来例のように、多数の突起１０７を孔部１０８に嵌合したり、各孔部１０８を溶接によって塞ぐ場合に比べ、組み立て及び溶接作業が容易であり、生産性が良いという利点が有る。
【００４１】
さらに、本実施例では、側壁３２、３３及び底壁３４の凹部３５が冷却液の流れ方向と平行になるように形成されているため、冷却液の流れ抵抗が小さく、スムーズに流れることができるという利点が有る。
【００４２】
次に、凍結した純水の融解動作について説明する。前記燃料電池発電システムの起動時に、純水タンク６内の純水２３が凍結している場合には、三方弁１４を切り換えてラジエータ１０に冷却液が流れないようにし、当該冷却液をバイパス通路１３へ流すようにする。そして、バイパス通路１３に設けたヒータ１５で冷却液を加熱し、その加熱した冷却液を冷却液ポンプ１１で循環させ、純水タンク６へと送り込む。
【００４３】
すると、加熱された冷却液は、外タンク１６に設けられた導入パイプ１９から純水タンク６に形成された流通路１８に流れ込み、内タンク１７の外周囲及び底面全体に亘って流れることになる。また、流通路１８からそれぞれのチューブ２２に形成された流路２１へと流れ、最終的に排出パイプ２０から排出され、冷却液経路１２へと戻る。また、前記二つのチューブ２２を連結させた連結部材２４の流路２７にも加熱された冷却液が流入する。
【００４４】
その冷却液の純水タンク６への流入過程で、加熱された冷却液の熱が内タンク１７及びチューブ２２の壁面を通り、当該内タンク１７内の凍結した氷塊へ伝わり、その熱で氷が融解し始める。その後、冷却液の熱は、内タンク１７及びチューブ２２の壁面から融解水、氷という経路で伝わり、やがて氷は全て融解する。そして、融解した水は純水２３として純水吸上げパイプ２５により吸い上げられて加湿器５へと供給される。
【００４５】
チューブ２２間では、図７に示すように、縦長の氷２８は浮力により傾き、その一部がチューブ２２の壁面（伝熱壁面）に接触するため、当該氷２８の融解が非常に早い。一方、純水吸上げパイプ２５の近傍では、図８に示すように、純水吸上げパイプ２５の周囲に形成された氷２８やパイプ２５内の氷（図示せず）は、連結部材２４内を流れる加熱された冷却液の熱がこの連結部材２４の壁面を通して伝わることで融解される。
【００４６】
特に、この連結部材２４の孔部２６に挿入配置された純水吸上げパイプ２５に形成された氷２８は、チューブ２２間に配置された場合に比べて容積が小さいため、連結部材２４の壁面から伝わる熱により急速に融解し易い。さらに、純水吸上げパイプ２５から見ると、この純水吸上げパイプ２５の周囲を取り囲むようにして連結部材２４が設けられていることから、より多くの熱がパイプ周辺に形成された氷２８に伝達されることになる。このため、純水吸上げパイプ２５の周囲に形成された氷２８は、燃料電池発電システムの起動に際して、純水タンク６内で最も早く融解させたい部分の氷であることから、この連結部材２４に形成した孔部２６に純水パイプ２５を挿入配置させることは融解効率を高める上で非常に早い効果が得られる。
【００４７】
なお、本実施例では、側壁３０、３１の凹部３５を規則的に配列しているが、冷却液の流れ抵抗を少なくするために、凹部３５の全部あるいは一部を適宜不規則的な配列（例えば千鳥足状）としてもよい。
【００４８】
また、本実施例では、側壁３２、３３、及び底壁３４の凹部３５が側壁３２、３３及び底壁３４を横切るように形成されているが、図９に示すように、凹部３５の両端が側壁３２、３３、及び底壁３４の両側縁よりも内側に位置するように形成してもよい。このようにすると、側壁３２、３３、及び底壁３４の機械的強度がより大きくなる。
【００４９】
また、本実施例では、外タンク１６の壁を断面凹凸状に形成し、流通路１８内に突出した外タンク１６の凹部３５を内タンク１７に固定した場合について説明したが、これに代えて、図１０に示すように、内タンク１７の壁を断面凹凸状に形成し、流通路１８内に突出した内タンク１７の凸部３７を外タンク１６に固定するようにしてもよい。あるいは、外タンク１６及び内タンク１７の壁を断面凹凸状に形成し、流通路１８内に突出した外タンク１６の凹部３５を内タンク１７に固定し、流通路１８内に出した内タンク１７の凸部３７を外タンク１６に固定するようにしてもよい。
【００５０】
また、凹部３５や凸部３７の形状は矩形以外の形状でもよく、例えば円形や楕円形であってもよい。
【００５１】
また、内タンク１７や外タンク１６の壁を必ずしも全体にわたって凹凸状に形成する必要はなく、壁の一部のみを凹凸状に形成するようにしてもよい。
【００５２】
その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記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】
【００５３】
【図１】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構成図である。
【図２】本発明の一実施例の外観斜視図である。
【図３】実施例の横断面図である。
【図４】実施例の縦断面図である。
【図５】実施例の分解斜視図である。
【図６】実施例の要部断面図である。
【図７】チューブ間に凍結した氷が浮力により傾いてその一部がチューブの壁面に接触した状態を示した要部拡大断面図である。
【図８】連結部材に形成された孔部に挿入配置された純水吸上げパイプに氷が形成された状態を示した要部拡大断面図である。
【図９】実施例の変形例の分解斜視図である。
【図１０】実施例の変形例の要部断面図である。
【図１１】従来例を示しており、外タンクの天板を省略して示した斜視図である。
【図１２】従来例の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５４】
１６  外タンク
１７  内タンク
１８  流通路
３５  凹部
３７  凸部
【図１】
2005078930.tif 000003
【図２】
2005078930.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】
2005078930.tif 000013
【図１２】
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