(57)【要約】【課題】  燃料電池発電システムの純水タンクにおいて、凍結時の体積膨張による変形、破損を防止する。【解決手段】  底面部１７ａが傾斜し、且つ、下端部１７ｂが側面不凍液槽１６の上端部１６ａと連通する天井不凍液槽１７を、純水槽１５及び側面不凍液槽１６の上面を覆うように設ける。不凍液が側面不凍液槽１６と天井不凍液槽１７を自然対流して、純水槽１５の上面側の温度が高く保たれるため、凍結時の体積膨張により発生する応力が低減される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側面壁（１４）で囲まれる純水槽（１５）の外側に、外側面壁（１２）で囲まれる側面不凍液槽（１６）を設け、前記純水槽（１５）内に純水を収容し、前記側面不凍液槽（１６）内に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ低温になるに従い密度が増加する不凍液を収容した純水タンク（１０）であって、
少なくとも底面部（１７ａ）が傾斜し、且つ、下端部（１７ｂ）が前記側面不凍液槽（１６）の上端部（１６ａ）と連通する天井不凍液槽（１７）を、前記純水槽（１５）及び前記側面不凍液槽（１６）の上面を覆うように設け、前記不凍液を前記側面不凍液槽（１６）と前記天井不凍液槽（１７）に収容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。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）において、
前記底面部（１７ａ）は２方向に傾斜することを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）において、
前記純水槽（１５）は、複数に分割されていることを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用、家庭用などに用いられる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。
【０００３】
ところで、寒冷地などで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。
【０００４】
そのため、例えば、燃料電池発電システムの起動時に、加熱した冷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、特許文献１参照）。
【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】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術は純水タンク内で凍結した純水を解凍するための技術であるため、凍結する際に純水が純水タンクに及ぼす応力については考慮されていない。すなわち、純水タンク内の純水が凍結する時には、まず純水タンクの側面に接触している箇所から凍り初め、次に純水の上面部が氷で覆われ、最後に純水タンクの中心部が凍る。このため、中心部の純水が凍り、氷が体積膨張した際に上面側に膨張することができなくなり、純水タンクに大きな応力が発生して、純水タンクが変形、破損するおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、凍結時の体積膨張による変形、破損を防止することができる燃料電池発電システムの純水タンクを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内側面壁で囲まれる純水槽の外側に、外側面壁で囲まれる側面不凍液槽を設け、前記純水槽内に純水を収容し、前記側面不凍液槽内に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ低温になるに従い密度が増加する不凍液を収容した燃料電池発電システムの純水タンクであって、少なくとも底面部が傾斜し、且つ、下端部が前記側面不凍液槽の上端部と連通する天井不凍液槽を、前記純水槽及び前記側面不凍液槽の上面を覆うように設け、前記不凍液を前記側面不凍液槽と前記天井不凍液槽に収容したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、前記側面不凍液槽と前記天井不凍液槽に不凍液が自然対流することにより、前記純水槽の上面側の温度が高く保たれるため、凍結時の体積膨張により発生する応力を低減して、純水タンクの変形、破損を防止することができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、前記底面部が２方向に傾斜していることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、前記天井不凍液槽における不凍液の移動が２方向に均等に行われるため、不凍液の自然対流に偏りを生じることがない。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムの純水タンクにおいて、前記純水槽が複数に分割されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、前記純水槽と延期不凍液槽の互いの側面が接触する面積が大きくなり、前記純水槽に収容された純水と前記不凍液槽の不凍液との熱交換が広範囲で行われるため、迅速な熱交換が行われる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係わる燃料電池発電システムの純水タンクによれば、側面不凍液槽と天井不凍液槽に不凍液を自然対流させることにより、純水槽の上面側の温度を高く保つことができるため、凍結時の体積膨張により発生する応力を低減して、純水タンクの変形、破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係わる燃料電池発電システムの純水タンクを、車両用の燃料電池発電システムに適用した場合の実施例を図面と共に説明する。
【００１５】
最初に、燃料電池発電システムの概要を、図７を参照しながら簡単に説明する。図７は、燃料電池発電システムの概略構成図である。図中、細い実線１０１は酸素（空気）の流通経路、一点鎖線１０２は水素の流通経路、細い破線１０３は冷却液の流通経路、太い実線１０４は加湿用の純水の流通経路をそれぞれ示している。
【００１６】
燃料電池スタック１１０は、圧縮水素タンク１２０から燃料ガスである水素が導入される燃料極１１１と、外部から取り入れられる酸化剤ガスである空気が導入される空気極１１２とを備える。そして、燃料電池スタック１１０では、燃料極１１１に導入された水素と、空気極１１２に導入された酸素とを、これら燃料極１１１と空気極１１２の間に配置された電解質膜（図示を省略）を介して反応させることにより発電させている。
【００１７】
燃料電池スタック１１０に供給される水素と酸素は、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１３０で加湿される。加湿器１３０には、純水を貯水すると共に燃料電池発電システムを停止したときに燃料電池スタック１１０内に残存する純水を回収する純水タンク１０に貯水された純水が、純水導出パイプ１３２と純水汲み上げポンプ１３１とにより供給される。
【００１８】
純水タンク１０は、加湿器１３０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１１０内の純水が凍っ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１３３を介して抜き取り貯水しておくのにも使用される。
【００１９】
また、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（ＲＡＤ）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。冷却液には、例えば不凍液（ＬＬＣ液）が使用される。
【００２０】
また、冷却液経路１４２には、ラジエータ１４０をバイパス（迂回）するバイパス通路１４３が設けられている。燃料電池発電システムの始動時には、冷却液経路１４２に設けた３方弁１４４によって、ラジエータ１４０をバイパスさせるようにしている。バイパス通路１４３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１４３には冷却液が流れないように制御される。
【００２１】
更に、バイパス通路１４３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１４５が設置されており、このヒータ１４５によって冷却液を加熱して燃料電池スタック１１０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。
【実施例１】
【００２２】
次に、実施例１として、上記燃料電池発電システムで使用される純水タンク１０の構造について説明する。
【００２３】
図２は純水タンク１０の平面図、図１は図２のＡ２−Ａ２線断面図、図３は図２のＡ１−Ａ１線断面図である。なお、以下の説明で参照する図面では、構造を分かりやすくするため、断面のハッチング等を適宜に省略している。
【００２４】
図１〜図３に示すように、純水タンク１０は、底面壁１１と、４方に配置された外側面壁１２と、これらの上面をふさぐ天井不凍液槽１７によって外側が囲まれている。４方の外側面壁１２で囲まれた内側には、内側面壁１４により４方が囲まれた純水槽１５が設けられている。これによって、純水タンク１０内には、内側面壁１４により囲まれた純水槽１５と、内側面壁１４及び外側面壁１２により囲まれた側面不凍液槽１６とが形成されている。
【００２５】
天井不凍液槽１７は、断面略への字形に形成された屋根型の不凍液槽であり、図１に示すように、底面部１７ａと上面部１７ｂが２方向にそれぞれ傾斜している。底面部１７ａと上面部１７ｂとの間には不凍液の通路１７ｄが形成され、更に下端部１７ｃは側面不凍液槽１６の上端部１６ａと連通している。
【００２６】
純水槽１５には純水が、また側面不凍液槽１６及び天井不凍液槽１７には不凍液がそれぞれ収容されている（いずれも図示を省略）。このうち、不凍液は純水タンク１０の使用環境最低温度よりも凝固点が低く、且つ、低温になるに従い密度が増加する液体である。
【００２７】
上記構成において、純水タンク１０の周囲温度が氷点下に下がり始めると、側面不凍液槽１６の外側面壁１２付近の温度が低くなり、側面不凍液槽１６の内側面壁１４付近の温度は相対的に高くなる。すると、温度が低い側の不凍液が下方に、また温度が高い側の不凍液が上方に移動するため、図１の矢印ａに示す方向に自然対流が発生する。同様に、天井不凍液槽１７においても、周囲温度が氷点下に下がり始めると、上面部１７ｂ付近の温度が低くなり、底面部１７ａ付近の温度は相対的に高くなる。すると、温度が低い上面部１７ｂ側の不凍液が下方に降下して底面部１７ａに達し、その後、傾斜に沿って下方に移動する。天井不凍液槽１７の下端部１７ｃは側面不凍液槽１６の上端部１６ａと連通しているため、底面部１７ａを移動してきた不凍液は側面不凍液槽１６の外側面壁１２付近の不凍液とともに下方に移動する。一方、側面不凍液槽１６において自然対流により上方に移動した温度の高い不凍液は、側面不凍液槽１６の上端部１６ａから更に天井不凍液槽１７の通路１７ｄへ流れ込み、天井不凍液槽１７の上面部１７ｂから降りてきた温度の低い不凍液と入れ替わる。この結果、天井不凍液槽１７は温度の高い不凍液で満たされて高温領域となり、また側面不凍液槽１６の下部付近は温度の低い不凍液が溜まって低温領域となる。
【００２８】
この温度分布が内側面壁１４を介して熱伝導により純水槽１５内の純水に伝達されると、純水槽１５の温度分布は上面側の温度が高く、下部側の温度が低くなる。そのため、純水槽１５の純水は下部側から凍り初め、上面側は最も遅く凍るようになる。すなわち、図１に純水の時間別の概略凍結エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に示すように、エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の順に凍結する。そして、下部側の純水（エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３）が凍る際には、その上面側の純水が凍っていないため、凍結により純水が体積膨張する際に上面側に膨張することができる。従って、純水槽１５の下部側の純水が凍結する際に、純水タンク１０に発生する応力を低減することができる。このように、側面不凍液槽１６と天井不凍液槽１７を設けて不凍液を自然対流させることにより、純水槽１５の上面側の温度を高く保つことができるため、凍結時の体積膨張により発生する応力を低減して、純水タンク１０の変形、破損を防止することができる。
【００２９】
とくに、本実施例では、底面部１７ａと上面部１７ｂが２方向にそれぞれ傾斜しているため、天井不凍液槽１７における不凍液の移動が２方向に均等に行われることになる。従って、不凍液の自然対流に偏りを生じることがなくなり、純水槽１５の温度分布を上面側の温度が高く、下部側を低くすることが確実にできるようになる。
【実施例２】
【００３０】
図４は、実施例２に係わる純水タンク２０の概略断面図であり、図２のＡ２−Ａ２線断面図に相当する。図４では、図１と同等部分を同一符号で示している。図４に示す純水タンク２０の天井不凍液槽２７では、底面部２７ａと上面部２７ｂが１方向に傾斜している。また底面部２７ａと上面部２７ｂとの間には不凍液の通路２７ｄが形成され、更に下端部２７ｃは側面不凍液槽１６の上端部１６ａと連通している。
【００３１】
上記構成においても、実施例１と同じく、自然対流により天井不凍液槽２７は温度の高い不凍液で満たされて高温領域となり、また側面不凍液槽１６の下部付近は温度の低い不凍液が溜まって低温領域となる。従って、純水槽１５の上面側の温度を高く保つことができるため、凍結時の体積膨張により発生する応力を低減して、純水タンク２０の変形、破損を防止することができる。
【実施例３】
【００３２】
図５は、実施例３に係わる純水タンク３０の概略断面図であり、図２のＡ２−Ａ２線断面図に相当する。図５では、図１と同等部分を同一符号で示している。図５に示す純水タンク３０の天井不凍液槽３７では、底面部３７ａと上面部３７ｂが曲面で２方向にそれぞれ傾斜している。また底面部２７ａと上面部２７ｂとの間には不凍液の通路３７ｄが形成され、更に下端部３７ｃは側面不凍液槽１６の上端部１６ａと連通している。
【００３３】
上記構成においても、実施例１と同じく、自然対流により天井不凍液槽３７は温度の高い不凍液で満たされて高温領域となり、また側面不凍液槽１６の下部付近は温度の低い不凍液が溜まって低温領域となる。従って、純水槽１５の上面側の温度を高く保つことができるため、凍結時の体積膨張により発生する応力を低減して、純水タンク３０の変形、破損を防止することができる。
【実施例４】
【００３４】
図６は、実施例４に係わる純水タンク４０の平面図であり、図２と同等部分を同一符号で示している。
【００３５】
本実施例では、純水槽が３つに分割して設けられている。すなわち、純水タンク４０内には、内側面壁１４により囲まれた３つの純水槽１５ａ，１５ｂ１５ｃと、内側面壁１４及び外側面壁１２により囲まれた側面不凍液槽１６とが形成されている。図示しない天井不凍液槽の形状としては、実施例１〜３のいずれかの形状が適用されるものとする。以下、純水槽１５ａ，１５ｂ１５ｃを総称するときは単に「純水槽１５」と表記する。
【００３６】
本実施例においても、他の実施例と同じく、自然対流により図示しない天井不凍液槽は温度の高い不凍液で満たされて高温領域となり、また側面不凍液槽１６の下部付近は温度の低い不凍液が溜まって低温領域となる。従って、純水槽１５の上面側の温度を高く保つことができるため、凍結時の体積膨張により発生する応力を低減して、純水タンク４０の変形、破損を防止することができる。
【００３７】
とくに、本実施例に示すように純水槽１５を複数に分割した場合は、純水槽１５と側面不凍液槽１６の互いの側面が接触する面積が大きくなるため、純水槽１５に収容された純水と側面不凍液槽１６に収容された不凍液との熱交換が広範囲で行われることになり、迅速な熱交換が行われる。従って、純水槽１５の純水が下部側から凍り始めて、上面側を後から凍らせることが確実にできるようになり、純水槽１５の下部側の純水が凍結する際に純水タンク４０に発生する応力を確実に低減することができる。本実施例では、純水槽を３分割した例について示したが、更に多数に分割されていてもよい。
【００３８】
なお、本発明に係わる純水タンクにおいて、天井不凍液槽の形状は上記実施例の例に限定されるものではなく、機能的に等価なものであれば他の形状であってもよい。例えば、図１において、天井不凍液槽１７は少なくとも底面部１７ａが傾斜していればよく、上面部１７ｂは水平であってもよい。また、底面部１７ａの傾斜は２段に屈曲していてもよいし、平面と曲面を組み合わせた形状であってもよい。
【００３９】
また、上記各実施例では、本発明を車両用の燃料電池発電システムに搭載した場合について説明したが、家庭用の燃料電池発電システムのほか、機能的に等価な構成を備えた他の燃料電池発電システムにも本発明は同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図２のＡ２−Ａ２線断面図。
【図２】実施例１に係わる純水タンクの平面図。
【図３】図２のＡ１−Ａ１線断面図。
【図４】実施例２に係わる純水タンクの概略断面図。
【図５】実施例３に係わる純水タンクの概略断面図。
【図６】実施例４に係わる純水タンクの平面図。
【図７】燃料電池発電システムの概略構成図。
【符号の説明】
【００４１】
１０，２０，３０，４０…純水タンク
１１…底面壁
１２…外側面壁
１４…内側面壁
１５…純水槽
１６…側面不凍液槽
１６ａ…上端部
１７，２７，３７…天井不凍液槽
１７ａ，２７ａ，３７ａ…底面部
１７ｂ，２７ｂ，３７ｂ…上面部
１７ｃ，２７ｃ，３７ｃ…下端部
１７ｄ，２７ｄ，３７ｄ…通路
１１０…燃料電池スタック
【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】
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【図７】
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