(57)【要約】【課題】燃料電池システムに用いられる純水タンクにおいて、純水が凍結したときに解凍を速やかに行えるようにする。【解決手段】タンク本体１１内に貯留した純水Ｗが凍結したときに、凍結した氷を破砕するための破砕手段２０を備える。破砕手段２０は、タンク本体１１の内部にて回転し且つ上下に昇降可能に支持された回転刃２１を有し、タンク本体１１は、内部で回転刃２１が回転できる大きさの円筒形に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水（Ｗ）を貯留するタンク本体（１１）と、前記タンク本体（１１）内で凍結した氷を破砕するための破砕手段（２０）とを備えたことを特徴とする純水タンク（１０、３０）。
【請求項２】
前記タンク本体（１１）の外周部に、凍結した氷を融解させるための加熱手段（１２、３２）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の純水タンク（１０、３０）。
【請求項３】
前記加熱手段として、熱媒を流通させるための熱媒流路（１２）を設けたことを特徴とする請求項２に記載の純水タンク（１０）。
【請求項４】
前記加熱手段として、電気ヒータ（３２）を設けたことを特徴とする請求項２に記載の純水タンク（３０）。
【請求項５】
前記破砕手段（２０）は、タンク本体（１１）の内部で回転し且つ上下方向に昇降可能に支持された回転刃（２１）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の純水タンク（１０、３０）。
【請求項６】
前記タンク本体（１１）は、内部で前記破砕手段（２０）の回転刃（２１）が回転可能な大きさの円筒形に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の純水タンク（１０、３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車などの発電システムとして用いられる燃料電池システムの純水タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車などに搭載される発電システムとして、燃料電池システムが開発されている。この燃料電池システムは、おもに電解質膜を間に挟んだ２つの電極に水素と酸素をそれぞれ供給し、電解質膜を介しての水素と酸素とを化学反応させて電力を得るものである。この反応をスムーズに進めるためには、燃料電池スタックに純水を供給して、電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。そこで、一般的には加湿器によって、燃料電池スタックに供給する水素と酸素に水蒸気を加えるようにしている。
【０００３】
また、この種の燃料電池システムには、加湿器に純水を供給することを１つの目的として、純水タンクが備えられている。この純水タンクは、加湿器等へ供給するための純水を貯留すると共に、システムが運転停止したときに燃料電池スタック内に残存する純水を回収して貯留する役目なども果している。
【０００４】
上記のような燃料電池システムを車両に搭載した場合、車両が氷点下の環境に放置されることも考えられるため、凍結した純水を解凍するための解凍手段が設けられている。解凍手段としては、タンク内にヒータや伝熱チューブ（熱媒流路）を設け、氷に熱を与えることで解凍するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１４９９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、凍結した純水を解凍する際には氷に熱を加えることが一般的に行われているが、氷が大きな塊となってしまった場合には、外から熱を加えるだけでは氷全体を解かすのに時間がかかり、システムの始動が遅れてしまう。また、加熱のためのエネルギーも余計にかかることになる。そこで、氷の解凍速度を速めるために、凍結した際にも氷の塊が小さくなるようにタンク内に仕切りを入れることが考えられるが、この場合はタンク内部の構造が複雑になってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、加熱のためのエネルギーが少なく、且つタンク内部を複雑な構造とすることなしに、凍結した純水を速やかに解凍することができる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】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、タンク本体内に貯留した純水が凍結したときに、凍結した氷を破砕するための破砕手段を備えたことを特徴とする純水タンクである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記タンク本体の外周部に、凍結した氷を融解させるための加熱手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２の前記加熱手段として、タンク本体の外周部に、熱媒を流通させるための熱媒流路を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項２の前記加熱手段として、タンク本体の外周部に、電気ヒータを設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記破砕手段を、タンク本体の内部で回転し且つ上下方向に昇降可能に支持された回転刃を有する構成としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項５の前記タンク本体を、内部で前記破砕手段の回転刃が回転可能な大きさの円筒形に形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、破砕手段によりタンク本体内部で凍結した氷を細かい塊に砕くことができるので、自然解凍する場合や外部から熱を加えて解凍する場合にも、氷の中心まで熱が届く時間を短くすることができ、解凍を速やかに行わせることができる。したがって、システムの始動を早めることができると共に、加熱のために使用するエネルギーを少なくすることができる。また、タンク本体に破砕手段のみを設ければよいので、タンク内部に仕切りを入れる等の複雑な構造とする必要がなく、既存の純水タンクに容易に組み込むことができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、凍結した氷を融解させるための加熱手段を併せ持つため、より速やかに解凍を進めることができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、加熱手段として、タンク本体に、熱媒を流通させるための熱媒流路が設けられているので、凍結時でも熱媒の供給により速やかに解凍を進めることができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、加熱手段として、タンク本体に電気ヒータが設けられているので、凍結時でも電流の供給により速やかに解凍を進めることができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、破砕手段が、タンク本体の内部にて回転し且つ上から下降可能な回転刃を有するので、回転刃を回転させながら上下に移動させることによって、氷を細かく砕きながら、さらに砕いた氷と水をタンク本体の内部で攪拌することができる。したがって、その攪拌により、タンク壁面より与えられる熱量を効率良く氷と水の全体に伝えることができ、解凍時間を更に短くすることができる。
【００１８】
請求項６の発明によれば、タンク本体が、内部で前記回転刃が回転できる大きさの円筒形に形成されているので、回転刃による破砕・攪拌作用をタンク本体の内容物（氷と水の混合物）の全体に効率良く行き渡らせることができると共に、タンク壁面より与えられる熱量を効率良く内容物全体に伝えることができ、解凍時間を更に短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係わる純水タンクを実施するための最良の形態として、本発明を燃料電池システムの純水タンクに適用した場合の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２０】
最初に、燃料電池システムの全体構成について簡単に説明する。
【００２１】
図２は、本実施例の純水タンクを組み込んだ燃料電池システムの全体構成を示す系統図である。図２において、細い実線１０１は酸素（空気）の経路、一点鎖線１０２は水素（燃料ガス）の経路、細い破線１０３は冷却液の経路、太い実線１０４は加湿用の純水の経路をそれぞれ示している。
【００２２】
燃料電池スタック１１０は、圧縮水素タンク１２０から水素（燃料ガス）が導入される燃料極１１１と、外部から取り入れられる空気（酸化剤ガス）が導入される空気極１１２とを備えており、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、燃料極１１１と空気極１１２の間に配置された電解質膜（図示略）を介して反応させることにより発電する。
【００２３】
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に加湿器１３０で加湿される。加湿器１３０には、純水の経路１０４を通じて純水タンク１０から純水が供給される。純水タンク１０は、加湿器１３０に供給するための純水を貯留すると共に、システムが運転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し貯留する役目を果している。純水タンク１０内の純水は、純水導出パイプ１３２及び純水ポンプ１３１により加湿器１３０に供給される。燃料電池スタック１１０内に残存する純水は、純水回収パイプ１３３を介して純水タンク１０に回収される。
【００２４】
また、燃料電池スタック１１０は発電時に熱を発生する。このため、燃料電池スタック１１０にラジエータ（ＲＡＤ）１４０を通して冷却液ポンプ１４１により冷却液を循環させることで、燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。冷却液には不凍液が使用される。この冷却液の経路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が設けられており、燃料電池システムの始動時には、冷却液の経路１４２に設けた３方弁１４４を切り換えることにより、ラジエータ１４０をバイパスさせて冷却液を循環させる。バイパス通路１４３は、燃料電池システムの始動時のみに使用され、システムの定常運転時には、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。
【００２５】
さらに、このバイパス通路１４３には、冷却液を加熱するための電熱また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できるようにしている。
【００２６】
また、冷却液の通路１４２は、後述する純水タンク１０の熱媒流路１２に接続されており、純水タンク１０内の純水を冷却液（熱媒）によって加温できるように構成されている。
【００２７】
図１は、実施例１に係わる純水タンク１０の概略断面図である。
【００２８】
この純水タンク１０は、純水Ｗの貯留空間を形成するタンク本体１１と、タンク本体１１内に貯留した純水Ｗが凍結したときに凍結した氷を破砕するための破砕手段２０と、純水Ｗが凍結したときに凍結した氷を融解させるための加熱手段としての熱媒流路１２とを備えている。
【００２９】
タンク本体１１は、円筒形の内槽１１Ａとその外側の外槽１１Ｂとの２重構造になっており、内槽１１Ａと外槽１１Ｂとの間の空間に熱媒流路１２が形成されている。熱媒流路１２は、タンク本体１１の外周部（本実施例では周壁部と底壁部）に設けられており、この熱媒流路１２に、図１に示す冷却液の経路１４２を通じて熱媒Ｐを流通させることにより、内槽１１Ａ内の貯留物（純水Ｗ）を加熱するように構成されている。タンク本体１１の上面は蓋板１１Ｃにより封止され、内槽１１Ａには純水Ｗの入出する入口配管１３、出口配管１４がそれぞれ設けられている。
【００３０】
破砕手段２０は、内槽１１Ａの内部において内槽１１Ａの中心軸線周りに回転し、且つ上下方向に昇降可能に支持された回転刃２１と、回転刃２１を支持すると共に、回転を与える駆動軸２２と、駆動軸２２を所定方向に回転させるモータ部２３と、モータ部２３（および駆動軸２２、回転刃２１）を矢印Ｌで示す上下方向に移動させる昇降部２４と、モータ部２３および昇降部２４の動作を制御するための図示しない制御部とを備えている。
【００３１】
回転刃２１は、タンク本体１１内に貯留した純水Ｗが凍結したときに凍結した氷を直接破砕する役目を果たす部分であり、蓋板１１Ｃの中心を貫通する駆動軸２２の下端に取り付けられ、モータ部２３により駆動軸２２を回転させることで回転（矢印Ｒ方向に回転）し、また昇降部２４によりモータ部２３を昇降させることにより、回転刃２１を回転させた状態で上下方向に移動できるように構成されている。
【００３２】
次に、上記のように構成された純水タンク１０において、凍結した氷を解凍する場合の動作について説明する。
【００３３】
本燃料電池システムを氷点下環境に長時間放置した場合、純水タンク１０内の純水Ｗが凍結することが考えられる。そのような状況下でシステムを始動する場合に、純水タンク１０内の純水Ｗが凍結したことを温度センサなどの図示しない検出手段で検出すると、その信号に基づいて、図示しないシステム制御部が冷却液の経路１０３に関連する各部に指令を出し、純水タンク１０の熱媒流路１２に加温した熱媒を流すと共に、純水タンク１０に設けた破砕手段２０を駆動して回転刃２１を回転させながら上下に移動させる。
【００３４】
このように、回転刃２１がタンク本体１１の内部で回転しながら上下に移動することによって、凍結した氷が細かい塊に砕かれて、攪拌されながらクラッシュアイスもしくはシャーベット状になる。したがって、熱媒流路１２を流通する熱媒からの熱を受けて解凍される際に、氷の中心まで熱が届く時間が短くなり、解凍が速やかに行われることになる。
【００３５】
とくに本実施例では、回転刃２１の回転及び昇降による攪拌作用が加わるため、単に氷を砕いたり、仕切りを入れて氷の大きさを小さくする場合に比べて、内槽１１Ａの壁面より与えられる熱量が効率良く氷と水の全体に伝わるようになり、解凍時間をより短くすることができる。また、純水Ｗの存在する内槽１１Ａが円筒形になっているので、回転刃２１による破砕・攪拌作用が、タンク本体１１の内容物（氷と水の混合物）の全体に効率良く行き渡ることになり、内槽１１Ａの壁面より与えられる熱量が効率良く内容物全体に伝わるようになり、解凍時間が更に短くなる。
【００３６】
この結果、システムの始動を早めることができると共に、加熱のために使用するエネルギーを少なくすることができる。また、タンク本体１１には破砕手段２０のみを設ければよいので、タンク内部に仕切りを入れて凍結の際の氷の大きさを小さくする等の複雑な構造とする必要がなく、既存の純水タンクに容易に組み込むことができる。
【実施例２】
【００３７】
上記実施例１では、加熱手段として熱媒流路１２をタンク本体１１に設けた場合について示したが、加熱手段として電気ヒータを用いてもよい。
【００３８】
図３は、実施例２に係わる純水タンクの概略断面図であり、図１と同等部分には同一符号を付している。この実施例２に示す純水タンク３０は、一つの水槽からなるタンク本体３１の外周部（本実施例では周壁部と底壁部）に加熱手段としての電気ヒータ３２を設け、この電気ヒータ３２に通電することにより、貯留した純水Ｗに外部から熱を加えるように構成されている。それ以外は構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。本実施例のように構成した場合についても、実施例１と同等の効果を得ることができる。
【００３９】
上記実施例１（図１）と実施例２（図３）のうち、どちらの純水タンク１０、３０を採用するかは、システムの構成条件などに応じて適宜に選択される。例えば、凍結時でも簡単に温度の高い熱媒を用意できる設備がある場合は実施例１の純水タンク１０が適している。また、凍結時でも電流の供給が容易であるならば、実施例２の純水タンク３０が適している。さらに、熱媒流路１２と電気ヒータ３２の両方をタンク本体に設けた構成としてもよいし、それ以外の加熱手段（例えば、燃焼排ガスの排熱を利用する加熱手段）を設けた構成とすることもできる。
【００４０】
また、上記各実施例において、破砕手段２０のみを設けた構成とすることもできる。この場合においても、自然解凍による解凍を促進する効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係わる純水タンクの概略断面図。
【図２】燃料電池システムの全体構成を示す系統図。
【図３】実施例２に係わる純水タンクの概略断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１０、３０…純水タンク
１１、３１…タンク本体
１１Ａ…内槽
１１Ｂ…外槽
１１Ｃ…蓋板
１２…熱媒流路
１３…入口配管
１４…出口配管
２０…破砕手段
２１…回転刃
２２…駆動軸
２３…モータ部
２４…昇降部
３２…電気ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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