(57)【要約】【課題】燃料電池システムの純水タンクにおいて、タンク内で凍結した純水の解凍時間を短縮し、再凍結を防止するとともに余分な電力消費を削減する。【解決手段】純水タンク１は、タンク２内において、貯留される純水３を解凍する加熱ヒータ４と、タンク２の外周囲に配設され、貯留される純水３を解凍する解凍媒体５１を流通させるジャケット５とを備える。コントローラ６により、加熱ヒータ４を加熱制御するとともに、ジャケット５に解凍媒体５１を流通させてタンク２の内外から氷塊を解凍するように構成した。【選択図】      図１
2005294197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク（２）内に配設され、貯留される液体（３）を解凍するための加熱ヒータ（４）と、
前記タンク（２）の外周囲に配設され、貯留される液体（３）を解凍するための解凍媒体（５１）を流通させるジャケット（５）と、
を備えたことを特徴とする液体タンク。
【請求項２】
前記加熱ヒータ（４）は、前記タンク（２）内の上部に配設された第１加熱ヒータ（４１）と、前記タンク（２）内の下部に配設された第２加熱ヒータ（４２）とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の液体タンク。
【請求項３】
前記加熱ヒータ（４）の断面形状は、方形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体タンク。
【請求項４】
前記加熱ヒータ（４Ａ）の断面形状は、円形状又は楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体タンク。
【請求項５】
タンク（２）内に配設され、貯留される液体（３）を解凍する加熱ヒータ（４）と、前記タンク（２）の外周囲に配設され、貯留される液体（３）を解凍するための解凍媒体（５１）を流通させるジャケット（５）とを備えた液体タンク（１）と、
前記加熱ヒータ（４）の温度を検出する温度センサ（７）と、
前記タンク（２）内に貯留される液体表面の位置を検出する水位センサ（８）と、
前記温度センサ（７）の測定結果と前記水位センサ（８）の測定結果とに基づき、前記加熱ヒータ（４）の加熱制御を行うコントローラ（６）と、
を備えたことを特徴とする液温管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体タンク及び液温管理システムに関し、特に車両、家庭などに使用される燃料電池発電システムの純水タンク及びこの純水タンク内に貯留される純水の水温を管理する水温管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、イオン伝導性膜を挟んで配設された電極の一方に燃料ガスとしての水素を供給し、電極の他方に酸化剤ガスとしての酸素を供給し、水素と酸素とを反応させて電力を発生させるものである。電極への水素及び酸素の供給に際して、発電作用の活性化を促進し及びイオン伝導性膜の劣化を防止するために、純水タンク内に貯留した純水を使用し、水素及び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になる。この燃料電池発電システムを始動させるためには、凍結した純水の氷塊を解凍する必要がある。
【０００４】
このような課題を解決する従来技術として、燃料電池発電システムの始動時に、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純水タンク内の氷塊を解凍し、又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、ヒータによる加熱で予備タンク内の氷塊を解凍させるようにした燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１４９９７０号公報（第３頁及び第４頁、図１及び図２）
【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、従来技術に係る燃料電池発電システムにおいては、以下の点について配慮がなされていなかった。第１に、加熱した冷媒を純水タンクの周囲に流通させ、純水タンク内の氷塊を解凍しており、加熱した冷媒においては充分な解凍性能を得ることができない。同様に、予備タンクの周囲にヒータを設け、ヒータによる加熱で解凍させた予備タンク内の純水を使用して純水タンク内の氷塊を解凍しており、予備タンク内で解凍させた純水では充分な解凍性能を得ることができない。このため、純水タンク内の氷塊を解凍するには非常に時間が掛かり、結果として車両の始動開始時間が長くなる。更に、車両の始動開始時間が長くなることに伴い、電力消費量が増大し、併せて水素消費量が増大する。
【０００６】
第２に、充分な解凍性能が得られないばかりか、外気温度によっては純水タンク内の解凍させた純水が再凍結する可能性があった。
【０００７】
本発明の目的は、凍結した純水の解凍時間を短縮し、また再凍結を防止するとともに、余分な電力消費を削減することができる液体タンク及び液温管理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、タンク内に配設され、貯留される液体を解凍するための加熱ヒータと、タンクの外周囲に配設され、貯留される液体を解凍するための解凍媒体を流通させるジャケットとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、前記加熱ヒータを、タンク内の上部に配設された第１の加熱ヒータと、タンク内の下部に配設された第２の加熱ヒータとで構成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１において、前記加熱ヒータの断面形状を方形状としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１において、加熱ヒータの断面形状を円形状又は楕円形状としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、液体タンクの液温管理システムであって、タンク内に配設され、貯留される液体を解凍するための加熱ヒータと、タンクの外周囲に配設され、貯留される液体を解凍するための解凍媒体を流通させるジャケットとを備えた液体タンクと、加熱ヒータの温度を測定する温度センサと、タンク内に貯留される液体表面の位置を検出する水位センサと、温度センサの測定結果と水位センサの測定結果とに基づいて、前記加熱ヒータの加熱制御を行うコントローラとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、タンクの内部に貯留されている液体が凍結により氷塊になった場合、加熱ヒータの加熱により氷塊内部からこの氷塊を直接解凍するとともに、ジャケットを流通する解凍媒体により氷塊を外部から解凍するため、予備タンク内で加熱した液体を使用して解凍する方式に比べて、氷塊を短時間で解凍することができる。また、氷塊を短時間で解凍することができるので、余分な電力消費を削減することができる。更には、ジャケットの内部に流通する解凍媒体により、解凍した液体が再凍結しないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係わる液体タンク及び液温管理システムを、車両、家庭等で使用される燃料電池発電システムの純水タンク及び水温管理システムに適用した場合の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１に係る純水タンク１は、図１に示すように、タンク（タンク本体）２内に配設され、貯留される純水３を解凍するための加熱ヒータ４と、タンク２外周囲に設けられ、タンク２内に貯留される純水３を解凍するための解凍媒体５１を流通させるジャケット５とを備えて構成されている。
【００１６】
タンク２は純水３の外部への流出がないように密閉構造により構成されており、上蓋９には外部からタンク２内部に純水を供給する戻り管２１と、タンク２内部から外部に純水を供給する吸出し管２２とが配設されている。
【００１７】
加熱ヒータ４は、実施例１において、タンク２の上部に配設された第１加熱ヒータ４１と、タンク２の下部に配設された第２加熱ヒータ４２とを備えている。第１加熱ヒータ４１は、貯留されている純水３の表面の位置である水位が高い場合に使用される。第１加熱ヒータ４１は、純水３が凍結し氷塊になった場合に、この氷塊の上側部分を解凍するためのものである。第１加熱ヒータ４１はタンク２内の平面サイズに比べて若干小さい平面サイズを有し、第１加熱ヒータ４１の断面形状は方形状である。第１加熱ヒータ４１の温度制御はタンク２の外部に配設されたコントローラ６により行われる。
【００１８】
第２加熱ヒータ４２は、第１加熱ヒータ４１と同様に、純水３が凍結した氷塊を解凍するためのものであり、貯留されている純水３の水位が高い場合、低い場合のいずれにも使用される。第２加熱ヒータ４２は第１加熱ヒータ４１と同一構成であり、温度制御はコントローラ６により行われる。ただし、第１加熱ヒータ４１と第２加熱ヒータ４２は異なる形状であってもよい。
【００１９】
ジャケット５は、実施例１において、タンク２の外周囲の側面及び底面に形成されており、解凍媒体５１を流通して循環させる中空構造を備えている。解凍媒体５１は、供給管５２からジャケット５内部に供給され、排出管５３からジャケット５外部に排出される。解凍媒体５１は図示しないポンプ等を含む循環システムにより循環されるようになっている。解凍媒体５１としては、例えば温水を使用することができる。
【００２０】
上記のように構成された純水タンク１において、タンク２内部に貯留されている純水３が凍結により氷塊になった場合、コントローラ６により加熱ヒータ４を加熱制御することにより、氷塊内部からこの氷塊を直接解凍することができる。また同時に、ジャケット５の内部に解凍媒体５１を流通させることにより、氷塊を外部から解凍することができる。このように、タンク２の内外からの加熱により氷塊を解凍させることができるため、予備タンク内で加熱した純水を使用して解凍する方式に比べて、氷塊を短時間で解凍することができる。これによると、例えば車両に使用される燃料電池発電システムにおいては、車両の始動開始時間を短縮することができる。また、氷塊を短時間で解凍することができるので、余分な電力消費を削減することができ、併せて水素消費量を減少することができる。特に、車両に使用される燃料電池発電システムにおいては、電源にバッテリーが使用されているので、バッテリーの消耗を抑えることができる。
【００２１】
更に、純水タンク１においては、タンク２の外周囲にジャケット５を備え、このジャケット５内部に解凍媒体５１を流通させるようにしたので、加熱ヒータ４により解凍された純水３を再凍結しないように加熱（保温）することができる。
【００２２】
［変形例１］
実施例１の変形例を１に係る純水タンク１Ａは、図２に示すように、第１加熱ヒータ４３及び第２加熱ヒータ４４により構成された加熱ヒータ４Ａを備えている。純水タンク１Ａの基本的な構成は実施例１と同様であるため説明を省略する。この変形例１に係る純水タンク１Ａにおいては、第１加熱ヒータ４３及び第２加熱ヒータ４４の断面形状が円形状（又は楕円形状）である。平面図は示していないが、第１加熱ヒータ４３及び第２加熱ヒータ４４はいわゆる棒状ヒータとして構成されている。
【００２３】
上記のように構成された純水タンク１Ａにおいては、加熱ヒータ４Ａの断面形状が円形状（又は楕円形状）により構成され、加熱ヒータ４Ａの表面積を増加することができるので、加熱ヒータ４Ａの表面と氷塊との接触面積が増加し、氷塊の解凍効率を向上することができる。したがって、氷塊をより短時間において解凍することができる。
【００２４】
［変形例２］
実施例１の変形例２に係る純水タンク１Ｂの加熱ヒータ４Ｂは、図３に示すように、短冊状で形成された第１加熱ヒータ４５及び第２加熱ヒータ４６を備えて構成されている。変形例２に係る純水タンク１Ｂにおいては、変形例１に係る純水タンク１Ａにより得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２５】
実施例２は、実施例１に係る純水タンク１に貯留された純水３の水温を管理する水温管理システムを説明するものである。
【００２６】
図４に示すように、実施例２に係る水温管理システム１０は、実施例１に係る純水タンク１と、加熱ヒータ４の温度を測定する温度センサ７と、タンク２内に貯留される純水３の表面の位置を測定する水位センサ８と、温度センサ７の測定結果と水位センサ８の測定結果とに基づいて、加熱ヒータ４の加熱制御を行うコントローラ６とを備えている。
【００２７】
加熱ヒータ４の第１加熱ヒータ４１には温度センサ７の第１温度センサ７１が配設され、この第１温度センサ７１は第１加熱ヒータ４１の温度又はその近傍の温度を測定する。第２加熱ヒータ４２には第２温度センサ７２が配設され、この第２温度センサ７２は第２加熱ヒータ４２又はその近傍の温度を測定する。
【００２８】
次に、水温管理システム１０の動作を説明する。
【００２９】
まず最初に、温度センサ７の第１温度センサ７１により加熱ヒータ４の第１加熱ヒータ４１又はその近傍の温度を測定し、この測定結果をコントローラ６に出力する。コントローラ６においては、純水タンク１のタンク２内部、特に上部において純水３が凍結しているか否かを判定する。同様に、第２温度センサ７２を使用し、第２加熱ヒータ４２又はその近傍の温度を測定し、この測定結果をコントローラ６に出力する。コントローラ６においては、純水タンク１のタンク内部、特に下部において純水３が凍結しているか否かを判定する。第１温度センサ７１、第２温度センサ７２のそれぞれの測定の結果、純水３が凍結していないと判定された場合、コントローラ６は、第１加熱ヒータ４１及び第２加熱ヒータ４２に通電を行わずに、いずれも加熱しない制御を行う。
【００３０】
第１温度センサ７１、第２温度センサ７２のそれぞれの測定の結果、純水３が凍結していると判定された場合、コントローラ６は水位センサ８にタンク２内の純水３の水位を測定する指示を出力する。水位センサ８において純水３の水位が測定され、この測定結果はコントローラ６に出力される。コントローラ６においては、タンク２内の純水３の水位を判定する。図４に示すように、水位が第１加熱ヒータ４１を越える規定の値に達している場合、コントローラ６は、第１加熱ヒータ４１及び第２加熱ヒータ４２に通電を行い、いずれも加熱する制御を行う。そして、第１温度センサ７１及び第２温度センサ７２を使用して継続的に温度を測定し、タンク２内の氷塊が解凍し、純水３が水素及び酸素の加湿に好適な温度に達した時点において、コントローラ６は、第１加熱ヒータ４１及び第２加熱ヒータ４２への通電を停止し、いずれの加熱制御も停止する。
【００３１】
一方、コントローラ６において、図５に示すように、水位が第１加熱ヒータ４１を越える規定の値に達していない場合、コントローラ６は、第２加熱ヒータ４２にのみ通電を行い、この第２加熱ヒータ４２にのみ加熱する制御を行う。
【００３２】
このように構成される純水タンク１の水温管理システム１０においては、第１加熱ヒータ４１もしくはその近傍に配設した第１温度センサ７１と第２加熱ヒータ４２もしくはその近傍に配設した第２温度センサ７２とで純水３の温度を測定し、この温度の測定結果と水位センサ８の水位の測定結果とに基づき、コントローラ６により第１温度センサ７１、第２温度センサ７２のそれぞれの加熱制御を行うようにしたので、タンク２内の純水３の水位に応じて加熱ヒータ４に通電が行われ、電力消費量を減少することができる。
【００３３】
更に、タンク２内の水位が規定値に達していない場合においては、第１加熱ヒータ４１の通電を停止することができるので、空炊きを防止することができる。
【００３４】
なお、実施例２において、温度センサ７と水位センサ８とはそれぞれ個別に配設された例を説明したが、本発明は、温度センサ７に水位センサ８を兼用させることができる。
【００３５】
また、上記実施例に係る純水タンク１及び水温管理システム１０は、燃料電池システムの純水タンクに限らず、一般的な水（水道水等）、オイル、化学薬品等の液体を貯留するタンクに適用することが可能であり、その場合も同様の効果を得ることができる。
【００３６】
さらに、本発明は、実施例１の変形例１又は変形例２に係る加熱ヒータ４を備えた純水タンク１Ａ、１Ｂにおいて、実施例２に係る水温管理システム１０を構築してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１に係る純水タンクの概略的な断面図。
【図２】変形例１に係る純水タンクの概略的な断面図。
【図３】変形例２に係る純水タンクの概略的な断面図。
【図４】実施例２に係る純水タンク及び水温管理システムの概略的な断面図。
【図５】図４に示す純水タンク及び水温管理システムの概略的な断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１，１Ａ，１Ｂ…純水タンク
２…タンク
３…純水
４，４Ａ，４Ｂ…加熱ヒータ
５…ジャケット
６…コントローラ
７…温度センサ
８…水位センサ
１０…水温管理システム
４１，４３，４５…第１加熱ヒータ
４２，４４，４６…第２加熱ヒータ
５１…解凍媒体
７１…第１温度センサ
７２…第２温度センサ
【図１】
2005294197.tif 000003
【図２】
2005294197.tif 000004
【図３】
2005294197.tif 000005
【図４】
2005294197.tif 000006
【図５】
2005294197.tif 000007