(57)【要約】【課題】  凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、純水タンクの変形、破損を防止することができる燃料電池用純水タンクを提供する。【解決手段】  燃料電池に供給する純水を貯留する燃料電池用純水タンクであって、純水を貯留しておくタンク本体１０の内部に応力を緩和する応力緩和部材２０を挿入したことを特徴とする燃料電池用純水タンクＡ。【選択図】図１
2007328951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給する純水を貯留する燃料電池用純水タンクであって、純水を貯留しておくタンク本体の内部に応力を緩和する応力緩和部材を挿入したことを特徴とする燃料電池用純水タンク。
【請求項２】
応力緩和部材がシリコーンゴムから構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用純水タンク。
【請求項３】
応力緩和部材が中空構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用純水タンク。
【請求項４】
応力緩和部材がチューブ状になっており、タンク本体の径方向の中心部に位置することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池用純水タンク。
【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の発電システムにおける燃料電池用純水タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両用、家庭用などに用いられる燃料電池の発電システムは、燃料ガスとしての水素をイオン伝導性膜を挟持し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。
前記電極への水素と酸素の供給に際しては、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、タンク内に貯留した純水で水素と酸素を加湿する必要がある。
【０００３】
このような燃料電池用純水タンクにあって、寒冷地などでの使用における凍結による体積膨張や、解凍時の内圧上昇により大きな応力が発生すると、この応力により純水タンクが変形、破損するおそれがある。そこで、従来の純水タンクでは、凍結破損防止のために、不凍液槽や純水タンクに補強材などを設けた燃料電池発電システムの純水タンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載される純水タンクでは、不凍液を使用することから不凍液槽などが必要であり、純水タンクの構造が複雑となるなどの課題がある。
【特許文献１】特開２００５−３２６２６号公報（特許請求の範囲等、図１〜図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来の燃料電池用純水タンクにおける課題等に鑑み、これを解消するためになされたものであり、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、純水タンクの変形、破損を防止することができる燃料電池用純水タンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、純水タンクの内部構造を特定構造等とすることにより、上記目的の燃料電池用純水タンクが得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００７】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（４）に存する。
（１）  燃料電池に供給する純水を貯留する燃料電池用純水タンクであって、純水を貯留しておくタンク本体の内部に応力を緩和する応力緩和部材を挿入したことを特徴とする燃料電池用純水タンク。
（２）  応力緩和部材がシリコーンゴムから構成されることを特徴とする上記（１）記載の燃料電池用純水タンク。
（３）  応力緩和部材が中空構造であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の燃料電池用純水タンク。
（４）  応力緩和部材がチューブ状になっており、タンク本体の径方向の中心部に位置することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料電池用純水タンク。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、純水タンク内の純水が凍結し、体積膨張した際の純水タンクにかかる応力や解凍時の内圧上昇に対して、応力緩和部材が緩和し、純水タンクの変形、破損を防止することができる燃料電池用純水タンクが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の燃料電池用純水タンクの実施形態の一例を示す図面であり、（ａ）は凍結前の純水タンクの縦断面図、（ｂ）は凍結後の純水タンクの縦断面図であり、図２は、図１の純水タンクを搭載した燃料電池の発電システムの構成図である。
本実施形態の燃料電池用純水タンクＡは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、燃料電池に供給する純水Ｈを貯留しておく筒状のタンク本体１０を有し、該タンク本体１０の両端の開口部には蓋体１１，１２が嵌合により固着されている。また、タンク本体１０の内部には、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、タンクの変形、破損を防止するための応力緩和部材２０が挿入されている。
【００１０】
上記タンク本体１０としては、耐久性、製造性、耐寒性、耐熱性、ガスバリア性があるものから構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム、ステンレスなどの金属、合成樹脂、ガラスなどが挙げられる。
特に好ましくは、コスト、使用性、取り扱い性などの点から、タンク本体１０は、単層又は２層以上の多層構造となる合成樹脂から構成されるものが好ましい。用いる合成樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。これらの樹脂は、製造や組立時のコスト低減及び製造の容易性の点で特に好ましい。
用いるタンク本体１０は、上記合成樹脂を用いて、押出し成形、射出成形、共押出し成形、二色成形などにより製造することができる。
【００１１】
蓋体１１，１２は、タンク本体１０内に嵌合する嵌合部１１ａ，１２ａを有しており、タンク本体１０からの純水Ｈの漏れを防止する機能を有するものである。
蓋体１１，１２としては、耐久性、ガスバリア性、耐寒性、耐熱性があるものから構成されることが好ましく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルなどから構成することができる。また、嵌合を確実に行わせるために、摩擦係数は高い方が望ましい。
【００１２】
本発明において、応力緩和部材２０は、純水タンクが凍結した場合の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、タンクの変形、破損を防止するために用いるものであり、耐寒性、耐水性を有するものが好ましく、特に好ましくは、ＡＳＴＭ  Ｄ７４６における脆化温度が−７０℃〜−１２０℃、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３−１９９７における硬度Ａ１０〜Ａ８０、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６２−２００６における圧縮永久ひずみ０〜８０％となるゴム材より構成されるものが好ましく、特に好ましくは、上記脆化温度、硬度を有する、フッ素ゴム、二トリルゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ヒドリンゴム、シリコーンゴムの使用が望ましく、特に好ましくは、シリコーンゴムが望ましい。
これらの特性を有するシリコーンゴムとしては、例えば、一般のシリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、適宜加硫剤を添加したシリコーンゴムなどを用いることができ、具体的には、市販のＳＴ−Ｄ６、ＳＴ−Ｄ、ＫＥ−１３６Ｙ、ＫＥ−９５１（信越シリコーン社製）、ＥＳ３０１１（東レ・ダウコーニング社製）などを用いることができる。
【００１３】
また、応力緩和部材２０の構造としては、純水タンクが凍結した場合の体積膨張や解凍時の内圧上昇した際の応力を吸収できる構造となるものであれば、特に限定されず、例えば、図１（ａ）に示すように、蓋部材１２の嵌合部１２ａの上端面に接し、中央部に貫通部２１を有する環状体２２から構成されるものが挙げられる。
更に、応力緩和部材２０がタンク本体１０内に占有する大きさ等は、凍結時の応力を充分吸収する点、純水タンクの機能を損なわない点などから、タンク本体の内容積全体を１．０として場合に、０．０１〜０．３０とすることが好ましい。
この構造の応力緩和部材２０では、タンク１０内に収容される純水の凍結に伴い体積膨張した場合に、図１（ｂ）に示すように、応力緩和部材２０が弾性作用により変形して（圧縮されて）膨張した際の応力を吸収して純水タンクの変形、破損を防止するものとなる。
【００１４】
このように構成される純水タンクＡは、例えば、図２に示す燃料電池の発電システムに搭載されて、使用に供される。
本実施形態の燃料電池の発電システムは、図２に示すように、純水タンクＡ、燃料電池３０、水素供給装置３１及び水素供給管３２、空気供給装置３３及び空気供給管３４、圧力調整弁付き水素導入ライン３５及び圧力調整弁付き水素放出ライン３６、水補給管３７及び水供給管３８、加湿装置３９、水素加湿用配管４０及び空気加湿用配管４１を備えている。また、４２は、燃料電池３０の排気管である。
【００１５】
水素供給管３２は、燃料電池３０と水素供給装置３１を連結し、水素供給管３２の水素供給装置３１寄りに、圧縮調整弁付き水素放出ライン３６が取付けられ、燃料電池３０寄りに、水素加湿用配管４１が取付けられている。
また、空気供給管３４は、燃料電池３０と空気供給装置３３を連結し、また、空気供給管３４には、空気加湿用配管４４が取付けられている。
水補給管３７は、燃料電池３０と純水タンクＡを連結し、水供給管３８は、純水タンクＡと加湿装置３８を連結し、空気加湿用配管４１は、加湿装置３９と空気供給管３４を連結し、水素加湿用配管４０は、加湿装置３９と水素供給管３２を連結している。
【００１６】
この形態の発電システムでは、燃料電池３０に、水素供給装置３１及び空気供給装置３３により、水素供給管３２及び空気供給管３４を通して、水素及び空気が供給され、この際、純水タンクＡから水素加湿用配管４０及び空気加湿用配管３４を通して、燃料電池３０に供給する水素及び空気を加湿する。加湿された水素及び空気は、燃料電池３０内で発電するのに用いられ、この際、燃料電池３０から水が生成される。
燃料電池３０から排出される生成水等は、水補給管３７を通して、純水タンクＡに送られる。純水タンクＡ内の水は、水供給管３８を通して加湿装置３９に送られ、再び水素加湿用配管４０及び空気加湿用配管３４を通して、燃料電池３０に供給する水素及び空気を加湿し、これを循環する構成となる。
【００１７】
このように構成される本実施形態の発電システムでは、図１及び図２に示すように、水を外部に排出することなく、また、不凍液槽などを設けることなく、凍結により水が体積膨張した場合や解凍時の内圧上昇に対して、図１（ｂ）に示すように、応力緩和部材２０が変形して（圧縮されて）膨張した際の応力を吸収して純水タンクの変形、破損を防止することができるものとなる。
【００１８】
図３は、本発明の他の実施形態（第２実施形態）を示す純水タンクの縦断面図であり、（ａ）は凍結前の純水タンクの縦断面図、（ｂ）は凍結後の純水タンクの縦断面図である。なお、図１に示す純水タンクＡと構造・機能が同じものは同一の図示符号を示してその説明を省略する（以下の実施形態においても同様）。
本第２実施形態の純水タンクＢは、応力緩和部材２０の環状部材２２内に中空部２３を形成した点でのみ、上記実施形態の純水タンクＡと異なるものであり、上記実施形態となる図２に示す発電システムなどに用いることができる（以下の実施形態においても同様）。
本第２実施形態の応力緩和部材２０としては、好ましくは、上記各特性を有するシリコーンゴムから構成されることが好ましい。
この実施形態の純水タンクＢでは、タンク本体１０内に収容される純水の凍結に伴い体積膨張した場合に、図３（ｂ）に示すように、応力緩和部材２０が弾性作用及び中空部２３に体積膨張分の逃げにより、膨張した際の応力を吸収して純水タンクの変形、破損を防止するものとなる。
なお、環状部材２２内に設ける中空部２３の個数等は、体積膨張分を充分に逃がすものであれば、特に制限されず、１つ又は２つ以上であってもよい。
【００１９】
図４は、本発明の他の実施形態（第３実施形態）を示す純水タンクの縦断面図であり、（ａ）は凍結前の純水タンクの縦断面図、（ｂ）は凍結後の純水タンクの縦断面図である。
本第３実施形態の純水タンクＣは、応力緩和部材が上下の蓋部材１１，１２の嵌合部１１ａ、１２ａの下端面及び上端面で固着され密閉されたチューブ状部材２５から構成されるものであり、更にそのチューブ状部材２５はタンクの径方向の中心部に位置するものとなっている点で、上記実施形態の純水タンクＡと異なるものである。
本第３実施形態の応力緩和部材２５としては、好ましくは、上記各特性を有するシリコーンゴムから構成されることが好ましい。
この実施形態の純水タンクＣでは、タンク本体１０内に収容される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始め、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、本実施形態の純水タンクＣでは、最終的に膨張する箇所に応力緩和部材２５を配置しており、図３（ｂ）に示すように、応力緩和部材２０が弾性作用及び中空部２６に体積膨張分の逃げにより、膨張した際の応力を吸収して純水タンクの変形、破損を防止するものとなる。
【００２０】
本発明の燃料電池用純水タンクは、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変更することができるものである。
例えば、応力緩和部材は必ずしもチューブ状である必要は無く、棒状や球状など、純水タンクとしての機能を損なわなければ、純水タンク内の配置可能な形状とすることができる。
また、本発明の純水タンクを用いる燃料電池の発電システムは、図２に示す実施形態に限定されるものではなく、電極への水素と酸素の供給に際して、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、タンク内に貯留した純水で水素と酸素を加湿する構造となるものであれば、特に限定されるものではない。
【実施例】
【００２１】
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００２２】
〔実施例１：図１に準拠〕
下記に示す構成の純水タンクを作製した。
（純水タンクの構成）
タンク本体：ポリプロピレン製、外径５．５ｍｍ×長さ１１３ｍｍ、蓋部材：ポリプロピレン製、嵌合部の直径４．０ｍｍ×長さ４．５ｍｍ、蓋部材を嵌合した際の内容積：１．２５ｍｌ
応力緩和部材：シリコーンゴム製（ＥＳ３０１１、東レ・ダウコーニング社製、ＡＳＴＭ  Ｄ７４６における脆化温度が−８０℃、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３−１９９７における硬度Ａ３０、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６２−２００６における圧縮永久ひずみ１８０℃、２２時間で２８％）、構造：環状
【００２３】
〔実施例２：図２に準拠〕
下記に示す構成の純水タンクを作製した。
（純水タンクの構成）
タンク本体：実施例１に同じ
応力緩和部材：シリコーンゴム製（ＥＳ３０１１、東レ・ダウコーニング社製、ＡＳＴＭ  Ｄ７４６における脆化温度が−８０℃、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３−１９９７における硬度Ａ３０、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６２−２００６における圧縮永久ひずみ１８０℃、２２時間で２８％）、構造：中空環状
【００２４】
〔実施例３：図２に準拠〕
下記に示す構成の純水タンクを作製した。
（純水タンクの構成）
タンク本体：実施例１に同じ
応力緩和部材：シリコーンゴム製（ＥＳ３０１１、東レ・ダウコーニング社製、ＡＳＴＭ  Ｄ７４６における脆化温度が−８０℃、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３−１９９７における硬度Ａ３０、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６２−２００６における圧縮永久ひずみ１８０℃、２２時間で２８％）、構造：チューブ状
【００２５】
〔比較例１〕
上記実施例１において、応力緩和部材を用いない構造。
【００２６】
上記構成となる実施例１〜３及び比較例１の純水タンクに純水１．２５ｍｌを充填し、蓋部材により密閉した。これらの純水を充填した各純水タンク（サンプル数：ｎ＝１０本）をＥＳＰＥＣ恒温器プラチナシリーズＥＹ−１０１を用いて、−４０℃〜７０℃のサイクル（各温度ホールド時間は２時間、昇降温時間は核各３０分）に１０サイクルかけ、下記評価基準で評価した。
評価基準：
◎：蓋体浮きなし。
○：蓋体がやや浮いているが、水漏れなし。
△：蓋体がやや浮いており、水漏れあり。
×：蓋体が完全に外れ、水は完全に抜けていた。
【００２７】
この試験結果を考察すると、実施例１（ｎ＝１０）では、◎レベルはｎ＝５、○レベルはｎ＝５であり、実施例２（ｎ＝１０）では、◎レベルはｎ＝８、○レベルはｎ＝２であり、実施例３（ｎ＝１０）では、◎レベルはｎ＝１０であった。
これに対して、比較例１（ｎ＝１０）では、△レベルはｎ＝３、×レベルはｎ＝７となった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態を示す純水タンクの縦断面図であり、（ａ）は凍結前の純水タンクの縦断面図、（ｂ）は凍結後の純水タンクの縦断面図である。
【図２】図１の純水タンクを用いた燃料電池の発電システムの実施形態の一例を示す構成図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す純水タンクの縦断面図であり、（ａ）は凍結前の純水タンクの縦断面図、（ｂ）は凍結後の純水タンクの縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す純水タンクの縦断面図であり、（ａ）は凍結前の純水タンクの縦断面図、（ｂ）は凍結後の純水タンクの縦断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ    純水タンク
Ｈ    純水
１０    タンク本体
１１    蓋部材
１２    蓋部材
２０    応力緩和部材
【図１】
2007328951.tif 000003
【図２】
2007328951.tif 000004
【図３】
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【図４】
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