(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電に伴い発生した水を内部に貯留するとともに、燃料電池システムの外部に排気される水素を排気前に確実に希釈することができる貯水タンクを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００の貯水タンク１０は、タンク本体１１と、アノードオフガスが流入する水素導入孔１５が形成される水素導入室Ｓ１と、カソードオフガスが流入する空気導入孔１６と、気体が排気される排気孔１７とが形成される希釈室Ｓ２と、水素導入室Ｓ１と希釈室Ｓ２との間に設けられ、連通口１９が形成される隔壁１２とを備え、連通口１９は、高濃度水素領域１９ａと、高濃度水素領域１９ａの下方に設けられる空気流通領域１９ｂとを有し、高濃度水素領域１９ａの幅Ｒ１は、空気流通領域１９ｂの幅Ｒ２よりも小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムにおいて発生する水を内部に貯留するタンク本体と、
前記タンク本体の前記内部に設けられ、前記燃料電池システムのアノードオフガスが流入する水素導入孔が形成される水素導入室と、
前記タンク本体の前記内部に設けられ、前記燃料電池システムのカソードオフガスが流入する空気導入孔と、前記タンク本体の前記内部の気体が排気される排気孔とが形成される希釈室と、
前記水素導入室と前記希釈室との間に設けられ、前記水素導入室と前記希釈室とを連通する連通口が形成される隔壁とを備え、
前記連通口は、前記アノードオフガスに含まれる水素が流通する高濃度水素領域と、前記高濃度水素領域の下方に設けられる空気流通領域とを有し、
前記高濃度水素領域の幅は、前記空気流通領域の幅よりも小さい貯水タンク。
【請求項２】
前記連通口は、下方から上方に向かって幅が徐々に狭くなる三角形又は台形の形状である請求項１に記載の貯水タンク。
【請求項３】
前記水素導入孔、前記空気導入孔及び前記排気孔は前記タンク本体の上面部に形成される請求項１又は２に記載の貯水タンク。
【請求項４】
前記タンク本体の上面部に設けられ、前記タンク本体に貯留される水の水位を検知する水位検知部と、
前記タンク本体の前記上面部に接するとともに、前記水素導入室及び前記希釈室と前記水位検知部との間に設けられる水素侵入防止壁とを備え、
前記水素侵入防止壁は、前記水位検知部を含む水位検知空間の少なくとも一部を画定する請求項１〜３のいずれか１つに記載の貯水タンク。
【請求項５】
前記水素導入室と前記水位検知空間とは前記希釈室を挟んで互いに離間するとともに、各々、前記タンク本体の両端に配置される請求項４に記載の貯水タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、貯水タンクに関するものであり、特に燃料電池システムにおいて用いられる貯水タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される燃料電池システムが有する燃料電池スタックの内部では、燃料ガスとしての水素と、コンプレッサから供給される空気中の酸素とが反応し、電気エネルギーが発生する。そして、この時同時に、水素と酸素との化学反応の結果として水が生成される。燃料電池システムは、このように生成された水を貯めておく貯水タンクを有している。また、燃料電池スタックから流出した未反応の水素を含むアノードオフガスは、同様に燃料電池スタックから流出した空気を含むカソードオフガスと希釈器の内部で混合し、水素濃度を薄められた後、外部に排出される。
【０００３】
ここで、特許文献１の燃料電池システムが有する気液分離手段は、燃料電池スタックから排出された、水分を含む水素を気水分離するとともに、分離した水を内部に貯留する。そして、気液分離手段の内部の滞留水の水位が一定以上になると、滞留水は外部に排水される。さらに、気液分離手段の内部において、水素は、空気排出通路を流れてくる空気と合流し、希釈される。すなわち、特許文献１の気液分離手段は、貯水タンクの機能及び希釈器の機能を兼ね備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０１９１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムの気液分離手段では、内部に貯留される水の量が増えると、空気が流通することができる空間の容積がその分小さくなる。従って、水素と混合する空気の量が少なくなり、水素が充分に希釈されないまま外部に排気されてしまう可能性があった。
【０００６】
この発明は、このような問題を解決するためになされ、燃料電池システムの発電に伴い発生した水を内部に貯留するとともに、燃料電池システムの外部に排気される水素を排気前に確実に希釈することができる貯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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係る貯水タンクは、水素と酸素との化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムにおいて発生する水を内部に貯留するタンク本体と、タンク本体の内部に設けられ、燃料電池システムのアノードオフガスが流入する水素導入孔が形成される水素導入室と、タンク本体の内部に設けられ、燃料電池システムのカソードオフガスが流入する空気導入孔と、タンク本体の内部の気体が排気される排気孔とが形成される希釈室と、水素流入室と希釈室との間に設けられ、水素導入室と希釈室とを連通する連通口が形成される隔壁とを備え、連通口は、アノードオフガスに含まれる水素が流通する高濃度水素領域と、高濃度水素領域の下方に設けられる空気流通領域とを有し、高濃度水素領域の幅は、空気流通領域の幅よりも小さい。
【０００８】
また、この発明に係る貯水タンクの隔壁の連通口は、下方から上方に向かって幅が徐々に狭くなる三角形又は台形の形状であってもよい。
【０００９】
さらに、水素導入孔、空気導入孔及び排気孔は希釈室の上面部に形成されてもよい。
【００１０】
また、タンク本体の上面部に設けられ、タンク本体に貯留される水の水位を検知する水位検知部と、タンク本体の上面部に接するとともに、水素導入室及び希釈室と水位検知部との間に設けられる水素侵入防止壁とを備え、水素侵入防止壁は、水位検知部を含む水位検知空間の少なくとも一部を画定してもよい。
また、水素導入室と水位検知空間とは希釈室を挟んで互いに離間するとともに、各々、タンク本体の両端に配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る貯水タンクによれば、燃料電池システムの発電に伴い発生した水を内部に貯留するとともに、燃料電池システムの外部に排気される水素を排気前に確実に希釈することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態に係る貯水タンクを有する燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムが有する貯水タンクの構造を模式的に示す斜視図である。
【図３】図２に示す貯水タンクを切断線ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した断面を示す模式的な断面側面図である。
【図４】図２に示す貯水タンクを切断線ＩＶ−ＩＶで切断した断面を示す模式的な断面平面図である。
【図５】図５（ｉ）は、図２に示す貯水タンクの隔壁に形成される連通口の形状を模式的に示す図であり、図５（ｉｉ）は、従来の例に係る貯水タンクの隔壁に形成される連通口の形状を模式的に示す図である。
【図６】図６（ｉ）は、図２に示す貯水タンクをＤ１側が下になるように傾けた様子を示す図であり、図６（ｉｉ）は、図２に示す貯水タンクをＤ２側が下になるように傾けた様子を示す図である。
【図７】図７（ｉ）及び（ｉｉ）は、各々、この発明の別の実施の形態に係る貯水タンクの隔壁の形状を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
まず、この発明の実施の形態に係る貯水タンク１０を有する燃料電池システム１００の全体的な構成について、図１を用いて説明する。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素ガスを供給可能な水素タンク２と、燃料電池スタック１に酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ３とを備えている。水素タンク２と燃料電池スタック１の水素流入側１ａとは、水素流入管７ａを介して接続されている。また、コンプレッサ３と燃料電池スタック１の空気流入側１ｂとは、空気流入管８ａを介して接続されている。
【００１４】
また、燃料電池スタック１の水素流出側１ｃには水素流出管７ｂが接続されている。水素流出管７ｂには気液分離器４が設けられる。そして、気液分離器４には、水素流出管７ｂを流通するアノードオフガスを回収して水素を再利用するための回収管７ｃの一端が接続される。さらに、回収管７ｃの他端は水素流入管７ａに接続する。また、回収管７ｃには水素循環ポンプ５が設けられている。
また、燃料電池スタック１の空気流出側１ｄには、カソードオフガスが流通するための空気流出管８ｂが接続されている。
なお、図１において、アノードオフガスとは、燃料電池スタック１の水素流出側１ｃから排気される排ガスであり、カソードオフガスとは、燃料電池スタック１の空気流出側１ｄから排気される排ガスである。
【００１５】
水素流出管７ｂの気液分離器４の下流側には貯水タンク１０が設けられる。また、空気流出管８ｂの下流側の端部も貯水タンク１０に接続する。
また、貯水タンク１０には、各々、外部に連通する排気管９ａ及び排水管９ｂが接続している。さらに、排気管９ａにはマフラー６が設けられている。また、排水管９ｂには開閉弁９ｃが設けられる。
【００１６】
次に、貯水タンク１０の構造について図２〜４及び図５（ｉ）を用いて説明する。
図２〜４に示すように、貯水タンク１０は、略直方体形状の筐体であるタンク本体１１を有する。ここで、以下の説明において、図２におけるタンク本体１１の長手方向手前側をＤ１側とし、長手方向奥側をＤ２側とする。
【００１７】
タンク本体１１の内部には、タンク本体１１の内壁に対して所定の角度をなして延びる隔壁１２が設けられている。図５（ｉ）に示すように、隔壁１２は右側が三角形状に斜めに切り取られた形状をなしている。そして、隔壁１２の直角三角形状に切り取られた箇所は、タンク本体１の内壁に囲まれて連通口１９となる。より具体的には、連通口１９は、隔壁１２の上端、すなわちタンク本体１１の上面部１１ｃに頂点を有するとともに、隔壁１２の下端、すなわちタンク本体１１の底面部１１ｄに一辺が重なり合う直角三角形の形状をなしている。ここで、連通口１９の上方の領域は高濃度水素領域１９ａを構成し、高濃度水素領域１９ａよりも下方の領域は空気流通領域１９ｂを構成する。すなわち、水素は軽く、上方に集まる性質があるため、連通口１９の上方の高濃度水素領域１９ａに主に水素が流通し、その他の空気は高濃度水素領域１９ａの下の空気流通領域１９ｂを流通する。従って、タンク本体１１の上方に流通すると考えられる水素の量に応じて、連通口１９の高濃度水素領域１９ａ及び空気流通領域１９ｂの範囲が決定される。また、連通口１９は、前述のような三角形状をなしているため、高濃度水素領域１９ａの幅Ｒ１は、空気流通領域１９ｂの幅Ｒ２よりも小さくなる。
ここで、上方とは、貯水タンク１０が車両に搭載された際の重力方向とは反対側の方向をいう。また、下方とは、貯水タンク１０が車両に搭載された際の重力方向と同じ側の方向をいう。
またさらに、タンク本体１１の上面部１１ｃとは、貯水タンク１０が車両に搭載された際にタンク本体１１の上方に位置する面であるものとする。
【００１８】
また、隔壁１２よりもＤ１側には、タンク本体１１のＤ１側の端面１１ｂに対して並行に延びる長方形状の水素侵入防止壁１３が設けられている。そして、水素侵入防止壁１３の上端はタンク本体１１の内壁の上面部１１ｃに接しているが、水素侵入防止壁１３の下端１３ａとタンク本体１１の内壁の底面部１１ｄとの間には間隙１３ｂが設けられている。
【００１９】
図２に示すように、隔壁１２と、タンク本体１１のＤ２側の端面１１ａとの間の空間は、水素導入室Ｓ１を構成する。また、隔壁１２と水素侵入防止壁１３との間の空間は、希釈室Ｓ２を構成する。すなわち、隔壁１２は、水素導入室Ｓ１と希釈室Ｓ２との間に設けられる。また、隔壁１２に形成される連通口１９は水素導入室Ｓ１と希釈室Ｓ２とを連通している。
また、水素侵入防止壁１３とタンク本体１１のＤ１側の端面１１ｂとの間の空間は、水位検知空間Ｓ３を構成する。この水位検知空間Ｓ３は、水素侵入防止壁１３とタンク本体１１の内壁とによって画定されている。すなわち、水素侵入防止壁１３は水位検知空間Ｓ３の一部を画定している。
また、水素導入室Ｓ１と水位検知空間Ｓ３とは希釈室Ｓ２を挟んで互いに離間するとともに、水素導入室Ｓ１はタンク本体１１のＤ２側の端部に、水位検知空間Ｓ３はタンク本体１１のＤ１側の端部に、各々接するように配置されている。
【００２０】
タンク本体１１の上面部１１ｃのうち水素導入室Ｓ１の上面部２１ａには水素導入孔１５が形成されている。水素導入孔１５は、タンク本体１１のＤ２側の端部の近傍に配置される。水素導入室Ｓ１には、水素導入孔１５を介して水素流出管７ｂが接続する。
また、タンク本体１１のＤ２側の端面１１ａの下部には、排水孔１８が形成されている。排水孔１８には排水管９ｂが接続される。また、図３の一点鎖線に示すように、排水孔１８の最下部１８ａの位置は、水素侵入防止壁１３の下端１３ａの位置よりも高くなっている。
【００２１】
また、タンク本体１１の上面部１１ｃのうち希釈室Ｓ２の上面部２１ｂには、空気導入孔１６と、空気導入孔１６よりもＤ２側に配置される排気孔１７とが形成されている。そして、希釈室Ｓ２には、空気導入孔１６を介して空気流出管８ｂが、排気孔１７を介して排気管９ａが各々接続されている。
また、タンク本体１１の上面部１１ｃのうち水位検知空間Ｓ３の上面部２１ｃには、フロートセンサ１４が設けられている。
【００２２】
次に、燃料電池システム１００の動作及び貯水タンク１０の機能について図１〜４を用いて説明する。
まず、図１に示すように、水素タンク２の水素が水素流入管７ａを流通して燃料電池スタック１に流入する。また、コンプレッサ３によって空気が空気流入管８ａを介して燃料電池スタック１に送り込まれる。そして、燃料電池スタック１で水素と空気中の酸素とが反応し、発電が行われるとともに水が生成される。そして、未反応の水素及び水分を含むアノードオフガスが、燃料電池スタック１から水素流出管７ｂを流通し、気液分離器４に流入し、水素と水とが分離される。気液分離器４で分離された水素の一部は回収管７ｃを流通し、水素流入管７ａに戻される。
【００２３】
一方、回収管７ｃに流通せずに水素流出管７ｂに残った水素を含んだアノードオフガスは、気液分離器４で分離された水とともに、貯水タンク１０の水素導入孔１５を介して水素導入室Ｓ１に流入する。そして、図３に示すように、水Ｗは、隔壁１２の連通口１９及び水素侵入防止壁１３の下方の間隙１３ｂを介して、タンク本体１１の下部全体に貯留される。一方、水素は、図３及び４の矢印Ａに示すように、隔壁１２の連通口１９を介して水素導入室Ｓ１から希釈室Ｓ２に流入する。
【００２４】
また、燃料電池スタック１から流出したカソードオフガスも空気流出管８ｂを流通して、図３及び４の矢印Ｂに示すように貯水タンク１０の希釈室Ｓ２に流入する。そして、希釈室Ｓ２において、水素導入室Ｓ１から流入した水素と空気流出管８ｂから流入したカソードオフガスの空気とが混合し、水素が希釈される。さらに、希釈されて充分に低い水素濃度となった混合気体は、図３及び４の矢印Ｃに示すように、排気孔１７を介して排気管９ａに流出する。
【００２５】
また、タンク本体１１の下部に貯留される水Ｗは、時間の経過とともに徐々に水位が上がって、最終的には水位検知空間Ｓ３の水面がフロートセンサ１４に届くようになる。これにより、フロートセンサ１４は、タンク本体１１に貯留される水Ｗの量が上限に達したことを検知する。そして、フロートセンサ１４からの信号を受けて、図示しない表示手段が、貯水タンク１０が満水になったことを表示する。表示を見た利用者は排水管９ｂの開閉弁９ｃを開状態とするとともに貯水タンク１０から水Ｗを排水する作業を行う。
【００２６】
以上より、この実施の形態に係る貯水タンク１０は、燃料電池システム１００において発生する水を内部に貯留することができるとともに、希釈室Ｓ２で水素と空気が混合されることにより、排気される前の水素を希釈することができる。これにより、貯水タンク１０は希釈器としての機能も兼ね備えているため、希釈器を別に設ける必要がなく、燃料電池システム１００に係る設備を小型化することができる。また、材料や溶接部位を減らすことができるため製造コストを削減することができる。
【００２７】
またここで、図５（ｉｉ）に示すように、貯水タンク１０が、上下方向にわたって幅Ｒ’が一定である連通口１９’を有する隔壁１２’を備えている場合、矢印が示すように水Ｗの水位が上昇すると、空気流通領域１９ｂ’に空気が流通できる面積が小さくなってしまう。そして、その分、連通口１９を流通する気体全体の中で、高濃度水素領域１９ａを流通する水素の割合が大きくなるため、希釈室Ｓ２内で水素を充分に希釈することが難しくなる。
一方、この発明の実施の形態に係る貯水タンク１０の隔壁１２に形成される連通口１９は、図５（ｉ）に示すように、下方から上方に向かって幅が徐々に狭くなる三角形状であり、高濃度水素領域１９ａの幅Ｒ１は、空気流通領域１９ｂの幅Ｒ２よりも小さい。従って、図５（ｉ）の矢印に示すように水Ｗの水位が上昇した場合であっても、図５（ｉｉ）の場合に比べて、連通口１９を流通する気体全体の中で高濃度水素領域１９ａを流通する水素が占める割合は低い状態に保たれる。すなわち、高濃度水素領域１９ａの面積が小さく、希釈室Ｓ２への水素の流入量が抑制されているため、タンク本体１１に貯留される水Ｗの量が多くなった場合であっても、水素を確実に希釈することができる。
【００２８】
また、水素導入孔１５、空気導入孔１６及び排気孔１７が各々、タンク本体１１の上面部１１ｃに形成されていることにより、タンク本体１１の内部に貯留された水Ｗが、水素導入孔１５、空気導入孔１６又は排気孔１７を介して流出してしまうおそれがない。そのため、タンク本体１１の内部空間の上方の位置にまで水Ｗを貯留することができる。従って、貯水タンク１０の貯水量が多くなるため、利用者が一日に排水処理を行う回数が減り、作業効率が向上する。
【００２９】
また、希釈室Ｓ２とフロートセンサ１４との間には水素侵入防止壁１３が設けられている。そのため、図６（ｉ）、（ｉｉ）に示すように貯水タンク１０が傾いても、上方に溜まる性質を持つ水素は水素侵入防止壁１３に遮られ、フロートセンサ１４が配置された位置に流れていく心配はない。すなわち、タンク本体１１が、図６（ｉ）に示すように、Ｄ１側に向かって位置が低くなるように傾いた場合、水素Ｈ２は水素導入室Ｓ１の上面部２１ａとタンク本体１１のＤ２側端面１１ａとが交わる角部の近傍に滞留する。一方、タンク本体１１が、図６（ｉｉ）に示すように、Ｄ２側に向かって位置が低くなるように傾いた場合、水素Ｈ２は希釈室Ｓ２の上面部２１ｂと水素侵入防止壁１３とが交わる角部の近傍に滞留する。
このため、電子機器であるフロートセンサ１４は水素雰囲気に曝されるおそれがなく、貯水タンク１０の安全性が向上する。
【００３０】
また、水素導入室Ｓ１と水位検知空間Ｓ３とは希釈室Ｓ２を挟んで互いに離間するとともに、各々、タンク本体１１の両端に配置されるため、水位検知空間Ｓ３に高濃度の水素が流入する可能性はさらに低くなり、安全性がより向上する。
【００３１】
さらに、図３に示すように、水素侵入防止壁１３の下の間隙１３ｂは水Ｗで封止されており、間隙１３ｂを通って水素が水位検知空間Ｓ３に侵入することが防止されている。また特に、水素侵入防止壁１３の下端１３ａは排水孔１８の最下部１８ａよりも低い位置に設けられているため、水Ｗが排水孔１８から排水された後であっても、タンク本体１１に残留する水Ｗによって間隙１３ｂが確実に封止される。
【００３２】
また、燃料電池システム１００を産業車両に用いる場合、急加速や急停止により水Ｗの水面が変動しやすく、このような水面の変動や波の発生はフロートセンサ等の水位検知手段の誤作動を引き起こす可能性があった。しかしながら、この実施の形態に係る貯水タンク１０では、フロートセンサ１４が設けられる水位検知空間Ｓ３は、タンク本体１１の内壁と水素侵入防止壁１３とに囲まれて画定されている。このため、水位検知空間Ｓ３の水Ｗの水面には大きな波が発生し難く、水面の変動が防止される。従って、水位検知空間Ｓ３の上面部２１ｃに設けられたフロートセンサ１４の誤作動が防止される。
【００３３】
なお、貯水タンク１０の隔壁１２に形成され、タンク本体１１の内壁に囲まれる連通口１９は三角形状に限定されず、図７（ｉ）に示す隔壁１１２の連通口１１９にように、下方から上方に向かって幅が徐々に狭くなる台形の形状であってもよい。なお、連通口１１９は、上方に高濃度水素領域１１９ａを有し、高濃度水素領域１１９ａの下方に空気流通領域１１９ｂを有している。そして、高濃度水素領域１１９ａの幅Ｒ３は、空気流通領域１１９ｂの幅Ｒ４よりも小さくなる。
【００３４】
さらにまた、連通口１９の形状は実施の形態に限定されず、図７（ｉｉ）に示す隔壁２１２の連通口２１９にように、幅Ｒ６の長方形の上に、Ｒ６よりも小さい幅Ｒ５の長方形を重ねたものであってもよい。幅Ｒ５の長方形の箇所は高濃度水素領域２１９ａに対応し、幅Ｒ６の長方形の箇所は空気流通領域２１９ｂに対応している。
【符号の説明】
【００３５】
１１  タンク本体、１１ｃ  タンク本体の上面部、１２、１１２、２１２  隔壁、１３  水素侵入防止壁、１４  フロートセンサ（水位検知部）、１５  水素導入孔、１６  空気導入孔、１７  排気孔、１９，１１９，２１９  連通口、１９ａ，１１９ａ，２１９ａ  高濃度水素領域、１９ｂ，１１９ｂ，２１９ｂ  空気流通領域、１００  燃料電池システム、Ｓ１  水素導入室、Ｓ２  希釈室、Ｓ３  水位検知空間。
【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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