(57)【要約】【課題】水タンク内に水を保持した状態で、水の凍結による水タンクの破損を防止する。【解決手段】水タンク２００は、水１６を貯蔵可能な容器１１と、容器１１の内部に配置された吸水材１２とを備え、吸水材１２は、水１６の凝固点Ｔｆより高い感温点ｔ0を有し、感温点ｔ0以下の温度において水１６を吸収し、感温点ｔ0より高い温度で吸収した水１６を放出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を貯蔵可能な容器と、
前記容器の内部に配置された吸水材と
を備え、
前記吸水材は、前記水の凝固点より高い感温点を有し、前記感温点以下の温度において前記水を吸収し、前記感温点より高い温度で前記吸収した水を放出する水タンク。
【請求項２】
前記吸水材は、前記水の凝固点において、その少なくとも一部が前記容器内の雰囲気ガスに曝されるように構成されている請求項１に記載の水タンク。
【請求項３】
前記吸水材は、前記水の凝固点において、前記吸水材のうち前記容器内の水中に存在する部分の体積より、前記吸水材に吸収された水の容積が大きくなるように構成されている請求項２に記載の水タンク。
【請求項４】
前記吸水材は、前記水の凝固点において、前記吸水材のうち前記容器内の水中に存在しない部分と前記容器の側壁との接触面積と、前記容器内の水と前記容器の側壁との接触面積の総和が、前記吸水材を設けない場合における前記水と前記容器の側壁との接触面積よりも小さくなるよう構成されている請求項３に記載の水タンク。
【請求項５】
前記水の凝固点において、前記吸水材の前記容器内の水中に存在しない部分と前記容器の側壁との接触面積が略０である請求項３に記載の水タンク。
【請求項６】
前記吸水材が保持されたケースをさらに備え、
前記水の凝固点において、前記ケースと前記容器の側壁とが接触しないよう構成されている請求項１に記載の水タンク。
【請求項７】
前記ケースは、前記水を吸収した前記吸水材が、前記容器の側壁方向よりも鉛直方向に膨張するように構成されている請求項１に記載の水タンク。
【請求項８】
前記ケースは、前記吸水材の側面を包囲しているとともに、前記吸水材が前記鉛直方向に膨張可能な空間を有する請求項７に記載の水タンク。
【請求項９】
前記感温点は０℃以上３０℃以下である請求項１から８のいずれかに記載の水タンク。
【請求項１０】
前記吸水材を前記感温点よりも高い温度まで加熱するための加熱器をさらに備えた請求項１から９のいずれかに記載の水タンク。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかに記載の水タンクと、
前記水タンクに貯蔵された水を前記水タンクから取り出し、前記水が発熱器と熱交換し得るように前記水を導く水経路と
を備える冷却装置。
【請求項１２】
燃料電池と、
前記燃料電池の冷却を行う冷却器と
を備え、
前記冷却器は、
請求項１から９のいずれかに記載の水タンクと、
前記水タンクに貯蔵された水を前記水タンクから取り出し、前記水が前記燃料電池と熱交換し得るように前記水を導く水経路と
を有する燃料電池発電システム。
【請求項１３】
エンジンと、
前記エンジンの冷却を行う冷却器と
を備え、
前記冷却器は、
請求項１から９のいずれかに記載の水タンクと、
前記水タンクに貯蔵された水を前記水タンクから取り出し、前記水が前記エンジンと熱交換し得るように前記水を導く水経路と
を有する自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却水等の水を貯える水タンク、ならびに、水タンクを利用した冷却装置、燃料電池発電システムおよび自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部に冷却媒体としての水等を貯える水タンクは、一般的に、一定の空間容積を有する容器から構成されている。また、冷却媒体を利用した冷却装置は、冷却媒体を貯える水タンクと、水タンクから冷却媒体を取り出して輸送する輸送手段（ポンプなど）と、冷却媒体の輸送配管とを備えている。
【０００３】
上述したような水タンクや冷却装置は、例えば、燃料電池発電システムや自動車のエンジンシステム等の発熱器を有する機器に利用される。
【０００４】
しかしながら、水タンクや冷却装置を種々の機器に利用する場合、水タンクを設置する環境や機器の使用状況によって、水タンク内の水が凍結して膨張し、水タンクを破損してしまったり、機器が動作不能になる可能性がある。これに対し、例えば特許文献１は、水タンクを用いた冷却装置を備えた燃料電池発電システムにおいて、燃料電池を長期間使用しない場合には、水タンク内の水をサブタンクに一旦回収し、水を回収したサブタンクをシステムから取り外して室内で保管することを提案している。
【０００５】
以下、従来の水タンクを備えた冷却装置の動作を、燃料電池発電システムを例に説明する。
【０００６】
図１６は、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。この燃料電池発電システムでは、特許文献１で提案されたように、凍結による水タンクの破損を防止するためのサブタンクが設けられている。
【０００７】
燃料電池発電システム１００は、燃料電池７１、燃料電池７１に空気を供給するための空気供給手段７２、原料ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置７３、燃料電池を冷却するための冷却水を貯える冷却水タンク７６、燃料電池７１から排出されるガスを凝縮させるための熱交換器７４、熱交換器７４によって凝縮させた水（回収水）を貯える回収水タンク７７、および回収水を浄化するための水浄化装置７５と、燃料電池発電システム１００を長期間動作させない場合に用いるサブタンク７８とを備えている。
【０００８】
燃料電池７１は、空気供給手段７２で供給される空気と水素生成装置７３から供給される水素含有ガスとを利用して発電を行う。このとき、冷却水タンク７６に貯えられた冷却水は、送水手段（ポンプ）７９により、燃料電池７１内に設けられた冷却配管を通過して循環し、発電反応により昇温した燃料電池７１を冷却する。従って、燃料電池７１は冷却水タンク７６から供給される冷却水によって冷却され、一定温度に保持される。一方、冷却配管を通過して加温された水の熱は、熱交換器７１４によって温水として回収される。
【０００９】
また、燃料電池７１において発電反応に寄与しなかった水素含有ガスおよび空気は、それぞれ、アノード側およびカソード側の出口（図示せず）から排出される。排出された水素含有ガス中の水分は、熱交換器７４によって凝縮されて回収水タンク７７に回収される。同様に、排出された空気中の水分も熱交換器７４によって凝縮されて回収水タンク７７に回収される。なお、水分が凝縮された後の水素含有ガス（燃料排ガス）および空気（排空気）は大気中に放出される。
【００１０】
回収水タンク７７に回収された水（回収水）は、送水手段７１０により、水浄化装置７５を経て冷却水タンク７６に送られる。従って、水浄化装置７５によって浄化された水を冷却水として利用することができる。
【００１１】
燃料電池発電システム１００を長期間に亘って動作させずに放置しておく場合には、冷却水タンク７６や回収水タンク７７に貯えられている水をサブタンク７８に回収する。具体的には、冷却水タンク７６や回収水タンク７７に貯えられた水を、送水手段７１２、７１３を用いてサブタンク７８に汲み上げた後、サブタンク７８を燃料電池発電システム１００から取り外して室内などで保管する。これは、上述したように、冷却水タンク７６や回収水タンク７７の水が凍結して膨張し、これらの水タンク７６、７７を破損させることを防止するためである。燃料電池発電システム１００の再起動時には、保管されていたサブタンク７８を再び燃料電池発電システム１００に接続する。この後、サブタンク７８に貯えられていた水は、送水手段７１１を用いて、冷却水タンク７６や回収水タンク７７に戻される。
【００１２】
なお、水タンクを利用した冷却装置において、凍結による水タンクの破損を防止する他の方法として、水にエチレングリコールなどの添加物を加えて凝固点を降下させることも考えられる。しかしながら、そのような添加物を加えた水が冷却配管から冷却しようとする機器の内部に漏れると、機器の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【特許文献１】特開平１１−２７３７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、図１６に示す従来の燃料電池発電システム１００では、冷却水や回収水が凍結することによる冷却水タンク７６および回収水タンク７７の破損を防止するために、冷却水や回収水をこれらの水タンク７６、７７から外部（サブタンク７８）に移して、水タンク７６、７７を空にしている。そのため、燃料電池発電システム１００の再起動時には、サブタンク７８に取り出された冷却水および回収水を再度水タンク７６、７７に戻して水張りを行う必要があり、水張りに時間がかかって燃料電池発電システム１００の起動が遅延してしまうという問題がある。また、燃料電池発電システム１００に対するサブタンク７８の取り付け及び取外しや運搬などの作業が煩雑である。さらには、サブタンク７８や、冷却水や回収水をサブタンク７８に回収するための配管、送水ポンプなどを設ける必要があり、燃料電池発電システム１００のサイズが増大するという問題もある。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水タンク内の水を外部に移すことなく、水の凍結による水タンクの破損を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の水タンクは、水を貯蔵可能な容器と、前記容器の内部に配置された吸水材とを備え、前記吸水材は、前記水の凝固点より高い感温点を有し、前記感温点以下の温度において前記水を吸収し、前記感温点より高い温度で前記吸収した水を放出する。
【００１６】
好ましくは、前記吸水材は、前記水の凝固点において、その少なくとも一部が前記容器内の雰囲気ガスに曝されるように構成されている。
【００１７】
より好ましくは、吸水材は、前記水の凝固点において、前記吸水材のうち前記容器内の水中に存在する部分の体積より、前記吸水材に吸収された水の容積が大きくなるように構成されている。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記吸水材は、前記水の凝固点において、前記吸水材のうち前記容器内の水中に存在しない部分と前記容器の側壁との接触面積と、前記容器内の水と前記容器の側壁との接触面積の総和が、前記吸水材を設けない場合における前記水と前記容器の側壁との接触面積よりも小さくなるよう構成されている。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記水の凝固点において、前記吸水材の前記容器内の水中に存在しない部分と前記容器の側壁と接触面積が略０である。
【００２０】
前記吸水材が保持されたケースをさらに備え、前記水の凝固点において、前記ケースと前記容器の側壁とが接触しないよう構成されていてもよい。
【００２１】
前記ケースは、前記水を吸収した前記吸水材が、前記容器の側壁方向よりも鉛直方向に膨張するように構成されていてもよい。
【００２２】
前記ケースは、前記吸水材の側面を包囲しているとともに、前記吸水材が前記鉛直方向に膨張可能な空間を有していてもよい。
【００２３】
前記感温点は０℃以上３０℃以下であることが好ましい。
【００２４】
前記吸水材を前記感温点よりも高い温度まで加熱するための加熱器をさらに備えていてもよい。
【００２５】
本発明の冷却装置は、上記水タンクと、前記水タンクに貯蔵された水を前記水タンクから取り出し、前記水が発熱器と熱交換し得るように前記水を導く水経路とを備える。
【００２６】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池と、前記燃料電池の冷却を行う冷却器とを備え、前記冷却器は、上記水タンクと、前記水タンクに貯蔵された水を前記水タンクから取り出し、前記水が前記燃料電池と熱交換し得るように前記水を導く水経路とを有する。
【００２７】
本発明の自動車は、エンジンと、前記エンジンの冷却を行う冷却器とを備え、前記冷却器は、上記水タンクと、前記水タンクに貯蔵された水を前記水タンクから取り出し、前記水が前記エンジンと熱交換し得るように前記水を導く水経路とを有する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の水タンクでは、感温点以下の温度において容器内に配置された吸水材に水を吸収させることにより、水の凝固点において、水を容器の壁面から離間させることができる。よって、水の凍結による容器の破損を防止できる。また、感温点以上の温度において、吸収された水が吸水材から放出されるので、水タンクの使用時に迅速に水張りを行うことができる。さらに、本発明によると、凍結による容器の破損を防止するために、容器内の水を外部に移す必要がないので、利便性に優れた水タンクを提供できる。
【００２９】
また、上記水タンクを冷却装置や、燃料電池発電システム、自動車のエンジンシステムなどの機器に適用すると、凍結によって水タンクが破損したり、機器が動作不能になることを防止できる。また、吸水材に吸収された水を放出させることにより、容器内に迅速に水張りを行うことができるので、機器の再起動にかかる時間を大幅に短縮できる。さらに、凍結を防止するために水タンク内の水を他のタンクに移し替えたり、再起動時に移し替えた水を水タンクに戻すなどの煩雑な作業が行う必要がないので有利である。その上、水タンク内の水を移し替えるための送水手段や他のタンクが不要となり、機器の小型化も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の水タンクは、容器内に、感温点ｔ0を有する吸水材が配置されていることを特徴としている。本発明における吸水材は、水タンクに貯えられる水の凝固点Ｔｆより高い感温点ｔ0を有しており、感温点ｔ0以下の温度Ｔ（Ｔ≦ｔo）では水を吸収する「吸水状態」となり、感温点ｔ0以上の温度（Ｔ≧ｔo）では吸収した水を放出する「排水状態」となる。
【００３１】
本発明で用いる吸水材の吸排水特性の一例を図１に示す。図１からわかるように、吸水材の温度Ｔａが感温点ｔ0以上のとき、容器内の液体状態の水は吸水材に吸収されないので、容器から取り出し可能であり、例えば冷却装置の冷却水として使用される。温度Ｔａが低下して感温点ｔ0以下になると、吸水材は吸水状態となり、容器内の液体状態の水の一部または全部が吸水材に吸収される。その結果、温度Ｔａがさらに低下して水の凝固点Ｔｆ以下になったときに、吸収されずに残った水のみが凍結して容器壁面に接することになるので、凍結した水と容器壁面との接触面積を大幅に低減することが可能になり、容器の破損を従来よりも抑制できる。
【００３２】
なお、本明細書において、水タンクに貯えられる「水」は、水を主成分とする液体であればよく、不純物などの水以外の成分を含んでいてもよい。従って、本明細書における「水の凝固点Ｔｆ」は、純粋な水の凝固点よりも低くなる場合がある（凝固点降下）。
【００３３】
以下、図面を参照しながら、本発明による水タンクのある好ましい実施形態を説明する。
【００３４】
まず、図２（ａ）〜（ｄ）を参照する。図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の水タンクを説明するための模式図であり、図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、吸水材が排水状態のときの水タンクの底面に垂直な断面図および底面に平行な断面図、図２（ｃ）は、吸水材が吸水状態のときの水タンクの断面図、図２（ｄ）は、容器内の雰囲気温度Ｔが水の凝固点Ｔｆ以下になった場合の水タンクの断面図を示している。
【００３５】
水タンク２００は、水１６を貯蔵可能な容器１１と、容器１１の内部に配置された吸水材１２とを備えている。吸水材１２は、水１６の凝固点より高い感温点ｔ0を有し、感温点ｔ0以下の温度では水１６を吸収し、感温点ｔ0より高い温度で吸収した水１６を放出する。また、容器１１には、容器１１に貯えられた水１６を外部に取り出すための出水口１４ａ、および、外部から容器１１に水を供給するための入水口１４ｂが設けられている。
【００３６】
容器内の雰囲気の温度Ｔが感温点ｔ0以上のときには、吸水材１２の温度Ｔａも感温点ｔ0以上であり、吸水材１２は排水状態となる。従って、図２（ｂ）に示すように、液体状態の水１６は吸水材１２に吸収されずに容器１１内部に存在している。温度Ｔが低下して感温点ｔ0以下になると、吸水材１２は吸水状態となり、図２（ｃ）に示すように、容器１１の液体状態の水１６を吸収して膨張する。このとき、容器１１に、吸水材１２の限界吸水量を超える量の水１６が入っていれば、吸水されなかった水１６が容器１１の底に残る。一方、図示しないが、容器内１１に吸水材１２の限界吸水量以下の水１６が入っていれば、水１６の略全量が吸水材１２に吸収されるので、容器１１の底に水１６はほとんど残らない。この後、温度Ｔがさらに低下して水の凝固点Ｔｆ以下になると、吸水材１２に吸収されなかった水１６が容器１１に残っている場合には、図２（ｄ）に示すように、残った水１６が凍結して固体状態の水１６’となる。
【００３７】
本実施形態における吸水材１２の吸排水特性は可逆的であり、温度Ｔが感温点ｔ0以下に低下した後、再び上昇して感温点ｔ0より高い温度になると、吸水材１２に吸収された水が放出されて、図２（ａ）に示す状態に戻る。
【００３８】
本実施形態によると、温度Ｔが水１６の凍結する温度Ｔｆより高いときに、吸水材１２が容器１１内の水１６を吸収する結果、容器１１は水１６の凍結による応力を受け難くなり、容器１１の破損を防止できるという効果が得られる。以下、この効果を、従来の水タンクと比較して詳しく説明する。
【００３９】
図３（ａ）および（ｂ）は、従来の水タンクを示す模式図であり、それぞれ、容器内の雰囲気の温度Ｔが水の凝固点Ｔｆより高い場合および凝固点以下の場合の水タンクの断面を示している。図３に示す水タンクは、容器内に吸水材を有していない点以外は、図２に示す水タンク２００と同様の構成を有している。簡単のため、水タンク２００と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、従来の水タンクには、図２に示す水タンク２００と同量の水１６が貯えられているものとする。従来の水タンクでは、温度Ｔが水１６の凝固点Ｔｆ以下になると、図３（ｂ）に示すように、容器１１内の水１６が凍結して、水１６よりも体積の大きい固体状態の水１６’となる。このとき、容器１１の底面および側壁のうち固体状態の水１６’と接する部分には、矢印３０で示すような応力が生じ、容器１１の破損の要因となる。
【００４１】
一方、本実施形態の水タンク２００では、図２（ｄ）に示すように、吸水材１２に吸収されなかった水１６が凍結して固体状態の水１６’となり、容器１１の壁面に対して矢印３１に示すような応力が生じるが、固体状態の水１６’の量が吸水材１２によって大幅に低減されているので、容器１１全体にかかる応力は、図３に示す従来の水タンクと比べて極めて小さい。また、水１６の略全量が吸水材１２に吸収される場合には、固体状態の水１６’と容器１１の壁面とが接触しないので、水１６の凍結に起因して容器１１にかかる応力をより効果的に低減できる。従って、水１６の凍結による容器１１の破損を抑制することができる。
【００４２】
なお、特許文献１に提案されているように、水タンクの水を外部へ移して水タンクを空にすることによって、凍結による水タンクの破損を防止することもできる。しかしながら、この方法によると、水タンクを再使用する際に水タンクに水を戻す必要があり、水張りに時間がかかるという問題がある。また、水タンクから水を取り出してザブタンクに回収し、サブタンクを例えば室内などの水が凍結しない場所で保管し、さらにはその水を水タンクに戻す作業が必要となり煩雑である。これに対し、本実施形態の水タンク２００では、温度Ｔが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出するため、容器１１に迅速に水１６を張ることができるので、例えば燃料電池発電システムなどの機器に適用しても、それらの機器の再起動に要する時間を大幅に短縮できる。さらに、水１６の取り出しや他の容器で保存する作業を省略できるので、利便性も高い。
【００４３】
本実施形態における吸水材１２として、温度を感知して吸水状態と排水状態とを切り換える機能を有するポリｎ−イソプロピルアクリルアミドゲル等で代表される各種感温性ゲルを利用でき、例えば（株）興人製のサーモゲルTM（（株）興人の登録商標）を用いてもよい。吸水材１２の感温点ｔ0は、水タンク２００の用途や使用環境などに応じて設定されればよいが、好ましくは０℃以上３０℃以下である。水１６が不純物を含んでいると、その凝固点Ｔｆは純粋な水の凝固点よりも低いため（凝固点降下）、感温点ｔ0が０°以上であれば、水１６の凝固点Ｔｆよりも高くなり、凍結してしまう前に吸水材１２で水１６を吸収できるからである。一方、感温点ｔ0が３０℃より高いと、例えば容器１１の水１６を冷却水として使用しようとしたときに、水１６が吸水材１２に吸収されていて容器１１の外部に迅速に取り出せないおそれがあるからである。なお、感温点ｔ0は、吸水材１２の材料、成分比、調整方法などにより適宜設定される。例えば特開平７−２２４１１９号公報には、所望の感温点ｔ0を有する感温性吸排水樹脂の調整方法が開示されている。
【００４４】
本実施形態の水タンク２００は、吸水材１２を保持（充填）するためのケースを備えていてもよい。吸水材１２として感温性ゲルを用いる場合、ケースは、例えば吸水材１２を通さず、かつ、水を通過させるようなメッシュ状の容器や袋であってもよい。また、吸水材１２を保持するためのケースは、水１６の凝固点Ｔｆにおいて、容器１１の側壁と接触しないように構成されていることが好ましい。このような構成によると、水１６を吸収した吸水材１２と容器１１の側壁との間に間隙を確保できるため、容器１１は吸水材１２の膨張による応力を受けないので、容器１１の破損をより確実に防止できる。
【００４５】
図４および図５は、吸水材１２のケースの形状を例示する断面図であり、図４（ａ）および図５（ａ）は吸水材１２が排水状態のとき、図４（ｂ）および図５（ｂ）は吸水材１２が吸水状態のときのケースの形状を示している。簡単のため水タンク２００と同様の参照符号には同じ参照符号を付して説明を省略する。図４（ａ）に示す例では、吸水材１２のケース１７は、容器１１の底面の中央部から上面に向かって延びる円柱または角柱形状を有している。ケース１７は、図４（ｂ）に示すように、吸水材１２が水１６を吸収して膨張しても、吸水材１２を側壁から十分な間隔を空けて保持するように設計されていることが好ましい。また、図５（ａ）に示す例では、吸水材１２のケース１８は、容器１１の上面から容器１１の中央部に吊り下げられている。ケース１８は、図５（ｂ）に示すように、吸水材１２が水１６を吸収して膨張する際に、吸水材１２を側壁から十分な間隔を空けて保持するとともに、吸水材１２の一部が容器１１の底面に接するように設計されていることが好ましい。吸水材１２の一部が容器１１の底面に接していると、吸収されずに容器１１の底部に残ってしまう水１６の量を低減できるからである。
【００４６】
また、ケース１７、１８は、水１６を吸収した吸水材１２が容器１１の側壁方向よりも鉛直方向に膨張するように構成されていることが好ましく（膨張規制機能）、これにより、吸水材１２が吸水によって膨張しても、吸水材１２と容器１１の側壁との接触を防止でき、または、接触する場合でもその接触面積を小さく抑えることができるので、吸水材１２の膨張によって容器１１にかかる応力を効果的に低減できる。例えば、ケース１７、１８は、図４および図５に示すように、吸水材１２の側面を包囲し、かつ、吸水材１２が鉛直方向に膨張可能な空間を有するような形状を有していてもよい。
【００４７】
ケース１７、１８が、上述した膨張規制機能を有していなくても、ケース１７、１８と容器１１との間に、側壁方向への吸水材１２の膨張を抑制するための膨張規制部材を設けることにより、上記と同様の効果を得ることができる。このような膨張規制部材の一例を図６（ａ）および（ｂ）に示す。図６（ａ）は、水タンクの底面に垂直な断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＶＩｂ−ＶＩｂ’線に沿った断面図である。図示する例では、膨張抑制部材１９は、メッシュ状であり、吸水材１２と容器１１の側面との間に、吸水材１２の側面を包囲するように配置されている。膨張抑制部材１９の形状は特に限定されず、例えば吸水材１２と容器１１の側面との間に配置された複数の柱であってもよい。なお、ケース１７、１８が膨張規制機能を有する場合でも、膨張抑制部材１９をさらに設けて、水タンクに二重の膨張抑制機能を付与することもできる。
【００４８】
水タンク２００は、吸水材１２を感温点ｔ0よりも高い温度まで加熱するための加熱器を備えていてもよい。これにより、温度Ｔが感温点ｔ0以下の場合でも、吸水材１２を急速に昇温できるため、迅速に吸水材１２から排水させて、容器１１の水張りを行うことができる。なお、加熱時に吸水材１２を押圧する押圧部材をさらに備えていてもよく、これにより、吸水材１２から水が押し出されるので、吸水材１２からの排水速度をより高めることが可能になる。
【００４９】
本実施形態の水タンク２００は、燃料電池やエンジンなどの発熱器を冷却する冷却装置に好適に適用され得る。そのような冷却装置は、水タンク２００と、水タンク２００から水１６を取り出し、発熱器と熱交換し得るように水１６を導く水経路とを備える。このような構成により、水タンク２００に水１６を貯えたままの状態で、水１６の凍結による水タンク２００の破損を防止できる。また、発熱器を長期間動作させずに放置しておくときにも、水タンク２００に貯えられた水１６を他のタンクへ移したり、発熱器の再起動時に容器１１に水１６を戻す必要がない。従って、発熱器の再起動時に水張りに要する時間を短縮できる。
【００５０】
上記冷却装置を燃料電池発電システムに適用する場合、吸水材１２の感温点ｔ0が燃料電池の運転温度よりも低く設定されていることが好ましい。これにより、燃料電池を運転しているときには吸水材１２は排水状態となるので、容器１１により確実に水１６が保持される。また、燃料電池には常に冷却水を供給でき、燃料電池の冷却と排熱回収を迅速に行うことができる。
【００５１】
ここで、図７（ａ）〜（ｆ）を参照しながら、本実施形態における吸水状態の吸水材１２の好ましい形態について検討したので説明する。図７（ａ）は、吸水材１２が排水状態のときの水タンクを示す断面図である。図７（ｂ）〜（ｆ）は、吸水材１２が吸水状態のときの水タンクの種々の形態を例示する断面図である。
【００５２】
図７（ｂ）〜（ｆ）からわかるように、吸水材１２が吸水状態になると、吸水材１２は容器１１内の水１６を吸収して膨張する。容器１１内に水１６の一部が吸収されずに残ると、残された水１６の中に存在する吸水材１２の体積によって、水１６の水面が上昇する。このとき、図７（ｂ）に示すように、水１６の凝固点Ｔｆにおいて、吸水材１２の全体が水１６に浸漬してしまうと、吸水材１２を設けない従来の水タンクよりも水面が高くなってしまう。ここでいう「従来の水タンクの水面」とは、図７に示す容器１１と同じ容器に同量の水を入れて、吸水材１２を入れない場合の水面をいう。水の凝固点Ｔｆにおいて、容器１１の水面が従来の水タンクの水面よりも高くなってしまうと、固体状態の水１６と容器１１の壁面との接触面積が従来よりも大きくなるため、容器の破損防止効果を十分に発揮できなくなるおそれがある。従って、吸水材１２は、図７（ｃ）〜（ｆ）に示すように、水１６の凝固点Ｔｆにおいて、少なくとも一部が容器１１内の水中に存在しないように、すなわち、少なくとも一部が容器１１の雰囲気ガスに曝されるように構成されることが好ましい。
【００５３】
また、図７（ｃ）に示すように、水１６の凝固点Ｔｆにおいて、容器１１に吸水材１２に吸収されなかった水（体積：ｖ１）１６が残り、吸水材１２の一部１２ｂが雰囲気ガスに曝されるとき、吸水材１２のうち容器１１の水中に存在する部分１２ａの体積ｖ３は、吸水材１２によって吸収された水１６の体積ｖ２よりも小さくなるように吸水材１２が構成されていると（ｖ３＜ｖ２）、より有利である。この理由は以下の通りである。
【００５４】
図８は、図７（ｃ）に示す容器１１と同じサイズの容器３３を有し、かつ、吸水材１２を備えていない従来の水タンクを示す断面図である。図８に示す従来の水タンクと、図７（ｃ）に例示する水タンクとを比較すると、図７（ｃ）に例示する水タンクでは、吸水材１２のうち容器１１の水中に存在する部分１２ａの体積ｖ３が吸水材１２によって吸収された水１６の体積ｖ２よりも小さいので（ｖ３＜ｖ２）、水１６の水面の高さｈは、図８に示す従来の水タンクの容器３３に水（体積：ｖ１＋ｖ２）３５を入れたときの高さｈｃよりも小さくなる（ｈ＜ｈｃ）。よって、水１６と容器１１の壁面との接触面積を従来よりも小さくすることが可能になり、水１６の凍結による容器１１の破損をより確実に抑制できる。
【００５５】
さらに、図７（ｃ）に示す例では、吸水材１２のうち雰囲気ガスに曝されている部分１２ｂが容器１１の側壁と接しないように構成されている。この構成によって、吸水材１２の膨張によって容器１１に応力がかかることを防止できるので、より効果的に容器１１の破損を抑制できる。
【００５６】
一方、図７（ｄ）に示すように、吸水によって膨張した吸水材１２のうち雰囲気ガスに曝されている部分１２ｂが容器１１の側壁に接触する場合もある。このような場合、水１６の凝固点Ｔｆにおいて、吸水材１２のうち雰囲気ガスに曝されている部分１２ｂと容器１１の側壁との接触面積Ｓ12と、水１６と容器１１の側壁との接触面積Ｓ16との和Ｓ（Ｓ＝Ｓ12＋Ｓ16）は、図８に示すような吸水材を備えていない従来の水タンクにおける水３５と容器３３との接触面積Ｓｃよりも小さい（Ｓ＜Ｓｃ）ことが好ましい。これにより、吸水材１２が膨張して容器１１の側壁に接する場合であっても、従来よりも水１６の凍結による容器１１の破損を抑制できる。
【００５７】
また、図７（ｅ）および（ｆ）に示すように、水１６の凝固点Ｔｆにおいて、容器１１の水１６の略全量が吸水材１２に吸収され、かつ、吸水材１２が容器１１の側面と接しないように構成されていると、凍結による容器１１の破損を最も効果的に防止できる。
【００５８】
なお、図７を参照しながら上述した吸水状態の吸水材１２の形態は、例えば吸水材１２の量、吸水材１２の体積当たりの吸水率、容器１１の側壁方向における吸水材１２の幅、容器１１のサイズ（底面積）、容器１１に貯える水１６の量などを適宜選択することにより調整できる。
【００５９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための実施形態をより具体的に説明する。
【００６０】
（第１の実施形態）
図９（ａ）および（ｂ）は、本発明による水タンクの第１の実施形態を示す模式的な断面図であり、図９（ａ）は吸水材が排水状態のとき（吸水材の温度Ｔａ≧感温点ｔ0）、図９（ｂ）は吸水材が吸水状態のとき（吸水材の温度Ｔａ≦感温点ｔ0）をそれぞれ示している。
【００６１】
水タンク３００は、容器１１と、容器１１の内部に配置された吸水材１２と、容器１１から水を取り出すための出水口１４ａと、容器１１に水を供給するための入水口（図示せず）とを有している。吸水材１２は、前述したサーモゲルTMを含んでいる。また、容器１１の底面には、吸水材１２を加熱するための加熱器１３が設けられている。
【００６２】
容器１１には水１６が貯えられており、図９（ａ）に示すように、容器１１の吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２は排水状態となるので、容器１１の内部は水１６で充填される。また、図９（ｂ）に示すように、温度Ｔａが感温点ｔ0以下になると、吸水材１２は水１６を吸水状態となるので、容器１１の内部に存在する水１６は吸水材１２に保持される。吸水材１２は吸水によって膨張するが、水の凝固点Ｔｆにおいて、吸水材１２の外表面と容器１１の側壁との間に間隙１５が確保されていると、水１６の凍結による容器１１の破損をより効果的に防止できるので好ましい。なお、この例では、容器１１に貯えられている水１６の略全量が吸水材１２によって吸収されているが、一部の水１６が吸収されずに残ってもよい。
【００６３】
本実施形態では、吸水材１２が吸水状態のときに水１６を再使用しようとすると、加熱器１３を作動させて吸水状態の吸水材１２を感温点ｔ0以上まで強制的に加熱し、吸水材１２が保持している水１６を強制的に排水させることができる。これにより、容器１１の水１６を出水口１４ａから外部に取出し、燃料電池など発電器の冷却に用いることが可能になる。
【００６４】
本実施形態における容器１１の材料は特に限定されるものではなく、ステンレス等の各種金属、あるいはポリプロピレン等の各種樹脂であってもよい。容器１１のサイズや形状は特に限定しないが、例えば出力が１ｋＷの燃料電池の冷却水タンクとして使用しようとすると、数リットルの水１６を貯えるようなサイズに設定されていることが好ましい。この場合には、吸水材１２として、例えば５０ｇ程度のサーモゲルTMを用いることができる。
【００６５】
本実施形態における吸水材１２の感温点ｔ0は、水１６の凝固点Ｔｆよりも高ければよく、水タンク３００を適用する冷却装置や機器の仕様に応じて変わるが、好ましくは０℃以上３０℃以下の範囲内で適宜調整される。水１６が不純物を含んでいると、その凝固点Ｔｆは純粋な水の凝固点よりも低いため（凝固点降下）、感温点ｔ0が０℃以上であれば、凝固点降下を考慮すると、より確実に感温点ｔ0を水１６の凝固点Ｔｆよりも高くできるからである。また、水タンク３００を冷却装置に適用する場合、感温点ｔ0が高すぎると（例えば３０℃以上）、冷却装置を作動させる際に、吸水材１２が吸水状態となっている可能性があるからである。なお、その場合でも、吸水材１２を加熱して排水状態に切り換えることにより、容器１１から水（冷却水）１６を取り出すことができる。
【００６６】
本実施形態によると、容器１１に貯えられる水１６が凍結する状態では、吸水材１２は容器１１内部の水１６を吸収し、かつ、水１６を吸収した吸水材１２は容器１１の側壁との間に間隙を保って保持されるので、容器１１の破損を防止できる。また、容器１１に貯えられる水１６が凍結しない状態において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出する結果、容器１１に自動的かつ迅速に水１６を張ることができる。さらに、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0より低い場合であっても、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上まで加熱し、吸水材１２を排水状態に切り換えることにより、容器１１に迅速に水１６を張ることができる。
【００６７】
本実施形態の水タンクの構成は図９に示す構成に限定されない。図１０は、本実施形態の水タンクの他の構成を模式的に示す斜視図である。図１０に示すように、吸水材１２を収容したメッシュ状のケース１８を、容器１１の上面から容器１１の側壁および底面に接しないように吊るして固定された構成であってもよい。この場合、吸水材１２を加熱するための加熱器１３は、容器１１の上面から吊るして吸水材１２の内部に配置してもよい。
【００６８】
（第２の実施形態）
本発明による第２の実施形態は、図９を参照しながら前述した水タンク３００を備えた冷却装置である。
【００６９】
図１１（ａ）は、本実施形態の冷却装置の模式的な構成図である。簡単のため、水タンク３００と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００７０】
図１１（ａ）に示すように、冷却装置４００は、水タンク３００、水タンク３００の出水口１４ａに取り付けられ、水タンク３００に貯えられた冷却水（以下、単に「水」という）１６を発熱器２４と熱交換し得るように導く送水配管２２、および、水１６を容器１１から取り出し、送水配管２２を通過させるための送水手段（送水ポンプなど）２３を備えている。容器１１から取り出された水１６は、送水配管２２を介して発熱器２４と熱交換し、温水となる。一方、発熱器２４は水１６によって冷却される。
【００７１】
なお、本明細書において、水１６と発熱器２４との熱交換は、水１６を発熱器２４と接触させる直接的な熱交換と、熱交換器を介する間接的な熱交換とを含む。直接的な熱交換の場合、例えば、送水配管２２の少なくとも一部は、送水配管２２を流れる水１６が発熱器２４と接するように構成されていてもよく、これにより、水１６と発熱器２４との直接的な熱交換を行うことができる。間接的な熱交換の場合、例えば、冷却装置４００の送水配管２２を流れる水１６が、発熱器２４を冷却する冷却媒体が流れる冷却経路（図示せず）内の発熱器２４を通過後の冷却媒体と熱交換器（図示せず）を介して熱交換するように構成されていてもよく、これにより、水１６と発熱器２４とを間接的に熱交換させることができる。
【００７２】
水１６と発熱器２４との間接的な熱交換を行う場合、上記熱交換器（図示せず）と熱交換した後の温水は貯湯タンクに回収されてもよいし、床暖房などの熱利用機器に利用されてもよい。また、熱交換後の温水を容器１１に戻し、容器１１を貯湯タンクとして機能させることも可能である。
【００７３】
本実施形態の冷却装置の構成は、図１１（ａ）に示す冷却装置４００の構成に限定されない。
【００７４】
図１１（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の冷却装置の他の構成を示す模式的な構成図である。図１１（ｂ）に示す冷却装置５００では、容器１１を発熱器２４よりも高い位置に設置しており、容器１１に貯えられた水１６は自然落下して発熱器２４の冷却経路（図示せず）を通過する。従って、図１１（ａ）に示す冷却装置４００と比べて、水１６を容器１１から取り出して送水配管２２を通過させるための送水手段を削減できるので有利である。
【００７５】
また、図１１（ａ）に示す冷却装置４００では、容器１１に貯えられた水１６を容器１１から発熱器２４に向かって一方向に送るように構成されているが、代わりに、図１１（ｃ）に示すように、送水手段２３を用いて、容器１１と発熱器２４の冷却経路との間で水１６を循環させることもできる。具体的には、容器１１に設けられた出水口１４ａから取り出された水１６は、送水配管２２を通過して発熱器２４の内部の冷却経路に送られ、ここで、発熱器２４と熱交換を行う。熱交換された後の水（温水）１６は容器１１の入水口１４ｂに戻される。この場合、容器１１の内部の水温が徐々に上昇することを避けるために、放熱器として容器１１を冷却する冷却ファン２５を設けることが好ましい。なお、冷却ファン２５は、発熱器２４（または、発熱器２４を通過後の冷却媒体）との熱交換後の水１６が容器１１に戻るまでの経路中に設けても構わない。
【００７６】
本実施形態によると、容器１１に貯えられる水１６が凍結する状態では、吸水材１２は容器１１内部の水１６を吸収し、かつ、水１６を吸収した吸水材１２は容器１１の側壁との間に間隙を保って保持されるので、容器１１の破損を防止できる。また、容器１１に貯えられる水１６が凍結しない状態において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出する結果、容器１１に自動的かつ迅速に水１６を張ることができる。さらに、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0より低い場合であっても、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上まで加熱し、吸水材１２を排水状態に切り換えることにより、容器１１に迅速に水１６を張ることができる。従って、発熱器２４の冷却を迅速かつ容易に行うことができ、信頼性および利便性に優れた冷却装置を実現できる。また、特許文献１のようにサブタンクを設ける必要がないので、冷却装置の小型化を図ることができる。
【００７７】
（第３の実施形態）
本発明による第３の実施形態は、図１１（ｃ）を参照しながら前述した冷却装置６００を備えた排熱回収装置である。
【００７８】
図１２（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の排熱回収装置を例示する模式的な構成図である。簡単のため、冷却装置６００と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００７９】
図１２（ａ）に示す排熱回収装置７００は、冷却装置６００と、発熱器２４と、冷却装置６００の容器１１内の水を容器１１と発熱器２４との間で循環させるように構成された水経路２９と、水経路２９に設けられた熱交換器２８と、熱交換器２８によって回収した熱を蓄える蓄熱槽２６とを備えている。また、排熱回収装置７００は、蓄熱槽２６内の熱媒体を風呂などの熱利用機器２７に供給し得るように構成されている。
【００８０】
排熱回収装置７００では、容器１１内の水は、水経路２９に配置された送水手段２３を利用して、冷却水として発熱器２４に供給される。発熱器２４は冷却水によって冷却され、一定温度に保持される。一方、発熱器２４に供給された水は、発熱器２４と直接的または間接的に熱交換を行って加熱されて温水となり、熱交換器２８を経て容器１１に戻される。蓄熱槽２６には、熱交換器２８によって、水経路２９を通過する温水から熱回収した熱媒体（例えば水）が貯えられる。蓄熱槽２６の熱媒体は熱利用機器（例えば風呂）２７に供給され、これにより、蓄熱槽２６で蓄えられた熱を熱利用機器２７で利用することができる。
【００８１】
図１２（ｂ）に示す排熱回収装置８００は、熱回収した熱媒体を床暖房などの熱利用機器２７に供給し得るように構成されており、蓄熱槽２６を有していない点で、上述した排熱回収装置７００と異なっている。簡単のため、蓄熱回収装置７００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００８２】
排熱回収装置８００では、発熱器２４と熱交換を行った後の温水の熱は、水経路２９に設けられた熱交換器２８によって熱媒体（例えば水）に回収される。熱回収した熱媒体は、床暖房などの熱利用機器２７に供給される。なお、熱利用機器２７を通過した後の熱媒体は、熱交換器２８によって再度加温されて熱利用機器２７に戻される。このようにして、発熱器２４と熱交換を行った後の温水の熱を熱利用機器２７で利用することができる。
【００８３】
なお、排熱回収装置７００および８００で用いる冷却装置は、図１１（ｃ）に示すような冷却装置６００に限定されない。例えば、図１１（ａ）を参照して説明したように、容器１１と熱交換器２４との間で水を循環させる構成を有していなくてもよい。また、図１１（ｂ）を参照して説明したように、容器１１を熱交換器２４より高い位置に設置し、容器１１に貯えられた水が容器１１から自然落下して熱交換器２４の冷却経路を通過する構成を有していてもよい。
【００８４】
本実施形態によると、容器１１に貯えられる水が凍結する状態では、吸水材１２は容器１１内部の水を吸収し、かつ、水を吸収した吸水材１２は容器１１の側壁との間に間隙を保って保持されるので、容器１１の破損を防止できる。また、容器１１に貯えられる水が凍結しない状態において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出する結果、容器１１に自動的かつ迅速に水１６を張ることができる。さらに、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0より低い場合であっても、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上まで加熱し、吸水材１２を排水状態に切り換えることにより、容器１１に迅速に水１６を張ることができる。従って、信頼性および利便性に優れ、発熱器２４の冷却を迅速かつ容易に行うことができ、かつ、安定した排熱回収を実現し得る排熱回収装置を提供できる。また、特許文献１のようにサブタンクを設ける必要がなく、排熱回収装置の小型化も図ることができる。
【００８５】
（第４の実施形態）
本発明による第４の実施形態は、図１１（ｃ）を参照しながら前述した冷却装置６００を備えた排熱回収装置であるが、発熱器が熱交換器であり、また、冷却装置６００の容器１１を蓄熱槽として利用する点で第３の実施形態の排熱回収装置７００、８００と異なっている。
【００８６】
図１３は、本実施形態の排熱回収装置の模式的な構成図である。簡単のため、冷却装置６００と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００８７】
排熱回収装置９００は、冷却装置６００と、熱交換器４１とを備えている。熱交換器４１は、冷却装置６００における送水配管２２に接続されており、送水手段２３を利用して、冷却装置６００の容器１１に貯えられた水（冷却水）が送水配管２２を経て熱交換器４１に供給される。熱交換器４１はこの冷却水によって冷却され、一定温度に保持される。一方、熱交換器４１に供給された水は、熱交換器４１との熱交換によって加熱されて温水となり、容器１１に貯えられる。従って、容器１１内の水の温度は、排熱回収装置９００を動作させる前の容器１１内の水よりも高くなり、容器１１自体が蓄熱槽として機能する。図示しないが、排熱回収装置９００は、例えば容器１１内の温水を熱利用機器に供給可能に構成されていてもよく、これにより、容器１１で蓄えられた熱を熱利用機器で利用することができる。
【００８８】
なお、本実施形態で用いる冷却装置は、図１１（ｃ）に示すような冷却装置６００に限定されない。例えば、図１１（ａ）を参照して説明したように、容器１１と熱交換器２４との間で水を循環させる構成を有していなくてもよい。また、図１１（ｂ）を参照して説明したように、容器１１を熱交換器２４より高い位置に設置し、容器１１に貯えられた水が容器１１から自然落下して熱交換器２４の冷却経路を通過する構成を有していてもよい。
【００８９】
本実施形態によると、容器１１に貯えられる水が凍結する状態では、吸水材１２は容器１１内部の水を吸収し、かつ、水を吸収した吸水材１２は容器１１の側壁との間に間隙を保って保持されるので、容器１１の破損を防止できる。また、容器１１に貯えられる水が凍結しない状態において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出する結果、容器１１に自動的かつ迅速に水１６を張ることができる。さらに、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0より低い場合であっても、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上まで加熱し、吸水材１２を排水状態に切り換えることにより、容器１１に迅速に水１６を張ることができる。従って、信頼性および利便性に優れ、発熱器２４の冷却を迅速かつ容易に行うことができ、かつ、安定した排熱回収を実現し得る排熱回収装置を提供できる。また、特許文献１のようにサブタンクを設ける必要がなく、排熱回収装置の小型化も図ることができる。
【００９０】
（第５の実施形態）
本発明による第５の実施形態は、図１１（ｃ）を参照しながら前述した冷却装置６００を備えた自動車であり、冷却装置６００によって発熱器であるエンジンの冷却を行う。
【００９１】
図１４は、本実施形態におけるエンジンおよびその冷却装置を模式的に示す構成図である。簡単のため、図１１（ｃ）に示す冷却装置６００と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００９２】
本実施形態の自動車は、エンジン５１と、エンジン５１を冷却するラジエターとしての冷却装置６００とを備えている。エンジン５１は、外部から供給される燃料ガスおよび空気により起動する。また、エンジン５１には、冷却装置６００の送水配管２２が接続されており、送水手段２３を利用して、容器１１に貯えられた水が冷却水としてエンジン５１に供給される。エンジン５１に供給された水は、エンジン５１の内部の冷却配管（図示せず）を通過して流れる。これにより、エンジン５１が冷却されるとともに、水はエンジン５１で発生する熱によって加温されて温水となり、容器１１に戻る。このとき、容器１１は温水によって温度が高くなってしまうので、放熱器としての冷却ファン２５によって空冷されることが好ましい。なお、冷却ファン２５は、エンジン５１（または、エンジン５１を通過後の冷却媒体）との熱交換後の水が容器１１に戻るまでの経路中に設けても構わない。また、上記放熱器として、エンジン５１との熱交換後の水と熱交換する熱交換器を設けるとともに、図１２（ａ）や図１２（ｂ）に示すように、その熱交換器により加熱された熱媒体を貯える蓄熱槽を設けたり、床暖房等の熱利用機器に供給可能なように構成しても構わない。
【００９３】
本実施形態によると、容器１１に貯えられる水が凍結する状態では、吸水材１２は容器１１内部の水を吸収し、かつ、水を吸収した吸水材１２は容器１１の側壁との間に間隙を保って保持されるので、容器１１の破損を防止できる。また、容器１１に貯えられる水が凍結しない状態において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出する結果、容器１１に自動的かつ迅速に水１６を張ることができる。さらに、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0より低い場合であっても、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上まで加熱し、吸水材１２を排水状態に切り換えることにより、容器１１に迅速に水１６を張ることができる。従って、従来のように不凍液を用いることなく、容器１１の破損を防止でき、安定した自動車の運転が可能になる。また、前述の実施形態と同様に、信頼性および利便性に優れ、エンジン５１の冷却を迅速かつ容易に行うことができ、かつ、自動車の運転を安定して継続することができる。
【００９４】
（第６の実施形態）
本発明による第６の実施形態は、図１１（ｃ）を参照しながら前述した冷却装置６００を備えた燃料電池発電システムであり、冷却装置６００によって発熱器である燃料電池の冷却を行う。
【００９５】
図１５は、本実施形態における燃料電池およびその冷却装置を模式的に示す構成図である。簡単のため、図１１（ｃ）に示す冷却装置６００と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００９６】
本実施形態の燃料電池発電システムは、発熱器としての燃料電池６１と、燃料電池６１を冷却するための冷却装置６００とを備えている。燃料電池６１は、外部から供給される水素および空気により発電を行う。また、燃料電池６１には冷却装置６００の送水配管２２が接続され、送水手段２３を利用して容器１１の内部に貯えた水が冷却水として供給される。燃料電池６１は、この冷却水によって冷却されて一定温度に保持される。一方、燃料電池６１に供給された水は、燃料電池６１の内部に設けられた冷却配管（図示せず）を通過して燃料電池６１を冷却するとともに、発電の結果として発生する熱によって加温されて温水となり、容器１１に戻される。このとき、容器１１は温水によって温度が高くなってしまうので、放熱器としての冷却ファン２５によって空冷されることが好ましい。なお、冷却ファン２５は、燃料電池６１（または、燃料電池６１を通過後の冷却媒体）との熱交換後の水が容器１１に戻るまでの経路中に設けても構わない。また、上記放熱器として、燃料電池６１との熱交換後の水と熱交換する熱交換器を設けるとともに、図１２（ａ）や図１２（ｂ）に示すように、その熱交換器により加熱された熱媒体を貯える蓄熱槽を設けたり、床暖房等の熱利用機器に供給可能なように構成しても構わない。
【００９７】
燃料電池６１の運転時の温度は７０℃である。また、吸水材１２の感温点ｔ0は、燃料電池６１の運転時の温度よりも十分に低く、例えば３０℃である。この燃料電池発電システムでは、燃料電池６１の運転時には、吸水材１２が排水状態となるため、容器１１に確実に水が充満されている。従って、燃料電池６１の冷却及び排熱回収を確実に行うことができる。また、燃料電池６１の起動時において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以下であれば、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上の温度まで急速に加熱することができる。その結果、吸水材１２から水が放出され、容器１１の水張りが迅速に行われる。このように、燃料電池６１の冷却と排熱回収を迅速に行うことが可能になる。
【００９８】
なお、本実施形態の燃料電池発電システムは、冷却装置６００を用いる点以外は、図１６を参照しながら前述した従来の燃料電池発電システムと同様の構成を有していてもよい。
【００９９】
また、燃料電池６１の運転温度と吸水材１２の感温点ｔ0は上述した温度に限定されないが、吸水材１２の感温点ｔ0が燃料電池６１の運転温度よりも低いことが好ましく、これにより、上述したような効果が得られる。
【０１００】
本実施形態で用いる冷却装置は、図１１（ｃ）に示すような冷却装置６００に限定されない。例えば、図１１（ａ）を参照して説明したように、容器１１と熱交換器２４との間で水を循環させる構成を有していなくてもよい。あるいは、図１１（ｂ）を参照して説明したように、容器１１を熱交換器２４より高い位置に設置し、容器１１に貯えられた水が容器１１から自然落下して熱交換器２４の冷却経路を通過する構成を有していてもよい。
【０１０１】
本実施形態によると、容器１１に貯えられる水が凍結する状態では、吸水材１２は容器１１内部の水を吸収し、かつ、水を吸収した吸水材１２は容器１１の側壁との間に間隙を保って保持されるので、容器１１の破損を防止できる。また、容器１１に貯えられる水が凍結しない状態において、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0以上になると、吸水材１２が水１６を放出する結果、容器１１に自動的かつ迅速に水１６を張ることができる。さらに、吸水材１２の温度Ｔａが感温点ｔ0より低い場合であっても、加熱器１３を用いて吸水材１２を感温点ｔ0以上まで加熱し、吸水材１２を排水状態に切り換えることにより、容器１１に迅速に水１６を張ることができる。従って、信頼性および利便性に優れ、燃料電池６１の冷却を迅速かつ容易に行うことができ、かつ、安定した排熱回収を行うことができる燃料電池発電システムを提供できる。
【０１０２】
本発明による水タンク、冷却装置、排熱回収装置、自動車および燃料電池発電システムは、上述した実施形態に限られるものでない。例えば、吸水材の種類や量、吸水材の配置、容器の形状やサイズ、容器に設けられる入水口や出水口の位置、加熱器の形状、加熱器や送水配管の位置などの構成も上記実施形態で説明した構成に限定されず、任意に選択される。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、水洗トイレ用の水タンク等の各種水タンク、廃棄物処理システムや各種コージェネレーションシステムなど水を冷媒とし発熱体を冷却する各種冷却装置、及び排熱回収装置に広く適用できる。特に、水タンクに貯蔵された水が凍結する可能性のある環境下（屋外など）に設置される冷却装置や機器（例えば燃料電池発電システムや自動車）に適用すると、水タンクから水を取り出すなどの煩雑な作業を行うことなく、水タンクに貯蔵された水の凍結に起因する水タンクの破損を防止でき、かつ、燃料電池やエンジンなどの発熱器の冷却を迅速かつ容易に行うことができるので有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明で使用する吸水材の吸排水特性の一例を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明による実施形態の水タンクを説明するための模式図であり、（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、吸水材が排水状態のときの水タンクの底面に垂直な断面図および水タンクの底面に平行な断面図、（ｃ）は吸水材が吸水状態のときの水タンクの断面図、（ｄ）は容器内の雰囲気温度Ｔが水の凝固点Ｔｆ以下のときの水タンクの断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、従来の水タンクを示す模式図であり、それぞれ、容器内の雰囲気の温度Ｔが水の凝固点Ｔｆより低いとき、および、凝固点より高いときの水タンクの断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、吸水材が排水状態のとき、および、吸水材が吸水状態のときのケースの形状を説明するための断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、吸水材が排水状態のとき、および、吸水材が吸水状態のときのケースの形状を説明するための断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の水タンクの他の構成を示す模式図であり、（ａ）は水タンクの底面に垂直な断面図、（ｂ）は水タンクの底面に平行な断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｆ）は、本発明における吸水材の好ましい形態について検討した結果を説明するための模式図であり、（ａ）は、吸水材が排水状態のときの水タンクを示す断面図、（ｂ）〜（ｆ）は、吸水材が吸水状態のときの水タンクの種々の形態を例示する断面図である。
【図８】水の凝固点Ｔｆにおける従来の水タンクを示す断面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、本発明による第１の実施形態の水タンクを示す模式図であり、それぞれ、吸水材が排水状態のとき、および、吸水材が吸水状態のときの断面図である。
【図１０】本発明による第１の実施形態の水タンクの他の構成を示す斜視図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明による第２の実施形態の冷却装置を例示する構成図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、本発明による第３の実施形態の排熱回収装置を例示する構成図である。
【図１３】本発明による第４の実施形態の排熱回収装置の構成図である。
【図１４】本発明による第５の実施形態におけるエンジンおよびその冷却装置の構成図である。
【図１５】本発明による第６の実施形態における燃料電池およびその冷却装置の構成図である。
【図１６】従来の燃料電池発電システムの構成図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１              容器
１２              吸水材
１３              加熱器
１４ａ            出水口
１４ｂ            入水口
１５              間隙
１６              水
１７、１８        ケース
１９              膨張規制部材
２００、３００    水タンク
４００、５００、６００        冷却装置
２２              送水配管
２３              送水手段
２４              発熱器
２５              冷却ファン
２６              蓄熱槽
２７              熱利用機器
２８              熱交換器
２９              水経路
３１              発熱器
４１              熱交換器
５１              エンジン
５２              冷却ファン
６１              燃料電池
７１              燃料電池
７２              空気供給手段
７３              水素生成装置
７４、７１４      熱交換器
７５              水浄化装置
７６              冷却水タンク
７７              回収水タンク
７８              サブタンク
７９、７１０、７１１、７１２、７１３        送水手段
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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