JP2004103339A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】解凍性能を向上し、寒冷地でも円滑に始動可能とする。また、解凍機構の小型化を図り、その損傷を防止する。
【解決手段】燃料電池を加湿するための水を貯蔵する水貯蔵部（貯水タンク３３）に、温媒流路に供給される温媒によって加熱される伝熱面を設ける。このとき、伝熱面によって囲まれる水面の面積が水位の上昇とともに次第に増加するように、伝熱面に傾斜を持たせる。温媒流路の温媒には、燃料電池の冷却媒体である不凍液を熱交換器４３で加熱して用いる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿型の燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、加湿用の水が凍結したときにこれを解凍するための解凍機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を、電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
ところで、前記固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。
【０００４】
一方で、水素極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときには、水も一緒に移動するため、水素極側は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜が乾燥する傾向にある。
【０００５】
このようなことから、固体高分子電解質型燃料電池における固体高分子膜は、外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、電解質自体を加湿したり、供給される水素や空気を加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。
【０００６】
固体高分子電解質型燃料電池における加湿手段においては、寒冷地での使用等を考慮して、加湿用の水の凍結に対して対策を講ずることが必要となる。例えば、電気自動車の電源として前記固体高分子電解質型燃料電池を用いた場合、寒冷地等での使用により加湿用の水が凍結してしまうと、円滑な始動が困難になる。
【０００７】
これを解消するために、燃料電池の冷却配管を加湿用の水を貯蔵する水タンクに隣接させ、凍結時の起動の際に加熱された冷却液により水タンクを加熱し、水タンク内の凍結水を解凍する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術のように、単に冷却配管を水タンクに隣接させただけでは、伝熱面積を広くすることができず、十分な解凍性能が得られないという問題がある。この方法で伝熱面積を広げるためには、タンクを大型化すればよいことになるが、車両等へ搭載できるように燃料電池システムの小型化を図る場合には、タンクの大型化による対応は難しい。
【００１０】
本発明の目的は、このような従来のものの有する不都合を解消することにある。すなわち、本発明は、水タンクを小型化した場合にも十分な解凍性能が得られ、例えば寒冷地においても円滑な始動を実現することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池を加湿するための水を貯蔵する水貯蔵部を有する燃料電池加湿手段とを備えるものである。ここで、前記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムにおいては、前記水貯蔵部が、温媒流路に供給される温媒によって加熱される伝熱面を有している。また、この伝熱面は、当該伝熱面によって囲まれる水面の面積が水位の上昇とともに次第に増加するように傾斜角を有する。
【００１２】
本発明の燃料システムにおいては、水貯蔵部内にフィン等の伝熱面を設けることにより、伝熱面積を広くして解凍性能を向上させている。ただし、水貯蔵部内にフィン等の伝熱面を設けた場合、凍結時の体積膨張により伝熱面が変形したり、亀裂が生ずる等の虞れがある。そこで、水位の上昇に伴って伝熱面間の間隔が次第に広がるように伝熱面を傾斜させることで、前記変形や亀裂の発生を未然に回避できるようにしている。このように、伝熱面を傾斜面とし、伝熱面によって囲まれる水面の面積が水位の上昇とともに次第に増加するように形成すれば、たとえ水貯蔵部内の水が凍結したとしても、上部の氷は下部の水の体積膨張による水面上昇により伝熱面から離れ、伝熱面に体積膨張による力が加わることがない。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、解凍性能を向上させることができ、例えば寒冷地での使用の際にも円滑な始動が可能である。また、十分な伝熱面積を確保することができるので、水貯蔵部を大型化する必要がなく、燃料電池システムの小型化を図ることが可能である。さらに、上述したように伝熱面に傾斜角を持たせ傾斜させているので、凍結時の体積膨張によって伝熱面が変形したり亀裂が入ったりすることもなく、伝熱面の破損を有効に防止することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
本実施の形態は、燃料電池を電気自動車の動力源として用いる電気自動車用発電システムに本発明の燃料電池システムを適用したものである。
【００１６】
図１は、電気自動車用発電システム全体を示すものである。この電気自動車用発電システムは、大別して、電気自動車の動力源である燃料電池スタック１、この燃料電池スタック１に燃料である水素（あるいは水素リッチガス）及び酸化剤（空気）を供給する燃料・空気供給系２、燃料電池スタック１に加湿用の水を供給する加湿手段３、燃料電池スタック１を冷却するための冷却手段４からなる。
【００１７】
前記燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１８】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、先にも述べた通り、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池スタック１においては水を供給して加湿することが必要になる。
【００１９】
この燃料電池スタック１で電力を発生させるには、燃料となる水素や酸化剤である空気を燃料極や空気極に各々供給する必要があり、そのための機構が燃料・空気供給系２である。この燃料・空気供給系２は、水素ガスあるいは水素リッチガスを供給するための燃料供給経路２１、及び空気を供給するための空気供給経路２２とから構成され、燃料供給経路２１は燃料電池スタック１の燃料供給口と接続され、空気供給経路２２は燃料電池スタック１の空気供給口と接続される。燃料供給経路２１においては、図示しない水素タンクから供給される水素が減圧弁によって所定の圧力まで減圧され、さらに、例えば圧力制御弁がマイクロコンピュータ等のコントロールユニットによって圧力制御されて、運転条件に対応した所望の圧力に制御された水素が供給される。
【００２０】
一方、前記加湿手段３は、燃料電池スタック１の固体高分子電解質、燃料である水素、あるいは空気の少なくとも何れかを加湿するものであり、加湿用の水を供給する加湿水供給経路３１、余分な水を回収する水回収経路３２、加湿用の水を貯蔵する貯水タンク３３、及び貯水タンク３３内の水を汲み上げるための水ポンプ３４とから構成される。貯水タンク３３内の水は、前記水ポンプ３４によって汲み上げられ、前記加湿水供給経路３１を経て燃料電池スタック１の加湿に供され、余剰の水が前記水回収経路３２を経て貯水タンク３３に戻される。なお、加湿水は、燃料電池スタック１に直接供給しないで、燃料電池スタック１に供給するガス（水素リッチガスや空気）を加湿する加湿器を用い、ここに供給するようにしてもよい。
【００２１】
加湿水供給経路３１の入り口側には、ストレーナ３５が取り付けられており、異物の混入等が防止される。また、貯水タンク３３には、貯蔵される水の凍結を防止するための伝熱面が設けられているが、これについては後に詳述する。
【００２２】
また、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が６０℃〜１００℃程度と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。そこで、この電気自動車発電システムにおいては、燃料電池スタック１を冷却する冷却手段４が設けられている。この冷却手段４は、冷媒を燃料電池スタック１に循環する循環経路４１を有し、例えば冷媒である不凍液（純水よりも凝固点の低い液体。）により燃料電池スタック１を冷却し、これを最適な温度に維持する。なお、冷媒としては、前記不凍液以外のものを用いるようにしてもよいが、寒冷地での使用等を考慮すると、凝固点の低い不凍液を用いることが好ましい。
【００２３】
前記冷却手段４の循環経路４１内には、ラジエータ４２が設けられており、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷媒は、ここで冷却される。また、前記ラジエータ４２と並列に、熱交換器４３に通じる分岐経路４４が設けられており、例えば寒冷地での始動時等において、燃料電池スタック１を適正温度まで加熱する必要がある場合には、前記不凍液を流路切替バルブＡ，Ｂの操作によって熱交換器４３へと導き、これを加熱して燃料電池スタック１に供給する。したがって、この場合には、前記不凍液は温媒として機能することになる。また、循環経路４１は、前記加湿手段３の貯水タンク３３に設けられた伝熱面を加熱する温媒流路にも接続されており、寒冷地での始動時等においては、加熱された不凍液を温媒として貯水タンク３３内の水を解凍する。
【００２４】
熱交換器４３は、水素燃焼器４５を熱源とするものであり、この水素燃焼器４５の燃料としては、燃料電池スタック１の燃料・空気供給系２の水素ガス（水素リッチガス）及び空気が利用される。すなわち、前記燃料・空気供給系２の燃料供給経路２１及び空気供給経路２２には、中途部にそれぞれバルブ４６，４７が設けられており、ここから分岐された分岐燃料供給経路４８及び分岐空気供給経路４９が前記水素燃焼器４５に接続されている。この水素燃焼器４５からの燃焼ガスは、熱交換器４３にて吸熱された後、排気管５０より外部へと排気される。
【００２５】
以上の構成を有する電気自動車発電システムにおいて、通常走行時には、冷却手段４の流路切替バルブＡはＡ１−Ａ２連通、流路切替バルブＢはＢ１−Ｂ２連通とされ、不凍液が燃料電池スタック１とラジエータ４２との間を循環する回路が構成される。この場合、不凍液は冷媒として機能し、燃料電池スタック１での発熱をラジエータ４２で放熱し、燃料電池スタック１を温度調節する。
【００２６】
一方、寒冷地等での冷間起動時においては、流路切替バルブＡはＡ１−Ａ３連通、流路切替バルブＢはＢ１−Ｂ３連通とされ、不凍液が燃料電池スタック１と熱交換器４３との間を循環する回路が構成される。このとき、図示しない水素タンクから水素ガスあるいは水素リッチガスが水素燃焼器４５に供給され、その燃焼ガスを加熱媒質として熱交換器４３が不凍液を加温する。この場合、不凍液は温媒として機能し、燃料電池スタック１を流通してこれを加温した後、貯水タンク３３の温媒流路を流通して貯水タンク３３内の水を加温し、熱交換器４３へ戻る。不凍液は、水素ガス、あるいは水素リッチガスが水素燃焼器４５に供給されている限り加温され、この不凍液が燃料電池スタック１及び貯水タンク３３の温媒流路を流通して、燃料電池スタック１及び貯水タンク３３が加温される。このとき、貯水タンク３３内の水が凍結している場合には、この不凍液による加温によって貯水タンク３３内の水が解凍されることになる。そして、不凍液により解凍された水は、水ポンプ３４と接続された加湿水供給経路３１を経て燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１の加湿に使用される。
【００２７】
ところで、以上のような冷間起動時に円滑な始動を実現するためには、温媒である不凍液による解凍性能が極めて重要である。すなわち、解凍性能が高ければ、貯水タンク３３を小型化しても凍結した水を速やかに解凍することができ、円滑な始動が可能になる。本実施の形態においては、貯水タンク３３に伝熱面を形成し、効率的な解凍を実現している。以下、貯水タンク３３に設けられた解凍機構の具体的構成について説明する。
【００２８】
貯水タンク３３には、図２及び図３に示すように、内部に温媒流路を有する放熱ユニット５１が配されており、この放熱ユニット５１を温媒である不凍液が流通することにより、貯水タンク３３内の水（氷）が加温されるようになっている。放熱ユニット５１は、平面形状が矩形とされた枠体状の放熱板を複数有し、この例ではサイズの異なる放熱板５２、５３、５４、５５が４重に配列されている。このうち、最外周部の放熱板５５は、貯水タンク３３の外周容器も兼ねており、その上面が蓋体５６によって塞がれ、さらに周囲が断熱材５７で覆われている。また、前記貯水タンク３３には、内部の圧力上昇を抑えるエアブリーザや水温を計測する温度計、水量を計測する水位計等が設けてあるが、ここでは図示を省略する。
【００２９】
放熱ユニット５１を構成する各放熱板５２、５３、５４、５５の上端部の一カ所には、冷却手段４の循環経路４１と接続される温媒導入管５８が接続されており、ここから各放熱板５２、５３、５４、５５内の温媒流路へ温媒である不凍液が導入される。同様に、各放熱板５２、５３、５４、５５の底面部の一カ所には、循環経路４１の下流部と接続される温媒排出管５９が接続されており、これが出口となって温媒流路を流通した不凍液は循環経路４１に戻る。
【００３０】
以上のような構造の放熱ユニット５１においては、温媒流路に加温された不凍液が導入されることにより、各放熱板５２、５３、５４、５５の内周面５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ及び外周面５２ｂ，５３ｂ，５４ｂが伝熱面として機能することになる。そして、これらの伝熱面を介して不凍液からの熱が貯蔵タンク３３内で凍結した水（氷）に伝達されることで、貯蔵タンク３３内の水（氷）が加温されて解凍される。
【００３１】
ここで、各伝熱面、すなわち各放熱板５２、５３、５４、５５の内周面５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ及び外周面５２ｂ，５３ｂ，５４ｂは、これら伝熱面によって囲まれる水面の面積が水位の上昇とともに次第に増加するように傾斜角を有する。例えば、最内周部の放熱板５２を例に挙げて説明すると、その内周面５２ａは、互いに対向する面同士の間隔が上に行くほど広くなるように傾斜角θをもって傾斜されている。そして、底部に近い部分での間隔Ｗ１と上端部に近い部分での間隔Ｗ２とを比べると、Ｗ１＜Ｗ２となっている。これは、図３において左右に対向する面同士でも、上下に対向する面同士でも同様である。したがって、図４に示すように、放熱板５２の内周面５２ａで囲まれる水面の面積は、水面（または氷面）の上昇とともに広くなり、例えば低水位での水面の面積Ｓ１よりも高水位で水面の面積Ｓ２の方が広くなる。
【００３２】
以上のような関係は、他の伝熱面同士の間においても同様であり、放熱板５２の外周面５２ｂと放熱板５３の内周面５３ａ、放熱板５３の外周面５３ｂと放熱板５４の内周面５４ａ、放熱板５４の外周面５４ｂと放熱板５５の内壁面５５ａにおいても、対向する面の間隔が上に行くにしたがって次第に広がるように各伝熱面が傾斜されている。その結果、いずれの伝熱面で囲まれる水面も、その面積が水位の上昇とともに増加するようになっている。
【００３３】
なお、前記貯水タンク３３には純水のドレイン口６０が設けられており、各放熱板５２、５３、５４、５５の上端、すなわち各伝熱面の上端の位置が、貯水タンク３３における貯水上限よりも高くなるように設定されている。
【００３４】
以上のように構成される貯水タンク３３の解凍機構は、次のような利点を有する。先ず第１に、タンクを大型化することなく広い伝熱面（タンク内側壁＋タンク内伝熱面）を確保でき、凍結した純水を効率的に加温し、これを解凍させることができる。また、加熱手段も燃料電池スタック１の暖機促進と水貯蔵手段内の解凍とを兼ねさせることができ、コストアップを抑制できる。加えて、燃料電池スタック１の冷媒を水貯蔵手段の温媒として用いるので、専用の温媒循環装置を設ける必要が無く、この点からもコストアップを抑制できる。さらに、水素燃焼器４５を加熱手段として用いているので、電気ヒータ等を用いる場合よりも起動に要する電力が少なくて済み、車両に搭載するような場合、起動用の２次電池の大型化を抑制できる。
【００３５】
第２に、凍結時には（氷の比重は水より小さいため）上面が凍結してから内部が凍り、この時の体積膨張に起因する作用力により、伝熱面の変形、亀裂などが懸念されるが、貯水部分は上部ほど面積が広がるよう伝熱面に傾斜角を有する構成となっているので、体積膨張した際に氷面が伝熱面から離れ、伝熱面への作用力を緩和させることができる。氷面から見ると、伝熱面から作用力を受けることがないので、容易に氷面が上昇できる。
【００３６】
図５は、最内周部の放熱板５２の内周面５２ａで囲まれる水面を例にしてこの現象を説明するものである。図５（ａ）に示すように、温度が下がって水Ｗが凍る場合、先ず上面近傍が凍って氷Ｉになる。さらに凍結が進行すると、氷Ｉの下部の水Ｗも凍り始め、この凍結時の体積膨張により氷が水平方向に広がろうとする力は放熱板５２の内周面５２ａの傾斜によって上方に押し出される力に変換され、結果として前記氷Ｉの氷面が上昇することになる。このとき、上昇した前記氷Ｉの氷面が位置する高さでは、放熱板５２の内周面５２ａで囲まれる面積が広くなっているので、これに比べて面積の小さい氷Ｉは、図５（ｂ）に示すように伝熱面である内周面５２ａから離れる。したがって、氷Ｉが伝熱面である内周面５２ａに作用力を加えることはなく、伝熱面の耐久性が向上する。
【００３７】
一方、解凍時には、図６（ａ）に示すように、氷Ｉが次第に小さくなっていくが、伝熱面が傾斜角を有しているため、図６（ｂ）に示すように、水位の低下とともに氷Ｉの位置も低下していき、氷Ｉの側面は常に伝熱面である内周面５２ａと接することになる。したがって、伝熱面と接する時間が長くなり、効率的に解凍が行われる。
【００３８】
第３に、内部に設けた伝熱面の上端は水面（氷面）より高くなっているため、氷の内部だけが解凍して、その隙間に熱伝導率の低い空気が介在することにより解凍性能が低下するのを防ぐことができる。参考までにそれぞれの熱伝導率｛Ｗ／ｍ／Ｋ｝を記載すると、氷＝２．６，水（０℃）＝０．５７，空気（０℃）＝０．０２４である。
【００３９】
（第２の実施形態）
この実施形態は、貯水タンク３３に設けられた放熱ユニット５１の形状を変更した例である。電気自動車発電システムの基本的な構成は、先の図１に示すものと同様である。
【００４０】
この実施形態では、図７及び図８に示すように、貯水タンク３３に設けられた放熱ユニット５１の各放熱板５２，５３，５４，５５の内周面或いは外周面（伝熱面）が、貯水タンク３３の外側に近い位置に配される放熱面ほど傾斜角度が大きくなる構造とされている。具体的には、放熱板５２の内周面５２ａよりも放熱板５３の内周面５３ａの方が傾斜角度が大きく、同様に、放熱板５３の内周面５３ａよりも放熱板５４の内周面５４ａ、放熱板５４の内周面５４ａよりも放熱板５５の内壁面５５ａの方がそれぞれ傾斜角度が大きくされている。放熱ユニット５１がこのような構造とされた場合にも、各伝熱面間の水面は、水位の上昇に伴ってその面積が拡がることになる。
【００４１】
これにより、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られることになる。また、本実施形態では、貯水タンク３３の外側に近い位置に廃される伝熱面ほどその傾斜角度を大きくしているので、凍結時の貯水タンク外周や伝熱面の変形、亀裂等をより効果的に抑制できるという効果が得られる。さらに、貯水タンク３３内に設けた伝熱面間の温媒流路体積を小さくできるため、貯水タンク３３の純水貯水効率（＝純水量／タンク外形容積）が大きくなり、同一の貯水量に対して貯水タンク３３を小型化することができる。
【００４２】
（第３の実施形態）
この実施形態は、貯水タンク３３内の水を循環する水循環系を設けたものである。電気自動車発電システムの基本的な構成は、先の図１に示すものと同様である。
【００４３】
本実施形態では、図９に示すように、加湿水供給経路３１の水ポンプ３４下流位置にバルブＤが設けられており、ここから循環経路６１が分岐されている。循環経路６１は、水ポンプ３４で吸い上げられた解凍水を貯水タンク３３へと戻す経路であり、その中途部には脱イオンフィルタ６２が設けられている。
【００４４】
このように、本実施形態においては、解凍水を底面に吸水口を設けた水ポンプ３４で吸い上げて貯水タンク３に再度供給する水循環系を備えており、バルブＤにより解凍水の供給先を切替えるようになっている。例えば、燃料電池スタック１に純水を供給する際には、Ｄ１−Ｄ２を連通とし、貯水タンク３３に解凍水を戻す際にはＤ１−Ｄ３を連通とする。この循環経路の途中には、脱イオンフィルタ６２が設けてあるので、貯水タンク３３に戻される解凍水は、この脱イオンフィルタ６２によって余分なイオンが除去されて電気伝導度の低下が図られる。
【００４５】
以上により、本実施形態においては次のような利点が得られる。先ず、貯水タンク３３内の余分な解凍水を除くことで、貯水タンク３３に設けられた放熱ユニット５１の伝熱面と氷の接触部を増やし、解凍を促進できる。また、伝熱面に沿って循環水を供給することで、解凍水に対流を生じさせ、伝熱面と解凍水間の熱伝達を促進することができる。さらに、解凍水を脱イオンフィルタ６２を備えた循環経路６１を循環させることで、燃料電池スタック１への供給前に、長期放置後等における純水導電率を低下させることができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
この実施形態は、不凍液での加温に加えて、水素燃焼器の燃焼排ガスの熱を解凍に利用するものである。
【００４７】
本実施形態では、図１０及び図１１に示すように、水素燃焼器４５の燃焼排ガスを排出するための排気管６３が貯水タンク３３内に導かれている。排気管６３の中途部にはバルブＥが設けられており、これによって燃焼排ガスの貯水タンク３３への導入と排出とを切り替える。貯水タンク３３内に導かれる排気管６３の先端部には、図１２に示すように排気孔６４が所定の間隔で形成されており、この部分が貯水タンク３３の底部に挿入される。また、貯水タンク３３の上部には、水面上の空間から引き出される脱気管６５が設けられており、バブリングされた燃焼排ガスはこの脱気管６５から速やかに排出される。
【００４８】
以上のような回路構成とすることにより、熱交換器４３から排出された燃焼排ガスは、バルブＥを経て車外へ排出、または貯水タンク３３を経て車外へ排出される。バルブＥの作動状態は大別して、貯水タンク加熱時（Ｅ１−Ｅ２連通）と貯水タンク非加熱時（Ｅ１−Ｅ３連通）の２通りである。貯水タンク３３の加熱時においては、熱交換器３から排出された燃焼排ガスは、Ｅ１−Ｅ２を経て貯水タンク３３内でバブリングされ、車外へ排出される。貯水タンク３３の非加熱時においては、熱交換器４３から排出された燃焼排ガスは、Ｅ１−Ｅ３を経てそのまま車外へ排出される。
【００４９】
本実施形態においては、燃焼排ガスの熱量と不凍液による加温を併用しているので、解凍効率が一層改善される。また、燃焼排ガスのバブリングにより解凍水に対流が生じ、これによって解凍を促進することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明がこれら実施形態に限られるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上述した各実施形態においては、貯水タンク３３の外形容積の増大を抑えつつ、伝熱面積を広くするために、貯水タンク３３内に設けた伝熱面を四角形状としているが、これを他の形状、例えば多角形状、あるいは貯水タンク３３内に備えられた各種センサの取り付け性等を考慮した形状としてもよい。また、対向する一対の伝熱面の片側にのみ傾斜角を持たせた構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電気自動車発電システムの一例を示す全体構成図である。
【図２】貯水タンクに設けられた解凍機構の一例を示す概略断面図である。
【図３】放熱板の平面図である。
【図４】水位の上昇に伴う水面面積の増加の様子を示す模式図である。
【図５】凍結時の様子を示す模式図である。
【図６】解凍時の様子を示す模式図である。
【図７】放熱板の変形例を示す概略断面図である。
【図８】放熱板の変形例を示す平面図である。
【図９】水循環系の一例を示す模式図である。
【図１０】燃焼排ガスを併用する場合の回路構成を示す全体構成図である。
【図１１】燃焼排ガスを導入した貯水タンクの構成を示す概略断面図である。
【図１２】貯水タンクに挿入される排気管の先端部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　燃料供給系
３　加湿手段
４　冷却手段
３３　貯水タンク（水貯蔵部）
４１　循環経路
４２　ラジエータ
４３　熱交換器
４５　水素燃焼器
５１　放熱ユニット
５２，５３，５４，５５　放熱板
５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ　内周面（伝熱面）
５２ｂ，５３ｂ，５４ｂ　外周面（伝熱面）
６１　循環経路
６２　脱イオンフィルタ
６３　排気管（排ガス導入手段）

Claims (9)

1. 燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための水を貯蔵する水貯蔵部を有する燃料電池加湿手段とを備え、
   前記水貯蔵部は、温媒流路に供給される温媒によって加熱される伝熱面を有し、
   前記伝熱面は、当該伝熱面によって囲まれる水面の面積が水位の上昇とともに次第に増加するように傾斜角を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を冷却する冷却手段を更に備え、
   前記冷却手段の冷却媒体を加熱して前記温媒として用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却媒体は不凍液であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記伝熱面の上端は、前記水貯蔵部の貯水面上限よりも高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記伝熱面は、前記水貯蔵部の外側に近い位置に配置されるものほど傾斜角が大きいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池加湿手段は、前記水貯蔵部内の水を循環させる水循環系を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記水循環系は、その循環経路に脱イオンフィルタを備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の燃料の一部を燃焼する燃焼器を更に備え、
   前記燃焼器を前記冷却媒体を加熱する加熱手段として用いることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
9. 前記燃焼器からの排出ガスを前記水貯蔵部内に導入する排出ガス導入手段を更に備えることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。

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