JP2004220840A

JP2004220840A - 燃料電池発電システム用の純水タンク

Info

Publication number: JP2004220840A
Application number: JP2003004250A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Yoshioka; 宏起吉岡
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】純水タンク内で凍結した純水の解凍時間の短縮化を図る。
【解決手段】タンク本体１１内に純水に浸漬して配置した内部熱交換器２０は、平板材２１に複数の通孔２２を形成した多穴板構造体として、これを平面視してタンク本体１１内のほぼ全領域に亘って蛇腹状に曲折して配置して構成してあるため、純水が凍結している場合に、通孔２２に液熱媒を導入することによって、氷塊を全体的に直接融解して短時間に解凍することができる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システム用の純水タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムでは、燃料電池スタックに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿するために純水が不可欠となるが、寒冷地等で車両を長時間停車した状態では純水の凍結が生じる。
【０００３】
従って、前記発電システムの始動性を改善するためには、純水の解凍促進が要求され、そのため、従来では純水タンクに予備タンクを付設すると共に、この予備タンクの周側にヒータを設け、発電システムの始動時には予備タンク内の凍結した純水をヒータによって解凍し、該予備タンクの純水を使用するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０号公報（３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構造にあっては、予備タンクの周壁にヒータを埋め込んで構成しているが、予備タンク内の純水の氷塊が解凍する場合、氷塊の周囲が解凍するのは早いが、氷塊の中心部ほど解凍が遅れて、氷塊の全部が融解するまでに長時間を要し、結局、始動性を大幅に改善するには至らない。
【０００６】
そこで、本発明は簡単な構成により純水の氷塊の解凍時間を短縮できて、始動性を著しく改善することができる燃料電池発電システム用の純水タンクを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池発電システム用の純水タンクにあっては、
純水タンクが、タンク本体と、
タンク本体内に純水に浸漬して配置された内部熱交換器と、を備えていて、
前記内部熱交換器を、平板材に液熱媒が導入される複数の通孔を長さ方向に形成した多穴板構造として、これを平面視してタンク本体内のほぼ全領域に亘って蛇腹状に曲折して配置して構成したことを特徴としている。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、タンク本体内の純水が凍結している場合に、内部熱交換器の複数の通孔に液熱媒を導入することにより、この内部熱交換器により氷塊を直接融解することができる。
【０００９】
特に、この内部熱交換器は多穴板を平面視してタンク本体内のほぼ全領域に亘って蛇腹状に曲折して配置して構成してあるため、各隣接する多穴板間で純水の氷塊の厚さを小さくできるから、氷塊全体を短時間に解凍することができて、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００１０】
また、内部熱交換器は平板材に複数の通孔を形成した多穴板構造としてあるので、純水凍結時の耐圧性を十分に確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１２】
図１は本発明の純水タンクを備えた燃料電池発電システムの概略を示している。
【００１３】
図１において、燃料電池スタック１１０は、燃料ガスとして圧縮水素タンク１２０より純水素が導入される燃料極１１１と、酸化剤ガスとして外部から取り入れた空気が導入される空気極１１２とを備え、これら燃料極１１１に導入された純水素と空気極１１２に導入された空気中の酸素とを、図外の電解質膜を介して反応させることにより発電させる。
【００１４】
燃料電池スタック１１０に供給される前記水素および空気は、発電作用の活性化および電解質膜の劣化防止のため加湿器１３０で加湿され、この加湿器１３０に純水タンク１０に貯留された純水が、純水導出パイプ１３２と純水汲み上げポンプ１３１とにより供給される。
【００１５】
前記水素と空気の加湿に供された純水は、燃料電池スタック１１０の排気系より、これら水素と空気中の酸素との反応により生成した純水と共に純水導入パイプ１３３により前記純水タンク１０に回収される。
【００１６】
氷点下の外気温条件下で、発電システムを停止して長時間停車すると、燃料電池スタック１１０等のコンポーネントにて破裂を招くおそれがあるため、その対策として運転終了時に純水経路内の純水を抜き取っておくことが必要で、その抜き取った純水は前記純水タンク１０に貯留される。
【００１７】
また、前記燃料電池スタック１１０では、発電時に発熱するため、この燃料電池スタック１１０にラジエータ１４０から冷却液ポンプ１４１により冷却液を循環させ、該燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。
【００１８】
ラジエータ１４０と燃料電池スタック１１０とを循環する冷却液として不凍液が用いられ、本実施形態では前記純水タンク１０に設けられた後述する内部熱交換器２０や外部熱交換器３０の液熱媒としてこの不凍液が用いられ、燃料電池スタック１１０とラジエータ１４０とを結ぶ冷却液経路１４２に、これら内部熱交換器２０，外部熱交換器３０を介装している。
【００１９】
また、この冷却液経路１４２にはラジエータ１４０をバイパスするバイパス通路１４３を設け、３方弁１４４により純水タンク１０内の純水解凍時にのみラジエータ１４０をバイパスさせるようにしている。
【００２０】
更に、バイパス通路１４３に不凍液を加熱するための電熱または水素燃焼熱を利用したヒータ１４５を設置することで、純水の解凍促進を図るようにしている。
【００２１】
尚、図１中、細い実線αは空気の流通経路、一点鎖線βは水素の流通経路、破線γは不凍液の流通経路、太い実線δは加湿用の純水の流通経路を示す。
【００２２】
図２は本発明の純水タンク１０の第１実施形態を示しており、純水Ｗを貯留するタンク本体１１は、底壁１２と、周側壁１３と上壁１４とで方形に形成してある。
【００２３】
このタンク本体１１はイオン発生の影響の少ないステンレス鋼材が用いられており、前述の純水導出パイプ１３２と純水導入パイプ１３３は前記上壁１４を貫通して設けてあり、本実施形態ではこれら両パイプ１３２，１３３の何れも下端を底壁１２の近傍にまで延出してある。
【００２４】
そして、このタンク本体１１内に、内部に液熱媒が導入される内部熱交換器２０を純水Ｗに浸漬して配置してある。
【００２５】
内部熱交換器２０はタンク本体１１と同様にイオン発生の影響の少ないステンレス鋼材が用いられており、この内部熱交換器２０は、図４に示すように平板材２１に液熱媒が流通する複数の通孔２２を長さ方向に形成した多穴板構造として、これを平面視してタンク本体１１内のほぼ全領域に亘って蛇腹状に曲折して配置して構成される。
【００２６】
本実施形態では、平面視蛇腹形状の湾曲部は別ピース２１ｂとして形成して、これを直状部２１ａと接合してあるが、これは勿論一枚の平板材２１をもって蛇腹状に曲折成形することができる。
【００２７】
また、平板材２１の両端末部には複数の通孔２２が集合するヘッダ２３，２４を接合してあり、これらヘッダ２３，２４を図１に示した冷却液経路１４２に接続して、一方のヘッダ２３を熱媒導入側に、他方のヘッダ２４を熱媒導出側としてある。
【００２８】
前述の純水導出パイプ１３２，純水導入パイプ１３３は、内部熱交換器２０の平板材２１の隣接する直状部２１ａ間に配置されるが、純水導出パイプ１３２は図３に示すように導入される液熱媒からの吸熱効果の高い上流側に配設することが望ましい。
【００２９】
本実施形態にあっては、タンク本体１１の底壁１２を、平板材３１に液熱媒が流通する複数の通孔３２を一方向に形成した多穴板構造として、該底壁１２自体で外部熱交換器３０を構成している。
【００３０】
この平板材３１の断面構造は内部熱交換器２０のそれと同様であるので、図４に代表して示している。
【００３１】
平板材３１の通孔３２と直交する方向の対向する一対の端末部には、複数の通孔３２が集合するヘッダ３３，３４を接合してあり、これらヘッダ３３，３４を前記内部熱交換器２０と同様に図１に示した冷却液経路１４２に接続して、一方（図３の右側）のヘッダ３３を熱媒導入側に、他方（図３の左側）のヘッダ３４を熱媒導出側としてある。
【００３２】
以上の第１実施形態の構造によれば、寒冷地等の低温環境下で発電システムを停止して車両を長時間停車すると、純水タンク１０内の純水は凍結して氷塊となるが、燃料電池発電システムの始動時に、冷却液経路１４２のバイパス通路１４３に設けたヒータ１４５を作動すると共に冷却液ポンプ１４１を駆動して、ヒータ１４５で加熱した不凍液を燃料電池スタック１１０を経由して純水タンク１０の内部熱交換器２０および外部熱交換器３０に導入する。
【００３３】
これにより、氷塊は内部熱交換器２０および底壁１２で構成する外部熱交換器３０によって直接融解される。
【００３４】
特に、内部熱交換器２０は多穴板構造体を、平面視してタンク本体１１内のほぼ全領域に亘って蛇腹状に曲折して配置して構成してあるため、平板材２１の各隣接する直状部２１ａ間で純水Ｗの氷塊の厚さを小さくできるから、氷塊全体を短時間に解凍することができて、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００３５】
また、このように内部熱交換器２０は、平板材２１に複数の通孔２２を形成した多穴板構造としてあるので、純水凍結時の耐圧性を十分に確保できて、変形するのを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の純水タンクを用いた燃料電池発電システムの概略説明図。
【図２】本発明の一実施形態を示す断面説明図。
【図３】本発明の一実施形態を示す平面説明図。
【図４】内部熱交換器および外部熱交換器を構成する多穴板構造体の断面図。
【符号の説明】
１０純水タンク
１１タンク本体
１２底壁
２０内部熱交換器
２１，３１平板材
２２，３２通孔
３０外部熱交換器

Claims

燃料電池発電システムに用いられる純水タンク（１０）であって、
該純水タンク（１０）は、タンク本体（１１）と、
タンク本体（１１）内に純水に浸漬して配置された内部熱交換器（２０）と、を備え、
前記内部熱交換器（２０）を、平板材（２１）に液熱媒が導入される複数の通孔（２２）を長さ方向に形成した多穴板構造として、これを平面視してタンク本体（１１）内のほぼ全領域に亘って蛇腹状に曲折して配置して構成したことを特徴とする燃料電池発電システム用の純水タンク。
請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、タンク本体（１１）の底壁（１２）を、平板材（３１）に液熱媒が導入される複数の通孔（３２）を一方向に形成した多穴板構造として、該底壁（１２）自体で外部熱交換器（３０）を構成したことを特徴とする燃料電池発電システム用の純水タンク。