JP2004220842A - 燃料電池発電システム用の純水タンク - Google Patents

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内の純水が凍結している場合、ジャケット１５に液熱媒を循環することにより氷塊が融解し始め、ある程度融解水が溜ったところで融解水循環手段２０を作動することにより、融解水がタンク本体１１から流出し、再びタンク本体１１に戻されることにより、氷塊全体を短時間に解凍することができる。
【選択図】 図２

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、タンク内の融解した水の層が殆ど流速を持たずに伝熱壁面の氷塊との間に介在するため、氷塊への熱伝達率が悪くなってしまうことは否めない。
【０００６】
特に、融解水の層は氷塊が融解するのに従って厚くなるため、それに伴い氷塊への熱伝達率が悪化し、よって、純水が凍結した時に発電システムを始動する場合、運転に必要な純水が供給できるようになるまでに時間がかかってしまう。
【０００７】
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。
【０００８】
【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、
タンク本体の外側に設けられて、内部に液熱媒が導入されるジャケットと、
タンク本体内の凍結した純水の解凍時に、融解水をタンク本体内から流出させて再びタンク本体内の融解水部又は氷塊部へ圧送する融解水循環手段と、
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
【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、ジャケット内へ液熱媒を導入することにより、タンク本体の周壁が伝熱壁面となって氷塊を解凍する。
【００１０】
このとき、融解水循環手段によって、融解水をタンク本体内から流出させて再びタンク本体内の融解水部又は氷塊部へ戻すことにより、タンク本体内の融解水に流れが生じて対流が促進され、あるいは融解水が直接氷塊部に流れ当るため、氷塊全体を短時間に解凍することができる。
【００１１】
特に、タンク本体内の融解水を融解水循環手段により循環させることで、融解水循環経路の体積分、タンク本体内の融解水が減少して、タンク本体周壁と氷塊間の融解水層の厚さが減少するため、より解凍性能を向上することができる。
【００１２】
この結果、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。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
氷点下のような条件下では、システム停止時に純水が凍結して燃料電池スタック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。
【００１９】
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。
【００２０】
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ジャケット１５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にこのジャケット１５を介装している。
【００２１】
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。
【００２２】
更に、バイパス通路１４３に冷却水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。
【００２３】
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。
【００２４】
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とで略方形に形成してある。
【００２５】
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、純水導出パイプ１３２はその下端を底壁１２の近傍にまで延出してある。
【００２６】
そして、本実施形態ではタンク本体１１の底壁１２から周側壁１３に亘って、内部に液熱媒が導入されるジャケット１５を形成してある。
【００２７】
このジャケット１５は、熱媒導入口１６および熱媒導出口１７を介して前記図１に示した冷却液経路１４２に連通していて、燃料電池スタック１１０からラジエータ１４０へ帰還する不凍液が導入されるようになっている。
【００２８】
また、この純水タンク１０には、タンク本体１１内の凍結した純水の解凍時に、融解水をタンク本体１１内から流出させて再びタンク本体１１内へ圧送する融解水循環手段２０を設けてある。
【００２９】
本実施形態ではこの融解水循環手段２０として、純水タンク１０の底部、即ち、タンク本体１１の底壁１２とジャケット１５の底部を貫通して融解水導出口２１を設け、この融解水導出口２１に循環パイプ２２の一端を接続すると共に、該循環パイプ２２の他端を前記タンク本体１１の上壁１４を貫通して、該タンク本体１１内に周側壁１３の近傍に沿って延出し、そして、この循環パイプ２２の途中に循環ポンプ２３を設けて、この循環ポンプ２３の駆動により、タンク本体１１の底壁１２および周側壁１３の付近に生じた融解水Ｗを図２の矢印に示すように流出させて、再びタンク本体１１の周側壁１３付近の融解水Ｗ部へ圧送して戻すようにしている。
【００３０】
尚、図２中、Ｗ′はタンク本体１１内に凍結した純水の氷塊を示している。
【００３１】
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のジャケット１５に導入する。
【００３２】
これにより、ジャケット１５内の加熱された不凍液の熱がタンク本体１１の底壁１２と周側壁１３とを伝熱壁面として氷塊Ｗ′に伝熱され、これら底壁１２と周側壁１３の付近に融解水Ｗが生じる。
【００３３】
この氷塊Ｗ′の融解量と経過時間には図３に示すような関係があり、経過時間が増すに連れて融解水Ｗ層の厚さが増えるため熱伝達性が低下して融解速度が低下し、同図のｂ線に示すように氷塊Ｗ′の融解量の促進度合いが鈍くなる。
【００３４】
そこで、ある程度融解が進んだ時点で融解水循環手段２０の循環ポンプ２３を駆動することにより、タンク本体１１の底壁に溜った融解水が融解水導出口２１から流出し、循環パイプ２２を介して再びタンク本体１１内の周側壁１３付近の融解水Ｗ部に圧送される。
【００３５】
これにより、タンク本体１１内の融解水Ｗに流れが生じ、対流が促進されて伝熱壁面から氷塊Ｗ′への熱伝達率が向上する。
【００３６】
よって、氷塊Ｗ′の解凍速度を速めることができて図３のａ線に示すように融解量の悪化代を減少させることができる。
【００３７】
伝熱壁面と氷塊Ｗ′との間の融解水Ｗ層の厚さと氷塊Ｗ′への熱伝達率は、図４に示すような関係があるが、前記融解水の流れにより氷塊Ｗ′も移動して伝熱壁面に接触することで、その部分においては介在する融解水Ｗ層が薄い分、更に熱伝達率が向上する。
【００３８】
更に、融解水循環手段２０の経路分、タンク本体１１内の融解水が減少し、タンク本体１１の内壁、つまり、伝熱壁面と氷塊Ｗ′との間の融解水Ｗ層が減少するため、より解凍性能を向上することができる。
【００３９】
この結果、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。
【００４０】
図５は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては前記第１実施形態における融解水循環手段２０の循環パイプ２２の他端を、上壁１４を貫通してタンク本体１１の略中央部分に延出し、融解水を氷塊Ｗ′に戻すようにしてある。
【００４１】
従って、この第２実施形態の構造によれば、融解水を循環パイプ２２の他端より直接氷塊Ｗ′に流出させるため、より解凍性能を向上することができる。
【００４２】
図６〜図１０は何れも融解水循環手段２０のタンク本体１１入口部に絞り部を設けた例を示すものである。
【００４３】
図６〜図８に示す第３実施形態にあっては、前記第１，第２実施形態における循環パイプ２２の他端部を、タンク本体１１内の氷塊Ｗ′の上方部分に略水平に配置し、その端末を閉止すると共にパイプ底部に複数個の噴出口２５を有する分散部２４を設けて絞り部としたものである。
【００４４】
この第３実施形態の構造によれば、氷塊Ｗ′上に分散部２４の複数個の噴出口２５から融解水をその流速を早めて噴出させるため、より解凍促進効果を高めることができる。
【００４５】
前記分散部２４は、図７の（Ａ），（Ｂ）に示した噴出口２５のピッチや角度あるいは口径を調整したり、図８に示すように略水平な渦巻状に形成して氷塊Ｗ′の上面の略全域に散水できるようにする等、噴出し位置を任意に設定することができる。
【００４６】
図９に示す第４実施形態は、タンク本体１１の上壁１４の裏面に、該裏面との間に複数の分岐路２７を形成する分散板２６を接合し、各分岐路２７の底部に複数個の噴出口２８を形成すると共に、分岐路２７の集合部に循環パイプ２２の他端を接続して、これら噴出口２８を有する分岐路２７をもって絞り部としたものである。
【００４７】
従って、この第４実施形態にあっても氷塊Ｗ′上に各分岐路２７の複数個の噴出口２８から融解水をその流速を早めて噴出させるため、より融解促進効果を高めることができる。
【００４８】
図１０に示す第５実施形態にあっては、タンク本体１１の上壁１４の裏面に、該裏面との間に複数の分岐路２７を形成する分岐板２６を接合した点は前記図９に示した第４実施形態と同様であるが、この第５実施形態にあっては循環パイプ２２の他端を前記上壁１４を貫通して、分岐路２７が集合する任意の部位に設けてあり、従って、前記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
前記各実施形態において、純水タンク１０は前述のようにタンク本体１１の外側にジャケット１５を設けた構造にのみ限定されるものではなく、図１１に示す第６実施形態に示すように、タンク本体１１内に周側壁１３の対向する一対の側壁を貫通して、ジャケット１５に連通する複数個の扁平状の熱媒チューブ３０を設けたものに適用することができ、この場合、前記図６〜図１０に示したように融解水循環手段２０のタンク本体入口部に絞り部２４又は２７を設けた構造を採用することによって、更に解凍促進効果を高めることができる。
【００５０】
図１２は本発明の第７実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、図１に示した純水導出パイプ１３２における純水汲み上げポンプ１３１の後流に分岐パイプ１３４を接続し、該分岐パイプ１３４の他端をタンク本体１１内に配設すると共に、前記分岐部にタンク本体１１内の氷塊の解凍時に、融解水の流路を分岐パイプ１３４側に切換える切換弁としての３方弁１３５を設けて、融解水循環手段２０を構成している。
【００５１】
従って、本実施形態によれば前記各実施形態と同様の解凍促進効果が得られる他に、融解水循環手段２０を、純水汲み上げポンプ１３１と、純水導出パイプ１３２の一部を有効利用して構成できるため、コスト的に、およびスペース的に有利に得ることができる。
【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】本発明の第１実施形態を示す略示的断面説明図。
【図３】純水タンク内の氷塊の融解量と経過時間との関係を示すグラフ。
【図４】純水タンクの伝熱壁面−氷塊間の熱伝達率と、融解水層の厚さとの関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態を示す略示的断面説明図。
【図６】本発明の第３実施形態を示す略示的断面説明図。
【図７】図６における絞り部を縦断面（Ａ）と、縦断面（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面（Ｂ）として示す説明図。
【図８】図６における分散部の形状の一例を示す斜視図。
【図９】本発明の第４実施形態における絞り部を斜視図（Ａ）と、斜視図（Ａ）のＢ−Ｂ線断面（Ｂ）として示す説明図。
【図１０】本発明の第５実施形態における絞り部を斜視図（Ａ）と、斜視図（Ａ）のＢ−Ｂ線断面（Ｂ）として示す説明図。
【図１１】本発明の第６実施形態を示す略示的断面説明図。
【図１２】本発明の第７実施形態における融解水循環手段を示す経路図。
【符号の説明】
１０ 純水タンク
１１ タンク本体
１５ ジャケット
２０ 融解水循環手段
２４ 分散部（絞り部）
２７ 分岐路（絞り部）
１３０ 加湿器
１３１ 純水汲み上げポンプ
１３２ 純水導出パイプ
１３４ 分岐パイプ
１３５ ３方弁（切換弁）

Claims (3)

1. 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）の外側に設けられて、内部に液熱媒が導入されるジャケット（１５）と、
   タンク本体（１１）内の凍結した純水の解凍時に、融解水をタンク本体（１１）内から流出させて再びタンク本体（１１）内の融解水部又は氷塊部へ圧送する融解水循環手段（２０）と、
   を備え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。
2. 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、融解水循環手段（２０）のタンク本体入口部に絞り部（２４，２７）を設け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。
3. 請求項１または２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、融解水循環手段（２０）を、タンク本体（１１）内の純水を加湿器（１３０）へ供給する純水導出パイプ（１３２）と、純水導出パイプ（１３２）の途中に設けた純水汲み上げポンプ（１３１）と、純水導出パイプ（１３２）の純水汲み上げポンプ（１３１）よりも下流から分岐してタンク本体（１１）内に連通した分岐パイプ（１３４）と、純水導出パイプ（１３１）と分岐パイプ（１３４）との分岐部に設けられて、タンク本体（１１）内の凍結した純水の解凍時に、融解水の流路を分岐パイプ（１３４）側に切換える切換弁（１３５）と、で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。

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