JP2005032626A - 燃料電池発電システムの純水タンク - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池発電システムの純水タンクにおいて、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対してタンクの板厚を厚くすることなしに変形、破損を防止する。
【解決手段】 純水タンク１０の不凍液槽１６内に、この不凍液槽１６の内側面壁１４と外側面壁１２間（及び隣接する内側面壁１４間）を連結固定するリブ１７，１８を設ける。このリブ１７，１８は重力方向に開口部１７ａ，１８ａを有し、且つ、不凍液の移動方向に沿って通路１９を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両用、家庭用などに用いられる燃料電池発電システムの純水タンクに関する。

燃料電池発電システムは、燃料ガスとしての水素をイオン伝導性膜を挟んで配された電極の一方に供給し、酸化剤ガスとしての酸素を他方の電極に供給してこれらを反応させることにより、電力を発生させるものである。前記水素と酸素の前記電極への供給に際しては、発電作用の活性化及びイオン伝導性膜の劣化防止のために、タンク内に貯水した純水で水素と酸素を加湿する必要がある。

ところで、寒冷地などで車両を長時間停車させておくと、純水タンク内の純水が凍結し、燃料電池発電システムが始動不可能となる。この燃料電池発電システムを始動させるには、凍結した純水の氷塊を融解する必要がある。

そのため、例えば、燃料電池発電システムの起動時に、加熱した冷媒を純水タンクの周囲に流通させることにより該純水タンク内の凍結した純水の氷塊を融解し、また、純水タンクに付設した予備タンクの周囲にヒータを設け、そのヒータによる熱で予備タンク内の氷塊を融解させるようにした、発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１４９９７０号公報（第３頁及び第４頁、第１図及び第２図）

しかしながら、上記従来技術は純水タンク内で凍結した純水を解凍するための技術であるため、凍結する際に純水が純水タンクに及ぼす応力については考慮されていない。すなわち、純水タンク内の純水が凍結する時には、まず純水タンクの側面に接触している箇所から凍り初め、次に純水の上面部が氷で覆われ、最後に純水タンクの中心部が凍る。このため、中心部の純水が凍り、氷が体積膨張した際に上面側に膨張することができなくなり、純水タンクに大きな応力が発生する。また、始動時には、解凍のためにポンプで不凍液を供給し、タンク内で不凍液を循環させているため、純水タンク内の内圧が上昇して、純水タンクに大きな応力が発生する。このように、凍結時の体積膨張や、解凍時の内圧上昇により大きな応力が発生すると、この応力により純水タンクが変形、破損するおそれがある。このような純水タンクの変形、破損などを防止するために板厚を厚くすると、純水タンクの大型化、重量化を招くことになる。

本発明の目的は、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、タンクの板厚を厚くすることなしに変形、破損を防止することができる燃料電池発電システムの純水タンクを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内側面壁で囲まれる純水槽の外側に、外側面壁で囲まれる不凍液槽を設け、前記純水槽内に純水を収容し、前記不凍液槽内に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ低温になるに従い密度が増加する不凍液を収容した純水タンクであって、前記不凍液槽の外側面壁と前記純水槽の内側面壁との間を、重力方向に開口部を有する補強部材で連結固定するとともに、当該補強部材により前記不凍液の移動方向に沿って通路を形成したことを特徴とする。

上記構成によれば、不凍液槽内に配置した補強部材により、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対し、純水タンクが変形しない強度を得ることができる。前記補強部材は重力方向に開口部を有するため、凍結時に不凍液の自然対流を阻害することがなく、また補強部材は不凍液の移動方向に沿って通路を形成するため、解凍時に不凍液の循環を阻害することがない。

請求項２の発明は、請求項１において、前記補強部材により前記不凍液の移動方向に沿って複数の通路を形成したことを特徴とする。

上記構成によれば、不凍液は複数の通路を通じて移動することになるため、解凍時に不凍液を効率良く循環させることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記補強部材の長手方向に複数の開口部を有することを特徴とする。

上記構成によれば、不凍液は複数の開口部を通じて移動することになるため、凍結時に不凍液を効率良く自然対流させることができる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記補強部材は断面略コ字形状であることを特徴とする。

上記構成によれば、外部からの加圧に対しても高い強度を確保することができ、またロー付け溶接等により不凍液槽の内側面壁と外側面壁との間に簡単に取り付けることができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記純水槽は複数に分割され、前記補強部材を、前記不凍液槽の外側面壁と前記純水槽の内側面壁との間、及び分割された前記純水槽の隣接する内側面壁間に配置したことを特徴とする。

上記構成によれば、純水槽と不凍液槽の互いの側面が接触する面積が大きくなり、純水槽に収容された純水と不凍液槽の不凍液との熱交換が広範囲で行われるため、迅速な熱交換が行われる。

本発明に係わる燃料電池発電システムの純水タンクによれば、不凍液槽内に配置した補強部材により、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、タンクの板厚を厚くすることなしに変形、破損を防止することができる。

以下、本発明に係わる燃料電池発電システムの純水タンクを、車両用の燃料電池発電システムに適用した場合の実施例を図面と共に説明する。

最初に、燃料電池発電システムの概要を、図５を参照しながら簡単に説明する。図５は、燃料電池発電システムの概略構成図である。図中、細い実線１０１は酸素（空気）の流通経路、一点鎖線１０２は水素の流通経路、細い破線１０３は冷却液の流通経路、太い実線１０４は加湿用の純水の流通経路をそれぞれ示している。

燃料電池スタック１１０は、圧縮水素タンク１２０から燃料ガスである水素が導入される燃料極１１１と、外部から取り入れられる酸化剤ガスである空気が導入される空気極１１２とを備える。そして、燃料電池スタック１１０では、燃料極１１１に導入された水素と、空気極１１２に導入された酸素とを、これら燃料極１１１と空気極１１２の間に配置された電解質膜（図示を省略）を介して反応させることにより発電させている。

燃料電池スタック１１０に供給される水素と酸素は、発電作用の活性化及び電解質膜の劣化防止のため加湿器１３０で加湿される。加湿器１３０には、純水を貯水すると共に燃料電池発電システムを停止したときに燃料電池スタック１１０内に残存する純水を回収する純水タンク１０に貯水された純水が、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。

純水タンク１０は、加湿器１３０に供給する純水を所定量貯水しておく貯水タンクとして使用される他、例えば氷点下の外気温度以下の下に燃料電池発電システムを停止して長時間停止させたときに燃料電池スタック１１０内の純水が凍って破裂するのを防止するために、システム運転終了後に純水経路内の純水を純水回収パイプ１３３を介して抜き取り貯水しておくのにも使用される。

また、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（ＲＡＤ）１４０から冷却液ポンプ１４１により冷却液を循環させ、燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。冷却液には、例えば不凍液（ＬＬＣ液）が使用される。

また、冷却液経路１４２には、ラジエータ１４０をバイパス（迂回）するバイパス通路１４３が設けられている。燃料電池発電システムの始動時には、冷却液経路１４２に設けた３方弁１４４によって、ラジエータ１４０をバイパスさせるようにしている。バイパス通路１４３は、燃料電池発電システムの始動時にのみ使用され、システム運転時には、このバイパス通路１４３には冷却液が流れないように制御される。

更に、バイパス通路１４３には、冷却液を加熱するための電熱又は水素燃焼熱を利用したヒータ１４５が設置されており、このヒータ１４５によって冷却液を加熱して燃料電池スタック１１０の暖気促進を図り、早急に発電システムを起動可能としている。

次に、前記した燃料電池発電システムで使用される純水タンク１０の構造について説明する。

図１は純水タンク１０の平面図、図２は図１のＡ１−Ａ１線断面図、図３は図１のＡ２−Ａ２線断面図である。なお、以下の説明で参照する図面では、構造を分かりやすくするため、断面のハッチング等を適宜に省略している。

図１〜図３に示すように、純水タンク１０は、底面壁１１と、４方に配置された外側面壁１２と、これらの上面をふさぐ上面壁１３によって外側が囲まれている。４方の外側面壁１２で囲まれた内側には、内側面壁１４により４方が囲まれた純水槽１５ａ，１５ｂ，１５ｃが設けられている。このように、純水タンク１０内には、内側面壁１４により囲まれた３つの純水槽１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、内側面壁１４及び外側面壁１２により囲まれた不凍液槽１６とが形成されている。以下、純水槽１５ａ，１５ｂ，１５ｃを総称するときは単に「純水槽１５」と表記する。

純水槽１５には純水が、また不凍液槽１６には不凍液がそれぞれ収容されている（図示を省略）。このうち、不凍液は純水タンク１０の使用環境最低温度よりも凝固点が低く、且つ、低温になるに従い密度が増加する液体である。

不凍液槽１６の内側には、内側面壁１４と外側面壁１２との間、及び隣接する内側面壁１４間を連結固定するリブ（補強部材）１７，１８が配置されている。このうち、リブ１７は純水タンク１０の長辺方向に２つ配置され、リブ１８は短辺方向に４つ配置されている。リブ１７，１８は、図４（ａ）の概略斜視図に示すように、断面略コ字形に形成されている。このうち、リブ１７は長手方向に沿って８箇所に開口部１７ａが、またリブ１８は長手方向に沿って３箇所に開口部１８ａがそれぞれ形成されている。以下、リブ１７，１８を総称するときは単に「リブ」と表記し、開口部１７ａ，１８ａを総称するときは単に「開口部」と表記する。

本実施例では、開口部の形状を四角形としているが、図４（ｂ）に示すように円形であってもよい。すなわち開口部は不凍液が重力方向に通り抜けることができればよく、その形状や個数は不凍液槽１６内を流れる不凍液の流量に応じて適宜に設定される。

リブ１７及び１８は、図２及び図３に示すように、重力方向に３階層配置されている。各層におけるリブの配置は、図１に示す平面図と同じである。また、不凍液槽１６の内部には、３階層に配置されたリブ１７，１８により仕切られた複数の通路１９が形成されている。解凍時にポンプ２０で不凍液を供給すると、不凍液は通路１９内（及びリブの開口部）を移動しながら不凍液槽１６内を循環する。

上記構成において、純水タンク１０の周囲温度が氷点下に下がり始めると、不凍液槽１６の外側面壁１２付近の温度が低くなり、不凍液槽１６の内側面壁１４付近の温度は相対的に高くなる。すると、温度が低い側の不凍液が下方に、また温度が高い側の不凍液が上方に移動するため、図２の矢印ａに示す方向に自然対流が発生し、不凍液槽１６は上部側が高温領域に、下部側が低温領域となる。

この温度分布が内側面壁１４を介して熱伝達により純水槽１５内の純水に伝達されると、純水槽１５の温度分布は上面側の温度が高く、下部側の温度が低くなる。そのため、純水槽１５の純水は、下部側から凍り初めて上部側が後から凍るようになる。すなわち、図２において、純水の時間別の概略凍結エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に示すように、エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の順に凍結することになる。

そして、下部側の純水（エリアＥ１，Ｅ２，Ｅ３）が凍る際には、その上部側の純水が凍っていないため、凍結により体積膨張する際に上面側に膨張することができる。従って、純水槽１５の下部側の純水が凍結する際に、純水タンク１０に発生する応力を低減することができる。このように、不凍液槽１６を設けることにより、純水槽１５の上部側の温度を高く保つことができるため、凍結が下部側から始まることになり、純水タンク１０に発生する応力が低減されることになる。

とくに、本実施例に示すように純水槽１５を複数に分割した場合は、純水槽１５と不凍液槽１６の互いの側面が接触する面積が大きくなるため、純水槽１５に収容された純水と不凍液槽１６に収容された不凍液との熱交換が広範囲で行われることになり、迅速な熱交換が行われる。従って、純水槽１５の純水が下部側から凍り始めて、上部側を後から凍らせることが確実にできるようになり、純水槽１５の下部側の純水が凍結する際に純水タンク１０に発生する応力を確実に低減することができる。

更に、本実施例に係わる純水タンク１０においては、不凍液槽１６内に補強部材としてのリブ１７，１８が配置されているため、凍結時に純水タンク１０に発生する応力が大きくなったとしても、その応力の加圧に対して変形しない強度を得ることができる。これによれば、タンクの板厚を厚くする必要がないため、純水タンク１０の小型化、軽量化を図ることができる。

とくに、リブ１７，１８は断面略コ字形に形成されているため、外部からの加圧に対しても高い強度を確保することができ、またロー付け溶接等により内側面壁１４と外側面壁１２との間に簡単に取り付けることができる。

また、リブ１７，１８の開口部は重力方向に形成されているため、凍結時に不凍液の自然対流を阻害することがない。更に、不凍液槽１６内に配置されたリブ１７，１８は、複数の通路１９を形成しているため、解凍時にポンプ２０で不凍液を供給すると、不凍液は通路１９内（及びリブの開口部）を、図３の矢印ｂに示す方向に移動しながら不凍液槽１６内を循環する。このとき、不凍液槽１６内の内圧が上昇することになるが、不凍液槽１６内に配置されたリブ１７，１８により、その内圧に対して変形しない強度を得ることができる。

なお、凍結時に不凍液が自然対流する際の移動方向を図２の矢印ａ、図３の矢印ｂで示している。

以上説明したように、本実施例に係わる純水タンク１０においては、不凍液槽１６内に配置したリブ１７，１８によって、凍結時の体積膨張や解凍時の内圧上昇に対して、純水タンク１０が変形しない強度を得ることができる。従って、タンクの板厚を厚くすることなしに変形や破損などを防止することができ、耐久性に優れた純水タンク１０を得ることができる。

本実施例では、純水槽を３分割した例について示したが、更に多数に分割されていてもよいし、１つであってもよい。

本実施例では、リブを３階層配置した例について示したが、更に多数の階層に配置してもよいし、１つでもよい。リブの階層数は、不凍液槽１６内を流れる不凍液の流量に応じて適宜に設定される。

また、本実施例では、本発明を車両用の燃料電池発電システムに搭載した場合について説明したが、家庭用の燃料電池発電システムのほか、機能的に等価な構成を備えた他の燃料電池発電システムにも本発明は同様に適用することができる。

純水タンクの平面図。 図２のＡ１−Ａ１線断面図。 図２のＡ２−Ａ２線断面図。 （ａ）は開口部を四角形とした場合のリブの概略斜視図。（ｂ）は開口部を円形とした場合のリブの概略斜視図。 燃料電池発電システムの概略構成図。

符号の説明

１０…純水タンク
１１…底面壁
１２…外側面壁
１３…上面壁
１４…内側面壁
１５…純水槽
１６…不凍液槽
１７，１８…リブ
１７ａ，１８ａ…開口部
１９…通路
２０…ポンプ
１１０…燃料電池スタック

Claims (5)

1. 内側面壁（１４）で囲まれる純水槽（１５）の外側に、外側面壁（１２）で囲まれる不凍液槽（１６）を設け、前記純水槽（１５）内に純水を収容し、前記不凍液槽（１６）内に使用環境最低温度より凝固点が低く、且つ低温になるに従い密度が増加する不凍液を収容した純水タンク（１０）であって、
   前記不凍液槽（１６）の外側面壁（１２）と前記純水槽（１５）の内側面壁（１４）との間を、重力方向に開口部（１７ａ，１８ａ）を有する補強部材（１７，１８）で連結固定するとともに、当該補強部材（１７，１８）により前記不凍液の移動方向に沿って通路（１９）を形成したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０）。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）において、
   前記補強部材（１７，１８）により前記不凍液の移動方向に沿って複数の通路（１９）を形成したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０）。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）において、
   前記補強部材（１７，１８）は、長手方向に複数の開口部（１７ａ，１８ａ）を有することを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０）。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）において、
   前記補強部材（１７，１８）は、断面略コ字形状であることを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０）。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの純水タンク（１０）において、
   前記純水槽（１５）は複数に分割され、前記補強部材（１７，１８）を、前記不凍液槽（１６）の外側面壁（１２）と前記純水槽（１５）の内側面壁（１４）との間、及び分割された前記純水槽（１５）の隣接する内側面壁（１４）間に配置したことを特徴とする燃料電池発電システムの純水タンク（１０）。

Images