JP2005071703A - 燃料電池発電システム用純水タンク - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電システムに用いられる純水タンクであって、タンク内に略垂直に配設され凝固点が純水以下の液熱媒が内部に導入されるか又は封入された扁平なチューブを備えたものにおいて、チューブの耐圧性を向上するための突起によりチューブ内部の液熱媒の対流が阻害される。
【解決手段】純水を貯えるタンク本体１１と、タンク本体１１内に略垂直に配設され凝固点が前記純水以下の液熱媒が内部に導入されるか又は封入された扁平なチューブ２２と、を備え、チューブ２２は、内部に側壁の間に跨ってこれらを相互に連結固定する突起２５を有する燃料電池発電システム用純水タンク１０であって、突起２５は、液熱媒がチューブ２２内部の空隙全体に亘って流通することができるように設けられたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池発電システムに用いられる純水タンクに関する。

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及び酸化剤ガスを加湿するために純水を貯えるタンクが不可欠となるが、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。凍結した純水の解凍には非常に時間がかかり、燃料電池自動車では走り出すまでに時間がかかると共に、電力や水素の消費量が多くなるという難点がある。

そのため、従来では、例えば下記特許文献１に示すように、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予備タンク内の凍結した純水をヒータによって解氷するようにしたものが知られている。

上記従来のものでは、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、氷塊の中心部ほど解凍が遅れて、氷塊の全部が溶け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。

そこで、本願出願人は、先に、図７に示すように、純水を貯えるタンク本体１０１内に複数の扁平なチューブ１０２を略垂直に配設した純水タンク１００を提案した。このチューブ１０２の内部には液熱媒が導入され、この液熱媒が純水と熱交換を行うことにより凍結した純水の解凍を行う。

なお、チューブ１０２が液熱媒から与えられる内圧又は純水の凍結により与えられる外圧により変形、破損しないよう、図８に示すように、チューブ１０２内部には、側壁１０３、１０３間に跨ってこれらを相互に連結固定するリブ状の突起１０４形成してある。

この突起１０４は、チューブ１０２の押し出し成形時に同時成形され、図９に示すようにチューブ１０２の軸方向全長に亘って延在しており、チューブ１０２内部の空隙を互いに独立した二つの隔室１０５、１０６に仕切っている。

ところで、タンク本体１０１内の純水は凍結することにより体積が膨張するが、純水の凍結が液面側から下方に向かって進行すると、膨張体積の逃げ場が無くなり、タンク本体１０１が変形する。

前記チューブ１０２に突起１０４が存在しない場合には、チューブ１０２内の液熱媒が冷却されると、液熱媒に対流が生じて下側の液熱媒ほど温度が低くなり、上方に向かうに従って液熱媒の温度が高くなるため、純水に与える温度が高くなる。

よってタンク本体１０１内の純水の凍結が底壁側から上方に向けて進行することになり、純水の体積が凍結により膨張しても、膨張がタンク本体１０１内の上部空間で許容されるため、タンク本体１０１が変形することがない。

しかし、チューブ１０２に突起１０４が設けられていると液熱媒の対流が阻害されるため、このような効果を期待することができない。
特開２００２−１１０１８７号公報

解決しようとする問題点は、チューブの耐圧性を向上するための突起によりチューブ内部の液熱媒の対流が阻害される点である。

本発明の燃料電池発電システム用純水タンクは、純水を貯えるタンク本体１１と、タンク本体１１内に略垂直に配設され凝固点が前記純水以下の液熱媒が内部に導入されるか又は封入された扁平なチューブ２２と、を備え、チューブ２２は、内部に側壁２３、２３間に跨ってこれらを相互に連結固定する突起２５を有する燃料電池発電システム用純水タンク１０であって、突起２５は、前記液熱媒がチューブ２２内部の空隙全体に亘って流通することができるように形成されたことを特徴としている。

本発明の燃料電池発電システム用純水タンクでは、液熱媒がチューブ２２内部の空隙全体に亘って流通することができるため、チューブ２２内部の上方の液熱媒が冷却されると、自然対流によって冷却された液熱媒が下方に移動する。これにより、純水に与える温度が上方に向かうに従って高くなり、純水の凍結がタンク本体１１の底壁１２側から上方に向かって進行するため、純水の体積の膨張がタンク本体１１内の上部空間内で許容され、タンク本体１１の変形を回避することができる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。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。

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。

燃料電池スタック１１０に供給される前記水素及び空気は、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、この加湿器１３０には純水タンク１０に貯留された純水が供給される。

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前記純水タンク１０に回収される。

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より冷却液を循環させて、該燃料電池スタック１１０を冷却するようにしている。

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１７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１４１にこのジャケット１７を介装している。

また、この冷却液経路１４１の燃料電池スタック１１０とジャケット１７との間には加熱装置１４２が設けられ、必要なときには冷却液を加熱することができるようになっている。この加熱装置１４２は電気ヒータや、燃料電池スタック１１０からの排水素を燃焼した熱を利用することができる。

なお、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。

図２乃至図４は本発明の純水タンク１０の一実施例を示しており、純水を貯留するタンク本体１１は、底壁１２と、その周縁部から上方に向けて形成された周側壁１３と、その上面を覆う上壁１４とで方形状に形成してある。

上壁１４は周側壁１３の上縁フランジ１３ｅ上にボルト、ナット等の締結手段によって締結固定されるもので、図２、図４ではこの上壁１４を取り外した状態を示している。

タンク本体１１は、熱伝導性が良好で、イオン発生の少ないステンレス鋼材やアルミニウムに表面コートを施したもの等で形成されており、本実施形態では、底壁１２側から上方に向けて末広がりのテーパ状に形成してある。

純水導入パイプ１５と純水導出パイプ１６は上壁１４を貫通して設けてあり、純水導出パイプ１６はその下端を底壁１２の近傍まで延出してある。

そして、本実施例では、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１７を形成してある。

周側壁１３の対向する一対の側壁１３ａ、１３ｂにおける側部ジャケット１７Ｂ、１７Ｂの一方は、熱媒導入パイプ２０を介して液熱媒が導入される導入側ヘッダ１８とし、他方は熱媒導出パイプ２１を介して液熱媒が導出される導出側ヘッダ１９としてあって、タンク本体１１内には、該タンク本体１１内を横切ってこれら両ヘッダ１８、１９に跨って連通接続した複数のチューブ２２を設けてある。

このチューブ２２は熱伝導性が良好な材料により扁平に形成してあって、その長径を垂直にして底壁１２の近傍位置から等間隔で平行に配設してある。

図５に示すように、各チューブ２２の側壁２３、２３の内面には複数個のエンボス状の突起２５を設けてある。

図６に示すように、チューブ２２は内面に複数個の突起２５が一体的に形成された一枚の矩形状の板材Ｐにより形成されている。突起２５は円錐台状の形状を有し、板材Ｐの内面に上下左右対称となるように二列に配置されている。このような突起２５はプレス加工等により容易に形成することができる。

板材Ｐを中央部で曲げて断面扁平状を成すように上下両端部の端面を突き合わせると、対向する突起２５、２５の端面同士が接触する。この状態で加熱すると、図示しないろう材層が溶融して板材Ｐの上下両端面同士及び対向する突起２５、２５同士が接合される。このような製造方法の場合、二枚の板材を接合してチューブを形成する場合と比べて生産性が良いという利点が有る。

側壁２３、２３間に跨る突起２５、２５同士が接合されることにより側壁２３、２３が相互に連結固定された状態となるため、液熱媒による内圧や純水の凍結による外圧に対する耐圧性が向上する。

また、チューブ２２内の液熱媒が各突起２５の横の隙間を通ってチューブ２２内の空隙２６全体に亘って流通することができるため、チューブ２２内の上方の液熱媒が冷却された場合、液熱媒が上下方向に対流して温度が低い液熱媒がチューブ２２内の下方に移動する。

熱媒導入パイプ２０及び熱媒導出パイプ２１は、それぞれ対応する導入側ヘッダ１８、導出側ヘッダ１９の長さ方向端部に、ヘッダ断面の略中心位置に設けてある。

側部ジャケット１７Ｂのうち、前記導入側ヘッダ１８、導出側ヘッダ１９と９０°位相を異にした側部ジャケット１７Ｂ’は、底壁１２の延長部１２ａにより底部ジャケット１７Ａと隔成すると共に、内側壁１３ｃ、１３ｄと略平行に比較的狭い間隙で形成して、導入側ヘッダ１８、導出側ヘッダ１９よりも断面積を小さくしてある。

前記チューブ２２は、その通路断面積又は相当直径Ｄ（Ｄ＝４Ｓ／Ｌ、但しＳ：断面積、Ｌ：周長）をこの側部ジャケット１７Ｂ’と略同一に設定してある。

前記ジャケット１７は、熱媒導入パイプ２０及び熱媒導出パイプ２１を介して前記図１に示した冷却液経路１４１に連通接続されていて、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。

また、側部ジャケット１７Ｂは、内部に導入された液熱媒の液位が、タンク本体１１内の純水の凍結時の上面高さ位置よりも高くなるように設定されている。図３、４中、２４はタンク本体１１内から純水を抜くためのドレイン部である。

上記の純水タンク１０を搭載した車両を寒冷地等の低温環境下で長時間停車する際には、図外のポンプを駆動して、ジャケット１７に液熱媒を循環させることにより、該液熱媒を側部ジャケット１７Ｂ、底部ジャケット１７Ａ、及びチューブ２２内を流通させる。

これにより、タンク本体１１が純水の凝固点以下に冷却されたとしても、ジャケット１７やチューブ２２内の液熱媒が自然対流によって下側が凝固点以下の温度となり、上方に向かうに従って温度が高くなるため、純水に与える温度が高くなる。

よってタンク本体１１内の純水の凍結が底壁１２側から上方に向けて促進され、氷塊の成長が底壁１２側から周側壁１３に沿って次第に純水液面側へと進行して全体的に凍結するようになる。この結果、純水の体積が凍結により膨張しても、膨張体積がタンク本体内の上部空間で許容されるため、タンク本体１１が変形するのを回避することができる。

また、燃料電池発電システムの始動時には、燃料電池スタック１１０で熱交換した不凍液をジャケット１７に循環させることにより、該不凍液が側部ジャケット１７Ｂ、底部ジャケット１７Ａ、及びチューブ２２内を流通して、タンク本体１１内の氷塊の周側部、底部、及び中心部を含めた全体で熱交換が行われ、氷塊全体を短時間に解凍することができる。

なお、上記実施例ではチューブをジャケットに連通接続し、ジャケットを介してチューブ内に液熱媒を導入するようにした場合について説明したが、チューブをあらかじめ内部に液熱媒が封入された構造のものとしてもよい。

また、ジャケットについてもあらかじめ液熱媒が封入された構造のものとしてもよい。

また、ジャケットはタンク本体の周囲にのみ設けるようにしてもよい。

その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施例に種々の変形を施すことができる。

本発明の純水タンク１０を用いた燃料電池発電システムの概略構成図である。 タンク１０の平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図３の左側から見た側面図である。 チューブ２２の端面拡大図である。 チューブ２２を形成する板材Ｐの展開図である。 従来の純水タンク１００の縦断面図である。 従来のチューブ１０２の端面拡大図である。 チューブ１０２の側面図である。

符号の説明

１０ 純水タンク
１１ タンク本体
２２ チューブ
２３ 側壁
２５ 突起

Claims (4)

1. 純水を貯えるタンク本体（１１）と、
   タンク本体（１１）内に略垂直に配設され凝固点が前記純水以下の液熱媒が内部に導入されるか又は封入された扁平なチューブ（２２）と、
   を備え、
   チューブ（２２）は、内部に側壁（２３）、（２３）間に跨ってこれらを相互に連結固定する突起（２５）を有する燃料電池発電システム用純水タンク（１０）であって、
   突起（２５）は、前記液熱媒がチューブ（２２）内部の空隙全体に亘って流通することができるように形成されたことを特徴とする燃料電池発電システム用純水タンク。
2. 突起（２５）が側壁（２３）の内面に一体的に形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
3. チューブ（２２）が一枚の板材を中央部で曲げて両端部を接合することにより形成されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
4. 少なくともタンク本体（１１）の周囲に配設され内部に前記液熱媒が導入されるか又は封入されたジャケット（１７）を備え、チューブ（２２）の両端がこのジャケット（１７）に連通接続されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム用純水タンク。
   

Images