JP2005222839A - 貯水タンク - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池発電システムに用いられる、解凍効率の高いタンクを提供する。
【解決手段】 タンク本体１１の周側壁の下部から上部に亘って加熱冷媒通路１３が形成され、加熱冷媒通路１３が下部から上部に向けて、周側壁の厚さ方向の通路幅寸法が漸次長くなるように形成し、加熱冷媒通路１３の上部が下部に比べて加熱冷媒の流量が大きくなるようにして解凍性能を高く設定した。
【選択図】 図３

Description

本発明は解凍手段を有する貯水タンクに関し、さらに詳しくは、燃料電池発電システムに用いられる純水用貯水タンクに関する。

解凍が必要な貯水タンクとしては、燃料電池発電システムに用いられる純水タンクがある。燃料電池発電システムは、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が不可欠となるが、寒冷地等では純水の凍結が発生する。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、従来より、タンクに加熱用のヒータを付設して、発電システムの始動時にはヒータによって凍結した純水を解凍するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

通常、純水を加熱するには、棒状のシーズヒータをタンク内に配設する。このシーズヒータは、タンクの周側壁や底壁などに取り付けるのが通常である。また、棒状ヒータでは伝熱面積が小さくて解凍に時間がかかるため、面状ヒータをタンクの周側壁や底壁に取り付ける場合もある。

上述した純水タンクは、他の機能部品と共に例えば車体フロア下側等の空きスペースに搭載されている。そして、純水の凍結は、純水タンク内の上方の液面から凍結し易くなっている。

また、他の純水タンクとしては、図１１及び図１２に示すように、タンク本体１００の壁部内に温媒流路１０２を形成したり、タンク本体１００内に所定の上下高さ寸法を有する薄厚のインナーチューブ（板状チューブ）１０３をタンク本体１００内の縦方向や横方向などに沿って配置し、このインナーチューブ１０３内の温媒流路１０４をタンク本体１００の壁部内の温媒流路１０２内に連通したものが提案されている。このタンク本体１００には、インナーチューブ１０３同士の間の貯水空間に、水導入管１０５の端部がタンク本体１００の上部に配置され、水導出管１０６が導入端部がタンク本体１００の下部に配置されている。なお、図１１及び図１２において符号１０７は、タンク本体１００の上部に生成された氷を示している。
特開２００２−１１０１８７号公報（第７頁、図１）

上述の図１１及び図１２に示した純水タンクでは、タンク本体１００やインナーチューブ１０３を作製する場合、温媒流路１０２、１０４を挟む構成板材は互いに平行をなすように加工することが技術的にもコスト的にも有利であるため、温媒流路幅（厚み）は一定であった。しかしながら、温媒流路幅が一定であると、純水タンク内の上部と下部での解凍効率は同じであるため、凍結しにくいタンク下部と凍結し易いタンク上部とでの解凍効率が不均衡になり、タンク上部にできた氷が解凍するまでの時間が長くなるという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、解凍効率の高い貯水タンクを提供することにある。

請求項１記載の発明は、タンク本体の周側壁の下部から上部に亘って加熱冷媒通路が形成され、該加熱冷媒通路に加熱冷媒が流通される貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記加熱冷媒通路の上部の流量が下部の流量より大きく設定されていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記加熱冷媒通路が、下部から上部に向けて、前記周側壁の厚さ方向の通路幅寸法が漸次長くなるように形成されていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記加熱冷媒通路の下部に、加熱冷媒の流量を制限する流路遮断部材が配置されていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、タンク本体の周側壁の下部から上部に亘って加熱冷媒通路が形成され、該加熱冷媒通路に加熱冷媒が流通されると共に、前記タンク本体内に前記加熱冷媒通路に連通して加熱冷媒通路を流通させる上下方向に細長いチューブ通路を有する扁平なインナーチューブを備えた貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記チューブ通路の上部の流量が下部の流量より大きく設定されていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記チューブ通路が、下部から上部に向けて通路幅寸法が漸次長くなるように形成されていることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項４記載の貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記チューブ通路の下部に、加熱冷媒の流量を制限する流路遮断部材が配置されていることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載された貯水タンクに関するものである。この発明に係る貯水タンクは、前記加熱冷媒通路の上部の流量が下部の流量より大きく設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、加熱冷媒通路やインナーチューブにおける上部の解凍性能を相対的に高くすることができる。このため、タンク本体の上部で凍結した氷を効率的に解凍することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る貯水タンクの詳細を図面を用いて説明する。なお、各実施の形態に係る貯水タンクとしての純水タンクの説明に先駆けて、純水タンクを備えた燃料電池発電システムの構成の概略を図１を用いて説明する。

［燃料電池発電システムの概略構成］
図１において、燃料電池スタック１１０は、圧縮水素タンク１２０より燃料ガスとしての水素が導入される燃料極１１１と、外部から取り入れた酸化剤ガスとしての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に供給される水素および空気は、発電作用の活性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、純水供給パイプ１３２と純水汲み上げポンプ１３１とにより供給される。

氷点下の外気温条件下で、燃料電池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純水戻しパイプ１３３を介して純水タンク１０に戻され、ここで貯留される。

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１１４から冷却液ポンプ１４１により冷却液（例えば、ＬＬＣ等）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。

このラジエータ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ている。

また、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により燃料電池発電システムの始動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。

さらに、バイパス通路１４３に冷却液（不凍液）を加熱するための電熱または水素燃料熱を利用したヒータ１４５を設置することで、燃料電池スタック１１０の暖機促進を図れるようにしている。

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している。

（第１の実施の形態）
図２〜図４を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る純水タンク１０の構成を説明する。なお、図２は純水タンク１０の上蓋を外した状態を示す平面説明図、図３は上蓋を取り付けた状態における図２のＡ−Ａ断面の相当する断面説明図、図４は上蓋を取り付けた状態における図２のＢ−Ｂ断面に相当する断面説明図である。

本実施の形態に係る純水タンク１０は、図３及び図４に示すように、上方が開口された直方体のタンク本体１１とこの上面を塞ぐ上蓋１２によって外方が囲まれている。タンク本体１１は、内周壁１１ａと外周壁１１ｂの２重構造であり、内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間に加熱冷媒（温媒）通路１３が形成されている。この加熱冷媒通路１３は、底面と４つの側面に亘って形成されている。

内周壁１１ａの内部は、純水室１４となっており、純水が貯留されている。純水室１４は、内周壁１１ａを介して底面と４側面の全域に形成されている加熱冷媒通路１３で囲まれている。

なお、本実施の形態においては、側壁となる内周壁１１ａは底面に対して垂直に立ち上がり、側壁となる外周壁１１ｂは下縁から上縁に向けて外側斜め上方へ傾いている。このため、図３及び図４に示すように、周壁内に形成された周回する加熱冷媒通路１３は、下部から上部に向けて流路幅（タンクの内外方向の長さ）が漸次幅広になっている。

また、純水室１４には、間隔を置いて複数のインナーチューブ（板状チューブ）１５が互いに平行をなすように配置されている。この各インナーチューブ１５の両端は内周壁１１ａにそれぞれ固定されており、インナーチューブ１５の内部のチューブ通路１５ａは加熱冷媒通路１３に開口されている。

また、外周壁１１ｂには、入口パイプ１７と出口パイプ１８が設けられ、入口パイプ１７及び出口パイプ１８は上記した冷却液経路１４２に接続されている。そして、冷却液経路１４２の加熱冷媒としての冷却液が加熱冷媒通路１３及び各インナーチューブ１５のチューブ通路１５ａを流通するようになっている。

純水供給パイプ１３２は、外部より上蓋１２を介して純水室１４内に導かれ、その先端開口部が純水室１４の底面近傍に配置されている。

図２及び図３に示すように、純水戻しパイプ１３３は、外部より上蓋１２を介して純水室１４内に導かれ、その先端開口部が純水室１４の天井位置に配置されている。

なお、インナーチューブ１５は、例えば、プレス成形等により作製した２つの分割チューブ片を互いに組み付けろう付けにより接合されている。この組み付けた２つの分割チューブ片によって、インナーチューブ１５の形状が偏平形で、且つ、内部に上下方向に細長いチューブ通路１５ａが形成される。

なお、このようにして作製された各インナーチューブ１５の両端は、内周壁１１ａに形成されたの各チューブ挿入孔（図示省略する）に挿入し、インナーチューブ１５の端部を内周壁１１ａに溶接されている。

ところで、インナーチューブ１５を内周壁１１ａにろう付けする工程では、純水室１４を水密に保持するため、チューブ挿入孔の箇所に隙間ができないようにする必要がある。ここで、インナーチューブ１５はろう付け接合でゆがみがほとんど発生しないため、チューブ挿入孔にインナーチューブ１５を挿入した状態で予め予定された設計通りのクリアランスしか発生せず、溶接によって容易に、且つ、確実にクリアランスを埋めることができる。

［第１の実施の形態の作用・効果］
次に、本実施の形態に係る純水タンク１０の作用及び効果を説明する。

先ず、自動車の運転時には、純水タンク１０の純水が純水供給パイプ１３２より加湿器１３０等に供給される。そして、運転終了時には加湿器１３０等に供給された全ての純水が純水戻しパイプ１３３より純水タンク１０に戻される。

そして、設置場所の温度が氷点下以下（例えば−３０℃）で燃料電池発電システムが起動されると、０℃以上の高温に暖められた冷却液が純水タンク１０内の加熱冷媒通路１３及びインナーチューブ１５のチューブ通路１５ａに流通し、その通過の際に低温の純水と熱交換し、純水タンク１０内の純水氷が解凍される。さらに詳しくは、燃料電池発電システム起動時に純水が凍結している場合は、冷却液ポンプ１４１で循環する冷却水から純水タンク１０にて熱を吸収することで純水タンク１０内の氷を解凍させる。すなわち、本実施の形態では、図１に示すように、γで示す冷却水１４２にはラジエータ１４０をバイパスするバイパス通路１４３が設けられ、３方弁１４４により燃料電池発電システムの始動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た。さらに、バイパス通路１４３に冷却液（不凍液）を加熱するための電熱または水素燃料熱を利用したヒータ１４５を設置したことで、燃料電池スタック１１０の暖機が促進される。

ここで、本実施の形態では、加熱冷媒通路１３が、純水が凍結し易い上部ほど通路幅（タンク内外方向の長さ）が広くなっているため、加熱冷媒通路１３の下部よりも大量のが流通して、純水氷を効率よく解凍する。

一般に、純水タンク１０内で解凍が始まると、やがて氷はタンク内壁から離脱し、融解水より比重が小さいため浮上する。よって、加熱冷媒通路１３及びチューブ通路１５ａにおける上部を流れる加熱冷媒の熱は、融解水を通して氷に伝わるが、下部を流れる加熱冷媒の熱は融解水の対流が殆ど生じないために、主に融解水のみを加熱し、氷へ伝わる熱量は少ない。また、加熱冷媒が与える熱量も上部のものが多くなるため、温度低下が大きくなり、熱交換率も悪化する。しかし、本実施の形態に係る純水タンク１０では、加熱冷媒通路１３の上部が幅広になっているため、解凍性能への寄与率が大きい、タンク上部に加熱冷媒の流量を重点的に多くすることができるため、氷に伝わる熱量を大きくできる。特に、本実施の形態では、図３に示すように、入り口パイプ１７と出口パイプ１８を純水タンク１０の上部に配置しているため、さらに上部における加熱冷媒の流通量を大きくしている。このため、仮にインナーチューブ１５のチューブ通路１５ａが上下方向で同じ厚さであっても、上部を重点的に暖めることができる。

なお、設置場所の温度が氷点下以下（例えば−３０℃）で燃料電池発電システムの運転が終了すると、純水タンク１０内の純水が徐々に凍結するが、始動時には上述の作用により、氷を効率的に解凍することができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る純水タンク１０Ａを示している。この純水タンク１０Ａは、インナーチューブ１５を下部から上部に向けて漸次チューブ通路１５ａを幅広に設定したものである。また、上述の第１の実施の形態に係る純水タンク１０では、タンク本体１１の側壁を構成する、内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間の間隙、すなわち加熱冷媒通路１３が、下部から上部へ向けて漸次幅広になるように設定されていたが、本実施の形態の純水タンク１０Ａでは、内周壁１１ａと外周壁１１ｂとが互いに平行をなすように設定されている。

そして、本実施の形態においては、チューブ通路１５ａが、純水が凍結し易い上部ほど通路幅が広くなっているため、チューブ通路１５ａの下部よりも大量の加熱冷媒が流通して、純水氷を効率よく解凍する。

また、本実施の形態においても、図５に示すように、入り口パイプ１７と出口パイプ１８をタンク本体１１の上部に配置しているため、さらにインナーチューブ１５上部における加熱冷媒の流通量を大きくしている。このため、仮に、インナーチューブ１５のチューブ通路１５ａが上下方向で同じ厚さであっても、上部を重点的に暖めることができる。

（第２の実施の形態の変形例）
図６は、上述した第２の実施の形態に係る純水タンク１０Ａの変形例を示すものであり、インナーチューブ１５の構造が異なるものである。この変形例におけるインナーチューブ１５は、上部１５ｂが下から上に向けて漸次幅広になるように設定されている。インナーチューブ１５の下部１５ｃは、幅寸法（厚さ方向の長さ）が一定となるように設定されている。

この変形例は、その他の構成が上述の第２の実施の形態に係る純水タンク１０Ａと同様であり、純水タンク１０Ａと同様の作用・効果を奏することができる。

（第３の実施の形態）
図７及び図８は、本発明の第３の実施の形態に係る純水タンク１０Ｂを示している。この純水タンク１０Ｂにおいては、タンク本体１１を構成する、内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間の間隙が上下で同じ寸法に設定されている。また、タンク本体１１の底部に形成された加熱冷媒通路１３の幅（厚さ）寸法も均一に設定されている。さらに、本実施の形態においては、インナーチューブ１５の幅寸法も上下一定に設定されている。

そして、本実施の形態に係る純水タンク１０Ｂでは、図７に示すように、一部のインナーチューブ１５のチューブ通路１５ａの下部に、加熱冷媒の流量を制限する流路遮断部材１９が配置されている。また、タンク本体１１における側壁のうち、入り口パイプ１７と出口パイプ１８が設けられていない側壁の加熱冷媒通路１３の下部に流路遮断部材２０が配置されている。

このような構成の純水タンク１０Ｂでは、チューブ通路１５ａの下部、及び加熱冷媒通路１３の下部に、流路遮断部材１９、２０を配置したことにより、これら通路の上部での熱交換率を高めて純水室１４の上部に生成された純水氷を効率よく解凍させることができる。また、本実施の形態では、これら流路遮断部材１９、２０が加熱冷媒の流れを乱すことにより、熱交換率をさらに向上することが可能となる。なお、流路遮断部材１９、２０は、熱伝導性が高い材料で形成されることが好ましい。

本実施の形態では、タンク本体１１やインナーチューブ１５の加工が従来と同様に容易に行えるため、低コストで純水タンク１０を製造することができる。

（第３の実施の形態の変形例１）
図９は、上述した第３の実施の形態に係る純水タンク１０Ｂの変形例１である。この変形例１では、インナーチューブ１５の下部に配置する流路遮断部材１９Ａを、下部から上部に向けて漸次幅狭になるような形状にしたことを特徴としている。

このような形状の流路遮断部材１９Ａをインナーチューブ１５の下部に配置したことにより、チューブ通路１５ａは、下部から上部へ向けて漸次幅広になっている。このため、上述した第２の実施の形態と同様の作用を奏することができる。

（第３の実施の形態の変形例２）
図１０は、上述した第３の実施の形態に係る純水タンク１０Ｂの変形例２を示すものであって、インナーチューブ１５の断面図である。

この変形例２におけるインナーチューブ１５は、下部にチューブ通路１５ａの幅を半減させる板状の流路遮断部材１９Ｂが配置されていることを特徴としている。

この変形例２におけるインナーチューブ１５では、流路遮断部材１９Ｂを配置してチューブ通路１５ａの下部を幅狭にすることにより、上述した実施の形態に係る純水タンク１０Ｂと同様の作用・効果を有する。

（その他の実施の形態）
以上、各実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、構成の要旨に付随する各種の設計変更が可能である。

例えば、上述の各実施の形態では、貯水タンクを、自動車に搭載される燃料電池発電システムに用いられる純水タンクに本発明を適用して説明したが、家庭用などの燃料電池発電システムの純水タンクや、解凍を必要とする他の貯水タンクに適用することも勿論可能である。

また、上述の第３の実施の形態では、流路遮断部材１９、１９Ａ、１９Ｂをインナーチューブ１５の下部に配置したが、タンク本体１１の加熱冷媒通路１３の下部にこれらの構造を持つ流路遮断部材を配置しても勿論よい。

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構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る純水タンクの平面説明図である。 図２のＡ−Ａ断面説明図である。 図２のＢ−Ｂ断面説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る純水タンクの断面説明図である。 第２の実施の形態に係る純水タンクの変形例を示す、インナーチューブの断面説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る純水タンクの断面説明図である。 図７のＣ−Ｃ断面説明図である。 第３の実施の形態に係る純水タンクの変形例１を示すインナーチューブの断面図である。 第３の実施の形態に係る純水タンクの変形例２を示すインナーチューブの断面図である。 従来の純水タンクの断面説明図である。 従来の純水タンクの平面説明図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ 純水タンク（貯水タンク）
１１ タンク本体
１１ａ 内周壁
１１ｂ 外周壁
１３ 加熱冷媒通路
１４ 純水室
１５ インナーチューブ
１７ 入り口パイプ
１８ 出口パイプ
１９，１９Ａ，１９Ｂ，２０，２２ 流路遮断部材

Claims (7)

1. タンク本体（１１）の周側壁の下部から上部に亘って加熱冷媒通路（１３）が形成され、該加熱冷媒通路（１３）に加熱冷媒が流通される貯水タンク（１０）であって、
   前記加熱冷媒通路（１３）の上部の流量が下部の流量より大きく設定されていることを特徴とする貯水タンク（１０）。
2. 請求項１記載の貯水タンク（１０）であって、
   前記加熱冷媒通路（１３）は、下部から上部に向けて、前記周側壁の厚さ方向の通路幅寸法が漸次長くなるように形成されていることを特徴とする貯水タンク（１０）。
3. 請求項１記載の貯水タンク（１０Ｂ）であって、
   前記加熱冷媒通路（１３）の下部に、加熱冷媒の流量を制限する流路遮断部材（２０，２２）が配置されていることを特徴とする貯水タンク（１０Ｂ）。
4. タンク本体（１１）の周側壁の下部から上部に亘って加熱冷媒通路（１３）が形成され、該加熱冷媒通路（１３）に加熱冷媒が流通されると共に、前記タンク本体（１１）内に前記加熱冷媒通路（１３）に連通して加熱冷媒を流通させる上下方向に細長いチューブ通路（１５ａ）を有する扁平なインナーチューブ（１５）を備えた貯水タンク（１０Ａ）であって、
   前記チューブ通路（１５ａ）の上部の流量が下部の流量より大きく設定されていることを特徴とする貯水タンク（１０Ａ）。
5. 請求項４記載の貯水タンク（１０Ａ）であって、
   前記チューブ通路（１５ａ）は、下部から上部に向けて通路幅寸法が漸次長くなるように形成されていることを特徴とする貯水タンク（１０Ａ）。
6. 請求項４記載の貯水タンク（１０Ｂ）であって、
   前記チューブ通路（１５ａ）の下部に、加熱冷媒の流量を制限する流路遮断部材（１９，１９Ａ，１９Ｂ）が配置されていることを特徴とする貯水タンク（１０Ｂ）。
7. 請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載された貯水タンクであって、
   前記加熱冷媒通路の上部の流量が下部の流量より大きく設定されていることを特徴とする貯水タンク。

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