JP2005302361A - 貯水タンク - Google Patents

Abstract

【課題】 解凍効率の高い貯水タンクを提供を図る。
【解決手段】 タンク本体１１内に略水平に配置され、凍結した水の解凍を促進する電気ヒータ１５と、タンク本体１１の周側壁の下部から上部にわたって形成され、凍結した水の解凍を促進する加熱冷媒を流通させる加熱冷媒通路１３とを備え、解凍性能を向上（解凍時間を短縮）すると共に、外気温による内部純水の再凍結を防止する。
【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。

液体を貯蔵するタンクはガソリンの携行缶や大型トラックの車体側面に配置される燃料タンクなどが一般的であり、箱形形状のものが多い。通常、このような液体は一般的な自然環境下では凍結しない。しかし、燃料電池自動車のように、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の純水を収容する貯水タンクでは、他の機能部品と共に例えば車体フロアの下側等の空きスペースに搭載されているため、寒冷地等の低温環境下におかれると貯水タンク内で純水の凍結が発生することがある。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ともに電力や水素の消費量が多くなるという問題があった。

また、氷点下時など外気温度が低い場合には、一度解凍した純水が再凍結してしまう可能性があった。

そのため、従来より貯水タンクに加熱用のヒータを付設して、発電システムの自動時にはこの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、純水を加熱するためには、棒状のシーズヒータを貯水タンクの周側壁や底壁に配設している。また、棒状シーズ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。

しかし、これらヒータを周側壁や底壁に取り付けたものでは、タンク中心部を解凍するまでに時間がかかってしまうという問題があった。

また、上記とは異なる方法として、貯水タンクの周囲や内部に流体通路を設け、この流体通路に解凍用の加熱冷媒を流通させて解凍を行うようにした技術も提案されている。

これは、例えば図７及び図８に示すように、タンク本体２００の壁部２０１内に、加熱冷媒用の加熱冷媒通路２０２を形成したり、タンク本体２００内に所定の上下高さ寸法を有するインナチューブ（板状チューブ）２０３をタンク本体２００の縦方向や横方向になどに沿って配置し、このインナチューブ２０３内の加熱冷媒通路２０４をタンク本体２００の壁部２０１内に設けた加熱冷媒通路２０２と連通させ、タンク本体２００の壁部２０１の側部に設けた液媒導入（出）路２０５，２０５から導入した加熱冷媒を流通させるようにしたものである。

このタンク本体２００には、インナチューブ２０３間の貯水空間に純水導入管２０６の端部がタンク本体２００の上部近傍に配置され、純水導出管２０７の端部がタンク本体２００の底部近傍に配置されている。

なお、図７及び図８において、符号２０８は純水の交換用にタンク本体２００下面に設けられたドレーン構造を示している。

また、符号２０９は純水を示し、符号１２０はタンク本体２００内に発生した氷を示しており、純水の凍結は、タンク本体２００内の上方の水面から凍結しやすくなっている。
特開２００２−１１０１８７号公報（第７頁、図１）

しかしながら、図７及び図８に示した純水の貯水タンクでは、タンク本体２００やインナチューブ２０３を作製する際、加熱冷媒通路２０２，２０４を一定の厚み（幅）として加工する方が技術的にもコスト的にも有利であり、加熱冷媒通路２０２，２０４の厚み（幅）を上下で不均一に設定することが困難であった。

また、加熱冷媒通路２０２，２０４の厚み（幅）を一定とすると、タンク本体２００内での解凍するための供給熱量は上部と下部とで当然ほぼ同じとなるが、前述したように、純水の凍結はタンク本体２００内の上方の水面から凍結しやすくなっているため、凍結しやすいタンク上部と凍結しにくいタンク下部とでは実質的に解凍効率が不均衡となり、タンク上部に生じた氷が解凍するまで時間が長くかかってしまうという問題があった。

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である。

請求項１記載の発明は、燃料電池発電システムに用いられる貯水タンクであって、水を蓄えるタンク本体と、このタンク本体内に略水平に配置され、凍結した水の解凍を促進する電気ヒータと、タンク本体の周側壁の下部から上部にわたって形成され、凍結した水の解凍を促進する加熱冷媒を流通させる加熱冷媒通路と、を備えた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り、前記電気ヒータをタンク本体内の水位の中間よりも上部に配置すると共に、当該電気ヒータから略水平もしくは上方に向けて伸びるアッパフィンと、下方に伸びるロアフィンとを備えたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の貯水タンクに関するものであり、前記ロアフィンは、タンク内底部近傍において曲折され、水平方向に展開する延設部を有することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３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り、前記電気ヒータは、棒状の発熱体を略水平方向に複数配置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２又は請求項３に記載された貯水タンクに関するものであり、前記電気ヒータは、棒状の発熱体を略水平方向に複数配置されていると共に、前記アッパフィン及びロアフィンは少なくとも隣接する発熱体間に、所定のクリアランスを持って不連結に配置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又は請求項５に記載された貯水タンクに関するものであり、前記電気ヒータは、棒状の発熱体を略Ｍ字状に曲折して、略水平方向に複数配置したことを特徴としている。

本発明によれば、タンク本体内に略水平に配置された電気ヒータと、タンク本体の周側壁に形成された加熱冷媒通路とによって、タンク本体内の凍結した水をすばやく効率的に解凍することができる。また、始動後（解凍後）の再凍結を防止することができる。

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に基づいて説明する。まず、各実施の形態に係る貯水タンクとしての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により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に供給される水素及び空気は、発電作用の活性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と純粋くみ上げパイプ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しておくと、燃料電池スタック１１０等のコンポーネント等に破裂を招く恐れがあるため、その対策として、燃料電池発電システムの運転終了時には純水経路内の純水を抜き取っておくことが必要とされ、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、そこで貯留されるようになっている。

一方、燃料電池スタック１１０では、発電時に発熱が起こるため，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、燃料電池スタック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は、例えばＬＬＣ等の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な工夫が施されている。

さらに、バイパス通路１４３には、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の暖気促進を図るようにしている。

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σ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２〜４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断面に相当する断面説明図、図４は純水タンク１０内の解凍状態を示す図３相当の断面説明図である。

本実施の形態に係る純水タンクは、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によって外周部が囲まれている。タンク本体１１は、内周壁１１ａと外周壁１１ｂの２重構造となっており、内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間に加熱冷媒通路１３が形成されている。この加熱冷媒通路１３は底面と４つの側面にわた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。すなわち、純水室１４は内周壁１１ａを介して底面と４つの側面の全域に形成されている加熱冷媒通路１３によって囲まれていることになる。

外周壁１１ｂには、加熱冷媒の導出入口（図示せず）が設けられている。この導出入口は前述の冷却液経路１４２に接続されており、冷却経路１４２を流れる冷却液が加熱冷媒として加熱冷媒通路１３の内部を流通するようになっている。

また、純水室１４には、間隔を置いて棒状の電気ヒータ１５が略水平になるように配置されている。

この電気ヒータ１５はをタンク本体１１内の水位の中間よりも上部に配置されている。そして、電気ヒータ１５から略水平に向けて伸びるアッパフィン１６と、下方に伸びるロアフィン１７とを備えている。

これらアッパフィン１６及びロアフィン１７は、電気ヒータ１５の外周部にろう付け接合等により接続されている。

また、これらアッパフィン１６及びロアフィン１７はそれぞれ隣接する電気ヒータ１５間に、所定のクリアランスを持って不連結に配置されており、隣接するフィン１６（１７）によって純水の流通を妨げないように配慮されている。

また、本実施形態では電気ヒータ１５は、棒状の発熱体を略Ｍ字状に曲折して、略水平方向に配置しているが、棒状の発熱体を略水平方向に複数配置してもよい。

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。

一方、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、図中の符号１８はタンク本体１１内の純水の水位を監視する水位センサーを示している。

続けて本実施の形態に係る純水タンクの作用を説明する。

まず、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等に供給されたすべての純水が純水戻しパイプ１３３より純水タンクに戻される。

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、電気ヒータ１５に通電が行われて、純水タンク１０内の氷を解凍する。さらに、０℃以上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に流通し、その通過の際に低温の純水と熱交換し、タンク本体１０内の氷が解凍される。

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が設けられ、３方弁１４４により燃料電池発電システムの起動時のみラジエータ１４０をバイパスするようにしている。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を設置したことで、燃料電池スタック１１０の暖気が促進される。

特に本実施の形態では、電気ヒータ１５を純水タンク１０内の水位の中間よりも上部に配置してあるため、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剥離し、融解水より比重が小さいため上方へ浮上する。よって、電気ヒータ１５の熱は、タンク下部では融解水を通して氷に伝わりやすくなり、フィン下面では浮上する氷の上面と接触するので熱交換率が向上し従来よりも解凍性能を向上（解凍時間を短縮）することができる。

さらに、当該電気ヒータ１５から略水平に向けて伸びるアッパフィン１６と、下方に伸びるロアフィン１７とを備えているため、熱伝導面積が大きくとれ、熱交換率を向上することができる。

また、前述のように、純水タンク１０のタンク本体１１の側面に設けられた加熱冷媒通路１３には純水タンク１０内の純水よりも高温の加熱冷媒が流通しているため、外気温による内部純水の再凍結を防止することもできる。

（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１０を示している。この純水タンク１０では、前述の第１実施形態の構造に加え、電気ヒータ１５から伸びるアッパフィン１６が斜め上方に向けて配置されている。

これにより、純水タンク１０内で解凍が始まり、氷がタンク内壁から剥離して上方へ浮上しても、接触面積を大きく確保することができ、電気ヒータ１５の熱が、融解水を通してより氷に伝わりやすくなり、熱交換率が向上しさらに解凍性能を向上（解凍時間を短縮）することができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る純水タンク１０を示している。この純水タンク１０では、前述の第１実施形態（第２実施形態）の構造に加え、電気ヒータ１５から伸びるロアフィン１７は、タンク本体１１の底部近傍において曲折され、水平方向に展開する延設部１９を備えている。

これにより、純水タンク１０の底部近傍での解凍速度を速めることができ、氷の離脱上昇を速めることができる。

また、前述の第１〜第３実施形態ではいずれも、アッパフィン１６及びロアフィン１７は少なくとも隣接する電気ヒータ１５，１５間に、所定のクリアランスを持って不連結に配置されているので、隣接するフィン１６（１７）によって純水の流通を妨げないため、純水タンク１０内での純水（融解水）の対流によって、より解凍効率を向上することができる。

本発明は、燃料電池発電システムの純水タンクの他にも様々な液体貯蔵タンクの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの概略を示す図である。 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断面に相当する断面説明図である。 図３の純水タンク内の解凍状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る図３相当図である。 本発明の第３実施形態に係る図３相当図である。 従来の純水タンクの平面説明図である。 従来の純水タンクの断面説明図である。

符号の説明

１０ 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 電気ヒータ
１６ アッパフィン
１７ ロアフィン
１９ 延設部

Claims (6)

1. 燃料電池発電システムに用いられる貯水タンクであって、
   水を蓄えるタンク本体と、
   このタンク本体内に略水平に配置され、凍結した水の解凍を促進する電気ヒータと、
   タンク本体の周側壁の下部から上部にわたって形成され、凍結した水の解凍を促進する加熱冷媒を流通させる加熱冷媒通路と、
   を備えたことを特徴とする貯水タンク。
2. 前記電気ヒータをタンク本体内の水位の中間よりも上部に配置すると共に、
   当該電気ヒータから略水平もしくは上方に向けて伸びるアッパフィンと、下方に伸びるロアフィンとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の貯水タンク。
3. 前記ロアフィンは、タンク内底部近傍において曲折され、水平方向に展開する延設部を有することを特徴とする請求項２記載の貯水タンク。
4. 前記電気ヒータは、棒状の発熱体を略水平方向に複数配置されている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された貯水タンク。
5. 前記電気ヒータは、棒状の発熱体を略水平方向に複数配置されていると共に、前記アッパフィン及びロアフィンは少なくとも隣接する発熱体間に、所定のクリアランスを持って不連結に配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載された貯水タンク。
6. 前記電気ヒータは、棒状の発熱体を略Ｍ字状に曲折して、略水平方向に複数配置したことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載された貯水タンク。

Images