JP4288052B2 - 凍結し得る液体の貯留タンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯留した液体が凍結した場合に、液体状態に融解して用いるようにした凍結し得る液体の貯留タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−１４９９７０号公報に開示された燃料電池システムでは、燃料電池本体の空気極には加湿器を通して空気を供給するとともに、燃料極には燃料改質器によってメタノールから取り出した水素を供給し、空気中の酸素と水素とを化学反応させて電気を取り出すようになっている。
【０００３】
このとき、前記加湿器および前記燃料改質器には水タンクに貯留した水を供給するようになっており、加湿器は燃料電池本体に供給する空気に水を噴霧し、また、燃料改質器はメタノールと水を高温下で反応させて水素ガスを生成するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、寒冷時等にあって水タンクに貯留した水が凍結すると、加湿器および燃料改質器に水を供給できなくなるため燃料電池システムを始動できなくなってしまう。
【０００５】
このため、前記燃料電池システムでは、水タンクにヒータを備えた補助タンクを設け、水が凍結している場合の始動時には凍結した水をヒータで融解して、補助タンクから融解した水を加湿器および燃料改質器に供給するようになっている。
【０００６】
ところが、ヒータで凍結した水を単に温める程度では、凍結した水の融解速度が遅くて十分な水の供給が不可能となり、結果的に始動時に必要な水量を稼ぐために燃料電池の始動タイミングを遅らせる必要がある等、円滑な燃料電池の作動に支障が来される。
【０００７】
また、補助タンクを設けることにより水タンクの構造が複雑化および大型化して、燃料電池システムのコンパクト化が困難になってしまう。
【０００８】
そこで、本発明はかかる従来の課題を解決すべく成されたもので、全体のコンパクト化を図りつつ、凍結した液体をより迅速に融解できるようにした凍結し得る液体の貯留タンクを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、貯留した液体が凍結した場合に、この凍結液体を融解して使用するようにした凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、タンク容器の少なくとも底部を含む周囲に加熱手段を設けるとともに、一部融解した液体に振動を付加する加振手段を設け、前記タンク容器の内方に、前記加熱手段の熱を伝達するフィンを垂直方向に設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、タンク容器に、液体の凍結時の体積変化を許容する体積変化許容手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明にあっては、請求項１又は請求項２に記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、加振手段を、タンク容器の底部に設けたことを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３のいずれかに記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、加熱手段を、タンク容器の少なくとも底部を含む周囲を二重壁構造として、加熱流体を循環させる通路としたことを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明にあっては、請求項４に記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、加振手段を、タンク容器の液体を貯留した底部に設け、導入する前記加熱流体の脈動により振動する振動部材としたことを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明にあっては、請求項５に記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、加振手段は、前記加熱流体をタンク容器に導入する導入口近傍に設けたカルマン渦の渦生成手段を有することを特徴としている。
【００１６】
請求項７の発明にあっては、請求項５または６に記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、加振手段は、前記加熱流体を流通させる循環ポンプの駆動電圧を変化させる電圧変化手段を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明にあっては、請求項１〜７のいずれかに記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、融解した液体を吸引する液体ポンプの吸引パイプ内に、発熱要素を設けたことを特徴としている。
【００１８】
請求項９の発明にあっては、請求項８に記載の凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、吸引パイプ内に、所定の大きさ以上の氷塊の通過を遮断する氷塊阻止手段を設けたことを特徴としている。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、タンク容器の少なくとも底部を含む周囲に加熱手段を設けたので、周囲から加熱手段による熱を凍結した液体に作用させて融解速度を速めるとともに、底部に設けた加熱手段により融解した液体の対流を生成して、その対流部分周囲の凍結した液体の融解を促進することができる。
【００２０】
また、加振手段により一部融解した液体に振動を付加することにより、融解した液体を強制的に振動させて周囲の凍結した液体の融解を更に促進することができる。
【００２１】
さらに、加熱手段の熱を伝達するフィンによって凍結した液体の内部から加熱できるため、凍結した液体の融解を早めるとともに、フィンを垂直方向に設けたことにより融解した液体を大きく自然対流させて、凍結した液体の融解を促進することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、凍結した液体がタンク容器内で体積膨張する際の体積変化を体積変化許容手段によって吸収できるため、タンク容器に外方に向かう過大な押圧力が作用するのを抑制して、タンク容器が破損するのを避けることができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２の発明の効果に加えて、タンク容器の底部に設けた加振手段によって、融解した液体を上下に振動させて強制対流を発生させることができるため、その周囲の凍結した液体の融解をより早めることができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、タンク容器の液体を貯留した部分の底部を含む周囲を加熱流体によってむら無く加熱できるため、凍結した液体が加熱流体が循環する通路に接触する部分に万遍なく熱エネルギーを付加して融解を早めることができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、タンク容器の液体を貯留した底部に設けた振動部材から加熱流体の脈動による大きな振動エネルギーを融解した液体に付加できるため、強制対流を確実に発生させて凍結した液体の融解を促進することができる。
【００２６】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、渦生成手段で生成するカルマン渦により加熱流体の脈動を更に増加できるため、液体の強制対流を更に強めて凍結した液体の融解を更に促進することができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５または７の発明の効果に加えて、電圧変化手段により変化する駆動電圧によって循環ポンプから吐出する加熱流体の脈動を更に増加できるため、液体の強制対流を更に強めて凍結した液体の融解を更に促進することができる。
【００２８】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜７の発明の効果に加えて、液体ポンプの吸引パイプ内の凍結した液体を発熱要素によって融解できるため、液体ポンプが氷塊を吸引して破損するのを防止することができる。
【００２９】
請求項９に記載の発明によれば、請求項８の発明の効果に加えて、吸引パイプ内やタンク容器内の融解した液体に少しの氷塊が残っている場合に、氷塊阻止手段により所定の大きさ以上の氷塊が吸引パイプを通過するのを遮断して、液体ポンプに吸引されるのを阻止することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
図１〜図４は本発明の凍結し得る液体の貯留タンクの第１実施形態を示し、図１はこの実施形態の貯留タンクを用いた燃料電池システムの基本構造を示す全体図、図２は貯留タンクの拡大断面正面図、図３は貯留タンクの拡大断面側面図、図４はこの実施形態の氷の融解状態を示す拡大断面図である。
【００３２】
この第１実施形態の貯留タンク１０に貯留する凍結し得る液体としては、図１に示すように燃料電池システム１００で発生する純水である場合に例をとって示す。
【００３３】
即ち、図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池本体であるＦＣスタック１１０を備え、このＦＣスタック１１０は、圧縮水素タンク１２０から供給する水素を導入する燃料極１１１と、外方から取り入れた空気を導入する空気極１１２とを備え、これら燃料極１１１と空気極１１２に導入した水素と空気中の酸素とを、水の電気分解の逆の原理を利用して化学反応させることにより発電するようになっている。
【００３４】
尚、この実施形態に示す燃料電池システム１００は、燃料として圧縮水素タンク１２０から供給される純水素を用いたものであり、この水素を改質装置を用いることなく直接燃料極１１１に供給するようになっている。
【００３５】
ＦＣスタック１１０では、水素と酸素の反応による発電に伴って純水Ｗが生成され、この純水Ｗを貯留タンクとしての純水タンク１０に貯留するようになっており、この純水タンク１０の純水Ｗは、ＦＣスタック１１０に導入する水素および空気を加湿する加湿器１３０に供給するようになっている。
【００３６】
また、前記ＦＣスタック１１０には発電時に発生する熱を除去する熱交換器１１３が設けられ、この熱交換器１３とラジエータ１４０とを結ぶ冷却回路１４１に冷却媒体としての不凍液を循環するようになっており、この冷却回路１４１は前記純水タンク１０に繋いで熱交換するようになっている。
【００３７】
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、太い破線γは冷却回路１４１の不凍液の流通経路、太い実線δは加湿用の純水Ｗの流通経路を示す。
【００３８】
前記純粋水タンク１０は、図２，図３に示すように純水Ｗを貯留するタンク容器１１と、このタンク容器１１に貯留した純水Ｗを吸引して加湿器１３０に送給する液体ポンプとしての純水ポンプ２０とを備える。
【００３９】
タンク容器１１は、底部となる底板１２と、周囲の側壁１３と、天板１４とによって密閉構造として形成してあり、前記純水ポンプ２０は天板１４の上面に設置して、この天板１４に形成した開口部１４ａから吸引パイプ２１をタンク容器１１に貯留した純水Ｗ中に挿入してある。
【００４０】
また、タンク容器１１の天板１４には、ＦＣスタック１１０の発電時に生成された純水Ｗを導入する戻り管３０を設けてあるとともに、タンク容器１１の上部に連通するブリーザ管３１を設けてある。
【００４１】
前記タンク容器１１は、底板１２および側壁１３の外側に所定間隔を設けて復底板１５および復側壁１６で覆って二重構造として構成してあり、底板１２と復底板１５との間および側壁１３と復側壁１６との間に加熱手段としての通路１７を形成して、この通路１７に前記冷却回路１４１の不凍液を加熱液Ｌとして循環させるようになっている。
【００４２】
加熱液Ｌは、図２に示すように復底板１５の中央部に設けた入口パイプ１５ａから通路１７に導入した後、復側壁１６の上端部に設けた出口パイプ１６ａから排出するようになっており、先ず、入口パイプ１５ａから底板１２に対応した部分の通路１７Ａに導入した加熱液Ｌは、底板１２に沿って図２中紙面直角方向に流れ、その紙面直角方向の両端部から図３に示すように側壁１３に対応した部分の通路１７Ｂ１に流入し、そして、この通路１７Ｂ１を上方および図３中紙面直角方向に流れた後、図２中右側の通路１７Ｂ２に流入するようになっている。
【００４３】
底板１２および側壁１３で囲まれたタンク容器１１の内方には、図２中左右の側壁１３と平行に垂直方向に配置されるフィン１８を所定間隔をもって複数配置し、これら複数のフィン１８間には両側の側壁１３とともに複数のチューブ１８ａを貫通して、これらチューブ１８ａを介して図２中両側の通路１７Ｂ２，１７Ｂ３を連通するようになっている。
【００４４】
従って、図２中右側の通路１７Ｂ２に流入した加熱液Ｌは、前記チューブ１８ａを介して図２中左側の通路１７Ｂ３に流入した後、この通路１７Ｂ３から出口パイプ１６ａに排出されるようになっており、前記チューブ１８ａを加熱液Ｌが通過する際に、この加熱液Ｌの熱を前記フィン１８に伝達するようになっている。
【００４５】
底板１２の前記入口パイプ１５ａに対応した中央部には、この入口パイプ１５ａの径よりも十分に大きな径Ｄとなる開口部１２ａを形成し、この開口部１２ａをタンク容器１１の内方に突出して配置される体積変化許容手段としての金属ベローズ管４０で閉塞するようになっている。
【００４６】
また、図３に示す左右両側壁１３の中央部にも前記開口部１２ａと略同径の開口部１３ａ，１３ｂを形成し、これら開口部１３ａ，１３ｂに体積変化許容手段としての金属ベローズ管４１，４２を取り付けてあり、タンク容器１１内の純水Ｗが凍結した時に前記金属ベローズ管４０，４１，４２が縮むことにより、凍結により膨張する純水Ｗの体積変化を許容するようになっている。
【００４７】
また、前記タンク容器１１の底部には、純水Ｗに振動を付加する加振手段５０を設けるようになっており、この第１実施形態の加振手段５０は、底面１２に設けた前記金属ベローズ管４０を振動部材として用い、この金属ベローズ管４０に入口パイプ１５ａから導入する加熱液Ｌが衝突した際に、この加熱液Ｌに存在する脈動によって金属ベローズ管４０を振動させるようになっている。
【００４８】
（作用）
以上の構成によりこの第１実施形態の純水タンク１０にあっては、タンク容器１１の底壁１２および側壁１３を二重構造にして通路１７を形成し、この通路１７に加熱液Ｌを循環させたので、貯留タンク１０内の純水Ｗが寒冷時などにあって凍結した場合に、加熱液Ｌの熱をタンク容器１１の底部および周囲から凍結した純水Ｗに作用させて融解速度を速めるとともに、底面１２から加熱することにより融解した純水Ｗの対流を生成して、その対流部分周囲の凍結した純水Ｗの融解を促進することができる。
【００４９】
また、この実施形態では加熱手段が加熱液Ｌを循環する通路１７であるため、タンク容器１１の底壁１２および側壁１３を加熱液Ｌによってむら無く加熱できるため、凍結した純水Ｗが通路１７に接触する部分に万遍なく熱エネルギーを付加して融解をより早めることができる。
【００５０】
更に、前記タンク容器１１の底面１２には通路１７に導入する加熱液Ｌの脈動で振動する金属ベローズ管４０を設けたので、一部融解した純水Ｗを強制的に振動させて周囲の凍結した純水Ｗの融解を促進することができるとともに、振動する金属ベローズ管４０を底面１２に設けたことにより、融解した純水Ｗを上下に振動させて強制対流を発生させることができるため、その周囲の凍結した純水Ｗの融解をより早めることができる。
【００５１】
更にまた、前記金属ベローズ管４０は加熱液Ｌの脈動で振動するため、大きな振動エネルギーを融解した純水Ｗに付加できるため、強制対流を確実に発生させて凍結した純水Ｗの融解を促進することができる。
【００５２】
また、この実施形態ではタンク容器１１の内方に前記加熱液Ｌの熱を伝達する複数のフィン１８を設けたので、これらフィン１８によって凍結した純水Ｗの内部から加熱できるため、凍結した純水Ｗの融解を早めるとともに、フィン１８を垂直方向に設けたことにより融解した純水Ｗを大きく自然対流させて、凍結した純水Ｗの融解を促進することができる。
【００５３】
即ち、この第１実施形態では図４に示すようにフィン１８の周囲で凍結した純水Ｗが融解すると、この融解した純水Ｗに金属ベローズ管４０から振動が加振されるため、凍結した純水Ｗの融解を大幅に促進することができ、ひいては、図１に示す燃料電池システム１００で貯留タンク１０から加湿器１３０に供給するに必要な量を迅速に確保できるため、寒冷時における燃料電池システム１００のより迅速な作動が可能となる。
【００５４】
更に、この実施形態ではタンク容器１１の底面１２および側壁１３に金属ベローズ管４０，４１，４２を設けてタンク容器１１内の体積変化を許容するようにしたので、純水Ｗが凍結する際に体積膨張して外方に向かう過大な押圧力が底面１２や側壁１３に作用するのを抑制して、タンク容器１１が破損するのを避けることができる。
【００５５】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態を示し、前記第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【００５６】
図５は貯留タンクの拡大断面正面図で、この第２実施形態の貯留タンク１０ａは、加熱液Ｌをタンク容器１１に導入する導入口、つまり入口パイプ１５ａの導入口近傍にカルマン渦の渦生成手段としての抵抗体５１を設けるようになっている。
【００５７】
抵抗体５１は断面円形の柱状体として形成し、この抵抗体５１の長さ方向を、入口パイプ１５ａから加熱液Ｌが通路１７内に流入する方向（図中上方）に対して直角に配置し、流入した加熱液Ｌが抵抗体５１に衝突した際にその後流側にカルマン渦Ｓを生成するようになっている。
【００５８】
従って、この第２実施形態の貯留タンク１０ａにあっては、前記第１実施形態の作用・効果に加えて、抵抗体５１で生成するカルマン渦Ｓにより加熱液Ｌの脈動を更に増加できるため、振動部材としての金属ベローズ管４０の振動を増大して融解した純水Ｗの強制対流を更に強めることができ、凍結した純水Ｗの融解を更に促進することができる。
【００５９】
（第３実施形態）
図６は本発明の第３実施形態を示し、前記第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【００６０】
図６は貯留タンクの拡大断面正面図で、この第３実施形態の貯留タンク１０ｂは、加熱液Ｌを流通させる循環ポンプ６０の駆動電圧を変化させる電圧変化手段６１を設け、この電圧変化手段６１を加振手段として用いてある。
【００６１】
従って、この第３実施形態の貯留タンク１０ｂにあっては、前記第１実施形態の貯留タンク１０の作用・効果に加えて、電圧変化手段６１により変化する駆動電圧によって循環ポンプ６１から吐出する加熱液Ｌの脈動を更に増加できるため、純水Ｗの強制対流を更に強めて凍結した純水Ｗの融解を更に促進することができる。
【００６２】
勿論、この第３実施形態の電圧変化手段６１は、第１実施形態の貯留タンク１０に限ることなく、第２実施形態の貯留タンク１０ａにあっても適用することができる。
【００６３】
（第４実施形態）
図７，図８は本発明の第４実施形態を示し、前記第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【００６４】
図７は貯留タンクの拡大断面正面図、図８は図７中Ａ−Ａ線に沿った拡大断面図で、この第４実施形態の貯留タンク１０ｃは、融解した純水Ｗを吸引する純水Ｗポンプの吸引パイプ２１内に、伝熱フィン７０を設けるとともに、所定の大きさ以上の氷塊の通過を遮断する氷塊阻止手段としてのメッシュ８０を設けるようになっている。
【００６５】
伝熱フィン７０は、図７に示すように所定長さＨを有する２枚の帯状フィン７１を図８に示すように十字状に組付けて構成し、これを断面円形の吸引パイプ２１の内側に密接して嵌装するするようになっており、その結果、吸引パイプ２１の外周の熱を伝熱フィン７０を介して吸引パイプ２１の中心部へ伝達し、吸引パイプ２１の中心部の純粋の溶解を促進する。
【００６６】
メッシュ８０は、図７に示すように純水Ｗの吸引方向、つまり下方に向かって先細りとなる円錐状に形成し、これを純水ポンプ２０の吸引口２０ａに取付けるようになっている。
【００６７】
従って、この第４実施形態の貯留タンク１０ｃにあっては、前記第１実施形態の作用・効果に加えて、純水ポンプ２０の吸引パイプ２１内の凍結した液体を伝熱フィン７０によって融解できるため、純水ポンプ２０が氷塊を吸引して破損するのを防止することができる。
【００６８】
また、前記吸引パイプ２１内にメッシュ８０を設けたので、吸引パイプ２１内やタンク容器１１内の融解した純水Ｗに少しの氷塊が残っている場合に、メッシュ８０によって所定の大きさ以上の氷塊が吸引パイプ２１を通過するのを遮断して、純水ポンプ２０に吸引されるのを阻止することができる。
【００６９】
勿論、この第４実施形態の伝熱フィン７０およびメッシュ８０は、第１実施形態の貯留タンク１０のみに限ることなく、第２，第３実施形態の貯留タンク１０ａ，１０ｂにあっても適用することができる。
【００７０】
ところで、本発明の凍結し得る液体の貯留タンクを前記第１〜第４実施形態に例をとって説明したが、これに限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他の各種実施形態を採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における貯留タンクを用いた燃料電池システムの基本構造を示す全体図。
【図２】本発明の第１実施形態における貯留タンクの拡大断面正面図。
【図３】本発明の第１実施形態における貯留タンクの拡大断面側面図。
【図４】本発明の第１実施形態における氷の融解状態を示す拡大断面図。
【図５】本発明の第２実施形態における貯留タンクの拡大断面正面図。
【図６】本発明の第３実施形態における貯留タンクの拡大断面正面図。
【図７】本発明の第４実施形態における貯留タンクの拡大断面正面図。
【図８】図７中Ａ−Ａ線に沿った拡大断面図。
【符号の説明】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 純水タンク（貯留タンク）
１１ タンク容器
１２ 底板（底部）
１３ 側壁（周囲）
１５ 復底板
１６ 復側壁
１７ 通路（加熱手段）
１８ フィン
２０ 純水ポンプ（液体ポンプ）
２１ 吸引パイプ
４０ 金属ベロース管（体積変化許容手段，振動部材）
４１，４２ 金属ベロース管（体積変化許容手段）
５０ 加振手段
５１ 抵抗体（渦生成手段）
６０ 循環ポンプ
６１ 電圧変化手段
７０ 伝熱フィン（発熱要素）
８０ メッシュ（氷塊阻止手段）
Ｗ 純水
Ｌ 加熱液

Claims (9)

1. 貯留した液体が凍結した場合に、この凍結液体を融解して使用するようにした凍結し得る液体の貯留タンクにおいて、
   タンク容器の少なくとも底部を含む周囲に加熱手段を設けるとともに、一部融解した液体に振動を付加する加振手段を設け、前記タンク容器の内方に、前記加熱手段の熱を伝達するフィンを垂直方向に設けたことを特徴とする凍結し得る液体の貯留タンク。
2. タンク容器は、液体の凍結時の体積変化を許容する体積変化許容手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
3. 加振手段は、タンク容器の底部に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
4. 加熱手段は、タンク容器の少なくとも底部を含む周囲を二重壁構造として、加熱流体を循環させる通路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
5. 加振手段は、タンク容器の液体を貯留した底部に設け、導入する前記加熱流体の脈動により振動する振動部材であることを特徴とする請求項４に記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
6. 加振手段は、前記加熱流体をタンク容器に導入する導入口近傍に設けたカルマン渦の渦生成手段を有することを特徴とする請求項５に記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
7. 加振手段は、前記加熱流体を流通させる循環ポンプの駆動電圧を変化させる電圧変化手段を有することを特徴とする請求項５または６に記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
8. 融解した液体を吸引する液体ポンプの吸引パイプ内に、発熱要素を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の凍結し得る液体の貯留タンク。
9. 吸引パイプ内に、所定の大きさ以上の氷塊の通過を遮断する氷塊阻止手段を設けたことを特徴とする請求項８に記載の凍結し得る液体の貯留タンク。

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