JP2004087301A - 燃料電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水タンク内の凍結した氷を効率よく素早く解凍できるようにする。
【解決手段】通常走行時は、不凍液が、燃料電池スタック１〜ラジエータ１１間を流れ、燃料電池スタック１から吸熱した熱をラジエータ１１により放熱する。冷間起動時には、三方弁１３が切り替わり、不凍液が、燃料電池スタック１〜熱交換器１７間を流れる。燃料電池スタック１の下流側には、水タンク５が配置され、水タンク５の外周部には、不凍液が流れる温媒流路２５を形成してある。熱交換器１７で加熱された不凍液は、燃料電池スタック１および水タンク５を加温する。水タンク５の加温により凍結した氷を解凍する。水タンク５内の水は、燃料電池スタック１への加湿などに使用される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に必要な水を貯蔵する水貯蔵手段を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−１４９９７０号公報には、燃料電池に供給する水を貯蔵する水タンクを備え、この水タンクを二重構造として、ヒータにより加熱するものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した水タンクに貯蔵される水は、冷間時に凍結している場合があり、この凍結状態を素早く解凍して燃料電池へ水の供給ができるようにする必要がある。
【０００４】
しかしながら、上記した従来の構造では、断熱材の中にヒータを介装して水タンクを加熱しているので、水タンク内の氷を解凍する場合に、水タンクとヒータとの間の熱伝導が悪く、効率的に加熱することができないという問題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、水タンク内の凍結した氷を効率よく素早く解凍できるようにすることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、不凍液により冷却される燃料電池と、前記不凍液が循環する不凍液循環流路の途中に設けられ、前記不凍液を加熱する不凍液加熱手段と、前記燃料電池に供給する水を貯蔵する水貯蔵手段とを備え、　前記水貯蔵手段における水接触部に、前記不凍液加熱手段によって加熱された不凍液が流通する温媒流路を設けた構成としてある。
【０００７】
【発明の効果】
この発明によれば、水貯蔵手段に設けた温媒流路に、不凍液加熱手段によって加熱された不凍液が流れることで、水貯蔵手段内に貯蔵された水が凍結していても、加熱された不凍液によって効率よく素早く解凍することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。ここでの燃料電池装置は、車両に搭載するものであり、燃料電池スタック１を冷却するための不凍液が循環する不凍液循環流路３を備えるとともに、前記燃料電池スタック１に供給する酸化剤である酸素を含む空気を加湿するための水や、メタノール改質器を備えたものでは、水素を生成するためにメタノールに水蒸気を混合する際の水を貯蔵する水貯蔵手段としての水タンク５を備えている。
【００１０】
水タンク５内の水は、水ポンプ７により吸い上げられ、燃料電池スタック１に、上記した加湿などのために供給される。燃料電池スタック１から排出される水は、還流流路９を介して水タンク５に戻される。
【００１１】
発熱した燃料電池スタック１を冷却して温度上昇した不凍液は、ラジエータ１１によって冷やされ、三方弁１３を通って燃料電池スタック１に向けて流れる。
【００１２】
また、上記した不凍液循環流路３は、ラジエータ１１をバイパスして前記した三方弁１３に一端が接続される熱交換用バイパス流路１５を備えており、この熱交換用バイパス流路１５には、不凍液加熱手段としての熱交換器１７を設けてある。熱交換器１７では、水素燃焼器１９で発生する燃焼ガスが供給されて不凍液を加熱する。
【００１３】
水素燃焼器１９には、水素と空気とが供給されて、燃焼がなされる。この水素は、前記したメタノール改質器で得られる水素あるいは水素タンク内の水素や、燃料電池スタック１から排出される余剰の水素である。また、空気は、燃料電池スタック１に供給する空気の流路などから分岐して得られるものを使用する。
【００１４】
水タンク５は、図２に斜視図、図３に断面図として示すように、水接触部としての内側タンク２１と、外側タンク２３とを備えた二重構造であり、この内側タンク２１と外側タンク２３との間の空間が、前記した不凍液が流れる温媒流路２５となる。
【００１５】
水タンク５の図中で右側の上部には、温媒流路２５へ不凍液循環流路３から不凍液が流入する不凍液入口部２７を設け、同左側の下部には、温媒流路２５内の不凍液が不凍液循環流路３へ流出する不凍液出口部２９を設ける。
【００１６】
水タンク５は上部が開口しており、この開口部に蓋３１を被せてある。水ポンプ７の下部に接続される水吸入管路３３は、蓋３１を貫通し、その先端（下端）が水タンク５の底部付近に達しており、この先端には、ストレーナ３５を取り付けてある。また、前記した還流流路９も蓋３１を貫通して先端が水タンク５内に臨んでいる。さらに、この水タンク５には、内部圧力の上昇を抑えるエアブリーザ３７や、水タンク５内の水量を計測する水位計３９，水タンク５内の水の温度を計測する水温度検出手段としての水温度計４１を設けてある。
【００１７】
なお、図２では、水タンク５に設置してある水ポンプ７やエアブリーザ３７などは省略してある。
【００１８】
次に、作用を説明する。
【００１９】
車両の通常走行時においては、三方弁１３は、流路１３ａと流路１３ｂとが連通しており、不凍液が燃料電池スタック１〜ラジエータ１１間を、矢印Ａの方向に不凍液循環流路３を循環するよう流れる。このとき不凍液は、運転により温度上昇した燃料電池スタック１から吸熱した熱をラジエータ１１で放熱し、燃料電池スタック１を温調（冷却）する。
【００２０】
冷間起動時においては、三方弁１３は、流路１３ｃと流路１３ｂとが連通し、不凍液が燃料電池スタック１〜熱交換器１７間を、矢印Ｂ方向に熱交換用バイパス流路１５を含む不凍液循環流路３を循環するよう流れる。
【００２１】
このとき水素燃焼器１９には水素が供給されて燃焼し、その燃焼ガスを加熱媒質とする熱交換器１７が不凍液を加温する。加温された不凍液は、燃料電池スタック１を通過して加温した後、水タンク５の不凍液入口部２７から温媒流路２５に流入する。
【００２２】
温媒流路２５に流入した不凍液は、水タンク５内の水が凝固して発生した氷を解凍した後、不凍液出口部２９から不凍液循環流路３に流出し、熱交換器１７に戻る。水素燃焼器１９に水素が供給されている限り、不凍液は加温され、これを熱媒体として、燃料電池スタック１および水タンク５が加温される。
【００２３】
水タンク５内にて解凍された水は、水ポンプ７に吸引されて燃料電池スタック１の加湿などに用いられる。また、熱交換器１７から排出した燃焼ガスは車外へ排出される。
【００２４】
このように、上記した第１の実施形態によれば、水タンク５内の水が接触する内側タンク２１を介して不凍液の持つ熱量で氷（水）を加熱し、効率よく素早く解凍することができる。
【００２５】
また、水タンク５における不凍液入口部２７を、不凍液出口部２９より高い位置に設けてあるので、解凍時に比重の小さい氷が浮くことで下部に比べて相対的に温度が低くなる上部の水（氷）と、不凍液入口部２７に近い不凍液（温度低下していない）とが熱交換するので、両者の温度差を相対的に大きくでき、効率的に素早く解凍できる。
【００２６】
さらに、この場合の水タンク５に対する加温は、燃料電池スタック１を加温するために熱交換器１７で加熱する不凍液を利用しているので、水タンク５を加温するための専用のヒータなどの加熱手段を別途設ける必要がない。
【００２７】
図４は、この発明の第２の実施形態を示す水タンク５の断面図である。なお、ここでは、前記第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、主に異なる部位のみ説明する。
【００２８】
この実施形態は、水ポンプ７の水吸入管路３３の周囲に、不凍液が流通する吸入管路加温部４３を設けている。吸入管路加温部４３は、円筒形状を呈し、水吸入管路３３の上端から上下方向ほぼ中央位置に至る部分に設定してあり、その下端付近に、不凍液入口部２７の一端を接続してある。不凍液入口部２７の他端は、水タンク５を貫通して外部に引き出され、前記図１に示してある不凍液循環流路３に接続する。
【００２９】
また、ここでは、蓋３１の内部に不凍液が流通する温媒流路３１ａを形成し、この温媒流路３１ａは、温媒流路２５および吸入管路加温部４３にそれぞれ連通している。すなわち、図１に示した不凍液循環流路３を流れる不凍液は、不凍液入口部２７から吸入管路加温部４３に流入した後、温媒流路３１ａを経て温媒流路２５に流入し、不凍液出口部２９に達する。したがって、ここでの蓋３１は、水タンク５の上部開口に被せる際に、この上部開口との間を水密にシールしている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００３０】
上記した第２の実施形態の構成によれば、加温された不凍液が、不凍液入口部２７から吸入管路加温部４３に流入して水吸入管路３３内の水を加熱した後、内側タンク２１と外側タンク２３との間の温媒流路２５を流通して、氷（水）を加熱する。この場合、水ポンプ７が吸入するときの水を加温できるため、冷間で０℃以下となる可能性のある水ポンプ７内での再凍結を防止できる。
【００３１】
図５は、この発明の第３の実施形態を示す水タンク５の斜視図である。図６は、この水タンク５の内部構造の概略を示す、図５の図中で右方向からの矢視断面図である。なお、ここでの水タンク５は、図１に示した第１の実施形態のものと同様に、内側タンク２１と外側タンク２３とを備えた二重構造であるが、蓋３１，水ポンプ７，エアブリーザ３７など水タンク５に設置してあるものは省略して簡略化してあり、第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、主に異なる部位のみ説明する。
【００３２】
この実施形態は、内側タンク２１と外側タンク２３との間の温媒流路２５内に、不凍液を不凍液入口部２７から不凍液出口部２９に導く形で、螺旋状の不凍液整流板４５を設けてある。この不凍液整流板４５は、内周側の縁部を内側タンク２１の外周面に固定してある。一方不凍液整流板４５の外周側の縁部は、水タンク５の外側との熱伝達を少なくするため、外側タンク２３の内周面と接触していない。
【００３３】
上記した第３の実施形態の構成によれば、不凍液入口部２７から温媒流路２５に導入された不凍液は、不凍液整流板４５に沿って流通し、不凍液出口部２９から流出する。
【００３４】
したがって、この場合不凍液は、その流量や温度に依存することなく、温媒流路２５内全体でほぼ均一な流れとなり、効率的に熱交換できる。
【００３５】
図７は、この発明の第４の実施形態を示す水タンク５の内部構造を示す斜視図である。なお、ここでは、前記第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、主に異なる部位のみ説明する。また図７では、蓋３１，水ポンプ７，エアブリーザ３７など水タンク５に設置してあるものは省略してある。
【００３６】
この実施形態は、水タンク５が、二重構造ではなく、水タンク５の内壁に沿って環状に配置した温媒流路となる環状管路４７（４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，……，４７ｇ，４７ｈ）を、図中で上下方向に所定間隔をおいて層状に複数配置してある。そして、不凍液入口部２７は最上部の環状管路４７ａに接続し、この不凍液入口部２７と同じ側に配置した不凍液出口部２９は、最下部の環状管路４７ｈに接続してある。
【００３７】
ここで、最上部の環状管路４７ａとその下部の環状管路４７ｂとは、不凍液入口部２７および不凍液出口部２９と反対側の水タンク側面（図７中で左側面）にて連結管路４９で連結され、さらに上から３番面と４番目の環状管路４７ｃ，４７ｄ同士は連結管路５１で、同５番面と６番目の環状管路４７ｅ，４７ｆ同士は連結管路５３で、同７番面と８番目の環状管路４７ｇ，４７ｈ同士は連結管路５５で、それぞれ不凍液入口部２７および不凍液出口部２９と反対側の水タンク側面にて連結してある。
【００３８】
また、図中で上から２番面と３番目の環状管路４７ｂ，４７ｃ同士、同４番面と５番目の環状管路４７ｄ，４７ｅ同士、同６番面と７番目の環状管路４７ｆ，４７ｇ同士は、それぞれそれぞれ不凍液入口部２７および不凍液出口部２９を設けた側にて、連結管路５７，５９，６１によりそれぞれ連結してある。
【００３９】
これにより、不凍液入口部２７から最上部の環状管路４７ａに流入した不凍液は、この環状管路４７ａを図中で左側に向けて流れて連結管路４９からその下部の環状管路４７ｂに流入し、環状管路４７ｂを今度は図中で右方向に流れて連結管路５７からその下部の環状管路４７ｃに流入する。
【００４０】
このようにして不凍液は、上下に積層して配置してある各環状管路４７を順次流れつつ下方に向けて流れ、最下端の環状管路４７ｈに接続してある不凍液出口部２９から外部に流出する。このため、この実施形態においては、不凍液の流れをその流量や温度に依らず均一なものにでき、かつ被加熱体である水（氷）と接触する環状管路４７の面積を大きくできるため、効率的に熱交換できる。
【００４１】
なお、上記した第４の実施形態における環状管路４７は、水タンク５の上下方向のほぼ全域に設ける必要はなく、水が収容される下部側のみに設けるようにしてもよい。
【００４２】
また、環状管路４７に代えて、図中で上部から下部に向けて螺旋状となる螺旋状管路を設けてもよい。この場合、連結管路４９〜６１は不要である。不凍液が流通する流路を螺旋状とすることで、環状とする場合に比べ、構造が簡素化されて製造が容易となり、コスト低下が達成される。
【００４３】
図８は、この発明の第５の実施形態を示す水タンク５の外観構造を示す斜視図である。なお、ここでは、前記第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、主に異なる部位のみ説明する。また図８では、水ポンプ７，エアブリーザ３７など水タンク５に設置してあるものは省略してある。
【００４４】
この実施形態は、水タンク５の側壁を温媒流路で構成している。この場合の温媒流路は、前記図７に示したものと同様な複数の環状管路４７（４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，……，４７ｇ，４７ｈ）の互いに隣接するもの同士を、ロウ付けなどによる接合によって水密にシールした状態で積層している。
【００４５】
また、図７の実施形態における連結管路４９〜６１に相当する位置には、隣接する環状管路４７同士を連通する連通孔４９ａ〜６１ａを環状管路４７に設けている。
【００４６】
したがって、この第５の実施形態における不凍液についても、第４の実施形態と同様に、上下に積層して配置してある各環状管路４７を順次流れつつ下方に向けて流れ、最下端の環状管路４７ｈに接続してある不凍液出口部２９から外部に流出する。
【００４７】
また、最下部の環状管路４７ｈの下部は、タンク底板６３をロウ付けなどで接合することで塞いである。一方最上部の環状管路４７ａの上部には、蓋３１を接合もしくは脱着自在に設けてある。
【００４８】
したがって、上記した第５の実施形態においては、不凍液の流れを均一にできるとともに、水タンク５の側壁を環状管路４７で構成することで、軽量化できる。
【００４９】
なお、上記した第５の実施形態における環状管路４７も、第４の実施形態と同様に、水タンク５の上下方向のほぼ全域に設ける必要はなく、水が収容される下部側のみに設けるようにしてもよい。
【００５０】
図９は、この発明の第６の実施形態を示す水タンク５の外観構造を示す正面図、図１０は、図９の右側面図である。なお、ここでは、前記第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、主に異なる部位のみ説明する。また図９，図１０では、水ポンプ７，エアブリーザ３７など水タンク５に設置してあるものは省略してある。
【００５１】
この実施形態は、上記図８に示した第５の実施形態における環状管路４７に代えて、図中で上部から下部に向けて螺旋状に形成した温媒流路となる螺旋状管路６５を設けている。この場合、螺旋状管路６５の上下相互間は水密にシールし、図８に設けた連通孔４９ａ〜６１ａは不要である。
【００５２】
螺旋状管路６５の最上端と蓋３１との間には、蓋３１を接合または脱着自在に装着するための蓋用つなぎ部材６７が水密状態で接合してある。また、螺旋状管路６５の最下端とタンク底板６３との間には、タンク底板６３を接合するための底板用つなぎ部材６９が水密状態で接合してある。不凍液入口部２７は螺旋状管路６５の最上端に接続し、不凍液出口部２９は螺旋状管路６５の最下端に接続してある。
【００５３】
したがって、この第６の実施形態においては、温媒流路を螺旋状とすることで、図８に示した環状とする場合に比べ、構造が簡素化されて製造が容易となり、コスト低下が達成される。
【００５４】
図１１は、この発明の第７の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。なお、ここでは、前記第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、主に異なる部位のみ説明する。
【００５５】
この実施形態は、水タンク５における温媒流路２５から不凍液を排出し、この排出した不凍液に代えて空気を前記温媒流路２５に入れ替えるようにしている。システム構成としては、前記図１の構成に、水タンク５における温媒流路２５の上流側および下流側の不凍液流路３に、温媒入替手段としての三方弁７１，７３をそれぞれ設けている。
【００５６】
水タンク５の上流側の三方弁７１には、燃料電池スタック１に供給する空気の流路から分岐して得られる空気の供給流路７５を接続し、水タンク５の下流側の三方弁７３には、不凍液排出流路７７の一端を接続してある。不凍液排出流路７７の他端は、不凍液収容手段としての不凍液ドレインタンク７９に開口し、不凍液ドレインタンク７９内に排出された不凍液は、不凍液リザーバタンクに戻される。
【００５７】
次に、上記第７の実施形態における、不凍液入替時での作用を説明する。
【００５８】
不凍液入替時には、三方弁７１の流路７１ａと流路７１ｂとが連通し、三方弁７３の流路７３ａと流路７３ｂとが連通する状態を初期状態として、図１２のフローチャートに従い実施される。
【００５９】
すなわち、まず、入替を実施する場合には１、実施しない場合には０となる入替フラグ（ＦＬＧ）を読み込む（ステップ１２０１）。次に、入替ＦＬＧ＝１か否かを判断し（ステップ１２０３）、入替ＦＬＧ＝１の場合は、三方弁７１の流路７１ｃ，７１ｂを連通するとともに、三方弁７３の流路７３ａ，７３ｃを連通する（ステップ１２０５）。これにより、温媒流路２５に供給流路７５から空気を導入し、この導入した空気によって温媒流路２５内の不凍液を追い出し、不凍液ドレインタンク７９に空気パージする。
【００６０】
不凍液ドレインタンク７９への不凍液回収に充分な時間を経た後、上記した各流路７１ｂ，７３ａおよび流路７１ｃ，７３ｃを閉として、温媒流路２５に導入した空気を封入する（ステップ１２０７）。この不凍液回収時間は実験などによって適宜設定する。入替ＦＬＧ≠１の場合は、各三方弁７１，７３の前記初期状態を継続する（ステップ１２０９）。
【００６１】
これにより不凍液を廃棄することなく、温媒を不凍液から空気に入替えることができ、熱伝導率は、不凍液を５０％エチレングリコール水溶液とした場合、およそ０．４３Ｗ／ｍ／Ｋ、空気の場合、およそ０．０２４Ｗ／ｍ／Ｋであるため、水タンク５の断熱性を向上させることができる。
【００６２】
なお、この場合、後述する図１８で示すように、三方弁７１の上流側の不凍液循環流路３と、三方弁７３の下流側のラジエータ１１側の不凍液循環流路３とを連通するバイパス流路８３を設けることで、空気を温媒流路２５に封入した後も、燃料電池スタック１を冷却する不凍液を循環させることができる。
【００６３】
また、上記した第７の実施形態では、水タンク５の構成として第１の実施形態のものを適用したが、図７に示した第４の実施形態，図８に示した第５の実施形態および図９，図１０に示したの第６の実施形態における水タンク５に適用することも可能でありこれらの各実施形態では、以下の特徴がある。
【００６４】
第１の実施形態では、水タンク５が二重構造であるため、水凍結を防止する効果が顕著となる。例えば、気温が氷点下になる頻度が少ない地域で使用する場合に、温媒流路２５に空気を導入することで、特に水凍結を防止する効果を優先して、冷間起動時の水供給がスムーズに行える。
【００６５】
第４の実施形態では、水タンク５の内壁に温媒流路（環状管路４７）を配管する構造であるため、水が環状管路４７周囲を覆っており、効率的に熱交換する効果がある。例えば、極寒冷地など凍結が頻繁に起こる地域（空気導入による凍結防止効果が有効とならない地域）で、解凍することを最優先にすることで、特に効率的に熱交換でき、冷間起動時の水供給がスムーズに行える。
【００６６】
第５，第６の実施形態では、空気を導入する温媒流路（環状管路４７または螺旋状管路６５）が水タンク５の側壁を構成しているため、断熱効果を高めており、効率的な熱交換ができ、水凍結防止と効率的な熱交換の両方にある程度の効果がある。例えば、第１の実施形態を適用する地域と第４の実施形態を適用する地域との中間的な地域で使用すると、水凍結を防止する効果と効率的に熱交換する効果との両方がある程度発揮されるので、冷間起動時の水供給がスムーズに行える。
【００６７】
図１３は、この発明の第８の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。この実施形態は、前記図１１に示した第７の実施形態の温媒流路２５への空気導入に代えて、水素燃焼器１９から熱交換器１７を経て排出される燃焼ガスを温媒流路２５に導入している。その他の構成は、第７の実施形態と同様である。
【００６８】
すなわち、熱交換器１７に接続した燃焼ガス排出流路８５に三方弁８７を設け、この三方弁８７と、水タンク５の上流側の不凍液循環流路３に設けた三方弁７１とを、燃焼ガス供給流路８９により接続している。
【００６９】
次に、上記第８の実施形態における、不凍液入替時での作用を説明する。
【００７０】
不凍液入替時には、三方弁８７の流路８７ａと流路８７ｂとが連通し、三方弁７１の流路７１ａと流路７１ｂとが連通し、さらに三方弁７３の流路７３ａと流路７３ｂとが連通する状態を初期状態として、図１４のフローチャートに従い実施される。
【００７１】
すなわち、まず、入替を実施する場合には１、実施しない場合には０となる入替フラグ（ＦＬＧ）を読み込む（ステップ１４０１）。次に、入替ＦＬＧ＝１か否かを判断し（ステップ１４０３）、入替ＦＬＧ＝１の場合は、三方弁８７の流路８７ａ，８７ｃを連通するとともに、三方弁７１の流路７１ｃ，７１ｂを連通し、さらに三方弁７３の流路７３ａと流路７３ｃとを連通する（ステップ１４０５）。
【００７２】
これにより、温媒流路２５に燃焼ガス供給流路８９を通して燃焼ガスを導入し、温媒流路２５内の不凍液を追い出し、不凍液ドレインタンク７９にガスパージする。
【００７３】
不凍液ドレインタンク７９への不凍液回収に充分な時間を経た後、流路８７ａ，８７ｂを連通するとともに、流路７１ｂ，７３ａおよび流路７１ｃ，７３ｃをそれぞれ閉として、温媒流路２５に導入した燃焼ガスを封入する（ステップ１４０７）。この不凍液回収時間は実験などによって適宜設定する。入替ＦＬＧ≠１の場合は、各三方弁７１，７３，８７の前記初期状態を継続する（ステップ１４０９）。
【００７４】
したがって、上記した第８の実施形態によれば、温媒流路２５に高温の燃焼ガスを導入して封入するため、封入した燃焼ガスの温度が低下すると温媒流路２５内が減圧し、水タンク５の断熱性をより向上させることができる。
【００７５】
図１５は、この発明の第９の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。この実施形態は、前記図１３に示した第８の実施形態の構成において、燃焼ガス流路８９に、燃焼ガスを貯蔵する空気貯蔵手段としての空気タンク９１を設けている。その他の構成は、第８の実施形態と同様である。
【００７６】
空気タンク９１に燃焼ガスを貯蔵する際には、三方弁８７の流路８７ａと流路８７ｃとを連通し、三方弁７１の流路７１ｃを閉とする。この状態で、水素燃焼器１９で発生した燃焼ガスは、熱交換器１７から燃焼ガス排出流路８５および燃焼ガス供給流路８９を通って空気タンク９１に貯蔵される。
【００７７】
不凍液入替時には、三方弁８７の流路８７ａと流路８７ｂとが連通し（流路８７ｃは閉）、三方弁７１の流路７１ａと流路７１ｂとが連通し（流路７１ｃは閉）、さらに三方弁７３の流路７３ａと流路７３ｂとが連通する状態を初期状態として、図１６のフローチャートに従い実施される。
【００７８】
すなわち、まず、入替を実施する場合には１、実施しない場合には０となる入替フラグ（ＦＬＧ）を読み込む（ステップ１６０１）。次に、入替ＦＬＧ＝１か否かを判断し（ステップ１６０３）、入替ＦＬＧ＝１の場合は、三方弁７１の流路７１ｃ，７１ｂを連通するとともに、三方弁７３の流路７３ａ，７３ｃを連通する（ステップ１６０５）。
【００７９】
これにより、空気タンク９１内の燃焼ガスが、燃焼ガス供給流路８９および三方弁７１を通って温媒流路２５に流入し、温媒流路２５内の不凍液を追い出し、不凍液をドレインタンク７９にパージする。
【００８０】
不凍液ドレインタンク７９への不凍液回収に充分な時間を経た後、上記した各流路７１ｂ，７３ａおよび流路７１ｃ，７３ｃを閉として、温媒流路２５に導入した燃焼ガスを封入する（ステップ１６０７）。この不凍液回収時間は実験などによって適宜設定する。入替ＦＬＧ≠１の場合は、各三方弁７１，７３，８７の前記初期状態を継続する（ステップ１６０９）。
【００８１】
したがって、上記した第９の実施形態によれば、燃料電池発電システムが停止状態であっても、空気タンク９１に貯蔵した燃焼ガスを用いて水タンク３の温媒流路２５内の不凍液を燃焼ガスに入れ替えることができ、水タンク５の断熱性を向上できる。
【００８２】
なお、上記した空気タンク９１を設ける構成は、前記図１１に示した第７の実施形態にも適用できる。すなわち、この場合には、図１１における空気の供給流路７５に空気タンク９１を設け、この空気タンク９１の上流側の供給流路７５に三方弁を設けて、空気タンク９１に空気を貯蔵する。
【００８３】
図１７は、この発明の第１０の実施形態に係わるもので、前記した第７の実施形態（図１１，図１２）、第８の実施形態（図１３，図１４）および第９の実施形態（図１５，図１６）における不凍液入替時における入替フラグ設定のフローチャートである。
【００８４】
まず、水タンク５における温媒流路２５内の不凍液温度Ｔ１を温度検出手段としての不凍液温度計９２により計測する（ステップ１７０１）。次に、この不凍液温度Ｔ１を、０℃およびα℃と比較する（ステップ１７０３）。ここで、αは水タンク１５内の水の凍結防止に作用する不凍液の熱容量を参照するための温度である。
【００８５】
言い換えれば、不凍液に比べて空気の方が熱伝導率が悪いため、例えば同じ０℃であったとしても不凍液に比べて空気の方が冷えにくく、不凍液が０℃以上の高い温度の時点で空気に入れ替えた方が、全体として見た場合に水タンク５内の凍結を遅くできる場合があり、この０℃以上の高い温度の上限をα℃として設定するのである。
【００８６】
上記ステップ１７０３で０≦Ｔ１≦αの場合は、入替ＦＬＧ＝１とする（ステップ１７０５）。０≦Ｔ１≦αでない場合は、入替ＦＬＧ＝０とする（ステップ１７０７）。このαは、外気温や水タンク５の放熱状態によっても変わるため、この条件毎に実験などにより明らかにし、外気温や放熱状態をパラメータとして制御のデータベースとして持つ方法などが可能である。
【００８７】
この入替ＦＬＧに基づいて、第７，８，９の各実施形態に示したように水タンク５における温媒流路２５内の不凍液を空気に入替える。
【００８８】
このようにして温媒流路２５内の不凍液を空気に入れ替えることで、不凍液の持つ熱容量を最大限に利用し、燃料電池発電システムとしての無駄をなくし（効率を向上させ）、これと空気の断熱作用を併せることで、効果的に水タンク５の凍結を防止することができる。
【００８９】
図１８は、この発明の第１１の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。この実施形態は、前記図１１に示した第７の実施形態の構成において、水タンク５をバイパスするバイパス流路８３を設けている。バイパス流路８３は、三方弁７１の上流側の不凍液循環流路３に設けた三方弁９３と、ラジエータ１１より上流側でかつ熱交換用バイパス流路１５より下流側の不凍液循環流路３とを接続する。バイパス流路８３と三方弁９３とでバイパス手段を構成している。その他の構成は、第７の実施形態と同様である。
【００９０】
この場合、三方弁９３の流路９３ａ，９３ｃ連通、つまり不凍液をバイパス流路８３に流す状態を初期状態として、図１９のフローチャートに従い実施する。すなわち、まず、温度計４１により水タンク５内の水（または氷）温度Ｔ３を計測する（ステップ１９０１）。
【００９１】
次に、この検出温度Ｔ３をバイパス判断温度Ｔ３０と比較し（ステップ１９０３）、Ｔ３≧Ｔ３０の場合は、水タンク５内の水温が設定値以上であるとして、水タンク５を加温する必要がないと判断し、流路９３ａ，９３ｃ連通を継続し、不凍液を、水タンク５に対してバイパスさせるべくバイパス流路８３に流す（ステップ１９０５）。
【００９２】
一方Ｔ３≧Ｔ３０でない場合は、水タンク５内の水温が設定値未満であるとして、水タンク５を加温する必要があると判断し、三方弁９３の流路９３ａ，９３ｂを連通し、不凍液を水タンク５の温媒流路２５に供給する。
【００９３】
したがって、上記した第１１の実施形態によれば、水タンク５内の水を加温する必要がないときには、不凍液を温媒流路２５に流さなくて済むので、不凍液が流れる際の流路の圧力損失を小さくでき、図示しない不凍液ポンプの負荷を減少でき、システム全体としての効率を向上できる。
【００９４】
図２０は、この発明の第１２の実施形態の燃料電池装置に使用する水タンク５の断面図である。この実施形態による水タンク５は、前記図１〜図３に示した第１の実施形態のものと同様に、内側タンク２１と外側タンク２３とを備えた二重構造であり、この内側タンク２１と外側タンク２３との間が、不凍液が流れる温媒流路２５となる。
【００９５】
この温媒流路２５に、図２２に斜視図として示してある断熱部材９５を収容してある。断熱部材９５は、内側タンク２１の周囲側壁と外側タンク２３の周囲側壁との間の空間（温媒流路２５）に収容できるように、中央に貫通孔９５ａを備えており、比重が空気を超えかつ不凍液を下回る材質で構成して、図中で上下方向に移動可能となっている。
【００９６】
このため、図２０では、不凍液中の断熱部材９５が温媒流路２５の上部に浮上し、図２１では、空気中の断熱部材９５が温媒流路２５の下部に位置している。この下部への断熱部材９５の移動時に、断熱部材９５を支持するストッパ部材９７が内側タンク２１に設けてある。ストッパ部材９７の外周側は外側タンク２３に対して離れた位置にあり、不凍液もしくは空気の不凍液出口部２９への流出を許容している。断熱部材９５の材質としては、例えば発泡スチロール、シリカ粉末を芯材にした真空断熱材などがある。
【００９７】
図２０のように、温媒流路２５に不凍液を導入した場合には、断熱部材９５は上方に移動し（浮き）、内側タンク２１内の空隙（水面Ｌから上の部分）へ熱が逃げるのを防止し、解凍や加温を早める。
【００９８】
一方図２１のように温媒流路２５に空気を導入した場合には、断熱部材９５は下方に移動し、水からの放熱を小さくして、断熱効果を向上させる。
【００９９】
したがって、上記した第１２の実施形態によれば、解凍性、加温性と断熱性を向上できる。
【０１００】
図２３，図２４は、この発明の第１３の実施形態の燃料電池装置に使用する水タンク５の断面図である。この実施形態による水タンク５は、前記図１〜図３に示した第１の実施形態のものと同様に、内側タンク２１と外側タンク２３とを備えた二重構造であり、この内側タンク２１と外側タンク２３との間が、不凍液が流れる温媒流路２５となる。
【０１０１】
この温媒流路２５に、上記図２２に示した第１２の実施形態による断熱部材９５に代えて、内側タンクと２１外側タンク２３との間の温媒流路２５の流路断面積より小さい複数の部材である複数の球状の断熱部材９９を収容してある。
【０１０２】
この断熱部材９９も前記図２２の断熱部材９５と同様に、比重が空気を超えかつ不凍液を下回る材質で構成してある。したがって、断熱部材９９は、温媒流路２５に不凍液を導入した場合には、図２３に示すように上部に浮いた状態となり、温媒流路２５に空気を導入した場合には、図２４に示すように下部に沈んだ状態となる。この場合の断熱部材９９の不凍液出口部２９からの流出を防止するために、内側タンク２１の下部には断熱部材流出防止部材１０１を設けてある。この断熱部材流出防止部材１０１は、例えば網状のものでよい。
【０１０３】
したがって、この実施形態における断熱部材９９は、前記図５に示した実施形態のように螺旋状の不凍液整流板４５を設けた場合でも、不凍液導入時は上方へ、空気導入時は下方へ移動することができ、不凍液整流板４５による熱交換効率の向上および、断熱部材９９による解凍性、加温性と断熱性向上を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。
【図２】第１の実施形態における水タンクの斜視図である。
【図３】第１の実施形態における水タンクの断面図である。
【図４】この発明の第２の実施形態を示す水タンクの断面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態を示す水タンクの斜視図である。
【図６】第３の実施形態における水タンクの内部構造の概略を示す、図５中で右方向からの矢視断面図である。
【図７】この発明の第４の実施形態を示す水タンクの内部構造を示す斜視図である。
【図８】この発明の第５の実施形態を示す水タンクの外観構造を示す斜視図である。
【図９】この発明の第６の実施形態を示す水タンクの外観構造を示す正面図である。
【図１０】図９の右側面図である。
【図１１】この発明の第７の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。
【図１２】第７の実施形態における不凍液入替時での動作を示すフローチャートである。
【図１３】この発明の第８の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。
【図１４】第８の実施形態における不凍液入替時での動作を示すフローチャートである。
【図１５】この発明の第９の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。
【図１６】第９の実施形態における不凍液入替時での動作を示すフローチャートである。
【図１７】この発明の第１０の実施形態を示す、不凍液入替時における入替フラグ設定のフローチャートである。
【図１８】この発明の第１１の実施形態を示す燃料電池装置のシステム構成図である。
【図１９】第１１の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図２０】この発明の第１２の実施形態の燃料電池装置における水タンクの温媒流路に不凍液を導入した場合の断面図である。
【図２１】第１２の実施形態の燃料電池装置における水タンクの温媒流路に空気を導入した場合の断面図である。
【図２２】第１２の実施形態の温媒流路に収容する断熱部材の斜視図である。
【図２３】この発明の第１３の実施形態の燃料電池装置における水タンクの温媒流路に不凍液を導入した場合の断面図である。
【図２４】第１３の実施形態の燃料電池装置における水タンクの温媒流路に空気を導入した場合の断面図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
３　不凍液循環流路
５　水タンク（水貯蔵手段）
７　水ポンプ
１７　熱交換器（不凍液加熱手段）
１９　水素燃焼器
２１　内側タンク（水接触部）
２３　外側タンク
２５　温媒流路
２７　不凍液入口部
２９　不凍液出口部
３３　水吸入管路
４１　水温度計（水温度検出手段）
４３　吸入管路加温部
４５　不凍液整流板
４７　環状管路（温媒流路）
６５　螺旋状管路（温媒流路）
７１，７３　三方弁（温媒入替手段）
７９　不凍液ドレインタンク（不凍液収容手段）
８３　バイパス流路（バイパス手段）
９１　空気タンク（空気貯蔵手段）
９２　不凍液温度計（不凍液温度検出手段）
９３　三方弁（バイパス手段）
９５　断熱部材
９９　断熱部材（複数の部材）

Claims (16)

  1. 不凍液により冷却される燃料電池と、前記不凍液が循環する不凍液循環流路の途中に設けられ、前記不凍液を加熱する不凍液加熱手段と、前記燃料電池に供給する水を貯蔵する水貯蔵手段とを備え、　前記水貯蔵手段における水接触部に、前記不凍液加熱手段によって加熱された不凍液が流通する温媒流路を設けたことを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記水貯蔵手段に貯蔵される水を外部に取り出す水ポンプを設け、この水ポンプの水吸入管路の周囲に、前記加熱された不凍液が流通する吸入管路加温部を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  3. 前記温媒流路内に、不凍液の流れを整流する不凍液整流板を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池装置。
  4. 前記温媒流路を、前記水貯蔵手段の内壁の少なくとも一部に沿って設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  5. 前記温媒流路を複数積層してその積層した温媒流路相互間を水密にシールし、前記積層した温媒流路で前記水貯蔵手段の側壁の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  6. 前記温媒流路を螺旋状に形成したことを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池装置。
  7. 前記温媒流路の不凍液が流入する不凍液入口部を不凍液が流出する不凍液出口部より高い位置に設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池装置。
  8. 前記温媒流路から不凍液を排出し、排出した不凍液に代えて空気を前記温媒流路に入れ替える温媒入替手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池装置。
  9. 前記温媒流路に不凍液に代えて空気を導入する際に、この空気により不凍液を追い出し、この追い出された不凍液を収容する不凍液収容手段を設けたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
  10. 前記温媒流路に不凍液に代えて導入する空気は、前記不凍液加熱手段に設けた燃焼器の燃焼ガスであることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池装置。
  11. 前記温媒流路に不凍液に代えて導入する空気を貯蔵する空気貯蔵手段を設けたことを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の燃料電池装置。
  12. 前記温媒流路内の不凍液の温度を検出する不凍液温度検出手段を設け、この不凍液温度検出手段が、不凍液の温度として０℃以上α℃以下（α：不凍液の熱容量参照温度）を検出したときに、前記温媒流路に不凍液に代えて空気を導入するよう前記温媒入替手段を制御することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の燃料電池装置。
  13. 前記水貯蔵手段内の水の温度を検出する水温度検出手段を設けるとともに、前記温媒流路をバイパスするバイパス手段を設け、前記水温度検出温度が検出した水の温度が設定値以上のときに、不凍液が前記バイパス手段によって前記温媒流路をバイパスするよう制御することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池装置。
  14. 前記水貯蔵手段を内側タンクと外側タンクの二重タンク構造とし、この内側タンクと外側タンクとの間に形成した前記温媒流路に、比重が空気を超えかつ不凍液を下回る断熱部材を移動可能に収容したことを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
  15. 前記断熱部材は、前記内側タンクと前記外側タンクとの間に形成した前記温媒流路の流路断面積より小さい複数の部材であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
  16. 前記不凍液加熱手段により加熱された不凍液は、前記燃料電池を加熱するとともに、前記温媒流路を流通して水貯蔵手段の水を加熱することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
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