【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システム用の純水タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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および酸化剤ガスを加湿するために純水が不可欠となるが、寒冷地等で車両を長時間停車した状態では純水の凍結が生じる。
【０００３】
従って、前記発電システムの始動性を改善するためには、純水の解氷促進が要求され、そのため、従来では例えば、特開２０００−１４９９７０号公報に示されているように、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は予備タンク内の凍結した純水をヒータによって解氷し、該予備タンクの純水を使用するようにしたものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構造にあっては、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、氷塊の周囲が解凍するのは早いが、氷魂の中心部ほど解凍が遅れて、氷塊の全部がと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。
【０００５】
そこで、本発明は簡単な構成により純水の氷塊の解凍時間を短縮できて、始動性を著しく改善することができる燃料電池発電システム用の純水タンクを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、燃料電池発電システムに用いられる純水タンク内に、上，下一対のヘッダと、これらヘッダ間に跨って連通接続した複数のチューブとを備えて、内部に液熱媒が循環する熱交換器を純水に浸漬して配設したことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、複数のチューブが扁平状に形成され、隣接するチューブ間の隙間の形状を、下側が広く上側が狭い側面テーパ状に形成したことを特徴としている。
【０００８】
請求項３の発明にあっては、請求項１，２に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、液熱媒を下側のヘッダから上側のヘッダに向けて循環するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項４の発明にあっては、請求項２，３に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、隣接するチューブの対向壁を対称的に上下方向に多段状に形成して、各段におけるチューブ間の隙間の形状が、下側が広く上側が狭い側面テーパ状となるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜４に記載の燃料電池発電システム用の純水タンクにおいて、液熱媒として、燃料電池スタックの冷却系を循環する冷却液を用いたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、上，下一対のヘッダと、これらヘッダ間に跨って連通接続した複数のチューブとを備えて、内部に液熱媒が循環する熱交換器を、純水タンク内に純水に浸漬した状態で配設してあるため、各隣接するチューブ間で純水の氷塊の厚さを小さくして氷塊全体を短時間に解凍することができて、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００１２】
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、熱交換器の複数のチューブを扁平状にして、隣接するチューブ間の隙間の形状を、下側が広く上側が狭い側面テーパ状としてあるため、純水の氷塊は加熱壁面に接している部分から解凍が進むが、氷塊はとけた純水に浮いて前記側面テーパ状の隙間を上昇して常にチューブの加熱壁面に接して解凍が積極的に行われ、解凍時間を一層短縮することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１，２の発明の効果に加えて、液熱媒が下側のヘッダから上側のヘッダに向けて循環するため、純水タンク内の氷塊を下側から解凍して該氷塊の浮上作用を促進すると共に、とけた純水の熱対流を促進して解凍時間をより一層短縮することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、請求項２，３の発明の効果に加えて、チューブ壁の多段成形によって加熱面積を拡大できることと併せて、氷塊の解凍を各段部で行わせることができるので、解凍時間を更に短縮することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、燃料電池スタックで発生する熱を回収して有効利用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１７】
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。
【００１８】
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と空気極１１２に導入された純水素と空気中の酸素とを、図外の電解質膜を介して反応させることにより発電する。
【００１９】
燃料電池スタック１１０に供給される前記水素および空気は、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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内に配設された後述する熱交換器２０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とを結ぶ冷却液系経路１４１にこの熱交換器２０を介装している。
【００２３】
また、この冷却液系経路１４１の燃料電池スタック１１０と熱交換器２０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の排水素を燃焼した熱を利用することができる。
【００２４】
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、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。
【００２５】
図２は本発明の純水タンク１０の第１実施形態を示しており、この純水タンク１０内には熱交換器２０を純水Ｗに浸漬して配設してある。
【００２６】
純水タンク１０および熱交換器２０は何れもイオン発生の影響の少ないステンレス鋼材が用いられている。
【００２７】
熱交換器２０は、上，下一対のヘッダ３０，４０と、これら上，下ヘッダ３０と４０とに跨って連通接続した複数のチューブ５０とを備えている。
【００２８】
チューブ５０は扁平状に形成され、隣接するチューブ５０，５０間の隙間Ｓの形状を、下側が広く上側が狭い側面テーパ状に形成してある。
【００２９】
また、本実施形態では下側のヘッダ４０に導入パイプ４０ａを介して前記燃料電池スタック１１０内を巡回した不凍液が導入され、各チューブ５０を経由して上側のヘッダ３０に集合された不凍液が導出パイプ３０ａを介して前記ラジエータ１４０に戻されるようにしてある。
【００３０】
本実施形態では前記熱交換器２０を図３，図４に示すように、左右対称に形成した方形状の一対のチューブシート６１，６１を接合して、上側ヘッダ部３０Ａと下側ヘッダ部４０Ａと扁平状のチューブ５０とを一体に形成したチューブセグメント６２の複数個を積層状態に結合して構成している。
【００３１】
上側ヘッダ部３０Ａおよび下側ヘッダ部４０Ａは、各チューブシート６１の上，下部に形成した横向きの膨出部６１ａ，６１ａおよび６１ｂ，６１ｂ間に形成してある。
【００３２】
上側ヘッダ部３０Ａと下側ヘッダ部４０Ａの各反対側の側部には、それぞれ接続フランジ付きの連通孔３０Ｂ，４０Ｂを形成し、各チューブセグメント６２は前記連通孔３０Ｂ同士、および連通孔４０Ｂ同士をそれらの接続フランジを嵌合して接合してある。
【００３３】
また、各チューブセグメント６２において、チューブ５０と上側ヘッダ部３０Ａとの連通部分５０ａと、チューブ５０と下側ヘッダ部４０Ａとの連通部分５０ｂとは、互いに反対側の側部となるように設定してあって、図４の矢印で示すように下側ヘッダ部４０Ａに導入された不凍液の主流が、扁平状のチューブ５０内を上向きに略対角線上に流通経路を長くとって流通するようにしてある。
【００３４】
尚、図２中、１０ａは純水タンク１０の純水導出パイプ、１０ｂは純水回収パイプを示す。
【００３５】
以上の第１実施形態の構造によれば、寒冷地等の低温環境下で車両を長時間停車すると、純水タンク１０内の純水Ｗは凍結して氷塊となるが、燃料電池発電システムの始動時にラジエータ１４０の冷却系の図外のウオータポンプを駆動して、熱交換器２０に不凍液を循環させることにより、燃料電池スタック１１０から熱交換した不凍液が該熱交換器２０に循環して純水タンク１０の氷塊の中心部分を含めた全体で熱交換が行われ、氷塊の解凍を短時間に行って、燃料電池発電システムの始動性を改善することができる。
【００３６】
また、燃料電池スタック１１０から発生する熱量では純水タンク１０の氷塊を所望の時間で解凍できない場合は、冷却系の燃料電池スタック１１０と純水タンク１０内の熱交換器２０との間に設けた加熱装置１４２で前記不凍液を加熱することにより、燃料電池発電システムの始動性を著しく改善することができる。
【００３７】
特に、本実施形態では、熱交換器２０の複数のチューブ５０を扁平状にして、隣接するチューブ５０，５０間の隙間Ｓの形状を、下側が広く上側が狭い側面テーパ状としてあるため、純水の氷塊は熱交換器２０のチューブ５０は勿論、上，下ヘッダ３０，４０の各周壁の加熱壁面に接している部分から解凍が進むが、隣接するチューブ５０，５０間では図５に示すように、氷塊Ｗ′はとけた純水Ｗに浮いて前記側面テーパ状の隙間Ｓを上昇して常にチューブ５０，５０の加熱壁面に接して解凍が積極的に行われ、解凍時間を一層短縮することができる。
【００３８】
しかも、液熱媒である不凍液が下側のヘッダ４０から上側のヘッダ３０に向けて循環するため、純水タンク１０内の氷塊Ｗ′を下側から解凍して該氷塊の浮上作用を促進すると共に、とけた純水の熱対流を促進して解凍時間をより一層短縮することができる。
【００３９】
図６は本発明の第２実施形態を示しており、本実施形態にあっては、前記第１実施形態における熱交換器２０の隣接するチューブ５０，５０の対向壁を対称的に上下方向に多段状に形成して、各段におけるチューブ５０，５０間の隙間Ｓの形状が、下側が広く上側が狭い側面テーパ状となるようにしている。
【００４０】
従って、この第２実施形態の構造によれば、チューブ５０，５０壁の多段成形によって加熱面積を拡大できることと併せて、氷塊Ｗ′の解凍を各段部で行わせることができるので、解凍時間を更に短縮することができる。
【００４１】
なお、前記実施形態では熱交換器２０を複数枚のチューブシート６１を用いて構成したものを例示したが、これに限定されるものでないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】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説明図。
【図２】本発明の第１実施形態を示す断面図。
【図３】本発明の第１実施形態における熱交換器の要部を示す断面図。
【図４】本発明の第１実施形態における熱交換器を分解して示す略示的斜視図。
【図５】本発明の第１実施形態における解凍モデル図。
【図６】本発明の第２実施形態における熱交換器の要部を示す断面図。
【符号の説明】
１０…純水タンク
２０…熱交換器
３０…上側のヘッダ
４０…下側のヘッダ
５０…チューブ
Ｓ…チューブ間の隙間
Ｗ…純水[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pure water tank for a fuel cell power generation system.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell power generation system, pure water is indispensable to humidify the fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel cell stack, but pure water freezes when the vehicle is stopped for a long time in a cold region or the like. .
[0003]
Therefore, in order to improve the startability of the power generation system, it is required to promote the deicing of pure water. Therefore, conventionally, for example, as described in JP-A-2000-149970, a pure water tank is required. A spare tank was provided, and a heater was provided around the periphery of the spare tank. At the start of the power generation system, the frozen pure water in the spare tank was thawed by the heater, and the pure water in the spare tank was used. Things are known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional structure described above, the heater is embedded in the peripheral wall of the spare tank, but when the ice block of pure water in the spare tank defrosts, the area around the ice block thaws quickly, It takes a long time to melt all of the ice blocks as the center of the ice melts, so that the starting performance is not improved significantly.
[0005]
Accordingly, the present invention provides a pure water tank for a fuel cell power generation system, which can shorten the thawing time of ice blocks of pure water with a simple configuration and can significantly improve the startability.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a pair of upper and lower headers and a plurality of tubes communicatively connected between the headers are provided in a pure water tank used in the fuel cell power generation system. The heat exchanger in which the liquid heat medium circulates is immersed in pure water and disposed.
[0007]
According to the second aspect of the present invention, in the pure water tank for a fuel cell power generation system according to the first aspect, the plurality of tubes are formed in a flat shape, and the shape of the gap between the adjacent tubes is wide on the lower side. It is characterized in that the upper side is formed in a narrow side taper shape.
[0008]
According to the third aspect of the present invention, in the pure water tank for a fuel cell power generation system according to the first or second aspect, the liquid heat medium is circulated from the lower header to the upper header. It is characterized by.
[0009]
According to the fourth aspect of the present invention, in the pure water tank for a fuel cell power generation system according to the second or third aspect, the opposing walls of adjacent tubes are formed symmetrically in multiple stages in the vertical direction. The shape of the gap between the tubes in the step is characterized in that the lower side is wide and the upper side is tapered in a side surface.
[0010]
According to a fifth aspect of the present invention, in the pure water tank for a fuel cell power generation system according to the first to fourth aspects, a cooling liquid circulating in a cooling system of the fuel cell stack is used as a liquid heat medium. Features.
[0011]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, a heat exchanger including a pair of upper and lower headers and a plurality of tubes communicatively connected between the headers, in which a liquid heat medium circulates, is a pure heat exchanger. Since it is placed in the water tank in a state of being immersed in pure water, the thickness of the ice block of pure water can be reduced between each adjacent tube so that the entire ice block can be thawed in a short time and the fuel cell The startability of the power generation system can be significantly improved.
[0012]
According to the invention of claim 2, in addition to the effect of the invention of claim 1, the plurality of tubes of the heat exchanger are flattened, and the shape of the gap between adjacent tubes is wide on the lower side and on the upper side. Because of the narrow side taper shape, the ice block of pure water thaws from the part in contact with the heating wall surface, but the ice block floats on the melted pure water and rises in the gap of the side taper shape to constantly heat the tube. The thawing is positively performed in contact with, and the thawing time can be further reduced.
[0013]
According to the third aspect of the present invention, in addition to the effects of the first and second aspects of the present invention, since the liquid heat medium circulates from the lower header to the upper header, ice blocks in the pure water tank are removed. Thawing from the lower side promotes the floating action of the ice block, and promotes the heat convection of the melted pure water to further shorten the thawing time.
[0014]
According to the fourth aspect of the invention, in addition to the effects of the second and third aspects, in addition to the fact that the heating area can be expanded by multi-stage molding of the tube wall, thawing of ice blocks is performed at each step. Therefore, the thawing time can be further reduced.
[0015]
According to the fifth aspect of the invention, in addition to the effects of the first to fourth aspects, the heat generated in the fuel cell stack can be recovered and effectively used.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 schematically shows a fuel cell power generation system including a pure water tank according to the present invention.
[0018]
In FIG. 1, a fuel cell stack 110 includes a fuel electrode 111 into which pure hydrogen is introduced as a fuel gas from a compressed hydrogen tank 120, and an air electrode 112 into which air introduced from outside as an oxidant gas is introduced. Electric power is generated by reacting pure hydrogen introduced into the fuel electrode 111 and the air electrode 112 with oxygen in the air via an electrolyte membrane (not shown).
[0019]
The hydrogen and air supplied to the fuel cell stack 110 are humidified by a humidifier 130 for preventing deterioration of the electrolyte membrane, and the humidifier 130 is supplied with pure water stored in the pure water tank 10.
[0020]
The pure water used for humidifying the hydrogen and the air is recovered from the exhaust system of the fuel cell stack 110 in the pure water tank 10 together with the pure water generated by the reaction between the hydrogen and the oxygen in the air.
[0021]
The fuel cell stack 110 generates heat during power generation. Therefore, a cooling liquid is circulated from the radiator 140 to the fuel cell stack 110 to cool the fuel cell stack 110.
[0022]
An antifreeze is used as a coolant circulating between the radiator 140 and the fuel cell stack 110. In the present embodiment, the antifreeze is used as a liquid heat medium of a heat exchanger 20 described later provided in the pure water tank 10. The heat exchanger 20 is interposed in a coolant passage 141 connecting the fuel cell stack 110 and the radiator 140.
[0023]
In addition, a heating device 142 is provided between the fuel cell stack 110 and the heat exchanger 20 in the coolant passage 141 so that the coolant can be heated when necessary. The heating device 142 can use an electric heater or heat generated by burning exhaust hydrogen of the fuel cell stack 110.
[0024]
In FIG. 1, a thin solid line α indicates a flow path of air, a dashed line β indicates a flow path of hydrogen, a broken line γ indicates a flow path of antifreeze, and a thick solid line δ indicates a flow path of pure water for humidification.
[0025]
FIG. 2 shows a first embodiment of the pure water tank 10 of the present invention, in which a heat exchanger 20 is immersed in pure water W and disposed.
[0026]
Both the pure water tank 10 and the heat exchanger 20 are made of stainless steel, which is less affected by ion generation.
[0027]
The heat exchanger 20 includes a pair of upper and lower headers 30 and 40, and a plurality of tubes 50 communicatively connected across the upper and lower headers 30 and 40.
[0028]
The tube 50 is formed in a flat shape, and the shape of the gap S between the adjacent tubes 50, 50 is formed into a tapered side surface with a wide lower side and a narrow upper side.
[0029]
In the present embodiment, the antifreeze circulating in the fuel cell stack 110 is introduced into the lower header 40 via the introduction pipe 40a, and the antifreeze collected in the upper header 30 via each tube 50 is derived. The radiator 140 is returned to the radiator 140 via the pipe 30a.
[0030]
In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the heat exchanger 20 is joined to a pair of rectangular tube sheets 61, 61 formed symmetrically to the left and right, and an upper header portion 30 </ b> A and a lower header portion 40 </ b> A. A plurality of tube segments 62 integrally formed with the flat tube 50 are connected in a stacked state.
[0031]
The upper header portion 30A and the lower header portion 40A are formed between the laterally protruding portions 61a, 61a and 61b, 61b formed above and below each tube sheet 61.
[0032]
On the opposite sides of the upper header portion 30A and the lower header portion 40A, communication holes 30B and 40B with connection flanges are respectively formed, and each tube segment 62 is formed between the communication holes 30B and between the communication holes 40B. Are joined by fitting their connection flanges.
[0033]
In each of the tube segments 62, the communicating portion 50a between the tube 50 and the upper header portion 30A and the communicating portion 50b between the tube 50 and the lower header portion 40A are set to be opposite to each other. As shown by the arrow in FIG. 4, the main flow of the antifreeze liquid introduced into the lower header portion 40A flows upward in the flat tube 50 substantially diagonally and along a long flow path. is there.
[0034]
In FIG. 2, reference numeral 10a denotes a pure water outlet pipe of the pure water tank 10, and 10b denotes a pure water recovery pipe.
[0035]
According to the structure of the above-described first embodiment, when the vehicle is stopped for a long time in a low-temperature environment such as a cold region, the pure water W in the pure water tank 10 freezes to form ice blocks. At start-up, a water pump (not shown) of the cooling system of the radiator 140 is driven to circulate the antifreeze through the heat exchanger 20, so that the antifreeze that has exchanged heat from the fuel cell stack 110 circulates through the heat exchanger 20 and becomes pure. Heat exchange is performed on the whole of the ice block in the water tank 10 including the central portion, and the ice block can be thawed in a short time, so that the startability of the fuel cell power generation system can be improved.
[0036]
If the amount of heat generated from the fuel cell stack 110 does not allow the ice blocks in the pure water tank 10 to be thawed in a desired time, a cooling system is provided between the fuel cell stack 110 of the cooling system and the heat exchanger 20 in the pure water tank 10. By heating the antifreeze with the heating device 142, the startability of the fuel cell power generation system can be significantly improved.
[0037]
In particular, in the present embodiment, since the plurality of tubes 50 of the heat exchanger 20 are flattened and the shape of the gap S between the adjacent tubes 50, 50 is a side tapered shape with a wide lower side and a narrow upper side. The ice blocks of water thaw from the portions of the tubes 50 of the heat exchanger 20 that are in contact with the heating wall surfaces of the peripheral walls of the upper and lower headers 30, 40, but between adjacent tubes 50, 50 is shown in FIG. As described above, the ice block W 'floats on the melted pure water W and rises in the gap S having the tapered side surface. can do.
[0038]
Moreover, since the antifreeze as the liquid heat medium circulates from the lower header 40 to the upper header 30, the ice block W 'in the pure water tank 10 is thawed from below to promote the floating action of the ice block. At the same time, the heat convection of the melted pure water can be promoted to further shorten the thawing time.
[0039]
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the opposing walls of the adjacent tubes 50, 50 of the heat exchanger 20 in the first embodiment are symmetrically arranged in the vertical direction. The shape of the gap S between the tubes 50, 50 in each stage is formed in a multi-stage shape so that the lower side is wider and the upper side is narrower.
[0040]
Therefore, according to the structure of the second embodiment, the heating area can be expanded by multi-stage molding of the walls of the tubes 50, 50, and at the same time, the ice blocks W ′ can be thawed at each step. Can be further reduced.
[0041]
In the above-described embodiment, the heat exchanger 20 is configured using a plurality of tube sheets 61. However, it is needless to say that the present invention is not limited to this.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell power generation system using a pure water tank of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a main part of the heat exchanger according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic perspective view showing the heat exchanger in the first embodiment of the present invention in an exploded manner.
FIG. 5 is a decompression model diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a main part of a heat exchanger according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pure water tank 20 ... Heat exchanger 30 ... Upper header 40 ... Lower header 50 ... Tube S ... Gap between tubes W ... Pure water