燃料電池システム
【課題】燃料電池で発生した熱で直接水タンクを温めることにより、水タンクの加熱効率を高めることができる燃料電池システムの提供を図る。
【解決手段】燃料電池システムＦＣの水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンク８と燃料電池１との間にその燃料電池１で発生した熱Ｈを水タンク８に伝達させる熱伝達手段１００を設けることにより、燃料電池１で発生する熱Ｈで上側近傍の水タンク８を直接加温して、低温起動時に凍結している水タンク８内の水の解凍を促進し、システム起動性を確保する。
【解決手段】燃料電池システムＦＣの水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンク８と燃料電池１との間にその燃料電池１で発生した熱Ｈを水タンク８に伝達させる熱伝達手段１００を設けることにより、燃料電池１で発生する熱Ｈで上側近傍の水タンク８を直接加温して、低温起動時に凍結している水タンク８内の水の解凍を促進し、システム起動性を確保する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、とりわけ、燃料電池に供給する水を貯水する水タンクを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発熱を水の気化潜熱を利用して冷却する燃料電池システムでは、そのための水を貯水するための水タンクを備えており、このように貯水タンクを備えた燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車では、寒冷地においては水タンク内の水が凍結する場合があり、このように凍結した場合は燃料電池システムの起動性が悪化してしまう。
【０００３】
このため、燃料電池の排空気の熱を利用して水タンク内の水を温めるようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１２４３号公報（第５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる従来の燃料電池システムにあっては、水タンクが燃料電池から離隔した部位に配置され、それら燃料電池と水タンクとの間にダクト（案内路）を設けて、燃料電池の排空気をそのダクトを介して水タンクに供給するようになっている。
【０００５】
このため、燃料電池の排空気の熱で水タンクを温めるため加熱効率が悪く、しかも離隔した水タンクまでダクトによって排空気を供給するため、ダクトでの熱損失が発生して水タンクの加熱効率が更に悪化してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池で発生した熱で直接水タンクを温めることにより、水タンクの加熱効率を高めることができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して、該燃料電池の発電によって生じた熱を、前記水の気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、前記水タンクを前記燃料電池の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンクと燃料電池との間にその燃料電池で発生した熱を上記水タンクに伝達させる熱伝達手段を備えたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池で発生した熱を熱伝達手段によって燃料電池の上側近傍に配置した水タンクに伝達できるので、燃料電池で発生する熱によって水タンクを直接加温することができる。従って、低温起動時に凍結している水タンク内の水を速やかに解凍でき、水タンクからの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［実施形態１］
図１，図２は本発明にかかる燃料電池システムの実施形態１を示し、図１は車両に搭載した燃料電池システムの全体概略構成図、図２は燃料電池と水タンクとの関係を示す概略構成図である。
【００１１】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図１に示すように車両Ｍに搭載された場合を例にとって示し、燃料電池１と、燃料電池１に燃料としての水素を供給する燃料供給手段と、燃料電池１に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給手段と、発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却させる水供給手段とを主要な構成要素として備え、燃料電池に水素と空気をそれぞれ供給することで、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【００１２】
燃料電池１は、電解質膜をアノード側電極（燃料極）とカソード側電極（酸化剤極）とで挟み込んでなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体の両側に水素、空気及び水を供給するための流路が形成されたセパレータを配置した単位燃料電池セル（単セル）を複数積層してなるセルスタックからなり、本実施形態の燃料電池システムＦＣでは、電極及びセパレータを多孔質体として形成し、水を電解質膜へと浸み出させ、その水の気化潜熱にて発電で生じた熱を除去するように構成されている。
【００１３】
燃料供給手段は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンク、水素供給管、バルブ、水素排気管、水素希釈装置、水素燃焼装置（何れも図示は省略する）等を有する。高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給管を通じて燃料電池１の燃料極へと供給される。また、燃料電池１の燃料極から排出されたアノード排出ガスは、水素排気管を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈されるか水素燃焼装置で燃焼されて酸化された上で、システム外部に排出される。
【００１４】
酸化剤供給手段は、例えば、空気を圧縮し燃料電池１の酸化剤極へ供給する圧縮機（コンプレッサ）２、圧縮した空気を燃料電池１に送る空気供給管３、その空気を所定湿度にする加湿器４、燃料電池１から排気された空気温度を下げる空気冷却装置（コンデンサ）５、コンデンサ５で凝縮された排空気中に含まれる水を分離する気液分離装置（セパレータ）６等を有する。
【００１５】
圧縮機２で圧縮して供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整されて（場合によっては加湿器４によって適切な温度・湿度に調整されて）燃料電池１の酸化剤極へ供給され、そして、燃料電池１の酸化剤極から排出された排空気は、空気排気管７Ａからコンデンサ５に送られて冷却された後、セパレータ６で気液分離されて空気排気管７Ｂを介してシステム外部へ排出される。
【００１６】
水供給手段は、例えば水を貯水する水タンク８と、この水タンク８から燃料電池１（または加湿器４を介して燃料電池１）へと水を供給する水供給管９と、気液分離装置６で分離した水を再び水タンク８へ戻すポンプ１０等を有する。図１では、水タンク８から燃料電池１へ直接水を水供給管９で供給するようにしてあるが、加湿器４を燃料電池１の上流に配置し、この加湿器４を介して燃料電池１に水を供給するようにしてもよい。
【００１７】
ここで、本実施形態の燃料電池システムは、図２に示すように前記水タンク８を前記燃料電池１の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンク８と燃料電池１との間にその燃料電池１で発生した熱Ｈを上記水タンク８に伝達させる熱伝達手段１００を設けてある。
【００１８】
前記前記熱伝達手段１００は、燃料電池１と水タンク８との間にそれぞれに接触した状態で介在し、燃料電池１の発生熱Ｈをそれの上側に配置した前記水タンク８に直接伝熱する良熱伝導部材１１によって形成してある。
【００１９】
前記良熱伝導部材１１は、絶縁性を有すると共に熱伝導効率の高い部材、例えばシリコンなどのジェルで形成され、燃料電池１の真上に配置される。また、前記良熱伝導部材１１は水タンク８の底面自体を用いることができ、この場合は燃料電池１の上側に水タンク８を直接接触させて配置すればよい。
【００２０】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、この燃料電池システムＦＣを搭載した車両Ｍを寒冷地で使用する場合等にあって、燃料電池システムＦＣを停止して駐車させておくと水タンク８内の水が凍結することがある。
【００２１】
このように水タンク８内の水が凍結した状態で燃料電池システムＦＣを作動した場合に、本実施形態では水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンク８と燃料電池１との間に設けた熱伝達手段１００によって、燃料電池１で発生した熱Ｈを上記水タンク８に伝達するようにしたので、燃料電池１で発生する熱Ｈで上側近傍の水タンク８を直接加温できるようになる。
【００２２】
このため、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００２３】
[実施形態２]
図３は本発明の実施形態２を示し、前記実施形態１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ものとし、図３は燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、基本的に図１に示した全体構造と略同様の構成となり、図３に示すように水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置してあり、これら水タンク８と燃料電池１との間に熱伝達手段１００Ａを設けてある。
【００２５】
燃料電池１は、対向する多孔質からなるセパレータ２１間に酸化剤極（カソード側電極）、電解質膜２２、燃料極（アノード側極）を配置したセル２３を複数積層したスタック２０を備え、そのスタック２０の側方にマニホールド２４を配置して構成される。前記セパレータ２１には、前記酸化剤極と対向する面には空気流路２５が形成されるとともに、前記燃料極と対向する面には水素流路２６が形成されている。また、セパレータ２１同士の対向面には、水が流通する水流路２７が形成されている。
【００２６】
ここで、本実施形態では前記熱伝達手段１００Ａを、前記水タンク８および前記燃料電池１の外側を適宜間隔δを設けて共通のケース１２で囲繞して、そのケース１２と前記水タンク８および前記燃料電池１との間に形成される連続した空間部Ｓによって構成してある。
【００２７】
即ち、前記ケース１２は、水タンク８を燃料電池１の上側に設置した状態で、これら燃料電池１と水タンク８の周囲を間隔δをもって気密および液密に囲繞してあり、ケース１２の内側に形成される前記空間部Ｓは、燃料電池１の周囲の下部空間Ｓ１と水タンク８の周囲の上部空間Ｓ２とが連続される。
【００２８】
このとき、前記水タンク８の側面８ａを下方に行くに従って（燃料電池１に向かって）内方に傾斜させて、その水タンク８の断面形状を略逆台形状としてある。
【００２９】
このように水タンク８の断面形状が略逆台形状となることにより、その水タンク８の水平方向の断面積は、下方から上方、つまり、底面８ｂから天井面８ｃに行くに従って滑らかに漸増するようになっている。
【００３０】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、水タンク８および燃料電池１の外側を囲繞するケース１２と、水タンク８および燃料電池１と、の間に形成される連続した空間部Ｓによって熱伝達手段１００Ａを構成したので、燃料電池１で発生した熱Ｈは周囲の下部空間Ｓ１から水タンク８の周囲の上部空間Ｓ２へと直接伝達されて、その水タンク８を周囲から温めることができる。
【００３１】
従って、水タンク６の周囲にケース１２によって閉ざされた空間部Ｓがあることにより、水タンク６内の水の凍結を遅らせることができ、燃料電池１によって暖まった燃料電池周囲の空気がタンク周囲に存在することで水タンク６内の水を昇温させることができる。その結果、実施形態１と同様、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００３２】
また、本実施形態では前記ケース１２の内側に形成される空間部Ｓが断熱効果を有することから、ケース１２外方から水タンク８に伝達される温度を低下させて、水タンク８内の水が凍結されるのを遅らせることができる。
【００３３】
更に、本実施形態にあっても前記水タンク８を燃料電池１の上側に接触状態で設置しておくことにより、実施形態１と同様に燃料電池１で発生した熱Ｈを直接水タンク８に伝熱することができ、この点からも水タンク８の加熱効率をより高めることができる。なお、実施形態１と同様に、良熱伝導部材１１を燃料電池１と水タンク８の間に介在させておいてもよい。
【００３４】
更にまた、本実施形態では水タンク８の側面８ａを下方（燃料電池１側へ）に行くに従って内方に傾斜させて、その水タンク８の断面形状を略逆台形状としたので、前記上部空間Ｓ２は下部空間Ｓ１に連続する下方が広がることになり、下部空間Ｓ１から燃料電池１の熱Ｈが上部空間Ｓ２、つまり、水タンク８の周囲に流入し易くなるとともに、水タンク８の側面８ａが傾斜することによりその面積が増大するので、水タンク８の昇温性を更に高めることができる。
【００３５】
ところで、水タンク８内の水が凍結する際には、その凍結が下側から上側へと進行して行くことになるが、本実施形態では、水タンク８の断面形状を略逆台形状としたことにより、水が膨張しつつ凍結する際の無理な膨張力を逃がすことができるため、水タンク８の破損を避けることができる。
【００３６】
[実施形態３]
図４は本発明の実施形態３を示し、前記各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ものとし、図４は燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、基本的に実施形態２と略同様に構成され、図４に示すように水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置してあるとともに、これら水タンク８および燃料電池１の外側に連続した空間部Ｓを設けて共通のケース１２Ａで囲繞してあり、特に本実施形態ではそのケース１２Ａを断熱構造をもって形成してある。
【００３８】
即ち、前記ケース１２Ａは、実施形態１に開示したケース１２の外側（または内側）に断熱材１３を取り付けることにより形成することができる。
【００３９】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、燃料電池１および水タンク８を囲繞するケース１２Ａを断熱構造としたので、燃料電池１で発生した熱Ｈがケース１２Ａから外方に逃げるのを抑えることができ、水タンク８が凍結している場合の解凍を促進することができる。その結果、実施形態１と同様、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００４０】
また、本実施形態では実施形態２と同様に燃料電池１の熱Ｈを空間部Ｓを通して水タンク８に伝熱できるとともに、その空間部Ｓが断熱効果を発揮し、かつ、水タンク８を燃料電池１の上側に接触状態で設置したことにより、水タンク８の加熱効率を高めることができ、更に、水タンク８の断面形状を略逆台形状としたことにより、水タンク８の加熱効率を更に高めることができるとともに、水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００４１】
[実施形態４]
図５は本発明の実施形態４を示し、前記各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ものとし、図５は燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図５に示すように空気導入管３Ａから導入した空気をコンプレッサ２で圧縮して空気供給管３を介して燃料電池１に供給するようになっており、本実施形態ではコンプレッサ２で圧縮した空気をアフタークーラ３０によって冷却して、燃料電池１に供給する空気を温度調整するようになっている。また、このアフタークーラ３０の下流側に加湿器４（図１参照）が設けられる場合もある。ここでは、前記空気導入管３Ａからコンプレッサ２およびアフタークーラ３０を経て空気供給管３に至る経路を、吸気系経路Ｉとする。
【００４３】
ここで、本実施形態では前記水タンク８の周囲に、燃料電池１の前記吸気系経路Ｉに設けられて空気が通過する空間部分を有する吸気系中空部品としてのレゾネータ３１を配置してある。
【００４４】
前記レゾネータ３１は、空気導入管３Ａの途中に設けられて吸入空気音を消音するために中空の箱状に形成した共鳴器であり、このレゾネータ３１を図５中破線で示したように前記水タンク８の配置部分に配置して、そのレゾネータ３１の内部に水タンク８を取り込んで収納、つまり、水タンク８をレゾネータ３１で覆ってある。
【００４５】
もちろん、レゾネータ３１の消音機能は、水タンク８を収納した状態で所望の共鳴周波数を作り出すことができるように内部空間の形状や容積が予め調整される。
【００４６】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、中空のレゾネータ３１を水タンク８の周囲に配置したことにより、そのレゾネータ３１の中空部分が断熱機能を発揮するため、外気温度が水タンク８に伝達されるのを低減し、水タンク８内の水が凍結するのを遅らせることができる。また、この吸気系中空部品であるレゾネータ３１は、音振低減を図るための部品空間や通気圧損を低減するための配管空間などにスペースを利用できる。
【００４７】
尚、吸気系中空部品としては音振低減を図るための前記レゾネータ３１に限ることなく、中空部分を有するその他の部品、例えば除塵用のフィルタケースや通路断面の大きなダクト等を用いることができる。
【００４８】
ところで、本実施形態にあっても実施形態２と同様に水タンク８を燃料電池１の上側に配置しておくことにより、燃料電池１の熱Ｈを直接水タンク８に伝熱して加熱効率を高めることができるとともに、水タンク８の断面形状を略逆台形状とすることにより、水タンク８の加熱効率を高めつつ水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００４９】
[実施形態５]
図６は本発明の実施形態５を示し、前記各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ものとし、図６は燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図６に示すように空気導入管３Ａから導入した空気をコンプレッサ２で圧縮して空気供給管３を介して燃料電池１に供給するようになっており、その空気供給管３にはアフタークーラ３０が設けられる。
【００５１】
ここで、本実施形態では前記水タンク８の周囲に、燃料電池１の吸気系経路Ｉに導入した空気を圧縮するコンプレッサ２の出口空気（圧縮空気）を導入してある。
【００５２】
即ち、前記コンプレッサ２で圧縮した空気は空気導入管３を介して燃料電池１に供給されることになるが、本実施形態では水タンク８の周囲を適宜間隔をもって密閉ケース３２で囲繞し、その密閉ケース３２の一側面に空気供給管３の上流側を連通するとともに、密閉ケース３２の他側面に空気供給管３の下流側を連通する。
【００５３】
また、前記アフタークーラ３０は、前記空気供給管３に密閉ケース３２を迂回するバイパス管３Ｂを設け、そのバイパス管３Ｂに設けるようになっている。
【００５４】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、コンプレッサ２で圧縮した空気は空気供給管３の上流側から密閉ケース３２に導入され、そして、その密閉ケース３２内で水タンク８の周囲を流通した後、空気供給管３の下流側に排出される。従って、コンプレッサ２の圧縮により温度上昇した空気が水タンク８の周囲に沿って流れるため、水タンク８を効率良く温めることができる。その結果、実施形態１と同様、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００５５】
また、本実施形態では水タンク８の昇温が不要な場合には、圧縮空気をバイパス管３Ｂに流すことにより、水タンク８内の水が過剰に温められるのを防止できる。
【００５６】
ところで、本実施形態にあっても水タンク８を燃料電池１の上側に配置しておくことにより、燃料電池１の熱Ｈを直接水タンク８に伝熱して加熱効率を高めることができるとともに、水タンク８の断面形状を略逆台形状とすることにより、水タンク８の加熱効率を高めつつ水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００５７】
[実施形態６]
図７〜図９は本発明の実施形態６を示し、前記各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ものとし、図７は燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図、図８は図７中Ａ部の要部拡大図、図９は空気排気管と水供給管を近接配置しその周囲に断熱材を設けた例を示す要部拡大断面図である。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、実施形態１で説明したように燃料電池１から排出された排空気は、図７に示すように空気排気管７Ａからコンデンサ５に送られて冷却された後、セパレータ６で気液分離される。
【００５９】
ここで、本実施形態では燃料電池１の排空気中の水を空気と分離して回収するセパレータ６内に、このセパレータ６で回収した水を水タンク８に供給するポンプ１０を配置し、このポンプ１０の周囲に排空気や回収した前記水を存在させるようになっている。
【００６０】
即ち、燃料電池１の加熱された排空気は前述したようにコンデンサ５で冷却されることにより、その排空気中の水分が凝縮されて液相の水となり、その水と水分が除去された排空気とが容器状の前記セパレータ６に回収され、このセパレータ６内で気液分離された状態で一旦溜められる。
【００６１】
そして、分離された水は、前記ポンプ１０から水供給管３３を介して水タンク８に供給されるとともに、分離された排空気は空気排気管７Ｂを介して適宜処理された後に外方に排出される。
【００６２】
従って、前記ポンプ１０を容器状の前記セパレータ６内に収納することにより、セパレータ６内に回収された水が多量に存在する場合は、ポンプ１０はその水中に浸漬され、水量が少ない場合は、排空気中にポンプ１０がその姿を水面から現す。
【００６３】
このとき、前記水供給管３３を水タンク８に接続する際に、燃料電池１のスタック近傍を通るマニホールド２４内を通過するようになっており、このマニホールド２４は水供給管３３の保温性の関係から、図７に示すように水タンク８の側方まで延長しておくことが好ましい。
【００６４】
また、本実施形態では前記ポンプ１０から水を前記水タンク８に供給する前記水供給管３３と前記排空気の空気排気管７Ｂとの間に熱交換部３４を設けてある。
【００６５】
前記熱交換部３４は、図８に示すように水供給管３３の外径を空気排気管７Ｂの内径よりも十分に小径に形成して、空気排気管７Ｂの中心部に水供給管３３を配置して形成した二重管によって形成し、空気排気管７Ｂを流通する排空気と水供給管３３を流通する水との間で熱交換されるようになっている。
【００６６】
更に、本実施形態では、前記ポンプ１０から水を前記水タンク８に供給する水供給管３３の少なくとも一部分を断熱材３５で囲繞するようになっている。
【００６７】
なお、図９に示すように空気排気管７Ｂと水供給管３３とを近接して平行配置させ、それらを内部に取り囲むようにして断熱材３５を設け、この断熱材３５で平行配置された空気排気管７Ｂと水供給管３３とを共に保温するようにしてもよい。
【００６８】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムによれば、セパレータ６内に、このセパレータ６で回収した水を水タンク８に供給するポンプ１０を配置して、このポンプ１０の周囲に排空気や回収した前記水を存在させるようにしたので、ポンプ１０の周囲に存在する排空気や水は、コンデンサ５で冷却したとはいえ外気よりも温度が高くなっており、起動時にポンプ１０が凍結している場合にも、そのポンプ１０の解凍を早めて燃料電池システムＦＣの起動性を向上させることができる。
【００６９】
また、ポンプ１０から水を水タンク８に供給する水供給管３３と排空気の空気排気管７Ｂとの間に熱交換部３４を設けたので、空気排気管７Ｂを流通する温度が高い排空気と水供給管３３を流通する水との間で熱交換して、排空気の温度で水を温めることができるため、水供給管３３内の水が凍結している場合にも、それの解凍を早めて燃料電池システムＦＣの起動性を向上させることができる。
【００７０】
更に、ポンプ１０から水を水タンク８に供給する水供給管３３の少なくとも一部分を断熱材３５で囲繞したので、断熱材３５により水供給管３３内の水に外気温度が直接影響するのを抑制し、水供給管３３内で水が凍結するのを抑えることができる。
【００７１】
また、本実施形態にあっても水タンク８を燃料電池１の上側に配置してあるとともに、燃料電池１および水タンク８の外側を空間部Ｓを設けてケース１２で囲繞したことにより、水タンク８の加熱効率を高めることができるとともに、更には、水タンク８の断面形状を略逆台形状とすることにより、水タンク８の加熱効率を高めつつ水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００７２】
以上、本発明の燃料電池システムは前記各実施形態に例をとって説明したが、これら実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態１における車両に搭載した燃料電池システムの全体概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態１における燃料電池と水タンクとの関係を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態２における燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態３における燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態４における燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【図６】本発明の実施形態５における燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【図７】本発明の実施形態６における燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【図８】図７中Ａ部の要部拡大図である。
【図９】図９は空気排気管と水供給管を近接配置しその周囲に断熱材を設けた例を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 燃料電池
２ コンプレッサ
３ 空気供給管
５ コンデンサ
６ セパレータ
７Ａ，７Ｂ 空気排気管
８ 水タンク
８ａ 水タンクの側面
９ 水供給管
１０ ポンプ
１１ 良熱伝導部材
１２，１２Ａ ケース
３１ レゾネータ（吸気系中空部品）
３３ 水供給管
３４ 熱交換部
３５ 断熱材
１００，１００Ａ 熱伝達手段
ＦＣ 燃料電池システム
Ｉ 吸気系経路
Ｓ 空間部
δ 間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、とりわけ、燃料電池に供給する水を貯水する水タンクを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発熱を水の気化潜熱を利用して冷却する燃料電池システムでは、そのための水を貯水するための水タンクを備えており、このように貯水タンクを備えた燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車では、寒冷地においては水タンク内の水が凍結する場合があり、このように凍結した場合は燃料電池システムの起動性が悪化してしまう。
【０００３】
このため、燃料電池の排空気の熱を利用して水タンク内の水を温めるようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１２４３号公報（第５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる従来の燃料電池システムにあっては、水タンクが燃料電池から離隔した部位に配置され、それら燃料電池と水タンクとの間にダクト（案内路）を設けて、燃料電池の排空気をそのダクトを介して水タンクに供給するようになっている。
【０００５】
このため、燃料電池の排空気の熱で水タンクを温めるため加熱効率が悪く、しかも離隔した水タンクまでダクトによって排空気を供給するため、ダクトでの熱損失が発生して水タンクの加熱効率が更に悪化してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池で発生した熱で直接水タンクを温めることにより、水タンクの加熱効率を高めることができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して、該燃料電池の発電によって生じた熱を、前記水の気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、前記水タンクを前記燃料電池の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンクと燃料電池との間にその燃料電池で発生した熱を上記水タンクに伝達させる熱伝達手段を備えたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池で発生した熱を熱伝達手段によって燃料電池の上側近傍に配置した水タンクに伝達できるので、燃料電池で発生する熱によって水タンクを直接加温することができる。従って、低温起動時に凍結している水タンク内の水を速やかに解凍でき、水タンクからの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［実施形態１］
図１，図２は本発明にかかる燃料電池システムの実施形態１を示し、図１は車両に搭載した燃料電池システムの全体概略構成図、図２は燃料電池と水タンクとの関係を示す概略構成図である。
【００１１】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図１に示すように車両Ｍに搭載された場合を例にとって示し、燃料電池１と、燃料電池１に燃料としての水素を供給する燃料供給手段と、燃料電池１に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給手段と、発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却させる水供給手段とを主要な構成要素として備え、燃料電池に水素と空気をそれぞれ供給することで、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【００１２】
燃料電池１は、電解質膜をアノード側電極（燃料極）とカソード側電極（酸化剤極）とで挟み込んでなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体の両側に水素、空気及び水を供給するための流路が形成されたセパレータを配置した単位燃料電池セル（単セル）を複数積層してなるセルスタックからなり、本実施形態の燃料電池システムＦＣでは、電極及びセパレータを多孔質体として形成し、水を電解質膜へと浸み出させ、その水の気化潜熱にて発電で生じた熱を除去するように構成されている。
【００１３】
燃料供給手段は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンク、水素供給管、バルブ、水素排気管、水素希釈装置、水素燃焼装置（何れも図示は省略する）等を有する。高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給管を通じて燃料電池１の燃料極へと供給される。また、燃料電池１の燃料極から排出されたアノード排出ガスは、水素排気管を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈されるか水素燃焼装置で燃焼されて酸化された上で、システム外部に排出される。
【００１４】
酸化剤供給手段は、例えば、空気を圧縮し燃料電池１の酸化剤極へ供給する圧縮機（コンプレッサ）２、圧縮した空気を燃料電池１に送る空気供給管３、その空気を所定湿度にする加湿器４、燃料電池１から排気された空気温度を下げる空気冷却装置（コンデンサ）５、コンデンサ５で凝縮された排空気中に含まれる水を分離する気液分離装置（セパレータ）６等を有する。
【００１５】
圧縮機２で圧縮して供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整されて（場合によっては加湿器４によって適切な温度・湿度に調整されて）燃料電池１の酸化剤極へ供給され、そして、燃料電池１の酸化剤極から排出された排空気は、空気排気管７Ａからコンデンサ５に送られて冷却された後、セパレータ６で気液分離されて空気排気管７Ｂを介してシステム外部へ排出される。
【００１６】
水供給手段は、例えば水を貯水する水タンク８と、この水タンク８から燃料電池１（または加湿器４を介して燃料電池１）へと水を供給する水供給管９と、気液分離装置６で分離した水を再び水タンク８へ戻すポンプ１０等を有する。図１では、水タンク８から燃料電池１へ直接水を水供給管９で供給するようにしてあるが、加湿器４を燃料電池１の上流に配置し、この加湿器４を介して燃料電池１に水を供給するようにしてもよい。
【００１７】
ここで、本実施形態の燃料電池システムは、図２に示すように前記水タンク８を前記燃料電池１の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンク８と燃料電池１との間にその燃料電池１で発生した熱Ｈを上記水タンク８に伝達させる熱伝達手段１００を設けてある。
【００１８】
前記前記熱伝達手段１００は、燃料電池１と水タンク８との間にそれぞれに接触した状態で介在し、燃料電池１の発生熱Ｈをそれの上側に配置した前記水タンク８に直接伝熱する良熱伝導部材１１によって形成してある。
【００１９】
前記良熱伝導部材１１は、絶縁性を有すると共に熱伝導効率の高い部材、例えばシリコンなどのジェルで形成され、燃料電池１の真上に配置される。また、前記良熱伝導部材１１は水タンク８の底面自体を用いることができ、この場合は燃料電池１の上側に水タンク８を直接接触させて配置すればよい。
【００２０】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、この燃料電池システムＦＣを搭載した車両Ｍを寒冷地で使用する場合等にあって、燃料電池システムＦＣを停止して駐車させておくと水タンク８内の水が凍結することがある。
【００２１】
このように水タンク８内の水が凍結した状態で燃料電池システムＦＣを作動した場合に、本実施形態では水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンク８と燃料電池１との間に設けた熱伝達手段１００によって、燃料電池１で発生した熱Ｈを上記水タンク８に伝達するようにしたので、燃料電池１で発生する熱Ｈで上側近傍の水タンク８を直接加温できるようになる。
【００２２】
このため、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００２３】
[実施形態２]
図３は本発明の実施形態２を示し、前記実施形態１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ものとし、図３は燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、基本的に図１に示した全体構造と略同様の構成となり、図３に示すように水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置してあり、これら水タンク８と燃料電池１との間に熱伝達手段１００Ａを設けてある。
【００２５】
燃料電池１は、対向する多孔質からなるセパレータ２１間に酸化剤極（カソード側電極）、電解質膜２２、燃料極（アノード側極）を配置したセル２３を複数積層したスタック２０を備え、そのスタック２０の側方にマニホールド２４を配置して構成される。前記セパレータ２１には、前記酸化剤極と対向する面には空気流路２５が形成されるとともに、前記燃料極と対向する面には水素流路２６が形成されている。また、セパレータ２１同士の対向面には、水が流通する水流路２７が形成されている。
【００２６】
ここで、本実施形態では前記熱伝達手段１００Ａを、前記水タンク８および前記燃料電池１の外側を適宜間隔δを設けて共通のケース１２で囲繞して、そのケース１２と前記水タンク８および前記燃料電池１との間に形成される連続した空間部Ｓによって構成してある。
【００２７】
即ち、前記ケース１２は、水タンク８を燃料電池１の上側に設置した状態で、これら燃料電池１と水タンク８の周囲を間隔δをもって気密および液密に囲繞してあり、ケース１２の内側に形成される前記空間部Ｓは、燃料電池１の周囲の下部空間Ｓ１と水タンク８の周囲の上部空間Ｓ２とが連続される。
【００２８】
このとき、前記水タンク８の側面８ａを下方に行くに従って（燃料電池１に向かって）内方に傾斜させて、その水タンク８の断面形状を略逆台形状としてある。
【００２９】
このように水タンク８の断面形状が略逆台形状となることにより、その水タンク８の水平方向の断面積は、下方から上方、つまり、底面８ｂから天井面８ｃに行くに従って滑らかに漸増するようになっている。
【００３０】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、水タンク８および燃料電池１の外側を囲繞するケース１２と、水タンク８および燃料電池１と、の間に形成される連続した空間部Ｓによって熱伝達手段１００Ａを構成したので、燃料電池１で発生した熱Ｈは周囲の下部空間Ｓ１から水タンク８の周囲の上部空間Ｓ２へと直接伝達されて、その水タンク８を周囲から温めることができる。
【００３１】
従って、水タンク６の周囲にケース１２によって閉ざされた空間部Ｓがあることにより、水タンク６内の水の凍結を遅らせることができ、燃料電池１によって暖まった燃料電池周囲の空気がタンク周囲に存在することで水タンク６内の水を昇温させることができる。その結果、実施形態１と同様、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００３２】
また、本実施形態では前記ケース１２の内側に形成される空間部Ｓが断熱効果を有することから、ケース１２外方から水タンク８に伝達される温度を低下させて、水タンク８内の水が凍結されるのを遅らせることができる。
【００３３】
更に、本実施形態にあっても前記水タンク８を燃料電池１の上側に接触状態で設置しておくことにより、実施形態１と同様に燃料電池１で発生した熱Ｈを直接水タンク８に伝熱することができ、この点からも水タンク８の加熱効率をより高めることができる。なお、実施形態１と同様に、良熱伝導部材１１を燃料電池１と水タンク８の間に介在させておいてもよい。
【００３４】
更にまた、本実施形態では水タンク８の側面８ａを下方（燃料電池１側へ）に行くに従って内方に傾斜させて、その水タンク８の断面形状を略逆台形状としたので、前記上部空間Ｓ２は下部空間Ｓ１に連続する下方が広がることになり、下部空間Ｓ１から燃料電池１の熱Ｈが上部空間Ｓ２、つまり、水タンク８の周囲に流入し易くなるとともに、水タンク８の側面８ａが傾斜することによりその面積が増大するので、水タンク８の昇温性を更に高めることができる。
【００３５】
ところで、水タンク８内の水が凍結する際には、その凍結が下側から上側へと進行して行くことになるが、本実施形態では、水タンク８の断面形状を略逆台形状としたことにより、水が膨張しつつ凍結する際の無理な膨張力を逃がすことができるため、水タンク８の破損を避けることができる。
【００３６】
[実施形態３]
図４は本発明の実施形態３を示し、前記各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ものとし、図４は燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、基本的に実施形態２と略同様に構成され、図４に示すように水タンク８を燃料電池１の上側近傍に配置してあるとともに、これら水タンク８および燃料電池１の外側に連続した空間部Ｓを設けて共通のケース１２Ａで囲繞してあり、特に本実施形態ではそのケース１２Ａを断熱構造をもって形成してある。
【００３８】
即ち、前記ケース１２Ａは、実施形態１に開示したケース１２の外側（または内側）に断熱材１３を取り付けることにより形成することができる。
【００３９】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、燃料電池１および水タンク８を囲繞するケース１２Ａを断熱構造としたので、燃料電池１で発生した熱Ｈがケース１２Ａから外方に逃げるのを抑えることができ、水タンク８が凍結している場合の解凍を促進することができる。その結果、実施形態１と同様、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００４０】
また、本実施形態では実施形態２と同様に燃料電池１の熱Ｈを空間部Ｓを通して水タンク８に伝熱できるとともに、その空間部Ｓが断熱効果を発揮し、かつ、水タンク８を燃料電池１の上側に接触状態で設置したことにより、水タンク８の加熱効率を高めることができ、更に、水タンク８の断面形状を略逆台形状としたことにより、水タンク８の加熱効率を更に高めることができるとともに、水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００４１】
[実施形態４]
図５は本発明の実施形態４を示し、前記各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ものとし、図５は燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図５に示すように空気導入管３Ａから導入した空気をコンプレッサ２で圧縮して空気供給管３を介して燃料電池１に供給するようになっており、本実施形態ではコンプレッサ２で圧縮した空気をアフタークーラ３０によって冷却して、燃料電池１に供給する空気を温度調整するようになっている。また、このアフタークーラ３０の下流側に加湿器４（図１参照）が設けられる場合もある。ここでは、前記空気導入管３Ａからコンプレッサ２およびアフタークーラ３０を経て空気供給管３に至る経路を、吸気系経路Ｉとする。
【００４３】
ここで、本実施形態では前記水タンク８の周囲に、燃料電池１の前記吸気系経路Ｉに設けられて空気が通過する空間部分を有する吸気系中空部品としてのレゾネータ３１を配置してある。
【００４４】
前記レゾネータ３１は、空気導入管３Ａの途中に設けられて吸入空気音を消音するために中空の箱状に形成した共鳴器であり、このレゾネータ３１を図５中破線で示したように前記水タンク８の配置部分に配置して、そのレゾネータ３１の内部に水タンク８を取り込んで収納、つまり、水タンク８をレゾネータ３１で覆ってある。
【００４５】
もちろん、レゾネータ３１の消音機能は、水タンク８を収納した状態で所望の共鳴周波数を作り出すことができるように内部空間の形状や容積が予め調整される。
【００４６】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、中空のレゾネータ３１を水タンク８の周囲に配置したことにより、そのレゾネータ３１の中空部分が断熱機能を発揮するため、外気温度が水タンク８に伝達されるのを低減し、水タンク８内の水が凍結するのを遅らせることができる。また、この吸気系中空部品であるレゾネータ３１は、音振低減を図るための部品空間や通気圧損を低減するための配管空間などにスペースを利用できる。
【００４７】
尚、吸気系中空部品としては音振低減を図るための前記レゾネータ３１に限ることなく、中空部分を有するその他の部品、例えば除塵用のフィルタケースや通路断面の大きなダクト等を用いることができる。
【００４８】
ところで、本実施形態にあっても実施形態２と同様に水タンク８を燃料電池１の上側に配置しておくことにより、燃料電池１の熱Ｈを直接水タンク８に伝熱して加熱効率を高めることができるとともに、水タンク８の断面形状を略逆台形状とすることにより、水タンク８の加熱効率を高めつつ水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００４９】
[実施形態５]
図６は本発明の実施形態５を示し、前記各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ものとし、図６は燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図６に示すように空気導入管３Ａから導入した空気をコンプレッサ２で圧縮して空気供給管３を介して燃料電池１に供給するようになっており、その空気供給管３にはアフタークーラ３０が設けられる。
【００５１】
ここで、本実施形態では前記水タンク８の周囲に、燃料電池１の吸気系経路Ｉに導入した空気を圧縮するコンプレッサ２の出口空気（圧縮空気）を導入してある。
【００５２】
即ち、前記コンプレッサ２で圧縮した空気は空気導入管３を介して燃料電池１に供給されることになるが、本実施形態では水タンク８の周囲を適宜間隔をもって密閉ケース３２で囲繞し、その密閉ケース３２の一側面に空気供給管３の上流側を連通するとともに、密閉ケース３２の他側面に空気供給管３の下流側を連通する。
【００５３】
また、前記アフタークーラ３０は、前記空気供給管３に密閉ケース３２を迂回するバイパス管３Ｂを設け、そのバイパス管３Ｂに設けるようになっている。
【００５４】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、コンプレッサ２で圧縮した空気は空気供給管３の上流側から密閉ケース３２に導入され、そして、その密閉ケース３２内で水タンク８の周囲を流通した後、空気供給管３の下流側に排出される。従って、コンプレッサ２の圧縮により温度上昇した空気が水タンク８の周囲に沿って流れるため、水タンク８を効率良く温めることができる。その結果、実施形態１と同様、低温起動時に凍結している水タンク８内の水を速やかに解凍でき、水タンク８からの水（純水）の供給開始を早めて低温時における燃料電池システムの起動性を確保することができる。
【００５５】
また、本実施形態では水タンク８の昇温が不要な場合には、圧縮空気をバイパス管３Ｂに流すことにより、水タンク８内の水が過剰に温められるのを防止できる。
【００５６】
ところで、本実施形態にあっても水タンク８を燃料電池１の上側に配置しておくことにより、燃料電池１の熱Ｈを直接水タンク８に伝熱して加熱効率を高めることができるとともに、水タンク８の断面形状を略逆台形状とすることにより、水タンク８の加熱効率を高めつつ水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００５７】
[実施形態６]
図７〜図９は本発明の実施形態６を示し、前記各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ものとし、図７は燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図、図８は図７中Ａ部の要部拡大図、図９は空気排気管と水供給管を近接配置しその周囲に断熱材を設けた例を示す要部拡大断面図である。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、実施形態１で説明したように燃料電池１から排出された排空気は、図７に示すように空気排気管７Ａからコンデンサ５に送られて冷却された後、セパレータ６で気液分離される。
【００５９】
ここで、本実施形態では燃料電池１の排空気中の水を空気と分離して回収するセパレータ６内に、このセパレータ６で回収した水を水タンク８に供給するポンプ１０を配置し、このポンプ１０の周囲に排空気や回収した前記水を存在させるようになっている。
【００６０】
即ち、燃料電池１の加熱された排空気は前述したようにコンデンサ５で冷却されることにより、その排空気中の水分が凝縮されて液相の水となり、その水と水分が除去された排空気とが容器状の前記セパレータ６に回収され、このセパレータ６内で気液分離された状態で一旦溜められる。
【００６１】
そして、分離された水は、前記ポンプ１０から水供給管３３を介して水タンク８に供給されるとともに、分離された排空気は空気排気管７Ｂを介して適宜処理された後に外方に排出される。
【００６２】
従って、前記ポンプ１０を容器状の前記セパレータ６内に収納することにより、セパレータ６内に回収された水が多量に存在する場合は、ポンプ１０はその水中に浸漬され、水量が少ない場合は、排空気中にポンプ１０がその姿を水面から現す。
【００６３】
このとき、前記水供給管３３を水タンク８に接続する際に、燃料電池１のスタック近傍を通るマニホールド２４内を通過するようになっており、このマニホールド２４は水供給管３３の保温性の関係から、図７に示すように水タンク８の側方まで延長しておくことが好ましい。
【００６４】
また、本実施形態では前記ポンプ１０から水を前記水タンク８に供給する前記水供給管３３と前記排空気の空気排気管７Ｂとの間に熱交換部３４を設けてある。
【００６５】
前記熱交換部３４は、図８に示すように水供給管３３の外径を空気排気管７Ｂの内径よりも十分に小径に形成して、空気排気管７Ｂの中心部に水供給管３３を配置して形成した二重管によって形成し、空気排気管７Ｂを流通する排空気と水供給管３３を流通する水との間で熱交換されるようになっている。
【００６６】
更に、本実施形態では、前記ポンプ１０から水を前記水タンク８に供給する水供給管３３の少なくとも一部分を断熱材３５で囲繞するようになっている。
【００６７】
なお、図９に示すように空気排気管７Ｂと水供給管３３とを近接して平行配置させ、それらを内部に取り囲むようにして断熱材３５を設け、この断熱材３５で平行配置された空気排気管７Ｂと水供給管３３とを共に保温するようにしてもよい。
【００６８】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムによれば、セパレータ６内に、このセパレータ６で回収した水を水タンク８に供給するポンプ１０を配置して、このポンプ１０の周囲に排空気や回収した前記水を存在させるようにしたので、ポンプ１０の周囲に存在する排空気や水は、コンデンサ５で冷却したとはいえ外気よりも温度が高くなっており、起動時にポンプ１０が凍結している場合にも、そのポンプ１０の解凍を早めて燃料電池システムＦＣの起動性を向上させることができる。
【００６９】
また、ポンプ１０から水を水タンク８に供給する水供給管３３と排空気の空気排気管７Ｂとの間に熱交換部３４を設けたので、空気排気管７Ｂを流通する温度が高い排空気と水供給管３３を流通する水との間で熱交換して、排空気の温度で水を温めることができるため、水供給管３３内の水が凍結している場合にも、それの解凍を早めて燃料電池システムＦＣの起動性を向上させることができる。
【００７０】
更に、ポンプ１０から水を水タンク８に供給する水供給管３３の少なくとも一部分を断熱材３５で囲繞したので、断熱材３５により水供給管３３内の水に外気温度が直接影響するのを抑制し、水供給管３３内で水が凍結するのを抑えることができる。
【００７１】
また、本実施形態にあっても水タンク８を燃料電池１の上側に配置してあるとともに、燃料電池１および水タンク８の外側を空間部Ｓを設けてケース１２で囲繞したことにより、水タンク８の加熱効率を高めることができるとともに、更には、水タンク８の断面形状を略逆台形状とすることにより、水タンク８の加熱効率を高めつつ水の凍結時に水タンク８の破損を避けることができる。
【００７２】
以上、本発明の燃料電池システムは前記各実施形態に例をとって説明したが、これら実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態１における車両に搭載した燃料電池システムの全体概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態１における燃料電池と水タンクとの関係を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態２における燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態３における燃料電池と水タンクとの関係を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態４における燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【図６】本発明の実施形態５における燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【図７】本発明の実施形態６における燃料電池システムの要部を取り出して示す概略構成図である。
【図８】図７中Ａ部の要部拡大図である。
【図９】図９は空気排気管と水供給管を近接配置しその周囲に断熱材を設けた例を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 燃料電池
２ コンプレッサ
３ 空気供給管
５ コンデンサ
６ セパレータ
７Ａ，７Ｂ 空気排気管
８ 水タンク
８ａ 水タンクの側面
９ 水供給管
１０ ポンプ
１１ 良熱伝導部材
１２，１２Ａ ケース
３１ レゾネータ（吸気系中空部品）
３３ 水供給管
３４ 熱交換部
３５ 断熱材
１００，１００Ａ 熱伝達手段
ＦＣ 燃料電池システム
Ｉ 吸気系経路
Ｓ 空間部
δ 間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して、該燃料電池の発電によって生じた熱を、前記水の気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、
前記水タンクを前記燃料電池の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンクと燃料電池との間にその燃料電池で発生した熱を上記水タンクに伝達させる熱伝達手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記熱伝達手段は、燃料電池と水タンクとの間にそれぞれに接触した状態で介在し、燃料電池の発生熱をそれの上側に配置した前記水タンクに直接伝熱する良熱伝導部材である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記熱伝達手段は、前記水タンクおよび前記燃料電池の外側を適宜間隔を設けて共通のケースで囲繞して、そのケースと前記水タンクおよび前記燃料電池との間に形成される連続した空間部とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記水タンクの側面を下方に行くに従って内方に傾斜させて、その水タンクの断面形状を略逆台形状とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池システムであって、
前記ケースは断熱構造をもって形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記水タンクの周囲に、燃料電池の吸気系経路に設けられて空気が通過する空間部分を有する吸気系中空部品を配置した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜５の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記水タンクの周囲に、燃料電池の吸気系経路に導入した空気を圧縮するコンプレッサの出口空気を導入した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
燃料電池の排空気中の水を回収するセパレータ内に、このセパレータで回収した水を前記水タンクに供給するポンプを配置し、このポンプの周囲に排空気や回収した前記水を存在させた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプから水を前記水タンクに供給する水供給管と前記排空気の空気排出管との間に熱交換部を設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプから水を前記水タンクに供給する水供給管の少なくとも一部分を断熱材で囲繞した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して、該燃料電池の発電によって生じた熱を、前記水の気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、
前記水タンクを前記燃料電池の上側近傍に配置し、かつ、これら水タンクと燃料電池との間にその燃料電池で発生した熱を上記水タンクに伝達させる熱伝達手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記熱伝達手段は、燃料電池と水タンクとの間にそれぞれに接触した状態で介在し、燃料電池の発生熱をそれの上側に配置した前記水タンクに直接伝熱する良熱伝導部材である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記熱伝達手段は、前記水タンクおよび前記燃料電池の外側を適宜間隔を設けて共通のケースで囲繞して、そのケースと前記水タンクおよび前記燃料電池との間に形成される連続した空間部とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記水タンクの側面を下方に行くに従って内方に傾斜させて、その水タンクの断面形状を略逆台形状とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池システムであって、
前記ケースは断熱構造をもって形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記水タンクの周囲に、燃料電池の吸気系経路に設けられて空気が通過する空間部分を有する吸気系中空部品を配置した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜５の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記水タンクの周囲に、燃料電池の吸気系経路に導入した空気を圧縮するコンプレッサの出口空気を導入した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
燃料電池の排空気中の水を回収するセパレータ内に、このセパレータで回収した水を前記水タンクに供給するポンプを配置し、このポンプの周囲に排空気や回収した前記水を存在させた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプから水を前記水タンクに供給する水供給管と前記排空気の空気排出管との間に熱交換部を設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプから水を前記水タンクに供給する水供給管の少なくとも一部分を断熱材で囲繞した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２４２３２７（Ｐ２００７−２４２３２７Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６０８２３（Ｐ２００６−６０８２３）
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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