JP3671914B2

JP3671914B2 - Thermal insulation structure of pure water tank

Info

Publication number: JP3671914B2
Application number: JP2002022200A
Authority: JP
Inventors: 哲生魚住
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003223910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温時の純水凍結の防止、及び凍結した純水の早期解凍を可能とする純水タンクの断熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境にやさしいクリーンエネルギー指向の高まりから、燃料電池自動車の開発が活発に行われている。自動車用燃料電池として有望な固体高分子型燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気とを高分子電解質を介して電気化学反応させることにより発電する。
【０００３】
この燃料電池への燃料ガスの供給方法としては、直接水素型と燃料改質型とがある。直接水素型は、高圧水素ボンベ、水素吸蔵合金、液体水素容器等に貯蔵された水素を燃料ガスとして使用するものである。この直接水素型燃料電池では、アノードに供給する水素及びカソードに供給する空気は、それぞれ加湿器で加湿されて各電極に供給される。
【０００４】
一方燃料改質型では、メタノール等の炭化水素系液体原燃料と水とを燃料として貯蔵する。そして改質触媒を備えた燃料改質器により、原燃料と水から水蒸気改質反応や原燃料の部分酸化反応により水素ガスリッチな改質ガスを生成して、アノードに供給している。
【０００５】
直接水素型及び燃料改質型のいずれの燃料電池においても、加湿用または燃料改質用としての水は、不純物を含むと改質用触媒や電極触媒を劣化させるので、不純物を除去した純水が使用されている。
【０００６】
純水は、氷点（０℃、１気圧）で凝固するので、低温時の凝固対策として、特開２０００−１４９９７０号公報に記載の技術が知られている。この技術によれば、メインの水タンクとは別に加熱機能または保温機能を備えた予備タンクに水を貯蔵している。そして始動時に予備タンクに収容された水を燃料電池へ供給している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池は、理想的な運転温度が８０℃前後であり、加湿用の純水はシステム運転中でも５０℃から８０℃程度に維持することが好ましく、外気が低い場合は断熱することが望ましい。
【０００８】
また、システム停止後から再起動まで、なるべく温度が下がらないように維持しておきたい。特に、凍結してしまうと、解凍するまで加湿できず、燃料電池システムの始動において時間とエネルギーが必要となる。
【０００９】
また、燃料電池の冷却水に純水を使用する場合でも、冷却用純水の温度が低すぎると燃料電池本体での理想的な運転温度を下回り、発電効率低下につながり、また、純水が凍結している場合は、解凍するまで冷却が出来ず、燃料電池システムの始動において、時間とエネルギーが必要となる。
【００１０】
この為、燃料電池システムや純水タンク内の純水の温度低下と凍結を防止又は遅くする為に断熱性を向上することが望まれる。
【００１１】
この断熱性を確保する手段として、純水タンクを断熱材で囲うことが考えられる。しかし、上述したように、燃料電池や純水タンクを常に断熱材で囲う場合、システムが低温環境、特に氷点下で長時間放置された場合などでは、断熱材があったにもかかわらず純水が凍結してしまい、その後の起動において、外気温度が純水温度より高い場合でも、断熱材が存在する為に純水が外気から熱を取り込むことが出来ず、純水が低い温度で維持されてしまい、システムの起動において、起動に長時間を要するとともに、起動に大量のエネルギーが必要となるという問題点があった。
【００１２】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、短時間で燃料電池システムを始動可能とすると共に、始動に要するエネルギーを低減することができる純水タンクの断熱構造を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料電池システム用の純水を貯留する純水タンクの断熱構造であって、前記純水タンクの周囲を流体を出し入れできる流路で囲い、前記流路に燃料電池の燃料ガスである水素ガスを注入可能としたことを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の純水タンクの断熱構造において、前記流路に注入した水素ガスを、不凍液及び又は純水の、加熱用の熱エネルギーとして利用することを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１に記載の純水タンクの断熱構造において、前記流路に注入した流体を該流路から取り出すことで、該流路を圧縮可能とし、外気と前記純水タンクとの間の熱伝導性を向上させることを要旨とする。
【００２５】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項１に記載の純水タンクの断熱構造において、外気温度と、前記流体の温度と、前記純水タンク内の液相又は固相の水の温度とを比較し、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、前記流路に注入する流体を前記水素ガスとすることを要旨とする。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池システム用の純水を貯留する純水タンクの断熱構造であって、前記純水タンクの周囲を流体を出し入れできる流路で囲い、前記流路に燃料電池の燃料ガスである水素ガスを注入可能としたので、燃料電池システムが備えている水素という空気より熱伝導率の高い流体を前記流路に出し入れすることにより、純水タンクと外気との断熱性能を可変できるという効果がある。
【００３３】
請求項２記載の発明によれば、注入した水素ガスを不凍液及び又は純水の加熱用の熱エネルギーとして利用することにより、注入した水素ガスを捨てることなくシステム起動に利用できるという効果がある。
【００３４】
請求項３記載の発明によれば、流体を取り出して流路を圧縮可能とし、外気との熱の伝達性を向上させることにより、熱伝導性のよい流体を注入しなくても外気温度をタンクに伝達でき、純水温度を高めに維持できるという効果がある。
【００３８】
請求項４記載の発明によれば、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、流路に注入する流体を水素ガスとすることにより、純水より温度の高い外気温度を積極的にタンクに伝達できるので、純水温度を高く維持する流体を選択できるという効果がある。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第１実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００４０】
尚、図１では、加湿器に供給する加湿用水を純水タンクに貯留する例を示しているが、これに限定されることなく、改質用の水を純水タンクに貯留する燃料電池システムに適用できることは明らかである。
【００４１】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池１と、純水を使用して水素及び空気を加湿して燃料電池１へ供給する加湿器２と、外気を取り込んで加湿器２及び後述する流体切り替え装置６へ供給する空気供給装置３と、流体を出し入れ可能な流体流路５ｂを有し、純水を貯留する純水タンク５と、純水タンク５の流体流路５ｂへ空気又は不凍液を注入する流体切り替え装置６と、不凍液供給装置７と、不凍液排出装置９と、不凍液タンク１０と、外気温度を測定する外気温度測定装置１１と、流体流路５ｂ内の流体の温度を測定する流体温度測定装置１２と、純水タンク５内の液相または固相の純水温度を測定する純水温度測定装置１３と、外気温度及び流体温度及び純水温度に基づいて流体流路５ｂへ注入する流体を判断する供給流体判断装置１４とを備えている。
【００４２】
純水タンク５は、タンク外壁５ａの外側に離間してタンク外壁の周囲を囲う流路外壁５ｃが設けられ、タンク外壁５ａと流路外壁５ｃとの間が空気又は不凍液等の流体を出し入れすることができる流体流路５ｂとなっている。
【００４３】
流体流路５ｂは、流体切り替え装置６に接続され、供給流体判断装置１４の判断により、流体切り替え装置６が流体流路５ｂへ注入する流体を切り替え可能となっている。
【００４４】
供給流体判断装置１４には、外気温度測定装置１１，流体流路５ｂ内の流体の温度を測定する流体温度測定装置１２，純水タンク５内の液相又は固相の純水の温度を測定する純水温度測定装置１３がそれぞれ接続されている。そして、供給流体判断装置１４は、以下の制御論理で流体流路５ｂへ注入する流体を判断して、流体切り替え装置６へ流体切り替えの制御信号を出力する。この制御信号を受けた流体切り替え装置６は、制御信号に従って、空気又は不凍液を流体流路５ｂへ注入する。
【００４５】
供給流体判断装置１４は、不凍液温度＞純水温度、且つ、不凍液温度＞外気温度、と判断した場合に、流体切り替え装置６に対して流体流路５ｂに不凍液を注入する制御信号を出力する。これにより、不凍液温度と純水温度と外気温度との３者の中で不凍液温度が最も高い場合、不凍液を流体流路５ｂへ注入することができる。従って、液相又は固相の純水タンク５内の純水が不凍液により暖められ、温度上昇した純水を用いて、加湿器２が水素及び空気を加湿できるようになり、燃料電池の起動時間を短縮することができると共に、起動に要するエネルギーを低減することができる。
【００４６】
また、供給流体判断装置１４は、純水温度＞不凍液温度、且つ、純水温度＞外気温度、と判断した場合に、流体切り替え装置６に対して流体流路５ｂに空気を注入する制御信号を出力する。これにより、不凍液温度と純水温度と外気温度との３者の中で純水温度が最も高い場合、空気供給装置３が取り込んだ空気を流体流路５ｂへ注入し、純水タンクの外気に対する断熱性能を高めることができる。従って、純水タンク５内の純水が外気により冷却されることを防止することが出来る。
【００４７】
これにより、温度条件に応じた流体の出し入れが可能となり、タンクの外気との断熱性能を可変できるという効果がある。また、外気、不凍液、純水のそれぞれの温度に応じて純水タンク内の純水温度を高めに維持するに適した流体を選択して、流体流路５ｂに注入することができる。
【００４８】
また、純水タンク５の周囲の流体流路５ｂに注入する流体を不凍液にすることで氷点下でも純水タンク周囲の流体流路を凍結することのない流体にでき、氷点下でも断熱性の可変機能を作動させることができる。
【００４９】
不凍液の温度が高い場合の純水温度低下防止手段として、不凍液の温度を積極的に純水タンク内の純水に伝達し、純水温度を高く維持できる。
【００５０】
外気温度が低い場合の純水温度低下防止手段として、純水タンクの外周に空気の層を作り純水タンクの外気に対する断熱性を高くして、純水温度を高く維持できる。
【００５１】
〔第２実施形態〕
図２は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第２実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００５２】
図２において、図１に示した第１実施形態に対して、ガスボンベ等による空気より断熱性の高い気体を貯蔵する貯蔵装置１５と、この貯蔵装置１５から流体切り替え装置６へ気体を供給する調圧開閉弁等による気体供給装置１６とが追加されている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５３】
本実施形態では、第１実施形態の空気供給に代えて、貯蔵装置１５から流体流路５ｂへ空気より断熱性の高い気体を供給する。これにより、流体流路５ｂへ空気を入れた場合に対し、外気温度を純水タンクに伝達しにくくすることができるので、外気温度が低い場合の純水温度低下防止効果が向上する。
【００５４】
〔第３実施形態〕
図３は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第３実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００５５】
図３において、図１に示した第１実施形態に対して、純水タンク周囲に設けられた流体流路５ｂ内を真空にすることができる真空ポンプ等による真空装置４が追加されている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５６】
本実施形態では、第１実施形態の空気供給に代えて、純水タンク５の周囲の流体流路５ｂを、真空装置４により真空にする。
【００５７】
これにより、流体流路５ｂに空気を入れた場合よりも断熱性能を向上でき、外気温度をさらに純水タンクに伝達しにくくすることができるので、外気温度が低い場合の純水温度低下防止効果がさらに向上する。
【００５８】
〔第４実施形態〕
図４は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第４実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００５９】
図４において、図１に示した第１実施形態に対して、水素を貯蔵する水素貯蔵装置１７と、水素貯蔵装置１７から圧力調整された水素を取り出して加湿器２又は流体切り替え装置６へ供給する水素供給装置１８と、流体流路５ｂから水素を排出させるポンプ等の水素排出装置１９と、水素排出装置１９から排出された水素を燃焼させる水素燃焼装置２０と、水素燃焼装置２０で発生した燃焼熱を不凍液に伝える熱交換器８とが追加されている。このうち、水素貯蔵装置１７、水素供給装置１８は、燃料電池１の発電用水素を供給するものと共用化されている。
【００６０】
その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００６１】
供給流体判断装置１４には、第１実施形態と同様に、外気温度測定装置１１，流体流路５ｂ内の流体の温度を測定する流体温度測定装置１２，純水タンク５内の液相又は固相の純水の温度を測定する純水温度測定装置１３がそれぞれ接続されている。そして、供給流体判断装置１４は、以下の制御論理で流体流路５ｂへ注入する流体を判断して、流体切り替え装置６へ流体切り替えの制御信号を出力する。この制御信号を受けた流体切り替え装置６は、制御信号に従って、水素又は不凍液を流体流路５ｂへ注入する。
【００６２】
供給流体判断装置１４は、外気温度＞純水温度、且つ、外気温度＞不凍液温度、と判断した場合に、流体流路５ｂに流入する流体を水素ガスとする制御信号を流体切り替え装置６へ出力する。すなわち、外気温度、純水温度、不凍液温度の３者の間で、外気温度が最も高い場合、空気より熱伝導率の高い気体である水素を純水タンク５の周囲の流体流路５ｂへ流入させる。これにより、外気温度を効率よく純水タンク５内の純水に伝えて、速やかに純水の温度を上げることができる。
【００６３】
また上記の温度条件が満足されない場合、流体流路５ｂに水素が充填されていれば、この水素を水素排出装置１９により、水素燃焼装置２０へ排出する。このとき、不凍液供給装置７は、不凍液タンク１０の不凍液を汲み上げて、熱交換器８を通して不凍液タンク１０へ戻すように不凍液を循環させる。これにより、水素燃焼装置２０で発生した熱を熱交換器８を介して不凍液に伝え、流体流路５ｂへ注入した水素ガスを無駄にすることなく、不凍液温度の上昇に利用することが出来る。
【００６４】
〔第５実施形態〕
図５は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第５実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【００６５】
図５において、図１に示した第１実施形態に対して、外気と不凍液との熱交換を行うラジエータ等の熱交換器８が追加されている。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素であるので、同じ符号を付与して、重複する説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００６６】
本実施形態では、不凍液タンク１０から熱交換器８を介して外気と熱交換された不凍液が不凍液供給装置７へ供給されるようになっている。不凍液供給装置７は、流体切り替え装置６を介して、純水タンク５の周囲の流体流路５ｂへ不凍液を供給する。そして、不凍液供給装置７と不凍液排出装置９とは、不凍液タンク１０，熱交換器８，不凍液供給装置７，流体切り替え装置６，流体流路５ｂ，不凍液排出装置９，不凍液タンク１０の経路で、協動して不凍液を循環させることができるようになっている。
【００６７】
この不凍液の循環によって、熱交換器８及び流体流路５ｂにより、外気熱を不凍液に伝達させ、さらに、不凍液の循環により純水タンク５内の純水に外気熱を伝達させる。これにより、外気温度を純水タンク５の周囲の流体流路５ｂに加えて、熱交換器８による熱伝導性の高い経路を利用して純水に伝達させるので、純水の温度上昇を促進できる。
【００６８】
〔第６実施形態〕
図６は、本発明に係る純水タンクの断熱構造の第６実施形態の要部を説明する断面図である。図６（ａ）は、純水タンク外壁５ａの外周に設けた流路外壁５ｃが拡張した状態を示し、図６（ｂ）は、同流路外壁５ｃが収縮した状態を示している。
【００６９】
純水タンク５は、タンク外壁５ａの外側に、拡張及び収縮が可能な材質による流路外壁５ｃが設けられ、タンク外壁５ａと流路外壁５ｃとの間が不凍液等の流体を注入することができる流体流路５ｂとなっている。
【００７０】
そして、本実施形態においては、外気温度が純水タンク５内の純水温度より高い場合、流体流路５ｂ内の流体を取り出して、流路外壁５ｃを収縮させて、好ましくは、流路外壁５ｃをタンク外壁５ａに密着させ、外気との熱の純水タンクへの熱伝導性を向上させる。
【００７１】
本実施形態によれば、外気温度が純水タンク５内の純水温度よりも高く、外気と純水との熱伝導性を向上させたい場合に、流体流路５ｂへ流体を注入しなくても流体を抜き流体流路５ｂを圧縮して、流路外壁５ｃをタンク外壁５ａに密着させることで、外気温度を純水タンク５に伝達しやすく出来るので、外気温度が高い場合に、純水温度上昇を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第１実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第２実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図３】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第３実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図４】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第４実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図５】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第５実施形態を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図６】本発明に係る純水タンクの断熱構造の第６実施形態の要部を説明する純水タンク断面図である。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…加湿器
３…空気供給装置
４…真空装置
５…純水タンク
５ａ…タンク外壁
５ｂ…流体流路
５ｃ…流路外壁
６…流体切り替え装置
７…不凍液供給装置
８…熱交換器
９…不凍液排出装置
１０…不凍液タンク
１１…外気温度測定装置
１２…流体温度測定装置
１３…純水温度測定装置
１４…供給流体判断装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat insulation structure of a pure water tank that enables prevention of freezing of pure water at low temperatures and early thawing of frozen pure water.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cell vehicles have been actively developed due to the increasing trend toward environmentally friendly clean energy. Solid polymer fuel cells, which are promising as fuel cells for automobiles, generate electricity by causing an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and air containing oxygen via a polymer electrolyte.
[0003]
As a method of supplying fuel gas to the fuel cell, there are a direct hydrogen type and a fuel reforming type. The direct hydrogen type uses hydrogen stored in a high-pressure hydrogen cylinder, a hydrogen storage alloy, a liquid hydrogen container or the like as a fuel gas. In this direct hydrogen fuel cell, hydrogen supplied to the anode and air supplied to the cathode are each humidified by a humidifier and supplied to each electrode.
[0004]
On the other hand, in the fuel reforming type, hydrocarbon liquid raw fuel such as methanol and water are stored as fuel. A fuel reformer equipped with a reforming catalyst generates hydrogen gas-rich reformed gas from the raw fuel and water by a steam reforming reaction or a partial oxidation reaction of the raw fuel, and supplies the reformed gas to the anode.
[0005]
In both direct hydrogen fuel reforming and fuel reforming fuel cells, water for humidification or fuel reforming deteriorates the reforming catalyst and electrode catalyst if it contains impurities. Is used.
[0006]
Since pure water solidifies at a freezing point (0 ° C., 1 atm), a technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-149970 is known as a countermeasure against solidification at low temperatures. According to this technique, water is stored in a reserve tank having a heating function or a heat retaining function separately from the main water tank. At the time of start-up, water stored in the reserve tank is supplied to the fuel cell.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The polymer electrolyte fuel cell has an ideal operating temperature of around 80 ° C., and it is preferable to maintain the pure water for humidification at about 50 ° C. to 80 ° C. even during system operation, and insulate it when the outside air is low. Is desirable.
[0008]
We also want to keep the temperature from dropping as much as possible from the time the system is stopped to the time it is restarted. In particular, if it freezes, it cannot be humidified until it is thawed, and time and energy are required to start the fuel cell system.
[0009]
Even when pure water is used as the cooling water for the fuel cell, if the temperature of the pure water for cooling is too low, it will fall below the ideal operating temperature of the fuel cell body, leading to a decrease in power generation efficiency. If it is frozen, it cannot be cooled until it is thawed, and time and energy are required to start the fuel cell system.
[0010]
For this reason, it is desired to improve heat insulation in order to prevent or slow down the temperature drop and freezing of pure water in the fuel cell system and the pure water tank.
[0011]
As a means for ensuring this heat insulating property, it is conceivable to surround the pure water tank with a heat insulating material. However, as described above, when the fuel cell or the pure water tank is always surrounded by a heat insulating material, when the system is left in a low temperature environment, particularly at a temperature below freezing for a long time, the pure water does not flow even though there is a heat insulating material. Even if the outside air temperature is higher than the pure water temperature after freezing, the pure water cannot take in heat from the outside air due to the presence of the heat insulating material, and the pure water is maintained at a low temperature. As a result, there are problems in starting the system that a long time is required for starting and a large amount of energy is required for starting.
[0012]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a heat insulation structure for a pure water tank that can start a fuel cell system in a short time and can reduce energy required for starting.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is a heat insulation structure of a pure water tank for storing pure water for a fuel cell system, and surrounds the pure water tank with a flow path capable of taking in and out a fluid. The gist is that hydrogen gas, which is the fuel gas of the fuel cell, can be injected into the flow path.
[0020]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 is the heat insulation structure of the pure water tank according to claim 1 , wherein the hydrogen gas injected into the flow path is heated with antifreeze and / or pure water. The main point is to use it as energy.
[0021]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 3 is the heat insulating structure of the pure water tank according to claim 1, wherein the flow path is compressed by taking out the fluid injected into the flow path from the flow path. It is possible to improve the thermal conductivity between the outside air and the pure water tank.
[0025]
To achieve the above object, the invention according to claim 4 is the heat insulation structure of the pure water tank according to claim 1 , wherein the outside air temperature, the temperature of the fluid, and the liquid phase or solid phase in the pure water tank. When the outside air temperature> pure water temperature and the outside air temperature> antifreeze liquid temperature are determined, the fluid injected into the flow path is the hydrogen gas .
[0026]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, there is provided a heat insulating structure of a pure water tank for storing pure water for a fuel cell system, wherein the pure water tank is surrounded by a flow path that allows fluid to be taken in and out. Since the hydrogen gas, which is the fuel gas of the fuel cell, can be injected, a fluid having a higher thermal conductivity than the air of hydrogen, which is provided in the fuel cell system, is taken in and out of the flow path, so that the pure water tank and the outside air There is an effect that the heat insulation performance can be varied.
[0033]
According to the second aspect of the present invention, by using the injected hydrogen gas as thermal energy for heating the antifreeze and / or pure water, there is an effect that the injected hydrogen gas can be used for starting the system without being discarded.
[0034]
According to the third aspect of the present invention, it is possible to compress the flow path by taking out the fluid and improve the heat transferability with the outside air, so that the outside air temperature can be maintained in the tank without injecting a fluid with good heat conductivity. The effect is that the temperature of pure water can be kept high.
[0038]
According to the fourth aspect of the present invention, the outside air temperature> pure water temperature, and, when it is determined outside air temperature> antifreeze temperature, and, a fluid to be injected into the flow path by water Motoga scan, than that of pure water Since the high outside air temperature can be positively transmitted to the tank, there is an effect that a fluid that maintains a high pure water temperature can be selected.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
Figure 1 is a block diagram of a fuel cell system according to the first embodiment of the heat insulating structure of the pure water tank according to the present invention.
[0040]
In addition, although the example which stores the humidification water supplied to a humidifier in a pure water tank is shown in FIG. 1, it is not limited to this, The fuel cell system which stores the water for a modification | reformation in a pure water tank It is clear that it can be applied to.
[0041]
In FIG. 1, a fuel cell system includes a fuel cell 1, a humidifier 2 that uses pure water to humidify hydrogen and air to supply the fuel cell 1, a humidifier 2 that takes in outside air, and fluid switching described later. The air supply device 3 for supplying to the device 6, the fluid flow path 5 b capable of taking in and out the fluid, pure water tank 5 for storing pure water, and injecting air or antifreeze into the fluid flow path 5 b of the pure water tank 5 Fluid switching device 6, antifreeze liquid supply device 7, antifreeze liquid discharge device 9, antifreeze liquid tank 10, outside air temperature measuring device 11 that measures the outside air temperature, and fluid temperature that measures the temperature of the fluid in the fluid flow path 5 b. The measuring device 12, the pure water temperature measuring device 13 for measuring the pure water temperature of the liquid phase or solid phase in the pure water tank 5, and the fluid flow path 5b are injected based on the outside air temperature, the fluid temperature and the pure water temperature. Supply fluid judgment to determine fluid And a device 14.
[0042]
The pure water tank 5 is provided with a flow path outer wall 5c which is spaced outside the tank outer wall 5a and surrounds the tank outer wall, and a fluid such as air or antifreeze liquid is taken in and out between the tank outer wall 5a and the flow path outer wall 5c. This is a fluid flow path 5b.
[0043]
The fluid flow path 5b is connected to the fluid switching device 6, and the fluid that the fluid switching device 6 injects into the fluid flow path 5b can be switched by the determination of the supply fluid determination device 14.
[0044]
The supply fluid judgment device 14 includes an outside air temperature measurement device 11, a fluid temperature measurement device 12 that measures the temperature of the fluid in the fluid flow path 5b, and a liquid phase or solid phase pure water temperature in the pure water tank 5. The pure water temperature measuring devices 13 are connected to each other. Then, the supply fluid determination device 14 determines the fluid to be injected into the fluid flow path 5 b with the following control logic, and outputs a fluid switching control signal to the fluid switching device 6. Upon receiving this control signal, the fluid switching device 6 injects air or antifreeze into the fluid flow path 5b in accordance with the control signal.
[0045]
When determining that the antifreeze liquid temperature> pure water temperature and the antifreeze liquid temperature> the outside air temperature, the supply fluid determination device 14 outputs a control signal for injecting the antifreeze liquid into the fluid flow path 5 b to the fluid switching device 6. Thereby, when the antifreeze liquid temperature is the highest among the three of the antifreeze liquid temperature, the pure water temperature, and the outside air temperature, the antifreeze liquid can be injected into the fluid flow path 5b. Therefore, the pure water in the liquid phase or solid phase pure water tank 5 is warmed by the antifreeze liquid, and the humidifier 2 can humidify hydrogen and air using the pure water whose temperature has been increased. Can be shortened, and energy required for starting can be reduced.
[0046]
In addition, when the supply fluid determination device 14 determines that pure water temperature> antifreeze liquid temperature and pure water temperature> outside air temperature, the supply fluid determination device 14 sends a control signal for injecting air into the fluid flow path 5b to the fluid switching device 6. Output. Thereby, when the pure water temperature is the highest among the three of the antifreeze liquid temperature, the pure water temperature, and the outside air temperature, the air taken in by the air supply device 3 is injected into the fluid flow path 5b, and the pure water tank Thermal insulation performance can be improved. Therefore, the pure water in the pure water tank 5 can be prevented from being cooled by the outside air.
[0047]
As a result, the fluid can be taken in and out according to the temperature condition, and the heat insulation performance with the outside air of the tank can be varied. Further, it is possible to select a fluid suitable for maintaining the pure water temperature in the pure water tank high according to the respective temperatures of the outside air, the antifreeze liquid, and the pure water, and inject it into the fluid flow path 5b.
[0048]
In addition, by making the fluid injected into the fluid flow path 5b around the pure water tank 5 into an antifreeze liquid, the fluid flow path around the pure water tank can be made freezing even when it is below freezing. Can be activated.
[0049]
As a means for preventing a decrease in pure water temperature when the temperature of the antifreeze liquid is high, the temperature of the antifreeze liquid can be positively transmitted to the pure water in the pure water tank so that the pure water temperature can be kept high.
[0050]
As a means for preventing a decrease in pure water temperature when the outside air temperature is low, a layer of air is formed on the outer periphery of the pure water tank to increase the heat insulation property against the outside air of the pure water tank, thereby maintaining the pure water temperature high.
[0051]
[Second Embodiment]
Figure 2 is a block diagram of a fuel cell system according to the second embodiment of the heat insulating structure of the pure water tank according to the present invention.
[0052]
2, the storage device 15 for storing a gas having a higher thermal insulation property than the air by a gas cylinder or the like and the control for supplying the gas from the storage device 15 to the fluid switching device 6 are compared to the first embodiment shown in FIG. A gas supply device 16 such as a pressure opening / closing valve is added. The other components are the same as those in the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and duplicate descriptions are omitted, and only different portions will be described.
[0053]
In this embodiment, it replaces with the air supply of 1st Embodiment, and supplies gas with higher heat insulation than air from the storage apparatus 15 to the fluid flow path 5b. Thereby, it is possible to make it difficult to transmit the outside air temperature to the pure water tank as compared with the case where air is introduced into the fluid flow path 5b, so that the effect of preventing a decrease in the pure water temperature when the outside air temperature is low is improved.
[0054]
[Third Embodiment]
Figure 3 is a block diagram of a fuel cell system according to the third embodiment of the heat insulating structure of the pure water tank according to the present invention.
[0055]
In FIG. 3, a vacuum apparatus 4 such as a vacuum pump capable of evacuating the fluid flow path 5b provided around the pure water tank is added to the first embodiment shown in FIG. The other components are the same as those in the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and duplicate descriptions are omitted, and only different portions will be described.
[0056]
In this embodiment, it replaces with the air supply of 1st Embodiment, and the fluid flow path 5b around the pure water tank 5 is made into a vacuum with the vacuum device 4. FIG.
[0057]
As a result, the heat insulation performance can be improved as compared with the case where air is introduced into the fluid flow path 5b, and the outside air temperature can be further prevented from being transmitted to the pure water tank. Therefore, the effect of preventing the pure water temperature from being lowered when the outside air temperature is low. Is further improved.
[0058]
[Fourth Embodiment]
Figure 4 is a block diagram of a fuel cell system according to the fourth embodiment of the heat insulating structure of the pure water tank according to the present invention.
[0059]
4, compared with the first embodiment shown in FIG. 1, a hydrogen storage device 17 that stores hydrogen, and hydrogen whose pressure is adjusted from the hydrogen storage device 17 is extracted and supplied to the humidifier 2 or the fluid switching device 6. Generated in the hydrogen supply device 18, the hydrogen discharge device 19 such as a pump that discharges hydrogen from the fluid flow path 5 b, the hydrogen combustion device 20 that combusts the hydrogen discharged from the hydrogen discharge device 19, and the hydrogen combustion device 20. A heat exchanger 8 for transferring the combustion heat to the antifreeze is added. Of these, the hydrogen storage device 17 and the hydrogen supply device 18 are shared with those for supplying hydrogen for power generation of the fuel cell 1.
[0060]
The other components are the same as those in the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and duplicate descriptions are omitted, and only different portions will be described.
[0061]
As in the first embodiment, the supply fluid determination device 14 includes an outside air temperature measurement device 11, a fluid temperature measurement device 12 that measures the temperature of the fluid in the fluid flow path 5 b, and a liquid phase or solid phase in the pure water tank 5. A pure water temperature measuring device 13 for measuring the temperature of the pure water of the phase is respectively connected. Then, the supply fluid determination device 14 determines the fluid to be injected into the fluid flow path 5 b with the following control logic, and outputs a fluid switching control signal to the fluid switching device 6. Upon receiving this control signal, the fluid switching device 6 injects hydrogen or antifreeze into the fluid flow path 5b in accordance with the control signal.
[0062]
When the supply fluid determination device 14 determines that the outside air temperature> the pure water temperature and the outside air temperature> the antifreeze liquid temperature, the supply fluid determination device 14 outputs a control signal for using the hydrogen gas as the fluid flowing into the fluid flow path 5b to the fluid switching device 6. To do. That is, when the outside air temperature is the highest among the three of the outside air temperature, the pure water temperature, and the antifreeze liquid temperature, hydrogen, which is a gas having a higher thermal conductivity than air, flows into the fluid flow path 5b around the pure water tank 5. Let As a result, the outside air temperature can be efficiently transmitted to the pure water in the pure water tank 5 and the temperature of the pure water can be quickly raised.
[0063]
If the above temperature condition is not satisfied, if the fluid channel 5 b is filled with hydrogen, the hydrogen is discharged to the hydrogen combustion device 20 by the hydrogen discharge device 19. At this time, the antifreeze liquid supply device 7 circulates the antifreeze liquid so that the antifreeze liquid in the antifreeze liquid tank 10 is pumped and returned to the antifreeze liquid tank 10 through the heat exchanger 8. Thereby, the heat generated in the hydrogen combustion apparatus 20 is transmitted to the antifreeze liquid via the heat exchanger 8, and the hydrogen gas injected into the fluid flow path 5b can be used for increasing the antifreeze liquid temperature without being wasted.
[0064]
[Fifth Embodiment]
Figure 5 is a block diagram of a fuel cell system according to the fifth embodiment of the heat insulating structure of the pure water tank according to the present invention.
[0065]
In FIG. 5, a heat exchanger 8 such as a radiator that performs heat exchange between the outside air and the antifreeze liquid is added to the first embodiment shown in FIG. The other constituent elements are the same as those in the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given, and duplicate descriptions are omitted, and only different parts will be described.
[0066]
In the present embodiment, the antifreeze liquid heat-exchanged with the outside air is supplied from the antifreeze liquid tank 10 to the antifreeze liquid supply device 7 via the heat exchanger 8. The antifreeze supply device 7 supplies the antifreeze solution to the fluid flow path 5 b around the pure water tank 5 via the fluid switching device 6. The antifreeze liquid supply device 7 and the antifreeze liquid discharge device 9 are the path of the antifreeze liquid tank 10, the heat exchanger 8, the antifreeze liquid supply device 7, the fluid switching device 6, the fluid flow path 5b, the antifreeze liquid discharge device 9, and the antifreeze liquid tank 10. The antifreeze can be circulated in cooperation.
[0067]
The circulation of the antifreeze liquid causes the heat exchanger 8 and the fluid flow path 5b to transmit the outside air heat to the antifreeze liquid, and further, the circulation of the antifreeze liquid causes the outside air heat to be transmitted to the pure water in the pure water tank 5. As a result, the outside air temperature is added to the fluid flow path 5b around the pure water tank 5 and is transmitted to the pure water using a path with high heat conductivity by the heat exchanger 8, so the temperature rise of the pure water is promoted. it can.
[0068]
[Sixth Embodiment]
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a main part of a sixth embodiment of the heat insulation structure for a pure water tank according to the present invention. FIG. 6A shows a state where the flow path outer wall 5c provided on the outer periphery of the pure water tank outer wall 5a is expanded, and FIG. 6B shows a state where the flow path outer wall 5c is contracted.
[0069]
The pure water tank 5 is provided with a flow path outer wall 5c made of a material that can be expanded and contracted outside the tank outer wall 5a, and a fluid such as antifreeze can be injected between the tank outer wall 5a and the flow path outer wall 5c. The fluid flow path 5b is formed.
[0070]
In the present embodiment, when the outside air temperature is higher than the pure water temperature in the pure water tank 5, the fluid in the fluid flow path 5b is taken out and the flow path outer wall 5c is contracted. 5c is brought into close contact with the tank outer wall 5a to improve the thermal conductivity of the heat from the outside air to the pure water tank.
[0071]
According to the present embodiment, when the outside air temperature is higher than the pure water temperature in the pure water tank 5 and it is desired to improve the thermal conductivity between the outside air and the pure water, the fluid is not injected into the fluid flow path 5b. Since the fluid is extracted and the fluid flow path 5b is compressed and the flow path outer wall 5c is brought into close contact with the tank outer wall 5a, the outside air temperature can be easily transmitted to the pure water tank 5. Can increase temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a first embodiment of a heat insulation structure for a pure water tank according to the present invention is applied.
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a second embodiment of a heat insulation structure for a pure water tank according to the present invention is applied.
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a third embodiment of a heat insulation structure for a pure water tank according to the present invention is applied.
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a fourth embodiment of a heat insulation structure for a pure water tank according to the present invention is applied.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a fifth embodiment of a heat insulation structure for a pure water tank according to the present invention is applied.
FIG. 6 is a pure water tank cross-sectional view for explaining a main part of a sixth embodiment of the heat insulation structure of the pure water tank according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Humidifier 3 ... Air supply apparatus 4 ... Vacuum apparatus 5 ... Pure water tank 5a ... Tank outer wall 5b ... Fluid flow path 5c ... Flow path outer wall 6 ... Fluid switching apparatus 7 ... Antifreeze liquid supply apparatus 8 ... Heat exchange Apparatus 9 ... Antifreeze liquid discharge device 10 ... Antifreeze liquid tank 11 ... Outside air temperature measurement device 12 ... Fluid temperature measurement device 13 ... Pure water temperature measurement device 14 ... Supply fluid judgment device

Claims

A heat insulation structure of a pure water tank for storing pure water for a fuel cell system,
Surrounding the pure water tank with a flow path capable of taking fluid in and out,
A heat insulating structure for a pure water tank, characterized in that hydrogen gas, which is a fuel gas for a fuel cell, can be injected into the flow path.

2. The heat insulation structure for a pure water tank according to claim 1 , wherein the hydrogen gas injected into the flow path is used as heat energy for heating antifreeze and / or pure water.

2. The fluid injected into the flow path is taken out from the flow path, so that the flow path can be compressed and the thermal conductivity between the outside air and the pure water tank is improved. Insulation structure of pure water tank.

When the outside air temperature, the temperature of the fluid, and the temperature of the liquid phase or solid phase water in the pure water tank are compared, and it is determined that the outside air temperature> the pure water temperature and the outside air temperature> the antifreeze liquid temperature. 2. The heat insulation structure for a pure water tank according to claim 1, wherein the fluid injected into the flow path is the hydrogen gas.