JP5234447B2 - 燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池車両に備えられたスタックの冷却水循環ラインに沿って流動する冷却水がバッファタンク内部に流入する構造に係り、より詳細には、バッファタンク内部で気泡が除去可能なようにメッシュ形状の第１、２気泡除去部を設置してバッファタンク内部の気泡発生と、冷却水循環ライン上に設置されたウォータポンプのキャビテーション現象と、空気を含む冷却水がスタックに供給されることと、を防止してスタックの冷却性能を安定的に維持させ、気泡発生による冷却水循環ライン上から発生する騷音を遮断できる燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造に関する。
燃料電池システムは、その特性の上、スタックの運転温度を６０℃〜７０℃に維持して運転しなければならない。このために大きい放熱量を有するラジエータと共に冷却水を大量循環する必要がある。このような大流量が冷却水循環ルーフ内のバッファタンク（ＡＣＣＭＵＬＩＺＥＲ）に流入する場合、早い流速によって周りの空気が水タンクの中に吸い付けられ、冷却性能の低下とポンプ内部のキャビテーション現象発生のためウォータポンプに損傷を与える。
上記の反応熱を冷却するためにスタックも冷却水を利用して冷却するが、一般車両と異なり燃料電池スタックの冷却水は、スタック内部を加湿するために超純粋（ＤＩ−ｗａｔｅｒ）を用いる。冷却水が直接スタック内部に加湿する構造の場合、運転特性上、加湿のため適切なウォータバランスをとるようになっている。上記のスタック内部のウォータバランスをとるために、冷却水の全体流量は瞬間的に増減するので、スタック冷却水には、バッファタンクが装着される。
このようなバッファタンクは、一方が大気圧に露出された状態で瞬間的に多くの流量が流入且つ流出するため、水面上の気泡が吸い付けられて冷却ルーフを循環し、この気泡によってウォータポンプのブレードに損傷を加え、また、騷音を誘発させる問題点があった。
特開２００５−１５８５１０号公報
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、燃料電池車両のバッファタンク内部の気泡を除去してウォータポンプの故障を防止し、スタックの冷却性能を安定的に維持できる燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造を提供することにある
燃料電池スタックの冷却水がバッファタンクに流入する際に発生する気泡をとり除く気泡除去構造であって、バッファタンクの内部下部でバッファタンクの内側壁に沿って延長形成されて設置された冷却水流入管端部に延長形成されて、メッシュからなる管状構造を有する第１気泡除去部、及び、第１気泡除去部より高い位置に設置され、メッシュからなる複数の分割格子を有し、第１気泡除去部を経由した冷却水の中に含まれる気泡をさらに除去する第２気泡除去部を備えたことを特徴とする。
第２気泡除去部は、第１気泡除去部に向って上側に傾くように設置され、ステンレススチールまたはプラスチック材質からなり第２気泡除去部の分割格子は、等間隔のマトリックス状に配列されたことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造は、バッファタンク内部の気泡を除去して冷却水循環ライン上に設置されたウォータポンプのキャビテーション現象を防止することができる。
また、冷却水循環ラインに沿ってスタックに供給される冷却水の中に含まれた気泡量が減少して、スタックの冷却性能が向上し、冷却水循環ラインに沿って循環する冷却水の流動騷音を減少させることができる。
さらに、冷却水循環ライン上に設置された関連部品の耐久性を向上させる効果がある。
以下、本発明に係る燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンクが設置された状態を示した図面であり、図２は、本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造を示した図面であり、図３（ａ）、（ｂ）は、本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造の作動状態図である。
図１乃至図３に示す通り、燃料電池車両の冷却ラインでは、スタック２のマニホールドを介して流出入する冷却水が冷却水循環ライン２０に沿ってバッファタンク１００内部に流入する。バッファタンク１００内部に冷却水流入の際に発生する気泡をとり除くために、バッファタンク１００内部に延長形成された流入管１０の端部に第１気泡除去部２００が設置されている。また、第１気泡除去部２００を経由してバッファタンク１０内側に供給される冷却水の中に含まれる気泡が除去されるように、バッファタンク１０内側の長さ方向上に格子形状の第２気泡除去部３００が設けられる。スタック２とバッファタンク１００とを連結する冷却水循環ライン２０上には、ウォータポンプ４が設置されて冷却水循環ライン２０に沿って循環する冷却水が円滑に流動できるようになっている。また、ラジエータ６とヘキサ８上に循環ラインが備えられている。
バッファタンク１００の内側に延長形成された流入管１０は、バッファタンク１０の内側壁に沿って延長形成され、端部がバッファタンク１０の形状に沿って設置される。
また、第１気泡除去部２００は、バッファタンク１００の内側下部に設置され、管タイプで第１メッシュ２０２を備える。
第２気泡除去部３００は、第１気泡除去部２００に向って上側に傾くように設置されることが望ましい。 即ち、第２気泡除去部３００の端部が３０゜〜４５゜傾くように設置されることで、流入管１０を介して供給される冷却水が第２気泡除去部３００の下側に流入するようにするためである。
第２気泡除去部３００は、ステンレススチールまたはプラスチック材質から構成される。第２気泡除去部３００がステンレススチールの場合は、バッファタンク１００の内側に熔接して固定し、プラスチック材質の場合は、バッファタンク１００内側に別の固定構造を形成して第２気泡除去部を固定させる。固定構造は、一般的な固定形態（例えば、ガイド溝を作るとか、第２気泡除去部が引っ掛けられて固定される引っ掛け構造）ならば、様々な形態への変更が可能である。
第２気泡除去部３００は、等間隔のマトリックス状に配列された分割格子３１０を備える。第２気泡除去部３００は、プレート状に形成されて分割格子３１０の面積が同一又は類似であるように多数個形成される。
第２気泡除去部３００の分割格子３１０には、第１気泡除去部２００を介して供給された冷却水の水面をならすようにし、気泡発生が抑制可能になるようにサーブ格子３２０を備えている。
サーブ格子３２０に形成されたサーブメッシュ３２２は、第１気泡除去部２００に備えられた第１メッシュ２０２より小さい。サーブメッシュ３２２は、横、縦格子形状に形成されることが好ましいが、横形状または縦形状に形成することもできる。
上記のとおり構成される本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造の作動状態を図面に基づいて説明する。
図１に示すとおり、燃料電池車両の冷却は、ウォータポンプ４を介してスタック２に供給された冷却水が、スタック２に備えられた多数個のセル（図示せず）を経由しながら、スタック２自体から発生する熱と熱交換しながらスタック２に連結される冷却水循環ライン２０に供給されて熱交換器８に流入し、熱交換した後、バッファタンク１００の流入管１０に供給される。バッファタンク１００を経由した冷却水は、またウォータポンプ４を経由してスタック２に供給される。
また、もう一つの燃料電池車両の冷却は、熱交換器８を中心にラジエータ６を介して外部へ熱を放熱し高温の冷却水を冷却する。
図２、３（ａ）に示すとおり、流入管１０に供給された冷却水は、実線で示された矢印方向に沿って流入しながら、流速が早くなり、流入管１０を介して供給された冷却水の水面が沈下しながら、流速の早い流れと共にバッファタンク１００の流入管１０の周辺にある空気が共にバッファタンク１００の内側に流入する。流入した空気は、細くつぶれて冷却水中に多量に含まれる。
流入管１０に沿って供給される冷却水に含まれた空気は、第１気泡除去部２００の第１メッシュ２０２によって空気の流入を最大限遮断する。第１気泡除去部２００は、管タイプの第１メッシュ２０２を備え、流速が増加した冷却水中に含まれる空気滴を１次的にとり除く。また、早い流速の状態でバッファタンク１００の内部領域に供給される冷却水による水面の急降下を防止する。
図３（ｂ）に示すとおり、第１気泡除去部２００を経由して細かくつぶれた気泡は、上側に浮上する性質によって第２気泡除去部３００の下側に供給される。上記のように第２気泡除去部３００の下側に冷却水を供給することにより、第１メッシュ２０２を通過した気泡は、第２気泡除去部３００に上昇しながら、マトリックス状に配列された分割格子３１０に移動する。分割格子３１０に移動した気泡は、サーブ格子３２０に衝突して消滅するが、消滅しない気泡は、小さな空気滴に変形して第２気泡除去部３００の上側に移動する。第２気泡除去部３００は、第１気泡除去部２００を通過した冷却水の水面の流動を防止して最大限安定的に維持させる役割を有する。
サーブ格子３２０に形成されたサーブメッシュ３２２は、第１気泡除去部２００に備えられた第１メッシュ２０２より小さくなっており、第１メッシュ２０２を通過した気泡をとり除く。
第２気泡除去部３００は、冷却水による腐食が防止可能なようにステンレススチールまたはプラスチック材質からなっていて、腐食または亀裂発生がなく安定的に長期間使用可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンクが設置された状態を示した図面である。 本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造を示した図面である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明による燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造の作動状態図である。
２…スタック
４…ウォータポンプ
２０…冷却水循環ライン
１００…バッファタンク
２００…第１気泡除去部
２０２…第１メッシュ
３００…第２気泡除去部
３１０…分割格子
３２０…サーブ格子
３２２…サーブメッシュ

Claims (4)

  1. 燃料電池スタックの冷却水がバッファタンクに流入する際に発生する気泡をとり除く気泡除去構造であって、
    前記バッファタンクの内部下部で前記バッファタンクの内側壁に沿って延長形成されて設置された冷却水流入管端部に延長形成されて、メッシュからなる管状構造を有する第１気泡除去部、及び、
    前記第１気泡除去部より高い位置に設置され、メッシュからなる複数の分割格子を有し、前記第１気泡除去部を経由した冷却水の中に含まれる気泡をさらに除去する第２気泡除去部を備えたことを特徴とする燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造。
  2. 前記第２気泡除去部は、前記第１気泡除去部に向って上側に傾くように設置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造。
  3. 前記第２気泡除去部は、ステンレススチールまたはプラスチック材質からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造。
  4. 前記第２気泡除去部の前記分割格子は、等間隔のマトリックス状に配列されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の気泡除去バッファタンク構造。
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