JP2006216256A - 燃料電池用エアクリーナ - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの通気抵抗を上昇させることなく空気に含まれる不純物を捕捉してクリーンな空気を燃料電池に送ることのできる燃料電池用エアクリーナを提供する。
【解決手段】燃料電池自動車に搭載された燃料電池に空気を供給する空気系の吸気側に配置された燃料電池用エアクリーナにおいて、空気に含まれた不純物を取り除くフィルタ９と、このフィルタ９を内部に収容保持するクリーナケース１０とを、各々独立した第１固定部材１５と第２固定部材１９で車体１４に固定させ、少なくともクリーナケース１０よりも前記フィルタ９に該車体１４の振動を積極的に与える構造とした。具体的には、フィルタ９と車体１４間の第１固定部材１５のバネ定数を、クリーナケース１０と車体１４の第２固定部材１９のバネ定数よりも大きいバネ定数とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用エアクリーナに関し、詳細には、車体振動を利用してフィルタで捕捉した付着物を振るい落とすようにした、自己掃除機能を持つ燃料電池用エアクリーナの構造に関する。

ガソリンと空気を燃料とする内燃機関エンジンを搭載した自動車では、エンジン内にダストやカーボンなどの不純物が混入しないように、フィルタを通してエンジンに空気を送るようにしている（例えば、特許文献１、２、３など参照）。

近年、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池を動力源とした燃料電池自動車の開発がなされている。かかる燃料電池自動車においては、燃料電池に供給する空気は内燃機関エンジンに供給する空気と比較すると、よりクリーンな空気が要求される。
特開２００３−３５２２３号公報（第４頁及び第５頁、第１図） 特開平６−２６２０２４号公報（第３頁、第７図） 特開平５−２０８１１０号公報（第４頁、第５図）

ところで、燃料電池へ供給される空気に含まれるダストやカーボンを極力取り除いてクリーンな空気とするには、フィルタのメッシュサイズを出来る限り小さくする必要がある。

しかしながら、フィルタのメッシュサイズを小さくすると、通気抵抗の上昇が早まりフィルタの交換頻度が多くなってしまう。また、フィルタによってダストなどの不純物を捕捉するのと同時に、ＳＯｘやＮＯｘ或いはＨ２Ｓなどを濾過させないと燃料電池が劣化してしまう。これを防止するために、科学的濾過機能をフィルタに持たせると、今度はフィルタのコストが高くなるという問題が生じる。

また、フィルタにダストやカーボンが付着すると、通気抵抗（圧力損失）が上昇し、フィルタ洗浄またはフィルタ交換を行わない限り、圧力損失を低減させることができない。圧力損失が上昇すると、燃料電池に空気を送り込むエアコンプレッサを駆動させるモータの負荷が上昇し、燃費が悪化する。

そこで、本発明は、フィルタの通気抵抗を上昇させることなく空気に含まれる不純物を捕捉してクリーンな空気を燃料電池に送ることのできる、自己掃除機能を持つ燃料電池用エアクリーナを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池用エアクリーナは、燃料電池自動車に搭載された燃料電池に空気を供給する空気系の吸気側に配置される。この燃料電池用エアクリーナにおいては、空気に含まれた不純物を取り除くフィルタと、該フィルタを内部に収容保持するクリーナケースとを、各々独立した固定部材で車体に固定させ、少なくともクリーナケースよりもフィルタに該車体の振動を積極的に与える構造とした。

本発明の燃料電池用エアクリーナによれば、車体の振動がクリーナケースよりもフィルタにより多く伝わるので、この車体振動によってフィルタで捕捉したダストやカーボンなどの不純物をフィルタから取り除くことができる。

このように、本発明によれば、車体振動を利用して不純物をフィルタから取り除くことができるので、常に汚れを取り除いた状態に保持できると共に、高価な科学的濾過機能をフィルタに持たせることなくクリーンな空気を燃料電池に供給することができる。

また、本発明によれば、通気抵抗（圧力損失）も低減させることができるため、エアコンプレッサを駆動させるモータの負荷上昇を抑え、燃費を大幅に向上させることが可能となる。

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。

「第１の実施の形態」
図１は燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの概略構成図、図２は燃料電池に供給する空気に含まれるダストやカーボンなどの不純物を捕捉する燃料電池用エアクリーナの断面図、図３は燃料電池用エアクリーナのフィルタを示す斜視図、図４はフィルタとクリーナケース間のシール部分を拡大して示す要部拡大断面図である。なお、図４中破線は、フィルタ保持部材１２の振動軌跡を表している。

先ず、燃料電池システムの構成を図１を参照して簡単に説明する。燃料電池システムは、燃料電池１に燃料ガスである水素ガス２と酸化剤ガスである空気３を供給して発電させ、その発電した起電力を取り出し駆動源として利用することで燃料電池自動車を駆動させる。この燃料電池システムでは、水素ガス２を燃料電池１に供給する水素ガス系（図１中太線で示す）と、空気３を燃料電池１に供給する空気系（図１中細線で示す）とを有している。なお、燃料電池１を挟んで図１左側を吸気側とし、同図右側を排気側とする。

水素ガス系には、図示を省略した水素ガスタンクから供給された水素ガス２を適温まで加湿する加湿器４が設けられている。空気系には、車外から取り込まれた空気３に含まれるダストやカーボンなどの不純物を捕捉してクリーンな空気とする燃料電池用エアクリーナ（図１では単にエアクリーナと表記してある）５と、不純物を取り除いたクリーンな空気３を加湿器４に送り込む空気供給コンプレッサー６とが設けられている。

加湿器４で適温まで加湿された水素ガス２と空気３は、燃料電池１の空気極と水素極にそれぞれ供給される。そして、燃料電池１では、供給された水素ガス２と空気３とが高分子膜の両側で反応することで起電力を発生する。また、反応せずに余った水素ガスは、水素燃焼器７に送られ空気３と共に燃焼された後、サイレンサ８を介して消音された後にシステム外へと排気される。

なお、この燃料電池システムでは、発電によって燃料電池１の温度が上昇するため、当該燃料電池１を所定温度に維持するように冷却水を循環させる冷却系が設けられるが、図１ではその冷却系については図示を省略してある。

次に、空気系の吸気側に配置（特に、空気供給コンプレッサー６の上流に配置）された燃料電池用エアクリーナの構造について、図２から図４を参照して詳細に説明する。

燃料電池用エアクリーナ５は、主として空気に含まれるダストやカーボンなどの不純物を取り除くフィルタ９と、このフィルタ９を内部に収容保持するクリーナケース１０とを備えている。

フィルタ９は、図２及び図３に示すように、ろ材であるエレメント１１と、このエレメント１１を保持するフィルタ保持部材１２とからなる。エレメント１１は、例えば乾式紙や乾式不織布などからなる弾性体として矩形体に形成され、空気に含まれるダストやカーボンなどの不純物を捕捉する。エレメント１１は、一般的には不織布から形成されるが、本実施の形態では弾性体で構成しており（金網や金属メッシュでも変位すること）、車体１４の振動を吸収してクリーナケース１０（吸気系部品）に車体振動を与えないようになっている。

フィルタ保持部材１２は、例えばアルミや樹脂などの弾性材料からなる帯状体として形成され、矩形体とされたフィルタ９の相対向するコーナー部分を結んでクロスするようにして該フィルタ９の底面に固定されている。各フィルタ保持部材１２の両端部１２ａは、該フィルタ９の側面から外方へ突出しており、後述するクリーナケース１０との連結部となっている。このフィルタ保持部材１２のクロスしたクロス部分１３は、フィルタ９を車体１４に固定させる第１固定部材１５の固定部となっている。

クリーナケース１０は、フィルタ９を内部に収容し得る大きさとして形成された上下ハーフのケース上蓋１６とケース下蓋１７とから構成されている。このクリーナケース１０には、前記フィルタ９の外周囲を取り囲むようにして設けられたシール部材１８を、前記ケース上蓋１６とケース下蓋１７で挟み込むようにして前記フィルタ９を取り付けている。換言すれば、ケース上蓋１６とケース下蓋１７でシール部材１８を介してフィルタ保持部材１２の両端部１２ａを挟持させることで、前記フィルタ９を前記クリーナケース１０に取り付けている。

そして特に、本実施の形態の燃料電池用エアクリーナ５においては、前記フィルタ９と前記車体１４とを第１固定部材１５で固定すると共に、これとは独立するように、前記クリーナケース１０と前記車体１４とを第２固定部材１９で固定させ、少なくともクリーナケース１０よりもフィルタ９に車体振動を積極的に与える構造としている。

すなわち、本実施の形態の燃料電池用エアクリーナ５では、フィルタ９と車体１４間を連結する第１固定部材１５のばね定数を、クリーナケース１０と車体１４間を連結する第２固定部材１９のばね定数よりも大きいばね定数とし、車体１４からの車体振動をクリーナケース１０よりもフィルタ９によりダイレクトに伝わるようにして、該フィルタ９とクリーナケース１０で異なる挙動をさせることにより、当該フィルタ９で捕捉したダストやカーボンなどの不純物を振るい落とすようにしている。

フィルタ９と車体１４を固定する第１固定部材１５は、例えばフィルタ９が車体１４と略同期して振動する程度のばね定数とされ、いわば車体１４に対して硬い連結棒のようなものでダイレクトに連結されたリジッド固定とされている。一方、クリーナケース１０と車体１４を固定する第２固定部材１９は、車体１４からの振動を吸収して出来るだけ小さな車体振動としてクリーナケース１０に伝える程度のばね定数とされ、いわば車体１４に対してバネによって連結されたソフト固定とされている。

本実施の形態では、第１固定部材１５を例えばアルミ棒材やステンレス棒材で形成する一方で、第２固定部材１９を例えば樹脂支柱をゴムやバネ材で固定で形成した。また、これら第１固定部材１５と第２固定部材１９のバネ定数は、例えば変位が１０倍異なるバネ定数：フィルタが１ｍｍ変位する場合はケースが１０ｍｍ変位するバネ定数の組合せ程度の差を持たせることが望ましい。

前記第１固定部材１５は、ケース下蓋１７に形成した貫通孔２０を通して設けられ、一端部を車体１４に固定し、他端部をフィルタ９に取り付けたフィルタ保持部材１２のクロス部分１３に固定させている。貫通孔２０は、第１固定部材１５を挿通させるためのものだけではなく、クリーナケース１０内に溜まる（入り込む）水を排水するための水抜き孔としても機能する。これに対して、前記第２固定部材１９は、クリーナケース１０を均一に保持するように複数箇所に取り付けられ、一端部を車体１４に固定し、他端部をケース下蓋１７に固定させている。

以上のように構成された燃料電池用エアクリーナ５では、例えば燃料電池自動車が走行するなどによって車体１４に振動が生じた場合、フィルタ保持部材１２の両端部１２ａがケース上蓋１６とケース下蓋１７で挟まれた部位を節とし、第１固定部材１５がフィルタ保持部材１２のクロス部分１３に固定された部位を腹とする振動モードで、前記フィルタ９が振動する。

本実施の形態では、クリーナケース１０よりもフィルタ９に車体１４の振動を積極的に与える構造、例えばフィルタ９と車体１４間を連結する第１固定部材１５のバネ定数を、クリーナケース１０と車体１４間を連結する第２固定部材１９のバネ定数よりも大きいバネ定数としたので、独立して車体１４にそれぞれ固定したフィルタ９とクリーナケース１０への車体振動量が異なり、クリーナケース１０よりもフィルタ９により多く（強く）車体振動が伝わることからフィルタ９で捕捉したダストやカーボンなどの空気に含まれた不純物を、該フィルタ９から効率良く振るい落とすことができる。

また、本実施の形態では、フィルタ９が車体１４と略同期して振動するように第１固定部材１５でフィルタ９と車体１４をいわゆるリジッド固定した場合には、より一層効果的にフィルタ９から不純物を振り落とすことができる。したがって、高価な科学的濾過機能をフィルタに持たせることなく車体１４に発生する車体振動を利用して自ずとフィルタ９に付着した不純物を振るい落とすことができ、常にクリーンな空気を燃料電池１に供給することができる。

なお、リジッド固定よりも多少第１固定部材１５のバネ定数を小さくしたとしても車体振動をある程度抑えてフィルタ９に伝えることができるから当該フィルタ９で捕捉した不純物を振り落とすことができることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、前記したように車体振動で不純物をフィルタ９から振り落とす構造なので、フィルタ９の寿命を延ばすことができると共に、通気抵抗（圧力損失）も低減させることができる。フィルタ９の通気抵抗が低減すれば、空気３を送り込む空気供給コンプレッサー６を駆動させるモータの負荷上昇を抑えることが可能となり、燃費を大幅に向上させることができる。

また、本実施の形態では、第１固定部材１５によって車体１４とリジッド固定したフィルタ９を弾性体としているので、車体１４からの振動をフィルタ本体（フィルタ自身）が吸収し、またはクリーナケース１０からのクリーナケース振動をフィルタ本体が吸収する。したがって、車体振動をクリーナケース１０に伝えることが防止されると共に、吸気振動によるクリーナケース１０の振動を車体１４に伝えることを防止できる。

また、本実施の形態では、ケース上蓋１６とケース下蓋１７でシール部材１８を介してフィルタ保持部材１２を挟持させた構造としているので、フィルタ保持部材１２の揺動部分を回避でき（つまり、ケース上蓋１６とケース下蓋１７で振動吸収保持部材を支持するため、支持部分が節となる振動モードがフィルタ９に発生する。よって、節に近いシール部分に変形が発生し難い（変位量が少ない）ため、シールと振動吸収が同時にできる。）、フィルタ９とクリーナケース１０のシール部位を攻撃（荷重入力負荷や、変位負荷によるシール部の劣化およびへたり）することなくフィルタ９で車体振動を吸収することができる。

また、本実施の形態では、クリーナケース１０と車体１４とがソフト固定であるので、フィルタ９とクリーナケース１０間のシール兼振動吸収材であるシール部材１８を各々分割でき、シール構造を簡素化することができる。

また、本実施の形態では、クリーナケース１０のケース下蓋１７に形成した貫通孔２０を、フィルタ９を車体１４に固定する第１固定部材１５を通す孔とクリーナケース１０内に溜まる水を抜く水抜き孔と共用させているので、第１固定部材１５とクリーナケース１０間の隙間を確保することができ、これにより車両振動による打音を防ぐことができる。すなわち、クリーナケース１０が前後左右に振動すると第１固定部材１５とクリーナケース１０が当たって打音が発生するが、第１固定部材１５とクリーナケース１０とが振動によって接触しない程度の大きさに貫通孔２０を形成すれば、打音を無くすことができる。

「第２の実施の形態」
図５は第２の実施の形態を示し、フィルタとクリーナケース間のシール部分を拡大して示す要部拡大断面図である。第２の実施の形態は、第１の実施の形態におけるフィルタ９とクリーナケース１０間のシール部分の構造を異なる構造とした他は、第１の実施の形態と同じである。したがって、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明するものとし、同一構成部分については、同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。

本実施の形態では、フィルタ９を車体１４にリジッド固定することに加えて、フィルタ９とクリーナケース１０とを振動吸収部材２１で結合させている。すなわち、エレメント１１に取り付けたフィルタ保持部材１２の両端部１２ａに、ゴムや樹脂などの弾性体からなる振動吸収部材２１を取り付け、その振動吸収部材２１をケース上蓋１６とケース下蓋１７で挟持させ締結ボルト２３で固定することで、車体振動及びクリーナケース振動を該振動吸収部材２１で吸収する構造とした、いわゆるソフト固定としている。

なお、フィルタ保持部材１２の両端部１２ａのうちエレメント１１に近接する部分には、第１の実施の形態と同様のシール部材１８を設けてある。

このように、本実施の形態では、フィルタ９とクリーナケース１０とを振動吸収部材２１で結合したので、車体１４からの振動がこの振動吸収部材２１によって吸収され、車体振動をクリーナケース１０に伝達されるのを防止できる。また、吸気振動によるクリーナケース１０の振動を、この振動吸収部材２１が吸収するので、吸気振動が車体１４に伝達されるのを防止できる。なお、振動吸収部材２１が車体振動を吸収すると言ってもダストやカーボンなどの不純物を振り落とすことができる振動は、前記フィルタ９に伝達されることは言うまでもない。

したがって、本実施の形態によれば、フィルタ９とクリーナケース１０間をソフト固定する振動吸収部材２１によって車体振動と吸気振動を共に吸収することから、フィルタ９とクリーナケース１０間のシール部に過大な負荷入力が加わるのを防止することができ、また、第１の実施の形態で使用した弾性体のフィルタ９を使用することなく非弾性体のフィルタ９を使用することが可能となる。

「第３の実施の形態」
図６は第３の実施の形態の燃料電池用エアクリーナの断面図である。第３の実施の形態は、フィルタと車体間の第１固定部材のバネ定数を、クリーナケースと車体間の第２固定部材のバネ定数よりも大きいバネ定数とした他は、第１の実施の形態と同じである。したがって、第３の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明するものとし、同一構成部分については、同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。

第１の実施の形態では、フィルタ９と車体１４とをリジッド固定したが、第３の実施の形態では、フィルタ９と車体１４間を第１固定部材１５でソフト固定すると共に、クリーナケース１０と車体１４間を第２固定部材１９でやはりソフト固定し、且つ、その第１固定部材１５のバネ定数を第２固定部材１９のバネ定数よりも大きいバネ定数としている。

すなわち、第３の実施の形態では、共にソフト固定した第１固定部材１５と第２固定部材１９のバネ定数に差を持たせると共に、第１固定部材１５の方を第２固定部材１９よりもそのバネ定数を大きなものとすることで、車体振動をクリーナケース１０よりもフィルタ９の方により伝わるように構成している。なお、フィルタ９と車体１４間を連結する第１固定部材１５のバネ定数は、フィルタ９とクリーナケース１０間のシール部に過大な負荷入力を与えないバネ定数とすることが望ましい。

この第３の実施の形態によれば、車体振動がクリーナケース１０よりもフィルタ９により多く伝わるので、この車体振動によってフィルタ９で捕捉したダストやカーボンなどの不純物をフィルタ９から取り除くことができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、上述した実施の形態は、本発明の一例であり、これら実施の形態に制限されることはない。

燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池に供給する空気に含まれるダストやカーボンなどの不純物を捕捉する燃料電池用エアクリーナの断面図である。 燃料電池用エアクリーナのフィルタを示す斜視図である。 フィルタとクリーナケース間のシール部分を拡大して示す要部拡大断面図である。 第２の実施の形態を示し、フィルタとクリーナケース間のシール部分を拡大して示す要部拡大断面図である。 第３の実施の形態の燃料電池用エアクリーナの断面図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…水素ガス
３…空気
５…燃料電池用エアクリーナ
６…空気供給コンプレッサー
９…フィルタ
１０…クリーナケース
１１…エレメント
１２…フィルタ保持部材
１４…車体
１５、２３…第１固定部材（フィルタと車体間を連結する固定部材）
１６…ケース上蓋
１７…ケース下蓋
１８…シール部材
１９…第２固定部材（クリーナケースと車体間を連結する固定部材）
２０…貫通孔
２１…振動吸収部材

Claims (7)

1. 燃料電池自動車に搭載された燃料電池に空気を供給する空気系の吸気側に配置された燃料電池用エアクリーナにおいて、
   前記空気に含まれた不純物を取り除くフィルタと、このフィルタを内部に収容保持するクリーナケースとを、各々独立した固定部材で車体に固定させ、少なくとも前記クリーナケースよりも前記フィルタに該車体の振動を積極的に与える構造とした
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
2. 請求項１に記載の燃料電池用エアクリーナにおいて、
   前記フィルタと前記車体間の固定部材のバネ定数を、前記クリーナケースと前記車体間の固定部材のバネ定数よりも大きいバネ定数とした
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用エアクリーナにおいて、
   前記フィルタと前記車体間の固定部材は、前記クリーナケース内のフィルタと前記車体とを、該フィルタが該車体と略同期して振動するように固定されている
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載された燃料電池用エアクリーナにおいて、
   前記フィルタを、フィルタ本体で車体振動及びクリーナケース振動を吸収する弾性体とした
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
5. 少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載された燃料電池用エアクリーナにおいて、
   前記フィルタにフィルタ保持部材を設け、該フィルタと前記クリーナケース間をシール部材でシールし、当該クリーナケースを構成するケース上蓋とケース下蓋で該シール部材を介して前記フィルタ保持部材の両端部を挟持させた
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
6. 請求項３に記載の燃料電池用エアクリーナであって、
   前記フィルタと前記クリーナケースとを振動吸収部材で結合した
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
7. 少なくとも請求項１から請求項６の何れか一つに記載の燃料電池用エアクリーナであって、
   前記フィルタを前記車体に固定する固定部材を、前記クリーナケースのケース下蓋に形成した貫通孔を通して設け、該貫通孔をクリーナケース内に溜まる水の水抜き孔とした
   ことを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。

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