JP2007303461A - 空気供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の騒音を、省スペースで、低コストかつ広い周波数帯域で低減できる空気供給システムを提供すること。
【解決手段】空気供給システムは、気体を吸入し、この吸入した気体の圧力を上昇させて吐出するコンプレッサと、コンプレッサに吸入される気体が流通する吸入流路４３と、コンプレッサ４１から吐出された気体が流通する吐出流路４４と、吸入流路４３のコンプレッサ４１近傍および吐出流路４４のコンプレッサ近傍に設けられて、流通する気体を整流する整流装置４５Ａ、４５Ｂと、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気供給システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、上述の反応ガス供給装置としては、例えば、空気を外部から取り込んで、この取り込んだ空気を高圧で吐出する圧縮機（以降、コンプレッサと呼ぶ）が設けられる。
このコンプレッサの吐出口では、高圧に圧縮された空気の圧力が急激に低下し、乱流が生じる。このような空気の乱流や脈動により、大きな騒音が発生していた。

この問題を解決するため、コンプレッサの吐出口側には、サイレンサが設けられることが多い（特許文献１参照）。
また、さらに騒音を低減するため、コンプレッサ内部の圧縮空気を徐々に吐き出すように、コンプレッサの吐出ポートの形状を変更することが提案されている（特許文献２参照）。また、コンプレッサ内部に吸入される空気の流れを緩和するように、コンプレッサの吸入ポートの形状を変更することも提案されている。
特開平８−６９２８６号公報 特開平８−３３８３８７号公報

しかしながら、上述のサイレンサを用いて騒音を低減しようとすると、サイレンサのケースを大型化する必要がある。この場合、サイレンサの設置スペースや重量が増加するうえに、サイレンサによる空気の圧力損失も大きくなる。
また、吐出ポートや吸入ポートの形状を変更しても、特定の狭い周波数帯域で騒音を低減できるものの、広い周波数域で騒音を低減することは困難である。

本発明は、圧縮機の騒音を、省スペースで、低コストかつ広い周波数帯域で低減できる空気供給システムを提供することを目的とする。

（１）気体を吸入し、この吸入した気体の圧力を上昇させて吐出する圧縮機（例えば、実施の形態におけるコンプレッサ４１）と、前記圧縮機に吸入される気体が流通する吸入流路（例えば、実施の形態における吸入流路４３）と、前記圧縮機から吐出された気体が流通する吐出流路（例えば、実施の形態における吐出流路４４）と、前記吐出流路の前記圧縮機近傍に設けられて、流通する気体を整流する第１の整流装置（例えば、実施の形態における整流装置４５Ａ）と、を備えることを特徴とする空気供給システム（例えば、実施の形態における空気供給システム２１）。

ここで、気体としては、例えば、酸素を含む空気が挙げられる。

（１）の発明によれば、吐出流路に、気体を整流する整流装置を設けた。よって、気体の吐出時に衝撃波を伴う乱流が発生しても、この乱流を整流するとともに、気体の流れの急激な変化を抑制して、気体の吐出時の騒音を広い周波数帯域で低減できる。
よって、このように圧縮機の吐出口側に整流装置を設けるだけでよいので、圧縮機の騒音を、省スペースかつ低コストで低減できる。

（２）この場合、前記吸入流路の前記圧縮機近傍に設けられて、流通する気体を整流する第２の整流装置（例えば、実施の形態における整流装置４５Ｂ）をさらに備えることが好ましい。

（２）の発明によれば、吸入流路に、気体を整流する整流装置を設けた。よって、気体の吸入時に衝撃波を伴う乱流が発生しても、この乱流を整流するとともに、気体の流れの急激な変化を抑制して、気体の吸入時の騒音を広い周波数帯域で低減できる。
よって、このように圧縮機の吸入口側に整流装置を設けるだけでよいので、圧縮機の騒音を、省スペースかつ低コストで低減できる。

（３）この場合、前記第１の整流装置は、前記圧縮機の吐出口に当接することが好ましい。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、第１の整流装置を圧縮機の吐出口に接近させるに従って、吐出時の騒音の低減効果が大きくなることを見出した。
よって、（３）の発明によれば、第１の整流装置を圧縮機の吐出口に当接させたので、気体の吐出時の騒音を大きく低減できる。

（４）この場合、前記第１の整流装置は、当該第１の整流装置による圧力損失の許容範囲内で、前記吐出流路の延びる方向に沿ってできるだけ長いことが好ましい。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、第１の整流装置を吐出流路の延びる方向に沿って長くするに従って、この第１の整流装置による圧力損失は大きくなるものの、吐出時の騒音の低減効果が大きくなることを見出した。

よって、（４）の発明によれば、第１の整流装置を、この第１の整流装置による圧力損失の許容範囲内で、吐出流路の延びる方向に沿ってできるだけ長くした。したがって、空気供給システムに要求される吐出圧を確保しつつ、気体の吐出時の騒音を大きく低減できる。

（５）この場合、前記第１の整流装置は、前記吐出流路に沿って延びる複数の整流路（例えば、実施の形態における整流路４５１）からなるハニカム構造であり、前記吐出流路の断面積に対する前記整流路の数は、当該第１の整流装置による圧力損失の許容範囲内で、できるだけ多いことが好ましい。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、吐出流路の断面積に対する整流路の数を多くするに従って、この第１の整流装置による圧力損失は大きくなるものの、吐出時の騒音の低減効果が大きくなることを見出した。

よって、（５）の発明によれば、第１の整流装置を吐出流路に沿って延びる複数の整流路からなるハニカム構造とし、吐出流路の断面積に対する整流路の数を、この第１の整流装置による圧力損失の許容範囲内で、できるだけ多くした。したがって、空気供給システムに要求される吐出圧を確保しつつ、気体の吐出時の騒音を大きく低減できる。

本発明によれば、気体の吐出時に衝撃波を伴う乱流が発生しても、この乱流を整流するとともに、気体の流れの急激な変化を抑制して、気体の吐出時の騒音を広い周波数帯域で低減できる。よって、このように圧縮機の吐出口側に整流装置を設けるだけでよいので、圧縮機の騒音を、省スペースかつ低コストで低減できる。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気供給システム２１が適用された燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２０と、燃料電池１０および供給装置２０を制御する制御装置３０とを有する。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給する空気供給システム２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。

空気供給システム２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。また水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、圧力調整弁２５１が設けられている。

燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。また、水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。

エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

上述の空気供給システム２１、背圧弁２４１、パージ弁２６１、および圧力調整弁２５１は、制御装置３０により制御される。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、圧力調整弁２５１を開いて、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、空気供給システム２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、エア、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。

図２は、空気供給システム２１の概略構成を示すブロック図である。
空気供給システム２１は、気体としてのエア（空気）を吸入し、この吸入したエアの圧力を上昇させて吐出する圧縮機としてのコンプレッサ４１と、このコンプレッサ４１で生じる騒音を低減させるサイレンサ４２と、を備える。

コンプレッサ４１の吸入口には、このコンプレッサ４１に吸入されるエアが流通する吸入流路４３が接続されている。
吸入流路４３の吸入側には、図示しないフィルタによりエア中の塵埃を除去するエアインテーク４３１が設けられている。
コンプレッサ４１とサイレンサ４２とは、コンプレッサ４１から吐出されたエアが流通する吐出流路４４で接続されている。

この空気供給システムでは、コンプレッサ４１が駆動すると、エアインテーク４３１を通して外部のエアが吸入流路４３に導入される。コンプレッサ４１は、吸入流路４３を通してエアを吸入して、この吸入したエアの圧力を上昇させて吐出する。吐出されたエアは、吐出流路４４を通ってサイレンサ４２に導入され、サイレンサ４２で騒音が低減されて、燃料電池１０のカソード電極側に供給される。

吐出流路４４および吸入流路４３には、それぞれ、コンプレッサ４１近傍に、気体を整流する第１の整流装置としての整流装置４５Ａおよび第２の整流装置としての整流装置４５Ｂが設けられている。

図３は、吸入流路４３および吐出流路４４の部分拡大斜視図である。
整流装置４５Ａ、４５Ｂは、複数の板状の部材４５２により、吐出流路４４および吸入流路４３の内部空間を格子状に仕切ることで、吐出流路４４および吸入流路４３に沿って延びる複数の整流路４５１を形成したハニカム構造である。

整流装置４５Ａによれば、コンプレッサ４１の吐出口から吐出された直後のエアの流れが整流されて、圧力のばらつきが平均化され、コンプレッサ４１の駆動による脈動音や振動が低減される。
また、整流装置４５Ｂによれば、コンプレッサ４１の吸入口に吸入される直前のエアの流れが整流されて、エアの風切り音（サイレン音とも呼ぶ）などの音が低減される。

［実施例１］
図４は、空気供給システムの第１実施例および比較例である。具体的には、図４は、コンプレッサの吐出口に整流装置を設けた場合における、ノイズレベルとコンプレッサの回転数との関係を示す図である。
図４より、空気供給システムに整流装置を設けた場合には、整流装置を設けない場合に比べて、広い回転数帯域で騒音が低減することが判る。特に、中高回転数では、騒音が大きく低減している。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）吸入流路４３および吐出流路４４に、エアを整流する整流装置４５を設けた。よって、エアの吸入や吐出に伴う衝撃波を伴った乱流を整流するとともに、エアの流れの急激な変化を抑制して、広い回転数帯域でノイズレベルを低減できる。その結果、エアの吸入時や吐出時の騒音を広い周波数帯域で低減できる。このようにコンプレッサ４１の吸入口側および吐出口側に整流装置４５を設けるだけでよいので、省スペースかつ低コストでコンプレッサ４１の騒音を低減できる。

（２）整流装置４５を複数の整流路４５１で構成したので、吸入したエアや吐出したエアが逆流しようとした場合でも、整流路４５１内にエアが留まることになり、エアの逆流を防止できる。

〔第２実施形態〕
本実施形態では、整流装置４５Ａ、４５Ｂの位置や形状が、第１実施形態と異なる。
すなわち、図５に示すように、空気供給システム２１Ａにおいて、整流装置４５Ａは、コンプレッサ４１の吐出口に当接し、整流装置４５Ｂは、コンプレッサ４１の吸入口に当接している。

以下、吐出流路４４および吸入流路４３の断面積に対する整流装置４５Ａ、４５Ｂの整流路４５１の数を、整流装置の密度とする。また、吐出流路４４および吸入流路４３の延びる方向に沿った整流装置４５Ａ、４５Ｂの長さを、整流装置の長さとする。
図６は、コンプレッサから吐出される風量と、整流装置による圧力損失と、の関係を示す図である。図６において、整流装置の圧力損失の変化を示す曲線は、実験値を多項式で近似したものである。
整流装置の密度あるいは長さを大きくすると、吐出時や吸入時の騒音の低減効果は大きくなるが、図６に示すように、整流装置による圧力損失も大きくなってしまう。そこで、整流装置４５Ａ、４５Ｂの密度および長さは、圧力損失の許容値の最大値を超えないように決められる。

［実施例２］
図７は、空気供給システムの第２実施例および比較例である。具体的には、図７は、コンプレッサの吐出口に設けた整流装置の長さを変化させた場合における、ノイズレベルとコンプレッサの回転数との関係を示す図である。
図７より、空気供給システムに長さ２Ｌの整流装置を設けた場合には、長さＬの整流装置を設けた場合に比べて、広い回転数帯域で騒音が低減することが判る。

［実施例３］
図８は、空気供給システムの第３実施例および比較例である。具体的には、図８は、コンプレッサの吐出口に設けた整流装置の密度を変化させた場合における、ノイズレベルとコンプレッサの回転数との関係を示す図である。
図８より、空気供給システムに密度２Ｄの整流装置を設けた場合には、密度Ｄの整流装置を設けた場合に比べて、広い回転数帯域で騒音が低減することが判る。

本実施形態によれば、上述の（１）、（２）の効果に加え、以下のような効果がある。
（３）整流装置４５Ａ、４５Ｂをコンプレッサ４１の吐出口および吸入口に当接させたので、気体の吐出時や吸入時の騒音を大きく低減できる。

（４）整流装置４５Ａ、４５Ｂを、これら整流装置４５Ａ、４５Ｂによる圧力損失の許容範囲内で、吐出流路４４および吸入流路４３の延びる方向に沿ってできるだけ長くした。したがって、空気供給システム２１に要求される吐出圧を確保しつつ、気体の吐出時および吸入時の騒音を大きく低減できる。

（５）整流装置４５Ａ、４５Ｂを吐出流路に沿って延びる複数の整流路４５１からなるハニカム構造とし、これら整流装置４５Ａ、４５Ｂによる圧力損失の許容範囲内で、吐出流路４４あるいは吸入流路４３の断面積に対する整流路４５１の数を、できるだけ多くした。したがって、空気供給システム２１に要求される吐出圧を確保しつつ、気体の吐出時の騒音を大きく低減できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の第１実施形態に係る空気供給システムが適用された燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る空気供給システムの概略構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る空気供給システムの吸入流路および吐出流路の部分拡大斜視図である。 前記実施形態に係る空気供給システムの第１実施例および比較例である。 本発明の第２実施形態に係る空気供給システムの概略構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る整流装置から吐出される風量と整流装置による圧力損失との関係を示す図である。 前記実施形態に係る空気供給システムの第２実施例および比較例である。 前記実施形態に係る空気供給システムの第３実施例および比較例である。

符号の説明

２１、２１Ａ…空気供給システム
４１…コンプレッサ（圧縮機）
４３…吸入流路
４４…吐出流路
４５Ａ…整流装置（第１の整流装置）
４５Ｂ…整流装置（第２の整流装置）

Claims (5)

1. 気体を吸入し、この吸入した気体の圧力を上昇させて吐出する圧縮機と、
   前記圧縮機に吸入される気体が流通する吸入流路と、
   前記圧縮機から吐出された気体が流通する吐出流路と、
   前記吐出流路の前記圧縮機近傍に設けられて、流通する気体を整流する第１の整流装置と、を備えることを特徴とする空気供給システム。
2. 前記吸入流路の前記圧縮機近傍に設けられて、流通する気体を整流する第２の整流装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空気供給システム。
3. 前記第１の整流装置は、前記圧縮機の吐出口に当接することを特徴とする請求項１または２に記載の空気供給システム。
4. 前記第１の整流装置は、当該第１の整流装置による圧力損失の許容範囲内で、前記吐出流路の延びる方向に沿ってできるだけ長いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空気供給システム。
5. 前記第１の整流装置は、前記吐出流路に沿って延びる複数の整流路からなるハニカム構造であり、前記吐出流路の断面積に対する前記整流路の数は、当該第１の整流装置による圧力損失の許容範囲内で、できるだけ多いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の空気供給システム。

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