JP2008052969A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図りつつ、空気供給系での脈動音が良好に低減された燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池への空気供給路に、空気を送り込むコンプレッサと、コンプレッサによって燃料電池に送り込まれる空気を清浄するエアクリーナＡ１とを設ける。エアクリーナＡ１のクリーナケース８１内に、空気中の塵埃を除去するエアフィルタ８２を設けるとともに、コンプレッサの脈動音を低減させる消音装置を設ける。消音装置として、クリーナケース８１内におけるエアフィルタ８２の上流側の吸入側空間部８１ａに、吸入される空気の流路を異なる流路長ＬＡ，ＬＢの流路Ａ，Ｂに分割する干渉板９１を設ける。流路Ａ，Ｂの流路長ＬＡ，ＬＢの差を、コンプレッサにおける空気の吸入脈動の半波長λ／２の奇数倍とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、エアクリーナを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、電解質膜を有する燃料電池と、この燃料電池に反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を供給するためのガス供給手段とを備えている。この燃料電池システムでは、酸化ガスを含む空気がコンプレッサによって燃料電池へ圧送され、その際に、コンプレッサの吸入脈動に起因する脈動音が発生する。

このため、空気供給系の配管におけるエアクリーナの下流側にエアチャンバを設けて容積を拡大し、このエアチャンバによって空気の圧力変動を吸収し、脈動音を低減させることが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−５０３８５号公報

しかしながら、上記のようなエアチャンバを設けただけでは、脈動音の低減に限度があり、さらなる脈動音の低減が要求されている。また、エアクリーナとは別個にエアチャンバを設けることによる装置の大型化が免れなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつ、空気供給系での脈動音が良好に低減された燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池に酸化ガスを含む空気を送り込む圧縮機と、該圧縮機によって前記燃料電池に送り込まれる空気を清浄するエアクリーナとを備えた燃料電池システムであって、前記エアクリーナは、クリーナケース内に空気中の塵埃を除去するエアフィルタを備えるとともに、前記圧縮機の脈動音を低減させる消音装置を備える。

この構成によれば、エアクリーナとは別体のエアチャンバ等を空気供給系に設ける場合と比較して、装置のコンパクト化を図りつつ良好な消音効果を得ることができる。

また、前記消音装置は、前記クリーナケース内における前記エアフィルタの上流側に設けられた干渉板からなるものでも良い。

この構成によれば、構造の簡略化を図りつつ良好な消音効果を得ることができる。また、干渉板が気液分離のための邪魔板としても機能するので、空気中の雨や雪等がエアフィルタに付着することを抑制することができる。

さらに、前記干渉板によって前記クリーナケースに吸入される空気の流路が異なる流路長の流路に分割され、これら流路の流路長の差が、前記圧縮機における空気の吸入脈動の波長に応じて設定されているものでも良い。

この構成によれば、空気の吸入脈動の波長に応じて異なる流路に分割されて流される空気によって脈動音を良好に相殺させて低減させることができる。

また、前記流路の流路長の差が、前記圧縮機における空気の吸入脈動の半波長の奇数倍とされているものでも良い。

この構成によれば、分割された流路を流れる空気による脈動音の相殺効果を高め、脈動音をより抑制することができる。

なお、前記波長としては、アイドル運転時の波長を採用することができる。このアイドル運転とは、ユーザからの発電要求に備えて最小限度の反応ガス消費で待機動作している運転状態をいう。

この構成によれば、燃料電池の各種運転状態の中でも脈動音が特に際立つアイドル運転時の消音を図ることにより、装置を過度に複雑化させることなく、効果的に脈動音を低減することができる。

また、前記燃料電池によって発電された電力を動力源として走行する車両に搭載されるものでも良い。

この構成によれば、燃料電池システムを備えた車両における空気吸入系での脈動音を抑制することができ、商品性が向上する。

本発明の燃料電池システムによれば、装置の小型化を図りつつ、空気供給系での脈動音を良好に低減させることができる。

まず、本発明に係る調圧弁の一実施形態が適用された燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去して清浄するエアクリーナＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿装置Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システムに設けられたエアクリーナＡ１の構成について説明する。

エアクリーナＡ１は、図２に示すように、箱形のクリーナケース８１を有している。このクリーナケース８１には、その内部に、例えば、通過する気体中の塵埃を吸着するペーパタイプのエアフィルタ８２が配設されており、このエアフィルタ８２によって、クリーナケース８１内が、吸入側空間部８１ａと圧送側空間部８１ｂとに区画されている。

クリーナケース８１には、吸入側空間部８１ａに、吸入口８３が設けられ、この吸入口８３が大気に開放されている。また、クリーナケース８１には、圧送側空間部８１ｂに、圧送口８４が設けられ、この圧送口８４がコンプレッサＡ３に繋がる空気供給路７１に連結されている。

これにより、コンプレッサＡ３が作動すると、エアクリーナＡ１では、吸入口８３から吸入側空間部８１ａ内に外気が吸入され、この外気がエアフィルタ８２を通過することにより塵埃が除去されて圧送側空間部８１ｂへ送り込まれ、圧送口８４からコンプレッサＡ３へ引き込まれる。

このエアクリーナＡ１には、クリーナケース８１内におけるエアフィルタ８２の上流側の吸入側空間部８１ａに、干渉板（消音装置）９１が設けられている。この干渉板９１は、吸入口８３を臨む位置にて空気の流入方向に沿って配置された分岐板部９２と、この分岐板部９２の一側面からエアフィルタ８２に沿って延在する導入板部９３とから構成されている。そして、吸入側空間部８１ａには、この干渉板９１によって２つの流路Ａ，Ｂが形成されている。

これら流路Ａ，Ｂは、吸入口８３からエアフィルタ８２に至るまでの流路長ＬＡ，ＬＢが、コンプレッサＡ３によって生じる空気の吸入脈動の波長に応じて異ならされている。具体的には、流路長ＬＡ，ＬＢは、空気の吸入脈動の波長λとの間にて次式の関係が成立する長さとされている。

ＬＡ−ＬＢ＝ｎλ／２
ただし、ｎ：奇数

つまり、流路Ａ，Ｂは、その流路長ＬＡ，ＬＢの差が、吸入空気の脈動の半波長λ／２の奇数倍とされている。なお、流路長ＬＡ，ＬＢは、クリーナケース８１の内面と干渉板９１の外面とにより画成される各流路Ａ，Ｂの中心軸の長さが採用される。また、波長λとしては、例えばアイドル運転時における空気の吸入脈動の波長が好適に採用される。

そして、上記のエアクリーナＡ１では、吸入口８３から吸入側空間部８１ａ内に吸入された外気は、干渉板９１の分岐板部９２によって流路Ａ，Ｂに分岐される。そして、流路Ａへ送り込まれる空気は、導入板部９３に沿って流路Ａを流れ、この導入板部９３の端部とクリーナケース８１の内面との間を通過してエアフィルタ８２へ導かれる。

流路Ｂへ送り込まれる空気は、分岐板部９２とクリーナケース８１の内面との間を通過してエアフィルタ８２へ導かれる。そして、これら流路Ａ，Ｂを流れた空気は、それぞれエアフィルタ８２を通って圧送側空間部８１ｂにて合流され、圧送口８４からコンプレッサＡ３へ引き込まれる。

ここで、圧送側空間部８１ｂにて合流される流路Ａ，Ｂを通った空気は、流路Ａ，Ｂの流路長ＬＡ，ＬＢの差が、吸入空気の脈動の半波長λ／２の奇数倍とされていることより、コンプレッサＡ３にて発生する圧力変動による脈動が吸入空気によって相殺され、このコンプレッサＡ３の脈動によって生じる空気供給系における脈動音が低減されることになる。

さらに、干渉板９１のうち導入板部９３が、エアクリーナＡ１に導入される空気の導入方向（図２中の左下の白抜矢印）に対して直交するように設けられているので、当該導入板部９３は気液分離のための邪魔板として機能することにもなり、空気中の雨や雪等がエアフィルタ８２に付着することが抑制されている。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１によれば、エアクリーナＡ１のクリーナケース８１内に、干渉板９１からなる消音装置を設けたので、エアクリーナＡ１とは別体のエアチャンバ等を空気供給路７１に設ける場合と比較して、装置のコンパクト化を図りつつ良好な消音効果を得ることができる。

しかも、消音装置としてクリーナケース８１内におけるエアフィルタ８２の上流側の吸入側空間部８１ａに干渉板９１を設けたものであるので、構造の簡略化を図りつつ良好な消音効果を得ることができる。また、空気の吸入脈動の波長に応じて異なる流路Ａ，Ｂに分割されて流される空気によって、脈動音を良好に相殺させて低減させることができる。

具体的には、流路Ａ，Ｂの流路長ＬＡ，ＬＢの差を、コンプレッサＡ３における空気の吸入脈動の半波長λ／２の奇数倍とすることにより、分割された流路Ａ，Ｂを流れる空気による脈動音の相殺効果を高め、脈動音をより抑制することができる。

そして、この燃料電池システムを車両に搭載すれば、空気吸入系での脈動音が抑制された燃料電池システムを備えた車両とすることができる。特に、脈動音が際立つアイドル運転中は、コンプレッサＡ３から燃料電池２０への空気供給流量を一定であることから、消音したい脈動音の周波数帯域が１ヶ所に限定されるため、複数の帯域を消音させる場合のような複雑な装置構成も不要となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。 燃料電池システムに設けられたエアクリーナの構成を説明する概略断面図である。

符号の説明

２０…燃料電池、７１…空気供給路（空気供給系）、８１…クリーナケース、８２…エアフィルタ、９１…干渉板（消音装置）、Ａ，Ｂ…流路、Ａ１…エアクリーナ、Ａ３…コンプレッサ（圧縮機）、ＬＡ，ＬＢ…流路長、λ…波長。

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池に酸化ガスを含む空気を送り込む圧縮機と、該圧縮機によって前記燃料電池に送り込まれる空気を清浄するエアクリーナと、を備えた燃料電池システムであって、
   前記エアクリーナは、クリーナケース内に空気中の塵埃を除去するエアフィルタを備えるとともに、前記圧縮機の脈動音を低減させる消音装置を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記消音装置は、前記クリーナケース内における前記エアフィルタの上流側に設けられた干渉板からなる燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記干渉板によって前記クリーナケースに吸入される空気の流路が異なる流路長の流路に分割され、これら流路の流路長の差が、前記圧縮機における空気の吸入脈動の波長に応じて設定されている燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記流路の流路長の差が、前記圧縮機における空気の吸入脈動の半波長の奇数倍とされている燃料電池システム。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムであって、
   前記波長がアイドル運転時の波長である燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池によって発電された電力を動力源として走行する車両に搭載される燃料電池システム。
   
   

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