JP2009158267A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＣＰからの脈動吐出による振動の抑制を可能とする燃料電池システムを提供することである。
【解決手段】燃料電池システムにおいて、加湿モジュール２４は、その底面側でブラケット６４によって固定支持され、ブラケット６４は、弾性マウント材であるゴムブッシュ６６を介し、車両のボディフロアサイドメンバ６２に取り付けられる。ボディフロアサイドメンバ６２は、車両の床面構造体であるボディフロアパネル６０に固定して取り付けられ、車両の床下に向かって設けられる構造体である。ここで、加湿モジュール２４の質量と弾性マウント材であるゴムブッシュ６６のバネ定数を含む振動系が、エアコンプレッサの振動と逆位相の振動となるダイナミックダンパとなるように、ゴムブッシュ６６の弾性特性が設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特にエアコンプレッサを有する燃料電池システムに関する。

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガス、例えば適当に加圧された空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。カソード側に加圧された空気を供給するためにエアコンプレッサ（ＡＣＰ）が用いられる。また、酸化ガスを適当に加湿してカソード側に供給するために、ＡＣＰとカソード側との間に加湿モジュールが設けられる。

このように燃料電池システムには、燃料電池スタックの他に、ＡＣＰ、加湿モジュール等の要素を含むが、これらは、車両の前部、後部、あるいは床下等に、適当な取付部材を用いて搭載される。

例えば、特許文献１には、車両床下に搭載される燃料電池の整備性を向上させる構造として、車両メインフレームの下側にソフトマウント部を介して支持ロッドで加湿モジュールを含む燃料電池モジュールを連結する構造が述べられている。ここでソフトマウント部はゴム材とブラケットとを有し、支持ロッドはブラケットに対し揺動可能とされている。

特許文献２には、加湿器のマウント構造として、振動を発生する水素循環ユニットとアノード加湿器とカソード加湿器とを一体化した加湿器ユニットを弾性変形可能なマウントブッシュを介し、車体にマウントすることが開示されている。

特許文献３には、燃料供給装置として、化学水素化物を反応させて水素ガスを発生させる反応容器を、インシュレータを含む固定部材で車体に取り付け、車両の走行時の５〜１５Ｈｚの振動を利用して反応容器を振動させ、化学水素化物の反応率を高めることが述べられている。また、インシュレータを介して反応容器を車両のサブフレーム等に支持することで、走行時に車体に入力される加振力により反応容器をダイナミックダンパとして振動させ、その結果として客室の乗員や荷物への振動を抑制する効果があることが述べられている。

特開２００５−２３１５４９号公報 特開２００４−１６５０５９号公報 特開２００７−２１６９２２号公報

従来技術においては、インシュレータ等を用いて加湿モジュールを車体に取り付けることが行われている。ところで、加湿モジュールはＡＣＰに接続されるので、ＡＣＰからの脈動吐出された酸化ガスによって、加湿モジュールが揺らされることが生じる。これによって、車室内に振動あるいは騒音を及ぼすことがある。

本発明の目的は、ＡＣＰからの脈動吐出による振動の抑制を可能とする燃料電池システムを提供することである。

本発明に係る燃料電池システムは、エアコンプレッサに接続して配置される燃料電池システム用容器体と、燃料電池システム用容器体を車体構造部品に取り付けるブラケットと、車体構造部品とブラケットとの間に配置される弾性マウント材と、を有し、燃料電池システム用容器体の質量と弾性マウント材のバネ要素を含んでエアコンプレッサに起因する振動を抑制するダイナミックダンパを構成することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池システム用容器体は、加湿モジュールであることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ダイナミックダンパとしての周波数が８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、車体構造部品は車両の床部材であり、加湿モジュールは、ブラケットによって床部材の下面側に取り付けられることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ブラケットは、加湿モジュールの下面側と床部材の下面側との間を接続することが好ましい。

上記構成により、燃料電池システムは、エアコンプレッサに接続して配置される燃料電池システム用容器体がブラケットと弾性マウント材とを介して車体構造部品に取り付けられ、燃料電池システム用容器体の質量と弾性マウント材のバネ要素を含んでエアコンプレッサの振動を抑制するダイナミックダンパを構成する。ダイナミックダンパは、振動体の振動と反位相の振動を行うことで振動体の振動を抑制するものである。したがって、エアコンプレッサの振動と反位相の振動となるように、燃料電池システム用容器体の質量を考慮して弾性マウント材のバネ定数等を設定することで、エアコンプレッサに起因する振動を抑制することができる。また、エアコンプレッサの振動は、気体圧の脈動であるので、質量体を容器体とすることで、容器の内部空間を気体圧の脈動を吸収する拡張空間として利用でき、効果的に振動を抑制することができる。

また、燃料電池システムにおいて、燃料電池システム用容器体は、加湿モジュールであるので、特別なダイナミックダンパを設けることなく、エアコンプレッサの振動を抑制することができる。すでにダイナミックダンパを有するシステムであれば、既存のダイナミックダンパを省略でき、その質量の省略により、システムの軽量化を図ることができる。

また、燃料電池システムにおいて、ダイナミックダンパとしての周波数が８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であるので、車両の走行中の振動とは異なる周波数特性を有するエアコンプレッサに起因する振動を効果的に抑制できる。

また、燃料電池システムにおいて、車体構造部品は車両の床部材であり、加湿モジュールは、ブラケットによって床部材の下面側に取り付けられるので、車体構造部品を利用して、車体におけるエアコンプレッサに起因する振動を抑制できる。

また、ブラケットは、加湿モジュールの下面側と床部材の下面側との間を接続するので、上下方向の振動抑制型ダイナミックダンパとして構成できる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池システムがハイブリッド車両に搭載されるものとして説明するが、ハイブリッド車両以外の車両、例えばエンジンを搭載しない電気自動車であってもよい。また、燃料電池システムは、車両に搭載されるもの以外、例えば、定置型の燃料電池システムであってもよい。また、燃料電池システムが車両に搭載される場合に、車室の床下に配置されるものとして説明するが、これは一例であって、車両の他の部位に燃料電池システムが配置されるものとしてもよい。

また、以下では、ダイナミックダンパを構成する燃料電池システム用容器体として、加湿モジュールを説明するが、これ以外で燃料電池システムに用いられる容器体であればよい。例えば、希釈器、気体制御弁を制御する電磁弁を収納するＰＳＶボックスと呼ばれる容器体等を用いることができる。

図１は、ハイブリッド車両８に搭載された燃料電池システム２０の様子を示す図で、燃料電池システム２０の一部を構成するものとして、燃料電池スタック２２、加湿モジュール２４、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４２、気体制御弁として代表的にＩＮ側エアシャット弁３４が図示されている。図１に示されるように、燃料電池システム２０は、ハイブリッド車両８の床下に配置されている。

図２は、燃料電池システム２０において、特にＡＣＰ４２と加湿モジュール２４の周辺の各構成要素の様子を説明する図である。燃料電池システム２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。図２には、カソード側に配置される要素を中心として図示されている。

燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、燃料電池スタック２２は、ＦＣスタックと呼ばれることもある。

カソード側の酸化ガス源４０としては、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタを通してからＡＣＰ（エアコンプレッサ）４２に供給される。

ＡＣＰ４２は、モータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４２は、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。

このように、ＡＣＰ４２は酸化ガスの圧縮機であるので、ＡＣＰ４２から供給される酸化ガスは、ＡＣＰ４２を駆動するモータの回転数に応じた脈動を有する。例えば、モータの回転数を約２，０００回転／分から３，０００回転／分の間とすると、約３３Ｈｚから約５０Ｈｚが基本周波数となる。実際の脈動で体感振動となるのは、経験上その３次成分に近い約８０Ｈｚから約２００Ｈｚの範囲である。この周波数の振動が、酸化ガスの供給管路を介して、燃料電池システム２０を構成する各要素に伝播し、その各要素を振動させる。これによって、各要素が搭載される車両にその振動が伝わり、また、各要素の振動音等が騒音となる。このように、ＡＣＰ４２の酸化ガスの脈動吐出で起因する振動、騒音が車両に伝播する。

ＡＣＰ４２の下流側に設けられる加湿モジュール２４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するもので、加湿器とも呼ばれる。加湿モジュール２４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿モジュール２４に戻されて、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿モジュール２４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。

ここで、上記の酸化ガス源４０と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことをＩＮ側流路、あるいは入口側流路、あるいは供給側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路をＯＵＴ側流路、あるいは出口側流路、あるいは排気側流路と呼ぶことができる。

したがって、酸化ガスの経路である酸化ガス経路は、酸化ガス源４０から加湿モジュール２４を経由してＩＮ側流路よりＩＮ側エアシャット弁３４を介して燃料電池スタック２２の内部に入り、燃料電池スタック２２の内部からＯＵＴ側流路に出て、ＯＵＴ側エアシャット弁３２を介して加湿モジュール２４を経由して外気へと延びる。

ＩＮ側エアシャット弁３４は、通常は開状態で、燃料電池システム２０が運転停止したとき等に閉状態とされる開閉弁である。燃料電池システム２０が運転停止したときに供給側流路を閉じて酸化ガスの供給を止めるのは、燃料電池スタック２２に含まれる触媒層等の酸化を抑制する等のためである。

また、ＯＵＴ側エアシャット弁３２は、ＩＮ側エアシャット弁３４と同様に、通常は開状態で、燃料電池システム２０が運転停止したとき等に閉状態とされる開閉弁である。

ＩＮ側エアシャット弁３４とＯＵＴ側エアシャット弁３２は、圧力室の内圧に応じて作動するピストン等の可動子を有する気体制御弁である。これらの圧力室に所定の高圧気体と低圧気体とを切り換えて供給するためにＰＳＶ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）と呼ばれる電磁弁が用いられる。ＰＳＶボックス５０は、これらの電磁弁をまとめて収納する容器体である。

図２に示される希釈器２８は、燃料電池スタック２２のアノード側の排気バルブからの排水混じりの水素、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気で加湿モジュール２４を経由してきたものを集め、適当な水素濃度に希釈して、マフラ２９を介して外部に排出するためのバッファ容器である。希釈用のガスとしては、酸化ガスが用いられる。

図３は、加湿モジュール２４の取付方法について、図２のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。以下では、図１、図２の符号を用いて説明する。加湿モジュール２４は、その底面側でブラケット６４によって固定支持され、ブラケット６４は、弾性マウント材であるゴムブッシュ６６を介し、車両のボディフロアサイドメンバ６２に取り付けられる。ボディフロアサイドメンバ６２は、車両の床面構造体であるボディフロアパネル６０に固定して取り付けられ、車両の床下に向かって設けられる構造体である。このように、ボディフロアパネル６０、ボディフロアサイドメンバ６２は、車体構造部品である。

図２で説明したように、ＡＣＰ４２を振動源とする約８０Ｈｚから約２００Ｈｚの振動は、ＡＣＰ４２に酸化ガスの供給管路で接続される加湿モジュール２４に伝達され、加湿モジュール２４を振動させる。そして、さらに燃料電池スタック２２、ＰＳＶボックス５０、希釈器２８、その他の燃料電池システム２０の各要素を振動させる。これらの各要素の振動は、振動音として、車室内に伝播される。さらに、燃料電池システム２０が搭載される車体構造部品であるボディフロアパネル６０等に振動が伝播され、車室内の乗客等に振動を体感させることになる。

そこで、加湿モジュール２４の質量と弾性マウント材であるゴムブッシュ６６のバネ定数を含む振動系が、ＡＣＰ４２の振動と逆位相の振動となるダイナミックダンパとなるように、ゴムブッシュ６６の弾性特性が設定される。このようにすることで、ボディフロアパネル６０等におけるＡＣＰ４２に起因する振動および騒音を抑制することができる。

図４は、ダイナミックダンパとしての様子を説明する図である。図４（ａ）は、図３の加湿モジュール２４を質量Ｍの質量体とし、ゴムブッシュ６６をバネ定数ｋの弾性体として、この質量Ｍとバネ定数ｋの振動系がダイナミックダンパとなる様子を示す図である。ここでは、ボディフロアパネル６０の上面に取り付けられた質量Ｍとバネ定数ｋの振動系が、ボディフロアパネル６０等の振動と逆位相の振動をすることで、ダイナミックダンパとして働き、ボディフロアパネル６０等の振動を抑制するように機能する。

上記では、加湿モジュール２４の下面を、ゴムブッシュ６６を介してボディフロアパネル６０に取り付けた場合であり、特に上下動振動の抑制に効果的である。それ以外の取付方法でも、ダイナミックダンパとして構成できる。図４（ｂ）は、加湿モジュール２４の上面を、ゴムブッシュ６６を介して他の車両構造部品に取り付けた場合を示し、図４（ｃ）は、加湿モジュール２４の側面を、ゴムブッシュ６６を介して他の車両構造部品に取り付けた場合を示す。後者の場合は、横方向振動の抑制に効果的である。いずれの場合も、加湿モジュール２４の質量Ｍ等を考慮し、ゴムブッシュ６６のバネ定数ｋを適切に設定することで、ＡＣＰ４２に起因する振動を効果的に抑制することができる。

なお、加湿モジュール２４は、内部にバッファ空間を有する容器体であるので、このバッファ空間を、ＡＣＰ２４からの気体圧の脈動を吸収する拡張空間として利用でき、一層効果的に振動を抑制することができる。

本発明に係る実施の形態の燃料電池システムが搭載される車両の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、特にエアコンプレッサと加湿モジュールの周辺の各構成要素の様子を説明する図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。 本発明に係る実施の形態について、ダイナミックダンパとしての様子を説明する図である。

符号の説明

８ ハイブリッド車両、２０ 燃料電池システム、２２ 燃料電池スタック、２４ 加湿モジュール、２８ 希釈器、２９ マフラ、３２ ＯＵＴ側エアシャット弁、３４ ＩＮ側エアシャット弁、４０ 酸化ガス源、４２ ＡＣＰ、５０ ＰＳＶボックス、６０ ボディフロアパネル、６２ ボディフロアサイドメンバ、６４ ブラケット、６６ ゴムブッシュ。

Claims (5)

1. エアコンプレッサに接続して配置される燃料電池システム用容器体と、
   燃料電池システム用容器体を車体構造部品に取り付けるブラケットと、
   車体構造部品とブラケットとの間に配置される弾性マウント材と、
   を有し、
   燃料電池システム用容器体の質量と弾性マウント材のバネ要素を含んでエアコンプレッサに起因する振動を抑制するダイナミックダンパを構成することを特徴とす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において、
   燃料電池システム用容器体は、加湿モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   ダイナミックダンパとしての周波数が８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   車体構造部品は車両の床部材であり、
   加湿モジュールは、ブラケットによって床部材の下面側に取り付けられることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   ブラケットは、加湿モジュールの下面側と床部材の下面側との間を接続することを特徴とする燃料電池システム。

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