JP2010244954A

JP2010244954A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010244954A
Application number: JP2009094585A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP5407505B2

Abstract

【課題】本発明は、小型、軽量化した酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、燃料電池と酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮し、吐出する酸化剤ガス圧縮機と、前記酸化剤圧縮機から吐出された酸化剤ガスを冷却する冷却器と、を備え、前記冷却器は、風入タンクと、風出タンクと、前記風入タンクと前記風出タンクとの間に設けられる冷却コア部と、を備え、前記風入タンク及び前記風出タンクのうち少なくともいずれか一方に、消音部が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸化剤ガス供給装置を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池システムには、酸化剤ガス配管の酸化剤ガス流れに沿って、酸化剤圧縮機、消音器、冷却器等を経て燃料電池が配設されているものがある。また、これらの各構成機器は、一本の酸化剤ガス配管によって連通して接続されている（例えば、特許文献１参照）。

上記酸化剤圧縮機から吐出された酸化剤ガスの圧力脈動は、消音器により減衰される。これにより、冷却器及びそれ以降の構成部品の外板が共振することなどによる放射音の発生が低減されることとなる。

特開２００４−１８５９２１号公報特開２００３−１８４７６７号公報

しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、酸化剤圧縮機、消音器、冷却器等の各構成機器は、酸化剤ガス配管に、それぞれ別々に配置されているため、各構成機器と配管との接続部のフランジ、工具しろ、各構成部品の外板（壁）等によって、燃料電池システムの大型化、高重量化が問題となっていた。

そこで、本発明は、小型、軽量化した酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮し、吐出する酸化剤ガス圧縮機と、前記酸化剤圧縮機から吐出された酸化剤ガスを冷却する冷却器と、を備え、前記冷却器は、風入タンクと、風出タンクと、前記風入タンクと前記風出タンクとの間に設けられる冷却コア部と、を備え、前記風入タンク及び前記風出タンクのうち少なくともいずれか一方に、消音部が設けられている。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記冷却器は、前記酸化剤ガス圧縮機上に組み付けられ、前記風入タンクの酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガス圧縮機の酸化剤ガス出口とが直付けされていることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス圧縮機は、前記酸化剤ガスを圧縮させるために駆動する水冷式の駆動用モータを備え、前記酸化剤ガス供給装置は、前記冷却式の駆動用モータと前記冷却コア部との間で冷却液の受け渡しを行うための冷却液配管と、を備え、前記冷却器と前記酸化剤ガス圧縮機との組み付け方向、及び前記冷却液配管と前記駆動用モータとの組み付け方向とが平行であることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記組み付け方向は垂直方向であることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記風入タンクは、前記風入タンク内に酸化剤ガスを導入し、所定面積を有する酸化剤ガス入口と、前記酸化剤ガス入口から前記風入タンク内へ所定距離突出する筒状のネック部とを備えるレゾネータであることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記風出タンクは、前記風出タンク内の酸化剤ガスを排出し、所定面積を有する酸化剤ガス出口と、前記酸化剤ガス出口から前記風出タンク内へ所定距離突出する筒状のネック部とを有するレゾネータであることが好ましい。

また、本発明は、燃料電池と酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流れに沿って、前記酸化剤ガスを圧縮し、吐出する酸化剤ガス圧縮機、前記酸化剤圧縮機から吐出された酸化剤ガスの圧力脈動を減衰させる消音器、前記酸化剤ガスを冷却する冷却器、の順に配設され、
前記冷却器は、前記消音器と前記酸化剤ガス圧縮機とで挟持されている。

本発明によれば、小型、軽量化した酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。本実施形態に係るインタークーラの構成の一例を示す断面模式図である。（Ａ）は、図２のＡ−Ａ線におけるインタークーラの構成を示す断面模式図であり、（Ｂ）は、図２のＢ−Ｂ線におけるインタークーラの構成を示す断面模式図である。本実施形態に係るコンプレッサ及びインタークーラの構成の他の一例を示す断面模式図である。本実施形態に係るインタークーラの構成の一例を示す模式断面図である。本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と酸化剤ガス供給装置１２とを備えている。酸化剤ガス供給装置１２は、駆動用モータ１４ａを備えるエアコンプレッサ１４（酸化剤ガス圧縮機）と、インタークーラ１６（冷却器）と、フィルタ１８と、加湿器２０とを備えている。そして、図１に示す燃料電池システム１は、空気配管２２の空気（酸化剤ガス）の流れに沿って、エアコンプレッサ１４（酸化剤ガス圧縮機）、インタークーラ１６（冷却器）、フィルタ１８、加湿器２０及び燃料電池１０の順に配設されている。これらの各構成機器は、一本の空気配管２２によって連通して接続されている。なお、エアコンプレッサ１４は、スクロール式、スクリュー式、ルーツ式、ピストン式等特に制限されるものではない。

図２は、本実施形態に係るインタークーラの構成の一例を示す断面模式図である。図２に示すように、インタークーラ１６は、入口空間２４ａを有する風入タンク２４と、出口空間２６ａを有する風出タンク２６と、風入タンク２４と風出タンク２６とを仕切る冷却コア２８と、を備えている。冷却コア２８の構造は、冷却液の流路となる複数の冷却液ラインと、波板状のフィンと、を備えている。

本実施形態のインタークーラ１６は、風入タンク２４及び風出タンク２６のうち少なくともいずれか一方に消音部が設けられている（図２に示すインタークーラ１６は、風入タンク２４及び風出タンク２６の両方に設けられている）。消音部は、消音材３２や、レゾネータ３４等により構成されている。

図３（Ａ）は、図２のＡ−Ａ線におけるインタークーラの構成を示す断面模式図である。図３（Ａ）に示すように、消音部は、風入タンク２４及び風出タンク２６の外装をなす外板２９の内部に、内板３０を設置し、外板２９と内板３０との間の空間部に消音材３２を充填することにより形成される。消音材３２は、例えば、ガラス繊維（ウール）、ポリエステル等の樹脂繊維等からなる多孔質材料であり、不織布、ウェブ、フェルト等の公知の形態を取り得る。

図３（Ｂ）は、図２のＢ−Ｂ線におけるインタークーラの構成を示す断面模式図である。図３（Ｂ）に示すように、風入タンク２４（又は風出タンク２６）に形成された消音部は、風入タンク２４の外装をなす外板２９の内部に、内板３０を設置することにより形成された所定容積を有する共鳴空間部３６と、内板３０に共鳴空間部３６と連通し、所定面積を有する開口部３８と、開口部３８から共鳴空間部３６まで所定距離突出する筒状のネック部４０と、を備えるレゾネータ３４である。そして、このような構成のレゾネータ３４は、ヘルムホルツの共鳴原理を利用して、外気の吸入に伴い吸気経路を伝播する伝播音の特定周波数成分を減衰させるためのヘルムホルツ共鳴型のレゾネータ消音部となる。レゾネータ３４は、図３（Ｂ）に示すように、複数形成されていてもよい。

このような構成を有する燃料電池システム１において、空気は、エアコンプレッサ１４の吸入口（不図示）から吸い込まれ、エアコンプレッサ１４で圧縮され吐出された後、インタークーラ１６の消音部（消音材３２、レゾネータ３４）で圧力脈動による放射音が低減され、インタークーラ１６の冷却コア２８で温度が下げられ、フィルタ１８でダストが除去された後、加湿器２０にて加湿されて燃料電池１０のカソード極（空気極）に供給される。

以下に、インタークーラ１６の作用についてもう少し詳しく説明する。

エアコンプレッサ１４の吐出空気は非常に大きな圧力脈動をもってインタークーラ１６の酸化剤ガス入口４２から風入タンク２４に流入する。この吐出空気の圧力脈動は、インタークーラ１６の消音部（消音材３２又はレゾネータ３４）が抵抗となって、外板２９の振動が大幅に減衰される。このように、インタークーラ１６の外板２９の振動が大幅に減衰されることにより、外板２９の振動の振幅が小さくなり、外板２９の表面からの放射音は大幅に低減される。酸化剤ガス入口４２の幅が狭い方が、空気の流れが消音部に干渉し易くなるため、より効果的に放射音を低減させることができる。

冷却液ポンプ（不図示）によって送り出された冷却液は、インタークーラ１６の冷却コア２８（冷却液ライン）に供給される。これにより、エアコンプレッサ１４の吐出空気は冷却コア２８で冷却される。

インタークーラ１６の冷却コア２８を出た冷却液は、ラジエータ（不図示）に供給される。これにより、冷却コア２８を経由することによって温度上昇した冷却液は、ラジエータで冷却され、冷却液ポンプに戻される。このように、冷却液が循環することによって、冷却コア２８（実質的には冷却コア２８を通過する空気）は連続的に冷却される。

冷却コア２８を通過した空気は、インタークーラ１６の風出タンク２６に流入する。そして、風出タンク２６に消音部（消音材３２又はレゾネータ３４）を設けている場合、空気の圧力脈動は、風出タンク２６の消音部（消音材３２又はレゾネータ３４）が抵抗となって、外板２９の振動が減衰され、外板２９の表面からの放射音は低減される。本実施形態のように、インタークーラ１６の風入タンク２４及び風出タンク２６の両方に消音部を設けた方が、エアコンプレッサ１４から吐出される空気の圧力脈動をより効果的に減衰させることが可能となる。そして、空気は、風出タンク２６の酸化剤ガス出口４４から排出される。

このように、本実施形態では、インタークーラ１６に消音部を設けることにより、エアコンプレッサ１４から吐出された空気を冷却すると共に吐出空気の圧力脈動を減衰させることができる。その結果、従来のようにインタークーラとサイレンサを別々に設ける燃料電池システムより小型・軽量化が可能となる。

図４は、本実施形態に係るコンプレッサ及びインタークーラの構成の他の一例を示す断面模式図である。図４に示すように、インタークーラ１６はエアコンプレッサ１４上に組み付けられ、インタークーラ１６の風入タンク２４の酸化剤ガス入口４２とエアコンプレッサ１４の酸化剤ガス出口１４ｂとが直付けされていることが好ましい。このように、インタークーラ１６とエアコンプレッサ１４とを一体化させることにより、燃料電池システム１の小型化が可能となる。また、インタークーラ１６の風入タンク２４に消音部（例えば消音材３２）が設けられている場合には、インタークーラ１６とエアコンプレッサ１４とで消音部を囲うことができるため、放射音の元となる面積を削減することができ、放射音を大幅に低減させることができる。

また、エアコンプレッサ１４で空気を圧縮させるために駆動する駆動用モータ１４ａが水冷式の場合、駆動用モータ１４ａとインタークーラ１６の冷却コア２８との間に、冷却液の受け渡しを行うための冷却液配管４６を設け、駆動用モータ１４ａ及びインタークーラ１６の冷却コア２８の冷却を同一の冷却水で冷却させることが好ましい。そして、このような冷却液配管４６を設ける場合には、図４に示すように、エアコンプレッサ１４とインタークーラ１６との組み付け方向及び冷却液配管４６と駆動用モータ１４ａとの組み付け方向を平行にすることが好ましい。これにより、エアコンプレッサ１４とインタークーラ１６との組み付け、及び駆動用モータ１４ａと冷却液配管４６との組み付けとを同時に行うことができるため、組み付け作業が容易となる。

また、エアコンプレッサ１４とインタークーラ１６との組み付け方向、及び駆動用モータ１４ａと冷却液配管４６との組み付け方向は、垂直方向であることが好ましい。これにより、冷却液のエア抜け、排水が容易となる。

図５は、本実施形態に係るインタークーラの構成の他の一例を示す断面模式図である。図５に示すように、インタークーラ１６は、入口空間２４ａを有する風入タンク２４と、出口空間２６ａを有する風出タンク２６と、風入タンク２４と風出タンク２６とを仕切る冷却コア２８と、を備えている。

図５に示すインタークーラ１６は、風入タンク２４全体がレゾネータの消音部となるように、酸化剤ガス入口４２の周囲に、酸化剤ガス入口４２から入口空間２４ａまで所定距離突出するネック部４０が設けられている。該ネック部４０を設けることにより、風入タンク２４の入口空間２４ａ全体が共鳴空間部３６となり、風入タンク２４の酸化剤ガス入口４２が共鳴空間部３６と連通し、所定面積を有する開口部３８となって、風入タンク２４全体が、ヘルムホルツの共鳴原理を利用して、外気の吸入に伴い吸気経路を伝播する伝播音の特定周波数成分を減衰させるためのヘルムホルツ共鳴型のレゾネータ消音部となる。

また、本実施形態では、風出タンク２６全体もレゾネータの消音部となるように、酸化剤ガス出口４４の周囲に、酸化剤ガス出口４４から出口空間２６ａまで所定距離突出するネック部４０が設けられることが好ましい。該ネック部４０を設けることにより、風出タンク２６の出口空間２６ａ全体が共鳴空間部３６となり、風出タンク２６の酸化剤ガス出口４４が共鳴空間部３６と連通し、所定面積を有する開口部３８となり、風入タンク２４全体が、ヘルムホルツ共鳴型のレゾネータ消音部となる。

上記これらの構成によっても、エアコンプレッサ１４から吐出され空気の圧力脈動は、レゾネータ消音部の風入タンク２４又は風出タンク２６により、大幅に減衰される。その結果、従来のようにインタークーラ１６とサイレンサを別々に設ける燃料電池システムより小型・軽量化が可能となる。

図６は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。図６に示すように、燃料電池システム２は、燃料電池１０と酸化剤ガス供給装置４８とを備えている。酸化剤ガス供給装置４８は、駆動用モータ１４ａを備えるエアコンプレッサ１４と、サイレンサ５０と、インタークーラ５２と、フィルタ１８と、加湿器２０とを備えている。そして、図６に示す燃料電池システム２は、空気配管２２の空気の流れに沿って、駆動用モータ１４ａを備えるエアコンプレッサ１４、サイレンサ５０、インタークーラ５２、フィルタ１８、加湿器２０、燃料電池１０の順に配設されているが、インタークーラ５２は、エアコンプレッサ１４とサイレンサ５０とで挟持されている。そして、これらの各構成機器は、一本の空気配管２２によって連通して接続されている。

このような構成を有する燃料電池システム２において、空気は、エアコンプレッサ１４の吸入口（不図示）から吸い込まれ、エアコンプレッサ１４で圧縮され吐出された後、サイレンサ５０で空気脈動による放射音が低減され、インタークーラ５２で温度が下げられ、フィルタ１８でダストが除去された後、加湿器２０にて加湿されて燃料電池１０のカソード極（空気極）に供給される。

サイレンサ５０は、外装をなす外板５４と、外板５４内に形成され、エアコンプレッサ１４から吐出された空気が流れるパイプ状の内板５６と、外板５４と内板５６との間の空間部に充填された消音材３２と、を備えている。なお、サイレンサ５０の構成は上記に制限されるものではない。例えば、サイレンサ５０は、外板５４と内板５６との間に所定容積を有する共鳴空間部と、内板５６に形成された所定面積を有する開口部と、開口部から共鳴空間部まで所定距離突出するネック部とを備えるヘルムホルツ共鳴型のレゾネータであってもよい。

このように構成されたサイレンサ５０では、エアコンプレッサ１４から吐出された空気の圧力脈動がパイプ状の内板５６内を貫流する際に、サイレンサ５０の消音材３２（又はレゾネータ）が抵抗となって減衰され、外板５４の表面からの放射音は低減される。

また、サイレンサ５０から排出された空気は、インタークーラ５２に流入し、冷却される。本実施形態において、インタークーラ５２は、エアコンプレッサ１４とサイレンサ５０とで挟持されているため、空気の圧力脈動による放射音の元となるインタークーラ５２の面積は小さくなっている。したがって、インタークーラ５２からの放射音も低減させることが可能となる。また、エアコンプレッサ１４上にインタークーラ５２を設置し、インタークーラ５２にサイレンサ５０を設置しているため、燃料電池システム２の小型化が可能となる。

本実施形態の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等に使用される。

１，２燃料電池システム、１０燃料電池、１２，４８酸化剤ガス供給装置、１４エアコンプレッサ、１４ａ駆動用モータ、１４ｂ酸化剤ガス出口、１６，５２インタークーラ、１８フィルタ、２０加湿器、２２空気配管、２４風入タンク、２４ａ入口空間、２６風出タンク、２６ａ出口空間、２８冷却コア、２９，５４外板、３０，５６内板、３２消音材、３４レゾネータ、３６共鳴空間部、３８開口部、４０ネック部、４２酸化剤ガス入口、４４酸化剤ガス出口、４６冷却液配管、５０サイレンサ。

Claims

燃料電池と酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮し、吐出する酸化剤ガス圧縮機と、前記酸化剤圧縮機から吐出された酸化剤ガスを冷却する冷却器と、を備え、
前記冷却器は、風入タンクと、風出タンクと、前記風入タンクと前記風出タンクとの間に設けられる冷却コア部と、を備え、前記風入タンク及び前記風出タンクのうち少なくともいずれか一方に、消音部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却器は、前記酸化剤ガス圧縮機上に組み付けられ、前記風入タンクの酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガス圧縮機の酸化剤ガス出口とが直付けされていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス圧縮機は、前記酸化剤ガスを圧縮させるために駆動する水冷式の駆動用モータを備え、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記冷却式の駆動用モータと前記冷却コア部との間で冷却液の受け渡しを行うための冷却液配管と、を備え、
前記冷却器と前記酸化剤ガス圧縮機との組み付け方向、及び前記冷却液配管と前記駆動用モータとの組み付け方向とが平行であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記組み付け方向は垂直方向であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記風入タンクは、前記風入タンク内に酸化剤ガスを導入し、所定面積を有する酸化剤ガス入口と、前記酸化剤ガス入口から前記風入タンク内へ所定距離突出する筒状のネック部とを備えるレゾネータであることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は５に記載の燃料電池システムであって、
前記風出タンクは、前記風出タンク内の酸化剤ガスを排出し、所定面積を有する酸化剤ガス出口と、前記酸化剤ガス出口から前記風出タンク内へ所定距離突出する筒状のネック部とを有するレゾネータであることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池と酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流れに沿って、前記酸化剤ガスを圧縮し、吐出する酸化剤ガス圧縮機、前記酸化剤圧縮機から吐出された酸化剤ガスの圧力脈動を減衰させる消音器、前記酸化剤ガスを冷却する冷却器、の順に配設され、
前記冷却器は、前記消音器と前記酸化剤ガス圧縮機とで挟持されていることを特徴とする燃料電池システム。