JP2012243416A - 車両用燃料電池の空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消音器に進入した水を排出することが可能な燃料電池自動車の空気供給装置を提供する。
【解決手段】空気導入部１１は、空気を取り込んで燃料電池へと導入する。消音器２０は、空気導入部１１と燃料電池との間に設けられている。消音器２０は、空気導入部１１によって取り込まれた空気の気流音を低減する。消音器２０は、ラジエータファン６０の近傍に配置されている。消音器２０には、内部に進入した水を外部に排出する水抜き孔２７が形成されている。水抜き孔２７は、ラジエータファン６０のエア流路に沿って配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池によって発電された電力を動力源とする車両に搭載され、燃料電池に空気を供給する車両用燃料電池の空気供給装置に関する。

燃料電池が搭載された燃料電池自動車が知られている。燃料電池においては、燃料電池スタックのアノード側に供給される水素等の燃料ガスと、カソード側に供給される酸化ガスとが、電解質膜で電気化学反応することにより電力が取り出される。

燃料電池自動車には、発電に必要な酸化ガスを燃料電池に供給するために、酸素を含む空気を取り込むエアインテークダクトが設けられている。このエアインテークダクトによって取り込まれた空気は、エアコンプレッサーによって燃料電池に供給される。

空気を取り込むときに空気の気流音（吸気音）が発生するため、その気流音を低減する消音器が車両に搭載される場合がある。例えば下記の特許文献１には、空気の気流音を低減するレゾネータを備えた空気供給システムが開示されている。また、引用文献１に記載のレゾネータケースの底面には、空気とともに混入した水を集める集水領域が設けられている。この集水領域には、集められた水をレゾネータケースの外部に排出する水抜き孔が形成されている。

上述したように、燃料電池自動車にはエアコンプレッサーが用いられるため、エンジンを搭載した車両よりも吸気脈動音が高周波になる。燃料電池自動車で発生する吸気脈動音の周波数は、従来の容積形のレゾネータで消音できる周波数よりも高くなる場合がある。そのため、従来のレゾネータでは、燃料電池自動車で発生する吸気脈動音を消音することが困難な場合がある。その対策として、高周波の吸気脈動音を低減するための吸音材を、エアインテークダクトに設けることがある。その吸音材としては、例えば不織布が用いられる。

特開２００７−６９６２９号公報

しかしながら、エアインテークダクトから取り込まれた空気に水が含まれている場合、エアインテークダクトから不織布に水が流入し、不織布が水を吸収して消音能力が低下することがある。また、不織布に吸収された水が凍結した場合には、さらに消音能力が低下してしまう。燃料電池自動車は、エンジンコンパートメント内にエンジン等の熱源が設けられていないため、エアインテークダクト内の水が凍結しやすい。特に、車両の床下に燃料電池スタックを搭載する場合、熱源となり得る燃料電池がエンジンコンパートメントから遠い位置に配置されることになるため、不織布に吸収された水が凍結しやすくなり、その結果、不織布の消音能力が低下しやすくなる。

本発明の目的は、消音器に進入した水を排出することが可能な車両用燃料電池の空気供給装置を提供することである。

本発明は、車両に搭載された燃料電池に空気を供給する車両用燃料電池の空気供給装置であって、前記車両に搭載されたラジエータファンの近傍に配置され内部に進入した水を外部に排出する水抜き孔が形成され、空気の気流音を低減する消音器を備え、前記水抜き孔は、前記ラジエータファンのエア流路に沿って配置されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る車両用燃料電池の空気供給装置であって、前記消音器は、上流側から下流側にかけて底面に沿って形成され内部に進入した水を集める導水路を備え、前記車両の高さ方向において、前記消音器の前記下流側が前記上流側よりも低い位置に配置され、前記水抜き孔は、前記消音器の前記下流側の前記底面において前記導水路に連通して形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る車両用燃料電池の空気供給装置であって、前記消音器は不織布を含むことを特徴とする。

本発明によると、ラジエータファンの近傍に配置された消音器には水抜き孔が形成されており、その水抜き孔が、ラジエータファンのエア流路に沿って配置されているため、消音器の内部に進入した水を外部に積極的に排出することが可能となる。

本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を上方から見た平面図である。 本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を側面から見た側面図である。 本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を背面から見た背面図である。 本発明の実施形態に係る消音器の断面図であり、図４のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る消音器の断面図であり、図４のＡ−Ａ断面図に直交する断面図である。

図１から図４を参照して、本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を上方から見た平面図である。図３は、本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置を側面から見た側面図である。図４は、本発明の実施形態に係る車両用燃料装置の空気供給装置を背面から見た背面図である。なお、図１から図４において、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は互いに直交している。Ｘ方向は車両の左側方を示し、Ｙ方向は車両の後方を示し、Ｚ方向は車両の上方を示している。

燃料電池自動車は、燃料電池（燃料電池スタック）を主電源として搭載しており、この燃料電池から供給される電力でモータを駆動させる。燃料電池スタックのアノード側に供給される水素等の燃料ガスと、カソード側に供給される酸化ガス（酸素を含む空気）とが、電解質膜で電気化学反応することにより電力が取り出される。燃料電池スタックから電力を得るためには、燃料ガスである水素と酸化ガスである空気とを、燃料電池スタックにそれぞれ供給する必要がある。そのため、燃料電池自動車には、水素等の燃料ガスを燃料電池スタックに供給する水素供給装置と、酸化ガス（酸素を含む空気）を燃料電池スタックに供給する空気供給装置とが備えられている。

水素供給装置は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンクを備えている。この高圧水素タンクから水素ガスを減圧しながら取り出して燃料電池スタックに供給する。

本実施形態に係る車両用燃料電池の空気供給装置は、例えば図１から図４に示すように、エアインテークダクト１０と、エアクリーナ３０と、エアクリーナホース４０と、図示しない圧縮機とを含んで構成されている。この空気供給装置では、圧縮機の駆動によりエアインテークダクト１０から外気（空気）を取り込み、取り込まれた空気をエアクリーナ３０で浄化し、その後、エアクリーナホース４０を介して図示しない燃料電池スタックに送る。

エアインテークダクト１０は、空気をエアクリーナ３０へと導くダクトであり、空気導入部１１と消音器２０とを含んで構成されている。空気導入部１１は、車両の前方から後方に向けて延在し、外気（空気）を取り込んで下流側の消音器２０へと導く。空気導入部１１の先端には、空気導入口１２として機能する開口が形成されており、この空気導入口１２からエアインテークダクト１０内へと空気を取り込めるようになっている。空気導入部１１の空気導入口１２とは反対側には、消音器２０が接続されている。

消音器２０の一端は空気導入部１１に接続され、他端はエアクリーナ３０に接続されている。消音器２０は、空気導入部１１からエアクリーナ３０に向かって車幅方向に延在し、空気導入部１１によって取り込まれた空気をエアクリーナ３０へと導く。例えば図４に示すように、車両の高さ方向（Ｚ方向）において、消音器２０の下流側が上流側よりも低い位置に配置されている。すなわち、消音器２０とエアクリーナ３０との接続部分（下流側）が、空気導入部１１と消音器２０との接続部分（上流側）よりも、低い位置に配置されている。従って、消音器２０は、空気導入部１１からエアクリーナ３０に向かって下方に傾斜している。

図５及び図６を参照して、消音器２０の構成について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る消音器の断面図であり、図４のＡ−Ａ断面図である。図６は、本発明の実施形態に係る消音器の断面図であり、Ａ−Ａ断面図に直交する断面図である。図５は、消音器の短手方向の断面図であり、図６は、消音器の長手方向（短手方向に直交する方向）の断面図である。

消音器２０は、空気導入部１１とエアクリーナ３０との間に設けられている。消音器２０の上流側には空気導入部１１が接続され、消音器２０の下流側にはエアクリーナ３０が接続されている。空気導入部１１によって取り込まれた空気は、図６に示す上流側から消音器２０に導入される。消音器２０は、空気を吸引するときに発生する気流音（吸気音）を低減し、騒音を抑制する機能を有する。

消音器２０は、外側シェル２１と、内側シェル２２と、外側シェル２１と内側シェル２２との間に充填された吸音材２５とを含んで構成されている。

外側シェル２１は、楕円又は円形の断面形状を有する筒状容器である。本実施形態では一例として、図５に示すように、外側シェル２１は楕円の断面形状を有するものとして説明する。外側シェル２１は、例えば金属板を筒状に成形し、その両端を側板でふさいだ形状を有し、一方の側板に空気導入部１１が取り付けられ、他方の側板にエアクリーナ３０と接続するための管が取り付けられている。

内側シェル２２は、楕円又は円形の断面形状を有する筒状容器である。本実施形態では一例として、図５に示すように、内側シェル２２は円形の断面形状を有するものとして説明する。内側シェル２２は、外側シェル２１の内部に外側シェル２１の長手方向に沿って設けられている。例えば、外側シェル２１の短手方向の断面の中心位置と、内側シェル２２の短手方向の断面の中心位置とが一致するように、外側シェル２１内に内側シェル２２が配置されている。このように、消音器２０は、外側シェル２１と内側シェル２２とによって２重管の構成をなしている。

内側シェル２２の内部には管状の空間が形成されており、その空間がエア流路２４となる。エア流路２４の一端（上流側）は空気導入部１１に接続され、エア流路２４の他端（下流側）はエアクリーナ３０に接続されている。空気導入部１１によって取り込まれた空気は、消音器２０のエア流路２４に導入され、エア流路２４内を消音器２０の上流側から下流側に向けて流れて、エアクリーナ３０に導入される。

また、内側シェル２２には、短手方向及び長手方向に沿って複数の貫通孔２３が形成されている。各貫通孔２３は、内側シェル２２の内部のエア流路２４から、外側シェル２１と内側シェル２２との間の空間（後述する吸音材２５が配置されている空間）に貫通している。

外側シェル２１と内側シェル２２との間には、吸音材２５が充填されている。吸音材２５は、空気が流れるときの気流音（吸気音）を吸収する機能を有する。吸音材２５には、例えば不織布や発泡材を用いることができる。外側シェル２１と内側シェル２２とによって不織布等の吸音材２５を押さえつけて、吸音材２５を固定する。空気導入部１１から消音器２０のエア流路２４に空気が導入されると、各貫通孔２３を通って吸音材２５に向けて音波が放射される。音波が吸音材２５に入射すると吸音材２５が振動し、吸音材２５の共振周波数（固有振動数）と音波の周波数とが一致すると、吸気音（気流音）は吸音材２５で共鳴することになる。吸音材２５で共鳴が発生すると、吸音材２５が激しく振動し、振動エネルギーが熱エネルギーに変換されて減衰することになる。その結果、気流音が低減される。

また、消音器２０の底面には、長手方向に沿って上流側から下流側にかけて空間が形成されており、その空間が導水路２６となる。すなわち、消音器２０の底面において、外側シェル２１の内壁と吸音材２５との間に空間を形成し、その空間を導水路２６とする。例えば、消音器２０の底面において外側シェル２１の一部を外側に突出させ、吸音材２５が配置される空間と外側シェル２１の内壁との間に空間を形成し、その空間を導水路２６とする。導水路２６は、消音器２０の内部に進入した水を集める。消音器２０の下流側の底面（最下部）には、導水路２６に連通する水抜き孔２７が形成されている。水抜き孔２７は、導水路２６に集められた水を消音器２０の外部に排出する。

空気がエア流路２４内を流れると、各貫通孔２３を通って吸音材２５に向けて音波が放射される。これにより、吸音材２５によって気流音が低減される。空気に水が含まれている場合には、貫通孔２３を通ってエア流路２４から吸音材２５に水が流入する場合がある。この場合、吸音材２５に流入した水は、消音器２０の底面に形成された導水路２６に自重によって集められる。図４に示すように、消音器２０の下流側は上流側よりも低い位置に配置されているため、導水路２６に集められた水は下流側に向かって流れる。消音器２０の下流側の底面（最下部）には水抜き孔２７が形成されているため、導水路２６を通って下流側まで流れた水は、水抜き孔２７から消音器２０の外部に排出される。このように消音器２０に高低差を設けることにより、導水路２６に集められた水は、下流側に形成された水抜き孔２７から消音器２０の外部に排出される。

エアクリーナ３０は、フィルタと、このフィルタを収納するケースとを含んで構成されている。例えば、フィルタは、空気中の比較的粗いダストを捕捉するダストフィルタと、空気中の化学物質（ＮＯｘやＳＯｘ等）を除去するケミカルフィルタとで構成されている。エアインテークダクト１０から導入された空気は、フィルタによって浄化されて、エアクリーナホース４０へと供給される。

エアクリーナホース４０のエアクリーナ３０とは反対側には、図示しない圧縮機が接続されている。圧縮機としては、例えばエアコンプレッサーを用いることができる。圧縮機は図示しない電動機によって駆動され、エアクリーナ３０によって浄化された空気を圧縮して排出する。圧縮機から排出された空気は、図示しない燃料電池スタックに供給される。

また、図１から図４に示すように、本実施形態に係る空気供給装置は、ラジエータ５０及びラジエータファン６０よりも、車両の後方側に設けられる。ラジエータ５０は、例えば車両の前方側に設けられている。ラジエータ５０は、例えば、冷媒を燃料電池スタックに供給して燃料電池スタックを冷却する。ラジエータファン６０は、ラジエータ５０よりも車両の後方側に隣接して設けられている。ラジエータファン６０は、車両の前方側から空気を吸引し、車両の後方側（図３に示す矢印Ａの方向）に空気を送風する。ラジエータファン６０によって車両の前方側から空気を吸引し後方側に送風することで、ラジエータ５０に風が当たってラジエータ５０が冷却される。

消音器２０はラジエータファン６０の近傍に配置されている。また、図３に示すように、消音器２０の水抜き孔２７が、ラジエータファン６０から供給される空気の流路（エア流路）に沿って配置されている。図３に示す例では、水抜き孔２７は、ラジエータファン６０の風下のエア流路に沿って配置されている。すなわち、消音器２０は、ラジエータファン６０において空気が排出される側の近傍に配置され、水抜き孔２７は排出された空気の流路に沿って配置されている。別の例として、水抜き孔２７は、ラジエータファン６０の風上のエア流路に沿って配置されてもよい。すなわち、消音器２０は、ラジエータファン６０において空気が吸い込まれる側の近傍に配置され、水抜き孔２７は吸い込まれる空気の流路に沿って配置されてもよい。

ラジエータファン６０のエア流路に沿って水抜き孔２７が配置されているため、水抜き孔２７の排出口（出口）の周辺では、ラジエータファン６０から風が供給されて空気の流速が速くなり、圧力が低下する。水抜き孔２７の排出口の周辺と導水路２６との間で圧力差が生じるため、導水路２６に集められた水がエゼクタ効果によって消音器２０の外部に吸い出される。このように、導水路２６に集められた水が、消音器２０の外部に積極的に排出される。

以上のような構成を有する空気供給装置において、エアインテークダクト１０の空気導入口１２から取り入れられた空気は、空気導入部１１と消音器２０とを経由して、エアクリーナ３０に供給される。空気導入部１１から消音器２０のエア流路２４に空気が導入されると、各貫通孔２３を通って吸音材２５に向けて音波が放射される。これにより、気流音が吸音材２５によって低減される。

また、取り込まれた空気に水が混入している場合には、水は各貫通孔２３を通って吸音材２５に流入する場合がある。この場合、吸音材２５に流入した水は、消音器２０の底面に形成された導水路２６に自重によって集められる。導水路２６に集められた水は、消音器２０の上流側から下流側に向かって流れ、下流側において導水路２６に連通して形成された水抜き孔２７から消音器２０の外部に排出される。

本実施形態では、ラジエータファン６０のエア流路に沿って水抜き孔２７が配置されているため、ラジエータファン６０から水抜き孔２７の排出口の周辺に風が供給される。そのことにより、水抜き孔２７の排出口周辺の圧力が低下するため、導水路２６から消音器２０の外部に水が排出されやすくなる。このように、本実施形態では、消音器２０から水を積極的に吸い出すことが可能となる。

以上のように、本実施形態に係る空気供給装置によると、取り込まれた空気に水が含まれて吸音材２５に水が流入した場合であっても、外部に水を積極的に排出することができるため、水を吸い込んだことによる消音器２０の消音能力の低下を抑制することが可能となる。

また、ラジエータ５０によって温められた空気がラジエータファン６０によって消音器２０に送られると、その温められた空気によって消音器２０を温めることができる。そのことにより、消音器２０内の水の凍結を抑制することが可能となる。

なお、エアクリーナ３０の底面に水抜き孔を形成してもよい。この場合においても、ラジエータファン６０のエア流路に沿って水抜き孔を形成することが好ましい。そのことにより、エアクリーナ３０内の水を外部に積極的に排出することができる。このようにエアクリーナ３０から水を積極的に排出することができるため、水を含んだことによるエアクリーナ３０の浄化能力の低下を抑制することが可能となる。

また、消音器２０にレゾネータを設けてもよい。例えば、空気導入部１１と消音器２０との間にレゾネータを設けてもよいし、消音器２０とエアクリーナ３０との間にレゾネータを設けてもよい。レゾネータは、内部に空間を有する箱であり、内部の空間を共鳴空間として利用することにより気流音を低減させる。この場合、レゾネータの底面に水抜き孔を設けてもよい。また、ラジエータファン６０のエア流路に沿って水抜き孔を形成することが好ましい。そのことにより、レゾネータ内の水を積極的にレゾネータの外部に排出することができる。このようにレゾネータから水を積極的に排出することができるため、水を含んだことによるレゾネータの消音能力の低下を抑制することが可能となる。

１０ エアインテークダクト、１１ 空気導入部、１２ 空気導入口、２０ 消音器、２１ 外側シェル、２２ 内側シェル、２３ 貫通孔、２４ エア流路、２５ 吸音材、２６ 導水路、２７ 水抜き孔、３０ エアクリーナ、４０ エアクリーナホース、５０ ラジエータ、６０ ラジエータファン。

Claims (3)

1. 車両に搭載された燃料電池に空気を供給する車両用燃料電池の空気供給装置であって、
   前記車両に搭載されたラジエータファンの近傍に配置され内部に進入した水を外部に排出する水抜き孔が形成され、空気の気流音を低減する消音器を備え、
   前記水抜き孔は、前記ラジエータファンのエア流路に沿って配置されている、
   ことを特徴とする車両用燃料電池の空気供給装置。
2. 請求項１記載の車両用燃料電池の空気供給装置であって、
   前記消音器は、上流側から下流側にかけて底面に沿って形成され内部に進入した水を集める導水路を備え、
   前記車両の高さ方向において、前記消音器の前記下流側が前記上流側よりも低い位置に配置され、
   前記水抜き孔は、前記消音器の前記下流側の前記底面において前記導水路に連通して形成されている、
   ことを特徴とする車両用燃料電池の空気供給装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の車両用燃料電池の空気供給装置であって、
   前記消音器は不織布を含むことを特徴とする車両用燃料電池の空気供給装置。

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