JP2015153569A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池のカソードへ空気を送る空気供給器と、燃料電池と空気供給器とを接続し、空気を流す第１流路と、第１流路から分岐し、空気を流す第２流路と、第２流路の空気の流れの下流側端部を含む先端部分に接続され、燃料ガスを燃焼する燃料処理機、燃料ガス中の一酸化炭素を酸化して低減する一酸化炭素除去器、及び、燃料電池のアノードのうちの少なくとも１つへ空気を流す第３流路と、を備えている。そして、特に、第３流路の断面積は第２流路の断面積よりも小さく、第２流路の長さは空気供給器が発生する主な音の波長の略４分の１になるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させることで発電を行う燃料電池システムに関するものである。

近年、新発電システムの１つとして、ＮＯＸやＳＯＸなどの有害物質を発生せず、小型な分散型発電機の燃料電池システムが考えられている。このような燃料電池システムを家庭用の発電機として使用する場合、燃料電池システムは家庭で使用する電力の一部若しくは全部を賄うため、終日運転することが一般的である。

燃料電池システムは、燃料電池の水素と酸素との電気化学的反応により発電する。一般には、燃料電池に空気を供給し、空気中の酸素が発電に用いられる。他方、燃料電池の発電に用いる水素は、原料から水素を主成分とする燃料ガス（水素リッチな燃料ガス）を生成する燃料処理機を用い、この燃料処理機で生成された水素リッチな燃料ガスを燃料電池に供給することで賄うことが多い。燃料処理機において燃料ガスを生成する際には同時に水や空気を供給するのが一般的である。

従来の燃料電池システムとしては、燃料電池、および燃料処理機に空気を供給する時、燃料電池、および燃料処理機の圧力損失が大きいために高い送風圧が必要になる。このため、空気供給器には、しばしば空気ブロワが使用される。空気ブロワの例として、ダイヤフラム式空気ポンプや、ローター式空気ポンプなどがある。例えば、ダイヤフラム式空気ポンプは、空気ポンプのチャンバーの容積が増えるようにダイヤフラムを変形することで空気ポンプのチャンバーを負圧にして吸気し、逆にチャンバーの容積が減るようにダイヤフラムを変形することでチャンバーを正圧にして排気する。そのため、送られる空気に脈動が発生する。この脈動は音そのものであるため、脈動が大きければ、騒音も大きくなる。

ここで、図４に特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示す。図４に示す従来の燃料電池システムとしては、空気供給器として１つの空気ブロワを備え、この空気ブロワによって空気を燃料電池本体のカソード極へ供給するとともに、改質器、一酸化炭素除去器へ供給する燃料電池システムが開示されている。

特許文献１により、１つの空気供給器から燃料電池および一酸化炭素除去器の両方に空気を供給する燃料電池システムであっても、燃料電池の発電時における性能を向上させることができる。

国際公開第２０１１／１１８１５８号

しかし、昼夜問わず燃料電池システムの運転時に大きな騒音が発生すると、使用者、及び近隣住民にも不快感を与えることになる。したがって、使用者や近隣住民に与える不快感を解消するために昼夜問わず、燃料電池システムの低騒音化が不可欠である。

一方、家庭用として使用する場合、安定的に発電ができることはもちろん、多くの家庭
に設置できるように設置スペースが小さいことが望ましい。そこで、設置スペースが小さく低騒音化を実現した燃料電池システムの開発が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑み、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池のカソードへ空気を送る空気供給器と、燃料電池と空気供給器とを接続し、空気を流す第１流路と、第１流路から分岐し、空気を流す第２流路と、第２流路の空気の流れの下流側端部を含む先端部分に接続され、燃料ガスを燃焼する燃料処理機、燃料ガス中の一酸化炭素を酸化して低減する一酸化炭素除去器、及び、燃料電池のアノードのうちの少なくとも１つへ空気を流す第３流路と、を備えている。そして、特に、第３流路の断面積は第２流路の断面積よりも小さく、第２流路の長さは空気供給器が発生する主な音の波長の略４分の１になるように構成されている。なお、上記した下流とは空気の流れる方向における下流側を意味するものである。

本構成によると、第１流路から分岐して第２流路が形成されており、空気供給器だけで燃料電池のカソードおよび燃料処理機、一酸化炭素除去器、及び、燃料電池のアノードのうちの少なくとも１つへ空気を流す空気を送ることができる。また、第２流路の下流端部を含む先端部分が接続される第３流路は第２流路の断面積よりも小さくなるように形成されている。このため、第２流路から第３流路の接続部で音響インピーダンスが大きくなり、第１流路から第２流路へ伝わった音波の大部分は第２流路と第３流路の接続部で反射し、第２流路の上流部へ跳ね返っていく。第２流路の長さを空気供給器が発生する主な音波の略１／４波長の長さになるように形成すれば、跳ね返った音波が第２流路と第１流路の接続部まで返ると１／２波長遅れた位相となり、第１流路からの音波と第２流路から反射した音波とが打ち消しあうように干渉し、騒音を減衰する。つまり、空気供給器が発生する騒音、すなわち空気の脈動を効率的に低減することができるので、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することできる。

先端部分は、第２流路のうち下流側端部から一定長さの流路であり、先端部分の断面積は、先端部分の上流側に位置する第２流路の他の部分の断面積よりも大きくなるように構成しても良く、先端部分の形状が複数の断面積拡大縮小部分を含んでいても良い。

本発明の燃料電池システムは、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池システムを実現できる。

本発明の請求項１の実施形態における燃料電池システムの構成図 本発明の請求項２の実施形態における燃料電池システムの構成図 本発明の請求項３の実施形態における燃料電池システムの構成図 従来の燃料電池システムを示す構成図

第１の発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池のカソードへ空気を送る空気供給器と、燃料電池と空気供給器とを接続し、空気を流す第１流路と、第１流路から分岐し、空気を流す第２流路と、第２流路の空気の流れの下流側端部を含む先端部分に接続され、燃料ガスを燃焼する燃料処理機、燃料ガス中の一酸化炭素を酸化して低減する一酸化炭素除去器、及び、燃料電池のアノードのうちの少なくとも１つ
へ空気を流す第３流路と、を備えている。そして、特に、第３流路の断面積は第２流路の断面積よりも小さく、第２流路の長さは空気供給器が発生する主な音の波長の略４分の１になるように構成されている。なお、上記した下流とは空気の流れる方向における下流側を意味するものである。

本構成によると、第１流路から分岐して第２流路が形成されており、空気供給器だけで燃料電池のカソードおよび燃料処理機、一酸化炭素除去器、及び、燃料電池のアノードのうちの少なくとも１つへ空気を流す空気を送ることができる。また、第２流路の下流端部を含む先端部分が接続される第３流路は第２流路の断面積よりも小さくなるように形成されている。このため、第２流路から第３流路の接続部で音響インピーダンスが大きくなり、第１流路から第２流路へ伝わった音波の大部分は第２流路と第３流路の接続部で反射し、第２流路の上流部へ跳ね返っていく。第２流路の長さを空気供給器が発生する主な音波の略１／４波長の長さになるように形成すれば、跳ね返った音波が第２流路と第１流路の接続部まで返ると１／２波長遅れた位相となり、第１流路からの音波と第２流路から反射した音波とが打ち消しあうように干渉し、騒音を減衰する。つまり、空気供給器が発生する騒音、すなわち空気の脈動を効率的に低減することができるので、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池システムを実現できる。

第２の発明は、第１の本発明の燃料電池システムにおいて、第２流路のうち下流側端部から一定長さの流路であり、先端部分の断面積は、先端部分の上流側に位置する第２流路の他の部分の断面積よりも大きくなるように構成した燃料電池システムである。

本構成によると、第２流路の先端部分によって、第２流路はヘルムホルツ共鳴型消音器を構成し、第２流路の共鳴周波数を空気供給器の騒音周波数と同じになるように形成している。これによって空気供給器の騒音周波数と同じ騒音周波数、およびその近傍の騒音周波数で共鳴するので、第１流路の騒音と打ち消しあうように干渉し、空気供給器が発生する主な騒音およびその近傍の騒音周波数の騒音を低減させることができる。

第３の発明は、第２の本発明の燃料電池システムにおいて、先端部分の断面積は、先端部分の上流側に位置する第２流路の他の部分の断面積よりも大きい箇所を複数含むように構成した燃料電池システムである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示した構成図である。図１に示すように、本発明における燃料電池システムは燃料電池１と、改質器２と、一酸化炭素除去器３と、燃料処理機４と、燃料ガス流路５と、空気供給器６と、第１流路７と、第２流路８と、第３流路９と、選択酸化流量計１０と、制御装置１１と、インバータ回路１２と、燃焼バーナー１３と、リサイクルガス流路１４を備えている。燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う装置であり、一般的なものを好適に用いることができる。改質器２は、触媒を用いて都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系の原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する装置である。一酸化炭素除去器３は、触媒と空気を用いて燃料ガスに含まれる一酸化炭素を酸化して低減する装置である。燃料処理機４は、改質器２と、一酸化炭素除去器３と、改質器２、燃焼バーナー１３を備える装置である。燃料ガス流路５は、一酸化炭素除去器３に接続され、燃料電池１へ一酸化炭素が除去された水素リッチな燃料ガスを流す配管である。空気供給器６は、燃料電池１のカソードへ空気を送る装置であり、ダイヤフラム式空気ポンプや、ローター式空気
ポンプなどを使用することができる。第１流路７は、燃料電池１と空気供給器６とを接続し、空気を流す配管である。第２流路８は、第１流路７から分岐し、第３流路へ空気を流す配管であり、特に、第３流路９の断面積は第２流路８の断面積よりも小さく、第２流路８の長さは空気供給器６が発生する主な音の波長の略４分の１になるように構成している。第３流路９は、第３流路９ａと、第３流路９ｂからなるもので、第３流路９ａは、第２流路８の空気の流れの下流側端部を含む先端部分に接続され、選択酸化流量計１０へ空気を流し、第３流路９ｂは、選択酸化流量計１０に接続され、一酸化炭素除去器３へ空気を流す配管である。選択酸化流量計１０は、一酸化炭素除去器３へ流れる空気の量を測定する装置である。制御装置１１は、空気供給器６や、選択酸化流量計１０や、インバータ回路１２や各種センサ（図示せず）などを含む燃料電池システム全体の動作を制御する。制御装置１１は、単独の制御装置で集中制御を行うよう構成されてもよく、複数の制御装置で分散制御を行うよう構成されてもよい。制御装置１１は、制御機能を有すればよく、例えば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理経路等で構成される。制御装置１１は、燃料電池システム内の各機器と信号線により接続されており、各種機器からの情報に応じて、各機器の制御を実施する。インバータ回路１２は、燃料電池１で発電した直流電力を交流電力に変換され電力負荷等（図示せず）に供給する装置である。燃焼バーナー１３は、一酸化炭素除去器３の触媒の化学反応を効率良く行うために、原料ガスや燃料ガスを燃焼して各触媒を加熱する装置である。リサイクルガス流路１４は、燃料電池１に接続され、燃料電池１で消費されなかった燃料ガスを燃焼バーナー１３へ流す配管である。

まず、本実施の形態における燃料電池システムの発電動作について説明する。

図１に示す燃料電池システムでは、原料供給源から供給された都市ガスまたはプロパンガスに含有する付臭成分を脱硫機（図示せず）で除去する。そして、付臭成分が除去された都市ガスまたはプロパンガスが炭化水素系の原料ガスとして燃料処理機４の改質器２に供給される。また、改質器２には改質反応に必要な水も供給される。改質器２では燃料ガスと水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質することにより水素リッチな改質ガスを生成する。生成された改質ガスは一酸化炭素除去器３に供給される。一酸化炭素除去器３では、空気供給器６からの空気の一部が第２流路８、および第３流路９を通じて供給され、触媒を用いて改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化し二酸化炭素にすることにより一酸化炭素を除去した燃料ガスを生成する。燃料処理機４で生成された一酸化炭素を除去した燃料ガスは、燃料ガス流路５を通じて燃料電池１に供給される。一方、空気供給器６から空気の一部が第１流路７を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１は、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより、発電を行う。

次に、本実施の形態の特徴である燃料電池システムの騒音低減を実現する方法を説明する。本発明で工夫した点として、第２流路８が接続される第３流路９は、第２流路８の断面積よりも小さくなるように形成されている。すなわち、第２流路８から第３流路９の接続部で音響インピーダンスが大きくなるので、第１流路７より第２流路８へ伝わった音波は第２流路８から第３流路９への音波の透過の大部分が阻止され、その音波の大部分は第２流路８と第３流路９の接続部で反射し、第２流路８の上流部へ跳ね返っていく。

そして、さらに本発明の燃料電池システムは、第２流路８の長さＬを空気供給器６が発生する主な音波の略１／４波長の長さになるように工夫している。これによって、その主な音波は第２流路８と第１流路７の接続部まで返ると１／２波長遅れた位相となり、第１流路７からの主な音波と第２流路８から反射した主な音波とが打ち消しあうように干渉し、騒音を減衰する。つまり、空気供給器が発生する騒音、すなわち空気の脈動を効率的に低減することができるので、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池システムを実現できる。

また、本実施の形態１で低減できる騒音は、空気供給器６が発生する主な音波のみでなく、３倍音、５倍音、（２ｎ−１）倍音（ｎ：整数）の騒音も同時に低減することができる。

本実施の形態１では、第２流路８は、第１流路７から分岐し、第３流路９と選択酸化流量計１０を介して、一酸化炭素除去器３に接続される構成としたが、これに限定されるものではなく、燃料電池１のアノード極に空気を供給して燃料ガスに含まれるｐｐｍオーダーの一酸化炭素を除去し、一酸化炭素によるアノード劣化を改善するために、第１流路７から分岐して、燃料電池１のアノード極に接続される構成としても良い。また、燃焼バーナー１３に空気を供給して燃焼性を良くするために、第１流路７から分岐して、燃焼バーナー１３に接続される構成としても良い。これによって、同等の騒音低減効果を実現できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成例を示した構成図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。

本実施の形態の特徴である燃料電池システムの騒音低減を実現する方法を説明する。本発明の燃料電池システムで工夫した点として、実施の形態１に係る燃料電池システムと比して、第２流路８のうち下流側端部から一定長さの流路であり、先端部分の断面積は、先端部分の上流側に位置する第２流路８の他の部分の断面積よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第２流路８がヘルムホルツ共鳴型消音器を構成し、第２流路８の共鳴周波数を空気供給器６の騒音周波数と同じになるように工夫している。これによって、本実施の形態２は第２流路８のヘルムホルツ共鳴器によって、空気供給器６の騒音周波数と同じ騒音周波数、およびその近傍の騒音周波数で共鳴するので、第１流路７の騒音と打ち消しあうように干渉し、空気供給器が発生する主な騒音およびその近傍の騒音周波数の騒音を低減させることができる。

また、第２流路８の先端部分の形状は、図３のように、複数の断面積拡大縮小部分を含んでいても良い。こうすることで、図２の第２流路８では、１つの周波数およびその近傍のみしか共鳴しなかったが、図３の第２流路８では、複数の周波数およびその近傍で共鳴するので、幅広い騒音周波数に対して低減効果を発揮することができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池を提供することができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することができる。これにより、動作音が静かで安定した発電を実施することができ、例えば家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。

１ 燃料電池
２ 改質器
３ 一酸化炭素除去器
４ 燃料処理機
５ 燃料ガス流路
６ 空気供給器
７ 第１流路
８ 第２流路
９ 第３流路
１０ 選択酸化流量計
１１ 制御装置
１２ インバータ回路
１３ 燃焼バーナー
１４ リサイクルガス流路

Claims (3)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードへ空気を送る空気供給器と、
   前記燃料電池と前記空気供給器とを接続し、空気を流す第１流路と、
   前記第１流路から分岐し、空気を流す第２流路と、
   前記第２流路の空気の流れの下流側端部を含む先端部分に接続され、燃料ガスを燃焼する燃料処理機、燃料ガス中の一酸化炭素を酸化して低減する一酸化炭素除去器、及び、前記燃料電池のアノードのうちの少なくとも１つへ空気を流す第３流路と、
   を備え、
   前記第３流路の断面積は前記第２流路の断面積よりも小さく、
   前記第２流路の長さは前記空気供給器が発生する主な音の波長の略４分の１である、
   燃料電池システム。
2. 前記先端部分は、前記第２流路のうち前記下流側端部から一定長さの流路であり、
   前記先端部分の断面積は、前記先端部分の上流側に位置する前記第２流路の他の部分の断面積よりも大きい、
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記先端部分の断面積は、前記先端部分の上流側に位置する前記第２流路の他の部分の断面積よりも大きい箇所を複数含む、
   請求項２記載の燃料電池システム。

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