JP5560665B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素を主成分とする燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池装置に関する。

近年、新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯＸやＳＯＸなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音というメリットを有する電解質膜と触媒とを利
用した燃料電池装置が考えられている。

こうした燃料電池装置は、例えば、特許文献１から特許文献３などに開示されているように、燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（気体）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、この燃料電池に酸素（気体）を供給する空気供給装置（空気ブロア）と、燃料電池で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）と、熱交換器を具備し燃料電池や改質装置で発生する熱を回収して他の排熱利用外部機器に熱を供給する熱回収装置と、本体（パッケージ）内を換気する送風装置（換気ファン）と、排熱を利用しない場合の冷却に使用する放熱装置（クーリングモジュール）とにより基本的に構成される。

また、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、天然ガスを昇圧するブロアや、天然ガスの硫黄分を除去する脱硫器や、改質装置に水（蒸気）を送るポンプや、燃料電池の電解質膜を加湿するために、この燃料電池に水を送るポンプや、水中の不純物を除去する浄化装置や、水の電解質を除去するイオン交換装置や、燃料ガス、空気、水の流量を電磁弁で制御する制御部としてのコントローラなどの、様々な補助機器が配置され、配管や配線によって物理的および電気的に接続されている。

このような燃料電池装置を家庭用の発電機として使用する場合、燃料電池装置は大きな設置スペースが必要となるため、屋外に設置されることが一般的であり、また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普通である。そのため、燃料電池装置の運転時に大きな騒音が発生すると、使用者のみに止まらず、近隣住民にも不快感を与えることとなる。したがって、昼間においてはもちろんのこと、特に夜間においては、使用者や近隣住民に与える不快感を一掃するために燃料電池装置の低騒音化が不可欠となっている。

燃料電池装置から発生する騒音の多くは、燃料電池装置の構成機器である空気供給装置に起因し、吸気音や、運転時に発生する振動が配管や外郭などへ伝播することにより、燃料電池装置から大きな騒音が発生する。そのため、燃料電池装置の騒音源である空気供給装置の騒音を抑えることが必要である。

上記問題を解決する方法として、空気供給装置と例えば燃料電池などの空気供給先の機器とを接続する配管の直径を太くすることにより、圧力損失を低減し、空気供給装置を構成するモータの出力を下げる方法が有る。このようにすれば、モータの出力が下がるため、空気供給装置の振動を低減することができる。したがって、空気供給装置に接続された配管や、燃料電池装置の外郭に伝播する振動を低減することができると同時に、空気を吸気するときの圧力が低減されるため、吸気音を低減することができる。

また他の方法として、騒音源を収容する燃料電池装置の外郭に防音壁を取り付ける構成とした方法がある。

また他の方法として、図７、図８に示すように往復動空気圧縮機（図示せず）等の空気吸い込み口に消音器を取り付ける構成とした方法がある。

図７において、フィルター本体１００は、フィルター１０１と尾管部１０２を有し、尾管部１０２で騒音の低周波成分を効果的に消去し、フィルター１０１を流通して空気を排出するので、空気を清浄にして、空気吸気音を低減することができる。

特開２００２−２１６８２８号公報 特開２００８−８４５６４号公報 実公平３−１３５９３号公報

しかし、空気供給装置と空気供給先の機器とを接続する配管の直径を太くすることにより、圧力損失を低減し、空気供給装置を構成するモータの出力を下げる方法では、空気供給装置と気体供給先の機器とを接続する配管を太くすることにより、ユニットが大型化するという問題がある。そのため、より多くの設置スペースが必要となり、家庭用として使用する場合では、設置スペースが確保できないなどの弊害が発生することとなる。また、モータの出力を下げることにより、空気供給装置の空気供給量が減少するため、燃料電池装置の発電出力の低下や発電効率の低下を招来するという問題がある。

また、騒音源を収容する燃料電池装置の外郭に防音壁を取り付ける方法では、ただ単に防音壁や振動吸収材を取り付けるだけの簡単な方法であるため、入射音エネルギーの透過損失の大きい高周波数域（たとえば１ＫＨｚ以上）の騒音は比較的簡単な方法で遮音できるが、透過損失の小さい低周波数域（たとえば１ＫＨｚ未満）の騒音を遮音するには、防音壁の厚さや材料の選定を留意しなければならず、コスト高や、肉厚化により防音壁のスペースを多大に要するという問題がある。

また、空気吸い込み口に消音器を取り付ける方法では、尾管部１０２を長く構成しているため、多大なスペースを要し大型化するという問題がある。また尾管部１０２での圧力損失が大きく、燃料電池装置の発電効率が低下するが、加えてフィルター１０１は布状濾材が蛇腹状に折りたたまれて構成されているため、フィルター１０１での圧力損失が付加され、さらに燃料電池装置の発電効率が低下するという問題がある。

そこで本発明は上記従来の課題に鑑み、コスト、設置スペースや発電性能や効率に影響を及ぼすことなく、空気供給装置の吸い込み部で発生する騒音を遮音・低減し、靜音化することが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池装置は、水素を主成分とする燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、空気吸い込み口と前記空気供給装置との間に設けられ前記空気吸い込み口の通路断面積よりも大きい通路断面積を有するフィルター収納部に空気中の不要物を除去するフィルターを収納したフィルター部とを備え、前記空気吸い込み口の通路断面積Ｓ１１と前記フィルター収納部の通路断面積Ｓ１２との比率Ｓ１１／Ｓ１２が０．１〜０．６％にしたものである。

これによって、フィルターが空気吸込み口から出る低周波域の騒音を下げるため、新たに部材を構成する必要がないのでコスト、設置スペースに全く影響を及ぼすことなく、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音を遮音・低減でき靜音化が図れるようになる。

本発明の燃料電池装置によれば、簡単な構成でありながら、フィルターが空気吸込み口から出る低周波域の騒音を下げるため、新たに部材を構成する必要がないのでコスト、設置スペースに全く影響を及ぼすことなく、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音を遮音・低減でき、靜音化が図れる。

本発明の実施の形態１における燃料電池装置の構成を示す概略構成図 同実施の形態の燃料電池装置のフィルター部を空気の流れ方向に平行な平面で切断した場合の断面を示す断面図 同実施の形態の燃料電池装置における空気吸い込み口とフィルター収納部との通路断面積の比率を変えたときの騒音と消費電力の変化を示す特性図 本発明の実施の形態２における燃料電池装置のフィルター部を図２のＡ−Ａ線の部分で切断した場合の断面を示す断面図 本発明の実施の形態３における燃料電池装置のフィルター部を空気の流れ方向に平行な平面で切断した場合の断面を示す断面図 本発明の燃料電池装置の実施例における騒音測定結果を示す特性図 従来例のフィルター部を空気の流れ方向に平行な平面で切断した場合の断面を示す断面図 図７のＢ−Ｂ線断面図

第１の発明は、水素を主成分とする燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、空気吸い込み口と前記空気供給装置との間に設けられ前記空気吸い込み口の通路断面積よりも大きい通路断面積を有するフィルター収納部に空気中の不要物を除去するフィルターを収納したフィルター部とを備え、前記空気吸い込み口の通路断面積Ｓ１１と前記フィルター収納部の通路断面積Ｓ１２との比率Ｓ１１／Ｓ１２が０．１〜０．６％である燃料電池装置である。

上記構成により、簡単な構成でありながら、フィルターが空気吸込み口から出る低周波域の騒音を下げるため、新たに部材を構成する必要がないのでコスト、設置スペースに全く影響を及ぼすことなく、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音を遮音・低減でき、さらに空気吸いこみ抵抗の増加による消費電力の上昇を抑制し発電効率に影響を及ぼすことなく靜音化が図れる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記フィルターが、空気中の不要成分を吸着する吸着材で構成され、広い表面積で前記フィルターを通過する空気中の不要成分を効率よく吸着できるようにハニカム構造を有している燃料電池装置である。

上記構成により、広い表面積で前記フィルターを通過する空気中の不要成分を効率よく吸着できるようになるので、簡単な構成でありながら、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、騒音を遮音・低減することが可能になる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記フィルターが、交換可能に設けられている燃料電池装置である。

上記構成により、燃料電池装置の設置場所の環境により不要成分の主成分に応じてフィルターを容易に交換することが可能になる。

以下、本発明の燃料電池装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が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における燃料電池装置のカソード空気の経路の構成を示す概略構成図であり、図２は、同実施の形態の燃料電池装置のフィルター部を空気の流れ
方向に平行な平面で切断した場合の断面を示す断面図である。

図１に示すように本実施の形態における燃料電池装置１は、燃料口９から燃料極８に供給される水素を主成分とする燃料ガスとカソード空気経路から空気極７に流入する空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池６と、燃料電池６のカソード空気経路の途中に設けられ燃料電池６のカソードに空気を供給する空気供給装置４と、空気供給装置４と燃料電池６との間のカソード空気経路に設けられた加湿器５と、燃料電池６のカソード空気経路の空気吸い込み口１１と空気供給装置４との間に設けられ空気吸い込み口１１の通路断面積よりも大きい通路断面積を有するフィルター収納部１２に空気中の不要物を除去して燃料電池６の電圧低下および耐久劣化を防止するフィルター１３を収納したフィルター部１０とを備え、空気吸い込み口１１の通路断面積とフィルター収納部１２の通路断面積との比率が０．１〜０．６％になっている。

また、フィルター１３は、空気中の不要成分であるＳＯ_２、ＮＯ_２、Ｈ_２Ｓを８０％吸着除去する活性炭シート（吸着材）で構成され、広い表面積でフィルター１３を通過する空気中の不要成分を効率よく吸着できるようにハニカム構造を有しており、空気供給装置４の動作による吸い込み脈動を抑制している。また、フィルター部１０は、空気吸い込み口１１とフィルター収納部１２の構成により、吸込み空気騒音の低周波域の騒音を下げる。

この構成を有する燃料電池装置１において、空気はフィルター部１０の空気吸い込み側に設けられた空気吸い込み口１１から吸い込まれる際、空気の吸い込み音である低周波域の騒音を下げて空気供給装置４で排出された後、加湿器５にて加湿されて燃料電池６の空気極７に流入する。また、燃料電池６の燃料極８には燃料口９から燃料ガスが供給される。また、燃料電池装置１は全面が本体カバー１４で覆われ、燃料電池装置１の内部部品を風雨や外部からの侵入から保護するとともに、外部に漏れる騒音を遮音している。

次に、上記構成を有する空気吸い込み部１１の吸込み空気の低周波域の騒音を下げるフィルター部１０の動作について説明する。

図１、図２において、空気供給装置４は、たとえば回転翼を要するファンやポンプ等の送風機やダイヤフラム式電磁ポンプ等を設けることができる。空気吸い込み音は、空気供給装置４で発生する音の音源周波数に空気吸い込み口１１が同調し、気柱共鳴を発生することが知られており、この現象が騒音となっている。

たとえば空気供給装置４をダイヤフラム式電磁ポンプとし、電源周波数を５０Ｈｚとした時、５０Ｈｚの倍数が音源周波数となり得る。このとき、空気吸い込み部１１において空気吸い込み音が低周波数域（たとえば１ＫＨｚ未満）の音域であれば、５０、１００、１５０、２００、２５０，３００、３５０、４００、・・・・・・１０００Ｈｚ未満の少なくとも一つの周波数で共鳴し、その周波数の騒音レベルが上昇する。

騒音を遮音する場合に壁材などの構造物を用いる方法もあるが、音の透過損失は、周波数が比較的高いときは大きくなり、壁材などの構造物で音源を覆うことにより大きな効果を発揮するが、周波数が比較的低い場合の透過損失は小さく、構造物で音源を覆い隠しても大きな効果は得られない。

そのため、本実施の形態では、空気吸い込み音の透過損失の小さい低周波数域の騒音を低減するために、空気吸い込み口１１とフィルター収納部１２を有するフィルター部１０を配設し、空気吸い込み口１１の通路断面積とフィルター収納部１２の通路断面積との比率を０．１〜０．６％とすることにより低周波域の騒音を下げている。

また、図３は、本実施の形態の燃料電池装置における空気吸い込み口とフィルター収納部との通路断面積の比率を変えたときの騒音と消費電力の変化を示す特性図である。

本実施の形態では、図３に示すように、空気吸い込み口１１の通路断面積とフィルター収納部１２の通路断面積との比率Ｓ１１／Ｓ１２を０．１〜０．６％としたことで、低周波数域の騒音を低減するとともに、空気吸込み口１１での抵抗が増加することによる空気供給装置４の消費電力の増加を抑制することが可能である。

ここで空気吸い込み口１１の通路断面積とフィルター収納部１２の通路断面積との比率Ｓ１１／Ｓ１２を０．１〜０．６％としたのは、騒音値の上限値を一般的に許容可能な騒音値として４０ｄＢとしたとき、比率Ｓ１１／Ｓ１２の上限値が０．６となり、また空気供給装置４の消費電力が比率Ｓ１１／Ｓ１２０．１％を境に急激に上昇しはじめ、通常運転状態の限界であると判断したからである。

このように本実施の形態１に係る燃料電池装置では、空気吸込み口１１を有した低周波域の騒音を下げるフィルター部１０を配設するので、簡単かつ省スペース、低コストで騒音の低減を図ることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池装置のフィルター部を図２のＡ−Ａ線の部分で切断した場合の断面を示す断面図である。なお、実施の形態１と同様の構成については同一符号を付し、その説明は省略する。

図４に示すように、フィルター部１０は、空気吸い込み口１１とフィルター収納部１２とハニカム構造のフィルター１３で構成され、空気吸い込み口１１から吸い込んだ空気はフィルター収納部１２に配置されたハニカム構造の活性炭シート（吸着材）で構成されたフィルター１３を通過する。このとき空気供給装置４は、電磁式ダイヤフラムポンプのため、空気吸い込み時に一定周期の脈動が発生するが、フィルター１３を通過することで吸込み空気の脈動が抑制され、脈動時の振動音および全周波数帯域での騒音値が低減されるように構成されている。

次に、ハニカム構造の活性炭シート（吸着材）で構成されたフィルター１３での脈動時の振動音および全周波数帯域での騒音値が低減するフィルター部１０の作用を説明する。

空気供給装置４としては、電源仕様５０Ｈｚの電磁ポンプが一般的であるが、このとき空気供給装置４は電源周波数５０Ｈｚに応じて吸込み空気に脈動を与えている。フィルター部１０の空気吸込み口から流入した空気は、フィルター収納部１２の空気入り口側に設けた第１のバッファー部１２ａに溜まり、均一にハニカム構造のフィルター１３に分配されて流通する。このときハニカム構造のフィルター１３の整流作用により空気の脈動は抑制されるので、吸い込み空気の脈動時の振動音は低減される。

このように本実施の形態２に係わる燃料電池装置１では、空気吸い込みの脈動振動音を低減、および全周波数帯域での吸い込み騒音が低下した燃料電池装置を提供することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池装置のフィルター部を空気の流れ方向に平行な平面で切断した場合の断面を示す断面図である。なお、実施の形態１、実施の形態２と同様の構成については同一符号を付し、その説明は省略する。

図５に示すように、フィルター部１０は、空気吸い込み口１１とフィルター収納部１２とハニカム構造のフィルター１３で構成され、フィルター収納部１２は、空気吸い込み口１１の一面を分離した蓋１５と、蓋１５を除いたフィルター収納部本体１６とで構成され、蓋１５とフィルター収納部本体１６は、フランジ部１７で、ねじ１８により締結して一体化されている。

次に、フィルター１３の交換動作について説明する。

フィルター１３は、ねじ１８を緩めて、蓋１５とフィルター収納部本体１６を分離し、フィルター１３を脱着自在に作業できる。

このように本実施の形態の燃料電池装置１では、燃料電池装置１の設置場所の環境により不要成分の主成分に応じてフィルター１３を容易に交換することができる。

図１に示す構成の空気供給装置４を備える空気吸込み口１１を燃料電池装置１に組み込み、この燃料電池装置１を空気供給装置４のみを単独運転した場合の騒音試験を行った。

このとき、測定対象である燃料電池装置１は防音室の中央に設置し、騒音値を測定するマイクロフォンは燃料電池装置１から１ｍ離れた位置に設置した。マイクロフォンは人間の可聴域特性を模擬したＡ特性フィルターをかけて使用した。

ここで、空気供給装置４としては、電源仕様５０Ｈｚの電磁ポンプを使用し、フィルター部１０は空気吸い込み口１１の吸い込み面積Ｓ１１とタンク１２の横断面積Ｓ１２の比率Ｓ１１／Ｓ１２が０．１１％とした。ここで用いた空気供給装置４からの騒音測定は、その騒音が最大となる条件で行った。すなわち、空気流量が最大値となる騒音が最も大きくなる５０Ｌ／ｍｉｎ条件で運転させた。

騒音の測定結果を図６に示す。図６は燃料電池装置１の騒音の測定結果を１／３オクターブ周波数分析した結果である。これにより、フィルター部１０を設けない場合には特に５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚの１ＫＨｚ未満の低周波数において強いピークの騒音値を示すが、フィルター部１０を設けた場合にはこの低周波数の騒音が低減されていることが確認できる。さらに、全周波数域におけるオールパス騒音値は、６ｄＢ低減されている。

本発明にかかる燃料電池装置は、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、空気供給装置の空気吸い込み口で発生する騒音を低減することが可能となり、燃料電池コージェネレーションシステムのほか、燃料電池自動車等へも適用できるものである。

１ 燃料電池装置
３ 空気配管
４ 空気供給装置
６ 燃料電池
１０ フィルター部
１１ 空気吸い込み口
１２ フィルター収納部
１３ フィルター

Claims (3)

1. 水素を主成分とする燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
   空気吸い込み口と前記空気供給装置との間に設けられ前記空気吸い込み口の通路断面積よりも大きい通路断面積を有するフィルター収納部に空気中の不要物を除去するフィルターを収納したフィルター部とを備え、
   前記空気吸い込み口の通路断面積Ｓ１１と前記フィルター収納部の通路断面積Ｓ１２との比率Ｓ１１／Ｓ１２が０．１〜０．６％である燃料電池装置。
2. 前記フィルターは、空気中の不要成分を吸着する吸着材で構成され、広い表面積で前記フィルターを通過する空気中の不要成分を効率よく吸着できるようにハニカム構造を有している請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記フィルターは、交換可能に設けられている請求項１または２に記載の燃料電池装置。