JP5982637B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムは、本体筐体内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器と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池（以降、スタックと呼ぶ）と、スタックに空気を供給する空気供給装置を含む吸気経路と、吸気経路に設けられ、吸気中の不純物を除去するためのフィルタを備えたフィルタ装置と、スタックや改質器を円滑に作動させるための補助機器とを備えている。

吸気経路に設けられるフィルタ装置は、吸気中の不純物を除去するためのフィルタが、吸気口と排気口を備えたフィルタ収納部に収納されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来のスタックのフィルタ装置の断面図を示すものである。

図４に示すように、フィルタ装置２６のケース３１は、一側面を開口した第１ケース３２と、その第１ケース３２の開口部を開閉可能に覆う第２ケース３３とから構成されている。第１ケース３２には吸気口３４が形成され、第２ケース３３には排気口３５が形成されている。ケース３１内にはフィルタユニット３６が、第１ケース３２と第２ケース３３の合わせ目付近に位置するように配置され、スタックへの吸入空気がフィルタユニット３６を通過することにより、同吸入空気中に含まれる不純物が除去されるようになっている。図４に示すように、フィルタユニット３６は、吸気口３４側に配置された上流側フィルタ３７と、排気口３５側に配置された下流側フィルタ３８とから構成されている。

特開２００８−１５９２８１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムにフィルタ装置を組み込んで、燃料電池システムを動作させた場合、つまり、排気口をスタックに空気を供給する空気供給装置を含む吸気経路に接続して動作させた場合、空気供給装置の動作音がフィルタ装置の内部を伝わって吸気口から出ることにより、空気供給装置の動作音が燃料電池システムの外部に伝わり、燃料電池システム全体の動作音が大きくなるという課題を有していた。

一般的に空気供給装置の動作音は大きく、フィルタ装置から出てくる空気供給装置の動作音が燃料電池システム全体の動作音の大きな割合を占めている。また、フィルタ装置内部に吸音材を設ければフィルタ装置から出る音を低減することは可能であるが、フィルタ装置内部の流路抵抗が大きくなり、つまり圧損が大きくなり、スタックへの空気の供給を妨げることになる。

本発明は、従来の課題を解決するもので、空気供給装置の動作音が燃料電池システムの外部に伝わることを、圧損に影響することなく低減することで、動作音の小さい燃料電池
システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給装置と、
燃料電池スタックに供給される空気を浄化するフィルタ装置と、
一端が燃料電池スタックに接続されており、他端がフィルタ装置の排気口に接続されている空気供給経路とを備え、
空気供給装置は、空気供給経路上に配置されており、
フィルタ装置は、排気口と空気を取り入れるための吸気口とが形成されているフィルタ収納部と、フィルタ収納部の内部に配置されているフィルタとを備えており、
フィルタ収納部の内部空間の断面積は排気口の通路の断面積より大きく構成されており、フィルタは、吸気口が形成されているフィルタ収納部の第１面の内壁との距離がフィルタの厚さ以下になるように配置され、排気口が形成されているフィルタ収納部の第２面の内壁との間の空間がフィルタの容積以上になるように配置されており、
第２面の内壁とフィルタとの間の空間が、排気口の通路の断面積より大きい断面積でフィルタの厚さよりも長い通路になっており、排気口からフィルタ収納部に伝わった空気供給装置の動作音の圧力波を、通路断面積の拡大によって分散させて減衰させた後、第２面の内壁からフィルタの搭載位置までの距離による距離減衰により更に減衰させ、吸気口から出る直前でフィルタを通過するときにフィルタによって減衰させたのである。

これによって、空気供給装置の動作音が排気口からフィルタ収納部に伝わる際に、排気口の流路の断面積よりフィルタ収納部の流路の断面積を大きくすることで、音の圧力波を分散させることで音の圧力波を減衰することができ、また、排気口からフィルタの搭載位置までの距離を大きくすることで、音の圧力波を減衰することができ、また、吸気口に近い位置にフィルタを配置することで、音が吸気口から出る直前でフィルタで減衰することができ、フィルタ装置内部の圧損を上げることなく、吸気口から出る空気供給装置の動作音を低減することができる。

また、吸気口に近い位置にフィルタを配置することで、吸気口からの吸入される空気中の異物がフィルタ収納部内部の音を減衰するための空間に入る前にフィルタで除去できるため、フィルタ収納部内部の音を減衰するための空間に異物が侵入して詰まることなく、空気供給装置の動作音の低減を安定して行うことができる。

本発明の燃料電池システムは、空気供給装置の動作音が燃料電池システムの外部に伝わることを低減することで、動作音を小さくすることができる。

本発明の実施の形態１におけるフィルタ装置の断面図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態１におけるフィルタ装置内を伝わる空気供給装置の動作音の状態図 従来の燃料電池システムのフィルタ装置の断面図

第１の発明は、
燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給装置と、
燃料電池スタックに供給される空気を浄化するフィルタ装置と、
一端が燃料電池スタックに接続されており、他端がフィルタ装置の排気口に接続されている空気供給経路とを備え、
空気供給装置は、空気供給経路上に配置されており、
フィルタ装置は、排気口と空気を取り入れるための吸気口とが形成されているフィルタ収納部と、フィルタ収納部の内部に配置されているフィルタとを備えており、
フィルタ収納部の内部空間の断面積は排気口の通路の断面積より大きく構成されており、
フィルタは、吸気口が形成されているフィルタ収納部の第１面の内壁との距離がフィルタの厚さ以下になるように配置され、排気口が形成されているフィルタ収納部の第２面の内壁との間の空間がフィルタの容積以上になるように配置されており、
第２面の内壁とフィルタとの間の空間が、排気口の通路の断面積より大きい断面積でフィルタの厚さよりも長い通路になっており、排気口からフィルタ収納部に伝わった空気供給装置の動作音の圧力波を、通路断面積の拡大によって分散させて減衰させた後、第２面の内壁からフィルタの搭載位置までの距離による距離減衰により更に減衰させ、吸気口か出る直前でフィルタを通過するときにフィルタによって減衰させたのである。

この構成により、空気供給装置の動作音が排気口からフィルタ収納部に伝わる際に、排気口の流路の断面積よりフィルタ収納部の流路の断面積を大きくすることで、音の圧力波を分散させることで音の圧力波を減衰することができ、また、排気口からフィルタの搭載位置までの距離を大きくすることで、音の圧力波を減衰することができ、また、吸気口に近い位置にフィルタを配置することで、音が吸気口から出る直前でフィルタの吸音効果により減衰することができ、フィルタ装置内部の圧損を上げることなく、吸気口から出る空気供給装置の動作音を低減することができる。

また、吸気口に近い位置にフィルタを配置することで、吸気口からの吸入される空気中の異物がフィルタ収納部内部の音を減衰するための空間に入る前にフィルタで除去できるため、フィルタ収納部内部の音を減衰するための空間に異物が侵入して詰まることなく、空気供給装置の動作音の低減を安定して行うことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、フィルタは、第１面の内壁と接触して配置されていることにより、より吸気口に近い位置にフィルタを配置することで、より吸気口から出る直前で、音がフィルタを通過することによる減衰を行うことができ、吸気口から出る音の低減性を向上することができる。

また、フィルタの位置を第一面の内壁で規制することができ、フィルタのフィルタ収納部への搭載をより安定させることができ、吸気口から出る音の低減の安定性を向上することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、第１面と第２面とは対向して形成されており、吸気口は第１面の中央部に形成され、排気口は第２面の中央部に形成されている。

この構成により、空気供給装置の動作音の圧力波が排気口からフィルタ収納部へ伝わり、さらに吸気口に伝わる時に、流路の断面積の変化による圧力波の分散がより均一に行われることで、圧力波が均一に減衰することで、音の減衰効果を妨げる圧力波の乱れが起こりにくく、より音を減衰することができ、吸気口から出る音の低減性を向上することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、フィルタは、空気中の不純物を捕集する第１フィルタと、第１フィルタより空気の流れにおける下流側に配置され第１フィルタより目が細かい第２フィルタとを備えている。

この構成により、吸気中の大部分の不純物が目の粗い第１フィルタで大まかに除去されるため、第２フィルタには不純物の少ない空気が通過するため、目の細かいフィルタを１つだけで構成する場合より、目の細かい第２フィルタの厚みを薄くすることができ、よって、フィルタの圧損を減らすことができ、流路抵抗を減らすことができ、音の減衰効果を向上できる。また、スタックへの空気供給の安定性も向上できる。

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、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２は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図を示すものである。

図２において、筐体１は、燃料電池システム本体の外郭を形成する筐体で、スタック２や改質器６とその周辺の構成要素を内部に収納するものである。
スタック２は、固体高分子電解質膜の両側に触媒を担持した燃料極と空気極を形成して一体化された触媒層を、水素ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータで挟持してセルを構成し、セルを集合化して構成される。加湿器３は、スタック２に供給される酸素含有ガスとしての空気を加湿する装置である。空気供給装置４は、スタック２に空気を供給する装置である。例えば、ブロワが使用される。

フィルタ装置５は、スタック２に供給される空気の不純物を除去する装置である。フィルタ装置５の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態におけるフィルタ装置の断面図を示すものである。フィルタ装置５のフィルタ収納部９は、ケース１０と蓋１１で構成される。フィルタ１４をケース１０に収納した後、ケース１０と蓋１１は、接合される。例えば、溶着やねじにより接合される。フィルタ収納部９は、箱型あるいは円筒型に構成され、例えば、樹脂により形成される。ケース１０には蓋１１との接合面の反対面の中央部に排気口１２が構成される。蓋１１にはケース１０との接合面の中央部に吸気口１３が構成される。ケース１０の排気口１２の流路径の断面積は、フィルタ収納部９のフィルタ１４が収納される部分の断面積より小さく設定する。これは、フィルタ収納部９の断面積が排気口１２の流路径の断面積より大きいほど、音の圧力波を減衰でき、空気供給装置４の動作音を低減させることができるためである。また、吸気口１３の流路径も小さく設定する。これは、吸気口１３が小さいほど外部への音の漏れを少なくできるためである。ケース１０の内壁にはフィルタ１４の位置を規制するためのケースリブ１５が構成される。ケースリブ１５は流路を遮らないように内壁に沿って低く構成される。蓋１１のフィルタ収納面側には、フィルタ１４の位置を規制するための蓋リブ１６が構成される。蓋リブ１６は流路を遮らないように構成される。また、蓋リブ１６の高さは、蓋１１とフィルタ１４との隙間が大きくならないように、フィルタ１４の厚みより小さく設定される。

フィルタ１４は、第１フィルタ１７（粗フィルタ）と第２フィルタ１８（除塵フィルタ）で構成される。第２フィルタ１８は、第１フィルタ１７より目が細かく構成されている。第１フィルタ１７が吸気口側に配置され、第２フィルタが排気口側に配置される。フィルタ１４のフィルタ収納部９への搭載は、まず、第２フィルタ１８がケース１０のケースリブ１５に接する位置に配置される。そして、第１フィルタ１７が第２フィルタ１８に隣接して配置される。その後、ケース１０に蓋１１が接合される。第１フィルタ１７は、蓋１１に形成された蓋リブ１６に接して配置される。

なお、フィルタ１４は、１つのフィルタだけで構成してもよいし、３つ以上のフィルタで構成してもよい。

改質器６は、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱するバーナーにより構成される。

制御装置７は、低電圧回路と１００Ｖ以上を扱う高電圧回路から構成されている。高電圧回路は、筐体１の外部の商用電源に接続され、スタック２で発電される直流電力を交流電力に変換して商用電源に接続された負荷に供給するインバータと交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路で構成されている。低電圧回路は、筐体１内の改質器６やスタッ
ク２等の各装置を制御する制御手段である。

なお、図示していないが、筐体１の内部には、補助機器として、スタック２や改質器６を円滑に作動させるための装置や配管が構成されている。例えば、筐体１の外部に設けられる貯湯槽と接続する貯湯配管や、筐体１の外部から都市ガスなどの原料ガスを供給し、原料ガスを改質器６に搬送する原料ガス配管や、原料ガスの供給を制御する制御弁、原料ガスを昇圧して改質器６に送るガス昇圧ポンプ、改質器６で生成された水素ガスをスタック２に搬送するための水素ガス配管、貯湯槽から供給される水を筐体１内で循環し、スタック２や改質器６の排熱を回収し、貯湯槽へ湯を搬送させる熱回収配管、熱回収配管内で水を循環させる循環ポンプ、スタック２や改質器６からの排ガスの熱を回収し熱回収配管内の水に伝達する熱交換器、改質器６に原料ガスの改質反応のために必要な水を搬送するための改質水ポンプ、改質水ポンプから改質器６に搬送される水の量を制御する制御弁、燃料電池システムのメンテナンス時に燃料電池システム内の各装置から水を抜いて筐体１の外部に排出するための水抜き配管などがある。

次に、筐体１内の各装置間の接続について説明する。フィルタ装置５は排気口１２で空気供給装置４と空気配管を経由して接続され、空気供給装置４は加湿器３と空気配管を経由して接続され、加湿器３はスタック２と空気配管を経由して接続される。また、スタック２は、改質器６と補助機器である水素ガス配管により接続され、改質器６から水素ガスの供給を受ける。改質器６は原料ガス配管に接続され、筐体１外部から原料ガスの供給を受ける。制御装置７は、スタック２と電気ケーブルで接続され、スタック２で発電された直流電力が制御装置７に伝達される。制御装置７と改質器６は電気ケーブルで接続され、制御装置７により動作を制御される。制御装置７と補助機器であるポンプや制御弁は電気ケーブルで接続され、制御装置７により動作を制御される。

以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、筐体１外部の都市ガス管などと接続された原料ガス配管から制御弁によりガスの量を制御されながら改質器６にメタンなどの原料ガスが供給される。改質器６では、改質反応により原料ガスから水素が生成される。改質器６で生成された水素ガスは水素ガス配管を通ってスタック２へ供給される。一方、空気供給装置４は制御装置７に制御されて動作し、空気をスタック２に供給する。スタック２に供給される空気は、まず、フィルタ装置５の吸気口１３から吸気され、吸入空気中の不純物の大部分が、まず第１フィルタ１７により大まかに除去された後、残りの不純物が第２フィルタ１８により除去される。その後、不純物の除去された空気は、排気口１２から空気供給装置４を経由して、加湿器３に送られ、加湿器３で加湿されて、スタック２に供給される。スタック２では、供給された水素ガスと、空気中の酸素を化学反応させて直流電力を発電する。発電された直流電力は、制御装置７のインバータにより交流電力に変換され商用電源に供給される。

次に、燃料電池システムの空気供給装置４の動作音について説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるフィルタ装置内を伝わる空気供給装置の動作音の状態図である。

排気口１２に接続された空気供給装置４の動作音は、排気口１２からフィルタ収納部９に伝わり、フィルタ収納部９内部の空間とフィルタ１４を伝わり、吸気口１３を通って外部に出る。図３では、空気供給装置４の動作音の圧力波の大きさを矢印で示している。まず、フィルタ１４が収納される部分の断面積は排気口１２の流路の断面積より大きく構成されているため、断面が拡大することにより、排気口１２からフィルタ収納部９に伝わった音の圧力波は、分散して減衰される。次に、排気口１２からフィルタ１４の搭載位置まで距離が大きくとられているため、距離減衰により、音の圧力波が減衰される。一般に音の圧力波は距離の二乗に比例して減衰する。次に、フィルタ１４とフィルタ収納部９の蓋
１１との距離は、フィルタ１４の厚みより小さくなるよう配置されているため、動作音が吸気口１３から出る直前でフィルタ１４を通過することでフィルタ１４が吸音材の役割を果たして音の圧力波が減衰される。最後に、吸気口１３の流路の断面積は、フィルタ収納部９のフィルタ１４が収納される部分の断面積より小さく設定されており、断面の急縮小によって、吸気口１３で反射が起こり（開口端反射）、吸気口１３の開口大きさの分だけ音が通過し、残りは、反射して、フィルタ収納部９内で音の干渉が起こり音の圧力波が減衰される。なお、空気供給装置４の動作音の低減のために、断面積変化による減衰や距離減衰や開口端反射による減衰を利用しているため、フィルタ装置５の圧損には影響が出ない構成となっている。また、排気口１２と吸気口１３は対向した面の中央部にそれぞれ形成されており、空気供給装置４の動作音の圧力波が排気口１２からフィルタ収納部９へ伝わり、さらに吸気口１３に伝わる時に、断面積の変化による音の圧力波の分散がより均一に行われることができ、音の圧力波を均一に減衰することで、音の減衰効果を妨げる圧力波の乱れが起こりにくく、音をより減衰することができる。

また、吸気口１３に近い位置にフィルタ１４を配置することで、吸気口１３から吸入された空気中の異物が、フィルタ１４で除去されるため、フィルタ収納部９の排気口１２からフィルタ１４の搭載位置までの空間に異物が侵入することを防ぐことができる。よって、空間に異物が侵入して堆積することによって音の減衰効果が妨げられることを防ぐことができ、音の減衰を安定して行うことができる。

以上のように、本実施の形態においては、フィルタ１４を吸気口１３に近い位置で、フィルタ収納部９の蓋１１の蓋リブ１６に接して配置することで、排気口１２からフィルタ１４までの距離を大きくとることができ、音の圧力波を距離減衰によってより減衰させることができ、また、音が外部に出る直前でフィルタ１４を通過することで、フィルタ１４の吸音効果によって、音の圧力波をより減衰させることができる。また、排気口１２と吸気口１３の流路の断面積をフィルタ収納部９の流路の断面積より小さくすることにより、音の圧力波を流路の断面積の変化と開口端での反射によってより減衰させることができ、これらの音の圧力波の減衰によって、空気供給装置４の動作音が外部に出る音を低減することができる。

また、吸気口１３に近い位置にフィルタ１４を配置することで、吸気口１３から吸入された空気中の異物が、フィルタ１４で除去されるため、フィルタ収納部９の排気口１２からフィルタ１４の搭載位置までの空間に異物が侵入して堆積することによって音の減衰効果が妨げられることを防ぐことができ、音の減衰を安定して行うことができる。

また、排気口１２と吸気口１３は対向した面の中央部にそれぞれ形成されており、空気供給装置４の動作音の圧力波が排気口１２からフィルタ収納部９へ伝わり、さらに吸気口１３に伝わる時に、断面積の変化による音の圧力波の分散がより均一に行われることができ、音の圧力波を均一に減衰することで、音の減衰効果を妨げる圧力波の乱れが起こりにくくなり、音をより減衰することができる。

また、フィルタ１４は、目の粗い第１フィルタ１７と目の細かい第２フィルタ１８で構成されることで、吸気中の大部分の不純物が目の粗い第１フィルタ１７で大まかに除去され、第２フィルタ１８には不純物の少ない空気が通過するため、フィルタ１４を目の細かい第２フィルタ１８だけで構成する場合より、第２フィルタ１８の厚みを薄くすることができ、フィルタ１４の圧損を減らすことができ、流路抵抗を減らすことができることで、音の減衰効果を向上できる。また、スタックへの空気供給の安定性も向上できる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、フィルタ装置の構成によって、動
作音を低減することが可能となるので、フィルタ装置を有する他の設備機器等の用途にも適用できる。

１ 筐体
２ スタック
３ 加湿器
４ 空気供給装置
５ フィルタ装置
６ 改質器
７ 制御装置
９ フィルタ収納部
１０ ケース
１１ 蓋
１２ 排気口
１３ 吸気口
１４ フィルタ
１５ ケースリブ
１６ 蓋リブ
１７ 第１フィルタ
１８ 第２フィルタ

Claims (4)

1. 燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給装置と、
   前記燃料電池スタックに供給される空気を浄化するフィルタ装置と、
   一端が前記燃料電池スタックに接続されており、他端が前記フィルタ装置の排気口に接続されている空気供給経路とを備え、
   前記空気供給装置は、前記空気供給経路上に配置されており、
   前記フィルタ装置は、前記排気口と空気を取り入れるための吸気口とが形成されているフィルタ収納部と、前記フィルタ収納部の内部に配置されているフィルタとを備えており、
   前記フィルタ収納部の内部空間の断面積は前記排気口の通路の断面積より大きく構成されており、
   前記フィルタは、前記吸気口が形成されている前記フィルタ収納部の第１面の内壁との距離が前記フィルタの厚さ以下になるように配置され、前記排気口が形成されている前記フィルタ収納部の第２面の内壁との間の空間が前記フィルタの容積以上になるように配置されており、
   前記第２面の内壁と前記フィルタとの間の空間が、前記排気口の通路の断面積より大きい断面積で前記フィルタの厚さよりも長い通路になっており、前記排気口から前記フィルタ収納部に伝わった前記空気供給装置の動作音の圧力波を、通路断面積の拡大によって分散させて減衰させた後、前記第２面の内壁から前記フィルタの搭載位置までの距離による距離減衰により更に減衰させ、前記吸気口から出る直前で前記フィルタを通過するときに前記フィルタによって減衰させた、
   燃料電池システム。
2. 前記フィルタは、前記第１面の内壁と接触して配置されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１面と前記第２面とは対向して形成されており、
   前記吸気口は前記第１面の中央部に形成され、前記排気口は前記第２面の中央部に形成されている、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記フィルタは、空気中の不純物を捕集する第１フィルタと、前記第１フィルタより空気の流れにおける下流側に配置され前記第１フィルタより目が細かい第２フィルタと、を備えている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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