(57)【要約】【課題】モータの冷却を促進し過熱による故障および作動不良を低減しつつ、外部へ漏れる運転音を低減する燃料電池用空気供給装置を提供する。【解決手段】ポンプ２３を駆動するモータ２２は、吸気管部４０の収容室２６側の端部の延長線上に配置されている。そのため、吸気管部４０から収容室２６の内部へ導入される空気はモータ２２に直接吹き付けられ、収容室２６へ導入される空気によってモータ２２は冷却される。その結果、モータ２２およびポンプ２３から発生する音を遮蔽するためにモータ２２およびポンプ２３をハウジング２１の内部に収容しても、モータ２２の過熱は低減される。したがって、モータ２２の過熱にともなう作動不良の防止と、外部へ漏れる音の低減とを両立して達成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ空気を供給するポンプと、
前記ポンプを駆動するモータと、
前記ポンプおよび前記モータを収容する収容室を形成しているハウジングと、
一方の端部が大気に開放し、他方の端部が前記収容室へ接続し、前記収容室へ開放されている前記他方の端部の延長線上に前記モータが配置され、前記ポンプが吸入する空気を前記収容室の内部へ導入する吸気管部と、
を備える燃料電池用空気供給装置。
【請求項２】
前記ハウジングの長手方向の全長は、前記ポンプから吐出される空気の吐出音の波長をλとすると、λ／４に設定されている請求項１記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項３】
前記吸気管部は、吸音型の消音部を有する請求項１または２記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項４】
前記吸気管部の中心軸は、前記モータの径の延長線上に配置されている請求項１、２または３記載の燃料電池用空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に空気を供給する燃料電池用空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に酸素源である空気を供給するための空気供給装置を備えている。例えば直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合、燃料電池では、燃料となるメタノールと空気中の酸素とが反応することにより、電力を発生する。そのため、燃料電池そのものは騒音をほとんど生じない。一方、燃料電池に空気を供給する空気供給装置は、例えば電気モータなどによって駆動されるポンプを有している。そのため、この空気供給装置が騒音の発生源となるおそれがある。
【０００３】
燃料電池を屋外で使用する場合、空気供給装置の運転音は比較的問題とならない。しかし、燃料電池を屋内で使用する場合、空気供給装置から発生する運転音が騒音として問題になる。特に、燃料電池を例えば電子楽器などの音響機器の電源として燃料電池を使用する場合、空気供給装置の運転音が演奏などの妨げとなるおそれがある。
そこで、従来、騒音の発生源であるモータおよびポンプなどの補機類をハウジングに収容することが考えられている（特許文献１参照）。これにより、モータおよびポンプから発生する音は、ハウジングによって遮蔽される。また、ハウジングには、例えば吸音材などが取り付けられている。これにより、モータおよびポンプから発生する音は、ハウジングで遮蔽されるだけでなく、吸音材によっても吸収される。その結果、外部へ放出される音の低減が図られている。さらに、特許文献１では、音が放出された通路を膨張室とすることにより、ハウジングの外部に放出される音を低減している。
【０００４】
しかしながら、一部を除きほとんど密閉されたハウジングの内部にモータおよびポンプを収容すると、モータおよびポンプの過熱を招くおそれがある。すなわち、空気供給装置を運転しているとき、モータおよびポンプは発熱する。特に、モータの発熱は大きくなる。そのため、密閉されたハウジングに収容されているモータおよびポンプの放熱は困難となる。その結果、モータの故障および作動不良を招くという問題がある。また、放熱を図るためにハウジングに開口を設けると、モータおよびポンプの運転音が漏れ、騒音を十分に低減することができないという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３４３３９４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、モータの冷却を促進し過熱による故障および作動不良を低減しつつ、外部へ漏れる運転音を低減する燃料電池用空気供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の燃料電池用空気供給装置は、燃料電池へ空気を供給するポンプと、前記ポンプを駆動するモータと、前記ポンプおよび前記モータを収容する収容室を形成しているハウジングと、一方の端部が大気に開放し、他方の端部が前記収容室へ接続し、前記収容室へ開放されている前記他方の端部の延長線上に前記モータが配置され、前記ポンプが吸入する空気を前記収容室の内部へ導入する吸気管部と、を備える。
吸気管部は、空気を導入する端部とは反対側の端部が収容室に接続している。そのため、吸気管部を経由して導入された空気は、収容室の内部へ流入する。そして、吸気管部の収容室側の端部の延長線上にはモータが配置されている。そのため、吸気管部から導入された空気は、収容室へ流入する際にモータへ吹き付けられる。これにより、モータは、吸気管部から導入される空気によって冷却される。さらに、モータを冷却した空気は、収容室内を冷却してポンプへ吸入される。したがって、モータおよびポンプをハウジングが形成する収容室に収容する場合でも、モータの冷却を促進し過熱による故障および作動不良を低減することができる。また、モータおよびポンプはハウジングが形成する収容室に収容されるため、外部へ放出される運転音を低減することができる。
【０００８】
（２）本発明の燃料電池用空気供給装置では、前記ハウジングの長手方向の全長は、前記ポンプから吐出される空気の吐出音の波長をλとすると、λ／４に設定されている。
ハウジングの長手方向の全長を、ポンプからの吐出音の波長λのλ／４に設定することにより、ハウジングは膨張型サイレンサを形成する。これにより、ポンプの運転時に、空気の吐出音を由来として生じる特定の周波数の騒音は、膨張型サイレンサを形成するハウジングによって低減される。したがって、ポンプの吐出音に由来する騒音を低減することができる。
【０００９】
（３）本発明の燃料電池用空気供給装置では、前記吸気管部は、吸音型の消音部を有する。
吸音型のサイレンサを形成する消音部は、吸気管部を通過する空気の流れによる騒音が外部に放出されるのを低減する。これにより、ポンプの運転時に、吸気の流れを由来として生じる特定の周波数の騒音は、吸音型の消音部を有する吸気管部によって低減される。したがって、吸気の流れに由来する騒音を低減することができる。
【００１０】
（４）本発明の燃料電池用空気供給装置では、前記吸気管部の中心軸は、前記モータの径の延長線上に配置されている。
吸気管部の中心軸をモータの径の延長線上に配置することにより、吸気管部を通過した空気は、モータに直接吹き付けられる。これにより、モータは、吸気管部を通過した空気によって冷却される。したがって、モータの冷却が促進され、過熱による故障および作動不良を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態による空気供給装置を適用した燃料電池モジュールを図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール１０の構成を示すブロック図である。燃料電池モジュール１０は、燃料電池セル１１を備えている。本実施形態の場合、燃料電池セル１１は、ＤＭＦＣである。なお、燃料電池セル１１を複数積層して燃料電池スタックとしてもよい。燃料電池セル１１は、燃料極１２と、空気極１３と、燃料極１２と空気極１３との間に挟み込まれた電解質膜１４とを有している。燃料極１２側には、燃料としてメタノールの水溶液が供給される。空気極１３側には、酸素を含む空気が供給される。また、燃料極１２側からは、反応生成物として二酸化炭素が排出される。空気極１３側からは、反応生成物として主として水からなる廃液が排出される。燃料極１２および空気極１３は、外部の負荷１５と電気的に接続される。
【００１２】
燃料電池セル１１を構成するＤＭＦＣの反応式は、以下の通りである。
燃料極：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
空気極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
したがって、ＤＭＦＣの全体としての反応式は、次の通りである。
２ＣＨ3ＯＨ＋３Ｏ2→２ＣＯ2＋４Ｈ2Ｏ
【００１３】
燃料電池モジュール１０は、空気供給装置２０および燃料供給装置５０を備えている。空気供給装置２０は、大気中から空気を導入し、導入した空気を燃料電池セル１１の空気極１３に供給する。燃料供給装置５０は、燃料タンク５１に蓄えられた燃料を燃料電池セル１１の燃料極１２に供給する。燃料供給装置５０は、燃料ポンプ５２を有している。燃料ポンプ５２の燃料導入側は、燃料導入通路５３を経由して燃料タンク５１に接続している。燃料タンク５１は、燃料となるメタノールの水溶液を蓄える。燃料ポンプ５２の燃料吐出側は、燃料供給通路５４を経由して燃料電池セル１１の燃料極１２に接続している。これにより、燃料供給装置５０は、燃料タンク５１から吸入したメタノール水溶液を燃料電池セル１１の燃料極１２へ供給する。
【００１４】
次に、空気供給装置２０について詳細に説明する。
空気供給装置２０は、図１に示すようにハウジング２１、モータ２２、ポンプ２３および吸気管部４０を備えている。ハウジング２１は、二重の外ケーシング２４および内ケーシング２５によって構成されている。ハウジング２１の外ケーシング２４および内ケーシング２５は、例えばステンレスなどの金属によって形成されている。外ケーシング２４と内ケーシング２５との間は、防音効果を高めるために、例えば真空にしたり、空気や不活性の気体、グラスウール、連続気泡を有する発泡体、あるいはウレタンフォームなどの樹脂からなる吸音材を充填してもよい。ハウジング２１は、内部に収容室２６を形成している。
【００１５】
モータ２２およびポンプ２３は、ハウジング２１が形成する収容室２６に収容されている。モータ２２は、直流あるいは交流の電気モータである。ポンプ２３は、モータ２２によって駆動される。ポンプ２３は、吸入部２７および吐出部２８を有している。吸入部２７は、収容室２６に開放されており、収容室２６から空気を吸入する。ポンプ２３で加圧された空気は、吐出部２８から吐出される。吐出部２８は、ポンプ２３とは反対側の端部が図２に示す空気供給通路２９に接続している。空気供給通路２９は、ポンプ２３と燃料電池セル１１の空気極１３とを接続している。
【００１６】
吸気管部４０は、ハウジング２１に取り付けられている。吸気管部４０の中心軸は、モータ２２の径の延長線上に位置している。図１に示す本実施形態の場合、吸気管部４０は、モータ２２の径を上方に延長した線上に配置されている。なお、吸気管部４０は、モータ２２の上方に限らず、下方あるいは側方など、モータ２２の径の延長線上であればいずれのに配置してもよい。
【００１７】
吸気管部４０は、一方の端部に導入部４１を有し、他方の端部に通路部材４２を有している。吸気管部４０の導入部４１と通路部材４２との間には、消音部４３が設けられている。導入部４１は、エアフィルタを有しており、消音部４３とは反対側の端部が大気に開放している。導入部４１のエアフィルタは、導入される空気に含まれる異物を除去する。
【００１８】
通路部材４２は、内部に空気通路４４を形成しており、消音部４３とは反対側の端部が収容室２６に開放している。そのため、吸気管部４０は、一方の端部が導入部４１によって大気に開放し、他方の端部が通路部材４２によって収容室２６に接続している。これにより、導入部４１から導入された空気は、消音部４３および通路部材４２が形成する空気通路４４を経由して収容室２６へ流入する。
【００１９】
吸気管部４０の通路部材４２の延長線上にはモータ２２が配置されている。そのため、吸気管部４０を経由して収容室２６に流入する空気は、モータ２２に吹き付けられる。モータ２２に吹き付けられつつ収容室２６に流入した空気は、収容室２６内を流れて吸入部２７からポンプ２３へ吸入される。本実施形態では、モータ２２の径の延長線上に吸気管部４０を設置している。そのため、吸気管部４０を通過した空気は、モータ２２に直接吹き付けられる。特に、モータ２２のうち温度が上昇しやすい側壁に空気が吹き付けられるため、モータ２２の冷却が促進される。なお、吸気管部４０は、モータ２２の軸線の延長線上に配置してもよい。
【００２０】
消音部４３は、吸音型のサイレンサである。消音部４３は、筒部材４５および吸音材４６を有している。筒部材４５は、例えば金属あるいは樹脂などにより筒状に形成され、内部に導入部４１から導入された空気が流れる消音通路を形成している。この消音通路は、通路部材４２が形成する空気通路４４に連通している。筒部材４５は、側面に開口４７を有している。図１では、説明の簡単のため、円形状の開口４７を形成しているが、開口４７の形状は任意に設定することができる。吸音材４６は、筒部材４５の開口４７を塞いで筒部材４５の周囲に取り付けられている。吸音材４６は、例えばガラスウール、発塵性のない不織布などの繊維状、あるいは樹脂製のスポンジ状の多孔体によって形成されている。開口４７を有する筒部材４５の周囲を吸音材４６で覆うことにより、消音通路を流れる空気から発生する吸気音は低減される。
【００２１】
本実施形態の場合、ハウジング２１は膨張型のサイレンサを形成している。膨張型のサイレンサとは、音が伝搬する通路の断面積の急激な増大によって音量が低減されるものである。膨張型のサイレンサの場合、断面積が小さな通路側と断面積が大きな膨張側との断面積の比によって低減される音量が定まる。また、膨張型のサイレンサでは、膨張側の長さによって低減される周波数が決定され、膨張側の長さが特定の波長の奇数倍であればその特定の波長の音は低減される。本実施形態の場合、ポンプ２３は吐出部２８から毎秒約４００回空気を吐出する。そのため、ポンプ２３からの空気の吐出音を由来とする音の周波数は約４００Ｈｚとなる。室温での音速を約３４０ｍ／秒とすると、ポンプ２３から発生する吐出音の波長λは、３４０／４００≒０．８５ｍとなる。そこで、ハウジング２１の長手方向の全長Ｌをポンプ２３から発生する吐出音の波長λの１／４倍に設定することにより、ハウジング２１は膨張型のサイレンサとしてポンプ２３の吐出音を由来とする音を低減することができる。すなわち、本実施形態の場合、ハウジング２１の長手方向の全長は０．８５／４≒０．２１ｍに設定することが望ましい。
【００２２】
次に、本発明の一実施形態による空気供給装置２０の性能について説明する。
比較のために、次の三つの空気供給装置を比較例とする。
（比較例１）
図３に示す比較例１の空気供給装置６０では、モータ６２およびポンプ６３は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０と同一である。一方、比較例１の空気供給装置６０の場合、モータ６２およびポンプ６３は、ハウジングに覆われることなく外部に露出している。導入部６５のエアフィルタを通して導入された空気は、通路部材６６が形成する空気通路を経由してポンプ６３へ直接吸入される。
【００２３】
（比較例２）
図４に示す比較例２の空気供給装置７０は、ハウジング７１を備えている。比較例２による空気供給装置７０では、モータ７２およびポンプ７３は本発明の一実施形態による空気供給装置２０と同一である。また、比較例１と同様に、比較例２による空気供給装置７０では、導入部７５のエアフィルタを通して導入された空気は、通路部材７６が形成する空気通路を経由してポンプ７３へ直接吸入される。さらに、比較例２による空気供給装置７０の場合、モータ７２およびポンプ７３は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０と同様に、ステンレス製の二重のケーシングからなるハウジング７１に収容されている。ハウジング７１の長手方向の全長は、特に規定していない。
【００２４】
（比較例３）
図５に示す比較例３の空気供給装置８０は、ハウジング８１を備えている。比較例３による空気供給装置８０では、モータ８２およびポンプ８３は本発明の一実施形態による空気供給装置２０と同一である。また、比較例１、２と同様に、比較例３による空気供給装置８０では、導入部８５のエアフィルタを通して導入された空気は、通路部材８６が形成する空気通路を経由してポンプ８３へ直接吸入される。さらに、比較例３による空気供給装置８０の場合、モータ８２およびポンプ８３は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０と同様に、ステンレス製の二重のケーシングからなるハウジング８１に収容されている。ハウジング８１の長手方向の全長は、特に規定していない。またさらに、比較例３による空気供給装置８０では、導入部８５とポンプ８３との間に消音部８８が設けられている。消音部８８の構成は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０と同様である。
【００２５】
（比較結果）
以上の本発明の一実施形態による空気供給装置２０と三つの比較例による空気供給装置６０、７０、８０とを比較した結果について説明する。まず、防音性能について説明する。防音性能の比較は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０および各比較例の空気供給装置６０、７０、８０のポンプ２３、６３、７３、８３側から１ｍ離れた位置で騒音計を用いた検出結果を用いて行っている。その結果、各オクターブバンドごとの音圧レベルを可聴領域全体の特性で補正した騒音、すなわちＡ特性（ＪＩＳ：Ｃ−１５０５、Ｃ−１５０２参照）で補正した後の騒音レベルは、本発明の一実施形態による空気供給装置２０の場合、３９ｄＢ（Ａ）であった。これに対し、比較例１の空気供給装置６０では騒音レベルが７０ｄＢ（Ａ）であり、比較例２の空気供給装置７０では騒音レベルが５０ｄＢ（Ａ）であり、比較例３の空気供給装置８０では騒音レベルが４５ｄＢ（Ａ）であった。これらの結果から、本発明の一実施形態による空気供給装置２０は、各比較例による空気供給装置６０、７０、８０比較して防音性能が高いことが分かる。
【００２６】
本発明の一実施形態による空気供給装置２０の防音性能について、図６を用いてさらに詳細に説明する。図６は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０および各比較例の空気供給装置６０、７０、８０における、オクターブバンド中心周波数と音圧レベルとの関係を示す概略図である。図６に示すように、本発明の一実施形態による空気供給装置２０は、各比較例の空気供給装置６０、７０、８０と比較して４００Ｈｚにおける発生音が顕著に低減している。これは、本発明の一実施形態の空気供給装置２０では、上述のようにハウジング２１を膨張型のサイレンサで形成することにより、ポンプ２３の吐出音を由来とする音を効果的に低減していることを示している。
【００２７】
また、本発明の一実施形態による空気供給装置２０は、比較例１の空気供給装置６０および比較例２の空気供給装置７０と比較して１０００Ｈｚ以上の周波数領域において発生音が低減している。１０００Ｈｚ以上の周波数領域の場合、騒音源はポンプ２３に吸入される空気の吸気音となる。吸気管部４０に吸音型のサイレンサからなる消音部４３を設置することにより、吸気音を由来とする音を効果的に低減していることを示している。これは、吸音型のサイレンサを適用している比較例３の空気供給装置８０においても、１０００Ｈｚ以上の発生音が低減されていることからも明らかである。
以上のように、本発明の一実施形態による空気供給装置２０は、発生する音、すなわちポンプ２３の吐出音を由来とする音および吸気音を由来とする音が低減され、全体としての騒音レベルを低減することができる。
【００２８】
次に、冷却性能について説明する。冷却性能の比較は、本発明の一実施形態の空気供給装置２０と比較例３の空気供給装置８０とを比較して行っている。比較例１による空気供給装置６０の場合、モータ６２およびポンプ６３は大気中に露出している。そのため、防音性能を犠牲にすれば、比較例１による空気供給装置６０の冷却性能は最も高い。一方、比較例２による空気供給装置７０および比較例３による空気供給装置８０では、モータ７２、８２およびポンプ７３、８３はいずれもハウジング７１、８１に収容されている。そのため、比較例２による空気供給装置７０および比較例３による空気供給装置８０は、冷却性能が悪化する。そこで、本発明の一実施形態による空気供給装置２０および比較例３による空気供給装置８０を用いて冷却性能を比較している。
【００２９】
図７は、空気供給装置２０、８０の運転時間とモータ２２、８２の温度との関係を示す概略図である。温度は、本発明の一実施形態による空気供給装置２０および比較例３による空気供給装置８０ともに、モータ２２、８２の径方向において通路部材４２、８６の反対側となるモータ２２、８２の下方に取り付けた図示しない温度センサによって検出している。
【００３０】
図７に示すように、比較例３の空気供給装置８０の場合、運転開始から３０分程度でポンプ８３が停止している。これは、密閉されたハウジング８１の内部にモータ８２を設置しているため、モータ８２の冷却が不十分となり、モータ８２が過熱して焼き切れたためである。これに対し、本発明の一実施形態による空気供給装置２０の場合、吸気管部４０を通過した空気は、ポンプ２３を駆動するモータ２２に吹き付けられる。そのため、モータ２２は、吸気管部４０から収容室２６に流入する空気によって常に冷却される。その結果、モータ２２の運転を継続しても、モータ２２の温度は約５０℃で一定となり、モータ２２が過熱することはない。なお、図７では、ポンプ２３の運転を開始した後、１３０分を経過したところでポンプ２３の運転を停止している。そのため、ポンプ２３の停止により、モータ２２を冷却する空気が収容室２６に流入しない。その結果、１３０分を経過した後、モータ２２の温度はわずかに上昇している。このことからも、ポンプ２３の運転にともなって吸気管部４０を通過した空気をモータ２２に吹き付けることにより、モータ２２の冷却が促進されることが分かる。
【００３１】
以上のように、本発明の一実施形態による空気供給装置２０は、収容室２６の内部に導入される空気によってモータ２２は冷却される。そのため、モータ２２およびポンプ２３から発生する音を遮蔽するためにモータ２２およびポンプ２３をハウジング２１の内部に収容しても、モータ２２の過熱は低減される。したがって、モータ２２の過熱にともなう作動不良の防止と、外部へ漏れる音の低減とを両立して達成することができる。
【００３２】
また、本発明の一実施形態では、ハウジング２１の長手方向の全長Ｌをポンプ２３の吐出音の周波数に基づいて設定し、ハウジング２１で膨張型のサイレンサを形成している。そのため、ポンプ２３の吐出音を由来とする特定の周波数の音を効果的に低減することができる。そして、収容室２６へ空気を導入する吸気管部４０には消音部４３が設けられている。そのため、吸気音を由来とする音を効果的に低減することができる。これらの結果、燃料電池モジュール１０の主な騒音源となるポンプ２３の運転音および吸気音を低減することがき、全体として空気供給装置２０の運転音の低減を図ることができる。
【００３３】
（その他の実施形態）
以上説明した本発明の一実施形態による空気供給装置２０では、吸気管部４０の中心軸をモータ２２の径の延長線上を配置し、吸気管部４０を通過した空気がモータ２２へ直接吹き付けられる構成について説明した。しかし、吸気管部４０のモータ２２側の延長線上にモータ２２が配置されるのであれば、吸気管部４０の中心軸をモータ２２の径の延長線上に配置する必要はない。すなわち、例えば図８に示すように吸気管部４０をハウジング２１から分離し、吸気管部４０から伸びる柔軟な筒部材３１を経由して収容室２６へ空気を導入する構成としてもよい。この場合、筒部材３１の先端の延長線上にモータ２２を配置すればよい。また、モータ２２には、放熱効率を高めるために、フィンを設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による空気供給装置を示す模式図であり、（Ａ）は長手方向の端部からハウジングの内部を見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図。
【図２】本発明の一実施形態による空気供給装置を適用した燃料電池モジュールを示すブロック図。
【図３】比較例１による空気供給装置を示す模式図。
【図４】比較例２による空気供給装置を示す模式図。
【図５】比較例３による空気供給装置を示す模式図。
【図６】本発明の一実施形態による空気供給装置、および各比較例による空気供給装置のオクターブバンド中心周波数と音圧レベルとの関係を示す概略図。
【図７】本発明の一実施形態による空気供給装置、および比較例３による空気供給装置の運転時間と温度との関係を示す概略図。
【図８】本発明の他の実施形態による空気供給装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００３５】
１０：燃料電池モジュール、１１：燃料電池セル、２０：空気供給装置、２１：ハウジング、２２：モータ、２３：ポンプ、２６：収容室、４０：吸気管部、４１：導入部、４２：通路部材、４３：消音部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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