(57)【要約】【課題】騒音を低減すると共に、その表面部分における温度を低減することにより燃料電池システムのレイアウト性を向上する燃料電池システム用サイレンサを提供する。【解決手段】燃料電池１６の空気極１９に酸化ガスである空気３１を供給する空気圧縮機１１よりも空気流路１７の下流側に配設されて、その内部に前記空気流路１７が貫通して設けられた燃料電池システム用サイレンサであって、前記サイレンサ１２の表面部分の近傍に冷却用流体流路２６を設け、該冷却用流体流路２６の内部に、サイレンサ１２の内部に貫通して収容された空気流路１７内を流れる空気３１よりも低い温度の冷却媒体２５を流通させている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に空気を供給する空気圧縮機の空気流路の下流側に設けられ、内部に前記空気流路が貫通して設けられた燃料電池システム用サイレンサであって、
前記サイレンサの表面部分に冷却用流体流路を設け、該冷却用流体流路に、サイレンサ内部に対面する空気流路内を流れる空気よりも低い温度の冷却媒体を流通させるように構成したことを特徴とする燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項２】
前記冷却用流体流路は、前記サイレンサの表面に設けられた外板部材と該外板部材の内側に配設された内板部材とによって形成された閉断面部であることを特徴とする請求項１の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項３】
前記空気圧縮機の内部に空気圧縮機を冷却する流体流路を設け、該流体流路内に前記サイレンサの冷却用流体流路から排出された冷却媒体を流入させたのち、前記サイレンサの冷却用流体流路に戻すように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項４】
前記空気圧縮機の内部にウォータジャケットを形成し、該ウォータジャケットを前記サイレンサの冷却用流体流路に連通させることにより、前記冷却媒体である冷却水を前記ウォータジャケットからサイレンサの流体流路へ流したのち、ウォータジャケットに戻すように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項５】
前記ウォータジャケットとサイレンサの冷却用流体流路との連通を、ウォータジャケットを連通流路を介して前記冷却用流体流路に接続することにより行う一方、
前記冷却水は、ウォータジャケットから冷却用流体流路に流したのち、外部に排出するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項６】
前記冷却媒体は、オイルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項７】
前記空気圧縮機の内部に、空気圧縮機の潤滑油を収容するオイル室を設け、該オイル室をサイレンサの冷却用流体流路に連通させ、オイル室の潤滑油をサイレンサの冷却用流体流路に流通させるように構成したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項８】
前記空気圧縮機にウォータジャケットを設け、該ウォータジャケット内を流通する冷却水で前記オイル室内に収容された潤滑油を冷却する一方、
前記サイレンサを空気圧縮機よりも低い位置に配置したことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【請求項９】
前記サイレンサを、前記空気圧縮機と、該空気圧縮機の空気流路の下流側に設けられ、圧縮された空気を冷却するアフタークーラとの間に配置したことを特徴とする請求項１〜８に記載の燃料電池システム用サイレンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム用サイレンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池システムには、空気流路の空気流れに沿って、空気圧縮機、サイレンサ、アフタクーラ等を経て、燃料電池が配設されているものがある。前記空気圧縮機から吐出された空気は、サイレンサで圧力脈動が低減され、アフタクーラで冷却されたのち、燃料電池に流入する。この場合において、サイレンサで圧力脈動が低減されることにより、アフタクーラ及びそれ以降の構成部品の外板が共振することなどによる騒音の発生が低減される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１１０２１３公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システム用サイレンサにあっては、以下の問題があった。
【０００５】
前記空気圧縮機から吐出された空気の圧力脈動によってサイレンサの自身の外板パネルが振動し、この振動が音となり大きな騒音源となるおそれがあった。圧力脈動の成分は一回転あたりの吐出回数の次数成分とその整数倍の成分が支配的で、また外板は形状や板厚などから様々な共振周波数をもっているので、回転次数の倍数と外板の共振周波数が一致した場合は騒音がさらに大きくなった。
【０００６】
また、空気圧縮機から吐出される空気の温度、特に車載用燃料電池システムにおいては温度が高くなり、連続定格運転するような条件の下では圧縮機の吸込温は８０℃以上の高温になり、吐出温度はかなりの高温になってしまう。このため、空気圧縮機から最も近く、アフタクーラよりも上流のサイレンサは高負荷が連続すると表面温度が吐出温度に近い非常に高い温度になるので、サイレンサは熱を嫌う電気、電子機器、電線などの近くに配置できず燃料電池システムのレイアウトが制限を受けていた。特にレイアウト空間が限られる車載用燃料電池システムにおいては大きくレイアウトの制限を受けていた。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、サイレンサの騒音を低減すると共に、サイレンサの表面部分における温度を低減することにより燃料電池システムのレイアウト性を向上することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、燃料電池の空気極側に酸化ガスである圧縮空気を供給する空気圧縮機よりも空気流路の下流側に配設されて、その内部に前記空気流路が貫通して設けられた燃料電池システム用サイレンサであって、前記サイレンサの表面部分の近傍に冷却用流体流路を設け、該冷却用流体流路の内部に、サイレンサ内部に貫通して収容された空気流路内を流れる空気よりも低い温度の冷却媒体を流通させるように構成してある。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、サイレンサの表面部分に設けられた冷却用流体流路内の冷却媒体の粘性が音伝導の抵抗となって、サイレンサの騒音を低減することができる。また、冷却用流体流路内の冷却媒体によってサイレンサの表面部分における温度を低減することにより、燃料電池システムのレイアウト性を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による燃料電池システム全体の構成を示す概略図であり、図２は、図１のサイレンサの内部構造を拡大して示す断面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態による燃料電池システム１０は、空気流路の空気流れに沿って、空気圧縮機１１、サイレンサ１２、アフタクーラ１３、フィルタ１４、加湿器１５及び燃料電池１６の順に配設されている。これらの各構成機器は、１本の空気配管１７によって連通して接続されている。
【００１３】
この構成を有する燃料電池システム１０において、空気は、空気配管１７の先端に設けられた吸込み口１８から吸込まれ、空気圧縮機１１で圧縮され吐出された後、サイレンサ１２で空気脈動を低減され、アフタクーラ１３で温度を下げられ、フィルタ１４でダストを除去されたのち、加湿器１５にて加湿されて燃料電池１６の空気極１９に流入する。なお、燃料電池１６の燃料極２０には燃料口２１から燃料が供給されるように構成されている。
【００１４】
また、サイレンサ１２には配管２２が接続され、該配管２２はポンプ２３と熱交換器２４を介して、再度、サイレンサ１２に戻るように配策されている。この配管２２の内部を冷却媒体の一つである冷却水２５（矢印参照）が流れている。
【００１５】
即ち、この冷却水２５は、サイレンサ１２内部を流通して排出したのち、ポンプ２３で加圧され、熱交換器２４にて冷却されて再びサイレンサ１２に流入する循環系になっている。
【００１６】
そして、図２に示すように、サイレンサ１２の表面部分には、冷却用流体流路２６が形成されている。この冷却用流体流路２６は、外板部材２７の内側に、例えば冷却水２５を流通させる配管を配策することによって構成することができる。即ち、サイレンサ１２の表面は外板部材２７で覆われており、この外板部材２７の内側には、外板部材２７に沿って冷却用流体流路２６が形成されている。該冷却用流体流路２６の端部には、入口管２８と出口管２９がそれぞれ設けられている。また、冷却用流体流路２６の内方は吸音材が充填された吸音部３０に形成されており、該吸音部３０の内部を横方向に貫通して空気配管１７が配策されている。なお、空気配管１７の内部の空気流れを明瞭にするため、一部を切り欠いて示している。この図２に示されたサイレンサ１２においては、冷却水２５は、入口管２８から冷却用流体流路２６に流入し、該冷却用流体流路２６内を流通したのち、出口管２９から排出されるように構成されている。
【００１７】
前記構成を有するサイレンサ１２による作用を説明する。
【００１８】
空気圧縮機１１の吐出空気は非常に大きな圧力脈動をもって、空気配管１７を介してサイレンサ１２の内部に流入する。この吐出空気の圧力脈動は、空気配管１７からサイレンサ１２の吸音部３０に伝達されたのち、冷却用流体流路２６に伝わる。該冷却用流体流路２６には、冷却水２５が流れているため、この冷却水２５の粘性が音伝導の抵抗となり、冷却用流体流路２６の外側に設けられた外板部材２７の振動が大幅に減衰される。このように、外板部材２７の振動が大幅に減衰されることにより外板部材２７の振動の振幅が小さくなり、外板部材２７の表面からの放射音は大幅に低減される。
【００１９】
また、サイレンサ１２に流入する前の冷却水２５は、熱交換器２４によって冷却されているため、サイレンサ１２の表面部分に設けられた冷却用流体流路２６の温度はサイレンサ１２に空気配管１７を介して流入する空気３１の温度よりも低くなる。ここで、サイレンサ１２に流入する空気３１の温度は、空気圧縮機１１の吐出空気の圧力や吸入空気温、空気圧縮機１１の効率等にも依存するが、一般にかなり高温になる。しかし、前記冷却水２５によりサイレンサ１２の表面部分は冷却されてあまり高温にならない。従って、熱に弱い電気、電子デバイスや電気配線類も、サイレンサ１２の表面部近傍に配置することが可能となり、燃料電池システム１０のレイアウト自由度が向上する。
【００２０】
また、冷却水２５による冷却の効果によってサイレンサ１２から出る圧縮空気の温度が冷却しない場合よりも低減されるために、アフタクーラ１３の冷却性能をより低くすることができ、アフタクーラ１３の小型化が可能になる。このアフタクーラ１３の小型化と燃料電池システム１０のレイアウト自由度の向上とによって、飛躍的に燃料電池システム１０の小型化が可能になる。この小型化の効果は定置型に対しスペースが小さい車両用燃料電池システム１０において非常に有用である。
【００２１】
［第２の実施形態］
次いで、第２の実施形態による燃料電池システム用サイレンサを説明するが、前記第１の実施形態と同一の部位については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２２】
図３は、第２の実施形態によるサイレンサ４０の外表面部分を拡大して示す断面図である。
【００２３】
本実施形態においては、外板部材４１と内板部材４２とで形成した閉断面部を冷却用流体流路４３としている。図３に示すように、サイレンサ４０の表面は、外板部材４１によって覆われており、この外板部材４１の内側には内板部材４２が配設され、これらの外板部材４１と内板部材４２はそれらの端部４４同士で接合されている。これによって、外板部材４１と内板部材４２との間が閉断面構造になり、冷却用流体流路４３を構成する。
【００２４】
本実施形態によるサイレンサ４０の冷却構造は板金で作製できるため、薄肉の材料が使用でき、より軽量化が可能になる。
【００２５】
［第３の実施形態］
そして、第３の実施形態によるサイレンサを説明するが、前述した実施形態と同一の部位については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
図４に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態によるサイレンサ１２に配策した配管２２に、空気圧縮器１１からの配管５０を接続している。即ち、サイレンサ１２と空気圧縮機１１について共通のポンプ２３及び熱交換器２４を用い、かつ、共通の冷却水２５を使用する。
【００２７】
通常、燃料電池システム用の空気圧縮機は冷却水により冷却する場合が多いため、本実施形態によれば、共通の冷却システムを用いることでサイレンサ１２の液冷系を大幅に簡略化できる。
【００２８】
［第４の実施形態］
そして、第４の実施形態によるサイレンサを説明するが、前述した実施形態と同一の部位については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
図５に示すように、空気圧縮機６０は連通流路６１を介してサイレンサ６２に直結され、サイレンサ６２からは配管６３が配策され、該配管６３はポンプ２３と熱交換器２４に接続されている。
【００３０】
また、図６は、図５とは異なる構造の冷却水の流路を有する空気圧縮機６０とサイレンサ６２を示している。この図６に示すように、前記空気圧縮機６０の表面部分には、ウォータジャケット６４が設けられ、該ウォータジャケット６４はサイレンサ６２に設けられた冷却用流体流路６５に接続されている。これによれば、冷却水２５を空気圧縮機６０の供給口６７からウォータジャケット６４内に流入させたのち、連通流路６８を介してサイレンサ６２の冷却用流体流路６５に流通させ、出口管６５から外部に流出させる。なお、前記連通流路６８は、入口管６９の内部に形成されている。
【００３１】
本実施形態によれば、冷却水路は直列に配した方が冷却構造が簡単になり、また、入口管６９と出口管６６が各々一個ですむため、冷却装置の小型化が可能になる。また、空気圧縮機６０側からサイレンサ６２側に冷却水２５を流すため、空気圧縮機６０の冷却水２５の温度はサイレンサ６２から空気圧縮機６０に流すよりも低くなる。冷却水２５の温度は低い方が空気圧縮機６０の効率が良くなるので、空気圧縮機６０を先に冷却する方が空気圧縮機６０の効率が高くなる。
【００３２】
［第５の実施形態］
そして、第５の実施形態によるサイレンサを説明するが、前述した実施形態と同一の部位については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
本実施形態によるサイレンサは、冷却用流体流路内に流通させる冷却媒体としてオイルを用いる。このオイルは、空気圧縮機の潤滑油を好適に用いることができる。
【００３４】
図７と図８に示すように、本実施形態によるサイレンサ７０には出口管７１が設けられ、該出口管７１はオイルクーラ７２を介して空気圧縮機７３の入口管７４に接続されている。空気圧縮機７３の内部には、オイル室７５が設けられており、該オイル室７５に潤滑油７６が収容される。また、空気圧縮機７３の出口管７７は、オイルポンプ２３を介してサイレンサ７０の入口管７８に接続され、該入口管７８はサイレンサ７０の内部に設けられた冷却用流体流路７９に連通している。
【００３５】
この構成を有するサイレンサ７０によれば、前記潤滑油７６は、サイレンサ７０の出口管７１から配管８０を介してオイルクーラ７２に送られ、該オイルクーラ７２で冷却されたのち、空気圧縮機７３を潤滑及び冷却した後、オイルポンプ２３により加圧されサイレンサ７０の冷却用流体流路７９に入口管７８から流入する。このように、空気圧縮機７３に用いられているオイル循環系を使用することでシステムの構成を簡略化できる。
【００３６】
なお、サイレンサ７０の冷却用流体流路７９に冷却水２５よりも粘性の高いオイルである潤滑油７６を流すと、より高い振動の減衰効果を得られ、サイレンサ７０の表面から放射される騒音が低減する。
【００３７】
［第６の実施形態］
さらに、第６の実施形態によるサイレンサを説明するが、前述した実施形態と同一の部位については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図９に示すように、第６の実施形態によるサイレンサ８１は、空気圧縮機８２の下部に設けられている。空気圧縮機８２の内部には、オイル室８３が形成されており、空気圧縮機８２の潤滑油７６が収納されている。このオイル室８３は、入口管８４と出口管８５を介してサイレンサ８１内の冷却用流体流路８６に連通されている。
【００３９】
また、空気圧縮機８２の表面部分にはウォータジャケット８７が形成されている。このウォータジャケット８７には、入口管８８と出口管８９が設けられ、前記入口管８８から冷却水２５が流入し、ウォータジャケット８７内部を流通したのち、出口管８９から排出されるように構成されている。
【００４０】
本実施形態によれば、空気圧縮機８２を水冷とすることで冷却水２５が潤滑油７６も冷却するため、第５の実施形態によるオイルクーラ７２を必要とせず、空気圧縮機８２のオイル室８３の内部の潤滑油７６の温度はサイレンサ８１の冷却用流体流路８６の内部の潤滑油７６の温度よりも低くなる。また、サイレンサ８１は空気圧縮機８２よりも低い位置にあるため、高温の潤滑油７６は自然対流により高い位置にある空気圧縮機８２のオイル室８３側へ流れ、オイルポンプなしに潤滑油７６はサイレンサ８１の冷却用流体流路８６と空気圧縮機８２のオイル室８３との間を循環し、構造が簡略化されるとともに動力が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による燃料電池システムの全体を示す概略図である。
【図２】図１のサイレンサの内部構造を拡大して示す断面図である。
【図３】第２の実施形態によるサイレンサの外表面部分を拡大して示す断面図である。
【図４】第３の実施形態による燃料電池システムの全体を示す概略図である。
【図５】第４の実施形態による燃料電池システムの全体を示す概略図である。
【図６】第４の実施形態による別の空気圧縮機とサイレンサの内部構造を拡大して示す断面図である。
【図７】第５の実施形態による燃料電池システムの全体を示す概略図である。
【図８】図７の空気圧縮機とサイレンサの内部構造を拡大して示す断面図である。
【図９】第６の実施形態による空気圧縮機とサイレンサの内部構造を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池システム
１１，６０，７３，８２  空気圧縮機
１２，４０，６２，７０，８１  サイレンサ
１３  アフタクーラ
１６  燃料電池
１７  空気配管（空気流路）
２５  冷却水（冷却媒体）
２６，４３，６５，７９，８６  冷却用流体流路
２７，４１  外板部材
４２  内板部材
６４，８７  ウォータジャケット
【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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【図９】
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