(57)【要約】【課題】装置全体の小型軽量化を測るとともに、圧縮機から油分が流出しても燃料電池への流入を阻止できる燃料電池用空気供給装置を提供する。【解決手段】圧縮機の吐出脈動騒音を低減する消音器８は、消音器ケース２０の前後に貫通して設けられた入口配管２１及び出口配管２２、拡張室２３、拡張室２３の内壁に設けられた吸音材２４、および入口配管２２に設置された渦流発生器２５とを備えている。吸音材２４は、オイル吸着機能も兼ね備える。空気２６と油分２７の混じった流体が入口配管２１に流入すると、渦流発生器２５を通過する時に強い旋回流が発生する。流体に含まれる油分２７は、旋回流に起因する遠心力により拡張室２３の内壁に向かって飛散し、吸音材２４により吸着される。空気２６は遠心力の影響を受けることなく、出口配管２２より排出される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を取り込み燃料電池に供給する空気供給機と、
前記空気供給機を駆動する電動機と、
前記空気供給機の吸気側に配置されるフィルタと、
空気供給機の吐出直後に配置される消音器から構成される燃料電池用空気供給装置において、
前記消音器が空気中の油分吸着機能を有することを特徴とする燃料電池用空気供給装置。
【請求項２】
前記消音器は、拡張室と、拡張室入口に設けられた渦流発生器と、拡張室内壁に設けられ油分吸着も可能な吸音材とを備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項３】
前記消音器は、拡張室と、拡張室入口並びに出口に設けられ拡張室内部で空気の流れ方向を少なくとも１回略反転させるように配置された挿入管と、拡張室内壁に設けられ油分吸着も可能な吸音材とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項４】
前記挿入管に対面する拡張室内壁について、前記吸音材の厚みまたは量を他に比べて増量して配置することを特徴とする請求項３記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項５】
前記消音器は、拡張室内に共鳴型要素を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項６】
前記フィルタは、物理的に塵埃などの固形物を除去するダストフィルタと、化学反応により有害気体を吸着するケミカルフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池用空気供給装置。
【請求項７】
前記燃料電池は燃料電池車両の電源として用いられ、前記フィルタは車両前方のモータールーム内に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池用空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用空気供給装置に係り、特に、車載用燃料電池の空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。
【０００３】
即ち、燃料電池を電源とした燃料電池車両は、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、これから供給される水素と、空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
空気を燃料電池へ供給する従来技術として、コンプレッサやブロワなどの流体機械を電動機で駆動する方法があり、例えば特許文献１に開示されている。この従来技術によれば、圧縮機上流側にエアクリーナを設置すると共に圧縮機下流側にもフィルタを設置している。
【０００５】
これら圧縮機などの流体機械では、軸受や駆動歯車の潤滑用にグリスや潤滑油を用いている。したがって、フィルタが圧縮機下流にあれば、万が一流体機械が破損した場合でも流体機械から流出する潤滑油等の油分がフィルタで吸着され、燃料電池本体に流入することを抑制できる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１１０２１３号公報（第６ページ、図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池パワプラントを車両の駆動源として使用する場合、車載スペースが限られる場合が多く、これら一連の空気供部品を全ての車両条件を考慮して搭載することは容易ではない。
【０００８】
例えば、圧縮機の吸気側（上流）に配置されるフィルタや消音器は容易に変形可能な樹脂部品とすることができるので、衝突安全基準を満たすように車両前方のモータールーム内のクラッシャブルゾーン内に配置することも可能である。
【０００９】
しかしながら、高圧空気を燃料電池に供給する場合には、圧縮機下流の高圧側に配置されるフィルタなどの構成部品は、加圧容器として設計しなければならない。このため、これらの部品は容易に変形しない金属部品となり、クラッシャブルゾーンに配置することが困難であるなどレイアウト上の問題点や、重量が重くなるという問題点があった。
【００１０】
そこで、フィルタもこの観点からは圧縮機の上流に配置することが望ましいが、フィルタを圧縮機上流に配置すると、万が一圧縮機が破損した場合に流出する油分が燃料電池に流入することを防げなくなり、流入した油分が燃料電池本体の性能を低下させてしまう可能性があるという問題点があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、空気を取り込み燃料電池に供給する空気供給機と、前記空気供給機を駆動する電動機と、前記空気供給機の吸気側に配置されるフィルタと、空気供給機の吐出直後に配置される消音器から構成される燃料電池用空気供給装置において、前記消音器が空気中の油分吸着機能を有することを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、空気供給機の吐出側に配置される消音器が空気中の油分吸着機能を有することとしたため、空気供給機下流にフィルタやオイルセパレータを持たない構造でありながら、空気供給機から通常放出される微小油分や空気供給機が破損して油分が流出した場合の油分の燃料電池への流入を阻止することができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図１乃至図３を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本発明に係る燃料電池用空気供給装置が適用される燃料電池車両の空気系統の構成を説明する模式図である。同図において、燃料電池車両の空気系統は、空気中の塵埃や塩分など固形物や液滴を物理的に除去するダストフィルタ３と、ダストフィルタ３を通過した空気から窒素酸化物や硫化物等の有害気体を化学変化により吸着するケミカルフィルタ４と、吸気騒音を低減する第１消音器５と、吸気配管６と、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１を駆動する電動機２と、高圧配管７と、圧縮機１から吐出される高圧空気の脈動騒音等を低減するとともに高圧空気から油分を吸着する第２消音器８と、高圧空気を冷却するアフタークーラー９と、加湿器１０と、カソード１２及びアノード１３を有する燃料電池本体１１と、カソード１２の圧力を調整する圧力制御バルブ１４と、圧力制御バルブ１４から排出される空気と図示しないアノードオフガス配管から供給される水素とを燃焼させる燃焼器１５と、燃焼器１５の排ガス温度を下げる熱交換器１６と、熱交換後の排ガスの騒音を低減する第３消音器１７と、排気配管１８とを備えている。
【００１４】
尚、図１では、燃料電池本体１１のアノード１３に水素供給する水素供給及び循環系統、加湿器１０に純水を供給したり、熱交換器１６から純水を回収したりする純水系統、冷却系統などは未図示である。同様に、電動機２を駆動する電源、インバータ等も未図示となっている。
【００１５】
また、特に限定されないが、圧縮機１、電動機２、ダストフィルタ３、ケミカルフィルタ４、第１消音器５、吸気配管６、高圧配管７及び第２消音器８は、車両前方に設けたモータルームに配置することが好ましい。このモータルームは、内燃機関車両のエンジンルームに相当するのもで、エンジンに代えて車両駆動用のモータが配置されるのでモータルームと呼ばれている。さらに、アフタークーラー９以下の構成要素は、例えば、車両の床下に配置される。
【００１６】
ダストフィルタ３とケミカルフィルタ４とは、圧縮機１へ供給する空気を浄化するフィルタを構成している。圧縮機１は、第１消音器５が接続された吸気配管６から浄化された空気を取り込み、圧縮空気を高圧配管７に送り出す。圧縮されて高温になった空気は、オイル吸着器も兼ねる第２消音器８を経てアフタークーラー９により冷却され、加湿器１０を経由して燃料電池本体１１のカソード１２に供給される。
【００１７】
水素ガスは高圧タンク等に貯蔵され、燃料電池本体１１のアノード１３に供給されるが、ここではその詳細は省略する。燃料電池本体１１では、空気及び水素の供給により電力と水が発生するが、本図の中ではそれらは省略されている。
【００１８】
カソード１２からの排気ガスは、圧力制御バルブ１４、燃焼器１５（システム起動時と水素ガスをパージする時のみ使用）、熱交換器１６、第３消音器１７を介して排気配管１８より排出される。
【００１９】
図２は、オイル吸着器も兼ねる第２消音器８の構造を表す断面図である。第２消音器８は、消音器ケース２０の前後に貫通して設けられた入口配管２１及び出口配管２２、拡張室２３、拡張室２３の内壁に設けられた吸音材２４、および入口配管２２に設置された渦流発生器２５とを備えている。
【００２０】
吸音材２４は、オイル吸着機能も兼ね備えるものとなっている。吸音材２４としては、グラスウールやステンレススチールウール等を使用した吸音吸着材でもよいが、主として吸音特性を担うグラスウール、ステンレススチールウール等に、主としてオイル吸着機能を担う植物性繊維や化学繊維を混入、またはこれらを成層したものを利用することができる。
【００２１】
図３は、圧縮機破損による潤滑油流出等の理由で空気と油分が混流状態で第２消音器８に流入した場合の、空気と油分の分離作用を説明する図である。
【００２２】
まず、空気２６と油分２７の混じった流体が入口配管２１に流入する。図３では空気２６を実線矢印で、油分（ミスト、液滴）２７を破線矢印で表示している。入口に設けられた渦流発生器２５には、らせん状のフィンが形成されており、流入した流体が渦流発生器２５を通過する時に強い旋回流が発生するようになっている。流体に含まれる油分２７は、旋回流に起因する遠心力により拡張室２３の内壁に向かって飛散し、吸音材２４により吸着される。
一方、空気２６は遠心力の影響を受けることなく、出口配管２２より排出される。
【００２３】
このように本実施形態によれば、第２消音器８にオイル吸着機能を持たせることにより、圧縮機下流のフィルタやオイルセパレータを省略した場合でも、圧縮機破損等によるオイル流出が燃料電池に到達することを防止することができ、またフィルタが空気供給機上流に設置されるため大きな圧力が加わることが無いため、フィルタの小型軽量化を図ることもできる。従って、空気供給装置の信頼性確保と小型軽量化の両立を図ることができるという効果がある。
【００２４】
またフィルタの剛性を落とすことがきるので、ダストフィルタ及びケミカルフィルタを車両前方のモータールームに配置することで、衝突時の衝撃吸収剤としても利用することができる。
【００２５】
ここで、消音器の油分吸着機能は、空気供給機が何らかの理由で破損し、その結果内部の潤滑油成分が空気供給機下流側に飛散または流出した場合でも、それらの成分を十分吸着可能な容量を有するようにすると、吸着しきれない油分が燃料電池に流出することを防止でき、空気供給機が破損した場合の信頼性を確実にすることができる。
【００２６】
また、第２消音器は、拡張室と、拡張室入口に設けられた渦流発生器と、拡張室内壁に設けられ油分吸着も可能な吸音材を備えたこととしたため、渦流発生器通過時に発生する遠心力によって油分を拡張室内壁の吸音材に吸着させることができ、簡便な構造で効率よく油分を吸着することができる。
【００２７】
また、ダストフィルタとケミカルフィルタを設けたため、燃料電池へ供給する空気の純度を高いレベルで保つことができる。
【００２８】
なお、正常作動時においては、空気供給機から供給される空気中に含まれる空気供給機に起因する油分は、燃料電池に影響を与えない極微量にとどまるようにすることで、通常運転時は空気供給機下流にフィルタやオイルセパレータを設ける必要がなくなり、小型軽量化と通常運転時の信頼性の両立を確実にすることができる。
【００２９】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態を図４、図５を用いて説明する。第２実施形態のシステム構成については、図１に示した第１実施形態と同様である。
図４は、オイル吸着器も兼ねる第２消音器８の第２実施形態の構造を表す断面図である。この第２消音器８は、消音器ケース３０、入口挿入管３１、出口挿入管３２、拡張室３３、及び拡張室内壁に設けられた吸音材３４から構成される。入口挿入管３１と出口挿入管３２とは、互いの軸心をずらし、かつ各管端を対面に近接させた配置となっている。吸音材３４はオイル吸着機能も兼ね備えるものとなっており、入口挿入管３１の対面及び出口挿入管３２の対面における吸音材３４の厚さｔ２を他の部分の吸音材３４の厚さｔ１より厚く（ｔ２＞ｔ１）している。吸音材３４の材質は、第１実施形態の吸音材２４と同様のものである。
【００３０】
図５は、圧縮機破損による潤滑油流出等の理由で空気と油分が混流状態で第２消音器８に流入した場合の、空気と油分との分離作用を説明する図である。
【００３１】
まず、空気３６と油分３７の混じった流体が入口挿入管３１に流入する。図５でも図３と同様に空気３６を実線矢印で、油分（ミスト、液滴）３７を破線矢印で表示している。入口挿入管３１と出口挿入管３２とは互い違いに配置されているため、空気３６の流れは乱流を伴いながら拡張室３３内に図示した実線矢印の示す通り、大きく蛇行しながら排出される。
【００３２】
一方油分３７については、空気より大きな慣性を有するため、その多くは直進し対面の吸音材３４に衝突し、そこで吸着される。本構成でも第１実施形態と略同等の効果が得られる。
【００３３】
このように本実施形態では、第２消音器は、拡張室と、拡張室入口並びに出口に設けられ拡張室内部で空気の流れ方向を１回略反転させるように配置された挿入管と、拡張室内壁に設けられ油分吸着も可能な吸音材を備えたこととしたため、消音器としての性能を損なうことなく、油分を吸着することができる。
【００３４】
また、挿入管に対面する拡張室内壁について、吸音材の厚みまたは量を他に比べて増量して配置することとしたため、最も油分が飛散しやすい挿入管対面部に重点的に吸音吸着材を配置することができ、より吸着効果を高めることができる。
【００３５】
なお本実施形態では図示しなかったが、消音器内にヘルムホルツ型レゾネータなどの共鳴要素を設けることにより、共鳴周波数を含む帯域での消音特性を向上させることができる。また、共鳴要素設置は空気の流れをより複雑にすることになり、油分の吸着にも若干有利に作用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシステム概略を表わす図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるオイル吸着器も兼ねる消音器の構造を表す断面図である。
【図３】図２に示した消音器のオイル−空気分離作用を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施形態におけるオイル吸着器も兼ねる消音器の構造を表す断面図である。
【図５】図４に示した消音器のオイル−空気分離作用を説明する図である。
【符号の説明】
８…第２消音器
２０…消音器ケース
２１…入口配管
２２…出口配管
２３…拡張室
２４…吸音材
２５…渦流発生器
２６…空気
２７…油分
【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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