(57)【要約】【課題】燃料電池を冷却するための水を備える水タンクを利用して、ブロワの振動を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１と、燃料電池１を冷却するための水を貯える水タンク２と、水素含有ガスと反応させる酸化剤ガスを燃料電池１に供給するためのブロワ３とを備えた燃料電池システムに関する。ブロワ３を防振部材４で支持すると共にブロワ３に水タンクを付設し、ブロワ３が防振部材４とともに共振するときの共振周波数と、水タンク２内の水のスロッシング周波数が一致するように、水タンク２のタンクサイズと貯水量が設定されている。ブロワ３とともに振動する水タンク２内の水にスロッシングが発生し、このスロッシング周波数がブロワ３の共振周波数と一致することによって、ブロワ３の共振が減衰される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池を冷却するための水を貯える水タンクと、水素含有ガスと反応させる酸化剤ガスを燃料電池に供給するためのブロワとを備えた燃料電池システムにおいて、ブロワを防振部材で支持すると共にブロワに水タンクを付設し、ブロワが防振部材とともに共振するときの共振周波数と、ブロワの振動とともに振動する水タンク内の水のスロッシング周波数が一致するように、水タンクのタンクサイズと貯水量が設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水タンク内に、水中に浸漬される隔壁板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水タンク内に、水中を相互に移動して衝突可能な複数の衝突体が配設されている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。
【請求項４】
水タンクの内面の、少なくとも水と接触する位置の表面は、粗面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水タンクは、ブロワの上面と側面を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７（ａ）は燃料電池１で発電する燃料電池システムの一例を示すものである。燃料電池１には、水素リッチな水素含有ガスを燃料電池１に供給する燃料供給器１１と、空気など酸素を含有する酸化剤ガスを燃料電池１に供給するブロワ３とが接続してあり、燃料電池１に水素含有ガスと酸化剤ガスが供給されると、水素含有ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素とが電気化学的に反応して発電されるようになっている。また燃料電池１はこの発電の際に発熱するので、燃料電池１に水を循環させて冷却する必要があり、ポンプ１２で水を燃料電池１に供給する水タンク２が備えられている（例えば特許文献１等参照）。
【０００３】
ここで、上記のブロワ３はモーターでダイアフラムなどを駆動させることによって、燃料電池１に空気などの酸化剤ガスを送風して供給するものであり、作動時に振動が発生する。このため、燃料電池システムを設置する場所、例えばコンクリート基礎１３の上にブロワ３を直に据え付けると、その振動が基礎１３に伝わって、基礎１３が振動したり騒音が大きく発生したりするおそれがある。
【０００４】
そこで図７（ｂ）に示すように、ゴム材など柔軟性を有して振動を吸収する防振部材４をブロワ３の下面に設け、この防振部材４を基礎１３に接地させた状態でブロワ３を据え付けるようにしている。このようにブロワ３を防振部材４で支持して、防振部材４をブロワ３と基礎１３の間に介在させることによって、ブロワ３の振動が基礎１３に伝達されることを抑制することができるものである。
【特許文献１】特開２００５−５６７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし上記のように防振部材４でブロワ３を支持すると、ブロワ３の振動が防振部材４で増幅され、共振によってブロワ３の振幅が大きくなることがある。そしてこのように防振部材４で支持されたブロワ３が共振して振動が大きくなると、ブロワ３に接続されている吸入管１４や吐出管１５の接続部に振動による応力が集中し、接続部の水密性が低下したりするおそれがある。特に、地震の発生時や、燃料電池システムの運搬時のように、衝撃的な外力が作用した場合には、防振部材４で支持されたブロワ３の共振によって大きな振幅で振動するおそれがあり、吸入管１４や吐出管１５の接続が外れたり、さらには防振部材４が破損したりするおそれがある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、燃料電池を冷却するための水を備える水タンクを利用して、ブロワの振動を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１と、燃料電池１を冷却するための水を貯える水タンク２と、水素含有ガスと反応させる酸化剤ガスを燃料電池１に供給するためのブロワ３とを備えた燃料電池システムにおいて、ブロワ３を防振部材４で支持すると共にブロワ３に水タンク２を付設し、ブロワ３が防振部材４とともに共振するときの共振周波数と、ブロワ３の振動とともに振動する水タンク２内の水のスロッシング周波数が一致するように、水タンク２のタンクサイズと貯水量が設定されていることを特徴とするものである。
【０００８】
ブロワ３が振動することによって、ブロワ３に付設された水タンク２も振動し、水タンク２内の水にスロッシングが発生するが、このスロッシング周波数がブロワ３の共振周波数と一致することによって、ブロワ３の共振が減衰されるものであり、燃料電池１を冷却するための水を備える水タンク２を利用して、ブロワ３の振動を抑制することができるものである。
【０００９】
また請求項２の発明は、請求項１において、水タンク２内に、水中に浸漬される隔壁板５が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によれば、隔壁板５が水タンク２内での水の揺動の抵抗となり、この水の揺動の抵抗によってブロワ３の振動が吸収され、ブロワ３の振動をより効果的に抑制することができるものである。
【００１１】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、水タンク２内に、水中を相互に移動して衝突可能な複数の衝突体６が配設されていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明によれば、衝突体６が水タンク２内での水の揺動の抵抗となり、この水の揺動の抵抗によってブロワ３の振動が吸収され、ブロワ３の振動をより効果的に抑制することができるものである。
【００１３】
また請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、水タンク２の内面の、少なくとも水と接触する位置の表面は、粗面に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この発明によれば、水タンク２内の水に溶存する気体を水タンク２内の粗面に気泡として析出させると共に、ブロワ３の共振による水タンク２の振動でこの気泡を浮上させて除去することができるものである。
【００１５】
また請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、水タンク２は、ブロワ３の上面と側面を囲むように配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
この発明によれば、ブロワ３から発生する音を、ブロワ３を囲む水タンク２で遮断して、外部に騒音として出ることを防ぐことができるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ブロワ３の共振によって、ブロワ３に付設された水タンク２も振動し、水タンク２内の水にスロッシングが発生するが、このスロッシング周波数がブロワ３の共振周波数と一致することによって、ブロワ３の共振が減衰されるものであり、燃料電池１を冷却するための水を備える水タンク２を利用して、ブロワ３の振動を抑制することができるものであり、ブロワ３の振動が大きくなって配管の水密性が低下したり、配管の接続が外れたりすることを防ぐことができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１９】
図１（ａ）は燃料電池システムの一例を示すものであり、燃料電池１には燃料供給器１１とブロワ３が接続してある。燃料供給器１１は、炭化水素系のガスを水蒸気改質反応させることによって、水素リッチな水素含有ガスを生成する改質器などで形成されるものであり、燃料電池１にこの水素含有ガスを供給するようにしたものである。またブロワ３はモータ及びモータで駆動されるダイアフラムなどを内蔵するダイアフラムポンプなどで形成されるものであり、空気など酸素を含有する酸化剤ガスを燃料電池１に供給するようにしたものである。そして燃料供給器１１から水素含有ガスが、ブロワ３から酸化剤ガスが、それぞれ燃料電池１に供給されると、水素含有ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素とが電気化学的に反応して発電がなされる。
【００２０】
また燃料電池１には、ポンプ１２で水を供給する水タンク２が接続してあり、発電の際に発熱する燃料電池１に水を循環させて冷却するようにしてある。水タンク２はこのように冷却水を燃料電池１に供給する他、改質器で形成される燃料供給器１１に水蒸気改質反応に使用される水を供給するようにしてあってもよい。
【００２１】
ここで、上記のブロワ３の下面にはゴム材など柔軟性を有して振動を吸収する材料で形成される防振部材４が設けてあり、燃料電池システムが据え付けられる床面、例えばコンクリート製の基礎１３などの上に防振部材４を接地させた状態でブロワ３を設置し、ブロワ３を防振部材４で支持するようにしてある。また水タンク２はブロワ３に付設するようにして設けられるものであり、例えば図１（ｂ）に示すようにブロワ３の上面に直置きして、ブロワ３に水タンク２を一体的に連結固定するようにしてある。ブロワ３には、空気などの酸化剤ガスをブロワ３に吸入する吸入管１４と、ブロワ３から酸化剤ガスを吐出する吐出管１５の一端部がそれぞれ接続してあり、吐出管１５の他端部は燃料電池１に接続してある。また水タンク２には、市水などの水を水タンク２に導入する導入管１６と、水タンク２内の水を送り出して供給する給水管１７の一端部がそれぞれ接続してあり、給水管１７の他端部はポンプ１２を介して燃料電池１に接続してある。尚、燃料電池１では発電の際に水素と酸素が反応して水が生成されるので、排ガス中のこの水を導入管１６を通して水タンク２に導入するようにしてもよい。
【００２２】
また、水タンク２には貯水する水の水位を一定に保つ水位制御手段が設けてある。この水位制御手段は、例えば、水タンク２内に設けた水位センサ２０と、導入管１６に設けた開閉弁（図示省略）とから形成されるものである。水位センサ２０は例えば、水タンク２内に縦方向に配置されるガイドバー２１と、ガイドバー２１に沿って上下するフロート２２と、フロート２２の下側と上側においてガイドバー２１に設けられる下限リミットスイッチ２３及び上限リミットスイッチ２４を備えて形成されるものである。そして水タンク２内の水位が下がって、水位とともにフロート２２が下動し、フロート２２が下限リミットスイッチ２３の位置に達すると、下限リミットスイッチ２３が作動して、導入管６に設けた開閉弁が開いて導入管６から水タンク２内に水が導入され、またこのように導入管６から水が導入されることによって水タンク２内の水位が上昇すると、水位ととともにフロート２２が上動し、フロート２２が上限リミットスイッチ２４の位置に達すると、上限リミットスイッチ２４が作動して、導入管６に設けた開閉弁が閉じて導入管６から水タンク２内への水の導入が停止されるようになっており、水タンク２内の水位を下限リミットスイッチ２３と上限リミットスイッチ２４の間に一定に保つことができるものである。
【００２３】
そして、ブロワ３は上記のように防振部材４で支持されているので、ブロワ３の振動が基礎１３に伝達されることを防振部材４による吸振作用で抑制することができるが、ブロワ３の振動が防振部材４で増幅され、ブロワ３と防振部材４からなる振動系が共振し、ブロワ３の振動が大きくなることがある。
【００２４】
ここで、ブロワ３と防振部材４からなる振動系の共振周波数ｆ０は、式（１）で求めることができる。
【００２５】
ｆ０＝（１／２π）√（ｋ／ｍ）      （１）
（ｋ：防振部材のバネ定数、ｍ：ブロワの質量）
一方、水タンク２はブロワ３に付設されているので、ブロワ３の振動とともに水タンク２も振動する。そしてこのように水タンク２が振動すると、水タンク２内の水にスロッシング（液面揺動）が発生する。このスロッシングの周波数は、水タンク２のタンクサイズと貯水量（水位）とによって決まる固有のものである。
【００２６】
例えば水タンク２が図３のように直方体タンクの場合、固有角振動数ωｎは、水タンク２のタンクサイズを規定する底面の２辺の寸法ｌ及びｂと、貯水量を規定する水位の高さｈと、式（２）の関係があり、この式（２）から固有角振動数ωｎ（ｎは次数、ｎ＝１，２，３…）を求めることができる。尚、本実施形態においては、水タンク２は直方体であるが、水タンク２の形状に応じて固有振動数ωｎを求める関係式が異なるのはいうまでもない。
【００２７】
【数１】
2009140761.tif 000003
【００２８】
そして水タンク２のスロッシング周波数ｆｓｌｏは、この固有振動数ωｎから式（３）で求めることができる。
【００２９】
ｆｓｌｏ＝ωｎ／２π      （３）
そして本発明では、このスロッシング周波数ｆｓｌｏが、ブロワ３と防振部材４からなる振動系の共振周波数ｆ０と略等しくなるように、水タンク２のタンクサイズ（底面の２辺寸法ｌ及びｂ）に対して、水タンク２内の貯水量（水位ｈの高さ）を設定し、水タンク２内に貯水する水の水位がこのｈの高さになるように水位制御手段で一定に保つようにしてある。
【００３０】
上記のように、ブロワ３と防振部材４からなる振動系の共振周波数に、水タンク２のスロッシング周波数を一致させるようにすると、防振部材４で支持されるブロワ３が防振部材４とともに共振する振動が、水タンク２のスロッシングで減衰され、ブロワ３の振動を抑制することができるものである。図２（ａ）（ｂ）は防振部材４の変形を誇張して示すイメージ図であり、防振部材４で支持されるブロワ３の共振周波数と水タンク２のスロッシング周波数が一致すると、ブロワ３の振動と水タンク２内の水のスロッシングが相互に打ち消すように作用し、ブロワ３の振動を抑制することができるのである。従って、ブロワ３が共振して振動が大きくなることを防いで、ブロワ３に接続されている吸入管１４や吐出管１５の接続部の水密性が低下したりすることを未然に防ぐことができるものである。特に、地震の発生時や、燃料電池システムの運搬時のように、衝撃的な外力が作用した場合においても、ブロワ３が大きな振幅で振動することを抑制することができ、吸入管１４や吐出管１５の接続が外れたり、さらには防振部材４が破損したりするようなことを防ぐことができるものである。尚、防振部材４で支持されるブロワ３の共振周波数と、水タンク２のスロッシング周波数は、正確に一致している必要はなく、ブロワ３の振動を抑制することができる範囲で一致していればよい。
【００３１】
次に、ブロワ３に地震時の振動を与えたときの、振動シミュレーションを行ない、その結果について説明する。図４（ａ）は１９９５年１月１７日に発生した阪神・淡路大震災の際に神戸で観測された地震動波形に相当するものである。そして、図７（ｂ）のように防振部材４で支持されたブロワ３として、５ｋｇの質量を有し２．０Ｈｚの共振周波数を有するものを用い、この地震波をブロワ３に作用させると、図４（ｂ）のような振動波形が得られるものであり、共振によって振幅の大きい振動が長時間持続することがみられた。一方、スロッシング周波数が２．０Ｈｚになるように水位を調整した５００ｃｃの水を貯水する水タンク２を図１（ｂ）のようにこのブロワ３の上に取り付け、同様に地震波を作用させたところ、図４（ｃ）のように振動波形が時間と共に減衰して短時間で収束するものであった。従って、ブロワ３の共振周波数と一致するスロッシング周波数を有する水タンク２をブロワ３に付設することによって、ブロワ３の振動を抑制できることが確認された。
【００３２】
図５（ａ）は本発明の他の実施の形態を示すものであり、水タンク２内に隔壁板５を設けるようにしてある。隔壁板５は水タンク２の底面から所定間隔で平行に立設するように複数枚設けるようにしてあり、隔壁板５の上端が水タンク２内の水位の付近に位置する高さに設定してある。このように水タンク２内に隔壁板５を設けることによって、水タンク２内での水の揺動に対して隔壁板５が抵抗体となる。従って、ブロワ３の振動に伴なって水タンク２内で生じる水の揺動が隔壁板５で抵抗を受けることによって、ブロワ３の振動を吸収することができ、ブロワ３の振動をより効果的に抑制することができるものである。
【００３３】
図５（ｂ）は本発明のさらに他の実施の形態を示すものであり、水タンク２内に多数の衝突体６が配設してある。衝突体６としては水の比重に近いものが好ましく、水タンク２内の水中に浮遊し、水の揺動とともに水中を相互に移動して衝突可能な状態にしてある。このように水タンク２内の水中に多数の衝突体６を配設すると、水の揺動によって衝突体６が相互に衝突し合い、水タンク２内での水の揺動に対して衝突体６が抵抗体となる。従って、ブロワ３の振動に伴なって水タンク２内で生じる水の揺動が衝突体６で抵抗を受けることによって、ブロワ３の振動を吸収することができ、ブロワ３の振動をより効果的に抑制することができるものである。
【００３４】
図６は本発明のさらに他の実施の形態を示すものであり、水タンク２の底面の中央部を上方へ凸屈曲させることによって、水タンク２の底面に下方へ開口する凹部２６を形成し、この凹部２６内にブロワ３をはめ込むようにして、ブロワ３の上面に水タンク２が取り付けてある。従ってブロワ３はその上面及び側面の全面が水タンク２で囲まれるものであり、ブロワ３が作動する際に発生する音を、ブロワ３を囲む水タンク２で遮断することができ、この音が外部に騒音として出ることを防ぐことができるものである。尚、図６では、見易くするために水タンク２の正面の部分を破断して正面を開放した状態で表示している。
【００３５】
また本発明では、上記のようにブロワ３に連結固定して水タンク２を設けるようにしてあるので、ブロワ３が作動する際の振動を常に水タンク２に作用させることができるものであり、水タンク２内の水に気泡が含まれている場合、この振動によって気泡を水面に浮上させて水中から除去することができるものである。従って、水タンク２に貯水される水を燃料電池１に循環させて冷却するにあたって、水中に気泡が含まれていると冷却効率が低下するが、ブロワ３の作動時の振動を利用してこのように水中の気泡を除去することによって、冷却効率を高く保持することができるものである。
【００３６】
さらに本発明において、水タンク２の内面を粗面に形成するようにしてもよい。水タンク２の内面の全面を粗面に形成するようにしてもよいが、少なくとも水と接触する箇所において水タンク２の内面を粗面に形成するものである。このように水タンク２の内面を粗面に形成すると、水タンク２に貯水される水に溶存している気体は水タンク２の内面の粗面に気泡として析出して付着し易くなる。そしてこのように水タンク２の内面に付着した気泡は、ブロワ３の作動時の振動で、水タンク２の内面から剥がれて水面に浮上し、除去されるものである。このように水中の気体を気泡として析出させる共に気泡を除去することによって、水タンク２に貯水される水中の溶存気体量を低減することができるものであり、水中に溶存気体によって気泡が発生することを抑制することができ、水中に気泡が含まれることによる冷却効率の低下を防ぐことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は燃料電池システムの概略図、（ｂ）はブロワと水タンクの概略図である。
【図２】同上のブロワと水タンクを示すものであり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ概略図である。
【図３】スロッシング周波数を求める際の、水タンクの寸法と水位を示す概略図である。
【図４】振動シミュレーションを示すものであり、（ａ）は地震動波形を、（ｂ）（ｃ）はブロワの振動波形を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示すものであり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ概略図である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図７】従来例を示すものであり、（ａ）は燃料電池システムの概略図、（ｂ）はブロワの概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃料電池
２  水タンク
３  ブロワ
４  防振部材
５  隔壁板
６  衝突体
【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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