特開 2022-77619 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022077619

(43)【公開日】2022-05-24

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   G10K 11/178 20060101AFI20220517BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220517BHJP

【ＦＩ】

G10K11/178 130

H01M8/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020188499

(22)【出願日】2020-11-12

(71)【出願人】

【識別番号】598051819

【氏名又は名称】ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １２０，７０３７２ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100176946

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 智恵

(74)【代理人】

【識別番号】100092978

【弁理士】

【氏名又は名称】真田 有

(74)【代理人】

【識別番号】100111143

【弁理士】

【氏名又は名称】安達 枝里

(72)【発明者】

【氏名】パルバール セイエド シャヒン

【テーマコード（参考）】

5D061

5H127

【Ｆターム（参考）】

5D061FF02

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC04

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA60

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB37

(57)【要約】

【課題】燃料電池システムにおいて騒音を低減する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池へ空気を供給するコンプレッサ３と、コンプレッサ３の周囲を隔壁４で囲うエンクロージャ５と、エンクロージャ５に設けられたマイク６と、エンクロージャ５の隔壁４に設けられたアクチュエータ７と、制御装置とを備える。マイク６は、コンプレッサ３から発生する対象音を集める。アクチュエータ７は、隔壁４を振動させて制御音を発生させる。制御装置は、マイク６で集めた対象音を打ち消す逆位相の制御音が発生するようにアクチュエータ７を駆動する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池へ空気を供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの周囲を隔壁で囲うエンクロージャと、
前記エンクロージャに設けられ、前記コンプレッサから発生する対象音を集めるマイクと、
前記エンクロージャの前記隔壁に設けられ、前記隔壁を振動させて制御音を発生させるアクチュエータと、
前記マイクで集められた前記対象音を打ち消す逆位相の前記制御音が発生するように前記アクチュエータを駆動する制御装置と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件は、水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池システムとして、発電に用いる酸素（空気）をコンプレッサで高圧化（圧縮）するものが知られている。コンプレッサは、作動時に音を出すことから、騒音の原因となりうる。これに対し、車両に適用された燃料電池システムにおいて、コンプレッサから発せられる周期的騒音を、ラジエータファンの気流による不規則騒音でマスクし、乗員が感じる騒音を低減するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－１７９３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記のような燃料電池システムがトラックやバスといった大型車両に適用される場合には、乗用車に適用される場合と比べて、燃料電池の大容量化に伴い、コンプレッサが大容量化してコンプレッサから発生する騒音も大きくなる虞がある。大きな騒音は、例えば、燃料電池システムが適用された車両の乗員に不快感を与えたり、車両の外部の周囲環境に影響を及ぼしたりする可能性がある。

【0005】

本件は、上記のような課題に鑑み創案されたものであり、燃料電池システムにおいて騒音を低減することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本件は上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現できる。
本適用例に係る燃料電池システムは、水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池へ空気を供給するコンプレッサと、前記コンプレッサの周囲を隔壁で囲うエンクロージャと、前記エンクロージャに設けられ、前記コンプレッサから発生する対象音を集めるマイクと、前記エンクロージャの前記隔壁に設けられ、前記隔壁を振動させて制御音を発生させるアクチュエータと、前記マイクで集めた前記対象音を打ち消す逆位相の前記制御音が発生するように前記アクチュエータを駆動する制御装置と、を備える。

【0007】

本適用例に係る燃料電池システムによれば、燃料電池へ空気を供給するコンプレッサの周囲がエンクロージャの隔壁で囲われるため、コンプレッサから発生した対象音がエンクロージャの外部へ漏れ出ることをパッシブノイズキャンセリング機能によって抑制できる。これに加えて、マイクで集められた対象音を打ち消す逆位相の制御音が発生するようにアクチュエータが駆動させられるため、コンプレッサから発生した対象音を隔壁においてアクティブノイズキャンセリング機能により低減できる。したがって、燃料電池システムにおいて騒音を低減できる。これにより、周囲環境に及ぼす影響を低減できる。

【発明の効果】

【0008】

本件によれば、燃料電池システムにおいて騒音を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】燃料電池システムが適用された車両の模式的な構成図である。

【図2】燃料電池システムの要部の正面図である。

【図3】燃料電池システムのブロック構成図である。

【図4】マイクで取得される時間領域の波形の一例である。

【図5】時間領域の波形から変換された周波数領域の波形の一例である。

【図6】二つのマイクで取得された情報からそれぞれ得られた周波数領域の波形の例である。

【図7】制御装置で実施される消音制御の手順を例示したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図面を参照して、本件の実施形態について説明する。この実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

【0011】

［１．装置構成］
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池２を備えている。ここでは、車両１０に適用された燃料電池システム１を例示する。
車両１０は、燃料電池２で発生した電力を用いて図示しない走行用モータを駆動することにより走行する電動車両である。本実施形態では、車両１０がトラックやバスといった大型車両であるものとする。

【0012】

燃料電池システム１は、燃料電池２へ空気を供給するコンプレッサ３を備える。本実施形態では、回転子を回転させるモータ（図示略）を内蔵した回転式のコンプレッサ３を例示する。
コンプレッサ３には、車両１０の外部から取り入れられた空気（外気）がフィルタ１１で不純物を取り除かれた後に供給される。コンプレッサ３は、フィルタ１１を通過した空気を、圧縮して高圧化した後に燃料電池２のカソード（空気極）へと供給する。

【0013】

一方、燃料電池２のアノード（燃料極）には、車両１０に搭載された水素タンク１２から調圧弁１３を介して水素が供給される。燃料電池２は、コンプレッサ３から供給された空気中の酸素と水素タンク１２から供給された水素とを化学反応させることにより発電する。燃料電池２で発生した電力は、例えば、車両１０に搭載されたバッテリパック１４に蓄えられ、必要に応じて走行用モータに供給される。

【0014】

図２に示すように、燃料電池システム１は、コンプレッサ３の周囲を隔壁４で囲うエンクロージャ５と、コンプレッサ３から発生する音（以下、対象音という）を集める複数のマイク６と、隔壁４を振動させる複数のアクチュエータ（バイブレータ）７とを備える。エンクロージャ５は、コンプレッサ３の周囲を隙間なく囲うことで、外部への対象音の漏出を物理的に遮断する機能（パッシブノイズキャンセリング機能）をもつ。これに対し、アクチュエータ７は、マイク６で集められた対象音と逆位相の制御音を発生させることで、デジタル処理により対象音を打ち消す機能（アクティブノイズキャンセリング機能）をもつ。このように、燃料電池システム１は、パッシブノイズキャンセリング機能とアクティブノイズキャンセリング機能との組み合わせにより、コンプレッサ３に起因する騒音を低減する。

【0015】

本実施形態のエンクロージャ５は、コンプレッサ３の全体を覆う大きさに形成されている。ここでは、外観が直方体形状である箱型のエンクロージャ５を例示する。具体的にいえば、エンクロージャ５は、矩形の平板状をなす六つの隔壁４を有する。隔壁４は、例えば金属で形成される。

【0016】

六つの隔壁４のうち、エンクロージャ５の底面部をなす一つには、ゴム製の複数のスペーサ９を介してコンプレッサ３が載置される。また、本実施形態では、六つの隔壁４のうち、上記の底面部をなす一つとは異なる三つに貫通孔４１が形成されている。三つの貫通孔４１には、コンプレッサ３に空気を供給する供給パイプ３１と、コンプレッサ３から空気を排出する排出パイプ３２と、コンプレッサ３に給電する配線３３とがそれぞれ挿通される。三つの貫通孔４１は、供給パイプ３１、排出パイプ３２及び配線３３がそれぞれ挿通されたうえで、例えばバキュームフォームにより密閉される。
エンクロージャ５は、車両１０のシャシフレームに固定される。なお、エンクロージャ５の具体的な構成は、上記の例示に限定されない。エンクロージャ５は、例えば、隣接する隔壁４同士がなす角部に沿って延びるフレームを更に有していてもよい。

【0017】

マイク６は、エンクロージャ５の内部において複数の隔壁４が互いに接続される箇所に設けられる。本実施形態では、エンクロージャ５の八つの角部のそれぞれに配置された八つのマイク６を例示する。すなわち、各マイク６は、三つの隔壁４が互いに接続される箇所（角部）に設けられている。ただし、マイク６の個数及び配置はここで例示するものに限定されず、エンクロージャ５の形状や大きさなどに応じて適宜変更可能である。

【0018】

アクチュエータ７は、各隔壁４に設けられる。本実施形態では、各隔壁４の外面における略中央部に設けられたアクチュエータ７を例示する。六つのアクチュエータ７は、個々に（互いに独立して）隔壁４を振動させ、マイク６で集められた対象音を打ち消す制御音を発生させる。

【0019】

図３に示すように、燃料電池システム１は、マイク６で取得された情報に基づいてアクチュエータ７を制御する制御装置８を備える。制御装置８は、例えばマイクロプロセッサやＲＯＭ、ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込み電子デバイスとして構成された電子制御装置であり、車両１０のネットワーク網の通信ラインに接続されている。本実施形態の制御装置８は、その入力側に八つのマイク６が接続されており、その出力側に六つのアクチュエータ７が接続されている。制御装置８は、コンプレッサ３に起因した騒音をアクティブノイズキャンセリング機能により低減する消音制御を実施する。

【0020】

［２．制御構成］
消音制御は、コンプレッサ３が作動中（オン）である場合に実施される。消音制御では、対象音の情報が各マイク６から制御装置８に伝達される。図４に例示するように、各マイク６で取得される情報は、縦軸を振幅Ａとするとともに横軸を時間Ｔとした時間領域の波形Ｗｔである。

【0021】

本実施形態の制御装置８は、マイク６で対象音が検出された場合に、時間領域の波形Ｗｔを図５に例示するような周波数領域の波形Ｗｆに変換する。これにより制御装置８は、低減すべき対象音の周波数を特定する。なお、このような時間領域から周波数領域への変換は、例えばフーリエ変換を用いて行われる。

【0022】

周波数領域の波形Ｗｆは、具体的には、縦軸を振幅Ａとするとともに横軸を周波数Ｆとして対象音を表している。制御装置８は、このような周波数領域の波形Ｗｆを、各マイク６で集められた対象音について個々に取得する。本実施形態では、八つのマイク６がエンクロージャ５に設けられているため、制御装置８は、八つのマイク６から伝達された情報にそれぞれ基づいて、八つの周波数領域の波形Ｗｆを取得する。

【0023】

制御装置８は、各々の周波数領域の波形Ｗｆから振幅Ａが突出して大きいスパイクＳを抽出する。スパイクＳは、消音制御において低減すべき対象音の周波数Ｆを表している。なお、騒音となる可能性の低い所定振幅Ａｏ（例えば10[dB]）未満の対象音は、スパイクＳの抽出対象から除外（フィルタ処理）することができる。

【0024】

制御装置８は、各々の周波数領域の波形ＷｆにおけるスパイクＳの共通性に基づいて、低減すべき対象音の方向（低減すべき対象音がいずれの隔壁４に届いているのか）を判断する。そして、制御装置８は、低減すべき対象音の方向に位置するアクチュエータ７を駆動することで、アクティブノイズキャンセリング機能により対象音を低減する。具体的にいえば、制御装置８は、対象音を打ち消す逆位相の制御音が発生するように、アクチュエータ７を駆動する。

【0025】

ここで、図６に示すように、二つのマイク６Ａ，６Ｂをそれぞれ用いて得られた二つの周波数領域の波形Ｗ１，Ｗ２を例に挙げて説明する。図６には、説明の簡素化のために二つの波形Ｗ１，Ｗ２を例示するが、制御装置８は全て（本実施形態では八つ）の周波数領域の波形Ｗｆについて同様の処理を実施する。

【0026】

図６に例示する波形Ｗ１，Ｗ２には、互いに等しい周波数Ｆで突出した共通のスパイクＳ′と、一方の波形Ｗ１のみに固有のスパイクＳ″とが含まれている。
制御装置８は、二つの波形Ｗ１，Ｗ２に共通のスパイクＳ′を抽出した場合には、共通のスパイクＳ′に対応する周波数の騒音が、二つのマイク６Ａ，６Ｂのいずれにも近い隔壁４′に届いていると判断する。したがって、この場合に制御装置８は、二つのマイク６Ａ，６Ｂの双方に近い隔壁４′に設けられたアクチュエータ７′を駆動し、共通のスパイクＳ′に対応する対象音を打ち消す制御音を発生させる。

【0027】

一方、制御装置８は、一方の波形Ｗ１に固有のスパイクＳ″を抽出した場合には、固有のスパイクＳ″に対応する周波数の騒音が、一方のマイク６Ａに近くて他方のマイク６Ｂからは遠い隔壁４″に届いていると判断する。したがって、この場合に制御装置８は、一方のマイク６Ａに近くて他方のマイク６Ｂからは遠い隔壁４″に設けられたアクチュエータ７″を駆動し、固有のスパイクＳ″に対応する対象音を打ち消す制御音を発生させる。
このように、制御装置８は、全てのアクチュエータ７を個別に制御することで、アクティブノイズキャンセリング機能により各隔壁４において対象音を低減する。

【0028】

［３．フローチャート］
図７は、消音制御の手順を例示したフローチャートである。このフローは、制御装置８において所定の演算周期で繰り返し実施される。
まず、コンプレッサ３が作動中であるか否かを判定し（ステップＳ１）、コンプレッサ３が作動中であれば（ステップＳ１のYESルート）、対象音がマイク６で検出されたか否かを判定する（ステップＳ２）。コンプレッサ３が停止中（オフ）である場合（ステップＳ１のNOルート）、及び、対象音がマイク６で検出されない場合（ステップＳ２のNOルート）には、コンプレッサ３に起因した騒音の心配がないため、アクチュエータ７をオフ（待機状態）に制御して（ステップＳ７）、フローをリターンする。

【0029】

一方、ステップＳ２において対象音がマイク６で検出された場合は（ステップＳ２のYESルート）、各マイク６で取得された時間領域の波形Ｗｔを周波数領域の波形Ｗｆにそれぞれ変換する（ステップＳ３）。その後、各々の周波数領域の波形ＷｆからスパイクＳを抽出する（ステップＳ４）。さらに、抽出したスパイクＳの共通性に基づき、低減すべき対象音の方向を判断する（ステップＳ５）。

【0030】

そして、ステップＳ５で判断した方向に位置するアクチュエータ７を駆動し、対象音を打ち消す制御音を発生させる（ステップＳ６）。ステップＳ６では、具体的には、対象音と逆位相の制御音が発生するようにアクチュエータ７を駆動する。その後、フローをリターンする。このように、消音制御では、コンプレッサ３の作動中に上記のステップＳ２からステップＳ６の処理が繰り返されることで、対象音が低減されていく。

【0031】

［４．作用及び効果］
燃料電池システム１によれば、燃料電池２へ空気を供給するコンプレッサ３の周囲がエンクロージャ５の隔壁４で囲われるため、コンプレッサ３から発生した対象音がエンクロージャ５の外部へ漏れ出ることをパッシブノイズキャンセリング機能によって抑制できる。これに加えて、マイク６で集められた対象音を落ち消す逆位相の制御音が発生するようにアクチュエータ７が駆動させられるため、コンプレッサ３から発生した対象音を隔壁４においてアクティブノイズキャンセリング機能により低減できる。
このように、燃料電池システム１によれば、パッシブノイズキャンセリング機能とアクティブノイズキャンセリング機能との組み合わせにより、コンプレッサ３に起因する騒音を低減できる。したがって、燃料電池システム１の周囲環境に及ぼす影響を低減できる。

【0032】

また、燃料電池システム１が車両１０に適用される場合には、車両１０の乗員に騒音による不快感を与えにくくすることができる。特に、車両１０がトラックである場合は、車両１０が乗用車である場合と比べて、大容量のコンプレッサ３が用いられることでコンプレッサ３から発生する対象音が大きくなり、乗員に不快感を与えやすくなる虞がある。これに対し、燃料電池システム１によれば、上記のとおりコンプレッサ３に起因する騒音を低減できるため、トラックにおいても周囲環境に及ぼす影響を低減できるとともに乗員に不快感を与えにくくすることできる。

【0033】

複数の隔壁４が接続される角部にマイク６が配置されれば、複数のマイク６で取得された対象音の共通性に基づいて、低減すべき対象音の方向を精度よく判断できる。このため、アクチュエータ７で発生させる制御音により対象音を精度よく打ち消すことができる。このように、マイク６の配置を工夫すれば、マイク６の個数を抑えつつ、アクティブノイズキャンセリング機能の精度を高められる。

【0034】

［５．変形例］
上記のエンクロージャ５の構成は一例である。エンクロージャ５は、コンプレッサ３の全体を覆う構成に代えて、コンプレッサ３の一部を覆う構成であってもよい。例えば、エンクロージャ５は、コンプレッサ３のうち特に大きな音を生じる部位（具体的に言えば、空気が旋回する部位）のみを覆ってもよく、大きな音を生じない部位（具体的に言えば、モータを内蔵する部位）は覆わなくてもよい。このような構成によれば、エンクロージャ５の小型化が可能となるため、マイク６の個数を削減可能となる。

【0035】

上記のコンプレッサ３の構造も一例である。コンプレッサ３としては、上記のような回転式のものに限らず、往復式や遠心式や軸流式といった種々の構造のものを適用できる。
なお、燃料電池システム１の適用対象は、車両１０に限定されない。燃料電池システム１は、車両１０以外のものに適用される場合であっても、上記のとおり騒音を低減できる。

【符号の説明】

【0036】

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
４，４′，４″ 隔壁
５ エンクロージャ
６，６Ａ，６Ｂ マイク
７，７′，７″ アクチュエータ
８ 制御装置
９ スペーサ
１０ 車両
１１ フィルタ
１２ 水素タンク
１３ 調圧弁
１４ バッテリパック
３１ 供給パイプ
３２ 排出ハイプ
３３ 配線
４１ 貫通孔
Ａ 振幅
Ａｏ 所定振幅
Ｆ 周波数
Ｓ，Ｓ′，Ｓ″ スパイク
Ｔ 時間
Ｗ１，Ｗ２ 波形
Ｗｆ 周波数領域の波形
Ｗｔ 時間領域の波形

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】