(57)【要約】【課題】燃料電池車両のマフラーから排出される生成水の径の大きさに起因して生じる不具合を抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池が搭載された車両に取り付けられ、該燃料電池から排出される排気ガスおよび生成水を該車両の外部に排出するマフラーであって、マフラーの一部をなし、小径部および該小径部よりも大きな外径の大径部を有する湾曲部であって、車両の外部に向かって開口する開口部を有する湾曲部を備え、湾曲部における少なくとも大径部側の内壁の表面は、撥水膜により覆われ、凹部がＲ形状である凹凸形状を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池が搭載された車両に取り付けられ、該燃料電池から排出される排気ガスおよび生成水を該車両の外部に排出するマフラーであって、
前記マフラーの一部をなし、小径部および該小径部よりも大きな外径の大径部を有する湾曲部であって、前記車両の外部に向かって開口する開口部を有する湾曲部を備え、
前記湾曲部における少なくとも前記大径部側の内壁の表面は、撥水膜により覆われ、凹部がＲ形状である凹凸形状を有する、
マフラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池車両のマフラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した車両は、燃料電池から排出される燃料オフガスおよび酸化オフガスと、燃料電池の発電により生成された水とを車両の外部へと排出するマフラーを備える。特許文献１に記載のマフラーは、車両の鉛直下方に向かって開口している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−７４２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のマフラーから比較的小さな径の水滴が排出された場合、走行風などの空気の流れにより水滴が飛散して水しぶきになることがある。この結果、車両の周囲にいる他者に不快感を生じさせるという不具合が生じ得る。このため、燃料電池車両のマフラーから排出される生成水の径の大きさに起因して生じる不具合を抑制可能な技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池が搭載された車両に取り付けられ、該燃料電池から排出される排気ガスおよび生成水を該車両の外部に排出するマフラーであって、マフラーの一部をなし、小径部および該小径部よりも大きな外径の大径部を有する湾曲部であって、車両の外部に向かって開口する開口部を有する湾曲部を備え、湾曲部における少なくとも大径部側の内壁の表面は、撥水膜により覆われ、凹部がＲ形状である凹凸形状を有する。
この形態のマフラーによれば、湾曲部における少なくとも大径部側の内壁の表面は、撥水膜により覆われ、凹部がＲ形状である凹凸形状を有するので、凹部のＲ形状によって生成水の液滴を集めて大きな径の液滴にし、撥水膜によって径の大きさを維持したまま内壁の表面から液滴を離すことができる。このため、マフラーから液滴が排出される際、走行風などによって液滴が飛散して水しぶきになることを抑制できる。この結果、燃料電池が搭載された車両のマフラーから排出される生成水の径の大きさに起因して生じる不具合を抑制できる。
【０００７】
本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、マフラーを備える燃料電池車両等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一実施形態としてのマフラーが取り付けられた車両の構成を示す概略図。
【図２】マフラーの構成を示す概略断面図。
【図３】図２に示す領域の拡大図。
【図４】凸部および凹部による径の大きな液滴の生成メカニズムを説明するための説明図。
【図５】凸部および凹部による径の大きな液滴の生成メカニズムを説明するための説明図。
【図６】凸部および凹部による径の大きな液滴の生成メカニズムを説明するための説明図。
【図７】凸部および凹部による径の大きな液滴の生成メカニズムを説明するための説明図。
【図８】試料１の内壁の形状を示す断面図。
【図９】試料２の内壁の形状を示す断面図。
【図１０】試料１の２相流数値流体解析の結果を示す説明図。
【図１１】試料２の２相流数値流体解析の結果を示す説明図。
【図１２】試料３の２相流数値流体解析の結果を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、本開示の一実施形態としてのマフラー１００が取り付けられた車両１の構成を示す概略図である。図１では、水平な地面ＧＤ上を走行中の車両１の外形の輪郭線を一点鎖線により示している。図１には、車両１の前後方向（以下、「車両前後方向」と呼ぶ）を示す矢印ＬＤと、車両１の上下方向（以下、「車両上下方向」と呼ぶ）を示す矢印ＶＤとを示している。車両前後方向ＬＤと車両上下方向ＶＤとは互いに直交する。車両前後方向ＬＤは、地面ＧＤと平行であり、車両上下方向ＶＤは重力方向と平行である。
【００１０】
車両１は、燃料電池１０を搭載した燃料電池車両であり、燃料電池１０が発電した電力によって走行する。燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０として、例えば、固体酸化物型燃料電池など任意の種類の燃料電池を採用してもよい。燃料電池１０のアノード側の生成水およびカソード側の生成水は、いずれもマフラー１００から排気ガスとともに排出される。
【００１１】
マフラー１００は、燃料電池１０の排気ガスおよび生成水が排出される配管の下流側端部に取り付けられている。マフラー１００は、先端の開口部１０１が地面ＧＤに向かって開口するように車両１に取り付けられ、燃料電池１０の排気ガスおよび生成水を地面ＧＤに向かって排出する。マフラー１００の開口部１０１は、後輪ＲＷの後方に位置するリアバンパーＲＢの底面から外部に露出するように取り付けられている。なお、車両１の車幅方向におけるマフラー１００の取り付け位置は、車両１のいずれか一方の側面側に近い位置であってもよいし、車両１の車幅方向における中央であってもよい。
【００１２】
本実施形態において、マフラー１００は、燃料電池１０から排出される生成水の液滴を凝集させて大きな径の液滴にするとともに、かかる液滴を開口部１０１へと誘導されるように、その形状が構成されている。これによって、マフラー１００から排出される生成水の径の大きさに起因して生じる不具合が抑制されている。以下、詳細に説明する。
【００１３】
図２は、マフラー１００の構成を示す概略断面図である。マフラー１００は、略円筒状の配管部材であり、延伸部１１１と、湾曲部１１２とを有する。図２は、マフラー１００の開口部１０１の中心を通り、延伸部１１１の延伸方向（図２に示す例では、車両前後方向ＬＤ）に平行な切断面におけるマフラー１００の断面を示している。
【００１４】
延伸部１１１は、ほぼ直線状に延びる部位である。湾曲部１１２は、延伸部１１１の下流において延伸方向が湾曲している部位である。湾曲部１１２は、下流側の端部に車両１の下方に向かって開口する開口部１０１を有する。図１および図２に示すように、マフラー１００は、延伸部１１１が車両前後方向ＬＤに平行になるとともに、湾曲部１１２が車両上下方向ＶＤの下方に向かって湾曲するように、車両１に取り付けられる。
【００１５】
湾曲部１１２は、小径部１１４と、大径部１１５とを有する。大径部１１５は、小径部１１４よりも大きな外径を有し、湾曲部１１２において車両１と離間する側に位置する。湾曲部１１２における小径部１１４側の内壁１２１の表面、および湾曲部１１２における大径部１１５側の内壁１２２の表面は、凹凸状であり、撥水膜１３０により覆われている。
【００１６】
図３は、図２に示す領域Ａｒの拡大図である。図３では、説明の便宜上、撥水膜１３０の図示を省略している。内壁１２２の表面は、凹凸状、具体的には、波形形状に形成されており、凸部１２２ｕと、凹部１２２ｂとを有する。凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂは、いずれもＲ状に形成されている。このように、凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂをＲ状にすることによって、マフラー１００内を流れる生成水の液滴を受け止めるとともに、受け止めた液滴を集めて径の大きな液滴にすることができる。凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂによって径の大きな液滴を生成可能なメカニズムについては、後述する。
【００１７】
図２に示す撥水膜１３０は、内壁１２１および１２２の表面に付着する液滴を内壁１２１および１２２の表面からはじいて、開口部１０１に向けて移動させる。撥水膜１３０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂によりコーティング（撥水処理）されて形成される。内壁１２１および１２２の表面を撥水膜１３０で覆うことにより、内壁１２１および１２２の表面を親水性の膜で覆う構成に比べて、内壁１２１および１２２の表面に形成される比較的薄い生成水の膜をより少ないエネルギーで液滴状にし、内壁１２１および１２２の表面から離すことができる。
【００１８】
図４、図５、図６および図７は、凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂによる径の大きな液滴の生成メカニズムを説明するための説明図である。図４、図５、図６および図７では、マフラー１００内を流れる生成水の液滴を模式的に示している。図４、図５、図６および図７では、説明の便宜上、撥水膜１３０の図示を省略し、図５、図６および図７は、領域Ａｒを拡大して示している。
【００１９】
図４に示すように、マフラー１００内に流入した生成水は、破線矢印に示すように、延伸部１１１を排出方向の下流側に向かって流れる。燃料電池１０の排気ガスの流速は、最大で約０．３マッハと高速であるために、生成水は、微少な径や中程度の径などの様々な大きさの径の液滴の状態でマフラー１００内を流れている。燃料電池１０の生成水は、純水、あるいは、純水に近い水であり、水の密度は、空気の密度に比べて大きい。したがって、実線で示すように、生成水は、延伸部１１１から開口部１０１の方向に曲がりきれず、大径部１１５側の内壁１２２に当たる。
【００２０】
図５に示すように、延伸部１１１から流れてきた生成水の液滴（破線で示す液滴）は、大径部１１５側の内壁１２２の凸部１２２ｕに受け止められる。その後、図６に示すように、凸部１２２ｕで受け止められた液滴は、マフラー１００内の排気ガスの流れ、内壁１２２の凹凸形状、および撥水膜１３０の撥水性等により、凹部１２２ｂに凝集する。その後、図７に示すように、凹部１２２ｂに集まった液滴は、凹部１２２ｂのＲ形状の角度に応じて大きな径の液滴になる。図示は省略するが、その後、凹部１２２ｂによって生成された径の大きな液滴は、排気ガスによって開口部１０１に向かって移動させられて、径の大きな状態を維持して開口部１０１から車両１の外部に排出される。
【００２１】
以上の構成を有する実施形態のマフラー１００によれば、湾曲部１１２における大径部１１５側の内壁１２１および１２２の表面は、撥水膜１３０により覆われ、凹部１２２ｂがＲ形状である凹凸形状を有するので、凹部１２２ｂのＲ形状によって生成水の液滴を集めて大きな径の液滴にし、撥水膜１３０によって径の大きさを維持したまま内壁１２２の表面から液滴を離すことができる。このため、マフラー１００から液滴が排出される際、走行風などによって液滴が飛散して水しぶきになることを抑制できる。この結果、車両１のマフラー１００から排出される生成水の径の大きさに起因して生じる不具合を抑制できる。
【００２２】
Ｂ．実施例：
上述した実施形態に基づき、湾曲部における大径部側の内壁のＣＦＤ（computational fluid dynamics）モデルデータを作成した（試料１）。また、比較例として、湾曲部における大径側の内壁のＣＦＤモデルデータを作成した（試料２および試料３）。
【００２３】
図８は、試料１の内壁１２２の形状を示す断面図である。試料１は、以下のように作成された。
［１］内壁１２２の幅ｄ１が３０ｍｍ、隣接する凸部１２２ｕの頂点間の距離ｄ２が１０ｍｍ、凸部１２２ｕの頂点と凹部１２２ｂの頂点との間の距離ｄ３が５ｍｍである内壁１２２の表面を撥水膜１３０で覆った内壁１２２のＣＡＤデータを作成した。
［２］作成されたＣＡＤデータに基づき、ＣＦＤデータを作成した。
【００２４】
図９は、試料２の内壁３２２の形状を示す断面図である。試料２は、上記［１］の手順以外は、試料１と同じ手順で作成した。
［１］内壁３２２の幅ｄ４が３０ｍｍ、隣接する凸部３２２ｕの頂点間の距離ｄ５が１０ｍｍ、凸部３２２ｕの頂点と凹部３２２ｂの頂点との間の距離ｄ６が５ｍｍ、凸部３２２ｕおよび凸部３２２ｕが角状である内壁３２２の表面を撥水膜１３０で覆った内壁３２２のＣＡＤデータを作成した。
【００２５】
試料３は、上記［１］の手順以外は、試料１および試料２と同じ手順で作成した。
［１］内壁の幅ｄ１が３０ｍｍ、平板状の内壁の表面を親水性の膜で覆った内壁のＣＡＤデータを作成した。
【００２６】
これらの試料１、試料２および試料３について、燃料電池１０の排気ガスの流速で空気およびミスト状の液滴を流して２相流数値流体解析を行い、ミストが液滴に変化した割合として、液滴の体積を算出した。２相流数値流体解析を行う際、例えば、空気の流量、気体・液体の物性、温度等をパラメータとして用いた。
【００２７】
図１０は、試料１の２相流数値流体解析の結果を示す説明図である。図１１は、試料２の２相流数値流体解析の結果を示す説明図である。図１２は、試料３の２相流数値流体解析の結果を示す説明図である。図１０に示すように、試料１は、大きな径の液滴が安定して生成されるとともに、液滴は、径の大きな状態を維持して内壁の表面に沿って流れている。図１１に示すように、試料２は、試料１と比べて、液滴が連続的に繋がっており、液滴が分離されていない。このため、試料２をマフラーの内壁として用いた場合には、マフラーの開口部における走行風によるせん断流れによって、小さな径、あるいは、中程度の径の液滴が排出される。図１２に示すように、試料３は、液滴が内壁の全面において連続して繋がっており、試料２と比べて、より液滴が分離されていない。このため、試料３をマフラーの内壁として用いた場合には、試料２の場合と同様に、マフラーの開口部における走行風によるせん断流れによって、小さな径、あるいは、中程度の径の液滴が排出される。
【００２８】
図１０および図１１を比較して理解できるように、試料１は、試料２と比べて、大きな径の液滴を生成できている。これは、試料１として、大径部１１５側の内壁１２２の凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂがいずれもＲ形状である凹凸形状を採用することによって、凸部１２２ｕで受け止めた様々な径の液滴を凹部１２２ｂに集めて、凹部１２２ｂのＲ形状によって径の大きな液滴を生成したためであると推測される。また、図１０および図１１と、図１２とを比較して理解できるように、試料１および試料２は、試料３と比べて、内壁の表面から液滴が離されている。これは、試料１および試料２として、内壁の表面を撥水膜１３０で覆うことによって、内壁の表面に形成される水の膜が内壁の表面からはじかれたためであると推測される。
【００２９】
Ｃ．他の実施形態：
（１）上記実施形態において、凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂは、いずれもＲ状に形成されているが、本開示はこれに限定されない。例えば、凸部１２２ｕの形状は、Ｒ状に代えて、角状であってもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００３０】
（２）上記各実施形態において、開口部１０１は、車両１の下方に向かって開口しているが、本開示はこれに限定されない。例えば、開口部１０１は、車両１の車幅方向の外側に向けて開口していてもよい。開口部１０１から排出される液滴は、内壁１２１および１２２の凹凸形状によって大きな径の液滴になっているので、かかる液滴が開口部１０１から車幅方向の外側に排出された場合であっても、液滴が車幅方向に流れて飛散することが抑制される。また、例えば、車両１のシャシー構造や、部品の取り付け位置等に応じて、開口部１０１が車両１の車幅方向と鉛直下方向と交差する方向に向けて開口していてもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。
【００３１】
（３）上記各実施形態においては、湾曲部１１２の内壁１２１および１２２は凹凸形状であるが、本開示はこれに限定されない。例えば、湾曲部１１２の大径部１１５側の内壁１２２のみが凹凸形状であってもよい。また、例えば、内壁１２１および１２２の凹凸形状は、開口部１０１と平行な面での内壁１２１および１２２の切断面が凹凸形状（波形形状）となるように形成してもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。
【００３２】
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１…車両、１０…燃料電池、１００…マフラー、１０１…開口部、１１１…延伸部、１１２…湾曲部、１１４…小径部、１１５…大径部、１２１，１２２…内壁、１２２ｂ…凹部、１２２ｕ…凸部、１３０…撥水膜、３２２…内壁、３２２ｂ…凹部、３２２ｕ…凸部、Ａｒ…領域、ＧＤ…地面、ＬＤ…車両前後方向、ＲＢ…リアバンパー、ＲＷ…後輪、ＶＤ…車両上下方向、ｄ１，ｄ４…幅、ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６…距離
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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