(57)【要約】【課題】燃料電池の排気ガスの排出時における騒音を低減する。【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、排気ガスの排出方向に向かって湾曲する湾曲部と、湾曲部における排出方向の下流側に位置し、車両の外部に向かって開口する開口部を有する開口端部と、開口端部の内周側に配置された円筒状部材であって、排出方向の上流側から下流側に向かうにつれて湾曲部の外径側から内径側に向かって延び排出方向と交差する板状部材を、外周面上に有する円筒状部材と、を備える。【選択図】図２
2020139434.tif 000002
【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、前記排気ガスの排出方向に向かって湾曲する湾曲部と、
前記湾曲部における前記排出方向の下流側に位置し、前記車両の外部に向かって開口する開口部を有する開口端部と、
前記開口端部の内周側に配置された円筒状部材であって、前記排出方向の上流側から前記下流側に向かうにつれて前記湾曲部の外径側から内径側に向かって延び前記排出方向と交差する板状部材を、外周面上に有する円筒状部材と、
を備える、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（以下、「排気ガス」と呼ぶ）と、燃料電池の発電により生成された水とを車両の外部に排出するマフラーを備える（例えば、特許文献１）。
【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、従来のマフラーから大気中に排気ガスが排出されると、大気の流れと排気ガスの流れとの境界層にせん断流が発生して騒音が生じるおそれがある。このため、燃料電池の排気ガスの排出時における騒音を低減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を該車両の外部に排出するマフラーが提供される。このマフラーは、前記マフラーの一部をなし、前記排気ガスの排出方向に向かって湾曲する湾曲部と、前記湾曲部における前記排出方向の下流側に位置し、前記車両の外部に向かって開口する開口部を有する開口端部と、前記開口端部の内周側に配置された円筒状部材であって、前記排出方向の上流側から前記下流側に向かうにつれて前記湾曲部の外径側から内径側に向かって延び前記排出方向と交差する板状部材を、外周面上に有する円筒状部材と、を備える。
この形態のマフラーによれば、排気ガスの排出方向に向かって湾曲する湾曲部と、湾曲部における排出方向の下流側に位置し、車両の外部に向かって開口する開口部を有する開口端部と、開口端部の内周側に配置された円筒状部材であって、排出方向の上流側から下流側に向かうにつれて湾曲部の外径側から内径側に向かって延び排出方向と交差する板状部材を、外周面上に有する円筒状部材と、を備えるので、排気ガスを板状部材に沿って排出方向の上流側から下流側に向かうにつれて湾曲部の外径側から内径側に向かうように流すことができる。この結果、円筒状部材内において排気ガスを撹拌できるので、排気ガスがマフラーから排出された際に、大気の流れと排気ガスの流れとの境界層におけるせん断流を低減できる。このため、排気ガスの排出時における騒音を低減できる。
【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】マフラーの概略構成を示す断面図。
【図３】円筒状部材によって排気ガス中のオフガスと生成水の液滴とを混合させるメカニズムを説明するための説明図。
【図４】円筒状部材によって排気ガス中のオフガスと生成水の液滴とを混合させるメカニズムを説明するための説明図。
【図５】円筒状部材によって排気ガス中のオフガスと生成水の液滴とを混合させるメカニズムを説明するための説明図。
【図６】２相流数値流体解析の結果を示す説明図。
【図７】非定常流体解析の結果を示す説明図。
【図８】非定常流体解析の結果を示す説明図。
【図９】定常音響解析の結果を示す説明図。
【図１０】図２の１０−１０断面における断面図。
【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、いずれも排気ガスに含まれてマフラー１００から排出される。本実施形態では、燃料電池１０から排出されるオフガスおよび生成水を合わせて「排気ガス」と呼ぶ。
【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、排気ガスを地面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】
図２は、マフラー１００の概略構成を示す断面図である。マフラー１００は、略円筒状の管状部材であり、本体部１１１と、湾曲部１１２と、開口端部１１３と、円筒状部材１４０とを有する。図２は、マフラー１００の開口部１０１の断面の中心を通り、本体部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。なお、円筒状部材１４０については、断面ではなく外観を示している。
【００１３】
本体部１１１は、ほぼ直線状に延びる部位である。湾曲部１１２は、本体部１１１の下流において、延伸方向が、排気ガスの排出方向（以下、「排出方向」と呼ぶ）Ｄ１に湾曲している部位である。開口端部１１３は、湾曲部１１２の下流の端部部位であり、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、本体部１１１が車両前後方向ＬＤと平行になるとともに、開口部１０１が車両１の下方に位置するように、車両１に取り付けられる。したがって、湾曲部１１２の延伸方向は、車両１の下方に向かって湾曲し、湾曲部１１２の外径側は、湾曲部１１２の内径側よりも車両前後方向ＬＤの後方側に位置している。
【００１４】
円筒状部材１４０は、略円筒状の形状を有し、開口端部１１３の内周側に配置されている。円筒状部材１４０は、排気ガスの流れの向きを制御するために用いられる。円筒状部材１４０は、外周面状に、複数の板状部材１４５と、２つの固定部材１４６ａおよび１４６ｂとを備える。
【００１５】
板状部材１４５は、開口端部１１３における排出方向Ｄ１と交差する方向に延伸する板状の形状を有する。具体的には、板状部材１４５は、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにつれて、湾曲部１１２の外径側から内径側に向かって延びている。円筒状部材１４０が板状部材１４５を備えることによって、円筒状部材１４０内の排気ガスの流れの向きを板状部材１４５の延伸方向、すなわち、外径側から内径側に向かう方向に変化させることができる。これにより、円筒状部材１４０内において、排気ガス中のオフガスと生成水の液滴とを混合させることができる。なお、円筒状部材１４０によって排気ガス中のオフガスと生成水の液滴とを混合可能なメカニズムについては、後述する。
【００１６】
固定部材１４６ａおよび１４６ｂは、車両上下方向ＶＤを長辺とする板状の形状を有する。固定部材１４６ａおよび１４６ｂは、円筒状部材１４０を開口端部１１３の内壁に固定する。円筒状部材１４０は、各固定部材１４６ａおよび１４６ｂが車両前後方向ＬＤに平行になるとともに、一方の固定部材１４６ａが車両前後方向ＬＤの前方側において開口端部１１３の内壁に接し、他方の固定部材１４６ｂが車両前後方向ＬＤの後方側において開口端部１１３の内壁に接するように、開口端部１１３に装着される。なお、円筒状部材１４０における固定部材１４６ａおよび１４６ｂの取り付け位置は、車両前後方向ＬＤと平行になる位置に限らず、他の任意の位置であってもよい。また、固定部材１４６ａおよび１４６ｂの数は、２つに限らず、他の任意の数であってもよい。
【００１７】
図３、図４および図５は、円筒状部材１４０によって排気ガス中のオフガスと生成水の液滴とを混合させるメカニズムを説明するための説明図である。図３、図４および図５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。
【００１８】
図３に示すように、マフラー１００内に流入した排気ガスは、実線矢印に示すように、本体部１１１を排出方向Ｄ１の下流側の湾曲部１１２に向かって流れる。排気ガス中の生成水は、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ので、排気ガス中の生成水は、本体部１１１から排出方向Ｄ１の下流側に向かって曲がりきれず、湾曲部１１２の外径側の内壁１２２に衝突する。これに対して、排気ガス中のオフガスは、一点鎖線矢印で示すように、湾曲部１１２を排出方向Ｄ１の下流側に向かって流れる。
【００１９】
図４に示すように、排気ガス中のオフガスは、破線矢印で示すように湾曲部１１２を排出方向Ｄ１の下流側に向かって流れた後、一点鎖線矢印で示すように円筒状部材１４０内に流入する。一方、内壁１２２に衝突した排気ガス中の生成水の液滴（破線で示す液滴）は、重力および排気ガスの流れによって、破線矢印で示すように排出方向Ｄ１の下流側に内壁１２２に沿って流れ、その後、円筒状部材１４０内に流入する。
【００２０】
図５に示すように、円筒状部材１４０内に流入した排気ガス中のオフガスは、実線矢印で示すように、板状部材１４５の延伸方向に沿って排出方向Ｄ１の下流側に流れる。すなわち、円筒状部材１４０内では、排気ガスは、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにしたがって外径側から内径側に向かうように流れる。生成水の液滴は、排気ガスの流れに乗って、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにしたがって外径側から内径側に向かうように流れる。このため、生成水の液滴は、排気ガス中のオフガスと混合されて、円筒状部材１４０における周方向の全体に分配される。そして、排気ガス中の生成水の液滴が開口部１０１の周方向の全体に分配された状態で、排気ガスが開口部１０１から車両１の外部に排出される。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態では、円筒状部材１４０に板状部材１４５を設けて排気ガスの流れを制御している。これは、マフラー１００から大気中に排気ガスが排出された際に、排気ガスの流れと大気の流れとの境界層に生じるせん断流を低減させるために、せん断層の発生部分に生成水の液滴を配置し、生成水の液滴により排気ガスの流れと大気の流れとの境界面を乱すことで、境界層の厚みを大きくできること、これに伴って、排気ガスと大気との速度勾配を小さくでき、その結果、せん断流を低減できることを見出した。
【００２２】
そこで、本実施形態では、円筒状部材１４０に板状部材１４５を設けることで、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにつれて排気ガス中のオフガスが外径側から内径側に流れるように制御し、湾曲部１１２の外径側に流れてきた生成水の液滴を、円筒状部材１４０内で排気ガスの流れの力によって円筒状部材１４０の周方向の全周にわたって配置させる。この結果、排気ガスの流れと大気の流れとの境界層に生じるせん断流を低減でき、排気ガスの排出時における騒音が低減する。このため、車両１において、マフラー１００に吸音材や拡張型消音器等を備えることなく、排気ガスの排出時における騒音を低減できる。
【００２３】
以上の構成を有する実施形態のマフラー１００によれば、排気ガスの排出方向Ｄ１に向かって湾曲する湾曲部１１２と、湾曲部１１２における排出方向Ｄ１の下流側に位置し、車両１の外部に向かって開口する開口部１０１を有する開口端部１１３と、開口端部１１３の内周側に配置された円筒状部材１４０であって、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにつれて湾曲部１１２の外径側から内径側に向かって延び排出方向Ｄ１と交差する板状部材１４５を、外周面上に有する円筒状部材１４０と、を備えるので、排気ガスを板状部材１４５に沿って排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにつれて湾曲部１１２の外径側から内径側に向かうように流すことができる。この結果、円筒状部材１４０内において排気ガスを撹拌できるので、排気ガスがマフラーから排出された際に、大気の流れと排気ガスの流れとの境界層におけるせん断流を低減できる。このため、排気ガスの排出時における騒音を低減できる。
【００２４】
Ｂ．実施例：
Ｂ１．第１の評価：
上述した実施形態に基づき、マフラー１００のＣＦＤ（computational fluid dynamics）モデルデータを作成し、２相流数値流体解析を行った。２相流数値流体解析では、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、液滴の分配割合として開口部１０１を周方向に４５度ずつ分割したときの液滴の排出体積比率を算出した。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。
【００２５】
図６は、２相流数値流体解析の結果を示す説明図である。図６に示すように、湾曲部１１２の上流側において、生成水の液滴は、湾曲部１１２の外径側により多く配されている。生成水の液滴は、下流側に向かうにつれて次第に内径側にも配され、開口部１０１付近では、マフラー１００の周方向の全体に液滴が分配されている。これは、マフラー１００が円筒状部材１４０を備えることによって、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにしたがって排気ガス中のオフガスの流れを外径側から内径側に向かうように変化させ、生成水の液滴が排気ガスの流れに乗って内径側に移動したためであると推測される。
【００２６】
Ｂ２．第２の評価：
上述の第１の評価で用いたマフラー１００のＣＦＤデータと、比較例として、従来の円筒状部材１４０を備えない構成のマフラーのＣＦＤデータとを用いて、非定常流体解析を行った。非定常流体解析では、大気の流れと排気ガスの流れとの境界層の厚み、およびせん断層の厚みを、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によるシミュレーションによって算出した。ＣＡＥによるシミュレーションを行う際、例えば、排気ガスの流量、温度等をパラメータとして用いた。
【００２７】
図７は、マフラー１００の非定常流体解析の結果を示す説明図である。図８は、比較例の非定常流体解析の結果を示す説明図である。図７および図８では、大気の流れと排気ガスの流れとの境界層を、破線で囲む領域Ｌ１およびＬ２に示している。図７と図８とを比較して理解できるように、マフラー１００の境界層Ｌ１の厚みは、比較例の境界層Ｌ２の厚みに比べて、大きい。したがって、マフラー１００は、比較例に比べて、大気の流速と排気ガスの流速との差（速度勾配）が小さい。この結果、マフラー１００から排出される排気ガスによる騒音は、比較例のマフラーから排出される排気ガスによる騒音に比べて小さくなる。また、図７および図８に示すように、マフラー１００のせん断層の厚みは、比較例のせん断層の厚みに比べて、大きい。これは、マフラー１００が円筒状部材１４０を備えることによって排気ガス中に生成水の液滴を偏りなく分配できたことで、生成水の液滴が、大気の流れと排気ガスの流れとの境界面を乱したためであると推測される。この結果、マフラー１００から排出された排気ガスでは、比較例のような大きなせん断流の発生が抑制されたと推測される。
【００２８】
Ｂ３．第３の評価：
上述の第２の評価における非定常流体解析によって得られたライトヒル方程式を用いて、マフラー１００および比較例について、有限要素法（FEM:Finite Element Method）ベースの音響解析ソフトウエアを用いて定常音響解析を行った。定常音響解析では、ライトヒル方程式から流体音源を算出し、算出された流体音源の周波数特性を算出した。
【００２９】
図９は、定常音響解析の結果を示す説明図である。図９において、縦軸は騒音レベルのオーバーオール値[dB]を示し、横軸は周波数[Hz]を示している。マフラー１００の定常音響解析結果を実線Ｇ１で示し、比較例の定常音響解析結果を破線Ｇ２で示している。実線Ｇ１で示すように、マフラー１００は、周波数領域のほぼ全域において、比較例に比べて騒音レベルが低い。また、図示は省略しているが、定常音響解析においてオールレンジ音圧として、マフラー１００は９１ｄＢ、比較例は９７ｄＢが得られた。したがって、マフラー１００は、比較例に比べて、６ｄＢの騒音レベルを低減できた。これは、例えば、マフラーに拡張型消音器を設けた場合と同等程度に騒音レベルを低減できたことになる。
【００３０】
Ｃ．他の実施形態：
（１）上記実施形態において、湾曲部１１２の外径側の内壁１２２の表面は、凹凸状に形成されていてもよい。図１０は、図２の１０−１０断面における断面図である。湾曲部１１２の内壁１２２は、凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂを有する波形形状に形成されている。凸部１２２ｕおよび凹部１２２ｂは、いずれもＲ形状である。なお、凸部１２２ｕは、Ｒ形状に代えて、角形状に形成されていてもよい。内壁１２２の凹部１２２ｂがＲ形状を有することにより、湾曲部１１２の外径側の内壁１２２に衝突した生成水の液滴を凝集させて、大きな液滴を生成できる。なお、湾曲部１１２の外径側の内壁１２２に限らず、湾曲部１１２の内径側、本体部１１１、および開口端部１１３の各内壁を凹凸形状に形成してもよい。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。
【００３１】
（２）上記各実施形態において、湾曲部１１２の外径側の内壁１２２の表面が撥水膜に覆われていてもよい。図１０に示すように、湾曲部１１２の内壁１２２の表面は、撥水膜１３０により覆われている。撥水膜１３０は、内壁１２２の表面に付着する液滴を内壁１２２の表面からはじく（離す）。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１２２の表面を撥水膜１３０で覆うことにより、内壁１２２の表面を親水性の膜で覆う構成に比べて、内壁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て、内壁１２２の表面から離すことができる。なお、湾曲部１１２の外径側の内壁１２２に限らず、湾曲部１１２の内径側、本体部１１１、および開口端部１１３の各内壁を撥水膜１３０で覆ってもよい。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】
（３）上記各実施形態においては、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。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。
【００３３】
（４）上記各実施形態においては、板状部材１４５は、排出方向Ｄ１の上流側から下流側にかけて切れ目なく連続して延びているが、本開示はこれに限定されない。例えば、板状部材１４５よりも長辺の短い複数の板状部材を、排出方向Ｄ１の上流側から下流側に向かうにつれて外径側から内径側に向かうように所定の間隔を空けて配置してもよい。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。
【００３４】
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】
【００３５】
１…車両、１０…燃料電池、１００…マフラー、１０１…開口部、１１１…本体部、１１２…湾曲部、１１３…開口端部、１２２…内壁、１２２ｂ…凹部、１２２ｕ…凸部、１３０…撥水膜、１４０…円筒状部材、１４５…板状部材、１４６ａ，１４６ｂ…固定部材、Ｄ１…排出方向、Ｇ１…実線、Ｇ２…破線、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
【図１】
2020139434.tif 000003
【図２】
2020139434.tif 000004
【図３】
2020139434.tif 000005
【図４】
2020139434.tif 000006
【図５】
2020139434.tif 000007
【図６】
2020139434.tif 000008
【図７】
2020139434.tif 000009
【図８】
2020139434.tif 000010
【図９】
2020139434.tif 000011
【図１０】
2020139434.tif 000012