【手続補正書】
【提出日】平成17年7月22日(2005.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  燃料電池からの排気管に設けられる消音器及び消音器用吸音材
【特許請求の範囲】
【請求項１】  主にクリンプを有する有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材。
【請求項２】  主に撥水処理を施した有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材。
【請求項３】  主に有機繊維をフェルト状とした板状、棒状又はブロック状の要素を、少なくとも一部の要素間接合面が内周から外周方向に向かうように接合することにより、筒状に形成するとともに嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材。
【請求項４】  前記有機繊維が、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、レーヨン、ビニロン、ナイロン、ポリエステル、ポリ塩化ビニール、アクリル、ビニリデン及びアセテートの合成繊維、並びに麻、綿、やし、竹、羊毛及び絹の天然繊維から選ばれる少なくとも一種からなる繊維である請求項１、２又は３記載の燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材。
【請求項５】  前記有機繊維が、平均繊維径３〜２７μｍとする繊維である請求項１、２、３又は４記載の燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材。
【請求項６】  燃料電池からの排気管に配される消音器筐体の内部空間の少なくとも一部に、主にクリンプを有する有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を充填した燃料電池からの排気管に設けられる消音器。
【請求項７】  燃料電池からの排気管に配される消音器筐体の内部空間の少なくとも一部に、主に撥水処理を施した有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を充填した燃料電池からの排気管に設けられる消音器。
【請求項８】  燃料電池からの排気管に配される消音器筐体の内部空間の少なくとも一部に、主に有機繊維をフェルト状とした板状、棒状又はブロック状の要素を、少なくとも一部の要素間接合面が内周から外周方向に向かうように接合することにより、筒状に形成するとともに嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整してなる吸音材を充填した燃料電池からの排気管に設けられる消音器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排気管に設けられる消音器及びその吸音材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車用消音器は、排気管の一部に多数の通気孔を貫設し、該排気管の一部の外周に吸音材としてのグラスウールを配設し、その外周に金属よりなる外管を被せてなるものが一般的である。また、排気管とグラスウールとの間に金属繊維よりなる飛散防止層を設け、グラスウールの熱劣化及び飛散を防止したものもある。また、吸音材としてのグラスウール自体をステンレス鋼繊維等の金属繊維で置き換えることも検討されている。これらは、勿論、内燃機関からの排気管に設けるものとして開発されてきた。
【０００３】
ところで、内燃機関式自動車の代替技術の一つとして、燃料電池からの電流によりモータを作動させて車輪を駆動する、いわゆる燃料電池車の実用化が近付いている。燃料電池は水の電気分解の逆反応を利用した発電デバイスであり、二つの電極にそれぞれ水素と酸素とを供給して電気化学反応（前記逆反応）を起こさせ、同電極から外部に電流を取り出すが、同反応により生ずる水蒸気が排気ガスとして排出される。前述した吸音材としてグラスウール又はステンレス鋼繊維を用いた消音器は、この燃料電池からの排気管に設けることもできるが、その際に新たに留意すべき点は前記水蒸気による吸音材の含水である。消音器筐体内の底部には前記水蒸気の結露により水が溜まるため、この底部に溜まった水が毛細管現象により吸い上げられ、吸音材全体に含水状態となりやすい。吸音材が含水すると、吸音材の繊維間の空隙（空気層）が無くなるため、吸音性能が低下する。
【０００４】
しかるところ、最近、消音器筐体の内部空間を連通孔を有する仕切板により上側の室と下側の室とに区画し、上側の室にグラスウールを充填することによりグラスウールの含水を防止するようにした燃料電池車の消音器が公開された（特開２００２−２０６４１３公報）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２０６４１３公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池からの排気管に設けられる消音器及びその吸音材には、次の課題がある。
（１）自動車のリサイクル率の向上のため、吸音材もリサイクル可能なものとする。
（２）自動車の燃費向上のため、吸音材の重量当たりの吸音性（重量効率）を高くして、吸音材を軽量化する。
（３）前記のとおり、吸音材の含水を防止する必要がある。
前記グラスウールを用いた消音器は、軽量性は良いが、リサイクル性が悪い。また、水はけが悪いため、燃料電池に用いると、含水して吸音性能が低下しやすい。そこで、前記公開公報の公知例のように消音器筐体の内部空間を区画する等して対策する必要があるが、そうすると、消音器の構造が複雑になり、コストアップとなってしまう。また、前記ステンレス鋼繊維を用いた消音器は、リサイクル性は良いが、軽量性が良くない。
【０００７】
本発明の目的は、排気ガスが水蒸気である環境下で、水はけが良く、長期にわたり良好な吸音性能を維持することができ、かつ軽量でリサイクルが可能な燃料電池からの排気管に設けられる消音器及びその吸音材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
燃料電池には色々な種類があり、反応温度で分類すると、反応温度が３００℃以下の低温形とそれ以上の高温型とに分類できる。主に有機繊維を用いる本発明を適用できるのは、その耐熱性の点で、反応温度が３００℃以下の低温形燃料電池である。かかる低温形燃料電池としては、現時点では、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）の各燃料電池を例示できる。
【０００９】
（１）第１の発明は、主にクリンプを有する有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材である。
（２）第２の発明は、主に撥水処理を施した有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材である。
（３）第３の発明は、主に有機繊維をフェルト状とした板状、棒状又はブロック状の要素を、少なくとも一部の要素間接合面が内周から外周方向に向かうように接合することにより、筒状に形成するとともに嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した燃料電池からの排気管に設けられる消音器用吸音材である。
ここで、同嵩密度の調整値は、消音器筐体の内部空間への充填時における値である。
「有機繊維」の種類は、特に限定されない。「主に有機繊維」とは、繊維に有機又は無機のバインダーを混合し、保型性を高めることで充填しやすくさせる場合も含む意味である。この場合、バインダー量が多いと、繊維の接着点の数が増して強度は上がるが、吸音性能は低下するため、出来るだけ少なくするのが望ましい。
嵩密度２０ｋｇ／ｍ3 未満では、グラスウール並みの吸音性能を付与することができない。嵩密度２００ｋｇ／ｍ3 を越えた場合は、毛細管現象による含水が著しく生じ、水はけが悪く、吸音性能が低下する。嵩密度はさらに好ましくは３５〜５０ｋｇ／ｍ3 である。
【００１０】
有機繊維としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、レーヨン、ビニロン、ナイロン、ポリエステル、ポリ塩化ビニール、アクリル、ビニリデン及びアセテートの合成繊維、並びに麻、綿、やし、竹、羊毛及び絹の天然繊維から選ばれる少なくとも一種からなる繊維を例示することができる。
コスト、耐含水性、汎用性から、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。これらの繊維を複数混綿しても良いが、リサイクルの面で１種類の材質で使用する方が好ましい。
天然繊維を使用する場合は、繊維自身に吸水性があるので、前述した第２の発明を適用し撥水処理を施すことが好ましい。
【００１１】
有機繊維が、平均繊維径３〜２７μｍとする繊維であることが好ましい。
平均繊維径が３μｍ未満では、調達が困難となりコストが著しく高くなる。平均繊維径が２７μｍを超えた場合は、吸音性能の低下が著しい。平均繊維径はコスト面と吸音性能を考慮すると、１０〜１８μｍがより望ましい。
【００１２】
第１の発明では、クリンプを有する繊維とすることで、繊維間の空隙が歪曲やくびれを有する状態となり、空気の粘性摩擦抵抗が増大し、吸音性能を良くすることができる。
【００１３】
第２の発明の撥水処理に用いる撥水剤としては、特に限定されないが、フッ素系化合物やシリコーン系（オイル、エマルジョン等）を例示でき、繊維表面に施すことで、水はけをさらに良くすることができる。
【００１４】
第３の発明では、板状、棒状、ブロック状等の要素を、合わせ面を内周から外周に向かって積層することで、繊維間に含水した水分が排気ガスの流圧と微振動にて合わせ面に沿って吹き出すことができ、より有効に排水することができる。
【００１５】
（４）第４の発明は、燃料電池からの排気管に配される消音器筐体の内部空間の少なくとも一部に、主にクリンプを有する有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を充填した燃料電池からの排気管に設けられる消音器である。
（５）第５の発明は、燃料電池からの排気管に配される消音器筐体の内部空間の少なくとも一部に、主に撥水処理を施した有機繊維を用いて嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を充填した燃料電池からの排気管に設けられる消音器である。
（６）第６の発明は、燃料電池からの排気管に配される消音器筐体の内部空間の少なくとも一部に、主に有機繊維をフェルト状とした板状、棒状又はブロック状の要素を、少なくとも一部の要素間接合面が内周から外周方向に向かうように接合することにより、筒状に形成するとともに嵩密度２０〜２００ｋｇ／ｍ3 に調整してなる吸音材を充填した燃料電池からの排気管に設けられる消音器である。
ここで、「排気管」は排気が通り消音器を構成する管であれば特に限定されず、燃料電池から延出する排気管や、該排気管に連結された消音器筐体の内部仕切板に設けられたインナーパイプ等を例示できる。吸音材は、その全体が前記有機繊維の吸音材よりなるものが望ましい。
また、吸音材の設け方としては、特に限定されないが、フェルト状の有機繊維を長い帯状にし排気管の外周に巻き付ける方法や、前記第６の発明のような筒状のものを排気管の外周に形成する方法を例示できる。または、多数の細孔が開いたフィルムを予め消音器の形状に作っておき、その中へフェルト状の有機繊維を挿入し、入口を封止する方法も例示できる。また、有機繊維を圧縮空気で解繊しながら直接消音器筐体内に充填する方法も適用できる。
その他の詳細は、上記第１〜第３の発明の詳細と同様である。
【００１６】
また、前記消音器筐体の少なくとも一部に排水孔を設けることが好ましい。
消音器筐体の少なくとも一部（例えば下部）に排水孔を設けることにより、燃料電池から排気ガスである水蒸気が吸音材に拡散し水が下部に溜まったとしても、排ガス流により吸音材内部を透水した水を適度に消音器の外に排水することができる。排水孔の開口面積を微小にすることで、吸音性能の低下を抑制できる。また、排水性を高めるため、消音器筐体内面または吸音材外面に、排水用の溝を任意に設けても良く、吸音材の固定支持を兼ねたスペーサを消音器筐体と吸音材の間に挿入し、適度な空気層を設けても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した消音器の実施形態について説明する。なお、実施形態で記す材料、構成、数値等は例示であって、適宜変更できる。
（試験１）
実施例１として、繊維径１７．５μｍ・繊維長５０ｍｍのポリプロピレン繊維を用い、クリンプがないものとクリンプがあるもの（図４（ａ）にクリンプがある繊維１０を示す。）とをそれぞれニードルパンチでフェルト状とし、嵩密度３５、５０、１００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を作成した。また、比較例１として、Ｅガラス繊維を用い、同様にニードルパンチにて嵩密度１００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を作成した。これら実施例１及び比較例１の各吸音材からＪＩＳ−Ａ−１４０５に規定される厚さ１０ｍｍの円板形状の試験片を作成し、管内法による垂直入射吸音率測定法に従って各周波数における吸音率を測定した。表１にその測定結果を示す。
【００１８】
【表１】
2004156555.tif 000001
【００１９】
（試験２）
実施例２として、繊維径が１１．５μｍから２７．１μｍまで異なるレーヨン繊維を用い、それぞれニードルパンチでフェルト状とし、嵩密度５０ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を作成した。また、比較例２として、平均繊維径２４μｍのガラス長繊維（オーウェンスコーニングジャパン社の商品名；Advantex（アドバンテックス））を用いて、同様にニードルパンチにて嵩密度１００ｋｇ／ｍ3 に調整した吸音材を作成した。これら実施例２及び比較例２の各吸音材からＪＩＳ−Ａ−１４０５に規定される厚さ１０ｍｍの円板形状の試験片を作成し、管内法による垂直入射吸音率測定法に従って各周波数における吸音率を測定した。表２にその測定結果を示す（前記比較例１の測定結果も併記する）。
【００２０】
【表２】
2004156555.tif 000002
【００２１】
（試験３）
次に、実施例１及び比較例１の各吸音材について、透水性試験を行った。試料サイズは、直径９１．５ｍｍ×厚さ１０ｍｍの円板とした。同試験は、大気中で室温の条件にて、水中浸漬後、円板の側面を一箇所持ち上げ、垂直方向に２分間の水切りをして取出し、増加重量を求めた。
【００２２】
【表３】
2004156555.tif 000003
【００２３】
（試験４）
同様に、実施例３及び比較例３として、実施例１及び比較例１の各吸音材に撥水剤で表面処理を施したものを作成し、透水性試験を行った。撥水剤としては、シリコーン系撥水剤（東レダウコーニングシリコーン社の商品名；ＳＭ８７０６）を用いて含浸塗布し、絞り後、乾燥した。含浸量を調整することで、乾燥後の重量を測り、ねらいとする嵩密度を求めた。試料サイズは、直径９１．５ｍｍ×厚さ１０ｍｍの円板とした。同試験は、大気中で室温の条件にて、水中浸漬後、円板の側面を一箇所持ち上げ、垂直方向に２分間の水切りをして取出し、増加重量を求めた。
【００２４】
【表４】
2004156555.tif 000004
【００２５】
以上のとおり、実施例の吸音材によれば、次の作用効果が得られる。
［１］  表１に示す測定結果のとおり、実施例１の吸音材は、軽量な有機繊維を用いているにも拘わらず、ガラス繊維を用いた比較例１の吸音材と略同等の吸音性能を有する。特に、１０００Ｈｚ以下の周波数域にて吸音性能が優れている。
［２］  表２に示す測定結果のとおり、実施例２の吸音材は、繊維径が太めの有機繊維を用いているにも拘わらず、太めのガラス長繊維を用いた比較例２の吸音材に対し同等以上の吸音性能を有する。特に、１０００Ｈｚ以下の周波数域にて吸音性能が優れている。
［３］  表３に示すとおり、実施例１の吸音材は、ガラス繊維と比較し、良好な透水性を示している。
［４］  表４に示すとおり、実施例３の撥水剤で繊維に表面処理を施した吸音材は、良好な透水性を示している。
【００２６】
次に、図１〜図３に示すように、燃料電池車の燃料電池の排気管１（インナーパイプ）であって多数の小孔２を貫通させた箇所の外周に、実施例１〜３のフェルト状の各吸音材を、長い帯１１（例えば帯幅２０〜１００mm、帯厚１〜１０mm）にまとめて排気管１の外周に複数重にぐるぐる巻きする方法により巻き付けて、全体がこの吸音材からなる吸音材３を構成した。その後、外径φ８９×内径φ８７×全長２９８ｍｍのアルミメッキ鋼管製の消音器筐体４（アウターパイプ）を外挿し、排気管１と消音器筐体４との当接部の隙間を溶接し、消音器を完成させた。消音器筐体４の内部空間には各吸音材が充填されたことになる。消音器筐体４の少なくとも一部には排水孔１５を貫設した。この消音器は、排気ガスが水蒸気である環境下で、水はけが良く、長期にわたり良好な吸音性能を維持することができた。
【００２７】
また、実施例１〜３のフェルト状の各吸音材を、図４（ｂ）に示すように板状の要素１２に形成したり、図４（ｃ）に示すように棒状の要素１３に形成したりしたものを、少なくとも一部の要素間接合面が内周から外周方向に向かうように接合することにより筒状の吸音材３に形成した。この吸音材３についても、前記燃料電池車の燃料電池の排気管１に配される消音器筐体４の内部空間に充填して、消音器を完成させた。この消音器は、さらに水はけが良く、長期にわたり良好な吸音性能を維持することができた。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る燃料電池からの排気管に設けられる消音器及びその吸音材によれば、排気ガスが水蒸気である環境下で、水はけが良く、長期にわたり良好な吸音性能を維持することができ、かつ軽量でリサイクルも可能であるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施形態の消音器を一部破断して示す斜視図である。
【図２】
同消音器を一部破断して示す断面図である。
【図３】
同消音器の吸音材形成時の斜視図である。
【図４】
（ａ）は同消音器に用いる吸音材のクリンプを有する有機繊維を示す拡大図、（ｂ）は吸音材の別例を示す斜視図、（ｃ）は吸音材の他の別例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    排気管
２    小孔
３    吸音層
４    消音器筐体
１０    有機繊維
１１    帯
１２    要素
１３    要素
１５    排水孔