(57)【要約】【課題】燃料電池から排出された未反応の水素ガスを確実に希釈しながらも、それに伴う騒音の発生を抑制可能なマフラーを提供する。【解決手段】マフラー６は、筒形状を呈し、内部に流路６１ａが形成されたマフラー本体６１と、板形状を呈し、マフラー本体６１の翼状板配置部６１１の内部に配置された翼状板６２と、を備える。翼状板６２は、翼状板配置部６１１の軸線Ｃに沿って延びる第１翼状部６２１と、第１翼状部６２１の下流端から下流側に向かって延びる第２翼状部６２２と、を有する。軸線Ｃ及び第１翼状部の厚さｔ方向と直交するＺ方向に沿って翼状板６２を見たとき、第１翼状部６２１が延びる方向に対する第２翼状部６２２の傾斜角度θは、１６度以上かつ４５度以下の範囲である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車両に搭載され、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを流すマフラーであって、
筒形状を呈し、内部に流路が形成されたマフラー本体と、
板形状を呈し、前記マフラー本体の翼状板配置部の内部に配置された翼状板と、を備え、
前記翼状板は、前記翼状板配置部の軸線に沿って延びる第１翼状部と、前記第１翼状部の下流端から下流側に向かって延びる第２翼状部と、を有し、
前記軸線及び前記第１翼状部の厚さ方向と直交する方向に沿って前記翼状板を見たとき、前記第１翼状部が延びる方向に対する前記第２翼状部の傾斜角度は、１６度以上かつ４５度以下の範囲であることを特徴とするマフラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両に搭載され、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを流すマフラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した燃料電池車両の開発が進められている。燃料電池は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスとの供給を受け、電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる。燃料電池車両は、この燃料電池が発生させた電力をモータに供給し、当該モータにおいて駆動力を発生させる。
【０００３】
燃料電池における電気化学反応に用いられなかった一部の水素ガスは、燃料電池車両の外部に排出される。水素ガスに着火することを防止するために、水素ガスは希釈された後に排出される。
【０００４】
特許文献１には、空気を用いて水素ガスを希釈する希釈装置が記載されている。当該希釈装置は、水素ガスを含むガスの流れによって負圧を発生させ、周囲の空気を吸引して水素ガスと混合させることによって水素ガスの希釈を行う。また、当該希釈装置は、水素ガスを含むガスに渦流を生成することにより、水素ガスと空気との混合を促す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１３５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１記載の希釈装置によれば、渦流の生成に伴って乱流が発生し、騒音が顕著になるおそれがある。燃料電池車両は、エンジンにおいてガソリン等を燃焼させて駆動力を発生させる車両と比べて高い静粛性を有する。したがって、このような騒音は乗員にとって耳障りなものになり易く、改善が求められていた。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを確実に希釈しながらも、それに伴う騒音の発生を抑制可能なマフラーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池車両に搭載され、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを流すマフラーであって、筒形状を呈し、内部に流路が形成されたマフラー本体と、板形状を呈し、マフラー本体の翼状板配置部の内部に配置された翼状板と、を備える。翼状板は、翼状板配置部の軸線に沿って延びる第１翼状部と、第１翼状部の下流端から下流側に向かって延びる第２翼状部と、を有する。軸線及び第１翼状部の厚さ方向と直交する方向に沿って翼状板を見たとき、第１翼状部が延びる方向に対する第２翼状部の傾斜角度は、１６度以上かつ４５度以下の範囲である。
【０００９】
この構成によれば、乱流を発生させることなく、翼状板配置部の内部において旋回流を生成することが可能になる。この結果、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを確実に希釈しながらも、それに伴う騒音の発生を抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを確実に希釈しながらも、それに伴う騒音の発生を抑制可能なマフラーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係るマフラーを搭載した燃料電池車両を示すブロック図である。
【図２】マフラーを示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。
【図４】マフラーの内部のガスの流れを示す模式図である。
【図５】傾斜角度と水素ガス希釈率との関係を示すグラフである。
【図６】傾斜角度と上昇音圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１３】
まず、図１を参照しながら、実施形態に係るマフラー６を搭載する燃料電池車両１の概要について説明する。図１は、実施形態に係るマフラー６を搭載した燃料電池車両１を示すブロック図である。
【００１４】
燃料電池車両１は、燃料電池システム２が発生させた電力を不図示のモータに供給し、当該モータの出力を駆動力として走行する車両である。マフラー６は、燃料電池システム２の構成の一部である。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池システム２は、燃料電池２１と、水素ガス供給系３と、空気供給系４と、排気系５と、を有している。
【００１６】
燃料電池２１は、多数の単セルを直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。各単セルは、アノード、カソード及び電解質を有する発電体である。燃料電池２１の発電時には、アノードにおいて式（１）で表される酸化反応が生じ、且つ、カソードにおいて式（２）で表される還元反応が生じる。その結果、燃料電池２１全体として、式（３）で表される電気化学反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                    …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ   …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ            …（３）
【００１７】
水素ガス供給系３は、燃料電池２１に燃料ガスとして水素ガスを供給する系である。水素ガス供給系３は、水素ガス供給管３１と、タンク３２と、主止弁３３と、リリーフ弁３４と、インジェクタ３５と、を有している。
【００１８】
水素ガス供給管３１は、タンク３２から燃料電池２１の各単セルのアノードに水素ガスを導く配管である。タンク３２は、高圧の水素ガスを貯蔵する容器であり、水素ガス供給管３１の端部に接続されている。
【００１９】
主止弁３３、リリーフ弁３４及びインジェクタ３５は、水素ガス供給管３１の途中に設けられている。主止弁３３は、タンク３２から燃料電池２１に向かう水素ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。リリーフ弁３４は、主止弁３３の下流側に設けられ、燃料電池２１への水素ガスの供給圧力を調整する弁である。インジェクタ３５は、燃料電池２１への水素ガスの供給量を調整する弁である。
【００２０】
空気供給系４は、燃料電池２１に酸化剤ガスとして空気を供給する系である。詳細には、空気供給系４は、空気中の酸素を酸化剤ガスとして供給する。空気供給系４は、空気供給管４１と、エアクリーナ４２と、コンプレッサ４３と、インタークーラ４４と、調整弁４５と、を有している。
【００２１】
空気供給管４１は、燃料電池車両１の外部から燃料電池２１の各単セルのカソードに空気を導く配管である。エアクリーナ４２は、通過する空気から不純物を除去するフィルタである。
【００２２】
コンプレッサ４３、インタークーラ４４及び調整弁４５は、エアクリーナ４２よりも下流側の空気供給管４１に設けられている。コンプレッサ４３は、エアクリーナ４２を介して外部から空気を吸入し、下流側に圧送する流体機械である。詳細には、コンプレッサ４３は、モータ４３１の駆動によって不図示のインペラを回転させることにより、空気を圧縮して送り出す。インタークーラ４４は、コンプレッサ４３によって圧縮されて高温になった空気を冷却する冷却器である。調整弁４５は、コンプレッサ４３の下流側に配置された分岐部４１１の下流側且つ燃料電池２１の上流側に設けられている。調整弁４５は、燃料電池２１に供給される空気の供給量を調整する弁である。調整弁４５が開くと、コンプレッサ４３によって圧縮された空気が、燃料電池２１のカソード側に供給される。
【００２３】
排気系５は、燃料電池２１から排出されるガスを燃料電池車両１の外部に導く系である。排気系５は、排気管５１と、調整弁５２と、バイパス管５３と、調整弁５４と、マフラー６と、を有している。
【００２４】
排気管５１は、燃料電池２１から燃料電池車両１の外部にガスを導く配管である。調整弁５２は、排気管５１に形成された分岐部５１１の上流側に設けられている。調整弁５２は、燃料電池２１から排気管５１に流入するガスの流量を調整する弁である。
【００２５】
バイパス管５３は、空気供給管４１の分岐部４１１と、排気管５１の分岐部５１１と、を連結する配管である。調整弁５４は、このバイパス管５３の途中に設けられている。調整弁５４は、バイパス管５３を流れるガスの流量を調整する弁であり、その開度を変更可能に構成されている。マフラー６は、空気供給管４１とともに、燃料電池車両１の外部にガスを導く流路を形成する配管である。
【００２６】
このように構成された燃料電池車両１では、燃料電池２１から排出された未反応の水素ガスや空気（以下「オフガス」ともいう。）は、排気管５１に流入する。このとき、調整弁５４を適宜開くことにより、空気供給管４１を流れる空気を、バイパス管５３を介して排気管５１に流入させることができる。オフガスはマフラー６において混合を促され、水素ガスが希釈された後に燃料電池車両１の外部に排出される。オフガスは、マッハ０．３以上の非常に大きな流速でマフラー６を通過する。
【００２７】
次に、図２乃至図４を参照しながら、マフラー６の構成と、マフラー６の内部におけるオフガスの流れについて説明する。図２は、マフラー６を示す斜視図であり、マフラー６の一部を断面視している。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。図４は、マフラー６の内部におけるオフガスの流れを示す模式図である。
【００２８】
マフラー６は、金属材料によって形成されたマフラー本体６１を備えている。マフラー本体６１は円筒形状を呈し、その内部に流路６１ａが形成されている。マフラー本体６１の一部は、軸線Ｃに沿って延びる円筒形状の翼状板配置部６１１である。軸線Ｃは、流路６１ａの断面の略中央を通る線である。マフラー本体６１は、少なくとも翼状板配置部６１１の周辺において、軸線Ｃに沿って直線的に延びるとともに、その内壁面は凹凸が無い平滑面となるように形成されている。
【００２９】
翼状板配置部６１１の内部であって、軸線Ｃから所定距離オフセットした位置には、１つの翼状板６２が配置されている。翼状板６２は、翼状板配置部６１１の内壁面に対して固定されている。翼状板６２は板形状を呈しており、翼状板配置部６１１の内壁面から流路６１ａに突出するように配置されている。
【００３０】
尚、理解を容易にするため、図２では、軸線Ｃに沿う流路６１ａの下流方向をＹ方向とし、翼状板６２が突出する方向をＺ方向とし、Ｙ方向及びＺ方向に直交する方向をＸ方向とする直交座標が示されている。図３以降においても、当該直交座標と対応する座標が示される。
【００３１】
翼状板６２は、第１翼状部６２１と、第２翼状部６２２と、を有している。
【００３２】
図３に示されるように、第１翼状部６２１は、Ｘ方向を厚さ方向とし、その厚さｔが略一定となるように形成されている。さらに、第１翼状部６２１は、翼状板配置部６１１の軸線Ｃと略平行な軸線Ｃ１に沿って延びるように形成されている。第１翼状部６２１の上流端６２１ａは、上流側に向かって突出する湾曲面である。
【００３３】
第２翼状部６２２は、第１翼状部６２１の下流側に位置し、連接部６２３において第１翼状部６２１と連接している。すなわち、連接部６２３は、第１翼状部６２１の下流端であるとともに、第２翼状部６２２の上流端である。第２翼状部６２２は、連接部６２３の近傍で湾曲するとともに、第１翼状部６２１に対して傾斜する方向に延びるように形成されている。詳細には、第２翼状部６２２の略中央部を通る軸線Ｃ２は、第１翼状部６２１の軸線Ｃ１に対して傾斜角度θを成している。第２翼状部６２２は、連接部６２３側から下流端６２２ａにかけて、その厚さが漸次減少するように形成されている。
【００３４】
マフラー６の流路６１ａを流れるオフガスは、翼状板６２によって指向性を変更される。詳細には、図４に示されるように、オフガスは第２翼状部６２２の傾斜に沿って流れることにより、−Ｘ方向の指向性が高められ、マフラー６の内壁面に向かう。当該オフガスは、マフラー６の内壁面に沿って流れるため、翼状板６２の下流側のオフガスに旋回流が生成される。
【００３５】
このような旋回流を生成することにより、オフガス中の水素ガスを希釈することができる。第１翼状部６２１に対する第２翼状部６２２の傾斜角度θを大きくすることにより、さらに−Ｘ方向の指向性が高め、水素ガスの希釈をさらに効果的に行うことができる。
【００３６】
オフガスは重力の影響を殆ど受けることなく流路６１ａを流れる。したがって、鉛直方向における翼状板６２の位置は、特段制約が無い。すなわち、翼状板６２は、流路６１ａの上部及び下部のいずれにも配置することができる。
【００３７】
一方、傾斜角度θを過度に大きくすると、第２翼状部６２２の表面において、オフガスの流れの剥離が生じる。この結果、翼状板配置部６１１を通過したオフガスに乱流が発生し、騒音が顕著になるおそれがある。
【００３８】
次に、図５及び図６を参照しながら、傾斜角度θ［°］と、水素ガス希釈率η［％］及び上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］と、の関係について説明する。これらの関係は、本発明者らが実施した流体解析及び音響解析によって得られた知見である。図５は、傾斜角度θ［°］と水素ガス希釈率η［％］との関係を示すグラフである。図６は、傾斜角度θ［°］と上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］との関係を示すグラフである。
【００３９】
水素ガス希釈率η［％］は、マフラー本体６１の下流端の断面における水素ガスの希釈率を示している。詳細には、水素ガス希釈率η［％］は、マフラー本体６１に翼状板６２を配置しない場合の水素ガスの分布状態を基準（つまり、希釈率０％）とし、当該基準と比較して水素ガスが希釈された度合を、所定の評価式に基づいて百分率で示している。
【００４０】
また、上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］は、マフラー本体６１の下流端の断面における音圧の上昇量を示している。詳細には、上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］は、マフラー本体６１に翼状板６２を配置しなかった場合の音圧を基準（つまり、上昇音圧０ｄＢ）として、当該基準との差分を示している。
【００４１】
図５に示されるように、傾斜角度θ［°］を１５［°］，３０［°］，６０［°］と変化させると、この傾斜角度θ［°］の増加に伴って、水素ガス希釈率η［％］が向上する。これは、傾斜角度θ［°］の増加に伴い、オフガスの旋回流のＸ方向成分及びＺ方向成分が大きくなるためである。この結果、水素ガスと空気との混合が促され、水素が希釈される。
【００４２】
これに対し、上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］は、図６に示されるように、傾斜角度θ［°］の増加に伴って増加する。これは、傾斜角度θ［°］の増加に伴い、第２翼状部６２２の表面においてオフガスの流れの剥離が生じるためである。この結果、翼状板配置部６１１を通過したオフガスに乱流が発生し、騒音が顕著になる。傾斜角度θ［°］が３０［°］から６０［°］に増加することに伴い、上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］が顕著に増加することから、オフガスの流れの剥離が生じる傾斜角度θ［°］は、３０［°］から６０［°］の間の値であることがわかる。
【００４３】
本発明者らは、このように傾斜角度θ［°］の値を種々変更し、それに伴う水素ガス希釈率η［％］及び上昇音圧ΔＰ［ｄＢ］の変化について評価を行った。その結果、燃料電池車両１の実用域では、傾斜角度θ［°］を１６［°］以上かつ４５［°］以下にすることが好ましいという知見を得た。すなわち、前述した第２翼状部６２２は、第１翼状部６２１に対して１６［°］以上かつ４５［°］以下の角度で傾斜して連接している。
【００４４】
このマフラー６の構成によれば、乱流を発生させることなく、翼状板配置部６１１の内部において旋回流を生成することが可能になる。この結果、燃料電池２１から排出された未反応の水素ガスを確実に希釈しながらも、それに伴う騒音の発生を抑制することが可能になる。
【００４５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されず、適宜変更することができる。
【００４６】
前述した実施形態は、円筒形状を呈するマフラー本体６１を例に示している。しかしながら、本発明の範囲はこの形態に限定されるものではない。例えば、円筒形状を呈するマフラー本体６１に代えて、断面が楕円形状や矩形形状を呈するマフラー本体を用いる形態も、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４７】
１：燃料電池車両
２１：燃料電池
６：マフラー
６１：マフラー本体
６１ａ：流路
６２：翼状板
６１１：翼状板配置部
６２１：第１翼状部
６２２：第２翼状部
Ｃ：軸線
【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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