(57)【要約】【課題】燃料電池用マフラにおいて、電食作用による腐食の進行を抑制し、耐用寿命を延ばすことである。【解決手段】燃料電池用マフラ１０は、金属製のマフラシェル１２と、マフラシェル１２内における使用済みガスの流路１８の周囲に配置され、使用済みガスによる排気音を吸音する導電性の吸音材２０とを含み、吸音材載せ台２２と吸音材２０との間に中間部材２４が配置される。中間部材２４は、マフラシェル１２及び吸音材載せ台２２の材料の腐食電位と吸音材２０の材料の腐食電位との間の腐食電位を有する材料で構成される。また、吸音材載せ台２２の材料厚さをマフラシェル１２の円環部分の板厚より厚くして、電食による寿命を延ばすこともできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を含む使用済みガスを導入し排出する金属製のマフラシェルと、
マフラシェル内における使用済みガスの流路の周囲に配置され、使用済みガスによる排気音を吸音する導電性の吸音材と、
マフラシェルと吸音材との間に配置される中間部材と、
を備え、
中間部材は、
マフラシェルの腐食電位と吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有する材料で構成されることを特徴とする燃料電池用マフラ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用マフラにおいて、
マフラシェルはアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成され、
吸音材はカーボン繊維を含んで構成され、
中間部材は、マフラシェルの腐食電位と、吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有するステンレス鋼で構成されることを特徴とする燃料電池用マフラ。
【請求項３】
水を含む使用済みガスを導入し排出する金属製のマフラシェルと、
マフラシェル内における使用済みガスの流路の周囲に配置され、使用済みガスによる排気音を吸音する導電性の吸音材と、
を備え、
マフラシェルは、
吸音材と接触する部分であって、マフラシェルの腐食電位と吸音材の腐食電位との差が最大となる吸音材載せ部分の材料厚さが、他の部分の材料厚さの１．５倍以上５倍以下であることを特徴とする燃料電池用マフラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用マフラに係り、特に、燃料電池の使用済みガスによる排気音を吸音する燃料電池用マフラに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば圧縮空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す。このときに、反応生成水が生じる。電池化学反応で使用済みの燃料ガスは、やはり使用済みの酸化ガスで希釈器において希釈され、外部に排出されるが、そのときに反応生成水も一緒に排出される。使用済みの酸化ガスは、高圧の圧縮空気であるので、排出の際の排気音を消音するために、サイレンサ、あるいはマフラが用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池において発電に使用されなかった空気を生成水と共に外部に排気する際、排気管に高圧の排気ガスが流れるため、サイレンサを設けるが、排気ガスには微量の水素が含まれるので、乾燥した環境の下で発生する静電気に対応する必要性が指摘されている。ここでは、サイレンサを、セパレータによって３つの消音室に区切り、それらを貫通して排気流入管、インナパイプ、排気流出管を配置し、排気流入管とインナパイプには多数の透孔を設け、中間の消音室に導電性の消音材を詰め、サイレンサ全体を金属製の固定治具で車体にネジ止めし、これによってサイレンサが車体に接地され、静電気が蓄積することを防止することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５１２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の電池化学反応においては反応生成水が生じ、これは使用済みガスと共にマフラを経由して外部に排出される。したがって、使用済みガスには生成水が含まれることになる。ここで特許文献１のように、導電性消音材と金属製のサイレンサ筐体とを用いると、腐食が生じることが見出された。この腐食は、いわゆる電食作用によることも分かった。電食作用とは、水の存在によって、導電性物質が腐食電位を有することによるもので、特に腐食電位の差の大きな物質が接触していると、腐食の進行が速いことが知られている。
【０００６】
本発明の目的は、電食作用による腐食の進行を抑制し、耐用寿命を延ばすことができる燃料電池用マフラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池用マフラは、水を含む使用済みガスを導入し排出する金属製のマフラシェルと、マフラシェル内における使用済みガスの流路の周囲に配置され、使用済みガスによる排気音を吸音する導電性の吸音材と、マフラシェルと吸音材との間に配置される中間部材と、を備え、中間部材は、マフラシェルの腐食電位と吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有する材料で構成されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池用マフラにおいて、マフラシェルはアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成され、吸音材はカーボン繊維を含んで構成され、中間部材は、マフラシェルの腐食電位と、吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有するステンレス鋼で構成されることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池用マフラは、水を含む使用済みガスを導入し排出する金属製のマフラシェルと、マフラシェル内における使用済みガスの流路の周囲に配置され、使用済みガスによる排気音を吸音する導電性の吸音材と、を備え、マフラシェルは、吸音材と接触する部分であって、マフラシェルの腐食電位と吸音材の腐食電位との差が最大となる吸音材載せ部分の材料厚さが、他の部分の材料厚さの１．５倍以上５倍以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池用マフラは、金属製のマフラシェルの腐食電位と導電性の吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有する材料で構成される中間部材がマフラシェルと吸音材との間に配置される。これにより、マフラシェルと吸音材とが直接接触する場合の腐食電位差に比べ、マフラシェルと中間部材との間の腐食電位差、中間部材と吸音材との間の腐食電位差がそれぞれ小さくなり、電食作用の腐食速度を低減することができる。
【００１１】
また、マフラシェルはアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成され、吸音材はカーボン繊維を含んで構成される場合において、中間部材は、マフラシェルの腐食電位と、吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有するステンレス鋼で構成される。したがって、マフラシェルと吸音材とが直接接触する場合に比べ、電食作用の腐食速度を低減することができる。
【００１２】
また、上記構成の少なくとも１つにより、マフラシェルは、吸音材が接触する吸音材載せ部分の材料厚さが、他の部分の材料厚さの１．５倍以上５倍以下であるので、吸音載せ部分が電食作用によって薄くなり機能しなくなる耐用寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、マフラの構造を、マフラシェルの内部に、使用済みガスが通るための円形断面流路がまっすぐ配置され、その周囲を吸音材が覆うものとして説明するが、使用済みガスが通る流路の形状及び配置は、消音効果を考えて、別の形態であってもよい。例えば、マフラシェル内を往復行あるいは蛇行する流路配置であってもよい。また、吸音材は、使用済みガスが通る流路の周りに一様に詰めて配置されるものとして説明するが、流路の配置構造に合わせ、消音効果の高い位置に吸音材を多く配置するなどの不均一配置あるいは局所的配置であってもよい。また、以下では、使用済みガスが通る流路について、特別な管路材を設けずに、吸音材の形状によって形成されるものとして説明するが、これは一例であって、上記特許文献１に示されるように、多数の透孔を設けたパイプ等をマフラシェル内に設け、その中を使用済みガスが流れるものとし、パイプ等の周囲を吸音材で覆うものとしてもよい。
【００１４】
図１は、燃料電池用マフラ１０の正面図で、図２は、図１に示されるＡ−Ａ線に沿った断面図である。燃料電池用マフラ１０は、燃料電池において生成水等の水分を含む使用済みガスを排気する際の排気音を吸音し、騒音を抑制する機能を有するものである。燃料電池用マフラ１０は、ガス導入管１４とガス排出管１６が両端に設けられるマフラシェル１２と、マフラシェル１２の内部に詰められた吸音材２０を含んで構成される。なお、吸音材２０は、ガス導入管１４とガス排出管１６との間に使用済みガスが流れるガス流路１８が形成されるような形状を有している。
【００１５】
なお、図１には、燃料電池用マフラ１０の構成要素ではないが、図示されていない燃料電池側から延びる排気パイプ４と、燃料電池用マフラ１０の側から外気に向けて延びる放出パイプ６と、これらのパイプのそれぞれと、燃料電池用マフラ１０のガス導入管１４、ガス排出管１６とを接続するためのゴムホース８が示されている。これらは、使用済みガスが、放出パイプ６の放出口以外から漏れないように、しっかりと結合される。
【００１６】
マフラシェル１２は、金属板を円筒状に成形しその両端を側板でふさいだ形状を有し、両側板にそれぞれガス導入管１４とガス排出管１６が取り付けられる管付き筒状箱である。マフラシェル１２は、ガス導入管１４、ガス排出管１６との間の接続部等を含め、構成部材の接続部が溶接等でしっかり密閉された密閉容器である。かかるマフラシェル１２は、例えば、板厚が約１ｍｍから数ｍｍの金属板を用い、直径が数ｃｍから約２０ｃｍ程度、軸方向の長さが数１０ｃｍ程度の大きさの筒状の箱としたものを用いることができる。
金属製の箱とする理由の１つは、吸音材２０に生じ得る静電気を車体に逃がすことであり、したがって、マフラシェル１２は、適当な導電性の結合材で、電気的に車体に結合され接地される。マフラシェル１２を構成する金属板としては、例えばアルミニウム板、あるいは適当な組成のアルミニウム合金板を用いることができる。
【００１７】
ガス導入管１４は、燃料電池側の排気パイプ４と接続されて、燃料電池における使用済みガスをマフラシェル１２の内部に導入するためのパイプである。また、ガス排出管１６は、マフラシェル１２を通ってきた使用済みガスを、放出パイプ６にむけて排出するためのパイプである。ガス導入管１４、ガス排出管１６は、適当な肉厚を有する金属パイプを用いることができる。用いられる金属材料がマフラシェル１２と異なるものとするときは、マフラシェルと１２と密閉性を確保できる接続法、例えば溶接等を考慮して選択する必要がある。マフラシェル１２同じ材料を選択するときは、マフラシェル１２と一体成形するものとしてもよい。
【００１８】
ガス導入管１４によって燃料電池における使用済みガスがマフラシェル１２の内部に導入され、ガス排出管１６によってマフラシェル１２の外部に排出されるので、燃料電池の使用済みガスは、マフラシェル１２の内部を流れることになる。燃料電池のアノード側から排出される使用済み燃料ガス、例えば、使用済み水素ガスを、カソード側から排出される使用済み酸化ガスで希釈したガスである。希釈の必要に応じ、燃料電池に供給する前の酸化ガスがさらに供給されることがある。したがって、「使用済みガス」とは、燃料電池において、電池化学反応を経由して排出されたガスを含む気体のことである。この使用済みガスは、燃料電池における電池化学反応によって生じる生成水を水蒸気等の形態で含む。また、燃料電池に供給される酸化ガスは、エアーコンプレッサ等で加圧された圧縮空気であるので、マフラシェル１２内をかなりの流速で流れ、いわゆる排気音を生じる。
【００１９】
吸音材２０は、マフラシェル１２の内部に配置される部材で、使用済みガスが流れるときのこの排気音を吸音する機能を有する。吸音材２０は、マフラシェル１２の内部の密閉空間において、使用済みガスが流れるガス流路１８を形成するような形状を有する。つまり、吸音材２０は、マフラシェル１２の内部における一方端のガス導入管１４の開口と、他方端のガス排出管１６の開口との間を接続するところについては、管状の空間を確保するように配置がされない。この吸音材２０が配置されない管状の空間がガス流路１８となる。換言すれば、吸音材２０は、ガス流路１８の周囲に配置される。
【００２０】
図１、図２の例では、マフラシェル１２が円形断面を有し、ガス導入管１４とガス排出管１６とがほぼ同心で、マフラシェル１２の底部に近いところに配置されているので、吸音材２０は、下側部分が部分小円形で切り欠かれた円形断面形状を有するものとして示されている。この部分小円形切欠部分が、ガス流路１８となる空間部分である。ガス流路１８は、一端がガス導入管１４の開口に接続され、他端がガス排出管１６の開口に接続されるように設けられる。
【００２１】
吸音材２０は、ガス流路１８を高速の使用済みガスが流れるときの排気音を吸収緩和できるように、空孔あるいは隙間の多い材料で構成される。例えば、発泡材、あるいは繊維材等を用いることができる。また、吸音材２０は、使用済みガスに含まれる水素に対する静電気の影響を抑制するため、導電性を有する材料が用いられる。かかる導電性を有する吸音材２０としては、カーボン繊維を含むプラスチック繊維体を用いることができる。例えば、カーボン繊維を約２０質量％とし、残りをポリプロピレン繊維またはポリエチレン繊維等で構成した繊維体を用いることができる。
【００２２】
吸音材載せ台２２は、ガス流路１８の空間を確保しながら、マフラシェル１２の内部に吸音材２０を詰めて配置するときの支持台となる部分である。図２では、マフラシェル１２とは別部材として、マフラシェル１２の底部、すなわち重力方向に沿って下側であって、ガス流路１８に沿って軸方向に延び、その上に吸音材２０が配置される板状のものとして吸音材載せ台２２が示されている。マフラシェル１２が吸音材２０を収納する密閉箱部材であると考えるとき、吸音材載せ台２２は、マフラシェル１２の一部を構成するものとして、マフラシェル１２と同じ材料で形成することができる。例えば、マフラシェル１２の軸方向に沿って、細長い板材をマフラシェル１２の内壁に取り付け、これを吸音材載せ台２２とすることができる。マフラシェル１２と一体のものとして吸音材載せ台２２を構成してもよい。
【００２３】
中間部材２４は、吸音材載せ台２２と、吸音材２０との間に配置される部材で、マフラシェルの腐食電位と、吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有する材料で構成される。中間部材２４は、このような材料を選択することで、腐食電位による吸音材載せ台２２の電食の速度を低減する機能を有する。
【００２４】
ここで、腐食電位について説明する。腐食電位とは、水が金属材料等の導電性材料に接触するときに、水と導電性材料との間に生じる電位であり、この電位の大きさにより、腐食のしやすさを評価することができる。この腐食電位に起因する腐食は、電食と呼ばれる。特に、２つの材料が接触した状態で、さらに水が存在すると、２つの材料の腐食電位の間の差が大きいほど、電食の進行が速いことが知られている。
【００２５】
図１、図２の場合においては、材料がアルミニウムである吸音材載せ台２２に水が溜まると、アルミニウムと水との間に腐食電位が発生し、また、材料がカーボンである吸音材２０にも水の存在で腐食電位が発生する。腐食電位によっていわゆる電食が生じる。
【００２６】
図３は、公知の文献に示されている腐食電位のデータを示す例である。ここでは、横軸に腐食電位をととり、流動海水中における腐食電位の大きさの順に、各種の金属、導電性材料が並べられている。同じ材料であっても腐食電位に幅があるのは、測定値にばらつきがあるためと考えられる。
【００２７】
図３において、吸音材載せ台２２の材料であるアルミニウムと、吸音材２０の材料であるカーボンの腐食電位とは、太枠で囲んで示されている。図３から、この２つの材料の間の腐食電位の差は、約０．９５Ｖ程度あり、図３で並べられている材料のなかでは、腐食電位の差の大きな２つの材料に属することが分かる。
【００２８】
図２の構成から分かるように、吸音材載せ台２２は、ガス流路１８の近傍で、その上に吸音材２０が置かれるので、ガス流路１８を使用済みガスに含まれる生成水が溜まりやすい。一方、マフラシェル１２の上部の円環部分は、材質が吸音材載せ台２２と同じ材料であり、また同じように吸音材２０と接触しているが、使用済みガスに含まれる生成水は重力の作用で下方に移動するので、ほとんど水が存在しない。したがって、腐食電位が発生しないか、発生しても吸音材載せ台２２に比べれば、電食を起こす程度がかなり低い。また、マフラシェル１２の底部は、重力方向で最も低い位置であるので、生成水が溜まりやすいが、吸音材２０がなく、２種類の材料が接触することで生じる腐食電位の差がないことになる。これらのことから、中間部材２４が配置されない状態では、吸音材載せ台２２の上部が、アルミニウムとカーボンと水が存在し、２つの材料の接触による腐食電位の差が最大になる部位となり、ここで電食が最も速く進行することになる。
【００２９】
中間部材２４は、吸音材載せ台２２と吸音材２０との間に配置されるので、その腐食電位を、吸音材載せ台２２の腐食電位と吸音材２０の腐食電位との間になるように、材料を選択することで、電食の速度を抑制することができる。具体的には、図３において、アルミニウムとカーボンとの間に配置される材料を中間部材２４の材料とする。例えば、図３に示される各種のステンレス鋼を、中間部材２４の材料として選択することができる。
【００３０】
一例として、ＳＵＳ４３０のステンレス鋼で中間部材２４を構成する場合を説明する。ＳＵＳ４３０の腐食電位は、図３における低流速のデータを用いるものとして、約−０．５５ｖから約−０．４５Ｖ程度である。ここで、中間部材２４も吸音材載せ台２２も吸音材２０も水に接触しているとする。この場合、カーボンである吸音材２０とＳＵＳ４３０である中間部材２４の間の腐食電位の差は、約−０．４５Ｖと約＋０．２０Ｖの絶対値の差であるので、約０．６５Ｖである。また、ＳＵＳ４３０である中間部材２４とアルミニウムである吸音材載せ台２２との間の腐食電位の差は、約−０．７５Ｖと約−０．５５Ｖとの差であるので、約０．２０Ｖである。
【００３１】
これを、カーボンである吸音材２０と、アルミニウムである吸音材載せ台２２とが直接接触した場合の腐食電位の差である約０．９５Ｖと比べると、中間部材２４を介在させることで、２つの材料の接触における腐食電位の差が、いずれも小さくなっていることが分かる。つまり、カーボンである吸音材２０とＳＵＳ４３０である中間部材２４とが接触したときの腐食電位の差は約０．６５Ｖで、カーボンである吸音材２０と、アルミニウムである吸音材載せ台２２とが直接接触した場合の腐食電位の差である約０．９５Ｖより小さい。したがって、電食の速度は、前者の方が後者に比べ遅くなる。また、ＳＵＳ４３０である中間部材２４とアルミニウムである吸音材載せ台２２とが接触したときの腐食電位の差は、約−０．７５Ｖで、カーボンである吸音材２０と、アルミニウムである吸音材載せ台２２とが直接接触した場合の腐食電位の差である約０．９５Ｖより小さい。したがって、電食の速度は、前者の方が後者に比べ遅くなる。
【００３２】
このように、吸音材載せ台２２の材料の腐食電位と、吸音材２０の材料の腐食電位との間の腐食電位を有する材料で構成される中間部材２４を、吸音材載せ台２２と吸音材２０との間に配置することで、吸音材載せ台２２が吸音材２０と直接接触する場合に比べ、電食作用の腐食速度を低減することができる。
【００３３】
また、中間部材２４を配置しない場合において、吸音材載せ台２２の板厚を、マフラシェル１２の円環部分の板厚より十分厚くすることでも、吸音載せ台２２が電食作用によって薄くなり機能しなくなる耐用寿命を延ばすことができる。例えば、吸音材載せ台２２の材料厚さを、マフラシェル１２の円環部分の材料厚さの１．５倍以上５倍以下とすることで、耐用寿命をかなり延ばすことができる。
【００３４】
もちろん、中間部材２４を配置すると共に、吸音材載せ台２２の板厚を、マフラシェル１２の円環部分の板厚より十分厚くすることで、吸音載せ台２２が電食作用によって薄くなり機能しなくなる耐用寿命を、より一層、延ばすことができる。
【００３５】
また、上記において、マフラシェルの腐食電位と吸音材の腐食電位との間の腐食電位を有する中間部材を、吸音材載せ台２２と吸音材２０との間に配置するものとしたが、このような腐食電位を有する中間部材を、マフラシェルの内面全面に、貼り付け、塗布等の適当な手段で配置するものとすることもできる。内面全面でなくとも、生成水が溜まりやすい底部側の内面にのみ、中間部材を配置するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る実施の形態における燃料電池用マフラの正面図である。
【図２】図１に示されるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】公知の文献に示されている腐食電位のデータを示す例である。
【符号の説明】
【００３７】
４  排気パイプ、６  放出パイプ、８  ゴムホース、１０  燃料電池用マフラ、１２  マフラシェル、１４  ガス導入管、１６  ガス排出管、１８  ガス流路、２０  吸音材、２２  吸音材載せ台、２４  中間部材。
【図１】
2008117700.tif 000003
【図２】
2008117700.tif 000004
【図３】
2008117700.tif 000005