(57)【要約】【課題】気流音を小さくする燃料電池の排気システムを提供する。【解決手段】吸音部１１を有する消音器２と、燃料電池から排出される排気ガスが流れ、消音器２を貫通する排気管１と、消音器２の吸音部１１の内側に位置する排気管１の内部に設けられ、排気管１の開度を調整することで燃料電池の圧力を調圧する調圧弁３を備える。【選択図】図１
2008053080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸音部を有する消音装置と、
燃料電池から排出される排出ガスが流れ、前記消音装置を貫通する排気管と、
前記消音装置の吸音部の内側に位置する前記排気管の内部に設けられ、その開度を調整することで前記燃料電池のガス圧力を調圧する圧力調整弁と、を備えることを特徴とする燃料電池の排気システム。
【請求項２】
前記圧力調整弁は、前記圧力調整弁の開度にかかわらず、前記消音装置の内側に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排気システム。
【請求項３】
前記消音装置は、前記排気ガスの流れ方向に対して、前記吸音部と直列的に連結する吸水部を備え、
前記排気管は、前記排気管の内部と前記吸音部とを連通する流路孔を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の排気システム。
【請求項４】
前記吸水部は、前記排気ガスの流れ方向に対して、前記吸音部よりも下流側であり、かつ前記吸音部よりも低く位置し、
前記消音装置は、前記吸水部と前記消音装置の外部とを連通する排水孔を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の排気システム。
【請求項５】
前記吸水部は、前記吸音部よりも吸水性が高いことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池の排気システム。
【請求項６】
前記消音装置は、前記吸音部を前記排気ガスの流れ方向に分離する仕切り板を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池の排気システム。
【請求項７】
前記仕切り板は、分離する前記吸音部間を連通する連通孔を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の排気システム。
【請求項８】
前記圧力調整弁に連動して前記排水孔の一部を開放または閉塞する動作部を備え、
前記動作部は、前記圧力調圧弁の開度が少なくとも全閉となる場合に、前記排水孔の少なくとも一部を閉塞することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の排気システム。
【請求項９】
前記排気管の内部を前記圧力調整弁が可動する可動範囲に位置する前記流路孔は、面取り部を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池の排気システム。
【請求項１０】
前記排気管の内部を前記圧力調整弁が可動する可動範囲に位置する単位面積当たりの前記流路孔の数は、前記可動範囲以外の単位面積当たりの前記排気管に対して、少ないことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池の排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の排気システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した車両において、内燃機関を搭載した車両と同様に排気ガスが排気管を通過する際に騒音が発生する。特に燃料電池内の圧力を調整する調圧弁を排気ガスが通過する際に、大きな騒音を発する。この騒音を低減させるための手段として消音器を用いる方法が一般的に採用されている。
【０００３】
一般的に排気ガスの流量および圧力が大きい程、調圧弁より発生する気流音は大きくなる。従って燃料電池の出力が大きい場合には排気ガスの流量・圧力も大きくなるので、気流音が非常に大きくなる。この気流音は、排気口から発する吐出音と、排気管より透過して発する放射音に分類される。
【０００４】
調圧弁の下流側に設けた消音器は気体振動を減衰させ、消音器の下流側の音を小さくする効果がある。これによって、排気口から発する吐出音が減少すると同時に、消音器下流側の排気管より透過する放射音も減少する。一方、消音器上流側の排気管より透過する放射音については比較的減少されず、特に調圧弁と消音器の間の排気管からは大きな音を発することになる。
【０００５】
この排気管からの音を小さくするために、調圧弁と消音器の間の排気管を短くすることにより、排気管より透過する放射音を小さくするものが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２６１７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１を用いた場合でも、調圧弁と消音器との間の排気管から放射音が発せられ、これを低減するために調圧弁のボディの厚みを増すと、調圧弁のサイズが大きくなるとともに質量が増大する。
【０００７】
本発明では、調圧弁より発する気流音を効果的に低減させた小型で軽量な燃料電池の排気システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、吸音部を有する消音装置と、燃料電池から排出される排出ガスが流れ、消音装置を貫通する排気管と、消音装置の吸音部の内側に位置する排気管の内部に設けられ、その開度を調整することで燃料電池のガス圧力を調圧する圧力調整弁と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、消音装置の内部に圧力調整弁を設けることで、圧力調整弁によって生じる気流音を効果的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１実施形態の構成を図１、図２の概略構成図を用いて説明する。図１は、燃料電池の排気システムの流路断面を示す概略図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１１】
この実施形態の排気システムは、燃料電池（図示せず）の排気ガスが流れる排気管１と、排気管１が貫通する消音器（消音装置）２と、消音器２の内側に位置する排気管１の内部に設けた調圧弁（圧力調整弁）３と、調圧弁３を排気管１の内部で回動させるモータ４と、を備える。
【００１２】
排気管１は、一方の端部が燃料電池のガス排出側に連結し、もう一方の端部は、外気と連通する。燃料電池から排出された排出ガスは、排気管１を介して外部へ排出される。排気管１の管壁には、消音器２と向かい合う箇所に多数の流路孔１３を備える。
【００１３】
流路孔１３の径φは、後述する吸音部１１が排気管１の内部に飛散しないように、小さくすることが望ましく、その径φは、約３〜４ｍｍとするが、これよりも径φを小さくすることが望ましい。
【００１４】
なお、流路孔１３は、後述する調圧弁３近傍、言い換えると調圧弁３が排気管１内で回動する可動範囲内において、排気管１の単位面積あたりの流路孔１３の数を、他の排気管１に設けた流路孔１３の数よりも少なくする。調圧弁３が全閉状態、または全閉状態に近くなった場合に、調圧弁３近傍に多くの流路孔１３が存在すると、調圧弁３のわずかな開度変化に対する圧力の変化が大きくなり、調圧弁３の制御が困難となるが、調圧弁３近傍の流路孔１３の数を減らすことで、調圧弁３の制御を容易にすることができる。また、排気管１の面積あたりの流路孔１３の数を、他の排気管１よりも少なくする代わりに流路孔１３の径を小さくしてもよい。
【００１５】
消音器２は、排気管１が貫通し、排気管１を流れる排気ガスの気流音を小さくする吸音部１１と、消音器２の内部の水分を吸水する吸水部１２と、を備える。吸音部１１は、排気ガスの流れ方向に対して、吸水部１２よりも上流側に配置される。
【００１６】
消音器２は、排気ガスの流れ方向の下流側が、上流側よりも低くなるように配置される。この実施形態では、消音器２は排出ガスが鉛直方向に沿って流れるように、鉛直方向に配置する。
【００１７】
なお、排気ガスの流れ方向の上流側に排気ガス中の水を回収する装置を設けている場合には、排気ガスの流れ方向の上流側が、下流側よりも低くなるように配置してもよい。
【００１８】
吸音部１１は、例えばガラスウールなどを充填して構成される。吸音部１１の内部には、排気ガスの流れ方向に直交する方向へ設けた仕切り板１６を備え、吸音部１１は、仕切り板１６によって、排気ガスの流れ方向に対して上流側の上流部１１ａと、下流側の下流部１１ｂとに分離される。
【００１９】
仕切り板１６は、調圧弁３の回転軸１７の近傍に配置される。仕切り板１６は、仕切り板１６によって仕切った吸音部１１の上流部１１ａと下流部１１ｂとを連通する連通孔１５を備える。
【００２０】
連通孔１５は、仕切り板１６に複数設けられ、その数、孔の径は、調圧弁３の全閉時に調圧弁３よりも上流側のガスシール性能を保持でき、上流部１１ａの水を下流部１１ｂへ排出できるように設定される。
【００２１】
吸水部１２は、吸音部１１よりも吸水性の高い例えばセーム材などを充填して構成され、消音器２内に入った水分を吸水する。吸水部１２に吸水された水は、ケース１０の底部１０ａに設けた排水孔１４から外部へ排出される。排水孔１４は、消音器２において一番低くなる箇所に設けることが望ましい。なお、底部１０ａに複数の箇所に設けても良く、これにより、消音器２の姿勢にかかわらず、消音器２から排水することができる。
【００２２】
調圧弁３は、仕切り板１６の直上流側の排気管１の内部に設けられ、排気管１の排気ガスの流れ方向に対する断面形状と略同一形状である。調圧弁３は、回転軸１７を介してモータ４によって排気管１内を回動し、調圧弁３の開度、つまり排気管１と調圧弁３との隙間を調整することにより、調圧弁３の上流側の排気管１の圧力、つまり燃料電池のガス圧力を調整する。なお、調圧弁３の開度が大きい場合には、燃料電池のガス圧力は低くなり、調圧弁３の開度が小さい場合には、燃料電池のガス圧力は高くなる。
【００２３】
調圧弁３は、排気管１で回動した場合でも、調圧弁３の全てが消音器２の内部に収まるように配置される。これによって、調圧弁３によって生じる気流音を消音器２によって効果的に低減することができる。なお、消音器２は、排気管１の上流側に長く延設するように設けても良い。
【００２４】
以上の構成によって、調圧弁３を設けた排気管１の外側に消音器２を配置することで、調圧弁３により発生する気流音を小さくすることができる。
【００２５】
燃料電池から排出された排気ガスは、排気管１において気流音を発生し、特に燃料電池のガス圧力を調整する調圧弁３を通過する際に大きな気流音が発生するが、調圧弁３を内部に配置する排気管１の外周に消音器２を配置し、排気管１の気流音、特に流路孔１３によって気流音の振動エネルギーを、流路孔１３を介して吸音部１１に伝播し、吸音部１１によって消音することで、排出管１の気流音、特に調圧弁３によって生じる気流音を低減することができる。
【００２６】
また、燃料電池の排気ガス中には水が含まれるので、流路孔１３を介して、排気ガス中の水が吸音部１１の内部に侵入し、吸音部１１に吸水される。これにより、吸音部１１の消音性能を悪くする恐れがあるが、消音器２を鉛直方向に配置することで、吸音部１１の内部に侵入した水は重力によって消音器２の下流側へ移動する。しかし、吸音部１１の毛細管現象により吸音部１１の内部に水の一部が溜まる可能性がある。
【００２７】
この実施形態では、吸音部１１よりも低い位置に吸水性の高い吸水部１２を、吸音部１１と当接させて設けることで、重力による水の移動に加えて、吸音部１１から、吸音部１１よりも吸水率が高い吸水部１２へ積極的に水を移動させる。これによって、吸音部１１の含水率を低くすることができ、吸音部１１の含水率を吸音部１１における消音の効果が大きい含水率４％以下とすることが可能である。なお、吸水部１２と当接する排気管１の管壁にも流路孔１３を設けてもよい。これによって、吸水部１２における消音効果を良くすることができ、気流音をさらに低減することができる。
【００２８】
また、吸音部１１は仕切り板３によって、上流部１１ａと下流部１１ｂとに分離されており、流路孔１３から上流部１１ａの内部へ入った水は、仕切り板３によって、下流部１１ｂへの移動が妨げられるが、仕切り板３に設けた貫通孔１５によって、上流部１１ａから下流部１１ｂへの水の移動を可能とし、上流部１１ａにおける消音性能が低下することはない。また、寒冷地で使用した場合に、燃料電池の発電を終了した後に、調整弁３、回転軸１７の近辺に水が残っていると、水が凍結して、次回の起動時に調圧弁３が正常に動作しない可能性があるが、この実施形態では、貫通孔１５によって上流部１１ａから下流部１１ｂへ水が移動するので、水の凍結による調圧弁３の動作不良などを抑制することができる。
【００２９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００３０】
この実施形態では、燃料電池の排出側と連結する排気管１が貫通する消音器２と、消音器２の内側であり、排気管１の内部に設けられ開度を調整することで燃料電池のガス圧力を調整する圧力調圧弁３と、を備えることで、排気管１の気流音、特に調圧弁３によって発生する気流音を消音器２で低減することができる。また、調圧弁３を消音器２の内側に設けることで、調圧弁と消音器とを別に設けた場合と比較して、排気システムを小型、軽量にすることができる。
【００３１】
調圧弁３の開度にかかわらず、調圧弁３の全体が消音器２の内側に設けられることで、調圧弁３によって発生する気流音を確実に低減することができる。
【００３２】
消音器２は、吸音部１１と、吸音部１１よりも吸水性が高く排気ガスの流れ方向に対して直列的に連結する吸水部１２と、を備え、吸水部１２を排気ガスの流れ方向に対して吸音部１１よりも下流側であり、かつ吸音部１１よりも低い位置に設けることで、重力により、吸音部１１に吸収した水を吸水部１２へ移動させて、吸音部１１から水を排水する。また、吸音部１１と吸水部１２とを当接して設けることで、吸音部１１から吸水部１２へ積極的に水を移動させることができ、吸音部１１の水の排水性をさらに良くすることができる。これにより、水の付着による吸音部１１の消音効果の悪化を防止することができる。
【００３３】
吸音部１１と向かい合う排気管１の管壁には、排気管１の気体振動エネルギーを吸音部１１へ伝播するための流路孔１３を設けるので、調圧弁３を閉じた場合でも流路孔１３、吸音部１１を通ってガスが流れるが、吸音部１１を排気ガスの流れ方向に対して分離する仕切り板１６を備えることで、吸音部１１の内部でのガスの移動を妨げることができ、調圧弁３の開度が小さくなった場合のガスのシール性を保持することができる。
【００３４】
仕切り板１６に上流部１１ａと下流部１１ｂとを連通する貫通孔１５を設けることで、上流部１１ａから下流部１１ｂへ水を移動させることができ、上流部１１ａの水の付着による消音効果の悪化を防止することができる。また、燃料電池を停止した場合に、上流部１１ａ、特に調圧弁３近傍に水が溜まることを防止することができる。これにより、例えば寒冷地などで、燃料電池を停止した場合に、調圧弁３の近傍で水が凍結し、次回の起動時に氷によって生じる、調圧弁３の動作不良を抑制することができる。
【００３５】
調圧弁３近傍、すなわち調圧弁３の可動範囲内の排気管１において、単位面積当たりの流路孔１３の数を、その他の排気管１の単位面積当たりの流路孔１３の数よりも少なくすることで、調圧弁３の開度が小さい場合に、調圧弁３の開度変化に対する圧力変化を小さくすることができ、調圧弁３の制御を容易にすることができる。
【００３６】
次に本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。第２実施形態については第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図３（ａ）は、調圧弁３が全閉状態となった場合の調圧弁３近傍の概略断面図であり、図３（ｂ）は、調圧弁３が全開状態となった場合の調圧弁３近傍の概略断面図である。
【００３７】
この実施形態では、調圧弁３とモータ４とを連結する回転軸２０に導通孔２１を備える。
【００３８】
調圧弁３が開いている場合、少なくとも全開となっている場合に、導通孔２１は回転軸（動作部）２０の背面に位置する仕切り板３の連通孔１５ａと連通し、上流部１１ａと下流部１１ｂとを連通させる。また、調圧弁３が全閉、または開度が小さい場合に、導通孔２１は連通孔１５ａと連通せずに、連通孔１５ａは回転軸２０によって閉塞される。
【００３９】
なお、調圧弁３の開度が全閉となった場合に、仕切り板３の連通孔１５の一部を他の部材で閉塞するようにしても良い。
【００４０】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４１】
回転軸２０に導通孔２１を備え、調圧弁３の開度が少なくとも全開の場合には、導通孔２１と回転軸２０の背面に位置する連通孔１５ａとを連通させることで、上流部１１ａと下流部１１ｂとを連通させ、上流部１１ａから下流部１１ｂへ水を移動させることができ、上流部１１ａの排水性を良くすることができる。また、調圧弁３の開度が全閉、または小さい場合に、連通孔１５ａを回転軸２０によって閉塞することで、吸音部１１の内部でのガスの移動を妨げ、ガスのシール性を保持することができる。
【００４２】
次に本発明の第３実施形態について図４を用いて説明する。第３実施形態については第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図４は調圧弁３近辺の排気管１に設けた流路孔２２の断面図である。
【００４３】
この実施形態では、調圧弁３近傍の排気管１の流路孔２２に面取りを施す。ここではＣ面取りを流路孔２２に施す。流路孔２２に面取りを施すことで、流路孔２２から吸音部１１への水の移動を促進させる。調圧弁３近傍において、排気管１の水を確実に吸音部１１へ排水し、寒冷地などでの排気管１内の水の凍結を防止することができる。なお、Ｃ面取りは、調圧弁３の可動範囲の流路孔２２に設ける。
【００４４】
なお、流路孔２２にＣ面取りを施す代わりに、図５に示すように流路孔２２が略Ｒ形状となるノズル形状としても良く、またＲ面取りとしてもよい。また、調圧弁３の近傍の排気管１の厚さを薄くしても良い。
【００４５】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００４６】
排気管１の流路孔１３は、排気管１内の空気振動エネルギーを吸音部１１に伝播させるが、排気ガス中には水が含まれており、表面張力により水が排気管１から吸音部１１へ移動し難くなる可能性がある。特に調圧弁３の近傍でこのような現象が起きると、燃料電池を停止した後に、寒冷地などでは水が凍結し、次回の起動時に、調圧弁３の動作不良が生じる可能性がある。
【００４７】
この実施形態では、調圧弁３近傍の流路孔２２に面取りを施すことで、排気管１から吸音部１１への水の侵入を容易にし、調圧弁３近傍の排水性を良くする。これによって、調圧弁３近傍の水を確実に除去することで、寒冷地などで燃料電池の停止した後に生じうる調圧弁３近傍での水の凍結を抑制することができ、次回の起動時における調圧弁３の動作不良を抑制することができる。
【００４８】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態の排気システムの概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の調圧弁近傍の概略構成図であり、（ａ）調圧弁が全閉となっている状態である。（ｂ）調圧弁が全開となっている状態である。
【図４】本発明の第３実施形態の流路孔の断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態の流路孔の変更例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１      排気管
２      消音器（消音装置）
３      調圧弁（圧力調整弁）
５      モータ
１１    吸音部
１１ａ  上流部
１１ｂ  下流部
１２    吸水部
１３    流路孔
１４    排水孔
１５    連通孔
１６    仕切り板
２０    回転軸（動作部）
【図１】
2008053080.tif 000003
【図２】
2008053080.tif 000004
【図４】
2008053080.tif 000005
【図５】
2008053080.tif 000006
【図３】
2008053080.tif 000007