(57)【要約】【課題】燃料電池用マフラにおいて、マフラ内に水がたまることに起因する消音効果の低下を軽減する。【解決手段】消音孔１１１を有するインナパイプ１１０と、その外周を覆うマフラシェル１２０によってマフラ１００を構成する。マフラシェル１２０を樹脂製とすることにより、寒冷時におけるマフラ１００の温度低下を抑制し、排気中の水蒸気の凝縮を抑制する。マフラシェル１２０の内部には、ヒータ１１２を設けることにより、凝縮を抑制する。また、マフラシェル１２０の内部にたまった水の排出を促進するためのドレイン１２２を設ける。更に、インナパイプ１１０の後端を下方に下がるよう、インナパイプ１１０またはマフラ１００全体を、傾けても良い。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からの排気系統に設けられる燃料電池用マフラであって、
消音用の孔を有し、前記燃料電池システムからの排気が通過する排気管と、
該排気管を覆うマフラシェルと、
前記排気中の水蒸気の凝縮を抑制する凝縮抑制手段とを備える燃料電池用マフラ。
【請求項２】
前記凝縮抑制手段として、前記排気管およびマフラシェルの少なくとも一部が、非金属製とされている請求項１記載の燃料電池用マフラ。
【請求項３】
前記非金属は、樹脂である請求項２記載の燃料電池用マフラ。
【請求項４】
前記樹脂は耐酸性を有する樹脂である請求項３記載の燃料電池用マフラ。
【請求項５】
前記樹脂は、高密度ポリエチレンである請求項３または請求項４記載の燃料電池用マフラ。
【請求項６】
前記凝縮抑制手段は、前記マフラ内を加熱するためのヒータである請求項１記載の燃料電池用マフラ。
【請求項７】
燃料電池からの排気系統に設けられる燃料電池用マフラであって、
前記マフラ内に蓄積された水の排出を促進する促進機構を備える燃料電池用マフラ。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池用マフラであって、
消音用の孔を有し、前記燃料電池システムからの排気が通過する排気管と、
該排気管を覆うマフラシェルとを備え、
前記促進機構は、該マフラシェル内部の水を外部に排出するためのドレインである燃料電池用マフラ。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池用マフラであって、
前記促進機構として、前記排気管が、その排気方向に前記水が排出するよう傾斜を有するよう取り付けられている燃料電池用マフラ。
【請求項１０】
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池である請求項１〜９いずれか記載の燃料電池用マフラ。
【請求項１１】
燃料電池用マフラの製造方法であって、
消音用の孔を有する排気管を形成する工程と、
該排気管の一端を塞ぐ工程と、
該排気管の外周を熱可塑性材料の筒で覆うとともに、更にその外部に成形型を設置する工程と、
該排気管の開口されている端から、圧縮空気を送り込むことにより、前記熱可塑性材料を前記成形型の形状にブロー成形する工程とを備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排気系統に設けられる燃料電池用マフラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と空気の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは、反応によって生成された水蒸気を含むガスが排出される。
【０００３】
マフラの基本的な構造は、内燃機関に使用されるものと同様である。内燃機関の場合には、マフラは、金属製とされるのが通常であったが、樹脂製のマフラも提案されてはいる（例えば、特開平３−１４９３０９号公報、特開昭６４−２９６０９号公報記載の技術）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の排気には、内燃機関の排気に比較して、非常に多量の水蒸気が含まれている。従って、例えば、外気温度が低い場合には、これらの水蒸気がマフラ内で凝縮する可能性がある。マフラ内に凝縮水がたまると、マフラ内の容積が設計点からずれたり、マフラ内に取り付けられている吸音材が水に濡れたりして、消音効果が損なわれる場合がある。かかる現象は、比較的動作温度の低い、固体高分子型の燃料電池で顕著である。
【０００５】
内燃機関では、暖機後の排気温度が非常に高いため、仮にマフラ内に水がたまった場合でも、その水は排気温度によって蒸発し、マフラの消音効果が損なわれる恐れはほとんどなかった。燃料電池では、排気の温度が内燃機関ほど高くない場合があり、マフラに水がたまった場合の弊害は特に大きくなり得た。
【０００６】
本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、燃料電池用のマフラにおいて、水がたまることによる弊害を回避可能とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、燃料電池からの排気系統に設けられる燃料電池用マフラにおいて、以下に示す構成を設ける。第１の構成として、本発明のマフラは、消音用の孔を有し、燃料電池システムからの排気が通過する排気管、排気管を覆うマフラシェル、および排気中の水蒸気の凝縮を抑制する凝縮抑制手段を備える。マフラシェル内には、グラスウールその他の吸音材を取り付けても良い。本発明によれば、水蒸気の凝縮を抑制することにより、凝縮水による弊害を回避することができる。
【０００８】
凝縮水抑制手段は、種々の態様を採ることができる。第１の態様として、排気管およびマフラシェルの少なくとも一部を非金属製としてもよい。非金属とすることにより、排気管およびマフラシェルなどマフラの構成部材の温度が低下することを抑制でき、凝縮を抑制することができる。
【０００９】
この場合、成形が比較的容易であり、軽量であるという観点から、非金属としては、樹脂が好ましい。
【００１０】
種々の樹脂を用いることが可能であるが、耐久性という観点から、耐酸性を有することが好ましい。燃料電池の運転状態でマフラの部材が晒されうる酸性による劣化を回避できる程度の耐酸性を有していればよい。フッ素系の固体高分子型の燃料電池を用いる場合には、かかる耐酸性を有することが特に有利である。耐酸性を有する樹脂としては、例えば、分子内にフッ素原子を有する含フッ素樹脂、および含フッ素樹脂の共重合体樹脂などが挙げられる。
【００１１】
かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリ４フッ化エチレン；
・ポリ３フッ化エチレン；
・ポリフッ化ビニリデン；
・ポリ４フッ化エチレンとポリ６フッ化プロピレンの共重合体；
・ポリ４フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
・ポリ３フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
【００１２】
また、ポリオレフィン系の樹脂としてもよい。かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリエチレン樹脂；
・ポリプロピレン樹脂；
・ポリプロピレンとポリエチレンの共重合体；
【００１３】
その他、耐酸性に優れる樹脂として、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などを用いてもよい。
【００１４】
また、成形の容易性を考慮して、樹脂は、熱可塑性樹脂とすることが好ましい。熱可塑性樹脂を用いることにより、ブロー成形などの成形方法を適用することができ、安価にマフラを製造することが可能となる。熱可塑性樹脂を用いる場合には、排気の温度が樹脂の融点を超えないよう、排気を冷却する機構を設けたり、動作温度が低い低温型の燃料電池を用いたりすることが好ましい。
【００１５】
凝縮抑制手段の第２の態様として、マフラ内を加熱するためのヒータを設けてもよい。加熱することにより、マフラ内の低温化を回避でき、凝縮を抑制することができる。加熱は、常時行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。後者の態様としては、一定周期で加熱してもよいし、温度または凝縮水の量などに応じて加熱を制御してもよい。
【００１６】
凝縮抑制手段は、これらに限られるものではなく、例えば、排気管やマフラシェルなどを断熱材で覆うなど種々の手段を適用することができる。
【００１７】
第２の構成として、本発明のマフラは、マフラ内に蓄積された水の排出を促進する促進機構を備える。こうすることで、水がたまることによる弊害を回避することができる。
【００１８】
促進機構は、種々の態様を採ることができる。第１の態様として、マフラが、排気管とマフラシェルとを備える場合には、マフラシェル内部の水を外部に排出するためのドレインとすることができる。マフラシェル内でドレインを設ける位置および水の排出孔は、燃料電池を搭載するシステムに応じて設計すればよい。ドレインから排出される水が、システムの他の構成部材にかからないよう排出孔の位置を考慮することが好ましい。例えば、燃料電池を搭載した車両では、車両の後端から排出するよう構成することができる。
【００１９】
促進機構の第２の態様として、排気方向に前記水を排出するよう傾斜を有するよう排気管を取り付けるものとしてもよい。主として凝縮は、排気管内で生じるため、排気管を傾斜させることにより、マフラ内にたまる前に凝縮水を排出させることができる。
【００２０】
促進機構は、これらに限られるものではなく、例えば、マフラ内にヒータを設け、たまった水を加熱蒸発するものとしてもよい。かかる場合、先に説明した凝縮抑制手段としてのヒータと兼用することもできる。例えば、マフラ内の水量が比較的少ない場合には、凝縮を抑制する程度の低い温度でヒータを加熱し、水量が所定量を超えた場合には、水を蒸発させられる程度の高い温度でヒータを加熱するように制御してもよい。
【００２１】
本発明は、リン酸型など種々の燃料電池に適用可能であるが、特に、動作温度が低い固体高分子型の燃料電池に適用することが好ましい。また、マフラ内にグラスウールなどの吸音材を備える場合には、吸音材が水を吸収することを抑制できるため、本発明は特に有用である。
【００２２】
本発明は、種々の態様で構成可能である。例えば、上述した第１の構成および第２の構成を適宜、組み合わせてもよい。上述した各特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、一部を省略したり、適宜、組み合わせたりしてもよい。
【００２３】
本発明は、マフラの製造方法として構成することもできる。本発明としての製造方法は、例えば、次の各工程によって実現される。まず、消音用の孔を有する排気管を形成し、その一端を塞ぐ。次に、排気管の外周を熱可塑性材料の筒で覆うとともに、更にその外部に成形型を設置する。排気管の開口されている端から、圧縮空気を送り込むことにより、熱可塑性材料を成形型の形状にブロー成形する。圧縮空気が、消音用の孔から抜け出すことによりブロー成形することができる。こうすることで排気管に開けられた孔を利用して、樹脂性のマフラシェルを有するマフラを容易に製造することができる。排気管は、金属製であっても非金属製であってもよい。マフラシェルとの接合がしやすいという観点からは、排気管も樹脂とすることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、次の順序で説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．製造方法：
Ｃ．効果：
Ｄ．変形例：
【００２５】
Ａ．装置構成：
図１は実施例としての燃料電池用マフラ１００の構造を例示する説明図である。本実施例では、図示するシステムは、車両に搭載されており、燃料電池用マフラ１００（以下、単に「マフラ」と称する）は、車両の前後方向に水平に取り付けられている。マフラ１００は、燃料電池１０からの排気系統に設けられ、排気に起因する騒音を軽減する機能を果たす。
【００２６】
燃料電池１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置であり、本実施例では、固体高分子型を用いるものとした。固体高分子型とは、水素極と酸素極とを隔てる電解質膜として固体高分子膜を用いるものを言う。かかる固体高分子膜としては、フッ素系の膜が知られており、例えば、Ｎａｆｉｏｎ膜（登録商標）を用いることができる。
【００２７】
燃料電池１０からは、水素極および酸素極の双方から排気が出る。マフラ１００には、いずれか一方のみを導入するものとしてもよいし、双方を導入するものとしてもよい。いずれの場合でも、大気中に排出する前には、マフラ１００を通過させることが騒音軽減の観点から好ましい。例えば、水素極からの排気（以下、「アノードオフガス」と称する）に残留する未反応の水素を有効活用するため、アノードオフガスは燃料電池に環流し、酸素極からの排気（以下、「カソードオフガス」と称する）をマフラ１００から大気中に排出してもよい。
【００２８】
燃料電池１０とマフラ１００の間に、排気を処理するための装置を介在させてもよい。例えば、排気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器、大気に開放しても良い程度に排気を中和したり浄化したりする装置を介在させてもよい。
【００２９】
図中には、マフラ１００の断面図を示した。マフラ１００は、排気が通過するためのインナパイプ１１０と、その外周を覆うマフラシェル１２０を備えている。インナパイプ１１０には、多数の消音孔１１１が設けられている。消音孔１１１の大きさおよび数は、マフラシェル１２０の容積、排気の量、圧力などに応じて、十分な消音効果が得られるよう設計することができる。インナパイプ１１０は、金属製である。本実施例では、耐食性に優れるステンレス製とした。
【００３０】
マフラシェル１２０は、樹脂製である。本実施例では、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を用いた。ＨＤＰＥは、熱可塑性であるため成形性が良く、耐酸性に優れ劣化しづらいという利点がある。マフラシェル１２０の材料としては、この他にも種々の材料を適用可能である。
【００３１】
燃料電池１０からの排気は比較的温度が低く、水蒸気が多量に含まれているため、この水蒸気がマフラ１００で凝縮する可能性がある。マフラシェル１２０の下部には、内部にたまった水Ｗａを排出するためのドレインパイプ１２２が取り付けられている。また、マフラシェル１２０の内部には、グラスウールなどの吸音材１２１が取り付けられている。
【００３２】
マフラシェル１２０の内部には、ヒータ１１２が設けられている。このヒータ１１２に通電することにより、マフラシェル１２０の内部の温度を上昇させ、水蒸気の凝縮を抑制させることができる。ヒータ１１２は、マフラシェル１２０内にたまった水Ｗａを蒸発させられる程度に加熱可能としてもよい。本実施例では、金属製のインナパイプ１１０の周囲に巻き付けるようにしてヒータ１１２を設けるものとしたが、マフラシェル１２０の内面に貼り付けるなど、ヒータ１１２は種々の方法で取り付けることができる。
【００３３】
ヒータ１１２への通電は燃料電池１０を電源として行われ、ヒータ制御部２０によって制御される。ヒータ制御部２０は、専用の制御回路として構成してもよいし、ＣＰＵを備えるマイクロコンピュータとして構成してもよい。ヒータ１１２への通電は、種々の態様で制御することができる。例えば、一定周期で加熱してもよいし、マフラシェル１２０内にセンサを設け、温度または凝縮水の量などに応じて加熱を制御してもよい。
【００３４】
ドレインパイプ１２２、吸音材１２１、ヒータ１１２は、必ずしも全てを備えている必要はなく、一部または全部を省略しても差し支えない。
【００３５】
Ｂ．製造方法：
図２はマフラ１００の製造方法を示す工程図である。インナパイプ１１０を成形した後、マフラシェル１２０をブロー成形する工程を模式的に示した。
【００３６】
工程Ａでは、消音孔１１１を形成済みのインナパイプ１１０の一端をプラグ２００で密閉し、他端をブローピン２０１に取り付ける（工程Ａ）。ブローピン２０１は、ブロー成形時に、圧縮空気を挿入するための挿入口としての役割を果たす。インナパイプ１１０には、必要に応じてヒータ１１２を取り付けて置いてもよい。
【００３７】
工程Ｂでは、マフラシェル１２０の原材料となるパリソン２０３をダイヘッド２０２から降下させる（矢印Ａ）。パリソン２０３は、加熱され、溶融可塑化されている。図中には所定の位置まで降下したパリソン１２０ｐを併せて図示した。この状態で、成形型２０４を、図中の２点鎖線で示す通り、左右から設置する（矢印Ｂ）。この時点で、パリソン１２０ｐの内部に吸音材１２１を取り付けて置いても良い。
【００３８】
成形型２０４が設置された状態で、ブローピン２０１からブロー成形用の圧縮空気を挿入する。圧縮空気は、消音孔１１１を通り、成形型２０４の形状にパリソン１２０ｐを成形する。圧縮空気の圧力は、材質等に応じて適宜選択可能であるが、ＨＤＰＥを用いる場合には、例えば、０．３〜０．５Ｍｐａ程度とすることができる。
【００３９】
工程Ｃでは、成形型２０４およびプラグ２００を取り外し、成形時に生じたバリ１２０ｂを切除する。その後、必要に応じて、ドレインパイプ１２２の取り付けなどを行う。
【００４０】
Ｃ．効果：
以上で説明した実施例のマフラ１００によれば、マフラシェル１２０を樹脂製としたことにより、排気中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。また、ヒータ１１２の加熱によって、マフラシェル１２０内の温度低下を抑制することによっても凝縮を抑制することができる。これらの作用により、凝縮水がマフラシェル１２０の内部にたまり、マフラ１００の消音効果を損ねるという弊害を抑制することができる。
【００４１】
マフラ１００は、ドレインパイプ１２２により、マフラシェル１２０内にたまった水を外部に排出することができる。また、ヒータ１１２の加熱によって、水の蒸発を促進することもできる。これらの作用によって、水の排出を促進することにより、水がたまることによる弊害を抑制することができる。
【００４２】
実施例のマフラ１００では、マフラシェル１２０を樹脂製とすることにより、マフラシェル１２０をブロー成形することができ、成形性を向上することができる。
【００４３】
Ｄ．変形例：
図３は変形例としてのマフラ１００Ａの構造を示す説明図である。断面図を示した。燃料電池は図示を省略した。変形例における燃料電池およびマフラ１００Ａも車両に搭載されている。
【００４４】
マフラ１００Ａでは、インナパイプ１１０Ａは、その後端が下方に傾斜するよう、マフラシェル１２０Ａに取り付けられている。インナパイプ１１０Ａには、実施例と同様、ステンレス製であり、多数の消音孔１１１が設けられている。マフラシェル１２０Ａは、樹脂製であり、内部には吸音材１２１Ａが取り付けてある。この吸音材１２１Ａは、省略しても構わない。実施例と同様のヒータ、ドレインなどを更に設けてもよい。
【００４５】
変形例のマフラ１００Ａによれば、インナパイプ１１０Ａが傾斜しているため、凝縮水Ｗａは、インナパイプ１１０Ａの後端からマフラ１１０Ａに排出され易くなる。従って、マフラ１００Ａの内部に水がたまることによる弊害を抑制することができる。
【００４６】
変形例のマフラ１００Ａにおいては、消音孔１１１は、インナパイプ１１０Ａの下面を回避して設けることが好ましい。
【００４７】
変形例（図３）では、インナパイプ１１０Ａの後端が下方に傾斜していれば足りる。例えば、インナパイプが傾くようマフラ全体を傾けて車両に取り付けるものとしてもよい。
【００４８】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、実施例では、車両に搭載されたシステムを例示したが、本発明は設置型のシステムに適用することも可能である。
【００４９】
実施例では、固体高分子型の燃料電池を用いる場合を例示したが、リン酸型など種々の型の燃料電池を適用可能である。但し、固体高分子型は、動作温度が約８０℃前後と低く、排気中の水蒸気が凝縮しやすいため、本発明を適用することによる利点が大きい。
【００５０】
実施例では、インナパイプを金属製としたが、樹脂製としてもよい。金属製のパイプの外周を樹脂で被覆した複合材料としてもよい。インナパイプを樹脂製としたり、外周を樹脂で被覆したりすることにより、凝縮をさらに抑制することができる。この場合、様々な樹脂を選択可能ではあるが、例えば、マフラシェルとインナパイプとを同じ材質とすれば、両者を接合しやすくなる利点が得られる。実施例と逆に、インナパイプを樹脂性とし、マフラシェルを金属製としてもよい。
【００５１】
マフラシェルおよびインナパイプなどを形成するための樹脂は、種々の材料を選択可能である。耐酸性を有する樹脂として、例えば、分子内にフッ素原子を有する含フッ素樹脂、および含フッ素樹脂の共重合体樹脂などが適用できる。かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリ４フッ化エチレン；
・ポリ３フッ化エチレン；
・ポリフッ化ビニリデン；
・ポリ４フッ化エチレンとポリ６フッ化プロピレンの共重合体；
・ポリ４フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
・ポリ３フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
【００５２】
また、ポリオレフィン系の樹脂としてもよい。かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリエチレン樹脂；
・ポリプロピレン樹脂；
・ポリプロピレンとポリエチレンの共重合体；
【００５３】
その他、耐酸性に優れる樹脂として、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などを用いてもよい。もちろん、マフラシェル等の材料は、もちろん、熱可塑性、耐酸性を有する材料に限定されるものではない。
【００５４】
本発明は、インナパイプおよびマフラシェルの必ずしも一部を樹脂製とする必要はなく、全てを金属製としても構わない。但し、この場合には、凝縮水の貯留を抑制する機構として、ヒータ、ドレインのいずれかを備えたり、変形例（図３）のようにインナパイプを傾けて取り付けたりすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池用マフラ１００の構造を例示する説明図である。
【図２】マフラ１００の製造方法を示す工程図である。
【図３】変形例としてのマフラ１００Ａの構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池
２０…ヒータ制御部
１００、１００Ａ…燃料電池用マフラ
１１０、１１０Ａ…インナパイプ
１１１…消音孔
１１２…ヒータ
１２０ｐ…パリソン
１２０ｂ…バリ
１２０、１２０Ａ…マフラシェル
１２１、１２１Ａ…吸音材
１２２…ドレインパイプ
２００…プラグ
２０１…ブローピン
２０２…ダイヘッド
２０３…パリソン
２０４…成形型
【図１】
2004039462.tif 000003
【図２】
2004039462.tif 000004
【図３】
2004039462.tif 000005