(57)【要約】【課題】  小型かつ簡略化した構造であり、排出ガスを気相と液相とに分離して外部に排出可能な燃料電池車両用マフラーを提供すること。【解決手段】  燃料電池車両用マフラーＡは、螺旋流発生装置１０とマフラー本体２０とから構成されている。螺旋流発生装置１０は、導管１１と、導管１１内に設置されて気液２相流体の排出ガスに螺旋流を発生させるねじりリボン１２とから構成される。マフラー本体２０は、螺旋流を伴った排出ガスを導通して液相と気相とに分離する内筒２１と、外筒２２とを備えている。また、外筒２２には、分離した液相を外部に排出する排液管２３と排気騒音と低減するグラスウール２４が設けられている。このように構成したマフラーＡは、燃料電池スタックからの排出ガスに螺旋流を生じさせ、同螺旋流による遠心力によって液相を分離し、排気騒音を低減して外部に気相を排出することができる。【選択図】  図１
2005160187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された燃料電池装置から排出された気液２相流体に螺旋流を発生させる螺旋流発生手段と、
前記螺旋流発生手段によって螺旋流とされた気液２相流体を導通させるとともに、前記気液２相流体から分離した液相が通過する多数の液抜き孔を有した内筒と、
前記内筒の外方にて所定距離隔てて前記内筒を包囲するとともに、前記内筒の液抜き孔を通過した液相を外部に排出する排液口を有する外筒と、
前記内筒の外方であり、かつ、前記外筒の内方に充填されて排気騒音を吸音する吸音手段とから構成したことを特徴とする燃料電池車両用マフラー。
【請求項２】
前記外筒は、その長手方向の軸線が水平方向に対して所定角度傾けて配置されおり、その最下部位近傍に前記排液口を設けた請求項１に記載した燃料電池車両用マフラー。
【請求項３】
前記外筒の長手方向の軸線を略水平にて設置し、同外筒の底壁を一端部に向けて下降傾斜させて、その下降部位に前記排液口を設けた請求項１に記載した燃料電池車両用マフラー。
【請求項４】
前記外筒は、略円筒形状に形成される請求項１ないし請求項３のうちのいずれか一つに記載した燃料電池車両用マフラー。
【請求項５】
前記螺旋流発生手段は、前記気液２相流体を導通する導通管と、同導通管の内部に設けられて所定のピッチでねじられた細幅板とから構成される請求項１ないし請求項４のうちのいずれか一つに記載した燃料電池車両用マフラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置によって発電された電気を動力源とする車両に搭載されて、同燃料電池装置からの排気ガスを外部に排出するマフラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、特許文献１に示すように、燃料電池用気液分離器は知られている。この燃料電池用気液分離器は、燃料電池を動力源とする電気自動車に搭載されており、サイクロン室となる円筒状の本体部を備えている。そして、本体部には、その上部近傍でかつ接線方法に設けられて気液２相流体を導入する入口部と、本体部の天板部分に設けられて液相が分離された気相が導出する出口管とが設けられている。また、本体部の内部には、略中央部分に気液２相流体から分離された液相を下方へ導く落し板と、同落し板によって仕切られた貯水タンクとが設けられている。また、貯水タンクには、溜まった水を外部に排出するための排水管がバルブを介して設けられている。
【０００３】
このように構成された従来の燃料電池用気液分離器は、燃料電池からの排気ガスすなわち反応により発生した水などのミストを多量に含んだ排気ガスが入口管に導入される。導入されたガスは本体部の内壁により旋回運動をしながら気相と液相とに分離され、分離された気相は出口管から電気自動車の排気ダクトへ導出される。一方、分離された液相は、落し板を介して貯水タンクに溜まり、所定の頻度にて開閉するバルブおよび排水管を介して外部に排出されるようになっている。これにより、排気ダクトへ導出される排気ガスは液相が分離された気相とすることができ、電気自動車に設けられたマフラーの機能低下の防止やマフラーの出口から白煙（水滴）などの排出を防止するようになっている。
【０００４】
しかしながら、上記従来の燃料電池用気液分離器においては、気液２相流体から液相を分離するために十分な旋回長を確保する必要があり、本体部の内径をある程度大きく確保する必要がある。また、分離した液相が再び気相とともに排出されないような構造とする必要がある。このため、気液分離器自体の外形が大きくなるとともにその構造が複雑となる。さらに、上記従来の燃料電池用気液分離器においては、気液２相流体から液相を分離できるものの、気相は若干の液相を含んでいる。このため、例えば、気液分離器とマフラーとの間の距離が大きい場合には、気相がマフラーに到達するまでに冷却されて、気相に含まれている液相が凝縮してマフラー内部に水が溜まったり、マフラーの排気口から水滴が排出されたりする可能性がある。このため、マフラーの消音性能が損なわれる可能性がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３７３７００号公報
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型かつ簡略化した構造であり、排出ガスを気相と液相とに分離して外部に排出可能な燃料電池車両用マフラーを提供することにある。
【０００７】
本発明の特徴は、燃料電池車両用マフラーを、車両に搭載された燃料電池から排出された気液２相流体に螺旋流を発生させる螺旋流発生手段と、前記螺旋流発生手段によって螺旋流とされた気液２相流体を導通させるとともに、前記気液２相流体から分離した液相が通過する多数の液抜き孔を有した内筒と、前記内筒の外方にて所定距離隔てて前記内筒を包囲するとともに、前記内筒の液抜き孔を通過した液相を外部に排出する排液口を有する外筒と、前記内筒の外方であり、かつ、前記外筒の内方に充填されて排気騒音を吸音する吸音手段とから構成したことにある。
【０００８】
これによれば、燃料電池車両用マフラーが気液分離機能を有することができるため、例えば、別途設けた気液分離器を接続するための配管をなくすことができる。このため、部品点数を低減し製造コストを小さくすることができる。また、燃料電池車両用マフラーによって、気液２相流体に螺旋流を発生させて液相を分離することができる。すなわち、気液２相流体に対して、同流体の流れる方向に螺旋流を発生させることにより、比重差に起因して液相に大きな遠心力を作用させることができる。そして、内筒によって螺旋流の接線外方に飛散した液相を分離し、外筒にて回収することにより、液相と気相とを確実に分離することができる。
【０００９】
また、燃料電池車両用マフラーにて液相と気相とを分離することにより、燃料電池車両用マフラーの排気口から冷却によって凝縮（滴化）した液滴（水滴）の放出を防止できて、後続車両に対する水飛びを防止することができる。また、燃料電池車両用マフラーの外筒に排液口を設けることにより、燃料電池車両用マフラー内部（詳しくは外筒内部）に水が溜まることを防止することができて、燃料電池車両用マフラーの消音特性を長期にわたり良好に確保することができる。
【００１０】
また、本発明の他の特徴は、前記外筒は、その長手方向の軸線が水平方向に対して所定角度傾けて配置されおり、その最下部位近傍に前記排液口を設けたことにもある。また、本発明の他の特徴は、前記外筒の長手方向の軸線を略水平にて設置し、同外筒の底壁を一端部に向けて下降傾斜させて、その下降部位に前記排液口を設けたことにもある。これらの場合、前記外筒は、略円筒形状に形成されるとよい。
【００１１】
これらによれば、気液２相流体から分離して滴化した液相を効率よく最下部位近傍や下降部位に集めることができ、集めた液相を排液口から効率よく外部に排出することができる。これにより、燃料電池車両用マフラー内部に液体（水）が溜まることをより確実に防止することができて、燃料電池車両用マフラーの消音特性を長期にわたり良好に確保することができる。また、燃料電池車両用マフラーの外筒を略円筒形状（略楕円形状を含む）とすることにより、燃料電池車両用マフラー自体の製造コストを小さくすることができる。
【００１２】
さらに、本発明の他の特徴は、前記螺旋流発生手段は、前記気液２相流体を導通する導通管と、同導通管の内部に設けられて所定のピッチでねじられた細幅板とから構成されることにもある。これによれば、螺旋流発生手段を所定のピッチでねじられた細幅板にて構成するため、螺旋流発生手段を簡略化するとともにコンパクトとすることができる。これにより、燃料電池車両用マフラー全体をコンパクトにすることができて、燃料電池車両用マフラーを組み付けるための自由度を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池車両に搭載された本発明に係る気液分離可能な燃料電池車両用マフラーＡを概略的に示している。燃料電池車両用マフラーＡは、図示省略の燃料電池スタックからミストを多量に含んで排出された排出ガスに螺旋流を発生させる螺旋流発生装置１０と、排出ガスの液相と気相とを分離して外部に排出するとともに排気騒音を低減するマフラー本体２０とから構成されている。
【００１４】
螺旋流発生手段としての螺旋流発生装置１０は、気液２相流体としての排出ガスが通過する円筒状の導管１１と、導管１１内に組み付けられたねじりリボン１２とから構成されている。外筒１１は、その排出ガス導入側端部に、燃料電池スタックから螺旋流発生装置１０まで排出ガスを導通する導通管Ｐと接続するためのフランジが形成されている。ねじりリボン１２は、金属帯鋼（例えば、ステンレス帯鋼など）を、図２に示すように、所定長さＬo、所定幅Ｗoおよび所定ピッチＰoでねじって成形される。このため、ねじりリボン１２の形状は、排出ガスの流速、含液率などに応じて、所定長さＬo、所定幅Ｗoおよび所定ピッチＰoを変更することにより、容易に最適化が可能とされている。
【００１５】
マフラー本体２０は、螺旋流発生装置１０の外筒１１に接続されて螺旋流を伴った排出ガスを導通する直管状の内筒２１と、内筒２１をその外方から包囲する外筒２２とを備えている。内筒２１は、螺旋流発生装置１０を介して導入された排出ガスから液相（ミストや水）を分離し、気相（排気ガス）を外部に排出するものである。このため、内筒２１は、その管壁に多数の貫通孔２１ａが形成されている。貫通孔２１ａは、所定の内径を有して、例えば、プレス加工などを利用して、内筒２１の所定範囲に形成される。
【００１６】
外筒２２は、略円筒状に形成されていて、内筒２１の貫通孔２１ａ形成部分を収容するように、蓋２２ａを介して溶接等によって内筒２１に気密的に一体固設されている。また、外筒２２は、その軸線が所定の傾斜角を有するように、すなわち、排出ガスの上流側から下流側に向けて軸線が水平方向に対して若干上方に傾斜するように固設されている。
【００１７】
そして、外筒２２の底壁の最下部位には、排出ガスから分離した液相が滴下した滴化液（水）を外部に排出するための排液口２２ｂが形成されている。この排液口２２ｂには、排液管２３が組み付けられている。排液管２３には、図示しないドレンバルブが設けられており、所定の上限水位に達するとドレンバルブが開き滴下液（水）を外部に排出するようになっている。
【００１８】
また、マフラー本体２０の内筒２１と外筒２２との間には、排気ガスを外部に排出する際に発生する排気騒音を低減（吸音）するために、吸音手段としてのグラスウール２４が充填されている。グラスウール２４は、ガラス原料を高温の炉で溶かし、繊維化したあと接着剤を吹き付けて加熱成型したものである。そして、グラスウール２４は、空間内に充填されることにより放射された音のエネルギーを吸収し、外部に放射される排気騒音を低減する。
【００１９】
次に、上記のように構成した燃料電池車両用マフラーＡの作動について説明する。燃料電池車両においては、燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化ガス（例えば、空気）とが車両に搭載された燃料電池スタックにて反応して電気エネルギーと水が発生する。そして、発生した電気エネルギーは、車両に搭載された電気モータを駆動し、車両を走行させる。一方、この反応により発生した水は、ミスト（液相）となって未反応の燃料ガス（気相）および酸化ガス（気相）とともに排出ガス（気液２相流体）として排出される。このように排出された排出ガスは、導通管Ｐを介して、螺旋流発生装置１０へと導入される。
【００２０】
導入された排出ガスは、螺旋流発生装置１０に導入されると、ねじりリボン１２の表面に沿って流れる。これにより、排出ガスには螺旋流が発生し、このように螺旋流が発生した排出ガスはマフラー本体２０の内筒２１へ導入される。ところで、内筒２１へ導入された排出ガスには、発生した螺旋流により遠心力が作用する。そして、排出ガスに含まれている気相（燃料ガス、酸化ガス）と液相とは比重が異なっているため、それぞれに作用する遠心力は異なる。すなわち、液相の比重のほうが気相の比重に比して大きいため、液相には、大きな遠心力が作用する。このため、排出ガスに含まれるミスト（液相）は、螺旋流の接線外方向に飛散されることにより、図３に示すように、内筒２１に設けた貫通孔２１ａを通って内筒２１外部に分離される。
【００２１】
これにより、排出ガスからミスト（液相）を分離することができて、ミスト（液相）が分離された未反応の燃料ガス（気相）および酸化ガス（気相）が排気ガスとして外部に排出される。また、飛散されたミスト（液相）は、貫通孔２１ａを通過してグラスウール２４に衝突すると、グラスウール２４の表面上で滴化して水となる。そして、滴化した水は、グラスウール２４間の毛細管現象や自重により流下し、外筒２２の底壁の最下部位に溜まる。このとき、外筒２２を傾斜させて設けることにより、滴化液を効率よくすなわち一箇所にて回収することができる。そして、溜まった滴化液は、所定の頻度にて開状態とされるドレンバルブを介して、排液管２３から外部に排出される。
【００２２】
また、排気騒音は、グラスウール２４によって吸音されて低減される。すなわち、排気ガスの流動に起因して発生する排気騒音は、内筒２１に設けた貫通孔２１ａから内筒２１外部に放出される。このように放出された騒音は、その音のエネルギーが内筒２１外部に充填されたグラスウール２４によって吸収されることにより、外部に放出される排気騒音が低減される。
【００２３】
以上の説明からも理解できるように、本実施形態によれば、燃料電池車両用マフラーＡが気液分離機能を有することができるため、例えば、別途設けた気液分離器を接続するための配管をなくすことができる。このため、部品点数を低減し製造コストを小さくすることができる。また、燃料電池車両用マフラーＡによって、排出ガスに螺旋流を発生させてミスト（液相）を分離することができる。すなわち、排出ガスに螺旋流を発生させることにより、比重差に起因してミストに大きな遠心力を作用させることができる。そして、内筒２１よって螺旋流の接線外方に飛散したミストを分離し、外筒２２にて回収することにより、ミストと未反応の燃料ガスおよび酸化ガスとを確実に分離することができる。
【００２４】
また、燃料電池車両用マフラーＡによってミストと未反応の燃料ガスおよび酸化ガスとを分離することにより、燃料電池車両用マフラーＡの内筒２１端部から滴化した水滴の放出を防止できて、例えば、後続車両に対する水飛びを防止することができる。また、燃料電池車両用マフラーＡの外筒２２に排液口２２ａを形成し排液管２３を設けることにより、外筒２２内部に水が溜まることを防止することができて、燃料電池車両用マフラーＡの消音特性を長期にわたり良好に確保することができる。
【００２５】
また、外筒２２を傾斜させて設けることにより、排出ガスから分離して滴化した水を効率よく最下部位に集めることができ、集めた水を排液口２２ａおよび排液管２３から効率よく外部に排出することができる。これによっても、燃料電池車両用マフラーＡの消音特性を長期にわたり良好に確保することができる。また、燃料電池車両用マフラーＡの外筒２２を略円筒形状（略楕円形状を含む）とすることにより、燃料電池車両用マフラーＡ自体の製造コストを小さくすることができる。
【００２６】
さらに、螺旋流発生手段として所定のピッチでねじられた細幅板にて構成したねじりリボン１２を採用することにより、装置の構造を簡略化するとともにコンパクトとすることができる。これにより、燃料電池車両用マフラーＡ全体をコンパクトにすることができて、燃料電池車両用マフラーＡを組み付けるための自由度を大きくすることができる。
【００２７】
上記実施形態においては、マフラー本体２０の外筒２２を円筒状に形成し、外筒２２の一端を上方に向けてすなわち外筒２２全体を傾斜させて実施した。これに代えて、図４に示すように、底壁の一端部を下降傾斜させた外筒２５を採用し、下降部位に排液管２３を組み付けて実施することも可能である。この変形例においても、下降部位に滴化した水を効率よく集めることができて、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池車両にマフラー本体２０を組み付ける部位（外筒２５の上壁部分）を水平に保つことができるため、必要な組み付けスペースを小さくすることができて、組み付け自由度を良好に確保することができる。
【００２８】
また、上記実施形態および変形例においては、螺旋流発生装置１０を導管１１とねじりリボン１２とから構成し、マフラー本体２０に一体的に固設して実施した。これに代えて、図５に示すように、螺旋流発生装置１０の導管１１を省略し、ねじりリボン１２を内筒２１内に組み付けて実施することも可能である。この場合においては、内筒２１の排出ガス導入端部にフランジが形成されており、導通管Ｐと内筒２１とが直接フランジによって連結される。そして、ねじりリボン１２は、内筒２１内部の所定位置に組み付けられている。この変形例においても、導通管Ｐから導入された排出ガスは、ねじりリボン１２によって、螺旋流を伴って内筒２１内部を通過する。このため、上記実施形態および変形例と同様に、排出ガスから液相と気相とを分離することができて、上記実施形態および変形例と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
さらに、本発明の目的を逸脱しない限り、種々の変形が可能であることはいうまでもない。例えば、外筒を略円筒形状に形成し、同外筒の軸線と内筒２１の軸線とを同軸的に固設して、外筒と内筒２１とを傾斜させて実施することも可能である。この場合においても、外筒の最下部位に排液管２３を設けることにより、上記実施形態および各変形例と同様に効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の燃料電池車両用マフラーを示す概略図である。
【図２】図１の燃料電池車両用マフラーのねじりリボンの形状を説明するための図である。
【図３】図１の内筒による液相と気相との分離を説明するための図である。
【図４】本発明の変形例に係る燃料電池車両用マフラーを示す概略図である。
【図５】本発明の変形例に係る燃料電池車両用マフラーを示す概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…螺旋流発生装置、１１…導管、１２…ねじりリボン、２０…マフラー本体、２１…内筒、２１ａ…貫通孔、２２…外筒、２２ａ…蓋、２２ｂ…排液口、２３…排液管、２４…グラスウール、Ａ…燃料電池車両用マフラー
【図１】
2005160187.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005160187.tif 000006
【図５】
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