(57)【要約】【課題】消音性能に優れ且つ排水性にも優れた燃料電池自動車の消音器を提供する。【解決手段】シェル５１内の水を集める貯水部９３と、貯水部９３内の水をシェル５１の外部に排出する開口９１ａと、貯水部９３内に配置され、貯水部９３内の水位に応じた浮力とシェル５１内のガス圧を受けて開口９１ａを開閉するフロート弁８４を設ける。貯水部９３内の貯水量が所定値以上に増加したときにのみフロート弁８４が開口９１ａを開放するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載した燃料電池で発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池自動車の前記燃料電池から排出される排気ガスの音を消音する消音器であって、
消音器本体内の水を集める貯水部と、
この貯水部内の水を消音器本体外に排出する排出口と、
前記貯水部内に配置され、該貯水部内の水位に応じた浮力と前記消音器本体内のガス圧を受けて前記排出口を開閉するフロート弁と、
を備え、
前記貯水部内の貯水量が所定値以上に増加したときに前記フロート弁が前記排出口を開放することを特徴とする燃料電池自動車の消音器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池から排出される排気ガスの音を消音する消音器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載した燃料電池で発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池自動車では、燃料ガスとしての水素ガスや酸化剤ガスとしての空気を前記燃料電池に供給して発電を行い、前記燃料電池に余剰に供給された空気を排気ガスとして車外に排出している。この排気ガスを車外に排出するときの音を小さくするために、燃料電池自動車では排気ガス通路に消音器を設置している。
【０００３】
従来、燃料電池自動車の排気ガス通路に設置される消音器は、排気ガスの通路となる筒体を密閉箱形のシェルに貫通して設置し、筒体とシェルの間に形成される吸音室にグラスウール等の吸音材を充填し、筒体には吸音室に開口する多数の小穴を設けて構成されている 。この消音器では、排気ガスを筒体に流すと、排気ガスが筒体の小穴から吸音室に流入し、吸音室内において吸音材と音波との摩擦によって音響エネルギーが減衰され、消音される。
【０００４】
ところで、燃料電池から排出される排気ガスには発電に伴って生成される生成水などの水分が含まれており、この水がシェル内に溜まると、吸音室の容積が実質的に縮小することにより、および、吸音材が水に浸ることにより、消音性能が低下してしまう。
また、低温環境下においてシェル内に溜まった水が凍結すると、排気ガスの流路を閉塞する虞もある。
そこで、消音器のシェルに排水孔あるいは水抜き管を設けて、消音器内に水が溜まらないように排水している（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００７−６４１８８号公報
【特許文献２】特開２００４−３９４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の消音器における水抜き構造では、シェルの内部と外部とが排水孔や水抜き管を介して常時連通しているため、排気ガスの気流音が排水孔や水抜き管から外部に漏れてしまい、消音性能が低下するという課題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、消音性能に優れ且つ排水性にも優れた燃料電池自動車の消音器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、車両に搭載した燃料電池で発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池自動車の前記燃料電池（例えば、後述の実施形態における燃料電池１）から排出される排気ガスの音を消音する消音器（例えば、後述の実施形態における消音器５０）であって、消音器本体内の水を集める貯水部（例えば、後述の実施形態における貯水部９３）と、この貯水部内の水を消音器本体外に排出する排出口（例えば、後述の実施形態における開口９１ａ）と、前記貯水部内に配置され、該貯水部内の水位に応じた浮力と前記消音器本体内のガス圧を受けて前記排出口を開閉するフロート弁（例えば、後述の実施形態におけるフロート弁８４）と、を備え、前記貯水部内の貯水量が所定値以上に増加したときに前記フロート弁が前記排出口を開放することを特徴とする。
貯水部内の貯水量が所定値に達するまでは、フロート弁の弁体に作用する消音器本体内のガス圧によってフロート弁が排出口を閉塞している。これにより、排出口を通した排気ガスの気流音の漏れが防止される。また、貯水部内の貯水量が所定値以上になると、フロート弁に作用する浮力がガス圧に打ち勝ち、フロート弁が排出口を開放する。これにより、貯水部内の水が排出され、貯水量が所定値以下に維持されることになる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、貯水部内の貯水量が所定値に達するまではフロート弁が排出口を閉じており、貯水部内の貯水量が所定値以上になったときにだけフロート弁が排出口を開くため、排気ガスの気流音の漏れを抑制し、且つ消音器本体内に滞留する水量を規制することができる。したがって、内部に多量の水が滞留することによる消音性能の低下を招くことなく、常態での排気ガスの気流音の漏洩を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明に係る燃料電池自動車の消音器の一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
この実施形態の燃料電池自動車は、車体に、燃料電池とこの燃料電池で発電した電気を蓄電するバッテリー（蓄電手段）とを搭載し、前記燃料電池から直接あるいはバッテリーを介して駆動モータに電気を供給して走行するものである。なお、バッテリーに代えてキャパシタを用いることも可能である。
【００１０】
最初、図６を参照して、この燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電気を得るタイプのものであり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路３とカソードガス流路５を備えてなるセルを複数積層して構成されている。そして、この燃料電池１では、アノードガス流路３にアノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路５にカソードガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして電力の発生とともに水を生成する。なお、図６では、単一のセルのアノードガス流路３とカソードガス流路５を代表して示している。
【００１１】
カソードガス（空気）はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、カソードガス供給流路９、加湿器１１を通って燃料電池１のカソードガス流路５に供給される。燃料電池１に供給されたカソードガスは発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共にカソードオフガス（排気ガス）としてカソードオフガス流路１３に排出され、加湿器１１、背圧弁１５を通って希釈装置１７に排出される。加湿器１１は例えば水透過膜を備えて構成されており、水透過膜を間に挟んでカソードガスとカソードオフガスを流通させることにより、カソードオフガスに含まれる水分が水透過膜を透過してカソードガスに移動し、カソードガスが加湿される。
【００１２】
一方、水素タンク２１から供給されるアノードガス（水素ガス）は、アノードガス供給流路２３、遮断弁２５、エゼクタ２７を通って燃料電池１のアノードガス流路３に供給される。そして、消費されなかった未反応のアノードガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２９を通ってエゼクタ２７に吸引され、水素タンク２１から供給される新鮮なアノードガスと合流し再び燃料電池１に供給されて循環する。
【００１３】
図示しない制御装置は、燃料電池１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ７を駆動して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、遮断弁２５を制御して水素タンク２１から所定量の水素ガスを燃料電池１に供給する。また、前記制御装置は、背圧弁１５を制御し、燃料電池１への空気の供給圧力を燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。
【００１４】
アノードオフガス流路２９からは、排出弁３１を備えたアノードオフガス排出流路３３が分岐している。排出弁３１は燃料電池１の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスをアノードオフガス排出流路３３を介して希釈装置１７へ排出する。前記制御装置は、排出弁３１を制御してアノードオフガスの排出を調整する。
【００１５】
希釈装置１７において、アノードオフガス排出流路３３を介して流入したアノードオフガスと、カソードオフガス流路１３を介して流入したカソードオフガスとが混合され、アノードオフガスが希釈される。この混合ガスは排気ガスとして希釈装置１７から排出ガス流路３５を介して大気に排出される。
【００１６】
排出ガス流路３５の途中には、排気ガスの排出音を低減するこの発明に係る消音器５０と、排気ガス中の水素ガスを検出する水素ガス検出器１９が設置されている。水素ガス検出器１９は、排気ガス中に所定濃度以上の水素ガスが漏洩していないことをチェックする。
【００１７】
図２、図３に示すように、消音器５０は、車体の後部に搭載された水素タンク２１の後方であって、リヤフロアパネル１００の下方のボトムプレート９５とリヤフロアパネル１００の間のスペースに配置されている。なお、リヤフロアパネル１００とボトムプレートはそれぞれ車体フレーム９６に固定されている。消音器５０は、断面略楕円形のシェル５１を備え、その楕円の長軸が車体の略前後方向に沿い、シェル５１の長手方向がほぼ車幅方向に向くように配置されている。
【００１８】
具体的には、シェル５１は、断面略楕円状の筒状壁５１ａの両端部が端部壁５１ｂ，５１ｃによって閉塞されてなり、両側の端部壁５１ｂ，５１ｃに上部固定ブラケット９７と下部固定ブラケット９８が一体に取り付けられ、上部固定ブラケット９７がリヤフロアパネル１００の裏面に結合されるととに、下部固定ブラケット９８がボトムプレート９５に結合されている。そして、シェル５１は、こうして上部固定ブラケット９７と下部固定ブラケット９８を介して車体に取り付けられた状態において、断面の楕円の長軸が車体前方側に僅かに下方傾斜し、車載時における最下端位置が、断面の楕円の中心よりも車体前方側に若干偏倚している。また、シェル５１は、図５に示すように、車体取付状態において、他方の端部壁５１ｃが一方の端部壁５１ｂよりも下位になるように長手方向の軸線ｐが水平な基準線ｏに対して設定角度θ傾斜している。したがって、シェル５１の内部は、他方の端部壁５１ｃ側の、断面の楕円の中心よりも車体前方側に若干偏倚した位置が最下端位置となっている。
【００１９】
図４は、消音器５０を長軸に沿って横に切断したときの断面図である。
消音器５０は、同図に示すように、シェル５１の一方の端部壁５１ｂに、筒状壁５１ａの内部に向かって延出するインレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５が取り付けられている。図２に示すように、端部壁５１ｂの外側に突出するインレットパイプ６３の一端は排出ガス通路３５（図６参照。）の上流部分に連なる上流側パイプ５９に接続され、端部壁５１ｂの外側に突出するアウトレットパイプ６５の一端は排出ガス通路３５（図６参照。）の下流部分に連なる下流側パイプ６１に接続されている。
【００２０】
また、インレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５はシェル５１内の長手方向に平行に配置され、各他端が他方の端部壁５１ｃに近接した所定位置まで延出している。筒状壁５１ａの他方の端部壁５１ｃに近接した位置には、シュル５１内を一方の端部壁５１ｂ側の吸音室７３と他方の端部壁５１ｃ側の連通室７５とに隔成するセパレータ９４が設けられている。そして、インレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５の他端部は、セパレータ９４を貫通して連通室７５内に開口している。したがって、インレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５は連通室７５を介して相互に接続されている。
インレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５の吸音室７３に臨む各周壁には図示しない小径の透孔が多数形成され、インレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５の内部を通過する排気ガスの一部が透孔を介して吸音室７３内にも流入するようになっている。
【００２１】
シェル５１の吸音室７３内には、インレットパイプ６３とアウトレットパイプ６５の周囲を囲繞するように吸音材９９が充填されている。この実施形態における吸音材９９は、ステンレス鋼を繊維状にしてなる所謂ステンレスウールで構成されている。
【００２２】
ところで、この消音器５０は、前述のように車体に取り付けられた状態において、シェル５１内の他方の端部壁５１ｃ側の、断面の楕円の中心よりも車体前方側に若干偏倚した位置が最下端位置となっており、図１に示すように、この最下端位置を中心とする連通室７５の底部の長手方向のコーナー付近がシェル５１内に進入した水やシェル５１内で凝結した水を集める貯水部９３となっている。この貯水部９３を構成する連通室７５の底部のコーナーには、シェル５１を貫通する取付孔９２が形成され、その取付孔９２に排出パイプ９１が貫通状態で取り付けられている。この実施形態の場合、排出パイプ９１の開口９１ａが貯水部９３内の水をシェル５１の外部に排出する排出口となっている。
【００２３】
排出パイプ９１は、周壁の下端近傍に複数の排水孔８０を有する円筒状の弁ケース８１の底部に一体に形成されている。弁ケース８１には円筒の上部を覆う頂部壁８２が設けられ、その頂部壁８２にはガス圧導入孔８３が形成されている。弁ケース８１内には、樹脂材料から成る球状のフロート弁８４が昇降可能に収容され、排出パイプ９１と連通する弁ケース８１の底部には、フロート弁８４が最大に下降したときに、排出パイプ９１との連通を遮断する（開口９１ａを閉塞する）テーパ状の弁座８５が形成されている。この弁ケース８１は、内部にフロート弁８４を収容した状態において、周壁がほぼ鉛直方向を向くようにして貯水部９３内に設置されている。
【００２４】
ここで、弁ケース８１の排水孔８０は、弁ケース８１内への貯水部９３の水の流入を許容し、それによって貯水部９３内の水位に応じた浮力をフロート弁８４に作用させる。また、弁ケース８１のガス圧導入孔８３は、弁ケース８１内のフロート弁８４の上部に連通室７５内のガス圧（排気ガスの圧力）を作用させる。したがって、フロート弁８４には、貯水部９３内の水による浮力が開弁方向の力として作用する一方で、排気ガスの圧力が閉弁方向の力として作用し、フロート弁８４は、これらの力のバランスに応じて弁座８５に接離し、開口９１ａを開閉する。具体的には、貯水部９３内の貯水量が少なく、フロート弁８４に作用する浮力が小さい、若しくは、浮力がまったく作用しない場合には、フロート弁８４が自重と排気ガスの圧力によって弁座８５に押し付けられ、開口９１ａを閉塞しており、貯水部９３内の貯水量が所定値以上に増加してフロート弁８４に作用する浮力が排出ガスの圧力に打ち勝つと、フロート弁８４が弁座８５から離間して開口９１を開放する。
【００２５】
このように構成された消音器５０では、燃料電池１から排出されたカソードオフガスおよびアノードオフガスが希釈装置１７を介して排出ガス流路３５に排出され、排出ガス流路３５から上流側パイプ５９を介してインレットパイプ６３に導入される。
【００２６】
インレットパイプ６３に導入された排気ガスの大部分は、インレットパイプ６３内を直進してインレットパイプ６３の他端から連通室７５に流出するが、インレットパイプ６３に導入された排気ガスの一部である気流音成分はインレットパイプ６３の透孔を通って吸音室７３に流出する。インレットパイプ６３から連通室７５に流出した排気ガスはアウトレットパイプ６５の他端からアウトレットパイプ６５内に流入し、その大部分はアウトレットパイプ６５内を直進して下流側パイプ６１に流出するが、アウトレットパイプ６５に流入した排気ガスの一部である気流音成分はアウトレットパイプ６５の透孔を通って吸音室７３に流出する。インレットパイプ６３の透孔およびアウトレットパイプ６５の透孔から吸音室７３に流入した排気ガスの音波は、吸音材９９との摩擦によって音響エネルギーが減衰され、消音される。
【００２７】
また、シェル５１内に導入された排気ガス中の水分は、水滴は水滴のまま、水蒸気は吸音材９９や内壁との接触によって凝縮して水滴となり、これらの水滴はその自重によって鉛直下方に集まり、貯水部９３に滞留する。そして、貯水部９３内の貯水量が所定値に達しない間は、フロート弁８４が前述のようにガス圧によって開口９１ａを閉じているが、貯水量が所定値以上になると、フロート弁８４が浮力で押し上がって開口９１ａを開放する。これにより、貯水部９３内の水が開口９１ａを通して外部に排出され、貯水部９３内の貯水量が所定値を下回ると再び開口９１ａがフロート弁８４によって閉じられる。これにより、貯水部９３内の貯水量は常に所定値以下に維持されることになる。
【００２８】
したがって、この消音器５０においては、貯水部９３内の貯水量が所定値以上になったときにだけフロート弁８４が開口９１ａを開くため、常態において開口９１ａを閉塞して排気ガスの気流音の漏洩を充分に抑制し、且つ、消音器５０のシェル５１内に滞留する水量を少なく規制することができる。
【００２９】
特に、この実施形態の場合、フロート弁８４が軽量な樹脂材料で形成されているため、貯水部９３内の水量の変動に敏感に反応して確実に開口９１ａを開閉することができる。燃料電池自動車の消音器５０では、１００℃に満たない比較的低温の排気ガスが流入するために、このようなフロート弁５０の採用が可能となっている。
また、フロート弁５０は金属材料によって形成することも可能であるが、この場合も、排気ガスの温度が比較的低温であることから、熱膨張によるフロート弁５０の性能変動が生じにくく、安定した作動を得ることができる。
【００３０】
なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態を示す図２のＡ−Ａ断面に対応する消音器の断面図。
【図２】同実施形態を示す燃料電池自動車の平面図。
【図３】同実施形態を示す図２のＢ矢視に対応する側面図。
【図４】同実施形態を示す図３のＣ−Ｃ断面に対応する消音器の断面図。
【図５】同実施形態を示す図２のＤ矢視に対応する消音器の側面図。
【図６】同実施形態で採用する燃料電池システムの構成図。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池
５０…消音器
８４…フロート弁
９１ａ…開口（排出口）
９３…貯水部
【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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