JP2004139787A

JP2004139787A - 燃料電池用マフラおよびその製造方法

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Publication number: JP2004139787A
Application number: JP2002301807A
Authority: JP
Inventors: Itsuo Kamiya; 神谷　五生
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【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】排気が通過するインナパイプ１１０と、その外周を覆うマフラシェル１２０と、インナパイプ１１０およびマフラシェル１２０の間に配置された吸音材１２１によって、マフラ１００を構成する。吸音材１２１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と共に、吸音効果の向上を図る。また、吸音材１２１およびマフラシェル１２０を、共に、同質の高分子材料で形成する。
【選択図】　図１

Description

【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およびその製造方法に関する。
【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いる（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１４９３０９号公報
【特許文献２】
特開昭６４−２９６０９号公報
【０００５】
【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、固体高分子形の燃料電池で顕著である。
【０００６】
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消音効果の損失は特に大きくなり得た。
【０００７】
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消音効果の損失を回避可能とすることを目的とする。
【０００８】
【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。本発明のマフラは、燃料電池からの排気が通過する排気管と、排気管を覆うマフラシェルと、排気管とマフラシェルとの間に配置された非金属製の吸音材を備える。本発明によれば、吸音材が非金属製であり、低温になりにくいため、水蒸気の凝縮を抑制することができ、凝縮水による消音効果の損失を回避することが可能となる。
【０００９】
吸音材は、高分子材料により構成されていることとすれば、成形が比較的容易となり、また、軽量化を図ることが可能となり、好適である。高分子材料としては、樹脂、ゴム材料などが挙げられる。
【００１０】
吸音材に樹脂を用いる場合、様々な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；
ポリフッ化エチレン；
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、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、ブロー成型などの成型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。
【００１３】
更には、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；
【００１４】
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用いてもよい。
【００１５】
また、本発明の吸音材に、ゴム材料を用いることとすれば、吸音材の劣化を抑制することができ、好適である。かかるゴム材料には、例えば、次のものが挙げられる。
フッ素ゴム；
シリコーンゴム；
ウレタンゴム；
エチレン・プロピレンゴム；
アクリロニトリル・ブタジエンゴム；
クロロプレンゴム；
スチレン・ブタジエンゴム；
【００１６】
本発明の吸音材は、繊維状の樹脂により形成されることとすれば、多孔質のポーラスな構造を形成でき、繊維の長さ・太さ等の形状、更には、嵩比重を自由に調節することができるため、吸音率を柔軟に設定することが可能となる。かかる繊維状の樹脂を、例えば、排気管に巻き付ける、マフラシェルに貼附する等種々の態様で、吸音材を形成することが可能である。
【００１７】
本発明の樹脂は、また、気泡構造を有することとすれば、吸音性能を向上することができ、好適である。かかる気泡構造は、例えば、炭酸ガス、水蒸気、その他の発泡体を使用して、気泡の密度、気泡の形態を任意に形成することができる。発泡の形態には、例えば、独立気泡、連続気泡、併合気泡などが挙げられる。独立気泡とは、気泡の一つ一つが完全に独立しているものを表し、連続気泡とは、気泡の一部または大部分が隣接する気泡と繋がっているものを表す。併合気泡とは、独立気泡と連続気泡が混在するものを表す。気泡構造を有する樹脂としては、例えば、ポリウレタン樹脂が挙げられる。
【００１８】
気泡構造を有する物質のように、孔を多数備える物質を多孔質という。音が多孔質にあたると、その振動が気泡に伝わり、その際に気泡面と空気に摩擦が生じるため、音の振動エネルギーが、熱エネルギーに変換されることにより吸音効果が実現される。そのため、音が表層部でのみ吸収される独立気泡よりも、内層にまで音が入り込むことができる連続気泡の方が、吸音効率上好ましい。
【００１９】
本発明のマフラにおいて、吸音材およびマフラシェルを、共に、高分子材料で形成することとすれば、廃棄時の資源回収、再利用が容易に可能となる。また、吸音材およびマフラシェルを、共に、樹脂により形成することとすれば、水蒸気の凝縮を、より抑制することができる。更には、吸音材およびマフラシェルを、同質の材料により形成することとすれば、より一層、リサイクル性の向上を図ることが可能となるだけでなく、吸音材とマフラシェルとを密着させる場合にも、効果的である。同質の材料とは、例えば、同一の分子構造を有する、同一の基を有するなど、化学的性質が類似の材料とすることができる。
【００２０】
上述に列挙した実用的に可能な樹脂において、耐酸性およびコスト生産性、更には、マフラシェルを形成する材料と同質の材料を使用することによるリサイクル性の向上を図るためには、以下に列挙する材料により吸音材を形成することが、最も好ましい。
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樹脂；
エチレン・プロピレンゴム；
【００２１】
本発明は、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。
【００２２】
本発明は、種々の態様で構成可能である。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、排気管を形成し、その一端を塞ぐ。次に、排気管の周囲に非金属製の吸音材を配置し、排気管の外周を熱可塑性の材料の筒で覆うと共に、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、熱可塑性材料を成型型の形状にブロー成型することができる。こうすることで、排気管とマフラシェルの間に、非金属製の吸音材を設けるマフラを容易に製造することができる。マフラシェルは、金属製であっても、非金属製であってもよい。吸音材とマフラシェルとの接合の容易さという観点からは、双方をも樹脂とすることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、以下の項目に分けて説明する。
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１００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。かかる個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良い。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良い。例えば、排気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器、大気に解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良い。
【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を備えており、マフラシェル１２０の内部には、吸音材１２１が取り付けられている。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、充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】
吸音材１２１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にくいという利点がある。吸音材１２１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。
【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良いし、ＣＰＵを備えるマイクロコンピュータとして構成しても良い。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良いし、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、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を成形したあと、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の周囲に、吸音材１２１を配置し、インナパイプ１１０の一端をプラグ２００で密閉し、多端をブローピン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を取り付けておいてもよい。
【００３７】
吸音材１２１は気泡構造を有しており、かかる気泡構造は、樹脂に、炭酸ガス、架橋剤、助剤、着色剤、添加剤等を練り込み、密閉された型内で炭酸ガスと架橋剤を熱分解させることで形成することができる。本実施例では、発泡剤として炭酸ガスを使用したが、水蒸気、その他の発泡剤を使用することとしてもよい。
【００３８】
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を合わせて図示した。この状態で、成形型２０４を、図中の２点差線で示すとおり、左右から設置する（矢印Ｂ）。このとき、ブローの圧力で、吸音材１２１をマフラシェル１２０に密着させてもよい。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
Ｃ．効果：
以上で説明した実施例のマフラによれば、排気管とマフラシェルの間に、樹脂製の吸音材を設けることにより、排気中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。また、これらの作用により、凝縮水が、マフラシェル１２０内にたまり、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。また、吸音材とマフラシェルとを、同質の材料で形成することにより、廃棄時におけるリサイクル性の向上を図ることができる。
【００４２】
Ｄ．変形例：
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、排気中の水蒸気は凝縮し易いため、本発明を適用することによる利点が大きい。
【００４３】
実施例では、インナパイプを金属製としたが、樹脂製としても良い。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良い。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、凝縮を更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、吸音材、マフラシェルおよびインナパイプを同じ材料とすれば、吸音材とマフラシェル、および、マフラシェルとインナパイプとを接合しやすくなる利点が得られ、なおかつ、リサイクル性を向上することが可能となる。
【００４４】
実施例では、吸音材を構成する樹脂は、気泡構造を有することとしたが、これに限られず、様々な態様を取ることができる。例えば、吸音材を構成する樹脂を繊維状の形体とすれば、繊維の長さ・太さ等の形状、更には、嵩比重を自由に調節することができるため、吸音率を柔軟に設定することが可能となる。かかる繊維状の樹脂を、インナパイプに巻き付ける、マフラシェルに貼附する等とすることにより、吸音材を構成することができる。
【００４５】
吸音材、マフラシェル、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；
ポリフッ化エチレン；
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；
【００４６】
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；
【００４７】
また、ゴム系の高分子材料としても良い。かかる材料には、例えば、次のものが挙げられる。
フッ素ゴム；
シリコーンゴム；
ウレタンゴム；
エチレン・プロピレンゴム；
アクリロニトリル・ブタジエンゴム；
クロロプレンゴム；
スチレン・ブタジエンゴム；
【００４８】
上述に列挙した実用的に可能な樹脂において、耐酸性およびコスト生産性、更には、マフラシェルを形成する材料と同質の材料を使用することによるリサイクル性の向上を図るためには、以下に列挙する材料により吸音材を形成することが、最も好ましい。
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樹脂；
エチレン・プロピレンゴム；
【００４９】
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、吸音材等の材料は、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。
【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。
【符号の説明】
１０…燃料電池
２０…ヒータ制御部
１００…マフラ
１１０…インナパイプ
１１１…消音孔
１１２…ヒータ
１２０…マフラシェル
１２０ｂ…バリ
１２０ｐ…パリソン
１２１…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

Claims

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、
前記燃料電池システムからの排気が通過する排気管と、
前記排気管を覆うマフラシェルと、
前記排気管と、前記マフラシェルとの間に配置された非金属製の吸音材とを備える燃料電池用マフラ。
前記非金属製の吸音材は、高分子材料により形成されている請求項１記載の燃料電池用マフラ。
前記高分子材料とは、樹脂である請求項２記載の燃料電池用マフラ。
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。
前記樹脂は、フッ素樹脂である請求項４記載の燃料電池用マフラ。
前記樹脂は、熱可塑性樹脂である請求項３記載の燃料電池用マフラ。
前記樹脂は、高密度ポリエチレンである請求項６記載の燃料電池用マフラ。
前記吸音材は、繊維状の樹脂により形成される請求項３記載の燃料電池用マフラ。
前記吸音材は、気泡構造を有する請求項３記載の燃料電池用マフラ。
前記吸音材及び前記マフラシェルは、共に高分子材料で形成されている請求項２記載の燃料電池用マフラ。
請求項８記載の燃料電池用マフラであって、
前記吸音材及び前記マフラシェルは、同質の材料によって形成されている燃料電池用マフラ。
燃料電池用マフラの製造方法であって、
排気管を形成する工程と、
該排気管の一端を塞ぐ工程と、
該排気管の周囲に非金属製の吸音材を配置する工程と、
該排気管の外周を熱可塑性の材料の筒で覆うと共に、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燃料電池用マフラの製造方法。