JP2005069190A

JP2005069190A - 燃料電池自動車用の排気装置

Info

Publication number: JP2005069190A
Application number: JP2003303470A
Authority: JP
Inventors: Yohei Toyoshima; 洋平豊島
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】空気配管から吸音材に流入する凝縮水の侵入を抑制し、吸音材の含水による吸音性能の劣化を防止して吸音作用の向上が図れる燃料電池自動車用の排気装置を提供する。
【解決手段】シェル４及びエンドプレート５、６により形成される消音室７内に空気配管８が貫通し、その空気配管８を取り囲むようにして前記消音室７に吸音材９を充填してなるマフラー２を備えた燃料電池自動車用の排気装置１において、前記空気配管８の内面８ａに、この空気配管８内に流入する凝縮水を撥水する撥水処理部１０を形成した。撥水処理部１０は、微細な突起部からなる凹凸部とするか、または、撥水処理を施した撥水処理層とする。これにより、凝縮水のマフラー２内への流入が防止でき、吸音材９の吸音性能の劣化を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池自動車に使用される排気装置に関し、詳細には、マフラー部分において凝縮水を排出させる排水技術に関する。

例えば、一般的な内燃機関用の吸音型マフラーは、ハウジングと、このハウジング内を貫通して設けれたインナパイプと、ハウジングとインナパイプにより囲まれた消音室と、この消音室に充填された吸音材とにより構成され、インナパイプに複数の小孔を形成している（例えば、特許文献１、２など参照）。

特許文献１に記載の消音器は、図９に示すように、ハウジング１０１内に、複数の小孔１０２を形成したインナパイプ１０３を貫通して設け、このインナパイプ１０３の周りを取り囲むように吸音材１０４を設けた構造としている。

特許文献２に記載の排気消音装置は、図１０に示すように、側面に多数の小孔１０５が形成された内管１０６と、この内管１０６の外周を覆う外管１０７との間にグラスウールからなる吸音材１０８を充填させた構造としている。

例えば、特許文献１に記載の消音器（吸音型マフラー）では、インナパイプ１０３内に導入された排気騒音の音波は、複数の小孔１０２を介して消音室内に伝搬され、吸音材１０４との摩擦によって音響エネルギーが減衰されて騒音が消音される。特許文献２に記載の排気消音装置も同様に、内管１０６に形成された小孔１０５を介して消音室内の吸音材１０８で騒音が消音される。インナパイプ１０３及び内管１０６に形成された小孔１０２、１０５は、一般的な乗用車の場合、通常その直径が３ｍｍ（３Φ）または４ｍｍ（４Φ）とされている。
特開２００２−４７９１０号公報（第２頁及び第３頁、第１図及び第２図）特開２００３−４１９２４号公報（第３頁及び第４頁、第２図及び第３図）

ところで、自動車産業では、近年のクリーンエネルギーに対する要求により、ガソリンを燃料とする内燃機関の代替えとして燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車では、例えば酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、水（含水蒸気）（Ｈ２Ｏ）などがマフラーから排出されるが、ガソリンなどを燃料とする内燃機関に比べてより多くの凝縮水が排出される。

このため、前記した特許文献１、２の内燃機関用のマフラーを、燃料電池自動車に使用した場合、インナパイプまたは内管に形成された小孔から吸音材に流入する凝縮水の量が増える。例えば、吸音材の含水率が４％以上になると、除々に吸音性能は劣化し音波を吸音しなくなり、吐出音性能が悪化する。

そこで、吸音材に流入した凝縮水を排水除去する方法が考えられるが、毛細管現象により吸音材内に蓄えられた凝縮水はなかなか排出され難い。特に、燃料電池自動車の場合は、化学反応により生ずる水分の他、排管系温度差による凝縮水の発生もあり、水分発生量はガソリン機関に比べてかなり多くなる。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、空気配管から吸音材に流入する凝縮水の侵入を抑制し、吸音材の含水による吸音性能の劣化を防止して吸音作用の向上が図れる燃料電池自動車用の排気装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、シェル及びエンドプレートにより形成される消音室内に空気配管が貫通し、その空気配管を取り囲むようにして前記消音室に吸音材を充填してなるマフラーを備えた燃料電池自動車用の排気装置において、前記空気配管の内面に、この空気配管内に流入する凝縮水を撥水させる撥水処理部を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池自動車用の排気装置であって、前記撥水処理部は、微細な突起部からなる凹凸部とされていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池自動車用の排気装置であって、前記撥水処理部は、撥水処理を施した撥水処理層からなることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、空気配管内に流入する凝縮水を撥水させる撥水処理部をこの空気配管の内面に形成したので、該空気配管内に流入した凝縮水は、この撥水処理部の撥水処理作用により球形状となって弾かれ、当該空気配管に開口する小孔から吸音材に侵入するのを防止できる。したがって、吸音材の含水による吸音性能の悪化が無くなり、凝縮水が多い場合でも吸音作用を維持することができる。

また、本発明によれば、凝縮水をマフラー内に蓄えないので、マフラー内部の腐食を防止することができ、また、寒冷地において氷結による消音性能および氷結によるマフラー内異音の発生を防止でき、さらに、マフラー内に溜まった凝縮水の体積膨張によるマフラーの亀裂等が無くなり製品信頼性が向上する。

また、本発明によれば、従来マフラーの前方にて気水分離を行っていたものを、マフラー前の気水分離をさせないでマフラー出口から凝縮水を排水できるので、低コスト化を実現することができる。

請求項２記載の発明によれば、撥水処理部を微細な突起部からなる凹凸部としたことにより、凝縮水は、該撥水処理部に対する接触面積が減少することから表面張力が出難くなる。このため、本発明によれば、空気配管の入口から出口へ向かって凝縮水を撥水処理部の表面を滑るようにして排出させることができる。

請求項３記載の発明によれば、撥水処理部を、撥水処理を施した撥水処理層としたことにより、凝縮水の撥水処理部に対する濡れ性が大幅に減少し、凝縮水を空気配管の入口から出口に向かって排出させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［排気装置の構成］
図１は燃料電池自動車用の排気装置の全体斜視図、図２はマフラーの要部拡大断面図、図３は空気配管の要部拡大断面図、図４（ａ）は撥水処理部を展開して示す拡大平面図であり、図４（ｂ）は撥水処理部の断面図、図５は凹凸部とした撥水処理部上に凝縮水が載った状態を示す要部拡大断面図である。

本実施の形態の燃料電池自動車用の排気装置１は、図１に示すように、排気音を消音するマフラー２と、このマフラー２の前方に接続されたチューブ部材３とから構成され、チューブ部材３よりマフラー２へと排気された排気音を消音すると共に、チューブ部材３及びマフラー２に流入した凝縮水を管外へと排出するように構成されている。

チューブ部材３は、マフラー２の前方に取り付けられた断面円形状のパイプからなる。このチューブ部材３には、燃料電池スタックより排出される空気系で発生した空気排気と、例えば酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、水（含水蒸気）（Ｈ２Ｏ）などが流入する。また、このチューブ部材３には、燃料電池スタックで化学反応して生じた水分の他、配管系温度差により生じる凝縮水が流れる。

マフラー２は、内燃機関用のマフラーと同じく吸音型マフラーである。このマフラー２は、図２に示すように、シェル（ハウジング）４と、フロントエンドプレート５及びリアエンドプレート６と、これらシェル４、フロントエンドプレート５及びリアエンドプレート６により形成される消音室７と、この消音室７内を貫通する空気配管８と、この空気配管８を取り囲むようにして消音室７に充填される吸音材９とから構成されている。

シェル４は、図１及び図２に示すように、長手方向両端部を開口した筒状として形成されている。フロントエンドプレート５及びリアエンドプレート６は、シェル４の両端部に形成された開口を閉塞する蓋として形成され、前記シェル４とによって空間部である消音室７を形成する。この消音室７に充填される吸音材９は、例えばグラスウール、ロックウール、ステンレスウール、カーボンファイバなどからなり、排気音を吸音して消音させる。

空気配管８は、断面略円形状をなすパイプとして形成されており、前記消音室７をその長手方向に沿って貫通して設けられている。この空気配管８には、排気音を吸音材９へと導く小さな小孔（図示は省略する）が複数形成されている。

この小孔は、従来のガソリンなどを燃料とする内燃機関用のマフラーでは、カーボンの発生およびオイル成分の混在によりカーボンが小孔に固着して当該小孔を塞いでしまう可能性があったため、孔径は直径３ｍｍ（Φ３）以上とすることが多かった。しかしながら、燃料電池自動車では、排気空気には不純物が含まれないので、例えばその孔の直径を０．１ｍｍ（Φ０．１）〜１ｍｍ（Φ１）とする。これにより、仮にマフラー２に凝縮水が流入したとしても、凝縮水がこの小孔を介して吸音材へと流れ難くなる。

なお、空気配管８の外周には、吸音材９の飛散を防止するためにステンレスウールなどの飛散防止部材を巻いても良い。ステンレスウール及び繊維材でも繊維長によっては、飛散し難い場合は、飛散防止部材を空気配管８に巻く必要はない。

そして特に本実施の形態では、マフラー２の空気入口部２ａ及び空気出口部２ｂを除く消音室７と対応する空気配管８の内面８ａには、図２及び図３に示すように、チューブ部材３を介してこの空気配管８内に流入する凝縮水を撥水する撥水処理部１０が形成されている。

撥水処理部１０は、図４に示すように、空気配管８の内面８ａから僅かに突出する微細な突起部１１を複数有して形成されている。かかる突起部１１の高さとしては、例えば１００ミクロン以下とすることが好ましい。突起部１１の高さが１００ミクロンを超えると、排気される空気との抵抗が増大して排気音が大きくなる。また、これら突起部１１は、所定間隔で数行、数列として整列させて形成しても良く、または、整列させずにランダムとしてもよい。また、これら突起部１１の間隔（ピッチ）は、余り広すぎると凝縮水がこれら突起部１１間に入り込んでしまうため、撥水作用（凝縮水が突起部１１上で球形状となる）を発揮できる程度の間隔とすることが望ましい。

具体的には、突起部１１の凹凸のピッチは０．０３μｍ〜５０μｍと幅広く撥水効果は有するが、本発明のマフラー内孔開きパイプ表面を撥水構造として内部の吸音材に４％以上含水させない程度であれば、ピッチは１μｍ〜３０μｍで充分な効果は得られると考えられる。

［凝縮水の排出作用］
以上のように構成された燃料電池自動車の排気装置１では、チューブ部材３を介して空気配管８内に流入した凝縮水１２は、図５に示すように、撥水処理部１０に流れ込むと、この撥水処理部１０の複数突起部１１上において、撥水作用によって表面張力が無くなり、球形状となって弾かれる。そのため、球形状となった凝縮水１２は、空気配管８の空気入口部２ａから空気出口部２ｂへ向かって撥水処理部１０の表面を滑るようにして管外へと排出（排水）される。

これにより、空気配管８に形成された小孔から凝縮水１２が吸音材９へと流入するのが防止され、吸音材９の含水による吸音性能の悪化を防止することができる。したがって、凝縮水１２が多く発生した場合でも吸音作用を維持させることができる。

また、本実施の形態の排気装置１では、前記したように凝縮水１２をマフラー２内に蓄えないので、マフラー２内部の腐食を防止することができる。また、この排気装置１によれば、寒冷地において氷結による消音性能および氷結によるマフラー２内異音の発生を防止でき、さらに、マフラー２内に溜まった凝縮水１２が体積膨張することによってマフラー２に亀裂などが生じるのを防止することができる。

［その他の実施の形態］
上述の実施の形態では、撥水処理部１０を、微細な突起部１１からなる凹凸部としたが、この撥水処理部１０は、空気配管８の内面８ａに撥水処理を施すことにより撥水処理層として形成してもよい。

具体的には、図６に示すように、空気配管８の内面８ａに撥水塗料を塗布することによって撥水処理層１３を形成する。撥水塗料としては、例えばウレタン樹脂、塩化ゴム、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などの各種塗料が使用できる。

撥水塗料を塗布することによって形成した撥水処理層１３を使用すれば、凝縮水１２に対する濡れ性が大幅に減少し、該凝縮水１２を球形状として弾かせて空気配管８の空気入口部２ａから空気出口部２ｂに向かって排出させることができる。特に、この撥水処理層１３は、撥水塗料を塗布し乾燥させるのみで形成することができるため、簡単に製造することができ、生産性の向上を図ることができる。

また、上述の実施の形態の排気装置１では、空気配管８内に流入した凝縮水１２は、撥水処理部１０によって空気出口部２ｂへと排出され、マフラー２内に溜まることは無いが、仮にマフラー２内に溜まってしまった場合には、マフラー２外へ凝縮水１２を排出するための排水孔１４を、図７及び図８に示すように、フロントエンドプレート５の下端部に形成してもよい。このようにすれば、マフラー２内に溜まった凝縮水１２をこの排水孔１４から排出させることができる。

なお、排水孔１４には、吸音材９がこの排水孔１４を介して外に出ないようにネットやサスウールなどからなる飛散防止材１５を設けておくことが好ましい。また、この排水の設計は、吸音材９の中に４％以上の凝縮水１２が蓄えられないようにコントロールすることが望ましい。

また、図８では、フロントエンドプレート５に排水孔１４を形成したが、シェル４の底部に排水孔１４を形成するようにしても同様の効果がある。

本実施の形態を示す図であり、燃料電池自動車用の排気装置の全体斜視図である。本実施の形態を示す図であり、マフラーの要部拡大断面図である。本実施の形態を示す図であり、空気配管の要部拡大断面図である。本実施の形態を示す図であり、図４（ａ）は撥水処理部を展開して示す拡大平面図であり、図４（ｂ）は撥水処理部の断面図である。微細な突起部からなる凹凸部とした撥水処理部上に、凝縮水が球形状となって弾かれた状態を示す要部拡大断面図である。撥水処理を施した撥水処理層からなる撥水処理部を空気配管の内面に形成した例を示すマフラーの要部拡大断面図である。マフラー内に溜まった凝縮水を排水する排水孔をフロントエンドプレートに形成した例を示すマフラーの要部拡大断面図である。図７の排水孔部分を拡大して示す要部拡大断面図である。従来の消音器の要部拡大断面図である。従来の排気消音装置を一部破断して示す側面図である。

符号の説明

１…排気装置
２…マフラー
３…チューブ部材
５…フロントエンドプレート
６…リアエンドプレート
７…消音室
８…空気配管
８ａ…空気配管の内面
９…吸音材
１０…撥水処理部
１１…突起部
１２…凝縮水
１３…撥水処理層
１４…排水孔

Claims

シェル（４）及びエンドプレート（５、６）により形成される消音室（７）内に空気配管（８）が貫通し、その空気配管（８）を取り囲むようにして前記消音室（７）に吸音材（９）を充填してなるマフラー（２）を備えた燃料電池自動車用の排気装置（１）において、
前記空気配管（８）の内面（８ａ）に、この空気配管（８）内に流入する凝縮水を撥水させる撥水処理部（１０）を形成した
ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。
請求項１に記載の燃料電池自動車用の排気装置（１）であって、
前記撥水処理部（１０）は、微細な突起部（１１）からなる凹凸部とされている
ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。
請求項１に記載の燃料電池自動車用の排気装置（１）であって、
前記撥水処理部（１０）は、撥水処理を施した撥水処理層（１３）からなる
ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。