JP2006120455A - 燃料電池用マフラ - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガス中の不純物成分による劣化を好適に抑制することができる燃料電池用マフラを提供することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池２から排出された排ガスがマフラケース２０内に導入される燃料電池用マフラ１４であって、マフラケース２０内には、排ガスが含有する不純物成分を除去する不純物除去体３６が設けられているものである。不純物除去体３６は、イオン交換体で構成される。マフラケース２０内に溜まり得る凝縮水は、マフラケース２０に設けた排出口３４から外部に排水される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池から排出された排ガスの排気音を消音する燃料電池用マフラに関するものである。

燃料電池から排出される排ガスには、燃料電池の反応によって生じた生成水などの水分が含まれている。通常、排ガスはマフラで消音されて外部に排出されるが、例えば外気温度が低い場合には、排ガス中の水分がマフラケース内で凝縮する可能性がある。溜まった凝縮水がマフラケース内に設けた吸音材に含浸すると、マフラの消音効果が低下する。
かかる事情に鑑み、マフラケース内を仕切り板で上側空間と下側空間とに区画し、上側空間に吸音材を充填することで、吸音材の含水を防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２０６４１３号公報（第２頁および第２図）

しかしながら、マフラケース内で凝縮水が生じると、マフラの劣化（例えば、マフラケースや吸音材の劣化。）を招くことが研究により判明した。その原因は、排ガス中の水分等に含まれる汚れ成分や溶出成分などの不純物成分に起因するものと推測される。

本発明は、排ガス中の不純物成分による劣化を好適に抑制することができる燃料電池用マフラを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池用マフラは、燃料電池から排出された排ガスがマフラケース内に導入される燃料電池用マフラであって、マフラケース内には、排ガス中の不純物成分を除去する不純物除去体が設けられているものである。好ましくは、不純物除去体は、イオン交換体である。

この構成によれば、マフラケース内に設けた不純物除去体たる例えばイオン交換体により、排ガスが含有する不純物成分が適切に除去される。これにより、例えばマフラケースなど、燃料電池用マフラの構成部品の劣化を抑制することができる。

ここで、本願発明者の研究によれば、仮に燃料電池用マフラの上流側に不純物除去体（イオン交換体）を設けたとしても、マフラケース内にそれを設けない場合には、凝縮水が生じた場合には燃料電池用マフラの劣化を抑制するには不十分であることが判明している。そして、本願発明者の実験結果によれば、不純物除去体（イオン交換体）をマフラケース内に設けることによって、凝縮水によって生じ得る燃料電池用マフラの劣化を十分に抑制することが確認されている。

ここで、「排ガス」は、燃料電池から排出された酸化剤ガスを主として含んでいてもよいし、燃料ガスを主として含んでいてもよい。あるいは、「排ガス」は、酸化剤ガスおよび燃料ガスの両者を含んでいてもよい。なお、燃料電池用マフラを含む燃料電池システムを搭載した代表機器としては、燃料電池車両が挙げられる。また、燃料電池としては、車載に好適な固体高分子型であってもよいし、アルカリ型やリン酸型などであってもよい。

この場合、マフラケースは、外部に凝縮水を排出する排出口を有し、排出口は、マフラケース内の凝縮水の流れからみて、不純物除去体の下流側に位置していることが、好ましい。

この構成によれば、排出口に達する凝縮水は不純物除去体を経ている。これにより、清浄化された凝縮水を外部に排出することができる。また、排出口を設けたため、凝縮水がマフラケース内に溜まり続けない。これにより、仮に、マフラケース内に設けた吸音材が凝縮水を一旦は含水し且つその後は除水可能である場合にも、燃料電池の長期運転で燃料電池用マフラの消音効果を低下させなくて済む。
なお、排出口はマフラケースの下部に位置していることが、好ましい。こうすることで、自然流下で溜まった凝縮水を排出口から排出し易くなる。

これらの場合、不純物除去体は、マフラケースのガス流入口に臨み、ガス流入口から前記マフラケース内に導入される排ガスは、不純物除去体を通った後、マフラケース内で拡散することが、好ましい。

この構成によれば、排ガスがマフラケース内で拡散するときには、その不純物成分が除去されている。これにより、燃料電池用マフラの構成部品の劣化をより一層抑制することができる。また、清浄化された排ガスをマフラケース外に適切に導出することができる。

同様に、マフラケース内には吸音材が設けられており、不純物除去体は、排ガスが通る空間側から吸音材を覆うように、マフラケース内に設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、吸音材に触れる排ガスは、不純物除去体を経て不純物成分を除去されたものとなる。これにより、簡易な構造で吸音材の劣化を好適に抑制することができる。

これらの場合、不純物除去体は、吸音作用を有する樹脂部材で構成されていることが、好ましい。

この構成によれば、不純物除去体による吸音作用が加わるため、簡易な構造によりマフラケース内での消音作用を全体として高めることができる。

本発明の燃料電池用マフラによれば、排ガスに含有される不純物成分による劣化が好適に抑制されるため、その製品寿命を延ばすことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用マフラについて説明する。この燃料電池用マフラは、その内部に設けた不純物除去体によって劣化が好適に抑制されたものである。以下では、燃料電池システムの酸化剤ガスの排気系に燃料電池用マフラを設けた例について説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池２を有している。燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造からなり、酸化剤ガスとしての酸化ガス（空気）と、燃料ガスとしての水素ガスとの供給を受けて電力を発生する。単セルの電解質膜は、一般にフッ素系の膜が用いられている。なお、燃料電池２を定置用とする場合には、リン酸型が好適である。

燃料ガスは、図外の供給源に貯留されており、供給ライン４を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される燃料オフガス（未反応の水素ガス）は、排出ライン６に設けた図外の希釈器などを介して外部に排気される。燃料ガスを燃料電池２に供給する方法として、車両において天然ガスなどの原燃料から水素ガスに改質する方法を用いてもよいし、あるいは水素ガスを貯留した高圧タンクを車体に搭載する方法を用いてもよい。

酸化剤ガスは、図外のコンプレッサにより、供給ライン８を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２からシステム１外に酸化剤オフガス（未反応の酸化剤ガス）を排出する排出ライン１０には、上流側に気液分離器１２が設けられ、その下流側にマフラ１４が設けられている。

通常、酸化剤オフガスには、燃料電池２での電気化学反応によって生じた水が含まれている。また、酸化剤オフガスには、例えば内燃機関の排ガスに比べて多くの水蒸気を含んでいる。酸化剤オフガスに含まれる生成水や水蒸気などの水分には、燃料電池２内の部品や排出ライン１０等の配管要素から溶出された溶出成分の不純物成分のほか、コンプレッサにより取り込まれる外気に混入している汚れ成分の不純物成分などが含有されている。

気液分離器１２は、酸化剤オフガス中の水分をその気体分から分離する。これによってマフラ１４には、酸化剤オフガスの気体分が導入される。しかし、気液分離器１２では酸化剤オフガス中の全ての水分を分離することができず、マフラ１４には水分を含む酸化剤オフガスが導入される。そして、例えば燃料電池自動車の走行環境が低い外気温度の場合など、マフラ１４の環境によっては、酸化剤オフガスの水分がマフラ１４内で凝縮する。この凝縮水に含まれる上記の不純物成分によってマフラ１４が劣化することが、本願発明者によって確認されている。

本実施形態のマフラ１４は、この凝縮水によって劣化しないように次のような構造上の工夫が施されている。なお、以下の説明では、マフラ１４に導入される流体を排ガスと総称する。排ガスは、主として酸化剤オフガスからなり、これに生成水や水蒸気などの水分のほか、不純物成分が含まれている。

図２に示すように、マフラ１４は、排ガスを内部に導入し、その排気音を消音して排ガスを外部に排気する。マフラ１４は、断面形状が例えば楕円のマフラケース２０（シェル）により外殻が構成されている。マフラケース２０は、ステンレスなどの金属で形成することもできるが、硬質の樹脂など非金属で形成することが好ましい。なお、マフラケース２０の断面形状は、角型など適宜設計変更が可能である。

マフラケース２０の軸線方向の一方の端壁部２２には、排ガスが流れる排出ライン１０の入口管２４が接続され、他方の端壁部２６には、排出ライン１０の出口管２８が接続されている。入口管２４の上流側が上記の気液分離器１２に通じており、出口管２８の下流側が外部に大気開放されている。なお、入口管２４と出口管２８とを同軸に配置したが、もちろんこれらの軸心を互いにずらし且つ互いにオーバーラップするように配置してもよい。

マフラケース２０の内部空間３０は、入口管２４のガス流入口２４ａから流入した排ガスの圧力を低下させる拡張室として機能する。なお、内部空間３０にセパレータを設けて、内部空間３０を軸線方向に沿って区画し、複数の拡張室や共鳴室を構成することもできる。また、内部空間３０で排ガスを反転させる消音効果を発揮する反転型で、マフラ１４を構成することも可能である。

マフラケース２０は、その内壁に配設されたグラスウールなどの吸音材３２と、凝縮水を外部に排水するための排出口３４と、排ガスが含有する不純物成分を除去するイオン交換体３６と、を有している。排出口３４は、マフラケース２０の底部３８の一部に貫通形成されている。好ましくは、排出口３４は、底部３８における鉛直方向の最下部に形成される。こうすることで、マフラケース２０の底部３８に自然流下で溜まった凝縮水を、排出口３４から排水し易くなる。

例えば、マフラケース２０の排気方向の下流側となる（すなわち出口管２８側に）底部３８の位置に排出口３４を設ける。このとき、排出口３４に向かってマフラケース２０内の凝縮水が流れるように、底部３８に排水勾配を形成する。あるいは、マフラ１４を車体に搭載する際に、マフラケース２０が後方に向かって斜め下方に延在するように、マフラケース２０をブラケットなどで車体に支持させ、排出口３４に向かって凝縮水が流れ込むようにする。

イオン交換体３６は、排ガス中の不純物成分を除去する不純物除去体の一種である。イオン交換体３６は、マフラケース２０内への入口管２４の挿入部分に内設されており、入口管２４のガス流入口２４ａに臨んでいる。このため、ガス流入口２４ａからマフラケース２０内に導入される排ガスは、イオン交換体３６を通った後、内部空間３０で拡散することになる。

図２および図３に示すように、イオン交換体３６は、例えばカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂を有するイオン交換樹脂４０と、イオン交換樹脂４０を内部に収容する円筒状の容器４２と、で構成されている。イオン交換樹脂４０は、排ガスの不純物成分をイオン交換により吸着し、排ガスから不純物成分を除去する。なお、図３に示す符号４４は、イオン交換樹脂４０の多数の通風部を示している。

容器４２は、入口管２４の内径に対応した外径を有しており、入口管２４の内部に隙間なく装着可能に構成されている。このため、マフラケース２０内に導入される排ガスは、全てイオン交換樹脂４０を通過することになる。これにより、排ガスが内部空間３０で拡散するときには、その水分に含まれる不純物成分のみならず、その気体分に含まれ得る不純物成分をも除去することができる。また、容器４２にイオン交換樹脂４０を収容させることによって、排ガスの流れでイオン交換樹脂４０がマフラケース２０から排出されることを防止することができる。

なお、イオン交換体３６は、適宜設計変更が可能である。例えば、イオン交換樹脂４０を粒子状で構成することもできるし、イオン交換樹脂４０を吸音作用を有する樹脂部材で構成することもできる。後者の構成とすることで、吸音材３２の吸音効果とあいまって排気音を消音することができるため、マフラ１４の消音作用を全体として高めることができる。また、容器４２に代えて、例えば通気性や通液性を有する収容布を用いてイオン交換樹脂４０を収容するようにしてもよい。

さらに、イオン交換体３６を入口管２４に装着したが、入口管２４のガス流入口２４ａに臨むように内部空間３０に設けてもよい。その際には、内部空間３０の内周に対応してイオン交換樹脂４０を円盤状に形成し、イオン交換樹脂４０がガス流入口２４ａに広く対向するようにしてもよい。このように、イオン交換体３６（イオン交換樹脂４０）のマフラ１４に対する配置位置、大きさ、範囲は、適宜設計変更が可能である。

以上のように、本実施形態のマフラ１４によれば、イオン交換体３６をマフラケース２０内に設けたため、マフラケース２０内で排ガス中の不純物成分を除去することができる。これにより、マフラケース２０内に溜まる凝縮水によって吸音材３２やマフラケース２０などが腐食することを好適に抑制することができる。したがって、マフラ１４の劣化が抑制され、その製品寿命を延ばすことができる。

また、凝縮水を排出口３４から外部に適切に排水することができるため、吸音材３２の消音効果を好適に維持することができる。また、排ガスの全てがイオン交換体３６を通過するため、清浄化された排ガスの気体分を出口管２８からシステム１外に適切に排気することができる。また、マフラケース２０内の凝縮水の流れからみて、イオン交換体３６の下流側に排出口３４が位置しているため、清浄化された凝縮水をシステム外に適切に排水することができる。なお、不純物除去体は、イオン交換体３６に限るものではない。

さらに、本願発明者の研究によれば、マフラケース２０内にイオン交換体３６を設けない場合には、例えば気液分離器１２などマフラ１４の上流側にイオン交換体３６を設けたとしても、凝縮水によるマフラ１４の劣化を抑制するには不十分であることが判明している。実験結果によれば、マフラケース２０内にイオン交換体３６を設けることによって、マフラ１４の劣化が十分に抑制されることが確認されている。もっとも、マフラケース２０内にイオン交換体３６を設けつつ、イオン交換体３６を気液分離器１２に設けることは有用である。

なお、本実施形態では、排ガスについて酸化剤オフガスに着目して説明した。もちろん、排ガスは、酸化剤オフガスでなく、燃料オフガスを主として含んでいてもよいし、これらの両オフガスを含んでいてもよい。例えば後者の場合は、燃料オフガスの排出ライン６にパージラインを分岐接続し、パージラインの下流端を酸化剤オフガスの排出ライン１０に接続する。この場合には、マフラ１４に導入される排ガスは、酸化剤オフガス等のみならず、燃料オフガスおよびその不純物が含まれる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るマフラ１４について図４を参照して説明する。第１実施形態との主な相違点は、不純物除去体たるイオン交換体３６を、入口管２４でなくマフラケース２０の底部３８に設けたことである。なお、第１実施形態と同様の構造となる部分については、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のイオン交換体３６は、マフラケース２０内の底部３８に位置する吸音材３２の上面に敷設されている。また、イオン交換体３６は、マフラケース２０の軸線方向の一方の端壁部２２から他方の端壁部２６までほぼ亘っており、排出口３４のマフラケース２０側の開口端を上側から閉塞している。

イオン交換体３６の容器（４２）については図示省略されているが、容器は通液性を有している。このため、イオン交換体３６に滴下された凝縮水は、容器の上面部を介して内部のイオン交換樹脂４０に達する。そして、イオン交換樹脂４０で不純物成分を除去された凝縮水は、容器の下面部を介して排出口３４から排水される。また第１実施形態と同様に、マフラケース２０の底部３８に排水勾配を設けることなどによって、マフラケース２０内の凝縮水の流れからみて、イオン交換体３６の下流側に排出口３４を位置させることができる。

本実施形態によれば、凝縮水はマフラケース２０内のイオン交換体３６に接するため、凝縮水中の不純物成分をイオン交換体３６で除去することができる。これにより、吸音材３２やマフラケース２０などが腐食することを好適に抑制することができ、マフラ１４の製品寿命を延ばすことができる。

もっとも、本実施形態の構成では、排ガスの全部がイオン交換体３６を通過するものでないため、排ガスの気体分に含まれ得る不純物成分を完全に除去することができない。しかし、排ガスの気体分に含まれ得る不純物成分は、凝縮水に比べて極めて微量であるから、外気に影響を及ぼす可能性はきわめて低い。また、出口管２８の下流側にガス処理装置などを設ければ、この影響を好適に且つ容易に回避することができる。むしろ、本実施形態の構成は、第１実施形態に比べて、イオン交換体３６の耐久性を簡易に高めることができる点で有用である。なお、上記同様に、イオン交換体３６以外の不純物除去体を用いてもよい。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るマフラ１４について図５を参照して説明する。第１実施形態との主な相違点は、イオン交換体３６の配置箇所を変更したことである。具体的には、不純物除去体たるイオン交換体３６は、内部空間３０側から吸音材３２を覆うように、マフラケース２０内に設けられている。

これを詳述するに、排ガスが通る流路となる内部空間３０と、マフラケース２０の内壁に配設された吸音材３２との間に、イオン交換体３６が設けられている。イオン交換体３６の通液性を有する容器（４２）については、第２実施形態と同様に、図示省略されている。イオン交換体３６のイオン交換樹脂４０は、吸音材３２の内周面に取り付けられており、吸音材３２の略全領域を覆っている。

本実施形態によれば、凝縮水はマフラケース２０内のイオン交換体３６に接するため、凝縮水中の不純物成分をイオン交換体３６で除去することができる。また、入口管２４から導入された排ガスが内部空間３０で拡散し、その水分が内部空間３０で飛散することがあっても、その水分は吸音材３２でなく先ずイオン交換体３６に接する。これにより、水分に含まれる不純物成分が除去されるため、吸音材３２やマフラケース２０などの腐食をより一層抑制することができる。

なお詳述しないが、第１実施形態や第２実施形態と同様に、マフラケース２０の底部３８に排水勾配を設けることなどによって、マフラケース２０内の凝縮水の流れからみて、イオン交換体３６の下流側に排出口３４を位置させることができる。また、マフラケース２０の断面形状を真円にしたため、吸音材３２やイオン交換体３６の断面形状も真円となっている。もちろん、マフラケース２０の断面形状が角型や楕円であれば、吸音材３２やイオン交換体３６の断面形状も角型や楕円とすればよい。

また、上記各実施形態のマフラ１４は、燃料電池システム１のみならず、他の装置やシステムにも適用することができる。例えば、内燃機関を動力源とする車両の排気系に、上記各実施形態のマフラ１４を設けてもよい。特に、極寒環境を走行する車両にとって有用となる。

また、上記各実施形態では、不純物除去体としてイオン交換体３６を例に説明したが、不純物除去体は、排ガスから物理的に不純物成分たる物質を除去するものに限られない。すなわち、不純物除去体は、マフラ１４の劣化を促進させる物質を、マフラ１４の劣化にほとんど影響のない他の物質に変化させる構成であってもよい。このような構成であっても、マフラ１４の劣化を促進させる物質を排ガスから除去できるため、上記した各実施形態と同様の効果を得ることができる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 実施形態に係るマフラの構成を示す断面図である。 実施形態に係るイオン交換体の構成を示す斜視図である。 第２実施形態に係るマフラの構成を示す断面図である。 第３実施形態に係るマフラの構成を示す図であり、図１のＶ−Ｖ線で切断した断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、１０ 排出ライン、１２ 気液分離器、１４ 燃料電池用マフラ、２０ マフラケース、２４ 入口管、２４ａ ガス流入口、２８ 出口管、３０ 内部空間、３２ 吸音材、３４ 排出口、３６ イオン交換体、４０ イオン交換樹脂、 ４２ 容器

Claims (6)

1. 燃料電池から排出された排ガスがマフラケース内に導入される燃料電池用マフラであって、
   前記マフラケース内には、排ガス中の不純物成分を除去する不純物除去体が設けられている燃料電池用マフラ。
2. 前記不純物除去体は、イオン交換体である請求項１に記載の燃料電池用マフラ。
3. 前記マフラケースは、外部に凝縮水を排出する排出口を有し、
   前記排出口は、前記マフラケース内の凝縮水の流れからみて、前記不純物除去体の下流側に位置している請求項１または２に記載の燃料電池用マフラ。
4. 前記不純物除去体は、前記マフラケースのガス流入口に臨み、
   前記ガス流入口から前記マフラケース内に導入される排ガスは、前記不純物除去体を通った後、当該マフラケース内で拡散する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池用マフラ。
5. 前記マフラケース内には吸音材が設けられており、
   前記不純物除去体は、排ガスが通る空間側から前記吸音材を覆うように、前記マフラケース内に設けられている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池用マフラ。
6. 前記不純物除去体は、吸音作用を有する樹脂部材で構成されている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池用マフラ。
   
   

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