JP2007026747A - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 排出水素ガスの希釈機能と、排出水素ガスと排出空気のそれぞれの排気音の消音機能とを、より有利に実現可能な燃料電池の排出ガス処理装置を提供する。
【解決手段】 収容体10内に配置された空気流通管体部分29に、複数の透孔38を設けると共に、それらの透孔38を閉塞するように、吸音材40を該空気流通管体部分29の外周面に接触配置せしめ、更に、収容体10内に、排出水素ガスが拡散しつつ流動せしめられる拡散空間46を、該排出水素ガスが絞られつつ流動せしめられる絞り空間48を間に挟んで両側に少なくとも2個所設けて、構成した。また、かかる絞り空間48を、収容体10に対して、その外周面において開口する凹部42を形成することによって設けるようにした。
【選択図】 図 2

Description

本発明は、燃料電池の排出ガス処理装置に係り、特に、アノード電極側から排出される水素ガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈して、大気中に排出処理する機能と、かかる水素ガスと空気の排出音を消音乃至は低減し得る機能とを兼備した燃料電池の排出ガス処理装置の新規な構造に関するものである。
近年、環境に優しく、しかも発電効率の高い燃料電池が注目され、様々な用途への利用が試みられている。例えば、そのような燃料電池を駆動源として利用する燃料電池車が、次世代の自動車として期待され、実用化へ向けた動きが本格化してきている。
ところで、よく知られているように、例えば、燃料電池車等に搭載される、純水素(以下、水素という)を燃料とした燃料電池システムにおいては、多くの場合、アノード電極側から排出された未使用の水素を含むガスを、再度、アノード電極側に供給する循環装置が設けられて、燃料水素の利用効率の向上が図られている。しかしながら、このアノード電極側からの排出ガスの循環装置による循環を長時間に亘って続けていると、窒素や発電時に生ずる生成水等の不純物が排出ガス中に増加してしまい、その結果、発電効率の低下が不可避的に惹起されることとなる。
そこで、そのような燃料電池システムでは、パージ操作が間欠的に実施されて、不純物が増加した排出ガスが大気中に定期的に排出されるようになっているのであるが、このアノード電極側から排出される排出ガス中には、高濃度の水素ガスが含まれているため、そのような排出ガスの大気中への排出に際しては、それに含まれる水素ガスを安全上問題のない程度にまで希釈する必要があった。
かかる状況下、パージ操作によりアノード電極側から排出される水素ガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈して、大気中に排出するようにした燃料電池の排出ガス希釈装置(排出水素処理装置)が、提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。
この希釈装置は、アノード電極側から排出される水素ガスの排出管がガス導入口に接続され、かかるガス導入口を通じて、水素ガスを内部に導入して、収容する収容体(下記特許文献1では、滞留室と称される)を有して、構成されている。また、この収容体には、カソード電極側から排出される空気が内部を流通せしめられ、一端部において大気中に開口する空気流通管体(下記特許文献1では、カソード配管と称される)が、収容体内を横切るように貫通して、配設されている。更に、そのような空気流通管体のうちの収容体内に位置せしめられる部分には、かかる空気流通管体部分を貫通する貫通孔(下記特許文献1では、穴部と称される)が設けられている。そして、収容体内に収容された水素ガスが、穴部を通じて空気流通管体内に侵入して(吸い込まれて)、空気流通管体内を流通せしめられる空気に混入せしめられることにより、空気にて希釈され、以て、この希釈された水素ガスが、空気流通管体の一端側開口部から大気中に安全に排出せしめられるようになっているのである。
また、最近では、そのような燃料電池の排出ガス希釈装置と同様な基本構造を有し、且つ空気の排気音(例えば、空気が空気流通管体内を高速で流れる際に発生する流体音や、コンプレッサ等を用いて、燃料電池に空気を間欠的に供給する際に生ずる脈動音等)と水素ガスの排気音(例えば、水素ガスのパージ操作の実施時に生ずるパージ音等)の消音乃至は低減構造をも備えた燃料電池の排出ガス処理装置が、提案されている(例えば、下記特許文献2参照)。
すなわち、この処理装置にあっては、水素ガスが収容される収容体(下記特許文献2では、希釈室と称される)を貫通して延びる空気流通管体(下記特許文献2では、通路と称される)において、収容体内への配置部位よりも空気の流通方向上流側部分と下流側部分のうちの少なくとも何れか一方に、空気の流れの断面積が空気流通管体の流路断面積よりも大きくされた膨張室が、収容体に隣り合うようにして、設けられている。これによって、空気流通管体内を流通せしめられる空気が、膨張室内で拡散せしめられて、かかる空気の有する圧力エネルギーが低下せしめられ、以て、空気の排気音が消音乃至は低減せしめられ得るようになっている。
また、かかる処理装置では、空気流通管体における収容体内への配置部位の外周面上に吸音材が接触配置されていることで、収容体内に導入される水素ガスの排気音(具体的には、パージ操作時に生ずるパージ音)が、吸音材にて吸収せしめられて、消音乃至は低減せしめられるようになっている。しかも、かかる吸音材にて、空気の流通に伴う空気流通管体の共振が抑制され、以て、この共振抑制に基づく空気の排気音の減衰効果も発揮されるように構成されている。
さらに、そのような従来の処理装置では、収容体における水素ガスの流れの断面積が、水素ガスを導入するガス導入口の開口面積よりも大きくされて、水素ガスが、収容体内で拡散せしめられるようになっており、この収容体内での水素ガスの拡散作用に基づいて、水素ガスの排気音の消音乃至は低減が図られているのである。
ところが、かくの如き水素ガスの希釈機能と排気音の消音機能とを兼備する従来の処理装置にあっては、膨張室が、収容体に隣り合うように設けられているため、装置全体が、不可避的に大きなものとなってしまうといった欠点が存していた。しかも、水素ガスの排気音の消音乃至は低減が、単純な筒体形状を呈する収容体内での水素ガスの拡散作用に基づいて図られているところから、この水素ガスの拡散作用を、より十分に発揮させるためには、収容体内での水素ガスの流れの断面積を、ガス導入口の開口面積の数倍程度にする必要があり、これによっても、装置全体の大型化が避けられないものとなっていた。
また、従来の処理装置では、収容体内に収容された水素ガスが、空気流通管体における収容体内への配置部位に設けられた貫通孔を通じて、空気流通管体部分内に侵入し易いように、空気流通管体の外周面上に接触配置された吸音材における貫通孔との対応部位に、かかる部位を貫通する透孔が設けられている。そのため、空気流通管体を流通せしめられる空気の排気音を吸音材にて十分に吸収させることが出来ず、従って、空気の排気音の消音効果を十分に得ることが、極めて困難であったのである。
特開2004−127666号公報 特開2005−11640号公報
ここにおいて、本発明は、上述せる如き事情を背景にして為された者であって、その解決課題とするところは、アノード電極側から排出される水素ガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈することが出来、しかも、それら水素ガスと空気の排気音を、コンパクトな構造において、より高いレベルで消音乃至は低減し得る燃料電池の排出ガス処理装置を提供することにある。
そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、その要旨とするところは、燃料電池のアノード電極側から排出される水素ガスを、ガス導入口を通じて内部に導入して収容する収容体を有すると共に、カソード電極側から排出される空気が内部に流通せしめられて、一端部において大気中に開口する空気流通管体が、該収容体内を横切るように、該収容体を貫通して配設され、更に、該空気流通管体のうちの該収容体内に位置せしめられる部分に、かかる空気流通管体部分を貫通する貫通孔と、該空気流通管体部分を延出方向において分割して不連続と為す不連続部のうちの少なくとも何れか一方からなるガス侵入部が設けられて、該収容体内に収容された前記水素ガスが、該ガス侵入部を通じて該空気流通管体内に侵入し、該空気流通管体内を流通せしめられる前記空気に混入せしめられることにより、該水素ガスが、該空気にて希釈されて、該空気と共に該空気流通管体の前記一端側開口部から大気中に排出せしめられるように構成した燃料電池の排出ガス処理装置において、前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分のうち、前記ガス侵入部の形成部位よりも前記空気の流通方向上流側の部位に、かかる部位を貫通する透孔を複数設けると共に、該空気流通管体部分における少なくとも該複数の透孔の形成部位の外周面に対して、吸音材を、該複数の透孔の全てを塞ぐように接触配置し、更に、該収容体内で前記ガス導入口側から該空気流通管体部分の前記ガス侵入部側に向かって流動せしめられる前記水素ガスの流れの断面積が、該ガス導入口の開口面積よりも大なる大きさとされることにより、該水素ガスが拡散しつつ流動せしめられるようにした拡散空間を、該収容体内に、該水素ガスの流動方向に所定距離を隔てて少なくとも2個所設ける一方、該水素ガスの流動方向に隣り合う該拡散空間同士の間に、該水素ガスの流れの断面積が、該拡散空間の断面積よりも小さくされることにより、該拡散空間にて拡散せしめられた該水素ガスが絞られつつ流動せしめられるようにした絞り空間を、該収容体に対して、その外周面において開口する凹部を設けることによって形成したことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置にある。
この本発明に従う燃料電池の排出ガス処理装置にあっては、従来装置と同様な水素ガスの希釈構造を有している。即ち、アノード電極側から排出される水素ガスが収容体内に一旦収容され、そして、収容体を貫通して延びる空気流通管体内に、ガス侵入部を通じて侵入せしめられることにより、空気流通管体内を流通するカソード電極側からの排出空気に混入せしめられて、希釈され、以て、かかる空気と共に大気中に安全に排出され得るようになっている。
そして、かかる排出ガス処理装置においては、特に、収容体内に配置される空気流通管体部分に複数の透孔が設けられると共に、この空気流通管体部分の外周面に対して、吸音材が、それら複数の透孔を塞ぐようにして接触配置されているところから、空気流通管体内を流通せしめられる空気の排気音が、複数の透孔を通じて、吸音材に伝達され、それによって、十分に且つ確実に消音乃至は低減せしめられ得るようになっている。しかも、複数の透孔が、空気流通管体部分におけるガス侵入部よりも空気流通方向上流側に設けられているため、空気流通管体部分におけるガス侵入部の形成部位に空気が到達するまでに、空気の排気音が十分に消音乃至は低減せしめられ得るようになる。それ故、たとえガス侵入部に対して、それを塞ぐように吸音材が設けられていなくとも、空気の排気音が、ガス侵入部を通じて漏れ出すようなことも、未然に防止され得る。
そして、このように、本発明に係る処理装置では、空気の排気音が、収容体内に位置せしめられる空気流通管体部分に接触配置された吸音材にて十分に且つ確実に消音乃至は低減せしめられ得るところから、従来装置とは異なって、空気流通管体の途中に、空気の拡散作用に基づく排気音の消音効果を得るための膨張室等を、敢えて、収容体とは別個に設ける必要がなく、従って、そのような膨張室の設置に伴う装置全体の大型化が極めて効果的に解消され得ることとなる。また、かかる吸音材は、収容体内に導入される水素ガスの排気音に対しても、吸音効果を有効に発揮する。
さらに、本発明に従う燃料電池の排出ガス処理装置にあっては、収容体内における水素ガスの流動方向に所定距離を隔てた少なくとも2個所に拡散空間が設けられると共に、それらの拡散空間の隣り合うもの同士の間に絞り空間が設けられているところから、ガス導入口を通じて収容体内に導入された水素ガスが、空気流通管体部分のガス侵入部に到達するまでの間に、ガス導入口から拡散空間内に導入されたときと、絞り空間から拡散空間内に流動せしめられたときの少なくとも2回に亘って拡散せしめられようになっており、そして、そのような水素ガスの少なくとも2回の拡散作用にて、水素ガスの排気音が有利に消音乃至は低減せしめられ得ることとなる。
そして、このような本発明装置では、少なくとも2回の拡散作用に基づいて、水素ガスの排気音の消音乃至は低減が図られているため、例えば、収容体が単純な筒形状とされて、ガス導入口から拡散空間内に導入されたときの1回のみの拡散作用で、水素ガスの排気音(パージ音)の消音を図るようにした従来装置に比して、1個の拡散空間における水素ガスの流れの断面積が可及的に小さく為され得、それによって、収容体、ひいては装置全体のコンパクト化が有利に実現され得る。
しかも、かかる本発明の処理装置においては、収容体内の絞り空間が、収容体の外周面に凹部が設けられることによって形成されているところから、収容体、ひいては装置全体の更なるコンパクト化がより効果的に達成され得るだけでなく、例えば、周囲に各種の部材等が存在する限られたスペース内に処理装置を設置する必要がある場合にあっても、収容体の凹部を有効に利用することで、かかる制限されたスペース内に、良好且つ確実に設置することが可能となる。
従って、かくの如き本発明に従う燃料電池の排出ガス処理装置にあっては、アノード電極側から排出される水素ガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈することが出来、しかも、それら水素ガスと空気の排気音を、よりコンパクトな構造において、更に一層高いレベルで消音乃至は低減することが可能となる。
また、このような本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置においては、収容体に形成される拡散空間と絞り空間の形成個数や形成位置等を適宜に変更することで、水素ガスの消音性能を任意に変更することが出来、また、水素ガスの十分な消音性能を維持しつつ、収容体の外形形状の変更も可能となる。従って、所定の設置個所に対して、その設置スペースの大きさや形状、或いは周囲に存在する部材等による制限を可及的に回避しつつ、消音性能を損なうことなく、安定的且つ確実に設置され得ると共に、要求される消音性能の変更に対しても、迅速且つスムーズに対応出来るといった極めて優れた数々の利点が得られることとなる。
発明の態様
ところで、本発明は、少なくとも、以下に列挙する如き各種の態様において、好適に実施され得るものである。
(1) 燃料電池のアノード電極側から排出される水素ガスを、ガス導入口を通じて内部に導入して収容する収容体を有すると共に、カソード電極側から排出される空気が内部に流通せしめられて、一端部において大気中に開口する空気流通管体が、該収容体内を横切るように、該収容体を貫通して配設され、更に、該空気流通管体のうちの該収容体内に位置せしめられる部分に、かかる空気流通管体部分を貫通する貫通孔と、該空気流通管体部分を延出方向において分割して不連続と為す不連続部のうちの少なくとも何れか一方からなるガス侵入部が設けられて、該収容体内に収容された前記水素ガスが、該ガス侵入部を通じて該空気流通管体内に侵入し、該空気流通管体内を流通せしめられる前記空気に混入せしめられることにより、該水素ガスが、該空気にて希釈されて、該空気と共に該空気流通管体の前記一端側開口部から大気中に排出せしめられるように構成した燃料電池の排出ガス処理装置において、前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分のうち、前記ガス侵入部の形成部位よりも前記空気の流通方向上流側の部位に、かかる部位を貫通する透孔を複数設けると共に、該空気流通管体部分における少なくとも該複数の透孔の形成部位の外周面に対して、吸音材を、該複数の透孔の全てを塞ぐように接触配置し、更に、該収容体内で前記ガス導入口側から該空気流通管体部分の前記ガス侵入部側に向かって流動せしめられる前記水素ガスの流れの断面積が、該ガス導入口の開口面積よりも大なる大きさとされることにより、該水素ガスが拡散しつつ流動せしめられるようにした拡散空間を、該収容体内に、該水素ガスの流動方向に所定距離を隔てて少なくとも2個所設ける一方、該水素ガスの流動方向に隣り合う該拡散空間同士の間に、該水素ガスの流れの断面積が、該拡散空間の断面積よりも小さくされることにより、該拡散空間にて拡散せしめられた該水素ガスが絞られつつ流動せしめられるようにした絞り空間を、該収容体に対して、その外周面において開口する凹部を設けることによって形成したことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
(2) 上記せる態様(1)において、前記ガス侵入部が、前記貫通孔のみにて構成されていること。この本態様によれば、例えば、ガス侵入部が、収容体内に配置される空気流通管体部分を延出方向において分割して不連続と為す不連続部を含んで構成される場合とは異なって、空気流通管体を収容体内に挿通してから、収容体の内部でガス侵入部を形成するのではなく、空気流通管体を収容体内に挿通する前に、空気流通管体に対してガス侵入部を予め形成しておくことが出来る。これによって、ガス侵入部の形成が容易となり、以て、装置全体の製作性の向上が有利に高められ得ることとなる。
(3) 上記せる態様(1)又は態様(2)において、前記吸音材が、通気性を有していること。この本態様によれば、収容体内に収容された水素ガスが吸音材を透過せしめられるようになるため、水素ガスの排気音が、吸音材によって更に効果的に消音乃至は低減せしめられ得る。
(4) 上記せる態様(1)において、前記ガス侵入部が、前記貫通孔のみにて構成されると共に、前記吸音材が、通気性を有し、且つ該貫通孔からなる該ガス侵入部と前記透孔の全てを塞ぐように、前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分の外周面に接触配置されていること。このような本態様においては、空気流通管体内を流通する空気の排気音が、収容体内に直接に漏れ出すことなく、収容体内において、貫通孔と透孔の全てのものを通じて、吸音材に伝達されるようになり、それによって、空気の排気音が、更に一層効果的に消音乃至は低減せしめられ得ることとなる。
(5) 上記せる態様(1)において、前記吸音材が、非通気性を有して構成されるか、若しくは通気性を有する該吸音材の前記収容体内への露呈部位が、非通気性の被覆材にて被覆されて構成されていること。この本態様によれば、アノード電極側から水素ガスと共に排出される水蒸気が、吸音材に侵入し、それが液化して更に凍結することにより、吸音材の吸音機能が阻害されて、空気や水素ガスの排気音の消音効果が低下乃至は消失せしめられるようなことが未然に防止され得る。しかも、例えば、ガス侵入部を構成する貫通孔を塞ぐようにして、吸音材が配置されている場合には、そのような貫通孔を通じての空気流通管体内への水素ガスの侵入が、吸音材に侵入した水蒸気の凍結によって阻害されて、水素ガスの希釈機能が低下乃至は消失せしめられることも、有利に阻止され得る。
(6) 上記せる態様(5)において、前記ガス侵入部が、前記不連続部のみにて構成されていること。この本態様によれば、収容体内に収容される水素ガスが、収容体内に配置される空気流通管体部分に設けられた透孔を通じて空気流通管体内に侵入することが阻止されて、不連続部のみを通じて空気流通管体内に侵入せしめられて、空気流通管体内の空気にて希釈されるようになる。そのため、例えば、ガス侵入部が、不連続部と、収容体内に配置される空気流通管体部分に設けられた貫通孔とにて構成される場合や、通気性を有する吸音材にて塞がれた貫通孔のみにて構成される場合とは異なって、貫通孔の開口面積や個数、更にはそれに加えて吸音材の通気性に大きく影響する吸音材の厚さや密度等を何等考慮することなく、不連続部の大きさをチューニングするだけで、空気流通管体内への水素ガスの侵入量を所望の量に為すことが出来、以て、水素ガスの希釈率を目標値にするための設計が、極めて容易となる。
(7) 上記せる態様(1)乃至態様(6)のうちの何れか一つにおいて、前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分のうちの少なくとも一部に、該空気流通管体部分内を流通せしめられる前記空気の流れの断面積が、該空気流通管体部分の該少なくとも一部よりも該空気の流通方向上流側の部位に比して大きくされた膨大部が設けられて、該空気が、該膨大部内で拡散せしめられるようになっていること。この本態様によれば、膨大部において、空気の拡散作用に基づく空気の排気音の消音乃至は低減効果が有利に得られることとなる。なお、本態様においても、吸音材による空気の排気音の消音乃至は低減効果が有利に発揮され得るようになっているため、空気流通管体に設けられる膨大部は、従来装置に設けられる前記膨張室よりも十分に小さく為され得る。
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
先ず、図1乃至図3には、本発明に従う構造を有する、燃料電池車に装着された燃料電池の排出ガス処理装置の一実施形態が、その正面形態と縦断面形態と横断面形態とにおいて、それぞれ概略的に示されている。それらの図において、10は、金属製又は樹脂製の装置本体であって、全体として、両側有底の略円筒形状を呈している。
すなわち、この装置本体10は、燃料電池車への装着状態下で、車両の前後方向(図2における左右方向)に延びる、略円筒状の筒壁部12と、かかる筒壁部12の前方側開口部(図2における左側の開口部)と後方側開口部(図2における右側の開口部)をそれぞれ閉塞する、円板状の前側底部14と後側底部16とを一体的に有して、構成されている。なお、以下からは、本実施形態に係る排出ガス処理装置の構造の理解を容易とするために、便宜上、前側底部14の側を前方側と言い、また、後側底部16の側を後方側と言うこととする。
そして、このような装置本体10にあっては、内周面と前側及び後側底部14,16の互いに対向するそれぞれの内面とにて囲まれた内側空間が、外部から密閉された、十分に大きな容積を有する収容空間18とされている。また、かかる装置本体10の前側底部14においては、中心を挟んだ上部側部位と下部側部位とに対して、径の小さな円形状のガス導入口20と、径の大なる円形状の挿通孔22とが、それぞれ、前側底部14を貫通して、形成されている。一方、後側底部16には、前側底部14の挿通孔22の形成位置と前後方向において対応する位置に、挿通孔22と同一の径を有する円形状のガス排出口24が、挿通孔22と同軸上において、後側底部16を貫通して形成されている。
そして、この後側底部16に設けられたガス排出口24には、ガス排出管25が、挿通されて、接続されている。なお、図示されてはいないものの、このガス排出管25は、ガス排出口24への接続側とは反対の後方側端部において、大気中に開口せしめられており、これによって、装置本体10の収容空間18が、かかるガス排出口24とガス排出管25とを通じて、大気中に連通せしめられている。なお、ここでは、ガス排出管25が、ガス排出口24への挿通状態下で、例えば接着や溶接等により後側底部16に接合されて、接続されていることによって、ガス排出管25の外周面とガス排出口24の内周面との間の気密性が保持されるようになっている。
また、前側底部14の上部部位に設けられたガス導入口20には、アノード側排気管26が、接続されている。このアノード側排気管26は、図示しない燃料電池のアノード電極側から延出せしめられており、そこからパージ操作により排出される水素ガスが間欠的に流通せしめられるようになっている。そして、このアノード側排気管26は、その先端部がガス導入口20に挿入された状態下で、例えば接着や溶接等により、前側底部14に接合されて、接続されていることで、アノード側排気管26の外周面とガス導入口20の内周面との間の気密性が保持されるようになっている。かくして、燃料電池のアノード電極側からパージ操作にて間欠的に排出される水素ガスの全量が、ガス導入口20を通じて装置本体10の収容空間18内に導かれて、収容されるようになっている。このことから明らかなように、本実施形態では、装置本体10にて、収容体が構成されている。
さらに、前側底部14の下部部位に設けられた挿通孔22には、カソード側排気管28が、挿通せしめられて、所定長さにおいて、装置本体10の収容空間18内に突入せしめられている。このカソード側排気管28は、アノード側排気管26よりも十分に大きく、且つ前記ガス排出管25と同一の内径を有し、図示しない燃料電池のカソード電極側から排出される空気が、アノード電極側から排出される水素ガスよりも十分に大なる量において、常時、内部に流通せしめられるようになっている。なお、かかるカソード側排気管28にあっても、挿通孔22への挿通状態下で、装置本体10の前側底部14に対して、例えば接着や溶接等により一体的に接合されていることで、それらカソード側排気管28の外周面と挿通孔22の内周面との間の気密性が確保されている。
そして、そのようなカソード側排気管28においては、収容空間18内への突入部位29が、後側底部16に設けられたガス排出口24に向かって、その同軸上において真っ直ぐに延出せしめられて、先端面を、収容空間18内における後側底部16から前側底部14側に所定距離隔てた個所に位置させた状態で、配置されている。また、かかる突入部位29は、その全体が、突入部位29以外のカソード側排気管28部分と同一の径をもって軸方向に延びる円筒体にて構成されている。
これにより、かかるカソード側排気管28の先端開口部30が、ガス排出口24に向かって開口せしめられて、カソード側排気管28内を流通せしめられた空気が、先端開口部30からガス排出口24に向かって、常時、真っ直ぐに吹き出されるようになっている。また、装置本体10の収容空間18内におけるカソード側排気管28の先端開口部30とガス排出口24との間に、かかる先端開口部30からガス排出口24に向かって吹き出される空気の流通路となる間隙32が、所定長さをもって形成されている。そうして、カソード側排気管28の先端開口部30から吹き出された空気の全量が、ガス排出口24との間に設けられた間隙32を経て、ガス排出口24に接続されたガス排出管25に流し込まれ、更に、このガス排出管25を通じて、その端部に設けられた大気中への開口部から大気中に排出されるようになっているのである。
すなわち、ここでは、カソード側排気管28とガス排出管25とが、装置本体10の収容空間18内を横切るように、装置本体10を貫通して配設されており、そして、そのようなカソード側排気管28とガス排出管25とによって、カソード電極側から排出される空気が内部を流通せしめられて、一端側開口部において大気中に排出する空気流通管体34が、構成されている。また、収容空間18内において、かかる空気流通管体34を構成するカソード側排気管28とガス排出管25との間に形成されて、カソード側排気管28とガス排出管25との間の空気通路を構成する間隙32が、空気流通管体34の収容空間18内に位置せしめられた部分を、その延出方向において分割して、不連続と為す不連続部36とされている。
かくして、本実施形態の排出ガス処理装置においては、パージ操作によりアノード電極側から排出され、アノード側排気管26内を流通せしめられて、ガス導入口20から収容空間18内に間欠的に導入される水素ガスが、パージ圧によって、図2に矢印にて示されるように、ガス排出口24及び不連続部36に向かって流動せしめられ、そして、この不連続部36内で、ガス排出口24に向かって吹き出される空気に押し込まれるように流入して、混入(混合)せしめられるようになっている。また、不連続部36内が、空気の流動により、不連続部36以外の収容空間18部分よりも低圧とされているため、パージ圧がゼロとなった後においても、収容空間18内に存在する水素ガスが、不連続部36内に吸い込まれ、そこで空気と混合せしめられるように構成されている。
そして、それらの結果として、収容空間18内に導入される水素ガスの全量が、不連続部36内に確実に流入せしめられ、そこで、空気に混入され、希釈されて、空気と共にガス排出口24とガス排出管25とを通じて、大気中に排出され得るようになっているのである。このことから明らかなように、ここでは、不連続部36にて、ガス侵入部が構成されている。
ところで、かくの如き本実施形態の排出ガス処理装置にあっては、特に、ガス排出管25と共に空気流通管体34を構成するカソード側排気管28の収容空間18内への突入部位29の管壁に、多数の透孔38が、形成されている。それらの透孔38は、何れも、円形形状を呈し、カソード側排気管28の突入部位29の管壁を貫通して、カソード側排気管28の内部と外部とを連通せしめる構造を有している。そして、カソード側排気管28の突入部位29の下側部位を除く部分における周方向に略等距離を隔てた個所のそれぞれに、軸方向に互いに等間隔をおいて、1列に並んで位置せしめられている。
また、そのような多数の透孔38が設けられたカソード側排気管28の収容空間18内への突入部位29には、吸音材40が接触位置せしめられている。この吸音材40は、その種類や構造が何等限定されるものではなく、従来から公知のものが何れも使用され得るが、ここでは、例えば、ステンレスウールやグラスウール等の繊維集合体や、内部に連通気泡が多数設けられた連通多孔質体等の通気性を有する材質のものが、用いられている。
そして、かかる吸音材40は、全体として、カソード側排気管28よりも大径の略円柱形状を呈しており、カソード側排気管28の突入部位29における装置本体10の内面との接触部分を除く部分の全外周面を取り巻いて、装置本体10の収容空間18内に位置せしめられている。換言すれば、略円柱状の吸音材40の内部に、カソード側排気管28の突入部位29が埋設された状態とされていると共に、吸音材40が、その外周面の略全面を、収容空間18内に露出せしめた状態とされている。
かくして、本実施形態装置では、カソード側排気管28の突入部位29に設けられた多数の透孔38の全てが、吸音材40にて閉塞せしめられており、それによって、カソード側排気管28内を流通せしめられる空気の排気音、具体的には、例えばカソード側排気管28内を空気が高速で流れる際に発生する流体音や、図示しないコンプレッサを用いて燃料電池に空気を間欠的に供給する際に生ずる脈動音等が、カソード側排気管28の突入部位29に設けられた多数の透孔38を通じて吸音材40に伝達され、そこで消音乃至は低減せしめられるようになっている。
また、そのように、カソード側排気管28の突入部位29に設けられた多数の透孔38の全てが吸音材40にて閉塞せしめられていると共に、吸音材40の円筒面からなる外周面の略全面が収容空間18内に露出せしめられているところから、パージ操作により収容空間18内に間欠的に導入される水素ガスの排気音、具体的には、例えば、パージ操作時に生ずるパージ音も、吸音材40にて、効果的に消音乃至は露呈せしめられるように構成されている。
さらに、吸音材40の収容空間18内への露出面が円筒面とされているため、吸音材40全体の体積が制限される中で、吸音材40の収容空間18内への露出面の面積が可及的に大きく為され、以て、吸音材40による水素ガスの消音乃至は低減効果が、有利に高められている。しかも、吸音材40が通気性を有していることで、収容空間18内に収容された水素ガスが、吸音材40を通過して、多数の透孔38から、空気の流通に基づいて収容空間18内よりも低圧とされたカソード側排気管28内に吸い込まれるようになっており、それ故、この水素ガスが吸音材40を通過するときにも、水素ガスの排気音の消音乃至は低減効果が、良好に発揮されるようになっている。
また、かかる本実施形態装置においては、装置本体10の筒壁部12の軸方向中間部と後側底部16側の端部とに凹部42(42a,42b)が、それぞれ1個ずつ設けられている。そして、それら2個の凹部42a,42b以外の部分、つまり2個の凹部42a,42bに挟まれた軸方向中間部分と筒壁部12の前側底部14側の端部とが、それぞれ凸部44a,44bとされている。なお、各凹部42は、装置本体10の円板状の前側底部14よりも十分に径の小さな円筒状の底壁と、略三日月状の側壁とを有し、且つかかる円筒状底壁が、筒壁部12の中心から下方に所定寸法偏寄した個所に位置せしめられている。
すなわち、換言すれば、ここでは、筒壁部12の各凸部44(44a,44b)の形成部分が、前後方向に延びる大径の円筒体にて構成される一方、筒壁部12の各凹部42の形成部分が、前後方向に延びる小径の円筒体にて構成されている。そして、それら筒壁部12の凸部44形成部分を与える大径の円筒体の2個と、筒壁部12の凹部42形成部分を与える小径の円筒体の2個とが、小径の円筒体を大径の円筒体の中心よりも下方に偏寄させて配し且つ大径の円筒体を前側にして、相互に連通せしめられた状態で、前後方向に交互に並んで位置せしめられて、一体化されており、以て、装置本体10が、構成されているのである。
これによって、ガス導入口20を通じて水素ガスが導入される装置本体10の収容空間18のうち、筒壁部12の各凸部44形成部分を与える大径円筒体の内側に位置する部分が、ガス導入口20の開口面積よりも大なる大きさの水素ガスの流れの断面積を有する拡散空間46(46a,46b)とされている一方、筒壁部12の各凹部42形成部分を与える小径円筒体の内側に位置する部分が、かかる拡散空間46よりも小さな水素ガスの流れの断面積を有する絞り空間48(48a,48b)とされている。なお、この絞り空間48における水素ガスの流れの断面積は、望ましくは、ガス導入口20の開口面積と同程度の大きさとされる。
そうして、ここでは、装置本体10内に、2個の拡散空間46a,46bが、前後方向に所定距離を隔てて位置せしめられて形成されており、また、2個の絞り空間48a,48bが、それら2個の拡散空間46a,46bの間と、後方側に位置する拡散空間46bの更に後方側とに、それぞれ位置せしめられて形成され、それら2個の拡散空間46a,46bと2個の絞り空間48a,48bとが、相互に連通せしめられている。
かくして、本実施形態においては、ガス導入口20を通じて、装置本体10の収容空間18内に導入された水素ガスが、前側拡散空間46aと前側絞り空間48aと後側拡散空間46bと後側絞り空間48bのそれぞれを、その順番で流動せしめられて、前記不連続部36にまで達するようになっている。そして、かかる水素ガスが、そのような収容空間18内での流動時に、先ず、前側拡散空間46a内で拡散せしめられた後、前側絞り空間48aで絞られ、更にその後、後側拡散空間46b内で拡散せしめられるようになる。これによって、水素ガスの有する、パージ圧に基づく圧力エネルギーが、前側及び後側拡散空間46a,46b内での二段階に亘る拡散作用にて低下せしめられ、以て、水素ガスの排気音(パージ音等)が、効果的に消音乃至は低減せしめられることとなる。
このように、本実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置にあっては、装置本体10の収容空間18内に導入された水素ガスが、不連続部36を通じて、空気流通管体34内に侵入し、そこで空気に混入せしめられて、希釈されるようになっており、以て、アノード電極側から排出される水素ガスを、空気流通管体34の大気中への開口部から、大気中に安全に排出させることが可能となっている。
そして、かかる排出ガス処理装置においては、特に、空気流通管体34におけるカソード側排気管28の収容空間18内への突入部位29に対して、そこ設けられた多数の透孔38を塞ぐように接触配置された吸音材40により、カソード側排気管28内を流通する空気の排気音が、効果的に消音乃至は低減せしめられ得るようになっている。また、収容空間18内に導入される水素ガスの排気音も、かかる吸音材40による吸音作用と、収容空間18に設けられた2個の拡散空間46a,46b内での水素ガスの拡散作用とによって、有利に消音乃至は低減せしめられ得るようになっている。
従って、かくの如き本実施形態の排出ガス処理装置にあっては、アノード電極側から排出される水素ガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈することが出来、しかも、それら水素ガスと空気の排気音を、更に一層高いレベルで消音乃至は低減することが可能となる。
しかも、かかる排出ガス処理装置においては、空気と水素ガスの排気音を吸収する吸音材40が、装置本体10(収容空間18)内に位置せしめられていると共に、水素ガスの2回に亘る拡散作用に基づく水素ガス排気音の消音効果を、より高レベルに発揮せしめる2個の拡散空間46a,46bが、装置本体10の筒壁部12に、2個の凹部42a,42bが設けられることによって形成されているところから、上記の如き水素ガスと空気のそれぞれの排気音の消音乃至は低減が、装置本体10ひいては装置全体のコンパクト化を実現しつつ、有利に達成され得る。そして、それによって、排出ガス処理装置の設置スペースが限られた狭いものであっても、有利に設置され得るのであり、また、装置本体10の筒壁部12に設けられた凹部42を有効に利用することで、装置全体の設置自由度が、更に効果的に高められ得ることとなる。
また、本実施形態装置では、装置本体10の筒壁部12に形成される凸部44や凹部42の位置を変更して、それら凸部44や凹部42に対応して形成される拡散空間46と絞り空間48の形成個数や形成位置等を適宜に変更すれば、水素ガスの消音性能を任意に変更することが出来、また、水素ガスの十分な消音性能を維持しつつ、装置本体10の外形形状の変更も可能となる。従って、様々な形状や大きさの設置スペースに対して、水素ガスの消音性能を損なうことなく、安定的且つ確実に設置され得ると共に、要求される消音性能の変更に対しても、迅速且つスムーズに対応出来るといった極めて優れた数々の利点が得られることとなる。
以上、本発明の具体的な構成について詳述してきたが、これはあくまでも例示に過ぎないのであって、本発明は、上記の記載によって、何等の制約を受けるものではない。
例えば、前記実施形態では、装置本体10の挿通孔22を通じて、先端部分が収容空間18内に突入位置せしめられたカソード側排気管28と、装置本体10のガス排出口24に接続されたガス排出管25とにて、カソード電極側からの排出空気が流通せしめられる空気流通管体34が構成されていたが、かかる空気流通管体34の構造は、何等これに限定されるものではない。
すなわち、例えば、図4に示されるように、カソード電極側から延びるカソード側排気管28を、装置本体10の挿通孔22とガス排出口24とを通じて、装置本体10(収容空間18)内を横切るように貫通して配置すると共に、カソード電極側とは反対側の端部において、大気中に開口せしめることにより、かかるカソード側排気管28のみにて、空気流通管体を構成しても良い。
そして、この場合には、カソード側排気管28における装置本体10内への突入部位29に、その全長に亘って、多数の透孔38が、周方向と軸方向とに互いに所定の間隔をおいて穿設される。また、かかるカソード側排気管28の突入部位29のうち、空気流通方向下流側の一部を除く部分の外周面上に、かかる部分に設けられた透孔38の全てを塞ぐようにして、吸音材40が、接触配置される。
かくして、本実施形態装置においては、カソード側排気管28の突入部位29のうち、空気流通方向下流側の一部が、その外周面を装置本体10の収容空間18内に露呈せしめた状態とされ、また、かかる露呈部分に設けられた複数の透孔38が、収容空間18内に向かって開口せしめられる。そして、それにより、かかる収容空間18内に向かって開口せしめられた複数の透孔38を通じて、収容空間18内に導入された水素ガスが、カソード側排気管28内に侵入し、その内部を流通する空気に混入せしめられて、希釈され、以て、カソード側排気管28の大気中に開口する開口部から、空気と共に大気中に排出されるようになる。
このことから明らかなように、ここでは、カソード側排気管28の突入部位29のうちの収容空間18内への露呈部分に設けられた複数の透孔38のそれぞれにて、ガス侵入部としての貫通孔が構成されている。なお、図4に示された本実施形態の説明に関しては、図1乃至図3に示された前記実施形態と同様な構造とされた部材及び部位について、図1乃至図3と同一の符号を付すことにより、その詳細な説明が省略されていることが、理解されるべきである。
また、空気流通管体がカソード側排気管28のみにて構成されると共に、ガス侵入部が、かかるカソード側排気管28の収容空間18内への突入部位29の空気流通方向下流側部分に設けられた透孔38(貫通孔)にて構成される場合には、通気性を有する吸音材40を、かかるガス侵入部としての透孔38を含む、カソード側排気管28の突入部位29に設けられた全ての透孔38を塞ぐようにして、かかる突入部位の外周面の全面に接触位置せしめるようにしても良い。
これによって、全ての透孔38から漏れ出した空気の排気音が、吸音材40にて、より効果的に吸音乃至は低減せしめられ得る。また、ガス侵入部としての透孔38を通じて、収容空間18内の水素ガスがカソード側排気管28内に侵入せしめられる際に、かかる水素ガスが吸音材40を通過せしめられるようになり、それによって、水素ガスの排気音も、吸音材40にて、有利に吸音乃至は低減せしめられ得る。従って、空気と水素ガスの排気音の吸音乃至は低減効果が、更に一層高いレベルで奏され得ることとなる。
さらに、空気流通管体を、ガス排出管25と、装置本体10の収容空間18内に突入せしめられた突入部位29を先端部に有するカソード側排気管28とにて構成すると共に、収容空間18内におけるカソード側排気管28の突入部位29とガス排出管25との間に不連続部36を設け、更に、かかる突入部位29における空気流通方向下流側部分に、水素ガスをカソード側排気管28内に侵入させるための貫通孔とを設けて、それら不連続部36と貫通孔とにて、ガス侵入部を構成することも、勿論可能である。
また、前記実施形態では、通気性を有する吸音材40が用いられていたが、内部に独立気泡を有する非連通多孔質体等の非通気性のもの、或いは通気性を有する公知の吸音材40におけるカソード側排気管28との接触面を除く表面の全体に、ポリエチレン樹脂等の合成樹脂材料等からなる非通気性の薄いシートが貼り付けられる等して、カソード側排気管28との接触面を除く表面の全体が非通気性とされたもの等も、吸音材40として、使用可能である。
このような吸音材40を用いれば、アノード電極側から水素ガスと共に排出される水蒸気が、吸音材40に侵入し、それが液化して更に凍結することに起因して、吸音材の吸音機能が低下されることが未然に防止され得る。しかも、例えば、ガス侵入部を構成する貫通孔(透孔38)を塞ぐようにして、吸音材40が配置されている場合には、そのような貫通孔を通じての空気流通管体34内への水素ガスの侵入が、吸音材40に侵入した水蒸気の凍結によって阻害されて、水素ガスの希釈機能が低下乃至は消失せしめられることも、有利に阻止され得る。
また、特に、上記の如き非通気性の材質からなる吸音材40や、非通気性のシート等が貼り付けられる等して非通気性とされた吸音材40等が用いられて、ガス侵入部が不連続部36のみにて構成されている場合には、装置本体10の収容空間18内の水素ガスが、不連続部36のみを通じて空気流通管体34内に侵入せしめられて、希釈されるようになるため、例えば、ガス侵入部が、不連続部36と、空気流通管体34の収容空間18内への突入部位29に設けられた貫通孔(透孔38)とにて構成される場合や、通気性を有する吸音材40にて塞がれた貫通孔のみにて構成される場合とは異なって、貫通孔の開口面積や個数、更にはそれに加えて吸音材40の通気性に大きく影響する吸音材40の厚さや密度等を何等考慮することなく、不連続部36の大きさをチューニングするだけで、空気流通管体34内への水素ガスの侵入量を所望の量に為すことが出来、以て、水素ガスの希釈率を目標値にするための設計が、極めて容易となる。
さらに、前記実施形態では、空気流通管体34を構成するカソード側排気管28の収容空間18内への突入部位29の全体が、かかる突入部位29以外のカソード側排気管28部分と同一の径をもって軸方向に延びる円筒体にて構成されていたが、例えば、図5に示される如く、かかる突入部位29の少なくとも一部に、それ以外の部位よりも空気の流れの断面積が大なる大きさとされることにより、空気が拡散しつつ流通せしめられるようにした膨大部50を設けてもよい。
これにより、膨大部50において、空気の拡散作用に基づく空気の排気音の消音乃至は低減効果が有利に得られることとなる。なお、このような膨大部50を設ける場合にあっても、吸音材40による空気の排気音の消音機能が発揮されるようになっているため、かかる膨大部50の大きさは、従来装置において、同様な効果を期待して設けられる膨張室等の大きさよりも十分に小さく為され得て、装置全体のコンパクト化の要求が、有利に満たされ得る。
更にまた、装置本体10の筒壁部12に設けられる凹部42や凸部44の形成個数や形成位置は、要求される水素ガスの消音性能に応じて、収容空間18内に、拡散空間46と絞り空間48とが必要なだけ形成されるように、適宜に変更され得るものである。また、それら拡散空間46と絞り空間48のそれぞれにおける水素の流れの断面積も、必要に応じて、種々変更され得る。
さらに、カソード側排気管28の突入部位29に設けられる透孔38の形状や大きさ、或いは形成位置や形成個数等は、例示のものに、特に限定されるものではない。
加えて、本発明は、燃料電池車に装着された燃料電池の排出ガス処理装置の他、各種の用途に使用される燃料電池の排出ガス処理装置の何れに対しても、同様に適用可能であることは、勿論である。
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。
本発明に従う燃料電池の排出ガス処理装置の一実施形態を示す正面説明図であって、図2におけるI矢視に相当する図である。 図1におけるII−II断面説明図である。 図2におけるIII−III断面説明図である。 本発明に従う燃料電池の排出ガス処理装置の別の実施形態を示す図2に対応する図である。 本発明に従う燃料電池の排出ガス処理装置の更に別の実施形態を示す図2に対応する図である。
符号の説明
10 装置本体 18 収容空間
20 ガス導入口 24 ガス排出口
25 ガス排気管 26 アノード側排気管
28 カソード側排気管 29 突入部位
34 空気流通管体 36 不連続部
38 透孔 40 吸音材
42 凹部 44 凸部
46 拡散空間 48 絞り空間

Claims (7)

  1. 燃料電池のアノード電極側から排出される水素ガスを、ガス導入口を通じて内部に導入して収容する収容体を有すると共に、カソード電極側から排出される空気が内部に流通せしめられて、一端部において大気中に開口する空気流通管体が、該収容体内を横切るように、該収容体を貫通して配設され、更に、該空気流通管体のうちの該収容体内に位置せしめられる部分に、かかる空気流通管体部分を貫通する貫通孔と、該空気流通管体部分を延出方向において分割して不連続と為す不連続部のうちの少なくとも何れか一方からなるガス侵入部が設けられて、該収容体内に収容された前記水素ガスが、該ガス侵入部を通じて該空気流通管体内に侵入し、該空気流通管体内を流通せしめられる前記空気に混入せしめられることにより、該水素ガスが、該空気にて希釈されて、該空気と共に該空気流通管体の前記一端側開口部から大気中に排出せしめられるように構成した燃料電池の排出ガス処理装置において、
    前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分のうち、前記ガス侵入部の形成部位よりも前記空気の流通方向上流側の部位に、かかる部位を貫通する透孔を複数設けると共に、該空気流通管体部分における少なくとも該複数の透孔の形成部位の外周面に対して、吸音材を、該複数の透孔の全てを塞ぐように接触配置し、更に、該収容体内で前記ガス導入口側から該空気流通管体部分の前記ガス侵入部側に向かって流動せしめられる前記水素ガスの流れの断面積が、該ガス導入口の開口面積よりも大なる大きさとされることにより、該水素ガスが拡散しつつ流動せしめられるようにした拡散空間を、該収容体内に、該水素ガスの流動方向に所定距離を隔てて少なくとも2個所設ける一方、該水素ガスの流動方向に隣り合う該拡散空間同士の間に、該水素ガスの流れの断面積が、該拡散空間の断面積よりも小さくされることにより、該拡散空間にて拡散せしめられた該水素ガスが絞られつつ流動せしめられるようにした絞り空間を、該収容体に対して、その外周面において開口する凹部を設けることによって形成したことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
  2. 前記ガス侵入部が、前記貫通孔のみにて構成されている請求項1に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
  3. 前記吸音材が、通気性を有している請求項1又は請求項2に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
  4. 前記ガス侵入部が、前記貫通孔のみにて構成されると共に、前記吸音材が、通気性を有し、且つ該貫通孔からなる該ガス侵入部と前記透孔の全てを塞ぐように、前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分の外周面に接触配置されている請求項1に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
  5. 前記吸音材が、非通気性を有して構成されるか、若しくは通気性を有する該吸音材の前記収容体内への露呈部位が、非通気性の被覆材にて被覆されて構成されている請求項1に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
  6. 前記ガス侵入部が、前記不連続部のみにて構成されている請求項5に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
  7. 前記収容体内に位置せしめられた前記空気流通管体部分のうちの少なくとも一部に、該空気流通管体部分内を流通せしめられる前記空気の流れの断面積が、該空気流通管体部分の該少なくとも一部よりも該空気の流通方向上流側の部位に比して大きくされた膨大部が設けられて、該空気が、該膨大部内で拡散せしめられるようになっている請求項1乃至請求項6のうちの何れか1項に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
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