JP2009176481A - 燃料電池自動車の消音器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池自動車のサイレンサを小型化する。
【解決手段】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５０であって、排気ガスが流通する排気ガス通路の途中に設けられ、筒状の消音室５６と、排気ガスを消音室５６に導入する導入管５１と、消音室５６から排気ガスを排出する排出管５２とを備え、消音室５６には、消音室５６の軸線と平行に形成された開口面積の小さい小通路５８を多数有する整流器５７が設けられ、消音室５６は、導入管５１および排出管５２と下面を共通にし、且つ断面が導入管５１および排出管５２から少なくとも鉛直方向上方に偏位するように拡張している。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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ハウジングに貫通して設置し、筒体とハウジングの間に形成される膨張室にグラスウール等の吸音材を充填し、筒体には膨張室に開口する多数の小穴を設けて構成されている（例えば、特許文献１，２参照） 。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膨張室に流入し、膨張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。
特開２００７−６４１８８号公報 特開２００４−３９４６２号公報

しかしながら、従来の燃料電池自動車の消音器は、吸音材による音響エネルギーの減衰作用によって消音しているので、所望の消音効果を得るためにはかなり大きい容量の吸音材が必要となり、膨張室を大きくせざるを得なかった。これは、搭載スペースが限られている燃料電池自動車にとって不利であり、消音器の小型化の要望があった。

そこで、この発明は、燃料電池自動車への搭載性に優れた小型の消音器を提供するものである。

この発明に係る燃料電池自動車の消音器では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、車両に搭載した燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）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（例えば、後述する実施例におけるサイレンサ５０）であって、前記排気ガスが流通する排気ガス通路（例えば、後述する実施例における排出ガス流路３５）の途中に設けられ、筒状の消音室（例えば、後述する実施例における消音室５６）と、前記排気ガスを前記消音室に導入する導入管（例えば、後述する実施例における導入管５１）と、前記消音室から前記排気ガスを排出する排出管（例えば、後述する実施例における排出管５２）とを備え、前記消音室には、該消音室の軸線と平行に形成された開口面積の小さい小通路（例えば、後述する実施例における小通路５８）を多数有する整流部材（例えば、後述する実施例における整流器５７）が設けられていることを特徴とする燃料電池自動車の消音器である。
燃料電池から排出される排気ガスは脈動がなく、殆ど定常流とみなすことができ、燃料電池１の排気ガスの排気音は乱流による気流音が殆どであり、気流音は整流することにより低減することができる。ここで、整流部材の小通路には整流作用があり、排気ガスを小通路に通過させることにより排気ガスは整流され、排気ガスの気流音を低減することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記消音室は、前記導入管および前記排出管と下面を共通にし、且つ断面が前記導入管および前記排出管から少なくとも鉛直方向上方に偏位するように拡張していることを特徴とする。
このように構成したことにより、消音室内の下寄りの部分の小通路に水が溜まり凍結し閉塞しても、消音室内の上寄りの部分の小通路は水が溜まらず凍結せず閉塞しないので、消音室内の上寄りの部分において排気ガスの通路を十分に確保することができる。

請求項１に係る発明によれば、小通路の整流作用により燃料電池から排出される排気ガスの気流音を低減し、消音することができる。サイレンサに膨張室や吸音材が不要になるので、サイレンサの小型化を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、たとえ消音室内の下寄りの部分で水が凍結しても、消音室内の上寄りの部分において排気ガスの通路を十分に確保することができるので、背圧が上がって排気ガスが流れ難くなって燃料電池の発電量が低減したり、排気ガスの通路が閉塞して燃料電池が発電不能になることがなく、十分な発電量を確保することができる。

以下、この発明に係る燃料電池自動車の消音器の実施例を図１から図５の図面を参照して説明する。
実施例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充電するバッテリーとを搭載し、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走行する燃料電池自動車である。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。

図５を参照して、燃料電池自動車に搭載された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、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おり、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て、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、図１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。

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を通って希釈器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。

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。

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。

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を介して希釈器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。

希釈器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器１７から排出ガス流路３５を介して大気に排出される。

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サイレンサ（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３９が設置されている。水素ガス検出器３９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。

図１から図３に示すように、サイレンサ５０は、小径円筒状の導入管５１と排出管５２と、導入管５１および排出管５２よりも大径で円筒状の消音管５３と、導入管５１と消音管５３とを接続するテーパ筒状の拡径管５４と、消音管５３と排出管５２とを接続するテーパ筒状の縮径管５５と、を備えて構成されている。図１および図２に示すように、導入管５１、排出管５２、消音管５３、拡径管５４、縮径管５５は下面を共通にしている。

この実施例では、導入管５１と排出管５２は同径である。拡径管５４は長手方向のいずれの位置においても断面が円形で、小径の導入管５１から漸次断面拡張して大径の消音管５３に連なっている。縮径管５５も長手方向のいずれの位置においても断面が円形で、大径の消音管５３から漸次断面縮小して小径の排出管５２に連なっている。消音管５３の内部は消音室５６となっており、つまり、消音室５６は、導入管５１および排出管５２と下面を共通にし、且つ断面が導入管５１および排出管５２から少なくとも鉛直方向上方に偏位するように拡張して形成されている。

導入管５１は排出ガス流路３５の上流側に接続され、希釈器１７から排出された排気ガスを消音室５６に導入する。排出管５２は排出ガス流路３５の下流側に接続され、消音室５６を流通した排気ガスを排出する。

消音室５６には整流器（整流部材）５７が隙間なく設けられている。整流器５７は、軸線を消音管５３の軸線と平行をなして直線状に延ばした極めて開口面積の小さい正方形断面の小通路５８を多数備えて構成されており、所謂ハニカム状をなしている。整流器５７の開口面積Ｓａは、導入管５１および排出管５２の開口面積Ｓｉの２倍あるいはそれ以上に設定されている。

このように構成されたサイレンサ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器１７を介して排出ガス流路３５に排出され、排出ガス流路３５から導入管５１を介してサイレンサ５０に導入される。
図１に示すように、導入管５１から導入された排気ガスは、拡径管５４を介して消音室５６に導入され、消音室５６に設置された整流器５７の中で下寄りに配置された小通路５８を通って縮径管５５に排出され、さらに排出管５２を流通して、排出ガス流路３５の下流側に排出される。なお、排気ガス中に含まれる水分も前記下寄りに配置された小通路５８を通過することができるので、排気ガスとともに排出管５２から排出される。

ここで、燃料電池１の排気ガスの流れ方はコンプレッサ７の運転状態と背圧弁１５の開度によってほぼ決定される。コンプレッサ７は燃料電池１の要求出力によって若干の回転数の変化はあるものの、その変化量は小さい。また、背圧弁１５も燃料電池１の要求出力によって開度調整され、これにより排気ガスの圧力も変化するが、その変化量は小さく、変化速度も緩やかである。つまり、燃料電池１の排気ガスは脈動がなく、殆ど定常流とみなすことができる。

このような燃料電池１の排気ガスの流れの性状から、燃料電池１の排気ガスの排気音は乱流による気流音が殆どであり、気流音は整流することによって低減することができる。このサイレンサ５０の整流器５７の小通路５８には整流作用があり、排気ガスは小通路５８を通過することにより整流されるので、排気ガスの気流音を消音することできる。
ちなみに、内燃機関の場合には爆発に伴う脈動波があり、爆発音（脈動波）を消音するには膨張室や吸音材が必要であって、排気ガスの流れを整流するだけでは消音することはできない。

ところで、このサイレンサ５０では、整流作用を得るために整流器５７を設けているが、整流器５７の小通路５８は開口面積が小さいので、燃料電池１を停止したときに排気ガス中の水滴が前記下寄りに配置された小通路５８内に溜まり易い。また、低温環境下において燃料電池１を停止したときにサイレンサ５０内の排気ガスの水分が凝縮し水滴となって、これが前記下寄りに配置された小通路５８に溜まる場合もある。このように前記下寄りに配置された小通路５８内に水が溜まった状態で氷点下になると、整流器５７の小通路５８は小径であるので水との接触面積が大きく、冷却面積が大きいため、溜まった水が凍結し易く、特に、消音管５３において温度が低くなり易い下部外周面に近い側から凍り始め、下寄りの小通路５８を塞いでしまう。

しかしながら、このサイレンサ５０においては、消音室５６の断面が導入管５１および排出管５２の断面よりも上方に拡張されているので、図２に示すように、消音室５６の整流器５７において下寄りの部分の小通路５８が凍結により閉塞しても、整流器５７において上寄りの部分の小通路５８には水が溜まらないので、凍結して閉塞することもなく開口しており、ここを排気ガスが流通することができる。この場合にも、排気ガスが上寄りの部分の小通路５８を流通することにより、排気ガスは整流され、気流音は消音される。

したがって、例え消音室５６内の下寄りの部分で水が凍結しても、消音室５６内の上寄りの部分において排気ガスの通路を十分に確保することができるので、背圧が上がって排気ガスが流れ難くなって燃料電池１の発電量が低減したり、排気ガスの通路が閉塞して燃料電池１が発電不能になるのを防止することができ、十分な発電量を確保することができる。

このサイレンサ５０では、従来のサイレンサのように膨張室や吸音材を必要としないので、例え整流器５７の開口面積Ｓａを導入管５１および排出管５２の開口面積Ｓｉの２倍に設定しても、同一の消音性能を得る場合で比較すると、従来のものよりも小型にすることができる。例えば、膨張室と吸音材を備えた従来構造のサイレンサでは６リットルの容積が必要だったものが、実施例のサイレンサ５０では２リットル以下の容積で同等の消音性能を得ることができる。

なお、燃料電池自動車の使用地域が氷点下環境にならない場合であれば、整流器５７の小通路５８での水の凍結による通路の閉塞を考慮する必要がないので、図４に示すように、整流器５７の開口面積Ｓａを導入管５１や排出管５２の開口面積Ｓｉと同じにしてもよい。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、消音室を円筒状にしたが、断面形状に特に限定はない。また、整流部材の通路の断面形状も正方形に限るものではなく、例えば正六角形などであってもよい。

この発明に係るサイレンサの実施例における断面図である。 前記実施例におけるサイレンサの内部下寄り部分で水が凍結した場合における排気ガスの流れを示す断面図である。 前記実施例におけるサイレンサの斜視図である。 この発明に係るサイレンサの他の実施例における断面図である。 この発明に係るサイレンサを搭載した燃料電池自動車における燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３５ 排出ガス流路（排気ガス通路）
５０ サイレンサ（消音器）
５１ 導入管
５２ 排出管
５６ 消音室
５７ 整流器（整流部材）
５８ 小通路

Claims (2)

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、
   前記排気ガスが流通する排気ガス通路の途中に設けられ、筒状の消音室と、前記排気ガスを前記消音室に導入する導入管と、前記消音室から前記排気ガスを排出する排出管とを備え、前記消音室には、該消音室の軸線と平行に形成された開口面積の小さい小通路を多数有する整流部材が設けられていることを特徴とする燃料電池自動車の消音器。
2. 前記消音室は、前記導入管および前記排出管と下面を共通にし、且つ断面が前記導入管および前記排出管から少なくとも鉛直方向上方に偏位するように拡張していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車の消音器。

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