JP2010260498A - 燃料電池車両の生成水霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音が小さくかつ燃料電池車両に設けられる生成水霧化装置を提供する。
【解決手段】燃料電池で生成された生成水を霧状にして車体の外方に排出するための燃料電池車両の生成水霧化装置１であって、管の内周径の一部がくびれているベンチュリ部４ｂを備える排気管４と、生成水が貯留され得るタンク２６内の水をタンク２６側から排気管４へ供給する導入管２を有する。ベンチュリ部４ｂに位置する導入管２の先端部２ｃに排気管４内へ水を排出し得る複数の孔を備える多孔部材３が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池で生成された生成水を霧状にして車体の外方に排出するための燃料電池車両の生成水霧化装置に関する。

燃料電池車両は、例えば電力を生成する燃料電池と、電力生成時に燃料電池が生じる生成水を貯留し得るタンクと、タンク内の水を霧状にして車体の外方に排出する生成水霧化装置を有している（特許文献１、２参照）。生成水霧化装置は、生成水が液体の状態で排出されることが好ましくない場合に用いられる。例えば冷寒地や冷凍庫内において生成水が路面に滴下して凍結することが好ましくない場合や、屋内において生成水が床面に滴下して水溜りになることを避けたい場合などに用いられる。

従来、エンジンの吸気管に設けられる気化器も知られている（特許文献３、４参照）。気化器は、例えば吸気管に燃料を噴射する噴射管を有しており、噴射管の先端部に複数の孔を有する多孔部材が設けられている。燃料は多孔部材から吸気管に形成されたベンチュリ部に噴射されて、ベンチュリ部を流れる空気によって気化される。

特開２００７−１４１４７５号公報 特開２００９−２６４９８号公報 実開昭５３−１８４１８号公報 実開昭５６−８８３１号公報

ところで燃料電池車両はエンジン車両に比べて騒音が少ない。そのため燃料電池車両では生成水霧化装置から発せられる騒音が問題になる場合がある。しかし特許文献１、２の生成水霧化装置には騒音対策のための構造が設けられていない。また特許文献３，４の気化装置は、エンジン車両に設けられているために騒音が問題になることがない。そこで本発明は、騒音が小さくかつ燃料電池車両に設けられる生成水霧化装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える燃料電池車両の生成水霧化装置であることを特徴とする。請求項１に記載の発明によると、管の内周径の一部がくびれているベンチュリ部を備える排気管と、生成水が貯留され得るタンク内の水をタンク側から排気管へ供給する導入管を有している。ベンチュリ部またはその近傍に位置する導入管の先端部に排気管内へ水を排出し得る複数の孔を備える多孔部材が設けられている。

したがって多孔部材の表面に排出された水は、ベンチュリ部において流速が速くなった排気管内の気体によって多孔部材から切り取られて霧状になる。また多孔部材は、複数の孔を有しているために表面が円滑でなく多孔部材の周りに乱流境界層が形成され得る。例えば図５に示すように円滑な外周面を有する管部材３５の周りでは層流境界層が形成されるが、多孔部材の周りには乱流境界層が形成される。

乱流境界層では、層流境界層に比べて流体分子が盛んに衝突を繰り返して速度が平均化される。そのため多孔部材によって生じる乱流境界層では、層流境界層に比べて速度が平均化され、しかも逆流が生じ難くなって剥離が生じ難い。そして騒音の大きさ（音響パワー）は、一般に管内を流れる気体の流速の８乗に比例する。そのため排気管内を流れる気体の流量が同じであれば、流速の不均一が小さい程、騒音が小さくなる。そのため多孔部材によって形成される乱流境界層によって速度が平均化されかつ剥離の発生が抑制されることで騒音の発生が抑制され得る。

請求項２に記載の発明によると、多孔部材は、金属焼結体である。したがって例えば金属管に複数の打ち抜き加工を施したパンチングメタルや、複数のスリットを形成した金属管を引き伸ばすエクスパンドメタルに比べて複数の小さな孔が簡易に形成され得る。そして孔の径を小さくすることで多孔部材の表面へ排出される水の径が小さくなり、該水が霧状にされやすい。また孔を多く形成することで多孔部材の表面の凹凸が多くなり、乱流境界層が形成され易くなる。これにより騒音の発生が強く抑制され得る。

請求項３に記載の発明によると、導入管の先端部が排気管の内周面近傍に位置している。導入管の先端部から多孔部材が排気管内に突出している。したがって排気管には、導入管ではなく多孔部材が突出している。そのため排気管内に突出する多孔部材の略全体において乱流境界層が形成され、これによって騒音の発生を強く抑制することができる。

請求項４に記載の発明によると、多孔部材は、排気管内の気体の流れに対向する上流領域とその反対側の下流領域を有している。多孔部材には下流領域を覆うカバーが設けられている。ところで多孔部材から排出される水は、気体の流速が速いほど霧状にされる量が多くなる。そして多孔部材の周りを流れる気体の流速は、上流領域周りで速く、下流領域周りで遅い。そのため多孔部材の下流領域において水が霧状にされずに液体のまま排気管に排出されるおそれがある。これに対して多孔部材の下流領域にはカバーが設けられている。そのため下流領域において水が液体のまま排気管に排出されることが抑制され得る。

フォークリフトの側面図である。 燃料電池システムの構成図である。 生成水霧化装置の構成部品の断面図である。 多孔部材周りを流れる気体の様子を示す排気管内の概略上面図である。 比較例の金属管周りを流れる気体の様子を示す排気管内の概略上面図である。 他の実施形態にかかる多孔部材とカバーの上面図である。 図６のVII―VII線断面矢視図である。 他の実施形態にかかる多孔部材とカバーの上面図である。 図８のIX―IX線断面矢視図である。 他の実施形態にかかる多孔部材と導入管の上面図である。 図１０のXI―XI線断面矢視図である。 他の実施形態にかかる生成水霧化装置の概略図である。

本発明の一つの実施形態を図１〜４にしたがって説明する。図１に示すように車両１０は、産業車両の一つである屋内などで使用されるフォークリフトであって荷役装置１２を有している。荷役装置１２は、車体１１の前部に立設されたマスト１２ａと、マスト１２ａに昇降可能に取付けられたリフトブラケット１２ｂと、リフトブラケット１２ｂに取付けられたフォーク１２ｃを有している。フォーク１２ｃとリフトブラケット１２ｂは、マスト１２ａに装着されたリフトシリンダ１２ｄとマスト１２ａによって昇降され得る。

図１に示すように車両１０は、車体１１の前下部に駆動輪（前輪）１３を有し、車体１１の後下部に後輪１４を有している。車体１１の前側内部には駆動輪１３に動力を付与する走行用モータ１５が設けられている。車体１１の後側内部には、燃料電池２１と水素タンク２２などを備える燃料電池システム２０が設けられている。燃料電池２１が生成した電力は、リフトシリンダ１２ｄ等の油圧源になる油圧ポンプ（図示省略）と走行用モータ１５などに供給される。

燃料電池システム２０は、図２に示すように燃料電池２１と、生成水を貯留し得るタンク２６と、タンク２６内の水を霧状にする生成水霧化装置（気化器）１を有している。燃料電池２１は、例えば固体高分子型であって、アノード側に管路２７を介して水素タンク２２が接続される。これによりアノード側に水素タンク２２から水素が供給される。燃料電池２１のカソード側には管路２９を介して加湿器２４が接続され、加湿器２４には管路２８を介してコンプレッサ２３が接続される。したがってコンプレッサ２３によって酸化剤ガスである酸素を含む空気が加圧されて加湿器２４に供給される。そして加湿器２４において酸素に水分が供給され、該酸素を含む空気が燃料電池２１のカソード側に供給される。

燃料電池２１のアノードに供給された水素分子は、水素イオンになって電解質膜に含まれる水分を伴ってカソード側へ移動する。カソードに供給された空気中の酸素分子は、酸素イオンになって水素イオンと結合して生成水になる。生成水は、カソードに供給された空気の排気とともに管路３０を介して加湿器２４に供給され、一部が加湿器２４にて抽出されて再利用される。残りの生成水は、排気とともに管路３１を介して希釈器２５に排出される（カソード側の排気）。

燃料電池２１のカソード側の水や窒素の一部は、逆拡散してアノード側へ移動する。そしてアノード側でこれらの濃度が高くなると発電効率が低下する。これを抑制するためにアノード側には図２に示すようにパージガス用管路３２が接続されている。管路３２に設けられた開閉弁３３は、燃料電池２１が所定時間稼動を継続した時点で図示省略の制御装置によって制御されて開放される。これによってアノード側に溜まった水分と窒素が水素ガスと共にパージガス用管路３２を介して希釈器２５側へ排出される（アノード側の排気）。

希釈器２５には、図２に示すように管路３１，３２を介して燃料電池２１のカソード側の排気とアノード側の排気が供給される。これら排気は、比重差によって希釈器２５内において気体と液体（生成水）に分離され、液体になった生成水はタンク２６内に落下して貯留される。また希釈器２５内では、アノード側の排気に含まれる水素の濃度がカソード側の排気に含まれる空気によって希釈される。そして希釈器２５内の気体は、希釈器２５の排気口に接続された排気管４へ排出される。

排気管４は、図３に示すように入口側管部４ａとベンチュリ部４ｂと広がり管部４ｃを一体に有している。入口側管部４ａは、円筒状で全長において内外周径が略同じであり一端部が希釈器２５に接続される。ベンチュリ部４ｂは、管の内周径の一部がくびれた部分であって入口側管部４ａよりも内周径が小さい。広がり管部４ｃは、ベンチュリ部４ｂから出口部４ｃ１に向けて徐々に内周径が大きくなっている。したがって排気管４内を流れる気体は、ベンチュリ部４ｂ内またはベンチュリ部４ｂの近傍において最も速くなる。

図２，３に示すように生成水霧化装置１は、導入管２と多孔部材３を有している。導入管２は、タンク２６から排気管４まで延出する第一部２ａと、排気管４のベンチュリ部４ｂの外周面から内周面に貫通する第二部２ｂを有している。第二部２ｂの先端部２ｃは、ベンチュリ部４ｂの内周面の近傍に位置している。

多孔部材３は、図３に示すように導入管２の第二部２ｂの先端部２ｃに装着されており、排気管４内に突出している。多孔部材３は、多孔質の金属焼結体である。金属焼結体は、金属の粉末を加圧成形して融点以下の温度にて熱処理することで粉末粒子が結合されて成形される。したがって多孔部材３は、粉末粒子間にて形成される複数の孔を有しており、多孔部材３の内側から孔を通って水が外表面に排出され得る。孔の直径は、小さく例えば５０〜２００μｍである。

多孔部材３は、図３，４に示すように略筒状であって、円筒状の側壁部３ａと側壁部３ａの先端開口部を覆う蓋部３ｂを有している。側壁部３ａは、ベンチュリ部４ｂの内周面に略垂直に立設している。蓋部３ｂは、円盤状であってベンチュリ部４ｂの断面中心線４ｄの近傍に位置している。

図２，３に示すようにタンク２６内の気圧は燃料電池２１からの排気によって高くなり、排気管４内の圧力は圧力損失によってタンク２６内の圧力よりも低くなる。またベンチュリ部４ｂ内の圧力は、排気管４を流れる気体によって入口側管部４ａ内の圧力よりも低くなる。したがって前記圧力損失による圧力差またはベンチュリ部４ｂにおける圧力低下を利用してタンク２６に貯留された水が導入管２に吸い上げられ、多孔部材３に供給される。

多孔部材３に供給された水は、複数の孔を通って多孔部材３の内側から外表面に排出される（図３，４参照）。多孔部材３の外表面に排出された水は、排気管４内を流れる排気によって切り取られて霧状になる。排気管４内を流れる排気は、ベンチュリ部４ｂまたはその近傍において最も流速が速くなるため、多孔部材３の外表面に排出された水は確実に霧状にされ得る。霧状になった水は、排気とともに排気管４から車体１１（図１参照）の外の大気中へ排出される。

以上のように生成水霧化装置１は、図３に示すように排気管４と導入管２を有している。ベンチュリ部４ｂに位置する導入管２の先端部２ｃに排気管４内へ水を排出し得る複数の孔を備える多孔部材３が設けられている。

したがって多孔部材３の表面に排出された水は、ベンチュリ部４ｂにおいて流速が速くなった排気管４内の気体によって多孔部材３から切り取られて霧状になる。また多孔部材３は、複数の孔を有しているために表面が円滑でなく多孔部材３の周りに乱流境界層が形成され得る。例えば図５に示すように円滑な外周面を有する管部材３５の周りでは層流境界層が形成されるが、図４に示すように多孔部材３の周りには乱流境界層が形成される。

乱流境界層では、層流境界層に比べて流体分子が盛んに衝突を繰り返して速度が平均化される。そのため多孔部材３によって生じる乱流境界層では、層流境界層に比べて速度が平均化され、しかも逆流が生じ難くなって剥離が生じ難い。そして騒音の大きさ（音響パワー）は、一般に管内を流れる気体の流速の８乗に比例する。そのため排気管内を流れる気体の流量が同じであれば、流速の不均一が小さい程、騒音が小さくなる。そのため多孔部材３によって形成される乱流境界層によって速度が平均化されかつ剥離の発生が抑制されることで騒音の発生が抑制され得る。

また多孔部材３は、複数の孔を有している。そのため孔を一つのみ有する従来のノズル等に比べて孔が詰まって水が噴射されなくなるおそれが小さい。したがって生成水霧化装置１の耐久性が向上する。

また多孔部材３は、図３に示すように金属焼結体である。したがって例えば金属管に複数の打ち抜き加工を施したパンチングメタルや、複数のスリットを形成した金属管を引き伸ばすエクスパンドメタルに比べて複数の小さな孔が簡易に形成され得る。そして孔の径を小さくすることで多孔部材３の表面へ排出される水の径が小さくなり、該水が霧状にされやすい。また孔を多く形成することで多孔部材３の表面の凹凸が多くなり、乱流境界層が形成され易くなる。これにより騒音の発生が強く抑制され得る。

また図３に示すように導入管２の先端部２ｃが排気管４の内周面近傍に位置している。導入管２の先端部２ｃから多孔部材３が排気管４内に突出している。したがって排気管４には、導入管２ではなく多孔部材３が突出している。そのため排気管４内に突出する多孔部材３の略全体において乱流境界層が形成され、これによって騒音の発生を強く抑制することができる。

（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず以下の形態等であっても良い。例えばさらに図６，７に示すカバー５を有していても良い。カバー５は、例えば金属製であって多孔部材３の側壁部３ａの一部を覆うことで多孔部材３から水が排出されることを防止する。

図６，７に示すように多孔部材３の側壁部３ａは、排気管４を流れる気体に対して対向する上流領域３ａ１と、その反対側の下流領域３ａ２を有している。上流領域３ａ１と下流領域３ａ２は、それぞれ半円弧状である。カバー５は、多孔部材３の下流領域３ａ２を覆うため半円弧状であってかつ、下流領域３ａ２の軸方向基端部から先端部まで延出している。

以上のように多孔部材３には、図６，７に示すように下流領域３ａ２を覆うカバー５が設けられている。ところで多孔部材３から排出される水は、気体の流速が速いほど霧状にされる量が多くなる。そして多孔部材３の周りを流れる気体の流速は、上流領域３ａ１周りで速く、下流領域３ａ２周りで遅い。そのため多孔部材３の下流領域３ａ２において水が霧状にされずに液体のまま排気管４に排出されるおそれがある。これに対して多孔部材３の下流領域３ａ２にはカバー５が設けられている。そのため下流領域３ａ２において水が液体のまま排気管４に排出されることが抑制され得る。

図６，７に示す多孔部材３には、カバー５が設けられている。しかし多孔部材３に図８，９に示すカバー６が設けられていても良い。図８，９に示すようにカバー６は、円筒状であって、多孔部材３の側壁部３ａの全周を覆い、かつ側壁部３ａの軸方向基端部から先端部まで延出している。したがってカバー６によって側壁部３ａの上流領域３ａ１と下流領域３ａ２が覆われ、水は多孔部材３の蓋部３ｂから排気管４内へ排出され得る。

図３に示す生成水霧化装置１は、導入管２と多孔部材３を有している。しかし生成水霧化装置が図１０，１１に示す導入管２と多孔部材７を有していても良い。導入管２は、図１１に示すようにベンチュリ部４ｂの外周面から内周面に貫通する第二部２ｂと、第二部２ｂからベンチュリ部４ｂの内側に突出する第三部２ｄを有している。第三部２ｄは、ベンチュリ部４ｂの内周面からベンチュリ部４ｂの断面中心線の近傍まで延出している。第三部２ｄの先端部２ｅには、先端部２ｅの開口部を覆う円盤状の多孔部材７が設けられている。したがって導入管２を通った水は、多孔部材７から排気管４内へ排出される。

図３に示す生成水霧化装置１は、導入管２と多孔部材３を有している。しかし生成水霧化装置が図１２に示す導入管８と多孔部材９を有していても良い。導入管８は、タンク２６から排気管４へ延出する第一部８ａと、排気管４内を延出する第二部８ｂを有している。第一部８ａの下端部は、タンク２６に貯留された水の水面よりも下側に位置している。第二部８ｂは、排気管４の入口側管部４ａの端部からベンチュリ部４ｂに向けて延出している。第二部８ｂの先端部は、ベンチュリ部４ｂの近傍に位置しており、その先端部に図３に示す多孔部材３と同様に形成された多孔部材９が装着されている。

図３に示す多孔部材３は、金属焼結体であるが、パンチングメタルまたはエクスパンドメタルから成形されても良い。パンチングメタルは、金属管に複数の孔を打ち抜き加工によって形成される。エクスパンドメタルは、金属管に複数のスリットを形成し、該金属管を引き伸ばすことでスリットが開口して複数の孔が形成される。

図３に示す導入管２の先端部２ｃは、排気管４の内周面近傍に位置しており、先端部２ｃに多孔部材３が取付けられている。しかし導入管の先端部が排気管内に突出しており、その先端部の一部側面に開口部が形成され、その開口部に多孔部材が設けられても良い。図２，３に示す排気管４は燃料電池２１の排気側に接続されている。しかし排気管４にコンプレッサなどが接続され、コンプレッサなどによって排気管４に気体が供給されても良い。図１に示す車両１０は、産業車両であるが自動車やバスなどの車両であっても良い。

１…生成水霧化装置
２，８…導入管
２ｃ，２ｅ…先端部
３，７，９…多孔部材
３ａ…側壁部
３ａ１…上流領域
３ａ２…下流領域
３ｂ…蓋部
４…排気管
４ｂ…ベンチュリ部
５，６…カバー
１０…車両
１２…荷役装置
２０…燃料電池システム
２１…燃料電池
２２…水素タンク
２３…コンプレッサ
２４…加湿器
２５…希釈器
２６…タンク

Claims (4)

1. 燃料電池で生成された生成水を霧状にして車体の外方に排出するための燃料電池車両の生成水霧化装置であって、
   管の内周径の一部がくびれているベンチュリ部を備える排気管と、前記生成水が貯留され得るタンク内の水を前記タンク側から前記排気管へ供給する導入管を有し、
   前記ベンチュリ部またはその近傍に位置する前記導入管の先端部に前記排気管内へ水を排出し得る複数の孔を備える多孔部材が設けられていることを特徴とする燃料電池車両の生成水霧化装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両の生成水霧化装置であって、
   多孔部材は、金属焼結体であることを特徴とする燃料電池車両の生成水霧化装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池車両の生成水霧化装置であって、
   導入管の先端部が排気管の内周面近傍に位置し、
   前記導入管の先端部から多孔部材が前記排気管内に突出していることを特徴とする燃料電池車両の生成水霧化装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池車両の生成水霧化装置であって、
   多孔部材は、排気管内の気体の流れに対向する上流領域とその反対側の下流領域を有し、
   前記多孔部材には前記下流領域を覆うカバーが設けられていることを特徴とする燃料電池車両の生成水霧化装置。

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