JP4400046B2

JP4400046B2 - 燃料電池用マフラ

Info

Publication number: JP4400046B2
Application number: JP2002366053A
Authority: JP
Inventors: 五生神谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: JP2004199971A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排気系統に設けられる燃料電池用マフラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と空気の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは、反応によって生成された水蒸気を含むガスが排出される。
【０００３】
マフラの基本的な構造は、内燃機関に使用されるものと同様で、主に中空の管に多孔形状を有する排気管と排気管を覆うマフラシェルにより構成されている。内燃機関の場合には、マフラは、金属製とされるのが通常であったが、樹脂製のマフラも提案されてはいる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。樹脂製のマフラは軽量で、水による耐腐食性に優れている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１４９３０９号公報
【特許文献２】
特開昭６４−２９６０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気管は金属製とし、マフラシェルのみを樹脂製とすると、金属と樹脂の熱膨張率が異なるため、使用時の温度変化で、排気管とマフラシェルの接着がはがれてしまい、排気管とマフラシェルの境界面から排気や凝縮水がもれるという問題が発生する。
【０００６】
一方、排気管も樹脂製にして、熱膨張率の相違による接着の剥離を防ごうとすると、中空の管に多孔形状を有した樹脂を、生産性良く加工する方法は現状ではない。
【０００７】
本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、その一部あるいは全部を樹脂とする燃料電池用のマフラであって、温度変化に耐えうるマフラを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決する本発明の燃料電池用マフラの製造方法は、
燃料電池用マフラの製造方法であって、
消音用の孔を有する排気管を形成する工程と、
前記排気管の全周方向に弾性シール部材を取り付ける工程と、
該排気管の一端を塞ぐ工程と、
該排気管の外周を熱可塑性材料の筒で覆うとともに、更にその外部に成形型を設置する工程と、
該排気管の開口されている端から、圧縮空気を送り込むことにより、前記熱可塑性材料を前記成形型の形状にブロー成形する工程と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
この様にすることで、排気管に開けられた孔を利用して、樹脂性のマフラシェルを有するマフラを容易に製造することができる。弾性シール部材は、マフラシェルを排気管にとりつけるブロー成形前に、予め排気管に取り付けてあるので、排気管とマフラシェルの境界面に構成することができる。また、排気管の一端を塞ぐ前に、吸音材を排気管に装着しても良い。この装着は、弾性シール部材とは重ならない部分になされる。
【００１０】
温度変化に耐えうるマフラとしては、排気管は、金属製であっても非金属製であってもよい。金属製の場合は、弾性シール部材を備えることで、温度変化に対応できる。一方、マフラシェルとの接合がしやすいという観点からは、排気管も樹脂とすることが好ましい。
【００１１】
排気管の全周方向に取り付ける弾性シール部材は、ひも状のものを排気管に巻きつけて構成しても良いし、リング状に予め成形されたものを排気管に取り付けても良い。リングの形態は、Ｏリング状であっても良いし、角リング状であっても良い。また、マフラシェル内には、グラスウールその他の吸音材を取り付けても良い。
【００１２】
また、前記弾性シール部材は、耐酸性を有するゴム素材で構成されることが好ましい。
【００１３】
ゴム素材は弾性シール部材として代表的なものであり、容易に手に入れることができる。耐酸性としては、燃料電池の運転状態でマフラの部材が晒されうる酸性による劣化を回避できる程度の耐酸性を有していればよい。フッ素系の固体高分子型の燃料電池を用いる場合には、かかる耐酸性を有することが特に有利である。
【００１４】
更に、前記ゴム素材は、例えばブチルゴム，フッ素ゴム，エチレン・プロピレンゴムのうちのいずれかであっても良い。
【００１５】
これらはすべて耐酸性に優れたゴム素材である。特にブチルゴムに粘着性を付与したものなどは、手に入りやすく、容易に本発明のマフラを構成することができる。更に、粘着性が付与されているので、排気管に取り付けやすい。
【００１７】
排気管に開けられた孔を利用して形成されたマフラシェルは、樹脂製であることから、軽量で、水による耐腐食性にも優れたものとすることができる。また、マフラシェルの構成部材の温度が低下することを抑制でき、排気中に含まれる水蒸気のマフラ内での凝縮を抑制することが可能となる。
【００１９】
マフラシェルには種々の樹脂を用いることが可能であるが、耐久性という観点から、弾性シール部材同様、耐酸性を有することが好ましい。耐酸性を有する樹脂としては、例えば、分子内にフッ素原子を有する含フッ素樹脂、および含フッ素樹脂の共重合体樹脂などが挙げられる。
【００２０】
かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリ４フッ化エチレン；
・ポリ３フッ化エチレン；
・ポリフッ化ビニリデン；
・ポリ４フッ化エチレンとポリ６フッ化プロピレンの共重合体；
・ポリ４フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
・ポリ３フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
【００２１】
また、ポリオレフィン系の樹脂としてもよい。かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリエチレン樹脂；
・ポリプロピレン樹脂；
・ポリプロピレンとポリエチレンの共重合体；
【００２２】
その他、耐酸性に優れる樹脂として、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などを用いてもよい。
【００２３】
また、成形の容易性を考慮して、樹脂は、熱可塑性樹脂とすることが好ましい。熱可塑性樹脂を用いることにより、ブロー成形などの成形方法を適用することができ、生産性よく加工できるので、安価にマフラを製造することが可能となる。熱可塑性樹脂を用いる場合には、排気の温度が樹脂の融点を超えないよう、排気を冷却する機構を設けたり、動作温度が低い低温型の燃料電池を用いたりすることが好ましい。
【００２４】
一方、前記排気管は金属としてもよい。金属の排気管は、生産性良く製造できる。
【００２５】
また、前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池としても良い。本発明は、リン酸型など種々の燃料電池に適用可能であるが、特に、熱可塑性樹脂を用いる場合には、動作温度が低い固体高分子型の燃料電池に適用することが好ましい。
【００２９】
上記した前記排気管を形成する工程を、排気管を軸を含む平面で分割した形状の分割排気管を形成する工程と、前記分割排気管を溶着することにより前記排気管を形成する工程とを含むようにすることもできる。
【００３０】
こうすれば、無孔の管に消音用の孔をあける場合に比べ、容易に排気管が製造できる。排気管の材料にこだわることもなく、排気管を樹脂製にしても効率良い生産が可能である。排気管を樹脂製とすれば、断熱効果が得られ、マフラ内の水分の凝縮を防ぐことができる。特に排気管を樹脂とする場合、管内にリブを設けることで、十分な剛性を比較的容易に確保できる利点もある。
【００３１】
排気管もマフラシェルも樹脂製とすれば、適切な溶着工法で接合境界部が強固に密着溶着されるので、温度変化が起きても、排気や凝縮水が漏れない。つまり耐久性や信頼性の向上したマフラを製造することが可能となる。また、排気管もマフラシェルも同じ樹脂製とすれば、分解してから廃棄しなくてもリサイクル可能となる。更に、樹脂製とすれば、軽量で、水による内面腐食の問題も少なくなり、耐久性や信頼性を向上することができる。樹脂としては種々の樹脂を用いることが可能であるが、耐久性という観点から、耐酸性を有することが好ましい。
【００３２】
また、排気管を分割して製造するので、予め排気管内にマフラ機能を高める装置を組み込んで排気管を製造してもよい。そうすれば、スペースを有効活用しつつ、より高性能なマフラを提供することができる。マフラ機能を高める装置としては、例えば、加熱装置や霧化装置，イオン交換機などがある。
【００３６】
本発明の製造方法は、その製造方法により製造されたマフラとして構成することもできるし、種々の態様で構成可能である。上述した各特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、一部を省略したり、適宜、組み合わせたりしてもよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置構成：
Ａ２．製造方法１：
Ａ３．効果：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．製造方法２：
Ｂ２．効果：
Ｃ．変形例：
【００３８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置構成：
図１は実施例としての燃料電池用マフラ１００の構造を例示する説明図である。本実施例では、図示するシステムは、車両に搭載されており、燃料電池用マフラ１００（以下、単に「マフラ」と称する）は、車両の前後方向に水平に取り付けられている。マフラ１００は、燃料電池１０からの排気系統に設けられ、排気に起因する騒音を軽減する機能を果たす。
【００３９】
燃料電池１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置であり、本実施例では、固体高分子型を用いるものとした。固体高分子型とは、水素極と酸素極とを隔てる電解質膜として固体高分子膜を用いるものを言う。かかる固体高分子膜としては、フッ素系の膜が知られており、例えば、Ｎａｆｉｏｎ膜（登録商標）を用いることができる。
【００４０】
燃料電池１０からは、水素極および酸素極の双方から排気が出る。マフラ１００には、いずれか一方のみを導入するものとしてもよいし、双方を導入するものとしてもよい。いずれの場合でも、大気中に排出する前には、マフラ１００を通過させることが騒音軽減の観点から好ましい。例えば、水素極からの排気（以下、「アノードオフガス」と称する）に残留する未反応の水素を有効活用するため、アノードオフガスは燃料電池に環流し、酸素極からの排気（以下、「カソードオフガス」と称する）をマフラ１００から大気中に排出してもよい。
【００４１】
燃料電池１０とマフラ１００の間に、排気を処理するための装置を介在させてもよい。例えば、排気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器、大気に開放しても良い程度に排気を中和したり浄化したりする装置を介在させてもよい。
【００４２】
図中には、マフラ１００の断面図を示した。マフラ１００は、排気が通過するためのインナパイプ１１０（排気管）と、その外周を覆うマフラシェル１２０を備えている。インナパイプ１１０には、多数の消音孔１１１が設けられている。消音孔１１１の大きさおよび数は、マフラシェル１２０の容積、排気の量、圧力などに応じて、十分な消音効果が得られるよう設計することができる。インナパイプ１１０は、金属製である。本実施例では、耐食性に優れるステンレス製とした。
【００４３】
マフラシェル１２０は、樹脂製である。本実施例では、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を用いた。ＨＤＰＥは、熱可塑性であるため成形性が良く、耐酸性に優れ劣化しづらいという利点がある。マフラシェル１２０の材料としては、この他にも種々の材料を適用可能である。ただし、インナパイプ１１０とは熱膨張率が異なる材料が用いられている。
【００４４】
マフラシェル１２０の内部には、グラスウールなどの吸音材１２１が取り付けられている。吸音材１２１は必ずしも備えている必要はなく、省略しても差し支えない。
【００４５】
インナパイプ１１０には、シール部材１１５が２箇所に巻きつけてあり、インナパイプ１１０と吸音材１２１の間をシールしている。吸音材１２１を備えていない場合や、吸音材１２１がマフラシェル１２０の端まで取り付けられていない場合は、シール部材１１５は、インナパイプ１１０とマフラシェル１２０の間をシールする。
【００４６】
図２は、マフラ１００を開口部後方からみた説明図である。マフラ１００は、内側から順に、インナパイプ１１０，シール部材１１５，吸音材１２１，マフラシェル１２０で構成される。シール部材１１５は、Ｏリング状になっているが、角リング状であっても差し支えない。
【００４７】
シール部材１１５は弾性のある耐酸性を有するゴム素材であることが好ましく、本実施例では、ブチルゴムを用いた。シール部材１１５の材料としては、この他にも種々の材料を適用可能であり、フッ素ゴムやエチレン・プロピレンゴムを用いても良い。
【００４８】
Ａ２．製造方法１：
図３はマフラ１００の製造方法を示す工程図である。インナパイプ１１０を成形した後、マフラシェル１２０をブロー成形する工程を模式的に示した。図３では、簡単のためにインナパイプ１１０とマフラシェル１２０との接合部分が省略してある。
【００４９】
インナパイプ１１０には、消音孔１１１を形成し、インナパイプ１１０とマフラシェル１２０との境界面２箇所にシール部材１１５を巻きつける。シール部材１１５は、粘着性を付与したひも状部材であり、インナパイプ１１０に巻きつけることができるようになっている。シール部材１１５は、予めリング状になっているものをインナパイプ１１０に取り付けるようにしても良い。
【００５０】
工程Ａでは、シール部材１１５巻きつけ済みのインナパイプ１１０の一端をプラグ２００で密閉し、他端をブローピン２０１に取り付ける（工程Ａ）。ブローピン２０１は、ブロー成形時に、圧縮空気を挿入するための挿入口としての役割を果たす。
【００５１】
工程Ｂでは、マフラシェル１２０の原材料となるパリソン２０３をダイヘッド２０２から降下させる（矢印Ａ）。パリソン２０３は、加熱され、溶融可塑化されている。図中には所定の位置まで降下したパリソン１２０ｐを併せて図示した。この状態で、成形型２０４を、図中の２点鎖線で示す通り、左右から設置する（矢印Ｂ）。この時点で、パリソン１２０ｐの内部に吸音材１２１を取り付けて置いても良い。
【００５２】
成形型２０４が設置された状態で、ブローピン２０１からブロー成形用の圧縮空気を挿入する。圧縮空気は、消音孔１１１を通り、成形型２０４の形状にパリソン１２０ｐを成形する。圧縮空気の圧力は、材質等に応じて適宜選択可能であるが、ＨＤＰＥを用いる場合には、例えば、０．３〜０．５Ｍｐａ程度とすることができる。
【００５３】
工程Ｃでは、成形型２０４およびプラグ２００を取り外し、成形時に生じたバリ１２０ｃを切除する。
【００５４】
Ａ３．効果：
以上で説明した第１実施例によれば、その一部あるいは全部を樹脂として、温度変化に耐えうるマフラ１００を提供することができる。製造方法１で製造したマフラ１００には、弾性のあるシール部材１１５が付いているので、インナパイプ１１０と、マフラシェル１２０や吸音材１２１との熱膨張率が異なっていても、温度変化により生じる隙間をシールすることができる。つまり、排気や凝縮水の漏れを防ぐことができ、耐久性や信頼性のあるマフラ１００が得られる。
【００５５】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．製造方法２：
図４はマフラ１００の第２実施例における製造方法を示す工程図である。ここでのインナパイプ１１０は、熱可塑性樹脂である高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を用いて製造する。
【００５６】
まず、インナパイプ１１０を２分割した形の分割インナパイプ１１０ａ，１１０ｂを製造する。分割インナパイプ１１０ａ，１１０ｂは射出成形により製造する。インナパイプ１１０は熱可塑性樹脂なので、他にも真空成形や圧縮成形など様々な成形方法が適用可能である。
【００５７】
同様に、マフラシェル１２０を２分割した形の分割マフラシェル１２０ａ，１２０ｂも製造する。ここでのマフラシェル１２０も高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）であるが、この他にも金属など種々の材料を適用可能である。
【００５８】
次に、分割インナパイプ１１０ａと分割インナパイプ１１０ｂを接合する。ここでは、超音波溶着工法により接合する。インナパイプ１１０は熱可塑性樹脂なので、他にも熱板・熱風溶着や高周波過熱溶着，振動溶着，レーザ溶着などなど様々な溶着工法が適用可能である。この様にして、インナパイプ１１０が製造される。
【００５９】
次に、製造されたインナパイプ１１０をはさんで、分割マフラシェル１２０ａと分割マフラシェル１２０ｂを接合する。接合には、インナパイプ１１０同様、超音波溶着工法を用いる。溶着箇所は、分割マフラシェル１２０ａと分割マフラシェル１２０ｂが接する箇所と、インナパイプ１１０と分割マフラシェル１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ接する箇所である。これにより、マフラ１００ができる。
【００６０】
なお、接合の際、吸音材１２１を２分割した形の分割吸音材１２１ａ，１２１ｂをインナパイプ１１０とマフラシェル１２０の間にはさんで接合しても良い。また、マフラシェル１２０は、製造方法１で示したブロー成形により製造しても良い。更に、インナパイプ１１０やマフラシェル１２０は２分割されたものを接合して製造したが、２分割以上に分割したものを接合して製造しても良い。吸音材１２１の形状も様々であってよい。更に、インナパイプ１１０とマフラシェル１２０の間に、第１実施例と同様のシール部材を介在させても良い。
【００６１】
Ｂ２．効果：
製造方法２で製造したマフラ１００では、インナパイプ１１０とマフラシェル１２０とは同じ樹脂としたため、超音波溶着により強固に溶着される。よって、温度変化により隙間を生じることもなく、排気や凝縮水の漏れもない耐久性や信頼性のあるマフラ１００が得られる。
【００６２】
また、製造方法２によれば、インナパイプ１１０の内部に、マフラ機能を高める装置を組み込むことができ、スペースを有効活用した、より高性能なマフラを提供することができる。
【００６３】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、実施例では、車両に搭載されたシステムを例示したが、本発明は設置型のシステムに適用することも可能である。
【００６４】
実施例では、固体高分子型の燃料電池１０を用いる場合を例示したが、リン酸型など種々の型の燃料電池を適用可能である。但し、固体高分子型は、動作温度が約８０℃前後と低く、樹脂製のマフラ１００を用いるのに好適である。
【００６５】
シール部材１１５を用いるマフラ１００では、インナパイプ１１０を樹脂性とし、マフラシェル１２０を金属製としてもよい。
【００６６】
製造方法２では、インナパイプ１１０を樹脂製としたが、金属製のパイプの外周を樹脂で被覆した複合材料としてもよい。
【００６７】
マフラシェルおよびインナパイプなどを形成するための樹脂は、種々の材料を選択可能である。耐酸性を有する樹脂として、例えば、分子内にフッ素原子を有する含フッ素樹脂、および含フッ素樹脂の共重合体樹脂などが適用できる。かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリ４フッ化エチレン；
・ポリ３フッ化エチレン；
・ポリフッ化ビニリデン；
・ポリ４フッ化エチレンとポリ６フッ化プロピレンの共重合体；
・ポリ４フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
・ポリ３フッ化エチレンとポリエチレンの共重合体；
【００６８】
また、ポリオレフィン系の樹脂としてもよい。かかる樹脂には、例えば、次のものが挙げられる。
・ポリエチレン樹脂；
・ポリプロピレン樹脂；
・ポリプロピレンとポリエチレンの共重合体；
【００６９】
その他、耐酸性に優れる樹脂として、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などを用いてもよい。もちろん、マフラシェル等の材料は、もちろん、熱可塑性、耐酸性を有する材料に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池用マフラ１００の構造を例示する説明図である。
【図２】マフラ１００を開口部後方からみた説明図である。
【図３】第１実施例におけるマフラ１００の製造方法を示す工程図である。
【図４】第２実施例におけるマフラ１００の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池
１００…燃料電池用マフラ
１１０ａ，１１０ｂ…分割インナパイプ
１１０…インナパイプ
１１１…消音孔
１１５…シール部材
１２０ａ，１２０ｂ…分割マフラシェル
１２０…マフラシェル
１２０ｃ…バリ
１２０ｐ…パリソン
１２１ａ，１２１ｂ…分割吸音材
１２１…吸音材
２００…プラグ
２０１…ブローピン
２０２…ダイヘッド
２０３…パリソン
２０４…成形型

Claims

燃料電池用マフラの製造方法であって、
消音用の孔を有する排気管を形成する工程と、
前記排気管の全周方向に弾性シール部材を取り付ける工程と、
該排気管の一端を塞ぐ工程と、
該排気管の外周を熱可塑性材料の筒で覆うとともに、更にその外部に成形型を設置する工程と、
該排気管の開口されている端から、圧縮空気を送り込むことにより、前記熱可塑性材料を前記成形型の形状にブロー成形する工程と
を備えた製造方法。
請求項１に記載の燃料電池用マフラの製造方法であって、
前記排気管を形成する工程は、
排気管を軸を含む平面で分割した形状の分割排気管を形成する工程と、
前記分割排気管を溶着することにより前記排気管を形成する工程と、
を含む、製造方法。
請求項２に記載の燃料電池用マフラの製造方法であって、
前記分割排気管を形成する工程では、前記分割排気管の形成に樹脂が利用され、
前記分割排気管を形成する工程は、前記分割排気管に前記排気管内のリブを設ける工程を含む、
製造方法。
請求項２または請求項３に記載の燃料電池用マフラの製造方法であって、さらに、
前記分割排気管の溶着の前に、予め前記排気管内にマフラ機能を高める装置を組み込む工程を含む、
製造方法。