JP4851925B2 - 燃料電池車の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池車の排気装置に関するものである。

内燃機関自動車における排気装置の排気管やマフラー筐体には、内燃機関からの排気ガスが高温であるため耐熱性を有する例えばステンレス製のものが使用されている。
内燃機関自動車の代替技術として実用化段階にある燃料電池自動車においては、例えば、電解液として固体高分子電解質（ＰＥＦＣ），アルカリ水溶液（ＡＦＣ），燐酸（ＰＡＦＣ）などを用いる低温燃料電池は、運転温度が３００℃以下であり、これらの低温燃料電池を搭載した燃料電池車の排気温度は１００℃以下である。したがって、排気装置の構成部品は耐熱性を必要としないが、燃料電池内での酸素と水素との電気化学反応による発電の際に水（水蒸気）が生成され、排気ガス中の水分が排気管やマフラー筐体の内面に付着するた防水性が求められる。そのため、排気管やマフラー筐体には防水性の良い材料が用いられている。

前記のような排気ガス中の水の影響を防止するため、例えば次のような排気装置が提案されている。
その一は、マフラー筐体を貫通する排気管内に微細な突起による凹凸部又は撥水処理層からなる撥水処理部を設け、当該撥水処理部により排気ガス中の水のマフラー筐体内への流入を防止するものである（後記特許文献１参照）。
その二は、マフラーよりも上流側の排気管の途中に、それぞれ排水小孔を形成した二つの管の間に空間を有する二重管部を設け、当該二重管部の各排水小孔を通じて排気ガス中の水を排水することにより、マフラー筐体内への水の流入を排除するものである（後記特許文献２参照）。

前記従来の各排気装置によっても、マフラー筐体内への水の侵入を完全に排除することはできない。また、排気ガス中の水が接触する排気管内面やマフラー筐体内面の防食への配慮が全くなされていないことから、排気管やマフラー筐体はステンレスのようにそれ自体が防水性（耐水性）をもつ材質であることが容易に推測される。

前述のように従来の燃料電池車の排水装置は、それを構成する各部材がステンレスその他の耐食性を有する材質であって重量が大きく、それだけ電力消費量が増大するので燃料電池車の実用化を阻む一つの要因となっている。
特開２００５−６９１９０号公報 特開２００５−７３４６３号公報

本発明の課題は、燃料電池車の排気装置における軽量化にある。
本発明の目的は、排気ガス通過部分が排気ガスに含まれる水へ接触しても腐食のおそれがなく、軽量化により燃料電池車の電力消費量をより低減してその実用化に寄与することができる燃料電池車の排気装置を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するため、排気装置を構成するマフラー筐体，当該マフラー筐体内を貫通する排気管及び前記マフラー筐体内に設けられる消音材を含む構成部品の中の全部又は一部がアルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）製であり、当該アルミ合金等製の構成部品において排気ガス中の水が接触する面には防食皮膜が形成されていることを最も主要な特徴としている。

本発明に係る燃料電池車の排気装置によれば、マフラー筐体，当該マフラー筐体内を貫通する排気管及び前記マフラー筐体内に設けられる消音材を含む構成部品の中の全部又は一部がアルミニウム又はアルミニウム合金製であるので、より軽量であり当該燃料電池車の電力消費量をより低減することができる。燃料電池車の排気ガス温度は低温（例えば１００℃以下）であるので耐熱性には問題がない。
構成部品中のアルミ合金等製の構成部品において、排気ガスの水が接触する面には防食皮膜が形成されているので、排気ガス中の水分による腐食のおそれがない。

以下本発明の最適実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る燃料電池車の排気装置の一実施形態を示す斜視図、図２は同排気装置におけるマフラー部分の拡大断面図である。

１はマフラー、２は排気管１を貫通した排気管である。
図２のマフラー２は、排気管１が貫通したマフラー筐体２０と、このマフラー筐体２０内に設けられた消音材２１とにより構成され、排気管１のマフラー筐体２０内に位置する部分には多数の小孔１０が形成されている。マフラー筐体２０は、筒状のシェル２０ａと当該シェル２０ａの両端部を塞ぐ各エンドプレート２０ｂ，２０ｃとにより構成されている。
排気ガスは図２の左方向から矢印のように排気管１を通じて排気され、その騒音は途中で排気管１の小孔１０を通り、マフラー筐体２０内の消音材２１に接触することによりそのエネルギーが減衰し消音される。

構成部品である排気管１，マフラー筐体２０及び消音材２１の全ては、アルミ合金等製であるのが好ましい。
排気ガス中の水が接触する全ての面、すなわち、排気管１の内面，マフラー筐体２０の内面及び消音材２０の表面には防食皮膜（図示しない）が形成されている。

なお、この実施形態の排気装置においても、マフラー２よりも上流側の排気管１の途中若しくはマフラー筐体又はマフラー筐体を貫通する排気管１の部分に、排気ガス中の水分の分離排除手段を設けるのが好ましい。この場合でも、それらの手段の構成部品はアルミ合金等の材質とし、排気ガス中の水が接触する面には防食皮膜を形成する。

各部品への防食皮膜は、ベーマイト処理（ベーマイト皮膜）、アルマイト処理（アルマイト皮膜）、あるいは樹脂（例えばウレタン樹脂，アクリル樹脂等）浴へのデッピング処理等その他の公知の手段により形成することができるが、効率や高度の防食性の面からは前二者、特にベーマイト皮膜を形成するのが最も好ましい。
各部品には、それぞれ異なる飽食皮膜を形成しても差し支えない。

消音材２１には、排気ガスの水が接触する表面が防食性を有して排気ガス騒音の消音が可能なものであれば、特に材質や形態を問わないが、排気ガス中の水が接触する面へ前記のような防食皮膜の形成処理を施したアルミ合金等製の消音材であるのが好ましい。特に単位容積当たりの消音効率を考慮すると、アルミ合金等を繊維状に加工した吸音繊維であって、それらの表面へべーマイト処理を施したものであるのがさらに好ましい。

以下排気装置の組立要領を例示する。
排気管１は、例えばＪＩＳ６０６３等の押出材パイプを所定長さに切断し、必要な場合にはマフラー筐体２０への貫通部分よりも上流側又は下流側に曲げ加工を行い、所要部分に多数の小孔１０を形成する。
マフラー２のシェル２０ａは、例えばＪＩＳ６０６３等の押出材筒体を所定長さに切断したものである。
各エンドプレート２０ｂ，２０ｃは、例えばＪＩＳ５０５２板材をシェル２０ａの筒形状と適合する形状に打抜き加工するとともに、排気管１の貫通孔を打抜き加工する。
前記各部品の材質は上記例示のものに限定されることなく、必要とされる強度，加工性，耐チッピング性などを考慮して適宜選択される。

前記の各部品を洗浄乾燥後、それらの全面にベーマイト皮膜を形成する。
ベーマイト処理は公知の方法であり、例えば蒸留水にトリエタノールアミン，アンモニア，アルコールアミン，アミドその他の適当な添加剤を加えた弱アルカリの処理浴を、７０℃以上好ましくは９０〜１００℃に保ち、当該処理浴へ前記部品を所要時間（少なくとも１分以上好ましくは３０分以上）浸漬する。防食性をさらに向上させるには、前記処理後さらに加圧蒸気処理を施す。
あるいは、加圧蒸気処理のみでべーマイト皮膜を形成することもできる。

消音材２１には前記のようにアルミ合金等の吸音繊維を用いるのが好ましい。
吸音繊維は、後述のようにアルミ合金等の薄板からなる材料コイルを回転させながら、当該材料コイルの端面にバイトを接触させて切削により形成するか、あるいは、公知の溶融紡糸法によって形成する。

吸音繊維の表面へベーマイト処理を施すには、吸音繊維の綿状の塊を前記のように煮沸した処理浴中に浸漬（以下便宜上「バッチ処理」と称する。）することができる。しかし、バッチ処理では繊維塊内に気泡が形成され易く、完全な処理には長時間を要するので、以下説明するように吸音繊維を長尺の帯状に形成し、この帯状繊維を連続的に処理（以下便宜上「連続処理」と称する。）するのが好ましい。

図３に連続処理装置の一例を示す。
３は帯状の吸音繊維の製造装置であり、例えばＪＩＳ５０５２等のアルミ合金薄板（板厚０．１５ｍｍ）からなる材料コイル２１ｂを回転軸３１へ保持させ、当該材料コイル２１ｂの端面へバイト３０を接触させた状態で、当該材料コイル２１ｂを回転させながらベアリング３２ａを介してブロック３２によりバイト３０へ押し付け、バイト３０により材料コイル３０を切削して帯状繊維２１ａを連続的に製造する。
このとき、コイル２１ｂの回転速度と、ブロック３２の加圧量を所定の切削幅（０．１０ｍｍ）が得られるように調整すれば、例えば平均繊維サイズ０．１０×０．１５ｍｍの帯状繊維２１ａを製造することができる。
４は処理装置、４０はベーマイトの処理浴槽、４１は洗浄乾燥部、４２，４３，４４はガイドローラ、４５は巻取りドラムである。

製造装置３により形成される前記帯状繊維２１ａを連続的に繰り出しながら、当該帯状繊維２１ａを洗浄乾燥部４１により洗浄乾燥し、次いで処理浴槽４０の沸騰（例えば９５℃以上）した処理浴へ３０分以上浸漬し、巻取りドラム４５により巻き取る。
帯状繊維２１ａの処理浴槽４０への浸漬時間と、帯状繊維２１ａの繰り出し速度とは同調させる。

図４は連続処理装置の別の形態であり、前記のような製造装置３により製造され又は溶融紡糸法により製造され、ドラム４６に保持されている帯状繊維コイル２１ｃから帯状繊維２１ａを繰り出しながら、当該帯状繊維２１ａを処理浴槽４０の沸騰した処理浴へ所定時間浸漬し、これを巻取りドラム４５により巻き取る。
ドラム４６に保持されている帯状繊維コイル２１ｃが洗浄処理されていない場合には、処理浴槽４０の上流側に図３のように洗浄乾燥部を設置し、繰り出された帯状繊維２１ａをベーマイト処理する前に洗浄乾燥させるのが好ましい。
なお、図３，４においてベーマイト処理された帯状繊維２１ａの防食性をさらに向上させるには、処理浴槽４０と巻取りドラム４５との間に加圧蒸気槽（図示しない）を設置し、帯状繊維２１ａをべーマイト処理後さらに加圧蒸気処理する。
あるいは、加圧蒸気処理のみでべーマイト皮膜を形成することもできる。

前記のように形成される各部品へのべーマイト皮膜は、必要とされる防食性によって、処理の時間や温度，添加剤等の処理条件を変え、０．２〜２μｍ程度の皮膜厚さ範囲で形成する。

前記のように加工されたシェル２０ａの一端へ一方のエンドプレート２０ｂを溶接し、各エンドプレート２０ｂ，２０ｃへ排気管１を挿通し、一方のエンドプレート２０ｂと排気管１とを溶接した後、シェル２０ａ内へ所要量の吸音繊維からなる消音材２１を充填する。
その後、他方のエンドプレート２０ｃをシェル２０ａの他端部へ溶接するとともに排気管１と他方のエンドプレート２０ｃとを溶接し、必要ならば排気管１の他の所要部分を曲げ加工する。
前記実施形態では、排気管１の全長をアルミ合金等により製造したが、排気管１の必要長さ部分をアルミ合金等により製造してその内面へ前記のように防食皮膜を形成し、当該排気管１の片端又は両端部へゴムシートや合成樹脂シートその他の絶縁シート（図示しない）を介して他の材質（例えばステンレス）の管を接続しても実施することができる。

前記実施形態の排気装置によれば、マフラー筐体２０，当該マフラー筐体２０内を貫通する排気管１及び前記マフラー筐体２０内に設けられる消音材２１を含む全構成部品がアルミ合金等製であるので、より軽量であり燃料電池車の電力消費量をより低減することができる。燃料電池車の排気ガス温度は低温であるので耐熱性には問題がない。
アルミ合金等製の構成部品中の排気ガスに含まれる水が接触する面には防食皮膜が形成されているので、排気ガス中の水分による腐食のおそれがない。
前記のように全構成部品がアルミ合金等製であるので、排気装置を一括して再生処理することができ高度なリサイクル性を有する。
また、異種金属の接触による腐食のおそれがないほか、各部品は導電性を有するので静電気が発生するおそれがない。

吸音繊維の防食性試験
吸音繊維における防食性を確認するため、次の（Ａ）〜（Ｄ）のサンプルを準備した。 （Ａ）繊維サイズ約０．１ｍｍのステンレス繊維３ｇ。これを比較の際の基準とした。
（Ｂ）前記切削法により形成した繊維サイズ０．１×０．１５ｍｍのベーマイト処理無しのアルミ合金繊維１ｇ。
（Ｃ）バッチ式でベーマイト処理した（９５℃以上に加熱した弱アルカリ処理浴に３０分浸漬）平均繊維サイズ０．１×０．１５ｍｍのアルミ合金繊維５００ｇ塊中の１ｇ。
（Ｄ）連続的にベーマイト処理した（９５℃以上に加熱した弱アルカリ処理浴に３０分浸漬）平均繊維サイズ０．１×０．１５ｍｍのアルミ合金繊維１ｇ。
各繊維サンプルは、ヘキサンで５分間超音波洗浄後、アセトンで５分間超音波洗浄し、その後、１０ｗｔ％ＮａＯＨ（６０℃）で１分間処理、水洗後、１分間デスマット処理（３０％ＨＮＯ3、室温）し、これを水洗した。
４種類のサンプルを、ＰＰ製容器に入ったｐＨ５．９に調整したイオン交換水２５０ｍｌに浸漬し、一定時間経過毎にイオン交換水の導電率の変化を測定した。その結果を図５に示した。図５の表示において、例えば導電率が大きいほどアルミニウムのイオン交換水への溶出量が大きく、防食性に劣ると判断できる。

図５の結果から、アルミ合金等の帯状繊維を連続的にベーマイト処理した吸音繊維は、ステンレスとほぼ同等の導電率であるので、防食性もほぼ同等であると言える。また、バッチ式のベーマイト処理でも、連続的なベーマイト処理ほどではないが、ベーマイト処理しない場合に比べて導電率を十分抑えることができる。
いずれのべーマイト処理方法を採用するかは、使用環境や生産性を考慮して決めればよい。

本発明に係る燃料電池車の排気装置を示す斜視図である。 図１の排気装置におけるマフラー部分の拡大断面図である。 アルミ合金等製の帯状繊維の製造・べーマイト連続処理装置の一形態を示す部分正面図である。 アルミ合金等製の帯状繊維のべーマイト連続処理装置の他の形態を示す斜視図である。 アルミ合金等製の吸音繊維とステンレス製吸音繊維を浸漬したイオン交換水の導電率を示す線図である。

符号の説明

１ 排気管
１０ 小孔
２ マフラー
２０マフラー筐体
２０ａ シェル
２０ｂ，２０ｃ エンドプレート
２１ 消音材
２１ａ 帯状繊維
２１ｂ 材料コイル
３ 帯状繊維の製造装置
３０ バイト
３０ａ バイト設置台
３１ 回転軸
３２ ブロック
３２ａ ベアリング
４ べーマイト処理装置
４１ 洗浄乾燥部
４２，４３，４４ ガイドローラ
４５ 巻取りドラム
４６ ドラム

Claims (4)

1. 排気装置を構成するマフラー筐体，当該マフラー筐体内を貫通する排気管及び前記マフラー筐体内に設けられる消音材を含む構成部品の中の全部又は一部はアルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）製であり、前記消音材は表面にべーマイト皮膜が形成されたアルミ合金等製の吸音繊維であり、当該アルミ合金等製の構成部品において排気ガス中の水が接触する面に、ベーマイト処理を施した後にさらに加圧蒸気処理を行うことによって、皮膜厚さが０．２〜２μｍのベーマイト皮膜を形成したことを特徴とする燃料電池車の排気装置。
2. 前記吸音繊維の表面のべーマイト皮膜は、ほぼ帯状に形成された長尺の帯状繊維を繰り出しながら連続的にべーマイト処理及び加圧蒸気処理を行うことにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池車の排気装置。
3. 前記長尺の帯状繊維は、繰り出し方向上流側で材料コイルを回転させながら当該材料コイルの一端面にバイトを接触させて切削により形成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池車の排気装置。
4. 前記長尺の帯状繊維は、前記べーマイト処理及び加圧蒸気処理を行った後に巻き取られることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池車の排気装置。

Images