JP5052038B2 - 燃料電池用消音器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池から排出されるオフガスの排気音を消音する燃料電池用消音器に関し、特に、静電気の帯電を抑制する燃料電池用消音器に関する。

水素ガス等の燃料ガスを用いて発電する燃料電池から排出されるオフガスの排気音を消音するための燃料電池用消音器が知られている。この種の燃料電池用消音器は、燃料電池から排出されるオフガスを通す配管（排気系）に設置される。

上記燃料電池のオフガス中には、燃料として消費されずに排出された水素ガスが含まれる場合がある。その為、上記排気系の近傍に、火種が存在すると、その火種によって、オフガス中の水素ガスが着火する可能性がある。

特許文献１は、燃料電池自動車用の消音器において、消音器の有する排気管の出口に、網目状の火炎侵入防止部材を装着する技術を開示する。この火炎侵入防止部材によって、排気管の出口から火炎が侵入するのを防止している。

特開２００５−６９１８９号公報

ところで、燃料電池用消音器内をガス（特に、乾燥したガス）が通過すると静電気が発生し、燃料電池用消音器が帯電する。特に、ガラスウールや樹脂繊維からなる不織布等の非導電性消音材を用いる燃料電池用消音器においては、静電気が帯電しやすい。この帯電した静電気が放電すると、燃料電池から排出されたオフガス中に含まれる水素ガス等に着火する恐れがあり、問題であった。

本発明の目的は、燃料電池用消音器において、静電気の帯電を抑制することである。

本発明に係る燃料電池用消音器は、消音材を充填した消音室と、前記消音室内を貫通し、周壁に複数個の孔部を有する配管であって、燃料電池から排出された排気が貫流する排気貫流配管と、を備える燃料電池用消音器において、前記消音材は、繊維状の非導電性材料からなり、これに繊維状の導電性材料を添加したことを特徴とする。本発明によれば、排気貫流配管内に排気が通過しても静電気の帯電を防止することができる。

上記燃料電池用消音器において、消音材の内、少なくとも排気貫流配管の周縁の消音材に導電性材料を添加する。排気貫流配管の周縁の消音材は、静電気が発生し易い個所であるが、少なくともこの個所の消音材に導電性材料を添加することによって、発生した静電気の帯電を防止することができる。

上記燃料電池用消音器において、導電性材料は、カーボン繊維であることが好ましい。消音材が、ガラス繊維等からなる場合、導電性材料としてカーボン繊維を均一に、添加、混合し易い。均一に添加、混合された導電性材料によって、消音材は、全体的に均一な放電（除電）効果を得ることが出来る。

上記燃料電池用消音器において、消音室に、消音材を所定の間隔で仕切る仕切導体板を挿入してもよい。また、上記燃料電池用消音器において、消音室に、消音材を貫通する導体棒を挿入してもよい。仕切導体板や、導体棒を消音室内に挿入し、設けることによっても、発生した静電気を逃がすことができる。また、カーボン繊維等の高価な材料を用いることなく、静電気の帯電を防止することが出来る。

上記燃料電池用消音器において、消音材に親水性コーティングを施してもよい。消音材の保水量を増加させることによって、静電気の帯電防止効果を向上させることができる。

上記燃料電池用消音器において、消音材の体積抵抗が１０^６Ωｃｍ以下であることが好ましい。この程度の体積抵抗であれば、充分な静電気の帯電防止効果を得られる。

上記燃料電池用消音器において、消音室を接地することが好ましい。例えば、燃料電池用消音器の消音室を、車両ボディに接地することによって、燃料電池用消音器において発生した静電気を確実に、車両ボディへ逃がすことが出来る。

上記燃料電池用消音器は、燃料電池に設けられ、オフガスが排出される燃料電池のガス排出口に近接配置されることが好ましい。このような配置によって、燃料電池から排出されたオフガスが、燃料電池用消音器へ到達する前の途中の配管で、水分や熱を奪われ難くすると、オフガスの乾燥を防止することが出来る。ひいては、静電気の発生量や、発生した静電気の帯電量を少なくすることができる。

上記燃料電池用消音器は、例えば、水素ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池に用いられる。このような燃料電池に用いても、本発明の燃料電池用消音器によれば、静電気の放電による水素ガス等の着火を防止することが出来る。

本発明によれば、燃料電池用消音器における静電気の帯電を抑制出来る。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池用消音器１０の概略構成図（側断面図）である。燃料電池用消音器１０は、水素ガスおよび酸化ガス（通常は、空気中の酸素）を利用して発電する燃料電池（図示せず）を備える燃料電池システムに用いられる。本実施形態において、燃料電池システムは、車両搭載用燃料電池システムである。燃料電池は、両面に電極を形成したイオン伝導性電解質膜を備える。電解質膜の一方の面上の電極には水素ガスが供給され、他方の面上の電極には酸化ガスが供給される。供給されたガスは、電極において反応し、消費される。なお、すべてのガスが電極で消費される訳では無い。未消費のガスは、排気（オフガス）として燃料電池から所定の配管を通って排出される。燃料電池用消音器１０は、燃料電池から配管を通って排出されるオフガスの排気音を消音する為に用いられる。燃料電池用消音器１０は、水素ガスが供給される電極側から排出されるオフガスの消音、および酸化ガス（空気）が供給される電極側から排出されるオフガスの消音に用いることが出来る。オフガスには、電極で消費されずに残った水素ガス、酸化ガス（酸素）、空気（酸素、窒素等を含む）、反応で生じた水（水蒸気）等が含まれる。

燃料電池用消音器１０は、消音材３を充填した消音室５と、消音室５内を貫通する排気貫流配管７とを備える。

消音材３は、ガラス繊維（ウール）、ポリエステル等の樹脂繊維等からなる非導電性（絶縁性）材料と、カーボン繊維等の導電性材料４との混合材料からなる。非導電性材料として用いられる樹脂繊維としては、例えば、アラミド繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリベンズオキサゾール繊維、ポリベンズイミダゾール繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリアリレート繊維、ポリイミド繊維等の樹脂繊維がある。非導電性材料に対する導電性材料４の混合比率（質量％）は、０．０１質量％〜２．０質量％であることが好ましい。導電性材料４は、非導電性材料に対して、均一に混合されることが好ましい。消音材３の体積抵抗（Ωｃｍ）は、１０^６Ωｃｍ以下に設定される。体積抵抗が１０^６Ωｃｍを超える場合、静電気による帯電の抑制効果が弱い。消音材３は、多孔質材料であり、不織布、ウェブ、フェルト等の公知の形態を取り得る。導電性材料４は、繊維状、粉末状（フィラー）等の種々の形態を取り得る。消音材３において、非導電性材料および導電性材料４の好ましい組合せとしては、例えば、ガラス繊維およびカーボン繊維がある。カーボン繊維は、ガラス繊維中に均一に混合し易い。非導電性材料と導電性材料４とを、樹脂で結着してもよい。

消音室５は、消音材３を充填する。消音室５は、略円筒状の容器（筐体）であり、アルミニウム、ステンレス等の金属材料等の導電性材料からなる。消音室５の内表面は、消音材３と接触した状態にある。即ち、消音材料３は、その表面が導電性材料で被覆された状態にある。略円筒状の消音室５において、略円形状の両端面１５には、排気貫流配管７を挿通する為の挿通孔１６を備える。

排気貫流配管７は、アルミニウム、ステンレス等の金属材料等の導電性材料からなる。排気貫流配管７は、略円筒状の配管であり、内部を燃料電池から排出された排気が貫流する。図１において示される矢印の向きに排気が排気貫流配管７内を貫いて流れる。排気貫流配管７は、周壁に複数個の孔部８を備える。孔部８は、排気貫流配管７の軸方向（排気の貫流方向）に沿って、所定の間隔を置いて配置される。また、孔部８は、排気貫流配管７の周方向に沿って、同様に、所定の間隔を置いて配置される。排気貫流配管７は、消音室５の端面１５の挿通孔１６内を通り、消音材３を充填した消音室５を貫通した状態にある。排気貫流配管７の周壁の外表面と、挿通孔１６の周縁部とは、溶接等により隙間無く接続固定されている。排気貫流配管７は、燃料電池から排出された排気（オフガス）が通る所定の配管（図示せず）と接続される。

図２は、図１中の破線Ｘ−Ｘにおける燃料電池用消音器１０の断面図を示す。消音材３が、排気貫流配管７の周壁を覆う様子が示される。消音材３は、排気貫流配管７の外表面および消音室５の内表面と接触した状態にある。なお、消音材３の内、少なくとも排気貫流配管７の周壁の近傍の領域（例えば、領域Ａ）の消音材３が導電性材料４を含む態様であってもよい。

図１において示されるように、燃料電池用消音器１０は、車両ボディ１７と、導体部材１８を介して接地（アース）されている。導体部材１８は、消音室５の端面１５および車両ボディ１７と、接続固定されている。

燃料電池用消音器１０において、排気貫流配管７内を排気が通過する際、排気の一部が排気貫流配管７の周壁の孔部８を透過し、消音室５内の消音材３内へ拡散する。燃料電池用消音器１０は、排気を消音室５内へ拡散させることによって、排気音を小さくする。なお、排気貫流配管７内を排気が通過する際、排気と排気貫流配管７との摩擦によって燃料電池用消音器１０に静電気が発生する。特に、低温で始動する等の条件で、燃料電池から水分の少ない乾燥したオフガスが排出され、排気貫流配管７内を貫流する際、特に静電気が発生し易い。燃料電池用消音器１０において、燃料電池用消音器１０の消音材３は、ガラス繊維等の非導電性材料を含むため、静電気が発生し易い場所である。特に、排気貫流配管７と近距離（周壁の近傍、周縁）にある消音材３は、静電気が発生し易い個所である（例えば、図２の領域Ａ参照）。しかし、本実施形態に係る燃料電池用消音器１０の消音材３は、所定量の導電性材料４を含む。少なくとも静電気が最も発生し易い個所である排気貫流配管７と近距離（周壁の近傍、周縁）の消音材３に、導電性材料４が含まれる。その為、消音材３において静電気が発生しても、導電性材料４によって速やかに除電される。なお、燃料電池用消音器１０は、車両ボディ１７と接地されているため、消音材３において静電気が発生しても、消音材３から消音室５、導体部材１８および車両ボディ１７へと静電気を確実に逃がすことができる。

以下、他の実施形態について、図３および図４を用いて説明する。図３は、他の実施形態に係る燃料電池用消音器２０の概略構成図（側断面図）である。燃料電池用消音器２０は、消音室５内において、消音材３を所定の間隔で仕切る仕切導体板２２を備える。図４は、仕切導体板２２の平面図である。なお、図３および図４において、上記実施形態に係る燃料電池用消音器１０と同じ構成については、同符号を用いて示した。仕切導体板２２は、アルミニウム、ステンレス等の導電性材料からなる。仕切導体板２２は、中央に挿通孔２５を備える略円形状の板である。仕切導体板２２の挿通孔２５内には、排気貫流配管７が通される。仕切導体板２２は、排気貫流配管７の軸方向に沿って所定の間隔を置いて、消音室５内に配置される。各仕切導体板２２において、挿通孔２５の周縁部２４は、排気貫流配管７の周壁の表面と接続固定される。また仕切導体板２２の外周縁部２３は、消音室５の内表面と接続固定されている。仕切導体板２２と隣接する仕切導体板２２との間の空間に、消音材３が隙間無く充填された状態にある。本実施形態においても同様、消音材３には導電性材料４が添加されている。

燃料電池用消音器２０において、排気貫流配管７内をオフガスが通過すると、オフガスとの摩擦によって、静電気が発生する。特に、消音材３において静電気が発生する。しかし、発生した静電気は、導電性材料４により除電される（帯電防止される）。また発生した静電気を、仕切導体板２２を通し消音室５へ逃がすことができる。消音室５が車両ボディと接地されていれば、車両ボディまで逃がすことができる。本実施形態の燃料電池用消音器２０は、消音材３に導電性材料４が添加されているが、他の変形例においては、消音材３に導電性材料４を含めなくてもよい。仕切導体板２２のみで充分、帯電防止を図ることができる。この変形例によれば、カーボン繊維等の高価な材料を用いることなく、静電気による帯電を防止（抑制）することができる。

以下、更に、他の実施形態について、図５および図６を用いて説明する。図５は、他の実施形態に係る燃料電池用消音器３０の概略構成図（側断面図）である。図６は、図５中の破線Ｙ−Ｙにおける燃料電池用消音器３０の断面図を示す。なお、図５および図６において、上記実施形態に係る燃料電池用消音器１０と同じ構成については、同符号を用いて示した。燃料電池用消音器３０は、消音材３を充填した消音室５内を、貫通する導体棒３３を備える。導体棒３３は、消音室５と同様の部材（例えば、ステンレス）からなる。導体棒３３の両端は、消音室５の端面１５と接続固定される。導体棒３３は、消音材３の内部を貫通している。なお、消音材３には、導電性材料４が含まれている。燃料電池用消音器３０において、複数本の導体棒３３を備えることが好ましい。

燃料電池用消音器３０においても、排気貫流配管７内をオフガスが通過すると、オフガスとの摩擦によって、静電気が発生し、特に、消音材３において静電気が発生する。しかし、発生した静電気は、導電性材料４によって除電される為、静電気による帯電が防止される。また発生した静電気を、導体棒３３を通し消音室５へ逃がすことができる。消音室５が車両ボディと接地されていれば、車両ボディまで逃がすことができる。本実施形態の燃料電池用消音器３０は、消音材３に導電性材料４が添加されているが、他の変形例においては、消音材３に導電性材料４を含めなくてもよい。導体棒３３のみで充分、帯電防止を図ることができる。この変形例によれば、カーボン繊維等の高価な材料を用いることなく、静電気による帯電を防止（抑制）することができる。

以下、更に、他の実施形態について、図７を用いて説明する。図７は、他の実施形態に係る燃料電池用消音器４０の概略構成図（側断面図）である。なお、図７において、上記実施形態に係る燃料電池用消音器１０と同じ構成については、同符号を用いて示した。燃料電池用消音器４０は、消音室５内に、表面に親水性コーティングを施した多孔性の消音材４４が充填される。消音材４４は、例えば、上記消音材４に用いられるガラス繊維等の非導電性材料に、親水性樹脂等をコーティングすることによって製造される。消音材４４は、消音性の機能を損なわない程度の親水性被膜を、表面に備えるものである。

燃料電池用消音器４０において、排気貫流配管７内をオフガスが通過すると、オフガス中に含まれる水分を、消音材４４が吸着する。消音材４４は、適度な水分を保持した状態にある。排気貫流配管７内をオフガスが通過し、消音材４４において静電気が発生しても、静電気は水によって除電される。

以下、更に、他の実施形態について、図８を用いて説明する。図８は、燃料電池用消音器５０の概略構成図（側断面図）である。燃料電池用消音器５０は、排気貫流配管７５および消音室５５が樹脂等の非導電性材料からなる。消音室５５には、消音材３５が充填されている。消音材３５は、ガラス繊維等の非導電性材料からなる。排気貫流配管７５は、その周壁に複数個の孔部８５を備える。燃料電池用消音器５０において、排気貫流配管７５内をオフガスが通過する際、静電気が発生する。消音材３５は帯電した状態となる。しかし、燃料電池用消音器５０の周囲には、導体部品が存在しない。したがって、静電気が帯電しても燃料電池用消音器５０の周囲に導体が存在しないため、放電が抑制さる。その為、排気貫流配管７５内を水素ガス等が通過しても、水素ガス等を着火させる火種の発生を抑制できる。

以下、図９を用いて、燃料電池用消音器１０の設置個所について説明する。図９（ａ）は、燃料電池用消音器１０を燃料電池１００と直接、連絡した状態にある。燃料電池１００のオフガス排出口（図示せず）と、燃料電池用消音器１０の排気貫流配管７とを直接、連絡した状態にある。燃料電池用消音器１０の排出側には、所定の配管２００が連絡している。なお図９中で示される矢印の向きへオフガスが流れる。

ところで、発電中の燃料電池１００から排出されるオフガスは、ある程度の温度（熱量）を持った状態にある。オフガスは、燃料電池１００内で温められた状態で排出される。オフガスの温度が高いと、オフガス中に含まれる水分量が多くなる。したがって、静電気を防止する観点においては、オフガスの温度はある程度、高い方が好ましい。図９（a）において示されるように、燃料電池用消音器１０が燃料電池１００と直接、連絡した状態にあると、燃料電池用消音器１０は、燃料電池１００内で温められた状態のオフガスを消音することになる。このようにすれば、燃料電池１００から排出されたオフガスが途中の配管等で冷やされ、熱および水分を失うのを防止することが出来る。このようにすれば、静電気の発生を抑制し、帯電量を減少することが出来る。なお、図９（ｂ）において示されるように、燃料電池用消音器１０と燃料電池１００とを、ある程度の間隔を置いて配置しても、燃料電池用消音器１０は、充分に帯電防止機能を発揮する。

なお、燃料電池用消音器は、家庭等で用いられる定置用燃料電池の消音の為に使用されてもよい。

本実施形態に係る燃料電池用消音器の概略構成図である。 図１において示される燃料電池用消音器の断面図である。 他の実施形態に係る燃料電池用消音器の概略構成図である。 図３において示される燃料電池用消音器の備える仕切導体板２２の平面図である。 他の実施形態に係る燃料電池用消音器の概略構成図である。 図５中の破線Ｙ−Ｙにおける燃料電池用消音器の断面図を示す。 他の実施形態に係る燃料電池用消音器の概略構成図である。 他の実施形態に係る燃料電池用消音器の概略構成図である。 燃料電池と燃料電池用消音器との配置関係を示す説明図である。（ａ）：燃料電池の近傍に燃料電池用消音器を配置した状態を示す説明図である。（ｂ）：燃料電池と燃料電池用消音器との間に、所定の配管を介して配置される状態を示す説明図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０ 燃料電池用消音器、３ 消音材、４ 導電性材料、５ 消音室、７ 排気貫流配管、８ 孔部、１５ 消音室の端面、１６ 挿通孔、１７ 車両ボディ、１８ 導体部材、２２ 仕切導体板、２３ 仕切導体板の外周縁部、２４ 挿通孔の周縁部、２５ 仕切導体板の挿通孔、３３ 導体棒。

Claims (10)

1. 消音材を充填した消音室と、
   前記消音室内を貫通し、周壁に複数個の孔部を有する配管であって、燃料電池から排出された排気が貫流する排気貫流配管と、を備える燃料電池用消音器において、
   前記消音材は、繊維状の非導電性材料からなり、これに繊維状の導電性材料を添加したことを特徴とする燃料電池用消音器。
2. 請求項１記載の燃料電池用消音器において、
   前記消音材の内、少なくとも排気貫流配管の周縁の消音材に導電性材料を添加したことを特徴とする燃料電池用消音器。
3. 請求項１記載の燃料電池用消音器において、
   前記導電性材料は、カーボン繊維であることを特徴とする燃料電池用消音器。
4. 請求項１記載の燃料電池用消音器において、
   前記消音室に、消音材を所定の間隔で仕切る仕切導体板を挿入したことを特徴とする燃料電池用消音器。
5. 請求項１記載の燃料電池用消音器において、
   前記消音室に、消音材を貫通する導体棒を挿入したことを特徴とする燃料電池用消音器。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池用消音器において、
   前記消音材に親水性コーティングを施すことを特徴とする燃料電池用消音器。
7. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池用消音器において、
   前記消音材の体積抵抗が１０⁶Ωｃｍ以下であることを特徴とする燃料電池用消音器。
8. 請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池用消音器において、
   前記消音室を接地することを特徴とする燃料電池用消音器。
9. 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池用消音器において、
   燃料電池に設けられ、オフガスが排出される燃料電池のガス排出口に近接配置されることを特徴とする燃料電池用消音器。
10. 請求項１〜請求項９の何れか１項に記載の燃料電池用消音器において、
    水素ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池に用いられることを特徴とする燃料電池用消音器。

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