JP2012207899A - 排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
排気装置の結露水が燃料電池装置の筐体への付着するのを防ぎ、筐体の外面劣化を防止するとともに、多量の雨水が排気装置に流入時に、排ガスの排出を確保し、燃料電池装置の運転を継続可能にする排気装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
排気装置の下面部にバーリングが周囲に設けられた水抜き穴が形成され、バーリングの上端は排気装置の給気口の下端よりも上方にある。このような構成により、凝縮して発生した結露水は給気口から排出されるため、結露水の筐体への付着を防止するとともに、多量の雨水を水抜き穴から排出することにより、排ガスの排出を確保し、燃料電池装置の運転を継続可能にすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池装置に取付ける排気装置に関するものである。

近年、家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム（以下、「燃料電池システム」）に適するシステムとして、固体高分子形燃料電池システムの開発が盛んである。固体高分子形燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。一方、電気化学反応には水素が必要であるが、水素のインフラはいまだ充分に整っていない。したがって、固体高分子形燃料電池システムは、都市ガス、ＬＰガス、灯油等の原料を改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置を備え、水素生成装置から発生した水素と、空気中の酸素を、固体高分子形燃料電池（以下、「燃料電池」）で反応させることにより発電を行っている。また、電気化学反応で生じる熱や水素生成装置から排出される排ガスの熱を利用するための燃料電池システムも開発されている。このような燃料電池システムは、熱を湯水として回収して貯湯槽に貯えて、貯えた湯水を外部への熱供給媒体として有効利用する。

従来より、上述のような水素生成装置および燃料電池をパッケージ（筐体）に収めたものに、都市ガスなどを利用して発電を行う燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池装置の筐体が、幅方向および奥行き方向よりも高さ方向が長い直方体で構成される場合（例えば、特許文献２参照）、燃料電池装置から発生する排ガスを外部へ排出する排気口と家屋の窓や家屋換気口が同じぐらいの高さとなって、排出された排ガスが直接家庭内に流れる可能性がある。そこで、給湯器などにも使用される排気方向を（特に上方向に）変更できる排気装置（例えば、特許文献３参照）を取り付けることが考えられる。

図７は、特許文献１〜３に記載された従来の排気装置１０１を取り付けた燃料電池装置１０２の構成図である。図７に示すように、筐体１０３の内部には、都市ガスなどの原料および水から水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置１０４と、空気を供給する空気ポンプ１０５と、水素生成装置１０４で生成された燃料ガスと空気ポンプ１０５から供給される空気を用いて発電を行う燃料電池１０６と、水素生成装置１０４から排出される排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器１０７と、排ガス熱交換器１０７を通過した排ガスを筐体１０３の外部へ排出する排気ダクト１０８と、排気ダクト１０８と排気装置１０１を連通させる筐体排気口１０９と、が備えられている。

図８は、従来の排気装置１０１の構成図である。図８に示すように、排気装置１０１は、両端が閉塞した筒状の本体１１２で構成されている。本体１１２の側面部には、給気口１１４が形成されており、排気装置１０１を燃料電池装置１０２に装着したときに本体１１２の上面となる上面部１１６には、排気口１１８が形成されている。

一般的に、燃料電池装置１０２の排ガスの温度はボイラーなどと比べて低く、かつ排出量はボイラーなどと比べて少ない。よって、排気装置１０１と排ガスとが熱交換することにより、排ガスが容易に露点に達し、排ガス中の水蒸気が凝縮して結露水が発生することが多い。従来の排気装置１０１の構成によれば、凝縮した結露水は、給気口１１４から筐体排気口１０９へ導かれ、燃料電池装置１０２から外部へ排出される。

特開２００５−２７６７５７ 特開２００５−０３２４６１ 平１０−２１３３５２

従来の排気装置１０１の構成では排気装置１０１の上面に排気口１１８があるため、排気口１１８を介して、雨水が筐体排気口１０９へ浸入する。この雨水が多量に達すると、排気装置１０１への排ガスの流れが妨げられ、これにより、燃焼ガスの排出が不十分となり燃料電池装置の運転が停止するという問題を有していた。この課題を解決するために、本体１１２の下面に水抜き穴を設けて、雨水を排出する構成が考えられる。

上述のような水抜き穴が設けられた構成によれば、雨水を水抜き穴から排出できるが、雨が降らない場合には、上述の凝縮した結露水が水抜き穴から排出される。特に、排気装置１０１の取付位置が、家屋の窓や家屋換気口と同じ高さにある場合、水抜き穴から排出された結露水は、地面に適下するまでの間に風などの影響を受けて燃料電池装置１０２の筐体１０３の外面に付着し易い。また、結露水は、燃料電池装置１０２のオフアノードガス中の水素が溶解していることにより、酸性になる場合が多い。したがって、筐体１０３に付着した結露水が筐体１０３の外面を劣化させるという課題も生じる。

本発明は従来の課題を解決するもので、燃料電池装置に排気方向を変更できる排気装置を取り付けた際、多量の雨水が排気装置に流入しても、筐体排気口からの燃焼ガスの排出を確保し、燃料電池装置の運転を継続可能にするとともに、排気装置内で発生する結露水が燃料電池装置の筐体へ付着するのを防ぎ、燃料電池装置の筐体の外面劣化を防止する排気装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の排気装置は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、燃料電池および水素生成装置を収容する筐体とを備える燃料電池装置に取り付けられるとともに、水素生成装置から発生する排ガスを筐体の外部へ排出する燃料電池装置用の排気装置であって、上面部、下面部、および側面部を有する、両端が閉塞した中空形状の本体を備え、本体の上面部には、本体と外部とを連通させる排気口が形成され、本体の側面部には、筐体と本体とを連通させる給気口が形成され、本体内部の下面部には、本体内部に向かって突出するバーリングが周囲に設けられた水抜き穴が形成され、バーリングの上端は給気口の下端よりも上方にあるものである。

これによって、排気装置内で凝縮した結露水は本体の下面部の水抜き穴に設けたバーリングで堰き止められ、給気口から筐体排気口に導かれて排出されることにより、排気装置内で発生する結露水が燃料電池装置の筐体へ付着するのを防止することができるとともに、多量の雨水が排気装置に流入した場合、浸入した雨水を本体の下面部に設けた水抜き穴より排出することにより、筐体排気口からの排ガスの排出を確保し、燃料電池装置の運転を継続可能にすることができる。

本発明の燃料電池装置に排気方向を変更できる排気装置を取り付けた場合でも、排気装置内で発生する結露水が燃料電池装置の筐体への付着するのを防ぎ、燃料電池装置の筐体の外面劣化を防止するとともに、多量の雨水が排気装置に流入しても、筐体排気口からの排ガスの排出を確保し、燃料電池装置の運転を継続可能にすることができる。

本発明の実施の形態１にかかる排気装置を燃料電池装置に取り付けた外観図 本発明の実施の形態１にかかる排気装置を燃料電池装置に取り付けた構成図 本発明の実施の形態１にかかる排気装置の構成図 本発明の実施の形態１にかかる排気装置の断面図 本発明の実施の形態２にかかる排気装置の断面図 本発明の実施の形態３にかかる排気装置を燃料電池装置に取り付けた構成図 従来の排気装置を燃料電池装置に取り付けた構成図 従来の排気装置の構成図

第１の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、燃料電池および水素生成装置を収容する筐体とを備える燃料電池装置に取り付けられるとともに、水素生成装置から発生する排ガスを筐体の外部へ排出する燃料電池装置用の排気装置であって、上面部、下面部、および側面部を有する、両端が閉塞した中空形状の本体を備え、本体の上面部には、本体と外部とを連通させる排気口が形成され、本体の側面部には、筐体と本体とを連通させる給気口が形成され、本体内部の下面部には、本体内部に向かって突出するバーリングが周囲に設けられた水抜き穴が形成され、バーリングの上端は給気口の下端よりも上方にある、ことを特徴とする。

これによって、排気装置内で凝縮した結露水は本体の下面部の水抜き穴に設けたバーリングで堰き止められ、筐体排気口に導かれて排出されることにより、排気装置内で発生する結露水が燃料電池装置の筐体の外面へ付着して外面を劣化させることを防止できる。また、多量の雨水が排気装置に流入した場合でも、浸入した雨水を本体の下面部に設けた水抜き穴から排出できるため、筐体排気口からの燃焼ガスの排出ルートを確保して、燃料電池装置の運転を継続可能にすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、水抜き穴は複数形成されている、ことを特徴とする。このような構成によれば、排気装置内で凝縮した結露水が水抜き穴の間にできた隙間を通ることが可能になるため、給気口から筐体排気口へと速やかに排出することができ、バーリングを超えて水抜き穴から溢れ出るのを防止することができる。さらに、水抜き穴の総開口面積が同じでも複数形成することにより、水抜き穴の沿周長を長くすることができるため、排気装置内に浸入し、水抜き穴のバーリングを超えた雨水を速やかに排出することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明の排気装置と、燃料電池と、水素生成装置と、燃料電池および水素生成装置を収容する筐体と、を備える燃料電池装置であって、水素生成装置は、燃料ガスや酸化剤ガスを含む原料ガスおよび燃料電池から排出されたオフ燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを含む燃焼用ガスと空気を混合して燃焼させることにより水素生成装置を加熱する燃焼器と、燃焼器に空気を供給する空気供給器と、を備え、排気装置は、筐体排気口と連通するように筐体に取り付けられ、燃焼器にて燃焼した排ガスは、筐体排気口から排気装置を介して外部に排出され、排気口が閉塞され、かつ、空気供給器が最大操作量で制御されている場合において、燃焼器にて燃焼用ガスおよび空気を含む混合ガスが完全燃焼することにより発生した排ガスを外部へ排出するために、水抜き穴が排気装置における第２の排気口として機能する、ことを特徴とする。このような構成によれば、落葉などの異物が排気装置の本体の上面部に設けた排気口を覆うように落下して排気口を閉塞した場合でも、本体の下面部に設けた水抜き穴から排ガスを排出することにより、水素生成装置の燃焼で必要とする燃焼空気量を確保し、燃料電池装置の運転を継続可能にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における排気装置を燃料電池装置に取り付けた外観図、図２は、本実施の形態１にかかる排気装置を燃料電池装置に取り付けた構成図である。

図２に示すように、本実施の形態１にかかる排気装置１が取り付けられる燃料電池装置２は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池３と、水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置４と、燃料電池３および水素生成装置４を収容する筐体５とを備える。水素生成装置４は、水素生成装置４を加熱する燃焼器６と、燃焼器６に空気を供給する空気供給器８とを備える。さらに、燃料電池装置２は、筐体５内部において、燃料電池３に空気を供給する空気ポンプ７と、水素生成装置４から排出される排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器９と、排ガス熱交換器９から出てきた排ガスを筐体３の外部へ導く排気ダクト１０と、排気ダクト１０内に溜まった結露水および雨水を外部へ放出するドレンホース１１とを備える。上述した筐体５内部の部材は、空気ポンプ７、燃料電池３、水素生成装置４および燃焼器６、排ガス熱交換器９、排気ダクト１０、ドレンホース１１、の順につながって連通し、配管を通じてガスなどのやり取りを行っている。

筐体５は、幅方向および奥行き方向よりも高さ方向が長い直方体である。筐体５の側面部において高さ方向の半分の高さよりも高い位置に、穴部状の筐体排気口１２が形成される。排気装置１は、筐体排気口１２を介して筐体５と連通する。

図３は、本発明の排気装置１の構成図、図４は、本発明の排気装置１の断面図である。

図３に示すように、排気装置１は、両端が閉じられた中空形状の直方体である本体１３により構成されている。本体１３は、排気装置１が燃料電池装置２に取り付けられたときに上面側にくる上面部１４と、下面側にくる下面部１５と、上面部１４と下面部１５をつなぐ側面部１６とを有する。

上面部１４には、本体１３と外部とを連通させる排気口１７が形成されている。側面部１６には、筐体５と本体１３とを連通させる給気口１８が形成されている。本体１３内部の下面部１５には、外部と連通する水抜き穴１９が形成され、水抜き穴１９の周囲には、本体内部に向かって突出するバーリング２０が設けられている。バーリング２０は、環状の突起形状を有する。

図４に示すように、本実施の形態１にかかる排気装置１は、バーリング２０の上端が給気口１８の下端よりも上方に存在するように構成されている。

以上のように構成された排気装置について、以下その動作、作用を説明する。

水素生成装置４に都市ガスおよび純水を供給すると、水素リッチな燃料ガスが生成される。燃料電池３は、水素リッチな燃料ガスをアノードガスとして使用し、空気ポンプ７から供給される空気を含む酸化剤ガスをカソードガスとして使用して発電を行う。燃焼器６は、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどの原料ガスおよび燃料電池３から排出されたオフ燃料ガスのうち少なくとも一方の燃焼用ガスと、空気供給器８から供給される空気とを混合して燃焼させる。この燃焼反応の熱を利用することにより水素生成装置４を加熱して改質反応が行われるよう一定温度にコントロールする。

水素生成装置４から排出された排ガスは、排ガス熱交換器９に導かれて熱が回収される。その後、排気ダクト１０、筐体排気口１２、および給気口１８を介して筐体５の外部、すなわち排気装置１へと排出される。

燃料電池装置２内で発生した排ガスは、筐体５の外部へ排出される前に排ガス熱交換器９にて熱を回収されるため温度が低くなり、また、その量は一般のボイラーに比べて少ない。したがって、排気装置１と排ガスとが熱交換することにより、排ガスが容易に露点に達し、排ガス中の水蒸気が凝縮して結露水が発生する。

排気装置１内で発生した結露水は、本体１３の下面部１５の水抜き穴１９の周囲に設けられたバーリング２０で堰き止められる。バーリング２０で堰き止められた結露水は、給気口１８から筐体排気口１２を介して燃料電池装置２内の排気ダクト１０に導かれ、排気ダクト１０のドレンホース１１を介して排出される。このように燃料電池装置２内のドレンホース１１から排出することにより、排気装置１内で発生した結露水が燃料電池装置２の筐体５へ付着するのを防止することができ、燃料電池装置２の筐体５の外面劣化を防止することができる。

次に、降雨の際の排気装置１内における雨水の排出原理について説明する。雨量が少なく排気口１７から排気装置１内に浸入する雨水の量が少ない場合は、上述の結露水と同様に、雨水は、バーリング２０で堰き止められドレンホース１１を介して排出される。一方で、雨量が多く排気口１７から排気装置１内に浸入する雨水の量が多い場合は、排気装置１内の雨水の水位がバーリング２０の上端を超えるため、雨水は水抜き穴１９から排出される。水抜き穴１９から雨水が排出されることにより、雨水が筐体排気口１２から排出する排ガスの妨げにならず、燃料電池装置の運転を継続することができる。なお、このように雨水が水抜き穴１９から排出されるとき、雨水に混じって結露水も排出される。雨水と比較して量の少ない結露水は、雨水により希釈された状態で排出されるため、筐体５の外面へ付着して劣化させる可能性は低くなる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２にかかる排気装置１の断面図である。実施の形態１と同構成のものは、同符号を用いて説明を省略する。図５に示すように、本実施の形態２にかかる排気装置１は、下面部１５の給気口１８近傍に水抜き穴１９ａ、１９ｂ、１９ｃを複数形成するように構成されている。水抜き穴１９ａ、１９ｂ、１９ｃの周囲には、それぞれバーリング２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設けられている。

このように構成された排気装置１について、以下動作、作用を説明する。実施の形態１と動作、作用が同様な部分は、説明を省略する。

排気装置１の排気口１７から流入した多量の雨水を水抜き穴１９から排出するためには、本体１３の下面部１５の給気口１８近傍に水抜き穴１９を設けることが好ましい。そこで、例えば開口面積の大きい水抜き穴１９を１つ設けた場合、雨水排出性は向上する。しかしながら、このような構成では、降雨がない場合、排気装置内１で発生した結露水が水抜き穴１９のバーリング２０を迂回して給気口１８から排出されるため、結露水の排出性が悪くなる。また、凝縮する結露水の量が多い場合は、結露水の水位がバーリング２０の上端を超えて、水抜き穴１９より排出される可能性がある。

そこで、本実施の形態２にかかる排気装置１では、下面部１５の給気口１８近傍に分散して水抜き穴１９ａ、１９ｂ、１９ｃを配置するとともに、それぞれの周囲にバーリング２０ａ、２０ｂ、２０ｃを設けた。このような構成によれば、水抜き穴１９ａ、１９ｂ、１９ｃの間に隙間が発生するため、排気装置１内で凝縮した結露水がその隙間を通って給気口１８へと流れることが可能となる。したがって、結露水を筐体排気口１２へと速やかに排出することができ、バーリング２０ａ、２０ｂ、２０ｃを超えて溢れ出すことを抑制することができる。

さらに、水抜き穴１９ａ、１９ｂ、１９ｃを複数形成すると、全体の開口面積は同じのままで沿周長が長くなる。このことにより、多量の降雨の場合にバーリング２０ａ、２０ｂ、２０ｃを超えて水抜き穴１９ａ、１９ｂ、１９ｃから排出される雨水の排出性を高めることができる。このように、排気口１７から多量の雨水の浸入があった場合も筐体排気口１２からの燃焼ガスの排出ルートを確保し、燃料電池装置２の運転を継続可能にすることができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３にかかる排気装置１を燃料電池装置２に取り付けた構成図である。実施の形態１、２と同構成のものは、同符号を用い、説明を省略する。

排気装置１の上面部１４に排気口１７があるため、枯葉などの異物が排気口１７を覆うことがある。一般のボイラーのように排ガスの量が多い場合は、排ガスの吐出力で枯葉などを吹き飛ばして排気口１７の閉塞を解消できる。しかしながら、燃料電池装置２の排ガスの排出量はボイラーなどと比べて少ないため、排気装置１の上面部１４に排気口１７がある構成では、排ガスの流速で枯葉などの異物を吹き飛ばすことができない。よって、排気口１７が閉塞して、燃焼ガスの排出が不十分となり、燃料電池装置２の運転が停止することが考えられる。

図６に示すように、本実施の形態３にかかる排気装置１は、燃料電池装置２に取り付けられる。燃料電池装置２において、燃焼器６で燃焼した排ガスは、水素生成装置４から排出される排ガスを排気ダクト１０へ導く排気配管２１を通り、筐体排気口１２から排気装置１を介して外部に排出される。本実施の形態３にかかる排気装置１が取り付けられた燃料電池装置２では、排気口１７が閉塞されて水抜き穴１９からのみ排ガスが排出され、かつ、空気供給器８が最大操作量で制御されている場合において、水抜き穴１９の面積を、排ガスが燃焼器６において完全燃焼する量の空気が流れるように設定するとともに、排気配管２１の断面積の１／２以上としている。

以上のように構成された排気装置１について、以下動作、作用を説明する。実施の形態１、２と動作、作用が同様な部分は、説明を省略する。

本体１３の下面部１５に水抜き穴１９が設けられているため、排気装置１の排気口１７が閉塞したとき、排ガスは水抜き穴１９から排出される。全排ガスが水抜き穴１９から排出され、かつ空気供給器８が最大操作量で制御されている場合において、燃焼器６にて混合ガス（燃焼用ガスや空気を含む）が完全燃焼することにより発生した排ガスが水抜き穴１９から排出されるように、水抜き穴１９の開口面積が設定されている。すなわち、空気供給器８が、燃焼器６へ最大量の空気を供給するように運転し、かつ排ガスを排気口１７から排出できない場合に、水抜き穴１９が第２の排気口として機能する。したがって、落葉などの異物が排気装置１の排気口１７を覆うように落下して排気口１７を閉塞した場合でも、水抜き穴１９から排ガスを排出することにより、燃焼器６で不完全燃焼を起こすことなく、燃料電池装置２の運転を継続することができる。

本体１３の形状は直方体と記載したが、直方体に限らず、円筒形などあらゆる形状を採用しても良い。

バーリング２０は、環状の突起形状を有すると記載したが、結露水などの液体を堰き止めるのに適切なその他あらゆる形状を採用しても良く、また、その形成方法は、バーリング加工に限らず、あらゆる方法を採用しても良い。

以上のように、本発明にかかる排気装置は、取り付ける機器の筐体の外面の劣化を防止できるため、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池に適用できる。

１ 排気装置
２ 燃料電池装置
３ 燃料電池
４ 水素生成装置
５ 筐体
６ 燃焼器
７ 空気ポンプ
８ 空気供給器
９ 排ガス熱交換器
１０ 排気ダクト
１１ ドレンホース
１２ 筐体排気口
１３ 本体
１４ 上面部
１５ 下面部
１６ 側面部
１７ 排気口
１８ 給気口
１９ 水抜き穴
２０ バーリング

Claims (3)

1. 水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、燃料電池および水素生成装置を収容する筐体とを備える燃料電池装置に取り付けられるとともに、水素生成装置から発生する排ガスを筐体の外部へ排出する燃料電池装置用の排気装置であって、
   上面部、下面部、および側面部を有する、両端が閉塞した中空形状の本体を備え、
   本体の上面部には、本体と外部とを連通させる排気口が形成され、
   本体の側面部には、筐体と本体とを連通させる給気口が形成され、
   本体内部の下面部には、本体内部に向かって突出するバーリングが周囲に設けられた水抜き穴が形成され、
   バーリングの上端は給気口の下端よりも上方にある、燃料電池装置用の排気装置。
2. 水抜き穴は複数形成されている、請求項１に記載の排気装置。
3. 請求項１または２に記載の排気装置と、
   燃料電池と、
   水素生成装置と、
   燃料電池および水素生成装置を収容する筐体と、を備える燃料電池装置であって、
   水素生成装置は、燃料ガスや酸化剤ガスを含む原料ガスおよび燃料電池から排出されたオフ燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを含む燃焼用ガスと空気を混合して燃焼させることにより水素生成装置を加熱する燃焼器と、燃焼器に空気を供給する空気供給器と、を備え、
   排気装置は、筐体排気口と連通するように筐体に取り付けられ、
   燃焼器にて燃焼した排ガスは、筐体排気口から排気装置を介して外部に排出され、
   排気口が閉塞され、かつ、空気供給器が最大操作量で制御されている場合において、燃焼器にて燃焼用ガスおよび空気を含む混合ガスが完全燃焼することにより発生した排ガスを外部へ排出するために、水抜き穴が排気装置における第２の排気口として機能する、燃料電池装置。

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