JP2013229126A - 燃料電池発電装置の排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気口への風の作用を抑制可能な燃料電池発電装置の排気構造を提供すること、ケースの天板部と排ガス排出通路との間の隙間を排出口として利用可能な燃料電池発電装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池２と、この燃料電池２を収容したケース１７と、燃料電池２からの排ガスを外部に排出する為の排ガス排出通路６とを備えた燃料電池発電装置１の排気構造２１は、ケース１７の天板部１７ｅに、排ガス排出通路６の下流側の排気筒部６ｃが挿通し且つ排気筒部６ｃよりも大径の開口部２２が形成され、開口部２２の周縁と排気筒部６ｃとの間に環状隙間２５が設けられ、排気筒部６ｃに取り付けた排気トップ２３によって環状隙間２５の上方が覆われ、天板部１７ｅの開口部２２の周縁には、バーリング加工で形成された上方に突出する筒状部２４が形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は燃料電池発電装置の排気構造に関し、特に排ガスを排出する為の排ガス排出通路への風の影響を抑制可能で且つケース内部に漏洩した可燃性ガスを外部に排出可能な排気構造に関する。

従来、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池発電装置と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯給湯装置と、燃料電池発電装置と貯湯給湯装置との間に湯水を循環させる循環加熱回路等を備えている。

ここで、上記の燃料電池発電装置は、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電モジュールと、この燃料電池発電モジュールからの排ガスを外部に排出する為の排ガス排出通路と、燃料電池発電モジュールからの排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換する熱交換器等を備えている。

ところで、上記の排ガス排出通路の排気口は、従来では燃料電池発電モジュールを収納したケースの側板部側に設けられている。例えば、特許文献１では、燃料電池発電装置は各種器具を一体的に収納する上下に仕切られたケースを備え、このケースの上室内部に燃料電池発電モジュールが設置され、ケースの下室内部に補機類、熱交換器や排ガス排出通路が設置され、排ガス排出通路の排気口がケースの側板部に設けられている。

また、特許文献１には、排ガス排出通路の途中部に、ケースの上室内部の空気を外部に排出する為の換気通路が接続された構造が開示されている。ケースの仕切り板に設置された換気ファンの駆動により、換気通路から流入してくるケース内部空気と排ガスが排ガス排出通路の途中部で混合されて排気口から外部に排出される。この排気口には、平板部材からなる偏向板が設けられ、この偏向板によって混合ガスを側板部に対して斜め方向に排出することで、排ガスが側板部に接触して腐食するのを防止している。

特開２０１１−２０４４４６号公報

しかし、燃料電池発電装置において、燃料電池発電モジュールからの排ガスの排気量は一般的に少量であるため、特許文献１のように、ケースの側板部側に排気口が設置された構造では、横方向からの風を受けると、この横風の風圧により排ガスが排気口から排ガス排気通路を逆流してしまい、燃料電池発電モジュールの内部のガス流量が不安定となる虞がある。

また、特許文献１では、排ガスがケースの側板部に接触するのを防止する為に、排気口に偏向板を設けているが、風の影響化では、排気口から排出された排ガスは排気口周辺に拡散されてしまい、排ガスの一部がケース側に押し戻されて側板部に接触してしまう。排出される排ガスには少量の酸性の凝縮水等が含まれているので、この凝縮水等が側板部の表面で結露すると、偏向板が設置されているにも関わらず側板部が腐食してしまう。

さらに、特許文献１では、ケースの内部空気を外部に排出する為の換気通路が、上室の底板（仕切り板）から下方に延び、排ガス排出通路の途中部に接続されるので、換気ファンが故障等で停止した状態で可燃性ガスの漏洩が発生した場合、可燃性ガスの主要成分は水素であり水素の比重は空気より軽いので、可燃性ガスがケース内部の上方に滞留してしまう虞がある。

本発明の目的は、排気口への風の影響を抑制可能な燃料電池発電装置の排気構造を提供すること、ケースの天板部と排ガス排出通路との間の隙間を排出口として利用可能な燃料電池発電装置を提供すること、等である。

請求項１の燃料電池発電装置の排気構造は、燃料電池と、この燃料電池を収容したケースと、前記燃料電池からの排ガスを外部に排出する為の排ガス排出通路とを備えた燃料電池発電装置の排気構造において、前記ケースの天板部に、前記排ガス排出通路の下流側の排気筒部が挿通し且つ前記排気筒部よりも大径の開口部が形成され、前記開口部の周縁と前記排気筒部との間に環状隙間が設けられ、前記排気筒部に取り付けた排気トップによって前記環状隙間の上方が覆われたことを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電装置の排気構造は、請求項１の発明において、前記天板部の開口部の周縁には、バーリング加工で形成された上方に突出する筒状部が形成されたことを特徴としている。

請求項３の燃料電池発電装置の排気構造は、請求項１又は２の発明において、前記ケースの内部に内部空気を外部に強制的に排出可能な排気手段が設けられ、前記環状隙間は前記内部空気の排出口として構成されたことを特徴としている。

請求項４の燃料電池発電装置の排気構造は、請求項３の発明において、前記排気トップは、前記環状隙間から排出された前記内部空気を案内するガイド部を備え、前記排気手段を駆動する場合、前記内部空気は、前記ガイド部によって前記天板部の上面に沿って流れる空気流を形成することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、排ガス排出通路の下流側の排気筒部が挿通する開口部が、ケースの天板部に形成され、排気筒部に排気トップが取り付けられるので、排ガス排出通路の排気口を天板部側に設けて、上方排気用の排気トップを採用することで、排気口への横方向からの風の影響を抑制することができる。このため、風の影響下であっても、排気口から排出される排ガスは天板部側には押し流されず、天板部が腐食するのを防止してケースの耐久性を向上させることができるうえ、排ガス排出通路への排ガスの逆流を防止し、燃料電池内部のガス流量が不安定にならない。

また、開口部は排気筒部よりも大径に形成され、開口部の周縁と排気筒部との間に環状隙間が設けられ、排気筒部に取り付けた排気トップによって環状隙間の上方が覆われたので、発電運転に伴いケースの内部空気の温度が上昇した場合でも、環状隙間を介して内部空気を自然に外部に排出することができる。さらに、燃料電池発電モジュールや燃料供給経路が故障し、ケースの内部に水素を含む可燃性ガスが漏れた場合でも、可燃性ガスは空気の比重よりも軽い場合が多いのでケース内部の上方へ流れて、環状隙間を介して可燃性ガスを外部へ自然に排出することができる。

請求項２の発明によれば、天板部の開口部の周縁には、バーリング加工で形成された上方に突出する筒状部が形成されたので、この筒状部によってケースの内部に雨水や塵等の進入を防止することができる。

請求項３の発明によれば、ケースの内部に内部空気を外部に強制的に排出可能な排気手段が設けられ、環状隙間は内部空気の排出口として構成されたので、排気手段を駆動することで、ケースの内部空気やケースの内部に漏洩した可燃性ガスを環状隙間を介して強制的に外部に排出することができる。

請求項４の発明によれば、排気トップは、環状隙間から排出された内部空気を案内するガイド部を備え、排気手段を駆動する場合、内部空気は、ガイド部によって天板部の上面に沿って流れる空気流を形成するので、排ガスが天板部の上面に接触するのを確実に防止することができる。

実施例１に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。 燃料電池発電装置の概略斜視図である。 燃料電池発電装置の排気構造の縦断面図である。 燃料電池発電装置の排気構造の分解斜視図である。 実施例２に係る燃料電池発電装置の排気構造の縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

本発明は、燃料電池発電装置１の排気構造２１に関するものであるが、最初に、本発明の排気構造２１が適用される燃料電池発電装置１の全体構成について簡単に説明する。
図１，図２に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電モジュール２（燃料電池に相当する）、カソード空気ブロア３、燃料ガス昇圧ブロア４、燃料改質空気ブロア５、排ガス排出通路６、熱交換器７、水処理装置８、インバータ９等から構成され、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力は、インバータ９を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

尚、この燃料電池発電装置１は、熱交換器７による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と燃料電池発電装置１との間に循環ポンプ１１を介して湯水を循環させる為の循環加熱回路１０等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムを構成しているが、燃料電池発電装置１以外の構成の詳細な説明は省略する。

燃料電池発電モジュール２は、燃料電池セルスタック１２、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器１３、燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて水素リッチな改質燃料ガスを生成する燃料改質器１４、燃料電池セルスタック１２の発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理するオフガス燃焼室１５等を備え、燃料改質器１４によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１２で高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。

燃料電池セルスタック１２の燃料極側及び酸素極側の各排出側には、オフガス燃焼室１５が接続されている。このオフガス燃焼室１５では、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排ガスを生成し、この排ガスで燃料改質器１４や熱交換器７を加熱してから、排ガス排出通路６を介して外部に排出する。

排ガス排出通路６の途中部に熱交換器７が設けられ、この熱交換器７によって燃料電池発電モジュール２から排出される排ガスは循環加熱回路１０を流れる湯水との間で熱交換され、排ガスに含まれる水蒸気は凝縮され、この凝縮水は水処理装置８によって回収され不純物を取り除かれ燃料電池発電モジュール２に供給される、所謂、水自立運転が行われている。

図１，図２に示すように、燃料電池発電装置１は、上記の各種器具や各種配管が外装ケース１７に一体的に収納されて構成されている。外装ケース１７は、薄鋼板製の直方体状の箱状に構成され、前板部１７ａ、左右１対の側板部１７ｂ，１７ｃ、後板部１７ｄ、天板部１７ｅ、底板部１７ｆ等を備えている。

外装ケース１７の内部には、上側発電室１８と下側補機室１９とを区画する仕切り板１７ｇが設置されている。上側発電室１８には、燃料電池発電モジュール２、熱交換器７、排ガス排出通路６やガス漏れセンサ１６等が収容されている。下側補機室１９には、水処理装置８、インバータ９や各種ブロア３〜５等が収納されている。仕切り板１７ｇには、上側発電室１８と下側補機室１９とを連通する換気孔１７ｈが形成され、この換気孔１７ｈには下側補機室１９から上側発電室１８へ内部空気を流すことにより、内部空気を強制的に外部に排出する為の換気ファン２０が設置されている。

ここで、本願特有の燃料電池発電装置１の排気構造２１について説明する。
図２〜図４に示すように、排気構造２１において、排ガス排出通路６は、オフガス燃焼室１５から延びる上流側排気筒部６ａ、この上流側排気筒部６ａの下流側に接続された熱交換通路部６ｂ、この熱交換通路部６ｂの下流側から延びる下流側排気筒部６ｃを備えている。下流側排気筒部６ｃは、上側発電室１８の内部に縦向きに配置され、その下流側部分（上端側部分）が外装ケース１７の天板部１７ｅに形成された開口部２２に挿通され、下流側排気筒部６ｃの排気口６ｄを覆うように排気トップ２３が取り付けられている。

図３，図４に示すように、開口部２２は、天板部１７ｅの排ガス排出通路６の通過位置に形成され、下流側排気筒部６ｃよりも大径に形成されている。開口部２２の周縁には、バーリング加工で形成された上方に突出する筒状部２４が形成されている。この筒状部２４は、上方ほど半径方向内側に接近するように傾斜状に形成された、所謂絞り構造に形成されている。

開口部２２の周縁と下流側排気筒部６ｃとの間に環状隙間２５が設けられている。具体的には、この環状隙間２５は、下流側排気筒部６ｃの外周面と筒状部２４の内周面とから環状に形成されている。環状隙間２５の上方は、下流側排気筒部６ｃに取り付けた排気トップ２３によって覆われている。この環状隙間２５は、外装ケース１７の内部空気の排出口として構成される。

次に、排気トップ２３について説明する。
図３，図４に示すように、排気トップ２３は、排ガスを外部の所定の方向へ排出する為の上方排気用のものであり、下流側排気筒部６ｃの上端部に嵌合固定される環状湾曲板部２３ａ、この環状湾曲板部２３ａと一体的に形成された環状底板部２３ｂ、この環状底板部２３ｂの外周縁部に一体的に連結された排気カバー部２３ｃ等で構成されている。

環状湾曲板部２３ａは、薄い金属板から平面視にて環状に構成され且つ断面にて内側から外側に向って下方にカーブする湾曲状に構成されている。環状底板部２３ｂは、薄い金属板から平面視にて円環状に構成されている。

排気カバー部２３ｃは、薄い金属板から上方へ凸の半球状に構成されている。排気カバー部２３ｃの下端寄り部分には、横方向に延びる長円形状又は矩形状の複数の排出孔２８が周方向等間隔位置に形成されている。これら環状湾曲板部２３ａと環状底板部２３ｂと排気カバー部２３ｃの内部に、排気口６ｄに連なる排ガス通路が形成されている。

さらに、排気トップ２３は、環状隙間２５から上方に排出された内部空気を斜め下方に案内するガイド部を有し、このガイド部は環状湾曲板部２３ａで構成されている。外装ケース１７の内部には、上述のように内部空気を外部に強制的に排出可能な換気ファン２０（排気手段に相当する）が設けられ、この換気ファン２０を駆動する場合、内部空気は、ガイド部によって天板部１７ｅの上面に沿って流れる空気流を形成する。

次に、燃料電池発電装置１の排気構造２１の作用及び効果について説明する
燃料電池発電モジュール２において、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とをオフガス燃焼室１５で燃焼させることによって高温の排ガスを生成し、この高温の排ガスは、燃料改質器１４や熱交換器７を加熱してから、上流側排気筒部６ａを通過して熱交換通路部６ｂに流入する。熱交換器７で熱交換されて温度が低下した排ガスは、下流側排気筒部６ｃを通過して排気口６ｄから排気トップ２３の内部に流入し、複数の排出孔２８から外部に排出される。

この排出される排ガスには、熱交換器７により潜熱回収を行った際に発生する酸性の凝縮水が回収しきれずに含まれている場合がある。このため、排ガスが外装ケース１７に接触すると、酸性の凝縮水等が結露して外装ケース１７が腐食する虞があるが、本発明の排気構造２１では、下流側排気筒部６ｃが縦向きに配置され、排気口６ｄを覆うように上方排気用の排気トップ２３が取り付けられたので、横方向からの風を受けても、排ガスは天板部１７ｅに押し流されずに接触せず横方向に拡散する。

上記の燃料電池発電モジュール２の発電に伴い、外装ケース１７の内部空気の温度が徐々に上昇する。このとき、加熱された内部空気は、外装ケース１７の内部の上方に流れるので、環状隙間２５を介して滞留せずに外部に排出され、自然に換気が行われる。

また、燃料電池発電装置１の運転状況に応じて、換気ファン２０を駆動可能である。この換気ファン２０の駆動に伴い、環状隙間２５から排出される内部空気は、ガイド部によって天板部１７ｅの上面に沿って流れる空気流として形成され、天板部１７ｅの排気トップ２３の周辺部分を内部空気からなる空気層で覆うので、排気トップ２３から排出される排ガスが天板部１７ｅに接触することを防止することができる。

ところで、燃料電池発電モジュール２や燃料供給経路に故障が発生し、外装ケース１７の内部に可燃性ガスが漏れてしまう可能性がある。この場合、漏洩した可燃性ガスは水素を含有する場合が多いため、外装ケース１７の内部の上方に流れるが、天板部１７ｅには環状隙間２５が形成されているので、可燃性ガスは環状隙間２５から自然に外部に排出される。

尚、外装ケース１７の内部に設置されたガス漏れセンサ１６が、可燃性ガスの漏洩を検知した場合に、換気ファン２０を駆動し、外装ケース１７の内部に滞留した可燃性ガスを上方に流し、環状隙間２５を介して短時間のうちに強制的に可燃性ガスを外部に排出することも可能である。

このように、排ガス排出通路６の下流側排気筒部６ｃが挿通する開口部２２が、外装ケース１７の天板部１７ｅに形成され、下流側排気筒部６ｃに排気トップ２３が取り付けられるので、排ガス排出通路６の排気口６ｄを天板部１７ｅ側に設けて、上方排気用の排気トップ２３を採用することで、排気口６ｄへの横方向からの風の影響を抑制することができる。このため、風の影響下であっても、排気口６ｄから排出される排ガスは天板部１７ｅ側には押し流されず、天板部１７ｅが腐食するのを防止して外装ケース１７の耐久性を向上させることができるうえ、排ガス排出通路６への排ガスの逆流を防止し、燃料電池発電モジュール２の内部のガス流量が不安定にならない。

また、開口部２２は下流側排気筒部６ｃよりも大径に形成され、開口部２２の周縁と下流側排気筒部６ｃとの間に環状隙間２５が設けられ、下流側排気筒部６ｃに取り付けた排気トップ２３によって環状隙間２５の上方が覆われたので、発電運転に伴い外装ケース１７の内部空気の温度が上昇した場合でも、環状隙間２５を介して内部空気を自然に外部に排出することができる。燃料電池発電モジュール２や燃料供給経路が故障し、外装ケース１７の内部に水素を含む可燃性ガスが漏れた場合でも、環状隙間２５を介して可燃性ガスを外部へ自然に排出することができる。

さらに、天板部１７ｅの開口部２２の周縁には、バーリング加工で形成された上方に突出する筒状部２４が形成されたので、この筒状部２４によって外装ケース１７の内部に雨水や塵等の進入を防止することができる。

外装ケース１７の内部に内部空気を外部に強制的に排出可能な換気ファン２０（排気手段）が設けられ、環状隙間２５は内部空気の排出口として構成されたので、換気ファン２０を駆動することで、外装ケース１７の内部空気や外装ケース１７の内部に漏洩した可燃性ガスを環状隙間２５を介して強制的に外部に排出することができる。

排気トップ２３は、環状隙間２５から排出された内部空気を案内するガイド部を備え、換気ファン２０を駆動する場合、内部空気は、ガイド部によって天板部１７ｅの上面に沿って流れる空気流を形成するので、排ガスが天板部１７ｅの上面に接触するのを確実に防止することができる。

次に、実施例１の燃料電池発電装置１の排気構造２１を部分的に変更した実施例２の排気構造２１Ａについて説明する。尚、実施例１の排気トップ２３は半球状に構成されたものであるが、実施例２の排気トップ３１は円筒状に構成されたものである。

図５に示すように、排気構造２１Ａにおいて、排気トップ３１は、下流側排気筒部６ｃに嵌合固定される環状板部３１ａ、この環状板部３１ａの外周縁部に一体的に連結された外側筒部３１ｂ、この外側筒部３１ｂの上端部に一体的に連結されたカバー部３１ｃ、このカバー部３１ｃに固定された整流板部３１ｄ等で構成されている。

環状板部３１ａは、薄い金属板から平面視にて環状に形成され且つ断面にて内側から外側に向って下方に傾斜するテーパ状に形成されている。外側筒部３１ｂは、薄い金属板から円筒状に構成され、外側筒部３１ｂの下端寄り部分には、縦方向に延びる矩形状の複数の排出孔３３が周方向等間隔位置に形成されている。カバー部３１ｃと整流板部３１ｄも同様に薄い金属板から構成され、整流板部３１ｄは排気口６ｄから排出した排ガスを複数の排出孔３３へ整流するものである。これら環状板部３１ａ、外側筒部３１ｂ、カバー部３１ｃの内部に、排気口６ｄに連なる排ガス通路が形成されている。

排気トップ３１は、環状隙間２５から上方に排出された内部空気を斜め下方に案内するガイド部を有し、このガイド部は環状板部３１ａで構成されている。外装ケース１７の内部には、内部空気を外部に強制的に排出可能な換気ファン２０が設けられ、この換気ファン２０を駆動する場合、内部空気は、ガイド部によって天板部１７ｅの上面に沿って流れる空気流を形成することができる。
その他の構成、作用及び効果は実施例１と同様であるので説明は省略する。

次に、前記実施例１，２を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例１，２の排気トップ２３，３１の構造は、ほんの一例を示したに過ぎず、環状隙間２５の上方を覆うものであれば、種々の形状のものを採用することができる。また、実施例１，２の排気トップ２３，３１に設けられたガイド部は、必ずしも必要ではなく、環状隙間２５を覆うような構造であれば、これらガイド部を省略するような構造であっても良い。

［２］前記実施例１の排気トップ２３の排気孔２８と前記実施例２の排気トップ３１の排気孔３３の形状は、ほんの一例を示したに過ぎず、種々の形状を採用可能である。

［３］前記実施例１，２の換気ファン２０は、可燃性ガスが漏洩した場合に駆動するものであるが、特に可燃性ガスの漏洩時の駆動に限定する必要はなく、外装ケース１７の内部温度が所定の温度を超えた場合に換気ファン２０を駆動したり、常時又定期的に換気ファン２０を駆動することで、外装ケース１７の内部空気を、環状隙間２５を介して外部に排出して、外装ケースの内部を換気するようにしても良い。

［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池発電モジュール
６ 排ガス排出通路
６ｃ 下流側排気筒部
１７ 外装ケース
１７ｅ 天板部
２０ 換気ファン
２１，２１Ａ 排気構造
２２ 開口部
２３，３１ 排気トップ
２４ 筒状部
２５ 環状隙間

Claims (4)

1. 燃料電池と、この燃料電池を収容したケースと、前記燃料電池からの排ガスを外部に排出する為の排ガス排出通路とを備えた燃料電池発電装置の排気構造において、
   前記ケースの天板部に、前記排ガス排出通路の下流側の排気筒部が挿通し且つ前記排気筒部よりも大径の開口部が形成され、
   前記開口部の周縁と前記排気筒部との間に環状隙間が設けられ、
   前記排気筒部に取り付けた排気トップによって前記環状隙間の上方が覆われたことを特徴とする燃料電池発電装置の排気構造。
2. 前記天板部の開口部の周縁には、バーリング加工で形成された上方に突出する筒状部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の排気構造。
3. 前記ケースの内部に内部空気を外部に強制的に排出可能な排気手段が設けられ、前記環状隙間は前記内部空気の排出口として構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置の排気構造。
4. 前記排気トップは、前記環状隙間から排出された前記内部空気を案内するガイド部を備え、
   前記排気手段を駆動する場合、前記内部空気は、前記ガイド部によって前記天板部の上面に沿って流れる空気流を形成することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置の排気構造。