JP2018077976A - 燃料電池システム用排気ダクト - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの排気孔で生じていた騒音を簡便に低減できる燃料電池システム用排気ダクトを提供する。
【解決手段】バーナ排ガス流路２１、換気ガス流路２２、全排ガス流路２３流路と、全排ガス流路２３から全排ガスをダクト外部に排気する排気孔１４と、排気孔１４に設けられたシャッター１６と、シャッター１６に設けられ、全排ガス流路２３とダクト外部とを連通するスリット１７と、排気孔１４の直前の全排ガス流路２３内に設けられた整流部１５とを備えている。スリット１７は、シャッター１６が延在する平面に対して斜交したスリット角ηを有している。整流部１５は、スリット角ηと概略平行な整流面を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システム用排気ダクトに関する。

近年、発電システムの１つとして、燃料電池システムが普及しつつある。この燃料電池システムは、主だった構成として、改質器及び凝縮器を有する。改質器は、都市ガス又はＬＰガス等から水素を取り出す。改質器は、例えば、外部から水道水が供給され、水処理樹脂等で水道水を所定の純度の改質水に純化させる。また、改質器は燃焼器を有し、加熱により改質反応を促進させる。凝縮器は、燃焼器によって燃焼されたバーナ排気などの水分を含有する排ガスを冷却する。

燃料電池システムは、燃焼器により燃焼排ガスが生じるため、バーナ排ガス流路を備えている。また、改質器及び凝縮器は、パッケージ内に納められており、燃料電池システムには、パッケージ内の換気のため換気ファンが設けられ、パッケージ内換気ガス流路が備えられている。バーナ排ガス流路やパッケージ内換気ガス流路は、空気ブロワや換気ファン等の回転機を有している。これらの回転機は、騒音を生じさせており、バーナ排ガス流路やパッケージ内換気ガス流路の排気孔では、大きな騒音を生じていた。

騒音対策として、例えば、燃料電池に空気を供給する流量を計測し、空気供給装置が発する吐出脈動騒音を抑制する調整手段を有する燃料電池装置が提案されている。同様に騒音対策として、燃料電池に供給する空気の圧力または流量を調整する空気調圧弁を備える燃料電池システムも提案されている。一方、これらの調整手段や空気調圧弁などの能動的手段以外に、燃料電池に空気を供給するときに騒音を減少させるマフラーも提案されている。

特開２０１１−１００６２８号公報 特開２０１０−２７２４４４号公報 特開２００７−２０７７４８号公報

回転機で生じる騒音に対して、更なる音低減を図るには、高精度なセンサや高性能のマフラーを必要とし、燃料電池システムの製造コストの上昇や燃料電池システムの装置の大型化が懸念されていた。そのため、特別に高性能又は高精度な装置を付加することなく簡便な方法で音低減を図ることができ、また、従来からの調整手段又はマフラーに付加しても使用できる燃料電池システム用排気ダクトが要求されていた。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池システムの排気孔で生じていた騒音を簡便に低減できる燃料電池システム用排気ダクトを提供することにある。

本実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクトは、排気ガスが流れる流路と、前記流路から前記排気ガスを前記流の外部に排気する排気孔と、前記排気孔に設けられたシャッターと、前記シャッターに設けられ、前記流路と前記外部とを連通するスリットと、前記排気孔の直前の前記流路内に設けられる整流部と、を備え、前記スリットは、前記シャッターが延在する平面に対して斜交したスリット角を有し、前記整流部は、前記スリット角と概略平行な整流面を有すること、を備えることを特徴とする。

第１の実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクトの概略構成を示す断面図である。 整流部の整流面の傾斜角θと、換気ファン空気導入口に設けられた換気ファンによる回転数との関係を示したグラフである。 整流部の整流面の傾斜角θと、燃料電池システム用排気ダクトの外であって排気孔の近傍における騒音音圧レベルを示したグラフである。 第２の実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクトの概略構成を示す断面図である。

［第１の実施形態］
（１−１．構成）
第１の実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクトについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクト１０の概略構成を示す断面図である。

燃料電池システム用排気ダクト１０は、図示しない燃料電池システムに設けられている。燃料電池システムは、図示しない改質器と凝縮器とを備えている。改質器は、改質反応に用いる燃焼器を備えており、燃焼器における燃焼によってバーナ燃焼排ガスを発生する。燃料電池システムは、図示しない燃料電池を備え、燃料電池本体のカソード極出口からカソード排ガスを発生する。凝縮器は、バーナ燃焼排気及びカソード排気等の水分を含有する排ガスを冷却する。また、改質器、凝縮器及び燃料電池等は、パッケージ内に収容されている。パッケージには、吸気口と排気口がそれぞれ設けられ、パッケージ内の空気（以下、これを換気ガスという。）が換気される。燃料電池システム用排気ダクト１０は、燃料電池システムで発生したバーナ燃焼排気及びカソード排気（以下、これらを併せて、バーナ排ガスという。）を外部に排気する。

図１に示すように、燃料電池システム用排気ダクト１０は、概略直方体形状の容器である。この燃料電池システム用排気ダクト１０は、バーナ排ガス導入口１１、換気ファン空気導入口１２、仕切り板１３及び排気孔１４を備えている。バーナ排ガス導入口１１は、この燃料電池システム用排気ダクト１０の一側面に開口している。排気孔１４は、バーナ排ガス導入口１１が開口する側面と対向する側面に開口している。仕切り板１３は、バーナ排ガス導入口１１と排気孔１４を隔てるように燃料電池システム用排気ダクト１０内に延びている。仕切り板１３と、バーナ排ガス導入口１１が形成される側面と、排気孔１４が形成される側面は、平行である。また、仕切り板１３とバーナ排ガス導入口１１及び排気孔１４が形成される側面は、同一の幅を有している。即ち、バーナ排ガス導入口１１と排気孔１４とが仕切り板１３で片脇又は両脇に繋がることはない。また、仕切り板１３は、バーナ排ガス導入口１１が形成される側面と、排気孔１４が形成される側面とに繋がる一平面に立設され、この一平面との対向面に至らない高さまで延びている。なお、仕切り板１３が立ち上がる平面には、ドレン水が落ちる開口が形成されており、燃料電池システム用排気ダクト１０は、この開口からドレン水が溜まる区画をさらに備えている。

即ち、概略直方体形状の容器には、仕切り板１３によってコの字の流路が形成されている。バーナ排ガス導入口１１と排気孔１４は、このコの字状の流路の両端部に別れて設けられている。換気ファン空気導入口１２は、仕切り板１３が立設された平面とは反対の面に開口している。この換気ファン空気導入口１２は、仕切り板１３を境界として排気孔１４が開口する側面側に偏って形成されている。このような燃料電池システム用排気ダクト１０において、バーナ排ガス導入口１１から換気ファン空気導入口１２の出口付近にある合流点αまでの流路が、バーナ排ガスの排気ルート（以下、これをバーナ排ガス流路２１という。）となり、換気ファン空気導入口１２から合流点αまでの流路が、排気ファン空気の排気ルート（以下、これを換気ガス流路２２という。）となり、合流点αから排気孔１４までが、バーナ排ガスの排気ルートと排気ファン空気の排気ルートとが合流した合流排気ルート（以下、これを全排ガス流路２３という。）となる。

この燃料電池システム用排気ダクト１０は、スリット１７を有するシャッター１６と整流部１５を更に有している。シャッター１６は、排気孔１４を塞ぐように設けられている。スリット１７は、シャッター１６に設けられ、全排ガス流路２３とダクト外部とを連通させる。シャッター１６は、排気孔１４にスリット１７を形成する基材であり、例えば、長板を間隔を隔てて多数平行に配置した梯子状、長板が縦横に交差したすのこ状を有している。梯子状のシャッター１６において、隣接する長板間に存在する空間がスリット１７であり、すのこ状のシャッターにおいて、格子の目がスリット１７である。スリット１７は、シャッター１６が延在する平面に対して斜交したスリット角ηを有している。即ち、スリット１７は、シャッター１６の一面から反対面へ斜めに切り込まれるように形成されている。また、スリット１７は、全排ガス流路２３側の端部がダクト外部側の端部より高い位置にある。

整流部１５は、全排ガスを整流する整流面を有している。整流面は、平面であってもよいし、波打っていてもよい。整流部１５は、排気孔１４の直前の全排ガス流路２３内に設けられている。整流部１５は、全排ガス流路２３の終端側からシャッター１６へ整流面を斜め方向に向けている。整流面は、スリット１７と概略平行に延びている。整流部１５の整流面は、シャッター１６が延在する平面に対して傾斜角θを有している。整流部１５の整流面の傾斜角θは、２５度以上から３０度以下である。この傾斜角θは、望ましくは、２７度である。即ち、スリット１７のスリット角ηも２５度以上から３０度以下であり、望ましくは、２７度である。なお、傾斜角θとスリット角ηとは厳格に等しい角度である必要はなく、２度から３度程度の差異を許容することができる。

（１−２．作用）
第１の実施形態の燃料電池システム用排気ダクト１０の作用について、説明する。バーナ排ガス導入口１１から排気されたバーナ排ガスは、バーナ排ガス流路２１を流れる。換気ファン空気導入口１２から排気された換気ガスは、換気ガス流路２２を流れる。バーナ排ガス流路２１を流れるバーナ排ガスと、換気ガス流路２２を流れる換気ガスは、合流点αで合流する。バーナ排ガスと換気ガスとにより成る全排ガスは、全排ガス流路２３を流れ、全排ガス流路２３の終端の整流部１５に至る。

整流部１５は、全排ガスの流れを傾斜角θの整流面に沿うように整流する。このとき、整流部１５は、整流の副作用として整流面の傾斜角θに応じて燃料電池システム用排気ダクト１０内の圧力を変化させ、定電圧駆動の換気ファンの回転数［ｒｐｍ］を変化させる。即ち、整流部１５の整流面の傾斜角θに応じて全排ガスの抜けの良さが変わり、燃料電池システム用排気ダクト１０内の圧力が小さくなると、定電圧駆動の換気ファンにかかる圧力も小さくなり、換言すると換気ファンにかかる負荷も小さくなり、換気ファンの回転数が高くなる。一方、燃料電池システム用排気ダクト１０内の圧力が大きくなると、定電圧駆動の換気ファンにかかる圧力も大きくなり、換言すると換気ファンにかかる負荷も大きくなり、換気ファンの回転数が低くなる。

図２は、整流部１５の整流面の傾斜角θと、換気ファン空気導入口１２に設けられた換気ファンによる回転数との関係を示したグラフである。図２に示すように、整流部１５の整流面の傾斜角θが２５度以上３０度以下のとき、換気ファンの回転数は小さくなり、傾斜角θが２７度のとき、換気ファンの回転数は最小となる。整流面の傾斜角θが２７度のとき、換気ファンにかかる負荷が最大となるためである。

図３は、整流部１５の整流面の傾斜角θと、燃料電池システム用排気ダクト１０の出口であって排気孔１４の近傍における騒音音圧レベルを示したグラフである。なお、燃料電池システムは、出力安定状態にあり、バーナ排ガス導入口１１からのバーナ排ガスの流量は、ほぼ一定とする。また、換気ファン空気導入口１２に設けられた換気ファンは、２４［Ｖ］定電圧で印加され、パッケージ内の換気ガス流量は、燃料電池システムの出力によらず、ほぼ一定とする。

図３に示すように、整流部１５の整流面の傾斜角θが、換気ファンの回転数が小さくなる２５度以上３０度以下のとき、排気孔１４の近傍における騒音音圧レベルが小さくなる。特に、換気ファンの回転数が最小となる２７度の時、排気孔１４の近傍における騒音音圧レベルが最小となる。換気ファンの回転数が高ければ、燃料電池システム用排気ダクト１０が発生させる騒音のうち、換気ファン由来の騒音成分は大きな値となり、換気ファンの回転数が低ければ、燃料電池システム用排気ダクト１０が発生させる騒音のうち、換気ファン由来の騒音成分は小さな値となるためである。なお、整流部１５の整流面の傾斜角θは、騒音音圧レベルで範囲を設定することができ、換気ファンの回転数が小さくなった２５度以上３０度以下というのは、例えば、騒音音圧レベルが、３５．５［ｄＢ］以下となる、整流面の傾斜角θを例示したものである。

そして、整流部１５が作出した全排ガスの流れは、スリット１７と平行な流れとなり、シャッター１６で塞がれている排気孔１４に向かう。シャッター１６に向けて整流された全排ガスは、流れの方向が変わることなくスリット１７を通り抜け、燃料電池システム用排気ダクト１０のダクト外部に排気される。このとき、スリット１７は、整流部１５の整流面の傾斜角θと概略等しいスリット角ηを有しているため、排気孔１４を抜けようとする全排ガスに対して小抵抗であり、燃料電池システム用排気ダクト１０で生じる騒音のうち、風切り音成分も最小となる。

（１−３．効果）
第１の実施形態の燃料電池システム用排気ダクト１０は、流路として、バーナ排ガス流路２１、換気ガス流路２２、全排ガス流路２３流路と、全排ガス流路２３から全排ガスをダクト外部に排気する排気孔１４と、排気孔１４に設けられたシャッター１６と、シャッター１６に設けられ、全排ガス流路２３とダクト外部とを連通するスリット１７と、排気孔１４の直前の全排ガス流路２３内に設けられた整流部１５とを備えている。スリット１７は、シャッター１６が延在する平面に対して斜交したスリット角ηを有している。整流部１５は、スリット角ηと概略平行な整流面を有している。

これにより、換気ガス流路２２の換気ファン等で発生する回転機の回転による騒音を、シャッター１６で排気孔１４を塞ぎ全排ガス流路２３内の圧力の負荷により換気ファンの回転数を燃料電池システムに必要な換気量を維持する範囲内で下げて低減させるとともに、同時に、シャッター１６のスリット１７で発生する風切り音による騒音を、スリット１７のスリット角ηと整流部１５の整流面の傾斜角θとで全排ガスを整流することにより低減させることができる。従って、燃料電池システムの排気孔１４の出口で生じていた騒音の低減化を図ることができる。また単に騒音の低減化を図るだけでなく、従来からの調整手段やマフラーなどを燃料電池システム用排気ダクト１０に付加して使用することもできる。これにより、より一層の騒音の低減化を図ることができる。

なお、スリット１７のスリット角η及び整流部１５の整流面の傾斜角θは、燃料電池システム用排気ダクト１０の排気孔１４の出口近傍で測定した測定値に基づく値であり、例えば、基準となる騒音音圧レベルを設定して、その騒音音圧レベルによってスリット１７のスリット角η及び整流部１５の整流面の傾斜角θをそれぞれ設定するようにしてもよい。また、スリット１７は、全排ガス流路２３側の端部がダクト外部側の端部より高い位置に設けるようにしてもよい。この場合、雨が燃料電池システム用排気ダクト１０内に侵入することを防ぐことができる。

［第２の実施形態］
（２−１．構成）
次に、第２の実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクトについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。第１の実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図４は、第２の実施形態に係る燃料電池システム用排気ダクト１０Ａの概略構成を示す断面図である。

図４に示すように、燃料電池システム用排気ダクト１０Ａは、複数の排気ルートとして、第１の排気ルートであるバーナ排ガス流路２１Ａと、第２の排気ルートである換気ガス流路２２Ａの流路を備えている。排気孔１４、整流部１５、シャッター１６及びスリット１７は、バーナ排ガス流路２１Ａと換気ガス流路２２Ａのそれぞれに設けられている。

即ち、排気孔１４Ａは、バーナ排ガス流路２１Ａからバーナ排ガスをダクト外部に排気するように設けられ、シャッター１６Ａは、排気孔１４Ａに設けられている。スリット１７Ａは、シャッター１６Ａに設けられ、バーナ排ガス流路２１Ａとダクト外部とを連通している。整流部１５Ａは、排気孔１４Ａの直前のバーナ排ガス流路２１Ａ内に設けられている。一方、排気孔１４Ｂは、換気ガス流路２２Ａから換気ガスをダクト外部に排気するように設けられ、シャッター１６Ｂは、排気孔１４Ｂに設けられている。スリット１７Ｂは、シャッター１６Ｂに設けられ、換気ガス流路２２Ａとダクト外部とを連通している。整流部１５Ｂは、排気孔１４Ｂの直前の換気ガス流路２２Ｂ内に設けられている。

（２−２．作用）
第２の実施形態の燃料電池システム用排気ダクト１０Ａの作用について、説明する。第２の実施形態では、排気孔１４、整流部１５、シャッター１６及びスリット１７が、バーナ排ガス流路２１Ａと換気ガス流路２２Ａのそれぞれに設けられている。バーナ排ガス流路２１Ａのバーナ排ガスは、整流部１５Ａの整流面の傾斜角θ１により整流され、シャッター１６Ａのスリット１７Ａからダクト外部に排気される。一方、換気ガス流路２２Ａの換気ガスは、整流部１５Ｂの整流面の傾斜角θ２により整流され、シャッター１６Ｂのスリット１７Ｂからダクト外部に排気される。

（２−３．効果）
第２の実施形態の燃料電池システム用排気ダクト１０Ａは、複数の流路として、第１の排気ルートであるバーナ排ガス流路２１Ａと、第２の排気ルートである換気ガス流路２２Ａの流路を備えている。排気孔１４、整流部１５、シャッター１６及びスリット１７は、バーナ排ガス流路２１Ａと換気ガス流路２２Ａのそれぞれに設けられている。

これにより、バーナ排ガス流路２１Ａと換気ガス流路２２Ａのそれぞれに整流部１５を設けることができるので、バーナ排ガス流路２１Ａの騒音の低減化を図るとともに、換気ガス流路２２Ａの騒音の低減化を図ることができる。第１の実施形態では、全排ガス流路２３の排気孔１４から発生していた騒音を、第２の実施形態では、バーナ排ガス流路２１Ａの排気孔１４Ａと、換気ガス流路２２Ａの排気孔１４Ｂとに分散することができるので、より一層、燃料電池システム用排気ダクト１０Ａの騒音の低減化を図ることができる。

［第２の実施形態の変形例］
第２の実施形態では、整流部１５Ａと整流部１５Ｂがそれぞれバーナ排ガス流路２１Ａと換気ガス流路２２Ａに設けられているため、整流面の傾斜角θ１と整流面の傾斜角θ２をそれぞれ有するようにしてもよい。例えば、整流部１５Ａは、整流部１５Ａが配置されるバーナ排ガス流路２１Ａの断面積及び流量に基づいた整流面の傾斜角θ１を有し、一方、整流部１５Ｂは、整流部１５Ｂが配置される換気ガス流路２２Ａの断面積及び流量に基づいた整流面の傾斜角θ２を有するようにする。

これにより、バーナ排ガス流路２１Ａで発生する騒音音圧レベルの最適化を、整流面の傾斜角θ１で図るとともに、換気ガス流路２２Ａで発生する騒音音圧レベルの最適化を、整流面の傾斜角θ２で図ることができる。なお、整流面の傾斜角θ１と整流面の傾斜角θ２は、等しくてもよく、または異なっていてもよい。

［変形例］
第１の実施形態又は第２の実施形態において、排気孔１４に設けられたシャッター１６を、バーナ排ガス導入口１１の入り口よりも低い位置に設けるようにしてもよい。シャッター１６をバーナ排ガス導入口１１の位置よりも低い位置に設けることにより、排気孔１４から騒音が発生していても、実際の騒音音圧レベルよりも周囲の人間に対して、小さく感じさせることができる。特に、排気孔１４またはシャッター１６が人間の頭部の位置よりも少しでも低い位置に設けられることにより、人間が体感する騒音音圧レベルを低減させることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、燃料電池システムの排気孔で生じていた騒音を簡便に低減できる。

［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…排気ダクト、
１１…バーナ排ガス導入口、
１２…換気ファン空気導入口、
１３…仕切り板、
１４、１４Ａ、１４Ｂ…排気孔、
１５、１５Ａ、１５Ｂ…整流部、
１６、１６Ａ、１６Ｂ…シャッター、
１７、１７Ａ、１７Ｂ…スリット

Claims (5)

1. 排気ガスが流れる流路と、
   前記流路から前記排気ガスを前記流路の外部に排気する排気孔と、
   前記排気孔に設けられたシャッターと、
   前記シャッターに設けられ、前記流路と前記外部とを連通するスリットと、
   前記排気孔の直前の前記流路内に設けられる整流部と、
   を備え、
   前記スリットは、
   前記シャッターが延在する平面に対して斜交したスリット角を有し、
   前記整流部は、
   前記スリット角と概略平行な整流面を有すること、
   を特徴とする燃料電池システム用排気ダクト。
2. 排気ガスが流れる流路と、
   前記流路の終端部の側面から前記排気ガスを前記流路の外部に排気する排気孔と、
   前記排気孔に設けられたシャッターと、
   前記シャッターに設けられ、前記流路と前記外部とを連通するスリットと、
   前記流路の終端部に設けられる整流部と、
   を備え、
   前記スリットは、
   前記シャッターが延在する平面に対して斜交したスリット角を有し、
   前記整流部は、
   前記スリット角と概略平行な整流面を有すること、
   を特徴とする燃料電池システム用排気ダクト。
3. 前記スリット角と前記整流面の傾斜角は、
   前記シャッターが延在する平面に対して、２５度以上から３０度以下であること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム用排気ダクト。
4. 前記スリット角と前記整流面の傾斜角は、
   前記シャッターが延在する平面に対して、２７度であること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム用排気ダクト。
5. 前記排気ガスが前記流路に入力される入り口をさらに備え、
   前記シャッターは、
   前記入り口の高さよりも低い位置に設けられること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム用排気ダクト。
   

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