JP6507589B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排ガスを筺体の外部に排気する燃料電池システムに関する。

上記燃料電池システムに係る発明の一例として、特許文献１および特許文献２に記載の発明が挙げられる。特許文献１に記載の排気装置は、本体の開口部にフランジが形成されている。そして、特許文献１に記載の排気装置は、排気装置内で結露した結露水をフランジによって堰き止め、排気装置の外部へ結露水が流出することを抑制しようとしている。

特許文献２に記載の排気装置は、排気装置の下面部にバーリングが設けられた水抜き穴が形成されており、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配設されている。そして、特許文献２に記載の排気装置は、多量の雨水が排気装置内に流入した際に、雨水を水抜き穴から排出することにより、排気性能を確保しようとしている。

特開２０１２−２０９２２５号公報 特開２０１２−２０７８９９号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の排気装置は、いずれも燃料電池システムの筺体外部に設けられており、筺体の排気口から排出される燃焼排ガスに含まれる水蒸気量を低減しようとするものではない。また、特許文献１および特許文献２に記載の排気装置は、いずれも燃料電池システムの筺体外部に突出して設けられているので、燃料電池システムの外形寸法が増加し、燃料電池システムを設置するための占有スペースが増大する。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、筺体の排気口から排出される燃焼排ガスに含まれる水蒸気量を低減するとともに、燃料電池システムの外形寸法の増加を抑制可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料および改質水から前記燃料を生成して前記燃料電池に導出する改質部と、前記燃料のオフガスである燃料オフガスと前記酸化剤ガスとが燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃料電池の排熱を含む前記燃焼部からの燃焼排ガスと液状の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、一端側が前記熱交換器に接続され、前記熱交換器から排気された前記燃焼排ガスを導出する排気ダクトと、を収容する筺体を備え、前記筺体は、前記燃焼排ガスを外部に排出する排気口を備え、前記筺体内には、一端側が前記排気ダクトの他端側に接続され他端側が前記筺体の前記排気口に接続されて、前記排気ダクトから導出された前記燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮ダクトを備え、前記排気ダクトは、前記燃焼排ガスの流路断面積が前記凝縮ダクトに向かって増加する部位を含む。

本発明に係る燃料電池システムによれば、筺体内に、排気ダクトから導出された燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮ダクトが設けられている。そのため、筺体の排気口から排出される燃焼排ガスに含まれる水蒸気量が低減される。その結果、筺体に付着する凝縮水量が低減され、筺体の耐食性が向上する。さらに、本発明に係る燃料電池システムは、筺体外部に突出する排気機構を必要としないので、燃料電池システムの外形寸法の増加および設置面積の増加を抑制することができる。

燃料電池システム１の一例を示す構成図である。 筺体１１の奥行き方向（矢印Ｘ方向）および高さ方向（矢印Ｚ方向）によって形成されるＸＺ平面で、筺体１１および排気装置８０を切断して排気装置８０の一例を示す切断部端面図である。 排水管８４の一部を含む排気ダクト８１の一例を示す斜視図である。 第二排気ダクト８１ｂの吐出口８１ｂ２側から視た凝縮ダクト８２の突出部８２ｃの一例を示す図である。 燃料電池システム１の外観の一例を示す図である。 筺体１１の奥行き方向（矢印Ｘ方向）および高さ方向（矢印Ｚ方向）によって形成されるＸＺ平面で、筺体１１およびカバー部材８５を切断してカバー部材８５の一例を示す切断部端面図である。 変形形態に係り、筺体１１の幅方向（矢印Ｙ方向）視のカバー部材８５の取り付け例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図面は、概念図であり、細部構造の寸法まで規定するものではない。

＜燃料電池システム１の構成＞
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、電力変換器５０、制御装置６０、排水装置７０および排気装置８０を備えている。

（筐体１１）
筺体１１は、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、電力変換器５０、制御装置６０、排水装置７０および排気装置８０を収容している。筺体１１は、上記機器および装置を収容することができれば良く、その形状、材質等は限定されない。本実施形態では、筺体１１は、例えば、ステンレス鋼板などの金属材料で、箱状に形成されている。また、筐体１１は、筐体１１内を区画して第一室Ｒ１および第二室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。第一室Ｒ１は第一空間を形成し、第二室Ｒ２は第二空間を形成する。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する部材であり、第一室Ｒ１および第二室Ｒ２は、連通可能になっている。

（燃料電池モジュール２０）
燃料電池モジュール２０は、第一室Ｒ１内において、第一室Ｒ１の内壁面から離間して収納されている。燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、燃料電池２４を少なくとも含んでいる。本実施形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、図示略の支持構造により、第一室Ｒ１内において、第一室Ｒ１の内壁面から離間して仕切部材１２に設置されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４および燃焼部２６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。蒸発部２２および改質部２３は、燃料電池２４の上方に配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱する。蒸発部２２は、生成された水蒸気と予熱された改質用原料とを混合して改質部２３に供給する。改質用原料は、天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料を用いることができる。また、改質用原料は、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料を用いることもできる。

給水管４１の一端側（下端）は、水タンク１３に接続されており、給水管４１の他端側は、蒸発部２２に接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともに、改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整する。改質水ポンプ４１ａは、貯水器である水タンク１３に貯蔵されている凝縮水を改質水として改質部２３に供給する。

また、蒸発部２２には、改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。同図では、改質用原料の供給源（以下、単に、供給源という。）を供給源Ｇｓで示している。供給源Ｇｓとして、例えば、都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベなどが挙げられる。改質用原料供給管４２には、原料ポンプ４２ａが設けられている。原料ポンプ４２ａは、筺体１１内に収納されている。原料ポンプ４２ａは、燃料電池２４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、後述する制御装置６０からの制御指令値にしたがって、供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整する。原料ポンプ４２ａは、改質用原料を吸入し、改質部２３に圧送する。

改質部２３は、改質用原料および改質水から燃料を生成して燃料電池２４に導出する。具体的には、改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出する。改質部２３内には、触媒（例えば、ルテニウム（Ｒｕ）またはニッケル（Ｎｉ）系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。

生成されたガス（いわゆる改質ガス）は、燃料電池２４の燃料極に導出される。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部２３は改質用原料（原燃料）と改質水とから燃料である改質ガスを生成して燃料電池２４に供給する。なお、水蒸気改質反応は、吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は、発熱反応である。

燃料電池２４は、複数のセル２４ａが積層されている。各セル２４ａは、燃料極と、空気極（酸化剤極）と、両極の間に介装された電解質とを備える。燃料電池２４は、種々の燃料電池（例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）など）を用いることができる。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）を使用する。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３から導出された改質ガスが、改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂの一端側（下端）は、マニホールド２５の燃料導出口に接続されており、燃料導出口から導出される改質ガスが、下端から導入され上端から導出される。カソードエアブロワ４４ａによって送出されたカソードエアは、カソードエア供給管４４を介して供給され、空気流路２４ｃの下端から導入され上端から導出される。

カソードエアブロワ４４ａは、第二室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第二室Ｒ２内の空気を吸入し、燃料電池２４の空気極に吐出する。カソードエアブロワ４４ａから吐出される空気の吐出量は、後述する制御装置６０によって、調整制御（例えば、燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）される。

燃料電池２４は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する。具体的には、各セル２４ａの燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。つまり、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより、電気エネルギーが発生する。なお、発電に使用されなかった改質ガスは、燃料流路２４ｂから導出し、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）は、空気流路２４ｃから導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

燃焼部２６は、燃料のオフガスである燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼して改質部２３を加熱する。具体的には、燃焼部２６では、燃料流路２４ｂから導出され、発電に使用されなかった改質ガス（燃料オフガス）と、空気流路２４ｃから導出され、発電に使用されなかった酸化剤ガスとが燃焼する。図１に示すように、燃焼部２６は、蒸発部２２および改質部２３と、燃料電池２４との間の燃焼空間Ｒ３である。燃焼部２６では、燃焼ガス（火炎２７）によって蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱する。その後、燃焼ガスは、導出口２１ａから燃料電池モジュール２０の外部に排気される。

このように、燃焼部２６は、燃料電池２４から導出された燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼して、改質部２３を加熱する燃焼空間Ｒ３である。すなわち、燃焼部２６は、燃料電池２４から未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し、可燃性ガスと酸化剤ガスとが燃焼して燃焼ガスを導出する。燃焼部２６（燃焼空間Ｒ３）では、燃料オフガスが燃焼されて火炎２７が発生している。燃焼部２６には、燃料オフガスを着火させる一対の着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が設けられている。

（排熱回収システム３０）
排熱回収システム３０は、燃料電池２４の排熱と貯湯水との間で熱交換することで、燃料電池２４の排熱を貯湯水に回収して蓄える。排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０から導出された燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、を備えている。

貯湯槽３１は、柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留される。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水供給源Ｗｓ（例えば、水道管）が接続されており、水供給源Ｗｓからの水（低温の水。例えば、水道水）が補給可能になっている。また、貯湯槽３１に貯留された高温の温水は、貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出可能になっている。

貯湯水循環ライン３２の一端側は、貯湯槽３１の下部に接続され、貯湯水循環ライン３２の他端側は、貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端側から他端側に向かって順に、貯湯水循環ポンプ３２ａ、第一温度センサ３２ｂ、熱交換器３３および第二温度センサ３２ｃが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸引し、貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出する。貯湯水循環ライン３２を流通する貯湯水の流量（送出量）は、後述する制御装置６０によって制御される。貯湯水循環ポンプ３２ａは、例えば、第二温度センサ３２ｃの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御される。

第一温度センサ３２ｂは、熱交換器３３の貯湯水導入側の貯湯水循環ライン３２であって、熱交換器３３と貯湯槽３１との間に配設されている。第一温度センサ３２ｂは、貯湯水の熱交換器３３の入口温度（すなわち、貯湯水の貯湯槽３１の出口温度）を検出し、検出結果を制御装置６０に送信する。第二温度センサ３２ｃは、熱交換器３３の貯湯水導出側の貯湯水循環ライン３２に配設されている。第二温度センサ３２ｃは、貯湯水の熱交換器３３の出口温度（すなわち、貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）を検出し、検出結果を制御装置６０に送信する。

熱交換器３３は、燃料電池２４の排熱を含む燃焼部２６からの燃焼排ガスと、液状の熱媒体との間で熱交換を行う。本実施形態では、熱媒体は、貯湯槽３１の貯湯水を用いる。具体的には、熱交換器３３には、燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに、貯湯槽３１から貯湯水が供給される。そして、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する。熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は、仕切部材１２を貫通して第二室Ｒ２に突出している。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａの上部は、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ、燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通している。ケーシング３３ａの下部には、後述する排気ダクト８１に接続される燃焼排ガス吐出口３３ｃが設けられている。ケーシング３３ａの底部には、純水器１４に接続される凝縮水供給管４５が接続されている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続される熱交換部３３ｂが配設されている。

熱交換器３３では、燃料電池モジュール２０から排出された燃焼排ガスが、導出口２１ａを通ってケーシング３３ａ内に導入される。燃焼排ガスは、貯湯水が流通する熱交換部３３ｂを通る際に、貯湯水との間で熱交換が行われて、凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは、後述するように、排気ダクト８１を通って排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管４５を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

なお、熱媒体は、燃焼部２６からの燃焼排ガスとの間で熱交換を行うことができれば良く、貯湯槽３１の貯湯水に限定されるものではない。例えば、燃料電池システム１には、熱交換器３３と同等の熱交換器（第二熱交換器という。）を設けることができる。この場合、第二熱交換器と貯湯槽３１との間に、貯湯水循環ライン３２が設けられる。また、熱交換器３３と第二熱交換器との間には、他の液状の熱媒体（例えば、公知の冷媒など）を循環させることができる。

熱交換器３３の燃焼排ガス導入部、すなわちケーシング２１の導出口２１ａには、第二燃焼部２８が設けられている。第二燃焼部２８は、燃焼部２６から排気される未使用の可燃性ガス（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を導入し、燃焼して導出する。第二燃焼部２８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒を備えている。燃焼触媒は、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属をセラミックの単体などに担持させて生成することができる。燃焼触媒は、ペレット状のものを充填しても良く、セラミック・メタルのハニカムや発泡金属の上に担持させることもできる。第二燃焼部２８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃性ガスを燃焼させる燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは、後述する制御装置６０の指示によって加熱される。

燃料電池システム１は、水タンク１３および純水器１４を備えている。水タンク１３および純水器１４は、第二室Ｒ２内に配設されている。純水器１４は、例えば、イオン交換樹脂（例えば、粒状など）を内蔵している。純水器１４は、熱交換器３３から排出された凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化する。なお、熱交換器３３から供給される凝縮水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、配管４６を介して水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は、配管４６を通って水タンク１３に導出される。このようにして、純水器１４は、熱交換器３３から排出された凝縮水を純水化して水タンク１３に供給する。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯蔵する。

また、燃料電池システム１は、第二室Ｒ２を形成する筐体１１に形成された空気導入口１１ｂと、第一室Ｒ１を形成する筐体１１に形成された空気導出口１１ｃと、空気導入口１１ｂに設けられた換気用空気ブロワ１５と、を備えている。換気用空気ブロワ１５は、筐体１１内を換気する。換気用空気ブロワ１５が作動すると、外気が空気導入口１１ｂを介して換気用空気ブロワ１５に吸入され、第二室Ｒ２に送出される。さらに、第二室Ｒ２内の気体（主として空気）は、仕切部材１２を通って第一室Ｒ１に流れ、第一室Ｒ１内の気体は、空気導出口１１ｃを介して外部に排出される。

（電力変換器５０）
燃料電池２４は、電力変換器５０を介して電源ライン５２に接続されている。電力変換器５０は、公知の昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータを備えている。電力変換器５０には、燃料電池２４から出力された直流電力が入力される。電力変換器５０は、入力された直流電力を交流電力に変換して、電源ライン５２に出力する。電源ライン５２は、系統電源５１および外部電力負荷５３に接続されている。電力変換器５０は、電源ライン５２を介して、外部電力負荷５３に電力を供給する。

また、電力変換器５０は、公知のＡＣ／ＤＣコンバータを備えている。電力変換器５０は、系統電源５１から供給された交流電力を直流電力に変換して、補機や制御装置６０に出力する。補機として、例えば、改質水を供給する改質水ポンプ４１ａ、改質用原料を供給する原料ポンプ４２ａおよびカソードエア（空気）を供給するカソードエアブロワ４４ａなどが挙げられる。また、補機として、例えば、貯湯水循環ポンプ３２ａおよび換気用空気ブロワ１５などが挙げられる。さらに、補機として、例えば、第一温度センサ３２ｂおよび第二温度センサ３２ｃなどの各種センサや着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２および燃焼触媒ヒータ２８ａなどの各種ヒータなどが挙げられる。

系統電源５１は、交流の系統電源であり、電気事業者（例えば、電力会社など）が保有する商用の配電線網から供給される電源をいう。系統電源５１は、単相であっても、多相（例えば、三相）であっても良い。系統電源５１は、外部電力負荷５３に電力を供給する。外部電力負荷５３は、電気を駆動源とする負荷であり、例えば、家庭用電気機器（電化製品など）や産業用電気機器（ロボットなど）が挙げられる。外部電力負荷５３は、一つであっても複数であっても良い。

（制御装置６０）
制御装置６０には、上述した貯湯水循環ポンプ３２ａ、改質水ポンプ４１ａおよび原料ポンプ４２ａなどの各種ポンプが接続されている。また、制御装置６０には、上述した換気用空気ブロワ１５およびカソードエアブロワ４４ａなどの各種ブロワが接続されている。さらに、制御装置６０には、上述した第一温度センサ３２ｂおよび第二温度センサ３２ｃなどの各種センサが接続されている。また、制御装置６０には、上述した着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２および燃焼触媒ヒータ２８ａなどの各種ヒータが接続されている。制御装置６０は、公知の演算装置、記憶装置、入出力インターフェースを備えており、これらは、バスを介して接続されている（いずれも図示略）。制御装置６０は、これらを用いて、種々の演算処理を行うことができ、外部機器との間で、入出力信号（駆動信号を含む）の授受を行うことができる。

演算装置は、中央演算装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であり、種々の演算処理を行うことができる。記憶装置は、第一記憶装置および第二記憶装置を備えている。第一記憶装置は、読み出しおよび書き込み可能な揮発性の記憶装置（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）であり、第二記憶装置は、読み出し専用の不揮発性の記憶装置（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）である。入出力インターフェースは、外部機器との間で、入出力信号（駆動信号を含む）の授受を行う。

例えば、演算装置は、第二記憶装置に記憶されている補機の駆動制御プログラムを第一記憶装置に読み出して、当該駆動制御プログラムを実行する。演算装置は、当該駆動制御プログラムに基づいて、補機の駆動信号を生成する。生成された駆動信号は、入出力インターフェースおよびドライバ回路などの駆動回路（図示略）を介して、補機に付与される。このようにして、補機は、制御装置６０によって駆動制御される。以上のことは、電力変換器５０などについても同様である。

（排水装置７０）
排水装置７０は、水受け部材７１および排水管７２を備えている。水受け部材７１は、筐体１１内に配設され、水タンク１３から溢れ出た水を受ける。また、水受け部材７１は、後述する排気装置８０の排水管８４から排出される凝縮水を受ける。本実施形態では、水受け部材７１は、トレー状に形成された容器であり、上方に開口する開口部７１ａおよび平らな底部７１ｂを備えている。

水受け部材７１の開口部７１ａの直上には、オーバーフローライン４７の下端および排水管８４の下端が配設されている。これにより、水受け部材７１は、オーバーフローライン４７を介して、水タンク１３から溢れ出た水を確実に受けることができる。また、水受け部材７１は、排水管８４を介して、後述する水溜め部材８３から排水される凝縮水を確実に受けることができる。さらに、本実施形態では、後述するカバー部材８５によって、雨水などの流入が低減されているが、仮に、排気口１１ａから雨水などが流入した場合においても、水受け部材７１は、凝縮水と同様に、雨水などを確実に受けることができる。なお、水受け部材７１は、少なくとも、水タンク１３のオーバーフローライン４７の接続位置（水タンク１３のオーバーフロー口）、排水管８４の上端位置の全ての位置より下方に配設されている。

水受け部材７１の底部７１ｂには、排水管７２が接続されている。排水管７２は、水受け部材７１が受けた水を水受け部材７１から筐体１１の外部に排出する。排水管７２の上端が水受け部材７１の底部７１ｂの下面に接続され、排水管７２の下端が下方に延伸され、筐体１１の下部（底板、側板の下部など）を貫通して、筐体１１の外部に突設されている。なお、底部７１ｂは、排水管７２が接続されている部分に向けて水が流れるように傾斜が設けられていると良い。

（排気装置８０）
排気装置８０は、排気ダクト８１、凝縮ダクト８２、水溜め部材８３、排水管８４およびカバー部材８５を備えている。排気ダクト８１、凝縮ダクト８２、水溜め部材８３および排水管８４は、筺体１１内に設けられている。図１に示すように、排気ダクト８１は、一端側が熱交換器３３（詳細には、燃焼排ガス吐出口３３ｃ）に接続されており、他端側が凝縮ダクト８２に接続されている。排気ダクト８１は、熱交換器３３から排気された燃焼排ガスを図示矢印方向へ導出する。図２および図３に示すように、排気ダクト８１は、熱交換器３３に接続される第一排気ダクト８１ａと、凝縮ダクト８２に接続される第二排気ダクト８１ｂとを備えている。第一排気ダクト８１ａおよび第二排気ダクト８１ｂは、連通している。

排気ダクト８１は、熱交換器３３から燃焼排ガスを導出することができれば良く、その形状、材質等は限定されない。本実施形態では、第一排気ダクト８１ａは、例えば、ステンレス、亜鉛鋼板などの金属材料で、略Ｌ字形状に形成されている。また、第一排気ダクト８１ａの流路方向に垂直な平面で、第一排気ダクト８１ａを切断したときの第一排気ダクト８１ａの断面形状は、円筒状になっている。

第一排気ダクト８１ａは、例えば、公知のスパイラル型ダクト、シーム型ダクトなどを用いることができる。スパイラル型ダクトは、帯鋼を螺旋状に巻きながら帯鋼の両端をハゼ折りにかしめたスパイラル鋼管であり、第一排気ダクト８１ａの強度が向上する。シーム型ダクトは、鋼板をロール加工した後に溶接した鋼管であり、スパイラル型ダクトと比べて配管の気密性が向上する。形状、材質等について既述した以上のことは、第二排気ダクト８１ｂについても同様である。

第一排気ダクト８１ａは、一端側が熱交換器３３の燃焼排ガス吐出口３３ｃに接続されている。第一排気ダクト８１ａと燃焼排ガス吐出口３３ｃとの接続部分は、クランプ８１ｃによって固定されており、例えば、Ｏリングによって当該接続部分の気密性が確保されている。第一排気ダクト８１ａの他端側は、第二排気ダクト８１ｂの一端側（吸入口８１ｂ１側）に接続されている。第一排気ダクト８１ａと第二排気ダクト８１ｂとの接続部分は、クランプ８１ｃによって固定されており、例えば、Ｏリングによって当該接続部分の気密性が確保されている。このような構成により、熱交換器３３の燃焼排ガス吐出口３３ｃから排気された燃焼排ガスは、第一排気ダクト８１ａを介して第二排気ダクト８１ｂに導出される。ここで、第一排気ダクト８１ａの流路断面積を流路断面積Ｓ１０とする。

第二排気ダクト８１ｂは、一端側の開口部である吸入口８１ｂ１と、他端側の開口部である吐出口８１ｂ２と、略Ｌ字形状に屈曲した屈曲部８１ｂ３と、吐出口８１ｂ２近傍に形成されたフランジ８１ｂ４と、凝縮ダクト８２内に突出する凸部８１ｂ５と、フランジ８１ｂ４に形成された導水部８１ｂ６とを備えている。第一排気ダクト８１ａから第二排気ダクト８１ｂに導出された燃焼排ガスは、まず、筺体１１の高さ方向（矢印Ｚ方向）の下方から上方に向かって流通する。そして、屈曲部８１ｂ３において、燃焼排ガスの排気方向が略９０°変更されて、燃焼排ガスは、第二排気ダクト８１ｂの突出方向（矢印Ｘ１方向）に向かって流れる。

燃焼排ガスが屈曲部８１ｂ３を通過した直後の第二排気ダクト８１ｂの流路断面積を流路断面積Ｓ１１とする。流路断面積Ｓ１１は、流路断面積Ｓ１０と比べて大きく設定されている。屈曲部８１ｂ３とフランジ８１ｂ４との間の第二排気ダクト８１ｂの流路断面積Ｓ１２は、フランジ８１ｂ４に向かって流路断面積Ｓ１１から緩やかに増加している。フランジ８１ｂ４における第二排気ダクト８１ｂの流路断面積を流路断面積Ｓ１３とする。なお、フランジ８１ｂ４と吐出口８１ｂ２との間の第二排気ダクト８１ｂの流路断面積は、略一定（流路断面積Ｓ１３）に設定されている。

このように、第二排気ダクト８１ｂは、屈曲部８１ｂ３によって燃焼排ガスの排気方向が変更されるとともに、吐出口８１ｂ２側に向かって流路断面積が緩やかに増加している。また、吸入口８１ｂ１と屈曲部８１ｂ３との間の流路長と比べて、屈曲部８１ｂ３と吐出口８１ｂ２との間の流路長は長く設定されている。そのため、吸入口８１ｂ１から導入された燃焼排ガスは、吐出口８１ｂ２から導出されるときに凝縮ダクト８２内において拡散し易くなっている。

フランジ８１ｂ４は、凝縮ダクト８２の隔壁８２ａ（側壁）に固定されている。隔壁８２ａには、凸部８１ｂ５の外径より若干大径の貫通穴８２ｂが形成されており、第二排気ダクト８１ｂの凸部８１ｂ５は、貫通穴８２ｂを貫通して凝縮ダクト８２内に配設されている。このような構成により、第二排気ダクト８１ｂと凝縮ダクト８２とが連通されている。なお、本実施形態では、排気ダクト８１は、第一排気ダクト８１ａおよび第二排気ダクト８１ｂの両方を備えるが、第一排気ダクト８１ａを省略することもできる。この場合、第二排気ダクト８１ｂの吸入口８１ｂ１は、燃焼排ガス吐出口３３ｃに直接接続される。

凝縮ダクト８２は、一端側が排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）の他端側（第二排気ダクト８１ｂの吐出口８１ｂ２側）に接続されており、他端側が筺体１１の排気口１１ａに接続されている。凝縮ダクト８２は、排気ダクト８１から導出された燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して、凝縮水を生成する。凝縮ダクト８２は、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を生成することができれば良く、その形状、材質等は限定されない。凝縮ダクト８２は、例えば、後述する突出部８２ｃを含めて樹脂などの非金属材料で成形（例えば、射出成形など）することができる。

凝縮ダクト８２は、隔壁８２ａによって箱状に形成されている。隔壁８２ａの一方の側壁には、既述の貫通穴８２ｂが設けられ、隔壁８２ａの他方の側壁には、筺体１１の排気口１１ａと同形の貫通穴８２ｄが設けられている。排気口１１ａおよび貫通穴８２ｄの形状は、限定されない。本実施形態では、排気口１１ａおよび貫通穴８２ｄは、例えば、長方形に形成されている。凝縮ダクト８２内には、隔壁８２ａによって、燃焼排ガスの流路が形成されている。凝縮ダクト８２の隔壁８２ａ、第二排気ダクト８１ｂの凸部８１ｂ５および吐出口８１ｂ２によって、隔壁８２ａ内に形成される空間を凝縮空間Ｒ４とする。また、凝縮ダクト８２の流路断面積は、凸部８１ｂ５が占有する部位および後述する突出部８２ｃが設けられる部位を除いて略一定であり、流路断面積Ｓ２０とする。

凝縮ダクト８２は、排気ダクト８１と比べて燃焼排ガスの流路断面積Ｓ２０が大きく設定されていると好適である。具体的には、凝縮ダクト８２の流路断面積Ｓ２０は、排気ダクト８１の吐出口８１ｂ２の流路断面積Ｓ１３と比べて大きく設定すると良い。これにより、凝縮ダクト８２における燃焼排ガスの単位流路長あたりの流路体積は、第二排気ダクト８１ｂと比べて大きくなる。その結果、第二排気ダクト８１ｂの吐出口８１ｂ２から導出された燃焼排ガスは、凝縮空間Ｒ４内で拡散し流速が低下して、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなる。

また、凝縮ダクト８２は、突出部８２ｃを備えていると好適である。突出部８２ｃは、排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）から導出された燃焼排ガスの流路を形成する隔壁８２ａの内壁面８２ａ１から流路内に突出する。突出部８２ｃの外壁面は、隔壁８２ａの内壁面８２ａ１の一部を形成する。そのため、突出部８２ｃにより、凝縮ダクト８２の内壁面８２ａ１と燃焼排ガスとが接する表面積が増大する。よって、突出部８２ｃにより、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなる。なお、突出部８２ｃは、一つであっても複数であっても良い。また、突出部８２ｃの突出方向は、限定されない。

図４に示すように、本実施形態では、突出部８２ｃは、格子状突出部８２ｃ１および環状突出部８２ｃ２を備えている。格子状突出部８２ｃ１は、第二排気ダクト８１ｂの吐出口８１ｂ２より若干、第二排気ダクト８１ｂの突出方向（矢印Ｘ１方向）側に設けられており、内壁面８２ａ１から燃焼排ガスの流路内に突出する複数の突出部８２ｃが格子状に交差して形成されている。

環状突出部８２ｃ２は、格子状突出部８２ｃ１の一部が環状に変形したものであり、格子状突出部８２ｃ１と一体に形成されている。環状突出部８２ｃ２は、筺体１１の奥行き方向（矢印Ｘ方向）視において、第二排気ダクト８１ｂの吐出口８１ｂ２と同心（同軸）に、吐出口８１ｂ２より若干大径に形成されている。環状突出部８２ｃ２は、同心円環状に形成されており、複数（本実施形態では、２つ）の円筒状部位の間が放射状に接続されている。

このように、本実施形態では、排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）から導出された直後の燃焼排ガスと、凝縮ダクト８２の内壁面８２ａ１とが接する表面積が増大されており、燃焼排ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進される。なお、複数の突出部８２ｃによって形成される形状は、格子状や環状に限定されるものではなく、突出部８２ｃは、種々の形状に形成することができる。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、筺体１１内には、排気ダクト８１から導出された燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮ダクト８２を備える。そのため、筺体１１の排気口１１ａから排出される燃焼排ガスに含まれる水蒸気量が低減される。その結果、筺体１１に付着する凝縮水量が低減され、筺体１１の耐食性が向上する。さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、筺体１１外部に突出する排気機構を必要としないので、燃料電池システム１の外形寸法の増加および設置面積の増加を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、凝縮ダクト８２は、排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）と比べて燃焼排ガスの流路断面積Ｓ２０が大きく設定されている。そのため、排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）から導出された燃焼排ガスの流速が低下して、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１によれば、凝縮ダクト８２は、排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）から導出された燃焼排ガスの流路を形成する隔壁８２ａの内壁面８２ａ１から流路内に突出する突出部８２ｃを備える。そのため、凝縮ダクト８２の内壁面８２ａ１と燃焼排ガスとが接する表面積が増大し、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなる。

排気装置８０は、水溜め部材８３および排水管８４を備えると好適である。水溜め部材８３は、凝縮ダクト８２の下方に設けられ、凝縮ダクト８２によって生成された凝縮水を一時的に溜める。水溜め部材８３は、トレー状に形成された容器であり、上方に開口する開口部８３ａと、側壁に設けられる排水口８３ｂとを備えている。排水管８４は、水溜め部材８３の排水口８３ｂに接続されており、水溜め部材８３に溜められた凝縮水を排水する。

具体的には、水溜め部材８３の排水口８３ｂと、フランジ８１ｂ４に形成された導水部８１ｂ６とが連通している。導水部８１ｂ６は、フランジ８１ｂ４と一体に形成された略Ｌ字形状の導水管であり、排水管８４の一端側（上端）は、導水部８１ｂ６を介して、水溜め部材８３の排水口８３ｂに接続されている。排水管８４の他端側（下端）は、既述のとおり、排水装置７０の水受け部材７１の上方に配設されている。このような構成により、水溜め部材８３に溜められた凝縮水は、排水管８４を介して、排水装置７０の水受け部材７１に排出される。

図２に示すように、水溜め部材８３は、凝縮ダクト８２の下方に設けられている。そのため、水溜め部材８３は、凝縮ダクト８２によって生成された凝縮水を確実に受けることができる。また、排気ダクト８１の燃焼排ガスの吐出口８１ｂ２の下端および排気口１１ａの下端（図２において、第一位置Ｌｖ１で示す。）は、水溜め部材８３の排水口８３ｂの上端（図２において、第二位置Ｌｖ２で示す。）より高く配設されている。そのため、水溜め部材８３に溜められた凝縮水が排気ダクト８１（本実施形態では、第二排気ダクト８１ｂ）内に流入することが抑制されている。また、水溜め部材８３に溜められた凝縮水が排気口１１ａから筺体１１の外部へ流出することが抑制されている。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、凝縮ダクト８２の下方に設けられ、凝縮ダクト８２によって生成された凝縮水を一時的に溜める水溜め部材８３と、水溜め部材８３の排水口８３ｂに接続され、水溜め部材８３に溜められた凝縮水を排水する排水管８４とを備えている。そのため、凝縮ダクト８２によって生成された凝縮水は、水溜め部材８３および排水管８４を介して確実に排水することができる。また、水溜め部材８３は、凝縮ダクト８２の下方に設けられており、水溜め部材８３および排水管８４は、筺体１１内に設けることができる。よって、本実施形態の燃料電池システム１は、水溜め部材８３への雨水等の流入を低減することができる。つまり、本実施形態の燃料電池システム１は、凝縮水を排水する排水装置を筺体１１の外部に設ける場合と比べて、排水装置７０（特に水受け部材７１）を小型化することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、排気ダクト８１の燃焼排ガスの吐出口８１ｂ２の下端および排気口１１ａの下端は、水溜め部材８３の排水口８３ｂの上端より高く配設されている。そのため、本実施形態の燃料電池システム１は、凝縮ダクト８２によって生成された凝縮水が、排気ダクト８１を介して純水器１４に排水されることを抑制することができる。つまり、本実施形態の燃料電池システム１は、純水器１４が純水化する水量の低減により、純水器１４の寿命を長くすることができる。また、本実施形態の燃料電池システム１は、水溜め部材８３に溜められた凝縮水が排気口１１ａから筺体１１外部へ流出することを抑制できるので、筺体１１の耐食性が向上する。

凝縮ダクト８２の他端側は、既述の排気口１１ａに接続されている。排気口１１ａは、凝縮ダクト８２を通過した燃焼排ガスを外部に排出する。排気口１１ａは、凝縮ダクト８２の貫通穴８２ｄと同心（同軸）に、筺体１１を貫通して形成されている。また、図５に示すように、排気口１１ａには、排気口１１ａの全体を筺体１１の外部から覆うようにカバー部材８５が設けられていると好適である。

カバー部材８５は、排気口１１ａの全体を筺体１１の外部から覆うことができれば良く、その形状、材質等は限定されない。本実施形態では、図６に示すように、カバー部材８５は、例えば、樹脂などの非金属材料で、断面略コ字形状に形成されている。カバー部材８５は、天井部８５ａ、正面部８５ｂおよび底部８５ｃを備えている。天井部８５ａは、カバー部材８５が筺体１１に取り付けられたときに上方に配される部位をいう。正面部８５ｂは、天井部８５ａと一体に形成され排気口１１ａから排出された燃焼排ガスを直接受ける部位をいう。底部８５ｃは、カバー部材８５が筺体１１に取り付けられたときに下方に配される部位をいう。なお、底部８５ｃは、省略することができる。

燃焼排ガスは、排気口１１ａから第二排気ダクト８１ｂの突出方向（矢印Ｘ１方向）に排出される。排気口１１ａから排出された燃焼排ガスは、正面部８５ｂの内壁面８５ｂ１によって受けられる。その結果、燃焼排ガスは、筺体１１の幅方向（矢印Ｙ方向）に排気方向が変更される。本実施形態のカバー部材８５は、天井部８５ａ、正面部８５ｂおよび底部８５ｃを備えるので、排気方向が変更された燃焼排ガスは、カバー部材８５の側方の放出部８６，８６からカバー部材８５の外部へ放出される。このようにして、カバー部材８５は、天井部８５ａおよび正面部８５ｂ以外から燃焼排ガスをカバー部材８５の外部へ放出する。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、排気口１１ａの全体を筺体１１の外部から覆うカバー部材８５を備える。カバー部材８５は、筺体１１に取り付けられたときに上方に配される天井部８５ａと、天井部８５ａと一体に形成され排気口１１ａから排出された燃焼排ガスを直接受ける正面部８５ｂとを備える。そして、カバー部材８５は、天井部８５ａおよび正面部８５ｂ以外から燃焼排ガスをカバー部材８５の外部へ放出する。本実施形態の燃料電池システム１は、天井部８５ａおよび正面部８５ｂを備えるので、排気口１１ａへの雨水等の異物の流入を低減することができる。また、排気口１１ａから排出された燃焼排ガスは、正面部８５ｂによって排気方向が変更される。そのため、本実施形態の燃料電池システム１は、排気方向が変更されない場合と比べて、筺体１１の奥行き方向（矢印Ｘ方向）の設置距離（筺体１１と外壁などとの離間距離）を低減することができる。

なお、図７に示すように、カバー部材８５は、両側面に側部８５ｄ，８５ｄを設けることもできる。この場合、側部８５ｄ，８５ｄには、貫通穴をそれぞれ設けると良い。側部８５ｄ，８５ｄに設けられる貫通穴は、放出部８６，８６に相当する。また、カバー部材８５は、いずれか一方の側面のみに側部８５ｄを設けることもできる。

＜その他＞
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、凝縮ダクト８２は、第二排気ダクト８１ｂの突出方向（矢印Ｘ１方向）に対して、筺体１１の高さ方向（矢印Ｚ方向）に燃焼排ガスの流路が蛇行する折り返し流路を形成することもできる。この場合、燃焼排ガスの流路長は、実施形態の場合と比べて増加する。そのため、第二排気ダクト８１ｂの吐出口８１ｂ２から導出された燃焼排ガスは、折り返し流路において流速が低下して、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなる。

１：燃料電池システム、
１１：筺体、１１ａ：排気口、
２３：改質部、２４：燃料電池、２６：燃焼部、３３：熱交換器、
８１：排気ダクト、８１ｂ２：吐出口、
８２：凝縮ダクト、８２ａ：隔壁、８２ａ１：内壁、８２ｃ：突出部、
８３：水溜め部材、８３ｂ：排水口、
８４：排水管、
８５：カバー部材、８５ａ：天井部、８５ｂ：正面部。

Claims (6)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料および改質水から前記燃料を生成して前記燃料電池に導出する改質部と、
   前記燃料のオフガスである燃料オフガスと前記酸化剤ガスとが燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、
   前記燃料電池の排熱を含む前記燃焼部からの燃焼排ガスと液状の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   一端側が前記熱交換器に接続され、前記熱交換器から排気された前記燃焼排ガスを導出する排気ダクトと、
   を収容する筺体を備え、
   前記筺体は、前記燃焼排ガスを外部に排出する排気口を備え、
   前記筺体内には、一端側が前記排気ダクトの他端側に接続され他端側が前記筺体の前記排気口に接続されて、前記排気ダクトから導出された前記燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮ダクトを備え、
   前記排気ダクトは、前記燃焼排ガスの流路断面積が前記凝縮ダクトに向かって増加する部位を含む燃料電池システム。
2. 前記凝縮ダクトは、前記排気ダクトと比べて前記燃焼排ガスの流路断面積が大きく設定されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記凝縮ダクトは、前記排気ダクトから導出された前記燃焼排ガスの流路を形成する隔壁の内壁面から前記流路内に突出する突出部を備える請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記凝縮ダクトの下方に設けられ、前記凝縮ダクトによって生成された前記凝縮水を一時的に溜める水溜め部材と、
   前記水溜め部材の排水口に接続され、前記水溜め部材に溜められた前記凝縮水を排水する排水管と、
   をさらに備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記排気ダクトの前記燃焼排ガスの吐出口の下端および前記排気口の下端は、前記水溜め部材の前記排水口の上端より高く配設されている請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記排気口の全体を前記筺体の前記外部から覆うカバー部材をさらに備え、
   前記カバー部材は、前記筺体に取り付けられたときに上方に配される天井部と、前記天井部と一体に形成され前記排気口から排出された前記燃焼排ガスを直接受ける正面部とを備え、
   前記カバー部材は、前記天井部および前記正面部以外から前記燃焼排ガスを前記カバー部材の外部へ放出する請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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