JP7113229B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃焼排ガスを筐体の外部に排気する燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させ、発生した電気を外部電力負荷（例えば、家庭で使用される電気機器）に供給するシステムである（例えば特許文献１）。
図１１に従来の燃料電池システムの構成図を示す。従来の燃料電池装置（不図示）の排気装置７０は、筐体７１の筐体排気口７２を覆うように取付けられている。燃料電池装置が排出した排ガスは、筐体排気口７２と連結した排気ダクト７３を経由し、排気装置７０の排気口７５から外部に排出される構成となっている。
また、燃料電池システムの設置場所としては、屋外だけでなく、集合住宅に設置する場合を考慮する必要がある。燃料電池システムを集合住宅に設置する場合には、パイプスペース室あるいはベランダがあげられる。ベランダ設置の場には、実質的に屋外設置と考えられるため、課題は少ない。しかし、パイプスペース室に燃料電池システムを設置する場合には、室内設置と考えられる。
燃料電池システムを集合住宅のパイプスペース室に設置する場合の構成が検討されている（例えば特許文献２）。
図１２に示すように、燃料電池システム８０は壁８１などの構造体によって区切られたパイプスペース室８２内部に設置され、燃料電池システム８０の前には扉８３が設けられた構成となっている。
燃料電池システム８０の筐体８４には吸気口（不図示）および排気口８５が設けられている。扉８３には、吸気口および排気口８５に合わせて開口（不図示）が形成されており、吸気口および排気口８５の周囲は、吸排気ガスが周囲に漏れないようにゴムなどの枠８６が取り付けられている。
特開２０１２－２０９２２５号公報 特開２０１１－２５８４９６号公報
しかしながら、パイプスペース室に燃料電池システムを設置した場合、排気ガスが風などにより希釈されない。
また、燃料電池システムが設置されるパイプスペースは壁や扉等の構造体で区切られており、高濃度の二酸化炭素を含む燃焼排ガスが筐体外に低流速で排出された場合、パイプスペース室内や共用廊下等に滞留し、空気の質を低下させる虞がある。
そのため、特許文献２の構成は、燃料電池システムが設置された室内の温度や一酸化炭素濃度をセンサで検出し、燃料電池の出力を制御するシステムとなっている。しかし、特許文献２の構成では、燃料電池の出力を所望値に維持できない虞がある。
本開示は、
原料ガスの改質反応により水素含有ガスを生成する改質部と、
前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記原料ガスおよび前記水素含有ガスの少なくとも一方からなる燃焼ガスを燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部からの燃焼排ガスを排気するための排気ダクトと、
前記改質部、前記燃料電池、前記燃焼部および前記排気ダクトと、を収容する筐体と、
前記筐体の一側壁に設けられ、前記排気ダクトから前記燃焼排ガスを外部に排気する筐体排気口と、
前記筐体排気口から導出された前記燃焼排ガスを、外部から取り込んだ空気で希釈して外部に排出する排ガス希釈部と、を備え、
前記排ガス希釈部は、
前記筐体の外側から前記筐体排気口を覆うように設置された排気カバーと、
前記排気カバーに設けられた希釈排ガス排気口と、
前記筐体の一側壁に開口した第一開口から外部の空気を吸い込み、前記希釈排ガス排気口の第二開口から該空気を外部に排出する希釈用空気流路と、
前記希釈用空気流路から前記筐体内の空気を前記希釈用空気流路に排出するための連通穴と、
前記希釈用空気流路と区画され、前記希釈排ガス排気口の排気口から前記排気カバーと前記一側壁で挟まれた空間を経由して前記燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路とを備えた、燃料電池システムを提供する。
本開示の技術によれば、燃焼部からの燃焼排ガスを排ガス希釈部に導入し、該排ガス希釈部に設けた希釈用空気流路から供給される空気で燃焼排ガスを希釈して排気する構成としたので、より確実に燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を下げることができ、安全性を高めることができる。また、希釈用空気を筐体内部の換気空気に加え、筐体外部から取り込む構成を設けたことで、筐体内部の換気空気の流量を抑えることで筐体内の熱バランスを保ち、燃料電池システムの運転を安定化できる。
本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの正面図 本発明の実施の形態１における排気カバーの構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの正面図 本発明の実施の形態２における排気カバーの構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの正面図 本発明の実施の形態３における排気カバーの構成図 バルブアセンブリの構成図 従来の家庭用燃料電池システムの構成図 従来の家庭用燃料電池をパイプシャフトに設置した場合の構成図
（本開示の基礎となった知見）
図１１に示すように、特許文献２に開示された燃料電池システムにおいて、燃料電池システム８０の筐体８４に設けられた吸気口（不図示）および排気口８５は、扉８３には設けられた開口（不図示）に対向して配置されている。
しかしながら、燃料電池システムから排出された排ガスは、扉に設けられた開口からパイプスペース室の外部に排出されるが、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を下げる手段を有していない。そのため、燃料電池システムの筐体から、燃焼排ガスが低流速で排出される場合には、パイプスペース室内や共用廊下等に滞留する虞がある。
本願発明者は鋭利検討の結果、燃料電池システムが収容された筐体から排出される燃焼排ガスを、筐体の外部から取り込んだ空気に沿わせて排気する構成とすることで、二酸化炭素濃度を効率良く低減できることを見出した。
また、空気を筐体外から供給する構成を加えることで、筐体内部の気流の変動を抑えることで、燃料電池スタックや改質部近傍の温度場を保つことができ、燃料電池の発電に与える影響も抑えることができると考えた。
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第一態様にかかる燃料電池システムは、
原料ガスの改質反応により水素含有ガスを生成する改質部と、
前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記原料ガスおよび前記水素含有ガスの少なくとも一方からなる燃焼ガスを燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部からの燃焼排ガスを排気するための排気ダクトと、
前記改質部、前記燃料電池、前記燃焼部および前記排気ダクトと、を収容する筐体と、
前記筐体の一側壁に設けられ、前記排気ダクトから前記燃焼排ガスを外部に排気する筐体排気口と、
前記筐体排気口から導出された前記燃焼排ガスを、外部から取り込んだ空気で希釈して外部に排出する排ガス希釈部と、を備え、
前記排ガス希釈部は、
前記筐体の外側から前記筐体排気口を覆うように設置された排気カバーと、
前記排気カバーに設けられた希釈排ガス排気口と、
前記筐体の一側壁に開口した第一開口から外部の空気を吸い込み、前記希釈排ガス排気口の第二開口から該空気を外部に排出する希釈用空気流路と、
前記希釈用空気流路から前記筐体内の空気を前記希釈用空気流路に排出するための連通穴と、
前記希釈用空気流路と区画され、前記希釈排ガス排気口の排気口から前記排気カバーと前記一側壁で挟まれた空間を経由して前記燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路とを備えたものである。
第一態様の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転中に、燃焼部において高濃度の二酸化炭素を含んだ燃焼排ガスが発生した場合でも、燃焼排ガスと二酸化炭素濃度の低い空気とを希釈排ガス排気口で合流させ混合し、二酸化炭素濃度を希釈して排出することが可能となる。
また、第一開口から筐体外部の空気を吸い込む構成となっているので、燃料電池システムが設置された周囲の空気を吸い込み、燃焼排ガスを希釈することができる。
また、燃焼排ガスと空気を合流して排出する構成とすることで、燃料電池システムから排出される燃焼排ガスの排出流速を速くして、排出された燃焼排ガスの到達距離を増やすことができ、共用廊下などに滞留することを抑制できる。そのため、共用廊下などの空気の質が低下することを抑制することができる。
また、筐体内部の空気を希釈用空気として外部に排気するので、筐体内の換気を促進できる。
第二態様にかかる燃料電池システムは、特に第一態様の燃料電池システムにおいて、前記連通穴に設けられ、前記連通穴から前記筐体内の空気を前記希釈用空気流路に排出する流量を調整可能な流量調整手段を備えたものである。
第二態様の燃料電池システムによれば、連通穴から筐体内部の空気を排出する流量を調整できるので、連通穴の設計尤度が高くなる。
第三態様にかかる燃料電池システムは、特に第一態様または第二態様の燃料電池システムにおいて、前記希釈排ガス排気口において、上方から前記第二開口、前記排気口の順に配置されているものである。
第三態様の燃料電池システムによれば、燃焼排ガスの温度と比較して温度の低い空気の出口である第二開口を、燃焼排ガスの出口である排気口よりも上方に配置したことで、温度の低い空気の流れに沿って、燃焼排ガスの上方への巻き上がりを抑えることができる。そのため、希釈排気ガスを排気口の吐出方向に向けて、より遠くに排出することができる。
第四態様にかかる燃料電池システムは、特に第一態様または第二態様の燃料電池システムにおいて、前記第一開口は、前記排ガス希釈部の内側に設けられ、前記希釈排ガス排気口に向けて開口しており、前記希釈排ガス排気口において、上方から前記第一開口、前記第二開口、前記排気口の順に配置されているものである。
第四態様の燃料電池システムによれば、第一開口、第二開口、ならびに、排気口を希釈排気ガス排気口の内部に開口する構成となっている。かかる構成としたことで、第一開口から外部の空気を吸い込み、希釈排ガス排気口に向けて開口した第二開口から該空気を外部に排出する希釈用空気流路をコンパクトに設計することができる。
また、希釈排ガス排気口において、上方から第一開口、第二開口、排気口の順に配置している。燃焼排ガスを排出する排出口と空気を吸い込む第一開口の間に、希釈用の空気を排出する第二開口を配置したことで、排気口から排出された燃焼排ガスが第一開口にショートカットされることを防止することができる。これにより、効率良く燃焼排ガスを希釈することができる。
第五態様にかかる燃料電池システムは、特に第一から第四態様の燃料電池システムにおいて、前記希釈排ガス排気口の内周部から延存する排気筒を設けたものである。
第五態様の燃料電池システムによれば、パイプスペース室内などに燃料電池システムを設置する際に、パイプスペース室などの扉に形成された開口部から排気筒を出すことで、希釈した燃焼排ガスを設置空間の外部に向けて排出することができる。
第六態様にかかる燃料電池システムは、特に第一から第五態様に燃料電池システムにおいて、前記希釈用空気流路内にファンが設けられているものである。
第六態様の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが設置された周囲に風がない場合であっても、希釈用の空気の流量を確保することができる。
第七態様にかかる燃料電池システムは、特に第六態様の燃料電池システムにおいて、前記ファンの回転数は、前記燃料電池の発電量、前記燃焼部の供給される燃焼空気の供給量ならびに前記燃焼ガスの供給量の少なくとも一つの情報に応じて制御されるものである。
第七態様の燃料電池システムによれば、燃焼排ガスの排出量に応じてファンの回転数を制御し、希釈用の空気の流量を制御することで希釈排ガス中の二酸化炭素濃度を適正に管理することができる。また、燃料電池の発電量、燃焼部の供給される燃焼空気の供給量、あるいは、燃焼ガスの供給量で燃焼排ガスの排出量を予測する構成としたことで、排ガス管理を自動化することができる。
第八態様にかかる燃料電池システムは、特に第一から第七態様の燃料電池システムにおいて、前記希釈用空気流路の一部が前記筐体内部に設けられているものである。
第八態様の燃料電池システムによれば、希釈用の空気の吸い込み口である第一開口と、希釈用空気の排出口である第二開口は筐体の一側壁に設けられている。そのため、空気流の進行方向を１８０°変える必要がある。希釈用空気流路の一部を筐体内部に設ける構成とすることで、希釈用空気流路の曲がり部が急峻になることで流路抵抗が大きくなり、空気の流速が減速することを抑制できる。
第九態様にかかる燃料電池システムは、特に第一から第八態様の燃料電池システムにおいて、前記燃焼排ガス流路に形成され、前記燃焼排ガス流路内に導出された前記燃焼排ガスから生成した凝縮水を前記排気カバーから排出するドレン穴を備えたものである。
第九態様の燃料電池システムによれば、燃焼排ガスは排気カバーにおいて冷却され、排気ガス中の水蒸気が凝縮水となり排気カバーの底部に溜まる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、排気カバーに腐食が生じ易い。これに対し、排気カバーに凝縮水を排出するドレン排出部を設けた構成としたことで、排気カバーが凝縮水に晒されることを抑制し、排気カバーの腐食を防止できる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１の燃料電池システムについて、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。
（燃料電池システムの構成と動作）
図１、図２、図３に示すように、本発明の実施の形態１における燃料電池システム１００は、筐体１、燃料電池３、改質部４、燃焼部５を備えている。燃料電池３、改質部４及び燃焼部５は筐体１の内部に収められている。筐体１は、縦長の長方体の形状を有する。複数の脚部２が筐体１の底面の下面に取り付けられている。
改質部４は、タンク６から第１水回路１０を経由して供給される水を、燃焼部５から供給される熱で蒸発器（不図示）を加熱して水蒸気を生成する。そして、この水蒸気と原料ガス供給経路１１から供給される原料ガスとを改質触媒の作用により水蒸気改質反応（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２）させ、水素含有ガスを生成する。
なお、原料ガス供給経路１１は分岐し、原料ガスは燃焼部５と改質部４に供給される。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素である。
また、燃焼部５は、燃料電池３と改質部４との間に設けられている。燃焼部５は、燃料電池３からの燃料オフガスや原料ガスが、燃料電池３からの酸化剤オフガスや燃焼用空気により燃焼されて、燃焼ガスにて改質部や蒸発部を加熱する。
なお、原料ガス供給経路１１は、筐体１の底面に形成された貫通孔に取り付けられたコネクタ１６を介して筐体１の外部の原料ガス供給源（不図示）と接続されている。コネクタ１６は金属製である。
改質部４で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス供給経路２０を経由して燃料電池３に供給される。燃料電池３は、酸化剤ガス（空気）と水素含有ガスを用いて電力を生成する。なお、燃料電池３で発電に用いられなかった燃料オフガスは、オフガス経路１９を通って燃焼部５に供給される。ここで、燃料電池３は、例えば、固体高分子形燃料電池または固体酸化物燃料電池である。燃料電池３の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（不図示）に貯められる。
燃料電池システム１００は、第２水回路１２、熱交換器１３及び熱回収水路１４を備えている。第２水回路１２は燃料電池３に接続されている。第２水回路１２は燃料電池３を冷却するための冷却水が循環する冷却水回路である。第２水回路１２にはタンク１５が設けられている。
熱回収水路１４は、燃料電池３の排熱を回収するための流路である。熱回収水路１４は、熱回収配管１４ａ、１４ｂを含む。熱回収配管１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、熱交換器１３に接続されている。熱回収配管１４ａは、熱回収水路１４の下流側部分を構成している。熱回収配管１４ｂは、熱回収水路１４の上流側部分を構成している。熱回収配管１４ａは、熱交換器１３において加熱された水を貯湯タンクに導くための配管である。熱回収配管１４ｂは、熱交換器１３において加熱されるべき水を熱交換器１３に供給するための配管である。熱回収配管１４ａ、１４ｂは、ステンレス管などの金属製配管である、第１水回路１０、第２水回路１２、熱交換器１３、熱回収水路１４及びタンク６、１５も筐体１の内部に配置されている。
熱回収配管１４ａは、筐体１の底面に形成された貫通孔を通って、底面の上面側（筐体１の内部）から底面の下面側に達している。詳細には、底面に形成された貫通孔に高温側コネクタ１７が取り付けられている。熱回収配管１４ａは、高温側コネクタ１７を介して筐体１の内部から外部に延び、貯湯タンクの高温水入口に接続されうる。同様に、熱回収配管１４ｂは、筐体１の底面に形成された貫通孔を通って、底面の上面側から底面の下面側に達している。詳細には、底面に形成された貫通孔に低温側コネクタ１８が取り付けられている。熱回収配管１４ｂは、低温側コネクタ１８を介して筐体１の内部から外部に延び、貯湯タンクの低温水出口又は市水管に接続されうる。高温側コネクタ１７及び低温側コネクタ１８は、樹脂製または金属製である。
燃料電池システムは、回路筐体２１及び電子回路基板２２を備えている。回路筐体２１は筐体１の内部に配置されている。回路筐体２１は、樹脂などの絶縁材料で作られている。電子回路基板２２には、コントローラ２２ａ、インバータ２２ｂなどの様々な電子部品が搭載されている。コントローラ２２ａは、燃料電池３、改質部４、燃焼部５、各種の補助機器（不図示）などの制御対象を制御するデバイスである。コントローラ２２ａは、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成されている。インバータ２２ｂは、燃料電池３の直流出力を交流出力に変換するためのデバイスである。
（筐体内の吸排気構成）
回路筐体２１は、水平方向に向かって（筐体１の一側壁１ａに向かって）開口している直方体の形状を有する。筐体１の一側壁１ａによって回路筐体２１の開口が閉じられるように、筐体１の内側から一側壁１ａに回路筐体２１が取り付けられ、通気ダクト２５が形成される。つまり、回路筐体２１、筐体１の内部空間を複数の部分に仕切る隔壁の役割を担っている。通気ダクト２５の下部には吸気口２４が設けられている。通気ダクト２５の上部には排気口２７が設けられている。吸気口２４の役割は、筐体１の外部と通気ダクト２５の内部とを連通させることにある。排気口２７の役割は、通気ダクト２５の内部と通気ダクト２５を除いた筐体１の内部とを連通させることにある。電子回路基板２２および後述する制御部２８は通気ダクト２５に配置される。
筐体１の一側壁１ａには、複数のルーバーを含む吸気口２３が設けられている、吸気口２３は、回路筐体２１の吸気口２４よりも鉛直方向の下側に位置している。吸気口２３の役割は、通気ダクト２５を介して、筐体１の外部と内部とを連通させることにある。電子回路基板２２は、回路筐体２１の中に配置されている。筐体１は、フード２６を含む。フード２６は、筐体１の内部から筐体１の一側壁１ａに取り付けられており、回路筐体２１の下部および一側壁１ａの吸気口２３を一体的に覆っている。フード２６によって、一側壁１ａの吸気口２３から回路筐体２１の吸気口２４への空気の流路が形成されている。このような構成とすることで、埃、雨水などが通気ダクト２５に吸い込まれて電子回路基板２２に悪影響を及ぼすことを防止できる。
通気ダクト２５において、空気は、インバータ２２ｂなどの電子部品の排熱で温められる。温められた空気は、排気口２７を通じて通気ダクト２５の外部に排出され、筐体１内部での空気の流れに変化する。空気は改質部４の周囲などを通過し、燃料電池３の周囲の温度場の形成に寄与する。
筐体１の一側壁１ａには、換気口５３が設けられている。換気口５３の役割は、筐体１の内部と筐体１の外部とを連通させることにある。換気口５３を通じて、筐体１の内部から外部に空気が排出される。本実施形態では、換気口５３は、鉛直方向において、吸気口２４よりも下側に位置している。このような位置関係によれば、筐体１内に取り込まれた空気がスムーズに筐体１の下部の空間に導かれる。
また、換気口５３は、複数のルーバーを含む。筐体１は、さらに、フード５１を含む。フード５１は、筐体１の内側から一側壁１ａに取り付けられており、換気口５３および後述する換気ファン５２を一体的に覆っている。フード５１によって、換気ファン５２から換気口５３への空気の流路が形成されている。このような構造によれば、埃、雨水などが筐体１の内部に侵入して、筐体１の内部に配置された部品に悪影響を及ぼすことを防止できる。換気ファン５２は、フード５１に取り付けられていてもよい。
本実施の形態では、換気口５３は、鉛直方向において、吸気口２３と略同一高さに位置している。言い換えれば、鉛直方向において、換気口５３と吸気口２４とが重なっている。換気口５３が筐体１の底面に近ければ近いほど、インバータ２２ｂなどの電子部品によって温められた空気の移動距離が延びる。
また、燃料電池システム１００は、吸気ファン２４ａおよび換気ファン５２を備えている。吸気ファン２４ａは吸気口２４またはその近傍に配置される。吸気ファン２４ａは、吸気口２４を通じて筐体１の外部の空気を筐体１の内部に供給するためのファンである。換気ファン５２は、換気口５３を通じて筐体１の内部の空気を筐体１の外部に排出するためのファンである。吸気ファン２４ａまたは換気ファン５２の少なくとも一方が設けられていると、インバータ２２ｂなどの電子部品によって温められた空気を筐体１の内部に効率良く供給し、循環した上で筐体１の外部に排出することができる。
このように、筐体１の内部に配置された燃料電池３および改質部４の周囲には安定した温度場が形成される。
（燃焼排ガスを希釈して排気する構成）
次に、燃焼部５から排出される燃焼排ガスの排出方法について説明する。
燃焼部５から排出された燃焼排ガスは排気ダクト２９を通って拡散ダクト部３２に導かれる。拡散ダクト部３２は、筐体１の一側壁１ａに形成された筐体排気口３１に接続されている。拡散ダクト部３２は筐体１の内側から一側壁１ａに取り付けられており、筐体排気口３１を一体的に覆っている。拡散ダクト部３２は、筐体排気口３１に向けて燃焼排ガスを導出する。拡散ダクト部３２は、排気ダクト２９と比較して燃焼排ガスの流路断面積が大きく設定されている。その結果、排気ダクト２９から導出された燃焼排ガスは、拡散ダクト部３２内で拡散しながら流速が低下し、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することを促す。
拡散ダクト部３２内で、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して生成された凝縮水は、排水部３３から不図示の排水部材を介して筐体１の外部に排出される。排気ガス中の水蒸気は凝縮して凝縮水となり、拡散ダクト部３２の底部に溜まる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、拡散ダクト部３２に腐食が生じ易い。これに対し、拡散ダクト部３２に凝縮水を排出する排水部３３を設けた構成としたことで、拡散ダクト部３２が凝縮水に晒されることを抑制し、拡散ダクト部３２の腐食を防止できる。
なお、拡散ダクト部３２の一部を、図１に示すように筐体１の外部に突き出す構成としてもよい。このような構成とすることで、拡散ダクト部３２に導出された燃焼排ガスがより冷却され、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することを促すことができる。
次に、排ガス希釈部９０の構成について説明する。筐体１の一側壁１ａには、筐体排気口３１を外側から覆うように排気カバー４０が取り付けられている。排気カバー４０には希釈された燃焼排ガスを外部に排出する希釈排ガス排気口４４が形成されている。排気カバー４０と一側壁１ａで囲まれた空間は、仕切り部材４１により、後述する希釈用空気流路４２と、筐体排気口３１から希釈排ガス排気口４４を介して燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路４３とに分離されている。そして、希釈排ガス排気口４４についても、希釈用空気流路４２と連通した第二開口４８と、燃焼排ガス流路４３と連通した排気口４９に分離されている。
燃焼排ガス流路４３の役割は、拡散ダクト部３２を経由し、筐体排気口３１から排出された燃焼排気ガスを排気口４９に導くことである。
本実施の形態では、希釈用空気流路４２を、排気カバー４０に内部に設けた第一希釈用空気流路４２ａと筐体１の内部に設けた第二希釈用空気流路４２ｂで構成している。
図１、図２、図３に示すように、筐体１の一側壁１ａには、筐体１の外側から空気を第二希釈用空気流路４２ｂに導くための第一開口４５と、第二希釈用空気流路４２ｂを介して空気を排気カバー４０内部に形成された第一希釈用空気流路４２ａに排出する第三開口４６が形成されている。第三開口４６は、一側壁１ａの外側から排気カバー４０で覆われ、第一希釈用空気流路４２ａと連通している。また、第三開口４６は、一側壁１ａの内側から第二希釈用空気流路４２ｂで覆われている。すなわち、空気は第一開口４５から第二希釈用空気流路４２ｂに取り込まれ、第三開口４６を通過し、第一希釈用空気流路４２ａを介して第二開口４８から排出される。
排気カバー４０の構成を示した立体構成図を図３（Ａ）に、第一希釈用空気流路４２ａ、第二希釈用空気流路４２ｂの構成を示した立体断面図を図３（Ｂ）に示した。
このような構成としたことで、燃料電池システム１００の運転中に、燃焼部５において高濃度の二酸化炭素を含んだ燃焼排ガスが発生した場合でも、燃焼排ガス流路４３から排気口４９に導かれた燃焼排ガスと、希釈用空気流路４２から第二開口４８に導かれた二酸化炭素濃度の低い空気とを希釈排ガス排気口４４で合流させ混合し、二酸化炭素濃度を希釈して排出することが可能となる。
また、第一開口４５から筐体１外部の空気を吸い込む構成となっているので、燃料電池システム１００がパイプスペース室に設置された場合でも、周囲の空気を吸い込み、燃焼排ガスを希釈することができる。
また、燃焼排ガスと空気を合流して排出する構成とすることで、燃料電池システム１００から排出される燃焼排ガスの排出流速を速くして、排出された燃焼排ガスの到達距離を増やすことができ、共用廊下などに滞留することを抑制できる。そのため、共用廊下などの空気の質が低下することを抑制することができる。
また、希釈用空気を筐体１内部からだけでなく、筐体１の外部から吸い込む構成を加えたことで筐体１内部からの換気空気の流量を抑えることができ、筐体１内部、特に改質部４や燃料電池３周囲の熱バランスを保ち、燃料電池システム１００の運転を安定化できる。
また、第一開口４５、ならびに、希釈排ガス排気口４４（第二開口４８、排出口４９）は略同一方向に開口している。そのため、燃料電池システム１００の運転中に、希釈排ガス排気口４４に向けて風が吹き込んだりした場合でも、第一開口４５、ならびに、希釈排ガス排気口４４（第二開口４８、排出口４９）に加わる風圧が同一になる。そのため、排気口４９から燃焼排ガスが筐体１の内部に流入することを抑制できる。
本実施の形態では、希釈用空気を取り込む第一開口４５と希釈した燃焼排ガスを排出する希釈排ガス排気口４４を離して形成することができる。そのため、燃焼排ガスがショートカットして第一開口４５から希釈用空気として取り込まれることを防止できる。
また、本実施の形態では、第二希釈用空気流路４２ｂを筐体１の内部に設けた。希釈用の空気の吸い込み口である第一開口４５と、希釈用空気の排気カバー４０側へ導出する第三開口４６は筐体１の一側壁１ａに設けられている。そのため、空気流の進行方向を１８０°変える必要がある。希釈用空気流路４２の一部を筐体１内部に設ける構成とすることで、希釈用空気流路４２の曲がり部が急峻になることで流路抵抗が大きくなり、空気の流速が減速することを抑制できる。
また、希釈排ガス排気口４４において、上方から第二開口４８、排気口４９の順に配置されている。
排気カバー４０の構成を示した立体構成図を図３（Ａ）に、第一希釈用空気流路４２ａ、第二希釈用空気流路４２ｂの構成を示した立体断面図を図３（Ｂ）に示した。
このような構成としたことで、燃焼排ガスの温度と比較して温度の低い空気の出口である第二開口４８を、燃焼排ガスの出口である排気口４９よりも上方に配置したことで、温度の低い空気の流れＦ２に沿って、燃焼排ガスＦ１の上方への巻き上がりを抑えることができる。そのため、希釈排気ガスを希釈排ガス排気口４４の吐出方向に向けて、より遠くに排出することができる。
また、燃料電池システム１００は、希釈用空気流路４２にファン４７を備えている。ファン４７は、一側壁１ａの内側から第三開口４６を覆うように設置される。これにより、筐体１の外部の空気を、第一開口４５を介して希釈用空気流路４２に取り込むことができる。なお、ファン４７の回転速度は、制御部２８によりコントロールされる。
このように、ファン４７により筐体１の外部の空気を希釈用空気として希釈用空気流路４２に取り込むことで、燃料電池システム１００が設置された周囲に風がない場合であっても、希釈用の空気の流量を確保することができる。
また、燃料電池３の起動運転などの非定常運転時や、負荷変動により燃焼部５の燃焼状態が変動し、燃焼排ガスに排出量が変動する場合がある。燃焼排ガスの排出量の変動は、燃料電池３の発電量、燃焼部５の供給される燃焼空気の供給量ならびに原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報から検知でき、排出量についても予測できる。そこで、制御部２８が、燃料電池３の発電量、燃焼部５の供給される燃焼空気の供給量ならびに原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報に基づき、ファン４７の回転数を制御するように構成してもよい。
このような構成とすることで、燃焼排ガスの排出量に応じてファンの回転数を制御し、希釈用の空気の流量を制御することで希釈排ガス中の二酸化炭素濃度を適正に管理することができる。また、燃料電池の発電量、燃焼部の供給される燃焼空気の供給量、あるいは、燃焼ガスの供給量で燃焼排ガスの排出量を予測する構成としたことで、排ガス管理を自動化することができる。
また、希釈排ガス排気口４４の内周部から延存する排気筒５０を設けてもよい。なお、仕切り部材４１は排気筒５０の内部まで延在させてもよい。このような構成とすることで、希釈用空気と燃焼排ガスが排気筒５０を通過する速度の減少を抑制し、希釈排気ガスを希釈排ガス排気口４４の吐出方向に向けて、より遠くに排出することができる。
また、このような構成とすることで、パイプスペース室内などに燃料電池システム１００を設置する際に、パイプスペース室などの扉に形成された開口部から排気筒を出すことで、希釈した燃焼排ガスを設置空間の外部に向けて排出することができる。
また、燃焼排ガスが排気カバー４０の内部に設けられた燃焼排ガス流路４３に排出された後でも、燃焼排ガス中の水蒸気の凝縮は継続して発生する。本実施の形態では、燃焼排ガス流路４３が下方に設けられ、一部が筐体１の外部に突き出た拡散ダクト部３２と連通した構成となっている。また、図１に示したように、排気カバー４０の底辺を拡散ダクト部３２に向かって傾斜する構成とすることで、燃焼排ガス流路４３に溜まった凝縮水を拡散ダクト部３２に集め、排水部３３から不図示の排水部材を介して筐体１の外部に排出することができる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、排気カバー４０に腐食が生じ易い。このような構成としたことで、排気カバー４０が凝縮水に晒されることを抑制し、排気カバー４０の腐食を防止できる。
なお、本実施の形態では第一開口４５を排気カバー４０が取り付けられた筐体１の一側壁１ａに形成したが、筐体１の他の側壁に形成してもよい。
（筐体内の空気を希釈用空気流路に排出する構成）
一般に燃料電池システムでは、筐体内の温度を検知し、制御部により燃料電池システムの運転許可を制限することで、燃料電池の発電の安定性を確保するとともに、高温環境下における水温と補機類の温度上昇を抑制している。
本実施の形態では、筐体１の内部の空気を希釈用空気流路４２（４２ｂ）に形成した連通穴９１を介して外部に排出する構成を有している。
図１、図３（Ｂ）に示したように、希釈用空気流路４２ｂに一壁面に連通穴９１が形成されている。筐体１の内部の空気は、連通穴９１を通って第二希釈用空気流路４２ｂから筐体１の外部に排出される。かかる構成により、筐体１の内部の換気が促進される。
また、連通穴９１に流量調整手段を設けることができる。以下の説明では、一例として、流量調整手段として図１０に示したバルブアッセンブリ９３を用いる場合を説明する。
図１０に開閉手段の一例であるバルブアッセンブリ９３の構成を示す。バルブアッセンブリ９３は、第二希釈用空気流路４２ｂの側壁に設けられ、筐体１内から第二希釈用空気流路４２に流出する空気の流量を調整する機能を有する。
バルブアッセンブリ９３は、主にハウジング９４と、バタフライバルブ９５とで構成されている。ハウジング９４には連通穴９１が形成され、シャフト穴９６にバルブシャフト９７が挿入された状態でバタフライバルブ９５が回転自在になっている。不図示の開閉度調整ユニットを介してバルブシャフト９７を回転制御し、バタフライバルブ９５の姿勢を変えることで連通穴９１の開口度を調整可能に構成されている。
連通穴９１にバルブアッセンブル９３を設置した場合、例えば、制御部２８から不図示の開閉度調整ユニットを制御し、筐体１内部から連通穴９１を介して第二希釈用空気流路に排出される空気流量を調整できる。このため、連通穴９１の設計尤度を高めることができる。
また、バルブアッセンブル９３による空気流量調整は筐体１の内部温度の調整にも有効である。図１の温度検出部９７は筐体１の内部温度を直接的または間接的に検出できる。例えば、温度検出部９７の検出温度が所定温度を越えた場合、バルブアッセンブル９３の開度を大きくし、筐体１の内部から第２希釈用空気流路４２ｂへ排出される空気流量を増加させることで、筐体１の内部の換気を促進し、筐体１の内部の温度を下げる効果が得られる。
なお、筐体１の内部から排出される空気の流量は、バルブアッセンブリ９３の開度、換気ファン５２、ファン４７、および、吸気ファン２４ａの回転数を任意に制御することでも調整することができる。
これにより、燃料電池システム１００は、筐体１の内部温度が所定温度を越えた場合、筐体１の内部の換気を促すので、燃料電池システム１００の不具合を避けることができる。
なお、本実施の形態では、温度検出部９７を筐体１の底部近傍に配置したが、これに限定されない。監視対象とする部位、例えば燃焼部５や燃料電池３の近傍に配置してもよい。
また、燃料電池システム１００は、換気ファン５２の故障により筐体１内部の換気が十分に行われなくなった場合、換気ファン５２に代わって希釈用空気流路４２に設けられた連通穴９１から筐体１内の空気を排出することができるので、燃料電池システム１００の不具合を避けることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池システム１０１は、実施形態１に係る燃料電池システム１００と基本構成は同じであるが、希釈用空気の吸い込み口である第一開口４５を排気カバー４０に形成した点が異なる。そのため、実施の形態に係る燃料電池システム１００による動作と同様の部分については同じ符号を付し、重複説明を省略し、燃焼排ガスを希釈して排気する構成について説明する。
（燃焼排ガスを希釈して排気する構成）
図４、図５、図６を用いて、燃焼部５から排出される燃焼排ガスの排出方法について説明する。
燃焼部５から排出された燃焼排ガスは排気ダクト２９を通って拡散ダクト部３２に導かれる。拡散ダクト部３２は、筐体１の一側壁１ａに形成された筐体排気口３１に接続されている。拡散ダクト部３２は筐体１の内側から一側壁１ａに取り付けられており、筐体排気口３１を一体的に覆っている。拡散ダクト部３２は、筐体排気口３１に向けて燃焼排ガスを導出する。拡散ダクト部３２は、排気ダクト２９と比較して燃焼排ガスの流路断面積が大きく設定されている。その結果、排気ダクト２９から導出された燃焼排ガスは、拡散ダクト部３２内で拡散しながら流速が低下し、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することを促す。
拡散ダクト部３２内で、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して生成された凝縮水は、排水部３３から不図示の排水部材を介して筐体１の外部に排出される。排気ガス中の水蒸気は凝縮して凝縮水となり、拡散ダクト部３２の底部に溜まる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、拡散ダクト部３２に腐食が生じ易い。これに対し、拡散ダクト部３２に凝縮水を排出する排水部３３を設けた構成としたことで、拡散ダクト部３２が凝縮水に晒されることを抑制し、拡散ダクト部３２の腐食を防止できる。
なお、拡散ダクト部３２の一部を、図４に示すように筐体１の外部に突き出す構成としてもよい。このような構成とすることで、拡散ダクト部３２に導出された燃焼排ガスがより冷却され、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することを促すことができる。
次に、排ガス希釈部９０の構成について説明する。筐体１の一側壁１ａには、筐体排気口３１を外側から覆うように排気カバー４０が取り付けられている。排気カバー４０には希釈された燃焼排ガスを外部に排出する希釈排ガス排気口４４が形成されている。排気カバー４０と一側壁１ａで囲まれた空間は、仕切り部材４１により、後述する希釈用空気流路４２と、筐体排気口３１から希釈排ガス排気口４４を介して燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路４３とに分離されている。そして、希釈排ガス排気口４４についても、希釈用空気流路４２と連通した第二開口４８と、燃焼排ガス流路４３と連通した排気口４９に分離されている。
燃焼排ガス流路４３の役割は、拡散ダクト部３２を経由し、筐体排気口３１から排出された燃焼排気ガスを排気口４９に導くことである。
本実施の形態では、希釈用空気流路４２を、排気カバー４０に内部に設けた第一希釈用空気流路４２ａと筐体１の内部に設けた第二希釈用空気流路４２ｂで構成している。
図４に示すように、排気カバー４０側面には、筐体１の外側から空気を第二希釈用空気流路４２ｂに導くための第一開口４５が形成されている。筐体１の一側壁１ａには第二希釈用空気流路４２ｂに空気を導入する第四開口６０（実施の形態１の第一開口４５に相当）が形成されている。希釈用空気は、第四開口６０から筐体１の内部に設置された希釈用空気流路４２を通って、一側壁１ａに形成された第三開口４６から排気カバー４０内部に形成された第一希釈用空気流路４２ａに排出される。第三開口４６と第四開口６０は、一側壁１ａの外側から排気カバー４０で覆われ、第一希釈用空気流路４２ａと連通している。また、第三開口４６と第四開口６０は、一側壁１ａの内側から第二希釈用空気流路４２ｂで覆われている。すなわち、空気は第一開口４５から第四開口６０を通過して第二希釈用空気流路４２ｂに取り込まれ、第三開口４６を通過し、第一希釈用空気流路４２ａを介して第二開口４８から排出される。
このような構成としたことで、燃料電池システム１０１の運転中に、燃焼部５において高濃度の二酸化炭素を含んだ燃焼排ガスが発生した場合でも、燃焼排ガス流路４３から排気口４９に導かれた燃焼排ガスと、希釈用空気流路４２から第二開口４８に導かれた二酸化炭素濃度の低い空気とを希釈排ガス排気口４４で合流させ混合し、二酸化炭素濃度を希釈して排出することが可能となる。
また、第一開口４５から筐体１外部の空気を吸い込む構成となっているので、燃料電池システム１０１がパイプスペース室に設置された場合でも、周囲の空気を吸い込み、燃焼排ガスを希釈することができる。
また、燃焼排ガスと空気を合流して排出する構成とすることで、燃料電池システム１０１から排出される燃焼排ガスの排出流速を速くして、排出された燃焼排ガスの到達距離を増やすことができ、共用廊下などに滞留することを抑制できる。そのため、共用廊下などの空気の質が低下することを抑制することができる。
また、希釈用空気を筐体１内部からだけでなく、筐体１の外部から吸い込む構成を加えたことで筐体１内部からの換気空気の流量を抑えることができ、筐体１内部、特に改質部４や燃料電池３周囲の熱バランスを保ち、燃料電池システム１０１の運転を安定化できる。
本実施の形態では、希釈用空気を取り込む第一開口４５と希釈した燃焼排ガスを排出する希釈排ガス排気口４４を離して形成することができる。そのため、燃焼排ガスがショートカットして第一開口４５から希釈用空気として取り込まれることを防止できる。
また、本実施の形態では、第二希釈用空気流路４２ｂを筐体１の内部に設けた。希釈用の空気の吸い込み口である第一開口４５と、希釈用空気の排気カバー４０側へ導出する第三開口４６は筐体１の一側壁１ａに設けられている。そのため、空気流の進行方向を１８０°変える必要がある。希釈用空気流路４２の一部を筐体１内部に設ける構成とすることで、希釈用空気流路４２の曲がり部が急峻になることで流路抵抗が大きくなり、空気の流速が減速することを抑制できる。
また、希釈排ガス排気口４４において、上方から第二開口４８、排気口４９の順に配置されている。
排気カバー４０の構成を示した立体構成図を図６（Ａ）に、第一希釈用空気流路４２ａ、第二希釈用空気流路４２ｂの構成を示した立体断面図を図６（Ｂ）に示した。
このような構成としたことで、燃焼排ガスの温度と比較して温度の低い空気の出口である第二開口４８を、燃焼排ガスの出口である排気口４９よりも上方に配置したことで、温度の低い空気の流れＦ２に沿って、燃焼排ガスＦ１の上方への巻き上がりを抑えることができる。そのため、希釈排気ガスを希釈排ガス排気口４４の吐出方向に向けて、より遠くに排出することができる。
また、燃料電池システム１０１は、希釈用空気流路４２にファン４７を備えている。ファン４７は、一側壁１ａの内側から第三開口４６を覆うように設置される。これにより、筐体１の外部の空気を、第一開口４５を介して希釈用空気流路４２に取り込むことができる。なお、ファン４７の回転速度は、制御部２８によりコントロールされる。
このように、ファン４７により筐体１の外部の空気を希釈用空気として希釈用空気流路４２に取り込むことで、燃料電池システム１０１が設置された周囲に風がない場合であっても、希釈用の空気の流量を確保することができる。
また、燃料電池３の起動運転などの非定常運転時や、負荷変動により燃焼部５の燃焼状態が変動し、燃焼排ガスに排出量が変動する場合がある。燃焼排ガスの排出量の変動は、燃料電池３の発電量、燃焼部５の供給される燃焼空気の供給量ならびに原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報から検知でき、排出量についても予測できる。そこで、制御部２８が、燃料電池３の発電量、燃焼部５の供給される燃焼空気の供給量ならびに原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報に基づき、ファン４７の回転数を制御するように構成してもよい。
このような構成とすることで、燃焼排ガスの排出量に応じてファン４７の回転数を制御し、希釈用の空気の流量を制御することで希釈排ガス中の二酸化炭素濃度を適正に管理することができる。また、燃料電池の発電量、燃焼部の供給される燃焼空気の供給量、あるいは、燃焼ガスの供給量で燃焼排ガスの排出量を予測する構成としたことで、排ガス管理を自動化することができる。
また、希釈排ガス排気口４４の内周部から延存する排気筒５０を設けてもよい。なお、仕切り部材４１は排気筒５０の内部まで延在させてもよい。このような構成とすることで、希釈用空気と燃焼排ガスが排気筒５０を通過する速度の減少を抑制し、希釈排気ガスを希釈排ガス排気口４４の吐出方向に向けて、より遠くに排出することができる。
また、このような構成とすることで、パイプスペース室内などに燃料電池システム１０１を設置する際に、パイプスペース室などの扉に形成された開口部から排気筒を出すことで、希釈した燃焼排ガスを設置空間の外部に向けて排出することができる。
また、燃焼排ガスが排気カバー４０の内部に設けられた燃焼排ガス流路４３に排出された後でも、燃焼排ガス中の水蒸気の凝縮は継続して発生する。本実施の形態では、燃焼排ガス流路４３が下方に設けられ、一部が筐体１の外部に突き出た拡散ダクト部３２と連通した構成となっている。また、図１に示したように、排気カバー４０の底辺を拡散ダクト部３２に向かって傾斜する構成とすることで、燃焼排ガス流路４３に溜まった凝縮水を拡散ダクト部３２に集め、排水部３３から不図示の排水部材を介して筐体１の外部に排出することができる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、排気カバー４０に腐食が生じ易い。このような構成としたことで、排気カバー４０が凝縮水に晒されることを抑制し、排気カバー４０の腐食を防止できる。
なお、本実施の形態では第一開口４５を排気カバー４０の側面に形成したが、排気カバー４０の希釈排ガス排気口４４や排気筒５０が設けられた面に形成してもよい。
（筐体内の空気を希釈用空気流路に排出する構成）
一般に燃料電池システムでは、筐体内の温度を検知し、制御部により燃料電池システムの運転許可を制限することで、燃料電池の発電の安定性を確保するとともに、高温環境下における水温と補機類の温度上昇を抑制している。
本実施の形態では、筐体１の内部の空気を希釈用空気流路４２（４２ｂ）に形成した連通穴９１を介して外部に排出する構成を有している。
図４、図６（Ｂ）に示したように、希釈用空気流路４２ｂに一壁面に連通穴９１が形成されている。筐体１の内部の空気は、連通穴９１を通って第二希釈用空気流路４２ｂから筐体１の外部に排出される。かかる構成により、筐体１の内部の換気が促進される。
また、連通穴９１に流量調整手段を設けることができる。以下の説明では、一例として、流量調整手段として図１０に示したバルブアッセンブリ９３を用いる場合を説明する。
図１０に開閉手段の一例であるバルブアッセンブリ９３の構成を示す。バルブアッセンブリ９３は、第二希釈用空気流路４２ｂの側壁に設けられ、筐体１内から第二希釈用空気流路４２に流出する空気の流量を調整する機能を有する。
バルブアッセンブリ９３は、主にハウジング９４と、バタフライバルブ９５とで構成されている。ハウジング９４には連通穴９１が形成され、シャフト穴９６にバルブシャフト９７が挿入された状態でバタフライバルブ９５が回転自在になっている。不図示の開閉度調整ユニットを介してバルブシャフト９７を回転制御し、バタフライバルブ９５の姿勢を変えることで連通穴９１の開口度を調整可能に構成されている。
連通穴９１にバルブアッセンブル９３を設置した場合、例えば、制御部２８から不図示の開閉度調整ユニットを制御し、筐体１内部から連通穴９１を介して第二希釈用空気流路に排出される空気流量を調整できる。このため、連通穴９１の設計尤度を高めることができる。
また、バルブアッセンブル９３による空気流量調整は筐体１の内部温度の調整にも有効である。図４の温度検出部９７は筐体１の内部温度を直接的または間接的に検出できる。例えば、温度検出部９７の検出温度が所定温度を越えた場合、バルブアッセンブル９３の開度を大きくし、筐体１の内部から第２希釈用空気流路４２ｂへ排出される空気流量を増加させることで、筐体１の内部の換気を促進し、筐体１の内部の温度を下げる効果が得られる。
なお、筐体１の内部から排出される空気の流量は、バルブアッセンブリ９３の開度、換気ファン５２、ファン４７、および、吸気ファン２４ａの回転数を任意に制御することでも調整することができる。
これにより、燃料電池システム１０１は、筐体１の内部温度が所定温度を越えた場合、筐体１の内部の換気を促すので、燃料電池システム１０１の不具合を避けることができる。
なお、本実施の形態では、温度検出部９７を筐体１の底部近傍に配置したが、これに限定されない。監視対象とする部位、例えば燃焼部５や燃料電池３の近傍に配置してもよい。
また、燃料電池システム１０１は、換気ファン５２の故障により筐体１内部の換気が十分に行われなくなった場合、換気ファン５２に代わって希釈用空気流路４２に設けられた連通穴９１から筐体１内の空気を排出することができるので、燃料電池システム１０１の不具合を避けることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池システム１０２は、実施形態１に係る燃料電池システム１００と基本構成は同じであるが、希釈用空気の吸い込み口である第一開口４５を、筐体１の一側壁１ａの排気カバー４０で覆われた位置に形成し、排気筒５０の一部から希釈空気を取り込む構成とした点が異なる。そのため、実施の形態に係る燃料電池システム１００による動作と同様の部分については同じ符号を付し、重複説明を省略し、燃焼排ガスを希釈して排気する構成について説明する。
（燃焼排ガスを希釈して排気する構成）
図７、図８、図９を用いて、燃焼部５から排出される燃焼排ガスの排出方法について説明する。
燃焼部５から排出された燃焼排ガスは排気ダクト２９を通って拡散ダクト部３２に導かれる。拡散ダクト部３２は、筐体１の一側壁１ａに形成された筐体排気口３１に接続されている。拡散ダクト部３２は筐体１の内側から一側壁１ａに取り付けられており、筐体排気口３１を一体的に覆っている。拡散ダクト部３２は、筐体排気口３１に向けて燃焼排ガスを導出する。拡散ダクト部３２は、排気ダクト２９と比較して燃焼排ガスの流路断面積が大きく設定されている。その結果、排気ダクト２９から導出された燃焼排ガスは、拡散ダクト部３２内で拡散しながら流速が低下し、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することを促す。
拡散ダクト部３２内で、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して生成された凝縮水は、排水部３３から不図示の排水部材を介して筐体１の外部に排出される。排気ガス中の水蒸気は凝縮して凝縮水となり、拡散ダクト部３２の底部に溜まる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、拡散ダクト部３２に腐食が生じ易い。これに対し、拡散ダクト部３２に凝縮水を排出する排水部３３を設けた構成としたことで、拡散ダクト部３２が凝縮水に晒されることを抑制し、拡散ダクト部３２の腐食を防止できる。
なお、拡散ダクト部３２の一部を、図７に示すように筐体１の外部に突き出す構成としてもよい。このような構成とすることで、拡散ダクト部３２に導出された燃焼排ガスがより冷却され、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することを促すことができる。
次に、排ガス希釈部９０の構成について説明する。排気カバー４０には排気筒５０が設けられている。排気筒５０の内部は第一仕切り部材６１と第二仕切り部材６２により、垂直方向に上から順番に、筐体１の外部から希釈用空気を取り込むための第一希釈用空気流路４２ａ、筐体１の外部に向けて希釈用空気を排出する希釈用空気取込み流路４２ｃ、燃焼排ガス流路４３に区画されている。排気筒５０の開放端側は、第一仕切り部材６１と第二仕切り部材６２により、垂直方向に上から順番に、筐体１の外部から希釈用空気を取り込むための空気取込み口６３、筐体１の外部に向けて希釈用空気を排出する空気排出口６４、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出口６５に区画されている。
他の実施の形態と同様に、筐体１の一側壁１ａには、筐体排気口３１を外側から覆うように排気カバー４０が取り付けられている。筐体排気口３１から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路４３を経由して燃焼排ガス排出口６５から筐体１の外部に排出される。燃焼排ガス流路４３の役割は、拡散ダクト部３２を経由し、筐体排気口３１から排出された燃焼排気ガスを排気口４９に導くことである。
筐体１の一側壁１ａには第一開口４５、第三開口４６が形成されている。第一開口４５と第三開口４６は、筐体１の一側壁１ａの外側から排気カバー４０で覆われ、第一開口４５は希釈用空気取込み流路４２ｃと連通し、第三開口４６は第一希釈用空気流路４２ａと連通している。また、第一開口４５と第三開口４６は筐体１の内側から第二希釈用空気流路４２ｂで覆われている。
このように、本実施の形態では、希釈用空気流路４２を、排気カバー４０に内部に設けた希釈用空気取込み流路４２ｃ、第一希釈用空気流路４２ａと、筐体１の内部に設けた第二希釈用空気流路４２ｂで構成している。図７に示すように、空気取込み口６３から取り込まれた空気は、希釈用空気取込み流路４２ｃを経由し、第一開口４５から第二希釈用空気流路４２ｂに導入され、第三開口４６から第一希釈用空気流路４２ａを経由して空気排出口６４から筐体１の外部に排出される。
排気カバー４０の構成を示した立体構成図を図９（Ａ）に、第一希釈用空気流路４２ａ、第二希釈用空気流路４２ｂ、希釈用空気吸込み流路４２ｃの構成を示した立体断面図を図９（Ｂ）に示した。
このような構成としたことで、燃料電池システム１０２の運転中に、燃焼部５において高濃度の二酸化炭素を含んだ燃焼排ガスが発生した場合でも、燃焼排ガス流路４３から燃焼排ガス排出口６５に導かれた燃焼排ガスと、希釈用空気流路（第一希釈用空気流路４２ａ、第二希釈用空気流路４２ｂ、希釈用空気取込み流路４２ｃ）から空気排出口６４に導かれた二酸化炭素濃度の低い空気とを、排気筒５０の開放端で合流させ混合し、二酸化炭素濃度を希釈して排出することが可能となる。
本実施の形態では、空気取込み口６３から筐体１外部の空気を吸い込む構成となっているので、燃料電池システム１０２がパイプスペース室に設置された場合でも、周囲の空気を吸い込み、燃焼排ガスを希釈することができる。
また、燃焼排ガスと空気を合流して排出する構成とすることで、燃料電池システム１０２から排出される燃焼排ガスの排出流速を速くして、排出された燃焼排ガスの到達距離を増やすことができ、共用廊下などに滞留することを抑制できる。そのため、共用廊下などの空気の質が低下することを抑制することができる。
また、希釈用空気を筐体１内部からだけでなく、筐体１の外部から吸い込む構成を加えたことで筐体１内部からの換気空気の流量を抑えることができ、筐体１内部、特に改質部４や燃料電池３周囲の熱バランスを保ち、燃料電池システム１０２の運転を安定化できる。
本実施の形態では、空気取込み口６３、空気排出口６４、ならびに、燃焼排ガス排出口６５を排気筒の内部に開口する構成となっている。かかる構成としたことで、空気取込み口６３から外部の空気を吸い込み、排気筒５０の開放端に向けて開口した空気排出口６４から該空気を外部に排出する希釈用空気流路をコンパクトに設計することができる。
また、排気筒５０の開放端において、上方から空気取込み口６３、空気排出口６４、燃焼排ガス排出口６５の順に配置している。燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出口６５と空気を吸い込む空気取込み口６３の間に、希釈用の空気を排出する空気排出口６４を配置したことで、燃焼排ガス排出口６５から排出された燃焼排ガスが空気取込み口６３にショートカットされることを防止することができる。これにより、効率良く燃焼排ガスを希釈することができる。
また、本実施の形態では、第二希釈用空気流路４２ｂを筐体１の内部に設けた。希釈用の空気の吸い込み口である第一開口４５と、希釈用空気の排気カバー４０側へ導出する第三開口４６は筐体１の一側壁１ａに設けられている。そのため、空気流の進行方向を１８０°変える必要がある。希釈用空気流路の一部を筐体１内部に設ける構成とすることで、希釈用空気流路の曲がり部が急峻になることで流路抵抗が大きくなり、空気の流速が減速することを抑制できる。
また、燃料電池システム１０２は、希釈用空気流路４２にファン４７を備えている。ファン４７は、一側壁１ａの内側から第三開口４６を覆うように設置される。これにより、筐体１の外部の空気を、第一開口４５を介して希釈用空気流路４２に取り込むことができる。なお、ファン４７の回転速度は、制御部２８によりコントロールされる。
このように、ファン４７により筐体１の外部の空気を希釈用空気として希釈用空気流路４２に取り込むことで、燃料電池システム１０２が設置された周囲に風がない場合であっても、希釈用の空気の流量を確保することができる。
また、燃料電池３の起動運転などの非定常運転時や、負荷変動により燃焼部５の燃焼状態が変動し、燃焼排ガスに排出量が変動する場合がある。燃焼排ガスの排出量の変動は、燃料電池３の発電量、燃焼部５の供給される燃焼空気の供給量ならびに原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報から検知でき、排出量についても予測できる。そこで、制御部２８が、燃料電池３の発電量、燃焼部５の供給される燃焼空気の供給量ならびに原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報に基づき、ファン４７の回転数を制御するように構成してもよい。
このような構成とすることで、燃焼排ガスの排出量に応じてファン４７の回転数を制御し、希釈用の空気の流量を制御することで希釈排ガス中の二酸化炭素濃度を適正に管理することができる。また、燃料電池の発電量、燃焼部の供給される燃焼空気の供給量、あるいは、燃焼ガスの供給量で燃焼排ガスの排出量を予測する構成としたことで、排ガス管理を自動化することができる。
また、燃焼排ガスが排気カバー４０の内部に設けられた燃焼排ガス流路４３に排出された後でも、燃焼排ガス中の水蒸気の凝縮は継続して発生する。本実施の形態では、燃焼排ガス流路４３が下方に設けられ、一部が筐体１の外部に突き出た拡散ダクト部３２と連通した構成となっている。また、図１に示したように、排気カバー４０の底辺を拡散ダクト部３２に向かって傾斜する構成とすることで、燃焼排ガス流路４３に溜まった凝縮水を拡散ダクト部３２に集め、排水部３３から不図示の排水部材を介して筐体１の外部に排出することができる。ここで、排気ガス中の水蒸気の凝縮による凝縮水は酸性であり、排気カバー４０に腐食が生じ易い。このような構成としたことで、排気カバー４０が凝縮水に晒されることを抑制し、排気カバー４０の腐食を防止できる。
また、排気筒５０を備えたことで、パイプスペース室内などに燃料電池システム１０２を設置する際に、パイプスペース室などの扉に形成された開口部から排気筒を出すことで、希釈した燃焼排ガスを設置空間の外部に向けて排出することができる。
なお、本実施の形態では排気カバー４０に排気筒５０を形成した構成としたが、これに限定されない。排気カバー４０がない場合には、排気カバー４０の正面部材に、鉛直方向で上方から空気取込み口６３、空気排出口６４、燃焼排ガス排出口６５の順に配置されることになる。この場合でも、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出口６５と空気を吸い込む空気取込み口６３の間に、希釈用の空気を排出する空気排出口６４を配置したことで、燃焼排ガス排出口６５から排出された燃焼排ガスが空気取込み口６３にショートカットされることを防止することができる。これにより、効率良く燃焼排ガスを希釈することができる。
（筐体内の空気を希釈用空気流路に排出する構成）
一般に燃料電池システムでは、筐体内の温度を検知し、制御部により燃料電池システムの運転許可を制限することで、燃料電池の発電の安定性を確保するとともに、高温環境下における水温と補機類の温度上昇を抑制している。
本実施の形態では、筐体１の内部の空気を希釈用空気流路４２（４２ｂ）に形成した連通穴９１を介して外部に排出する構成を有している。
図７、図９（Ｂ）に示したように、希釈用空気流路４２ｂに一壁面に連通穴９１が形成されている。筐体１の内部の空気は、連通穴９１を通って第二希釈用空気流路４２ｂから筐体１の外部に排出される。かかる構成により、筐体１の内部の換気が促進される。
また、連通穴９１に流量調整手段を設けることができる。以下の説明では、一例として、流量調整手段として図１０に示したバルブアッセンブリ９３を用いる場合を説明する。
図１０に開閉手段の一例であるバルブアッセンブリ９３の構成を示す。バルブアッセンブリ９３は、第二希釈用空気流路４２ｂの側壁に設けられ、筐体１内から第二希釈用空気流路４２に流出する空気の流量を調整する機能を有する。
バルブアッセンブリ９３は、主にハウジング９４と、バタフライバルブ９５とで構成されている。ハウジング９４には連通穴９１が形成され、シャフト穴９６にバルブシャフト９７が挿入された状態でバタフライバルブ９５が回転自在になっている。不図示の開閉度調整ユニットを介してバルブシャフト９７を回転制御し、バタフライバルブ９５の姿勢を変えることで連通穴９１の開口度を調整可能に構成されている。
連通穴９１にバルブアッセンブル９３を設置した場合、例えば、制御部２８から不図示の開閉度調整ユニットを制御し、筐体１内部から連通穴９１を介して第二希釈用空気流路に排出される空気流量を調整できる。このため、連通穴９１の設計尤度を高めることができる。
また、バルブアッセンブル９３による空気流量調整は筐体１の内部温度の調整にも有効である。図７の温度検出部９７は筐体１の内部温度を直接的または間接的に検出できる。例えば、温度検出部９７の検出温度が所定温度を越えた場合、バルブアッセンブル９３の開度を大きくし、筐体１の内部から第２希釈用空気流路４２ｂへ排出される空気流量を増加させることで、筐体１の内部の換気を促進し、筐体１の内部の温度を下げる効果が得られる。
なお、筐体１の内部から排出される空気の流量は、バルブアッセンブリ９３の開度、換気ファン５２、ファン４７、および、吸気ファン２４ａの回転数を任意に制御することでも調整することができる。
これにより、燃料電池システム１０２は、筐体１の内部温度が所定温度を越えた場合、筐体１の内部の換気を促すので、燃料電池システム１０２の不具合を避けることができる。
なお、本実施の形態では、温度検出部９７を筐体１の底部近傍に配置したが、これに限定されない。監視対象とする部位、例えば燃焼部５や燃料電池３の近傍に配置してもよい。
また、燃料電池システム１０２は、換気ファン５２の故障により筐体１内部の換気が十分に行われなくなった場合、換気ファン５２に代わって希釈用空気流路４２に設けられた連通穴９１から筐体１内の空気を排出することができるので、燃料電池システム１０２の不具合を避けることができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの環境性を向上させることが可能であり、特に集合住宅に設置される燃料電池システム等の用途に有用である。
１ 筐体
１ａ 一側壁
２ 脚部
３ 燃料電池
４ 改質部
５ 燃焼部
６ タンク
１０ 第１水回路
１１ 原料ガス供給経路
１２ 第２水回路
１３ 熱交換器
１４ 熱回収水路
１４ａ、１４ｂ 熱回収配管
１５ タンク
２０ 水素含有ガス供給経路
２１ 回路筐体
２２ 電子回路基板
２２ａ コントローラ
２２ｂ インバータ
２３、２４ 吸気口
２４ａ 吸気ファン
２５ 通気ダクト
２６ フード
２７ 排気口
２８ 制御部
３１ 筐体排気口
３２ 拡散ダクト部
３３ 排水部
４０ 排気カバー
４１ 仕切り部材
４２ 希釈用空気流路
４２ａ 第一希釈用空気流路
４２ｂ 第二希釈用空気流路
４２ｃ 希釈用空気取込み流路
４３ 燃焼排ガス流路
４５ 第一開口
４４ 希釈排ガス排気口
４６ 第三開口
４７ ファン
４８ 第二開口
４９ 排気口
５０ 排気筒
５１ フード
５２ 換気ファン
５３ 換気口
６０ 第四開口
６１ 第一仕切り部材
６２ 第二仕切り部材
６３ 空気取込み口
６４ 空気排出口
６５ 燃焼排ガス排出口
９０ 排ガス希釈部
９１ 連通穴
９３ バルブアッセンブリ
９４ ハウジング
９５ バタフライバルブ
９６ シャフト穴
９６ バルブシャフト
９７ 温度検出部
１００、１０１、１０２ 燃料電池システム

Claims (9)

  1. 原料ガスの改質反応により水素含有ガスを生成する改質部と、
    前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記原料ガスおよび前記水素含有ガスの少なくとも一方からなる燃焼ガスを燃焼して前
    記改質部を加熱する燃焼部と、
    前記燃焼部からの燃焼排ガスを排気するための排気ダクトと、
    前記改質部、前記燃料電池、前記燃焼部および前記排気ダクトと、を収容する筐体と、
    前記筐体の一側壁に設けられ、前記排気ダクトから前記燃焼排ガスを外部に排気する筐体排気口と、
    前記筐体排気口から導出された前記燃焼排ガスを、外部から取り込んだ空気で希釈して外部に排出する排ガス希釈部と、を備え、
    前記排ガス希釈部は、
    前記筐体の外側から前記筐体排気口を覆うように設置された排気カバーと、
    前記排気カバーに設けられた希釈排ガス排気口と、
    前記筐体の一側壁に開口した第一開口から外部の空気を吸い込み、前記希釈排ガス排気口の第二開口から該空気を外部に排出する希釈用空気流路と、
    前記希釈用空気流路から前記筐体内の空気を前記希釈用空気流路に排出するための連通穴と、
    前記希釈用空気流路と区画され、前記希釈排ガス排気口の排気口から前記排気カバーと前記一側壁で挟まれた空間を経由して前記燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路とを備えた、燃料電池システム。
  2. 前記連通穴に設けられ、前記連通穴から前記筐体内の空気を前記希釈用空気流路に排出する流量を調整可能な流量調整手段を備えた、請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記希釈排ガス排気口において、上方から前記第二開口、前記排気口の順に配置されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第一開口は、前記排ガス希釈部の内側に設けられ、前記希釈排ガス排気口に向けて開口しており、前記希釈排ガス排気口において、上方から前記第一開口、前記第二開口、
    前記排気口の順に配置されている、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記希釈排ガス排気口の内周部から延存する排気筒を設けた、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  6. 前記希釈用空気流路内にファンが設けられている、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記ファンの回転数は、前記燃料電池の発電量、前記燃焼部の供給される燃焼空気の供給量ならびに前記原料ガスの供給量の少なくとも一つの情報に応じて制御される、請求項６記載の燃料電池システム。
  8. 前記希釈用空気流路の一部が前記筐体内部に設けられている、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  9. 前記燃焼排ガス流路に形成され、前記燃焼排ガス流路内に導出された前記燃焼排ガスから生成した凝縮水を前記排気カバーから排出するドレン穴を備えた、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
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