JP2012199068A - 排気通路の接続構造および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスと、に合流し、合流ガスを屋外に排出させる排気通路を用いる場合に、排気通路内の排気ガス凝縮によって生じる水滴の、燃料電池ユニットへの混入を抑制できる排気通路の接続構造を提供する。
【解決手段】本発明の排気通路の接続構造は、燃料電池ユニット１１の排気出口とボイラー１２の排気出口と、に接続し、燃料電池ユニット１１の排気ガスとボイラー１２の排気ガスと、を合流させる排気通路１３を備え、燃料電池ユニット１１の排気出口が、ボイラー１２の排気出口よりも上方に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は排気通路の接続構造および燃料電池システムに関する。特に、本発明は、高効率コージェネレーションシステムに好適に用いることができる排気通路の接続構造に関する。

高効率コージェネレーションシステムの一例として、燃料電池システムが知られている。燃料電池システムでは、燃料電池の燃料ガスに、水素含有ガスを用いることが多い。よって、改質器が、一般的に燃料電池ユニットに内蔵されている。この改質器は、改質器内の触媒を改質反応に適した温度に加熱することにより、原料を改質させ、水素含有ガスを生成する。

改質器の加熱は、燃焼バーナーからの高温の燃焼排ガスの熱を利用することが一般的に行われる。燃焼バーナーは、例えば、炭化水素系の原料ガスを空気と混合させて燃焼することにより燃焼排ガスを生成できる。よって、このような燃焼排ガス中には、一酸化炭素ガス（以下、「ＣＯ」と略す）を含む場合がある。

そこで、改質器における燃焼排ガス（排気ガス）を、ダクトを用いて建物の上方に導くことを意図した燃料電池発電装置がすでに提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、燃料電池ユニットの熱のみで家庭の熱需要を賄えない場合、燃料電池ユニットとボイラーとを組み合わせることが一般的に行われている。このとき、ボイラーの排気ガスにも、ＣＯが含まれる場合がある。そこで、特許文献２には、燃料電池ユニットを備えるシステム内にボイラー用の燃焼バーナーを配し、燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスとをダクトを用いて合流させ、合流ガスを外部に排気される方式が提案されている。

特開２００５−６３６９７号公報 特開２００５−９３４３０号公報

ところで、建物の屋内に、ボイラーがすでに設置済みの場合、燃料電池ユニットを別個に併設する必要がある。この場合、燃料電池ユニット用のダクトを、ボイラー用のダクトと独立して設けると、ダクトの配管施工の費用が嵩む。そこで、燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスと、を合流させ、合流ガスを屋外に排出させる配管施工の方式を取ることが合理的である。しかし、本方式の場合、本件発明者等は、ボイラーの排気ガス中に含まれる水分（例えば、水蒸気等）がダクトで凝縮し、この凝縮水が、燃料電池ユニットに混入するという問題があると考えている。以下、この問題について、図面を参照しながら詳述する。

図７は、燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスと、を合流させる排気通路（ダクト）の一例を示した図である。

図７に示すように、燃料電池システム５０は、建物５８の屋内に配置された燃料電池ユニット５１と、ボイラー５２と、燃料電池ユニット５１およびボイラー５２の排気ガスの排気に用いるダクト５３と、を備える。

図７では、燃料電池ユニット５１およびボイラー５２の排気ガスが、ダクト５３において合流し、合流ガスが、煙突５４を用いて建物５８の屋外に排出されている。なお、燃料電池ユニット５１およびボイラー５２の熱によって水が加熱され、温水が貯湯タンク５７に貯えられる。温水は、家庭用の給湯や暖房等に使われる。

ところで、ボイラー５２の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスを空気とともに燃焼させて得られた燃焼排ガスを含み、この燃焼排ガスは水分や炭酸ガスを含んでいる。よって、ボイラー５２の排気ガスがダクト５３の途中で、排気ガスの放熱により冷やされると、水分が凝縮して水滴が発生する。すると、水滴に排気ガス中の炭酸ガスが溶け込み、水滴は酸性になる。そして、酸性の水滴が、ダクト５３の排気管等を構成する部材から金属イオンや樹脂成分等を溶出させ、水滴は、これらの溶出成分を含む。

このため、溶出成分を含む水滴が、ダクト５３内を逆流することにより、ダクト５３内の水滴が、燃料電池ユニット５１内に混入した場合、燃料電池ユニット５１において様々な不都合が起こる。

例えば、燃料電池ユニット５１では、燃焼排ガスを排出する前に、燃焼排ガス中の水分を凝縮させ、水回収器で回収している。そして、この回収水は、イオン交換樹脂等により適切に水処理が施され、燃料電池ユニット５１内の燃料電池や改質器において再利用されている。よって、燃料電池ユニット５１内の回収水を循環する経路に、溶出成分を含む水滴が混入した場合、イオン交換樹脂等の寿命が短くなる場合がある。また、回収水を水処理できないまま、燃料電池ユニット５１において再利用すると、改質器の触媒を劣化させる場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスとを合流させる排気通路を用いる場合、排気通路内の排気ガス凝縮によって生じる水滴の、燃料電池ユニットへの混入を抑制できる排気通路の接続構造を提供することを目的とする。また、本発明は、このような排気通路の接続構造を備える燃料電池システムも提供することも目的とする。

なお、特許文献１も特許文献２も、設置済みのボイラーに燃料電池ユニットを別個に併設することを意図していない。よって、特許文献１および特許文献２は、上記課題の解決において何等参酌に値しない。

上記課題を解決するため、本発明の排気通路の接続構造は、燃料電池ユニットの排気出口とボイラーの排気出口と、に接続し、前記燃料電池ユニットの排気ガスと前記ボイラーの排気ガスと、を合流させる排気通路を備え、前記燃料電池ユニットの排気出口を、前記ボイラーの排気出口よりも上方に配置するように構成されている。

かかる構成により、排気通路内の排気ガス凝縮によって生じる水滴の、燃料電池ユニットへの混入を抑制できる。

本発明によれば、燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスとを合流させる排気通路を用いる場合、排気通路内の排気ガス凝縮によって生じる水滴の、燃料電池ユニットへの混入を抑制できる排気通路の接続構造が得られる。また、このような排気通路の接続構造を備える燃料電池システムも得られる。

本発明の実施の形態１による燃料電池システムの一例を示した図である。 本発明の実施の形態１による燃料電池システムの要部の一例を示した図である。 本発明の実施の形態１の変形例による燃料電池システムの要部の一例を示した図である。 本発明の実施の形態２による燃料電池システムの一例を示した図である。 本発明の実施の形態３による燃料電池システムの一例を示した図である。 本発明の実施の形態４による燃料電池システムの一例を示した図である。 燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスと、を合流させる排気通路（ダクト）の一例を示した図である。

以下、実施の形態１、実施の形態１の変形例、実施の形態２、実施の形態３および実施の形態４のそれぞれについて、図面を参照しながら説明する。

なお、全ての図面を通じて、同一ないし相当する構成要素には同じ参照番号を付し、以下、このような構成要素の重複的記載を省略する場合がある。

また、本発明は、以下の実施の形態１、実施の形態１の変形例、実施の形態２、実施の形態３および実施の形態４に限定されない。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１による燃料電池システム１０の一例について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１による燃料電池システムの一例を示した図である。図２は、本発明の実施の形態１による燃料電池システムの要部の一例を示した図である。

なお、図１（図４、図５、図６でも同じ）では、重力が作用する方向を「上下方向」で表し、「上」から「下」に重力が作用するものとする。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、建物１８の屋内に配置された燃料電池ユニット１１を備える。

燃料電池ユニット１１は、図２に示す如く、原料を改質反応させ、改質ガス（水素含有ガス）を生成する改質器３２を備える。改質反応用の原料として、例えば、都市ガス（都市で配管を用いて供給される燃料用ガス）、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原料、メタノール等のアルコール系の原料等を用いることができる。

なお、原料供給器（図示せず）によって原料ガス（例えば、都市ガス）が改質器３２に供給され、水回収器３４内に溜まった水が、ポンプ３５によって汲み上げられて改質器３２に供給される。このとき、イオン交換樹脂等を備える水処理装置（図示せず）によって水浄化が行われ、浄化水が、改質器３２の水蒸気改質反応に利用される。

改質器３２は、通常、４００℃〜７００℃の温度範囲で使用される。よって、図２に示すように、燃料電池ユニット１１は、改質器３２を加熱する燃焼器３１（例えば、燃焼バーナー）を備える。燃焼器３１には、可燃性のガスおよび空気が供給され、可燃性のガス燃焼によって高温の燃焼排ガスが生成される。例えば、炭化水素系の原料ガスが、上記原料供給器により燃焼器３１に供給され、燃料電池ユニット１１の筐体内に存在する空気が、空気供給器３６（例えば、ブロアー）により燃焼器３１に供給される。

図２に示すように、燃焼器３１からの高温の燃焼排ガスは、改質器３２内を通る。これにより、燃焼排ガスの熱が改質器３２の改質触媒に与えられ、改質器３２は、改質触媒によって原料ガスの水蒸気改質反応を進行でき、水素含有ガスを生成できる。

このとき、燃焼器３１では、炭化水素系の原料ガスが空気とともに燃焼するので、燃焼排ガスは水分を含んでいる。よって、図２に示すように、改質器３２からの燃焼排ガスは水回収器３４に送られ、水回収器３４において、燃焼排ガス中の水分が回収される。

また、図２に示すように、改質器３２からの水素含有ガスは、燃料電池３３のアノード（図示せず）に入る。一方、燃料電池ユニット１１の筐体内に存在する空気は、空気供給器３７（例えば、ブロアー）により燃料電池３３のカソード（図示せず）に供給される。

燃料電池３３では、アノードにおいて、水素含有ガス中の水素が酸化され、電子と水素イオンが発生する。水素イオンは電解質膜（図示せず）中を移動してカソードに達し、電子は外部回路を通ってカソードに達する。そして、カソードにおいて、空気中の酸素と電子および水素イオンが還元され、燃料電池３３内において水が生成される。このため、燃料電池３３からのオフ空気は水分を含んでいる。よって、図２に示すように、燃料電池３３のカソードからのオフ空気は水回収器３４に送られ、水回収器３４において、オフ空気中の水分が回収される。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、建物１８の屋内に配置されたボイラー１２および貯湯タンク１７と、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２の排気ガスの排気に用いる排気通路と、を備える。ここでは、排気通路は、ダクト１３によって形成されている。また、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２の熱によって水が加熱され、温水が貯湯タンク１７に貯えられる。温水は、家庭用の給湯や暖房等に使われる。なお、ボイラー１２は、例えば、ガスボイラーを用いることができる。

図１および図２に示すように、燃料電池システム１０のダクト１３は、ボイラー１２の上方において水平方向に延びる水平ダクト部１３Ｈと、水平ダクト部１３Ｈの上流端部に接続する傾斜ダクト部１３Ｓとを備える。

そして、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２の排気ガスが、水平ダクト部１３Ｈにおいて合流し、合流ガスが、煙突１４を用いて建物１８の屋外に排出されている。つまり、図２に示すように、ダクト１３は、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａとボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａと、に接続し、燃料電池ユニット１１の排気ガスとボイラー１２の排気ガスとを合流させている。

これにより、燃料電池ユニット１１用のダクトを、ボイラー１２用のダクトと別個に設ける必要がないので、ダクトの配管施工の費用を抑制できる。

図２に示すように、ダクト１３は、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２の排気ガスが通る内側の排気管１３Ａと、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２に供給する空気が通る外側の吸気管１３Ｂ、とを備える。つまり、ダクト１３は、二重配管を構成している。これにより、高温の排気ガスが、ダクト１３の中心部に設けられた排気管１３Ａを流れ、低温の空気が、ダクト１３の周辺部に設けられた吸気管１３Ｂを流れる。よって、ダクト１３において排気ガスと空気との間で熱交換が行われ、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２の熱回収効率を向上できる。

図２に示すように、排気管１３Ａの端部開口は、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａと接続している。排気出口１１Ａは、燃料電池ユニット１１内（ここでは、水回収器３４内）の排気ガスを筐体外に導くことができる適宜の配管（図示せず）と接続している。このため、空気供給器３６、３７の排気ガス送風の作用により、燃料電池ユニット１１内の排気ガスが、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａを通ってダクト１３の排気管１３Ａ内に流出する。そして、排気ガスは、煙突１４を介して外部（大気中）に放出される。

また、吸気管１３Ｂの端部開口は、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた吸気入口１１Ｂと接続している。これにより、吸気管１３Ｂ内は、燃料電池ユニット１１の筐体の内部と連通している。このため、空気供給器３６、３７の空気吸引の作用により、吸気管１３Ｂに外部から空気が流入し、吸気管１３Ｂ内の空気は、吸気入口１１Ｂを通って燃料電池ユニット１１の筐体内に引き込まれる。

このように、本実施の形態では、燃料電池ユニット１１の内部と建物１８の屋内とを、燃料電池ユニット１１の筐体およびダクト１３を用いて分離している。よって、燃料電池ユニット１１を建物１８の屋内に設置しても、燃料電池ユニット１１の排気ガスが、燃料電池ユニット１１の筐体から建物１８の屋内に漏れることがない。

一方、排気管１３Ａの分岐部開口は、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａと接続している。そして、この排気出口１２Ａが、ボイラー１２内の排気ガスを筐体外に導くことができる適宜の配管（図示せず）と接続している。このため、ボイラー１２内の空気供給器（例えば、ブロアー）の排気ガス送風の作用により、ボイラー１２内の排気ガスが、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａを通ってダクト１３の排気管１３Ａ内に流出する。そして、排気ガスが、煙突１４を介して外部（大気中）に放出される。

また、吸気管１３Ｂの分岐部開口は、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた吸気入口１２Ｂと接続している。これにより、吸気管１３Ｂ内は、ボイラー１２の内部と連通している。このため、ボイラー１２内の空気供給器の空気吸引の作用により、吸気管１３Ｂに外部から空気が流入し、吸気管１３Ｂ内の空気は、吸気入口１２Ｂを通ってボイラー１２の筐体内に引き込まれる。

このように、本実施の形態では、ボイラー１２の内部と建物１８の屋内とを、ボイラー１２の筐体およびダクト１３を用いて分離している。よって、ボイラー１２を建物１８の屋内に設置しても、ボイラー１２の排気ガスが、ボイラー１２から建物１８の屋内に漏れることがない。

ところで、燃料電池ユニット１１の排気ガスは、排気出口１１Ａでも高温に維持されると考えられる。このため、燃焼排ガスおよびオフ空気の水分が、水回収器３４で回収されても、燃料電池ユニット１１の排気ガスは、相当量の水分が残留すると考えられる。

よって、上記排気ガスは、排気管１３Ａの途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、図２に示すように、排気ガス中の水分が凝縮して水滴４０が発生し、この水滴４０が、排気管１３Ａの内壁に付着する。すると、排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴４０が排気ガスに触れることにより、水滴４０中に炭酸ガスが溶け込む、これにより、水滴４０が酸性になる。このとき、排気管１３Ａは金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴４０が排気管１３Ａの内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管１３Ａの内壁から水滴４０に溶出する。

そこで、本実施の形態の排気通路（ダクト１３）の接続構造では、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａを、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａよりも上方に配置している。これにより、水滴４０がダクト１３内を逆流することを防止できる。詳しくは、図２に示すように、傾斜ダクト部１３Ｓは、燃料電池ユニット１１の排気ガスの流れ方向に向かって、下り勾配１３Ｃを形成している。つまり、燃料電池ユニット１１の排気ガスは、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａ以降において、下り勾配１３Ｃを通って外部に排気される（換言すると、排気ガスは、この排気出口１１Ａよりも一旦下方を通って外部に排気される）。よって、水滴４０の重力の作用により、水滴４０が傾斜ダクト部１３Ｓ内を逆流せずに、傾斜ダクト部１３Ｓ内の水滴４０は、燃料電池ユニット１１の筐体内に混入しない。

ボイラー１２の排気ガスも、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う水分を含んでいる。よって、上記排気ガスは、排気管１３Ａの途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、図２に示すように、排気ガス中の水分が凝縮して水滴４１が発生し、この水滴４１が、排気管１３Ａの内壁に付着する。すると、排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴４１が排気ガスに触れることにより、水滴４１中に炭酸ガスが溶け込む。これにより、水滴４１が酸性になる。このとき、排気管１３Ａは金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴４１が排気管１３Ａの内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管１３Ａの内壁から水滴４１に溶出する。

そこで、本実施の形態のダクト１３の接続構造では、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａを、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａよりも上方に配置している。これにより、水滴４１がダクト１３内を逆流することを防止できる。詳しくは、傾斜ダクト部１３Ｓは、燃料電池ユニット１１の排気ガスの流れ方向に向かって、下り勾配１３Ｃを形成している。よって、水滴４１の重力の作用により、水滴４１が傾斜ダクト部１３Ｓ内を逆流せずに、水滴４１は、燃料電池ユニット１１の筐体内に混入しない。

更に、本実施の形態のダクト１３の接続構造では、ダクト１３は、燃料電池ユニット１１の排気ガスの流れ方向において、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａおよびボイラー１２の排気出口１２Ａの順に、これらの排気出口１１Ａ、１２Ａと接続している。換言すると、ボイラー１２の排気ガスが、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａの下流において、燃料電池ユニット１１の排気ガスと合流している。

これにより、燃料電池ユニット１１の排気圧力が、ボイラー１２の出力のＯＮ／ＯＦＦにより大幅に変動しないので都合がよい。以下、この理由を述べる。

燃料電池ユニット単体では熱需要が賄えずに、燃料電池ユニットにボイラーを併設する場合、ボイラーの熱出力は、一般的に燃料電池ユニットの熱出力よりも格段に高い。例えば、燃料電池ユニットの熱出力が１ｋＷ程度であるのに対し、ボイラーの熱出力は２４ｋＷ程度である。この場合、ボイラーの排気ガス量は、燃料電池ユニットの排気ガス量よりも格段に多い。

そこで、本実施の形態では、上記接続構造を取ることにより、ボイラー１２のＯＮ／ＯＦＦによる排気ガス流量の変化が、排気ガスの合流点の下流側のみで起こすことができる。よって、ボイラー１２のＯＮ／ＯＦＦにより、燃料電池ユニット１１の排気圧力が大幅に変動しない。これにより、燃料電池ユニット１１の燃焼器３１の燃焼性が不安定になる等の不都合を抑制できる。

図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の制御プログラムを実行する演算処理部と制御プログラムを記憶する記憶部とを含む制御器６０を備える。制御器６０は、単独の制御器で構成されてもよいし、複数の制御器で構成されてもよい。なお、上記演算処理部は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等により構成される。上記記憶部は、メモリ等により構成される。

そして、燃料電池システム１０では、制御器６０が、例えば、改質器３２や燃料電池３３の温度を検知できる検知器（図示せず）の信号に基づいて、これらの改質器３２や燃料電池３３の温度をそれぞれの適温に調整できるよう、燃料電池システム１０の各種の制御対象（例えば、ポンプや流量調整弁等）の動作を制御している。

なお、本実施の形態では、ボイラー１２としてガスボイラーを例に説明したが、オイルボイラーやウッドチップボイラー等を用いてもよい。つまり、炭化水素系の原料ガスを燃焼できるボイラーであれば、どのようなボイラーであっても同様に適用できる。

また、本実施の形態では、ボイラー１２と貯湯タンク１７が別ユニットで構成している例を述べたが、ボイラー１２と貯湯タンク１７とを一体に構成してもよい。

（変形例）
以下、実施の形態１の変形例による燃料電池システム１０’の一例について説明する。

図３は、本発明の実施の形態１の変形例による燃料電池システムの要部の一例を示した図である。

図３に示すように、燃料電池システム１０’は単管構造のダクト１３’を備える。これにより、本変形例の燃料電池システム１０’では、ダクト１３’が単管を用いて簡易に構成できるので、実施の形態１の燃料電池システム１０に比べてダクトの配管施工の費用を抑止できる。

また、燃料電池システム１０’のダクト１３Ｃ’は、ボイラー１２の上方において水平方向に延びる水平ダクト部１３Ｈ’と、水平ダクト部１３Ｈ’の上流端部に接続する傾斜ダクト部１３Ｓ’とを備える。

ダクト１３’の排気管１３Ａ’の端部開口は、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａと接続している。また、ダクト１３’の排気管１３Ａ’の分岐部開口が、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａと接続している。一方、燃料電池ユニット１１の筐体内への吸気は、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた吸気口２１により行われる。また、ボイラー１２の筐体内への吸気は、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた吸気口２２により行われる。つまり、本変形例では、建物１８（図１参照）の屋内に存在する空気が、吸気口２１を通って燃料電池ユニット１１の筐体内に引き込まれ、吸気口２２を通ってボイラー１２の筐体内に引き込まれる。

なお、燃料電池ユニット１１を建物１８の屋内に設置しても、空気供給器３６、３７（例えば、ブロアー）の出力を適切に設定することにより、燃料電池ユニット１１の排気ガスは、燃料電池ユニット１１の筐体から建物１８の屋内に漏れることがない。また、ボイラー１２を建物１８の屋内に設置しても、ボイラー１２の排気ガスは、空気供給器（例えば、ブロアー）の出力を適切に設定することにより、ボイラー１２の筐体から建物１８の屋内に漏れることがない。

燃料電池ユニット１１の排気ガスは、排気管１３Ａ’の途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、図３に示すように、排気ガス中の水分が凝縮して水滴４３が発生し、水滴４３が、排気管１３’Ａの内壁に付着する。すると、燃料電池ユニット１１の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴４３が排気ガスに触れることにより、水滴４３中に炭酸ガスが溶けこむ。これにより、水滴４３が酸性になる。このとき、排気管１３Ａ’は金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴４３が排気管１３Ａ’の内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管１３Ａ’の内壁から水滴４３に溶出する。

そこで、本変形例の排気通路（ダクト１３’）の接続構造では、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａを、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａよりも上方に配置している。これにより、水滴４３がダクト１３’内を逆流することを防止できる。詳しくは、図３に示すように、傾斜ダクト部１３Ｓ’は、燃料電池ユニット１１の排気ガスの流れ方向に向かって、下り勾配１３Ｃ’を形成している。つまり、燃料電池ユニット１１の排気ガスは、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａ以降において、下り勾配１３Ｃ’を通って外部に排気される（換言すると、排気ガスは、この排気出口１１Ａよりも一旦下方を通って外部に排気される）。よって、水滴４３の重力の作用により、水滴４３が傾斜ダクト部１３Ｓ’内を逆流せずに、傾斜ダクト部１３Ｓ’内の水滴４３は、燃料電池ユニット１１の筐体内に混入しない。

また、ボイラー１２の排気ガスは、排気管１３Ａ’の途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、図３に示すように、排気ガス中の水分が凝縮して水滴４４が発生し、水滴４４が、排気管１３Ａ’の内壁に付着する。すると、ボイラー１２の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴４４が排気ガスに触れることにより、水滴４４中に炭酸ガスが溶け込む。これにより、水滴４４が酸性になる。このとき、排気管１３Ａ’は金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴４４が排気管１３Ａ’の内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管１３Ａ’の内壁から水滴４４に溶出する。

そこで、本変形例のダクト１３’の接続構造では、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口１１Ａを、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口１２Ａよりも上方に配置している。これにより、水滴４４がダクト１３’内を逆流することを防止できる。詳しくは、図３に示すように、傾斜ダクト部１３Ｓ’は、燃料電池ユニット１１の排気ガスの流れ方向に向かって、下り勾配１３Ｃ’を形成している。よって、水滴４４の重力の作用により、水滴４４が傾斜ダクト部１３Ｓ’内を逆流せずに、水滴４４は、燃料電池ユニット１１の筐体内に混入しない。

なお、上記以外の燃料電池システム１０’の構成は、実施の形態１の燃料電池システム１０と同様に構成してもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２による燃料電池システム１１０の一例について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２による燃料電池システムの一例を示した図である。

図４に示すように、燃料電池システム１１０のダクト１１３は、ボイラー１２の上方において水平方向に延びる水平ダクト部１１３Ｈを備える。また、ダクト１１３は、この水平ダクト部１１３Ｈの途中から分岐し、ボイラー１２に向かって上下方向に延びる鉛直ダクト部１１３Ｖを備える。そして、水平ダクト部１１３Ｈを構成する排気管の端部開口が、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口（図２または図３参照）と接続している。また、鉛直ダクト部１１３Ｖを構成する排気管の端部開口が、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口（図２または図３参照）と接続している。

図４に示すように、燃料電池ユニット１１およびボイラー１２の排気ガスが、水平ダクト部１１３Ｈにおいて合流し、合流ガスが、煙突１４を用いて建物１８の屋外に排出される。つまり、ダクト１１３は、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口とボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口と、に接続し、燃料電池ユニット１１の排気ガスとボイラー１２の排気ガスとを合流させている。

これにより、燃料電池ユニット１１用のダクトを、ボイラー１２用のダクトと別個に設ける必要がないので、ダクトの配管施工の費用を抑制できる。

ボイラー１２の排気ガスは、ダクト１１３の排気管の途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、排気ガス中の水分が凝縮して水滴が発生し、この水滴が、この排気管の内壁に付着する。すると、ボイラー１２の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴が排気ガスに触れることにより、水滴中に炭酸ガスが溶け込む。これにより、水滴が酸性になる。このとき、ダクト１１３の排気管は金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴が排気管の内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管の内壁から水滴に溶出する。

そこで、本実施の形態のダクト１１３の接続構造では、燃料電池ユニット１１の筐体の上壁に設けられた排気出口を、ボイラー１２の筐体の上壁に設けられた排気出口よりも上方に配置している。これにより、水滴の重力の作用により、鉛直ダクト部１１３Ｖ内の水滴は、燃料電池ユニット１１の筐体内に混入しない。

なお、上記以外の燃料電池システム１１０の構成は、実施の形態１および実施の形態１の変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。例えば、ダクト１１３は、図２のダクト１３の如く二重管構造でも、図３のダクト１３’の如く単管構造でもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３による燃料電池システム１２０の一例について説明する。

図５は、本発明の実施の形態３による燃料電池システムの一例を示した図である。

図５に示すように、燃料電池システム１２０のダクト１２３は、燃料電池ユニット１１１の上方において水平方向に延びる水平ダクト部１２３Ｈと、水平ダクト部１２３Ｈの両端部に接続する傾斜ダクト部１２３ＳＡ、１２３ＳＢとを備える。そして、ダクト１２３を構成する排気管の端部開口が、ボイラー１１２の筐体の上壁に設けられた排気出口（図２または図３参照）と接続している。また、ダクト１２３を構成する排気管の分岐部開口が、燃料電池ユニット１１１の筐体の上壁に設けられた排気出口（図２または図３参照）と接続している。

図５に示すように、燃料電池ユニット１１１およびボイラー１１２の排気ガスが、水平ダクト部１２３Ｈにおいて合流し、合流ガスが、煙突１４を用いて建物１８の屋外に排出される。つまり、ダクト１２３は、燃料電池ユニット１１１の排気出口とボイラー１１２の排気出口と、に接続し、燃料電池ユニット１１１の排気ガスとボイラー１１２の排気ガスとを合流させている。

これにより、燃料電池ユニット１１１用のダクトを、ボイラー１１２用のダクトと別個に設ける必要がないので、ダクトの配管施工の費用を抑制できる。

燃料電池ユニット１１１の排気ガスは、ダクト１２３の排気管の途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、排気ガス中の水分が凝縮して水滴が発生し、この水滴が、この排気管の内壁に付着する。すると、燃料電池ユニット１１１の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴が排気ガスに触れることにより、水滴中に炭酸ガスが溶け込む。これにより、水滴が酸性になる。このとき、ダクト１２３の排気管は金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴が排気管の内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管の内壁から水滴に溶出する。

そこで、本実施の形態の排気通路（ダクト１２３）の接続構造では、燃料電池ユニット１１１の筐体の上壁に設けられた排気出口を、ボイラー１１２の筐体の上壁に設けられた排気出口よりも上方に配置している。これにより、水滴がダクト１２３内を逆流することを防止できる。詳しくは、図５に示すように、傾斜ダクト部１２３ＳＢは、燃料電池ユニット１１１の排気ガスの流れ方向に向かって、下り勾配１２３Ｃを形成している。つまり、燃料電池ユニット１１１の排気ガスは、燃料電池ユニット１１１の排気出口以降において、下り勾配１２３Ｃを通って外部に排気される（換言すると、排気ガスは、この排気出口よりも一旦下方を通って外部に排気される）。よって、水滴の重力の作用により、水滴が傾斜ダクト部１２３ＳＢ内を逆流せずに、傾斜ダクト部１２３ＳＢ内の水滴は、燃料電池ユニット１１１の筐体内に混入しない。

また、ボイラー１１２の排気ガスは、ダクト１２３の排気管の途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、排気ガス中の水分が凝縮して水滴が発生し、この水滴が、この排気管の内壁に付着する。すると、ボイラー１１２の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴が排気ガスに触れることにより、水滴中に炭酸ガスが溶け込む。これにより、水滴が酸性になる。このとき、ダクト１２３の排気管は金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴が排気管の内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管の内壁から水滴に溶出する。

そこで、本実施の形態のダクト１２３の接続構造では、燃料電池ユニット１１１の筐体の上壁に設けられた排気出口を、ボイラー１１２の筐体の上壁に設けられた排気出口よりも上方に配置している。詳しくは、図５に示すように、傾斜ダクト部１２３ＳＡは、ボイラー１１２の排気ガスの流れ方向に向かって、上り勾配１２３Ｄを形成している。よって、水滴の重力の作用により、傾斜ダクト部１２３ＳＡ内の水滴は、燃料電池ユニット１１１の筐体内に混入しない。

更に、本実施の形態のダクト１２３の接続構造では、ダクト１２３は、ボイラー１１２の排気ガスの流れ方向において、ボイラー１１２の排気出口および燃料電池ユニット１１１の排気出口の順に、これらの排気出口と接続している。換言すると、ボイラー１１２の排気ガスが、ボイラー１１２の排気出口の下流において、燃料電池ユニット１１１の排気ガスと合流している。このため、燃料電池ユニット１１１の排気出口から煙突１４の出口までのダクト１２３の長さが、ボイラー１１２の排気出口から煙突１４の出口までのダクト１２３の長さよりも短い。

これにより、本実施の形態の燃料電池システム１２０は、燃料電池ユニット１１１から建物１８の屋外までのダクト１２３の長さを、実施の形態１の燃料電池ユニット１１から屋外までのダクト１３の長さに比べて短くできるので、実施の形態１の燃料電池システム１０の場合と比べて燃料電池ユニットの排気の圧力損失を抑制できる。

なお、上記以外の燃料電池システム１２０の構成は、実施の形態１および実施の形態１の変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。例えば、ダクト１２３は、図２のダクト１３の如く二重管構造でも、図３のダクト１３’の如く単管構造でもよい。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４による燃料電池システム１３０の一例について説明する。

図６は、本発明の実施の形態４による燃料電池システムの一例を示した図である。

図６に示すように、燃料電池システム１３０のダクト１３３は、燃料電池ユニット１１１の上方において水平方向に延びる水平ダクト部１３３Ｈと、水平ダクト部１３３Ｈの上流端部に接続する傾斜ダクト部１３３Ｓとを備える。そして、ダクト１３３を構成する排気管の端部開口が、ボイラー１１２の筐体の上壁に設けられた排気出口（図２または図３参照）と接続している。また、ダクト１３３を構成する排気管の分岐部開口が、燃料電池ユニット１１１の筐体の上壁に設けられた排気出口（図２または図３参照）と接続している。

図６に示すように、燃料電池ユニット１１１およびボイラー１１２の排気ガスが、水平ダクト部１３３Ｈにおいて合流し、合流ガスが、煙突１４を用いて建物１８の屋外に排出される。つまり、ダクト１３３は、燃料電池ユニット１１１の排気出口とボイラー１１２の排気出口と、に接続し、燃料電池ユニット１１１の排気ガスとボイラー１１２の排気ガスとを合流させている。

これにより、燃料電池ユニット１１１用のダクトを、ボイラー１１２用のダクトと別個に設ける必要がないので、ダクトの配管施工の費用を抑制できる。

ボイラー１１２の排気ガスは、ダクト１３３の排気管の途中で排気ガスからの放熱により冷やされると、排気ガス中の水分が凝縮して水滴が発生し、この水滴が、この排気管の内壁に付着する。すると、ボイラー１１２の排気ガスは、炭化水素系の原料ガスの燃焼に伴う炭酸ガスを含むので、水滴が排気ガスに触れることにより、水滴中に炭酸ガスが溶け込む。これにより、水滴が酸性になる。このとき、ダクト１３３の排気管は金属または樹脂で構成されているので、酸性の水滴が排気管の内壁に接触することにより、金属イオンや樹脂成分が排気管の内壁から水滴に溶出する。

そこで、本実施の形態のダクト１３３の接続構造では、燃料電池ユニット１１１の筐体の上壁に設けられた排気出口を、ボイラー１１２の筐体の上壁に設けられた排気出口よりも上方に配置している。詳しくは、図６に示すように、傾斜ダクト部１３３Ｓは、ボイラー１１２の排気ガスの流れ方向に向かって、上り勾配１３３Ｄを形成している。よって、水滴の重力の作用により、傾斜ダクト部１３３Ｓ内の水滴は、燃料電池ユニット１１１の筐体内に混入しない。

更に、本実施の形態のダクト１３３の接続構造では、ダクト１３３は、ボイラー１１２の排気ガスの流れ方向において、ボイラー１１２の排気出口および燃料電池ユニット１１１の排気出口の順に、これらの排気出口と接続している。換言すると、ボイラー１１２の排気ガスが、ボイラー１１２の排気出口の下流において、燃料電池ユニット１１１の排気ガスと合流している。このため、燃料電池ユニット１１１の排気出口から煙突１４の出口までのダクト１３３の長さが、ボイラー１１２の排気出口から煙突１４の出口までのダクト１３３の長さよりも短い。

これにより、本実施の形態の燃料電池システム１３０は、燃料電池ユニット１１１から建物１８の屋外までのダクト１３３の長さを、実施の形態２の燃料電池ユニット１１から屋外までのダクト１１３の長さに比べて短くできるので、実施の形態２の燃料電池システム１１０の場合と比べて燃料電池ユニットの排気の圧力損失を抑制できる。

なお、上記以外の燃料電池システム１３０の構成は、実施の形態１および実施の形態１の変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。例えば、ダクト１３３は、図２のダクト１３の如く二重管構造でも、図３のダクト１３’の如く単管構造でもよい。

本発明の排気通路の接続構造によれば、燃料電池ユニットの排気ガスとボイラーの排気ガスと、に合流し、合流ガスを屋外に排出させる排気通路を用いる場合に、排気通路内の排気ガスの凝縮によって生じる水滴の、燃料電池ユニットへの混入を抑制できる。よって、本発明は、高効率コージェネレーションの一例である燃料電池システムに利用できる。

１１ １１１ 燃料電池ユニット
１１Ａ 燃料電池ユニットの排気出口
１１Ｂ 燃料電池ユニットの吸気入口
１２、１１２ ボイラー
１２Ａ ボイラーの排気出口
１２Ｂ ボイラーの吸気入口
１３、１３’、１１３、１２３、１３３ ダクト
１３Ｃ、１３Ｃ’、１２３Ｃ ダクトの下り勾配
１２３Ｄ、１３３Ｄ ダクトの上り勾配
１４ 煙突
１７ 貯湯タンク
１８ 建物
３１ 燃焼器
３２ 改質器
３３ 燃料電池
３４ 水回収器
３５ ポンプ
３６、３７ 空気供給器
１０、１０’、１１０、１２０、１３０ 燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料電池ユニットの排気出口とボイラーの排気出口と、に接続し、前記燃料電池ユニットの排気ガスと前記ボイラーの排気ガスと、を合流させる排気通路を備え、
   前記燃料電池ユニットの排気出口が、前記ボイラーの排気出口よりも上方に配置されている、排気通路の接続構造。
2. 前記排気通路は、前記燃料電池ユニットの排気ガスの流れ方向に向かって、下り勾配を形成している、請求項１に記載の排気通路の接続構造。
3. 前記排気通路は、前記燃料電池ユニットの排気ガスの流れ方向において、前記燃料電池ユニットの排気出口および前記ボイラーの排気出口の順に、これらの排気出口と接続している、請求項１または２に記載の排気通路の接続構造。
4. 前記排気通路は、前記ボイラーの排気ガスの流れ方向において、前記ボイラーの排気出口および前記燃料電池ユニットの排気出口の順に、これらの排気出口と接続している、請求項１または２に記載の排気通路の接続構造。
5. 前記排気通路を形成するダクトを備え、
   前記ダクトは、前記排気ガスが通る配管と、前記燃料電池ユニットおよび前記ボイラーに供給する空気が通る配管、とからなる二重配管を備える、請求項１に記載の排気通路の接続構造。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池ユニットおよびボイラーを備え、
   前記排気通路が、前記燃料電池ユニットおよび前記ボイラーの排気ガスの排気に用いられている、燃料電池システム。
   

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