JP4981289B2 - 燃料電池の排気システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の排気システムに関し、特に、燃料電池から排気ガスの排出を促進するための燃料電池の排気システムに関する。

従来の此種燃料電池の排気システムの一例を図５に従って説明する。
図に於いて、１は、従来例の燃料電池の排気システムであり、排気システム１は、燃料電池の発電モジュール２に排気管３が接続され、排気管３の管路上に排熱回収するための排熱回収用熱交換器４が配設され、排気管３の他端に煙突５又は排気ダクト（図示せず）が接続されている。

又、前記熱交換器４は循環配管６を介して貯湯タンク７と接続され、循環配管６には循環ポンプ８が設けられている。

而して、発電モジュール２から排出される排気ガスは、排気管３を介して熱交換器４に達し、熱交換器４内で熱交換した後、排気管３を介して煙突５に達し、煙突５内を上昇し、煙突５の上端から排出される。

一方、前記熱交換器４には、循環ポンプ８によって循環配管６内を循環する水（低温側）が流れ、熱交換器４内で排気ガス（高温側）と熱交換して加温された水は貯湯タンク７の水を加温する。

又、此種、燃料電池の排気システムは、特許文献１及び特許文献２にも記載されている。特許文献１には、燃料電池本体の排気ガス中に含まれるリン酸の除去、排熱回収、凝縮水回収を効率的に行なうことができる排気ガス処理装置が記載され、特許文献２には、電池冷却水回路からのブローダウン水を改質器からの燃料排気ガスと混合させ、ガス中の水蒸気分圧を高めて排熱回収交換器での排熱回収量を増加させる排ガス系熱回収方法が記載されている。
特開平６−５２８７９号公報 特開平５−２９０１２号公報

然しながら、前図５に示された従来例の燃料電池の排気システムに於いて、発電モジュールから排出される排気ガスは、下流側に設置される熱交換器、煙突又はダクト等による圧損のため、排気ガスがスムーズに発電モジュールからその下流側に流れにくくなるという問題があった。

そこで、それらの問題解決が望まれるが、現在、十分な問題解決がなされていない。尚、特許文献１及び特許文献２はこの問題を解決するものではない。

以上の現状に鑑み、本発明は、燃料電池の発電モジュールから排出される排気ガスの流れを促進できる燃料電池の排気システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、燃料電池の発電モジュール内の排気ガスを排出するための排気管を、所定高さを有して立設する煙突の下端部に接続すると共に、該煙突下部を上記燃料電池の発電モジュール側面に近接させて成り、上記発電モジュールの外周を囲包する断熱材中を上記煙突下部が貫通していることを特徴とする燃料電池の排気システムを提供するものである。

請求項２に係る発明は、燃料電池の発電モジュール内の排気ガスを排出するための排気管を、所定高さを有して立設する煙突の下端部に接続すると共に、該煙突下部を上記燃料電池の発電モジュール側面に近接させて成り、上記煙突上部に冷却ジャケットを配設して成ることを特徴とする燃料電池の排気システムを提供するものである。

請求項３に係る発明は、上記排気管に熱交換器を設け、該熱交換器と貯湯タンクとを循環配管を介して接続し、該循環配管に循環ポンプを設けると共に、上記貯湯タンクに給水を行なう給水管の上流部を上記冷却ジャケットに接続して成ることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の排気システムを提供するものである。

請求項４に係る発明は、上記排気管に吸込ファンを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池の排気システムを提供するものである。

本発明の請求項１記載の発明によれば、燃料電池の発電モジュール内の排気ガスを排出するための排気管を、所定高さを有して立設する煙突の下端部に接続すると共に、該煙突下部を燃料電池の発電モジュール側面に近接させて成る燃料電池の排気システムを提供するので、前記発電モジュールの熱を利用して前記煙突の下部を加温することにより、排気ガスの排出を促進し、更に、排気ガスの排出が促進されるため、排気管に熱交換器を設けた場合、熱交換器にスムーズに排気ガスが流れ込み排熱回収効率を高めることができる。更に、発電モジュール内に新鮮な燃料ガス、酸素含有ガスの導入を促進でき発電効率を促進できる。更に又、酸素含有ガスを発電モジュール内に供給するためのファンによる供給圧も低下できるため、補機消費電力を低下できる。
又、上記発電モジュールの外周を囲包する断熱材中を上記煙突下部が貫通しているので、発電モジュールの熱を最適に利用して煙突下部を効率良く加温することができる。

請求項２記載の発明によれば、燃料電池の発電モジュール内の排気ガスを排出するための排気管を、所定高さを有して立設する煙突の下端部に接続すると共に、該煙突下部を燃料電池の発電モジュール側面に近接させて成る燃料電池の排気システムを提供するので、前記発電モジュールの熱を利用して前記煙突の下部を加温することにより、排気ガスの排出を促進し、更に、排気ガスの排出が促進されるため、排気管に熱交換器を設けた場合、熱交換器にスムーズに排気ガスが流れ込み排熱回収効率を高めることができる。更に、発電モジュール内に新鮮な燃料ガス、酸素含有ガスの導入を促進でき発電効率を促進できる。更に又、酸素含有ガスを発電モジュール内に供給するためのファンによる供給圧も低下できるため、補機消費電力を低下できる。
又、上記煙突上部に冷却ジャケットを配設して成るので、該冷却ジャケットによって該煙突の上部を冷却し、且つ、上記発電モジュールの熱によって該煙突の下部を加温することにより、排気ガスの排出を更に促進することができる。

請求項３記載の発明によれば、上記排気管に熱交換器を設け、該熱交換器と貯湯タンクとを循環配管を介して接続し、該循環配管に循環ポンプを設けると共に、該貯湯タンクに給水を行なう給水管の上流部を上記冷却ジャケットに接続して成るので、請求項２記載の発明の効果に加え、貯湯タンクの給水管の給水を利用して効率良く冷却ジャケットを冷却することができると共に、熱交換器の排熱回収効率を高めることができる。

請求項４記載の発明によれば、上記排気管に吸込ファンを設けたので、請求項１乃至３のいずれか一に記載の発明の効果に加え、吸込ファンによって、煙突による排気ガスの排出を更に促進できる。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。尚、説明の都合上、先に説明する実施例と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図１（ａ）に於いて、２１は本発明の第１実施例の燃料電池の排気システムであり、燃料電池の排気システム２１は、燃料電池の発電モジュール２２内の排気ガスを排出するための排気管２３に熱交換器２４を設け、熱交換器２４によって、排気ガスから排熱回収するシステムであり、熱交換器２４下流の排気管２３を、所定高さを有して立設する煙突２５の下端部に接続すると共に、煙突２５下部を燃料電池の発電モジュール２２側面（外面）に近接させている。

そして、前記熱交換器２４と貯湯タンク２６とを循環配管２７を介して接続し、循環配管２７に循環ポンプ２８を設けて、貯湯タンク２６の水を貯湯タンク２６と熱交換器２４間で循環させている。

更に、図１（ｂ）に示す如く、前記発電モジュール２２の外周面を囲包する断熱材２９中に前記煙突２５下部を貫通させている。

好適には、断熱材２９が、例えば、５０ｍｍの厚みを有する場合に於いて、発電モジュール２２の側壁２２ａと煙突２５との間に１０ｍｍの断熱材２９が介在し、煙突２５の外側を４０ｍｍの断熱材２９が被包するように煙突２５を貫通させる構成とする。その場合、煙突２５は発電モジュール２２の側壁２２ａに１０ｍｍの断熱材２９を介して近接する。

前述した好適な構成に於いて、例えば、発電モジュール２２の中心温度が８００℃、発電モジュール２２の側壁２２ａ外面が４００℃〜５００℃の場合、煙突２５は２００℃程度になり、断熱材２９の外表面は６０℃程度になる。

而して、前記燃料電池の排気システム２１の作用について説明すると、発電モジュール２２から排出された排気ガスは、排気管２３を介して熱交換器２４に達し、熱交換器２４内で熱交換した後、煙突２５に入り、煙突２５内を上昇して煙突２５の上端から排出される。

一方、前記熱交換器２４には、循環ポンプ２８によって循環配管２７内を循環する水（低温側）が流れ、熱交換器２４内で排気ガス（高温側）と熱交換して加温された水は貯湯タンク２６に入る。

又、前述した発電モジュール２２の外周を囲包する断熱材２９中に煙突２５下部を貫通させる構成によって、煙突２５の下部は近接する発電モジュール２２により加温され、下部煙突２５内で暖められた排気ガスが軽くなって上昇し、この上昇気流により、煙突下部が負圧状態となるため、所謂、煙突効果により排気ガスの排出が促進される。

斯くして、前記燃料電池の排気システム２１によれば、熱交換器２４下流の排気管２３を、所定高さを有して立設する煙突２５に接続すると共に、煙突２５下部を燃料電池２５の発電モジュール２２側面に近接させたので、発電モジュール２２の熱を利用して煙突２５の下部を加温することにより、暖められた排気ガスが軽くなって上昇する、所謂、煙突効果により排気ガスの排出を促進し、熱交換器２４の排熱回収効率を高めることができる。

又、排気ガスの排出を促進することにより、排気ガスのロスを少なくして排気ガスの略総量を熱交換器２４内に導入できるため、更に、排熱回収効率を高めることができる。更に又、高濃度ＣＯの外部への漏出も防止できる。

更に、発電モジュール２２の外周を囲包する断熱材２９中に煙突２５下部を貫通させるので、発電モジュール２２の熱を最適に利用して煙突２５下部を効率良く加温することができると共に、煙突２５下部を保温することができる。

尚、熱交換器２４と煙突２５とを接続する排気管２３上に吸込ファン３０を設置し、煙突２５と吸込ファン３０とを組み合わせて用いることも可能である。これにより、更に排気ガスの排出を促進できる。又、煙突２５の代りに吸込ファン３０を設けるようにしても良い。更に、上記形態では、発電モジュール２２を囲包する断熱材２９中を煙突２５下部が貫通する場合について説明したが、本発明では、煙突２５下部を加熱できれば良く、上記形態に限定されるものではない。

図２に於いて、３１は本発明の第２実施例の燃料電池の排気システムであり、排気システム３１は、前記燃料電池の排気システム｛図１（ａ）に於いて２１｝の煙突２５の上部に煙突２５外周を被包する如く冷却ジャケット３２を配設したものである。

そして、貯湯タンク２６に接続されて給水を行なう給水管３３の上流部を冷却ジャケット３２に接続している。

而して、前記燃料電池の排気システム３１の作用について説明すると、発電モジュール２２から排出された排気ガスは、排気管２３を介して熱交換器２４に達し、熱交換器２４内で熱交換した後、煙突２５に入り、煙突２５内を上昇して煙突２５の上端から排出される。

一方、前記熱交換器２４には、循環ポンプ２８によって循環配管２７内を循環する水（低温側）が流れ、熱交換器２４内で排気ガス（高温側）と熱交換して加温された水は貯湯タンク２６の水を加温する。

又、前述した発電モジュール２２の外周を囲包する断熱材２９中に煙突２５下部を貫通させる構成によって、煙突２５の下部は近接する発電モジュール２２によって加温され、暖められた空気が軽くなって上昇する、所謂、煙突効果により排気ガスの排出が促進される。

更に、貯湯タンク２６に接続された給水管３３は、貯湯タンク２６の上流で冷却ジャケット３２内に入り、冷却ジャケット３２を冷却する。

これによって、煙突２５の上部は冷却ジャケット３２によって冷却されることにより、煙突２５内の冷やされた空気が重くなって下降し、この現象と、前述した煙突効果との組合せによって、より上昇気流が起こり易くなり、排気ガスの排出が更に促進される。

斯くして、前記排気システム３１によれば、前記排気システム２１の効果に加え、冷却ジャケット３２による煙突２５の上部の冷却と、前述した煙突２５の下部の加温との組合せによって煙突２５内に比較的大きな温度勾配を作り、それによって、より上昇気流が起こり易くなり、排気ガスの排出を更に促進し、熱交換器２４の排熱回収効率を高めることができる。

又、貯湯タンク２６に接続されて給水を行なう給水管３３の上流部を冷却ジャケット３２に接続して、冷却ジャケット３２を冷却するように構成されているので、貯湯タンク２６の給水管３３による給水を利用して効率良く冷却ジャケット３２を冷却することができる。一方、給水管３３により給水される水の温度が高くなり、この水が貯湯タンク２６に導入されることになる。

図３に於いて、４１は、本発明の第３実施例の燃料電池の排気システムであり、排気システム４１は、燃料電池の発電モジュール２２内の排気ガスを排出するための排気管２３に熱交換器２４を設け、熱交換器２４によって、排気ガスから排熱回収するように構成され、更に、熱交換器２４下流の排気管２３を、一軒家４２の下部から上方に延びて設置される煙突４３の下部に接続したものである。

而して、前記排気システム４１の作用について説明すると、発電モジュール２２から排出された排気ガスは、排気管２３を介して熱交換器２４に達し、熱交換器２４内で熱交換した後、煙突４３に入り、煙突４３内を上昇して煙突２５の上端から排出される。

一方、前記熱交換器２４には、循環ポンプ２８によって循環配管２７内を循環する水（低温側）が流れ、熱交換器２４内で排気ガス（高温側）と熱交換して加温された水は貯湯タンク２６の水を加温する。

斯くして、前記燃料電池の排気システム４１によれば、排気管２３の熱交換器２４下流を、一軒家４２の下部から上方に延びて設置される煙突４３の下端部に接続したので、一軒家４２の比較的高さの高い煙突によって、排気ガスの排出を促進し、熱交換器の排熱回収効率を高めることができる。尚、排気管２３と煙突４３の間に排気ダクト（図示せず）を設けることも可能である。

又、更に、排気ガスの排出を促進するため、前記熱交換器２４と煙突４３とを接続する排気管２３上に吸込ファン３０を設置し、煙突４３と吸込ファン３０を組み合わせて用いても良い。

図４に於いて、５１は、本発明の第４実施例の燃料電池の排気システムであり、排気システム５１は、燃料電池の発電モジュール２２内の排気ガスを排出するための排気管２３に熱交換器２４を設け、熱交換器２４によって、排気ガスから排熱回収するように構成された１乃至複数の排気システム５１ａ，５１ａ…の熱交換器２４，２４…下流の排気管２３，２３…を集合住宅５２の下部から上方に延びて設置される煙突５３に夫々接続したものである。

而して、前記排気システム５１の作用について説明すると、排気システム５１ａに於いて、発電モジュール２２から排出された排気ガスは、排気管２３を介して熱交換器２４に達し、熱交換器２４内で熱交換した後、煙突５３に入り、煙突５３内を上昇して煙突５３の上端から排出される。

一方、前記熱交換器２４には、循環ポンプ２８によって循環配管２７内を循環する水（低温側）が流れ、熱交換器２４内で排気ガス（高温側）と熱交換して加温された水は貯湯タンク２６の水を加温する。
他の排気システム５１ａに於いても同様に作用する。

斯くして、前記燃料電池の排気システム５１によれば、１乃至複数の排気システム５１ａ，５１ａ…の熱交換器２４，２４…下流の排気管２３，２３…を集合住宅５２の下部から上方に延びて設置される煙突５３に夫々接続したので、集合住宅５２の比較的高さの高い煙突５３によって、排気ガスの排出を促進し、熱交換器２４の排熱回収効率を高めることができると共に、共同の煙突５３を用いることによってコストダウンを図ることができる。即ち、煙突の上端部が高く成る程、温度が低く、気圧も低くなるため、「煙突効果」が促進され、煙突下部がより負圧になり易く、これにより排気ガスの排出を更に促進できる。

尚、前述の方法よりも更に排気ガスの排出を促進させる場合は、前記熱交換器２４と煙突５３との間の排気管２３に吸込ファン３０を設置して吸込ファン３０を作動させる。

（ａ）本発明による第１実施例の燃料電池の排気システムの概略図である。（ｂ）前図（ａ）の排気システムの煙突の取付け状態を示す水平断面図である。 本発明による第２実施例の燃料電池の排気システムの概略図である。 本発明による第３実施例の燃料電池の排気システムを示し、一軒家の煙突を利用した燃料電池の排気システムの正面図である。 本発明による第４実施例の燃料電池の排気システムを示し、集合住宅の煙突を共同利用した燃料電池の排気システムの正面図である。 従来例を示し、燃料電池の排気システムの概略図である。

符号の説明

２１，３１，４１，５１，５１ａ 排気システム
２２ 発電モジュール
２３ 排気管
２４ 熱交換器
２５，４３，５３ 煙突
２６ 貯湯タンク
２７ 循環配管
２８ 循環ポンプ
２９ 断熱材
３２ 冷却ジャケット
３３ 給水管
４２ 一軒家
５２ 集合住宅

Claims (4)

1. 燃料電池の発電モジュール内の排気ガスを排出するための排気管を、所定高さを有して立設する煙突の下端部に接続すると共に、該煙突下部を上記燃料電池の発電モジュール側面に近接させて成り、上記発電モジュールの外周を囲包する断熱材中を上記煙突下部が貫通していることを特徴とする燃料電池の排気システム。
2. 燃料電池の発電モジュール内の排気ガスを排出するための排気管を、所定高さを有して立設する煙突の下端部に接続すると共に、該煙突下部を上記燃料電池の発電モジュール側面に近接させて成り、上記煙突上部に冷却ジャケットを配設して成ることを特徴とする燃料電池の排気システム。
3. 上記排気管に熱交換器を設け、該熱交換器と貯湯タンクとを循環配管を介して接続し、該循環配管に循環ポンプを設けると共に、上記貯湯タンクに給水を行なう給水管の上流部を上記冷却ジャケットに接続して成ることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の排気システム。
4. 上記排気管に吸込ファンを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池の排気システム。
   

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