JP5201849B2

JP5201849B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP5201849B2
Application number: JP2007045611A
Authority: JP
Inventors: 栄造松井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008210631A

Description

本発明は、発電装置に関し、特に、上下方向に延びるダクトを具備するに発電装置に関する。

従来の発電装置の一例を図５に従って説明する。図５において、符号１は、従来例の発電装置であり、発電装置１は、燃料電池２に排気管３、排熱回収するための排熱回収用熱交換器４、排気管３、ダクト５を順次接続して構成されている。

又、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。

そして、燃料電池２から排出される排ガスは、排気管３を介して熱交換器４に達し、熱交換器４内で湯水と熱交換した後、排気管３を介してダクト５に達し、ダクト５内を上昇し、ダクト５の上端から排出される。

一方、熱交換器４には、循環ポンプ８によって循環配管６内を循環する湯水（低温側）が流れ、熱交換器４内で排ガス（高温側）と熱交換して貯湯タンク７の湯水を加温する。

このような発電装置としては、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、燃料電池から排出される排ガスを、建物の側壁に設けたダクトを介して排出することが記載されている。また、特許文献２には、空気導入口を有する建物と、建物内に配置され燃料電池が収容された吸気口を有する外装容器と、外装容器内の空気を外部に排出する排出管とを具備し、建物外部の空気を空気導入口を介して建物内に導入した後、建物内の空気が吸気口から外装容器内に導入し、排出管を介して建物の外部に排出する発電装置が記載されている。
特開２００５−６３６９７号公報特開２００６−７３４４６号公報

特許文献１記載の発電装置では、排ガスをダクトを介してある程度排気できるものの、ダクトの上下は外気に晒されているため温度差がなく、いわゆる煙突効果が発生しにくく、排ガスの排気性能が低いという問題があった。

即ち、固体高分子形燃料電池では、所定量の燃料ガスに対する発電量、いわゆる発電効率が理論的に低いため、所定の発電量を得るために、多量の燃料ガスが必要であり、その結果、排ガス量も多くなり、特許文献１記載の発電装置であっても、ある程度排気性能を向上できるものの、排ガスの排気性能が低い。

一方、固体酸化物形燃料電池は、所定量の燃料ガスに対する発電量が固体高分子形燃料電池よりも非常に多く、発電効率が高いため、少量の燃料ガスしか必要なく、このため、排ガス量も少ない。特に、固体酸化物形燃料電池を負荷追従運転する場合、夜中等は使用電力が少ないため、排ガス量も少なく、特許文献１記載の発電装置では、いわゆる煙突効果が発生しにくく、排ガスの排気性能が低いという問題があった。

また、特許文献２記載の発電装置では、建物内の換気と燃料電池が収容された外装容器内の換気を同時に行うことができるものの、燃料電池から生じる排ガスの排気については何ら記載されていない。

本発明は、排ガスの排気性能を向上できる発電装置を提供することを目的とする。

本発明の発電装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池で生じた排ガスを排出する排気管とを具備し、建物内部を上下方向に延び、上端部が建物外部に位置するダクトに、前記排気管が連結されているとともに、前記固体酸化物形燃料電池が外装容器内に収容されており、該外装容器と前記固体酸化物形燃料電池との間の空気を換気する換気管が前記ダクトに連結されていることを特徴とする。

このような発電装置では、上下方向に延びるダクトの下端部が建物内に位置し、上端部が建物外部に位置するため、ダクトの下端部の温度が上端部よりも高く、このため、ダクトの下端部に導入された排ガスは、排ガス温度が高く、かつダクトの下端部温度が高いため、いわゆる煙突効果が発生し、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能を向上できる。
また、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高いため排ガス量が少なく、通常、換気管により排出される空気量が排気管から排出される排ガスよりも多いが、ダクトを上方に流れる換気空気によって、排気管内の排ガスが引き出され、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能を向上できる。
さらに、高温に保持される固体酸化物形燃料電池では、燃料電池周辺に熱を放出し、外装容器内の温度が高くなる傾向にあるが、本発明では、燃料電池周囲の空気が換気管により吸引され、ダクトを介して排出されるため、外装容器内の高温下を防止できる。
また、固体酸化物形燃料電池で負荷追従運転する場合、発電量が多い時には、排ガス温度が高く、排ガス量も多く、燃料電池からの放熱が多くなることに起因し、燃料電池周囲の温度も高くなるが、排ガス温度が高いため煙突効果が大きくなり、燃料電池周囲の空気も多く排出され、十分に換気できる。

また、本発明の発電装置は、前記排気管の前記ダクト側が上方に向けて傾斜していることを特徴とする。このような発電装置では、排気管のダクト側が上方に向けて傾斜しているため、排気管内を流れる高い温度の排ガスは排気管内を速度を増して上昇し、ダクト内に斜め上方に向けて進行し、ダクト内の排ガスを押し上げ、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能をさらに向上できる。

また、本発明の発電装置は、前記換気管の前記ダクト側が上方に向けて傾斜していることを特徴とする。このような発電装置では、換気管のダクト側が上方に向けて傾斜しているため、換気管からの暖かい換気空気が排気管内を速度を増して上昇し、ダクト内に斜め上方に向けて進行し、ダクト内の排ガスを押し上げ、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能をさらに向上できる。特に、換気する空気が多い時には効果的に用いることができる。

さらに、本発明の発電装置は、前記換気管の流路断面積は、前記排気管の流路断面積よりも大きいことを特徴とする。一般に、換気管により排出される空気量は排気管から排出される排ガスよりも多いため、換気管の流路断面積を排気管の流路断面積よりも大きくすることにより、排気管への逆流を防止できる。

さらに、本発明の発電装置は、前記ダクトは二重管であり、排ガス又は空気が前記ダクトの内側又は外側を個別に流通するように、前記換気管及び前記排気管が前記ダクトにそれぞれ連結されていることを特徴とする。固体酸化物形燃料電池では、上記したように排ガス量は少ない一方で、換気する空気量は排ガス量よりも多く、かつ排ガスよりも温度は低い。従って、換気する空気の温度が低い場合では、ダクトに排ガスとともに換気ガスを導入すると、排ガスの排気性能を却って阻害する場合がある。このような場合には、ダクトを二重管とし、排ガス又は空気をダクトの内側又は外側を個別に流通させることで、排ガスの排気性能が阻害されることなく、しかも排ガスに隣接して流れる換気ガスを加熱でき、換気ガスの排気性能を向上することができる。尚、換気ガスの排気性能が低い場合には、排気ファン等で強制的に押し出すようにしても良い。

また、本発明の発電装置は、前記建物は集合住宅であり、複数の前記燃料電池の排ガスを排出する前記排気管が、前記ダクトにそれぞれ連結されている場合に好適に用いることができる。このような発電装置では、集合住宅の比較的高さの高いダクトによって、いわゆる煙突効果を促進でき、排ガスの排出を促進することができると共に、共同の煙突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。

本発明の発電装置では、上下方向に延びるダクトの下端部が建物内に位置し、上端部が建物外部に位置するため、ダクトに発電装置の排気管が連結されると、ダクトの下端部の温度が上端部よりも高く、このため、ダクトの下端部に導入された排ガスは、排ガス温度が高い点と、ダクトの下端部で加熱されるため、いわゆる煙突効果が発生し、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能を向上できる。
また、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高いため排ガス量が少なく、通常、換気管により排出される空気量が排気管から排出される排ガスよりも多いが、ダクトを上方に流れる換気空気によって、排気管内の排ガスが引き出され、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能を向上できる。
さらに、高温に保持される固体酸化物形燃料電池では、燃料電池周辺に熱を放出し、外装容器内の温度が高くなる傾向にあるが、本発明では、燃料電池周囲の空気が換気管により吸引され、ダクトを介して排出されるため、外装容器内の高温下を防止できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。図１において、一軒家からなる建物３０の屋内には固体酸化物形燃料電池３１が収容されており、この燃料電池３１には、燃料電池３１で発生する排ガスを排出するための排気管３３が接続されており、この排気管３３は、建物３０内に縦にして配置された、言い換えれば、上下方向（高さ方向）に延びるダクト３５の下部に連結されている。

燃料電池３１は、外装容器３７内を仕切板３９で上下に仕切られた上部の部屋に収納され、外装容器３７の下部の部屋は、燃料電池３１の補機（図示せず）が収納されている。

燃料電池３１は、図示しないが、収納容器内に、燃料電池セルが複数集合されたセルスタック及び改質器を収納して構成されており、燃料電池セルに燃料ガスと酸素含有ガスが供給され、電気化学反応により発電が行われ、余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが排ガスとして排気管３３、ダクト３５から排出される。尚、余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとが燃焼し、セルスタック近傍に設けられた改質器を加熱した後、排気管３３から排出される場合もある。

尚、図示しなかったが、排気管３３に熱交換器を配置し、この熱交換器内に給湯タンクの湯水を循環させて排ガスと湯水とを熱交換し、給湯タンク内の湯水の温度を加温することもできる。

ダクト３５は、建物３０内に高さ方向に配置されており、その下端部は建物３０内部に位置し、上方に延設され、その上端部は、屋根を突き抜け、建物３０外部に位置している。

このような発電装置では、上下方向に延びるダクト３５の下端部が建物３０内に位置し、上端部が建物３０外部に位置するため、ダクト３５の下端部の温度が上端部よりも高く、発電装置の排気管３３をダクト３５の下端部に連結し、燃料電池３１の排ガスをダクト３５の下端部に導入すると、排ガスは、排ガス温度が高いことに起因し、さらにダクト３５の下端部で加温され、排ガスが軽くなって上昇する、いわゆる煙突効果でダクト３５を上昇し、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能を向上できる。

図２は、排気管３３のダクト側が上方に向けて傾斜した状態で、排気管３３がダクト３５に連結されている状態を示す概略図である。図２（ａ）は、排気管３３の燃料電池側がほぼ水平に形成され、排気管３３のダクト側が上方に向けて傾斜している状態であり、また、（ｂ）は、排気管３３のダクト側だけでなく、排気管３３全体が斜めに傾斜して配置されている状態を示すものである。

このような排気管３３を用いた発電装置では、排気管３３のダクト側が上方に向けて傾斜しているため、排気管３３内を流れる高い温度の排ガスは排気管３３内を速度を増して上昇し、ダクト３５内に斜め上方に向けて進行し、ダクト３５内の排ガスを押し上げ、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能をさらに向上できる。排気性能を向上するという点から、斜め上方に向けての噴き上げが強い（ｂ）が望ましいが、配置スペース等の点からは（ａ）の場合が望ましい。

図３は、本発明の発電装置の形態を示すもので、燃料電池３１は外装容器３７内に収容されており、外装容器３７とダクト３５とが換気管４１により連結されている。言い換えれば、外装容器３７内とダクト３５とは、換気管４１を介して連通している。このような発電装置では、煙突効果により、排ガスと換気空気がダクト３５から排出される。さらに、換気管４１により排出される空気量が排気管３３から排出される排ガスよりも多い場合には、ダクト３５を上方に流れる換気空気によって、排気管３３内の排ガスが引き出され、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能を向上できる。この場合には、換気空気の排出を促進するため、例えば外装容器３７に換気ファンを設けることが望ましい。

一方、換気管４１により排出される空気量がそれほど多くない場合には、換気管４１内が負圧となり、外装容器３７と燃料電池３１との間、即ち燃料電池３１の周囲の空気が換気管４１により吸引され、換気ファンを設けずに、ダクト３５から外部に排出することも可能となる。

従って、例えば、固体酸化物形燃料電池のように高温に保持されるタイプでは、燃料電池周辺に熱を放出し、外装容器３７内の温度が高くなる傾向にあるが、本発明では、燃料電池１周囲の空気が換気管４１により吸引され、ダクト３５を介して排出されるため、外装容器３７内の高温下を防止できる。

そして、換気する空気量が排ガス量よりも多い場合、図３（ａ）に示すように、換気管４１の流路断面積は、排気管３３の流路断面積よりも大きくすることが望ましい。これにより、換気管４１内の空気がダクト３５内に流入するが、いわゆる煙突効果と、換気空気がダクト３５内を上昇する際に排気管３３内の排ガスを吸引する効果により、排ガスの排気性能を向上できるとともに、排気管３３の圧損が大きいため、換気空気の排気管３３への流入、言い換えれば排ガスの逆流を防止できる。

また、図２の排気管３３のように、換気管４１のダクト側が上方に向けて傾斜した状態で、換気管４１がダクト３５に連結しても良い。この場合には、換気管４１のダクト側が上方に向けて傾斜しているため、換気管４１からの換気空気が換気管４１内を速度を増して上昇し、ダクト３５内に斜め上方に向けて進行し、ダクト３５内の排ガスを押し上げ、排ガスの上方への排出を促進し、排気性能をさらに向上できる。

さらに、図３（ｂ）（ｃ）では、ダクト３５を内筒３５ａと外筒３５ｂの二重管構造とし、内側を排ガスが流通し、外側を換気空気が流通するように、換気管４１及び排気管３３がダクト３５にそれぞれ連結されている。固体酸化物形燃料電池では、上記したように排ガス量は少ない一方で、換気空気量は排ガス量よりも多く、かつ排ガスよりも温度は低い。従って、換気空気の温度が低い場合では、ダクト３５に排ガスとともに換気空気を混合して導入すると、排ガスの排気性能を却って阻害する場合がある。このような場合には、ダクト３５を二重管とし、内部を排ガスが流通し、外側を換気空気が流通するように構成することで、排ガスの排気性能が阻害されることなく、しかも外側を流れる換気空気を加熱でき、換気空気の排気性能を向上することができる。尚、換気空気の排気性能が低い場合には、換気ファン等で強制的に押し出すようにしても良い。また、内部を換気空気が流通し、外側を排ガスが流通するように構成することもできる。

図４は、図２（ａ）の発電装置を集合住宅に適用した形態である。建物４５は集合住宅であり、ダクト３５と複数の燃料電池３１とが排気管３３によりそれぞれ連結されている。このような発電装置では、集合住宅の比較的高さの高いダクト３５によって、いわゆる煙突効果を促進でき、排ガスの排出を促進することができると共に、共同の煙突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。この場合、図３に示すように、複数の燃料電池３１周囲の空気を換気する換気管４１をそれぞれダクト３５に連結することができる。また、排気管３３及び／又は換気管４１のダクト側を上方に向けて傾斜させることもできる。

尚、図３では、排気管３３及び換気管４１をそれぞれダクト３５に連結した形態について説明したが、本発明では、排気管３３と換気管４１とを連結し、その連結管をダクト３５に連結することができる。この場合であっても、排ガスの排出を、換気管４１内を流れる換気空気によって排気管３３から排ガスを引き出すことができるため、排ガスの排気性能を向上できる。

発電装置およびその近傍を示す概略図である。ダクト及びその近傍を示す概略図であり、（ａ）は、排気管の燃料電池側がほぼ水平に形成され、排気管のダクト側が上方に向けて傾斜している状態の概略図であり、（ｂ）は、排気管全体が斜めに傾斜している状態の概略図である。換気管をダクトに連結した本発明の形態を示すもので、（ａ）は概略図、（ｂ）は二重管としたダクトの断面図、（ｃ）は（ｂ）の横断面図である。集合住宅からなる建物に図２（ａ）の発電装置を適用した場合の概略図である。従来の発電装置を示す概略図である。

符号の説明

３０、４５・・・建物
３１・・・燃料電池
３３・・・排気管
３５・・・ダクト
３７・・・外装容器
４１・・・換気管

Claims

燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池で生じた排ガスを排出する排気管とを具備し、建物内部を上下方向に延び、上端部が建物外部に位置するダクトに、前記排気管が連結されているとともに、前記固体酸化物形燃料電池が外装容器内に収容されており、該外装容器と前記固体酸化物形燃料電池との間の空気を換気する換気管が前記ダクトに連結されていることを特徴とする発電装置。
前記排気管の前記ダクト側が上方に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記換気管の前記ダクト側が上方に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。
前記換気管の流路断面積は、前記排気管の流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発電装置。
前記ダクトは二重管であり、排ガス又は空気が前記ダクトの内側又は外側を個別に流通するように、前記換気管及び前記排気管が前記ダクトにそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発電装置。