(57)【要約】      （修正有）【課題】換気ファンの騒音を好適に低減することが可能な燃料電池発電システムおよび排気ダクトを提供する。【解決手段】燃料電池発電システムは、燃料電池スタックを備える。該システムはさらに、第１室１１と第２室１２を有する排気ダクト６を備える。第１室は、燃料電池スタックからの排気を導入する入口部１３と、排気と空気とを混合して排出する出口部１４とを備える。第２室は、第１室に連通され、第１室の容積よりも大きい容積を有し、空気を第１室に供給する。該システムはさらに、第２室に空気を供給する換気ファン５を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
第１室と第２室とを備える排気ダクトであって、前記第１室は、前記燃料電池スタックからの排気を導入する入口と、前記排気と空気とを混合して排出する出口とを備え、前記第２室は、前記第１室に連通され、前記第１室の容積よりも大きい容積を有し、前記空気を前記第１室に供給する、排気ダクトと、
前記第２室に前記空気を供給する換気ファンと、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第２室の容積は、前記第１室の容積の２倍以上である、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記排気ダクトは、前記第１室の側部と前記第２室の側部との間に、前記第１室と前記第２室とを連通する連通口を備え、
前記第２室内の空間は、前記連通口よりも低い位置に設けられた領域を含む、請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記連通口の下端から前記第２室内の空間の下端までの距離は、前記連通口の上端から下端までの距離の４倍以上である、請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記換気ファンは、前記第２室の上部に設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記第１室は、前記燃料電池スタックからのカソード排気と、前記燃料電池スタックの上流の改質器からのバーナー排気とを、前記入口から導入する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第２室内に設けられた吸音材をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記吸音材は、シート状の形状を有し、前記第２室の内壁面に設けられている、請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記吸音材は、シート状の形状を有し、前記第２室内にロール状に巻かれた状態で収容されている、請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタック、前記排気ダクト、および前記換気ファンを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体は、前記排気ダクトからの排気を第１方向に排出する第１排出口と、前記排気ダクトからの排気を前記第１方向と異なる第２方向に排出する第２排出口とを備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
燃料電池スタックからの排気を導入する入口と、前記排気と空気とを混合して排出する出口と、を備える第１室と、
前記第１室に連通され、前記第１室の容積よりも大きい容積を有し、換気ファンからの空気を前記第１室に供給する第２室と、
を備える排気ダクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよび排気ダクトに関する。
【背景技術】
【０００２】
屋外設置の燃料電池発電システムは、台風などで強風が発生した際に、発電ユニット内の換気風量が低下して発電を継続できなくなり、安全上保護停止することがある。これを避けるために、一般的な燃料電池発電システムは、風量の大きな換気ファンを使用して、強風の発生時にも十分な換気風量を確保している。この場合、通常時に換気ファンの騒音を低減することが難しいことが問題となる。
【０００３】
例えば、換気ファンの回転数を圧力センサや差圧計により監視し、必要に応じて回転数を増減することで、通常時の騒音を低減することが考えられる。この場合、換気ファンの回転数を制御するための制御装置が必要となり、制御装置を用意する手間やコストが発生してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８３４８１号公報
【特許文献２】特許第４９７６４３４号公報
【特許文献３】特開第５７９９２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、換気ファンの騒音を好適に低減することが可能な燃料電池発電システムおよび排気ダクトを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一の実施形態によれば、燃料電池発電システムは、燃料電池スタックを備える。前記システムはさらに、第１室と第２室とを備える排気ダクトであって、前記第１室は、前記燃料電池スタックからの排気を導入する入口と、前記排気と空気とを混合して排出する出口とを備え、前記第２室は、前記第１室に連通され、前記第１室の容積よりも大きい容積を有し、前記空気を前記第１室に供給する、排気ダクトを備える。前記システムはさらに、前記第２室に前記空気を供給する換気ファンを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態の比較例の排気ダクトの構造を示す斜視図と断面図である。
【図３】第１実施形態の排気ダクトの構造を示す断面図である。
【図４】第１実施形態の変形例の排気ダクトの構造を示す断面図である。
【図５】第２実施形態の排気ダクトの構造を示す断面図である。
【図６】第３実施形態等の筐体の構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１〜図６において、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【００１０】
図１の燃料電池発電システムは、改質器１と、ブロワ２と、燃料電池スタック３と、インバータ４と、換気ファン５と、排気ダクト６と、熱交換器７、８と、筐体９とを備えており、例えば屋外に設置されている。
【００１１】
改質器１は、燃料ガスを水により改質する装置である。本実施形態では、改質器１は、燃料ガスとして都市ガスを供給され、水を加熱して水蒸気を生成し、都市ガス中のメタンと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する。改質器１はさらに、一酸化炭素と水蒸気とを反応させて二酸化炭素と水素を生成してもよい。改質器１は、生成された水素を含むガスを燃料電池スタック３のアノード電極（燃料極）に排出する。一方、ブロワ２は、燃料電池スタック３のカソード電極（空気極）に空気を供給する。
【００１２】
燃料電池スタック３は、水素を含むガスを改質器１から供給され、ブロワ２から空気を供給される。燃料電池スタック３は、このガス中の水素を空気中の酸素と反応させ、水を生成する。この反応の際に、電気が発生する。燃料電池スタック３は、アノード電極に供給されたガスの残りをアノード排気として排出し、カソード電極に供給された空気の残りをカソード排気として排出する。アノード排気は改質器１に供給され、カソード排気は排気ダクト６に供給される。インバータ４は、燃料電池スタック３が発生させた直流電圧を交流電圧に変換する。
【００１３】
換気ファン５は、排気ダクト６に空気を供給する。排気ダクト６は、換気ファン５から空気を供給され、燃料電池スタック３からカソード排気を供給され、改質器１からバーナー排気を供給される。バーナー排気は、改質器１で発生した燃焼排ガスである。排気ダクト６は、カソード排気およびバーナー排気を空気と混合し、空気と混合されたカソード排気およびバーナー排気を燃料電池発電システムの外部に排出する。排気ダクト６は、これらの排気を空気と混合して排出することで、例えば、排気ダクト６からの排気から白煙が立つことを抑制することが可能となる。
【００１４】
熱交換器７は、燃料電池スタック３から排気ダクト６に向かうカソード排気から熱を回収するために設けられている。熱交換器８は、改質器１から排気ダクト６に向かうバーナー排気から熱を回収するために設けられている。熱交換器７を通過したカソード排気と、熱交換器８を通過したバーナー排気は、混合されてから排気ダクト６に導入される。
【００１５】
筐体９は、改質器１、ブロワ２、燃料電池スタック３、インバータ４、換気ファン５、排気ダクト６、および熱交換器７、８を収容している。排気ダクト６は、空気と混合されたカソード排気およびバーナー排気を筐体９の外部に排出する。
【００１６】
なお、図１の燃料電池発電システムは、燃料ガスとして、都市ガスの代わりに純水素を使用してもよい。この場合、本発電システムは、改質器１や熱交換器８を備えていなくてもよい。
【００１７】
次に、第１実施形態の排気ダクト６の構造を、第１実施形態の比較例の排気ダクト６の構造と比較しつつ説明する。なお、図１に示す燃料電池発電システムの構成は、第１実施形態でも、第１実施形態の比較例でも共通である。
【００１８】
図２は、第１実施形態の比較例の排気ダクト６の構造を示す斜視図と断面図である。
【００１９】
図２(ａ)と図２(ｂ)はそれぞれ、本比較例の排気ダクト６の構造を示す斜視図と断面図である。図２(ａ)と図２(ｂ)は、燃料電池発電システムが設置された地面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、この地面に垂直なＺ方向とを示している。本明細書では、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。−Ｚ方向は、重力方向と一致していても一致していなくてもよい。
【００２０】
本比較例の排気ダクト６は、第１室１１と、第２室１２と、入口部１３と、出口部１４と、連通口１５とを備えている。
【００２１】
第１室１１は、カソード排気やバーナー排気を入口部１３から導入し、これらの排気と空気とを混合し、空気と混合されたこれらの排気を出口部１４から排出する。入口部１３は、第１室１１の下部に取り付けられており、第１室１１に排気を導入する入口として機能する。出口部１４は、第１室１１の上部に取り付けられており、第１室１１から排気を排出する出口として機能する。出口部１４は、燃料電池発電システムの筐体９の外部に排気を排出する。
【００２２】
第２室１２は、第１室１１に連通されており、上述の空気を第１室１１に供給する。本比較例の排気ダクト６は、第１室１１の側部と第２室１２の側部との間に、第１室１１と第２室１２とを連通する連通口１５を備えている。本比較例の換気ファン５は、第２室１２の上部に設けられている。第２室１２は、換気ファン５から空気を供給され、この空気を連通口１５を介して第１室１１に供給する。
【００２３】
図３は、第１実施形態の排気ダクト６の構造を示す断面図である。
【００２４】
本実施形態の排気ダクト６は、比較例の排気ダクト６と同様の構成要素として、第１室１１と、入口部１３と、出口部１４と、連通口１５とを備えている。これらの構成要素の構造や機能は、比較例の場合と同様である。また、本実施形態の排気ダクト６は、第２室１２の代わりに第２室２１を備えている。
【００２５】
第２室２１は、第１室１１に連通されており、上述の空気を第１室１１に供給する。本実施形態の排気ダクト６は、第１室１１の側部と第２室２１の側部との間に、第１室１１と第２室２１とを連通する連通口１５を備えている。本実施形態の換気ファン５は、第２室２１の上部に設けられている。第２室２１は、換気ファン５から空気を供給され、この空気を連通口１５を介して第１室１１に供給する。
【００２６】
図３において、Ｖ１は、第１室１１内の空間の容積を示し、Ｖ２は、第２室２１内の空間の容積を示している。さらに、Ｈ１は、第１室１１内の空間の高さ（Ｚ方向の寸法）を示し、Ｈ２は、第２室２１内の空間の高さを示している。本実施形態では、第１室１１内の空間の形状や、第２室２１内の空間の形状が、おおむね直方体となっている。
【００２７】
比較例（図２）では、第２室１２の容積は、第１室１１の容積よりも小さく設定されている。一方、本実施形態（図３）では、第２室２１の容積Ｖ２は、第１室１１の容積Ｖ１より大きく設定されている（Ｖ２＞Ｖ１）。本実施形態の第２室２１の容積Ｖ２は、第１室１１の容積Ｖ１の２倍以上であることが望ましい（Ｖ２≧２×Ｖ１）。
【００２８】
また、本実施形態の第２室２１の底面積は、第１室１１の底面積とほぼ同じ値に設定されている。よって、Ｖ２＞Ｖ１の関係に対応して、第２室２１の高さＨ２は、第１室１１の高さＨ１より大きい値となっている（Ｈ２＞Ｈ１）。また、Ｖ２≧２×Ｖ１の関係が成り立つ場合には、第２室２１の高さＨ２は、第１室１１の高さＨ１の２倍以上となる（Ｈ２≧２×Ｈ１）。なお、第２室２１の底面積は、第１室１１の底面積と異なる値に設定されていてもよい。
【００２９】
図３はさらに、連通口１５の上端から下端までの距離Ｒと、連通口１５の下端から第２室２１内の空間の下端までの距離Ｄとを示している。連通口１５の形状が円形である場合には、距離Ｒは連通口１５の直径に相当する。
【００３０】
本実施形態では、第２室２１内の空間が、連通口１５よりも低い位置に設けられた領域を含んでいる。すなわち、第２室２１内の空間が、連通口１５の横方向だけでなく、連通口１５の下方向にも拡がっている。上述の距離Ｄは、連通口１５よりも低い位置に設けられた領域の高さに相当する。この領域は、広く確保されていることが望ましい。本実施形態の距離Ｄは、距離Ｒより大きく設定されており（Ｄ＞Ｒ）、例えば、距離Ｒの４倍以上であることが望ましい（Ｄ≧４×Ｒ）。
【００３１】
以上のように、本実施形態の第２室２１の容積Ｖ２は、第１室１１の容積Ｖ１より大きく設定されている。実験の結果、このように大きな第２室２１は、換気ファン５の騒音を低減する作用があることが分かった。よって、本実施形態によれば、換気ファン５の回転数を制御する制御装置を用いずに、換気ファン５の騒音を低減することが可能となる。
【００３２】
換気ファン５は第２室２１の上部に設けられているため、換気ファン５からの騒音は、第２室２１内の空間を−Ｚ方向に伝播していくと考えられる。よって、第２室２１内の空間が広ければ、騒音は効果的に低減されると考えられ、さらには、連通口１５よりも低い位置まで第２室２１が広く拡がっていれば、騒音のさらなる低減が期待できると考えられる。実際、第２実施形態において後述する実験データは、これらの考えが妥当であることを示唆している。よって、本実施形態の第２室２１の容積Ｖ２は、第１室１１の容積Ｖ１の２倍以上に設定され、本実施形態の距離Ｄは、距離Ｒより大きく設定されている。この場合、第２室２１内において、連通口１５の下方向の空間を連通口１５の横方向の空間よりも広く確保することができ、騒音を効果的に低減することができる。実験によれば、距離Ｄは、距離Ｒの４倍以上であることが望ましい。
【００３３】
なお、換気ファン５は、第２室２１の上部以外の場所に設けられていてもよく、例えば第２室２１の側部に設けられていてもよい。ただし、換気ファン５が第２室２１の上部に設けられている場合には、入口部１３からの排気が第２室２１内に入り込んできたときに排気が換気ファン５に達しにくいという利点がある。入口部１３からの排気は、カソード排気のため水蒸気を含んでおり、換気ファン５に触れさせないことが望ましい。
【００３４】
図４は、第１実施形態の変形例の排気ダクト６の構造を示す断面図である。
【００３５】
本変形例において、第１室１１は、入口部１３および出口部１４が設けられた本体部分１１ａと、本体部分１１ａの側部から突出した突出部分１１ｂとを含んでいる。また、第２室２１は、換気ファン５が設けられた本体部分２１ａと、本体部分２１ａの側部から突出した突出部分２１ｂとを含んでいる。本変形例の排気ダクト６は、突出部分１１ｂの側部と突出部分２１ｂの側部との間に、第１室１１と第２室２１とを連通する連通口１５を備えている。この場合、容積Ｖ１は、本体部分１１ａおよび突出部分１１ｂの合計容積となり、容積Ｖ２は、本体部分２１ａおよび突出部分２１ｂの合計容積となる。
【００３６】
第１室１１と第２室２１は、本変形例のような構造を有していてもよい。このような構造は例えば、突出部分１１ｂ、２１ｂが存在することで第１室１１と第２室２１とを接続しやすくなる場合などに採用可能である。
【００３７】
以上のように、本実施形態の第２室２１の容積Ｖ２は、第１室１１の容積Ｖ１より大きく設定されている。よって、本実施形態によれば、換気ファン５の騒音を好適に低減することが可能となる。例えば、換気ファン５の回転数を制御する制御装置を用いずに、換気ファン５の騒音を低減することが可能となる。
【００３８】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の排気ダクト６の構造を示す断面図である。
【００３９】
図５の排気ダクト６は、図１に示す構成要素に加えて、第２室２１内に設けられた吸音材２２、２３を備えている。第１実施形態の第２室２１は、空気で満たされた空洞となっているのに対し、本実施形態の第２室２１は、吸音材２２、２３以外の空間が空気で満たされた空洞となっている。
【００４０】
吸音材２２、２３は例えば、ウレタンフォームなどの多孔質部材で形成されている。吸音材２２は、シート状の形状を有し、第２室２１の内壁面に貼られている。本実施形態の吸音材２２は、第２室２１の４つの側面に貼られているが、第２室２１の３つ以下の側面のみに貼られていてもよい。吸音材２３は、シート状の形状を有し、第２室２１内にロール状に巻かれた状態で収容されている。本実施形態の第２室２１は、２本の吸音材２３を収容しているが、１本のまたは３本以上の吸音材２３を収容していてもよい。
【００４１】
吸音材２２は、第２室２１の内壁面に貼られるため、例えば狭いスペースにも配置できるという利点がある。一方、吸音材２３は、第２室２１の内壁面に貼る必要がないため、例えば第２室２１内に簡単に搬入することができるという利点がある。
【００４２】
第２室２１は、吸音材２２、２３以外の形状の吸音材を収容していてもよい。例えば、シート状の吸音材を複数のキューブ状の吸音材に切り離し、これらのキューブ状の吸音材を第２室２１内に収容してもよい。また、本実施形態の第２室２１は、吸音材２２と吸音材２３の両方を収容しているが、吸音材２２と吸音材２３のいずれかのみを収容していてもよい。また、本実施形態の第２室２１は、吸音材２２と吸音材２３のいずれかと、吸音材２２、２３以外の形状の吸音材とを収容していてもよい。
【００４３】
実験によれば、比較例（図２）の第２室１２に吸音材２２を収容し、換気ファン５の騒音を測定したところ、換気ファン５の出力が１００％のときの騒音は５２．４ｄＢＡ、換気ファン５の出力が７５％のときの騒音は４７．５ｄＢＡとなった。一方、本実施形態の第２室２１に吸音材２２を収容し、換気ファン５の騒音を測定したところ、換気ファン５の出力が１００％のときの騒音は５０．９ｄＢＡ、換気ファン５の出力が７５％のときの騒音は４６．８ｄＢＡとなった。さらに、本実施形態の第２室２１に吸音材２２と吸音材２３とを収容し、換気ファン５の騒音を測定したところ、換気ファン５の出力が１００％のときの騒音は５０．４ｄＢＡ、換気ファン５の出力が７５％のときの騒音は４６．２ｄＢＡとなった。なお、比較例の第１室１２の高さは７２ｍｍとし、本実施形態の第２室２１の高さＨ２は３５９ｍｍとして、本実施形態の第２室２１の高さＨ２を比較例の第１室１２の高さの５倍程度の値に設定した。
【００４４】
これらの実験から、第１実施形態や第２実施形態のように大きな第２室２１を備える排気ダクト６を用いると、比較例のように小さな第２室１２を備える排気ダクト６を用いる場合に比べて、騒音を低減できることが分かる。また、第２室２１に吸音材２２と吸音材２３とを収容すると、第２室２１に吸音材２２のみを収容する場合に比べて、騒音を低減できることが分かる。
【００４５】
また、本実施形態の第２室２１の高さＨ２が３５９ｍｍの場合には、騒音の十分な低減効果が得られることが分かる。本実施形態の距離Ｒは、比較例の第１室１２の高さ「７２ｍｍ」と同程度の長さであるから、高さＨ２が３５９ｍｍの場合の距離Ｄ（図３）は距離Ｒの４倍程度となる。よって、距離Ｄは、距離Ｒの４倍以上であることが望ましい。
【００４６】
以上のように、本実施形態の排気ダクト６は、第２室２１内に設けられた吸音材２２、２３を備えている。よって、本実施形態によれば、吸音材２２、２３により換気ファン５の騒音をさらに好適に低減することが可能となる。本実施形態の第２室２１は、大きな容積を有しているため、多くの吸音材２２、２３を収容することや、吸音材２２、２３を収容しつつも空気で満たされた空洞を広く確保することができる。
【００４７】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態等の筐体９の構造を示す斜視図である。
【００４８】
図６(ａ)は、第１または第２実施形態の筐体９を示している。この筐体９は、排気ダクト６からの排気を筐体９の外部に誘導する排気カバー９ａを備えている。排気カバー９ａは、排気ダクト６からの排気を−Ｙ方向に排出する排出口Ｅを備えている。排気ダクト６からの排気は、排気口Ｅから筐体９の外部に排出される。
【００４９】
図６(ｂ)は、第３実施形態の筐体９を示している。この筐体９は、排気ダクト６からの排気を筐体９の外部に誘導する排気カバー９ｂを備えている。排気カバー９ｂは、排気ダクト６からの排気を−Ｘ方向に排出する第１排出口Ｅ１と、排気ダクト６からの排気を＋Ｘ方向に排出する第２排出口Ｅ２とを備えている。排気ダクト６からの排気は、第１排気口Ｅ１と第２排気口Ｅ２から筐体９の外部に排出される。−Ｘ方向は、第１方向の例であり、＋Ｘ方向は、第１方向と異なる第２方向の例である。
【００５０】
本実施形態によれば、筐体９が複数の排気口Ｅ１、Ｅ２を備えることで、騒音が高くなる方向を分散させることが可能となる。また、本実施形態によれば、排気口Ｅ１、Ｅ２の一方に対して風が吹いた場合にも、排気口Ｅ１、Ｅ２の他方からこの風を逃がすことが可能となる。
【００５１】
本実施形態の第１および第２方向は、±Ｘ方向であり逆向きであるが、逆向きでなくてもよい。ただし、第１および第２方向が逆向きであれば、騒音を分散させる効果や、風を逃がす効果を高めることが可能となる。
【００５２】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書にて説明した新規なシステムおよびダクトは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書にて説明したシステムおよびダクトの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００５３】
１：改質器、２：ブロワ、３：燃料電池スタック、
４：インバータ、５：換気ファン、６：排気ダクト、
７、８：熱交換器、９：筐体、９ａ、９ｂ：排気カバー、
１１：第１室、１１ａ：本体部分、１１ｂ：突出部分、
１２：第２室、１３：入口部、１４：出口部、１５：連通口、
２１：第２室、２１ａ：本体部分、２１ｂ：突出部分、２２、２３：吸音材
【図１】
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【図２】
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【図３】
2020191244.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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