特開 2024-73925 燃料電池ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024073925

(43)【公開日】2024-05-30

(54)【発明の名称】燃料電池ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240523BHJP

   F24D 18/00 20220101ALI20240523BHJP

   F24H 9/02 20060101ALI20240523BHJP

   F24D 101/30 20220101ALN20240523BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

F24D18/00

F24H9/02 301B

F24D101:30

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022184914

(22)【出願日】2022-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004709

【氏名又は名称】株式会社ノーリツ

(74)【代理人】

【識別番号】100089004

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】玉田 晴彦

【テーマコード（参考）】

3L037

3L122

5H127

【Ｆターム（参考）】

3L037AA04

3L037AB07

3L037AC02

3L122AA02

3L122AA28

5H127AB23

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA33

5H127BB02

5H127BB18

5H127CC07

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE24

5H127EE29

5H127GG03

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】発電排気が容易に排出されるように構成された排気混合通路を備えた燃料電池ユニットを提供すること。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する発電モジュール(6)と、発電モジュール(6)の発電排気を冷却する冷却水の温度を下げるための放熱器(10)をケース(2)内に備えた燃料電池ユニット(1)は、発電モジュール(6)の発電排気が流通する発電排気通路(12)と、ケース(2)の内部空気が流通する換気通路(13)と、放熱器(10)からの冷却風が流通する冷却風通路(14)を備え、発電モジュール(6)の発電排気とケース(2)の内部空気と放熱器(10)の冷却風を混合してケース(2)外に排出するために、発電排気通路(12)と換気通路(13)と冷却風通路(14)とが接続されて形成された集合排気通路(15)を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する発電モジュールと、前記発電モジュールの発電排気を冷却する冷却水の温度を下げるための放熱器をケース内に備えた燃料電池ユニットにおいて、
前記発電モジュールの発電排気が流通する発電排気通路と、前記ケースの内部空気が流通する換気通路と、前記放熱器からの冷却風が流通する冷却風通路を備え、
前記発電モジュールの発電排気と前記ケースの内部空気と前記放熱器の冷却風を混合して前記ケース外に排出するために、前記発電排気通路と前記換気通路と前記冷却風通路とが接続されて形成された集合排気通路を有することを特徴とする燃料電池ユニット。

【請求項2】

前記集合排気通路は、前記換気通路と前記冷却風通路の接続部よりも下流側で前記発電排気通路が接続されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。

【請求項3】

前記集合排気通路は、前記換気通路と前記冷却風通路の接続部から前記ケース外に延びる排気筒を有し、
前記発電排気通路の下流端部が、前記排気筒の中心軸線に沿うようにこの排気筒内まで延びる筒状部材によって形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池ユニット。

【請求項4】

前記筒状部材によって形成された前記発電排気通路の下流端部は、その下流端が閉塞され且つ径方向に開けた複数の開口部を介して前記排気筒内に連通することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、家庭用の給湯システムに関し、特に燃料電池の発電時の排熱を利用する給湯システムの燃料電池ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、例えば集合住宅の共用通路に面するパイプシャフトと呼ばれる収容スペース内には、燃料ガス管及び上水道管が配管されると共に、給湯装置が設置されている。この給湯装置が燃料ガスを燃焼させて上水を加熱する燃焼式給湯装置である場合には、パイプシャフトの外に排出される燃焼排気が共用通路にいる人に直接当たらないように、給湯装置がパイプシャフトの上部に設置される。通常、パイプシャフトの開口部には、この開口部を開閉する扉を支持するための金属製の枠体が固定され、この枠体に給湯装置が固定される。

【0003】

給湯装置として、例えば燃料電池の発電時に発生する熱を熱媒（冷却水）によって回収して蓄熱タンクに蓄熱し、この熱を利用して加熱した湯水を給湯に使用する燃料電池ユニットを備えた給湯システムが、パイプシャフトに設置される場合がある。そして、蓄熱タンクの熱が不足する場合には、例えばこの給湯システムを構成する燃焼式給湯装置で上水を加熱して給湯設定温度に調整された湯水が給湯される。

【0004】

燃料電池ユニットとして例えば特許文献１には、燃料ガスから取り出した水素と空気中の酸素を反応させて発電する燃料電池、燃料電池及びその発電排気を冷却する冷却水を貯留する冷却水タンク、ケースの内部空気と発電排気を混合してケース外に排出する排出通路といった機器類が１つのケース内に収容されている。そして、冷却水を冷却する放熱器を備え、放熱器からの冷却風と発電排気を混合してケース外に排出する構成が記載されている。

【0005】

また、例えば特許文献２のように、換気ファンによってケース外に排出されるケースの内部空気と燃料電池の空気オフガスと燃料改質装置の燃焼排ガスを混合して、ケース外に排出する排出装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第６８９９５３９号公報

【特許文献2】特許第３５４９２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

燃料電池の発電排気（空気オフガスと燃料改質装置の燃焼排ガス）には、水素と酸素の反応によって生成される高温の水蒸気が多く含まれているので、ケース外に排出されて温度が下がると白煙のように見え、誤解や不信感を誘発する虞がある。そのため、特許文献１、２のように、冷却水で発電排気の温度を下げて水蒸気の含有量を減らすと共にケースの内部空気又は冷却風と混合し、希釈した発電排気をケース外に排出している。

【0008】

しかし、家庭用の燃料電池の発電排気の流量は小さいので、発電排気の排出がケースの内部空気又は冷却風の風圧によって阻害され、発電排気が排出され難くなる場合があった。また、流量が小さい発電排気が単独で排出される構成では、ケース外の風の影響を受けて排出され難くなる場合があった。

【0009】

そこで、本発明は、発電排気が容易に排出されるように構成された排気混合通路を備えた燃料電池ユニットを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

請求項１の発明の燃料電池ユニットは、燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する発電モジュールと、前記発電モジュールの発電排気を冷却する冷却水の温度を下げるための放熱器をケース内に備えた燃料電池ユニットにおいて、前記発電モジュールの発電排気が流通する発電排気通路と、前記ケースの内部空気が流通する換気通路と、前記放熱器からの冷却風が流通する冷却風通路を備え、前記発電モジュールの発電排気と前記ケースの内部空気と前記放熱器の冷却風を混合して前記ケース外に排出するために、前記発電排気通路と前記換気通路と前記冷却風通路とが接続されて形成された集合排気通路を有することを特徴としている。

【0011】

上記構成によれば、発電モジュールの発電排気とケースの内部空気と放熱器の冷却風が集合排気通路で混合されてケース外に排出される。従って、発電モジュールの発電排気がケースの内部空気と放熱器の冷却風によって十分に希釈されて排出されるので、この発電排気に含まれる水蒸気が白煙のように見えることを防止できる。また、流量が小さい発電排気が単独でケース外に排出される場合よりも、ケースの内部空気と放熱器の冷却風の混合によってケース外の風の影響を受け難くすることができ、耐風性が向上する。その上、燃料電池ユニットの排気箇所が１つになるので、例えば集合住宅のパイプシャフトに燃料電池ユニットを容易に設置することができる。

【0012】

請求項２の発明の燃料電池ユニットは、請求項１の発明において、前記集合排気通路は、前記換気通路と前記冷却風通路の接続部よりも下流側で前記発電排気通路が接続されたことを特徴としている。
上記構成によれば、ケースの内部空気と放熱器の冷却風との混合気によって、発電モジュールの発電排気が希釈されてケース外に排出される。流量が小さい発電排気が混合気によって希釈、搬送されるので、耐風性が向上すると共に白煙のように見えることを防止できる。

【0013】

請求項３の発明の燃料電池ユニットは、請求項１又は２の発明において、前記集合排気通路は、前記換気通路と前記冷却風通路の接続部から前記ケース外に延びる排気筒を有し、前記発電排気通路の下流端部が、前記排気筒の中心軸線に沿うようにこの排気筒内まで延びる筒状部材によって形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、ケースの内部空気と放熱器の冷却風とが混合された混合気は、排気筒内をケース外に向かって流通する。そして、筒状部材によって形成された発電排気通路の下流端部は、排気筒の中心軸線に沿うように排気筒内まで延びている。この発電排気通路の下流端は開放されているので、発電モジュールの発電排気が排気筒内を流通する混合気の流通方向に排出される。従って、内部空気と冷却風の混合気に妨げられないように発電排気を排出することができる。

【0014】

請求項４の発明の燃料電池ユニットは、請求項３の発明において、前記筒状部材によって形成された前記発電排気通路の下流端部は、その下流端が閉塞され且つ径方向に開けた複数の開口部を介して前記排気筒内に連通することを特徴としている。
上記構成によれば、発電モジュールの発電排気は、発電排気通路の下流端部の筒状部材に形成された複数の開口部を介して、排気筒内を流通するケースの内部空気と放熱器の冷却風の混合気の流通方向に対して直交するように排気筒内に排出される。従って、発電モジュールの発電排気が、排気筒内をケース外に向かって流通するケースの内部空気と放熱器の冷却風の混合気に混合され易くなり、排気筒内で希釈されて発電排気を排出することができるので白煙のように見えることを防止できる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の燃料電池ユニットによれば、排気混合通路によって発電排気を容易に排出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例に係る燃料電池ユニットの外観斜視図である。

【図2】本発明の実施例に係る燃料電池ユニットの内部構成の説明図である。

【図3】燃料電池ユニットの集合排気通路を示す斜視図である。

【図4】図３のIV－IV線断面図である。

【図5】図３のV－V線断面図である。

【図6】発電排気通路の下流端部の他の例を示す図である。

【図7】パイプシャフトへの燃料電池ユニットの設置例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

【実施例0018】

燃料電池ユニット１は、例えば図１、図２に示すように、直方体状のケース２内に、燃料ガス供給部３と、改質水供給部４と、酸化剤ガス供給部５と、発電モジュール６と、排熱回収熱交換器７と、蓄熱タンク８と、給湯熱交換器９と、放熱器１０と、パワーコンディショナ１１と制御部１２が収容されて形成されている。図中の矢印Ｕ，Ｆ，Ｌは夫々燃料電池ユニット１の上方、前方、左方を表す。パワーコンディショナ１１は、外部から燃料電池ユニット１の作動用電力の供給を受けると共に、発電モジュール６で発電した電力を家庭用電力に変換して外部に供給する。制御部１２は、発電モジュール６で常時発電するためにケース２内の機器を制御する。

【0019】

燃料ガス供給部３は、矢印Ｇで示すように外部から供給される燃料ガス（例えばメタンを主成分とする都市ガス）を発電モジュール６に供給する。改質水供給部４は、水蒸気改質法によって燃料ガスから水素を取り出すための水を、改質水ポンプ４ａによって発電モジュール６に供給する。

【0020】

酸化剤ガス供給部５は、水素と反応させる酸素が含まれるケース２の内部空気を発電モジュール６に供給する。発電モジュール６は、例えば７００℃以上の高温環境下で、燃料ガスから取り出した水素と酸化剤ガスである酸素を反応させることにより発電する燃料電池を備え、発電した電力を不図示の電力線を介してパワーコンディショナ１１に送り、高温の発電排気を排熱回収熱交換器７に送る。

【0021】

排熱回収熱交換器７は、水素と酸素の反応によって生成された水蒸気が多量に含まれる高温の発電排気を、冷却水（熱媒）との熱交換により冷却し、この冷却によって水蒸気が凝縮した水を改質水供給部４に送る。また、排熱回収熱交換器７には、冷却されて温度が下がった発電排気が流通する発電排気通路１４が接続され、この発電排気通路１４を介して発電排気が矢印Ｅ１で示すようにケース２外に排出される。改質水供給部４に送られた水は、不純物が除去されて燃料ガスから水素を取り出すための水として利用され、不要な水は矢印Ｄのように排水される。

【0022】

冷却水は蓄熱タンク８に貯留されており、蓄熱タンク８の下部から冷却水ポンプ８ａによって放熱器１０に送られ、放熱器１０で放熱して温度が下がった冷却水が排熱回収熱交換器７に供給される。排熱回収熱交換器７において高温の発電排気との熱交換により温度が上昇した冷却水は、蓄熱タンク８の上部に戻されて貯留される。

【0023】

給湯時には、蓄熱タンク８に貯留されている高温の冷却水が、給湯ポンプ８ｂによって蓄熱タンク８の上部から給湯熱交換器９に供給される。そして、矢印ＣＷで示すように供給される上水が、給湯熱交換器９において高温の冷却水との熱交換によって加熱され、混合弁１５での低温の上水との混合により温度調整されて、矢印ＨＷで示すように給湯される。給湯熱交換器９で上水との熱交換により温度が低下した冷却水は、蓄熱タンク８の下部に戻される。

【0024】

発電モジュール６は発電時に高温になるので、ケース２内の温度上昇を抑えるためにケース２の内部空気が換気される。ケース２の内部空気は、矢印Ｅ２で示すように換気ファン１６ａによって換気通路１６を流通してケース２外に排出される。また、冷却ファン１７ａによってケース２内の空気が放熱器１０に導入され、この放熱器１０からの冷却風が矢印Ｅ３で示すように冷却風通路１７を流通してケース２外に排出される。ケース２には、矢印Ａで示すようにケース２に設けられた給気口２ａから外部の空気が導入される。

【0025】

燃料電池ユニット１は、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風と発電排気を混合して排気するための集合排気通路１８を有する。発電排気には水蒸気が含まれており、燃料電池ユニット１から排出される発電排気が白煙のように見えると誤解や不信感を誘発する虞がある。そこで、集合排気通路１８でケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風によって発電排気を希釈して、ケース２外への排出時に発電排気が白煙のように見えることを防止している。

【0026】

次に、集合排気通路１８について説明する。
図３、図４、図５に示すように、集合排気通路１８は、換気ファン１６ａによってケース２の内部空気が流通する換気通路１６と、冷却ファン１７ａによって放熱器１０からの冷却風が流通する冷却風通路１７と、発電排気が流通する発電排気通路１４の下流端部が接続されて形成されている。換気通路１６と冷却風通路１７は、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風とが対向衝突して混合されるように接続され、この接続部からケース２外に連通する排気筒１８ａが延びている。そして、発電排気通路１４の下流端部は、換気通路１６と冷却風通路１７の接続部の下流側の排気筒１８ａ内まで延びて、内部空気と冷却風の混合気に発電排気が混合されるように接続されている。

【0027】

発電排気通路１４の下流端部は、筒状部材によって形成されており、排気筒１８ａの中心軸線１８ｂに沿うように排気筒１８ａ内まで延びている。発電排気通路１４の下流端が中心軸線１８ｂ方向において開放されている場合には、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風の混合気の流通方向と同じ方向に発電排気が容易に排出される。これにより、発電排気は、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風の風圧によって排出が阻害されず、発電排気通路１４から排気筒１８ａ内に排出される。そして、発電排気が内部空気と冷却風の混合気で希釈されてケース２外に排出され、白煙のように見えることが防止される。また、発電排気と内部空気と冷却風が一緒に排出されるので、流量が小さい発電排気が単独で排出される場合よりも外部の風の影響を受け難くなり、耐風性が向上する。

【0028】

図６は、集合排気通路１８の他の例を示す要部断面図である。筒状部材によって形成された発電排気通路１４の下流端部は、その下流端が閉塞され且つ径方向に開けられた複数の開口部１４ａを介して排気筒１５ａ内と連通している。この場合には、排気筒１８ａ内をケース２外に向かって流通するケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風の混合気によって、発電排気通路１４から発電排気が吸い出されるように複数の開口部１４ａを介して容易に排出される。これにより、発電排気が内部空気と冷却風の混合気によって希釈され易くなり、ケース２外に排出されて白煙のように見えることが防止される。また、発電排気と内部空気と冷却風が一緒に排出されるので、流量が小さい発電排気が単独で排出される場合よりも外部の風の影響を受け難くなり、耐風性が向上する。

【0029】

例えば図７に示すように、燃料電池ユニット１を有する給湯システムが、集合住宅のパイプシャフトＰＳに設置される場合がある。パイプシャフトＰＳは、例えば共用通路に面するように開口部が設けられた収容部であり、上下方向に通る上水、排水及びガスの配管類やそれらの使用量メータ等を収容すると共に、給湯システムの設置場所になっている。パイプシャフトＰＳの開口部には金枠２０が設けられ、開口部を開閉する扉２１が金枠２０にヒンジで連結されている。金枠２０は、例えば横桟２０ａによって上段と下段に区画され、上段区画が縦桟２０ｂによって右上段と左上段に区画されている。

【0030】

燃料電池ユニット１は、扉内ケース２２を介して金枠２０の上段の例えば右上段区画に固定される。扉内ケース２２は、燃料電池ユニット１から前方に延びる矩形筒状に形成された取付部材であり、例えば燃料電池ユニット１の前側部分の上面と両側面と底面に設けられているフランジに固定される。

【0031】

扉２１には、排気筒１８ａに対応する位置に穴２１ａが設けられており、この穴２１ａを介して排気筒１８ａの先端部分がパイプシャフトＰＳ外に出る。燃料電池ユニット１からは、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風と発電モジュール６の発電排気が集合排気通路１８で混合されて、排気筒１８ａからパイプシャフトＰＳ外に排出される。給気口２ａからケース２内に導入される空気は、パイプシャフトＰＳ外から例えば扉２１の通気孔、穴２１ａと排気筒１８ａの間の隙間等を介して給気口２ａに供給される。

【0032】

燃料電池ユニット１が金枠２０の上段の区画に設置されているので、排気筒１８ａが高い位置になり、排気筒１８ａからの排気が人に当たり難い。また、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風と発電排気が混合されて排気筒１８ａから排出されるので、広く利用されている燃焼式給湯装置と同様に排気筒１８ａを挿通させる扉２１の穴２１ａを利用して、パイプシャフトＰＳに燃料電池ユニット１を容易に設置することができる。

【0033】

上記燃料電池ユニット１の作用、効果について説明する。
発電モジュール６の発電排気と、ケース２の内部空気と、放熱器１０の冷却風が、集合排気通路１８で混合され、発電排気が希釈されてケース２外に排出される。従って、発電排気に含まれる水蒸気が白煙のように見えることを防止できる。また、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風と発電排気を混合するので、流量が小さい発電排気が単独でケース２外に排出される場合よりもケース２外の風の影響を受け難くすることができ、耐風性が向上する。その上、集合排気通路１８によって燃料電池ユニット１からの排気箇所が１つになるので、例えば集合住宅のパイプシャフトＰＳに燃料電池ユニット１を容易に設置することができる。

【0034】

集合排気通路１８では、換気通路１６と冷却風通路１７の接続部よりも下流側で発電排気通路１４が接続されているので、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風との混合気によって、発電モジュール６の発電排気が希釈されてケース２外に排出される。流量が小さい発電排気がケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風の混合気によって希釈、搬送されるので、ケース２外の風の影響を受け難くすることができ、耐風性が向上すると共に、白煙のように見えることを防止できる。

【0035】

集合排気通路１８は、換気通路１６と冷却風通路１７の接続部からケース２外に延びる排気筒１８ａを有する。筒状部材によって形成された発電排気通路１４の下流端部は、排気筒１８ａの中心軸線１８ｂに沿うようにこの排気筒１５ａ内まで延びている。ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風とが混合された混合気は、排気筒１８ａ内をケース２外に向かって流通する。発電排気通路１４の下流端が開放されている場合には、発電排気が排気筒１８ａ内を流通する混合気の流通方向に排出されるので、ケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風に妨げられないように発電排気を排出することができる。

【0036】

筒状部材によって形成された発電排気通路１４の下流端部の下流端が閉塞され、且つ径方向に開けた複数の開口部１４ａを介して排気筒１８ａ内に連通している場合には、発電排気は、排気筒１８ａ内を流通するケース２の内部空気とケース２の冷却風の混合気の流通方向に対して直交するように、複数の開口部１４ａを介して排気筒１８ａ内に排出される。従って、発電モジュール６の発電排気が、排気筒１８ａ内をケース２外に向かって流通するケース２の内部空気と放熱器１０の冷却風の混合気に混合され易くなり、排気筒１８ａ内で希釈されて発電排気を排出することができるので白煙のように見えることを防止できる。

【0037】

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

【符号の説明】

【0038】

１ ：燃料電池ユニット
２ ：ケース
２ａ ：給気口
３ ：燃料ガス供給部
４ ：改質水供給部
４ａ ：改質水ポンプ
５ ：酸化剤ガス供給部
６ ：発電モジュール
７ ：排熱回収熱交換器
８ ：蓄熱タンク
８ａ ：冷却水ポンプ
８ｂ ：給湯ポンプ
９ ：給湯熱交換器
１０ ：放熱器
１１ ：パワーコンディショナ
１２ ：制御部
１４ ：発電排気通路
１４ａ ：開口部
１５ ：混合弁
１６ ：換気通路
１６ａ ：換気ファン
１７ ：冷却風通路
１７ａ ：冷却ファン
１８ ：集合排気通路
１８ａ ：排気筒
２０ ：金枠
２１ ：扉
２１ａ ：穴
２２ ：扉内ケース
ＰＳ ：パイプシャフト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】