(57)【要約】【課題】排水の酸性度を低下させることができる潜熱回収装置、そのような潜熱回収装置を備えた給湯器、そのような潜熱回収装置の運転方法を提供する。【解決手段】燃焼手段３０による燃料Ｆの燃焼で生じた燃焼ガスＣに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱によって、対象物Ｗを加熱する熱交換器１０と、熱交換器１０に導入される前の燃焼ガスＣに接触する触媒部１１と、触媒部１１に水素分子を含有するガスＨを供給する水素供給路７と、を有し、触媒部１１が、水素分子との反応により、窒素酸化物を還元することができる還元触媒を備える潜熱回収装置１０、またそのような潜熱回収装置１０を有する給湯器１とする。潜熱回収装置１０の運転において、燃焼手段３０における燃料Ｆの燃焼により、対象物Ｗの加熱を行っている間に、触媒部１１に水素供給路７から水素分子を含むガスＨを供給し、還元触媒によって、水素分子との反応による窒素酸化物の還元を進める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼手段による燃料の燃焼で生じた燃焼ガスに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱によって、対象物を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器に導入される前の前記燃焼ガスに接触する触媒部と、
前記触媒部に水素分子を含有するガスを供給する水素供給路と、を有し、
前記触媒部は、水素分子との反応により、前記燃焼ガス中の窒素酸化物を還元することができる還元触媒を備えることを特徴とする潜熱回収装置。
【請求項２】
前記還元触媒は、前記窒素酸化物を窒素分子に還元することを特徴とする請求項１に記載の潜熱回収装置。
【請求項３】
燃料電池に供給される水素分子を含むガスの一部を分取して、前記水素供給路を介して、前記触媒部に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の潜熱回収装置。
【請求項４】
前記還元触媒は、１００〜２５０℃の温度域で、水素分子との反応による窒素酸化物の還元における反応活性の極大を示すことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の潜熱回収装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の潜熱回収装置を備え、
前記潜熱回収装置によって、前記対象物としての水を加熱することを特徴とする給湯器。
【請求項６】
前記給湯器は、前記燃焼手段による前記燃料の燃焼で生じた燃焼ガスの顕熱を利用して、前記対象物としての水を加熱する顕熱用熱交換器をさらに備え、
前記顕熱用熱交換器による熱交換を受けた前記燃焼ガスが、前記触媒部に導入されることを特徴とする請求項５に記載の給湯器。
【請求項７】
前記給湯器は、燃料電池と併設され、
前記燃料電池に供給される水素分子を含むガスの一部を分取して、前記水素供給路を介して、前記触媒部に供給することを特徴とする請求項５または６に記載の給湯器。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか１項に記載の潜熱回収装置を運転するに際し、
前記燃焼手段における前記燃料の燃焼により、前記対象物の加熱を行っている間に、前記触媒部に前記水素供給路から水素分子を含むガスを供給し、前記還元触媒によって、水素分子との反応による前記燃焼ガス中の窒素酸化物の還元を進めることを特徴とする潜熱回収装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潜熱回収装置、給湯器、潜熱回収装置の運転方法に関し、さらに詳しくは、燃焼時に発生する燃焼ガス中の水蒸気の潜熱を対象物の加熱に利用する潜熱回収装置、またそのような潜熱回収装置によって水を加熱する給湯器、さらにそのような潜熱回収装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼時に発生する燃焼ガスに含まれる水蒸気の潜熱を利用して、水等の対象物を加熱する潜熱回収装置が公知である。潜熱回収装置を備えた給湯器が、単独の給湯設備として利用されるのに加え、燃料電池等を備えたコジェネレーション装置のバックアップ熱源機等、他の装置と組み合わせる熱源装置としても利用されている。
【０００３】
潜熱回収装置を備えた給湯器においては、燃料を燃焼させた際に生成される窒素酸化物を中心とする酸化物の一部が、潜熱回収装置において発生した凝縮水に溶解する。ＮＯ２等の窒素酸化物は、水に溶解すると、腐食性の高い強酸性液体となる。そのような強酸性液体を含む排水（ドレン）をそのまま下水として排出することは、法規によって規制されているため、中和装置等で排水に中和処理を施したうえで、下水への排出を行う必要がある。例えば、特許文献１に、潜熱回収型給湯器等で発生する酸性の排水を中和するドレン中和装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７００１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、潜熱回収装置を備えた給湯器において、窒素酸化物の溶解によって発生する酸性の排水を下水として排出するためには、給湯器に中和装置等を備える必要がある。また、潜熱回収装置と中和装置をつなぐ配管等、強酸性液体と接触する可能性がある部位を、高耐食性ステンレス鋼等、耐腐食性の高い材料で構成する必要がある。そのため、給湯器の設計に制約が生じるとともに、製造コストが上昇する。また、住宅等に給湯器を設置する際に、排水設備の構築においても、制約やコスト上昇が発生する。
【０００６】
潜熱回収装置からの排水が、強酸性を有しておらず、中和する必要がなければ、中和装置等の設備を省略できる可能性がある。また、耐腐食性の高い材料を排水用の配管に用いなくてもよい可能性がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、排水の酸性度を低下させることができる潜熱回収装置、およびそのような潜熱回収装置を備えた給湯器、またそのような潜熱回収装置の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明にかかる潜熱回収装置は、燃焼手段による燃料の燃焼で生じた燃焼ガスに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱によって、対象物を加熱する熱交換器と、前記熱交換器に導入される前の前記燃焼ガスに接触する触媒部と、前記触媒部に水素分子を含有するガスを供給する水素供給路と、を有し、前記触媒部は、水素分子との反応により、前記燃焼ガス中の窒素酸化物を還元することができる還元触媒を備えるものである。
【０００９】
ここで、前記還元触媒は、前記窒素酸化物を窒素分子に還元するとよい。
【００１０】
また、前記潜熱回収装置は、燃料電池に供給される水素分子を含むガスの一部を分取して、前記水素供給路を介して、前記触媒部に供給するものであるとよい。
【００１１】
そして、前記還元触媒は、１００〜２５０℃の温度域で、水素分子との反応による窒素酸化物の還元における反応活性の極大を示すとよい。
【００１２】
本発明にかかる給湯器は、上記の潜熱回収装置を備え、前記潜熱回収装置によって、前記対象物としての水を加熱するものである。
【００１３】
ここで、前記給湯器は、前記燃焼手段による前記燃料の燃焼で生じた燃焼ガスの顕熱を利用して、前記対象物としての水を加熱する顕熱用熱交換器をさらに備え、前記顕熱用熱交換器による熱交換を受けた前記燃焼ガスが、前記触媒部に導入されるとよい。
【００１４】
また、前記給湯器は、燃料電池と併設され、前記燃料電池に供給される水素分子を含むガスの一部を分取して、前記水素供給路を介して、前記触媒部に供給するものであるとよい。
【００１５】
本発明にかかる潜熱回収装置は、上記の潜熱回収装置を運転するに際し、前記燃焼手段における前記燃料の燃焼により、前記対象物の加熱を行っている間に、前記触媒部に前記水素供給路から水素分子を含むガスを供給し、前記還元触媒によって、水素分子との反応による前記燃焼ガス中の窒素酸化物の還元を進めるものである。
【発明の効果】
【００１６】
上記発明にかかる潜熱回収装置は、熱交換器に導入される前の燃焼ガスに接触する触媒部を有している。その触媒部が、窒素酸化物を還元する還元触媒を有しているため、熱交換器に導入される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を、還元することができる。その結果、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮して生じた排水に、還元を受けていない窒素酸化物が溶解しにくくなり、触媒部を備えない場合と比較して、排水の酸性度を低下させることができる。そのため、排水を処理するための中和装置等の設備を省略することや、排水用に耐腐食性の高い材料よりなる配管を用いないようにすることが可能となる。
【００１７】
潜熱回収装置に導入される燃焼ガスは、顕熱による対象物の加熱等に利用され、比較的低温になっている場合も多い。しかし、触媒部における窒素酸化物の還元を、水素分子を還元剤として行うことにより、比較的低温の条件でも、還元反応を効率的に進行させることができる。
【００１８】
ここで、還元触媒が、窒素酸化物を窒素分子に還元する場合には、窒素分子は中性であるうえ、水にほとんど溶解しないため、排水への溶解による酸性度の上昇をはじめとして、潜熱回収装置や環境への影響を与えない形態に、燃焼ガス中の窒素酸化物を変換することができる。
【００１９】
また、潜熱回収装置が、燃料電池に供給される水素分子を含むガスの一部を分取して、水素供給路を介して、触媒部に供給するものである場合には、潜熱回収装置の触媒部に水素分子を含有するガスを供給するために、水素発生装置等の水素分子供給源を、専用に備える必要がなく、潜熱回収装置および周辺設備の構成を簡素なものとすることができる。
【００２０】
そして、還元触媒が、１００〜２５０℃の温度域で、水素分子との反応による窒素酸化物の還元における反応活性の極大を示す場合には、顕熱型熱交換器等による対象物の加熱を経て潜熱回収装置に導入される燃焼ガスの温度が、典型的には２００℃程度であることから、そのような燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物の還元を、高効率に進めることができる。
【００２１】
上記発明にかかる給湯器は、上記のような潜熱回収装置によって水を加熱するため、排水中への窒素酸化物の溶解を効果的に低減し、排水の酸性度を低下させることができる。その結果、給湯器に、排水の酸性度を下げるための中和装置等を設ける必要や、配管として耐腐食性の高い材料を用いる必要がなくなり、給湯器の製造や設置に要するコストを低減することができる。また、排水をそのまま公共下水道等に排出できるようになるため、給湯器を住宅等に高い自由度で設置することが可能となる。
【００２２】
ここで、給湯器が、燃焼手段による燃料の燃焼で生じた燃焼ガスの顕熱を利用して、対象物としての水を加熱する顕熱用熱交換器をさらに備え、顕熱用熱交換器による熱交換を受けた燃焼ガスが、触媒部に導入される場合には、顕熱用熱交換器による熱交換により、燃焼ガスの温度が低下するが、多くの還元触媒において、水素分子との反応による窒素酸化物の還元は、比較的低温でも進行しやすい。よって、顕熱用熱交換器で熱交換に利用された後、潜熱回収装置に導入される燃焼ガスにおいて、窒素酸化物の還元を効果的に進め、排水の強酸性化を効果的に抑制することができる。
【００２３】
また、給湯器が、燃料電池と併設され、燃料電池に供給される水素分子を含むガスの一部を分取して、水素供給路を介して、触媒部に供給するものである場合には、燃料電池および給湯器の触媒部に、共通の水素分子供給源から、水素分子を供給することができる。よって、給湯器および燃料電池、またそれらに付随する周辺設備の構成を、簡素なものとすることができる。潜熱回収装置を備える給湯器は、燃料電池を備えるコジェネレーション装置のバックアップ熱源として用いられることも多く、両者を併設し、共通の水素分子供給源を用いるように構成することは、コジェネレーション装置において、簡便に行いうる。
【００２４】
上記発明にかかる潜熱回収装置の運転方法においては、対象物の加熱を行っている間に、触媒部の還元触媒によって、窒素酸化物の還元を進める。これにより、燃焼ガス中の窒素酸化物をその場で還元して、潜熱回収装置の排水に未還元の窒素酸化物が溶解することによる排水の強酸性化を、抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる給湯器の構成を示す概略図である。水の流れを実線の矢印で、気体の流れを破線の矢印で表示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態にかかる潜熱回収装置、給湯器、潜熱回収装置の運転方法について、図面を参照しながら説明する。本発明の一実施形態にかかる潜熱回収装置は、燃料を燃焼させた際に発生する燃焼ガスに含まれる水蒸気の潜熱を利用して、対象物を加熱するものである。そして、本発明の一実施形態にかかる給湯器は、そのような潜熱回収装置を備え、対象物としての水を加熱するものである。また、本発明の一実施形態にかかる潜熱回収装置の運転方法は、そのような潜熱回収装置を運転するための方法に関するものである。
【００２７】
［潜熱回収装置および給湯器の概略］
まず、本発明の一実施形態にかかる給湯器、およびそこに備えられる本発明の一実施形態にかかる潜熱回収装置について説明する。
【００２８】
図１に、本発明の一実施形態にかかる給湯器１の概略を示す。給湯器１は、燃焼室２と、給気ファン３と、給水路４と、出湯路５と、燃料供給路６と、水素供給路７と、を有している。給湯器１は、燃焼室２にて、給気ファン３から取り込まれた空気Ａを用いて、燃料供給路６より供給された燃料Ｆを燃焼させる。そして、燃料Ｆの燃焼によって得られた熱によって、給水路４から流入された低温の水Ｗを加熱し、出湯路５を介して外部へ供給する。
【００２９】
給水路４に供給する水Ｗは、公共上水道等より取得することができる。燃料供給路６に供給する燃料Ｆとしては、任意の可燃性ガスを用いればよく、都市ガスやＬＰガスを例示することができる。
【００３０】
燃焼室２は、筐体２ａの内部に、本発明の一実施形態にかかる潜熱回収装置１０と、顕熱用熱交換器２０と、燃焼手段としてのバーナ３０とを有している。以下、各部材について説明する。
【００３１】
バーナ３０には、燃料供給路６が接続され、燃料Ｆを供給可能となっている。また、給気ファン３によって燃焼室２の外部から取り込まれた空気Ａが、バーナ３０に導入可能となっている。バーナ３０は、燃料供給路６から供給された燃料Ｆを、給気ファン３から供給された空気Ａを用いて燃焼させる。バーナ３０での燃料Ｆの燃焼により、高温の燃焼ガスＣが発生する。燃料供給路６の入り口には、燃料調整バルブ６ａが設けられ、バーナ３０への燃料Ｆの供給の有無、および流量を制御することができる。
【００３２】
バーナ３０の燃焼によって発生する燃焼ガスＣが流動する経路に沿って、バーナ３０よりも下流側、つまりバーナ３０の上方には、顕熱用熱交換器２０が設けられている。給水路４から水Ｗを供給しながら、バーナ３０で燃料Ｆを燃焼させると、バーナ３０での燃焼によって発生した高温の燃焼ガスＣは、燃焼室２の中を上昇して顕熱用熱交換器２０に接触する。そして、顕熱用熱交換器２０は、加熱対象物としての水Ｗを内部に導入され、燃焼ガスＣの顕熱によって、その水Ｗを加熱する。
【００３３】
燃焼ガスＣが流動する経路に沿って、顕熱用熱交換器２０のさらに下流側には、潜熱回収装置１０が設けられている。潜熱回収装置１０は、触媒部１１と、潜熱用熱交換器１２とを有している。燃焼ガスＣが流動する経路に沿って、上流側に触媒部１１、下流側に潜熱用熱交換器１２が、直列に配置されている。
【００３４】
給水路４から水Ｗを供給しながら、バーナ３０で燃料Ｆを燃焼させると、バーナ３０での燃焼によって発生した燃焼ガスＣは、顕熱用熱交換器２０による水Ｗの加熱によって温度が下がった状態で、触媒部１１に接触し、触媒部１１を通過する。そして、触媒部１１を通過した燃焼ガスＣは、潜熱用熱交換器１２に到達する。潜熱用熱交換器１２は、加熱対象物としての水Ｗを内部に導入され、燃焼ガスＣに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱によって、その水Ｗを加熱する。
【００３５】
燃焼室２の筐体２ａには、排気口２ｂが設けられており、水蒸気の潜熱を潜熱用熱交換器１２で利用された燃焼ガスＣが、排気ガスＥとして、排気口２ｂから給湯器１の外部に排出される。また、潜熱用熱交換器１２において水蒸気の凝縮によって生じた水（凝縮水）は、図示しない凝縮水排水路を経由して、給湯器１の外部に排出される。後述するように、水への溶解によって強酸性となる窒素酸化物が触媒部１１で還元されることにより、凝縮水は中性または中性に近い状態となっているため、凝縮水排水路は、中和装置等、排水の中和処理のための設備を経由せずに、直接、公共下水道等に接続できる場合が多くなる。
【００３６】
給水路４は、潜熱用熱交換器１２、顕熱用熱交換器２０を順に経由し、出湯路５につながっている。つまり、給水路４から導入された低温の水Ｗは、まず潜熱回収装置１０の潜熱用熱交換器１２を通る。そして、燃焼ガスＣに含まれる水蒸気の潜熱により、ある程度の温度まで加熱される。その加熱された水Ｗは、潜熱用熱交換器１２を出て、次に顕熱用熱交換器２０に導入される。そして、顕熱用熱交換器２０によって、高温に加熱される。顕熱用熱交換器２０において加熱された水Ｗは、高温の状態で、出湯路５から外部に供給される。給水路４の入り口には、水流調整バルブ４ａが設けられ、給水路４への水Ｗの流入の有無、および流量を制御することができる。
【００３７】
水素供給路７は、触媒部１１に、水素分子を含むガス（含水素ガス）Ｈを供給する経路である。水素供給路７の中途部には、水素調整バルブ７ａが設けられ、触媒部１１への含水素ガスＨの供給の有無、および流量を制御することができる。
【００３８】
水素供給路７に導入される含水素ガスＨは、水素ガス以外の成分を含まないものであっても、水素ガスのみでなく、他のガスと水素ガスが混合されたものであってもよい。水素ガスに混合される他のガスとしては、不活性ガスや空気、化学反応によって水素ガスを生成する場合の原料や副生成物に由来するガス等を挙げることができる。
【００３９】
水素供給路７に含水素ガスＨを導入する水素供給源は、特に限定されるものではなく、ボンベや、水素吸蔵合金を備えた水素吸蔵装置等の水素貯留装置、あるいは水素分子以外の原料分子から水素分子を発生させる水素発生装置を利用することができる。水素発生装置としては、炭化水素や一酸化炭素等を原料分子とし、燃料改質触媒を用いて、水性ガスシフト反応等の化学反応を行う形態のものや、水を電気分解する形態のものを挙げることができる。含水素ガスＨの使用に伴う水素供給源の交換を省略する観点から、水素発生装置を利用することが好ましい。特に、燃料供給路６に導入される炭化水素よりなる燃料Ｆを用いて、含水素ガスＨを継続的に発生させられるように、炭化水素を原料分子とする化学反応によって、水素分子を発生させる形態の水素発生装置を用いることが好ましい。
【００４０】
後述するように、給湯器１が燃料電池システム９０に併設される場合には、水素供給路７に含水素ガスＨを導入する水素供給源を、燃料電池システム９０において、燃料電池９１に含水素ガスＨを供給する水素供給源と、共用することが好ましい。燃料電池システム９０においては、多くの場合、炭化水素を原料分子とした化学反応によって水素分子を発生させる水素発生装置９２が備えられる。
【００４１】
給湯器１は他に、各構成装置を制御するために、図示しない制御部を有している。制御部によって制御される対象としては、バーナ３０や給気ファン３の運転状態、また給水路４に設けられた水流調整バルブ４ａや燃料供給路６に設けられた燃料調整バルブ６ａ、また水素供給路７に設けられた水素調整バルブ７ａの開閉状態を挙げることができる。後述するように、給湯器１が燃料電池システム９０に併設される場合には、給湯器１の各構成装置を制御する制御部と、燃料電池システム９０の各構成装置を制御する制御部を、共通のものとして設けることもできる。
【００４２】
［触媒部の構成］
潜熱回収装置１０に設けられる触媒部１１は、水素分子との反応により、ＮＯｘを還元することができる還元触媒を含んでいる。そして、触媒部１１を通過する燃焼ガスＣに含まれるＮＯｘが、還元触媒により、水素供給路７を介して導入される含水素ガスＨ中の水素分子との反応で、還元を受ける。
【００４３】
還元触媒としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ａｇ等の貴金属の微粒子、またはそれらの貴金属元素を含む合金の微粒子を挙げることができる。中でも、ＰｔやＰｔ合金の微粒子が、ＮＯｘの還元反応において、高い活性を示す。
【００４４】
還元触媒を用いたＮＯｘの還元においては、水素分子を還元剤として用いることで、還元反応を促進することができる。また、ＮＯｘの還元時に生じる酸素原子を、水分子等の形で触媒表面から除去することができ、還元触媒をＮＯｘの還元に繰り返して用いることが可能となる。
【００４５】
還元触媒は、ＮＯやＮＯ２をはじめとするＮＯｘを、Ｎ２（窒素分子）にまで還元できるものであることが好ましい。また、水素分子を還元剤とするＮＯｘの還元反応は、メタン等、他の還元剤を用いる場合と比較して、比較的低温の領域で高い活性を示すことが多いが、還元触媒は、水素分子を用いたＮＯｘの還元に対して、１００〜２５０℃の領域、好ましくは１００〜２００℃の領域に、反応活性の極大を有するものであるとよい。反応活性は、各温度における反応収率によって評価することができ、ＮＯ２の還元反応における反応活性が、上記温度において極大を示すことが、特に好ましい。
【００４６】
金属微粒子等よりなる還元触媒を触媒部１１内に保持するために、還元触媒を、担体に担持することが好ましい。担体としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、ゼオライト等の金属酸化物を例示することができる。潜熱回収装置１０において、担体は、触媒部１１の体積の多くを占めるものとなるが、潜熱用熱交換器１２に導入される前の燃焼ガスＣに接触するとともに、燃焼ガスＣを潜熱用熱交換器１２に向かって通過させる必要がある。よって、担体としては、多孔質材料よりなるものを用いることや、ハニカム形状等、燃焼ガスＣが通過しやすい流路を有する形状に成形しておくことが好ましい。また、ＮＯｘ還元反応における助触媒としての作用や、還元触媒との界面においてＮＯｘ還元反応の活性点を創出する等の作用により、還元触媒の活性を高めることができる金属酸化物を、担体として用いることが好ましい。
【００４７】
１００〜２５０℃の温度域で、水素分子との反応で、ＮＯｘ分子をＮ２まで還元できる触媒として、金属酸化物よりなる担体にＰｔをはじめとする金属微粒子を担持したものが、公知である。そのような触媒は、例えば、羽田  政明  著「水素を還元剤とするＮＯ選択還元反応」、名古屋大学先進セラミックス研究センター年報、名古屋大学先進セラミックス研究センター、２０１３年３月３１日、第１巻、ｐ．１５−２１にまとめられている。本実施形態にかかる給湯器１においては、触媒部１１に導入される燃焼ガスＣに、ＮＯｘとともに、給気ファン３から取り込まれ、バーナ３０での燃焼に用いられなかった酸素分子が含まれる場合が多く、過剰酸素分子の共存下でも、ＮＯｘ分子の還元反応が進行する還元触媒を用いることが好ましい。そのような触媒系として、Ｐｔをモルデナイト等のゼオライトよりなる担体に担持したものを挙げることができる。
【００４８】
触媒部１１が、ＮＯｘを還元する還元触媒を備えていることにより、潜熱回収装置１０から排出される凝縮水の酸性度を低下させる（ｐＨを上げて７に近づける）ことができる。給湯器１において、バーナ３０での燃料Ｆの燃焼によって生じた燃焼ガスＣには、空気Ａ中のＮ２の酸化等に起因して、ＮＯ２を中心としたＮＯｘが含有される。燃焼ガスＣの中にＮＯｘが多量に含有されていると、潜熱用熱交換器１２において水蒸気が凝縮する際に、凝縮水中にＮＯｘが溶解する。溶解したＮＯｘは、凝縮水の酸性度を上げる（ｐＨを下げる）。特に、ＮＯ２は、硝酸イオン（ＮＯ３−）や亜硝酸イオン（ＮＯ２−）の形で水に溶解し、強酸性となる。潜熱用熱交換器１２から排出される凝縮水が強酸性を有していると、そのまま公共下水道等に排出することができず、中和装置等を備えて、中和処理してから排出することが必要となる。また、潜熱用熱交換器１２と中和装置の間等、排出される凝縮水に接触する部位の配管を、耐食性ステンレス鋼等、耐腐食性の高い高価な材料で構成することが必要となる。
【００４９】
これに対し、上記のように、還元触媒を有する触媒部１１に燃焼ガスＣを通過させることで、燃焼ガスＣに含まれるＮＯｘを還元することができる。ＮＯｘを還元すると、水への溶解度が低下するとともに、水に溶解した際に強酸性を示しにくくなる傾向がある。例えば、ＮＯｘをＮＯやＮ２Ｏに還元すると、水への溶解度が顕著に低くなる。また、わずかに溶解する分子も、強酸性を与える硝酸イオンや亜硝酸イオンの形にはなりにくい。さらに、Ｎ２まで還元すると、水にほとんど溶解しないうえ、完全に中性となる。Ｎ２は、水への溶解時の強酸性化以外にも、生体への毒性等、環境への影響を有さない。
【００５０】
このように、触媒部１１の還元触媒によるＮＯｘの還元によって、ＮＯｘの溶解による潜熱用熱交換器１２からの凝縮水の強酸性化を、抑制することができる。その結果、給湯器１のように、潜熱回収装置１０が備えられる装置に、中和装置等、凝縮水を中和処理する設備を設けることや、高耐食性の配管を設けることは必要でなくなり、装置自体、また装置周辺の配管の簡素化と低コスト化を図ることができる。
【００５１】
本実施形態にかかる給湯器１において、触媒部１１に燃焼ガスＣを導入すると、触媒部１１の内部は、燃焼ガスＣと同じ温度、あるいはそれよりも低い温度に加熱されることになる。本給湯器１においては、触媒部１１に導入される燃焼ガスＣは、既に顕熱用熱交換器２０における熱交換に利用されており、バーナ３０における燃料Ｆの燃焼で発生した際よりも、温度が低下している。しかし、水素分子を還元剤とするＮＯｘの還元反応は、種々の還元剤を用いたＮＯｘの還元反応の中で、比較的低温で起こるため、触媒部１１におけるＮＯｘ還元反応を、水素分子を用いて行うことで、触媒部１１に導入される燃焼ガスＣの温度が低下した状態においても、高い反応収率でＮＯｘを還元し、凝縮水の強酸性化を抑制することができる。
【００５２】
典型的には、顕熱用熱交換器２０で水Ｗの加熱に利用された後の燃焼ガスＣの温度は、２００℃程度である。よって、上記のように、触媒部１１に含有される還元触媒として、１００〜２５０℃程度、さらには１００〜２００℃程度の温度域で、水素分子によるＮＯｘの還元に高い活性を示すものを用いることで、本実施形態にかかる給湯器１において、還元を受けない状態にあるＮＯｘの凝縮水への溶解を、効果的に抑制することができる。
【００５３】
［給湯器と燃料電池システムの併設］
本実施形態にかかる給湯器１は、図１に示すように、燃料電池システム９０と併設することが好ましい。例えば、給湯器１を、燃料電池システム９０を含むコジェネレーション装置のバックアップ熱源として構成することができる。この場合には、燃料電池システム９０の排熱を主に利用して、給湯器１とは別系統で供給される水などの対象物の加熱を行いながら、燃料電池システム９０の排熱が十分でない際などに、給湯器１による加熱を補助的に利用するように、コジェネレーション装置を構築することができる。
【００５４】
燃料電池システム９０は、本体部として、燃料電池９１を備えている。燃料電池９１は、固体酸化物形燃料電池や固体高分子形燃料電池等よりなり、水素分子と酸素分子を用いた電極反応により、発電を行う。
【００５５】
燃料電池システム９０は、燃料電池９１と隣接されて、水素発生装置９２を有している。水素発生装置９２は、改質触媒を備え、水性ガスシフト反応等により、炭化水素分子を含む燃料ガスと水蒸気から、含水素ガスＨを生成する。燃料電池システム９０において、水素発生装置９２で生成された含水素ガスＨは、燃料電池９１の燃料極に供給される。
【００５６】
燃料電池システム９０の水素発生装置９２で生成された含水素ガスＨは、大部分が、燃料電池９１に供給されるが、その一部を、水素供給路７を介して、給湯器１の潜熱回収装置１０を構成する触媒部１１に、供給可能となっている。水素発生装置９２を運転している間に、水素調整バルブ７ａを開状態とすることで、触媒部１１に、還元剤として、含水素ガスＨを供給することができる。
【００５７】
このように、給湯器１を燃料電池システム９０に供給し、燃料電池９１での発電に用いる含水素ガスＨの一部を分取して、触媒部１１でのＮＯｘ還元に還元剤として利用できるように構成することで、給湯器１に専用の水素供給源を設ける必要がなくなる。よって、給湯器１および周辺設備の構成を簡素化することができる。コジェネレーション装置等において、燃料電池システム９０と、潜熱回収装置１０を備えた給湯器１とが併設される状況は多く、そのような場合に、燃料電池９１と給湯器１の触媒部１１の両方に、共通の水素発生装置９２から含水素ガスＨを供給できるように、配管および制御系を構築することは、簡便に行える。
【００５８】
また、燃料電池システム９０の水素発生装置９２において、含水素ガスＨの原料となる燃料ガスとしては、都市ガスやＬＰガス等、給湯器１のバーナ３０に燃料供給路６から供給する燃料Ｆを、共通に用いることができる。燃料調整バルブ６ａよりも上流で、燃料供給路６を分岐させ、水素原料供給路９３として、燃料Ｆを水素発生装置９２に導入できるようにすればよい。水素原料供給路９３の中途部には、水素原料調整バルブ９３ａが設けられ、水素発生装置９２への燃料Ｆの供給の有無、および流量を制御することができる。
【００５９】
このように、燃料電池システム９０の水素発生装置９２への燃料Ｆの供給路を、給湯器１のバーナ３０への燃料Ｆの供給路と共通に構成することで、上記のように、水素発生装置９２で生成される含水素ガスＨを、燃料電池９１での発電用と給湯器１の触媒部１１での還元用に兼用できるように構成することの効果に加えて、給湯器１および燃料電池システム９０自体、およびそれらの周辺設備や配管の構成を、さらに簡素化することが可能となる。なお、水素供給路７を介して給湯器１の触媒部１１に含水素ガスＨを供給するのに、燃料電池システム９０に備えられる水素発生装置９２を兼用するのではなく、給湯器１に専用の水素発生装置を設ける場合にも、その専用の水素発生装置に原料として燃料Ｆを供給する経路を、バーナ３０に燃料Ｆを供給する燃料供給路６から分岐させて設ければよい。
【００６０】
［給湯器および潜熱回収装置の運転方法］
次に、上記で説明した潜熱回収装置１０を有する給湯器１の運転方法について説明する。
【００６１】
上記の給湯器１においては、顕熱用熱交換器２０および潜熱用熱交換器１２を用いて、バーナ３０からの燃焼ガスＣによって、水Ｗの加熱を行いながら、触媒部１１において、燃焼ガスＣに含まれるＮＯｘの還元を行う。また、給湯器１での水Ｗの加熱中、併設された燃料電池システム９０の水素発生装置９２における含水素ガスＨの発生も、同時に行う。燃料電池９１での発電は、給湯器１での水Ｗの加熱と同時に行っても、行わなくてもよい。給湯器１が、燃料電池システム９０を含むコジェネレーション装置のバックアップ熱源として設けられる場合には、燃料電池９１による発電と、給湯器１での水Ｗの加熱を、同時に行うことができる。
【００６２】
給湯器１での水Ｗの加熱を行う間は、図１に示すように、水流調整バルブ４ａおよび燃料調整バルブ６ａが開状態とされ、給水路４に水Ｗが、バーナ３０に燃料Ｆが導入されている。また、バーナ３０および給気ファン３が運転されており、給気ファン３からの空気Ａを用いて、バーナ３０が燃料Ｆを燃焼させている。燃料Ｆの燃焼により、バーナ３０から発生した高温の燃焼ガスＣは、顕熱用熱交換器２０において、水Ｗを加熱した後、触媒部１１を通過して、潜熱用熱交換器１２に到達する。
【００６３】
一方、燃料電池システム９０においては、水素原料調整バルブ９３ａが開状態とされ、水素発生装置９２に燃料Ｆが導入されている。水素発生装置９２は、改質触媒による燃料Ｆの改質反応が進行する条件に維持され、含水素ガスＨを発生している。そして、水素調整バルブ７ａが開状態とされ、水素供給路７を介して、給湯器１の触媒部１１に、水素発生装置９２で発生した含水素ガスＨを供給している。
【００６４】
給湯器１において、顕熱用熱交換器２０で、熱交換による水Ｗの加熱を行った後の燃焼ガスＣは、１００℃以上の温度を有しており、その状態で、触媒部１１に導入される。すると、触媒部１１において、燃焼ガスＣ中に含まれるＮＯｘが、還元触媒によって、水素供給路７から供給された水素分子との反応による還元を受ける。
【００６５】
このように、還元触媒による還元反応を進めることで、触媒部１１を通過する燃焼ガスＣにおいて、未還元のＮＯｘの濃度が減少する。ＮＯ２をはじめとするＮＯｘは、還元されることで、水への溶解度が低下し、また溶解しても強酸性を示しにくくなる傾向がある。よって、触媒部１１を通過した燃焼ガスＣが、潜熱回収装置１０において凝縮する際に、燃焼ガスＣ由来の窒素化合物が凝縮水に溶解し、凝縮水を強酸性化することが、起こりにくくなる。特に、ＮＯｘがＮ２まで還元される場合には、凝縮水にほぼ溶解しなくなる。また、排気口２ｂから気体の状態で排気された際にも、環境に悪影響を与えない。
【００６６】
給湯器１においては、顕熱用熱交換器２０での熱交換による水Ｗの加熱に、燃焼ガスＣの熱が利用されるため、触媒部１１を通過する際の燃焼ガスＣの温度は、バーナ３０での発生時よりも低くなっている。水素分子を還元剤とするＮＯｘの還元は、種々の還元剤を用いたＮＯｘ還元反応の中で、比較的低温でも進行しやすく、触媒部１１に導入される燃焼ガスＣの温度が、顕熱用熱交換器２０による熱交換を経て低下しており、触媒部１１が高温まで加熱されない状況でも、ＮＯｘの還元を効果的に進めることができる。顕熱用熱交換器２０での熱交換を経た燃焼ガスＣの温度は、典型的には、２００℃程度となっており、触媒部１１の中の温度も、２００℃前後、またはそれ以下となっている。この場合に、触媒部１１に含まれる還元触媒が、１００〜２５０℃、さらには１００〜２００℃程度の温度域で活性の極大を示すものであれば、特に効率的にＮＯｘの還元を進行させ、ＮＯｘの溶解による凝縮水の強酸性化を抑制することができる。
【００６７】
また、触媒部１１においては、水素分子を還元剤としてＮＯｘの還元を行っているため、還元反応に伴って生じるＮＯｘ由来の酸素原子の大部分は、水素原子と結合し、水分子となる。この水分子は、燃焼ガスＣの熱により、還元触媒の表面から脱離し、燃焼ガスＣに当初より含まれていた水蒸気とともに、潜熱回収装置１０において、凝縮を起こす。還元触媒の表面には、酸素原子をはじめとする吸着種が、実質的に残存しないことになり、ＮＯｘ還元反応を経ても、還元触媒の活性が維持される。よって、バーナ３０での燃焼による水Ｗの加熱を継続している間、また水Ｗの加熱を一旦中断して、再度開始する際に、還元触媒をＮＯｘの還元に繰り返して使用することができる。
【００６８】
本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１            給湯器
２            燃焼室
３            給気ファン
４            給水路
４ａ          水流調整バルブ
５            出湯路
６            燃料供給路
６ａ          燃料調整バルブ
７            水素供給路
７ａ          水素調整バルブ
１０          潜熱回収装置
１１          触媒部
１２          潜熱用熱交換器
２０          顕熱用熱交換器
３０          バーナ（燃焼手段）
９０          燃料電池システム
９１          燃料電池
９２          水素発生装置
９３          水素原料供給路
９３ａ        水素原料調整バルブ
Ａ            空気
Ｃ            燃焼ガス
Ｅ            排気ガス
Ｆ            燃料
Ｈ            含水素ガス
Ｗ            水（対象物）
【図１】
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