(57)【要約】【課題】熱交換率の向上した排熱回収用熱交換器およびそれを具備する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための熱交換ユニット１２と、熱交換ユニット１２を収納するための収納容器２とを具備する排熱回収用熱交換器１であって、収納容器２は、内部を排ガスが通過する耐熱性樹脂にて形成された筒状容器３と、筒状容器３の両側の開口部に配置され、開口部を閉塞する蓋状部材４、５とを具備して構成され、筒状容器２は、内壁６および外壁７からなり、内壁６により形成される熱交換ユニット２を収納する収納部８と、内壁６および外壁７により形成される中空部９とからなる二重構造である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための熱交換ユニットと、該熱交換ユニットを収納するための収納容器とを具備する排熱回収用熱交換器であって、前記収納容器は、内部を排ガスが通過する耐熱性樹脂にて形成された筒状容器と、該筒状容器の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材とを具備して構成され、前記筒状容器は、内壁および外壁からなり、前記内壁により形成される前記熱交換ユニットを収納する収納部と、前記内壁および前記外壁により形成される中空部とからなる二重構造であることを特徴とする排熱回収用熱交換器。
【請求項２】
前記蓋状部材のうち、排ガスが流入する側の前記蓋状部材の外縁が前記収納部に取り付けられるとともに、前記中空部に断熱材が収納されていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収用熱交換器。
【請求項３】
前記中空部が、前記蓋状部材により閉塞されていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収用熱交換器。
【請求項４】
前記中空部に断熱材が収納されていることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収用熱交換器。
【請求項５】
前記筒状容器が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置され、前記筒状容器の下側の前記開口部を閉塞する前記蓋状部材が、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口と、熱交換後の排ガスを排気する排気口とを具備してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の排熱回収用熱交換器。
【請求項６】
燃料電池と、請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器により排ガスと熱交換された湯水を貯湯する貯湯タンクとを具備してなることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の排ガスから熱の回収を効果的に行う排熱回収用熱交換器および排熱回収用熱交換器を具備する燃料電池システム関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池により発電を行なう燃料電池システムが種々提案されている。
【０００３】
この燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電により生じた排ガスの排熱を効果的に回収し、回収した熱を例えば水道水等の被加熱源と熱交換し、水道水に熱を与えて温水にして、その温水を例えば給湯に利用することが提案されている。
【０００４】
あわせて、燃料電池の発電により生じた排ガスの排熱を効果的に回収するための熱交換器が開示されており（例えば、特許文献１参照）、さらにより効果的に排熱を回収すべく、水が流通する配管の外壁に複数のフィンを設けてなり、排ガスの流れと水の流れを対向流とする熱交換器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３１２８５号公報
【特許文献２】特開２００６−１２７７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固体電解質形燃料電池の運転温度が一般に８００〜１０００℃の高温となるため、燃料電池の発電により生じる排ガスの排熱温度も高くなる。それゆえ、従来、熱交換ユニットを収納するための収納容器は、耐熱性が高い材質により作製されており、そのような材質として、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類が用いられていた。
【０００６】
しかしながら、これら金属類により収納容器を作製した場合には、金属類ならではの問題が多々あった。
【０００７】
例えば、金属類は熱伝導率が高いため、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散しやすく、熱交換器の熱交換率が低くなるという問題があった。熱交換器の熱交換率が低い場合には、効率よく燃料電池の発電を行なうことができない。それゆえ、熱交換率の向上を目的に、収納容器の周囲に断熱材を貼り付けたり、巻きつけたりする必要があり、熱交換器の組み立てにおいて、断熱材の組み立ての工程数が多いという問題があった。
【０００８】
また、排ガスの排熱を熱交換することにより排ガス中の水蒸気が液化して凝縮水が生じるが、燃料電池の運転温度が非常に高温の場合には、凝縮水にはＮＯｘ等の不純物が含まれることとなり、凝縮水が酸性となる場合がある。したがって、この酸性の凝縮水により、収納容器が腐食するという問題があった。
【０００９】
さらには、収納容器を金属類で作製した場合には、排熱回収用熱交換器の重量が重くなるという問題もあった。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、熱交換率が向上するとともに、金属類により収納容器を作製した場合に生じる問題を解決可能な、排熱回収用熱交換器および燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の排熱回収用熱交換器は、燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための熱交換ユニットと、該熱交換ユニットを収納するための収納容器とを具備する排熱回収用熱交換器であって、前記収納容器は、内部を排ガスが通過する耐熱性樹脂にて形成された筒状容器と、該筒状容器の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材とを具備して構成され、前記筒状容器は、内壁および外壁からなり、前記内壁により形成される前記熱交換ユニットを収納する収納部と、前記内壁および前記外壁により形成される中空部とからなる二重構造であることを特徴とする。
【００１２】
このような排熱回収用熱交換器では、収納容器を構成する筒状容器が、収納部と中空部からなる二重構造であることから、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散することを抑制することができる。すなわち、排ガスの排熱が、収納部より熱拡散した場合であっても、中空部や外壁により、収納容器の外部に熱拡散することを抑制することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。
【００１３】
また、筒状容器が耐熱性樹脂にて形成されていることから、排ガスの熱交換後に生じる凝縮水により筒状容器が腐食することを有効に防止できるとともに、排熱回収用熱交換器の重量を軽くすることができる。
【００１４】
また本発明の排熱回収用熱交換器は、前記蓋状部材のうち、排ガスが流入する側の前記蓋状部材の外縁が前記収納部に取り付けられるとともに、前記中空部に断熱材が収納されていることが好ましい。
【００１５】
このような排熱回収用熱交換器では、収納部が蓋状部材で閉塞されるように、蓋状部材のうち、排ガスが流入する側の蓋状部材の外縁が前記収納部に取り付けられるとともに、中空部に断熱材が収納されることから、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散することをさらに抑制することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱をより効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。
【００１６】
ここで、中空部に収納される断熱材は、中空部の形状に合わせた断熱材を形成し、形成された断熱材を中空部に挿入するだけで、熱交換ユニットを収納する収納部の周囲を断熱材にて包囲することができる。
【００１７】
それにより、例えば、排熱回収用熱交換器の外壁に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった工程が必要なくなるため、断熱材の組み立ての工程数を減らすことができ、排熱回収用熱交換器を容易に作製することができる。
【００１８】
また本発明の排熱回収用熱交換器は、前記中空部が、前記蓋状部材により閉塞されていることが好ましい。
【００１９】
このような排熱回収用熱交換器では、中空部が蓋状部材により封止されていることから、中空部に充填された空気と収納容器の外部の空気が対流することがなく、中空部の空気により、効果的に断熱効果を得ることができる。したがって、熱交換ユニットによる排熱回収をより効果的に行うことができる。
【００２０】
さらに、蓋状部材は中空部を閉塞すればよいため、排ガスを筒状容器内に流入させるためのガス流通孔の大きさを大きくすることができる。それにより、収納容器に流入される排ガスの圧力損失を少なくすることができる。
【００２１】
また、本発明の排熱回収用熱交換器は、前記中空部に、断熱材が設けられていることが好ましい。
【００２２】
このような排熱回収用熱交換器では、中空部に断熱材が収納されることから、排ガスの排熱が収納容器の外部に熱拡散することをさらに抑制することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱をより効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。
【００２３】
ここで、中空部に収納される断熱材は、中空部の形状に合わせた断熱材を形成し、形成された断熱材を中空部に挿入するだけで、熱交換ユニットを収納する収納部の周囲を断熱材にて包囲することができる。
【００２４】
それにより、例えば、排熱回収用熱交換器の外壁に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった工程が必要なくなるため、断熱材の組み立ての工程数を減らすことができ、排熱回収用熱交換器を容易に作製することができる。
【００２５】
また、本発明の排熱回収用熱交換器は、前記筒状容器が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置され、前記筒状容器の下側の前記開口部を閉塞する前記蓋状部材が、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口と、熱交換後の排ガスを排気する排気口とを具備してなることが好ましい。
【００２６】
このような排熱回収用熱交換器では、排ガスが筒状容器の内部を上から下に流れるように配置されていることから、排ガスが直線状に流れることとなり、排ガスの圧力損失を減少することができる。したがって、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく回収することができる。
【００２７】
ここで、燃料電池の発電により排出される排ガスを、熱交換器にて熱交換した場合、熱交換により生じる凝縮水と熱交換後の排ガスが生じる。
【００２８】
そして、熱交換後に生じた凝縮水は、この凝縮水を回収し、例えば燃料電池に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行う改質器や水タンク等に供給することにより、より効率的に燃料電池の発電を行うことができる。
【００２９】
また、熱交換後の排ガスは、その排ガスの温度が低温（常温程度）となっているため、低温の排ガスが収納容器の収納部内に滞留した場合には、収納容器内の温度が低下し、熱交換率が低下する。それゆえ、熱交換後の排ガスは収納容器の外部に排気することが好ましい。
【００３０】
ここで、収納容器の下面を覆う蓋状部材に、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口と、熱交換後の排ガスを排気する排気口を具備したことから、熱交換により生じた凝縮水を効率よく回収できるとともに、熱交換後の排ガスを収納容器の外部に排気することができる。
【００３１】
そして、筒状容器が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置されることから、熱交換により生じる凝縮水は、効果的に筒状容器の下方へと流れる。ここで、筒状容器の下面を覆う蓋状部材に、熱交換により生じる凝縮水を排水する排水口が設けられていることから、熱交換により生じた凝縮水を効率よく回収することができる。
【００３２】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための上記のうちいずれかに記載の排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器により生じる湯水を貯湯する貯湯タンクとを具備してなることを特徴とする。
【００３３】
本発明の排熱回収用熱交換器を、燃料電池や貯湯タンクを具備する燃料電池システムに組み込むことにより、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく回収することができる。それゆえ、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。
【００３４】
さらに、本発明の排熱回収用熱交換器により回収された凝縮水を、燃料電池に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行う改質器や、改質器に水（水蒸気）を供給するための水タンク等に供給することにより、効率よく燃料電池の発電を行うことができる。したがって、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の排熱回収用熱交換器は、耐熱性樹脂により形成され、内壁と外壁からなる二重構造の筒状容器と、筒状容器の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材とを具備する収納容器の内部に、燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための熱交換ユニットを収納することから、燃料電池より排出される排ガスの熱を効率よく回収することができる。また熱交換ユニットを収納する筒状容器を耐熱性樹脂にて形成したことから、排ガスの熱をより効率よく回収できるとともに、排ガスの熱交換後に生じる凝縮水による筒状容器の腐食が生ずることがない。また、筒状容器を耐熱性樹脂にて形成したことから、熱交換器の重量を軽量化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１は、本発明の排熱回収用熱交換器１を示した分解斜視図であり、熱交換ユニットを収納するための収納容器２を示している。なお、図１において熱交換ユニットは省略している。なお、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。
【００３７】
収納容器２は、内部を排ガスが通過する筒状容器３と、筒状容器３の両側の開口部に配置され、該開口部を閉塞する蓋状部材４、５とから構成されており、筒状容器３は耐熱性樹脂にて形成されている。
【００３８】
筒状部材３は、内壁６および外壁７からなる二重構造であるとともに、熱交換ユニット１２を収納する収納部８と、内壁６と外壁７により形成される中空部９からなる二重構造より形成されている。
【００３９】
したがって、筒状容器３が、収納部８と中空部９からなる二重構造であることから、排ガスの熱が、収納部８より熱拡散した場合であっても、外壁７や中空部９により、収納容器の外部に熱拡散することを抑制することができ、排ガスの排熱が収納容器２の外部に熱拡散することを抑制することができる。それにより、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく熱交換ユニットと接触させることができ、熱交換ユニットによる排熱回収を効率よく行なうことができる。
【００４０】
また、収納容器２（筒状容器３）に流入する燃料電池の発電により生じた排ガスの温度としては、２５０℃以下であるのが好ましく、さらには２００℃以下であるのがより好ましい。この温度域であれば、ボイラーと定義されるものではないため、本発明の排熱回収用熱交換器１を燃料電池システムに組み入れた場合に、安全な燃料電池システムとなる。
【００４１】
それゆえ、筒状部材３を形成する耐熱性樹脂としては、排ガスの温度に対して耐熱性を有している材質のものを用いることができ、例えばポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ＡＢＳ等の一般的に知られている耐熱性樹脂を用いることができ、より好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドを用いることができる。
【００４２】
また、筒状部材３は、上記の耐熱性樹脂にて形成されることから、排ガスの熱交換後に生じる凝縮水により筒状容器３が腐食することを抑制できるとともに、排熱回収用熱交換器１の重量を軽くすることができる。
【００４３】
また、図１において、筒状部材３の収納部８に、排ガスが流入する側の蓋状部材４の外縁が取り付けられており、蓋状部材４は、筒状部材３の収納部８を閉塞し、中空部９は開口するよう配置されている。なお、図１中の点線は、蓋状部材４の外縁が収納部８の外縁と重なり合うこと、すなわち筒状部材３の収納部に蓋状部材４の外縁が取り付けられていることを示している。
【００４４】
また、蓋状部材４は、筒状容器３に排ガスを流入するための、ガスの出入り口であるガス流通孔１１を有している。
【００４５】
ここで、筒状部材３が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置される場合において、筒状部材の上側の開口部を閉塞する蓋状部材４は、排ガスの温度が高いことから、筒状部材３と同様に耐熱性樹脂にて形成されることが好ましいが、筒状部材３の上部においては、排ガスの温度が高く、凝縮水による腐食が生じにくいことから、蓋状部材４は、上述した耐熱性樹脂のほか、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類を用いることもできる。
【００４６】
また、筒状部材３が、内部を排ガスが上から下に流れるように配置される場合において、筒状部材の下側の開口部を閉塞する蓋状部材５は、凝縮水による腐食を抑制するため、樹脂にて形成されることが好ましく、また熱交換後の排ガスは、温度が低温（常温程度）となっていることから、上述した耐熱性樹脂のほか、一般に用いられる樹脂を用いることもできる。
【００４７】
そして、図示はしていないが、このような排熱回収用熱交換器１では、中空部９に断熱材を収納することができる。
【００４８】
それにより、収納部８が蓋状部材４、５で閉塞され、蓋状部材４はその外縁が収納部８に取り付けられるとともに、中空部９に断熱材が収納されることから、燃料電池の発電により排出される排ガスの排熱が、収納容器２の外部に熱拡散することを有効に抑制することができる。
【００４９】
この場合において、断熱材は中空部９の形状に合わせて作製し、作製した断熱材を中空部９に挿入することで、熱交換ユニット１２を収納する収納部８の周囲を断熱材にて包囲することができる。それゆえ、従来のように、筒状容器３の外壁７の外側に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった必要がなく、断熱材の組み立てが非常に容易となり、排熱回収用交換器１の製造が非常に容易となる。
【００５０】
なお、収納容器３には熱交換ユニットの配管を挿通するための孔部１０が設けられている。
【００５１】
図２は、本発明の筒状容器３の収納部８に、熱交換ユニット１２を収納することを示す分解斜視図である。なお、図２において蓋状部材４、５は省略している。
【００５２】
熱交換ユニット１２は、燃料電池より排出される排ガスの流れ方向を軸として蛇行形状に水が流通する配管１３と、排ガス流れ方向に平行に配管１３の外壁に接して複数のフィン１４が設けられている。なお、図２においては、排熱回収用熱交換器１（筒状容器３）の上部から下部に向かって排ガスが流れ、逆に下部から上部に向かって水が流れる、いわゆる対向流となっている。
【００５３】
また図２においては、いわゆるフィンチューブ式熱交換器を筒状容器３に収納する場合を示しているが、たとえば、伝熱面積が大きく、形状をコンパクトにできるプレート式熱交換器を筒状容器３に収納することもできる。
【００５４】
配管１３は、熱交換の効率を向上するため、筒状容器３内に密に収納されているのが好ましく、例えば、蛇行形状、螺旋形状、波型形状等の形状にて作製することができるが、熱交換器１の形状をコンパクトにする上で、蛇行形状であるのが好ましい。なお、配管１３の材質として、排ガスの熱を効率的に回収するため、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類を用いることができる。
【００５５】
さらに、排ガスから配管１３の内側を流れる水への伝熱面積を増加させるために、配管１３の外壁に接してフィン１４が設けられることが好ましく、より効率的に伝熱面積を増加すべく複数のフィン１４が設けられることが好ましい。
【００５６】
また、フィン１４は、排ガスの圧力損失を少なくするよう、配管１３の屈曲部位には設けられずに、排ガス流れ方向に垂直な方向の直線部位に、排ガス流れ方向に平行に配置されている。
【００５７】
複数のフィン１４が設けられる場合には、排ガスの圧力損失を防止すべく、これらフィン１４は所定の間隔で配置されることが好ましい。また、この間隔が狭すぎる場合には、排ガス中の水蒸気が液化して生じる凝縮水がフィンの間隙に溜まり、熱交換率が低下するおそれがあり、一方間隔が広すぎる場合には、排熱の回収効率が悪く、熱交換率が低下するおそれがある。したがって、フィン１４の間隔は、１〜数ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００５８】
また、フィン１４の形状としては、熱交換ユニット１２全体で均等に熱交換が行なわれるよう設計すればよく、例えば、正方形状、長方形状、円盤状等のフィンを適宜選択して使用することができる。さらに、フィン１４の材質としては、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属類を用いることができる。
【００５９】
また、熱交換ユニット１２の配管１３を流れる水の流量としては、熱交換後に得られる湯水の温度が予め設定された温度範囲となるよう適宜設定されるが、０．２リットル／分以下とするのが好ましい。
【００６０】
例えば、１ＫＷ級の固体電解質形燃料電池の排ガス熱量は、例えば筒状容器３に流入する排ガス温度が２１２℃の場合、６６．１ＫＪ／ｍｉｎと計算される。この場合、筒状容器３の中で排ガスと熱交換ユニット１２の配管１３を流れる水との対向流で十分な温度差が確保でき、排ガスから高温の湯水を得ることができる。具体的には、熱交換ユニット１２の配管１３を流れる水の流量を０．２リットル／分以下とすることにより、熱交換器出口での水温を８０℃〜９０℃とすることができる。
【００６１】
図３は、本発明の排熱回収用熱交換器１５を示した分解斜視図であり、熱交換ユニット１２を収納するための収納容器１６を示している。なお、図３において熱交換ユニット１２は省略しているが、上述した熱交換ユニットを用いることができる。
【００６２】
収納容器１６は、図１に示す収納容器２とほぼ同じ形状であり、蓋状部材４’により中空部９が閉塞されていることを特徴とする。
【００６３】
ここで、蓋状部材４’は中空部９を閉塞すればよいため、蓋状部材４’のガス流通孔１１’の孔径を収納部８の孔径と同じ大きさとすることができる。それにより、収納容器２に流入される排ガスの圧力損失を少なくすることができる。なお、図３中の点線は、蓋状部材４’のガス流通孔１１’の孔径と収納部８の孔径が同じ大きさであり、ガス流通孔１１’と収納部８とを重ねあわせて連結することを示している。
【００６４】
また、中空部９は、筒状容器３の上面を覆う蓋状部材４’と筒状容器３の下面を覆う蓋状部材５により閉塞される。それゆえ、中空部９に空気が充填される場合、充填された空気は収納容器１６の外部の空気と対流することがない。したがって、中空部９に充填された空気により、効果的に断熱効果を有することとなる。それにより、収納部８に流入される排ガスの排熱が、収納容器１６の外部に熱拡散することをより有効に防止することができ、熱交換ユニット１２による排熱回収を効率よく行なうことができる。
【００６５】
なお、蓋状部材４’、５はそれぞれ中空部９を閉塞する形状であれば良いが、下面を覆う蓋状部材５は、排ガスを排気する排気口や後述する凝縮水を排水する排水口を設けていることが好ましい。
【００６６】
また、さらに発電効率を高めるにあたっては、中空部９に断熱材を収納することができる。断熱材は中空部９の形状に合わせて作製し、作製した断熱材を中空部９に挿入することで、熱交換ユニット１２を収納する収納部８の周囲を断熱材にて包囲することができる。それゆえ、従来のように、筒状容器３の外壁７の外側に断熱材を貼り付けたり、まきつけたりするといった工程が必要なく、断熱材の組み立てが非常に容易となり、排熱回収用交換器１５の製造が非常に容易となる。
【００６７】
本発明の排熱回収用熱交換器１７の他の実施の形態を図４に示す。筒状容器１８の収納部８に熱交換ユニット１２を装着した分解斜視図であり、蓋状部材４’、５’により中空部９を覆っている。なお、筒状容器１８の上面を覆う蓋状部材４’のガス流通孔１１’の孔径は、収納部８の孔径と同じ大きさである。さらに、筒状容器１８の下面を覆う蓋状部材５’には、凝縮水を排水する排水口２０と排ガスを排気する排気口２１が設けられている。さらに、排気口２１には、吹き出しダクト２２が設けられており、また筒状容器１８には孔部１０をふさぐ蓋２３が設けられている。なお、図５は図４の各構成部材を連結した排熱回収用熱交換器１７の縦断面図を示している。
【００６８】
筒状容器１８は、筒状容器１８の内壁６と外壁７を連結する補強リブ１９を設けることができ、図５においては補強リブ１９を設けた場合を示している。筒状容器１８に補強リブ１８を設けることにより、筒状容器１８の強度を高めることができ、外力からの衝撃による破損を防止することができる。
【００６９】
筒状容器１８の収納部８に流入される排ガスの排熱を、熱交換ユニット１２にて熱交換した場合、排ガスの温度低下に伴い、排ガス中に含まれている水が、凝縮水として生成される。そして、この凝縮水を回収し、例えば燃料電池に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行う改質器や水タンク等に供給することにより、より効率よく燃料電池の発電を行うことができる。
【００７０】
ここで、凝縮水を改質器等に供給するにあたっては、凝縮水にＮＯｘやＳＯｘ等の不純物が含まれていないことが好ましい。したがって、固体電解質型燃料電池の運転温度は１０００℃未満であることが好ましく、より好ましくは８００℃以下であることが好ましい。燃料電池の運転温度が１０００℃以上の場合においては、燃料電池の排ガスの排熱を回収する際に生じる凝縮水が、ＮＯｘやＳＯｘ等の不純物を含有して酸性となる場合がある。それゆえ、これら不純物を含む凝縮水は、中和剤により中和したでなければ再利用できず、凝縮水の再利用の効率が悪くなる。
【００７１】
一方、固体電解質の運転温度を１０００℃以下、好ましくは８００℃以下とした場合には、凝縮水にＮＯｘやＳＯｘ等の不純物がほとんど含まれないため、改質器や水タンク等に供給することにより、凝縮水を効率的に再利用することができる。
【００７２】
収納容器１８の下面を覆う蓋状部材５’に設けられる排水口２０は、蓋状部材５’の下面側（筒状容器１８と連結する面と反対側）に設けることが好ましい。それにより、例えば収納部８の側面を伝って蓋状部材５’の下面側に集まる凝縮水をより効率的に回収することができる。なお、さらに効率よく凝縮水を回収するため、排水口２０の形状を、先細り形状のような斜め形状とすることもできる。
【００７３】
また、熱交換を行なった後の排ガスは、常温程度にまで温度が下がっている。それゆえ、低温の排ガスが収納部８の内部に滞留した場合に、収納部８内の温度が低下し、熱交換率が低下するため、熱交換を行なった後の排ガスは、収納容器１８の外部に排気することが好ましい。
【００７４】
本発明の排熱回収用熱交換器１７においては、収納容器１８の下面を覆う蓋状部材に排気口２１を設けることにより、熱交換を行なった後の排ガスは、排気口２１より収納容器１８の外部に排気される。
【００７５】
なお、凝縮水を排水口２０より、排ガスを排気口２１より排気する気液分離を行なうにあたっては、排水口２０の口径を、排気口２１よりも小さくすることが好ましい。それにより、熱交換後の排ガスは、排水口２０より排気されずに、排気口２１から排気されることとなり、気液分離を行なうことができる。
【００７６】
さらに、熱交換を行なった後の排ガスを筒状容器１８の外部に排気するため、排気口２１に連結して吹き出しダクト２２を設けることもできる。ここで、図４および図５において、吹き出しダクト２２は排ガスを筒状容器１８に対して側面方向に排気した後、下方に向けて排気する場合の形状を示しているが、排熱回収用熱交換器１７の形状や、燃料電池システムの構成等により、吹き出しダクト２２は適宜形状を変更することができる。そのような形状としては、例えば、排気口２１より排気される熱交換を行なった後の排ガスを、排熱回収用熱交換器１７の上方側に排気するような形状があげられる。
【００７７】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池より排出される排ガスの熱を回収するための排熱回収用熱交換器と、排熱回収用熱交換器により生じる湯水を貯湯する貯湯タンクとを具備してなることを特徴とし、その構成の一例を図６に示す。
【００７８】
図６における燃料電池システムは、燃料電池２４、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置２５、酸素含有ガスを燃料電池２４に供給するための酸素含有ガス供給装置２６、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質を行なう改質器２７、給水管２８より供給された水を精製する水処理装置２９と、水処理装置２９により精製された水を貯水するための水タンク３０、水タンク３０に貯水された水を改質器２７に供給するための水ポンプ３１、燃料電池の発電による排ガスを供給するための排ガス供給管３２、排ガス供給管３２より供給された排ガスを湯水に熱交換する排熱回収用熱交換器３３、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク３４、湯水を循環するための循環配管３５、および循環ポンプ３６、により構成されている。なお、図６中の矢印は、水や燃料ガス、酸素含有ガスの流れを示している。
【００７９】
この燃料電池システムにおいては、燃料電池２４より排出された排ガスの熱を、本発明の排熱回収用熱交換器３３により熱交換し、循環配管３５より供給される水を湯水として、貯湯タンク３４に貯水される。
【００８０】
ここで、燃料電池２４より排出された排ガスの排熱を、本発明の排熱回収用熱交換器３３により熱交換することから、燃料電池２４より排出される排ガスの排熱を、効率よく回収することができ、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。
【００８１】
また、排熱回収用熱交換器３３により回収される凝縮水を、燃料電池２４に燃料ガスを供給するための水蒸気改質を行なう改質器２７に供給することで、効率よく燃料電池２４の発電を行なうことができ、より効率の良い燃料電池システムとすることができる。
【００８２】
なお、図６においては、排熱回収用熱交換器３３により回収される凝縮水を改質器２７に供給する場合を示しているが、例えば凝縮水を水タンク３０に供給するよう燃料電池システムを設計してもよく、さらには、本発明の排熱回収用熱交換器３３を、燃料電池２４の発電により生じる排ガスの排熱を利用するほか、例えば改質器２７により生じる排熱を回収するよう、燃料電池システムを設計することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の排熱回収用熱交換器の一例を示す分解斜視図である。
【図２】筒状容器に熱交換ユニットを収納することを示す、本発明の排熱回収用熱交換器の分解斜視図である。
【図３】蓋状部材により中空部が閉塞されることを示す、本発明の排熱回収用熱交換器の分解斜視図である。
【図４】筒状容器に熱交換ユニットを収納し、筒状容器の下面を覆う蓋状部材に、排水口、排気口および吹き出しダクトが設けられていること示す、本発明の排熱回収用熱交換器の分解斜視図である。
【図５】図４に示す各部材を組み合わせた、本発明の排熱回収用熱交換器の縦断面図である。
【図６】本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１、１５、１７、３３：排熱回収用熱交換器
２、１６：収納容器
３、１８：筒状容器
４、４’、５、５’：蓋状部材
６：内壁
７：外壁
８：収納部
９：中空部
１１、１１’：ガス流通孔
１２：熱交換ユニット
１３：配管
１４：フィン
１９：補強リブ
２０：排水口
２１：排気口
２４：燃料電池 
３４：貯湯タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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