(57)【要約】【課題】発電プラント等の設備をコンパクトにすること。【解決手段】熱交換用ダクト６０ｆ及び６０ａは、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１が通る内側通路壁６０ｆｉ又は６０ａｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外側通路壁６０ｆｏ又は６０ａｏを同心状に配置した多重構造となっている。それぞれの排気ｇ１は、ダクト６０ｆ及びダクト６０ａの最内層である内側通路壁６０ｆｉ及び６０ａｉへ導かれる。内側通路壁６０ｆｉ及び６０ａｉと外側通路壁６０ｆｏ及び６０ａｏとの間の空間には、それぞれ被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とが供給される。そして、被加熱流体がこの空間を流れる間に燃料排気及び空気排気から熱回収して昇温する。温度を上昇させたのち燃料ｆ１と空気ａ１とを燃料電池２０へ供給する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れる方向に対して垂直な方向の断面が内側と外側の二重構造であり、且つ内側通路空間には最も温度の高い熱源流体を流し、外側通路空間には前記熱源流体よりも温度の低い被加熱流体を流すことを特徴とする熱交換用ダクト。
【請求項２】
さらに、多重構造とするときは、最も外側に形成される上記空間には最も温度の低い被加熱流体を流すことを特徴とする請求項１に記載の熱交換用ダクト。
【請求項３】
上記熱源流体が流れる通路壁の外側又は内側のうち少なくとも一方にはフィンを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換用ダクト。
【請求項４】
上記熱源流体と上記被加熱流体との流れの向きは互いに対向流であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換用ダクト。
【請求項５】
熱源流体が流れる内側通路と、
前記内側通路の下流側における周囲に設けられて、内部に第一被加熱流体が流れる下流側空間と、
前記内側通路の下流側に設けられて、第二被加熱流体が流れる下流側伝熱手段と、
前記内側通路の上流側における周囲に設けられて、前記下流側伝熱手段を通過した後の第二被加熱流体が流れる上流側空間と、
前記内側通路の上流側に設けられて、前記下流側空間を通過した後の前記第一被加熱流体が流れる上流側第一伝熱手段と、
前記上流側空間内に設けられて、第三被加熱流体が流れる上流側空間内伝熱手段と、
前記通路の上流側に設けられて、前記上流側空間内伝熱手段を通過した後の前記第三被加熱流体が流れる上流側第二伝熱手段と、
を備えたことを特徴とする熱交換用ダクト。
【請求項６】
熱源流体を流す内側通路と、
第一被加熱流体を流す前記内側通路の外側に設けられた第一外側空間と、
最も温度の低い第二被加熱流体を流す前記第一外側空間の外側に設けられた第二外側空間と、
前記第一外側空間の内部に配置されてから前記内管の内部に配置されて前記内管の熱源流体の入口まで第三被加熱流体を流す第一小管と、
前記第二外側空間内の第二被加熱流体を導入した後前記内側通路内の空間に配置されてから、前記第一外側空間の内部に配置される第二小管と、
を備えたことを特徴とする熱交換用ダクト。
【請求項７】
上記第二小管は前記内管内に配置されたまま、上記内管の熱源流体の入口から出ることを特徴とする請求項６に記載の熱交換用ダクト。
【請求項８】
第一流体、第二流体、第三流体に、燃料電池作動流体である空気、水蒸気、および燃料を用いる請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換用ダクト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池やガスタービンの発電機器等から排出される排気を熱交換器等に導くためのダクトに関し、さらに詳しくは、発電プラント等の設備をコンパクト化できる熱交換用ダクトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年広く使用されるガスタービン複合発電プラントは、ガスタービンによって発電機を駆動するとともに、高温のガスタービン排気から熱エネルギーを回収する。そして、この回収した熱エネルギーによって発生させた蒸気で蒸気タービン等を駆動して電力を発生する。
【０００３】
さらに、近時においてはガスタービンと発電効率の高い燃料電池とを組み合わせることによって高いプラント効率を得る、新たな燃料電池複合ガスタービンプラントも提案されている。このような燃料電池複合ガスタービンプラントに使用される燃料電池は一般に作動温度が高いため、例えば、高温の燃料電池排気によって燃料電池の作動流体を加熱する必要がある。
【０００４】
このようなプラントにおいては、高温のガスタービン排気や燃料電池排気を熱源として作動流体を加熱するに際して、両者の間で熱交換させるための熱交換手段が必要となる。また、ガスタービンや燃料電池から排出されるガスタービン排気や燃料電池排気を前記熱交換手段へ導くためのダクト（あるいは配管）も必要となる。
【０００５】
図７は、これまで提案されているガスタービンと燃料電池とを組み合わせた燃料電池複合ガスタービンプラントの一例を示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンプラント９００では、ガスタービン９１０の圧縮機９０２から圧縮空気ａを燃料電池９２０へ供給する。燃料電池９２０では、同時に供給される燃料ｆＦと電気化学反応によって電力が発生する。燃料電池９２０の排気ｇは、タービン９０６へ供給されてこれを駆動し、タービン９０６と同軸に連結した発電機９３０によって電力を得る。タービン入口温度を高めるときは燃焼器９０５で燃料ｆＧを供給する。燃料電池９２０の作動流体である燃料ｆＧと空気ａとは、燃料電池９２０の排気ｇを熱源として熱交換器９４１で加熱された後、燃料電池９２０に供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記燃料電池複合ガスタービンプラント９００においては、熱源流体である燃料電池９２０の排気ｇはダクト９５０によって熱交換器９４１に供給される。このダクト９５０は燃料電池９２０の排気ｇ等を熱交換器９４１に導くものである。一般に、燃料電池複合ガスタービンプラント９００が大型化すれば、熱交換器９４１に供給する燃料電池９２０の排気ｇや燃料ｆＦ等の量も多くなるのでダクト９５０の寸法も大きくなる。同時に熱交換器９４１も大型化するため、プラント設備のスペースが広く必要となる。この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排気等を後流機器に送るダクトにおいて熱交換手段の役割とを同時に備えることにより発電プラント等の設備をコンパクトにできる熱交換用ダクトを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る熱交換用ダクトは、流体の流れる方向に対して垂直な方向の断面が内側と外側の二重構造であり、且つ内側通路空間には最も温度の高い熱源流体を流し、外側通路空間には前記熱源流体よりも温度の低い被加熱流体を流すことを特徴とする。
【０００８】
この熱交換用ダクトは、内側と外側の二重構造であり、内側通路空間には熱源流体を流し、その外側通路空間には被加熱流体を流すようにしてある。これによって、排気等を次の後流機器に送る通路としての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たす。したがって、別途熱交換手段を省略あるいは小型にできるので、設備をコンパクトにできる。
【０００９】
また、請求項２に係る熱交換用ダクトは、請求項１に記載の熱交換用ダクトにおいて、さらに、多重構造とするときは、最も外側に形成される上記空間には最も温度の低い被加熱流体を流すことを特徴とする。このように、温度の低い被加熱流体で温度の高い熱源流体を覆うので、温度の高い燃料電池やガスタービンの排気を従来の単独ダクトに流す場合と比較して、ダクトの外壁面における温度を低くできる。つまり、従来のダクト内を流す場合と比較して、ダクトの外管壁面に作用する熱応力も小さくでき、許容応力も低温のため高くなり、ダクト外管の材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００１０】
また、最も温度の高い熱源流体が流れる最も内側の管の外側は、低温の被加熱流体で覆われるため、燃料電池排気等の熱源流体を単独で従来のダクト内に流す場合と比較して、最も内側の管の壁面内における温度勾配も小さくできる。この点においても、最も内側の管の設計等にも余裕を持たせることができる。
【００１１】
また、請求項３に係る熱交換用ダクトは、請求項１又は２に記載の熱交換用ダクトにおいて、上記熱源流体が流れる通路壁の外側又は内側のうち少なくとも一方にフィンを設けたことを特徴とする。これにより、熱源流体と被加熱流体との伝熱面積が増加するので、熱交換用ダクトの外形寸法を小さくでき、また、同じ外径寸法の伝熱ダクトであれば、熱交換量をより大きくできる。
【００１２】
また、請求項４に係る熱交換用ダクトは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換用ダクトにおいて、上記熱源流体と上記被加熱流体の流れ方向は互いに反対向きであることを特徴とする。熱源流体と被加熱流体の温度差は小さいままで変化するので、熱源流体が流れる最も内側の管の壁面内における熱応力を平行流に比べて小さくできる。これによって、最も内側の管の材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００１３】
また、請求項５に係る熱交換用ダクトは、熱源流体が流れる内側通路と、前記内側通路の下流側における周囲に設けられて、内部に第一被加熱流体が流れる下流側空間と、前記内側通路の下流側に設けられて、第二被加熱流体が流れる下流側伝熱手段と、前記内側通路の上流側における周囲に設けられて、前記下流側伝熱手段を通過した後の第二被加熱流体が流れる上流側空間と、前記内側通路の上流側に設けられて、前記下流側空間を通過した後の前記第一被加熱流体が流れる上流側第一伝熱手段と、前記上流側空間内に設けられて、第三被加熱流体が流れる上流側空間内伝熱手段と、前記通路の上流側に設けられて、前記上流側空間内伝熱手段を通過した後の前記第三被加熱流体が流れる上流側第二伝熱手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
この熱交換用ダクトは、管の下流側に備えた伝熱手段と熱源流体が通過する管の外側とに被加熱流体を通過させて予備加熱し、さらに熱源流体が通過するダクト内に伝熱手段を備えて、予備加熱後の被加熱流体をこの伝熱手段に導いてさらに加熱する。このように、伝熱管群等の伝熱手段を熱源流体が流れる管の上流側及び下流側に備えるので、熱源温度に近い高温で被加熱流体を加熱できる。また、万一熱源流体を流す管に亀裂等が発生したときでも、低温の被加熱流体が緩衝領域を形成して高温の熱源流体が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性が高い。さらに、排気等を次の後流機器に送る配管としての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たすので、別途熱交換手段を省略あるいは小型にでき、設備をコンパクトにできる。
【００１５】
また、請求項６に係る熱交換用ダクトは、熱源流体を流す内側通路と、第一被加熱流体を流す前記内側通路の外側に設けられた第一外側空間と、最も温度の低い第二被加熱流体を流す前記第一外側空間の外側に設けられた第二外側空間と、前記第一外側空間の内部に配置されてから前記内管の内部に配置されて前記内管の熱源流体の入口まで第三被加熱流体を流す第一小管と、前記第二外側空間内の第二被加熱流体を導入した後前記内側通路内の空間に配置されてから、前記第一外側空間の内部に配置される第二小管とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
このような構成により、複数流される被加熱流体のうち少なくとも一つについて、熱交換用ダクトの入口側と出口側との間で熱源流体を変更できるので、被加熱流体の伝熱設計における自由度が向上する。また、最外周である第一外側空間や第二外側空間に不活性流体を流せば、万一熱源流体が流れる内管等が破損した場合であっても不活性流体が緩衝領域となって熱源流体の漏洩を防止する。これによって、設備の安全性を高くできる。さらに、排気等を次の後流機器に送る配管としての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たすので、別途熱交換手段を省略あるいは小型にでき、設備をコンパクトにできる。
【００１７】
また、請求項７に係る熱交換用ダクトは、請求項６に記載の熱交換用ダクトにおいて、上記第二小管は前記内管内に配置されたまま、上記内管の熱源流体の入口から出ることを特徴とする。このような構成によれば、燃料電池の排気温度まで燃料電池の作動流体の温度を上昇させることができる。これによって、作動流体用の最終仕上げのための昇温の熱交換器が不要になるので、その分構成を簡単に、つまり製造コストを低減できる。
【００１８】
また、上記いずれの熱交換用ダクトにおいて、第一流体、第二流体、第三流体に、燃料電池作動流体である空気、水蒸気、および燃料を用いてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この発明に係る熱交換用ダクトが適用できるプラントは、燃料電池複合ガスタービンプラントに限られるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る熱交換用ダクト及びこれを適用した燃料電池複合ガスタービンプラントを示す説明図である。この熱交換用ダクトは、燃料電池２０の排気ｇ１を熱交換器５９等へ導くとともに、燃料電池２０の作動流体や蒸気タービン用の蒸気を加熱する点に特徴がある。なお、次の説明においては、本発明に係る熱交換用ダクトを構成するために管を用いるが、当該管の断面形状は円形に限定されるものではなく、方形、多角形その他ダクトとして使用し得るすべての形状が含まれるものとする（以下の実施の形態でも同様）。
【００２１】
図１（ｂ）は、燃料電池２０の排気ｇ１を熱交換器５９へ導くための配管である熱交換用ダクト６０を示す断面図である。この熱交換用ダクト６０ｆ及び６０ａは、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１が通る内管（内側通路）６０ｆｉ又は６０ａｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外管（外側通路）６０ｆｏ又は６０ａｏを同心状に配置した二重管となっている。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、燃料電池２０からは、燃料排気と空気排気が一体に排出しているが、別々に排出しても構成できる。同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、それぞれの排気ｇ１は、燃料排気熱交換用ダクト６０ｆ及び空気排気熱交換用ダクト６０ａの最内層である内管６０ｆｉ及び内管６０ａｉへ導かれる。内管６０ｆｉ及び内管６０ａｉと外管６０ｆｏ及び外管６０ａｏとの間の空間（外側通路空間）には、それぞれ被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とが供給される。そして、被加熱流体がこの空間を流れる間に燃料排気及び空気排気から熱回収して昇温する。温度を上昇させたのち燃料ｆ１と空気ａ１とを燃料電池２０へ供給する。
【００２３】
また、図１（ｃ）に示すように、熱交換用ダクト６０’の外管６０ｏと内管６０ｉとの間の空間に設けられた仕切り板６０ｔによって、熱交換用ダクト６０’の前記空間を二つに仕切り、それぞれの空間に燃料ｆ１と空気ａ１とを流すようにしてもよい。このようにすると、一つの熱交換用ダクトによって燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱できるので、熱交換用ダクトが一つで済み、設置スペースを小さくできる。このとき、後述する図２に示すように、内管６０ｉに伝熱フィンを設けて、排気ｇ１と燃料ｆ１及び空気ａ１との伝熱を促進させるなどの工夫をとり入れて、伝熱効率を高めることができる。これにより、熱交換用ダクト６０’の外径寸法を小さくでき、また、同じ外形寸法の伝熱ダクトであれば、より熱交換量を大きくできる。
【００２４】
なお、この燃料排気熱交換用ダクト６０ｆ、空気排気熱交換用ダクト６０ａ及び熱交換用ダクト６０’においては、高温の熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１の外側を低温の被加熱流体である作動流体が取り囲むようにしてある。この結果、支持や断熱処置はより低温の外配管について行えるため、安全性の高い設計ができる。
【００２５】
また、上記熱交換用ダクトは、温度の高い燃料電池の排気を従来の単独ダクト内に流す場合と比較して外管６０ｏの壁面における伝熱温度勾配を小さくできる。つまり、単独ダクト内を流す場合と比較して、外管６０ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６０ｏの材料選択や設計に余裕を持たせることができる。また、内管６０ｉ内には高温の燃料電池の排気ｇ１が流れるが、この外部を燃料ｆ１や空気ａ１で覆うため、この排気ｇ１を従来の単独ダクト内に流す場合と比較して、外管６０ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。この点においても、外管６０ｏの設計等にも余裕を持たせることができる。
【００２６】
また、熱源流体と被加熱流体の流れ方向を互いに反対向きにしているので、熱源流体と被加熱流体の温度差は小さいままで変化する。これによって、内管６０ｉの壁面内における温度勾配をより小さくできるので、内管６０ｉの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００２７】
この熱交換用ダクト６０ｆ、６０ａ及び６０では、燃料電池２０の排気を蒸気過熱器６０ｓも含めて補助タービン（図示せず）等に送るために必ず必要となる配管（ダクト）に内蔵するので、設置スペースの節減に有効である。なお、下流の５９では、ＨＲＳＧからの蒸気ｓ１を蒸気用熱交換器５９Ｓで加熱するが、空気ａ１を空気用熱交換器５９ａで加熱することも可能である。
【００２８】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。なお、次の説明においては、燃料電池２０の燃料を加熱するための熱交換用ダクト６０ｆを例にとって説明するが、他の熱交換用ダクト６０ａ、及び６０（図１（ｂ）、（ｃ）参照）にも同様に適用できる。図２に示すように、熱交換用ダクト６０ｆ等の伝熱面積を増大させるため、図２（ａ）に示すように、内管６０ｆｉにフィン１２０を設けてもよい。また、同図（ｂ）のように、内管６０ｉの外側と内側とに伝熱フィン１２１と１２２とを設けてもよい。このようにすると、熱源流体からの伝熱をさらに促進できるので、より熱交換量を大きくできる。
【００２９】
さらに、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、伝熱フィンをピンフィン１２３としてもよい。伝熱フィンにピンフィン１２３を使用すると、図２（ｄ）に示すように、ピンフィン１２３を千鳥状に配列できる。これによって、流体を乱流混合させる作用を強くできるのでより伝熱の促進に有効である。また、同図（ｅ）に示すように、内管壁を波状に構成して伝熱面積を大きくしてもよい。
【００３０】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。この熱交換用ダクト６１は、熱源流体が通過する内管（内側通路）６１ｉの外に被加熱流体を通過させて予備加熱し、さらに熱源流体が通過する内管６１ｉの上流側に伝熱手段を備えて、予備加熱後の被加熱流体をこの伝熱手段に導いてさらに加熱する点に特徴がある。なお、図３に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【００３１】
この熱交換用ダクト６１は、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１を、熱交換用ダクト６１の軸方向に垂直な断面内中心部に配置された内管６１ｉへ流すようにしてある。そして、内管６１ｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外管６１ｏが設けられている。外管６１ｏと内管６１ｉとの間の空間は、外管６１ｏと内管６１ｉとの間に上流側と下流側との流れを遮断するように設けられた仕切り板６１ｔによって、上流側空間６１ｕと下流側空間６１ｄとに区切られている。
【００３２】
また、熱交換用ダクト６１の下流側曲がり部６１ｂｄには、下流側伝熱手段である下流側伝熱管群１３０が備えられている。また熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１の温度が高い方、すなわち上流側曲がり部６１ｂｕには、第一上流側伝熱手段である第一上流側伝熱管群１３１及び第二上流側伝熱手段である第二上流側伝熱管群１３２が備えられている。このように、上流側曲がり部６１ｂｕにおいては、二種類の異なる被加熱流体を昇温させる。
【００３３】
燃料電池２０に供給される空気ａ１は、下流側空間６１ｄへ供給され、ここで熱源流体である排気ｇ１と熱交換して昇温する。この空気ａ１は、下流側空間６１ｄから出た後、配管１４０を通って上流側曲がり部６１ｂｕに設けられている第一上流側伝熱管群１３１へ送られて、ここで温度の高い上流側の排気ｇ１と熱交換する。そして所定の温度まで昇温した後、燃料電池２０へ供給される。
【００３４】
また、燃料電池２０に供給される燃料改質用の蒸気ｓ１は、下流側曲がり部６１ｂｄに備えられている下流側伝熱管群１３０へ供給され、ここで熱源流体である排気ｇ１と熱交換して昇温する。蒸気ｓ１は、下流側伝熱管群１３０から出た後１３０Ａで取り出され、１４１Ａから戻る蒸気ｓ１が上流側空間６１ｕへ送られる。この蒸気ｓ１は、内管６１ｉの壁面を介して温度の高い上流側の排気ｇ１と熱交換して所定の温度まで昇温した後、燃料電池２０へ供給される。
【００３５】
また、燃料ｆ１は上流側空間６１ｕ内に設けられている上流側空間内伝熱手段の伝熱管群１３３へ導かれ、上流側空間６１ｕの蒸気ｓ１１及びｓ１２によって加熱される。そして、配管１４２を通って上流側曲がり部６１ｂｕに設けられている第二上流側伝熱管群１３２へ送られて、ここで排気ｇ１によって加熱された後、燃料電池２０へ供給される。このように、下流側伝熱管群１３０や第一上流側伝熱管群１３１等を使用して空気ａ１や燃料ｆ１等を加熱するので、伝熱効率を高くできる。
【００３６】
この熱交換用ダクト６１は、外管６１ｏと内管６１ｉとの間に相対的に低圧・低温の被加熱流体（空気ａ１と蒸気ｓ１）を流して高温の排気ｇ１と熱交換させる。このため、万一内管６１ｉに亀裂等が発生したときでも、低温の作動流体が緩衝領域を形成して高温の熱源流体が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性が高い。
【００３７】
また、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６１ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。したがって、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６１ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６１ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。さらに、下流側伝熱管群１３０及び第一上流側伝熱管群１３１等は熱交換用ダクト６１の上流側曲がり部６１ｂｕ及び下流側曲がり部６１ｂｄに設けられているため、分解・組立が容易であり、また保守・点検の手間も軽減できる。
【００３８】
（実施の形態４）
図４は、実施の形態４に係る熱交換用ダクトを示す断面図である。この熱交換用ダクト６２は、次の点に特徴がある。すなわち、複数の管を組み合わせて熱交換用ダクト６２内を多層に仕切り、最も温度の高い流体である熱源流体をダクトの最内層である中心部分に流す。そして、最も温度の低い被加熱流体を熱交換用ダクト６２の最外層に流し、両者の中間の温度を持つ被加熱流体を熱交換用ダクト６２の中心と最外層との間へ流す。なお、図４に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【００３９】
この熱交換用ダクト６２は、燃料電池２０に供給する燃料ｆ１と、この燃料ｆ１とともに燃料電池２０へ供給されて燃料ｆ１を改質する蒸気ｓ１と、燃料電池２０に供給する空気ａ１とを流して、これらと燃料電池２０の排気ｇ１との間で熱交換させる。最も温度の高い流体である燃料電池２０の排気ｇ１は、熱源流体として熱交換用ダクト６２の最内層である第一内管（内側通路空間）６２ｉ１を流れる。
【００４０】
また、最も温度の低い被加熱流体である空気ａ１は、熱交換用ダクト６２の最外層である、第三内管６２ｉ３と外管６２ｏとの間に形成される空間（外側通路空間）を流れる。排気ｇ１と空気ａ１との間の温度である燃料ｆ１と蒸気ｓ１とは、その温度に応じて熱交換用ダクト６２の第二層１５２又は第三層１５３を流れる。この例においては、第二層１５２を蒸気ｓ１が流れ、第三層１５３を燃料ｆ１が流れる。ここで、第二層１５２は第一内管６２ｉ１と第二内管６２ｉ２との間に形成される空間であり、第三層１５３は第二内管６２ｉ２と第三内管６２ｉ３との間に形成される空間である。
【００４１】
この熱交換用ダクト６２は、低温の流体である空気ａ１を最外層に流し、この空気で高温の流体を覆うようにしてある。これによって、万一、第一内管６２ｉ１や第二内管６２ｉ２等が破損したとき、最外層を流れる空気ａ１が緩衝領域となってより高温の流体が外部に噴出することを防止できる。これによって、熱交換用ダクト６２の安全性を確保できる。
【００４２】
また、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６２ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。したがって、温度の高い燃料電池２０の排気を従来の単独ダクト内を流す場合と比較して、外管６２ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６２ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００４３】
さらに、燃料ｆ１は、排気ｇ１によって加熱された蒸気ｓ１によって間接的に加熱されるため、排気ｇ１による直接加熱に比べ燃料の炭化を抑制して、熱交換用ダクト６２内を清浄に維持できる。このため、保守・点検の周期を長くでき、また、熱交換用ダクト６２の寿命も延ばすことができる。ここで、蒸気ｓ１と燃料ｆ１とを流す層はここで説明した例に限られず、蒸気ｓ１と燃料ｆ１との温度条件に応じて、両者を流す層を入れ替えてもよい。
【００４４】
なお、第一内管６２ｉ１や第二内管６２ｉ２等には、図２に示すような伝熱フィン１２０等を設けてもよい。このようにすると、各層を流れる流体同士の伝熱を促進できるため好ましい。また、この熱交換用ダクト６２だけでは燃料ｆ１や空気ａ１等の加熱が不十分である場合には、この熱交換用ダクト６２の後段に熱交換器等の加熱手段を設け、例えばガスタービンの排気等の高温熱源流体によって、燃料電池２０の作動温度まで燃料ｆ１等を加熱することが好ましい。
【００４５】
（実施の形態５）
図５は、実施の形態５に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。この熱交換用ダクト６３は、複数流される被加熱流体のうち少なくとも一つについて、熱交換用ダクト６３の入口側と出口側との間で熱源流体を変更する点に特徴がある。なお、図５に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【００４６】
この熱交換用ダクト６３は、予熱部６３ｐと、仕上げ部６３ｆとによって構成されている。予熱部６３ｐは、第一内管６３ｉ１を内部に備えた第二内管６３ｉ２が、外管６３ｏの内部に配置されている。また、第一内管（内側通路）６３ｉ１と第二内管６３ｉ２との間に形成される第一外側空間１６０には、第一内管６３ｉ１の周方向に向かって複数本（ここでは三本）の燃料用小管１５０（第一小管）が配置されている。なお、第一内管６３ｉ１及び第二内管６３ｉ２には、図２に示すような伝熱フィン１２０等を設けてもよい。このようにすると、各空間を流れる流体同士の伝熱を促進できるため好ましい。また、燃料用小管１５０や後述する空気用小管１５１にも同様に伝熱フィンを設けると、より効率よくこれらの内部を流れる燃料ｆ１や空気ａ１を加熱できるため好ましい。
【００４７】
仕上げ部６３ｆはその前半と後半とで構造が異なっている。仕上げ部前半６３ｆｕは、仕上げ部入口６３ｆｉから仕上げ部６３ｆの途中までの領域であり、仕上げ部後半６３ｆｄは、仕上げ部６３ｆの途中から仕上げ部出口６３ｆｏまでの領域である。仕上げ部６３ｆ全体は、外管６３ｏの内部に第一内管６３ｉ１を配置した構造である。
【００４８】
仕上げ部前半６３ｆｕにおける第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間の空間、すなわち第一外側空間１６０には、上記燃料用小管１５０が配置されている。さらに、第一内管６３ｉ１の内部には、予熱部６３ｐにおける第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間の空間（第二外側空間１６１）に導入された被加熱流体（ここでは空気ａ１）を導くための空気用小管１５１（第二小管）が複数本配置されている。
【００４９】
仕上げ部後半６３ｆｄにおける第一外側空間１６０には、上記燃料用小管１５０が配置されている。図５（ａ）に示すように、仕上げ部前半６３ｆｕにおいて第一外側空間１６０に配置されていた燃料用小管１５０は、仕上げ部６３ｆの中心部付近で第一内管６３ｉ１の内部に入り込むようになっている。また、仕上げ部後半６３ｆｄにおける第一外側空間１６０には、上記空気用小管１５１が配置されている。
【００５０】
また、この熱交換用ダクト６３においては、熱源流体である燃料電池２０からの排気ｇ１は、仕上げ部６３ｆから予熱部６３ｐへ向かって流れる。一方、被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とは、予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。また、燃料ｆ１を改質するために燃料ｆ１とともに燃料電池２０へ供給される蒸気ｓ１も予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。
【００５１】
次に、この熱交換用ダクト６３における熱源流体及び被加熱流体の流れについて説明する。燃料電池２０からの排気ｇ１は、熱交換用ダクト６３の仕上げ部６３ｆ側から第一内管６３ｉ１へ流れ込む。そして、この第一内管６３ｉ１内を予熱部６３ｐ側に向かって流れる過程で、第一内管６３ｉ１内に配置された燃料用小管１５０内の燃料ｆ１や第一内管６３ｉ１外部を流れる蒸気ｓ１等と熱交換してこれらを加熱する。
【００５２】
なお、最も温度の高い熱源流体である燃料電池２０からの排気ｇ１は、仕上げ部６３ｆ、予熱部６３ｐともにこの熱交換用ダクト６３の最内層である第一内管６３ｉ１の内部を流れる。そして、その外側には、被加熱流体である燃料ｆ１、空気ａ１、蒸気ｆ１のうち少なくとも一つが流れるようになっている。
【００５３】
被加熱流体である燃料電池２０の作動流体である燃料ｆ１は、燃料用小管１５０の予熱部６３ｐ側から流れ込む。また、燃料用小管１５０が配置されている第一外側空間１６０には蒸気ｓ１が流れており、第一内管６３ｉ１内の排気ｇ１によって加熱される。そして、燃料用小管１５０内を流れる燃料ｆ１は、この蒸気ｓ１を介して燃料電池２０の排気ｇ１によって間接的に加熱された後、仕上げ部前半６３ｆｕへ流れる。また、燃料電池２０に供給される空気ａ１は、第一外側空間１６０を熱交換用ダクト６３の予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。その過程で、空気ａ１は第一外側空間１６０内を流れる蒸気ｓ１によって加熱されて、仕上げ部前半６３ｆｕへ流入する。また、燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱した後の蒸気ｓ１も、仕上げ部前半６３ｆｕへ流れる。
【００５４】
燃料ｆ１は燃料用小管１５０内を流れる。この燃料用小管１５０は、仕上げ部前半６３ｆｕにおいて第一外側空間１６０内に配置される。予熱部６３ｐで燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱した蒸気ｓ１は、第一外側空間１６０を熱交換用ダクト６３の出口に向かって流れる。その過程で、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１から熱を受け取り、燃料用小管１５０内を流れる燃料ｆ１を加熱する。なお、仕上げ部前半６３ｆｕから仕上げ部後半６３ｆｄに移る部分で、燃料用小管１５０が配置される場所は、第一外側空間１６０から第一内管６３ｉ１の内部に変化する。
【００５５】
空気ａ１は、仕上げ部前半６３ｆｕに入る際に第二外側空間１６１から複数の空気用小管１５１内へ導かれる。そして、第二外側空間１６１を形成していた第二内管６３ｉ２は、図５（ａ）に示すように、予熱部６３ｐの終端６３ｐｏで外管６３ｏと一体となる。空気用小管１５１は第一内管６３ｉ１内に配置されているため、空気用小管１５１内を流れる空気ａ１は、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１によって燃料電池２０の作動温度まで加熱される。なお、仕上げ部前半６３ｆｕから仕上げ部後半６３ｆｄに移る部分で、空気用小管１５１が配置される場所は第一内管６３ｉ１内から第一外側空間１６０へ変化する。
【００５６】
仕上げ部後半６３ｆｄにおいて、燃料用小管１５０は第一内管６３ｉ１内に配置されており、燃料ｆ１は第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１によって、燃料電池２０の作動温度まで加熱される。一方、蒸気ｓ１も、第一外側空間１６０を流れる過程で、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１から熱を受け取って加熱される。加熱後の燃料ｆ１と蒸気ｓ１とは共に燃料電池２０へ供給される。
【００５７】
空気ａ１は第一外側空間１６０内部に配置される空気用小管１５１内を流れる。また、第一外側空間１６０を流れる蒸気ｓ１は排気ｇ１によって加熱されている。このため、空気用小管１５１の内部を流れる空気ａ１は、ほとんど温度を下げないで燃料電池２０へ供給される。
【００５８】
この熱交換用ダクト６３には、最外周である第一外側空間１６０や第二外側空間１６１に、不活性流体である空気又は蒸気を流す。このため、万一燃料用小管１５０や排気ｇ１が流れる第一内管６３ｉ１が破損して燃料ｆ１や排気ｇ１が漏れた場合でも、不活性流体である空気等が緩衝領域となって燃料ｆ１等の反応を防止する。これによって、設備の安全性を高くできる。
【００５９】
また、この熱交換用ダクト６３は、最外周である第二外側空間１６１等に温度の低い流体を流し、温度の高い流体である燃料電池２０の排気を最内周に配置された第一内管６３ｉ１内を流す。このため、温度の高い燃料電池２０の排気ｇ１を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６３ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。これによって、外管６３ｏの材料選択や設計に余裕を持たせることができる。また、複数流される被加熱流体のうち少なくとも一つについて、熱交換用ダクト６３の入口側と出口側との間で、例えば燃料ｆ１の熱源流体を蒸気ｓ１から燃料電池２０の排気ｇ１へ変更できる。このため、空気ａ１や燃料ｆ１等の被加熱流体の加熱条件設定における自由度が向上する。
【００６０】
さらに、この熱交換用ダクト６３は、排気等を次の後流機器に送る配管としての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たす。したがって、別途熱交換手段を省略あるいは小型にできるので、設備をコンパクトにできる。なお、この熱交換用ダクト６３のみでは十分な伝熱性能を発揮できない場合には、小型の熱交換手段を設ける。
【００６１】
また、熱源流体と被加熱流体との流れの向きを互いに反対にしているので、熱源流体と被加熱流体とは徐々に温度変化する。これによって、第一内管６３ｉ１や第二内管６３ｉ２の壁面内における温度勾配をより小さくできるので、第一内管６３ｉ１や第二内管６３ｉ２の材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００６２】
（変形例）
図６は、実施の形態５の変形例に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。なお、図６においては熱交換用ダクト６３ａの上半分のみを表している。この熱交換用ダクト６３ａでは、仕上げ部６３ｆ全領域にわたって空気用小管１５１を第一内管６３ｉ１内に配置する。また、仕上げ部後半６３ｆｄにおいては、燃料用小管１５０も第一内管６３ｉ１内に配置する。
【００６３】
仕上げ部前半６３ｆｕまでに第一外側空間１６０を流れる蒸気ｓ１で加熱された空気ａ１は、仕上げ部６３ｆで燃料電池２０の排気ｇ１によって加熱される。また燃料ｆ１は、仕上げ部前半６３ｆｕまでは排気ｇ１よりも温度の低い蒸気ｓ１によって加熱される。そして、仕上げ部後半６３ｆｄにおいて、燃料ｆ１は燃料電池２０の排気ｇ１によって加熱される。これによって、燃料電池２０の作動温度まで空気ａ１と燃料ｆ１との温度を上昇させることができる。
【００６４】
上記熱交換用ダクト６３では、空気ａ１を燃料電池２０へ供給する前に、ガスタービン１０の排気や燃料電池２０の排気ｇ１等によって、燃料電池２０の作動温度まで昇温させる必要があった。しかし、この熱交換用ダクト６３ａによれば、設計を最適化することによって、仕上げ部出口６３ｆｏにおける空気ａ１及び燃料ｆ１の温度を燃料電池２０の作動温度まで上昇させることもできる。これによって、空気ａ１用の熱交換器が不要になるので、その分構成を簡単にでき、また製造コストも低減できる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る熱交換用ダクト（請求項１）は、内側と外側の二重構造であり、内側通路空間には熱源流体を流し、その外側通路空間には被加熱流体を流すようにした。このため、排気等を次の後流機器に送るダクトとしての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たすので、別途熱交換手段を省略あるいは小型にでき、設備をコンパクトにできる。
【００６６】
また、この発明に係る熱交換用ダクト（請求項２）は、上記熱交換用ダクトにおいて、最も外側に形成される空間には最も温度の低い被加熱流体を流すようにした。このように、温度の低い被加熱流体で温度の高い熱源流体を覆うので、従来の単独ダクト内に熱源流体を流す場合と比較して、ダクトの壁面に作用する熱応力も小さくできる。そして、ダクトの材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００６７】
また、この発明に係る熱交換用ダクト（請求項３）は、上記熱交換用ダクトにおいて、熱源流体が流れる通路の隔壁の外側又は内側のうち少なくとも一方にフィンを設けた。これにより、熱源流体と被加熱流体との伝熱面積が増加するので、熱交換用ダクトの外形寸法を小さくでき、また、同じ外径寸法の伝熱ダクトであれば、より熱交換量を大きくできる。
【００６８】
また、この発明に係る熱交換用ダクト（請求項４）は、上記熱交換用ダクトにおいて、熱源流体と被加熱流体との流れの向きは互いに反対とした。これによって、熱源流体が流れる最も内側の管の壁面内における温度勾配をより小さくできるので、当該管の材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【００６９】
また、この発明に係る熱交換用ダクト（請求項５，６）は、伝熱管群等の伝熱手段を熱源流体の上流側及び下流側に備えたので、被加熱流体を熱源温度に近く加熱できる。また、熱源流体の漏洩に対しても、低温の被加熱流体が緩衝領域を形成して高温の熱源流体が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性が高い。
【００７０】
また、この発明に係る熱交換用ダクトは、排気等を次の後流機器に送るダクトとしての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たすので、別途熱交換手段を省略あるいは小型にでき、設備をコンパクトにできる。また、最外周である第一外側空間や第二外側空間に不活性流体を流すことで、万一熱源流体通路壁が破損した場合であっても不活性流体が緩衝領域となって熱源流体の漏洩を防止する。これによって、設備の安全性を高くできる。
【００７１】
また、この発明に係る熱交換用ダクト（請求項７）は、第二小管を前記ダクト内に配置したまま、その熱源流体の入口から出すようにした。このような構成で設計を最適化させることによって、例えば燃料電池の作動温度まで燃料電池の作動流体の温度を上昇させることもできる。これによって、作動流体用の熱交換器が不要になるので、その分構成を簡単にでき、また製造コストも低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る熱交換用ダクト及びこれを適用した燃料電池複合ガスタービンプラントを示す説明図である。
【図２】実施の形態２に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。
【図３】実施の形態３に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。
【図４】実施の形態４に係る熱交換用ダクトを示す断面図である。
【図５】実施の形態５に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。
【図６】実施の形態５の変形例に係る熱交換用ダクトを示す説明図である。
【図７】これまで提案されているガスタービンと燃料電池とを組み合わせた燃料電池複合ガスタービンプラントの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０　ガスタービン
１２　補助タービン
２０　燃料電池
６０、６０ａ、６０ｆ、６１、６２、６３、６３ａ　熱交換用ダクト
【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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【図７】
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